Với thực trạng trên tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp dùng tay máy cho bài toán lƣu trữ, trích xuất bình gas trong hệ trong phân phối ” nhằm mục đích cải thiện điều kiện làm [r]
(1)BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM
-NGÔ PHONG CƢỜNG
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP DÙNG TAY MÁY CHO BÀI TỐN LƢU TRỮ, TRÍCH XUẤT BÌNH GAS TRONG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số ngành: 60520114
(2)BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM -
NGÔ PHONG CƢỜNG
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP DÙNG TAY MÁY CHO BÀI TỐN LƢU TRỮ, TRÍCH XUẤT BÌNH GAS TRONG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ điện tử Mã số ngành: 60520114
HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.NGUYỄN DUY ANH
(3)CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM
Cán hƣớng dẫn khoa học: TS NGUYỄN DUY ANH (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký)
Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ Trƣờng Đại học Công nghệ TP HCM ngày 25 tháng 01 năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) Họ tên Chức danh Hội đồng
1 TS Ngô Cao Cƣờng Chủ tịch
2 PGS.TS Nguyễn Tấn Tiến Phản biện
3 TS Nguyễn Hùng Phản biện
4 TS.Võ Hoàng Duy Ủy viên
5 TS Nguyễn Quốc Hƣng Ủy viên, Thƣ ký
Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn đƣợc sửa chữa (nếu có)
(4)TRƢỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP HCM
PHỊNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc
TP HCM, ngày 12tháng 06 năm 2013
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGƠ PHONG CƢỜNG Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 20/09/1968 Nơi sinh: Thừa Thiên Huế Chuyên ngành: Kỹ thuật Cơ điện tử MSHV: 124 184 000
I- Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP DÙNG TAY MÁY CHO BÀI TỐN LƢU TRỮ, TRÍCH XUẤT BÌNH GAS TRONG HỆ THỐNG PHÂN PHỐI
II- Nhiệm vụ nội dung:
- Thiết kế bố trí sản phẩm nhà kho, sử dụng tay máy (robot) gắp sản phẩm nhập xuất lƣu trữ Lựa chọn robot phù hợp để đáp ứng yêu cầu
- Phân tích động học thuận nghịch robot chọn
- Đề xuất giải thuật nhập xuất xếp sản phẩm nhà kho, mô - Kết mô kết luận
III- Ngày giao nhiệm vụ: 12/06/2013 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 30/12/2013 V- Cán hƣớng dẫn: TS.NGUYỄN DUY ANH
(5)i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình khác
Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn đƣợc cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn đƣợc rõ nguồn gốc
Học viên thực Luận văn
(6)ii
LỜI CÁM ƠN
Trong suốt thời gian tham gia học chƣơng trình cao học thực luận văn thạc sĩ, nhận đƣợc giảng dạy, giúp đỡ, hƣớng dẫn, góp ý nhiều quý Thầy Cô môn Cơ điện tử, khoa Cơ điện tử Trƣờng Đại học Công Nghệ Tp.HCM q Thầy Cơ Trƣờng Đại học Bách Khoa Tp HCM
Trƣớc tiên, chân thành cám ơn quý Thầy tham gia giảng dạy chƣơng trình cao học ngành Cơ điện tử, giúp chúng tơi tích lũy thêm kiến thức sâu rộng chuyên môn, cung cấp cho biện pháp nghiên cứu lĩnh vực điều khiển
