Sáng kiến Dạy học theo định hướng STEM một số chủ đề phần “vật sống”, Khoa họ...
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bàn cát động lực nghệ thuật.pdf
1. THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ KHÍ
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2023
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
BÀN CÁT ĐỘNG LỰC NGHỆ THUẬT
GVHD: TS. TRỊNH ĐỨC CƯỜNG
SVTH: NGUYỄN ANH MINH
S K L 0 1 1 2 9 5
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2023
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
BÀN CÁT ĐỘNG LỰC NGHỆ THUẬT
GVHD : TS. TRỊNH ĐỨC CƯỜNG
SVTH : PHẠM MINH LỘC 19144277
Lớp : 191442B
Khóa : 2019-2023
3. TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
BỘ MÔN: CHẾ TẠO MÁY
ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO
BÀN CÁT ĐỘNG LỰC NGHỆ THUẬT
GVHD : TS. TRỊNH ĐỨC CƯỜNG
SVTH : PHẠM MINH LỘC 19144277
Lớp :
Khoá :
191442B
2019 - 2023
Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2023
4. i
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Giảng viên hướng dẫn: TS. Trịnh Đức Cường
Sinh viên thực hiện: Phạm Minh Lộc MSSV: 19144277 ĐThoại: 0329521783
1. Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BÀN CÁT ĐỘNG LỰC NGHỆ THUẬT
2. Các số liệu, tài liệu ban đầu:
Hệ thống chuyển động Core XY
Sử dụng step motor.
3. Nội dung chính của đồ án:
Thiết kế cơ khí bàn cát động lực nghệ thuật.
Tính toán sức bền của hệ chuyển động.
Phát triển ứng dụng điều khiển.
4. Các sản phẩm dự kiến
Mô hình bàn cát động lực nghệ thuật.
Ứng dụng điều khiển bàn.
Báo cáo đồ án.
5. Ngày giao đồ án:
6. Ngày nộp đồ án:
7. Ngôn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh Tiếng Việt
Trình bày bảo vệ: Tiếng Anh Tiếng Việt
TRƯỞNG KHOA TRƯỞNG NGÀNH GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN
(Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên)
5. ii
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
Bộ môn Chế tạo máy
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên hướng dẫn)
Họ và tên sinh viên: Phạm Minh Lộc MSSV: 19144277 Hội đồng:…………
Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BÀN CÁT ĐỘNG LỰC NGHỆ
THUẬT
Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật Cơ khí.
Họ và tên GV hướng dẫn: TS. Trịnh Đức Cường
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên (không đánh máy)
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
2. Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN(không đánh máy)
2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
2.2 Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
2.3.Kết quả đạt được:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
6. iii
...................................................................................................................................................................................
2.4. Những tồn tại (nếu có):
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
3. Đánh giá:
4. Kết luận:
Được phép bảo vệ
Không được phép bảo vệ
TP.HCM, ngày tháng năm 20…
Giảng viên hướng dẫn
(Ký, ghi rõ họ tên)
TT Mục đánh giá
Điểm
tối đa
Điểm đạt
được
1. Hình thức và kết cấu ĐATN 30
Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các mục 10
Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10
Tính cấp thiết của đề tài 10
2. Nội dung ĐATN 50
Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ thuật, khoa
học xã hội…
5
Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10
Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc quy trình
đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc thực tế.
15
Khả năng cải tiến và phát triển 15
Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên ngành… 5
3. Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10
4. Sản phẩm cụ thể của ĐATN 10
Tổng điểm 100
7. iv
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HCM CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do – Hạnh phúc
KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY
Bộ môn Chế tạo máy
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
(Dành cho giảng viên phản biện)
Họ và tên sinh viên: Phạm Minh Lộc MSSV: 19144277 Hội đồng:…………
Tên đề tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BÀN CÁT ĐỘNG LỰC NGHỆ
THUẬT.
Ngành đào tạo: Công nghệ kỹ thuật Cơ khí.
Họ và tên GV phản biện: (Mã GV)..................................................................................................
Ý KIẾN NHẬN XÉT
1. Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
2. Nội dung đồ án:
(Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
3. Kết quả đạt được:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
4. Những thiếu sót và tồn tại của ĐATN:
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
...................................................................................................................................................................................
5. Câu hỏi:
.................................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................................
9. vi
LỜI CAM KẾT
Tên đề tài: : Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bàn cát động lực nghệ thuật
GVHD: TS. Trịnh Đức Cường
Họ tên sinh viên: Phạm Minh Lộc
MSSV: 19144277 Lớp: 191442B
Địa chỉ sinh viên: Trường ĐH SPKT TP. Hồ Chí Minh.
Số điện thoại liên lạc: 0329521783
Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp ( ĐATN):
Lời cam kết: “ Tôi xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp (ĐATN) này là công trình do chính
tôi nghiên cứu và thực hiện. Tôi không sao chép từ bất kỳ một bài viết nào đã được công bố
mà không trích dẫn nguồn gốc. Nếu có bất kỳ một sự vi phạm nào, tôi xin chịu hoàn toàn
trách nhiệm”.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm
Ký tên
10. vii
LỜI CẢM ƠN
Đề tài “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO BÀN CÁT ĐỘNG LỰC NGHỆ
THUẬT” là nội dung mà em đã nghiên cứu và chọn làm đồ án tốt nghiệp sau quá trình bốn
năm theo học tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM. Trong quá trình nghiên cứu
và hoàn thiện đồ án tốt nghiệp, em đã nhận được nhiều sự quan tâm, giúp đỡ từ quý thầy cô,
bạn bè và đặc biệt là sự giúp đỡ từ gia đình khi đã ủng hộ em từ vật chất đến tinh thần trong
suốt khoảng thời gian dài bốn năm học đại học. Thật sự có những lúc chúng em mệt mỏi, bế
tắc gần như gục ngã nhưng nhờ sự trợ giúp từ những lời động viên tinh thần đến từ bạn bè,
gia đình và những lời khuyên và định hướng từ những người thầy, cô đã giúp em giữ vững
tinh thần để bước tiếp trên con đường đi tìm và trau dồi tri thức của bản thân. Và để đồ án tốt
nghiệp thành công nhất, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến với:
Giảng viên hướng dẫn TS. Trịnh Đức Cường, là người thầy tâm huyết, thầy luôn hỗ trợ
đưa ra ý tưởng về đề tài đã góp giúp em định hướng được đề tài và những vấn đề mà em cần
thực hiện. Thầy đã có những trao đổi và góp ý để em có thể hoàn thành tốt đề tài nghiên cứu
này. Thầy còn gợi ý giúp đỡ em về một số vật liệu cần thiết để thực hiện đề tài nghiên cứu
của em.
Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM đã tạo môi trường
học tập và rèn luyện rất tốt, cung cấp cho em những kiến thức và kỹ năng bổ ích giúp em có
thể áp dụng và thuận lợi thực hiện khoá luận.
Em cũng xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu và đội ngũ giáo viên Trường Đại học Sư
phạm Kỹ thuật TP. HCM đã tạo cơ hội cho em được học tập và hoạt động tại trường để có
những kiến thức, kinh nghiệm trong thực tế để có thông tin hữu ích cho đồ án.
Em mong sau khi hoàn thành đồ án tốt nghiệp tất cả các bạn sinh viên sẽ có thể bước ra
xã hội với đầy đủ kiến thức đã nhận được ở giảng đường đại học, làm công việc đúng ngành
nghề và không ngừng phát triển hoàn thiện bản thân, đóng góp sức lực cho xã hội.
Trong thời gian thực hiện đồ án tốt nghiệp vừa qua không thể tránh khỏi những sai sót,
em mong thầy cô cũng có thể bỏ qua cho em.
Em xin chân thành cảm ơn!
11. viii
TÓM TẮT
Hiện nay nhu cầu trang trí nội thất ngày càng tăng. Những món đồ nội thất không còn chỉ
đơn giản là những cái bàn, cái ghế đơn giản nữa mà ngày càng có sự cải tiến. Đặc biệt đối với
những người có sự đam mê nghệ thuật luôn muốn trang trí cho ngôi nhà của mình bằng những
món đồ nội thất độc đáo, có tính hiện đại và tất nhiên không thể thiếu đi tính năng ban đầu
của nó là một món nội thất. Nhận thấy hiện trên thị trường đang thiếu đi những sản phẩm
mang tính đột phá mới mẻ, những mẫu bàn nội thất mang những hình dáng, kết cấu đã quá
quen thuộc, ít mang tính chất kết hợp nhiều lĩnh vực với nhau.
Thế kỷ 21 là thời kỳ của cơ khí – tự động hóa. Áp dụng cơ khí hóa trong mọi lĩnh vực để
giảm bớt nhân công đang là xu thế chung của thời đại. Tuy nhiên còn khá ít các sản phẩm
mang tính chất trang trí nội thất được kết hợp với các yếu tố cơ khí – tự động. Sự kết hợp ít
ai nghĩ đến hoặc sẽ xem đây là những lĩnh vực ít liên quan đến nhau – một bên mang nhiều
nét nghệ thuật, những đường nét mềm mại, còn một bên lại mang nặng tính máy móc, những
chi tiết cứng cáp, đặc biệt đối với những sản phẩm như bàn, ghế.
Với những lý do trên, em đã quyết định chọn đề tài ‘‘NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ
CHẾ TẠO BÀN CÁT ĐỘNG LỰC NGHỆ THUẬT’’ làm đề tài để tìm hiểu, nghiên cứu.
Trong bài nghiên cứu này, em sẽ tập trung nghiên cứu và phát triển về phần cơ và phần
điều khiển của bàn cát động lực nghệ thuật. Phần cơ sẽ là một chiếc bàn có khả năng tạo ra
những hoa văn, họa tiết dựa trên file G-code do người dùng đưa vào, phần điều khiển sẽ là
phần mềm điều khiển có giao diện dễ sử dụng, thân thiện với người dùng, cung cấp, hiển thị
đầy đủ các thông tin cần thiết để điều khiển bàn.
12. ix
ABSTRACT
The demand for interior decoration is increasing nowadays. Furniture items are no longer
simple tables and chairs, but they are continuously being improved. Especially for those who
have a passion for art, they always want to decorate their homes with unique and modern
furniture pieces that also serve their primary function as furniture. However, it is observed
that the market lacks innovative and groundbreaking products, particularly in terms of
furniture designs that combine various fields together.
