Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình sản xuất thiết bị điện tử, công đoạn hàn gắn các linh kiện dán bề mặt (SMD/chip) lên bo mạch in (PCB) đóng vai trò quyết định đến năng suất và chất lượng của sản phẩm hoàn thiện. Tại các quốc gia phát triển, quá trình này được tự động hóa hoàn toàn nhờ các hệ thống máy gắp đặt linh kiện tốc độ cao (Pick and Place) như dòng máy SM421 của Samsung hay các dây chuyền lắp ráp tại Sony Pencoed và nhà máy sản xuất Raspberry Pi ở Anh với tốc độ xử lý đạt gần 25.000 linh kiện mỗi giờ.

Ở Việt Nam tại thời điểm năm 2016, phần lớn các cơ sở và nhà máy sản xuất bo mạch điện tử quy mô vừa và nhỏ vẫn sử dụng nhân công gắp chip thủ công nhằm tiết kiệm chi phí đầu tư ban đầu. Tuy nhiên, phương pháp thủ công bộc lộ nhiều hạn chế do độ chính xác phụ thuộc chặt chẽ vào tình trạng sức khỏe và mức độ tập trung của công nhân, dễ gây sai lệch vị trí chân chip và làm giảm năng suất chung. Nhằm giải quyết bài toán tự động hóa với chi phí hợp lý, đồ án thực hiện nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình máy gắn chip tự động.

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

  1. Nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa quá trình gắn chip tự động trên nền tảng cơ điện tử.
  2. Tự động hóa quá trình cấp phôi và định vị gắp - đặt linh kiện chip vào bo mạch có sẵn theo tọa độ thiết lập.
  3. Nâng cao chất lượng lắp ráp, tăng năng suất gia công và đảm bảo hiệu quả kinh tế trong quá trình gắn chip.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ điện tử tích hợp cơ cấu truyền động 3 trục Cartesian, cơ cấu cấp mạch độc lập và đầu công tác hút chân không.
  • Phạm vi công nghệ: Máy thực hiện gắp đặt các linh kiện chip có kích thước 27 mm x 9 mm lên bo mạch in có kích thước giới hạn 41 mm x 51 mm.
  • Phạm vi thực hiện: Nghiên cứu, thiết kế, mô phỏng và chế tạo thực nghiệm tại Bộ môn Cơ điện tử, Khoa Cơ khí Chế tạo máy, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh (hoàn thành tháng 07/2016).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án ứng dụng phối hợp các cơ sở lý thuyết cơ học, động học robot và kỹ thuật điều khiển tự động:

  • Mô hình động học robot Cartesian: Sử dụng phương pháp biểu diễn tham số Denavit - Hartenberg (D-H) cho hệ thống 3 khớp tịnh tiến (PPP) để thiết lập ma trận biến đổi thuần nhất biểu diễn vị trí và hướng của đầu công tác so với hệ quy chiếu gốc.
  • Lý thuyết vận tốc và động lực học: Thiết lập ma trận vi phân Jacobi ($J$) nhằm mô tả mối quan hệ giữa vận tốc dài của đầu công tác trong không gian 3 chiều và vận tốc biến khớp của các trục tịnh tiến.
  • Thuật toán điều khiển chuyển động: Ứng dụng giải thuật nội suy đường thẳng và thuật toán Midpoint để làm mịn quỹ đạo di chuyển của đầu công tác theo các trục tọa độ.
  • Phương pháp tính toán và mô phỏng kỹ thuật:
    • Tính toán động lực học, công suất truyền động và lựa chọn công suất động cơ bước cho từng trục.
    • Sử dụng mô-đun Simulation trên phần mềm SolidWorks để mô phỏng ứng suất tĩnh von Mises và độ chuyển vị của khung nhôm định hình dưới tải trọng kiểm tra 100 N.
  • Phương pháp thực nghiệm chế tạo: Gia công cơ khí, lắp ráp hệ thống truyền động vít me - thanh trượt - đai răng, tích hợp mạch điều khiển vi xử lý và tiến hành đo đạc dung sai thực tế.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kỹ thuật chuẩn của động cơ bước NEMA 17, mạch vi điều khiển Arduino Mega 2560, driver A4988, nhôm PROFILE 20x20 cùng kết quả đo kiểm trực tiếp trên mô hình máy thực tế.

