Khóa luận tốt nghiệp Kỹ thuật máy tính: Thiết kế và chế tạo hệ thống gắp thả linh kiện trong quy trình làm mạch điện tử

Đề tài này tập trung vào thiết kế và chế tạo một hệ thống gắp và đặt linh kiện tự động PnP dé cải thiện độ chính xác và hiệu quả trong quy trình sản xuất mạch điện tử.Mục tiêu chính là p

ĐẠI HỌC QUÓC GIA TP HÒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

KHOA KỸ THUẬT MÁY TÍNH

VŨ HOÀNG THIÊN PHU - 20521757

THÂN QUÁN NGUYÊN - 20521682

KHÓA LUẬN TÓT NGHIỆP

THIET KE VÀ CHE TẠO HE THONG GAP THẢ LINH

KIEN TRONG QUY TRINH LAM MACH ĐIỆN TỬ

Design and build pick and place component in creating electronic

circuit

CU NHÂN KY THUAT MAY TÍNH

GIANG VIEN HUONG DAN

TS TRAN QUANG NGUYEN

TP HO CHÍ MINH, 2024

LỜI CẢM ƠN

Tai trường Dai học Công Nghệ Thông Tin — Dai học Quốc gia TP.HCM, chúng

em đã nhận được sự hướng dẫn tận tâm từ các thầy cô, những người đã truyền đạt

những kiến thức quý báu không chỉ trong học tập mà còn trong cuộc sống Nhà trường

cũng đã tạo ra một môi trường học tập hiện đại, tiện nghi và đầy đủ các thiết bị cầnthiết Chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ban giám hiệu nhà trường và toànthể thầy cô đã giảng dạy chúng em suốt thời gian qua

Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Trần Quang Nguyên, người đã

hướng dẫn và hỗ trợ chúng em nhiệt tình trong quá trình thực hiện khóa luận Những

đề xuất và lời khuyên của thầy đã giúp chúng em định hướng đúng đắn và cải thiện

đề tài của mình một cách tốt nhất Nhờ thầy, chúng em đã học được nhiều kiến thứcmới và quý báu đề hoàn thành bài khóa luận này

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

Chương 1 GIGI THIEU DE TÀI 2 2£+E22EE+EE+EE2EE£EE£EEZEEEEEerxrrrerred 3

1.1 Giới thiệu về may gap thả linh kiện SMD -2- 2c ©52+czccxccxcrsesred 3

1.2 Thue trạng ngành công nghiệp máy SMT hiện nay . -55+s552 5

1.3 Mục tiêu và phạm vi của đề tài s-5c 5s 2t 2x2 2212212121121 eEEerrrred 5

1.3.1 Mục tiÊU ĂQQQQ SH HS ng vn ket 5 1.3.2 Pham vi nghiÊn CỨU - - SG 2133211832133 E111 erke 5

1.4 Phuong pháp thực hiỆn - c2 1321121112115 E1 E111 ExxeE 6

Chương 2 TONG QUAN DE TÀI - 2-52 E2E2EE2EEEEE2E1EEXEEE2112E1EEEEErrred 7

2.1 Surface Mount Technology (SMTT) - 25c sssssireeirsrrerrsee 7

2.2 Quá trình lắp ráp SMTT -¿- ¿+ +2SESEE22112E127121121127121211 E111 tre 7

2.3 Các thiết bị chính trong SMT 2:22 ++2++2E+2E+£ExtEEt+Eerxerxerresred §

2.4 Lịch sử và phát triển ¿-2¿27+¿22+22EE2EE2EE2EEEEEEEEEEEECErkrrrrrrked §

2.4.1 Giai đoạn đầu tiên (Thập niên 1960 - 1970) -22 +22: 82.4.2 Giai đoạn phát triển tự động hóa (Thập niên 1980) - 82.4.3 Giai đoạn pho biến (Thập niên 1990 - 2000) -. -¿ 5¿55+ §

2.4.4 Giai đoạn hiện đại (Thập niên 2010 - nay) - 5555 ++scsss 9 2.4.5 Xu hướng hiện tại và tương Ìa1 - - 5c Sc 1+ *sEEsseeeeereeeeeeske 9

Chương 3 CO SỞ LÝ THUYÊT - 2-5 S2+EEEEEEE2EE2E1E211211211 1121 xe, 10

3.1 Hệ máy Pick and PaCe - - c2 111199111911 91111 11191 1H vn rt 10

3.2 ta a3 E5 10

3.3 Cơ cấu chuyền động - ++St+EESEE2 E2 1212112217111 211 11 te 13

3.3.1 Động cơ Đước .- + LH ST HT TH 1H TH HH nh Hư 14

3.4 Hệ thống gap thả - 2-2221 2E 2E222127127121121121121211 2111 xe 17

3.4.2 Bơm chân không - ¿5c + 1321113211339 EE11 E1 re 18

3.4.3 R€lay LH HH HH TH TH TH HH HH Hưng Hay 19 3.5 XU DY AMD a 19

3.6 Bộ điều khiển (Motion ControlÏer) -s- s2 ++£++£++E++x++xezxezxerxee 21

3.6.1 STM32F103CSÏT - Sàn TH Hàng 21

3.6.2 Raspberry PI Lcck SH * TT HT TH HT TH HH ng nưy 22

3.7 Thư viện HAL 9 77777777 c n0 HHẾ TIN L Q.0 L0 00211 1 1x re, 24 3.8 già, 0902021 -.d 24 3.9 Yolov7 465 đa <Œ À Ễ He 25

3.9.1 GiGt Ố cư cca ố số nh a 25

3.9.2 Kiến trúc Yolo -ccsvetrtrtiirtrrirrrtrirrrrriiirrrrrrre 263.9.3 Ứng dung Yolo trong máy PnP - 2: s5s+Ek+E++E+zEzEreerxered 27

