Đồ án nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bàn vẽ hoa văn trên cát

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ, kết hợp với các chính sách giao thương và đổi mới của lãnh đạo, đã giúp kinh tế Việt Nam ổn định hơn Nhu cầu cải thiện chất lượng cuộc sống ngày càng tăng cao, dẫn đến sự ra đời của các sản phẩm nội thất thông minh, nhằm nâng cao chất lượng sống cho người dân.

Trong môi trường sống ngày càng nhộn nhịp, con người tìm kiếm sự tĩnh lặng để sống chậm lại và chiêm nghiệm cuộc sống Nhịp sống vội vã làm tăng khao khát về sự giản đơn và hạnh phúc, từ đó nảy sinh ý tưởng về một chiếc bàn có cơ cấu chuyển động, tạo ra những hoa văn độc đáo và kỳ lạ trên cát.

Bàn vẽ tranh hoa văn trên cát là một hình thức nghệ thuật động, nơi các thành phần tương tác và chuyển động trên cát để tạo ra những hiệu ứng hình ảnh độc đáo Hình thức nghệ thuật này không chỉ khuyến khích sự sáng tạo mà còn giúp người tham gia cảm nhận nghệ thuật và khám phá khả năng tạo hình chuyển động.

Hình 1.1 Hình ảnh về bàn vẽ hoa văn trên cát trong thực tế

Bàn vẽ hoa văn trên cát không chỉ là một món đồ nội thất, mà còn là một điểm nhấn nghệ thuật độc đáo, mang lại phong cách và thẩm mỹ cho không gian sống hoặc làm việc Sự hiện diện của nó thu hút sự chú ý và tạo nên một môi trường nội thất ấn tượng và phong phú.

Sản phẩm phục vụ đa dạng đối tượng tiêu dùng, từ giới trẻ với những vật trang trí bắt mắt giúp không gian sống thêm sinh động, đến người già tìm niềm vui tao nhã qua việc ngắm tranh cát và thưởng trà Đồng thời, sản phẩm còn hỗ trợ giới trẻ giảm bớt sự phụ thuộc vào thiết bị điện tử.

2 thoại, giúp cho họ có từ từ có thể “cai nghiện” dùng điện thoại cũng như là mạng xã hội, sống chậm lại và nhìn cuộc sống

Bàn vẽ tranh cát có thể vừa làm bàn mà cũng có thể vừa làm vật trang trí trong nhà có thể sẽ là xu hướng trong tương lai.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Bàn vẽ tranh hoa văn trên cát là một chủ đề lý tưởng để nghiên cứu và áp dụng các nguyên lý cơ học và động lực học trong thực tiễn Nó tạo cơ hội để thử nghiệm các nguyên tắc chuyển động, khám phá sự tương tác giữa các thành phần và hiểu rõ hơn về quy luật vận động của vật thể.

Hình 1.2 Hình ảnh về một tác phẩm lạ mắt trên bàn vẽ tranh cát

Công nghệ có thể được áp dụng trong nghệ thuật và thiết kế để tạo ra những tác phẩm sáng tạo, độc đáo, nâng cao trải nghiệm thị giác Nó khuyến khích sự khám phá và thử nghiệm trong việc tạo hình, mang đến các hiệu ứng động mới lạ.

Trải nghiệm tương tác mà chúng mang lại cho người dùng là sự kết hợp độc đáo giữa nghệ thuật và khoa học Điều này cho phép người xem tham gia vào quá trình tương tác với các yếu tố chuyển động, âm thanh và ánh sáng.

Bàn vẽ hoa văn trên cát khuyến khích sự khám phá và sáng tạo, giúp người sử dụng tìm hiểu và thực hiện các thử nghiệm với phương pháp, vật liệu và ý tưởng mới Qua đó, người dùng có thể tạo ra những hiệu ứng động độc đáo và hình họa tiết mới lạ trên cát, thu hút sự chú ý của người xem Sản phẩm này còn kích thích sự tò mò và khám phá về các yếu tố chuyển động và tương tác trong nghệ thuật.

Nền tảng giáo dục và học tập với bàn vẽ hoa văn trên cát đóng vai trò quan trọng trong việc giáo dục nghệ thuật, khoa học và kỹ thuật Công cụ này giúp học sinh và sinh viên nắm bắt nguyên lý vận động, sự tương tác và cách thức hoạt động của các yếu tố cơ học, từ đó nâng cao khả năng hiểu biết và sáng tạo trong học tập.

Trong bối cảnh đại dịch COVID-19 đã gây ra nhiều mất mát cho người dân Việt Nam, việc tạo ra một không gian sống đẹp và thoải mái trở nên cần thiết hơn bao giờ hết Nhiều tháng không có thu nhập và phải sống trong không gian chật hẹp đã làm giảm cảm hứng làm việc và gây chán nản cho thanh niên Giải quyết vấn đề này không chỉ giúp cải thiện tâm trạng mà còn khôi phục động lực sáng tạo trong cuộc sống.

Hình 1.3 Hình ảnh minh họa về việc con người ta bị stress giữa 4 bức tường

Cải thiện không gian sinh hoạt và làm việc không chỉ làm cho môi trường trở nên đẹp hơn mà còn kích thích sự hứng thú, giúp chúng ta tránh khỏi cảm giác chán nản Điều này trở nên đặc biệt cần thiết trong bối cảnh hiện tại, khi dịch COVID-19 đang được kiểm soát chặt chẽ hơn.

COVID 19 đã qua đi nhưng những nỗi đau, hậu quả của nó vẫn còn đó, tất cả cơ hội du lịch – nghỉ dưỡng đều bị đóng băng dẫn đến việc tìm thấ cảm giác siynh động, tận hưởng sự thoải mái, niềm vui mỗi ngày trong chính ngôi nhà của mình trở thành nhu cầu hàng đầu

Đối mặt với bốn bức tường trong nhà có thể gây ra stress, đặc biệt khi áp lực công việc gia tăng Để vượt qua cảm giác này, chúng ta cần nhiều hơn một chút hương vị thiên nhiên; một trải nghiệm tinh thần phong phú là điều cần thiết Sau những giờ làm việc căng thẳng, việc thưởng thức trà hay cà phê trong khi ngắm nhìn một bức tranh cát hoàn thiện trên bàn trang trí sẽ mang lại sự thư giãn Ý tưởng của nhóm chúng tôi là Bàn vẽ hoa văn trên cát, một giải pháp thú vị cho không gian sống.

Hình 1.4 Hình ảnh về một sản phẩm trên thị trường của hãng Sisyphus industries

Bàn cát hiện đại là phiên bản tiến hóa của bàn cát truyền thống, kết hợp giữa cát, công nghệ và cơ học để tạo ra những hiệu ứng động học và tương tác độc đáo.

Bàn vẽ hoa văn tranh cát hoạt động dựa trên nguyên lý kết hợp các thành phần cơ học và yếu tố đặc biệt, nhằm tạo ra những hình ảnh và hiệu ứng động đa dạng.

Bàn vẽ tranh cát động học kết hợp sáng tạo và kỹ thuật, mang đến trải nghiệm tương tác hấp dẫn Sản phẩm này được ứng dụng rộng rãi trong giáo dục, nghiên cứu và giải trí, giúp người dùng khám phá các hiệu ứng thú vị của cát động học.

Thị trường tiêu thụ Kinetic Table (bàn vẽ tranh động học) giai đoạn 2015 – 2021 đang thu hút sự chú ý lớn từ người tiêu dùng Sản phẩm này luôn trong tình trạng cháy hàng cả trong nước và quốc tế do số lượng hạn chế, dẫn đến giá thành cao cho mỗi sản phẩm.

Trong bối cảnh tình hình COVID-19 diễn biến phức tạp với sự xuất hiện của biến chủng mới, việc cách ly tại nhà có thể trở lại bất cứ lúc nào Nhằm nắm bắt xu hướng thị trường và giảm stress cho những người đang phải đối mặt với sự nhàm chán trong thời gian cách ly, nhóm đã quyết định chọn đề tài "Bàn vẽ tranh hoa văn trên cát" cho đồ án Cơ Điện Tử và đồ án Tốt Nghiệp lần này.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu phương án thiết kế hệ thống

Xây dựng bản vẽ 2D và 3D

Gia công mô hình cơ khí

Thiết kế và xây dựng mạch điều khiển

Thử nghiệm, đánh giá và sửa lại những sai sót trong bản thiết kế

Lập bản báo cáo đề tài

Hoàn thiện đề tài được giao

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là mô hình bàn vẽ tranh hoa văn trên cát sử dụng mạch ESP32 để giao tiếp lấy dữ liệu từ web của nhóm đã tạo và Arduino Mega 2560 để điều khiển

Do thời gian hạn chế, nhóm chỉ sử dụng vi điều khiển Arduino Mega và driver TB6600 Đề tài tập trung vào nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bàn vẽ tranh cát, điều khiển quỹ đạo hình vẽ Mục tiêu là tính toán hướng đi cho bàn vẽ để tạo ra những nét vẽ đẹp nhất.

Một chiếc bàn vẽ tranh cát đa chức năng bao gồm ba thành phần chính: cơ khí, điện và lập trình Nhóm chúng tôi sẽ nghiên cứu các thiết kế bàn hiện có trên thị trường và cải tiến chúng dựa trên nhu cầu sử dụng hàng ngày của người dùng, nhằm tạo ra một sản phẩm không chỉ để trang trí mà còn hỗ trợ nhiều công việc khác như phát nhạc và làm việc Sau khi hoàn thành bản thiết kế, chúng tôi sẽ nghiên cứu phần cơ khí và nguyên lý hoạt động của bộ truyền động và động cơ, đồng thời mô phỏng bằng phần mềm để đảm bảo độ bền và an toàn cho người sử dụng.

Trong phần điện từ, chúng tôi sẽ sử dụng mạch Arduino kết hợp với driver để tạo xung điều khiển cho động cơ bước Cuối cùng, một giao diện điều khiển sẽ được thiết kế với các nút bấm, giúp người dùng dễ dàng tương tác.

Phương pháp nghiên cứu

Cơ sở pháp luận của Bàn vẽ tranh hoa văn trên cát được xây dựng dựa trên các nguyên tắc, định luật và khái niệm cơ bản trong nghệ thuật và khoa học, tạo nên sự giao thoa giữa sáng tạo nghệ thuật và lý thuyết khoa học.

Nguyên lý động lực học của bàn vẽ tranh hoa văn trên cát dựa vào sự vận động và tương tác giữa các thành phần chuyển động Các cơ cấu và cơ chế được thiết kế nhằm tạo ra chuyển động, biến đổi hình dạng của cát, từ đó hình thành nên những hoa văn và tác phẩm nghệ thuật độc đáo.

Nguyên lý cơ học là yếu tố quan trọng trong việc tạo ra hoa văn trên cát, với các yếu tố như cân bằng, trọng lực, lực ma sát và lực đàn hồi đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo chuyển động và tương tác của các thành phần.

Bàn vẽ hoa văn trên cát đòi hỏi kiến thức và kỹ năng chuyên sâu trong thiết kế và kỹ thuật Quá trình thiết kế cơ cấu chuyển động, lựa chọn vật liệu, động cơ, bộ truyền động và các thành phần kỹ thuật khác được thực hiện một cách tỉ mỉ và khoa học.

Nghệ thuật và thẩm mỹ dựa trên các nguyên tắc nghệ thuật nhằm tạo ra hiệu ứng động hấp dẫn Mục tiêu của đề tài là hình thành các hình ảnh một cách thẩm mỹ.

Sự cân đối, màu sắc, ánh sáng và âm thanh là những yếu tố quan trọng có thể được kết hợp để tạo ra trải nghiệm tương tác và thú vị cho người xem.

Cơ sở pháp luận của việc vẽ tranh hoa văn trên cát khuyến khích sự khám phá và sáng tạo, cho phép người tham gia tìm hiểu và phát triển những ý tưởng mới Họ có thể áp dụng các phương pháp và kỹ thuật độc đáo để tạo ra những tác phẩm nghệ thuật độc đáo, mang lại trải nghiệm phong phú và thú vị.

Bàn vẽ tranh hoa văn trên cát được xây dựng dựa trên cơ sở pháp luận từ nguyên tắc cơ học, động lực học, thiết kế và nghệ thuật Sự kết hợp này tạo ra một nền tảng lý thuyết và thực hành vững chắc, giúp tạo ra các tác phẩm nghệ thuật động phong phú và độc đáo.

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

Nhóm nghiên cứu sẽ khám phá các lĩnh vực tranh hoa văn nghệ thuật và các sản phẩm liên quan hiện có trên thị trường, bao gồm bàn vẽ tranh cát và bàn vẽ hoa văn trên cát đã được sản xuất và phân phối.

Thứ 2 nhóm sẽ nghiên cứu về nguyên lý, nguyên tắc cơ, động lực học: là cơ sở để thiết kế và xây dựng cũng là phần tạo ra chuyển động chính cho bàn vẽ tranh hoa văn trên cát Ngoài ra còn nghiên cứu về sự cân bằng, trọng lực, lực ma sát, lực đàn hồi, tải trọng và các phương trình chuyển động nó sẽ giúp nhóm hiểu về cách các yếu tố này tương tác và tạo ra chuyển động trong bàn vẽ tranh hoa văn trên cát

Thứ 3 nhóm sẽ tiến hành thiết kế và mô hình hóa: Sau khi có kiến thức cơ bản về bàn vẽ tranh hoa văn trên cát và nguyên tắc cơ học nhóm sẽ tiến hành phân tích, đánh giá, lựa chọn phương án tối ưu nhất về phần cơ cấu, xem qua các mô hình bàn đẹp mắt và thiết kế mô hình 3D của cơ cấu và bàn sử dụng các công cụ, phần mềm hỗ trợ thiết kế 2D/3D như Solidworks, Inventor, Autocad và thử nghiệm các mô hình bằng vật liệu như giấy, gỗ hoặc mô hình in 3D Quá trình này sẽ giúp thấy rõ hơn các yếu tố cần được cải tiến và điều chỉnh

Thứ 4 nhóm sẽ tiến hành xây dựng và kiểm tra Sau khi hoàn thiện thiết kế ban đầu, tiến hành xây dựng bàn vẽ tranh hoa văn trên cát theo thiết kế đã được lựa chọn Quá trình xây dựng này cần sử dụng các công cụ và vật liệu kỹ thuật, bao gồm đồ điện tử, cơ cấu chuyển động, các linh kiện khác nhau và phần mềm điều khiển nếu cần thiết Sau khi hoàn thành, tiến hành kiểm tra chức năng và hiệu suất của bàn vẽ hoa văn trên cát để đảm bảo hoạt động một cách chính xác và ổn định

Thứ 5 nhóm sẽ tiến hành đánh giá và phân tích sản phẩm của nhóm Sau khi hoàn thành xây dựng và kiểm tra, tiến hành đánh giá và phân tích kết quả Đây là giai đoạn để xác định hiệu suất, khả năng tương tác và thẩm mỹ của bàn vẽ tranh hoa văn trên cát Có thể sử dụng các phương pháp như phỏng vấn, khảo sát, thí nghiệm hoặc so sánh với các tác phẩm nghệ thuật động khác để đánh giá và đo lường

Nhóm sẽ tiến hành tối ưu và cải tiến bàn vẽ tranh hoa văn trên cát dựa trên kết quả phân tích và đánh giá từ sản phẩm hiện có trên thị trường cũng như thành phẩm của các nhóm trước Các bước cải tiến này bao gồm thay đổi thiết kế, sửa đổi cơ cấu chuyển động, nâng cấp phần mềm điều khiển, thêm tính năng mới và sử dụng vật liệu mới nhằm nâng cao hiệu suất, tính thẩm mỹ và trải nghiệm tương tác.

