Tìm hiểu và thiết kế hệ thống kho hàng tự động

Với việc ứng dụng được những công nghệ cao trong việc cất giữ và quản lí hàng hàng hóa, chúng ta có thể biến việc việc quản lí hàng hóa của mình trở nên khoa học, có hệ thống và có tính

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

TÌM HIỂU VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG KHO HÀNG TỰ ĐỘNG

NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN: Th.s Phạm Uyên Phương

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2022

MỤC LỤC

Phiếu đăng ký tên đề tài ĐATN

Phiếu giao nhiệm vụ

Lời cam đoan i

Lời cảm ơn ii

Tóm tắt iii

Abstract iv

Mục lục v

Danh sách các chữ viết tắt ix

Danh sách các hình x

Danh sách các bản xii

Lời mở đầu 1

Chương 1: Tổng quan 2

1.1 Đặt vấn đề 2

1.2 Giới thiệu và tìm hiểu về kho hàng tự động 3

1.2.1 Kho hàng là gì? 3

1.2.2 Chức năng của kho hàng 3

1.2.3 Các loại kho hàng 3

1.2.4 Đặc điểm chung của một số loại kho hàng 4

1.2.5 Đánh giá năng suất các loại kho hàng 4

1.2.6 Giới thiệu về hệ thống kho hàng tự động 5

1.2.6.1 Hệ thống kho tự động là gì? 5

1.2.6.2 Cấu trúc của một hệ thống kho tự động 5

1.2.6.3 Hệ thống vận chuyển 5

1.2.6.4 Hệ thống xuất nhập 6

1.2.6.5 Hệ thống lưu trữ 7

Chương 2: Bố trí mặt bằng và mô tả kho 8

2.1 Lập sơ đồ bố trí mặt bằng nhà kho thông minh 8

2.1.1 Bố trí nhà kho 8

2.1.2 Thiết kế nhà kho 8

2.1.3 Các dạng thiết kế kho 9

2.1.3.1 Thiết kế kho hình chữ U 9

2.1.3.2 Thiết kế kho hình chữ I 10

2.1.3.3 Thiết kế kho hình chữ L 11

2.2 Phương pháp quản lý kho 12

2.2.1 Nguyên tắc FIFO, LIFO, FEFO và cách ứng dụng trong sắp xếp hàng hóa 12

2.3 Thiết kế mặt bằng 14

Chương 3: Thiết kế cơ khí 15

3.1 Tính toán và thiết kế các phần tử chính 15

3.1.1 Tính toán và thiết kế cánh tay robot 15

3.1.1.1 Định nghĩa 15

3.1.1.2 Lợi ích của cánh tay robot 15

3.1.1.3 Mô hình hóa cánh tay robot 15

3.1.1.4 Thiết kế và thi công mô hình cách tay robot 18

3.1.2 Tính toán và thiết kế băng tải mini 23

3.1.2.1 Định nghĩa 23

3.1.2.2 Tính toán động cơ băng tải 24

3.1.2.3 Thiết kế và thi công 2 băng tải mini 26

Chương 4: Hệ thống điện 32

4.1 Tìm hiểu về vi điều khiển và Arduino 32

4.1.1 Khái niệm về vi điều khiển 32

4.1.2 Khái niệm về Arduino 32

4.1.3 Ưu điểm của Arduino 33

4.1.4 Bộ xử lý Arduino Mega2560 34

4.1.4.1 Giới thiệu 34

4.1.4.2 Sơ đồ chân 35

4.2 Tìm hiểu, phân tích các loại cảm biến 36

4.2.1 Khái niệm của cảm biến 36

4.2.2 Cấu tạo chung của cảm biến 37

4.2.3 Phân loại các loại cảm biến 37

4.3 Cảm biến tiệm cận 38

4.3.1 Giới thiệu cảm biến tiệm cận quang E18-D80NK 38

4.3.2 Thông số kỹ thuật 39

4.4 Cảm biến màu 40

4.4.1 Giới thiệu cảm biến màu TCS3200 40

4.4.2 Sơ đồ chân 41

4.4.3 Thông số kỹ thuật 42

4.5 Động cơ RC Servo 42

4.5.1 RC Servo MG90S 42

4.6 Khối nguồn 44

4.7 Nút nhấn 45

4.8 Mạch driver điều khiển động cơ bước TB6560 46

4.8.1 Giới thiệu 46

4.8.2 Thông số kỹ thuật 47

4.9 Sơ đồ mạch điện 47

Chương 5: Hệ thống điều khiển 49

5.1 Sơ đồ khối 49

5.1.2 Khối xử lý trung tâm 49

5.1.3 Khối cảm biến 50

5.1.4 Khối cánh tay Robot 54

5.1.5 Khối băng tải 54

5.2 Lưu đồ giải thuật 54

Chương 6: Thực nghiệm và hướng phát triển đề tài 56

6.1 Mô hình nhà kho thông minh sử dụng cách tay Robot và băng tải 56

6.2 Cụm mô hình băng tải đưa hàng vào kệ 57

6.3 Cụm mô hình băng tải đưa hàng ra 57

6.4 Cánh tay Robot gắp hàng 58

