THIẾT KẾ, CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC VÀ LƯU KHO TỰ ĐỘNG

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.59 MB, 124 trang )

Trang 1<div class="page_container" data-page="1">

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

CHUYÊN NGÀNH TỰ ĐỘNG HÓA CÔNG NGHIỆP

</div>Trang 2<div class="page_container" data-page="2">

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ... .

LỜI NÓI ĐẦU ... .

MỞ ĐẦU :GIỚI THIỆU CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỀ TÀI ... .

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀi ... 15

1.1 Vai trị của tự động hóa trong cơng nghiệp ... 15

1.2 Vấn đề thực tiễn ... 17

1.3 Tìm hiểu các loại kho hàng tự động hiện nay ... 18

1.3.1 Kệ chứa hàng Pallet Flow ... 18

1.3.2 chứa hàng công nghiệp Shuttle Rack ... 21

1.3.3 Kệ kho chứa hàng AS-RS ... 24

1.4 Cấu trúc chung của hệ thống ... 26

1.4.1 Hệ thống vận chuyển ... 26

1.4.2 Hệ thống xuất nhập ... 27

1.4.3 Hệ thống lưu trữ ... 29

1.5 Kết luận ... 29

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ... 30

2.1 Yêu cầu chung hệ thống ... 30

2.2 Hoạt động của hệ thống ... 30

2.1.1 Nhập hàng ... 30

2.1.2 Xuất hàng ... 31

2.2 Thiết kế hệ thống ... 31

2.2.1 Giải pháp lưu kho tự động... 31

2.2.2 Cơ cấu truyền động ... 31

2.2.3 Lựa chọn giải pháp về động cơ ... 34

2.2.4 Phương pháp điều khiển động cơ ... 35

2.3 Lựa chọn thiết bị ... 36

</div>Trang 3<div class="page_container" data-page="3">

2.3.1 Lựa chọn động cơ ... 36

2.3.2 Động cơ bước ... 39

2.3.3 Thiết bị điều khiển công suất Driver TB6600 ... 39

2.3.4 Lựa chọn pulley và dây curoa đi kèm động cơ ... 40

2.3.5 Lựa chọn bộ điều khiển trung tâm ... 41

2.3.6 Lựa chọn nguồn và thiết bị bảo vệ quá tải ngắn mạch ... 44

2.3.7 Lựa chọn thiết bị đầu vào đầu ra ... 45

2.4. Lựa chọn camera quét màu sắc ... 47

2.5. Lựa chọn thiết bị điều khiển và giám sát ... 48

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG HỆ THỐNG ... 49

3.1 Thiết kế phần cơ khí và mạch điều khiển ... 49

3.1.1 Quy trình thiết kế ... 49

3.1.2 Yêu cầu kỹ thuật ... 49

3.1.3 Cấu trúc chung của hệ thống ... 49

3.1.4 Tính tốn thiết kế hệ thống cơ khí ... 51

3.1.5 Thiết kế kệ hàng ... 52

3.1.6 Thiết kế cơ cấu nâng hạ ... 52

3.1.7 Thiết kế băng tải ... 55

3.1.8 Thiết kế Phần mạch điều khiển ... 56

3.1.9 Lắp ghép mơ hình hồn thiện ... 57

3.2 Thi cơng cơ khí... 58

3.2.1 Thi công kệ hàng... 58

3.2.2 Thi công cơ cấu nâng hạ ... 58

3.2.3 Thi công băng tải ... 59

3.2.4 Thi công phần mạch điều khiển ... 59

3.3. Thiết kế hệ thống ... 60

</div>Trang 4<div class="page_container" data-page="4">

3.4.1 Sơ đồ kết nối đầu vào ... 61

3.4.2 Sơ đồ kết nối đầu ra của thiết bị ... 62

3.4.3 Sơ đồ kết nối relay trung gian ... 63

3.5 Thiết kế chương trình xử lý ảnh labview ... 64

3.5.1 Cấu hình phần cứng trên phần mềm Labview ... 64

3.5.2 Viết chương trình qua camera ... 66

3.5.3 Kết nối Labview với PLC ... 67

3.6 Lưu đồ thuật toán điều khiển ... 68

3.6.1 Lưu đồ thuật tốn tồn hệ thống ... 68

3.6.2 Lưu đồ chế độ nhập hàng ... 69

3.6.3 Lưu đồ chế độ xuất hàng ... 70

3.6.4 Lưu đồ thuật toán cơ cấu nâng hạ hàng ... 71

3.7 Thiết kế lập trình và tính tốn hệ hống ... 73

3.7.1 Thiết kế giao diện giám sát ... 73

3.7.2 Phân trang màn hình ... 73

3.7.3 Thiết kế Alarm ... 75

3.8 Tính tốn cơ cấu truyền động và lập trình hệ thống thơng qua phần mềm TIA PORTAL V16 . ... 76

3.8.1 Tính tốn điều khiển động cơ truyền động 3 trục ... 76

3.8.2 Giới thiệu các khối chức năng trong lập trình điều khiển vị trí ... 78

3.8.3 Thiết lập thơng số ban đầu cho cơ cấu nâng hàng ... 81

3.8.4 Khai báo địa chỉ symbol ... 86

3.9 Kết quả đạt được ... 87

3.9.1 Kết quả phần cơ khí ... 87

3.9.2 Kết quả phần mạch điều khiển ... 88

3.9.3 Kết quả thi công phần mềm xử lý ảnh ... 88

3.9.4. Kết quả vận hành ... 89

</div>Trang 5<div class="page_container" data-page="5">

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ... 92

</div>Trang 6<div class="page_container" data-page="6">

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 1. 1Dây chuyền tự động hóa trong nhà máy thực tế ... 15

