TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Trong kỷ nguyên cách mạng công nghệ 4.0, ngành sản xuất và đời sống con người đã trải qua những biến đổi sâu sắc Việt Nam, mặc dù còn non trẻ trong lĩnh vực công nghệ so với thế giới, đang tích cực học hỏi và kế thừa thành tựu từ các quốc gia phát triển Đất nước ta nỗ lực theo kịp xu hướng công nghệ IoT, công nghệ 4.0 và trí tuệ nhân tạo, phát triển không ngừng từng ngày.
Trước tác động nghiêm trọng của dịch bệnh COVID-19 từ đầu năm 2020 đến nay, việc áp dụng máy móc vào sản xuất trở nên cấp thiết để giảm thiểu ảnh hưởng đến đời sống và nền kinh tế Nhóm tác giả đã nghiên cứu chế tạo hệ thống xe tự hành AGV, một phương tiện vận chuyển hoàn toàn tự động, giúp giảm thiểu số lượng công nhân và tai nạn trong quá trình sản xuất Xe AGV, được điều khiển bằng pin và có thể hoạt động tự động hoặc từ xa, có khả năng vận chuyển hàng hóa trong môi trường công nghiệp Dự án này không chỉ nhằm giảm sức lao động mà còn rút ngắn thời gian sản xuất, góp phần thúc đẩy sự phát triển khoa học công nghệ của Việt Nam, giúp đất nước bắt kịp với xu thế toàn cầu.
Quá trình hình thành và phát triển của AGV
AGV (Xe tự hành) là phương tiện không người lái sử dụng động cơ điện, có khả năng lập trình để chọn đường đi và điểm đến, đồng thời tránh va chạm AGV mang lại lợi ích cho hệ thống logistics bằng cách tự động hóa việc xử lý luồng vật liệu, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Nhà xưởng AGV đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển giữa các quy trình sản xuất, cung cấp các bộ phận cần thiết cho dây chuyền sản xuất và hỗ trợ lắp ráp chi tiết trên AGV.
Hệ thống xe dẫn hướng tự động (AGVS) đã được phát triển từ năm 1953-1956 bởi Barrett Electronics tại Illinois, Mỹ, hiện nay là Savant Automation ở Michigan AGV đã có sự phát triển mạnh mẽ vào năm 1973 khi các kỹ sư tại nhà máy lắp ráp ô tô Volvo ở Kalmar, Thụy Điển, sáng tạo ra một thiết bị lắp ráp không đồng bộ như một giải pháp thay thế cho dây chuyền lắp ráp trung tâm.
Hình 1.1 Nhà xưởng AGV (nguồn: Internet)
AGV là giải pháp tiên tiến cho tương lai trong kỷ nguyên số hóa và công nghiệp 4.0, mang lại sự chắc chắn và linh hoạt cho sản phẩm Nó cũng giúp tối ưu hóa việc lưu chuyển hàng hóa trong nhà máy và kho, làm cho quá trình này trở nên dễ dàng và hiệu quả hơn.
AGV không chỉ nâng cao mức độ tự động hóa mà còn giải quyết các thách thức từ sự gia tăng độ phức tạp trong sản xuất Nó linh hoạt đáp ứng nhu cầu thay đổi của sản phẩm và điều kiện sản xuất, giúp cung cấp hàng hóa đúng thời gian, rút ngắn thời gian vận chuyển và tối ưu hóa việc sử dụng các trạm riêng lẻ.
AGV có khả năng tối ưu hóa dòng nguyên liệu trong chuỗi giá trị gia tăng, với khả năng vận chuyển hàng hóa có trọng lượng khác nhau một cách tự động nhờ vào thuật toán điều khiển Trong tương lai, hệ thống vận chuyển AGV sẽ trở thành yếu tố thiết yếu cho việc quản lý dòng nguyên liệu bên trong.
1.3 Ƣu điểm và nhƣợc điểm của AGV
Giảm chi phí nhân công
Đầu tư vào xe tự hành AGV giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí phát sinh và giảm bớt gánh nặng trong quản lý nhân sự, như xét duyệt tăng lương định kỳ Điều này cũng góp phần hạn chế tình trạng công nhân nghỉ việc và đình công.
Giảm chi phí lương và tăng lợi ích
Việc sử dụng nhân công đòi hỏi các công ty phải xem xét việc tăng lương theo quý Tuy nhiên, việc thay thế bằng xe tự hành AGV sẽ giúp loại bỏ vấn đề tăng lương hàng năm cho nhân công.
Giảm thiệt hại trong quá trình sản xuất
Giảm thiểu rủi ro sai sót trong quy trình sản xuất do công nhân thực hiện có thể nâng cao hiệu suất làm việc và giảm chi phí, thời gian giao hàng Việc sử dụng xe tự hành AGV không chỉ giúp giảm thiểu tai nạn lao động do sự bất cẩn và thiếu hiểu biết về an toàn lao động, mà còn cho phép hoạt động liên tục 24/7 mà không cần nghỉ ngơi.
Dễ dàng mở rộng module, giám sát quản lý
Xe tự hành AGV có khả năng thay đổi hành trình và tải trọng, đồng thời hỗ trợ nhiều module giao tiếp, cho phép chúng nhường đường cho nhau trên cùng lộ trình Việc quản lý AGV trở nên dễ dàng nhờ các chức năng cảnh báo khi gặp sự cố hư hỏng, và chúng cũng dễ dàng sửa chữa vì được định vị chính xác Điều này đảm bảo hiệu suất vận hành tối ưu.
Xe tự hành di chuyển theo hành trình lập trình sẵn giúp cải thiện độ chính xác trong vận chuyển Bằng cách kết hợp với các hệ thống kho vận sử dụng công nghệ 5G, quá trình vận hành được tối ưu hóa, đảm bảo hàng hóa đến đúng địa điểm đã định.
Đầu tƣ ban đầu cao: AGV giảm chi phí lao động, tăng năng suất, nhƣng sẽ cần chi phí đầu tƣ ban đầu cao
Chi phí bảo trì: AGV cần phải bảo trì định kỳ và sửa chữa thường xuyên
Không phù hợp với các công việc không lặp lại: AGV có ý nghĩa nhất trong các hoạt động xử lý các nhiệm vụ lặp đi lặp lại
Tính linh hoạt giữa các tác vụ kém: Một trong những lợi ích của việc có nhân sự là đôi khi các hoạt động đòi hỏi sự linh hoạt
1.4.1 Vận chuyển nguyên liệu thô:
AGV thường được sử dụng để vận chuyển nguyên liệu thô như: Giấy, thép, cao su, kim loại và nhựa
1.4.2 Vận chuyển trong các phân đoạn:
Vận chuyển trong quá trình làm việc là một trong những ứng dụng đầu tiên sử dụng phương tiện AGV
Xử lý pallet là một ứng dụng phổ biến cho xe tự hành AGV, nhờ vào việc di chuyển lặp đi lặp lại của pallet trong các cơ sở sản xuất và phân phối.
Chuyển hàng hóa thành phẩm từ sản xuất sang lưu trữ hoặc là vận chuyển khâu cuối cùng của vật liệu trước khi chúng được giao cho khách hàng
Đất nước ta đang trong giai đoạn phát triển với xu hướng công nghiệp hóa hiện đại hóa được chú trọng Gần đây, Việt Nam đã tập trung vào nghiên cứu và thiết kế, ứng dụng rộng rãi sản phẩm tự động trong các lĩnh vực như y tế, quốc phòng và thể thao Việc sử dụng "bộ não nhân tạo" hứa hẹn mang lại nhiều thành tựu và sẽ trở nên phổ biến trong tương lai gần, đáp ứng nhu cầu thị trường lớn Đặc biệt, các ứng dụng robot thông minh đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ, nhất là trong sản xuất công nghiệp Tuy nhiên, việc sử dụng robot trong sản xuất hiện tại vẫn còn hạn chế.
