Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế tự động hóa sản xuất và chuyển đổi năng lượng xanh, các thiết bị cầm tay sử dụng nguồn pin sạc (đặc biệt là pin Lithium-ion) như máy khoan không dây ngày càng được ứng dụng rộng rãi nhờ tính cơ động và tiện ích cao. Tuy nhiên, quy trình chế tạo pin hàng loạt luôn tiềm ẩn nguy cơ xuất hiện các sản phẩm lỗi, không đạt tiêu chuẩn kỹ thuật hoặc không an toàn. Pin kém chất lượng có thể dẫn đến hiện tượng sụt áp nhanh, quá nhiệt, suy giảm tuổi thọ động cơ, thậm chí gây chập cháy nguy hiểm trong quá trình vận hành.

Phương pháp kiểm tra pin và máy khoan truyền thống chủ yếu dựa vào thao tác thủ công, đòi hỏi nhiều nhân công, thời gian kiểm tra kéo dài và dễ phát sinh sai số chủ quan từ người thao tác. Nhằm giải quyết các bất cập này, đề tài "Thiết kế và chế tạo máy kiểm tra máy khoan pin tự động có giám sát qua Web-server" (Mã đề tài: CDT-34) được thực hiện tại Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Minh Triết và nhóm sinh viên Phan Thị Kim Thoa, Nguyễn Ngọc Quý, Trần Thảo Hưng. Đề tài tập trung xây dựng một hệ thống máy cơ điện tử tích hợp cơ cấu chấp hành CNC 3 trục, mạch đo lường thông số điện chuyên dụng và máy chủ Web để giám sát thời gian thực.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài được xác định gồm 5 nội dung:

  1. Thiết kế và chế tạo mô hình cơ khí gọn gàng, dễ dàng vận hành và bảo trì, sửa chữa.
  2. Tính toán, lựa chọn động cơ, các chi tiết truyền động và cơ cấu chấp hành phù hợp cho máy kiểm tra máy khoan pin tự động.
  3. Thiết kế mạch điều khiển, mạch công suất và thiết kế bo mạch in (PCB) cho toàn bộ hệ thống.
  4. Xây dựng giao diện giám sát và điều khiển đơn giản, thân thiện với người dùng.
  5. Phát triển Web-server có chức năng giám sát điện áp, dòng điện, công suất tiêu thụ và điều khiển đầu khoan tự động theo các tọa độ định trước.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Động cơ bước NEMA23 (size 57); hệ điều hành thời gian thực (RTOS); lập trình hướng đối tượng (OOP); cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy khoan CNC 3 trục; vi điều khiển STM32F407VET6 (Discovery kit), kit thu phát Wifi ESP8266 NodeMCU Lua, mạch điều khiển động cơ bước Driver TB6600; thiết kế thi công mạch điện tử - mạch công suất; giải thuật điều khiển chuyển động (vị trí, vận tốc, gia tốc), thuật toán lọc số (Moving Average, EMA, Kalman) và giao thức truyền thông UART/Web-server.
  • Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống tập trung thử nghiệm và đo lường thông số trên mẫu máy khoan pin Makita (khối lượng khoảng 2,0 - 2,5 kg) sử dụng khối pin danh định 26V dung lượng 2Ah; đối tượng gia công thử nghiệm tải là phôi gỗ; thời gian thực hiện đề tài kéo dài trong 5 tháng (từ tháng 02/2024 đến tháng 07/2024).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp nền tảng lý thuyết cơ học máy công cụ CNC, kỹ thuật vi điều khiển và lý thuyết đo lường xử lý tín hiệu số:

  • Cơ sở lý thuyết:
    • Nguyên lý máy CNC 3 trục: Quy chuẩn chuyển động cắt gọt theo hệ tọa độ Descartes 3 chiều tuân thủ nguyên tắc bàn tay phải (trục Z dọc theo trục chính máy khoan, trục X và Y xác định mặt phẳng làm việc).
    • Lý thuyết cơ học và truyền động chi tiết máy: Tính toán mômen xoắn quán tính, mômen ma sát dẫn hướng, lực dọc trục vitme, kiểm nghiệm độ bền mỏi và ổn định uốn dọc của trục vitme bi, tính toán tải trọng động và tĩnh cho ổ lăn.
    • Lý thuyết đo lường và xử lý tín hiệu: Nguyên lý cảm biến dòng hiệu ứng Hall (ACS712-30A), mạch chia áp tuyến tính với khuếch đại thuật toán LM324N; các thuật toán xử lý dữ liệu ADC gồm Bộ lọc trung bình động (Moving Average Filter), Bộ lọc trung bình động lũy thừa (Exponential Moving Average - EMA) và Bộ lọc Kalman (Kalman Filter) nhằm triệt tiêu nhiễu điện áp và dòng điện.
    • Lý thuyết điều khiển chuyển động động cơ bước: Quy luật tạo xung tăng tốc/giảm tốc tuyến tính, tính toán độ trễ thời gian giữa các bước xung (step delay) để tránh hiện tượng mất bước (step loss).
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Khảo sát các tài liệu chuyên ngành về máy công cụ, máy khoan gỗ CNC, tài liệu kỹ thuật (datasheet) của các linh kiện vi điều khiển và cảm biến.
    • Phương pháp mô phỏng và tính toán: Ứng dụng công thức giải tích trong Cơ kỹ thuật và Chi tiết máy để tính chọn công suất động cơ, kiểm nghiệm trục vitme; mô phỏng 3D kết cấu cơ khí trên máy tính.
    • Phương pháp thực nghiệm: Gia công cơ khí, hàn lắp bo mạch PCB, nạp chương trình điều khiển firmware cho vi điều khiển STM32F407 và ESP8266, tiến hành đo kiểm thực tế trên phôi gỗ và đối chiếu dữ liệu đo dòng/áp của pin.
    • Phương pháp phân tích - đánh giá: So sánh kết quả làm mịn tín hiệu qua 3 bộ lọc số, đo lường sai số giữa cảm biến hệ thống và đồng hồ đo vạn năng cầm tay tiêu chuẩn.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kỹ thuật trích xuất từ tài liệu nhà sản xuất (STMicroelectronics, Espressif, Allegro Microsystems) và số liệu thu thập trực tiếp từ chuỗi phép đo thực nghiệm trên hệ thống cảm biến của máy.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phân chia thành phần cơ khí, phần cứng điện tử và phần mềm điều khiển:

1. Thiết kế cơ khí và kết cấu động học

  • Quy cách kích thước: Kích thước phủ bì khung máy là 440 x 440 x 440 mm (chưa tính động cơ nhô ra); phạm vi làm việc hữu ích (stroke) của bàn máy đạt 360 x 300 x 150 mm (X x Y x Z).
  • Vật liệu và kết cấu khung: Khung chịu lực chế tạo từ nhôm định hình 2020 kết hợp ke góc vuông và tán T M5, đem lại khối lượng nhẹ, khả năng chịu lực phù hợp và dễ dàng căn chỉnh.
  • Phương án bố trí trục: Lựa chọn phương án bàn máy di chuyển tịnh tiến theo trục X, cụm đầu máy khoan di chuyển theo 2 trục Y và Z. Cơ cấu này tối ưu độ gọn gàng, giảm quán tính cho cụm chuyển động trục Z.
  • Hệ thống dẫn hướng và truyền động: Sử dụng thanh trượt tròn kèm gối đỡ SK12 kết hợp bộ truyền vitme - đai ốc bi cho cả 3 trục (đường kính trục vitme $d = 12\text{ mm}$, bước vít $p = 4\text{ mm}$). Chiều dài vitme trục X là 450 mm, trục Y là 370 mm và trục Z là 210 mm.
Thông số cơ học Trục X Trục Y Trục Z
Khối lượng tải di chuyển ($m_t$) 1,80 kg 3,95 kg 3,50 kg
Hệ số ma sát dẫn hướng ($\mu$) 0,12 0,12 0,12
Đường kính trục vitme ($D_b$) 12 mm 12 mm 12 mm
Bước vít ($p_b$) 4 mm 4 mm 4 mm
Chiều dài trục vitme 450 mm 370 mm 210 mm
Hành trình dịch chuyển ($l$) 300 mm 360 mm 150 mm
Mômen tổng tính toán ($T_m$) 0,009 Nm 0,0202 Nm 0,01785 Nm
Công suất tính toán ($P_0$) 4,24 W 9,52 W 8,41 W
Động cơ bước lựa chọn NEMA23 (3A, 1.8Nm) NEMA23 (3A, 1.8Nm) NEMA23 (3A, 1.8Nm)

