Đồ án tốt nghiệp 11 Đại Học Đông Á BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÔNG Á KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ NGUYỄN VĂN TRÍ HOÀNG VĂN TUẤN SANG ĐỀ TÀI GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH QUẢN LÝ HÀNG HÓA TRONG KHO ỨNG DỤNG PLC S7 1200 GIÁM SÁT BẰNG WINCC ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đà nẵng, ngày 01 tháng 07 năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÔNG Á KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ NGUYỄN VĂN TRÍ HOÀNG VĂN TUẤN SANG ĐỀ TÀI GIÁM SÁT VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH QUẢN LÝ HÀNG HÓA TRONG KHO ỨNG DỤNG PLC S7 1200 GIÁM SÁT BẰNG WINCC CHUYÊ.
GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG LƯU KHO TỰ ĐỘNG
Tổng quan
1.1.1 Tìm hiểu chung về hệ thống lưu trữ hàng hóa.
Ngành công nghiệp Việt Nam và thế giới đang phát triển mạnh mẽ, nhưng trước đây, sản phẩm chủ yếu được sản xuất thủ công, dẫn đến việc quản lý kho hàng kém hiệu quả và lãng phí không gian Trong bối cảnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa, nhu cầu sản xuất tăng cao đòi hỏi kho hàng hiện đại hơn để đáp ứng yêu cầu và khắc phục nhược điểm của kho cũ Trên thế giới có nhiều hệ thống lưu trữ hàng hóa đa dạng, nhưng tại Việt Nam, các hệ thống tự động chủ yếu do công ty nước ngoài cung cấp, trong khi vẫn phụ thuộc vào nhân công cho việc bốc dỡ hàng hóa Các nhà kho hiện nay ở Việt Nam còn tồn tại nhiều hạn chế cần được cải thiện.
- Sử dụng quá nhiều diện tích để chứa hàng.
- Không phân loại cũng được các hàng hóa khác nhau thường là để chung các hàng hóa với nhau, khó khăn cho việc xuất nhập kho.
- Khi hàng hóa được đưa vào kho sẽ chất chồng lên nhau nên việc bảo quản hàng hóa không cao, làm thấp đi chất lượng của hàng hóa.
Việc chất chồng hàng hóa khiến con người khó nhớ và kiểm soát toàn bộ số lượng hàng hóa Để giải quyết vấn đề này, nhiều quốc gia đã phát triển hệ thống xếp hàng hóa tự động, giúp quản lý và lưu trữ hàng hóa hiệu quả hơn Các hệ thống kho tự động sử dụng robot để vận chuyển hàng hóa, mặc dù đầu tư ban đầu cho trang thiết bị hiện đại khá cao, nhưng bù lại, hàng hóa được bảo quản tốt hơn, quản lý dễ dàng và tiết kiệm nhân công.
1.1.2 Tìm hiểu cách hoạt động của một hệ thống lưu kho tự động.
Hệ thống lấy cất hàng hóa tự động hiện đại được áp dụng trong các nhà kho hoàn toàn tự động, bao gồm hai thành phần chính: phần mềm và phần cứng.
Phần mềm quản lý kho bao gồm hệ thống quản lý robot lấy cất hàng và phần mềm theo dõi quy trình lưu trữ, cho phép truy cập thông tin hàng hóa theo thời gian thực Nó liên tục cập nhật tình trạng tồn kho, theo dõi hạn sử dụng sản phẩm, và tự động đảo vị trí hàng khi gần đến ngày hết hạn Hệ thống cũng xuất tín hiệu cảnh báo lên màn hình khi cần thiết.
Phần cứng của hệ thống bao gồm giá kệ cố định, robot lấy và cất hàng, băng tải vận chuyển hàng hóa, cùng với các cửa tự động để xuất nhập hàng.
Cấu tạo của một hệ thống:
Hệ thống kho tự động là sự kết hợp hoàn hảo giữa các hộp nhựa lưu trữ hàng, giá đỡ kim loại, cần cẩu xếp hàng, băng tải và phần mềm quản lý kho, tạo thành một sản phẩm đồng bộ và hiệu quả.
Tối ưu hóa quy trình lưu trữ và lấy hàng theo nguyên tắc "từ kho hàng đến trực tiếp công nhân" là rất quan trọng Các kho này thường có nhiều lối đi và được trang bị giá đỡ hai bên để lưu trữ hộp hoặc khay Mỗi lối đi được hỗ trợ bởi một cần trục xếp chồng, giúp di chuyển và đặt các hộp vào vị trí một cách hiệu quả.
Khu vực lấy và xử lý hàng bao gồm các băng tải, nơi cần cẩu sẽ xếp chồng sản phẩm được lấy ra từ các giá đỡ Các giá đỡ này được đặt ở một đầu xuất hoặc bên cạnh khu vực xử lý hàng.
Các băng tải vận chuyển từng hộp hàng đến người vận hành, sau khi hoàn thành công việc, họ sẽ trả lại hộp lên băng tải Hệ thống này được kết nối với cần cẩu xếp để đặt hàng hóa đúng vị trí trong giá đỡ Tất cả được quản lý bởi phần mềm quản lý kho, giúp theo dõi vị trí hàng hóa và lưu trữ thông tin hàng tồn kho theo thời gian thực.
