NGHIÊN cứu, THIẾT kế ROBOT SR TRONG hệ THỐNG KHO HÀNG tự ĐỘNG ASRS PHỤC vụ dây CHUYỀN lắp ráp ô tô tại VIỆT NAM

Lời mở đầu Hệ thống kho hàng tự động hóa AS/RS Automatic Storage and Retrieval System được sử dụng từ năm 1960 và qua nhiều năm ứng dụng hệ thống này đã trở thành một bộ phận quan trọng

NGUYỄN THIỆN TOÀN

NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ ROBOT S/R TRONG

HỆ THỐNG KHO HÀNG TỰ ĐỘNG AS/RS PHỤC VỤ DÂY CHUYỀN LẮP RÁP Ô TÔ TẠI VIỆT NAM

Chuyên ngành: Công Nghệ Chế Tạo Máy

Mã số: 09040383

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2011

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA…………

Họ tên học viên: MSHV:

Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh:

Chuyên ngành: Mã số :

I TÊN ĐỀ TÀI:

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài)

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):

Tp HCM, ngày tháng năm 20

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA….………

(Họ tên và chữ ký)

Ghi chú: Học viên phải đóng tờ nhiệm vụ này vào trang đầu tiên của tập thuyết

minh LV

trình cao học và giúp đỡ kinh nghiệm cho luận văn hoàn thành đƣợc thuận lợi

Cảm ơn các anh trên Phòng Cơ Khí Chính Xác - Trung tâm Nghiên cứu & Triển Khai, Khu Công Nghệ Cao, Quận 9 và các anh trên Công Ty Vikyno đã hổ trợ nhiệt tình trong quá trình chế tạo, lắp ráp, thử nghiệm robot

Cảm ơn gia đình và bạn bè đã ủng hộ tôi thực hiện luận văn này

design process which can be reduced can be more suitable with different customers This optimization and simulation can help the S/R robot to be better, cheaper, improved competitiveness, as well as quickly change technology

TÓM TẮT

Bài báo này để cập đến việc tối ưu hóa và áp dụng những phương pháp tiên tiến để mô hình hóa và mô phỏng robot S/R trong hệ thống AS/RS Từ đó có thể rút nắng quá trình thiết kế để phù hợp với từng khách hàng khách nhau Việc tối ưu hóa

và mô phỏng này có thể giúp sản phẩm robot S/R tốt hơn, rẻ hơn, tăng khả năng cạnh tranh với các đối thủ, cũng như là khả năng thay đổi công nghệ nhanh chóng

nghiên cứu khảo sát tình hình thực tiễn và dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Dương Minh Tâm

Các số liệu, mô hình toán và những kết quả trong luận văn là trung thực, các phương pháp đưa ra xuất phát từ thực tiễn và kinh nghiệm, chưa từng được

công bố dưới bất cứ hình thức nào trước khi trình, bảo vệ và công nhận bởi “Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ Công Nghệ Chế Tạo Máy”

Một lần nữa, tôi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam kết trên

Mục lục

Bảng các chữ viết tắt 11

Danh sách các sơ đồ, hình ảnh 12

Danh sách các bảng 14

Lời mở đầu 15

Chương 1 Tổng quan về hệ thống kho hàng tự động AS/RS phục vụ dây chuyền lắp ráp ôtô 16

1.1 Ngoài nước 16

1.1.1 Vai trò của hệ thống tự động hóa lưu kho và cấp phát vật tư phục vụ cho dây chuyền lắp ráp thiết bị công nghiệp 16

1.1.2 Phạm vi ứng dụng AS/RS 16

1.1.3 Khái niệm về hệ thống AS/RS 18

1.1.4 Các thành phần cơ bản và phân loại hệ thống AS/RS 19

1.1.4.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống AS/RS 19

1.1.4.2 Phân loại hệ thống AS/RS 23

1.1.5 Tình hình nghiên cứu và phát triển hệ thống AS/RS ở nước ngoài 25

1.2 Trong nước 27

1.2.1 Tình hình sử dụng hệ thống AS/RS trong nước: 27

1.2.2 Tình hình nghiên cứu về hệ thống AS/RS trong nước 29

1.3 Giới thiệu về robot S/R (Storage / Retrieval) 29

1.3.1 Tổng quan về robot S/R (Storage / Retrieval) 29

1.3.1.1 Phân loại robot S/R theo tải 31

1.3.1.2 Phân loại theo hệ thống điều khiển 32

1.3.1.3 Các nguyên lý truyền động của robot S/R 32

1.3.2 Yêu cầu kỹ thuật thiết kế Robot S/R 33

1.3.3 Các cụm cơ bản của robot S/R 33

1.3.3.1 Cụm chuyển động nâng hạ 33

1.3.3.2 Cụm chuyển động chạy dọc 34

1.3.3.3 Cụm chuyển động vào ra 35

Chương 2 Thiết kế robot S/R trong hệ thống kho hàng tự động AS/RS phục vụ dây chuyền lắp ráp ôtô tại Việt Nam 38

