Luận văn tốt nghiệp điện tử nghiên cứu và chế tạo xe tự hành vận chuyển hàng hóa

AGV là một loại robot được sử dụng tại nước ngoài trong các ngành công nghiệp dùng để chuyên chở tự động.. - Vì thế trong thời gian tiếp cận với quy trình sản xuất trong công ty Changshi

PHẦN MỞ ĐẦU

Lý Do Chọn Đề Tài

Đất nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa Để tiến kịp các nước trong khu vực và trên thế giới, nền công nghiệp nước nhà cần tiếp cận các công nghệ và thiết bị hiện đại Các cán bộ kĩ thuật cần được trang bị các kiến thức mới, như vậy mới có thể đẩy nhanh các quá trình phát triển của đất nước

Kĩ thuật robot đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực ở nhiều nước, nó đã đem lại hiệu quả to lớn trong sản xuất công nghiệp, trong quốc phòng, y tế, xã hội, thám hiểm vũ trụ Tuy nhiên, tình hình sử dụng robot trong sản xuất của chúng ta còn hiếm hoi Việc ứng dụng robot công nghiệp hiện vẫn còn là lĩnh vực mới mẻ đối với nền công nghiệp nước nhà Trong xu hướng phát triển chung việc nghiên cứu và sử dụng robot ở Việt nam chắc chắn sẽ phát triển

AGV là một loại robot được sử dụng tại nước ngoài trong các ngành công nghiệp dùng để chuyên chở tự động Tuy nhiên đối với Việt Nam thì công nghệ này vẫn chưa được áp dụng nhiều trong thực tế

Hiện nay, hầu hết các ngành công nghiệp ở nước ta đều có quy mô lớn nhưng chất lượng chưa cao do những hạn chế về khoa học kĩ thuật, máy móc thiết bị còn thô sơ nên năng suất lao động chỉ đạt ở mức trung bình vì lợi nhuận giảm do phải thuê mướn một lượng công nhân rất lớn, Changshin cũng không tránh khỏi tình trạng đó

- Vì thế trong thời gian tiếp cận

với quy trình sản xuất trong công ty

Changshin Việt Nam, chúng tôi nhận

thấy quy trình vận chuyển xe Last

dọc theo chuyền sản xuất của phân

xưởng NOS 1 của công ty là một quy

trình hết sức nặng nhọc đối với

người công nhân Đồng thời với yêu

cầu của công ty mong muốn đưa tự

động hóa vào sản xuất để giải phóng

sức lao động chân tay và nâng cao

năng xuất lao động Qua đó, nhóm

đã đề xuất về việc thay thế sức lao

động trong quy trình vận chuyển xe

last và đã được bên phía công ty ủng

hộ và tạo điều kiện cho nhóm nghiên

- Thiết kế và tạo ra một chiếc xe có khả năng dò đường như một robot tự động

và phải tránh được các chướng ngại vật nhờ vào các cảm biến và phải kết nối tự động được với xe chở last và từ đó nó sẽ thay thế công nhân làm những công việc nặng nhọc và phải giải quyết được các yêu cầu:

- Nâng cao năng suất lao động, thời gian và số chuyến vận chuyển sản phẩm tăng lên và đem lại lợi nhuận cho công ty

- Đề tài gồm nhiều môn học chuyên ngành liên quan vì vậy qua đề tài giúp em hiểu rõ, nắm sâu hơn về những kiến thức đã được học

Nội Dung Và Phạm Vi Nghiên Cứu

 Cách kết nối các mạch lại với nhau để tạo một AGV hoàn chỉnh

Ý Nghĩa Thực Tiễn

 Tự động hóa trong sản xuất hàng hóa và nâng cao năng suất lao động, cải thiện chất lượng sản phẩm, mang lại lợi nhuận trực tiếp cho công ty Changshin Việt Nam

 Về ý nghĩa nhân văn, thay thể con người ở những vị trí nguy hiểm, dễ gây tai nạn lao động trong quá trình làm việc

