Đồ Án Tốt Nghiệp: Nghiên Cứu, Thiết Kế và Chế Tạo Máy Chấm Keo Tự Động

Máy chấm keo tự động là một thiết bị quan trọng trong ngành điện tử, giúp nâng cao… 72 trang · Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh · 2024.

• Tác giả: Lê Văn Tâm
• Người hướng dẫn: ThS. Trần Thụy Uyên Phương
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế và Chế Tạo Máy Chấm Keo Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM KẾT
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT ĐỒ ÁN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
• 1.1. Tính cấp thiết của đề tài
• 1.2. Mục tiêu của đề tài
• 1.3. Ý nghĩa của đề tài
• 1.3.1. Ý nghĩa khoa học
• 1.3.2. Ý nghĩa thực tiễn
• 1.4. Đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu
• 1.4.1. Đối tượng nghiên cứu
• 1.4.2. Phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Nội dung thực hiện
• 1.6. Kế hoạch thực hiện
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan ưu điểm của máy
• 2.2. Hệ trục tọa độ và các quy ước
• 2.3. Các phép nội suy và điều khiển trong máy tra keo
• 2.3.1. Nội suy thẳng
• 2.3.2. Nội suy vòng
• 2.3.3. Điều khiển điểm
• 2.3.4. Điều khiển đoạn thẳng
• 2.3.5. Điều khiển biên dạng
• 2.4. Cấu trúc tổng thể máy tra keo
• 2.4.1. Phần chấp hành
• 2.4.2. Phần điều khiển
• 3. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
• 3.1. Cơ sở thiết kế cơ khí
• 3.2. Thiết kế cơ khí
• 3.3. Thông số đầu vào
• 3.4. Tính toán chọn puly-con trượt trục X và Y
• 3.5. Tính toán chọn vít me – đai ốc trục Z
• 3.6. Tính toán chọn động cơ
• 3.7. Thiết kế các bộ phận thân máy
• 4. CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
• 4.1. Tổng quan về hệ thống điều khiển
• 4.2. Các thành phần chính của hệ thống điều khiển
• 4.3. Chức năng của hệ thống điều khiển
• 4.4. Giới thiệu và lựa chọn thiết bị
• 4.4.1. Thiết bị điều khiển van bơm keo TAD-200S
• 4.4.2. Vi điều khiển STM32F103C8T6
• 4.4.3. Driver step TB6600
• 4.4.4. Mạch chuyển USB to TTL CP2102
• 4.5. Giới thiệu các phần mềm điều khiển
• 4.5.1. Phần mềm STM32CubeMX
• 4.5.2. Phần mềm Visual Studio
• 4.6. Sơ đồ khối và giải thuật điều khiển
• 4.6.1. Sơ đồ khối hệ thống
• 4.7. Thiết kế giao diện điều khiển
• 4.7.1. Giao tiếp UART
• 4.7.2. Giao diện điều khiển C#
• 4.8. Lưu lượng keo phun ra và tương quan vận tốc máy
• 4.8.1. Tính toán lưu lượng keo phun ra
• 4.8.2. Tương quan giữa thể tích keo phun ra trên phôi và vận tốc máy
• 4.8.3. Ảnh hưởng của độ sánh (độ nhớt) của keo
• 5. CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ
• 5.1. Lắp ráp hoàn thiện máy
• 5.1.1. Kết quả thi công cơ khí
• 5.1.2. Kết quả thi công tủ điện
• 5.2. Đánh giá kết quả
• 5.2.1. Tốc độ và hiệu suất
• 5.2.2. Độ ổn định và tin cậy
• 5.3. Tiêu chuẩn kỹ thuật của máy chấm keo
• 5.3.1. Loại keo sử dụng
• 5.3.2. Yêu cầu kỹ thuật sản phẩm
• 5.3.3. Yêu cầu về sản phẩm đầu ra
• 5.4. Số liệu thực nghiệm mô hình và đánh giá hiệu suất hoạt động
• 5.4.1. Số liệu thực nghiệm mô hình
• 5.4.2. Đánh giá hiệu suất hoạt động
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN
• 6.1. Kết quả đạt được
• 6.2. Hạn chế của đề tài
• 6.3. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về Nghiên Cứu Máy Chấm Keo Tự Động

Máy chấm keo tự động là một thiết bị quan trọng trong ngành điện tử, giúp nâng cao hiệu suất sản xuất và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Thiết bị này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất. Nghiên cứu và chế tạo máy chấm keo tự động đang trở thành xu hướng tất yếu trong bối cảnh công nghiệp 4.0.

1.1. Tính cấp thiết của máy chấm keo tự động

Máy chấm keo tự động đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về tự động hóa trong sản xuất. Việc sử dụng máy này giúp giảm thiểu thời gian sản xuất và tăng cường độ chính xác trong việc chấm keo cho linh kiện điện tử.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu máy chấm keo

Mục tiêu chính của nghiên cứu là phát triển một máy chấm keo tự động có khả năng hoạt động hiệu quả, chính xác và dễ sử dụng, phục vụ cho ngành điện tử.

