Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình đào tạo và nghiên cứu khối ngành kỹ thuật điện tử, việc hiện thực hóa các thiết kế bo mạch từ bản vẽ mô phỏng thành sản phẩm thực tế là một khâu then chốt. Tuy nhiên, các phương pháp gia công mạch in (PCB) truyền thống ở quy mô nhỏ dành cho học sinh, sinh viên như in ủi thủ công và ngâm dung dịch hóa chất ăn mòn đồng bộc lộ nhiều hạn chế về an toàn môi trường, hóa chất độc hại, độ phân giải đường mạch thấp và độ thẩm mỹ không đồng đều. Các phương pháp công nghiệp quy mô lớn như in lụa, khắc laser hay phim cảm quang đòi hỏi chi phí đầu tư lớn, không thích hợp cho việc thử nghiệm nhanh các mẫu đơn chiếc. Việc trang bị các dòng máy phay CNC thương mại trên thị trường gặp rào cản lớn về giá thành đắt đỏ và tính phức tạp trong vận hành.

Trước thực trạng đó, đề tài "Thiết kế và chế tạo máy phay mạch in" (Mã số đề tài: CKM-37) được thực hiện nhằm nghiên cứu, tính toán và chế tạo một mô hình máy phay CNC 3 trục chuyên dụng cho việc gia công mạch in với chi phí thấp, kết cấu nhỏ gọn, dễ vận hành, phục vụ trực tiếp cho mục đích nghiên cứu và học tập.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định gồm:

  1. Nghiên cứu cơ chế hoạt động của máy phay cơ học, các chế độ điều khiển, phương pháp lựa chọn dụng cụ cắt và quy trình tạo hình đường mạch.
  2. Tính toán và xác định các thông số kỹ thuật tối ưu (tốc độ cắt, lượng chạy dao, chiều sâu cắt) nhằm đảm bảo hiệu suất gia công mạch in.
  3. Chế tạo hoàn thiện máy và kiểm tra, đánh giá chất lượng sản phẩm mạch in gia công thực tế về độ chính xác đường mạch và khả năng dẫn điện.
  4. Xây dựng quy trình vận hành, bảo trì đơn giản, thuận tiện cho sinh viên tiếp cận và thực hành thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kết cấu cơ khí của máy phay (khung máy, bàn máy, cụm trục chính); hệ thống truyền động và dẫn hướng; hệ thống điều khiển và phần mềm gia công; vật liệu phíp sợi thủy tinh FR-4 và các loại dao cắt, dao khoan chuyên dụng.
  • Phạm vi nghiên cứu: Thiết kế hệ thống máy phay mạch in 3 trục với dữ liệu đầu vào là file Gerber; phạm vi thực nghiệm tập trung vào phay và khoan mạch in FR-4 đơn lớp (single-layer) phục vụ môi trường giáo dục.
  • Giới hạn kỹ thuật của đề tài:
Thông số kỹ thuật Giá trị giới hạn thiết kế
Kích thước tổng thể máy (D × R × C) 750 × 560 × 660 mm
Kích thước hành trình làm việc (X × Y × Z) 320 × 300 × 130 mm
Kích thước phôi gia công tối đa (D × R) 300 × 200 mm
Kích thước bàn phay (D × R × C) 300 × 270 × 10 mm
Chiều sâu phay điều chỉnh 0,05 ÷ 1,6 mm
Tốc độ di chuyển tối đa 0,5 m/s
Sai số độ rộng đường mạch gia công ±0,1 mm
Thời gian làm việc danh nghĩa 15.000 giờ

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài áp dụng các nguyên lý cơ bản của kỹ thuật gia công CNC, lý thuyết cắt gọt kim loại và cơ điện tử điều khiển số:

  • Cơ sở lý thuyết cắt gọt và truyền động: Tính toán các thành phần lực cắt tiếp tuyến $P_z$, lực chạy dao $P_x, P_y$, vận tốc cắt $V_c$, tốc độ quay trục chính $n$, và công suất cắt $N_c$ dựa trên lý thuyết cắt gọt kim loại và thông số dao cụ của nhà sản xuất Kennametal. Tính toán kiểm nghiệm độ bền mỏi, tải trọng uốn dọc trục, tải trọng tĩnh và tuổi thọ danh nghĩa của bộ truyền vít me bi theo công thức chuẩn của hãng THK.
  • Hệ thống điều khiển số: Nguyên lý biên dịch tệp dữ liệu chế tạo PCB định dạng Gerber sang tập lệnh mã G-code tiêu chuẩn (như G00, G01, G02, G03, M03, M05, M06) để điều khiển chuyển động nội suy 3 trục và đóng ngắt spindle.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp phân tích - tổng hợp tài liệu: Nghiên cứu các tiêu chuẩn kỹ thuật về máy CNC mini, cấu trúc bảng mạch PCB, các dòng động cơ và bộ điều khiển CNC công nghiệp.
    • Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Ứng dụng công thức giải tích cơ học để tính chọn động cơ bước phản hồi hồi tiếp, củ đục trục chính làm mát bằng nước, bộ truyền vít me đai ốc bi và hệ thống dẫn hướng tuyến tính.
    • Phương pháp thực nghiệm kiểm chứng: Tiến hành gia công mạch in thực tế từ file Gerber trên phôi phíp đồng FR-4, sử dụng thước cặp cơ khí chuyên dụng để đo lường độ rộng đường mạch, khoảng cách lỗ khoan và đánh giá sai số so với thiết kế.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống máy phay mạch in được thiết kế và triển khai tích hợp giữa ba phân hệ chính: cơ khí, điện tử - điều khiển và phần mềm vận hành.

Phân hệ kết cấu cơ khí và truyền động

  • Bố trí động học: Nhóm lựa chọn phương án bàn máy di chuyển tịnh tiến theo trục Y, cụm đầu khắc trục chính di chuyển theo hai trục X và Z. Phương án này giúp giảm khối lượng quán tính cho các trục treo, nâng cao độ cứng vững tổng thể và dễ dàng căn chỉnh mặt phẳng bàn gá phôi.
  • Cơ cấu truyền động và dẫn hướng: Ba trục X, Y, Z sử dụng bộ truyền vít me đai ốc bi THK (mã BNK 1616-3.6G0+571LC5Y) có đường kính danh nghĩa 15 mm, bước vít $P_h = 10\text{ mm}$, phương thức liên kết trục dạng Cố định - Hỗ trợ (Fixed-Supported). Cơ cấu dẫn hướng sử dụng ray trượt vuông chịu tải và chống xoay cao kết hợp các con trượt bi tuyến tính.
  • Cụm trục chính: Sử dụng củ đục Spindle SK công suất 0,8 kW, tốc độ quay tối đa 24.000 vòng/phút, tích hợp hệ thống làm mát bằng nước tuần hoàn để đáp ứng khả năng vận hành ổn định liên tục trong 15.000 giờ.

Phân hệ điện và điều khiển

  • Bộ điều khiển trung tâm: Sử dụng bộ điều khiển CNC độc lập DDCSV2.1 (4 trục, màn hình LCD màu tích hợp), nhận mã G-code trực tiếp thông qua cổng giao tiếp USB mà không cần kết nối cố định với máy vi tính.
  • Hệ dẫn động các trục: Trang bị các động cơ bước Step Servo của hãng Fastech tích hợp encoder phản hồi vị trí, giúp triệt tiêu hiện tượng mất bước và phản hồi nhanh với gia tốc $3,3\text{ m/s}^2$.
  • Hệ thống điều khiển tốc độ và an toàn: Tốc độ củ đục Spindle được điều khiển thông qua biến tần Yaskawa V1000. Hệ thống sử dụng cảm biến quang Omron để xác định điểm gốc Home và giới hạn hành trình, relay trung gian IDEC RJ2S-CL-D24, bộ lọc nguồn 1 pha 220VAC khử nhiễu tần số cao và aptomat chống giật/quá dòng RCBO.

