NGHIÊN cứu CÁNH TAY ROBOT sử DỤNG TRONG KHO HÀNG tự ĐỘNG

Với sự ra đời của các hệ thống xếp hàng hóa tự động, người ta có thể quản lý tốt hàng hóa cũng như nhanh chóng trong việc lưu trữ và xuất hàng hóa ra khỏi kho, các hệ thống kho tự động đ

1

MỤC LỤC

1 CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU CÁC MẪU KHO HÀNG TỰ ĐỘNG 3

1.1 G IỚI THIỆU CHUNG VỀ KHO HÀNG TỰ ĐỘNG 3

1.1.1 Hệ thống lưu trữ hàng hóa 3

1.1.2 Hệ thống lấy cất hàng hóa tự động ASRS 4

1.2 C ẤU TRÚC CỦA MỘT HỆ THỐNG KHO TỰ ĐỘNG 6

1.2.1 Hệ thống vận chuyển 6

1.2.2 Hệ thống xuất nhập 7

1.2.3 Hệ thống lưu trữ 8

2 CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁNH TAY ROBOT SỬ DỤNG TRONG KHO HÀNG TỰ ĐỘNG 9

2.1 V AI TRÒ 9

2.2 C ẤU TRÚC 9

2.2.1 Phần cơ khí: 9

2.2.3 Phần bộ điều khiển 10

3 CHƯƠNG 3: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ THIẾT KẾ KHO HÀNG TỰ ĐỘNG 12

3.1 P HƯƠNG ÁN THIẾT KẾ KHUNG KHO HÀNG 12

3.2 P HƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CÁNH TAY CƠ KHÍ 12

3.2.1 Vị trí tương quan giữa phần khung và phần cánh tay cơ khí 12

3.2.2 Chọn lựa cơ cấu dẫn động cho cánh tay cơ khí 13

3.3 T ÍNH TOÁN THIẾT KẾ KHUNG VỎ 14

3.3.1 Lựa chọn vật liệu làm khung 14

3.3.2 Thiết kế khung kho hàng 16

3.4 T ÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG 23

3.4.1 Tính toán thiết kế cơ cấu di chuyển tịnh tiến dọc kho hàng 23

3.4.2 Cơ cấu nâng hạ của cánh tay 29

3.4.3 Thiết kế cơ đẩy hàng của cánh tay cơ khí 34

3.4.4 Cơ cấu quay của cánh tay Robot 36

3.4.5 Mô hình cánh tay nâng hạ 38

4 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT 39

4.1 L ỰA CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN 39

4.2 V I ĐIỀU KHIỂN AVR ATMEGA16 41

4.2.1 Giới thiệu về ATMEGA16 41

4.2.2 Phần mềm CodevisionAVR 47

2

4.4 L ẬP TRÌNH CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 50

5 CHƯƠNG 5: CHẾ TẠO SẢN PHẨM 60

5.1 T ÍNH TOÁN LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ D RIVER 60

5.1.1 Lựa chọn loại động cơ 60

5 .2 ính toán lựa chọn c ng suất động cơ cho các cơ cấu 62

5.1.3 Lựa chọn Driver điều khiển động cơ 69

5.2 M ẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ BỘ NGUỒN 71

5.2.1 Mạch điện của hệ thống điều khiển 71

5.2.2 Tính toán chọn bộ nguồn cho mạch 72

5.3 C HẾ TẠO KHUNG KHO HÀNG VÀ CÁNH TAY R OBOT 73

6 KẾT LUẬN 74

7 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

3

1.1 Giới thiệu chung về kho hàng tự động

1.1.1 Hệ thống lưu trữ hàng hóa

Nền công nghiệp trong nước nói riêng và nền công nghiệp trên thế giới nói chung đang phát triển mạnh mẽ Trong quá khứ sản phẩm được tạo ra một cách thủ công nên việc vận chuyển sản phẩm ra vào kho chứa chủ yếu được thực hiện bằng sức người, dẫn đến việc không tận dụng hết được các khoảng không gian, sức chứa của kho hàng, việc quản lý hàng hoá kém hiệu quả cũng như tốn nhiều diện tích đất làm nhà kho chứa hàng

Trong thời kỳ công nghiệp hoá, hiện đại hoá và tự động hóa sản xuất ngày càng phát triển, hàng hóa làm ra càng nhiều đáp ứng nhu cầu tiêu dùng cho xã hội Từ đó đã nảy sinh cần có những kho hàng hiện đại đáp ứng yêu cầu của sản xuất và khắc phục được những hạn chế của các kho hàng cũ

Hiện tại, trên thế giới có nhiều hệ thống lưu trữ hàng hóa, các hệ thống này rất đa dạng, phong phú về thiết bị cũng như cách thức thực hiện Nhưng trong đó chủ yếu là sử dụng nhân công để bốc dỡ hàng hóa, các thiết bị bốc dỡ hàng là các máy nâng sử dụng người lái để sắp xếp hàng hóa vào kho

Các nhà kho hiện nay có các nhược điểm sau:

- Sử dụng nhiều diện tích để chứa hàng hóa

- Không phân loại được các hàng hóa khác nhau (các hàng hóa thường

để chung với nhau trong 1 kho)

- Không bảo quản tốt hàng hóa khi số lượng nhiều

- Rất khó kiểm soát số lượng hàng hóa ra vào trong kho

Với sự ra đời của các hệ thống xếp hàng hóa tự động, người ta có thể quản lý tốt hàng hóa cũng như nhanh chóng trong việc lưu trữ và xuất hàng hóa ra khỏi kho, các hệ thống kho tự động được sử dụng robot để vận chuyển hàng hóa, điều này đồng nghĩa với việc đầu tư trang thiết bị hiện đại cho hệ thống kho tốn khá nhiều chi phí cho việc vận chuyển hàng hóa nhưng bù lại là hàng hóa được bảo quản tốt, thuận tiện cho việc quản lý và kiểm soát, tiết kiệm được nhân công … Các thiết bị bốc dỡ hàng tải trọng lớn trong kho hàng:

4

Hình 1.1 Xe bốc dỡ hàng 1.1.2 Hệ thống lấy cất hàng hóa tự động ASRS

Đây là một hệ thống lấy cất hàng hóa tự động với công nghệ hiện đại, được

sử dụng trong các nhà kho hoàn toàn tự động Hệ thống gồm có 2 phần chính: phần mềm và phần cứng

Phần mềm gồm có phần mềm quản lý các robot lấy cất hàng và phần mềm quản lý hàng hóa Phần cứng bao gồm các hệ thống giá kệ cố định, các robot lấy cất hàng, hệ thống các băng tải vận chuyển hàng và hệ thống các cửa tự động xuất nhập hàng Giải pháp này được đánh giá là tối ưu cho các kho hàng do những ưu điểm và mức đầu tư hợp lý mà giải pháp này mang lại như:

- Mật độ lưu trữ cao

- Tốc độ xuất nhập cao: trung bình 1 tấn hàng/ phút/ robot

- Công nghệ chuyển đường cho phép chỉ cần một robot cho một nhà kho giúp tiết kiệm đáng kể chi phí đầu tư

- Không cần hệ thống chiếu sáng, do đó tiết kiệm chi phí đầu tư hệ thống chiếu sáng, chi phí bảo trì, chi phí vận hành

- Quản lý chuyên nghiệp và hiệu quả nhờ phần mềm quản lý kho kết hợp với công nghệ mã vạch hay thẻ từ giúp giảm chi phí quản lý và nhân công, đồng thời cũng dễ dàng đạt được các tiêu chuẩn ISO để tạo lợi thế cạnh tranh

5

Hệ thống cơ khí cơ bản của một nhà kho tự động là một robot hoạt động theo ba trục và di chuyển theo đường ray để mang hàng sắp xếp vào kho, và hệ thống băng chuyển để phân phối sản phẩm xuất nhập

Hình 1.2 Băng chuyền

Mô hình nhà kho có khả năng lưu trữ cao nhưng tốc độ thấp thích hợp cho các nhà máy mà sản phẩm của họ được sản xuất với năng suất cao, số lượng lớn như: thực phẩm, điện tử…

Hình 1.3 Cánh tay nâng hạ cỡ lớn

Đối với những nhà máy sản xuất nhiều loại sản phẩm cùng lúc thì hệ thống băng chuyền còn thực hiện phân loại sản phẩm vào khu vực thích hợp

6

1.2 Cấu trúc của một hệ thống kho tự động

Cấu trúc cơ bản của một nhà kho tự động bao gồm nhiều hành lang, dọc theo mỗi hành lang có một hay nhiều máy xếp, dỡ tự động Hai bên hành lang là các khoang chứa hàng Đầu mỗi hàng lang là trạm xếp dỡ Các trạm xếp dỡ liên hệ với nhau theo hệ thống băng chuyền

Hệ thống vận chuyển trong kho rất đa dạng, tùy theo yêu cầu công nghệ, về hàng hóa, hình thức xuất nhập… mà có những phương thức vận chuyển hàng trong kho tương ứng Hiện nay hệ thống vận chuyển trong kho tự động ở các nước đã có áp dụng như: băng tải, robot, xe tự hành, máy nâng, máy xếp dỡ…

Hệ thống băng tải được sử dụng như một giải pháp tối ưu cho kho tự động của các siêu thị, các công ty dược…băng tải ở những môi trường này có nhiệm

vụ vận chuyển hàng hóa từ kho đến nơi giao hàng cho khách Băng tải có rất nhiều loại mỗi loại được dung để tải một loại vật liệu khác nhau Cũng có loại băng tải phổ thông được dùng để tải các loại vật liệu khác nhau nhưng không phải là các loại vật liệu đặc biệt như chịu nhiệt độ cao, chịu dầu, chịu axit, chịu

ăn mòn, chịu nước, chống cháy chịu cường độ cao…

7

Đối với nhà máy chỉ sản xuất một sản phẩm thì hệ thống băng chuyền chỉ đơn thuần phân phối sản phẩm cho các robot một cách tối ưu Nhưng với những nhà máy sản xuất nhiều loại sản phẩm cùng lúc thì hệ thống băng chuyền còn thực hiện phân loại sản phẩm vào khu vực thích hợp

Các robot, xe tự hành là những thiết bị tất yếu của một hệ thống kho tự động Chúng di chuyển trong diện tích của nhà kho theo 3 trục, làm nhiệm vụ đưa hàng từ cổng nhập đến những ô trống và lấy hàng từ những ô chứa hàng ra cổng xuất

Robot lấy cất hàng tải trọng thấp được thiết kế chuyên cho các hộp, thùng, khay hoặc là những hàng hóa có tải trọng thấp Robot này có tốc lấy hàng rất cao Robot lấy cất hàng tải trọng trung bình có tốc độ lấy cất khá nhanh, hiệu quả và chính xác đối với lưu trữ dùng pallet Robot lấy cất hàng tải trọng cao được thiết kế riêng theo yêu cầu lưu trữ cũng như môi trường làm việc đặc trưng của khách hàng

Hình 1.5 Xe nâng hạ và Panel 1.2.2 Hệ thống xuất nhập

Hệ thống xuất nhập của kho tự động có thể áp dụng nhiều phương thức khác nhau có thể kể đến như dung nhân công, thẻ từ, tích kê, mã vạch, máy tính, camera Mã vạch là hình gồm nhiều sọc đứng,rộng và hẹp được in để đại diện cho các mã số dưới dạng máy có thể đọc được

Các mã sọc phù hợp với tiêu chuẩn Universal Product Code được in trên hầu hết các sản phẩm hàng hóa bày bán trong các siêu thị hiện nay Khi hình mã sọc được kéo lướt qua một dụng cụ quét quang học ở quầy kiểm tra thu tiền, máy