The 21st century is an era of mechanical engineering and automation. The application of
mechanization in all fields to reduce human labor is a common trend of the time. However,
there are still relatively few decorative furniture products that are combined with mechanical
and automation elements. The combination is not often considered or viewed as unrelated
areas - one side representing artistic features with soft lines and the other side emphasizing
mechanical aspects with rigid and detailed components, especially in products like tables and
chairs.
Considering the aforementioned reasons, I have decided to choose the topic "RESEARCH,
DESIGN, AND FABRICATION OF ARTISTIC KINETIC SAND TABLE" to study and
explore the subject in detail.
13. x
MỤC LỤC
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.........................................................................................i
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ..........................................................................ii
PHIẾU NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP .........................................................................iv
LỜI CAM KẾT.......................................................................................................................vi
LỜI CẢM ƠN........................................................................................................................vii
TÓM TẮT.............................................................................................................................viii
ABSTRACT............................................................................................................................ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................................xiv
DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ...........................................................................................xv
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ......................................................................................xix
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU......................................................................................................1
1.1. Tính cấp thiết của đề tài.................................................................................................1
1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.......................................................................1
1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài......................................................................................1
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.................................................................................1
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu: .............................................................................................1
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu:................................................................................................1
1.5. Phương pháp nghiên cứu...............................................................................................2
1.5.1. Cơ sở phương pháp luận .........................................................................................2
1.5.2. Cơ sở phương pháp cụ thể.......................................................................................2
1.6. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp .........................................................................................2
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI ...........................................................4
2.1. Tổng quan về xu thế nội thất kết hợp với cơ khí tự động hóa và sự ra đời của bàn vẽ
tranh cát tự động...................................................................................................................4
2.1.1. Xu thế đồ nội thất kết hợp với cơ khí tự động hóa hiện nay...................................4
2.1.2. Sự ra đời và phát triển của bàn vẽ tranh cát tự động...............................................4
2.2. Đặc tính của bàn cát động lực nghệ thuật......................................................................5
2.3. Cấu tạo của bàn cát động lực nghệ thuật.......................................................................6
2.4. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài..............................................................................7
14. xi
2.4.1. Các nghiên cứu nước ngoài:....................................................................................7
2.4.2. Các nghiên cứu trong nước:....................................................................................9
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT......................................................................................12
3.1. Động cơ bước ..............................................................................................................12
3.1.1. Tổng quan về động cơ bước..................................................................................12
3.1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước ...............................................................12
3.1.3. Phân loại động cơ bước.........................................................................................14
3.1.4. Điều khiển động cơ bước......................................................................................16
3.1.5. Ứng dụng của động cơ bước.................................................................................18
3.2. Hệ chuyển động CoreXY ............................................................................................18
3.2.1. Tổng quan về hệ chuyển động CoreXY................................................................18
3.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ chuyển động CoreXY .............................................19
3.2.3. Ứng dụng của hệ chuyển động CoreXY ...............................................................19
3.2.4. Ưu điểm, nhược điểm của hệ chuyển động CoreXY............................................20
3.3. Thanh trượt dẫn hướng................................................................................................21
3.3.1. Giới thiệu thanh trượt dẫn hướng..........................................................................21
3.3.2. Bảo vệ và bôi trơn thanh trượt ..............................................................................22
3.4. Phần điện điều khiển ...................................................................................................23
3.4.1. Mạch vi điều khiển Arduino UNO........................................................................23
3.4.2. Mạch điều khiển động cơ bước A4988.................................................................24
3.4.3. Module Endstop CNC...........................................................................................25
3.5. Phần mềm điều khiển ..................................................................................................26
3.5.1. Giới thiệu GRBL...................................................................................................26
3.5.2. Cài đặt thư viện GRBL trên Arduino....................................................................28
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP....................................................30
4.1. Yêu cầu của đề tài........................................................................................................30
4.2. Phương án và giải pháp thực hiện ...............................................................................30
4.2.1. Phương án chọn cơ cấu chuyển động....................................................................30
4.2.2. Phương án lựa chọn động cơ.................................................................................33
4.2.3. Phương án lựa chọn cơ cấu truyền động...............................................................34
15. xii
4.3. Lựa chọn phương án....................................................................................................35
4.3.1. Lựa chọn phương án cho cơ cấu chuyển động......................................................35
4.3.2. Lựa chọn phương án cho động cơ.........................................................................35
4.3.3. Lựa chọn phương án cơ cấu truyền động..............................................................35
CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ.................................................................36
5.1. Tính toán chọn động cơ:..............................................................................................36
5.2. Bộ truyền động ............................................................................................................40
5.2.1. Bộ truyền động đai................................................................................................40
5.2.2. Kiểm nghiệm độ bền đai .......................................................................................41
5.2.3. Puly GT2 và ròng rọc GT2 ...................................................................................42
5.3. Thiết kế khung hệ chuyển động ..................................................................................44
5.3.1. Nhôm định hình: ...................................................................................................44
5.3.2. Các khối liên kết được chế tạo bằng phương pháp in 3D.....................................45
5.3.3. Thanh trượt ray tuyển tính ....................................................................................46
5.4. Tính độ bền của các chi tiết:........................................................................................47
CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN.........................................................53
6.1. Sơ đồ nối dây các mạch điều khiển:............................................................................53
6.2. Phần mềm điều khiển: .................................................................................................55
6.3. Lưu đồ thuật toán của bàn cát động lực nghệ thuật:....................................................56
6.4. Phân tích thuật toán nội suy của GRBL ......................................................................58
6.4.1. Thuật toán nội suy đường thẳng............................................................................58
6.4.2. Thuật toán nội suy đường cong tròn .....................................................................59
CHƯƠNG 7: CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ.....................................................61
7.1. Thử nghiệm động cơ bước: .........................................................................................61
7.2. Gia công phần gỗ của bàn ...........................................................................................62
7.3. Đánh giá: .....................................................................................................................64
CHƯƠNG 8: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC..................................................................................65
8.1. Phần cứng sản phẩm bàn cát động lực nghệ thuật: .....................................................65
8.2. Phần mềm điều khiển bàn: ..........................................................................................67
KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ .......................................................................................................68
16. xiii
Kết luận...............................................................................................................................68
Những mặt đạt được của đề tài...........................................................................................68
Những mặt hạn chế của đề tài ............................................................................................68
Phương hướng phát triển....................................................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO .....................................................................................................70
17. xiv
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3. 1. Thông số kỹ thuật mạch vi điều khiển Arduino UNO...........................................23
Bảng 3. 2. Thông số kỹ thuật của mạch điều khiển động cơ bước A4988.............................24
Bảng 3. 3. Thông số kỹ thuật của Module Endstop CNC ......................................................26
Bảng 4. 1. Ưu điểm, nhược điểm của động cơ bước .............................................................33
