GIỚI THIỆU
Tính cấp thiết của đề tài
Ngành công nghiệp bán dẫn đang phát triển mạnh mẽ trong kỷ nguyên hiện đại, với hầu hết các sản phẩm công nghệ thông minh đều tích hợp linh kiện điện tử Các linh kiện này được thiết kế và kết nối trên bảng mạch in (PCB), ngày càng nhỏ gọn và tích hợp nhiều chức năng hơn Việc làm mạch in thủ công tại nhà trở nên đơn giản với phương pháp ủi, cùng với các phương pháp khác như in lụa, in UV, khắc axit và phim cảm quang Tuy nhiên, những phương pháp này thường chỉ áp dụng cho quy mô nhỏ và khi cần thiết kế bo mạch không có sẵn Làm mạch in thủ công là nhu cầu thiết yếu cho sinh viên ngành điện tử và những người đam mê nghiên cứu về mạch điện tử.
Các phương pháp tạo ra mạch PCB thủ công thường trải qua nhiều giai đoạn như thiết kế mạch in, ủi mực, rửa hóa chất, vệ sinh và khoan lỗ cắm linh kiện Quy trình này tốn nhiều thời gian và sử dụng các hóa chất như FeCl3, muối ăn mòn, xăng thơm và axeton, có thể gây ra rủi ro cho sức khỏe và môi trường Trong khi nhu cầu nghiên cứu về máy gia công mạch PCB trong giáo dục đang tăng cao, giá thành của các máy gia công thương mại hiện có trên thị trường lại khá cao, gây khó khăn cho học sinh và sinh viên trong việc tiếp cận.
Nhóm nghiên cứu đã xác định cần thiết phải chế tạo máy gia công mạch PCB với chi phí thấp, dễ sử dụng, hoạt động chính xác và hiệu quả cao Máy cần phải thân thiện và an toàn với môi trường cũng như người sử dụng Đặc biệt, nhóm cũng xem xét các cải tiến như chức năng thay dao tự động và phủ keo UV cho mạch, nhằm nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm Do đó, nhóm quyết định chọn đề tài “Nghiên Cứu, Thiết Kế Máy Gia Công Mạch PCB”.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển sản phẩm "Kế và Chế Tạo Máy Gia Công Mạch PCB Tự Động" với mong muốn nâng cao chất lượng giảng dạy, nghiên cứu và học tập tại các cơ sở giáo dục Sản phẩm này hứa hẹn sẽ hỗ trợ hiệu quả trong việc đào tạo và phát triển kỹ năng cho sinh viên và giảng viên.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Một chiếc máy gia công mạch PCB tự động, với giá thành phải chăng, tính linh hoạt cao và kích thước nhỏ gọn, đã trở thành công cụ hữu ích cho sinh viên trong nghiên cứu, học tập và sáng tạo.
- 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 n
Việc loại bỏ các chất hóa học trong quá trình sản xuất mạch PCB không chỉ giúp bảo vệ môi trường mà còn đảm bảo sức khỏe cho người sử dụng.
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 kiến thức hiện có về máy CNC, đặc biệt là máy phay mạch PCB, bài viết sẽ tổng hợp và đánh giá các phương án phù hợp với đề tài nghiên cứu.
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
Trong đề tài này, chúng tôi sẽ áp dụng các kiến thức từ các môn chuyên ngành như Cơ kỹ thuật, Nguyên lý chi tiết máy, Vi xử lý và Hệ thống điều khiển Servo để thực hiện các công việc tính toán, kiểm nghiệm, thiết kế và điều khiển.
Giới hạn đề tài
Mô hình máy gia công mạch PCB dựa trên nền tảng máy CNC là một sản phẩm phức tạp, đòi hỏi sự kết hợp giữa cơ khí, điện tử và lập trình Để phù hợp với các hạn chế về thời gian và kinh phí, nhóm đã xác định các thông số và chức năng của máy một cách cụ thể.
- 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 nêu rõ tính cấp thiết và ý nghĩa khoa học cũng như thực tiễn của đề tài nghiên cứu, đồng thời xác định đối tượng và phạm vi nghiên cứu Ngoài ra, chương cũng trình bày phương pháp nghiên cứu, các giới hạn của đề tài và bố cục tổng thể của nghiên cứu.
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này cung cấp cái nhìn tổng quát về đặc điểm, cấu trúc và nguyên lý hoạt động của máy phay CNC Nó cũng giới thiệu hệ thống thay dao trên máy phay CNC và một số cơ cấu thay dao tự động hiện đại Cuối cùng, chương trình bày các nghiên cứu liên quan trong và ngoài nước về chủ đề này.
- Chương 3: Phương án thiết kế và bố trí chức năng
Chương này giới thiệu các phương án bố trí ba trục trên máy, bao gồm lựa chọn trục dẫn động và trục dẫn hướng Ngoài ra, bài viết cũng đề cập đến thiết kế hệ thống thay dao tự động và các phương án chọn động cơ cho các trục X, Y, Z.
- Chương 4: Tính toán và thiết kế cơ khí
Chương này mô tả quy trình tính toán, lựa chọn và kiểm nghiệm độ bền cho trục vitme, động cơ và ổ lăn, dựa trên các phương án đã được trình bày trong 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 cung cấp cái nhìn tổng quan về các khái niệm và phương pháp thiết kế phần mềm xuất file trên máy tính cũng như phần mềm điều khiển trên máy Cuối cùng, chương sẽ trình bày các lưu đồ giải thuật của hệ thống, giúp người đọc hiểu rõ hơn về cấu trúc và quy trình hoạt động của phần mềm.
- Chương 7: Kết quả, đánh giá và nhận xét
Chương này giới thiệu kết quả chế tạo các thành phần cơ khí, điện và phần mềm thông qua hình ảnh thực tế, đồng thời đưa ra nhận xét và đánh giá tổng quát 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 n
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về máy cnc
Máy CNC là thiết bị phổ biến trong gia công cơ khí, hoạt động dựa trên lập trình và điều khiển bằng máy tính Các bộ phận của máy thực hiện theo chuỗi sự kiện do người dùng lập trình nhằm tạo ra sản phẩm đạt tiêu chuẩn kỹ thuật yêu cầu.
Sự xuất hiện của máy CNC đã cách mạng hóa ngành sản xuất công nghiệp, cho phép gia công các chi tiết phức tạp 3D và 5D một cách dễ dàng Điều này không chỉ rút ngắn thời gian sản xuất mà còn nâng cao độ chính xác và thẩm mỹ của sản phẩm Hơn nữa, sự hỗ trợ của máy tính đã giảm thiểu tương tác trực tiếp giữa con người và máy móc, tối ưu hóa quy trình sản xuất.
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
Máy phay CNC đang ngày càng phổ biến trong gia công chi tiết máy và sản phẩm công nghiệp Sự phát triển của công nghệ CNC đã dẫn đến việc tự động hóa hoàn toàn quá trình phay, giúp tiết kiệm thời gian, giảm chi phí sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm một cách đáng kể.
Máy phay CNC có chức năng chính là phay, khoan, doa, taro và xác định khoảng cách giữa các điểm với độ chính xác cao Dao cắt của máy có khả năng di chuyển theo nhiều hình dạng khác nhau như đường thẳng, đường tròn và đường lượn sóng trong không gian hai và ba chiều Đặc biệt, máy phay CNC có thể gia công nhiều chi tiết máy khác nhau trong cùng một lần gá phôi mà vẫn đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Máy phay CNC mang lại nhiều lợi ích vượt trội, bao gồm tốc độ phay nhanh chóng, giúp tăng hiệu quả sản xuất đáng kể Thiết bị này có khả năng cắt đa dạng vật liệu với các đường nét phức tạp một cách chính xác và dễ dàng Hơn nữa, máy có thể hoạt động liên tục và gia công hàng loạt, từ đó nâng cao năng suất làm việc Cuối cùng, với khả năng vận hành tự động hoàn toàn, máy phay CNC giúp các công ty tiết kiệm chi phí thuê nhân công.