1.2.3 Hệ thống lưu trữ

Phần mềm quản lý kho DMS_COLD STRORAGE:

Chương trình được thiết kế theo quy trình kinh doanh dịch vụ kho cho doanh nghiệp, các chức năng cơ bản của phần mềm đó là: Lưu giữ thông tin, khóa sổ, phân quyền người sử dụng, ghi nhận tất cả các sự kiện phát sinh trong quá trình hoạt động, in báo cáo, trích xuất số liệu ra bảng tính Excel, Backup dữ liệu…

Phần mềm quản lý kho có những ưu điểm nổi bật như sau:

- Các báo cáo nội bộ đa dạng và chi tiết nhất, theo đặc thù của doanh nghiệp

- Khả năng cung cấp thông tin tức thời

- Quản lý danh sách hàng hóa, loại hàng hóa

- Quản lý danh mục, danh mục pallet

- Quản lý nhập kho theo phiếu nhập kho và theo dõi nhập từng vị trí, chọn nhập hàng hóa trên sơ đồ kho theo đúng thực tế Hỗ trợ in phiếu,

in danh sách vị trí nhập kho

9

KHO HÀNG TỰ ĐỘNG 2.1 Vai trò

Cánh tay Robot là một phần không thể thiếu trong hệ thống kho hàng tự động Nó đóng vai trò vận chuyển hàng hóa ra vào trong kho chứa cho tới băng tải Kích cỡ của cánh tay Robot phụ thuộc nhiều vào kích cỡ của kho hàng Tùy thuộc vào hình dáng kho hàng cũng như các yêu cầu cụ thể mà cánh tay Robot

có thể có số lượng bậc tự do khác nhau Đối với các mô hình kho chứa nhỏ, cánh tay Robot thường có ýt nhất từ 3 đến 4 trục chuyển động Trong đó thường bao gồm ba chuyển động tịnh tiến theo hệ trục tọa độ Oxyz và kèm theo đó là chuyển động quay quanh trục Oz

2.2 Cấu trúc

Một Cánh tay Robot được chia thành hai phần chính bao gồm phần cơ khí và phần điều khiển Trong đó phần cơ khí đòi hỏi tính toán về các gia trị công suất, tải, lực, bên cạnh đó còn có thiết kế cơ cấu cơ khí phục vụ chuyển động theo các trục riêng biệt Phần điều khiển phụ thuộc lớn vào yêu cầu hệ thống cũng như tính ứng dụng của kho hàng Đối với các kho hàng cỡ nhỏ xây dựng bên trong các phòng thí nghiệm thường được lập trình và điều khiển bằng bộ PLC Các mô hình ở mức độ sinh viên có thể sử dụng vi điều khiển để lập trình Một cách thức lập trình đều có ưu nhược điểm riêng, phục vụ cho từng nhóm đối tượng cụ thể

2.2.1 Phần cơ khí:

Phần khung của cánh tay Robot, thực hiện các thao tác nâng hạ, vận chuyển chính trong quá trình xuất-nhập hoàng hóa trong kho hàng Các khớp nối được liên kết với nhau để tạo ra cánh tay Robot Mỗi khớp nối có khả năng thực hiện các chuyển động riêng Đối với các hệ thống kho hàng tự động không phức tạp,

sử dụng chủ yếu trong các phòng thí nghiệm, trong hệ thống CIM và trong các kho chứa hàng thì cái khớp nối thường là các cơ cấu tịnh tiến và cơ cấu quay hoạt động trọng hệ trục Oxyz Để thực hiện được các chuyển động trong hệ trục Oxyz có rất nhiều phương pháp khác nhau Trong đó dùng động cơ để truyền động là một phương pháp được dùng dùng hết sức phổ biến

10

Hình 2.1 Cấu trúc cánh tay

Hình 2.2 Cánh tay nâng hạ 2.2.3 Phần bộ điều khiển

Để điều khiển được cánh tay Robot hay cụ thể hơn là điều khiển các cơ cấu dẫn động trên nó, thực tế sử dụng nhiều loại thiết bị điều khiển Đi kèm với từng loại thiết bị là những phần mềm riêng biệt Tùy theo độ khó cũng như yêu cầu thực tiễn ta có thể lựa chọn phương pháp điều khiển Trong các phòng thí nghiệm, hệ thống CIM sử dụng nhiều PLC vì tính ứng dụng cao của chúng Tuy nhiên, đối với những mô hình cỡ nhỏ không đòi hỏi độ khó cao vẫn có thể sử dụng vi điều khiển để điều khiển cánh tay nâng hạ Hệ thống bảng điều khiển có dạng nút bấm điều khiển hoặc tay cầm điều khiển

Cánh tay nâng hạ đi kèm với bộ kiều khiển trong kho hàng tự động của hệ thống CIM

11

Hình 2.3 Kho hàng điều khiển nút bấm

Hình 2.4 Kho hàng điều khiển tay cầm

12

TỰ ĐỘNG 3.1 Phương án thiết kế khung kho hàng

a Khung kho hàng dạng vòng cung

Khung kho hàng dạng vòng cung có những ưu điểm như: Tính thẩm mỹ của khung kho hàng cao Hạn chế được số bậc tự do cần có của cơ cấu cánh tay xuống còn 3 bậc

Bên cạnh ưu điểm, dạng khung vòng cung những còn có nhược điểm sau: Việc tính toán thiết kế chế tạo phức tạp Không gian của kho hàng bị hạn chế Tốn diện tích đặt kho hàng Kho hàng trở nên khó vận chuyển, khó tháo dỡ để sửa chữa

Chiếm nhiều diện tích

b Khung kho hàng 1 gian đơn

Khung kho hàng 1 gian đơn có những ưu điểm như: Việc thiết kế khung kho hàng đơn giản Vật liệu làm khung dễ tìm và dễ lắp ghép Trọng lượng khung nhẹ dễ vận chuyển Khung kho hàng dễ tháo dời, sửa chữa

