Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và thi công máy viết chữ tự động (ĐH SPKT TPHCM)

Chia sẻ đồ án máy viết chữ tự động đầy đủ file PDF. Hướng dẫn chi tiết các bước thiết kế cơ khí, thi công và lập trình điều khiển Arduino.

• Tác giả: Lê Đức Anh
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Thanh Nghĩa
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện Tử Truyền Thông
• Đề tài: Thiết Kế Và Thi Công Máy Viết Chữ Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Đồ án Máy viết chữ tự động

Máy viết chữ tự động là một công nghệ hiện đại kết hợp giữa cơ khí và điện tử để tự động hóa quá trình viết chữ. Đồ án này được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, Khoa Điện - Điện Tử, dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Thanh Nghĩa. Máy viết chữ tự động sử dụng Arduino làm bộ xử lý trung tâm, kết hợp với các động cơ bước và linh kiện điều khiển tiên tiến. Ứng dụng của công nghệ này rất đa dạng, từ sản xuất công nghiệp, chữ ký tự động, đến các ứng dụng giáo dục. Đồ án cung cấp hướng dẫn chi tiết từ thiết kế ban đầu, thi công cơ khí, cho đến lập trình điều khiển và hướng dẫn sử dụng phần mềm.

1.1. Lịch sử phát triển của máy viết chữ

Máy viết chữ có lịch sử phát triển lâu đời từ thời kỳ công nghiệp hóa. Ban đầu, các máy viết chữ cơ học được sử dụng rộng rãi trong văn phòng. Với sự phát triển của công nghệ điện tử và lập trình máy tính, máy viết chữ tự động hiện đại sử dụng CNC (Computer Numerical Control) đã được phát triển. Những máy này có độ chính xác cao và có thể được lập trình để viết bất kỳ ký tự hoặc hình vẽ nào.

1.2. Ứng dụng thực tiễn của công nghệ

Máy viết chữ tự động được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: sản xuất công nghiệp viết nhãn sản phẩm, tạo chữ ký số, in tài liệu, và thậm chí trong giáo dục để minh họa nguyên lý hoạt động của hệ thống tự động hóa. Công nghệ này giúp tiết kiệm thời gian, giảm chi phí sản xuất, và nâng cao hiệu suất công việc.

II. Thành phần phần cứng của hệ thống

Hệ thống máy viết chữ tự động bao gồm nhiều linh kiện phần cứng chính. Arduino đóng vai trò là bộ điều khiển trung tâm, xử lý các lệnh và điều khiển các động cơ. CNC Shield được kết nối với Arduino để điều khiển các động cơ bước (stepper motor). Các trục chuyển động (X, Y, Z) sử dụng thanh trượt tròn 8mm để đảm bảo chuyển động mịn và chính xác. Khớp nối mềm nối động cơ với trục vitme để chuyển động quay thành chuyển động tuyến tính. Ngoài ra, hệ thống còn bao gồm nguồn điện, các linh kiện điện tử như tụ, điện trở, và các cảm biến để phát hiện vị trí ban đầu.

2.1. Arduino và CNC Shield

Arduino là một nền tảng điều khiển nguồn mở, dễ sử dụng và có chi phí thấp. Nó có khả năng xử lý tín hiệu từ các cảm biến và gửi lệnh điều khiển đến các actuator. CNC Shield là tấm mạch mở rộng cho Arduino, cho phép điều khiển ba động cơ bước đồng thời, rất phù hợp cho ứng dụng máy viết chữ tự động.

2.2. Cơ cấu chuyển động và giá đỡ

Thanh trượt tròn 8mm cung cấp hướng dẫn thẳng hàng và trục vitme chuyển chuyển động quay thành tuyến tính. Khớp nối mềm giảm rung động và bảo vệ động cơ bước. Giá đỡ bút được thiết kế để có thể nâng hạ bút bằng một động cơ bước riêng biệt, cho phép kiểm soát độ sâu viết.

III. Phần mềm và hướng dẫn sử dụng

Phần mềm là yếu tố quan trọng để máy viết chữ tự động hoạt động hiệu quả. Inkscape là một công cụ vẽ vector graphics miễn phí, cho phép người dùng tạo hoặc chỉnh sửa các ký tự, hình vẽ mà muốn máy viết. Hình vẽ này sau đó được chuyển đổi thành mã G-code, một ngôn ngữ lập trình CNC tiêu chuẩn. Universal Gcode Sender là phần mềm giao diện giữa máy tính và Arduino, cho phép gửi G-code và điều khiển máy viết chữ. Firmware GRBL được nạp vào Arduino để xử lý G-code và điều khiển các động cơ bước với độ chính xác cao. Quy trình làm việc: vẽ hình trong Inkscape → chuyển đổi thành G-code → gửi đến máy thông qua Universal Gcode Sender → máy thực hiện viết.

