Giới thiệu dự án

Môn thể thao tennis (quần vợt) đang có tốc độ phát triển mạnh mẽ tại Việt Nam và trên thế giới. Tuy nhiên, theo các thống kê từ Liên đoàn Quần vợt Quốc tế (ITF), rào cản lớn nhất đối với người mới tiếp cận bộ môn này là chi phí đào tạo và trang thiết bị hỗ trợ tập luyện quá đắt đỏ. Một máy bắn bóng tennis nhập khẩu tiêu chuẩn (như Lobster, Spinfire hay Spinshot) có giá dao động từ 35.000.000 VNĐ đến hơn 90.000.000 VNĐ. Điều này khiến đa số người mới chơi, sinh viên và các câu lạc bộ phong trào khó có điều kiện tiếp cận thiết bị tự động hóa để rèn luyện kỹ thuật cơ bản.

+-------------------------------------------------------------------------------+
|                      HỆ THỐNG MÁY BẮN BÓNG TENNIS TỰ ĐỘNG                     |
|                                                                               |
|  [ Bộ Cấp Bóng ] ---> [ Cụm Bắn 2 Bánh Đà ] ---> [ Cơ Cấu Pan-Tilt 2-DOF ]    |
|                             ^                             ^                   |
|                             |                             |                   |
|                      [ Động Cơ DC 775 ]           [ Động Cơ Giảm Tốc 24V ]    |
|                             ^                             ^                   |
|                             +--------------+--------------+                   |
|                                            |                                  |
|                             [ Tủ Điều Khiển PLC S7-1200 ]                     |
|                                            ^                                  |
|                                            | (Ethernet / Wi-Fi)               |
|                               [ Webserver Smartphone UI ]                     |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Đồ án tốt nghiệp ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ khí tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (Mã đề tài: CTM-102) do nhóm sinh viên thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Trương Quang Tri tập trung vào bài toán: Nghiên cứu, tính toán thiết kế, mô phỏng động lực học và chế tạo thử nghiệm mô hình máy bắn bóng tennis nội địa hóa, tích hợp điều khiển thông minh qua Webserver với giá thành tối ưu.

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể

  1. Thiết kế cơ khí chính xác: Xây dựng hoàn chỉnh mô hình 3D trên phần mềm Autodesk Inventor Professional, thiết kế cụm phóng bóng hai bánh đà ngược chiều và cơ cấu dao động 2 bậc tự do (Pan-Tilt) bên trong thân máy.
  2. Mô hình hóa và mô phỏng số: Ứng dụng mô hình vật liệu siêu đàn hồi Ogden 3rd Order trên ANSYS Workbench 19.0 (Explicit Dynamics và Static Structural) để phân tích va chạm va đập phi tuyến giữa bóng tennis tiêu chuẩn ($d = 64\text{ mm}$) và bánh đà bọc cao su NBR, xác định chính xác vận tốc đầu nòng.
  3. Phát triển hệ thống điều khiển tự động: Ứng dụng PLC Siemens S7-1200, lập trình trên TIA Portal V16/V17, tích hợp Webserver điều khiển thời gian thực qua giao diện web trên smartphone.
  4. Chế tạo và kiểm nghiệm thực nghiệm: Gia công cơ khí chính xác, lắp ráp hoàn chỉnh và tiến hành đo đạc vận tốc thực tế tại sân tennis trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, đối chiếu sai số với mô hình mô phỏng.

Phạm vi và giới hạn của đề tài

  • Đối tượng bắn: Quả bóng tennis tiêu chuẩn có đường kính ngoài $64\text{ mm}$, bề dày ruột cao su $3.5\text{ mm}$, áp suất trong $76\text{ kPa}$, khối lượng $56 - 59\text{ g}$.
  • Cơ chế cấp bóng: Cấp bóng bán tự động/thủ công ở phiên bản thử nghiệm v1.0 nhằm tinh gọn kích thước kết cấu.
  • Góc bắn: Điều chỉnh nâng hạ góc ngẩng (Tilt) và dao động quét ngang trái - phải (Pan) bằng cơ cấu thanh truyền dẫn động bởi động cơ DC giảm tốc 24V.

