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

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Một trong những ngành công nghiệp phát triển nhất ở kỷ nguyên hiện đại là ngành công nghiệp bán dẫn Ngày nay, chúng ta thật khó để tìm thấy một sản phẩm công nghệ thông minh mà không có linh kiện điện tử trên nó Các linh kiện điện tử này được thiết kế và liên kết với nhau trên cùng một bảng mạch in hay còn gọi là PCB Với sự phát triển của khoa học, công nghệ thì mạch PCB đang có xu hướng ngày càng nhỏ gọn hơn, các đường mạch ngày càng nhỏ hơn nhưng tích hợp nhiều chức năng và chất lượng lơn. Để làm một mạch in thủ công tại nhà khá đơn giản, ta có thể thực hiện bằng phương pháp ủi, một trong những phương pháp làm mạch in được sử dụng phổ biến nhất Ngoài ra, còn có phương pháp in lụa, in UV, khắc axit hay phim cảm quang Tuy vậy các phương pháp này chỉ áp dụng với quy mô nhỏ lẻ số lượng ít và khi cần thiết kế bo mạch mà không có sẵn trên thị trường Làm mạch in thủ công là một trong những nhu cầu thiết yếu đối với các bạn sinh viên học ngành điện tử để nghiên cứu, thực hành hay những bạn có đam mê cũng như đang tìm hiểu về các mạch điện tử.

Các phương pháp tạo ra mạch PCB thủ công được nêu ở bên trên thông thường có nhiều giai đoạn với các khâu như: Thiết kế mạch in trên các phần mềm, là (ủi) mực, rửa hóa chất, vệ sinh mạch sau khi rửa, khoan lỗ cắm linh kiện Để hoàn thành các công đoạn trên mất khá nhiều thời gian và với việc sử dụng các chất hóa học như: FeCl3, muối ăn mòn, xăng thơm, axeton để làm mạch có thể gây ra các mối nguy hại, rủi ro môi trường và các vấn đề sức khỏe của con người Ngoài ra nhận thấy nhu cầu về việc nghiên cứu về các loại máy gia công mạch PCB trong các cơ sở giáo dục đang tăng lên nhanh chóng nhưng hiện nay các máy gia công mạch PCB thương mại có sẵn trên thị trường hiện có giá thành khá cao khiến cho việc tiếp cận với các bạn học sinh, sinh viên trở nên khó khăn.

Do đó nhóm đặt ra vấn đề cần chế tạo máy gia công mạch PCB với chi phí thấp, dễ dàng sử dụng, hoạt động chính xác và hiệu quả cao, thân thiện, an toàn với môi trường và người sử dụng cùng với các cải tiến nâng cao của máy như thay dao tự động hay phủ keo UV cho mạch. Nhận thấy các vấn đề thực tiễn trên nên việc nhóm quyết định chọn đề tài “Nghiên Cứu, Thiết

Kế và Chế Tạo Máy Gia Công Mạch PCB Tự Động” Với sản phẩm này nhóm hi vọng góp phần đóng góp cho việc giảng dạy, nghiên cứu và học tập tại các cơ sở giáo dục.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Một chiếc máy gia công mạch PCB tự động ra đời với giá thành rẻ, linh hoạt, nhỏ gọn, tự động hóa là công cụ phục vụ cho công tác nghiên cứu, học tập và sáng tạo của sinh viên.

- Máy gia công mạch PCB tự động được chế tạo giúp giảm thời gian, công sức lao động,tăng năng suất với chi phí sản xuất thấp.

- Góp phần bảo vệ môi trường và bảo đảm sức khỏe cho người sử dụng bởi vì không còn phải dùng các chất hóa học để làm mạch PCB nữa.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy gia công mạch PCB tự động với các đặc tính sau:

- Dễ dàng vận hành, sửa chữa.

- Phần mềm đơn giản, hiệu quả và dễ sử dụng.

- Chi phí thấp với độ chính xác và hiệu quả cao.

- Thiết kế các hệ thống cải tiến nâng cao của máy như thay dao tự động.

- Thân thiện với môi trường và bảo đảm an toàn sức khỏe cho con người.

- Hiểu rõ các kiến thức về cấu trúc, các nguyên tắc vận hành, điều khiển và lập trình máy gia công mạch PCB tự động.

- Sản phẩm có đủ các tính năng để phục vụ cho việc giảng dạy và nghiên cứu.

- Áp dụng các kiến thức đã học để phát triển máy gia công mạch PCB giúp xử lí, gia công được các sản phẩm mạch in theo yêu cầu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Cấu tạo và nguyên lý hoạt động máy phay mạch PCB CNC 3 trục.

- Nghiên cứu thiết kế phần cơ khí cho máy gia công mạch PCB.

- Nghiên cứu thiết kế thi công mạch điện tử và mạch công suất.

- Nghiên cứu đọc, xử lí dữ liệu từ bản mạch in (file pdf) xuất ra từ phần mềm thiết kế.

- Nghiên cứu vi điều khiển STM32, máy tính nhúng Raspberry và Driver điều khiển StepStick DRV8825.

- Nghiên cứu các giải thuật điều khiển, đọc file dữ liệu đã được xử lí từ file thiết kế mạch PCB để máy hoạt động.

- Nghiên cứu các máy CNC và các máy phay PCB được bán tại Việt Nam và trên các trang thương mại điện tử (Alibaba, shoppe,…).

- Thời gian thực hiện: Nghiên cứu được thực hiện trong 4 tháng, từ tháng 3/2023 đến tháng 7/2023.

Phương pháp nghiên cứu

1.5.1 Cơ sở phương pháp luận

Dựa trên cơ sở những kiến thức hiện có về các dòng máy CNC, cụ thể hơn là máy phay mạch PCB Từ đó tổng hợp, đánh giá và lựa chọn ra những phương án phù hợp với đề tài.

1.5.2 Các phương pháp nghiên cứu cụ thể

- Thu thập thông tin về sự cần thiết của máy phay và khoan mạch.

- Dựa vào các nghiên cứu về sản phẩm hiện nay đã có ở Việt Nam và nước ngoài, sau đó tập trung vào các sửa đổi mang tính cải tiến.

- Thu thập, tổng hợp dữ liệu từ các tài liệu, nghiên cứu khoa học liên quan đến đề tài.

- Xác định đúng cơ chế, chức năng của máy.

- Ứng dụng các kiến thức được học từ các môn chuyên nghành như: Cơ kỹ thuật,Nguyên lý chi tiết máy, Vi xử lý, Hệ thống điều khiển Servo, sẽ được áp dụng vào trong đề tài này để tính toán, kiểm nghiệm, thiết kế, điều khiển,…

Giới hạn đề tài

Mô hình máy gia công mạch PCB dựa trên nền tảng của máy CNC là một sản phẩm phức tạp yêu cầu sự kết hợp của nhiều lĩnh vực kĩ thuật: cơ khí - điện tử - lập trình Với những hạn chế về mặt thời gian và kinh phí, nhóm đã giới hạn các thông số và chức năng của máy như sau:

- Hành trình gia công trên mạch PCB (D×R×C): (130×180×2) mm.

- Tốc độ di chuyển tối đa: 20 mm/s.

- Tích hợp màn hình LCD cảm ứng để hiển thị thông tin và điều khiển trên máy.

- Tích hợp phần mềm xử lý file mạch PCB trên máy tính.

- Máy có khả năng phay, khoan, thay dao và cắt mạch tự động.

- Phần mềm được thiết kế dành riêng cho máy gia công mạch PCB.

Bố cục

Chương này trình bày về tính cấp thiết, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, giới hạn và bố cục của đề tài.

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết.

Chương này trình bày tổng quan về đặc tính, cấu tạo, nguyên lý hoạt động của máy phay CNC, tổng quan về hệ thống thay dao trên máy phay CNC và một số cơ cấu thay dao tự động trên máy CNC hiện nay Cuối cùng trình bày về các nghiên cứu trong và ngoài nước có liên quan đến đề tài.

- Chương 3: Phương án thiết kế và bố trí chức năng

Chương này trình bày về một số phương án bố trí 3 trục trên máy, phương án lựa chọn trục dẫn động, trục dẫn hướng, phương án thiết kế hệ thống thay dao tự động và cuối cùng là các phương án chọn động cơ cho các trục X, Y, Z.

- Chương 4: Tính toán và thiết kế cơ khí.

Chương này trình bày về quá trình tính toán lựa chọn và kiểm nghiệm bền cho trục vitme, động cơ, ổ lăn và dựa trên các phương án được trình bày ở chương 3.

- Chương 5: Thiết kế hệ thống điện.

Chương này trình bày về sơ đồ khối hệ thống điện, tính toán lựa chọn linh kiện, thiết kế mạch nguyên lý và mạch PCB cho máy.

- Chương 6: Tính toán và thiết kế phần mềm điều khiển.

Chương này trình bày tổng quan về một số khái niệm và phương pháp thiết kế phần mềm xuất file trên máy tính, phần mềm điều khiển trên máy Cuối cùng trình bày về các các lưu đồ giải thuật của hệ thống.

- Chương 7: Kết quả, đánh giá và nhận xét

Chương này trình bày về kết quả chế tạo phần cơ khí, phần điện và phần mềm qua hình ảnh thực tế, sau đó nhận xét và đánh giá chung về sản phẩm.

- Chương 8: Kết luận và hướng phát triển

Chương này sẽ trình bày về những kết quả đạt được và hướng phát triển của đề tài.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về máy cnc

Máy CNC là một dạng máy sử dụng phổ biến trong các lĩnh vực liên quan đến gia công cơ khí, được lập trình và vận hành dưới sự hỗ trợ của máy tính Các bộ phận hoạt động theo chuỗi sự kiện mà người dùng đã lập trình với mục đích tạo ra sản phẩm có thông số kỹ thuật như yêu cầu.

Sự xuất hiện của các dòng máy CNC đã giúp ngành sản xuất công nghiệp thay đổi một cách nhanh chóng Nhờ có các loại máy CNC ra đời mà các chi tiết có cấu trúc phức tạp 3 hay thậm chí là 5 chiều đều có thể dễ dàng gia công được Điều đó không những giúp giảm thời gian sản xuất, mà các chi tiết cũng được gia công với độ chính xác và thẩm mĩ cao Bên cạnh đó, việc tương tác trực tiếp giữa con người với máy móc cũng được giảm bớt nhờ sự hỗ trợ của máy tính.

Máy CNC được phân loại theo hai dạng chính là:

- Theo dạng máy công cụ: Máy phay CNC, máy tiện CNC, máy khoan CNC, máy dập CNC, máy mài CNC, máy cưa CNC,…

- Theo phương pháp cắt gọt: Máy cắt laser, máy cắt Plasma, máy in 3D, máy CNC Router,…

2.1.2 Tổng quan về máy phay CNC

Hiện nay, máy phay CNC đang được sử dụng khá phổ biến trong việc gia công các chi tiết máy, sản phẩm công nhiệp Với sự phát triển của công nghệ CNC, các quá trình phay đang dần dần được tự động hóa toàn bộ, điều đó giúp tiết kiệm thời gian, chi phí sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm một cách đáng kể.

Chức năng chính của máy phay CNC đó là phay, khoan, doa, taro hoặc dùng để xác định khoảng cách giữa các điểm với độ chính xác cao Dao cắt có thể di chuyển theo nhiều biên dạng khác nhau như đường thẳng, đường tròn, đường lượn sóng,… trong không gian hai chiều và cả không gian ba chiều Ngoài ra, máy phay CNC còn có khả năng gia công nhiều chi tiết máy khác nhau trong cùng một lần gá phôi nhưng vẫn đảm bảo chất lượng.

Máy phay CNC có nhiều ưu điểm như: Tốc độ phay nhanh giúp cho quá trình sản xuất sản phẩm nhanh chóng hơn rất nhiều Có thể cắt đa dạng các loại vật liệu với nhiều đường nét uốn lượn khác nhau một cách đơn giản và chính xác Bên cạnh đó máy còn có thể hoạt động liên tục và gia công hàng loạt giúp tăng năng suất làm việc Cuối cùng, với khả năng vận hành hoàn toàn tự động giúp cho các công ty tiết kiệm được chi phí thuê nhân công.

Máy phay CNC được ứng dụng rất nhiều trong đời sống như: Gia công khuôn đúc, chi tiết máy, sản xuất phụ tùng, thiết bị y tế, đồ gia dụng, đồ nội thất,…

2.1.3 Cấu tạo của máy phay CNC

Có nhiều kiểu máy phay CNC khác nhau, nhưng để nói một cách tổng quát thì chúng đều có một số bộ phận chính như sau:

- Khung máy (Frame): Là bộ phận chính giúp định hình hình dáng của máy, tạo sự ổn định, chắc chắn cho máy và là nơi chịu toàn bộ lực cắt của máy.

- Các trục dẫn động (Axes): Đối với máy phay thông thường sẽ có 3 trục di chuyển theo

3 hướng cơ bản là X, Y, Z Ngoài ra, để có thể phay được các chi tiết phức tạp hơn, máy phay CNC còn có một số tùy biến với 4, 5 thậm chí là 6 trục.

- Trục chính (Spindle): Là bộ phận dùng để gắn dao và tạo chuyển động quay cho dao Trục chính có thể được đặt theo vị trí nằm ngang hay nằm dọc tùy theo từng loại máy.

- Giá đỡ dao (Tool holder): Đây là nơi chứa các loại dao khác nhau được gắn vào trục chính khi gia công Có nhiều kiểu giá đỡ dao khác nhau nhưng phải đảm bảo dao được lắp chặt vào giá đỡ, để tránh tình trạng rung lắc dẫn đến sai số trong quá trình gia công chi tiết.

