Báo cáo thiết kế và thi công xe vận chuyển giầy tự động AUTO AGV

-1- ĐẶT VẤN ĐỀ Lí 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. 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. 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. Nắm bắt tình hình của công ty Changshin, Ban Nghiên cứu và phát triển của công ty đã hợp tác với Trường Đại Học Lạc Hồng và tạo điều kiện thuận lợi nhất để sinh viên tham gia nghiên cứu khoa học. Tiếp thu kiến thức giáo dục của nhà trường và mong muốn nâng cao năng suất lao động cho công ty Changshin, nhóm chúng tôi đã thực hiện và nghiên cứu chế tạo xe AUTO AGV với chi phí chế tạo thấp nhất và kết cấu đơn giản nhất nhưng mang lại hiệu quả cao nhất. Đề tài: “ Thiết kế và thi công xe vận chuyển giầy tự động AUTO AGV” hy vọng sẽ mang lại bước phát triển mới cho công ty Changshin Việt Nam. Phƣơng pháp nghiên cứu của đề tài Phương pháp quan sát thực tế: nhóm chúng tôi 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. -2- Kế thừa và phát huy những thành tựu về khoa học công nghệ tiên tiến và hiện đại, nhóm nghiên cứu đã đưa ra nhiều ý tưởng cũng như công nghệ phù hợp với giải pháp của đề tài. Từ đó lựa chọn giải pháp tốt nhất, mang lại lợi nhuận cao nhất cho công ty để thực hiện việc thiết kế và thi công. Quá trình tiến hành thiết kế Việc đầu tiên nhóm phải làm đó là nghiên cứu thật kĩ lưỡng các chi tiết của xe AGV trên thế giới. Sau khi nghiên cứu kĩ lưỡng các cơ cấu chuyển động cũng như quy trình hoạt động của xe AGV, nhóm tiến hành quan sát các quy trình vận hành cũng như sản xuất trong công ty Changshin để đưa ra kết cấu xe sao cho phù hợp nhất. Nhóm nhận thấy không thể thiết kế xe AGV ngay một lúc được mà nhóm phải nghiên cứu từng giai đoạn, kiểm tra tính khả thi cho các ý tưởng. Nhóm tiến hành thử các phương án cho từng giai đoạn, sau đó tìm ra phương án hợp lí nhất, tiết kiệm chi phí nhất mà hiệu quả đối với công ty Changshin. Mục tiêu đã đạt đƣợc - Nâng cao tính tự động hóa. - Hạn chế công nhân và chi phí. - Tính thẩm mỹ cao. - Tăng tính kinh tế. Đề tài được đánh giá là một trong những đề tài mới có tính tự động hóa cao, phù hợp với sự phát triển của nền công nghiệp nước nhà. Ý nghĩa khoa học của đề tài: Mang đến những bước tiến vượt trội trong việc áp dụng khoa học công nghệ hiện đại vào trong quy trình sản xuất, là nền tảng cơ sở để xây dựng những quy trình tự động hóa với những thiết bị máy móc tốt nhất trong tương lai. Bên cạnh đó nó còn thể hiện bản lĩnh cũng như tầm hiểu biết ngày càng được nâng cao của sinh viên khi có thể nắm bắt những kiến thức về khoa học kỹ thuật và vận dụng một cách sáng tạo, có hiệu quả vào thực tiễn cuộc sống. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài: 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. -3- Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu xe AGV 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 viện, 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 hàng cấp phát cho một số vị trí làm việc nhất định. Hình 1.1 AGV vận chuyển hàng hóa trong nhà máy 1.2 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 -4- 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. 