THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY KHOAN BO MẠCH TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH

Thiết bị kỹ thuật số là lĩnh vực kỹ thuật - công nghệ cao, đã có sự phát triển nhanh chóng, chúng ngày càng được phổ biến trong sản xuất và sinh hoạt hàng ngày. Việc sử dụng các thiết bị kỹ thuật số, các loại máy CNC trong sản xuất đã mang lại những hiệu quả to lớn về mặt kinh tế và kỹ thuật. Việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo loại thiết bị này ngày càng được các nước quan tâm đầu tư. Trong các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam, chúng ta chưa có nhiều các mô hình để dùng trong nghiên cứu và giảng dạy. Do đó, cần đẩy mạnh các hoạt động nghiên cứu chế tạo các mô hình, thiết bị kỹ thuật số phục vụ công tác giảng dạy và NCKH. Trước mắt, cần thực hiện những nghiên cứu cơ bản, thiết kế chế tạo các thiết bị đơn giản nhằm tích luỹ kinh nghiệm cho những nghiên cứu phức tạp hơn. Trong các thiết bị điều khiển số, máy khoan lỗ trên các bo mạch điện tử có các chuyển động đơn giản, hoạt động theo nguyên tắc điều khiển điểm, khoan theo tọa độ của các lỗ (dữ liệu lấy từ phần mềm thiết kế mạch điện tử ORCAD) là đối tượng thích hợp cho giai đoạn đầu nghiên cứu về lĩnh vực này.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 1 THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY KHOAN BO MẠCH TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH DESIGN AND MANUFACTURE OF AUTO-DRILL MACHINE CONTROLLED BY THE COMPUTER Phạm Đăng Phước Trường Đại học Phạm Văn Đồng TÓM TẮT Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo một máy khoan bo mạch điện tử tự động, điều khiển bằng máy tính. Máy tự động khoan chính xác tất cả các lỗ trên bo mạch in, dữ liệu về tọa độ và kích thước lỗ lấy từ phần mềm Orcad. Máy có thể sử dụng được trong thực tế hoặc dùng trong nghiên cứu, giảng dạy cho sinh viên ngành C ơ điện tử. Kết quả đạt được là nền tảng cho các nghiên cứu phức tạp hơn trong tương lai. ABSTRACT This paper presents the results of a research into the designing and manufacturing of a computer-controlled electronic circuit board auto-drill machine. This machine can drill all the holes on a printed circuit board (PCB) with accuracy. The data of the co-ordinates and dimensions of the holes on PCB are provided by the Orcad software. In reality, this machine can be used in practical application, in researches and in teaching mechatronic students. Its achieved results can be used as a foundation for further complicated researches. 1. Giới thiệu Thiết bị kỹ thuật số là lĩnh vực kỹ thuật - công nghệ cao, đã có sự phát triển nhanh chóng, chúng ngày càng được phổ biến trong sản xuất và sinh hoạt hàng ngày. Việc sử dụng các thiết bị kỹ thuật số, các loại máy CNC trong sản xuất đã mang lại những hiệu quả to lớn về mặt kinh tế và kỹ thuật. Việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo loại thiết bị này ngày càng được các nước quan tâm đầu tư. Trong các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam, chúng ta chưa có nhiều các mô hình để dùng trong nghiên cứu và giảng dạy. Do đó, cần đẩy mạnh các hoạt động nghiên cứu chế tạo các mô hình, thiết bị kỹ thuật số phục vụ công tác giảng dạy và NCKH. Trước mắt, cần thực hiện những nghiên cứu cơ bản, thiết