6.5 Bảng điện điều khiển 58

6.6 Kệ hàng 59

6.7 Giới thiệu phần mềm 59

6.7.1 Giới thiệu về Arduino IDE 59

6.7.2 cài đặt Arduino IDE 60

6.7.3 Ngôn ngữ lập trình Arduino IDE 61

6.8 Những ưu điểm và thiếu sót của mô hình 62

6.9 Những điều rút ra 62

6.10 Hướng phát triển tiếp của mô hình 63

6.11 Kết luận 63

Tài liệu tham khảo 64

Phụ lục 65

DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Diễn giải

ĐATN Đồ án tốt nghiệp

FIFO First In First Out

LIFO Last In First Out

FEFO First Expired First Out

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ phân loại kho hàng 4

Hình 2.1: Thiết kế kho hình chữ U 10

Hình 2.2: Thiết kế kho hình chữ I 11

Hình 2.3: Thiết kế kho hình chữ L 12

Hình 2.4: Sơ đồ bố trí mặt bằng 14

Hình 3.1: Chiều dài và góc xoắn của khâu thứ i 16

Hình 3.2: Các thông số DH của khâu θ, d, a và α 16

Hình 3.3: Các trục tọa độ trên robot 17

Hình 3.4: Bản vẽ cánh tay Robot 18

Hình 3.5: Động cơ step ST4118L1804-KQR01 19

Hình 3.6: Các chi tiết của cánh tay robot 20

Hình 3.7: Mặt bích cot 8 20

Hình 3.8: Cánh tay robot sau khi đã lắp ráp 21

Hình 3.9: Bản vẽ khâu J4 22

Hình 3.10: Bản vẽ tay gắp 22

Hình 3.11: Cánh tay robot sau khi đã lắp ráp hoàn thiện 23

Hình 3.12: Bản vẽ của băng tải mini 24

Hình 3.13: Bản vẽ mô hình băng tải hàng đi vào 27

Hình 3.14: Động cơ băng tải DC 27

Hình 3.15: Bản vẽ pas lắp động cơ 28

Hình 3.16: Pas lắp động cơ sau khi gia công 28

Hình 3.17: Phay gối đỡ và băng tải công nghiệp 29

Hình 3.18: Puly GT2 30

Hình 3.19: Băng tải 1 sau khi đã lắp hoàn chỉnh 30

Hình 3.20: Băng tải 2 sau khi đã lắp hoàn chỉnh 31

Hình 4.1: Mã nguồn mở của Arduino 34

Hình 4.2: Bộ vi xử lý Arduino Mega2560 35

Hình 4.3: Sơ đồ chân của Arduino Mega2560 36

Hình 4.4: Cảm biến tiệm cận E18-D80NK 39

Hình 4.5: Cảm biến màu TCS3200 41

Hình 4.6: Sơ đồ chân của Cảm biến màu TCS3200 41

Hình 4.7: Động cơ Servo MG90S 43

Hình 4.8 : Nguồn tổ ong 12V 5A 44

Hình 4.9 : Nút nhấn 46

Hình 4.10: Mạch driver động cơ bước TB6560 47

Hình 4.11 : Sơ đồ nối mạch điều khiển động cơ bước TB6560 47

Hình 4.12: Sơ đồ điện của hệ thống 48

Hình 5.1: Sơ đồ các thành phần cơ bản của hệ thống nhà kho thông minh 49

Hình 5.2: Các cổng kết nối của bộ vi xử lý Arduino Mega2560 50

Hình 5.3: Hình ảnh thực tế của cảm biến tiệm cận E18-D80NK 51

Hình 5.4: Nguyên lý hoạt động của cảm biến màu TCS3200 51

Hình 5.5: Bộ lọc màu của cảm biến ánh sáng 52

Hình 5.6 : Lưu đồ giải thuật 55

Hình 6.1 : Mô hình kho hàng sử dụng Robot và băng tải 56

Hình 6.2 :Cụm mô hình băng tải đưa hàng vào 57

Hình 6.3 : Cụm mô hình băng tải đưa hàng ra 57

Hình 6.4 : Cánh tay Robot 58

Hình 6.5 : Bảng điện điều khiển 58

Hình 6.6: Kệ hàng 59

Hình 6.7: Giao diện của Arduino IDE 60

Hình 6.8: Phiên bản Arduno 1.8.12 60

Hình 6.9: Giải nén vào ổ C của máy tính 61

Hình 6.10: Màn hình làm việc của Arduino IDE 62

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 3.1: Bảng thông số DH 18

Bảng 4.1: Chi tiết về các chân của Cảm biến màu TCS3200 42

Bảng 5.1: Bộ lọc màu thông qua 2 chân S2 và S3 53

Bảng 5.2: Tỉ lệ tần số ngõ ra của 2 chân S0 và S1 54

LỜI MỞ ĐẦU

Ở Việt Nam cũng như các nước trên thế giới, sự phát triển nhanh của kinh tế và

xã hội đã thúc đẩy cho khoa học kỹ thuật càng ngày có những thành tựu mới nhằm thỏa mãn nhu cầu về một thế giới tiện nghi và hiện đại hơn

