HỌ VÀ TÊN: NGUYỄN ĐÌNH DŨNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

NGUYỄN ĐÌNH DŨNG

PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG PHÂN PHỐI
VẬT LIỆU NANO, ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG CHẾ
TẠO PIN MẶT TRỜI MÀNG MỎNG

CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC VÀ KỸ
THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS: Mai Anh Tuấn

KHOÁ: 2009-2011

Hà Nội – Năm 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------NGUYỄN ĐÌNH DŨNG

PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG PHÂN PHỐI

VẬT LIỆU NANO, ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG CHẾ TẠO PIN
MẶT TRỜI MÀNG MỎNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CHUYÊN NGÀNH: KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT VẬT LIỆU ĐIỆN TỬ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Mai Anh Tuấn

Hà Nội – Năm 2011


Lời cảm ơn
Qua quá trình học tập và nghiên cứu tại viện đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu
(ITIMS), trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội tôi đẫ hoàn thành luận văn.
Trước hết, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới thầy TS. Mai Anh Tuấn, người thầy
đã luôn tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian
tôi được làm việc tại viện ITIMS.
Xin gửi lời cảm ơn tới các bạn trong nhóm nghiên cứu và một số đồng nghiệp đã giúp
tôi trong quá trình nghiên cứu

Hà Nội, ngày.......tháng 09 năm 2011
Học viên

Nguyễn Đình Dũng


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng
MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT ............................................................ 2 
DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ ..................................................................................... 4
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 6
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ............................................................................................ 9
1.1 Giới thiệu về công nghệ Nano..................................................................................... 9
1.2 Công nghệ chế tạo pin mặt trời màng mỏng .............................................................11
1.3 Tổng quan về hệ thống điều khiển ............................................................................15
1.4 Tổng quan các hệ chuyển động .................................................................................17
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ PHẦN CỨNG VÀ PHÁT TRIỂN PHẦN MỀM ..................34
2.1 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống .........................................................................34
2.2 Thuật toán điều khiển hệ thống .................................................................................66
2.3 Phát triển chương trình điều khiển và dao diện người dùng .....................................67
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THẢO LUẬN ........................................................................71
3.1 Mạch điều khiển ........................................................................................................71
3.2 Mô hình hệ thống ......................................................................................................76
3.3 Phần mềm điều khiển (phần phụ lục ) ......................................................................77
3.4 Kết quả thực nghiệm .................................................................................................77
KẾT LUẬN ....................................................................................................................81
1. Kết luận .......................................................................................................................81
2. Hướng phát triển đề tài ...............................................................................................81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..............................................................................................82
PHỤ LỤC .......................................................................................................................85

Luận văn tốt nghiệp

Trang 1 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
TT

Chữ viết tắt

Chú giải

1

NC

Máy điều khiển số

2

CNC

Máy điều khiển số có lập trình máy tính

3

Com

Cổng cắm truyền thông nối tiếp RS232

4

TTL


Transitor transitor logic

5

Max 232

IC chuyển đồi tương thích nguồn giữa máy
tính và ngoại vi

Luận văn tốt nghiệp

Trang 2 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU 
Bảng 1.4.1. Tham số cho cơ cấu hai chuyển động đồng phẳng

21

Bảng1.4.2. Tham số DH cho cổ tay khớp cầu.

22

Bảng 1.5.1: Bảng thông số kỹ thuật IC 89C51

30


Bảng 1.5.2: Ý nghĩa các chân của RS232

32

Bảng 2.1.1: Thông số kỹ thuật của bộ nguồn

37

Bảng 2.1.2: Qui định chân của RS232

38

Bảng 2.1.3: Bảng giá trị lựa chọn các linh kiện trong mạch

41

Bảng 2.1.4: Bảng lựa chọn giá trị các linh kiện trong mạch cho 3 đông cơ

43

Bảng 2.1.5: Bảng chú thích cách bắt vitme

53

Bảng 2.1.6: Bảng giá trị tính lực theo nhà sản xuất cho con trượt

55

Bảng 2.1.7 :Chế độ điều khiển đầy bước một pha


63

Bảng 2.1.8: Chế độ điều khiển đầy bước hai pha

63

Bảng 2.1.9: Chế độ nửa bước

64

Bảng 3.1.1: Chức năng các khối trong sơ đồ

71

Luận văn tốt nghiệp

Trang 3 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

DANH MỤC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ 
Hình 1.2.1 Sơ đồ mô tả hệ phun nhiệt phân sử dụng dòng khí nén .......................... 14
Hình 1.4.1 Hệ thống kiểu tọa Descarde .................................................................... 18
Hình 1.4.2 Hệ thống kiểu tọa độ trụ .......................................................................... 18
Hình 1.4.3 Hệ thống kiểu tọa độ cầu......................................................................... 19
Hình 1.4.4 Hệ thống hoạt động theo hệ tọa độ góc................................................... 19
Hình 1.4.5 Hệ thống kiểu Scara ................................................................................ 20
Hình 1.4.6 Tay máy có hai chuyển động phẳng ....................................................... 21