- Bộ thay dao tự động (ATC): Bộ phận này có tác dụng tháo dao ra khỏi trục chính và thay thế bằng dao khác từ giá đỡ giao vào trục chính một các chính xác và nhanh chóng. Quá trình thay dao sẽ được người điều khiển lập trình trước trên máy tính.

- Bàn máy (Worktable): Là nơi để kẹp phôi để gia công chi tiết hoặc cố định các chi tiết để gia công, bàn máy cũng có thể dùng để gắn đồ gá hoặc dụng cụ cố định chi tiết.

- Đồ gá (Fixture): Là thiết bị dùng để cố định và xác định vị trí phôi so với dụng cụ cắt.

- Dao (Tools): Máy phay CNC có thể sử dụng nhiều loại công cụ với nhiều chức năng khác nhau như: dao phay, mũi khoan, mũi doa, mũi định vị,

- Hệ thống bôi trơn (Lubrication system): Giúp cho máy vận hành mượt mà, êm ái và bền.

- Hệ thống làm mát (Cooling system): Trong quá trình gia công, sự ma sát giữa các công cụ gia công và chi tiết sẽ sinh ra một nhiệt lượng khá lớn làm hao mòn dao và ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm Vì vậy, hệ thống làm mát sẽ cung cấp nước làm mát chuyên dụng để làm mát cho bề mặt gia công.

- Bảng điều khiển (Control panel): Là một thành phần không thể thiếu trong máy phay CNC, nó được xem là hệ thống thần kinh của máy, giúp điều khiển toàn bộ quá trình gia công chi tiết.

2.1.4 Nguyên lý hoạt động của máy phay CNC

Nguyên lý hoạt động của máy CNC được thực hiện theo các bước sau:

- Bước 1: Các file thiết kế 2D, 3D được xuất từ các phần mềm chuyên dụng sau đó đưa vào phần mềm CAM để tạo chương trình chạy dao của máy.

- Bước 2: Phần mềm xử lý chương trình điều khiển và giải mã sang file g-code để máy CNC có thể đọc được.

- Bước 3: File G-code được nạp vào máy CNC cùng với tất cả các loại dao và mũi khoan cần thiết được gắn trên giá đỡ dao theo thứ tự được lập trình.

Tổng quan về hệ thống thay dao tự động

Hệ thống thay dao tự động trong máy CNC là hệ thống giúp thay đổi các đầu dao trong quá trình gia công, đây là một trong những hệ thống rất quan trọng và cần thiết đối với các máy CNC tự động Bởi vì để gia công được một chi tiết hoàn chỉnh cần khá nhiều loại dao khác nhau, cũng như để có thể vận hành mượt mà, chính xác, tiết kiệm thời gian và hoàn toàn tự động thì tất nhiên phải cần đến hệ thống này.

Nhờ có hệ thống thay dao tự động mà quá trình gia công một chi tiết sẽ tiết kiệm thời gian hơn, tốc độ thay dao luôn ổn định và quá trình thay dao chính xác, giảm thiểu gần như tuyệt đối sự nhầm lẫn so với việc thay dao thủ công.

Hiện nay có rất nhiều hệ thống thay dao tự động trong công nghiệp, chúng có thể khác nhau về mặt cấu tạo nhưng sẽ giống nhau về mặt nguyên lý hoạt động. Để hệ thống thay dao có thể hoạt động thì cần có một số bộ phận chủ yếu như: spindle, ổ chứa dao, dao, các cấu trúc kẹp - nhả dao.

2.2.2 Một số cơ cấu thay dao tự động trên máy CNC hiện nay

2.2.2.1 Cơ cấu thay dao có nhiều đầu spindle độc lập

Hình 2.1: Cơ cấu thay dao có nhiều đầu spindle độc lập

Cơ cấu này bao gồm các spindle được gắn với một xilanh và đặt song song với nhau theo phương trục Z, mỗi spindle sẽ được gắn một mũi dao khác nhau Thông thường mỗi máy có từ 2 - 4 đầu spindle, loại máy này còn được gọi là máy khắc đa quy trình.

Trong khi gia công, chương trình điều khiển gọi đến mũi dao nào xilanh sẽ đẩy cụm trục chính có đầu spindle chứa mũi dao tương ứng xuống và tiếp tục thực hiện quá trình gia công Đồng thời, đầu spindle trước đó sẽ được xilanh kéo lên vị trí ban đầu.

- Ưu điểm: Tốc độ thay dao nhanh, vận hành đơn giản, chi phí đầu tư thấp.

- Nhược điểm: Số dao có thể lắp trên máy ít, không gian hoạt động không được tối ưu.

2.2.2.2 Cơ cấu thay dao tự động dùng 1 đầu spindle ATC Ở cơ cấu này chỉ có duy nhất một đầu spindle kết hợp với mâm dao Trên mâm dao có thể lắp khoảng 4 -16 dao Khi chương trình gọi tới dao nào thì mâm dao sẽ đưa con dao tới vị trí thay dao, khi đó hệ thống kẹp sẽ gắp dao và di chuyển nó tới vị trí đầu spindle để thực hiện quá trình thay dao tự động.

- Ưu điểm: Cơ cấu này chỉ sử dụng duy nhất một đầu spindle giúp tiết kiệm không gian

Có thể thay đổi rất nhiều dao phục vụ tốt cho việc gia công các chi tiết phức tạp.

- Nhược điểm: Cấu tạo phức tạp và cồng kềnh dẫn tới chi phí chế tạo tương đối cao, thời gian thay đổi dao lâu hơn, đặc biệt đối với những máy bố trí đài dao cố định một chỗ so với đầu spindle.

Cơ cấu thay dao tự động dùng 1 đầu spindle có thể chia làm ba dạng chính là dạng ổ chứa dao kết hợp với tay kẹp dụng cụ kép, dạng ổ chứa dao tự hành, và dạng ổ chứa dao cố định.

 Dạng ổ chứa dao kết hợp với tay kẹp dụng cụ kép

Hình 2.2: Quá trình thay dao dạng ổ chứa dao kết hợp tay kẹp dụng cụ kép

Nguyên lý hoạt động: Khi chương trình điều khiển yêu cầu một dụng cụ mới thì hệ thống sẽ điều khiển ổ chứa dao quay và đưa dao được gọi vào vị trí thay dao, đồng thời điều khiển cụm trục chính quay về vị trí sẵn sàng thay dao Sau đó, tay kẹp dụng cụ kép xoay một góc 90° và kẹp đồng thời dao trên ổ chứa dao và dao trên trục chính, hệ thống sẽ tiến hành nhả dao bị kẹp từ cụm trục chính và từ ổ dao Sau đó tay kẹp dụng cụ sẽ hạ thấp rồi quay một góc 180° để đổi vị trí cho hai dao và di chuyển lên theo trục Z để đưa hai dao vào ổ chứa dao và ổ trục chính Sau khi trục chính và ổ chứa dao đã kẹp được dao thì tay kẹp dụng cụ sẽ nhả dao, khi thực hiện xong thì tay kẹp quay lại về vị trí ban đầu [13].

 Dạng ổ chứa dao tự hành

Hình 2.3: Dạng ổ chứa dao tự hành

Nguyên lý hoạt động: Khi chương trình điều khiển yêu cầu một dao mới thì hệ thống sẽ điều khiển cụm trục chính di chuyển về vị trí thay dao, đồng thời ổ chứa dao cũng di chuyển tịnh tiến hướng vào cụm trục chính để kẹp dao cần thay trên trục chính Trục chính tháo lỏng hệ thống kẹp dao và di chuyển lên để thoát hoàn toàn cụm trục chính khỏi dao.

Sau đó ổ chứa dao quay, đưa dao cần thay thế vào vị trí trục chính, trục chính hạ xuống kẹp chặt vào dao và nhấc lên chuẩn bị cho quá trình gia công tiếp theo, đồng thời ổ chứa dao cũng di chuyển về vị trí cũ.

 Dạng ổ chứa dao cố định

Hình 2.4: Dạng ổ chứa dao cố định

Nguyên lý hoạt động: Khi chương trình điều khiển yêu cầu một dao mới thì hệ thống sẽ điều khiển cụm trục chính di chuyển về vị trí đã lấy dao trước đó, sau đó hạ xuống đưa dao vào ổ chứa dao, tiến hành nhả dao rồi dịch chuyển lên thoát hoàn toàn cụm trục chính khỏi dao Sau đó di chuyển cụm trục chính đến vị trí chứa dao mới cần thay, tiến hành hạ cụm trục chính xuống và kẹp chặt vào dao, rồi nhấc lên hoàn toàn khỏi ổ chứa dao và tiếp tục quá trình gia công.

Các nghiên cứu liên quan đến đề tài

2.3.1 Các nghiên cứu ngoài nước

Hình 2.5: Máy gia công mạch PCB tự động của WEGSTR và sản phẩm gia công từ máy của hãng. Đi cùng với sự phát triển của thời đại 4.0, các thiết bị điện tử ngày càng được sản xuất và sử dụng nhiều hơn Vì vậy mà ngành công nghiệp sản xuất mạch PCB đang phát triển ngày càng mạnh Các nước phát triển trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu liên quan đến việc thiết kế chế tạo máy móc và dây chuyền sản xuất mạch PCB tự động Rất nhiều các tài liệu và báo cáo khoa học đã được thực hiện, họ tạo ra những mô hình máy có thể gia công mạch PCB với độ chính xác, ổn định và thẩm mỹ cao để đáp ứng được những yêu cầu khắt khe của khách hàng Cùng với sự thẩm mĩ và độ chính xác cao thì chi phí cho những mô hình máy này tương đối cao và đó là một rào cản cho những người muốn tiếp cận để học tập, nghiên cứu đặc biệt là học sinh, sinh viên.

2.3.2 Các nghiên cứu trong nước

Một số đồ án tốt nghiệp hoặc nghiên cứu khoa học tại các trường đại học ở nước ta liên quan đến đề tài máy CNC phay mạch PCB đã được thực hiện Chủ yếu các nghiên cứu này thường sử dụng các phần mềm tạo mã lệnh chuyên dụng với mã nguồn mở như GRBL, Aspire hay Mach 3 Tuy nhiên, việc vận hành máy trên các phần mềm này khá bất tiện vì khi đó phần cứng và mã nguồn mở sẽ phải tương thích với nhau và khi hai phần này không tương thích thì máy sẽ không thể vận hành được Bên cạnh đó những đề tài nghiên cứu này không giúp chúng ta hiểu rõ tường tận về cách thức vận hành, tổ chức và xử lí dữ liệu, truyền nhận dữ liệu và các giải thuật để vận hành máy Vì vậy nhóm muốn thiết kế chế tạo ra một mô hình mà không sử dụng mã nguồn mở có sẵn mà sẽ tự xây dựng mã lệnh cũng như tạo phần mềm để chuyển đổi mã lệnh cho máy có thể hoạt động được.

Hình 2.6: Mô hình máy gia công PCB và sản phẩm từ đề tài nghiên cứu của một nhóm sinh viên ở nước ta.

Hình 2.7: Quá trình tạo mã lệnh cho máy gia công mạch PCB sử dụng kết hợp Adruino mã nguồn mở GRBL.

PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ BỐ TRÍ CHỨC NĂNG

Giới thiệu

Để có một thiết kế máy hoàn chỉnh và tối ưu, chúng ta cần phải hiểu rõ về mục tiêu đã đề ra, từ đó tìm hiểu và đề ra các phương án thiết kế cụ thể, sau đó đánh giá ưu nhược điểm và lựa chọn phương án phù hợp nhất với yêu cầu của đề tài Ở chương này sẽ trình bày về phương án bố trí các trục X, Y, Z Phương án lựa chọn các trục dẫn động, trục dẫn hướng.Phương án thiết kế hệ thống thay dao và phương án chọn động cơ cho các trục X, Y, Z trên máy gia công mạch PCB.

Yêu cầu kỹ thuật

Mạch PCB có kích thước nhỏ và lớp đồng lát trên lớp cách điện khá mỏng nên khi thiết kế cần đảm bảo cụm trục chính (trục Z) của máy di chuyển với độ chính xác cao, hạn chế sự rung lắc và sai số nhất có thể Bên cạnh đó, do thiết kế máy khá nhỏ nên cần chọn hệ thống thay dao có cấu tạo nhỏ gọn và đơn giản để dễ dàng cho quá trình thiết kế, chế tạo và bố trí Ngoài ra, với mục tiêu phát triển thêm các module linh hoạt phục vụ cho việc gia công mạch như hệ thống phủ keo UV, cần bố trí các trục dẫn động một các hợp lý.

Các thông thông số kỹ thuật yêu cầu được trình bày ở bảng sau:

Vận tốc di chuyển 20 mm/s

Hành trình gia công trên mạch PCB (180×130×2) mm

Thời gian làm việc 5000 giờ

Bảng 3.1: Yêu cầu kỹ thuật

Phương án thiết kế và bố trí chức năng

3.3.1 Phương án bố trí các trục X, Y, Z

Phương án 1: Bàn máy di chuyển theo hai trục X, Y, cụm trục chính di chuyển theo trục Z

Hình 3.1: Phương án bố trí bàn máy di chuyển theo hai trục X, Y

- Ưu điểm: Cụm trục chính chắc chắn, hoạt động ổn định, độ chính xác cao.

- Nhược điểm: Bàn máy nhỏ, không được tối ưu so với kích thước máy.

Phương án 2: Bàn máy di chuyển theo trục Y, cụm trục chính di chuyển theo hai trục X, Z

Hình 3.2: Phương án bố trí bàn máy di chuyển theo trục Y

- Ưu điểm: Cụm trục chính di chuyển linh hoạt.

