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

MỤC LỤC
1 CHƢƠNG 1: NGHIÊN CỨU CÁC MẪU KHO HÀNG TỰ ĐỘNG ........ 3
1.1 GIỚI 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 CẤU 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 CHƢƠNG 2: NGHIÊN CỨU CÁNH TAY ROBOT SỬ DỤNG TRONG
KHO HÀNG TỰ ĐỘNG .................................................................................... 9
2.1 VAI TRÒ ................................................................................................................. 9
2.2 CẤU TRÚC .............................................................................................................. 9
2.2.1 Phần cơ khí: ................................................................................................... 9
2.2.3 Phần bộ điều khiển ....................................................................................... 10

3 CHƢƠNG 3: LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN VÀ THIẾT KẾ KHO HÀNG
TỰ ĐỘNG .......................................................................................................... 12
3.1 PHƢƠNG ÁN THIẾT KẾ KHUNG KHO HÀNG ........................................................... 12
3.2 PHƢƠNG 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 TÍNH 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 TÍNH 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 CHƢƠNG 4: XÂY DỰNG CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN CÁNH
TAY ROBOT ..................................................................................................... 39
4.1 LỰA CHỌN BỘ ĐIỀU KHIỂN ................................................................................... 39
4.2 VI ĐIỀU KHIỂN AVR ATMEGA16 ...................................................................... 41
4.2.1 Giới thiệu về ATMEGA16 ............................................................................ 41
4.2.2 Phần mềm CodevisionAVR ......................................................................... 47

1


4.4 LẬP TRÌNH CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ............................................................... 50

5 CHƢƠNG 5: CHẾ TẠO SẢN PHẨM ........................................................ 60
5.1 TÍNH TOÁN LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ VÀ DRIVER ....................................................... 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 MẠCH 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 CHẾ TẠO KHUNG KHO HÀNG VÀ CÁNH TAY ROBOT ............................................. 73

6 KẾT LUẬN .................................................................................................... 74
7 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 75

2

1

Chƣơng 1: NGHIÊN CỨU CÁC MẪU KHO HÀNG TỰ ĐỘNG

1.1 Giới thiệu chung về kho hàng tự động
1.1.1 Hệ thống lưu trữ hàng hóa
Nền công nghiệp trong nƣớc nói riêng và nền công nghiệp trên thế giới nói
chung đang phát triển mạnh mẽ. Trong quá khứ sản phẩm đƣợc tạo ra một cách
thủ công nên việc vận chuyển sản phẩm ra vào kho chứa chủ yếu đƣợc thực hiện
bằng sức ngƣời, dẫn đến việc không tận dụng hết đƣợc các khoảng không gian,
sức chứa của kho hàng, việc quản lý hàng hoá kém hiệu quả cũng nhƣ 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 đƣợc những hạn chế của các kho hàng cũ.
Hiện tại, trên thế giới có nhiều hệ thống lƣu trữ hàng hóa, các hệ thống này
rất đa dạng, phong phú về thiết bị cũng nhƣ cách thức thực hiện. Nhƣng 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 ngƣời lái để sắp xếp hàng hóa vào kho.
Các nhà kho hiện nay có các nhƣợc điểm sau:
- Sử dụng nhiều diện tích để chứa hàng hóa.
- Không phân loại đƣợc các hàng hóa khác nhau (các hàng hóa thƣờng
để chung với nhau trong 1 kho).
- Không bảo quản tốt hàng hóa khi số lƣợng nhiều
- Rất khó kiểm soát số lƣợng hàng hóa ra vào trong kho.
Với sự ra đời của các hệ thống xếp hàng hóa tự động, ngƣời ta có thể quản lý
tốt hàng hóa cũng nhƣ nhanh chóng trong việc lƣu trữ và xuất hàng hóa ra khỏi
kho, các hệ thống kho tự động đƣợc sử dụng robot để vận chuyển hàng hóa, điều
này đồng nghĩa với việc đầu tƣ trang thiết bị hiện đại cho hệ thống kho tốn khá

nhiều chi phí cho việc vận chuyển hàng hóa nhƣng bù lại là hàng hóa đƣợc bảo
quản tốt, thuận tiện cho việc quản lý và kiểm soát, tiết kiệm đƣợc nhân công …
Các thiết bị bốc dỡ hàng tải trọng lớn trong kho hàng:

3


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, đƣợc
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 đƣợc đánh giá là tối ƣu cho các kho hàng do
những ƣu điểm và mức đầu tƣ hợp lý mà giải pháp này mang lại nhƣ:
- Mật độ lƣu trữ cao
- Tốc độ xuất nhập cao: trung bình 1 tấn hàng/ phút/ robot.
- Công nghệ chuyển đƣờng cho phép chỉ cần một robot cho một nhà kho
giúp tiết kiệm đáng kể chi phí đầu tƣ.
- Không cần hệ thống chiếu sáng, do đó tiết kiệm chi phí đầu tƣ 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 đƣợc các tiêu chuẩn ISO để tạo
lợi thế cạnh tranh.

4

Hệ thống cơ khí cơ bản của một nhà kho tự động là một robot hoạt động
theo ba trục và di chuyển theo đƣờng 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 lƣu trữ cao nhƣng tốc độ thấp thích hợp cho
các nhà máy mà sản phẩm của họ đƣợc sản xuất với năng suất cao, số lƣợng lớn
nhƣ: 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.

5


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.
Kho tự động đƣợc cấu thành từ 3 phần:
- Hệ thống vận chuyển
- Hệ thống xuất nhập
- Hệ thống lƣu trữ

Hình 1.4 Kho tự động

1.2.1 Hệ thống vận chuyển
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 phƣơng thức vận chuyển hàng
trong kho tƣơng ứng. Hiện nay hệ thống vận chuyển trong kho tự động ở các
nƣớc đã có áp dụng nhƣ: băng tải, robot, xe tự hành, máy nâng, máy xếp dỡ…
Hệ thống băng tải đƣợc sử dụng nhƣ một giải pháp tối ƣu cho kho tự động
của các siêu thị, các công ty dƣợc…băng tải ở những môi trƣờng này có nhiệm
vụ vận chuyển hàng hóa từ kho đến nơi giao hàng cho khách. Băng tải có rất
nhiều loại mỗi loại đƣợc dung để tải một loại vật liệu khác nhau. Cũng có loại
băng tải phổ thông đƣợc dùng để tải các loại vật liệu khác nhau nhƣng không
phải là các loại vật liệu đặc biệt nhƣ chịu nhiệt độ cao, chịu dầu, chịu axit, chịu
ăn mòn, chịu nƣớc, chống cháy chịu cƣờng độ cao…
6


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 ƣu. Nhƣng 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 đƣa
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 đƣợc 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 lƣu trữ dùng pallet. Robot lấy cất hàng tải trọng cao
đƣợc thiết kế riêng theo yêu cầu lƣu trữ cũng nhƣ môi trƣờng làm việc đặc trƣng

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 phƣơng thức khác
nhau có thể kể đến nhƣ dung nhân công, thẻ từ, tích kê, mã vạch, máy tính,
camera. Mã vạch là hình gồm nhiều sọc đứng,rộng và hẹp đƣợc in để đại diện
cho các mã số dƣới dạng máy có thể đọc đƣợc.
Các mã sọc phù hợp với tiêu chuẩn Universal Product Code đƣợc in trên hầu
hết các sản phẩm hàng hóa bày bán trong các siêu thị hiện nay. Khi hình mã sọc
đƣợc kéo lƣớt qua một dụng cụ quét quang học ở quầy kiểm tra thu tiền, máy

7


tính sẽ đối chiếu số hiệu sản phẩm với cơ sở dữ liệu các danh sách giá và in ra
giá tiền đúng với mã đó.

Hình 1.6 Barcode

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 1 trong những tính năng của nó.
1.2.3 Hệ thống lưu trữ
Phần mềm quản lý kho DMS_COLD STRORAGE:
Chƣơng trình đƣợc thiết kế theo quy trình kinh doanh dịch vụ kho cho
doanh nghiệp, các chức năng cơ bản của phần mềm đó là: Lƣu giữ thông tin,
khóa sổ, phân quyền ngƣời 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 ƣu điểm nổi bật nhƣ 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.