Hình 1.4.7 Gán hệ trục tọa độ cho cổ tay khớp cầu .................................................. 23
Hình 1.4.8 Sự biểu diễn các góc Euler...................................................................... 24
Hình 1.4.9 Hệ Stanford ............................................................................................. 26
Hình 1.5.1: Sơ đồ khối của AT89C51....................................................................... 29
Hình 1.5.2 Sơ đồ chân của vi diều khiển 89C51....................................................... 29
Hình 1.5.3: Sơ đồ chân RS232 .................................................................................. 32
Hình 2.1.1 Sơ đồ khối điều khiển Hệ thống .............................................................. 35
Hình 2.1.2 Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ................................................................... 36
Hình 2.1.3 Sơ đồ nối ghép của MAX232 với 8051 theo modem không .................. 37
Hình 2.1.4 Sơ đồ chân và sơ đồ logic IC MAX232 .................................................. 40
Hình 2.1.5 Sơ đồ nguyên lý các khối xử lý trung tâm .............................................. 41
Hình 2.1.6 Sơ đồ nguyên lý khối công suất cho một động cơ .................................. 42
Hình 2.1.7 Sơ đồ chân của IRF540N ........................................................................ 46
Hình 2.1.8 Cách kết nối cảm biến ............................................................................. 47
Hình 2.1.9 Hình chiếu của hệ thống.......................................................................... 48
Hình 2.1.10 Hinh chiếu trục đo ................................................................................. 48
Hình 2.1.11 Cơ cấu tọa độ Đecac ............................................................................. 49
Hình 2.1.12 Ví dụ chuyển đổi gốc tọa độ ................................................................. 50
Hình 2.1.13 Hình chiếu Vít me đai ốc ...................................................................... 51
Hình 2.1.14 Hình ảnh mặt cắt của vít me.................................................................. 51
Hình 2.1.15 Hình ảnh thực tế của vít me đai ốc........................................................ 52
Hình 2.1.16 Cách bắt vitme ...................................................................................... 53
Luận văn tốt nghiệp

Trang 4 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng


Hình 2.1.17 Hình chiếu Con trượt............................................................................. 55
Hình 2.1.18 Hình ảnh thực tế thanh trượt, con trượt................................................. 55
Hình 2.1.19 Các bước lắp ghép con trượt và thanh trượt.......................................... 56
Hình 2.1.22 Cân mặt phẳng, khoảng cách giữa hai thanh trượt................................ 58
Hình 2.1.23 Cân mặt phẳng giữa con trượt và thanh trượt ....................................... 58
Hình 2.1.24 Gắn kết mặt phẳng trên hai thanh trượt ................................................ 59
Hình 2.1.25 Hình ảnh thật khớp nối mềm................................................................. 60
Hình 2.1.26 cấu tạo động cơ bước hỗn hợp .............................................................. 61
Hình 2.1.27 động cơ bước từ trở thay đổi nhiều tầng ............................................... 62
Hình 2.1.28 Cấu trúc 1 cầu H.................................................................................... 65
Hình 2.2.1 Lưu đồ khối thuật toán điều khiển chính ............................................... 66
Hình 2.2.2 Sơ đồ khối lưu đồ thuật toán điều khiển hai trục tọa độ X, Y ................ 67
Hình 2.2.3 Sơ đồ khối lưu đồ thuật toán điều khiển trục tọa độ Z............................ 67
Hình 2.3.1 Giao diện điều khiển ............................................................................... 68
Hình 2.3.2 Chọn chế độ ........................................................................................... 68
Hình 2.3.3 Chế độ Draw ........................................................................................... 69
Hình 2.3.4 Chế độ nhập từ bàn phím ........................................................................ 69
Hình 2.3.5 Chế độ Load File ..................................................................................... 70
Hình 3.1.1 Sơ đồ nguyên lý cụ thể từng khối ........................................................... 72
Hình 3.1.2 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển............................................................. 73
Hình 3.1.3 Sơ đồ sắp xếp linh kiện của Mainboard .................................................. 74
Hình 3.1.4 Sơ đồ mặt dưới của Mainboard ............................................................... 74
Hình 3.1.5 Sơ đồ nguyên lý khối công suất .............................................................. 75
Hình 3.1.6 Sơ đồ sắp xếp linh kiện của mạch công suất........................................... 75
Hình 3.1.7 Sơ đồ mặt dưới của mạch công suất ....................................................... 76
Hình 3.1.8 Hình ảnh sản phẩm mô hình hệ thống .................................................... 76
Hình 3.1.9: Ảnh chụp thí nghiệm lần thứ nhất.......................................................... 77
Hình 3.1.10: Ảnh chụp thí nghiệm lần thứ hai.......................................................... 78
Hình 3.1.11: Ảnh chụp thí nghiệm lần thứ ba ........................................................... 79
Hình 3.1.12: Ảnh chụp thí nghiệm lần thứ bốn ........................................................ 80

Luận văn tốt nghiệp

Trang 5 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

MỞ ĐẦU
Năng lượng có vai trò quan trọng trong sự phát triển của xã hội loài người. Các
nguồn năng lượng chính hiện nay gồm có năng lượng hóa thạch và năng lượng tái
tạo. Tuy nhiên, các nguồn năng lượng này không phải là vô hạn và ngày càng cạn
kiệt. Xu hướng hiện hay là hạn chế phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch.
Nguồn năng lượng thay thế quan trọng hiện nay là năng lượng mặt trời thông qua hệ
thống pin mặt trời.
Trên thị trường hiện nay, ngoài pin mặt trời trên cơ sở Silic chiếm phần lớn thị
phần, cũng đã bắt đầu xuất hiện các sản phẩm khác silic, các vật liệu màng mỏng vô
cơ hoặc hữu cơ... Pin mặt trời sử dụng vật liệu Silic có hiệu suất lớn, vòng đời dài
nhưng giá thành cao, vì vậy sử dụng pin mặt trời màng mỏng với giá thành thấp
đồng thời tăng hiệu suất chuyển đổi đang là hướng nghiên cứu hấp dẫn hiện nay.
Có nhiều phương pháp chế tạo pin mặt trời màng mỏng đang được nghiên cứu phát
triển hiện nay. Trong đó có hai cách tiếp cận được sử dụng gồm phương pháp vật lý
và phương pháp hóa học. Phương pháp vật lý bao gồm bốc bay trong chân không,
phún xạ, epitaxy chùm phân tử (tiếp cận từ trên xuống – Top Down),…Các phương
pháp hóa học bao gồm lắng đọng hóa học từ pha hơi và từ dung dịch, trong đó các
phương pháp như sol-gel, nhúng phủ, quay phủ và phun nhiệt phân thuộc nhóm
phương pháp lắng đọng hóa học từ dung dịch (tiếp cận từ dưới lên – Bottom Up).
Phun nhiệt phân là kỹ thuật tạo màng bằng cách phun các giọt dung dịch có chứa
các tiền chất lên bề mặt đế được gia nhiệt, màng được hình thành trên đế thông qua
phản ứng hóa học giữa các tiền chất. Phun nhiệt phân được Chamberlin và Skarman