Nhờ khả năng tùy biến phi thường của nó, hệ thống có thể được tích hợp vào bất kỳ quy trình sản xuất hoặc kho hàng nào.
Ưu điểm của hệ thống kho tự động
- Tự động hóa việc xuất/nhập sản phẩm.
Giải pháp này giúp tiết kiệm không gian kho bằng cách tận dụng chiều cao và đường chạy của robot nhỏ, từ đó giảm diện tích sử dụng so với các giải pháp khác Điều này không chỉ nâng cao khả năng lưu trữ mà còn giúp tiết kiệm chi phí đầu tư cho diện tích sử dụng, xây dựng và hệ thống.
- Giúp loại bỏ các loại xe nâng hạ vận hành bằng tay và khắc phục tai nạn do lỗi vận hành của công nhân.
- Công nghệ chuyển đường cho phép chỉ cần một robot cho một nhà kho giúp tiết kiệm đáng kể chi phí đầu tư.
- Không cần hệ thống chiếu sáng, do đó tiết kiệm chi phí đầu tư hệ thống chiếu sáng, chi phí bảo trì, chi phí vận hành.
- Không sử dụng lao động trong kho: tiết kiệm chi phí nhân công, quản lý, bảo hiểm và thiết bị hỗ trợ.
Quản lý kho hiệu quả và chuyên nghiệp bằng phần mềm quản lý kết hợp công nghệ mã vạch Barcode không chỉ giúp giảm chi phí quản lý và nhân công mà còn hỗ trợ doanh nghiệp đạt tiêu chuẩn ISO, từ đó tạo ra lợi thế cạnh tranh.
Các sản phẩm sau khi đóng gói sẽ được vận chuyển đến vị trí chờ nhập kho qua băng chuyền Hệ thống cơ khí sẽ tự động sắp xếp các kiện hàng vào vị trí thích hợp trong kho và lưu trữ dữ liệu hàng hóa vào máy tính Quy trình xuất kho cũng diễn ra tương tự, đảm bảo hiệu quả trong quản lý hàng hóa.
Cách thức hoạt động của một robot trong hệ thống kho
Nhà kho tự động là một hệ thống robot hoạt động trên ba trục, di chuyển trên đường ray để sắp xếp hàng hóa vào kho Ngoài ra, nó còn sử dụng hệ thống băng chuyền để phân phối sản phẩm trong quá trình xuất nhập.
Hình 1.1: Hệ thống sử dụng robot lưu kho
Số lượng robot trong một nhà kho phụ thuộc vào đặc tính của kho đó Nếu kho tự động yêu cầu lưu trữ cao nhưng tốc độ thấp, số lượng robot sẽ ít và hệ thống băng chuyền đơn giản Ngược lại, với kho cần lưu trữ cao và tốc độ nhanh, số lượng robot sẽ lớn, di chuyển trên các ray độc lập và theo các đường cong, dẫn đến một hệ thống băng chuyền phức tạp hơn.
Hình 1.2 Các ngăn chứa của một hệ thống kho
Các hệ thống của một hệ thống lưu kho
Hệ thống lưu kho bao gồm nhiều hành lang, mỗi hành lang được trang bị một hoặc nhiều máy xếp, dỡ tự động Hai bên hành lang là các khoang chứa hàng, trong khi đầu mỗi hành lang có trạm xếp dỡ Các trạm này được kết nối với nhau thông qua hệ thống băng chuyền, tạo điều kiện thuận lợi cho việc vận chuyển hàng hóa.
Tổng quan thì một hệ thống kho được phân chia như sau:
- Hệ thống vận chuyển hàng hóa.
- Hệ thống mã barcode phân loại xuất nhập kho
Hệ thống vận chuyển trong kho rất đa dạng và phụ thuộc vào yêu cầu công nghệ, loại hàng hóa, cũng như hình thức xuất nhập Hiện nay, nhiều quốc gia đã áp dụng hệ thống vận chuyển tự động trong kho, bao gồm các phương tiện như băng tải, robot, xe tự hành, máy nâng và máy xếp dỡ.
Hình 1.3 Hệ thống băng tải của một kho hàng tự động
Hệ thống băng tải là giải pháp tối ưu cho kho tự động tại siêu thị và công ty dược, với chức năng chính là vận chuyển hàng hóa từ kho đến nơi giao hàng Có nhiều loại băng tải khác nhau, mỗi loại được thiết kế để tải các vật liệu đặc trưng Ngoài ra, còn có băng tải phổ thông có khả năng tải nhiều loại vật liệu, nhưng không phù hợp với các vật liệu đặc biệt như chịu nhiệt độ cao, dầu, axit, ăn mòn, nước, hoặc chống cháy và chịu cường độ cao.
Robot lấy cất hàng tải trọng thấp được thiết kế đặc biệt cho việc xử lý các hộp, thùng và khay có tải trọng nhẹ, với tốc độ lấy hàng rất cao Trong khi đó, robot lấy cất hàng tải trọng trung bình mang lại hiệu quả và độ chính xác cao trong việc lưu trữ sử dụng pallet, với tốc độ hoạt động khá nhanh.
