MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU.. 1

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 2

Đặt vấn đề. 2

Mục đích của đề tài 2

Phạm vi đồ án. 2

Bố cục của đồ án. 2

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ 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. 8

1.2.3.Hệ thống lưu trữ. 8

1.3.Cánh tay robot trong kho hàng tự động. 9

1.3.1.Vai trò. 9

1.3.2.Cấu trúc. 9

1.4.Kết luận chương. 11

Chương 2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ KHO HÀNG TỰ ĐỘNG   12

2.1.Lựa chọn phương án thiết kế kho hàng tự động. 12

2.1.1.Phương án thiết kế khung kho hàng. 12

2.1.2.Phương án thiết kế cánh tay cơ khí 13

2.2.Tính toán thiết kế khung vỏ. 14

2.2.1.Lựa chọn vật liệu làm khung. 14

2.2.2.Thiết kế khung kho hàng. 16

2.3.Tính toán thiết kế hệ truyền động. 22

2.3.1.Cơ cấu tịnh tiến dọc trục Oy. 23

2.3.2.Cơ cấu nâng hạ dọc trục Oz. 30

2.3.3.Cơ cấu tịnh tiến dọc trục Ox. 33

2.3.4.Cơ cấu quay quanh trục Oz. 35

2.3.5.Mô hình cánh tay cơ khí 37

2.4.Kết luận chương. 37

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN KHO HÀNG TỰ ĐỘNG   44

3.1.Tính toán lựa chọn động cơ và Driver 44

3.1.1.Lựa chọn loại động cơ. 44

3.1.2.Tính toán lựa chọn công suất động cơ cho các cơ cấu. 40

3.1.3.Lựa chọn Driver điều khiển động cơ. 48

3.2.Tính toán lựa chọn bộ điều khiển và bộ nguồn. 49

3.2.1.Lựa chọn bộ điều khiển. 49

3.2.2.Vi điều khiển AVR ATMEGA16. 51

3.3.Khai thác phần mềm điều khiển. 57

3.3.1.Phần mềm CodevisionAVR.. 57

3.3.2.Lập trình chương trình điều khiển. 60

3.2.3.Tính toán lựa chọn bộ nguồn. 67

3.4.Kết luận chương. 70

CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM SẢN PHẨM... 71

4.1.Chế tạo kho hàng tự động. 71

4.1.1.Chế tạo, lắp ráp khung kho hàng. 71

4.1.2.Chế tạo, lắp ráp cánh tay cơ khí 74

4.1.3.Đấu nối mạch điều khiển. 84

4.2.Vận hành thử nghiệm kho hàng tự động. 84

4.3.Kết luận chương. 85

KẾT LUẬN.. 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO.. 87

LỜI NÓI ĐẦU

   Ngày nay, thay vì cách lưu trữ hàng hóa, vật liệu thủ công tốn nhiều diện tích và nhân công lao động, nhiều công ty trên thế giới đã trang bị hệ thống kho hàng tự động cho các phòng thí nghiệm, văn phòng, nhà xưởng của mình…Với việc ứng dụng công nghệ cao trong việc cất giữ hàng hóa, chúng ta có thể quản lý kho hàng của mình một cách khoa học, có hệ thống và có tính linh hoạt cao, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động và giảm giá thành hoạt động.

   Điều này cũng được áp dụng trong việc kiểm soát vật liệu, chi tiết và vật mẫu trong các phòng thí nghiệm, trong các hệ thống tích hợp sản xuất linh hoạt (CIM). Kho hàng tự động đóng vai trò không thể thiếu trong hệ thống CIM, đảm bảo được tính nhất quán trong cả hệ thống, giúp việc quản lý, kiểm soát vật liệu được chính xác và tiện lợi.

Sau thời gian học tập tại trường, nhóm đã tích luỹ được vốn kiến thức nhất định. Được sự đồng ý của nhà trường và thầy giáo, nhóm được giao đề tài tốt nghiệp:

“Thiết kế chế tạo kho hàng tự động gồm 12 ô chứa và cánh tay cơ khí
cho hệ thống CIM”.