Thiết kế và triển khai hệ thống cơ điện tử

Hệ thống máy gắn chip được thiết kế theo dạng mô-đun hóa, tích hợp đồng bộ giữa kết cấu cơ khí, phần cứng điều khiển và cơ cấu chấp hành.

1. Kết cấu cơ khí và cơ cấu truyền động

Khung máy sử dụng nhôm định hình PROFILE 20x20 mm nhằm tối ưu hóa trọng lượng mà vẫn đảm bảo độ cứng vững. Toàn bộ hệ thống cơ khí có tổng khối lượng là 8,01 kg, được phân bố cụ thể:

STT Tên chi tiết / Bộ phận Số lượng Khối lượng (kg)
1 Nhôm định hình 10 2,37
2 Thanh ray trượt 3 1,60
3 Động cơ bước 5 1,24
4 Ổ lăn 6 0,60
5 Trục vít me 2 0,50
6 Đồ gá động cơ 3 0,80
7 Chi tiết Plastic - 0,90
Tổng Toàn bộ kết cấu máy - 8,01

Cơ cấu truyền động trên các trục được phân chia theo đặc tính tải trọng và yêu cầu chuyển động:

  • Trục Z (Đầu công tác): Sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc ma sát trượt (chiều dài 120 mm, đường kính trong $d_1 = 8\text{ mm}$, bước ren 4 mm, 4 mối ren) kết hợp thanh trượt dẫn hướng phụ nhằm tối ưu độ chính xác định vị thẳng đứng.
  • Trục X và Trục Y: Sử dụng bộ truyền động bánh răng – dây đai răng kết hợp ray dẫn hướng trượt bi (kích thước thanh trượt trục X: 25x10x420 mm; trục Y: 15x10x520 mm) cho phép đạt vận tốc di chuyển cực đại $V_{max} = 0,16\text{ m/s}$.
  • Trục cấp bo mạch (Trục $X_{Workpiece}$): Sử dụng bộ truyền vít me – đai ốc ma sát trượt độc lập dài 330 mm ($d_1 = 8\text{ mm}$, bước ren 4 mm, 4 mối ren) giúp đưa phôi bo mạch vào/ra vùng làm việc tự động.
  • Cơ cấu gắp chip: Cơ cấu hút chân không SMT sử dụng bơm chân không mini 12 V gắn trực tiếp đầu giác hút trên trục Z, di chuyển theo phương thẳng đứng giúp loại bỏ va chạm cơ học so với cơ cấu tay kẹp.

2. Kiến trúc phần cứng điều khiển và điện

Hệ thống điều khiển trung tâm được xây dựng trên nền tảng vi điều khiển mã nguồn mở:

  • Khối xử lý trung tâm: Vi điều khiển Arduino Mega 2560 cấp nguồn 12 VDC.
  • Khối công suất mở rộng: Board mở rộng RAMPS 1.4 tích hợp 3 cổng ra Mosfet điều khiển PWM, 2 cầu chì tự phục hồi (5 A cho hệ thống và 10 A cho tải phụ), hỗ trợ giao tiếp I2C, SPI và khe cắm thẻ nhớ SD/màn hình LCD.
  • Mạch lái động cơ: 5 module driver Allegro A4988 cấp nguồn logic 5 VDC để điều khiển vi bước cho 5 động cơ bước NEMA 17 (200 bước/vòng, góc bước 1,8°, dòng danh định 0,9 A, điện áp hoạt động 12–36 VDC).
  • Khối nguồn chính: Bộ chuyển đổi nguồn 220 VAC sang 12 VDC - 1 A cung cấp cho toàn bộ mạch điều khiển và bơm chân không.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 1 phân tích bức tranh tổng thể về ngành công nghiệp đóng gói và lắp ráp linh kiện điện tử trong nước và quốc tế. Tác giả chỉ rõ khoảng cách công nghệ giữa các dây chuyền lắp ráp chip tự động tại các tập đoàn nước ngoài và thực trạng gia công thủ công ở các doanh nghiệp Việt Nam thời điểm năm 2016. Từ việc đánh giá những nhược điểm về sai số và năng suất của thao tác thủ công, chương này xác định phạm vi nghiên cứu, các yêu cầu kỹ thuật cần đạt được và đặt nền móng cho việc chế tạo một hệ thống máy gắp đặt chip tự động nội địa với chi phí tối ưu.