Robot lấy cất hàng tải trọng cao được thiết kế riêng theo yêu cầu lưu trữ cũng như môi trường làm việc đặc trưng của khách hàng.
Hệ thống phân loại hàng hóa nhập xuất kho
Hệ thống xuất nhập kho tự động hiện nay sử dụng nhiều hình thức xác định hàng hóa, bao gồm cả con người và công nghệ Trong đó, thẻ từ, tích kê, mã vạch, máy tính và camera là những phương pháp phổ biến Bài viết này sẽ giới thiệu về phương pháp xuất nhập bằng mã vạch, một kỹ thuật được áp dụng rộng rãi tại các kho hàng siêu thị, sân bay và trong lĩnh vực thực phẩm, đồng thời cũng là phương pháp chính được sử dụng trong đồ án lần này.
Khi mua sắm tại siêu thị hoặc cửa hàng tạp hóa, bạn thường gặp mã vạch, một biểu tượng gồm các dòng kẻ màu đen khác nhau trên nền trắng, kèm theo một dãy số phía dưới Mã vạch, hay còn gọi là barcode, là công cụ quan trọng trong việc quản lý sản phẩm.
Barcode, hay mã vạch, là phương thức biểu thị dữ liệu dưới dạng hình ảnh, được phát minh bởi Norman J Woodland và Bernard Silver vào năm 1952 Kể từ khi được cấp bằng sáng chế, mã vạch đã trở thành công cụ quan trọng giúp các nhà sản xuất truyền đạt thông tin về sản phẩm, bao gồm tên thương hiệu, nơi sản xuất, lô hàng, kích thước và thông tin kiểm định.
Mã sọc theo tiêu chuẩn Universal Product Code (UPC) được in trên hầu hết các sản phẩm trong siêu thị Khi mã sọc được quét qua thiết bị quét quang học tại quầy thu ngân, máy tính sẽ đối chiếu mã sản phẩm với cơ sở dữ liệu giá cả và in ra mức giá chính xác tương ứng với mã đó.
Nguyên tắc hoạt động của máy quét mã vạch là sử dụng một chùm laser công suất thấp để quét mã vạch Khi chùm sáng này gặp mã vạch, nó sẽ phản xạ trở lại và được một giàn cảm biến quang thu nhận.
Vi điều khiển phân tích vùng phản xạ ánh sáng để tính toán khoảng cách giữa các vạch sáng và tối, từ đó giải mã thành ký tự tương ứng với tập hợp vạch theo tiêu chuẩn mã vạch Sau khi giải mã, các ký tự này sẽ được gửi lên host hoặc lưu vào bộ nhớ đệm của thiết bị đọc, chờ lệnh truyền Khi nhận lệnh truyền tương ứng với chuẩn truyền thông như Ethernet hoặc RS232, dữ liệu đã được giải mã sẽ được gửi đến nơi nhận.
Công nghệ mã vạch trong kho tự động giúp quản lý hàng hóa hiệu quả Mỗi sản phẩm khi nhập kho sẽ được gán nhãn mã vạch tương ứng với vị trí cụ thể Mã vạch này được lưu trữ và xử lý bởi máy tính, sau đó truyền qua PLC để đưa hàng đến đúng ô lưu trữ Quy trình xuất hàng diễn ra ngược lại, đảm bảo tính chính xác và nhanh chóng trong quản lý kho.
Ưu điểm hệ thống quản lý kho hàng bằng mã vạch:
- Phiếu nhập, xuất mã sinh tự động.
- Giá bán, giá nhập sinh tự động theo quy định và có thể sửa đổi
- Ghi nhận nhân viên xuất hàng và khách hàng.
- Theo dõi tồn kho, kiểm kê hàng hóa, dự báo hàng hết hạn.
- Quản lý hàng hóa bảo hành, bảo trì.
Hiện nay, có nhiều phương thức quản lý dữ liệu hàng hóa, từ các phần mềm truyền thống như Excel và Backup dữ liệu đến các giải pháp đám mây như Database và Amazon Phần mềm này được thiết kế theo quy trình kinh doanh dịch vụ của doanh nghiệp, với các chức năng cơ bản như lưu giữ thông tin, khóa sổ, phân quyền người sử dụng, ghi nhận tất cả các sự kiện phát sinh trong quá trình hoạt động, in báo cáo và trích xuất số liệu ra bảng tính Excel, PDF.
Hệ thống báo cáo của đồ án nhóm em sẽ tự động lưu trữ dữ liệu vào Excel mỗi khi có hàng hóa nhập xuất kho Điều này giúp người quản kho dễ dàng kiểm soát thông tin hàng hóa một cách hiệu quả và chính xác.
