Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu
Đồ án tốt nghiệp "Tính toán thiết kế máy đo thân nhiệt và sát khuẩn tay tự động" được thực hiện bởi nhóm sinh viên Lê Đức Trà, Đỗ Thế Phong, Nguyễn Văn Thủy, Hoàng Ngọc Thắng dưới sự hướng dẫn của giảng viên Phạm Thị Thiều Thoa tại Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội (năm 2020).
Lý do chọn đề tài xuất phát trực tiếp từ bối cảnh đại dịch COVID-19 bùng phát trên quy mô toàn cầu do virus SARS-CoV-2 gây ra (khởi nguồn từ cuối tháng 12 năm 2019 tại Vũ Hán, Trung Quốc). Để ngăn chặn sự lây lan của dịch bệnh truyền nhiễm này, các tổ chức y tế quốc tế như Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và Trung tâm Kiểm soát và Phòng ngừa Dịch bệnh Hoa Kỳ (CDC) đã ban hành các khuyến cáo nghiêm ngặt về vệ sinh phòng dịch, đặc biệt là việc rửa tay thường xuyên bằng xà phòng hoặc dung dịch sát khuẩn chứa ít nhất 60% cồn trong tối thiểu 20 giây, cùng các quy tắc vệ sinh đường hô hấp khi ho, hắt hơi. Tại Việt Nam, Bộ Y tế đã triển khai thông điệp "5K" bao gồm: Khẩu trang, Khử khuẩn, Khoảng cách, Không tụ tập và Khai báo y tế (qua ứng dụng NCOVI và Bluezone).
Thực tế kiểm soát dịch bệnh tại các địa điểm công cộng tập trung đông người cho thấy các phương thức sát khuẩn và đo nhiệt độ thủ công tiềm ẩn nhiều rủi ro. Việc dùng tay ấn trực tiếp vào các bình dung dịch sát khuẩn hoặc bố trí nhân viên cầm nhiệt kế tiếp xúc gần (như các thiết bị cầm tay Berrcom JXB-178 hoặc máy tích hợp K9 Pro) đòi hỏi nhiều nhân lực, tốn thời gian và làm tăng nguy cơ lây nhiễm chéo qua bề mặt tiếp xúc. Do đó, việc ứng dụng các giải pháp tự động hóa vào công tác phòng dịch là một yêu cầu cấp thiết của xã hội.
Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án được xác định cụ thể như sau:
- Nghiên cứu nguyên lý làm việc của hệ thống đo thân nhiệt và khử khuẩn không tiếp xúc.
- Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí của máy (khung vỏ, chân đế, khoang chứa dung dịch, cơ cấu ray trượt tuyến tính và hệ thống trục vít me nâng hạ cụm cảm biến).
- Tính toán, thiết kế hệ thống điện và điều khiển (lựa chọn vi điều khiển trung tâm, các cảm biến đo khoảng cách, cảm biến nhiệt độ, cảm biến nhận diện vật cản, động cơ bước, module xử lý giọng nói, mạch khuếch đại âm thanh và bộ nguồn).
- Thiết lập quy trình công nghệ chế tạo cơ khí cho hai chi tiết điển hình là trục vít me và gối đỡ (xác định dạng sản xuất, lập tiến trình nguyên công, thiết kế đồ gá và phân tích sơ đồ định vị).
- Lắp ráp, điều chỉnh và hoàn thiện nguyên lý vận hành, bảo trì thiết bị.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống máy tự động tích hợp hai chức năng: sát khuẩn tay tự động không tiếp xúc và tự động nhận diện chiều cao để điều chỉnh cảm biến đo thân nhiệt vùng trán.
- Phạm vi không gian: Ứng dụng tại các khu vực tập trung đông người như bệnh viện, trường học, cơ quan, phòng khám, doanh nghiệp.
- Phạm vi kỹ thuật: Đo thân nhiệt đối tượng có chiều cao trong khoảng từ 1,45 m đến 1,85 m; khoảng cách nhận diện người tiếp cận là 40 cm; chiều cao khoang sát khuẩn đặt ở mức 1,1 m so với mặt đất; chiều cao chân đế 0,1 m; tổng chiều cao khung máy là 2,0 m; hành trình chuyển động của cụm nâng hạ cảm biến là 600 mm; lượng dung dịch phun mỗi lần đạt 5 ml.
- Phạm vi thời gian: Đồ án thực hiện và nghiệm thu trong năm 2020.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp
Đồ án vận dụng các kiến thức chuyên ngành cơ khí chế tạo máy kết hợp kỹ thuật điều khiển tự động nhằm giải quyết bài toán cơ điện tử:
- Cơ sở lý thuyết:
- Lý thuyết chi tiết máy và sức bền vật liệu: Áp dụng các công thức tính toán tải trọng, gia tốc quán tính, lực dọc trục lớn nhất, vận tốc dài và bước vít trong cơ cấu truyền động trục vít me - đai ốc nhằm biến đổi chuyển động quay của động cơ bước thành chuyển động tịnh tiến nâng hạ đầu đo.