Hình 1.3.Ứng dụng vận chuyển
Ngành công nghiệp robot tại Việt Nam vẫn còn mới mẻ, đòi hỏi chúng ta cần tiếp cận công nghệ và thiết bị hiện đại Việc cải tiến và biến đổi robot là cần thiết để bắt kịp xu hướng phát triển của các nước trong khu vực và toàn cầu.
AGV là robot tự động được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp nước ngoài để vận chuyển hàng hóa và nguyên vật liệu Tuy nhiên, tại Việt Nam, công nghệ này vẫn chưa phổ biến do chi phí lắp đặt cao, cơ sở hạ tầng và trang thiết bị chưa được cải thiện, cùng với sự thiếu hụt nhân lực Hơn nữa, những hạn chế về khoa học kỹ thuật và máy móc còn thô sơ khiến năng suất lao động của các doanh nghiệp chỉ đạt mức trung bình, mặc dù quy mô sản xuất lớn, dẫn đến lợi nhuận giảm do phải thuê nhiều nhân công.
Ứng dụng
1.4.1 Vận chuyển nguyên liệu thô:
AGV thường được sử dụng để vận chuyển nguyên liệu thô như: Giấy, thép, cao su, kim loại và nhựa
1.4.2 Vận chuyển trong các phân đoạn:
Vận chuyển trong quá trình làm việc là một trong những ứng dụng đầu tiên sử dụng phương tiện AGV
Xử lý pallet là một ứng dụng phổ biến của xe tự hành AGV, nhờ vào việc pallet thường xuyên di chuyển trong các cơ sở sản xuất và phân phối.
Chuyển hàng hóa thành phẩm từ sản xuất sang lưu trữ hoặc là vận chuyển khâu cuối cùng của vật liệu trước khi chúng được giao cho khách hàng
Đất nước ta hiện nay đang trong giai đoạn phát triển, với xu hướng công nghiệp hóa hiện đại hóa được các nhà lãnh đạo chú trọng Gần đây, nước ta đã tập trung vào nghiên cứu thiết kế và ứng dụng sản phẩm tự động trong nhiều lĩnh vực như y tế, quốc phòng và thể thao Việc sử dụng "bộ não nhân tạo" đã mang lại thành quả lớn và dự kiến sẽ trở nên phổ biến trong tương lai gần, với nhu cầu thị trường rộng lớn Đặc biệt, các ứng dụng robot thông minh đang được nghiên cứu và phát triển mạnh mẽ, nhất là trong sản xuất công nghiệp Tuy nhiên, việc sử dụng robot trong sản xuất tại Việt Nam vẫn còn hiếm hoi, cần thúc đẩy hơn nữa việc ứng dụng robot công nghiệp.
Hình 1.3.Ứng dụng vận chuyển
Ngành công nghiệp robot tại Việt Nam vẫn còn mới mẻ, do đó, việc tiếp cận công nghệ và thiết bị hiện đại là rất cần thiết Chúng ta cần tìm cách cải tiến và biến đổi robot để theo kịp xu hướng phát triển của các quốc gia trong khu vực và trên thế giới.
AGV (Robot tự hành) là công nghệ tiên tiến được sử dụng rộng rãi ở nước ngoài trong ngành công nghiệp để tự động hóa quá trình vận chuyển hàng hóa và nguyên vật liệu Tuy nhiên, tại Việt Nam, việc áp dụng công nghệ này còn hạn chế do chi phí đầu tư lắp đặt cao, cơ sở hạ tầng và trang thiết bị chưa được cải thiện, cùng với tình trạng thiếu hụt nhân lực Hơn nữa, những hạn chế về khoa học kỹ thuật và máy móc còn thô sơ dẫn đến năng suất lao động ở các doanh nghiệp chỉ đạt mức trung bình, mặc dù quy mô sản xuất lớn, điều này làm giảm lợi nhuận do phải phụ thuộc vào một lượng lớn nhân công.
Với sự gia tăng tự động hóa trong sản xuất, hệ thống máy dẫn đường tự động (AGV) đang ngày càng trở nên quan trọng trong lĩnh vực vận chuyển nguyên vật liệu trong các nhà máy.
Mục tiêu và phương pháp nghiên cứu
1.5.1 Đối Tƣợng nghiên cứu Đất nước ta đang trong giai đoạn công nghiệp hóa và hiện đại hóa, mở cửa hợp tác với các nhà đầu tư nước ngoài để xây dựng nhiều khu công nghiệp phát triển nhƣ hiện nay, trong đó vấn đề về tự động hóa dây chuyền sản xuất có vai trò quan trọng Việc vận chuyển hàng hóa ra vào trong kho mà bất cứ dây chuyền sản xuất nào cũng phải có thì sự xuất hiện của xe tự hành AGV là rất cần thiết
Hiện nay, xe tự hành AGV đang trở thành lựa chọn phổ biến cho hầu hết các quy trình và khu vực sản xuất của doanh nghiệp Nhằm làm rõ phạm vi nghiên cứu, nhóm tác giả tập trung vào việc chế tạo mô hình xe tự hành AGV phục vụ cho việc vận chuyển hàng hóa trong kho.
Thiết kế xe tự động với khả năng dò đường và tránh chướng ngại vật bằng cảm biến sẽ thay thế công nhân trong các công việc nặng nhọc và nguy hiểm Tự động hóa quy trình sản xuất giúp vận chuyển hàng hóa hiệu quả giữa các điểm, giảm thiểu thời gian chết giữa các công đoạn.
- Giải quyết đƣợc các yêu cầu về sản xuất:
Nâng cao năng suất lao động và giảm thời gian vận chuyển sản phẩm giúp tăng số chuyến vận chuyển, từ đó giảm chi phí nhân công và mang lại lợi nhuận cho công ty Việc đơn giản hóa quá trình vận chuyển, bốc dỡ và tích trữ hàng hóa, cùng với sự mở rộng của các nhà máy tự động hóa và cơ khí hóa, không chỉ tối ưu hóa hoạt động mà còn giảm thiểu tai nạn lao động cho con người ở những khu vực nguy hiểm.
Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp quan sát thực tế, phân tích tổng hợp lí thuyết:
Tiếp cận quy trình sản xuất thực tế tại các nhà máy giúp xác định các bước cần cải tiến về máy móc, nhằm nâng cao năng suất lao động, đặc biệt trong khâu vận chuyển hàng hóa và nguyên vật liệu.
+ Tìm hiểu những “hệ thống xe tự hành” thông qua sách báo, bài viết chuyên đề, báo cáo nghiên cứu khoa học
Đánh giá kết cấu cơ khí là yếu tố quan trọng để đảm bảo độ vững chắc của xe và hàng hóa trong suốt quá trình di chuyển, từ đó tạo ra sự ổn định và thuận lợi cho việc điều khiển.
- Phương pháp tham khảo ý kiến chuyên gia:
+ Học hỏi tham khảo ý kiến của GVHD để có phương án giải quyết nhanh và tốt hơn
+ Giải quyết từng mô-đun nhỏ và sau đó ghép thành mạch hoàn chỉnh
+ Thiết lập mô hình xe, chạy thử nghiệm ở môi trường thực nhằm tìm ra phương án định vị tốt nhất có thể áp dụng trong môi trường làm việc
Kiểm tra và thu thập dữ liệu từ các thí nghiệm là cần thiết để đánh giá khả năng của AGV Qua đó, chúng ta có thể nhận diện các ưu điểm và hạn chế của sản phẩm, từ đó định hướng cho việc thay đổi và phát triển sản phẩm trong tương lai.