Trong đề tài bàn vẽ tranh hoa văn trên cát, nhóm sẽ áp dụng các phương pháp nghiên cứu bao gồm: nghiên cứu và phân tích, thiết kế và mô hình hóa, xây dựng và kiểm tra, đánh giá và phân tích, tối ưu và cải tiến Những bước này sẽ góp phần hoàn thiện đề tài tốt nghiệp, tạo ra sản phẩm bàn vẽ độc đáo, hấp dẫn và có giá trị khoa học cũng như thực tiễn.

Kết cấu của Đồ án tốt nghiệp

Đồ án tiếp nghiệp với đề tài "Bàn vẽ hoa văn trên cát" bao gồm 5 chương chính Chương 2 sẽ trình bày tổng quan nghiên cứu về đề tài, trong khi chương 3 tập trung vào cơ sở lý thuyết Chương 4 sẽ đề xuất các phương hướng và giải pháp cho bàn vẽ hoa văn trên cát Tiếp theo, chương 5 sẽ giới thiệu công nghệ và tính toán thiết kế, và chương 6 sẽ thực hiện chế tạo, tiến hành thí nghiệm đánh giá, cuối cùng đưa ra kết luận.

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Giới thiệu

Nội thất thông minh đang trở thành xu hướng hiện đại trong thiết kế nội thất, kết hợp công nghệ tiên tiến với nghệ thuật trang trí Nó tạo ra không gian sống đa chức năng và tiện nghi, mang đến môi trường sống hiện đại và tương tác cho người sử dụng.

Nội thất thông minh sử dụng công nghệ để nâng cao trải nghiệm người dùng, cho phép điều khiển ánh sáng, nhiệt độ, âm thanh và các yếu tố trang trí khác một cách dễ dàng Qua các bảng điều khiển, ứng dụng di động, điều khiển giọng nói hoặc từ xa, người dùng có thể tùy chỉnh và kiểm soát mọi khía cạnh của không gian sống một cách linh hoạt và tiện lợi Điều này không chỉ làm nổi bật không gian sống mà còn mang đến sự hiện đại cho ngôi nhà.

Hình 2.1 Hình ảnh minh họa nội thất thông minh trong ngôi nhà hiện đại

Tích hợp thiết bị Internet of Things (IoT) là yếu tố quan trọng trong thiết kế nội thất thông minh Các thiết bị như đèn LED thông minh, hệ thống âm thanh không dây, bộ điều khiển màn hình cảm ứng, cảm biến, camera an ninh và hệ thống giám sát được kết nối qua mạng Internet, tạo ra một hệ sinh thái đa dạng và liên kết.

Nội thất thông minh không chỉ chú trọng vào tính tiện ích và công nghệ mà còn mang đến vẻ đẹp thẩm mỹ và phong cách hiện đại Các vật liệu và thiết kế được lựa chọn một cách tinh tế, tạo ra không gian sống vừa đẳng cấp vừa thẩm mỹ Một sản phẩm nổi bật của nội thất thông minh hiện nay là Bàn vẽ hoa văn trên cát, thể hiện sự sáng tạo và độc đáo trong thiết kế.

Bàn vẽ hoa văn trên cát đang trở thành xu hướng nội thất nổi bật nhờ tính thẩm mỹ cao và tính năng đa dụng Sản phẩm không chỉ phục vụ cho việc vẽ tranh mà còn có thể được sử dụng như bàn café hoặc vật trang trí trong nhà, giúp gia chủ thư giãn và giảm căng thẳng sau một ngày làm việc mệt mỏi Với những tiện ích thông minh, bàn vẽ hoa văn trên cát mang lại trải nghiệm giải trí và trang trí độc đáo cho không gian sống.

Hình 2.2 Hình ảnh bàn vẽ tranh hoa văn trên cát ngoài thực tế

Bàn vẽ hoa văn trên cát là một tác phẩm điêu khắc động học, nơi quả bóng di chuyển qua lớp cát mỏng, tạo ra những hình ảnh độc đáo và không trùng lặp Sản phẩm này không chỉ mang tính nghệ thuật mà còn phù hợp với mục đích trang trí nội thất Đặc biệt, bàn vẽ tranh cát có thể trở thành một nhạc cụ khi kết hợp với âm nhạc, làm tăng thêm giá trị nghệ thuật của nó.

Gần đây, bàn vẽ tranh cát trở nên khan hiếm trên thị trường do nhu cầu sử dụng và sở hữu ngày càng tăng, nhờ vào tính thẩm mỹ và lợi ích mà nó mang lại Để đáp ứng xu hướng này, nhóm chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu, thiết kế và chế tạo một sản phẩm bàn vẽ cát độc đáo, hoạt động ổn định, tích hợp những tính năng thông minh mà vẫn giữ được các yếu tố cơ bản của sản phẩm truyền thống.

Đặc tính của hệ thống

Hệ thống được thiết kế để tạo ra chuyển động đa dạng và phong phú, bao gồm các chuyển động xoay, lắc, và trượt Sự kết hợp của những chuyển động này tạo ra các họa tiết và hoa văn hấp dẫn, thu hút sự chú ý của người xem.

Hệ thống được thiết kế để đảm bảo hoạt động tin cậy và ổn định, với tất cả các cơ cấu và cơ chế bên trong được chế tạo từ vật liệu chất lượng cao Qua nhiều khâu kiểm tra nghiêm ngặt, chúng tôi cam kết mang đến sự ổn định và độ bền tối ưu cho sản phẩm.

Hệ thống này không chỉ tương tác hiệu quả với người dùng mà còn mang đến trải nghiệm thẩm mỹ độc đáo Người dùng có thể sử dụng bất kỳ hình ảnh nào để tạo ra bàn vẽ theo ý muốn của mình.

Hệ thống có khả năng hoạt động đa nền tảng và tích hợp kết nối với website, cho phép tương tác với các thiết bị như điện thoại thông minh, máy tính và bảng điều khiển bên ngoài Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc kiểm soát và tương tác với Bàn vẽ tranh hoa văn trên cát.

Hệ thống bàn vẽ tranh hoa văn trên cát nổi bật với tính độc đáo và sáng tạo, cho phép tạo ra những tác phẩm hoa văn mới lạ, gây ấn tượng mạnh mẽ với thị giác người xem Sự kết hợp giữa nghệ thuật, công nghệ và khoa học tạo nên một trải nghiệm độc đáo mà người dùng chưa từng trải qua.

Kết cấu của hệ thống

Mô hình bàn có thiết kế mặt bàn hình tròn với đường kính 1000mm và chiều cao từ 600 đến 800mm Bàn có khả năng tạo hình 2D trên lớp cát dày khoảng 2mm, nằm trên mặt khay phẳng dưới tấm kính trong suốt.

Hình 2.3 Ý tưởng mô hình 3D của sản phẩm

Hệ thống bao gồm một mặt bàn tròn bằng gỗ ép với đường kính 800mm và chiều cao từ 600-800mm, có khả năng tạo hình 2D trên lớp cát Hình ảnh hoa văn sẽ được người dùng nhìn thấy qua lớp kính ở trên Mặt bàn phía dưới tương tự được liên kết với mặt bàn trên bằng 4 chân thép, trong khi đó, mặt bàn dưới chứa cơ cấu truyền động Đầu công tác gắn nam châm sẽ hút bi sắt khi di chuyển, từ đó tạo ra các hoa văn trên cát.

Các nghiên cứu liên quan của đề tài

2.4.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Bàn vẽ hoa văn trên cát, hay còn gọi là The Kinetic Art Table, được sáng tạo lần đầu bởi Bruce Shapiro, một nghệ sĩ điều khiển chuyển động và nhà giáo dục khoa học Ông là người sáng lập Eggbot và đồng sáng lập Sisyphus Industries LLC Với 25 năm kinh nghiệm, Shapiro đã khám phá cách điều khiển chuyển động như một phương tiện nghệ thuật, sử dụng rô-bốt "Sisbot" để kéo một quả bóng thép qua lớp cát mỏng bằng nam châm.

Hình 2.4 Hình ảnh một số sản phẩm của công ty Sisyphus Industries LLC

Các dấu vết của quả bóng trên sân cát tạo nên những hoa văn quyến rũ và phức tạp, thay đổi liên tục dưới mặt bàn kính cường lực hoặc gỗ Sự kết hợp giữa lớp cát mỏng và công nghệ CNC biến những chiếc bàn bình thường thành những tác phẩm nghệ thuật độc đáo, có tính ứng dụng cao như bàn cà phê hoặc bàn làm việc.

Bàn Sisyphus, tên gọi lấy cảm hứng từ vị vua trong thần thoại Hy Lạp, là biểu tượng cho sự kiên trì và nỗ lực không ngừng Theo truyền thuyết, Sisyphus đã chống lại các vị thần và lừa dối Hades, dẫn đến việc ông bị trừng phạt phải lăn một tảng đá nặng lên đỉnh núi mãi mãi Mỗi khi gần đạt được mục tiêu, tảng đá lại lăn xuống, khiến ông phải bắt đầu lại từ đầu Sisyphus trở thành hình mẫu cho những nỗ lực vô tận và sự bền bỉ trong cuộc sống.

Việc bắt đầu lại từ đầu được coi là biểu tượng cho công việc vô nghĩa và không ngừng nghỉ, kéo dài mãi mãi Bàn Sisyphus động học điều khiển bằng máy tính đầu tiên đã được lắp đặt tại các bảo tàng ở Mỹ, Canada, Đức, Ba Lan, Úc và Thụy Sĩ Nghệ sĩ đã đưa sản phẩm sáng tạo này ra khỏi bảo tàng, mang đến cho mọi người ở nhà và văn phòng, với mong muốn nhiều người biết đến và dành thời gian, năng lượng cho tác phẩm của mình.

2.4.2 Các nghiên cứu trong nước

Hiện nay, chưa có đơn vị nào trong nước sản xuất bàn vẽ hoa văn trên cát với giá cả hợp lý và chất lượng tốt Hầu hết các sản phẩm trên thị trường đều là những sáng chế tự phát, lấy cảm hứng từ phiên bản bàn vẽ hoa văn trên cát của tác giả Bruce Shapiro.

Các tồn tại của hệ thống

Các sản phẩm bàn vẽ hoa văn trên cát hiện nay gặp phải một số vấn đề như giá thành cao và chi phí vận chuyển lớn Hầu hết các sản phẩm này đều được nhập khẩu từ nước ngoài, trong khi thị trường nội địa vẫn chưa có đơn vị sản xuất nào, dẫn đến việc khách hàng khó tiếp cận với giá cả hợp lý.

Một nhóm trước đây đã thực hiện đồ án với đề tài Bàn vẽ tranh cát nhưng gặp phải một số vấn đề như phụ thuộc vào driver xử lý chuyên dụng cho các file gcode của CNC và máy in 3D Để khắc phục những vấn đề này, nhóm đã đề xuất các hướng giải quyết cụ thể nhằm cải thiện tính độc lập và hiệu quả của hệ thống.

Nhóm sẽ áp dụng phương pháp nội suy tuyến tính để tạo ra các điểm nhỏ trên đường đi từ vị trí hiện tại đến vị trí mong muốn trong file gcode Các tọa độ X, Y sẽ được lưu vào file txt, sau đó chuyển đổi sang định dạng file Json Cuối cùng, trang web do nhóm phát triển sẽ sử dụng file Json này để tiếp tục xử lý, tất cả quy trình đều được thực hiện bằng ngôn ngữ lập trình C.

Nhóm sẽ cải tiến hệ thống bàn vẽ tranh hoa văn trên cát bằng cách phát triển tính năng xử lý ảnh Người dùng chỉ cần tải lên một hình ảnh có sẵn trên trang web của nhóm, và hệ thống sẽ tự động vẽ ra hình tương tự trên cát.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về sản phẩm Bàn vẽ hoa văn trên cát

3.1.1 Nguyên lý hoạt động của bàn vẽ hoa văn trên cát

Bàn gồm các thành phần chính sau đây:

- Mặt bàn kính và khung bàn

- Cụm điều khiển nằm ở trung tâm của bàn

- Vi mạch điều khiển và các phần cứng phụ trợ khác

Cơ cấu cơ khí bao gồm các thành phần như máy in 2D, 3D và máy CNC, với cấu trúc tương tự và hệ thống truyền động của các trục Các phương pháp truyền động phổ biến trong cơ cấu này bao gồm truyền vít me – đai ốc và truyền động đai, giúp tăng cường hiệu suất và độ chính xác trong quá trình hoạt động.

Bàn vẽ hoa văn trên cát được cấu thành từ ba khối chính: khối nguồn, khối điều khiển và khối cơ cấu chấp hành Trong đó, khối điều khiển bao gồm các thành phần quan trọng như vi điều khiển, driver, cùng với các loại công tắc hành trình và nút nhấn.

Khối chấp hành gồm các thành phần như: Động cơ bước, nút nhấn, màn hình oled…

Bàn vẽ hoa văn trên cát hoạt động nhờ bề mặt làm từ vật liệu chịu ma sát tốt, như nhựa, kết hợp với bộ cơ cấu chuyển động cơ học bên dưới Bộ cơ học này bao gồm các cơ cấu như bộ truyền vít me – đai ốc hoặc bộ truyền đai, giúp viên bi trên mặt cát di chuyển và tạo ra các hoa văn đẹp mắt Người dùng có thể dễ dàng điều chỉnh để tạo ra nhiều hình dạng và mẫu hoa văn phong phú, thú vị trên cát.

Ngôn ngữ G-code là công cụ chính để điều khiển máy CNC (Computer Numerical Control), bao gồm các lệnh và tham số giúp điều khiển chính xác động cơ và trục của máy trong quá trình gia công Dưới đây là những lệnh cơ bản của ngôn ngữ G-code.