1.3 Phân loại AGV 1.3.1 Phân loại theo chức năng 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: - Khả năng chuyên chở lớn. - Có thể dự đoán và lên kế hoạch về tính hiệu quả của việc chuyên chở cũng như đảm bảo an toàn. - Tăng tính an toàn. Hình 1.2 AGV kéo xe hàng -5- 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 1.3 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. -6- Hình 1.4 Mô hình xe nâng 1.3.2 Phân loại theo dạng đƣờng đi 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. -7- - 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. 1.4 Thành cấu tạo của xe AGV Các bộ phận chính của AGV bao gồm: Các bộ phận dẫn động: Động cơ, cơ cấu nâng hạ và giảm tốc, phanh hãm… Các bộ phận điều khiển: mạch điều khiển, cảm biến, đèn báo tín hiệu. Bộ phận kết nối tải: Được thiết kế tùy theo loại AGV và yêu cầu sử dụng. Nguồn năng lượng : Ắc quy, điện một chiều. Các hệ thống định vị: dẫn đường định vị vị trí và xác định đường đi. Truyền thông: Truyền phát tín hiệu từ các modul truyền thông điều khiển hoạt động của xe. 1.4.1 Vi điều khiển Atemega 8: Những Tính Năng Chính Của ATmega8 Có 8Kbyte bộ nhớ flash. Có thể xóa lập trình được và có thể chịu được 10000 lần ghi xóa. Có 32 thanh ghi đa năng 8 bit. Có 512 byte bộ nhớ EEPROM tích hợp trên chíp, Có 1 kbyte SRAM nội. Có hai bộ Timer/counter 8 bit và một bộ timer/counter 16 bit với bộ chia tần lập trình được. Có ba kênh điều xung, 6 kênh lối vào chuyển đổi ADC với độ phân giải 10 bit. Atmega 8 có 28 chân, trong đó có 23 cổng vào ra. Nguồn nuôi từ 2.7 đến 5.5 đối với Atmega8L và từ 4.5 đến 5.5 đối với Atmega8, làm việc tiêu thụ dòng 3.6mA. -8- Sử dụng mạch dao động ngoài từ 0 đến 8 Mhz với Atmega8L và từ 0 đến 16 Mhz với Atmega8. Ngoài ra chíp Atmega8 còn có bộ xung nội bên trong có thể lập trình chế độ xung nhịp. Bộ Nhớ Dữ Liệu : Bộ nhớ dữ liệu của AVR chia làm 2 phần chính là bộ nhớ SRAM và bộ nhớ EEPROM. Tuy cùng là bộ nhớ dữ liệu nhưng hai bộ nhớ này lại tách biệt nhau và được đánh địa chỉ riêng. Dưới đây là sơ đồ khối của Atmega8: Hình 1.5 Sơ đồ cấu trúc Atmega8 Cấu trúc tổng quát AVR AVR sử dụng cấu trúc Harvard, tách riêng bộ nhớ và các bus cho chương trình và dữ liệu. Các lệnh được thực hiện chỉ trong một chu kỳ xung clock. Bộ nhớ chương trình được lưu trong bộ nhớ Flash. ALU làm việc trực tiếp với các thanh ghi chức năng chung. Các phép toán được thực hiện trong một chu kỳ xung clock. Hoạt động của ALU được chia làm 3 loại: đại số, logic và theo bit. -9- Cấu trúc ngắt của atmega 8. Ngắt là một cơ chế cho phép thiết bị ngoại vi báo cho CPU biết về tình trạng sẵn sàng cho đổi dữ liệu của mình. Khi có tín hiệu báo ngắt CPU sẽ tạm dừng công việc đạng thực hiện lại và lưu vị trí đang thực hiện chương trình (con trỏ PC) vào ngăn xếp sau đó trỏ tới vector phục vụ ngắt và thực hiện chương trình phục vụ ngắt đó cho tới khi gặp lệnh RETI (return from interrup) thì CPU lại lấy PC từ ngăn xếp ra và tiếp tục thực hiện chương trình mà trước khi có ngắt nó đang thực hiện. Trong trường hợp mà có nhiều ngắt yêu cầu cùng một lúc thì CPU sẽ lưu các cờ báo ngắt đó lại và thực hiện lần lượt