Nhiệm Vụ Nghiên Cứu

 AGV trong đề tài nghiên cứu là các xe chở hàng công nghiệp không người lái Nó có kích thước khác nhau để mang các tải trọng từ một vài kg đến tải trọng hàng trăm tấn.Tuy nhiên vì trong khuôn khổ của một đồ án tốt nghiệp với kinh phí và khả năng hạn hẹp, nên để đề tài có tính khả thi cao, nhóm chúng em đã đề ra các nhiệm vụ trong việc thiết kế và chế tạo xe AGV như sau:

 Chế tạo kết cấu kết cấu cơ khí cho xe AGV là loại xe chở có khay để hàng với tải trọng là 150kg (không tính trọng lượng của xe).Đảm bảo được được độ vững chắc của xe và hàng hóa trong quá trình di chuyển, tạo sự ổn định và thuận lợi cho phần điều khiển

 Thiết kế được mạch điện tử cho AGV hoạt động ổn định

 Lập trình điều khiển cho AGV chạy bám theo vạch kim loại với tốc

độ ổn định 25m/phút Thiết kế cho AGV có khả năng phát hiện được vật cản trong quá trình di chuyển đồng thời đưa ra cảnh báo an toàn thông qua còi báo và đèn báo

 Tìm hiểu và thiết kế nguồn năng lượng cho xe là nguồn một chiều

DC

Phương Pháp Nghiên Cứu

 Phương pháp quan sát thực tế: Nhóm đã có thời gian tiếp cận với quy trình sản xuất trong công ty Changshin Việt Nam từ đó tìm ra những công đoạn cần cải tiến về máy móc để nâng cao năng suất lao động nhất là khâu vận chuyển last

 Tìm hiểu thông qua sách, báo, các bài viết chuyên đề và thông qua mạng internet nhằm rút ra những mô hình phù hợp nhất

 Học hỏi những thầy có nhiều kinh nghiệm trong lĩnh vực robocon để có hướng giải quyết nhanh và tốt hơn

 Giải quyết từng Module nhỏ và sau đó ghép thành mạch hoàn chỉnh

 Tính toán và chạy thử nghiệm rút ra phương án tối ưu nhất

 Thiết lập mô hình xe, chạy thử nghiệm bên ngoài nhằm tìm ra những phương án tốt nhất có thể áp dụng

Phần cuối của bài báo cáo là danh mục tài liệu tham khảo

Thời Gian Biểu Thực Hiện Đề Tài

+ Ngày 30-7 nhận đề tài giao từ công ty

+ Từ 1 đến 15-8 thiết kế mô hình xe hoàn chỉnh, mô phỏng hệ thống trên máy tính bằng phần mềm Solidworks

+ Từ 16 đến 31-8 làm mô hình thực tế cho xe AGV

+ Từ 1 đến 15-9 thiết kế bộ driver điều khiển động cơ

+ Từ 16 đến 30-9 tìm hiểu về bộ cảm biến siêu âm và phương pháp dò line kim loại bằng cảm biến cảm ứng từ

+ Trong tháng 10 kết nối từng module nhỏ lại thành xe hoàn chỉnh

+ Đầu tháng 11 bắt đầu viết báo cáo dự kiến hoàn tất trong tháng 11 để chuẩn bị báo cáo cấp khoa

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN

1.1 Các Dữ Kiện Khi Khảo Sát Thực Tế :

 Yêu cầu vận chuyển:

Dựa vào tình hình thực tế sản xuất công ty đưa ra các yêu cầu về vận chuyển, số lượng hàng hóa và thời gian đáp ứng Vận chuyển liên tục các xe last dọc theo line sản xuất giầy tại xưởng Nos 1, công ty Changshin Việt Nam Qua khảo sát thực tế đã thu thập được những số liệu

1 Kế hoạch sản xuất một ngày 3.000 Pairs

2 Số lượng Last vận chuyển m i chuyến 48 Pairs

3 Khoảng cách vận chuyển đi và về 188 Metter

4 Số chuyến xe phải đi hàng ngày 62.5 Chuyến

5 Số met phải đi hàng ngày 11.750 Metter

6 Thời gian yêu cầu cho AGV 461 s/chuyến

8 Vận tốc bắt buộc đáp ứng kế hoạch 0.41 m/s

9 Kích thước AGV(dài x rộng x cao) 520x420x430 mm

11 Trọng lượng của tổng số last và xe chở 120 kg

Hình 1.1 Bảng số liệu thu thập qua khảo sát thực tế

 Yêu cầu đặt ra:

 Thay thế được sức lao động của người công nhân hiện tại trong khâu vận chuyển xe last với quãng đường dài dọc theo line sản xuất trong phân xưởng

 Đáp ứng được yêu cầu của công ty trong việc vận chuyển, đảm bảo thời gian hoàn tất công việc

Hình 1.2 Đường đi thực tế và môi trường làm việc

1.2 Xe AGV Là Gì ?

Khái niệm xe tự hành AGV (Automated Guided Vehicle) là một khái niệm chung chỉ tất cả các 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 viên, siêu thị, văn phòng

Qua tất cả các ứng dụng trên, AGV thể hiện rất rõ hiệu quả của mình như: Giúp giảm thiệt hại trong kiểm kê, sắp xếp sản xuất linh hoạt hơn, giảm thiểu nguồn nhân lực v.v…

AGV còn giúp giảm chi phí chế tạo, tăng hiệu quả sản xuất Chúng có thể được chế tạo để chuyển hàng, kéo hàng, nâng hoàng cấp phát cho một số vị trí làm việc nhất định

Hình 1.3 Xe agv đang vận chyển hàng

1.3 Lịch Sử Phát Triển Của AGV

 Hệ thống xe dẫn hướng tự động (AGVS) đã tồn tại từ năm 1953 bởi Barrett Electronics Of Northbrook, bang Illinois – USA, nay là Savant Automation

of Walker, bang Michigan – USA Một nhà phát minh với một giấc mơ sáng chế ra một phương pháp tự động hóa con người trên chiếc xe tải kéo mà đã được sử dụng trong các nhà máy trong nhiều năm Lúc đầu chỉ là một chiếc

xe kéo nhỏ chạy theo một đường dẫn Hệ thống hướng dẫn đầu tiên được tạo

ra khi xuất hiện các cảm biến dò theo một từ trường AGV tồn tại ở mức này cho đến giữa những năm 70 Công nghệ lúc này đã điều khiển các hệ thống

để mở rộng khả năng và tính linh hoạt Xe không chỉ còn được dùng để kéo

rơ moóc trong kho, mà còn được sử dụng trong quá trình sản xuất, làm việc,

và các hệ thống lắp ráp ô tô

 Qua nhiều năm, khi công nghệ trở nên tinh vi hơn, thì ngày nay các AGV chủ yếu được định vị bởi hệ thống Lazer LGV (Lazer Guided Vehicle) Trong quá trình tự hành, LGV được lập trình để giao tiếp với các robot khác nhằm đảm bảo sản phẩm được chuyển qua các trạm, kho nơi mà sau đó chúng được giữa lại hoặc chuyển đến một vị trí khác Ngày nay, LGV đóng

vai trò quan trọng trong thiết kế các nhà máy và nhà kho, đưa hàng hóa đến đúng địa điểm một cách an toàn

1.4 Phân Loại AGV

1.4.1 Phân loại theo chức năng: thì có 4 kiểu AGV

 Xe kéo (Towing Vehicle)

Xe kéo xuất hiện đầu tiên và bay giờ vẫn còn thịnh hành Loại này có thể kéo được nhiều loại toa hàng khác nhau và chở được từ 8000 đến 60000 pounds

Ưu điểm của hệ thống xe kéo:

 Xe chở (Unit Load Vehicle)

Xe chở được trang bị các tầng khay chứa có thể là các nâng, hạ chuyền động bằng băng tải, đai hoặc xích Loại này có ưu điểm :

- Tải trọng được phân phối và di chuyển theo yêu cầu

- Thời gian đáp ứng nhanh gọn

- Giảm hư hại tài sản

- Đường đi linh hoạt

- Giảm thiểu các tắc nghẽn giao thông chuyên chở

- Lập kế hoạch hiệu quả

Hình 1.5 AGV chở hàng

Xe đẩy (Cart Vehicle)

Xe đẩy được cho là có tính linh hoạt cao và rẻ tiền Chúng được sử dụng để chuyên chở vật liệu và các hệ thống lắp ráp

