Thiết kế và chế tạo máy phay mạch in

Sau khi chọn được phương pháp phù hợp, nhóm đã tiến hành nghiên cứu để chọn các thành phần cơ bản như: động cơ bước, động cơ trục chính, bàn máy, khung máy…Cuối cùng là lắp ráp hoàn thàn

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Trong bối cảnh công nghệ phát triển nhanh chóng và nhu cầu về thiết bị điện tử nhỏ gọn ngày càng tăng, mạch in đang trở nên nhỏ hơn và tích hợp nhiều chức năng hơn Để tạo ra những bo mạch này, sinh viên không chỉ cần thiết kế mô phỏng trên phần mềm mà còn phải gia công mạch, lắp đặt linh kiện và thực hiện thử nghiệm thực tế nhằm đánh giá các thiết kế của mình.

Các phương pháp làm mạch như in lụa, khắc axit hay phim cảm quang chỉ hiệu quả với quy mô lớn, trong khi phương pháp thủ công như in ủi và ngâm trong dung dịch có nhiều hạn chế về hóa chất, thẩm mỹ và chất lượng gia công, ảnh hưởng đến kết quả nghiên cứu Để đảm bảo chất lượng và độ chính xác, việc sử dụng máy CNC cho phay và khoan mạch là cần thiết, nhưng giá thành cao và yêu cầu kỹ năng vận hành khiến học sinh và sinh viên khó tiếp cận.

Nhóm nghiên cứu đã thiết kế và chế tạo một máy phay mạch in với chi phí thấp, dễ sử dụng, nhằm đáp ứng tiêu chuẩn gia công mạch, phục vụ sinh viên trong quá trình nghiên cứu và học tập.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Nghiên cứu và ứng dụng máy phay mạch in đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiểu biết về công nghệ sản xuất mạch in điện tử, đặc biệt là các kỹ thuật gia công cơ khí chính xác Việc này không chỉ góp phần phát triển các phương pháp mới trong chế tạo và gia công mạch in, mà còn mở ra nhiều hướng nghiên cứu về vật liệu và kỹ thuật phay Đồng thời, tối ưu hóa quy trình sản xuất từ thiết kế đến sản xuất, đảm bảo độ chính xác cao và giảm thiểu lỗi sản phẩm.

Máy phay mạch in là công cụ quan trọng giúp tạo ra các sản phẩm mạch in chất lượng cao với độ chính xác và độ bền vượt trội, đáp ứng nhu cầu khắt khe của thị trường điện tử Thiết bị này cho phép sản xuất hàng loạt các mạch in phức tạp với tốc độ nhanh, từ đó nâng cao khả năng sản xuất của doanh nghiệp Các sản phẩm mạch in từ máy phay được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như viễn thông, y tế, ô tô, hàng không và thiết bị điện tử tiêu dùng.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

- Hiểu rõ cơ chế hoạt động của máy phay, từ cách điều khiển máy, chọn mũi phay, đến quá trình phay cắt và tạo hình các đường mạch

- Tìm ra các thông số kỹ thuật như tốc độ phay, độ sâu cắt để đạt hiệu suất cao

Kiểm tra và đánh giá chất lượng sản phẩm mạch in sau quá trình phay là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác của các đường mạch và khả năng kết nối điện hiệu quả.

Công nghệ này được thiết kế để dễ dàng vận hành và sửa chữa, giúp sinh viên cải thiện khả năng thực hành Nó cũng cho phép sinh viên hình dung rõ ràng các ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Các mạch thủ công của các bạn sinh viên, quá trình gia công thủ công, kích thước đường mạch, kích thước bảng mạch

- Nghiên cứu chi tiết về cấu tạo của máy phay mạch, bao gồm các thành phần như trục chính, bàn máy, hệ thống điều khiển

- Tìm hiểu cách thức hoạt động của máy phay, từ khâu thiết kế trên phần mềm, xuất mã G-code đến quá trình gia công mạch

- Các bước và phần mềm sử dụng trong việc thiết kế mạch in

- Các bước cụ thể trong quá trình gia công mạch in bằng máy phay và các bước hoàn thiện sau gia công như kiểm tra và làm sạch

- Các loại vật liệu phổ biến như FR4 và các tính chất của chúng

- Các loại mũi phay, dao cắt và các dụng cụ hỗ trợ khác

Nghiên cứu các thông số kỹ thuật của máy phay là rất quan trọng, bao gồm độ chính xác, tốc độ phay và công suất trục chính Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của mạch in, do đó việc nắm rõ chúng sẽ giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy trong quá trình sản xuất.

Nghiên cứu quy trình sản xuất bao gồm thiết kế mạch, chuẩn bị vật liệu, lập trình mã G-code, gia công và hoàn thiện sản phẩm Đo lường và đánh giá hiệu suất máy phay trong quá trình sản xuất là rất quan trọng, với các yếu tố như thời gian gia công, độ chính xác của mạch và tỷ lệ sản phẩm đạt tiêu chuẩn.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu và thu thập tài liệu từ sách, báo cáo khoa học và bài báo học thuật về công nghệ phay mạch, nguyên lý hoạt động của máy phay, cũng như các quy trình sản xuất mạch in là rất quan trọng Những thông tin này giúp hiểu rõ hơn về quy trình sản xuất và cải tiến công nghệ trong lĩnh vực mạch điện tử.

Khảo sát và thu thập dữ liệu thiết kế từ các bo mạch của sinh viên là bước quan trọng để thu thập thông tin Những số liệu này sẽ là nền tảng cho việc thiết kế và chế tạo máy phay mạch in.

Dựa trên những số liệu thu được, tiến hành tính toán, đánh giá, chọn lựa các chi tiết chính, khung kết cấu và phương thức gia công, lắp đặt

Tiến hành gia công mạch in bằng các mã G-code khác nhau, ghi lại kết quả bao gồm thời gian gia công, độ chính xác đường dẫn và chất lượng tổng thể của mạch Ứng dụng kiến thức từ các môn chuyên ngành vào đề tài này để thực hiện tính toán, thiết kế, điều khiển và kiểm nghiệm.

Giới hạn đề tài

Mô hình máy gia công mạch in dựa trên nền tảng máy CNC là sản phẩm phức tạp, yêu cầu sự kết hợp giữa cơ khí, điện tử và lập trình Các thông số đầu vào bao gồm kích thước tổng thể, kích thước đường mạch gia công và thời gian gia công Nhóm đã xác định và giới hạn các thông số cũng như chức năng của máy để tối ưu hóa hiệu suất.

- Kích thước mạch in (D×R): (300×200) mm

- Sai số độ rộng đường mạch gia công: 0,1 mm

- Phay được mạch chất liệu Fr-4 đơn lớp

- Phục vụ cho mục đích giáo dục.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về máy CNC

2.1.1 Giới thiệu về máy CNC

Máy phay CNC là công cụ gia công cơ khí hiện đại, cho phép thực hiện phay và cắt gọt vật liệu tự động và chính xác thông qua lệnh lập trình từ máy tính Khác với máy phay truyền thống cần sự điều khiển trực tiếp từ người thợ, máy phay CNC hoạt động dựa trên mã G-code được tạo ra từ phần mềm thiết kế như CAD và CAM.

Hình 2.1: Máy CNC trong công nghiệp 1

Máy phay CNC nổi bật với khả năng giảm thiểu sự can thiệp của con người, từ đó nâng cao năng suất và giảm chi phí lao động Ngoài ra, máy phay còn mang lại tính linh hoạt cao, cho phép thay đổi thiết kế và sản xuất mẫu thử nghiệm nhanh chóng mà không cần thay đổi cấu hình máy móc nhiều lần Điều này rất quan trọng trong các ngành công nghiệp như hàng không, ô tô và sản xuất thiết bị điện tử, nơi yêu cầu độ chính xác và hiệu quả luôn được đặt lên hàng đầu.

Máy phay CNC là công cụ thiết yếu trong gia công hiện đại, kết hợp hoàn hảo giữa công nghệ và sản xuất Sự tiến bộ không ngừng của công nghệ hứa hẹn mang lại cải tiến vượt bậc cho máy phay CNC, góp phần vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp toàn cầu.

1 Máy CNC DVF 8000 6 trục hãng DOOSAN (https://www.ellisontechnologies.com)

Nguyên lý cơ bản của khối điều khiển CNC là nhận tín hiệu từ người vận hành và chương trình, sau đó cung cấp tín hiệu điều khiển cho khối cơ cấu chấp hành để thực hiện gia công Hệ điều khiển CNC có sự tham gia của máy tính, cho phép thay đổi và hiệu chỉnh các chương trình gia công chi tiết cũng như chương trình hoạt động của chính nó Các chương trình có thể được ghi nhớ và nạp vào bộ nhớ, có thể thực hiện toàn bộ hoặc từng dòng lệnh bằng tay từ bảng điều khiển.

Hình 2.2: Sơ đồ khối máy CNC 1

2.1.3 Giới thiệu về mạch in

Mạch in, hay còn gọi là mạch in điện tử, là nền tảng thiết yếu cho hầu hết các thiết bị điện tử hiện đại Nó đóng vai trò kết nối các linh kiện điện tử như điện trở, tụ điện, vi mạch và nhiều thành phần khác, tạo thành một mạch điện hoàn chỉnh.

Mạch in bao gồm bốn thành phần chính: lớp nền, lớp đồng, lớp phủ bảo vệ và lớp chỉ thị Lớp nền thường được chế tạo từ vật liệu cách điện như sợi thủy tinh, trong khi lớp phủ bảo vệ bằng polymer giúp ngăn ngừa oxi hóa và hiện tượng ngắn mạch Cuối cùng, lớp chỉ thị chứa thông tin quan trọng như ký hiệu linh kiện, số hiệu và hướng dẫn lắp ráp.

Quá trình sản xuất mạch in thông thường có 4 bước: thiết kế mạch, in ấn và khắc, khoan lỗ, gắn linh kiện

G-code là tập hợp các mã lệnh điều khiển chuyển động và hoạt động của máy CNC, được mã hóa dưới dạng văn bản Mỗi lệnh G-code xác định một hành động cụ thể mà máy cần thực hiện, như di chuyển đến vị trí nhất định, bắt đầu hoặc dừng cắt, và thay đổi tốc độ.

