Thiết bị kỹ thuật số là lĩnh vực kỹ thuật - công nghệ cao, đã có sự phát triển nhanh chóng, chúng ngày càng được phổ biến trong sản xuất và sinh hoạt hàng ngày. Việc sử dụng các thiết bị kỹ thuật số, các loại máy CNC trong sản xuất đã mang lại những hiệu quả to lớn về mặt kinh tế và kỹ thuật. Việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo loại thiết bị này ngày càng được các nước quan tâm đầu tư. Trong các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam, chúng ta chưa có nhiều các mô hình để dùng trong nghiên cứu và giảng dạy. Do đó, cần đẩy mạnh các hoạt động nghiên cứu chế tạo các mô hình, thiết bị kỹ thuật số phục vụ công tác giảng dạy và NCKH. Trước mắt, cần thực hiện những nghiên cứu cơ bản, thiết kế chế tạo các thiết bị đơn giản nhằm tích luỹ kinh nghiệm cho những nghiên cứu phức tạp hơn. Trong các thiết bị điều khiển số, máy khoan lỗ trên các bo mạch điện tử có các chuyển động đơn giản, hoạt động theo nguyên tắc điều khiển điểm, khoan theo tọa độ của các lỗ (dữ liệu lấy từ phần mềm thiết kế mạch điện tử ORCAD) là đối tượng thích hợp cho giai đoạn đầu nghiên cứu về lĩnh vực này.
Trang 1THIẾT KẾ CHẾ TẠO MÁY KHOAN BO MẠCH
TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG MÁY TÍNH
DESIGN AND MANUFACTURE OF AUTO-DRILL MACHINE
CONTROLLED BY THE COMPUTER
Phạm Đăng Phước
Trường Đại học Phạm Văn Đồng
TÓM TẮT
Bài báo giới thiệu kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo một máy khoan bo mạch điện tử
tự động, điều khiển bằng máy tính Máy tự động khoan chính xác tất cả các lỗ trên bo mạch in,
dữ liệu về tọa độ và kích thước lỗ lấy từ phần mềm Orcad Máy có thể sử dụng được trong thực tế hoặc dùng trong nghiên cứu, giảng dạy cho sinh viên ngành Cơ điện tử Kết quả đạt được là nền tảng cho các nghiên cứu phức tạp hơn trong tương lai
ABSTRACT
This paper presents the results of a research into the designing and manufacturing of a computer-controlled electronic circuit board auto-drill machine This machine can drill all the holes on a printed circuit board (PCB) with accuracy The data of the co-ordinates and dimensions of the holes on PCB are provided by the Orcad software In reality, this machine can be used in practical application, in researches and in teaching mechatronic students Its achieved results can be used as a foundation for further complicated researches
1 Giới thiệu
Thiết bị kỹ thuật số là lĩnh vực kỹ thuật - công nghệ cao, đã có sự phát triển nhanh chóng, chúng ngày càng được phổ biến trong sản xuất và sinh hoạt hàng ngày Việc sử dụng các thiết bị kỹ thuật số, các loại máy CNC trong sản xuất đã mang lại những hiệu quả to lớn về mặt kinh tế và kỹ thuật Việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo loại thiết bị này ngày càng được các nước quan tâm đầu tư
