Báo cáo Đồ Án môn học thiết kế hệ thống cơ khí nhiệm vụ thiết kế thiết kế hệ dẫn dộng cho kho hàng tự Động

Tiêu biểu chính là kho hàng của Amazon – một nhà kho không có công nhân chỉ có các xe tự hành có thể vận hành lấy hàng, cất hàng trong kho một cách tự động, chính xác và hiệu quả.Vậy nên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN CƠ KHÍ



BÁO CÁO ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Thiết kế hệ thống cơ khíNhiệm vụ thiết kế: Thiết kế hệ dẫn dộng cho kho hàng tự động

Giáo viên hướng dẫn:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI SME.EDU - Mẫu 6.a

Ngày giao nhiệm vụ: …/…/20…; Ngày hoàn thành: …/…/20…

II Số liệu cho trước:

1 Thời hạn phục vụ: l h = ……… (h)

2 Đặc tính tải trọng: êm va đập nhẹ va đập vừa

Cụm xe nâng:

3 Đường kính lăn bánh răng 3 d3 = ……… (mm)

4 Chiều cao xe nâng h = ……… (mm)

5 Chiều dài xe nâng L = ……… (mm)

11 Chiều dài xe di chuyển L1 = ……… (mm)

12 Chiều dài phần đặt hàng trên xe L2 = ……… (mm)

III Nội dung thực hiện:

1 Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật

- Xây dựng bản vẽ chế tạo 1 chi tiết

4 Mô phỏng nguyên lý hoạt động (động học)

Lời nói đầu

Ngày nay, do sự phát triển của công nghệ, xã hội văn hóa tiêu dùng của con người đã thay đổi Nhờ sự phát triển của công nghệ giúp việc mua hàng đãtrở nên dễ dàng hơn nhờ các ứng dụng mua sắm online Do lượt người dùng tăng có nên việc quản lý được kho hàng của mình để có thể tối ưu hóa nhất trong chuỗi cung ứng là rất cần thiết Vì vật chúng ta đã thấy sự ra đời của các kho hàng tự động Tiêu biểu chính là kho hàng của Amazon – một nhà kho không có công nhân chỉ có các xe tự hành có thể vận hành lấy hàng, cất hàng

trong kho một cách tự động, chính xác và hiệu quả.Vậy nên em đã chọn Kho

hàng tự động là đề tài để thiết kế và tìm hiểu trong đồ án môn học.

Hệ thống cơ điện tử là một hệ thống lớn áp dụng nhiều kiến thức

chuyên môn Trong đồ án thiết kế cơ khí lần này em sẽ phân tích yêu cầu hoạt động của hệ thống để từ đó thiết kế ra hệ thống cơ khí cho hệ thống kho hàng

tự động Đồ án của em gồm 3 phần:

- Phần 1: Tìm hiểu về kho hàng tự động Bao gồm chương 1

- Phần 2: Tính toán thiết kế hệ thốn cơ khí Bao gồm các chương 2,3,4

- Phần 3: Vẽ bản vẽ 3D và 2D bằng SolidWorks Bao gồm chương5

Tuy bước đầu đã có kết quả, nhưng đây là đồ án đầu tiên mà em thực hiệnnên không tránh khỏi những sai sót do thiếu kinh nghiệm thực tế Em rất mongnhận được sự chỉ bỏa của các thầy cô để đồ án của em được hoàn thiện hơn. 

Sau cùng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô Mạc Thị Thoa cùng toànthể các thầy cô đã hướng dẫn chỉ bảo và giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho emhoàn thành đồ án