2.1 Nguyên lý truyền động và nguyên lý điều khiển của robot S/R 38

2.1.1 Phân tích ưu nhược điểm thiết kế các bộ truyền động 38

2.1.1.1 Truyền động xích 38

2.1.1.2 Truyền động bánh răng – thanh răng 38

2.1.1.3 Truyền động cáp 39

2.1.2 Phân tích nguyên lý điều khiển robot S/R 39

2.2 So sánh và đánh giá các ý tưởng cho thiết kế mô đun Robot S/R: 40

2.2.1 Chọn phương án thiết kế 41

2.2.2 Thiết kế cấu trúc sơ bộ 42

2.3 Thiết kế, tính toán cụm truyền động nâng 44

2.3.1 Phân tích thiết kế cụm truyền động nâng của robot S/R 44

2.3.2 Yêu cầu kỹ thuật đối với cụm truyền động nâng của robot S/R 45

2.3.3 Phân tích cấu trúc sơ bộ cụm truyền động nâng hạ của robot S/R 45

2.3.4 Thiết kế cụm truyền động nâng hạ 47

2.3.4.1 Sơ đồ động học 47

2.3.4.2 Thiết kế cơ khí cụm truyền động 50

2.3.4.3 Tính toán kết cấu 50

2.4 Thiết kế, tính toán cụm truyền động dọc 58

2.4.1 Phân tích chọn thiết kế 58

2.4.2 Yêu cầu kỹ thuật của đề tài đối với cụm truyền động dọc 58

2.4.3 Phân tích cấu trúc sơ bộ cụm truyền dọc của robot S/R 59

2.4.4 Thiết kế cụm chuyển động chạy dọc 60

2.4.4.1 Sơ đồ động học 60

2.4.4.2 Thiết kế cơ khí cụm truyền động dọc 60

2.4.4.3 Tính toán kết cấu 62

2.6 Thiết kế, tính toán cụm truyền động vào/ra 65

2.5.1 Phân tích chọn thiết kế 65

2.5.2 Thiết kế kết cấu cơ khí 66

2.5.2.1 Thiết kế môđun lưu trữ 66

2.5.2.2 Nguyên lý hoạt động của cơ cấu vào ra 69

2.5.2.3 Thiết kế cơ cấu cụm vào/ra của robot S/R 72

2.7 Tối ưu hóa hành trình chuyển động của robot S/R 76

Chương 3 Mô hình hóa, mô phỏng hoạt động và mô phỏng lắp ráp robot S/R trong hệ thống 84

3.1 Mô hình hóa robot S/R bằng phần mềm Autodesk Inventor 84

3.1.1 Giới thiệu phần mềm Autodesk Inventor 84

3.1.2 Mô hình hóa robot S/R 84

3.1.2.1 Mô hình hóa cụm chạy doc 86

3.1.2.2 Mô hình hóa cụm nâng hạ 87

3.1.2.3 Mô hình hóa cụm vào/ra 88

3.2 Mô phỏng hoạt động robot S/R 88

3.2.1 Giới thiệu môi trường Inventor Studio 89

3.2.2 Các nhóm lệnh cơ bản 89

3.2.3 Các bước thực hiện mô phỏng 90

3.3 Mô phỏng lắp ráp robot S/R 93

3.3.1 Giới thiệu môi trường Inventor Presentation 93

3.3.2 Mô phỏng lắp ráp robot S/R 94

Kết luận 97

Kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo 98

Danh mục công trình công bố của tác giả 99

Tài liệu tham khảo 100

Bảng các chữ viết tắt

1 Automatic Storage and Retrieval System – Hệ thống

6 Pick and Deposit System – Hệ thống thu nhận và phần

phối

PDS

8 Robotic Transfer Vehicle – Robot tự hành RTV

10 Vertical Lift Storage Môđuns – Module trữ hàng với

13 Quyết Định – Bộ Khoa Học Công Nghệ & Môi

Danh sách các sơ đồ, hình ảnh

Hình 1.1 Mô hình một hệ thống AS/RS 17

Hình 1.2: Một hệ thống AS/RS 19

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống lưu trữ AS/RS 20

Hình 1.4 Thiết bị lưu xuất kho 21

Hình 1.5 Tấm sàn (hình trái) và khay nhựa (hình phải) 21

Hình 1.6 Trạm thu nhận và phân loại lưu trữ 22

Hình 1.7 Xe chuyển vận tự hành AGV của Công ty Hyundai 22

Hình 1.8 Hệ thống AS/RS Unit Load 23

Hình 1.9 Hệ thống chứa hàng AS/RS DeepLane 24

Hình 1.10 Hệ thống AS/RS MiniLoad 24

Hình 1.11 Robot vận chuyển hàng hóa có kích thước hộp đồng đều 30

Hình 1.12 Robot vận chuyển hàng hóa có kích thước đồng đều 30

Hình 1.13 Robot vận chuyển hàng hóa có kích thước khác nhau 31

Hình 1.14 Robot S/R loại tải lớn Hình 1.15 Robot S/R tải trung 31

Hình 1.16 Robot S/R tải nhỏ 32

Hình 1.17 Cụm nâng hạ robot S/R 34

Hình 1.18 Robot S/R Miniload 34

Hình 1.19 Cụm chạy dọc robot S/R 35

Hình 1.20 Cụm chuyển động vào / ra 36

Hình 1.21 Cụm chuyển động vào/ra vít me – đai ốc bi 36

Hình 1.22 Cụm chuyển động vào/ra dạng cánh tay máy 37

Hình 2.1 Cấu trúc tổng quát robot S/R 43

Hình 2.2 Cụm nâng hạ robot S/R 44

Hình 2.3 Cụm nâng hạ khay để pallet 44

Hình 2.4 Sơ đồ động cụm nâng robot S/R 48

Hình 2.5 Cơ cấu truyền động nâng hạ 49

Hình 2.6 Bản vẽ lắp tổng thể cụm nâng/hạ của robot S/R 50

Hình 2.7 Tính bền trụ đở cụm nâng hạ của robot S/R 53

Hình 2.8 Cơ cấu truyền động dọc của robot S/R 59

Hình 2.9 Sơ đồ động cụm chạy dọc của robot S/R 60

Hình 2.10 Kết cấu cụm dẫn hướng dọc phía trên 61

Hình 2.11 Cụm truyền động dọc bên dưới 62

Hình 2.12 Cơ cấu vào ra của robot S/R 65

Hình 2.13 Cơ cấu vào ra dạng khay 65

Hình 2.14 Cơ cấu vào ra dạng cánh tay robot 66

Hình 2.15 Môđun lưu trữ hình hộp dạng ma sát trượt 67

Hình 2.16 Cụm nâng hạ và cụ thm vào ra dùng cho môđun lưu trữ dạng ma sát trượt 68