2. Thiết kế hệ thống điện và mạch in (PCB)

Hệ thống điều khiển điện tử được phân tách thành 3 khối mạch in chuyên biệt để giảm thiểu can nhiễu:

  • Khối vi điều khiển trung tâm: Kit STM32F407VET6 Discovery đảm nhiệm tính toán thuật toán điều khiển xung bước cho 3 driver TB6600, tiếp nhận tín hiệu từ 3 công tắc hành trình báo vị trí gốc (Home), thực hiện chuyển đổi tín hiệu ADC đa kênh và xử lý bộ lọc Kalman.
  • Khối đo lường và hiển thị tại chỗ: Cảm biến dòng Hall ACS712-30A đo dòng điện tiêu thụ của động cơ khoan, mạch chia điện áp phối hợp biến trở tinh chỉnh 3296W và IC khuếch đại đệm LM324N để đo dải áp pin Makita 26V. Màn hình LCD 2004 kết nối qua module mở rộng I2C PCF8574 hiển thị các thông số tức thời.
  • Khối mạch công suất và bảo vệ: Module Relay 5V 30A kích hoạt đóng/ngắt nguồn cấp cho máy khoan, được cách ly quang qua IC Opto PC817 nhằm ngăn xung điện áp ngược; hệ thống cấp nguồn gồm nguồn xung 24V-15A (360W), nguồn xung 12V-5A, kết hợp các mạch hạ áp DC-DC LM2596 (3A) và MP2482 (5V-5A).
  • Khối truyền thông: Module ESP8266 NodeMCU Lua giao tiếp nối tiếp UART với STM32F407, nhận dữ liệu trạng thái để truyền tải lên giao diện Web và nhận lệnh điều khiển từ người dùng chuyển tiếp về MCU.

3. Xây dựng giải thuật điều khiển và Web-server

  • Thuật toán điều khiển chuyển động: Xây dựng phương trình định thời xung bước rời rạc với biên dạng gia tốc/giảm tốc tuyến tính giúp các trục khởi động êm ái, đạt tốc độ khoan mong muốn và dừng chính xác tại tọa độ cài đặt mà không bị rung giật.
  • Thuật toán xử lý tín hiệu: Cài đặt bộ lọc Kalman nhằm khử nhiễu ngẫu nhiên và nhiễu sóng hài do động cơ chổi than máy khoan phát ra, giúp đường đặc tuyến điện áp và dòng điện đo được ổn định, tiệm cận giá trị thực.
  • Giao diện Web-server: Thiết kế tương thích đa nền tảng (Desktop và Mobile), bao gồm các chức năng: hiển thị biểu đồ đo điện áp (V), dòng điện (A), công suất tiêu thụ (W) và nhiệt độ cảm biến theo thời gian thực; bảng điều khiển cho phép nhập tọa độ gia công $(X, Y, Z)$ và kích hoạt chu trình khoan thử nghiệm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương mở đầu phân tích tính cấp thiết của việc tự động hóa quá trình kiểm tra pin và máy khoan cầm tay trong bối cảnh công nghiệp hiện đại. Tác giả trình bày ý nghĩa khoa học (phát triển giải thuật đo kiểm, hệ thống giám sát từ xa) và ý nghĩa thực tiễn (giảm chi phí, nâng cao an toàn lao động, phát hiện sớm pin lỗi). Chương này xác định rõ mục tiêu chế tạo máy, đối tượng nghiên cứu tập trung vào máy khoan pin Makita 26V-2Ah, phạm vi thời gian 5 tháng và bố cục tổng quan gồm 7 chương của đồ án tốt nghiệp.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương trình bày tổng quan cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy công cụ CNC 3 trục, máy khoan gỗ tự động và các cơ cấu gá đặt phôi (gá cơ khí, gá thủy lực, gá từ tính, gá chân không). Trọng tâm chương phân tích các tiêu chí kiểm tra chất lượng khối pin bao gồm: kiểm tra dải điện áp/dòng điện định mức trong điều kiện có tải và không tải, tính toán công suất tiêu thụ, và giám sát nhiệt độ cảm biến để phát hiện hiện tượng quá nhiệt. Quy trình kiểm tra tuần tự từ khâu định vị phôi, gá kẹp máy khoan, đo áp không tải, chạy tải khoan gỗ và xuất dữ liệu đồ thị được xác lập chi tiết.