Trong các trường đại học kỹ thuật ở Việt Nam, chúng ta chưa có nhiều các mô hình để dùng trong nghiên cứu và giảng dạy Do đó, cần đẩy mạnh các hoạt động nghiên cứu chế tạo các mô hình, thiết bị kỹ thuật số phục vụ công tác giảng dạy và NCKH Trước mắt, cần thực hiện những nghiên cứu cơ bản, thiết kế chế tạo các thiết bị đơn giản nhằm tích luỹ kinh nghiệm cho những nghiên cứu phức tạp hơn Trong các thiết bị điều khiển số, máy khoan lỗ trên các bo mạch điện tử có các chuyển động đơn giản, hoạt động theo nguyên tắc điều khiển điểm, khoan theo tọa độ của các lỗ (dữ liệu lấy từ phần mềm thiết kế mạch điện tử ORCAD) là đối tượng thích hợp cho giai đoạn đầu nghiên cứu về lĩnh vực này
Qua nghiên cứu, chúng tôi đã thiết kế chế tạo một máy khoan bo mạch điện tử, điều khiển bằng máy tính, có thể sử dụng được trong thực tế hoặc dùng trong nghiên cứu, giảng dạy cho sinh viên ngành Cơ điện tử
Trang 22 Máy Khoan bo mạch điện tử và các nghiên cứu liên quan đã thực hiện
Nhiều công ty nước ngoài đã sản xuất bán trên thị trường các loại máy khoan bo mạch điện tử khác nhau Nhìn chung, kết cấu máy của các hãng sản xuất tương tự nhau, với sự phối hợp ba chuyển động tịnh tiến, tuy nhiên có thể khác nhau về phương án chuyển động của các cơ cấu chấp hành
Những nghiên cứu tại trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng có liên quan đến nội dung đề tài:
a) Thiết kế, chế tạo robot 4 bậc tự do (Hình 1):
Đề tài tốt nghiệp cao học của học viên
Nguyễn Hữu Phước (Hướng dẫn: TS Phạm Đăng
Phước), bảo vệ năm 2006 Robot được dẫn động
cơ bằng các động bước, truyền động tịnh tiến bằng
đai răng, dẫn hướng dùng ray bi Hệ thống điều
khiển ứng dụng card LAB PC+ của hãng National
Instruments Chương trình điều khiển viết bằng
ngôn ngữ C++ Tốc độ chuyển động thấp
b) Thiết kế, chế tạo máy khoan bo mạch
điện tử:
Đề tài tốt nghiệp của sinh viên Phạm Trường Tùng, lớp 01CLC (GVHD: TS Phạm Đăng Phước) Giải nhất nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2003, giải khuyến khích NCKH sinh viên toàn quốc năm 2006 Máy có kết cấu còn thô sơ, dẫn động bằng động cơ bước, truyền động đai răng và vít me – đai ốc, dẫn hướng ray bi Mạch điều khiển dùng vi điều khiển 89C51, kết nối máy tính dùng RS232 Tốc độ chuyển động thấp, độ chính xác đạt được chưa cao
c) Thiết kế, chế tạo máy khoan bo mạch điện tử KB07:
Đề tài tốt nghiệp cao học của học viên
Nguyễn Hữu Nam (hướng dẫn: TS Phạm Đăng
Phước) Máy được dẫn động bằng động cơ điện
một chiều, dùng encoder, truyền động bằng vít me
– đai ốc bi, dẫn hướng bằng ray bi, điều khiển
thông qua máy tính dùng cổng song song (LPT1)
Máy có kết cấu tương đối gọn, song chưa được
đẹp, gia công lỗ trên bo mạch theo số liệu từ phần
mềm Orcad Chương trình điều khiển viết bằng
ngôn ngữ Delphi Máy hoạt động chưa thật ổn
định, độ chính xác lặp lại chưa cao do kết cấu cơ khí chưa thật tốt
Qua việc chế tạo thiết bị với nhiều phương án khác nhau như đã nêu trên, chúng tôi rút ra được nhiều kinh nghiệm quí báu để tiến hành chế tạo máy mới
3 Chọn phương án thiết kế máy
Hình 1 Robot 4 bậc tự do
Hình 2: Máy khoan bo mạch KB07
Trang 33.1 Chọn phương án chuyển động
Máy khoan bo mạch điện tử thực hiện nhiệm vụ khoan các lỗ trên bề mặt của mạch in, kích thước tối đa của mạch in cần gia công là 200mmx300mm