- Lý thuyết công nghệ chế tạo máy: Áp dụng phương pháp tính toán sản lượng hàng năm ($N$), xác định trọng lượng chi tiết ($Q$) để phân loại dạng sản xuất; phương pháp lập tiến trình công nghệ gia công cắt gọt, tiện, phay, bào, khoan, khoét, doa, mài, nhiệt luyện; các nguyên lý định vị 6 bậc tự do và tính toán lực kẹp cho đồ gá chuyên dùng.
- Giáo trình và tài liệu quy chuẩn: Các tài liệu nền tảng gồm "Sổ tay công nghệ chế tạo máy" tập I, II, III của tác giả Nguyễn Đắc Lộc; "Công nghệ xử lý vật liệu" của Nguyễn Quốc Tuấn; "Hướng dẫn thiết kế đồ án công nghệ chế tạo máy" của Trần Đức Quý.
- Lý thuyết điều khiển tự động: Phương pháp xây dựng thuật toán điều khiển tuần tự trên vi điều khiển kiến trúc AVR, giao thức truyền thông dữ liệu I2C/SMBus, xử lý tín hiệu xung PWM và chuyển đổi tín hiệu tương tự sang số (ADC).
- Phương pháp nghiên cứu:
- Phương pháp tính toán cơ học: Xác định các thông số động học của cơ cấu nâng hạ dựa trên hành trình dịch chuyển 600 mm trong thời gian 10 giây; tính toán công suất động cơ dẫn động theo lực dọc trục $F_{amax}$ và hiệu suất cơ cấu.
- Phương pháp thiết kế công nghệ gia công: Phân tích kết cấu chi tiết máy, xác định đường lối công nghệ cho chi tiết dạng trục (trục vít me) và chi tiết dạng hộp/gối (gối đỡ); xây dựng chuỗi kích thước và dung sai lắp ghép.
- Phương pháp tích hợp phần cứng: Ghép nối module vi điều khiển lập trình được với các cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại nhiệt độ, cảm biến tiệm cận quang điện và mạch điều khiển công suất.
- Nguồn dữ liệu:
- Số liệu tra cứu tiêu chuẩn từ sổ tay công nghệ chế tạo máy và catalog nhà sản xuất linh kiện công nghiệp (nhôm định hình 30x60, ray trượt tuyến tính MGN7C, vít me bi/ren, động cơ bước NEMA 17, chip vi điều khiển ATmega2560, cảm biến GY-906, cảm biến HC-SR04).
Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật
Đồ án tập trung thiết kế toàn diện hai phân hệ chính: hệ thống kết cấu cơ khí và hệ thống điều khiển điện tử.
1. Thiết kế kết cấu cơ khí
- Khung thân và chân đế: Thân máy có chiều cao tổng thể 2 m, được lắp ráp từ các thanh nhôm định hình công nghiệp kích thước tiết diện 30x60 mm. Nhôm định hình có ưu điểm giảm tải trọng toàn bộ kết cấu, chống cong vênh, không rỉ sét trong môi trường độ ẩm cao nhưng có nhược điểm là tuổi thọ cơ học thấp hơn thép khối. Chân đế máy có chiều cao 0,1 m, gắn 4 bánh xe chịu lực bằng nhựa PU (đường kính lốp 40 mm, khổ rộng lốp 20 mm, trục 10 mm, kích thước mặt bích đế 43x60 mm, tấm thép dày 1,5 mm) với tổng tải trọng chịu đựng là 120 kg. Bánh xe có khả năng xoay 360 độ và tích hợp khóa hãm cố định vị trí.
- Khoang sát khuẩn và cụm cấp dung dịch: Khoang sát khuẩn bố trí ở độ cao 1,1 m tính từ mặt đất. Bình chứa dung dịch bằng thủy tinh trong suốt (kích thước dài 250 mm, rộng 120 mm, cao 150 mm) được cố định vào khung bằng 2 ke vuông góc. Động cơ bơm chìm mini sử dụng điện áp 3–5 VDC, dòng điện 100–200 mA, khối lượng 28 g, lưu lượng bơm định mức 1,6 lít/phút, đường kính ống 7,6 mm, thực hiện bơm định lượng 5 ml cồn khử trùng mỗi lần kích hoạt.
- Cơ cấu nâng hạ cảm biến đo thân nhiệt: Sử dụng ray trượt dẫn hướng tuyến tính MGN7C bằng thép dài 60 cm. Cụm trượt mang đầu đo được kéo bởi trục vít me có đường kính $d = 8\text{ mm}$, bước vít $\rho = 8\text{ mm}$, hành trình dịch chuyển 600 mm. Cơ cấu truyền động từ động cơ bước đến trục vít me thông qua một khớp nối mềm ba chấu bằng nhôm (kích thước hai đầu lỗ trục 5x8 mm, đường kính ngoài 18,66 mm, chiều cao 24,87 mm). Trục vít me được bảo vệ chống bụi bằng tấm chắn chuyên dụng và định vị bởi cụm gối đỡ ổ bi.