- Nhược điểm: Chưa tối ưu không gian hoạt động, cụm trục chính dịch chuyển nhiều làm giảm độ chính xác khi phay.

Phương án 3: Bàn máy cố định, cụm trục chính di chuyển theo 3 trục X, Y, Z

Hình 3.3: Phương án bố trí bàn máy cố định

- Ưu điểm: Không gian hoạt động của máy được tối ưu nhất, điều khiển đơn giản hơn.

- Nhược điểm: Cụm trục chính không được chắc chắn do phải thông qua chuyển động của cả ba trục X, Y, Z.

Kết luận: Để đảm bảo cụm trục chính di chuyển theo phương trục Z với độ chính xác cao cần hạn chế việc dịch chuyển theo nhiều hướng nhất có thể Bên cạnh đó, để tối ưu cho việc gắn thêm các module, yêu cầu là module này có thể dịch chuyển đến toàn bộ vị trí của bo mạch Vậy thì vị trí giúp tối ưu không gian nhất cho các module là gắn bên cạnh cụm trục chính Do đó, nhóm quyết định chọn phương án 1 với bàn máy di chuyển theo hai trục X, Y và cụm trục chính di chuyển theo trục Z.

3.3.2 Phương án lựa chọn trục dẫn động

Phương án 1: Sử dụng vitme – đai ốc thường

Hình 3.4: Trục vitme - đai ốc thường

+ Tỷ số truyền lớn, độ chính xác truyền động tương đối tốt.

+ Hoạt động êm ái, lực truyền lớn và có khả năng tự hãm.

+ Khả năng chịu tải cao.

+ Có thể truyền động nhanh hơn bằng cách thay đổi bước ren hoặc số đầu mối.

+ Hiệu suất truyền động thấp.

+ Ren bị mòn nhanh dẫn đến độ bền không cao, đặc biệt là khi vận hành với tốc độ lớn.

Phương án 2: Sử dụng vitme – đai ốc bi

Hình 3.5: Trục vitme – đai ốc bi

+ Hiệu suất truyền động cao (khoảng 90 – 95 %).

+ Loại trừ tối đa khe hở, tạo được độ căng ban đầu tốt.

+ Khả năng chịu tải dọc trục cao.

+ Đảm bảo chuyển động chính xác, ổn định, mượt mà và bền bỉ.

+ Khả năng chịu tải thấp hơn so với các vitme thường.

+ Giá thành khá cao so với vitme thông thường.

Phương án 3: Sử dụng đai

+ Hoạt động mượt mà, êm ái.

+ Kích thước bộ truyền nhỏ, kết cấu đơn giản.

+ Đảm bảo an toàn cho động cơ trong trường hợp quá tải.

+ Khả năng tải không cao.

+ Lực tác dụng lên trục dẫn và ổ lăn lớn.

+ Tuổi thọ bộ truyền thấp, nhất là khi làm việc với tốc độ cao.

+ Dây đai bị chùng sau một thời gian sử dụng.

+ Độ chính xác truyền động không cao.

Kết luận : Với tiêu chí giá thành rẻ, hiệu quả và ổn định, yêu cầu máy gia công mạch PCB không cần các trục truyền động với tốc độ cao, độ chính xác vừa phải Vì vậy nhóm quyết định chọn phương án 1 là sử dụng vitme thường làm trục truyền động cho các trục X, Y, Z.

3.3.3 Phương án lựa chọn trục dẫn hướng

Phương án 1: Sử dụng trục vuông

Hình 3.7: Thanh trượt vuông và con trượt

+ Có khả năng chịu tải cao.

+ Độ chính xác, độ bền và tuổi thọ cao.

+ Hoạt động mượt mà, êm ái.

+ Giá thành cao hơn nhiều so với thanh trượt tròn.

+ Con trượt ôm sát thanh thượt nên không có sự rơ, lắc ngang, đòi hỏi phải lắp đặt

Phương án 2: Sử dụng trục tròn

Hình 3.8: Thanh trượt tròn kèm gối đỡ và con trượt

+ Cấu tạo đơn giản, dễ lắp đặt.

+ Con trượt tròn có khả năng chuyển động ngang, phù hợp với cơ cấu lắp đặt có bề mặt không phẳng tuyệt đối.

+ Thanh trượt, con trượt cố định chính xác khá cao.

+ Khả năng chịu tải không quá cao khi thanh trượt có độ dài lớn.

+ Phát ra tiếng ồn nhỏ khi chuyển động.

Kết luận: Với tiêu chí giá thành hợp lý nhưng vẫn đảm bảo máy hoạt động ổn định, chính xác và bền Thêm vào đó, các trục dẫn hướng cho máy cũng không quá dài, mức chịu tải khá nhỏ Cuối cùng, để tối ưu nhất chiều cao từ sàn cho đế bàn phay, nhóm quyết định chọn phương án 2 là sử dụng thanh trượt tròn làm trục dẫn hướng cho các trục X, Y, Z.

3.3.4 Phương án thiết kế hệ thống thay dao

Có khá nhiều cơ cấu thay dao như đã trình bày ở mục (2.2.2) Vì máy gia công mạch PCB chỉ có một đầu trục chính nên ta loại bỏ cơ cấu thay dao có nhiều đầu spindle độc lập. Máy chỉ cần số lượng ít mũi dao cũng như thiết kế của máy nhỏ, có tính di động nên cần lựa chọn cơ cấu thay dao đơn giản, dễ gia công Vì vậy nhóm quyết định chọn cơ cấu thay dao có một đầu spindle kết hợp với ổ chứa dao thẳng hàng được cố định trên bàn máy.

Hình 3.9: Cơ cấu thay dao tự động 1 đầu spindle với ổ chứa dao thẳng hàng cố định

3.3.5 Phương án lựa chọn động cơ cho các trục X, Y, Z

Phương án 1: Động cơ bước

Hình 3.10: Một số động cơ bước

+ Có thể điều khiển góc quay chính xác.

+ Hoạt động ổn định, bền bỉ, tuổi thọ cao.

+ Có thể cung cấp momen xoắn lớn ở dải vận tốc thấp.

+ Dễ bị trượt bước khi động cơ hoạt động quá tải.

+ Động cơ bước dễ bị nhiễu và rung động hơn động cơ servo.

+ Tốc độ của động cơ không quá cao (khoảng 1000 – 2000 rpm).

Phương án 2: Động cơ Servo

Hình 3.11: Động cơ servo và driver

+ Nếu tải đặt vào động cơ tăng, bộ điều khiển sẽ tăng dòng tới động cơ giúp động cơ hoạt động ổn định và tránh hiện tượng trượt bước.

+ Tốc độ cao hơn so với động cơ bước.

+ Động cơ servo cần bộ điều khiển encoder để có thể hoạt động chính xác.

+ Khi dừng lại thường xảy ra dao động tại vị trí dừng gây rung lắc.

+ Giá thành cao hơn nhiều so với động cơ bước.

Kết luận: Với tiêu chí giá thành rẻ, điều khiển đơn giản chính xác và ổn định vị trí khi dừng, không cần tốc độ quá cao Nhóm quyết định chọn động cơ bước cho các trục X, Y, Z.

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Giới thiệu

Ở chương 3, ta đã lựa chọn được các phương án thiết kế phù hợp cho máy Tuy nhiên, để lựa chọn được thông số cho các chi tiết máy phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của đề tài thì cần phải thông qua các bước tính toán cụ thể.

Chương này sẽ trình bày về quá trình toán lựa chọn trục vitme cho các hệ trục X, Y, Z.Sau đó, tính toán lựa chọn động cơ dựa trên momen xoắn cần thiết của mỗi hệ trục Tiếp theo là tính toán lựa chọn động cơ trục chính phục vụ cho việc gia công mạch PCB.

Tính toán lựa chọn và kiểm nghiệm bền cho trục vitme

4.2.1 Tính toán lựa chọn trục vitme

Mục đích của đồ án này là chế tạo máy gia công mạch PCB có tính di động, nhỏ gọn.

Vì thế mà các chi tiết cũng như thiết kế có phần đơn giản và nhỏ hơn so với các máy phục vụ trong công nghiệp Do đó, các kích thước của chi tiết máy cũng như mũi khoan cũng có kích thước rất nhỏ kết hợp với việc chỉ sử dụng để phay, cắt mạch PCB nên lực cắt sinh ra là không đáng kể Vì vậy, trong phần tính toán này ta bỏ qua lực cắt của dao.

Trong việc điều khiển động cơ bước, do nhóm tự phát triển phần mềm cũng như lập trình phần cứng cho máy chỉ điều khiển động cơ với chuyển động đều, vì thế ở phần tính toán này ta bỏ qua gia tốc của hệ thống a = 0(m/s 2 ). a) Tính toán cho trục X:

- Hệ số ma sát của bề mặt: μ = 0,1

- Hệ số ma sát lăn: μ = 0,1

Tính các lực dọc trục vitme:

Khi chạy đều về bên trái:

Khi chạy đều về bên phải:

Vì đã bỏ qua lực cắt của hệ thống nên lực dọc trục lớn nhất là: F amax = 3,06N.

Tính đường kính trung bình của trục vitme:

Chọn vitme có chất liệu là thép không gỉ và đai ốc được làm bằng đồng thanh có bán sẵn trên thị trường, ta có đường kính trung bình của trục vitme (mm) được tính theo công thức 8.10 [3] trang 308: d 2  

-  H : Hệ số chiều cao đai ốc Với đai ốc nguyên, tra theo bảng ở tài liệu số [3] trang

-  p : Áp suất cho phép phụ thuộc vào vật liệu của trục vitme và đai ốc Tra theo bảng 8.2 [3] trang 308 ta chọn   p 

-  h : Hệ số chiều cao ren Với ren hình thang, tra theo bảng ở tài liệu số [3] trang 309 ta chọn  h

 0,5 Thay các thông số chọn được vào công thức (4.3) ta có:

Vậy ta cần chọn trục vitme cho trục X có đường kính trong d 2 ≥ 0,35mm. b) Tính toán cho trục Y

- Hệ số ma sỏt bề mặt: à0,1

- Lực chống khụng tải: f   àW  0,1.47,5   4,75

Tính các lực dọc trục vitme:

Khi chạy đều về phía sau:

Vì đã bỏ qua lực cắt của hệ thống nên lực dọc trục lớn nhất là: F amax = 9,5 (N)

Tính đường kính trung bình của trục vitme:

Dựa vào công thức (4.3) và phần lựa chọn các thông số tương tự như trục X ta có:

Vậy ta cần chọn trục vitme cho trục Y có đường kính trong d 2 ≥ 0,61mm. c) Tính toán cho trục Z

- Hệ số ma sỏt bề mặt: à0,1

- Lực chống không tải: f  àW 0,1.10  1 N

Tính các lực dọc trục vitme:

Khi chạy đều đi lên:

Khi chạy đều đi xuống:

Vì đã bỏ qua lực cắt của hệ thống nên lực dọc trục lớn nhất là: F amax = 12(N)

Tính đường kính trung bình của trục vitme:

Dựa vào công thức (4.3) và phần lựa chọn các thông số tương tự như trục X ta có:

Vậy ta cần chọn trục vitme cho trục Z có đường kính trong d 2 ≥ 0,69mm. d) Kết luận

(4.10) Để đồng bộ đường kính trục vít giữa 3 hệ trục X, Y, Z giúp dễ dàng trong việc tính toán, lựa chọn, thẩm mĩ và có sẵn trên thị trường Ta chọn vitme có đường kính trung bình d 2

≥ 0,69mm Dựa vào bảng P2.4 [1] trang 251 ta chọn trục vitme có đường kính ngoài d

= 8mm với thông số trục vitme như sau:

- Đường kính trung bình d 2 = 7mm.

4.2.2 Tính toán lựa chọn các thông số của vitme - đai ốc Đối với yêu cầu đề tài cần vít thực hiện hành trình lớn trong một vòng quay nên ta chọn vitme T8 có sẵn trên thị trường có số mối ren là z h = 4 Khi đó, bước vít được tính theo công thức 8.2 [1] trang 163: p h    z h p   4.2   8 Góc nâng ren vít được tính theo công thức 8.4 [1] trang 163

Sau khi xác định được góc nâng ren vít ta tiến hành kiểm tra điều kiện tự hãm theo công thức 8.5 [1] trang 163:

- ρ: Góc ma sát cặp vít - ren

- δ: Góc nghiêng của cạnh ren làm việc Xem hình 8.2[1] trang 162, với ren hình thang ta có δ = 15°

- f : Hệ số ma sát, phụ thuộc vào cặp vật liệu vít và đai ốc Tra bảng 8.1[3] trang 306, với cặp vít – ren là thép – đồng thanh không thiết ta có f = 0,12.

Thay vào công thức (4.14) ta có:

Vậy, cặp vít - ren này không có khả năng tự hãm.

Từ đường kínhh trung bình d 2 và hệ số chiều cao   H ta tính được chiều cao của đai ốc:

Số vòng ren của đai ốc là: z   H

4.2.3 Kiểm nghiệm, độ bền của bộ truyền vitme - đai ốc a) Kiểm tra độ bền bộ truyền vitme – đai ốc

- Momen xoắn trên vitme xác định theo công thức 8.4[3] trang 306 như sau:

+ F a max = 12N: Lực dọc trục lớn nhất trong 3 hệ trục.

+ d 2 = 7mm: Đường kính trung bình của ren.

+ ρ = 7,08°: Góc ma sát cặp ren vitme.