Phần điều khiển Phần chấp hành

Cơ cấu điều khiển Máy thực hiện

Chi tiết gia công Tín hiệu Màn hình

Chương trình điều khiển Phôi

Để chuyển đổi từ file thiết kế sang file G-code cho máy CNC, có thể sử dụng nhiều định dạng file như PDF, JPG, IMG, và Gerber Tuy nhiên, các định dạng JPG và IMG không đảm bảo độ chính xác cao và thiếu thông tin chi tiết về các lớp mạch, vị trí linh kiện và các đặc tính khác của mạch in Ngược lại, file Gerber cung cấp độ chính xác cao và chứa đầy đủ thông tin cần thiết cho sản xuất mạch in Do đó, nhóm quyết định chọn file Gerber làm đầu vào để nâng cao độ chính xác cho sản phẩm đầu ra.

G-code là ngôn ngữ lập trình cho máy CNC, bao gồm các lệnh được biểu diễn bằng ký tự và số, thường bắt đầu bằng chữ cái như G, M, hoặc T, theo sau là các tham số Các lệnh này được sắp xếp theo trình tự logic, giúp máy hiểu và thực hiện các thao tác một cách chính xác.

Ví dụ về một số lệnh G-code phổ biến:

G00: Di chuyển nhanh đến vị trí

G01: Di chuyển theo đường thẳng với tốc độ cắt định trước

G02/G03: Di chuyển theo cung tròn (G02 theo chiều kim đồng hồ, G03 ngược chiều kim đồng hồ)

M03: Bật trục chính quay theo chiều kim đồng hồ

2.1.5 Các bộ điều khiển CNC phổ biến

Trên thị trường hiện nay có nhiều loại bộ điều khiển CNC, từ hệ thống đơn giản dành cho người mới bắt đầu đến những hệ thống phức tạp phục vụ cho ứng dụng công nghiệp chuyên nghiệp Dưới đây là một số bộ điều khiển CNC phổ biến cùng với những đặc điểm nổi bật của chúng.

Hình 2.3: Bộ điều khiển Mitsubishi 1

Bộ điều khiển Mitsubishi QD75MH4 cung cấp các hệ thống điều khiển CNC linh hoạt và tiên tiến, nổi bật với tính năng quản lý công cụ, lập trình đồng thời nhiều trục và giao diện người dùng trực quan Sản phẩm này được ứng dụng rộng rãi trong các loại máy như máy tiện, máy phay và các hệ thống gia công phức tạp.

Bộ điều khiển DDCSV 2.1 có khả năng điều khiển 4 trục với giao diện màn hình màu LCD thân thiện, hỗ trợ nhiều cổng kết nối như USB, RS232 và Ethernet Với bộ xử lý nhanh, thiết bị đảm bảo quá trình gia công diễn ra mượt mà và chính xác, phù hợp cho các ứng dụng như máy phay và máy tiện trong cắt gọt gỗ và kim loại.

1 Bộ điều khiển DDCSV 2.1 (https://cnc3ds.com)

2 Bộ điều khiển Mach 3 (https://vinadenki.vn)

Bộ điều khiển Mach 3 và Mach 4 là phần mềm điều khiển CNC phổ biến cho máy tính cá nhân, thường được sử dụng trong các hệ thống CNC tự chế và ứng dụng nhỏ Những phần mềm này nổi bật với tính năng dễ dàng tùy chỉnh và cấu hình theo nhu cầu người dùng Chúng thường được áp dụng trong các loại máy phay, máy tiện, máy khắc và các ứng dụng CNC nhỏ khác.

2.1.6 Cấu tạo của máy phay

Cấu tạo của máy phay CNC có thể khác nhau tùy thuộc vào ứng dụng và yêu cầu sản xuất, nhưng các thành phần cơ bản sau đây thường có mặt trong mọi máy phay CNC:

Bàn làm việc là bề mặt phẳng hoặc 3D dùng để kẹp và cố định vật liệu trong quá trình gia công Nó có khả năng di chuyển theo các trục, giúp định vị chính xác và gia công hiệu quả các loại vật liệu.

Các nghiên cứu liên quan đến đề tài

2.2.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Hiện nay, nghiên cứu chế tạo máy phay mạch in tập trung vào việc nâng cao độ chính xác và giảm chi phí Các máy phay hiện đại sử dụng động cơ servo để điều khiển chính xác chuyển động của dao phay, cùng với các phần mềm điều khiển được cải tiến liên tục nhằm tối ưu hóa quá trình phay, tăng hiệu suất và đảm bảo chất lượng của các đường mạch.

Với sự phát triển mạnh mẽ, các nhà máy công nghiệp lớn và tư nhân hiện nay có khả năng phay nhiều loại vật liệu như gỗ, nhôm, đồng và sợi thủy tinh (Fr-1, Fr-4, ) để đáp ứng nhu cầu đa dạng Mỗi loại vật liệu đều có những tính chất riêng, yêu cầu kỹ thuật gia công, cách chọn công cụ và thiết lập máy khác nhau tùy thuộc vào quy trình sản xuất Những ứng dụng thực tế của phay bao gồm sản xuất đồ nội thất, bộ phận máy móc, linh kiện điện tử và mạch in.

Nhiều đồ án tốt nghiệp và nghiên cứu khoa học tại các trường đại học ở Việt Nam đã tập trung vào máy CNC phay mạch in Sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ phay mạch ở nước ta không chỉ tạo ra cơ hội việc làm mà còn giúp học sinh, sinh viên tiếp cận công nghệ mới.

Hình 2.7: Mô hình máy gia công PCB và sản phẩm từ đề tài nghiên cứu của một nhóm sinh viên ở nước ta 1

Nghiên cứu về máy phay mạch in ở nước ngoài đã đóng góp quan trọng cho sự phát triển của ngành công nghiệp điện tử toàn cầu Nhiều tài liệu và báo cáo khoa học đã được công bố, tạo ra các mô hình máy gia công mạch in với độ chính xác, ổn định và thẩm mỹ cao, đáp ứng yêu cầu khắt khe của khách hàng Tuy nhiên, chi phí cao của những mô hình này là rào cản lớn đối với những người muốn tiếp cận, học tập và nghiên cứu, đặc biệt là học sinh và sinh viên.

Hình 2.8: Máy gia công mạch PCB tự động của WEGSTR và sản phẩm gia công từ máy của hãng 2

Với đề tài “Thiết kế chế tạo mô hình máy phay mạch in” được nghiên cứu thể hiện với các mục đích sau:

- Phục vụ cho mục đích nghiên cứu và học tập của các bạn sinh viên

1 Đồ án sinh viên: “ NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY GIA CÔNG MẠCH PCB TỰ ĐỘNG”

2 Máy phay mạch in và sản phẩm của hãng WEGSTR (https://wegstr.com)

Nghiên cứu và thiết kế nhằm đơn giản hóa các kết cấu, giảm kích thước để phát triển một máy mới với chi phí thấp, cấu trúc đơn giản, dễ vận hành và thuận tiện cho việc di chuyển giữa các địa điểm làm việc.

Cung cấp kiến thức về máy phay mạch cho sinh viên là rất quan trọng, giúp họ phát triển kỹ năng thực hành thông qua việc thiết kế và gia công mạch in Việc này không chỉ nâng cao năng lực chuyên môn mà còn chuẩn bị cho sinh viên những kỹ năng cần thiết để thành công trong ngành công nghiệp điện tử.

- Sử dụng màn hình điều khiển có giao diện và hoạt động đơn giản, thuận tiện.

PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ

Tiêu chí thiết kế

Máy phay mạch là thiết bị thiết yếu trong sản xuất mạch in điện tử, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất và độ chính xác của quá trình gia công Thiết kế máy phay cần phải xem xét nhiều yếu tố quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng Dưới đây là các tiêu chí cần được đánh giá kỹ lưỡng trong thiết kế máy phay.

- Độ chính xác cao và độ phân giải tốt để đảm bảo mạch in được gia công chính xác theo các thiết kế

- Khả năng hoạt động ổn định ở tốc độ cao để tăng năng suất

Máy phay cần được thiết kế với tính năng dễ dàng điều chỉnh và sử dụng, đồng thời có khả năng thích ứng với nhiều loại mạch in khác nhau Việc cho phép thay đổi cài đặt một cách linh hoạt cũng là yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu quả sử dụng.

Thiết kế máy cần tích hợp các biện pháp an toàn, chẳng hạn như cảm biến tự động dừng máy khi phát hiện nguy hiểm, nhằm bảo vệ người sử dụng và giảm thiểu tai nạn.

- Kích thước nhỏ gọn và dễ di chuyển cũng là một yếu tố quan trọng

Dựa trên tiêu chí thiết kế, việc thiết kế máy phay cần tập trung vào độ chính xác cao của cụm trục chính nhằm giảm thiểu sai số trong gia công mạch in có kích thước nhỏ và lớp đồng mỏng Các trục cần được điều chỉnh và tích hợp hợp lý để đảm bảo quá trình gia công diễn ra chính xác, hiệu quả và linh hoạt trong việc đáp ứng các yêu cầu sản xuất cụ thể Thông tin cơ bản về máy sẽ được thể hiện trong bảng sau.

Kích thước máy (D, R, C) (750×560×660) mm Kích thước bàn phay (300×270×10) mm

Sai số độ rộng đường mạch ±0,1 mm

Thời gian làm việc 15000 Giờ

Bảng 3.1: Yêu cầu thiết kế

Lựa chọn phương án di chuyển bàn gá phôi

Hệ thống truyền động CNC 3 trục là một giải pháp đơn giản nhưng mang lại tính linh hoạt cao trong không gian ba chiều, đồng thời đảm bảo độ chính xác và tốc độ hoạt động tối ưu.

Hệ thống này sở hữu khả năng thích nghi vượt trội, cho phép điều chỉnh các thông số như độ dài hành trình, khả năng tải và tốc độ của ba trục XYZ bằng cách thay đổi các thành phần cấu tạo.

Hệ thống này với các tính năng hữu ích đã được ứng dụng phổ biến trong nhiều ngành tự động hóa, bao gồm lắp ráp tự động, in 3D, in khắc tự động, cắt laser và bôi keo mạch PCB.

