Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế và chế tạo máy khoan lỗ mạch in tự động

Đồ án tốt nghiệp thiết kế và chế tạo máy khoan lỗ mạch in tự động CNC. Trình bày chi tiết quá trình thiết kế Solidworks, chế tạo và kết quả thực tế.

• Tác giả: Trần Văn Huân
• Người hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Thanh Phương
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Và Chế Tạo Máy Khoan Lỗ Mạch In Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về Đồ án Máy Khoan Mạch In Tự Động CNC

Máy khoan mạch in tự động CNC là một hệ thống hiện đại được thiết kế nhằm tối ưu hóa quá trình gia công lỗ trên các mạch in điện tử. Đồ án này được thực hiện tại Trường Đại học Công Nghệ TP. Hồ Chí Minh, thuộc ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa. Mục đích chính của dự án là phát triển công nghệ máy khoan CNC được thiết kế và sản xuất tại Việt Nam, giảm sự phụ thuộc vào các máy nhập khẩu từ nước ngoài. Hiện nay, hầu hết các máy khoan lỗ mạch in sử dụng tại Việt Nam đều được nhập từ các nước như Đức, Nhật Bản và Trung Quốc với giá thành rất cao. Đồ án này hướng tới việc thiết kế một hệ thống điều khiển máy khoan tự động với công nghệ CNC tiên tiến, giúp nâng cao chất lượng sản phẩm và tính cạnh tranh trên thị trường trong tương lai.

1.1. Ý nghĩa và Mục tiêu của Đồ án

Đồ án máy khoan mạch in CNC mang ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ tự động hóa tại Việt Nam. Mục tiêu chính là thiết kế hệ thống điều khiển tự động cho máy khoan lỗ mạch in, tạo ra một giải pháp công nghệ tiên tiến và hiệu quả. Dự án kỳ vọng sẽ góp phần nâng cao khả năng tự chủ trong lĩnh vực sản xuất máy công nghiệp, đồng thời cung cấp những kỹ năng và kiến thức thực tiễn cho các sinh viên trước khi bước vào thực tế lao động.

1.2. Tầm Quan Trọng trong Công Nghiệp

Trong bối cảnh công nghiệp 4.0, máy khoan tự động CNC đóng vai trò thiết yếu trong sản xuất điện tử. Các máy khoan mạch in được thiết kế với độ chính xác cao giúp tăng hiệu suất sản xuất và giảm chi phí nhân công. Việc phát triển công nghệ máy khoan CNC tại Việt Nam sẽ giúp các doanh nghiệp sản xuất điện tử giảm chi phí đầu tư và nâng cao tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường toàn cầu.

II. Thiết Kế và Chế Tạo Máy Khoan Mạch In Tự Động

Quá trình thiết kế máy khoan mạch in CNC bao gồm nhiều giai đoạn phức tạp từ khâu lập kế hoạch, mô hình hóa 3D đến chế tạo thực tế. Nhóm thực hiện đã sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế mô hình chi tiết của máy khoan lỗ mạch in tự động. Các trục của máy được thiết kế hoàn thiện với độ chính xác cao, đảm bảo khả năng gia công chính xác các lỗ trên mạch in. Hệ thống điều khiển CNC được lập trình để có thể chuyển đổi file hình ảnh PCB thành lệnh điều khiển máy. Máy đã được chế tạo thành công và thử nghiệm chạy trên các vật liệu thực tế, cho thấy độ ổn định vừa phải và độ chính xác ở mức chấp nhận được. Quá trình này cũng phát hiện ra những điểm cần cải tiến để hoàn thiện hơn nữa trong các phiên bản tiếp theo.

2.1. Thiết Kế 3D và Mô Phỏng Máy Khoan

Sử dụng phần mềm Solidworks, nhóm đã thiết kế mô hình 3D chi tiết của máy khoan mạch in CNC với các thông số kỹ thuật chính xác. Các trục máy khoan được mô hình hóa để đảm bảo khả năng chuyển động linh hoạt và độ chính xác cao. Thiết kế này cho phép tối ưu hóa hệ thống truyền động và đảm bảo tính khả thi của sản phẩm thực tế.

2.2. Kết Quả Chế Tạo và Thử Nghiệm

Máy khoan lỗ mạch in đã được chế tạo thành công với khả năng gia công vật liệu như gỗ và nhựa. Thử nghiệm cho thấy máy hoạt động ổn định với độ chính xác vừa phải. Máy có thể thực hiện được các sản phẩm gia công thực tế, tuy nhiên còn một số hạn chế cần khắc phục trong các phiên bản nâng cấp.

