Разработка электронной схемы для управления электродвигателями постоянного тока в оптимизированном станке с ЧПУ.

Цель работы: оптимизация изготовления печатных плат с помощью оригинальной конструкции сверлильного станка с ЧПУ.

При изготовлении печатных плат в условиях любительской или учебной лаборатории имеется проблема быстрого сверления отверстии под ножки деталей, по рисунку предварительно спроектированной монтажной схемы. Проблема заключается в большой частоте и малом диаметре отверстий (допустим под микросхему), что делает неудобным и опасным (имеется вероятность скола сверла) проводить процесс сверления вручную.

В процессе работы, используя теоретический метод исследования, мы рассмотрели устройства, предлагаемые другими авторами для решения данной проблемы. Такими устройствами являются всевозможные станки с числовым программным управлением, которые высверливают отверстия на заготовке по предварительно внесенному в программу управления рисунку. Мы изучили основные отличительные особенности данных устройств и выявил их плюсы и минусы. Данные станки работают под управлением различных программ и имеют довольно-таки разное строение, но все же имеется одна черта, которая объединяет все предлагаемые конструкции. Этой чертой является использование в станках шаговых двигателей. Вариант самодельного станка с ЧПУ с применением шаговых двигателей показан на рисунке:

Это понижает плавность работы станка, так как шаговые двигатели работают рывками. Так же применение шаговых двигателей увеличивает стоимость станка, так как стоимость мощных шаговых двигателей начинается от 1500 рублей, а применять их нужно три штуки, либо, при условии применения двигателей меньшей мощности ставить их по два на каждую ось перемещения. Но замена шаговых двигателей на электродвигатели постоянного тока потребовала изменения драйверов управления. Принципиальная схема драйверов управления шаговыми двигателями показана на рисунке:

Электронная часть станка была изменена практически полностью.

Используя практический метод исследования, мы разработали электронную схему, где переключение направления вращения электродвигателей осуществляется с помощью магнитных реле, а сами реле управляются транзисторными ключами. Принципиальная схема драйверов управления электродвигателями постоянного тока показана на рисунке:

Схема работает следующим образом: разработанная в процессе проектирования станка программа управления выдает на выводы LPT порта логические уровни «0» и «1». К соответствующим выводам порта подключены базы транзисторных ключей VT1 – VT7.

Транзисторы VT1 и VT2 управляют электромагнитными реле К1 и К2, к контактом которых подключен двигатель поперечной подачи инструмента в горизонтальной плоскости. С помощью переключения электромагнитных реле осуществляется коммутация питающего напряжения (12В) с контактами электродвигателя М1. При включении реле К1 двигатель М1 начинает крутиться вправо, при включении К2 – влево. Когда оба реле выключены - двигатель находится в положении покоя, так как на оба его контакта подается отрицательный потенциал.

Управление двигателями продольной подачи в горизонтальной плоскости и подъёмом и опусканием инструмента в вертикальной плоскости осуществляется по тому же принципу. Двигатель продольной подачи М2 управляется транзисторами VT3 и VT4 и реле К3, К4. Двигатель подъема и опускания инструмента в вертикальной плоскости (М3) управляется транзисторами VT5 иVT6 и реле К5, К6.

Включение основного рабочего двигателя М4 осуществляется с помощью транзисторного ключа VT7, коллекторной нагрузкой которого, является двигатель.

Используя экспериментальный метод исследования, был собран малогабаритный сверлильный станок с ЧПУ с применением электродвигателей постоянного тока, управляемых с помощью разработанной схемы. Схема управления была собрана на макетной плате. Внешний вид станка с применением электродвигателей постоянного тока показан на рисунке:

Станок использовался в лаборатории объединения «Радиотехник» для изготовления печатных плат для выполнения плановых практических работ, таких как: усилитель постоянного тока, генератор звуковой частоты, мультивибратор и другие.

Авторы: Сорокин Максим, 9 класс (СОШ №30 города Костромы), Фёдоров Дмитрий, 10 класс (СОШ №38 города Костромы)
Руководитель: Шестаков Александр Александрович, педагог дополнительного образования ЦДТ «Содружество», педагог-новатор Российской научно-социальной программы «Шаг в будущее»

Центр детского творчества города Костромы «Содружество»
Объединение «Радиотехник»

Надоело, в общем то, сверлить платы ручной сверлилкой поэтому решено было изготовить небольшой сверлильный станок исключительно для печатных плат. Конструкций в интернете полным полно, на любой вкус.Посмотрев несколько описаний подобных сверлилок, пришел к решению повторить сверлильный станок на основе элементов от ненужного, старого CD ROM’a. Разумеется, для изготовления этого сверлильного станочка придется использовать материалы те, что находятся под рукой.

