Đồ án: Mô hình máy cắt tự động theo kích thước đặt trước (Trần Văn Trung)

Đồ án tốt nghiệp thiết kế mô hình máy cắt tự động theo kích thước. Tài liệu trình bày chi tiết về phần cứng, code điều khiển bằng Arduino UNO R3.

• Tác giả: Trần Văn Trung
• Người hướng dẫn: Trần Quốc Toản
• Trường học: Đại học Kinh doanh & Công nghệ Hà Nội
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Mô hình máy cắt tự động theo kích thước đặt trước
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Giới thiệu về máy cắt tự động theo kích thước

Máy cắt tự động theo kích thước là một thiết bị hiện đại trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. Đây là giải pháp tối ưu cho các nhu cầu cắt vật liệu với độ chính xác cao trong sản xuất. Các loại máy cắt tự động trên thị trường hiện nay bao gồm máy cắt với các lưỡi cắt song song, máy cắt kiểu chém, và máy cắt kim loại. Mô hình máy cắt Arduino được thiết kế nhằm đáp ứng nhu cầu sản xuất nhỏ và vừa, giảm chi phí đầu tư ban đầu. Ứng dụng vi điều khiển ATmega328P trong Arduino UNO R3 cho phép kiểm soát quá trình cắt một cách tự động và chính xác. Công nghệ này không chỉ tiết kiệm nhân công mà còn nâng cao hiệu suất làm việc đáng kể.

1.1. Các loại máy cắt hiện nay

Trên thị trường có nhiều loại máy cắt khác nhau phục vụ các mục đích cắt khác nhau. Máy cắt với lưỡi song song được sử dụng phổ biến trong cắt giấy, vải. Máy cắt kiểu chém thích hợp cho vật liệu cứng hơn. Máy cắt kim loại sử dụng công suất lớn để cắt các loại kim loại khác nhau. Mỗi loại máy có những ưu điểm riêng, nhưng máy cắt tự động với Arduino mang lại sự linh hoạt và tiết kiệm chi phí vượt trội.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Mô hình máy cắt Arduino có ý nghĩa khoa học trong việc ứng dụng vi điều khiển vào các bài toán tự động hóa thực tế. Về mặt thực tiễn, nó giúp giảm chi phí sản xuất, tăng độ chính xác, và nâng cao năng suất. Thiết kế này là bước đi quan trọng trong phát triển công nghệ tự động hóa ở các doanh nghiệp vừa và nhỏ tại Việt Nam, mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau.

II. Các thiết bị chính trong mô hình máy cắt Arduino

Mô hình máy cắt tự động sử dụng các thiết bị điều khiển và cảm biến tiên tiến để hoạt động chính xác. Vi điều khiển Arduino UNO R3 là trái tim của hệ thống, sử dụng chip ATmega328P để xử lý dữ liệu. Động cơ SERVO SG90 được sử dụng để điều khiển lưỡi cắt, còn mạch điều khiển động cơ L298N quản lý hoạt động của các động cơ. Cảm biến khoảng cách siêu âm HC-SR04 đóng vai trò quan trọng trong việc đo đạc kích thước vật liệu chính xác. Thanh trượt giúp dẫn hướng chuyển động của lưỡi cắt. Sự kết hợp hài hòa của những thiết bị này tạo nên một hệ thống máy cắt hoàn chỉnh.

2.1. Vi điều khiển Arduino UNO R3

Arduino UNO R3 là bo mạch vi điều khiển phổ biến nhất trong các dự án điều khiển tự động. Chip ATmega328P tích hợp bộ xử lý 8-bit với tốc độ 16 MHz, có 14 chân I/O kỹ thuật số và 6 chân vào analog. Lập trình Arduino sử dụng ngôn ngữ C/C++ qua Arduino IDE, rất thân thiện với người dùng. Vi điều khiển này có khả năng đọc dữ liệu từ cảm biến và điều khiển các thiết bị ngoại vi như động cơ, LED một cách hiệu quả.