8


2

Chƣơng 2: NGHIÊN CỨU CÁNH TAY ROBOT SỬ DỤNG TRONG
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 nhƣ các yêu cầu cụ thể mà cánh tay Robot
có thể có số lƣợng bậc tự do khác nhau. Đối với các mô hình kho chứa nhỏ,
cánh tay Robot thƣờng có ýt nhất từ 3 đến 4 trục chuyển động. Trong đó thƣờng
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 đƣợc 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 nhƣ
tính ứng dụng của kho hàng. Đối với các kho hàng cỡ nhỏ xây dựng bên trong
các phòng thí nghiệm thƣờng đƣợc 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 ƣu nhƣợc điểm riêng, phục vụ cho từng nhóm đối tƣợng 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 đƣợc
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 thƣờng là các cơ cấu tịnh tiến và cơ cấu quay
hoạt động trọng hệ trục Oxyz. Để thực hiện đƣợc các chuyển động trong hệ trục
Oxyz có rất nhiều phƣơng pháp khác nhau. Trong đó dùng động cơ để truyền
động là một phƣơng pháp đƣợc dùng dùng hết sức phổ biến.

9


Hình 2.1 Cấu trúc cánh tay

Hình 2.2 Cánh tay nâng hạ

2.2.3 Phần bộ điều khiển
Để điều khiển đƣợc 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 nhƣ yêu cầu
thực tiễn ta có thể lựa chọn phƣơng 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
10


Hình 2.3 Kho hàng điều khiển nút bấm

Hình 2.4 Kho hàng điều khiển tay cầm

11


3

Chƣơng 3: LỰA CHỌN PHƢƠNG ÁN VÀ THIẾT KẾ KHO HÀNG
TỰ ĐỘNG
3.1 Phƣơng án thiết kế khung kho hàng

a. Khung kho hàng dạng vòng cung
Khung kho hàng dạng vòng cung có những ƣu điểm nhƣ: Tính thẩm mỹ của
khung kho hàng cao. Hạn chế đƣợc số bậc tự do cần có của cơ cấu cánh tay
xuống còn 3 bậc.
Bên cạnh ƣu điểm, dạng khung vòng cung những còn có nhƣợc 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 ƣu điểm nhƣ: Việc thiết kế khung kho
hàng đơn giản. Vật liệu làm khung dễ tìm và dễ lắp ghép. Trọng lƣợng khung
nhẹ dễ vận chuyển. Khung kho hàng dễ tháo dời, sửa chữa.
Bên cạch đó, khung vẫn còn những nhƣợc điểm nhƣ: Khung dễ bị xê dịch
dƣới 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 ƣu điểm nhƣ: 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 ƣu điểm thì khung kho hàng dạng này có một số nhƣợc điểm nhƣ:
Bộ khung tốn chi phí vật liệu, cồng kềnh.
Kết luận: Dựa trên ƣu nhƣợc điểm trên của từng phƣơng án đã nêu trên,
phƣơng án thiết kế “Khung kho hàng 2 gian đối xứng gắn cứng” đã đƣợc lựa
chọn. Vì phƣơng án trên đảm bảo việc tận dụng đƣợc hết khả năng của cánh tay
cơ khí cũng đồng thời đảm bảo việc thiết kế đƣợc đơn giản.
3.2 Phƣơng 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
12


Ƣu điểm của phƣơng án thiết kế này đó là: Phần khung và cánh tay tác rời
giúp dễ di chuyển và dễ tháo dời để sửa chữa.
Bên cạnh ƣu điểm, phƣơng án thiết kế này tồn tại những nhƣợc điểm nhƣ:
Bài toán định hƣớng di chuyển trở nên phức tạp. Khung và cánh tay dễ bị xê
dịch, không chắc chắn. Độ chính xác không cao trong quá trình hoạt động.
b. Thiết kế cánh tay Robot có phần đế gắn cứng vào khung kho hàng
Phƣơng án này có một số ƣu điểm sau: Khoảng cách từ cánh tay đến khung

kho hàng luôn cố định. Việc tính toán dẫn hƣớng cho cơ cấu chuyển động trở
nên dễ dàngChuyển động ít xuất hiện sai lệch đảm bảo sự chính xác nhất định.
Nhƣợc điểm của phƣơng 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 nhƣ giảm thiểu sai lệch khi hoạt động. Dựa trên những ƣu nhƣợc điểm của
các phƣơng án thiết kế đã nêu ở trên. Phƣơng án thiết kế đƣợc lựa chọn là
phƣơng 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
Ƣu điểm nổi bật của việc dùng động cơ dẫn động đó là: Động cơ đƣợc sử
dụng phổ biến, nhỏ gọn, nhiều mức công suất và nhiều chủng loại động cơ để
lựa chọn. Động cơ truyền đƣợc 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
đƣợc vị trí và tốc độ.
Nhƣợc 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 thƣớc, trọng
lƣợng của động cơ càng lớn càng ảnh hƣởng đến thiết kế cơ khí.
 Cơ cấu dẫn động cho cánh tay sử dụng xi lanh khí nén
13