От старого CD ROM’a для изготовления сверлильного станочка берем только стальную рамку со смонтированными на ней двумя направляющими и каретку, которая передвигается по направляющим. На фото ниже все это хорошо видно.

На подвижной каретке будет укреплен электродвигатель сверлилки. Для крепления электродвигателя к каретке был изготовлен Г-образный кронштейн из полоски стали толщиной 2 мм.

В кронштейне сверлим отверствия для вала двигателя и винтов его крепления.

В первом варианте для сверлильного станочка был выбран электродвигатель типа ДП25-1,6-3-27 с напряжением питания 27 В и мощностью 1,6 Вт. Вот он на фото:

Как показала практика, этот двигатель слабоват для выполнения сверлильных работ. Мощности его (1,6 Вт) недостаточно- при малейшей нагрузке двигатель просто останавливается.

Вот так выглядел первый вариант сверлилки с двигателем ДП25-1,6-3-27 на стадии изготовления:

Поэтому пришлось искать другой электродвигатель-помощнее. А изготовление сверлилки застопорилось…

Продолжение процесса изготовления сверлильного станочка.

Через некоторое время попал в руки электродвигатель от разобранного неисправного струйного принтера Canon:

На двигателе нет маркировки, поэтому его мощность неизвестна. На вал двигателя насажена стальная шестерня. Вал этого двигателя имеет диаметр 2,3 мм. После снятия шестерни, на вал двигателя был надет цанговый патрончик и сделано несколько пробных сверлений сверлом диаметром 1 мм. Результат был обнадеживающим- «принтерный» двигатель был явно мощнее двигателя ДП25-1,6-3-27 и свободно сверлил текстолит толщиной 3мм при напряжении питания 12 В.

Поэтому изготовление сверлильного станочка было продолжено…

Крепим электродвигатель с помощью Г-образного кронштейна к подвижной каретке:

Основание сверлильного станочка изготовлено из стеклотекстолита толщиной 10мм.

На фото – заготовки для основания станочка:

Для того, чтобы сверлильный станочек не ёрзал по столу во время сверления, на нижней стороне установлены резиновые ножки:

Конструкция сверлильного станочка –консольного типа, то есть несущая рамка с двигателем закреплена на двух консольных кронштейнах, на некотором расстоянии от основания. Это сделано для того, чтобы обеспечить сверление достаточно больших печатных плат. Конструкция ясна из эскиза:

Рабочая зона станочка, виден белый светодиод подсветки:

Вот так реализована подсветка рабочей зоны. На фото наблюдается избыточная яркость освещения. На самом деле-это ложное впечатление (это бликует камера)- в реальности все выглядит очень хорошо:

Консольная конструкция позволяет сверлить платы шириной не менее 130 мм и неограниченной (в разумных пределах) длиной.

Замер размеров рабочей зоны:

На фото видно, что расстояние от упора в основание сверлильного станочка до оси сверла составляет 68мм, что и обеспечивает ширину обрабатываемых печатных плат не менее 130мм.

Для подачи сверла вниз при сверлении имеется нажимной рычаг-виден на фото:

Для удержания сверла над печатной платой перед процессом сверления, и возврата его в исходное положение после сверления, служит возвратная пружина, которая надета на одну из направляющих:

Система автоматической регулировки оборотов двигателя в зависимости от нагрузки.

Для удобства пользования сверлильным станочком было собрано и испытано два варианта регуляторов частоты вращения двигателя. В первоначальном варианте сверлилки с электродвигателем ДП25-1,6-3-27 регулятор был собран по схеме из журнала Радио №7 за 2010 год:

Этот регулятор работать как положено не захотел, поэтому был безжалостно выброшен в мусор.

Для второго варианта сверлильного станка, на основе электродвигателя от струйного принтера Canon, на сайте котов-радиолюбителей была найдена еще одна схема регулятора частоты вращения вала электродвигателя:

Данный регулятор обеспечивает работу электродвигателя в двух режимах:

1. При отсутствии нагрузки или, другими словами, когда сверло не касается печатной платы, вал электродвигателя вращается с пониженными оборотами (100-200 об/мин).
2. При увеличении нагрузки на двигатель регулятор увеличивает обороты до максимальных, тем самым обеспечивая нормальный процесс сверления.

Регулятор частоты вращения электродвигателя собранный по этой схеме заработал сразу без настройки. В моем случае частота вращения на холостом ходу составила около 200 об/мин. В момент касания сверла печатной платы-обороты увеличиваются до максимальных. После завершения сверления, этот регулятор снижает обороты двигателя до минимальных.

