I. Thiết kế bộ điều khiển Tổng quan và mục tiêu
Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển cho máy châm keo tự động" tại HCMUTE (Trường Đại học Công nghệ TP.HCM) tập trung vào tự động hóa quá trình sản xuất, cụ thể là trong lĩnh vực hàn gắn linh kiện điện tử với công nghệ dán bề mặt SMT (Surface Mount Technology). Đề tài hướng đến việc thiết kế bộ điều khiển cho một máy châm keo tự động 3 trục, đảm bảo độ chính xác cao trong việc châm keo. Mục tiêu chính là thiết kế và chế tạo một hệ thống hoạt động tự động, từ việc cấp nguồn đến việc điều khiển các trục và giám sát quá trình châm keo. Nghiên cứu khoa học này đóng vai trò quan trọng trong việc ứng dụng công nghiệp 4.0 và tự động hóa sản xuất. Đồ án bao gồm các giai đoạn: thiết kế cơ khí, thiết kế mạch điều khiển, lập trình và thử nghiệm. Thiết kế điện tử sử dụng nền tảng Arduino, kết hợp với cảm biến và các module điều khiển động cơ.
1.1 Lý do chọn đề tài
Việt Nam đang đẩy mạnh công nghiệp hóa, hiện đại hóa. Thiết kế điện tử và tự động hóa là rất cần thiết. Công nghệ dán bề mặt SMT đang phổ biến. Tuy nhiên, việc triển khai công nghệ SMT cần vốn đầu tư lớn và thời gian dài. Đề tài này nhằm nắm bắt công nghệ, phục vụ sản xuất nhỏ và nghiên cứu, tạo tiền đề cho triển khai trong công nghiệp. Đồ án tập trung vào thiết kế một hệ thống tự động hóa cho quy trình châm keo, giảm thiểu nhân công và tăng hiệu quả sản xuất. Đây là một phần quan trọng trong giải pháp tự động hóa sản xuất hiện đại, đóng góp vào sự phát triển của công nghiệp 4.0.
1.2 Phạm vi nghiên cứu
Do hạn chế về thời gian và kinh phí, đồ án tập trung vào: thiết kế cơ khí mô hình máy châm keo 3 trục; thiết kế hệ thống điện điều khiển; thiết kế giao diện điều khiển giám sát; và lập trình điều khiển. Thiết kế hệ thống sử dụng vi điều khiển Arduino và driver điều khiển động cơ bước. Một số tính năng, như băng tải cấp board, chưa được thực hiện do những hạn chế trên. Thiết kế hệ thống này là một ví dụ điển hình của nghiên cứu khoa học ứng dụng trong môi trường công nghiệp.
II. Thiết kế cơ khí và lựa chọn linh kiện
Phần thiết kế cơ khí dựa trên mô hình máy CNC ba trục. Thiết kế này bao gồm việc lựa chọn các động cơ, bộ truyền động, và các chi tiết cơ khí khác. Thiết kế cỗ khí cần đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình châm keo. Các cơ cấu truyền động được lựa chọn cẩn thận để đảm bảo hiệu quả và độ bền. Thiết kế trên phần mềm Inventor và in 3D một số chi tiết để kiểm tra khả năng lắp ráp. Việc lựa chọn động cơ (servo motor) và các cảm biến (cảm biến quang học, cảm biến siêu âm) phù hợp là rất quan trọng để đạt được độ chính xác mong muốn trong quá trình châm keo. Thiết kế này được thực hiện dựa trên nguyên lý mơ hình hóa toán học và phân tích dữ liệu để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của máy.
2.1 Lựa chọn động cơ và bộ truyền động
Đồ án so sánh các loại động cơ, bao gồm động cơ bước và servo motor. Thiết kế lựa chọn động cơ phù hợp dựa trên tính toán moment xoắn và tốc độ cần thiết cho từng trục. Thiết kế này xem xét các yếu tố như tải trọng, tốc độ, và độ chính xác. Bộ truyền động (vitme đai ốc bi) được chọn để đảm bảo độ chính xác cao. Thiết kế cơ khí được thực hiện trên phần mềm Inventor. Quá trình thiết kế này bao gồm việc tạo mô hình 3D và kiểm tra khả năng hoạt động của máy. Đây là một phần quan trọng trong quá trình thiết kế và phát triển hệ thống tự động hóa.
2.2 Thiết kế cơ khí trên Inventor và in 3D
Thiết kế các chi tiết cơ khí được thực hiện trên phần mềm Inventor. Mô hình 3D cho phép kiểm tra khả năng lắp ráp và hoạt động của máy. Một số chi tiết được in 3D để kiểm tra thực tế. Thiết kế này đảm bảo sự phù hợp giữa các chi tiết cơ khí. Thiết kế này cũng phải đáp ứng các yêu cầu về độ bền và độ chính xác. Thiết kế cơ khí đóng vai trò quan trọng trong hiệu quả hoạt động của máy. Mô hình 3D giúp trực quan hóa và đánh giá thiết kế trước khi chế tạo thực tế. Quá trình này thể hiện tính toán kỹ lưỡng và tối ưu hóa thiết kế.
