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

Các thành phần của thiết bị có tính chất cơ học tốt và tính chất điện, cho phép các thiết bị điện tử đạt được sản xuất dây chuyền lắp ráp, sao cho bảng mạch in được lắp ráp và gỡ lỗi như

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Năng lực sản xuất 11

Bảng 2.2 Năng lực sản xuất mạch in một lớp 14

Bảng 2.3 Năng lực sản xuất mạch in hai lớp hoặc nhiều lớp 15

Bảng 4.1 Một vài thông số của Arduino UNO R3 59

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1 Mạch in thiết kế 4

Hình 2.2 Mạch in sau khi in ra giấy 5

Hình 2.3 Mặt đồng sau khi chà giấy nhám 5

Hình 2.4 Áp mặt in vào bo đồng 6

Hình 2.5 Mạch in sau khi ủi và lột ra 6

Hình 2.6 Pha muối rửa và cho mạch in vào 7

Hình 2.7 Mạch in sau khi ngâm và rửa sạch bằng nước 7

Hình 2.8 Bảo vệ mạch in không bị oxi hóa 7

Hình 2.9 Mạch in hoàn chỉnh 8

Hình 2.10 Dung dịch 𝐹𝑒𝐶𝑙3 sau khi rửa mạch in 9

Hình 2.11 Nhà máy sản xuất bo mạch 14

Hình 2.12 Bảng mạch in PCB và các linh kiện gắn trên bo mạch 16

Hình 2.13 Sản phẩm mạch in 2 lớp 16

Hình 2.14 Máy CNC dùng trong công nghiệp 17

Hình 2.15 Sơ đồ cấu tạo các bộ phận chính của một máy phay CNC 19

Hình 2.16 Hình dáng chung bên ngoài của một số máy phay CNC 19

Hình 2.17 Cấu tạo của máy phay CNC 3 trục khi bỏ vỏ che 20

Hình 2.18 Cấu tạo khung máy phay CNC 20

Hình 2.19 Quy ước hệ tọa độ gia công trên bề mặt vật liệu 21

Hình 2.20 Máy phay CNC trong công nghiệp 24

Hình 2.21 PCB được gia công bằng công nghệ phay CNC 24

Hình 2.22 Máy cắt CNC 25

Hình 2.23 Bo mạch trước (trái) và sau (phải) khi 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 của mô hình 31

Hình 4.4 Nhôm định hình 2020 32

Hình 4.5 Nhựa PVC dạng tấm 32

Hình 4.6 Con trượt 33

Hình 4.7 Trục trơn 33

Hình 4.8 Vít-me và đai ốc 34

Hình 4.9 Cấu tạo và nguyên lý của động cơ bước 36

Hình 4.10 Biểu đồ vận tốc của hệ thống trong một chu kì hoạt động thông thường 36

Hình 4.11 Khối lượng tải tác dụng lên trục động cơ (trục X) 39

Hình 4.12 Lực ma sát của thanh dẫn hướng tác động lên trục động cơ (trục X) 40

Hình 4.13 Khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ (trục Y) 41

Hình 4.14 Lực ma sát của thanh dẫn hướng tác động lên trục động cơ (trục Y) 42

Hình 4.15 Khối lượng của tải tác dụng lên trục động cơ (trục Z) 43

Hình 4.16 Lực ma sát của thanh dẫn hướng tác động lên trục động cơ (trục Z) 44 Hình 4.17 Động cơ bước NIDEC SERVO KH42KM2R015E 45

Hình 4.18 Động cơ bước STP - 43D2033 46

Hình 4.19 Động cơ phay DC 775 150W 47

Hình 4.20 Gối đỡ trục bạc đạn T8 (trái) và Ke góc vuông (phải) 48

Hình 4.21 Gá đai ốc vít me 48

Hình 4.22 Gá kẹp phôi CNC 48

Hình 4.23 Gá động cơ DC 775 49

Hình 4.24 Đầu kẹp mũi khoan ER11(trái) và Collect (phải) 49

Hình 4.25 Mũi khắc CNC 0.1mm (trái) và 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 Mô hình thiết kế 3D các chi tiết trên trục X 51

Hình 4.31 Mô hình thiết kế 3D các chi tiết trên trục Y 51

Hình 4.32 Mô hình thiết kế 3D các chi tiết trên trục Z 51

Hình 4.33 Mô hình thiết kế 3D máy phay CNC mini 52

Hình 4.34 Mô hình thực tế máy phay CNC mini 52

Hình 4.35 Động cơ bước gắn trên các trục X(trái) Y(giữa) Z(phải) 54

Hình 4.36 Động cơ trục chính (Động cơ DC 775 gắn theo trục Z) 54

Hình 4.37 Công 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 cơ 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 công tắc ON/OFF 56

Hình 4.43 Dây xoắn ruột gà (trái) và xích nhựa luôn dây (phải) 57

Hình 4.44 Jack cắm (trái) và dây cắm (phải) điện 220V 57

Hình 4.45 Cáp USB kết nối Arduino (trái) và 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 cơ DC 10V-60V 20A 65

Hình 4.51 Sơ đồ kết nối các phần cứng của bộ điều khiển máy CNC 65

Hình 4.52 Hình thực tế của bộ điều khiển máy CNC 66

Hình 4.53 Phần mềm Proteus 8 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 các chi tiết phần cơ 71

Hình 4.57 Kết nối các phần điện 71

Hình 4.58 Hoàn thiện mô hình 72

Hình 4.59 Thiết kế mạch in trên phần mềm Protes 8.5 72

Hình 4.60 Mạch in được xuất ra dưới dạng file *.bmp 73

Hình 4.61 Thiết lập chương trình chạy dao trên 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 trên bCNC 9.8 74

Hình 4.64 Dò bề mặt phôi và tiến hành gia công 74

Hình 4.65 Gia công các đường mạch trên board đồng 75

Hình 4.66 Sản phẩm PCB sau khi gia công 75

Hình 4.67 Kết quả khảo nghiệm 76

Hình 4.68 Các kết quả khảo nghiệm khác 76

BẢNG CHÚ GIẢI NHỮNG CỤM TỪ VIẾT TẮT

PCB Bo mạch in (tiếng Anh: Printed Circuit Board)

CNC Điều khiển bằng máy tính (tiếng Anh: Computer

Numerical Control)

PWM Điều chế độ rộng xung (tiếng Anh: Pulse-width

modulation)

MỤC LỤC

PHẦN 1 MỞ ĐẦU 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI 2

1.2.1 Mục tiêu chung 2

1.2.2 Mục tiêu cụ thể 2

1.3 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI 3

1.4.1 Ý nghĩa khoa học 3

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn 3

PHẦN 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 4

2.1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH THIẾT KẾ, GIA CÔNG BOARD MẠCH IN PCB 4

2.1.1 Tổng quan về tình hình thiết kế, gia công board mạch in PCB bằng phương pháp thủ công 4

2.2.2 Tổng quan về tình hình sản xuất PCB công nghiệp 9

2.2 TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC 17

2.2.1 Khái niệm máy CNC 17

2.2.2 Giới thiệu sơ lược về máy CNC 18

2.2.3 Cấu tạo chung và nguyên lý gia công của 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 của máy CNC gia công mạch in PCB 23

