Giới thiệu dự án

Trong bối cảnh công nghiệp hiện đại, công nghệ xử lý và hóa bền bề mặt đóng vai trò cốt lõi nhằm nâng cao tuổi thọ, khả năng chống ăn mòn và tính thẩm mỹ cho các chi tiết cơ khí, từ linh kiện chính xác (trục khuỷu, bánh răng) đến các sản phẩm dân dụng. Tuy nhiên, theo thống kê từ các cơ sở gia công bề mặt kim loại, công đoạn xi mạ truyền thống thải ra lượng lớn hơi axit ($H_2SO_4$, $HCl$) và các ion kim loại nặng ($Cu^{2+}$, $Ni^{2+}$, $Cr^{6+}$), tiềm ẩn nguy cơ cao gây viêm đường hô hấp, loét da và các bệnh nghề nghiệp nghiêm trọng nếu thao tác thủ công.

Tại các cơ sở đào tạo kỹ thuật, điển hình là môn học Thí nghiệm Xử lý và Hóa bền Bề mặt (Mã học phần: 151SEPR411626) thuộc chương trình chuẩn CDIO của Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, việc thực hành mạ kim loại gặp phải các điểm nghẽn (pain points) lớn:

  • Nguy cơ an toàn hóa chất: Sinh viên phải gắp phôi, nhúng và lắc mẫu thủ công trong bể dung dịch axit độc hại.
  • Sai số quy trình cao: Lớp mạ không đồng đều do tốc độ di chuyển và thời gian ngâm phụ thuộc hoàn toàn vào thao tác chủ quan của người học.
  • Quá tải thời gian thực hành: Quy trình thủ công cho một lớp 6–9 nhóm thực hiện bài mạ đồng photphat và mạ đồng sunfat chiếm tới 220 phút/buổi, trong đó thời gian chờ mạ lặp lại lên đến 105 phút.
  • Thiếu kiểm soát dữ liệu: Giảng viên khó theo dõi chính xác các thông số động (dòng điện, thời gian thực tế, điện áp) của từng nhóm để đánh giá chuẩn đầu ra.
                    HỆ THỐNG MẠ ĐIỆN BÁN TỰ ĐỘNG
+-------------------------------------------------------------------+
|  [Hộp điều khiển STM32] <---> [Cảm biến ACS712] <---> [Thẻ nhớ SD] |
|            |                                                      |
|            v                                                      |
|  [Động cơ bước + Đai răng] ---> [Cơ cấu gắp 2 phôi (Trục Y-Z)]    |
|            |                                                      |
|            v                                                      |
|  [Bể tẩy dầu] -> [Bể mạ Photphat] -> [Bể mạ Sunfat] -> [Bể rửa]   |
+-------------------------------------------------------------------+

Mục tiêu dự án

  1. Tính toán và thiết kế cơ khí: Xây dựng mô hình động học 2 trục ($Y-Z$) sử dụng cơ cấu truyền động đai răng, khung nhôm định hình chống ăn mòn hóa chất, có khả năng kẹp giữ và mạ đồng thời 02 phôi/lần.
  2. Thiết kế hệ thống điều khiển nhúng: Ứng dụng vi điều khiển 32-bit ARM Cortex-M3 STM32F103C8T6 kết hợp driver điều khiển động cơ bước, màn hình LCD 20x4 và bàn phím ma trận nhập liệu thông số.
  3. Tự động hóa chu trình đo lường & lưu trữ: Tích hợp module cảm biến dòng điện ACS712ELC-05B (ADC 12-bit) và module giao tiếp thẻ nhớ MicroSD (SPI) nhằm tự động ghi log dữ liệu dòng điện ($I$), thời gian ($t$) và mật độ dòng ($i_a$) phục vụ công tác đánh giá.
  4. Chế tạo thử nghiệm và tối ưu hóa: Triển khai vận hành thực tế bài thí nghiệm số 2 "Mạ đồng", kiểm chứng chất lượng bề mặt lớp mạ theo định luật điện phân Faraday.