III. Thiết kế hệ thống điện và lập trình
Hệ thống điện điều khiển được thiết kế dựa trên nền tảng Arduino Mega 2560. Vi điều khiển này được chọn do khả năng xử lý dữ liệu và khả năng điều khiển nhiều ngõ vào/ra. Thiết kế bao gồm mạch điều khiển, bộ nguồn, cảm biến, và các module khác. Driver M542 và M560 được sử dụng để điều khiển động cơ bước. Thiết kế PCB được thực hiện trên phần mềm Altium. Lập trình vi điều khiển sử dụng ngôn ngữ C++. Thuật toán điều khiển được xây dựng dựa trên các nguyên lý điều khiển logic mập mờ và điều khiển PID. Phần mềm điều khiển được thiết kế để dễ sử dụng và giám sát quá trình châm keo.
3.1 Thiết kế mạch điện và lựa chọn linh kiện
Thiết kế mạch điện được thực hiện trên phần mềm Altium Designer. Việc lựa chọn các linh kiện điện tử phù hợp là rất quan trọng. Thiết kế PCB cần đảm bảo tính ổn định và độ tin cậy của hệ thống. Thiết kế này bao gồm việc bố trí các linh kiện trên mạch in và thiết kế đường dẫn tín hiệu. Arduino Mega 2560 đóng vai trò trung tâm điều khiển. Driver điều khiển động cơ bước đảm bảo sự chính xác trong việc điều khiển trục. Cảm biến cung cấp phản hồi cho hệ thống điều khiển. Thiết kế mạch điện cần đảm bảo sự an toàn và hiệu quả.
3.2 Lập trình và thuật toán điều khiển
Lập trình vi điều khiển sử dụng ngôn ngữ C++. Thuật toán điều khiển dựa trên nguyên lý điều khiển logic mờ và điều khiển PID. Phần mềm điều khiển được thiết kế với giao diện người dùng thân thiện. Lập trình bao gồm việc viết code điều khiển động cơ, xử lý tín hiệu từ cảm biến, và hiển thị thông tin trên giao diện. Thuật toán điều khiển được tối ưu hóa để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả của quá trình châm keo. Giám sát quá trình được thực hiện thông qua giao diện người dùng. Thiết kế phần mềm này là một phần quan trọng trong việc tối ưu hóa hệ thống tự động.
IV. Thực nghiệm và kết quả
Đồ án tiến hành thực nghiệm quá trình châm keo. Kết quả cho thấy máy châm keo hoạt động tự động. Độ chính xác đạt được trong phạm vi cho phép. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế, chẳng hạn như rung động nhẹ và tốc độ tương đối chậm. Kiểm tra và hiệu chỉnh hệ thống cần được thực hiện để cải thiện hiệu suất. Báo cáo kỹ thuật tóm tắt kết quả đạt được và đề xuất hướng phát triển trong tương lai. Dữ liệu thu thập được từ quá trình thử nghiệm được phân tích để đánh giá hiệu quả của hệ thống. Ứng dụng thực tế của đồ án nằm trong lĩnh vực tự động hóa sản xuất, đặc biệt là trong ngành công nghiệp điện tử.
4.1 Kết quả đạt được và đánh giá
Máy châm keo hoạt động tự động, đảm bảo độ chính xác trong phạm vi cho phép. Tuy nhiên, vẫn còn một số hạn chế cần khắc phục. Thực nghiệm cho thấy cần cải thiện về tốc độ và độ ổn định. Phân tích dữ liệu từ quá trình thử nghiệm cho thấy hiệu quả của hệ thống. Kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng trong sản xuất công nghiệp. Báo cáo kỹ thuật nêu rõ các điểm mạnh, điểm yếu, và hướng cải thiện hệ thống. Tối ưu hóa hệ thống cần được thực hiện để nâng cao hiệu quả hoạt động. Kết quả nghiên cứu cho thấy thiết kế này khả thi và có thể ứng dụng thực tế.
4.2 Hướng phát triển và ứng dụng
Đề án đề xuất các hướng phát triển để cải thiện hiệu suất hoạt động của máy. Thêm vào đó là tích hợp thêm hệ thống cấp board tự động. Nâng cấp thuật toán điều khiển để giảm rung động. Ứng dụng thực tế của đồ án rất rộng rãi trong ngành công nghiệp điện tử. Giải pháp tự động hóa này có thể được áp dụng cho nhiều loại sản phẩm khác nhau. Kết quả nghiên cứu đóng góp vào sự phát triển của công nghiệp 4.0 tại Việt Nam. Thiết kế bộ điều khiển này có thể được mở rộng và ứng dụng cho các máy móc tự động khác. Học máy có thể được áp dụng để nâng cao độ chính xác và hiệu suất.