Xe nâng (Fork Vehicle)

Có khả năng nâng các tải trọng đặt trên sàn hoặc trên các bục cao hay các khối hàng đặt trên giá

Hình 1.6 Mô hình xe nâng

1.4.2 Phân loại theo dạng đường đi : thì AGV chia làm các loại như sau

 Loại chạy không chạy theo đường dẫn (Free path navigation)

Có thể di chuyển đến các vị trí bất kỳ trong không gian hoạt động Đây là loại xe AGV có tính linh hoạt cao được định vị vị trí nhờ các cảm biến con quay hồi chuyển (Gyroscop sensor) để xác định hướng di chuyển, cảm biến laser để xác định

vị trí các vật thể xung quanh trong quá trình di chuyển, hệ thống định vị cục bộ (Local navigation Location) để xác định tọa độ tức thời,…Việc thiết kế loại xe này đòi hỏi công nghệ cao và phức tạp hơn so với các loại AGV khác

Loại chạy theo đường dẫn (Fixed path navigation)

 Xe AGV thuộc loại này được thiết kế chạy theo các đường dẫn định sẵn gồm các loại đường dẫn như sau:

- Đường dẫn từ: Là loại đường dẫn có cấu tạo là dây từ (Magnetic wire) chôn ngầm dưới nền sàn Khi di chuyển, nhờ có các cảm biến cảm ứng từ

mà xe có thể di chuyển theo đường dây dẫn Loại đường dẫn này không nằm bên trên mặt sàn nên có mỹ quan tốt, không ảnh hưởng đến các công việc vận hành khác Tuy nhiên khi sử dụng phải tiêu tốn năng lượng cho việc tạo

từ tính trong dây, đồng thời đường dẫn là cố định và không thể thay đổi được

- Đường ray dẫn: Xe AGV được chạy trên các ray định trước trên mặt sàn Loại này chỉ sử dụng đối với những hệ thống chuyên dụng Nó cho phép thiết kế xe đơn giản hơn và có thể di chuyển với tốc độ cao nhưng tính linh hoạt thấp

- Đường băng kẻ trên sàn: Xe AGV di chuyển theo các đường băng kẻ sẵn trên sàn nhờ các loại cảm biến nhận dạng vạch kẻ Loại này có tính linh hoạt cao vì trong quá trình sử dụng người ta có thể thay đổi đường đi một cách dễ dàng nhờ kẻ lại các vạch dẫn Tuy nhiên khi sử dụng, các vạch dẫn có thể bị bẩn hay hư hại gây khó khăn cho việc điều khiển chính xác xe

1.5 Tình Hình Nghiên Cứu Trong Và Ngoài Nước

Qua tìm hiểu trên sách báo, internet và các phương tiện thông tin, truyền thông, chúng em thấy rằng đề tài chế tạo xe tự hành là một đề tài mới, rất ít được đề cập đến trong nền công nghiệp nước ta, cụ thể là:

1.5.1 Ở trong nước:

Ngành tự động hóa trong nước mới chỉ ở những bước khởi đầu nên vẫn chỉ có rất ít những nghiên cứu về xe tự hành (AGV) Do đó việc ứng dụng AGV trong công nhgiệp ở nước ta vẫn còn rất hạn chế

1.5.2 Ở ngoài nước:

Hiện nay với trình độ khoa học kĩ thuật phát triển nhất là về lĩnh vực tự động hóa, đề tài Automatic Guided Vehicle (AGV) đã có những nghiên cứu và ứng dụng vào thực tế AGV góp mặt trong hầu hết các ngành công nghiệp thay thế sức lao động của con người trong các lĩnh vực khác nhau như y tế, nhà xưởng, kho hàng AGV xuất hiện với đủ mọi hình dạng, kích thước từ nhỏ bé đến to lớn

1.6 Mục Tiêu Hướng Đến Của Đề Tài

Đầu tiên là thiết kế ra xe AGV là một robot không người lái để kéo xe chở last, nhằm tạo ra bước cải tiến trong quy trình sản xuất giày của công ty changshin

và thay thế một phần công việc nào đó cho công nhân đảm bảo an toàn lao động Thứ hai là đưa tự động hóa vào sản xuất để giảm lao động chân tay và đem lại lợi nhuận cho công ty gấp nhiều lần khi thay thế người công nhân