Chọn phương án: bàn máy đứng yên, đầu mang mũi khoan thực hiện tất cả các chuyển động Sơ đồ nguyên lý của máy như hình vẽ sau (hình 3):
3.2 Chọn phương án truyền - dẫn động:
a) Động cơ và hộp giảm tốc:
Chọn loại động cơ điện một chiều có kèm theo hộp giám tốc và encoder, rất tiện
dụng vì kết cấu gọn nhẹ, chính xác
b) Bộ truyền và cơ cấu dẫn hướng:
Để biến chuyển động quay thành các chuyển động tịnh tiến, ta có thể dùng các loại bộ truyền khác nhau Ở đây, chúng tôi sử dụng loại bộ truyền vít me – đai ốc bi có
sẳn rãnh trượt dẫn hướng, không cần chế tạo các cơ cấu dẫn hướng riêng rẽ
4 Thiết kế kết cấu máy khoan
Với phương án dẫn động của máy như đã chọn ở phần 3.1, chúng tôi thiết kế kết cấu của máy nhỏ gọn, đảm bảo độ cứng vững và mỹ thuật Chúng tôi dùng phần mềm
mô phỏng AutoDesk Inventor để thiết kế Các chi tiết máy được xây dựng trong không gian 3D với kích thước xác định, sau đó được lắp thành cụm và lắp hoàn chỉnh thành máy
Việc sử dụng phần mềm thiết kế mô phỏng này cho phép chúng ta hình dung ngay được kết cấu máy trước khi chế tạo, mô phỏng hoạt động của máy để đánh giá sự phù hợp của kết cấu và kích thước đối với yêu cầu thiết kế Nhờ đó, tránh được hao phí
về vật tư, thời gian và công sức chế tạo máy thử nghiệm Một hình ảnh bộ phận máy và toàn máy được xây dựng trên phần mềm AutoDesk Inventor (hình 4 và 5)
Với phần mềm AutoDesk Inventor, sau khi lắp ráp hoàn chỉnh, ta có thể cho các
bộ phận máy chuyển động để kiểm tra tính hợp lý của kết cấu đã chọn Nhờ phần mềm
Z
Y
X
Z
Y
X
O
Hình 3 Sơ đồ nguyên lý máy khoan
Trang 4mô phỏng, việc sửa đổi kết cấu chủ yếu thực hiện trên máy tính, nhờ đó tiết kiệm được nhiều thời gian và vật tư do không phải chế tạo thử
5 Thiết kế điều khiển máy khoan bo mạch điện tử
5.1 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển‱
Hình 8 Sơ đồ khối hệ thống điều khiển máy khoan
Hình 4: Láp ráp giá đỡ cụm vít me - đai ốc bi
thực hiện chuyển động tịnh tiến theo phương X Hình 5: Lắp tổng thể máy khoan
Vi điều khiển
RS232 Máy tính
Động cơ trục X
Động cơ trục Y
Động cơ trục Z
Động cơ Khoan
Phản hồi
Chọn trục X,Y,Z, động cơ khoan
Tín hiệu Phản hồi từ trục X,Y,Z hoặc động cơ khoan
Trang 55.2 Mạch điều khiển
Gồm hai phần: Phần điều khiển trung tâm và phần điều khiển công suất
5.2.1 Phần điều khiển trung tâm
Sử dụng vi điều khiển P89V51RB2 Đây là vi điều khiển có nhiều ưu điểm vượt trội so với các VĐK khác cùng họ Bộ nhớ chương trình, RAM khá lớn có thể đáp ứng được các yêu cầu điều khiển phức tạp Chức năng điều xung PWM rất thích hợp cho việc điều khiển động cơ
a) PWM (Pulse Width Modulator)
Chức năng điều chế độ rộng xung (Pulse Width Modulator) PWM của P89V51RX2 được sử dụng khá dễ dàng Với 5 module PWM ta có thể điều khiển được đến 5 động cơ DC Tùy theo yêu cầu điều khiển cũng như khả năng đáp ứng tần số của mạch động lực ta sẽ chọn nguồn xung cấp cho PCA timer Tất cả các module PWM đều