- Xây dựng quy trình bảo trì bảo dƣỡng dựa vào tổng kết kinh nghiệm:
+ Kiểm nghiệm đưa ra các trường hợp hư hỏng cho từng bộ phận
+ Đưa ra các lựa chọn và phương án khắc phục
Hình 2.1.Sơ đồ trình tự nghiên cứu cơ sở lý thuyết cho xe tự hành AGV
CƠ SỞ THIẾT KẾ XE TỰ HÀNH LÝ THUYẾT AGV
Điều kiện làm việc của xe tự hành AGV
2.1.1 Môi trường làm việc trong nhà máy Đề cập đến môi trường làm việc trong nhà máy thì tuỳ thuộc vào nhà máy đặc điểm của sản phẩm tạo ra mà môi trường làm việc khác nhau, từ công nhân vận hành, vị trí máy móc trang thiết bị, bố trí lối đi trong nhà máy sẽ khác nhau Một trong những khu vực áp dụng hệ thống xe tự hành nhiều nhất trong nhà máy đó chính là khu vực lưu kho, thông thường thì trong kho sẽ đảm nhiệm các công việc như tiếp nhận, lưu trữ, lựa chọn, đóng gói, gửi đi,…Đây là khu vực làm việc đòi hỏi sự linh động, với mật độ di chuyển ra vào của công nhân và máy móc khá cao nên khó có thể tránh rủi ro tai nạn trong quá trình làm việc
Nhiều công ty hiện nay, nổi bật là Amazon - một trong những thương mại điện tử lớn nhất thế giới, đang sử dụng hiệu quả xe tự hành AGV Hệ thống kho hàng hiện đại của Amazon không thể thiếu sự hỗ trợ từ xe tự hành AGV, trong đó có khoảng 30.000 robot Kiva đang hoạt động trên toàn cầu Robot Kiva cho phép công nhân chỉ cần đứng tại một vị trí cụ thể, trong khi robot tự động di chuyển đến các địa điểm khác để lấy hàng, giúp tiết kiệm sức lao động và giảm thiểu quãng đường di chuyển Theo ước tính của Deutsche Bank, một nhà kho mới sử dụng robot Kiva có thể tiết kiệm lên đến 22 triệu USD.
Robot Kiva trong hệ thống kho hàng của Amazon có khả năng hoàn thiện đơn hàng hiệu quả Việc triển khai hơn 100 trung tâm phân phối sử dụng robot Kiva có thể giúp Amazon tiết kiệm tới 2,5 tỷ USD.
2.1.2 Một số thiết kế lối đi trong kho đƣợc sử dụng phổ biến hiện nay Để hàng hóa, sản phẩm trong kho đƣợc bảo quản đúng cách, đảm bảo chất lượng, an toàn cho người làm việc thì việc sử dụng hệ thống giá kệ để hàng đang được xem là phương án tối ưu để phục vụ công tác nhập xuất hàng hóa, bốc dỡ vận chuyển đƣợc diễn ra nhanh chóng cũng nhƣ tiết kiệm thời gian, công sức của nhân viên kho Với những nhà kho có diện tích nhỏ không cần quá nhiều lối đi, có thể thu hẹp lại để tối ưu không gian để hàng cho kho và lưu trữ được nhiều hàng hóa hơn
Lối đi chéo hình chữ V
Lối đi chéo hình chữ V, do hai nhà nghiên cứu Russell Meller và Kevin Gue phát triển, hiện đang được áp dụng rộng rãi trong các nhà kho chứa hàng Thiết kế này không chỉ giúp quá trình bốc dỡ hàng hóa diễn ra nhanh chóng mà còn cải thiện công tác quản lý và kiểm kê hàng hóa Bằng cách bố trí các mặt hàng liên quan gần nhau trên các kệ song song, lối đi này tiết kiệm diện tích và tạo điều kiện thuận lợi cho việc nhập xuất hàng.
Hình 2.3.Lối đi hình chữ
Hình 2.4.Lối đi chính giữa- Fishbone
Lối đi xương cá, hay còn gọi là lối đi Fishbone, là thiết kế giá kệ trong kho với các kệ xếp chéo nhau ở góc 45 độ, tạo ra một lối đi chính ở giữa Thiết kế này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian di chuyển cho nhân viên và xe nâng hàng mà còn tối ưu hóa quá trình bốc xếp hàng hóa lên xuống Hơn nữa, lối đi xương cá cho phép quan sát tổng quan các giá kệ trong kho một cách dễ dàng.
Để áp dụng hệ thống xe tự hành AGV vào quy trình làm việc trong kho, người thiết kế cần nắm rõ thông tin về vị trí các máy móc, hệ thống lối đi, kệ trong kho và các trang thiết bị liên quan.
Dựa trên điều kiện thực tế của khu vực kho chứa hàng và nhà máy sản xuất, người thiết kế sẽ phát triển thiết bị vận chuyển phù hợp nhằm tăng hiệu suất hoạt động, giảm chi phí lao động và thời gian leadtime Điều này cũng giúp bảo quản hàng hóa tốt hơn, tránh thất thoát và thúc đẩy nhanh quá trình cung ứng sản phẩm ra thị trường.
Lối đi chéo nhau 90 độ
Kệ kho được bố trí theo hình chữ V ở góc 90 độ giúp tối ưu hóa không gian lưu trữ và nâng cao hiệu quả sản xuất Cách sắp xếp này không chỉ đảm bảo tính chuyên nghiệp trong hoạt động kho bãi mà còn tiết kiệm chi phí và tăng cường hiệu quả sử dụng trong tương lai.
Để áp dụng hệ thống xe tự hành AGV vào quy trình làm việc trong kho, người thiết kế cần nắm rõ thông tin về vị trí máy móc, lối đi, kệ và thiết bị di chuyển Dựa trên những thông tin này, thiết bị vận chuyển sẽ được thiết kế phù hợp với điều kiện thực tế của kho và nhà máy, nhằm tăng hiệu suất hoạt động, giảm chi phí lao động, rút ngắn thời gian leadtime, bảo quản hàng hóa tốt hơn, tránh thất thoát và thúc đẩy nhanh quá trình cung ứng sản phẩm ra thị trường.
Hình 2.5.Lối đi chéo nhau 90 độ
Cơ sở tính toán thiết kế cơ khí
Một số xi lanh thường dùng
Xi lanh khí nén hoạt động bằng cách cấp khí cho một đầu và xả khí ở đầu còn lại, mang lại nhiều ưu điểm như nguồn năng lượng khí nén vô tận và không cần lưu trữ hay vận chuyển Với tuổi thọ cao và thiết kế đơn giản, xi lanh khí nén dễ dàng lắp đặt trong các dây chuyền tự động và có khả năng hoạt động trong môi trường khắc nghiệt mà không lo cháy nổ Hệ thống van tiết lưu trên thân xi lanh giúp điều chỉnh áp suất dễ dàng Tuy nhiên, nhược điểm của nó là độ chính xác chưa cao, chỉ phù hợp với hệ thống có tải nhẹ, và trong quá trình hoạt động thường phát ra tiếng ồn cùng với tốc độ di chuyển của piston không đều do sự không đồng nhất trong việc cấp và xả khí nén.
Cấu tạo Xilanh khí nén
Xi lanh điện hoạt động dựa trên nguyên lý đơn giản, chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của piston Cần piston được đẩy ra và thu vào nhờ cơ cấu dẫn động trục vít me, cùng với hệ thống công tắc hành trình được lắp đặt ở hai đầu.