II. Vấn đề và Thách thức trong Nghiên Cứu Máy Chấm Keo

Mặc dù máy chấm keo tự động mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong quá trình nghiên cứu và chế tạo. Các vấn đề như độ chính xác, tốc độ và khả năng tương thích với các linh kiện điện tử khác nhau cần được giải quyết.

2.1. Độ chính xác trong quá trình chấm keo

Độ chính xác của máy chấm keo là yếu tố quan trọng nhất. Cần phải đảm bảo rằng đầu phun keo có thể hoạt động với độ chính xác cao, tránh tình trạng chấm keo sai vị trí.

2.2. Tốc độ và hiệu suất của máy

Tốc độ chấm keo cũng là một yếu tố cần được tối ưu hóa. Máy cần hoạt động nhanh chóng mà vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm, từ đó nâng cao hiệu suất sản xuất.

III. Phương Pháp Nghiên Cứu và Thiết Kế Máy Chấm Keo

Để phát triển máy chấm keo tự động, cần áp dụng các phương pháp nghiên cứu và thiết kế hiện đại. Việc kết hợp giữa lý thuyết và thực tiễn sẽ giúp tạo ra một sản phẩm hoàn thiện.

3.1. Thiết kế hệ thống chấm keo

Hệ thống chấm keo cần được thiết kế với sự kết hợp giữa phần cứng và phần mềm, đảm bảo tính linh hoạt và khả năng mở rộng để đáp ứng nhu cầu sản xuất đa dạng.

3.2. Phát triển phần mềm điều khiển

Phần mềm điều khiển máy chấm keo cần được phát triển với giao diện thân thiện, giúp người dùng dễ dàng thao tác và kiểm soát quá trình chấm keo.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn của Máy Chấm Keo Tự Động

Máy chấm keo tự động có nhiều ứng dụng trong ngành điện tử, từ sản xuất linh kiện đến lắp ráp các thiết bị điện tử. Việc áp dụng máy chấm keo giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm thiểu chi phí sản xuất.

4.1. Ứng dụng trong sản xuất linh kiện điện tử

Máy chấm keo tự động được sử dụng rộng rãi trong sản xuất linh kiện điện tử, giúp đảm bảo độ chính xác và chất lượng sản phẩm.

4.2. Tác động đến quy trình sản xuất

Việc sử dụng máy chấm keo tự động không chỉ giúp tăng năng suất mà còn giảm thiểu lãng phí trong quy trình sản xuất.

V. Kết Luận và Hướng Phát Triển Tương Lai

Nghiên cứu và chế tạo máy chấm keo tự động là một bước tiến quan trọng trong ngành điện tử. Tương lai của máy chấm keo sẽ tiếp tục được cải tiến với sự phát triển của công nghệ.

5.1. Kết quả đạt được từ nghiên cứu

Nghiên cứu đã đạt được những kết quả khả quan, tạo ra một máy chấm keo tự động có hiệu suất cao và độ chính xác tốt.

5.2. Hướng phát triển trong tương lai

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới để nâng cao khả năng và tính linh hoạt của máy chấm keo, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành điện tử.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quy trình sản xuất và đóng gói linh kiện điện tử hiện đại, công đoạn tra keo và phủ keo bảo vệ trên các bản mạch in (PCB) đòi hỏi tính chuẩn xác cao về vị trí cũng như sự đồng đều về lưu lượng keo. Các phương pháp thủ công truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế về năng suất, sai lệch vị trí do thao tác của công nhân và gây lãng phí nguyên vật liệu. Do đó, việc tự động hóa quá trình tra keo là nhu cầu cấp thiết nhằm tối ưu hóa dây chuyền, nâng cao độ bền cơ học và cải thiện tính thẩm mỹ cho sản phẩm điện tử.

Đồ án tốt nghiệp mã số CDT-44 với đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy chấm keo tự động" được thực hiện bởi sinh viên Lê Văn Tâm và Ngô Nhựt Sang, dưới sự hướng dẫn của ThS. Trần Thụy Uyên Phương tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, hoàn thành vào tháng 7 năm 2024).

Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu, thiết kế, phát triển và thử nghiệm mô hình máy chấm keo tự động 3 trục (X-Y-Z) phục vụ cho sản xuất linh kiện điện tử. Các mục tiêu và nhiệm vụ cụ thể được xác định bao gồm:

1. Tìm hiểu công nghệ chấm keo, nguyên lý hoạt động và các kỹ thuật liên quan đến tra keo linh kiện điện tử.
2. Thiết kế hệ thống cơ khí và hệ thống điều khiển đảm bảo tính cứng vững, truyền động êm dịu và định vị chính xác đầu phun.
3. Phát triển phần mềm điều khiển với giao diện trực quan trên máy tính, tích hợp thuật toán xử lý quỹ đạo và nội suy chuyển động.
4. Kiểm soát chất lượng, tối ưu hóa lưu lượng phun keo và tương quan vận tốc dịch chuyển của máy.
5. Thi công, lắp ráp hoàn thiện phần cứng, tủ điện và tiến hành chạy thực nghiệm đánh giá độ ổn định, sai số hệ thống.
6. Đề xuất các giải pháp nâng cao hiệu suất và định hướng phát triển mở rộng trong tương lai.