Hình 2.17 Kết cấu môđun lưu trữ 69

Hình 2.18 Sơ đồ hoạt động cơ cấu cất / lấy hàng 70

Hình 2.19 Tính hành trình cơ cấu vào/ra 71

Hình 2.20 Sơ đồ truyền động của cơ cấu cất / lấy hàng 72

Hình 2.21 Hoạt động trong tầm với của cánh tay móc vào/ra 74

Hình 2.22 Sơ đồ bố trí cảm biến điều khiển tay móc vào/ra 74

Hình 2.23 Sơ đồ bố trí cảm biến điều khiển tay móc vào/ra 76

Hình 2.24 Mô hình quỹ đạo di chuyển giả định của robot S/R trong trường hợp mệnh lệnh chu trình đơn (a), mệnh lệnh chu trình kép (b) và mệnh lệnh chu trình kép tối ưu (c) 78

Hình 2.25 Sơ đồ tính giá trị theo cột và hàng của ô kệ 80

Hình 2.26 Bảng vị trí của các ô kệ từ 001÷480 81

Hình 2.27 Sơ đồ tính toán tối ưu hóa hành trình robot S/R 82

Hình 3.1 Các lệnh chức năng trong môi trường chi tiết (Part Environment) 85 Hình 3 2 Các lệnh chức năng trong môi trường lắp ráp (Assembly Environment) 85 Hình 3.3 Cụm chạy dọc được mô hình hóa trên Inventor 86 Hình 3.4 Cụm nâng hạ robot S/R được mô hình hóa trên Inventor 87

Hình 3.5 Các chức năng trong môi trường mô phỏng Inventor Studio 89Hình 3.6 File lắp ráp robot S/R đã ràng buộc các rằng buộc phương Y,Z và ràng

Hình 3.9 Lập trình code cho phần mềm mô phỏng robot S/R 92Hình 3.10 Các chức năng trong môi trường Presentation 93Hình 3.11 Robot S/R hoàn chỉnh trong môi trường Presentation 94

Hình 3.13 Quản lý các chuyển động, mô phỏng, tạo phim bằng ch ức năng Animate

95

Danh sách các bảng

Bảng 2.1 So sánh các đặc tính của bộ truyền 40

Lời mở đầu

Hệ thống kho hàng tự động hóa AS/RS (Automatic Storage and Retrieval System) được sử dụng từ năm 1960 và qua nhiều năm ứng dụng hệ thống này đã trở thành một bộ phận quan trọng trong tổ chức sản xuất với quy mô lớn nhỏ khác nhau

ở nhiều lĩnh vực khác nhau:

+ Ở nhiều nhà máy công nghiệp cần thay đổi hệ thống kho tàng cho theo kịp đồng bộ với sự đổi mới có nhiều tiến bộ kỹ thuật hiện đại, nhất là cung ứng vật tư, cụm chi tiết chcác dây chuyền lắp ráp tự động

+ Ở các khu vực bốc xếp hàng hoá như các kho cảng, sân bay

+ Ở các siêu thị lớn, bưu điện chuyển phát nhanh, ngân hàng, thư viện lớn, các bãi đỗ xe ô tô v.v

Theo dự báo của các chuyên gia công nghiệp thì hệ thống AS/RS đang trở thành một bộ phận có vai trò ngày càng lớn, ảnh hưởng lớn đến năng suất, chất lượng của các dây chuyền lắp ráp hiện đại và cung ứng dịch vụ

Hệ thống AS/RS với chức năng là kho lưu trữ và cấp phát vật tư, kiện hàng,… phục vụ cho các ngành cảng vụ, kho chứa hàng (siêu thị), kho lưu trữ tư liệu (thư viện, trung tâm tư liệu địa chính, ngân hàng), chuyển phát nhanh, các nhà máy sản phẩm thực phẩm, công nghiệp nhẹ, bãi đỗ ôtô ngầm dưới đất…hiện nay được nhiều doanh nghiệp trong nước quan tâm tìm hiểu đầu tư Nhưng với chi phí mua sắm các

hệ thống cồng kềnh này từ nước ngoài quá cao khiến hiệu quả đầu tư sẽ không đạt, nên hệ thống AS/RS chưa phổ biến nhiều ở nước ta, chưa đáp ứng kịp thời cho phát triển các ngành công nghiêp, dịch vụ

Chương 1 Tổng quan về hệ thống kho hàng tự động AS/RS phục vụ dây chuyền

lắp ráp ôtô

1.1 Ngoài nước

1.1.1 Vai trò của hệ thống tự động hóa lưu kho và cấp phát vật tư phục vụ

cho dây chuyền lắp ráp thiết bị công nghiệp

Theo khảo sát được thực hiện năm 2008 của đại học RSM Eramus University [11] và các nghiên cứu về hướng phát triển tự động hóa của các tổ chức hiệp hội chế tạo máy, trường, viện ở các nước tiên tiến đều nhấn mạnh tầm quan trọng hàng đầu, ngày càng tăng của hệ thống tự động hóa lưu kho và cấp phát vật tư (Automatic Storage and Retrieval System – AS/RS) trong thiết kế dây chuyền lắp ráp thiết bị công nghiệp hiện đại theo hệ thống sản xuất linh hoạt (FMS) và sản xuất tích hợp (CIM) Tầm quan trọng thứ hai của việc sử dụng hệ thống AS/RS là tăng tính cạnh tranh của dịch vụ cung ứng khách hàng trong nhiều lĩnh vực kinh tế quan trọng Tóm lại, hệ thống AS/RS là thành phần không thể thiếu trong các hệ thống sản xuất

tự động hiện đại 1 – 2

1.1.2 Phạm vi ứng dụng AS/RS

Hệ thống lưu kho và cấp phát vật tư được nhiều ngành, lĩnh vực kinh tế khác đặt hàng trang bị để nâng cao năng suất phục vụ, giảm giá thành, giảm diện tích lưu kho và độ chính xác cho giao nhận sản phẩm, như các ngành: siêu thị; bốc xếp hàng hóa; container tại các kho cảng; chuyển phát nhanh bưu kiện; các nhà máy sản xuất dược phẩm; hóa chất tinh vi; phức hợp…