Bảng 4. 2. Ưu điểm, nhược điểm của động cơ Servo ............................................................33
Bảng 4. 3. Ưu điểm, nhược điểm của động cơ điện một chiều..............................................34
Bảng 4. 4. Ưu điểm, nhược điểm của bộ truyền đai ..............................................................34
Bảng 4. 5. Ưu điểm, nhược điểm của bộ truyền trục vít me – đai ốc ....................................34
Bảng 4. 6. Ưu điểm, nhược điểm của bộ truyền trục vít – bánh vít kết hợp bánh răng ........35
Bảng 5. 1. Số liệu ban đầu tính toán chọn động cơ...............................................................36
Bảng 5. 2. Thông số động cơ Nema 17 OK17STH147 ..........................................................38
Bảng 8. 1. Thống số kỹ thuật bàn cát động lực nghệ thuật ...................................................66
18. xv
DANH MỤC SƠ ĐỒ, HÌNH VẼ
Hình 2. 1. Bàn Sisyphus phiên bản đầu tiên (Nguồn: Internet)...............................................5
Hình 2. 2. Cơ cấu nam châm đặt dưới lớp cát (Nguồn:Internet) ............................................7
Hình 2. 3. Hình ảnh bàn Sisyphus (Nguồn: Internet)..............................................................8
Hình 2. 4. Một số họa tiết do bàn Sisyphus tạo nên (Nguồn: Internet)...................................9
Hình 2. 5. Bàn vẽ tranh cát tự động của nhóm sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
TP. Hồ Chí Minh (Nguồn: youtube: Khoa cơ khí chế tạo máy) ..............................................9
Hình 2. 6. Hệ chuyển động kết hợp cả cơ cấu để quay và chuyển động tịnh tiến của đầu công
tác (Nguồn: Youtube Khoa cơ khí chế tạo máy)....................................................................10
Hình 2. 7. Thiết kế của bàn chưa được tối ưu để sử dụng như một món đồ nội thất (Nguồn:
Youtube Khoa cơ khí chế tạo máy) ........................................................................................11
Hình 3. 1. Cấu tạo của động cơ bước (Nguồn: Internet). .....................................................12
Hình 3. 2. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước biến từ trở (Nguồn: Internet)................13
Hình 3. 3. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Nguồn: Internet) .14
Hình 3. 4. Động cơ bước đơn cực (Nguồn: Internet) ............................................................15
Hình 3. 5. Động cơ bước hai cực (Nguồn: Internet) .............................................................16
Hình 3. 6. Biểu đồ điều khiển động cơ bước dạng sóng. (Nguồn: Internet)..........................16
Hình 3. 7. Biểu đồ điều khiển động cơ bước chạy đủ bước. (Nguồn: Internet) ....................17
Hình 3. 8. Biểu đồ điều khiển động cơ bước nửa bước. (Nguồn: Internet)...........................17
Hình 3. 9. Biểu đồ điều khiển động cơ bước chạy vi bước. (Nguồn: Internet)......................17
Hình 3. 10. Sơ đồ bố trí động cơ của hệ chuyển động CoreXY (Nguồn: Internet)................19
Hình 3. 11. Máy in 3D sử dụng hệ thống chuyển động CoreXY (Nguồn: Internet) ..............20
Hình 3. 12. Hệ chuyển động CoreXY được ứng dụng trong máy cắt laser (Nguồn : Internet)
................................................................................................................................................20
Hình 3. 13. Thanh trượt dẫn hướng (Nguồn: Internet) .........................................................22
Hình 3. 14. Vi điều khiển Arduino UNO (Nguồn: Internet) ..................................................24
19. xvi
Hình 3. 15. Mạch điều khiển động cơ bước A1988 (Nguồn: Internet)..................................25
Hình 3. 16. Sơ đồ chân kết nối mạch điều khiển động cơ bước A4988 (Nguồn: Internet)....25
Hình 3. 17. Module Endstop CNC. (Nguồn: nshopvn)..........................................................26
Hình 3. 18. Sơ đồ hoạt động của GRBL (Nguồn: Internet)...................................................27
Hình 3. 19. Cài đặt firmware GRBL cho Arduino IDE .........................................................28
Hình 3. 20. Cài đặt firmware GRBL cho Arduino IDE .........................................................28
Hình 3. 21. Cài đặt firmware GRBL cho Arduino IDE .........................................................29
Hình 4. 1. Hệ chuyển động Cartesian. (Nguồn: Internet) ....................................................31
Hình 4. 2. Sơ đồ hệ chuyển động CoreXY. (Nguồn: Internet)..............................................32
Hình 4. 3. Sơ đồ chuyển động của Robot SCARA. (Nguồn: Internet) ..................................33
Hình 5. 1. Kích thước động cơ (Nguồn: thegioiic)................................................................ 39
Hình 5. 2. Các loại đai phổ biến (Nguồn: Internet) ..............................................................40
Hình 5. 3. Dây đai GT2 bước răng 2mm. (Nguồn: thegioiic) ...............................................41
Hình 5. 4. Thông số của dây đai GT2 – 2 mm. (Nguồn: Internet).........................................41
Hình 5. 5. Pully GT2 – 20 răng. (Nguồn: Internet)...............................................................42
Hình 5. 6. Thông số kích thước của puly GT2. (Nguồn: Internet).........................................42
Hình 5. 7. Ròng rọc GT2 – 20 răng. (Nguồn: Internet).........................................................43
Hình 5. 8. Thông số kích thước của ròng rọc GT2 (Nguồn: Internet)...................................44
Hình 5. 9. Kích thước nhôm 20x20. (Nguồn: KT Shop – HCM) ...........................................44
Hình 5. 10. Khung hệ chuyển động của bàn..........................................................................45
Hình 5. 11. Kích thước thanh trượt và con trượt. (Nguồn: Internet) ....................................47
Hình 5. 12. Mô phỏng độ biến dạng của chi tiết 1 bằng phần mềm Inventor .......................48
Hình 5. 13. Mô ứng suất của chi tiết 1 bằng phần mềm Inventor .........................................48
Hình 5. 14. Mô phỏng ứng suất của chi tiết 2 bằng phần mềm Inventor ..............................49
20. xvii
Hình 5. 15. Mô phỏng chuyển vị của chi tiết 2 bằng phần mềm Inventor.............................49
Hình 5. 16. Mô phỏng ứng suất của chi tiết 3 bằng phần mềm Inventor ..............................50
Hình 5. 17. Mô phỏng chuyển vị của chi tiết 3 bằng phần mềm Inventor.............................50
Hình 5. 18. Mô phỏng ứng suất của chi tiết 4 bằng phần mềm Inventor ..............................51
Hình 5. 19. Mô phỏng chuyển vị của chi tiết 4 bằng phần mềm Inventor.............................51
Hình 5. 20. Mô phỏng ứng suất của chi tiết 5 bằng phần mềm Inventor ..............................52
Hình 5. 21. Mô phỏng chuyển vị của chi tiết 5 bằng phần mềm Inventor.............................52
Hình 5. 22. Bảng thông số đặc tính cơ học của nhựa ABS (Nguồn: Internet) ............... Error!
Bookmark not defined.
Hình 6. 1. Sơ đồ kết nối dây các thành phần điện tử.............................................................53
Hình 6. 2. Sơ đồ chân ra của board Arduino CNC Shield V3 (Nguồn: Nshopvn) ................54
Hình 6. 3. Mạch Arduino sau khi kết nối với Arduino CNC Shield.......................................54
Hình 6. 4. Giao diện phần mềm điều khiển LaserGRBL. ......................................................55
Hình 6. 5. Lưu đồ thuật toán bàn cát động lực nghệ thuật....................................................57
Hình 6. 6. Cơ chế hoạt động hệ CoreXY................................................................................58
Hình 7. 1. Tiến hành chạy thử nghiệm động cơ.....................................................................61
Hình 7. 2. Gắn động cơ và cho động cơ hoạt động trong không gian của khung hệ chuyển
động........................................................................................................................................62
Hình 7. 3. Đo kích thước ván gỗ đúng với kích thước đã thiết kế. ........................................62
Hình 7. 4. Bàn sau khi đã được hoàn thiện phần gỗ. ............................................................63
Hình 7. 5. Bàn sau khi đã lắp đặt khung hệ chuyển động. ....................................................63
Hình 7. 6. Bàn sau khi đã hoàn thiện tất cả các giai đoạn gia công, kiểm nghiệm. .............64
Hình 8. 1. Họa tiết hình vuông do bàn vẽ ra. ........................................................................65
21. xviii
Hình 8. 2. Họa tiết hình trái tim do bàn vẽ............................................................................66
Hình 8. 3. Giao diện phần mềm LaserGRBL để điều khiển bàn ...........................................67
22. xix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ABS Acrylonitrin Butadien Styren
CAD Computer Aided Design
CNC Computer Numerical Control
DIY Do It Yourself
GRBL G-code Real time Boot Loader
LED Light-Emitting Diode
PID Proportional Integral Derivative
SCARA Selective Complience Assembly Robot Arm
UART Universal Ansynchronous Receiver/Transmitter
USB Universal Serial Bus
23. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
Từ trước đến nay, nhu cầu trang trí, làm đẹp cho không gian sống của con người chưa bao
giờ dừng lại. Tuy nhiên, trên thị trường hiện nay lại có rất ít sản phẩm độc đáo, kết hợp được
cả nghệ thuật lẫn cơ khí tự động hóa. Nhận thấy được một sản phẩm độc đáo, khác biệt với
các sản phẩm truyền thống đã có trên thị trường, mang đến một trải nghiệm nghệ thuật hoàn
toàn mới, kết hợp giữa nghệ thuật và công nghệ có rất nhiều tiềm năng trong việc khai thác
ứng dụng thực tế, sáng tạo và thương mại.
1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Đề tài được nghiên cứu chủ yếu với những nội dung chủ yếu sau:
- Tìm hiểu tổng quan về hệ chuyển động CoreXY.
- Khảo sát về những đề tài ứng dụng hệ chuyển động CoreXY liên quan được nghiên cứu
trước đây.
- Nghiên cứu về lý thuyết và tính toán các phương trình động học thuận, động học nghịch.
- Thiết kế và gia công bàn cát động lực nghệ thuật, lựa chọn động cơ phù hợp cho hệ thống
cơ khí.
- Xây dựng chương trình điều khiển cho bàn.
1.3. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Đề tài nhằm mục nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bàn cát động lực nghệ thuật ứng dụng hệ
chuyển động CoreXY.
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.4.1 Đối tượng nghiên cứu:
- Bàn cát động lực nghệ thuật.
- Phần mềm LaserGRBL.
1.4.2. Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu tổng quan về hệ chuyển động CoreXY.
- Nghiên cứu, thiết kế có cấu của hệ chuyển động của bàn.
- Nghiên cứu, tính toán chọn các thành phần cơ khí, điện.
24. 2
- Nghiên cứu, ứng dụng GRBL vào việc điều khiển bàn.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
1.5.1. Cơ sở phương pháp luận
Từ cơ sở các tài liệu, các nghiên cứu, đề tài đi trước về hệ chuyển động CoreXY, một số
mẫu bàn tương tự trên thị trường để phân tích ưu điểm, nhược điểm để có thể có được mẫu
bàn tốt hơn.
1.5.2. Cơ sở phương pháp cụ thể
Đề tài kết hợp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm chế tạo:
Nghiên cứu lý thuyết:
- Tham khảo các nghiên cứu về những ứng dụng của hệ chuyển động CoreXY có liên
quan, sau đó chọn lựa ra cấu hình phù hợp cho đề tài.
- Tìm hiểu các nghiên cứu liên quan về hệ chuyển động CoreXY sau đó tổng hợp tài liệu
về các mô hình toán học về động học của bàn cát động lực nghệ thuật.
- Sử dụng những thông số về kích thước đã tìm được để thiết kế cơ khí cho bàn cát động
lực nghệ thuật.
- Xây dựng giao diện điều khiển bàn cát động lực nghệ thuật dựa trên nền tảng GRBL.
Thực nghiệm bàn cát động lực nghệ thuật:
- Gia công bàn theo thiết kế và tiến hành kiểm chứng những tính toán từ nghiên cứu lý
thuyết bằng cách điều khiển bàn hoạt động theo những hình vẽ đã được lập trình.
1.6. Kết cấu của đồ án tốt nghiệp
Đồ án tốt nghiệp gồm 8 chương. Nội dung cụ thể các chương gồm những phần sau:
GIỚI THIỆU: Nội dung ở phần này sẽ nêu tính cấp thiết và lý do chọn đề tài,
ý nghĩa khoa học và thực tiễn.
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI: ở phần tiếp theo sẽ nói về các khái
niệm, định nghĩa, các kiến thức cần thiết khác liên quan đến đề tài.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT: Tìm hiểu các lý thuyết cần được sử dụng trong bài
nghiên cứu.
25. 3
PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP: đưa ra những phương án có thể
lựa chọn, phân tích ưu điểm và nhược điểm của từng phương pháp, sau đó lựa chọn phương
án tối ưu nhất.
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ: Tính toán những bài toán liên quan đến hệ
chuyển động của bàn.
CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM - ĐÁNH GIÁ: Tiến hành chế tạo bàn cát động lực
nghệ thuật dựa trên những tính toán, thiết kế.
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC: tổng kết những kết quả thu được sau khi thực hiện
bài nghiên cứu.