Đối tượng nghiên cứu của đề tài bao gồm mô hình máy tra keo 3 trục, động cơ bước 2 pha, mạch công suất driver TB6600, vi điều khiển STM32F103C8T6, thiết bị phân phối keo TAD-200S, các cơ cấu truyền động đai răng và vít me - đai ốc, cùng hệ thống phần mềm hỗ trợ (SolidWorks, STM32CubeMX, Keil C, Visual Studio C#). Phạm vi nghiên cứu tập trung vào thiết kế và chế tạo máy phục vụ tra keo bản mạch PCB với thông số kích thước bao 600 x 600 mm, khối lượng máy khoảng 35 kg.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng nền tảng lý thuyết dựa trên các nguyên lý kỹ thuật cơ điện tử, tự động hóa và tài liệu chuẩn ngành "Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí" của nhóm tác giả Trịnh Chất và Lê Văn Uyển.

Về hệ trục tọa độ và quy ước chuyển động:

• Hệ tọa độ Descartes 3 chiều: Trục Z là trục thẳng đứng mang đầu phun keo với chiều dương hướng xuống dưới; trục X có hành trình dịch chuyển dài hơn trục Y; chiều dương của trục X và Y hướng ra xa vị trí gốc tọa độ máy (Home).
• Khái niệm tọa độ máy (Home) và tọa độ phôi (Work Coordinate): Định vị điểm chuẩn tham chiếu tuyệt đối của hệ thống trước khi vận hành và xác định vùng làm việc cụ thể của từng phôi mạch.

Về nguyên lý điều khiển và các phép nội suy:

• Nội suy đường thẳng (Linear Interpolation): Điều khiển đầu phun di chuyển từ điểm bắt đầu đến điểm kết thúc theo từng chuỗi đoạn thẳng với tốc độ xác định trên mỗi trục.
• Nội suy cung tròn (Circular Interpolation): Điều khiển chuyển động phối hợp giữa các trục để tạo quỹ đạo cung tròn hoặc đường tròn thông qua các thông số tọa độ tâm, bán kính và hướng quay.
• Các chế độ điều khiển: Điều khiển điểm (Point-to-Point), điều khiển đoạn thẳng song song trục, điều khiển biên dạng 2D/2.5D/3D và ứng dụng đường cong Bézier để làm mịn quỹ đạo chuyển động.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa tính toán lý thuyết giải tích và chế tạo thực nghiệm:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu chuyên ngành cơ khí chính xác, điều khiển chuyển động và vi điều khiển.
• Phương pháp tính toán thiết kế động lực học: Tính chọn kết cấu truyền động đai, thanh trượt, vít me - đai ốc, tính mô-men cản, lực dọc trục, công suất và mô-men xoắn của động cơ bước trên từng trục.
• Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp cơ khí, đấu nối mạch điện, lập trình firmware và phần mềm giám sát, chạy thử tải thực tế với vật liệu keo trên bản mạch in để đo đạc sai số và đánh giá lưu lượng.

Thiết kế và triển khai kỹ thuật

Hệ thống máy chấm keo tự động được xây dựng theo kiến trúc tích hợp cơ - điện - phần mềm, bao gồm các khối chức năng chính:

Phân hệ	Thành phần phần cứng / Phần mềm	Thông số kỹ thuật & Vai trò
Cơ khí trục X & Y	Bộ truyền đai răng GT2, puly nhôm, thanh trượt dẫn hướng	Bước răng 2 mm, bản rộng 10 mm, puly 30 răng ($d = 21.5\text{ mm}$), hành trình tốc độ $0.1\text{ m/s}$
Cơ khí trục Z	Vít me - đai ốc thường, thanh trượt tròn	Vít thép 45 ($d = 8\text{ mm}$, bước ren $2\text{ mm}$), đai ốc đồng thanh nhôm - sắt, vận tốc $1200\text{ mm/phút}$
Động cơ chấp hành	Động cơ bước 2 pha	Trục X: 57HS7630 ($1.8\text{ Nm}$); Trục Y: 57HS56 ($1.2\text{ Nm}$); Trục Z: $0.45\text{ Nm}$
Mạch công suất	Driver Step TB6600	Điện áp tối đa 42 VDC, dòng ra $0.5 - 4.0\text{ A}$, hỗ trợ 7 chế độ vi bước và 8 mức dòng
Bộ điều khiển trung tâm	Vi điều khiển STM32F103C8T6 (ARM Cortex-M3)	Xung nhịp 72 MHz, 64 KB Flash, 20 KB RAM, điều khiển phát xung PWM, GPIO và giao tiếp ngoại vi
Hệ thống bơm keo	Thiết bị điều khiển van bơm keo TAD-200S	Áp suất $0.1 - 7\text{ bar}$, độ chính xác $\pm 0.01\text{ ml}$, tốc độ bơm $0.1 - 10\text{ ml/s}$, kích hoạt qua Relay 5-24V
Giao tiếp máy tính	Module USB to TTL CP2102	Chuẩn UART TTL kết nối vi điều khiển với máy tính với tốc độ truyền ổn định
Phần mềm điều khiển	C# trên nền tảng Visual Studio	Giao diện tương tác người dùng, nạp tọa độ, vẽ đường thẳng, đường tròn, đường cong Bézier