Quy trình công nghệ gia công

Quy trình gia công mạch in được tự động hóa qua các bước: nạp file thiết kế Gerber vào phần mềm CAM; thiết lập thông số dao phay rãnh cách điện và dao khoan lỗ chân linh kiện; xuất chương trình G-code sang USB; thực hiện gá đặt phôi FR-4 và set gốc phôi tự động (Auto-Probe); khởi động chế độ gia công tự động.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu

Chương này nêu rõ tính cấp thiết của việc nghiên cứu máy phay mạch in chi phí thấp phục vụ công tác đào tạo tại các trường kỹ thuật. Tác giả xác định ý nghĩa khoa học và thực tiễn, làm rõ 4 mục tiêu nghiên cứu, xác định đối tượng là quá trình gia công mạch in FR-4 và các thành phần máy CNC, đồng thời xác lập bảng giới hạn kỹ thuật cụ thể của đề tài như kích thước máy 750 × 560 × 660 mm và sai số đường mạch ±0,1 mm.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương trình bày tổng quan về máy CNC trong công nghiệp và hệ thống điều khiển số. Tác giả phân tích cấu tạo vật lý của mạch in (lớp nền cách điện sợi thủy tinh, lớp lá đồng, lớp phủ bảo vệ, lớp in chỉ thị), cú pháp và các lệnh cơ bản trong mã G-code (G00, G01, G02, G03, M03, M05, M06), cùng việc lựa chọn file Gerber làm dữ liệu đầu vào. Chương này cũng phân tích các hệ thống điều khiển phổ biến (Mitsubishi, DDCSV2.1, Mach3, Mach4), cấu tạo chung của máy phay 3 trục và khảo sát tình hình nghiên cứu máy phay mạch trong và ngoài nước.

Chương 3: Phân tích lựa chọn phương án thiết kế

Tác giả tiến hành so sánh đa tiêu chí để lựa chọn các phương án phần cứng:

  • Phương án di chuyển bàn máy: So sánh 3 phương án (bàn di chuyển XY; bàn di chuyển Y - trục chính di chuyển XZ; bàn cố định - trục chính di chuyển XYZ) và chọn phương án 2 để đạt độ cứng vững cao và độ chính xác chuyển động.
  • Phương án trục dẫn động: So sánh vít me đai ốc thường, vít me đai ốc bi và truyền động đai; chọn vít me bi do hiệu suất truyền động cao và độ bền mài mòn.
  • Phương án động cơ: So sánh động cơ Step Servo, DC Servo và AC Servo; chọn Step Servo do chi phí hợp lý, độ phân giải cao và đáp ứng đủ dải mô-men.
  • Phương án ray dẫn hướng: Chọn ray dẫn hướng vuông thay vì ray tròn nhằm tăng khả năng chịu tải và chống xoay.

Chương 4: Tính toán lựa chọn động cơ trục chính và trục vít me

Chương này tập trung tính toán cơ học chi tiết:

  • Tính toán chế độ cắt cho dao phay cầu Kennametal (mã F2AL0030AWS30L030, $D_1 = 0,5\text{ mm}$, $Z = 3$, $V_c = 290\text{ m/phút}$) xác định số vòng quay $n = 15.384\text{ RPM}$, lực cắt tiếp tuyến $P_z = 46,94\text{ N}$, công suất cắt $N_c = 0,227\text{ kW}$.
  • Tính toán chế độ khoan cho mũi khoan Kennametal (mã B041A02000CPG, $D_1 = 2\text{ mm}$, $V_c = 70\text{ m/phút}$) xác định lực cắt $P_0 = 152,14\text{ N}$.
  • Lựa chọn củ đục Spindle SK 0,8 kW, 24.000 RPM làm mát bằng nước.
  • Tính toán và kiểm nghiệm trục vít me bi cho các trục X, Y, Z với bước vít $P_h = 10\text{ mm}$, đường kính trục $d = 15\text{ mm}$. Kiểm tra tải trọng uốn dọc trục ($P_2 = 18.039,6\text{ N} > F_{a\max} = 152,14\text{ N}$ đối với trục X), tải trọng cho phép của ổ trục và tuổi thọ làm việc đạt trên 15.000 giờ.