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

Hình 3.1: Bàn máy di chuyển theo trục X Y 1 Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, dễ dàng lắp đặt, quán tính nhỏ hoạt động êm

Nhược điểm: Khó căn chỉnh bàn gá phôi, kích thước máy lớn, cồng kềnh

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

Hình 3.2: Bàn máy di chuyển theo trục Y 2 Ưu điểm: Độ chính xác cao, thiết kế máy linh hoạt có thể điều chỉnh để phù hợp với

1 Máy phay có bàn gia công di chuyển theo 2 trục X, Y (https://wegstr.com, https://grabcad.com)

Máy phay có bàn gia công di chuyển theo trục Y được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như hàn, phay và bắn vít Thiết bị này nổi bật với khả năng bảo trì dễ dàng và độ cứng vững cao Tuy nhiên, nhược điểm của máy là khó khăn trong việc gia công các chi tiết lớn và thiết kế phức tạp.

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

Hình 3.3: Bàn máy cố định 1 Ưu điểm: Giảm thiểu sai số, khả năng chịu tải lớn

Nhược điểm của hệ thống này bao gồm chi phí cao và yêu cầu kỹ thuật phức tạp trong lắp đặt và vận hành Trục Y không chỉ chuyển động độc lập mà còn kèm theo chuyển động của trục X và Z, do đó cần thiết phải chế tạo cơ hệ với kết cấu cứng vững Bên cạnh đó, cần đảm bảo rằng hệ di chuyển ổn định để tránh ảnh hưởng của quán tính.

Kết luận: Nhóm đã chọn phương án 2, trong đó bàn máy di chuyển theo trục Y và cụm trục chính di chuyển theo trục X, Z, vì phương án này mang lại độ chính xác cao và độ ổn định tổng thể lớn.

Hình 3.4: Hình bản vẽ phác thảo sơ bộ máy

1 Máy phay có bàn gia công cố định (https://articulo.mercadolibre.com.mx)

Lựa chọn phương án cho trục dẫn động

3.3.1 Trục vít me đai ốc thường

Hình 3.5: Trục vít me đai ốc thường 1 Ưu điểm:

+ Có kết nối vững chắc, chịu được các tác động ngoại lực lớn

+ Đa dạng về kích thước

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

+ Hiệu suất truyền động thấp

+ Ma sát lớn dẫn đến khả năng mau chóng bị lỏng giữa đai ốc và trục vít

3.3.2 Trục vít ít me đai ốc bi

Hình 3.6: Trục vít me đai ốc bi 2 Ưu điểm:

+ Hiệu suất truyền động cao

+ Truyền động chính xác, êm ái, ổn định

+ Có độ bền cao do ít ma sát

1 Trục vít me đai ốc thường (http://boschrexroth-vn.com)

2 Trục vít me đai ốc bi (https://ideatechmart.com)

+ Chi phí cao hơn các loại vít me thông thường

+ Khả năng chịu tải thấp hơn

Hình 3.7: Bộ truyền đai 1 Ưu điểm:

+ Có khả năng truyền tải lực lớn

+ Hoạt động êm ái, ít rung động

+ Khả năng chuyển động trên các trục không đồng trục và định vị chính xác

+ Hiệu suất truyền động thấp, đáp ứng chậm

+ Không phù hợp cho truyền động thay đổi tốc độ và hướng thường xuyên

3.3.4 Kết luận Để đáp ứng yêu cầu thiết kế ban đầu nhóm đặt ra là cần có độ chính xác cao, hiệu suất truyền động cao, tải thay đổi hướng liên tục, hoạt động trơn tru và êm ái Nhóm quyết định chọn bộ truyền vít me đai ốc bi là bộ truyền đáp ứng được đầy đủ nhất các yêu cầu thiết kế ban đầu.

Lựa chọn loại động cơ

3.4.1 Một số tiêu chí khi lựa chọn động cơ

- Độ chính xác: Động cơ cần có độ chính xác cao và độ phân giải lớn

- Tốc độ và mô-men xoắn: Tốc độ cần phải đủ để gia công mạch in một cách hiệu quả,

Bộ truyền đai là một phần quan trọng trong hệ thống truyền động, giúp chuyển đổi mô-men xoắn từ động cơ mà không làm hỏng các chi tiết Đặc biệt, mô-men xoắn cần thiết để đảm bảo động cơ có đủ sức mạnh gia công các vật liệu như FR4.

- Kích thước và trọng lượng: Động cơ cần phải phù hợp với kích thước của máy phay và không làm tăng quá nhiều trọng lượng cho máy

Động cơ cần hoạt động với mức độ ồn và rung thấp để đảm bảo chất lượng gia công Việc giảm thiểu tiếng ồn và rung động là rất quan trọng, vì chúng có thể gây ảnh hưởng tiêu cực đến các chi tiết nhỏ trên mạch, dẫn đến hư hỏng và giảm hiệu suất.

Động cơ phải đảm bảo độ bền và ổn định cao để hoạt động liên tục và hiệu quả trong thời gian dài.

Hình 3.8: Step servo motor 1 Ưu điểm:

+ Độ chính xác và hiệu suất cao

+ Đáp ứng nhanh êm ái và chính xác

+ Khả năng điều chỉnh tốc độ và mô men linh hoạt

+ Không gây tiếng ồn và rung động thấp

+ Chi phí tương đối cao

+ Phức tạp hơn trong quá trình cài đặt và điều chỉnh

1 Step servo motor (https://fastech.co.kr, https://pt.aliexpress.com)

Hình 3.9: DC Servo 1 Ưu điểm:

+ Tốc độ nhanh, điền khiển chính xác

+ Thời gian đáp ứng nhanh

+ Dễ phát sinh tia lửa điện tại cổ góp

+ Bảo trì bảo dưỡng thường xuyên

Hình 3.10: AC Servo 2 Ưu điểm:

+ Không cần bảo trì thường xuyên, phù hợp sử dụng trong môi trường nhà máy + Mô men xoắn lớn

1 Động cơ DC servo (https://dongluchp.com, https://www.indiamart.com)

2 Động cơ AC servo (https://vn.szghtech.com)

+ Driver phức tạp hơn động cơ DC

+ Cần có sự tương thích giữa động cơ và Driver

+ Đặc tính kỹ thuật thay đổi theo nhiệt độ

Động cơ Step servo đáp ứng đầy đủ yêu cầu về độ chính xác, đồng thời có giá thành rẻ hơn so với hai loại động cơ khác, vì vậy lựa chọn động cơ Step servo là sự lựa chọn hợp lý nhất.

Lựa chọn ray dẫn hướng

So sánh giữa trục dẫn hướng vuông và trục dẫn hướng tròn cần xem xét nhiều yếu tố như tính linh hoạt, độ chính xác, độ ổn định và khả năng chịu tải Phân tích này giúp hiểu rõ hơn về ưu nhược điểm của từng loại trục trong ứng dụng thực tế.

Hình 3.11: Trục dẫn hướng vuông 1 Hình 3.12: Trục dẫn hướng tròn 2

+ Tính linh hoạt: Trục dẫn hướng vuông có khả năng di chuyển đa chiều, giúp gia công các chi tiết phức tạp từ nhiều hướng khác nhau

+ Độ chính xác: Có thể cung cấp độ chính xác cao trong quá trình gia công

+ Khả năng chịu tải: Trục vuông có thể chịu được tải trọng lớn và gia công các vật liệu cứng như kim loại

+ Sự ổn định: Khả năng ổn định cao, giúp giảm rung và nâng cao chất lượng sản phẩm Nhược điểm:

1 Trục dẫn hướng vuông (https://hancatemc.com)

2 Trục dẫn hướng tròn (https://cncvietpro.com)

+ Chi phí: Thường có chi phí cao hơn so với trục tròn

+ Phức tạp trong gia công và bảo trì: Yêu cầu kỹ thuật cao hơn trong việc lắp đặt và bảo trì

+ Chi phí: Thường có chi phí thấp hơn so với trục vuông

+ Dễ dàng trong gia công và bảo trì: Đơn giản và dễ vận hành, bảo trì

+ Linh hoạt trong ứng dụng: Phù hợp cho các ứng dụng đơn giản và không yêu cầu độ chính xác cao

+ Tính linh hoạt: Khả năng di chuyển giới hạn, không thể gia công các chi tiết phức tạp từ nhiều hướng

+ Độ chính xác: Thường không cung cấp độ chính xác cao như trục vuông

+ Khả năng chịu tải: Thường không thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu tải trọng lớn và gia công vật liệu cứng

Ray dẫn hướng vuông có khả năng chống xoay tốt hơn so với ray tròn, giúp duy trì độ chính xác và ổn định trong quá trình vận hành Vì lý do này, ray dẫn hướng vuông trở thành lựa chọn phổ biến và đáng tin cậy cho máy phay hiện nay.

TÍNH TOÁN LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ TRỤC CHÍNH VÀ TRỤC VÍT ME 21 4.1 Tính toán lựa chọn động cơ trục chính

Cơ sở lí thuyết lực cắt

- Các thành phần lực cắt

Lực chạy dao và lực cắt là hai yếu tố chính ảnh hưởng đến dao và phôi trong quá trình gia công Trong quá trình tạo phoi, lực cắt P được phân thành ba thành phần: lực tiếp tuyến 𝑃𝑧, lực hướng trục 𝑃𝑥 và lực hướng kính 𝑃𝑦.

+ Lực 𝑃 𝑧 : Thành phần lực cắt theo phương chiều sâu cắt, xác định tải trọng động cơ

+ Lực 𝑃 𝑉 : Thành phần lực ép dao vào chi tiết gia công, có phương trùng phương với phương của vận tốc 𝑉⃗

+ Lực 𝑃 𝑥 , 𝑃 𝑦 : Thành phần lực xác định tải trọng động của cơ cấu chạy dao, có phương trùng phương với phương của vận tốc 𝑆

- Phương pháp nguyên lí cắt:

Khi phay, cần phân biệt ba loại lượng chạy dao: lượng chạy dao vòng S, lượng chạy dao răng 𝑆 𝑍 và lượng chạy dao phút 𝑆 𝑝ℎ Ba lượng chạy dao này có mối quan hệ chặt chẽ với nhau.

