Mô hình hóa rôbôt cất lấy hàng trong hệ thống kho hàng tự động

…… 1- TÊN ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH HOÁ RÔBỐT CẤT-LẤY HÀNG TRONG HỆ THỐNG KHO HÀNG TỰ ĐỘNG 2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: − Phân tích các dữ liệu đầu vào để thiết kế sơ bộ và kiểm tra bền kết cấu của rô

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học 1: Ts.Nguyễn Tường Long………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày…… tháng…… năm 2009

- -oOo -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Phan Hoàng Phụng .Giới tính : Nam ⌧/ Nữ Ngày, tháng, năm sinh : 15 tháng 02 năm 1981 Nơi sinh : Bình Định Chuyên ngành : Công nghệ chế tạo máy ……

1- TÊN ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH HOÁ RÔBỐT CẤT-LẤY HÀNG TRONG HỆ THỐNG

KHO HÀNG TỰ ĐỘNG

2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:

− Phân tích các dữ liệu đầu vào để thiết kế sơ bộ và kiểm tra bền kết cấu của rôbốt

cất-lấy hàng trong hệ thống kho hàng tự động

− Tính toán tải cần thiết để kéo hệ thống di chuyển trên ray và tải cần thiết để nâng vật

− Xây dựng các bước tổng quát mô hình hoá rôbốt cất-lấy hàng

− Phân tích dạng ứng xử của kết cấu dưới tác dụng của các tải trọng khác nhau trong quá

trình làm việc

− Phân tích dạng ứng xử của kết cấu khi thay đổi dữ liệu thiết kế như: khối lượng vật

nâng, chiều cao nâng tối đa, vị trí vật nâng

− Sử dụng phần mềm Matlab xây dựng các chương trình tính tổng quát

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 02-02-2009

4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 03-0.7-2009

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN:

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1: Ts Nguyễn Tường Long

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2: Ts Chung Tấn Lâm

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 2 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

Lời mở đầu……… 4

Tóm tắt……… 6

Phần 1 Tổngquan……… 7

Chương 1 Dẫn nhập……… 7

1.1 Hệ thống kho hàng tự động và nhu cầu cần thiết trong giai đoạn hiện nay ở Việt Nam……… 7

1.2 Lịch sử phát triển và tình hình nghiên cứu……… 8

1.2.1 Lịch sử phát triển ……… 8

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ……… 12

1.2.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước……… 12

1.2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước……… 13

1.3 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu ……… 14

Chương 2 Hệ thống kho hàng tự động và vấn đề mô hình hoá hệ thống động học trong kỹ thuật 16

2.1 Đặc điểm của hệ thống kho hàng tự động……… 16

2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống kho hàng tự động……… 18

2.2.1 Khi lưu hàng vào kho……… 18

2.2.2 Khi lấy hàng ra khỏi kho……… 19

2.3 Kết cấu của hệ thống kho hàng tự động……… 19

2.4 Những vấn đề cơ bản về mô hình hoá các hệ thống động học trong kỹ thuật……… 22

2.4.1 Mô hình hóa bằng thực nghiệm……… 22

2.4.2 Mô hình hóa theo lý thuyết……… 22

2.5 Các bước thiết lập mô hình hoá……… 23

Phần 2 Nội dung nghiên cứu……… 25

Chương 3 Cơ sở lý thuyết……… 25

3.1 Một số khái niệm……… 25

3.1.1 Tải trọng động 25

3.1.2 Đặc thù của bài toán động 26

3.1.3 Bậc tự do 26

3.1.4 Các phương pháp rời rạc hoá 26

3.1.4.1 Phương pháp khố lượng thu gọn 26

3.1.4.2 Phương pháp dùng tọa độ suy rộng……… 27

3.1.4.3 Phương pháp phần tữ hữu hạn 27

3.2 Các phương pháp thiết lập phương trình vi phân chuyển

động……… 28

3.2.1 Dùng định luật 2 Newton ……… 28

3.2.2 Nguyên lý công khả dĩ……… 28

3.2.3 Nguyên lý Hamilton……… 29

3.2.4 Phương trình Lagrange……… 30

3.3 Tải trọng xung kích và tích phân Duhamel……… 32

3.4 Hệ nhiều bậc tự do 34

3.4.1 Thiết lập phương trình chuyển động 34

3.4.1.1 Lựa chọn bậc tự do 34

3.41.2 Phương trình cân bằng động 34

3.4.2 Ảnh hưởng của lực dọc (nén) 36

3.4.3 Xác định các ma trận tính chất 37

3.4.3.1 Tính chất đàn hồi 37

3.4.3.2 Tính chất khối lượng 40

3.4.4 Tải trọng……… 42

3.4.4.1 Tải trọng nút tương đương tĩnh học……… 42

3.4.4.2 Tải trọng nút tương thích……… 43

3.4.5 Độ cứng hình học……… 43

3.4.6 Lựa chọn cách thiết lập ma trận tính chất 45

3.5 Dao động tự do không cản……… 46

3.5.1 Phân tích tần số dao động 46

3.5.2 Phân tích hình dạng mode của dao động 47

3.6 Phân tích phản ứng động……… 48

3.6.1 Tọa độ chuẩn (Normal Coordinates)……… 48

3.6.2 Phương trình chuyển động tách rời (uncoupled) của hệ không cản 49

3.6.3 Phương trình chuyển động tách rời của hệ có cản 51

3.6.3.1 Thiết lập phương trình 51

3.6.3.2 Điều kiện trực giao của ma trận cản 51

3.7 Tóm tắt phương pháp chồng chất dạng 52

Chương 4 Kết cấu cơ khí của rôbốt cất-lấy hàng trong hệ thống kho hàng tự động……… 54

4.1 Thiết kế sơ bộ kết cấu cơ khí của rôbốt cất-lấy hàng trong hệ thống kho hàng tự động……… 54

4.1.1 Nguyên lý hoạt động của rôbốt cất-lấy hàng ……… 54

4.1.2 Thiết kế sơ bộ kết cấu cơ khí của rôbốt……… 55

4.1.2.1 Khung sườn chính của rôbốt……… 55

4.1.2.2 Cơ cấu dẫn động rôbốt theo phương x……… 57

4.1.2.3 Cơ cấu nâng hàng hoá theo phương y……… 57

4.1.2.4 Cơ cấu nâng và lấy hàng hoá theo phương z……… 59

4.1.2.5 Bản vẽ lắp kết cấu cơ khí của rôbốt cất lấy-hàng ……… 61

4.1.2.6 Hình vẽ thiết kế 3D rôbốt cất-lấy hàng……… 62

4.2 Tính toán các thông số cơ bản 66

4.2.1 Chọn động cơ điện cho palăng nâng 66

4.2.2 Tính toán chọn động cơ cho cơ cấu di chuyển bằng bánh xe dẫn 67

4.3 Sử dụng Ansys trong môi trường Inventor để kiểm tra bền kết cấu cơ khí của rôbốt cất-lấy hàng……… 70

4.3.1 Các thông số cơ bản của vật liệu kết cấu……… 71

4.3.2 Kết quả sơ bộ……… 71

Chương 5 Mô hình hoá Rôbốt cất-lấy hàng trong hệ thống kho hàng tự động……… 74

5.1 Mô hình hoá rôbốt cất-lấy hàng trong hệ thống kho hàng tự động 74

5.2.1 Phương trình chuyển động của rôbốt cất-lấy hàng 75

5.2.1.1 Phương trình toán của hệ xét trường hợp rôbốt chuyển động dọc theo đường ray 75

5.2.1.2 Phương trình toán của hệ xét hợp Rô bốt thực hiện chuyển động nâng vật 79

5.2.2 Bài toán động động lực học kết cấu xét trường hợp rôbốt chuyển động dọc theo đường ray 80

5.2.2.1 Xét trường hợp bỏ qua ảnh hưởng của lực cản 80

5.2.2.2 Nếu xét đến lực cản 106

5.2.3 Bài toán động lực học kết cấu xét trường hợp rôbốt chuyển động nâng vật 113

5.2.4 Bài toán động lực học kết cấu xét trường hợp rôbốt vừa thực hiện chuyển động dọc theo ray dẫn hướng và vừa thực hiện chuyển động thep phương đứng 117