Thế nên ngày nay, thay vì chọn cách lưu trữ hàng hóa thủ công vốn tốn nhiều diện tích và nhân công lao động, nhiều công ty trên thế giới đã trang bị cho văn phòng, nhà xưởng của mình hệ thống kho hàng tự động Với việc ứng dụng được những công nghệ cao trong việc cất giữ và quản lí hàng hàng hóa, chúng ta có thể biến việc việc quản lí hàng hóa của mình trở nên khoa học, có hệ thống và có tính linh hoạt cao hơn, từ đó mà nâng cao hiệu quả và giảm giá thành hoạt động

Chính vì lí do này, nhóm em đã lên ý tưởng nghiên cứu và thiết kế một hệ thống nhà kho thông minh nhằm tìm hiểu về một hệ thống lưu trữ trong sản xuất tích hợp công nghệ kĩ thuật cao, đồng thời thiết kế một hệ thống nhà kho thông minh bằng những kiến thức đã học ở trên ghế nhà trường

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Đặt vấn đề:

Ngày nay, cùng với sự phát triển mạnh mẽ và nhanh chóng của nghành khoa học

kỹ thuật, tự động hóa đã và đang đóng một vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực của đời sống như khoa học, quản lý, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin, giúp cho sinh hoạt và sản xuất của chúng ta trở nên nhanh chóng và dễ dàng hơn trước đây Với những kỹ thuật tiến tiến như vi xử lý, PLC, vi mạch số được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển thì các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ với tốc

độ xử lý thấp, ít chính xác được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước

Nền công 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 không 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

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

- Không bảo quản tốt hàng hóa khi số lượng nhiều (Chất hàng chồng lên nhau)

- Rất khó kiểm soát số lượng hàng hóa ra vào trong 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 được nhân công …

1.2 Giới thiệu và tìm hiểu về kho hàng tự động

1.2.1 Kho hàng là gì?

Kho hàng là loại hình cơ sở logistics thực hiện việc dự trữ, bảo quản và chuẩn

bị hàng hóa nhằm cung ứng hàng hóa cho khách hàng với trình độ dịch vụ cao nhất và chi phí thấp nhất

1.2.2 Chức năng của kho hàng

Gom hàng: Khi một lô hàng /nguyên vật liệu không đủ số lượng thì Người gom hàng sẽ tập hợp, chỉnh đốn và sắp xếp hợp lý cho lô hàng lẻ thành những lô hàng

đủ số lượng để sử dụng cách vận chuyển trọn gói container Khi hàng hóa/nguyên vật liệu được nhận từ nhiều nguồn hàng nhỏ, kho đóng vai trò là điểm tập kết thành những lô hàng lớn như vậy sẽ có điểm lợi thế về quy mô khi vận chuyển tới nhà máy ,thị trường bằng các phương tiện vận chuyển

Phối hợp hàng hóa: Để đáp ứng tốt đơn hàng gồm nhiều mặt hàng đa dạng của

khách hàng, quản lý kho bãi có nhiê ̣m vụ tách lô hàng lớn ra, phối hợp và ghép loại hàng hóa khác nhau thành một đơn hàng hoàn chỉnh, đảm bảo hàng hóa sẵn sàng cho quá trình bán hàng

Bảo đảm và lưu giữ hàng hóa: Đảm bảo hàng hóa nguyên vẹn về số lượng,

chất lượng trong suốt quá trình tác nghiệp, tận dụng tối đa diện tích và dung tích kho, chăm sóc giữ gìn hàng hóa trong kho

1.2.3 Các loại kho hàng

Trong chuỗi cung ứng doanh nghiệp hiện nay có rất nhiều loại kho hàng Tùy vào mục đích sử dụng, đặc thù, dịch vụ cung cấp,… Một số loại kho thường gặp tại các doanh nghiệp là: Kho ngoại quan, kho hàng tự động, kho hàng ôn hòa (kho hàng lạnh), kho phân phối, kho hàng thương mại điện tử

Hình 1.1: Sơ đồ phân loại kho hàng

(nguồn:internet)

1.2.4 Đặc điểm chung của một số loại kho hàng:

- Raw Material Storage: gần nguồn hàng hoặc các điểm sản xuất

- WIP Warehouses: các bộ phận và linh kiện đã hoàn thành đươc một phần

- Finished Goods warehousing: được bố trí nằm gần khu vực sản xuất

- Local Warehouses: gần vị trí của khách hàng để cung cấp và phản hồi kịp thời

- Fulfillment Centers: giữ các sản phẩm và gửi đơn hàng nhỏ tới người tiêu dùng

cá nhân (gom nhiều loại hoặc từng cái) – chủ yếu dành cho thương mại điện tử

- Distribution Centers: tích hợp và gom các sản phẩm từ nhiều nguồn cho các

chuyến hàng đến chung một đích hoặc khách hàng

- Mixing Centers: nhận vật liệu từ nhiều nguồn để cross-docking và vận chuyển

vật liệu hỗn hợp (palet đến pallet)

1.2.5 Đánh giá năng suất các loại kho hàng

Có 5 loại kho hàng:

- Kho ngoại quan: phù hợp với các công ty xuất nhập khẩu

- Kho hàng tự động: hiệu quả cao, nhanh chóng và linh hoạt

- Kho hàng ôn hòa (kho hàng lạnh): phù hợp với các công ty thực phẩm, y tế,

sinh học

- Kho hàng thương mại điện tử: dành cho các công ty kinh doanh online, các sàn

thương mại điện tử cần xử lý nhiều đơn hàng

- Kho phân phối: tốc độ phân phối hàng nhanh hơn các loại kho bình thường

Dựa trên đặc điểm của từng loại kho hàng thì Kho hàng tự động đạt được năng xuất cao nhất, phù hợp với rất nhiều loại công ty, cũng như nhu cầu về sự nhanh nhẹn, linh hoạt trong việc xuất, nhập hàng hóa và không cần nhiều nhân lực để vận hành Ví dụ điển hình là kho hàng tự động của Amazon, xuất nhập kho hoàn toàn bằng robot dưới sự điều khiển và quản lý bở con người thông qua tablet

1.2.6 Giới thiệu về hệ thống kho hàng tự động

1.2.6.1 Hệ thống kho tự động là gì?

Hệ thống kho tự động còn được gọi là kho thông minh (smart warehouse) Hệ thống này dùng các khung kệ chứa hàng có khả năng nâng cấp và cải tạo sức chứa lên nhiều lần một cách dễ dàng Kết hợp với đó là robot cấp và lấy hàng tự động, xe tự hành AGV, cầu trục (cranes), băng tải (conveyor) để di chuyển hàng hóa sang các dây chuyền đóng gói Ngoài ra không thể thiếu phần mềm để điều khiển và lưu trữ thông tin

1.2.6.2 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 được cấu thành từ 3 phần:

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 mà có nhiệm

vụ vận chuyển hàng hóa từ kho đến nơi giao hàng cho khách Băng tải có rất nhiều loại, mỗi loại được dùng để tải một loại vật liệu khác nhau Cũng có loại băng tải phổ thông được dùng để tải các loạ vật liệu khác nhau nhưng không phải là các loại vật liệu đặc biệt như chịu nhiệt độ cao, chịu dầu, chịu axit, chịu

ăn mòn, chịu nóng , chống cháy, chịu cường độ cao…

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 ưu Nhưng 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 đưa 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 được thiết kế chuyên cho các hộp, thùng, khay hoặc là những hàng hóa có tải trọng thấp Robot này có tốc độ 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 lưu trữ dùng pallet Robot lấy cất hàng tải trọng cao được thiết kế riêng theo yêu cầu lưu trữ cũng như môi trường làm việc đặc trưng của khách hàng

1.2.6.4 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 dùng 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

Các mã sọc phù hợp với tiêu chuẩn Universal Product Code được in trên hầu hết các sản phẩm hàng hóa bày bán trong các siêu thị hiện nay Khi hình mã sọc được kéo lướt qua một dụng cụ quét quang học ở quầy kiểm tra thu tiền, máy 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

Mã vạch là một phát minh của thế kỷ XX 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

1.2.6.5 Hệ thống lưu trữ:

Phần mềm quản lý kho DMS_COLD STRORAGE:

Chương trình được thiết kế theo quy trình kinh doanh dịch vụ kho cho doanh nghiệp, các chức năng cơ bản của phần mềm đó là: lưu giữ thông tin, khóa sổ, phân quyền người 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 ưu điểm nổi bật như 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

lý do tại sao một số công ty sử dụng phần mềm quản lý kho để tự động hóa quy trình Các công cụ quản lý kho giúp cải thiện khả năng hiển thị tổng thể về hoạt động của kho và theo dõi cách sản phẩm di chuyển giữa các địa điểm

2.1.2 Thiết kế nhà kho

Thiết kế nhà kho tốt sẽ cải thiện quy trình vận chuyển nhà xưởng Nhưng còn nhiều điều khác mà thiết kế kho có thể làm để nâng cao cách vận hành Những mục tiêu này góp phần vào mục đích chính là giảm chi phí và tăng năng suất:

- Tối ưu hóa không gian nhà kho

Mục tiêu quan trọng nhất của bố trí nhà kho là tối ưu hóa cách sử dụng không gian nhà kho Sử dụng không gian nhà kho một cách hiệu quả cho phép các công ty giảm thời gian để sản xuất một sản phẩm và đưa sản phẩm đó ra ngoài, có được tầm nhìn về những gì đang và không hoạt động trong nhà kho, đồng thời tổ chức hàng tồn kho để hợp lý hóa quy trình ở mọi giai đoạn

Mỗi inch của nhà kho cần được tận dụng hết khả năng của nó Thông thạo về diện tích và kích thước nhà kho là rất quan trọng bởi vì cách thiết kế và sắp xếp đã chọn sẽ ảnh hưởng đến mức độ đạt được trong không gian tổng thể

- Tăng năng suất

Mọi công ty đều muốn nâng cao năng suất và tăng tốc độ hoàn thành đơn hàng

mà không phải hy sinh chất lượng Thiết kế sắp xếp nhà kho phù hợp nhằm mục đích tối ưu hóa hoạt động trong khi giảm nguy cơ tắc nghẽn hoặc lỗi