3.10 Python TKIn€T 2 2 12012 12 1191111111 1111 111 81 1E xnrrưy 29

Chương 4 PHAN TÍCH VA THIET KE HE THÓNG - 22 +- 31

AL Kiến trúc hệ thống -¿- ++22+S++E+2E2E2EE2EE712111111121121 21.21 ty 31

4.2 _ Quy trình hệ thống 2¿©22©E+EE+2EE2EEEEEE2E12E1271711211211 2121 xe 32

4.3 Nhận diện linh kiện - + SE 221111223111 28111 281111 1 ve, 35

4.3.1 Kiến túc cv he 354.3.2 Chuẩn bị dữ liệu -.c¿22cvtttExtrtrrtrritrtrrrrrrtrrrrrrirrriek 35

4.3.3 AnnOfatiOn HH ng TH TH TH kh 36 4.3.4 Preprocessing và Auỹgm€nfatiOT - ¿+ sc + Eseeeeeerereres 36

4.3.5 Qua trình chuẩn bị ¿St SE kEEEEEEKEEEEEEEEEEEEEEEEkerkrkerkrree 364.4 Huấn luyện mô hình - - 2 2S Et+EE+EE+EE2EEEEEEEEEEEEEEEEE2121121 11.1, 38

4.4.1 Qua trình huấn luyện ¿5c kề EE E2 2212112112121 crk 38

4.5 Tích hợp mô hình - - -c- +: +6 + +1 k S1 S12 1111 1 11 11T HT HH rệt 40

4.5.1 _ Kiểm tra linh kiện trên Nozzle -¿-+- 5+ + EE+EeEvEE+EeEererrrrerees 40

4.5.2 Kiém tra linh kiện trên feeder ¿+ tsx+x‡EEv+EeEEEEskererxsrrresres 41 4.5.3 Kiểm tra PCB và linh kiện trên PCB ceccccccscsesscseceseeseesseseseeeeveees 42

4.6 StePS D€T mm - G SG TH TH HH Hệ 43

Km?) 43

4.6.2 Tinh toán fÐ77227: 3 pH 6 TÀ LL che, 43

Chương 5 THUC NGHIỆM VÀ KET QUA - 2-5 ©52+e+z++zxzz+cseẻ 45

na n(Ẳđ£ đ 5 “ h" 45

5.2 Khảo sát về vận tốc và gia tốc động cơ bước -¿ ¿+-+++cx+-ea 45

5.2.1 Chay tg true ———-—~- 45 I0 c0 6 4 47

5.2.2 Chạy đỒng trục 5c St E2 2112111112112 re 48

8 1 49

5.3 Khảo sát về thời gian toàn quy trình s- s+++++£++£++E++xezxezxerxered 50

Khảo sát về thời gian kiểm tra PCB trước khi bắt đầu: -s- 50Khảo sát về thời gian lấy linh kiện từ feeder: - 2-5 cz+cs+zxerxzrsered 50Khảo sát về thời gian kiểm tra đầu hút có lay được linh kiện: 51Khảo sát về thời gian đặt linh kiện lên PCB? o cccccesscsssesssesssesstesseesseessecsseesees 515.4 Khảo sát về mô hình nhận diện -+¿52+++cvSxvvttrrtrrrrrrrrrrrrved 525.5 Khảo sát về FPS của mô hình nhận diện ¿2+2 £s+E+E+EEzE+Eeztzezsx 53

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Hệ thông PnP Neodeo Y Y l -2¿-2¿©2++22£+EE+2EEt2EEt2EE2EEESEEzrksrkrre 4Hình 1.2: Hệ thông PnP của Opulo [2] -:- 2:2 ©++2++2++2£++2E++£x+zzx+zrxezzxerx 4

Hình 2.1: Quy trình lắp đặt SIMT ¿- ¿5c s2 E2 1EE1211211211211 212111 xe 7

Hình 2.2: Máy SMT loại nhỏỎ óc 232213311351 1351 1951121511111 E1 E111 Exre 9

Hình 3.7: Động cơ bước 2 pha - -¿- 6 c1 S1 211211 12T ngàng như 14 Hình 3.8: Driver TB6600 [6] - 2 E22 122211321182 1118511511811 1 111 1 eeree 15

Hình 3.9: Dây đai GT2 bản đai Ómm - - 2c 23221322 132E+EE2EEEEEE+eeEeeererrreres 16

Hình 3.10: Dau hút nozZle -c¿ -ccc:: 22t tre 17

Hình 3.11: Giác hút Š4 - ¿6c 2c 2112112119111 1 TT ng TT HH HH Hàng 17

Hinh V200 111 ỐỒ 18

Hình 3.13: Ong dẫn khi - - 2 15252 E12E12E12E1211212111111111211211211211 11.1111 y6 18

Hình 3.14: Relay SV occcccceccccccsccsceseesseeseceeceseeseeeseeesecseessesesecseeeseceeeeeeeseeeseeneensees 19 Hình 3.15: Camera USB1OOWO07M ce eececeeeeseeseeseeseeseeseeseeseeseeseeeeseeaeeneseeneenees 20

Hình 3.16: STM32F103 C876 [8] - c5 2c 2+ 2x 219 2911 11v ng ngư 21 Hinh 3.17: € 0v 201m 23

Hình 3.18: Kiến trúc Yolo [ Ï I] - 6-5 kSEE‡EE‡EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkEErrkerkrkerkrree 26

Hình 3.19: Phát hiện và xác định linh kiện SMD bằng Yolo 2: 29

Hình 3.20: GUI xây dung bang thư viện Tkinter của đề tài - 30Hinh 0804:0188: NA - 31Hình 4.2: Quy trình hệ thong o.c.ccecceccccccessessessessessescsssessessessessessessessestsseseeseesesees 33

Hình 4.3: Cấu trúc tập tin annotatiom - 2 + s2 2+E£EE£EE2EE2EEEEE2EEEExEEEerrrrrver 37