Tôi chân thành gửi lời cám ơn sâu sắc đến Thầy Tiến sĩ Nguyễn Duy Anh, ngƣời Thầy giảng dạy, hƣớng dẫn góp ý giúp tơi hồn thành luận văn thạc sĩ
TpHCM, ngày17 tháng 11 năm 2013 Học viên
(7)iii
TÓM TẮT
Hiện nhu cầu sử dụng bình gas dân dụng 12 kg ngày nhiều dẫn đến nhu cầu xây dựng nhà kho nhỏ có chức phân phối bình gas đến ngƣời tiêu dùng lớn Từ trạng vấn đề tự động hóa cơng việc lƣu trữ, xếp, phân phối nhà kho cần thiết nhằm tăng hiệu công việc
Mục tiêu luận văn đƣa phƣơng án tự động hóa cơng việc xếp bình gas nhà kho, cụ thể lựa chọn robot để thực công việc Đề tài tập trung giải phần sau:
Đƣa phƣơng án lựa chọn robot phù hợp với yêu cầu
Mô robot phần mềm 3D thể kết cấu hoạt động robot
Đƣa giải thuật xếp kho:
- Tối ƣu hóa đƣờng robot việc xếp sản phẩm nhà kho
- Phân phối sản phẩm theo phƣơng pháp sản phẩm nhập trƣớc đƣợc xuất trƣớc(FIFO-“first-in-first-out”)
(8)iv
ABSTRACT
Nowadays, the demand for using of 12kg civil gas tanks has increased This leads to the set up of small warehouses which its function is distributing gas to consummers has also increased As the current state, the issue of automatize storage, arrangement and distribution in the warehouses is essential to improve work efficiency
The main objective of this thesis (essay) is to suggest a soution for arranging the gas tanks in the warehouses automatically- using a robot to handle this job is one among options Thesis focuses on the following sections:
Providing alternative plans in design, analyzing, evaluating and opting the plans in accordance with the requirements
Simulating 3D robot on a software representing structure and operation of the robot
Providing warehouse arrangement algorithm:
- Optimization of robot paths in arranging items in a warehouse - Item distribution by FIFO (First-In-First-Out) method
(9)v
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CÁM ƠN ii
TÓM TẮT iii
ABSTRACT iv
MỤC LỤC v
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii
DANH MỤC CÁC BẢNG ix
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH x
Chƣơng 1: Giới thiệu
1.1 Mở đầu
1.1.1 Đặt vấn đề
1.1.2 Phạm vi nghiên cứu mục tiêu luận văn
1.1.3 Ý nghĩa thực tiễn luận văn
1.2 Tổng quan
1.2.1 Các nghiên cứu nƣớc có liên quan đến đề tài
1.2.2 Tổng quan kho bãi
1.2.3 Tiêu chuẩn quy định an toàn vận chuyển lƣu trữ bình gas(LPG)
1.3 Tóm tắt chƣơng luận văn
Chƣơng 2: Thiết kế bố trí sản phẩm nhà kho lựa chọn robot phù hợp
2.1 Yêu cầu thực tế nhà kho chứa bình gas
2.2 Thiết kế bố trí sản phẩm nhà kho
2.3 Lựa chọn robot phù hợp yêu cầu 11
2.3.1 Các dạng robot công nghiệp thƣờng đƣợc sử dụng nhà kho 11
(10)vi
2.4 Sơ đồ nguyên lý robot gắp bình gas 15
2.5 Tính tốn sơ kích thƣớc khâu 16
Chƣơng Phân tích động học robot 18
3.1 Động học vị trí 18
3.1.1 Bài tốn động học thuận 18
3.1.2 Bài toán động học ngƣợc 19
3.2 Động học vận tốc 21
Chƣơng Giải thuật xếp kho mô 24
4.1 Giải thuật xếp nhà kho mô 24
4.1.1 Đặt vấn đề giới hạn phạm vi thực 24
4.1.2 Một số quy định 24
4.1.3 Đề xuất giải thuật nhập xuất xếp bình gas nhà kho 26