   Sau 3 tháng, đồ án được hoàn thành đúng thời hạn đảm bảo được nhiệm vụ đề ra. Ngoài sự cố gắng nỗ lực của bản thân còn có sự động viên của gia đình bạn bè và đặc biệt là sự giúp đỡ nhiệt tình của các thầy bộ môn Công nghệ thiết bị và hàng không vũ trụ. Nhóm đề tài xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè đã luôn ở bên động viên cổ vũ trong suốt thời gian qua. Đồng thời, nhóm xin gửi lời cảm ơn sâu sắc, lời chúc sức khỏe đến các thầy trong bộ môn CNTB & HKVT, Khoa hàng không vũ trụ, Học viện Kỹ thuật quân sự, đặc biệt là thầy :……….............., người đã giúp đỡ tận tình, tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất để nhóm có thể hoàn thành nhiệm vụ đồ án được giao. Nhóm xin cảm ơn các bạn trong lớp phối hợp, đóng góp các ý kiến xây dựng để đồ án của nhóm hoàn thiện hơn. Do năng lực và thời gian còn hạn chế, không thể tránh khỏi những thiếu sót trong thuyết minh cũng như quá trình làm đồ án. Nhóm rất mongnhận được các ý kiến đóng góp của các thầy để đồ án này được hoàn thiện hơn nữa.

   Nhóm xin chân thành cảm ơn!

                                                                                                                   Hà nội, ngày … tháng … năm 20…

Sinh viên thực hiện

                                                                                                              ……………

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

Đặt vấn đề

Kho hàng là một phần không thể thiếu trong các hệ thống sản xuất cũng như phòng thí nghiệm. Một hệ thống sản xuất tự động đòi hỏi sự thay đổi trong nhiều mặt của một hệ thống sản xuất. Hệ thống kho hàng do đó cần phải được nâng cấp và thay đổi để đáp ứng nhu cầu của hệ thống. Hệ thống mới đòi hỏi ở kho hàng những nhu cầu trên nhiều mặt như: tiết kiệm thời gian, chi phí vận chuyển, giảm sức lao động, tối ưu hóa việc lưu trữ. Do hệ thống kho hàng cũ kĩ không thể đáp ứng được những nhu cầu trên nên hệ thống kho hàng tự động đã ra đời. Với việc ứng dụng công nghệ cao trong việc cất giữ hàng hóa, việc quản lý kho hàng có thể thực hiện một cách khoa học, có hệ thống và linh hoạt cao, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động.

Để đáp ứng những yêu cầu trên, đề tài “Thiết kế chế tạo kho hàng tự động trong hệ thống CIM” đã được ra đời.

Mục đích của đề tài

Mục đích của đề tài là chế tạo kho hàng tự động trong hệ thống CIM. Đề tài giúp sinh viên hiểu được rõ vai trò, cách thức hoạt động của kho hàng tự động trong hệ thống CIM; thông qua quá trình xây dựng, chế tạo để ôn tập củng cố những kiến thức đã tích lũy trong quá trình học tập trên giảng đường đại học, cũng như ứng dụng những kiến thức đó vào thực tế. Đề tài giúp xây dựng cái nhìn cụ thể hơn cho sinh viên về vai trò, nhiệm vụ của một kĩ sư thiết kế trong thực tế.

Phạm vi đồ án

Chế tạo kho hàng cho hệ thống CIM của phòng thí nghiệm CIM của bộ môn CNTB & HKVT.

Bố cục của đồ án

· Giới thiệu đề tài;

· Chương 1: Tổng quan về kho hàng tự động;

· Chương 2: Tính toán thiết kế cơ khí kho hàng tự động;

· Chương 3: Xây dựng bộ điều khiển kho hàng tự động;

· Chương 4: Chế tạo, thử nghiệm sản phẩm;

· Kết luận;

· Tài liệu tham khảo;

Chương 1. TỔNG QUAN VỀ 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 nước nói riêng và nền công nghiệp trên thế giới nói chung đang phát triển mạnh mẽ. Trong quá khứ, sản phẩm được tạo ra một cách thủ công nên việc vận chuyển sản phẩm ra vào kho chứa chủ yếu được thực hiện bằng sức người, dẫn đến việc không tận dụng hết được các khoảng không gian, sức chứa của kho hàng, việc quản lý hàng hoá kém hiệu quả cũng nhưtốn nhiều diện tích đất làm nhà kho chứa hàng.

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 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 hàng hóa được bảo quản tốt, thuận tiện cho việc quản lý và kiểm soát, tiết kiệm được nhân công.

1.1.2.Hệ thống lấy cất hàng hóa tự động ASRS

Đây là một hệ thống lấy cất hàng hóa tự động với công nghệ hiện đại, được sử dụng trong các nhà kho hoàn toàn tự động. Hệ thống gồm có 2 phần chính: phần mềm và phần cứng.

Phần mềm gồm có phần mềm quản lý các robot lấy cất hàng và phần mềm quản lý hàng hóa. Phần cứng bao gồm các hệ thống giá kệ cố định, các robot lấy cấthàng, hệ thống các băng tải vận chuyển hàng và hệ thống các cửa tự động xuất nhập hàng.