Chương 2: Các phương án thiết kế cơ khí và chế tạo

Chương 2 tập trung so sánh, đánh giá 4 phương án bố trí động học không gian:

  1. Phương án bo mạch cố định: Giảm sai số vị trí bo mạch nhưng cụm trục Z phải gánh toàn bộ tải trọng của hệ thống và việc thay bo mạch thủ công làm gián đoạn chu trình.
  2. Phương án bo mạch di chuyển trên 1 trục: Giảm rung động cho khung máy nhưng dễ tích lũy sai số theo phương trượt nếu cơ cấu truyền động gia công chưa chuẩn xác.
  3. Phương án bo mạch di chuyển trên 2 trục: Đầu hút đứng yên, không thể lấy chip linh hoạt từ khay cấp linh kiện.
  4. Phương án bo mạch di chuyển độc lập với đầu công tác: Phương án tối ưu được chọn. Bàn cấp bo mạch hoạt động độc lập theo phương ngang, trong khi đầu hút chân không di chuyển linh hoạt trên hệ trục tọa độ 3 chiều $X-Y-Z$, cho phép cấp phôi liên tục.

Chương này cũng trình bày chi tiết tính toán công suất động cơ cho từng trục:

  • Trục X: Tải trọng $P_x = 30\text{ N}$, vận tốc $V_{max} = 0,16\text{ m/s}$, hiệu suất bộ truyền $\eta = 0,95$, công suất cần thiết $P_{dc} = 5\text{ W}$ (chọn động cơ công suất tối thiểu 10 W).
  • Trục Y: Tải trọng $P_y = 50\text{ N}$, vận tốc $V_{max} = 0,16\text{ m/s}$, hiệu suất bộ truyền $\eta = 0,95$, công suất cần thiết $P_{dc} = 8,4\text{ W}$ (chọn động cơ công suất tối thiểu 10 W).

Kết quả mô phỏng tĩnh học phần tử hữu hạn (FEA) trên SolidWorks Simulation dưới tải trọng thử nghiệm tĩnh 100 N được tổng hợp trong bảng:

Bộ phận kết cấu Ứng suất Max ($\text{N/m}^2$) Ứng suất Min ($\text{N/m}^2$) Độ chuyển vị Max (mm) Chiều dài chi tiết (mm)
Chân đế (PROFILE 20x20) $7,02772 \times 10^5$ $3,37071 \times 10^5$ 0,00115 150
Trục Y (PROFILE 20x20) $6,54969 \times 10^6$ $3,07800 \times 10^3$ 0,05040 500
Trục X (PROFILE 20x20) $5,07635 \times 10^6$ $4,08600 \times 10^3$ 0,03170 412
Đồ gá động cơ (dày 5 mm) $2,72054 \times 10^7$ $1,62400 \times 10^3$ Rất nhỏ -

Kết quả mô phỏng cho thấy độ võng và chuyển vị biến dạng của các trục là rất nhỏ so với chiều dài kết cấu, khẳng định khung nhôm định hình 20x20 mm hoàn toàn đủ điều kiện làm việc ổn định.