KẾT LUẬN – ĐỀ NGHỊ: Kết luận tổng của đồ án và đưa ra phương hướng phát triển
trong tương lai của sản phẩm
26. 4
CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI
2.1. Tổng quan về xu thế nội thất kết hợp với cơ khí tự động hóa và sự ra đời của bàn
vẽ tranh cát tự động
2.1.1. Xu thế đồ nội thất kết hợp với cơ khí tự động hóa hiện nay
Ngày nay, xu hướng những món đồ nội thất kết hợp với cơ khí tự động hóa đang ngày
càng đực quan tâm và phát triển cả trong ngành thiết kế nội thất và cả ngành kỹ thuật. Cơ khí
tự động hóa giúp cải thiện tính năng và hiệu quả sử dụng của các món đồ nội thất truyền
thống, mang lại trải nghiệm tốt hơn cho người dùng và đáp ứng các nhu cầu hiện đại của cuộc
sống.
Một số xu hướng phổ biến trong lĩnh vực này có thể kể đến như đồ nội thất thông minh.
Đây là những món đồ nội thất được tích hợp với cảm biến và công nghệ điều khiển tự động,
cho phép người dùng điều chỉnh các chức năng như ánh sáng, nhiệt độ, âm thanh,… thông
qua ứng dụng di động hoặc thậm chí là cử chỉ, giọng nói.
Bên cạnh những món đồ nội thất thông minh thì cũng có một xu thế đang ngày càng được
ưa chuộng đó là những món đồ kết hợp giữa nghệ thuật và kỹ thuật. Đây là những món đồ
vừa mang tính nghệ thuật, dùng để trang trí không gian sống, làm việc, vừa mang tính hiện
đại của các cơ cấu cơ khí. Một số món đồ nội thất có thể kể đến như những chiếc đèn có thể
tự động thay đổi hình dáng, những chiếc tủ có thể thay đổi độ cao, độ nghiêng,.. và có một
món đồ nội thất khá nổi thời gian gần đây đó chính là chiếc bàn có thể tự động vẽ ra các họa
tiết, hoa văn phức tạp trên nền cát.
2.1.2. Sự ra đời và phát triển của bàn vẽ tranh cát tự động
Chiếc bàn vẽ tranh cát tự động đầu tiên được ra đời vào khoảng thời gian năm 2015 với
cái tên “Sisyphus 1.0”. Đây là một tác phẩm được tạo ra bởi nghệ sĩ vẽ tranh cát Bruce
Shapiro. Ông đã sáng tạo ra một cơ chế tự động sử dụng các động cơ để điều khiển viên bi
kim loại di chuyển trên bề mặt cát để tạo ra những hoa văn, họa tiết vô cùng độc đáo.
27. 5
Hình 2. 1. Bàn Sisyphus phiên bản đầu tiên (Nguồn: Internet)
Sau phiên bản bàn vẽ tranh cát tự động đầu tiên, Bruce Shapiro đã thu hút được rất nhiều
sự chú ý từ phía người tiêu dùng. Được biết vào lúc chiếc bàn được giới thiệu vào năm 2017,
nó đã được đặt kín trước thời điểm ra mắt gần 1 năm. Sau sự thành công của phiên bản bàn
vẽ tranh cát Sisyphus đầu tiên, nghệ sĩ Bruce Shapiro cũng đã liên tục cho ra mắt những phiên
bản kế tiếp với những cải tiến về cả mẫu mã lẫn tính năng mới.
Hiện nay, bàn vẽ tranh cát tự động đã trở thành một sản phẩm phổ biến trong lĩnh vực
nghệ thuật, trang trí nội thất và giải trí. Những tác phẩm tranh cát tự động không chỉ gây ấn
tượng mạnh với người xem mà còn tạo ra một trải nghiệm thú vị và sáng tạo cho người dùng.
2.2. Đặc tính của bàn cát động lực nghệ thuật
Bàn cát động lực nghệ thuật là một sản phẩm mang tính nghệ thuật độc đáo và có những
đặc tính đặc biệt như:
- Nghệ thuật động: Bàn cát động lực nghệ thuật tạo ra những hình ảnh nghệ thuật động
trên mặt phẳng cát. Qua quá trình di chuyển của bi trên bề mặt cát, các hình vẽ được tạo ra và
thay đổi liên tục, tạo nên một tác phẩm nghệ thuật sống động và thú vị.
Độ chính xác và chi tiết: Hệ thống cơ khí và điều khiển của bàn Sisyphus được thiết kế để
đảm bảo độ chính xác và chi tiết cao trong quá trình vẽ. Điều này cho phép tạo ra những mẫu
vẽ phức tạp và tỉ mĩ.
Sự kết hợp giữa công nghệ và nghệ thuật: bàn cát động lực nghệ thuật kết hợp giữa công
nghệ và nghệ thuật để tạo ra những hiệu ứng chuyển động mượt mà và tinh tế.
28. 6
Tạo không gian thư giãn và thẩm mỹ: bàn cát động lực nghệ thuật không chỉ là một món
đồ trang trí nội thất mà đó còn là một tác phẩm nghệ thuật, tạo ra một không gian thẩm mỹ,
thư giãn và độc đáo trong không gian sống.
Kích thước và thiết kế đa dạng: Bàn cát động lực nghệ thuật có thể được thiết kế với nhiều
kích thước khác nhau nhằm phù hợp với không gian và nhu cầu sử dụng. Có thể có các phiên
bản mini dành cho bản làm việc cá nhân hoặc các phiên bản lớn hơn dùng trong không gian
nghệ thuật lớn.
Bàn cát động lực nghệ thuật có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực, không gian khác
nhau, từ không gian nghệ thuật, trung tâm triển lãm, nhà hàng, khách sạn cho đến các không
gian công cộng và cá nhân.
2.3. Cấu tạo của bàn cát động lực nghệ thuật
Bàn cát động lực nghệ thuật có thể có nhiều kiểu dáng, kết cấu khác nhau, tuy nhiên
thường sẽ có một số phần cấu tạo chung như:
- Bề mặt vẽ: bàn cát động lực nghệ thuật có một tấm bề mặt phẳng được phủ một lớp cát
động lực, đây là nơi mà các hình vẽ sẽ được tạo ra thông qua việc di chuyển của viên bi.
- Hệ thống điều khiển: bàn cát động lực nghệ thuật được điều khiển bởi một hệ thống điều
khiển chuyên dụng. Hệ thống này sẽ điều chỉnh chuyển động của viên bi trên bề mặt vẽ để
tạo ra các hình vẽ.
- Hệ thống khung: bàn cát động lực nghệ thuật có bộ khung hệ chuyển động được tạo bởi
các thanh nhôm định hình được liên kết với nhau bằng các ke góc vuông, tạo nên sự chắc
chắn, gọn nhẹ, dễ dàng tháo lắp.
- Động cơ: động cơ được dùng để tạo ra chuyển động cho viên bi trên bề mặt vẽ. Động cơ
có thể là loại động cơ bước, động cơ servo hoặc là các loại động cơ khác, tùy thuộc vào thiết
kế và yêu cầu của bản vẽ.
Nói tóm lại, bàn cát động lực nghệ thuật có thể có nhiều cách cấu tạo khác nhau tùy thuộc
vào yêu cầu của người sử dụng, tuy nhiên những thành phần chung nhất mà bàn cát động lực
phải có sẽ gồm bề mặt vẽ, hệ thống điều khiển, hệ thống khung và động cơ. Các thành phần
này hoạt động cùng nhau để tạo ra những tác phẩm nghệ thuật trên cát.
29. 7
2.4. Các nghiên cứu liên quan đến đề tài
2.4.1. Các nghiên cứu nước ngoài:
Hiện nay, khi nhắc đến bàn cát động lực nghệ thuật thì nhiều người sẽ nghĩ ngay đến sản
phẩm bàn vẽ tranh cát tự động Sisyphus. Đây là một sản phẩm có thể nói là tiên phong trong
việc sáng tạo ra một sản phẩm có thể vừa là một món đồ trang trí nội thất, vừa là một hệ thống
cơ khí phức tạp để tao ra những tác phẩm nghệ thuật. Tên chiếc bàn được đặt theo tên của vị
thần Corinth Sisyphus. Theo thần thoại Hy Lạp, Sisyphus là một vị vua thông minh, ông đã
lừa dối thần chết Hades. Hình phạt mà các vị thần trên đỉnh Olympus dành cho ông là phải
đẩy một hòn đá nặng lên một ngọn đồi cao. Vào cuối ngày, tảng đá sẽ lăn lại xuống chân đồi
và Sisyphus sẽ phải lăp đi lặp lại công việc này, tiếp diễn mãi mãi. Lấy cảm hứng từ câu
chuyện thú vị trên, nghệ sĩ tranh cát Bruce Shapiro đã tạo ra chiếc bàn độc đáo lấy tên
Sisyphus. Bàn Sisyphus sử dụng một quả cầu kim loại điều khiển bằng nam châm để vẽ họa
tiết trên bề mặt cát dưới lớp kính của bàn. Khi quả cầu kim loại di chuyển, nó vừa xóa đi đồng
thời cũng tạo ra các họa tiết mới.
Hình 2. 2. Cơ cấu nam châm đặt dưới lớp cát (Nguồn:Internet)
Bàn Sisyphus có đường kính cỡ 40 inch, được trang bị cơ cấu dẫn động phân bước, loại
lớn hơn được trang bị động cơ servo không chổi than. Trung tâm điều khiển của chiếc bàn là
một máy tính mini Raspberry Pi 3 chạy chương trình NodeJS. Ngoài ra, chiếc bàn còn có cả
đèn LED, cổng USB và kết nối wifi để điều khiển qua smartphone. Sisyphus sử dụng nguồn
điện AC 12V qua adapter với mức tiêu thụ điện khoàng 100W với những chiếc bàn có kích
cỡ nhỏ và có thể lên đến 200W đối với những bàn cỡ lớn.
Bàn Sisyphus không chỉ là một tác phẩm nghệ thuật độc đáo mà còn là một tác phẩm kỹ
thuật điều khiển cơ học. Các mô hình bàn Sisyphus có thể được tùy chỉnh với các chế độ và
30. 8
thiết lập riêng để tạo ra những trải nghiệm nghệ thuật khác nhau, từ những mẫu hoa văn tĩnh
lặp đi lặp lại cho đến các tác phẩm nghệ thuật động đa dạng.