III. Hệ Thống Điều Khiển và Lập Trình CNC

Hệ thống điều khiển máy khoan tự động CNC là trái tim của toàn bộ dự án, được thiết kế để chuyển đổi dữ liệu hình ảnh PCB thành lệnh điều khiển chuyển động của máy. Lập trình điều khiển được xây dựng dựa trên nền tảng công nghệ CNC hiện đại, cho phép máy thực hiện các động tác khoan với độ chính xác cao. Động cơ bước được sử dụng để truyền động các trục X, Y, Z của máy, mặc dù loại động cơ này có nhược điểm là có thể trượt bước khi quá tải. Hệ thống được lập trình để tối ưu hóa tốc độ gia công và độ chính xác, đồng thời tích hợp các tính năng an toàn để bảo vệ máy và người sử dụng. Quá trình lập trình và cải tiến liên tục là yếu tố chính giúp máy khoan CNC hoạt động hiệu quả.

3.1. Lập Trình và Chuyển Đổi File PCB

Nhóm đã phát triển phần mềm lập trình điều khiển có khả năng chuyển đổi file hình ảnh PCB thành mã lệnh CNC. Hệ thống chuyển đổi này cho phép tự động hóa quá trình từ thiết kế PCB đến gia công, giảm thiểu sai sót do con người gây ra. Lệnh điều khiển máy khoan được tối ưu hóa để đạt hiệu suất tốt nhất.

3.2. Động Cơ Bước và Truyền Động

Động cơ bước được lựa chọn để truyền động các trục của máy khoan CNC vì tính chính xác và khả năng điều khiển dễ dàng. Tuy nhiên, nhược điểm là động cơ bước có thể trượt bước khi chịu tải quá lớn. Nhóm nhận thức được vấn đề này và đang tìm kiếm các giải pháp nâng cấp trong các phiên bản tiếp theo.

IV. Ưu Điểm Hạn Chế và Hướng Phát Triển

Máy khoan mạch in tự động CNC đã đạt được những kết quả đáng khích lệ với khả năng gia công ổn định và độ chính xác chấp nhận được. Ưu điểm chính bao gồm thiết kế hệ thống CNC hiện đại, khả năng chuyển đổi file PCB tự động, và chi phí sản xuất thấp hơn so với máy nhập khẩu. Tuy nhiên, máy hiện tại vẫn có những hạn chế đáng kể: chỉ có thể gia công vật liệu độ cứng vừa phải như gỗ và nhựa, chưa có bộ phận thay dao tự động, và hành trình của các bàn máy còn nhỏ hạn. Ngoài ra, máy chưa được trang bị hệ thống làm mát để bảo vệ công cụ trong quá trình gia công dài hạn. Những hướng phát triển tiếp theo bao gồm nâng cấp động cơ và hệ thống truyền động, tăng khả năng gia công các vật liệu cứng, lắp đặt bộ phận thay dao tự động, và mở rộng hành trình làm việc của máy.

4.1. Những Ưu Điểm Chính của Dự Án

Máy khoan CNC được thiết kế dựa trên công nghệ tiên tiến với khả năng gia công chính xác. Ưu điểm nổi bật là chi phí sản xuất thấp, khả năng tự động chuyển đổi file PCB, và hệ thống lập trình điều khiển hiện đại. Dự án cũng góp phần phát triển công nghệ tự động hóa tại Việt Nam, giảm sự phụ thuộc vào máy nhập khẩu.

4.2. Hạn Chế Hiện Tại và Giải Pháp Nâng Cấp

Máy khoan mạch in hiện tại chỉ gia công được vật liệu mềm, chưa có bộ phận thay dao tự động và hệ thống làm mát. Động cơ bước có thể trượt bước dưới tải cao. Các hướng cải tiến bao gồm nâng cấp động cơ servo, mở rộng hành trình làm việc, và trang bị các tính năng tự động hóa nâng cao để tạo ra máy khoan CNC hoàn chỉnh hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 GIỚI THIỆU .1 Tính cần thiết ứng dụng đề tài .1 Tính cần thiết. Cấu hình của đối tượng .2 Tìm hiểu thực tế .1 Tính năng máy ứng dụng bên ngoài .2 Nguyên lí hoạt động .3 Thông số kỹ thuật .3 Nhiệm vụ cần thực hiện .4 Phạm vi giới hạn đồ án .5 Phạm vi nghiên cứu .6 Kết cấu của đề tài .7 Chương 2 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP .1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước. Tình hình nghiên cứu trong nước .3 Thị trường .5 Môi trường ứng dụng .13 Chương 3 PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT .1 Bản vẽ mô hình .2 Mô tả hoạt động .3 Nguyên lí họat động .2 Lựa chọn phương án thiết kế. Các thông số chính.