Hà Nội, ngày …tháng … năm 2022

Sinh viên thực hiện

Mục lục

Lời nói đầu 4

Mục lục 5

Chương 1: Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật 6

1 Tổng quan về hệ thống 6

2 Nguyên lý hoạt động 8

3 Các thành phần của hệ thống dẫn động 8

Chương 2: Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí 10

1 Xác định công suất yêu cầu của động cơ 10

2 Phân phối tỉ số truyền: 12

3 Tính các thông số trên trục: 12

4 Tính thiết kế bộ truyền động xích 14

5 Thiết kế bộ truyền động bánh răng 19

5.1 Chọn vật liệu 19

5.2 Tính toán bộ truyền cấp nhanh 21

5.3 Tính toán bộ truyền cấp chậm 28

Chương 3: Tính toán trục 35

1 Tính toán lực tác dụng lên trục 35

2 Tính sơ bộ đường kính trục 35

3 Xác định khoảng cách giữa các gối đỡ và điểm đặt lực 36

4 Xác định lực và mô men đặt lên trục 37

5 Xác định đường kính các đoạn trục: 39

6 Kiểm nghiệm trục về độ bền mỏi: 40

Chương 4: Lựa chọn kết cấu 43

1 Thiết kế vỏ hộp giảm tốc 43

2 Chọn các chi tiết khác 44

Chương 5: Xây dụng bản vẽ 46

1 Bản thiết kế 3D 46

2 Bản vẽ 2D 48

Kết luận 50

Tài liệu tham khảo 51

Chương 1: Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật

1 Tổng quan về hệ thống

1.1 Kho hàng tự động là gì ?

Kho chiếm một vai trò quan trọng trong chuỗi cung ứng Là một phần cốt lõi của quản lý hậu cần, kho của bạn không chỉ là một hoạt động phụ trợ lưu trữ hàng hóa, vật liệu hoặc tài sản Đó là một liên kết quan trọng cơ bản cho sự thành công của chuỗi cung ứng lớn hơn mà nó được kết nối Các vấn

đề hoặc sự chậm trễ trong hoạt động kho có thể chảy xuôi dòng để tác động đến việc lập hóa đơn, dòng tiền và sự hài lòng của khách hàng

Kho hàng tự động còn được biết đến với tên gọi là kho hàng thông minh, hệ thống nhà kho thông minh Hệ thống này dùng các khung kệ chứa hàng kết hợp với đó là robot cấp và lấy hàng tự động, xe tự hành AVG, cầu trục, băng tải để di chuyển hàng hóa cất vào kho hoặc xuất hàng đưa sang các dây chuyền khác Ngoài ra không thể thiếu phần mềm để điều khiển và lưu trữthông tin Kho tự động là một phần không thể thiếu của một nhà máy hiện đại

Hệ thống kho tự động giúp giải phóng gần như hoàn toàn sức lao động của con người

Mô hình nhà kho tự động

- Hoạt động hoàn toàn tự động và chính xác: Mỗi ô có 1 địa chỉ IP riêng biệt giúp hệ thống nhận dạng vị trí chính xác từ đó quản lý dễ dàng

- Giảm thiểu tối đa nhân công và rủi ro do sử dụng robot vận chuyển

- Hệ thống phần mềm linh hoạt, dễ tùy biến đpá ứng nhu cầu khách hàng

- Kết cấu kho vững chắc, lắp đặt bảo trì bảo dưỡng và thay đổi dễ dàng, nhanh chóng mà không ảnh hưởng hoạt động toàn bộ hệ thống

- Kết nối thời gian thực

1.2 Khi nào doanh nghiệp nên triền khai tự động hóa kho ?

Các chuyên gia quản lý chuỗi cung ứng đang đối mặt với nhiều thách thức hơn bao giờ hết trong thế giới quản lý kho liên tục thay đổi Xu hướng mới nổi trong bán lẻ kênh omni, hàng tồn kho ký gửi và chuỗi cung ứng toàn cầu phức tạp gây thêm áp lực lên kho để tăng thông lượng, cắt giảm chi phí vàgiảm chu kỳ hàng tồn kho Thêm vào đó là tác động của các yếu tố bên ngoài như hiệu ứng Amazon, hàng hóa hóa và kỳ vọng của khách hàng về vận

chuyển trong hai ngày hoặc ngày hôm sau, và rõ ràng việc lưu kho phải tìm ra những cách mới để giải quyết các thách thức hiệu quả hơn