𝑛 - số vòng quay của dao (𝑣/𝑝ℎ)

Thông số đầu vào

- Ta chọn dao phay cầu của hãng Kennametal có các thông số như sau:

Hình 4.1: Thông số kỹ thuật dao phay 1

1 Dao phay cầu của hãng Kennametal (https://www.kennametal.com)

Bảng 4.1: Bảng thông số dao phay của hãng Kennametal 1

Bảng 4.2: Bảng lượng chạy dao của dao phay hãng Kennametal 2

+ Đường kính phay hiệu dụng: 𝐷 1 = 0.5 𝑚𝑚

+ Vận tốc cắt (tra theo thông số kỹ thuật của hãng Kennametal): 𝑉 𝑐 = 290 𝑚/𝑝ℎú𝑡

• Tốc độ quay trục chính, theo tài liệu [6] trang 21:

1 Bảng thông số dao cầu của hãng Kennametal (https://www.kennametal.com)

2 Lượng chạy dao của dao cầu hãng Kennametal (https://www.kennametal.com)

ISO Catalog Number F2AL0030AWS30L030

Adapter Style Machine Side Straight-Cylindrical

[D] Adapter / Shank / Bore Diameter 6 mm

[AP1MAX] 1st Maximum Cutting Depth 1.5 mm

- Lượng chạy dao phút, theo tài liệu [6] trang 27:

Tính toán lực cắt và công suất

- Lực cắt Pz được xác định thông qua công thức, theo tài liệu [6] trang 28:

Trong đó các hệ số được chọn như sau:

+ 𝐶 𝑝 = 22,6 : Hệ số phụ thuộc vào vật liệu cắt và loại dao

+ Số vòng quay của dao: n = 15384 RPM

+ Hệ số điều chỉnh chất lượng vật liệu gia công: 𝑘 𝑀𝑃 = 1

+ Hệ số an toàn cho độ mòn dao: 𝑘 = 1,75 ÷ 1,9

Công suất cắt tính theo công thức với 𝑃 𝑧 và V xác định, theo tài liệu [6] trang 28:

Tính toán lực cắt cho dao khoan

- Số liệu ban đầu: Chọn dao khoan của hãng Kennametal có mã B041_CPG

Hình 4.2: Thông số kỹ thuật mũi dao khoan 1

1 Thông số kỹ thuật mũi dao khoan (https://www.kennametal.com)

[L4] Maximum Drilling Depth 10 mm [L5] Drill Point Length 0.31 mm

[D] Adapter / Shank / Bore Diameter 4 mm

Bảng 4.3: Bảng thông số kỹ thuật dao khoan hãng Kennametal 1

Bảng 4.4: Bảng tốc độ cắt và tốc độ tiến trên vòng của dao 2

+ Đường kính mũi khoan : 𝐷 1 = 2 mm

+ Đường kính thân dao: D = 4 mm

- Tốc độ quay của trục chính, theo tài liệu [6] trang 21:

- Lượng chạy dao phút, theo tài liệu [6] trang 27:

1 Bảng thông số kỹ thuật dao khoan (https://www.kennametal.com)

2 Bảng tốc độ cắt và tốc độ tiến trên vòng của dao (https://www.kennametal.com)

Range m/min Recommended Feed Rate (f) by Diameter

- Lực cắt của dao khoan, theo tài liệu [6] trang 21:

𝑃 0 = 10 𝐶 𝑝 𝐷 𝑞 𝑆 𝑦 𝑘 𝑝 (4.9) + 𝐶 𝑝 = 31,5 : Hệ số phụ thuộc vào vật liệu cắt và loại dao

+ Hệ số tính đến các yếu tố gia công thực tế, trong trường hợp này chỉ phụ thuộc vào vật liệu gia công và được xác định: 𝑘 𝑝 = 𝑘 𝑀𝑃 = 1

Kết luận

Trên thị trường hiện nay, củ đục AC có công suất nhỏ nhất là 0,8kW, vì vậy nhóm đã chọn Spindle SK 0,8kW 24000RPM với hệ thống làm mát bằng nước Tiêu chí ban đầu của nhóm là chế tạo máy phay mạch có khả năng hoạt động liên tục trong nhiều giờ, do đó, củ đục tích hợp hệ thống làm mát bằng nước sẽ phù hợp hơn so với các loại động cơ DC thông thường.

Tốc độ vòng quay 24000 RPM

Bảng 4.5: Thông số động cơ trục chính

Lựa chọn trục vít cho trục X

- Chiều dài trục làm việc: 𝐿 𝑠 = 400 (𝑚𝑚)

- Thời gian hoạt động mong muốn: 𝑇 𝑡 = 15000 (giờ)

- Tốc độ vòng quay của động cơ: 𝑁𝑚𝑎𝑥 = 3000 (RPM)

- Hệ số ma sát trơn bề mặt: 𝜇 = 0,1

4.2.2 Tính sơ bộ bước vít

Để đạt được số vòng quay mong muốn của động cơ là 3000 RPM và tốc độ tối đa 0.5 m/s, bước vít cần được tính toán theo công thức trong tài liệu [1] trang B15-70.

+ Ph: là bước vít, mm

+ 𝑁𝑚𝑎𝑥: tốc độ quay của động cơ, RPM

→Do đó chọn bước vít là 10 (mm) hoặc dài hơn

4.2.3 Chiều dài sơ bộ của trục

Giả sử chiều dài của đai ốc là 40 mm và chiều dài đầu trục vít là 40 mm, tổng chiều dài tổng thể của trục vít là:

Với hành trình trục vít dài 400 mm và tốc độ hoạt động 0,5 m/s, cần lựa chọn giữa hai phương pháp cố định trục: Fixed-Supported và Fixed-Fixed Phương pháp Fixed-Fixed đòi hỏi cấu trúc phức tạp và độ chính xác cao trong lắp đặt, trong khi phương pháp Fixed-Supported đơn giản hơn Do đó, nhóm đã quyết định chọn phương pháp Fixed-Supported để cố định trục vít.

- Tính sơ bộ đường kính chân ren trục vít, tài liệu [1] trang A15-32:

+ 𝑑 𝑟 (𝑚𝑚): đường kính chân ren của trục vít

+ 𝑁 (𝑣𝑔/𝑝ℎ): tốc độ quay của động cơ

+ 𝜆 2 : hệ số phụ thuôc kiểu lắp (Fixed - Supported)

𝜆 2 = 15,1 + 𝐿 : khoảng cách giữa hai bề mặt lắp đặt

Bảng 4.6: Bảng thông số kết hợp giữa đường kính và bước vít 1

Dựa vào bảng kết hợp thông số về bước vít và đường kính trục của nhà sản xuất THK, với bước ren 10 mm và đường kính trục lớn hơn 4,7 mm, ta có thể lựa chọn các đường kính như 10 mm, 15 mm, 20 mm Tuy nhiên, đường kính trục 10 mm không đủ chiều dài để đáp ứng yêu cầu thiết kế ban đầu, vì vậy nhóm đã quyết định chọn trục có đường kính 15 mm.

Bảng 4.7: Thông số chiều dài trục vít đường kính 10mm bước 10mm 2

1 Bảng thông số kết hợp giữa đường kính và bước vít của trục (https://www.thk.com)

2 Thông số chiều dài trục vít đường kính 10mm bước 10mm (https://www.thk.com)

Bảng 4.8: Thông số chiều dài trục vít đường kính 15mm bước 10mm 1

Dựa theo catalog nhà sản xuất, chọn trục vít có mã: BNK 1616-3.6G0+571LC5Y, chiều dài 𝐿 1 = 489 𝑚𝑚 đường kính trục là 15 mm và bước vít là 10 mm

Bảng 4.9: Thông số kỹ thuật trục X 2

1 Thông số chiều dài trục vít đường kính 15mm bước 10mm (https://www.thk.com)

2 Thông số kỹ thuật trục X (https://www.thk.com)

- Lực chống trượt (theo tài liệu [1] trang A15-32):

- Gia tốc khi tăng hoặc giảm tốc:

- Các công thức tính lực dọc trục được tra theo tài liệu [1], trang B15-72:

𝐹 𝑎2 = 𝐹 𝑚 + 𝜇 𝑚 𝑔 + 𝑓 𝑥 = 46,94 + 0,1.20.9,8 + 19,6 = 86,14 (𝑁) (4.16) Vậy tổng lực dọc trục lớn nhất phải chịu là:

- Quãng đường đi được khi tăng, giảm tốc là:

- Quãng đường khi chạy đều:

- Lực dọc trục trung bình:

Tính toán tải cho phép tác dụng lên trục:

-Tải trọng uốn dọc trục theo tài liệu [1] trang A15-30:

+ 𝜂 1 : hệ số phụ thuôc kiểu lắp (Fixed - Supported)

𝐸 = 2,06 10 5 (𝑁/𝑚𝑚 2 ) + 𝐼 (𝑚𝑚 4 ): moment quán tính nhỏ nhất của trục

𝑑 𝑟 : đường kính chân ren + 𝐿 (𝑚𝑚): khoảng cách giữa hai bề mặt lắp đặt

- Tải trọng nén kéo cho phép, theo tài liệu [1] trang B15-38:

+ 𝜎 (𝑀𝑃𝑎): ứng suất căng nén cho phép, 𝜎 = 147 (𝑀𝑃𝑎)

⇒ Tải trọng uốn dọc trục và tải trọng kéo, nén cho phép của trục vít phải ít nhất bằng tải trọng trục tối đa Thỏa điều kiện đặt ra

- Tải trọng dọc trục, theo tài liệu [1] trang A15-47:

+ 𝑓 𝑠 : hệ số an toàn tĩnh

+ 𝐶 0 𝑎 (𝑘𝑁): tải trọng tĩnh của trục vít me

Tải trọng dọc trục cho phép đạt được giá trị lớn hơn tải trọng tối đa của trục, đảm bảo rằng trục được lựa chọn đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đã đề ra.

- Tuổi thọ danh nghĩa, theo tài liệu [23] trang A15-48:

Bảng 4.10: Bảng hệ số tải dựa theo điều kiện hoạt động 1

+ 𝐶 𝑎 : tải trọng động của trục vít me

+ 𝐹 𝑎𝑚 : tải trọng dọc trục trung bình

- Tuổi thọ làm việc, theo tài liệu [23] trang A15-49:

⇒ Đáp ứng yêu cầu làm việc

+ 𝑁 (𝑣𝑔/𝑝ℎ): tốc độ quay của động cơ

+ 𝐿 (𝑚𝑚): tổng hành trình di chuyển

+ n: số lần chạy đạt hành trình trên một phút

+ 𝑃ℎ (𝑚𝑚): bước ren của vít me bi

1 Bảng hệ số tải dựa theo điều kiện hoạt động (https://www.thk.com)

Quãng đường di chuyển trên cơ sở tuổi thọ danh nghĩa, [1] trang A15-48:

⇒ Với tất cả các điều kiện nêu trên, mô hình trục vít thỏa yêu cầu thiết kế.