Hình 1. 2 Kệ chứa hàng Pallet Flow - Interroll ... 19

Hình 1. 3 Mơ phỏng q trình cất lấy hàng của LIFO ... 19

Hình 1. 4 Mơ phỏng q trình cất lấy hàng của LIFO ... 20

Hình 1. 5 Con thoi Shuttle ... 22

Hình 1. 6 Một kho sử dụng Shuttle Rack ... 23

Hình 1. 7 Mơ phỏng kệ kho chứa hàng AS-RS ... 24

Hình 1. 8 Kệ kho chứa hàng AS-RS thực tế ... 25

Hình 1. 9 Cơ cấu robot vận chuyển sản phẩm vào kho ... 27

Hình 1. 10 Minh họa mã QR ... 28

Hình 1. 11 So sánh giữa mã vạch và qr code... 29

Hình 2. 1 So sánh giữa mã vạch và qr code 32

Hình 2. 2 Vitme – đai ốc trượt ... 32

Hình 2. 3 Ray trượt vng ... 33

Hình 2. 4 Ray trượt trịn ... 33

Hình 2. 5 Bảng so sánh hai động cơ ... 34

Hình 2. 6 So sánh Servo và Step. ... 35

Hình 2. 7 Động cơ bước hai pha ... 36

Hình 2. 8 Đơng cơ bước 3 pha ... 37

Hình 2. 9 Cấu tạo của động cơ bước lai ... 37

Hình 2. 10 Động cơ servo lai ... 38

Hình 2. 11 Thông số kỹ thuật động cơ bước 57 NEMA 23 ... 39

Hình 2. 12 Thơng số kỹ thuật của động cơ bước 42 NEMA17 ... 39

Hình 2. 13 Thơng số kỹ thuật của Driver TB6600 ... 40

Hình 2. 14 Sơ đồ kết nối dây động cơ và PLC S7 1200 với Driver TB6600 ... 40

Hình 2. 15 Pulley GT2 ... 41

Hình 2. 16 Dây đai GT2 ... 41

</div>Trang 7<div class="page_container" data-page="7">

Hình 2. 17 PLC S7-1200 CPU 1214 DC/DC/DC ... 42

Hình 2. 18 Thơng số kỹ thuật S7-1200 CPU 1214 DC/DC/DC ... 43

Hình 2. 19 Thơng số kỹ thuật CB CHINT ... 44

Hình 2. 20 Thơng số kỹ thuật nguồn tổ ơng 24V 15A ... 44

Hình 2. 21 Thơng số kỹ thuật đèn tủ điện ... 45

Hình 2. 22 Thông số kỹ thuật relay trung gian ... 45

Hình 2. 23 Thơng số kỹ thuật cảm biến hồng ngoại ... 46

Hình 2. 24 Thơng số kỹ thuật nút nhấn ... 46

Hình 2. 25 Thơng số kỹ thuật nút nhấn có khẩn cấp ... 47

Hình 2. 26 Thơng số kỹ thuật cơng tắc hành trình T125 ... 47

Hình 2. 27 Thơng số kỹ thuật của Webcam A870 ... 48

Hình 2. 28 Thơng số kỹ thuật của màn hình HMI KINCO ... 48

Hình 3. 12 Tay robot nâng hạ ... 58

Hình 3. 13 Băng tải nhập hàng và Băng tải xuất hàng ... 59

Hình 3. 14 Mạch điều khiển sau khi đã hồn thành ... 59

Hình 3. 15 Sơ đồ hệ thống ... 60

Hình 3. 16 Sơ đồ kết nối nguồn, nút nhấn và cảm biến ... 61

</div>Trang 8<div class="page_container" data-page="8">

Hình 3. 17 Sơ đồ kết nối Driver với Step ... 62

Hình 3. 18 Sơ đồ kết nối Relay trung gian ... 63

Hình 3. 19 Chương trình labview xử lý màu sắc ... 64

Hình 3. 20 Chương trình labview xử lý ảnh ... 66

Hình 3. 21 Kết nối Labview với PLC thông qua KEPSever4 ... 67

Hình 3. 22 Lưu đồ thuật tốn tồn hệ thống ... 68

Hình 3. 23 Lưu đồ chế độ nhập kho ... 69

Hình 3. 24 Lưu đồ chế độ xuất hàng ... 70

Hình 3. 25 Lưu đồ chu trình nhập hàng ... 71

Hình 3. 26 Lưu đồ chu trình xuất hàng ... 72

Hình 3. 27 Giao diện màn hình hmi ... 73

Hình 3. 34 Kết quả thi cơng phần cơ khí ... 87

Hình 3. 35 Kết quả thi cơng tủ điện ... 88

Hình 3. 36 Kết quả quét màu sắc trên Labview ... 88

Hình 3. 37 Kết quả nhận diện màu sắc ... 89

Hình 3. 38 Màn hình vận hành ở chế độ nhập kho – Auto ... 89

Hình 3. 39 Màn hình vận hành ở chế độ xuất kho - Manual ... 90

Hình 3. 40 Màn hình cài đặt ... 90

</div>Trang 9<div class="page_container" data-page="9">

Qua đây, em xin chân thành cảm ơn ban lãnh đạo và toàn thể cán bộ, thầy cô giáo trong nhà trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi có được những kiến thức thực tế cần thiết.

Cuối cùng em kính chúc quý thầy, cô dồi dào sức khỏe và thành công trong sự nghiệp cao quý, luôn dồi dào sức khỏe, đạt được nhiều thành công tốt đẹp trong công việc.

Em xin chân thành cảm ơn!

</div>Trang 10<div class="page_container" data-page="10">

LỜI NÓI ĐẦU

Trước sự hội nhập của nền kinh tế thế giới, nền cơng nghiệp nước ta nói riêng và các nước trên thế giới nói chung đang trong thời kỳ phát triển mạnh mẽ. Nước ta đã và đang xuất hiện nhiều doanh nghiệp đầu tư trong nước và ngồi nước, khơng chỉ về mặt kinh tế, nền cơng nghiệp nước ta đang dần được cải thiện về quy mơ lẫn cơng nghệ, nhiều cơng ty xí nghiệp, nhà máy, khu cơng nghiệp đã và đang hình thành. Đi kèm với sự phát triển ấy, số lượng sản phẩm, hàng hóa cơng nghiệp được tăng nhanh. Để đáp ứng được nhu cầu lưu kho, xuất kho một cách khoa học thì địi hỏi người cơng nhân phải thực hiện cơng việc của mình với một tốc độ cao và chính xác, khơng chỉ vậy độ an tồn lao động của những người công nhân luôn được quan tâm. Để cải thiện được điều này, ở nhiều khu công nghiệp, công ty, nhà máy trên thế giới đã phát minh ra nhiều bộ phận máy móc, robot dùng để vận chuyển hàng hóa, sản phẩm một cách khoa học nhất.

Ở Việt Nam, cơng nghệ này vẫn cịn đang hạn chế, vẫn chưa được sử dụng nhiều ở các khu cơng nghiệp, nhà máy. Chính vì vậy, với sự giúp đỡ của thầy cô trong bộ môn,

em đã quyết định tìm hiểu và xây dựng một mơ hình “Thiết kế, chế tạo hệ thống phân

loại sản phẩm theo màu sắc và lưu kho tự động ”.

Trong thời gian nghiên cứu và làm đồ án dựa vào kiến thức đã được học ở trường, qua một số sách, tài liệu có liên quan cùng với sự giúp đỡ tận tình của các

thầy cơ giáo,các bạn và đặc biệt là với sự hướng dẫn tận tình của cơ TH.S ĐÀM

THỊ HƯỜNG em đã hồn thành nghiên cứu và thiết kế đề tài lần này.

Mặc dù đã cố gắng hoàn thành nhưng với kinh nghiệm và khả năng cịn hạn chế nên khơng thể tránh khỏi những sai sót và nhầm lẫn, vì vậy em rất mong các thầy, cơ giáo cùng các bạn đóng góp những ý kiến quý báu để đồ án môn học của em được hoàn thiện hơn.

Em xin chân thành cảm ơn!

</div>Trang 11<div class="page_container" data-page="11">

MỞ ĐẦU :GIỚI THIỆU CƠ SỞ LÝ LUẬN ĐỀ TÀI

1. Đặt vấn đề

Trước đây, hầu hết các xưởng sản xuất đều thuê nhân công làm việc trên dây chuyển sản xuất thô sơ, sử dụng sức lao động là chủ yếu nên việc vận chuyển hàng đến nơi lưu trữ mang tính thủ cơng và tiêu tốn nhiều chi phí.

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 cơng 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.

Nhìn chung, các nhà kho hiện nay có các nhược điểm sau: - Sử dụng nhiều diện tích để chứa hàng hóa.

- Khơng phân loại được các hàng hóa khác nhau (các hàng hóa thường để chung với nhau trong 1 kho).

- Khơng bảo quản tốt hàng hóa khi số lượng nhiều (Chất hàng chồng lên nhau). - Rất khó kiểm sốt số lượng hàng hóa ra vào trong kho.

- Mất nhiều thời gian cho việc xuất nhập 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 thời gian, tiết kiệm được nhân cơng .

Chính nhu cầu và lý do đó mà nhóm chúng em tiến hành thiết kế, thi công “Thiết

kế, chế tạo hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc và lưu kho tự động”.

2. Mục tiêu

- Đề tài giải quyết vấn đề thiết kế hệ thống giám sát, điều khiển việc nhập kho một cách chính xác, nhanh gọn và tự động. Ngoài ra, đề tài cịn hướng đến việc phân loại hàng hóa để phân chia khu vực lưu trữ trong kho.