16 Chương 4 THIẾT KẾ MÁY KHOAN MẠCH IN TỰ ĐỘNG .1 Thiết kế máy khoan mạch in tự động .1 Bản vẽ thiết kế máy khoan mạch in tự động .2 Tính chọn thiết bị .2 Đai ốc vít me .4 Thanh nhựa cứng .6 Nhôm mặt bàn 15180 .7 Đai ốc trượt .8 Nhôm định hình .9 Vòng bi trượt đai ốc .10 Khớp nối động cơ .13 Mạch điều khiển .15 Bộ chuyển đổi nguồn điện AC - DC .16 Đầu kẹp mũi khoan .18 Dây điện bẹ .19 Ống ruột gà .21 Công tắc hành trình .23 Các phụ kiện khác .3 Bảng giá thành thiết bị .2 Thiết kế mạch điều khiển .1 Khối xử lý trung tâm .3 Khối điều khiển và hiển thị .4 Khối chấp hành .5 Sơ đồ nguyên lý toàn mạch .2 Thiết kế phần mềm Scan ảnh PCB sang file máy khoan mạch in .1 Thiết kế mạch in .2 Thiết kế file máy khoan mạch in .1 Tạo file hình ảnh mạch in .2 Tạo file máy khoan mạch in .3 Tạo file phay đường mạch in .3 Phần mềm điều khiển máy khoan mạch in Candle .1 Giao diện phần mềm Candle .2 Lệnh G-code điều khiển được sử dụng .3 Cài đặt công cụ tìm kiếm Home .4 Cài đặt sử dụng công tắc hành trình và giới hạn hành trình .77 Chương 5 THI CÔNG MÁY KHOAN LỖ MẠCH IN .1 Thi công phần cứng mô hình .1 Bản vẽ mô hình lắp ráp .2 Tiến hành thi công .2 Tiến hành chạy thực nghiệm .1 Các bước tiến hành chạy thực nghiệm.2 Cơ cấu bảo vệ .3 Kết quả thực nghiệm .1 Thực nghiệm lần 1 .2 Thực nghiệm lần tốt nhất .3 Tổng kết chung. 94 Chương 6 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ, KẾT LUẬN .1 Đánh giá kết quả .3 Hướng phát triển của đề tài. 97 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 99 VIII DANH MỤC HÌNH ẢNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Máy làm mạch in Bungard 3 Hình 1.2: Máy CNC SM 1325B3 5 Hình 2.1: Máy CNC BL-Y25 9 Hình 2.2: Máy CNC 1325 QC 11 Hình 3.1: Bản vẽ mô hình máy khoan lỗ mạch in 14 Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống mô hình máy khoan mạch CNC 15 Hình 4.1: Bản vẽ thiết kế máy khoan mạch in tự động 17 Hình 4.2: Bản vẽ thanh nhựa cứng A 18 Hình 4.3: Thanh nhựa cứng B 18 Hình 4.4: Thanh nhựa cứng C 19 Hình 4.5: Thanh nhựa cứng D 19 Hình 4.6: Nhôm định hình 20 Hình 4.7: Nhôm mặt bàn 20 Hình 4.8: Đai ốc trượt 21 Hình 4.9: Thanh sắt 21 Hình 4.10: Vòng bi trượt đai ốc 22 Hình 4.11: Trục vít me: 22 Hình 4.12: Đai ốc vít me 23 Hình 4.13: Bạc đạn 23 Hình 4.14: Động cơ bước 24 Hình 4.15: Khớp nối trục động cơ 24 Hình 4.16: Cụm trục Z 25 Hình 4.17: Chi tiết 3, 4, 10, 11 cụm trục Z 26 Hình 4.18: Chi tiết 1 cụm trục Z 26 Hình 4.19: Chi tiết 2 cụm trục Z 27 IX Hình 4.20: Trục vít me T8 28 Hình 4.21: Đai ốc vít me T8 và lò xo 28 Hình 4.22: Bạc đạn 608ZZ 29 Hình 4.23: Thanh nhựa cứng A và B 30 Hình 4.24: Thanh nhựa cứng C và D 30 Hình 4.25: Thanh sắt trục X và Y 31 Hình 4.26: Mặt bàn 15180 31 Hình 4.27: Đai ốc trượt M6 và M5 32 Hình 4.28: Nhôm định hình 33 Hình 4.29: Vòng bi trượt đai ốc LM10UU 33 Hình 4.30: Khớp nối động cơ 5x8 mm 34 Hình 4.31: Động cơ bước 37 Hình 4.32: Cụm trục Z 37 Hình 4.33: Động cơ xoay chính 39 Hình 4.34: Mobule Arduino Uno R3 Atmega328 CH340 39 Hình 4.36: Bộ chuyển đổi nguồn LM2596 41 Hình 4.39: USB Cable 44 Hình 4.40: Bộ chuyển đổi nguồn điện AC - DC 44 Hình 4.41: Đầu kẹp mũi khoan mini 45 Hình 4.42: Mũi khoan 1 mm 45 Hình 4.43: Dây điện bẹ 46 Hình 4.44: Ống ruột gà 46 Hình 4.45: Phíp đồng 47 Hình 4.46: Công tắc hành trình con lăn 47 Hình 4.48: Bulong lục giác 48 X Hình 