sử dụng lần đầu tiên vào năm 1966 để chế tạo màng CdS trong pin mặt trời [1].
Sự phát triển của kỹ thuật phủ phun đòi hỏi những thiết bị phụ trợ để phân phối
nhiều loại vật liệu khác nhau trong đó khối lượng hoặc thể tích vật liệu được phân
phối phải ở cỡ nano gram hoặc nano lít, với độ chính xác cao. Xu hướng này cũng
đã có mặt tại Việt Nam và đang có đà phát triển rất nhanh. Nghiên cứu, phát triển
các hệ thống điều khiển tự động, đáp ứng các nhu cầu thực tế đa ngành nói trên có ý
nghĩa rất quan trọng trong việc duy trì và cải thiện tốc độ phát triển của các chuyên
ngành có liên quan.
Luận văn tốt nghiệp

Trang 6 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

Các hệ thống điều khiển tự động này cho phép phủ lên trên một bề mặt với địa hình
bất kỳ, trong một khoảng diện tích rất nhỏ những lượng vật chất (chất lỏng) rất nhỏ
và có thể điều khiển được.
Nghiên cứu chế tạo hệ phân phối vật liệu mang tính liên ngành cao và khả năng ứng
dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau ví dụ trong công nghệ in điện tử,
trong y sinh, trong nông nghiệp, trong sản xuất dược phẩm, trong nghiên cứu chế
tạo vật liệu nano [2].
Nhóm của Larson đã rất thành công trong việc chế tạo bộ phận phân phối dùng hiệu
ứng áp điện tử, dựa trên công nghệ vi cơ điện tử và hiện đã đăng ký thành công
sáng chế tại Mỹ cho sản phẩm này [3]. Bộ phận vòi phun có thể được nạp đầy thông
qua một mao quản bằng cách nhúng trong dung dịch sẽ được phân phối, sau đó
được đưa tới những vị trí mong muốn trên đế. Tại đó, cảm biến phát siêu âm sẽ
được kích hoạt ở một tần số phù hợp và nhỏ dịch với thể tích xác định. Các nhà
khoa học thuộc nhóm nghiên cứu của Giáo sư Michael Winokur, trường đại học

Wisconsin cũng đã sử dụng phương pháp này để chế tạo các đi-ôt phát quang [4].
Hiện nay, nước ta đã có một số phòng thí nghiệm nghiên cứu về khoa học, công
nghệ Nano như: Viện Vật lý và Ðiện tử, Viện Khoa học Vật liệu (thuộc trường Ðại
học Bách khoa Hà Nội), Viện Hóa học, Viện Khoa học và Công nghệ, Ðại học
Khoa học Tự nhiên (thuộc Ðại học Quốc gia Hà Nội), Ðại học Quốc gia TP Hồ Chí
Minh….Những Viện, Trung tâm nghiên cứu này đã đạt được những kết quả đáng
khích lệ trong thời gian qua như nhóm của TS. Tống Duy Hiển tại Phòng thí
nghiệm Nano, thuộc Đại học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh đã nghiên cứu
nhiều ứng dụng của công nghệ và vật liệu nano [5]. Tại Đại học Bách Khoa Hà nội,
nhóm cảm biến sinh học do TS. Mai Anh Tuấn đứng đầu cũng đã sử dụng các hệ
phân phối vật liệu nano nhưng ở mức rất thô sơ để cố định các phần tử cảm nhận
lên trên các vi cảm biến nhằm phát hiện các chất gây ô nhiễm hoặc virut gây bệnh
[6,7].
Nhằm tìm hiểu và phát triển một hệ thống phân phối vật liệu na no, trước mắt ở quy
mô phòng thí nghiệm, tác giả đã lựa chọn đề tài “Phát triển hệ thống phân phối vật
liệu na no, định hướng ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng”
Luận văn tốt nghiệp

Trang 7 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

Luận văn được chia làm 3 phần:
Chương 1: Tổng quan
Trong chương 1, tác giả đã mô tả một cách tổng quát các bộ phận cấu thành của một
hệ phun phủ vật liệu ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng. Đồng thời lựa
chọn được thuật toán điều khiển, ý tưởng thiết kế.
Chương 2: Tính toán, thiết kế phần cứng và phần mềm cho hệ thống điều khiển

Trong chương 2, tác giả xin trình bày các bước tính toán, thiết kế phần cứng cũng
như phần mềm điều khiển hệ thống phun phủ dựa trên các nguồn lực sẵn có tại
nhóm nghiên cứu
Chương 3: Kết quả thảo luận
Trong chương 3, tác giả đưa ra, các bản vẽ thiết kế mạch điều khiển, chương trình
điều khiển, và kết quả thảo luận
Kết luận.
Tài liệu tham khảo.