Lệnh di chuyển: G01 - Di chuyển tuyến tính, G00 - Di chuyển nhanh, G02 - Di chuyển quay theo chiều kim đồng hồ, G03 - Di chuyển quay nghịch chiều kim đồng hồ

Lệnh điều khiển tốc độ: S - Thiết lập tốc độ trục chính, F - Thiết lập tốc độ dụng cụ cắt

Lệnh điều khiển công cụ: T - Chọn công cụ cắt, M3/M4 - Bật công tắc công cụ, M5 - Tắt công tắc công cụ

Các lệnh điều khiển G-code cơ bản bao gồm M08/M09 để bật/tắt bơm làm mát, G20/G21 để thiết lập đơn vị đo lường (inch/mm), và G90/G91 để thiết lập hệ tọa độ tuyệt đối/tương đối Mỗi lệnh G-code được viết thành dòng trong tệp tin G-code, với mỗi dòng chứa một lệnh cùng các tham số đi kèm, cho phép kiểm soát các chức năng và thiết lập khác nhau.

Hình 3.1Hình ảnh minh họa về 2 câu lệnh của gcode

Vì cơ cấu bàn vẽ hoa văn trên cát là 2 trục X, Y và chỉ cần di chuyển đơn giản nên chỉ cần các câu lệnh gcode đơn giản như G0, G1, G2, G3.

Động cơ bước

Động cơ bước (Stepper motor) là loại động cơ điện chuyển đổi tín hiệu điều khiển thành các bước chuyển động rõ ràng Khác với các động cơ khác tạo ra chuyển động liên tục, động cơ bước chỉ chuyển đổi giữa các vị trí cụ thể, gọi là "bước" Mỗi bước tương ứng với một góc quay cố định, và động cơ bước sẽ xoay một bước mỗi khi nhận được một xung tín hiệu từ nguồn điều khiển.

Hình 3.2 Hình ảnh động cơ bước

Động cơ bước bao gồm hai bộ phận chính: roto và stato Roto là phần chuyển động, chứa một hoặc nhiều nam châm với hướng từ tính cố định, được gắn trên trục của động cơ Trong khi đó, stato là phần không chuyển động, bao gồm một lõi từ với các cuộn dây dẫn điện được kết nối với nguồn điều khiển, tạo ra từ trường từ tính Bộ điều khiển bên ngoài có nhiệm vụ điều khiển hoạt động của động cơ bước.

Bộ điều khiển và động cơ phải giữ nguyên vị trí cũng như quay đến vị trí ngẫu nhiên

Động cơ bước hoạt động bằng cách nhận và xử lý các xung điện không liên tục, khi dòng điện được cấp vào các cuộn dây điều khiển, khiến phần rôto xoay một góc gọi là "bước" Những bước này tạo ra chuyển động rõ ràng và xác định, cho phép định vị chính xác trong các ứng dụng.

Mỗi bước của động cơ bước tương ứng với một góc quay cố định, thường là 1.8 độ, giúp động cơ di chuyển với độ chính xác cao và kiểm soát vị trí một cách đáng tin cậy.

Góc bước là yếu tố quan trọng trong động cơ bước, phản ánh góc quay của trục qua một xung điều khiển, được tính dựa trên cấu trúc và phương pháp điều khiển của động cơ Nhờ góc bước, động cơ có khả năng chuyển đổi tín hiệu xung thành các bước chuyển động rời rạc, giúp định vị và kiểm soát chính xác vị trí của rôto Đặc tính mở máy của động cơ, đo bằng tần số xung cực đại mà động cơ có thể khởi động mà không mất đồng bộ, là yếu tố quan trọng để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định và trơn tru, tránh tình trạng mất bước hay sai lệch vị trí ban đầu khi khởi động.

Cách điều khiển chiều quay của động cơ bước khác với động cơ truyền thống, vì nó phụ thuộc vào thứ tự xung cấp cho các cuộn dây thay vì chiều dòng điện Việc cấp xung cho các cuộn dây thường được thực hiện theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại, tùy thuộc vào thiết kế của động cơ, giúp kiểm soát hướng quay một cách linh hoạt và chính xác Động cơ bước được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng như máy CNC và máy in 3D Ưu điểm của động cơ bước bao gồm khả năng giữ vị trí chính xác, không cần hệ thống phản hồi, cấu trúc đơn giản và dễ điều khiển Động cơ bước được chia thành ba loại chính: động cơ bước biến từ trở, động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước hỗn hợp/lai.

3.2.1 Động cơ bước nam châm vĩnh cửu Động cơ bước dùng nam châm vĩnh cửu được thiết kế có roto là một nam châm có đặc tính là vĩnh cửu và stato có nhiều răng, mỗi răng có quấn các vòng dây Các cuộn dây pha được đặt có cực tính khác nhau Tạo nên điều kiện cho động cơ bước hoạt động ổn định, chính xác trong việc chuyển đổi tín hiệu điều khiển thành các bước chuyển động rõ ràng

Hình 3.3 Cấu tạo của động cơ bước điển hình

Các cuộn dây pha có cực tính khác nhau, giúp động cơ bước hoạt động ổn định và chính xác Điều này cho phép tín hiệu điều khiển được chuyển đổi thành các bước chuyển động rõ ràng.

Khi động cơ ở trạng thái ban đầu với stato và roto ở phase A, việc cấp điện cho cuộn dây B và D tạo ra các cực tính, khiến roto di chuyển đến phase B, được gọi là "phase B on" Sau khi ngắt điện cuộn dây B và D, việc cấp điện cho cuộn dây A và B sẽ làm cho roto tiếp tục di chuyển đến phase C, hay còn gọi là "phase C on" Quá trình kích hoạt các cuộn dây pha khác nhau này tạo ra các bước chuyển động liên tục, giúp động cơ bước hoạt động hiệu quả và tin cậy.

Hình 3.4Nguyên lý hoạt động động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Công thức tính góc bước của động cơ được xác định dựa trên số răng trên statoZs, và góc bước của động cơ Sđc:

3.2.2 Động cơ bước biến từ trở Động cơ bước có thiết kế biến từ trở có cấu tạo tương đồng với động cơ bước nam châm vĩnh cửu Góc bước của stato được ký hiệu là Ss và quan trọng trong quá trình hoạt động của động cơ Stato của động cơ bước biến từ trở cũng được thiết kế với các cuộn pha đối xứng nhau, tuy nhiên, cực tính của các cuộn dây pha đối xứng trong động cơ này không giống như động cơ bước nam châm vĩnh cửu

Roto của động cơ được làm từ thép không từ tính, giúp tăng khả năng dẫn từ Khi động cơ mất điện, roto vẫn có thể quay tự do trong một thời gian trước khi dừng hẳn Tính năng này đảm bảo an toàn và ổn định cho động cơ bước biến từ trong các tình huống mất điện.

Nguyên lý hoạt động được mô tả như sau:

Hình 3.5Nguyên lý hoạt động của động cơ bước biến từ trở

Khi động cơ được cấp điện cho pha A, các cuộn dây pha A được bố trí đối xứng với các cực tính nam và bắc, tạo thành các vòng từ đối xứng Khi cấp điện cho pha B, động cơ tiếp tục hoạt động theo nguyên tắc tương tự, với roto ở vị trí tương ứng.

Trong quá trình hoạt động, từ trở tạo ra lực momen tác động lên trục roto, khiến roto quay theo chiều từ trở suy giảm Roto tiếp tục quay cho đến khi từ trở đạt giá trị tối thiểu, tại thời điểm đó lực momen trở thành không và trục động cơ dừng lại, roto đạt vị trí cân bằng mới Quá trình này lặp lại, giúp động cơ duy trì chuyển động liên tục theo thứ tự pha A.

Để làm cho động cơ quay ngược chiều, chỉ cần cấp điện cho các cuộn pha theo thứ tự ngược lại Đối với động cơ có Np pha, ổ răng Zr trên roto và góc bước S, có thể tính toán công thức tương ứng để kiểm soát quá trình quay và định vị chính xác.

3.2.3 Động cơ bước hỗn hợp

Động cơ bước hỗn hợp, hay còn gọi là động cơ bước lai, kết hợp các đặc điểm cấu trúc của động cơ bước biến từ và động cơ bước nam châm vĩnh cửu Sự kết hợp này mang lại cho động cơ những ưu điểm và tính năng vượt trội, giúp cải thiện hiệu suất và độ chính xác trong các ứng dụng yêu cầu cao.

Tổng quan các hệ chuyển động

Nhìn chung, bài toán đặt ra là điều khiển hệ chuyển động trên một mặt phẳng, phổ biến có thể nhắc đến

Hình 3.9 Hình ảnh các hệ chuyển động phổ biến 3.3.1 Hệ Cartesian

Hệ Đề-các, hay còn gọi là hệ tọa độ cơ bản trong toán học, cho phép xác định vị trí của một điểm trên mặt phẳng thông qua cặp số tọa độ (x, y) Hệ tọa độ này rất phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp, đặc biệt là trong các máy CNC Không gian hoạt động của hệ Đề-các được hình thành dưới dạng một hình chữ nhật, với diện tích được tính bằng tích của hai giá trị x và y.

Hệ Cartesian có những ưu điểm như:

Việc sử dụng hệ trục tọa độ đề-cát giúp người dùng dễ dàng hiểu và lập trình, từ đó thuận tiện trong việc định vị và điều khiển chuyển động trên các trục.

-Thường có cấu trúc ổn định và đơn giản, cho phép chuyển động chính xác trên các trục x, y và z

-Dễ dàng trong việc sửa chữa

-Bị giới hạn về không gian làm việc vì chỉ giới hạn trong một khung hình hộp

-Các chuyển động xoay không đều

Hình 3.10 Hình ảnh cơ cấu minh họa cho hệ cartesian 3.3.2 Hệ Polar

Hệ chuyển động Polar, hay còn gọi là hệ Cực, là một hệ tọa độ hai chiều Trong hệ này, mỗi điểm trên mặt phẳng được xác định bởi khoảng cách đến một điểm gốc (R) và góc đo từ một hướng gốc đã được định nghĩa trước (O).

Không gian hoạt động được định nghĩa là một hình tròn với bán kính R, giúp người điều khiển bàn vẽ tranh cát dễ dàng tính toán tọa độ của viên bi Hệ tọa độ Polar mang lại nhiều ưu điểm, bao gồm việc đơn giản hóa quá trình xác định vị trí và cải thiện độ chính xác trong việc điều khiển.

Cho phép chuyển động xoay một cách linh hoạt và tự nhiên, phù hợp cho các máy phay xoay, máy in 3D

Các trục có thể chuyển động với phạm vi làm việc 360 0 Độ chính xác và đáp ứng nhanh

Còn các nhược điểm như:

Hệ chuyển động Polar có cấu trúc không gian phức tạp nên đòi hỏi một cấu trúc lập trình phức tạp

Hạn chế trong việc chuyển động tuyến tính

Hệ SCADA (Selective Compliance Assembly Robot Arm) là một cánh tay robot 2 trục, hoạt động dựa trên phương trình động học thuận Hệ thống này có ưu điểm là nhỏ gọn nhưng vẫn cung cấp không gian hoạt động rộng rãi.

Nhược điểm: việc tính toán vị trí X, Y đòi hỏi sự kiểm soát tốt bài toán động học nghịch

Dựa trên những ưu nhược điểm của các hệ thống đã nêu, cần thiết phải phát triển một hệ thống vừa đơn giản, nhỏ gọn về kết cấu cơ khí, vừa thuận tiện trong việc tính toán và xác định tọa độ của đầu viên bi.

Truyền động vít me-đai ốc

Bộ truyền vít me - đai ốc là cơ cấu chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, được phân thành hai loại chính: vít me - đai ốc trượt và vít me - đai ốc bi.

3.4.1 Cơ cấu vít me - đai ốc trượt

❖ Vít me đai ốc trượt

Vít me đai ốc trượt là cơ cấu truyền động quan trọng cho chuyển động trượt tuyến tính, bao gồm hai bộ phận chính: trục vít me và đai ốc trượt Trục vít me được thiết kế với các rãnh xoắn trên bề mặt ngoài, trong khi đai ốc có bề mặt trong tương thích với các rãnh xoắn này, tạo nên sự kết hợp hoàn hảo cho hiệu suất truyền động.

Hình 3.11 Hình ảnh vít me đai ốc

Bộ truyền này có những ưu điểm sau:

Tỷ số truyền lớn, độ chính xác truyền động cao

Truyền động êm ái, có khả năng tự hãm cao

Khả năng chịu tải tốt, tính đồng nhất và độ bền cao

Truyền động nhanh dựa trên vít me có bước ren và số vòng quay lớn

Do là chuyển động trượt nên còn có các nhược điểm như

Để duy trì hiệu quả và tuổi thọ của cơ cấu, việc bảo dưỡng định kỳ là rất cần thiết, vì lực ma sát tạo ra có thể lớn hơn so với khi sử dụng vít me quay.

❖ Kết cấu của vít me đai ốc trượt:

Trục vít me thường được chế tạo với 2 kiểu ren chủ yếu

Ren thang góc 300 độ có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm quy trình gia công đơn giản Khi kết hợp với đai ốc bổ đôi, việc thao tác đóng mở ren trở nên linh hoạt hơn.

Ren vuông là thành phần quan trọng trong các máy cắt ren chính xác và máy tiện hớt lưng Để tăng tuổi thọ và hiệu suất, vít me cần được thiết kế với hai cổ trục giống nhau, cho phép người dùng có thể lắp đảo ngược vít me sau một thời gian sử dụng, giúp bề mặt làm việc bị mòn đều ở cả hai bên.

❖ Ổ đỡ vít me: Ổ đỡ vít me có chức năng đảm bảo chuyển động với độ đảo hướng trục, hướng kính nhỏ

Có 1 số dạng ổ đỡ vít me sau Ổ đỡ trục dài (Thrust bearing): Sử dụng với trường hợp lực tác động dọc trục của vít me Ổ đỡ trục ngang (Radial bearing): Sử dụng với trường hợp lực tác động vuông góc với trục vít me Ổ đỡ xiên (Angular contact bearing): Sử dụng với trường hợp yêu cầu chịu lực tác động xiên lên vít me Ổ đỡ trục côn (Tapered roller bearing): Sử dụng với trường hợp yêu cầu chịu tải nặng và chịu lực tác động lớn

Hình 3.12 Hình ảnh gối đỡ vít me

Đai ốc vít me là một thành phần thường được sử dụng trong các cơ cấu vít me - đai ốc với yêu cầu làm việc thấp và không cần độ chính xác cao, cho phép có độ hở giữa các ren Điều này giúp đơn giản hóa quy trình sử dụng và giảm chi phí sản xuất Đai ốc liền có ưu điểm về tính đơn giản, giá thành thấp và khả năng tự hãm, trở thành lựa chọn phổ biến trong các ứng dụng không yêu cầu độ chính xác cao và điều kiện làm việc nhẹ nhàng Trong khi đó, đai ốc 2 nửa được sử dụng để đóng và tách đai ốc khỏi vít me khi tiện trên máy tiện vạn năng, mang lại sự tiện lợi và linh hoạt, cải thiện hiệu suất làm việc của máy.