Các đội quản lý kho phối hợp chặt chẽ với các đội quản lý vận hành để đảm bảo sản xuất diễn ra suôn sẻ từ đầu đến cuối và các đơn đặt hàng được hoàn thành một cách hiệu quả

- Sử dụng lao động và ngân sách một cách hiệu quả

Tùy thuộc vào diện tích sàn nhà kho hiện có, một số cách bố trí có thể tốn kém hơn để tạo và duy trì so với những cách khác Nhà kho khi được thiết kế phù hợp sẽ tiết kiệm được chi phí thuê nhân công, nguyên vật liệu hay thời gian của doanh nghiệp

Một khi cách bố trí nhà kho phù hợp bắt đầu có hiệu lực, các công ty có thể phân

bổ nguồn lực hiệu quả hơn Điều này bao gồm việc sử dụng ngân sách để bảo trì kho hàng và thuê số lượng nhân viên phù hợp để thực hiện các quy trình trong một môi trường mà họ có thể phát triển

- Giữ không gian sạch sẽ

Nghe đơn giản như vậy, giữ mọi thứ ngăn nắp có thể giúp tránh các vấn đề nghiêm trọng trong nhà kho Sơ đồ mặt bằng nhà kho phù hợp sẽ làm giảm nguy cơ các mặt hàng bị thất lạc hoặc xử lý sai, vì mọi thứ đều có vị trí của nó trong quy trình hoạt động

- Cải thiện quản lý kho tổng thể

Khi mọi thứ hoạt động hiệu quả, tất cả các hoạt động kho hàng sẽ được thiết lập

dễ dàng Bố trí nhà kho góp phần tạo nên bức tranh lớn về quản lý kho hàng trong việc tạo ra một môi trường nơi hàng tồn kho được tổ chức, kho hàng được bổ sung nhanh chóng, nhân viên được đối xử công bằng và đơn đặt hàng được hoàn thành

2.1.3 Các dạng thiết kế kho

Khi đã thu thập được thông tin và mục tiêu cần thiết, có thể xác định cách thiết

kế nhà kho nào đáp ứng nhu cầu Cách bố trí của một nhà kho chủ yếu dựa vào không gian có sẵn và cách mọi thứ sẽ di chuyển trong các hoạt động tổng thể

Có ba kiểu bố trí kho hàng chính mà các công ty sử dụng để tổ chức các hoạt động của nhà kho: hình chữ U, hình chữ I và hình chữ L

2.1.3.1 Thiết kế kho hình chữ U

Các dòng chảy kho hình chữ U là phổ biến nhất trong ba dạng trên Nó đã được công nhận là cách bố trí tốt nhất cho người mới bắt đầu làm kho Tất cả các thành

phần được sắp xếp theo hình bán nguyệt với vận chuyển và nhận hàng ở hai bên song song và lưu trữ ở giữa

Hình 2.1: Thiết kế kho hình chữ U

(Nguồn: internet)

Hình dạng chữ U được sử dụng để giữ cho luồng giao thông kho hàng chính được tách biệt và sắp xếp hợp lý Giữ các vật liệu đến và đi ở các mặt song song của thao tác giúp tránh tắc nghẽn Dòng hàng hóa này cũng hữu ích trong việc giảm thiểu không gian có sẵn cần thiết Với cả lối vào và lối ra đều ở cùng một phía của kho hàng, cần ít không gian hơn cho các gói hàng và nhân viên có thể nhanh chóng

di chuyển sản phẩm giữa việc nhận và vận chuyển

Một nhược điểm của luồng hình chữ U là tắc nghẽn sản xuất có thể xảy ra khi các khu vực vận chuyển và nhận hàng gần nhau và chia sẻ các miền tương tự

2.1.3.2 Thiết kế kho hình chữ I

Các dòng chảy kho hình chữ I được ưa chuộng bởi các tập đoàn lớn với kho lớn hơn Điều này là do các công ty lớn hơn thường trải qua khối lượng sản xuất cao hơn và hình dạng chữ I có giá trị đối với quy trình làm việc đầu vào và đầu ra rõ ràng

Hình 2.2: Thiết kế kho hình chữ I

(nguồn: internet)

Thiết kế nhà kho hình chữ I có dòng chảy thẳng từ nhận hàng đến vận chuyển và ngược lại Thiết lập này được cho là để tăng tính tối ưu hóa nhiều nhất vì nó sử dụng toàn bộ chiều dài của nhà kho, giữ cho các sản phẩm tương tự được tách biệt theo định dạng dây chuyền lắp ráp và giảm thiểu tắc nghẽn bằng cách tránh di chuyển qua lại

Nhược điểm của hình chữ I là các công ty cần có không gian bốc xếp tối ưu ở hai bên của nhà kho Chi phí có thể tăng lên khi mua thiết bị lắp ghép cho các khu vực xuất nhập hàng và hàng hóa thường phải di chuyển toàn bộ chiều dài của nhà kho

để đến được điểm đến đã định

2.1.3.3 Thiết kế kho hình chữ L

Bố trí kho hình chữ L được coi là ít phổ biến nhất trong các loại luồng Cấu hình của nó rất khác thường và thường được chọn để phù hợp với một nhà xưởng hình chữ L

