Chế tạo máy hứng tự động

Linh kiện - Thiết bị: Adapter AC to DC 12v, 2A; Module hạ áp DC to DC hạ từ 12V xuống 5V; động cơ bước sử dụng điện áp 12V; mạch DRV 8825 điều khiển động cơ bước; board Arduino pro mini; màn hình cảm ứng HMI 2.2 inch; đĩa hứng mica, trụ đồng 25 cm

Hình 1: Sơ đồ kết nối giữa mạch điều khiển và động cơ bước

Bộ điều khiển và khối hiển thị:

Sử dụng board Arduino pro mini để lập trình cho máy. Arduino pro mini là board mạch lập trình bằng ngôn ngữ C dễ dàng thao tác cho các máy móc thiết bị kích thước nhỏ.

Màn hình cảm ứng HMI là nơi thực hiện các tác vụ và hiển thị thời gian.

Hình 2: Mạch kết nối giữa mạch arduino và động cơ bước điều khiển bằng mạch DRV8825

Thiết kế mạch cho các linh kiện [2,5]

Núm vặn có 5 chân: 5, 6, 9-GND, 8-Direction, 7-Step. Trong đó: DRV8825 có 2 chân tín hiệu được kết nối với controller: Chân direction: Điều khiển chiều quay của động cơ và chân step: Điều khiển góc quay của động cơ.

GND (chân 0V) DRV8825 nối với GND (chân 0V) để DRV8825 và controller hiểu tín hiệu của nhau.

Hình 3: Mạch kết nối giữa mạch arduino và màn hình cảm ứng

Màn hình cảm ứng giao tiếp với controller thông qua chuẩn giao tiếp UART gồm 2 chân TX & RX.

Chân TX (controller) kết nối với chân RX (màn hình cảm ứng); Chân RX (controller) kết nối với chân TX (màn hình cảm ứng); Màn hình cảm ứng được lập trình bằng phần mềm chuyên dụng sau đó controller sẽ được lập trình tương ứng để hiểu được các tác vụ của màn hình.

Viết code và nạp chương trình cho mạch

Máy được lập trình bằng ngôn ngữ lập trình C và được nạp vào board Arduino pro mini qua mạch chuyển USB To UART CH340. [5,6]

Chế tạo vỏ hộp và bộ phận hứng - Lắp ráp [3,4]

Chế tạo vỏ hộp và bộ phận hứng

Vỏ hộp và bộ phận hứng gồm các đĩa hứng được thiết kế đơn giản, gọn nhẹ bằng nguyên vật liệu mica dưới sự hỗ trợ của phần mềm Autocad và công nghệ cắt laser CO2 qua các bước sau: Thiết kế đĩa hứng trên phần mềm Autocad; nạp bản vẽ vào máy cắt; đặt cố định tấm mica lên bàn thao tác; điều chỉnh các thông số của máy theo bản vẽ thiết kế, căn cứ vào yêu cầu sản phẩm tạo ra mà người vận hành máy có sự điều chỉnh tốc độ, công suất máy, độ cắt nông sâu cho phù hợp với chiều dày và kích thước tấm mica; vận hành máy và theo dõi quá trình cắt của máy.

Lắp ráp bộ phận hứng: Bộ phận hứng gồm 2 đĩa tròn được nối với nhau bằng các trục đồng 25 cm. Đĩa phía trên có 10 lỗ tròn đường kính 32 cm để cố định vừa khít các hũ bi hứng hóa chất.

Lắp ráp bộ phận hứng vào trục động cơ bước: Trục động cơ bước hình trụ được gắn vào bộ phận chuyển đổi lục giác; sử dụng công nghệ CNC cắt tâm đĩa mica phía dưới theo hình lục giác vừa khít với bộ phận chuyển đổi; cố định bộ phận hứng lên bộ phận chuyển đổi hình lục giác sao cho khít hoàn toàn.

Vận hành máy

Đặc điểm cấu tạo

Hình 4: a) Bộ phận hứng b) Máy hứng sau lắp ráp

Chui cấp nguồn và công tắc ON/OFF được đặt phía sau của máy. Máy được cấp nguồn từ adapter 12V, 2A;

Màn hình cảm ứng HMI nằm phía trước máy, là nơi thực hiện mọi tác vụ (khởi động, tắt nguồn, điều chỉnh thời gian bước); Bộ phận đĩa hứng có thể chứa được tối đa 10 hũ bi hứng hóa chất từ cột sắc ký; Động cơ bước đảm bảo độ chính xác tuyệt đối khi chuyển bước; Thời gian bước được lập trình tùy chỉnh từ 1-9999 giây; kích thước nhỏ gọn phù hợp quy mô phòng thí nghiệm.