Hình 2. 3. Hình ảnh bàn Sisyphus (Nguồn: Internet)
Bàn cát tự động Sisyphus không chỉ đơn thuần là một bàn cát truyền thống. Nó kết hợp
công nghệ điều khiển cơ khí, nam châm và vi xử lý để tạo ra những tác phẩm nghệ thuật độc
đáo. Điều này tạo ra một trải nghiệm nghệ thuật độc đáo cho người xem khi các họa tiết được
xóa đi và tạo ra một cách tự động liên tục.
Mặc dù hiện tại chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu về bàn cát tự động, nhưng sự xuất
hiện và phát triển của sản phẩm bàn Sisyphus đã khơi nguồn cảm hứng cho nhiều người trong
lĩnh vực nghệ thuật và công nghệ. Có thể trong tương lai, sẽ có nhiều sự nghiên cứu và phát
triển mới liên quan đến bàn cát tự động và các ứng dụng nghệ thuật tương tự.
Bàn cát tự động có tiềm năng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực, từ trưng bày nghệ thuật
trong các bảo tàng và không gian công cộng đến giáo dục và trải nghiệm học tập. Nó có thể
được sử dụng để giới thiệu các khái niệm về cơ khí, điều khiển tự động hóa và lập trình cho
học sinh, sinh viên.
Các sản phẩm bàn cát tự động như Sisyphus đóng góp vào việc phát triển nghệ thuật số
và công nghệ tự động hóa trong lĩnh vực nghệ thuật. Nó mở ra những cơ hội cho việc sáng
tạo và thúc đẩy sự kết hợp giữa nghệ thuật và công nghệ trong các sản phẩm độc đáo và hấp
dẫn.
31. 9
Hình 2. 4. Một số họa tiết do bàn Sisyphus tạo nên (Nguồn: Internet)
2.4.2. Các nghiên cứu trong nước:
Hiện nay chưa có nhiều nghiên cứu chuyên sâu về đề tài bàn vẽ tranh cát tự động trong
lĩnh vực nghiên cứu khoa học. Thường những sản phẩm ở nước ta chỉ dừng lại ở mức cá nhân
tự sản xuất, chưa có tính thương mại. Tuy nhiên, đã có một số bạn sinh viên đã bắt đầu nghiên
cứu về đề tài này trong những năm gần đây.
Nhóm sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh gồm các bạn Trần
Lê Trung Hải, Phạm Hữu Kỳ và Nguyễn Luân Vũ đã chọn đề tài “Thiết kế, chế tạo bàn vẽ
tranh cát” làm đề tài đồ án tốt nghiệp. Bàn vẽ tranh cát của đề tài cũng bao gồm các bộ phận
như bộ điều khiển, hệ chuyển động và khung bàn.
Hình 2. 5. Bàn vẽ tranh cát tự động của nhóm sinh viên trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật
TP. Hồ Chí Minh (Nguồn: youtube: Khoa cơ khí chế tạo máy)
32. 10
Ngoài ra, vào đầu năm 2021, cũng có một nhóm gồm hai bạn sinh viên Trần Văn Lộc và
Lê Xuân Hùng cũng đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo bàn vẽ tranh cát thông
minh” để làm đề tài đồ án tốt nghiệp. Được biết, nhóm các bạn đã lấy ý tưởng từ chiếc bàn
Sisyphus nổi tiếng, sau đó bắt đầu quá trình nghiên cứu, thiết kế và cũng đã cho ra được một
sản phẩm bàn vẽ tranh cát tương tự. Về mặt kết cấu, cả hai đề tài đều có nét tương đồng với
nhau vì cùng có cảm hứng từ chiếc bàn Sisyphus, khi bàn có thiết kế kiểu mặt bàn tròn, với
khung hệ chuyển động được đặt bên dưới có gắn một nam châm để di chuyển vi bi kim loại
được đặt trên lớp mặt cát. Bàn cũng được trang trí đèn LED để tăng thêm tính nghệ thuật cho
bàn. Tuy nhiên, ở đề tài của nhóm hai bạn Văn Lộc và Xuân Hùng đã có nét sáng tạo hơn,
khi hệ chuyển động các bạn đã sử dụng cơ cấu 1 động cơ để kéo đầu công tác di chuyển, 1
động cơ dùng để điều khiển hệ đế quay. Hệ chuyển động này có kết cấu thích hợp với khung
bàn hình tròn.
Hình 2. 6. Hệ chuyển động kết hợp cả cơ cấu để quay và chuyển động tịnh tiến của đầu
công tác (Nguồn: Youtube Khoa cơ khí chế tạo máy)
Tổng thể ở cả hai đề tài thì các nhóm đã cho ra được những sản phẩm có thể vẽ được
những họa tiết mềm mại, đáp ứng được nhu cầu giải trí, thưởng thức nghệ thuật. Tuy nhiên,
về mặt công năng của bàn được sử dụng như một món đồ nội thất truyền thống thì các nhóm
vẫn chưa thể đáp ứng, do bàn của cả hai nhóm nghiên cứu đều có thiết kế với mặt kính được
làm thấp hơn so với khung viền gỗ xung quanh, chưa tối ưu để có thể sử dụng chiếc bàn như
một chiếc bàn nội thất truyền thống.
33. 11
Hình 2. 7. Thiết kế của bàn chưa được tối ưu để sử dụng như một món đồ nội thất (Nguồn:
Youtube Khoa cơ khí chế tạo máy)
Nhưng nhìn chung, đây là một sự tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực nghiên cứu và phát triển
bàn vẽ tranh cát tự động tại Việt Nam. Các bạn sinh viên của trường Đại học Sư phạm Kỹ
thuật TP. Hồ Chí Minh đã chọn một đề tài thú vị, có tiềm năng ứng dụng trong nghệ thuật và
công nghệ.
Đề tài đồ án tốt nghiệp này có thể đóng góp vào việc khai thác và phát triển thêm trong
lĩnh vực bàn vẽ tranh cát tự động tại Việt Nam. Dự án này có thể đem lại triển vọng và tiềm
năng trong việc phát triển sản phẩm thương mại trong tương lai.
Việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ nghệ thuật như bàn vẽ tranh cát tự động có
thể đưa Việt Nam vào danh sách các quốc gia tiên phong trong lĩnh vực này, tạo ra sức hút
đối với các nghệ sĩ, nhà thiết kế, và các tín đồ yêu nghệ thuật ứng dụng công nghệ hiện đại
vào sáng tạo nghệ thuật.
Tuy lĩnh vực này còn mới mẻ và đang trong quá trình phát triển, nhưng những nổ lực và
đóng góp của các sinh viên trong việc nghiên cứu và thiết kế bàn vẽ tranh cát tự động được
đánh giá cao và khích lệ. Điều này sẽ khuyến khích các nghiên cứu và phát triển tiếp theo
trong lĩnh vực này, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát triển công nghệ và nghệ
thuật sáng tạo tại Việt Nam.
34. 12
CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
3.1. Động cơ bước
3.1.1. Tổng quan về động cơ bước
Động cơ bước (stepper motor), thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín
hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay.
Về cấu tạo động cơ bước bao gồm các bộ phận là stato, roto là nam châm vĩnh cửu hoặc
trường hợp của động cơ biến trở là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Động
cơ bước được điều khiển bởi những mạch điều khiển bên ngoài. Động cơ bước và bộ điều
khiển được thiết kế để cho động cơ được cố định tại một vị trí và có thể quay đến một vị trí
bất kỳ.
Hình 3. 1. Cấu tạo của động cơ bước (Nguồn: Internet).
Động cơ bước không quay theo cơ chế thông thường. Động cơ bước quay theo từng bước
nên có độ chính xác rất cao về mặt điều khiển học. Động cơ bước hoạt động nhờ các bộ
chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu vào stato theo thứ tự và tần số nhất định. Tổng số góc
quay của roto tương ứng với số lần chuyển mạch. Chiều quay và tốc độ quay của roto phụ
thuộc vào tần số chuyển đổi và thứ tự chuyển đổi. [6]
3.1.2. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước
a. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước biến từ trở
35. 13
Hình 3. 2. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước biến từ trở (Nguồn: Internet)
Khi cấp điện cho pha A, từng cặp cuộn dây A bố trí đối xứng nhau có cùng cực tính là
nam (S) và bắc (N). Lúc này các cuộn dây hình thành các vòng từ đối xứng.
Khi cấp điện cho pha B. Lúc này từ trở trong động cơ lớn, momen từ tác động lên trục
roto làm cho roto quay theo chiều giảm từ trở. Roto quay cho tới khi từ trở nhỏ nhất và khi
momen bằng không thì trục động cơ dừng, roto đạt đến vị trí cân bằng mới.
Tương tự như vậy khi cấp điện cho pha C, động cơ hoạt động theo nguyên tắc trên. Quá
trình lặp lại và động cơ quay liên tục theo thứ tự pha A -> B -> C. Để động cơ quay ngược
chiều chỉ cần cấp điện cho các pha theo thứ tự ngược lại.
Gọi số pha của động cơ là Np, ổ răng trên roto là Z, góc bước của động cơ bước biến từ
trở là S ta tính được công thức sau:
S =
360
Np.Zr
b. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu:
Động cơ bước nam châm vĩnh cửu có hai cặp cuộn pha. Ban đầu vị trí của rotor và stato
đang ở pha A. Khi cấp điện cho hai cuộn dây B và D, trong hai cuộn dây sẽ xuất hiện cực
36. 14
tính. Do cực tính của cuộn dây pha và rotor ngược nhau dẫn đến rotor chuyển động đến vị trí
pha B bật. Khi cuộn dây pha B và D ngắt điện, cuộn dây A và B được cấp điện thì rotor lại
chuyển động đến vị trí pha C bật.