3.1. Hướng dẫn sử dụng Inkscape

Mở Inkscape, sử dụng công cụ vẽ để tạo hoặc import hình ảnh. Chuyển đổi tất cả chữ và hình vẽ thành đường dẫn (Path). Điều chỉnh kích thước và vị trí. Xuất file dưới định dạng SVG hoặc DXF. Sử dụng plugin Inkscape to G-code để chuyển đổi file thành mã G-code có thể nhận biết được bởi máy.

3.2. Cấu hình Universal Gcode Sender

Cài đặt Universal Gcode Sender trên máy tính. Kết nối Arduino với máy tính qua USB. Mở phần mềm, chọn cổng COM và baud rate (thường là 115200). Nạp G-code từ file đã tạo. Kiểm tra preview để xác nhận đúng yêu cầu. Nhấn Start để bắt đầu quá trình viết. Giám sát quá trình thực hiện trên màn hình.

IV. Thiết kế thi công và kết quả thực tế

Thiết kế máy viết chữ tự động bắt đầu từ sơ đồ khối hệ thống, xác định các khối chức năng chính: điều khiển, chuyển động, và cơ cấu viết. Tính toán thiết kế mạch bao gồm chọn loại động cơ bước, tính torque cần thiết, và thiết kế mạch điều khiển. Quá trình thi công cơ khí gồm: cắt và lắp ráp khung máy, cố định đế trượt, nối động cơ với trục vitme, lắp giá đỡ bút. Sau khi lắp ráp hoàn chỉnh, tiến hành thử nghiệm và hiệu chỉnh. Kết quả cho thấy máy có thể viết các ký tự, chữ cái, và hình vẽ với độ chính xác cao, tốc độ viết ổn định, và có khả năng lặp lại các mẫu viết một cách chính xác.

4.1. Quá trình thi công chi tiết

Bước 1: Thiết kế bản vẽ CAD chi tiết của tất cả các bộ phận. Bước 2: Chuẩn bị vật liệu (nhôm, thép, ốc vít, v.v.). Bước 3: Gia công các bộ phận cơ khí (cắt, khoan, tiện). Bước 4: Lắp ráp khung chính, cố định động cơ bước. Bước 5: Lắp thanh trượt, trục vitme, khớp nối mềm. Bước 6: Gắn bút viết vào giá đỡ. Bước 7: Kiểm tra độ song song, căn chỉnh các trục.

4.2. Đánh giá kết quả và cải tiến

Máy viết chữ tự động đã đạt được các mục tiêu đề tài: viết được các ký tự chữ cái, số, ký hiệu với độ chính xác ± 1mm. Tốc độ viết trung bình là 50-80mm/s tùy thuộc vào độ phức tạp. Hướng cải tiến tương lai: nâng cao độ chính xác bằng cách sử dụng vi động cơ, thêm cảm biến camera để nhận diện vị trí, tích hợp công nghệ AI để tối ưu hóa quỹ đạo viết, mở rộng ứng dụng cho các bề mặt cong.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẶT VẤN ĐỀ Ng y n y x h i ng y ng ph t tri n nh thu t ng y ng hi n i. Nướ t ũng ng trong thời ỳ ông nghi p hó hi n i hó ất nướ từng bướ bắt ịp qu trình ông nghi p hó trên thế giới nói hung v hu vự Đông N Á nói riêng về ọi ặt inh tế v x h i. C thiết bị ông ngh i n tử h thống iều hi n tự ng thông inh ũng óng v i trò qu n trọng trong sự ph t tri n ông ngh v inh tế ủ x h i. Cùng với sự ph t tri n ủ ông ngh vi i n tử h thống iều hi n tự ng hó v thiết bị ông ngh thu t o như híp vi xử lý odule iều hi n ũng hông ngừng ph t tri n v t nhiều th nh tựu vĩ i.