Chương 3: Phương án thiết kế và bố trí chức năng của máy kiểm tra máy khoan pin tự động

Chương này đánh giá các chỉ tiêu kỹ thuật về độ bền, độ tin cậy, an toàn và tính kinh tế của mô hình. Tác giả tiến hành so sánh 3 phương án động học:

  1. Phương án 1: Bàn máy di chuyển theo trục X, Y; cụm trục chính di chuyển theo trục Z.
  2. Phương án 2: Bàn máy di chuyển theo trục X; cụm trục chính di chuyển theo trục Y, Z.
  3. Phương án 3: Bàn máy cố định; cụm trục chính di chuyển trên cả 3 trục X, Y, Z.

Phương án 2 được lựa chọn vì đảm bảo kết cấu vững chắc, kích thước gọn nhẹ ($440 \times 440 \times 440\text{ mm}$), dễ gia công và chi phí hợp lý. Đối với cơ cấu dẫn hướng, tác giả chọn thanh trượt tròn kèm gối đỡ SK12 nhằm tối ưu chi phí và thích ứng tốt với mặt phẳng lắp ráp; cơ cấu truyền động chọn vitme - đai ốc bi ($d = 12\text{ mm}, p = 4\text{ mm}$) nhờ hiệu suất truyền động đạt $90 - 95%$ và khả năng khử khe hở dọc trục vượt trội so với vitme thường và đai truyền.

Chương 4: Thiết kế kết cấu

Tập trung tính toán cơ học chi tiết cho từng trục chuyển động. Tác giả xác định tải trọng quán tính, lực ma sát của thanh dẫn hướng ($\mu = 0,12$) và lực cản không tải để tính ra mômen xoắn yêu cầu trên các trục: trục X cần $T_m = 0,009\text{ Nm}$ ($P_0 = 4,24\text{ W}$), trục Y cần $T_m = 0,0202\text{ Nm}$ ($P_0 = 9,52\text{ W}$), trục Z cần $T_m = 0,01785\text{ Nm}$ ($P_0 = 8,41\text{ W}$). Nhóm quyết định lựa chọn đồng bộ động cơ bước NEMA23 (động cơ bước 57, góc bước $1,8^\circ$, dòng $3\text{A}$, mômen xoắn giữ $1,8\text{ Nm}$, công suất $100\text{W}$). Kết quả tính toán đường kính trong yêu cầu của trục vitme bi theo điều kiện áp suất cho phép $[p] = 8\text{ MPa}$ cho thấy đường kính $d_2 \ge 0,56\text{ mm}$, hoàn toàn thỏa mãn khi chọn trục vitme thương phẩm $d = 12\text{ mm}$. Chương này cung cấp bản vẽ thiết kế cụm trục X, cụm trục Y, cụm đầu khoan trục Z và bản vẽ tổng thể khung máy nhôm định hình 2020.