Quá trình tính toán cơ khí chi tiết cho từng trục xác định dựa trên thông số gia tốc và tải trọng:

• Trục X: Khối lượng di động tổng $m_{X\text{ total}} = 4.3\text{ kg}$, gia tốc $a_X = 2\text{ m/s}^2$, lực kéo gia tốc $F_{X} = 8.6\text{ N}$, lực căng đai ban đầu $F_0 = 0.0742\text{ N}$, lực tác dụng lên trục $F_t = 8.9302\text{ N}$.
• Trục Y: Khối lượng di động tổng $m_{Y\text{ total}} = 1.8\text{ kg}$, gia tốc $a_Y = 1.5\text{ m/s}^2$, lực kéo gia tốc $F_Y = 2.7\text{ N}$.
• Trục Z: Khối lượng nâng $m_{Z\text{ total}} = 0.8\text{ kg}$, gia tốc $a_Z = 1\text{ m/s}^2$, lực nâng cực đại $F_Z = 8.8\text{ N}$.

Phần mềm điều khiển C# chịu trách nhiệm biên dịch các lệnh hình học thành chuỗi xung và tọa độ gửi xuống vi điều khiển STM32F103C8T6 thông qua bản tin UART. STM32 điều khiển phân phối xung đến các driver TB6600 tương ứng để dẫn động động cơ bước, đồng thời đồng bộ tín hiệu bật/tắt van bơm keo TAD-200S theo đúng thời gian thực và vận tốc chuyển động.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 1 làm rõ tính cấp thiết của việc nghiên cứu máy tra keo tự động trong bối cảnh sản xuất hiện đại, phân tích vai trò của máy tra keo trong việc giảm thời gian chu kỳ và nâng cao độ đồng đều sản phẩm. Tác giả xác định rõ ràng mục tiêu tổng quát, nhiệm vụ chi tiết của đồ án, nêu bật ý nghĩa khoa học trong việc tích hợp công nghệ đa ngành và ý nghĩa thực tiễn khi ứng dụng vào dây chuyền sản xuất mạch PCB. Bên cạnh đó, chương này phân định cụ thể đối tượng, phương pháp nghiên cứu và kế hoạch thực hiện phân bổ theo 16 tuần làm việc.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày tổng quan về các ưu điểm vận hành của máy tra keo tự động so với thao tác thủ công. Tác giả chuẩn hóa quy ước hệ trục tọa độ Descartes 3D, khái niệm điểm gốc máy (Home) và điểm gốc phôi. Trọng tâm của chương là lý thuyết về các phương pháp nội suy (nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn) và các hình thức điều khiển chuyển động từ điều khiển điểm, điều khiển đoạn thẳng đến điều khiển biên dạng 2D, 2.5D, 3D. Cuối chương mô tả cấu trúc tổng thể của máy, phân định rõ chức năng giữa phần chấp hành cơ khí và phần điều khiển điện tử.

Chương 3: Thiết kế cơ khí

Chương 3 tập trung vào quá trình tính toán và lựa chọn chi tiết cơ khí:

• Thiết lập thông số đầu vào về khối lượng, vận tốc, gia tốc cho từng trục tọa độ.
• Tính toán thiết kế bộ truyền đai răng GT2 cho trục X và Y: Xác định bước răng, số răng puly ($Z = 30$), đường kính vòng chia, vận tốc đai ($0.0675\text{ m/s}$), tính lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục.
• Tính toán thiết kế trục Z: Lựa chọn cơ cấu vít me - đai ốc với đường kính ngoài $8\text{ mm}$, bước ren $2\text{ mm}$, kiểm nghiệm ứng suất tiếp, ứng suất nén và độ ổn định dọc trục của vít me chiều dài $130\text{ mm}$.
• Tính chọn công suất động cơ bước: Xác định mô-men xoắn cản trong các giai đoạn tăng tốc, chuyển động đều và giảm tốc để lựa chọn các mã động cơ bước phù hợp (57HS7630 cho trục X, 57HS56 cho trục Y, động cơ $0.45\text{ Nm}$ cho trục Z).
• Thiết kế kết cấu thân máy, bàn máy kích thước $700 \times 650 \times 25\text{ mm}$ bằng hợp kim nhôm nhằm đảm bảo độ phẳng và độ cứng vững khi mang tải.

Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển

Chương 4 thuyết minh chi tiết cấu trúc phần cứng và phần mềm của hệ thống điều khiển:

• Trình bày thông số và phương thức ghép nối của thiết bị điều khiển van bơm keo TAD-200S, vi điều khiển STM32F103C8T6, mạch công suất driver TB6600 và mạch chuyển đổi USB to TTL CP2102.
• Giới thiệu môi trường phát triển STM32CubeMX để cấu hình chân ngoại vi, Keil C để biên dịch firmware, và Visual Studio để thiết kế giao diện đồ họa người dùng.
• Xây dựng sơ đồ khối mạch điện, sơ đồ nguyên lý giải thuật điều khiển và lưu đồ nội suy biên dạng (hình tròn, đường cong Bézier).
• Thiết lập giao thức truyền thông UART, cấu hình khung dữ liệu giữa máy tính và vi điều khiển.
• Phân tích tương quan giữa lưu lượng phun keo, độ nhớt của chất lỏng và tốc độ di chuyển của đầu chấm keo để đảm bảo đường keo liên tục và không bị đọng cục.