Hình 4.4: Thông tin các annOfafIO'S - - c2 2c 3211321131313 exrer 38

Kết quả huấn luyện mô hình ¿2 2© £S£EE£EE£EE£EE2EE2EEzErEerkered 40

Camera bottom nhận diện linh kiện . - 555 2222 < << **‡£+++ss<ec<<s+ Al

Top camera kiểm tra linh kiện trên feeder - 2 2 2+ z+szszxzxd 42

Camera top nhận diện linh kiện va footprint PCB :-s-+++s 43

Kết qua vận tốc và gia tốc chạy từng trục (a) -¿ z+cx+cxscea 46Kết quả vận tốc và gia tốc chạy từng trục (b) - ¿- s+ce+c+xerxerxered 47Kết quả vận tốc và gia tốc chạy đồng trục (a) - ¿cz+c+cerxcred 48

Kết quả vận tốc và gia tốc chạy đồng trục (b) -¿+csecxczxsrxee 49

Camera top kiểm tra PCB 2-2 5£+S++EE£EE2EE2EE2EE2E12E122121.2EerxeE 50Camera bottom kiểm tra linh kiện -2- 5+ s+E+EEE2E+EEEEzEtEvEEzEersrees 51Chi số mô hình huấn luyện 2-2 2 + E£EE£EE+EE£EE2EE2EEzEzEerkered 52

Hiệu năng của mô hình nhận diện 5+ 5+ £++++s++ex+sx++ 53

DANH MỤC BANG

Bảng 3.1: Thông số khung máy

-Bảng 5.1: Thông số vận tốc và gia tốc chạy từng trục

Bang 5.2: Thông số vận tốc và gia tốc chạy đồng trục - 2 z+sz+sz+sz+xeex

DANH MỤC TU VIET TAT

SMT Surface Mount Technology (Công nghệ dan bê mặt)PnP Pick and Place (Lap va dat)

MCU Microcontroller Unit (Bộ vi điều khiến)

PCB Printed Circuit Board (Bảng mạch in)

SMD Surface Mount Device (Linh kién dan bé mat)

THT Through Hole Technology (Kỹ thuật thông qua lỗ)

ADC Analog to Digital Converter

DAC Digital to Analog Converter

CPH Components per hour

TOM TAT KHÓA LUẬN

Ngày nay, với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, yêu cầu về năng suất

và hiệu suất làm việc trong các nhà máy công nghiệp ngày càng cao Điều này đặcbiệt cấp thiết trong ngành công nghiệp điện tử khi việc sử dụng linh kiện dán (SurfaceMount Device — gọi tắt là SMD) trong quá trình lắp đặt linh kiện lên bảng mạch in(PCB) dang trở nên rất phô biến SMD cho phép các linh kiện điện tử được gắn trựctiếp lên bề mặt của bảng mạch in, giúp tối ưu hóa không gian và cải thiện hiệu suấtcủa các thiết bị điện tử

Quá trình hàn SMD bằng tay là một công việc tốn nhiều thời gian và không thê đápứng được yêu cau sản xuất số lượng lớn của các ngành công nghiệp hiện đại Dé giảiquyết van đề này, may gap và đặt (Pick and Place — gọi tắt là PnP) linh kiện dan tựđộng đã được phát triển và đưa vào sử dụng Những máy móc này giúp tăng tốc độ

và độ chính xác trong việc gắn các linh kiện SMD lên bảng mạch, giúp nâng cao năng

suất và chất lượng sản phẩm Tuy nhiên, giá thành của các máy này khá cao gây cảntrở cho việc sử dụng chúng vào môi trường nghiên cứu và giảng dạy Cụ thê, loạimáy rẻ nhất hiện có trên thi trường, Yamaha yv-100x có giá khởi điểm từ khoảng

20,000 USD Hơn nữa, những máy móc này thường là sản phẩm độc quyền, đượcbảo vệ bởi các bằng sáng chế và công nghệ độc quyền, điều này càng làm tăng chi

phí và phức tạp trong việc sở hữu và vận hành chúng.

Đề tài này tập trung vào thiết kế và chế tạo một hệ thống gắp và đặt linh kiện tự động

(PnP) dé cải thiện độ chính xác và hiệu quả trong quy trình sản xuất mạch điện tử.Mục tiêu chính là phát triển một hệ thống có khả năng xử lý đa dạng các loại linhkiện với chi phí thấp và kích thước nhỏ gọn, phù hop cho sản xuất nhỏ lẻ hoặc mụcđích nghiên cứu Hệ thống sử dụng công nghệ dán bề mặt (SMT) và được trang bị

các động cơ bước, cảm biến và camera đề đạt được độ chính xác cao trong việc định

vị và đặt linh kiện Phần mềm điều khiển được lập trình dé tối ưu hóa quá trình gap

và đặt linh kiện, đồng thời giúp người dùng dễ dàng theo dõi và điều chỉnh quá trình

hoạt động của máy.

Phương pháp thực hiện:

Thiết kế khung máy pick and place gồm 4 trục X,Y,Z„C, mỗi trục chuyền động

nhờ vào cơ cấu dây dai và động cơ bước

Sử dung board STM32 dé khiéu khiển các trục của máy qua việc tính toán và

tạo các xung đề điều khiển động cơ bước

Sử dụng board Raspberry Pi xử lý anh từ camera dé nhận dang các linh kiện

dán cũng như đóng vai trò là một máy tính nhận va gửi các tín hiệu tới STM32

đê điêu khiên khung máy

Chương 1 GIỚI THIỆU DE TÀI

1.1 Giới thiệu về máy gắp thả linh kiện SMD

Công nghệ gắn bề mặt (Surface-mount technology — gọi tắt là SMT), còn được gọi là

hệ thống đặt linh kiện hay máy gắp và đặt (pick-and-place machines - PnPs), là cácthiết bị robot quan trọng trong việc đặt các linh kiện gan bề mặt (SMDs) lên các bảng

mạch in (PCBs) [1] Những máy này cho phép đặt linh kiện điện tử như tụ điện, điện

trở và mạch tích hợp một cách nhanh chóng và chính xác Các PCB được sản xuất

bằng những máy này được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị như máy tính, điện tửtiêu dùng, cũng như trong các ngành công nghiệp, y tế, 6 tô, quân sự và viễn thông

Lịch sử của các dây chuyền lắp ráp SMT trong thập niên 1980 và 1990 sử dụng hai

loại máy gắp và đặt theo trình tự Các “chip shooter” đặt các linh kiện đơn giản với

tốc độ cao sử dụng một vòng xoay và băng cấp, đạt tốc độ lên đến 53,000 linh kiện

mỗi giờ Tiếp theo là các máy đặt linh kiện chính xác, sử dụng camera độ phân giải

cao và bộ mã hóa tuyến tinh dé đặt các linh kiện lớn hơn hoặc có hình dạng không

déu.