2.2.7 Ứng dụng của CNC trong sản xuất mạch in PCB 24

PHẦN 3 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 phỏng 27

3.3.5 Phương pháp thực nghiệm 27

PHẦN 4 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 của máy 28

4.1.3 Các thành phần chính của máy 29

4.2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH CỦA MÁY 30

4.2.1 Phân tích chọn phương án, kích thước và quy mô của mô hình 31

4.2.2 Tính toán thiết kế các thành phần của máy 32

4.2.3 Tính toán lựa chọn động cơ 35

4.2.4 Xây dựng mô hình 3D và chế tạo, lắp ráp 51

4.3 THIẾT KẾ PHẦN ĐIỀU KHIỂN 53

4.3.1 Yêu cầu hoạt động tự động của máy 53

4.3.2 Các thành phần của 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 về 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 HOÀN THIỆN MÔ HÌNH VÀ KHẢO NGHIỆM 71

4.4.1 Lắp ráp hoàn thiện mô hình 71

4.4.2 Khảo nghiệm mô hình 72

4.4.3 Kết quả khảo nghiệm và thảo luận 75

PHẦN 5 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 1 MỞ ĐẦU

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Trong thế kỷ XXI, sự xuất hiện và phát triển PCB đã mang lại những cải cách lớn trong ngành công nghiệp điện tử, đã thúc đẩy mạnh mẽ việc thay thế các sản phẩm điện tử Vậy PCB là gì, đâu là lợi thế của sự phát triển nhanh chóng của nó?

PCB là viết tắt của bảng mạch in tiếng Anh - Printed Circuit Board, tiếng Việt được dịch theo nghĩa là bo mạch in hay còn được gọi là board mạch in Bảng mạch in trên bề mặt cách điện, và lỗ lắp được định hình ở vị trí được xác định trước, và các miếng đệm để lắp ráp và hàn các linh kiện điện tử và dây nối được sắp xếp để thực hiện kết nối điện giữa các thành phần và bảng lắp ráp Bảng mạch nhận ra các chức năng thiết kế dự định

PCB có thể nhận ra kết nối điện giữa mỗi thành phần trong mạch, thay thế dây dẫn phức tạp, đã giảm số lượng công việc nối dây theo cách truyền thống, đã đơn giản hóa việc hàn, lắp ráp, gỡ lỗi công việc của sản phẩm điện tử Ngày nay, khối lượng sản phẩm điện tử đã giảm, chi phí sản phẩm đã giảm, độ tin cậy và chất lượng sản phẩm của các thiết bị điện tử đã được cải thiện Với khả năng thay đổi đơn vị sản phẩm tốt, nó có thể áp dụng thiết kế tiêu chuẩn hóa, có lợi cho việc

cơ giới hoá hàn và tự động hóa sản xuất, nâng cao hiệu quả sản xuất Các thành phần của thiết bị có tính chất cơ học tốt và tính chất điện, cho phép các thiết bị điện tử đạt được sản xuất dây chuyền lắp ráp, sao cho bảng mạch in được lắp ráp

và gỡ lỗi như một phụ tùng tạo điều kiện cho việc trao đổi và bảo trì toàn bộ sản phẩm Đó là vì những lợi thế chính của PCB, PCB đã được sử dụng rộng rãi trong sản xuất các sản phẩm điện tử Nếu không có PCB, không có sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp thông tin điện tử hiện đại [21]

Máy CNC là một máy chuyên dụng quan trọng trong sản xuất hàng loạt tại các phân xưởng mạch in PCB, SMT Được sử dụng nhiều tại các nhà máy của Nhật Bản, Hàn Quốc như: Canon, SamSung, LG, Panasonic, Máy hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng dụng cụ cắt là đầu phay cỡ nhỏ có thể dịch chuyển theo 2 chiều để tạo đường cắt trên bo mạch Máy cắt chính xác, nhanh chóng giúp nâng cao năng suất và bảo vệ sức khỏe cho người công nhân trong phân xưởng [8]

Việc tạo ra một mạch in PCB tại nhà thực ra rất đơn giản với một quá trình làm mạch in thủ công bằng phương pháp ủi, ngoài ra còn có các phương pháp khác như: làm mạch in bằng phương pháp in lụa, film cảm quang, in UV

và khắc axit,…các phương pháp này chỉ sản xuất được với quy mô nhỏ lẻ, số lượng ít và khi cần thiết thiết kế bo mạch riêng mà không có bán sẵn trên thị trường Làm mạch in thủ công là một trong những nhu cầu không thể thiếu của các bạn sinh viên học ngành điện tử để nghiên cứu, để thực hành thực tập hay những bạn có đam mê và đang tìm hiểu về điện tử

Với quá trình thực hiện thủ công đó, nên tốn rất nhiều giai đoạn từ các khâu như: Thiết kế mạch; in mực; là (ủi) mực; rửa hoá chất; vệ sinh mạch sau khi rửa; khoan lỗ cắm linh kiện Quá trình này mất rất nhiều thời gian, và với hoá chất rửa (𝐹𝑒𝐶𝑙3) sau khi rửa bo mạch thải ra rất độc và gây ô nhiễm môi trường đất, làm chết các sinh vật ở trên và dưới mặt đất khi hoá chất ngấm xuống lòng đất, do vẫn chưa có biện pháp xử lí tốt các chất thải này

Do đó, để cập nhật được kiến thức về máy CNC đồng thời cũng áp dụng được kỹ thuật này vào quá trình sản xuất thiết kế board mạch in, làm tăng năng suất, giảm thời gian và các công đoạn thực hiện cần phải có 1 máy phay CNC loại nhỏ để có thể tự chế tạo được những bo mạch đảm bảo yêu cầu về kỹ thuật với chi phí thấp, an toàn cho môi trường

Xuất phát từ các nhu cầu thực tiễn trên chính là lý do mà tôi đã tiến hành

thực hiện đề tài: “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình máy phay CNC mini gia công board mạch in PCB” dưới sự hướng dẫn của ThS Phạm Xuân

bo mạch tạo ra đảm bảo yêu cầu về mặt kỹ thuật và kiểu dáng công nghiệp

- Chế tạo được một mô hình máy mẫu có thể kết nối với máy tính cá nhân để nhận lệnh điều khiển từ code của phần mềm chuyên dụng điều khiển phay tự động

1.3 Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI

1.3.1 Ý nghĩa khoa học

Mô hình máy CNC được thiết kế và chế tạo thành công có ứng dụng trong chế tạo board mạch in PCB phục vụ cho công tác nghiên cứu, học tập và sáng tạo của sinh viên cũng như kỹ sư ngành Công nghệ kỹ thuật Cơ điện tử

Báo cáo của đề tài là nguồn tài liệu tham khảo, hướng dẫn cho sinh viên các khóa sau làm đồ án môn học liên quan đến thiết kế mô hình máy phay CNC cũng như thiết kế mạch điều khiển

