Ngày này với sự phát triển của khoa học, công nghệ, không thể không kể đến các thiết bị phục vụ trong lĩnh vực tự động hóa. Ra đời cách gần 70 năm, ngày nay, xe tự hành – Automated Guided Vehicle (AGV) đã có mặt trong nhiều ngành công nghiệp như tự động hóa các dây chuyền sản xuất, vận chuyển hàng hóa trong kho vận,… Thấy được sự xuất hiện ngày càng phổ biến và ngày càng quan trọng như vậy, luận văn này nghiên cứu hướng ứng dụng của xe tự hành trong lĩnh vực kho vận - đề tài thực hiện “Nghiên cứu, thiết kế và điều khiển hoạt động hệ thống AGV trong kho lạnh”. Qua luận văn thực hiện nghiên cứu tổng quan về nội dung hệ thống AGV, thiết kế cơ khí cũng như hệ thống điện của xe AGV dạng Reach Truck. Tác giả đã tìm hiểu quá trình thiết kế một hệ thống AGV ứng dụng trong nhà kho. Qua đó, tác giả trình bày kết quả quá trình thiết kế hệ thống AGV ứng dụng trong kho lạnh với công suất lưu trữ 4000 vị trí lưu trữ dạng pallet. MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN i DANH SÁCH HÌNH ẢNH v DANH SÁCH BẢNG BIỂU vii PHẦN LIỆT KÊ CÁC TỪ VIẾT TẮT viii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1 1.1. Tổng quan về hệ thống kho lạnh 1 1.1.1. Khái niệm về kho và kho lạnh 1 1.1.2. Thành phần của hệ thống lạnh 1 1.1.3. Tổng quan về nguyên lý hoạt động của kho 4 1.2. Tổng quan về hệ thống AGV 5 1.2.1. Thiết kế layout khu vực hoạt động 7 1.2.2. Thiết kế layout đường đi nhà kho 9 1.2.3. Xác định số lượng xe 11 1.2.4. Nguyên tắc phân phối xe thực hiện đơn hàng 12 1.2.5. Xác định tuyến đường cho xe 15 1.2.6. Điều khiển giao thông của hệ thống [8] 15 1.3. Tổng quan về AGV 16 1.3.1. Một số loại AGV 16 1.3.2. Hệ thống cảm biến an toàn trên AGV 18 1.3.3. Các phương pháp định vị trên AGV 18 1.3.4. Kết cấu tổng thể của AGV dạng Forklift 19 1.3.5. Hệ thống thủy lực 22 1.4. Nội dung thực hiện và phạm vi đề tài 25 1.4.1. Nội dung thực hiện 25 1.4.2. Phạm vi đề tài 25 CHƯƠNG 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN 26 2.1. Lựa chọn phương án cơ khí 26 2.1.1. Phương án kết cấu AGV 26 2.1.2. Lựa chọn bơm cho cơ cấu nâng hạ 26 2.1.3. Lựa chọn loại động cơ dẫn động 27 2.2. Lựa chọn phương án điện 28 2.2.1. Lựa chọn thiết bị điều khiển 28 2.2.2. Lựa chọn phương pháp định vị 29 2.2.3. Lựa chọn cảm biến phát hiện vật cản 31 2.2.4. Công nghệ pin 32 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ CẤU NÂNG HẠ CHO AGV 35 3.1. Tiêu chí và thông số thiết kế cơ khí 35 3.2. Tính toán cơ cấu nâng bàn trượt 35 3.3. Tính toán lực nâng cần thiết 35 3.4. Tính chọn xilanh piston thủy lực nâng bàn trượt 39 3.5. Tính chọn xích nâng và puly xích 40 3.5.1. Tính chọn xích nâng 40 3.5.2. Tính chọn puly xích 42 3.6. Tính toán lựa chọn bơm thủy lực 42 CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ ĐIỆN 45 4.1. Tiêu chí thiết kế điện 45 4.2. Sơ đồ khối hệ thống điện của AGV 45 4.3. Công nghệ định vị RFID 45 4.4. Tính toán lựa chọn nguồn pin 45 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ GIẢI THUẬT QUẢN LÝ NHÀ KHO 46 5.1. Tiêu chí thiết kế 46 5.2. Tính toán thiết kế layout kho 46 5.2.1. Lựa chọn hệ thống kệ lưu trữ 46 5.2.2. Thiết kế layout khu vực lưu trữ 47 5.2.3. Phân tích, lựa chọn số lượng AGV 50 5.3. Thiết kế giải thuật chương trình chính 51 5.4. Thiết kế giải thuật lựa chọn vị trí lưu trữ 51 5.5. Thiết kế giải thuật lựa chọn vị trí xuất hàng 53 5.6. Thiết kế giải thuật giao nhiệm vụ cho AGV 54 5.7. Thiết kế giải thuật tìm đường đi 55 5.8. Thiết kế giải thuật hạn chế va chạm 57 CHƯƠNG 6: MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT THỰC HIỆN 59 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 62 TÀI LIỆU THAM KHẢO 63
TỔNG QUAN
Tổng quan về hệ thống kho lạnh
1.1.1 Khái niệm về kho và kho lạnh
Kho, nhà kho hay kho bãi là một tòa nhà được xây dựng để chứa và lưu trữ hàng hóa, phục vụ cho các hoạt động của nhà sản xuất, nhập khẩu, xuất khẩu, và phân phối Các doanh nghiệp, hải quan, cơ quan nhà nước và cá nhân đều sử dụng kho để lưu trữ nguyên liệu, vật liệu đóng gói, linh kiện và hàng hóa thành phẩm liên quan đến nông nghiệp, sản xuất và thương mại.
Kho lạnh là một loại kho có thiết kế và cấu trúc đặc biệt, được sử dụng để bảo quản sản phẩm và hàng hóa trong điều kiện nhiệt độ thấp và môi trường không khí phù hợp.
Dựa theo nhiệt độ bảo quản có thể phân biệt kho lạnh như sau:
Kho bảo quản lạnh: Nhiệt độ bảo quản nằm trong khoảng -2 o C đến 5 o C Các mặt hàng chủ yếu là rau quả và các mặt hàng nông sản.
Kho bảo quản đông: Nhiệt độ tối thiểu phải đạt được -18 o C, dùng để bảo quản các sản phẩm đã qua cấp đông.
Kho đa năng: Nhiệt độ bảo quản là -12 o C, có thể tăng giảm nhiệt độ phụ thuộc và nhu cầu.
Kho cấp đông: Nhiệt độ bảo quản -50 o C.
Kho bảo quản nước đá: Tối thiểu nhiệt độ -40 o C.
1.1.2 Thành phần của hệ thống lạnh
Hệ thống làm lạnh: đảm bảo điều kiện lưu trữ của hệ thống
Kệ chứa hàng: Là vật dụng đỡ hàng hóa Kệ chứa có nhiều loại phụ thuộc vào tải trọng, kiểu dáng, thiết bị bốc đỡ,…
Bảng 1.1- Một số hệ thống kệ Pallet được sử dụng phổ biến
STT Tên Mô tả Ứng dụng
Seclective Yêu cầu đường đi 3 – 3.4m với forklift và 3.5 – 4.5 m cho couterbalance.
Phù hợp nguyên tắc First in First Out (FIFO)
Là một dạng kệ pallet phổ biến Hiệu suất lưu trữ: 90%
Số lượng pallet nhỏ trên 1 đơn vị lưu trữ
Có thể lấy 1 pallet bất kì ở một thời điểm bất kì Khi muốn lấy pallet ở một mức độ thấp hơn
Push Back Racking Đường đi 3 – 3.4m.
Hỗ trợ nguyên tắc Last In First Out (LIFO).
Là dạng hệ thống kệ phổ biến
Pallet nằm trên các bệ đỡ trượt, pallet sau đẩy pallet trước vào trong
Có thể sâu 3 đến 4 lớp pallet nhưng thường là 2 lớp.
Phải cần thận trong quá trình nâng, hạ hàng hóa Hiệu suất lưu trữ: 85-90%
Khi có nhiều pallet trong một đơn vị lưu trữ, việc tối ưu hóa mật độ hàng hóa trở nên quan trọng hơn Đặc biệt, khi lựa chọn đơn hàng, không cần thiết phải yêu cầu các pallet cụ thể để đạt được hiệu quả cao trong việc quản lý không gian lưu trữ.
Không phù hợp cho các hàng hóa dễ vỡ, hư hổng do va chạm.
Pallet Live Storage Đường đi 3 – 3.4m.
Hỗ trợ nguyên tắc FIFO trên mỗi làn kê.
Pallets được đặt trên các rãnh lăn và di chuyển từ lối vào đến lối ra nhờ tác dụng của trọng lực
Tận dụng không gian thể tích kho
Khi cần hệ thống FIFO và hàng hóa di chuyển với tốc độ nhanh.
Khi có số lượng pallet lớn/SKUCần hiệu suất không gian sử dụng lớn.