4.49: Cơ cấu kẹp 49 Hình 4.50: Thước đo kỹ thuật 49 Hình 4.51: Chổi quyét mini 49 Hình 4.52: Khối xử lý trung tâm 52 Hình 4.53: Khối nguồn 53 Hình 4.54: Giao diện phẩm mềm Candle 53 Hình 4.55: Khối chấp hành 55 Hình 4.56: Sơ đồ nguyên lý toàn mạch 56 Hình 4.57: Sơ đồ đấu nối mạch GRBL 3A-4.58: Lưu đồ giải thuật 58 Hình 4.59: Sơ đồ nguyên lý mạch chỉnh lưu cầu AC-DC 59 Hình 4.60: Sơ đồ mạch in PCB chỉnh lưu cầu AC-DC 60 Hình 4.61: Chọn “Export Bitmap” 60 Hình 4.62: Xác định cấu hình “Export Bitmap” 61 Hình 4.63: Đặt tên và lưu file Bitmap 61 Hình 4.64: Tra cứu thông số board mạch 62 Hình 4.65: Thông số board mạch 62 Hình 4.66: Phần mềm ArtCam Pro 9.67: Dao diện phẩn mềm ArtCam Pro 9.68: Mở file hình ảnh mạch in 64 Hình 4.69: Cài đặt thông số mạch in 64 Hình 4.70: Xác định vector mạch in 65 Hình 4.71: Trước khi làm mờ vector 65 Hình 4.72: Sau khi làm mờ vector 66 Hình 4.73: Xác định lỗ khoan 66 Hình 4.74: Chọn công cụ khoan lỗ 67 Hình 4.75: Giao diện sau khi chọn thông số khoan lỗ 69 Hình 4.76: Chọn tác vụ để xuất file khoan mạch 69 Hình 4.77: Chọn thư mục cần xuất file G-code khoan mạch 70 XI Hình 4.78: Xuất file G-code khoan mạch 71 Hình 4.79: Chọn đường phay mạch 71 Hình 4.80: Cài đặt thông số phay mạch 72 Hình 4.81: Phần mềm Candle 72 Hình 4.82: Giao diện chính phần mềm Candle 73 Hình 4.83: Phần điều khiển 73 Hình 4.84: Điều khiển trục khoan 74 Hình 4.85: Điều khiển thủ công 74 Hình 4.86: Cài đặt đầu dò vị trí gốc tọa độ 77 Hình 4.87: Mã lệnh chính 78 Hinh 5.1: Bản vẽ mô hình máy khoan lỗ mạch in 79 Hình 5.2: Sau khi ráp trục Y và mặt bàn 80 Hình 5.3: Sau khi rap khung trục X 81 Hình 5.4: Sau khi ráp cụm trục Z với vit me cà thanh inox 81 Hình 5.5: Sau khi ráp trục X+Z và board mạch 82 Hình 5.6: Công tắc hành trình giới hạn dưới trục Z 82 Hình 5.7: Nút nhấn Emergency 83 Hình 5.8: Công cụ set homing 83 Hình 5.9: Sau khi kết nối board mạch với động cơ 84 Hình 5.10: Sau khi bọc lớp ruột gà T8 bảo vệ dây kết nối 84 Hình 5.11: Mô hình sản máy khoan lỗ mạch in.12: Cố định phôi mạch in lên mặt bàn khoan 85 Hình 5.13: Gắn nguồn 24V cho board mạch 86 Hình 5.14: Kết nối board mạch điều khiển với máy tính qua cable USB 87 Hình 5.15: Khởi động phần mềm Candle 87 Hình 5.16: Xác định cổng truyền thông cho hệ thống 88 Hình 5.17: Xác định “Home” cho máy khoan mạch in 88 Hình 5.18: Mở file chạy máy khoan 89 Hình 5.19: Chạy máy khoan lỗ mạch in 89 XII Hình 5.20: Kết thúc quá trình chạy máy khoan lỗ mạch in 90 Hình 5.21: Nút dừng khẩn cấp Emergency 90 Hình 5.22: Nút “Pause” dừng tạm thời 91 Hình 5.23: Reset hệ thống 91 Hình 5.24: Mở khóa hệ thống 91 Hình 5.25: Kết quả thực nghiệm lần 1 92 Hình 5.26: Kết quả thực nghiệm lần tốt nhất 94 XIII DANH MỤC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 1.1: Thông số kỹ thuật máy CNC SM 1325B3 6 Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật máy CNC BL-Y25 10 Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật máy CNC 1325 QC 12 Bảng 4.1: Bảng giá thành thiết bị 51 Bảng 4.2: Bảng linh kiện thiết kế mạch in 59 Bảng 4.3: Bảng lựa chọn thông số khoan lỗ 68 Bảng 4.4: Bảng chức năng phần điều khiển 74 Bảng 4.5: Bảng chức năng điều khiển thủ công 75 Bảng 4.6: Bảng mã lệnh G-code được sử dụng trong máy khoan lỗ mạch in 76 XIV LỜI MỞ ĐẦU CNC - Điều khiển số máy công cụ được tích hợp máy tính.