Từ những năm 2000, các nhà sản xuất chuyền sang các máy modul với nhiều đầu và

cấu trúc gantry, có khả năng đặt các linh kiện đa dạng một cách nhanh chóng, với tốc

độ lên đến 200,000 linh kiện mỗi giờ Những phát triển gần đây tập trung vào cácmáy da năng, có thé đáp ứng hiệu suất cao, thường tích hợp hệ thống xử lý anh dégiải pháp tiết kiệm chi phí trong lắp ráp SMT nhưng van đảm bảo độ chính xác cao.Các nhà sản xuất chính bao gồm Juki, Fuji, Panasonic, Yamaha, Hanwha Precision

Machinery, Kulicke & Soffa, ASM Assembly Systems, Universal Instruments va cac

công ty khác cho thay sự tiến bộ liên tục trong công nghệ va ứng dung của công nghệ

SMT.

Hình 1.1: Hệ thong PnP Neodeo YY1Bên cạnh các hệ thống SMT với nhiều đầu cho phép tăng thời gian hoàn thành và số

lượng sản phẩm thì giá thành của chúng chính là hạn chế lớn nhất khi muốn ứng dụngchúng vào các trường đại học và các phòng thí nghiệm đề phục vụ cho việc nghiên

cứu va giảng dạy Từ đó, việc mô hình đơn giản với chi phi thấp đã được đề xuất như

minh họa trong hình 1.1 của Opulo

1.2 Thực trạng ngành công nghiệp máy SMT hiện nay

Hiện nay, ngành công nghiệp máy gắp và đặt SMT (Surface Mount Technology) đang

có những xu hướng và đặc điêm chính sau:

- Téc độ và độ chính xác cao: Máy SMT hiện đại đạt tốc độ lên đến hàng trăm

nghìn linh kiện mỗi giờ và độ chính xác cao với nhiều dau hút thả dé phù hợp

với nhiều loại linh kiện va rút ngắn thời gian hoàn thành sản phẩm

- Da dạng hóa linh kiện: Máy có khả năng đặt nhiều loại linh kiện từ nhỏ đến

lớn và phức tạp Cụ thê là máy có thể gắp thả các linh kiện cắm lỗ và dán

- Tích hợp công nghệ thị giác: Sử dụng hệ thong nhận diện hình ảnh (top camera

và bottom camera) và công nghệ AI để giám sát, phát hiện và điều chỉnh vị trí

Đã có những nghiên cứu cụ thé về hệ thống SMT với mục đích thu nhỏ kích thước

máy dé hướng đến giả thành rẻ [2] Từ đó, mục tiêu của khoá luận sẽ hướng tới việc

tối ưu hoá công suất và nhân lực trong quy trình lắp ráp linh kiện công nghệ dán bềmặt (SMD) lên PCB để thiết kế và chế tạo một máy gắp và đặt linh kiện (PnP) chuyêndụng có khả năng xử lí nhiều loại linh kiện với độ chính xác cao, từ đó có thé tự độnghoá quy trình lắp ráp mạch điện tử, giảm thiểu sự can thiệp của con người, nâng cao

hiệu quả và năng suất sản xuất Ngoài ra hệ thống PnP có kích thước nhỏ với chỉ phí

thấp hơn có thể phục vụ cho việc sản xuất nhỏ hoặc nghiên cứu

1.3.2 Pham vi nghiên cứu

Dé tài sẽ nghiên cứu va co câu của khung máy gap và thả linh kiện trong quy trình

sản xuât pcb và nguyên lý vận hành của máy với động cơ của các trục hoạt động độc

lập Đồng thới, dé tài cũng thiết kế bộ phận gap thả (nozzle), top camera và bottom

camera đề phục vụ cho quá trình phát hiện, gắp thả linh kiện và kiểm tra lỗi Như đãtrình bay tại mục 1.1, kinh phí thực hiện đề tài là van đề khó khăn lớn nhất bởi giáthành của các bộ phận, thiết bị không rẻ Tuy nhiên, với mục tiêu ban đầu chính làgiảm chi phí thiết kế cho nên cơ cấu khung sẽ sử dụng loại nhôm định hình 20x20,

bộ phận cánh tay sẽ sử dụng động cơ bước loại 42 (không phải loại động cơ servo

như các máy công nghiệp) dẫn đến độ chính xác của hệ thống và thời gian thực hiện

một sản phẩm cũng tương đối

1.4 Phương pháp thực hiện

e Nghiên cứu va phân tích các giải pháp may PnP hiện có trên thị trường.

e Lựa chọn và thiết kế cho máy PnP, bao gồm:

o Hệ thống máy học dựa trên hệ trục Cartesian với 3 trục chính theo hệ

o Giao diện người dùng

o_ Điều khiển chuyên động cho đầu hút

o Quản lí hệ thống cấp linh kiện

e Kiểm tra và đánh giá:

o Độ chính xác

o Tốc độ

o Độ tin cậy

Chương 2 TONG QUAN DE TÀI

2.1 Surface Mount Technology (SMT)

Surface Mount Technology (SMT) là một lĩnh vực của lắp ráp điện tử được sử dụng

dé gan các linh kiện điện tử lên bề mặt của bang mạch in (PCB) thay vì gắn các linhkiện qua các lỗ như trong lắp ráp truyền thống SMT được phát triển nhằm giảm chi

phí sản xuất và sử dụng không gian của PCB một cách hiệu quả hơn Việc giới thiệucông nghệ dán bề mặt đã cho phép tạo ra các mạch điện tử phức tạp hơn trong các

cụm nhỏ hơn với độ lặp lại cao nhờ mức độ tự động hóa cao [1]

2.2 Quá trình lắp rap SMT

Quá trình lắp ráp một hệ thống SMT hoàn chỉnh được minh họa như hình 2.1 Cụ thé

từng giai đoạn là:

- Ap dụng keo han: Keo hàn được áp dụng lên các vị trí trên PCB nơi các linh

kiện sẽ được gan

- Dat linh kiện: Các linh kiện được đặt chính xác lên keo han bằng các may gap

và dat (Pick and Place) tự động.