4.2 Mơ giải thuật nhập xuất xếp bình gas nhà kho 31
4.2.1 Kết mơ giải thuật nhập xuất xếp bình gas 31
4.2.1 Kết mô giải thuật xếp xuất sản phẩm 36
4.3 Mô hoạt động robot 38
4.3.1 Mơ mơ hình robot 38
4.3.2 Mơ hoạt động mơ hình robot nhập xuất xếp sản phẩm 40
Chƣơng 5: Kết luận 42
5.1 Kết luận 42
5.2 Kiến nghị 42
(11)vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu Giải thích nghĩa
zi-1 : Vector đơn vị theo trục z khớp thứ i
: Vector xác định từ gốc
hệ trục tọa độ khớp thứ i – đến
gốc tọa độ khâu tác động cuối G : Vector trọng lực
Ii : Ma trận quán tính khâu i tâm khối lƣợng, viết hệ tọa độ
tuyệt đối
: Ma trận quán tính khâu i hệ tọa độ khâu i
`Ji : Ma trận Jacobi vận tốc trọng tâm khâu i
Jvi : Ma trận Jacobi liên hệ với vận tốc tuyến tính tâm khối
lƣợng khâu i
Jωi : Ma trận Jacobi liên hệ với vận tốc góc tâm khối lƣợng
khâu i
K : Động hệ thống học
VCi : Vận tốc tịnh tiến tuyệt đối khối tâm
ωi : Vận tốc quay tuyệt đối khâu i
U : Thế hệ thống học
L : Hàm Lagrange
M : Ma trận quán tính cấu chấp hành Mij : Phần tử (ij) M
n : Số lƣợng tọa độ tổng quát
: Vector vị trí tâm khối lƣợng Ci khâu i theo hệ tọa độ khâu k
đƣợc tính trọng hệ tọa độ tuyệt đối
: Vector vị trí nối từ gốc hệ trục j –1 đến tâm khối lƣợng Ci
khâu i
(12)viii
Q : Vector lực suy rộng , [ ]
: Vector momen khớp thiết bị dẫn động động tạo
Fe : Vector hợp lực moment tác dụng phận tác động cuối
(13)ix
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng Thơng số bình gas……… Bảng 2 Thông số kỹ thuật……… Bảng 2.3 Robot khớp lể cố định……… Bảng Bảng thông số Denavit Hartenberg……… Bảng 5.1 Cấu hình robot………
(14)x
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ, ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Biểu đồ tiêu thụ LPG Việt Nam [1]
Hình 1.2 Hệ thống AS/RS cỉa hãng Efacec
Hình Xe tự hành hãng JBT
Hình carousel dạng ngang
Hình Carousel dạng đứng
Hình Bình gas 12 kg
Hình 2 Sơ đồ xếp bình gas 10
Hình Sơ đồ bố trí nhà kho 11
Hình Robot khớp lề hãng Kuka sản xuất 12
Hình Robot tọa độ vng góc (Gantry robot) hãng Elettric80 12
Hình Robot cơng nghiệp IRB 460 13
Hình Sơ đồ tải trọng robot IRB460 hãng ABB 14
Hình Sơ đồ bậc tự robot gắp bình gas 15
Hình Sơ đồ đơn giản robot gắp bình gas 16
Hình 10 Lƣợc đồ khâu 16
Hình 11 Vị trí bình gas gần xa nhà kho 17
Hình Các hệ trục tọa độ robot 18
Hình Sơ đồ vị trí bình gas 25
Hình Giải thuật xác định vị trí nhập sản phẩm 28
Hình Giải thuật tính khoảng cách 29
Hình 4 Giải thuật xuất sản phẩm 30
Hình Giải thuật tìm vị trí dời sản phẩm 31
Hình Quỹ đạo đƣờng robot (sản phẩm) 32
Hình Trọng số khoảng cách từ ( 3,1,1) sang (9,5,2) 32
(15)xi
Hình Trọng số khoảng cách từ ( 3,1,1) sang (7,9,1) 33
Hình 10 Quỹ đạo đƣờng robot (sản phẩm) 34
Hình 11 Trọng số khoảng cách từ ( 3,1,1) sang (1,10,1) 34
Hình 12 Quỹ đạo đƣờng robot (sản phẩm) 35
Hình 13 Trọng số khoảng cách từ ( 3,1,1) sang (11,11,1) 35
Hình 14 Quỹ đạo đƣờng robot (sản phẩm) 36
Hình 15 Xuất sản phẩm từ (9,6,1) sang (9,1,1) 37
Hình 16 Tầm với robot 38
Hình 17 Tầm với robot 38
Hình 18 Tầm với robot 39