2. Thiết kế hệ thống điện và điều khiển
Hệ thống điều khiển vận hành theo nguyên lý tự động phản hồi khép kín thông qua bộ điều khiển trung tâm và các module chức năng:
| Thành phần linh kiện |
Thông số kỹ thuật chính |
Vai trò trong hệ thống |
| Vi điều khiển Arduino Mega 2560 |
Chip ATmega2560, 54 chân Digital (15 chân PWM), 16 chân Analog, 4 cổng Serial, Flash 256 KB, SRAM 8 KB, EEPROM 4 KB, xung nhịp 16 MHz, điện áp nguồn 5 V (nguồn vào khuyên dùng 7–15 V). |
Thu thập tín hiệu từ các cảm biến, xử lý thuật toán tính toán độ cao, điều khiển động cơ bước nâng hạ và kích hoạt bơm, phát âm thanh cảnh báo. |
| Cảm biến siêu âm HC-SR04 |
Tần số phát sóng 40 kHz, dải đo khoảng cách 2–450 cm, độ chính xác 3 mm, góc quét tối đa 15 độ, điện áp 5 VDC, dòng hoạt động < 2 mA. |
Phát hiện người đứng trước máy ở cự ly 40 cm và đo khoảng cách từ đỉnh máy xuống đỉnh đầu để tính toán chiều cao đối tượng (trong khoảng 1,45–1,85 m). |
| Cảm biến nhiệt độ GY-906 (MLX90614) |
Cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc, dải đo nhiệt độ vật thể -70 đến +380°C, dải nhiệt độ môi trường -40 đến +125°C, độ phân giải 0,02°C, độ chính xác y tế 0,5°C (trong dải 0–50°C), giao tiếp SMBus/PWM. |
Đo nhiệt độ bức xạ hồng ngoại tại vùng trán của người dùng mà không cần tiếp xúc vật lý. |
| Cảm biến vật cản hồng ngoại |
Bộ so sánh LM393, khoảng cách nhận diện 2–5 cm, điện áp hoạt động 3,3–5 VDC, có biến trở chỉnh độ nhạy sáng, ngõ ra tín hiệu số (Digital Low khi có vật cản). |
Đặt trong khoang sát khuẩn nhằm nhận diện bàn tay đưa vào để kích hoạt rơ-le bơm dung dịch. |
| Động cơ bước NEMA 17 |
Mặt bích 42 mm, chiều dài thân 110 mm, trục $\phi 14\text{ mm}$ (rãnh then 5 mm), góc bước $1,8^\circ \pm 5%$, dòng định mức 6 A/pha, mô-men xoắn 85 kg.cm, công suất 0,3 kW, tốc độ 450 vòng/phút, khối lượng 3,7 kg. |
Dẫn động trục vít me quay để nâng/hạ giá mang cảm biến GY-906 đến đúng vị trí ngang tầm trán người đo. |
| Module ghi phát âm thanh ISD1820 |
Thời lượng ghi âm tối đa 20 giây, lưu trữ dữ liệu chip tới 100 năm, chu kỳ ghi/xóa 100.000 lần, kích thước mạch 37x54 mm, tích hợp phím điều khiển và ngõ ra cho vi điều khiển. |
Lưu trữ và phát các thông điệp thoại thông báo tình trạng thân nhiệt ("Bình thường" hoặc cảnh báo sốt). |
| Mạch khuếch đại PAM8403 |
Mạch khuếch đại Class D 2 kênh (L-R), công suất 3 W mỗi kênh tải $4,\Omega$, tỷ số SNR 90 dB, hiệu suất > 90%, điện áp cấp 5 VDC. |
Khuếch đại tín hiệu âm thanh từ ISD1820 đưa ra còi/loa mini 3 W. |
| Màn hình hiển thị LCD 1602 |
Hiển thị 2 dòng, mỗi dòng 16 ký tự, điện áp 5 VDC, kết nối điều khiển qua chế độ bus 4-bit hoặc 8-bit. |
Hiển thị trực quan chỉ số nhiệt độ đo được cho người dùng quan sát. |
| Bộ nguồn tổ ong |
Điện áp vào 180–240 VAC (47–63 Hz), điện áp ra 12 VDC, dòng cực đại 5 A, công suất 60 W, hiệu suất $\ge 85%$, tích hợp bảo vệ quá tải 105–150%. |
Chuyển đổi điện lưới xoay chiều thành nguồn một chiều ổn định cung cấp cho toàn bộ hệ thống động cơ và mạch điều khiển. |
3. Nguyên lý vận hành tự động
Toàn bộ quy trình hoạt động diễn ra theo chu trình tuần tự khép kín:
- Khi người dùng bước đến trước máy ở khoảng cách 40 cm, cảm biến siêu âm HC-SR04 đo khoảng cách và vi điều khiển tính ra chiều cao thực tế của người đứng (trong phạm vi hỗ trợ từ 1,45 m đến 1,85 m).
- Vi điều khiển phát xung điều khiển động cơ bước NEMA 17 quay trục vít me kéo cụm mang cảm biến hồng ngoại GY-906 trượt trên ray MGN7C đến đúng vị trí ngang trán người đo.
- Cảm biến GY-906 tiến hành đo nhiệt độ bề mặt trán, gửi dữ liệu về Arduino Mega 2560.