1.3.2 Ý nghĩa thực tiễn

Việc ứng dụng công nghệ sản xuất board mạch in trên máy CNC giúp giảm thời gian công sức lao động, làm tăng năng suất làm việc với chi phí sản xuất thấp

Góp phần bảo vệ môi trường, không còn sử dụng hoá chất để tạo ra sản phẩm PCB

Mô hình mẫu máy thành công sẽ là cơ sở để chế tạo hàng loạt máy và phát triển các mô hình Start Up trong lĩnh vực tự động hóa

PHẦN 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

2.1 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH THIẾT KẾ, GIA CÔNG BOARD MẠCH IN PCB

2.1.1 Tổng quan về tình hình thiết kế, gia công board mạch in PCB bằng phương pháp thủ công

Quá trình làm một mạch in PCB bằng phương pháp thủ công [7], gồm có

5 bước như sau:

- Bước 1: Vẽ mạch in

Việc thiết kế một PCB đòi hỏi phải biết sử dụng đến một phần mềm chuyên dùng để vẽ board mạch in Hiện nay có rất nhiều phần mềm hỗ trợ cho việc thiết kế PCB như: OrCad, Allegro, Egle, Altium, Proteus,…Sau khi thiết kế mạch in ta xuất ra file pdf như hình 2.1

Hình 2.1 Mạch in thiết kế

- Bước 2: Ủi mạch

Sau khi đã có sơ đồ mạch in, in ra giấy chuyên dụng, được như hình 2.2

Hình 2.2 Mạch in sau khi in ra giấy

Sau đó lấy giấy nhám chà sơ cho sạch những chỗ dơ dính trên mặt đồng như hình 2.3, việc này sẽ giúp cho tỉ lệ ủi thành công cao Tiếp theo áp phần có hình mạch in trên giấy vào mặt có đồng của board đồng, căn chỉnh sao cho khớp, sau đó tận dụng phần thừa của giấy in mạch để dán cố định giấy với board đồng như hình 2.4 Sau đó thực hiện ủi lên mặt giấy trong khoảng 5-7 phút Ủi xong cho board đã ủi vào thau nước, chờ khoảng 2-3 phút thì lột giấy ra như hình 2.5 nếu không may ủi mà mạch bị đứt nét thì lấy bút Thiên Long tô mực lại Và nếu mực dính nhau thì lấy dao cắt mạch cạy cạy nhẹ xóa phần dính đi

Hình 2.3 Mặt đồng sau khi chà giấy nhám

Hình 2.4 Áp mặt in vào bo đồng

Hình 2.5 Mạch in sau khi ủi và lột ra

- Bước 3: Ngâm mạch và ăn mòn

Pha muối rửa mạch: cho khoảng một muỗng cà phê bột sắt (muối Fe2Cl3) vào trong khay nhựa, sau đó nhẹ nhàng chế từ từ nước vào trong khay để tạo ra một dung dịch muối rửa mạch có màu nâu đen, đừng loãng quá điều đó sẽ làm mạch bị ăn mòn lâu

Sau khi pha thuốc rửa mạch xong, cho mạch in vào như hình 2.6, lắc đều dung dịch để quá trình phản ứng hóa học diễn ra nhanh hơn Thời gian phản ứng trong khoảng 15-30 phút tùy thuộc vào nồng độ dung dịch ăn mòn Sau khi mạch được ăn mòn ta được như hình 2.7

Hình 2.6 Pha muối rửa và cho mạch in vào

Hình 2.7 Mạch in sau khi ngâm và rửa sạch bằng nước

- Bước 4: Bảo vệ mạch in không bị oxi hóa

Việc bảo vệ mạch in không bị oxi hóa sẽ giúp mạch in trông đẹp và bền hơn như hình 2.8 bằng dung dịch axeton và nhựa thông hoặc bằng bình xịt bảo

vệ mạch chuyên dụng, lọ này có giá trên dưới 200 nghìn Sau khi bôi dung dịch đem ra phơi nắng và chờ cho khô dung dịch bảo vệ

Hình 2.8 Bảo vệ mạch in không bị oxi hóa

- Bước 5: Khoan mạch, gắn linh kiện và hàn board

Đây là những công đoạn cuối cùng của quá trình làm mạch in Về vấn đề khoan mạch thì phải lựa chọn mũi khoan cho chính xác, thông thường lỗ cắm linh kiện là 0.8mm nên chọn mũi khoan là 0.8mm Sau khi khoan xong thì gắn linh kiện vào và hàn như hình 2.9

Hình 2.9 Mạch in hoàn chỉnh

Ưu, nhược điểm của phương pháp này:

• Ưu điểm:

- Bản thân, cá nhân có thể thực hiện được

- Làm ra mạch in theo thiết kế riêng

- Chi phí sản xuất rẻ, dễ kiếm

• Nhược điểm:

- Tốn nhiều thời gian, năng suất thấp

- Sản xuất với số lượng ít

- Sử dụng hóa chất độc hại

- Mạch in dễ bị lỗi như: đứt mạch, dính mạch, lệch kích thước

Các quy trình này thực hiện còn rất thủ công và tốn nhiều thời gian, chưa

kể đến việc tạo ra board mạch in phải dùng một số hỗn hợp hóa chất như:

Na2S2O8+ H2𝑂, HCL + H2O2, FeCl3 + H2O, …các hóa chất này rất độc, ăn mòn cao khi tiếp xúc trực tiếp, khó tẩy rửa khi văng dín vào quần áo

Hình 2.10 Dung dịch 𝐹𝑒𝐶𝑙3 sau khi rửa mạch in

Sau khi thực hiện được thành phẩm (Hình 2.10), các hóa chất này không còn sử dụng được nữa thường đem đổ ra ngoài đất, sông, hồ… làm hại đến các sinh vật ở trên, dưới mặt đất do vẫn chưa có biện pháp xử lí tốt vấn đề này

2.2.2 Tổng quan về tình hình sản xuất PCB công nghiệp

Kỹ thuật để sản xuất PCB trong công nghiệp:

- Một PCB được sử dụng để kết nối các linh kiện điện tử bằng điện Điều này được thực hiện bằng cách tạo các đường dẫn dẫn điện cho các kết nối mạch bằng cách khắc các đường ray từ tấm đồng ép lên một chất nền không dẫn điện

- PCB bao gồm một lớp dẫn điện được tạo thành từ lá mỏng đồng Lớp cách điện di-điện được ép cùng với nhựa epoxy prepreg Loại PCB được sử dụng phổ biến nhất là FR-4 Bảng có thể là một mặt hoặc hai mặt Hai mặt PCB

có thể được sử dụng để kết nối các linh kiện điện tử trên cả hai mặt thông qua các lỗ xuyên qua lỗ Điều này được thực hiện bằng cách đồng mạ các bức tường của mỗi lỗ để kết nối các lớp dẫn điện của PCB

Để sản xuất ra bo mạch in hàng loạt, trong công nghiệp thường được thực hiện theo các quy trình sau:

Mặc dù có rất nhiều phương pháp có sẵn để khắc, phương pháp phổ biến nhất được sử dụng bởi những người có sở thích điện tử là khắc axit ferric clorua bằng axit clohydric Cả hai đều phong phú và giá rẻ Nhúng PCB vào trong dung dịch và giữ cho nó di chuyển bên trong Tháo nó ra nhiều lần và dừng quá trình ngay sau khi lớp đồng đã biến mất Sau khi khắc, chà xát PCB với một ít axeton

để loại bỏ màu đen, do đó tạo cho PCB một cái nhìn hấp dẫn sáng Bố cục PCB hiện đã hoàn tất

- Bước 3: Khoan PCB

Các thành phần phải được gắn vào PCB nhiều lớp có thể được thực hiện chỉ bằng khoan VIAS Đó là, một lỗ thông qua được khoan trong hình dạng của vòng hình khuyên Các mũi khoan nhỏ được làm từ cacbua vonfram được sử dụng để khoan Một máy khoan dremel thường được sử dụng để đục lỗ Thông thường, một bit khoan 0,035 inch được sử dụng Đối với máy khoan tự động sản xuất khối lượng lớn được sử dụng

Đôi khi, các lỗ rất nhỏ có thể phải được khoan, và các phương pháp cơ học có thể làm hỏng vĩnh viễn PCB Trong những trường hợp như vậy, máy khoan laser VIAS có thể được sử dụng để tạo ra bề mặt bên trong hoàn thiện bên trong các lỗ

- Bước 4: Dây dẫn mạ

Lớp bên ngoài của PCB chứa các kết nối đồng (một phần nơi các thành phần được đặt) mà không cho phép khả năng hàn của các thành phần Để làm cho nó solderable, bề mặt của vật liệu đã được mạ vàng, thiếc, hoặc niken

- Bước 5: Solder Resist

Các khu vực khác mà không được solderable được bao phủ với một vật liệu chống hàn Nó về cơ bản là một lớp phủ polymer ngăn cản các hàn từ mang dấu vết và có thể tạo ra các phím tắt để dẫn thành phần lân cận

qua hoặc xây dựng bề mặt gắn kết Trong phương pháp cũ, các thành phần dẫn được chèn vào các lỗ khoan trong PCB Trong phương pháp thứ hai, một pad có chân tương tự như thiết kế PCB được chèn vào và của IC được đặt hoặc cố định trên đầu trang của họ Khía cạnh chung trong cả hai phương pháp là các thành phần dẫn điện được cố định về mặt cơ học và máy móc với bảng bằng hàn kim loại nóng chảy [23]

Ưu, nhược điểm của phương pháp này:

• Ưu điểm:

- Sản xuất mạch in theo hàng loạt

- Thiết kế mạch đa dạng, sản xuất được mạch in nhiều lớp

- Chi phí sản xuất rẻ, năng xuất cao

- Tác động của con người được giảm thiểu

• Nhược điểm:

- Chi phí đầu tư lớn

- Đòi hỏi đội ngũ thực hiện có trình độ kỹ thuật cao

 Một số nhà máy sản xuất PCB trong và ngoài nước:

• Tại Nhật Bản: Từ một công ty chuyên sản xuất bản mạch in điện tử (Printed Circuit Board - PCB) được thành lập năm 1975 tại tỉnh Kanagawa, Nhật Bản, sau hơn 30 năm phát triển, Tập đoàn Điện tử Meiko đã trở thành một trong những tập đoàn đứng đầu thế giới về sản xuất bản mạch in điện tử và lắp ráp linh kiện điện tử Hiện nay tập đoàn có 4 nhà máy tại Nhật Bản, 2 nhà máy tại Trung Quốc, 1 nhà máy tại Việt Nam (Hà Nội) và nhiều trung tâm nghiên cứu, văn phòng đại diện trên toàn cầu [17]

• Tại Trung Quốc: FASTPCBA Technology Co., Ltd là nhà sản xuất PCB chuyên nghiệp tại Trung Quốc, Thâm Quyến Với 14 năm phát triển, FASPCBA biến thành nhà sản xuất HDI PCB hạng nhất, với khả năng sản xuất 35.000 mét vuông FASTPCBA đang cung cấp dịch vụ lắp ráp PCB và PCB trần chất lượng cao, bao gồm tìm nguồn cung ứng linh kiện, kiểm tra chức năng, sơn phủ phù hợp và lắp ráp hoàn chỉnh cho khách hàng trên toàn thế giới, thị trường chính của FASTPCBA là Châu Âu, Bắc Mỹ, Úc, Nam Mỹ và Châu Á [12] Nhà máy

có năng lực sản xuất PCB như bảng 2.1

Bảng 2.1 Năng lực sản xuất

Sercive Bảng mạch PCB và lắp ráp SMT với dịch vụ một cửa

Vật chất Vật liệu laminate FR4, cao TG FR4, cao tần

Trọng lượng

đồng

Trọng lượng ngoài Cu 0,5-4 0z Trọng lượng Cu bên

Khoan

Kích thước tối thiểu 0,0078 ”0,2mm Máy khoan lệch ± 0,002 0,05mm Dung sai lỗ PTH ± 0,002 0,005mm Dung sai lỗ NPTH ± 0,002 0,005mm

Mặt nạ Hàn

Màu Xanh, trắng, đen, đỏ, xanh Mặt nạ hàn Min 0,003 ″ 0,07mm

Độ dày 0,012 * 0,017mm

Màn hình lụa Màu trắng, đen, vàng, xanh

Kích thước tối thiểu 0,006 ″ 0,15mm Kiểm tra điện tử

Kiểm tra chức năng Kiểm tra chức năng 100% Kiểm tra PCBA X-quang, Kiểm tra AOI, Kiểm tra

chức năng, IQC, IPQC

Bài báo Sự miêu tả Khả năng

Hội đồng PCB Dịch vụ một cửa dịch vụ manufacxtker điện tử

Kích thước tối đa

thiện HASL, ENIG, bạc ngâm, thiếc ngâm, OSP

Phác thảo PCB Hình vuông, hình tròn, không đều (có hình ghép ) gói QFN, BGA, SSOP, PLCC, LGA

Lắp ráp phụ Nhựa, kim loại, màn hình

“Nguồn: FASPCBA [12]”

• Tại Việt Nam:

- Công ty cổ phần HITECH PCB được thành lập từ tháng 03/2015 Đến tháng 10/2015, sản phẩm của công ty được chính thức đưa ra thị trường Nhà máy sản xuất bảng mạch in điện tử PCB (Hình 2.11) đặt tại Khu Công Nghiệp Nhơn Trạch 3, Huyện Nhơn Trạch, Tỉnh Đồng Nai Dây chuyền sản xuất có khả năng đáp ứng được sản lượng 10,000m2/tháng