- Han linh kiện: PCB sau đó được đưa qua lò han dé làm nóng chảy keo han,

kết nối chắc chăn các linh kiện vào PCB

- _ Kiểm tra và kiểm định: Các bang mach được kiểm tra bằng các phương pháp

như kiểm tra bằng quang học tự động (AOI) hoặc kiểm tra bằng X-quang déđảm bảo chất lượng lắp ráp

2.3 Các thiết bị chính trong SMT

May in keo hàn (Solder Paste Printer): In keo hàn lên PCB thông qua một khuôn in

nhằm giúp quá trình đặt linh kiện lên PCB không bị trượt đồng thời sau khi đặt xong

sẽ đi vào lò nướng để linh kiện dán cứng trên pcb

Máy gắp và đặt (Pick and Place Machine): Đặt các linh kiện lên PCB với tốc độ và

độ chính xác cao.

Lò han (Reflow Oven): Làm nóng chảy keo hàn dé gắn kết linh kiện

Máy kiểm tra quang học tự động (AOI): Kiểm tra các lỗi hình ảnh trên PCB sau khilắp ráp

2.4 Lich sử và phát triển

2.4.1 Giai đoạn đầu tiên (Thập niên 1960 - 1970)

Hệ thống PnP đầu tiên xuất hiện vào những năm 1960 khi công nghệ vi mạch bắt đầu

phổ biến Việc lắp ráp linh kiện lên bảng mach in chủ yếu dựa vào kỹ thuật thông qua

lỗ (Through Hole Technology - THT) Quá trình lắp ráp hoàn toàn thủ công và đòi

hỏi kỹ thuật viên phải thực hiện từng bước [2][3]

2.4.2 Giai đoạn phát triển tự động hóa (Thập niên 1980)

Vào những năm 1980, sự ra đời của công nghệ dán bề mặt (SMT) đã mang đến mộtbước tiến quan trọng trong tự động hóa lắp ráp mạch điện tử Máy PnP đầu tiên được

thương mại hóa bởi các công ty như Fuji, Siemens, va Universal Instruments, giúp

tăng năng suất lắp ráp lên gấp nhiều lần so với phương pháp thủ công [2][3]

2.4.3 Giai đoạn phỗ biến (Thập niên 1990 - 2000)

Vào những năm 1990, công nghệ PnP ngày càng phổ biến và tiếp tục phát triển với

nhiều tính năng tiên tiến như hệ thống nhận diện linh kiện bang camera, bộ điều khiểnchính xác dựa trên hệ thống servo, và khả năng xử lý linh kiện siêu nhỏ Các hãngsản xuất nồi tiếng như Panasonic, Yamaha, va Juki đã cho ra đời hàng loạt mẫu máyPnP với độ chính xác cao và tốc độ vượt trội [2][3]

2.4.4 Giai đoạn hiện đại (Thập niên 2010 - nay)

Ngày nay, hệ thống PnP hiện đại đã trở nên đa dạng với các công nghệ tiên tiến như

thị giác máy tính (machine vision), hệ thống AI hỗ trợ kiểm tra lỗi tự động, và hệ điều

hành nhúng tiên tiến Các mẫu máy PnP hiện đại có thé lắp ráp linh kiện với độ chính

xác dưới 10 micron và tốc độ đặt lên đến hàng chục nghìn linh kiện mỗi giờ [2][3]

2.4.5 Xu hướng hiện tại và tương lai

Hiện tại, các hệ thống PnP đang tập trung vào việc nâng cao hiệu quả bằng cách tích

hợp thêm các tính năng kiểm tra, cải tiến tốc độ và độ chính xác thông qua thị giác

máy tinh và học máy May PnP cỡ nhỏ với chi phí thấp cũng đang trở nên phô biếntrong sản xuất quy mô nhỏ [2][3]

Chương 3 CƠ SỞ LÝ THUYET

3.1 Hệ máy Pick and Place

Hệ máy Pick & Place (P&P) được thiết kế dựa theo hệ tọa độ Cartesian [13] Hệ máyP&P được vận hành bởi bốn trục chính: X, Y, Z và C Mỗi trục này có chức năngriêng biệt và chuyền động độc lập dé thực hiện các nhiệm vụ cụ thé trong quy trình

lắp ráp và sản xuất Trục X và Y chịu trách nhiệm di chuyên đầu gắp theo hai hướngngang, trục Z điều khiển chuyển động lên xuống, trong khi trục C quay đầu gap dé

định vị chính xác các linh kiện Các bộ phận chính của hệ máy bao gồm đầu gắp, hệthống điều khiển, và cơ cấu dẫn động Đầu gắp được thiết kế để có thể cầm nắm vàđặt các linh kiện một cách chính xác, nhanh chóng, giúp tăng cường năng suất và

giảm thiêu sai sót trong quá trình sản xuât.

chỉ mang lại độ cứng vững cho khung máy mà còn giúp hạn chế tình trạng ăn mòn

theo thời gian, đảm bảo tuổi tho và sự 6n định cho hệ thống.