* Nhờ thông tin dữ liệu được quản lý một cách chính xác như vậy sẽ mạng lại hiệu quả như:
- Quản lý hàng hóa toàn diện:
Phần mềm quản lý kho giúp người quản lý theo dõi và kiểm soát tất cả các hoạt động liên quan đến kho hàng Bằng cách nắm rõ số lượng và tình trạng hàng tồn kho, phần mềm này giúp giảm thiểu tình trạng hàng hóa bị loại bỏ do hết hạn sử dụng hoặc lưu trữ quá mức cần thiết.
- Tối ưu hóa việc lưu kho:
Quá trình nhập và xuất hàng được quản lý liên tục thông qua phần mềm quản lý kho, dựa trên các điều kiện tối ưu do người dùng thiết lập Điều này giúp đảm bảo hàng hóa luôn được lưu trữ với số lượng hợp lý, từ đó giảm thiểu tình trạng tồn đọng vốn.
- Tự động hóa quá trình nhập / xuất hàng:
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ CỦA ĐỀ TÀI
Phương án thiết kế hệ thống kho hàng
Định nghĩa và phân loại kệ hàng hiện nay
Khung kệ chứa hàng, hay còn gọi là kệ để hàng, là thiết bị quan trọng dùng để nâng đỡ và lưu trữ hàng hóa Với nhiều loại mẫu mã và khả năng tải trọng khác nhau, kệ chứa hàng được sử dụng rộng rãi trong các kho bãi của mọi ngành nghề.
- Kệ khung hàng hiện nay thì có 3 loại:
+ Kệ trọng nặng là loại kệ chứa hàng được thiết kế nhiều tầngchứa en:pallet hàng hóa nặng với tải trọng trên 800 kg/tầng
+ Kệ trọng trung là loại kệ chứa hàng được thiết kế nhiều tầng hàngchứa hàng, mỗi tầng được ngăn bới mâm tole hoặc ván ép
+ Kệ trọng nhẹlà loại kệ chứa hàng được thiết kế nhiều tầng chứa hàng, mỗi tầng được ngăn bới mâm tole, mica, ván ép, ván okal,
Khung kho hàng được thiết kế theo hình vuông mang lại nhiều lợi ích trong việc sắp xếp hàng hóa và tối ưu hóa không gian kho Thiết kế này cũng tạo điều kiện thuận lợi cho robot trong quá trình xuất nhập hàng hóa, đồng thời phù hợp với nhu cầu của thị trường hiện tại.
Khung kho hàng 1 gian đơn mang lại nhiều lợi ích, bao gồm thiết kế đơn giản, vật liệu dễ tìm và lắp ghép, trọng lượng nhẹ thuận tiện cho việc vận chuyển Ngoài ra, khung kho hàng còn dễ tháo dời và sửa chữa, giúp tiết kiệm thời gian và công sức cho người sử dụng.
Ngoài ra, để thuận tiện trong việc di chuyển của cánh tay cơ khí thì các ô hàng phải đều nhau.
+ Khung kho hàng sẽ được thiết kế với một kích thước làm sao có thể để chia ra các ô hàng đều nhau:
+ Ưu điểm: Nhựa nhẹ giúp dễ thao tác gia công khi chế tạo, chi phí rẽ, có độ thẩm mỹ cao.
+ Nhược điểm: Khung hàng yếu không chắc chắn.
- Kích thước: Để đáp ứng các ô đều bằng nhau nên chiều dài và rộng 48x44 cm độ sâu 10 cm.
- Số lượng: + 4 thanh nhựa dài 48 cm
Sau khi chuẩn bị đầy đủ các thanh nhựa, chúng ta sẽ phân chia khoảng cách đều giữa các thanh và tiến hành cắt, lắp ráp chúng lại với nhau để tạo thành mô hình hoàn chỉnh.
Hình 2.1 Hình dạng khung kho hàng trên đề tài
Phương án thiết kế cách tay cơ khí
Hệ truyền động của cánh tay cơ khí điều khiển hoạt động của cánh tay thông qua 4 chuyển động chính: 3 chuyển động thẳng và 1 chuyển động quay Các trục chuyển động tương ứng với hệ tọa độ Oxyz, cho phép các cơ cấu hoạt động độc lập hoặc phối hợp với nhau, tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.
2.2.1 Tính toán phương án thiết kế dẫn hướng cho các trục:
Trong mô hình cơ cấu, các trục cần chuyển động tịnh tiến và chịu tải trọng từ khối lượng thân máy, ảnh hưởng lớn đến cơ cấu dẫn hướng Một cơ cấu dẫn hướng hiệu quả không chỉ đảm bảo độ chính xác trong chuyển động mà còn cần trơn tru, ít ma sát và khả năng chịu tải cao, bền bỉ Hiện nay, thị trường cung cấp nhiều lựa chọn phương án dẫn hướng cho các trục.
Phương án thiết kế trục OXY
Phương án thiết kế này bao gồm hai thanh giống nhau với bề ngang nhỏ hơn, đảm bảo độ song song và đồng phẳng cho giá đặt và cặp trục trơn Ưu điểm nổi bật của loại này là sự gọn nhẹ và khả năng chịu tải cao, với nhiều modun có sẵn trên thị trường với kích thước phong phú để lựa chọn Các bộ phận ăn khớp đã được chế tạo sẵn, giúp người sử dụng dễ dàng lắp đặt và sử dụng ngay sau khi mua Trong thanh trượt, có thể sử dụng bạc trượt hoặc bi tùy theo loại.