Hơn nữ hi biết rằng ông ngh hi n n y t ến thu t ặ bi t tinh vi, cho phép máy móc làm ượ những vi vốn hỉ d nh riêng ho on người như viết v v [1-4]. Đ bắt ịp ượ xu hướng ph t tri n v thự tiễn nhó thự hi n họn ề t i “Thiết ế v thi ông y viết hữ tự ng” giúp hi u rõ hơn qu trình ho t ng nhằ th y thế ho t ng thủ ông thường ng y như viết v v ủ on người. Hi n n y ó rất nhiều nghiên ứu v Đồ Án Tốt Nghi p ượ thự hi n t o r những ô hình thự tế như nă 2017 nhó sinh viên Nguyễn Th nh Luân Nguyễn Minh Hùng Dương Nguyễn Hữu Trình Nguyễn Văn Ân Ph Văn Công - trường C o Đẳng C o Thắng với ề t i “M y Viết Chữ Axidr w” trong ề t i n y nhó sử dụng Arduino iều hi n y viết hữ Axidr w qu phần ề iều hi n Univers l G ode Sender [5]. Đề t i Đồ Án Tốt Nghi p tiếp theo l ủ Ho ng Minh Vũ - trường Đ i họ Hải Phòng với ề t i “Thiết ế hế t o ô hình y hắ l zer ứng dụng ông ngh CNC” trong ề t i n y nhó sử dụng Arduino Nano và m h iều khi n AKZ250 v n hành h thống máy khắc lazer ứng dụng công ngh CNC [6].

Từ những hảo s t trên ùng với những iến thứ họ nhó l ềt i nghị thự hi n vi thiết ết v thi ông t h thống sử dụng Arduino [7] iều hi n y viết hữ. H thống ó tên l “Thiết kế và thi công máy viết chữ tự BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN động” s hắ phụ những h n hế về tố ầu viết ho t ng hư linh ho t ở những ồ n trướ .2 MỤC TIÊU Thiết ế v thi ông y viết hữ tự ng sử dụng ơ ấu vit e ượ iều hi n bằng Arduino Uno R3 thông qu phần ề Univers l G ode Sender. Thự hi n ượ hứ năng viết v hữ h y hình ảnh theo yêu ầu.3 NỘI DUNG THỰC HIỆN Trong qu trình thự hi n Đồ n tốt nghi p với ề t i Thiết ế v thi ông y viết hữ tự ng nhó húng e t p trung giải quyết v ho n th nh ượ những n i dung s u: - Nội dung 1: Viết tó tắt yêu ầu ề t i họn n i dung thiết ế thông số giới h n ủ ề t i.

- Nội dung 2: Tiến h nh thiết ế sơ ồ hối giải thí h hứ năng hối. - Nội dung 3: Tì hi u Arduino ng ơ bướ odule linh i n. - Nội dung 4: Tiến h nh v thiết ế phần ứng. - Nội dung 5: Tiên h nh tính to n lự họn linh i n.

- Nội dung 6: Tiến h nh thi ông h thống. - Nội dung 7: Ki tr ô hình thi ông. - Nội dung 8: Viết b o o những n i dung l. - Nội dung 9: Bảo v lu n văn.4 GIỚI HẠN - Chỉ ó th v ượ tối trên hổ giấy A4.

- Tố v tối 6 /phút. - Cỡ hữ nhỏ nhất ó th viết l 20.5 BỐ CỤC Đề t i “Thiết ế v thi ông y viết hữ tự ng” ượ trình b y với bố ụ như s u: BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN  Chƣơng 1: Tổng Qu n Chương n y nhó ặt vấn ề dẫn nh p lý do họn ề t i ụ tiêu n i dung nghiên ứu giới h n thông số v bố ụ ồ n.  Chƣơng 2: Cơ Sở Lý Thuyết.

Chương n y nhó tổng qu t iến thứ ơ bản xây dựng ượ ô hình n y. B o gồ lý thuyết h i ni huẩn gi o tiếp phần ề ứng dụng ông ụ ần thiết.  Chƣơng 3: Tính To n v Thiết Kế Chương n y nhó thiết ế sơ ồ hối h thống giải thí h hứ năng hối tính to n thiết ế h v lự họn linh i n.  Chƣơng 4: Thi Công H Thống Chương n y nhó trình b y h i ặt phần ề iều hi n i ặt thư vi n.

Đồng thời trình b y bướ thi ông h lắp r p i tr sản phẩ thi ông ô hình hướng dẫn sử dụng.  Chƣơng 5: Kết Quả - Nh n Xét - Đ nh Gi Chương n y nhó nêu lên ết quả t ượ so với ụ tiêu b n ầu ư r. Từ ó ư r nh n xét v nh gi về ết quả thự hi n ủ ề t i.  Chƣơng 6: Kết Lu n – Hướng Ph t Tri n Chương n y nhó ư r ết lu n hung về những gì thự hi n từ ó ư r hướng ph t tri n ho ề tài.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 3 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. Quá trình phát triển của máy viết chữ 2. Giới thiệu AxiDraw là một máy vẽ bằng bút đơn giản, hiện đại, chính xác và linh hoạt, có khả năng viết hoặc vẽ trên hầu hết các bề mặt phẳng.