Thuật ngữ CNC là một khái niệm mà hầu như bất kì ai học tập, đào tạo, nghiên cứu trên lĩnh vực Tự động hoá đều biết: Đó là loại thiết bị điều khiển sử dụng trong các máy gia công, chế biến. Cho phép thực hiện các quy trình gia công trên cơ sở các thông số về kích thước, hình dáng của sản phẩm, chuyển sang thành quỹ đạo chuyển động trên không gian ba chiều. Hiện nay, với việc áp dụng Cad/CAM thiết kế và sản xuất có trợ giúp của máy tính vào việc thiết kế, tính toán kết cấu, mô phỏng quá trình gia công. đã trợ giúp hiệu quả cho quá trình thiết kế và điều khiển.

Chính vì những tính năng nổi bật của máy CNC mang lại nên chúng đựợc sử dụng rộng rãi trên toàn thế giới. Ở nước ta, trong hơn 10 năm qua. Nhà nứớc đã đầu tư nhiều nhằm mục tiêu tạo ra thiết bị CNC Ngày nay máy CNC không còn là khái niệm xa lạ tại Việt Nam. Máy CNC xuất hiện tại hầu hết các lĩnh vực sản xuất, đặc biệt là trong công nghiệp.

Tuy nhiên hầu hết các máy CNC trong nước đều là nhập từ một số nước như Đức, Nhật và Trung Quốc, và giá thành các máy CNC đều rất cao. Những máy CNC thiết kế và sản xuất tại việt nam còn rất ít và hầu như chỉ dừng lại ở mức độ chế máy CNC chạy được. Do vậy chúng em đã quyết định chọn đề tài thiết kế hệ thống điều khiển cho máy khoan mạch in tự động, để mong rằng trong một tương lai gần, những máy khoan mạch in tự động được thiết kế và sản xuất tại Việt Nam sẽ có chất lượng tốt hơn và ngày càng phổ biến hơn, từ đó thúc đẩy sự phát triển của nền khoa học công nghệ trong nước. Trong đề tài đồ án môn tốt nghiệp, mục tiêu trước tiên mà em hướng tới là chế tạo được mô hình máy khoan mạch in tự động hoạt động ổn định với sai số nhỏ, sau đó em hướng tới khắc phục dao động, sai số và nâng cao tính tự 1 động.

Tuy nhiên do kinh nghiệm còn hạn chế và thời gian thực hiện có hạn, nên đồ án của em còn những thiếu sót. Em mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô để hoàn thiện hơn để tài.