Chương 5: Thực nghiệm và kết quả

Chương 5 ghi nhận kết quả thi công phần cứng cơ khí và lắp ráp hoàn thiện tủ điện điều khiển:

• Đánh giá chất lượng gia công kết cấu khung nhôm định hình, bàn máy và độ trơn tru của các trục dẫn hướng.
• Kiểm tra hoạt động đồng bộ giữa hệ điều khiển trung tâm, driver động cơ và van bơm keo TAD-200S.
• Thực nghiệm chạy không tải và có tải: Đo đạc tốc độ đáp ứng, đánh giá độ ổn định, kiểm tra độ chính xác lặp lại của đầu phun.
• Đánh giá chất lượng chấm keo thực tế trên bản mạch in PCB theo các biên dạng chấm điểm, chạy đường thẳng, đường cong và đường tròn.

Chương 6: Kết luận

Chương 6 tổng kết các kết quả đạt được đối chiếu với mục tiêu ban đầu, chỉ ra các điểm còn tồn tại của hệ thống và đề xuất phương hướng cải tiến, nâng cấp thiết bị trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành các nội dung nghiên cứu và chế tạo mô hình thực tế với các kết quả cụ thể:

• Chế tạo hoàn chỉnh mô hình máy chấm keo tự động 3 trục với kết cấu cơ khí chắc chắn, kích thước bao $600 \times 600\text{ mm}$, bàn máy nhôm $700 \times 650 \times 25\text{ mm}$, tổng khối lượng hệ thống $35\text{ kg}$.
• Tích hợp thành công phần cứng điều khiển bao gồm vi điều khiển STM32F103C8T6, driver TB6600, thiết bị van bơm keo TAD-200S (áp suất $0.1 - 7\text{ bar}$, độ chính xác $\pm 0.01\text{ ml}$) và module giao tiếp CP2102.
• Xây dựng phần mềm giao diện điều khiển C# trên Visual Studio hỗ trợ nạp tọa độ linh hoạt, có khả năng điều khiển máy vận hành theo các quỹ đạo điểm, đoạn thẳng, hình tròn và đường cong Bézier mượt mà.
• Thiết lập thành công mối tương quan giữa lưu lượng keo phun ra và vận tốc di chuyển của đầu máy, đảm bảo đường keo tra trên bản mạch PCB đồng đều, không bị đứt đoạn hay lem keo.

Đóng góp của đồ án thể hiện ở việc làm chủ toàn bộ quy trình từ tính toán lý thuyết cơ học (tải trọng, lực căng đai, bền vít me, mô-men động cơ bước) đến thiết kế mạch điện và lập trình nhúng kết hợp phần mềm máy tính, tạo ra một sản phẩm cơ điện tử có chi phí hợp lý và khả năng ứng dụng thực tiễn trong các dây chuyền lắp ráp điện tử quy mô vừa và nhỏ.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài:

• Hệ thống truyền động trục Z sử dụng vít me đai ốc thường có ma sát lớn hơn so với cơ cấu vít me bi (Ball Screw), ảnh hưởng phần nào đến tốc độ nâng hạ cực đại của trục Z.
• Mức độ tự động hóa nhận diện phôi chưa được tích hợp hệ thống xử lý ảnh (Camera/Vision) để tự động căn chỉnh tọa độ gốc khi phôi đặt lệch trên bàn máy.
• Hệ thống điều khiển hiện tại chưa tích hợp cảm biến phản hồi vị trí kín (Closed-loop encoder) để giám sát hiện tượng mất bước của động cơ khi chịu tải đột ngột.

Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp theo:

• Nâng cấp cơ cấu trục Z sang vít me bi chuyên dụng nhằm tăng độ mượt mà, giảm ma sát và nâng cao tốc độ định vị.
• Nghiên cứu tích hợp hệ thống thị giác máy tính (Machine Vision) để tự động nhận dạng vị trí linh kiện, phát hiện biên dạng tra keo và tự động hiệu chỉnh sai lệch tọa độ gá đặt.
• Tích hợp thêm các cảm biến giám sát áp suất keo và nhiệt độ môi trường nhằm tự động điều chỉnh lưu lượng bơm tương thích với sự thay đổi độ nhớt của nhiều loại keo khác nhau.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo hữu ích dành cho:

• Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Cơ khí, Tự động hóa và Chế tạo máy đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp liên quan đến máy CNC mini, máy khắc, máy in 3D hoặc máy tra keo tự động.
• Các kỹ sư thiết kế hệ thống tự động hóa quan tâm đến phương pháp tính toán động lực học cho bộ truyền đai răng GT2, cơ cấu vít me - đai ốc và quy trình lựa chọn mô-men xoắn động cơ bước.
• Phần tài liệu đáng tham khảo nhất:
  1. Mục tính toán cơ khí chi tiết cho 3 trục chuyển động tại Chương 3 (vận dụng đầy đủ công thức giải tích xác định lực ma sát, lực quán tính và mô-men xoắn).
  2. Cấu trúc kết nối phần cứng và giải thuật điều khiển phân phối xung đa trục trên STM32 kết hợp giao tiếp C# Visual Studio tại Chương 4.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy chấm keo trong đồ án sử dụng loại cơ cấu truyền động nào cho các trục?
Trục X và trục Y sử dụng cơ cấu truyền động bằng bộ truyền đai răng GT2 (bước răng 2 mm, bản rộng 10 mm, puly nhôm 30 răng) kết hợp con trượt dẫn hướng. Trục Z sử dụng cơ cấu truyền động vít me - đai ốc thường (vít thép 45 đường kính 8 mm, bước ren 2 mm kết hợp đai ốc đồng thanh nhôm - sắt).

