(Đồ án hcmute) nghiên cứu thiết kế và chế tạo máy gia công mạch pcb tự động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY GIA CÔNG MẠCH PCB TỰ ĐỘNG GVHD: TS LÊ THANH TÙNG SVTH: TRẦN THÁI AN TRẦN NGỌC ĐỨC NGUYỄN VĂN LƯU SKL011080 Tp Hồ Chí Minh, tháng 7/2023 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY BỘ MÔN CƠ ĐIỆN TỬ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Đề tài: “NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY GIA CÔNG MẠCH PCB TỰ ĐỘNG” Giảng viên hướng dẫn: ThS LÊ THANH TÙNG Sinh viên thực hiện: TRẦN THÁI AN MSSV: 19146304 Sinh viên thực hiện: TRẦN NGỌC ĐỨC MSSV: 19146324 Sinh viên thực hiện: NGUYỄN VĂN LƯU MSSV: 19146355 Lớp: 191462B Khóa: 2019 - 2023 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2023 i TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA CƠ KHÍ CHẾ TẠO MÁY CỘNG HỒ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự – Hạnh phúc Bộ môn: Cơ điện tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Học kỳ II/ năm học 2023 Giảng viên hướng dẫn: ThS Lê Thanh Tùng Sinh viên thực hiện: Trần Thái An MSSV: 19146304 Điện thoại: 0965 174 961 Trần Ngọc Đức MSSV: 19146324 Điện thoại: 0398 274 723 Nguyễn Văn Lưu MSSV: 19146355 Điện thoại: 0395 585 396 Mã số đề tài: 22223DT130 Tên đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Chế Tạo Máy Gia Công Mạch PCB Tự Động Các số liệu, tài liệu ban đầu: Kích thước mạch phay tối đa: 13x18 cm Dữ liệu đầu vào: File PDF mạch PCB tỷ lệ 1:1 xuất từ phần mềm thiết kế mạch PCB Nội dung đồ án: Tính tốn, thiết kế gia cơng phần cứng máy gia công mạch PCB tự động Nghiên cứu phát triển phần mềm chuyển đổi file PDF thành file gia công mạch Thiết kế chế tạo điều khiển cho máy gia công mạch PCB Nghiên cứu phát triển phần mềm điều khiển thơng qua hình cảm ứng máy Vận hành, kiểm nghiệm sửa chữa Các sản phẩm dự kiến: Máy gia công mạch PCB tự động Phần mềm xuất file máy tính Phần mềm điều khiển máy gia cơng mạch PCB Ngày giao đồ án: 15/03/2023 Ngày nộp đồ án: 15/07/2023 Ngơn ngữ trình bày: Bản báo cáo: Tiếng Anh  Tiếng Việt  Trình bày bảo Tiếng Anh  Tiếng Việt  vệ: TRƯỞNG KHOA TRƯỞNG BỘ MÔN GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN (Ký, ghi rõ họ tên)  (Ký, ghi rõ họ tên) (Ký, ghi rõ họ tên) Được phép bảo vệ: ……………………………………… (GVHD ký, ghi rõ họ tên) ii LỜI CAM KẾT - Tên đề tài: Nghiên Cứu, Thiết Kế Chế Tạo Máy Gia Công Mạch PCB Tự Động - GVHD: ThS Lê Thanh Tùng - Nhóm thực hiện: Trần Thái An MSSV: 19146304 Điện thoại: 0965 174 961 Trần Ngọc Đức MSSV: 19146324 Điện thoại: 0398 274 723 Nguyễn Văn Lưu MSSV: 19146355 Điện thoại: 0395 585 396 - Lớp: 191462B - Email nhóm trưởng: work.tranan@gmail.com - Địa liên lạc: 1115/1, Đường Kha Vạn Cân, Khu phố 4, Phường Linh Trung, Tp Thủ Đức, Tp Hồ Chí Minh - Ngày nộp khóa luận tốt nghiệp (ĐATN): - Lời cam kết: “Nhóm xin cam đoan khóa luận tốt nghiệp (ĐATN) cơng trình nhóm nghiên cứu thực hướng dẫn giảng viên ThS Lê Thanh Tùng Nhóm khơng chép từ viết công bố mà không trích dẫn nguồn gốc Nếu có vi phạm nào, chúng tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm” Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2023 Nhóm thực Trần Thái An Trần Ngọc Đức Lưu Nguyễn Văn iii LỜI CẢM ƠN Nhóm em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Thanh Tùng, giảng viên hướng dẫn cho đề tài nhóm Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy đồng hành nhóm suốt 16 tuần vừa qua, thầy ln ln nhiệt tình hỗ trợ giải đáp thắc mắc cho nhóm cách kịp thời, ln sẵn sàng hướng dẫn đưa cho nhóm lời khuyên kiến thức bổ ích Nhóm xin chân thành cảm ơn q thầy Giảng viên khoa Cơ khí chế tạo máy, trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp HCM quan tâm, đồng hành hỗ trợ tất nhóm sinh