Phương pháp tiếp cận & Phạm vi nghiên cứu

  • Phương pháp tiếp cận: Kết hợp giữa thiết kế cơ điện tử (Mechatronics Design Methodology) và mô hình hóa tham số trên phần mềm CAD/CAE trước khi gia công chế tạo.
  • Phạm vi ứng dụng: Mô hình phòng thí nghiệm phục vụ bài mạ đồng lên nền phôi thép tấm kích thước $0.05 - 0.1 \text{ mm}$, sử dụng dung dịch điện phân đồng sunfat ($CuSO_4\cdot 5H_2O$) và đồng photphat ($Na_2HPO_4\cdot 12H_2O$).

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Tiêu chí kỹ thuật Phương pháp thủ công tại PTN Dây chuyền công nghiệp (Shunde SamYang) Giải pháp máy mạ bán tự động STM32
Mức độ tự động 0% (Thao tác nhúng/lắc bằng tay) 100% (Tự động hoàn toàn khép kín) 80% (Bán tự động: nạp phôi $\rightarrow$ auto chạy)
An toàn hóa chất Kém (Tiếp xúc trực tiếp hơi axit) Rất cao (Hệ thống hút khí âm) Cao (Cách ly cơ học người thao tác)
Chi phí chế tạo Rất thấp (Dụng cụ đơn giản) Rất cao ($> 200.000.000\text{ VNĐ}$) Tối ưu ($< 5.000.000\text{ VNĐ}$)
Ghi nhận dữ liệu Ghi chép sổ tay, dễ sai lệch SCADA/PLC công nghiệp Tự động xuất file CSV ra thẻ MicroSD
Năng suất thí nghiệm 1 phôi / chu kỳ Hàng loạt (Lồng quay công nghiệp) 2 phôi / chu kỳ

Phân loại yêu cầu hệ thống (MoSCoW)

  • Must have (Bắt buộc): Chuyển động đa trục mượt mà giữa các bể; điều khiển thời gian mạ chính xác từng giây; ngắt dòng tự động qua relay; cơ cấu kẹp phôi dẫn điện tốt.
  • Should have (Nên có): Đo lường dòng điện mạ tức thời qua cảm biến Hall; xuất dữ liệu ra thẻ nhớ định dạng chuẩn FAT32/Excel.
  • Could have (Có thể mở rộng): Tích hợp sục khí khuấy đảo dung dịch và gia nhiệt tự động bể mạ.
  • Won't have (Chưa thực hiện): Cánh tay robot 6 bậc tự do; hệ thống xử lý nước thải tuần hoàn tự động.

Thiết kế hệ thống

+-------------------------------------------------------------------------+
|                           SƠ ĐỒ KHỐI PHẦN CỨNG                          |
|                                                                         |
|  [Nguồn Tổ Ong 12VDC/5VDC]                                             |
|        |                                                                |
|        +---> [Vi điều khiển STM32F103C8T6 (72MHz)]                      |
|                     |        |         |         |                      |
|      +--------------+        |         |         +--------------+       |
|      v                       v         v                        v       |
| [Driver Step]          [Relay 5V]   [LCD 20x4 I2C]        [MicroSD SPI] |
|      |                       |         |                        |       |
|      v                       v         v                        v       |
| [Step Motor Y-Z]       [Nguồn Mạ]   [Hiển thị trạng thái]  [Ghi Log File]|
|      |                       |                                          |
|      +---> [Cơ cấu kẹp] <----+---> [Cảm biến dòng ACS712]               |
+-------------------------------------------------------------------------+

Ngăn xếp công nghệ (Technology Stack)

  • Vi điều khiển: STMicroelectronics STM32F103C8T6 (Core ARM Cortex-M3, xung nhịp 72 MHz, 64 KB Flash, 20 KB SRAM).
  • Môi trường phát triển (IDE): Keil C MDK-ARM v5.20, nạp và debug qua chuẩn SWD với ST-Link V2.
  • Thiết kế cơ khí: SolidWorks 2016 (Mô hình hóa 3D, phân tích động học và xuất bản vẽ chi tiết).
  • Phần cứng công suất & cảm biến: Step Motor 2-phase 57BYGH, Driver động cơ bước A4988/TB6600, Cảm biến dòng Allegro ACS712ELC-05B, Module Relay Opto cách ly quang 5VDC.

