TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009
1
THIẾT 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.
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009
2
2. 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
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009
3
3.1. 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
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009
4
mô 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
Keypad Hiển thi thông tin
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
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 3(32).2009
5
5.2. 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
H
ình 6. Một cửa sổ giao diện điều khiển máy khoan.