2.2. Cảm biến siêu âm và hệ thống đo khoảng cách

Cảm biến HC-SR04 sử dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách với độ chính xác cao. Phương pháp đo siêu âm hoạt động bằng cách phát một sóng âm và tính toán thời gian phản hồi. Khoảng cách = (thời gian × vận tốc âm thanh) / 2. Cảm biến khoảng cách này được kết nối với Arduino qua 4 chân: VCC, GND, TRIG, ECHO. Độ chính xác của cảm biến siêu âm đạt ±3mm, rất phù hợp để điều khiển máy cắt theo kích thước chính xác.

2.3. Động cơ SERVO và mạch điều khiển L298N

Động cơ SERVO SG90 là một động cơ điều khiển góc có khả năng quay chính xác tới vị trí xác định từ 0 đến 180 độ. SERVO motor được sử dụng để điều khiển lưỡi cắt, cho phép cắt tại vị trí chính xác. Mạch L298N là bộ điều khiển động cơ có khả năng điều khiển 2 động cơ DC hoặc 1 động cơ bước. Mạch L298N hỗ trợ điều khiển PWM để thay đổi tốc độ. Thanh trượt làm hướng dẫn chuyển động mượt mà cho lưỡi cắt.

III. Thiết kế và hoạt động của mô hình máy cắt

Thiết kế mô hình máy cắt Arduino tuân theo các nguyên lý tự động hóa hiện đại. Sơ đồ khối hệ thống bao gồm các phần: phần cảm biến để nhận dữ liệu, phần xử lý qua Arduino, và phần thực hiện với các động cơ. Hoạt động của mô hình diễn ra như sau: cảm biến siêu âm phát hiện kích thước vật liệu, lập trình Arduino xử lý tín hiệu và so sánh với kích thước đặt trước, sau đó điều khiển động cơ SERVO để cắt tại vị trí chính xác. Quy trình cắt tự động giảm thiểu sai sót do con người gây ra. Mô hình thực tế được lắp ráp từ các linh kiện điện tử tiêu chuẩn, độc lập, có thể mở rộng và nâng cấp dễ dàng.

3.1. Sơ đồ khối và các phần chính

Sơ đồ khối hệ thống gồm ba phần chính: phần đầu vào (cảm biến siêu âm, nút điều khiển), phần xử lý (Arduino UNO R3), và phần đầu ra (động cơ SERVO, động cơ DC). Phần cảm biến chịu trách nhiệm đo khoảng cách vật liệu. Vi điều khiển Arduino so sánh giá trị đo được với kích thước lập trình sẵn. Phần thực hiện bao gồm mạch L298N, động cơ SERVO để điều khiển lưỡi cắt, và động cơ DC để dẫn vật liệu. Kết nối giữa các phần được thực hiện qua cáp mạch chất lượng cao.

3.2. Quy trình hoạt động tự động

Quy trình làm việc của máy cắt Arduino: 1) Người dùng nhập kích thước vào chương trình. 2) Cảm biến HC-SR04 liên tục phát hiện vật liệu tiến vào. 3) Khi vật liệu đạt độ dài cần cắt, Arduino phát tín hiệu. 4) Động cơ SERVO kích hoạt lưỡi cắt ngay lập tức. 5) Động cơ DC dẫn vật liệu tiến lên. 6) Chu kỳ lặp lại tự động cho vật liệu tiếp theo. Hệ thống tự động hóa này loại bỏ giai đoạn chờ đợi, tăng năng suất đáng kể.

IV. Kết luận và triển vọng phát triển

Mô hình máy cắt tự động theo kích thước sử dụng Arduino đã được thiết kế, lắp ráp và kiểm nghiệm thành công. Mô hình thực tế chứng minh rằng vi điều khiển Arduino có khả năng điều khiển các quá trình sản xuất tự động một cách hiệu quả. Độ chính xác của hệ thống đạt yêu cầu, chi phí thấp hơn so với các máy cắt công nghiệp. Ứng dụng thực tiễn của mô hình này có thể mở rộng sang các lĩnh vực: cắt vải, giấy, nhựa, và cả một số vật liệu mềm khác. Trong tương lai, máy cắt Arduino có thể được nâng cấp với AI, cảm biến camera, hoặc kết nối IoT để tạo nên một hệ thống sản xuất thông minh. Dự án này là minh chứng cho tiến bộ của công nghệ tự động hóa tại Việt Nam.