- Toàn bộ hệ thống lưu kho sẽ được điều khiển và giám sát thơng qua màn hình HMI Và sẽ được quản lý hàng hóa qua Mã màu sắc . Bao gồm: giao diện điều khiển từ HMI . Dự đoán, cảnh báo các lỗi trong xảy ra trong quá trình hoạt động.

</div>Trang 12<div class="page_container" data-page="12">

- Giải quyết vấn đề kiểm tra số lượng hàng hóa, rút ngắn thời gian cũng như khơng can thiệp nhiều vào quá tình sản xuất, tăng hiệu quả của dây chuyền lưu trữ hàng hóa lên cao.

- Hiểu được cấu tạo, phân loại, nguyên lý hoạt động của động cơ bước. - Hiểu được quy trình hệ thống lưu kho và truy xuất tự động AS/RS. - Mơ hình cơ khí chạy ổn định và mang tính chính xác tương đối cao.

- Thiết kế và thi cơng tủ điện, đi dây mơ hình gọn gàng, mang tính thẩm mĩ cao.

- Hiểu được đặc điểm, cách thực hiện chương trình điều khiển bằng PLC, tập lệnh lập trình.

- Hệ thống hoạt động ổn định.

- Chương trình điều khiển bằng PLC hoạt động ổn định, chính xác.

- Sử dụng tốt chương trình WinCC và tạo lập được giao diện điều khiển đơn giản nhưng đầy đủ và dễ dàng vận hành.

- Giám sát hoạt động của hệ thống trên HMI (Human-Machine-Interface). - Tính tốn và lựa chọn các thiết bị phù hợp cho mơ hình.

- Hiểu được ý nghĩa của việc sử dụng màu sắc để phân loại sản phẩm. - Sử dụng phần mềm labview để viết chương trình hiển thị và đọc mã QR. - Hệ thống đảm bảo được các yêu cầu kỹ thuật đã đề ra.

- Tính thẩm mĩ tương đối.

3. Phương pháp nghiên cứu

- Tìm hiểu cách vận hành nhập kho trong thực tế, xây dựng mơ hình và tái hiện lại cơ cấu, chức năng của các đối tượng trong kho.

- Khảo sát một số mơ hình thực tế và một số đề tài trước. - Tham khảo tài liệu trên các trang tự động hóa.

Hệ thống giám sát chỉ dừng lại ở việc giám sát trong mạng LAN. Không thể điều khiển thông qua mạng Internet.

</div>Trang 13<div class="page_container" data-page="13">

5. Nội dung nghiên cứu

❖ Các nội dung đề tài bao gồm:

Chương 1: Tổng quan về đề tài: Giới thiệu, nêu ra mục tiêu giới hạn đề tài và chọn phương pháp nghiên cứu.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết: Trình bày các cấu trúc cơ bản trong một hệ thống lưu kho tự động và các cơ sở lý thuyết liên quan đến hệ thống lưu kho.

Chương 3: Thiết kế xây dựng hệ thống: Thiết kế đưa ra bản vẽ các chi tiết cơ khí hệ thống; đưa ra sơ đồ khối và chức năng, lựa chọn cấu hình, thiết bị, sơ đồ nối dây, lưu đồ thuật tốn và tính chọn thiết bị phù hợp.

- Thi công hệ thống: Trình bày các bước thi cơng cơ khí, thi cơng tủ điện. Thao tác cấu hình và cài đặt thiết bị.

- Kết quả thực hiện: Trình bày kết quả của việc xây dựng mơ hình và giao diện điều khiển.

- Kết luận và hướng phát triển: Đưa ra kết luận các vấn đề đã làm được, chưa làm được và hướng phát triển thêm cho đề tài trong tương lai.

</div>Trang 14<div class="page_container" data-page="14">

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀi

1.1 Vai trò của tự động hóa trong cơng nghiệp

Một trong những yếu tố quan trọng, quyết định đến việc tăng năng suất lao động, chất lượng sản phẩm là áp dụng tự động hóa trong cơng nghiệp. Có rất nhiều sự thay đổi tích cực khi các cơng ty áp dụng tự động hóa vào trong hoạt động sản xuất của mình, lợi ích của tự động hóa bao gồm:

• Tăng năng suất lao động: các dây chuyền tự động hóa có thể hoạt động liên tục 24/24 mà không cần đến sự can thiệp của con người. chính vì vậy lượng sản phẩm được sản xuất ra sẽ nhiều hơn so với việc không áp dụng tự động hóa cơng nghiệp.

• Tăng chất lượng sản phẩm: việc các ứng dụng tự động hóa được lập trình chính xác, sẽ giảm đáng kể về sai số của sản phẩm so với thao tác thủ cơng của cơng nhân.

Ngồi ra, tự động hóa cịn giúp tăng khả năng cạnh tranh của doanh nghiệp, tăng tính linh hoạt, cắt giảm chi phí nhân cơng và nhiều chi phí khác.

Hình 1. 1Dây chuyền tự động hóa trong nhà máy thực tế

❖ Ưu điểm của tự động hóa cơng nghiệp ➢ Chi phí vận hành thấp hơn

Trên tất cả, mặc dù phải thừa nhận chi phí đầu tư cho tự động hóa ban đầu cao nhưng tính trong suốt q trình sản xuất, nó lại giúp tiết kiệm tiền lương hàng tháng của

công nhân, dẫn đến tiết kiệm đáng kể chi phí cho cơng ty.

Với dây chuyền nhà máy, chi phí bảo trì liên quan đến máy móc được sử dụng cho tự động hóa cơng nghiệp là ít hơn vì nó khơng thường xun hỏng hóc. Nếu nó

</div>Trang 15<div class="page_container" data-page="15">

khơng hoạt động tốt hoặc gặp sự cố, chỉ có các kỹ sư tự động, bảo trì được yêu cầu sửa chữa nó. Đầu tư kế hoạch cẩn thận vào tự động hóa cũng có thể có ý nghĩa tài chính tốt. Hồn vốn 2 hoặc 3 năm cho chi phí lao động giảm tương đương với lợi tức đầu tư 30% -50%.

➢ Năng suất cao hơn

Mặc dù nhiều công ty thuê hàng trăm công nhân tham gia sản xuất với 3 ca làm việc để vận hành nhà máy trong số giờ tối đa, nhà máy vẫn cần phải đóng cửa để bảo trì và nghỉ lễ. Tự động hóa cơng nghiệp hồn thành mục tiêu của công ty bằng cách cho phép vận hành một nhà máy sản xuất trong 24 giờ một ngày, 7 ngày trong một tuần và 365 ngày một năm.

Điều này dẫn đến một sự cải thiện đáng kể trong năng suất của công ty. Nhưng chúng ta không cần nhìn q xa tới vậy, với máy móc tự động, năng suất và sản lượng sản phẩm trong 1 giờ, thậm chí 1 phút có thể gấp 3, 4, 5 lần kiểu truyền thống.

➢ Chất lượng cao hơn

Tự động hóa làm giảm bớt lỗi liên quan đến sự thiếu chính xác của con người. Hơn nữa, khơng giống như con người, robot không liên quan đến bất kỳ sự mệt mỏi, thái độ làm việc hay sự mất tập trung nào. Điều này dẫn đến các sản phẩm sản xuất hàng loạt có chất lượng đồng đều dù được sản xuất tại các thời điểm khác nhau.

➢ Độ linh hoạt cao

Thêm một nhiệm vụ mới trong dây chuyền lắp ráp tức là đòi hỏi quy trình đó phải được đào tạo với người vận hành trực tiếp. Tuy nhiên, robot có thể được lập trình để thực hiện bất kỳ nhiệm vụ nào. Điều này làm cho quá trình sản xuất linh hoạt hơn.