3.4.2 Cơ cấu vít me đai ốc bi

❖ Vít me đai ốc bi

Vít me đai ốc bi là một hệ thống truyền động phổ biến trong ngành công nghiệp và kỹ thuật, nổi bật với cấu tạo đơn giản và hiệu suất cao Hệ thống này có nhiều ưu điểm như khả năng truyền lực lớn, độ chính xác cao và tuổi thọ dài, nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm như chi phí đầu tư ban đầu cao và yêu cầu bảo trì định kỳ.

Vít me đai ốc bi bao gồm hai thành phần chính: vít me và ốc bi Vít me có hình dạng xoắn ốc với rãnh V, trong khi ốc bi có dạng trụ với rãnh khớp chính xác Khi vít me quay, ốc bi di chuyển theo trục của vít, tạo ra chuyển động truyền động hiệu quả.

Hình 3.13 Hình minh họa vít me – đai ốc bi

Vít me đai ốc bi thường có những đặc điểm như

Vít me đai ốc bi nổi bật với khả năng giảm thiểu tổn thất ma sát, mang lại hiệu suất truyền động cao Hiệu suất của loại vít này có thể đạt từ 90 đến 95%, giúp tối ưu hóa hiệu quả hoạt động của các cơ cấu.

Vít me đai ốc bi có đặc điểm nổi bật là lực ma sát gần như không phụ thuộc vào tốc độ chuyển động, giúp đảm bảo chuyển động diễn ra một cách đáng tin cậy ngay cả ở vận tốc nhỏ Điều này tối ưu hóa quá trình điều khiển và điều chỉnh của hệ thống.

Vít me đai ốc bi nổi bật với đặc điểm không có khe hở trong mối ghép giữa các thành phần, giúp đảm bảo tính cứng vững hướng trục cao và giảm thiểu độ lệch Điều này tạo ra lực căng ban đầu đáng tin cậy cho cơ cấu truyền động Ngoài ra, vít me đai ốc bi còn mang lại độ chính xác cao trong chuyển động và truyền động nhờ thiết kế chi tiết và khớp nối chính xác giữa vít me và ốc bi, cho phép đạt được độ chính xác tối ưu trong việc di chuyển và định vị.

Vít me có khả năng chịu lực kéo lớn nhờ thiết kế xoắn ốc, cung cấp lực mạnh mẽ để vận chuyển và giữ vị trí trong các ứng dụng truyền động.

Tải trọng cao: Chịu được tải trọng cao Vì thế nó được sử dụng khi hệ thống yêu cầu độ bền và khả năng chịu tải cao

Vít me đai ốc bi sở hữu khả năng tự khóa, cho phép hệ thống tự động giữ vị trí khi không có tải trọng tác động lên trục Tính năng này đảm bảo sự ổn định và ngăn chặn hiện tượng trượt, mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng cơ khí.

Vít me đai ốc bi được ưa chuộng trong các máy cần truyền động thẳng chính xác, chẳng hạn như máy khoan, doa tọa độ và các máy điều khiển chương trình số, nhờ vào những ưu điểm vượt trội của nó.

Truyền động đai

Bộ truyền đai là một trong những hệ thống truyền động cơ khí lâu đời nhất và vẫn được sử dụng phổ biến hiện nay Có nhiều loại đai khác nhau, bao gồm đai thang, đai dẹt và đai răng, phục vụ cho nhiều ứng dụng trong công nghiệp.

Bộ truyền đai có những ưu điểm đặc biệt so với các bộ truyền động khác như:

- Đáp ứng truyền động khi các trục xa nhau

- Làm việc không ồn và êm ái do độ dẻo và bền của đai do đó đáp ứng các cơ cấu yêu cầu truyền động với tốc độ cao

- Nhờ vào sự trượt trơn của đai khi quá tải nên tránh cho cơ cấu không có sự dao động

- Kết cấu và vận hành đơn giản

Tuy nhiên bộ truyền động đai vẫn có các nhược điểm như:

- Kích thước bộ truyền lớn

- Tỷ số truyền thay đổi do sự trượt đàn hồi giữa bánh đai và đai

- Tuổi thọ dây đai thấp

- Phải căng đai ban đầu nên tải trọng tác dụng lên trục lớn do.

Thuật toán nội suy

Máy CNC (Computer Numerical Control) là máy công cụ được điều khiển bởi máy tính, phục vụ cho gia công và chế tạo theo yêu cầu Công nghệ này đóng vai trò quan trọng trong ngành sản xuất và gia công cơ khí.

Cơ cấu truyền động của nhóm hoạt động tương tự như máy CNC 2 trục hoặc máy in 3D, vì vậy thuật toán nội suy đóng vai trò quan trọng trong việc đánh giá chất lượng các nét vẽ.

Thuật toán nội suy điểm giúp xác định vị trí chính xác của các điểm trên đường cong hoặc đường thẳng cần vẽ Nhờ vào thuật toán này, cơ cấu bàn vẽ hoa văn trên cát có thể di chuyển mượt mà và chính xác, tạo ra những hình dạng phức tạp và chi tiết.

Khi lập trình và điều khiển, việc xác định các điểm trung gian trên đường cong dựa vào các điểm dữ liệu là rất quan trọng Tuy nhiên, khoảng cách giữa các điểm dữ liệu thường lớn hơn mức độ chính xác mong muốn Chính vì vậy, thuật toán nội suy điểm trở nên cần thiết để cải thiện độ chính xác này.

Hình 3.17 Hình ảnh nội suy theo đường thẳng

Thuật toán nội suy điểm giúp xác định các giá trị trung gian giữa các dữ liệu đã biết, từ đó xác định vị trí chính xác của các điểm trên đường cong hoặc đường thẳng.

Các phương pháp như nội suy tuyến tính và nội suy spline có thể được sử dụng để xác định giá trị của các điểm trung gian dựa trên các dữ liệu đã biết.

Thuật toán nội suy điểm giúp điều khiển các trục máy CNC di chuyển đến vị trí chính xác trên đường cong hoặc bề mặt gia công, đảm bảo sản phẩm đạt độ chính xác cao và đáp ứng yêu cầu thiết kế.

Hình 3.18 Hình ảnh nội suy theo đường tròn

Thuật toán nội suy điểm trong máy CNC đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và lập trình, giúp gia công với độ chính xác cao và mượt mà Việc áp dụng thuật toán này không chỉ tối ưu hóa hiệu suất mà còn cải thiện khả năng đáp ứng của máy CNC Nhóm nghiên cứu đã áp dụng thuật toán nội suy điểm vào mô hình của mình, do mô hình tương tự với máy CNC 2 trục, chỉ cần thực hiện nội suy đường thẳng và cung tròn.

Thư viện Open CV

OpenCV (OpenSource Computer Vision Library) là một thư viện mã nguồn mở rất phổ biến trong lĩnh vực thị giác máy tính và xử lý ảnh

Thư viện này cung cấp một bộ công cụ mạnh mẽ để phân tích, xử lý và trích xuất thông tin từ hình ảnh và video

OpenCV được viết bằng ngôn ngữ lập trình C++ và cung cấp các giao diện cho các ngôn ngữ khác như Python, Java và MATLAB

Nó bao gồm hơn 2500 thuật toán cùng với các hàm xử lý ảnh và video, giúp người dùng thực hiện nhiều nhiệm vụ như xử lý màu sắc, nhận diện đối tượng, theo dõi chuyển động, phát hiện khuôn mặt và nhiều chức năng khác.

OpenCV là một thư viện mạnh mẽ cung cấp nhiều hàm và lớp để xử lý hình ảnh và video, bao gồm các chức năng như đọc và ghi ảnh, xử lý và biến đổi hình ảnh, lọc ảnh, phát hiện và nhận dạng đối tượng, cũng như hiệu chỉnh và điều chỉnh máy ảnh.

Với tính linh hoạt và khả năng mở rộng, OpenCV đã trở thành công cụ quan trọng trong xử lý ảnh và thị giác máy tính Nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm nhận dạng khuôn mặt, xử lý ảnh y tế, xe tự lái và nhiều ứng dụng khác trong thị giác máy tính.

Trong xử lý ảnh, đặc biệt là với thư viện OpenCV, có nhiều công cụ hỗ trợ từ cơ bản đến nâng cao Các công cụ này bao gồm các kernel để chắt lọc đường nằm ngang và đường thẳng đứng, cùng với các công cụ phức tạp hơn như bộ lọc Canny.

Canny filter cũng được coi như công cụ phổ biến nhất để tìm đường viền của ảnh

Thuật toán Canny sẽ gồm 7 bước sau:

Bước 1 Grayscale Conversion (chuyển đổi sang ảnh xám)

Bước đầu tiên nó sẽ chuyển từ ảnh màu sang ảnh xám để tiến hành phát hiện cạnh

Hình 3.19 Hình ảnh minh họa cho bước 1

Bước 2 Gaussian Blur (Làm mờ ảnh) Ở bước này nó sẽ tiến hành lọc nhiễu cho tấm ảnh

Hình 3.20 Hình ảnh minh họa cho bước 2

Bước 3 Determine the Intensity Gradients (tìm ra dữ liệu chứa đường viền)

Bước này giúp xác định đường viền trong ảnh bằng cách phát hiện các giá trị độ sáng thay đổi đột ngột Quá trình này sử dụng hai kernel: Gx để tìm cạnh thẳng đứng và Gy để tìm cạnh nằm ngang.

Để tính toán cạnh đường viền của tấm ảnh, ta sử dụng công thức G = G x 2 + G y 2, từ đó xác định được hướng và tạo ra tấm ảnh với đường viền cả theo chiều thẳng đứng và nằm ngang.

Hình 3.21 Hình ảnh bên trái là khi sử dụng kernel Gx bên phải là Gy

Hình 3.22 Hình ảnh sau khi hoàn thành bước 3

Bước 4 Non Maximum Suppression (xử lý các đường không phải là lớn nhất)

Vì độ dày của đường viền không đồng nhất và giá trị độ lớn giữa các đường viền không đồng nhất

Để thu được các đường viền nhị phân, cần phân định rõ đường viền với giá trị 1 và không có đường viền với giá trị 0, đồng thời giảm độ rộng giữa các đường viền Trong bước này, các vùng không phải là max sẽ bị loại bỏ, chỉ giữ lại phần viền lớn nhất với độ dày 1 pixel Tiếp theo, sẽ tiến hành xử lý giá trị độ lớn của đường viền.

Hình 3.23 Hình ảnh mô tả phương pháp bước 4 đã sử dụng

Bước 5: Lọc đường viền bằng phương pháp Double Thresholding quyết định đường viền nào được giữ lại và đường viền nào sẽ bị loại bỏ Kết quả của bước này là ảnh nhị phân, sử dụng hai ngưỡng thresh 1 và thresh 2 Đối với các đường viền có giá trị độ lớn, nếu giá trị G dưới thresh 1, chúng sẽ bị loại bỏ và gán giá trị 0 do xác suất thấp Ngược lại, nếu giá trị G cao hơn thresh 2, chúng sẽ được giữ lại Những đường viền có giá trị nằm giữa hai ngưỡng sẽ được xem xét, và nếu giá trị G trên thresh 2, chúng sẽ được gán giá trị 1.

Hình 3.24 Hình ảnh đầu ra của anh khi hết bước 5

Bước 6 - Edge Tracking by Hysteresis (Xóa bỏ đường viền gần nhiễu)

Bước 7 - Cleaning Up (Dọn dẹp)

Sau khi thực hiện 7 bước, chúng ta sẽ có được ảnh nhị phân chỉ chứa dữ liệu đường viền, loại bỏ hoàn toàn màu sắc trong vùng mới Các đường viền này sẽ có độ rộng 1 pixel.

Giao thức I2C

Giao thức I2C (Inter-Integrated Circuit) là một giao thức truyền thông điều khiển bus được phát triển bởi NXP Semiconductors vào những năm 1980 Nó được sử dụng để kết nối các thiết bị điện tử như cảm biến, vi điều khiển, bộ nhớ và các linh kiện khác trên một bus chung, giúp tối ưu hóa việc truyền tải dữ liệu giữa các thiết bị.

I2C bao gồm hai dây: Dây SDA (Serial Data) để truyền dữ liệu và Dây SCL (Serial Clock) để tạo xung truyền Mỗi thiết bị trên bus I2C có một địa chỉ duy nhất, cho phép nhiều thiết bị chia sẻ cùng một đường truyền hiệu quả.

Giao thức I2C hoạt động theo nguyên tắc "master-slave", với một thiết bị chính (master) điều khiển quá trình truyền thông Thiết bị master khởi tạo và quản lý tất cả các giao tiếp trên bus, trong khi các thiết bị phụ (slave) chỉ thực hiện việc truyền và nhận dữ liệu khi được yêu cầu bởi master.

Hình 3.25 Hình ảnh minh họa giao thức I2C

Các hoạt động chính của giao thức I2C bao gồm:

Khởi tạo: Master khởi tạo quá trình truyền thông bằng cách gửi một tín hiệu khởi đầu (Start) trên bus I2C

Gửi địa chỉ: Master gửi địa chỉ của slave mà Master muốn truyền hoặc nhận dữ liệu Mỗi thiết bị slave có duy nhất một địa chỉ

Sau khi gửi địa chỉ, master và slave tiến hành truyền và nhận dữ liệu qua dây SDA, với mỗi bit dữ liệu được truyền hoặc nhận đồng bộ hóa bằng tín hiệu trên dây SCL.

Xác nhận (ACK/NACK): Sau khi truyền/nhận dữ liệu, thiết bị slave gửi một tín hiệu xác nhận (ACK) hoặc không xác nhận (NACK) cho master

Kết thúc: Sau khi hoàn thành truyền thông, master gửi một tín hiệu kết thúc (Stop) thông báo sự kết thúc của quá trình truyền thông

Giao thức I2C hỗ trợ nhiều chế độ tốc độ truyền thông, bao gồm Standard Mode (100 kbps), Fast Mode (400 kbps), Fast Mode Plus (1 Mbps), cùng với các chế độ tốc độ cao hơn như Ultra-Fast Mode (5 Mbps) và High-Speed Mode (3.4 Mbps).

Giao thức I2C slave kết nối qua một bus duy nhất bằng cách sử dụng địa chỉ động và địa chỉ tĩnh Địa chỉ động cho phép giao tiếp với các thiết bị slave có địa chỉ thay đổi trong quá trình hoạt động, trong khi địa chỉ tĩnh được dùng cho các thiết bị slave có địa chỉ cố định.

Hình 3.26 Lý thuyết hoạt động của giao thức I2C

Giao thức I2C hỗ trợ chức năng đọc ghi tuần tự, cho phép master gửi một địa chỉ bắt đầu và sau đó thực hiện việc gửi hoặc nhận nhiều byte liên tiếp từ slave.

Giao thức I2C nổi bật với tính năng truyền thông hai chiều, cho phép cả master và slave cùng lúc truyền và nhận dữ liệu trên cùng một bus Điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc truyền thông song song và đồng thời, nâng cao hiệu quả trong việc giao tiếp giữa các thiết bị.

Giao thức I2C có khả năng xử lý xung đột trên bus khi hai thiết bị truyền dữ liệu đồng thời Khi xảy ra xung đột, I2C áp dụng cơ chế xác định xung đột để giải quyết tình huống này một cách hiệu quả.

Máy chủ Apache

Apache is one of the most popular and powerful web servers globally It is the successor to the Apache HTTP Server and is developed and maintained by the Apache Software Foundation.

Apache là một máy chủ web được phát triển bằng ngôn ngữ lập trình C và C++, hoạt động trên các nền tảng tương tự Unix như Linux, cũng như trên Windows và một số hệ điều hành khác Được thiết kế nhằm mang lại môi trường ổn định, an toàn và linh hoạt, Apache là lựa chọn hàng đầu cho việc triển khai các ứng dụng web.

Apache có nhiều tính năng quan trọng và mạnh mẽ như:

Apache hỗ trợ xử lý đa luồng, cho phép đáp ứng nhiều yêu cầu từ người dùng đồng thời Nó sử dụng mô hình xử lý tiến trình hoặc xử lý luồng để tạo ra các tiến trình con hoặc luồng nhằm xử lý hiệu quả các yêu cầu từ khách hàng.

Apache cung cấp khả năng cấu hình linh hoạt thông qua tệp cấu hình, cho phép người quản trị tùy chỉnh thiết lập máy chủ web Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất, nâng cao bảo mật và điều chỉnh các tính năng khác của máy chủ một cách hiệu quả.

Apache cung cấp nhiều cơ chế bảo mật để bảo vệ máy chủ web và các ứng dụng, bao gồm hỗ trợ SSL/TLS cho kết nối an toàn qua HTTPS Hệ thống này cũng cho phép xác thực người dùng và quản lý phân quyền truy cập thông qua các tệp cấu hình hoặc cơ sở dữ liệu người dùng.

Apache có một hệ thống mở rộng mạnh mẽ, cho phép người dùng dễ dàng thêm các module bổ sung nhằm nâng cao khả năng và tính năng của máy chủ Các module này có thể cung cấp nhiều chức năng khác nhau, giúp tùy chỉnh và tối ưu hóa hiệu suất của Apache theo nhu cầu cụ thể của từng người dùng.

34 cấp các chức năng như xử lý ngôn ngữ máy chủ, giao diện CGI, xử lý PHP, proxy, ghi log, và nhiều hơn nữa

Hình 3.28 Hình ảnh minh họa quy trình hoạt động

Apache cung cấp các công cụ quản lý và giám sát hiệu quả để theo dõi và điều chỉnh hiệu suất máy chủ Một trong những công cụ nổi bật là Apache HTTP Server Status, cho phép người dùng xem trạng thái hiện tại của máy chủ, số lượng yêu cầu đang được xử lý và thông tin chi tiết về tiến trình hoạt động.

Apache có khả năng hoạt động như một Reverse Proxy, cho phép chuyển hướng yêu cầu từ người dùng tới các máy chủ khác trong hệ thống Tính năng này giúp phân tải và nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống.

Apache hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình web phổ biến như PHP, Python, Ruby và Perl thông qua các module riêng biệt, cho phép phát triển ứng dụng web đa ngôn ngữ trên cùng một máy chủ.

Apache hỗ trợ nhiều giao thức và chuẩn web quan trọng như HTTP, HTTPS, SSL/TLS, CGI, FastCGI, và WebSocket, giúp đảm bảo khả năng tương tác linh hoạt với các trình duyệt và ứng dụng web khác.

Cơ sở dữ liệu MySQL

MySQL, phát triển bởi Oracle Corporation, là một hệ quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ mã nguồn mở nổi bật, cung cấp một nền tảng cơ sở dữ liệu phong phú và linh hoạt.

Các đặc tính nổi bật:

MySQL sử dụng mô hình cơ sở dữ liệu quan hệ, trong đó dữ liệu được tổ chức thành các bảng liên kết thông qua khóa ngoại Mô hình này giúp quản lý và tương tác với dữ liệu một cách dễ dàng, đồng thời đảm bảo tính toàn vẹn và hỗ trợ truy vấn phức tạp.

MySQL sử dụng ngôn ngữ truy vấn SQL (Structured Query Language) để tương tác với cơ sở dữ liệu Người dùng có thể thực hiện các thao tác như truy vấn và thao tác dữ liệu trong các bảng thông qua các câu lệnh như SELECT, INSERT, UPDATE và DELETE.

MySQL cung cấp các cơ chế bảo mật mạnh mẽ để bảo vệ dữ liệu, bao gồm xác thực người dùng và phân quyền truy cập dựa trên vai trò Người quản trị có khả năng tạo người dùng, xác định quyền truy cập cho từng người, và quản lý các khóa bảo mật hiệu quả.

MySQL cung cấp các công cụ hiệu quả cho việc sao lưu và phục hồi cơ sở dữ liệu, cho phép người quản trị tạo bản sao lưu dữ liệu và khôi phục lại khi gặp sự cố, từ đó đảm bảo an toàn và tính khả dụng cho dữ liệu.

MySQL đảm bảo tính nhất quán của dữ liệu và xử lý đồng thời thông qua các giao thức và cơ chế hiệu quả Hệ thống sử dụng khóa (lock) và giao thức đọc/ghi (read/write) để đồng bộ hóa truy cập dữ liệu, từ đó duy trì tính toàn vẹn và độ tin cậy của thông tin.

MySQL tối ưu hiệu suất với các cơ chế như tạo chỉ mục, tối ưu câu truy vấn và quản lý bộ nhớ cache, giúp cải thiện tốc độ truy vấn và đáp ứng tốt với tải công việc lớn.

MySQL hỗ trợ mở rộng cơ sở dữ liệu thông qua mạng lưới replication, cho phép tạo ra các cơ sở dữ liệu replica để sao chép dữ liệu từ cơ sở dữ liệu chính Điều này không chỉ tạo ra sự dự phòng mà còn nâng cao tính sẵn sàng của hệ thống.

MySQL hỗ trợ đa nền tảng, bao gồm Linux, Windows và macOS, cho phép triển khai và vận hành trên môi trường phù hợp với nhu cầu và yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

Kết luận

Trong chương này, nhóm đã trình bày các lý thuyết cơ bản liên quan đến thành phần và kiến thức sử dụng trong kết cấu máy của đồ án tốt nghiệp Những nội dung này sẽ là nền tảng quan trọng cho việc lựa chọn và thiết kế máy trong chương tiếp theo.

PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP THIẾT KẾ

Yêu cầu của đề tài

Nghiên cứu phương án thiết kế hệ thống Lựa chọn cơ cấu truyền động phù hợp với hệ thống

Xây dựng bản vẽ 2D và 3D

Gia công mô hình cơ khí

Thiết kế và xây dựng mạch điều khiển

Thiết kế đơn giản, dễ dàng lắp đặt

Chi phí dự kiến 2.500.000 vnd

Thử nghiệm, đánh giá và sửa lại những sai sót trong bản thiết kế

Lập bản báo cáo đề tài

Hoàn thiện đề tài được giao.

Nguyên lý hoạt động

Bàn vẽ tranh cát có 2 cơ cấu chính dựa trên chuyển động tịnh tiến để điều khiển quỹ đạo của viên bi sắt trên mặt phẳng:

+ Cơ cấu điều khiển quãng đường đi theo trục X của động cơ bước M1

+ Cơ cấu điều khiển quãng đường đi theo trục Y của 2 động cơ bước nhưng vì chuyển động đồng bộ nên gọi chung là động cơ bước M2

Khi hoạt động, cơ cấu thực hiện các bước sau đây:

+ Bước 1: Viên bị sẽ được đưa về vị trí home (tọa độ gốc) nằm ở vị trí 0,0 của hệ trục tọa độ đã đặt trước

Hai động cơ bước M1 và M2 sẽ hoạt động theo trình tự để di chuyển đến các điểm được lập trình sẵn, giúp hệ dẫn động kéo viên bi theo quỹ đạo mong muốn Quá trình này không chỉ tạo ra các đường vẽ mới mà còn xóa bỏ các đường vẽ trước đó.

Phương hướng và giải pháp thực hiện

Trong kết cấu này thì cơ cấu sẽ dịch chuyển theo 2 phương X và Y 2 trục sẽ cùng sử dụng bộ truyền đai

Hình 4.2 Ví dụ minh họa về cơ cấu ở phương án 1 Ưu điểm của kết cấu này:

Cơ cấu chuyển động hoạt động mượt mà nhờ đai đồng bộ, giúp truyền lực và chuyển động một cách chính xác và đáng tin cậy Đai đồng bộ không có hiện tượng trượt, chấn động hay đứt gãy, đảm bảo sự ổn định và giảm thiểu tiếng ồn trong quá trình hoạt động.

Và cơ cấu truyền động đai sẽ dễ dàng lắp đặt và bảo trì, chi phí thấp cũng là 1 ưu điểm đến nhóm lựa chọn phương án này

Bộ truyền động thường gặp phải hiện tượng mất mát năng lượng do ma sát giữa đai và bề mặt truyền động Hiện tượng này ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động của hệ thống truyền động.

39 của bộ truyền động đai thường thấp hơn so với các hệ truyền động khác, chẳng hạn như truyền động bằng bi

Một nhược điểm khác của bộ truyền động đai là độ trễ và độ chính xác không đồng nhất trong toàn bộ hệ thống

Còn 1 nhược điểm nữa là khi sử dụng 1 thời gian sử dụng thì phải căng chỉnh lại dây đai cho phù hợp

❖ Truyền động Polar kết hợp với truyền động Cartesian

Trong cấu trúc này, cơ cấu được thiết kế để quay bánh răng và thanh răng xung quanh tâm hệ, nhằm tạo ra thông số θ trong tọa độ cực Bánh răng dẫn được đặt đồng tâm với tâm xoay của hệ, kết nối với một mâm xoay để liên kết hai cơ cấu, đồng thời đảm bảo độ chắc chắn cho toàn bộ hệ thống.

Pulley bánh răng được kết nối trực tiếp với động cơ, sử dụng dây đai GT2 vòng kín để điều khiển bánh răng quay cùng chiều với động cơ.

Hình 4.3 Ví dụ minh họa về của phương án 2

Cơ cấu này thường được sử dụng phổ biến trong các mô hình trên thị trường: Ưu điểm:

Dễ dàng vẽ các đường cong do sử dụng truyền động Polar

Vì cơ cấu ở đây sử dụng hệ tọa độ cực nên sẽ phức tạp trong việc điều khiển

Trong kết cấu này thì cơ cấu sẽ dịch chuyển theo 2 phương X và Y 2 trục sẽ cùng sử dụng bộ truyền vít me đai ốc

Hình 4.4 Cơ cấu theo phương án 3 được áp dụng trên máy CNC 2 trục Ưu điểm của kết cấu này là:

Kết cấu đơn giản và dễ dàng lắp đặt

Bộ truyền vít me đai ốc cung cấp khả năng truyền động với tốc độ cao, phù hợp với các ứng dụng yêu cầu tốc độ nhanh, chẳng hạn như trong máy công cụ CNC.

Bộ truyền vít me đai ốc, nhờ vào cấu trúc vít và hệ thống bi cân đối chính xác, mang lại độ chính xác cao trong quá trình truyền động Điều này khiến nó trở thành sự lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao, chẳng hạn như máy CNC và máy đo đạc.

Hệ thống này có cấu trúc đơn giản, giúp dễ dàng trong việc lắp đặt và bảo trì Việc điều chỉnh và bảo dưỡng thường xuyên cũng rất đơn giản, từ đó tiết kiệm thời gian và công sức trong quá trình vận hành và duy trì hệ thống.

Lựa chọn phương án

Sau quá trình thực nghiệm từ mô hình trước nhóm đã quyết định lựa chọn phương án 3 với Truyền động Cartesian X Y và bộ truyền động vít me – đai ốc.

Trình tự công việc tiến hành

Tính toán thiết kế truyền động vít me – đai ốc cho trục X và trục Y

Thiết kế, gia công các chi tiết máy

Lựa chọn, tính toán phần điện

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Mô tả hoạt động

Bàn vẽ tranh cát có 2 cơ cấu chính dựa trên chuyển động tịnh tiến để điều khiển quỹ đạo của viên bi sắt trên mặt phẳng:

+ Cơ cấu điều khiển quãng đường đi theo trục X của động cơ bước M1

+ Cơ cấu điều khiển quãng đường đi theo trục Y của 2 động cơ bước nhưng vì chuyển động đồng bộ nên gọi chung là động cơ bước M2

Khi hoạt động, cơ cấu thực hiện các bước sau đây:

+ Bước 1: Viên bị sẽ được đưa về vị trí home (tọa độ gốc) nằm ở vị trí 0,0 của hệ trục tọa độ đã đặt trước

Hai động cơ bước M1 và M2 sẽ hoạt động theo thứ tự đã được lập trình, giúp hệ dẫn động kéo viên bi theo quỹ đạo mong muốn Quá trình này sẽ tạo ra các đường vẽ mới và đồng thời xóa bỏ những đường vẽ trước đó.

Tính toán và thiết kế cơ khí của hệ thống cũ

Hình 5.1 Hình ảnh cơ cấu của kỳ trước Ở đồ án trước nhóm thiết kế theo cơ cấu truyền động đai, truyền động Cartesian 2 trục X

Y sử dụng động cơ bước NEMA17 để điều khiển mỗi trục

Bên dưới là phần tính toán phần truyền động của kỳ trước và sau đó nhóm sẽ nêu ưu nhược điểm của cơ cấu truyền động này

❖ Tính toán truyền động đai của kỳ trước

Xác định mô đun và chiều rộng đai

Tuỳ theo công suất và tốc độ quay của trục mà chọn mô đun theo các giá trị tiêu chuẩn:2,

Công suất truyền lớn dẫn đến mô đun của đai tăng lên để các răng dây đai có thể chịu tải tốt hơn Khi công suất truyền không đổi, nếu tốc độ đai tăng, mô đun cần giảm để đảm bảo khả năng ăn khớp êm, cho thấy mối quan hệ tỉ lệ nghịch giữa mô đun và tốc độ quay của trục Mô đun được xác định dựa trên các nghiên cứu trước về đai răng.