4.1. Những thành tựu đạt được

Đồ án tốt nghiệp này đã hoàn thành thành công các mục tiêu đề ra. Mô hình máy cắt hoạt động ổn định và đạt độ chính xác cao trong cắt vật liệu. Lập trình Arduino được viết hoàn chỉnh, dễ hiểu và dễ nâng cấp. Sơ đồ mạch điện được thiết kế tối ưu với chi phí thấp. Mô hình thực tế được lắp ráp đẹp mắt, có khả năng mở rộng sang các ứng dụng khác. Đồ án này có giá trị tham khảo cao cho những sinh viên muốn nghiên cứu tự động hóa.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Hướng phát triển tiếp theo của máy cắt Arduino có thể bao gồm: tích hợp cảm biến camera để nhận diện hình dạng vật liệu; sử dụng động cơ bước cho độ chính xác cao hơn; kết nối Wifi/Bluetooth để điều khiển từ xa; lắp đặt màn hình LCD hiển thị thông tin; áp dụng machine learning để tối ưu hóa quá trình cắt. Với sự phát triển của công nghệ IoT, máy cắt Arduino có thể được kết nối vào hệ thống sản xuất thông minh toàn bộ nhà máy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Giới thiệu các loại máy cắt Chúng ta đã bước sang thế kỷ XXI thế kỷ của khoa học kỹ thuật hiện đại. Các thành tựu của khoa học kỹ thuật được áp dụng vào mọi mặt của cuộc sống. Điều này cũng được phản ánh một cách rõ ràng trong lĩnh vực lao động sản xuất.

Ngày trước khi khoa học kỹ thuật vẫn còn lạc hậu thì lao động chân tay của con người chiếm một vị trí chủ đạo. Qua thời gian khi xã hội ngày càng phát triển nhu cầu của con người ngày càng cao không chỉ về số lượng mà còn cả chất lượng thì điều đó không còn thiết thực nữa. Lao động chân tay dần dần được thay thế bằng máy móc. Điều này có một ý nghĩa vô cùng quan trọng không chỉ giải phóng sức lao động mà còn nâng cao năng suất cũng như chất lượng của các sản phẩm làm ra.

Đặc biệt là trong các ngành công nghiệp nặng nhọc và độc hai. Trong cuộc sống cũng như sản xuất, khi muốn tạo ra một sản phẩm hoàn chỉnh cần thông qua các quá trình mài rũa cắt gọt cho phù hợp nhất. Để nói đến công đoạn cắt thì chúng ta có thể sử dụng nhiều loại máy cắt khác nhau sao cho phù hợp với sản phẩm mà chúng ta thực hiện. Máy cắt là thiết bị dùng để cắt theo nguyên lí tách đứt đầu đuôi hoặc cắt chia đoạn phôi ban đầu, vật cán hoặc thành phẩm cán.

Máy cắt có thể được loại theo nhiều cách phân loại như: Hình 1.1 Máy cắt 2 Dựa theo loại hình vật liệu cắt được chia ra: máy cắt tấm (lá), máy cắt sản phẩm hình, máy cắt ống, vv… Dựa vào kết cấu máy, có thể chia: - Máy cắt với các lưỡi cắt song song: thường dùng để cắt kim loại mặt cắt vuông, chữ nhật, tròn sau khi cán trên các hệ thống máy cán phá, cán phôi, cán hình.2 Máy cắt với các lưỡi cắt song song - Máy cắt kiểu chém: có một lưỡi cắt đặt song song mặt phẳng nằm ngang, còn lưỡi cắt khác nằm nghiêng một góc 2 – 6 độ, nhờ độ nghiêng này mà lực cắt giảm.3 Máy cắt kiểu chém - Máy cắt đĩa: các lưỡi cắt là những đĩa quay tròn dùng để cắt mép (các mặt bên) của thép cuộn, dải và để cắt phá các cuộn kim loại nghĩa là cắt dọc theo chiều dài cuộn. Dựa vào các ứng dụng có thể phân loại như sau: - Máy cắt góc: được sử dụng cho việc cắt góc các loại vật liệu đặc biệt là với nhôm, gỗ,. Máy cắt góc thường có tốc độ không tải khá cao nên tốc độ cắt góc luôn chính xác đến từng milimet, đảm bảo tính thẩm mĩ cho các sản phẩm.4 Máy cắt góc 4 - Máy cắt kim loại: dòng máy cắt này được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp, cơ khí, chế tạo, xây dựng. Như tên gọi, máy dùng chủ yếu để cắt kim loại mà không làm ảnh hưởng các vùng xung quanh vùng cắt.5 Máy cắt kim loại - Máy cắt gạch: Bạn chắc sẽ không còn xa lạ đến loại máy này, bởi vì nó là một dụng cụ không thể thiếu trong ngành xây dựng, máy cắt gạch sẽ giúp bạn có những viên gạch được cắt dũa theo một kích thước mà bạn mong muốn cực kì dễ dàng mà không làm hỏng gạch và đảm bảo yếu tố thẩm mỹ.6 Máy cắt gạch 5 - Như vậy, có thể nói mát cắt được sử dụng rất phổ biến trong hoạt động sản xuất và nhu cầu tự động hoá cho máy cắt là rất cấp thiết.