Thay các thông số vừa chọn vào công thức (4.18) ta có:

- Ứng suất tiếp tại tiết diện nguy hiểm của vitme:

- Ứng suất pháp tại tiết diện nguy hiểm của trục vitme:

Với vật liệu vitme là thép không gỉ ta có giới hạn chảy  ch

 205( MPa suất cho phép (lấy hệ số an toàn s = 3) là:

    s 3 Điều kiện bền thỏa vì   td    1,8 MPa         68,3MPa b) Kiểm tra độ ổn định của vitme – đai ốc

Ta có độ mềm vitme được xác định theo công thức 8.15[3] trang 310:

: Là bán kính quán tính mặt cắt vít.

: Là đường kính trong của trục vít.

-  : Là hệ số chiều dài, tra bảng 8.3[3] trang 310, ta con chọn

130  mm : Là chiều dài vít trục z.

: Là chiều dài vít trục y.

: Là chiều dài vít trục x.

Thay các thông số trên vào công thức (4.24) ta có:

Theo bảng 8.4[3] trang thì theo công thức:

 th , do đó giá trị tải trọng tới hạn (F ath ) được xác định thì F ath được tính theo công thức 8.18[1] trang 167:

Với a, b là hệ số thực nghiệm phụ thuộc vào vật liệu vít, đối với thép a = 473, b = 1,87

Thay vào công thức (4.28) ta có: azth với trường hợp    100 được tính theo công thức 8.17 [1] trang 167:

- J : Momen quán tính của tiết diện vít (mm 4 ).

- E: Module đàn hồi, với thép E = 2,1.10 5 (MPa).

Ta có momen quán tính của tiết diện vitme được tính như sau:

Thay các thông số vào công thức (4.30) ta có:

Hệ số an toàn ổn định thực tế theo công thức (8.15) [1] trang 166 được thỏa: s  F 849,42

F az 12 Vậy trục vitme của cả 3 hệ trục đều đảm bảo độ ổn định trong quá trình hoạt động.

Hiệu suất của bộ truyền vít và đai ốc trong trường hợp biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến được tính theo công thức (8.6)[3] trang 307 như sau:

- K: Hệ số tính đến sự tiêu hao công suất do ma sát trong ổ lăn và do bộ truyền cắt ren không chính xác (K = 0,8 ÷ 0,95), Do bộ truyền ren đai ốc là mua có sẵn trên thị trường nên được gia công khá tốt, ta chọn K = 0,9.

- ρ = 7,08°: Góc ma sát cặp ren vitme.

Thay vào các thông số chọn được vào công thức (4.37) ta có:

Tốc độ động cơ cần thiết để các hệ trục đạt vận tốc 0,02m/s được tính theo công thức 8.2b [3] trang 306: n   60.1000.v

Công suất động cơ cần thiết là:

Dựa vào kết quả từ phép tính (4.18), (4.39) và (4.40) ta cần chọn động cơ thỏa mãn yêu cầu sau:

Chọn động cơ NEMA17 có thông số như sau:

Hình 4.1: Động cơ bước NEMA17 42x42mm

4.3.2 Lựa chọn động cơ trục chính

Vì đã bỏ qua lực cắt dao như đã trình bày ở mục (4.2.1) nên việc lựa chọn động cơ trục chính dựa vào việc tham khảo từ các máy CNC mini có sẵn trên thị trường Tuy nhiên có một điểm khác biệt giữa máy của nhóm và máy CNC có sẵn trên thị trường đó là ở cơ cấu thay dao tự động mà nhóm đã thiết kế, động cơ cần momen lớn hơn so với lúc phay mạch bình thường để có thể siết và tháo dao ra khỏi động cơ Đối với trường hợp này nhóm quyết định dựa vào phương pháp thực nghiệm để lựa chọn động cơ trục chính.

Quá trình thực nghiệm được tiến hành như sau: Đầu tiên nhóm tiến hành tham khảo các máy CNC mini có sẵn trên thị trường, đa số động cơ trục chính được sử dụng là động cơ DC RS775, đây là một loại động cơ được sử dụng khá phổ biến không chỉ ứng dụng trong các máy CNC mini mà con thường được sử dụng trong các thiết bị cơ khí cầm tay như máy khoan mini, máy mài, máy bơm mini,…Từ đó nhóm quyết định lựa chọn động cơ RS775.

Tuy nhiên, loại động cơ này có rất nhiều biến thể khác nhau về điện áp hoạt động, tốc độ động cơ Và đối với các máy CNC mini trên thị trường thường sẽ có sự khác nhau về việc chọn động cơ, kết hợp với việc máy CNC của nhóm còn có cơ cấu thay dao tự động phụ thuộc khá nhiều vào momen của động cơ Vì vậy, nhóm quyết định chọn động cơ có tốc độ khá cao nhằm tạo momen lớn phục vụ cho việc siết – nhả dao Động cơ có sẵn trên thị trường với thông số cần thiết như sau:

Hình 4.2: Động cơ DC RS775 12000v/ph

- Dòng điện tiêu thụ khi không tải: 1.2A.

- Dòng điện tiêu thụ có tải: 3.25A.

- Tốc độ động cơ: 7500 - 12000v/ph.

Quá trình thực nghiệm dựa trên 3 thông số cần thiết để siết và nhả dao đó là: Điện áp cấp, xung PWM cấp cho động cơ và thời gian quay của động cơ Mỗi lần thay đổi thông số sẽ tiến hành thực nghiệm 5 lần Kết quả thực nghiệm được trình bày dưới bảng sau:

Thực nghiệm siết dao cho 6 ổ dao:

Trường Điện Xung Thời gian quay Số lần siết Trạng thái siết hợp áp(V) PWM (ms) thành công dao

Bảng 4.1: Thực nghiệm khả năng siết dao của động cơ trục chính

Thực nghiệm nhả dao cho 6 ổ dao:

Trường hợp Điện áp(V) Xung PWM Thời gian quay Số lần nhả

Bảng 4.2: Thực nghiệm khả năng nhả dao của động cơ trục chính

Sau khi tiến hành thực nghiệm ta có thể lựa chọn được bộ thông số phù hợp cho việc điều khiển động cơ trục chính phục vụ cho việc thay dao tự động Để siết dao, dựa vào kết quả từ (bảng 4.1) nhóm quyết định chọn bộ thông số ở trường hợp 5 với số lần siết thành công cao nhất và trạng thái siết vừa đủ, tạo điều điều kiện dễ dàng cho việc nhả dao Để nhả dao, dựa vào kết quả (bảng 4.2) nhóm quyết định chọn bộ thông số điều khiển ở trường hợp

7 với tỉ lệ thành công cao nhất.

4.4 Tính toán lựa chọn ổ lăn

4.4.1 Lựa chọn ổ lăn Đối với các hệ trục X, Y, Z, tải trọng chủ yếu tác dụng lên hai trục dẫn hướng Do đó, lực tác dụng lên các trục vitme theo phương vuông góc là không đáng kể Vì vậy mà khi tính đến ổ lăn ta chỉ cần quan tâm đến lực dọc trục tác dụng lên trục vitme Để đồng bộ việc lựa chọn ổ lăn cho trục vitme của cả ba hệ trục, ta chỉ cần tính toán cho hệ trục có lực dọc trục lớn nhất đó là trục Z Dựa trên yêu cầu của thiết kế và khả năng tìm kiếm dễ dàng, nhóm sử dụng gối đỡ vòng bi KFL08 có gắn vòng bi SU08 phổ biến trên thị trường.

Hình 4.3: Gối đỡ vòng bi KFL08 Thông số kỹ thuật cần thiết:

- Khoảng cách lỗ bắt ốc: 36mm.

- Đường kính trong vòng bi: d = 8mm.

4.4.2 Kiểm nghiệm khả năng tải động

Tải trọng quy ước Q đối với ổ bi đỡ được tính theo công thức 11.4 [1] trang 214:

Q     XF r    YF a   k t k d (kN) (4.41) Trong đó:

- F r : Tải trọng hướng tâm (kN).

- F a : Tải trọng dọc trục, tra trong bảng 11.4 [1] trang 214.

- Y: Hệ số tải trọng dọc trục, tra trong bảng 11.4 [1] trang 214.

- k t : Hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ.

- k đ : Hệ số kể đến đặc tính tải trọng, tra bảng 11.3 [1] trang 214 Dựa trên điều kiện làm việc của máy ta có:

- F r = 0 (Tải trọng hướng tâm của trục vitme không đáng kể).

- F a = 12N (Lực dọc trục lớn nhất của 3 hệ trục)

- X=0 (vì tải không chịu lực hướng tâm).

- Y=1 (vì tải chịu lực dọc trục).

Khả năng tải động C đ của ổ lăn được tính theo công thức 11.1 [1] trang 213: đ = √

- Q: Tải trọng động quy ước (kN), Q = 0,012 kN.

- m: Bậc của đường cong mỏi khi thử về ổ lăn, m=3 đối với ổ bi.

- L: Tuổi thọ tính bằng triệu vòng quay.

Gọi L h là tuổi thọ của ổ lăn tính bằng giờ, tra bảng 11.2 [1] trang 214:

L h = (3…8)10 3 giờ đối với máy sử dụng không liên tục chọn L h = 5000 giờ.

Ta có công L h được tính theo công thức 11.2 [1] trang 213:

=> Vậy khả năng tải động của ổ lăn thoả mãn.

4.4.3 Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh

Tải trọng tĩnh quy ước được xác định theo công thức 11.19 và 11.20 [1] trang 221:

- X o = 0,6: Hệ số tải trọng hướng tâm, tra trong bảng 11.6 [1] trang 221.

- Y o = 0,37: Hệ số tải trọng dọc trục, tra trong bảng 11.6 [1] trang 221.

- F r = 0: Tải trọng hướng tâm (N), tra trong bảng 11.4 [1] trang 215.

Tải trọng tĩnh dùng để kiểm nghiệm là tải trọng có giá trị lớn nhất, ta lấy

Q t = Q t2 = 4,44 [N] = 0,004 (kN) (4.48) Kiểm nghiệm điều kiện tải tĩnh theo công thức 11.18 [1] trang 221:

=> Vậy khả năng tải tĩnh của ổ bi thoả mãn.

Tính toán lựa chọn ổ lăn

4.4.1 Lựa chọn ổ lăn Đối với các hệ trục X, Y, Z, tải trọng chủ yếu tác dụng lên hai trục dẫn hướng Do đó, lực tác dụng lên các trục vitme theo phương vuông góc là không đáng kể Vì vậy mà khi tính đến ổ lăn ta chỉ cần quan tâm đến lực dọc trục tác dụng lên trục vitme Để đồng bộ việc lựa chọn ổ lăn cho trục vitme của cả ba hệ trục, ta chỉ cần tính toán cho hệ trục có lực dọc trục lớn nhất đó là trục Z Dựa trên yêu cầu của thiết kế và khả năng tìm kiếm dễ dàng, nhóm sử dụng gối đỡ vòng bi KFL08 có gắn vòng bi SU08 phổ biến trên thị trường.

Hình 4.3: Gối đỡ vòng bi KFL08 Thông số kỹ thuật cần thiết:

- Khoảng cách lỗ bắt ốc: 36mm.

- Đường kính trong vòng bi: d = 8mm.

4.4.2 Kiểm nghiệm khả năng tải động

Tải trọng quy ước Q đối với ổ bi đỡ được tính theo công thức 11.4 [1] trang 214:

Q     XF r    YF a   k t k d (kN) (4.41) Trong đó:

- F r : Tải trọng hướng tâm (kN).

- F a : Tải trọng dọc trục, tra trong bảng 11.4 [1] trang 214.

- Y: Hệ số tải trọng dọc trục, tra trong bảng 11.4 [1] trang 214.

- k t : Hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ.

- k đ : Hệ số kể đến đặc tính tải trọng, tra bảng 11.3 [1] trang 214 Dựa trên điều kiện làm việc của máy ta có:

- F r = 0 (Tải trọng hướng tâm của trục vitme không đáng kể).

- F a = 12N (Lực dọc trục lớn nhất của 3 hệ trục)

- X=0 (vì tải không chịu lực hướng tâm).

- Y=1 (vì tải chịu lực dọc trục).

Khả năng tải động C đ của ổ lăn được tính theo công thức 11.1 [1] trang 213: đ = √

- Q: Tải trọng động quy ước (kN), Q = 0,012 kN.

- m: Bậc của đường cong mỏi khi thử về ổ lăn, m=3 đối với ổ bi.

- L: Tuổi thọ tính bằng triệu vòng quay.

Gọi L h là tuổi thọ của ổ lăn tính bằng giờ, tra bảng 11.2 [1] trang 214:

L h = (3…8)10 3 giờ đối với máy sử dụng không liên tục chọn L h = 5000 giờ.

Ta có công L h được tính theo công thức 11.2 [1] trang 213:

=> Vậy khả năng tải động của ổ lăn thoả mãn.

4.4.3 Kiểm nghiệm khả năng tải tĩnh

Tải trọng tĩnh quy ước được xác định theo công thức 11.19 và 11.20 [1] trang 221:

- X o = 0,6: Hệ số tải trọng hướng tâm, tra trong bảng 11.6 [1] trang 221.

- Y o = 0,37: Hệ số tải trọng dọc trục, tra trong bảng 11.6 [1] trang 221.

- F r = 0: Tải trọng hướng tâm (N), tra trong bảng 11.4 [1] trang 215.

Tải trọng tĩnh dùng để kiểm nghiệm là tải trọng có giá trị lớn nhất, ta lấy

Q t = Q t2 = 4,44 [N] = 0,004 (kN) (4.48) Kiểm nghiệm điều kiện tải tĩnh theo công thức 11.18 [1] trang 221:

=> Vậy khả năng tải tĩnh của ổ bi thoả mãn.

THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

Giới thiệu

Chương 4 đã hoàn tất trình bày về việc tính toán thiết kế hệ thống cơ khí cho máy gia công mạch PCB Ta có thể thấy rằng các thành phần cơ khí chỉ là phần cơ cấu chấp hành tác động trực tiếp đến quá trình gia công sản phẩm Tuy nhiên để các thành phần cơ khí có thể vận hành và hoạt động được thì cần phải có một hệ thống điện điều khiển để cung cấp năng lượng và thông số điều khiển cho các thiết bị trên máy.

Chương này sẽ trình bày về cấu trúc hệ thống điện của máy gia công mạch PCB thông qua sơ đồ khối tổng quát của hệ thống Từ đó phân tích và lựa chọn các linh kiện điện tử phù hợp.Cuối cùng trình bày về sơ đồ nguyên lý mạch điện của toàn bộ hệ thống điện trong máy.

Sơ đồ khối hệ thống

Hình 5.1: Sơ đồ khối hệ thống

Chức năng của từng thành phần:

- Vi điều khiển trung tâm: Đóng vai trò là Slave nhận lệnh điều khiển từ Raspberry để vận hành các chức năng của máy.

- Màn hình điều khiển: Sử dụng màn hình cảm ứng giúp người sử dụng điều khiển trực tiếp máy trên màn hình, đồng thời hiển thị quá trình gia công mạch.

- Raspberry: Đóng vai trò là Master, đảm nhận việc đọc dữ liệu từ USB chứa file dữ

- Công tắc hành trình: Là các công tắt để giới hạn hành trình cho các trục X, Y, Z đánh dấu tọa độ một cách chính xác.

- Module điều khiển động cơ: Dùng để cung cấp năng lượng và điều khiển tốc độ của động cơ trục chính.

- Động cơ trục chính: Là động cơ đóng vai trò dẫn động cho dao phay, khoan, cắt mạch PCB.

- Khối relay: Dùng để ngắt kết nối tín hiệu của chức năng leveling để tránh việc gây nhiễu điện trong quá trình động cơ trục chính quay.

- Khối driver động cơ bước: Có chức năng điều khiển và cung cấp năng lượng cho động cơ bước hoạt động.

- Module chống rung: Có chức năng chống rung cho động cơ bước khi bị nhiễu do động cơ trục chính quay.

- Khối động cơ bước: Có chức năng truyền động cho các trục X, Y, Z chuyển động thông qua cụm trục vitme – đai ốc.

- Khối nguồn: Có chức năng cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống làm việc.

Tính toán và thiết kế hệ thống

Raspberry đóng vai trò như một máy tính nhúng kết hợp với màn hình cảm ứng có giao diện điều khiển để vận hành máy hoạt động độc lập với máy tính File dữ liệu được xuất từ phần mềm xử lý file mạch PCB trên máy tính sau đó chuyển vào USB và cắm vào Raspberry, thông qua màn hình điều khiển để lấy file dữ liệu, tiến hành xử lý một số quy trình phân tách file dữ liệu thành các quy trình gia công, xử lý một số quy trình trên máy. Sau đó truyền dữ liệu về cho STM32 vận hành máy.

Hình 5.2: Máy tính nhúng Raspberry Pi Zero 2W

Thông số kỹ thuật cần thiết:

- Tích hợp kết nối Wifi và Bluetooth.

- Bộ nhớ lưu trữ sử dụng thẻ SD.

- Có cổng Micro-B USB để truyền nhận dữ liệu.

5.3.2 Vi điều khiển trung tâm

Việc tích hợp thêm màn hình điều khiển cho máy làm cho số chân I/O của Raspberry không đủ để điều khiển toàn bộ các khối chức năng trong máy Thêm vào đó, lượng dữ liệu xử lý trên Raspberry tương đối nhiều cùng với giá thành khá cao Vì vậy, nhóm đã tích hợp thêm một vi điều khiển STM32 đóng vai trò làm Slave để nhận dữ liệu từ Raspberry truyền xuống và vận hành máy.

Vi điều khiển STM32F103C8T6 có số chân điều khiển vừa đủ cho việc kết nối tất cả các khối chức năng trong máy, giá thành rẻ nhưng vẫn đảm bảo đủ mạnh để xử lý Thêm vào đó, việc sử dụng thêm vi điều khiển còn giúp giảm thiểu công việc mà Raspberry phải làm và đảm bảo an toàn khi máy xảy ra vấn đề dẫn đến hỏng vi điều khiển.

STM32F103C8T6 Thông số kỹ thuật cần thiết:

- Điện áp ra các chân I/O: 2 ~ 3.6V.

5.3.3 Màn hình điều khiển Để thuận tiện cho việc điều khiển các chức năng trên máy, nhóm tích hợp một màn hình cảm ứng LCD 3.5 Inch kết nối với Raspberry với giao diện được thiết kế riêng cho máy gia công mạch PCB.

Hình 5.4: Màn hình cảm ứng TFT LCD 3.5 Inch Thông số kỹ thuật:

- Kích thước màn hình: 3.5 Inch.

- Độ phân giải hiển thị: 320 x 480 pixels.

- Tốc độ làm tươi: 50Hz.

- Dòng điện tiêu thụ: 120mA.

5.3.4 Khối driver điều khiển động cơ bước

Dựa trên quá trình tính toán lựa chọn động cơ ở mục (4.3.1), với điện áp cần thiết để cấp cho động cơ là 12 – 24 V và dòng điện tải là 1.6A/pha Driver StepStick DRV8825 đáp ứng được yêu cầu.

Thông số kỹ thuật cần thiết:

- Điện áp cấp cho động cơ bước 8.2 ~ 45V.

- Dòng cấp lớn nhất cho động cơ bước: 2.5A/pha.

- Dòng điện tiêu thụ ở trạng thái nghỉ: 20μA.

- Các chế độ chia bước trên driver: 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32.

- Có bảo vệ quá dòng, quá nhiệt, ngắn mạch,

- Có khả năng điều chỉnh dòng cấp cho động cơ.

5.3.5 Module điều khiển động cơ trục chính Để điều khiển động cơ trục chính, cụ thể là động cơ DC RS775 cần chọn một module điều khiển hoặc driver để cấp năng lượng cho động cơ hoạt động, dựa trên quá trình tính toán lựa chọn động cơ đã được trình bày ở mục (4.3.2) Với điện áp cần thiết cho động cơ hoạt động là 12 – 24V, dòng tiêu thụ khi có tải là 3.25A Nhóm quyết định chọn driver BTS7960 có sẵn trên thị trường.

Hình 5.6: Module điều khiển động cơ DC BTS7960 Thông số kỹ thuật cần thiết:

- Có khả năng ngắt khi điện áp dưới 5.5V và mở lại sao khi điện áp lớn hơn 5.5V.

Trong quá trình điều khiển có một số yếu tố làm cho động cơ bước bị nhiễu dẫn tới động cơ bị rung khi ở trạng thái nghỉ và khi di chuyển dẫn đến sai số như: Rung khi quay động cơ trục chính, rung động trong quá trình phay, thiết kế mạch không được tối ưu dẫn đến nhiễu điện,… Vì vậy, nhóm đã tích hợp thêm một mạch khử rung cho động cơ bước Nó có thể loại bỏ các sóng tín hiệu không đồng đều để đạt được sóng tín hiệu tương đối Nó có hiệu quả rõ ràng đối với mạch driver DVR8825 mà nhóm đang sử dụng.

Hình 5.7: Mạch chống nhiễu cho động cơ bước

Sơ đồ nguyên lý của mạch chống nhiễu:

Hình 5.8: Sơ đồ nguyên lý của mạch chống nhiễu cho động cơ bước 5.3.7 Khối động cơ

Khối động cơ cho máy gia công mạch PCB gồm động cơ bước cho dẫn động trục X,

Y, Z và động cơ trục chính Quá trình tính toán lựa chọn được trình bày ở mục (4.3).

Khối nguồn đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống hoạt động Công suất và dòng điện của bộ nguồn cần được tính toán cụ thể để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định Nhóm tiến hành tổng hợp các thành phần điện tử có dòng điện tiêu thụ đáng kể để tính toán Các thành phần được tổng hợp trong bảng thông số giá trị điện áp dòng điện như sau:

STT Tên linh kiện Số Điện áp Dòng điện Tổng dòng điện lượng (VDC) (mA) tiêu thụ (mA)

Tổng dòng điện tiêu thụ (mA) 15570

Bảng 5.1: Thông số dòng điện tiêu thụ của các linh kiện điện tử

Với kết quả được trình bày ở bảng (5.2), nhóm quyết định lựa chọn nguồn xung 12V – 20A để cung cấp năng lượng cho toàn bộ hệ thống hoạt động.

Hình 5.9: Nguồn xung 12V – 20A có quạt tản nhiệt Thông số kỹ thuật:

- Điện áp ngõ vào: 110 - 220VAC.

- Điện áp ngõ ra: 12VDC.

Hình 5.10: Mạch giảm áp XL4015 Thông số kỹ thuật:

- Công suất ngõ ra lớn nhất: 75W.

- Hiệu suất chuyển đổi lớn nhất : 96%.

Sơ đồ nguyên lý

Để thuận tiện cho việc kiểm thử và sửa lỗi các chức năng của bo mạch mà vẫn đảm bảo an toàn, nhóm đã phân tách các cụm chức năng thành các module và kết nối với nhau thông qua dây bus.

Sơ đồ khối các module được phân bố như sau:

Hình 5.11: Sơ đồ khối chức năng

 Sơ đồ kết nối module vi điều khiển trung tâm:

Hình 5.12: Sơ đồ nguyên lý module vi điều khiển trung tâm

 Sơ đồ kết nối module màn hình điều khiển:

Hình 5.13: Sơ đồ kết nối module màn hình điều khiển

 Sơ đồ nguyên lý module driver động cơ bước:

Hình 5.14: Sơ đồ kết nối module Driver động cơ bước

 Sơ đồ kết nối module điều khiển động cơ trục chính:

Hình 5.15: Sơ đồ kết nối module điều khiển động cơ trục chính

 Sơ đồ kết nối module công tắt giới hạn hành trình:

Hình 5.16: Sơ đồ kết nối module công tắt giới hạn hành trình

 Sơ đồ nguyên lý module nguồn

Hình 5.17: Sơ đồ nguyên lý module nguồn

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN

Giới thiệu

Hình 6.1: Màn hình chính phần mềm điều khiển trên máy gia công mạch PCB

Hầu hết các máy phay mạch PCB có trên thị trường hiện nay đều sử dụng bo mạch và phần mềm có sẵn để điều khiển Điều này làm hạn chế việc nghiên cứu, tối ưu và hiểu rõ về việc điều khiển và vận hành máy Ở chương 5, nhóm đã tự thiết kế hệ thống điện cho phù hợp với đề tài Vì thế nên nếu dùng phần mềm điều khiển có sẵn sẽ không tương thích với bo mạch Bên cạnh đó, một số chức năng và hướng phát triển mà nhóm mong muốn không có sẵn ở các phần mềm điều khiển hiện có trên thị trường. Ở chương này sẽ trình bày về quá trình nghiên cứu và phát triển phần mềm xử lý file trên máy tính và phần mềm điều khiển trên máy.

Lưu đồ giải thuật

6.2.1 Lưu đồ giải thuật vận hành hệ thống

Việc phát triển bo mạch không tương thích phần mềm có sẵn là một thách thức lớn nhưng đó cũng là một cơ hội lớn Thách thức ở chỗ nhóm gần như phải viết lại từ đầu giải thuật điều khiển cho một máy CNC Do đó, sự ổn định và tốc độ gia công của máy chưa có gì đảm bảo.Nhưng cùng với đó là một cơ hội để nhóm có thể nhúng sâu vào hệ thống, làm chủ được công nghệ Từ đó, phát triển dần tính năng, tinh gọn hệ thống theo từng nhiệm vụ Đôi khi viết lại một thứ gì đó có sẵn và phổ biến được xem như thừa thãi, nhưng có những tính năng mà một phần mềm mã nguồn mở khó mà làm tốt được Và một trong số đó, có tính năng gia công mạchPCB chuyên dụng sử dụng một tài nguyên phần cứng tinh gọn, giá thành rẻ Vậy nên, vì mục khăn thế nào thì nhóm cũng sẽ hoàn thành nó Và sau một thời gian nghiên cứu, nhóm đã cho ra đời một quy trình mới để vận hành điều khiển tương thích với bo mạch mới với một triết lí tinh gọn, giá thành rẻ, dễ thay thế, có khả năng nâng cấp phần mềm và phần cứng Và dưới đây là sơ đồ khối tổng quát của toàn bộ hệ thống.

Hình 6.2: Sơ đồ khối tổng quát toàn bộ hệ thống

Như trên lưu đồ thì máy gia công mạch sẽ trải qua 2 giai đoạn:

- Giai đoạn 1: Là giai đoạn xử lí file thiết kế PCB thành một file Acode thông qua một phần mềm giao diện chuyên dụng mà nhóm phát triển Và sau đó file Acode sẽ được lưu trữ vào thẻ nhớ hoặc USB để phục vụ cho giai đoạn tiếp theo (Acode là định dạng file mà nhóm phát triển để vận hành máy).

- Giai đoạn 2: Là giai đoạn vận hành trực tiếp máy gia công PCB Thẻ nhớ sẽ được cắm vào màn hình điều khiển trên máy, thông qua một vài thao tác đơn giản trên màn hình LCD cảm ứng thì file Acode sẽ được xử lí thông qua Raspberry và giao tiếp với firmware trên MCU để vận hành gia công mạch.