Xi lanh điện có khả năng điều khiển linh hoạt và tiện lợi trong quá trình vận hành, đồng thời ít gây ra tiếng ồn và có kích thước nhỏ gọn, phù hợp cho việc lắp đặt trên xe AGV Mặc dù chi phí lắp đặt cao hơn so với xi lanh thủy lực và khí nén, cũng như cần thay đổi động cơ để điều chỉnh lực truyền động và tốc độ, nhưng ưu điểm nổi bật của xi lanh điện đã khiến nhóm quyết định lựa chọn công nghệ này cho đề tài của mình.
Động cơ điều hướng là yếu tố quyết định cho việc vận hành chính xác và ổn định của AGV Để đảm bảo hiệu suất cao, cần lựa chọn động cơ mạnh mẽ, bền bỉ và có khả năng thích ứng với nhiều môi trường làm việc khác nhau Việc tính toán và thiết kế động cơ phù hợp là rất quan trọng để AGV có thể di chuyển và nâng hàng hóa với tải trọng lớn trong kho mà vẫn giữ được tính linh hoạt.
Trọng lực tác dụng lên AGV:
𝜃 là độ nghiêng của AGV so với phương ngang
𝐹𝑁 là trọng lực tác dụng lên AGV
𝜇 là hệ số ma sát
𝐹𝑤 là lực kéo do động cơ sinh ra
Với môi trường hoạt động trong kho thì chỉ di chuyển trên nền nhà xưởng nên ta chọn độ dốc θ = 0 o , do đó 𝐹𝑁 = P
Phương trình tính tổng các lực tác dụng lên AGV:
Trong đó: a: Gia tốc của AGV sinh ra trong quá trình di chuyển (m/s 2 )
𝜇: Hệ số ma sát của bánh xe Gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s 2
Công suất trục làm việc (kW):
Với F: Lực kéo đai hoặc xích tải (N) v: Vận tốc của xe AGV (m/s)
Công suất cần thiết của động cơ (kW):
(3.7) Với 𝑛đc : tốc độ quay của động cơ (vòng/phút)
Tốc độ quay cần thiết của trục làm việc:
𝑛 lv : Tốc độ động cơ (vòng/phút) v: Vận tốc của xe AGV (m/s)
D: Đường kính của bánh xe AGV (mm)
Moment xoắn trên các trục (N.m):
Hiệu suất bộ truyền đai răng 𝜂 1
Hiệu suất một cặp ổ lăn 𝜂 2
Dựa vào các tính toán thiết kế và công suất cần thiết, việc lựa chọn động cơ phù hợp cho AGV là rất quan trọng để đảm bảo vận hành ổn định, linh hoạt và bền bỉ, đồng thời vẫn giữ được mức giá hợp lý.
Vật liệu thiết kế
2.3.1 Vật liệu sử dụng Để đảm bảo việc vận hành liên tục, không gặp sự cố về phần cứng trong quá trình vận hành xe tự hành AGV thì nhiều nhà sản xuất đã sử dụng hệ thống khung
Khung gầm của xe AGV được làm từ 60 gầm bằng thép không rỉ, được bọc bên ngoài bằng thép tấm để đảm bảo độ chắc chắn và tránh va đập trong quá trình vận hành Mỗi công ty sẽ thiết kế thân vỏ khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng, môi trường làm việc và yêu cầu kỹ thuật Sau khi nghiên cứu các loại xe tự hành AGV trên thị trường và tìm hiểu về vật liệu chế tạo, nhóm tác giả đã quyết định chọn thép hộp C45 để làm khung gầm cho xe AGV do quy mô đề tài tốt nghiệp và kinh phí hạn hẹp.
20 thép tấm 1.5mm để bọc bên ngoài bảo vệ các chi tiết bên trong xe, tránh những hƣ hỏng do va đập trong khi vận hành
2.3.2 Giới thiệu phần mềm Solidwork Simulation- thiết kế
SolidWorks Simulation là một hệ thống phân tích thiết kế toàn diện, giúp kiểm nghiệm tính toán ứng suất và chuyển vị, tiết kiệm thời gian và cung cấp thông số chính xác hơn Phần mềm cho phép thiết lập môi trường thực tế ảo để thử nghiệm thiết kế sản phẩm trước khi sản xuất, kiểm tra độ bền và các phản ứng tĩnh, động, cũng như chuyển động của các lắp ghép, truyền nhiệt, động lực học chất lỏng và ép phun trong khuôn nhựa.
Các kiểu phân tích mà phần mềm Solidworks Simulation hiện tại: [10]
Nghiên cứu tĩnh học: Static (or Stress) studies
Nghiên cứu tần số: Frequency studies
Nghiên cứu mất ổn định: Buckling studies
Nghiên cứu nhiệt: Thermal studies
Nghiên cứu kiểm tra rơi tự do: Drop Test studies
Nghiên cứu mỏi: Fatigue studies
Nghiên cứu phi tuyến: Nonlinear studies
Nghiên cứu động lực học tuyến tính: Linear Dynamic studies
Hình 2.8.Thép hộp và tấm C45
Vì vị trí các thành phần của xe tự hành AGV không thay đổi theo thời gian, nhóm tác giả đã áp dụng phương pháp phân tích tĩnh học để nghiên cứu lực tác động lên xe Mục tiêu là tính toán các yếu tố như chuyển vị, biến dạng, ứng suất, phản lực và phân bố hệ số an toàn trong quá trình vận hành xe AGV.
2.3.3 Cách phân tích lực phần mềm Solidworks Simulation
Bước 2: Chọn chi tiết cần phân tích
Lấy chi tiết cần phân tích ở mục Open trong cửa sổ Solidworks Trên thanh menu click chọn Solidworks Add-Ins, tiếp tục click chọn Solidworks Simulation
Hình 2.9.Giao diện chính của Solidworks
Khi đó thanh menu sẽ xuất hiện thanh công cụ Simulation
Để bắt đầu phân tích lực cho chi tiết, cần nắm vững các kiến thức quan trọng như vật liệu, điểm đặt lực, kết cấu và nguyên lý chuyển động của chi tiết đó.
Bước 4: Phân tích kết quả khảo sát giới hạn trên của ứng suất trục và uốn: Các ứng suất của chi tiết sẽ được thể hiện qua màu sắc khác nhau tại mỗi vị trí ứng suất.
Chuyển vị (URES) là sự thay đổi vị trí của một điểm hoặc góc quay của đoạn thẳng nối hai điểm khi chịu tác động của ngoại lực Trong một thanh, điểm giữa thường có chuyển vị lớn nhất.
Thiết kế khung xe AGV
Trong nghiên cứu thiết kế khung cho xe AGV, nhóm tác giả đã áp dụng phương pháp Taguchi và thực hiện phân tích Anova, với các tính toán được thực hiện trên phần mềm Minitab.
Để lựa chọn kích thước khung phù hợp với điều kiện làm việc của AGV, yếu tố kinh tế là rất quan trọng Phương pháp Taguchi, một công cụ tối ưu hóa quá trình thí nghiệm thiết kế kỹ thuật (DOE), cũng là giải pháp hiệu quả để kiểm soát chất lượng trong sản xuất Taguchi thiết kế các thí nghiệm thông qua các bảng mảng trực giao (OAs), giúp đơn giản hóa quy trình thiết kế thí nghiệm Để đạt được chất lượng sản phẩm mong muốn, Taguchi khuyến nghị thực hiện quy trình qua ba giai đoạn cụ thể.