Hệ thống cơ khí cơ bản của một nhà kho tự động là một robot hoạt động theo ba trục và di chuyển theo đường ray để mang hàng sắp xếp vào kho và hệ thống băng chuyển để phân phối sản phẩm xuất nhập. Hình 1.2 minh họa hệ thống vận chuyển bằng băng chuyền.

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

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.

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 phương thức vận chuyển hàng trong kho tương ứng. Hiện nay,hệ thống vận chuyển trong kho tự động ở các nước đã có áp dụng như: băng tải, robot, xe tự hành, máy nâng, máy xếp dỡ…

Hệ thống băng tải được sử dụng như một giải pháp tối ưu cho kho tự động của các siêu thị, các công ty dược… Băng tải ở những môi trường này có nhiệm vụ vận chuyển hàng hóa từ kho đến nơi giao hàng cho khách. Băng tải có rất nhiều loại, mỗi loại được dung để tải một loại vật liệu khác nhau

1.2.2 Hệ thống xuất nhập

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

1.2.3 Hệ thống lưu trữ

Hệ thống lưu trữ là phần không thể thiếu trong kho hàng tự động. Đây là nơi thực hiện nhiện vụ lữu trữ và quản lý trong kho hàng. Có nhiều hình thức xây dựng nên một hệ thống lưu trữ thông qua các phần mềm quản lý khác nhau. Một trong những phần mềm quản lý kho được dùng phổ biến là phầnmềmquảnlýkhoDMS_COLDSTRORAGE.

1.3.Cánh tayrobot trong kho hàng tự động

1.3.1.Vai trò

Cánh tay cơ khí 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 phụ thuộc nhiều vào kích cỡ của kho hàng. Tùy thuộc vào hình dáng kho hàng cũng như các yêu cầu cụ thể, cánh tay cơ khí có thể có số lượng bậc tự do khác nhau. 

1.3.2.Cấu trúc

Cánh tay cơ khí vận chuyển được chia thành hai phần chính là phần cơ khí và phần điều khiển. Cánh tay cơ khí phục vụ việc điều khiển chuyển động theo các trục riêng biệt. Phần điều khiển phụ thuộc lớn vào yêu cầu hệ thống cũng như tính ứng dụng của kho hàng. 

1.4.Kết luận chương

Chương 1 đã giới thiệu chung về kho hàng tự động. Các thành phần cấu tạo nên kho hàng tự động cũng được nêu ra một cách rõ ràng và chi tiết. Vai trò cũng như cấu trúc của một cánh tay cơ khí trong kho hàng tự động cũng đã được đưa ra giới thiệu, phân tích với những ví dụ minh họa cụ thể.

Chương 2. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ KHO HÀNG TỰ ĐỘNG

2.1. Lựa chọn phương án thiết kế kho hàng tự động

2.1.1. Phương án thiết kế khung kho hàng

a. Khung kho hàng dạng vòng cung

Khung kho hàng dạng vòng cung có những ưu điểm như: tính thẩm mỹ của khung kho hàng cao; hạn chế được số bậc tự do cần có của cánh tay cơ khí xuống còn 3 bậc.

a. Khung kho hàng 1 gian đơn

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

Bên cạch đó, khung có những nhược điểm: khung dễ bị xê dịch dưới tác động bên ngoài; khung không tận dụng tối đa khả năng của cánh tay cơ khí.

b. Khung kho hàng 2 gian đối xứng gắn cứng

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

Bên cạnh ưu điểm thì khung kho hàng dạng này có một số nhược điểm như: bộ khung tốn chi phí vật liệu, cồng kềnh.

Kết luận: Dựa trên ưu, nhược điểm của từng phương án đã nêu trên, phương án thiết kế khung kho hàng 2 gian đối xứng gắn cứng đã được lựa chọn, vì phương án trên đảm bảo việc tận dụng được hết khả năng của cánh tay cơ khí cũng đồng thời đảm bảo việcthiết kế được đơn giản.

2.1.2.Phương án thiết kế cánh tay cơ khí

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

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

Ưu điểm của phương án thiết kế là: phần khung và cánh tay cơ khí tách rời giúp dễ di chuyển và dễ tháo dời để sửa chữa. 

Nhược điểm của phương án thiết kế là: phần khung và cánh tay cơ khí cồng kềnh khi di chuyển hoặc tháo lắp để sửa chữa; chi phí chế tạo chênh lệch hơn so với cánh tay không gắn cứng.

Kết luận: Để đáp ứng yêu cầu đơn giản hóa bài toán tính toán dẫn động cũng như giảm thiểu sai lệch khi hoạt động, dựa trên những ưu nhược điểm của các phương án thiết kế đã nêu ở trên, phương án thiết kế được lựa chọn là phương án thiết kế cánh ta

b. Dẫn động cho cánh tay cơ khí

· Dẫn động cho cánh tay bằng động cơ

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

Nhược điểm khi sử dụng động cơ để dẫn động là: khi tải trọng lớn, sẽ cần sử dụng động cơ có công suất lớn dẫn đến giá thành cao; kích thước, trọng lượng của động cơ càng lớn càng ảnh hưởng đến thiết kế cơ khí.