Gần đây trong các thư viện lớn, thư viện điện tử hiện đại tại các trường đại học, viện nghiên cứu, văn phòng quốc hội, các bộ chuyên ngành đã bắt đầu lắp đặt

hệ thống AS/RS để xuất/nhập tư liệu, sách báo phục vụ số lượng đối tượng sử dụng rất lớn, với tốc độ nhanh chóng, chính xác (một số thư viện đã dùng hệ thống

Các nghiên cứu thiết kế hệ thống AS/RS của các viện, trường, công ty cho nhiều lĩnh vực, nhưng các tác giả tập trung phạm vi ứng dụng AS/RS gồm:

- Hệ thống AS/RS là một thành phần quan trọng trong dây chuyền lắp ráp thiết bị công nghệ, ứng dụng sản xuất linh hoạt (FMS), CIM như trong dây chuyền lắp ráp thiết bị cụm linh kiện, lắp ráp ô tô theo công nghệ môđun, sản phẩm công nghệ cao thiết bị văn phòng…

- Hệ thống AS/RS với vai trò là kho lưu trữ và cấp phát vật tư, kiện hàng,… phục vụ cho các ngành cảng vụ, kho chứa hàng (siêu thị), kho lưu trữ tư

liệu (thư viện, trung tâm tư liệu địa chính, ngân hàng), chuyển phát nhanh, các nhà

máy sản phẩm thực phẩm, công nghiệp nhẹ…

lượng của các dây chuyền lắp ráp hiện đại trong toàn bộ các nhà máy sản xuất linh hoạt theo đơn đặt hàng đa dạng của thị trường toàn cầu hóa

1.1.3 Khái niệm về hệ thống AS/RS

Khái niệm về hệ thống AS/RS: được thay đổi theo theo từng thời kỳ phát triển của hệ thống tự động hóa sản xuất

- Vào thời kỳ sơ khai (1950-1980): “Hệ thống AS/RS là sự gắn kết hoạt động các trang thiết bị và bộ phận kiểm soát dùng cho bốc xếp, lưu trữ và xuất kho các vật tư, linh kiện với độ chính xác vận hành, tốc độ xử lý cao trong giới hạn của cấp

độ tự động hóa được áp dụng” 2

- Từ sau năm 1980 đến nay, thời kỳ phát triển mạnh của tự động hóa: “Hệ thống AS/RS là một trang thiết bị (device) tự động nhận dòng chuyển đến của các vật tư, linh kiện với kích cỡ thường là đồng nhất không cao; phân loại lại, lưu trữ tạm thời; sau đó theo các điều kiện và lệnh tương ứng, cho ra các điểm tập kết để được vận chuyển đến vị trí yêu cầu Tất cả các công đoạn của trang thiết bị được thực hiện với mức độ tự động hóa cao, loại bỏ việc cần có nhân lực điều khiển các công đoạn này” [1], 2, [12]

Như vậy, từ nhận thức hệ thống AS/RS chỉ là kết hợp cơ giới hóa và điều khiển tự động ở một số công đoạn của quy trình nhập/xuất kho vật tư linh kiện, hệ thống AS/RS nay thiết kế theo quan niệm hiện đại của tự động hóa sản xuất thì hệ thống AS/RS là một trang thiết bị tự động hóa cao độ và giữ vai trò ổ chứa đệm (buffer) và phân phối dòng sản xuất thông minh nhằm đồng bộ hóa cao các bước sản xuất linh hoạt

Hình 1.2: Một hệ thống AS/RS

1.1.4 Các thành phần cơ bản và phân loại hệ thống AS/RS

1.1.4.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống AS/RS

Theo các tài liệu tham khảo khác nhau [1 – 6], [24 – 26] hệ thống AS/RS gồm

5 thành phần cơ bản của AS/RS sau đây:

1 Bộ phận lưu trữ (Storage Structure): thường là các dãy khung kệ với các ô

chứa theo kích thước quy định của các chủng loại vật tư, linh kiện Hiện nay, các khung kệ từ dạng nhỏ đến dạng chứa hàng kích thước lớn đều cấu tạo bởi các thanh dầm thép chịu lực với kết cấu tối ưu hóa

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống lưu trữ AS/RS

2 Thiết bị lưu kho/xuất kho (S/R robot): chuyển vật tư, linh kiện từ trạm

nhận đến ô chứa và tìm xuất các kiện này từ ô chứa đến vị trí trạm xuất Thiết bị S/R robot được tập trung thiết kế theo hướng là một robot với mức độ xử lý linh hoạt và động tác phức tạp theo yêu cầu ngày càng cao

3 Môđun lưu trữ (Storage môđuns): thông thường ở dạng tấm sàn (pallets),

hộp chứa, container, khay nhựa,… để môđun hóa việc vận chuyển, sắp xếp kiện hàng vào ô chứa quy định

Hình 1.5 Tấm sàn (hình trái) và khay nhựa (hình phải)

4 Trạm thu nhận và phân loại lưu/xuất (Pick and Deposit Station - PDS):

trạm được bố trí thường ở vị trí đầu cuối hành lang giữa các dãy khung kệ chứa để