Bên cạch đó, khung vẫn còn những nhược điểm như: Khung dễ bị xê dịch dưới tác động bên ngoài Khung không tận dụng tối đa khả năng của cánh tay

c Khung kho hàng 2 gian đối xứng gắn cứng

Khung kho hàng 2 gian đối xứng có những ưu điểm như: Khâu thiết kế khung đơn giản với vật liệu dễ tìm và dễ lắp ghép Tận dụng tối đa khả năng của cánh tay cơ khí

Bên cạnh ưu điểm thì khung kho hàng dạng này có một số nhược điểm như:

Bộ khung tốn chi phí vật liệu, cồng kềnh

Kết luận: Dựa trên ưu nhược điểm trên của từng phương án đã nêu trên,

phương án thiết kế “Khung kho hàng 2 gian đối xứng gắn cứng” đã được lựa chọn Vì phương án trên đảm bảo việc tận dụng được hết khả năng của cánh tay

cơ khí cũng đồng thời đảm bảo việc thiết kế được đơn giản

3.2 Phương án thiết kế cánh tay cơ khí

3.2.1 Vị trí tương quan giữa phần khung và phần cánh tay cơ khí

a Thiết kế cánh tay cơ khí không gắn cứng vào phần khung kho hàng

b Thiết kế cánh tay Robot có phần đế gắn cứng vào khung kho hàng

Phương án này có một số ưu điểm sau: Khoảng cách từ cánh tay đến khung kho hàng luôn cố định Việc tính toán dẫn hướng cho cơ cấu chuyển động trở nên dễ dàngChuyển động ít xuất hiện sai lệch đảm bảo sự chính xác nhất định Nhược điểm của phương án này đó là: Phần khung và cánh tay trở nên cồng kềnh khi muốn di chuyển hoặc tháo lắp để sửa chữa Chi phí chế tạo chênh lệch hơn so với cánh tay không gắn cứng

Kết luận: Để đáp ứng yêu cầu đơn giản hóa bài toán tính toán dẫn động

cũng như giảm thiểu sai lệch khi hoạt động Dựa trên những ưu nhược điểm của các phương án thiết kế đã nêu ở trên Phương án thiết kế được lựa chọn là phương án “Thiết kế cánh tay Robot có phần đế gắn cứng vào phần khung kho

hàng”

3.2.2 Chọn lựa cơ cấu dẫn động cho cánh tay cơ khí

 Cơ cấu dẫn động cho cánh tay bằng động cơ

Ưu điểm nổi bật của việc dùng động cơ dẫn động đó là: Động cơ được sử dụng phổ biến, nhỏ gọn, nhiều mức công suất và nhiều chủng loại động cơ để lựa chọn Động cơ truyền được nhiều dạng chuyển động khi kết hợp với các cơ cấu truyền động khác nhau Động cơ đem lại tính linh hoạt cao khi điều khiển được vị trí và tốc độ

Nhược điểm khi sử dụng động cơ để dẫn động đó là: Khi tải trọng lớn sẽ cần

sử dụng động cơ có công suất lớn dẫn đến giá thành cao Kích thước, trọng lượng của động cơ càng lớn càng ảnh hưởng đến thiết kế cơ khí

 Cơ cấu dẫn động cho cánh tay sử dụng xi lanh khí nén

14

Một số ưu điểm của cơ cấu xi lanh đó là: Xi lanh khí nén dễ tìm mua với giá thành hợp lý Kích thước của cơ cấu xinh lanh nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ Bên cạnh ưu điểm thì cơ cấu cũng có những nhược điểm nhất định như: Xi lanh khí nén cần phải sử dụng bình khí nén gây tốn kém chi phí và diện tích Bên cạnh đó hành trình của xi lanh có giớ hạn Khả năng truyền chuyển động của xi lanh cũng hạn chế

Kết luận: Dựa vào những ưu nhược điểm của các phương án trên chúng em

chọn phương án: “Cơ cấu dẫn động cho cánh tay sử dụng động cơ” vì phương

án này có những ưu điểm thích hợp để xây dựng cơ cấu dẫn động cho cánh tay

nâng hạ

3.3 Tính toán thiết kế khung vỏ

3.3.1 Lựa chọn vật liệu làm khung

15

Hình 3.2 Thép chữ U

Ưu điểm của thép chữ U là: Thép chữ U dễ tìm mua với nhiều kích thước để lựa chọn Thép có rãnh dẫn hướng và có điểm bắt bulông đai ốc dễ lắp ghép tạo khung

Nhược điểm của thép chữ U là: Tính thẩm mỹ không cao Khi lắp thành khung dễ bị siêu vẹo Khung nhanh bị han rỉ theo thời gian

c Khung sắt đa năng

16

Hình 3.4 Nhôm định hình

Ưu điểm của nhôm định hình đó là: Nhôm định hình nhỏ gọn và có tính thẩm mỹ cao Việc lắp ráp và ghép nối dễ dàng Nhôm có rãnh dẫn hướng Do

có mối nối chuyên dụng đi kèm nên khi lắp ghép hết sức chắc chắn

Nhược điểm khi dùng nhôm định hình: Trọng lượng của khung làm bằng nhôm lớn Kích thước khung càng lớn chi phí càng cao

Kết luận: Nhằm xây dựng nên khung bao quanh kho hàng có tính thẩm mĩ,

và dễ dàng để ghép nối vật liệu làm khung được chọn là: “Nhôm định hình” Vì nhôm định hình có những ưu điểm đáp ứng được yêu cầu đề ra Đồng thời vì khung kho hàng có kích thước nhỏ nên chi phí không quá lớn

3.3.2 Thiết kế khung kho hàng

a Thiết kế kích thước khung

Khung kho hàng được tạo thành bằng việc ghép nối các thanh nhôm định hình lại với nhau bằng các mối nối Kích thước của kho hàng được xác định dựa trên số lượng các ô chứa hàng với các giá trị mà ta mong muốn