 Bộ truyền chuyển động: Có nhiệm vụ truyền động năng từ động cơ qua các

bộ giảm tốc đến bánh xe giúp xe di chuyển một cách linh hoạt và đạt được vận tốc cũng như lực kéo phù hợp, đáp ứng được yêu cầu công việc

 Bộ định vị khớp kết nối: Có nhiệm vụ giúp xe định vị xe chở last phía sau xe nhằm đến đúng vị trí thực hiện kết nối, ghép nối xe chở last và AGV Chốt giữ cho phần kết nối chắc chắn và tạo khớp xoay giúp cho việc chuyển động ở góc cua linh hoạt hơn

 Bánh xe chủ động lớn, dày và có độ bám đường tốt nhằm đảm bảo xe không

bị trượt trên đường di chuyển khi phải kéo theo trọng lượng của xe last

 Bánh xe vô hướng giúp cho việc dò tìm đường linh hoạt hơn, giúp AGV di chuyển linh hoạt trong các khúc cua hay quay đầu

 Hệ thống các loại cảm biến giúp AGV nhận biết line chạy, xe last cũng như phát hiện các chướng ngại trên đường di chuyển của xe

 Bộ nguồn gồm có acquy 12V/100A và bộ chuyển đổi nguồn 5V cho vi điều khiển hoạt động

 Bộ Driver điều khiển động cơ có nhiệm vụ thay đổi chiều quay và tốc độ của động cơ đồng thời kết hợp với lập trình PID làm cho động cơ dừng chính xác hơn

 Bộ board mạch chủ để điều khiển mọi hoạt động xe AGV thông qua giao tiếp với các bộ driver

Hình 2.1 Cấu tạo AGV

xe về cuối line sản xuất, thả xe vào khu vực xếp xe khi vận chuyển về AGV sẽ tiếp tục tiến về khu vực chờ xe có hàng và tiếp tục thực hiện công việc

Hình 2.2 Hệ thống line và qui trình hoạt động của AGV

2.3 Lựa Chọn Và Thi Công Cơ Khí

2.3.1 Phần Khung Xe

Phần khung xe là một phần rất quan trọng của AGV, nâng đỡ toàn bộ các bộ phận của xe Vì vậy, khung phải đảm bảo đáp ứng đủ mọi điều kiện về độ cứng vững tuy nhiên phải nhỏ gọn để phù hợp với điều kiện môi trường làm việc nhỏ hẹp nơi phân xưởng sản xuất

Hình 2.3 Khung xe thiết kế Khung xe được chế tạo bằng vật liệu inox, là loại thép không rỉ, có độ sáng bóng và rất cứng vững nhằm đảm bảo độ bền cho khung xe

Hình 2.4 Khung xe thực tế

2.3.2 Phần Bánh Xe

Bánh xe là một bộ phận cực kì quan trọng, giúp toàn bộ kết cấu xe có thể di chuyển trơn tru Đồng thời cũng là bộ phận nâng đỡ kết cấu xe

Trong AGV sử dụng hai loại bánh xe:

 Bánh xe chủ động: Là loại bánh xe chắc chắn có đường kính ngoài 200mm, bề rộng bánh là 50mm Lốp của bánh được đóng bắng cao su nhằm đem lại độ bám đường tốt nhất khi mà xe phải kéo theo một khối lượng hàng không nhỏ (120kg)

Hình 2.5 Bánh xe chủ động thiết kế

Hình 2.6 Bánh xe chủ động trong thực tế

Bánh xe vô hướng: Để xe có thể bẻ lái và thực hiện dò line một cách linh hoạt thì bánh trước của AGV được thiết kế sử dụng bánh vô hướng, có thể xoay theo bất cứ góc độ nào