P1 – công suất trên bánh đai chủ động n1 – tốc độ quay của bánh đai chủ động

Hoặc chọn theo theo mômen xoắn T1 ở bảng 5.1 sau:

Bảng 5.1 Kích thước khi mô đun m

STT Thông số Kích thước khi mô đun m (mm)

2 Khoảng cách từ đáy răng đến dây chão ∆ (mm) 0,6 0,6 0,6;1,5 1,3 1,3 1,3

5 Tải trọng riêng khi u ≥ 1, z ≥ 6, [qo] (N/m) 4 ≤ 2,4 ≤22 35 45 60

Xác định chiều rộng đai b

Khả tải của đai phụ thuộc rất nhiều vào chiều rộng đai b

Khi chiều rộng của đai tăng lên, diện tích tiếp xúc giữa răng dây đai và răng bánh đai cũng gia tăng, dẫn đến việc số lượng sợi cốt trong đai tăng theo chiều rộng Điều này cải thiện khả năng chịu lực vòng của đai, giúp nâng cao hiệu suất hoạt động.

Theo công thức 5.1, sau khi xác định mô đun dựa trên công suất và tốc độ quay của bánh chủ động, ta có thể tính được chiều rộng b của đai bằng cách dựa vào sức bền cắt ở chân răng và sức bền kéo của lõi đai.

Tuy nhiên để dễ dàng trong việc tính toán thiết kế cũng như giảm bớt chủng loại đai khi thiết kế, cần phải tiêu chuẩn hoá chiều rộng đai

Công thức xác định chiều rộng đai dựa theo: d b=  m (5.2)

Chọn Ψđ dao động từ 6 đến 9

Theo công thức trên trị số m sẽ là số lẻ do vậy phải được làm tròn Nếu m được làm tròn lớn lên thì chọn Ψđ nhỏ và ngược lại

Chiều rộng đai, với cùng một mô đun và công suất, phụ thuộc chủ yếu vào vật liệu làm đai và vật liệu cốt Do đó, chiều rộng đai cần được chọn sơ bộ dựa trên các yếu tố này.

Bảng 5.2 Chiều rộng đai răng b

Mô đun của đai m, mm Chiều rộng đai răng b, mm

Xác định các thông số của bộ truyền

Số răng Z1 trên bánh đai nhỏ cần phải lớn hơn giá trị tối thiểu Z1min để đảm bảo tuổi thọ cho đai Điều này là cần thiết vì hai lý do chính: đầu tiên, số răng đủ lớn giúp phân bổ tải trọng đều hơn, và thứ hai, nó giảm thiểu sự mài mòn và hư hỏng của đai trong quá trình hoạt động.

Thứ nhất, số răng bánh đai ít tức là số răng dây đai ăn khớp với bánh đai ít làm cho tải mà mỗi răng đai phải gánh lớn

Số răng của bánh đai nhỏ ảnh hưởng đến đường kính của nó; bánh đai có số răng ít sẽ có đường kính nhỏ, dẫn đến dây đai bị uốn cong nhiều hơn và dễ hỏng hóc Số răng tối thiểu Z1 được xác định dựa trên môđun và tốc độ quay của bánh đai nhỏ, như được trình bày trong bảng dưới đây.

Bảng 5.3 Số răng của bánh đai nhỏ Z1

Mô đun của đai m, mm

Số vòng quay bánh đai nhỏ n, vòng/phút z1 không nhỏ hơn

Mô đun của đai m, mm

Số vòng quay bánh đai nhỏ n, vòng/ phút z1 không nhỏ hơn

Chú thích: * Đối với đai dùng dây kim loại

Số răng Z 2 của bánh đai lớn

Số răng của bánh đai lớn Z2 được tính theo tỉ số truyền của bộ truyền sau khi chọn trước

Trong đó: u là tỉ số truyền n1, n2 là tốc độ vòng của bánh đai chủ động, bị động d1: đường kính bánh nhỏ d2: đường kính bánh lớn

Hình 5.2 Sơ đồ tính toán khoảng cách trục

Kết hợp công thức 5.8 và công thức 5.9 ta được công thức 5.10 bên dưới:

Phương trình 5.10 cần phải giải theo phương pháp máy tính và số, ta được 𝛽1, thay vào phương trình 5.8 sẽ xác định được khoảng cách trục

Trong đó: R1, R2 lần lượt là bán kính bánh đai nhỏ và bánh đai lớn

Z1, Z2 lần lượt là số răng bánh đai `

𝛽1, 𝛽2 lần lượt là góc ôm trên puly nhỏ, lớn p là bước răng của dây đai

A khoảng cách trục của bộ truyền

Công thức 5.8 là công thức chính xác nhưng khó áp dụng, vì vậy chúng ta thường sử dụng công thức gần đúng để tính chiều dài dây đai dựa trên công thức chính xác.

𝛾 thường < 350 nên khi khai triển ta lấy hai số hạng đầu tiên

Chiều dài đai được tính theo công thức 5.13 được xấp xỉ

Dây đai có số răng N

Theo công thức 5.13, giá trị L được xác định và sau một thời gian hoạt động, bộ truyền đai sẽ bị mòn, dẫn đến sự dãn ra của cả dây đai và bánh đai Do N là một số lẻ thập phân, cần phải làm tròn về phía số nhỏ hơn.

Từ công thức 5.13, khoảng cách trục A được tính chính xác bằng công thức:

Từ 5.13 và 5.17 ta thấy nếu biết trước các thông số khác của bộ truyền và khoảng cách trục sẽ tìm được chiều dài dây đai cần thiết và ngược lại nếu biết trước các thông số cần thiết khác và chiều dài dây đai ta sẽ tính được khoảng cách trục

Số răng của dây đai vào mối ăn khớp:

Trong đó: Ft là lực vòng

Tính toán kiểm nghiệm đai theo lực vòng riêng

Với một loại đai cho trước nó chỉ chịu được một lực vòng nằm trong một giới hạn cho phép:

Trong hệ thống truyền động, Ft là lực vòng tác dụng lên bộ truyền được đo bằng Newton (N) Khối lượng của 1 mét đai có chiều rộng 1mm được ký hiệu là qm Tốc độ vòng của hệ thống được biểu thị bằng m/s và được ký hiệu là v Hệ số tải trọng động kđ được xác định theo bảng tham khảo đi kèm.

Bảng 5.4 Hệ số tải trọng động Đặc tính tải trọng Loại máy Kđ

Tải trọng tĩnh Tải trọng mở máy đến 120% so vói tải trọng danh nghĩa

Máy phát điện, quạt, máy nén và bơm ly tâm; máy cắt gọt liên tục; băng tải

Tải trọng làm việc có dao động nhỏ tải trọng mở máy đến 150% so với tải trọng danh nghĩa

Máy bơm và máy nén khí kiểu pittông có ba xi lanh trở lên; xích tải, máy phay, máy tiện rơ vôn ve

Tải trọng làm việc có dao động lớn

Tải trọng mở máy đến 220% so với tải trọng danh nghĩa

Thiết bị dẫn động quay hai chiều bao gồm máy bơm và máy nén khí với một hoặc hai pittông, cùng với máy bào, máy xọc, vít vận chuyển máng cào và máy ép lệch tâm có vô lăng lặng.

Tải trọng va đập và thay đổi nhiều, tải trọng mở máy đến 330% so với tải trọng danh nghĩa

Máy cắt tấm, búa máy, máy nghiền, thang máy, máy xúc, máy ép kiểu vít và máy lệch tâm có vô lăng nhẹ

- Ban đầu khi nhóm lựa chọn vì thấy các ưu điểm như

- Không ồn, làm việc êm và do độ dẻo và bền của đai do đó có thể truyền động với vận tốc cao

- Tránh dao động cho cơ cấu nhờ vào sự trượt trơn của đai khi quá tải

- Kết cấu và vận hành đơn giản

Nhưng sau quá trình sử dụng nhóm nhận thấy các nhược điểm như:

- Hiệu suất bộ truyền thấp

- Tải trọng tác dụng lên trục lớn do phải căng đai ban đầu

Cũng như việc sau khi sử dụng một thời gian phải căng chính đai lại rất tốn thời gian để bảo trì lại cơ cấu

Từ đó nhóm rút kinh nghiệm và quyết định chuyển sang cơ cấu truyền động trục vít me - đai ốc và vẫn giữa hệ chuyển động Cartesian X Y.

Tính toán và thiết kế cơ khí của hệ thống mới

5.3.1 Thiết kế khung máy Đối với kết cấu thì cơ cấu có nét giống với các khung máy dành cho máy in 3D hay CNC

Nhóm quyết định thiết kế khung máy bằng nhôm định hình cho 2 trục, vì nó không chịu tải trọng lớn Lựa chọn này giúp dễ dàng tháo lắp, tiết kiệm chi phí và thuận tiện cho việc sửa chữa trong quá trình lắp máy.

Nhóm đã chọn kích thước thanh nhôm định hình 20x20 mm cho khung máy, giúp đảm bảo tính nhỏ gọn và dễ dàng tìm mua trên thị trường để sửa chữa khi cần thiết.

Hình 5.3 Hình ảnh kích thước của nhôm định hình

Khung cơ cấu bên trong là bộ phận quan trọng nhất của bàn, đảm nhận nhiệm vụ chuyển động để di chuyển bi sắt trên mặt cát, tạo ra các hoa văn Nó chịu lực tốt và đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình gia công.

Hình 5.4 Hình ảnh cơ cấu của hệ thống trong mô phỏng

Các thanh nhôm định hình được cắt bằng máy với dung sai từ 2 đến 3mm, sau đó được đưa lên máy phay để phay cả hai đầu, đảm bảo độ phẳng và kích thước chính xác.

Các thanh nhôm định hình được nối với nhau bằng bát ke góc chìm nhôm và con đai ốc xoay chữ T và lục giác chìm không đầu

Hình 5.5 Bát ke góc chìm nhôm, con đai ốc xoay chữ T, lục giác chìm không đầu

5.3.2 Thiết kế cụm cơ khí trục X

Thông thường đối với trục X ta có thể sử dụng truyền động vít me - đai ốc bi, vít me - đai ốc, truyền động đai

Truyền động đai thường được ưa chuộng nhờ vào hoạt động êm ái, cấu trúc nhỏ gọn và dễ thiết kế Tuy nhiên, trong trường hợp trục X chuyển động lên xuống, dễ xảy ra hiện tượng trượt đai Nhóm đã quyết định thay thế truyền động trục X bằng truyền động vít me – đai ốc, vì ưu điểm của nó là giảm thiểu trượt, nâng cao hiệu suất và đảm bảo vận hành êm ái.

5.3.3 Thiết kế cụm cơ khí trục Y

Trục Y sẽ được thay thế từ truyền động đai thành chuyển động vít me, tương tự như trục X Tuy nhiên, khác với trục X chỉ sử dụng một trục vít, trục Y sẽ sử dụng hai trục vít song song nhau.

Sử dụng hai trục vít song song ở trục Y giúp di chuyển vuông góc với trục X, đồng thời hỗ trợ toàn bộ cấu trúc trục X và bàn làm việc Để đảm bảo sự ổn định và cân bằng cho trục Y, thường trang bị hai động cơ độc lập hoạt động song song.

Mỗi động cơ điều khiển một bên của trục Y, hoạt động đồng bộ để đảm bảo chuyển động nhất quán và cân đối, từ đó giảm thiểu lực không mong muốn và rung động trong quá trình di chuyển.

Kết cấu truyền động nhóm lựa chọn cho đồ án là chuyển động tịnh tiến 2 trục X Y Đây là một trong các truyền động theo tọa độ Descartes

Dưới đây là một số ưu và nhược điểm của hệ truyền động để ta có cái nhìn tổng quan hơn để dễ dàng lựa chọn Ưu điểm:

Chuyển động tuyến tính X-Y mang lại độ chính xác cao trong việc định vị Nó cho phép kiểm soát chuyển động dọc theo trục X và Y, giúp căn chỉnh và định vị một cách hiệu quả.

Các hệ thống này mang lại tính linh hoạt trong việc điều khiển chuyển động, cho phép lập trình di chuyển theo nhiều kiểu khác nhau như đường thẳng, đường cong hoặc các đường phức tạp.

Tính linh hoạt này có lợi trong các ứng dụng yêu cầu chuyển động linh hoạt và có thể tùy chỉnh

Hệ thống chuyển động tuyến tính X-Y có khả năng tích hợp dễ dàng với các hệ thống khác và các trục chuyển động bổ sung, cho phép thực hiện các chuyển động phối hợp đa chiều Điều này tạo điều kiện cho việc thực hiện các thao tác và tác vụ phức tạp hơn.

Hệ thống chuyển động tuyến tính X-Y được thiết kế nhỏ gọn, giúp tiết kiệm không gian và phù hợp với các ứng dụng trong môi trường hạn chế Tính nhỏ gọn của chúng là yếu tố quan trọng trong việc tối ưu hóa không gian sử dụng.

Các hệ thống chuyển động tuyến tính X-Y thường bị giới hạn về phạm vi di chuyển dọc theo hai trục Để đáp ứng nhu cầu di chuyển lớn hơn, hệ thống truyền động Polar là một lựa chọn thay thế hiệu quả hơn.

Các hệ thống chuyển động tuyến tính X-Y, giống như mọi hệ thống cơ học khác, cần được bảo trì định kỳ để duy trì hiệu suất và kéo dài tuổi thọ Việc bảo trì này bao gồm các hoạt động như bôi trơn, làm sạch, hiệu chuẩn và thỉnh thoảng thay thế các bộ phận.

5.3.5 Tính toán truyền động vít me – đai ốc trục X Y

Vận tốc di chuyển tối đa: 10mm/s

Vận tốc di chuyển khi vẽ: 5mm/s

Tốc độ vòng quay của động cơ: 1000 vòng / phút

Thời gian làm việc: T1 = 20440h (7 năm, 8 giờ /ngày)

Tính toán hệ dẫn động:

❖ Một số đặc điểm của bộ truyền

Hình 5.6 Hình ảnh bộ truyền trục vít – đai ốc Ưu điểm:

Cấu tạo đơn giản, chịu lực lớn, thực hiện các chuyển động có độ chính xác cao

Hiệu suất thấp do ma sát trên ren

Vật liệu đai ốc: đồng

F a =N =m g =1.9,81 9,81( )= N Đường kính trung bình của ren trục vít

Theo điều kiện bền ta có:

 H : Hệ số chiều cao đai ốc với H là chiều cao đai ốc, thường chọn trong khoảng H =1, 2 2,5 đối với đai ốc nguyên,  h =2,5 3,5 đối với đai ốc ghép h h

 h : Hệ số chiều cao ren, với h chiều cao làm việc của ren, p là bước ren  h =0,5 đối với ren hình thang và vuông,  h =0,75 đối với ren răng cưa [1]

Áp suất cho phép của vít và đai ốc phụ thuộc vào loại vật liệu sử dụng Cụ thể, đối với thép và gang, áp suất cho phép là 5 6q MPa; đối với thép và đồng thanh, là 8 10q MPa; và đối với thép tôi và đồng thanh, là 10 12q MPa.