- Giá trị nhiệt độ được xuất ra màn hình LCD 1602. Nếu thân nhiệt dưới $38^\circ\text{C}$ (hoặc dưới ngưỡng $37,5^\circ\text{C}$ theo thiết lập cảnh báo sốt), hệ thống phát câu thông báo "Bình thường". Nếu thân nhiệt đạt từ $38^\circ\text{C}$ trở lên (hoặc lớn hơn $37,5^\circ\text{C}$), hệ thống kích hoạt module ISD1820 phát câu cảnh báo: "Bạn đang bị sốt, bạn cần đến trạm y tế để kiểm tra".
- Trong khi đo nhiệt độ, người dùng đưa hai bàn tay vào khoang sát khuẩn ở độ cao 1,1 m; cảm biến hồng ngoại LM393 phát hiện vật cản ở cự ly 2–5 cm sẽ kích hoạt bơm chìm phun ra một lượng dung dịch sát khuẩn vừa đủ (5 ml).
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1. Tổng quan, ứng dụng tự động hóa trong đời sống hiện đại
Chương này trình bày lý luận tổng quan về tự động hóa, định nghĩa việc tích hợp các thiết bị máy móc vào hệ thống tự quản vận hành theo các lệnh lập trình và điều khiển phản hồi không cần sự can thiệp trực tiếp của con người. Tác giả phân tích các thành tựu của thế kỷ 20 đóng góp vào tự động hóa gồm kỹ thuật máy tính số, công nghệ cảm biến (đầu dò cơ điện, thị giác máy, quét laser) và lý thuyết điều khiển học thích ứng.
Về bối cảnh thực tiễn, chương nêu rõ tác động của đại dịch COVID-19 khởi phát cuối năm 2019 tại Vũ Hán do chủng virus SARS-CoV-2. Văn bản dẫn các khuyến nghị y tế của WHO, CDC Hoa Kỳ về rửa tay bằng cồn $\ge 60%$ tối thiểu 20 giây và thông điệp 5K của Bộ Y tế Việt Nam. Tác giả khảo sát các dòng thiết bị thương mại đang lưu hành như máy sát khuẩn K9 Pro Dual và nhiệt kế đo trán Berrcom JXB-178, từ đó nêu bật ý nghĩa khoa học (kết hợp cơ khí chế tạo máy với tự động hóa) và ý nghĩa thực tiễn (giảm thiểu nhân lực, giảm nguy cơ lây truyền chéo dịch bệnh tại bệnh viện, công sở, nhà máy).
Chương 2. Tính toán thiết kế các cơ cấu chức năng của máy
Chương 2 giải quyết toàn bộ bài toán động học và kết cấu cơ khí của thiết bị:
- Xác lập kích thước làm việc: Máy cao tổng thể 2,0 m; khoang sát khuẩn đặt ở độ cao 1,1 m; chân đế cao 0,1 m; dải chiều cao nhận diện người đo từ 1,45 m đến 1,85 m; cự ly phát hiện đối tượng đo là 40 cm.
- Kết cấu thân và đế: Sử dụng thanh nhôm định hình 30x60 mm; đế lắp 4 bánh xe xoay 360 độ bằng nhựa PU chịu tổng tải 120 kg (kích thước lốp 40x20 mm, bản mã 43x60 mm dày 1,5 mm).
- Cụm cấp cồn: Bình chứa bằng thủy tinh trong suốt dung tích xác định qua kích thước $250 \times 120 \times 150\text{ mm}$, bắt gá bằng 2 ke vuông nhôm định hình. Bơm chìm mini DC 3–5 V, dòng 100–200 mA, lưu lượng định mức 1,6 lít/phút.
- Tính toán cơ cấu trục vít me - đai ốc nâng hạ đầu đo: Ray trượt dẫn hướng MGN7C dài 60 cm. Hành trình dịch chuyển của gá đỡ là $L = 600\text{ mm}$, thời gian di chuyển lên/xuống yêu cầu là $t = 10\text{ s}$.
- Vận tốc dài của vít me:
$$v = \frac{600}{10} \times 60 = 3600\text{ mm/phút} = 60\text{ mm/s}$$
- Với tốc độ động cơ chọn $n = 450\text{ vòng/phút}$, bước vít tính được:
$$\rho = \frac{v}{n} = \frac{3600}{450} = 8\text{ mm}$$
- Khối lượng cụm tải $m = 0,5\text{ kg}$; gia tốc hãm lớn nhất $a_{max} = 2\text{ m/s}^2$; lực quán tính $F_{qt} = m \cdot a_{max} = 0,5 \times 2 = 1\text{ N}$; trọng lực $P_t = m \cdot g = 0,5 \times 9,81 = 4,9\text{ N}$. Lực dọc trục lớn nhất tác dụng lên vít me:
$$F_{amax} = F_{qt} + P_t = 1 + 4,9 = 5,9\text{ N}$$
- Từ các thông số tính toán, nhóm tác giả chọn trục vít me đường kính $d = 8\text{ mm}$, bước ren 8 mm, kết nối với động cơ qua khớp nối mềm ba chấu bằng nhôm (lỗ trục 5x8 mm, đường kính ngoài 18,66 mm, chiều cao 24,87 mm).