Trong mô hình kho hàng của đồ án yêu cầu kho hàng với 12 ô chứa hàng chia đều mỗi bên của kho hàng là 6 ô chứa mỗi bên Chia thành 2 tầng ở mỗi bên của kho hàng

17

- Khoảng cách từ mặt đấy đến các ô chứa: 200(mm)

- Chiều rộng khu vực đặt cánh tay cơ khí: 200(mm)

Từ các thông tin trên ta tính toán được chiều dài, chiều rộng và chiều cao của khung như sau:

- Chiều dài khung kho hàng: 200 + 200 + 200 + 200 = 800(mm)

- Chiều cao khung kho hàng: 200 + 200 + 200 = 600(mm)

- Chiều rộng khung kho hàng: 200 + 480 + 200 = 880(mm)

Ta sử dụng các thanh nhôm định định với hình dạng có sẵn để ghép nối thành khung kho hàng hoàn chỉnh với các kích thước đã tính toán ở trên

Phần đế của các ô chứa dùng để đặt vật liệu hoặc các chi tiết có khối lượng không đáng kể Nên ta sử dụng đế làm bằng những tấm nhựa mica kích thước 200x800x50(mm)

Hình dạng kích thước của thanh nhôm định hình:

Hình 3.5 Kích cỡ thanh nhôm

Xây dựng mô hình thanh nhôm trên Inventor

Hình 3.6 Mô phỏng thanh nhôm

b Kiểm bền cho thanh nhôm định hình với kích thước 40x40

 Kiểm bền cho thanh ngang chiều dài 88 cm

Sử dụng phần mềm Inventor để kiểm bền cho thanh nhôm định hình

19

Hình 3.9 Đặt lực

- Chọn simulate để mô phỏng

Hình 3.10 Chạy mô phỏng

- Sau quá trình mô phỏng ta thu đƣợc các giá trị ứng suất max và min

Hình 3.11 Ứng suất sau khi mô phỏng

- Chọn Safety Factor để hiển thị hệ số an toàn

20

Hình 3.12 Hệ số an toàn

Để đảm bảo bền thì hệ số an toàn phải lớn hơn 1 Với hệ số an toàn có trị số

là 15 lớn hơn nhiều so với yêu cầu Thanh nhôm siêu bền Đối với trường hợp siêu bền, thanh nhôm có thể giảm kích thước và kiểm tra lại để đảm bảo không

bị dư thừa quá nhiều

Vì các thanh nhôm so nhà sản xuất có các kích thước cố định là 20x20(mm), 40x40(mm).v.vv nên không thể tùy tiện giảm kích thước Kích thước có thể giảm xuống 20x20(mm) và vẫn đảm bảo bền Nhưng do thiết kế của nhôm định hình kích thước 20x20 không có tính thẩm mỹ cao Giá thành chênh lệch giữa 2 kích cỡ là không đáng kể Nếu xây dựng khung nhôm định hình bằng nhôm 20x20(mm) sẽ không tiết kiệm được nhiều chi phí và so sánh tính thẩm mỹ thì kém hơn so với thiết kế của nhôm 40x40

Kết luận: Lựa chọn nhôm định với thiết kế 40x40(mm) và chiều dài là 880(mm) cho các thanh nằm ngang

 Kiểm bền cho thanh đứng chiều dài 600(mm)

Các bước thực hiện tương tự như khi kiểm bền cho thanh nhôm định hình nằm ngang và chỉ khác ở vị trí đặt lực Đối với thanh đứng có 2 lực tác dụng Một là lực nén của các thanh nhôm định hình nằm ngang đè nên Hai là lực khi

cơ cấu chuyển động làm rung lắc khung kho hàng gây nên

21

Hình 3.13 Đặt lực nén dọc

Hình 3.14 Đặt lực ngang

Hình 3.15 Hệ số an toàn

22

Hệ số an toàn rất lớn Thanh nhôm siêu bền Để phục vụ cho việc tìm mua một cách tiện lợi và lắp khép khung có tính thẩm mỹ cao Nhôm định hình có kích thước 40x40(mm) được lựa chọn để xây dựng lên cả khung của kho hàng

Số lượng và chiều dài các thanh nhôm định hình cần có để lắp ghép thành khung kho hàng là:

- 4 thanh nhôm định hình chiều dài 880(mm)

- 5 thanh nhôm định hình chiều dài 800(mm)

- 8 thanh nhôm định hình chiều dài 600(mm)

Mối nối sử dụng để lắp ghép có hình dạng như sau

23

3.4 Tính toán thiết kế hệ truyền động

Hệ truyền động của cánh tay Robot thực hiện việc điều khiển quá trình hoạt động của cánh tay Có 4 chuyển động chính, trong đó bao gồm 3 chuyển động thẳng và 1 chuyển động quay

4 chuyển động chính là:

- Chuyển động tịnh tiến của cả cơ cấu cánh tay chạy dọc kho hàng

- Chuyển động dọc từ trên xuống của cơ cấu nâng hạ

- Chuyển động đẩy ra, vào của cơ cấu đỡ hàng để đưa hàng vào ô chứa

- Chuyển động quay của cơ cấu quay cánh tay cơ khí

3.4.1 Tính toán thiết kế cơ cấu di chuyển tịnh tiến dọc kho hàng

Khi tính toán, thiết kế cơ cấu tịnh tiến có hai vấn đề cần quan tâm đó là truyền động và dẫn hướng Việc lựa cho hình thức dẫn động và dẫn hướng sẽ quyết định hình dạng kết cấu của cơ cấu tịnh tiến mà ta muốn xây dựng Các chuyển động sẽ được truyền từ động cơ sau đó thông qua các cơ cấu truyền động khác nhau để làm cho hệ thống chuyển động như mong muốn

a Lựa chọn hình thức truyền động cho cơ cấu

Chuyển động ta mong muốn ở đây là chuyển động tịnh tiến dọc theo kho hàng Có rất nhiều hình thức để truyền động từ động cơ đến các cơ cấu dẫn động phía sau