Lối đi vào và ra khác nhau Hiệu suất: 85-90%
Phát triển dựa trên selective pallet racking
Có hệ thống điều khiển và các bánh xe bên dưới hỗ trợ di chuyển.
Chỉ có một đường di chuyển trong cùng một thời gian.
Thường sử dụng cho hệ thống kho lạnh
Khi công suất lưu trữ yêu cầu lớn, sử dụng tối đa không gian lưu trữ
Hệ thống công suất lưu trữ cao với các trục nâng tự động Có thể là 1 hoặc nhiều lớp pallet, không gian kin hoặc mở
Hiệu suất lưu trữ: 90 to 95%
Khi diện tích kho bị hạn chế hay các hệ thống kho yêu cầu công suất lưu trữ lớn.
Số lượng pallet trên mỗi đơn vị lưu trữ không ảnh hưởng do hệ thống làm việc tự động và các pallet có thể được kết nối.
Trong kho lạnh, việc chọn lựa xe và thiết bị bốc dỡ hàng hóa phụ thuộc vào khoảng cách, chiều cao và khối lượng hàng hóa Các phương tiện vận chuyển và sắp xếp hàng hóa phổ biến bao gồm xe nâng tay, xe tự hành và thang nâng tự động.
Pallet là một cấu trúc phẳng dùng để cố định hàng hóa, giúp việc nâng lên bằng thiết bị bốc đỡ trở nên dễ dàng Nó đóng vai trò là đơn vị lượng tải cơ bản, cho phép di chuyển và xếp hàng vào kho một cách hiệu quả.
1.1.3 Tổng quan về nguyên lý hoạt động của kho
Mặc dù các nhà kho có sự khác biệt về kích thước, loại hình và chức năng, nhưng quy trình hoạt động của chúng vẫn tương tự nhau Quy trình này bao gồm các bước chính như nhận hàng, đặt hàng, lưu trữ, chọn hàng và gửi hàng.
Hình 1.1- Quy trình hoạt động của nhà kho [nguồn internet]
Một số nguyên tắc hoạt động của nhà kho:
Bảng 1.2- Một số nguyên tắc lưu trữ hàng trong kho
STT Nguyên tắc Mô tả
1 Random Storage - Vị trí lưu trữ ngẫu nhiên
- Phù hợp cho môi trường điều khiển bằng máy tính
- Lựa chọn vị trí trống gần của nhất
- Khu vực gần của sẽ luôn trong vị trí đầy
- Vị trí lưu trữ cố định
- Vị trí sẽ để trống nếu không có hàng => hiệu suất không cao
- Những hàng hóa có tốc độ luân chuyển cao sẽ đặt gần cửa
- Thường kết hợp với Dedicated Storage
- Lưu trữ dựa trên phân loại hang hóa
- Thường sử dụng quy tắc ABC
Bảng 1.3- Một số nguyên tắc quản lý hàng trong kho
Sản phẩm được chọn ngẫu nhiên để xuất hàng
2 First In First Out (FIFO) Sản phẩm nhập hàng trước sẽ được chọn để xuất hàng trước
3 Last In First Out (LIFO) Sản phẩm nhập hàng sau sẽ được chọn để xuất hàng trước
4 First Expiry First Out (FEFO) Sản phẩm có ngày hết hạn trước sẽ được xuất kho trước
Sản phẩm có chất lượng thấp hơn sẽ được chọn để xuất kho trước
Sản phẩm có hạn sử dụng lâu nhất sẽ được chọn để xuất kho trước
Sản phẩm có chất lượng cao nhất sẽ được chọn để xuất kho trước
Các nguyên tắc này được chia thành 2 nhóm chính: FIFO và LIFO
FIFO là phương pháp quản lý hàng hóa hiệu quả cho các sản phẩm có tốc độ xoay vòng cao hoặc có ngày hết hạn Một số loại kệ pallet phù hợp cho hệ thống FIFO bao gồm kệ selective, kệ drive-though, kệ carton flow và kệ pallet flow.
LIFO (Last In, First Out) là phương pháp phù hợp cho các hàng hóa có thời gian sử dụng lâu dài, như rượu, vì chất lượng có thể cải thiện theo thời gian lưu trữ Các loại kệ như double-deep selective, drive-in và push back thường được sử dụng để tối ưu hóa không gian lưu trữ cho các sản phẩm này.
Tổng quan về hệ thống AGV
Để thiết kế hệ thống AGV trong kho, cần xem xét nhiều vấn đề để tạo ra mô hình kho đạt yêu cầu Nghiên cứu của Dick và Susan Ann đã chỉ ra một số thông số quan trọng, được chia thành 4 nhóm để dễ dàng tìm hiểu.
Bảng 1.4- Nhóm các thông số thiết kế hệ thống AGV
+ Lựa chọn thiết kế đường 1 chiều hoặc 2 chiều
+ Vị trí nâng/hạ hàng hóa
+ Kích thước các đoạn đường điều khiển
+ Thiết kế các đoạn giao nhau
+ Số lượng AGV + Vận tốc
+ Gia tốc/Giảm tốc + Cách thức nạp nguyên liệu + Số lượng hàng trên 1 lần tải + Nguyên lí dẫn hướng
+ Thời gian nâng/hạ tải
Các quy luật Yêu cầu
+ Điều khiển các va chạm/xung đột ở nút giao
+ Nguyên tắc sắp xếp nhiệm vụ
+ Nguyên tắc sắp xếp cho xe trống
+ Lên danh mục hàng hóa
+ Xác định đường di chuyển
+ Lượng hàng di chuyển/giờ
Chúng tôi sẽ khám phá những thông số quan trọng có ảnh hưởng lớn đến thiết kế và hiệu suất hoạt động của hệ thống.
1.2.1 Thiết kế layout khu vực hoạt động
Hình 1.2- Một số dạng phân bố khu vực lưu trữ phổ biến
- Tính toán công suất lưu trữ của một số dạng nhà kho phổ biến
- Xét với cùng kích thước dài x rộng x cao : 100m x 50m x 10m
Một số thông số xem xét khi thiết kế layout
- Với các cách phân bố khác nhau, kích thước nhà kho cũng ảnh hưởng rất lớn trong quá trình thiết kế.
Khi thiết kế nhà kho, không chỉ kích thước mà còn vị trí và hình dạng mặt bằng của kho cũng đóng vai trò quan trọng Những yếu tố này cần được xem xét kỹ lưỡng để đảm bảo tối ưu hóa không gian và hiệu suất sử dụng.
- Như thông thường, ta qua tâm đến các kích thước: dài, rộng, cao của nhà kho
- Để dễ dàng và đồng bộ trong việc thiết kế cũng như xem xét các mối quan tâm khác.
- Kích thước của pallet đã được tiêu chuẩn hóa, cũng như mục đích lưu trữ hàng hóa mà lựa chọn pallet phù hợp.
- Kích thước tiêu chuẩn của pallet:
Hình 1.3- Thông số kích thước pallet theo chuẩn ISO
Kích thước pallet phổ biến nhất hiện nay là 48 x 40 inches Ngoài các kích thước tiêu chuẩn ISO, nhiều quốc gia và khu vực còn sử dụng các kích thước pallet khác.
Hình 1.4 Kích thước pallet với tải trọng điển hình
- Lựa chọn kích thước đường đi phụ thuộc vào loại AGV và có thể còn phụ thuộc vào kích thước pallet được lựa chọn.
- Một số kích thước có thể tham khảo [9]:
+ Sit-down counterbalanced forklift: Cần ít nhất 12 feet (3658mm) để vận chuyển pallet 48 inches
+ Stand-up deep-reach forklift: khoảng 9 – 11 feet ( 2743 – 3353 mm)
+ Stand-up single-reach forklift: khoảng 8 feet (2439mm)
+ Turret or swing-mast narrow aisle forklift: 4.6 – 5.6 feet (1402 – 1707 mm) + Narrow aisle orderpicker: 4 – 5 feet (1220 – 1524 mm)
- Trên chỉ là kích thước yêu cầu của AGV, để được kích thước đường đi, ta còn quan tâm đến một số yếu tố khác:
AGV có ba kích thước quan trọng bao gồm chiều dài, chiều rộng và chiều cao, trong đó chiều rộng là yếu tố được chú trọng nhất để đảm bảo AGV có thể di chuyển qua các lối đi Bán kính xoay cũng là một yếu tố cần xem xét khi thiết kế AGV, ảnh hưởng đến khả năng di chuyển linh hoạt của nó trong không gian hạn chế.