Máy phay CNC được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như gia công khuôn đúc, chi tiết máy, sản xuất phụ tùng, thiết bị y tế, đồ gia dụng và 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 là bộ phận chính định hình hình dáng và đảm bảo sự ổn định, chắc chắn cho máy Nó chịu toàn bộ lực cắt, đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất hoạt động của máy.
- Các trục dẫn động (Axes): Đối với máy phay thông thường sẽ có 3 trục di chuyển theo
Máy phay CNC có ba hướng cơ bản là X, Y và Z Để gia công các chi tiết phức tạp hơn, máy còn được trang bị thêm các tùy biến với 4, 5 hoặc thậm chí 6 trục.
Trục chính (Spindle) là bộ phận quan trọng trong máy, dùng để gắn dao và tạo ra chuyển động quay cho dao Tùy thuộc vào từng loại máy, trục chính có thể được lắp đặt theo vị trí nằm ngang hoặc nằm dọc.
Giá đỡ dao là bộ phận quan trọng trong quá trình gia công, dùng để chứa và gắn các loại dao vào trục chính Có nhiều kiểu dáng giá đỡ dao, nhưng điều quan trọng là phải đảm bảo dao được lắp chặt để tránh rung lắc, từ đó giảm thiểu sai số trong gia công chi tiết.
Bộ thay dao tự động (ATC) là thiết bị giúp tháo lắp dao từ trục chính và thay thế bằng dao khác một cách nhanh chóng và chính xác Quá trình thay dao được lập trình trước bởi người điều khiển trên máy tính, đảm bảo hiệu quả trong sản xuất.
Bàn máy là thiết bị quan trọng trong quá trình gia công, dùng để kẹp phôi và cố định các chi tiết Nó cũng có thể được sử dụng để gắn đồ gá hoặc dụng cụ cố định, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong gia công 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 đóng vai trò quan trọng trong quá trình gia công, khi mà sự ma sát giữa các công cụ và chi tiết tạo ra nhiệt lượng lớn, gây hao mòn dao và ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Để khắc phục vấn đề này, hệ thống làm mát cung cấp nước làm mát chuyên dụng, giúp duy trì nhiệt độ ổn định cho bề mặt gia công.
Bảng điều khiển là thành phần thiết yếu trong máy phay CNC, đóng vai trò như 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 n
- 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: Nạp file G-code vào máy CNC, đồng thời gắn tất cả các loại dao và mũi khoan cần thiết lên giá đỡ dao theo thứ tự đã được lập trình.
Tổng quan về hệ thống thay dao tự động
Hệ thống thay dao tự động trong máy CNC là một phần thiết yếu giúp thay đổi các đầu dao trong quá trình gia công Hệ thống này rất quan trọng cho các máy CNC tự động, vì để gia công một chi tiết hoàn chỉnh, cần nhiều loại dao khác nhau Việc sử dụng hệ thống này không chỉ đảm bảo vận hành mượt mà và chính xác mà còn tiết kiệm thời gian, mang lại hiệu quả tối ưu trong quá trình sản xuất.
Hệ thống thay dao tự động giúp tiết kiệm thời gian trong quá trình gia công chi tiết, đảm bảo tốc độ thay dao ổn định và chính xác Điều này giảm thiểu tối đa sự nhầm lẫn so với phương pháp thay dao thủ công.
Hiện nay, nhiều hệ thống thay dao tự động trong công nghiệp có cấu tạo khác nhau nhưng chung một nguyên lý hoạt động Để hệ thống này hoạt động hiệu quả, cần có các bộ phận chính như spindle, ổ chứa dao, dao và 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 máy khắc đa quy trình bao gồm nhiều spindle được gắn với một xilanh và sắp xếp song song theo phương trục Z Mỗi spindle được trang bị một mũi dao khác nhau, thường từ 2 đến 4 đầu spindle cho mỗi máy.
Trong quá trình gia công, chương trình điều khiển xác định mũi dao cần sử dụng, sau đó xilanh sẽ đẩy cụm trục chính với đầu spindle chứa mũi dao xuống để tiếp tục gia công Đồng thời, đầu spindle trước đó sẽ được xilanh kéo lên vị trí ban đầu để chuẩn bị cho chu trình tiếp theo.
- 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
Cấu tạo phức tạp và cồng kềnh của máy móc dẫn đến chi phí chế tạo cao, đồng thời thời gian thay đổi dao cũng lâu hơn, đặc biệt là với những máy có đài dao cố định so với đầu spindle.
Cơ cấu thay dao tự động với một đầu spindle bao gồm ba dạng chính: dạng ổ chứa dao kết hợp 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 của hệ thống điều khiển dụng cụ bắt đầu khi chương trình yêu cầu một dụng cụ mới Hệ thống sẽ quay ổ chứa dao và đưa dao vào vị trí thay dao, đồng thời điều khiển trục chính sẵn sàng thay dao Tay kẹp dụng cụ kép sẽ xoay 90° để kẹp dao trên ổ chứa và trục chính, sau đó nhả dao bị kẹp Tiếp theo, tay kẹp hạ thấp và quay 180° để đổi vị trí hai dao, di chuyển lên theo trục Z để đưa dao vào ổ chứa và ổ trục chính Cuối cùng, sau khi kẹp dao thành công, tay kẹp sẽ nhả dao và quay lại vị trí ban đầu.
Dạng ổ chứa dao tự hành
Hình 2.3: Dạng ổ chứa dao tự hành
Nguyên lý hoạt động của hệ thống thay dao tự động bắt đầu khi chương trình điều khiển yêu cầu một dao mới Hệ thống sẽ điều khiển cụm trục chính di chuyển đến vị trí thay dao, trong khi ổ chứa dao cũng tiến vào để kẹp dao cần thay Sau đó, trục chính sẽ tháo lỏng hệ thống kẹp dao và di chuyển lên để hoàn toàn thoát khỏi dao.
Sau khi ổ chứa dao quay, dao cần thay thế được đưa vào vị trí trục chính Trục chính hạ xuống để kẹp chặt dao và sau đó nhấc lên, chuẩn bị cho quá trình gia công tiếp theo, trong khi ổ chứa dao 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 của hệ thống điều khiển dao cho máy gia công là khi chương trình yêu cầu một dao mới, cụm trục chính sẽ di chuyển về vị trí dao cũ, hạ xuống để đưa dao vào ổ chứa, nhả dao và thoát khỏi dao Sau đó, cụm trục chính sẽ di chuyển đến vị trí của dao mới, hạ xuống, kẹp chặt dao và nâng lên để 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 n
Với sự phát triển của thời đại 4.0, ngành công nghiệp sản xuất mạch PCB đang ngày càng bùng nổ do nhu cầu sử dụng thiết bị điện tử tăng cao Nhiều quốc gia phát triển đã tiến hành nghiên cứu và thiết kế các máy móc, dây chuyền sản xuất mạch PCB tự động với độ chính xác và thẩm mỹ cao, nhằm đáp ứng yêu cầu khắt khe của khách hàng Tuy nhiên, chi phí cho các mô hình máy này thường rất cao, tạo ra rào cản cho học sinh, sinh viên trong việc tiếp cận, học tập và nghiên cứu trong lĩnh vực này.