kế chế tạo các thiết bị đơn giản nhằm tích luỹ kinh nghiệm cho những nghiên cứu phức tạp hơn. Trong các thiết bị điều khiển số, máy khoan lỗ trên các bo mạch điện tử có các chuyển động đơn giản, hoạt động theo nguyên tắc điều khiển điểm, khoan theo tọa độ của các lỗ (dữ liệu lấy từ phần mềm thiết kế mạch điện tử ORCAD) là đối tượng thích hợp cho giai đoạn đầu nghiên cứu về lĩnh vực này. Qua nghiên cứu, chúng tôi đã thiết kế chế tạo một máy khoan bo mạch điện tử, điều khiển bằng máy tính, có thể sử dụng được trong thực tế hoặc dùng trong nghiên cứu, giảng dạy cho sinh viên ngành Cơ điện tử. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 2 2. Máy Khoan bo mạch điện tử và các nghiên cứu liên quan đã thực hiện Nhiều công ty nước ngoài đã sản xuất bán trên thị trường các loại máy khoan bo mạch điện tử khác nhau. Nhìn chung, kết cấu máy của các hãng sản xuất tương tự nhau, với sự phối hợp ba chuyển động tịnh tiến, tuy nhiên có thể khác nhau về phương án chuyển động của các cơ cấu chấp hành. Những nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng có liên quan đến nội dung đề tài: a) Thiết kế, chế tạo robot 4 bậc tự do (Hình 1): Đề tài tốt nghiệp cao học của học viên Nguyễn Hữu Phước (Hướng dẫn: TS. Phạm Đăng Phước), bảo vệ năm 2006. Robot được dẫn động cơ bằng các động bước, truyền động tịnh tiến bằng đai răng, dẫn hướng dùng ray bi. Hệ thống điều khiển ứng dụng card LAB PC+ của hãng National Instruments. Chương trình điều khiển viết bằng ngôn ngữ C++. Tốc độ chuyển động thấp. b) Thiết kế, chế tạo máy khoan bo mạch điện tử: Đề tài tốt nghiệp của sinh viên Phạm Trường Tùng, lớp 01CLC (GVHD: TS. Phạm Đăng Phước). Giải nhất nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2003, giải khuyến khích NCKH sinh viên toàn quốc năm 2006. Máy có kết cấu còn thô sơ, dẫn động bằng động cơ bước, truyền động đai răng và vít me – đai ốc, dẫn hướng ray bi. Mạch điều khiển dùng vi điều khiển 89C51, kết nối máy tính dùng RS232. Tốc độ chuyển động thấp, độ chính xác đạt được chưa cao. c) Thiết kế, chế tạo máy khoan bo mạch điện tử KB07: Đề tài tốt nghiệp cao học của học viên Nguyễn Hữu Nam (hướng dẫn: TS. Phạm Đăng Phước). Máy được dẫn động bằng động cơ điện một chiều, dùng encoder, truyền động bằng vít me – đai ốc bi, dẫn hướng bằng ray bi, điều khiển thông qua máy tính dùng cổng song song (LPT1). Máy có kết cấu tương đối gọn, song chưa được đẹp, gia công lỗ trên bo mạch theo số liệu từ phần mềm Orcad. Chương trình điều khiển viết bằng ngôn ngữ Delphi. Máy hoạt động chưa thật ổn định, độ chính xác lặp lại chưa cao do kết cấu cơ khí chưa thật tốt. Qua việc chế tạo thiết bị với nhiều phương án khác nhau như đã nêu trên, chúng tôi rút ra được nhiều kinh nghiệm quí báu để tiến hành chế tạo máy mới. 3. Chọn phương án thiết kế máy Hình 1. Robot 4 bậc tự do. Hình 2: Máy khoan bo mạch KB07 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 3 3.1. Chọn phương án chuyển động Máy khoan bo mạch điện tử thực hiện nhiệm vụ khoan các lỗ trên bề mặt của mạch in, kích thước tối đa của mạch in cần gia công là 200mmx300mm. Chọn phương án: bàn máy đứng yên, đầu mang mũi khoan thực hiện tất cả các chuyển động. Sơ đồ nguyên lý của máy như hình vẽ sau (hình 3): 3.2. Chọn phương án truyền - dẫn động: a) Động cơ và hộp giảm tốc: Chọn loại