➢ Độ chính xác thơng tin cao

Thêm khả năng thu thập dữ liệu tự động, có thể cho phép thu thập các thơng tin sản xuất chính, cải thiện độ chính xác của dữ liệu và giảm chi phí thu thập dữ liệu của hệ thống quản lý sản xuất cung cấp các thông tin trung thực để đưa ra quyết định đúng đắn khi tính đến việc giảm lãng phí và cải thiện quy trình của mình.

➢ An toàn cao

Việc sử dụng dây chuyền sản xuất tự động giải phóng con người khỏi sự vất vả của các nhiệm vụ lặp đi lặp lại – thay thế lao động của con người trong các nhiệm vụ

</div>Trang 16<div class="page_container" data-page="16">

được thực hiện trong môi trường nguy hiểm và vượt quá khả năng, trọng lượng, tốc độ và sức chịu đựng của con người.

Nhìn vào những lợi ích được đề cập ở trên, khơng ít người cảm thấy có một động lực đáng để đầu tư vào tự động hóa. Với sự phát triển của IoT và Cách Mạng Công Nghiệp 4.0, ngành tự động hóa cơng nghiệp đang đứng trước một bước ngoặt lịch sử. Đi cùng với những cơ hội kinh doanh mới cũng là những thách thức mới, trong đó, đề tài an ninh mạng và dữ liệu đang và sẽ còn là vấn đề lớn cần được đáp ứng một cách triệt để trong thời gian tới.

1.2 Vấn đề thực tiễn

Nền cơng nghiệp nước ta nói riêng và các nước trên thế giới nói chung đang phát triển mạnh mẽ. Ngày trước, sản phẩm được tạo ra một cách thủ công nên việc mang sản phẩm ra vào kho chủ yếu được thực hiện bằng sức người, do đó khơng 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 ngày nay 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.

Nhìn chung, các nhà kho hiện nay có các nhược điểm sau: - Sử dụng nhiều diện tích để chứa hàng hóa.

- Khơng phân loại được các hàng hóa khác nhau (các hàng hóa thường để chung với nhau trong 1 kho).

- Khơng bảo quản tốt hàng hóa khi số lượng nhiều (chất hàng chồng lên nhau). - Rất khó kiểm sốt số lượng hàng hóa ra vào trong kho.

</div>Trang 17<div class="page_container" data-page="17">

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 …

Nhằm đáp ứng nhu cầu sắp xếp sản phẩm, hàng hóa một cách tự động giúp tiết

kiệm thời gian và chi phí chúng em quyết định lựa chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo hệ

thống phân loại sản phẩm theo màu sắc và lưu kho tự động”.

1.3 Tìm hiểu các loại kho hàng tự động hiện nay

Kệ chứa hàng là hệ thống khung giàn (rack) dùng để chứa hàng hóa. Có nhiều loại kệ chứa hàng được phân loại theo cơng năng và cách bố trí, vận hành của nó. Hiện này để vừa tiết kiệm diện tích, vừa tăng tốc độ vận hành thì có các hình thức chứa hàng phổ biến như: kệ chứa hàng Pallet Flow, kệ chứa hàng Shuttle Rack, kệ chứa hàng AS-RS… Sau đây nhóm sẽ giới thiệu sơ qua các loại kệ chứa hàng.

1.3.1 Kệ chứa hàng Pallet Flow

Kệ chứa hàng Pallet Flow bao gồm 1 hệ thống khung giàn (racking) đặt sát nhau (khơng có lối vào cho xe nâng). Thơng thường, kệ chứa hàng Pallet Flow có từ 4-5 tầng. Mỗi tầng, người ta sẽ đặt thêm 1 hệ thống băng tải con lăn tự do với 1 góc nghiêng phù hợp.

❖ Nguyên tắc hoạt động của Pallet Flow

Nguyên tắc hoạt động của Pallet Plow là pallet hàng sẽ trôi từ đầu cao xuống đầu thấp. Xe nâng khi chất hàng lên hoặc lấy hàng ra chỉ cần đứng bên ngoài hệ thống chứ không cần chạy vào khu vực khung kệ.

Trên mỗi băng tải con lăn sẽ có thêm một bộ phận hãm trượt nhằm đảm bảo khi pallet (có trọng lượng lên đến vài tấn) sẽ trượt với một tốc độ cố định.

</div>Trang 18<div class="page_container" data-page="18">

Hình 1. 2 Kệ chứa hàng Pallet Flow - Interroll

❖ Cách thức vận hành

Cùng 1 hệ thống, ta có thể vận hành theo 02 phương án: LIFO hoặc FIFO - Last In – First Out (LIFO).

Hình 1. 3 Mơ phỏng quá trình cất lấy hàng của LIFO

Nguyên lý của cách vận hành này là hàng hóa bỏ vào sau, sẽ được lấy ra trước.

Nguyên lý LIFO: Theo phương án này, khi chất hàng lên kệ và khi dỡ hàng từ kệ ra, người vận hành đều thao tác ở đầu thấp. Khi chất hàng lên, người lái xe nâng sẽ

</div>Trang 19<div class="page_container" data-page="19">

thao thác ở đầu thấp, đẩy các pallet ngược lên dốc để đặt pallet mới vào. Khi lấy hàng ra, người lái xe lấy pallet ở đầu thấp, rút ra. Các pallet còn lại sẽ trôi xuống đầu thấp.

- 1First In – First Out (FIFO).

Hình 1. 4 Mơ phỏng q trình cất lấy hàng của LIFO

Nguyên lý của cách vận hành này là hàng hóa bỏ vào trước, sẽ được lấy ra trước. Nguyên lý FIFO: Theo phương án này, khi chất hàng lên kệ, người vận hành thao tác ở đầu cao hơn. Pallet hàng hóa sẽ tự trơi về phía thấp. Khi lấy hàng ra, người lái xe lấy pallet ở đầu thấp, rút ra. Các pallet cịn lại sẽ trơi xuống đầu thấp. Đầu vào và đầu ra của kho có thể tùy từng trường hợp cụ thể mà người ta kết hợp sử dụng các hệ thống băng tải tự động hoặc các cần crane nhằm giảm bớt hoạt động của xe nâng.

❖ Ưu nhược điểm của kệ chứa hàng Pallet Flow

Kệ chứa hàng Pallet Flow là một phương án rất hiện đại, cao cấp, được nhiều nhà máy lớn trên thế giới áp dụng. Khác với các hình thức kho tự động khác như AS-RS hay Shuttle Rack, kho Pallet Flow hoạt động bằng cơ, nên bảo hành, bảo trì rất nhẹ nhàng.

Hình thức kệ này thường được áp dụng trong các kho chứa hàng của các nhà sản xuất thực phẩm, thủy hải sản, bia, nước giải khát, kho lạnh, kho đông, xe máy, xe đạp…

• Ưu điểm

- Phương án này tiết kiệm được 60% diện tích sử dụng so với kệ thông thường.

- Ít bảo trì, bảo hành. - Khơng sử dụng điện.

</div>Trang 20<div class="page_container" data-page="20">

- Giá thành cao, đầu tư lớn.

- Không áp dụng được cho dạng hàng hóa cồng kềnh (phải chất được trên pallet).

- Không áp dụng được cho kho hàng chứa nhiều loại hàng hóa khác nhau. - Địi hỏi tay nghề người lái xe nâng phải tốt hơn các loại kệ thông thường.

1.3.2 chứa hàng công nghiệp Shuttle Rack

Shuttle có nghĩa là con thoi. Shuttle Rack bao gồm 1 hệ thống khung giàn (racking) kết hợp với 1 hệ thống con thoi để vận chuyển các pallet hàng hóa. Hệ thống racking sẽ được thiết kế thêm đường di chuyển cho các shutllet xuyên suốt tới tất cả vị trí trong kho.