2.2.Tính toán thiết kế khung vỏ

2.2.1.Lựa chọn vật liệu làm khung

a. Thép hộp

Ưu điểm của thép hộplà: là vật liệu dễ tìm với giá thành rẻ; có kích thước phong phú để lựa chọn.

Nhược điểm khi dùng thép hộp là: phương pháp để ghép nối thường là hàn nêngây tốn kém về mặt chi phí; tính thẩm mỹ của khung thấp.

c. Khung sắt đa năng

Ưu điểm của khung sắt là: tiện lợi và dễ lắm ráp; có thể mua nguyên khung thay vì lắp ghép.

Nhược điểm khi chọn khung sắt là: giá thành của khung cao; trọng lượng khung nặng và tính thẩm mỹ kém.

Kết luận: Nhằm xây dựng lênkhung bao quanh kho hàng có tính thẩm mĩ, và dễ dàng để ghép nối, vật liệu làm khung được chọn là nhôm định hình, vì nhôm định hình có những ưu điểm đáp ứng được yêu cầu đề ra. Ngoài ra, khung kho hàng có kích thước nhỏ nên chi phí không quá lớn.

2.2.2.Thiết kế khung kho hàng

a. Thiết kế kích thước khung

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

Trong mô hình kho hàng của đồ án, yêu cầu kho hàng với 12 ô chứa hàng. Mỗi bên của kho hàng có 6 ô chứa và được chia thành 2 tầng.

Ô chứa hàng có kích thước được 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 được thiết kế nhỏ gọn đảm bảo không gian hoạt động nằm trong phần khung kho hàng.

b. Kiểm bền cho thanh nhôm định hình với kích thước 40x40 (mm)

· Kiểm bền cho thanh ngang chiều dài 880 (mm)

Sử dụng phần mềm Autodesk Autodesk Inventor 2014 để kiểm bền cho thanh nhôm định hình. Các hình từ 2.7 đến hình 2.13 minh họa quá trình thực hiện mô phỏng và khảo sát ứng suất trên phần mềm Autodesk Inventor 2014.

Mở Autodesk Inventor 2014 -> Open file -> Chọn Environments -> ChọnStress Analysis -> Create Simulation.

Kết luận: Lựa chọn nhôm định kích thước 40x40 (mm) chiều dài là 880 (mm) cho các thanh nằm ngang và thanh nhôm định hình chiều dài 600 (mm) cho các thanh thẳng đứng.

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

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

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

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

2.3. Tính toán thiết kế hệ truyền động

Hệ truyền động của cánh tay cơ khí thực hiện việc điều khiển quá trình hoạt động của cánh tay. Có 4 chuyển động chính, bao gồm 3 chuyển động thẳng và 1 chuyển động quay. Các trục chuyển động tương ứng với hệ trục tọa độ Oxyz. 

2.3.1. Cơ cấu tịnh tiến dọc trục Oy

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

2.3.2.Cơ cấu nâng hạ dọc trục Oz

a. Cơ cấu truyền chuyển động

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

· Hệ thống ròng rọc: 1 đầu ròng rọc gắn với động cơ đầu còn lại nối với phần giá đỡ và đỉnh của cơ cấu nâng hạ.

Ưu điểm của cơ cấu này là tính đơn giản, gọn nhẹ, linh hoạt và giá thành rẻ.

Nhược điểm còn tồn tại của cơ cấu là: độ chính xác khi điều khiển vị trí không cao; cơ cấu phải sử dụng nhiều công tắc hành trình; khi hoạt động xảy ra rung lắc khi sử dụng; tính thẩm mỹ không cao.

· Cơ cấu Vít me – thanh truyền:

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

b. Dẫn hướng và giá đỡ

+ Trục dẫn hướng

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

+ Giá đỡ

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

- Làm nhiệm vụ đỡ phần cơ cấu đẩy, đỡ hàng. Bao gồm thanh đẩy và động cơ của cơ cấu truyền chuyển động cho thanh đẩy;

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

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

Phần giá đỡ được thiết kết trên Autodesk Inventor 2014 và sau đó được chế tạo bằng cách in 3D nguyên khối. Phương pháp này giúp đơn giản hóa khâu chế tạo, giúp việc thiết kế dễ dàng hơn. Vật liệu in giá đỡ là nhựa.

