Đồ án tốt nghiệp: Hàn mạch tự động bằng phương pháp hàn sóng (SVTH HCMUTE)

Tìm hiểu quy trình hàn mạch tự động bằng phương pháp hàn sóng. Đồ án chi tiết về thiết kế, thi công mô hình và lập trình điều khiển tự động.

• Tác giả: Lê Hữu Sáng
• Người hướng dẫn: PGS.TS Vũ Văn Phong
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Hàn mạch tự động bằng phương pháp hàn sóng
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Hàn Mạch Tự Động Bằng Hàn Sóng

Hàn mạch tự động bằng hàn sóng là một phương pháp hiện đại trong công nghiệp điện tử, cho phép hàn nhiều linh kiện trên bảng mạch in (PCB) một cách hiệu quả và chính xác. Phương pháp này sử dụng công nghệ hàn sóng để tạo các kết nối hàn bền vững giữa các chân linh kiện và đường dẫn trên bảng mạch. Hàn sóng tự động giảm thiểu sai sót do con người, tăng năng suất sản xuất lên đáng kể, và đảm bảo chất lượng sản phẩm ổn định. Đây là giải pháp tối ưu cho các nhà máy sản xuất điện tử quy mô lớn, giúp nâng cao hiệu quả kinh tế và cạnh tranh trên thị trường toàn cầu.

1.1. Khái Niệm Hàn Sóng Tự Động

Hàn sóng tự động là quá trình sử dụng máy móc và hệ thống điều khiển để thực hiện hàn linh kiện trên PCB. Hệ thống này sử dụng thiếp hàn nóng chảy để tạo các mối hàn chất lượng cao. Quá trình được điều khiển bởi PLC (Programmable Logic Controller), đặc biệt là PLC Siemens S7-1214, giúp tự động hóa toàn bộ quy trình từ định vị linh kiện đến hoàn thành hàn.

1.2. Ưu Điểm Của Công Nghệ Hàn Sóng

Công nghệ hàn sóng tự động mang lại nhiều lợi ích vượt trội: giảm tỷ lệ lỗi hàn, tăng tốc độ sản xuất, đảm bảo tính nhất quán của chất lượng, và tiết kiệm chi phí nhân công. Hệ thống này có khả năng xử lý hàng trăm bảng mạch mỗi giờ với độ chính xác cao, phù hợp cho sản xuất hàng loạt.

II. Quy Trình Hàn Mạch Tự Động Chi Tiết

Quy trình hàn mạch tự động bao gồm nhiều bước phức tạp, bắt đầu từ chuẩn bị bảng mạch đến hoàn thành sản phẩm cuối cùng. Mỗi bước đều được kiểm soát chặt chẽ bởi hệ thống điều khiển tự động để đảm bảo chất lượng. Hệ thống sử dụng động cơ Step Nema17 để điều khiển vị trí, cảm biến nhiệt độ REX-C100 để giám sát nhiệt độ, và xử lý ảnh để kiểm tra linh kiện trước hàn. Toàn bộ quy trình được lập trình trên phần mềm TIA Portal để tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy.

2.1. Các Bước Chuẩn Bị Ban Đầu

Bước đầu tiên là chuẩn bị bảng mạch in (PCB) và các linh kiện. Hệ thống phải kiểm tra sự hiện diện của tất cả linh kiện trước khi bắt đầu hàn, sử dụng công nghệ xử lý ảnh để phát hiện các thiếu sót. Bảng mạch được đặt trên băng tải chuyển động, được điều khiển bởi động cơ Step thông qua driver TB66000 để đạt vị trí chính xác.

2.2. Quá Trình Hàn Sóng Chính

Trong quá trình hàn sóng, bảng mạch được nhúng vào thiếp hàng nóng chảy ở nhiệt độ được kiểm soát bởi cảm biến REX-C100. Hệ thống PLC Siemens giám sát liên tục nhiệt độ và khoảng thời gian hàn. Sau khi hàn xong, bảng mạch được làm lạnh dần để tránh các ứng suất nhiệt, đảm bảo độ bền của các mối hàn.