Hình 19 Tầm với robot 39
Hình 20 Nhập xếp sản phẩm 40
Hình 21 Nhập xếp sản phẩm 40
Hình 22 Xuất sản phẩm 41
(16)1
Chƣơng 1: Giới thiệu 1.1 Mở đầu
1.1.1 Đặt vấn đề
Khí dầu mỏ hóa lỏng (Liquid Petroleum Gas – LPG) trở thành mặt hàng tiêu dùng thiết yếu sống sinh hoạt thƣờng ngày ngày đƣợc sử dụng rộng rãi Theo số liệu (năm 2010) từ Ban phân tích – Cơng ty cổ phần chứng khốn dầu khí [1], nhu cầu tiêu thụ LPG Việt Nam tăng nhanh chóng: năm 1991 nhu cầu LPG nƣớc 50,000 tấn, năm 2001 400,000 năm 2010 1.1 triệu (Hình 1.1) Dự báo năm 2015 nhu cầu sử dụng LPG nƣớc khoảng 1,5 triệu năm 2020 đạt triệu [2]
Hình 1.1 Biểu đồ tiêu thụ LPG Việt Nam [1]
Theo số liệu thống kê ta nhận thấy thị trƣờng gas Việt Nam có tốc độ tăng trƣởng 15% / năm vòng 10 năm qua Thị trƣờng tiêu thụ sản phẩm LPG Việt Nam nay, đối tƣợng sở thƣơng mại, dịch vụ hộ tiêu thụ dân dụng (sử dụng bình gas 12kg) chiếm khoảng 65% [1] Từ số liệu nhận thấy nhu cầu sử dụng bình gas 12 kg lớn
(17)2
đảm độ an toàn, tăng suất đồng thời xây dựng hình ảnh cơng ty đại chun nghiệp
Hiện hoạt động vận chuyển, xếp hàng nơi lƣu trữ gas Việt Nam chủ yếu dùng sức ngƣời cao sử dụng xe nâng cho nhà kho lớn Do giải tốn tự động hóa hoạt động nhà kho chứa gas cần thiết mang lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp Với thực trạng tác giả chọn đề tài “Nghiên cứu giải pháp dùng tay máy cho tốn lƣu trữ, trích xuất bình gas hệ phân phối ” nhằm mục đích cải thiện điều kiện làm việc, nâng cao hiệu công việc, bƣớc đầu tối ƣu hóa đƣờng tay máy(robot) phƣơng pháp sản phẩm nhập trƣớc xuất trƣớc(First In First Out - FIFO)
1.1.2 Phạm vi nghiên cứu mục tiêu luận văn
Tự động hóa việc vận chuyển xuất nhập xếp bình gas thực nhiều cách Trong phạm vi luận văn này, tác giả tập trung nghiên cứu, đề xuất thiết kế dạng tay máy khớp lề để thực tác vụ nhà kho
Để đạt đƣợc mục đích nêu phần 1, luận văn cần phải hoàn thành mục tiêu sau:
- Thiết kế bố trí sản phẩm nhà kho, sử dụng tay máy gắp sản phẩm nhập xuất lƣu trữ Lựa chọn robot phù hợp để đáp ứng yêu cầu
- Phân tích động học thuận nghịch robot chọn
- Đề xuất giải thuật nhập xuất xếp sản phẩm nhà kho, mô
1.1.3 Ý nghĩa thực tiễn luận văn
Mô hoạt động robot giúp kiểm chứng kết lựa chọn, đánh giá tƣơng đối đầy đủ khả làm việc robot mà không cần chế tạo thử
(18)3 1.2 Tổng quan
1.2.1 Các nghiên cứu nƣớc có liên quan đến đề tài
Ngồi nƣớc
Hiện nay, giới, robot cơng nghiệp dùng để vận chuyển xếp sản phẩm đƣợc nhiều công ty thiết kế chế tạo Một số công ty chuyên sản xuất nhƣ: ABB, Kuka, Fanuc…Các công ty chủ yếu tập trung nƣớc phát triển nhƣ Mỹ, Nhật, Đức, Ý… Ngày nay, xu phát triển robot công nghiệp tập trung theo hƣớng tăng khả làm việc robot (tốc độ làm việc, độ xác…), tăng tính an tồn, giảm giá thành, giảm kích cỡ trọng lƣợng robot
Một số nghiên cứu triển khai có liên quan đến đề tài đƣợc cơng bố tạp chí chuyên ngành
[1] Guan Xiaoqing, Wang Jidong, “Mechanical design and kinematic analysis of a new kind of palletizing robot”, Mechanic Automation and Control Engineering (MACE), 2011 Second International Conference on, 2011, pp.404-408