1.2.2 Thiết kế layout đường đi nhà kho Đường đi có thể được chia thành nhiều dạng như:
Bảng 1.5 trình bày ưu nhược điểm của các dạng đường đi
Hình 1.5- Ví dụ về hệ thống đường đi tiếp đôi (Tandem guide-pathsystem) [3]
Bảng 1.5- Ưu nhược điểm các dạng hệ thống đường đi [4]
Hệ thống đường Ưu điểm Nhược điểm
Linh hoạt trong việc định tuyến Đạt hiệu suất cao khi có thể sửa dụng các đường thay thế, đường tắt
Khoảng cách di chuyển ngắn hơn
Có thể vẫn hoạt động khi có lỗi Điều khiển phức tạp
Có thể tắc nghẽn, chịu tác động của các yếu tố trong hệ thống
Khó có thể mở rộng
(Single loop) Điều khiển đơn giản Các tắc nghẽn, bị tác động khi xảy ra vấn đề trong hệ thống thấp hơn so với hệ thống thông thường
Giảm sự linh hoạt trong việc định tuyến
Giảm khả năng chịu lỗi của hệ thống Quãng đường di chuyển dài hơn Khó mở rộng hệ thống
Không có tắc nghẽn và sự tác động giữa các xe Điều khiển đơn giản
Có thể mở rộng hệ thống Đạt hiệu suất cao khi sử dụng đường hai chiều.
Yêu cầu thêm các di chuyển đệm Giới hạn chỉ một xe trong một khu vực.
Giảm khả năng chịu lỗi của hệ thống. Một số hàng hóa yêu cầu nhiều hơn một xe.
Tóm thời gian cho các di chuyển đệm
1.2.3 Xác định số lượng xe
Xác định số lượng AGV là bước quan trọng ảnh hưởng đến chi phí đầu tư và hiệu suất hệ thống Cần tính toán cẩn thận số lượng AGV, vì quá ít sẽ không đáp ứng nhu cầu kho, trong khi quá nhiều có thể gây va chạm và tắc nghẽn Để lựa chọn số lượng AGV phù hợp, có thể phân chia thành hai loại: AGV công suất một tải và AGV công suất nhiều tải.
Xe có công suất một tải
Hệ thống AGV có chi phí cao, do đó việc xác định loại xe và ước lượng số lượng xe cần thiết là rất quan trọng Trong hệ thống đường đi tiếp đôi, số xe yêu cầu tương ứng với số khu vực, trong khi ở các hệ thống đường đi khác, cần ước lượng số lượng xe Theo Egbelu (1987), có ba yếu tố chính ảnh hưởng đến số lượng AGV cần thiết.
(2) Vị trí nơi di chuyển hàng hóa
(3) Chiến lược sắp xếp AGV
Egbelu (1987) đã đề xuất bốn mô hình để tính toán số lượng AGV dựa trên các thông tin như lượng hàng và số trạm làm việc Những mô hình này sử dụng ma trận khoảng cách cho tất cả các vị trí trong hệ thống cùng với dòng nguyên vật liệu làm dữ liệu đầu vào Mô hình thứ tư của Egbelu ước lượng số lượng AGV thông qua một công thức cụ thể.
Trong đó: n: số trạm làm việc (workstation) fij: số chuyến di chuyển giữa trạm làm việc i và j trong suốt mỗi ca làm việc
Dij: ước lượng khoảng cách di chuyển trống và di chuyển có tải giữa trạm i và j
T: Thời gian ca làm việc mà fij diễn ra
V: Vận tốc di chuyển trung bình của xe t1: thời gian để tải hàng của xe tu: thời gian để hạ hàng của xe t: dự đoán thời gian tổn thất của mỗi xe trong thời gian T để thay pin
Xe có công suất nhiều tải
Xe có nhiều tải giúp giảm số lượng xe cần thiết và tăng cường lưu thông hàng hóa trong hệ thống Chúng có khả năng nâng thêm hàng hóa trong quá trình vận chuyển, từ đó giảm thời gian di chuyển xe trống và tổng khoảng cách Tuy nhiên, việc sắp xếp di chuyển xe sẽ phức tạp hơn nhiều.
Việc xác định số lượng AGV thông qua mô hình mô phỏng có thể dẫn đến ước tính khác với yêu cầu thực tế do các giả định trong phân tích Ngoài ra, số lượng xe còn bị ảnh hưởng bởi các quy luật điều phối, kiểm soát giao thông và tình trạng tắc nghẽn Vì vậy, cần đánh giá lại số AGV ước lượng thông qua mô phỏng dưới các điều kiện hoạt động cụ thể.
1.2.4 Nguyên tắc phân phối xe thực hiện đơn hàng
Bảng 1.6- Một số nguyên tắc phân phối xe cho đơn hàng [nguồn internet]
Xem xét một số nguyên tắc phân phối xe cho đơn hàng đối với các xe đang rãnh.
Random work center (RW) rule
Trong nguyên tắc này, danh sách các trạm làm việc với các yêu cầu được nhận Từ đó, lựa chọn ngẫu nhiên và giao việc ngẫu nhiên.
Shortest travel time/distance (STT/D) rule
Nguyên tắc này giúp giảm thiểu thời gian di chuyển trống của xe tự hành (AGV) bằng cách phân công nhiệm vụ cho trạm gần nhất với điểm lấy hàng Khoảng cách từ AGV i đến vị trí hàng hóa x được tính theo công thức cụ thể.
Trong đó, j là số nút/điểm trên quãng đường ngắn nhất từ AGVi đến hàng hóa x. d n k 1 ; n k là khoảng cách giữa hai điểm nối tiếp n k 1 và n k
Dựa trên khoảng cách ngắn nhất, quyết định phân phối AGV đến vị trí hàng x, theo công thức:
Với y là tổng vị trí hàng cần lấy.
Longest travel time/distance (STT/D) rule
Trong nguyên tắc này, khoảng cách cần di chuyển của các đơn hàng được tính toán để xác định hàng có quãng đường lớn nhất, từ đó sẽ được sắp xếp cho AGV Khoảng cách từ AGVi đến vị trí hàng hóa x được tính toán bằng một công thức cụ thể.
Trong đó, j là số nút/điểm trên quãng đường ngắn nhất từ AGVi đến hàng hóa x. d n k 1 ; n k là khoảng cách giữa hai điểm nối tiếp n k 1 và n k
Dựa tren khoảng cách ngắn nhất, quyết định phân phối AGV đến vị trí hàng x, theo công thức:
Với y là tổng vị trí hàng cần lấy.
Quy tắc Modified First Come – First Serve (MFCFS) là một biến thể của quy tắc First Come – First Serve, được thiết kế để sắp xếp các xe đến các bộ phận theo thứ tự thời gian dựa trên các đơn hàng Khi có yêu cầu về xe trống, nếu không thể đáp ứng ngay lập tức, yêu cầu sẽ được lưu lại Tuy nhiên, nếu yêu cầu tiếp theo xuất phát từ vị trí đã được đáp ứng trước đó, yêu cầu này sẽ không được lưu lại Điều này đảm bảo rằng mỗi vị trí chỉ có thể có một yêu cầu tại một thời điểm.
Khi có nhiều yêu cầu cùng lúc, xe trống sẽ được phân bổ cho vị trí có yêu cầu và thời gian sớm nhất Ngay khi yêu cầu được đáp ứng, vị trí đó sẽ được đánh giá và cập nhật theo một trong hai phương thức cụ thể.
Tổng quan về AGV
Hiện nay, thị trường có nhiều loại AGV đa dạng, và sự phân loại có thể thay đổi tùy thuộc vào cách sắp xếp của từng người Bảng 1.7 liệt kê một số loại AGV phổ biến.
Bảng 1.7: Một số loại AGV phổ biến
STT Loại AGV Ưu điểm Nhược điểm
Rẻ hơn một số loại AGV khác như Forklift hay Tugger,
… Di chuyển an toàn Có thẻ nâng hạ tải mà không cần trợ giúp của con người.
Công suất tải giới hạn của AGV là một pallet mỗi lần di chuyển, điều này ảnh hưởng đến khả năng lưu trữ Ngoài ra, tốc độ di chuyển của AGV thấp hơn so với một số loại xe nâng khác như Forklift.
Tugger AGVs Có thể tải nhiều hàng cùng lúc, nâng cao hiệu suất hoạt động
Kích thước lớn gây khó khăn trong di chuyển,đồng thời nguy hiểm hơn các loại AGV khác như fotklift,… trong quá trình hoạt động.
2 Reach Truck Có thể làm việc trong các nhà kho có không gian hẹp (yêu cầu về rộng đường đi tối thiểu 3m)
Phù hợp làm việc với nhiều loại hệ thống kệ lưu trữ.
Công suất tương đối (thường khoảng 1500kg) phù hợp cho nhiều ứng dụng.
3 Counterbalance Đây là loại Forklift
AGV có kích thước lớn.
Có thể di chuyển các tải trọng lớn, ở vị trí cao. yêu cầu không gian có bán kính quay lớn
5 Straddle Đây là sự kết hợp giữa Paller Mover vàCounterbalance AGVs Có support legs giúp cho AGV ổn định trong quá trình di chuyển.
Di chuyển cái hàng hóa có tải trọng lớn
1.3.2 Hệ thống cảm biến an toàn trên AGV
Hiện nay, sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ đã thúc đẩy sự tiến bộ vượt bậc của AGV Người sử dụng ngày càng chú trọng hơn đến yếu tố an toàn trong quá trình hoạt động của AGV Do đó, hệ thống cảm biến an toàn trên AGV đang được cải thiện và hoàn thiện hơn bao giờ hết.