Chọn d2 theo giá trị gần nhất trong tiêu chuẩn của theo hình bên dưới từ đó tra ra đường kính ngoài d, đường kính trong d1 và bước ren p

Hình 5.7 Hình ảnh theo bảng 2.4 lựa chọn đường kính theo sách của thầy Trịnh Chất

Chọn đường kính trung bình d2= 7mm Đường kính ngoài d= 8mm Đường kính trong d1 = 6mm

❖ Chọn các thông số của vít và đai ốc

Lý do nhóm thay đổi và lựa chọn hệ thống cơ khí mới

Trong quá trình phát triển mô hình bàn vẽ hoa văn trên cát, nhóm đã tập trung vào việc điều khiển chính xác và lưu trữ dữ liệu điểm trong vi điều khiển Họ sử dụng vi điều khiển Arduino Uno kết hợp với CNC Shield và hai driver A4988, đảm bảo hoạt động êm ái với tiếng ồn thấp nhờ vào bộ truyền động đai.

Sau một thời gian dài sử dụng, nhóm nhận thấy bộ truyền đai không hiệu quả do phải thường xuyên điều chỉnh độ căng, tốn thời gian bảo trì Vì vậy, nhóm đã chuyển sang sử dụng bộ truyền động trục vít me – đai ốc, mang lại độ chính xác cao hơn và giảm thiểu công sức bảo trì Tuy nhiên, bộ truyền động mới vẫn gặp phải nhược điểm là gây ra tiếng ồn, nên nhóm đã lắp đặt một loa Bluetooth để khắc phục vấn đề này, đồng thời cung cấp phương tiện giải trí cho người sử dụng.

Do bộ nhớ hạn chế của vi điều khiển Arduino Uno, việc lưu trữ nhiều điểm để vẽ hình dẫn đến tình trạng tràn bộ nhớ Giải pháp của nhóm là phát triển một máy chủ để lưu trữ các điểm từ các file gcode có sẵn Nhóm sẽ sử dụng thêm một ESP32 để truyền dữ liệu đến vi điều khiển Arduino Mega 2560, từ đó xuất xung điều khiển động cơ, giúp cơ cấu chuyển động đến vị trí mong muốn.

Nhóm sẽ thay thế CNC Shield và 2 driver A4988 bằng 2 driver động cơ bước TB6600, vì TB6600 có khả năng xử lý dòng điện lớn hơn Điều này cho phép TB6600 điều khiển các động cơ stepper với dòng điện lớn hơn, từ đó nâng cao hiệu suất và khả năng đáp ứng của hệ thống.

TB6600 có độ ổn định cao hơn A4988, mang lại độ chính xác tốt hơn trong quá trình điều khiển hệ thống và giảm thiểu lỗi không mong muốn.

TB6600 thường được trang bị các chức năng bảo vệ quan trọng như bảo vệ quá nhiệt, quá dòng và quá áp, giúp bảo vệ driver và động cơ bước cũng như các thành phần khác của hệ thống khỏi tình huống quá tải, từ đó nâng cao tuổi thọ của toàn bộ hệ thống.

Tính toán và thiết kế điều khiển

Hình 5.16 Ý tưởng mô hình ban đầu

5.5.1 Xây dựng mô hình điều khiển Để có thể vận hành bàn vẽ tranh cát cần có 1 giao diện điều khiển cụ thể ở đây là 1 trang web dùng để tương tác với người dùng (chọn hình vẽ, tải ảnh, vẽ ảnh)

Hình 5.17 Sơ đồ mô tả ý tưởng

Khi người dùng chọn hình ảnh mong muốn, tín hiệu sẽ được gửi đến máy chủ để xử lý Máy chủ sẽ xử lý các tín hiệu bằng cách xử lý các file gcode tương ứng, nội suy các điểm và gửi các tọa độ điểm gần như liên tục đến vi điều khiển Đồng thời, một vi điều khiển khác sẽ nhận tín hiệu từ vi điều khiển này, được bố trí trên bàn vẽ tranh cát.

Hệ thống điều khiển cơ cấu tạo ra các hình vẽ trên cát dựa trên tín hiệu người dùng mong muốn, với các tín hiệu phản hồi được gửi định kỳ đến trang web để cập nhật trạng thái hình vẽ Việc sử dụng thêm một vi điều khiển giúp phân chia rõ ràng giữa bộ điều khiển trung tâm và điều khiển động cơ.

Sơ đồ tuần tự mô tả nguyên lý vận hành

Thành phần của hệ thống bao gồm:

Thiết bị người dùng như: Điện thoại, máy tính, máy tính bảng truy cập vào trang web

Máy chủ Linux có nhiệm vụ duy trì hoạt động của trang web, xử lý tín hiệu từ thiết bị người dùng

Esp32 sẽ đóng vai trò nhận dữ liệu từ máy chủ Linux xử lý và gửi dữ liệu đến Arduino và ngược lại

Vi điều khiển Arduino Mega 2560 sẽ nhận dữ liệu từ Esp32 để điều khiển cơ cấu và phản hồi trạng thái hoạt động cho ESP32

Các bước vận hành sẽ diễn ra như sau:

Người dùng chọn hình muốn vẽ trên giao diện điều khiển

Trang web sẽ truyền tải tên hình cần vẽ đến máy chủ Linux qua giao thức TCP không dây Sau đó, máy chủ sẽ truy xuất các tọa độ điểm từ cơ sở dữ liệu tương ứng với tên hình và gửi thông tin này đến ESP32.

Quá trình gửi dữ liệu sẽ lặp lại khi có yêu cầu gửi dữ liệu tiếp theo từ Esp32 cho đến điểm cuối cùng trong cơ sở dữ liệu

Esp32 sẽ gửi dữ liệu nhận được từ máy chủ đến Arduino Mega 2560 theo giao thức I2C

Và Arduino Mega 2560 sẽ điều khiển cơ cấu đến vị trí mong muốn và yêu cầu vị trí tiếp theo từ Esp32

Sau khi hoàn tất, một tín hiệu hoàn thành sẽ được gửi đến người dùng, khiến cho hình tròn bao quanh hình vẽ trên web chuyển sang màu xám.

Hệ thống điều khiển

5.6.1 Sơ đồ khối liên kết điều khiển

Hình 5.19 Sơ đồ khối của hệ thống

Khối nguồn có chức năng là cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống sử dụng nguồn tổ ong 12V- 5A

Khối điều khiển có chức năng xử lý, điều khiển toàn bộ cơ cấu chấp hành gồm vi điều khiển Arduino Mega 2560 và ESP 32

Khối chấp hành gồm động cơ bước NEMA17

Để đảm bảo hệ thống vận hành ổn định, việc duy trì một hệ thống điện chất lượng là rất quan trọng Khối nguồn có trách nhiệm cung cấp điện năng cho toàn bộ hệ thống.

Khối điều khiển chịu trách nhiệm điều khiển các thiết bị trong máy như đèn led, động cơ bước, công tắc hành trình, màn hình lcd

Khối chấp hành đảm nhận nhiệm vụ thực hiện chuyển đổi các lệnh logic từ khối điều khiển thành các dạng động năng và cơ năng

5.6.2 Vi điều khiển Arduino Mega 2560

Arduino Uno Mega là một phiên bản mở rộng của Arduino Uno, một trong những board Arduino phổ biến nhất trên thị trường

Arduino Uno Mega mang đến khả năng mở rộng và hiệu năng cao hơn so với phiên bản gốc

Arduino Uno Mega sử dụng vi xử lý ATmega2560, một chip AVR mạnh mẽ, với tốc độ xung nhịp 16 MHz

Hình 5.21 Vi điều khiển Arduino Mega 2560

Các chuẩn giao tiếp: ICSP (lập trình), USB (Lập trình với ATmega 8), I2C, SPI và USART

Chân số: Từ 0-15 (tương tự), 0-53 (số) các chân đọc và ghi tín hiệu số và tương tự Hàm Mode (), digtalWrite (), digitalRead ()

Từ 0-15 (analog) mạch được tích hợp bộ ADC để cho đầu ra và đọc tín hiệu đầu vào là analog, nếu không sử dụng chế độ analog thì các chân hoạt động bình thường như chân digital Hàm pinMode () dùng để khai báo chân, analogRead () dùng để đọc trạng thái chân

❖ Chân SPI: Chân 25-MISO, 24-MOSI, 23_SCK, 22-SS Được sử dụng để giao tiếp theo chuẩn SPI

Chân 20 SDA và 21 SCK (400khz) Hàm wire.begin() để kích hoạt bộ giao tiếp I2C, hàm wire.Read() để đọc dữ liệu dạng điện áp i2c và wire.Write () để ghi dữ liệu dạng điện áp trên i2c

Chân 2-13 đầu ra PWM với hàm analogWrite () có pwm từ 0-255

Dùng để ngắt Để kích hoạt chân ngắt phải kích hoạt ngắt toàn cục

Chân 18 - 21,2,3 là các chân dùng cho việc ngắt phần cứng Lưu ý phải sử dụng với chế độ ngắt toàn cục để ngắt quãng từ các thiết bị khác

Hình 5.22 Sơ đồ chân Pinout của Arduino Mega 2560 Bảng 5.7 Thông số kỹ thuật của Arduino Mega 2560 Điện áp hoạt động 5V Điện áp nguồn 7 - 12V

Chân digital 54 chân (15 chân PWM)

Dòng ra chân chân I/O 20mA Dòng ra chân 3.3V 50mA

Bộ nhớ flash 256kB (8kB bootloader)

ESP32 là một bo mạch phát triển mạnh mẽ, sử dụng vi xử lý ESP32, được tối ưu hóa cho các ứng dụng Internet of Things (IoT) Bo mạch này hỗ trợ kết nối Wi-Fi và Bluetooth, mang lại khả năng giao tiếp linh hoạt cho các dự án IoT.

Hình 5.23 Vi điều khiển ESP32 Đặc tính và thông số kỹ thuật của vi điều khiển ESP32:

+ ESP32 có bộ vi xử lý LX6 32bit lõi đơn hoặc lõi kép với xung nhịp lên đến 240 MHz + 16 KB SRAM RTC và 448 KB ROM, 520 KB SRAM

+ Chuẩn Wi-Fi 802.11 b / g / n đáp ứng tốc độ truyền dữ liệu lên đến 150 Mbps

+ Chuẩn Bluetooth v4.2 và BLE cổ điển

+ 34 GPIO có thể dùng để lặp trình I/O

+ 2 kênh DAC đạt 8 bit và 18 kênh ADC lên đến 12 bit

+ Chuẩn giao tiếp có dây bao gồm 3 x UART, 2 x I2C, 4 x SPI, 2 x I2S

+ Ethernet MAC cho giao tiếp mạng LAN vật lý (yêu cầu PHY bên ngoài)

+ 1 bộ điều khiển slave cho SDIO / SPI và 1 bộ điều khiển host cho SD / SDIO / MMC

+ Hỗ trợ 16 kênh PWM - Tăng tốc phần cứng mật mã cho RSA, AES, ECC, Hash (SHA-

Hình 5.24 Sơ đồ các chân GPIO của ESP32-WROOM

Board ESP32 được trang bị nhiều chân GPIO (General Purpose Input/Output), cho phép kết nối và giao tiếp hiệu quả với các cảm biến, thiết bị ngoại vi và các module mở rộng khác.

Nó cũng hỗ trợ giao tiếp I2C, SPI, UART và các giao thức khác để giao tiếp các thiết bị ngoại vi

ESP32 được hỗ trợ bởi IDE của Arduino với nhiều thư viện phong phú, giúp việc lập trình và phát triển ứng dụng trở nên dễ dàng Bên cạnh đó, ESP-IDF (ESP32 IoT Development Framework) cũng cung cấp các công cụ và tài liệu hữu ích cho việc lập trình trực tiếp trên ESP32.

Bảng 5.8 Thông số kỹ thuật của ESP 32 Điện áp hoạt động 5V Điện áp nguồn 7-12V

Dòng ra chân chân I/O 20mA Dòng ra chân 3.3V 50mA

Bộ nhớ flash 4-8MB (8kB bootloader)

5.6.4 Driver điều khiển động cơ bước TB6600

TB6600 là một driver của động cơ bước nó phổ biến và được sử dụng trong các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa

TB6600 là một bộ điều khiển động cơ bước cho phép điều chỉnh dòng điện đầu ra, tối ưu hóa hiệu suất và nhiệt độ của động cơ Khả năng điều khiển và điều chỉnh chuyển động của động cơ bước giúp nâng cao hiệu quả hoạt động.

Chế độ microstep hỗ trợ việc chia nhỏ mỗi bước của động cơ thành các bước nhỏ hơn, từ đó nâng cao độ chính xác và độ mịn trong chuyển động.

Động cơ bước TB6600 được trang bị các chức năng bảo vệ quá tải và quá nhiệt, đảm bảo an toàn cho động cơ trong các tình huống có nguy cơ vượt quá giới hạn cho phép.

TB6600 được dùng trong CNC, máy in 3D, máy cắt plasma và nhiều ứng dụng tự động hóa khác

Hình 5.25 Driver động cơ bước TB6600

Driver đóng vai trò việc điều khiển chuyển động của động cơ bước, đảm bảo sự chính xác và hiệu quả

Bảng 5.9 Thông số kỹ thuật driver TB6600 Điều áp điều khiển động cơ 9-24V Điện áp điều khiển 5V Điện áp hoạt động 3-24V

5.6.5 Sơ đồ kết nối dây

Dưới đây sẽ là sơ đồ kết nối dây của hệ thống Sơ đồ bao gồm:

Vi điều khiển ESP32 dùng để lấy dữ liệu từ máy chủ và truyền dữ liệu cho vi điều khiển Arduino Mega 2560

Vi điều khiển Arduino Mega 2560 có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ Vi điều khiển ESP32 để điều khiển động cơ bước NEM17

3 động cơ bước NEMA 17 và 2 công tắc hành trình

2 driver động cơ bước TB6600

3 nút nhấn để điều khiển home, start, stop

Nút home để điều khiển quay về vị trí ban đầu ngay gốc tọa độ của của 2 trục

Nút start để nhấn bắt đầu cho bàn hoạt động

Nút stop để dừng cơ cấu khi đang vẽ Còn có 1 nút là nút dừng khẩn cấp khi xảy ra sự cố nhưng không thể hiện ở trong hình

Hình 5.26 Sơ đồ nối dây 5.6.6 Giải thuật điều khiển

❖ Giải thuật nội suy đường thẳng và cung tròn

Nhóm sẽ xử lý một file gcode ban đầu để tạo ra file Json chứa các tọa độ x, y, từ đó web sẽ thực hiện các bước xử lý tiếp theo.