Chương 3. Tính toán thiết kế hệ thống điện và điều khiển
Chương 3 thiết lập cấu trúc phần cứng điện tử và thuật toán điều khiển của máy:
- Lựa chọn vi điều khiển: Arduino Mega 2560 tích hợp chip ATmega2560, sở hữu 54 chân I/O số, 16 ngõ vào analog, 4 cổng truyền thông nối tiếp UART phần cứng, tần số thạch anh 16 MHz, bộ nhớ Flash 256 KB.
- Lựa chọn cảm biến: Cảm biến siêu âm HC-SR04 (dải đo 2–450 cm, độ chính xác 3 mm, tần số 40 kHz) dùng đo độ cao; cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc GY-906 MLX90614 (độ phân giải 0,02°C, sai số y tế 0,5°C) đo thân nhiệt trán; cảm biến vật cản hồng ngoại LM393 cự ly 2–5 cm đặt tại khoang khử khuẩn.
- Tính toán động cơ bước: Hiệu suất trục vít me $\eta = 0,9 \div 0,95$. Công suất động cơ yêu cầu được xác định ở mức $P_{dc} = 0,3\text{ kW}$ tại số vòng quay cực đại $n = 450\text{ vòng/phút}$. Nhóm chọn động cơ bước NEMA 17 (kích thước mặt bích 42 mm, chiều dài thân 110 mm, trục $\phi 14\text{ mm}$ rãnh then 5 mm, 2 pha 4 dây, góc bước $1,8^\circ$, dòng điện 6 A, mô-men xoắn giữ 85 kg.cm, khối lượng 3,7 kg).
- Module hiển thị và cảnh báo: Màn hình LCD 1602; module ghi phát âm thanh ISD1820 ghi âm thông điệp 20 giây; mạch khuếch đại PAM8403 công suất 3 W mỗi kênh tải $4,\Omega$; loa mini công suất 3 W; bộ nguồn tổ ong 12 V – 5 A công suất 60 W. Xây dựng sơ đồ nối dây toàn mạch và lưu đồ thuật toán điều khiển.
Chương 4. Công nghệ chế tạo một số chi tiết điển hình
Chương 4 là nội dung cơ khí chuyên sâu, tập trung thiết kế quy trình công nghệ chế tạo cho hai chi tiết cơ khí cốt lõi:
1. Quy trình công nghệ chế tạo chi tiết trục vít me
- Xác định dạng sản xuất: Sản lượng kế hoạch hàng năm $N_1 = 10.000\text{ chi tiết/năm}$; số chi tiết trong một sản phẩm $m = 1$; hệ số chế tạo dự trữ $\beta = 5%$; tỷ lệ phế phẩm đúc rèn $\alpha = 6%$. Sản lượng hàng năm tính toán:
$$N = N_1 \cdot \left(1 + \frac{\alpha + \beta}{100}\right) = 10000 \cdot \left(1 + \frac{6 + 5}{100}\right) = 11.100\text{ chi tiết/năm}$$
Khối lượng chi tiết $Q < 4\text{ kg}$, đối chiếu bảng tiêu chuẩn quy định sản lượng từ 5.000 đến 50.000 chiếc/năm ứng với khối lượng $< 4\text{ kg}$, tác giả xác định hình thức sản xuất là Hàng loạt lớn.
- Tiến trình công nghệ chế tạo trục vít me gồm 9 nguyên công tuần tự:
- Nguyên công 1: Cắt phôi từ thép thanh tròn.
- Nguyên công 2: Khỏa mặt đầu và khoan lỗ tâm hai đầu trục.
- Nguyên công 3: Tiện thô các đoạn trục định hình.
- Nguyên công 4: Tiện tinh các bậc trục đạt kích thước yêu cầu.
- Nguyên công 5: Tiện ren vít me (bước ren 8 mm).
- Nguyên công 6: Phay rãnh then (kích thước then liên kết khớp nối).
- Nguyên công 7: Nhiệt luyện bề mặt đạt độ cứng yêu cầu.
- Nguyên công 8: Mài tinh bề mặt các cổ trục và ren.
- Nguyên công 9: Kiểm tra kích thước hình học, độ đảo và dung sai ren.
- Phân tích đồ gá gia công trục: Thiết lập sơ đồ định vị chi tiết bằng hai mũi tâm (khống chế 5 bậc tự do), truyền mô-men quay bằng tốc kẹp; tính toán kết cấu đồ gá và cơ cấu kẹp chặt chuyên dùng.
2. Quy trình công nghệ chế tạo chi tiết gối đỡ
- Xác định dạng sản xuất: Chi tiết dạng hộp/gối đỡ có khối lượng $< 4\text{ kg}$, áp dụng phương thức sản xuất hàng loạt.
- Tiến trình công nghệ chế tạo gối đỡ gồm 7 nguyên công:
- Nguyên công 1: Chế tạo phôi bằng phương pháp đúc.
- Nguyên công 2: Phay mặt phẳng đáy (làm chuẩn tinh phụ cho các bước sau).
- Nguyên công 3: Phay hai mặt phẳng bên.
- Nguyên công 4: Khoan, doa 2 lỗ bắt bu-lông $\phi 5\text{ mm}$ tại đế gối.