 Truyền chuyển động từ động cơ thông qua xích và bánh răng (truyền động xích)

Khái niệm: Là việc truyền chuyển động thông qua cơ cấu xích và bánh răng Xích sẽ truyền chuyển động và tải trọng từ trục dẫn-trục chủ động (trục động cơ) sang trục bị dẫn-trục bị động thông qua sự ăn khớp của mắt xích với đĩa xích Cấu tạo chính gồm có xích, đĩa dẫn và đĩa bị dẫn Ứng dụng rộng rãi trong các máy vận chuyển(mô tô, xe máy, xe đạp, xích tải) Trích trang 3[2]

24

Hình 3.18 Bánh răng-Xích

Ưu điểm của bộ truyền động bánh răng-xích đó là:Có thể truyền chuyển động giữa các trục cách nhau tương đối xa So với một số dạng truyền động bằng đai thì bộ truyền động xích kích thước nhỏ gọn, làm việc không trượt, hiệu suất cao(ɳ = 0,96-0,98) Lực tác dụng lên trục tương đối nhỏ và cùng lúc truyền lực được cho nhiều trục Trích trang 4[2]

Nhược điểm: Nhiều tiếng ồn khi làm việc Cần thường xuyên được bôi trơn, chống mòn Vận tốc tức thời khi chuyển động không được ổn định Giá thành cao hơn so với bộ truyền đai răng Trích trang 4[2]

 Bộ truyền động dây đai-bánh răng(hoặc pulley răng)

Khái niệm: Là bộ truyền chuyển động thông qua dây đai và bánh răng(hoặc pulley răng) Cấu tạo gồm có dây đai, bánh dẫn và bánh bị dẫn Dây đai và bánh răng có răng ăn khớp với nhau nên chuyển động từ bánh dẫn ( gắn với trục động cơ) sang bánh bị dẫn Thường dùng để truyền chuyển động giữa các trục song song và chuyển động cùng chiều nhau Truyền động đai răng kết hợp được những ưu điểm của cả truyền động đai thường cũng như truyền động xích Trích trang 18[2]

25

Hình 3.19 Pulley-Dây đai

Ưu điểm của bộ truyền động sử dụng dây đai-bánh răng là: Khả năng truyền động giữa các trục ở xa Bộ truyền động làm việc êm không ồn và không đòi hỏi bôi trơn Bộ truyền động giữ được an toàn cho các chi tiết cho các chi tiết máy khi bị quá tải Kết cấu của bộ truyền động đơn giản, giá thành rẻ và dễ thay thế Công suất có thể đạt đến 100kW và vận tốc đạt ngưỡng xấp xỉ 50m/s đối với các

bộ Đai-răng to Trích trang 19[2]

Nhược điểm khi dùng bộ truyền động dây đai-bánh răng là: Tuổi thọ thấp nếu làm việc với vận tốc cao Sử dụng bộ truyền trong thời gian dài sẽ dẫn đến

bị trùng dây đai Trích trang 19[2]

 Cơ cấu trục vít me-đai ốc bi

Hình 3.20 Vít me-đai ốc bi

Ưu điểm của cơ cấu truyền động vít me-đai ốc bi là: Độ chính xác khi truyền chuyển động của cơ cấu rất cao Cơ cấu đi kèm cả việc dẫn hướng cho chuyển động Cơ cấu dễ lắp ráp Động cớ được lắp đặt đơn giản

Nhược điểm khi sử dụng cơ cấu truyền động vít me-đai ốc là: Kích thước và trọng lượng cơ cấu lớn.Tự chế tạo khó Giá thành cao

Kết luận: Từ ưu nhược điểm của các phương pháp truyền động nói trên

Phương pháp truyền động bằng được chọn là: “Dây đai – bánh răng” Một

26

pulley gắn trực tiếp vào trục động cơ, pulley còn lại gắn cố định ở điểm cuối hành trình Kích thước pulley phụ thuộc vào trục động cơ, độ dài dây đai phụ thuộc vào hành trình chuyển động của cơ cấu

b Lựa chọn phần dẫn hướng cho cơ cấu

Có một số hình thức dẫn hướng cho cơ cấu như sau

 Cơ cấu thanh trượt tròn (ổ bi)

 Sử dụng ray dẫn hướng hoặc tạo hình dẫn hướng thông qua các vật liệu

Ta có thể sử dụng thép chữ U đa năng , nhôm định hình cõ rãnh dẫn hướng hoặc ghép thép hộp để tạo rãnh dẫn hướng

Ưu điểm của phương án này đó là: Vật liệu chế tạo cógiá thành rẻ và phong phú Có thể tìm mua vật liệu với nhiều kích thước Thiết kế đơn giản

Nhược điểm của phương pháp là: Độ chính xác của phương án không cao

Cơ cấu dễ bị siêu vẹo

 Cơ cấu vít mẹ - đai ốc bi :

Hình 3.22 Vít me-đai ốc bi

27

Ưu điểm của cơ cấu truyền động vít me-đai ốc bi là: Độ chính xác khi truyền chuyển động của cơ cấu rất cao Cơ cấu đi kèm cả việc dẫn hướng cho chuyển động Cơ cấu dễ lắp ráp Động cớ được lắp đặt đơn giản

Nhược điểm khi sử dụng cơ cấu truyền động vít me-đai ốc là: Kích thước và trọng lượng cơ cấu lớn.Tự chế tạo khó Giá thành cao

Kết luận: Từ những ưu nhược điểm các hệ thống dẫn hướng nói trên chúng

em chọn phương pháp dẫn hướng bằng cơ cấu thanh trượt tròn(ổ bi) Vì phương

án này đáp ứng được cả tính kinh tế cũng như đảm bảm sự đơn giản cho cơ cấu

c Tính toán thiết kế các cơ cấu đã lựa chọn

Ở 2 đầu thành trượt ta thiết kế 2 đầu gá đỡ thanh trượt 2 đầu gá này được gắn cứng với phần khung kho hàng Kích thước của 2 đầu gá là: Chiều dài 190(mm), dầy 20(mm), cao 40(mm) Trên thân 2 đầu gá có đục lỗ để gắn thanh trượt và gắn động cơ