2.3.2 Các nghiên cứu trong nước
Nhiều đồ án tốt nghiệp và nghiên cứu khoa học tại các trường đại học Việt Nam đã tập trung vào máy CNC phay mạch PCB, thường sử dụng phần mềm mã nguồn mở như GRBL, Aspire và Mach 3 Tuy nhiên, việc vận hành máy trên các phần mềm này gặp khó khăn do yêu cầu sự tương thích giữa phần cứng và mã nguồn mở; nếu không tương thích, máy sẽ không hoạt động Hơn nữa, các nghiên cứu hiện tại chưa cung cấp cái nhìn sâu sắc về quy trình vận hành, tổ chức và xử lý dữ liệu, cũng như các thuật toán điều khiển máy Do đó, nhóm nghiên cứu quyết định thiết kế một mô hình mới, không dựa vào mã nguồn mở có sẵn, mà tự xây dựng mã lệnh và phát triển phần mềm để chuyển đổi mã lệnh cho máy hoạt động hiệu quả.
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 n
Hình 2.7:Quá trình tạo mã lệnh cho máy gia công mạch PCB sử dụng kết hợp Adruino mã nguồn mở GRBL n
PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ VÀ BỐ TRÍ CHỨC NĂNG
Giới thiệu
Để thiết kế một máy gia công mạch PCB hoàn chỉnh và tối ưu, cần hiểu rõ mục tiêu đề ra và nghiên cứu các phương án thiết kế cụ thể Bài viết này sẽ trình bày về bố trí các trục X, Y, Z, lựa chọn trục dẫn động và trục dẫn hướng, cũng như thiết kế hệ thống thay dao và chọn động cơ cho các trục này.
Yêu cầu kỹ thuật
Mạch PCB có kích thước nhỏ và lớp đồng mỏng trên lớp cách điện, vì vậy cần thiết kế cụm trục chính (trục Z) với độ chính xác cao để hạn chế rung lắc và sai số Do kích thước máy nhỏ, hệ thống thay dao cần có cấu tạo gọn nhẹ và đơn giản để thuận tiện cho quá trình thiết kế và chế tạo Thêm vào đó, để phát triển các module linh hoạt cho gia công mạch, như hệ thống phủ keo UV, cần bố trí các trục dẫn động một cách 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 máy (X×Y×Z) (220×235×50) mm Hành trình gia công trên mạch PCB (180×130×2) mm
Thời gian làm việc 5000 giờ
Bảng 3.1: Yêu cầu kỹ thuật n
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
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,
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 n
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
Để đảm bảo cụm trục chính di chuyển chính xác theo phương trục Z, cần hạn chế dịch chuyển theo nhiều hướng Để tối ưu việc gắn thêm các module, yêu cầu là module phải có khả năng di chuyển đến toàn bộ vị trí của bo mạch Vị trí tối ưu cho các module là gắn bên cạnh cụm trục chính Do đó, nhóm đã 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 n
+ 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: Để đảm bảo giá thành rẻ, hiệu quả và ổn định, máy gia công mạch PCB không yêu cầu trục truyền động tốc độ cao và độ chính xác quá cao Do đó, nhóm đã quyết định chọn phương án 1, sử dụng vitme thường làm trục truyền động cho các trục X, Y và 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 trên mặt phẳng n
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: Để đảm bảo máy hoạt động ổn định, chính xác và bền bỉ với giá thành hợp lý, nhóm đã chọn phương án 2 là sử dụng thanh trượt tròn làm trục dẫn hướng cho các trục X, Y, Z Điều này cũng giúp tối ưu chiều cao từ sàn cho đế bàn phay, trong khi các trục dẫn hướng không quá dài và mức chịu tải khá nhỏ.
3.3.4 Phương án thiết kế hệ thống thay dao
Máy gia công mạch PCB chỉ có một đầu trục chính, do đó cần loại bỏ các cơ cấu thay dao có nhiều đầu spindle độc lập Với thiết kế nhỏ gọn và tính di động cao, máy chỉ cần một số lượng ít mũi dao, nên việc lựa chọn cơ cấu thay dao đơn giản và dễ gia công là cần thiết Nhóm đã quyết định chọn cơ cấu thay dao với một đầu spindle kết hợp với ổ chứa dao thẳng hàng 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) n
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: Nhóm đã chọn động cơ bước cho các trục X, Y, Z do tiêu chí giá thành rẻ, khả năng điều khiển đơn giản và chính xác, cùng với độ ổn định vị trí khi dừng mà không yêu cầu tốc độ quá cao.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Giới thiệu
Trong chương 3, chúng ta đã xác định các phương án thiết kế thích hợp cho máy Để chọn được các thông số chi tiết máy phù hợp với yêu cầu kỹ thuật của đề tài, cần thực hiện các bước tính toán cụ thể.
Chương này sẽ mô tả quy trình chọn trục vitme cho các hệ trục X, Y, Z, đồng thời tính toán lựa chọn động cơ dựa trên momen xoắn cần thiết cho từng hệ trục Cuối cùng, sẽ có phần tính toán lựa chọn động cơ trục chính phục vụ cho 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
Các chi tiết và thiết kế của máy móc thường có kích thước nhỏ hơn so với các thiết bị công nghiệp, với các mũi khoan và chi tiết máy cũng được chế tạo nhỏ gọn Vì máy chủ yếu được sử dụng cho việc phay và cắt mạch PCB, nên lực cắt sinh ra là không đáng kể Do đó, trong phần tính toán, ta có thể bỏ qua lực cắt của dao.
Trong quá trình điều khiển động cơ bước, nhóm phát triển phần mềm và lập trình phần cứng đã thiết kế hệ thống chỉ cho phép động cơ hoạt động với chuyển động đều, do đó trong phần tính toán, gia tốc được xem là không có (a = 0 m/s²) Đặc biệt, chúng ta sẽ tiến hành tính toán cho trục X.
- Khối lượng tổng : mx = 1,53 kg => Wx = 15,3(N)
- 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:
F a mg f N (4.1) Khi chạy đều về bên phải:
Vì đã bỏ qua lực cắt của hệ thống nên lực dọc trục lớn nhất là: Famax = 3,06N n
Tính đường kính trung bình của trục vitme:
Khi chọn vitme, nên ưu tiên chất liệu thép không gỉ cho trục vitme và đai ốc bằng đồng thanh, có sẵn trên thị trường Đường kính trung bình của trục vitme (mm) có thể được tính theo công thức 8.10 [3] trang 308.
- Fa : Lực dọc trục vitme (N)
- 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 8 (MPa)
- 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: max 2
Vậy ta cần chọn trục vitme cho trục X có đường kính trong d2 ≥ 0,35mm b) Tính toán cho trục Y
- Hệ số ma sỏt bề mặt: à0,1
- Lực chống khụng tải: f àW y 0,1.47,5 4,75 N
Tính các lực dọc trục vitme:
Khi chạy đều về phía sau:
F a mg f N (4.5) Khi chạy đều về phía trước:
Vì đã bỏ qua lực cắt của hệ thống nên lực dọc trục lớn nhất là: Famax = 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: max 2
Vậy ta cần chọn trục vitme cho trục Y có đường kính trong d2 ≥ 0,61mm c) Tính toán cho trục Z
- Hệ số ma sỏt bề mặt: à0,1
- Lực chống khụng tải: f àW z 0,1.10 1 N
Tính các lực dọc trục vitme:
Khi chạy đều đi lên:
F a mg mg f N (4.8) Khi chạy đều đi xuống:
Vì đã bỏ qua lực cắt của hệ thống nên lực dọc trục lớn nhất là: Famax = 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: max 2
Để chọn trục vitme cho trục Z, cần đảm bảo đường kính trong d2 ≥ 0,69mm Việc đồng bộ đường kính trục vít giữa ba hệ trục X, Y, Z sẽ giúp dễ dàng trong tính toán, lựa chọn và thẩm mỹ, đồng thời đảm bảo sản phẩm có sẵn trên thị trường Do đó, ta nên chọn vitme có đường kính trung bình d2 ≥ 0,69mm Dựa vào bảng P2.4 [1] trang 251, ta sẽ lựa chọn trục vitme có đường kính ngoài phù hợp.