- Do đặc trưng của ngành nghề học tập cũng như yêu cầu của xã hội thì đồ án tốt nghiệp của sinh viên có quan hệ mật thiết với những điều nêu trên. Và từ đó chúng em đã chọn đề tài “MÔ HÌNH MÁY CẮT TỰ ĐỘNG THEO KÍCH THƯỚC ĐẶT TRƯỚC.” Mô tả nguyên tắc hoạt động của mô hình - Trong mô hình này sử dụng một lưỡi cắt gắn với động cơ cắt, chúng ta có thể chọn khoảng cách bằng các nút ấn trên bảng điều khiển. - Cụm lưỡi cắt động cơ này có thể tự động trượt theo thanh trượt đến vị trí đặt trước để cắt theo độ dài mong muốn. + Nút RIGHT là nút để tăng số cm chúng ta cần di chuyển máy cắt tới + Nút LEFT là nút để giảm số cm chúng ta cần di chuyển máy cắt tới - Sau khi chọn khoảng cách cần chọn thì chúng ta nhấn nút SELECT, động cơ sẽ đưa máy cắt tới nơi lựa chọn và động cơ sever sẽ hạ máy xuống và cắt.

- Nút Up trên bảng điều khiển có chứng năng khởi động động cơ sever để hạ máy cắt xuống tại điểm máy cắt đang đứng. - Nút RST để xoá số cm hiện tại trên mặt điều khiển và quay lại số cm ban đầu là 5cm và khi ấn nút SELECT động cơ sẽ đưa máy cắt về 5cm ( giúp chúng ta không cần ấn nút giảm cm nhiều lần ) Cảm biến sẽ đo khoảng cách chiều dài cần cắt, sau đó thanh trượt sẽ đưa động cơ servo đến vị trí cần cắt servo hạ lưỡi cắt xuống và cắt vật cần cắt. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Như đã nói ở trên thì công trình nghiên cứu này thật sự mang tính cấp thiết cao, nếu thành công như mong đợi thì đó sẽ giúp phương pháp giảng dạy 6 mới thành công hơn trong nền giáo dục, mà còn mang lại một một vốn hiểu biết rộng cho người nghiên cứu. - Tạo điều kiện, tiền đề cho người nghiên cứu có thể phát triển các kỹ năng, kiến thức của mình và ứng dụng chúng vào thực tiễn.

Mục tiêu nghiên cứu đề tài - Củng cố kiến thức đã học, thu thập các kiến thức thực tiễn trong quá trình làm. - Tìm ra được nguyên lý hoạt động của các cảm biến trong mô hình máy cắt. - Tính toán được các thông số, yêu cầu kỹ thuật. - Chế tạo được mô hình để kiểm nghiệm nguyên lý của cảm biến siêu âm trong mô hình máy cắt.

- Có được định hướng phát triển phương pháp giảng dạy mới trong nền giáo dục. 7 CHƯƠNG 2: CÁC THIẾT BỊ SỬ DỤNG TRONG MÔ HÌNH 2. ARDUINO UNO R3 Giới thiệu Arduino là một bo mạch vi điều khiển do một nhóm giáo sư và sinh viên nước Ý thiết kế và đưa ra đầu tiên vào năm 2005. Mạch Arduino được sử dụng để cảm nhận và điều khiển nhiều đối tượng khác nhau.