Tấm đế có nhiệm vụ gắn phần cơ cấu di chuyển dọc kho hàng với các phần

cơ cấu còn lại của cánh tay nâng hạ Trên tấm đế ta gắn các ổ bi của thanh trượt, gắn dây đai của Pulley-dây đai, gắn cơ cấu và động cơ cho chuyển động quay,

và gắn các ổ bi nhỏ hỗ trợ chuyển động quay của cơ cấu Vì yêu cầu đó tấm đế được thiết kế như sau:

29

Hình 3.27 Tấm đế

Động cơ được đặt ở 1 đầu của thanh giá đỡ Pulley thứ nhất gắn trực tiếp vào động cơ, pulley thứ 2 gắn ở thanh giá đỡ còn lại dây đai được gắn vào 2 pulley đồng thời gắn vào phần tấm đế Khi động cơ quay dây đai sẽ bị kéo Tấm đế bị gắn cứng với các ổn bi trên thanh trượt sẽ di chuyển dọc theo kho hàng Hướng được dẫn bởi thanh trượt

Xây dựng mô hình trên phầm mềm inventor

Hình 3.28 Mô hình cơ cấu tịnh tiến 3.4.2 Cơ cấu nâng hạ của cánh tay

a Cơ cấu truyền chuyển động

Cơ cấu nâng hạ là cơ cấu kéo theo trục thẳng đứng để điều khiển vị trí của cánh tay Có thể sử dụng nhiều hình thức dẫn động cho cơ cấu nâng hạ

 Hệ thống ròng rọc : 1 đầu ròng rọc gắn với động cơ đầu còn lại nối với phần giá đỡ và đỉnh của cánh tay Robot

Ưu điểm: Cơ cấu này đơn giản, gọn nhẹ, linh hoạt, giá thành rẻ

30

Nhược điểm: Độ chính xác khi điều khiển vị trí không cao Cơ cấu phải sử dụng nhiều công tắc hành trình Khi hoạt động xảy ra rung lắc khi sử dụng Tính thẩm mỹ không cao

 cơ cấu Vít me – thanh truyền:

Cơ cấu vít me - thanh truyền được sử dụng nhiều trong các hệ thống máy CNC mini Động cơ gắn trực tiếp vào thanh truyền, vít me gắn vào phần giá đỡ

Ưu điểm: Độ cứng vững của cơ cấu cao Cơ cấu đảm bỏa tính chính xác khi điều khiển vị trí

Nhược điểm: Giá thành của cơ cấu đắt Kích thước cơ cấu cồng kềnh, trọng lượng nặng, tốc độ di chuyển chậm, bị hạn chế về hành trình

 Cơ cấu Pully – dây đai

Ưu điểm: Cơ cấu đơn giản, gọn nhẹ, giá thành rẻ, linh hoạt Tính thẩm mỹ cao

Nhược điểm: Dây đai sau thời gian sử dụng lâu dài sẽ bị trùng

Kết luận: Từ những ưu nhược điểm trên ta lựa chọn cơ cấu dùng pulley và dây đai cho cơ cấu nâng hạ bằng động cơ Vì tính đơn giản, gọn nhẹ và linh hoạt của cơ cấu này

Pully thứ nhất gắn trực tiếp vào động cơ Pulley thứ 2 gắn ở phần đỉnh của

cơ cấu nâng hạ Dây đai ăn khớp bớt 2 pulley và được gắn vào phần giá nâng hạ của cơ cấu Động cơ quay sẽ kéo cơ cấu di chuyển lên xuống dọc trục

b Dẫn hướng và giá đỡ

 Trục dẫn hướng

Cánh tay nâng hạ di chuyển lên xuống trong không gian của kho hàng nên ta chọn thanh nhôm định hình 40x40(mm) với chiều dài 550(mm) làm trục của cơ cấu nâng hạ đồng thời làm nhiệm vụ dẫn hướng khi kết hợp với giá đỡ Giá đỡ

sẽ ôm vào thanh nhôm định hình để di chuyển

Trên phần đỉnh của cơ cấu nâng hạ thiết kế 2 tấm phụ trợ Tấm thứ nhất có gắn đầu pulley thứ 2 phục vụ cho cơ cấu nâng hạ Tấm thứ hai hỗ trợ chuyển động quay cho cánh tay và đảm bảo trong quá trình hoạt động canh tay không bị nghiêng

31

Hình 3.29 Tấm phụ trợ 1

Hình 3.30 Tấm phụ trợ 2

 Giá đỡ

Giá đỡ được thiết kế để phục vụ những yêu cầu sau:

- Đỡ phần cơ cấu đẩy, đỡ hàng Bao gồm thanh đẩy và động cơ của cơ cấu truyền chuyển động cho thanh đẩy

- Ôm vào thanh nhôm định đình, dẫn hướng cho chuyển động lên xuống

- Nối với dây đai phục vụ quá trình nâng hạ của cơ cấu nâng hạ

Phần giá đỡ được thiết kết trên inventor và sau đó được chế tạo bằng cách in 3D nguyên khối Phương pháp này giúp đơn giản hóa khâu chế tạo, giúp việc thiết kế dễ dàng hơn Vật liệu in giá đỡ là nhựa

Thiết kế mô hình trên Inventor

32

Hình 3.31 Mô hình giá đỡ

Kiểm bền cho giá đỡ

Các vị trí quan trọng cần kiểm bền cho giá đỡ lần lƣợt là:

- Mối nối của giá đỡ với dây đai của cơ cấu Pulley dây đai

Lực tác dụng vào vị trí mối nối là lực kéo dùng để nâng hạ cả giá đỡ và lực giữ cơ cấu nâng hạ tạm dừng ở một vị trí Điểm đặt lực trực tiếp vào mối nối, giá trị lực 30(N)