Hình 1.4 Thiết bị lưu xuất kho

chuyển kiện hàng vào thiết bị lưu/xuất kho hoặc đón kiện hàng từ kho lưu trữ để chuyển qua thiết bị vận chuyển ngoài Còn gọi là trạm giao tiếp vào/ra (I/O points – input/output point)

Hình 1.6 Trạm thu nhận và phân loại lưu trữ

5 Hệ thống bốc xếp vận chuyển vòng ngoài (External Handling System):

vận chuyển các kiện hàng đến kho chứa AS/RS và bốc hàng xuất đi, các dạng

thường dùng: băng chuyền, robot tự hành (RTV – Robotic Transfer Vehicle), xe tự

hành (AGV- Automated Guided Vehicle)

Hình 1.7 Xe chuyển vận tự hành AGV của Công ty Hyundai

1.1.4.2 Phân loại hệ thống AS/RS

Hệ thống AS/RS được phân loại chủ yếu theo công nghệ vận hành và đối

tượng xử lý [1], [2], [10 – 12], [24 – 28]

1 Hệ thống AS/RS tải đồng nhất (Unit load AS/RS): theo chuẩn quốc tế về

vận chuyển kiện hàng theo các mức: 1000kg, 2000kg và 3000kg (hoặc các cấp tải

lớn hơn như container hàng biển) Hệ thống máy tính điều khiển và thiết bị

nhập/xuất đều tính toán để vận chuyển các kiện hàng tải đồng nhất Đây là loại hệ

thống AS/RS cơ bản và điển hình nhất

Hình 1.8 Hệ thống AS/RS Unit Load

2 Hệ thống AS/RS hàng dài (Deep-lane AS/RS): dành cho lưu/xuất các

kiện hàng tải đồng nhất như loại 1 (Unit load AS/RS), nhưng số lượng kiện hàng rất lớn và dạng hàng (SKU – Stock keeping unit) khác biệt nhau rất nhỏ

Hệ thống AS/RS hàng dài được thiết kế mỗi hàng của khung kệ chứa từ 10

kiện đến 100 kiện trở lên Các khung kệ bố trí nhập hàng ở một phía và lấy hàng ra

ở phía bên kia, do việc nhập và xuất được phân ra ở hai bên khung kệ chứa nên

năng suất rất cao

Hình 1.9 Hệ thống chứa hàng AS/RS DeepLane

3 AS/RS tải mini (Mini load AS/RS): hệ thống dùng lưu và xuất các kiện

hàng trọng lượng nhỏ chỉ từ 300kg/kiện trở xuống Công nghệ lưu trữ có độ xử lý

rộng cho các dạng kiện hàng khác nhau (SKU đa dạng)

Thường các kiện hàng được nâng chuyển theo khay với kích thước dài, rộng, cao chuẩn cho từng loạt kiện hàng Dạng lưu trữ này thường bố trí trong nhà kho

kín để bảo vệ hàng và ở trạm thu nhận và xuất hàng (PDS – Pick and Deposit

Station) có công nhân phụ trách xếp đặt hàng lên vì chủng loại đa dạng, phức tạp

Sự hiện diện của con người ở vị trí này tuy giúp hệ thống linh hoạt và thích

nghi cao, nhưng các thiết kế cải tiến gần đây cố gắng sử dụng dạng robot cao cấp để thay thế

4 AS/RS có người điều hành (Man-on-board AS/RS): hệ thống lưu/xuất

kho có người điều khiển, đây là dạng thiết bị dành để nhập/xuất các kiện hàng rất cá biệt Thường là công nhân vận hành ngồi trên thiết bị nhập/xuất (xe nâng tự động)

Hệ thống loại này cho phép trực tiếp xử lý các kiện hàng mang tính đặc thù và tăng

“độ thông” của hệ thống

5 Hệ thống xuất hàng tự động (Automated Item Retrieval System): được

thiết kế cho các kiện hàng chuyên biệt hay đựng trong hộp các tông nhỏ Hàng đặt

xếp trực tiếp lên kệ không dùng khay hay tấm đỡ Khi cần xuất thì chỉ cần cơ cấu

đẩy kiện hàng từ ngăn kệ rơi qua băng chuyền đưa đến trạm xuất ở cuối dãy kệ

Việc nhập kiện hàng cũng theo định kì làm đầy thường là từ một đầu dãy kệ

đẩy tới theo cách “vào trước – ra trước” của hệ phân phối luân chuyển đều

6 Môđun trữ kiện hàng với thang máy đứng (Vertical Lift Storage

Môđuns – VLSM): cũng thường gọi là hệ thống VLSM-AS/RS[7] Hành lang vận

chuyển xuất/nhập kiện hàng thay vì nằm ngang dọc theo dãy kệ thì theo phương

thẳng đứng với chiều cao từ 10 mét trở lên Hệ thống này cung cấp vật tư lắp ráp

cho các nhà máy có nhiều tầng lầu (điện tử, vi mạch) hay các nhà chứa ôtô nhiều

tầng hoặc ngầm dưới đất…

1.1.5 Tình hình nghiên cứu và phát triển hệ thống AS/RS ở nước ngoài

Hệ thống tự động hóa lưu kho và cấp phát vật tư (AS/RS) bắt đầu được giới

thiệu từ cuối những năm 1960 và phổ biến rộng hơn vào thập niên 1970 và 1980

Công năng đầu tiên của hệ thống AS/RS chỉ là kiểm tra và bốc xếp các pallet hay

khay chứa kiện hàng, linh kiện Mục đích là giảm thiểu hư hại sản phẩm, sử dụng

tiết kiệm diện tích sàn kho chứa, kiểm tra và theo dõi hàng hóa không bị đánh cắp

hay thay đổi không được cho phép, nhất là giảm công sức lao động bốc xếp hàng,

linh kiện

Từ các năm 1990, máy tính PC thâm nhập vào sản xuất, quản lý sản xuất đã

đẩy mạnh sự xuất hiện của sản xuất linh hoạt (FMS) và CIM Trong các hệ thống

này, vai trò của AS/RS rất quan trọng, các nghiên cứu thiết kế áp dụng AS/RS vào

dây chuyền lắp ráp thiết bị cho thấy hiệu quả rất cao, phù hợp với tình hình toàn cầu hóa, phân công trong các công đoạn sản xuất sản phẩm công nghệ cao, mới Đến