có cùng một tần số ra bởi vì chúng được được chia sẻ một và chỉ một bộ PCA timer Độ rộng xung của mỗi modulator là biến phụ thuộc vào giá trị trong thanh ghi CCAPnL Khi giá trị trong thanh ghi CL nhỏ hơn giá trị trong thanh ghi CCAPnL, đầu ra sẽ mang giá trị thấp Khi nó bằng hoặc lớn hơn thì đầu ra sẽ mang giá trị cao Khi CL tràn từ FFh xuống 00h, thanh ghi CCAPnL sẽ tự động tải giá trị từ CCAPnH vào Cập nhật giá trị trong CCAPnH sẽ cho phép thay đổi độ rộng xung ra
b) Ghép nối ngoại vi nối tiếp (Serial Peripheral Interface)
Giao diện ngoại vi nối tiếp (SPI) cho phép đồng bộ việc truyền dữ liệu nối tiếp giữa P89V51Rx2 với thiết bị ngoại vi hoặc giữa một vài thiết bị sử dụng P89V51Rx2
c) Watchdog timer (WDT)
Đây là một chức năng mới cho phép bảo vệ an toàn trước các lỗi phần mềm, tự động phục hồi lại chương trình Đây là chức năng khá hay cho phép bảo vệ hoạt động của thiết bị khi có lỗi xẩy ra
5.2.2 Phần điều khiển công suất
Trong các ứng dụng điều
khiển động cơ điện một chiều, động
cơ bước, cầu H được sử dụng khá
phổ biến Ở đây chúng tôi sử dụng
cầu H tích hợp: MC33886, có nhiều
ưu điểm vượt trội như: Kích thước
nhỏ gọn, đơn giản hơn rất nhiều so
với cầu H thiết kế từ các linh kiện
rời, có bảo vệ quá dòng Song, cũng
có những nhược điểm: Giá thành
khá đắt, và chưa thông dụng trên thị
trường Khả năng tản nhiệt thấp hơn Hình 6 Một cửa sổ giao diện điều khiển máy khoan.
Trang 6các linh kiện trên cầu H rời có cùng công suất
5.3 Phần mềm điều khiển
Để điều khiển và theo dõi quá trình khoan một cách tự động, chúng tôi viết chương trình điều khiển trên máy tính dùng ngôn ngữ VisualBasic
Chương trình cho phép lựa chọn mạch in, theo dõi quá trình khoan, thay dao
và các tùy chọn khác
6 Kết luận
+ Đã chế tạo và lắp ráp hoàn chỉnh phần cơ khí của máy khoan bo mạch điện tử, các chuyển động tịnh tiến theo phương X,Y dùng bộ truyền vít me – đai ốc bi Kết cấu máy gọn, nhẹ, có kiểu dáng công nghiệp
+ Thiết kế card điều khiển dùng vi điều khiển P89V51RB2, kết nối với máy tính Thiết kế chế tạo bộ nguồn một chiều, bộ khuyếch đại công suất dẫn động các động
cơ điện một chiều, thiết kế giao diện dùng LCD
+ Nghiên cứu lập trình truyền thông điều khiển thiết bị dùng ngôn ngữ lập trình Visual Basic Chương trình điều khiển và máy đã hoạt động tốt theo yêu cầu thiết kế Sai số vị trí nằm trong phạm vi cho phép (khoan bo mạch có hơn 100 lỗ, vị trí lỗ khoan không vượt quá phần giới hạn trên mạch
in)
Với kết quả đạt được, việc khoan
các lỗ trên bo mạch điện tử trở nên dễ
dàng (yêu cầu sử dụng file dữ liệu mạch in
của Orcad) Máy có khả năng ứng dụng
trong thực tế Nếu hoàn thiện thêm phần
thay dao tự động, có thể trở thành sản
phẩm thương mại Trước mắt, máy được
dùng làm mô hình học tập cho sinh viên
các ngành Cơ điện tử, Tự động hoá
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Nguyễn Tăng Cường, Phan Quốc Thắng, Cấu trúc và lập trình họ vi điều khiển
8051 Nhà xuất bản Khoa học và Kĩ thuật - 2004
[2] Nguyễn Hữu Nam, Thiết kế, chế tạo máy khoan bo mạch điện tử KB07”, Luận văn Thạc sỹ ngành Công nghệ chế tạo máy, Đại học Đà Nẵng, 2007
[3] Nguyễn Hữu Phước, “Thiết kế chế tạo robot 4 bậc tự do”, Luận văn Thạc sỹ ngành Công nghệ chế tạo máy, Đại học Đà Nẵng, 2006
Hình 7 Máy đã chế tạo hoàn chỉnh