Luận văn tốt nghiệp

Trang 8 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
Các hệ thống phân phối vật liệu nano là xu hướng không thể khác nhằm giải quyết
các yêu cầu trong tổng hợp vật liệu, phân phối vật liệu lên các đế được thiết kế
sẵn…Trong xu hướng phát triển này, ngành vi cơ khí và điều khiển tự động đã góp
phần rất lớn vào việc tăng tốc các ứng dụng của vật liệu micro nano vào cuộc sống.
Các hệ thống điều khiển tự động này cho phép phủ lên trên một bề mặt trong một
khoảng diện tích rất nhỏ những lượng vật chất (chất lỏng) rất nhỏ và có thể điều
khiển được [3].
Hệ này thường bao gồm các hệ thống treo, chuyển động theo ba chiều độc lập nhau
trong không gian với độ thay đổi và có thể điều khiển được. Điều này cho phép hệ
thống có thể thực hiện tốt các tác vụ trong không gian hẹp mà vẫn đảm bảo độ
chính xác cao. Hệ thống thường đi kèm phần mềm điều khiển, ghép nối máy tính
hoặc sử dụng các hệ thống nhúng cho phép điều khiển thiết bị một cách độc lập, tạo

điều kiện thuận lợi cho người sử dụng.
Trong chương 1, tác giả sẽ trình bày tổng quan về công nghệ nano, cũng như các
phương pháp chế tạo vật liệu màng mỏng nano, cụ thể là công nghệ chế tạo pin mặt
trời màng mỏng CuZnSn, nghiên cứu công nghệ phun phủ nhiệt phân và lựa chọn
thiết kế cho hệ thống phun phủ vật liệu nano.
1.1 Giới thiệu về công nghệ Nano
1.1.1 Công nghệ Nano
Khoa học và kỹ thuật nano là lĩnh vực khoa học hàng đầu trong thập niên gần đây.
Trong ngôn ngữ khoa học, chữ nano có nghĩa là môt phần triệu của một đơn vị nào
đó.
Ý tưởng cơ bản về công nghệ nano được đưa ra bởi nhà vật lý học người Mỹ
Richard Feynman vào năm 1959, ông cho rằng khoa học đã đi vào chiều sâu của
cấu trúc vật chất đến từng phân tử, nguyên tử vào sâu hơn nữa. Nhưng thuật ngữ
“công nghệ nano” mới bắt đầu được sử dụng vào năm 1974 do Nario Taniguchi [7]
một nhà nghiên cứu tại trường đại học Tokyo sử dụng để đề cập khả năng chế tạo
cấu trúc vi hình của mạch vi điện tử.
1.1.2 Vật liệu Nano
Luận văn tốt nghiệp

Trang 9 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

Vật liệu nano là lĩnh vực nghiên cứu dựa trên khoa học về vật liệu với công nghệ
nano. Nó nghiên cứu về vật liệu với các đặc tính hình học trên thang nano mét, và
đặc biệt là các vật liệu có các tính chất đặc biệt xuất phát từ kích thước nano. Thang
nano thường được định nghĩa nhỏ hơn một phần mười micro mét trong ít nhất một
chiều (dài, rộng hoặc cao), tuy nhiên thuật ngữ này nhiều khi cũng được sử dụng

cho các vật liệu nhỏ hơn một micro mét [8].
1.1.3 Chế tạo vật liệu Nano
Các vật liệu nano có thể thu được bằng hai cách tiếp cận phổ biến, mỗi phương
pháp đều có những điểm mạnh và điểm yếu, một số phương pháp chỉ có thể được
áp dụng với một số vật liệu nhất định.
Tiếp cận từ dưới lên (Bottom-Up)
Bao gồm các phương pháp chế tạo vật liệu dùng trong hóa keo (colloidal
chemistry), phương pháp thủy nhiệt, sol-gel, và kết tủa, lắng đọng hóa học ở pha
hơi [9]. Theo phương pháp này, các dung dịch chứa ion khác nhau được trộn với
nhau theo một tỷ phần thích hợp, dưới tác động của nhiệt độ, áp suất mà các vật liệu
nano được kết tủa từ dung dịch. Sau các quá trình lọc, sấy khô, ta thu được các vật
liệu nano.
Ưu điểm của phương pháp tổng hợp theo tiếp cận từ dưới lên là các vật liệu có thể
chế tạo được rất đa dạng, chúng có thể là vật liệu vô cơ, hữu cơ, kim loại. Đặc điểm
của tiếp cận này này là rẻ tiền và có thể chế tạo được một khối lượng lớn vật liệu.
Nhưng nó cũng có nhược điểm là các hợp chất có liên kết với phân tử nước có thể
là một khó khăn. Ví dụ, phương pháp sol-gel tuy giản đơn, có thể điều khiển được
kích thước hạt trong quy trình chế tạo. Tuy nhiên, độ lặp lại không cao.
Tiếp cận từ trên xuống (Top-Down)
Bao gồm các phương pháp tán, nghiền, hợp kim cơ học. Theo phương pháp này, vật
liệu ở dạng bột được nghiền đến kích thước nhỏ hơn [9]. Ngày nay, các máy nghiền
thường dùng là máy nghiền kiểu hành tinh hay máy nghiền quay. Phương pháp cơ
học có ưu điểm là đơn giản, dụng cụ chế tạo không đắt tiền và có thể chế tạo với
một lượng lớn vật liệu. Tuy nhiên nó lại có nhược điểm là các hạt bị kết tụ với nhau,
phân bố kích thước hạt không đồng nhất, dễ bị nhiễm bẩn từ các dụng cụ chế tạo và
Luận văn tốt nghiệp