Chương 4: Động học và động lực học của máy

Chương 4 thiết lập mô hình toán học cho hệ thống 3 bậc tự do tịnh tiến dạng Cartesian. Áp dụng phương pháp Denavit - Hartenberg (D-H), hệ thống được mô hình hóa qua bảng tham số D-H:

Khâu / Khớp ($i$) Góc khớp $\theta_i$ (độ) Độ dịch biến khớp $d_i$ Chiều dài khâu $L_i$ Góc xoắn $\alpha_i$ (độ)
1 $-90^\circ$ 0 $L_1$ $0^\circ$
2 $90^\circ$ $L_2$ 0 $-90^\circ$
3 $0^\circ$ $L_3$ 0 $0^\circ$

Các ma trận biến đổi thuần nhất giữa các hệ tọa độ liên tiếp được xác lập:

  • Ma trận biến đổi từ khâu 0 sang khâu 1: $^{0}T_1$
  • Ma trận biến đổi từ khâu 1 sang khâu 2: $^{1}T_2$
  • Ma trận biến đổi từ khâu 2 sang khâu 3: $^{2}T_3$

Ma trận chuyển vị tổng hợp từ hệ quy chiếu gốc $R$ đến đầu công tác ($^{R}T_4$) được tính toán thông qua tích các ma trận thành phần: $$^{R}T_4 = {^{0}T_1} \cdot {^{1}T_2} \cdot {^{2}T_3} = \begin{bmatrix} 0 & 0 & -1 & l_1 - l_3 \ 0 & 1 & 0 & l_2 \ 1 & 0 & 0 & 0 \ 0 & 0 & 0 & 1 \end{bmatrix}$$

Phân tích vi phân vận tốc chỉ ra rằng vì các chuyển động thuần túy là tịnh tiến dọc theo các trục $X, Y, Z$, phương trình véctơ vận tốc đầu công tác có dạng $V = [\dot{x}, \dot{y}, \dot{z}, 0, 0, 0]^T$. Ma trận Jacobi $J$ của hệ thống suy biến thành ma trận đơn vị $3 \times 3$, giúp việc tính toán và điều khiển bám quỹ đạo vận tốc trở nên trực tiếp và thuận tiện.

Chương 5: Hệ thống điều khiển – Hệ thống điện của máy

Chương 5 thuyết minh chi tiết sơ đồ mạch điện nguyên lý và kiến trúc phần mềm điều khiển. Tác giả phân tích cấu trúc mạch tích hợp giữa Arduino Mega 2560, RAMPS 1.4 và cụm 5 driver A4988 điều khiển động cơ bước NEMA 17.

Về mặt giải thuật, chương này trình bày chi tiết thuật toán nội suy Midpoint nhằm phân bổ xung điều khiển đều đặn cho các trục, đảm bảo đầu hút di chuyển trơn tru trên các đoạn chuyển tiếp mà không bị giật cục. Lưu đồ giải thuật hệ thống mô tả chu trình khép kín: Khởi tạo hệ thống $\rightarrow$ Nhập tọa độ gắn chip $\rightarrow$ Đưa bo mạch vào vị trí thông qua trục vít me $\rightarrow$ Điều khiển đầu hút di chuyển lấy chip từ khay $\rightarrow$ Di chuyển đến vị trí cần gắn trên bo mạch $\rightarrow$ Hạ trục Z và ngắt giác hút chân không $\rightarrow$ Đẩy bo mạch hoàn thành ra ngoài.

Chương 5 (Phần thực nghiệm): Kết quả đạt được và thực nghiệm

Phần này trình bày kết quả thử nghiệm mô hình thực tế. Thiết bị được hoàn thiện với giao diện hiển thị qua màn hình LCD và bảng điều khiển nút bấm cơ học, cho phép người vận hành thiết lập và giám sát quá trình gắp chip. Các dữ liệu kiểm tra sai số định vị dọc theo hai phương $X$ và $Y$ được ghi nhận qua các biểu đồ dung sai, phản ánh khả năng định vị ổn định của cơ cấu chấp hành trong điều kiện vận hành thực tế.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật đạt được