- Nguyên công 5: Phay mặt phẳng đầu.
- Nguyên công 6: Khoét và doa lỗ lắp ổ bi đường kính $\phi 23\text{ mm}$.
- Nguyên công 7: Kiểm tra độ đồng tâm, độ vuông góc và dung sai lỗ $\phi 23\text{ mm}$.
- Phân tích đồ gá gia công gối đỡ: Chọn mặt đáy làm chuẩn tinh chính (khống chế 3 bậc tự do), hai lỗ chốt tỳ định vị khống chế các bậc tự do còn lại; tính toán lực kẹp của cơ cấu kẹp ren ốc/đòn kẹp để đảm bảo phôi không bị xê dịch dưới tác dụng của lực cắt.
Chương 5. Mô phỏng, lắp ráp, điều chỉnh và vận hành sản phẩm
Chương này trình bày các bước thi công thực tế của mô hình:
- Trình tự lắp ráp cơ khí: Lắp ghép hệ khung nhôm định hình 30x60 mm với các ke góc; gắn cụm bánh xe PU vào đế; lắp đặt thanh trượt MGN7C và cụm gối đỡ trục vít me; gắn khớp nối mềm nối trục động cơ bước NEMA 17 với vít me; định vị bình chứa dung dịch thủy tinh và khoang phun cồn.
- Lắp ráp hệ thống điện: Bố trí nguồn tổ ong 12 V – 5 A, vi điều khiển Arduino Mega 2560, kết nối dây dẫn cho cảm biến HC-SR04 ở đỉnh máy, cảm biến GY-906 trên cụm trượt, cảm biến LM393 và bơm mini trong khoang sát khuẩn, ghép nối module ISD1820, PAM8403, loa 3 W và màn hình LCD 1602.
- Cân chỉnh và vận hành: Thử nghiệm độ êm của chuyển động trượt cụm cảm biến, căn chỉnh độ nhạy biến trở trên cảm biến hồng ngoại LM393, đo kiểm độ ổn định tín hiệu nhiệt độ từ GY-906 và khoảng cách từ HC-SR04; xây dựng quy trình bảo trì, vệ sinh bình chứa dung dịch, tra dầu mỡ bôi trơn định kỳ cho trục vít me và thanh trượt tuyến tính.
Kết quả và đóng góp
1. Kết quả chính của đề tài
Đồ án đã hoàn thành toàn diện việc tính toán lý thuyết, thiết kế bản vẽ và chế tạo thử nghiệm mô hình máy sát khuẩn tay kết hợp đo thân nhiệt tự động với các số liệu kỹ thuật cụ thể:
| Hạng mục thông số |
Giá trị kỹ thuật thực tế trong đồ án |
| Kích thước bao hệ thống |
Chiều cao tổng thể 2,0 m; chân đế cao 0,1 m; chiều cao khoang rửa tay 1,1 m. |
| Phạm vi nhận diện và đo đạc |
Khoảng cách phát hiện đối tượng: 40 cm; dải chiều cao người đo: 1,45–1,85 m. |
| Cơ cấu nâng hạ cảm biến |
Hành trình dịch chuyển: 600 mm; thời gian di chuyển: 10 giây; vận tốc dài: $3600\text{ mm/phút}$; bước vít: 8 mm; đường kính trục vít me: 8 mm; tải trọng nâng: 0,5 kg; lực dọc trục cực đại: 5,9 N. |
| Định lượng sát khuẩn |
Bơm chìm mini điện áp 3–5 VDC; dung tích phun mỗi lần: 5 ml dung dịch; kích thước bình chứa: $250 \times 120 \times 150\text{ mm}$. |
| Thông số điều khiển & đo lường |
Độ phân giải cảm biến nhiệt GY-906: 0,02°C (sai số y tế 0,5°C); cự ly nhận diện bàn tay của cảm biến LM393: 2–5 cm; độ chính xác cảm biến siêu âm HC-SR04: 3 mm. |
| Ngưỡng cảnh báo thân nhiệt |
Thân nhiệt $< 38^\circ\text{C}$ (hoặc $< 37,5^\circ\text{C}$): Thông báo bình thường; thân nhiệt $\ge 38^\circ\text{C}$ (hoặc $> 37,5^\circ\text{C}$): Kích hoạt phát thanh cảnh báo sốt và hiển thị trên màn hình LCD 1602. |
| Quy trình công nghệ chế tạo |
Lập quy trình sản xuất hàng loạt lớn ($N = 11.100\text{ chi tiết/năm}$) cho trục vít me qua 9 nguyên công và chi tiết gối đỡ qua 7 nguyên công, hoàn thiện thiết kế đồ gá chuyên dùng. |
2. Giải pháp và kiến nghị đề xuất
Nhóm tác giả đề xuất đưa thiết bị ứng dụng trực tiếp tại các cổng kiểm soát ra vào của các cơ quan công quyền, bệnh viện, nhà máy, xí nghiệp và trường học nhằm thay thế nhân viên y tế làm nhiệm vụ trực chốt. Việc tự động hóa chu trình đo thân nhiệt bằng cảm biến hồng ngoại và phun cồn sát khuẩn không tiếp xúc giúp hạn chế triệt để tiếp xúc vật lý, giảm áp lực công việc cho nhân viên y tế và loại trừ nguy cơ lây nhiễm chéo.