1.3.3 Các phương pháp định vị trên AGV Để xác định vị trí của AGV cũng như định hướng cho việc di chuyển của AGV, phương pháp định vị cho AGV rất quan trọng Ngày nay, nhiều phương pháp định vị đã được nghiên cứu và phát triển Sau đây là một số phương pháp định vị phổ biến: Từ trường; mã QR; laser; GPS; xử lý ảnh,….
Bảng 1.8 - Ưu nhược điểm của một số phương pháp định vị
Phương pháp Ưu điểm Nhược điểm
Phù hợp với các phân bố dạng lưới
Phân bố có thể thay đổi dễ dàng nhờ các phần mềm
Lắp đặt trên sàn phải thiết lặp trước như các đường từ
Phụ thuộc vào diện tích sàn và điều kiện của sàn.
Lưới phân bố đắt và tốn thời gian
Mã QR Linh hoạt, nhỏ gọn Định vị chính xác
Thường xuyên bảo dưỡng, duy trì
Dễ lắp đặt và thay đổi
Dễ điều khiển và giao tiếp
Không phụ thuộc vào âm thanh và ánh sáng
Nếu phân bố vị trí phức tạp cao, mã QR cần thay thế thường xuyên. Độ chính xác và dịch vụ các thiết bị có quan hệ chặt chẽ
Giá cao hơn một số phương pháp khác
Không lắp đặt trên sàn
Phù hợp với các khu vực có các thiết bị phản xạ Độ chính xác cao
Thiết bị lắp trên tường, cột, máy móc,… Yêu cầu đầu laser đặt cao hơn tải, có thể xoay 360 0
Các thiết bị phản xạ cố định Rất hạn chế khi sử dụng ngoài trời
Không phụ thuộc và các lắp đặt cố định
Chỉ có thể dùng cho ứng dụng bên ngoài, khu vực rộng, lớn. Độ chính xác phụ thuộc vào các công nghệ hỗ trợ.
1.3.4 Kết cấu tổng thể của AGV dạng Forklift a) Chạc nâng Được chế tạo từ thép có sức bền thỏa điều kiện, sau đó được gia công nhiệt luyện tại góc của chạc với khoảng cách 300mm về phía hai góc để đạt được độ cứng HB%0÷295.
Chạc được gắn trên bàn trượt và được cố định bằng vít để đảm bảo sự ổn định trong quá trình làm việc Để duy trì khoảng cách giữa các chạc, phần lưng chạc tựa vào rãnh của dầm ngang trên bàn trượt.
Kết cấu bàn trượt loại xe nâng có cơ cấu dịch chuyển bàn trượt (sideshift ) gồm có bàn trượt chính và bàn trượt phụ :
Bàn trượt chính di chuyển trong lồng khung trong, sự dịch chuyển này độc lập so với sự di chuyển của khung trong so với khung giữa.
Bàn trượt chính được dẫn hướng bởi bốn cặp con lăn, bao gồm một cặp con lăn phụ ở phía trên cùng và ba cặp con lăn chính phía dưới Trục lắp con lăn chính được hàn vào khung, trong khi trục con lăn phụ được liên kết với khung bằng bu lông và ống chêm Để ngăn chặn chuyển động vượt ra ngoài khung, đỉnh mỗi dầm chính khung có lắp tấm chặn bằng cao su, cùng với tấm chặn lắp phía dưới con lăn chính ở dưới cùng của bàn trượt.
Là một kết cấu khung dầm thép liên kết với nhau bằng mối hàn Bao gồm các phần:
Khung di chuyển tương đối so với khung giữa, bao gồm hai dầm chính bằng thép chữ C, được hàn thêm dầm chữ nhật ở bản thành phía ngoài Dầm chữ nhật này đóng vai trò là thanh dẫn hướng cho con lăn của khung chính Hai dầm chính được liên kết với nhau thông qua ba dầm ngang thép hình, đồng thời cũng thực hiện chức năng của các thanh giằng.
Dầm ngang dưới cùng của khung trong có vai trò quan trọng trong việc định vị xích nâng và cán xilanh nâng bàn trượt Puly dẫn hướng xích được lắp đặt trên đầu piston nâng bàn trượt để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Phần đoạn dưới cùng bản thành phía ngoài mỗi dầm chính lắp con lăn lăn trên bản cánh của khung trong.
Khung giữa di chuyển tương đối so với khung ngoài, bao gồm hai dầm chính bằng thép chữ C được hàn thêm dầm chữ nhật ở bản thành phía ngoài Dầm chữ nhật này đóng vai trò là thanh dẫn hướng cho con lăn của khung chính Hai dầm chính được kết nối với nhau thông qua ba dầm ngang thép hình, đồng thời cũng thực hiện chức năng của các thanh giằng.
Dầm ngang phía trên được trang bị hai công xon, giúp định vị đầu piston của xilanh nâng khung Cặp xilanh này tạo ra chuyển động tương đối giữa khung trong và khung ngoài.
Phần đoạn dưới cùng bản thành phía ngoài mỗi dầm chính lắp con lăn lăn trên bản cánh của khung chính.
Cấu trúc bao gồm hai dầm chính bằng thép hình chữ C được lắp đặt thẳng đứng, kết nối với nhau qua bốn dầm ngang bằng thép, đồng thời hoạt động như những thanh giằng Bên cạnh đó, còn có hai dầm chữ nhật thực hiện chức năng giằng dọc và là vị trí lắp đặt nửa giá đỡ kết nối khung nâng với cầu trước của ô tô Nửa giá đỡ còn lại được cố định trên cầu trước bằng bu lông đai ốc, trong khi liên kết giữa khung chính và cầu trước được thực hiện thông qua liên kết động bằng bạc trượt.
Phần giữa bản thành của mỗi dầm chính được trang bị một đầu xilanh-piston nghiêng, kết nối khung nâng với chassis Cặp xilanh-piston nghiêng này giúp giảm chiều dài phần công xon của chạc nâng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lấy hàng Nhờ vào thiết kế này, bộ phận nâng hàng có thể nghiêng tới 6 độ về phía trước so với phương thẳng đứng, đồng thời cũng có khả năng nghiêng 5 độ về phía sau để ổn định khung nâng khi di chuyển không có hàng.
Phần đoạn trên cùng bản thành của mỗi dầm chính được trang bị con lăn, giúp dẫn hướng khung trong chuyển động tương đối với khung giữa và khung ngoài Trục con lăn được hàn chắc chắn vào bản thành, trong khi dầm ngang dưới đóng vai trò là bệ lắp cặp xilanh nâng khung trong.
Cặp puli dẫn hướng xích được lắp trên đầu piston của xilanh nâng bàn trượt, với xích tải bản đôi vòng qua puli Một đầu của xích tải được định vị và điều chỉnh bằng bu lông đai ốc trên dầm ngang khung trong hoặc trên vỏ xilanh, trong khi đầu còn lại liên kết cố định với bàn trượt, tạo thành cơ cấu nâng bàn trượt hiệu quả.
Nội dung thực hiện và phạm vi đề tài
Tác giả đề xuất xây dựng một hệ thống quản lý hoạt động của AGV trong kho lạnh, bao gồm việc nghiên cứu tổng quan về kho lạnh và hệ thống AGV.
+ Thực hiện phân tích, lựa chọn các phương án cơ khí, điện cho xe AGV.
+ Thiết kế giải thuật điều khiển và quản lý hệ thống AGV.
- Từ đó có được tầm nhìn tổng quát về quá trình hoạt động của nhà kho và hệ thống AGV trong nhà kho.
- Thực hiện thiết kế hệ thống AGV cho kho lạnh có công suất lưu trữ 4000 pallet.
- Bố trí hệ thống kệ trong kho được chia làm 2 khu, có 16 dãy kệ đôi.
- Kho lạnh lưu trữ các loại hàng hóa có điều kiện lưu trữ tương tự nhau.
- Với cùng một loại hàng, khoảng thời gian hạn bảo quản cho phép là như nhau.
Có nghĩa là hàng đến trước sẽ hết hạn sử dụng trước.
- Các đơn hàng được thực hiện theo thứ tự, riêng lẽ.
- Thực hiện mô phỏng trên phần mềm Matlab để khảo sát cách thức hoạt động của hệ thống đã thiết kế.
- Khảo sát ở mức độ hệ thống, giả thiết các AGV di chuyển đúng theo kế hoạch thực hiện, bỏ qua có sai lệch tự điều chỉnh
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Lựa chọn phương án cơ khí
2.1.1 Phương án kết cấu AGV
Tác giả thiết kế kho lạnh với chiều cao gần 10m và hệ thống kệ lưu trữ 5 lớp, phù hợp cho việc tự động hóa nâng hạ hàng hóa bằng Forklift Với chiều cao lớn và đặc thù của kho, tác giả đã chọn sử dụng cơ cấu AGV dạng Reach Truck để tối ưu hóa quy trình lưu trữ.
