Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình máy phay CNC mini gia công board mạch in PCB

DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Năng lực sản xuất 11 Bảng 2.2 Năng lực sản xuất mạch in lớp 14 Bảng 2.3 Năng lực sản xuất mạch in hai lớp nhiều lớp 15 Bảng 4.1 Một vài thông số Arduino UNO R3 59 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Mạch in thiết kế Hình 2.2 Mạch in sau in giấy Hình 2.3 Mặt đồng sau chà giấy nhám Hình 2.4 Áp mặt in vào bo đồng Hình 2.5 Mạch in sau ủi lột Hình 2.6 Pha muối rửa cho mạch in vào Hình 2.7 Mạch in sau ngâm rửa nước Hình 2.8 Bảo vệ mạch in khơng bị oxi hóa Hình 2.9 Mạch in hồn chỉnh Hình 2.10 Dung dịch 𝐹𝑒𝐶𝑙3 sau rửa mạch in Hình 2.11 Nhà máy sản xuất bo mạch 14 Hình 2.12 Bảng mạch in PCB linh kiện gắn bo mạch 16 Hình 2.13 Sản phẩm mạch in lớp 16 Hình 2.14 Máy CNC dùng cơng nghiệp 17 Hình 2.15 Sơ đồ cấu tạo phận máy phay CNC 19 Hình 2.16 Hình dáng chung bên số máy phay CNC 19 Hình 2.17 Cấu tạo máy phay CNC trục bỏ vỏ che 20 Hình 2.18 Cấu tạo khung máy phay CNC 20 Hình 2.19 Quy ước hệ tọa độ gia công bề mặt vật liệu 21 Hình 2.20 Máy phay CNC công nghiệp 24 Hình 2.21 PCB gia cơng cơng nghệ phay CNC 24 Hình 2.22 Máy cắt CNC 25 Hình 2.23 Bo mạch trước (trái) sau (phải) cắt CNC 25 Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý 29 Hình 4.2 Hệ trục tọa độ theo quy tắc bàn tay phải 30 Hình 4.3 Kích thước thiết kế mơ hình 31 Hình 4.4 Nhơm định hình 2020 32 Hình 4.5 Nhựa PVC dạng 32 Hình 4.6 Con trượt 33 Hình 4.7 Trục trơn 33 Hình 4.8 Vít-me đai ốc 34 Hình 4.9 Cấu tạo nguyên lý động bước 36 Hình 4.10 Biểu đồ vận tốc hệ thống chu kì hoạt động thơng thường 36 Hình 4.11 Khối lượng tải tác dụng lên trục động (trục X) 39 Hình 4.12 Lực ma sát dẫn hướng tác động lên trục động (trục X) 40 Hình 4.13 Khối lượng tải tác dụng lên trục động (trục Y) 41 Hình 4.14 Lực ma sát dẫn hướng tác động lên trục động (trục Y) 42 Hình 4.15 Khối lượng tải tác dụng lên trục động (trục Z) 43 Hình 4.16 Lực ma sát dẫn hướng tác động lên trục động (trục Z) 44 Hình 4.17 Động bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E 45 Hình 4.18 Động bước STP - 43D2033 46 Hình 4.19 Động phay DC 775 150W 47 Hình 4.20 Gối đỡ trục bạc đạn T8 (trái) Ke góc vng (phải) 48 Hình 4.21 Gá đai ốc vít me 48 Hình 4.22 Gá kẹp phôi CNC 48 Hình 4.23 Gá động DC 775 49 Hình 4.24 Đầu kẹp mũi khoan ER11(trái) Collect (phải) 49 Hình 4.25 Mũi khắc CNC 0.1mm (trái) Mũi phay viền (phải) 49 Hình 4.26 Mũi khoan CNC 50 Hình 4.27 Khớp nối cứng 50 Hình 4.28 Bulong - ốc vít 50 Hình 4.29 Ke sắt chữ L 50 Hình 4.30 Mơ hình thiết kế 3D chi tiết trục X 51 Hình 4.31 Mơ hình thiết kế 3D chi tiết trục Y 51 Hình 4.32 Mơ hình thiết kế 3D chi tiết trục Z 51 Hình 4.33 Mơ hình thiết kế 3D máy phay CNC mini 52 Hình 4.34 Mơ hình thực tế máy phay CNC mini 52 Hình 4.35 Động bước gắn trục X(trái) Y(giữa) Z(phải) 54 Hình 4.36 Động trục (Động DC 775 gắn theo trục Z) 54 Hình 4.37 Cơng tắc hành trình 55 Hình 4.38 Các mạch điều khiển (Arduino UNO + CNC Shield V3 + A4988) 55 Hình 4.39 Module điều khiển động 55 