viên để nhóm có quy trình thực hiện đồ án chuyên nghiệp hiệu Nhóm xin chân thành cảm ơn Cơng ty TNHH Sản xuất Thương mại Cơ khí Nhất Thuận cho phép nhóm sử dụng máy móc cơng ty để gia cơng, chỉnh sửa chi tiết máy, cảm ơn anh công ty chia sẻ cho nhóm số kinh nghiệm lời khuyên bổ ích việc thiết kế máy Cuối cùng, nhóm xin chân thành cảm ơn gia đình bạn bè, người thân ln đứng phía sau động viên giúp đỡ nhóm để nhóm có tinh thần, trạng thái tốt để làm việc cách hiệu Xin chân thành cảm ơn! Nhóm thực đề tài Trần Thái An Trần Ngọc Đức Nguyễn Văn Lưu iv TÓM TẮT ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY GIA CÔNG MẠCH PCB TỰ ĐỘNG Làm mạch in thủ công nhà nhu cầu thiếu bạn sinh viên việc nghiên cứu, thực hành hay bạn có đam mê tìm hiểu mạch điện tử Thơng thường q trình tương đối phức tạp tốn nhiều thời gian Ngoài q trình thực có cơng đoạn gây ảnh hưởng đến mơi trường sức khỏe người việc sử dụng hóa chất Nhận thấy vấn đề thực tiễn nhóm muốn thiết kế mơ hình máy gia cơng mạch PCB tự động, tiết kiệm thời gian với chi phí sản xuất thấp độ xác cao Bên cạnh máy đảm bảo an tồn cho người sử dụng vấn đề môi trường, giao diện dễ dàng tương tác, thân thiện với người sử dụng, dễ dàng sửa vận hành, sửa chữa Ở đồ án nhóm chủ yếu tập trung giải vấn đề sau: Thiết kế khí, thiết kế hệ thống điện lập trình Về phần thiết kế khí: tính tốn đề nhiều phương án thiết kế sau lựa chọn phương án tối ưu phù hợp với yêu cầu chức Bên cạnh hệ thống khí bổ sung hệ thống cải tiến thay dao tự động Về thiết kế hệ thống điện: tính tốn lựa chọn linh kiện phù hợp chức năng, tối ưu hiệu suất cho hệ thống Về lập trình: xây dựng phương pháp đọc file thiết kế mạch, xử lí liệu tạo mã lệnh di chuyển cho máy, xây dựng giải thuật để máy vận hành thiết kế phần mềm tương tác với người dùng Kết thực nghiệm cho thấy máy gia công mạch PCB tự động làm việc với chức đặt ra, vận hành êm ổn định, trình truyền nhận liệu đầy đủ xác, máy gia cơng file thiết kế từ người dùng với độ xác tương đối cao Máy gia cơng mạch PCB tự động nhóm thiết kế đầu tư phát triển để đưa vào thực tế tương lai v ABSTRACT RESEARCH, DESIGN AND MANUFACTURE AUTOMATIC PCB CIRCUIT PROCESSING MACHINE Making printed circuits manually at home is one of the necessary needs for students in research, practice or those who are passionate and are learning about electronic circuits Usually, this process is quite complicated and time-consuming In addition, in the implementation process, some stages may affect the environment and human health owing to the use of chemicals Realizing the practical problems, the group wants to design a machine model that could process PCB circuits automatically, saving time with low production costs and high accuracy Besides, the machine also ensures user safety and environmental issues, the interface is easy to interact with the user and easy to operate and repair In this project, the group mainly focuses on solving the following issues: Mechanical design, electrical system design and programming Regarding the mechanical design: calculate and propose many design options, then select the optimal one suitable to the functions and requirements Besides, the mechanical system will add improved systems such as automatic tool change Regarding the design of the electrical system: calculation and selection of suitable components in terms of function and optimal performance for the system About programming: building methods of reading circuit design files, processing data to create moving code for the machine, building algorithms for machine operation and designing software to interact with users Experimental results show that the automatic PCB processing machine works properly with the set original