động cơ điện một chiều có kèm theo hộp giám tốc và encoder, rất tiện dụng vì kết cấu gọn nhẹ, chính xác. b) Bộ truyền và cơ cấu dẫn hướng: Để biến chuyển động quay thành các chuyển động tịnh tiến, ta có thể dùng các loại bộ truyền khác nhau. Ở đây, chúng tôi sử dụng loại bộ truyền vít me – đai ốc bi có sẳn rãnh trượt dẫn hướng, không cần chế tạo các cơ cấu dẫn hướng riêng rẽ. 4. Thiết kế kết cấu máy khoan Với phương án dẫn động của máy như đã chọn ở phần 3.1, chúng tôi thiết kế kết cấu của máy nhỏ gọn, đảm bảo độ cứng vững và mỹ thuật. Chúng tôi dùng phần mềm mô phỏng AutoDesk Inventor để thiết kế. Các chi tiết máy được xây dựng trong không gian 3D với kích thước xác định, sau đó được lắp thành cụm và lắp hoàn chỉnh thành máy. Việc sử dụng phần mềm thiết kế mô phỏng này cho phép chúng ta hình dung ngay được kết cấu máy trước khi chế tạo, mô phỏng hoạt động của máy để đánh giá sự phù hợp của kết cấu và kích thước đối với yêu cầu thiết kế. Nhờ đó, tránh được hao phí về vật tư, thời gian và công sức chế tạo máy thử nghiệm. Một hình ảnh bộ phận máy và toàn máy được xây dựng trên phần mềm AutoDesk Inventor (hình 4 và 5). Với phần mềm AutoDesk Inventor, sau khi lắp ráp hoàn chỉnh, ta có thể cho các bộ phận máy chuyển động để kiểm tra tính hợp lý của kết cấu đã chọn. Nhờ phần mềm Z Y X Z Y X O Hình 3. Sơ đồ nguyên lý máy khoan TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 4 mô phỏng, việc sửa đổi kết cấu chủ yếu thực hiện trên máy tính, nhờ đó tiết kiệm được nhiều thời gian và vật tư do không phải chế tạo thử. 5. Thiết kế điều khiển máy khoan bo mạch điện tử 5.1. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển‱ Hình 8. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy khoan Hình 4: Láp ráp giá đỡ cụm vít me - đai ốc bi thực hiện chuyển động tịnh tiến theo phương X Hình 5: Lắp tổng thể máy khoan Vi điều khiển RS232 Máy tính Keypad Hiển thi thông tin Động cơ trục X Động cơ trục Y Động cơ trục Z Động cơ Khoan Phản hồi Chọn trục X,Y,Z, động cơ khoan Tín hiệu Phản hồi từ trục X,Y,Z hoặc động cơ khoan TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 5 5.2. Mạch điều khiển Gồm hai phần:Phần điều khiển trung tâm và phần điều khiển công suất. 5.2.1. Phần điều khiển trung tâm Sử dụng vi điều khiển P89V51RB2. Đây là vi điều khiển có nhiều ưu điểm vượt trội so với các VĐK khác cùng họ. Bộ nhớ chương trình, RAM khá lớn có thể đáp ứng được các yêu cầu điều khiển phức tạp. Chức năng điều xung PWM rất thích hợp cho việc điều khiển động cơ. a) PWM (Pulse Width Modulator) Chức năng điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulator) PWM của P89V51RX2 được sử dụng khá dễ dàng. Với 5 module PWM ta có thể điều khiển được đến 5 động cơ DC. Tùy theo yêu cầu điều khiển cũng như khả năng đáp ứng tần số của mạch động lực ta sẽ chọn nguồn xung cấp cho PCA timer. Tất cả các module PWM đều có cùng một tần số ra bởi vì chúng được được chia sẻ một và chỉ một bộ PCA timer. Độ rộng xung của mỗi modulator là biến phụ thuộc vào giá trị trong thanh ghi CCAPnL. Khi giá trị trong thanh ghi CL nhỏ hơn giá trị trong thanh ghi CCAPnL, đầu ra sẽ mang giá trị thấp. Khi nó bằng hoặc lớn hơn thì đầu ra sẽ mang giá trị cao. Khi CL tràn từ FFh xuống 00h, thanh ghi CCAPnL sẽ tự động tải giá trị từ CCAPnH vào. Cập nhật giá trị