Hình 4.40 Bộ nguồn 220VAC - 12VDC 20A 56 Hình 4.41 Quạt tản nhiệt 12VDC 0.15A 56 Hình 4.42 Các loại cơng tắc ON/OFF 56 Hình 4.43 Dây xoắn ruột gà (trái) xích nhựa ln dây (phải) 57 Hình 4.44 Jack cắm (trái) dây cắm (phải) điện 220V 57 Hình 4.45 Cáp USB kết nối Arduino (trái) Dây BUS (phải) 57 Hình 4.46 Arduino UNO R3 60 Hình 4.47 Vi điều khiển ATmega328 61 Hình 4.48 Module CNC Shield V3 63 Hình 4.49 Module driver A4988 64 Hình 4.50 Module điều khiển động DC 10V-60V 20A 65 Hình 4.51 Sơ đồ kết nối phần cứng điều khiển máy CNC 65 Hình 4.52 Hình thực tế điều khiển máy CNC 66 Hình 4.53 Phần mềm Proteus Professional v8.1 SP1 66 Hình 4.54 Phần mềm Vectric Aspire 8.5 67 Hình 4.55 Giao diện phần mềm bCNC V9.8 68 Hình 4.56 Lắp ráp chi tiết phần 71 Hình 4.57 Kết nối phần điện 71 Hình 4.58 Hồn thiện mơ hình 72 Hình 4.59 Thiết kế mạch in phần mềm Protes 8.5 72 Hình 4.60 Mạch in xuất dạng file *.bmp 73 Hình 4.61 Thiết lập chương trình chạy dao phần mềm Aspire 8.5 73 Hình 4.62 Gá board đồng vào bàn máy 74 Hình 4.63 Mở chương trình thiết lập chạy dao bCNC 9.8 74 Hình 4.64 Dò bề mặt phơi tiến hành gia công 74 Hình 4.65 Gia cơng đường mạch board đồng 75 Hình 4.66 Sản phẩm PCB sau gia công 75 Hình 4.67 Kết khảo nghiệm 76 Hình 4.68 Các kết khảo nghiệm khác 76 BẢNG CHÚ GIẢI NHỮNG CỤM TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Chú giải PCB Bo mạch in (tiếng Anh: Printed Circuit Board) CNC Điều khiển máy tính (tiếng Anh: Computer Numerical Control) PWM Điều chế độ rộng xung (tiếng Anh: Pulse-width modulation) MỤC LỤC PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 1.2.1 Mục tiêu chung 1.2.2 Mục tiêu cụ thể 1.3 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 1.4.1 Ý nghĩa khoa học 1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn PHẦN TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2.1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH THIẾT KẾ, GIA CƠNG BOARD MẠCH IN PCB 2.1.1 Tổng quan tình hình thiết kế, gia công board mạch in PCB phương pháp thủ công 2.2.2 Tổng quan tình hình sản xuất PCB cơng nghiệp 2.2 TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 17 2.2.1 Khái niệm máy CNC 17 2.2.2 Giới thiệu sơ lược máy CNC 18 2.2.3 Cấu tạo chung nguyên lý gia công máy phay CNC 19 2.2.4 Phân loại máy CNC 21 2.2.5 Ưu, nhược điểm công nghệ máy CNC 22 2.2.6 Các đặc trưng máy CNC gia công mạch in PCB 23 2.2.7 Ứng dụng CNC sản xuất mạch in PCB 24 PHẦN ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU, NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26 3.1 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU 26 3.1.1 Đối tượng nghiên cứu 26 3.1.2 Phạm vi nghiên cứu 26 3.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU 26 3.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 26 3.3.