function, operates smoothly and stably, the data transmission is complete and accurate, and the machine can process to design files basic from users with relatively high accuracy The automatic PCB processing machine designed by the team can be invested in and developed to be apply to practice in the future vi MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii LỜI CAM KẾT iii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT ĐỒ ÁN v ABSTRACT vi MỤC LỤC vii DANH MỤC BẢNG BIỂU x DANH MỤC HÌNH ẢNH xi DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiv CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.4 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4.1 Đối tượng nghiên cứu .2 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.5.1 Cơ sở phương pháp luận 1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể 1.6 Giới hạn đề tài 1.7 Bố cục CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan máy cnc 2.1.1 Giới thiệu 2.1.2 Tổng quan máy phay CNC 2.1.3 Cấu tạo máy phay CNC 2.1.4 Nguyên lý hoạt động máy phay CNC 2.1.5 Giới thiệu máy gia công mạch PCB tự động .7 2.2 Tổng quan hệ thống thay dao tự động 2.2.1 Giới thiệu 2.2.2 Một số cấu thay dao tự động máy CNC 2.3 Các nghiên cứu liên quan đến đề tài 10 2.3.1 Các nghiên cứu nước 10 2.3.2 Các nghiên cứu nước .11 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ BỐ TRÍ CHỨC NĂNG 13 3.1 Giới thiệu .13 3.2 Yêu cầu kỹ thuật 13 3.3 Phương án thiết kế bố trí chức 14 vii 3.3.1 Phương án bố trí trục X, Y, Z 14 3.3.2 Phương án lựa chọn trục dẫn động 15 3.3.3 Phương án lựa chọn trục dẫn hướng .17 3.3.4 Phương án thiết kế hệ thống thay dao 18 3.3.5 Phương án lựa chọn động cho trục X, Y, Z 19 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ 21 4.1 Giới thiệu .21 4.2 Tính tốn lựa chọn kiểm nghiệm bền cho trục vitme .21 4.2.1 Tính tốn lựa chọn trục vitme 21 4.2.2 Tính tốn lựa chọn thơng số vitme - đai ốc 24 4.2.3 Kiểm nghiệm, độ bền truyền vitme - đai ốc 25 4.3 Tính tốn lựa chọn động 27 4.3.1 Lựa chọn động truyền động cho trục X, Y, Z 27 4.3.2 Lựa chọn động trục 28 4.4 Tính toán lựa chọn ổ lăn 31 4.4.1 Lựa chọn ổ lăn 31 4.4.2 Kiểm nghiệm khả tải động .31 4.4.3 Kiểm nghiệm khả tải tĩnh .32 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 34 5.1 Giới thiệu .34 5.2 Sơ đồ khối hệ thống .34 5.3 Tính tốn thiết kế hệ thống .35 5.3.1 Raspberry 35 5.3.2 Vi điều khiển trung tâm 36 5.3.3 Màn hình điều khiển .37 5.3.4 Khối driver điều khiển động bước .37 5.3.5 Module điều khiển động trục 38 5.3.6 Khối module chống nhiễu .38 5.3.7 Khối động 39 5.3.8 Khối nguồn 39 5.4 Sơ đồ nguyên lý .41 CHƯƠNG 6: TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN 45 6.1 Giới thiệu .45 6.2 Lưu đồ giải thuật 45 6.2.1 Lưu đồ giải thuật vận hành hệ thống 45 6.2.2 Quy trình phát triển phần mềm, firmware hệ thống .47 6.2.3 Lưu đồ xử lí ảnh lưu đồ xử lí liệu 51 6.3 Phần mềm xử lý file máy tính 52 6.3.1 Tổng quan loại file xuất từ phần mềm thiết kế mạch 52 6.3.2 Ứng dụng phương pháp xử lý ảnh để xử lý file PCB .53 viii 6.3.3 Xử lý liệu từ layer tạo từ file PCB 54 6.4 Phần mềm điều khiển máy gia công mạch PCB 58 6.4.1 Tổng quan .58 6.4.2 Phương pháp 58 CHƯƠNG 7: KẾT QUẢ, ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT 69 7.1 Giới thiệu .69 7.2 Kết đạt 69 7.3 Kết thực nghiệm 70 7.3.1 Thiết kế thi công máy CNC PCB tự động 70 7.3.2 Thiết kế thi công mạch PCB 73 7.3.3 Phần mềm xử lý file máy tính 75 7.3.4 Giao diện điều khiển máy CNC 79 7.3.5 Sản phẩm sau gia công .81 7.4 Nhận xét, đánh giá 82 7.4.1 Nhận xét 82 7.4.2 Đánh giá 82 CHƯƠNG 8: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 83 8.1 Kết luận 83 8.2 Hướng phát triển 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 ix