Hình 2.2: Dẫn hướng bằng thanh trượt
Phương án này mang lại nhiều ưu điểm nổi bật như kết cấu máy gọn nhẹ và công nghệ cao, khả năng chịu tải lớn, ma sát thấp, và độ chính xác cao Thiết kế rãnh mang cá giúp dễ dàng khử rơ do mòn theo thời gian, đồng thời có cấu trúc tương tự như máy CNC trong ngành công nghiệp.
Phương án gia công sống trượt mang cá có nhược điểm là phức tạp và tốn thời gian hơn so với việc sử dụng trục trơn, do trục trơn có sẵn trên thị trường.
Phương án thiết kế trục OZ
Phương án di chuyển của trục oz hành trình được thiết kế ngắn hơn so với hai trục oxy Để phù hợp với đề tài, trục oz cần có kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ Vì vậy, nhóm đã lựa chọn loại dẫn hướng nhỏ với chất liệu nhẹ, giúp dễ dàng trong quá trình lắp đặt.
Hình 2.3 Dẫn hướng trục Oz bằng vít me
- Ưu điểm : phương án này có ưu điểm là rẻ tiền, có độ chính xác cao trong quá trình di chuyển.
Phương án này có nhược điểm là khả năng chịu tải chỉ ở mức tương đối và độ chính xác không cao, do vật liệu chính được sử dụng là nhựa cứng.
Phương án thiết kế trục quay oz
Cơ cấu quay chỉ thực hiện chuyển động quay để nâng hạ cánh tay mà không cần truyền lực Do đó, giải pháp tối ưu là sử dụng động cơ servo góc để quay trục OZ, cho phép gắn trực tiếp trục động cơ với trục quay.
Hình 2.4 Phương thức quay trục oz bằng servo
- Ưu điểm: trục động cơ được gắn trực tiếp với trục quay, dễ thao tác lắp ráp.
- Nhược điểm: đối với các tải trọng quá lớn sẽ làm hư hại đến động cơ hoặc phải chọn động cơ công suất lớn gây tốn kém chi phí.
2.2.2 Phương án chuyển động của các trục
Phương án dùng vít me đai ốc thường cho trục OXYZ
Vít me được lắp đồng trục với động cơ, khi động cơ quay, vít me cũng quay, tạo ra chuyển động cho đai ốc gắn chặt vào các bộ phận cần di chuyển (trục X, Y, Z) Chuyển động này diễn ra so với hệ thống thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ của động cơ và bước ren của trục vít, thường có kích thước nhỏ từ 1 đến 5 mm; một vòng quay của trục động cơ sẽ khiến đai ốc di chuyển một khoảng tương ứng với bước ren của trục vít.
Hình 2.5 Phương án chuyển động của trục oxyz
Hình 2.6 Vít me đại ốc thường
Phương án này mang lại ưu điểm nổi bật với tốc độ di chuyển chính xác của bộ phận trượt, tạo ra lực đẩy lớn Chính vì vậy, nó thường được ứng dụng trong các máy công nghiệp.
Phương án này gặp phải nhược điểm là tốc độ di chuyển của cơ cấu khá chậm Để khắc phục, có thể sử dụng động cơ với tốc độ vòng quay cao nhằm tăng cường tốc độ cho cơ cấu.
Phương án dùng servo góc quay trục OZ
Trục quay của động cơ servo sẽ được kết nối trực tiếp với trục OZ, cho phép khi động cơ servo hoạt động, nó sẽ quay trục OZ một góc 180 độ.
Tốc độ di chuyển và góc quay của động cơ servo ta có thể điều chỉnh tùy ý giúp ta điều chỉnh tốc độ phù hợp.
- Ưu điểm: Độ chính xác cao khi chuyển động, dễ điều khiển và sử dụng giá thành lại rẽ hơn các loại khác.
- Nhược điểm: Quay không ổn định khi có vật nặng, dễ hư hỏng trong quá trình vận hành của hệ thống.
2.2.3 Cơ cấu di chuyển của các trục
Cơ cấu di chuyển của trục x
Hình 2.8 Cấu tạo bộ phận di chuyển theo trục X
Cơ cấu di chuyển của trục y
Hình 2.9 Cấu tạo bộ phận di chuyển theo trục y
Cơ cấu di chuyển của trục Z
Cơ cấu di chuyển của trục quay
Trục quay góc của động cơ servo được gắn chặt vào trục Oz, vì vậy khi động cơ servo hoạt động, trục Oz sẽ chuyển động theo Hình ảnh bên dưới minh họa rõ ràng sự liên kết này.
Hình 2.11 Cơ cấu trục quay
Cơ cấu hoàn thiện và thực tế
Hình 2.12 Cơ cấu hoàn thiện
Hình 2.13 Cơ cấu thực tế
HỆ THỐNG ĐIỆN VÀ CÁC THIẾT BỊ CỦA HỆ THỐNG
Hệ thống điện
Tủ điện mà nhóm em sử dụng có kích thước 40x30x20 cm, được thiết kế với vỏ nhựa bên ngoài, đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng và thuận tiện cho việc gia công.