Hình 2.1 - Xe AGV dạng Forklift (www.rocla-agv.com)
2.1.2 Lựa chọn bơm cho cơ cấu nâng hạ
AGV có khả năng hoạt động với tải trọng tối đa 1500kg, yêu cầu một động cơ mạnh mẽ để đáp ứng tải trọng lớn, do đó hệ thống nâng sử dụng năng lượng thủy lực Các loại bơm thủy lực bao gồm bơm bánh răng, bơm piston và bơm cánh quạt, mỗi loại đều có những ưu và nhược điểm riêng, được trình bày chi tiết trong bảng 2.1.
Bảng 2.1: Các loại bơm thủy lực phổ biến và ưu, nhược điểm
Loại bơm Ưu điểm Nhược điểm
- Được thiết kế gọn nhẹ, dễ di chuyển từ nơi này sang nơi khác
- Cấu tạo đơn giản, dễ sửa chữa nếu bị hỏng
- Bị hạn chế khi sử dụng trong những hệ thống thủy lực có áp suất cao (chỉ phù hợp với hệ thống thủy lực có áp suất trung bình)
- Có khả năng chịu quá tải trong một thời gian ngắn
- Đồng thời số vòng quay và công suất trên một đơn vị trọng lượng lớn.
- Không điều chỉnh được lưu lượng và áp suất khi số vòng quay cố định.
- Ít tạo tiếng ồn, khá êm ái.
- Dễ khi lắp đặt, bảo dưỡng, vệ sinh định kỳ và sửa chữa khi có hư hỏng.
- Dễ điều chỉnh lưu lượng của dòng dầu qua bơm
- Hiệu suất làm việc của bơm cao hơn.
- Bơm có thiết kế đơn giản, khá nhỏ gọn nên khi di chuyển hoặc lắp đặt trong không gian rất dễ dàng.
Độ ổn định của lưu lượng dầu chủ yếu phụ thuộc vào số lượng cánh gạt Khi số cánh gạt tăng lên từ 4 đến 12 hoặc hơn, lưu lượng dầu sẽ trở nên đồng đều hơn.
- Không phù hợp với những chất thủy lực có độ nhớt cao và áp suất lớn.
- Nếu hoạt động với tốc độ cao sẽ gây ảnh hưởng đến hiệu quả, độ bền của bơm (quá trình ăn mòn cánh gạt nhanh hơn).
- Đắt hơn bơm bánh răng
- Có khả năng tự hút tốt, tạo được áp cao
- Hiệu suất làm việc cao và có tổn thất lưu lượng chất lỏng nhỏ tiết kiệm được chi phí.
- Có thể thay đổi được dung lượng làm việc
- Giảm đến mức tối thiểu nhất dao động trong máy thủy lực khi làm việc với áp suất cao.
- Thiết kế và cấu tạo phức tạp, và lại có khối lượng và kích thước máy lớn.
Áp suất không đồng đều trong xi lanh và lưu lượng dịch chuyển không đồng bộ thường gây ra vấn đề cho hệ thống Để khắc phục tình trạng này, các kỹ sư thường lắp đặt thêm bình điều áp trên đường đẩy piston, giúp duy trì áp suất ổn định và cải thiện hiệu suất hoạt động.
- Máy bơm có giá thành cao so với các loại máy bơm khác.
Tác giả đã chọn bơm rôto cánh gạt do nó mang lại hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn và khả năng điều chỉnh lưu lượng để thay đổi tốc độ làm việc.
2.1.3 Lựa chọn loại động cơ dẫn động
Dẫn động bằng điện được ưa chuộng nhờ tính kinh tế, cấu tạo đơn giản và khả năng điều khiển dễ dàng Động cơ một chiều nổi bật với khả năng điều chỉnh vận tốc êm ái và mômen khởi động lớn, trong khi động cơ xoay chiều cứng hơn nhưng cũng đạt được mômen mở máy cao Các động cơ điện có kết cấu truyền lực đơn giản, cho phép khởi động với tải và có khả năng vượt qua lực cản lớn khi khởi động, đồng thời chịu được quá tải ngắn hạn trong quá trình làm việc ổn định.
Động cơ điện có giá thành hợp lý và cấu trúc đơn giản, gọn nhẹ, cho phép thiết lập các dẫn động riêng biệt cho từng cơ cấu Điều này đảm bảo sự đơn giản trong hệ thống truyền động cũng như toàn bộ sơ đồ nguyên lý của máy.
Trên xe nâng hàng tự hành, hệ thống truyền lực kết hợp thường được sử dụng, với cơ cấu di chuyển hoạt động từ động cơ cơ sở và các cơ cấu khác được dẫn động bằng hệ thống thủy lực thể tích Dẫn động thủy lực là công nghệ phổ biến, được trang bị cho nhiều loại máy xếp dỡ hiện đại.
Như vậy, lựa chọn động cơ cơ sở là động cơ điện, kết hợp hệ thống thủy lực trên cơ cấu nâng hạ.
Lựa chọn phương án điện
2.2.1 Lựa chọn thiết bị điều khiển Đề tài chọ vi điều khiển STM32F407VG với các tính năng hoàn toàn đáp ứng được nhu cầu điều khiển của hệ thống và dễ dàng mở rộng các ứng dụng phát triển sau này.
Vi điều khiển thực hiện giao tiếp với máy tính qua kết nối wifi, truyền và nhận dữ liệu bằng phương thức RFID, đồng thời tương tác với các khối cảm biến và thiết bị ngoại vi khác.
Các đặc tính của STM32F407VG:
- Bộ dao động RC on-chip
- Được cung cấp bởi một nguồn cung cấp duy nhất từ 1.8V đến 3.6V
- Hoạt động lên đến 168MHz
- I/O pins multiplexed với nhiều thiết bị ngoại vi
- Bộ nhớ bộ nhớ tĩnh hỗ trợ bộ nhớ Compact Flash, SRAM, PSRAM, NOR và NAND
- Giao tiếp song song LCD
Hình 2.2 - Sơ đồ khối Kit STM32F407VG DISCOVERY
2.2.2 Lựa chọn phương pháp định vị a) Giới thiệu về công nghệ RFID
RFID (Nhận dạng bằng sóng vô tuyến) là công nghệ nhận dạng tự động, cho phép lưu trữ và truy xuất dữ liệu từ xa thông qua thiết bị thẻ RFID kết hợp với đầu đọc RFID.
RFID cho phép thông tin có thể được truyền qua những khoảng cách nhỏ mà không cần một tiếp xúc vật lý nào cả.
Hình 2.3 - Cấu trúc thẻ RFID
Thẻ RFID được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm quản lý nhân sự, theo dõi hàng hóa trong siêu thị và nhà kho, giám sát động vật, quản lý phương tiện qua trạm thu phí và làm thẻ hộ chiếu Hệ thống sử dụng RFID bao gồm nhiều thành phần quan trọng.
Một hệ thống RFID tối thiểu gồm những thiết bị sau:
Thẻ RFID (RFID Tag, còn được gọi là transponder): là một thẻ gắn chíp + Anten.
- Passive tags: Không cần nguồn ngoài và nhận nằng lượng từ thiết bị đọc.
- Active tags: Được nuôi bằng PIN, sử dụng với khoảng cách đọc lớn.
Reader hoặc sensor (cái cảm biến): để đọc thông tin từ các thẻ, có thể đặt cố định hoặc lưu động.
Antenna: là thiết bị liên kết giữa thẻ và thiết bị đọc.
Thiết bị đọc phát xạ tín hiệu sóng để kích họat và truyền nhận với thẻ
Server: nhu nhận, xử lý dữ liệu, phục vụ giám sát, thống kê, điều khiển,
Công nghệ RFID nổi bật với khả năng không sử dụng tia sáng như mã vạch và không cần tiếp xúc trực tiếp Một số loại thẻ RFID có thể được đọc qua các môi trường và vật liệu khó khăn như bê tông, tuyết, sương mù, băng đá, và sơn, điều mà mã vạch và các công nghệ khác không thể thực hiện hiệu quả.
Thẻ RFID có thể đọc trong khoảng thời gian < 10ms Và sẽ còn có hiệu quả trong các ứng dụng thực tiễn phát sinh trong đời sống.
Dải tần hoạt động của hệ thống RFID
- Tần số thấp - Low frequency 125 KHz: Dải đọc ngắn tốc độ đọc thấp.
- Dải tần cao - High frequency 13.56 MHz: Khoảng cách đọc ngắn tốc độ đọc trung bình Phần lớn thẻ Passive sử dụng dải này.
- Dải tần cao hơn - High frequency: Dải đọc từ ngắn đến trung bình, tốc độ đọc trung bình đến cao Phần lớn thẻ Active sử dụng tần số này.
The Ultra High Frequency (UHF) range of 868-928 MHz offers a wide reading spectrum and high reading speeds This frequency is primarily utilized for Active tags, as well as some High-Frequency Passive tags.
- Dải vi sóng - Microwave 2.45-5.8 GHz: Dải đọc rộng tốc độ đọc lớn.