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Để lựa chọn nguyên lý cơ học tối ưu cho máy bắn bóng, nhóm nghiên cứu đã tiến hành đánh giá ma trận kỹ thuật giữa các giải pháp bắn bóng truyền thống:

Phương pháp Hiệu suất bắn Độ phức tạp gia công Khả năng tạo xoáy Tiếng ồn & Độ bền Đánh giá tổng thể
Cơ cấu lò xo nén Thấp ($< 8\text{ m/s}$) Thấp Không thể Tiếng ồn lớn, nhanh dão lò xo Không khả thi
Hệ thống khí nén Cao ($> 25\text{ m/s}$) Rất cao (bình khí, van solenoid) Hạn chế Ồn, cồng kềnh, chi phí cao Phức tạp cho máy di động
Cánh tay ném đòn bẩy Trung bình Trung bình Không thể Độ giật cơ học lớn, nguy hiểm Thiếu chính xác
Cán ép 2 bánh đà quay ngược chiều Rất cao ($10 - 35\text{ m/s}$) Trung bình (tiện CNC, cân bằng động) Rất tốt (vi sai tốc độ) Êm, ổn định, độ bền cao Lựa chọn tối ưu

So sánh với các sản phẩm thương mại trên thị trường

                               SO SÁNH CÁC DÒNG MÁY BẮN BÓNG
+---------------------+-------------------+---------------------+--------------------+--------------------+
| Tiêu chí so sánh    | Lobster Elite 1   | Spinfire Pro 2      | T3M Pro (Việt Nam) | Đồ án HCMUTE       |
+---------------------+-------------------+---------------------+--------------------+--------------------+
| Cơ cấu dao động     | Dao động ngoài    | Dao động trong      | Dao động trong     | Dao động trong     |
| Vận tốc bắn (max)   | 35 m/s            | 36 m/s              | 30 m/s             | 14.1 m/s (chuẩn)   |
| Bộ điều khiển       | Remote RF         | Remote / LCD        | Bo mạch riêng      | PLC S7-1200 Web UI |
| Tần suất phóng      | 2 - 10 s/quả      | 2 - 15 s/quả        | 2 - 10 s/quả       | 3 - 4 s/quả        |
| Trọng lượng thân    | 19 kg             | 24 kg               | 22 kg              | 20 kg              |
| Chi phí chế tạo     | ~38.000.000 VNĐ   | ~55.000.000 VNĐ     | ~25.000.000 VNĐ    | < 8.000.000 VNĐ    |
+---------------------+-------------------+---------------------+--------------------+--------------------+

Phân tích yêu cầu chức năng (MoSCoW Prioritization)

  • Must-have (Bắt buộc): Bắn bóng ổn định đạt vận tốc $\ge 13.5\text{ m/s}$; điều chỉnh góc bắn 2 chiều (Pan: $\pm 20^\circ$, Tilt: $15^\circ - 45^\circ$); giao diện dừng khẩn cấp an toàn; kết cấu chịu tải không biến dạng vĩnh cửu.
  • Should-have (Cần có): Tích hợp điều khiển không dây tầm xa qua sóng Wi-Fi/Webserver trên điện thoại di động; bánh xe di chuyển địa hình sân cứng.
  • Could-have (Có thể thêm): Khay cấp bóng tự động tuần hoàn 50 quả; chế độ bắn vi sai tạo bóng xoáy cúp (Topspin) và xoáy cắt (Backspin).
  • Won't-have (Tạm hoãn): Nhận diện người chơi bằng Camera AI và tự động đổi bài tập (dành cho phiên bản thương mại hóa v2.0).

Thiết kế hệ thống

Hệ thống máy bắn bóng tennis được chia thành 4 phân hệ chính: Phân hệ phóng bóng, Phân hệ định hướng 2-DOF, Phân hệ khung vỏ chịu lực và Phân hệ điện - tự động hóa.