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu 26 3.3.2 Phương pháp thu thập thông tin 26 3.3.3 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 27 3.3.4 Phương pháp thiết kế mô 27 3.3.5 Phương pháp thực nghiệm 27 PHẦN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 28 4.1 XÁC ĐỊNH NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CHO MẪU MÁY 28 4.1.1 Yêu cầu thiết kế hệ thống 28 4.1.2 Nguyên lý hoạt động máy 28 4.1.3 Các thành phần máy 29 4.2 TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH CỦA MÁY 30 4.2.1 Phân tích chọn phương án, kích thước quy mơ mơ hình 31 4.2.2 Tính tốn thiết kế thành phần máy 32 4.2.3 Tính tốn lựa chọn động 35 4.2.4 Xây dựng mơ hình 3D chế tạo, lắp ráp 51 4.3 THIẾT KẾ PHẦN ĐIỀU KHIỂN 53 4.3.1 Yêu cầu hoạt động tự động máy 53 4.3.2 Các thành phần hệ thống 54 4.3.3 Phân tích chọn lựa phương án điều khiển 57 4.3.4 Thiết kế điều khiển kết nối máy tính 58 4.3.5 Giới thiệu phần điều khiển 59 4.3.6 Sơ đồ kết nối phần cứng 65 4.3.7 Các phần mềm cần dùng 66 4.3.8 Chương trình điều khiển 69 4.4 LẮP RÁP HỒN THIỆN MƠ HÌNH VÀ KHẢO NGHIỆM 71 4.4.1 Lắp ráp hồn thiện mơ hình 71 4.4.2 Khảo nghiệm mơ hình 72 4.4.3 Kết khảo nghiệm thảo luận 75 PHẦN KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 78 5.1 KẾT LUẬN 78 5.2 ĐỀ NGHỊ 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 79 DANH SÁCH PHỤ LỤC 82 PHẦN MỞ ĐẦU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ Trong kỷ XXI, xuất phát triển PCB mang lại cải cách lớn ngành công nghiệp điện tử, thúc đẩy mạnh mẽ việc thay sản phẩm điện tử Vậy PCB gì, đâu lợi phát triển nhanh chóng nó? PCB viết tắt bảng mạch in tiếng Anh - Printed Circuit Board, tiếng Việt dịch theo nghĩa bo mạch in hay gọi board mạch in Bảng mạch in bề mặt cách điện, lỗ lắp định hình vị trí xác định trước, miếng đệm để lắp ráp hàn linh kiện điện tử dây nối xếp để thực kết nối điện thành phần bảng lắp ráp Bảng mạch nhận chức thiết kế dự định PCB nhận kết nối điện thành phần mạch, thay dây dẫn phức tạp, giảm số lượng công việc nối dây theo cách truyền thống, đơn giản hóa việc hàn, lắp ráp, gỡ lỗi công việc sản phẩm điện tử Ngày nay, khối lượng sản phẩm điện tử giảm, chi phí sản phẩm giảm, độ tin cậy chất lượng sản phẩm thiết bị điện tử cải thiện Với khả thay đổi đơn vị sản phẩm tốt, áp dụng thiết kế tiêu chuẩn hóa, có lợi cho việc giới hố hàn tự động hóa sản xuất, nâng cao hiệu sản xuất Các thành phần thiết bị có tính chất học tốt tính chất điện, cho phép thiết bị điện tử đạt sản xuất dây chuyền lắp ráp, cho bảng mạch in lắp ráp gỡ lỗi phụ tùng tạo điều kiện cho việc trao đổi bảo trì tồn sản phẩm Đó lợi PCB, PCB sử dụng rộng rãi sản xuất sản phẩm điện tử Nếu khơng có PCB, khơng có phát triển nhanh chóng ngành công nghiệp thông tin điện tử đại [21] Máy CNC máy chuyên dụng quan trọng sản xuất hàng loạt phân xưởng mạch in PCB, SMT Được sử dụng nhiỲn hỗ trợ hoạt động nhiều tảng khác bCNC - Phần mềm Điều khiển máy CNC lệnh G-code bCNC cung cấp tính hỗ trợ người dùng loại bỏ thành phần, cắt vật thể với độ xác lên tới hàng thập phân, chuyển đổi hồ quang (G2 G3) sang phân đoạn xóa khoảng trắng project [14] Hình 4.55 Giao diện phần mềm bCNC V9.8 Các tính bCNC: • Gửi lệnh G-code tới máy CNC • Hỗ trợ hệ điều hành windown, OS X, Linux, Raspberry Pi • Giao diện người dùng đơn giản, sử dụng ngôn ngữ tiếng việt với