Methodology

Quy trình phát triển dự án triển khai theo mô hình V-Model kết hợp triết lý CDIO trong 18 tuần:

[Tuần 1-4: Khảo sát & Tính toán] ---> [Tuần 5-8: Thiết kế 3D & Mạch STM32]
                                                   |
[Tuần 13-18: Đánh giá & Bàn giao] <--- [Tuần 9-12: Gia công & Lập trình C]
  • Đánh giá rủi ro kỹ thuật:
    • Hiện tượng trượt bước (Step loss): Khắc phục bằng cách sử dụng bộ truyền đai răng bước $T5$ kết hợp căn chỉnh gia tốc (accel/decel curve) trên firmware STM32.
    • Môi trường ăn mòn axit: Toàn bộ khung đỡ sử dụng nhôm anode hóa định hình $20\times 20\text{ mm}$, ốc vít Inox 304 và bể chứa bằng nhựa chịu hóa chất Polypropylene (PP).

Implementation và kết quả

Development process

Cơ chế điều khiển động cơ bước và tính toán tham số mạ điện tuân thủ nghiêm ngặt định luật Faraday:

$$\text{Mật độ dòng điện: } i_a = \frac{I_0}{S} \quad (\text{A/dm}^2)$$

$$\text{Chiều dày lớp mạ: } d = \frac{(G_1 - G) \cdot 10^4}{\gamma \cdot S} \quad (\mu\text{m})$$

Trong đó: $I_0$ là cường độ dòng điện (A); $S$ là diện tích mạ ($\text{dm}^2$); $G, G_1$ là khối lượng mẫu trước và sau mạ (g); $\gamma$ là trọng lượng riêng của đồng ($8.96 \text{ g/cm}^3$).

Thuật toán đo dòng điện mạ thực tế (ACS712) và điều khiển STM32 (C/CMSIS)

#include "stm32f10x.h"
#include "stm32f10x_adc.h"
#include "lcd_i2c.h"

#define VREF            3.3f      // Điện áp tham chiếu ADC STM32
#define ADC_RESOLUTION  4095.0f   // 12-bit ADC
#define ACS712_SENS     0.185f    // Độ nhạy ACS712-05B: 185mV/A
#define ACS712_OFFSET   2.500f    // Điện áp tĩnh tại 0A

float Read_Electroplating_Current(void) {
    uint32_t adc_sum = 0;
    const uint16_t SAMPLES = 64;
    
    // Đọc lấy mẫu trung bình 64 lần nhằm lọc nhiễu tần số cao
    for(uint16_t i = 0; i < SAMPLES; i++) {
        ADC_SoftwareStartConvCmd(ADC1, ENABLE);
        while(ADC_GetFlagStatus(ADC1, ADC_FLAG_EOC) == RESET);
        adc_sum += ADC_GetConversionValue(ADC1);
    }
    
    float v_out = ((float)adc_sum / SAMPLES) * (VREF / ADC_RESOLUTION);
    float current = (v_out - (ACS712_OFFSET * (VREF / 5.0f))) / ACS712_SENS;
    
    if(current < 0.0f) current = 0.0f; // Triệt tiêu offset âm do trôi nhiệt
    return current;
}

void Execute_Plating_Process(uint32_t time_seconds, float target_current) {
    GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); // Đóng Relay cấp nguồn cho bể mạ
    
    for(uint32_t t = 0; t < time_seconds; t++) {
        float i_actual = Read_Electroplating_Current();
        LCD_Print_Status(t, time_seconds, i_actual);
        SD_Log_Data(t, i_actual); // Ghi dữ liệu thời gian thực vào thẻ nhớ
        Delay_ms(1000);
    }
    
    GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0); // Ngắt Relay bảo vệ nguồn khi hoàn tất
}

          LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN CHU TRÌNH MẠ
                         [BẮT ĐẦU]
                             |
             [Nhập thời gian & mật độ dòng]
                             |
         [Trục Z hạ phôi vào Bể 1: Tẩy dầu/Rửa]
                             |
         [Trục Z nhấc lên -> Trục Y dịch chuyển]
                             |
         [Trục Z hạ phôi vào Bể 2: Mạ Photphat]
                             |
              [Bật Relay nguồn mạ lót (0.3 A/dm2)]
                             |
               [Đo dòng ACS712 & Ghi log SD]
                             |
           [Hết t1 -> Ngắt Relay -> Nhấc trục Z]
                             |
         [Trục Y di chuyển -> Bể 3: Mạ Sunfat]
                             |
              [Bật Relay nguồn mạ chính (1-2 A/dm2)]
                             |
           [Hết t2 -> Ngắt Relay -> Nhấc trục Z]
                             |
           [Chuyển Bể 4: Rửa & Sấy khô bán tự động]
                             |
                         [KẾT THÚC]

Testing và validation

Hệ thống được thử nghiệm thực tế với 06 đợt thí nghiệm tại Phòng Thí nghiệm Xử lý và Hóa bền Bề mặt (ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM):

Bộ thông số kiểm thử Mạ đồng Photphat (Tiền mạ lót) Mạ đồng Sunfat (Mạ chính) Sai số / Đánh giá
Thành phần hóa chất $CuSO_4\cdot 10H_2O$ ($135 \text{ g/l}$), $Na_2HPO_4$ ($92 \text{ g/l}$) $CuSO_4\cdot 5H_2O$ ($220 \text{ g/l}$), $H_2SO_4$ ($60 \text{ g/l}$) Đúng tỉ lệ định mức
Nhiệt độ dung dịch $30^\circ\text{C}$ (Gia nhiệt nhẹ) Nhiệt độ phòng ($25-28^\circ\text{C}$) Ổn định
Mật độ dòng ($i_a$) $0.3 - 0.5 \text{ A/dm}^2$ $1.0 - 2.0 \text{ A/dm}^2$ Cảm biến đo chuẩn $\pm 0.02\text{ A}$
Thời gian duy trì 8 phút 15 – 20 phút Chuẩn xác $100%$ theo Timer
Chất lượng lớp mạ Lớp lót mịn, bám khít bề mặt thép Màu đỏ đồng bóng, không châm kim Đạt độ bám dính cấp 1 
                       ĐỘ TUYẾN TÍNH CẢM BIẾN DÒNG
  Dòng điện thực tế (A)
    ^
5.0 |                                     * (Đo thực tế qua Fluke)
4.0 |                             *      - - (Dữ liệu từ ACS712)
3.0 |                     *
2.0 |             *
1.0 |     *
  0 +---------------------------------------------> Điện áp ADC (V)
    0    0.5     1.0     1.5     2.0     2.5

Kết quả đạt được

  • Cơ khí chính xác: Kết cấu truyền động đai răng trục $Y$ (hành trình $600\text{ mm}$) và trục $Z$ (hành trình $200\text{ mm}$) đạt độ lặp lại vị trí $\pm 0.5\text{ mm}$, đáp ứng hoàn hảo yêu cầu nhúng bể hóa chất.
  • Tiết kiệm thời gian đào tạo: Rút ngắn tổng thời gian thực hành từ 220 phút xuống còn 130 phút (giảm 40.9% thời lượng hao phí), cho phép sinh viên dành nhiều thời gian hơn để phân tích vi cấu trúc kim loại.
  • Tính toàn vẹn dữ liệu: Toàn bộ lịch sử mạ (nhóm thực hiện, dòng điện tức thời, tổng điện lượng $Q=\int I dt$) được lưu trữ tự động trên thẻ nhớ dưới định dạng .csv.