5.2.5 Bài toán động lực học kết cấu xét trường hợp tay rôbốt thực hiện chuyển động lấy hàng hoá từ hệ thống khung kệ 122

Chương 6 Phân tích kết quả nghiên cứu 125

6.1 Xây dựng được mô hình kết cấu cơ khí của rôbốt cất-lấy hàng tự động 125

6.2 Thiết lập các bước tổng quát trong mô hình hoá rôbốt cất-lấy

hàng trong hệ thống kho hàng tự động 125

6.3 Kết quả mô hình hoá rôbốt cất-lấy hàng trong hệ thống kho hàng tự động theo dữ liệu cho trước ( Chương 5) 126

6.3.1 Trường hợp trường hợp rôbốt cất-lấy hàng chuyển động dọc theo ray 126

6.3.1.1 Không xét đến ảnh hưởng của lực cản, hệ chịu tác dụng của tải trọng trong một số trường hợp 126

6.3.1.2 Xét đến ảnh hưởng của lực cản, hệ chịu tác dụng của tải trọng trong một số trường hợp 132

6.3.2 Các trường hợp còn lại 136

6.4 Xây dựng chương trình tính cho các bước mô hình hoá rôbốt cất-lấy hàng……… 136

6.4.1 Chương trình tính tần số dao động riêng và các véctơ riêng tương ứng 136

6.4.2 Chương trình tính chuyển vị của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng không đổi, bỏ qua ảnh hưởng của lực cản 137

6.4.3 Chương trình tính chuyển vị của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng hình chữ nhật, bỏ qua ảnh hưởng của lực cản 138

6.4.4 Chương trình tính chuyển vị của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng tam giác, bỏ qua ảnh hưởng của lực cản 140

6.4.5 Chương trình tính chuyển vị của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng xung kích, bỏ qua ảnh hưởng của lực cản 142

6.4.6 Chương trình tính chuyển vị của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng không đổi, xét ảnh hưởng của lực cản 144

6.4.7 Chương trình tính chuyển vị của kết cấu dưới tác dụng của tải trọng chu kỳ, xét ảnh hưởng của lực cản 145

6.4.8 Chương trình tính vị trí của vật nâng trong trường hợp không có tác dụng của tải và bỏ qua ảnh hưởng của lực cản 147

6.4.9 Chương trình tính vị trí của vật nâng trong trường hợp tải tác dụng là hằng số và xét đến ảnh hưởng của lực cản 147

6.5 Nhận xét 149

Chương 7 Kết luận và kiến nghị……… 150

7.1 Kết luận 150

7.2 Kiến nghị 150

Danh mục công trình công bố 151 Tài liệu tham khảo……… 152

Ngày nay, nền kinh tế toàn cầu phụ thuộc vào dòng chảy của sản phẩm, bắt đầu

từ đầu vào là nguyên liệu thô cho đến đầu ra là thành phẩm và kết quả cuối cùng là phân phối đến khách hàng Dòng chảy này diễn ra thông qua tập hợp các hệ thống kết nối, vận chuyển và phân phối, được gọi là chuỗi cung ứng Trong chuỗi cung ứng, lưu trữ và phân phối hàng hoá là một khâu quan trọng và chiếm nhiều thời gian, vì vậy đòi hỏi người sản xuất phải xem xét đến việc thiết kế các hệ thống kho bãi hiện đại có mật

độ lưu trữ, xuất nhập cao, có thể làm việc được trong các môi trường khắc nghiệt, quản

lý chuyên nghiệp và hiệu quả Một trong những hệ thống thiết bị được tạo ra phục vụ cho công việc trên đó là kho hàng tự động Hệ thống này được sử dụng chủ yếu trong những ứng dụng lưu trữ hàng hóa lớn với không gian giới hạn, đảm bảo tiến độ của quá trình luân chuyển vật liệu trong giai đoạn sản xuất

Hiện nay ở Việt Nam, các hệ thống siêu thị, Metro, kho bãi của các doanh nghiệp ngày càng mở rộng.Việc thiết kế và chế tạo hệ thống kho hàng tự động phục vụ cho công việc lưu trữ và cung ứng hàng hoá ngày càng trở nên cần thiết và là xu hướng tất yếu Phần lớn hệ thống hoạt động trong chế độ hoàn toàn tự động nhờ rôbốt cất-lấy hàng thực hiện nhiệm vụ lưu trữ vào và xuất hàng ra khỏi hệ thống Trong quá trình làm việc, rôbốt cất-lấy hàng sẽ chịu tác động trực tiếp của các tải tác dụng như: trọng lực của vật nâng, lực quán tính, lực cản do ma sát, lực cản gió vv khi tiến hành thiết

kế cần phải phân tính tính động học để biết được các dạng ứng xử của kết cấu, từ đó tránh được những sai sót đồng thời giảm được số lần thí nghiệm thật trong quá trình

chế tạo cũng như sử dụng.Vì vậy, trong luận văn tác giả chọn đề tài:"Mô hình hoá rôbốt cất-lấy hàng trong hệ thống kho hàng tự động" để đáp ứng các yêu cầu trên Đề tài này là một phần của đề tài "Nghiên cứu, Thiết kế và Chế tạo thử nghiệm Hệ thống kho hàng tự động" thuộc dự án R/D của Sở khoa học Công nghệ TP.HCM, tạo nền

tảng cho bước đi sâu hơn nhằm hiện thực khả năng chế tạo kho hàng tự động đáp ứng nhu cầu ngày càng lớn trong khu vực doanh nghiệp TP HCM nói riêng và Việt nam nói chung

Trình bày tổng quan về hệ thống kho hàng tự động, các bước tiến hành mô hình hoá

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Trình bày các cơ sở lý thuyết của bài toán động lực học kết cấu dùng để xây dựng mô hình hoá rôbốt cất-lấy hàng trong hệ thống kho hàng tự động

CHƯƠNG 6: PHÂN TÍCH KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Trình bày các kết quả đạt được qua quá trình mô hình hoá và xây dựng các chương trình tính tổng quát bằng phần mềm Matlab

CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

Trình bày kết quả đạt được của luận văn và hướng phát triển của đề tài

Tôi chân thành cảm ơn CBHD: Ts Nguyễn Tường Long − Ts Chung Tấn Lâm

đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ để tôi hoàn thành tốt luận văn cao học.Tôi chân thành cảm ơn TS Nguyễn Tuấn Kiệt dạy môn Động lực học cơ hệ, TS Nguyễn Danh Sơn dạy môn Công nghệ & thiết bị máy nâng vận chuyển điển hình, Thầy cô Khoa Cơ Khí Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, gia đình và các đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn này.

Trong quá trình làm luận văn chắc chắn khó tránh khỏi sai sót, mong nhận được

sự góp ý của Thầy cô và bạn đọc để tôi có điều kiện sửa chữa và hoàn thiện hơn

Địa chỉ liên hệ: Phan Hoàng Phụng -Khoa cơ khí-Trường CĐ Công Nghiệp Thực Phẩm TP.HCM Email: Hphung1502@gmail.com

Nội dung chính trong luận văn được thể hiện tóm tắt qua các mục sau:

1 Đối tượng nghiên cứu: rôbốt cất-lấy hàng trong hệ thống kho hàng tự động

2 Mục đích nghiên cứu: mô hình hoá lý thuyết để xác định các dạng dao động,

chuyển vị, ứng xử của kết cấu rôbốt cất-lấy hàng trong hệ thống kho hàng tự động trước sự thay đổi điều kiện làm việc và các thông số thiết kế Từ đó, hỗ trợ tốt cho công việc chế tạo, điều khiển và sử dụng hệ thống

3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu: mô hình hoá rôbốt cất-lấy hàng trong hệ

thống kho hàng tự động: thiết kế sơ bộ kết cấu cơ khí của rôbốt cất-lấy hàng, từ đó giải quyết bài toán động lực học trong kết cấu rôbốt Sử dụng các phương pháp như: định luật 2 NewTon, Lagrange, phương pháp phần tử hữu hạn, phương pháp chồng chất dạng (Mod) để xây dựng và xử lý các mô hình toán Đồng thời sử dụng công cụ Ansys trong môi trường Inventor và Matlab để kiểm tra và tính toán, phân tích kết quả của quá trình mô hình hoá

4 Kết quả nghiên cứu:

− Thiết kế sơ bộ kết cấu của rôbốt cất-lấy hàng trong hệ thống kho hàng tự động

− Tính toán tải làm việc cần thiết và chọn động cơ cho quá trình di chuyển của rôbốt

− Xây dựng các bước tổng quát mô hình hoá rôbốt cất-lấy hàng

− Phân tích dạng ứng xử của kết cấu dưới tác dụng của các tải trọng khác nhau trong quá trình làm việc

− Phân tích dạng ứng xử của kết cấu bằng cách thay đổi các thông số thiết kế ban đầu như khối lượng vật nâng, chiều cao nâng, vị trí vật nâng