Hình 3.1 Hình dạng vỏ tủ
Đèn báo nút nhấn điều khiển bên ngoài tủ
Hộp điều khiển gồm bao gồm những thiết bị sau:
- Đèn báo ba pha với 3 đèn đặt phía trên của tủ.
- Phía dưới sẽ là đèn báo khi hệ thống có sự cố lỗi trong quá trình hoạt động.
Chế độ chuyển đổi giữa Auto và Manual cho phép hệ thống hoạt động hoàn toàn tự động trong chế độ Auto, giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhân công Ngược lại, khi chuyển sang chế độ Manual, toàn bộ hệ thống sẽ ngừng hoạt động tự động và cần sự điều khiển, giám sát từ người quản lý Chế độ Manual sẽ được kích hoạt khi có sự cố đột ngột xảy ra.
Hai nút nhấn "Start" và "Stop" là những thành phần thiết yếu trong bất kỳ hệ thống nào Khi nhấn nút "Start", hệ thống sẽ chuyển sang trạng thái sẵn sàng hoạt động Ngược lại, khi nhấn nút "Stop", toàn bộ hệ thống sẽ ngừng hoạt động hoàn toàn.
Các đèn báo cũng các nút nhấn được liệt kê ở trên được phân bố bên ngoài của mặt tủ điện với sơ đồ như hình bên dưới.
Hình 3.2 Hình đèn báo nút nhấn bên ngoài tủ
3.1.2 Bảng điều khiển chế độ Manual
Bảng điều khiển chế độ bằng tay rất đơn giản, với các nút nhấn gửi tín hiệu đến bộ điều khiển Nó bao gồm 8 nút nhấn, mỗi nút có chức năng riêng biệt, được mô tả rõ ràng trong bảng dưới đây.
Bảng 1: Bảng thông tin nút chế độ manual
1 Up Khi nhấn nút thì trục y sẽ đi lên.
2 Down Khi nhấn nút thì trục y sẽ đi xuống.
3 Left Khi nhấn nút thì trục x sẽ di chyển sang trái.
4 Right Khi nhấn thì trục x sẽ di chuyển sang phải.
5 Push Out Nút này làm trục z đẩy ra để lấy vật hoặc bỏ vật lên kệ hàng
6 Back Nút này ngược lại với nút push on
7 Go Nút này làm trục z quay 1 góc 180 độ.
8 About Nút này làm trục z quay về góc 0 độ.
Hình 3.3 Bảng điều khiển manual của đề tài
3.1.3 Sơ đồ mạch điều khiển.
Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển
Hình 3.5 Hình ảnh lắp ráp tủ trên thực tế
3.6 Mô hình hoàn thiện của đề tài
Trang thiết bị của hệ thống
Trong hệ thống kho hàng tự động, việc vận chuyển thường sử dụng các loại động cơ như động cơ xoay chiều không đồng bộ, động cơ đồng bộ và động cơ điện một chiều Bài viết này tập trung vào việc sử dụng động cơ điện một chiều nam châm vĩnh cửu với công suất nhỏ, hoạt động ở các mức điện áp 12 và 24 VDC.
Động cơ sử dụng trong đề tài
Để giảm trọng lượng lên trục quay của servo, nhóm đã quyết định sử dụng động cơ DC cỡ nhỏ cho trục Z, nhằm đáp ứng mục tiêu thiết kế đề tài Dưới đây là thông số kỹ thuật và hình ảnh của động cơ điều khiển trục Z.
Động cơ giảm tốc GA12-N20
- Điện thế 50mA, tốc độ khoảng 100 vòng mỗi phút.
- Chiều dài của động cơ (với hộp số): 24.3mm
- Đường kính trục: loại trục 3mm
Hình 3.7 Động cơ một chiều GA12-N20
Phương thức đảo chiều DC
Để đảm bảo an toàn cho mô hình sử dụng động cơ đảo chiều trong cánh tay trục Z, cần trang bị thiết bị bảo vệ như rơ-le trung gian Việc sử dụng một cặp rơ-le trung gian là cần thiết để thực hiện đảo chiều động cơ, giúp tránh các sự cố về điện.
Hình 3.8 Sơ đồ đảo chiều
Nguyên tắc hoạt động của mạch đảo chiều động cơ:
Khi rơ-le RLB+ nhận tín hiệu điện, tiếp điểm B+ được kích hoạt, mở tiếp điểm B1+, giúp động cơ kết nối với nguồn điện Quá trình này diễn ra qua các bước: nguồn điện dương (+) → tiếp điểm B+ của RLB+ → động cơ (ĐC) → tiếp điểm B1- của RLB- → 0V, khiến động cơ quay theo chiều thuận.
Khi rơ-le RLB có điện, tiếp điểm B sẽ đóng lại và tiếp điểm B1 sẽ mở ra, dẫn đến việc động cơ được kết nối với nguồn điện thông qua tiếp điểm B của RLB, sau đó đến động cơ và tiếp điểm B1 của RLB, tạo ra 0V, khiến động cơ quay theo chiều ngược lại.