3. Đóng góp của đề tài
Đồ án có đóng góp thực tiễn khi kết hợp thành công giữa chuyên ngành cơ khí chế tạo máy truyền thống (tính toán chi tiết máy, thiết lập quy trình công nghệ gia công kim loại cho trục vít me và gối đỡ, thiết kế đồ gá gia công) với công nghệ cơ điện tử hiện đại (điều khiển tự động bằng vi điều khiển Arduino Mega 2560, cảm biến tiệm cận, cảm biến siêu âm, cảm biến hồng ngoại không tiếp xúc và động cơ bước NEMA 17). Đây là mô hình tích hợp hoàn chỉnh từ khâu tính toán kết cấu, gia công chi tiết cơ khí đến lập trình hệ thống điều khiển thông minh phục vụ trực tiếp cho y tế cộng đồng.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Dựa trên các phân tích kỹ thuật và phạm vi nghiên cứu được trình bày trong văn bản:
- Hạn chế của đề tài:
- Giới hạn dải đo chiều cao: Hệ thống chỉ hỗ trợ đo thân nhiệt cho những người có chiều cao nằm trong dải từ 1,45 m đến 1,85 m. Thiết bị chưa thể phục vụ đối tượng trẻ em có chiều cao dưới 1,45 m hoặc người có chiều cao vượt quá 1,85 m.
- Tốc độ đáp ứng cơ cấu nâng hạ: Hành trình nâng hạ 600 mm mất khoảng 10 giây (vận tốc $60\text{ mm/s}$), điều này có thể gây ra hiện tượng ùn ứ cục bộ nếu lượng người cần kiểm soát y tế tập trung quá đông trong cùng một thời điểm.
- Vật liệu chế tạo khung thân: Việc sử dụng thanh nhôm định hình 30x60 mm giúp kết cấu nhẹ và dễ thi công, tuy nhiên văn bản đồ án đã tự ghi nhận nhược điểm là tuổi thọ cơ học của vật liệu này không cao bằng các kết cấu thép chuyên dụng.
- Quản lý mức dung dịch: Bình chứa thủy tinh kích thước $250 \times 120 \times 150\text{ mm}$ dựa hoàn toàn vào quan sát thủ công qua lớp kính trong suốt, chưa được tích hợp cảm biến báo cạn dung dịch tự động để ngắt bơm hoặc thông báo cho người quản lý nạp thêm cồn.
- Hướng phát triển tiếp theo:
- Cải tiến mở rộng biên độ chuyển động của trục vít me hoặc thiết kế cụm đo thích ứng để phục vụ đa dạng đối tượng, bao gồm cả trẻ nhỏ và người ngồi xe lăn.
- Tối ưu hóa vận tốc của động cơ bước và cơ cấu trục vít me để rút ngắn thời gian nâng hạ cảm biến xuống dưới 5 giây.
- Bổ sung cảm biến đo mức chất lỏng trong bình chứa để tự động cảnh báo khi dung dịch sát khuẩn sắp hết.
- Nghiên cứu tích hợp thêm camera nhận diện khuôn mặt và module truyền thông mạng không dây (Wi-Fi/IoT) nhằm đồng bộ dữ liệu thân nhiệt với cơ sở dữ liệu y tế hoặc hệ thống điểm danh tự động.
Giá trị tham khảo
Đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo thiết thực cho nhiều đối tượng:
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ chế tạo máy: Đồ án là tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp tính toán động cơ, trục vít me dẫn động và đặc biệt là Chương 4 với bộ tài liệu công nghệ gia công chi tiết điển hình (trục vít me qua 9 nguyên công và gối đỡ qua 7 nguyên công), bao gồm việc xác định dạng sản xuất hàng loạt lớn ($N = 11.100\text{ chi tiết}$), lập tiến trình công nghệ, phân tích sơ đồ gá đặt và tính toán đồ gá định vị.
- Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Cung cấp sơ đồ kết nối phần cứng và giải thuật phối ghép đa cảm biến (cảm biến siêu âm HC-SR04, cảm biến nhiệt GY-906, cảm biến vật cản LM393) với vi điều khiển Arduino Mega 2560 để điều khiển động cơ bước NEMA 17 và module âm thanh ISD1820.
- Các kỹ sư thiết kế thiết bị phòng dịch và kiosk thông minh: Cung cấp giải pháp kết cấu cơ khí nhỏ gọn, chi phí thấp sử dụng nhôm định hình 30x60 mm kết hợp ray trượt MGN7C phục vụ các ứng dụng tự động hóa dịch vụ công cộng.