Hình 3. 3. Nguyên lý hoạt động của động cơ bước nam châm vĩnh cửu (Nguồn: Internet)
Gọi số răng trên stato là Zs, góc bước của động cơ là Zđc, góc bước của động cơ được tính
theo công thức:
𝑍đ𝑐 =
360
𝑍𝑆
3.1.3. Phân loại động cơ bước
Để phân loại động cơ bước, người ta có nhiều cách để phân loại: phân loại theo roto của
động cơ bước, phân loại theo cực của động cơ bước, phân loại theo số pha của động cơ bước.
a. Phân loại theo roto của động cơ bước:
- Loại 1: Động cơ bước có roto được tác động bằng dây quấn hoặc nam châm vĩnh cửu
- Loại 2: Động cơ bước có roto không được tác động nhưng có phần từ cảm ứng, phản
kháng, còn được gọi là động cơ bước biến từ trở. Động cơ bước biến từ trở có cấu tạo giống
với động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Cấu tạo của stato cũng có các cuộn pha đối xứng nhau,
những các cuộn pha đối xứng có cùng cực tính khác với động cơ bước nam châm vĩnh cửu.
Góc bước của stato là Ss. Roto của động cơ bước biến từ trở được cấu tạo từ thép non có khả
năng dẫn từ cao, do đó khi động cơ mất điện roto vẫn tiếp tục quay tự do rồi mới dừng hẳn.
- Loại 3: Động cơ bước hỗn hợp (còn gọi là động cơ bước lai) có đặc trưng cấu trúc của
động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước biến từ. Stato và roto có cấu tạo tương tự
động cơ bước biến trở nhưng số răng của stato và roto không bằng nhau. Roto của động cơ
bước thường có 2 phần: phần trong là nam châm vĩnh cửu được gắn chặt lên trục động cơ,
37. 15
phần ngoài là 2 doạn roto được chế tạo từ lá thép non và răng của 2 đoạn roto được đặt lệch
nhau.
Góc bước của động cơ bước hỗn hợp được tính theo công thức:
S =
Sr
zs
Trong đó: S là góc bước của động cơ, Sr là góc giữa 2 răng kề nhau, Zs là số cặp cực trên
stato.
Động cơ bước hỗn hợp được sử dụng rộng rãi vì kết hợp các ưu điểm của 2 loại động cơ
bước ở trên là động cơ bước nam châm vĩnh cửu và động cơ bước biến từ trở.
b. Phân loại theo cực của động cơ bước:
- Loại 1: Động cơ bước đơn cực, có thể bao gồm cả động cơ bước loại nam châm vĩnh cửu
hoặc động vơ bước hỗn hợp. Nhưng ở các cuộn dây luôn có đầu trung tâm được nối ra từ
chính giữa mỗi cuộn dây. Khi cấp điện, dây trung tâm được nối với đầu dương của nguồn
điện, hai đầu dây còn lại được nối với đầu âm.
Hình 3. 4. Động cơ bước đơn cực (Nguồn: Internet)
- Loại 2: Động cơ bước lưỡng cực, có thể bao gồm cả động cơ bước loại nam châm vĩnh
cửu hoặc động cơ bước loại biến trở. Những ở các cuộn dây sẽ không có đầu dây nối ra từ
trung tâm. Một đầu dây được nối với nguồn dương và đầu còn lại được nối với đầu âm của
nguồn điện. Động cơ bước lưỡng cực có kết cấu đơn giản hơn động cơ bước đơn cực nhưng
điều khiển phức tạp hơn.
38. 16
Hình 3. 5. Động cơ bước hai cực (Nguồn: Internet)
c. Phân loại theo số pha của động cơ bước:
- Loại 1: Động cơ bước 2 pha, là loại động cơ bước 4 dây, 6 dây hoặc 8 dây.
- Loại 2: Động cơ bước 3 pha, là loại động cơ bước 3 dây hoặc 4 dây.
- Loại 3: Động cơ bước 5 pha, là loại động cơ bước 5 dây hoặc 10 dây.
3.1.4. Điều khiển động cơ bước
Hiện nay có 4 phương pháp điều khiển động cơ bước thường được sử dụng nhiều
- Điều khiển dạng sóng (Wave Drive): Đây là cách cơ bản nhất để điều khiển một động
cơ bước và nó không được sử dụng nhiều. Trong phương pháp điều khiển dạng sóng, mỗi pha
hoặc stato cạnh nhau sẽ được kích hoạt lần lượt bằng cách sử dụng một mạch đặc biệt. Điều
này từ hóa và khử từ hóa stato dẫn đến chuyển động roto một bước. [5]
Hình 3. 6. Biểu đồ điều khiển động cơ bước dạng sóng. (Nguồn: Internet)
- Điều khiển chạy đủ bước (Full Step Drive): Trong phương pháp điều khiển động cơ bước
chạy đủ bước, thay vì kích hoạt các stato một lần, hai stato được kích hoạt với một khoảng
thời gian ngắn giữa chúng. Điều này có nghĩa là stato thứ nhất bật ON thì stato thứ hai sẽ bật
On sau một khoảng thời gian ngắn trong khi stato thứ nhất vẫn ON. Phương pháp điều khiển
động cơ bước chạy đủ bước dẫn đến mo-men xoắn cao và cho phép điều khiển động cơ tải
cao. [5]
39. 17
Hình 3. 7. Biểu đồ điều khiển động cơ bước chạy đủ bước. (Nguồn: Internet)
- Điều khiển chạy nửa bước (Half-Stepping Drive): Phương pháp điều khiển chạy nửa
bước khá giống với phương pháp điều khiển chạy đủ bước. Ở đây, hai stato được đặt cạnh
nhau sẽ được kích hoạt trước và stato thứ ba sẽ được kích hoạt kế tiếp; khi đó hai stato này sẽ
bị vô hiệu hóa. Chu kỳ này kích hoạt hai stato trước và sau đó kích hoạt một stato sau lặp lại
để điều khiển động cơ bước. [5]
Hình 3. 8. Biểu đồ điều khiển động cơ bước nửa bước. (Nguồn: Internet)
- Điều khiển chạy vi bước: Đây là phương pháp được sử dụng phổ biến nhất vì tính chính
xác của nó. Mạch điều khiển cung cấp dòng bước biến đổi cho cuộn stato ở dạng sóng hình
Sin. Những vi bước này giúp tăng độ chính xác của từng bước. Phương pháp điều khiển vi
bước được sử dụng rộng rãi vì nó cung cấp độ chính xác cao và giảm tiếng ồn của động cơ
khi hoạt động ở tốc độ cao. [5]
Hình 3. 9. Biểu đồ điều khiển động cơ bước chạy vi bước. (Nguồn: Internet)
Ngoài ra, hiện nay còn có các phương pháp điều khiển động cơ bước khác:
- Điều khiển Microstepping (điều khiển vi bước nhỏ): Phương pháp này là một biến thể
của điều khiển chạy vi bước. Phương pháp này giúp cải thiện độ chính xác và giảm độ rung
của động cơ. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi mạch điều khiển phức tạp hơn, nhưng cải
thiện được hiệu suất đáng kể của động cơ bước.
- Điều khiển Closed-loop (điều khiển khép kín): Điều khiển closed-loop là một phương
pháp điều khiển động cơ bước được kết hợp với hệ thống phản hồi như encoder để giám sát
40. 18
và điều chỉnh chính xác vị trí của động cơ. Trong các ứng dụng truyền thống, động cơ bước
thường không có hệ thống phản hồi, vì vậy có thể gặp hiện tượng mất bước và mất vị trí.
Nhưng với hệ thống closed-loop, nó có khả năng giám sát và điều chỉnh bước động cơ dựa
trên phản hồi từ encoder, giúp giảm thiểu sai số và tăng độ chính xác của động cơ.
- Điều khiển điện tử và điều khiển thông minh: Hiện nay, sự phát triển của công nghệ điện
tử và trí tuệ nhân tạo AI đã mang đến các phương pháp điều khiển động cơ bước thông minh
và hiệu quả hơn. Các mạch điều khiển thông minh có thể tự động điều chỉnh điện áp và dòng
đầu vào để tối ưu hóa hiệu suất và giảm tiêu thụ năng lượng. Hơn nữa, các thuật toán trí tuệ
nhân tạo có thể được áp dụng để dự đoán và điều chỉnh vị trí của động cơ, giúp cải thiện độ
chính xác và đáng tin cậy của hệ thống.
3.1.5. Ứng dụng của động cơ bước
Động cơ bước có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực. Ứng dụng động cơ bước trong
ngành công nghiệp tự động hóa, đặc biệt đối với các thiết bị máy móc phải có sự chính xác.
Chẳng hạn như các loại máy công nghiệp hiện đại, giúp phục vụ cho quá trình gia công cơ
khí như: máy cắt công nghệ plasma CNC, máy cắt công nghệ laser CNC,… Ngoài ra, trong
lĩnh vực công nghệ máy tính, động cơ bước cũng được sử dụng trong các loại ổ đĩa cứng hoặc
ổ đĩa mềm, thậm chí là cả máy in. Trong lĩnh vực y tế, động cơ bước được sử dụng để sản
xuất máy quét y tế, máy lấy mẫu, thậm chí còn có bên trong các máy chụp ảnh kỹ thuật số
nha khoa, máy phân tích mẫu máu.
3.2. Hệ chuyển động CoreXY
3.2.1. Tổng quan về hệ chuyển động CoreXY
Hệ chuyển động CoreXY là một hệ thống cơ khí được sử dụng để điều khiển chuyển động
tuyến tính của một công cụ, vật thể hoặc một hệ thống. Hệ chuyển động CoreXY được thiết
kế để cung cấp khả năng di chuyển chính xác và đồng bộ trong các ứng dụng máy móc và
robot.
Cấu trúc cơ bản của hệ chuyển động CoreXY bao gồm một hệ thống dây cáp hoặc dây đai
được gắn kết với các bánh răng hoặc puly điều khiển ở hai đầu của trục X và Y. Các bánh
răng hoặc puly được điều khiển bởi hai động cơ, khi hai động cơ hoạt động, dây cáp hoặc dây
đai sẽ được kéo hoặc giãn để di chuyển theo trục X và trục Y theo đúng hướng và khoảng
cách. Sự tương tác chuyển động giữa hai trục X và Y cho phép hệ chuyển động CoreXY di
chuyển theo các hướng khác nhau một cách chính xác. Thay đổi vị trí và tốc độ của các động
cơ sẽ điều khiển hệ thống di chuyển đến các vị trí mong muốn.