Từ khi bắt đầu đi vào hoạt động, HITECH PCB đã xác định ngành nghề hoạt động là chuyên sâu trong lĩnh vực bo mạch PCB đồng thời cam kết cung cấp cho các doanh nghiệp những sản phẩm chất lượng cao Đến nay, HITECH PCB vẫn kiên định phát triển chuyên sâu theo đúng ngành nghề đã chọn và không ngừng đầu tư nghiên cứu phát triển các giải pháp bo mạch kỹ thuật cao và dịch vụ chuyên nghiệp trong dân dụng và công nghiệp

Góp phần vào sự phát triển của ngành khoa học kỹ thuật, công nghiệp Việt Nam nói chung [15]

Bảng 2.2 Năng lực sản xuất mạch in một lớp

1 Độ dày nguyên vật liệu 0.8-1.6mm

2 Độ dày lớp đồng 35μ(1oz) 70μ(2oz)

6 Dung sai lỗ khoan 0.05mm

7 Chiều cao và chiều

phía sau

4.0mm

Phương pháp đứt tách rời 1.0mm

9 Kích thước bề mặt dập 300mm x 500mm

9 Khoảng cách giữa các lớp 0.1 mm (4 mil)

10 Dung sai lớp phủ chóng hàn 0.075 mm (3 mil)

“Nguồn: Hitech PCB, 2015 [15]”

- Công ty Cổ phần sản xuất Điện tử Thành Long là đơn vị hàng đầu Việt Nam trong lĩnh vực sản xuất bo mạch điện tử (Hình 2.12) Với quy mô nhà máy lớn, trang thiết bị hiện đại, đội ngũ công nhân lành nghề, sản xuất bo mạch điện

tử với chất lượng tốt nhất, chi phí thấp nhất dành cho khách hàng [24]

Hình 2.12 Bảng mạch in PCB và các linh kiện gắn trên bo mạch

- Được thành lập năm 2012, VNPCB là thương hiệu dịch vụ gia công mạch in chất lượng cao - giá bình dân của Havicom Việt Nam, là đơn vị lâu năm trong ngành điện tử công nghiệp và tự động hóa

Với kinh nghiệm thiết kế PCB lâu năm cho các dự án với số lượng từ nguyên mẫu đến hàng loạt và quan hệ với các đối tác sản xuất, các nhà cung cấp sản phẩm phụ trợ trong và ngoài nước VNPCB mong muốn tiết kiệm chi phí nghiên cứu sản xuất cho các cá nhân, trường học và doanh nghiệp trong ngành sản xuất điện tử, góp phần đưa những sản phẩm chất lượng, giá thành phải chăng và yêu cầu kỹ thuật cao về mảng PCB và linh kiện điện tử, khi mà nền sản xuất điện tử tiêu dùng trong nước còn rất non trẻ và hạn chế

VNPCB hiện cung cấp dịch vụ gia công mạch in giá rẻ từ 2 lớp (Hình 2.13) đến 14 lớp, các vật liệu thông thường như FR4, TG135, FR4 – HighTG, các vật liệu đặc biệt cho viễn thông, siêu cao tần hay quân sự như Isola, Roger (3003, 4350, 5870, 5870, 6035 …), các mạch hispeed, các mạch RF dải tần bang

X Khách hàng của VNPCB là các cá nhân, sinh viên nghiên cứu với số lượng nhỏ, đến các công ty sản xuất số lượng lớn [26]

Hình 2.13 Sản phẩm mạch in 2 lớp

2.2 TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC

2.2.1 Khái niệm máy CNC

CNC (Computer Numerical Control) xuất hiện vào khoảng đầu thập niên

1970 khi máy tính bắt đầu được dùng ở các hệ điều khiển máy công cụ thay cho

NC, Numerical Control (Điều khiển số) CNC đề cập đến việc điều khiển bằng máy tính các máy móc với mục đích sản xuất (có tính lặp lại) các bộ phận kim khí (hay các vật liệu khác) phức tạp, bằng cách sử dụng các chương trình viết bằng ký hiệu chuyên biệt theo tiêu chuẩn EIA-274-D, thường gọi mã G CNC được phát triển cuối thập niên 1940 đầu thập niên 1950 ở trong phòng thí nghiệm Servomechanism của trường MIT Trước khoảng thời gian này, các chương trình NC thường phải được mã hoá và xử lý trên các băng đục lỗ, hệ điều khiển các trục máy chuyển động Cách này đã cho thấy nhiều bất tiện, chẳng hạn khi sửa chữa, hiệu chỉnh chương trình, băng chóng mòn, khó lưu trữ, truyền tải, dung lượng bé Hệ điều khiển CNC khắc phục các nhược điểm trên nhờ khả năng điều khiển máy bằng cách đọc hàng loạt ngàn bit thông tin được lưu trữ trong bộ nhớ, cho phép giao tiếp, truyền tải và xử lý, điều khiển các quá trình một cách nhanh chóng, chính xác

Hình 2.14 Máy CNC dùng trong công nghiệp

Sự xuất hiện của các máy CNC đã nhanh chóng thay đổi việc sản xuất công nghiệp Các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác do con người thực hiện được giảm thiểu Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy CNC tạo nên sự phát triển đáng kể về chính xác và chất lượng

Kỹ thuật tự động của CNC giảm thiểu các sai sót và giúp người thao tác có thời gian cho các công việc khác Ngoài ra còn cho phép linh hoạt trong thao tác các

sản phẩm và thời gian cần thiết cho thay đổi máy móc để sản xuất các linh kiện khác Trong môi trường sản xuất, với nhiều loại máy CNC được ra đời nhầm đáp ứng nhu cầu của thị trường và trong đó có máy khắc gỗ CNC, nhầm đáp ứng

về việc gia công gỗ một cách hiệu quả và chính xác [2]

2.2.2 Giới thiệu sơ lược về máy CNC

Tự động hóa quá trình sản xuất là một trong những yêu cầu bức xúc hiện nay đối với các doanh nghiệp sản xuất trong và ngoài nước ở hầu hết các lĩnh vực

Đối với lĩnh vực sản xuất cơ khí thì đây cũng là một trong những yêu cầu cấp thiết nhằm tiến đến “tăng năng suất, nâng cao chất lượng, hạ giá thành sản phẩm”

Nhiều doanh nghiệp đã và đang đầu tư để đổi mới công nghệ, ứng dụng công nghệ cao, công nghệ tiên tiến trong sản xuất Tuy nhiên, do hạn chế về khả năng tự nghiên cứu công nghệ mới, năng lực vốn đầu tư gặp có nhiều khó khăn… dẫn đến chậm đổi mới công nghệ

Hiện nay nhu cầu về máy CNC phục vụ công nghiệp và các ngành sản xuất khác là rất lớn, doanh nghiệp thiết kế máy trong nước chỉ đáp ứng một phần nhỏ Chủ yếu là nhập khẩu máy CNC mới từ nước ngoài về hay nhập máy cũ (seconhand) về

Đối với quá trình khắc CNC thì việc tiếp xúc trực tiếp tại chỗ làm việc là cực kỳ tốn thời gian mất an toàn và ảnh hưởng tới sức khỏe: môi trường bị ô nhiễm nặng (bột gỗ,…) nguy hiểm cho mắt, da, phổi…Tai nạn lao động nhiều, tốn thời gian rất nhiều để hoàn thành xong một sản phẩm Nên điều khiển gián tiếp là biện pháp hiệu quả nhất Máy sẽ được đặt trong môi trường kín sẽ đảm bảo an toàn lao động cho công nhân