Chương 5: Tính toán lựa chọn động cơ truyền động

Tác giả xây dựng các công thức xác định số vòng quay động cơ, mô-men xoắn tải tĩnh, mô-men quán tính quy đổi về trục động cơ và mô-men xoắn gia tốc trong các giai đoạn chuyển động (tăng tốc, chạy đều, giảm tốc với $t_1 = t_3 = 0,15\text{ s}$, vận tốc $V = 0,5\text{ m/s}$) cho từng trục X, Y, Z, từ đó chọn thông số động cơ Step Servo của hãng Fastech phù hợp.

Chương 6: Tính toán lựa chọn ray trượt và ổ lăn

Nội dung chương trình bày tính toán tải trọng động, tải trọng tĩnh tác dụng lên từng con trượt dẫn hướng của 3 trục tọa độ; xác định hệ số an toàn tĩnh $f_s$, hệ số tiếp xúc $f_C$, hệ số tải trọng $f_w$ để kiểm nghiệm tuổi thọ danh nghĩa của ray dẫn hướng vuông. Tác giả cũng tính chọn và kiểm nghiệm khả năng chịu tải của các bộ ổ lăn đỡ chặn SKF lắp tại các đầu trục vít me.

Chương 7: Tính toán và thiết kế hệ thống điện

Thiết lập sơ đồ khối toàn bộ hệ thống điện; phân tích và đấu nối bộ điều khiển DDCSV2.1, biến tần Yaskawa V1000 điều khiển spindle, hệ thống cảm biến quang Omron, các relay trung gian IDEC 24VDC, bộ lọc nguồn 1 pha 220VAC khử can nhiễu từ biến tần và aptomat bảo vệ hệ thống.

Chương 8: Thiết kế chương trình điều khiển

Xây dựng cấu trúc thuật toán điều khiển thông qua 4 lưu đồ giải thuật chính:

  1. Lưu đồ giải thuật tổng quát hệ thống.
  2. Lưu đồ giải thuật chu trình tự động về gốc máy (HOME).
  3. Lưu đồ giải thuật chế độ điều khiển bằng tay (Manual/Jog).
  4. Lưu đồ giải thuật chế độ gia công tự động (Auto Execution) từ mã G-code kết hợp chu trình dò gốc phôi Probe.

Chương 9: Kết quả đánh giá và nhận xét

Trình bày quy trình thực nghiệm gia công mẫu mạch in thực tế trên máy từ file Gerber; tiến hành đo kiểm kích thước độ dày đường mạch và sai số định vị tâm lỗ khoan bằng thước cặp. Số liệu thực nghiệm cho thấy máy hoàn thành tốt các đường mạch theo file thiết kế, đường cắt đồng đều và đạt sai số kỹ thuật trong giới hạn ±0,1 mm.