Một số ƣu điểm của cơ cấu xi lanh đó là: Xi lanh khí nén dễ tìm mua với giá
thành hợp lý. Kích thƣớc của cơ cấu xinh lanh nhỏ gọn và trọng lƣợng nhẹ.
Bên cạnh ƣu điểm thì cơ cấu cũng có những nhƣợc điểm nhất định nhƣ: 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 ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng án trên chúng em
chọn phƣơng án: “Cơ cấu dẫn động cho cánh tay sử dụng động cơ” vì phƣơng
án này có những ƣu 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
a. Thép hộp

Hình 3.1 Thép hộp

Ƣu điểm của thép hộp đó là: Thép hộp là vật liệu dễ tìm với giá thành rẻ.
Thép hộp có kích thƣớc phong phú để lựa chọn.
Nhƣợc điểm khi dùng thép hộp là: Phƣơng pháp để ghép nối thƣờng là hàn
nên gây tốn kém về mặt chi phí. Bên cạnh đó tính thẩm mỹ của khung thấp.
b. Thép chữ U đa năng

14


Hình 3.2 Thép chữ U

Ƣu điểm của thép chữ U là: Thép chữ U dễ tìm mua với nhiều kích thƣớc để
lựa chọn. Thép có rãnh dẫn hƣớng và có điểm bắt bulông đai ốc dễ lắp ghép tạo
khung.
Nhƣợc 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

Hình 3.3 Khung sắt

Ƣu điểm của khung sắt là: Khung sắt tiện lợi và dễ lắm ráp. Có thể mua
nguyên khung thay vì lắp ghép.
Nhƣợc điểm khi chọn khung sắt đó là: Giá thành của khung cao.Trọng lƣợng
khung nặng và tính thẩm mỹ kém.
d. Nhôm định hình

15


Hình 3.4 Nhôm định hình

Ƣu 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 hƣớng. Do
có mối nối chuyên dụng đi kèm nên khi lắp ghép hết sức chắc chắn.
Nhƣợc điểm khi dùng nhôm định hình: Trọng lƣợng của khung làm bằng
nhôm lớn. Kích thƣớc 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 đƣợc chọn là: “Nhôm định hình”. Vì
nhôm định hình có những ƣu điểm đáp ứng đƣợc yêu cầu đề ra. Đồng thời vì
khung kho hàng có kích thƣớc nhỏ nên chi phí không quá lớn.
3.3.2 Thiết kế khung kho hàng
a. Thiết kế kích thƣớc khung
Khung kho hàng đƣợc tạo thành bằng việc ghép nối các thanh nhôm định
hình lại với nhau bằng các mối nối. Kích thƣớc của kho hàng đƣợc xác định dựa
trên số lƣợng 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.
Ô chứa hàng có kích thƣớc đƣợc lựa chọn là 200x200x200(mm).
Bên cạnh phần ô chứa là khu vực để cánh tay cơ khí. Khu vực đặt cánh tay

cao 600(mm) rộng 200(mm) và dài 480(mm). Phần cánh tay cơ khí đƣợc thiết
kế nhỏ gọn đảm bảo không gian hoạt động nằm trong phần khung kho hàng.
Khoảng cách từ mặt đất đến vị trí có các ô chứa là 200 (mm).
Tổng hợp các thông tin trên ta có:
- Kích thƣớc của một ô chứa hàng: 200x200x200(mm)
- Khoảng cách giữa hai bên đối diện của kho hàng: 480(mm)
16


- 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 đƣợc chiều dài, chiều rộng và chiều cao
của khung nhƣ 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 thƣớc đã tính toán ở trên.
Phần đế của các ô chứa dùng để đặt vật liệu hoặc các chi tiết có khối lƣợng
không đáng kể . Nên ta sử dụng đế làm bằng những tấm nhựa mica kích thƣớc
200x800x50(mm)
Hình dạng kích thƣớc 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 thƣớc 40x40

 Kiểm bền cho thanh ngang chiều dài 88 cm
Sử dụng phần mềm Inventor để kiểm bền cho thanh nhôm định hình.