Với hình thức kệ chứa hàng công nghiệp này, khách hàng không cần phải lãng phí quá nhiều diện tích để làm đường di chuyển như kệ Selective, thậm chí nó cịn tiết kiệm diện tích hơn cả hình thức kho AS-RS.

❖ Nguyên lý hoạt động của hệ thống kệ Shuttle Rack

Kệ chứa hàng Shuttle Rack sử dụng các cần crane để di chuyển các con thoi qua lại giữa các dãy hàng khác nhau. Trường hợp các kho nhỏ, số tầng thấp thì các con thoi có thể được di chuyển giữa các dãy hàng, các tầng khác nhau nhờ xe nâng.

Các con thoi shuttle hoạt động hoàn toàn độc lập với hệ thống racking, chạy bằng pin. Khi có sự cố, hoặc tại thời điểm bảo dưỡng, nhà kho hồn tồn có thể thay thế các shuttle này bằng những máy dự phòng.

</div>Trang 21<div class="page_container" data-page="21">

Hình 1. 5 Con thoi Shuttle

Nếu được thiết kế thêm hệ thống băng tải vận chuyển tự động thì kho Shuttle Rack hồn tồn khơng cần có con người thao tác trong kho. Tồn bộ khâu xuất nhập hàng đều do phần mềm điều khiển. Điều này cực kì phù hợp trong những kho lạnh, kho đông.

Khi pallet được nhập kho, hệ thống sẽ quản lý tồn bộ thơng tin liên quan đến pallet hàng đó thơng qua mã định danh. Khi xuất kho, hệ thống cũng tự định vị pallet hàng đó thơng qua mã này. Ngồi việc quản lý vị trí, hệ thống cịn có thể quản lý hạn sử dụng, hoặc kế hoạch xuất hàng.

❖ Ưu nhược điểm của kệ chứa hàng công nghiệp Shuttle Rack

So với kệ AS-RS thì shuttle rack tiết kiệm được nhiều diện tích hơn, dễ bảo trì, bảo dưỡng hơn. Tuy nhiên, khả năng vận hành của shuttle rack lại chậm hơn và đầu tư cũng cao hơn.

So với kệ Pallet Flow thì Shuttle Rack có thể ứng dụng ở những kho hàng có nhiều mã hàng SKU, có thể thiết kế rất cao để tận dụng tối đa diện tích.

</div>Trang 22<div class="page_container" data-page="22">

Hình thức kệ này thường được áp dụng trong các kho chứa hàng của các nhà sản xuất thực phẩm, thủy hải sản, bia, nước giải khát, kho lạnh, kho đông. Đặc biệt rất phù hợp với các trung tâm phân phối hàng hóa lớn.

Hình 1. 6 Một kho sử dụng Shuttle Rack

• Ưu điểm:

- Phương án này tiết kiệm diện tích sử dụng so với kệ thơng thường, thường có chiều cao gấp đơi, gấp ba các hệ thống kệ vận hành bằng xe nâng. Tận dụng được diện tích mặt bằng tốt hơn AS-RS.

- Tuổi thọ dài.

- Giảm lượng lao động.

- Giảm hoạt động của xe nâng trong nhà kho. - An toàn hơn cho người vận hành.

- Đặc biệt phù hợp cho những loại kho lạnh, kho đông. - Phù hợp với những kho có nhiều loại hàng hóa khác nhau.

• Nhược điểm:

- Giá thành cao, đầu tư lớn.

- Không áp dụng được cho dạng hàng hóa cồng kềnh (phải chất được trên pallet). - Vận hành tự động, nên bảo trì, bảo dưỡng nhiều.

- Khả năng xuất nhập hàng chậm hơn hình thức AS-RS.

</div>Trang 23<div class="page_container" data-page="23">

1.3.3 Kệ kho chứa hàng AS-RS

Thuật ngữ AS-RS là viết tắt của từ Automated Storage and Retrieval Systems, có nghĩa là hệ thống lưu trữ và truy hồi tự động. Kệ kho chứa hàng AS-RS bao gồm 1 hệ thống khung giàn (racking) kết hợp với 1 hệ thống crane (cánh tay robot đưa hàng) tự động để nhập xuất hàng. Điểm đặc biệt của AS-RS là hệ thống được thiết kế rất cao, tận dụng tối đa chiều cao kho.

Hình 1. 7 Mơ phỏng kệ kho chứa hàng AS-RS

Về nguyên lý hoạt động thì AS-RS giống kệ selective. Qua đó, người ta thay thế xe nâng hoạt động bằng thủ công bằng hệ thống crane tự động. AS-RS vẫn phải có khơng gian lối ra vào cho crane giống như cho xe nâng như diện tích chiếm chỗ nhỏ hơn nhiều. Bên cạnh đó, xuất nhập hàng do crane thực hiện nên chiều cao kệ có thể nâng lên tối đa.

❖ Cách thức vận hành

Nếu được thiết kế thêm hệ thống băng tải vận chuyển tự động thì kho AS-RS hồn tồn khơng cần có con người thao tác trong kho. Toàn bộ khâu xuất nhập hàng đều do phần mềm điều khiển.

Điều này cực kì phù hợp trong những kho lạnh, kho đông.

</div>Trang 24<div class="page_container" data-page="24">

❖ Ưu nhược điểm của kệ kho chứa hàng AS-RS

Kho AS-RS có 1 điểm khác so với Pallet Flow ở chỗ, phù hợp với những kho chứa hàng có nhiều mã hàng (SKU). Đây là nhược điểm của Pallet Flow. Tuy nhiên, do vận hành bằng máy móc nên chi phí bảo trì cũng nó cũng cao hơn.

Trên thực tế, tùy từng trường hợp mà người ta có thể kết hợp AS-RS với các dạng kho Pallet Flow hoặc Shuttle Rack. Ví dụ, trường hợp nhà máy nước giải khát A, có hơn 100 SKU trong 1 kho chứa hàng. Mỗi SKU thông thường lưu kho khoảng 4-5 pallet hàng. Như vậy, người ta có thể đặt 4-5 đơn vị Pallet Flow kết hợp với 1 cần crane tự động. Như vậy có thể giảm bớt được tới 2-3 lối đi và hệ thống crane.

Hình 1. 8 Kệ kho chứa hàng AS-RS thực tế

Một nhà kho chứa hàng rất nổi tiếng ở Việt Nam ứng dụng hình thức AS-RS là kho sữa của Vinamilk ở Bình Dương.

• Ưu điểm

- Phương án này tiết kiệm diện tích sử dụng so với kệ thơng thường, thường có chiều cao gấp đôi, gấp ba các hệ thống kệ vận hành bằng xe nâng.

- Tuổi thọ dài.

</div>Trang 25<div class="page_container" data-page="25">

- Giảm lượng lao động.

- Giảm hoạt động của xe nâng trong nhà kho. An toàn hơn cho người vận hành.

- Đặc biệt phù hợp cho những loại kho lạnh, kho đông. - Phù hợp với những kho có nhiều loại hàng hóa khác nhau.

• Nhược điểm

- Giá thành cao, đầu tư lớn.

- Vận hành tự động, nên bảo trì, bảo dưỡng nhiều.