Chương 5: Thiết kế hệ thống điện

Trình bày sơ đồ khối và tính toán lựa chọn linh kiện cho hệ thống điện điều khiển và động lực. Hệ thống sử dụng kit STM32F407 Discovery làm bộ xử lý trung tâm kết nối 3 driver TB6600, kit ESP8266 NodeMCU Lua kết nối mạng không dây, cảm biến ACS712-30A đo dòng, IC LM324N và biến trở VR 3296W đo áp, module LCD 2004 hiển thị qua giao tiếp I2C PCF8574, module Relay 5V 30A cách ly qua Opto PC817, nguồn xung 24V-15A và các mạch giảm áp LM2596, MP2482. Toàn bộ thiết kế nguyên lý và bố trí mạch in (layout PCB 2 lớp TOP/BOTTOM) được chia thành 3 phần rõ ràng: mạch công suất, mạch vi điều khiển và mạch giao tiếp ngoại vi.

Chương 6: Tính toán điều khiển vị trí – vận tốc – gia tốc – giảm tốc, giải thuật điều khiển và xây dựng Web-server

Chương 6 trình bày các phương trình toán học điều khiển chuyển động động cơ bước theo biên dạng hình thang, thuật toán chia tần số xung phát ra để tạo độ trễ chính xác giữa các bước. Tác giả tiến hành phân tích và thực nghiệm 3 thuật toán làm mịn tín hiệu ADC: Bộ lọc trung bình động, Bộ lọc trung bình động lũy thừa và Bộ lọc Kalman. Kết quả cho thấy bộ lọc Kalman lọc nhiễu hiệu quả nhất cho giá trị ADC điện áp (ADC_Vol) và dòng điện (ADC_Cur). Chương này cũng mô tả chi tiết lưu đồ thuật toán chương trình chính, chương trình tìm gốc tọa độ (Home), chương trình điều khiển vị trí/vận tốc, chương trình truyền nhận UART và chương trình Web-server trên ESP8266. Giao diện Web được xây dựng hoàn chỉnh với 3 trang chức năng hiển thị trên cả màn hình máy tính để bàn (Desktop) và điện thoại di động (Mobile).

Chương 7: Kết quả đạt được và hướng phát triển

Tổng kết toàn bộ kết quả chế tạo mô hình thực tế, đánh giá chất lượng cơ khí, độ ổn định mạch điện tử, hiệu quả vận hành của phần mềm và độ chính xác của các phép đo. Tác giả chỉ ra hiện tượng sụt áp và sai số đo dòng do nhiễu điện từ phát sinh từ động cơ máy khoan, đồng thời vạch ra kế hoạch phát triển nhằm nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả thực nghiệm và số liệu kỹ thuật

  • Chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng: Lắp ráp hoàn thiện máy kiểm tra máy khoan pin CNC 3 trục có kích thước $440 \times 440 \times 440\text{ mm}$, hành trình làm việc $360 \times 300 \times 150\text{ mm}$, sử dụng khung nhôm định hình 2020 và hệ dẫn hướng trục trơn SK12, truyền động vitme bi $d = 12\text{ mm}, p = 4\text{ mm}$.
  • Hệ thống điều khiển và truyền động: Vận hành chính xác 3 động cơ bước NEMA23 thông qua driver TB6600 và vi điều khiển STM32F407, thực hiện chuyển động tịnh tiến êm dịu, định vị mũi khoan chính xác đến từng tọa độ cài đặt trên phôi gỗ.
  • Mạch điện tử và thu thập dữ liệu: Thi công thành công 3 bo mạch PCB chuyên dụng (mạch vi điều khiển, mạch công suất, mạch giao tiếp ngoại vi). Cảm biến ACS712-30A cùng mạch phân áp đo lường được thông số vận hành của pin máy khoan Makita 26V-2Ah; thuật toán lọc Kalman loại bỏ thành công các xung nhiễu ngẫu nhiên từ tín hiệu ADC.
  • Hệ thống giám sát Web-server: ESP8266 truyền nhận dữ liệu UART thời gian thực với STM32, phản hồi trạng thái điện áp, dòng điện, công suất, nhiệt độ và nhận lệnh điều khiển tọa độ qua mạng không dây với giao diện Web hoạt động ổn định trên cả Desktop và Mobile.