Là một chuyên gia vận hàng kho thì phải đối mặt với áp lực bên trong

khi liên tục quản lý việc lưu trữ và xử lý khối lượng hàng tồn kho lớn hơn, nguyên liệu thô và tài sản hiệu quả hơn qua từng năm Điều đó có nghĩa là phải thực hiện các chiến lược cải tiến mới để đạt được hiệu quả quan trọng, giảm chi phí và tối đa hóa năng suất Bạn cũng có vô số trách nhiệm phải lo lắng, như:

-Quản lý nhân viên kho

- Doanh thu kho cao

- Thúc đẩy hiệu suất và mục tiêu KPI cao hơn

- Đáp ứng mục tiêu tăng trưởng mới

- Bảo trì thiết bị và công nghệ cũ

Về cơ bản, tự động hóa kho là cần thiết khi gánh nặng xử lý các quy trình kho thủ công đã vượt quá nhu cầu của tổ chức Khi điều này xảy ra, có thể gặp một hoặc nhiều vấn đề sau:

- Các quy trình hiện tại của bạn quá tốn công sức và thời gian

- Bạn đấu tranh để có được đơn đặt hàng đúng thời gian

- Thực hiện đơn hàng là không chính xác

- Bạn đã tăng số lượng nhân viên để kiểm tra và kiểm tra lại độ chính xác của đơn hàng

- Bạn không thể tin tưởng mức tồn kho của mình vì số lượng hiếm khi đúng

- Giải pháp kế thừa của bạn đòi hỏi quá nhiều bảo trì

- Khách hàng của bạn không hài lòng, bất kể bạn làm gì

1.3 Một số thành phần trong nhà kho thông minh

Kho pallet tự động AS/RS (unitload AS/RS) : Kho pallet là giải pháp lưu trữ hàng hóa phù hợp với nhiều tính năng ưu việt Việc xử lý pallet nặng sẽ ảnh hưởng rất nhiều tới giải pháp của nhà kho, nó có thể sẽ làm cho giải pháp trở nên rất tốn kém với mật độ cao linh hoạt giúp khả năng lưu kho và lấy hàng một cách nhanh chóng và hiệu quả

Xe tự hành vận chuyển hàng (AGV) là hệ thống có khả năng vận chuyển mà không cần người lái Trong công nghiệp AGV được hiểu là các xe chuyên chở tự động được áp dụng trong các lĩnh vực :

- Cung cấp sắp xếp linh kiện tại khu vực kho và sản xuất

- Chuyển hàng giữa các trạm sản xuất

- Phân phối , cung ứng sản phẩm , đặc biệt trong bán buôn

- Cung cấp , sắp xếp trong các lĩnh vực đặc biệt như bệnh viện , siêu thị , văn phòng

Hệ thống phương tiện chuyển hàng theo đường ray -Sorting Transfer

Vehicle (STV) là Hệ thống phương tiện chuyển hàng theo đường ray phân loại

tự động được thiết kế nhằm vận chuyển lưu lượng lớn

Thiết bị phân loại thùng hàng - Surfing Sorter : là một máy phân loại tốc độcao, nhánh nghiêng được thiết kế để theo dõi chính xác vị trí hàng hóa và nhẹ nhàng phân loại tất cả các loại kích thước, hình dạng carton tại các nhánh đặt dọc theo đường vận chuyển

Thiết bị phân loại hàng pieces nhỏ lẻ - Surfing Sorter mini là một máy phânloại sử dụng con thoi trượt nhằm phân loại các mặt hàng nhỏ lẽ theo từng cửa hàng hoặc hạng mục một cách nhanh chóng phù hợp nhất cho các mặt hàng có