Hình 2.7 Bánh xe vô hướng thiết kế và thực tế

2.3.3 Phần Chọn Động Cơ Và Phân Phối Tỉ Số Truyền

2.3.3.1 Chọn động cơ :

 Đối với cơ cấu di chuyển của xe, lực cản tĩnh phụ thuộc vào khối lượng chuyên chở và khối lượng của xe, trạng thái đường đi (cong, thẳng, ổ gà, dốc ) Do vậy lực cản được tính theo công thức sau:

] [ ) ( R

)g G (G

b

x

N k f r

Trong đó:

G – khối lượng chuyên chở, kg;

Gx –khối lượng của xe, kg;

kms – hệ số có tính đến ma sát giữa mép bánh xe và đường ray (1,2÷1,5);

Mô men của động cơ sinh ra để thắng lực cản chuyển động đó bằng:

] [

.

F.Rb

m N

i –tỉ số truyền từ trục động cơ đến bánh xe;

η –hiệu suất của cơ cấu;

Công suất của động cơ khi di chuyển có tải bằng:

] [

G – khối lượng chuyên chở (bao gồm xe chở hàng và thùng hàng): 150 (kg);

Gx –khối lượng của xe: 50 (kg);

3 , 1 ) 10 5 005 , 0 10 8 ( 0.1

50)9,81 15

η –hiệu suất của cơ cấu = 0,9

Mô men sinh ra để thắng lực cản chuyển động:

065 , 0 9 , 0 18

1 , 0 6 , 10

Công suất cần thiết của động cơ khi di chuyển có tải trong chế độ xác lập bằng:

] [ 10

Dòng điện cần thiết để cấp cho động cơ:

Động cơ Servo 100w - 24VDC

Current : 5.5 A

Tốc độ: 2500 rpm

Encoder: 1000 xung

Động cơ DC servo 55ZYTD51 là động cơ servo nam châm vĩnh cửu có chổi than Động cơ được dùng cho các ứng dụng đòi hỏi sự chính xác Động cơ được gắn một encoder kèm theo để phản hồi vị trí cho bộ điều khiển

1 1 1000 60 D

2500n

n.ii

Với tải trọng không lớn và vận hành với vận tốc thấp nên ta sử dụng bộ truyền động bằng xích ống con lăn

 Đối với cấp nhanh:

 Chọn số răng đĩa xích dẫn là Z1= 10 răng

 Chọn số răng đĩa xích bị dẫn là Z2=Z1.i1=10.4=40 răng

 Đối với cấp chậm:

 Chọn số răng đĩa xích dẫn là Z1= 10 răng

 Chọn số răng đĩa xích bị dẫn là Z2=Z1.i2=10.6=60 răng

Hình 2.11 Bánh răng thực tế Hình 2.9 Buli chia giảm tốc thiết kế

Hình 2.10 Thiết kế bộ giảm tốc 2 cấp

2.3.5 Lựa Chọn Và Thi Công Mạch Điện

Hình 2.14 Sơ đồ kết nối phần điều khiển của xe agv Trong xe AGV mạch điều khiển đóng vai trò quan trọng không kém gì phần cơ khí,

nó được xem như là CPU điều khiển mọi hoạt động của xe Bộ điều khiển bao gồm mạch xử lý trung tâm, tiếp nhận các dữ liệu thông qua các cảm biến đưa về sau đó phân tích và đưa ra phương án điều khiển AGV một cách tối ưu

2.3.6 Acquy Và Khối Nguồn 5V

 Chọn acquy : Để đảm bảo yêu cầu chạy trong công ty xe AGV phải đáp ứng được quá trình sử dụng bình ắc quy trong thời gian 4h làm việc Công thức tính thời lượng dùng ắc quy được tính như sau:

Trong đó:

T –thời gian cần có điện trong hệ thống, giờ;

Ah –dung lượng bình ắc quy, Ah;

U – hiệu điện thế của ắc quy, V;

pt – hiệu suất của hệ thống: 0,8

P – công suất tiêu thụ của tải, W;

Vậy đối với loại bình ắc quy 12VDC để đáp ứng được yêu cầu làm việc 8h thì dung lượng ắc quy cần thiết sẽ là:

8 , 20 8 , 0 24

50 8 U.pt

em sử dụng LM2596 là chính vì nó chịu dòng cao lên đến 3A sau đây

là mạch nguồn dùng LM2596