trong CCAPnH sẽ cho phép thay đổi độ rộng xung ra. b) Ghép nối ngoại vi nối tiếp (Serial Peripheral Interface) Giao diện ngoại vi nối tiếp (SPI) cho phép đồng bộ việc truyền dữ liệu nối tiếp giữa P89V51Rx2 với thiết bị ngoại vi hoặc giữa một vài thiết bị sử dụng P89V51Rx2. c) Watchdog timer (WDT) Đây là một chức năng mới cho phép bảo vệ an toàn trước các lỗi phần mềm, tự động phục hồi lại chương trình. Đây là chức năng khá hay cho phép bảo vệ hoạt động của thiết bị khi có lỗi xẩy ra. 5.2.2. Phần điều khiển công suất Trong các ứng dụng điều khiển động cơ điện một chiều, động cơ bước, cầu H được sử dụng khá phổ biến. Ở đây chúng tôi sử dụng cầu H tích hợp: MC33886, có nhiều ưu điểm vượt trội như: Kích thước nhỏ gọn, đơn giản hơn rất nhiều so với cầu H thiết kế từ các linh kiện rời, có bảo vệ quá dòng. Song, cũng có những nhược điểm: Giá thành khá đắt, và chưa thông dụng trên thị trường. Khả năng tản nhiệt thấp hơn H ình 6. Một cửa sổ giao diện điều khiển máy khoan. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009 6 các linh kiện trên cầu H rời có cùng công suất. 5.3. Phần mềm điều khiển Để điều khiển và theo dõi quá trình khoan một cách tự động, chúng tôi viết chương trình điều khiển trên máy tính dùng ngôn ngữ VisualBasic. Chương trình cho phép lựa chọn mạch in, theo dõi quá trình khoan, thay dao và các tùy chọn khác. 6. Kết luận + Đã chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh phần cơ khí của máy khoan bo mạch điện tử, các chuyển động tịnh tiến theo phương X,Y dùng bộ truyền vít me – đai ốc bi. Kết cấu máy gọn, nhẹ, có kiểu dáng công nghiệp. + Thiết kế card điều khiển dùng vi điều khiển P89V51RB2, kết nối với máy tính. Thiết kế chế tạo bộ nguồn một chiều, bộ khuyếch đại công suất dẫn động các động cơ điện một chiều, thiết kế giao diện dùng LCD. + Nghiên cứu lập trình truyền thông điều khiển thiết bị dùng ngôn ngữ lập trình Visual Basic. Chương trình điều khiển và máy đã hoạt động tốt theo yêu cầu thiết kế. Sai số vị trí nằm trong phạm vi cho phép (khoan bo mạch có hơn 100 lỗ, vị trí lỗ khoan không vượt quá phần giới hạn trên mạch in). Với kết quả đạt được, việc khoan các lỗ trên bo mạch điện tử trở nên dễ dàng (yêu cầu sử dụng file dữ liệu mạch in của Orcad). Máy có khả năng ứng dụng trong thực tế. Nếu hoàn thiện thêm phần thay dao tự động, có thể trở thành sản phẩm thương mại. Trước mắt, máy được dùng làm mô hình học tập cho sinh viên các ngành Cơ điện tử, Tự động hoá TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Tăng Cường, Phan Quốc Thắng, Cấu trúc và lập trình họ vi điều khiển 8051. Nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật - 2004. [2] Nguyễn Hữu Nam, Thiết kế, chế tạo máy khoan bo mạch điện tử KB07”, Luận văn Thạc sỹ ngành Công nghệ chế tạo máy, Đại học Đà Nẵng, 2007. [3] Nguyễn Hữu Phước, “Thiết kế chế tạo robot 4 bậc tự do”, Luận văn Thạc sỹ ngành Công nghệ chế tạo máy, Đại học Đà Nẵng, 2006. Hình 7. Máy đã chế tạo hoàn chỉnh . kế máy Hình 1. Robot 4 bậc tự do. Hình 2: Máy khoan bo mạch KB07 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2 009 3 3 .1. Chọn phương. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2 009 1 THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY KHOAN BO MẠCH TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH DESIGN