Lựa chọn trục vít cho trục Y

- Khối lượng tổng thể: 𝑚 = 10 (kg)

Để đạt được số vòng quay mong muốn của động cơ là 3000 RPM và tốc độ tối đa 0.5 m/s, bước vít cần được tính toán theo công thức được nêu trong tài liệu [1] trang B15-70.

Với hành trình của trục vít dài 400 mm và tốc độ hoạt động 0,5 m/s, cần lựa chọn giữa hai phương pháp cố định trục là Fixed-Supported và Fixed-Fixed Phương pháp Fixed-Fixed đòi hỏi cấu trúc phức tạp và độ chính xác cao trong lắp đặt, do đó, phương pháp Fixed-Supported được ưu tiên chọn lựa cho việc cố định trục vít.

- Tính sơ bộ đường kính chân ren trục vít, tài liệu [1] trang A15-32:

Tương tự như chọn trục cho trục X, để đáp ứng chiều dài thiết kế ban đầu đặt ra, nhóm chọn trục có đường kính 15mm

Dựa theo catalog nhà sản xuất, chọn trục vít có mã: BNK 1616-3.6G0+571LC5Y, chiều dài 𝐿 1 = 489 𝑚𝑚 đường kính trục là 15 mm và bước vít là 10 mm

- Lực chống trượt (theo tài liệu [1] trang A15-32):

𝐹 𝑎2 = 𝐹 𝑚 + 𝜇 𝑚 𝑔 + 𝑓 𝑥 = 46,94 + 0,1.10.9,8 + 9,8 = 66,54 (𝑁) (4.31) Vậy lực dọc trục lớn nhất phải chịu là:

⇒ Tải trọng uốn dọc trục và độ kéo, nén cho phép của trục vít phải ít nhất bằng tải trọng trục tối đa Thỏa điều kiện đặt ra

⇒ Tải trọng dọc trục cho phép thu được lớn hơn tải trọng trục tối đa và do đó sẽ không có vấn đề gì với mô hình này

- Quãng đường di chuyển trên cơ sở tuổi thọ danh nghĩa, [23] trang A15-48:

⇒ Với tất cả các điều kiện nêu trên, mô hình trục vít kiểu Thỏa yêu cầu.

Lựa chọn trục vít cho trục Z

- Khối lượng tổng thể: 𝑚 = 10 (kg)

Với động cơ có số vòng quay mong muốn là 3000 RPM và tốc độ tối đa đạt được là 0.5 m/s, bước vít được tính theo công thức trong tài liệu [1] trang B15-70.

Với hành trình của trục vít dài 200 mm và tốc độ hoạt động 0,3 m/s, việc lựa chọn cơ cấu Fixed-Supported để cố định trục không chỉ giúp thiết kế trở nên dễ dàng hơn mà còn đảm bảo độ chính xác cao và tính tiết kiệm.

Tính sơ bộ đường kính chân ren trục vít, tài liệu [1] trang A15-32:

Dựa vào bảng thông số từ nhà sản xuất THK, có nhiều lựa chọn cho bước vít 10 mm Với hành trình 200 mm, nhóm đã quyết định chọn đường kính trục là 10 mm.

Bảng 4.11: Bảng thông số kết hợp giữa đường kính và bước vít 1

Bảng 4.12: Bảng thông số chiều dài trục vít 2

1 Bảng thông số kết hợp giữa đường kính và bước vít (https://www.thk.com)

2 Bảng thông số chiều dài trục vít (https://www.thk.com)

Dựa theo catalog nhà sản xuất, chọn trục vít có mã: BNK 1010-1.5RRG0+340LC5Y, chiều dài 𝐿 1 = 285 𝑚𝑚 đường kính trục là 10 mm và bước vít là 10 mm

Bảng 4.13: Thông số kỹ thuật trục Z 1

- Lực chốnng trượt (theo tài liệu [1] trang A15-32):

𝐹 𝑎2 = 𝐹 𝑚 + 𝜇 𝑚 𝑔 + 𝑓 𝑥 = 99,85 + 0,1.10.9,8 + 9,8 = 119,45 (𝑁) (4.46) Vậy lực dọc trục lớn nhất phải chịu là:

1 Thông số kỹ thuật trục Z (https://www.thk.com)

+ 𝐼 (𝑚𝑚 4 ): moment quán tính nhỏ nhất của trục

⇒ Tải trọng uốn dọc trục và độ kéo, nén cho phép của trục vít phải ít nhất bằng tải trọng trục tối đa Thỏa điều kiện đặt ra

⇒ Tải trọng dọc trục cho phép thu được lớn hơn tải trọng trục tối đa và do đó sẽ không có vấn đề gì với mô hình này

- Quãng đường di chuyển trên cơ sở tuổi thọ danh nghĩa, [1] trang A15-48:

⇒ Với tất cả các điều kiện nêu trên, mô hình trục vít thỏa yêu cầu đặt ra.

TÍNH TOÁN LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG

Tính toán chọn động cơ dẫn động trục X

- Tốc độ tối đa của bàn máy: 𝑉 𝐿 = 0.5 𝑚/𝑠

- Hệ số ma sát trượt: 𝜇 = 0,1

- Hệ số ma sát trong: 𝜇 0 = 0,3

- Thời gian tăng tốc, giảm tốc: 𝑡 1 = 𝑡 3 = 0,15𝑠

- Khối lượng riêng trục vít (thép 45): 𝜌 = 7,87 10 3 𝑘𝑔/𝑚 3

5.1.2 Số vòng quay của động cơ

- Lực tác dụng, theo tài liệu [7]:

+ 𝜃 = 0° : là góc hợp giữa trục động cơ và mặt phẳng quy chiếu XY

- Mô men xoắn, theo tài liệu [7]:

3 66,54 = 22,18 𝑁: tải tương ứng cho vít me bi chịu tải trước

- Để đáp ứng được về tốc độ và sự ổn định, ta nhân thêm hệ số an toàn 𝑆 𝑓 = 1,5, theo tài liệu [7]:

- Mô men quán tính của trục vít, theo tài liệu [7]:

+ 𝜌: Khối lượng riêng trục vít, 𝑘𝑔/𝑚 3

+ 𝐿: Chiều dài hành trình trục vít, m

- Mô men quán tính của bàn:

- Mô men quán tính của hệ:

5.1.5 Mô men xoắn gia tốc

Để tính toán momen xoắn tăng tốc, trước tiên cần lựa chọn động cơ dựa trên quán tính tải Sau đó, xác định giá trị quán tính roto 𝐽 0 của động cơ và áp dụng vào phương trình momen xoắn gia tốc.

- Tiêu chí lựa chọn sơ bộ động cơ:

+ Tốc độ vòng định mức của động cơ ≥ tốc độ vòng lớn nhất của vít me

+ Mô men xoắn định mức của động cơ ≥ mô men xoắn của tải quy đổi

Hình 5.1: Thông số động cơ hãng Fastech 1

Ta chọn động cơ Step servo có mã EzM-56M

- Mô men thời gian tăng và giảm tốc là, theo tài liệu [7]:

+ 𝐽 0 (𝑘𝑔/𝑚 2 ): giá trị quán tính roto của động cơ

- Tổng mô men xoắn yêu cầu:

Vậy động cơ EzM 56M có mô men xoắn và số vòng quay thoả mãn với điều kiện như đã tính toán

Bảng 5.1: Thông số động cơ trục X

1 Thông số động cơ Ezi của hãng Fastech (https://fastech.co.kr) Điện áp 24 𝑉𝐷𝐶 ± 10%

Tính toán chọn động cơ dẫn động trục Y

- Tốc độ tối đa của bàn máy: 𝑉 𝐿 = 0,5 𝑚/𝑠

- Để đáp ứng được về tốc độ và sự ổn định, ta nhân thêm hệ số an toàn 𝑆 𝑓 = 1,5,theo tài liệu [7]:

- Mô men quán tính của bàn, theo tài liệu [7]:

Tiêu chí lựa chọn sơ bộ động cơ, tương tự như cách chọn ở trục X, ta chọn động cơ có mã EzM-56M:

- Mô men thời gian tăng và giảm tốc là, theo tài liệu [7]:

- Thông số kỹ thuật động cơ điện:

Bảng 5.2: Thông số động cơ trục Y Điện áp 24 𝑉𝐷𝐶 ± 10%

Tính toán chọn động cơ dẫn động trục Z

- Tốc di chuyển tối đa: 𝑉 𝐿 = 0.3 𝑚/𝑠

- Để đáp ứng được về tốc độ và sự ổn định, ta nhân thêm hệ số an toàn 𝑆 𝑓 = 1,5,theo tài liệu [7]:

- Mô men quán tính của bàn, theo tài liệu [7]:

Tiêu chí lựa chọn sơ bộ động cơ tương tự như ở trục X và Y, ta chọn động cơ có mã EzM 56M:

- Mô men thời gian tăng và giảm tốc là:

+ 𝐽 0 (𝑘𝑔/𝑚 2 ): giá trị quán tính roto của động cơ

- Thông số kỹ thuật động cơ điện:

Bảng 5.3: Thông số động cơ trục Z Điện áp 24 𝑉𝐷𝐶 ± 10%

TÍNH TOÁN LỰA CHỌN RAY TRƯỢT VÀ Ổ LĂN

Tính toán ray dẫn hướng trục X

- Loại này có rãnh bi được đặt ở góc nghiêng 45 0 giúp cho con trượt chịu được lực ở cả

4 phương, giúp giảm thiểu hư hại do va đập Khả năng tự điều chỉnh nhờ đường rãnh trên ray trượt giúp giảm thiểu sai lệch

Hình 6.1: Sơ đồ kích thước của ray dẫn hướng 1

Bảng 6.1: Thông số kỹ thuật của con trượt dẫn hướng 2

1 Sơ đồ kích thước của ray dẫn hướng (https://www.thk.com)

2 Thông số kỹ thuật của ray dẫn hướng (https://www.thk.com)

Bảng 6.2: Bảng thông số ray dẫn hướng 1

Hình 6.2: Thông số khoảng cách con trượt dẫn hướng trục X 2

6.1.2 Tính toán các lực thành phần

Hình 6.3: Phân bố tải trọng trên con dẫn hướng 3

1 Thông số con trượt dẫn hướng (https://www.thk.com)

2 Thông số khoảng cách con trượt dẫn hướng trục X (https://www.thk.com)

3 Phân bố tải trên con trượt dẫn hướng (https://www.thk.com)

- Tính toán lực thành phần, theo tài liệu [9] trang B1-59:

+ 𝐾 𝐴𝑅1 , 𝐾 𝐶𝑅 , 𝐾 𝐴𝐿1 và 𝐾 𝐶𝐿 : là các hệ số tương đương, theo tài liệu [9] trang A1-47

Bảng 6.3: Bảng giá trị hệ số tương đương 1

- Tải trọng trung bình, tính theo tài liệu [9], trang B1-69:

+ 𝐿: là tổng chiều dài ray dẫn hướng

+ 𝐿 𝑠 : là hành trình di chuyển trên ray

1 Bảng giá trị hệ số tương đương (https://www.thk.com)

6.1.3 Hệ số an toàn tĩnh

- Theo thông số các lực thành phần như đã tính ở trên, thì lực tác dụng lớn nhất là 𝑃 1 1532,72 (𝑁)

- Tương cho máy hoạt động với độ rung lắc chọn hệ số an toàn tĩnh (Static Safety Factor)

Bảng 6.4: Giá trị tham chiếu cho hệ số an toàn tĩnh 1

Công thức tính hệ số an toàn tĩnh, tài liệu [9] trang B1-68:

⇒ Thoả yêu cầu về hệ số an toàn tĩnh

+ 𝑃 1 : Lực thành phần tác dụng lớn nhất lên con dẫn hướng

Hệ số độ cứng 𝑓 𝐻 là yếu tố quan trọng để đạt được khả năng tải tối ưu, với độ cứng bề mặt lăn cần nằm trong khoảng từ 58 đến 64 HRC Do thanh dẫn hướng LM có độ cứng cao, giá trị 𝑓 𝐻 được xác định là 1.

Hình 6.4: Đồ thị giá trị hệ số độ cứng 𝑓 𝐻 2

1 Giá trị tham chiếu cho hệ số an toàn tĩnh (https://www.thk.com)

2 Đồ thị giá trị hệ số độ cứng 𝑓 𝐻 (https://www.thk.com)

+ 𝑓 𝑇 : Hệ số nhiệt độ Do môi trường làm việc là ở nhiệt độ bình thường và để tối ưu trong tính toán, giả sử làm việc lên đến 100℃

Hình 6.5: Đồ thị giá trị hệ số nhiệt độ 𝑓 𝑇 1

Bảng 6.5: Giá trị hệ số tiếp xúc 𝑓 𝐶 2

6.1.4 Tính toán tuổi thọ danh nghĩa

- Công thức tính toán tuổi thọ danh nghĩa, theo tài liệu [9] trang B1-74:

+ 𝐶: là hệ số tải động

1 Đồ thị giá trị hệ số nhiệt độ 𝑓 𝑇 (https://www.thk.com)

2 Giá trị hệ số tiếp xúc 𝑓 𝐶 (https://www.thk.com)

Bảng 6.6: Thông số hệ số tải 1

Tính toán ray dẫn hướng trục Y

4 phương, tương tự như ở trục X

Hình 6.6: Thông số khoảng cách con trượt dẫn hướng trục Y 2

1 Thông số hệ số tải (https://www.thk.com)

2 Thông số khoảng cách con trượt dẫn hướng trục Y (https://www.thk.com)

Tính toán ray dẫn hướng trục Z

4 phương, tương tự như ở trục X và Y

Hình 6.7: Thông số khoảng cách con trượt dẫn hướng trục Z 1

1 Thông số khoảng cách con trượt dẫn hướng trục Z (https://www.thk.com)

Chọn ổ lăn cho trục X

- Đường kính vòng trong: d = 10 (mm)

- Tốc độ vòng quay của động cơ: 𝑁 = 3000 (RPM)

Bảng 6.7: Bảng thông số ổ bi của hãng SKF 1

→Chọn ổ bi đỡ chặn một dãy có đường kính vòng trong 𝑑 = 10 𝑚𝑚 Chọn ổ bi có mã: 6000-2RSH của hãng SKF

+ Tốc độ quay tối đa: 𝑛 = 16000 (𝑅𝑃𝑀)

Hình 6.8: Thông số kích thước của ổ bi 2

1 Thông số ổ bi hãng SKM (https://www.skf.com)

2 Thông số kích thước ổ bi (https://www.skf.com)

Bảng 6.8: Bảng thông số kích thước của ổ bi

- Các lực tác dụng lên ổ bi, theo tài liệu [4], trang 191:

Ổ bi chặn không chỉ chịu lực dọc trục từ bên ngoài mà còn phải tiếp nhận lực dọc trục phụ 𝑆 𝑖 do lực hướng tâm 𝐹 𝑟𝑖 tác động.

2 = 98 (𝑁) + 𝑒: Hệ số phụ thuộc vào góc tiếp xúc

𝐶họn hệ số e theo tỉ lệ của lực dọc trục và tải trọng tĩnh:

𝐶 0 = 46,94 1,96 10 3 ≈ 0,024 Đường kính lỗ 𝑑 10 𝑚𝑚 Đường kính ngoài 𝐷 26 𝑚𝑚 Độ rộng 𝐵 8 𝑚𝑚 Đường kính rãnh vòng trong 𝑑 2 12,55 𝑚𝑚 Đường kính rãnh vòng ngoài 𝐷 2 22,6 𝑚𝑚

Bảng 6.9: Bảng hệ số e, X, Y cho các loại ổ lăn 1 dãy 1

Tải trọng động quy ước tác dụng lên ổ, theo tài liệu [4] trang 193:

+ Q: Tải trọng động quy ước tác dụng lên ổ, N

+ X, Y: Hệ số tải trọng hướng tâm và dọc trục

Trường hợp 𝐹 𝑚 ≠ 0 ta xác định tỉ số 𝐹 𝑚

𝐶 0 và chọn hệ số 𝑒 Sau đó tính tỉ số 𝐹 𝑚

𝑉.𝐹 𝑟 và so sánh với 𝑒 ta chọn được các hệ số X, Y theo như bảng ở phần chọn hệ số 𝑒 ( Trần Thiên Phúc, 2011):

→ 𝑋 = 1, 𝑌 = 0 + 𝐹 𝑟 , 𝐹 𝑎 : Tổng các lực hướng tâm và dọc trục tác dụng lên ổ, N

1 Thiết kế chi tiết máy công dụng chung – Trần Thiên Phúc, trang 194

+ V: Hệ số tính đến vòng nào quay, 𝑉 = 1 nếu vòng trong quay và 𝑉 = 1,2 nếu vòng ngoài quay

+ 𝐾 𝜎 : Hệ số xét đến ảnh hưởng đặc tính tải trọng, chọn theo bảng 8.4 tài liệu [4] + 𝐾 𝑡 : Hệ số xét đến ảnh hưởng nhiệt độ, ở nhiệt độ nhỏ hơn 100℃ chọn 𝐾 𝑡 = 1

- Tính toán khả năng tải động của ổ, công thức theo tài liệu [4] trang 196:

⇒ Thoả yêu cầu tính toán

+ 𝐶 𝑡𝑡 : khả năng tải động theo tính toán của ổ, N

+ Q: Tải trọng động quy ước tác dụng lên ổ, N

+ 𝐿: Số triệu vòng quay làm việc

10 6 = 2700 (𝑡𝑟𝑖ệ𝑢 𝑣ò𝑛𝑔) (6.25) n: số vòng quay của ổ, vg/ph

+ 𝑚: chỉ số mũ, 𝑚 = 3 đối với ổ bi, 𝑚 = 10/3 đối với ổ đũa

6.4.3 Xác định lại tuổi thọ của ổ lăn

- Tính toán lại tuổi thọ của ổ, theo tài liệu [4] trang 197:

+ L: Số triệu vòng quay làm việc

𝐶: Hệ số tải động của ổ, N 𝑄: Tải trọng động quy ước tác dụng lên ổ, N 𝐿: Số triệu vòng quay làm việc

+ 𝐿 ℎ : Tuổi thọ của ổ tính bằng giờ

+ n: Số vòng quay làm việc

Chọn ổ lăn cho trục Y

Khối lượng : 𝑚 = 10 (kg) Đường kính vòng trong: d = 10 (mm)

Tốc độ vòng quay của động cơ: 𝑁 = 3000 (RPM)

⇒Chọn ổ bi đỡ chặn một dãy có đường kính vòng trong 𝑑 = 10 𝑚𝑚 Chọn ổ bi có mã: 6000-2RSH của hãng SKF

Bảng 6.10: Bảng thông số kích thước của ổ bi [2]

Ổ bi đỡ chặn không chỉ chịu lực dọc trục bên ngoài mà còn phải tiếp nhận lực dọc trục phụ 𝑆 𝑖 do lực hướng tâm 𝐹 𝑟𝑖 tác động.

2 = 49 (𝑁) Chọn hệ số e theo tỉ lệ của lực dọc trục và tải trọng tĩnh

𝐶 0 = 46,94 1,96 10 3 ≈ 0,024 Đường kính lỗ 𝑑 10 𝑚𝑚 Đường kính ngoài 𝐷 26 𝑚𝑚 Độ rộng 𝐵 8 𝑚𝑚 Đường kính rãnh vòng trong 𝑑 2 12,55 𝑚𝑚 Đường kính rãnh vòng ngoài 𝐷 2 22,6 𝑚𝑚

→Tương tự như ở trục X, do đó chọn 𝑒 = 0,34

6.5.3 Xác định lại tuổi thọ của ổ

+ L: Số triệu vòng quay làm việc

Chọn ổ lăn cho trục Z

- Đường kính vòng trong: d = 8 (mm)

- Tốc độ vòng quay của động cơ: 𝑁 = 3000 (RPM)

⇒Chọn ổ bi đỡ chặn một dãy có đường kính vòng trong 𝑑 = 8 𝑚𝑚 Chọn ổ bi có mã: W

Bảng 6.11: Bảng thông số ổ bi của hãng SKF trục Z 1

Hình 6.9: Thông số kích thước của ổ bi 2

Bảng 6.12: Thông số kích thước của ổ bi trục Z

1 Thông số ổ bi hãng SKM (https://www.skf.com)

2 Thông số kích thước ổ bi (https://www.skf.com) Đường kính lỗ 𝑑 8 𝑚𝑚 Đường kính ngoài 𝐷 24 𝑚𝑚 Độ rộng 𝐵 8 𝑚𝑚 Đường kính rãnh vòng trong 𝑑 2 11,9 𝑚𝑚 Đường kính rãnh vòng ngoài 𝐷 2 19,9 𝑚𝑚

Ổ bi đỡ chặn không chỉ chịu lực dọc trục bên ngoài mà còn phải tiếp nhận lực dọc trục phụ 𝑆 𝑖 do lực hướng tâm 𝐹 𝑟𝑖 tác động lên.