Câu hỏi thường gặp
1. Cơ cấu nâng hạ cảm biến đo thân nhiệt của máy hoạt động dựa trên nguyên lý nào và các thông số tính toán chính là gì?
Cơ cấu nâng hạ hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi chuyển động quay của động cơ bước NEMA 17 thành chuyển động tịnh tiến của gá đỡ mang cảm biến thông qua bộ truyền trục vít me - đai ốc và ray trượt dẫn hướng MGN7C. Các thông số kỹ thuật được tính toán gồm: hành trình di chuyển 600 mm trong thời gian 10 giây; vận tốc dài đạt $3600\text{ mm/phút}$ ($60\text{ mm/s}$); bước vít $\rho = 8\text{ mm}$; đường kính trục vít me $d = 8\text{ mm}$; tốc độ quay động cơ $n = 450\text{ vòng/phút}$; tải trọng nâng $m = 0,5\text{ kg}$; gia tốc hãm lớn nhất $a_{max} = 2\text{ m/s}^2$ và lực dọc trục lớn nhất $F_{amax} = 5,9\text{ N}$.
2. Hệ thống nhận diện chiều cao và vị trí trán của người dùng như thế nào?
Khi người dùng tiến đến trước máy ở khoảng cách 40 cm, cảm biến siêu âm HC-SR04 gắn trên đỉnh máy sẽ phát sóng siêu âm tần số 40 kHz để đo khoảng cách từ đỉnh máy đến đỉnh đầu đối tượng. Từ số liệu này kết hợp với chiều cao tổng thể của máy (2,0 m), vi điều khiển Arduino Mega 2560 tính toán ra chiều cao thực tế của người đo (hỗ trợ trong phạm vi 1,45 m đến 1,85 m). Sau đó, vi điều khiển phát xung điều khiển động cơ bước quay trục vít me để đưa cụm cảm biến nhiệt độ GY-906 trượt đến đúng vị trí ngang tầm trán.
3. Quy trình sát khuẩn tay tự động được kích hoạt bằng cơ cấu nào và định lượng phun là bao nhiêu?
Khoang sát khuẩn tay được bố trí ở độ cao 1,1 m so với mặt đất. Bên trong khoang gắn một cảm biến vật cản hồng ngoại sử dụng IC so sánh LM393 có cự ly phát hiện từ 2 đến 5 cm. Khi người dùng đưa tay vào vùng nhận diện, cảm biến xuất tín hiệu mức thấp (Low) về vi điều khiển để đóng mạch rơ-le kích hoạt động cơ bơm chìm mini 3–5 VDC. Bơm sẽ hút cồn từ bình thủy tinh ($250 \times 120 \times 150\text{ mm}$) và phun ra một lượng dung dịch định mức là 5 ml.
4. Quy trình công nghệ chế tạo chi tiết trục vít me được tác giả thiết lập theo dạng sản xuất nào và gồm những nguyên công nào?
Dựa trên sản lượng tính toán $N = 11.100\text{ chi tiết/năm}$ và khối lượng trục $Q < 4\text{ kg}$, quy trình được thiết kế theo dạng sản xuất Hàng loạt lớn. Tiến trình công nghệ gia công trục vít me gồm 9 nguyên công:
- Nguyên công 1: Cắt phôi;
- Nguyên công 2: Khỏa mặt đầu và khoan lỗ tâm;
- Nguyên công 3: Tiện thô các đoạn trục;
- Nguyên công 4: Tiện tinh các đoạn trục;
- Nguyên công 5: Tiện ren vít me bước 8 mm;
- Nguyên công 6: Phay rãnh then;
- Nguyên công 7: Nhiệt luyện;
- Nguyên công 8: Mài tinh bề mặt;
- Nguyên công 9: Kiểm tra kích thước và dung sai.
5. Hệ thống xử lý tín hiệu cảnh báo như thế nào khi phát hiện người có thân nhiệt bất thường?
Khi cảm biến GY-906 đo được giá trị nhiệt độ, thông số sẽ được hiển thị đồng thời lên màn hình LCD 1602. Nếu thân nhiệt người đo vượt quá ngưỡng quy định (văn bản xác định mốc lớn hơn $37,5^\circ\text{C}$ hoặc từ $38^\circ\text{C}$ trở lên), vi điều khiển sẽ kích hoạt chân điều khiển của module ghi phát âm thanh ISD1820. Tín hiệu âm thanh cảnh báo lưu sẵn ("Bạn đang bị sốt, bạn cần đến trạm y tế để kiểm tra") được đưa qua mạch khuếch đại PAM8403 (Class D, công suất 3 W) và phát lớn qua loa mini 3 W để nhắc nhở người đo và nhân viên y tế tại khu vực kiểm soát.
Kết luận
Đồ án tốt nghiệp "Tính toán thiết kế máy đo thân nhiệt và sát khuẩn tay tự động" của nhóm sinh viên Khoa Cơ khí, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội đã giải quyết trọn vẹn bài toán tích hợp giữa cơ khí chính xác và điều khiển nhúng trong bối cảnh phòng chống dịch COVID-19 năm 2020. Nghiên cứu nổi bật với việc tính toán chi tiết cơ cấu nâng hạ cảm biến bằng trục vít me - đai ốc, phối ghép thành công hệ thống cảm biến không tiếp xúc trên nền Arduino Mega 2560 và lập quy trình công nghệ chế tạo hàng loạt lớn cho hai chi tiết cơ khí điển hình. Kết quả của đồ án cung cấp một tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh, có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho sinh viên các chuyên ngành Cơ khí chế tạo máy và Kỹ thuật Cơ điện tử.