                    SƠ ĐỒ CẤU TRÚC PHẦN CỨNG VÀ TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ
+------------------------------------------------------------------------------------+
|  [Bánh đà ABS + 3 gioăng NBR] <--- (Lắp dôi) --- [Trục chữ T Thép C45]             |
|                                                         ^                          |
|                                                         |                          |
|               [Động cơ DC 775 (24V, 100W, 8000 rpm)] ---+                          |
|                                                                                    |
|  [Khung chữ U (SS400)] <--- [Thanh truyền liên kết] <--- [Động cơ giảm tốc 40 rpm] |
|           |                                                                        |
|           +---> Gối đỡ KFL001 + Ổ bi chặn ---> Tấm đế xoay góc ngang (Pan)         |
+------------------------------------------------------------------------------------+

1. Thông số Technology Stack & Công cụ kỹ thuật

  • Phần mềm CAD/CAE: Autodesk Inventor Professional 2024 (thiết kế chi tiết, xuất bản vẽ kỹ thuật), ANSYS Workbench 19.0 (Explicit Dynamics, Static Structural, Mesh Convergence).
  • Phần mềm Toán học: Maple 2018 (tính toán phương trình chuyển động ném xiên và động năng).
  • Phần mềm Tự động hóa: Siemens TIA Portal V16/V17 (ngôn ngữ LAD, khối hàm giao tiếp Webserver).
  • Phần cứng điều khiển: CPU Siemens S7-1200 (DC/DC/DC), Relay bán dẫn SSR 24VDC, Cầu H L298N/Driver PWM công suất cao, Nguồn xung chuyển đổi Tổ ong 220VAC/24VDC-15A.

2. Thiết kế cơ khí chi tiết

  • Bánh đà (Flywheel): Gia công từ nhựa kỹ thuật ABS vô định hình ($\rho = 1040\text{ kg/m}^3$), đường kính ngoài $D_o = 100\text{ mm}$, bề rộng vành $B = 20\text{ mm}$, lỗ trục $d = 12\text{ mm}$. Bề mặt bánh đà được tiện 3 rãnh định hình để lồng 3 gioăng cao su NBR dạng tròn ($\phi = 5\text{ mm}$) nhằm nâng hệ số ma sát tiếp xúc với nỉ bóng lên $\mu = 0.62$.
  • Trục truyền động chữ T & Gối đỡ: Trục dẫn động bánh đà được chế tạo bằng thép hợp kim C45, lắp dôi với cốt động cơ DC 775 bằng máy ép thủy lực chuyên dụng, triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng trượt cốt. Đầu ngoài trục được định vị qua gối đỡ vòng bi hình thoi dòng KFL (KFL001) làm từ gang chịu va đập.
  • Cơ cấu xoay đảo hướng (Pan Oscillation): Sử dụng cơ cấu 4 khâu bản lề dạng thanh truyền tay quay nối với động cơ giảm tốc $24\text{V} - 40\text{ rpm}$. Khi động cơ quay tròn, thanh truyền kéo khung chữ U lắc qua lại trong phạm vi góc $\pm 20^\circ$. Nguyên lý này giữ máy luôn nằm trong giới hạn hình học an toàn, không bị xoắn kẹt dây điện dù PLC có sự cố tín hiệu.

Phương pháp luận phát triển (Methodology)

Dự án áp dụng quy trình phát triển Mechatronics V-Model nghiêm ngặt theo các cột mốc:

    Yêu cầu kỹ thuật -----------------------------> Kiểm nghiệm thực địa
          \                                               /
       Mô hình hóa lý thuyết (Maple) --------> Thí nghiệm đo quang học
             \                                     /
          Mô phỏng ANSYS FEA ---------> Chế tạo cơ khí & Lắp ráp tủ điện
                \                             /
                 +---> Thiết kế 3D CAD/CAM --+
  1. Giai đoạn 1 (Lý thuyết): Xác lập bài toán động học ném xiên trên Maple để xác định dải vận tốc phóng mục tiêu ($V_0 = 13.5 - 15\text{ m/s}$) ứng với cự ly sân tiêu chuẩn $20\text{ m}$.
  2. Giai đoạn 2 (Mô phỏng số): Xây dựng bài toán nén bán tĩnh (Static Structural) xác định đặc tính biến dạng của bóng cao su. Sau đó nạp vào bài toán Explicit Dynamics trên ANSYS để mô phỏng tương tác ép nhả của bánh đà ở tốc độ cao ($8000\text{ rpm}$).
  3. Giai đoạn 3 (Gia công & Tích hợp): Cắt Laser CNC thép tấm SS400 ($2\text{ mm} - 4\text{ mm}$), tiện CNC bánh đà ABS, hàn khung chịu lực, đấu nối tủ điện PLC S7-1200 theo chuẩn công nghiệp.
  4. Giai đoạn 4 (Validation): Sử dụng máy đo tốc độ vòng quay và phương pháp ném góc $90^\circ / 45^\circ$ kết hợp ghi hình camera tốc độ cao để kiểm chuẩn vận tốc thực tế.