Регулятор оборотов электродвигателя был собран на небольшой печатной платке:

Транзистор КТ815В снабжен небольшим радиатором.

Плата регулятора установлена в задней части сверлильного станочка:

Здесь резистор R3 номиналом 3,9 Ом был заменен на МЛТ-2 номиналом 5,6 Ом.

Испытания сверлильного станка прошли успешно. Система автоматической регулировки частоты вращения вала электродвигателя работает четко и безотказно.

Небольшой видеоролик о работе сверлильного станка.

Сейчас аппаратура быстро устаревает. Всё, что остаётся не у дел, надо снова пускать в дело!
Например, механизмы приводов компакт-дисков применимы для постройки сверлильного станка.

Нам потребуется:
1) Кусок ДСП, лучше ЛДСП - станок должен быть красивым
2) Два механизма от CD привода
3) Уголок 25×25 … 35×35 из алюминия или дюралюминия Д16-Т, некритично
4) Труба прямоугольная 15×30 (размер важен)
5) Электродвигатель диаметром 25 мм, с максимально возможным количеством оборотов в минуту, например, типа ДПМ-25
6) Кнопка любая
7) Сверло перовое 25 мм
8) Винты М3 с гайками, саморезы
9) Кусок древесины, желательно твёрдых пород, отлично подходит 12 мм фанера - 12×27х30…50 мм

Итак, приступаем.
Размеры станка определяйте сами, они будут зависеть от максимального размера плат, которые вы будете изготавливать, плюс расстояние от механизмов до центра.
В механизмах CD приводов удалите электродвигатель привода диска, лазерную головку. Прямоугольная труба становится вместо лазерной головки идеально.

В прямоугольную трубу плотно вставьте 2 куска древесины длинной по 30-50 мм на клею или дополнительно закрепите саморезами.

В в верхней стенке прямоугольной трубы по центру просверлите отверстие 25 мм, в нижней стенке отверстие для вала двигателя.

Закрепите двигатель.

Закрепите оба механизма саморезами на прямоугольной трубе. В куске ЛДСП сделайте 2 пропила, закрепите всё это на куске ЛДСП. Сверху закрепите уголок с кнопкой S2 (см. схему).

Несколько крупных белых светодиодов освещают рабочую поверхность.

Трансформатор питания можно применить на 20-30 Ватт, напряжение вторичной обмотки зависит от вашего двигателя.

Конструкция «педали» понятна из фотографии. Два отрезка ДСП, мебельная петля и микропереключатель.

Перекос не возникает, после подъёма происходит выравнивание автоматически, у меня после годовой эксплуатации ни разу перекоса не было, двигатели подъёма вращаются синхронно.

Цангу закрепляю на двигателе и винтами юстирую до минимальных биений , т.к. твёрдосплавные свёрла при малейших биениях ломаются.
Мне удалось выставить практически без биений.

Видео сверлильного станка в работе

Сверлильный станок для печатных плат относится к категории мини-оборудования специального назначения. При желании такой станок можно сделать своими руками, используя для этого доступные комплектующие. Любой специалист подтвердит, что без использования подобного аппарата трудно обойтись при производстве электротехнических изделий, элементы схем которых монтируются на специальных печатных платах.

Общая информация о сверлильных станках

Любой сверлильный станок необходим для того, чтобы обеспечить возможность эффективной и точной обработки деталей, изготовленных из различных материалов. Там, где необходима высокая точность обработки (а это относится и к процессу сверления отверстий), из технологического процесса необходимо максимально исключить ручной труд. Подобные задачи и решает любой , в том числе и самодельный. Практически не обойтись без станочного оборудования при обработке твердых материалов, для сверления отверстий в которых усилий самого оператора может не хватить.

Конструкция настольного сверлильного станка с ременной передачей (нажмите для увеличения)

Любой станок для сверления – это конструкция, собранная из множества составных частей, которые надежно и точно фиксируются друг относительно друга на несущем элементе. Часть из этих узлов закреплена на несущей конструкции жестко, а некоторые могут перемещаться и фиксироваться в одном или нескольких пространственных положениях.

Базовыми функциями любого сверлильного станка, за счет которых и обеспечивается процесс обработки, является вращение и перемещение в вертикальном направлении режущего инструмента – сверла. На многих современных моделях таких станков рабочая головка с режущим инструментом может перемещаться и в горизонтальной плоскости, что позволяет использовать это оборудование для сверления нескольких отверстий без передвижения детали. Кроме того, в современные станки для сверления активно внедряют системы автоматизации, что значительно увеличивает их производительность и повышает точность обработки.