các ngắt theo mức ưu tiên. Trong khi đang thực hiện ngắt mà xuất hiện ngắt mới thì sẽ xảy ra hai trường hợp. Trường hợp ngắt này có mức ưu tiên cao hơn thì nó sẽ được phục vụ. Còn nó mà có mức ưu tiên thấp hơn thì nó sẽ bị bỏ qua. Bộ nhớ ngăn xếp là vùng bất kì trong SRAM từ địa chỉ 0x60 trở lên. Để truy nhập vào SRAM thông thường thì ta dùng con trỏ X,Y,Z và để truy nhập vào SRAM theo kiểu ngăn xếp thì ta dùng con trỏ SP. Con trỏ này là một thanh ghi 16 bit và được truy nhập như hai thanh ghi 8 bit chung có địa chỉ : SPL: 0x3D/0x5D(IO/SRAM) và SPH: 0x3E/0x5E. Khi chương trình phục vụ ngắt hoặc chương trình con thì con trỏ PC được lưu vào ngăn xếp trong khi con trỏ ngăn xếp giảm hai vị trí. Và con trỏ ngăn xếp sẽ giảm 1 khi thực hiện lệnh push. Ngược lại khi thực hiện lệnh POP thì con trỏ ngăn xếp sẽ tăng 1 và khi thực hiện lệnh RET hoặc RETI thì con trỏ ngăn xếp sẽ tăng 2. Như vậy con trỏ ngăn xếp cần được chương trình đặt trước giá trị khởi tạo ngăn xếp trước khi một chương trình con được gọi hoặc các ngắt được cho phép phục vụ. Và giá trị ngăn xếp ít nhất cũng phải lớn hơn 60H (0x60) vì 5FH trỏ lại là vùng các thanh ghi. -10- Hình 1.6 Bảng vecto ngắt Các ngắt ngoài được kích hoạt bởi 2 chân INT0 và INT1. Chú ý rằng nếu đã kích hoạt, các ngắt sẽ kích bằng (trigger even) nếu các chân INT0, INT1 được cấu hình là các ngõ ra. Cái đặc điểm này cung cấp 1 con đường chung cho ngắt mềm. Các ngắt ngoài có thể được kích bởi cạnh xuống hoặc lên hoặc mức thấp. Sự cài đặt này được chỉ định đặc biệt trong thanh ghi điều khiển MCU – MCUCR. Bộ nhớ chƣơng trình (Bộ nhớ Flash) Bộ nhớ Flash 16KB của Atmega8 dùng để lưu trữ chương trình. Do các lệnh của AVR có độ dài 16 hoặc 32 bit nên bộ nhớ Flash được sắp xếp theo kiểu 8KX16. Bộ nhớ Flash được chia làm 2 phần, phần dành cho chương trình boot và phần dành cho chương trình ứng dụng. [...]... Buli chia giảm tốc thi t kế Hình 2.9 Thi t kế bộ giảm tốc 2 cấp 2.2.4 Thi t kế cơ cấu nâng xe hàng Để vận chuyển xe hàng vào kho thì cần có một phương pháp kết nối giữa xe hàng và xe AGV, nhóm thống nhất phương pháp nâng và kéo xe hàng, sử dụng trụ nâng có cơ cấu xoay vừa làm nhiệm vụ nâng hàng vừa tạo sự chuyển động uyển chuyển cho xe AGV, dùng động cơ hộp số để kéo và hạ trụ nâng Động cơ nâng Trụ nâng... là 8 xe, 4 xe hoạt động liên tục và 4 xe dự phòng AGV: làm nhiệm vụ kéo xe chở hàng vào kho Để đáp ứng yêu cầu sản xuất với vận tốc lưu chuyển hàng ổn định công ty và nhóm đã thống nhất chế tạo 2 xe Hình 3.2 Xe AGV thi t kế 3.1.3 Nguyên lý hoạt động xe AGV: Xe AGV di chuyển theo đường line, nhận biết các vị trí nhờ vào hệ thống RFID đến nơi có xe chở hàng đã đầy hàng Sau khi đã xác định việc có xe chở... yêu cầu nhỏ gọn AGV được tính toán thi t kế có kích thước 800 x 400 x 250 phù hợp với chiếc xe chở hàng trong công ty Xe AGV nhóm thi t kế có khả năng lập trình trên bàn phím được gắn trên AGV Đây là ưu điểm của xe AGV mà công ty rất cần thi t khi thay đổi xưởng làm việc cho xe AGV Người kĩ thuật viên có khả năng tự chọn đường đi cho AGV bằng cách lập -33trình trên bàn phím, các thông số và phương án... đặt xe ban đầu: Nhóm đã thống nhất với