Chương 10: Kết luận và hướng phát triển

Tổng kết toàn bộ quá trình thiết kế, chế tạo phần cứng, hệ thống điện và thuật toán điều khiển của máy phay mạch in. Tác giả khẳng định máy đáp ứng đầy đủ các tiêu chí thiết kế ban đầu và đề xuất các phương hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo hoàn chỉnh phần cứng: Hoàn thiện mô hình máy phay CNC 3 trục có kích thước thực tế 750 × 560 × 660 mm, phạm vi làm việc hành trình đạt 320 × 300 × 130 mm, không gian bàn gá phôi đạt 300 × 270 mm.
  • Tích hợp hệ thống điện - điều khiển độc lập: Lắp ráp tủ điện hoàn chỉnh với bộ điều khiển DDCSV2.1, biến tần Yaskawa V1000 và củ đục Spindle 0,8 kW 24.000 RPM làm mát bằng nước, vận hành ổn định không phụ thuộc máy vi tính.
  • Chất lượng gia công thực nghiệm: Gia công thành công các mẫu mạch in FR-4 đơn lớp kích thước tối đa 300 × 200 mm; chiều sâu phay đạt dải điều chỉnh 0,05 ÷ 1,6 mm; sai số kích thước đường mạch thực tế nằm trong biên độ cho phép ±0,1 mm; các đường mạch cách điện rõ ràng, bề mặt không bị xơ xước lớp đồng và lỗ khoan chân linh kiện đảm bảo độ đồng tâm.

Đóng góp của đề tài

  • Xây dựng hoàn chỉnh phương pháp tính toán động lực học, lựa chọn đồng bộ linh kiện cơ khí chính xác (vít me bi, ray trượt vuông, Step Servo) cho dòng máy phay CNC chuyên dụng gia công mạch in.
  • Cung cấp một giải pháp gia công mạch in tại chỗ có chi phí thấp, kết cấu cơ khí nhỏ gọn và quy trình vận hành trực quan, thay thế phương pháp ăn mòn hóa học độc hại trong các phòng thí nghiệm, xưởng thực hành của sinh viên.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Mô hình hiện tại mới chỉ tối ưu hóa và thực nghiệm gia công trên loại vật liệu phíp đồng FR-4 đơn lớp (1 layer).
  • Quá trình chuyển đổi giữa dao phay đường mạch và dao khoan lỗ linh kiện vẫn phải thực hiện thay dao bằng tay, làm kéo dài thời gian hoàn thiện bảng mạch.
  • Cơ cấu gá kẹp phôi trên bàn máy sử dụng nẹp vít cơ học, chưa trang bị cơ cấu kẹp hút chân không tự động để triệt tiêu độ cong vênh bề mặt phôi mỏng.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Thiết kế và tích hợp cụm thay dao tự động (ATC - Automatic Tool Changer) để tự động chuyển đổi dao phay và các mũi khoan có đường kính khác nhau trong cùng một chu trình gia công.
  • Nghiên cứu trang bị bàn hút chân không (Vacuum Table) nhằm cố định phôi phẳng tuyệt đối, tăng độ đồng đều của chiều sâu phay lớp đồng.
  • Phát triển quy trình định vị và căn chỉnh gốc tọa độ hai mặt để mở rộng tính năng gia công mạch in hai lớp (double-sided PCB).
  • Tích hợp thêm hệ thống hút và lọc bụi phoi sợi thủy tinh khép kín nhằm nâng cao tiêu chuẩn an toàn lao động trong phòng thực hành.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo chuyên môn phù hợp cho sinh viên, học viên và giảng viên thuộc các ngành:

  • Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử và Kỹ thuật Cơ khí: Tham khảo quy trình tính toán lực cắt, công suất cắt gọt; phương pháp tính chọn và kiểm nghiệm trục vít me bi, ray dẫn hướng tuyến tính và động cơ Step Servo.
  • Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa: Tham khảo sơ đồ thiết kế tủ điện điều khiển công nghiệp, tích hợp biến tần Yaskawa V1000, rơ le, cảm biến quang và ứng dụng bộ điều khiển CNC độc lập DDCSV2.1.
  • Kỹ thuật Điện - Điện tử: Tham khảo quy trình chuyển đổi tệp thiết kế Gerber sang G-code và phương pháp gia công mẫu bo mạch phục vụ nghiên cứu chế tạo thiết bị phần cứng.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao nhóm tác giả lựa chọn phương án bàn máy di chuyển theo trục Y và cụm trục chính di chuyển theo trục X, Z?
Phương án này giúp giảm khối lượng các cụm chuyển động treo trên cao, hạn chế rung động quán tính khi củ đục di chuyển ở tốc độ cao. Đồng thời, kết cấu này đảm bảo độ cứng vững khung máy, nâng cao độ chính xác gia công rãnh mạch và thuận tiện cho việc căn chỉnh mặt phẳng bàn phôi so với phương án bàn cố định hoặc bàn di chuyển cả hai trục XY.