đầu thế kỷ 21, AS/RS đã có các ứng dụng thành quả công nghệ thông tin như mạng

network, internet, tốc độ xử lý của PLC, khả năng lưu trữ, kỹ thuật nhận dạng,…

nên các thiết kế gần đây của AS/RS đã có thay đổi cơ bản về kiểu dáng, công nghệ

thích hợp cho nhiều ngành, lĩnh vực công nghiệp

Để đáp ứng nhu cầu rộng rãi của nhiều dạng AS/RS, trên thế giới đã có các

công ty nghiên cứu chế tạo các AS/RS chuyên dụng cho các kho cảng, kho chứa

bưu phẩm như Daifuku (Nhật); Cisco, Emtco, Dematic Corp (Mỹ), BMH (Bastian

solutions), Manufacturing Co (TQ), Nanjing Zhong yang Racking, …[7]

Hiện nay nhu cầu sử dụng AS/RS là rất lớn Nhu cầu có thể minh họa qua thị trường tiêu thụ AS/RS tại Mỹ giai đoạn 1996 – 2006

Theo báo cáo tổng quan của Roodbergen, K.J và Vis I.F.A [11], hiện nay có khoảng hơn 500 bài báo khoa học chuyên sâu về AS/RS được công bố Bài nghiên

cứu này đã thống kê và phân loại phạm vi sử dụng, đặc trưng kỹ thuật…

Nhưng chúng ta đều biết, một trong những kết quả nghiên cứu của các nhà

khoa học là những sáng chế Cho đến thời điểm hiện nay toàn thế giới có khoảng 40

sáng chế về AS/RS mà đặc biệt có nhiều sáng chế vừa được công bố trong năm

2008 Có nhiều sáng chế dày hơn 100 trang được mô tả rất kỹ lưỡng với hàng chục

hình vẽ, sơ đồ cụ thể Các sáng chế được các công ty, hãng thương mại hóa thành

những sản phẩm thương mại

Thêm vào đó, một số sản phẩm điển hình của các hãng sản xuất AS/RS được minh hoạ bằng hình ảnh thực tế

Về tính toán thiết kế hệ thống AS/RS được các giáo sư trình bày trong các

bài giảng cho sinh viên đại học và học viên cao học [24 - 28] Kiến thức về AS/RS

được trình bày trong bài giảng [24], [25] Việc tính toán thiết kế hệ thống AS/RS

được đề cập trong bài giảng [26], [27] Đặc biệt, quy trình thiết kế được trình bày

rất chi tiết trong cuốn sách của Nanua Singh [2]

Vấn đề AS/RS vẫn nóng hổi và thời sự cho nên nhiều luận án thạc sỹ, tiến sỹ [29 - 37] trên thế giới đã bảo vệ thành công trong lĩnh vực này Có nhiều luận án

mới bảo vệ từ năm 2005 đến nay, trong đó có một luận án tiến sỹ của người Việt

Nam tại Hà Lan là Lê Đức Thọ

1.2 Trong nước

1.2.1 Tình hình sử dụng hệ thống AS/RS trong nước:

Về nhu cầu phát triển nhu dây chuyền lắp ráp thiết bị, trước hết phải đề cập

đến hai quyết định của Bộ Công thương (Bộ Công nghiệp cũ) và Bộ Khoa học &

Công nghệ

+ Năm 1999, Bộ Công nghiệp đã có quyết định số 60/1999 QĐ-BCN nêu

những yêu cầu kỹ thuật đối với dây chuyền lắp ráp xe gắn máy

+ Ngày 17/04/1999 Bộ Khoa học công nghệ và Môi trường trong quyết định

số 648/1999-QĐ-BKHCN & MTcũng nêu những quy định các loại hình lắp ráp và

sản xuất xe ô tô 2 bánh

+ Ngày 27/10/2004 Bộ trưởng Bộ Công nghiệp ra quyết định số 115/2004

trong điều 4 có nêu những yêu cầu về thiết bị cần thiết tối thiểu cho dây chuyền lắp

ráp ô tô

Tình hình sử dụng các dây chuyền lắp ráp thiết bị có thể liệt kê qua những ví

dụ sau đây:

+ Từ năm 1996, nhà máy sản xuất phụ tùng và động cơ xe gắn máy của công

ty SUFAT ở Hưng Yên có nhiều dây chuyền lắp ráp động cơ công suất 250.000 /

năm và dây chuyền lắp ráp xe công suất 170.000 xe/ năm Hoặc dây chuyền lắp ráp

xe gắn máy của công ty TNHH Hùng Vương ở Hà Tây

+ Ngày 4/3/2007, công ty đóng tàu Bạch Đằng khởi công xây dựng nhà máy

lắp ráp động cơ tàu thủy Mitsubishi để lắp ráp hai loại động cơ với kinh phí khoảng