41. 19
Hệ chuyển động CoreXY có sự đồng bộ và độ chính xác cao, cho phép điều khiển chính
xác các chuyển động tuyến tính trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao. Hệ chuyển
động CoreXY được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực. Một số ứng dụng nổi bật của hệ chuyển
động CoreXY như máy in 3D, máy cắt laser, máy CNC, robot di chuyển và các ứng dụng tự
động hóa khác.
Hình 3. 10. Sơ đồ bố trí động cơ của hệ chuyển động CoreXY (Nguồn: Internet)
3.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ chuyển động CoreXY
- Nguyên lý hoạt động của hệ chuyển động CoreXY dựa trên việc sử dụng hai động cơ
bước độc lập để điều khiển hai dây cáp hoặc dải dẫn truyền chuyển động. Hai động cơ bước
này được đặt ở hai góc vuông của hệ thống và kết hợp để tạo ra chuyển động tương đối.
- Ở một góc vuông, dây cáp hoặc dải dẫn được gắn vào động cơ bước thứ nhất và đi qua
một hệ thống các đường thẳng và pulley. Sau đó, chúng được gắn vào động cơ bước thứ hai
và kết thúc ở điểm cuối cùng của trục di chuyển.
- Khi động cơ bước thứ nhất hoạt động, nó sẽ kéo dây cáp hoặc dải dẫn điều khiển chuyển
động của trục theo hướng ngang. Khi động cơ bước thứ hai hoạt động, nó sẽ kéo dây cáp hoặc
dải dẫn điều khiển chuyển động của trục theo hướng dọc. Bằng cách điều khiển hai động cơ
bước theo cách phù hợp, hệ thống CoreXY có thể di chuyển trục trong bất kỳ hướng nào trong
mặt phẳng hoạt động.
3.2.3. Ứng dụng của hệ chuyển động CoreXY
Hệ chuyển động CoreXY thường được triển khai trong một số ứng dụng tận dụng các thế
mạnh độc đáo của nó. Các ứng dụng này bao gồm:
- Máy in 3D
- Máy cắt laser
- Máy CNC
- Máy quét và phát hiện
42. 20
Hình 3. 11. Máy in 3D sử dụng hệ thống chuyển động CoreXY (Nguồn: Internet)
Hình 3. 12. Hệ chuyển động CoreXY được ứng dụng trong máy cắt laser (Nguồn : Internet)
3.2.4. Ưu điểm, nhược điểm của hệ chuyển động CoreXY
a. Ưu điểm:
- Lý do chính khiến chúng ta tìm thấy hệ chuyển động CoreXY trong các ứng dụng trên
là vì chúng có độ chính xác rất cao. Hệ CoreXY cho phép di chuyển chính xác trên các trục
X và Y, đảm bảo độ chính xác và độ lặp lại cao trong quá trình di chuyển.
- Tốc độ nhanh: Với cấu trúc kép và việc sử dụng đồng thời hai động cơ, hệ CoreXY cho
phép di chuyển nhanh chóng trên cả hai trục X và Y. Điều này làm tăng hiệu suất và giảm
thời gian gia công trong các ứng dụng sản xuất và gia công chính xác.
- Khả năng chịu tải cao: Hệ thống chuyển động CoreXY có khả năng chịu tải cao, cho
phép xử lý các vật liệu nặng và khối lượng công việc lớn.
- Kích thước nhỏ gọn: Hệ chuyển động CoreXY có thiết kế gọn nhẹ và không yêu cầu
nhiều không gian vật lý. Điều này giúp cho hệ chuyển động CoreXY phù hợp với các ứng
dụng có không gian hạn chế như máy in 3D.
43. 21
- Dễ điều khiển: Hệ chuyển động CoreXY có thể được điều khiển một cách dễ dàng thông
qua các bộ điều khiển như Arduino hoặc các bộ điều khiển CNC phổ biến hiện nay. Điều này
giúp cho người dùng dễ dàng lập trình và điều chỉnh hệ thống chuyển động theo nhu cầu.
b. Nhược điểm:
Tất nhiên, hệ chuyển động CoreXY cũng có một số hạn chế có thể nói đến như sau:
- Phức tạp trong thiết kế: Cấu trúc của hệ chuyển động CoreXY có thiết kế phức tạp hơn
so với các hệ chuyển động khác như Cartesian đơn giản. Điều này có thể làm tăng độ phức
tạp trong quá trình thiết kế, lắp ráp và bảo dưỡng.
- Chi phí cao: Do yêu cầu hai động cơ hoạt động đồng thời, hệ chuyển động CoreXY có
chi phí sản xuất cao hơn so với một số hệ thống chuyển động khác, có thể làm tăng chi phí
thiết kế và sản xuất của máy, đặc biệt đối với những hệ thống máy cần sử dụng động cơ bước
có chất lượng cao.
- Yêu cầu kiểm soát phức tạp: Để điều khiển chính xác và đồng bộ hai động cơ trong hệ
chuyển động CoreXY, yêu cầu sử dụng bộ điều khiển khá phức tạp và thuật toán chính xác,
đòi hỏi kiến thức và kỹ năng kỹ thuật cao để cấu hình được hệ thống điều khiển.
3.3. Thanh trượt dẫn hướng
3.3.1. Giới thiệu thanh trượt dẫn hướng
Thanh trượt dẫn hướng là một yếu tố quan trọng trong các hệ thống máy móc và các loại
máy CNC, đóng vai trò quyết định đến độ chính xác và hiệu suất của các bộ phận di chuyển
và định vị.
Thanh trượt dẫn hướng có 2 chức năng cơ bản:
- Dùng để dẫn hướng cho các bộ phận máy như bàn máy, các cụm trục,…
- Dùng để định vị đúng các bộ phận tĩnh.
Với những chức năng trên, thanh trượt cần có các yêu cầu về mặt kỹ thuật:
- Đảm bảo độ chính xác tĩnh và chính xác di chuyển cho các bộ phận lắp ở trên nó. Yêu
cầu này chủ yếu phụ thuộc vào độ chính xác gia công thanh trượt, cách bố trí thanh trượt phù
hợp với bề mặt chịu lực. Cần phải bố trí để lực tác dụng lên thanh trượt là nhỏ nhất và biến
dạng của thanh trượt là ít nhất.
44. 22
- Bề mặt làm việc phải có khả năng chịu mòn cao để đảm bảo độ chính xác lâu dài. Yêu
cầu này phụ thuộc vào độ cứng bề mặt của thanh trượt, độ bóng bề mặt của thanh trượt, chế
độ bôi trơn và bảo dưỡng thanh trượt.
- Kết cấu thanh trượt phải đơn giản, có tính công nghệ cao.
- Có khả năng điều chỉnh khe hở khi mòn, tránh được phoi và bụi.
Hình 3. 13. Thanh trượt dẫn hướng (Nguồn: Internet)
3.3.2. Bảo vệ và bôi trơn thanh trượt
Việc bảo vệ thanh trượt khỏi bụi bẩn, phoi,… cũng như bôi trơn hợp lý bề mặt thanh trượt
có tác dụng làm giảm độ mài mòn đáng kể của thanh trượt và có thể giữ được độ chĩnh xác
ban đầu của thanh trượt.
Các phương pháp bảo vệ thanh trượt phổ biến thường được sử dụng hiện nay: lắp lá chắn
bụi, dùng chổi quét, bôi chất bôi trơn. Đồng thời với các biện pháp chống bụi ,chống mài mòn
là việc bôi trơn thanh trượt hợp lý, thông thường đối với thanh trượt tuyến tính hiện nay các
nhà sản xuất đều có hướng dẫn bôi trơn cho từng dòng thanh trượt khác nhau để đảm bảo hiệu
quả tốt nhất.
45. 23
3.4. Phần điện điều khiển
3.4.1. Mạch vi điều khiển Arduino UNO
Mạch vi điều khiển Arduino UNO là một trong những mạch vi điều khiển phổ biến nhất
của bo mạch vi điều khiển Arduino. Được phát triển bởi tập đoàn Arduino.cc, Arduino UNO
là một bo mạch vi điều khiển mã nguồn mở, được thiết kế dành riêng cho dự án điện tử và lập
trình đơn giản. Nó được sử dụng rộng rãi trong những cộng đồng DIY, giáo dục và ứng dụng
điều khiển tự động hóa.
Bảng 3. 1. Thông số kỹ thuật mạch vi điều khiển Arduino UNO
THÔNG SỐ KỸ THUẬT MẠCH VI ĐIỀU KHIỂN ARDUINO UNO
Tên sản phẩm Arduino UNO
Điện áp hoạt động 5V DC, cấp nguồn qua cổng USB
Điện áp đầu vào khuyến nghị 7 – 12 V
Dòng định mức 120 mA
Dòng điện đầu ra tối đa
50mA (Pin 3.3V), 200mA (Pin 5V),
40mA (Pin 3, 5, 6, 9, 10, 11), 20mA (Pin
2, 13)
Số chân Digital 14 chân
Số chân Analog 6 chân
Hãng sản xuất Arduino.cc
46. 24
Hình 3. 14. Vi điều khiển Arduino UNO (Nguồn: Internet)
3.4.2. Mạch điều khiển động cơ bước A4988
Mạch điều khiển động cơ bước A4988 là một loại mạch phổ biến được sử dụng để điều
khiển động cơ bước trong các ứng dụng như máy in 3D, máy CNC, máy cắt laser,…
Về nguyên lý hoạt động: Mạch A4988 hoạt động dựa trên nguyên lý chia dòng để điều
khiển của động cơ bước. Điều này cho phép nó điều khiển chính xác hiệu quả các bước di
chuyển của động cơ bước, giúp đạt được chuyển động mượt mà và chính xác.