10

Hình 3.2: Khung máy PnP sử dụng nhôm V-slot của đề tàiThông số khung máy PnP của đề tài được mô tả như bảng 3.1:

Bảng 3.1: Thông số khung máy

Kích thước Don vi (cm)

Chiéu dai 63,5cmChiều rộng 52cmChiều cao 23cm

hình 3.3 Đề đảm bảo hoạt động hiệu quả và độ chính xác cao, trục Z cần phải có cácđặc điểm sau: độ cứng vững, chịu tải tốt, Ổn định và giảm rung động

11

Hình 3.3: Cấu trúc trục Z của đề tài

Ngoài ra, các phần linh kiện quan trọng khác bao gồm giá đỡ cho hai camera như

hình 3.6, khay đỡ PCB, và khay giữ linh kiện Dé đảm bảo độ chính xác và chất lượngcủa các bộ phận này, chúng ta sử dụng công nghệ in 3D đề thiết kế và sản xuất

Các máy PnP hoặc SMT sử dụng bộ phận đặc biệt dé cấp linh kiện cho cả hệ thống,gọi là feeder Tuy nhiên, feeder chính là khó khăn lớn thứ hai trong quy trình thiết kế

hệ máy PnP của đề tài Cụ thê, feeder công nghiệp với giá thành rất cao, kích thướclớn dẫn đến không phù hợp với kích thước hệ máy của dé tài Mặc khác, feeder tự

thiết kế và gia công thì giá thành lại rất cao, vượt kinh phí của đề tài Do đó, khay giữ

linh kiện được minh họa như hình 3.4 là lựa chọn khả thi, đáp ứng được khối lượngnghiên cứu và kinh phí của đề tài Khay chứa linh kiện gồm 4 hàng trong đó 3 hàng

dành riêng cho linh kiện 0805 và hàng còn lại giữ linh kiện IC 555 SOP

12

Giá đỡ PCB được thiết kế dành riêng cho pcb 7x3cm

Hình 3.5: Gia đỡ PCB

3.3 Cơ cấu chuyển động

Hệ thống di chuyên của máy PnP sử dụng các động cơ bước 2 pha (loại 42) để điều

khiển chuyên động của các trục chính Cụ thể, hệ thống bao gồm:

e 1 động cơ bước cho trục X: Động cơ này điều khiển chuyển động ngang của

dau gap theo hướng X

e2 động cơ bước song song cho trục Y: Hai động cơ này phối hợp hoạt động dé

điều khiển chuyên động ngang theo hướng Y, đảm bảo độ chính xác và 6n

định.

e 1 động cơ bước cho trục Z: Động cơ này điều khiển chuyển động lên xuống

của dau gap, giúp nâng hạ các linh kiện một cách chính xác.

13

e 1 động cơ bước trục rồng cho đầu hút (hay còn gọi là nozzle): Động cơ này

điều khiển xoay chiều của đầu hút, giúp xoay và định vị linh kiện theo đúnghướng yêu cầu

3.3.1 Động cơ bước

Động cơ bước minh họa như hình 3.7, có khả năng kiểm soát chính xác vị trí và tốc

độ mà không cần sử dụng các bộ cảm biến phản hồi vị trí, nhờ vào việc mỗi “bước”của động cơ được điều khiển bởi một xung điện, cho phép đạt độ chính xác đến từng

bước.

Hình 3.7: Động cơ bước 2 pha

Ngoài ra, động cơ bước cung cấp mô-men xoắn cao ngay cả ở tốc độ thấp, lý tưởng

cho các ứng dung đòi hỏi sự điều khiến mô-men xoắn chặt chẽ như trong hệ thốnggap thả linh kiện Cuối cùng, động co bước có thé được điều khiển dé dàng thông quacác tín hiệu điện tử đơn giản mà không cần các hệ thống điều khiển phức tạp, giúpgiảm thiểu chi phí và độ phức tap của hệ thống

Thông số động cơ bước:

e_ Độ phân giải: Động cơ bước thường có độ phân giải từ 200 đến 400 bước mỗi

vòng quay (1.8 đến 0.9 độ mỗi bước) Điều này cho phép chuyên động rất mịn

và kiểm soát tốt

e Tốc độ vận hành: Phụ thuộc vào loại động cơ và điều khiển được sử dụng,

động cơ bước có thê đạt tốc độ lên đến vài nghìn bước mỗi phút

14

e Dai điện áp hoạt động: Điện áp hoạt động của động cơ bước thường nằm trong

khoảng từ 12V đến 48V, tùy thuộc vào các yêu cầu cụ thê của ứng dụng

3.3.2 Driver TB6600

Đề đảm bảo hoạt động của động cơ bước, chúng ta cần sử dụng một bộ điều khiểnphù hợp Trong dé tài này, chúng ta sử dung driver TB6600 đề điều khiển các động

cơ bước được minh họa như hình 3.8

Driver TB6600 là một trong những thiết bị điều khién phô biến được sử dung rộng

rãi trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao và hiệu suất 6n định Thiết bị naycung cấp các tính năng như điều khiển dòng điện, bảo vệ quá dòng và chống nhiễu,giúp đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống Sử dụng driver TB6600 làm nên

tảng cho việc điều khiển động cơ bước trong luận văn này giúp tăng tính hiệu quả và

đáng tin cậy của quá trình nghiên cứu và ứng dụng

e Có thé dừng động cơ bang cách ngưng cấp xung điều khiển

e Chế độ điều khiển bán kép kín giúp cho mạch có thé hoạt động ở những môi

trường nghiêm ngặt hơn

e Có chức năng khóa bán tự động tiết kiệm năng lượng

e Có chức năng bảo vệ Quá nhiệt, quá dòng, sụt áp.

© Có thể điều khiển động cơ bước 2 pha quay va đảo chiều quay, có thé hoạt

e Độ chính xác cao: Day đai GT2 có độ chính xác cao trong truyền động, giúp

đảm bảo các chuyền động của trục X, Y, và Z đều mượt mà và đúng vi trí

e_ Độ bên và khả năng chịu tai tốt: Với bản đai rộng 6mm, dây đai GT2 có khả

năng chịu tải tốt, đảm bảo hoạt động ôn định và lâu dai của hệ thống.