2.2.3 Lựa chọn cảm biến phát hiện vật cản Để phát hiện được các vật cản trong không gian di chuyển AGV cần được trang bị các loại cảm biến Các loại cảm biến này có thể phát hiện các vật cản, đảm bảo an toàn cho quá trình vận chuyển của xe.
Các loại cảm biến có thể bao gồm cảm biến laser, cảm biến quang và cảm biến siêu âm, tùy thuộc vào cấu hình mà người dùng lựa chọn.
Các loại cảm biến được chia thành ba vùng làm việc, từ xa đến gần, nhằm phát hiện vật cản Khi xe nhận diện vật cản trong các vùng này, nó sẽ thực hiện các hành động như cảnh báo, giảm tốc, và tự động dừng để đảm bảo an toàn.
Loại cảm biến Ưu điểm Nhược điểm
Cảm biến laser - Độ chính xác rất cao
- Bị ảnh hưởng bởi ánh sáng xung quanh và các yếu tố môi trường.
- Khoảng cách xa nhất có thể tới 100m
- Tuổi thọ cao, ổn định và chính xác cao cũng như ít bị hao mòn theo thời gian
- Phát hiện được phần lớn các vật chất rắn
- Thời gian đáp ứng nhanh & có thể tuỳ chỉnh được độ nhạy theo mong muốn.
- Cảm biến báo ảo khi dính bụi bẩn trên bề mặt.
- Cảm biến quang chỉ hoạt động trong một vài điều kiện cụ thể cho từng loại.
- Có thể đo khoảng cách mà không cần tiếp xúc với vật chất cần đo.
- Thời gian đáp ứng nhanh.
- Độ chính xác của cảm biến siêu âm gần như là tuyệt đối, sai số trung bình khoảng 0,15% đối với khoảng cách 2m trở lại.
- Chịu ảnh hưởng nhiều bởi nhiệt độ và áp suất (hoạt động tốt ở môi trường có nhiệt độ <
60 độ C và áp suất < 1 bar)
- Dễ bị nhiễu tín hiệu nên yêu cầu cao khi lắp đặt
Chọn cảm biến laser giá thành rẻ hơn cảm biến siêu âm, có độ chính xác cao và kích thước nhỏ gọn, thuận lợi trong quá trình lắp đặt.
Có hai phương pháp phổ biến đối với pin AGV đó là:
AGV hoạt động liên tục cho đến khi pin đạt mức nhất định, sau đó cần thay pin đã sạc đầy Để đảm bảo quá trình hoạt động không bị gián đoạn, việc chuẩn bị viên pin dự phòng là rất quan trọng.
+ Thời gian thay pin ngắn, cho phép AGV hoạt động liên tục, dẫn đến việc yêu cầu số lượng AGV ít hơn
+ Dễ dàng tính toán cân bằng năng lượng
Sạc cơ hội là phương pháp cho phép AGV sạc pin trong thời gian chờ nhận nhiệm vụ mới Phương pháp này yêu cầu pin có khả năng sạc nhiều lần, giúp tối ưu hóa hiệu suất sử dụng Nếu được tính toán hợp lý, AGV sẽ không cần phải thay pin thường xuyên.
Bảng 2.2: Một số công nghệ pin và so sánh
Loại Đặc điểm Ưu điểm Ngược điểm
- Thời gian sạc lại điển hình là 5 giờ.
- Tuổi thọ chu kỳ pin phụ thuộc vào độ sâu xả pin.
- Pin kín, không bị tràn.
- Được gọi là pin “Chu kỳ sâu”, có thể xả đến 80%
- Tỷ lệ tự xả điện thấp.
- Có lượng khí thải thấp hoặc thậm chí không phát thải.
- Có thể được vận chuyển mà không cần chăm sóc xử lý đặc biệt.
- Không phải là lựa chọn tốt nhất để sạc cơ hội, nếu cần thực hiện sạc nhanh nhiều lần, sẽ sớm bị chai pin.
- Loại pin này được thiết kế để được sạc lại sau khi chúng đạt độ sâu xả 40% hoặc 60%.
- Pin chì nguyên chất là một loại pin
AGM tiên tiến cụ thể có các tấm mỏng chì tinh khiết.
- Có tuổi thọ pin tuyệt vời, gần 1200 chu kỳ với độ sâu xả 60%.
- Hỗ trợ sạc nhanh mà không ảnh hưởng đến tuổi thọ pin.
- Tốc độ sạc của pin chì nguyên chất nhanh hơn pin GEL 3 lần.
- Pin kín với lượng khí thải rất thấp.
- Không yêu cầu bảo trì.
- Giá pin chì nguyên chất cao hơn pin AGM/GEL tiêu chuẩn.
- Dù thấp tuy nhiên chúng vẫn có khí thải.
Loại pin này sử dụng điện cực - được làm từ các hợp chất có cấu trúc tinh thể dạng lớp.
- Độ sâu xả sâu nhất trong các loại (80% - 2500 chu kỳ sạc).
- Hiệu suất của pin lithium cao hơn: Hiệu suất của pin
Pin lithium không ổn định, cần được bảo vệ chống sạc quá mức
- Giá đắt so với hai loại trên lithium là gần 95% trong khi ở các loại pin chì như AGM hoặc GEL, nó đạt gần 80- 85%.
- Tốc độ sạc nhanh hơn.
- Mật độ năng lượng cao hơn
- Công nghệ pin Lithium vẫn đang trong giai đoạn hoàn thiện.
Tác giả đã chọn phương pháp thay pin cho hệ thống nhằm giảm độ phức tạp trong kế hoạch làm việc, đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục Loại pin được lựa chọn là Lithium, nổi bật với thời gian sử dụng lâu, khả năng sạc nhanh, hiệu suất cao và đặc biệt thân thiện với môi trường, mặc dù có giá thành cao hơn các loại pin khác.
THIẾT KẾ CƠ CẤU NÂNG HẠ CHO AGV
Tiêu chí và thông số thiết kế cơ khí
- Tính toán thiết kế hệ thống nâng hạ
- Tính toán, lựa chọn công suất động cơ và các chi tiết liên quan
- Tải trọng 1500kg (chưa kể khối lượng xe)
- Độ cao nâng tối thiểu 8m
- Vận tốc di chuyển tối đa đạt 2 m/s.
- Vận tốc nâng hạ đạt 0,2 m/s
Tính toán lực nâng cần thiết
Khi nâng hàng xi lanh thắng các tải được cung cấp bởi:
- Lực kéo của hai chuỗi uốn quanh các puli và đĩa xích.
- Lực cản ma sát trong bánh xe và khung.
- Trọng lượng của phần khung được nâng.
Ta xác định những tải này khi vị trí khung ở trên cao Trên hình 2.64 trình bày các lực tác dụng lên xe.
Hình 3.1 - Sơ đồ xác định lực cản nâng Lực căng của nhánh xích được treo trên giá trượt:
Q – trọng lực được tác động đều lên các khối hàng, giá trượt và cơ quan làm việc
W - lực ma sát từ các con lăn của giá trượt.
Khi hệ thống chuyển động hoạt động, lực ma sát từ các con lăn của giá trượt sẽ tạo ra phản lực ngang Để xác định phản lực này, chúng ta áp dụng phương trình mômen lực tác động lên giá trượt, dựa vào vị trí của tim trục trong khung.
Với: l - khoảng cách giữa lực tác động và tim trục của giàn
- hệ số cản ở giá trượt lch - khoảng cách giữa xích và tim trục của khung bk - khoảng cách giữa các con lăn của giá trượt
Giải đồng thời hai phương trình trên, ta có:
Khi tính toán lực cản ở puli đổi hướng phía trên với hiệu suất , ta có thể xác định lực căng trong nhánh xích khác, được cố định vào phần không chuyển động của khung.
Thấy rõ, S2 - lực căng tính toán lớn nhất của xích theo phá hoại
Lực cản do trọng lực của khung và lực ma sát trong các con lăn:
Gp - trọng lực của khung
p - hệ số ngăn cản trong con lăn của khung b bp - khoảng cách giữa các con lăn của khung (giàn).
Giá trượt thường được nâng lên nhanh hơn giàn, dẫn đến sự xuất hiện của lực cản trong các con lăn của giá trượt, tức là lực ngược chiều với lực W đã được xác định Lực cản này cùng chiều với việc nâng khung, ảnh hưởng đến quá trình nâng.
Tổng tải trọng lên xi lanh thủy lực sẽ là: p S 1 S 2 P n p W
Thay thế các giá trị tìm được của các tải trọng thành phần vào phương trình trên, ta thu được:
Các thông số tính toán được lựa chọn sơ bộ:
- Khoảng cách giữa lực tác động và tim trục của giàn: l = 675mm
- Hệ số cản ở giá trượt: = 0,04
- Khoảng cách giữa xích và tim trục của khung: l ch = 65mm
- Khoảng cách giữa các con lăn của giá trượt b k = 600mm
- Hệ số ngăn cản trong con lăn của khung: p = 0,015
- Khoảng cách giữa các con lăn của khung (giàn): b p = 600mm
- Trọng lực được tác động đều lên các khối hàng, giá trượt và cơ quan làm việc:
Thay vào công thức, ta được:
Tính chọn xilanh piston thủy lực nâng bàn trượt
Để xác định đường kính cần thiết cho xilanh thủy lực nâng, ta dựa vào ứng lực cần thiết cho bộ phận nâng hàng Đường kính trong của xilanh thủy lực nâng được tính theo công thức cụ thể.
