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»
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.
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:
- При отсутствии нагрузки или, другими словами, когда сверло не касается печатной платы, вал электродвигателя вращается с пониженными оборотами (100-200 об/мин).
- 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.
Учебное пособие для подготовки
рабочих на производстве
Практикум по слесарным работам
Управление сверлильным станком
Ограничение хода шпинделя регулируют, перемещая его в вертикальном направлении при повороте рукоятки подъема и опускания пиноли (рис. 149). Поворачивать рукоятку следует плавно, без рывков, от верхнего до нижнего упора вертикального хода шпинделя. При подаче сверла вниз его вершина с режущими кромками не должна соприкасаться с плоскостью стола.
Рис. 149. Вертикальное перемещение шпинделя со сверлом
Кроме того, наладка сверлильного станка может осуществляться вертикальным перемещением хобота (станок НС-12), для чего следует отвернуть на один оборот рукоятку зажима хобота. Поворотом рукоятки подъема хобота его перемещают вверх по колонке станка и после установки на необходимую высоту закрепляют на ней.
Наладка сверлильного станка может осуществляться также подъемом и опусканием стола (у станков, где это предусмотрено конструкцией). При низком расположении стола станка увеличивается плечо шпинделя, что приводит к снижению точности сверления и большой затрате времени на подвод сверла к детали.
Наладку сверлильного станка на заданную глубину сверления осуществляют по втулочным упорам на сверле (рис. 150) или измерительной линейке, закрепленной на станке (рис. 151). Для наладки сверло подводят к поверхности детали, сверля на глубину конуса сверла, и отмечают по стрелке (указателю) начальное показание на линейке. Затем к этому показанию прибавляют заданную глубину сверления и получают отметку, до которой следует производить сверление.
Рис. 150. Сверление несквозных отверстий по втулочному упору на сверле
Рис. 151. Сверление по упору на линейке:
1 - упор
Например, необходимо просверлить глухое отверстие на глубину 10 мм. Для этого следует подвести сверло и засверлить деталь на глубину, равную высоте конуса сверла, затем отсчитать по указателю размер (например, 26 мм), тогда сумма полученного показания с заданной глубиной сверления составит 26 + 10 = 36 мм. При сверлении отверстия следует следить за перемещением линейки. Когда размер 36 совпадет с указателем, сверление необходимо прекратить. Глубина сверления будет равна 10 мм.
Некоторые типы станков, кроме линейки, имеют механизмы автоматической подачи с лимбами, которые определяют ход сверл на требуемую глубину.
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.