− Xây dựng các chương trình tính bằng phần mềm Matlab, ứng dụng cho việc mô hình hoá

Kết quả của luận văn đã được chuyển qua Phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Điều khiển số & Kỹ thuật hệ thống để tiến hành dự án chế tạo thử nghiệm hệ thống kho hàng tự động

Trong sản xuất hay cung ứng các sản phẩm, hàng hoá, đòi hỏi người sản xuất hay

kinh doanh phải xem xét đến việc thiết kế các hệ thống kho bãi để phục vụ cho công

việc quản lý, lưu trữ, tìm kiếm các loại sản phẩm, hàng hoá một cách nhanh chóng

và dễ dàng Trước đây, việc di chuyển để lưu trữ, tìm kiếm, xuất hàng hoá đều được

thực hiện bằng tay hoặc với sự hỗ trợ một phần của thiết bị máy móc Việc di chuyển

các hàng hoá nói chung, phụ thuộc vào sức lao động của con người, đều này dẫn đến

nhưng khó khăn: không an toàn cho người lao động, tốn nhiều thời gian, năng suất

thấp, không ổn định, hiệu quả kinh tế thấp Khi sản xuất phát triển, cường độ sản xuất

tăng thì số lượng hàng hoá tăng, kho bãi mở rộng, việc di chuyển hàng hoá bằng sức

người hay bằng phương pháp thủ công không còn đủ khả năng đáp ứng.Vì vậy người

ta đã chế tạo ra nhiều thiết bị máy móc để phục vụ cho việc di chuyển, lưu trữ và lấy

hàng hoá thay cho sức người

Các thiết bị máy móc phục vụ cho những công việc trên được phát triển theo mức

độ tăng dần theo sự phát triển của nền sản xuất công nghiệp: từ cơ khí hoá đến tự động

hoá từng phần, tự động hoá toàn phần và đến các hệ thống tích hợp Từ các thiết bị

nâng đơn giản được thực hiện bằng sức người cho đến các thiết bị nâng điều khiển

bằng máy móc, từ các thiết bị di chuyển hàng hoá bằng xe đẩy cho đến các thiết bị

điều khiển tự động Ngày nay, với sự phát triển mạnh của các ngành công nghiệp, đã

cung cấp cho con người nhiều loại sản phẩm khác nhau Việc xây dựng các nhà kho để

lưu trử các sản phẩm ngày càng mở rộng và cũng gặp nhiều khó khăn trong việc lưu

trử hàng hoá, sắp xếp và thông tin sản phẩm trong kho.Với điều kiện giới hạn nhất

định về diện tích kho bãi, người ta phải tính toán thiết kế các nhà kho với nhiều tầng

và nhiều vùng để tiết kiệm tối đa diện tích sử dụng Đã có nhiều nghiên cứu tính toán

thiết kế tối ưu kho bãi lưu trữ [1], [2], [3].Vấn đề đặt ra là làm sao di chuyển hàng hoá

muốn lưu trữ đặt vào những vị trí cho trước trên nhiều tầng, nhiều vùng trong nhà kho,

hay việc lấy hàng hoá từ các vị trí đó một cách chính xác, dễ dàng và nhanh chóng,

đồng thời biết được thông tin hàng hoá trong kho Một trong những hệ thống thiết bị

được tạo ra phục vụ cho công việc trên đó là kho hàng tự động Kho hàng tự động là

hệ thống dùng để điều khiển, giám sát việc lưu trữ và lấy hàng hoá một cách tự động

Hệ thống này đã được chế tạo và đưa vào sử dụng ở nhiều nước trên thế giới như:

Nauy, Thuỵ Điển, Anh, Đức,Hà Lan [4], [5], [6]

Trong bối cảnh nền kinh tế đang phát triển của Việt Nam hiện nay, các hệ thống

siêu thị, Metro, các hệ thống bến cảng hay kho bãi của các doanh nghiệp ngày càng

mở rộng.Việc thiết kế và chế tạo hệ thống kho hàng tự động phục vụ cho công việc lưu

trữ và cung ứng hàng hoá với mục đích đảm bảo năng suất và tính kinh tế ngày càng

trở nên rất cần thiết và là xu hướng tất yếu Trong hệ thống kho hàng tự động, bộ phận

quan trong nhất là rôbốt cất-lấy hàng đảm nhận nhiệm vụ lưu trữ và phân phối hàng

hoá một cách tự động.Việc thiết kế, chế tạo rôbốt cất-lấy hàng đòi hỏi phải chính xác,

đảm bảo các điều kiện bền, các yêu cầu kỹ thuật Để tránh những sai sót, hỏng hóc,

giảm số lần thí nghiệm thực trong quá trình chế tạo cũng như sử dụng chúng ta phải

đưa ra các giả thuyết và tính toán mô phỏng kiểm nghiệm trướcđể biết được khả năng

ứng xử của kết cấu dưới các điều kiện làm việc và thiết kế cho trước Vì vậy trong luận

văn cao học tôi chọn đề đề tài:"Mô hình hoá rôbốt cất lấy hàng trong hệ thống kho

hàng tự động" để đáp ứng các yêu cầu trên , ứng dụng vào giai đoạn nghiên cứu và

chế tạo hệ thống kho hàng tự động hiện nay ở Việt Nam

1.2 Lịch sử phát triển và tình hình nghiên cứu

1.2.1 Lịch sử phát triển

Thời Trung Đại và có thể bắt đầu từ thế kỷ thứ III trước Công nguyên con người đã sử dụng những thang hoặc tời nâng thô sơ để vận chuyển hàng hoá lên cao Chúng hoạt động nhờ vào sức người

và súc vật, hoặc cơ cấu cơ khí vận hành bằng nước Những thiết bị nâng chuyển mà ta biết ngày nay được phát triển đầu tiên vào đầu thế kỷ 19, nhờ vào hơi nước hoặc sức nước để nâng chuyển

Cha đẻ của thang máy dùng máy kéo ngày nay đã xuất

hiện đầu tiên vào thế kỷ 19 ở Vương Quốc Anh, sàn

nâng dùng một sợi cáp vắt qua một puly và một đối

trọng di chuyển dọc tường

Thang nâng có công suất lớn xuất hiện lần đầu

tiên vào giữa thế kỷ 19 ở Hoa Kỳ Đó là một tời nâng

hàng hoạt động đơn giản giữa hai tầng trong một công

trình ở thành phố New York Năm 1853, Elisha Graves

Otis đã trình diễn tại New York Crystal Palace, chứng

minh hệ thống an toàn thang nâng của ông bằng cách

làm gián đoạn cabin rơi xuống khi loại bỏ cáp tải

Trong thế kỷ 19, với sự phát triển của điện học, các thiết bị nâng chuyển dần dần

được chế tạo và đưa vào phục vụ con người

Khi sản xuất ngày càng phát triển số lượng hàng hoá ngày càng tăng lên thì tạo nên

nhiều nhu cầu lưu trữ Khi đó, các hệ thống kho lưu trữ bắt đầu được thiết kế với mục

đích dùng để lưu trữ nhiều hàng hàng hoá trong quá trình sản xuất cũng như phân phối

hàng hoá Nếu công việc lưu trử hàng hoá trong kho được thực hiện bằng tay bỡi sức

lao động của con người thì sẽ không đáp ứng yêu cầu vì những nhược điểm sau đây:

- Thao tác chậm, tốn nhiều thời gian

- Dễ xảy ra tai nạn lao động

Dần dần, người ta tiến hành chế tạo ra những thiết bị giảm bớt sức lao động của

con người, thuận lợi cho việc di chuyển lưu trữ hàng hoá trong kho như các xe kéo, xe

đẩy hình 1.2 [7]

Hình 1.2 Các xe đẩy vận chuyển hàng hoá thay sức người

Khi khoa học kỹ thuật ngày càng phát triển, con người đã chế tạo các thiết bị nâng

chuyển thay thế hoàn toàn sức lao động của con người [8] Vai trò của con người lúc

này là điều khiển và giám sát hệ thống Điều đó làm tăng năng suất lao động, giải

phóng con người trong những công việc nặng nhọc

Hình 1.3 Thiết bị di chuyển hàng hoá điều khiển bỡi con người

Ngày nay, nền kinh tế toàn cầu phụ thuộc vào dòng chảy của sản phẩm, bắt đầu từ

đầu vào là nguyên liệu thô cho đến đầu ra là sản phẩm và kết quả cuối cùng là phân

phối đến khách hàng Dòng chảy này diễn ra thông qua tập hợp các hệ thống kết nối và

vận chuyển người ta gọi là chuỗi cung ứng Trong chuỗi cung ứng bao gồm nhiều loại

nhà máy, xí nghệp, nhà kho khác nhau Trong đó, việc thiết kế hệ thống nhà kho là

một vấn đề rất quan trọng nhằm đáp ứng khả năng sản xuất, lưu trữ và cung ứng sản

phẩm Do vậy, nhiều kho hàng tự động đã được tính toán và thiết kế tối ưu [1], [2], [3]

nhằm mang lại hiệu quả kinh tế cao nhất

Một số mô hình kho hàng tụ động được thiết kế như như các hình vẽ sau:

Hình 1.4 Mô hình kho hàng tự động

Hình 1.5 Kho hàng tự động

Cùng với hệ thống nhà kho tự động trên người ta đã tiến hành nghiên cứu, thiết

kế, chế tạo các rôbốt cất-lấy hàng phục vụ cho công việc lưu trử và phân phối hàng

hoá một cách tự động [4], [5], [6]

Hình 1.6 Rôbốt cất-lấy hàng trong hệ thống kho hàng tự động và các thông số cơ bản

1.2.2 Tình hình nghiên cứu

1.2.2.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Hệ thống kho hàng tự động đã được nghiên cứu và chế tạo ở nhiều nước như: Anh,

Pháp, Đức, Ý, Mỹ [4], [5], [6]… để đáp ứng nhu cầu cao về tốc độ xuât nhấp, quản lí

chuyên nghiệp và môi trường làm việc khắc nghiệt Hiên nay, công ty Lalesse - Hà

Lan là một trong những nhà sản xuất và cung cấp giải pháp nhà kho tự động hàng đầu

Châu Âu với công nghệ chuyển đường độc đáo đã giúp cho việc thiết kế linh hoạt hơn

rất nhiều đáp ứng được hầu hết các yêu cầu đặt ra trong việc lưu trữ, kiểm soát và

cung ứng hàng hoá trong nhà kho

Nhiều nghiên cứu tính toán, mô phỏng liên quan đến hệ thống kho hàng tự động như:

9 " Tối ưu hoá thiết kế kho hàng " (1985) tác giả Ashayeri, J and Gelders, L F

đăng trên tạp chí Châu Âu [2]

9 "Phân tích dao động của dầm chịu uốn trong quá trình mang vật di chuyển"

(2001) của hai tác giả Sangdeok Part và Youngil Youm đăng trên tạp chí quốc

tế [9]

9 "Ảnh hưởng của lối đi trong kho hàng đến hiệu quả cất lấy hàng" (1999) tác

giả Vaughan, T S and Petersen, C G đăng trên tạp chí quốc tế [10]

9 "Sự suy tính trong nghiên cứu thiết kế nhà kho" tác giả Leon F McGinnis,

Marc Goetschalckx, Gunter Sharp, hội thảo quốc tế về nghiên cứu sự vận

chuyển vật liệu

9 "Thiết kế và bố trí bên trong kho hàng" (1980) tác giả Bassan, Y., Roll, Y and

Rosenblatt, M J.[12]

9 "Điều khiển rôbốt cất-lấy hàng cho hệ thống nhà kho với tầng chứa hàng có

chiều cao lớn" của Hwang - Seong kim của trường đại học Maritme của Hàn

Quốc và Shigeyasub Kawaji trường đại học Kumamoto [13]

1.2.2.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Hệ thống kho hàng tự động đã được nghiên cứu và chế tạo ở nhiều nước trên thế

giới, nhưng tại Việt Nam, nghiên cứu và chế tạo rôbốt cất-lấy hàng phục vụ cho kho

hàng tự động lại là một lĩnh vực mới Việc sử dụng các hệ thống này đều nhập từ nước

ngoài, hiện nay công ty Điện Tự Động Hóa – Vina DataPak là nhà phân phối chính

thức các sản phẩm kho hàng tự động của công ty Lalesse tại Việt Nam

Với sự phát triển của nền kinh tế đất nước cùng với nhu cầu sử hệ thống kho hàng

tự động ngày càng cao của các doanh nghiệp, hệ thống kho hàng tự động đã được một

số tổ chức, cá nhân bước đầu tiến hành nghiên cứu và chế tạo thử nghiệm "Mô hình

hoá rôbốt cất-lấy hàng trong hệ thống kho hàng tự động " là một đề tài tương đối

mới tại Việt Nam và đây cũng là một phần của đề tài "Nghiên cứu, Thiết kế và Chế

tạo thử nghiệm hệ thống kho hàng tự động" Đề tài này là một phần nghiên cứu

thuộc dự án R/D của Sở khoa học Công nghệ TP.HCM tạo nền tảng cho bước đi sâu

hơn nhằm hiện thực khả năng chế tạo hệ thống kho hàng tự động

1.3 Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu

Nhiệm vụ của rôbốt cất-lấy hàng trong hệ thống kho hàng tự động là lưu trữ, sắp

xếp và xuất hàng hoá theo yêu cầu Rôbốt thực hiện các chuyển động chính như:

chuyển động mang tải dọc theo đường ray dọc các lối đi trong trong nhà kho, chuyển

động nâng hàng hoá lên xuống theo chiều cao của hệ thống ngăn kệ, chuyển động cất

hay lấy hàng hoá từ vị trí yêu cầu, chuyển động không tải Trong quá trình làm việc,

rôbốt cất- lấy hàng sẽ chịu các tác động trực tiếp của các tải tác dụng như: trọng lực

của vật nâng, lực quán tính, lực cản do ma sát, lực cản gió vv

Vì vậy phải thiết kế hệ thống kết cấu cơ khí hợp lý, cần phải tính toán chọn động

cơ có đủ công suất để nâng hàng hoá và động cơ đủ công suất để kéo cả hệ thống di

chuyển trên đường ray Ngoài ra, cần quan tâm đến kết cấu cơ khí của hệ thống rôbốt

cất-lấy hàng Trong phân tích kết cấu, người ta nhận thấy rằng các tính chất của vật

liệu, điều kiện chịu tải, hình dạng hình học của chi tiết và kết cấu thay đổi liên tục

trong quá trình chịu lực Sự thay đổi độ cứng hay kết cấu của chi tiết phụ thuộc vào

các yếu tố: hình dáng hình học, vật liệu, điều kiện ràng buộc Khi kết cấu biến dạng

dưới tác dụng của tải, độ cứng của nó có thể thay đổi do một hoặc một số nguyên nhân

ở trên Nếu biến dạng lớn, hình dạng của kết cấu sẽ thay đổi và có thể dẫn đến phá

huỷ Như vậy, ứng với điều kiên thiết kế khác nhau, điều kiện làm việc và chịu tải

trọng tác động khác nhau thì chúng ta có dạng ứng xử của kết cấu khác nhau Trong

quá trình thiết kế chúng ta phải thay đổi nhiều thông số thiết kế, điều kiện thiết kế

cũng như tải trọng tác động để và tiến hành phân tích các dạng ứng xử của hệ thống

nhằm tìm ra thông số thiết kế phù hợp nhất

Với những lý do trên, mục tiêu của đề tài là: mô hình hoá rôbốt cất-lấy hàng trong

hệ thống kho hàng tự động dựa trên các điều kiện làm việc và thiết kế cho trước Qua

kết quả mô hình hoá chúng ta biết được các dạng dao động, chuyển vị, ứng xử của kết

cấu trước sự thay đổi điều kiện làm việc và các thông số thiết kế Từ đó, hỗ trợ tốt cho

công việc chế tạo, điều khiển và sử dụng hệ thống Điều này đồng nghĩa với việc giảm

thiểu số lần thí nghiệm thật, giảm chi phí, thời gian để chế tạo và đưa vào sử dụng

chúng Kết quả của luận văn sẽ được chuyển qua phòng thí nghiệm trọng điểm quốc

gia để tiến hành dự án chế tạo thử nghiệm hệ thống kho hàng tự động

Do tính chất đa dạng của vấn đề và trong khả năng, điều kiện cho phép,

trong đề tài: "Mơ hình hố rơbốt cất-lấy hàng trong hệ thống kho hàng tự động"

chúng tôi tập trung nghiên cứu phần cơ khí và tính tốn động học kết cấu, khơng đi

vào phần điều khiển của hệ thống với nội dung chính sau:

- Phân tích các dữ liệu đầu vào để thiết kế kết cấu của rơbốt cất-lấy hàng trong hệ

thống kho hàng tự động với chiều cao nâng từ tố đa 20 m và khối lượng vật nâng

lớn nhất là 500 kg

- Tính tốn tải cần thiết để kéo hệ thống di chuyển trên ray và tải cần thiết để nâng

vật, từ đĩ chọn động cơ cĩ cơng suất phù hợp

- Xây dựng các bước tổng quát mơ hình hố rơbốt cất-lấy hàng

- Phân tích dạng ứng xử của kết cấu dưới tác dụng của các tải trọng trong quá trình

làm việc

- Phân tích dạng ứng xử của kết cấu bằng cách thay đổi các thơng số thiết kế ban đầu

như khối lượng vật nâng, chiều cao nâng, vật liệu kết cấu…

- Sử dụng phần mềm Matlab viết các chương trình tính ứng dụng cho việc mơ hình

hố ở trên

CHƯƠNG 2

HỆ THỐNG KHO HÀNG TỰ ĐỘNG VÀ VẤN ĐỀ MÔ HÌNH

HOÁ HỆ THỐNG ĐỘNG HỌC TRONG KỸ THUẬT

2.1 Đặc điểm của hệ thống kho hàng tự động

Là hệ thống cất-lấy hàng hóa tự động, là công nghệ hiện đại nhất được sử dụng trong

các nhà kho hoàn toàn tự động Hệ thống này được sử dụng chủ yếu trong những ứng

dụng lưu trữ hàng hóa lớn với không gian giới hạn, đảm bảo tiến độ của quá trình luân

chuyển vật liệu trong giai đoạn sản xuất Phần lớn hệ thống hoạt động trong chế độ

hoàn toàn tự động, ít có sự tham gia con người trong quá trình quản lý nguyên vật liệu,

ngoại trừ công tác ở trạm điều khiển.[14]

Hình 2.1 Hệ thống kho hàng tự động

Nhà kho tự động đã xuất hiện từ vài chục năm trước ở các nước pháp triển như Anh,

Pháp, Đức, Ý, Mỹ … để đáp ứng nhu cầu cao về tốc độ xuât nhấp, quản lí chuyên

nghiệp và môi trường làm việc khắc nghiệt

Giải pháp này được đánh giá là tối ưu cho các kho hàng do những ưu điểm và mức đầu

tư hợp lý mà giải pháp này mang lại như:

9 Mật độ lưu trữ cao: do giải pháp này tận dụng được chiều cao và đường chạy

của rôbốt nhỏ nên diện tích sử dụng sẽ ít hơn những giải pháp khác, so sánh

trên cùng khả năng lưu trữ giúp tiết kiệm chi phí đầu tư cho diện tích sử dụng

9 Tốc độ xuất nhập cao trung bình 1 tấn hàng/phút/rôbốt

9 Công nghệ chuyển đường cho phép chỉ cần một con rôbốt cho một nhà kho

giúp tiết kiệm đang kể chi phí đầu tư

9 Không cần hệ thống chiếu sáng, tiết kiệm chi phí đầu tư hệ thống chiếu sáng,

chi phí bảo trì, chi phí vận hành

9 Nếu sử dụng trong các hệ thống kho lạnh thì thất thoát nhiệt thấp: thất thoát

nhiệt xuống đất, qua các cửa ra vào, bù nhiệt cho hệ thống chiếu sáng là những

nguồn thất thoát nhiệt chính trong các kho lạnh Sử dụng diện tích nhỏ hơn các

giải pháp khác nên thất thoát nhiệt xuống đất sẽ thấp hơn, hơn nữa do không

cần sử dụng hệ thống chiếu sáng nên khả năng mất nhiệt này bị loại trừ, ngoài

ra với hệ thống cửa ra vào tự động và có phòng cách ly nên thất nhiệt sẽ là rất

thấp, giảm thời gian xả đá của hệ thống lạnh

9 Không sử dụng lao động trong kho: tiếp kiệm chi phí nhân công, quản lí, bảo

hiểm và thiết bị hỗ trợ

9 Quản lí chuyên nghiệp và hiệu quả nhờ phần mềm quản lí kho kết hợp với công

nghệ mã vạch (barcode) hay thẻ từ (transponder) giúp giảm chi phí quản lý và

nhân công, đồng thời cũng dễ dàng đạt được các tiêu chuẩn ISO để tạo lợi thế

cạnh tranh

Bên cạnh đó cũng có những nhược điểm:

9 Chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống là khá cao

9 Không có mô hình chung cho tất cả các doanh nghiệp (vì đặc thù sản phẩm và

nhu cầu khác nhau nên thiết kế sẽ không giống nhau)

9 Khi hệ thống cần bảo trì hay sửa chữa thì toàn bộ hoạt động sản xuất sẽ gặp trở

ngại

2.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống kho hàng tự động

2.2.1 Khi lưu hàng vào kho

9 Hàng hoá được đưa vào tại trạm nhập (input station) và được đọc mã vạch

Hình 2.2 Trạm nhập và đọc mã vạch

9 Sau khi đọc mã vach xong hàng hoá được vận chuyển trên các băng tải đến các

trạm kiểm tra kích thước và khối lượng (hình 2.4 )

Hình 2.3 Băng tải chuyển hàng

Hình 2.4 Trạm Kiểm tra kích thước và khối lượng hàng hoá

9 Sau khi thực hiện các công đoạn trên thì rôbốt sẽ lấy hàng và di chuyển vào

chỗ xác định

Hình 2.5 Rôbốt lấy hàng cất vào kho

2.2.2 Khi lấy hàng ra khỏi kho

9 Tìm hàng cần lấy ra (cơ sở dữ liệu cho ta biết được số lượng, vị trí đặt

trong kho)

9 Ta cần ra lệnh cho rôbốt di chuyển đến vị trí đó và lấy hàng ra

9 Hệ thống mã vạch sẽ kiểm tra xem hàng lấy ra có đúng yêu cầu không

2.3 Kết cấu của hệ thống kho hàng tự động

Bao gồm các phần chính sau:

1 Rôbốt cất-lấy hàng dịch chuyển tự động trên ray dẫn hướng là thiết bị có nhiệm vụ

lưu trữ vào và xuất hàng ra khỏi hệ thống ngăn kệ đặt dọc theo đường ray Trong

quá trình làm việc, rôbốt thực hiện các chuyển động chính như: chuyển động mang

tải dọc theo ray, chuyển động theo chiều đứng để nâng chuyền hàng hoá, chuyển

động cất-lấy hàng từ vị trí khung kệ

Các mô hình rôbốt cất-lấy hàng được trình bày ở hình 2.6

Hình 2.6 Mô hình kho hàng tự động

2 Trạm giao/nhận hàng (Picking & Delivery station -P&D station): thường đặt ngay

phía trước kho hàng, nằm phía cạnh của rôbốt, kết hợp với hệ thống băng tải để

chuyển hàng (nơi giao tiếp giữa trạm làm việc và rôbốt lấy hàng) Ngoài ra nó còn

có thể gắn thêm những thiết bị cảm biến để đo lường khối lượng, kích thước

Hình 2.7 Rôbốt và trạm P &D

3 Hệ thống điều khiển và quản lý dữ liệu kho: phần mềm điều khiển (warehouse

control software) sẽ giám sát và điều khiển tất cả các hoạt động của kho, tối ưu hóa

thời gian và không gian sử dụng của kho Phần mềm quản lý (warehouse

management software) cho phép ta truy xuất tất cả các thông tin về hàng hóa:

chủng loại, số lượng, ngày nhập và xuất, nơi chứa hàng, v.v

Hình 2.8 Giao tiếp điều khiển rôbốt thao tác trong kho hàng

4 Hệ thống ngăn kệ chứa hàng: được xây dựng để chứa dạng khay hay thùng với kích

thước tùy ý (phụ thuộc vào chủng loại hàng hóa)

Hình 2.9 Hệ thống ngăn kệ chứa hàng

2.4 Những vấn đề cơ bản về mô hình hoá các hệ thống động học trong kỹ thuật

Trong khoa học kỹ thuật, các mô hình hình thành những hiểu biết chúng ta về các hệ

thống và các quá trình kỹ thuật Một mô hình diễn tả một cách cơ bản một số lượng

giới hạn các tính chất của thế giới thực bằng ngôn từ, bằng đồ họa hoặc bằng toán học