2.3.4.Cơ cấu quay quanh trục Oz

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

- Gắn trực tiếp trục động cơ với trục quay

Ưu điểm của phương án là: trục động cơ được gắn trực tiếp với trục quay, chuyển động được truyền trực tiếp không qua các cơ cấu trung gian.

Nhược điểm của phương án là: đối với các tải trọng quá lớn sẽ làm hư hại đến động cơ hoặc phải chọn động cơ công suất lớn gây tốn kém chi phí.

- Cơ cấu Pulley-đai răng

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

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

2.4.Kết luận chương

Kết thúc chương 2, phương án thiết kế khung kho hàng đã được lựa chọn. Khung vỏ và hệ thống truyền động đã được tính toán và thiết kế. Sau khi thiết kế trên phần mềm Autodesk Inventor 2014, ta đã xây dựng được mô hình kho hàng với phần khung và phần cánh tay cơ khí.

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN KHO HÀNG TỰ ĐỘNG

3.1.Tính toán lựa chọn động cơ và Driver

3.1.1. Lựa chọn loại động cơ

a. Động cơ DC

Các loại động cơ điện một chiều thường dùng là động cơ kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp,kích từ hỗn hợp. Động cơ điện một chiều hiện nay chỉ sử đụng chủ yếu trong các khu công nghiệp lớn với số lượng hạn chế đa số dùng làm cầu trục, cẩu trục và một vài phụ kiện cẩu trục khác.

b. Động cơ servo 

Ưu điểm của động cơ Servo: có khả năng chịu tải lớn khi quá tải bộ điều khiển tăng dòng tới quận dây của động cơ giúp nó tiếp tục quay; động cơ có thể hoạt động ở tốc độ cao; mạch điều khiển tốc độ chính xác và đều; động cơ có nhiều kích cỡ để lựa chọn.

Nhược điểm của động cơ Servo: độngcơ không làm việc ở chế độ mạch điểu khiển hở và yêu cầu phải có hệ thống phản hồi; hành trình ngắn; lực tác động yếu; bảo dưỡng tốn kém nhiều chi phí; đặc biệt, động cơ DC servo có chi phí giá thành cao.

Kết luận: Dựa vào các ưu nhược điểm nói trên, động cơ được chọn là động cơ bước, vì kích thước nhỏ gọn, giá thành rẻ và điều khiển vị trí chính xác.

3.1.2. Tính toán lựa chọn công suất động cơ cho các cơ cấu

Sau khi lựa chọn được loại động cơ phù hợp với ứng dụng, cần tính toán lựa chọn động cơ. Để tính toán lựa chọn được động cơ cần quan tâm đến các yếu tố như góc của 1 bước và mômen tối thiểu mà động cơ cần đạt được. Ta cần phân tích các yếu tố sau:

· Kết cấu động học của cơ cấu truyền động: loại truyền động(truyền động trực tiếp, đai truyền, truyền động bánh răng,...);

· Đặc điểm tải trọng: đặc điểm khối lượng, lực hoặc mô-men tải(không đổi, quy luật thay đổi, tải trọng lớn nhất);

Từ những đặc điểm trên, thực hiện phân tích lực và tính toán mômen tối thiểu động cơ cần đạt được. Trên cơ sở đó, tiến hành lựa chọn động cơ có công suất, kích thước và cách lắp đặt phù hợp.

a. Động cơ cho cơ cấu tịnh tiến dọc trục Oy

Động cơ cho cơ cấu này có nhiệm vụ kéo tịnh tiến cánh tay theo chiều dọc kho hàng để đưa cánh tay tới vị trí các gian hàng.

Để cơ cấu chuyển động, động cơ phải phải thắng được tải tĩnh của cơ cấu và ma sát trượt của cơ cấu gây ra. Ma sát trượt giữa ổ bi và thanh trượt thực chất là ma sát lăn giữa bi trong ổ bi với thanh trượt. Hệ số ma sát lăn có giá trị rất nhỏnên ta có thể bỏ qua ma sát.

Dựa vào kết quả tính toán và các loại động cơ có trên thực tế, động cơ bướcTaoNEMA17 48520.

b   Động cơ của cơ cấu nâng hạ dọc trục Oz

Khi cơ cấu đứng yến trọng lượng của cơ cấu nặng 3,2kg bao gồm:

· Trọng lượng tải cơ cấu cần mang .

· Trọng lượng của cơ cấu đẩy hàng vào kho có động cơ và thanh đẩy.

· Trọng lượng của khối kiên kết.