Đổi mới và đóng góp

  1. Đổi mới cơ chế nhúng mạ đa bể đồng bộ: Thay thế thao tác nhúng gắp thủ công bằng hệ trục tọa độ Decartes $Y-Z$ dẫn động đai răng độ ồn thấp, cho phép kẹp giữ cùng lúc 02 phôi giúp tăng 100% năng suất mạ trên mỗi chu kỳ vận hành.
  2. Tích hợp module giám sát dòng điện thực tế theo thời gian thực: Ứng dụng cảm biến Hall cách ly galvanic ACS712 kết hợp bộ lọc số trung bình động trên STM32, giúp kiểm soát chính xác mật độ dòng $i_a$, ngăn ngừa triệt để lỗi "cháy lớp mạ" khi dòng tăng đột biến.
  3. Số hóa quy trình thực hành học phần xử lý bề mặt: Hệ thống đầu tiên tại bộ môn tích hợp xuất dữ liệu thực nghiệm qua thẻ nhớ SD, hỗ trợ giảng viên đối chiếu sai số thực hành của người học so với lý thuyết định luật Faraday.
  4. Cải thiện môi trường an toàn lao động: Giảm thiểu 100% việc tiếp xúc trực tiếp của sinh viên với hơi axit đậm đặc và hóa chất độc hại trong suốt quá trình điện phân.

Ứng dụng thực tế và triển khai

                              LỘ TRÌNH TRIỂN KHAI
  Giai đoạn 1 (Tháng 3-4)   Giai đoạn 2 (Tháng 5-6)   Giai đoạn 3 (Tháng 7+)
       [Nghiên cứu &]           [Chế tạo phần cứng]         [Thử nghiệm PTN &]
       [Thiết kế CAD]    --->   [& Lập trình STM32]   --->  [Bàn giao module]

Khả năng nhân rộng & Hiệu quả kinh tế

  • Triển khai giảng dạy: Mô hình được tích hợp cố định vào bài thí nghiệm số 2 môn Thí nghiệm Xử lý và Hóa bền Bề mặt, phục vụ bình quân $>300$ sinh viên ngành Kỹ thuật Công nghiệp và Cơ khí Chế tạo máy hàng năm.
  • Ứng dụng công nghiệp vừa và nhỏ: Thiết bị có thể tùy biến mở rộng hành trình trục và nâng cấp bể chứa để ứng dụng tại các xưởng kim hoàn, xưởng mạ phục hồi chi tiết cơ khí nhỏ hoặc mạ mạch in PCB.
  • Phân tích chi phí - lợi ích (ROI):
    • Chi phí vật tư chế tạo: $\approx 4.800.000\text{ VNĐ}$ (Bao gồm khung nhôm, động cơ bước, board STM32, cảm biến, nguồn tổ ong).
    • So với việc đầu tư thiết bị ngoại nhập ($> 50.000.000\text{ VNĐ}$), mô hình tự chế tạo giúp tiết kiệm hơn 90% kinh phí đầu tư cơ sở vật chất ban đầu cho nhà trường.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật

  • Hệ thống hoạt động theo vòng hở (Open-loop) với động cơ bước thông thường, chưa tích hợp encoder phản hồi vị trí tuyệt đối.
  • Chưa tích hợp cảm biến đo độ pH và nhiệt độ dung dịch tự động trực tiếp bên trong bể mạ.
  • Quá trình sấy khô chi tiết sau mạ vẫn sử dụng luồng khí nóng độc lập, chưa tối ưu hóa hoàn toàn vào một chu trình duy nhất.