2. Đóng góp của đề tài

  • Tự chủ hoàn toàn trong việc tính toán thiết kế cơ khí, tối ưu hóa kích thước khung máy và tự thiết kế bo mạch PCB chuyên dụng, không phụ thuộc vào các module điều khiển CNC đóng gói thương mại.
  • Kết hợp thành công kỹ thuật điều khiển máy CNC 3 trục với bài toán kiểm định chất lượng pin máy khoan cầm tay tự động hóa trong điều kiện có tải gia công thực tế.
  • Ứng dụng hiệu quả bộ lọc số Kalman trong môi trường vi điều khiển nhúng để xử lý tín hiệu cảm biến dòng/áp bị ảnh hưởng bởi tải động cơ điện một chiều.
  • Xây dựng giải pháp giám sát không dây qua Web-server nội bộ, hỗ trợ theo dõi trực quan các thông số vận hành mà không cần cài đặt phần mềm chuyên dụng phức tạp trên thiết bị đầu cuối.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế của đề tài

  • Hiện tượng nhiễu điện từ (EMI): Khi động cơ máy khoan hoạt động dưới tải, tia lửa điện chổi than và dao động từ trường gây can nhiễu vào đường mạch tín hiệu cảm biến dòng ACS712, dẫn đến sai số nhất định giữa giá trị hiển thị trên Web và kết quả đo bằng đồng hồ vạn năng tiêu chuẩn.
  • Độ cứng vững cơ khí: Việc sử dụng kết cấu nhôm định hình 2020 và trục dẫn hướng trơn tròn giúp hạ giá thành nhưng làm giảm độ cứng vững khi máy chịu tải cắt lớn; do đó mô hình hiện tại chỉ phù hợp thử nghiệm khoan trên vật liệu gỗ mềm với khối lượng máy khoan khoảng 2,0 - 2,5 kg.
  • Giản lược trong tính toán: Quá trình tính toán động học và chọn công suất động cơ bước đã bỏ qua thành phần lực cắt trực tiếp của mũi khoan và gia tốc tức thời, chỉ xét trên điều kiện chuyển động đều và lực cản ma sát.

2. Hướng nghiên cứu tiếp

  • Thiết kế hộp bảo vệ kim loại, bổ sung các lớp bọc giáp chống nhiễu (chống nhiễu EMI/RFI) cho cụm cảm biến đo lường và đường dây tín hiệu ADC.
  • Nâng cấp hệ thống dẫn hướng từ thanh trượt tròn sang thanh trượt vuông (linear guide rail) để tăng cường độ cứng vững, triệt tiêu độ rơ lắc khi khoan các vật liệu kim loại hoặc phôi cứng.
  • Phát triển thêm thuật toán tự động phân loại pin (Đạt tiêu chuẩn / Cần tái chế / Hỏng hóc) dựa trên ngưỡng dung lượng xả và đường cong đặc tính điện áp - dòng điện được lưu trữ vào cơ sở dữ liệu trên Web.

Giá trị tham khảo

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

  • Sinh viên và giảng viên ngành Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ khí: Tham khảo phương pháp tính toán động học, mômen xoắn và quy trình lựa chọn động cơ bước, vitme bi cho các mô hình máy công cụ CNC cỡ nhỏ.
  • Người phát triển hệ thống nhúng và IoT: Tham khảo cấu trúc thiết kế bo mạch PCB phân tách khối công suất/khối điều khiển, cách thức kết nối giao tiếp UART giữa STM32 và ESP8266, cũng như phương pháp lập trình Web-server giám sát thông số kỹ thuật.
  • Kỹ sư xử lý tín hiệu đo lường: Tham khảo mã nguồn và giải thuật cài đặt bộ lọc Kalman trên dòng vi điều khiển ARM Cortex-M4 (STM32F4) để làm mịn tín hiệu điện áp, dòng điện thu thập từ cảm biến công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Đề tài sử dụng những vi điều khiển nào và vai trò của từng loại trong hệ thống là gì?
Hệ thống sử dụng hai dòng vi điều khiển chính: Kit vi điều khiển STM32F407VET6 Discovery đóng vai trò trung tâm để xử lý thuật toán điều khiển chuyển động 3 trục, phát xung điều khiển driver TB6600, đọc tín hiệu công tắc hành trình, lấy mẫu tín hiệu ADC từ cảm biến và thực thi bộ lọc Kalman; module ESP8266 NodeMCU Lua đóng vai trò làm máy chủ Web-server, nhận dữ liệu đo lường từ STM32 qua giao tiếp UART để hiển thị lên giao diện Web và nhận lệnh điều khiển tọa độ từ người dùng để gửi ngược lại cho STM32.

2. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn phương án bàn máy di chuyển theo trục X và cụm trục chính di chuyển theo trục Y, Z?
Phương án này được lựa chọn vì tạo ra kết cấu máy nhỏ gọn ($440 \times 440 \times 440\text{ mm}$), chi phí gia công chế tạo thấp và dễ dàng tận dụng, củng cố trên khung mô hình sẵn có. Bố trí bàn máy chuyển động theo một trục (X) và đầu khoan chuyển động theo hai trục (Y, Z) giúp phân bố tải trọng đồng đều, đảm bảo độ cứng vững khi máy khoan hoạt động mà không làm phức tạp hóa cơ cấu gá đặt.

3. Cảm biến nào được sử dụng để đo dòng điện của máy khoan và nhóm đã dùng giải thuật gì để xử lý tín hiệu?
Hệ thống sử dụng cảm biến dòng hiệu ứng Hall ACS712-30A để đo dòng điện tiêu thụ của động cơ máy khoan. Để khử nhiễu tín hiệu ADC thu được do dao động của động cơ, nhóm đã khảo sát 3 phương pháp lọc số gồm Bộ lọc trung bình động (Moving Average Filter), Bộ lọc trung bình động lũy thừa (EMA) và quyết định ứng dụng Bộ lọc Kalman (Kalman Filter) nhằm mang lại độ chính xác và tính ổn định cao nhất cho dữ liệu đo.

4. Cơ cấu truyền động và dẫn hướng chính được sử dụng cho các trục X, Y, Z có thông số như thế nào?
Hệ thống sử dụng thanh trượt tròn kèm gối đỡ SK12 làm cơ cấu dẫn hướng và bộ truyền vitme - đai ốc bi làm cơ cấu truyền động cho cả 3 trục với đường kính trục vitme $d = 12\text{ mm}$, bước vít $p = 4\text{ mm}$. Chiều dài vitme tương ứng cho các trục là: trục X dài 450 mm (hành trình 300 mm), trục Y dài 370 mm (hành trình 360 mm) và trục Z dài 210 mm (hành trình 150 mm), được truyền động trực tiếp từ động cơ bước NEMA23 qua khớp nối mềm.

5. Nguyên nhân chính gây ra sai số khi đo dòng điện và điện áp trên hệ thống thực nghiệm là gì?
Nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ hiện tượng can nhiễu điện từ (EMI) sinh ra trong quá trình động cơ máy khoan hoạt động dưới tải. Tia lửa điện chổi than và từ trường biến thiên của động cơ đã tác động vào đường dây cảm biến và mạch ADC, gây ra sai lệch nhất định giữa kết quả tính toán trên hệ thống và số đo trên đồng hồ vạn năng thực tế.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế và chế tạo máy kiểm tra máy khoan pin tự động có giám sát qua Web-server" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu đề ra, chế tạo thành công mô hình máy CNC 3 trục thử nghiệm tải tự động cho máy khoan pin Makita 26V. Đề tài đã giải quyết trọn vẹn từ khâu tính toán kết cấu cơ khí, thiết kế thi công 3 khối mạch in PCB, lập trình điều khiển chuyển động mượt mà đến việc ứng dụng bộ lọc Kalman trong xử lý tín hiệu đo lường và phát triển Web-server giám sát thời gian thực. Mặc dù còn tồn tại hạn chế về can nhiễu điện từ và độ cứng vững khi khoan tải nặng, mô hình đã chứng minh tính khả thi cao và là nền tảng kỹ thuật giá trị cho các nghiên cứu phát triển thiết bị kiểm định tự động hóa trong tương lai.