2. Vi điều khiển trung tâm và các module điều khiển động cơ bước được lựa chọn là gì?
Hệ thống sử dụng vi điều khiển STM32F103C8T6 (ARM Cortex-M3, 32-bit, xung nhịp 72 MHz) làm bộ điều khiển trung tâm, kết hợp với các mạch công suất Driver Step TB6600 để cấp dòng và điều khiển các động cơ bước 2 pha.

3. Thiết bị điều khiển van bơm keo sử dụng trong hệ thống là loại nào và có thông số ra sao?
Đồ án sử dụng thiết bị điều khiển van bơm keo chuyên dụng TAD-200S, hoạt động ở dải áp suất 0.1 - 7 bar, độ chính xác định lượng keo đạt $\pm 0.01\text{ ml}$, tốc độ bơm điều chỉnh từ $0.1\text{ ml/s}$ đến $10\text{ ml/s}$, kích hoạt đóng/ngắt thông qua tín hiệu điều khiển từ vi điều khiển qua mạch relay trung gian.

4. Phần mềm máy tính được xây dựng trên nền tảng nào và hỗ trợ những tính năng gì?
Phần mềm điều khiển máy tính được viết bằng ngôn ngữ C# trên môi trường Microsoft Visual Studio. Phần mềm giao tiếp với vi điều khiển qua cổng COM ảo (chip chuyển đổi USB to TTL CP2102) bằng giao thức UART, hỗ trợ thao tác điều khiển vị trí đầu phun, cài đặt tốc độ, và tạo quỹ đạo chấm keo theo dạng điểm, đường thẳng, hình tròn hoặc đường cong Bézier.

5. Động cơ bước trên các trục X, Y, Z có mô-men xoắn định mức là bao nhiêu?
Dựa trên kết quả tính toán mô-men tải và giai đoạn tăng/giảm tốc, động cơ bước trục X được chọn loại 57HS7630 có mô-men xoắn $1.8\text{ Nm}$; trục Y chọn loại 57HS56 có mô-men xoắn $1.2\text{ Nm}$; trục Z chọn động cơ bước có mô-men xoắn $0.45\text{ Nm}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy chấm keo tự động" của sinh viên Lê Văn Tâm và Ngô Nhựt Sang đã giải quyết thành công bài toán tự động hóa quá trình tra keo cho bản mạch điện tử. Báo cáo trình bày đầy đủ, nhất quán từ cơ sở lý thuyết nội suy, phương pháp tính toán động học, động lực học cơ khí cho đến thiết kế mạch điều khiển nhúng STM32 và giao diện giám sát C#. Kết quả thực nghiệm khẳng định mô hình vận hành ổn định, chính xác theo các biên dạng chuyển động được lập trình, mang lại giá trị thực tiễn và tham khảo học thuật cao trong lĩnh vực cơ điện tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1. Tính cấp thiết của đề tài 1. Mục tiêu của đề tài 1. Ý nghĩa của đề tài 1.

Ý nghĩa khoa học Tuần 1 1. Ý nghĩa thực tiễn 1. Đối tượng nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu 1. Đối tượng nghiên cứu 1.

Phương pháp nghiên cứu 1. Nội dung thực hiện 1. Kế hoạch thực hiện CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan ưu điểm của máy 2.

Hệ trục tọa độ và các quy ước 2. Các phép nội suy và điều khiển trong máy tra keo 2. Nội suy thẳng Tuần 2 + 3 2. Nội suy vòng 2.

Điều khiển điểm 2. Điều khiển đoạn thẳng 2. Điều khiển biên dạng 2. Cấu trúc tổng thể máy tra keo 2.

Phần chấp hành 2. Phần điều khiển 4 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 3. Cơ sở thiết kế cơ khí 3. Thiết kế cơ khí 3.

Thông số đầu vào 3. Tính toán chọn puly-con trượt trục X và Y 3. Tính toán chọn vít me – đai ốc trục Z Tuần 4 + 5 + 6+ 7 3. Tính toán chọn động cơ 3.

Thiết kế các bộ phận thân máy CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 4.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển 4.1 Các thành phần chính của hệ thống điều khiển Tuần 8 + 9 + 10 + 4.2 Chức năng của hệ thống điều khiển 11 4.2 Giới thiệu và lựa chọn thiết bị 4.1 Thiết bị điều khiển van bơm keo TAD-200S 4.2 Vi điều khiển STM32F103C8T6 4.3 Driver step TB6600 4.4 Mạch chuyển USB to TTL CP2102 4. Giới thiệu các phần mềm điều khiển 4.2 Phần mềm STM32CubeMX 4.3 Phần mềm Visual Studio 4.4 Sơ đồ khối và giải thuật điều khiển 4.1 Sơ đồ khối hệ thống 4. Thiết kế giao diện điều khiển 4. Giao tiếp UART 4.