= 8mm với thông số trục vitme như sau:
- Đường kính trung bình d2 = 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 zh = 4 Khi đó, bước vít được tính theo công thức 8.2 [1] trang 163:
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:
(4.15) Vậy, cặp vít - ren này không có khả năng tự hãm
Từ đường kínhh trung bình d2 và hệ số chiều cao H ta tính được chiều cao của đai ốc:
Số vòng ren của đai ốc là: max
Vậy số vòng ren của đai ốc tính toán được đảm bảo sự phân bố đồng đều tải trọng dọc trục cho các vòng ren n
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:
+ Fa max = 12N: Lực dọc trục lớn nhất trong 3 hệ trục
+ d2 = 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), do đó ứng suất cho phép (lấy hệ số an toàn s = 3) là:
(4.23) Điều kiện bền thỏa vì td 1,8 MPa 68,3 MPa 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:
- i d 1 / 4: Là bán kính quán tính mặt cắt vít
- d 1 6(mm): Là đường kính trong của trục vít
- : Là hệ số chiều dài, tra bảng 8.3[3] trang 310, ta con chọn 1
- l z 130 mm : Là chiều dài vít trục z
- l y 498( mm ): Là chiều dài vít trục y
- l x 394(mm): 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 o th , do đó giá trị tải trọng tới hạn (Fath) được xác định theo công thức:
Trường hợp 1: 60 100 thì Fath 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:
F N (4.29) Đối với trường hợp 100thì Fath 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:
Vậy trục vitme của cả 3 hệ trục đều đảm bảo độ ổn định trong quá trình hoạt động.
Tính toán lựa chọn động cơ
4.3.1 Lựa chọn động cơ truyền động cho trục X, Y, Z
Hiệu suất của bộ truyền vít và đai ốc trong việc chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến được xác định theo công thức (8.6)[3] trang 307.
Hệ số K được sử dụng để tính toán sự tiêu hao công suất do ma sát trong ổ lăn và do bộ truyền cắt ren không chính xác, với giá trị K dao động từ 0,8 đến 0,95 Vì bộ truyền ren đai ốc là sản phẩm có sẵn trên thị trường và được gia công tốt, chúng ta chọn K = 0,9 cho tính toán.
- 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:
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
Do đã bỏ qua lực cắt dao như đã nêu trong mục (4.2.1), việc lựa chọn động cơ trục chính được thực hiện dựa trên các máy CNC mini có sẵn trên thị trường Tuy nhiên, điểm khác biệt giữa máy của nhóm và các máy CNC hiện có là cơ cấu thay dao tự động mà nhóm đã thiết kế, yêu cầu động cơ có momen lớn hơn để siết và tháo dao Vì vậy, nhóm quyết định áp dụng phương pháp thực nghiệm để lựa chọn động cơ trục chính.
Quá trình thực nghiệm bắt đầu bằng việc tham khảo các máy CNC mini trên thị trường, trong đó động cơ trục chính phổ biến nhất là động cơ DC RS775 Loại động cơ này không chỉ được ứng dụng trong máy CNC mini mà còn thường gặp trong các thiết bị cơ khí cầm tay như máy khoan mini, máy mài và máy bơm mini Do đó, nhóm đã quyết định lựa chọn động cơ RS775 cho dự án của mình.
Các loại động cơ CNC mini trên thị trường có nhiều biến thể về điện áp và tốc độ hoạt động Việc lựa chọn động cơ phù hợp là rất quan trọng, đặc biệt khi máy CNC có cơ cấu thay dao tự động, điều này phụ thuộc nhiều vào momen của động cơ Nhóm quyết định chọn động cơ có tốc độ cao để tạo ra momen lớn, phục vụ cho việc siết và nhả dao Động cơ này có sẵn trên thị trường với các thông số cần thiết.
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 được thực hiện dựa trên ba thông số chính: điện áp cấp, xung PWM cấp cho động cơ và thời gian quay của động cơ Mỗi lần thay đổi thông số, chúng tôi tiến hành thực nghiệm năm lần để đảm bảo độ chính xác Kết quả của các thử nghiệm này được trình bày trong bảng dưới đây.
Thực nghiệm siết dao cho 6 ổ dao: n
Số lần siết thành công
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 thành công
Bảng 4.2: Thực nghiệm khả năng nhả dao của động cơ trục chính
Sau khi thực nghiệm, chúng tôi đã lựa chọn bộ thông số tối ưu cho việc điều khiển động cơ trục chính nhằm phục vụ thay dao tự động Để siết dao, nhóm đã chọn bộ thông số ở trường hợp 5, đạt tỷ lệ siết thành công cao nhất và đảm bảo trạng thái siết vừa đủ, giúp dễ dàng trong việc nhả dao Đối với việc nhả dao, nhóm đã quyết định chọn bộ thông số điều khiển ở trường hợp 7, nơi có tỷ lệ thành công cao nhất theo kết quả thu được.
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
- Tải trọng tĩnh: Co = 1,37kN
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 YF k k (kN) (4.41) Trong đó:
- Fr: Tải trọng hướng tâm (kN)
- Fa: Tải trọng dọc trục, tra trong bảng 11.4 [1] trang 214 n
- X: Hệ số tải trọng hướng tâm, tra trong bảng 11.4 [1] trang 214
- Y: Hệ số tải trọng dọc trục, tra trong bảng 11.4 [1] trang 214
- kt: Hệ số kể đến ảnh hưởng của nhiệt độ
- kđ: 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:
- Fr = 0 (Tải trọng hướng tâm của trục vitme không đáng kể)
- Fa = 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)
⇒ 𝑄 = (𝑋𝐹 𝑟 + 𝑌𝐹 𝑎 )𝑘 𝑡 𝑘 𝑑 = (0 + 1.12) 1.1 = 12(𝑁) = 0,012(𝑘𝑁) (4.42) Khả năng tải động Cđ của ổ lăn được tính theo công thức 11.1 [1] trang 213:
- 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 Lh là tuổi thọ của ổ lăn tính bằng giờ, tra bảng 11.2 [1] trang 214:
Lh = (3…8)10 3 giờ đối với máy sử dụng không liên tục chọn Lh = 5000 giờ
Ta có công Lh 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:
- Xo = 0,6: Hệ số tải trọng hướng tâm, tra trong bảng 11.6 [1] trang 221
- Yo = 0,37: Hệ số tải trọng dọc trục, tra trong bảng 11.6 [1] trang 221
- Fr = 0: Tải trọng hướng tâm (N), tra trong bảng 11.4 [1] trang 215
- Fa = 12N: Tải trọng dọc trục
Tải trọng tĩnh dùng để kiểm nghiệm là tải trọng có giá trị lớn nhất, ta lấy
Qt = Qt2 = 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 n
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 giới thiệu cấu trúc hệ thống điện của máy gia công mạch PCB thông qua sơ đồ khối tổng quát Bài viết sẽ phân tích và lựa chọn linh kiện điện tử phù hợp, đồng thời trình bày sơ đồ nguyên lý mạch điện cho toàn bộ hệ thống.
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 cảm ứng cho phép người sử dụng dễ dàng quản lý máy móc trực tiếp trên màn hình, đồng thời hiển thị rõ ràng quá trình gia công mạch.
Raspberry đóng vai trò là Master, chịu trách nhiệm đọc dữ liệu từ USB chứa file gia công mạch PCB Sau đó, nó sẽ xử lý thông tin và truyền lệnh cho vi điều khiển.
- 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
- 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 hoạt động như một máy tính nhúng tích hợp màn hình cảm ứng, cho phép điều khiển máy độc lập mà không cần kết nối với máy tính Dữ liệu được xuất từ phần mềm xử lý file mạch PCB trên máy tính, sau đó được chuyển vào USB và kết nối với Raspberry Thông qua màn hình điều khiển, người dùng có thể lấy dữ liệu, thực hiện quy trình phân tách và gia công file dữ liệu, rồi truyền thông tin về cho STM32 để vận hành máy.