  • Chế tạo thành công mô hình máy gắn chip 3 trục Cartesian hoạt động đồng bộ với hệ thống cấp bo mạch tự động.
  • Kết cấu khung máy nhôm định hình 20x20 mm có tổng trọng lượng nhẹ (8,01 kg), độ biến dạng chuyển vị lớn nhất chỉ đạt $0,0504\text{ mm}$ trên trục Y dưới tải trọng thử nghiệm tĩnh 100 N, đáp ứng độ bền và độ cứng vững cho quá trình gắp đặt.
  • Thiết kế và dẫn động thành công 5 động cơ bước NEMA 17 thông qua board điều khiển RAMPS 1.4 và Arduino Mega 2560, kết hợp cụm đầu hút chân không SMT 12 V định vị chính xác linh kiện chip kích thước 27 mm x 9 mm lên bo mạch kích thước 41 mm x 51 mm.
  • Xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học D-H, ma trận biến đổi thuần nhất $^{R}T_4$, ma trận Jacobi $J$ và lưu đồ giải thuật nội suy Midpoint cho hệ thống cơ điện tử.

2. Đóng góp của đề tài

  • Cung cấp một giải pháp thiết kế cơ điện tử hoàn chỉnh, tích hợp phần cứng mã nguồn mở chi phí thấp nhằm giải quyết bài toán tự động hóa công đoạn dán chip SMD cho các phòng thí nghiệm, cơ sở đào tạo và xưởng sản xuất điện tử vừa và nhỏ.
  • Chuẩn hóa quy trình tính toán thiết kế máy công cụ mini: từ phân tích phương án động học, tính toán công suất truyền động, kiểm nghiệm bền bằng mô phỏng phần tử hữu hạn (FEA) trên SolidWorks đến lập trình điều khiển vi bước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế

  • Kết cấu cơ khí: Sử dụng nhôm định hình và bộ truyền vít me – đai ốc ma sát trượt có hiệu suất truyền động thấp (chỉ đạt 30–40%) và nhanh mòn ren theo thời gian so với vít me bi; độ cứng vững của khung nhôm chưa tối ưu khi máy vận hành ở dải tốc độ cao.
  • Hệ thống cảm biến và thị giác: Hệ thống chưa tích hợp camera kiểm tra quang học (Optical Inspection) để tự động nhận dạng góc xoay lệch của linh kiện trên khay cấp phôi nhằm bù trừ sai số trước khi gắn.
  • Tính linh hoạt: Hệ thống mới thử nghiệm trên một kích thước bo mạch cố định (41 mm x 51 mm) và một loại kích thước linh kiện chip (27 mm x 9 mm), chưa hỗ trợ cơ cấu cấp phôi đa chủng loại linh kiện dán.

2. Hướng phát triển đề tài

  • Nâng cấp bộ truyền động sang vít me bi và ray trượt công nghiệp có độ chính xác cao hơn để tăng tốc độ di chuyển và độ bền cơ học.
  • Tích hợp hệ thống xử lý ảnh (Computer Vision) kết hợp cảm biến quang để tự động căn chỉnh tọa độ tâm và góc xoay linh kiện trước khi đặt lên bo mạch.
  • Mở rộng cơ cấu cấp phôi tự động dạng cuộn băng (Feeder Tape) để cấp được nhiều loại linh kiện SMD với kích thước khác nhau trong cùng một chu trình làm việc.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên ngành hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Cơ khí Chế tạo máy và Kỹ thuật Tự động hóa:

  • Tham khảo thiết kế cơ khí và mô phỏng: Phương pháp tính chọn bộ truyền vít me, đai răng và quy trình mô phỏng ứng suất/chuyển vị trên SolidWorks Simulation cho các kết cấu máy CNC/robot Cartesian mini.
  • Tham khảo mô hình toán học: Cách thức thiết lập bảng tham số Denavit - Hartenberg, xây dựng ma trận chuyển vị thuần nhất và ma trận Jacobi cho hệ thống robot 3 bậc tự do tịnh tiến.
  • Tham khảo tích hợp hệ thống điều khiển: Sơ đồ kết nối phần cứng vi điều khiển Arduino Mega 2560 kết hợp board RAMPS 1.4, driver A4988 điều khiển động cơ bước và cơ cấu bơm hút chân không trong các ứng dụng tự động hóa sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Máy gắn chip trong đồ án được thiết kế để xử lý loại linh kiện và bo mạch có kích thước bao nhiêu?
Máy được thiết kế và tính toán để gắp các linh kiện chip dán bề mặt có kích thước 27 mm x 9 mm và đặt chính xác lên bo mạch in (PCB) có kích thước giới hạn 41 mm x 51 mm.