phiên việt hóa bCNC V9.8 68 • Cắt vật thể với độ xác cao 4.3.8 Chương trình điều khiển 4.3.8.1 Chương trình điều khiển phần mềm bCNC máy CNC a) Tính tốn chọn số xung cấp cho động  Lệnh $100, $101, $102: chọn số xung cấp cho động tương ứng với di chuyển thẳng 1mm Do động bước chuyển động xoay (mỗi xung cấp cho động xoay góc - gọi bước), dùng cấu chuyển động đai kéo, vítme để chuyển đổi chuyển động xoay thành chuyển động thẳng, thông số trung gian cho chuyển đổi Cách tính thơng số: Số xung = [(số vi bước) x (số xung động xoay vòng) / (kiểu chuyển động)] x giảm tốc (nếu có) (4 - 12) Trong đó: • Số vi bước: khả chạy vi bước động mà bạn thiết lập (với DRV8825 cao vi bước 32, với A4988 TB6560 cao 16) • Số xung động xoay vòng: với động có bước 1.8 độ để xoay vòng (360 độ) cần số xung là: 3600/1.8 = 200 xung • Kiểu chuyển động: - Với chuyển động sử dụng bánh đai – dây đai GT2 = số Puli x2 - Với chuyển động sử dụng vít-me = bước vít-me • Bộ giảm tốc: động gắn trực tiếp vào cấu chuyển động thẳng giá trị 1, sử dụng giảm tốc với độ giảm lần số xung phải nhân lên nhiêu lần Tính tốn số xung cấp cho động bước để di chuyển 1mm, dựa vào cơng thức (4.12) ta có: Tính tốn số xung cấp cho động bước để di chuyển 1mm: Máy CNC sử dụng động bước 1.8 độ, driver A4988 chọn vi bước 16 không sử dụng giảm tốc Chuyển động trục X Y gắn với vít-me T8-8: số xung = 16.200 = 400 Chuyển động trục Z gắn với vít-me T8-2: số xung = 16.200 = 1600 69  Lệnh $110, $111, $112: chọn tốc độ di chuyển lớn cho trục X, Y, Z tương ứng  Lệnh $120, $121, $122: chọn gia tốc di chuyển lớn cho trục X, Y, Z tương ứng  Lệnh $130, $131, $132: chọn hành trình gia cơng (vùng khơng gian cho phép làm việc) [11] Lưu ý: Nên chọn cho động chạy ổn định (riêng động trục Z không nên chọn chạy nhanh) Nếu chọn gia tốc nhỏ khó đạt tốc độ tối đa, chọn cao chạy động dễ bị sốc trượt bước b) Các lệnh cần nhập vào phần mền bCNC Sau tính tốn số xung cần thiết cho động để nhập vào phần mềm bCNC qua nhiều lần khảo nghiệm hoạt động thực tế máy em chọn lọc thông số sau: $100 = 400 $101 = 400 $102 = 1600 $110 = 700 $111 = 700 $112 = 400 $120 = 70 $121 = 70 $122 = 40 Lưu ý: $130, $131, $132 khơng cần dùng q trình xuất G-code từ phần mềm Aspire chọn vùng làm việc 4.3.8.2 Chương trình điều khiển giao tiếp máy vi tính máy CNC Chương trình điều khiển Arduino sử dụng để điều khiển “máy phay CNC trục” đòi hỏi độ xác cao Code chương trình nguyên cứu thử nghiệm thành công Đề tài sử dụng phần mềm Arduino V1.6.7 để lập trình cho hệ thống có code thể phụ lục 70 ... QUAN VỀ MÁY CNC 17 2.2.1 Khái niệm máy CNC 17 2.2.2 Giới thiệu sơ lược máy CNC 18 2.2.3 Cấu tạo chung nguyên lý gia công máy phay CNC 19 2.2.4 Phân loại máy CNC ... phay CNC 20 Hình 2.19 Quy ước hệ tọa độ gia công bề mặt vật liệu 21 Hình 2.20 Máy phay CNC cơng nghiệp 24 Hình 2.21 PCB gia công công nghệ phay CNC 24 Hình 2.22 Máy cắt CNC. .. 16 Hình 2.14 Máy CNC dùng công nghiệp 17 Hình 2.15 Sơ đồ cấu tạo phận máy phay CNC 19 Hình 2.16 Hình dáng chung bên ngồi số máy phay CNC 19 Hình 2.17 Cấu tạo máy phay CNC trục bỏ vỏ