công ty đó là vị trí đặt xe ở trong kho giúp thuận tiện cho việc thay đổi bình sạc đồng thời giúp cho việc vận chuyển xe chở hàng được nhanh chóng -3 4Xe chở hàng: Để tiết kiệm chi phí cho công ty nhưng năng suất vẫn không giảm sút Nhóm đã đề nghị công ty thi t kế xe chở hàng riêng và xe tự động riêng nhằm đảm bảo tiến độ của công việc Số xe chở hàng được thi t kế. .. phỏng 2.2.2 Bánh xe Bánh xe được thi t kế với đường kính D = 200mm, độ dày bánh xe là 50mm, đảm bảo yêu cầu làm việc cùng với yêu cầu về kích thước nhỏ gọn -26- Hình 2.6 Bánh xe AGV thi t kế Hình 2.7 Bánh xe AGV và bánh răng đã lắp 2.2.3 Thi t kế bộ giảm tốc (bộ truyền xích) Với tốc độ chạy của xe AGV không cần quá nhanh, trong khi đó các động cơ DC servo thường có tốc cao, vì vậy muốn xe AGV chạy được... nâng Hình 2.10 Cơ cấu nâng thi t kế -282.2.5 Thi t kế cơ cấu gắn cảm biến Cảm biến cảm ứng từ làm nhiệm vụ dò đường, để dò chính xác và chạy theo line các cảm biến này cần được đặt thành một hàng thẳng và gắn chung trên một cơ cấu gắn cảm biến Cảm biến cảm ứng từ Hình 2.11 Cơ cấu gắn cảm biến thi t kế 2.2.6 Thi t kế xe chở hàng Theo thông số của nhiều thùng giầy, xe được thi t kế sao cho phù hợp với kiểu... Kích cỡ cần thi t của xe AGV ( dài, rộng, cao) 800 x 400 x 250 mm 14 Kích cỡ cần thi t của xe chất hàng ( dài, rộng, cao) 1300 x 650 x 1300 mm Hình 2.1 Dữ liệu yêu cầu trong công ty Nhóm đã phân tích dữ liệu thực tế trong công ty một cách thật kĩ lưỡng từ đó đưa ra giải pháp thi t kế AGV sao cho phù hợp với yêu cầu Xe AGV thi t kế phải đảm bảo được tính linh hoạt cũng như tính kinh tế trong công ty Với... trong kho để sắp xếp và thả xe chở hàng tại vị trí đó rồi quay về vị trí chờ Công nhân kéo xe chở hàng đến vị trí xắp xếp, đồng thời kéo xe chở hàng đã hết hàng đến vị trí xe AGV đã chờ sẵn -35Cuối cùng xe AGV đưa chiếc xe kéo hàng này về vị trí trống lúc ban đầu và lại tiếp tục nhiệm vụ đưa chiếc xe chở hàng khác vào trong kho Hình 3.3 Quá trình làm việc của xe AGV 3.2 Thi t kế và chế tạo hệ thống cơ... thống hoạt động một cách liên tục linh hoạt Hình 2.15 Board RF control Sử dụng hệ thống truyền thông không dây RF giúp cho quá trình hoạt động cũng như thi t kế của hệ thống được trở nên linh hoạt, dễ dàng sử dụng, không tốn nhiều thời gian chi phí thi t kế mang lại tính kinh tế cao cho công ty -32- CHƢƠNG 3 THI T KẾ VÀ CHẾ TẠO XE AGV 3.1 Phân tích dữ liệu 3.1.1 Phân tích dữ liệu thực tế 1 Kế hoạch... này giúp cho xe AGV hoạt động tốt phòng ngừa quá tải và bảo vệ động cơ cũng như các cơ cấu truyền động khác Ưu điễm của bộ truyền xích là dễ thay thế, khả năng tải trọng cao Trên thị trường có rất nhiều loại xích tải khác nhau, có sẵn nên dễ dàng thay lắp và sử dụng Đối với xe AGV không yêu cầu vận tốc quá lớn nhóm chọn loại nhông sên cam để thi t kế và sử dụng xích sên cam để truyền chuyển động -27- . tạo thấp nhất và kết cấu đơn giản nhất nhưng mang lại hiệu quả cao nhất. Đề tài: “ Thi t kế và thi công xe vận chuyển giầy tự động AUTO AGV hy vọng sẽ. nhất, mang lại lợi nhuận cao nhất cho công ty để thực hiện việc thi t kế và thi công. Quá trình tiến hành thi t kế Việc đầu tiên nhóm phải làm đó là