Giao diện điều khiển C# 4. Lưu lượng keo phun ra và tương quan vận tốc máy 5 CHƯƠNG 5: THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 5.1 Lắp ráp hoàn thiện máy 5.1 Kết quả thi công cơ khí 5.2 Kết quả thi công tủ điện 5.2 Đánh giá kết quả Tuần 12 + 13 5.2 Tốc độ và hiệu suất 5.3 Độ ổn định và tin cậy CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN 6.1 Kết quả đạt được Tuần 14 6.2 Hạn chế của đề tài 6.3 Hướng phát triển Hoàn thiện thuyết trình Tuần 15 + 16 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1. Tổng quan ưu điểm của máy - Tính kinh tế được tối ưu. - Chất lượng chi tiết gia công ổn định, giảm thời gian kiểm tra sản phẩm.

- Làm tăng độ chính xác gia công. - Có khả năng làm việc 24/7 mà không cần nghỉ, giúp tăng năng suất và giảm thời gian sản xuất. - Không đòi hỏi sự can thiệp nhiều từ con người, giảm nhân lực và chi phí lao động. Hệ trục tọa độ và các quy ước Máy tra keo được thiết kế với trục chính hướng theo phương thẳng đứng và trùng với phương của trục OZ trong hệ tọa độ Decartes, trục này có chiều hướng dương xuống dưới.

Trục OX được quy ước là trục có chiều dài dịch chuyển lớn hơn. Chiều dương của trục OX và OY có hướng ra xa vị trí tọa độ góc (Home). Trong máy tra keo, tọa độ gốc của máy (Home) là vị trí đặc biệt mà các trục của máy di chuyển đến để thiết lập vị trí ban đầu. Khi máy được khởi động, các trục di chuyển đến điểm Home để đảm bảo rằng máy ở trong trạng thái sẵn sàng và chính xác để bắt đầu làm việc.

Việc này giúp xác định vị trí tuyệt đối của công cụ và vật liệu trong không gian làm việc. Tọa độ phôi là vị trí tuyệt đối của mặt phôi trong không gian làm việc của máy. Khi lập trình máy, người lập trình cần chỉ định tọa độ của phôi để máy biết nơi nào là điểm bắt đầu và kết thúc gia công. Các phép nội suy và điều khiển trong máy tra keo Trong quá trình gia công, đầu phun keo di chuyển đến những tọa độ, quỹ đạo mong muốn thì hệ điều khiển phải có chức năng nội suy được thực hiện bởi mạch điện tử hoặc có khả năng nội suy thông qua phần mềm hỗ trợ.

Nội suy thẳng - Định nghĩa: đầu phun keo được di chuyển từ điểm đầu tới điểm cuối hành trình theo chuỗi đoạn thẳng. - Thông số yêu cầu: tọa độ điểm đầu, tọa độ điểm cuối, tốc độ di chuyển trên mỗi trục. - Về lí thuyết nội suy đường thẳng có thể lập trình quỹ đạo cong bất kỳ, những lượng dữ liều cần xử lí rất lớn. Sử dụng nội suy cung tròn, parabol, đường xoắn làm giảm đáng kể lượng dữ liệu cần lập trình.

Nội suy vòng - Định nghĩa: dao được di chuyển từ điểm đầu tới điểm cuối hành trình theo một cung tròn bởi một câu lệnh (block) đơn giản, thay thế cho rất nhiều câu lệnh nội suy đường thẳng. - Các thông số yêu cầu: tọa độ điểm đầu, điểm cuối, tâm hoặc bán kính cung tròn, tốc độ di chuyển trên mỗi trục.1: Phép nội suy 8 1. Điều khiển điểm Loại điều khiển đơn giản này được ứng dụng trong các máy mà dụng cụ cần được định vị tại một vị trí nhất định. Các trục được điều khiển cùng lúc hay kế tiếp nhau để đầu phun chạy đến vị trí gia công.

2: ĐIều khiển điểm 1. Điều khiển đoạn thẳng Phần lớn với điều khiển đoạn thẳng người ta chỉ có thể thực hiện những chuyển động dẫn tiến song song với trục. Điều khiển đoạn thẳng được ứng dụng vào trong việc xử lý thao tác chi tiết và điều khiển các máy công cụ đơn giản. 3: Điều khiển đoạn thẳng 9 1.

Điều khiển biên dạng - Đầu phun keo có thể vận hành cùng một lúc theo 2 trục hoặc nhiều hơn với chuyển động dẫn tiến đã được lập trình. Để làm được việc này, vận tốc truyền động của từng trục phải thích ứng với nhau. 4: Điều khiển biên dạng - Điều khiển biên dạng 2D: cho phép thực hiện chuyển động theo hai trục đồng thời trong một mặt phẳng gia công. Trục thứ ba được điều khiển hoàn toàn độc lập với hai trục kia.