Trong tình hình hội nhập với nền kinh tế thế giới cùng với sự cạnh tranh gắt gao từ các nhà sản xuất nước ngoài Điều này đòi hỏi các nhà sản xuất trong nước cần phải nâng cao năng lực cạnh tranh của sản phẩm hơn nữa bằng cách cải tiến và đầu tư máy móc, trang thiết bị an toàn, bảo vệ sức khỏe công nhân để phục vụ sản xuất Đặc biệt là trong tình hình lao động hiện nay, nguồn lao động

có tay nghề trong ngành cơ khí đang thiếu hụt trầm trọng Chính vì điều này mà hiện nay vấn đề đặt ra là: để phát triển ngành sản suất cơ khí trong nước thì việc trang bị các máy móc tự động phục vụ một phần cho công việc trong quá trình sản xuất là vô cùng quan trọng

Ngoài các lý do như trên thì việc thiết kế, chế tạo và sử dụng thiết bị CNC còn là tiền đề cho việc phát triển lĩnh vức cơ khí tự động hóa trong sản xuất Hưởng ứng phong trào thiết kế máy CNC phục vụ trong nước của nước ta [4]

2.2.3 Cấu tạo chung và nguyên lý gia công của máy phay CNC

2.2.3.1 Cấu tạo chung

Cấu tạo chung của máy phay CNC được biểu diễn qua sơ đồ sau:

Hình 2.15 Sơ đồ cấu tạo các bộ phận chính của một máy phay CNC

Một số cấu tạo của các máy CNC khác [2]:

Hình 2.16 Hình dáng chung bên ngoài của một số máy phay CNC

Hình 2.17 Cấu tạo của máy phay CNC 3 trục khi bỏ vỏ che

(hiệu Bridge Port)

Hình 2.18 Cấu tạo khung máy phay CNC

2.2.3.2 Nguyên lý gia công

Những máy phay CNC mà chúng ta sẽ nghiên cứu có quy ước hệ tọa độ như sau:

Hình 2.19 Quy ước hệ tọa độ gia công trên bề mặt vật liệu

Thông thường, quá trình gia công được tiến hành bằng một trong 2 cách sau: Phôi quay và tịnh tiến theo trục z, dao tịnh tiến theo trục z hoặc trục x hoặc trục y

Dao quay (thường là khoan), phôi tịnh tiến hoặc đứng yên

2.2.4 Phân loại máy CNC

Các máy CNC có thể phần chia theo loại và theo hệ thống điều khiển [3]: Theo loại máy cũng tương tự như các máy công cụ truyền thống, chia ra các loại như máy khoan CNC, máy phay CNC, máy tiện CNC…và các trung tâm gia công CNC Các trung tâm CNC có khả năng thực hiện gia công nhiều loại bề mặt và sử dụng nhiều loại dụng cụ khác nhau

Phân chia theo hệ điều khiển có thể phân ra các loại:

• Các máy điều khiển điểm tới điểm.Ví dụ như máy khoan, khoét, máy hàn điểm, máy đột, dập…

• Các máy điều khiển đoạn thẳng: đó là các máy có khả năng gia công trong qua trình thực hiện dịch chuyển theo các trục

• Các máy điều khiển đường:

- Máy 2D, máy 3D

- Điều khiển 2D1/2

- Điều khiển 4D, 5D

2.2.5 Ưu, nhược điểm công nghệ máy CNC

Tin cậy: do bộ điều khiển (vi xử lý) cũng như các cải tiến ở độ cứng vững,

sống trượt vít-me, ổ bi, bàn máy cũng như dụng cụ cắt gọn đã làm cho máy có

độ tin cậy hoạt động rất cao

Có khả năng lập lại cao: các chi tiết chế tạo trong hàng loạt rất giống

nhau nhờ khả năng lập lại của máy tính cộng với độ tin cậy của máy

Năng suất cao: nhà chế tạo đã giảm đến mức tối đa hành trình chạy không

của máy, tăng tốc độ chạy dao nhanh, cắt gọt tự động liên tục với tốc độ cắt cao, giảm số lần gá đặt và giảm số công nhân vận hành máy đã làm cho năng suất của máy CNC khá cao Đây là một trong những yếu tố góp phần hoàn vốn đầu

tư nhanh khi trang bị các máy công cụ CNC đắt tiền

Cụ thể hơn ưu điểm của công nghệ máy CNC có thể tóm tắt ở 14 điểm chính sau:

- Độ chính xác cao, sản phẩm chất lượng đồng nhất

- Thực hiện được các thủ tục (nguyên công) gia công các chi tiết có hình dáng phức tạp mà các máy truyền thống không thể gia công được

- Năng suất gia công tăng

- Giảm được thời gian chẩn bị sản xuất, thời gian phụ

- Máy làm việc an toàn, ít lỗi do ít có sự can thiệp của người vận hành khi

nó hoạt động

- Ít cần phải kiểm tra sản phẩm trong sản xuất hang loạt

- Hiệu suất sử dụng máy cao: thời gian gá lắp ít, không cần phải điều chỉnh máy, cắt gọt liên tục đã làm cho hiệu suất sử dụng của máy có thể lên đến 50%

- Không chiếm nhiều không gian trong xưởng: do giảm được chỗ lưu trữ phụ tùng và đồ gá

- Chương trình gia công có thể lưu trữ, chỉnh sửa và gọi ra bất cứ lúc nào nhờ sử dụng máy tính, không cần dung nhiều giấy tờ

2.2.5.2 Nhược điểm

Giá thành đắt, chi phí đầu từ ban đầu cao

Công nhân vận hành phải được đào tạo: mặc dù nói rằng độ chính xác của chi tiết gia công không phụ thuộc vào tay nghề của người vận hành vì người vận hành không can thiệp trực tiếp bằng tay vào quá trình gia công Tuy nhiên, để lập trình và vận hành máy, người vận hành phải được đào tạo kỹ lưỡng về CNC

và kỹ thuật gia công trên máy CNC

Phải tốn chi phí cho việc lập trình và các công việc thực hiện trên máy tính Chi phí bảo dưỡng cao

2.2.6 Các đặc trưng của máy CNC gia công mạch in PCB

Tính năng tự động cao: Máy CNC vẽ mạch in có năng suất cao và giảm

được tối đa thời gian, do mức độ tự động được nâng cao vượt bậc Tuỳ từng mức độ tự động, máy CNC vẽ mạch in có thể thực hiện cùng một lúc nhiều chuyển động khác nhau, hiệu chỉnh sai số dao cụ, tự động kiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự động hiệu chỉnh sai lệch vị trí tương đối giữa bút vẽ và board đồng, …