Bảng 3. 2. Thông số kỹ thuật của mạch điều khiển động cơ bước A4988
THÔNG SỐ KỸ THUẬT MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ BƯỚC A4988
Điện áp hoạt động
Điện áp logic: 3.3v – 5V, điện áp
nguồn động cơ: 8V -35V
Dòng định mức 2.5A
Bước góc
Bước góc mặc định 1.8° (200 bước
trên mỗi vòng)
Giao tiếp
Giao tiếp đơn giản qua đầu vào Pulse
và Direction
47. 25
Hình 3. 15. Mạch điều khiển động cơ bước A1988 (Nguồn: Internet)
Hình 3. 16. Sơ đồ chân kết nối mạch điều khiển động cơ bước A4988 (Nguồn: Internet)
3.4.3. Module Endstop CNC
Mạch công tắc hành trình được thiết kế nhỏ gọn, gồm các thành phần như LED, điện trở
và một công tắc hành trình. Mạch được thiết kế để có thể kết nối với hầu hết các mạch vi điều
khiển có trên thị trường hiện nay. Với thiết kế nhỏ gọn thì Module Endstop CNC có thể dễ
dàng lắp đặt ở các vị trí có không gian hẹp, tiết kiệm diện tích. Ngoài ra với độ phản hồi cao,
Module Endstop CNC là lựa chọn tối ưu nhất để làm công tắc hành trình.
48. 26
Hình 3. 17. Module Endstop CNC. (Nguồn: nshopvn)
Bảng 3. 3. Thông số kỹ thuật của Module Endstop CNC
THÔNG SỐ KỸ THUẬT MODULE ENDSTOP CNC
Điện áp tối đa 125V
Dòng điện tối đa 1A
Kích thước 40 x 16 x 7 mm
3.5. Phần mềm điều khiển
3.5.1. Giới thiệu GRBL
GRBL là một phần mềm mã nguồn mở hoặc một chương trình có thể kích hoạt để điều
khiển các chuyển động của các động cơ trong các máy CNC. GRBL nhận tín hiệu đầu vào là
các file G-code và tín hiệu đầu ra là các tín hiệu dùng để điều khiển động cơ thông qua
Arduino.
49. 27
G-code là một ngôn ngữ lập trình được sử dụng để điều khiển máy CNC. Nó chứa các
lệnh và thông số cụ thể để hướng dẫn máy CNC thực hiện các chuyển động và công việc cụ
thể.
Hình 3. 18. Sơ đồ hoạt động của GRBL (Nguồn: Internet)
Đặc điểm và tính năng của GRBL:
- Độ chính xác cao: GRBL được thiết kế để cung cấp độ chính xác cao trong việc điều
khiển chuyển động và định vị của các trục di chuyển. Điều này cho phép máy CNC thực hiện
công việc chính xác và phức tạp.
- Tốc độ cao: GRBL có khả năng hoạt động với tốc độ cao, giúp tăng hiệu suất và hiệu
quả trong quá trình gia công.
- Dễ dàng sử dụng: GRBL cung cấp giao diện đơn giản và dễ sử dụng, cho phép người
dùng tải lên các file G-code và điều khiển động cơ một cách thuận tiện.
- Hỗ trợ đa trục: GRBL hỗ trợ điều khiển nhiều trục di chuyển, cho phép các loại máy thực
hiện các công việc phức tạp.
- Khả năng tùy chỉnh: GRBL cho phép người dùng tùy chỉnh và cấu hình các thông số
theo nhu cầu cụ thể của từng ứng dụng.
Với sự phát triển của GRBL, người dùng có thể dễ dàng tự xây dựng các máy CNC tại
nhà hoặc dùng trong các dự án DIY và tận hưởng công nghệ một cách tiết kiệm và linh hoạt.
Đồng thời, sự mở rộng và mã nguồn mở của GRBL cũng khuyến khích sự đóng góp và phát
triển từ cộng đồng, giúp nâng cao chất lượng và tính năng của phần mềm theo thời gian.
50. 28
3.5.2. Cài đặt thư viện GRBL trên Arduino
Chúng ta có thể tải thư viện GRBL ở trang chủ của Arduino, sau đó thêm thư viện vào bộ
thư viện chung của Arduino.
Hình 3. 19. Cài đặt firmware GRBL cho Arduino IDE
Hình 3. 20. Cài đặt firmware GRBL cho Arduino IDE
Sau khi đã thêm thư viện thì chúng ta cần phải chạy file upload bằng cách trong ứng dụng
Arduino IDE chọn File > Examples > grbl > grblUpload.
51. 29
Hình 3. 21. Cài đặt firmware GRBL cho Arduino IDE
Việc còn lại là chọn đúng board Arduino mà chúng ta sử dụng, cổng COM kết nối Arduino
với máy tính và tiến hành chạy chương trình. Chúng ta cũng có thể hiệu chỉnh các thông số
cho phù hợp với nhu cầu sử dụng bằng cách gõ dòng lệnh “$$”. Lúc này một bảng thông số
sẽ hiện ra ở cửa sổ Serial Monitor của phần mềm Arduino IDE và ta có thể điều chỉnh các
thông số.
52. 30
CHƯƠNG 4: PHƯƠNG HƯỚNG VÀ CÁC GIẢI PHÁP
4.1. Yêu cầu của đề tài
Đề tài mà em chọn nghiên cứu với mục đích đáp ứng nhu cầu trang trí và mang tính nghệ
thuật, vì vậy bàn cát động lực nghệ thuật cần đáp ứng được một số yêu cầu như sau:
- Có khả năng tạo ra những hình vẽ trên mặt phẳng cát.
- Không gây nhiều tiếng ồn trong quá trình hoạt động.
- Có công năng như một chiếc bàn truyền thống.
- Bàn mang tính nghệ thuật, độc đáo.
4.2. Phương án và giải pháp thực hiện
4.2.1. Phương án chọn cơ cấu chuyển động
a. Phương án 1: Hệ chuyển động sử dụng cơ cấu trục X, Y độc lập
Hệ chuyển động sử dụng cơ cấu trục X, Y độc lập có những ưu điểm nổi bật như:
- Dễ hiểu, dễ vận hành, cơ cấu Cartesian có cấu trúc đơn giản và dễ hiểu, dễ vận hành, dễ
điều khiển, không yêu cầu nhiều kiến thức kỹ thuật phức tạp.
- Do cơ cấu chuyển động trục X và Y độc lập không sử dụng các bộ phận phức tạp như
các cơ cấu chuyển động khác nên nó thường có độ tin cậy cao và ít hỏng hóc.
- Độ chính xác khá cao, cơ cấu chuyển động trục X và Y độc lập có thể đạt được độ chính
xác khá cao trong việc di chuyển và xác định trí. Việc kiểm soát và điều khiển các trục X, Y,
Z riêng biệt giúp đạt được độ chính xác cao hơn so với một số cơ cấu khác.
- Với cấu trúc cứng và ổn định, cơ cấu trục X và Y độc lập có khả năng chịu được tải trọng
lớn và có thể được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu cần sức mạnh và độ bền cao.
Bên cạnh những ưu điểm trên thì hệ chuyển động trục X và Y độc lập cũng có những
nhược điểm:
- Bị giới hạn không gian di chuyển.
- Có kích thước lớn và cồng kềnh, chiếm nhiều không gian và khó tích hợp vào những hệ
thống có kích thước hạn chế.
53. 31
Hình 4. 1. Hệ chuyển động Cartesian. (Nguồn: Internet)
b. Phương án 2: Hệ chuyển động sử dụng cơ cấu CoreXY
Ngày nay có rất nhiều hệ thống máy ứng dụng hệ chuyển động CoreXY. Một trong số đó
có thể kể đến như máy in 3D, máy cắt laser, máy dò vị trí. Dĩ nhiên cơ cấu chuyển động
CoreXY được ứng dụng nhiều như vậy là do bản thân nó có rất nhiều ưu điểm nổi trội như:
- Có độ chính xác rất cao. Hệ CoreXY cho phép di chuyển chính xác trên các trục X và Y,
đảm bảo độ chính xác đến bất ngờ và độ lặp lại cao trong quá trình di chuyển.
- Hệ chuyển động CoreXY cũng có thể di chuyển với tốc độ nhanh do sử dụng đồng thời
hai động cơ, điều này giúp tăng năng suất của cả hệ thống máy.
- Có khả năng chịu tải rất cao, chịu được môi trường khắc nghiệt, đáp ứng được nhu cầu
của các ứng dụng công nghiệp và sản xuất.
Một điểm mạnh của hệ chuyển động CoreXY là có kích thước nhỏ gọn, không yêu cầu
nhiều không gian vật lý, phù hợp với các ứng dụng có không gian làm việc hạn chế.
Tuy nhiên hệ chuyển động CoreXY cũng có những nhược điểm cần phải chú ý.
- Hệ chuyển động CoreXY đòi hỏi người thiết kế, lập trình phải có kiến thức về kỹ thuật
do bộ điều khiển có phần phức tạp hơn các loại cơ cấu khác.
54. 32
- Không thích hợp với các ứng dụng có trục Z di chuyển. Mặc dù có thể di chuyển chính
xác trên trục X và Y, tuy nhiên cơ cấu chuyển động CoreXY lại không quá hiệu quả đối với
các ứng dụng có trục Z di chuyển.
Hình 4. 2. Sơ đồ hệ chuyển động CoreXY. (Nguồn: Internet)
c. Hệ chuyển động sử dụng cơ cấu Robot SCARA
Kết cấu Robot SCARA có những ưu điểm sau:
- Khả năng làm việc trong không gian hẹp: Robot SCARA có cấu trúc nhỏ gọn, với đường
kính làm việc trung bình
- Tốc độ và độ chính xác cao. Nhờ có cấu trúc tương đối cứng và cân bằng, Robot SCARA
có thể di chuyển nhanh và đạt độ chính xác cao.
Tuy nhiên Robot SCARA cũng có khá nhiều nhược điểm:
- Không gian làm việc bị giới hạn. Do có cấu trúc cánh tay song song nên Robot SCARA
bị giới hạn không gian làm việc, không thích hợp với các ứng dụng có yêu cầu làm việc trong
không gian rộng.
- Robot SCARA thương được thiết kế với cấu trúc cố định, do đó nó có hạn chế đối với
các ứng dụng cần độ linh hoạt cao.
- Giá thành của Robot SCARA tương đối cao so với các cơ cấu chuyển động thông thường
khác.