Implementation và kết quả

Quá trình phát triển và Tính toán kỹ thuật

1. Mô hình vật liệu siêu đàn hồi Ogden (Ogden 3rd Order Model)

Cao su vỏ bóng tennis có tính chất phi tuyến hình học và phi tuyến vật liệu cực lớn. Nhóm áp dụng hàm thế năng năng lượng biến dạng đàn hồi Ogden 3 tham số để mô tả chính xác ứng suất - biến dạng:

$$W = \sum_{i=1}^{3} \frac{\mu_i}{\alpha_i} \left( \lambda_1^{\alpha_i} + \lambda_2^{\alpha_i} + \lambda_3^{\alpha_i} - 3 \right) + \sum_{i=1}^{3} \frac{1}{D_i} (J - 1)^{2i}$$

Do vật liệu cao su gần như không nén được ($J = \det(F) \approx 1$), phương trình rút gọn thành:

$$W = \sum_{i=1}^{3} \frac{\mu_i}{\alpha_i} \left( \lambda_1^{\alpha_i} + \lambda_2^{\alpha_i} + \lambda_3^{\alpha_i} - 3 \right)$$

Các thông số vật liệu thực nghiệm đưa vào ANSYS Material Engineering:

  • $\mu_1 = 1811\text{ Pa}, \quad \alpha_1 = 15.43$
  • $\mu_2 = 1.97 \times 10^6\text{ Pa}, \quad \alpha_2 = 1.648$
  • $\mu_3 = 2.109 \times 10^6\text{ Pa}, \quad \alpha_3 = 1.648$
  • Hệ số không nén được: $D_1 = 1.33 \times 10^{-9}\text{ Pa}^{-1}$
  • Khối lượng riêng chuẩn hóa: $\rho = 1400\text{ kg/m}^3$ (khối lượng bóng $m = 56\text{ g}$).
                  BIỂU ĐỒ QUAN HỆ LỰC ÉP VÀ ĐỘ BIẾN DẠNG BÓNG TENNIS
    Lực nén (N)
       400 +                                                     * (30.66 mm)
       350 +                                           * (27.35 mm)
       300 +                                 * (24.06 mm)
       250 +                       * (20.81 mm)
       200 +             * (17.33 mm)
       150 +       * (13.69 mm)
       100 +   * (9.75 mm)
        50 + * (5.17 mm)
         0 +---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---> Độ nén (mm)
           0   2.5 5.0 7.5 10  12.5 15 17.5 20 22.5 25 27.5 30 32.5

2. Tính toán động lực học và chọn công suất động cơ

Khoảng cách từ vị trí đặt máy ở cuối sân đến sân đối diện là $L = 20\text{ m}$. Bỏ qua lực cản không khí, phương trình quỹ đạo ném xiên:

$$x(t) = V_0 \cos(\theta) \cdot t$$

$$y(t) = h_1 + V_0 \sin(\theta) \cdot t - \frac{1}{2} g t^2$$

Giải hệ phương trình trên Maple 2018 tại góc $\theta = 45^\circ$, độ cao đặt máy $h_1 = 0.76\text{ m}$, ta xác định được vận tốc đầu nòng cần thiết là $V_0 \approx 14.1 - 15.0\text{ m/s}$.

  • Vận tốc góc bánh đà ($r = 0.05212\text{ m}$): $$\omega = \frac{V_0}{r} = \frac{15}{0.05212} \approx 287.8\text{ rad/s} \quad (\approx 2748\text{ rpm})$$
  • Động năng truyền cho bóng ($m = 0.056\text{ kg}$): $$E_{\text{ball}} = \frac{1}{2} m V_0^2 = \frac{1}{2} \cdot 0.056 \cdot 15^2 = 6.3\text{ J}$$
  • Công suất động cơ tức thời yêu cầu (trong chu kỳ phát lực $\Delta t = 1\text{ s}$): $$P_{\text{req}} = \frac{E_{\text{total}}}{\Delta t} = \frac{6.3 + 6.735}{1} = 13.04\text{ W}$$

Nhóm lựa chọn 02 động cơ DC 775 công suất cực đại $100\text{ W}$, điện áp $24\text{VDC}$, tốc độ không tải $8000\text{ rpm}$. Hệ số an toàn công suất đạt $S = \frac{100}{13.04} \approx 7.6$, đảm bảo động cơ duy trì vòng tua ổn định ngay cả khi bắn liên tục.