Hình 2.11.Biểu đồ thể hiện ứng suất
Trong bài viết này, chúng tôi trình bày quy trình thiết kế hệ thống và thiết kế tham số, tập trung vào việc xác định dung sai thiết kế Nhóm chúng em đã ứng dụng thiết kế tham số để xác định các mức độ tối ưu cho khung xe AGV, dựa trên các yếu tố đã đặt ra Đặc biệt, chúng em đã áp dụng phương pháp Taguchi trên phần mềm Minitab 18 để đạt được kết quả tốt nhất.
Phương pháp định vị và điều hướng AGV
Phương pháp điều hướng điện từ là một phương pháp dẫn hướng truyền thống phổ biến cho robot công nghiệp, dựa trên trường điện từ xung quanh vật dẫn khi có dòng điện đi qua Hệ thống dây dẫn được cấp điện với tần số và điện áp thấp, tạo ra từ trường mạnh hơn khi AGV gần dây dẫn Hệ thống cảm biến từ trường có nhiệm vụ nhận diện, phân tích và theo dõi cường độ từ trường, giúp AGV thực hiện điều hướng chính xác trong quá trình di chuyển.
AGV được trang bị một Ăng-ten dẫn hướng căng giữa dây dẫn hướng Khi Ăng-ten nằm ở vị trí trung tâm của dây dẫn, điện áp trong hai cuộn dây sẽ bằng nhau, cho thấy AGV di chuyển đúng hướng mà không cần điều chỉnh lái Tuy nhiên, nếu Ăng-ten lệch sang trái hoặc phải, điện áp của cuộn dây bên kia sẽ thay đổi, tạo ra tín hiệu để thực hiện các chương trình điều chỉnh lái.
24 Đồng thời trên hệ thống dây dẫn cũng sẽ đƣợc đánh dấu các điểm chéo để xác định vị trí của AGV trong môi trường [11]
Phân tích ưu nhược điểm của phương pháp
So với việc sử dụng đường line dẫn trên nền nhà dễ bị ảnh hưởng bởi ánh sáng và con người, việc dẫn hướng cho AGV bằng điện từ với dây dẫn kim loại gắn chìm dưới sàn (sâu khoảng 2cm) là lựa chọn tối ưu trong sản xuất Phương pháp này có nhiều ưu điểm như chi phí đầu tư thấp, hoạt động 24/7, quỹ đạo di chuyển dễ dàng và đáng tin cậy, không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường và giữ được tính thẩm mỹ cho không gian.
Nguyên lý dẫn hướng của AGV dựa trên phương pháp điều hướng điện từ, với quỹ đạo di chuyển được xác định bởi các đường kẻ sơn trên sàn, thuốc nhuộm huỳnh quang vô hình hoặc băng từ Hệ thống này giúp AGV di chuyển chính xác theo lộ trình đã được thiết lập.
Hình 2.12 Điều hướng điện từ theo Map
25 cảm biến giúp phát hiện và bám theo các vạch này để di chuyển đến các trạm mong muốn.[11]
Phương pháp điều hướng bằng dây dẫn có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng cố định và dễ dàng thay đổi các đường dẫn, mở rộng không gian mà không ảnh hưởng đến cơ sở hạ tầng Bên cạnh đó, phương pháp này còn có chi phí đầu tư thấp và độ chính xác cao.
Các nhược điểm của phương pháp:
Dễ có hiện tƣợng mất line do bị che khuất bởi các đối tƣợng khác làm cho AGV không thể hoạt động hoặc hoạt động không ổn định…
Chú ý giải quyết các bài toán tránh vật cản trong quá trình di chuyển
Dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố ngoại quan như nhiễu do ánh sáng mạnh, đường line bị mờ, các vết dơ…
Việc bảo trì định kỳ các đường line là cần thiết để khắc phục hư hỏng do các yếu tố khách quan từ môi trường như con người và hoạt động sản xuất, nhằm đảm bảo sự hoạt động hiệu quả và bền vững của hệ thống.
Nguồn năng lƣợng
Pin, được phát minh bởi Alessandro Volta vào năm 1800, là thiết bị lưu trữ năng lượng dưới dạng hóa năng, và khi sử dụng, nó sẽ chuyển đổi dần thành điện năng Đây là nguồn cung cấp năng lượng hoạt động cho hầu hết các thiết bị hiện nay.
Hình 2.13.Điều hướng điện từ và Điều hướng theo line
26 các thiết bị cầm tay hiện nay vì nó có những ƣu điểm nhƣ nhỏ, nhẹ, cung cấp điện áp ổn định
Một số loại pin thường được sử dụng như:
Pin Lithium ion (Li-on)
Pin Lithium polymer (Li-poly)
Pin Nickel cadmium (NiCd hoặc NiCad)
Để vận hành hiệu quả thiết bị vận chuyển hàng hóa tự hành trong kho, thời gian hoạt động của thiết bị là yếu tố quan trọng cần được chú trọng, phụ thuộc vào nguồn năng lượng cung cấp Nghiên cứu cho thấy, hầu hết các xe tự hành AGV hiện nay sử dụng công nghệ pin lithium ion nhờ vào tỉ lệ năng lượng và trọng lượng ưu việt, tốc độ sạc nhanh và khả năng chai pin thấp Do đó, nhóm đã quyết định chọn pin Lithium Sắt Photphat (LiFePo4) để cung cấp năng lượng cho xe tự hành AGV trong quá trình vận chuyển hàng hóa trong kho.
2.6.2 Cơ sở lựa chọn công suất phù hợp
Dựa trên tổng công suất tiêu thụ năng lượng của các thiết bị trong xe AGV và thời gian sử dụng mà khách hàng mong muốn, việc lựa chọn pin phù hợp là rất quan trọng.
Ta sẽ áp dụng công thức sau:
Trong đó: T: Thời gian sử dụng xe AGV (h)
W: Tổng công suất tiêu thụ của các thiết bị bên trong xe AGV (W)
V: Hiệu điện thế của pin (V)
AH: Điện lƣợng (dung lƣợng của pin) (mAh)
𝑃𝑓: Hệ số năng suất của pin (thường là 0,7 hoặc 0,8)
THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHO XE TỰ HÀNH
Tính toán lựa chọn xi lanh điện
Trong chương ba, nhóm tác giả trình bày cơ sở lý thuyết về các loại xi lanh, đặc biệt là xi lanh điện Dựa trên những phân tích này, họ đã quyết định chọn xi lanh điện cho hệ thống nâng hàng của xe AGV.
Trong quá trình sử dụng xi lanh để nâng hàng, sự mất ổn định của hệ thống nâng cần được chú trọng Một chi tiết nhỏ có thể gây ra sụp đổ và hư hỏng hệ thống, với tính chất phá hủy đột ngột và nguy hiểm Do đó, thiết kế cần đảm bảo các điều kiện ổn định.