➢ Kết luận: Từ những ưu nhược điểm của các loại kho hàng đã phân tích ở trên, nhóm quyết định nghiên cứu, tính tốn và thiết kế mơ hình “Hệ thống lưu kho tự

động ASRS (Automated Storage and Retrieval Systems)”

1.4 Cấu trúc chung của hệ thống

Hệ thống tự động hóa kho tự động được thiết kế gồm có: Một xe nâng có tay máy chạy dọc theo đường ray ở giữa hai kho để hàng có nhiều ngăn. Tay máy là cơ cấu hai tầng bánh răng có thể lấy cất hàng theo hai chiều, cơ cấu tay máy có thể di chuyển lên xuống dọc theo cột của xe nâng để đưa hàng vào các ngăn chứa hàng. Nhìn chung kho tự động được cấu thành từ 3 phần:

- Hệ thống vận chuyển. - Hệ thống xuất nhập. - Hệ thống lưu giữ.

1.4.1 Hệ thống vận chuyển

Đối với hệ thống vận chuyển nhóm đặt ra những vấn đề sau cần phải giải quyết.

• Nhiệm vụ: Vận chuyển hàng tử vị trí nhận hàng vào các ngăn trống khi có lệnh nhập hàng. Lấy hàng từ các ngăn có hàng được chọn khi có lệnh trả hàng.

• u cầu: Nhanh, chính xác, ổn định, an tồn, chắc chắn, dễ lắp đặt, bảo dưỡng… • Giải pháp: Robot vận chuyển, máy nâng hạ - vận chuyển hàng từ khay nhập hàng vào các ngăn trống khi có lệnh nhận hàng.

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

</div>Trang 26<div class="page_container" data-page="26">

vận chuyển để có thể phù hợp với bài tốn đặt ra nhóm quyết định chọn cơ cấu vận bằng cánh tay robot di chuyển linh hoạt được 3 trục.

Các robot, xe tự hành là những thiết bị tất yếu của một hệ thống kho tự động.

Hình 1. 9 Cơ cấu robot vận chuyển sản phẩm vào kho

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 được thiết kế riêng theo yêu cầu lưu trữ cũng như môi trường làm việc đặc trưng của khách hàng.

1.4.2 Hệ thống xuất nhập

Đối với hệ thống vận chuyển nhóm đặt ra những vấn đề sau cần phải giải quyết. • Nhiệm vụ: Nhận hàng, trả hàng

• Yêu cầu: Nhanh, chính xác, an tồn…

• Giải pháp: Qt mã vạch, chụp hình, thẻ từ, cảm biến,…

Phương án được chọn trong mơ hình là người gửi hàng sẽ đưa hàng đã được gán mã vạch vào cảm biến hình ảnh (camera) để quét bằng phương pháp xử lý ảnh, sau đó cơ cấu sẽ tự động đưa hàng vào ô đã được quy định.

Cất hàng: Khi có người gửi hàng, hệ thống sẽ ra lệnh cho tay robot mang hàng đến một ngăn cịn trống, q trình tay robot di chuyển hàng diễn ra tự động. Sau khi

</div>Trang 27<div class="page_container" data-page="27">

hàng được cất vào ngăn, tay robot sẽ tự động về vị trí gốc để chờ luân chuyển hàng tiếp theo.

Lấy hàng: Khi người lấy hàng cần hàng mong muốn, người điều khiển sẽ chọn loại hàng cần trên hệ thống điều khiển, sau đó lệnh cho tay robot đến ngăn hàng đó và lấy hàng trả về cho khách. Quá trình lấy hàng của tay robot diễn ra tự động.

Hệ thống xuất nhập của kho tự động có thể áp dụng nhiều phương thức khác nhau có thể kể đến như dung nhân cơng, thẻ từ, tích kê, mã vạch, máy tính, camera. Trong phạm vi đồ án này, nhóm áp dụng phương pháp xuất nhập bằng mã vạch QR Code.

QR Code (mã QR) là viết tắt của Quick Response code (Tạm dịch: Mã phản hồi nhanh), hoặc có thể gọi là Mã vạch ma trận (Matrix-barcode) hay Mã vạch 2 chiều (2D). Đây là một dạng thơng tin được mã hóa để hiển thị sao cho máy có thể đọc được. QR Code cho phép quét và đọc mã nhanh hơn bằng các thiết bị như máy đọc mã vạch hoặc điện thoại có camera với ứng dụng cho phép quét mã, vô cùng tiện lợi cho người dùng.

Cùng là mã vạch nhưng QR Code lại là phiên bản cải tiến của mã vạch truyền thống. Mã vạch truyền thống là một dãy các vạch được xếp liền kề nhau, chỉ chứa được tối đa 20 ký tự số, trong khi đó thì mã QR có khả năng chứa tối đa 7.089 ký tự số và 4.296 ký tự chữ số.

Hình 1. 10 Minh họa mã QR

Điều này cho phép lượng thông tin truyền tải sẽ nhiều hơn, hỗ trợ tốt hơn cho người dùng, đặc biệt là những doanh nghiệp kinh doanh muốn gửi thông điệp đến khách hàng của mình. Khơng chỉ thế, nếu so về kích thước thì QR Code chiếm ít khơng gian hơn rất nhiều so với mã vạch truyền thống. Nếu in trên sản phẩm hoặc danh thiếp thì sẽ

</div>Trang 28<div class="page_container" data-page="28">

Mã vạch là một phát minh của thế kỷ 20 và nó càng ngày trở nên quan trọng trong cuộc sống bởi tính hiệu quả mà nó mang lại, mà quản lý xuất nhập trong kho tự động là một trong những tính năng của nó.

Cơng nghệ mã vạch ứng dụng trong nhà kho tự động: Mỗi đơn vị hàng khi nhập vào kho sẽ được gán nhãn mã vạch, tương ứng với một vị trí trong kho. Mã vạch đó sẽ

- Lưu giữ hàng khi hàng được gửi vào.

- Báo tín hiệu điều khiển là cịn trống hay đã có hàng.

• Yêu cầu: Chắc chắn, tác động nhanh, dễ dàng bảo trì bảo dưỡng để sử dụng lâu dài…

• Giải pháp: Sử dụng các biến nhớ đặc biệt có sẵn trong bộ xử lý PLC để lưu giữ và nhớ các ơ hàng cịn trống hay đã đầy, tồn bộ tình trạng kho hàng hồn tồn dược giám sát trực tiếp trên giao diện điều khiển giám sát trên Laptop hoặc HMI.

1.5 Kết luận

Tại chương đầu nhóm đã khảo sát tìm hiểu các loại kho trong thực tế, sau đó tìm được đối tượng để tính tốn thiết kế. Trong chương tiếp theo nhóm sẽ đưa ra quy trình cơng nghệ của hệ thống sau đó tính tốn thiết kế phần cứng, tìm hiểu các thiết bị, khí cụ điện phù hợp có thể đáp ứng được yêu cầu đặt ra.

</div>Trang 29<div class="page_container" data-page="29">

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương này sẽ trình bày những yêu cầu về hoạt động cũng và khái quát hoạt động của hệ thống lưu kho tự động. Từ đó, lựa chọn các thiết bị phù hợp với yêu cầu của hệ

thống.

2.1 Yêu cầu chung hệ thống

❖ Hệ thống có một số yêu cầu:

- Có mơ hình của hệ thống điều khiển giám sát xuất/nhập kho.

- Xây dựng các tiện ích để người vận hành có thể điều khiển và giám sát hệ thống đơn giản và dễ dàng.

- Xây dựng giải thuật hệ thống bằng PLC.

- Áp dụng công nghệ mã QR xây dựng hệ thống trên labview - Thiết kế giám sát hệ thống trên trên phần mềm HMI Kinco

❖ Vật liệu phôi hàng lưu kho:

- Loại hàng: kiểu phơi hình thoi - Khối lượng: 200g

- Kích thước: 13*10*4 (cm)

❖ Năng suất hệ thống:

- 18 vị trí trên kệ xếp hàng.

- Thời gian xuất nhập kho trung bình 15 giây.