Hình 2.3: Thiết kế kho hình chữ L

(nguồn: internet)

Thiết kế kho hình chữ L đặc trưng cho khu vực vận chuyển ở một bên và khu vực nhận hàng ở phía liền kề ở một góc 90 độ Dòng chảy hình chữ L và dòng chảy hình chữ I tương đối giống nhau về ưu điểm của chúng

Hình chữ L cũng giảm thiểu tắc nghẽn bằng cách tránh chuyển động qua lại và phân tách hiệu quả các sản phẩm với các xe hàng đến và đi ở hai phía đối diện Nhược điểm đáng kể nhất của thiết kế hình chữ L là cần nhiều không gian để chạy dòng chảy này một cách hiệu quả

=> Dựa trên việc các ưu nhược điểm đã thấy ở 3 dạng thiết kế kho hàng Nhóm đã quyết định sử dụng thiết kế kho hình chữ U Bởi vì đây là hệ thống phổ biến và nó

đã được công nhận là cách bố trí tốt nhất cho người mới bắt đầu làm kho

2.2 Phương pháp quản lý kho

2.2.1 Nguyên tắc FIFO, LIFO, FEFO và cách ứng dụng trong sắp xếp hàng hóa:

- Nguyên tắc FIFO: Nhập trước – Xuất trước:

FIFO là viết tắt của cụm từ tiếng Anh First In, First Out có nghĩa là nhập trước, xuất trước Hiểu một cách đơn giản, những hàng hóa lưu kho sẽ được xuất kho một cách tuần tự từ cũ nhất đến mới nhất FIFO là một chiến lược quản lý kho tối ưu dành cho hàng hóa có hạn sử dụng như: bánh kẹo, sữa, thực phẩm hoặc những sản phẩm

theo mốt như hàng hóa thời trang, các mặt hàng công nghệ “hot” nhưng dễ bị mất giá theo thời gian

Bí quyết để ứng dụng nguyên tắc FIFO trong quá trình sắp xếp hàng hóa trong kho: Nhân viên kho cần xếp hàng theo chiều ưu tiên từ cửa kho tiến dần vào trong, tầng dưới trước tầng trên sau… Mỗi lô hàng cần phải được ghi thẻ kho với thông tin về loại hàng – ngày nhập – ngày xuất để tiện cho việc theo dõi nhập – xuất hàng hóa

Ô kệ hoặc kệ pallet phải được sắp xếp gọn gàng khoa học Có thể tổ chức các lối đi dọc các dãy kệ sao cho người và các phương tiện như xe nâng, máy nâng,…có thể tiếp cận dễ dàng

- Nguyên tắc LIFO: Nhập sau – xuất trước:

Trái ngược hoàn toàn với FIFO, LIFO là viết tắt của cụm từ tiếng Anh Last In, First Out có nghĩa là nhập sau, xuất trước Theo đó, các mặt hàng nào mới nhập về sau sẽ

là những hàng hóa đầu tiên được xuất đi Hàng mới được ưu tiên giao bán cho các đại lý – khách hàng, hàng tồn kho sẽ là những hàng cũ đã lưu trữ từ lâu

LIFO là phương pháp lưu trữ, xuất nhập hàng hóa chỉ áp dụng đối với các mặt hàng không bị giới hạn về thời gian sử dụng Than đá, cát, gạch, thép, nhựa, gỗ, các vật liệu xây dựng…là những sản phẩm điển hình ví dụ cho loại hình LIFO, đặc biệt là trong giai đoạn lạm phát cao như hiện nay

Nguyên tắc để sắp xếp kho theo LIFO đó là: Hàng hóa nhập kho trước sẽ được xếp vào phía sau, hàng hóa nhập sau sẽ xếp phía trước để tiện nhập và xuất kho

- Nguyên tắc FEFO – Hàng hết hạn xuất trước:

FEFO là từ viết tắt của First Expired First Out – Cụ thể, FEFO là khái niệm được dùng để mô tả cách quản lý và luân chuyển sản phẩm trong kho: các sản phẩm dễ hỏng hoặc sắp hết hạn sử dụng sẽ được xuất kho trước, tránh tình trạng hết hạn sử dụng, gây thiệt hại cho doanh nghiệp và cho người tiêu dùng

Để ứng dụng nguyên tắc FEFO cần ưu tiên sắp xếp các sản phẩm có hạn sử dụng gần ở phía bên ngoài để xuất bán trước, các sản phẩm có hạn dùng lâu hơn sẽ sắp xếp vào trong để xuất sau

=> Sau khi tìm hiểu về các nguyên tắc sắp xếp hàng hóa, nhóm quyết định chọn

nguyên tắc LIFO: Nhập sau – xuất trước vì mặt hàng trong đồ án không bị giới

hạn về thời gian sử dụng

2.3 Thiết kế mặt bằng

Sau khi có những kiến thức từ các chương ở trên, đồng thời tham khảo thêm các

mô hình kho khác thì nhóm đã thiết kế sơ đồ bố trí mặt bằng của hệ thống kho thông minh như sau:

Hình 2.4: Sơ đồ bố trí mặt bằng

(nguồn: hình ảnh trong ĐATN của nhóm)