Với sự trợ giúp của mô hình, chúng ta có thể mô tả một phần của thế giới thực mà ta

cho rằng nó thích hợp với giải pháp của một vấn đề cụ thể hoặc một nhóm các vấn đề

có liên quan Hay trước khi chế tạo một hệ thống thông thường chúng ta sẽ đặt ra các

giả thiết và điều kiện thiết kế, sau đó chúng ta mô phỏng để lấy kết quả kiểm nghiệm

với các giả thiết nếu đạt yêu cầu mới đi đến việc chế tạo

Về cơ bản, hiện có hai phương pháp khác nhau để đạt được mô hình [15]

2.4.1 Mô hình hóa bằng thực nghiệm

Sử dụng các số liệu thực nghiệm thu được từ đo lường và thu thập giá trị của các biến

của hệ thống hoặc quá trình thực qua các thí nghiệm được thiết kế cẩn thận, và thông

qua việc xử lý số liệu theo sau đó, sẽ giúp phát hiện các mối quan hệ có tính hệ thống

giữa các biến Các quan hệ này được xem như là một mô hình Ngoài ra, chúng ta có

thể mong muốn hoặc đòi hỏi mô hình này phải hàm chứa khả năng giải thích hoặc dự

đoán cách hoạt động của hệ thống hoặc quá trình được nghiên cứu Sự kết hợp giữa

thiết kế thí nghiệm, thu thập số liệu thực nghiệm, xử lý số liệu và kiểm nghiệm mô

hình được biết đến với các tiêu đề như mô hình hóa bằng thực nghiệm, mô hình hóa

theo kinh nghiệm hoặc nhận dạng hệ thống

2.4.2 Mô hình hóa theo lý thuyết

Sử dụng các lý thuyết đã được chấp nhận của các ngành khoa học nền tảng để thiết lập

các phương trình mô tả các hoạt động cơ bản của hệ thống hoặc quá trình Nhìn chung,

các phương trình có liên quan thường là các định luật bảo toàn hoặc các quan hệ khác

được rút ra từ những nguyên lý cơ bản Ngoài ra, chúng ta cần phải mô tả các tính chất

vật lý và các tính chất có liên quan khác của các vật liệu trong hệ thống hoặc quá trình

Vì vậy, các lý thuyết nền tảng mà ta chấp nhận dùng để xây dựng mô hình là các tiên

đề và các giả định trong qui trình logic của việc xây dựng mô hình Phương pháp này

được gọi là xây dựng mô hình cơ sở hoặc lý thuyết Nó còn được biết đến với tên gọi

là mô hình hóa vật lý Trong nội dung luận văn sẽ xây dựng mô hình hoá theo lý

thuyết cho rôbốt cất-lấy hàng trong hệ thống thống kho hàng tự động

2.5 Các bước thiết lập mô hình hoá [15]

9 Bước1: Định nghĩa vấn đề

Mục đích của mô hình phải được trình bày rõ và có chọn lọc Điều này đòi hỏi người

lập mô hình phải có được kiến thức vững vàng nhất định về đối tượng được mô hình

Ngoài ra, sự am hiểu về ứng dụng của mô hình trong thực tế

9 Bước 2: Xác định các ranh giới của hệ thống và các biến liên kết

Quá trình lập mô hình là nhằm mục đích mô tả chỉ một phần của thế giới thực Ranh

giới hệ thống xác định phần bên trong nó là hệ thống và ngược lại phần bên ngoài nó

là môi trường xung quanh, tập hợp toàn bộ các biến của một mô hình là tổng của các

biến đầu vào và các biến nội tại Các biến đầu ra phải được xem như là tập hợp con

của tập hợp toàn bộ các biến

9 Bước 3: Phát triển một mô hình khái niệm

Khi các biến của mô hình đã được xác định sơ bộ, bước tiếp theo là việc xây dựng một

mô hình vật lý có tính khái niệm chỉ chứa đựng những hiện tượng được xem như là có

liên quan đến ứng dụng dự kiến của mô hình Mô hình có thể được mô tả bằng lời và

tính xác đáng của việc kết hợp hoặc loại bỏ những hiện tượng nào đó có thể được đề

cập đến

9 Bước 4: Trình bày một số giả thuyết của mô hình

Trong bước này, các hiện tượng vật lý thực của quá trình được thay thế bởi những

đặc trưng vật lý có tính giả thuyết được đơn giản hoá Các giả định chính xác cần thiết

để đạt đến những đặc trưng đơn giản này phải được phát biểu trong một số giả thuyết

hoặc giả định về mô hình

9 Bước 5: Phân chia hệ thống thành nhiều hệ thống phụ

Trong nhiều trường hợp, trực giác của người lập mô hình chỉ có thể theo dõi được một

số lượng hạn chế các hiện tượng đang xảy ra đồng thời Vì lý do này mà người ta cho

là rất hữu ích nếu ta phân chia quá trình hoàn chỉnh thành một số phần nhỏ hơn bằng

cách trình bày rõ các hệ thống phụ nào được tạo ra bởi các đường biên không gian nào

Các quan hệ liên kết của các hệ thống phụ sẽ cho phép tái hiện hệ thống chính Mỗi hệ

thống phụ được định nghĩa như thế phải thoả mãn yêu cầu của một hệ thống được bố

trí cẩn thận Điều này ngụ ý rằng, mối quan hệ liên kết của các hệ thống phụ khác nhau

phải nhất quán, số lượng các biến nội tại phải tương đương với số lượng các mối quan

hệ (độc lập) của mô hình có thể đạt được cho mỗi hệ thống phụ, và các tín hiệu ngõ

vào và ngõ ra của hệ thống chính phải nằm trong số các tín hiệu ngõ vào và ngõ ra

khác nhau ở các hệ thống phụ

9 Bước 6: Thiết lập các quy luật bảo toàn và các phương trình toán học khác

Các giả thuyết được phát biểu ở những bước trước đó bây giờ phải được viết (ở chỗ

thích hợp) thành các qui luật bảo toàn cơ bản về năng lượng, động lượng và vật chất

Các quan hệ này sẽ được bổ sung thêm bởi các phương trình tốc độ truyền nhiệt và

truyền khối mô tả các hiện tượng nhiệt động lực học và các tính chất khác của các loại

vật liệu trong quá trình, và các quan hệ cơ bản hoặc quan hệ dựa trên sự tương quan

cần thiết để đạt được một mô hình nhất quán về vật lý và toán Kết quả là một hệ các

phương trình đại số và phương trình vi phân có một cấu trúc toán học nhất định nào đó

và có thể chứa được một tập hợp các thông số để hiệu chỉnh ứng xử của mô hình về

mặt định lượng

9 Bước 7: Giản lược và xấp xỉ về mặt toán học

Ta có thể khảo sát các thuộc tính của mô hình toán Một số yêu cầu ưu tiên cơ bản

nhất định của mô hình có thể được nghiên cứu, như các tính chất của quan hệ nhân

quả, tính liên tục, và các điều kiện đối với giải pháp thực thi bằng số khả dĩ cho các

mục đích mô phỏng Một số thuộc tính khác như tính ổn định, quy mô thời gian và

tính độc lập của hệ các phương trình mô hình cũng có thể được thiết lập Dựa trên cơ

sở những khám phá này, ta có thể quyết định giản lược hoặc xấp xỉ các biểu trưng toán

học của hệ thống

9 Bước 8: Giải pháp bằng số cho các phương trình mô hình, mô phỏng

Độ tin cậy của mô hình có thể đạt được ở mức cao hơn bằng cách giải các phương

trình mô hình với các tín hiệu ngõ vào được cân nhắc cẩn thận (mô phỏng) và bằng

cách quan sát cẩn thận biểu hiện của các biến đầu ra và các biến nội tại Nhờ trải

nghiệm với mô hình theo cách này, mô hình có thể đạt được tính tin cậy hoặc người

lập mô hình có thể phát hiện được những yếu điểm trong việc thiết lập mô hình

9 Bước 9: Kiểm nghiệm mô hình và các giả thuyết của nó

Việc so sánh giữa các đáp ứng dự đoán được nhờ mô hình và các đáp ứng tương tự thu

được từ hệ thống thực sẽ cung cấp cho ta bằng chứng sau cùng về độ tin cậy cần thiết

để xác nhận tính hợp lý của một mô hình

PHẦN 2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

CHƯƠNG 3

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Rôbốt cất-lấy hàng trong hệ thống kho hàng tự động là thiết bị có nhiệm vụ lưu trữ và

xuất hàng ra khỏi hệ thống ngăn kệ đặt dọc theo đường ray Rôbốt thực hiện 3 chuyển