2 = 49 (𝑁) + 𝑒: Hệ số phụ thuộc vào góc tiếp xúc 𝛼

Chọn hệ số e theo tỉ lệ của lực dọc trục và tải trọng tĩnh

6.6.3 Xác định lại tuổi thọ của ổ

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN

Giới thiệu

Việc lựa chọn cơ cấu và phương án truyền động từ chương 3 là bước quan trọng để tính toán và chọn các bộ phận, thiết bị điện phù hợp cho máy Chương này trình bày chi tiết cách tính toán, các công thức từ tài liệu thiết kế chi tiết máy, và lựa chọn thiết bị cần thiết cho hệ thống Mục tiêu là đảm bảo các yêu cầu ban đầu, đồng thời đảm bảo hoạt động mượt mà, liên tục và an toàn cho cả máy và con người.

Sơ đồ khối hệ thống

Hình 7.1: Sơ đồ khối toàn hệ thống

Chức năng từng khối chính:

Khối nguồn chuyển đổi từ nguồn 1 pha 220Vac sang nguồn điện 24Vdc thông qua bộ chuyển đổi AC/DC Nguồn 24Vdc được sử dụng cho các thiết bị như bộ điều khiển DDCSV2.1, Driver, cảm biến quang và bơm tản nhiệt spindle.

Bộ điều khiển DDCSV2.1 đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý tín hiệu từ cảm biến, nút nhấn tắt trên bàn phím, cũng như nhận tín hiệu cảnh báo từ Driver và biến tần Nó không chỉ xuất tín hiệu điều khiển cho Driver và biến tần mà còn tích hợp màn hình hiển thị các chế độ làm việc và điều khiển, đảm bảo đáp ứng đầy đủ các thông số cần thiết.

Khối cơ cấu chấp hành bao gồm hệ thống truyền động dẫn hướng các trục, động cơ phay và bơm tản nhiệt Nhiệm vụ chính của khối này là đảm bảo máy hoạt động theo yêu cầu, thực hiện các tác vụ được chỉ định từ khối xử lý trung tâm.

Tính toán và lựa chọn các linh kiện

Nhóm cần một bộ xử lý có khả năng điều khiển 3 trục máy phay và thực hiện chuyển động nội suy theo file G-code Dựa trên các số liệu kỹ thuật của thiết bị như Driver, biến tần và cơ cấu chấp hành, cùng với các tiêu chí thiết kế máy CNC và thông số đầu vào, nhóm đã tham khảo nhiều bộ điều khiển trên thị trường Cuối cùng, nhóm đã chọn bộ điều khiển DDCSV2.1 vì nó đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đề ra.

Bộ điều khiển DDCSV2.1 tiếp nhận tín hiệu từ các thiết bị đầu vào như cảm biến, nút nhấn, tín hiệu lỗi từ Driver và biến tần, cùng với file G-code cho gia công mạch in Nó xuất tín hiệu điện điều khiển và phát xung cho Driver điều khiển động cơ dẫn động các trục và động cơ trục chính trong quá trình phay Một ưu điểm nổi bật của bộ điều khiển này là màn hình hiển thị được tích hợp, giúp thiết kế máy trở nên tinh gọn và tiện lợi hơn.

Hình 7.2: Bộ điều khiển DDCSV2.1 1

Bộ biến tần là thiết bị điện tử chuyển đổi năng lượng điện từ dòng điện một chiều hoặc xoay chiều sang dòng điện xoay chiều với tần số và pha khác, giúp điều khiển tốc độ động cơ một cách chính xác và mượt mà.

Sau khi nghiên cứu và dựa vào công suất động cơ phay trục chính đã chọn, nhóm đã quyết định sử dụng biến tần CIMR-VT2A0004BAA của hãng Yaskawa, với thông số làm việc 3 pha 220Vac và tần số ngõ ra 400Hz.

Hình 7.3: Biến tần V1000 hãng Yaskawa 2

Nhóm sử dụng cảm biến quang thu phát độc lập, thiết bị này có chức năng phát hiện và xác định vị trí cuối cùng của các trục, đồng thời chuyển đổi thông tin đó thành tín hiệu điện (digital).

Khi bộ phận máy móc di chuyển đến vị trí xác định, nó che ánh sáng từ đầu phát đến đầu thu, kích hoạt công tắc bên trong cảm biến Điều này gửi tín hiệu thông báo rằng cụm chuyển động đã đạt đến vị trí cuối cùng hoặc cần dừng lại.

1 Bộ điều khiển DDCSV2.1 (http://www.ddcnc.com)

2 Biến tần V1000 hãng Yaskawa (https://www.yaskawa.com)

Cảm biến EE-SX951-R 1M của hãng Omron cho phép đấu dây theo chế độ Light On - NPN – NC, với tính năng thường đóng đảm bảo an toàn khi không có tín hiệu kích hoạt Việc này giúp mạch luôn được kết nối, và khi có sự cố như đứt dây hoặc kết nối lỏng, mạch sẽ mở ra và cảnh báo sự cố Điều này không chỉ bảo vệ an toàn cho người vận hành mà còn giúp bảo vệ máy móc khỏi hư hại.

Hình 7.4: Cảm biến quang Omron 1

Relay, hay còn gọi là bộ relay, là thiết bị điện tử dùng để điều khiển mạch điện thông qua việc mở hoặc đóng các tiếp điểm Nó cung cấp sự cách ly điện giữa mạch điều khiển và mạch tải, bảo vệ các bộ phận nhạy cảm khỏi điện áp cao và dòng điện lớn Bên cạnh đó, relay còn hỗ trợ chuyển đổi tín hiệu điện vào bộ điều khiển, cho phép chuyển đổi giữa cảm biến tín hiệu PNP và NPN.

Dựa trên yêu cầu của nhóm, các tín hiệu từ Driver và biến tần cần được chuẩn hóa về dạng NPN để kết nối với bộ điều khiển DDCSV2.1 Ngõ ra điều khiển biến tần phải thông qua tiếp điểm trung gian để điều chỉnh chế độ hoạt động Relay cơ khí, với độ tin cậy cao và tuổi thọ lâu dài, là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng đóng mở nhiều lần Các relay chất lượng cao có thể hoạt động hàng triệu lần trước khi cần thay thế Nhóm đã chọn relay IDEC RJ2S-CL-D24 vì nó đáp ứng tốt các thông số yêu cầu của bài toán.

Hình 7.5: Relay IDEC RJ2S-CL-D24 2

Contactor là một thiết bị điện tử dùng để điều khiển các thiết bị khác bằng cách mở hoặc đóng mạch điện, tương tự như relay nhưng với khả năng chịu dòng điện cao hơn Nó hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ, tạo ra lực hút để di chuyển các tiếp điểm, từ đó thực hiện việc mở hoặc đóng mạch điện.

1 Cảm biến quang Omron (https://www.omron.com)

2 Relay IDEC RJ2S-CL-D24 (https://www.idec.com)

Nhóm cần một thiết bị có khả năng đóng cắt nguồn điện cho toàn bộ hệ thống, kết hợp với nút nhấn dừng khẩn cấp E-Stop để đảm bảo an toàn khi có sự cố xảy ra Mạch điều khiển của máy yêu cầu cung cấp dòng điện 220Vac cho hai thiết bị chính: biến tần công suất 1100W và bộ chuyển đổi nguồn AC/DC với công suất 240W.

Nhóm sử dụng contactor có khả năng đóng cắt nguồn điện 3 pha, nhưng chỉ cần 2 cặp tiếp điểm động lực để thực hiện việc đóng cắt mạch điện.

1 pha 220Vac cấp cho toàn hệ thống, do đó sử dụng công thức tính toán cường độ dòng điện cho điện áp 1 pha 220Vac để lựa chọn contactor:

+ P : Công suất tiêu thụ , tính bằng oát (W)

+ U : Điện áp sử dụng được Thường thì ở Việt Nam chỉ có động cơ 1 Pha 220V Nên U"0V

+ 𝑐𝑜𝑠(𝜑): Hệ số công suất Hệ số công suất ở đây vẫn là 0.8

Như vậy ta sẽ tính được dòng điện cần sử dụng với điện áp 220Vac và công suất tiêu thụ tổng là 1340W

Để xác định dòng điện khởi động 𝐼 𝑡𝑘, trước tiên cần tính cường độ dòng điện và nhân với hệ số an toàn từ 1.2 đến 1.5, kết quả là 11.4 A Tiếp theo, cần chọn contactor có dòng điện định mức lớn hơn dòng điện khởi động 𝐼 𝑡𝑘.

Sau khi phân tích và tính toán, nhóm quyết định chọn contactor NC1-1810 của hãng Chint với dòng điện danh định 18A, lớn hơn dòng điện yêu cầu của nhóm Lựa chọn này đảm bảo độ tin cậy và bền bỉ trong quá trình sử dụng lâu dài.

Dựa trên tiêu chí an toàn ban đầu, nhóm đã chọn thiết bị đóng cắt nguồn điện RCBO (Residual Current Circuit Overcurrent) để bảo vệ con người và thiết bị điện RCBO đảm bảo bảo vệ toàn diện với chức năng chống giật, chống dòng rò và bảo vệ quá tải Mã RCBO được lựa chọn là RKP 1P+N 16A, với đặc tính đường cong C, giúp tối ưu hóa khả năng bảo vệ trong hệ thống điện.

THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

Giới thiệu

Dựa trên các thiết bị đã chọn ở chương 4, nhóm tiếp tục phát triển ý tưởng điều khiển cho "Máy phay mạch in" Hệ thống điều khiển được thiết kế để dễ dàng thao tác, đảm bảo an toàn và thân thiện, ngay cả với những người không có chuyên môn về thiết bị phần cứng.

Thiết kế và lập trình hệ thống điều khiển

8.2.1 Lưu đồ giải thuật tổng quát

Dựa trên yêu cầu về tính năng máy được nêu trong phần giới thiệu chương 2, nhóm đã xây dựng lưu đồ giải thuật để điều khiển "Máy phay mạch in".