[2] Murat AKDAG, Design and analysis of robot manipulators by integrated CAE procedures, 2008
Trong nƣớc
Tại Việt Nam, nghiên cứu phát triển robot có bƣớc tiến đáng kể 25 năm qua Đặc biệt phải kể đến Công ty Cổ phần TOSY, thiết kế chế tạo thành công tay máy robot sáu bậc tự Tuy nhiên cụ thể robot công nghiệp chuyên dùng để vận chuyển xếp hàng hóa chƣa có quan tổ chức tiến hành nghiên cứu sản xuất
Danh mục nghiên cứu có liên quan
(19)4
[2] Lê Đình Nguyên, Nghiên cứu thiết kế giải thuật điều khiển tay máy theo vết đƣờng cong không gian, Luận văn Thạc sĩ, Đại học Bách Khoa Tp HCM, 2009
[3] Nguyễn Quốc Cƣờng, Xây dựng giải thuật điều khiển cho robot hàn giàn giáo dựa mơ hình động lực học, Luận văn Thạc sĩ, Đai học Bách Khoa Tp HCM
[4] Huỳnh Quang Huy, Nghiên cứu, thiết kế tay máy gắp bình gas, Luận văn Thạc sĩ, Đai học Bách Khoa Tp HCM
1.2.2 Tổng quan kho bãi
Các khái niệm vai trò kho bãi
Kho bãi phần hoạt động hậu cần Do trƣớc tìm hiểu kho bãi có nhìn sơ lƣợc hậu cần Logistic đƣợc định nghĩa nhƣ sau: “Logistics môn khoa học việc hoạch định, tổ chức, quản lý thực hoạt động cung ứng hàng hóa dịch vụ” [3] Mục tiêu hậu cần phân phối sản phẩm, thời gian với số lƣợng chất lƣợng nơi
Khái niệm kho bãi: Kho bãi trung tâm phân phối hàng hóa, với mục tiêu đƣa hàng hóa đến ngƣời dùng cuối cách thuận tiện Chức kho bãi bao gồm nhận hàng hóa, nhận biết xếp, phân phối hàng hóa đến nơi lƣu giữ, lấy hàng từ nơi lƣu giữ theo yêu cầu khách hàng, đóng gói, gửi hàng
Vai trị kho bãi: Kho bãi đóng vai trò quan trọng hoạt động hậu cần Kho bãi có tác dụng trì nguồn hàng liên tục, giảm chi phí vận tải địa điểm trung chuyển hàng gom hàng từ nhiều khách hàng tách hàng cho nhiều khách hàng khác Đối với công ty nhập nguyên liệu, kho bãi giúp công ty chủ động đƣợc nguồn nguyên liệu không phụ thuộc vào biến động giá thị trƣờng
Một số hệ thống vận chuyển xếp hàng hóa tự động đƣợc sử dụng nhà kho
(20)5
Hệ thống AS/RS hệ thống lƣu kho & truy hồi tự động Hệ thống đƣợc ứng dụng cho số lƣợng hàng hóa lƣu trữ lớn mà khơng gian lại giới hạn
Một Hệ thống lƣu kho & truy hồi tự động, AS/RS, kết hợp thiết bị kiểm soát, nhằm xử lý, lƣu kho truy hồi vật liệu với rõ ràng, xác tốc độ Các hệ thống thay đổi từ tƣơng đối đơn giản, điều khiển tay hoạt động cấu trúc kho chứa đến hệ thống lƣu kho truy hồi điều khiển máy tính, đƣợc tích hợp hồn tồn vào quy trình sản xuất phân phối
Một AS/RS cho phép công ty lấy lại không gian sàn, nâng cao hiệu bảo đảm việc kiểm soát tồn trữ
Các thiết bị cần thiết cho AS / RS bao gồm máy Lƣu kho & Truy hồi, SRM, đƣợc sử dụng cho việc lƣu kho truy hồi vật liệu nhanh chóng Các loại SRM thông thƣờng tải mini tải đơn vị Một SRM di chuyển tải ba trục: đứng và/hoặc ngang lối đi, sau sang bên để đặt tải ví trí lƣu kho
Hình 1.2 Hệ thống AS/RS cỉa hãng Efacec Ƣu điểm: Hệ thống AS/RS mang lại lợi ích sau
- Quá trình lƣu xuất hàng hóa nhanh, hoạt động liên tục 24 giờ/ ngày - Tiết kiệm không gian lƣu trữ
- Khả lƣu trữ linh hoạt dễ dàng mở rộng theo nhu cầu