Dựa vào kết quả tính toán và các lại động cơ có trên thực tế, động cơ bướcJK42HS34-0424A được lựa chọn với các thông số của động cơ như sau:

- Góc bước: 1,8 °;

- Chiều dài động cơ: 34 (mm);

- Điện áp: 6,75 (V);

- Dòng định mức: 0,45 (A);

- Công suất định mức: 5 (W);

- Mômen giữ: 0,22 (N.m);

- Nhiệt độ tăng: 80 ℃ tối đa;

- Nhiệt độ môi trường xung quanh: 20 ℃ ~ + 50 ℃;

- Chống cách nhiệt: 100MΩ Min. 500VDC;

3.1.3. Lựa chọn Driver điều khiển động cơ

a. Module điều khiển động cơ Microstep /DM422

Thông số kĩ thuật:

- IC Driver SI09AFTG của Janpan;

- Nguồn cấp tối đa 40 VDC;

- Dòng cấp IOUT = 3,5A;

- Độ phân giải : 1/1,1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32 step;

- Có thể điều khiển đảo chiều quay;

- Tích hợp chân Reset và Enable;

b. Module điều khiển động cơ A4988.

Thông số kĩ thuật:

- Điện áp ra cấp cho động cơ bước từ 8 (V) đến 35 (V),dòng đỉnh 2 (A);

- Có chế độ : Full bước ,1/2 ,1/4 , 1/8, 1/16 bước;

- Điều chỉnh dòng ra bằng chiết áp nằm bên trên;

- Current Limit =VREF x 2,5;

- Tự động ngắt điện khi qua nhiệt;

- Bật tắt động cơ thông qua pin ENABLE;

3.2.Tính toán lựa chọn bộ điều khiển và bộ nguồn

3.2.1.Lựa chọn bộ điều khiển

a. Điều khiển bằng PLC

PLC viết tắc là Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được(khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình.

 Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích(ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm. PLC dùng để thay thế các mạch relay(rơ le) trong thực tế. PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo. Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic.

b. Điều khiển bằng vi điều khiển AVR

Họ vi điều khiển AVR là dòng sản phẩm được phát triển bởi hãng Atmel(1996). Nó được chế tạo dựa trên cấu trúc AVR RISC. Đồng thời AVR là một trong những họ vi điều khiển đầu tiên sử dụng bộ nhớ Flash để lưu trữ chương trình. Đặc điểm nổi bật của bộ nhớ Flash là không biến đổi, có thể xóa bằng điện và lập trình lại bộ nhớ. Họ AVR thường được sử dụng trong các sản phẩm như Camera số, board chủ PC.

Kết luận: Dựa vào những ưu nhược điểm nói trên, phương án sử dung vi điều khiển AVR được lựa chọn. Phương án dùng vi điều khiển AVR có ưu điểm thích hợp với tính kinh tế cũng như tính kĩ thuật của hệ thống cần xây dựng. Cụ thể, vi điều khiển được chọn để lập trình là ATMEGA16.

3.2.2. Vi điều khiển AVR ATMEGA16

a. Giới thiệu về ATMEGA16

ATMEGA16 là vi điều khiển 8 bit thuộc dòng AVR có hiệu suất cao, công suất tiêu thụ thấp. Atmelga16 có đầy đủ tính năng của họ AVR, về giá thành so với các loại khác thì giá thành là vừa phải khi nghiên cứu và làm các công việc ứng dụng tới vi điều khiển. 

b. Sơ đồ

-  Vcc và GND 2 chân cấp nguồn cho vi điều khiển hoạt động;

-  Reset đây là chân reset cứng khởi động lại mọi hoạt động của hệ thống;

-  2 chân XTAL1, XTAL2 các chân tạo bộ dao động ngoài cho vi điều khiển, các chân này được nối với thạch anh(hay sử dụng loại 4M), tụ gốm(22p);

Chân Vref thường nối lên 5v (Vcc), nhưng khi sử dụng bộ ADC thì chân này được sử dụng làm điện thế so sánh, khi đó chân này phải cấp cho nó điện áp cố định, có thể sử dụng diode zener.

3.3. Khai thác phần mềm điều khiển

3.3.1. Phần mềm CodevisionAVR

a. Giới thiệu về CodevisionAVR

CodevisionAVR là một trình biên dịch chéo C, môi trường phát triển tích hợp và bộ tạo chương trình tự động được thiết kế cho họ các vi điều khiển AVR của Atmel.

Chương trình có thể chạy trên các hệ điều hành 2000, XP, Vista và Windows 7 32/64 bit.Bên cạnh các thư viện tiêu chuẩn C, CodevisionAVR còn có các thư viện dành riêng biệt.

- Alphanumeric LCD modules;

- Philips I2C bus;

- National Semiconductor LM75 Temperature Sensor;

- Philips PCF8563, PCF8583, Maxim/Dallas Semiconductor DS1302 and DS1307 Real Time Clocks;

- Maxim/Dallas Semiconductor 1 Wire protocol;

- Maxim/Dallas Semiconductor DS1820, DS18S20 and DS18B20 Temperature Sensors;

b. Môi trường phát triển tích hợp CodevisionAVR(IDE).