3.4 Hệ thống gắp thả

3.4.1 Nozzle

Hệ thống gắp thả của máy Pick & Place (P&P) là một thành phần quan trọng, đảmnhiệm việc gap các linh kiện từ vi tri ban dau và thả chúng vào vi trí đích một cáchchính xác và hiệu quả Hệ thống này bao gồm đầu gắp, hệ thống xoay và các trục

chuyền động được mô tả như hình 3.10 Dau gap sử dụng lực hút chân không dé gap

và thả linh kiện Hệ thống xoay được điều khiến bởi động cơ bước trục rỗng, giúpđầu gắp có thê xoay và định vị linh kiện theo đúng hướng yêu cầu [7]

3.4.2 Bom chân không

Đề dau nozzle có thé gap được linh kiện, hệ thống cần sử dụng máy bơm tạo ra hút

chân không dé giữ chặt linh kiện trên nozzle Bơm chân không là thiết bi quan trong

trong việc tạo ra và duy trì chân không trong hệ thống Bơm hoạt động bằng cách hútkhông khí ra khỏi một không gian kín, tạo ra áp suất thấp hơn áp suất khí quyền bênngoài Quá trình nay tạo ra lực hút cần thiết dé giữ linh kiện một cách chắc chắn trên

dau nozzle trong suốt quá trình di chuyền và lắp ráp Việc sử dung bơm chân không

đảm bảo rằng linh kiện không bị rơi ra hoặc lệch vị trí, góp phần nâng cao độ chínhxác và hiệu quả của hệ thong Pick & Place

Hinh 3.12: May bom

Thông số máy bơm:

e Công suất: Phụ thuộc vào model và hãng sản xuất, thường từ 50W đến 200W

e©_ Lưu lượng: Từ 1 m3/h đến 10 m°/h

e Áp suất tối thiểu: 0.1 mbar

Hình 3.13: Ong dẫn khí

18

3.4.3 Relay

Dé thực hiện việc gap và tha linh kiện, hệ thống cần đóng ngắt máy bơm chân không

liên tục, và điều này được thực hiện bằng cách sử dụng relay Relay là một thiết bịđiện tử hoạt động như một công tắc, cho phép điều khiển máy bơm chân không một

cách tự động Khi nhận được tín hiệu điều khiến, relay sẽ đóng mạch để kích hoạtmáy bơm, tạo ra lực hút chân không cần thiết cho việc gap linh kiện Ngược lại, khi

cần thả linh kiện, relay sẽ ngắt mạch, tắt máy bơm và giải phóng lực hút Sử dụng

relay giúp hệ thống hoạt động hiệu quả và chính xác, đảm bảo quá trình gắp thả linh

kiện dién ra suôn sẻ và đông bộ.

Thông số:

e Sử dụng điện áp nuôi DC 5V.

e Relay mỗi Relay tiêu thụ dòng khoảng 80mA.

e Điện thế đóng ngắt tối da: AC250V ~ 10A hoặc DC30V ~ 10A

3.5 Xử lý ảnh

Trong hệ thống may Pick and Place, vai trò của camera là vô cùng quan trọng trongviệc đảm bảo độ chính xác và hiệu suất của quá trình gắp và đặt linh kiện SMD lênbảng mạch điện tử Hai loại camera chủ yêu được sử dụng là camera trên (TopCamera) và camera đưới (Bottom Camera), mỗi loại đều có vai trò và chức năng riêng

biệt nhưng đều đóng góp quan trọng vào tính chính xác và hiệu quả của quá trình sản

xuât:

19

e Camera Trên (Top Camera): được đặt phía trên khay chứa linh kiện SMD, có

nhiệm vụ chính là nhận diện và xác định vi trí của từng linh kiện trước khi

chúng được gắp lên Điều quan trọng đối với loại camera này là độ phân giải

cao, giúp nhận diện các chi tiết nhỏ trên linh kiện một cách chính xác Cameraphải có khả năng giải quyết các tình huống phức tạp và thay đổi trong vị trí

của linh kiện trên khay một cách nhanh chóng và chính xác.

e Camera Dưới (Bottom Camera): Đặt dưới bảng mạch, hỗ trợ việc định vị chính

xác vị trí linh kiện cần đặt trên bảng mạch Camera này giúp đảm bảo linh kiện

được đặt đúng chỗ với độ chính xác cao.

Hệ thống PnP sẽ sử dụng loại camera USB100W07M với các đặc điểm như sau:

e Độ phân giải: 1.0 Megapixel, hỗ trợ độ phân giải hình ảnh lên tới

1280x720.

e_ Khung hình trên giây (FPS): Có thé đạt tôi đa 30 fps ở độ phân giải 720p,

đảm bảo hình ảnh chuyên động mượt mà và giảm thiểu độ trễ trong nhận

3.6 Bộ điều khiến (Motion Controller)

Motion controller là một thiết bị điện tử quản lý và điều khiến các hoạt động chuyển

động trong hệ thống tự động hóa như may CNC và các thiết bị tự động khác Nó nhận

tín hiệu điều khiển từ máy tính hoặc PLC và điều chỉnh các động cơ và bộ truyềnđộng như servo motor, động cơ bước dé dam bảo chuyền động diễn ra chính xác theolệnh đã lập trình Motion controller cũng có vai trò quản lý tốc độ, gia tốc và vị trí

của các trục chuyển động, đồng thời tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác của hệthống

3.6.1 STM32F103C8T6

MCU STM32, do STMicroelectronics sản xuất, là một nền tảng vị điều khiển 32-bitphổ biến trong lĩnh vực điều khiển va tự động hóa Với kiến trúc ARM Cortex-M

mạnh mẽ, nó cung cấp hiệu suất tính toán cao và tiết kiệm năng lượng MCU STM32

đa dạng với nhiều dòng sản phẩm từ nhỏ gọn cho thiết bị di động đến mạnh mẽ cho

hệ thống phức tạp Đặc biệt, nó hỗ trợ các giao tiếp như USB, UART, SPI, I2C vaCAN, giúp tích hợp dé dang trong các hệ thống Các công cụ phát triển phan mềm

như STM32CubeMX va HAL cùng các thư viện middleware như RTOS, USB va

TCP/IP, hỗ trợ mạnh mẽ cho việc phát triển và tối ưu hóa ứng dụng MCU STM32 là

lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng công nghiệp đòi hỏi tính tin cậy và hiệu suất

cao.