3.2.2 Động cơ bước Động cơ bước là một thiết bị cơ điện không chổi than, chuyển đổi các chuỗi xung điện tại các cuộn kích của chúng thành trục quay cơ học Từng bước quay được xác định chính xác Trục của động cơ quay qua một góc cố định cho mỗi xung rời rạc Chuyển động này có thể là tuyến tính hoặc góc.
- Ở vị trí đứng yên, động cơ có mô-men xoắn tốt.
- Phản ứng nhạy khi khởi động, dừng và đảo ngược vị trí.
- Tuổi thọ cao, bền bỉ do không có chổi than
- Góc quay của động cơ tỷ lệ thuận với tín hiệu đầu vào.
- Điều khiển vòng hở ít tốn
- Tốc độ động cơ tỷ lệ thuận với tần số xung đầu vào; có thể đạt được một phạm vi tốc độ quay rộng.
- Khi tải được ghép với trục, vẫn có thể nhận ra vòng quay đồng bộ với tốc độ thấp.
- Định vị chính xác và độ lặp lại của chuyển động là tốt
- Lỗi không được tích lũy từ bước này sang bước khác.
Động cơ bước mang lại sự an toàn và chi phí thấp hơn so với động cơ servo, đồng thời cung cấp mô-men xoắn cao ở tốc độ thấp Với cấu trúc đơn giản, động cơ bước có độ tin cậy cao và hoạt động hiệu quả trong mọi môi trường.
- Động cơ bước có hiệu suất thấp.
- Nó có độ chính xác thấp chưa bằng với động cơ servo
- Mô-men xoắn của nó giảm rất nhanh với tốc độ.
- Vì động cơ bước hoạt động trong điều khiển vòng hở; không có phản hồi để chỉ ra các bước lỗi.
- Nó có mô-men xoắn thấp đến tỷ lệ quán tính cao
- Gây nhiều tiếng ồn khi hoạt động.
Động cơ bước sử dụng trong đề tài
Hình 3.9 Động Cơ Bước Size 42X50
- Số dây điện: 4 - 6 dây ( tương tự nhau)
- Bước góc độ chính xác: ± 5% (bước đầy đủ, không tải)
- Độ chính xác điện trở: ± 10%
- Độ chính xác điện cảm: ± 20%
- Kích thước (Rộng x Cao): 42 x 50mm
Thanh trượt vuông, hay còn gọi là ray trượt vuông, là thiết bị dẫn hướng quan trọng, hoạt động dựa trên sự chuyển động tịnh tiến giữa con trượt và thanh trượt Thiết bị này không chỉ giúp dẫn hướng chính xác mà còn có khả năng chịu tải trọng cao, mang lại hiệu suất tối ưu cho các ứng dụng công nghiệp.
Thanh trượt sử dụng trong đề tài
Như đã đề cập trên phương án dẫn hướng thì nhóm quyết định dùng trượt vuông cho hai trục Oxy.
Thông số cơ khí của thanh trục vuông như sau:
- Độ dày thanh trượt: 10 (mm)
- Độ dày con trượt: 15 (mm)
- Chiều rộng thanh trượt: 15 (mm)
- Chiều rộng con trượt: 30 (mm)
- Chiều dài thanh trượt: 590 (mm)
- Chiều dài con trượt: 50 (mm)
Như đã đề cập trong phần phương án thì nhóm sẽ sư dụng vít me đai ốc trượt loại thường.
Cơ cấu chuyển động vít me – đai ốc trượt
Vít me – đai ốc là cơ cấu truyền động chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến Có hai loại truyền động vít me – đai ốc, bao gồm vít me – đai ốc trượt và vít me – đai ốc bi.
Hình 3.11 Vít me đai ốc
Những đặc điểm vít me – đai ốc trượt:
- Độ chính xác truyền động cao, tỷ số truyền lớn.
- Truyền động êm, có khả năng tự hãm, lực truyền lớn.
- Có thể truyền động nhanh với vít me có bước ren hoặc số vòng quay lớn.
- Hiệu suất truyền động thấp nên ít dùng để thực hiện những chuyển động chính.
Thông số cơ khí vít me trục Oxy
- Chiều dài vitme trục : 600 (mm)
- Bước ren của vitme: 5 (mm)
Thông số cơ khí vít me trục Oz
- Chiều dài vitme trục : 120 (mm)
- Bước ren của vitme: 5 (mm)
3.2.5 Relay trung gian Được dùng rất nhiều trong các hệ thống bảo vệ điện, trong các hệ thống điều khiển tự động, do đó có số lượng tiếp điểm lớn 4-8 tiếp điểm, vừa thường đóng vừa thường hở.Relay trung gian được sử dụng khi khả năng đóng cắt các tiếp điểm của relay chính không đủ hoặc tín hiệu từ relay chính đến nhiều bộ phận khác của mạch điều khiển.
- Công suất tiêu thụ nhỏ Kết cấu sử dụng đơn giản, tần số đóng cắt của hệ thống tiếp điểm là đủ lớn.