Các bước vận hành

Mở công tắc ON/OFF phía sau máy, màn hình HMI sáng, máy sẵn sàng hoạt động;

Thiết lập thời gian trên màn hình cảm ứng HMI, nhấn ON, máy bắt đầu hoạt động. Khi muốn máy ngừng hoạt động, nhấn OFF. Trong lúc máy đang hoạt động thì không thể điều chỉnh thời gian bước. Trong trường hợp muốn điều chỉnh lại thời gian bước: nhấn OFF, sau đó điều chỉnh lại thời gian và nhấn ON.

Khi hoạt động máy sẽ quay 1 góc đã được lập trình sẵn, sau đó dừng lại theo thời gian đã được cài đặt, hết thời gian máy sẽ tiếp tục bước.

Hình 5: Vận hành máy hứng

Kết luận

Máy hứng tự động là sản phẩm công nghệ có sự kết hợp kiến thức của nhiều lĩnh vực khoa học bao gồm hóa học, điện tử và cơ khí với mục tiêu hỗ trợ cho người làm thực nghiệm hóa học trong các thao tác hứng hóa chất, rất phổ biến trong chuyên ngành Hóa học các hợp chất thiên nhiên. Với những ứng dụng thiết thực, trong phiên bản lần trước, đề tài “Chế tạo máy hứng tự động phục vụ thí nghiệm Hóa học” đã được trường Đại Học Sài Gòn chọn tham dự cuộc thi Thiết kế - Chế tạo - Ứng dụng lần IX năm 2021 do Thành Đoàn TP. Hồ Chí Minh tổ chức và vinh dự đạt huy chương đồng vào tháng 11/2021.

Trong phiên bản này, bên cạnh việc sử dụng màn hình cảm ứng HMI, các khuyết điểm, thiếu sót của phiên bản cũ cũng được hoàn thiện. Sau khi hoàn thành máy được vận hành thử nghiệm tại các phòng thí nghiệm chuyên ngành Hóa học các hợp chất thiên nhiên bao gồm Trung tâm Sâm và Dược liệu (quận 1, TP. Hồ Chí Minh) và phòng thí nghiệm Hóa học trường Đại học Sài Gòn. Kết quả đã thu được một số đánh giá tích cực về tính hiệu quả, sự phù hợp về kích thước và giá cả, có thể triển khai trên diện rộng. Sự thành công của đề tài “Chế tạo máy hứng tự động sử dụng màn hình cảm ứng HMI” hứa hẹn sẽ nâng cao hiệu quả nghiên cứu trong chuyên ngành hóa học các hợp chất thiên nhiên cũng như thúc đẩy việc nghiên cứu các đề tài có sự kết hợp đa lĩnh vực khoa học, góp phần nâng cao chất lượng nghiên cứu cho nền khoa học Việt Nam.

Lời cảm ơn

Nghiên cứu được tài trợ bởi trường Đại học Sài Gòn mã số đề tài CSB2022-33.

Danh mục các chữ viết tắt

AC: Alternating Current (dòng điện xoay chiều);

DC: Direct Current (dòng điện một chiều);

CNC: Computer Numerical Control;

HMI: Human Machine Interface (giao diện thực hiện tác vụ).

Tài liệu tham khảo

1. Nguyễn Kim Phi Phụng (2007), Phương pháp cô lập hợp chất hữu cơ, NXB Đại học Quốc gia TP. HCM;

2. Trần Thế San, Nguyễn Ngọc Sương (2009). Thiết kế mạch và lập trình PLC, NXB Khoa Học và Kỹ Thuật;

3. Trần Văn Địch (2004). Công Nghệ CNC, NXB Khoa Học và Kỹ thuật;

4. Mai Hoàng Long(2015). Giáo Trình Auto Cad 2015, NXB Xây dựng;

5. Phạm Quang Huy, Trương Đình Nhơn (2018). Vi điều khiển và ứng dụng - hướng dẫn sử dụng Arduino, NXB Thanh niên;

6. Parag Vichare, Xianzhi Zhang, Vimal Dhokia, Wai M Cheung, Computer numerical control machine tool information reusability within virtual machining systems, Engineering, 232(4), 593-604.

NGUYỄN HỮU DUY KHANG

Khoa Sư phạm Khoa học Tự nhiên - Trường Đại học Sài Gòn

Nguồn: Tạp chí Tài nguyên và Môi trường số 19 (Kỳ 1 tháng 10 năm 2023)