Phần bố trí mặt bằng của hệ thống nhà kho thông minh được chia thành 4 cụm

- Cụm 1: Kệ hàng

- Cụm 2: Cụm băng tải có nhiệm vụ chuyển hàng vào kệ, gồm băng tải, động cơ

cảm biến màu sắc, cảm biến tiệm cận và tay gạt

- Cụm 3: Cụm băng tải có nhiệm vụ chuyển hàng ra, gồm băng tải, động cơ và

cảm biến tiệm cận

- Cụm 4: Cánh tay robot lấy hàng vào và lấy hàng ra

CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Cánh tay robot công nghiệp là hệ máy mô phỏng hoạt động của một cánh tay của con người để phục vụ trong nhiều công đoạn của dây chuyền sản xuất Một cánh tay robot cơ bản thì bao gồm bắp tay, khuỷu tay và bàn tay giống tay người

Hiện nay, cánh tay robot công nghiệp thường được sản xuất đại trà phần tay máy cơ bản, phần mềm điều khiển Các thương hiệu nổi tiếng nhất trong ngành như: ABB, Yaskawa, Kuka …

3.1.1.2 Lợi ích của cánh tay Robot

vì vậy sử dụng Robot công nghiệp là giải pháp tăng tính an toàn trong sản xuất

3.1.1.3 Mô hình hóa cánh tay robot

- Các tham số động học DH (Dehavit – Hatenberg)

Một robot thường gồm nhiều khâu cấu thành từ cac khâu nối tiếp nhau thông qua các khớp động Gốc (khâu cơ bản) của một robot là khâu số 0 và không tính vào số các khâu Khâu 1 nối với khâu chuẩn bởi khớp 1 và không có khớp ở đầu mút của khâu cuối cùng, trên khâu cuối cùng gắn một công cụ Như vậy, các khâu các khớp được đánh số tăng dần từ khâu cơ bản Bất kì khâu nào cũng được đặc trưng bởi 2 kích thước:

+ Độ dài pháp tuyến chung 𝑎𝑖

+ Góc giữa các trục khớp đo trong mặt phẳng vuông góc với 𝑎𝑖, kí hiệu là 𝛼𝑖 Thông thường người ta gọi 𝑎𝑖 là chiều dài và 𝛼𝑖 là góc xoắn của khâu

Hình 3.1: Chiều dài và góc xoắn của khâu thứ i

Mỗi trục sẽ có 2 pháp tuyến đối với nó, mỗi pháp tuyến dùng cho mỗi khâu (trước và sau một khớp) Vị trí tương đối của khâu thứ i so với khâu thứ i −1 được xác định bởi 2 thông số:

+ 𝑑𝑖 : là khoảng cách giữa các pháp tuyến đo dọc theo trục khớp thứ i

+ θi : là góc giữa các pháp tuyến đo trong mặt phẳng vuông góc với trục khớp thứ i

+ 𝑑𝑖 và θi thường được gọi là khoảng cách và góc quay tương đối giữa các khâu Các thông số θi, 𝑑𝑖 , ai và αi được gọi là bộ thông số Denavit - Hatenberg (gọi tắt

là bộ thông số DH)

Trường hợp các khớp quay thì θi là các biến khớp ai, αi, 𝑑𝑖 là hằng số Trong trường hợp khớp tịnh tiến thì 𝑑𝑖 là biến khớp, θi và ai bằng 0, αi = const

- Xây dựng hệ tọa độ Denavit – Hatenberg

Hình 3.3: Các trục tọa độ trên robot

(nguồn: Hình ảnh trong ĐATN của nhóm)

B= [cos(t2) -(sin(t2)) 0 0; sin(t2) cos(t2) 0 0; 0 0 1 0; 0 0 0 1 ]

C= [cos(t3) 0 sin(t3) 90*(cos(t3)); sin(t3) 0 -(cos(t3)) 90*(cos(t3)); 0 1 0 0; 0 0 0

Vậy phương trình động học thuận là:

x= 90*cos(t1) + 90*cos(t4)*sin(t1) - 90*cos(t4)*(cos(t1)*sin(t2)*sin(t3) -

cos(t1)*cos(t2)*cos(t3)) + 90*cos(t1)*cos(t2)*cos(t3) -

90*cos(t1)*cos(t3)*sin(t2)

y=90*cos(t1) - 90*cos(t1)*cos(t4) - 90*cos(t4)*(sin(t1)*sin(t2)*sin(t3) -

cos(t2)*cos(t3)*sin(t1)) - 90*cos(t3)*sin(t1)*sin(t2) + 90*cos(t2)*cos(t3)*sin(t1) z=90*cos(t2)*cos(t3) + 90*cos(t3)*sin(t2) + 90*cos(t4)*(cos(t2)*sin(t3) +

có thể di chuyển từ tầng thấp nhất tới tầng cao nhất, nhóm quyết định chọn cánh tay robot 4 bậc

Hình 3.4: Bản vẽ cánh tay Robot

(nguồn: Hình ảnh trong ĐATN của nhóm)