- Điều khiển biên dạng 2.5D: cho phép thực hiện chuyển động theo hai trục bất kỳ. - Điều khiển biên dạng 3D: cho phép thực hiện chuyển động theo ba trục đồng thời trong một mặt phẳng gia công. Các trục này có mối quan hệ ràng buộc hàm số. 5: Điều khiển biên dạng 2D, 3D.

Cấu trúc tổng thể máy tra keo 1. Phần chấp hành Phần chấp hành của máy bao gồm toàn bộ khung máy, bàn máy, các động cơ và cơ cấu truyền động. Nhiệm vụ chính của phần này là nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và tạo ra các chuyển động chính xác. - Khung máy: chịu trách nhiệm đảm bảo độ vững và ổn định cho toàn bộ máy.

Bảo vệ và giữ các thành phần khác như bàn máy, động cơ và đầu phun keo. - Bàn máy: là bề mặt làm việc cho vật liệu cần gia công. Phải đảm bảo mặt bàn phẳng, không bị nghiêng, võng. - Driver: nhận tín hiệu từ mạch điều khiển và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điều khiển động cơ.

- Động cơ bước: chịu trách nhiệm về chuyển động. - Bộ truyền động: chịu trách nhiệm chuyển động từ động cơ đến các trục, thường sử dụng bằng vít me – đai ốc. - Đầu phun keo là bộ phận trực tiếp thực hiện nhiệm vụ tra keo. Phần điều khiển Phần điều khiển bao gồm chương trình điều khiển và thiết bị điều khiển: - Chương trình điều khiển: thường là phần mềm máy tính có nhiệm vụ đọc chương trình thực hiện các biến đổi cần thiết để đưa tín hiệu điều khiển xuống mạch điều khiển, nó bao gồm cơ cấu giải mã, cơ cấu chuyển đổi, cơ cấu nội suy, cơ cấu so sánh.

- Thiết bị điều khiển: + Mạch điều khiển STM32 có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ máy tính, thực hiện các biến đổi cần thiết để điều khiển được cơ cấu chấp hành và kiểm tra sự hoạt động của cơ cấu chấp hành thông qua cảm biển (công tắc hành trình). + Thiết bị điều khiển van bơm keo TAD-200S kiểm soát lượng keo phun ra ở mức nhỏ nhất, tốc độ cao, đóng ngắt lượng chính xác, tiết kiệm, hiệu quả. 11 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ 3. Cơ sở thiết kế cơ khí Các yêu cầu về thiết kế được rút gọn lại như sau: - Máy có thể hoạt động với độ chính xác cao, độ sai lệch thấp.

- Máy dùng để tra keo mạch PCB - Bàn máy có kích thước 700x650x25 - Khung máy được làm bằng hợp kim nhôm. - Truyền động bằng vít me – đai ốc, thanh trượt tròn. Thiết kế cơ khí 3. Thông số đầu vào - Khối lượng trục X (mX): 3.5 kg - Khối lượng trục Y (mY): 2.5 kg - Khối lượng trục Z (mZ): 1 kg - Khối lượng đầu chấm keo (mLoad): 0.8 kg - Gia tốc trên trục X (aX): 2 m/s² - Gia tốc trên trục Y (aY): 1.5 m/s² - Gia tốc trên trục Z (aZ): 1 m/s² - Tốc độ trên trục X (vX): 0.1 m/s - Tốc độ trên trục Y (vY): 0.1 m/s - Tốc độ trên trục Z (vZ): 0.05 m/s - Hiệu suất hệ thống (η): 0.

Tính toán chọn puly-con trượt trục X và Y 3. Tính toán thiết kế bộ truyền đai trục X  Thông số đầu vào: - Công suất cần thiết Pdc = 0.5 kg - Khối lượng trục Y (mY): 2.5 kg - Khối lượng trục Z (mZ): 1 kg - Gia tốc trên trục X (aX): 2 m/s² - Tốc độ trên trục X (vX): 0.1 m/s - Hiệu suất hệ thống (η): 0.85  Chọn loại dây đai Dựa vào công suất, tốc độ quay trục dẫn, ta chọn loại đai có các thông số kĩ thuật sau: Loại đai Bước răng Tiết diện đai Chiều dài đai GT2 2 mm 10 mm 1260 mm Xác định các thông số các bộ truyền: Thông số puly dẫn: - Số răng: 30 răng - Đường kính ngoài: 21.5mm - Đường kính bánh răng: 18.5mm - Bề rộng đai: loại 10 mm - Bước răng 2mm - Chất liệu: nhôm - Khối lượng puly 0.08 kg 13  Tính vận tốc đai π.0675 (m/s) 60000 Trong đó : + V là vận tốc đai (m/s) + d là đường kính ngoài của pulley dẫn (mm) + n là số vòng quay động cơ (RPM))  Chọn đường kính bánh đai bị dẫn - Chọn hệ số truyền n = 1. Puly bị dẫn số răng và thông số giống puly dẫn.  Kiểm nghiệm số vòng chạy của đai: V 0.0536 (vòng/dây)  Xác định số dây đai : Với tải trọng nhỏ, chọn số dây đai là 1.