3. Lập trình điều khiển PLC và Giao diện Webserver

Chương trình điều khiển được tổ chức thành các khối hàm chức năng trong TIA Portal, liên kết với khối dữ liệu toàn cục Web_Comm [DB6] để truyền thông hai chiều với giao diện Web HTML/JavaScript nhúng.

// =========================================================================
// SCL Code Snippet: Logic điều khiển bắn bóng và chuyển đổi chế độ
// Chương trình thực thi trong chu kỳ quét OB1 của Siemens S7-1200
// =========================================================================

IF "Web_Comm".Btn_EmergencyStop THEN
    "Motor_Flywheel_Left"  := FALSE;
    "Motor_Flywheel_Right" := FALSE;
    "Motor_Oscillate_Pan"  := FALSE;
    "Motor_Feeder"         := FALSE;
    "Web_Comm".Status_Running := FALSE;
ELSIF "Web_Comm".Btn_StartSingleMode THEN
    "Motor_Flywheel_Left"  := TRUE;
    "Motor_Flywheel_Right" := TRUE;
    "Motor_Oscillate_Pan"  := FALSE; // Bắn cố định một vị trí
    "Motor_Feeder"         := "Web_Comm".Pulse_FeedTrigger;
    "Web_Comm".Status_Running := TRUE;
ELSIF "Web_Comm".Btn_StartOscillateMode THEN
    "Motor_Flywheel_Left"  := TRUE;
    "Motor_Flywheel_Right" := TRUE;
    "Motor_Oscillate_Pan"  := TRUE;  // Kích hoạt quét 2 biên trái-phải
    "Motor_Feeder"         := "Web_Comm".Pulse_FeedTrigger;
    "Web_Comm".Status_Running := TRUE;
END_IF;

Kiểm nghiệm mô phỏng và Đo đạc thực tế

1. Nghiên cứu hội tụ lưới trên ANSYS Explicit Dynamics

Quá trình bóng chui qua khe giữa hai bánh đà ($t = 0.03\text{ s}$) được chia lưới phần tử tứ diện phi tuyến (Tetrahedrons) với các kích thước phần tử giảm dần từ mặc định xuống $2.0\text{ mm}$:

Kích thước lưới phần tử Số lượng Nodes Vận tốc mô phỏng $V_x\text{ (m/s)}$ Thời gian giải bài toán Đánh giá hội tụ
Lưới mặc định 2,736 15.1002 12 phút Sai số biên lớn
Lưới 3.0 mm 5,842 13.7620 28 phút Đang hội tụ
Lưới 2.5 mm 8,910 13.6910 45 phút Đang hội tụ
Lưới 2.2 mm 12,450 13.7200 72 phút Bắt đầu ổn định
Lưới 2.0 mm 16,820 13.6055 110 phút Hội tụ hoàn toàn ($< 0.8%$) 
                 ĐỒ THỊ HỘI TỤ VẬN TỐC MÔ PHỎNG THEO KÍCH THƯỚC LƯỚI
    Vận tốc (m/s)
      15.5 +  * (Mặc định: 15.10 m/s)
      15.0 +
      14.5 +
      14.0 +
      13.5 +          * (3.0mm: 13.76)   * (2.5mm: 13.69)   * (2.2mm: 13.72)   * (2.0mm: 13.61 m/s)
      13.0 +--------------------------------------------------------------------> Lưới mịn dần
             Default           3.0mm             2.5mm             2.2mm             2.0mm

2. Thử nghiệm thực địa tại sân tennis

Nhóm tiến hành hai loạt thí nghiệm: Bắn thẳng đứng góc $90^\circ$ (tính $V_0 = \sqrt{2gh}$) và bắn xiên góc $45^\circ$ với máy đo quang học cầm tay.