17


Mở inventor -> Open file -> Chọn Environments -> Chọn Stress Analysis > Create Simulation.
Khi khởi tạo xong môi trƣờng giả lập, trình tự thực hiện nhƣ sau:
- Chọn vật liệu là nhôm 6061.

Hình 3.7 Chọn vật liệu

- Cố định các đầu nối cứng(ngàm).

Hình 3.8 Gắn cứng

- Chọn bề mặt tác dụng lực và giá trị lực tác dụng
Bề mặt tác dụng là bề mặt thanh nhôm định hình nằm ngang. Điểm đặt lực
vào giữa thanh với chiều hƣớng từ trên xuống. Giá trị lực đặt 13N.

18


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.

19


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 trƣờng hợp
siêu bền, thanh nhôm có thể giảm kích thƣớc và kiểm tra lại để đảm bảo không
bị dƣ thừa quá nhiều.
Vì các thanh nhôm so nhà sản xuất có các kích thƣớc cố định là 20x20(mm),
40x40(mm).v.vv nên không thể tùy tiện giảm kích thƣớc. Kích thƣớc có thể
giảm xuống 20x20(mm) và vẫn đảm bảo bền. Nhƣng do thiết kế của nhôm định
hình kích thƣớc 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 đƣợc 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 bƣớc thực hiện tƣơng tự nhƣ 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.

20

Hình 3.13 Đặt lực nén dọc

Hình 3.14 Đặt lực ngang

Hình 3.15 Hệ số an toàn

21


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 thƣớc 40x40(mm) đƣợc lựa chọn để xây dựng lên cả khung của kho hàng.
Số lƣợng 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 nhƣ sau

Hình 3.16 Mối nối

Sau khi sử dụng các mối nối để lắp ghép các thanh nhôm định hình ta có
khung kho hàng nhƣ Hình 2.8

Hình 3.17 Mô hình khung kho hàng

22


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 đƣa 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 hƣớng. Việc lựa cho hình thức dẫn động và dẫn hƣớng sẽ
quyết định hình dạng kết cấu của cơ cấu tịnh tiến mà ta muốn xây dựng. Các
chuyển động sẽ đƣợc truyền từ động cơ sau đó thông qua các cơ cấu truyền động
khác nhau để làm cho hệ thống chuyển động nhƣ 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].

23


Hình 3.18 Bánh răng-Xích

Ƣu điểm của bộ truyền động bánh răng-xích đó là:Có thể truyền chuyển
động giữa các trục cách nhau tƣơng đối xa. So với một số dạng truyền động
bằng đai thì bộ truyền động xích kích thƣớc nhỏ gọn, làm việc không trƣợt, hiệu
suất cao(ɳ = 0,96-0,98). Lực tác dụng lên trục tƣơng đối nhỏ và cùng lúc truyền
lực đƣợc cho nhiều trục. Trích trang 4[2].
Nhƣợc điểm: Nhiều tiếng ồn khi làm việc. Cần thƣờng xuyên đƣợc bôi trơn,
chống mòn. Vận tốc tức thời khi chuyển động không đƣợc 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. Thƣờng dùng để truyền chuyển động giữa các trục song
song và chuyển động cùng chiều nhau. Truyền động đai răng kết hợp đƣợc
những ƣu điểm của cả truyền động đai thƣờng cũng nhƣ truyền động xích. Trích
trang 18[2].

24


Hình 3.19 Pulley-Dây đai

Ƣu 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 đƣợc 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 ngƣỡng xấp xỉ 50m/s đối với các
bộ Đai-răng to. Trích trang 19[2].
Nhƣợc 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

Ƣu 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 hƣớng cho chuyển
động. Cơ cấu dễ lắp ráp. Động cớ đƣợc lắp đặt đơn giản.
Nhƣợc điểm khi sử dụng cơ cấu truyền động vít me-đai ốc là: Kích thƣớc và
trọng lƣợng cơ cấu lớn.Tự chế tạo khó. Giá thành cao.
Kết luận: Từ ƣu nhƣợc điểm của các phƣơng pháp truyền động nói trên.
Phƣơng pháp truyền động bằng đƣợc chọn là: “Dây đai – bánh răng”. Một
25