Hình 5.2: Máy tính nhúng Raspberry Pi Zero 2W n
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 màn hình điều khiển cho máy đã làm giảm số chân I/O của Raspberry, không đủ để quản lý toàn bộ các khối chức năng Hơn nữa, lượng dữ liệu xử lý trên Raspberry lớn và chi phí tương đối cao Do đó, nhóm đã quyết định tích hợp thêm một vi điều khiển STM32 làm Slave để nhận dữ liệu từ Raspberry và vận hành máy một cách hiệu quả.
Vi điều khiển STM32F103C8T6 có số chân điều khiển tối ưu cho việc kết nối các khối chức năng trong máy, với giá thành rẻ nhưng vẫn mạnh mẽ trong xử lý Việc sử dụng thêm vi điều khiển này giúp giảm tải công việc cho Raspberry, đồng thời đảm bảo an toàn cho hệ thống khi gặp sự cố, tránh hỏng hóc cho vi điều khiển chính.
Hình 5.3: 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
- 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, yêu cầu điện áp cho động cơ là 12 – 24 V và dòng điện tải là 1.6A/pha Driver StepStick DRV8825 hoàn toàn đáp ứng các yêu cầu này.
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 động cơ bước, có nhiều yếu tố gây nhiễu, dẫn đến tình trạng rung lắc khi động cơ ở trạng thái nghỉ và khi di chuyển Những nguyên nhân này bao gồm rung động khi quay động cơ trục chính, rung trong quá trình phay, và thiết kế mạch không tối ưu, gây ra nhiễu điện Để khắc phục vấn đề này, nhóm đã tích hợp một mạch khử rung cho động cơ bước, giúp giảm thiểu rung lắc và cải thiện hiệu suất hoạt động.
Việc loại bỏ các sóng tín hiệu không đồng đều giúp đạt được sóng tín hiệu tương đối ổn định Điều này đặc biệt hiệu quả đối với mạch driver DVR8825 mà nhóm đang áp 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
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 là yếu tố thiết yếu trong việc cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống hoạt động Để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, cần tính toán cụ thể công suất và dòng điện của bộ nguồn Nhóm nghiên cứu đã tổng hợp các thành phần điện tử tiêu thụ dòng điện đáng kể để thực hiện các phép tính Các thành phần này được trình bày trong bảng thông số giá trị điện áp và dòng điện.
STT Tên linh kiện Số lượng Điện áp (VDC)
Tổng dòng điện 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
- Hiệu suất: 87% Để cung cấp năng lượng cho các linh kiện điện tử sử dụng điện áp 5V, nhóm lựa chọn mạch ổn áp XL4015 để hạ áp từ 12V xuống 5V n
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
Nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho việc kiểm thử và sửa lỗi chức năng của bo mạch mà vẫn đảm bảo an toàn, nhóm đã phân tách các cụm chức năng thành các module riêng biệt và kết nối chúng thông qua dây bus.
Sơ đồ khối các module được phân bố như sau:
Hình 5.11: Sơ đồ khối chức năng n
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 n
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 n
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 n
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 máy phay mạch PCB hiện nay sử dụng bo mạch và phần mềm có sẵn, điều này hạn chế nghiên cứu và tối ưu hóa quá trình điều khiển Trong chương 5, nhóm đã tự thiết kế hệ thống điện để phù hợp với đề tài, dẫn đến việc phần mềm điều khiển có sẵn không tương thích với bo mạch Ngoài ra, một số chức năng và hướng phát triển mong muốn của nhóm không có trong các phần mềm hiện có Chương này sẽ trình bày 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 với phần mềm có sẵn mang đến cả thách thức và cơ hội cho nhóm Thách thức lớn nhất là phải viết lại hoàn toàn thuật toán điều khiển cho máy CNC, dẫn đến sự không ổn định và tốc độ gia công chưa được đảm bảo Tuy nhiên, đây cũng là cơ hội để nhóm thâm nhập sâu vào hệ thống và làm chủ công nghệ, từ đó phát triển các tính năng và tinh gọn hệ thống theo từng nhiệm vụ Mặc dù việc viết lại phần mềm phổ biến có thể được coi là thừa thãi, nhưng có những tính năng mà phần mềm mã nguồn mở khó có thể thực hiện tốt, như gia công mạch PCB chuyên dụng với phần cứng tinh gọn và chi phí thấp Chính vì vậy, nhóm đã quyết tâm hoàn thành ý tưởng ngay từ những ngày đầu, bất chấp những khó khăn gặp phải.
Sau một thời gian nghiên cứu, nhóm đã phát triển một quy trình mới để vận hành điều khiển tương thích với bo mạch mới Quy trình này mang triết lý tinh gọn, giá thành rẻ, dễ thay thế và có khả năng nâng cấp cả phần mềm lẫn phần cứng 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 trong quá trình thiết kế PCB bao gồm việc chuyển đổi file thiết kế thành định dạng Acode thông qua phần mềm giao diện chuyên dụng do nhóm phát triển Sau khi hoàn tất, file Acode sẽ được lưu trữ trên thẻ nhớ hoặc USB để chuẩn bị cho các giai đoạn tiếp theo, với Acode là định dạng file cần thiết để vận hành máy.
Giai đoạn 2 là giai đoạn vận hành trực tiếp máy gia công PCB, trong đó thẻ nhớ được cắm vào màn hình điều khiển Qua một số thao tác đơn giản trên màn hình LCD cảm ứng, file Acode sẽ được xử lý thông qua Raspberry, sau đó giao tiếp với firmware trên MCU để thực hiện 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 n
6.2.2 Quy trình phát triển phần mềm, firmware hệ thống
Việc phát triển hệ thống của nhóm có khối lượng lớn, đòi hỏi thời gian và sự chuẩn hóa trong giải thuật cùng tài nguyên lập trình để quản lý, nâng cấp và sửa lỗi hiệu quả Để đảm bảo quá trình phát triển diễn ra trơn tru, cần phân chia nhiệm vụ rõ ràng cho từng thành viên Do đó, việc chuẩn hóa quy trình phát triển là rất quan trọng Nhóm đã xây dựng hai quy trình: Framework_ADL cho phát triển phần mềm giao diện hệ thống và Firmware_ADL cho triển khai phần cứng Hai quy trình này giúp tăng tính tương thích giữa phần mềm và phần cứng, tối ưu hóa khả năng đa nhiệm trong xử lý, đồng thời phân vùng rõ ràng các giai đoạn thiết kế, lập trình và kiểm thử, từ đó nâng cao sự ổn định và hiệu suất của phần mềm Chúng ta sẽ phân tích kỹ hơn về hai quy trình này 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 n
Hình 6.3: Sơ đồ khối của FrameWork_ADL
Framework_ADL được tạo chia 4 phần chính:
File "main.py" là file thiết yếu trong mọi dự án phát triển, có nhiệm vụ khởi tạo chương trình và chỉ định tab đầu tiên hiển thị trên giao diện, tương ứng với một trang cụ thể trong ứng dụng.
Front_App là thư mục chuyên dụng để phát triển giao diện người dùng cho phần mềm hoàn chỉnh, cho phép khởi chạy độc lập mà không cần mã xử lý Điều này giúp tách biệt nhiệm vụ thiết kế, cho phép một thành viên độc lập thực hiện Front_App được chia thành bốn phần chính.
Root.py là tệp hoạt động giống như "main.py" trong dự án chính, nhưng chỉ có khả năng chạy giao diện mà không thể khởi động các phần xử lý khi tương tác với giao diện.
Tab_app là thư mục lưu trữ các tab giao diện được thiết kế, với mỗi trang giao diện tương ứng với một file tab.py Việc viết tab.py là nhiệm vụ chính của người làm trong lĩnh vực này.