26 tỉ đồng

+ Công ty cổ phần sản xuất thiết bị Sao Việt từ năm 2000 đã đầu tư dây

chuyền lắp ráp các thiết bị chuyên dùng

+ Đặc biệt là vào ngày 18/07/2004, Tổng công ty máy động lực và máy nông

nghiệp Việt Nam (VEAM) đã bắt đầu xây dựng nhà máy ô tô hiện đại nhất Việt

Nam tại Thanh Hóa với vốn đầu tư lên đến 30 triệu USD

+ Ngoài ra, còn có thể kể đến các dự án ứng dụng công nghệ thông tin tại

CoopMart (Hệ thống siêu thị liên hiệp HTX Sài gòn) có phần sử dụng kho chứa

dạng AS/RS, các nhà máy lắp ráp động cơ như Vikyno, lắp ráp printer, thiết bị văn

phòng công nghệ cao của công ty Jabil (Khu công nghệ cao Tp.HCM), Artus (lắp

ráp bộ phận cơ điện cho Airbus, Boeing)

Tại Việt Nam từ vài năm nay do nhu cầu hiện đại hóa các lĩnh vực sản xuất, phục vụ thương mại 6, đã xuất hiện các đơn đặt hàng nghiên cứu chế tạo AS/RS ở mức độ chưa hoàn chỉnh toàn bộ hệ thống, chủ yếu đáp ứng yêu cầu cơ giới hóa Như vậy, hiện nay vấn đề nghiên cứu thiết kế AS/RS điển hình, hiện đại đang có một nhu cầu đặt hàng ngày càng tăng trong nền kinh tế phát triển nhanh của nước

ta

Với phạm vi sử dụng rộng rãi như vậy, hiện nay một số công ty như Cơ khí

Cổ Loa, Vikyno, hoặc những công ty khác trực thuộc tổng công ty Máy động lực và máy nông nghiệp, Tổng công ty Máy và thiết bị công nghiệp đã có những nhu cầu

về thiết kế và chế tạo hệ thống AS/RS

1.2.2 Tình hình nghiên cứu về hệ thống AS/RS trong nước

Ở trong nước, những kiến thức về RS/RS được GS.TS Trần Văn Địch đề cập

trong cuốn sách của mình (Hệ thống sản xuất linh hoạt FMS và hệ thống sản xuất

linh hoạt CIM) Đây là giáo trình giảng dạy cao học ngành Chế tạo máy ở trường

Đại học Bách khoa Hà Nội

Trong giáo trình tự động hóa sản xuất do Th.S Lê Trung Thực biên soạn cũng

đề cập đến hệ thống AS/RS và cũng được đưa vào giảng dạy đại học tại trường Đại

học Bách khoa – Đại học Quốc gia TP.HCM

Không dừng lại ở đó, vấn đề này cũng được giám đốc Phan Thanh Bình ký

quyết định số 76/QĐ – KHCN ngày 14/02/2008 là một trong những đề tài nghiên

cứu trọng điểm của Đại học Quốc gia TP.HCM bắt đầu từ năm 2009

1.3 Giới thiệu về robot S/R (Storage / Retrieval)

1.3.1 Tổng quan về robot S/R (Storage / Retrieval)

Robot S/R (Storage / Retrieval) là một robot trung tâm quan trọng nhất và không thiếu trong hệ thống lưu xuất kho tự động (AS/RS) Robot S/R có chức năng

và nhiệm vụ: vận chuyển vật tư, linh kiện từ trạm nhận đến chính xác các ô chứa trên các dãy kệ và tìm xuất các kiện này từ ô chứa đến vị trí trạm xuất/nhập Robot S/R có mức độ xử lý linh hoạt và thao tác phức tạp theo yêu cầu của người sử dụng

Robot S/R giúp giảm thời gian và tăng tính chính xác trong quá trình lưu xuất kho Robot S/R có thể gắng thêm một số thiết bi phụ đi kèm để tăng thêm các ứng dụng

Hiện nay trong các nhà máy, các kho hàng ngày càng có nhiều hàng hóa và chủng loại khác nhau, nên các robot S/R cũng liên tục được cải tiến nhằm đáp ứng phù hợp với yêu cầu từng loại sản phẩm

Robot S/R sắp xếp container thường được sử dụng ở các cảng

Hình 1.11 Robot vận chuyển hàng hóa có kích thước hộp đồng đều

Hình 1.12 Robot vận chuyển hàng hóa có kích thước đồng đều

Hình 1.13 Robot vận chuyển hàng hóa có kích thước khác nhau

1.3.1.1 Phân loại robot S/R theo tải

Loại lớn : tải lớn hơn 1000kg Loại trung : tải từ 300 – 1000kg

Hình 1.14 Robot S/R loại tải lớn Hình 1.15 Robot S/R tải trung

Loại nhỏ: tải nhỏ hơn 300kg

Hình 1.16 Robot S/R tải nhỏ

1.3.1.2 Phân loại theo hệ thống điều khiển

+ Programmable logic controller (PLC)

+ Microprocessor ( vi xử lý)

+ Computer

1.3.1.3 Các nguyên lý truyền động của robot S/R

Robot S/R (Storage/Retrieval) là robot có chức năng lưu trữ và xuất môđun lưu trữ Theo định hướng của đề tài là thiết kế hệ thống AS/RS phục vụ dây chuyển lắp ráp ôtô tại Việt Nam, những ý tưởng thiết kế robot sau được hình thành dựa chủ yếu vào nguyên lý truyền động của robot:

Nguyên lý truyền động của robot S/R thường dùng :

+ Robot dùng bộ truyền dây cáp

+ Robot dùng bộ truyền xích

+ Robot dùng bộ truyền bánh răng – thanh răng

1.3.2 Yêu cầu kỹ thuật thiết kế Robot S/R

Dạng

1.3.3 Các cụm cơ bản của robot S/R

Cụm chuyển động nâng hạ (lên xuống)

Cụm chuyển động chạy dọc

Cụm chuyển động vào/ra

1.3.3.1 Cụm chuyển động nâng hạ

Cụm truyền động nâng của robot S/R: Nâng và hạ toàn bộ cụm vào ra và

môđun lưu trữ theo phương Z (phương thẳng đứng theo chiều cao của dãy kệ)