Điều kiện bền của thanh nâng trong xi lanh chịu đƣợc [12] [13] [14]
Với 𝑃𝑡ℎ: lực tới hạn mà thanh nâng chịu đƣợc (N) Động cơ
Hình 3.1.Sơ đồ truyền động
𝐹𝑡𝑑: Lực tác dụng lên thanh nâng (N)
𝑘: hệ số an toàn về ổn định (k > 1, thông thường k = 3,5)
Áp dụng: Tải trọng tác dụng thực tế: F td = 50kg ≈ 500N
Tải trọng khi thiết kế: F tk = F td k = 500.3.5= 1750N
Thông số xi lanh Kí hiệu Số liệu
Chiều dài hành trình l 150mm
Bảng 3.1.Thông số xi lanh điện [15]
Kiểm tra độ chịu tải giới hạn của thanh nâng [12] [13] [14] Để xét độ chịu tải của thanh nâng trong xi lanh ta kiểm nghiệm theo công thức Euler:
Trong đó: Môđun đàn hồi: 𝐸 = 2,1 x 105 N/mm2
𝜎𝑡ℎ: Ứng suất tới hạn (N/mm2)
A: Diện tích của thiết diện (mm2) Độ mảnh của thanh : =
= 138 Độ mảnh phụ thuộc vào chiều dài thanh nâng, điều kiện liên kết đặc trƣng hình học của tiết diện
Với 𝜇 = 2: Hệ số phụ thuộc điều kiện liên kết ở hai đầu thanh
𝑙: chiều dài hành trình của xi lanh (mm)
𝑅 = 10: bán kính ngoài của thanh nâng xi lanh (mm)
𝑟 = 9: bán kính trong của thanh nâng xi lanh (mm)
𝑖 min : bán kính quán tính nhỏ nhất của thiết diện (mm)
Với tải trọng của xi lanh là 𝐹 = 1750 N, nhỏ hơn tải trọng tới hạn 𝑃𝑡ℎ = 6496 N mà thanh nâng có thể chịu đựng, điều này cho thấy yêu cầu về độ chịu tải đã được thỏa mãn.
Tính toán lựa chọn động cơ
Khối lƣợng xe AGV khi không tải m 1 0 (kg)
Khổi lƣợng xe AGV khi có tải m 2 (kg) Đường kính bánh xe D=2r0 (mm)
Tỉ số truyền U=1 giúp giảm sai số trong quá trình di chuyển
Hệ ma sát lăn bánh của xe 𝜇 = 0.01 ÷ 0,03
Bảng 3.2.Thông số đầu vào.
Tính toán AGV trên thực tế dựa vào động cơ
Thông số đầu vào - Động cơ Planet 24V 60W: [16]
Thông số Kí hiệu Giá trị
Tốc độ trục chính n đc 45 vòng/phút
Bảng 3.3 Thông số động cơ Planet 24V 60W
Mômen xoắn lớn trên xe giúp tăng cường lực quay của bánh xe, từ đó nâng cao khả năng chở và kéo vật nặng.
30 tăng tốc nhanh chóng hơn Tuy nhiên, tốc độ xe nhanh hay không lại phụ thuộc vào công suất của động cơ
Dựa vào tốc độ quay của động cơ, ta có thể xác định tốc độ tối đa mà xe có thể đạt được Khi chọn tỉ số truyền U đ = 1, tốc độ quay của động cơ đạt n đc = n lv = 45 vòng/phút Tốc độ quay trục làm việc được xác định là n lv.
Dựa vào mômen xoắn động cơ xác định khối lƣợng tải tối đa đạt đƣợc: o Mômen xoắn trên các trục:
Chọn tỉ số truyền Uđ = 1 => n đc = n lv = 45 (vòng/phút)
Hiệu suất bộ truyền đai răng: 𝑛1 = 0,96
Hiệu suất nột cặp ổ lăn: 𝑛2= 0,99
Ta có công suất trục làm việc (Bánh xe) khi tải trọng tĩnh tính theo công thức:
F: Lực kéo đai hoặc xích tải F = 𝐹𝑤 = 37,74 (N)
Theo định luật 2 Newton, tổng các lực tác dụng lên AGV
Hệ số ma sát của bánh xe 𝜇 = 0,03; g = 9,8 m/𝑠 2 m = 52,6 (kg)
Kết luận
Sau khi thực hiện các phép tính và kiểm tra khả năng chịu tải của động cơ, chúng tôi đã so sánh với các thông số trong bảng 4.2 và quyết định chọn động cơ Planet 24V 60W với các thông số kỹ thuật như sau:
STT Thông số Giá trị Đơn vị
3 Số xung encoder/vòng 13 Xung/vòng
4 Tốc độ động cơ 6000 Vòng/phút
5 Tỉ số truyền hộp giảm tốc 1:133
6 Tốc độ trục chính 45 Vòng/phút
Bảng 3.4.Thông số kỹ thuật động cơ planet 24V 60W
Tính toán lựa chọn bộ truyền
Sau khi phân tích lý thuyết về các bộ truyền trong phần Bộ truyền dẫn động, nhóm đã quyết định chọn phương pháp truyền động bằng đai răng Phương pháp này có nhiều ưu điểm như không xảy ra hiện tượng trượt đai, tỉ số truyền lớn, lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ, và không cần lực căng ban đầu lớn.
3.5.2 Tính toán bộ truyền đai răng
Xác định môđun đai răng: m = 35√
P 1 : công suất trên bánh đai chủ động (động cơ), kW n 1 : số vòng quay của bánh đai chủ động (động cơ), vòng/phút
Tra Bảng 4.28/tr69 tài liệu [17]
Bước răng của đai: p = 9,42 (mm)
Tra Bảng 4.27/tr68 tài liệu [17]
Loại đai phù hợp được chọn là loại đai XL bước đai p = 5,08
Số răng của bánh đai dẫn động (động cơ): chọn Z1= 40 (răng)
Tra Bảng 4.29/tr70 tài liệu [17]
Với Module m = 3, n = 45 (v/p), để đảm bảo tuổi thọ làm việc của đai Z1 >
Số răng bánh đai bị bị dẫn (bánh xe)
Bảng 3.5.Bộ truyền đai răng XL
Khoảng cách trục a: Đƣợc chọn theo điều kiện: amin ≤ a ≤ a max (3.13)
Với: a min = 0,5.m.(Z1+Z2) +2.m = 0,5.3.(40 + 40) +2.3 = 126 (mm).(3.14) a max = 2.m.(Z1+Z2) = 2.3.(40+40) = 480 (mm) (3.15)
=> Chọn sơ bộ khoảng cách trục a 0 mm
𝑟 𝑛𝑔 (3.16) Với số răng đai Zđ = 95, Chọn loại đai 190XL với chiều dài đai Lđ = 482,6 (mm) https://www.thegioiic.com/products/190xl-day-dai-95-rang-buoc-5-08-rong- 10mm [18]
Khoảng cách trục chính xác là:
Kiểm nghiệm đai về lực vòng riêng: q m v 2 (3.19)
Kđ: Trị số hệ số tải trọng Chọn Kđ =1
Tra Bảng 4.7/tr55 tài liệu [17] với m=3 q m : Trị số khối lƣợng 1 mét đai có chiều rộng 1mm Chọn qm = 0.004
Tra Bảng 4.31/tr71 tài liệu [17] b: Bề rộng đai Chọn b = 16mm
Tra Bảng 4.28/tr69 tài liệu [17] v: Vận tốc vòng 102 Xác định v = 0.424m/s
[q]: Lực vòng riêng cho phép
[q] Tra Bảng 4.31/tr71 tài liệu [17]
Lực vòng riêng trên đai thỏa điều kiện q < 10
Theo tài liệu [17], để tính sơ bộ đường kính trục, có thể áp dụng công thức thực nghiệm Cụ thể, đường kính đầu trục của bánh đai bị dẫn (hoặc đầu trục vào của hộp giảm tốc) được xác định bằng công thức 𝑑𝑡 = (0,8 ÷ 1,2)𝑑, trong đó 𝑑đ𝑐 là đường kính trục đầu ra của hộp giảm tốc động cơ, với giá trị 10 mm.
Xác định lực căng ban đầu và lực tác dụng trên trục
Khác với các hệ thống truyền động đai dẹt hay đai thang, truyền động đai răng chỉ cần lực căng ban đầu F0 đủ lớn để khắc phục khe hở khi ăn khớp, đảm bảo đai tiếp xúc tốt với bánh đai Lực căng này chỉ cần lớn hơn lực căng do lực ly tâm sinh ra, thay vì phải tạo ra lực ma sát lớn như trong các loại đai khác.