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, đóng vai trò quan trọng trong việc lưu trữ dữ liệu cho tất cả các phần tử trong giao diện Thư mục này có thể được truy cập từ bất kỳ đâu trong toàn bộ dự án, giúp tối ưu hóa quy trình làm việc và quản lý dữ liệu hiệu quả.
Tool_tab là thư mục quan trọng trong dự án, chứa các tệp tool.py hỗ trợ cho các chức năng trong việc xây dựng và vận hành giao diện Thư mục này sẽ được cập nhật để phục vụ cho sự phát triển của Framework_ADL trong tương lai.
Phần thứ ba, Service_App, là thư mục chứa các tính năng của phần mềm giao diện, với mỗi service tương ứng với một tính năng cụ thể Sau khi hoàn thành một service, bạn có thể dễ dàng áp dụng nó cho các dự án khác mà không cần chỉnh sửa gì thêm.
Phát triển tính năng trên Python là một lĩnh vực rộng lớn và phức tạp Với cấu trúc dịch vụ này, chúng ta có thể tập trung vào việc phát triển tính năng mà không cần lo lắng về việc tích hợp vào phần mềm, từ đó nâng cao hiệu quả trong quá trình phát triển phần mềm.
RTRQ_App (Run Time Request App) là thư mục quan trọng trong dự án, hỗ trợ vận hành gián tiếp hai phần giao diện người dùng (UI) và dịch vụ (Service) Framework_ADL cho phép tách biệt giữa các thành phần này một cách hiệu quả.
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 nhiều phần mềm thiết kế mạch in chuyên dụng như Proteus, Altium, Kidcad và Cad Simu Mặc dù giao diện và quy trình thiết kế của từng phần mềm có sự khác biệt, nhưng chúng đều hướng đến mục tiêu chung là tạo ra một bản mạch in hoàn chỉnh để tiến hành gia công thực tế Sau khi hoàn tất giai đoạn thiết kế, người dùng có thể chuyển sang bước sản xuất mạch in.
Giai đoạn xuất file trong thiết kế mạch in là rất quan trọng, với nhiều định dạng khác nhau phục vụ cho các mục đích cụ thể Các định dạng file này chứa dữ liệu liên quan đến mạch in, bao gồm đường mạch, các đối tượng trên bo mạch, mặt hàn và chỉ dẫn Những định dạng file thường được sử dụng để xuất mạch in bao gồm PDF, Gerber, NC Drill và DXF.
Do không sử dụng phần mềm mã nguồn mở để tạo mã lệnh cho máy di chuyển, nhóm đã quyết định xử lý trực tiếp dữ liệu từ các file thiết kế Hai loại dữ liệu chính cần xử lý là dữ liệu về đường mạch và lỗ khoan Ban đầu, nhóm đã thử đọc và xử lý dữ liệu từ các file DXF và NC Drills, nhưng phát hiện ra rằng phương pháp này dẫn đến sai số lớn do khó khăn trong việc liên kết dữ liệu giữa hai định dạng file khác nhau Cuối cùng, nhóm đã chọn xử lý trên file PDF kết hợp với các phương pháp xử lý ảnh, vì PDF là định dạng phổ biến và dễ xuất ra từ nhiều phần mềm, giúp cho việc xử lý và đồng bộ dữ liệu trở nên dễ dàng hơn.
6.3.2 Ứng dụng phương pháp xử lý ảnh để xử lý file PCB
Việc xử lý dữ liệu từ các file mạch in thường gặp khó khăn trong việc phân biệt giữa lỗ khoan và chip dán, cũng như các lỗ khoan nằm trong các lớp khác nhau Để cải thiện quá trình này, chúng ta sẽ áp dụng các kỹ thuật xử lý ảnh, bao gồm điều chỉnh kích thước ảnh, loại bỏ nhiễu và lọc ảnh, nhằm tăng cường hiệu quả xử lý dữ liệu.
Hình 6.7: Mạch PCB cơ bản
Sau khi xử lý dữ liệu, việc chuyển đổi tọa độ pixel của ảnh sang tọa độ thực tế (mm) là rất quan trọng, vì tọa độ pixel khác với tọa độ thực tế khi máy thực hiện phay và khoan lỗ trên mạch Do đó, chúng ta sẽ áp dụng kiến thức này để đảm bảo độ chính xác trong quá trình sản xuất.
54 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 mật độ điểm ảnh, thể hiện số lượng pixel trên mỗi inch Khi máy hoạt động, tọa độ thực tế sẽ được chuyển đổi sang hệ mm Ví dụ, với một bức ảnh có PPI = 100, chúng ta có thể chuyển đổi sang hệ mm một cách dễ dàng.
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
Quá trình tạo mã lệnh cho máy gia công mạch PCB bao gồm nhiều bước xử lý quan trọng, như đã trình bày trong lưu đồ.
- 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, chúng ta có thể xuất ra các file layout dưới dạng PDF, bao gồm file mạch in hoàn chỉnh, file chứa lỗ khoan và file chứa đường viền để phay đường mạch Sau khi có các file này, chúng ta sẽ sử dụng thuật toán để chuyển đổi chúng thành file ảnh định dạng PNG.
Hình 6.8: Các file layout được xuất ra từ quá trình xử lý file PDF n
Khi xuất file PDF từ các phần mềm, chúng thường chiếm một không gian lớn trên khổ giấy A4, khiến việc đọc và xử lý dữ liệu trở nên khó khăn Do đó, trước khi tiến hành đọc và xử lý, chúng ta cần cắt ảnh để thu nhỏ kích thước file mạch in, giúp đơn giản hóa quá trình xử lý 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 hoàn tất việc cắt ảnh, chúng ta sẽ tiến hành đọc dữ liệu từ file mạch in Dữ liệu thu được sẽ bao gồm các tập dữ liệu của các lớp từ các file đã cắt, bao gồm file lỗ khoan, file đường viền và file mạch in để phay đường mạch Các dữ liệu này sẽ được biểu diễn dưới dạng pixel, với mỗi pixel được xác định theo hai phương x và y.
Hình 6.10: Dữ liệu tọa độ X, Y của các layer n
Tìm tất cả các lỗ khoan trên mạch in với tọa độ tâm và bán kính mũi khoan để khoan tương ứng
Dựa vào dữ liệu từ layout lỗ khoan, chúng ta sẽ xác định tất cả các lỗ khoan với tâm và bán kính tương ứng.
Có hai trường hợp khi lỗ khoan nằm trong các lớp: lớp có hình dạng tròn hoặc lớp có hình dạng chữ nhật Dù hình dạng khác nhau, việc xác định tọa độ tâm của các lớp này hoàn toàn giống nhau nhờ vào tính đối xứng của chúng.
Ta sẽ có công thức tính tọa độ tâm của layer lỗ khoan như sau:
- I I x , 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
Trong quy trình xác định kích thước mũi khoan cho lỗ khoan, các giá trị y min và y max đại diện cho pixel lớn nhất và nhỏ nhất của layer chứa lỗ khoan theo phương y Kích thước của mũi khoan phụ thuộc vào giá trị lớn nhất giữa (𝑥𝑚𝑎𝑥 − 𝑥 min) và (𝑦𝑚𝑎𝑥 − 𝑦𝑚𝑖𝑛) Nếu hai giá trị này lớn, kích thước mũi khoan sẽ lớn hơn, ngược lại, nếu hai giá trị nhỏ, kích thước mũi khoan sẽ nhỏ hơn.
Tìm dữ liệu đường viền của mạch:
Khi đọc dữ liệu từ file đường viền, nhóm nhận thấy có nhiều hơn một layer đường viền, trong khi chỉ cần một layer để thực hiện cắt đường viền của mạch Do đó, chúng tôi sẽ xử lý để chỉ lấy một layer cụ thể, đó là layer có kích thước lớn hơn trong các layer đường viền.