Hình 5.27 Hình ảnh minh họa quy trình từ gcode sang Json

Hình 5.28 Lưu đồ giải thuật từ file gcode sang file Json

Trong lưu đồ giải thuật, đầu vào là file G-code, chương trình sẽ đọc và kiểm tra xem file có dữ liệu hay không Nếu file không rỗng, từng dòng lệnh sẽ được lưu vào một biến mảng buffer Sau đó, buffer sẽ được chia thành các token, và địa chỉ của các token này sẽ được lưu trữ, đồng thời loại bỏ các dòng không phải G-code và các dòng lệnh comment Quá trình bắt đầu bằng việc mở file G-code, nếu file không rỗng, chương trình sẽ tạo vòng lặp để xử lý từng dòng lệnh, tách các cụm trong buffer thành các token dựa vào khoảng trắng, và lưu địa chỉ của token đầu tiên vào mảng G-code cùng với các token sau đó vào mảng value.

Xem xét loại bỏ các dòng không giá trị và bình luận nếu ký tự đầu tiên của mảng khác 'G' So sánh giá trị trong mảng gcode với giá trị 0, sau đó tách địa chỉ token và lưu vào mảng value nếu có giá trị.

Nếu không có giá trị, thoát khỏi vòng lặp; nếu có giá trị, giữ nguyên x và y trong mảng value hiện tại và lưu vào file txt Nếu giá trị trong mảng gcode là 1, kiểm tra xem giá trị token đã lưu trong mảng value có hợp lệ không; nếu không, thoát khỏi vòng lặp Nếu có, kiểm tra xem value có bằng x không, nếu đúng thì lưu vào x_position; kiểm tra xem value có bằng y không, nếu đúng thì lưu vào y_position Nếu chưa có lệnh nào trước đó, khởi tạo current_point.x và current_point.y bằng 0.

Với giá trị G = 1, chúng ta bắt đầu tính toán khoảng dx và dy để xác định khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm, ký hiệu là dist Biến stepx được tính bằng dx/dish và stepy bằng dy/dish Chúng ta chọn số lượng điểm chia là n trên đường thẳng giữa current_point và x_position, sau đó tạo một vòng lặp từ 0 đến n, trong đó mỗi lần tăng 1, current x và current y cũng sẽ được điều chỉnh tương tự Ở đây, chúng ta thực hiện nội suy cho cả đường thẳng và đường cong Đầu tiên, khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm được xác định là dish, sau đó chia cho số điểm chia nhỏ mong muốn để có được Blu (Basic Length Unit) Mỗi lần di chuyển theo một Blu, chúng ta từ từ tiến đến điểm đích, tạo ra một đường thẳng ngắn nhất giữa hai điểm.

Trong nội suy đường cong, có hai lệnh chính là G2 và G3 Lệnh G2 sẽ điều chỉnh đường cong theo chiều kim đồng hồ, trong khi lệnh G3 sẽ di chuyển theo đường cong nhưng ngược chiều kim đồng hồ Bước đầu tiên là tính toán góc bắt đầu và góc kết thúc giữa hai điểm.

Giới thiệu về web bàn vẽ hoa văn trên cát

Trang web có hai chế độ vẽ tự động và vẽ bằng tay Ngoài ra, còn cho phép đăng tải các hình ảnh mà người dùng muốn vẽ

5.7.1 Chế độ vẽ tự động

Hình 5.33 Hình ảnh bước 1 và 2 chế độ tự động

Hình 5.34 Hình ảnh bước 3 và 4 chế độ tự động Đầu tiên người dùng cần chọn chế độ mong muốn thực hiện Chọn Auto trên thanh công cụ

Bước 2 nhấn vào khung chọn tên hình

Bước 3, người dùng sẽ thấy danh sách các hình có sẵn trên trang web Sau khi nhấp chọn hình muốn vẽ, trang web sẽ hiển thị hình ảnh minh họa kèm theo tên hình.

Bước 4 nhấn chọn Submit để tiến hành vẽ

5.7.2 Chế độ đăng tải ảnh Ở chế độ này người dùng sẽ có quyền đăng tải hình mà mình mong muốn vẽ bàn vẽ tranh hoa văn trên cát sẽ thực hiện vẽ hình tương tự như hình người dùng đã đưa vào

Hình 5.35 Hình ảnh bước 1, 2 và 3 khi ở chế độ upload

Hình 5.36 Hình ảnh bước 4 của chế độ upload

Người dùng có thể chọn ảnh từ bộ sưu tập của mình để đăng tải lên web, giúp bàn có thể vẽ theo ý muốn Sau khi bấm upload, hình ảnh sẽ tự động được cập nhật vào danh mục auto trong hệ thống.

Để bắt đầu chế độ upload, người dùng cần chọn chế độ vẽ tương tự như khi sử dụng chế độ vẽ tự động Hãy chọn tùy chọn Upload trên thanh công cụ.

Bước 2 nhấp chọn Choose a file để chọn hình có sẵn trên thiết bị của người dùng để vẽ trên thiết bị di động

Bước 3 Đặt tên cho hình muốn vẽ trên khung chữ của trang web

Bước 4 nhấn vào upload hình ảnh sẽ được tự động cập nhật thêm vào kho lưu trữ ở chế độ auto

Bước 5 Bấm qua chế độ auto và bấm chọn hình và submit bàn sẽ bắt đầu vẽ

Hình 5.38 Hình ảnh bước 1 ở chế độ Manual

Hình 5.39 Hình ảnh bước 2 và 3 ở chế độ manual

Bước 1 chọn chế độ Manual trên thanh công cụ

Bước 2 Tiến hành vẽ hình vẽ tay trên màn hình chính

Bước 3 Cơ cấu sẽ bắt đầu vẽ theo khi đó sẽ có các điểm màu xanh để cho biết cơ cấu đã vẽ tới điểm nào của hình

CHẾ TẠO THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ

Kết quả thực thi mô hình

Hình 6.1 Hình ảnh mô phỏng và thực tế

Mô hình hoàn thiện của nhóm sau khi thực hiện cho thấy sự chỉn chu và đáp ứng tốt các yêu cầu ban đầu của đề tài Nó cho phép người dùng vẽ các họa tiết hoa văn đã được định sẵn, tải lên ảnh mong muốn để vẽ, và hỗ trợ chế độ vẽ manual trên màn hình cảm ứng, mang lại trải nghiệm sáng tạo đa dạng.

Hình 6.2 Hệ thống mạch điện của hệ thống

Board điều khiển tương đối gọn nhẹ và đẹp mắt có màn hình oled hiển thị địa chỉ của trang web, địa chỉ ip, tên wifi cũng như password

Hình 6.3 Cơ cấu của hệ thống sau khi gia công

Cơ cấu hoạt động tương đối ổn định

Hình 6.4 Mô hình khi viên bi đang vẽ

Thực nghiệm lên ý tưởng và cải tiến cơ cấu

6.2.1 Thực nghiệm với cơ cấu lần 1

Hình 6.5 Mô hình cơ cấu phát thảo ở đồ án cơ điện tử

Trong lần thử nghiệm đầu tiên của đồ án cơ điện tử, nhóm thiết kế đã áp dụng phương pháp Cartesian X và Y, sử dụng cơ cấu truyền động đai với một động cơ cho trục X và một động cơ hỗ trợ cho trục Y thông qua hai pulley Tuy nhiên, nhóm nhận thấy mô hình vẫn còn nhiều vấn đề, bao gồm nhược điểm về độ mượt mà của bàn vẽ, khiến việc kiểm tra và căng đai định kỳ trở nên cần thiết sau một thời gian sử dụng.

Thiết kế ở kỳ trước có những hạn chế, dẫn đến việc cơ cấu di chuyển bị giới hạn, khiến cho các hình vẽ có diện tích nhỏ và không đạt được tính thẩm mỹ cao.

Sử dụng 1 động cơ truyền chuyển động 2 pulley để chuyển trục Y nên chuyển động trục

Y còn chưa đủ công suất

6.2.2 Thực nghiệm lần 2 Ở thiết kế lần này nhóm vẫn thiết kế lựa chọn theo phương pháp truyền động Cartesian X và Y nhưng rút ra kinh nghiệm lần trước nhóm đã thay đổi thiết kế theo cơ cấu truyền động vít me – đai ốc để giảm tương đối các nhược điểm của cơ cấu trước đó

Cơ cấu lần này độ chính xác được tăng lên vì sử dụng cơ cấu truyền động vít me – đai ốc, không cần phải bảo trì sửa chữa nhiều

Nhóm thiết kế đã tối ưu hóa diện tích, cho phép vẽ các hình lớn hơn và chính xác hơn, đồng thời mang đến hoa văn và họa tiết đẹp mắt hơn.

Lần này đã có thêm 2 động cơ ở trục Y để giúp truyền động tốt hơn

Hình 6.7 Ảnh cơ cấu mô hình trong mô phỏng

Mô hình cơ cấu ở lần thử nghiệm này

Hình 6.8 Ảnh cơ cấu sau khi gia công

Kết quả thực nghiệm điều khiển

6.3 Kết quả thực nghiệm điều khiển

6.3.1 Các bước điều khiển bàn vẽ qua web

Hình 6.9 Hình ảnh đăng nhập địa chỉ IP của máy chủ

Hình 6.10 Hình ảnh giao diện màn hình chờ trong web

Hình 6.11 Hình ảnh Giao diện Web ở chế độ auto-3

Hình 6.12 Hình ảnh Giao diện Web ở chế độ auto-4

Hình 6.13 Hình ảnh Giao diện Web ở chế độ auto-6

Hình 6.14 Hình ảnh Giao diện Web ở chế độ auto-7

Hình 6.15 Hình ảnh Giao diện Web ở chế độ auto-8

Sau khi vẽ xong thì khung tròn bên ngoài sẽ chuyển thành màu xám để báo hiệu rằng hình đã được vẽ xong

6.3.2 Thực nghiệm thời gian vẽ

Bảng 6.1 Kết quả của cơ cấu khi vẽ hình bông hoa chỉ có bi

Số lần thực hiện Kết quả (giây)

Bảng 6.2 Kết quả của cơ cấu khi vẽ hình bông hoa khi chưa có tải

Số lần thực hiện Kết quả (giây)

Bảng 6.3 Kết quả của cơ cấu khi vẽ hình bông hoa khi có cả bi lẫn cát

Số lần thực hiện Kết quả (giây)

Hình 6.16 Hình ảnh bông hoa khi vẽ thực nghiệm

Phân tích kết quả thực nghiệm

Hình 6.17 Hình ảnh biểu đồ các lần thử nghiệm của cơ cấu

Kết quả trên cho thấy cơ cấu hoạt động ổn định trong điều kiện có tải, sai số giữa các lần thực hiện không đáng kể

Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5 Lần 6 Lần 7 Lần 8 Lần 9 Lần 10 Đơn vị theo giây (s)

Số lần thử nghiệm Biểu đồ thời gian vẽ của cơ cấu

Chỉ có bi không có cát không có bi và cát Có cả bi và cát

Sau khi tiến hành tìm hiểu và nghiên cứu từ nhiều nguồn kiến thức khác nhau, nhóm đã hoàn thiện mô hình và đạt được những kết quả đáng chú ý như sau.

Nhóm chọn hệ Cartesian để thực hiện và đã đạt được yêu cầu đặt ra

Do thiết kế tương đồng với các hệ thống CNC 2 trục, các thành phần cơ cấu chủ yếu có sẵn trên thị trường, giúp giảm thiểu chi phí thiết kế và gia công Điều này góp phần làm giảm giá thành của mô hình ở mức thấp nhất có thể.

Mô hình chạy tương đối ổn định và đạt được các yêu cầu đặt ra ban đầu

Mô hình của nhóm gặp hạn chế trong khả năng chuyển động do áp dụng chuyển động Cartesian, dẫn đến việc các đường cong khi vẽ chưa đạt được độ mềm mại và hoàn hảo như mong muốn.

Tính thẩm mỹ của mô hình vẫn còn tương đối và chưa được xem là đẹp mắt cho lắm

Mặc dù bi sắt có khả năng hút nam châm, nhưng phần tiếp xúc giữa chúng vẫn còn một số hạn chế, dẫn đến việc bi sắt không thể hút chặt nam châm khi vẽ với tốc độ cao.

Nhóm đã sử dụng 2 vi điều khiển là vi điều khiển ESP32 và Arduino Mega 2560 Sử dụng

2 vi điều khiển vì nhóm muốn tách riêng biệt giữa nhận dữ liệu và điều khiển động cơ

ESP32 sẽ đảm nhận vai trò nhận và truyền dữ liệu, trong khi Arduino Mega 2560 sẽ điều khiển động cơ Việc phân chia nhiệm vụ này giúp đảm bảo rằng nếu có sự cố xảy ra, nó sẽ không ảnh hưởng đến mạch còn lại.

Mạch ESP32 sử dụng 2 chân SDA, SCL

Mạch Arduino Mega 2560 sử dụng 2 chân I2C và 6 Pinout cho driver

Nhóm sử dụng 2 driver TB6600 để điều khiển động cơ X Y

Còn hạn chế về mặt chi phí vì sử dụng nhiều vi điều khiển và driver

Các thiết kế để đi dây còn rườm rà và chưa được đẹp mắt cho lắm

Lập trình điều khiển cho phép động cơ hoạt động ổn định và di chuyển mượt mà đến các điểm mong muốn thông qua phương pháp nội suy, mà không cần sử dụng các mạch hỗ trợ có sẵn.

Lập trình vẽ được các hoa văn trên cát bằng 3 cách: vẽ tự động, vẽ hình mà người dùng mong muốn, vẽ hình theo thời gian thực

Mô hình khi vẽ chưa đạt được tốc độ mà nhóm mong muốn Còn nhiều sai số trong quá trình thử nghiệm

Phương pháp vẽ hình hiện tại cho phép người dùng tạo ra các hình ảnh với tông màu đơn giản, tuy nhiên, vẫn gặp phải một số hạn chế khi vẽ các hình phức tạp hoặc những hình có các nét cắt trùng nhau.

Mô hình bàn vẽ hoa văn trên cát đã hoạt động ổn định, khắc phục nhiều hạn chế của mô hình trước, đáp ứng đầy đủ yêu cầu ban đầu và hoàn thành đúng tiến độ Cấu trúc của mô hình đã được hoàn thiện.

Cần tăng tính thẩm mỹ cho mô hình vì đây là sản phẩm thiên về xu hướng trang trí nội thất trong nhà

Tối ưu về phần cứng để cơ cấu chuyển động mềm mại hơn

Tăng tốc độ khi vẽ cũng như độ chính xác và giảm tiếng ồn

Xem xét về việc sử dụng các vật liệu nhẹ nhưng tối ưu được độ chắc chắn cho bàn

Nâng cấp chế độ vẽ thời gian thực bằng cách sử dụng màn hình cảm ứng đặt trên bàn thay vì vẽ trên web của điện thoại.