- Thanh Menu bar: chứa các tùy chọn cơ bản, gồmFileEdit, Search, View, Project, Tools, Settings, Help

- Thanh Setting: Chứa các nút dùng để cái đặt cho IDE, Edittor, Debugger, Programmer, Terminal.

3.3.2. Lập trình chương trình điều khiển

a. Lưu đồ thuật toán

Cánh tay cơ khí trong kho hàng thực hiện việc vận chuyển, lấy-trả hàng từ ô chứa này đến các ô chứa khác trong kho hàng với trình tự hoạt động.

Lập trình dựa trên cơ sở của lưu đồ thuật toánđể có thể điều khiển trình tự hoạt động của cánh tay cơ khí như mong muốn. Phần quyết định đóng vai trò quan trọng trong lưu đồ thuật toán là thuật toán cho quá trình lấy-trả hàng.

b. Tạo file

Các hình từ 3.26 đến hình 3.36 minh họa các bước thiết lập và tạo file trong phần mềm lập trình CodeVision.

. Lựa chọn dòng AVR trong CodeWizardAVR và tần số

. Lựa chọn dòng ATmega16 đi kèm với  tần số xung clock là 8.000000 MHz.

· Thiết lập ngõ ra

3.2.3.Tính toán lựa chọn bộ nguồn

· Mạch điện của hệ thống điều khiển

Mạch điện của hệ thống điều khiển bao gồm các khối sau:

- Khối nguồn cho vi điều khiển

- LCD và nút bấm điều khiển

- Khối Driver điều khiển động cơ

· Tính toán chọn bộ nguồn cho mạch.

Mạch điện cần sử dụng 2 bộ nguồn riêng biệt.

- Bộ nguồn thứ nhất: cấp nguồn hoạt động cho vi điều khiển.Đối với vi điều khiển có thể cấp trực tiếp nguồn 5v để vi điều khiển hoạt động. Nguồn 5V có thể là nguồn từ cổng USB máy tính, tuy nhiên nguồn từ USB không ổn định. Vì vậy ta dùng Adapter 12V- 2A để cấp nguồn, thông qua khối nguồn để biến điện áp 12V thành điện áp 5V cung cấp cho ATMEGA16. 

- Bộ nguồn thứ hai: Cấp nguồn cho Driver điều khiển động cơ bước.Động cơ bước thứ nhất hoạt động với điện áp 3,4V, dòng 1,7A. Động cơ bước thứ nhất hoạt động với điện áp 3,84V, dòng 1,2A. Động cơ bước thứ ba và thứ 4 hoạt động với điện áp 6,75V, dòng 0,45A. Tổng dòng của bốn động cơ là: 3,8A.

3.4 Kết luận chương

Chương 3 đã hoàn thành việc lựa chọn động cơ và driver điều khiển. Bộ nguồn và bộ điều khiển cũng đã được tính toán và lựa chọn hợp lý. Chương trình điều khiển hoạt động của cánh tay cơ khí đã được xây dựng.

CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM SẢN PHẨM

4.1. Chế tạo kho hàng tự động

4.1.1. Chế tạo, lắp ráp khung kho hàng

a. Chế tạo

Thanh nhôm định hịnh có công nghệ chế tạo phức tạp nên để đơn giản hóa, ta mua sẵn những thanh nhôm định hình có kích thước tiêu chuẩn được bán trên thị trường. Các ke góc, bulong và đai ốc cũng được bán kèm theo các thanh nhôm theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất. 

b. Lắp ráp

Lắp ghép các thanh nhôm định hình với nhau bằng ke góc, bulong và đai ốc

Dựa vào mô hình xây dựng bằng phầm mềm Autodesk Inventor 2014. Ta lắp ghép thành khung kho hàng với số lượng các chi tiết như sau:

· Thanh nhôm định hình 40x40LA dài 880 (mm): 4 thanh;

· Thanh nhôm định hình 40x40LA dài 800 (mm): 5 thanh;

· Thanh nhôm định hình 40x40LA dài 600 (mm): 8 thanh;

· Ke góc ADC 40: 60 cái;

4.1.2. Chế tạo, lắp ráp cánh tay cơ khí

a. Chế tạo

Các chi tiết chế tạo bao gồm:

· Giá đỡ (Thuộc cơ cấu nâng hạ theo trục Oz);

· Tấm phụ trợ 1 (Thuộc cơ cấu nâng hạ theo trục Oz);

· Tấm phụ trợ 2 (Thuộc cơ cấu nâng hạ theo trục Oz);

· Đĩa tròn(Thuộc cơ cấu quay quanh trục Oz);