Hình 8.1: Lưu đồ giải thuật tổng quát

Sau khi mở nguồn, người dùng nhấn nút “Home” trên bảng điều khiển, các cụm trục Z, Y và X sẽ tự động quay về vị trí sẵn sàng Tại đây, cảm biến quang trên từng cụm sẽ phát hiện bàn trượt đã đến đúng vị trí Tiếp theo, người dùng nhấn nút “Probe” để cụm trục Z di chuyển xuống theo chiều Z- cho đến khi tiếp điểm điện ở đầu công tác chạm vào bề mặt phôi mạch in, sau đó dừng lại.

Để lưu vị trí tọa độ Home, người dùng cần sử dụng chức năng “SetHome” trên bộ điều khiển DDCSV2.1 Tiếp theo, người dùng chọn file gia công bằng cách nhấn nút “PAGE” để truy cập vào trang lựa chọn file G-code Sau khi chọn xong, nhấn nút “Start” để khởi động quá trình gia công Bộ điều khiển sẽ phát xung điều khiển các trục di chuyển theo nội dung của file G-code Khi quá trình gia công hoàn tất, máy sẽ tự động quay về tọa độ Home, với trục Z cách bề mặt phôi 15mm.

8.2.2 Lưu đồ giải thuật chương trình về HOME

Hình 8.2: Lưu đồ giải thuật về home

Lưu đồ giải thuật miêu tả quá trình về home của máy sau khi người dùng nhấn nút

Trên bảng điều khiển, các trục Z, X, Y sẽ di chuyển về vị trí "HOME" và dừng lại khi gặp cảm biến home Để đảm bảo an toàn cho hệ cơ khí, trục Z cần được đưa về Home trước Sau khi hoàn tất quá trình này, máy sẽ hoạt động trong hai chế độ: "Chế độ điều khiển bằng tay" và "Chế độ gia công mạch".

8.2.3 Lưu đồ giải thuật điều khiển bằng tay

Hình 8.3: Lưu đồ giải thuật chế độ điều khiển bằng tay

Trong lưu đồ giải thuật điều khiển bằng tay, có hai nhánh điều khiển chính Nhánh đầu tiên cho phép người dùng bật và tắt spindle thông qua nút “spindle” trên bộ điều khiển; khi nhấn nút, spindle sẽ quay, và nhấn thêm một lần nữa sẽ dừng quay Nhánh thứ hai cho phép lựa chọn chế độ điều khiển di chuyển tịnh tiến từng khoảng một hoặc di chuyển liên tục cho đến khi dừng lại.

8.2.4 Lưu đồ giải thuật chế độ gia công mạch

Đầu tiên, người dùng lấy tọa độ bề mặt của phôi mạch in và chọn file gia công từ USB Sau khi hoàn tất, nhấn nút “Start” trên bộ điều khiển để máy bắt đầu gia công theo file G-code Cụm trục Z di chuyển lên 15mm, đảm bảo khoảng cách an toàn Spindle được kích hoạt trong 5 giây để đạt tốc độ ổn định Khi tốc độ ổn định, các cụm trục máy sẽ tiến hành phay mạch in theo dữ liệu G-code Sau khi hoàn thành, các cụm trục sẽ trở về vị trí Home.

KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT

Kết quả đạt được

Sau một thời gian tìm hiểu và thi công, nhóm đã hoàn thành thiết kế và chế tạo máy phay mạch in phục vụ học tập cho học sinh, sinh viên Qua quá trình này, nhóm đã nắm vững kiến thức về cấu trúc, nguyên tắc vận hành, điều khiển và lập trình máy gia công Phần điều khiển người dùng được thiết kế ngắn gọn và dễ hiểu, giúp quá trình điều khiển trở nên đơn giản và hiệu quả cao.

Hình 9.2: Tủ điện và giao diện điều khiển

Đánh giá và nhận xét

Kiểm tra độ chính xác của các đường mạch là rất quan trọng để đảm bảo chúng phù hợp với kích thước thiết kế ban đầu Độ rộng và khoảng cách giữa các đường mạch cần được duy trì chính xác theo yêu cầu thiết kế để đảm bảo hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

Kiểm tra ngắn mạch, thông mạch: Đường mạch phải rõ ràng, các cạnh của đường mạch không xuất hiện bavia

Kiểm tra vị trí của các lỗ khoan có nằm trong lớp đồng ở chân linh kiện không

Nhiều ứng dụng như Sprint-Layout, FlatCAM và CopperCAM có khả năng chuyển đổi file Gerber mạch in sang file G-code để thực hiện phay Tuy nhiên, nhóm đã chọn sử dụng FlatCAM do phần mềm này cho phép tùy biến nhiều thông số và có giao diện dễ tiếp cận hơn.

Bước 1: Nhập file Gerber vào phần mềm

Hình 9.3: Chọn file thiết kế mạch in vào phần mềm

Hình 9.4: Sau khi chọn file

Bước 2: Điền các thông số để phay, khoan

Hình 9.5: Chọn thông số cho dao phay Hình 9.6: Chọn thông số cho dao khoan

Thông số hoạt động khuyến nghị:

Bảng 9.1 Bảng thông số khuyến nghị sử dụng

Sau khi đã chọn các thông số phù hợp tiến hành tạo mã code, nhấp chọn: Generate CNCJob object, và lưu vào USB

Bước 3: Kết nối USB với bộ điều khiển, tiến hành gá phôi và phay

Hình 9.7: Gá phôi và dao hoàn chỉnh

- Probe, lấy gốc toạ độ của mạch phay và chọn file từ USB:

Hình 9.8: Cách Probe lấy gốc toạ độ và chọn file G-code

Bước 4: Hoàn tất quá trình phay và tháo phôi

Thông số Mô tả Giá trị

Tool Dia Đường kính dao phay, khoan Tuỳ vào loại dao sử dụng

Cut Z Độ sâu phay, khoan Cần chọn độ sâu sao cho phay xuyên được lớp đồng - Phay: 0.05÷0.1 mm

Travel Z Khoảng nhấc dao an toàn 2÷3 mm

Feedrate X-Y Tốc độ di chuyển của trục X và Y khi phay 180÷220 mm/phút

Feedrate Z Tốc độ khoan 100÷140 mm/phút

Spinde speed Tốc độ quay trục chính 15000 RPM

- Kiểm tra kích thước của đường mạch: thiết bị đo lường nhóm sử dụng là thước cặp có độ chia nhỏ nhất 0.02 mm

+ Độ dày đường mạch: dùng thước cặp đo kiểm tra sai số sau khi phay so với thiết kế ban đầu

+ Độ chính xác vị trí: Sử dụng thước cặp để so sánh vị trí của các đường phay với thiết kế

+ Đánh giá chất lượng phay: Kiểm tra các mạch hoàn chỉnh và xác định độ dẫn điện của mạch có đáp ứng đủ thiết kế ban đầu

+ So sánh kết quả đo lường với thiết kế ban đầu: Tính toán sai lệch và phân tích nguyên nhân có thể gây ra sai lệch

+ Đánh giá độ chính xác: Đánh giá xem độ chính xác có đáp ứng được yêu cầu không

+ Đề xuất cải tiến: Dựa trên kết quả phân tích, đề xuất các giải pháp cải thiện độ chính xác của máy

- Độ dày đường mạch có thể phay và vị trí lỗ khoan:

Hình 9.10: Thực nghiệm độ dày đường mạch có thể phay

1 Thước cặp hãng Mitutoyo (https://www.mitutoyo.com)

Nhóm thực nghiệm đã tiến hành phay liên tục các độ dày đường mạch khác nhau, từ 2 mm đến 0.1 mm, như thể hiện ở Hình 9.10 Máy có khả năng phay đến độ dày 0.1 mm, nhưng để đảm bảo độ ổn định và độ dẫn điện tốt hơn, độ dày đường mạch tối thiểu được đề xuất là khoảng 0.2 mm.

Bảng 9.1: Giá trị thực các đường mạch sau khi phay

Hình 9.11: Thực nghiệm vị trí lỗ khoan

Sau nhiều lần phay trên mạch thiết kế, nhóm đã tiến hành lấy mẫu và thực hiện đo kiểm nghiệm cho mỗi lần phay để đưa ra kết quả chính xác.

Hình 9.12: Mạch sau khi gia công bằng máy phay Đường mạch 0.2 mm Stt Giá trị đo được

Stt Giá trị đo được

6 0.091 Đường mạch 0.3 mm Stt Giá trị đo được

Bảng 9.2: Bảng thông số giá trị đường mạch phay thực tế

Hình 9.13: Mạch sau khi phay Bảng 9.3: Kích thước thực tế

Đường mạch phay ra không có bavia, không gặp tình trạng ngắn mạch hay đoản mạch, với giá trị sai số trung bình khoảng 0.06 mm Độ sai lệch này chủ yếu do sự chính xác của cơ cấu phần cứng khi lắp đặt và độ nghiêng của mặt phẳng gá Mặc dù vẫn tồn tại sai số, nhưng với mục tiêu ứng dụng cho sinh viên thực hành nghiên cứu, sai số này được coi là chấp nhận được.

Sau nhiều lần thực nghiệm với các bảng mạch thiết kế khác nhau, nhóm đã đề xuất một số yêu cầu thiết kế ban đầu, trong đó đường mạch có độ rộng 0.76 mm Dưới đây là kết quả thực tế và độ sai lệch tương ứng.

12 0.70 0.06 Đường mạch 1.27 mm Stt Kết quả thực tế Độ sai lệch

12 1.21 0.06 Đường mạch 1.27 mm Stt Kết quả thực tế Độ sai lệch

Kích thước bảng mạch lớn nhất 300x200 mm

Kích thước bảng mạch nhỏ nhất 100x100 mm Độ rộng đường mạch tối thiểu 0,2 mm

Khoảng cách tối thiểu giữa hai đường mạch 0,5 mm

Khoảng cách tối thiểu giữa đường mạch và Pad hàn ≥ 0,5 mm

Lỗ khoan nhỏ nhất 0,5 mm

Pad đồng lỗ khoan Đường kính lỗ khoan cộng thêm 0,7 mm

Bảng 9.4: Thông số yêu cầu khi thiết kế mạch

Tiêu đề	Thiết Kế Và Chế Tạo Máy Phay Mạch In
Tác giả	Lê Minh Trường, Lê Văn Quang, Trần Minh Phi
Người hướng dẫn	GV.ThS. Dương Thế Phong
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Thể loại	đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	TP. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	108
Dung lượng	4,23 MB