Trang 10 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009



Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

thường khó có thể đạt được hạt có kích thước nhỏ. Phương pháp này thường được
dùng để tạo vật liệu không phải là hữu cơ như là kim loại.
Ngoài ra, tiếp cận từ trên xuống còn bao gồm các phương pháp quang khắc
(lithography), lắng đọng vật lý (bốc bay trong chân không, phún xạ). Các phương
pháp này được áp dụng hiệu quả để chế tạo màng mỏng hoặc lớp bao phủ bề mặt,
người ta cũng có thể dùng nó để chế tạo hạt nano bằng cách tạo vật liệu từ đế. Các
phương pháp này thường cho vật liệu có chất lượng cao, chính xác, độ lặp lại cao
nhưng đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn [9].
Phương pháp nhiệt phân (flame pyrolysis), nổ điện (electro-explosion), đốt laser
(laser ablation), bốc bay nhiệt độ cao, plasma. Nguyên tắc của các phương pháp này
là hình thành vật liệu nano từ pha khí. Nhiệt phân là phương pháp có từ rất lâu,
được dùng để tạo các vật liệu đơn giản như carbon, silicon. Phương pháp đốt laser
thì có thể tạo được nhiều loại vật liệu nhưng lại chỉ giới hạn trong phòng thí nghiệm
vì hiệu suất của chúng thấp. Phương pháp plasma một chiều và xoay chiều có thể
dùng để tạo rất nhiều vật liệu khác nhau nhưng lại không thích hợp để tạo vật liệu
hữu cơ vì nhiệt độ của nó có thể đến 9000 C [10].
1.2 Công nghệ chế tạo pin mặt trời màng mỏng
1.2.1 Giới thiệu về pin mặt trời – cơ chế hoạt động
Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn
chứa lượng lớn các chuyển tiếp p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả
năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng. Chúng đặc biệt thích hợp cho các
vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh
quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm
nước... Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt
trời) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của
mạng lưới điện [11].

Nhiều lọai vật liệu khác nhau được thử nghiệm cho pin mặt trời. Có hai tiêu chí khi
đánh giá pin mặt trời là hiệu suất và giá cả. Hiệu suất là tỉ số của năng lượng điện từ
ánh sáng mặt trời. Ở điều khiển chuẩn năng lượng mặt trời chiếm khoảng. trong đó
Luận văn tốt nghiệp

Trang 11 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

10% hiệu suất của 1 module 1 m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W. hiệu suất
của pin mặt trời thay đổi từ 6% từ pin mặt trời làm từ silic không thù hình, và có thể
lên đến 30% hay cao hơn nữa, sử dụng pin có nhiều mối nối nghiên cứu trong
phòng thí nghiệm.
Hiệu suất là đại lượng đặc trưng cho mức sử dụng hữu ích năng lượng của một hệ
thống nào đó, bằng tỉ số năng lượng hữu ích với tổng năng lượng mà thống nhận
được. Hiệu suất của pin mặt trời kết hợp với sự bức xạ là một yếu tố quyết định
trong giá thành. Nói chung hiệu suất của toàn hệ thống là tầm quan trọng của nó. Để
tạo nên ứng dụng thực sự của pin tích hợp năng lượng mặt trời, điện năng tạo nên
được nối với mạng lưới điện sử dụng các bộ chuyển đổi. Các pin năng lượng thực tế
có hiệu suất từ 5% đến 15%.
Cho tới hiện tại thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là
các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
•

Silic đơn tinh thể sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn tinh thể loại
này có hiệu suất tới 17,5%. Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi
Silic hình trụ, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.


•

Silic đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm
nguội và làm rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu
suất kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt
nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nó.

•

Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh
thể, Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong
các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.

Công nghệ trên là sản suất tấm, nói cách khác, các lọai trên có độ dày 300 µm tạo
thành và xếp lại để tạo nên module.
Trong thế giới của ngành năng lượng mặt trời dạng quang điện (PV), có nhiều công
nghệ chất bán dẫn hiện được sử dụng làm các tấm pin mặt trời PV. Tuy thế, hai
dạng đã được sử dụng rộng rãi hơn hết là silicon tinh thể và màng mỏng.
Silicon tinh thể

Luận văn tốt nghiệp

Trang 12 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

Các tấm silicon tinh thể được xây dựng bằng cách đầu tiên đưa một tấm silicon qua
một quy trình xử lý nhiều công đoạn, tạo thành một tế bào năng lượng mặt trời. Sau

đó các tế bào này được ghép lại với nhau để tạo thành tấm pin mặt trời. Silicon kết
tinh, còn được gọi là silicon mỏng, là vật liệu lâu đời nhất và được sử dụng rộng rãi
nhất trong các tấm pin mặt trời thương mại.
Màng mỏng
Các tấm pin mặt trời được sản xuất bằng cách đặt các lớp vật liệu bán dẫn mỏng lên
những bề mặt khác nhau, thường là thủy tinh. Màng mỏng (Thin film) là một hay
nhiều lớp vật liệu được chế tạo sao cho chiều dày nhỏ hơn rất nhiều so với các chiều
còn lại (chiều rộng và chiều dài). Khái niệm "mỏng" trong màng mỏng rất đa dạng,
có thể chỉ từ vài lớp nguyên tử, đến vài nanomet, hay hàng micromet. Khi chiều dày
của màng mỏng đủ nhỏ so với quãng đường tự do trung bình của điện tử (cỡ 10 đến
100 nm) hoặc các chiều dài tương tác thì tính chất của màng mỏng hoàn toàn thay
đổi so với tính chất của vật liệu khối. Hiện nay màng mỏng đang là một lĩnh vực
nghiên cứu mạnh mẽ của khoa học và công nghệ vật liệu, vật lý chất rắn... với nhiều
khả năng ứng dụng to lớn trong đời sống hàng ngày, trong sản xuất.
Gần đây, pin mặt trời màng mỏng đạt hiệu suất 19,9%, lập nên kỉ lục thế giới mới
về kiểu pin này. Các loại pin mặt trời dựa trên silicon đa tinh thể đạt hiệu suất
20,3%. Pin màng mỏng sử dụng các lớp vật liệu bán dẫn cực kì mỏng. Loại pin
màng mỏng này cần ít năng lượng hơn và có thể được chế tạo bằng nhiều quá trình,
do đó chi phí sẽ rẻ hơn. Chúng lí tưởng cho các ứng dụng không gian vũ trụ và thị
trường điện tử xách tay do trọng lượng nhẹ.
Các nhà nghiên cứu cũng lập nên kỉ lục thế giới nhờ những cải tiến về chất lượng
vật liệu được sử dụng trong suốt quá trình sản xuất, góp phần làm tăng công suất
của pin [10].
1.2.2 Phương pháp phun phủ nhiệt phân
Phun phủ nhiệt phân là kỹ thuật tạo màng bằng cách phun các giọt dung dịch có
chứa các tiền chất lên bề mặt đế được gia nhiệt, màng được hình thành trên đế thông
qua phản ứng hóa học giữa các tiền chất. So với các phương pháp lắng đọng khác,
phương pháp phun nhiệt phân có nhiều ưu điểm sau:
Luận văn tốt nghiệp