Hình 1.17 Cụm nâng hạ robot S/R

Hình 1.18 Robot S/R Miniload

1.3.3.2 Cụm chuyển động chạy dọc

Cụm truyền động dọc: Di chuyển toàn bộ robot S/R bao gồm bản thân cụm

chạy dọc, cụm nâng hạ, cụm vào ra cùng với môđun lưu trữ theo phương Y

(phương chạy dọc theo dãy kệ chứa)

Cụm truyền

động nâng

Ray dẫn hướng

Tải

Hình 1.19 Cụm chạy dọc robot S/R

1.3.3.3 Cụm chuyển động vào ra

Cụm chuyển động vào ra có nhiệm vụ:

- Đưa cơ cấu lấy hàng tiếp xúc với môđun lưu trữ, nhằm lấy môđun lưu trữ

Hình 1.20 Cụm chuyển động vào / ra

Hình 1.21 Cụm chuyển động vào/ra vít me – đai ốc bi

Cơ cấu vào ra

và thanh dẫn

Cơ cấu lấy hàng

Hình 1.22 Cụm chuyển động vào/ra dạng cánh tay máy

Môđun lưu

trữ

Cánh tay máy

Chương 2 Thiết kế robot S/R trong hệ thống kho hàng tự động AS/RS phục vụ

dây chuyền lắp ráp ôtô tại Việt Nam 2.1 Nguyên lý truyền động và nguyên lý điều khiển của robot S/R

2.1.1 Phân tích ưu nhược điểm thiết kế các bộ truyền động

Các nguyên lý truyền động thường dùng trong robot S/R:

+ Truyền động xích

+ Truyền động bánh răng – thanh răng

+ Truyền động cáp

2.1.1.1 Truyền động xích

Xích truyền chuyển động và tải trọng nhờ sự ăn khớp với các răng đĩa xích

Xích chia ra làm ba nhóm : xích kéo, xích tải, xích truyền động Xích đươc tiêu

chuẩn hóa và được chế tạo tại các nhà máy chuyên biệt

Ưu nhược điểm :

 Hiệu suất tương đối cao, cùng một lúc có thể truyền chuyển động và

công suất cho nhiều trục

 Dùng để truyền động giữa các trục có khoảng cách trung bình

 Chế tạo và lắp ráp phức tạp hơn

 Chịu được va đập

 Chóng mòn khi bôi trơn không tốt và làm việc trong môi trường nhiều

bụi

2.1.1.2 Truyền động bánh răng – thanh răng

Bộ truyền bánh răng làm việc theo nguyên lý ăn khớp, thưc hiên truyền chuyển động nhờ sự ăn khớp các răng, biến chuyển động quay thành chuyển động

tịnh tiến

Bộ truyền bánh răng thường sử dụng các loại răng thẳng hoặc răng nghiêng Các bánh răng thường được chế tạo tiêu chuẩn

Ưu nhược điểm:

 Đáp ứng tốt sự thay đổi về trị số và chiều của vận tốc hoặc momen

 Hiệu suất cao, khả năng tải lớn

Dây cáp được chế tạo bằng các dây sáng hay tráng kẽm đường kính từ 0,2 đến

3 mm có giới hạn bền tăng rất cao nhờ các sợi được biến cứng trong quá trình kéo thành sợi Các sợi được quấn với nhau lại thành một tao, sau đó các tao được bện lại thành cáp quanh một sợi cái lõi ở giữa Cáp có nhiều loại và được chế tạo theo tiêu chuẩn

Ưu nhược điểm:

 Truyền động giữa các chi tiết cách xa nhau

 Dễ lắp đặt và bảo dưỡng, chạy êm

 Khả năng tải lớn

 Khó đấu nối cáp

2.1.2 Phân tích nguyên lý điều khiển robot S/R

- Điều khiển bằng máy tính: Sử dụng đa dạng; Giá thành cao; Sử dụng ngôn

ngữ lập trình cấp cao; Có khả năng xử lý thông tin phức tạp; Đa chức năng

đáp ứng theo mọi yêu cầu; Thời gian đáp ứng nhanh

- Điều khiền bằng vi xử lý: Thời gian đáp ứng nhanh; Giá thành thấp; Dễ bị

nhiễu, không chịu được bụi, độ rung động; Cần phải thiết kế vỏ ngoài phức

tạp; Thiết kế và lập trình phức tạp; Sử dụng ngôn ngữ lập trình cấp thấp và

cấp cao

- Điều khiển bằng PLC: Phần cứng gọn nhẹ, thiết kế bền chắc, độ tin cậy

cao, thích hợp với môi trường làm việc công nghiệp : độ ồn, rung động, bụi

…Khả năng xử lý tín hiệu logic (24VDC-240VAC) và tín hiệu tương tự Khả năng mở rộng số đầu vào và ra đơn giản Lập trình và thay đối chương trình

đơn giản Môđun hóa các chức năng mở rộng Giá thành tương đối cao

2.2 So sánh và đánh giá các ý tưởng cho thiết kế mô đun Robot S/R:

Đối với thang điểm 15, ta chia làm 4 mức như sau:

+ Mức 1: Rất tốt (15) + Mức 2: Tốt (10) + Mức 3: Khá (5) + Mức 4: Trung bình (1)

Đối với thang điểm 8, ta chia làm 4 mức như sau:

+ Mức 1: Rất tốt (8) + Mức 2: Tốt (6) + Mức 3: Khá (4) + Mức 4: Trung bình (1)

Bảng 2.1 So sánh các đặc tính của bộ truyền

Robot dùng

bộ truyền dây cáp

Robot dùng

bộ truyền xích

Robot dùng bộ truyền bánh răng – thanh răng