Tính năng linh hoạt cao: Chương trình có thể thay đổi dễ dàng và nhanh

chóng, thích ứng với các loại mạch in khác nhau Do đó rút ngắn được thời gian phụ và thời gian chuẩn bị sản xuất, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tự động hóa sản xuất hàng loạt nhỏ Bất cứ lúc nào cũng có thể sản xuất nhanh chóng những chi tiết đã có chương trình Vì thế, không cần phải sản xuất chi tiết dự trữ, mà chỉ giữ lấy chương trình của chi tiết đó Máy CNC vẽ mạch in có thể tạo những chi tiết nhỏ, vừa, phản ứng một cách linh hoạt khi nhiệm vụ công nghệ thay đổi

và điều quan trọng nhất là việc lập trình gia công có thể thực hiện ngoài máy, trong các văn phòng có sự hỗ trợ của kỹ thuật tin học thông qua các thiết bị vi tính, vi xử lý

Tính năng chính xác, đảm bảo chất lượng cao: Giảm được hư hỏng do sai

sót của con người Đồng thời cũng giảm được cường độ chú ý của con người khi

làm việc Có khả năng vẽ mạch in chính xác hàng loạt Độ chính xác lặp lại, đặc trưng cho mức độ ổn định trong suốt quá trình vẽ là điểm ưu việt tuyệt đối của máy CNC vẽ mạch in Máy CNC vẽ mạch in với hệ thống điều khiển khép kín

có khả năng vẽ được những mạch in một cách chính xác Những đặc điểm này thuận tiện cho việc tạo ra những mạch in vừa chính xác lại đảm bảo tính thẩm

mĩ,bên cạnh đó giảm khả năng tổn thất ở mức thấp nhất [3]

2.2.7 Ứng dụng của CNC trong sản xuất mạch in PCB

Các loại máy CNC được ứng dụng trong nghiệp sản xuất PCB:

• Máy phay CNC

Với máy phay CNC thì các đường cong được thực hiện dễ dàng như đường thẳng, các cấu trúc phức tạp 3 chiều cũng dễ dàng thực hiện, và một lượng lớn các thao tác do con người thực hiện được giảm thiểu Việc gia tăng tự động hóa trong quá trình sản xuất với máy phay CNC tạo nên sự phát triển đáng

kể về chính xác và chất lượng Máy phay CNC được ứng dụng để khắc các đường mạch in như trên hình 2.21

Hình 2.20 Máy phay CNC trong công nghiệp

Hình 2.21 PCB được gia công bằng công nghệ phay CNC

Hình 2.22 Máy cắt CNC

Hình 2.23 Bo mạch trước (trái) và sau (phải) khi cắt CNC

PHẦN 3 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU, NỘI DUNG VÀ

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1.1 Đối tượng nghiên cứu

- Máy phay tự động CNC dùng để gia công board mạch in

- Các dạng Board mạch in phủ đồng

3.1.2 Phạm vi nghiên cứu

Mẫu mô hình máy phay CNC mini 3 trục phay mạch in trên tấm phủ đồng

có kích thước tối đa 300x200mm

3.2 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Để thực hiện mục tiêu đặt ra, đề tài giải quyết các nội dung nghiên cứu chính sau:

- Xác định nguyên lý làm việc cho mẫu máy bao gồm nguyên lý hoạt động của phần cơ, cơ chế điều khiển tự động hóa cho mạch điều khiển

- Tính toán thiết kế mẫu máy: tính toán các cơ cấu truyền động, nguồn động lực, động cơ, mạch điều khiển

- Lựa chọn phần mềm tương thích

- Gia công, chế tạo và lắp đặt mẫu máy

- Viết code chương trình điều khiển để chạy cho 1 vài board mạch thông dụng

- Vận hành thử và khảo nghiệm đánh giá khả năng làm việc của máy

3.3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Quá trình nghiên cứu, đề tài đã sử dụng các phương pháp nghiên cứu sau:

3.3.1 Phương pháp nghiên cứu tài liệu

Để có được các thông tin cần thiết trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã tiến hành nghiêm cứu nhiều tài liệu liên quan như: các loại sách, báo, tạp chí khoa học, Internet có nội dung liên quan đến đề tài, từ đó kế thừa và phát huy những thành tựu mà các nhà nghiên cứu đi trước đã đạt được

3.3.2 Phương pháp thu thập thông tin

Để có được các thông tin cần thiết phục vụ cho quá trình nghiên cứu, đề tài tiến hành điều tra, khảo sát từ thực tế sản xuất và nhu cầu ứng dụng của máy CNC cũng như board mạch in trên tấp phủ đồng

Đề tài cũng đã đi điều tra, tham khảo ý kiên của các chuyên gia trong lĩnh vực nghiên cứu Tra cứu thông tin trên mạng từ các diễn đàn, nhà cung ứng cũng như người sử dụng máy CNC và board mạch

3.3.3 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Đề tài nghiên cứu về động học quá trình chuyển động của lưỡi cắt để khay mạch in trên cơ sở lý thuyết về nguyên lý, chi tiết máy làm cơ sở lựa chọn nguyên lý hoạt động, cơ cấu, chi tiết cho phần cơ, tính toán các thông số động học và nguồn động lực cung cấp cho máy

Để tài nghiên cứu lý thuyết điều khiển, lý thuyết PLC,… làm cơ sở thiết

kế mạch điều khiển và lựa chọn linh kiện, phần mềm ứng dụng trên mẫu máy

3.3.4 Phương pháp thiết kế mô phỏng

Đề tài sử dụng phần mềm đồ họa và thiết kế Autodesk Inventor để thiết

kế, mô phỏng quá trình hoạt động của máy trên máy tính và xuất bản vẽ chế tạo, lắp đặt

3.3.5 Phương pháp thực nghiệm

Sau khi chế tạo, đề tài tiến hành cho máy làm việc thử nghiệm để kiểm tra khả năng làm việc, phát hiện những yếu điểm, sự cố nhằm khắc phục sửa chữa kịp thời giúp hoàn thiện mẫu máy

PHẦN 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

4.1 XÁC ĐỊNH NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC CHO MẪU MÁY

4.1.1 Yêu cầu thiết kế hệ thống

Mô hình máy phay CNC phải đáp ứng được những yêu cầu sau:

- Mô hình phải hoạt động ổn định, chính xác

- Mô hình phải được điều khiển bởi các phần mềm thông dụng

- Có thể đổ chương trình gia công từ máy tính

- Sử dụng các vật tư, thiết bị điện thông dụng để dễ dàng thay thế và sửa chữa

- Các bộ phận truyền động kết nối phải đảm bảo đủ cứng vững đồng thời tuổi thọ mô hình phải cao

- Thông số kỹ thuật của mô hình:

Kích thước máy: (dài x cao x rộng) 500mm x 300mm x 400mm

Vùng làm việc của máy: 190mm x 330mm x 50mm

Vật liệu làm khung máy là nhôm định hình 20mm x20mm, tấm nhựa PVC công nghiệp và các chi tiết khác

