Proiectarea unui sistem mecatronic de transport al mărfurilor cu recunoaștere a traseului și a obiectelor [307017]

Universitatea Politehnica din București

Facultatea de Inginerie Mecanică și Mecatronică

Departamentul Mecatronică și Mecanică de Precizie

PROIECT DE DIPLOMĂ

Proiectarea unui sistem mecatronic de transport al mărfurilor cu recunoaștere a traseului și a obiectelor

Conducător științific:

Ș.l. dr. ing. Mircea – Iulian NISTOR

Absolvent: [anonimizat], 2018

Capitolul 1 – Introducere

Mecatronica este combinația sinergeticǎ ṣi sistematicǎ a mecanicii, electronicii ṣi a informaticii în timp real.

Termenul de mecatronicǎ a fost introdus de un inginer de la compania japonezǎ Yaskawa  în 1969. Astfel termenul a apǎrut în mod oficial în Franța în Larousse 2005. Revoluția informatică (a doua revoluṭie industrială) a marcat saltul de la societatea industrializatǎ la societatea informationalǎ, generand un val de înnoiri în tehnologie și educație. Japonezii au definit sensul acestor mișcǎ[anonimizat]ǎ, la începutul deceniului al 8-lea al secolului trecut. Termenul a fost utilizat pentru a descrie fuziunea tehnologicǎ: mecanica-electronica-informatica.

Mecatronica este rezultatul evoluției firești în dezvoltarea tehnologicǎ. Tehnologia electronicǎ a stimulat aceasta evoluție. Dezvoltarea microelectronicii a permis integrarea electromecanică. În urmatoarea etapǎ, [anonimizat] ṣi, astfel s-a ajuns la mecatronicǎ.

Tema dezbătută are ca scop proiectarea unui motostivuitor autonom care recunoaște traseul și obiectele pe care le transportă. [anonimizat].

[anonimizat]:

Studiul motostivuitoarelor actuale

Propunerea și prezentarea unei soluții adoptate

Studiul parametrilor de bază necesari funcționării sistemului

Dezvoltarea soluției proprii prin implementarea unei tehnologii actuale

Modelarea 3D a sistemului prin intermediul programelor de tip CAD

Tehnologii de asamblare și execuție a elementelor componente

Calculul economic

Sistemul prezentat anterior este unul care face parte din aria mecatronicii deoarece combină următoarele domenii de bază:

[anonimizat];

[anonimizat];

[anonimizat]-ului și a microprocesorului precum și modelarea 3D a sistemului.

Lucrarea ce urmează a [anonimizat] o interfță ușor de utilizat și de implementat pe piață.

Capitolul 2 – Stadiul actual al realizărilor în domeniul

Un motostivuitor (fig.2.1) este un camion industrial utilizat pentru ridicarea și deplasarea materialelor pe distanțe scurte. Mototivuitorul a [anonimizat] & Towne Manufacturing. [anonimizat], utilizarea și dezvoltarea motostivuitoului s-au extins foarte mult în întreaga lume. Stivuitoarele au devenit un echipament indispensabil în producție și depozitare. În 2013, cei mai buni 20 de producători din întreaga lume au înregistrat vânzări de 30,4 [anonimizat] 944405 de mașini vândute.

Fig.2.1 Motostivuitor Hyundai

2.1 Scurt istoric

De la jumătatea secolului al XIX-lea până la începutul secolului al XX-lea s-au văzut evoluțiile care au condus la motostivuitoarele moderne de astăzi. Antreprenorii ce au introdus ideea motostivuitorului au pornit de la ideea stivuitoarelor cu acționare manuală.

În 1906, Pennsylvania Railroad a introdus camioane cu platformă pe baterii pentru deplasarea bagajelor la gara Altoona, Pennsylvania. În timpul primului război mondial, o mare parte a forței de muncă din Marea Britanie a plecat în luptă, exercitând o presiune mai mare asupra muncitorilor rămași și încurajând industria să utilizeze mai mult mecanismele de manipulare a materialelor. În 1917, Ransomes, Sims și Jeffries din Ipswich au lansat o versiune britanică a camionului cu platformă electrică. Acesta a fost cunoscut sub numele de camionul "B" Stevedoring (fig.2.2), proiectat să lucreze pe suprafețe rutiere și neuniforme. Ca atare, platforma a avut arcuri în față și spate pentru o plimbare mai stabilă.

Fig.2.2 Motostivuitor Stevedoring

Pentru a păstra permanent unitatea de acționare cu șoseaua, camionul Stevedoring a avut o configurație cu trei roți. Cele două roți din față erau fie laterale ale încărcăturii, iar cea din spatele central era doar pentru tracțiune. Unitatea de acționare a fost alimentată complet de o baterie, montată sub platforma de încărcare, între purtătorii principali ai șasiului. Spre deosebire de primele versiuni americane, poziția de conducere a operatorului se afla în fața încărcăturii, dar funcția de direcție era similară prin faptul că a folosit încă o pârghie de direcție orizontală. Acesta a fost atașat unui arbore vertical și unei legături pentru a transmite acțiunea dorită roților din față.

Mai târziu, în acest an, compania Clark din America a produs un vehicul cu trei roți pentru transportul bunurilor și echipamentelor în jurul propriilor departamente din fabrică. Numit "Tructractor", a fost propulsat de un motor pe benzină și a transportat cutii și piese într-un suport metalic montat în fața șoferului.

Fig.2.3 Motostivuitor Clark Tructractor

Ulterior, compania Clark a produs un camion pe platformă numit `Truclift` (1920) și un tractor tractat denumit ”Duat” (1923/4). Primul este pretins a fi primul camion care a folosit puterea hidraulică pentru a-și ridica sarcina, iar ulterior ar fi folosit ca unitate de antrenare pentru primul camion cu stivuitor. În acest timp, alte companii americane și-au lansat primele piese de echipamente de manipulare a materialelor, inclusiv "Towtractor" pe benzină de la Towmotor Corporation (1919) și un camion platformă de la Yale Company (1920). Yale a dobândit recent drepturile de producție ale acestui camion atunci când au achiziționat compania lui C.W.Hunt, Staten Island, New York. Ei au continuat să producă aceste modele până când au fost pregătite propriile lor modele și apoi au produs un tractor de remorcare și camioane cu platformă de ridicare joasă și înaltă. Până în 1923, compania a produs, de asemenea, primul lor camion stivuitor, care în esență a fost un camion cu platformă de ridicare modificată, cu o pereche de furci atașate la capătul din față.

Fig.2.4 Motostivuitoare Clark Truclift pentru sarcini de 3 respectiv 5 tone

Anii 1917-1920 au văzut și fundația societății americane Lansing de F.E. Bagnall, care a fost în cele din urmă să aspire la cea mai mare companie de manipulare a materialelor din Marea Britanie. Produsele produse la început au fost în principal tractoare și camioane cu platforme. În Marea Britanie, războiul din 1914-18 a adus un mare deficit de forță de muncă la unele companii, și-au extins utilizarea de echipamente industriale, inclusiv manipularea materialelor. Ca o consecință, o mare parte din industrie și-a schimbat permanent modul de funcționare, pentru a include o formă de automatizare.

După ce a văzut această schimbare, Ransomes Sims și Jeffries de la Ipswich, apoi principalul furnizor britanic de echipamente de manipulare automată a materialelor, au început să experimenteze cu perspectiva de a stivui încărcăturile. În 1923, compania a produs primul său camion cu o platformă de ridicare care putea ridica o încărcătură de 2 tone la o înălțime de 49 de centimetri. Platforma sa a fost ridicată printr-un aranjament de cabluri și scripeți pe o singură secțiune fixă ​​în poziție verticală. Camionul în sine era lung 2,7m și lat de 1,8m alimentat de la baterie și având patru roți de direcție.

Dezvoltarea continuă și utilizarea extinsă a stivuitorului au continuat în anii 1920 și 1930. Introducerea puterii hidraulice și dezvoltarea primelor stivuitoare electrice, împreună cu utilizarea paletelor standardizate la sfârșitul anilor 1930, au contribuit la creșterea popularității stivuitoarelor.

Dezvoltarea motostivuitorului Hyster a început la începutul anilor 1930 și a fost produs în perioada 1935-1936. Catargul telescopic cu dispozitiv de ridicare prin cablu putea ridica 2700 Kg. Echipat cu un motor cu patru cilindri și cu transmisie manuală cu două viteze, a fost primul motostivuitor Hyster de producție.

Fig.2.5 Primul motostivuitor Hyster 1935

Începutul celui de-al doilea război mondial, ca și în primul război mondial, a stimulat utilizarea motostivuitoarelor în război. În urma războiului, au fost puse în aplicare metode mai eficiente de stocare a produselor în depozite. Depozitele au nevoie de motostivuitoare cu manevrabilitate mai mare care ar putea ajunge la înălțimi mai mari și au fost făcute modele noi de stivuitoare care să îndeplinească această necesitatăți. De exemplu, în 1954, o companie britanică numită Lansing Bagnall , acum parte a grupului KION , a dezvoltat ceea ce sa pretins a fi primul motostivuitor cu furcă electrică îngustă. Dezvoltarea a schimbat designul depozitelor care duceau la culoarele mai înguste și la stivuirea mai înaltă a încărcăturii, ceea ce a sporit capacitatea de stocare. În anii 1950 și 1960, siguranța operatorului a devenit o preocupare datorită creșterii înălțimilor și capacităților de ridicare. Elementele de siguranță, cum ar fi spatele și carcasele operatorilor, au început să fie adăugate la stivuitoarele produse în această perioadă.

Fig.2.6 Motostivuitor Barrel Clamp (1960)

La sfârșitul anilor 1980, designul ergonomic a început să fie încorporat în noile modele de stivuitoare pentru a îmbunătăți confortul operatorului, a reduce leziunile și a spori productivitatea. În cursul anilor 1990, au început să se abordeze emisiile de gaze de eșapament de la motostivuitoare, ceea ce a dus la implementarea standardelor de emisie pentru producătorii de stivuitoare din diferite țări. Introducerea motostivuitoarelor cu curent alternativ , împreună cu celula de combustibil, sunt, de asemenea, perfecționări în dezvoltarea continuă a stivuitorului.

Fig.2.7 Primul motostivuitor electric de la Toyota (1974) [14]

Idustria motostivuitoarelor a continuat să se dezvolte și odată cu trecerea timpului au apărut modele noi, cu performanțe ridicate și cu o autonomie de lucru bună de luat în calcul.

2.2 Caracteristici generale

Motostivuitoarele sunt destinate încărcăturilor la o greutate maximă specificată și un centru de greutate înainte specificat. Aceste informații se găsesc pe o plăcuță de identificare furnizată de producător și încărcările nu trebuie să depășească aceste specificații. În multe jurisdicții, este ilegal să se modifice sau să elimine plăcuța de identificare fără permisiunea producătorului motostivuitorului.

Un aspect important al funcționării motostivuitorului este faptul că acesta trebuie să aibă sistem de direcție pe roțile din spate. În timp ce acest lucru crește manevrabilitatea în situații de strângere redusă, acesta diferă de experiența tradițională a șoferului cu alte vehicule pe roți. În timp ce este condus, deoarece nu există nici o acțiune de rulare , nu este necesar să se aplice forța de direcție pentru a menține o rată constantă de întoarcere.

O altă caracteristică critică a stivuitorului este instabilitatea acestuia. Stivuitorul și încărcătura trebuie considerate o unitate cu un centru de greutate variabil continuu, cu fiecare mișcare a sarcinii. Un stivuitor nu trebuie să negocieze o întoarcere la viteză cu o sarcină ridicată, unde forțele centrifuge și gravitaționale se pot combina pentru a provoca un accident dezastruos. Stivuitorul este proiectat cu o limitare a sarcinii pentru furci, care este redusă cu înălțimea furcii și subcotarea încărcăturii (adică atunci când o încărcătură nu se sprijină pe furcă "L"). O placă de încărcare pentru referința de încărcare este localizată de obicei pe stivuitor. Un stivuitor nu ar trebui să fie folosit ca ascensor de personal fără echiparea cu echipamente de siguranță specifice, cum ar fi o "cușcă".

Stivuitoarele sunt un element critic al depozitelor și centrelor de distribuție. Este imperativ ca aceste structuri să fie concepute astfel încât să se poată adapta la mișcarea lor eficientă și sigură. În cazul sistemului Drive-In / Drive-Thru Racking, un stivuitor trebuie să călătorească în interiorul unui spațiu de stocare, care are mai multe poziții de palet adânc pentru a plasa sau a recupera un palet. Adesea, șoferii stivuitoarelor sunt ghidați în locaș prin șinele de ghidare de pe podea, iar paletul este așezat pe brațe sau șine de consolă. Aceste manevre necesită operatori bine pregătiți. În proiectarea unui sistem de acționare, dimensiunile camionului cu furcă, inclusiv lățimea totală și lățimea catargului, trebuie luate în considerare cu atenție.

Sistemele hidraulice ale stivuitoarelor sunt comandate fie cu pârghii care manipulează direct supapele hidraulice, fie cu servomotoare cu comandă electrică, folosind pârghii mai mici pentru control. Acesta din urmă permit proiectanților stivuitorului mai multă libertate în design ergonomic. Motostivuitoarele de ridicare sunt disponibile în mai multe variante și capacități de încărcare. Într-un set tipic de depozitare, majoritatea stivuitoarelor au capacități de încărcare între 1 și 5 tone. Mașinile mai mari, cu o capacitate de ridicare de până la 50 de tone, sunt utilizate pentru ridicarea încărcăturilor mai grele, inclusiv a containerelor de transport încărcate .

În plus față de un dispozitivul de comandă pentru ridicarea și coborârea coarnelor furcii (cunoscute și sub denumirea de lame sau cuțite), operatorul poate înclina pilonul, pentru a compensa tendința de încărcare a lamelor către sol. Înclinarea oferă, de asemenea, o capacitate limitată de a funcționa pe un teren denivelat.

2.3 Clasificaea stivuitoarelor clasice

În funcție de forma constructivă

Transpaletă manuală – nu conține nici un fel de sistem de alimentare la bord, puterea musculară a operatorului este utilizată pentru ridicarea și mutarea încărcăturilor. Cricul este format dintr-o pârghie de tip "manetă de conducere", care acționează pompa pentru ridicare. Un mâner mic pe manetă eliberează lichidul hidraulic, rezultând coborârea furcii. Roțile din față ale capătului furcii sunt montate sub cilindrul de acționare al cricului . Pe măsură ce cricul hidraulic este acționat, legăturile forțează roțile în jos ridicând furcile pe verticală odată cu sarcina ce se dorește a fi transportată. Paletul este ridicată suficient pentru a nu atinge podeaua. De multe ori, transpaletele sunt utilizate pentru a deplasa și organiza paleți în interiorul unei remorci, mai ales atunci când nu există acces sau disponibilitate pentru motostivuitoare.

Fig.2.8 Transpaletă manuală HY55-PT Hyster

Transpaletă electrică – este aemănătoare transpaletei manuale cu precizarea că aceasta conține un sistem electric de conducere. Transpaleta electrică conține un sistem hidraulic pentru ridicarea sarcinii ce trebuie transportate iar deplasarea se face prin intermediul unui sistem electric ce este condus de o manetă ce o manevrează operatorul.

Fig.2.9 Transpaletă electrică

Transpaletă electrică cu post pentru operator – aceasta este o combinație între transpaletă și motostivuitor deoarece îi asigură un loc operatorului iar diferența este că poate transporta o sarcină mai mare decât cele prezentate anterior.

Fig.2.10 Transpaletă electrică cu post pentru operator

Transpaletă manuală cu catarg – spre deosebire de transpaleta manuală poate ridica paleții cu mărfuri la înălțime pentru a-i depozita unii deasupra celorlalți. Acesta utilizează același principiu de ridicare cu cric cu cilindru hidraulic.

Fig.2.11 Transpaletă manuală cu catarg

Transpaletă electrică cu catarg – este combinația transpaletei electrice cu cea manuală cu catarg și pot ridica paleți până la o înălțime de 6m datorită catargului telescopic.

Fig.2.12 Transpaletă electrică cu catarg

Motostivuitor cu ecartament – varianta de transpaletă electrică cu catarg, conceput pentru culisele mici, de obicei Electrice, denumit deoarece furcile se pot extinde pentru a ajunge la încărcătură.

Motostivuitor cu contrabalansaj electric – are un sistem electric intern ce deplasează o masă și implicit modifică centrul de greutate pentru a compensa variația mesei transportate.

Motostivuitor cu cărucior foarte îngust – Un motostivuitor electric de tip Sit Down Rider, echipat cu un ansamblu special de șasiu. Catargul este capabil să se rotească la 90 de grade, iar coarnele furcii să poată avansa ca pe un mecanism de acționare, pentru a alege paletele pline. Deoarece stivuitorul nu trebuie să se întoarcă, culoarul poate fi extrem de îngust, și dacă ghidarea prin cablu este montat în podeaua clădirii, mașina poate funcționa pe cont propriu. Catargele de pe acest tip de mașină tind să fie foarte mari. Cu cât sunt mai mari rafturile care pot fi instalate, cu atât este mai mare densitatea pe care o poate ajunge depozitarea. Acest tip de sistem de stocare este popular în orașe unde prețurile terenurilor sunt cu adevărat ridicate, deoarece prin construirea rafturilor de până la trei ori mai mari decât în mod normal și folosind aceste mașini, este posibil să stocați o cantitate incredibilă de material în ceea ce pare a fi un mic spațiu.

Stivuitor montat pe șenile – vine în poziția centrală de control. De obicei are un motor cu ardere internă. Motoarele sunt aproape întotdeauna diesel, dar uneori funcționează cu kerosen și, uneori, utilizează injecția de propan ca un impuls electric. Unele unități vechi sunt aprinderea prin comprimare în doi timpi, cele mai multe fiind aprinderea prin comprimare în patru timpi (comună).

Stivuitor cu roți omnidirecționale – tehnologia omnidirecțională (cu roți Mecanum) poate permite unui motostivuitor să se deplaseze înainte pe diagonală și lateral sau în orice direcție pe o suprafață. Sistemul rotativ omnidirecțional este capabil să rotească utilajul de transport pe 360 ​​de grade în amprenta proprie sau în bordul lateral fără a roti cabina camionului.

Fig.2.13 Motostivuitor cu roți omnidirecționale Airtrax Sidewinder

În funcție de modul de acționare

Transpaletele manuale – acționarea se face manual prin tragere sau împingere, aci pot intra și transpaletele electrice care nu au loc special pentru manipulator.

Motostivuitor cu combustie – motoarele utilizate pentru deplasare pot fi diesel, kerosen, benzină, gaz natural, butan sau combustibil propan și pot fi:

cu aprindere prin scânteie, în doi timpi sau în patru timpi (cele mai comune),

cu aprindere prin comprimare în doi timpi sau în patru timpi.

Motoarele din America de Nord vin cu sisteme avansate de control al emisiilor. Stivuitoarele din în țări precum Iranul sau Rusia nu au, în mod normal, sisteme de control al emisiilor.

Fig.2.14 Motostivuitor cu aprindere prin scănteie

Motostivuitoarele electrice cu baterii – alimentate cu baterii plumb-acid sau, din ce în ce mai mult, cu baterii litiu-ion , includ:

stivuitoare pentru anvelope,

foarfece,

pick-upuri,

stivuitoare și cricuri pentru paleți.

Motostivuitoarele electrice sunt utilizate în principal în interior pe suprafețe plate, uniforme. Bateriile împiedică emisia de vapori nocivi și sunt recomandate pentru instalațiile interioare, cum ar fi sectorul alimentar și sectorul de sănătate.

Fig.2.15 Motostivuitor electric

Motostivuitoare cu celule de hidrogen – Celulele de combustie cu hidrogen au fost în mod tipic văzute ca o tehnologie marginală, dar în ultimii ani tehnologia celulelor de combustibil a avansat la nivel comercial. Mulți utilizatori folosesc acum stivuitoare cu carburanți , cu mare succes. Celulele de combustie cu hidrogen nu sunt pentru fiecare aplicație. Un beneficiu al celulelor de combustibil pe bază de hidrogen are o putere de ieșire constantă. Atâta timp cât celula de combustibil are combustibil în ea, va funcționa la o viteză maximă, în timp ce o baterie plumb-acid are limitări de performanță în timpul descărcării sale. În unele aplicații, o celulă de combustibil poate dura până la de două ori mai mult decât o baterie încărcată complet, care poate să nu funcționeze la putere maximă tot timpul. Într-un mediu cu performanțe ridicate, diferența de productivitate poate fi substanțială.

Fig.2.16 Motostivuitor cu celule de hidrogen și stații de încărcare

2.4 Părțile componente ale unui motostivuitor clasic

Un stivuitor tipic contrabalansat conține următoarele componente:

Rama camionului – este baza mașinii la care sunt atașate catargul, axele, roțile, contragreutatea, garda de susținere și sursa de alimentare. Cadrul poate avea rezervoare de combustibil și lichid hidraulic construite ca parte a ansamblului.

Contragreutatea – este o masă atașată la partea din spate a cadrului vehiculului. Scopul contragreutății este de a contrabalansa încărcarea ridicată. Într-un stivuitor electric, bateria mare poate servi drept parte a contragreutății.

Cabina – este zona care conține un scaun pentru operator împreună cu pedalele de control, volanul, pârghiile, comutatoarele și o tablou de bord care conține citirile operatorului. Suprafața cabinei poate fi aer liber sau închisă, dar este acoperită de ansamblul de gardă de protecție a coliviei. Când este închisă, cabina poate fi echipată și cu un încălzitor de cabină pentru țările cu climă rece sau împreună cu un ventilator sau aer condiționat pentru vreme caldă.

Plafonul – este un acoperiș metalic susținut de posturi la fiecare colț al cabinei, care ajută la protejarea operatorului de orice obiecte care ar putea să cadă de la înălțime. La unele stivuitoare, dispozitivul de protecție din partea de sus este o parte integrată a ansamblului cadru.

Sursa de alimentare – poate fi alcătuită dintr-un motor cu combustie internă care poate fi alimentat cu gaz LP , CNG , benzină sau motorină . Motostivuitoarele electrice sunt alimentate fie de o baterie, fie de celule de combustie care asigură alimentarea motoarelor electrice. Pentru depozite și alte aplicații interioare, stivuitoarele electrice au avantajul că nu produc monoxid de carbon.

Cilindri de înclinare – sunt cilindri hidraulici montați între cadrul vehiculului și stâlp. Cilindrii de înclinare pivotează catargul înapoi sau în față pentru cuplarea unei sarcini.

Pilonul – este ansamblul vertical care face manevra de ridicare și coborâre a sarcinii. Acesta este alcătuit din șine de interblocare care asigură stabilitate laterală. Șinele de interblocare pot avea ca ghidaje role sau bucșe. Pilonul este acționat hidraulic de unul sau mai mulți cilindri hidraulici, direct sau folosind lanțuri din cilindru. Poate fi montat pe puntea din față sau pe cadrul stivuitorului. O variație a pilonul permite furcii să ridice câțiva metri fără a mări înălțimea totală a stivuitorului.

Căruciorul – este componenta pe care se montează furcile sau alte atașamente. Acesta este montat în ghidaje și se deplasează în sus și în jos cu ajutorul lanțurilor sau prin atașarea directă la cilindrul hidraulic. Ca și catargul, căruciorul poate avea fie role, fie bucșe pentru ghidare în șinele de ancorare. [32]

Încărcarea spatelui – este o extensie de tip rafturi, care este fie prin șurub sau sudată pe cadru, pentru a împiedica deplasarea încărcăturii înapoi atunci când căruciorul este ridicat la înălțime maximă. [32]

Anvelopele – pot fi solide pentru uz interior sau pneumatice pentru uz exterior.

Atașamentele – poate consta dintr-un mecanism care este atașat la cărucior, fie permanent sau temporar. Există o varietate de dispozitive de manipulare a materialelor. Unele accesorii includ șuruburi laterale, dispozitive de prindere, cleme de carton, cleme multifuncționale, rotoare, poziționări furcă, stâlpi de covoare, dispozitive de manipulare a polilor, dispozitive de manipulare a containerelor și cleme de rulare.

2.5 Clasificarea stivuitoarelor autonome

Din punct de vedere constructiv există mai multe tipuri de stivuitoare autonome utilizate la nivel mondial pentru paletizarea mărfurilor, și anume:

Navete independente – se deplasează printre rafturi pe șine sau pe o structură metalică ce le deservește ca suport;

Stivuitoare de tip ascensor – sunt montate într-o consolă, de obicei au înălțimea egală cu cea a rafturilor și se deplasează printre rafturi executănd mișcări de translație;

Roboți independenți cu ghidare automată – platforme ce se ghidează după o hartă stabilită în software-ul de programare sau pe o hartă cu linii (line follower);

2.5.1 Exemple de navete independente

a) Naveta „CUBY”

O nouă astfel de tehnologie este prezentată de compania SSI Schaefer sub numele de „Cuby” un sistem de transfer proiectat pentru cutii de carton de până la 35 kg. Un CUBY este format dintr-un raft, un ascensor pentru ridicarea mărfurilor, o navetă pentru fiecare nivel de stocare, platformele de întreținere și control de gestiune și depozit software. În dezvoltarea CUBY, SSI Schaefer a optimizat distribuția funcțională de transfer, astfel încât au fost necesare mai puțini senzori și elemente de acționare pe dispozitivul de manipulare a sarcinii. Principalul avantaj al sistemului de transfer este flexibilitatea lui în ceea ce privește capacitatea de înaltă performanță. CUBY pot fi implementate în depozite cu o lungime de până la 100 m și o înălțime de până la 15 m cu un număr nelimitat de nave. Astfel, se asigură densitatea maximă de stocare. Sistemul a fost proiectat pentru 600 până la 800 de cicluri duble pe culoar, în funcție de lungimea de culoar.

Caracteristici tehnice:

Caracteristicile platformei:

Viteză 2,5 m/s

Accelerație 1,8 m/s²

Capacitate de încărcare ~35 kg

Caracteristicile liftului:

Viteză 5 m/s

Acceleratie 7m/s²

Capacitate maximă de transport 2×35 kg

400 de cicluri duble pe ora

Dimensiunile rafturilor:

Lungime până la 100 m

Înălțime maximă 15 m

Lățime 3,680-3,950 m cu spațiu de depozitare dublu

Temperatutră de funcționare de la 4℃ la 40℃

Fig. 2.17 Navetele independente „Cuby”

b) Navetele „Knapp YLOG-Shuttle”

Shuttle YLOG introduce noi abordări cu roțile sale pivotante, YLOG-Shuttle se pot deplasa atât transversal și longitudinal, dar pot avea și mișcare de rotație. Sistemul tradițional pentru depozitarea produselor in sistemele de tip raft organizate în jurul culoarele au fost reexaminate și s-a ajuns la o soluție optimă. Un singur YLOG-Shuttle poate ajunge la fiecare poziție într-un raft de nivel, prin combinarea în sens longitudinal cu mișcări în cruce. Ascensoare special concepute pentru YLOG-Shuttle transporta platforma între diferite niveluri de rafturi.  Libertatea de mișcare pe care YLOG-Shuttle o oferă, face ca noi tipuri de sisteme de rafturi să fie posibile, înălțimea tavanului, camere înclinate sau podele multiple pot fi automatizate. Cei de la YLOG-Shuttle au creat lifturi ce permit o conexiune de stocare și regăsire la partea din față și din spate a unui raft, dar și de pe lateral.

Caracteristici tehnice:

Caracteristicile platformei:

Viteză 3 m/s

Capacitate de încărcare ~40 kg

Autonomie acumulatori 12-13 ore

Spațiul de depozitare:

Dimensiunile rafturilor – 600 mm x 400 mm x înălțime variabilă

Dimensiunile depozitului – 15 m x 25 m x 3 m

Temperatutră de funcționare de la 4℃ la 40℃

Fig. 2.18 Platforma independentă „YLOG-Shuttle” și liftul vertical

2.5.2 Stivuitoare de tip ascensor

Ascensorul „Miniload Crane”

Acest tip de sistem este elevator vertical ce are în componența sa două brațe ce se deplasează transversal, în interiorul raftului, și servesc la prinderea cutiei, tăvii sau pechetului ce urmează a fi livrat către stația de intrae/ieșire. La extractorul de tip furcă brațele sistemului de prindere preiau paletul din partea inferioară a cestuia. Btațele execută o mișcare de translație in plan orizontal, avâd ca punct de sprijin ghidajele cu cu frecare prin rostogolire, preiau paletul, execută o miscare de translație in plan vertical pentru ridicarea paletului de pe raft, după care, acestea se retrag pe elevator, mutând, totodată, paletul.

Caracteristici tehnice:

Înălțime maximă 10 m

Greutate maximă suportată 130 Kg

Viteză maximă pe orizontală 6 m/min

Viteză maximă pe verticală 3 m/min

Temperatură de operare -18℃ – 40℃

Fig. 2.19 Ascensorul Miniload Crane

Ascensorul „Mid-Load Ultra Store”

Cu un accent pus pe fiabilitate, flexibilitate și rentabilitate, sistemul de stocare și recuperare automată UltraStore (ASRS) a fost conceput de la bază pentru a satisface nevoile organizațiilor care necesită stocare automată de înaltă densitate. Sistemul de stocare și recuperare automată ISD UltraStore se bazează pe o macara care se deplasează direct pe suprafața podelei (nu este necesară tăierea pardoselilor). ASRS se mișcă în sus și în jos pe culoar și o platformă de extracție se mișcă simultan la înălțimea corespunzătoare și apoi introduce sau extrage încărcătura în locul de depozitare. Extractorul poate fi proiectat să utilizeze furci, curele sau dispozitive de prindere personalizate, în funcție de mărimea specifică, greutatea și cerințele de manipulare. Articolele preluate sunt livrate la o stație de lucru sau la un transportor integrat .

Fig.2.20 Ascensorul „Mid-Load Ultra Store”

2.5.3 Roboți independenți cu ghidare automată

„EVOcart”

EVOcart este un sistem de transport care utilizează vehicule automate de auto-ghidate (AGV – Vehicul cu ghid automata). Capabil să se deplaseze fără ajutorul unui operator, AGVs urmărește trasee preprogramate în cadrul hărților instalației stocate în memoria lor. Aceste vehicule sunt utilizate pentru transportul și asigurarea mai multor servicii: catering, spalatorie, deșeuri, sterilizare, farmacie și consumabile generale. Navigare se face prin scanarea cu laser și nu necesită încastrarea echipamentului pe podea, pereți sau tavan, asigurând o libertate maximă în traseele de programare.

Vehicule sunt bi-direcționale și au o viteză cuprinsă între 0,10 m / s și 2,0 m / s. Un sistem de securitate specific este capabil să identifice orice obstacole de-a lungul căii pentru a regla mișcarea vehiculului. EVOcart asigură respectarea de servicii de livrare programată prin automatizarea completă chiar și în prezența ascensoarelor și ușilor de incendiu.

2.21 Roboții EVOcart

„Kiva systems”

Massachusetts a dezvoltat un sistem ce poartă numele de Kiva systems și care a revoluționat sistemele de depozitare de zi cu zi. Compania a dezvoltat o modalitate mai simplă de organizare și de a alege comenzi pentru clienții care utilizează un sistem de inventariere pe calculator asociat cu roboți care se deplasează prin depozit, aducand rafturile adecvate în care, obiectele, sunt așezate în ordine cu mâna. Rafturile stau la stația de încărcare și computerul îi comunică lucrătorului comanda pentru fiecare element care trebuie să fie plasat, organizarea ajunge până la șase comenzi diferite la un moment dat.

Roboții se deplasează în depozit prin citirea unor autocolante cu coduri de bare, lipite pe podea, cu ajutorul unor camere de la bord, codurile permit localizarea rafturilor ce trebuie transportate. Atunci când un robot găsește raftul pătrunde sub acesta și se rotește, utilizând mecanismul șurub-piuliță pentru a-l ridica de la podea.  Sistemul computerizat gestionează mișcarea fiecărui robot și se asigură că nu ajung niciodată să se ciocnească.

Caracteristici tehnice:

Dimensiunile robotului:

Lungime 609,6 mm

Latime 762 mm

Inaltime 304,8 mm

Greutatea maximă ce poate fi preluată 600 kg

Viteză de deplasare 1,34 m/s

Acumulatori pe baza de plumb

Încarcare completă în 70 min

Fig. 2.22 Roboti Kiva

„AutoStore”

Pentru a stoca și prelua pubele, un set de robți se deplaseaza orizontal de-a lungul unei grile care se afla pe suprafața superioară a sistemului de stocare. Fiecare robot este echipat cu 8 roți, astfel încat 4 sunt utilizate atunci cănd se deplasează de-a lungul axei X , iar celelalte 4 sunt utilizate in timpul deplasarii de-a lungul axei Y. Fiecare robot este echipat cu un aparat de ridicare extins, care ridica "vertical pubele din interiorul fiecărei stiva" la partea de sus a grilei. Robotul in sine rămane pe grila de aluminiu în partea de sus a centrului de stocare. Troliului robotului are un set de 4 benzi care coboara in ”stiva” vertical pentru a prinde cea mai de sus pubelă din stivă.

Caracteristici tehnice:

Înălțimea de grilă: max. 5,4 m

Încărcare: max. 30 kg

Viteza de deplasare Robot: 3,1 m / s

Viteza de ridicare Robot: 1,6 m / s

Accelerație Robot: 0,8 m / s 2

Tranzitata – cutii preluate în mod obișnuit, pe robot de: 25 cutii / h

Tranzitata – cutii preluate în mod obișnuit, pe port: 120 – 500 cutii / h

Capacitate de stocare (inventar), în mod tipic: 5 000 – 100 000 cutii / sistem

Lari de măsurare interior: 601 mm x 401 mm x 200 mm / 310 mm

Fig.2.23 Roboții AutoStore

„Weasel”

Acest tip de sistem este un robot mobil care se deplasează de-a lungul unei piste optice și folosește un software de urmărire a liniei, poate fi implementat în orice tip de depozit, la recepție, operatorul uman plasează cutiile ce trebuie transportate, pe partea superioară a roboțelului, acesta trece printr-un scaner laser și livrează cutia la destinație.

Weasel poate transporta cutii, recipienți și multe alte produse în condiții de siguranță.

Caracteristici tehnice:

Greutatea de transport de până la 35 kg

Dimensiunea unității de transport: 120 x 120 x 45 mm – 650 x 450 x 510 mm

Dimensiunile mici ale vehiculului (LxWxH): 810 x 420 x 285 mm

Structura opțională pentru încărcare și descărcare manuală ergonomice

Ore de funcționare de până la 18 ore

Baterie reîncărcabilă plumb-gel cu cadru de schimbare rapidă și încărcare externă

Stații de reîncărcare pentru operarea în trei schimburi

Viteza de până la 1 m / s, în funcție de sarcină

Accelerarea până la 0,8 m / s²

Vehicule au raza de cotitură de 1.000 mm

Poate urca pante de pana la 20°

Poate fi utilizat în intervalul de temperatură între 5 ° C și 50 ° C

Fig. 2.24 Roboții Weasel

Capitolul 3 – Alegerea și prezentarea soluției proprii

Acest capitol are ca scop proiectarea și prezentarea schemelor funcționale ale sistemului propus precum și prezentarea părților componente ale sistemului. În acest capitol se vor aborda:

Elaborare unei scheme cinematice

Elaborarea unei scheme electronice de principiu

Elaborarea unui model 3D al sistemului

Descrierea funcționării sistemului

3.1 Prezentarea schemei cinematice a sistemului

Pentru a putea pune în practică soluțiile constructive la care s-a recurs și pentru a verifica funcționalitatea sistemului cu scopul evitării diverselor coliziuni ce pot apărea între elementele aflate în mișcare prin confirmarea că gradele de mobilitate avute în vedere la proiectarea sistemului sunt posibile, a fost necesară realizarea unui scheme cinematice care relevă cu realitatea.

Pe baza schemei cinematice se va realiza modelul 3D al sistemlui dar și o realizare practică reprezentativă ce va demonstra funcționalitatea acestuia.

În schema cinematică se pot observa cu ușurință componentele sistemului și totodată părțile fixe și mobile cu deplasările impuse. În urma mai multor studii efectuate asupra variantelor constructive s-a recurs la următoarea soluție.

Fig.3.1 Schema cinematică a sistemului

Părțile componente ale ale motostivuitorului autonom:

Lagăr

Roata de curea

Cărucior

Brațele motostivuitorului

Ghidaje

Curea dințată

Roată de curea solidară cu arborele de iesire al reductorului

Unitatea de comandă

Roțile conducătoare

Roțile conduse

Șasiul motostivuitorului

Motorul de antrenare al roților conducătoare

Motorul de antrenare al căruciorului

Reductor melc-roată melcată

3.2 Prezentarea schemei de comandă a sistemului

Deoarece produsul trebuie să fie unul de natură mecatronică și să îndeplinească funcția de autonomie, prin schema logică de comandă se va evidenția această cracteristcă a sistemului. În schema de comandă se vor regăsi elemente de circuit necesare funcționării sistemului, senzori și traductoare ce vor prelua datele din exterior, elemente de acționare dar și un microcontroller cu rolul de procesare a informațiilor primite, analiza acestora și determinarea unui semnal de comandă necesar executării manevrelor optime în funcție de cerințele impuse.

Fig.3.2 Schema logică a circuitului

3.3 Prezentarea modelului tridimensional al sistemului

Fig.3.3 Modelul 3D al spațiului de depozitare

În figurile 3.3 și 3.4 este prezentată o imagine a spațiului de depozitare în care sunt prezentate elementele componente ale acestuia cu dispunerea lor. În această imagine spe pot observa rafturile cu paleții, harta după care este ghidat motostivuitorul până la rafturi, stațiile de încărcare, conveiorul care aduce paleții la stația de recepție și motostimuitorul autonom.

Fig.3.4 Vederea de sus a spațiului de depozitare

Fig.3.5 Motostivuitorul automat

În figura 3.5 sunt prezentate 2 imagini ale motostivuitorului automat în care se pot observa părțile componente și anume: căruciorul principal cu motorul de acționare, curelele dințate, camera pentru citirea codurilor QR, senzor de distanță, pară de senzori pentru sistemul line folower, acumulatorii, pini de încărcare situați în spatele motostivuitorului.

Fig.3.6 Elementele de comandă ale motostivuitorului

Motostivuitorul utilizară un microcontroller de tip Raspberry Pi pentru a procesa imaginea captată de scaner-ul de coduri QR, comunică cu un modul Arduino Mega ce preia informații de la senzorii de linie și transmite comandă mtoarelor prin intermediul driverelor L298 celor 2 motoare care acționează roțile frontale și motorului pentru acționarea căruciorului.

Fig.3.9 Stația de încărcare a motostivuitorului

Stația de încărcare (fig.3.9) a motostivuitorului este dotată cu două avertizoare luminoase, roșu și verde utilizate pentru statusul batereiei, un ecran LCD și pini de încărcare șituați în partea inferioară a stației.

Fig.3.10 Rafturile cu paleții din spațiile de depozitare

Rafturile sunt dispuse pe unsprezece rânduri și două coloane și oferă douăzeci și două de locuri de depozitare pe un raft, depozitul ce este deservit de un motostivuitor conține două asemenea rafturi, în total, în depozit fiind patruzeci și patru de locuri de depozitare.

Fig.3.11 Conveiorul pentru transportul palețlor

Conveiorul ete utilizat pentru transportul paleților și este dotat cu o serie de senzori de proximitate ce detectează prezența paletului.

3.3 Descrierea funcționării sistemului

Paleți sunt transportați către spațiul de depozidatre de către conveioare, acestea sunt dotate cu senzori de proximitate pentru detectarea prezenței paletului. Inițial pe palet sunt inscripționate coduri QR prin care se monitorizează marfa conținută în cutie. Când paletul ajunge la recepția depozitului, banda transportoare a conveiorului se oprește și îi este transmis un semnal prin wi-fi motostivuitorului.

Motostivuitorul, în urma recepționării semnalului de deplasează catre recepție, preia paletul, citește codul QR cu ajutorul scaner-ului și transmite informația în sistem, în acest fel se crează o bază de date cu marfa depozitată.

Depozitul este dispus sub formă matruiceală, motostivuitorul depozitând marfa, în ordine, de la primul rand prima coloană până la ultimul rând ultima coloană. Prin acest procedeu se păstrează o evidență a mărfurilor, iar baza de date se actualizează în timp real. Când este solicitată o preluare din depozit, procedeul fiind reversibil, motostivuitorul duce marfa la conveior, în sistem se procesează comanda și spațiul din raft apare ca fiind gol.

Motostivuitorul se depalsează pe o hartă cu linii negre pe un fond alb, acesta fiind condus către raftul în care se decide ulterior. Pentru a depozita în raftul de sus, căruciorul execută o mișcare de translație, fiind antrenat de un motor cu reductor melc-roată melcată prin intermediul unei curele dințate. Reductorul are rolul principal de modificare a momentului motor prin multiplicare, de reducere a vitezei de ieșire, dar și de autoblocare a arborelui. Cureaua dințată nu permite alunecarea pe roata de curea, căruciorul păstrându-și poziția determinată de motorul de antrenare.

Toate datele sunt salvate pe un server și transmise prin WI-FI în timp real, prin acest mod sunt cunoscute statusul bateriei, nivelul de disponibilitate al spațiilor din depozitare, natura și poziția mărfurilor din depozit.

Ansamblul electonic integrat în sistem, îl definește ca fiind unul automat deoarece conține microcontrolere, senzori, elemente de acționare, un sistem de reglare automat și un program după care funcționează la parametri impuși.

Capitolul 4 – Memoriu tehnic de calcul

Momoriul tehnic de calcul reprezintă un capitol principal pentru elaborarea proiectului de diplomă deoarece de la acesta se ajunge la ideea finală, prin calcule cinematice, dinamice, de rezistență și determinări experimentale..

4.1 Analiza cinematică a sistemului

Analiza cinematică are ca scop determinarea pozițiilor, traiectoriilor, vitezelor și accelerațiilor liniare și unghiulare ale unor puncte caracteristice, respectiv ale elementelor mecanismului, în perioada unui ciclu geometric al mișcării, când se cunoaște atât structura și geometria mecanismului, cât și mișcarea elementului conducător (poziția, viteza și accelerația elementului conducător), fără însă a se lua în considerare forțele care provoacă mișcarea. Ciclul geometric al mișcării unui mecanism reprezintă perioada minimă de timp după care elementele mecanismului ajung în aceleași poziții..

În continuare, se va studia analiza cinematică a căruciorului cu cuțite ce aparțin motostivuitorului automat.

Tabelul4.1 Analiza cinematică a căruciorului cu cuțite

; (4.1)

; (4.2)

(4.3)

4.2 Analiza dinamică a sistemului

În acest subcapitol vom analiza comportarea dinamică a căruciorului prin izolarea părților componente ale mecanismului utilizat pentru translație. Pentru analiza dinamică a sistemului se utilizează metoda cineto-statică (metoda d’Alembert).

Fig.4.1 Roata de curea condusă

(4.4)

(4.5)

(4.6)

(4.7)

(4.8)

Fig.4.2 Roată de curea conducătoare

(4.9)

(4.10)

(4.11)

(4.12)

(4.13)

Fig.4.3 Căruciorul

(4.14)

(4.15)

(4.16)

(4.17)

(4.18)

(4.19)

Ipoteză simplificatoare:

Viteza impusă căruciorului: 30 mm/s

Accelerația:30 mm/s2

Din relația 4.13:

,

N

= 6,867 N

N

Deoarece, din calcule a rezultat că momentul motor necesar pentru deplasaea căruciorului secundar este s-a optat pentru alegerea unui motor cu reductor melc-roată melcată.

4.3 Alegerea motorului de acționare al căruciorului

Fig.4.4 Motorul utilizat la acționarea al căruciorului

Date tehnice:

Raport de reducere: 1:48

Tensiune de lucru: 3V ~ 6V

Curent în sarcină: ≤200mA – 6V, ≤150mA – 3V

Viteză:

200 ± 10%RPM la o tensiune de 6V;

90 ± 10%RPM la o tensiune de 3V.

Moment: 4.2 Nm

Arbore de ieșire bidirecțional

Reductor melc-roată melcată

Fig.4.5 Dimensiunile de gabarit ale motorului cu reductor

4.3 Verificarea la încovoiere a cuțitului

În continuare, se va verifica rezistența la încovoiere a cuțitului. Acesta prezintă următoarele caracteristici:

Lungimea cuțitului: L=114 mm

Aria secțiunii: A=75 mm²

Materialul utilizat: PLA (densitatea: ρ=1,25g/cm3, rezistența la rupere: )

Se consideră că încărcarea pe un cuțit este de 4 N

Fig.4.6 Profilul secțiunii cuțitului

Fig.4.7 Diagrama de momente și profilul secțiunii ghidajului

(4.20)

mm

(4.21)

(4.22)

(4.23)

Conform rezultatelor obținute se poate afirma că profilul ales pentru bare este unul adecvat. A fost efectuată o simulare pentru determinarea rezistenței cu ajutorul programului SolidWorks și rezultatele au satisfăcut așteptările, după cum se poate observa și în figura 4.8.

Fig.4.8 Simularea în SolidWorks la încovoiere a cuțitului cu evidențierea zonei de deformație

4.4 Alegerea curelei dințate

Cureaua dințată este elementul intermediar al unei transmisii cu curele, aceasta transmite mișcarea prin angrenarea dinților ei cu dinții roților și prezintă, față de curelele obișnuite, avantajul unei funcționări fără alunecare și al unui randament mai ridicat, transmisia fiind mai silențioasă, mai ieftina și utilizabilă la turații mai mari decât transmisia cu lanț. Se utilizează în construcția echipamentelor periferice, a echipamentelor industriale, a conveioarelor, a mașinilor de birou, a aparaturii cinematografice, la aparate casnice, pompe, mașini textile etc.

Fig.4.9 curele dințate

Curelele dințate se execută din cauciucuri cloroprenice sau materiale plastice având o inerție cu un modul de elasticitate ridicat, care poate fi cablu din oțel, fibră de sticlă, fir poliesteric sau poliamidic. (Fig. 4. 9, a). La curelele din cauciuc, dantura este protejată printr-o țesătură din nylon (Fig. 4. 9, b), în timp ce dinții celor din mase plastice (varianta modernă) au compoziția întregii curele: poliuretan sau policlorură de vinil plastifiată. Rezultatele cele mai bune, în transmisiile de putere, se obțin cu curele din poliuretan și inserție de oțel.

Profilul unei curele dințate poate fi simplu (Fig. 4. 9, a) când mișcarea se transmite între doi arbori (Fig. 4. 10, a și c), sau dublu (Fig. 4. 9, c), când mișcarea se transmite între mai mulți arbori.

Dimensiunile geometrice ale secțiunii și danturii curelei pot lua drept bază pasul (sistemul ISO și cel in inch). Din punct de vedere geometric, cunoscându-se modulul curelei, se poate determina diametrul de divizare al roții: D=mz+q, unde: z este numărul dinților roții, iar q = (0,05 … 0,2) mm – coeficient de corecție care ține seama de înfășurarea poligonală a curelei. Calculul geometric al unei transmisii cu două roți de curea, arbori paraleli, fără rolă de întindere. [50].

Fig. 4.10 Transmisii pe curea între arbori [50]

Pentru dimensionarea unei roți de curea trebuie definit profilul danturii acesteia (Fig. 4. 11.b) prin: înălțimea dintelui, hr, lățimea golului, kr, unghiul golului, γr, razele de racordare la cap, r1 și la picior r2. Aceste mărimi sunt corelate cu cele corespunzătoare ale curelei. Cu ajutorul lor se pot determina dimensiunile roții, dacă se cunosc numărul de dinți, z, și distanța de la fibra neutră a inserției până la baza golului curelei, δ. Lățimea roții, B, se stabilește în funcție de lățimea curelei, b. Cu ajutorul lor se pot determina dimensiunile roții, dacă se cunosc numărul de dinți, z, și distanța de la fibra neutra a inserției până la baza golului curelei, δ.

Diametrul exterior al roții va fi De = D – 2*δ, iar cel interior , Di = De -2*hr . Lățimea roții, B, se stabilește în funcție de lățimea curelei, b.

Pasul roții pe cercul exterior depinde de diametrul acestuia:

pe = p ( 1 – 2δ / De ).

Fig.4.11 a. Diametrul de divizare al roții, b. Profilul danturii roții dințate

Principalele dimensiuni ale curelelor dințate din mecanica fină.

Tabel 4.1 Dimensiuni ale curelelor [Tabel 5.108, pag 220] [50]

Calculul parametrilor curelei și ai roților

Diametrul de divizare ale roților:

Distanța dintre axe :

Ap = 230 mm (ales din tabel)

Lungimea curelei :

+ * =

Numărul de dinți al curelei :

Unghiul dintre ramurile curelei:

Unghiurile de înfășurare pe roți:

Diametrul exterioare al roților de curea:

hd = ht – hs = 2,2 – 1,2 = 1

Diametrele medii ale roților:

Diametrele interioare ale roților:

Tabelul 4.2 foaia de catalog pentru cureaua dințată

Tabelul 4.3 foaia de catalog pentru roțile de curea

În urma calculelor efectuate mai sus s-au ales următoarele elemente:

Curea dințată t2,5/480

fig. 4.12 Curea dințată T2,5/480

Roata de curea 16T2,5/20-2

Fig. 4.13 Roata dințată de curea 16T2,5/20-2

4.6 Verificarea sabilității motostivuitorului

Există multe aspecte ale stabilității unui vehicul:

Triunghiul de stabilitate

Stabilitatea longitudinală

Stabilitate laterală

Stabilitate dinamică

Aproape toate vehiculele cu sistem de echilibrare au sistem de suspendare în trei puncte. Acest lucru este posibil chiar dacă vehiculul are patru roți. Axul de direcție al utilajului de transport este atașat printr-un știft de rotire în centrul axului. Când acest punct este conectat la roțile din față cu linii imaginare, acest suport cu trei puncte formează un triunghi numit triunghiul de stabilitate (Triunghiul ABC unde punctul A este punctul de pivotare în puntea spate și punctele B și C sunt roțile din față). (Figura 4.14). Atâta timp cât centrul de greutate rămâne în interiorul acestui triunghi de stabilitate, utilajul de transport uzinal este stabil și nu se va răsturna.

Fig.4.14 Triunghiul de stabilitate

Atunci când motostivuitorul nu este încărcat, locația centrului de greutate al său este singurul factor care trebuie luat în considerare la determinarea stabilității sale. În figura 14, centrul de greutate se află între axul roților de direcție la A și roțile motoare la BC și este marcat cu săgeata ca Centrul vehiculului de greutate (descărcat). În figura 15, centrul de greutate combinat al stivuitorului și sarcina sa maximă se deplasează spre încărcătură astfel încât acesta să fie acum poziționat pe linia care reprezintă axa din față, chiar la marginea triunghiului de stabilitate. În timp ce stivuitorul încărcat este încă stabil teoretic, în practică, centrul de greutate combinat nu ar trebui să ajungă niciodată la această linie, deoarece opririle, pornirea și răsucirile bruște ar putea schimba mai departe centrul de greutate și ar destabiliza stivuitorul.

Fig.4.15 Triunghiul de stabilitate cu centrul de greutate stabilizat

După cum se vede în figura16, apare o deplasare a centrului de greutate pe măsură ce se încarcă stivuitorul. Motostivuitorul este mai stabil când este încărcat corespunzător decât atunci când este descărcat. Cu toate acestea, încărcarea necorespunzătoare, cum ar fi încărcarea stivuitorului în afara capacității sale sau încărcarea unei sarcini supradimensionate sau largi fără ajustarea greutății, va face ca stivuitorul să se deplaseze, fie lateral lateral, fie longitudinal înainte. Direcția de deplasare va depinde de locul în care centrul de greutate combinat se deplasează în afara triunghiului de stabilitate.

Fig.4.16 Triunghiul de stabilitate cu centrul de greutate combinat

Stabilitatea laterală este rezistența camionului la răsturnare laterală.

Stabilitatea dinamică se referă la ideea că un centru de greutate al unui stivuitor descărcat și un centru de greutate combinat al unui stivuitor încărcat se pot deplasa în afara triunghiului de stabilitate ca urmare a unor mișcări, cum ar fi opriri bruște și pornire, întoarcere sau funcționare pe grade.

Linia de acțiune este o linie verticală imaginară prin centrul de greutate al obiectului.

Centrul de încărcare reprezintă distanța orizontală de la fața verticală a furcii sau a altei atașamente la linia de acțiune prin centrul de greutate al încărcăturii.

Momentul este produsul greutății obiectului în funcție de distanța de la un punct fix (de obicei, punctul de sprijin). În cazul unui motostivuitor acționat, distanța este măsurată de la punctul în care utilajul de transport uzinal se va deplasa pe linia de acțiune a obiectului. Distanța este întotdeauna măsurată perpendicular pe linia de acțiune.

Fig.4.17 Centrele de greutate ale motostivuitorului si ale paletului

În urma utilizări funcției „Mass Properties” a programului SolidWorks, au fost generate centrele de greutate ale motostivuitorului respectiv ale paletului. La o încărcătură de 850g motostivuitorul rezistă la răsturnare frontală deoarece, centrul de greutate se află în interiorul triunghiului de stabilitate, la o distanță de 105 mm față de centrul de greutate al paletului.

4.7 Prezentarea elementelor componente

4.7.1 Microcontroller-ul – Arduino Mega 2560 v3

Rolul microcontroller-ului în acest proiect este foarte imporatnt deoarece, acesta preia informațiile de la senzori, le procesează și pe baza acestora dă comandă actuatoarelor prin intermediul driverelor L298N. Cel mai important detaliu este că acest modul poate fi programat de la un calculator și datele pot fi afișate. După cum se poate oserva și în schema de principiu, Arduino, este cea mai importantă componentă a sistemului deoarece acesta controlează mișcările sistemului.

Fig.4.18 Platforma de dezvoltare Arduino Mega 2560 v3

Platforma Arduino este una dintre cele mai simplu de utilizat platforme cu microcontroler, fiind o placă de dezvoltare open-source, care are la bază familia de microcontrolere Atmel AVR. Pentru această lucrare, s-a ales platforma Arduino Mega 2560 v3 [24], care se bazează pe microcontrolerul Atmel AVR ATmega2560. Prețul său este mai mare decât al unui AVR ATmega2560 simplu, însă oferă următoarele beneficii:

Are mai multe componente importante pentru programare și comunicare: ATmega 2560, un stabilizator de tensiune, 4 UART (porturi pentru comunicarea serială), un port USB, un buton de resetat, o mufă pentru ICSP;

Este proiectat pentru a realiza activitatea de programare într-un mod cât mai simplu posibil; microcontrolerul este prevăzut cu un bootloader care permite scrierea programelor în memorie prin USB;

Este open-source și este accesibil tuturor, gratuit;

Oferă o bibliotecă destul de vastă pentru simplificarea eforturilor de programare, fiind posibil, de exemplu, să se interacționeze cu un LCD sau cu un receptor GPS datorită funcției deja determinate în bibliotecă, nemaiavând importanță funcțiile generate anterior ca protocol de comunicare, înregistrare, etc.

Oferă un mediu integrat de dezvoltare (IDE), open-source și ușor de utilizat:

Platforma Arduino se conectează la calculator printr-un cablu USB;

Încărcarea programului scris în IDE se face cu un click al mouse-ului.

A fost proiectat și urmărit de o comunitate internațională considerabilă.

Este foarte important pentru aplicația propusă în această lucrare să se efectueze revizia pinilor SDA și SCL pe placa Arduino, prin intermediul acestora putând fi realizată conexiunea I2C cu senzorul inerțial MPU 6050.

Tabelul 4.4 Principalele caracteristicile ale platformei Arduino Mega 2560 v3

4.7.2 Microcontroller-ul – Raspberry pi 3

Modulul Raspberry pi 3 este utilizat pentru procesarea și interpretarea codurilor QR de pe cutiile ce se află pe paleți. După scanare, informația poate fi stocată pe un card de memorie sau transmisă prin WI-FI către sistemul central de comandă,

Fig.4.19 Modulul Raspberry pi 3

Placa de dezvoltare Raspberry Pi 3 este bazată pe SoC BCM2837, care dispunde de un procesor quad core pe 64 de biți ARM Cortex-A53, capabil să ruleze la 1.2 GHz. Combinând o creștere de 33% a frecvenței la care lucrează împreună cu diverse îmbunătățiri la nivel de arhitectură, Raspberry Pi 3 are o performanța de 50-60% mai mare in modul 32-bit fața de Raspberry Pi 2. Față de versiunile anterioare, Raspberry Pi 3 dispune de conectivitate WiFi și Bluetooth integrată asigurată de cipul BCM43438.

Toți conectorii sunt în același loc și au aceași funcționalitate, iar placa poate fi alimentată cu 5 V prin conectorul micro USB. De data aceasta se recomandă un alimentator de 2 A sau 2.5 A dacă se dorește a fi conectate la portul USB, periferice care consumă mult curent.

Raspberry Pi 3 dispune de un GPU VideoCore IV 3D care rulează la frecvența de 400 MHz, o frecvență semnificativ mai mare față de generațiile anterioare.

Fig.4.20 Configurația pinilor pentru Raspberry pi 3

,

Specificațiile modulului Raspberry pi:

Procesor Quad Core ARM Cortex-A53 64 bit 1.2 GHz

1 GB RAM

GPU VideoCore IV 3D

WiFi 802.11n

Bluetooth 4.1 și Bluetooth LE

40 de pini GPIO

HDMI

Porturi USB 2.0

Ieșire Video Composite

Ieșire Audio Stereo

Port CSI pentru a conecta camera Raspberry Pi

Port DSI pentru a conecta monitoare cu ecran tactil

Slot pentru Card Micro SD

4.7.3 Modulul pentru memorie

Fig.4.21 Modulul pentru memorie

Modul de card SD pentru înregistrarea, stocarea și citirea datelor într-un mediu de stocare extern. În funcție de tipul de sistem de fișiere de card SD poate fi FAT12, FAT16 sau FAT32. Construit în Arduino IDE, biblioteca de utilități SD permite să se lucreze cu fișiere și directoare similare cu modul în care lucrează un calculator personal.

Fig.4.22 Conexiunea dintre Arduino MEGA și modulul de memorie

4.7.4 Senzor de distanță IR

Rolul senzorului de distanță este de a identifica distanța până la palet și de a se opri în apropierea lui fără a-l deplasa sau deteriora. Același efect este aplicat și la apropierea de raftul în care se depozitează.

Modulul are o pereche de tuburi de emisie și recepție în infraroșu, tuburile de transmisie emit o anumită frecvență în infraroșu, când se detectează un obstacol (suprafața de reflexie), un senzor reflectată în infraroșu iar altul recepționează. Ieșirea reprezintă un semnal digital. Modulul are posibilitatea de reglare a distanței de detecție printr-un potențiometru,

Intervalu de distanță este de 20 ~ 300mm la un unghi de detecție de 35 °, iar tensiunea de lucru de 3.3V – 5V. Domeniul de detectare al senzorului poate fi obținut prin reglarea potențiometrului, cu interferențe reduse. Portul de ieșire al modulului poate fi conectat direct la microcontroler, de asemenea poate fi conectat direct la un releu de 5V, conectare: VCC-VCC; GND-GND; OUT-IO.

Fig.4.23 Senzorul de distanță cu IR

4.7.5 Driver-ele pentru controlul motoarelor

Driver-ul de motoare L298 este utilizat pentru controlul motoarelor de curent continuu folosind Arduino.

Arduino este capabil sa scoata pe porturile lui o putere foarte mică, total insuficientă pentru a acționa un motor. Daca vom conecta un motor electric direct la un port Arduino, cel mai probabil vom obține arderea procesorului din placa Arduino. Ca sa nu se întample acest lucru, avem nevoie de un amplificator de putere, care sa ia putere din sursa de alimentare (baterie, de exemplu), și să o transmită motoarelor așa cum îi comandă Arduino. Acest amplificator poartă numele generic de "driver de motoare".

Există o multitudine de drivere de motoare, diferența majoră între ele fiind cât de multă putere pot conduce (cât de puternice pot fi motoarele pe care le pot controla). Driver-ul din aceasta sectiune este bazat pe integratul L298, fiind un driver de nivel mediu din punct de vedere al puterii conduse. Poate controla motoare care necesită cel mult 2 Amperi.

Driver-ul se conecteaza la platforma Arduino folosind 4 pini digitali (3, 5, 6 si 9) prin înfigere directa in pinii placii Arduino.

Parametrii driver-ului L298N:

Circuitul integrat: L298N cu punte H dublă

Alimentarea driver-ului: +5V ~ +35V

Curentul maxim pe o punte: 2A / Bridge

Tensiunea logică Vss :4.5-5 .5V

Courentul de operare logic: 0 ~ 36mA

Domeniul de tensiune la intrare a semnalului de control: 4.5-5.5V low 0V high

Puterea maximă consumată: 20W

Temperatura de lucru: -25 ~ +130

Dimensiunile driver-ului: 55mm * 60mm * 30mm

Masa: 33g

Fig.4.25 Driver-ul L298N utilizat în controlul motoarelor de acționare

4.7.6 Senzorii de de linie utilizați în ghidarea motostivuitorului

Setul de senzori de reflexie QTR-8RC este destinat a fi un senzor de linie, dar poate fi utilizat ca senzor de proximitate sau de reflexie generală. Modulul este un suport convenabil pentru opt perechi emițător IR și receptor (fototranzistor) repartizate uniform la intervale de 9.525 mm. Pentru a utiliza un senzor, trebuie conectat pinul de ieșire prin aplicarea unei tensiuni pe portul OUT. Acesta poate citi reflexia prin extragerea tensiunii și temporizării furnizate din exterior cât timp durează decalajul datorat fototranzistorului integrat. Capacitatea modulului QTR-8RC de a modifica puterea LED-urilor:

Nu este necesar un convertor analog-digital (ADC)

Sensibilitate îmbunătățită față de ieșirea analogică a tensiunii-divider

Citirea paralelă a mai multor senzori este posibilă cu majoritatea microcontrolerelor

Citirea paralelă permite utilizarea optimă a opțiunii de alimentare cu LED

Ieșirile sunt toate independente, dar LED-urile sunt aranjate în perechi pentru a reduce la jumătate consumul de curent. LED-urile sunt controlate de un MOSFET cu o poartă în mod normal trasă la înălțime, permițând oprirea LED-urilor prin setarea porții MOSFET la o tensiune joasă. Oprirea LED-urilor poate fi avantajoasă pentru limitarea consumului de energie atunci când senzorii nu sunt utilizați sau pentru modificarea luminozității efective a LED-urilor prin intermediul controlului PWM.

Rezistențele cu LED-uri de limitare a curentului pentru funcționarea de 5 V sunt aranjate în două etape; acest lucru permite o trecere simplă a unei trepte pentru a permite funcționarea la 3,3 V. Curentul LED-ului este de aproximativ 20-25 mA, făcând consumul total al plăcii puțin sub 100 mA. Schema de funcționare a modulului este prezentată în figura 4.26:

Fig.4.26 Schema de funcționare a modulului cu senzori de linie

Parametrii senzorilor de linie:

Tensiune de lucru: 3,3-5,0 V

Curent de alimentare: 100 mA

Formatul de ieșire: 8 semnale digitale compatibile cu I/O care pot fi citite ca un impuls de înaltă frecvență

Distanța optimă de detectare: 3 mm

Distanța maximă recomandată de detectare: 9,5 mm

Dimensiuni: 70mm x 12mm x 3,1mm

Masă 3,09 g

Fig.4.27 Senzorul QTR-8RC

4.7.8 Modulul de comunicație wireless

Acest modul are rolul de a realiza comunicarea între motostivuitor și sistemul centralizator al datelor. Folosind o comunicație serială, este conectat la Arduino și , microcontroller-ul.

Caracteristicile tehnice ale moduluilui WI-FI:

Compatibil cu Arduino

Tensiune logică: 3.3V / 5V

Tensiune de lucru: 4.5V – 5.5V (regulator de 3.3V LDO)

Curent de lucru: 240mA (MAX)

Format comunicare serială: 8N1

Buton de resetare la bord

Comutator la integrat pentru a selecta modul UART sau modul de actualizare a firmware-ului

Tipul antenei: Antena ceramică încorporată este disponibilă cu posibilitatea utilizării unei antene externe.

Mod rețea wireless: stație / softAP / stație SoftAP +

Criterii wireless: 802,11 b / g / n

Wi-Fi @ 2.4 GHz, suport pentru modul de securitate WPA / WPA2

Aplicatii: Automatizari de locuinte, retele de senzori, control wireless industrial, masini inteligente.

Fig.4.28 Modulu de comunicație Wireless

4.7.9 Camera ulilizată la sacnarea codurilor QR

Pentru indentificarea paleților s-a optat la utilizarea unei camere care scanează codurile QR imprimate în prealabil pe cutiile paleților ce se vrea a fi depzitați pe rafturi. Codul QR conține date cu privre la natura mărfurilor și poziția lor în raft. Aceasta se conectază la microcontroller-ul Raspberry.

Caracteristicile tehnice ale camerei:

Nume: Raspberry Pi Zero Camera

Senzor OV5647 de 5 MP

Rezoluția imagini prcesate: 2592 × 1944

Rezoluție de inregistrare video: 640x480p60/90

Dimensiuni: 60mm × 11.5mm × 5mm

Masă: 6g

Fig.4.29 Camera utilizată la citirea codurilor QR

4.7.10 Sursa de alimentare a motostivuitorului

Motostivuitorul se prezintă a fi unul autonom și de aceea, utilizarea unor acumulatori reîncărcabili este esențială pentru a pune în eviență această caracteristică. S-a optat pentru utilizarea a 18 acumulatori cilindrici de tip Ni-MH deoarece, masa lor însumată servește ca și contragreutate a motostivuitorului, acesta nefiind supus la răsturnare frontală dacă se respectă masa transportată pe cuțite.

Fig.4.30 Acumulatorul utilizat pentru alimentarea motostivuitorului

Caracteristicile tehnice ale acumulatorului:

Nume: Panasonic

Tip: Baterie independentă

Mărime: AA

Tipul chimic: NI-MH

Modelul: BK-3HCCA/4BW

Tensiune furnizată: 1,2V

Capacitate nominală: 2500mAh

Acumulator de tip reîncărcabil

Temperatură de funcționare: -4 – 35 ℃

Masa: 150g

Cicluri de încărcare: 1200

Fig.4.31 Conectarea acumulatorilor pentru alimentarea motostivuitorului

După cum se poate observa în figura 4.31 acumulatorii sunt conectați câte 9 în paralel și 9 în serie. Tensiunea totală furnizată de blocul de acumlatori este de 12V iar curentul maxim de 25Ah după cum urmează:

Masa totală a blocului de acumulatori este calculată în următoarea formulă:

4.8 Prezentarea schemei de circuit

Schema circuitului a fost executată în programul Fritzing de unde au fost accesate bibliotecile cu elementele de circuit. În figura 4.32 se pot observa elementele interconectate la după o regulă stabilită de producători.

Firele colorate cu roșu reprezintă alimentarea circuitelor cu o tensiune de +12V, firele colorate cu negru reprezintă GND sau masa circuitului, iar firele colorate cu alte culori reprezintă fire de transport al semnalului.

Microcontrollerele sunt alimentate de la driver-e deoarece acestea conțin un circuit de limitare și stabilizare a tensiunii la o tensiune de 5V. Tensiunea de 5V este o tensiunea necesară pentru funcționarea microcontrollere-lor la parametrii normali.

Fig.4.32 Schema circuitului de comandă a motostivuitorului

4.9 Prezentarea schemei logice a programului

Fig.4.33 Prezentarea schemei logice a programului după care funcționează motostivuitorul

Capitolul 5 – Eficiența economică

După cum s-a menționat și în introducere, obiectivul acestui proiect este prezentarea unei soluții avantajoase din punct de vedere economic, în cadrul acestui capitol se vor prezenta părțile componente ale sistemului împreună cu prețurile de achiziție.

Tabelul 5.1 Prezentarea părților componente ce pot fi achiziționate din mediul online

Pe lângă această sumă ce reprezintă costul elementelor ce trebuie achiziționate de la diferiți furnizori mai intervin și alte cheltuieli ce trebuie luate în calcul. În tabelul 6.2 se vor evidenția sumele ce intră în costul de producție al motostivuitorului.

Tabel 5.2 Cheltuielile ce intervin în procesul de fabricație

Însumând sumele rezultate în tabelele 5.1 și 5.2, de mai sus, se ajunge la un preț final de fabricație:

Asupra acestui preț trebuie adăugată si marja de profit a investitorului. O marjă realistă este reprezentată de un procent de 30% peste costul de fabricație final.

Prețul final obținut pe bucată este de 2829.99 lei, la producerea în seri, prețul pe bucată poate scădea semnificativ, nefiind nevoie de cheltuielile ce intervin în prețul de fabricație afișate în tabelul 5.2.

Capitolul 6 – Parametrii tehnico-funcționali obținuți

6.1 Concluzii

În urma studiilor și calculelor efectuate în capitolele anterioare, motostivuitorul autonom reprezintă un sistem mecatronic și îndeplinește cu succes condițiile impuse și anume:

utilizarea mai eficientă a spațiului destinat depozitării,

automatizarea procesului prin înlocuirea personalului,

recunoașterea mărfurilor distribuite prin citirea codului QR

recunoașterea traseului,

îndeplinitrea funcției de logistică prin actualizarea bazei de date cu privire la operațiile efectuate, dar și cu timpul și ora la care a fost livrat sau preluat un articol din depozit.

Sistemul funcționează pe un principiu simplu ce se bazează pe urmărirea unei linii, și pe un sistem de translație al căruciorului motostivuitorului, depozitănd întrun raft de tip matrice 2D.

Sistemul proiectat poate fi implementat cu ușurință la scară mare, nefiind necesară modificarea prograului după care se ghidează acesta.

Funcția de autonomie îi este conferită de plocul de acumulatori și de sistemul de procesare integrat.

6.2 Avantaje și dezavantaje

Ca orice produs nou și acest produs prezintă avantaje și dezavantaje.

Principalele avantaje ale motostivuitorului automat:

Automatizarea procesului de depozitare

Îndeplinirea funcției de logistică

Contol automat al procesului de depozitare

Ușor de adaptat spațiilor de diferite dimensiuni

Avertizare în cazul nerespectării comenzilor

Timp de răspuns relativ mic

Operația de mentenață este ușor de realizat

Procent ridicat de interschimbabilitate

Posibilitatea implementării producției în serie

Dezavantaje:

Preț relativ mare

Pentru operația de montaj este necesar personal calificat

Programarea sistemului necesită timp

6.3 Contribuția proprie

Pentru realizarea acestui proiect am apelat la cunoștințele dobândite pe parcursul anilor de studii, de unde am învățat cum se face:

Elaborarea unei scheme cinematice

Proiectare 3D

Analiză cinematică

Alegerea unui motor

Alegerea componentelor electronice

Calculul economic

Elaborarea propriu-zisă a unui proiect