Hình 3.16: STM32F103C8T6 [8]

Thông số:

21

e Tốc độ xử lý: Các dòng STM32F và STM32H, có tốc độ CPU lên đến 400

MHz và 550 MHz tương ứng, cung cấp khả năng xử lý nhanh cho các tác vụ

đa nhiệm và thời gian thực.

e Bộ nhớ: STM32 có các tùy chọn bộ nhớ flash từ 64 KB đến 2 MB và bộ nhớ

RAM từ 20 KB đến 640 KB, cho phép lưu trữ chương trình phức tạp và xử lý

dữ liệu lớn mà không gặp trở ngại.

e Độ phân giải ADC: Một số mẫu có ADC với độ phân giải lên đến 16-bit, cung

cấp đo lường chính xác cho các ứng dụng cảm biến

e Ngoại vi tích hợp: Gồm các kênh DAC, timer, và bộ so sánh analog, hỗ trợ

các ứng dụng điều khiển động cơ và xử lý tín hiệu

e Khả năng kết nối: Hỗ trợ nhiều giao thức kết nối bao gồm UART, SPI, 2C,

USB, CAN, va Ethernet, cho phép kết nói va giao tiếp linh hoạt với các thiết

bi ngoại vi.

e Tính năng bảo mật: Các mau mới hỗ trợ mã hóa phần cứng và bảo vệ bộ nhớ,

đảm bảo an toàn đữ liệu và chương trình khi triển khai trong môi trường sảnxuất

e Khả năng mở rộng: Thư viện phần mềm HAL và LL từ STMicroelectronics

cung cấp các API dé dang để tối ưu hóa hiệu suất phần cứng và tăng cườngtính linh hoạt trong phát triển ứng dụng

3.6.2 Raspberry Pi

Raspberry Pi là một may tính nhúng nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ, được sử dụng rộng rãi

trong hệ thống gắp thả linh kiện (PnP) nhờ vào khả năng xử lý ảnh của nó Với việctích hợp các công cụ và thư viện hỗ trợ, Raspberry Pi có thé thực hiện việc xử ly vaphan tich hinh anh dé nhận điện và định vị chính xác vi trí của linh kiện, điều này làmnén tang lý tưởng cho các ứng dụng tự động hóa và điều khiển trong PnP

22

Thông số:

e CPU: Broadcom BCM2711, Quad core Cortex-A72 (ARM v8) 64-bit SoC @

1.5GHz

e RAM: 2GB, 4GB, hoặc 8GB LPDDR4-3200 SDRAM (tùy chọn)

e Kết nối: Gigabit Ethernet, 2.4 GHz và 5.0 GHz IEEE 802.1 1b/g/n/ac wireless

LAN, Bluetooth 5.0, BLE

e GPIO: 40-pin GPIO header, hoàn toàn tương thích với các phiên bản

Raspberry Pi trước

e Hỗ trợ Lập trình: Python, Scratch, C++, và nhiều ngôn ngữ khác; hỗ trợ từ

cộng đồng rộng lớn và tài liệu phong phú

Trong hệ thống PnP, Raspberry Pi được sử dụng đề điều khiển các camera nhận diệnlinh kiện, xử lý hình ảnh và giao tiếp với MCU STM32 dé điều khién các trục và đầu

gap Nó cũng cung cấp giao diện người dùng thông qua một màn hình LCD hoặc truy

cập từ xa qua mang, cho phép người dùng cau hình các thông số hoạt động và theo

dõi quá trình sản xuất

Tích hợp: Raspberry Pi tích hợp với phần cứng qua các công GPIO và kết nối với các

mô-đun bên ngoài như camera, cảm biên, và động cơ qua các chuân kêt noi như SPI,

I2C, va USB.

23

Phát triển Phần mềm: Các thư viện như OpenCV cho xử lý hình ảnh, TensorFlow

hoặc PyTorch cho học máy, được sử dụng để phát triển các ứng dụng nhận diện va

điều khiển thông minh

3.7 Thư viện HAL

Thư viện HAL (Hardware Abstraction Layer) của STM32 là một tập hợp các API

(Application Programming Interface) được thiết kế dé trừu tượng hóa phần cứng củacác dòng vi điều khién STM32 Thư viện này cung cấp các ham API đơn giản và đanăng cho người phát triển ứng dụng, giúp họ dé dàng tương tác với phần cứng mà

không cần quan tâm quá nhiều đến chỉ tiết phức tạp của vi điều khién và các peripheral

(các bộ phận ngoại vi) [8]

Các API trong HAL bao gồm các chức năng như khởi tạo và cau hình các peripheral,

quản lý truyền dữ liệu dựa trên polling, xử lý ngắt hoặc DMA, và quản lý các lỗi

trong truyền thông Thư viện HAL được chia thành hai loại API chính: generic APIs

cung cấp các hàm chung cho tất cả các dòng vi điều khiển STM32, trong khi extensionAPIs cung cấp các chức năng cụ thể và tùy chỉnh cho từng đòng hoặc loại vi điều

khiến cụ thé.

Mục đích chính của HAL là cung cấp một cấp độ trừu tượng hóa cao và độ di độngcao, giúp người phát triển tập trung vào việc phát triển ứng dung mà không phải lo

lắng về sự phức tạp của phần cứng và khả năng tương thích HAL cũng đảm bảo tính

di động cao và khả năng tái sử dụng mã nguồn, giúp dé dang di chuyển ứng dụngsang các vi điều khiển khác nhau trong họ STM32 [8]

3.8 Thư viện OpenCV

OpenCV, viết tắt của Open Source Computer Vision Library, là một trong những thư

viện quan trọng nhất trong lĩnh vực thị giác máy tính và xử lý ảnh Được phát triểnban đầu bởi Intel vào năm 1999 và sau đó được duy trì bởi Willow Garage và hiệnnay là OpenCV.org, thư viện mã nguồn mở nay đã trở thành công cụ không thé thiếu

cho các nhiệm vụ phức tạp trong xử lý hình ảnh [10]

24