F 0 : lực căng ban đầu(N) q m = 0,004: khối lƣợng 1m đai có chiều rộng 1mm (kg/m, mm) v=0,424: vận tốc vòng (m/s) b: chiều rộng đai răng (mm) với môdun m= 3
Lực tác dụng lên trục (khi vận tốc không lớn v < 20m/s) đƣợc tính theo công thức:
Thông số Ký hiệu Giá trị
Chiều dài đai lđ 16 mm
Số răng bánh răng chủ động Z1 40 răng
Số răng bánh răng bị động Z2 40 răng
Bề rộng bánh răng B = b + m 19 mm Đường kính đỉnh răng d a1 = d a2 32,4 mm
Bảng 3.6.Thông số bộ truyền đai răng 190XL [18]
Thông số Ký hiệu Giá trị Đường kính đáy răng d f1 = d f2 30,96 mm Đường kính vòng chia d 1 = d 2 30,96 mm Đường kính trục Puly d t 10 mm
Lực tác dụng lên trục F r 141,6÷169,22 N
Bảng 3.7.Thông số bộ truyền đai răng 190XL (tiếp theo) [18]
Pin
Để lựa chọn bộ lưu trữ nguồn năng lượng cho xe AGV hiệu quả, cần tính toán phù hợp với trang thiết bị trên xe và thời gian lao động của công nhân Yếu tố thời gian làm việc của công nhân là điều quan trọng nhất trong việc chọn pin, nhằm tối ưu hóa hiệu quả kinh tế.
Các bước và công thức tính dung lượng pin:
Bước 1: Tính tổng công suất tiêu thụ của các thiết bị có trên xe AGV
Tên thiết bị Công suất tiêu thụ Tên thiết bị Công suất tiêu thụ Động cơ 60 W Bluetooth
Cảm biến siêu âm 0,01 W Đèn led cảnh báo 0,01 W
Bảng 3.8.Tổng công suất trên xe AGV
Để tính công suất bộ lưu điện, cần lưu ý rằng đối với các thiết bị điện tử có dòng khởi động nhỏ, công suất của bộ lưu điện nên lớn hơn 1,5 lần tổng công suất tiêu thụ thực tế.
Công suất bộ lưu điện = Tổng công suất tiêu thụ * 1,5
Bước 3: Xác định thời gian sử dụng của xe AGV, nhóm tác giả chọn dung lƣợng pin đủ để cấp nguồn cho xe AGV trong khoảng 6 – 8 giờ
Bước 4: Áp dụng công thức để tính toán
Trong đó: AH: dung lƣợng của pin (Ah)
T = 6: Thời gian sử dụng xe AGV (h)
W = 130: Tổng công suất tiêu thụ của thiết bị bên trong xe AGV (W)
V = 24V: Hiệu điện thế của pin (V)
𝑃𝑓 = 0,7: Hệ số năng suất của pin (thường là 0,6 đến 1)
Để đảm bảo AGV hoạt động liên tục trong 8 giờ, cần một nguồn cung cấp dung lượng 61900 mAh Nhóm tác giả đã chọn pin Lithium sắt photphat Lifepo4 24V 50Ah với các thông số kỹ thuật phù hợp.
Thông số kỹ thuật Đơn vị Điện áp định mức 24 Volt
Phạm vi nhiệt độ hoạt động -20 – 60 oC Điện áp cuối xả 20 – 22,4 Volt Điện áp làm việc 20 – 28,8 Volt
Bảng 3.9.Thông số kỹ thuật của pin Lifepo4 24V 50Ah [19]
Thiết kế trục dẫn
Tính đường kính sơ bộ hai trục cho hai bánh trên AGV d 1 =d 2 √ (3.22)
N (3.23) Với D : đường kính bánh xe (mm)
𝑇𝑙𝑣: momen làm việc của bánh xe (Nmm)
Lực tác dụng từ bộ truyền đai
Lực tác dụng lên trục: 𝐹 r = 141,6 ÷ 169,22 N = 145N
Có 2 thành phần lực: 𝐹 xđ = 𝐹 r 𝑐𝑜𝑠𝛼 = 145 𝑐𝑜𝑠10 0 = 142,79 N
39 Áp dụng tính hệ siêu tĩnh bằng phương pháp lực sử dụng hệ phương trình chính tắc : 𝛿 11 𝑋 1 + ∆ 1p = 0
“Lê Ngọc Hồng (2006), “Sức bền vật liệu”, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật Hà Nội, 2006.”
Thu đƣợc các phản lực liên kết trên trục nhƣ sau:
Bảng 3.10.Lực tác dụng lên trục dẫn bánh xe
Mômen uốn tại vị trí bánh đai : M Fxd = M Fyd = 0 Nm
Mômen uốn tại vị trí gối đỡ 1: M Bx = 4,998 Nm = 4997,65 Nmm
M By = 0,881 Nm = 881,30 Nmm Mômen uốn tại vị trí gối đỡ 2: M Cx = 0,865 Nm = 865,48 Nmm
M Cy = 1,205 Nm = 1205,19 Nmm Mômen uốn tại vị trí bánh xe : M fr1 = 1,210 Nm = 1210,52 Nmm
M ft1 = 2,925 Nm = 2925,17 Nmm Mômen xoắn trên trục: T b = T c = 3,5 Nm = 3500 Nmm
Xác định đường kính trục:
Xét theo phương xOz Xét theo phương yOz
Tại vị trí bánh xe :
Tính toán lựa chọn ổ lăn
- Lực hướng tâm tại gối đỡ 1:
Lực hướng tâm tại gối đỡ 2:
Khi lựa chọn ổ bi đỡ, cần đảm bảo chúng có khả năng chịu được lực hướng tâm và lực dọc trục tác dụng trên trục ở mức không lớn Đồng thời, ổ bi phải hoạt động hiệu quả ở số vòng quay cao và có giá thành hợp lý Do đó, nhóm đã quyết định chọn ổ bi đỡ một dãy.
+ Thời gian làm việc của ổ (tính bằng triệu vòng quay)
𝑛 = 1 𝑛ă𝑚 300 𝑛𝑔à𝑦 2 𝑐𝑎 6 𝑔𝑖ờ = 3600 (𝑔𝑖ờ) n = 45: số vòng quay của trục (vòng/phút
+ Tải trọng qui ƣớc đƣợc xác định theo công thức:
K đ : Hệ số kể đến đặc tính của tải trọng, Tra Bảng 11.3 tài liệu “Trịnh Chất –
Lê Văn Uyển (2006), “Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1”, Nhà xuất bản giáo dục Việt Nam.” với tải trọng va đập nhẹ , chọn K đ = 1,1
Kt.: Hệ số kể đến ảnh hướng của nhiệt độ, chọn K t = 1
V : hệ số kể đến vòng nào quay Vòng trong của ổ quay V = 1
Fr = 0,086 kN : lực hướng tâm tại gối đỡ B – C
Tra Bảng 11.4 tài liệu “Trịnh Chất – Lê Văn Uyển (2006), “Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1” chọn X = 1, Y = 0
+ Khả năng tải động của ổ :
- Trong đó: m = 3 ứng với ổ bi
Vậy khả năng tải động của ổ đã đƣợc đảm bảo
- Lựa chọn gá đỡ Để giữ cố định ổ bi trên khung xe AGV nhóm lựa chọn gá đỡ ổ với thông số sau:[19]
Kích thước (mm) Bu lông
Bảng 3.11.Kích thước gá đỡ ổ bi
Hình 3.3.Thông số kích thước gá đỡ ổ lăn
Hình 3.4.Khung xe AGV và khung nâng
Thiết kế khung xe AGV
Cơ sở thiết kế khung
Sau khi hoàn tất việc tính toán cho động cơ và bộ truyền dẫn động, nhóm đã tiến hành tính toán sơ khởi về khung gầm của AGV nhằm đảm bảo AGV hoạt động bền bỉ, cân đối và có mẫu mã đẹp Dựa trên các kích thước đã xác định cho các thiết bị bên trong, nhóm đã xác định bề rộng của AGV Với chiều dài của động cơ planet 24V 60W 45 vòng/phút là 188 mm, hai động cơ được sắp xếp thẳng hàng, do đó kích thước tối thiểu cần thiết cho AGV là 376 mm, từ đó suy ra chiều rộng nhỏ nhất cần thiết kế chế tạo cho AGV là 376 mm.