Trang 13 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

• Phản ứng tạo pha mong muốn xảy ra nội tại trong từng giọt chất lỏng nên
màng tạo ra có độ đồng nhất cao về thành phần hóa học, hình thái và kích
thước hạt.
• Các tính chất vật liệu như kích thước hạt, bề dày màng có thể điều khiển
bằng cách thay đổi điều kiện công nghệ như nồng độ dung dịch phun, tốc độ
phun, thời gian phun.
• Phun nhiệt phân không đòi hỏi công nghệ khắt khe, quá trình phun được thực
hiện ở áp suất khí quyển.
• Có thể tạo được màng đơn lớp, đa lớp
• Không hạn chế về vật liệu làm đế.
1.2.3 Cấu tạo của hệ phun nhiệt phân
Phun nhiệt phân có thể phân loại thành nhiều kỹ thuật khác nhau như phun nhiệt
phân ngọn lửa, phun nhiệt phân khí nén, phun nhiệt phân siêu âm, phun tĩnh điện.
Hình 1.1 là sơ đồ mô tả cấu tạo của hệ phun nhiệt phân sử dụng dòng khí nén.

Hình 1.2.1 Sơ đồ mô tả hệ phun nhiệt phân sử dụng dòng khí nén
Trong hệ phun nhiệt phân, đầu phun là bộ phận quan trọng quyết định những tính
chất của tiền chất khi ra khỏi đầu phun và rơi trên đế. Trong khi đó, hệ thống điều
Luận văn tốt nghiệp

Trang 14 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng

ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

khiển lại có thể đảm bảo được độ tin cậy về khoảng cách đầu phun tới đế, tốc độ
phun, tốc độ dịch chuyển của đầu phun, nhiệt độ đế và thậm chí áp suất môi trường
(áp suất phun, áp suất rút lưu chất). Yêu cầu đối với đầu phun là kích thước phải đủ
nhỏ để dung dịch tạo màng khi phun phải tạo thành không gian chứa các hạt sương
mù có đường kính rất nhỏ. Ngoài ra, vật liệu làm đầu phun phải trơ về mặt hóa học
để tránh bị ăn mòn khi tiếp xúc với dung dịch phun.
Khí được sử dụng trong phương pháp cũng phải đạt được yêu cầu nhất định. Trước
hết, khí phải là khí trơ về mặt hóa học với các chất tạo màng để tránh phản ứng hóa
học với chất tạo màng hình thành nên tạp chất không mong muốn. Mặt khác, khí
phải có độ sạch cao để có thể tạo ra màng có chất lượng cao.
Một yếu tố quan trọng khác đối với một hệ phun nhiệt phân là nhiệt độ đế do quá
trình phản ứng hóa học tạo màng thường xảy ra ở nhiệt độ cao khoảng vài trăm độ.
Diện tích phun phủ phụ thuộc vào khoảng cách từ đầu phun đến đế, tuy nhiên mỗi
lần phun chỉ được một diện tích nhỏ (do góc mở của van phun), vì vậy để đạt được
diện tích phun phủ có thể thay đổi được, cần phải di chuyển vòi phun.
Trong đề tài này, tác giả tập trung vào phát triển hệ thống phân phối vật liệu (điều
chỉnh tọa độ của vòi phun theo ba trục X, Y và Z) trong đó chú trọng tới nghiên cứu
và phát triển hệ thống điều khiển, các thuật toán phù hợp nhằm thỏa mãn các nhu
cầu phân phối vật liệu nêu trên.
1.3 Tổng quan về hệ thống điều khiển
Một hệ điều khiển là một hoặc một tập các thiết bị dùng để điều khiển trạng thái của
một hệ hay thiết bị khác. Có hai loại hệ điều khiển nói chung là điều khiển logic và
điều khiển tuyến tính.
Một hệ điều khiển logic có thể điều khiển một loạt các cơ cấu chấp hành theo một
tuần tự nhất định để thực hiện một nhiệm vụ, ví dụ hệ thống đóng gói hay phân loại
sản phẩm. Đối với hệ điều khiển tuyến tính, một vòng điều khiển bao gồm cảm
biến, thuật toán điều khiển và cơ cấu chấp hành, được sắp xếp theo một trật tự để
điều khiển các tham số của một quá trình.

a. Hệ điều khiển vòng hở

Luận văn tốt nghiệp

Trang 15 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

Một bộ điều khiển vòng hở, còn gọi là bộ điều khiển không có phản hồi, là một kiểu
bộ điều khiển tính toán đầu vào điều khiển chỉ dựa trên trạng thái hiện tại và mô
hình của hệ. Một đặc tính của bộ điều khiển vòng hở là nó không sử dụng phản hồi
để xác định liệu đầu ra của nó đã đạt đến giá trị mong muốn hay chưa. Điều này có
nghĩa là hệ không quan sát đầu ra của quá trình mà nó điều khiển. Như vậy, một hệ
điều khiển vòng hở không thể sửa hoặc hiệu chỉnh lỗi mà nó gây ra. Nó cũng không
thể bù nhiễu cho hệ thống.
Điều khiển vòng hở rất hiệu quả với các hệ có mô hình toán học chính xác trong đó
mối liên hệ giữa đầu vào và đầu ra có thể được mô hình bằng công thức toán học.
Ví dụ xác định điện áp cung cấp cho động cơ điện để điều khiển một tải cố định, để
đạt được một tốc độ mong muốn là một ví dụ về hệ điều khiển vòng hở. Nếu tải
không được biết trước, tốc độ động cơ có thể biến đổi theo tải cũng như điện áp, và
bộ điều khiển vòng hở sẽ không đảm bảo điều khiển chính xác tốc độ.
Một ví dụ là hệ thống băng tải yêu cầu chuyển động với một tốc độ cố định. Với
một điện áp không đổi, băng tải sẽ di chuyển ở các tốc độ khác nhau tùy thuộc vào
tải của động cơ. Để băng tải chuyển động với một tốc độ cố định, điện áp của động
cơ phải được điều chỉnh. Trong trường hợp này, cần một bộ điều khiển vòng kín.
Một hệ điều khiển vòng hở thường dùng với các quá trình đơn giản do cấu trúc đơn
giản và giá thành thấp, đặc biệt trong các hệ không yêu cầu phản hồi. Một ví dụ
khác là hệ thống máy giặt, thời gian giặt phụ thuộc vào người vận hành.