Lần thử nghiệm Độ cao bay thẳng đứng $H_{\max}\text{ (m)}$ Vận tốc quy đổi $V_0\text{ (m/s)}$ Tầm xa góc bắn $45^\circ\text{ (m)}$ Vận tốc đo thực tế (m/s)
Lần 1 9.80 13.86 19.85 13.95
Lần 2 10.40 14.28 20.40 14.15
Lần 3 10.15 14.11 20.10 14.05
Lần 4 10.30 14.21 20.60 14.22
Lần 5 9.95 13.97 19.90 14.13
Giá trị TB ($\pm \sigma$) $10.12 \pm 0.24\text{ m}$ $14.09 \pm 0.17\text{ m/s}$ $20.17 \pm 0.32\text{ m}$ $14.10 \pm 0.10\text{ m/s}$

Nhận xét tương quan: Kết quả thực nghiệm vận tốc trung bình $V_{\text{exp}} = 14.10\text{ m/s}$ ($50.76\text{ km/h}$) sai lệch chỉ $3.63%$ so với kết quả mô phỏng ANSYS Explicit Dynamics ($13.61\text{ m/s}$). Điều này chứng minh tính đúng đắn và độ tin cậy tuyệt đối của mô hình phần tử hữu hạn Ogden 3 tham số.

Kết quả đạt được

+---------------------------+-----------------------+-----------------------+---------------+
| Chỉ số kỹ thuật (KPI)     | Mục tiêu đề ra        | Kết quả nghiệm thu    | Tình trạng    |
+---------------------------+-----------------------+-----------------------+---------------+
| Kích thước bao (L x W x H)| < 500 x 400 x 800 mm  | 460 x 360 x 760 mm    | Đạt chuẩn     |
| Khối lượng tổng thể       | <= 25 kg              | 20.0 kg               | Vượt chỉ tiêu |
| Vận tốc bắn ban đầu       | 13.0 - 15.0 m/s       | 14.10 m/s             | Đạt chuẩn     |
| Tần suất phóng bóng       | 15 - 20 quả/phút      | 18 quả/phút           | Đạt chuẩn     |
| Bậc tự do đảo hướng       | 2-DOF (Pan & Tilt)    | 2-DOF cơ cấu thanh    | Đạt chuẩn     |
| Giao diện điều khiển      | Điều khiển không dây  | Webserver Smartphone  | Đạt chuẩn     |
| Độ an toàn kết cấu        | Chịu kẹt bóng 400N    | Ứng suất < 120 MPa    | Rất an toàn   |
+---------------------------+-----------------------+-----------------------+---------------+

Đổi mới và đóng góp

  1. Ứng dụng thành công mô hình vật liệu Ogden 3rd Order trong thể thao cơ học: Đồ án là công trình tiên phong tại khoa Cơ khí chế tạo máy giải quyết trọn vẹn bài toán va chạm động lực học phi tuyến cao giữa bóng tennis và cặp bánh đà bọc cao su NBR bằng ANSYS Explicit Dynamics.
  2. Giải pháp truyền động bánh đà triệt tiêu hiện tượng đảo trục: Thiết kế trục chữ T lắp ghép có độ dôi kết hợp gối đỡ vòng bi KFL chịu lực hai đầu giúp cụm bánh đà quay ở tốc độ $8000\text{ rpm}$ không bị rung lắc, nâng tuổi thọ motor lên gấp 3 lần so với cơ cấu gá trục trực tiếp ngoài thị trường.
  3. Cơ cấu đảo góc bên trong (Internal Oscillation) an toàn: Ứng dụng cơ chế tay quay - thanh truyền để xoay cụm bắn bóng bên trong vỏ bảo vệ cố định. Thiết kế này vừa giúp người tập không thể đoán trước hướng bóng để rèn phản xạ, vừa loại bỏ nguy cơ va quẹt cơ khí với người dùng.
  4. Nền tảng điều khiển IoT không cần cài đặt App: Việc nhúng trực tiếp giao diện Webserver vào PLC S7-1200 cho phép mọi thiết bị (iOS, Android, Laptop) kết nối và điều khiển máy trực tiếp qua trình duyệt web mà không cần cài đặt ứng dụng từ bên thứ ba.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Đối tượng sử dụng và Kịch bản triển khai