Chiều dài của AGV được thiết kế dựa trên khoảng cách từ trục động cơ đến trục bánh xe là 139.7 mm và bán kính của hai bánh xe động cơ sau là 90 mm, dẫn đến tổng chiều dài bán kính xe và khoảng cách trục là 229.7 mm Để cân bằng lực trên AGV, cần lắp đặt bánh xe trước đối xứng với hai bánh phía sau, do đó chiều dài tối thiểu mà AGV cần có là 460 mm.
Chiều cao của xe AGV được xác định dựa trên chiều dài xi lanh điện, với chiều cao tối thiểu là 250 mm Để đảm bảo tính năng hoạt động hiệu quả, khối lượng khung xe cũng cần phù hợp với công suất của động cơ đã chọn, được ước tính dựa trên khả năng tải của động cơ và các thiết bị đo trên xe AGV.
Hình 3.5.Lớp vỏ bên ngoài xe AGV
M khung = mtảicủadộngcơ– m pin – m xilanh – mthiếtbịkhác – m hàng hóa
Khối lượng động cơ là 52,6 kg, trong đó khối lượng của mỗi xi lanh khoảng 2 kg, tổng khối lượng của hai xi lanh là 4 kg Pin có khối lượng 11,8 kg, trong khi các thiết bị và linh kiện mạch điện khác có tổng khối lượng khoảng 1 kg Khối lượng hàng hóa yêu cầu được tính bằng phần trăm kg.
Hình 3.7.Kích thước của khung xe AGV
Thử nghiệm xác nhận
Điều kiện biên
Điều kiện làm việc trong phân xưởng sản xuất, nhà kho
Khoảng cách giữa các đường line là 0,8 – 1,2m
Tải trọng tác động lên khung là 250N – 500N (bao gồm cả lực quán tính sinh ra khi xe vận chuyển hàng)
Khối lƣợng của khung là 4 – 8 kg
Hình 3.6.Khối lƣợng của khung AGV
Chương bốn tổng kết quá trình thiết kế hệ thống truyền động cho xe AGV, bao gồm việc tính toán và lựa chọn các thành phần như xi lanh, động cơ, bộ truyền đai răng, dung lượng pin, thiết kế trục dẫn bánh xe và ổ lăn Các kích thước khung cũng được lựa chọn phù hợp với tải trọng ban đầu, đảm bảo an toàn trước lực quán tính trong quá trình di chuyển Tiếp theo, chương sau sẽ trình bày thiết kế hệ thống điều khiển trung tâm.
Hình 3.8.Biểu đồ thể hiện ứng suất của khung xe AGV
Hình 4.1.Sơ đồ mô tả hoạt động của AGV
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO XE TỰ HÀNH AGV 47 4.1 Mô tả quy trình hoạt động của AGV
Mô tả quy trình hoạt động của AGV
Sau khi hàng thành phẩm được đóng gói, nhân viên sẽ thông báo để AGV tự động xuất phát từ trạm sạc Xe di chuyển đến khu vực kệ trống để lấy kệ, sau đó tiến đến vị trí hàng cần vận chuyển AGV sẽ vận chuyển kệ hàng thành phẩm về vị trí lưu trữ Tại đây, xe tạm dừng chờ tín hiệu lấy hàng tiếp theo Khi pin sắp hết hoặc kết thúc ca làm việc, AGV sẽ tự động quay về trạm sạc.
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của hệ thống
- Khối nguồn: Sử dụng pin sạc 24V cung cấp cho động cơ, vi điều khiển, cảm biến, đèn,… các thiết bị linh kiện khác
Hình 4.2.Sơ đồ nguyên lý hoạt động của AG
Hình 4.3.Hệ thống điều khiển động cơ
- Khối cảm biến: Bao gồm cảm biến hồng ngoại giúp nhận biết line di chuyển
- Khối xử lý trung tâm: Mạch arduino mega 2560, module xử lý pin 132
- Khối động cơ: Gồm 2 drive điều khiển 2 động cơ DC Encoder (Planet 24V 60W), 2 xi lanh điện Movis A dùng để nâng hàng
- Khối hiển thị: Màn hình LCD 16x2, màn hình cảm ứng HMI - Khối cảnh báo: đèn báo
- Khối giao tiếp: Bluetooth HC06
Khối động cơ
Hình 4.4.Sơ đồ giải thuật điều khiển động cơ bám line của AGV
4.2.1 Hệ thống điều khiển động cơ bám line di chuyển
Khi xe hoạt động, cảm biến hồng ngoại thu thập thông tin và chuyển đổi qua bộ ADC thành tín hiệu điện gửi về vi điều khiển Giá trị nhận được sẽ được so sánh với giá trị ngưỡng đã đặt Nếu giá trị ADC[i] nhỏ hơn ngưỡng, LED thu tín hiệu thứ i sẽ nằm ngoài line, ngược lại, nó sẽ nằm trong line di chuyển Mạch cảm biến sử dụng 5 LED thu phát tương ứng với 5 giá trị ADC gửi về vi điều khiển Dựa trên 5 giá trị ADC này, hệ thống xác định độ lệch tương đối giữa quỹ đạo của AGV và quỹ đạo mong muốn, sau đó phân loại độ lệch thành các mức khác nhau.
Hình 4.5.Các mức lệch quỹ đạo của AGV theo cảm biến dồ đường
Hình 4.6.Lưu đồ thuật toán dò line của cảm biến
Để đưa AGV về đúng quỹ đạo, chúng ta điều chỉnh tốc độ hai bánh xe bên trái và phải dựa trên các mức lệch Cụ thể, khi rẽ trái, bánh xe bên phải cần nhanh hơn bánh xe bên trái theo giá trị lệch tương ứng, và ngược lại khi rẽ phải Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là phụ thuộc vào động cơ và cấu trúc cơ khí của AGV, do đó, nhóm tác giả đã áp dụng bộ điều khiển PID để kiểm soát vị trí của AGV hiệu quả hơn.
4.2.2 Lưu đồ thuật toán xử lý khi gặp lỗi mất line
Trong quá trình di chuyển của AGV bám line, có thể xảy ra một số vấn đề như line bị đứt hoặc lệch khỏi đường đi Để xử lý lỗi mất line, cần áp dụng hàm xử lý lỗi phù hợp nhằm đảm bảo AGV hoạt động liên tục và hiệu quả.
Hình 4.7.Lưu đồ thuật toán xử lý khi gặp lỗi mất line
Để AGV hoạt động linh hoạt, nhóm thiết kế đã tích hợp chế độ điều khiển bằng tay bên cạnh chế độ tự động di chuyển bám line Hai chế độ điều khiển này mang lại sự đa dạng trong cách sử dụng AGV.
Hình 4.8 minh họa lưu đồ thuật toán cho phép chuyển đổi nhanh chóng từ chế độ thủ công sang chế độ tự động thông qua nút nhấn, mang lại sự thuận tiện tối đa cho người sử dụng.
Hình 5.1.Quá trình gia công khung sườn xe