Hướng nâng cấp

  • Tích hợp IoT: Bổ sung vi điều khiển ESP32/Wi-Fi để đẩy dữ liệu mạ lên Web Server/Dashboard giám sát từ xa.
  • Nâng cấp điều khiển vòng kín: Sử dụng động cơ Servo hoặc Step có hồi tiếp Closed-loop để loại bỏ hoàn toàn nguy cơ trượt bước khi tải nặng.
  • Tự động hóa hoàn toàn: Bổ sung hệ thống bơm định lượng tự động bổ sung hóa chất và bù pH khi dung dịch suy giảm nồng độ.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ khí & Công nghiệp: Được thực hành trên hệ thống bán tự động chuẩn công nghiệp, loại bỏ rủi ro tiếp xúc hóa chất độc hại, dễ dàng phân tích đối chiếu dữ liệu lý thuyết và thực nghiệm.
  • Giảng viên & Cán bộ hướng dẫn: Dễ dàng kiểm soát tiến độ, đánh giá chính xác kết quả học tập của từng nhóm sinh viên thông qua log dữ liệu thẻ nhớ.
  • Kỹ sư & Nhà phát triển nhúng: Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế về việc kết hợp vi điều khiển ARM Cortex-M3 (STM32) trong các cơ cấu cơ khí điều khiển chuyển động đa trục.
  • Doanh nghiệp & Xưởng gia công nhỏ: Tiếp cận giải pháp tự động hóa quy trình mạ linh kiện quy mô nhỏ với chi phí chế tạo cực thấp nhưng hiệu năng cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu kỹ thuật phần cứng và nguồn điện để vận hành hệ thống là gì?

Hệ thống sử dụng nguồn điện lưới xoay chiều dân dụng $220\text{VAC}/50\text{Hz}$, chuyển đổi qua nguồn tổ ong $12\text{VDC} - 10\text{A}$ để cấp cho động cơ bước và hạ áp qua module LM2596/AMS1117 cấp nguồn $5\text{VDC}/3.3\text{VDC}$ cho vi điều khiển STM32F103C8T6 và các cảm biến.

2. Hệ thống chống hiện tượng trượt bước (Step loss) và sai lệch vị trí như thế nào?

Firmware trên STM32 thiết lập gia tốc khởi động mềm (S-curve profile) cho động cơ bước, kết hợp công tắc hành trình cơ học (Limit switches) tại các gốc tọa độ ($Home\text{ Position}$) của trục $Y$ và $Z$ để tự động reset vị trí sau mỗi chu kỳ nhúng bể.

3. Có thể dùng máy để mạ các kim loại khác như Niken, Crom hoặc Vàng không?

Hoàn toàn có thể. Người vận hành chỉ cần thay đổi dung dịch trong các bể chứa tương ứng và nhập lại thông số mật độ dòng điện ($i_a$), thời gian ($t$) phù hợp trên bàn phím điều khiển của máy.

4. Quy trình bảo trì cơ khí và hiệu chuẩn cảm biến định kỳ diễn ra như thế nào?

Cần tra dầu bôi trơn cho thanh trượt dẫn hướng định kỳ sau 50 giờ vận hành. Cảm biến dòng ACS712 cần được hiệu chuẩn lại điểm offset $2.5\text{V}$ trên phần mềm mỗi 6 tháng thông qua nguồn chuẩn dòng điện hoặc đồng hồ vạn năng kỹ thuật số Fluke.

5. Chi phí chế tạo thực tế và thời gian hoàn vốn (ROI) ra sao?

Chi phí linh kiện hoàn thiện mô hình ước tính khoảng $4.5 - 4.8\text{ triệu VNĐ}$. Đối với phòng thí nghiệm đào tạo, hệ thống mang lại giá trị hoàn vốn ngay lập tức thông qua việc cắt giảm $40%$ thời gian đứng lớp và đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người học.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy mạ điện bán tự động phục vụ môn học Thí nghiệm Xử lý và Hóa bền Bề mặt" đã giải quyết thành công bài toán chuyển đổi phương pháp thực hành từ thủ công sang bán tự động hóa hiện đại. Bằng việc kết hợp vững chắc giữa cơ cấu cơ khí 2 trục chính xác, vi điều khiển hiệu năng cao ARM Cortex-M3 STM32F103C8T6 và thuật toán thu thập dữ liệu dòng mạ thời gian thực, dự án không chỉ nâng cao chất lượng đào tạo kỹ thuật theo tiêu chuẩn CDIO mà còn mở ra hướng nghiên cứu ứng dụng thực tế với chi phí tối ưu cho các dây chuyền gia công bề mặt quy mô vừa và nhỏ.