2. Tại sao nhóm tác giả lại lựa chọn phương án bo mạch di chuyển độc lập với đầu công tác?
Phương án này cho phép tách biệt chuyển động cấp bo mạch với hệ thống gắp đặt 3 trục $X-Y-Z$. Bo mạch được cấp vào và đẩy ra tự động liên tục theo phương ngang bằng trục vít me riêng biệt mà không làm tăng tải trọng quán tính lên cụm trục đầu hút, đồng thời giúp đầu hút chân không di chuyển linh hoạt tới mọi vị trí của khay chip và bo mạch.

3. Kết quả mô phỏng SolidWorks Simulation cho thấy khả năng chịu lực của khung máy ra sao dưới tải trọng 100 N?
Dưới tải trọng thử nghiệm tĩnh 100 N, ứng suất cực đại xuất hiện trên trục Y là $6,54969 \times 10^6\text{ N/m}^2$ (độ chuyển vị lớn nhất $0,0504\text{ mm}$ trên chiều dài 500 mm), trên trục X là $5,07635 \times 10^6\text{ N/m}^2$ (độ chuyển vị $0,0317\text{ mm}$ trên chiều dài 412 mm), và trên chân đế là $7,02772 \times 10^5\text{ N/m}^2$ (độ chuyển vị $0,00115\text{ mm}$). Các biến dạng này là vô cùng nhỏ, đảm bảo hệ khung nhôm PROFILE 20x20 mm hoạt động ổn định.

4. Hệ thống điện và điều khiển của máy sử dụng những thiết bị phần cứng cốt lõi nào?
Hệ thống sử dụng vi điều khiển Arduino Mega 2560 kết hợp mạch điều khiển trung gian RAMPS 1.4, 5 bộ driver Allegro A4988 điều khiển vi bước cho 5 động cơ bước NEMA 17 JAPAN (200 bước/vòng, góc bước 1,8°), bộ nguồn biến đổi 220 VAC sang 12 VDC - 1 A và 1 bơm hút chân không mini SMT 12 V.

5. Cơ cấu đầu công tác thực hiện việc lấy và nhả linh kiện chip dựa trên nguyên lý nào?
Đầu công tác sử dụng nguyên lý hút chân không (Vacuums) thay vì kẹp cơ học. Khi trục Z hạ xuống vị trí khay chứa, bơm chân không 12 V tạo áp suất âm tại đầu giác hút để giữ chip, sau đó di chuyển đến tọa độ trên bo mạch và ngắt chân không để thả linh kiện chính xác vào vị trí cần hàn gắn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế - Chế tạo máy gắn chip" của nhóm tác giả Mai Trọng Nhân, Lê Quang Nhật, Nguyễn Văn Nhớ (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh) đã hoàn thành xuất sắc mục tiêu nghiên cứu và chế tạo thành công một hệ thống cơ điện tử gắp đặt linh kiện SMD tự động. Công trình kết hợp chặt chẽ giữa tính toán động học robot (D-H, Jacobi), mô phỏng độ bền kết cấu (SolidWorks Simulation) và tích hợp điều khiển nhúng giá thành thấp (Arduino Mega, RAMPS 1.4, NEMA 17). Mô hình thực nghiệm chứng minh tính khả thi cao trong việc tự động hóa khâu lắp ráp vi mạch cho quy mô sản xuất vừa và nhỏ, đồng thời tạo tiền đề cho các hướng nghiên cứu nâng cao về thị giác máy tính và cơ cấu cấp phôi liên tục.