Đã xác định tất cả các lỗ khoan trên mạch in, giai đoạn tiếp theo sẽ tập trung vào việc xử lý lại các tệp ảnh chứa các lỗ khoan Ban đầu, giá trị RGB của các pixel tại các vị trí lỗ khoan đều được thiết lập.
Phần mềm điều khiển trên máy gia công mạch PCB
Phần mềm xuất file chuyển đổi thiết kế PCB thành file Acode để máy CNC hoạt động File Acode được tối ưu hóa từ quá trình xử lý ảnh, giúp giảm dung lượng và dễ dàng lưu trữ Để máy vận hành, cần biên dịch file Acode thành các lệnh mà máy có thể hiểu, với sự hỗ trợ của phần mềm lấy dữ liệu đầu vào từ người dùng và trình biên dịch Acode Firmware sẽ chuyển đổi các lệnh này thành hàm con để điều khiển phần cứng trên board mạch, đảm bảo máy hoạt động tương thích với dữ liệu từ file Acode Mặc dù quy trình có vẻ phức tạp, người dùng chỉ cần cắm thẻ nhớ chứa file Acode và thực hiện một số thao tác đơn giản để máy hoạt động.
Phần tổng quan đã cung cấp cái nhìn tổng quát về quá trình vận hành của phần mềm điều khiển máy gia công mạch PCB, nhưng việc phát triển phần mềm này gặp nhiều phức tạp và vấn đề cần khắc phục Do đó, trong phần này, nhóm sẽ trình bày chi tiết hơn về cách thức hoạt động của phần mềm điều khiển, được chia thành hai phần chính.
Phần mềm giao diện điều khiển nhận tín hiệu từ người dùng để thu thập thông số đầu vào, kết hợp với dữ liệu trong file Acode, nhằm biên dịch chương trình có thể chạy 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
Phần mềm giao diện điều khiển được thiết kế để thu thập giá trị đầu vào từ người dùng và biên dịch dữ liệu từ file Acode thành các lệnh mà máy có thể hiểu, sau đó truyền xuống firmware phần cứng Mặc dù các công việc này có thể thực hiện trên máy tính cá nhân, nhóm vẫn chọn phương pháp này vì một số lý do Thứ nhất, quá trình gia công mạch mất thời gian, và việc sử dụng máy tính kết nối với bo mạch điều khiển có thể gây bất tiện cho người dùng khi thực hiện các công việc khác Thứ hai, việc kết nối không cố định với laptop có thể dẫn đến đường truyền không ổn định; sử dụng phần cứng khác giúp khắc phục vấn đề này.
Chúng ta có thể sử dụng các đường truyền chuyên dụng như SPI, I2C để nâng cao tốc độ truyền dữ liệu Máy được thiết kế phục vụ cho nghiên cứu và học tập của sinh viên, do đó, nhu cầu thực tế là nhiều người cần sử dụng chung một máy Việc phát triển phần mềm riêng trên máy tính cá nhân sẽ gây bất tiện, vì vậy nhóm đã quyết định chọn máy tính nhúng để thực hiện công việc, đồng thời có khả năng sử dụng giao diện điều khiển lập trình để tạo ra các giao diện người dùng chuyên nghiệp.
Lấy dữ liệu từ file Acode
Trong quá trình biên dịch Acode từ phần mềm xuất file, công việc đầu tiên là phần mềm điều khiển người dùng phải lấy được file Acode Có nhiều phương thức để lấy dữ liệu như truyền trực tiếp từ máy tính cá nhân, sử dụng Host, hoặc qua thẻ nhớ, USB Nhóm nghiên cứu đã chọn phương thức lấy dữ liệu bằng thẻ nhớ vì hai lý do chính: Thứ nhất, thẻ nhớ cho phép người dùng dễ dàng vận chuyển dữ liệu, đồng thời độ tin cậy cao hơn so với truyền qua cổng kết nối Thứ hai, khi phay mạch nhiều lần, người dùng chỉ cần thao tác trên màn hình điều khiển mà không cần nạp lại chương trình, giúp tiết kiệm thời gian và giảm thiểu rủi ro gây lỗi chương trình do thao tác của người dùng.
Sau khi chọn phương pháp, bước tiếp theo là thực hiện nó Phần mềm giao diện điều khiển chạy trên máy tính nhúng Raspberry hỗ trợ ngôn ngữ lập trình Python, cho phép nhóm phát triển phần mềm giao diện người dùng dựa trên kiến trúc Framework_ADL Trong kiến trúc này, việc lấy dữ liệu từ thẻ nhớ được xem như một service, chỉ cần viết một service để tách lấy dữ liệu Service mà nhóm phát triển, gọi là Service_getDisk, không chỉ lấy dữ liệu từ thẻ nhớ mà còn theo dõi trạng thái của thẻ nhớ, đảm bảo thẻ hoạt động tốt và tránh lỗi trong quá trình vận hành máy.
Quá trình biên dịch file Acode
Quá trình biên dịch file Acode là bước quan trọng để tạo ra lệnh điều khiển trên firmware cho máy CNC Để đảm bảo máy hoạt động hiệu quả, file Acode cần có thêm dữ liệu như vị trí phay, bản đồ bề mặt phay và vị trí mũi khoan, nhằm phản ánh chính xác môi trường thực tế Các đoạn lệnh trong file Acode như move và move_drill đóng vai trò then chốt trong quá trình này.
60 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
Quy trình kết xuất file chương trình vận hành máy (Biên dịch Acode) được thể hiện qua lưu đồ, bắt đầu bằng việc lấy dữ liệu leveling map để tạo mặt phẳng tọa độ z chính xác Tiếp theo, hệ thống kết hợp các giá trị người dùng thiết lập với dữ liệu từ file Acode, từ đó tạo ra file chứa các lệnh mà firmware phần cứng có thể thực hiện.
Phương pháp lấy chiều cao mũi khoan
Trong file Acode, quỹ đạo đường file được biểu diễn theo chiều x, y, nhưng để gia công mạch, cần thêm thông số vị trí mũi khoan Phương pháp được nhóm phát triển gọi là leveling, diễn ra sau khi máy trở về trạng thái ban đầu (sethome) Trong quá trình này, mũi dao sẽ hạ chậm cho đến khi chạm mạch, lúc này hệ thống sẽ nhận tín hiệu từ 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, việc xác định vị trí dao so với mặt phay là chưa đủ, vì bề mặt phay không phải lúc nào cũng phẳng tuyệt đối Sự sai lệch độ cao bề mặt do gá mạch chưa chuẩn có thể dẫn đến đường phay không đều, thậm chí dao phay có thể cắt đứt phần mạch Việc gá mạch một cách chính xác là một thách thức lớn, do đó, phương pháp lấy dữ liệu bề mặt thực tế để biên dịch chương trình chạy file sát với thực tế là cần thiết.
Sau quá trình nghiên cứu, nhóm đã phát triển một thuật toán để lấy bề mặt thông qua 66 điểm leveling được phân bố theo ma trận 6x11 trên bề mặt phíp đồng.
Giải thuật được thiết kế dựa trên nguyên lý toán học, đó là tìm mặt phẳng thông qua
Trong tập hợp 6x11 điểm, chúng ta có thể tạo ra các mặt phẳng để xác định thông số z từ vị trí trên bề mặt.