2.2 Hoạt động của hệ thống

Khi hệ thống hoạt động, tiến hành đưa cơ cấu nâng hạ về vị trí HOME (vị trí 0) sau đó mới tiến hành quá trình xuất nhập kho. Hệ thống hoạt động theo hai phương thức.

2.1.1 Nhập hàng

Chế độ AUTO (Tự động): khi băng tải đưa hàng vào, cảm biến phát hiện có hàng

ở vị trí nhập hàng thì băng tải sẽ dừng lại và ngừng cấp hàng, sau đó tiến hành qt mã QR tại vị trí nhập hàng, sau khi phân loại được hàng qua quét mã QR, tay robot từ vị trí lấy hàng sẽ nâng hàng và đưa đến vị trí trống gần nhất mà loại hàng đó đã được quy định. Khi đưa hàng tới đúng vị trí thì tay nâng sẽ trở về vị trí ban đầu, băng tải tiếp tục nhập và xử lý các mặt hàng tiếp theo.

</div>Trang 30<div class="page_container" data-page="30">

2.1.2 Xuất hàng

Chế độ MANUAL (Người điều khiển): Người điều khiển sẽ chọn mặt hàng muốn

xuất kho (trước đó các loại hàng đã được phân theo tầng lưu trữ), tiếp theo sẽ nhập vị trí ơ hàng hoặc mã sản phẩm cần xuất. Khi nhập xong thì tay nâng sẽ tới vị trí mong muốn để lấy hàng và đưa hàng trong kho ra băng tải xuất hàng.

2.2 Thiết kế hệ thống

2.2.1 Giải pháp lưu kho tự động

Với những tiêu chí tối ưu về mặt số lượng, kích cỡ hàng lưu kho trong một diện tích nhất định cũng như thời gian và chất lượng xuất nhập kho đảm bảo nhanh chóng, chính xác và phải được vận hành gần như là tự động. Trong các giải pháp lưu kho được trình bày trong phần cơ sở lý thuyết, chỉ có hệ thống lưu kho tự động bao gồm băng tải và có robot nâng hàng phù hợp với diện tích yêu cầu là thỏa mãn được các tiêu chí đặt ra. Vì vậy nhóm chọn mơ hình lưu kho tự động AS/RS.

2.2.2 Cơ cấu truyền động

Cấu trúc hệ thống kho sẽ là hai kệ hàng đối xứng nhau và robot nâng sẽ ở giữa hai kho hàng, do đó cơ cấu truyền động cho hệ thống sẽ bao gồm:

- Một chuyển động theo phương ngang X.

- Một chuyển động theo phương ngang vng góc với X là Y. - Một chuyển động lên xuống theo chiều cao kho Z.

Robot nâng hàng đều là chuyển động tịnh tiến và có rất nhiều cơ cấu truyền động tạo ra chuyển động tịnh tiến như:

Truyền động bằng dây đai cũng là bộ truyền cơ khí được sử dụng sớm nhất và vẫn được sử dụng phổ biến hiện nay trong các ứng dụng máy in 3D, máy khâu hoặc là

trong các hộp số vô cấp trong xe máy, ơ tơ.

</div>Trang 31<div class="page_container" data-page="31">

Hình 2. 1 So sánh giữa mã vạch và qr code

b. Cơ cấu Vitme – đai ốc trượt:

➢ Ưu điểm:

- Độ chính xác truyền động cao, tỷ số truyền lớn.

- Truyền động êm, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn.

- Thiết kế nhỏ gọn, gia công đơn giản.

➢ Nhược điểm:

- Bánh răng bị mòn bởi ma sát theo thời gian làm giảm hiệu suất hoạt động.

Hình 2. 2 Vitme – đai ốc trượt

c. Ray trượt vuông (Linear Guideways):

Sử dụng sự luân chuyển tuần hoàn của các viên bi thép giữa một thanh ray hình chữ nhật và một hộp trượt tạo thành chuyển động tuyến tính. Thanh trượt thường được cố định chặt trên bề mặt máy, con trượt được gắn vào chi tiết cần chuyển động tuyến tính.

</div>Trang 32<div class="page_container" data-page="32">

Hình 2. 3 Ray trượt vng

➢ Ưu điểm:

- Chịu tải nặng. - Có tuổi thọ cao. - Độ chính xác cao. - Có tốc độ cao.

- Chuyển động thẳng mượt, ma sát thấp. ➢ Nhược điểm:

- Chi phí mua sản phẩm đắt.

d. Ray trượt trịn:

Được cấu tạo gồm có: Ray trượt, con trượt và gối đỡ. Ray trượt sẽ được cố định tại một vị trí đáp ứng được hành trình di chuyển của thiết bị đó. Con trượt giúp cho các bộ phận của thiết bị có thể di chuyển được.

Hình 2. 4 Ray trượt trịn

Ưu điểm:

- Cấu trúc đơn giản, dễ lắp đặt.

</div>Trang 33<div class="page_container" data-page="33">

- Hiệu quả truyền động cao.

Nhược điểm:

- Chi phí tương đối cao.

Dựa vào các ưu và nhược điểm của các cơ cấu truyền động nên nhóm chúng em

chọn phương án: Cơ cấu truyền động đai qua pulley và dây curoa kết hợp với ray

trượt trịn cho hệ thống vì đơn giản, dễ lắp đặt, ít tốn kém chi phí, phù hợp với khả

năng của nhóm và yêu cầu đặt ra của hệ thống.

2.2.3 Lựa chọn giải pháp về động cơ

Trong các hệ thống điều khiển vị trí địi hỏi độ chính xác cao trong thực tế, để đáp ứng nhu cầu này thì các hệ thống thường ưu tiên chọn động cơ bước và động cơ servo. Để có thể lựa chọn được loại động cơ phù hợp với hệ thống nhóm đã tiến hành nghiên cứu và so sánh các thông số của cả hai loại động cơ:

Bộ điều khiển (Driver) Đơn giản Phức tạp

Tốc độ 1000-2000 rpm 3000-5000 rpm Chế độ điều khiển Vị trí Tốc độ, vị trí, momen Hiện tượng trượt bước gây sai

lệch trong điều khiển Có thể xảy ra khi tải tăng

Ít xảy ra, động cơ vẫn chạy êm khi tải tăng. Phương pháp điều khiển Điều khiển vòng hở Điều khiển vịng kín Nhiễu và rung Dễ rung và nhiễu Ít rung và nhiễu

Độ bền Đơn giản, nhỏ gọn, ít bảo dưỡng.

Thiết bị phức tạp, phải bảo dưỡng định kỳ.

</div>Trang 34<div class="page_container" data-page="34">

Hình 2. 6 So sánh Servo và Step.

Chọn phương án: Vì tồn bộ hệ thống chủ yếu truyền động qua dây đai được thiết kế cố định hoạt động tới từng vị trí. Với những yêu cầu đặt ra cho một hệ thống lưu kho tự động thì động cơ Servo luôn được ưu tiên hàng đầu để vận hành cơ cấu nâng hạ.

Nhưng với quy mơ ở một mơ hình đồ án thì việc lựa chọn động cơ servo sẽ rất

tốn kém. Vì vậy nhóm chọn động cơ bước đơn giản cho việc điều khiển và giảm chi phí

cho q trình thiết kế và thi công hệ thống.

2.2.4 Phương pháp điều khiển động cơ

Nhóm đã chọn động cơ bước để thực hiện các cấu chuyển động cho hệ thống. ❖ Các phương pháp điều khiển động cơ bước phổ biến hiện nay:

- Điều khiển dạng sóng (Wave): là phương pháp điều khiển cơ bản của động cơ

bước. Trong phương pháp này, nếu mỗi pha hoặc stato ở cạnh nhau sẽ được động cơ kích hoạt lần lượt bằng cách sử dụng 1 mạch đặc biệt giúp từ hóa và khử từ hóa stato, điều này sẽ dẫn đến chuyển động nhanh chóng của rơto một bước.