động chính: chuyển động mang hàng dọc theo lối đi của hệ thống ngăn kệ (chuyển

động theo phương x) Chuyển động nâng hàng hoá từ dưới lên các vị trí ngăn kệ ở

phía trên (chuyển động theo phương y) Chuyển động để nhận hàng hay đặt hàng vào

các vị trí ngăn kệ (chuyển động theo phương z)

Trong qua trình làm việc rôbốt chịu ảnh hưởng của các điều kiện: khối lượng vật nâng,

vận tốc nâng, chiều cao nâng, tốc độ di chuyển, ảnh hưởng của lực quán tính, lực

cản… Việc mô hình hoá rôbốt cất-lấy hàng trong hệ thống kho hàng tự động để tìm

ứng xử của kết cấu dưới các điều kiện làm việc cho trước cũng chính là đi giải quyết

bài toán động lực học kết cấu của rôbốt cất- lấy hàng [16], [17], [18]

3.1 Một số khái niệm

3.1.1 Tải trọng động

Tải trọng động là tải trọng thay đổi theo thời gian về trị số, phương, vị trí, gây ra ứng

suất, chuyển vị… cũng thay đổi theo thời gian

Phân loại:

− Tải trọng tiền định (Deterministic Loads): là tải trọng biết trước được qui luật biến

đổi theo thời gian P = P(t) Thí dụ: Tải trọng điều hòa, chu kỳ, không chu kỳ,

xung…được mô tả theo qui luật cho trước

− Tải trọng ngẫu nhiên (Random, Stochastic Loads): là tải trọng biết trước được qui

luật xác suất và các đặc trưng xác suất như giá trị trung bình, độ lệch chuẩn… Thí dụ:

tải trọng gió, sóng biển, lực động đất…

Bài toán động lực học kết cấu chịu tải trọng ngẫu nhiên được giải quyết bằng lý thuyết

dao động ngẫu nhiên (Random Vibration Theory) Các thông tin cần tìm bao gồm ứng

suất, chuyển vị, cũng mang tính ngẫu nhiên với các đặc trưng xác suất giá trị trung

bình, độ lệch chuẩn…

Nói chung, các tải trọng trong thực tế đều mang tính chất ngẫu nhiên ở mức độ khác

nhau, và được xác định bằng phương pháp thống kê toán học

3.1.2 Đặc thù của bài toán động

Bài toán tĩnh: nội lực được xác định từ sự cân

bằng với ngoại lực, không cần dùng đường đàn hồi

nên mang tính chất đơn giản Ứng suất và chuyển

vị không phụ thuộc thời gian

Bài toán động: ngoại lực bao gồm lực quán tính

phụ thuộc vào đường đàn hồi y = y(x,t) Vì vậy,

dẫn tới phương trình vi phân, phức tạp về toán học,

khối lượng tính lớn, phải bắt đầu từ việc xác định

động lực học khác với bậc tự do trong bài toán t

có v t phức tạp nên tìm cách rời rạc hoá hệ

ng đương tĩnh học Đây là phương pháp thường được dùng trong hệ kết cấu phức tạp

ực quán tính được b

3.1.3 Bậc tự do

Bậc tự do động lực học (Number of dynamics degrees of freedom) của kết cấu là số

thành phần chuyển vị phải xét để thể hiện được ảnh hưởng của tất cả các lực quán tính

Bậc tự do được định nghĩa trong sự liên quan đến lực quán tính và do đó liên quan đế

khối lượng Số khối lượng càng nhiều thì càng chính xác nhưng cũng càng phức tạp

của kết cấu)

Ví dụ : cho kết cấu như hình vẽ , nếu P là tải trọng tĩnh thì số

bậc tự do là 3, nếu P là tải trọng động thì số bậc tự do là vô

cùng Trong thực tế, các kết cấu đều có khối lượng phân bố nên

ô số bận tự do, việc giải bài toán này rấ

3.1.4 Các phương pháp rời rạc hoá

3.1.4.1 Phương pháp khối lượng thu gọn (Lumped Mass) :Thay thế hệ có khối

lượng phân bố (a) thành các khối lượng tập trung (b) theo nguyên tắc tươ

Khối lượng thường được thu gọn về điểm nút

(thí dụ như hệ dàn)

Số bậc tự do của hệ tùy thuộc vào giả thiết về tính

chất chuyển vị của hệ và tính chất quán tính của

các khối lượng mi Chẳng hạn, xét hệ (b) là hệ

phẳng:

Nếu biến dạng dọc trục và mi có quán tính xoay: 9

BTD (3BTD/mass) Nếu coi mi là một điểm (không

có quán tính xoay): 6 BTD (2 chuyển vị

thẳng/mass)

Bỏ qua biến dạng dọc trục nên chỉ có chuyển vị đứng: 3 BTD (1 chuyển vị

đứng/mass) Chú ý: Độ phức tạp của bài toán động lực học phụ thuộc vào số bậc tự do

3.1.4.2 Phương pháp dùng tọa độ suy rộng

(Generalised Coordinates)

Giả sử đường đàn hồi là tổ hợp tuyến tính của các hàm

xác định ψi(x) có biên độ Zi như sau:

trong đó: ψi(x) : Hàm dạng (Shape Functions)

Zi(t) : Tọa độ suy rộng (Generalised Coordinates)

Hàm dạng ψi(x) được tìm từ việc giải phương trình vi

phân đạo hàm riêng, hoặc do giả thiết phù hợp với điều

kiện biên Khi tính toán thường giữ lại một số số hạng đầu tiên của chuỗi (*) và hệ trở

thành hữu hạn bậc tự do (Zi đóng vai trò bậc tự do)

3.1.4.3 Phương pháp phần tữ hữu hạn

(Finite Element Method - FEM)

Đây là trường hợp đặc biệt của phương pháp tọa

độ suy rộng, trong đó:

- Zi là các chuyển vị nút (Tọa độ suy rộng)

- ψi(x) là các hàm nội suy (Interpolation

Functions) các phần tử - Hàm dạng

Thường các hàm nội suy ψi(x) được chọn giống nhau cho các phần tử (ứng với cùng

một bậc tự do) và là hàm đa thức nên việc tính toán được đơn giản Đặc biệt, do tính

chất cục bộ của các hàm nội suy nên các phương trình ít liên kết (uncoupled) với nhau

làm giảm nhiều khối lượng tính toán

3.2 Các phương pháp thiết lập phương trình vi phân chuyển động

3.2.1 Dùng định luật 2 Newton

− Chọn các toạ độ thích hợp để mô tả vị trí của các khối lượng điểm khác nhau và

các vật thể rắn của hệ thống Giả thiết chiều dương thích hợp cho các dịch

chuyển, vận tốc và gia tốc của các khối lượng và vật thể rắn

− Xác định trạng thái cân bằng tĩnh của hệ thống và các tính chất dịch chuyển của

các khối lượng và vật thể rắn

− Vẽ biểu đồ phân tích lực, xác định các lực lò xo, giảm chấn và ngoại lực tác

động vào mỗi khối lượng hay vật thể rắn

− Áp dụng định luật 2 Newton về chuyển động cho mỗi khối lượng hay vật rắn

được trình bày ở biểu đồ phân tích lực như sau:

i i ij j

Nếu hệ có n bậc tự do thì sẽ có n phương trình vi phân chuyển động

3.2.2 Nguyên lý công khả dĩ

Cho khối lượng mi (i=1,n) một chuyển vị khả dĩ δvi , công khã dĩ δW của các lực tác

dụng lên mi (cân bằng) trên chuyển vị δvi phải triệt tiêu:

Nguyên lí công khả dĩ thích hợp cho hệ phức tạp gồm các khối lượng điểm và khối

lượng có quán tính xoay Các số hạng trong phương trình là các vô hướng (scalar) nên

lập phương trình đơn giản so với phương trình vector

Nếu cho hệ các chuyển vị khả dĩ δvi lần lượt theo các bậc tự do sẽ thu được n phương

trình vi phân của chuyển động

Ký hiệu công khả dĩ của ngoại lực Pi(t) là δW, từ (3.2) ta có biến phân công khả dĩ:

δ

3.2.3 Nguyên lý Hamilton

Xét hệ gồm các khối lượng mi (i=1, n) có các chuyển vị v i (t) ở hai thời điểm t1 và t2,

chuyển vị có các trị số v i (t 1 ) và v i (t 2 ) tương ứng với hai đường biến dạng (b) và (c)

Đường biến dạng (d) ứng với t = t 1 + ∆t < t 2 Đường biến dạng thật tuân theo định luật

II Newton Đường lệch trùng với đường thật tại hai thời điểm t1 và t2:

dt &δ =&&δ +& dtδ

Nhân cả hai vế với mi và lấy tổng cho toàn hệ:

2 1

( )dt

t t

t

Nếu ngoại lực tác dụng trên hệ gồm lực bảo toàn (lực thế) và lực không bảo toàn (thí

dụ lực ma sát) thì biến phân của công ngoại lực δW được tách ra hai thành phần:

Đối với lực bảo toàn thì công của lực bằng độ giảm thế năng của hệ nên:

với δV là biến phân của thế năng

0( ) W dt nc

t t

T V dt

Đây là nguyên lý biến phân của Hamilton, trong đó:

T: Động năng của hệ

V: Thế năng của hệ, gồm thế năng biến dạng đàn hồi và thế năng của lực bảo toàn

Wnc : Công của lực không bảo toàn (lực cản, ma sát, ngoại lực )

t

T W

t

δ∫ + =

Như vậy, trong tất cả các đường chuyển động trong khoảng thời gian từ t1 đến t2 thì

đường làm cho tích phân 2

1

0( )dt

t

T W t

δ∫ + = có giá trị dừng (cực tiểu) là đường chuyển

động tuân theo định luật Newton

Đây là nguyên lý thế năng cực tiểu trong bài toán tĩnh (Nếu một hệ cân bằng ổn định

thì thế năng của hệ cực tiểu)

Nguyên lý Hamilton cũng là một phương pháp năng lượng, trong đó không dùng trực

tiếp đến lực quán tính và lực bảo toàn Dùng thích hợp cho hệ phức tạp, khối lượng

phân bố

3.2.4 Phương trình Lagrange

Động năng của hệ dao động tuyến tính có n bậc tự do có thể biểu diễn dưới dạng biểu

thức toàn phương, xác định dương của các vận tốc đã được tổng quát hoá

x&= x x& & x& là véc tơ vận tốc tổng quát hoá

M=[mij] là ma trận khối lượng, vuông, xác định dương, đối xứng, bậc n phần tử:

2

k ij

i j

E m

x x

∂

=

∂ ∂& & ; i,j=1,2 ,n (3.10)

Thế năng tương ứng của các lực bảo toàn có thể biểu diến dưới dạng toàn phương của

x= x x x là véc tơ của các toạ độ tổng quát

K=[kij] là ma trận khối lượng, vuông, xác định hoặc bán xác định (ở những cơ hệ

cô lập) bậc n phần tử:

2

k ij

i j

E k

j

i

R Q

d ij

i j

R c

( )

E j

Q t

Những lực suy rộng tương ứng cho các lực bảo toàn, lực giảm chấn và lực kích thích

từ bên ngoài có thể biểu diễn dưới dạng:

n

f t = ⎣⎡Q Q Q ⎤⎦

Nếu chúng ta thể hiện Ek, Ep, Rd trong biểu thức (3.16) theo (3.8), (3.10), (3.12)

Chúng ta nhận được mô hình toán học của hệ dưới dạng ma trận:

x( ) x( ) x ( )

M t&& +C t& +K = f t (3.16)

3.3 Tải trọng xung kích và tích phân Duhamel [16]

Tải trọng xung kích là tải trọng tác dụng trong một thời gian rất ngắn Ta định nghĩa

xung lực là tích của tải trọng đó nhân với thời gian tác dụng của nó Chẳng hạn xung

lực của lực F( )τ trên hình 3.1 tác dụng trong khoảng thời gian dτ là tích của

( )

F τ τd biểu thị bằng đường gạch chéo

Hình 3.1 tải trọng xung kích

Xung lực này tác dụng lên vật thể có khối lượng m, sản sinh ra sự biến đổi vận tốc

được xác định:m vd F( )

τ =Hay : dv F( )d

m

τ τ

Trong đó ( )F τ τd là xung lực và dv là số gia vận tốc Số gia vận tốc có thể xem như

vận tốc ban đầu của khối lượng ở thời điểm τ Bây giờ ta hãy xét xung lực ( )F τ τd

tác dụng lên kết cấu là hệ không có lực cản có phương trình như sau:

Ở thời điểm τ hệ chịu sự biến đổi vận tốc được xác định theo công thức (3.17) Nếu

đưa sự biến đổi vận tốc này vào phương trình (3.19), nó được xem như vận tốc ban

đầu v0 Kết hợ với chuyển vị ban đầu x0 = 0 ở thời điểm τ, một chuyển vị được sản

sinh ở thời điểm τ như sau:

( )x( ) F d sin ( )

Hàm tải trọng có thể xem như một loạt các xung lực ngắn ứng với các số gia liên tiếp

của thời gian dτ , mỗi số gia thời gian sản sinh chuyển vị ở thời gian t dưới dạng

phương trình (3.20) Vậy ta có thể kết luận rằng tổng chuyển vị ở thời điểm t do tác

dụng liên tục của lực ( )F τ gây ra được xác định bằng tổng tích phân chuyển vị dx(t)

từ thời gian t=0 đến thời gian t, nghĩa là:

Tích phân trong phương trình trên gọi là tích phân Duhamel Phương trình (3.21) biểu

thị tổng chuyển vị do lực kích thích ( )F τ gây ra trong một hệ không có lực cảnnh phần

ở trạng thái ổn định và thành phần nhất thời trong quá trình dao động có các điều kiện

y0=0 và v0=0 Nếu hàm ( )F τ không tính được bằng phương pháp giải tích, tích phân

trong phương trình (3.21) bao giờ cũng được xác định gần đúng bằng phương pháp số

hợp lý.để xét đến ảnh hưởng của chuyển vị ban đầu y0 và vận tốc ban đầu v0, ở thời

điểm t =0a cần cộng vào phương trình (3.21) lời giải cho bỡi phương trình (3.19) Vậy

tổng chuyển vị của hệ một bậc tự do không có lực cản chịu tác dụng của một tải bất

kỳ, được biểu thị bằng phương trình:

0 0

Tương tự , chuyển vị của hệ một bậc tự do có lực cản chịu tác dụng của một tải bất kỳ,

được biểu thị bằng phương trình:

(

( ) 0

1

t

t t

Ý nghĩa: thực tế kết cấu thường là hệ phân bố, có vô hạn bậc tự do Đưa về sơ đồ một

bậc tự do chỉ thích hợp trong một số trường hợp đặc biệt, khi hệ hầu như chỉ dao động

với một dạng nhất định Để thu được kết quả chính xác hơn, ta phải đưa hệ kết cấu về

hệ rời rạc nhiều bậc tự do Số bậc tự do được chọn dựa vào bài toán cụ thể

Các cách chọn bậc tự do: có hai cách

- Chọn biên độ dao động tại một số điểm rời rạc: bao gồm phương pháp dồn khối

lượng và phần tử hữu hạn (FEM) để rời rạc hóa

- Chọn tọa độ suy rộng, là biên độ của một số kiểu (pattern) biến dạng của hệ

3.4.1.2 Phương trình cân bằng động

Để đơn giản ta xét hệ liên tục như hình 3.2, với các bậc tự do là chuyển vị tại các điểm

1, 2, 3, , N

Tại mỗi điểm (nút) có các lực tác dụng: tải trọng p i (t), lực quán tính f Ii , lực cản f Di, và

lực đàn hồi f Si Phương trình cân bằng nút i:

(t)M

2

N

- Lực đàn hồi

Dùng nguyên lí cộng tác dụng, ta có: f Si = k i1 v 1 + k i2 v 2 + + k iN v N với i = 1,N

với k ij là lực tại nút i do chuyển vị v j = 1 gây ra

Trong đó: Lực đàn hồi cân bằng với lực nút nhằm duy trì đường đàn hồi (ngược chiều

[K] gọi là ma trận cứng (Stiffness Matrix)

- Lực cản-kết quả tương tự như lực đàn hồi

Trong đó: [M] là ma trận khối lượng (Mass Matrix)

Hệ N phương trình vi phân chuyển động:

Phương trình trên là phương trình mang tính chất tổng quát của bài toán động lực học

Tùy thuộc vào [p(t)] mà ta có các trường hợp phân tích động lực học của hệ:

Phân tích dao động tự do

Phân tích phản ứng của hệ với tải trọng động như tải gió, động đất, sóng biển

3.4.2 Ảnh hưởng của lực dọc (nén)

Lực dọc làm tăng thêm chuyển vị nút, nên sẽ có vai trò như lực nút tác dụng theo

chiều của chuyển vị nút, ký hiệu bởi ma trận [fG] Khi này phương trình cân bằng nút

(3.28) trở thành:

[fI] + [fD] + [fS] - [fG] = [p(t)] (3.36)