- Máy được sử dụng để phay các mạch in trên board đồng

4.1.2 Nguyên lý hoạt động của máy

Nguyên lý hoạt động của máy như sau: Máy CNC mini 3 trục hoạt động dựa theo chuyển động phức hợp theo 3 phương X,Y,Z, được điều khiển bằng Arduino UNO R3 thông qua chương trình điều khiển là Grbl Phôi sẽ được định

vị trên bàn máy, File G-code sẽ được nạp vào bằng phần mềm XLoader, bộ xử

lý sẽ phân tích code và đưa ra tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành tiến hành gia công trên phôi đã được định vị để tạo ra sản phẩm Các thông số trong quá trình gia công sẽ được người điều khiển thiết lập trên phần mềm Aspire và sẽ được hiển thị trên màn hình điều khiển (màn hình máy tính) trong quá trình gia công chi tiết trên phần mềm bCNC [2]

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mẫu máy được thể hiện như trên hình 4.1

Hình 4.1 Sơ đồ nguyên lý 4.1.3 Các thành phần chính của máy

Cơ cấu điều khiển: mạch điều khiển và mạch công suất có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ máy tính, thực hiện các biến đổi cần thiết để điều khiển được cơ cấu chấp hành và kiểm tra sự hoạt động của cơ cấu chấp hành thông qua các cảm biến liên hệ ngược (công tắc hành trình) Cơ cấu điều khiển gồm: cơ cấu giải

mã, cơ cấu chuyển đổi, bộ xử lý tín hiệu, cơ cấu so sánh, cơ cấu khuếch đại, cơ cấu hành trình, cơ cấu đo vận tốc các thiết bị xuất nhập tín hiệu

4.1.3.2 Phần chấp hành

Phần chấp hành bao gồm toàn bộ khung máy, bàn máy, các động cơ và các cơ cấu chạy dao truyền động trên máy phay CNC mini, nó nhận tín hiệu từ

bộ driver điều khiển tạo ra các chuyển động chạy dao đúng như bản vẽ

Khung máy: Hình thành kết cấu máy, bộ phân cơ sở để ghép nối các cơ cấu quan trọng khác

Bàn máy: Nơi gá đặt, định vi phôi chuẩn bị cho quá trình gia công

Động cơ chấp hành: Trong hệ thống máy CNC, động cơ chấp hành đóng một vai trò cực kì quan trọng, đây là nguồn năng lượng thiết yếu cho sự hoạt động của máy

Dao cắt là bộ phận trực tiếp tham gia cắt gọt chi tiết

Bộ truyền động thường sử dụng bộ truyền vítme - đai ốc

Để xác định các vị trí của các bộ phận máy trong quá trình chuyển động,

về nguyên tắc, ta cần phải gắn chúng vào những hệ trục toạ độ Để thống nhất việc lập trình, người ta quy ước như sau:

Dụng cụ cắt quay tròn và thực hiện chuyển động tiến, chi tiết đứng yên Các chuyển động tịnh tiến được biểu diễn theo hệ trục toạ độ vuông góc X,Y,Z Chiều của chúng được xác định theo quy tắc bàn tay phải (theo quy tắc bàn tay phải [9]: ngón tay cái là trục X, ngón tay chỏ là trục Y ngón tay giữa là trục Z) như hình 4.2:

Hình 4.2 Hệ trục tọa độ theo quy tắc bàn tay phải

Chuyển động của các cơ cấu chấp hành được áp dung theo quy tắc bàn tay phải như sau:

- Trục Z trùng với trục chính của máy Chiều dương của trục Z (+Z) là dao chạy ra xa bề mặt gia công, chiều âm (-Z ) là chiều dao ăn sâu vào vật liệu

- Trục X là trục vuông góc với trục Z Chiều dương của của trục (+X) là chiều dao dịch chuyển hướng từ tay trái sang tay phải, chiều âm (-X) là chiều ngược lại

- Trục Y là trục vuông góc với trục X và trục Z Chiều dương của trục Y

là chiều hướng từ cổ tay đến đầu ngón chỏ, chiều âm là chiều ngược lại

4.2 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH CỦA MÁY

4.2.1 Phân tích chọn phương án, kích thước và quy mô của mô hình

4.2.1.1 Phân tích chọn phương án

Mô hình chế tạo cần đáp ứng các yêu cầu sau:

- Đáp ứng được yêu cẩu của một mô hình phục vụ cho giảng dạy, học tập

và nghiên cứu

- Đảm bảo độ cứng vững cũng như kích thước đơn giản của máy

- Dễ chế tạo, lắp đặt dựa trên các mô hình cũ sẵn có

Trong phương án này, bàn máy đứng yên, đầu máy thực hiện chuyển động chạy dao theo 3 phương X, Y, Z nhờ các động cơ riêng lẻ

Ưu điểm:

- Gọn nhẹ, dễ sử dụng

- Độ cứng vững của máy cao

- Năng suất, hiệu quả cao

Nhược điểm:

- Chi phí đầu tư cao

- Khó mở rộng phạm vi hoạt động của bàn máy

4.2.1.2 Kích thước và quy mô của mô hình

Theo phương án chế tạo đã đặt ra, máy có kích thước như sau:

Chiều cao máy: 400mm

Chiều dài máy: 500mm

Chiều rộng máy: 300mm

Hình 4.3 Kích thước thiết kế của mô hình

4.2.2 Tính toán thiết kế các thành phần của máy

4.2.2.1 Khung máy:

Khung máy là một bộ phận cấu thành nên máy hoàn chỉnh Chính vì thế khung máy có kết cấu rất phức tạp với nhiều gân, gờ, lỗ được bố trí trong không gian

Mặt khác khung máy còn là một chi tiết quan trọng của máy, độ chính xác, cứng vững của nó còn ảnh hưởng rất lớn đến quá trình làm việc và độ chính xác gia công Do đó khung máy phải thỏa những yêu cầu sau: Đảm bảo đầy đủ

độ cứng vững khi máy chạy và độ giảm chấn

Do kích thước máy nhỏ, tải trọng không lớn, để hạn chế phải gia công cơ khí , đề tài chọn vật liệu làm khung máy bằng nhôm hợp kim định hình 20x20mm và nhựa PVC dạng tấm có độ dày 10mm với các lý do sau:

- Vật liệu rẻ tiền, dễ kiếm

- Dễ gia công, chế tạo

- Dễ gá lắp, chỉnh sửa

Hình 4.4 Nhôm định hình 2020

Hình 4.5 Nhựa PVC dạng tấm

4.2.2.2 Cơ cấu dẫn hướng

Trong mô hình máy CNC, đề tài chọn giải pháp dùng con trượt kết hợp với trục tròn (ty trượt) để làm bộ phận dẫn hướng cho chuyển động chạy dao theo 3 trục có cung ứng sẵn trên thị trường theo tiêu chuẩn

Tuy cơ cấu có độ chính xác cao, ma sát thấp nhưng giá thành lại khá cao

Hình 4.6 Con trượt

Hình 4.7 Trục trơn

4.2.2.3 Cơ cấu truyền động

Để tạo các chuyển động dọc, ngang và thẳng đứng, đề tài lựa chọn cơ cấu truyền động vít-me – đai ốc nhận truyền động quay trực tiếp từ trục động cơ bước