2. Đồ án đã tính toán lực cắt và công suất cắt cho dao phay như thế nào?
Dựa trên dao phay cầu Kennametal (mã F2AL0030AWS30L030, đường kính cắt hiệu dụng $D_1 = 0,5\text{ mm}$, $Z = 3$ răng, vận tốc cắt $V_c = 290\text{ m/phút}$), tác giả tính toán được số vòng quay trục chính yêu cầu là $n = 15.384\text{ RPM}$, lực cắt tiếp tuyến $P_z = 46,94\text{ N}$ và công suất cắt yêu cầu là $N_c = 0,227\text{ kW}$.

3. Tại sao bộ điều khiển DDCSV2.1 được lựa chọn thay vì phần mềm Mach3 trên máy tính?
Bộ điều khiển DDCSV2.1 là hệ thống điều khiển số độc lập có tích hợp vi xử lý và màn hình LCD màu, có khả năng đọc mã G-code trực tiếp từ USB. Việc sử dụng DDCSV2.1 giúp máy hoạt động ổn định, tránh các lỗi trễ xung hoặc gián đoạn tín hiệu do hệ điều hành máy tính gây ra, đồng thời giảm kích thước cồng kềnh cho toàn bộ hệ thống máy.

4. Trục vít me bi được lựa chọn cho các trục truyền động có thông số kỹ thuật gì và kiểm nghiệm ra sao?
Cả ba trục X, Y, Z đều sử dụng vít me bi THK BNK 1616-3.6G0+571LC5Y có đường kính 15 mm, bước vít 10 mm, liên kết dạng Fixed-Supported. Trục vít me được kiểm nghiệm qua tải trọng uốn dọc trục cho phép ($P_2 = 18.039,6\text{ N} > F_{a\max} = 152,14\text{ N}$), tải trọng dọc trục tĩnh ($C_{0a}/f_s = 2.780\text{ N} > F_{a\max}$) và tuổi thọ danh nghĩa kiểm chứng đạt trên 15.000 giờ làm việc.

5. Kết quả độ chính xác gia công thực nghiệm của máy đạt được mức nào?
Thực nghiệm gia công mạch in FR-4 đơn lớp cho thấy máy vận hành ổn định với tốc độ di chuyển $0,5\text{ m/s}$, chiều sâu phay kiểm soát từ 0,05 đến 1,6 mm và sai số độ rộng đường mạch đạt trong khoảng $\pm 0,1\text{ mm}$, đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế ban đầu.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và chế tạo máy phay mạch in" đã hoàn thành việc tính toán, thiết kế và chế tạo thực tế một hệ thống máy phay CNC 3 trục chuyên dụng với kích thước 750 × 560 × 660 mm và hành trình 320 × 300 × 130 mm. Hệ thống tích hợp hoàn chỉnh giữa kết cấu cơ khí vít me bi - ray trượt vuông, cụm trục chính 0,8 kW làm mát bằng nước và bộ điều khiển độc lập DDCSV2.1. Kết quả thực nghiệm xác nhận máy có khả năng gia công chính xác các bảng mạch in FR-4 đơn lớp với sai số đường mạch trong giới hạn ±0,1 mm, cung cấp một phương tiện thực hành và nghiên cứu hiệu quả cho sinh viên khối ngành kỹ thuật.