III. Mô Hình Kỹ Thuật Và Hệ Thống Điều Khiển

Mô hình hàn mạch tự động được thiết kế bằng phần mềm SolidWorks để tối ưu hóa không gian và hiệu suất. Hệ thống được chia thành các thành phần chính: phần cơ khí (khung cơ sở, băng tải, hệ thống định vị), phần điều khiển (PLC Siemens S7-1214 với module mở rộng SM1222), và phần cảm biến (camera xử lý ảnh, cảm biến nhiệt độ REX-C100). Chương trình điều khiển được viết trên phần mềm TIA Portal, cho phép lập trình các logic điều khiển phức tạp. Hệ thống có khả năng cảnh báo lỗi khi nhiệt độ chưa đạt trong giai đoạn khởi động, đảm bảo an toàn toàn bộ quy trình.

3.1. Thành Phần Phần Cứng Chính

PLC Siemens S7-1214 DC/DC/DC là bộ não của hệ thống, có khả năng xử lý nhanh và độ tin cậy cao. Module mở rộng SM1222 RLY cung cấp các relay đầu ra để điều khiển các thiết bị ngoại vi. Động cơ Step Nema17 được điều khiển bởi driver TB66000 để tạo chuyển động chính xác, còn cảm biến REX-C100 giám sát nhiệt độ liên tục trong suốt quá trình hàn.

3.2. Hệ Thống Giám Sát Và Xử Lý Ảnh

Hệ thống xử lý ảnh được tích hợp để kiểm tra các linh kiện trước khi hàn, phát hiện các thiếu sót hoặc đặt sai vị trí. Sau quá trình hàn, hệ thống kiểm tra chất lượng có thể được mở rộng thêm một bước xử lý ảnh để xác minh chất lượng các mối hàn. Giám sát nhiệt độ liên tục thông qua REX-C100 giúp phát hiện các sự cố bất thường và kích hoạt cảnh báo kịp thời.

IV. Kết Quả Thực Nghiệm Và Ứng Dụng Thực Tế

Đề tài hàn mạch tự động bằng hàn sóng đã được xây dựng và thử nghiệm thành công tại Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. HCM. Mô hình thực tế cho thấy hệ thống hoạt động ổn định với tỷ lệ hàn thành công cao và sai số hệ thống tối thiểu. Hệ thống cảnh báo nhiệt độ hoạt động hiệu quả, phát hiện ngay lập tức khi nhiệt độ chưa đạt trong giai đoạn khởi động. Việc tích hợp xử lý ảnh để kiểm tra linh kiện trước hàn đã giảm đáng kể lỗi sản xuất. Ứng dụng thực tế của công nghệ này có thể mở rộng sang các nhà máy điện tử quy mô lớn, góp phần nâng cao năng lực sản xuất và chất lượng sản phẩm của Việt Nam.

4.1. Kết Quả Thử Nghiệm Và Tối Ưu Hóa

Qua các lần thử nghiệm, hệ thống hàn mạch tự động đã được tối ưu hóa để giảm sai số hệ thống và tăng độ ổn định. Điều khiển nhiệt độ chì thông qua REX-C100 cho kết quả chính xác, với cảnh báo lỗi kích hoạt khi khởi động nếu nhiệt độ chưa đạt mục tiêu. Tốc độ xử lý hàn được điều chỉnh để đạt cân bằng tối ưu giữa chất lượng hàn và năng suất sản xuất.