· Tấm đế gắn động cơ quay và gối đỡ của ổ bi;

b. Lắp ráp

Cơ cấu tịnh tiến dọc trục Oy. Các chi tiếtlắp ráp bao gồm:

- Dây đai GT2 10 (mm) chiều dài vòng dây 800 (mm);

- 2 pulley GT2 16 răng;

- 2 thanh trục tròn SF12-800 (mm);

- 2 gối đỡ ổ bi trượt kín SC12UU;

- Tấm đế gắn động cơ quay và gối đỡ ổ bi;

4.2. Vận hành thử nghiệm kho hàng tự động

- Kết nối mạch điều khiển với máy tính

- Nạp chương trình điều khiển lên vi điều khiển

- Chạy thử chương trình điều khiển

Hệ thống hoạt động ổn định ở tốc độ trung bình. Khi chuyển động tốc độ lớn cánh tay cơ khí bị rung lắc.

+ Dọc trục Oz: Cơ cấu hoạt động ổn định với tốc độ trung bình, rung khi tốc độ tăng cao;

+ Dọc trục Oy: Cơ cấu hoạt động ổn định với tốc độ trung bình, rung khi tốc độ tăng cao và dừng đột ngột;

+ Dọc trục Ox: Cơ cấu hoạt động ổn định với tốc độ trung bình, rung khi tốc độ tăng cao và hơi nghiêng khi đi hết hành trình;

+ Quay quanh trục Oz: Cơ cấu hoạt động ổn định;

4.3. Kết luận chương

Chương 4 đã hoàn thành nhiệm vụ chế tạo, lắp ghép kho hàng tự động bao gồm phần khung kho hàng, phần cánh tay cơ khí và phần mạch điều khiển. Sản phẩm đã được thử nghiệm thành công và hoạt động như chương trình điều khiển mong muốn.

KẾT LUẬN

   Bằng sự cố gắng nỗ lực của bản thân và đặc biệt là sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo hướng dẫn :…..........………, đồ án đã được hoàn thành đúng thời hạn. Sản phẩm hoàn thiện gồm có khung kho hàng, cánh tay cơ khí, hệ thống mạch điều khiển. Thông qua quá trình làm đồ án, nhóm làm đồ án đã ôn tập lại được những kiến thức đã được học, đồng thời vận dụng được những kiến thức đó vào đồ án. Những vấn đề đã giải quyết được ở đồ án bao gồm:

- Chế tạo được kho hàng tự động trong hệ thống CIM với phần cánh tay cơ khí, khung kho hàng và phần điều khiển;

- Điều khiển được cánh tay cơ khí thực hiện việc lấy, trả hàng giữa các ô chứa;

Những vấn đề còn hạn chế bao gồm:

- Chưa thực hiện được việc lấy gốc tự động cho cánh tay cơ khí;

- Hoạt động của cánh tay cơ khí chưa được trơn tru;

- Chưa tiết kiệm được nhiều chi phí;

   Nguyên nhân dẫn đến những hạn chế nêu trên là do khả năng lập trình của nhóm chưa cao, tính chính xác của các thiết kế cơ khí trong quá trình chế tạo chưa ổn định. Giải pháp khắc phục đối với những hạn chế trên là nghiên cứu, rèn luyện thêm về khả năng lập trình, tăng tính ổn định trong quá trình chế tạo các chi tiết. Hướng phát triển trong tương lai là xây dựng hệ thống kho hàng tự động hoàn thiện hơn, tích hợp thêm khả năng lưu trữ để hệ thống kho hàng có thể sử dụng trong phòng CIM cũng như các phòng thí nghiệm.

    Do khả năng của sinh viên còn nhiều hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong nhận được các ý kiến đóng góp của các thầy để đồ án này được hoàn thiện hơn nữa. Em xin chân thành cảm ơn thầy :…...........……, các thầy trong bộ môn “Công nghệ thiết bị& hàng không vũ trụ” đã tạo điều kiện giúp đỡ trong thời gian qua.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Koxtenko, Piottrovski.Máy điện 1. BM Kỹ thuật điện dịch. NXB Giáo dục. Hà Nội. 1958;

[2 . Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy Tập 1, Nhà xuất bản Giáo Dục. Hà Nội. 1994;

[3]. Nguyễn Trọng Hiệp, Chi tiết máy Tập 2, Nhà xuất bản Giáo Dục. Hà Nội. 1994;

[4]. Nguyễn Trọng, Cơ học tý thuyết Tập 1, Nhà xuất bản Khoa Học và Kĩ Thuật. Hà Nội. 2006;

 "TẢI VỀ ĐỂ XEM ĐẦY ĐỦ ĐỒ ÁN"