số lượng ít nhưng nhiều SKU như CD/DVD, linh kiện điện, các sản phẩm maymặc, vv

2 Nguyên lý hoạt động

Nhiệm vụ của hệ thống dẫn động trong kho hàng tự động chính là phân phối hàng hóa trong kho bao gồm lưu trữ cất hàng và xuất hàng ra kho Do vậy nguyên lý hoạt động cua hệ dẫn động sẽ dựa vào sự thiết kế của kho Hệ thống thiết kế bằng sự kết hợp của 2 cụm: cụm xe nâng và cụm xe di chuyển với nhiệm vụ riêng biệt Cụm xe di chuyển có chức năng vận chuyển hàng trong kho, trên xe có hệ con lăn di chuyển giúp cho cất hàng và lấy hàng ở vị trí qua chỉ thị của hệ thống quản lý Cụm xe nâng có chức năng đưa cụm xe di chuyển và hàng lên cao đến các tầng ở trên cao của kho, xe nân sử dụng hệ thống bánh răng thanh răng

Các thành phần cơ bản của cụm xe nâng:

- hệ thống nâng, con lăn giữ xe nâng,

- động cơ, hộp số

- hệ bánh răng và thanh răng, cột dẫn hướng

Thông số của cụm xe nâng: kích thước xe, kích thước vận chuyển; kích

thước bánh răng-thanh răng, tốc độ, công suất, tốc độ động cơ; tính toán hộp

giảm tốc Yêu cầu kỹ thuật: tốc độ nâng, khả năng tải

b Cụm xe di chuyển

Các thành phần cơ bản của cụm xe di chuyển:

- khung xe, bánh xe

- động cơ, hộp số bộ truyền động xích truyền tốc độ cho bánh xe

- động cơ, bộ truyền động xích cho hệ các con lăn di chuyển hàng

Thông số cơ bản: kích thước xe, tốc độ, công suất động cơ, hệ thống xích

để truyền động cho bánh xe và xích truyền động cho hệ thống con lăn Yêu

cầu kỹ thuật: khả năng tải, tốc độ di chuyển, tốc độ chuyển hàng

4 Thông số ban đầu của hệ thống

d 3

(m m)

h

(m m)

v n

(m/p h)

v x

(m/p h)

d 8

(m m)

l h

(h)

ĐT tải

1300

1000

7001800

Chương 2: Tính toán thiết kế hệ thống cơ khí

1 Xác định công suất yêu cầu của động cơ

Chọn hệ số ma sát lăn giữa con lăn và thép là: f =0 ,3(thép-thép)

Hình 1 Sơ đồ phân tích lực

Hệ thống nâng có xu hướng tách con lăn B ra khỏi thanh dẫn hướng và

ép con lăn A vào thanh dẫn hướng

Do xe nâng chuyển động tịnh tiến nên xét cân bằng mômen tại điểm B ta có:

N A h −g ( L

Thay số vào 1.1 suy ra N A =6664 ( N )

Xe nâng chỉ có chuyển động tịnh tiến phương thẳng đứng nên cân bằng lực theo phương ngang ta được N A =N B =6664 ( N )

Cân bằng lực theo phương thẳng đứng:

F cn −g G n −g G d −F ms=0

→ F cn −G n −G d − f N1=0

Thay số vào 1.2 suy ra: F cn =4645 ,2( N )

Để hệ thống nâng làm việc thì lực phát động phải thắng lực cản:

- Hiệu suất nối trục di động η k=1 (có 4 nối trục di động)

- Hiệu suất 1 cặp ổ lăn η ol=0,992 (có 3 cặp ổ lăn)

- Hiệu suất 1 cặp bánh răng trong hộp giảm tốc η br =0 ,97 (hộp giảm tốc có 2

cặp bánh răng ăn khớp với nhau)

- Hiệu suất truyền động xích η x =0 ,93 (để hở)

a Công suất cần thiết truyền đến trục động cơ:

Tỉ số truyền từ trục I sang trục II: u1=8

Tỉ số truyền từ trục II sang trục III: u2=5

4.2 Tính tốc độ quay cảu các trục:

Tốc độ quay trên trục động cơ: n đc =675 (vòng/ phút )

Tốc độ quay trên trục I: n1=n đ c

u x = 6755,3065=127.2(v ò ng/ phú t )

Tốc độ quay trên trục II: n2=n1

4.3 Tính công suất trên các trục

Do 2 bên đầu ra HGT nối với 2 bánh răng nên công suất trên trục công tác là:

u t=n đ c

n lv= 675

3 ,18=212.26

4.4 Tính mômen xoắn trên các trục

Mômen xoắn trên các trục được tính theo công thức:

Chọn loại xích là xích ống – con lăn.