Qua tóm tắt, để vận hành máy thì nhóm sẽ phát triển 2 nhiệm vụ:

- Nhiệm vụ 1: Phần mềm xử lý file trên máy tính.

- Nhiệm vụ 2: Phần mềm điều khiển trên máy CNC gồm 2 phần:

+ Phần mềm giao diện người dùng trên màn hình cảm ứng.

+ Firmware trên MCU của máy, cụ thể là STM32F103C8T6.

6.2.2 Quy trình phát triển phần mềm, firmware hệ thống.

Qua phần trên, chúng ta có thể thấy được việc phát triển hệ thống của nhóm có khối lượng khá lớn Vậy nên, cần khá nhiều thời gian để phát triển Nhưng cần điều kiện nêu trên là chưa đủ để phát triển hệ thống Vì đây là hệ thống tự phát triển nên chúng ta cần phải có sự rõ ràng trong giải thuật, tài nguyên lập trình cần được chuẩn hóa để dễ dàng quản lí, nâng cấp, sửa lỗi,

… và để vận hành trơn tru thì quá trình phát triển phải được phân bố rõ ràng nhiệm vụ cho từng người Vậy nên việc chuẩn hóa ra một quy trình phát triển là một điều cực kì quan trọng trong việc phát triển hệ thống Và trong quá trình này thì nhóm đã phát triển ra 2 quy trình để phát triển hệ thống Quy trình thứ nhất dành cho phát triển phần mềm giao diện hệ thống được gọi là Framework_ADL Quy trình thứ hai là dành cho triển phần cứng hệ thống được gọi là Firmware_ADL Với 2 quy trình này thì việc phát triển phần mềm phần và phần cứng sẽ được tương thích tốt hơn, tận dụng được khả năng đa nhiệm trong luồng xử lí giúp hệ thống trở nên tinh gọn, mượt mà hơn Ngoài ra nó còn phân vùng rõ ràng quá trình thiết kế, lập trình, kiểm thử của một phần mềm, giúp tăng sự ổn định, khả năng làm việc của phần mềm Và để hiểu rõ hơn thì chúng ta sẽ cùng phân tích 2 quy trình trong phần tiếp theo.

6.2.2.1 FrameWork_ADL Đây là quy trình giúp xây dựng phần mềm giao diện trở nên đơn giản hơn khi kết hợp với thư viện giao diện Tkinter Sơ lược Tkinter đây là một thư viện giao diện phổ biến trong ngôn ngữ lập trình Python Vì vậy, nó có rất nhiều thư viện xử lí hệ thống được liên kết nên việc phát triển tính năng trên Tkinter là một điều cực kì tuyệt vời Hơn hết, một phần mềm viết bằng Tkinter chiếm tài nguyên bộ nhớ rất nhỏ thích hợp cho những phần cứng có tài nguyên thấp, nhưng song với ưu điểm trên thì Tkinter có một hạn chế đó là những phần tử giao diện chỉ được gọi thông qua coding để gọi các api của hệ thống Vậy nên, để tạo nên một giao diện thì mất khá nhiều thời gian Thế nên, để có thể tận dụng được tiềm năng của thư viện này thì nhóm đã phát triển ra quy trình được gọi là FrameWork_ADL để tách biệt phần thiết kế UI và phần code xử lí nhằm việc phát triển phần mềm được chia nhỏ cho từng thành viên Hơn hết, phần thiết kế UI có thể dùng thêm công cụ Figma để thiết kế ra giao diện đẹp theo ý muốn Ngoài ra Framework được thiết kế để tối ưu giao tiếp với phần cứng nên tính tương thích giữa phần cứng và phần mềm được nâng cao và ổn định Và dưới đây là sơ đồ khối của FrameWork_ADL.

Hình 6.3: Sơ đồ khối của FrameWork_ADL Framework_ADL được tạo chia 4 phần chính:

 Phần đầu tiên: File “main.py” là file cố định khi phát triển mọi dự án, nó có chức năng khởi tạo chương trình và cũng đóng vai trò chỉ định chạy tab đầu tiên trong giao diện (Tab tương ứng một trang nhìn thấy trên giao diện).

 Phần thứ hai: Front_App là một thư mục dùng để tạo UI cho một phần mềm hoàn chỉnh, nó có thể khởi chạy độc lập mà chưa cần code xử lí Thế nên, chúng ta có thể tách biệt nhiệm vụ thiết kế độc lập cho một thành viên Front_App được chia thành 4 phần:

- Root.py là file hoạt động tương tự “main.py” khi ở trong dự án chính nhưng nó chỉ có thể chạy giao diện, không thể khởi chạy các phần xử lí khi tác động giao diện.

- Tab_app là thư mục chứa các tab giao diện được thiết kế, giao diện có bao nhiêu trang thì sẽ có bấy nhiêu file tab.py Và viết tab.py là công việc chính của người làm UI trong Framework_ADL, họ có thể sử dụng tool Figma để nâng cao tốc độ thiết kế.

- Data_tab là thư mục cố định trong dự án, nó đóng vai trò lưu trữ dữ liệu của tất cả các phần tử trong giao diện, có thể được truy cập ở mọi nơi trong toàn dự án.

- Tool_tab là thư mục cố định trong dự án, nó chứa các file tool.py phục vụ các chức năng khi xây dựng và vận hành giao diện Sẽ được update để phát triển

Framework_ADL trong tương lai.

 Phần thứ ba: Service_App đây là thư mục chứa các tính năng của một phần mềm giao diện, một service tương ứng một tính năng của giao diện Khi viết xong một service ta có thể tận dụng nó cho những dự án khác mà không cần phải chỉnh sửa bất cứ thứ gì.

Việc phát triển tính năng trên python là một thứ khá rộng lớn, phức tạp Vậy nên khi có cấu trúc service này thì ta chỉ cần tập trung đến phát triển tính năng mà không cần phải nghĩ quá nhiều về việc liên kết nó vào phần mềm, điều này sẽ giúp quá trình phát triển phần mềm hiệu quả hơn so với thông thường.

 Phần cuối cùng: RTRQ_App (Run Time Request App) là thư mục cố định trong dự án giúp vận hành gián tiếp 2 phần UI và Service Framework_ADL có thể tách biệt giữa UI và service khi vận hành Ngoài ra, RTRQ_App còn đóng vai trò cung cấp các tiểu trình cho các service để đảm bảo tính đa nhiệm cho giao diện.

Phần mềm xử lý file trên máy tính

6.3.1 Tổng quan về các loại file xuất ra từ phần mềm thiết kế mạch

Hiện nay có khá nhiều phần mềm chuyên dụng phục vụ cho việc thiết kế mạch in có thể kể đến như: Proteus, Altium, Kidcad, Cad Simu Tuy giao diện và các thao tác thiết kế có thể khác nhau nhưng mục đích chung của các phần mềm này vẫn là tạo ra một bản mạch in hoàn chỉnh để mang đi gia công mạch thực tế Trong thực tế, sau khi hoàn tất giai đoạn thiết kế mạch in sẽ đến giai đoạn xuất file Có rất nhiều định dạng của mạch in có thể được xuất ra phục vụ cho các mục đích khác nhau do các định dạng file này sẽ chứa dữ liệu liên quan đến mạch in như các đường mạch, các đối tượng trên bo mạch, mặt hàn, chỉ dẫn Các định dạng file thường được xuất ra để tạo mạch in như: PDF Gerber, NC Drill, DXF

Do không sử dụng các phần mềm mã nguồn mở có sẵn để tạo mã lệnh cho máy di chuyển do đó nhóm sẽ tiến hành xử lí trực tiếp dữ liệu từ các file xuất ra từ phần mềm thiết kế để tạo mã lệnh cho máy Trong đề tài này thì hai dữ liệu quan trọng cần được xử lí là dữ liệu về các đường mạch và lỗ khoan Ban đầu nhóm đã thực hiện việc đọc và xử lí dữ liệu từ các file DXF và NC Drills là các file nhưng quá trình thực hiện nhóm nhận ra nếu xử lí theo cách này thì sai số sẽ rất lớn việc liên kết dữ liệu dữ liệu của đường mạch và lỗ khoan giữa hai file là rất khó vì chúng là các định dạng file khác nhau và thuật toán di chuyển cũng rất phức tạp Cuối cùng nhóm quyết định sẽ xử lí trên file PDF kết hợp với các phương pháp xử lí ảnh để tạo dữ liệu cho máy bởi vì file PDF là một loại file rất phổ biến mà trên bất kì phần mềm nào cũng có thể xuất ra được Ngoài ra khi xuất ra các file cần thiết cho quá trình xử lí dữ liệu cùng dưới định dạng PDF việc dữ liệu sẽ dễ dàng hơn xử lí và đồng bộ hơn.

6.3.2 Ứng dụng phương pháp xử lý ảnh để xử lý file PCB

Như đã đề cập ở trên, việc xử lí dữ liệu ở hầu hết các file mạch in được xuất ra đều gặp vấn đề khó khăn trong việc phân biệt đâu là lỗ khoan và đâu là chíp dán hoặc phân biệt các lỗ khoan chứa bên trong các layer khác Ngoài ra trong quá trình xử lí chúng ta cũng sẽ áp dụng các kiến thức về xử lí ảnh để giúp quá trình xử lí dữ liệu được dễ dàng hơn như: điều chỉnh kích thước của ảnh cho phù hợp, xóa nhiễu hay lọc ảnh

Hình 6.7: Mạch PCB cơ bản

Bên cạnh đó sau khi xử lí dữ liệu xong thì việc chuyển đổi từ tọa độ pixel của ảnh về tọa độ thực tế (mm) cũng rất quan trọng vì tọa độ pixel của ảnh khác so với tọa độ thực tế khi máy thức về xử lí ảnh để giải quyết bài toán này Đầu tiên, chúng ta sẽ làm quen với định nghĩa về PPI.

PPI (Pixels Per Inch) là số lượng pixel trên một Inch hay còn gọi là mật độ điểm ảnh. Khi máy hoạt động thì tọa độ thực tế sẽ được chuyển về hệ mm Giả sử trong một bức ảnh có số PPI = 100, ta có thể chuyển đổi về hệ mm như sau:

Ta có : 1 Inch = 25.4 mm, với PPI = 100 pixel / inch = 100 / 25.4mm.

 1 pixel khi chuyển đổi sẽ bằng 25.4mm/100 hay 1mm= 100 / 25.4mm.

6.3.3 Xử lý dữ liệu từ các layer tạo ra từ các file PCB

Như đã đề cập trong lưu đồ quá trình tạo ra mã lệnh để máy gia công mạch PCB có thể vận hành được thì quá trình này sẽ trải qua các bước xử lí sau:

- Bước 1: Chuyển đổi file PDF sang file ảnh và xử lí ảnh.

- Bước 3: Lấy dữ liệu của tất cả các layer trong mạch in.

- Bước 4: Tìm tất cả các lỗ khoan trên mạch in với tọa độ tâm và bán kính tương ứng.

- Bước 5: Tìm dữ liệu đường viền của mạch.

- Bước 6: Xử lí lại ảnh.

- Bước 7: Tạo ra các file dữ liệu tổng hợp các quá trình tạo ra mạch PCB.

- Bước 8: Tạo mã lệnh cho máy gia công PCB.

 Chuyển đổi file PDF sang file ảnh

Từ phần mềm thiết kế mạch in ta sẽ xuất ra các file layout dưới dạng PDF sau: File mạch in hoàn chỉnh - File chứa lỗ khoan của mạch - File chứa đường viền (để phay đường mạch) Sau khi có các file này chúng ta sẽ dùng thuật toán để chuyển các file này về file ảnh dưới định dạng PNG.

Hình 6.8: Các file layout được xuất ra từ quá trình xử lý file PDF

Như đã thấy ở trên do các file PDF sau khi được xuất ra ở các phần mềm sẽ nằm trên một không gian lớn cụ thể là nằm trên khổ giấy A4 do đó chúng ta sẽ không thể lấy toàn bộ không gian đó để đọc và xử lí dữ liệu được Vì vậy trước khi chuyển sang giai đoạn đọc và xử lí ta sẽ tiến hành cắt ảnh để thu nhỏ file mạch in để dễ dàng cho quá trình xử lí dữ liệu sau này.

Hình 6.9: Các hình ảnh mạch in sau khi được cắt

 Lấy dữ liệu của tất các layer trong file mạch in

Sau khi cắt ảnh xong chúng ta sẽ tiến hành đọc dữ liệu của file mạch in Dữ liệu nhận được từ quy trình này sẽ là các tập dữ liệu của các layer từ các file được cắt từ quá trình cắt ảnh: File lỗ khoan, file đường viền và file mạch in để phay đường mạch Dữ liệu này sẽ được biểu diễn dưới dạng pixel với từng pixel được biểu diễn theo hai phương x và y, ví dụ:

Hình 6.10: Dữ liệu tọa độ X, Y của các layer

 Tìm tất cả các lỗ khoan trên mạch in với tọa độ tâm và bán kính mũi khoan để khoan tương ứng

Dựa vào lượng dữ liệu đọc được từ layout lỗ khoan ở trên ta sẽ tiến hành tìm tất cả các lỗ khoan với tâm và bán kính lỗ khoan tương ứng.

Sẽ có hai trường hợp: lỗ khoan nằm trong layer có dạng hình tròn hoặc layer có dạng hình chữ nhật Tuy nhiên, việc xác định tọa độ tâm của các layer này hoàn toàn giống nhau bởi vì sự đối xứng của các layer này.