Dt - đường kính trong của xilanh nâng bàn trượt.
P - áp suất làm việc của dầu thuỷ lực P = 17,6 Mpa6 kG/cm 2
P - sự tổn hao áp suất dọc đường.
P H - tổn thất áp lực khi hồi dầu.
P C - tổn thất áp lực tại xi lanh.
- hiệu suất cơ khí của xilanh = 0,96.
n - hiệu suất ổ đỡ của xilanh n = 0,98.
Vậy ta chọn: Dt = 50 mm.
- Đường kính cần trục được xác định theo công thức
E – mô-đun dàn hồi của vật liệu E = 2,1.10 6 kg/cm 2
Thay vào ta được: d 4,8cm 48mm
Theo kích thước tiêu chuẩn chọn d = 56mm
Chọn lại Dt = 80m Đường kính ngoài của xilanh: Dn = 1,2Dt = 96mm
Vậy ta chọn: Dn = 10 cm
Hành trình piston của xilanh thủy lực nâng được xác định bằng công thức: h = H/3 = 8400/3 = 2800 mm
Xi lanh thuỷ lực nâng được chọn theo tiêu chuẩn là loại xilanh thành dày được chế tạo bằng thép 45 có đường kính trong Dt = 80mm và Dn = 100mm.
Tính chọn xích nâng và puly xích
Tính toán lực cản con lăn d 3
Lấy khoảng cách giữa các con lăn khung động với khung tĩnh theo phương thẳng đứng a bằng khoảng cách giữa các con lăn bàn trượt a1 (a = a1 = 60cm)
Phản lực tác dụng lên con lăn chính của khung và bản trượt là bằng nhau:
- Cánh tay đòn từ trọng tâm mã hàng đến xích nâng: b = 890mm
- Cánh tay đòn từ trọng tâm bàn trượt đến xích nâng: b 1 = 210mm
- Khoảng cách giữa các con lăn khung động và con lăn bản trượt a = 230mm
- Tải trọng cơ cấu nâng: G k = 7500N
Thay vào công thức, ta được: R R
Trong xe nâng, xích nâng đóng vai trò quan trọng trong việc nâng hạ hàng hóa Một đầu xích gắn với bàn trượt, trong khi đầu còn lại được kết nối với thanh ngang của khung tĩnh hoặc vỏ xilanh thông qua puly xích Ứng lực trong một nhánh xích nâng là yếu tố cần được chú ý để đảm bảo hiệu suất hoạt động an toàn và hiệu quả.
GK = 7500N: trọng lượng bàn trượt chính ,phụ và kẹp.
Rk = RH = 64891,304N: phản lực trên các con lăn
= 0,015 : Hệ số cản lăn của các con lăn.
1 = 0,98: hiệu suất bộ truyền xích.
Theo điều kiện chọn xích : Smax.n = 53,864 ≤ Sđ (Máy và thiết bị nâng – Trương Quốc Thành)
(Máy và thiết bị nâng – Trương Quốc Thành)
Dựa vào thông số bảng 5.2[tính toán thiết kế dẫn động – Trịnh Chất) Chọn xích con lăn có thông số như sau:
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật xích con lăn
Kích thước, mm Tải trọng phá hỏng
Khối lượng 1m xích ql, kg
B, không nhỏ hơn d0 d1 l h, không lớn hơn b, không lớn hơn
3.5.2 Tính chọn puly xích Được chế tạo từ thép CT5
Do xích nâng vòng qua puly xích, nên theo hình vẽ ta có lực tác dụng lên pyly là:
Suy ra: P = 2 6,733 = 13,466 (kG). Đường kính puly: D = (10÷25).b, ta lấy D = 110 (mm)
Tính toán lựa chọn bơm thủy lực
Một số thông số tính toán:
- Hiệu suất lưu lượng của động cơ: dc 0, 97
- Hiệu suất lưu lượng của bơm: b 0,87
- Hiệu suất lưu lượng của đường ống: do 0, 92
- Hiệu suất cơ khí của động cơ:
- Vận tốc chuyển động trung bình của piston: v = 0,2 m/s
- Hành trình làm việc của piston: h = 2800mm
Tính toán lưu lượng, công suất
Lưu lượng của bơm thủy lực cung cấp cho 1 xilanh chuyển động với vận tốc tối đa v = 0,2 m/s, bỏ qua rò rỉ tổn thất trong xilanh:
- Công suất của mỗi xi lanh thủy lực:
- Lưu lượng lý thuyết tối thiểu của bơm để cung cấp cho hệ thống là:
Tương tự, công suất lý thuyết tối thiểu của bơm để cung cấp cho hệ thống là:
Trong quá trình thiết kế, cần xem xét sự rò rỉ dầu trong hệ thống thông qua hiệu suất thể tích và tổn thất công suất qua hiệu suất cơ khí Vì vậy, lưu lượng bơm cần thiết phải được tính toán chính xác.
0, 97.0,87.0, 92Tương tự, công suất cần thiết của bơm cung cấp cho hệ thống là:
Từ thông số công suất đã tính toán ta lựa chọn bơm
Bảng 3… thông số bơm thủy lực
Chọn động cơ điện dẫn động bơm:
- Công suất động cơ điện dẫn động cho bơm:
- Từ trên, lựa chọn động cơ có thông số như bên dưới
Bảng 3… thông số động cơ điện
THIẾT KẾ ĐIỆN
Tiêu chí thiết kế điện
- Đảm bảo công suất hoạt động cho AGV
- Tính toán lựa chọn nguồn pin hoạt động (dự kiến tối thiểu 1 ca làm việc 8h)
Sơ đồ khối hệ thống điện của AGV
Hình 4.1 - Sơ đồ khối hệ thống điện AGV
THIẾT KẾ GIẢI THUẬT QUẢN LÝ NHÀ KHO
Tiêu chí thiết kế
- Thiết kế được giải thuật mô phỏng hoạt động của nhà kho
- Lựa chọn các quy luật hoạt động của nhà kho
- Thiết kế giải thuật cho từng hoạt động của nhà kho: lưu trữ, xuất hàng, quản lý hoạt động của AGV.
Tính toán thiết kế layout kho
5.2.1 Lựa chọn hệ thống kệ lưu trữ
- Các kích thước khoảng không giữa pallet hàng và gầm tối thiểu 3 inch
(76,2mm), thông thường được chọn lựa 4 – 6 inch (101,4 – 152,6 mm).
- Khoảng cách giữa 2 pallet và giữa pallet với thành kệ khoảng 4 inch (101,4 mm) [1]
- Theo [2], đề xuất với kích thước pallet 1,2m x 1m, ta có thể lựa chọn với: + Khoảng trống 2 bên cạnh: 0,1m
+ Khoảng trống mặt trên pallet hàng đến gầm: 0,15m
+ Khoảng trống mặt lưng 2 pallet:0,1m
Hình 5.1 – Kệ dạng Selective và kích thước đối với pallet 48x40 inches
Kích thước chiều cao hàng hóa.
- Theo tài liệu [1], phổ biến khoảng 60 inch (1524mm), hoặc tải trọng lớn nhất
- Theo [3], phổ biến ở Châu Âu là khoảng 1,75m – 1,86m, ở Anh là 1,68m
- Theo [4], đối với các mặt hàng là trái cây, tùy vào loại mặt hàng mà chiều cao hàng hóa có thể 1 – 1,77m
- Mặc khác, theo [5], với pallet 1000 x 1200 mm, đề xuất chiều cao tối đa
2200mm hoặc tải lớn nhất 825kg.
Theo đó, em lựa chọn thiết kế như sau:
+) kích thước pallet dài x rộng x cao : 1,2 x 1 x 0,15 m
+) khoảng không mặt trên pallet hàng đến gầm 0,15m
+) khoảng không 2 mặt lưng pallet 0,1m
- Theo x, rộng_pallet x 2 + thành kệ + khoảng_trống x 3 + bề rộng đường
- Theo y, dài_pallet + khoảng_trống_2_bên x 2 + thành kệ = 1,2 + 0,1 x 2 + 0,12
- Theo z, cao_pallet + cao hàng + khoảng_trống = 0,15 + 1,68 + 0,15 = 1,98 (m)
5.2.2 Thiết kế layout khu vực lưu trữ
Lựa chọn phân bố khu vực lưu trữ có dạng như hình 5.2
Hình 5.2 - Dạng phân bố khu vực nhà kho Với
Module chiều rộng = chiều rộng đường đi + 2 * chiều rộng pallet + chiều rộng thanh + 3 * khoảng không an toàn
Module chiều dài = chiều dài pallet + chiều rộng thanh + 2 * khoảng không an toàn
Module chiều cao = (chiều cao hàng + chiều cao pallet) + khoảng không an toàn + chiều cao khung gầm
Bảng 5.1 – Tính toán công suất nhà kho chiều rộng đường 3.5 khoảng an toàn
Chiều rộng pallet là 0.1m, chiều cao gầm là 0.14m, và chiều dài pallet là 1.2m Chiều cao hàng đạt 1.2m, chiều rộng thanh là 0.12m, và chiều cao pallet là 0.15m Khoảng an toàn bên là 0.1m, chiều dài kho là 50m, khoảng an toàn cao là 0.15m, và chiều cao kho là 100m.