Cánh tay sử dụng 3 động cơ step ST4118M1804-L của hãng Nanotec kèm hộp giảm tốc và 2 động cơ servo MG90S Động cơ step được dùng để di chuyển J1,J2,J3; J4 và phần tay gắp sẽ được chạy bằng động cơ servo MG90S J1,J2,J3 sẽ được làm bằng vật liệu sắt; j4 và tay gắp được in 3D Phần nối động cơ step và khung là mặt bích cốt 8mm

- Thi công: Sau khi đã thiết kế xong cánh tay Robot trên Solidwork, nhóm tiến

hành thi công theo bản vẽ

+ Mua động cơ step ST4118L1804-KQR01

Hình 3.5: Động cơ step ST4118L1804-KQR01

(nguồn: Hình ảnh trong ĐATN của nhóm)

+ Gia công khuôn cánh tay Robot bằng sắt, đồng thời phun sơn cho chi tiết

Hình 3.6: Các chi tiết của cánh tay robot

(nguồn: Hình ảnh trong ĐATN của nhóm)

+ Mua mặt bích cot 8

Hình 3.7: Mặt bích cot 8

(nguồn: internet)

- Tiến hành taro M4 lên mặt bích để nối với khung cánh tay robot

- Tiến hành lắp ráp cánh tay robot theo bản vẽ Solidwork

Hình 3.8: Cánh tay robot sau khi đã lắp ráp

(nguồn: Hình ảnh trong ĐATN của nhóm)

- Thiết kế và tiến hành in 3D khâu J4

Hình 3.9: Bản vẽ khâu J4

(nguồn: Hình ảnh trong ĐATN của nhóm)

- Tham khảo từ trên mạng và thiết kế lại phần tay gắp

Hình 3.10: Bản vẽ tay gắp

(nguồn: Hình ảnh trong ĐATN của nhóm)

- In 3D phần tay gắp và tiến hành lắp ráp Các chi tiết được lắp ráp và cố định bằng ốc lục giác M4,M5, tán thường, tán chống trượt, ty ren M4

Hình 3.11: Cánh tay robot sau khi đã lắp ráp hoàn thiện

(nguồn: Hình ảnh trong ĐATN của nhóm)

3.1.2 Tính toán và thiết kế băng tải mini

3.1.2.1 Định nghĩa

Băng tải là thiết bị xử lý vật liệu cơ khí dùng để vận chuyển hàng hóa, vật liệu, sản phẩm,… từ địa điểm này đến địa điểm khác được xác định trước Chúng làm cho việc vận chuyển vật liệu nặng và cồng kềnh trở nên dễ dàng hơn, nhanh hơn và hiệu quả hơn Nó giúp giảm thiểu lao động mạnh và giảm thiểu các mối nguy hiểm cho sức khỏe như chấn thương lưng, vai và đầu gối

Băng tải được sử dụng vào thế kỷ 19 để vận chuyển than và quặng Từ đó dần được cải tiến và sử dụng nhiều hơn so với các dòng sản phẩm khác Ngày nay, hầu hết các mô hình sản xuất đều sử dụng chúng làm thiết bị sản xuất và phù hợp với quy mô sản xuất của nhiều nhà máy sản xuất vừa và nhỏ Các tiêu chí về băng tải được đo lường và xác định theo tải trọng tối đa, trọng lượng sản phẩm, số lượng mảnh trên một đơn vị thời gian, tải trọng, tốc độ và dòng nguyên liệu

Hình 3.12: Bản vẽ của băng tải mini

(nguồn: Hình ảnh trong ĐATN của nhóm)

3.1.2.2 Tính toán động cơ băng tải

100 = 0.0235 (Nm) Công A thực hiện lực kéo là:

- Băng tải:

Dài: 0.5m

Rộng: 5cm

Chất liệu băng tải: vải công nghiệp

Chất liệu khung: nhôm định hình 20x20

Chất liệu gối: nhựa phay CNC

Hình 3.13: Bản vẽ mô hình băng tải hàng đi vào

(nguồn: Hình ảnh trong ĐATN của nhóm)

- Thi công băng tải:

+ Đầu tiên, nhóm sẽ tiến hành thi công băng tải 1

+ Mua động cơ băng tải

Hình 3.14: Động cơ băng tải DC

(nguồn: Hình ảnh trong ĐATN của nhóm)

+ Thiết kế và gia công pas lắp động cơ

Hình 3.15: Bản vẽ pas lắp động cơ

(nguồn: Hình ảnh trong ĐATN của nhóm)

Hình 3.16: Pas lắp động cơ sau khi gia công

(nguồn: Hình ảnh trong ĐATN của nhóm)

+ Lắp pas động cơ và động cơ bằng bộ ốc lục giác M4 và long đền

+ Cắt nhôm định hình 20x20 theo kích thước của bản vẽ SolidWork là 450mm + Phay gối đỡ rulo băng tải

+ Đặt mua băng tải công nghiệp theo yêu cầu của đề bài là bản rộng 5cm, chiều dài băng tải 0,5m

Hình 3.17: Phay gối đỡ và băng tải công nghiệp

(nguồn: Hình ảnh trong ĐATN của nhóm)

+ Vì trục động cơ có đường kính là 8mm nên nhóm chọn puly GT2