Ta sẽ có công thức tính tọa độ tâm của layer lỗ khoan như sau:

- I x , I y : là tọa độ tâm I của lỗ khoan theo phương x và phương y.

- x min , x max : là pixel lớn nhất và nhỏ nhất của layer chứa layer lỗ khoan theo phương x.

- y min , y max : là pixel lớn nhất và nhỏ nhất của layer chứa layer lỗ khoan theo phương y. Đối với kích thước của mũi khoan dành cho lỗ khoan đó sẽ phụ thuộc vào giá trị lớn nhất của 2 giá trị sau: ( − min ) và ( − ) Độ lớn của mũi khoan sẽ phụ thuộc vào giá trị ( − min) và ( − ) lớn hay nhỏ nếu 2 giá trị đó lớn thì kích thước mũi khoan lớn và ngược lại.

 Tìm dữ liệu đường viền của mạch:

Do khi đọc dữ liệu từ file đường viền ở trên, nhóm nhận thấy sẽ xuất hiện nhiều hơn một layer đường viền trong khi chúng ta chỉ cần một layer để thực hiện giai đoạn cắt đường viền của mạch Do đó, ở quá trình này chúng ta sẽ tiến hành xử lí để chỉ lấy một layer cụ thể là layer có kích thước lớn hơn trong các layer đường viền.

Do đã tìm được tất cả các lỗ khoan trong mạch in do đó trong giai đoạn này mục đích sẽ là xử lí lại các file ảnh chứa các lỗ khoan Ban đầu giá trị RGB tại các pixel lỗ khoan đều là 255 (tương ứng là màu trắng) chúng ta sẽ xử lí lại ảnh tất cả các pixel thuộc lỗ khoan đó có giá trị bằng 0 Điều đó giúp tối ưu thời gian trong quá trình phay để tạo mạch thực tế Trong trường hợp nếu không tiến hành công đoạn xử lí này thì trong quá trình phay đường, chương trình sẽ tốn thêm thời gian để thực hiện việc phay đường đối với các layer lỗ khoan và điều đó là không cần thiết Do vậy chúng ta sẽ tiến hành chuyển tất cả giá trị RGB các pixel của các layer lỗ khoan về giá trị bằng 0 ( tương ứng là màu đen) trước khi thực hiện việc phay đường, lúc này

56 chương trình sẽ chỉ thực hiện việc phay đường đối với các layer chứa các layer lỗ khoan đó, còn đối với các layer lỗ khoan đó sẽ chỉ tiến hành việc khoan lỗ chứ không phay đường giúp tối ưu thời gian thực hiện việc gia công mạch.

Hình 6.11: Mạch PCB trước và sau khi xử lý lỗ khoan

 Tạo ra các file dữ liệu tổng hợp các quá trình tạo ra mạch in PCB

Phần mềm điều khiển trên máy gia công mạch PCB

Như đã đề cập ở phần trước thì phần mềm xuất file sẽ làm nhiệm vụ chuyển đổi file thiết kế PCB thành file Acode để vận hành máy CNC Nhưng file Acode được quy chuẩn từ quá trình xử lí ảnh nhằm mục đích làm nhẹ file để lưu trữ và thuận tiện cho việc chuyển file. Vậy nên, để vận hành máy ta cần thông qua một bước biên dịch file Acode để tạo ra những đoạn lệnh máy có thể hiểu được, do để vận hành cần một vài thông số đầu vào nên ta cần một phần mềm lấy dữ liệu đầu vào thông qua thao tác người dùng tích hợp thêm trình biên dịch Acode để tạo ra những đoạn lệnh mà Firmware có thể hiểu được Firmware sẽ làm nhiệm vụ dịch các đoạn lệnh từ trình biên dịch Acode thành các hàm con ở Unit để vận hành các phần cứng được tích hợp trên board mạch Từ đó, máy có thể vận hành tương thích với dữ liệu được lấy từ file Acode Nghe có vẻ phức tạp nhưng sự phức tạp chỉ đối với nhà phát triển hệ thống, còn đối với người dùng thì họ chỉ cần cắm thẻ nhớ chứa file Acode và thực hiện một số thao tác cơ bản trên màn hình là máy có thể hoạt động được.

Phần tổng quan đã trình bày khái quát để người đọc có thể hiểu được quá trình vận hành của một phần mềm điều khiển máy gia công mạch PCB Tuy nhiên, khi phát triển mọi thứ khá phức tạp và cũng nảy sinh một số vấn đề cần giải quyết Vì vậy, ở phần này nhóm sẽ trình bày rõ ràng hơn về cách thức làm việc của một phần mềm điều khiển Phần mềm điều khiển máy sẽ được chia làm 2 phần:

- Phần mềm giao diện điều khiển: Phục vụ cho việc nhận tín hiệu thao tác người dùng để lấy những thông số đầu vào kết hợp với dữ liệu trên file Acode để biên dịch ra chương trình chạy được trên nền Firmware của phần cứng.

- Firmware: Được viết để chuyển đổi các lệnh từ phần mềm điều khiển thành các hàm Unit vận hành.

6.4.2.1 Phần mềm giao diện điều khiển

Trong phần trên chúng ta biết được rằng phần mềm giao diện điều khiển tạo ra để lấy giá trị đầu vào có người dùng và nhận dữ liệu file Acode để biên dịch thành các đoạn lệnh mà máy có hiểu được, rồi truyền xuống firmware phần cứng Những công việc thực chất có thể làm ngay trên phần mềm máy tính cá nhân nhưng nhóm vẫn chọn phương pháp này để thực hiện vì một số nguyên nhân Thứ nhất, quá trình gia công mạch khá tốn thời gian vậy nên nếu chúng sử dụng một chiếc máy tính cắm vào bo mạch điều khiển thì sẽ làm cho người dùng khá bất tiện khi làm một công việc khác trên máy tính đó Thứ hai, việc kết nối đến laptop không cố định vị trí có thể làm cho đường truyền không ổn định, nếu ta sử dụng một phần cứng khác thì không cần lo về vấn đề trên Khi sử dụng phần cứng khác chúng ta có thể sử dụng thêm một số đường truyền chuyên dụng trên bo mạch như: SPI, I2C,… để tốc độ truyền được nâng cao Thứ ba, máy được thiết kế cho việc nghiên cứu, học tập của sinh viên nên nhu cầu thực tế là nhiều người sử dụng một máy, nếu làm phần mềm riêng trên máy tính cá nhân sẽ gây bất tiện cho mục đích ban đầu đề ra Vậy nên, nhóm đã quyết định chọn một máy tính nhúng để thực hiện công việc trên và nó cũng có thể sử dụng giao diện điều khiển có thể lập trình để tạo ra những giao diện người dùng chuyên nghiệp.

 Lấy dữ liệu từ file Acode

Ta có thể thấy những phần trước đã đề cập đến quá trình biên dịch Acode từ phần mềm xuất file Vậy công việc đầu là phần mềm điều khiển người dùng phải lấy được file Acode.

Có khá nhiều cách để lấy dữ liệu như: Truyền dữ liệu trực tiếp từ máy tính cá nhân bằng một đường truyền, sử dụng Host để truyền dữ liệu, lấy dữ liệu bằng thẻ nhớ, USB,… Thì trong các phương thức trên, trong quá trình nghiên cứu và phát triển nhóm đã chọn phương thức lấy dữ liệu bằng thẻ nhớ vì 2 nguyên nhân Thứ nhất, lưu trữ bằng thẻ nhớ sẽ giúp người dùng có thể thoải mái vận chuyển dữ liệu đi nhiều nơi, độ tin cậy của gói tin sẽ cao hơn thay vì truyền bằng cổng kết nối Thứ hai, đối với việc phay mạch nhiều lần thì người dùng chỉ cần thao tác lại trên màn hình điều khiển mà không cần nạp lại chương trình Điều này cũng giúp người dùng tiết kiệm khá nhiều thời gian và hạn chế việc tác động trực tiếp vào chương trình chính có thể dẫn đến lỗi chương trình do người dùng.

Sau khi chọn phương pháp thì bước tiếp theo chúng ta cần phải làm đó là thực hiện nó như thế nào Phần mềm giao diện điều khiển được chạy trên máy tính nhúng Raspberry có hỗ trợ ngôn ngữ lập trình Python Vậy nên nhóm có thể sử dụng kiến trúc Framework_ADL của nhóm để phát triển phần mềm giao diện người dùng Và trên kiến trúc Framework này thì việc lấy dữ liệu từ thẻ nhớ sẽ được xem như một service trong kiến trúc, ta chỉ cần viết một service thì có thể tách lấy dữ liệu Service mà nhóm phát triển để làm việc này là Service_getDisk Service_getDisk là service được nhóm tạo ra không chỉ lấy dữ liệu từ thẻ nhớ mà nó có thể biết được một số trạng thái của thẻ nhớ để đảm bảo thẻ nhớ còn hoạt động tốt nhằm tránh xảy ra lỗi trong quá trình vận hành máy.

 Quá trình biên dịch file Acode

Các phần trước đã đề cập đến quá trình biên dịch file Acode để thành lệnh điều khiển trên firmware Khi quá trình biên dịch diễn ra thì file Acode đóng vai trò quan trọng nhất để biên dịch nhưng nó cần phải có một vài dữ liệu đi kèm thì mới có thể vận hành máy tốt được, vì file Acode được xuất ra trong môi trường lý tưởng xử lí ảnh Thực chất khi vận hành máy CNC cần thêm một vài thông tin bên ngoài như: Vị trí phay, Bản đồ bề mặt phay, vị trí mũi khoan,… để biên dịch ra chương trình có thể chạy đúng với môi trường thực tế nhất có thể.

Và khi biên dịch thì các đoạn lệnh của file Acode như move, move_drill,… có thể trở thành hàm hoặc câu lệnh trong Firmware phần cứng như: move_xy_cnc, move_z_cnc, move_xyz, sethome,…

Lưu đồ giải thuật kết xuất chương trình vận hành máy:

Hình 6.12: Lưu đồ giải thuật kết xuất chương trình vận hành máy

Lưu đồ trên thể hiện rõ hơn quy trình kết xuất một file chương trình vận hành máy(Biên dịch Acode) như đã đề cập ở phần trên Bước đầu trong quá trình ta sẽ lấy dữ liệu leveling map để kết xuất mặt phẳng tọa độ z sát với thực tế Bước tiếp theo sẽ lấy thêm các giá trị người dùng thiết lập cùng với dữ liệu từ file Acode, hệ thống sẽ kết xuất ra file chứa các lệnh mà firmware phần cứng có thể vận hành được.

 Phương pháp lấy chiều cao mũi khoan

Thực chất trong file Acode là file biểu diễn quỹ đạo đường file theo chiều x, y Vậy nên, để có thể gia công được mạch thì chúng ta cần lấy thêm một thông số vị trí mũi khoan để biên dịch chương trình có thể chạy được mạch thực tế Phương pháp cho vấn đề mà nhóm phát triển được gọi leveling Quá trình leveling sẽ diễn ra sau khi máy được trở về trạng thái ban đầu (sethome), khi đó mũi dao sẽ đi chậm xuống đến khi chạm mạch thì hệ thống sẽ bắt tín hiệu thông qua cảm biến leveling để dừng dao và lưu kết quả vị trí z làm thông số cho vị trí dao khi phay mạch.

 Phương pháp lấy bản đồ bề mặt

Trong quá trình phay mạch thì việc xác định được vị trí dao so với mặt phay là chưa đủ vì trong thực tế bề mặt mạch phay không phải là mặt phẳng tuyệt đối, do quá trình gá mạch lên bàn phay chưa chuẩn dẫn đến sự sai lệch độ cao bề mặt ở các vị trí Điều này sẽ dẫn đến đường phay mạch sẽ không đều, đôi khi dao phay còn cắt đứt phần mạch vì sai số độ cao bề mặt quá lớn Và việc gá mạch sao cho chuẩn cũng là một vấn đề khó khăn với người dùng nên ta không thể sử dụng cách này để khắc phục Vậy nên ta sử dụng phương pháp này để lấy dữ liệu bề mặt thực tế biên dịch chương trình chạy file sát với thực tế nhất Và sau một quá trình nghiên cứu thì nhóm đã phát triển một giải thuật lấy bề mặt thông qua 66 điểm leveling trên bề mặt phíp đồng phân bố theo ma trận 6x11.

Giải thuật được thiết kế dựa trên nguyên lý toán học, đó là tìm mặt phẳng thông qua

3 điểm bất kì Vậy nên trong tập hợp 6x11 điểm ta sẽ tạo thành các mặt phẳng để từ có thể tìm thông số z cho từ vị trí trên bề mặt.

Hình 6.13: Mô phỏng chênh lệch độ cao z của bề mặt phíp đồng

Lưu đồ giải thuật leveling map:

Hình 6.14: Lưu đồ giải thuật chạy giải thuật leveling map

Phần trên ta đã hiểu rõ được cách hoạt động của giải thuật leveling map Và với lưu đồ trên sẽ giúp ta hiểu rõ hơn cách giải thuật leveling map hoạt động thực tế trong hệ thống.Đầu tiên hệ thống sẽ lấy dữ liệu đầu vào bằng cách thực hiện tập hợp quá trình leveling cho các điểm đã được thiết lập trong kiến trúc (Vd: 6x11) Sau đó các dữ liệu đầu vào theo kiến trúc đã thiết lập sẽ tạo ra một tập hợp các phương trình mặt phẳng theo cách nhóm 3 điểm thành một mặt phẳng Theo như lý thuyết thì đến quá trình này ta có thể lấy dữ liệu z thông qua dữ liệu x, y cho trước nhưng thực chất hệ thống vẫn còn tồn tại một lỗi, đó là không thể xác định dữ liệu x, y thuộc mặt phẳng nào trong tập hợp các phương trình mặt phẳng Vậy nên bước tiếp theo trong quá trình, hệ thống sẽ tạo ra một hàm dựa trên dữ liệu đầu vào leveling map, có chức năng đưa ra phương trình mặt phẳng phù hợp nhất với dữ liệu x, y trong tập hợp các phương trình mặt phẳng đã tạo Từ đó, hệ thống có thể đưa ra giá trị z chính xác Khi tất cả quá trình trên hoàn tất thì chúng ta sẽ có một đối tượng có thể đưa ra giá trị z từ các giá trị x, y cho trước thuộc mặt phẳng leveling map.