4.2. Triển Khai Ứng Dụng Trong Công Nghiệp

Công nghệ hàn sóng tự động có tiềm năng lớn trong việc nâng cấp các dây chuyền sản xuất điện tử tại các nhà máy Việt Nam. Hệ thống có thể được mở rộng và cải thiện bằng cách thêm hệ thống kiểm tra chất lượng sau hàn để đảm bảo toàn bộ quy trình. Việc ứng dụng tự động hóa này giúp giảm chi phí nhân công, tăng tốc độ sản xuất, và cải thiện tính cạnh tranh của sản phẩm trên thị trường quốc tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN giới hạn cần được lưu ý. Đề tài chỉ tập trung thiết kế giao diện, điều khiển một cách đơn giản thuận tiện và thân thiện nhất cho người vận hành hệ thống. Nhóm phát triển hệ thống tập trung vào các board có các linh kiện lớn và chân linh kiện dài, cách xa nhau.

Mô hình của nhóm hướng về hàn các mạch PCB có lớp phủ để có kết quả tốt nhất. Nhóm đã ứng dụng thành công xử lý ảnh để phân loại board mạch và nhận dạng tính đúng đắn của linh kiện. Việc sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ REX-C100, không truyền tín hiệu nhiệt độ lên PLC để điều khiển nên cần phải quan sát lò nung cho đến khi thiếc nóng chảy hoàn toàn mới được bật bơm thiếc. Nhóm hướng phát triển đến các doanh nghiệp nhỏ lẻ, nên chi phí được giới hạn và tối ưu nhất mà vẫn đáp ứng đủ những nhu cầu đề ra cho đề tài.5 Phương pháp nghiên cứu - Đề ra mục tiêu rõ ràng, hướng đi cụ thể - Nghiên cứu, đưa ra được ưu/nhược điểm của các phương pháp thực hiện - Nghiên cứu các tài liệu liên quan - Thiết kế từng phần riêng lẻ kết hợp lại tạo ra hệ thống hoàn chỉnh - Thực hiện hoạt động ở nhiều điểm làm việc, đánh giá chất lượng hoạt động.

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 3 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2.1 Tổng quan về hệ thống hàn board mạch tự động 2.1 Giới thiệu về hệ thống hàn board mạch tự động Trong ngành sản xuất điện tử hiện đại, tự động hóa ngày càng trở nên quan trọng nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm. Hệ thống hàn board mạch tự động chính là một ví dụ điển hình cho sự phát triển này. Bằng việc ứng dụng các công nghệ tiên tiến, hệ thống này có khả năng hàn các linh kiện điện tử lên board mạch in (PCB) với độ chính xác và tính nhất quán cao.

Điều này không chỉ giúp giảm thiểu sai sót do con người gây ra mà còn tăng cường năng suất sản xuất.1: Mạch PCB trong công nghiệp Hệ thống hàn board mạch tự động thường bao gồm các thành phần chính như máy hàn robot, hệ thống điều khiển và các thiết bị phụ trợ như hệ thống cấp linh kiện, kiểm tra chất lượng hàn và hệ thống làm mát. Các robot hàn được lập trình để thực hiện các thao tác hàn theo quy trình đã được tối ưu hóa, đảm bảo rằng mọi điểm hàn đều đạt chất lượng cao và đồng đều. Điều quan trọng hơn, sự chính xác và tốc độ của hệ thống hàn tự động không chỉ giúp giảm thiểu thời gian sản xuất mà còn giảm chi phí lao động và tỷ lệ lỗi sản phẩm. Điều này mang tính quyết định đặc biệt trong các ngành công nghiệp yêu cầu tiêu chuẩn cao về độ tin cậy và chất lượng như công nghệ thông tin, viễn thông, y tế và tự động hóa công nghiệp.

Tóm lại, việc áp dụng hệ thống hàn board mạch tự động không chỉ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về chất lượng và sản lượng trong ngành sản xuất điện tử, mà còn BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 4 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT là một bước tiến quan trọng trong việc thúc đẩy sự chuyển đổi sang các quy trình sản xuất thông minh và hiện đại hơn.2 Quy trình hàn board mạch Quy trình hàn board mạch là bước không thể thiếu trong quy trình sản xuất các thiết bị điện tử. Nó liên quan trực tiếp đến việc gắn kết các linh kiện điện tử vào bảng mạch in (PCB), từ đó hình thành nên một hệ thống mạch điện hoàn chỉnh và hoạt động hiệu quả. Quy trình này bao gồm các công đoạn như chuẩn bị board mạch, gắn linh kiện, thực hiện các công đoạn hàn và kiểm tra chất lượng.