b. Hệ điều khiển vòng kín
Bất cứ hệ điều khiển nào mà đầu ra được giám sát và so sánh với đầu vào và sự sai
khác được sử dụng để tác động lên hệ cho đến khi đầu ra đạt đến giá trị đặt trước
được gọi là hệ điều khiển vòng kín.
c. Phương pháp nội suy trên máy tính
Ở phương pháp này, khi biết được tọa độ để phân phối vật liệu, phần mềm trên máy
tính sẽ thực hiện tính toán xử lý các thuật toán, nội suy rồi mới truyền dữ liệu xuống
vi điều khiển. Vi điều khiển chỉ có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ máy tính và điều khiển
mạch công suất cho động cơ. Sau đó, đưa tín hiệu phản hồi về máy tính.
d, Xác định tọa độ chuyển động
Luận văn tốt nghiệp

Trang 16 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

-

Bước chuyển động

Trong khâu tính toán bước chuyển động của bàn máy phân phối vật liệu, bàn máy
được dẫn động từ một động cơ bước qua vit me. Vị trí của bàn máy được xác định
được nhờ tính toán các bước chuyển động của động cơ bước và bước truyển động
của vít me gắn trong cụm truyền dẫn, được tính theo công thức (1.3.1):
(1.3.1)

Số bước/ mm =
-


Cảm biến từ tiệm cận

Cảm biến tiệm cận dùng phát hiện vật thể kim loại từ tính, kim loại không từ tính
(như Nhôm, đồng..). Với vật liệu kim loại có từ tính, cảm biến từ tiệm cận loại điện
cảm là lựa chọn phù hợp trong khi đó đối tượng trên cơ sở vật liệu phi kim có thể
được phát hiện nhờ sử dụng cảm biến tiệm cận kiểu điện dung.
Cảm biến tiệm cận chuyển đổi tín hiệu qua sự chuyển động hoặc xuất hiện của vật
thể thành tín hiệu điện. Cảm biến loại này đáp ứng được hầu hết các điều kiện môi
trường lắp đặt như nhiệt độ cao, nhiệt độ thấp, chống nước, chống hóa chất.
1.4 Tổng quan các hệ chuyển động
Đối với hệ thống phân phối vật liệu nano được mô tả trong luận văn này, cần thực
hiện hai chuyển động cơ bản - chuyển động tịnh tiến theo hướng X,Y,Z trong
không gian Descarde, thông thường tạo nên các hình khối, các chuyển động; chuyển
động quay quanh các trục X,Y,Z ký hiệu là R (Rotation).
Tùy thuộc vào loại vật liệu cần phân phối, mức độ phức tạp của thiết kế trên đế cần
phân phối, sự tổ hợp các chuyển động R và T (Translation) và tay máy có các kết
cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau, các kết cấu thường găp là hệ thống
kiểu hệ tọa độ Descarde, tọa độ trụ, tọa độ cầu, hệ thống kiểu Scara, hệ tọa độ góc.
Hệ thống kiểu tọa độ Descarde

Luận văn tốt nghiệp

Trang 17 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

Hình 1.4.1 Hệ thống kiểu tọa Descarde

Trong hệ thống này, có 3 chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục tọa
độ gốc. Vùng hoạt động có dạng khối chữ nhật. Với kết cấu đơn giản, hệ thống này
có độ cững vững cao, độ chính xác thấp vì vậy nó thường dùng để vận chuyển hoặc
phân phối vật liệu, lắp ráp hàn trong mặt phẳng.
Hệ thống kiểu tọa độ trụ
Vùng làm việc của hệ thống có dạng hình trụ rỗng. Cấu hình R.T.T, có khớp R
chuyển động quay, còn hai khớp T chuyển động tịnh tiến, như hình 1.4.2.

Hình 1.4.2 Hệ thống kiểu tọa độ trụ
Hệ thống kiểu tọa độ cầu
Trong hệ thống này, vùng làm việc có dạng hình cầu, thường độ cứng vững của loại
hệ thống này thấp hơn sơ với 2 loại trên. Ví dụ hệ thống 3 bậc tự do R.R.R hoặc
R.R.T làm việc theo kiểu tọa độ cầu như hình 1.4.

Luận văn tốt nghiệp

Trang 18 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

Hình 1.4.3 Hệ thống kiểu tọa độ cầu
Hệ thống kiểu tọa độ góc
Đây là kiểu hệ thống được dùng nhiều hơn cả. Ba chuyển động đầu tiên là các
chuyển động quay. Trục quay thứ nhất vuông góc với hai trục kia. Các chuyển đông
định hướng khác cũng là các chuyển động quay. Vùng làm việc của tay máy này
gần giống với một phần khối cầu. Tất cả các chuyển động đều nằm trong mặt phẳng
thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là bài toán phẳng. Ưu điểm nổi bật của hệ
thống kiểu tọa độ góc là gọn nhẹ, có vùng làm việc tương đối lớn so với kích cỡ của

bản thân, độ linh hoạt cao.