- Điều khiển bước đủ (Full step): là phương pháp điều khiển cấp xung đồng thời

cho 2 cuộn dây pha kế tiếp nhau. Phương pháp này dẫn đến mô men xoắn đạt mức cao và cho phép chúng ta điều khiển động cơ tải cao.

- Điều khiển nửa bước (Half step): là phương pháp điều khiển kết hợp cả 2 phương

pháp điều khiển dạng sóng và điều khiển bước đủ. Khi điều khiển theo phương pháp này thì giá trị góc bước nhỏ hơn hai lần và số bước của động cơ bước tăng lên 2 lần so với phương pháp điều khiển bước đủ tuy nhiên phương pháp này có bộ phát xung điều khiển phức tạp.

</div>Trang 35<div class="page_container" data-page="35">

- Điều khiển vi bước (Microstep): Là phương pháp điều khiển động cơ bước được

sử dụng phổ biến nhất vì nó có tính chính xác rất cao. Mạch điều khiển cung cấp ngay 1 dòng bước biến đổi cho cuộn dây stato đang tồn tại ở dạng sóng hình sin. Những bước đi nhỏ xíu này hiện nay dùng để tăng cường độ chính xác tuyệt đối của từng bước một.

Chọn phương án: điều khiển vi bước (Microstep) phương pháp này điều khiển

động cơ có độ chính xác cao, ít sai số và có thể dễ dàng điều khiển qua PLC S7 1200.

2.3 Lựa chọn thiết bị 2.3.1 Lựa chọn động cơ

Động cơ bước là một loại động cơ điện xoay chiều hoạt động theo từng bước nhỏ, góc quay của nó được xác định bởi số xung điều khiển được cấp vào. Động cơ bước được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao và điều khiển vị trí

mở, chẳng hạn như máy CNC, máy in 3D, robot và ổ đĩa cứng. Có nhiều loại động cơ bước khác nhau, nhưng phổ biến nhất là:

a. Động cơ bước 2 pha:

Hình 2. 7 Động cơ bước hai pha

Động cơ bước 2 pha:

• Loại động cơ bước đơn giản và phổ biến nhất.

• Có hai cuộn dây được kích hoạt theo trình tự để tạo ra chuyển động quay.

• Cung cấp độ chính xác và mô-men xoắn vừa phải.

</div>Trang 36<div class="page_container" data-page="36">

b. Động cơ bước 3 pha:

Hình 2. 8 Đơng cơ bước 3 pha

Động cơ bước 3 pha:

• Cung cấp độ chính xác cao hơn và mơ-men xoắn lớn hơn so với động cơ bước 2 pha.

• Có ba cuộn dây được kích hoạt theo trình tự để tạo ra chuyển động quay.

• Phức tạp hơn và đắt hơn so với động cơ bước 2 pha.

c. Động cơ bước lai:

Hình 2. 9 Cấu tạo của động cơ bước lai

</div>Trang 37<div class="page_container" data-page="37">

• Kết hợp các tính năng tốt nhất của động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước biến đổi điện trở.

• Cung cấp độ chính xác cao, mơ-men xoắn lớn và hoạt động êm ái.

• Loại động cơ bước phức tạp và đắt nhất.

d. Động cơ bước servo lai:

Hình 2. 10 Động cơ servo lai

Động cơ bước servo lai:

• Loại động cơ bước tiên tiến nhất.

• Kết hợp động cơ bước với bộ mã hóa vị trí để cung cấp phản hồi vị trí chính xác.

• Cung cấp độ chính xác cao nhất, mô-men xoắn lớn nhất và hoạt động êm ái nhất.

• Loại động cơ bước phức tạp và đắt nhất.

Ngồi ra, động cơ bước cịn được phân loại theo các yếu tố khác như kích thước, góc bước, mơ-men xoắn và kiểu dáng.

Lựa chọn loại động cơ bước 57 NEMA23 bao gồm độ chính xác cần thiết, men xoắn cần thiết, đảm bảo được tốc độ và tiết kiệm ngân sách cho mơ hình sản phẩm.

</div>Trang 38<div class="page_container" data-page="38">

mô-2.3.2 Động cơ bước

a. Động cơ bước 57 NEMA23

Để tối ưu hóa cho cơ cấu nâng hạ thì trục X do tải nặng hơn nên sẽ sử dụng động cơ bước 57 NEMA23.

Số đầu dây: 6

Hình 2. 11 Thơng số kỹ thuật động cơ bước 57 NEMA 23

b. Động cơ bước 42 NEMA17

Do cơ cấu truyền động theo phương Z và Y của robot tải nhẹ hơn nên sử dụng động cơ bước 42 NEMA17.

Số đầu dây: 6

Hình 2. 12 Thơng số kỹ thuật của động cơ bước 42 NEMA17

2.3.3 Thiết bị điều khiển công suất Driver TB6600

Do cơ cấu nâng hạ sử dụng 2 loại động cơ khác nhau nên để tối ưu hóa nhất, nhóm sẽ chọn các loại driver phù hợp với 2 loại động cơ.

</div>Trang 39<div class="page_container" data-page="39">

Các tùy chỉnh vi bước: 1/1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32

Các tùy chỉnh dòng điện (A): 0.5A, 1.2A, 1.7A, 2.2A, 2.7A, 3.2A, 3.7A, 4.20ATần số xung tối đa (kHz): 200

Hình 2. 13 Thơng số kỹ thuật của Driver TB6600

❖ Sơ đồ kết nối:

Hình 2. 14 Sơ đồ kết nối dây động cơ và PLC S7 1200 với Driver TB6600

2.3.4 Lựa chọn pulley và dây curoa đi kèm động cơ

Các thiết bị kết nối với động cơ bước để tạo nên cơ cấu truyền động dây đai sẽ gồm có:

Chọn Pulley GT2 20, 30 răng 6.35mm và 5mm vì động cơ bước 57 NEMA17 có trục 6.35mm, động cơ bước 42 NEMA23 có trục 5mm nên sẽ sử dụng pulley với cùng kích thước.

</div>Trang 40<div class="page_container" data-page="40">

Hình 2. 15 Pulley GT2

Chọn dây đai GT2 vì đây là dây curoa được làm bằng nhựa cao su, có tác dụng truyền chuyển động từ bánh dẫn đến bánh bị dẫn và tạo nên chuyển động tuyến tính cho hệ thống. Vì pulley là loại GT2 nên sẽ chọn loại dây đai GT2 là phù hợp với hệ thống.

Hình 2. 16 Dây đai GT2

2.3.5 Lựa chọn bộ điều khiển trung tâm

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị có thể lập trình được, được thiết kế chuyên dùng trong công nghiệp để điều khiển các quy trình xử lí từ đơn giản đến phức tạp, tùy thuộc vào người điều khiển mà có thể thực hiện một loạt các chương trình hoặc 1 sự kiện, sự kiện này được kích hoạt bởi các tác nhân kích thích (hay cịn gọi là ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các bộ định thời (Timer) hay các sự kiện đếm qua bộ đếm (Counter).

Khi một sự kiện được kích thích nó sẽ bật ON, OFF hoặc phát một chuỗi xung ra các thiết bị bên ngoài được gắn vào ngõ ra của PLC. Như vậy nếu ta thay đổi chương trình được cài đặt bên trong PLC là ta có thể thực hiện được các chức năng khác nhau, trong các mơi trường điều khiển khác nhau. Mặt khác ngồi PLC cũng đã bổ xung thêm

</div>