Máy có thể viết bằng nhiều loại bút khác nhau để xử lý cho nhiều ứng dụng. Thiết kế độc đáo của máy có một đầu viết mở rộng ra ngoài, làm cho máy có thể viết, vẽ trên các khổ giấy lớn hơn. AxiDraw là một máy tuyệt vời để tạo ra nghệ thuật cùng với tất cả những thứ khác mà có thể sử dụng như một robot cầm bút như: Viết lời mời bằng tay, ký mẫu đơn, vẽ hình. Quá trình phát triển Khắp nơi trên thế giới các dự án máy Axidraw (Máy viết chữ tự động) được tiến hành vào năm 2014, do Tiến Sĩ Lindsay Robert Wilson đầu tiên của Công ty IJ Instruments Ltd.

Sản xuất tại nước Anh. Các loại máy Axidraw ban đầu có nhiều thiết kế khác nhau. Đó là một máy viết chữ có kích thước nhỏ với khung được làm từ nhựa Delrin gia công. Máy có hai trục cố định độc lâp, một được điều khiển bởi động cơ bước trên trục X và một động cơ bước điều khiển trên trục Y.

Vào năm 2015, Wilson bắt đầu hợp tác với Windell Oskay và Lenore Edman tại phòng thí nghiệm của Evil Mad Scientist để thiết kế ra mô hình Axidraw mới và được sản xuất chủ yếu ở Mỹ. Máy Axidraw thế hệ thứ hai đã được mở rộng và phát triển gấp hai lần trong khu vực, để có thể vẽ đầy đủ trên trang giấy A4. Hình dạng của máy đã được thay đổi để sử dụng một dây kéo đơn với hai động cơ bước lớn hơn cố định trên gá động cơ bước. Các thành phần chính của máy bây giờ được làm bằng nhôm, đầu giữ bút có thể gắn theo chiều dọc hoặc ở góc 45o so với mặt giấy.

BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 4 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Phiên bản Axidraw thứ ba đã được thiết kế lại toàn bộ để đạt hiệu suất cao hơn so với các thế hệ trước, các trục thép được sử dụng với các thanh trượt tuyến tính, phiên bản mới này có tính năng bánh xe lăn mịn về nhôm đùn tùy chỉnh. Độ cứng tăng lên đáng kể của phần cứng cho phép máy hoạt động ở tốc độ gấp đôi so với phiên bản trước mà không mất chất lượng. Tại Việt Nam máy Axidraw được tận dụng từ những ổ đĩa CD và được chế tạo khá đơn giản hoạt động bằng motor nhỏ gọn với công suất thấp và có khả năng viết, vẽ trên những khổ giấy nhỏ.

Hiện nay máy Axidraw là một loại máy vẫn còn chưa phổ biến tại Việt Nam nhưng đã được cải tiến hơn nhiều so với trước đây. Tuy chưa đạt được trình độ tinh vi như những máy Axidraw của Mỹ nhưng đã đạt được những kết quả nhất định như phần cứng được thiết kế khá chắc chắn bằng nhựa được in bằng máy in 3D hoạt động với hai động cơ bước và kéo bằng một dây đai đơn. Một số loại máy viết chữ hiện nay Hình 2.1: Máy viết chữ làm bằng ổ đĩa CD BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 5 CHƢƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.2: Máy viết chữ làm bằng nhôm Carbon Hình 2.3: Máy viết chữ thiết kế bằng nhựa được in bằng máy in 3D BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 6 CHƢƠNG 2.

Thiết bị phần cứng 2. Giới thiệu về Arduino Arduino là một board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít am hiểu về điện tử và lập trình. Arduino board có rất nhiều phiên bản với hiệu năng và mục đích sử dụng khác nhau như: Arduino Mega, Arduino LilyPad.

Trong số đó Arduino Uno R3 là một trong những phiên bản được sử dụng rộng rãi nhất bởi chi phí và tính linh động của board. Do Arduino có tính mở về phần cứng, chính vì vậy bản thân Arduino Uno R3 cũng có những biến thể của để phù hợp cho nhiều đối tượng khác nhau.4: Board Arduino BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH 7 CHƢƠNG 2.2 Giới thiệu CNC Shield Board CNC Shield V3 là board mở rộng của Arduino Uno R3 được thiết kế cho phép điều khiển 1 chiếc máy CNC Roter hoặc 1 chiếc máy phay.