Ниже для примера представлены несколько вариантов конструкции для плат. Любая из данных схем может послужить образцом для вашего станка.

Особенности оборудования для сверления отверстий в печатных платах

Станок для сверления печатных плат – это одна из разновидностей сверлильного оборудования, которое, учитывая очень небольшие размеры обрабатываемых на нем деталей, относится к категории мини-устройств.

Любой радиолюбитель знает, что печатная плата – это основание, на котором монтируются составные элементы электронной или электрической схемы. Изготавливают такие платы из листовых диэлектрических материалов, а их размеры напрямую зависят от того, какое количество элементов схемы на них необходимо разместить. Любая печатная плата вне зависимости от ее размеров решает одновременно две задачи: точное и надежное позиционирование элементов схемы относительно друг друга и обеспечение прохождения между такими элементами электрических сигналов.

В зависимости от назначения и характеристик устройства, для которого создается печатная плата, на ней может размещаться как небольшое, так и огромное количество элементов схемы. Для фиксации каждого из них в плате необходимо просверлить отверстия. К точности расположения таких отверстий относительно друг друга предъявляются очень высокие требования, так как именно от этого фактора зависит, правильно ли будут расположены элементы схемы и сможет ли она вообще работать после сборки.

Сложность обработки печатных плат состоит еще и в том, что основная часть современных электронных компонентов имеет миниатюрные размеры, поэтому и отверстия для их размещения должны иметь небольшой диаметр. Для формирования таких отверстий используется миниатюрный инструмент (в некоторых случаях даже микро). Понятно, что работать с таким инструментом, используя обычную дрель, не представляется возможным.

Все вышеперечисленные факторы привели к созданию специальных станков для формирования отверстий в печатных платах. Эти устройства отличаются несложной конструкцией, но позволяют значительно повысить производительность такого процесса, а также добиться высокой точности обработки. Используя сверлильный мини-станок, который несложно изготовить и своими руками, можно оперативно и максимально точно сверлить отверстия в печатных платах, предназначенных для комплектации различных электронных и электротехнических изделий.

Как устроен станок для сверления отверстий в печатных платах

От классического сверлильного оборудования станок для формирования отверстий в печатных платах отличается миниатюрными размерами и некоторыми особенностями своей конструкции. Габариты таких станков (в том числе и самодельных, если для их изготовления правильно подобраны комплектующие и их конструкция оптимизирована) редко превышают 30 см. Естественно, и вес их незначительный – до 5 кг.

Если вы собираетесь изготовить сверлильный мини-станок своими руками, вам необходимо подобрать такие комплектующие, как:

• несущая станина;
• стабилизирующая рамка;
• планка, которая будет обеспечивать перемещение рабочей головки;
• амортизирующее устройство;
• ручка для управления перемещением рабочей головки;
• устройство для крепления электродвигателя;
• сам электрический двигатель;
• блок питания;
• цанга и переходные устройства.

Чертежи деталей станка (нажмите для увеличения)

Разберемся в том, для чего предназначены все эти узлы и как из них собрать самодельный мини-станок.

Конструктивные элементы сверлильного мини-станка

Сверлильные мини-станки, собранные своими руками, могут серьезно отличаться друг от друга: все зависит от того, какие комплектующие и материалы были использованы для их изготовления. Однако как заводские, так и самодельные модели такого оборудования работают по одному принципу и предназначены для выполнения схожих функций.

Несущим элементом конструкции является станина-основание, которая также обеспечивает устойчивость оборудования в процессе выполнения сверления. Исходя из назначения данного конструктивного элемента, изготавливать станину желательно из металлической рамки, вес которой должен значительно превышать суммарную массу всех остальных узлов оборудования. Если пренебречь этим требованием, вы не сможете обеспечить устойчивость вашего самодельного станка, а значит, не добьетесь требуемой точности сверления.

Роль элемента, на котором крепится сверлильная головка, выполняет переходная стабилизирующая рамка. Ее лучше всего изготовить из металлической рейки или уголков.

Планка и амортизирующее устройство предназначены для обеспечения вертикального перемещения сверлильной головки и ее подпружинивания. В качестве такой планки (ее лучше зафиксировать с амортизатором) можно использовать любую конструкцию (важно только, чтобы она выполняла возложенные на нее функции). В этом случае может пригодиться мощный гидравлический амортизатор. Если же такого амортизатора у вас нет, планку можно изготовить своими руками либо использовать пружинные конструкции, снятые со старой офисной мебели.