Chọn số răng đĩa xích Với tỉ số truyền u x =5.3065 , theo bảng 5.4 trang 79 tài

liệu [1], ta chọn số răng đĩa xích nhỏ là: z1=21

Số răng đĩa xích lớn là: z2=ux z1=5,3065.21=111,5≤ zmax

Với z max được xác định từ điều khiện hạn chế độ tăng bước xích do bản lề bị

mòn sau một thời gian làm việc, đối với xích con lăn z max=112

Xác định công suất tính toán cho xích:

k0− ¿ hệ số kể đến ảnh hưởng của vị trí bộ truyền

k a− ¿ hệ số kể đến khoảng cách trục và chiều dài xích

k đc− ¿ hệ số kể đến ảnh hưởng của việc điều chỉnh lực căng xích

k bt− ¿hệ số kể đến ảnh hưởng của bôi trơn

k đ− ¿hệ số tải trọng động, kể đến tính chất của tải trọng

k c− ¿ hệ số kể đến chế độ làm việc của bộ truyền

Dựa vào bẳng 5.6 Trị số của các hệ số thành phần trong hệ số sử dụng k tài liệu [1]

k c=1 (bộ truyền làm việc 1 ca)

k bt =1,3 (môi trường có bụi)

Thay vào công thức (4.2): k =1.1.1.1,8.1.1,3=2,31

Thay vào công thức (4.1): P t =1,13 kW

Theo bảng 5.5 Công suất cho phép [P] của xích con lăn,

với n01=800 (vg/ phút ) chọn bộ truyền xích 1 dãy có bước xích p =12,7 thoản mãn điều kiện bền mòn: P t<[P]= ¿2,06kW.

Thay số vào công thức trên suy ra: a¿=503 (mm)

Để xích không chịu lực căng quá lơn, giảm a một lượng

Với xích con lăn có bước xích 12,7mm số lần va đập cho phép [i]=60>i, thỏa mãn yeu cầu về số lần va đập bản lề xích trong 1 giây.

4.2 Kiểm nghiệm về độ bền cho bộ truyền xích

Hệ số an toàn :

k đ F t +F0 +F v

4.4Trong đó:

Q− ¿ tải trọng phá hỏng, theo bảng 5.2 Các thông số của xích con lăn trang 78 tài liệu [1], với xích 1 dãy có các thông số p =12,7 mm , B =5 ,8 mm , d o =3 ,66 mm

F0− ¿ lực căng do trọng lượng nhánh xích bị động sinh ra, tính theo công thức

F0=9 ,81 kf qa =9 ,81.4 0 ,35.0,5015=6 ,89 N (trong đó k f=4 do bộ truyền nghiêng

1 góc dưới 40o)

Thay số vào công thức (4.4) suy ra hệ số an toàn s =15 ,26

Theo bảng 5.10 Trị số của hệ số an toàn với p =12,7 mm ,n1=675 v / ph

Suy ra hệ số an toàn cho phép [s]=9 ,3.

Vậy s>[s]: bộ truyền xích đảm bảo đủ bền

Xác định các thông số của đĩa xích

Đường kính vòng chia của đĩa xích được xác định theo công thức:

{d1= p/sin(π / z1)

d2= p/sin(π / z2)Thay số vào công thức trên suy ra:

k r− ¿ hệ số kể đến ảnh hưởng của số răng đĩa xích, phụ thuộc Z

E =2 E1 E2/( E1+E2)− ¿ mô-đun đàn hồi, với E1, E2 lần lượt là mô-đun đàn hồi củavật liệu con lăn và đĩa xích Con lăn và đĩa xích được làm từ thép nên

E1=E2=2,1.10 5MPa suy ra E =2,1.105

MPa

A− ¿ diện tích chiếu của bản lề, tra bẳng 5.12 ở trang 87 tài liệu [1] được A = 39,6

Y R− ¿ hệ số xét đến ảnh hưởng của độ nhám mặt lượn chân răng

Y S− ¿ hệ số xét đến độ nhạy của vật liệu đối với tập trung ứng suất

K xF− ¿ hệ số xét đến kích thước bánh răng ảnh hưởng đến độ bên uốn

K FC− ¿ Hệ số xét đến ảnh hưởng của đặt tải K FC=1 khi đặt tải một phía (bộ truyền quay 1 chiều) K FC =0 ,7−0 ,8 nếu đặt tải 2 chiều, tị số 0,8 lấy khi

Ứng suất tải cho phép:

[σ H]max =2,8.max (σ ch 1 , σ ch 2)=2,8.450=1260(MPa)

[σ F 1]max =0 ,8.σ ch 1= ¿0,8.450=360 (MPa)

[σ F 2]max =0 ,8.σ ch 2= ¿0,8.340=272(MPa)

5.2 Tính toán bộ truyền cấp nhanh

5.2.1 Xác định thông số cơ bản cho bộ truyền cấp nhanh

chọn m theo dãy tiêu chuẩn chọn m=2

Hệ số giảm đỉnh răng Δ y=k x z t

1000 = ¿0,0127Tổng hệ số dịch chỉnh x t = y+ Δ y=0.5+0.0127=0.5127

→{x1=0 ,5.(x t−(z2−z1) y

z t )=0 ,5.(0.5127−(129−20).0 ,5

- Xác định góc ăn khớp: cos α tw =z t m cos α

- Tra phụ lục Bảng P2.3: HỆ SỐ TẢI TRỌNG ĐỘNG K HV VÀ K FV với cấp chính xác 9, HB<350 bánh răng trụ răng thẳng v= 1(m/s) :

{K HV =1,04

K FV =1,11

Với cấp chính xác động học 9, chọn cấp chính xác về mực tiếp xúc là 8,khi đó cần gia công đạt độ nhám R a =(2,5÷ 1,25) μm→ Z r =0 ,95

số phân bố không đều tải trọng trên chiều rộng vành răng K Hβ và K Fβ, trang 98, tài liệu [1], ta có ứng với sơ đồ 3 :{K Hβ =1,18

K Fβ =1,37

- K Hv , K Fv− ¿ hệ số kể đến tải trọng động xuất hiện trong vùng ăn khớp khitính về tiếp xúc và uốn

Tra Bảng 6.15.Trị số của các hệ số kể đến ảnh hưởng của sai số ăn khớp

δ H và δ F, trang 107, tài liệu [1]:

- Z M− ¿ hệ số kể đến cơ tính vật liệu của bánh răng ăn khớp

Theo Bảng 6.5 Trị số của các hệ số K a, K d và Z M, trang 96, tài liệu [1]:

1 3

- Z H− ¿ hệ số kể đến hình dạng bề mặt tiếp xúc

Z H=√2 cos(β b)/sin (2α tw)

Với β b=arctan(cos∝ t tan β)=0 Do răng thẳng

Thay số vào ta được Z H=√2 cos ( 0 )/sin (2.28 ,94 )=1 ,53.

Thay số vào công thức ta được Z ε =0 ,87

- K H− ¿ hệ số tải trọng khi tính về tiếp xúc:

Như vậy σ❑H<[σ❑H] Thỏa mãn về độ bền tiếp xúc

5.2.4 Kiểm nghiệm về độ bền uốn

σ❑F 1=2.T❑1 K❑F .Y ε .Y β .Y F 1

b w 1 d w 1 m ≤[σ❑F 1]

σ❑F 2=σ❑F 1 Y F 2

Y F 1 ≤[σ❑F 2] 5.5