Mỗi công đoạn đều yêu cầu sự chính xác cao và tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt để đảm bảo tính ổn định và độ bền của sản phẩm cuối cùng. Quy trình hàn board mạch không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của các thiết bị điện tử mà còn quyết định đến độ tin cậy và tuổi thọ của chúng trong môi trường sử dụng thực tế. Đây là một giai đoạn quan trọng trong chuỗi sản xuất điện tử, đòi hỏi sự am hiểu sâu sắc về kỹ thuật và sự tập trung cao độ từ các chuyên gia và kỹ thuật viên tham gia quá trình sản xuất.3 Tiêu chuẩn mối hàn board mạch Tiêu chuẩn của mối hàn board mạch thường được định rõ trong các quy định của IPC, một tổ chức chuyên về tiêu chuẩn hóa trong ngành điện tử. Theo tiêu chuẩn IPC- A-610 về "Chấp nhận của các cụm điện tử", mối hàn phải sạch, mượt mà, không có bọt khí hoặc lỗ hổng.

Chiều cao mối hàn phải đủ để đảm bảo kết nối cơ học và điện tử chắc chắn, và hình dạng mối hàn phải đều đặn. Các khuyết tật như mối hàn nguội, cầu nối giữa các chân linh kiện, và mối hàn không đủ sẽ bị loại bỏ. Theo tiêu chuẩn IPC-J-STD-001 về "Yêu cầu đối với các cụm hàn điện tử", cần sử dụng đúng loại vật liệu hàn và phương pháp hàn phải đảm bảo không gây hại cho linh kiện và PCB. Mối hàn phải phủ thiếc đầy đủ trên bề mặt tiếp xúc, góc tiếp xúc giữa mối hàn và chân linh kiện không lớn hơn 90 độ, và mối hàn có dạng hình tam giác.

Việc kiểm tra mối hàn bao gồm kiểm tra bằng mắt và sử dụng X-ray để phát hiện các khuyết điểm bên trong. [1] Các yêu cầu cơ bản cho mối hàn bao gồm liên kết cơ học chắc chắn, liên kết điện tốt, và không có khuyết tật. Điều này giúp đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của các mối hàn trên board mạch, giảm thiểu lỗi và tăng tuổi thọ cho sản phẩm điện tử.4 Phương pháp hàn board mạch tự động [2] Trong sản xuất điện tử hiện đại, các phương pháp hàn bo mạch tự động đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác, hiệu suất và chất lượng của các sản phẩm điện tử. Dưới đây là một số phương pháp hàn tự động phổ biến: BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 5 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Hàn sóng (Wave Soldering) là phương pháp hàn tự động sử dụng dòng thiếc nóng chảy dưới dạng sóng để hàn các linh kiện điện tử vào bo mạch. Bo mạch được di chuyển qua sóng thiếc, giúp tạo ra các mối hàn chắc chắn và đồng nhất. Phương pháp này thường được sử dụng cho các bo mạch xuyên lỗ (through-hole) và phù hợp cho sản xuất hàng loạt.2: Phương pháp hàn sóng - Hàn nhiệt (Reflow Soldering) là phương pháp sử dụng nhiệt độ cao để làm chảy thiếc đã được đặt sẵn trên bo mạch và linh kiện. Quá trình này thường được thực hiện trong lò reflow, nơi bo mạch và linh kiện được nung nóng đến nhiệt độ thích hợp để thiếc chảy và tạo mối hàn.