Hình 6.13: Mô phỏng chênh lệch độ cao z của bề mặt phíp đồng n
Lưu đồ giải thuật leveling map:
Hình 6.14: Lưu đồ giải thuật chạy giải thuật leveling map
Giải thuật leveling map hoạt động bằng cách thu thập dữ liệu đầu vào từ các điểm đã thiết lập trong kiến trúc, ví dụ như 6x11 Dữ liệu này sau đó được sử dụng để tạo ra một tập hợp các phương trình mặt phẳng bằng cách nhóm ba điểm thành một mặt phẳng Mặc dù lý thuyết cho phép lấy dữ liệu z từ x và y, nhưng thực tế hệ thống gặp khó khăn trong việc xác định mặt phẳng mà dữ liệu x, y thuộc về Để khắc phục vấn đề này, hệ thống sẽ xây dựng một hàm từ dữ liệu đầu vào leveling map, nhằm tìm ra phương trình mặt phẳng phù hợp nhất với dữ liệu x, y trong tập hợp các phương trình đã tạo.
Sau khi hoàn tất tất cả các bước, chúng ta sẽ có một đối tượng có khả năng cung cấp giá trị z dựa trên các giá trị x và y đã được xác định trong mặt phẳng leveling map.
Phương pháp truyền dữ liệu từ phần mềm và firmware
KẾT QUẢ, ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT
Giới thiệu
Chương này tóm tắt kết quả nghiên cứu và thực hiện đề tài trong 16 tuần, bao gồm máy gia công mạch PCB hoàn chỉnh, phần mềm xuất file trên máy tính và phần mềm điều khiển máy gia công Sau quá trình vận hành, mạch PCB đã được gia công thành công và có thể sử dụng Cuối cùng, phần nhận xét và đánh giá sản phẩm được trình bày.
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
Để đảm bảo các chi tiết máy hoạt động ổn định, cần nắm vững cách tính toán cơ khí và lựa chọn thông số phù hợp cho từng chi tiết.
- 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 quy trình phát triển phần mềm và phần cứng liên kết chặt chẽ giúp tối ưu hóa và xử lý nhanh chóng 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 n
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 n
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 n
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 n
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 n
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
Trong tab Menu của phần mềm xuất file, người dùng được hỏi về kinh nghiệm sử dụng máy gia công mạch ADL CNC Nếu chọn “Yes”, phần mềm sẽ chuyển sang tab làm việc chính Ngược lại, nếu chọn “No”, người dùng sẽ được dẫn đến tab có video hướng dẫn sử dụng.
Tab Video Tutorial App trên phần mềm xuất file cung cấp giao diện hướng dẫn cho người dùng mới sử dụng máy gia công mạch ADL CNC.
Giao diện chính của phần mềm xuất file, như thể hiện trong Hình 7.16, yêu cầu người dùng cung cấp ba file PDF: file mạch in hoàn chỉnh, file chứa lỗ khoan của mạch và file chứa đường viền.
Hình 7.17: Tab Select Area App trên phần mềm xuất file
Sau khi chọn 3 file và nhấn “Next” ở tab Select File App, mạch PCB sẽ hiển thị trên khu vực làm việc chính, cho phép người dùng điều chỉnh kích thước cho phù hợp với bo mạch Màn hình bên phải cung cấp thông tin về chế độ chia của động cơ bước (Set mode) và hệ số tỉ lệ giữa kích thước thực của pixel trong file xử lý so với hệ số BLU tương ứng với chế độ chia bước của máy CNC (Set ps) Cuối cùng, kích thước của bo mạch được hiển thị dưới dạng (Dài x Rộng)(mm) Khi hoàn tất, nhấn Export Acode để xuất file.
Hình 7.18: Tab Waiting Convert File App trên phần mềm xuất file
Tab này giúp người dùng thấy được tiến trình xuất file n
Hình 7.19: Tab Save File Acode App trên phần mềm xuất file
Sau khi hoàn tất xử lý và chuyển đổi sang file Acode, phần mềm sẽ chuyển đến tab Save File Acode App, nơi có hai tùy chọn: “Preview” và “Save file” Nếu người dùng chọn “Preview”, phần mềm sẽ hiển thị quá trình mô phỏng phay mạch để người dùng có thể xem và đánh giá trước Sau khi xem xong, nếu muốn lưu lại file, người dùng chỉ cần nhấn “Save file” Lưu ý rằng phần “Preview” không bắt buộc phải thực hiện.
Tab End App là bước cuối cùng trong quá trình xuất file trên phần mềm Người dùng có thể nhấn nút “Home” để quay lại tab Menu App và thực hiện lại các bước nếu muốn tiếp tục xuất file Nếu không muốn xuất file nữa, hãy nhấn nút “Exit”.
7.3.4 Giao diện điều khiển trên máy CNC
Màn hình chính của phần mềm điều khiển được chia thành hai khu vực hoạt động chính Khu vực giữa bao gồm bốn nút chức năng chính: File CNC, Setting, Info và Leveling Khu vực hoạt động thứ hai nằm ở góc dưới, cung cấp thông tin về hoạt động của máy, bao gồm biểu tượng hiển thị thông tin về xung PWM cấp cho động cơ trục chính, thời gian di chuyển giữa hai bước xung (às), chế độ chia bước của động cơ bước, và tọa độ của ba trục x, y, z Các thông tin này cũng xuất hiện trên một số tab khác trong phần mềm.
Hình 7.22: Tab Select file Hình 7.23: Tab Select mode n
Khi nhấn nút “File CNC”, phần mềm sẽ chuyển đến tab Select file, nơi hiển thị danh sách các file Acode từ thẻ nhớ hoặc USB Người dùng cần chọn file Acode phù hợp được xuất từ phần mềm trên máy tính theo quy trình đã hướng dẫn Sau khi chọn file, nhấn “Select file” để chuyển đến tab Select Mode, nơi file Acode sẽ được xử lý và phân thành 5 quy trình chạy máy Người dùng có thể lựa chọn quy trình cần thiết và loại bỏ những quy trình không cần thiết bằng cách tick chọn ô trống Cuối cùng, sau khi hoàn tất lựa chọn, nhấn “Next” để tiếp tục đến tab Select Area.
Trong tab Select Area, người dùng sẽ thấy hai khung màu: khung cam biểu thị kích thước tối đa của mạch PCB có thể gia công, và khung xanh lá thể hiện kích thước mạch phay của người dùng Tab này cho phép người dùng tùy chọn vị trí gia công theo khu vực mong muốn Sau khi xác định vị trí, người dùng chỉ cần nhấn nút “Run” để bắt đầu chương trình, và quá trình chạy máy sẽ được hiển thị trong tab Run File.
Khi nhấn nút “Setting”, phần mềm chuyển đến tab Setting, nơi liệt kê các thao tác vận hành máy như Set home, Disable stepper, Move và Unit control Nhấn nút “Set home” sẽ di chuyển bàn máy về vị trí ban đầu, sử dụng các công tắc giới hạn hành trình để khởi tạo tọa độ X, Y, Z về giá trị ban đầu.
“Disable stepper” có chức năng ngắt kết nối động cơ bước, để người dùng có thể di chuyển bàn máy sang vị trí khác n
Hình 7.26: Tab Setting Hình 7.27: Tab Move Hình 7.28: Tab Unit control
Khi nhấn nút “Move”, phần mềm chuyển sang tab Move, cho phép người dùng điều khiển các trục X, Y, Z để di chuyển bàn máy và cụm trục chính đến vị trí mong muốn Tiếp theo, nút “Unit control” chuyển người dùng đến tab Unit control, nơi cung cấp các công cụ để hiệu chỉnh thông số máy Thông thường, các thông số này đã được thiết lập giá trị mặc định từ nhóm thực nghiệm, đảm bảo máy hoạt động ổn định mà không cần hiệu chỉnh lại Các thao tác thường gặp tại tab này bao gồm “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
Hình 7.29: Bo mạch sau khi gia công n
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 khi thử nghiệm hệ thống, nhóm đánh giá máy hoạt động ổn định và mượt mà Phần mềm điều khiển được phát triển một cách hệ thống và tối ưu, với giao diện người dùng đơn giản, thân thiện và hiệu quả cao Mạch gia công cũng cho ra sản phẩm có thể sử dụng được.