Tính toán: Module rộng 5.92 số lượng chiều rộng 16
Module dài 1.52 số lượng chiều dài 25 số lớp 5
Hình 2.4- Mô hình 3D layout khu vực lưu trữ y z x
Hình 5.3 - Mô hình 2D layout khu vực nhà kho
Tính toán khoảng cách từ mỗi vị trí lưu trữ đến cổng
- Khoảng cách sơ bộ tính từ cửa kho lạnh đến vị trí lưu trữ được tính dựa trên công thức: d i x i x goal
- Sau khi tính toán kết quả khoảng cách, biểu diễn trên đồ thị cột, sử dụng phần mềm, ta được kết quả như hình dưới:
Hình 5.4 – Biểu đồ cột khoảng cách từ các vị trí đến cửa kho
5.2.3 Phân tích, lựa chọn số lượng AGV
Tính toán số lượng AGV được thực hiện thông qua mô phỏng hệ thống, từ đó vẽ đồ thị để lựa chọn số AGV tối ưu nhất Kết quả sẽ được đánh giá dựa trên các tiêu chí đã định sẵn.
- Va chạm giữa các AGV
- Tổng mức năng lượng sử dụng.
Trong đó, yếu tố thời gian thực hiện được ưu tiên hơn Trong nội dung thực hiện, tác giả khảo sát với số lượng AGV ban đầu là 3 AGV.
Thiết kế giải thuật chương trình chính
Chương trình quản lý chính sử dụng phần mềm Matlab trên máy tính chủ và bao gồm nhiều tác vụ con, thể hiện cách thức hoạt động tổng quát của hệ thống.
Hình 5.5 Sơ đồ giải thuật chương trình chính
Thiết kế giải thuật lựa chọn vị trí lưu trữ
Mỗi vị trí lưu trữ trong kho được xác định dựa trên trọng số tính toán, là tiêu chí quan trọng để chọn lựa vị trí phù hợp Trọng số tại mỗi vị trí phụ thuộc vào tọa độ Oxyz, với ưu tiên cho các vị trí có độ cao thấp hơn Để đảm bảo an toàn, thông số z được nhân với hệ số an toàn, trong nghiên cứu này, tác giả đã chọn hệ số an toàn là 3.
Hình 5.6 Kết quả trải ngang layout kho
Hình 5.7 Kết quả tính toán trọng số tại một số vị trí (được khoanh vùng)
Thực hiện lựa chọn vị trí lưu trữ theo nguyên tắc Closest Open Location (COL) Vị trí có thời gian thực hiện ngắn nhất sẽ được lựa chọn trước.
Các tiêu chí thực hiện theo nguyên tắc COL (để đạt kết quả tốt nhất)
- Thời gian thực hiện nhiệm vụ ngắn nhất
- Vị trí có khoảng cách nhỏ hơn trong cùng loại sẽ được lựa chọn trước. Khoảng cách từ vị trí lưu trữ i đến cổng I/O d i dx i dy i dz i x i x I
- Kết quả định tuyến tốt hơn.
Khi có nhiều vị trí thỏa mãn điều kiện, các vị trí sẽ được lựa chọn theo thứ tự từ trái sang phải dựa trên cách sắp xếp và quy tắc thực hiện.
Hình 5.8 Giải thuật lựa chọn vị trí lưu trữ
Thiết kế giải thuật lựa chọn vị trí xuất hàng
Hàng hóa lưu trữ trong kho lạnh chủ yếu là thực phẩm, có đặc tính dễ hỏng và thời gian lưu trữ ngắn Để quản lý hàng tồn kho hiệu quả, quy tắc FEFO (First Expired, First Out) được áp dụng, đảm bảo hàng hóa có thời gian hết hạn sớm hơn được xuất kho trước.
Các hàng hóa trong phạm vi thực hiện có thời gian lưu trữ giống nhau, dẫn đến việc hàng hóa đến trước sẽ hết hạn trước Hình 5.9 minh họa giải thuật lựa chọn vị trí lưu trữ.
Hình 5.9 Giải thuật lựa chọn vị trí xuất hàng FIFO
Thiết kế giải thuật giao nhiệm vụ cho AGV
Với mỗi nhiệm vụ, hệ thống sẽ tính toán và giao cho AGV có thời gian hoàn thành nhiệm vụ sớm hơn.
Bài viết phân loại các nhiệm vụ thành hai nhóm chính: đơn hàng nhập kho và đơn hàng xuất kho Đối với đơn hàng nhập kho, quy trình thực hiện được chia thành hai giai đoạn: đầu tiên, AGV di chuyển từ vị trí hiện tại đến cửa để lấy hàng, sau đó, AGV chuyển hàng từ cửa đến vị trí lưu trữ Tương tự, đối với đơn hàng xuất kho, quy trình cũng bao gồm hai giai đoạn: AGV di chuyển từ vị trí hiện tại đến vị trí lưu trữ để lấy hàng, và cuối cùng, AGV vận chuyển hàng từ vị trí lưu trữ đến cửa.
Qua phân tích quá trình thực hiện, mỗi loại đơn hàng có khoảng thời gian thực hiện ngắn nhất khác nhau Đối với đơn hàng nhập kho, khoảng cách ngắn nhất được xác định là từ AGV đến vị trí cửa Trong khi đó, với đơn hàng xuất kho, khoảng cách ngắn nhất là từ AGV đến vị trí lưu trữ cần thực hiện.
Hình 5.10 - Giải thuật giao nhiệm vụ cho AGV
Thiết kế giải thuật tìm đường đi
Tìm hiểu và dùng thuật toán A* tìm kiếm đường đi ngắn nhất từ cổng đến vị trí lưu trữ
Hình 5.11 – Đường đi trong kho
- Trong giới hạn tìm hiểu, tác giả sử dụng thuật toán A* để tìm đường đi ngắn nhất, với hàm tính toán: f (n) g(n) h(n)
Trong bài viết này, g(n) đại diện cho đường đi ngắn nhất từ điểm bắt đầu đến điểm đang xét, trong khi h(n) là hàm đánh giá khoảng cách từ điểm đang xét đến điểm đích Tác giả lựa chọn h(n) là giá trị khoảng cách ngắn nhất từ vị trí hiện tại đến điểm đích, được tính toán bằng thuật toán Floyd.
Khởi tạo hai tập hợp OPEN và CLOSE, trong đó OPEN bao gồm các điểm đã được xem xét, còn CLOSE chứa các điểm nằm trên đường đi đã được kiểm tra.
- Chọn điểm bắt đầu là điểm xét hiện tại Tính toán các hàm g(n), h(n) và f(n) cho điểm bắt đầu.
- Chọn điểm với hàm f(n) nhỏ nhất, xóa khỏi tập OPEN, cập nhật điểm này vào tập CLOSE và chọn điểm này là điểm xét tiếp theo
- Đưa vào vòng lập điểm đang xét không phải là điểm đến
Xét các điểm kề của điểm đang xét
Với mỗi điểm, tính toán các giá trị g(n), h(n) và f(n).
Nếu điểm này chưa có mặt trong tập OPEN thì cập nhật điểm này vàoOPEN
Nếu điểm này đã có mặt trong tập OPEN thì cập nhật điểm này với giá trị hàm f(n) nhỏ hơn.
Nếu điểm này có mặt trong tập CLOSE thì xóa khỏi CLOSE và cập nhật lại điểm này vào OPEN.
Xét điểm trong tập OPEN có hàm f(n) nhỏ nhất.
Xóa điểm này khỏi tập OPEN, cập nhật vào tập CLOSE và chọn điểm này là điểm xét tiếp theo.
Quay lại bước đầu tiên của vòng lập.
- Truy xuất lại đường đi từ kết quả tập CLOSE.
Hình 5.12 – Sơ đồ giải thuật thuật toán A*
Thiết kế giải thuật hạn chế va chạm
Trước khi gửi dữ liệu đến AGV, hệ thống sẽ khảo sát đường đi để phát hiện va chạm hoặc tắc nghẽn Việc kết hợp với hệ thống cảm biến an toàn trên AGV giúp tối ưu hóa khả năng tránh va chạm, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động.
AGV_path, AGV_ID, time_in, time_out, replan = 0
Time_in