Hàn nhiệt chủ yếu được sử dụng cho các bo mạch dán bề mặt (surface-mount technology, SMT).3: Phương pháp hàn reflow - Hàn bằng laser (Laser Soldering) sử dụng tia laser để làm chảy thiếc hàn ở những điểm cụ thể trên bo mạch. Phương pháp này cho phép kiểm soát nhiệt độ và vị trí hàn một cách chính xác, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao và ít gây ảnh hưởng nhiệt đến các khu vực lân cận. BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 6 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.4: Phương pháp hàn laser - Hàn siêu âm (Ultrasonic Soldering) sử dụng sóng siêu âm để làm sạch bề mặt hàn và giúp thiếc chảy đều trên các điểm tiếp xúc.

Phương pháp này thường được sử dụng cho các vật liệu khó hàn, như nhôm hoặc gốm, và trong các ứng dụng đặc biệt yêu cầu độ bám dính cao.5: Phương pháp hàn siêu âm - Hàn bằng robot (Robot Soldering) sử dụng các cánh tay robot được lập trình sẵn để thực hiện quá trình hàn. Các robot này có thể thực hiện các thao tác hàn phức tạp với độ chính xác cao và nhất quán, giúp tăng năng suất và giảm lỗi sản xuất. Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong các dây chuyền sản xuất tự động và khối lượng lớn. BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 7 CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.6: Phương pháp hàn bằng Robot Các phương pháp hàn bo mạch tự động không chỉ cải thiện hiệu suất sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của các sản phẩm điện tử, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp.2 Bộ điều khiển lập trình PLC Programmable Logic Controller (PLC) là một thiết bị có khả năng lập trình để thực hiện các tác vụ điều khiển. Không giống như các thiết bị điều khiển truyền thống chỉ có thể thực hiện một thuật toán cố định, PLC cho phép người dùng tùy chỉnh và thay đổi thuật toán điều khiển theo nhu cầu thông qua việc sử dụng các ngôn ngữ lập trình khác nhau. Nhờ đó, PLC có tính linh hoạt cao, phù hợp để giải quyết nhiều vấn đề điều khiển khác nhau trong nhiều ứng dụng khác nhau. Vào năm 1968, các kỹ sư của công ty General Motors đã nảy ra ý tưởng sáng tạo về PLC (Bộ điều khiển logic lập trình), và từ đó, thiết bị này đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển.

Hiện nay, PLC đã trở thành một giải pháp thiết yếu trong việc tự động hóa sản xuất công nghiệp hiện đại. Nhờ vào sự tiến bộ không ngừng của công nghệ máy tính, PLC đã đạt được các tiêu chuẩn cao trong việc ứng dụng vào điều khiển công nghiệp. [3] [7] PLC có thể được coi là một máy tính nhỏ với tính năng công nghiệp vượt trội và khả năng lập trình logic rất mạnh mẽ. Nó đóng một vai trò quan trọng và linh hoạt trong việc tự động hóa các quy trình sản xuất và kiểm soát công nghiệp.

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 8 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.7: Tổng quan về PLC PLC bao gồm ba thành phần chính: phần nguồn thường là 220V hoặc 24V, CPU với tốc độ xử lý và bộ nhớ lưu trữ chương trình khác nhau tùy vào ứng dụng cụ thể, và khối ngoại vi bao gồm các mô-đun input/output, truyền thông, module phát xung, và các mô-đun analog. Trên thị trường Việt Nam, có nhiều hãng sản xuất PLC với các đặc tính và ưu điểm khác nhau như Siemens, Mitsubishi, ABB, Schneider, và nhiều hãng khác. Trong số đó, Siemens và Mitsubishi đặc biệt nổi bật với sự hiện diện lâu đời tại Việt Nam và là những lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng trong công nghiệp, với nhiều ưu điểm vượt trội.

BỘ MÔN ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG 9 CHƯƠNG 2.1 PLC của Siemens Hình 2.