- Độ bền cơ-điện của các cặp tiếp điểm tốt.Số lượng cặp tiếp điểm phù hợp với nhu cầu sử dụng.
Relay sử dụng trong mô hình:
Hình 3.12 Rơ le trung gian
- Model: Relay MY2N-GS 24VDC
- Điện áp kích dẫn: 24 VDC
- Điện áp xoay chiều lớn nhất tại chân dẫn: 240 VAC
- Điện áp một chiều lớn nhất tại chân dẫn: 28 VDC
- Dòng điện lớn nhất tại chân dẫn: 5 A
Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F – DS30C4 sử dụng ánh sáng hồng ngoại để xác định khoảng cách tới vật cản, mang lại độ phản hồi nhanh chóng và giảm thiểu nhiễu nhờ vào việc phát và nhận tia hồng ngoại với tần số riêng biệt Người dùng có thể điều chỉnh khoảng cách mong muốn thông qua biến trở, và cần lưu ý rằng ngõ ra cảm biến ở dạng cực thu hở, do đó cần thêm một trở treo lên nguồn ở chân output khi sử dụng.
Hình 3.13 Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 NPN
❖ Thông số kỹ thuật của cảm biến:
- Nguồn điện cung cấp: 6 – 36 VDC
- Khoảng cách phát hiện: 5 – 30 cm
- Có thể điều chỉnh khoảng cách phát hiện qua biến trở
- Dòng kích ngõ ra: 300 mA
Ngõ ra dạng NPN với cực thu hở cho phép tùy chỉnh điện áp ngõ ra linh hoạt Bằng cách điều chỉnh trở treo, người dùng có thể xác định mức điện áp ngõ ra mong muốn.
- Chất liệu sản phẩm: nhựa
- Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ
Công tắc hành trình là thiết bị quan trọng trong thiết kế cơ cấu, giúp xác định hành trình của các trục Với nhiều mục đích sử dụng khác nhau, công tắc này được thiết kế để dễ dàng thao tác, mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng công nghiệp.
Hình 3.14 Công tắc hành trình
Băng chuyền là thiết bị tự động hóa trong công nghiệp, giúp di chuyển và vận chuyển vật liệu hay thiết bị một cách hiệu quả mà không cần sức người hay các dụng cụ truyền thống như xe đẩy hay xe chở hàng.
Băng chuyền của hệ thống
Băng tải Mini có thiết kế nhỏ gọn, lý tưởng cho các ứng dụng trong lắp ráp linh kiện và đếm sản phẩm, góp phần nâng cao hiệu quả công việc.
Thông số kỹ thuật của băng chuyền:
- Động cơ DC 12V (đã qua sử dụng còn sáng bóng)
- Dây belt bằng vật liệu PVC có độ bền cao.
- Kích thước (ngang x dài x cao): 6x48x15 cm.
Module điều khiển động cơ bước
Trục x và y sử dụng động cơ bước cho chuyển động, do đó cần một module điều khiển động cơ để điều khiển chúng Mạch driver động cơ bước là thiết bị chuyên dụng giúp điều khiển động cơ bước lưỡng cực, với khả năng điều chỉnh các chế độ như full step, half step và vi bước (1/8 và 1/16 step) Các chế độ này được thiết lập thông qua phần cứng.
Module thường sử dụng nguồn cấp 12VDC hoặc 24VDC cấp cho động cơ bước hoạt động Tạo ra điện áp 5VDC cấp cho các khối còn lại.
Cách ly tín hiệu điều khiển với khối Driver động cơ.
- Khối tín hiệu điều khiển.
Gồm 6 chân : EN-, EN+, CW-, CW+, CLK-, CLK+
+ EN-, EN+: Tín hiệu cho phép/không cho phép modul hoạt động.
+ CW-,CW+: Tín hiệu điều khiển chiều quay của động cơ.
+ CLK-, CLK+: Tín hiệu xung điều khiển bước quay động cơ.
Với thiết kế 2 chân điều khiển 1 chức năng như thế này, module TB6560 cho phép người dùng tùy chọn tín hiệu điều khiển là 0 hoặc 1.
- Khối thiết lập chế độ.
Gồm các switch cho phép người dùng thiết lập các chế độ tùy chọn như: Chọn dòng điện chạy qua động cơ, điều chỉnh độ rộng góc bước.
Sử dụng IC TB6560 điều khiển hoạt động cử động cơ bước.
Gồm 4 chân: A+, A-, B+, B- cho phép kết nối với 4 đầu dây của động cơ bước lưỡng cực.
Sơ đồ đấu dây của module
Hình 3.19 Sơ đồ dấu dây của module
Module điều khiển động cơ bước sử dụng trong đề tài
- Module điều khiển động cơ bước ST 6600 lưỡng cực Max 4A
Hình 3.20 Module điều khiển động cơ bước ST 6600
- Dòng cấp tối đa là 4A.
- Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao.
- Bảo vệ quá áp, quá dòng và ngắn mạch
- Mô hình làm mát: Làm mát tự nhiên
- Điều kiện: Tránh bụi, sương mù dầu và khí ăn mòn
- Độ ẩm:
