Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật cơ điện tử: Thiết kế và chế tạo máy kiểm tra máy khoan pin tự động có giám sát qua web-server

Trong phần lập trình: Xây dựng thuật toán điều khiển máy khoan pin theo cơ cấu đã thiết kế, phát triển thuật toán để tính toán và xử lý dữ liệu về điện áp và dòng điện.. Mục tiêu nghiên

GIỚI THIỆU

Lý do chọn đề tài

Trong bối cảnh hội nhập kinh tế quốc tế, Việt Nam đang tích cực phát triển nhiều ngành công nghiệp quan trọng, đặc biệt là cơ khí và cơ điện tử Ngành cơ điện tử, kết hợp giữa cơ khí truyền thống và công nghệ điện tử hiện đại, đã tạo ra sản phẩm chất lượng cao và năng suất ấn tượng, đáp ứng nhu cầu thị trường trong nước và xuất khẩu sang các thị trường lớn như Liên minh Châu Âu và các quốc gia châu Á.

Sự phát triển của khoa học kỹ thuật đã thúc đẩy xu hướng sử dụng pin tái sử dụng như một giải pháp phát triển bền vững, đặc biệt là pin lithium-ion đã trở thành nguồn năng lượng phổ biến cho nhiều thiết bị cầm tay và công nghiệp Các thiết bị sử dụng pin như máy khoan không dây ngày càng được ưa chuộng vì tính tiện lợi và gọn nhẹ, nhưng việc đảm bảo chất lượng và an toàn của pin trong quá trình sử dụng vẫn là một thách thức lớn Việc sử dụng pin không đạt chất lượng có thể dẫn đến các vấn đề nghiêm trọng như cháy nổ, giảm tuổi thọ thiết bị và gây thiệt hại kinh tế.

Kiểm tra chất lượng pin máy khoan thủ công thường mất nhiều thời gian và công sức, đồng thời có nguy cơ xảy ra sai sót Để khắc phục tình trạng này, việc triển khai một hệ thống kiểm tra tự động là cần thiết, nhằm nâng cao độ chính xác và hiệu quả.

Nhóm đã quyết định chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo máy kiểm tra máy khoan pin tự động có giám sát qua Web-server” vì tính quan trọng và ứng dụng cao của nó Đề tài không chỉ phản ánh sự cần thiết trong việc kiểm soát chất lượng pin máy khoan mà còn hỗ trợ áp dụng công nghệ thông tin vào quản lý sản xuất Mục tiêu của đề tài là xây dựng một ngành công nghiệp thông minh và hiện đại, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về chất lượng và an toàn của pin trong các thiết bị công nghiệp và tiêu dùng.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Nghiên cứu và phát triển công nghệ: Góp phần phát triển các công nghệ kiểm tra tự động và hệ thống giám sát từ xa qua Web-server

Nghiên cứu và phát triển các thuật toán kiểm tra chất lượng pin máy khoan là yếu tố quan trọng nhằm nâng cao độ chính xác và độ tin cậy của sản phẩm Việc cải tiến các thuật toán này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình kiểm tra mà còn đảm bảo sản phẩm đáp ứng được các tiêu chuẩn chất lượng cao nhất.

- Phát triển các kỹ năng làm việc trong công nghệ mới

- Khuyến khích sự nghiên cứu và sáng tạo của các kỹ sư, kỹ thuật viên

- Đảm bảo chất lượng và an toàn cho người sử dụng máy khoan pin

- Nâng cao hiệu quả sản xuất và tiết kiệm chi phí cho doanh nghiệp

- Tăng cường năng lực cạnh tranh giữa các doanh nghiệp trên thị trường

- Tiết kiệm thời gian và nhân lực

- Đào tạo và phát triển đội ngũ kỹ sư, kỹ thuật viên có trình độ chuyên môn cao

- Thu hút và tang cường sự tin tưởng của khách hàng.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy kiểm tra máy khoan pin tự động với các đặc tính sau:

- Thiết kế và chế tạo mô hình gọn gàng, dễ dàng vận hành và sữa chữa

- Tính toán, lựa chọn động cơ, các chi tiết, cơ cấu phù hợp cho máy kiểm tra máy khoan pin tự động

- Thiết kế mạch điều mạch điều khiển cho máy

- Giao diện giám sát và điều khiển đơn giản, thân thiện với người dùng

- Web có chức năng giám sát điện áp, dòng điện, công suất và điều khiển khoan theo tọa độ có thể thay đổi.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Nền tảng RTOS (Real-time operating system)

- Nền tảng OOP (Hướng đối tượng)

- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động máy khoan CNC 3 trục

- Nghiên cứu thiết kế phần cơ khí cho máy kiểm tra máy khoan pin tự động

- Nghiên cứu vi điều khiển STM32F407VET6 Discovery, ESP8266 và Driver điều khiển TB6600

- Nghiên cứu thiết kế thi công mạch điện tử và mạch công suất

- Nghiên cứu các giải thuật điều khiển, truyền nhận dữ liệu uart, truyền nhận giữa vi điều khiển và web

- Khối lượng Máy khoan: 2.2 kg

- Nghiên cứu đo điện áp, dòng điện, công suất pin và nhiệt độ cảm biến đo dòng của dòng pin máy khoan Makita 26V đưa dữ liệu lên webserver

- Thời gian thực hiện: Nghiên cứu được thực hiện trong 5 tháng, từ tháng 2/2024 đến tháng 7/2024.

Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận

Dựa trên kiến thức hiện có về máy CNC, đặc biệt là máy khoan CNC gỗ, bài viết tổng hợp và đánh giá các phương án phù hợp với đề tài.

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

• Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:

- Thu thập thông tin về sự cần thiết của máy khoan và máy khoan gỗ CNC

- Tổng hợp dữ liệu từ các tài liệu và nghiên cứu khoa học liên quan

- Xác định cơ chế và chức năng của máy dựa trên các lý thuyết và nguyên lý cơ bản

- Tiến hành các thí nghiệm thực tế trên các mẫu máy khoan gỗ CNC hiện có

- Ghi nhận và phân tích kết quả để đánh giá hiệu suất và hiệu quả của máy

- Sử dụng phần mềm mô phỏng để dự đoán và tối ưu hóa hoạt động của máy khoan CNC gỗ

- Mô phỏng các kịch bản hoạt động để kiểm tra tính ổn định và hiệu quả của máy

• Phương pháp phân tích và đánh giá:

Ứng dụng kiến thức chuyên ngành như Cơ kỹ thuật, Nguyên lý chi tiết máy, Vi xử lý và Hệ thống điều khiển Servo là rất quan trọng trong việc tính toán, kiểm nghiệm, thiết kế và điều khiển máy móc Những kiến thức này giúp tối ưu hóa quá trình thiết kế và nâng cao hiệu suất hoạt động của thiết bị Việc áp dụng các nguyên lý cơ bản và công nghệ hiện đại sẽ đảm bảo sự chính xác và hiệu quả trong các dự án kỹ thuật.

- Đánh giá các phương án dựa trên tiêu chí hiệu suất, độ chính xác, và tính khả thi.

Bố cục của ĐATN

Báo cáo đồ án nhóm xây dựng được chia làm 7 chương, với nội dung như sau:

Lý do chọn đề tài này xuất phát từ tầm quan trọng của nó trong việc giải quyết các vấn đề thực tiễn và nâng cao hiểu biết khoa học Đề tài không chỉ có ý nghĩa lý thuyết mà còn mang lại giá trị ứng dụng trong thực tế Đối tượng nghiên cứu bao gồm các khía cạnh cụ thể liên quan đến vấn đề, trong khi phạm vi nghiên cứu được xác định rõ ràng để đảm bảo tính khả thi Phương pháp nghiên cứu được áp dụng bao gồm cả định tính và định lượng, nhằm thu thập và phân tích dữ liệu một cách chính xác Cuối cùng, bố cục của đề tài được sắp xếp logic, giúp người đọc dễ dàng theo dõi và hiểu rõ nội dung nghiên cứu.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về máy khoan CNC

Máy CNC (Computer Numerical Control) là thiết bị cơ khí hiện đại, được điều khiển bằng máy tính và phổ biến trong gia công cơ khí Thiết bị này hoạt động dựa trên các chuỗi sự kiện được lập trình trước, giúp tạo ra sản phẩm với thông số kỹ thuật chính xác.

Sự ra đời của máy CNC đã cách mạng hóa ngành sản xuất công nghiệp, cho phép gia công chi tiết phức tạp từ 3 đến 5 chiều một cách dễ dàng Điều này không chỉ rút ngắn thời gian sản xuất mà còn nâng cao độ chính xác và tính thẩm mỹ của sản phẩm Hơn nữa, sự hỗ trợ từ máy tính đã giảm thiểu sự tương tác trực tiếp giữa con người và máy móc.

Máy CNC được phân loại theo hai dạng chính:

- Theo dạng máy công cụ: Máy phay CNC, máy tiện CNC, máy khoan CNC, máy dập CNC, máy mài CNC, máy cưa CNC, v.v

- Theo phương pháp cắt gọt: Máy cắt laser, máy cắt Plasma, máy in 3D, máy CNC Router, v.v

Công nghệ CNC là giải pháp sản xuất hiện đại cho phép tạo ra các sản phẩm phức tạp với độ chính xác cao và thời gian sản xuất ngắn Với khả năng ứng dụng rộng rãi, công nghệ này đã trở thành lựa chọn hàng đầu trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm chế tạo, gia công kim loại, gỗ, nhựa và nhiều loại vật liệu khác Nhờ đó, các doanh nghiệp có thể tăng cường hiệu suất sản xuất và mang lại giá trị cao cho sản phẩm của mình.

Máy khoan CNC là thiết bị chuyên dụng dùng để khoan lỗ chính xác trên nhiều loại vật liệu Sự tự động hóa của máy khoan CNC không chỉ nâng cao hiệu suất mà còn đảm bảo độ chính xác cao trong công việc Thiết bị này thường được ứng dụng trong sản xuất hàng loạt và các ngành yêu cầu độ chính xác như điện tử, cơ khí, và chế tạo khuôn mẫu.

2.1.2 Cấu tạo của máy khoan CNC

Hình 2.1 Cấu tạo của máy khoan CNC

Máy khoan CNC bao gồm các thành phần chính sau:

Bộ điều khiển CNC là giao diện quan trọng cho phép kỹ thuật viên nhập lệnh và giám sát hoạt động của máy Nó bao gồm màn hình hiển thị và các nút điều khiển, giúp quản lý quá trình sản xuất hiệu quả.

Khung và đế là những thành phần cấu trúc quan trọng, giúp giữ và ổn định toàn bộ máy Chúng thường được chế tạo từ gang, đảm bảo vận hành ổn định và giảm thiểu rung lắc.

Mũi khoan (Drill Bits): Dụng cụ cắt gắn vào trục chính, có nhiều loại khác nhau phù hợp với từng loại vật liệu và ứng dụng

Trục chính (Spindle): Nơi gắn các mũi khoan, quay với tốc độ cao để thực hiện việc khoan

Bàn máy (Table): Bề mặt đặt và cố định phôi, có thể điều chỉnh để phù hợp với nhiều kích thước và hình dạng vật liệu

Hệ thống dẫn hướng và vitme me (Axes) đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác cho chuyển động của các trục Động cơ bước hoặc động cơ servo (Motors) được sử dụng để điều khiển chuyển động của các trục, giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác trong các ứng dụng công nghiệp.

Hệ thống làm mát và bôi trơn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp dung dịch làm mát, giúp giảm nhiệt độ và ma sát trong quá trình gia công Điều này không chỉ kéo dài tuổi thọ của dụng cụ mà còn ngăn ngừa hư hại cho phôi, đảm bảo hiệu suất làm việc tối ưu.

Bộ thay dụng cụ (Tool Changer): Hệ thống tự động thay đổi mũi khoan hoặc dụng cụ cắt, tăng hiệu quả và giảm thời gian dừng máy

Hệ thống thu gom phoi (Chip Conveyor or Collection System) là giải pháp hiệu quả để loại bỏ và thu gom phoi, mảnh vụn phát sinh trong quá trình khoan Hệ thống này không chỉ giữ cho khu vực làm việc luôn sạch sẽ mà còn giúp ngăn chặn hư hại cho máy móc.

Sensors and calibration instruments play a crucial role in monitoring machine performance and condition, ensuring accuracy and facilitating effective machine calibration.

2.1.3 Nguyên lý hoạt động của máy khoan CNC

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của máy khoan CNC

Máy khoan CNC hoạt động dựa trên các bước sau:

Thiết kế CAD: Tạo mô hình 2D hoặc 3D của sản phẩm cần khoan

Lập trình CAM: Chuyển đổi mô hình CAD thành mã G-code

Truyền dữ liệu: Chuyển mã G-code vào bộ điều khiển CNC

Thiết lập máy: Cố định phôi và thiết lập các dụng cụ khoan

Chạy chương trình CNC: Máy thực hiện các lệnh khoan từ mã G-code, di chuyển trục và quay mũi khoan để tạo các lỗ trên phôi

2.1.4 Giới thiệu về máy khoan gỗ tự động

Máy khoan gỗ tự động là thiết bị CNC chuyên dụng cho việc khoan lỗ trên sản phẩm gỗ, tự động hóa toàn bộ quy trình từ cố định phôi đến định vị mũi khoan Với độ chính xác cao, máy giúp tăng năng suất, giảm thời gian gia công và đảm bảo độ đồng đều của các lỗ khoan, rất phù hợp cho sản xuất nội thất và các sản phẩm gỗ công nghiệp.

Tổng quan về hệ thống gá máy khoan

Hệ thống gá máy khoan đóng vai trò quan trọng trong việc cố định phôi trên bàn máy, ngăn chặn sự di chuyển của phôi trong quá trình khoan và đảm bảo độ chính xác cho các lỗ khoan Để đạt hiệu quả tối ưu, hệ thống gá cần phải chắc chắn, dễ điều chỉnh và tương thích với nhiều loại phôi khác nhau.

2.2.2 Một số cơ cấu gá máy khoan trên máy CNC hiện nay

Gá thủy lực: Sử dụng áp lực dầu để cố định phôi, giúp tăng độ chặt chẽ và ổn định

Gá cơ khí: Sử dụng các cơ cấu cơ khí như kẹp, đai ốc để cố định phôi

Gá từ tính: Sử dụng lực từ để giữ chặt các phôi kim loại

Gá chân không: Sử dụng áp suất chân không để cố định các phôi mỏng hoặc nhẹ.

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ BỐ TRÍ CHỨC NĂNG CỦA MÁY KIỂM

Các yêu cầu và phương án

3.1.1 Yêu cầu đối với máy cần thiết kế

• Các chỉ tiêu về hiệu quả sử dụng

Máy thiết kế cần đạt năng suất và hiệu suất cao, tiêu thụ ít năng lượng, có kích thước nhỏ gọn, chi phí đầu tư thấp và dễ vận hành Để đạt được điều này, người thiết kế phải hoàn thiện sơ đồ kết cấu của máy và lựa chọn các thông số thiết kế cùng các mối quan hệ kết cấu hợp lý.

Máy móc cần hoàn thành các chức năng đã định mà vẫn đảm bảo độ bền, kích thước và hình dạng không thay đổi Đồng thời, máy cũng phải duy trì sự ổn định, chịu mài mòn, chịu nhiệt và chịu chấn động Để máy có khả năng làm việc hiệu quả, cần xác định hợp lý hình dạng và kích thước chi tiết máy, chọn vật liệu phù hợp và áp dụng các biện pháp tăng cường độ bền như nhiệt luyện.

Độ tin cậy của máy móc là khả năng duy trì hiệu suất và các chỉ tiêu sử dụng như năng suất, công suất, mức tiêu thụ năng lượng và độ chính xác trong suốt quá trình làm việc Nó được xác định bởi xác suất máy hoạt động mà không gặp hỏng hóc trong một khoảng thời gian nhất định hoặc trong quá trình thực hiện công việc đã được quy định.

• An toàn trong sử dụng

Kết cấu làm việc an toàn đảm bảo rằng trong điều kiện sử dụng bình thường, nó không gây ra tai nạn nguy hiểm cho người sử dụng và không làm hư hại đến thiết bị, nhà cửa cũng như các đối tượng xung quanh.

Để đáp ứng yêu cầu về tính công nghệ và tính kinh tế, máy móc cần được thiết kế với hình dạng, kết cấu và vật liệu phù hợp với điều kiện sản xuất cụ thể Điều này giúp đảm bảo khối lượng và kích thước tối thiểu, giảm thiểu vật liệu sử dụng và hạ thấp chi phí chế tạo, từ đó mang lại giá thành sản phẩm thấp nhất.

Máy nên được thiết kế với ít chi tiết, có kết cấu đơn giản để dễ dàng chế tạo và lắp ráp Cần chọn cấp chính xác phù hợp với điều kiện và quy mô sản xuất cụ thể.

Yêu cầu thiết kế hệ thống

Khi tiến hành thiết kế mô hình máy khoan CNC, nhóm đã đặt ra những yêu cầu sau:

- Mô hình phải hoạt động ổn định

- Mô hình phải được điều khiển bởi các phần mềm thông dụng

- Chạy tự động khi kết nối với máy tính/điện thoại

- Có thể đổ chương trình gia công từ máy tính/điện thoại

- Sử dụng các vật tư, thiết bị điện thông dụng để dễ dàng thay thế và sửa chữa

- Các bộ phận truyền động kết nối phải đảm bảo đủ cứng vững đồng thời gian

Tác dụng, yêu cầu của khung máy:

Khung máy là bộ phận quan trọng cấu thành máy hoàn chỉnh, với kết cấu phức tạp bao gồm nhiều gân, gờ và lỗ được bố trí hợp lý trong không gian.

Khung máy là một thành phần quan trọng, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác và hiệu suất làm việc của máy Để đảm bảo quá trình gia công diễn ra hiệu quả, khung máy cần đạt yêu cầu về độ cứng vững và khả năng giảm chấn khi máy hoạt động.

Do hạn chế về kiến thức gia công cơ khí và nhằm đảm bảo chi phí chế tạo máy phù hợp với điều kiện kinh tế cá nhân, chúng tôi đã quyết định lựa chọn vật liệu nhôm định hình cho khung máy với những lý do sau:

- Vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm

- Dễ gia công, chế tạo

- Dễ gá lắp, chỉnh sửa

- Tuổi thọ mô hình cao

Thông số kỹ thuật của mô hình:

- Kích thước máy: (dài x cao x rộng)

440mm x 440mm x 440mm (không bao gồm động cơ bước)

- Vùng làm việc máy: 360mm x 300 x 150 mm

Máy được sử dụng để khoan lỗ kiểm tra máy khoan pin có đạt chuẩn hay không.

Các thành phần chính của máy

Phần điều khiển của máy bao gồm chương trình điều khiển và thiết bị điều khiển:

Chương trình điều khiển là phần mềm trên máy tính có chức năng đọc và thực hiện các biến đổi cần thiết để truyền tín hiệu điều khiển đến mạch điều khiển.

Mạch điều khiển và mạch công suất đóng vai trò quan trọng trong việc nhận tín hiệu từ máy tính hoặc điện thoại, thực hiện các biến đổi cần thiết để điều khiển cơ cấu chấp hành Đồng thời, chúng cũng kiểm tra hoạt động của cơ cấu chấp hành thông qua các cảm biến như công tắc hành trình.

3.3.2 Phần cơ cấu chấp hành

Cơ cấu chấp hành của máy khoan CNC bao gồm khung máy, bàn máy, động cơ và các cơ cấu truyền động, đảm bảo nhận tín hiệu từ bộ driver điều khiển để thực hiện các chuyển động khoan lỗ chính xác theo yêu cầu.

- Khung máy: Hình thành kết cấu máy, bộ phận cơ sở để ghép nối các cơ cấu quan trọng khác

- Bàn máy: Nơi gá đặt, định vị phôi chuẩn bị cho quá trình gia công

Động cơ chấp hành là thành phần thiết yếu trong hệ thống máy CNC, đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cần thiết cho hoạt động hiệu quả của máy.

- Mũi khoan là bộ phận trực tiếp tham gia khoan lỗ chi tiết

- Bộ truyền động thường sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc bi

• Hệ trục tọa độ trên máy CNC

Theo tiêu chuẩn ISO, chuyển động khoan khi gia công trên máy CNC phải nằm trong hệ tọa độ Descartes theo nguyên tắc bàn tay phải:

Đặt bàn tay phải lên bàn máy sao cho các ngón tay hướng theo đúng phương chiều như hình vẽ: ngón giữa chỉ hướng trục Z, ngón trỏ chỉ hướng trục Y, và ngón cái chỉ hướng trục X.

- Trong hệ tọa độ này có ba chuyển động: ba chuyển động tịnh tiến

- Trục Z: tương ứng với trục chính CNC, có chiều dương là chiều mà theo đó khoảng cách giữa mũi khoan và chi tiết tăng dần

- Trục Y: là chuyển động tịnh tiến lớn nhất của máy Cũng như trục Z, chiều cũng là chiều làm tăng khoảng cách giữa mũi khoan về chi tiết gia công

- Trục X: là trục mà tự nó cùng với hai trục trên làm thành một hệ trục tọa độ

Hình 3.1.Hệ tọa độ Descartes

THIẾT KẾ KẾT CẤU

Tính toán và lựa chọn động cơ

4.1.1 Loại động cơ sử dụng

Trong hệ thống máy CNC, động cơ chấp hành là nguồn năng lượng thiết yếu, đóng vai trò cực kỳ quan trọng cho hoạt động của máy.

Trong máy CNC, động cơ chấp hành hoạt động chủ yếu ở chế độ khởi động, dừng máy hoặc đảo chiều quay, tạo ra điều kiện làm việc khắc nghiệt Do đó, động cơ cần đáp ứng những yêu cầu khắt khe để đảm bảo hiệu suất và độ bền.

- Không có hiện tượng tự quay, tự hãm khi ngắt tín hiệu điều khiển

- Làm việc ổn định trong dãy tốc độ làm việc

- Công suất điều khiển nhỏ

- Dễ điều khiển vô cấp

- Dãy điều khiển tốc độ rộng

- Điện áp khởi động nhỏ

- Kích thước, trọng lượng nhỏ

Động cơ bước là loại động cơ điện đặc biệt, khác biệt với hầu hết các động cơ thông thường Chúng hoạt động dựa trên nguyên lý động cơ đồng bộ, có khả năng chuyển đổi các tín hiệu điều khiển thành các chuyển động của roto Đặc biệt, động cơ bước có khả năng cố định roto ở các vị trí cần thiết, giúp tăng độ chính xác trong ứng dụng.

Động cơ bước là sự kết hợp giữa động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ, hoạt động theo cơ chế quay từng bước thay vì quay liên tục Điều này mang lại độ chính xác cao trong điều khiển Chúng hoạt động nhờ vào các bộ chuyển mạch điện tử, cung cấp tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự và tần số nhất định, trong đó tổng số góc quay của roto phụ thuộc vào thứ tự và tần số chuyển đổi.

• Lựa chọn động cơ bước, cần xem xét các tham số sau

- Tốc độ hoạt động (bước/giây)

- Thời gian để tăng tốc (ms)

- Thời gian để giảm tốc (ms)

- Kiểu truyền động được sử dụng

- Kích thước và trọng lượng

4.1.3 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước

“Hoạt động của động cơ bước được mô tả một cách đơn giản như sau:

Dòng điện được đưa vào cực C̅ và chạy ra ở C, tạo ra lực từ giữ động cơ ở vị trí ban đầu Khi tắt dòng điện và chuyển sang cặp A̅ và A, động cơ xoay về vị trí mới do lực từ thay đổi Tiếp theo, cặp B và B̅ cũng được sử dụng để tạo ra chuyển động Bằng cách điều chỉnh dòng điện qua các cuộn dây, động cơ có thể quay theo chiều mong muốn với mỗi bước di chuyển tương ứng với khoảng cách giữa các cuộn dây Đặt các cuộn dây sát nhau sẽ tăng độ phân giải, cho phép động cơ đạt độ phân giải góc lên tới 1,8 ° trong thực tế.

Hình 4.1 Nguyên lý hoạt động của động cơ bước

4.1.4 Tính toán lựa chọn động cơ bước

• Thông số tính toán động cơ bước trên trục Y

+ Hệ số ma sát của giá dẫn hướng: 𝜇 = 0,12

+ Độ chính xác của bàn máy: ∆𝑙 = 0,03 𝑚𝑚/𝑏ướ𝑐

+ Độ phân giải cần thiết của động cơ bước:

+ Số vòng quay của động cơ bước:

360 = 4500 (𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡) + Moment xoắn do khối lượng tải tác dụng lên trục động cơ:

Hình 4.2 Sơ đồ động học trọng lực tác dụng lên trục Y

+ Moment quán tính do khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ:

2𝜋 ) 2 = 1,6 10 −6 (𝑘𝑔 𝑚 2 ) + Moment xoắn do khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ:

Hình 4.3 Sơ đồ động học lực ma sát tác dụng lên trục Y

+ Moment xoắn do ma sát của thanh dẫn hướng tác động lên trục động cơ:

2𝜋 0,12 3,95 9,81 = 2,96 10 −3 𝑁𝑚 + Moment tổng cộng tác dụng lên trục động cơ:

+ Công suất làm việc 𝑃 0 của động cơ:

• Thông số tính toán động cơ bước trên trục X

Hình 4.4 Sơ đồ động học trọng lực tác dụng lên trục X

+ Moment xoắn do khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ:

Hình 4.5 Sơ đồ động học lực ma sát tác dụng lên trục X

𝑇 𝑚 = (𝑇 𝑎 + 𝑇 1 ) 𝑆𝑓 = (1,7 10 −3 + 1,3 10 −3 ) 3 = 0,009 𝑁𝑚 + Công suất làm việc 𝑃 0 của động cơ:

• Thông số tính toán động cơ bước trên trục Z

Hình 4.6 Sơ đồ động học trọng lực tác dụng lên trục Z

2𝜋 ) 2 = 1,42 10 −6 (𝑘𝑔 𝑚 2 ) + Moment xoắn do khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ:

Hình 4.7 Sơ đồ động học lực ma sát tác dụng lên trục Z

+ Công suất làm việc 𝑃 0 của động cơ:

Qua khảo sát thị trường dựa trên cơ sở các thông số tính toán được nhóm quyết định chọn động cơ có thông số như sau:

- Loại động cơ: NEMA23 (Động cơ bước 57)

Một số linh kiện khác cần sử dụng

Khớp nối động cơ bước với vitme

Hình 4.9 Một số hình ảnh về khớp nối mềm

Hình 4.10 Một số hình ảnh về nhôm định hình 2020

Tán T cho nhôm định hình 2020 M5

Hình 4.11 Một số hình ảnh về tán T cho nhôm định hình 2020 M5

Các loại ke góc vuông cho nhôm định hình 2020

Hình 4.12 Một số hình ảnh về các loại ke góc vuông cho nhôm định hình 2020

Gối đỡ trục trơn SK12:

Tính toán lựa chọn và kiểm nghiệm bền cho trục vitme

Mục đích của đồ án này là chế tạo máy kiểm tra máy khoan pin tự động có giám sát qua Web-server có tính di động

Các chi tiết và thiết kế của máy khoan công nghiệp thường đơn giản và nhỏ gọn hơn Kích thước của các chi tiết và mũi khoan rất nhỏ, cùng với việc chỉ sử dụng khoan để kiểm tra dòng, dẫn đến lực sinh ra không đáng kể Do đó, trong phần tính toán, chúng ta có thể bỏ qua lực khoan của mũi khoan.

Trong việc điều khiển động cơ bước, nhóm phát triển đã hoàn thiện cả phần cứng lẫn phần mềm cho máy, do đó chỉ tập trung vào việc điều khiển động cơ với chuyển động đều Vì lý do này, phần tính toán gia tốc của hệ thống đã được bỏ qua.

- Hệ số ma sát của bề mặt: 𝜇 = 0,1

Tính các lực dọc trục vitme:

- Khi chạy đều về phía trước:

- Khi chạy đều về phía sau:

Vì đã bỏ qua lực cắt của hệ thống nên lực dọc trục lớn nhất là: 𝐹 𝑚𝑎𝑥 = 7,9 (𝑁)

Tính đường kính trung bình của trục vitme:

Chọn vitme bi có sẵn trên thị trường, ta có có đường kính trung bình của trục vitme (mm) được tính theo công thức 8.10 [1] trang 308:

- 𝜓 𝐻 : Hệ số chiều cao đai ốc Với đai ốc nguyên, tra theo bảng ở tài liệu số [1] trang 309 chọn 𝜓 𝐻 = 2

- [𝑝]: Áp suất cho phép phụ thuộc vào vật liệu của trục vitme và đai ốc Tra theo bảng 8.2[1] trang 308 ta chọn [𝑝] = 8 (𝑀𝑃𝑎)

- 𝜓 ℎ : Hệ số chiều cao ren Với ren hình thang, tra theo bảng ở tài liệu số [1] trang 309 ta chọn được 𝜓 ℎ = 0.5

Thay vào công thức số (1) ta được:

Do đó, suy ra trục vitme cần chọn cho trục X có đường kính trong 𝑑 2 ≥ 0,56 (𝑚𝑚)

- Khi chạy đều về phía trước:

- Khi chạy đều về phía sau:

Vì đã bỏ qua lực cắt của hệ thống nên lực dọc trục lớn nhất là: 𝐹 𝑚𝑎𝑥 = 3,6 (𝑁) Tính đường kính trung bình của trục vitme:

- [𝑝]: Áp suất cho phép phụ thuộc vào vật liệu của trục vitme và đai ốc bi Tra theo bảng 8.2[1] trang 308 ta chọn [𝑝] = 8 (𝑀𝑃𝑎)

- Khi chạy đều lên trên:

- Khi chạy đều xuống dưới:

Vì đã bỏ qua lực cắt của hệ thống nên ta chọn lực dọc trục lớn nhất là:

• Tính đường kính trung bình của trục vitme:

- [𝑝]: Áp suất cho phép phụ thuộc vào vật liệu của trục vitme và đai ốc Tra theo bảng 8.2[1] trang 308 ta chọn [𝑝] = 8 (𝑀𝑃𝑎)

Để đồng bộ hóa đường kính trục vít giữa ba hệ trục X, Y, Z, nhằm thuận tiện cho việc tính toán, lựa chọn và thẩm mỹ, cũng như đảm bảo sản phẩm có sẵn trên thị trường, chúng ta cần chọn trục vitme có đường kính trung bình cao nhất 𝑑 2 ≥ 1,01 (𝑚𝑚) của trục Z.

Dựa vào sản phẩm có sẵn trên thị trường có tuân theo yêu cầu tính toán, ta chọn vitme bi có các thông số như sau:

4.3.1 Tính toán lựa chọn các thông số của vitme – đai ốc bi

Đai ốc SFU1204 với bước ren 𝑝 ℎ = 4 𝑚𝑚 là lựa chọn phù hợp cho vitme bi, đảm bảo tính lắp ghép chính xác với trục vitme Sản phẩm này phổ biến trên thị trường và đáp ứng nhu cầu lắp đặt hiệu quả.

Góc vít được tính theo công thức 8.4[2] trang 163:

Sau khi xác định góc vít ta tiến hành kiểm tra điều kiện tử hãm theo công thức 8.5[2] trang 163:

- 𝜌: Góc ma sát cặp vít – ren

- 𝛿: Góc nghiêng của cạnh ren làm việc Dựa vào hình 8.2[2] trang 162, với ren hình thang ta chọn 𝛿 = 15°

- 𝑓: Hệ số ma sát, phụ thuộc vào cặp vật liệu vít và đai ốc Dựa vào bảng 8.1[1] trang

306, với cặp vít – ren là thép – gang chống mòn ta có 𝑓 = 0.13

Thay các thông số vào công thức (2) ta có:

Vậy, cặp vít – ren này có khả năng tự hãm

Chiều cao của đai ốc:

Số vòng ren của đai ốc là:

Vật số vòng ren của đai ốc tính toán đảm bảo sự phân bố đồng đều tải trọng dọc trục cho các vòng ren

4.3.2 Kiểm nghiệm độ bền của bộ truyền vitme – đai ốc bi

4.3.2.1 Kiểm tra độ bền bộ truyền vitme – đai ốc bi

Momen xoắn trên vitme xác định theo công thức 8.4[3] trang 306 như sau:

- 𝐹 𝑎 𝑚𝑎𝑥 = 42(𝑁): Lực dọc trục lớn nhất trong 3 trục

- 𝑑 2 = 10𝑚𝑚 : Đường kính trung bình của ren

- 𝛾 = 7,26°: Góc nâng ren vitme bi

- 𝜌 = 7,66°: Góc ma sát cặp ren vitme bi

Thay các thông số vào công thức (3):

2 𝑡𝑔(7,26° + 7,66°) = 55,95 (𝑁 𝑚𝑚) Ứng suất tiếp tại tiết diện nguy hiểm của vitme bi:

𝜋8 3 = 1,11 (𝑀𝑃𝑎) Ứng suất pháp tại tiết diện nguy hiểm của trục vitme bi:

Với vật liệu vitme bi là thép không gỉ ta có giới hạn chảy 𝜎 𝑐ℎ = 205 (𝑀𝑃𝑎), do đó ứng suất cho phép (hệ số an toàn s = 3):

Suy ra điều kiện bền thỏa

4.3.2.2 Kiểm tra độ ổn định của vitme – đai ốc bi Độ mềm vitme được xác định theo công thức 8.15[1] trang 310:

4 : Là bán kính quán tính mặt cắt vít

- 𝑑 1 = 8(𝑚𝑚): Đường kính trong của trục vít

- 𝜇: Hệ số chiều dài, dựa vào bảng 8.3[1] trang 310, chọn 𝜇 = 1

- 𝑙 𝑧 = 210 (𝑚𝑚): Chiều dài vitme bi trục z

- 𝑙 𝑦 = 370 (𝑚𝑚): Chiều dài vitme bi trục y

- 𝑙 𝑥 = 450 (𝑚𝑚): Chiều dài vitme bi trục z

Thay vào công thức (4) ta được:

Vì các độ bền vitme đều nhỏ hơn 60 nên không cần kiểm tra độ ổn định

Vậy trục vitme của cả 3 hệ trục đều đảm bảo độ ổn định trong quá trình hoạt động.

Tính toán lựa chọn ổ lăn

4.4.1 Lựa chọn ổ lăn Đối với các hệ trục X, Y, Z tải trọng chủ yếu tác dụng lên hai trục dẫn hướng, vì vậy lực tác dụng lên các trục vitme bi theo phương vuông góc là không đáng kể

Khi lựa chọn ổ lăn cho hệ trục, cần chú ý đến lực dọc trục tác động lên vitme bi Để đảm bảo tính đồng bộ, việc tính toán nên dựa trên trục Z, nơi có lực tác dụng lớn nhất.

Dựa trên yêu cầu thiết kế, nhóm đã chọn gối đỡ vòng bi KFL000 cho trục Z và gối đỡ BF12 cho trục X, Y, nhằm đảm bảo tính tương thích với các hệ trục và dễ dàng tìm kiếm.

Hình 4.15 Gối đỡ vòng bi KFL000

- Khoảng cách lỗ bắt ốc: 48 mm

- Đường kính trong vòng bi: 10 mm

Hình 4.16 Gối đỡ trục vitme BF12

- Khoảng cách lỗ bắt góc: 46 mm

- Đường kính trong vòng bi: 10 mm

4.4.2 Kiểm nghiệm khả năng tải động

Tải trọng quy ước Q đối với ổ bi đỡ được tính theo công thức 11.4[2] trang 214:

- 𝐹 𝑟 = 0 (tải trọng hướng tâm của vitme không đáng kể): Tải trọng hướng tâm (kN)

- 𝐹 𝑎 = 42 𝑁 (lực dọc trục lớn nhất của 3 hệ) : Tải trọng dọc trục

- 𝑋 = 0 : Hệ số tải trọng hướng tâm (bảng 11.4[2] trang 215)

- 𝑌 = 1 : Hệ số tải trọng dọc trục (bảng 11.4[2] trang 215)

𝑄 = (0 + 1 42) 1 1 = 42 𝑁 = 0,042 (𝑘𝑁) Khả năng tải động của ổ lăn:

- 𝑄 = 0,0258 (𝑘𝑁) : Tải trọng động quy ước

- 𝑚: Bậc của đường cong mỏi khi thử về ổ lăn , 𝑚 = 3 đối với ổ bi

Gọi 𝐿 ℎ là tuổi thọ của ổ lăn tính bằng giờ, tra bảng 11.2[2] trang 214, ta có:

𝐿 ℎ = 5000 𝑔𝑖ờ : máy sử dụng không liên tục

𝐶 𝑑 = 0,46 (𝑘𝑁) < 𝐶 = 4,6 (𝑘𝑁) Suy ra: khả năng tải động của ổ lăn thỏa mãn

4.4.3 Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh

Tải trọng tĩnh quy ước được xác định theo công thức 11.19 và 11.20[1] trang 221:

- 𝑋 𝑜 = 0,5 : Hệ số tải trọng hướng tâm, tra trong bảng 11.6[2] trang 221

- 𝑌 𝑜 = 0,37 : Hệ số tải trọng dọc trục, bảng 11.6[2] trang 221

𝑄 𝑡2 = 0,5 0 + 0,37 42 = 15,54 (𝑁) Tải trọng tĩnh dùng để kiểm nghiệm là tải trọng có giá trị lớn nhất, ta được:

𝑄 𝑡 = 𝑄 𝑡2 = 15,54 (𝑁) = 0,01554 (𝑘𝑁) Kiểm nghiệm điều kiện tải tĩnh theo công thức 11.18[2] trang 221:

Suy ra khả năng tải tĩnh của ổ bi thỏa mãn.

Bản vẽ tổng thể và mô hình thực tế

Hình 4.17 Bản vẽ tổng thể mô hình (Phiên bản 1.0)

Hình 4.18 Mô hình thực tế (Phiên bản 1.0)

Hình 4.19 Bản vẽ tổng thể mô hình ( Phiên bản 2.0)

Hình 4.20 Mô hình thực tế ( Phiên bản 2.0)

Thiết kế kết cấu máy kiểm tra máy khoan pin tự động

- Nguyên lý hoạt động của máy kiểm tra máy khoan pin tự động như hình 4.21

Máy được thiết kế với một trục chính gắn dụng cụ khoan, hoạt động bằng cách tịnh tiến theo trục Z Phôi được cố định trên bàn máy và di chuyển theo trục X, cho phép ba trục kết hợp để tạo hình sản phẩm chính xác.

Hình 4.21 Sơ đồ nguyên lý máy kiểm tra máy khoan pin tự động

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

Giới thiệu

Chương 4 đã hoàn tất trình bày về việc tính toán thiết kế hệ thống cơ khí cho máy kiểm tra máy khoan pin tự động Ta có thể thấy rằng các thành phần cơ khí chỉ là phần cơ cấu chấp hành tác động trực tiếp đến máy kiểm tra máy khoan pin tự động Để mà các thành phần cơ khí có thể vận hành và hoạt động được thì cần phải có một hệ thống điện điều khiển để cung cấp năng lượng và thông số điều khiển cho các thiết bị trên máy

Chương này sẽ giới thiệu cấu trúc hệ thống điện của máy kiểm tra máy khoan pin tự động, thông qua sơ đồ khối tổng quát Bài viết sẽ phân tích và lựa chọn các linh kiện điện tử phù hợp cho hệ thống Cuối cùng, chúng tôi sẽ trình bày sơ đồ nguyên lý mạch điện của toàn bộ hệ thống điện trong máy.

Tổng quan mạch điện tử

Hình 5.1 Sơ đồ khối mạch điện

❖ Sơ đồ mạch điện tử bao gồm:

➢ Khối nguồn: Dùng để cung cấp năng lượng hoạt động cho toàn bộ hệ thống máy

▪ Từ 24V đến 5V: Dùng để cấp nguồn điện cho phía opto của mạch động lực

▪ Từ 12V đến 5V: Dùng để cấp nguồn điện cho mạch mạch điều khiển

➢ Vi điều khiển: Dùng để thực hiện giải thuật điều khiển, dựa trên các yêu cầu vào ra:

▪ Cảm biến đo dòng, mạch đo áp: Ngõ ra điện áp 0-5V, đọc vào bằng khối ADC bên trong vi điều khiển, d gửi tín hiệu hiển thị lên LCD và

▪ Bảy nút nhấn điều khiển thông số hoạt động máy (nút ON, nút OFF, nút RESET, nút UP, nút DOWN, nút OK, nút BACK)

▪ Giao tiếp khối động lực điều khiển động cơ bước

➢ Khối giao tiếp máy tính(thông qua cổng USB) để gỡ rối (debug) chương trình và lấy thông số ADC khi thử nghiệm

➢ Giao tiếp với ESP8266(thông qua UART)

➢ ESP8266: Dùng để cầu nối giữa vi điều khiển và trang web

➢ Web-server: Dùng để điều khiển chương trình và hiển thị đồ thị dòng, áp, nhiệt độ cảm biến ACS712, công suất

➢ Khối relay: Dùng để đóng và ngắt tín hiệu của chức năng leveling để tránh gây nhiễu điện trong quá trình bật tắt máy khoan

➢ Pin: Dùng để cung cấp năng lượng cho máy khoan hoạt động

➢ Máy khoan: Là động cơ đóng vai trò đẫn động cho khoan tấm pallet gỗ

➢ Cảm biến dòng: Dùng để đo dòng và trả giá trị analog về vi điểu khiển xử lý

➢ Mạch đo áp: Dùng để đo áp và trả giá trị analog về vi điều khiển xử lý

➢ Nút nhấn: Dùng để điều khiển trực tiếp một số chức năng của máy kiểm tra máy khoan pin tự động

➢ Opto PC817: Dùng để cách ly tín hiệu điều khiển điện giữa mạch điều khiển và mạch động lực

Mạch điều khiển động cơ bước: Dùng để cung cấp năng lượng và điều khiển động cơ bước với độ chính xác cao

Khối động cơ bước: Dùng để truyền động cho các trục X, Y, Z chuyển động qua cụm vitme bi và đai ốc bi

Màn hình LCD: Dùng để các giá trị cần đo, đồng thời hiển thị trạng thái chương trình máy chạy

Công tắc hành trình: Là các công tắc để giới hạn hành trình và cài đặt về vị trí ban đầu các trục X, Y, Z.

Tính toán và thiết kế hệ thống

Vi điều khiển trung tâm

Mạch PCB được thiết kế với màn hình LCD, có khả năng điều khiển 3 động cơ bước, đọc giá trị đo áp và giá trị từ cảm biến đo dòng, đồng thời hỗ trợ giao tiếp với web Do đó, vi điều khiển STM32F407VET6 DISCOVERY đã được lựa chọn cho dự án này.

Kit STM32F407 Discovery sử dụng chip STM32F407VET6, một sản phẩm hiệu suất cao và phổ biến của STMicroelectronics Chip này cung cấp đầy đủ các ngoại vi cơ bản, bộ nhớ hợp lý và giá cả phải chăng STM32 là dòng chip nổi bật của STMicroelectronics với nhiều họ sản phẩm khác nhau, trong đó STM32F407 thuộc họ F4, được trang bị lõi ARM Cortex-M4 Đây là vi điều khiển 32-bit với tốc độ tối đa lên đến 168MHz, mang lại hiệu suất tốt với mức giá cạnh tranh so với các vi điều khiển tương tự.

Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật kit STM32F407 Discovery

Microcontroller STM32F407VET6 Điện áp hoạt động 1.8-3.6V

Tần số 168 MHz max Độ phân ADC 12bit

Chuẩn giao tiếp CAN, I2C, SDIO, I2S/SPI, UART/USART, USB

Mạch nạp/debug tích hợp ST-LINK/V2-1

Hình 5.2 Sơ đồ chân kit STM32F407 Discovery

Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua hoạt động như một card mạng, cho phép vi điều khiển giao tiếp với web thông qua giao diện điều khiển, giúp máy hoạt động độc lập với máy tính Khi nhận được tọa độ vị trí cần khoan từ web, module sẽ xử lý dữ liệu tọa độ và gửi lại cho vi điều khiển để vận hành máy.

Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua là một kit phát triển dựa trên chip Wifi SoC ESP8266, nổi bật với thiết kế thân thiện và dễ sử dụng Người dùng có thể lập trình và nạp mã trực tiếp thông qua trình biên dịch Arduino, giúp đơn giản hóa quá trình phát triển ứng dụng trên ESP8266.

Module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua là giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng IoT, cho phép kết nối, thu thập dữ liệu và điều khiển qua sóng Wifi một cách hiệu quả.

Bộ phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua sử dụng chip CP2102, mang lại khả năng nạp và giao tiếp UART ổn định nhất Chip này tự động nhận Driver trên cả hai hệ điều hành Windows và Linux, là phiên bản nâng cấp so với các phiên bản trước đây sử dụng IC nạp giá rẻ CH340.

Bảng 5.2 Thông số kỹ thuật module thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua

Chip ESP8266 (CPU Tensilica L106 32-bit, 80

MHz, RAM 32 KB instruction + 80 KB user data) Điện áp đầu vào 5V (USB-C) hoặc 3.3V (pin VCC) Điện áp hoạt động 3V-3.6V

Wifi Chuẩn 802.11 b/g/n, tần số 2.4 GHz, bảo mật WEP, WPA/WPA2

Module USB to UART CP2102

Nhiệt độ hoạt động -40°C đến 125°C

Dòng tiêu thụ 15mA CPU và 20uA ở chế độ chờ

Hình 5.3 Sơ đồ chân kit thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua

Module cảm biến dòng ACS712-30A

Dòng đo khi máy khoan thử nghiệm ổn định ở mức khoảng 1,2A, trong khi dòng vọt có thể gấp 5-6 lần, vì vậy cảm biến ACS712-30A được chọn để phù hợp với nhiều dòng khác nhau trên máy khoan.

Cảm biến dòng điện ACS712 30A sử dụng hiệu ứng Hall để đo dòng điện AC/DC, có kích thước nhỏ gọn và dễ dàng kết nối Giá trị đầu ra là điện áp analog tuyến tính tương ứng với cường độ dòng điện, giúp việc lập trình với vi điều khiển trở nên đơn giản Thiết bị này rất phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu đo dòng AC/DC với độ chính xác cao.

Cảm biến được trả về tín hiệu Analog nên dễ thuận tiện cho giao tiếp với Vi điều khiển

Bảng 5.3 Thông số kỹ thuật cảm biến ACS712-30A

Thời gian chuyển đổi 5às Điện trở dây dẫn trong 1.2mΩ Điện áp hoạt động 5V Độ nhạy đầu ra 63 – 190 mV/A

Nhiệt độ hoạt động -40 – 85 0 C Điện áp cách ly tối đa 2100V (RMS) Độ nhạy với module ACS 712-30A 64 – 68 mV/A

Dải đo -30A → 30A Đặc điểm bổ sung Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp

Hình 5.4 Sơ đồ chân cảm biến ACS712

Áp dụng nguyên lý mạch cầu phân áp, nguồn pin được kết nối qua mạch chia áp sử dụng biến trở 3296W, kết hợp với mạch khuếch đại op-amp LM324N có hệ số khuếch đại bằng 1 Điều này giúp chuyển đổi điện áp từ mạch có trở kháng đầu ra cao sang mạch có trở kháng đầu vào thấp.

Biến Trở VR 103-10K 3296W là thiết bị có điện trở thuần có thể biến đổi được theo ý muốn

Các linh kiện điện tử có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh hoạt động của mạch điện Chúng thường được áp dụng trong các mạch điện tử cần thay đổi thông số, như mạch chia áp và mạch tăng áp.

Biến trở là một linh kiện điện tử thường được kết nối với các thành phần khác trong mạch điện, bao gồm ba chốt: hai chốt nối với hai đầu biến trở và một chốt nối với con chạy hoặc tay quay Biến trở được ứng dụng rộng rãi trong việc điều chỉnh âm lượng, độ tương phản của màn hình LCD, và hoạt động như một cầu phân áp.

Bảng 5.4 Thông số kỹ thuật Biến Trở 3296W

Số vòng 25 vòng Đường kính trục 2.19mm

Hệ số nhiệt độ ± 100ppm/ o C

Sai số ±10% Điện áp tối đa chịu được 640VAC

Nhiệt độ hoạt động -55 o C đến 125 o C

Hình 5.5 Sơ đồ chân biến trở Biến Trở VR 103-10K 3296W

IC khuếch đại thuật toán LM324N

IC LM324N bao gồm bốn bộ khuếch đại thuật toán độc lập tích hợp trên một chip, cho phép hoạt động với nguồn nuôi có điện áp rộng và cả nguồn đôi Điện năng tiêu thụ thấp và sơ đồ chân đơn giản giúp dễ dàng sử dụng Đặc biệt, nguồn cung cấp của LM324N có thể hoạt động độc lập với nguồn tín hiệu, mở rộng khả năng ứng dụng trong nhiều mạch điện khác nhau.

- Mạch khuếch đại công suất

- Mạch sạc pin cho xe đạp điện

- Mạch cộng tín hiệu, mạch trừ tín hiệu, mạch khuếch đại vi sai

- Điều khiển tự động hóa PID

Bảng 5.5 Thông số kỹ thuật Biến Trở 3296W

Tên Thông số Điện áp cung cấp 3V ~ 32V

Dòng cực máng nhỏ 0.7mA

Dải điện áp ngõ 0V đến VCC (+) -1.5V Độ lợi khuếch đại DC 100dB

Dòng ngõ ra kiểu sink dòng 20mA

Dòng ngõ ra kiểu source dòng 40mA

Hình 5.6 Sơ đồ chân IC LM324N

Mạch ổn áp DC-DC 5V-5A MP2482

Mạch ổn áp MP2482 là giải pháp lý tưởng cho máy kiểm tra khoan pin tự động, vừa đảm bảo chức năng giới hạn hành trình trục, vừa cung cấp nguồn ổn định cho mạch điều khiển Sản phẩm này nâng cao hiệu suất và độ an toàn cho toàn bộ hệ thống, chỉ sử dụng chức năng giới hạn công tắc hành trình.

Hình 5.7 Mạch ổn áp DC-DC 5V-5A MP2482

Bảng 5.6 Thông số kỹ thuật mạch ổn áp MP2482

Tên Thông số Điện áp ngõ vào 7~30VDC Điện áp ngõ ra 5VDC

5.3.4 Khối hiển thị Để thuận tiện cho việc điều khiển thủ công các chức năng trên máy, nhóm tích hợp một màn hình cảm ứng LCD 20x04 với giao diện menu được thiết kế riêng cho máy kiểm tra máy khoan pin tự động kèm với 7 nút nhấn

Module I2C PCF8574 lcd giao tiếp stm32

Module I2C PCF8574 được sử dụng để làm trung gian kết nối giữa MCU STM32F103C8T6 và LCD để sử dụng các loại LCD có driver là HD44780 (LCD 1602, LCD

2004, …) cần có ít nhất 6 chân của MCU kết nối với các chân RS, EN, D7, D6, D5 và D4 để có thể giao tiếp với LCD

Với mạch chuyển đổi giao tiếp I2C cho LCD, chỉ cần kết nối 2 chân SDA và SCL của MCU với 2 chân tương ứng của module để hiển thị thông tin trên LCD Ngoài ra, độ tương phản có thể được điều chỉnh thông qua biến trở gắn trên module.

Bảng 5.7 Thông số kỹ thuật module I2C PCF8574

Tên Thông số Điện áp hoạt động 3 – 6V

IC giao tiếp PCF8574 Địa chỉ I2C 0x27

Jump Chốt Cung cấp đèn cho LCD hoặc ngắt

Biến trở xoay độ tương phản cho LCD

Hình 5.8 Sơ đồ chân Module I2C PCF8574

Sơ đồ nguyên lý

Nhằm đảm bảo an toàn trong quá trình kiểm thử và sửa lỗi các chức năng của bo mạch, nhóm đã phân tách các cụm chức năng thành các module riêng biệt và kết nối chúng qua dây bus.

Hình 5.19 Sơ đồ khối chức năng

Sơ đồ kết nối khối mạch công suất

Hình 5.20 Sơ đồ nguyên lý khối mạch công suất

Sơ đồ kết nối khối vi điều khiển

Hình 5.21 Sơ đồ nguyên lý khối vi điều khiển

Sơ đồ kết nối khối giao tiếp ngoại vi

Hình 5.22.Sơ đồ nguyên lý khối giao tiếp ngoại vi

- IC khuếch đại thuật toán LM324N

Khối cảm biến áp kết hợp mạch chia áp và bộ đệm, tạo ra một mạch nguồn mới với trở kháng đầu vào thấp Điều này giúp tín hiệu analog được truyền về khối xử lý trung tâm một cách hiệu quả.

Bộ nguồn qua mạch chia áp sử dụng biến trở và mạch khuếch đại op amp LM324N với hệ số khuếch đại bằng 1, giúp chuyển đổi điện áp từ mạch có trở kháng đầu ra cao sang mạch có trở kháng đầu vào thấp.

Khối cảm biến dòng: đo giá trị dòng điện từ thiết bị DC sang giá trị áp để gửi giá trị analog đưa về khối xử lý trung tâm

Để đo dòng điện DC, cần kết nối cảm biến nối tiếp với thiết bị đo và chú ý đến chiều dòng điện Tải phải được mắc nối tiếp đúng chiều từ Ip+ đến Ip- để đảm bảo Vout nằm trong khoảng 2.5V đến 5V, tương ứng với dòng điện từ 0A đến 30A Nếu mắc ngược chiều, Vout sẽ giảm từ 2.5V đến 0V, tương ứng với dòng điện từ 0A đến -30A.

Cung cấp nguồn 5V cho module, Vout sẽ là 2.5V khi không có dòng Ip Khi dòng Ip đạt 30A, Vout sẽ tăng lên 5V Vout thay đổi một cách tuyến tính từ 2.5V đến 5V tương ứng với dòng từ 0A đến 30A.

Cảm biến đọc giá trị tuyến tính thông qua điện áp trả về Sau khi thu thập giá trị ADC, nhóm tiến hành hiệu chỉnh để xác định mối quan hệ giữa giá trị dòng điện và giá trị ADC, nhằm xây dựng đồ thị tuyến tính giữa chúng.

Thiết kế mạch in

Hình 5.25 Mạch in khối mạch công suất lớp trên (TOP)

Hình 5.26 Mạch in khối mạch công suất lớp dưới (BOTTOM)

Hình 5.27 Mạch in khối mạng điều khiển lớp trên (TOP)

Hình 5.28 Mạch in khối mạng điều khiển lớp dưới (BOTTOM)

• Khối giao tiếp ngoại vi

Hình 5.29 Mạch in khối mạch giao tiếp ngoại vi lớp trên (TOP)

Hình 5.30 Mạch in khối mạch giao tiếp ngoại vi lớp dưới (BOTTOM)

CHƯƠNG 6: TÍNH TOÁN ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ – VẬN TỐC – GIA TỐC – GIẢM

TỐC, GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ XÂY DỰNG WEB-SERVER.

Tính toán điều khiển vị trí

- SW1: OFF, SW2 : OFF, SW3 : OFF, SW4 : OFF, SW5 : OFF, SW6 : Hoạt động ở chế động Microstep 1/32, 6400 xung/ vòng

- Kích thước đường kính ren 12mm, bước ren 4mm

- Động cơ quay 1 vòng thì phải xuất 6400 xung cho driver

- Công thức tính toán để di chuyển 1mm:

Tính toán vận tốc – gia tốc -giảm tốc

6.2.1 Phương trình động cơ bước cơ bản Để tạo chuyển động quay trong động cơ bước, dòng điện thông qua các cuộn dây phải thay đổi theo thứ tự chính xác Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng một trình điều khiển cung cấp chuỗi đầu ra chính xác khi nhận một xung (xung động cơ bước) và tín hiệu hướng

Để đảm bảo động cơ bước lưỡng cực và đơn cực hoạt động với tốc độ ổn định, cần phải tạo ra các xung với tần suất không đổi.

Hình 6.2 Xung động cơ bước

Một bộ đếm tạo ra các xung này, hoạt động ở tần số f t [Hz] Thời gian trễ δt được lập trình bởi bộ đếm c

Góc bước của động cơ α, vị trí θ và tốc độ ω được xác định bởi các công thức sau:

- spr là số bước trên một vòng

- n là số bước và 1 rad/giây = 9,55 vòng/phút

6.2.2 Tăng tốc độ tuyến tính Để khởi động và dừng động cơ bước một cách mượt mà, cần kiểm soát gia tốc và giảm tốc Hình 6.2.1 hiển thị mối quan hệ giữa gia tốc, tốc độ và vị trí Sử dụng gia tốc/giảm tốc không đổi sẽ tạo ra một hồi quy tuyến tính của tốc độ

Hình 6.3 Gia tốc (𝝎̇), Tốc độ (𝝎) và vị trí (θ)

Thời gian trễ δt giữa các xung động cơ bước là yếu tố quan trọng trong việc điều khiển tốc độ Việc tính toán chính xác thời gian trễ này giúp đảm bảo tốc độ của động cơ bước phản hồi đúng với yêu cầu, từ đó nâng cao độ chính xác trong quá trình điều khiển.

Các bước rời rạc trong việc điều khiển chuyển động của động cơ bước được xác định bởi tần số của bộ đếm thời gian, ảnh hưởng đến độ phân giải của thời gian trễ giữa các bước.

Hình 6.4 Cấu hình tốc độ với xung/giây của động cơ bước

6.2.2.1 Tính toán chính xác độ trễ giữa các bước Độ trễ bộ đếm đầu tiên c0 cũng như các độ trễ bộ đếm tiếp theo cn, được cho bởi (xem phụ lục để biết chi tiết):

Công suất tính toán của vi điều khiển có giới hạn, khiến việc tính hai căn bậc hai trở nên tốn thời gian Vì vậy, một phép xấp xỉ với độ phức tạp tính toán thấp hơn được đề xuất để cải thiện hiệu suất.

Giá trị bộ đếm tại thời điểm 𝑛n, sử dụng xấp xỉ chuỗi Taylor cho độ trễ giữa các bước (xem phụ lục để biết chi tiết), được cho bởi:

Phép tính này hiệu quả hơn so với việc tính hai căn bậc hai, nhưng có một lỗi 0.44 tại 𝑛 =1 Để khắc phục lỗi này, có thể nhân 𝑐 0 với 0.676.

Gia tốc được xác định bởi các tham số 𝑐 0 và 𝑛, như đã nêu trong phụ lục Nếu có sự thay đổi trong gia tốc hoặc giảm tốc, cần tính toán lại giá trị 𝑛 mới.

Thời gian 𝑡 𝑛 và n như một hàm của gia tốc động cơ, tốc độ và góc bước được cho bởi:

Kết hợp các phương trình này cho mối quan hệ:

Số bước cần thiết để đạt được một tốc độ nhất định tỷ lệ nghịch với gia tốc, theo công thức 𝑛 1 𝜔̇ 1 = 𝑛 2 𝜔̇ 2 Điều này có nghĩa là việc thay đổi gia tốc từ 𝜔̇ 1 sang 𝜔̇ 2 được thực hiện thông qua việc thay đổi 𝑛, như được minh họa trong Hình 6.2.4.

Để di chuyển một khoảng cách nhất định, quá trình giảm tốc cần bắt đầu tại thời điểm chính xác để dừng lại với tốc độ bằng không Phương trình dưới đây được áp dụng để xác định giá trị 𝑛 1.

6.2.2.3 Thực hiện: Để điều khiển động cơ bước, cần bốn tham số mô tả một cấu hình tốc độ Cấu hình tốc độ bắt đầu từ tốc độ bằng không và tăng tốc đến tốc độ cho trước Tốc độ này được giữ không đổi cho đến khi bắt đầu giảm tốc Cuối cùng, động cơ giảm tốc đến tốc độ bằng không tại số bước đã định

Hình 6.6 Cấu hình tốc độ

Trong đó: o Step: Số bước để di chuyển o Accel: Gia tốc o Decel: giảm tốc o Speed: (Maximun) tốc độ

Cài đặt tính toán: tìm tốc độ

Có hai kịch bản khác nhau để tính toán cấu hình tốc độ:

- Tăng tốc liên tục cho đến khi đạt được tốc độ mong muốn:

Hình 6.7 Giới hạn tốc độ ở giá trị tốc độ mong muốn

- max_s_lim: số bước cần để gia tốc cho tốc độ mong muốn

- Accel_lim: số bước trước khi giảm tốc bắt đầu (bỏ qua tốc độ mong muốn)

Nếu max_s_lim < accel_lim thì gia tốc bị giới hạn bởi tốc độ mong muốn

Giảm tốc phuộc thuộc vào điều này và ở trường hợp decal_val được tìm ra bởi:

- Giảm tốc bắt đầu trước khi đạt được tốc độ mong muốn:

Hình 6.8 Tăng tốc với việc bắt đầu giảm tốc trước khi đạt tốc độ mong muốn

Nếu max_s_lim > accel_lim thì gia tốc bị giới hạn khi giảm tốc bắt đầu, decal_val được tìm ra bởi:

𝑑𝑒𝑐𝑎𝑙_𝑣𝑎𝑙 = −(𝑠𝑡𝑒𝑝 − 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑙_𝑙𝑖𝑚) Những điều trên phụ thuộc vào bốn tham số mô tả cấu hình tốc độ

Hình 6.9 Đếm các biến trong độ trễ thời gian

- step_count đếm số bước, bắt đầu từ không khi ACCEL bắt đầu và có cùng giá trị với số bước được yêu cầu sau khi DECEL hoàn thành

Accel_count được sử dụng để điều khiển quá trình gia tốc và giảm tốc trong hệ thống Trong giai đoạn ACCEL, giá trị bắt đầu từ 0 và tăng dần cho đến khi kết thúc Khi chuyển sang giai đoạn DECEL, giá trị được đặt thành decel_val (giá trị âm) và cũng tăng dần cho đến khi đạt 0 Khi giá trị đạt 0, quá trình di chuyển sẽ kết thúc và trạng thái chuyển sang STOP.

- decel_start cho biết khi nào giảm tốc bắt đầu Khi step_count bằng decel_start, trạng thái được đặt thành DECEL

6.2.2.4 Tính tốc độ gia tốc yêu cầu

- gia tốc, giảm tốc, vận tốc mong muốn cho trục X và trục Y (10000, 5000, 5000)

- gia tốc, giảm tốc, vận tốc mong muốn cho trục Z (5000, 500, 500)

Bảng 6.1 Bảng tính thông số tốc độ ở mức độ Low

Trục SPR Alpha Tần số A_T_x100 min_delay( c) T1_FREQ_14

(c0) mas_s_lim (n) accel lim (n1) decel_val

(kịch bản 1) decel_val (kịch bản 2) X-Y 6400 0,000982 1000 98,17477042 0,009817477 6,76 19634954,08 0,626657069 101859,164 0,5step -101859,1636 -0,5step

Bảng 6.2 Bảng tính thông số tốc độ ở mức độ Medium

Bảng 6.3 Bảng tính thông số tốc độ ở mức độ High

Giải thuật điều khiển

6.3.1.1 Bộ lọc trung bình động (Moving Average Filter)

Bộ lọc trung bình di chuyển (MAF) hoạt động bằng cách tính toán trung bình của các giá trị ADC gần nhất Khi có giá trị mới, giá trị cũ nhất trong bộ đệm sẽ bị loại bỏ và giá trị mới được thêm vào Quá trình này giúp cập nhật tổng các giá trị trong bộ đệm và tính toán giá trị trung bình một cách liên tục.

• Chương trình bộ lọc trung bình động

Hình 6.10 Chương trình bộ lọc trung bình động

Bắt đầu: Bắt đầu chương trình

ADC_Value: Đọc giá trị ADC mới

Trừ giá trị cũ từ SUM: Trừ giá trị cũ trong bộ đệm khỏi tổng

Cập nhật bộ đệm mới ADC_Value: Cập nhật bộ đệm với giá trị ADC mới

Cộng giá trị mới vào SUM: Thêm giá trị mới vào tổng

Cập nhật bộ đệm INDEX: Cập nhật chỉ số bộ đệm

Tính toán trung bình: Tính giá trị trung bình của các giá trị trong bộ đệm

ADC_value_moving: Xuất giá trị trung bình đã tính

Kết thúc: Kết thúc hoặc quay lại bước đầu để tiếp tục

• Chức năng của bộ lọc

Bộ lọc trung bình động giúp làm mượt tín hiệu đầu vào bằng cách tính toán trung bình các giá trị ADC liên tiếp, từ đó giảm thiểu nhiễu và nâng cao độ ổn định của tín hiệu.

6.3.1.2 Bộ lọc trung bình động luỹ thừa (Exponential Moving Average Filter)

Bộ lọc trung bình di chuyển theo cấp số nhân (EMA) áp dụng trọng số alpha cho giá trị hiện tại, kết hợp với giá trị EMA trước đó để tính toán giá trị mới Bộ lọc này có độ nhạy cao hơn đối với các biến động gần đây, giúp phản ánh chính xác hơn xu hướng thị trường.

• Chương trình bộ lọc trung bình động luỹ thừa

Hình 6.11 Chương trình bộ lọc trung bình động luỹ thừa

ADC_value_moving, Alpha: Nhận giá trị ADC và hệ số làm mượt Alpha

Tính toán: EMA: Tính toán giá trị EMA mới bằng công thức

Cập nhật: EMA_previous: Cập nhật giá trị EMA trước đó với giá trị EMA mới vừa tính ADC_value_ema_exp: Xuất giá trị EMA mới

Kết thúc: Kết thúc hoặc quay lại bước đầu để tiếp tục xử lý giá trị ADC tiếp theo

Bộ lọc trung bình động lũy thừa (EMA) là công cụ hiệu quả để làm mượt tín hiệu đầu vào bằng cách áp dụng trọng số giảm dần theo thời gian Giá trị EMA mới được tính toán dựa trên sự kết hợp giữa giá trị ADC hiện tại và giá trị EMA trước đó, với trọng số được xác định bởi hệ số Alpha Phương pháp này cho phép phản ứng nhanh chóng với các biến động mới trong dữ liệu, đồng thời duy trì tính mượt mà của tín hiệu.

6.3.1.3 Bộ lọc Kalman (Kalman Filter)

Bộ lọc Kalman là một công cụ tối ưu gồm hai giai đoạn chính: dự đoán và cập nhật Trong giai đoạn dự đoán, giá trị và sai số được ước lượng dựa trên giá trị trước đó cùng với nhiễu hệ thống Tiếp theo, trong giai đoạn cập nhật, các dự đoán này được điều chỉnh thông qua hệ số Kalman, dựa trên sai số và dữ liệu đo lường hiện tại.

• Chương trình bộ lọc Kalman

Hình 6.12 Chương trình bộ lọc Kalman

ADC_value_ema_exp: Nhận giá trị ADC đầu vào

Dự đoán giá trị mới: Dự đoán giá trị mới dựa trên mô hình trước đó

Tính toán hệ số Kalman: Tính toán hệ số Kalman (Kalman Gain)

Cập nhật giá trị ước lượng bằng cách sử dụng giá trị đo được và hệ số Kalman, đồng thời cập nhật ma trận hiệp phương sai của ước lượng Giá trị Kalman cũ cũng được điều chỉnh với giá trị mới vừa tính toán Kết quả cuối cùng là giá trị ADC đã được lọc qua Kalman.

Kết thúc: Kết thúc hoặc quay lại bước đầu để tiếp tục xử lý giá trị ADC tiếp theo

Bộ lọc Kalman giúp làm mượt tín hiệu ADC, loại bỏ nhiễu và cung cấp các giá trị đo lường chính xác hơn

6.3.1.4 Kết quả sau khi qua các bộ lọc

Hình 6.13 Giá trị ADC_Vol sau khi qua bộ lọc kalman

Hình 6.14 Giá trị ADC_Cur sau khi qua bộ lọc kalman

Cả hai biểu đồ cho thấy rằng ba bộ lọc đã cải thiện đáng kể chất lượng tín hiệu bằng cách loại bỏ nhiễu và giữ lại các giá trị thực từ cảm biến Sau khi lọc, các giá trị trở nên ổn định hơn, góp phần nâng cao độ chính xác trong quá trình đo đạc.

Các bộ lọc đã chứng minh hiệu quả trong việc nâng cao chất lượng dữ liệu đo từ cảm biến dòng điện và mạch đo áp.

Lưu đồ giải thuật

• Chương trình chính (Main Program)

Hệ điều hành thời gian thực: Hệ điều hành thời gian thực (RTOS) bắt đầu hoạt động

Khởi tạo các thành phần:

Khởi tạo mặc định: Khởi động các cài đặt mặc định

Khởi tạo UART RX: Khởi động UART để nhận dữ liệu

Khởi tạo LCD: Khởi động màn hình LCD

Khởi tạo ADC: Khởi động bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC)

Khởi tạo UART TX: Khởi động UART để truyền dữ liệu

Cài đặt HOME: Đặt vị trí gốc cho hệ thống

Khởi tạo MOTOR: Khởi tạo động cơ

Khởi tạo MENU_LCD, INIT BUTTON: Khởi tạo menu trên LCD và nút bấm

Nhận dữ liệu: Nhận dữ liệu

Kiểm tra xem nút bắt đầu đã được nhấn hay chưa Tiến hành đo các thông số quan trọng như điện áp, dòng điện, công suất và nhiệt độ để thu thập dữ liệu cần thiết.

Bộ điều khiển tốc độ: Điều khiển tốc độ của động cơ

Di chuyển đến vị trí: Di chuyển động cơ đến vị trí mong muốn

Hiển thị và truyền dữ liệu:

Hiển thị thông số trên màn hình LCD bao gồm điện áp, dòng điện, công suất và nhiệt độ Dữ liệu được định dạng bằng sprintf để hiển thị và truyền đi một cách chính xác.

Truyền dữ liệu: Truyền dữ liệu qua UART

• Kết thúc các tác vụ

Kết thúc TASK DEFAULT: Kết thúc tác vụ mặc định

Kết thúc TASK LCD: Kết thúc tác vụ LCD

Kết thúc TASK ADC: Kết thúc tác vụ ADC

Kết thúc TASK UART_TX: Kết thúc tác vụ UART truyền dữ liệu

Kết thúc: Kết thúc chương trình hoặc quay lại vòng lặp để tiếp tục hoạt động

• Chức năng của chương trình

Chương trình này mô tả một hệ thống nhúng phức tạp với các thành phần như giao tiếp UART, hiển thị LCD, đo lường bằng ADC và điều khiển động cơ Hệ thống được quản lý bởi RTOS, giúp xử lý các tác vụ đồng thời một cách hiệu quả và chính xác.

6.4.2 Chương trình cài đặt vị trí Home

Hình 6.16 Chương trình cài đặt vị trí Home

• Quy trình thiết lập vị trí gốc (Set Home)

Bắt đầu: Bắt đầu quá trình thiết lập vị trí gốc

Khởi tạo MOTOR_Z: Khởi tạo động cơ trục Z

Limit_Switch_Z = 0: Kiểm tra trạng thái của công tắc giới hạn trục Z

Nếu công tắc giới hạn trục Z chưa được kích hoạt (giá trị bằng 0), chuyển sang bước

Nếu công tắc giới hạn trục Z đã được kích hoạt, bỏ qua bước MOVE_MOTOR_Z

MOVE_MOTOR_Z: Di chuyển động cơ trục Z đến khi công tắc giới hạn được kích hoạt Khởi tạo MOTOR_X & MOTOR_Y: Khởi tạo động cơ trục X và trục Y

Thiết lập biến trạng thái cho trục X và Y là false (chưa về vị trí gốc)

Limit_Switch_Y = 0: Kiểm tra trạng thái của công tắc giới hạn trục Y

Nếu công tắc giới hạn trục Y chưa được kích hoạt (giá trị bằng 0), chuyển sang bước

Nếu công tắc giới hạn trục Y đã được kích hoạt, bỏ qua bước MOVE_STEP_Y

MOVE_STEP_Y: Di chuyển động cơ trục Y đến khi công tắc giới hạn được kích hoạt Limit_Switch_X = 0: Kiểm tra trạng thái của công tắc giới hạn trục X

Nếu công tắc giới hạn trục X chưa được kích hoạt (giá trị bằng 0), chuyển sang bước

Nếu công tắc giới hạn trục X đã được kích hoạt, bỏ qua bước MOVE_STEP_X

MOVE_STEP_X: Di chuyển động cơ trục X đến khi công tắc giới hạn được kích hoạt Kết thúc: Kết thúc quá trình thiết lập vị trí gốc

Chương trình "Cài đặt HOME" có chức năng đưa hệ thống cơ khí (các động cơ trục

X, Y, và Z) về vị trí gốc bằng cách di chuyển các động cơ đến khi các công tắc giới hạn tương ứng được kích hoạt Quá trình này đảm bảo rằng tất cả các trục của hệ thống đều ở vị trí chuẩn, sẵn sàng cho các thao tác tiếp theo

6.4.3 Chương trình điều khiển vận tốc – gia tốc – giảm tốc

Hình 6.17 Chương trình điều khiển vận tốc – gia tốc – giảm tốc

• Quy trình điều khiển tốc độ (Speed Controller)

Bắt đầu: Bắt đầu quá trình điều khiển tốc độ

Nhận toạ độ XYZ: Lấy vị trí hiện tại của động cơ hoặc hệ thống cần điều khiển

Cài đặt tính toán là bước quan trọng để điều khiển tốc độ hiệu quả, bao gồm việc thiết lập các thông số như gia tốc (ACCEL) và giảm tốc (DECEL) cùng với các yếu tố khác liên quan.

Khối điều khiển tốc độ:

Dừng: Trạng thái dừng của hệ thống Có thể chuyển sang trạng thái gia tốc (Gia tốc) hoặc giữ nguyên ở trạng thái dừng

Gia tốc: Trạng thái gia tốc, tăng tốc độ của động cơ Chuyển sang trạng thái chạy (Chạy:) khi đạt tốc độ mong muốn hoặc tiếp tục gia tốc

Chạy: Trạng thái chạy, duy trì tốc độ hiện tại của động cơ Chuyển sang trạng thái giảm tốc (Giảm tốc) nếu cần giảm tốc độ

Giảm tốc: Trạng thái giảm tốc, giảm tốc độ của động cơ Chuyển sang trạng thái dừng

(Dừng) khi đạt đến tốc độ mong muốn hoặc tiếp tục giảm tốc

Bộ đếm bước: Đếm số bước đã thực hiện bởi động cơ trong quá trình di chuyển Điều này giúp kiểm soát chính xác vị trí và tốc độ

Kết thúc: Kết thúc quá trình điều khiển tốc độ

Chương trình "Bộ điều khiển tốc độ" điều khiển tốc độ động cơ qua các giai đoạn như gia tốc, chạy, giảm tốc và dừng Hệ thống này lấy vị trí hiện tại của động cơ, thực hiện các tính toán cần thiết và điều chỉnh tốc độ thông qua các trạng thái khác nhau Sử dụng bộ đếm bước, hệ thống theo dõi tiến trình để đảm bảo động cơ đạt vị trí và tốc độ mong muốn một cách chính xác.

6.4.4 Chương tình điều khiển vị trí

Hình 6.18 Chương trình điều khiển vị trí

• Quy trình di chuyển đến vị trí (Move to Position)

Bắt đầu quá trình di chuyển bằng cách xác định vị trí hiện tại của động cơ hoặc hệ thống cần điều khiển Tiếp theo, tính toán vị trí đích mà hệ thống cần di chuyển đến để đảm bảo quá trình diễn ra chính xác và hiệu quả.

Bước tối đa: Tính toán số bước tối đa cần thiết để di chuyển đến vị trí đích

Tính toán: Vận tốc, gia tốc, giảm tốc: Tính toán tốc độ, gia tốc, và giảm tốc cần thiết cho việc di chuyển

Kiểm tra điều kiện 1 (MOTOR_X = 1 & MOTOR_Y = 1 & MOTOR_Z = 1):

Kiểm tra nếu tất cả các động cơ (X, Y, Z) sẵn sàng di chuyển

Nếu điều kiện đúng, chuyển sang bước Bộ điều khiển tốc độ

Nếu điều kiện sai, chuyển sang bước Ghi nhớ vị trí để ghi nhớ lại vị trí

Bộ điều khiển tốc độ: Điều khiển tốc độ của các động cơ dựa trên các thông số đã tính toán

Kiểm tra điều kiện STOP (MOTOR_X = STOP OR MOTOR_Y = STOP OR MOTOR_Z = STOP):

Kiểm tra nếu bất kỳ động cơ nào (X, Y, Z) cần dừng lại

Nếu điều kiện đúng, chuyển sang bước Dừng lại

Nếu điều kiện không đúng, hãy chuyển sang bước độ trễ, tức là tạm dừng trong một khoảng thời gian ngắn trước khi kiểm tra lại điều kiện dừng Sau đó, thực hiện chức năng dừng cho các động cơ.

Kết thúc: Kết thúc quá trình di chuyển

Chương trình "Di Chuyển đến vị trí" cho phép di chuyển các động cơ trên trục X, Y và Z đến vị trí xác định Nó bao gồm các bước tính toán vị trí, số bước di chuyển và các thông số điều khiển như tốc độ, gia tốc và giảm tốc Chương trình cũng kiểm tra điều kiện sẵn sàng và điều khiển động cơ, đồng thời ghi nhớ vị trí hiện tại và dừng động cơ khi đạt vị trí đích hoặc khi có yêu cầu dừng.

6.4.5 Chương trình ghi nhớ vị trí

Hình 6.19 Chương trình ghi nhớ vị trí

• Quy trình ghi nhớ vị trí (Memorize Position)

Bắt đầu: Bắt đầu quá trình ghi nhớ vị trí Đầu vào: NEW_POS_X, NEW_POS_Y, NEW_POS_Z:

Nhập các giá trị vị trí mới cho các trục X, Y, và Z

Tính toán vị trí mới:

SET_POS_X = NEW_POS_X - CURRENT_POS_X: Tính toán vị trí mới của trục X bằng cách lấy vị trí mới trừ đi vị trí hiện tại

SET_POS_Y = NEW_POS_Y - CURRENT_POS_Y: Tính toán vị trí mới của trục Y bằng cách lấy vị trí mới trừ đi vị trí hiện tại

SET_POS_Z = NEW_POS_Z - CURRENT_POS_Z: Tính toán vị trí mới của trục Z bằng cách lấy vị trí mới trừ đi vị trí hiện tại

Tính toán vị trí: Tính toán vị trí tổng thể của hệ thống dựa trên các vị trí đã tính của các trục X, Y, và Z

POS * PWM: Điều chỉnh vị trí bằng cách sử dụng điều chế độ rộng xung (PWM) để điều khiển động cơ di chuyển đến vị trí mới

Kết thúc: Kết thúc quá trình ghi nhớ vị trí

• Chức năng của chương trình:

Chương trình “Ghi nhớ vị trí” có chức năng tính toán và ghi nhớ vị trí mới của các trục

X, Y, và Z của hệ thống Quá trình này bao gồm nhập các giá trị vị trí mới, tính toán sự chênh lệch so với vị trí hiện tại, và điều chỉnh động cơ để di chuyển đến vị trí mới bằng cách sử dụng PWM Chương trình đảm bảo rằng hệ thống luôn biết vị trí hiện tại và có thể di chuyển chính xác đến vị trí mới khi cần thiết

6.4.6 Chương trình đo dòng điện, điện áp, công suất và nhiệt độ

Hình 6.20 Chương trình đo dòng điện, điện áp, công suất và nhiệt độ

• Quy trình đo điện áp, dòng điện, công suất, và nhiệt độ

Bắt đầu: Bắt đầu quá trình đo

ADC: Khởi động bộ chuyển đổi tương tự-số (ADC)

ADC: CH11: Lấy giá trị từ kênh ADC 11 để đo dòng điện

Nhận giá trị: ADC_VOL: Nhận giá trị đo điện áp từ kênh ADC 10

Nhận giá trị: ADC_CUR: Nhận giá trị đo dòng điện từ kênh ADC 11

Bộ lọc trung bình động: Áp dụng bộ lọc trung bình động để làm mượt giá trị đo được

Bộ lọc trung bình động luỹ thừa: Áp dụng bộ lọc trung bình động theo cấp số nhân để làm mượt giá trị đo được

Bộ lọc Kalman được áp dụng để làm mượt và nâng cao độ chính xác của giá trị đo được Quá trình đo lường bao gồm việc đo và tính toán các thông số quan trọng như điện áp, dòng điện, nhiệt độ và công suất Cụ thể, điện áp và dòng điện được đo để tính toán giá trị công suất, từ đó cung cấp thông tin chính xác về hiệu suất hoạt động của hệ thống.

Kết thúc: Kết thúc quá trình đo lường

Chương trình "Đo điện áp, dòng điện, công suất và nhiệt độ" thực hiện việc đo lường các thông số như điện áp, dòng điện, nhiệt độ và tính toán công suất Quá trình này bao gồm việc thu thập giá trị từ các kênh ADC, áp dụng các bộ lọc như bộ lọc trung bình động, bộ lọc trung bình động theo cấp số nhân và bộ lọc Kalman để làm mượt tín hiệu Các bộ lọc này không chỉ cải thiện độ chính xác mà còn tăng cường độ ổn định của các giá trị đo được, đảm bảo rằng kết quả đo lường là đáng tin cậy.

6.4.7 Chương trình nhận dữ liệu bằng giao tiếp UART

Hình 6.21 Chương trình nhận dữ liệu bằng giao tiếp UART

• Quy trình nhận dữ liệu để điều khiển (Receive Data for Control)

Bắt đầu: Bắt đầu quá trình

UART: Khởi động giao tiếp UART để nhận dữ liệu

Receive control data including position (Position_XYZ), speed (Speed_XYZ), acceleration (Accel_XYZ), deceleration (Decel_XYZ), button state (State_Button), drill state (State_Drill), and IP address (Address_IP).

Giao diện dòng lệnh (command line interface): Giao diện dòng lệnh để xử lý các lệnh nhận được

Các lệnh điều khiển và chức năng tương ứng:

Thực hiện Khởi động: Bắt đầu một chức năng nào đó

Thực hiện Dừng lại: Dừng một chức năng nào đó

Hiển thị thông tin lên LCD

Thực hiện Cài đặt lại: Đặt lại trạng thái hệ thống

Thực hiện HOME: Đưa hệ thống về vị trí gốc

Thực hiện Bật máy khoan: Bật máy khoan

Thực hiện Tắt máy khoan: Tắt máy khoan

Thực hiện Tốc độ thấp: Đặt tốc độ thấp

Thực hiện Tốc độ vừa: Đặt tốc độ trung bình

Thực hiện Tốc độ cao: Đặt tốc độ cao

Thực hiện Toạ độ: Điều chỉnh theo tọa độ

Thực hiện Di chuyển đến vị trí: Di chuyển đến vị trí xác định Địa chỉ IP: Thực hiện các chức năng liên quan đến địa chỉ IP

Kết thúc: Kết thúc quá trình

Chương trình “Nhận dữ liệu để điều khiển” nhận lệnh từ giao tiếp UART và thực hiện các chức năng như bắt đầu, dừng, đặt lại, bật/tắt máy khoan, điều chỉnh tốc độ và di chuyển đến vị trí xác định Ngoài ra, chương trình còn hỗ trợ giao diện dòng lệnh để xử lý lệnh và quản lý các trạng thái khác nhau của hệ thống.

6.4.8 Chương trình gửi dữ liệu bằng giao tiếp UART

Hình 6.22 Chương trình gửi dữ liệu bằng giao tiếp UART

• Quy trình truyền dữ liệu cho máy chủ web (Transmit Data for Web-Server)

Bắt đầu: Bắt đầu quá trình truyền dữ liệu

UART: Khởi động giao tiếp UART để chuẩn bị truyền dữ liệu

Truyền dữ liệu bao gồm việc thu thập các thông số quan trọng như giá trị điện áp (Value_Voltage), giá trị dòng điện (Value_Current), giá trị công suất (Value_Power) và giá trị nhiệt độ (Value_Temperature).

Chuẩn bị dữ liệu: Chuẩn bị dữ liệu cho quá trình truyền, có thể bao gồm việc định dạng, đóng gói dữ liệu

Gửi dữ liệu: Truyền dữ liệu đã chuẩn bị qua giao tiếp UART đến máy chủ web

Kết thúc: Kết thúc quá trình truyền dữ liệu

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Kết quả đạt được

Trong quá trình thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo máy kiểm tra máy khoan pin tự động có giám sát qua Web-server”, nhóm nghiên cứu đã đạt được nhiều kết quả đáng ghi nhận, chứng minh khả năng kỹ thuật xuất sắc của mình Những thành tựu này không chỉ nâng cao chất lượng kiểm tra pin cho các thiết bị cầm tay như máy khoan, mà còn mở ra triển vọng mới cho việc ứng dụng công nghệ trong sản xuất công nghiệp.

7.1.2 Kết quả chi tiết theo mục tiêu

Hình 7.1 Mặt nghiên trước máy kiểm tra máy khoan pin tự động

Hình 7.2 Mặt nghiên trước máy kiểm tra máy khoan pin tự động

Hình 7.3 Mặt sau máy kiểm tra máy khoan pin tự động

Hình 7.5 Mạch vi điều khiển

Hình 7.6 Mạch giao tiếp ngoại vi PCB

Hình 7.7 Giao diện chương trình 1

Hình 7.10 Hiển thị điện áp trên web

Hình 7.11 Hiển thị dòng điện trên web

Hình 7.12 Hiển thị nhiệt độ trên web

Hình 7.13 Hiển thị công suất trên web

7.1.3 Nhận xét kết quả đạt được

Khung máy kiểm tra máy khoan pin tự động đã được thiết kế và chế tạo với độ chính xác cao, đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật và khả năng hoạt động trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.

- Độ bền và ổn định: Khung máy được thiết kế để đảm bảo sự ổn định và bền vững trong quá trình vận hành

- Gia công chính xác: Các bộ phận cơ khí được gia công và lắp ráp chính xác, giúp máy hoạt động trơn tru và hiệu quả

- Phát triển thành công: Hệ thống điện tử và phần mềm điều khiển đã được phát triển, cho phép máy hoạt động tự động và linh hoạt

- Sử dụng cảm biến và vi xử lý hiện đại: Đảm bảo độ chính xác và tin cậy trong quá trình kiểm tra pin

- Mạch công suất và vi điều khiển: Các mạch điện tử quan trọng đã được thiết kế và thử nghiệm, đảm bảo hoạt động ổn định

- Tích hợp giám sát từ xa: Chức năng giám sát từ xa thông qua Web-server đã được tích hợp thành công

- Giao diện thân thiện: Giao diện Web-server thân thiện và dễ sử dụng, cung cấp thông tin chi tiết và báo cáo về quá trình kiểm tra pin

Máy kiểm tra máy khoan pin tự động đã được thử nghiệm thực tế, cho thấy hiệu quả cao trong việc đánh giá chất lượng pin.

- Giảm thiểu sai sót: Quá trình kiểm tra tự động giúp giảm thiểu sai sót và tăng tốc độ kiểm tra

- Nâng cao năng suất: Hiệu quả vận hành cao, giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm

- Độ chính xác cao: Kết quả đo cho thấy mạch đo dòng-áp đáp ứng chính xác với sai số nhỏ hơn 5%

- Nhiễu điện từ: Độ ổn định của dòng điện chưa cao do nhiễu điện từ, cần cải thiện để nâng cao hiệu suất hoạt động

Mạch đo dòng điện sử dụng hiệu ứng HALL có thể bị nhiễu do các yếu tố ngoại vi, vì vậy cần áp dụng các biện pháp cải thiện để giảm thiểu tác động của nhiễu điện từ.

Máy kiểm tra máy khoan pin tự động giám sát qua web server đã đạt được kết quả ấn tượng trong các lĩnh vực cơ khí, điện tử và lập trình Với thiết kế cơ khí chắc chắn và hệ thống điện tử tin cậy, khả năng giám sát từ xa đã tạo ra một hệ thống hiệu quả và tiên tiến Tuy nhiên, cần tiếp tục cải thiện để giảm thiểu nhiễu điện từ, nhằm nâng cao độ ổn định và chính xác cho hệ thống.

7.1.4 Đánh giá kết quả đạt được

Hệ thống máy kiểm tra máy khoan pin tự động không chỉ đáp ứng đầy đủ yêu cầu kỹ thuật mà còn nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong kiểm tra chất lượng pin Với hệ thống giám sát qua Web-server, người dùng có thể quản lý và theo dõi một cách thuận tiện và linh hoạt Việc áp dụng công nghệ này đã giúp giảm thiểu sai sót, tăng cường độ chính xác và cải thiện hiệu suất lao động.

7.1.5 Ảnh hưởng và tác động

Việc triển khai máy kiểm tra máy khoan pin tự động mang lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp, bao gồm nâng cao chất lượng pin, tối ưu hóa quy trình kiểm tra và giảm thiểu lao động thủ công Những cải tiến này không chỉ tăng năng suất mà còn nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường Hệ thống giám sát qua Web-server cho phép quản lý từ xa, tiết kiệm thời gian và công sức, đồng thời cải thiện khả năng phản ứng nhanh với các vấn đề phát sinh trong quá trình kiểm tra.

Hướng phát triển

7.2.1 Nhận định chung về hướng phát triển

Hệ thống máy kiểm tra máy khoan pin tự động sẽ được phát triển trong tương lai với mục tiêu nâng cao tính năng, mở rộng ứng dụng và tăng cường tính linh hoạt Nghiên cứu và phát triển liên tục sẽ giúp hệ thống đáp ứng tốt hơn nhu cầu thị trường và cải thiện hiệu quả sản xuất.

7.2.2 Đề xuất các giải pháp phát triển

Điều chỉnh giá trị đo lường theo nhu cầu doanh nghiệp là rất quan trọng, bao gồm việc đo tốc độ dòng điện ở mức cao và thấp, độ đảo đầu trục, cùng với lực kẹp Những điều này giúp đảm bảo rằng các chỉ số này phù hợp với yêu cầu thực tế của doanh nghiệp, từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động và đáp ứng tốt hơn nhu cầu sản xuất.

Nâng cấp khung hệ thống CNC bằng cách thay thế nhôm định hình bằng nhôm đúc nguyên khối giúp tăng cường độ cứng vững và ổn định cho hệ thống Việc này không chỉ nâng cao độ chính xác trong gia công mà còn kéo dài tuổi thọ của máy móc và giảm thiểu rung động trong quá trình vận hành.

Cải tiến điều chỉnh tốc độ khoan bằng cách bổ sung động cơ bước giúp tăng cường khả năng kiểm soát từ tốc độ thấp lên cao, mang lại độ chính xác cao hơn trong việc theo dõi dòng và áp suất.

Nâng cấp phần mềm điều khiển sẽ hỗ trợ nhiều chương trình kiểm tra pin khác nhau, phù hợp với các loại máy khoan và yêu cầu kỹ thuật riêng biệt Sự bổ sung các chức năng mới giúp hệ thống trở nên linh hoạt và mạnh mẽ hơn.

Chức năng giám sát sẽ được nâng cao với việc tích hợp các công cụ phân tích dữ liệu và báo cáo tự động, giúp cung cấp cái nhìn tổng quan và chi tiết về chất lượng pin, từ đó hỗ trợ việc đưa ra các quyết định kịp thời và chính xác.

Tăng cường tính di động cho máy kiểm tra máy khoan pin tự động bằng cách thiết kế các module di động, cho phép dễ dàng di chuyển và triển khai ở nhiều vị trí khác nhau trong nhà máy Điều này không chỉ nâng cao tính linh hoạt mà còn mở rộng khả năng ứng dụng của hệ thống.

Trong giai đoạn ngắn hạn, nhóm nghiên cứu sẽ tiếp tục thu thập phản hồi từ người dùng để hoàn thiện phần mềm điều khiển và hệ thống giám sát, với các cải tiến được thực hiện dựa trên ý kiến đóng góp từ người sử dụng thực tế.

Trong giai đoạn dài hạn, nhóm nghiên cứu sẽ hợp tác với các đối tác công nghệ để phát triển tính năng mới cho máy kiểm tra máy khoan pin tự động, nhằm mở rộng ứng dụng và nâng cao hiệu quả sản xuất, đáp ứng tốt hơn nhu cầu thị trường.

7.2.4 Khuyến nghị cho các bên liên quan

Doanh nghiệp sản xuất nên xem xét đầu tư vào hệ thống kiểm tra pin tự động để nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất Việc áp dụng công nghệ tiên tiến không chỉ cải thiện năng suất mà còn tăng cường khả năng cạnh tranh trên thị trường.

Nhà cung cấp công nghệ cần liên tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp công nghệ mới để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng của thị trường Hợp tác với các doanh nghiệp sản xuất sẽ giúp tạo ra những sản phẩm công nghệ phù hợp và hiệu quả.

Cơ quan quản lý cam kết hỗ trợ doanh nghiệp áp dụng công nghệ tiên tiến trong sản xuất thông qua các chính sách khuyến khích và hỗ trợ tài chính Việc tạo điều kiện thuận lợi cho doanh nghiệp đầu tư vào công nghệ không chỉ nâng cao năng lực cạnh tranh mà còn thúc đẩy sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp.

Kết luận chung

Chương trình "Thiết kế và chế tạo máy kiểm tra máy khoan pin tự động" đã mang lại những thành tựu quan trọng, nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả sản xuất cho doanh nghiệp Tương lai sẽ tập trung vào cải tiến và mở rộng tính năng để đáp ứng nhu cầu thị trường và tăng cường năng lực cạnh tranh Việc nghiên cứu và phát triển hệ thống này hứa hẹn mang lại nhiều lợi ích thiết thực, góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghiệp.

[1] Nguyễn Hữu Lộc, Cơ sở thiết kế máy, NXB Đại học Quốc gia TP.HCM, 2016

[2] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí-Tập 1, tái bản lần thứ

[3] Trần Thái An, Trần Ngọc Đức, Nguyễn Văn Lưu, Nghiên Cứu, Thiết Kế và Chế Tạo Máy Gia Công Mạch PCB Tự Động, ĐATN Sinh viên, ĐHSPKT TP.HCM, 2023

[4] Atmel Corporation, AVR446: Linear speed control of stepper motor on tinyAVR and megaAVR devices – Coding, link doc8017.pdf (microchip.com) , 12/2016

[5] Allegro MicroSystems, ACS712 datasheet, link https://www.allegromicro.com/- /media/files/datasheets/acs712-datasheet.pdf

[6] Freescale Semiconductor, AN2974, link https://www.nxp.com/docs/en/application- note/AN2974.pdf, 6/2005

Kiểm tra pin máy khoan cầm tay là bước quan trọng để đảm bảo hiệu suất và tuổi thọ của thiết bị Để thực hiện việc này một cách chính xác và đơn giản, bạn có thể tham khảo hướng dẫn chi tiết từ Weldcom Bài viết cung cấp các phương pháp kiểm tra pin hiệu quả, giúp người dùng nhận biết tình trạng pin và có biện pháp xử lý kịp thời Đừng quên truy cập vào link [Weldcom](https://weldcom.vn/huong-dan-cach-kiem-tra-pin-may-khoan-cam-tay-chinh-xac-don-gian/) để tìm hiểu thêm.

[7] Nodemcu, Lua based interactive firmware for ESP8266, ESP8285 and ESP32, link https://github.com/nodemcu/nodemcu-firmware

[8] STMicroelectronics, Discovery kit with STM32F407VG MCU, link https://www.st.com/resource/en/user_manual/um1472-discovery-kit-with-stm32f407vg- mcu-stmicroelectronics.pdf ,10/2020

PHỤ LỤC 1: Báo cáo hiệu chuẩn pin máy khoan cầm tay về dòng điện và điện áp

PHỤ LỤC 2: Tập bản vẽ cơ khí, mạch điện

PHỤ LỤC 1: BÁO CÁO HIỆU CHUẨN PIN MÁY KHOAN CẦM TAY VỀ DÒNG ĐIỆN VÀ ĐIỆN ÁP

Báo cáo này nhằm mục đích cung cấp hiệu chuẩn cho dòng điện và điện áp của pin dựa trên các thông số đo thực tế từ đồng hồ đo Nó giúp xác định các giá trị hiệu chuẩn cần thiết để so sánh và đánh giá hiệu suất của pin sau khi sản xuất.

2 Thiết Bị và Vật Liệu

− Đồng hồ vạn năng kỹ thuật số (DMM)

− Bảng dữ liệu của pin

− Mạch PCB đo dòng điện và điện áp

3 Quy Trình Đo Lường Hiệu Chuẩn

− Cài đặt Đồng hồ vạn năng: Đặt đồng hồ vạn năng (DMM) ở chế độ đo điện áp DC

− Kết nối Dây đo: Kết nối dây đỏ vào cực dương của pin và dây đen vào cực âm

− Đọc Điện Áp: Quan sát và ghi lại giá trị điện áp hiển thị trên đồng hồ

− Cài đặt Đồng hồ vạn năng: Đặt đồng hồ vạn năng ở chế độ đo dòng điện DC

− Chuẩn bị Mạch điện: Tạo một mạch nối tiếp với pin và đồng hồ vạn năng

− Kết nối Dây đo: Kết nối dây đỏ vào đầu ra âm của tải và dây đen vào cực âm của pin

− Đọc Dòng Điện: Quan sát và ghi lại giá trị dòng điện hiển thị trên đồng hồ

3.3 Thang đo của thiết bị đo:

Chức năng Dải đo Độ phân giải Độ chính xác Điện áp DC(V) (Sanwa) 40V 0.1mV ±(0.7%+3)

Chức năng Dải đo Độ phân giải Độ chính xác

Dòng điện DC(A) (Zoyi-300ab) 6A 0.1mA ±(1.2%+3)

Bảng 3.1 Bảng giá trị độ chính xác dòng điện và điện áp từng đồng hồ đo

4 Biểu đồ dòng điện hiệu chuẩn pin 26V Makita theo đồng hồ (trường hợp không tải) Điện áp pin Điện áp (V)

Giá trị trung bình Kiểm tra lần 1 Kiểm tra lần 2 Kiểm tra lần 3

Bảng 4.1 Bảng hiệu chuẩn giá trị lớn nhất và nhỏ nhất dòng điện của pin 26V Điện áp(V) Dòng điện(A)

Bảng 4.1 Bảng giá trị dòng điện pin 26V hoạt động

Hình 4.1 Đồ thị biểu diễn dòng điện pin 26V hoạt động

Biểu đồ dòng điện pin 26V

5 Biểu đồ điện áp hiệu chuẩn pin 26V Makita theo đồng hồ

Trạng thái pin Điện áp(V)

Kiểm tra lần 1 Kiểm tra lần 2 Kiểm tra lần 3

Bảng 5.1 Bảng giá trị hiệu chuẩn đo điện áp lớn nhất và nhỏ nhất của pin 26V Điện áp Phần trăm pin

Bảng 5.2 Bảng giá trị điện áp pin 26V hoạt động

- Thể hiện dưới dạng biểu đồ:

Hình 5.1 Đồ thị biểu diễn điện áp pin 26V hoạt động

Biểu đồ điện áp pin 26V

6.Thông Số Đo Thực Tế

Hình 6.1 Lưu đồ giải thuật lọc nhiễu ADC đầu vào

Nhóm sử dụng cảm biến dòng và mạch đo áp để thu thập dữ liệu analog, với chế độ chuyển đổi ADC 12 bit có sẵn trên STM32, cho phép trả về giá trị trong khoảng từ 0 đến 4095 Tuy nhiên, do cảm biến cung cấp giá trị analog, nên dữ liệu thu được thường bị nhiễu, do đó cần phải được lọc qua trước khi sử dụng cho các phép tính.

Hiện nay, có nhiều phương pháp lọc nhiễu hiệu quả như lọc thông thấp và bộ lọc Kalman Tuy nhiên, các bộ lọc này vẫn chưa hoàn toàn đáp ứng yêu cầu khi được thiết kế cho mục đích lọc nhiễu.

Nhóm quyết định áp dụng bộ lọc trung bình động kết hợp với bộ lọc trung bình động lũy thừa (EMA) và bộ lọc Kalman, như thể hiện trong lưu đồ giải thuật Để triển khai phương pháp này, các bước thực hiện sẽ được tiến hành theo trình tự đã xác định.

1 Đọc giá trị ADC từ cảm biến

2 Sau đó, đưa giá trị adc áp dụng bộ lọc trung bình động để làm mịn giá trị

3 Tiếp đó, giá trị sử dụng giá trị đã làm mịn từ bộ lọc trung bình động và áp dụng bộ lọc EMA để làm mịn hơn nữa

4 Cuối cùng, giá trị sử dụng giá trị từ bộ lọc EMA và áp dụng dụng bộ lọc kalman để có được giá trị dự đoán chính xác hơn

Hình 6.2 Đồ thị thể hiện giá trị ADC trước và sau lọc nhiễu cho cảm biến dòng điện

Hình 6.3 Đồ thị thể hiện giá trị ADC trước và sau lọc nhiễu cho mạch đo áp

Cả hai biểu đồ đều chỉ ra rằng ba bộ lọc đã nâng cao chất lượng tín hiệu một cách rõ rệt, loại bỏ nhiễu và giữ lại các giá trị thực từ cảm biến Sau khi được lọc, các giá trị trở nên ổn định hơn, từ đó nâng cao độ chính xác trong quá trình đo đạc.

Các bộ lọc đã chứng minh hiệu quả trong việc nâng cao chất lượng dữ liệu từ cảm biến dòng điện và mạch đo áp.

• IC khuếch đại thuật toán LM324N

Khối cảm biến áp kết hợp mạch chia áp và bộ đệm, tạo ra một mạch nguồn mới với trở kháng đầu vào thấp, giúp truyền tín hiệu analog về khối xử lý trung tâm một cách hiệu quả.

Bộ nguồn qua mạch chia áp sử dụng biến trở kết hợp với mạch khuếch đại op-amp LM324N, với hệ số khuếch đại bằng 1, nhằm chuyển đổi điện áp từ mạch có trở kháng đầu ra cao sang mạch có trở kháng đầu vào thấp.

Sau quá trình thử nghiệm, nhóm đã rút ra được thông số điện áp pin 26V của máy khoan như sau:

• Điện áp nổi: 20.52V (hoặc bị tắt)

Hình 6.5 Lưu đồ giải thuật tính điện áp theo giá trị ADC

1 Đọc giá trị ADC từ cảm biến qua kênh ADC 10

2 Đưa giá trị ADC đọc được qua 3 bộ lọc để lọc nhiễu

3 Lấy giá trị sau lọc tính toán lại điện áp trả về trên chân vi điều khiển

4 Sau đó lấy giá trị điện áp trên chân vi điều khiển tính lại điện áp thực tế của pin

5 Sau đó lấy các giá trị nằm trong khoảng 16.3V đến 21V để hiển thị ra màn hình LCD và ngược lại các giá trị hiển thị ra là 0V

Kết quả Điện áp đo được(V) Điện áp hiệu chuẩn(V) Độ lệch Sai số (%)

Bảng 6.1 Bảng so sánh điện áp thực tế và điện áp hiệu chuẩn

Khối cảm biến dòng: đo giá trị dòng điện từ thiết bị DC sang giá trị áp để gửi giá trị analog đưa về khối xử lý trung tâm

- Để đo dòng điện DC, nối cảm biến nối tiếp với thiết bị đo và chú ý chiều dòng điện

Để đảm bảo hiệu suất tối ưu, hãy kết nối mắc nối tiếp đúng chiều từ Ip+ đến Ip- nhằm duy trì Vout trong khoảng 2.5V đến 5V, với dòng điện từ 0A đến 30A Nếu kết nối sai chiều, Vout sẽ giảm xuống từ 2.5V đến 0V, tương ứng với dòng điện từ 0A đến -30A.

Cấp nguồn 5V cho module, Vout sẽ đạt 2.5V khi không có dòng Ip và tăng lên 5V khi dòng Ip đạt 30A Sự thay đổi của Vout là tuyến tính theo dòng Ip, dao động từ 2.5V đến 5V tương ứng với dòng từ 0A đến 30A.

Sau quá trình thử nghiệm, nhóm đã rút ra được thông số điện áp pin 26V của máy khoan như sau:

Hình 6.7 Lưu đồ giải thuật tính dòng điện theo giá trị ADC

− Đọc giá trị ADC từ cảm biến qua kênh ADC 11

− Đưa giá trị ADC đọc được qua 3 bộ lọc để lọc nhiễu

− Lấy giá trị sau lọc tính toán lại giá trị current mà cảm biến ACS712 đo được bằng hàm bậc 2 mà nhóm đã calibrate ở bên dưới

− Sau đó lấy các giá trị nằm trong khoảng 0,5A đến 15A để hiển thị ra màn hình LCD và ngược lại các giá trị hiển thị ra là 0A

• Phương pháp lấy giá trị cảm biến ACS712

Sau khi thu được giá trị từ bộ lọc Kalman, nhóm tiến hành tính toán giá trị dòng điện trả về bằng cách hiệu chỉnh từ thực nghiệm Dữ liệu đo thực tế cho thấy cảm biến ở chế độ không tải có thể cung cấp thông tin trong khoảng từ 0 đến 1.4A, từ đó xác định khoảng đo mà nhóm sẽ tiến hành lấy mẫu.

Phương pháp đo tương đối đơn giản bao gồm việc chia khoảng đo thành các đoạn nhỏ, mỗi đoạn khoảng 0.1A Đối với mỗi đoạn nhỏ này, chúng tôi thu thập khoảng 5 giá trị ADC để tính toán giá trị trung bình ADC tại khoảng cách đó và lưu trữ dữ liệu vào một tệp Excel.

Sau khi thu thập đầy đủ dữ liệu, bạn cần sử dụng Excel để vẽ đồ thị từ dữ liệu đã có Bằng cách áp dụng khả năng nội suy của Excel, bạn có thể xác định phương trình liên hệ giữa giá trị ADC và cảm biến dòng điện.

ADC1 ADC2 ADC3 ADC4 ADC5 ADC_AVE CURRENT(A)

Bảng 6.2 Bảng số liệu đo cảm biến

Hình 6.8 Đồ thị và biểu thức liên hệ giữa dòng điện theo giá trị ADC

Kết quả: Điện áp hiệu chuẩn(V) Dòng điện đo được(A) Dòng điện hiệu chuẩn(A) Độ lệch Sai số(%)

Bảng 6.3 Bảng so sánh dòng điện thực tế và dòng điện hiệu chuẩn

Nhìn chung, sai số của mạch đo được sai lệch bé hơn 5% giá trị của đồng hồ đo được

Tiêu đề	Thiết Kế Và Chế Tạo Máy Kiểm Tra Máy Khoan Pin Tự Động Có Giám Sát Qua Web-server
Tác giả	Phan Thị Kim Thoa, Nguyễn Ngọc Quý, Trần Thảo Hưng
Người hướng dẫn	ThS. Nguyễn Minh Triết
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Thể loại	đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Thành Phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	166
Dung lượng	9,1 MB