 Phương pháp truyền dữ liệu từ phần mềm và firmware

Sau khi chương trình biên dịch thành công thì việc quan trọng nhất chính là truyền dữ liệu về firmware để thực hiện lệnh Nhưng hầu như các đường truyền từ phần cứng và phần mềm là bất đồng bộ thế nên nếu chúng ta truyền theo cách truyền thống sẽ rất dễ làm xung đột đường truyền Để khắc phục sự xung đột, mất dữ liệu đường truyền thì nhóm đã phát triển một cấu trúc truyền dữ liệu theo dạng file với triết lí là truyền không nhanh, nhưng phải đủ Và cấu trúc sẽ trình bày theo hình bên dưới.

Hình 6.15: Sơ đồ khối quá trình truyền nhận file

KẾT QUẢ, ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT

Giới thiệu

Chương này trình bày về kết quả của quá trình nghiên cứu và thực hiện đề tài trong thời gian 16 tuần qua bao gồm: Máy gia công mạch PCB hoàn chỉnh, phần mềm xuất file trên máy tính và phần mềm điều khiển trên máy gia công mạch PCB Sau khi vận hành thu được mạch PCB đã được gia công và có thể sử dụng được Cuối cùng là phần nhận xét và đánh giá sản phẩm.

Kết quả đạt được

- Có thêm nhiều kiến thức về quá trình làm ra một sản phẩm từ khâu nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và kiểm thử một sản phẩm.

- Sử dụng thành thạo các phần mềm thiết kế 2D, 3D và các dụng cụ cơ khí phục vụ cho việc thiết kế máy.

- Có thêm kinh nghiệm gia công một số chi tiết máy cơ bản.

- Biết cách tính toán cơ khí cho các chi tiết máy được sử dụng và lựa chọn thông số phù hợp để đảm bảo các chi tiết hoạt động ổn định.

- Có nhiều kiến thức hơn trong việc sử dụng các phần mềm thiết kế mạch như Altium, Proteus để thiết kế mạch nguyên lý và mạch PCB.

- Nâng cao khả năng thi công mạch (hàn linh kiện, kiểm tra tính ổn định của mạch sao khi hàn linh kiện, kiểm thử bo mạch).

Về phần mềm lập trình:

- Nâng cao khả năng lập trình với máy tính nhúng Raspberry, các dòng vi điều khiển như STM32, Arduino.

- Sử dụng thành thạo các chức năng cơ bản của hệ điều hành Linux.

- Hiểu rõ nguyên lý hoạt của các chuẩn truyền dữ liệu UART, I2C và SPI.

- Có kiến thức về quy trình phát triển một phần mềm nhúng.

- Xây dựng được quy trình phát triển phần mềm và quy trình phát triển phần cứng giúp cho cả hai có sự liên kết chặt chẽ, xử lý nhanh chóng và tối ưu cho máy gia công mạch PCB tự động.

- Phát triển thành công phần mềm xử lí file mạch PCB từ dạng file PDF.

- Phát triển thành công phần mềm điều khiển có giao diện người dùng gắn trên máy gia công mạch PCB.

Kết quả thực nghiệm

7.3.1 Thiết kế và thi công máy CNC PCB tự động

Hình 7.1: Máy gia công mạch PCB tự động

Hình 7.2: Mặt trước máy gia công mạch PCB tự động

Hình 7.3: Mặt sau máy gia công mạch PCB tự động

Hình 7.4: Mặt bên trái của máy gia công mạch PCB tự động

Hình 7.5: Mặt bên phải của máy gia công mạch PCB tự động

Hình 7.6: Hệ thống thay dao trên máy gia công mạch PCB tự động

7.3.2 Thiết kế và thi công mạch PCB

Hình 7.7: Module màn hình điều khiển

Hình 7.8: Module vi điều khiển trung tâm

Hình 7.9: Module driver điều khiển động cơ bước

Hình 7.10: Module điều khiển động cơ Hình 7.11: Module công tắc hành trình

Hình 7.13: Bo mạch chính sau khi kết nối toàn bộ module 7.3.3 Phần mềm xử lý file trên máy tính

Hình 7.14: Tab Menu của phần mềm xuất file Ở tab này phần mềm hỏi người dùng đã từng sử dụng máy gia công mạch ADL CNC hay chưa Nếu nhấn “Yes” thì phần mềm sẽ chuyển sang tab làm việc chính Nếu nhấn “No” thì sẽ chuyển qua tab có video hướng dẫn sử dụng.

Hình 7.15: Tab Video Tutorial App trên phần mềm xuất file Đây là giao diện tab chứa video hướng dẫn khi người dùng chưa từng sử dụng máy gia công mạch ADL CNC

Hình 7.16: Tab Select File App trên phần mềm xuất file Đây là giao diện chính của phần mềm, yêu cầu người sử dụng cung cấp 3 file PDF đó là file mạch in hoàn chỉnh - file chứa lỗ khoan của mạch - file chứa đường viền.

Hình 7.17: Tab Select Area App trên phần mềm xuất file

Sau khi chọn xong 3 file và nhấn “Next” ở tab Select File App, mạch PCB sẽ xuất hiện trên khu vực làm việc chính của tab này, người dùng có thể tinh chỉnh kích thước bao cho vừa với bo mạch Phía bên phải màn hình có hiển thị thông tin chế độ chia của động cơ bước (Set mode), hệ số tỉ lệ giữa kích thước thực của pixel trong file xử lí so với hệ số BLU tương ứng với chế độ chia bước của máy CNC (Set ps) Cuối cùng là kích thước của thước của bo mạch (Dài x Rộng)(mm) Khi hoàn thành xong nhấn Export Acode để tiến hành xuất file.

Hình 7.18: Tab Waiting Convert File App trên phần mềm xuất

Hình 7.19: Tab Save File Acode App trên phần mềm xuất file

Sau khi xử lí và chuyển sang file Acode thành công, phần mềm sẽ chuyển sang tab Save File Acode App Tab này có hai tùy chọn là “Preview” và “Save file” Nếu chọn “Preview” thì phần mềm sẽ chuyển sang tab mô phỏng quá trình phay mạch để người dùng có thể xem trước và đánh giá Sau khi xem xong quá trình mô phỏng, nếu người dùng muốn lưu lại file thì nhấn chọn “Save file” Phần “Preview” có thể bỏ qua không cần thực hiện ở tab này.

Hình 7.20: Tab End App trên phần mềm xuất file Đây là tab cuối cùng của quá trình xuất file Nếu người dùng muốn tiếp tục xuất file thì nhấn vào nút “Home” để quay lại tab Menu App và thực hiện lại các bước như ban đầu,nếu không muốn xuất file nữa thì nhấn nút “Exit”.

7.3.4 Giao diện điều khiển trên máy CNC

Hình 7.21: Màn hình chính của phần mềm điều khiển Đây là giao diện màn hình chính của phần mềm điều khiển được chia làm hai khu vực hoạt động chính Khu vực giữa màn hình bao gồm 4 nút chức năng chính là: File CNC, Setting, Info và Leveling Khu vực hoạt động thứ hai ở góc dưới là thông tin hoạt động của máy: Biểu tượng thể thể hiện thông tin về xung PWM cấp cho động cơ trục chính Biểu tượng thể hiện thụng tin về thời gian di chuyển giữa hai bước xung (às) Biểu tượng thể hiện thông tin về chế độ chia bước của động cơ bước Biểu tượng lần lượt thể hiện thông tin về tọa độ của 3 trục x, y, z Các thông tin của khu vực hoạt động thứ hai cũng xuất hiện ở một số tab khác trong phần mềm.

Hình 7.22: Tab Select file Hình 7.23: Tab Select mode

Khi nhấn và nút “File CNC” phần mềm sẽ chuyển đến tab Select file (Hình 7.22) Ở tab này, Các file Acode chứa trong thẻ nhớ hoặc USB sẽ xuất hiện trên khu vực làm việc chính theo dạng danh sách, người dùng cần chọn đúng file Acode được xuất từ phần mềm xuất file trên máy tính theo quy trình như đã trình bày ở mục (7.3.3) Sau đó nhấn “Select file” để chuyển qua tab Select Mode (Hình 7.23) File Acode được chọn sẽ được xử lý và phân thành 5 quy trình chạy máy như ở tab Select mode, người dùng có thể tự do lựa chọn quy trình cần chạy và loại bỏ quy trình không cần thiết cách tick chọn vào ô trống đầu mỗi quy trình Sau khi đã lựa chọn xong các quy trình cần chạy, nhấn “Next” để chuyển qua tiếp theo là Select Area (Hình 7.24).

Hình 7.24: Tab Select Area Hình 7.25: Tab Run File Ở tab Select Area sẽ xuất hiện một khung có màu cam, và một khung có màu xanh lá. Khung màu cam thể hiện kích thước tối đa của mạch PCB có thể gia công được còn mạch màu xanh là để thể hiện cho kích thước mạch phay của người dùng đưa vào so với không gia hoạt động Tab này có chức năng giúp người dùng có thể tùy chọn vị trí gia công mạch theo khu vực mà mình mong muốn Sau khi xác định được vị trí thì nhấn nút “Run” để chạy chương trình, quá trình chạy máy sẽ được thể hiện ở tab Run File (Hình 7.25).

Khi nhấn nút “Setting”, phần mềm sẽ chuyển đến tab Setting, tab này liệt kê một số thao tác sử dụng khi vận hành máy như: Set home, Disable stepper, Move và Unit control.

Khi nhấn nút “Set home”, máy sẽ di chuyển bàn máy về vị trí ban đầu của nó dựa vào các công tắt giới hạn hành trình để khởi tạo tọa độ X, Y, Z của máy về lại giá trị ban đầu Nút

“Disable stepper” có chức năng ngắt kết nối động cơ bước, để người dùng có thể di chuyển bàn máy sang vị trí khác.

Hình 7.26: Tab Setting Hình 7.27: Tab Move Hình 7.28: Tab Unit control

Khi nhấn vào nút “Move”, phần mềm sẽ chuyển sang tab Move(Hình 7.27) Ở tab này, người dùng có thể điều khiển các trục X, Y, Z một cách thủ công để di chuyển bàn máy và cụm trục chính đến vị trí mong muốn Cuối cùng là nút ”Unit control”, khi nhấn nút này phần mềm sẽ chuyển sang tab Unit control Đây là một tab khá quan trọng giúp người dùng hiệu chỉnh một số thông số máy cần thiết Thông thường các thông số sẽ có một giá trị mặc định được nhóm thực nghiệm trong thời gian phát triển sản phẩm và cho ra bộ thông số tốt nhất để máy hoạt động ổn định, người dùng không cần phải hiệu chỉnh lại thông số Các thao tác mà họ có thể thường xuyên sử dụng ở tab này là “Disable stepper” và “Enable stepper”.

 Nút info: Khi nhấn nút “Info”, giao diện sẽ chuyển sang tab Information để hiển thị một số thông tin về máy gia công mạch PCB.

 Nút Leveling: Khi nhấn nút “Leveling”, máy sẽ tiến hành quá trình Leveling để xác định tọa độ trục Z ở các vị trí như đã trình bày ở mục (6.4.2.1).

7.3.5 Sản phẩm sau khi gia công

Nhận xét, đánh giá

Về máy gia công mạch PCB:

- Máy được hoàn thiện chắc chắn, đáp ứng được nhu cầu sử dụng trong thời gian dài.

- Thiết kế và hoàn thiện tốt, đạt yêu cầu đề ra.

- Thiết kế phần tủ điện nhỏ gọn, tối ưu về không gian, đồng thời giúp di chuyển máy một cách dễ dàng.

- Hệ thống thay dao nhỏ gọn, khả năng thao dao linh hoạt và hiệu quả cao.

- Máy di chuyển khá êm ái và ổn định.

- Mạch điều khiển hoạt động khá ổn, đáp ứng yêu cầu đề ra.

- Thiết kế mạch dạng module giúp cho quá trình kiểm thử và sửa lỗi một cách dễ dàng, nhanh chóng.

- Phần đi dây chưa thật sự đẹp mắt.

Về phần mềm điều khiển:

- Thành công phát triển một phần mềm điều khiển với cấu trúc chặt chẽ, có hệ thống và có thể tái sử dụng phần lớn dữ liệu.

- Phần mềm được thiết kế đơn giản và hiệu quả, đáp ứng được yêu cầu đề ra.

- Các chức năng được thiết kế riêng cho máy gia công mạch giúp tối ưu hơn.

- Giao diện điều khiển thân thiện, dễ dàng sử dụng.

- Phần mềm điều khiển tối ưu, giúp máy hoạt động ổn định.

Sau quá trình vận hành thử nghiệm hệ thống, nhóm có những đánh giá sau: Máy hoạt động ổn định, mượt mà Phần mềm điều khiển được phát triển có hệ thống và tối ưu, giao diện điều khiển người dùng đơn giản, thân thiện với người sử dụng và hiệu quả cao, mạch gia công cho ra có thể sử dụng được.