Hình 3.32 Đặt lực

33

Hình 3.33 Ứng suất và hệ số an toàn

Hệ số an toàn có giá trị lớn, vị trí mối nối siêu bền Tuy nhiên không thể giảm bớt kích thước vì đây là kích thước nhỏ nhất có thể lựa chọn Bề ngang của mối nối phải ăn khớp với chiều ngang của dây đai

- Vị trí đặt thanh đẩy cho cơ cấu đẩy hàng

Lực tác dụng lên vị trí đặt thanh đẩy là do trọng lực của chính thanh đẩy gây

ra Giá trị lực tác dụng là 6.4(N)

Hình 3.34 Đặt lực

Hình 3.35 Ứng suất và hệ số an toàn

34

Hệ số an toàn có giá trị lớn, vị trí đặt thanh đẩy siêu bền Tuy nhiên không thể giảm bớt kích thước vì đây là kích thước nhỏ nhất có thể lựa chọn Kích thước của vị trí đặt thanh đẩy được thiết kế khớp với hình dạng của thành đẩy Nếu thu hẹp kích thước sẽ làm mất đi tính thẩm mỹ

3.4.3 Thiết kế cơ đẩy hàng của cánh tay cơ khí

a Cơ cấu truyền động

 Cơ cấu bánh răng – thanh răng

Dùng cơ cấu để truyền động cho thanh đẩy với Bánh răng được gắn trực tiếp với động cơ và thanh răng gắn vào thanh đẩy

Hình 3.36 Bánh răng-Thanh răng

Ưu điểm của cơ cấu là: Tính chính xác cao của cơ cấu cao

Nhược điểm của cơ cấu đó là: Cơ cấu có giá thành đắt, khối lượng nặng

 Cơ cấu pulley – dây đai

Gắn trực tiếp dây đai vào bề mặt của thanh đẩy và pulley gắn trực tiếp vào động

cơ, phần răng của Pulley ăn khớp với dây đai Do đó khi động cơ quay sẽ đẩy thanh đẩy di chuyển Cơ cấu hoạt động giống với cơ cấu bánh răng thanh răng

Ưu điểm của cơ cấu là: Cơ cấu có giá thành rẻ, gọn nhẹ, tính thẩm mĩ cao Nhược điểm khi dùng cơ cấu này là: Trong tính toán thiết kế cần chính xác

vị trí đặt thanh đẩy tránh bị lệch hoặc hụt

Đầu thanh đẩy có gắn các que đỡ phục vụ việc đỡ vật trong quá trình vận chuyển đƣa vào kho hàng

Hình 3.37 Thanh đỡ

Thanh đẩy đƣợc đặt trên phần giá đỡ của cơ cấu nâng hạ Xây dựng mô hình

cơ cấu đẩy hàng trên Inventor

Hình 3.38 Cơ cấu đẩy và đỡ hàng

36

3.4.4 Cơ cấu quay của cánh tay Robot

Cơ cấu quay chỉ truyền chuyển động quay làm cánh tay nâng hạ Cơ cấu không yêu cầu truyền lực Nên có các phương án truyền chuyển động sau:

 Gắn trực tiếp trục động cơ với trục quay

Ưu điểm: Trục động cơ được gắn trực tiếp với trục quay, chuyển động được truyền trực tiếp không qua các cơ cấu trung gian

Nhược điểm: Đối với các tải trọng quá lớn sẽ làm hư hại đến động cơ Hoặc phải chọn động cơ công suất lớn gây tốn kém chi phí

 Cơ cấu Pulley-đai răng

Hình 3.39 Pulley-đai răng

Ưu điểm của cơ cấu là: Cơ cấu pulley-đai răng có khả năng truyền động giữa các trục ở xa Cơ cấu làm việc êm không ồn và không đòi hỏi bôi trơn Cơ cấu đảm bảo an toàn cho các chi tiết máy khi bị quá tải

Nhược điểm của cơ cấu là: Tuổi thọ của cơ cấu thấp nếu làm việc với vận tốc cao Sử dụng cơ cấu liên tục trong thời gian dài sẽ dẫn đến trùng dây đai Tính toán, lựa chọn vị trí lắp đặt phức tạp

 Cơ cấu truyền động bánh răng trụ răng thẳng

Các bánh răng ăn khớp với nhau thực hiện việc truyền chuyển động và tải trọng Có 2 kiểu bộ truyền bánh răng là bộ truyền chịu lực và bộ truyền không chịu lực Bộ truyền chịu lực dùng để truyền công suất với kích thước xác định theo điều kiện độ bền Bộ truyền không chịu lực dùng chủ yếu thực hiện các

Nhƣợc điểm khi dùng bánh răng đó là: Khả năng tự chế tạo khó Bánh răng đòi hỏi độ chính xác cao Nếu là việc với vận tốc lớn sẽ gây tiếng ồn

Kết luận: Cơ cấu quay chỉ cần truyền chuyển động quay không cần truyền

công suất Vận tốc khi làm việc rất nhỏ Từ những ƣu nhƣợc điểm nêu trên “Cơ cấu truyền động bánh răng” đƣợc lựa chọn

Hoạt động của cơ cấu: Khi hai bánh răng ăn khớp với nhau và truyền chuyển động, bánh răng thứ nhất gắn trực tiếp vào trục động cơ Bánh răng thứ 2 gắn vào thanh dọc trục của cơ cấu cánh tay nâng hạ thông qua một đĩa tròn Khi động cơ quay 2 bánh răng truyền chuyển động quay trục động cơ và làm cả cơ cấu quay Vì bánh răng chỉ thực hiện chức năng động học là truyền chuyển động nên lựa chọn bánh răng không xét đến độ bền Tỉ số truyền giữa cặp bánh răng là:

là số răng bánh răng thứ nhất, là số răng bánh răng hai