Управление вертикальным перемещением сверлильной головки осуществляется при помощи специальной ручки, один конец которой соединяют с корпусом сверлильного мини-станка, его амортизатором или стабилизирующей рамкой.

Крепление для двигателя монтируют на стабилизирующей рамке. Конструкция такого устройства, в качестве которого может выступать деревянный брусок, хомут и др., будет зависеть от конфигурации и конструктивных особенностей остальных узлов сверлильного станка для печатных плат. Использование такого крепления обусловлено не только необходимостью его надежной фиксации, но также тем, что вы должны вывести вал электродвигателя на требуемое расстояние от планки перемещения.

Выбор электрического двигателя, которым можно оснастить сверлильный мини-станок, собираемый своими руками, не должен вызвать никаких проблем. В качестве такого приводного агрегата можно использовать электродвигатели от компактной дрели, кассетного магнитофона, дисковода компьютера, принтера и других устройств, которыми вы уже не пользуетесь.

В зависимости от того, какой электрический двигатель вы нашли, подбираются зажимные механизмы для фиксации сверл. Наиболее удобными и универсальными из таких механизмов являются патроны от компактной дрели. Если подходящий патрон найти не удалось, можно использовать и цанговый механизм. Подбирайте параметры зажимного устройства так, чтобы в нем можно было фиксировать очень мелкие сверла (или даже сверла размера «микро»). Для соединения зажимного устройства с валом электродвигателя необходимо использовать переходники, размеры и конструкция которых будут определяться типом выбранного электродвигателя.

В зависимости от того, какой электродвигатель вы установили на свой сверлильный мини-станок, необходимо подобрать блок питания. Обращать внимание при таком выборе следует на то, чтобы характеристики блока питания полностью соответствовали параметрам напряжения и силы тока, на которые рассчитан электродвигатель.

Добрый вечер всем. Была у меня проблема со сверлением отверстий в печатных платах, то делал это при помощи электродрели, то шуруповерта или электромотора с цанговым зажимом. Понятное дело, неудобно, громоздко. В общем решил что-то с этим делать. Выбор сразу пал на регулировку оборотов при помощи ШИМ. Первое, что сразу же пришло в голову - классика NE555, как раз было в закромах пару микросхем в DIP корпусе. В интернете множество схем, поискав не длительное время, остановился на данной схеме, немного переделав под себя естественно.

Трансформатор с выпрямителем сделал на отдельной плате, трансформатор включен в сеть через плавкий предохранитель на ток 2А, трансформатор на 19В, 1 А. Ключ у меня был IRLZ44, его и применил.
Кстати, печатная плата с самим регулятором получилась достаточно компактная. Конечно если применить планарные детали, можно значительно уменьшить устройство. Но повторюсь - делал из того что было. Вот собственно сама печатная плата:

Устройство на микросхеме NE555 позволил реализовать регулятор мощности с широтно-импульсной модуляцией, который применяется совместно с устройствами, питающимися от постоянного тока. Обладает высоким КПД, большой нагрузочной способностью и широким диапазоном питающих напряжений. Может использоваться для регулирования скорости вращения коллекторных электродвигателей постоянного тока, мощности нагревательных приборов, ламп накаливания, с максимальным током, зависящим от источника питания и выходного ключа.
Технические характеристики

Устройство и работа электронной схемы:
Устройство собрано на интегральном таймере, включенным в режиме генератора импульсов с постоянной частотой и мощным МДП-транзисторе, работающем в ключевом режиме. Скважность и длина импульсов изменяется положением движка переменного резистора, это позволяет регулировать коэффициент заполнения ШИМ, и следовательно - среднюю мощность в нагрузке.
Напряжение питание устройства не должно превышать 27В постоянного тока. В качестве регулирующего элемента применен МДП транзистор, работающий в ключевом режиме. Так как в открытом состоянии сопротивление перехода сток-исток имеет очень низкое сопротивление, то на транзисторе, даже при коммутировании токов 10А, выделяется незначительное количество тепла. Но на всякий случай я установил радиатор площадью 50см2. Конструкцию смонтировал в корпус с ближайшего радиорынка:

На передней панели потенциометр с ручкой, для регулировки оборотов, индикатор питания, тумблер питания, держатель предохранителя, в котором установлен фьюз на 2А, защищающий выход регулятора от перегрузки или короткого замыкания. Клеммная колодка - для нагрузки и отдельно постоянное напряжение 20 В с выпрямителя, мало-ли, вдруг пригодится.
Теперь самое главное, электродвигатель… Разобрал старый советский мамин фен (мама спасибо за фен =)), изъял оттуда электродвигатель, купил на радиорынке набор латунных цанговых зажимов и попробовал по сверлить.