Hình 1.4.4 Hệ thống hoạt động theo hệ tọa độ góc
Hệ thống kiểu tọa độ Scara

Luận văn tốt nghiệp

Trang 19 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

Hình 1.4.5 Hệ thống kiểu Scara
Hệ thống Scara ra đời vào năm 1979 tại trường Đại học Yamanashi (Nhật Bản) là
một kiểu hệ thống mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá trình sản xuất [17].
Cánh tay chuyển động mềm dẻo tùy theo từng ứng dụng cụ thể. Loại hệ thống này
thường dùng trong công việc lắp ráp. Ba khớp đầu tiên của kiểu hệ thống này có cấu
hình R.R.T, các trục khớp đêu theo phương thẳng đứng. Sơ đồ của hệ thống Scara
như hình 1.4.5.
Phân tích động học thuận cơ cấu chuyển động
Để xác định phương trình động học của các chuyển động, quy tắc Denavit–
Hartenberg được sử dụng (gọi tắt là bảng thông số D-H).
Sau đây là các bước thực hiện để xây dựng phương trình động học:
Bước 1: Xác định các trục khớp và đặt tên tương ứng z0 K z n−1 .
Bước 2: Xác lập hệ tọa độ nền. Đặt gốc của hệ tọa độ này tại bất kỳ điểm nào trên
trục z0 . Các trục x0 và y0 được chọn theo qui tắc tam diện thuận.
Lặp i = 1,..., n − 1 lần thực hiện bước 3 đến bước 5.
Bước 3: Xác định các gốc Oi là giao điểm của đường vuông góc chung giữa zi và
zi−1 với zi . Nếu zi giao với zi −1 , đặt Oi tại giao điểm này. Nếu zi song song với zi −1 ,


đặt Oi tại bất kỳ vị trí nào trên zi sao cho thuận tiện.
Bước 4: Xác định xi dọc theo đường vuông góc chung giữa zi −1 và zi đi qua Oi ,
hoặc theo hướng vuông góc với mặt phẳng tạo bởi zi −1 và zi nếu zi −1 và zi giao nhau.
Bước 5: Xác định yi thỏa qui tắc tam diện thuận.
Bước 6: Xác định hệ tọa độ tác động cuối on xn yn z n . Giả sử khớp n là khớp quay, đặt
Luận văn tốt nghiệp

Trang 20 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

z n = a dọc theo hướng z n−1 . Xác định gốc On bất kỳ trên z n sao cho thuận tiện,

thường là tâm của bộ kẹp hay tại đầu dụng cụ mà tay máy phải mang. Đặt
yn = s theo hướng kẹp và đặt xn theo s x a . Nếu dụng cụ kẹp không đơn giản thì đặt
xn và yn tạo thành tam diện thuận.

Bước 7: Lập bảng tham số cho các khâu chuyển động
ai : khoảng cách theo phương x i từ Oi đến giao điểm của các trục x i và z i −1 .
d i : khoảng cách theo phương zi −1 từ Oi −1 đến giao điểm của các trục x i và z i −1 ,
d i thay đổi khi khớp i là khớp trượt.

α i : là góc quay quanh trục x i từ z i −1 đến z i .
θ i : là góc quay quanh trục z i −1 từ x i −1 đến x i .

Bước 8: Thay các tham số được tính toán ở bước 7 vào các ma trận biến đổi thuần
nhất A i ,

Bước 9: Tính Tn0 = A1 K An . Ma trận này cho ta biết được vị trí và hướng đối với hệ
tọa độ nền của dụng cụ gắn trên khâu cuối.
Ví dụ 1:

Hình 1.4.6 Tay máy có hai chuyển động phẳng
Bảng 1.4.1. Tham số cho cơ cấu hai chuyển động đồng phẳng
Khâu

ai

αi

di

θi

1

a1

0

0

θ1

2

a2


0

0

θ2

Luận văn tốt nghiệp

Trang 21 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009


Phát triển hệ thống phân phối vật liệu nano, định hướng
ứng dụng trong chế tạo pin mặt trời màng mỏng

Từ ma trận thuần nhất
⎡c1 − s1
⎢s
c1
A1 = ⎢ 1
⎢0 0
⎢
⎣0 0
⎡c2
⎢s
A2 = ⎢ 2
⎢0
⎢
⎣0

0 a1c1 ⎤

0 a1s1 ⎥⎥
1 0 ⎥
⎥
0 1 ⎦
− s2 0 a2c2 ⎤
c2 0 a2 s2 ⎥⎥
0 1 0 ⎥
⎥
0 0 1 ⎦

(1.4.1)

Ma trận biến đổi thuần nhất
⎡c12
⎢s
T20 = A1 A2 = ⎢ 12
⎢0
⎢
⎣0

− s12
c12

0 a1c1 + a2 c12 ⎤
0 a1s1 + a2 s12 ⎥⎥
⎥
1
0
⎥
0

1
⎦

0
0

(1.4.2)

Lưu ý rằng 2 thành phần đầu của cột cuối cùng của T20 là vị trí x và y của O2 .
x = a1c1 + a2 c12

(1.4.3), (1.4.4)

y = a1s1 + a2 s12

Phần quay của T20 cho hướng của o2 x2 y2 z 2 đối với hệ tọa độ nền.
Ví dụ 2: Cổ tay khớp cầu (Spherical Wrist)
Trục z3 , z 4 , z5 đồng quy tại điểm O . Tay máy Stanford có cổ tay thuộc dạng này.
Bảng1.4.2. Tham số DH cho cổ tay khớp cầu.
Khâu

ai

αi

di

θi

4


0

-90

0

θ4

5

0

90

0

θ5

6

0

0

d6

θ6

Luận văn tốt nghiệp


Trang 22 Nguyễn Đình Dũng – Itims 2009