Nó có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ lấy tín hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn, động cơ, và nhiều đối tượng khác. Ngoài ra mạch còn có khả năng liên kết với nhiều module khác nhau như module đọc thẻ từ, ethernet shield, sim900A, ….để tăng khả ứng dụng của mạch. Arduino Uno R3 là một bo mạch vi điều khiển dựa trên chip Atmega328P. Uno có 14 chân I/O digital ( trong đó có 6 chân xuất xung PWM), 6 chân Input analog, 1 thạch anh 16MHz, 1 cổng USB, 1 jack nguồn DC, 1 nút reset.

Uno hỗ trợ đầy đủ những thứ cần thiết để chúng ta có thể bắt đầu làm việc. Sơ đồ chi tiết của Uno R3: Hình 2.1 Sơ đồ chi tiết Uno R3 8 Sơ đồ nguyên lý mạch điện Arduino Uno R3: Hình 2. 2 Sơ đồ nguyên lý mạch điện Arduino Uno R3 9 Cấu tạo Arduino Hình 2.3 Cấu tạo Arduino Hình 2.4 Arduino Uno R3 10 Thông số kỹ thuật Bảng 2. 1 Thông số kỹ thuật Vi điều khiển Atmega328P Điện áp hoạt động 5V Điện áp cấp ( hoạt động tốt ) 7 – 12V Điện áp cấp ( giới hạn ) 6 – 12V Chân I/O digital 14 ( có 6 chân xuất xung PWM ) Chân Input analog 6 (A0 – A5) Dòng điện mỗi chân I/O 20 mA Dòng điện chân 3.3V 50 mA Bộ nhớ Flash 32 kB (Atmega328P) – trong đó 0.5 kB dùng cho bootloader SRAM 2 kB (Atmega328P) EEPROM 1 kB (Atmega328P) Tốc độ xung nhịp 16MHz Kích thước 68.4 mm Trọng lượng 25g 11 I/O Pins Sơ đồ chân của vi điều khiển ATmega328P: Hình 2.5 Sơ đồ chân Atmega328P + Digital: Các chân I/O digital (chân số 2 – 13 ) được sử dụng làm chân nhập, xuất tín hiệu số thông qua các hàm chính : pinMode(), digitalWrite(), digitalRead().

Điện áp hoạt động là 5V, dòng điện qua các chân này ở chế độ bình thường là 20mA, cấp dòng quá 40mA sẽ phá hỏng vi điều khiển. + Analog :Uno có 6 chân Input analog (A0 – A5), độ phân giải mỗi chân là 10 bit (0 – 1023 ). Các chân này dùng để đọc tín hiệu điện áp 0 – 5V (mặc định) tương ứng với 1024 giá trị, sử dụng hàm analogRead(). + PWM : các chân được đánh số 3, 5, 6, 9, 10, 11; có chức năng cấp xung PWM (8 bit) thông qua hàm analogWrite().

+ UART: Atmega328P cho phép truyền dữ liệu thông qua hai chân 0 (RX) và chân 1 (TX). Nguồn - Có hai cách cấp nguồn chính cho bo mạch Uno: cổng USB và jack DC. 12 - Giới hạn điện áp cấp cho Uno là 6 – 20V. Tuy nhiên, dải điện áp khuyên dùng là 7 – 12 V (tốt nhất là 9V).

Lý do là nếu nguồn cấp dưới 7V thì điện áp ở ‘chân 5V’ có thể thấp hơn 5V và mạch có thể hoạt động không ổn định; nếu nguồn cấp lớn hơn 12V có thể gấy nóng bo mạch hoặc phá hỏng. + Các chân nguồn trên Uno: - Vin : chúng ta có thể cấp nguồn cho Uno thông qua chân này. Cách cấp nguồn này ít được sử dụng. - 5V : Chân này có thể cho nguồn 5V từ bo mạch Uno.

Việc cấp nguồn vào chân này hay chân 3.3 V đều có thể phá hỏng bo mạch.3V : Chân này cho nguồn 3.3 V và dòng điện maximum là 50mA. - GND: chân đất. 2 Chi tiết các chân Atmega328P STT Chức châ Mô tả Mô tả chức năng năng n Khi chân reset này ở mức thấp, bộ vi 1 PC6 reset điều khiển và chương trình của nó sẽ được reset.