  • Sân tập tennis & Trung tâm thể thao: Hỗ trợ huấn luyện viên dạy các bài tập lặp lại cố định điểm rơi (Drill training) giúp học viên định hình kỹ thuật Forehand/Backhand chuẩn xác.
  • Người tự tập luyện cá nhân: Cho phép người chơi tự rèn luyện thể lực và phản xạ một mình với chế độ bắn 2 vị trí góc sân xen kẽ.
  • Trường đại học & Viện nghiên cứu: Thiết bị có thể phục vụ làm mô hình trực quan trong các môn học Cơ sở thiết kế máy, Động lực học hệ nhiều vật, Thí nghiệm điều khiển tự động hóa.
                           BẢNG PHÂN TÍCH TÀI CHÍNH VÀ ROI
+------------------------------------------------------+------------------------------------+
| Hạng mục chi phí                                     | Giá trị dự toán (VNĐ)              |
+------------------------------------------------------+------------------------------------+
| 1. Vật tư cơ khí (Thép SS400, Nhựa ABS, Bulong, Ổ bi)| 1.850.000 VNĐ                      |
| 2. Động cơ DC 775 (x2) & Động cơ giảm tốc 24V (x2)   | 1.150.000 VNĐ                      |
| 3. PLC Siemens S7-1200 & Thiết bị đóng cắt Relay/SSR | 3.200.000 VNĐ                      |
| 4. Nguồn tổ ong 24V-15A, Dây dẫn, Tủ điện bảo vệ     | 850.000 VNĐ                        |
| 5. Gia công CNC, cắt Laser, Sơn tĩnh điện            | 1.450.000 VNĐ                      |
| TỔNG CHI PHÍ CHẾ TẠO NGUYÊN MẪU                      | 8.500.000 VNĐ                      |
| Giá bán thương mại ước tính (lợi nhuận 40%)          | 14.500.000 VNĐ                     |
| GIÁ THỊ TRƯỜNG MÁY NHẬP KHẨU TƯƠNG ĐƯƠNG             | 35.000.000 - 50.000.000 VNĐ        |
+------------------------------------------------------+------------------------------------+
  • Thời gian hoàn vốn (ROI): Đối với các sân tennis cho thuê máy tập với mức giá trung bình $100.000\text{ VNĐ/giờ}$, chỉ cần hoạt động $3\text{ giờ/ngày}$, chủ sân có thể thu hồi toàn bộ vốn đầu tư chế tạo chỉ sau 45 - 50 ngày vận hành.

Hạn chế và hướng phát triển

Hạn chế kỹ thuật hiện tại

  • Cơ chế cấp bóng: Vẫn dựa vào phương pháp cấp bóng bán tự động/thả tay, chưa có lồng chứa sức chứa lớn ($> 100$ quả) cho chế độ tự động hoàn toàn.
  • Biến thiên độ xoáy: Cặp bánh đà đang được điều khiển đồng tốc (bắn bóng phẳng - Flat shot), chưa lập trình kênh PWM điều khiển độc lập tốc độ từng motor để tạo bóng xoáy cúp/xoáy xoắn đa dạng.
  • Nguồn cấp: Đang sử dụng nguồn cấp trực tiếp từ lưới điện $220\text{VAC}$ qua Adapter hạ áp, chưa tích hợp pack pin Lithium-ion $24\text{V} - 20\text{Ah}$ để hoạt động dã ngoại không dây.

Lộ trình nâng cấp phiên bản v2.0

  1. Quý 4/2024: Thiết kế và in 3D phễu cấp bóng tự động xoay tròn (Rotary Hopper) dung tích 80 quả bóng.
  2. Quý 1/2025: Tích hợp 2 mạch băm xung PWM độc lập điều khiển bởi PLC để tùy chỉnh tốc độ xoay vi sai, cho phép bắn 4 kiểu bóng: Topspin, Backspin, Flat, Slice.
  3. Quý 2/2025: Tích hợp khối Pin LiFePO4 dung lượng $24\text{V} - 25\text{Ah}$ cho thời lượng tập luyện liên tục $\ge 4\text{ giờ}$ ngoài trời.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên ngành Cơ khí - Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu tham khảo thực tế về quy trình thiết kế máy từ R&D toán học, mô phỏng CAE phi tuyến tính đến gia công chế tạo thực tế.
  • Kỹ sư Tự động hóa: Cung cấp mẫu source code SCL/LAD kết nối Webserver trên PLC S7-1200 ứng dụng trong điều khiển cơ cấu chấp hành công nghiệp.
  • Cộng đồng người chơi thể thao: Tiếp cận thiết bị hỗ trợ tập luyện chất lượng cao với chi phí chỉ bằng $20 - 25%$ so với thiết bị ngoại nhập.
  • Các nhà nghiên cứu mô phỏng CAE: Tài liệu kiểm chứng thực nghiệm về độ chính xác của hàm vật liệu siêu đàn hồi Ogden trong các bài toán va đập tốc độ cao.

Câu hỏi thường gặp

1. Yêu cầu nguồn điện và điều kiện môi trường để vận hành máy là gì?

Máy sử dụng nguồn điện gia dụng $220\text{VAC} - 50\text{Hz}$ thông qua bộ nguồn biến đổi nội bộ thành $24\text{VDC}$ công suất tối thiểu $350\text{W}$. Máy được bảo vệ bởi lớp vỏ thép sơn tĩnh điện SS400, hoạt động an toàn ở nhiệt độ ngoài trời từ $15^\circ\text{C}$ đến $42^\circ\text{C}$ trên mọi mặt sân tennis tiêu chuẩn (sân cứng, sân đất nện, sân cỏ nhân tạo).

2. Nếu bóng bị kẹt giữa 2 bánh đà thì kết cấu máy có bị biến dạng hay cháy motor không?

Bài toán mô phỏng tĩnh phi tuyến trên ANSYS Static Structural ở trường hợp kẹt bóng sinh lực ép cực đại $400\text{N}$ cho thấy ứng suất Von-Mises lớn nhất trên khung đỡ chỉ đạt $112\text{ MPa}$, nhỏ hơn rất nhiều so với giới hạn chảy của thép SS400 ($210\text{ MPa}$). Ngoài ra, tủ điện PLC được tích hợp rơ-le nhiệt và cảm biến dòng quá tải; khi dòng motor vượt ngưỡng $8\text{A}$ trong $> 0.5\text{ s}$, hệ thống sẽ tự động ngắt điện toàn bộ máy.

3. Làm thế nào để điện thoại kết nối và điều khiển được máy bắn bóng?

PLC S7-1200 được kết nối với một module phát Wi-Fi mini gắn trong tủ điện. Người dùng chỉ cần dùng điện thoại quét Wi-Fi của máy, truy cập vào địa chỉ IP nội bộ (ví dụ: 192.168.0.10) bằng trình duyệt Safari/Chrome để vào bảng điều khiển Webserver với đầy đủ các nút bấm: Khởi động, Chỉnh góc nâng, Đảo biên và Dừng khẩn cấp.

4. Chi phí bảo trì và thay thế linh kiện định kỳ ra sao?

Các linh kiện chịu hao mòn chính chỉ gồm 6 gioăng cao su NBR bọc bánh đà (chi phí thay thế khoảng $30.000\text{ VNĐ/bộ}$, định kỳ sau $500\text{ giờ}$ bắn) và chổi than động cơ DC 775 (thay thế sau $1000\text{ giờ}$). Toàn bộ gối đỡ vòng bi KFL đều có vú bơm mỡ bôi trơn tiêu chuẩn.

5. Máy có khả năng nâng cấp lên chức năng bắn bóng xoáy không?

Có. Về mặt cơ khí, hai bánh đà hoàn toàn độc lập. Người dùng chỉ cần nâng cấp mạch kích Driver sang loại điều khiển kênh đôi (Dual PWM) từ PLC, lập trình điều khiển chênh lệch vận tốc góc giữa bánh trên và bánh dưới ($\omega_1 \ne \omega_2$) là có thể tạo ra các quỹ đạo bóng xoáy cực kỳ hiểm hóc.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp “Thiết kế chế tạo và thử nghiệm máy bắn bóng tennis” của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM đã giải quyết trọn vẹn chuỗi bài toán từ lý thuyết cơ học, tính toán số mô phỏng CAE phi tuyến tính đến chế tạo cơ điện tử thực tiễn. Sản phẩm nguyên mẫu đạt đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật đề ra: vận tốc bắn $14.1\text{ m/s}$, tần suất $15 - 20\text{ quả/phút}$, dao động linh hoạt 2-DOF bên trong thân máy và điều khiển thông minh qua Webserver.

Với chi phí chế tạo dưới 8.5 triệu đồng, công trình mở ra tiềm năng thương mại hóa rất lớn, mang đến cơ hội tiếp cận công nghệ thể thao tự động hóa cho đông đảo người chơi quần vợt tại Việt Nam.