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»

При изготовление самодельных печатных плат такие тонкие отверстия не очень нужны, но типовые свёрла диаметром от 0,5 до 0,7 мм тоже достаточно хрупкие и это технологическое приспособление может существенно продлить срок их службы.

Основой конструкции данного станка является асинхронный двигатель переменного тока типа АДП-1262. Ротор этого двигателя представляет из себя пустотелый алюминиевый стакан с толщиной стенки приблизительно 0,5мм. Статор АДП-1262 занимает всё остальное свободное пространство. В нем имеется узкая цилиндрическая щель, в которой с очень маленьким зазором вращается ротор. Понятно, что вес такого ротора ничтожно мал, поэтому его инерционными свойствами в первом приближении можно пренебречь, особенно учитывая вес зажимного патрона. Кроме всего прочего, двигатель обладает очень мягкой характеристикой. При уменьшение оборотов двигателя, уменьшается и момент силы на валу. Всё это гарантирует долгий срок службы любым тонких свёрлам в случае заклинивания и при превышении допустимого максимального вращающего момента на режущей кромке.

В роли держателя свёрл я взял достаточно широко распространенный трёх кулачковый патрон типа 6В10, который позволяет зажимать свёрла диаметром до 6мм.

Станина сделана из двух основных частей. Стойка позиция 1 и реечный механизм позиция 2 взяты от оптического микроскопа МБС-1. Основание позиции три вырезано из стального листа толщиной 1 сантиметр.

Двигатель крепится помощью хомута, который закреплен к подающему механизму 4 винтами. Они показаны красными стрелками на рисунке выше. Отверстия сделаны в вершинах квадрата, поэтому двигатель можно разместить не только вертикально, но также и горизонтально.

Патрон крепится с помощью фасонной втулки, с наружной стороны которой протачивается конус №1, а внутри сделано отверстие под переходную посадку, равную диаметру вала двигателя около 6мм. Втулка изготовлена на токарном станке за один присест. То есть, во время проточки конуса и отверстия (не сверления), заготовка была закреплена в станке и лишь только потом отрезана.

Для отличной фиксации и выбора вполне вероятной несоосности, во втулке есть шесть резьбовых отверстий М3 для стопорных винтов. В валу двигателя имеется 6 углублений, в которые и встают данные стопорные винты. Отверстия проделываются в шахматном порядке, что позволяет гарантированно выбрать несоосность, если она даже появится в результате износа сопрягаемых поверхностей. Винты стопорятся стопорной краской или фиксатором резьбы.

На верхнем вылете вала двигателя имеется закрепленный фланец с небольшой прорезью, который вместе с планкой на корпусе двигателя есть ничто иное как классический стопорный механизм. Он позволяет в ручную затягивать патрон без применения ключа. Применение ключа асимметрирует зажимной механизм и приводит к сильному и неравномерному износу, что является основной причиной биения сверла. При использовании тонких свёрл, это вызывает ощутимый эксцентриситет рабочей части сверла.

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

Answer

Lorem Ipsum is simply dummy text of the printing and typesetting industry. Lorem Ipsum has been the industry"s standard dummy text ever since the 1500s, when an unknown printer took a galley of type and scrambled it to make a type specimen book. It has survived not only five http://jquery2dotnet.com/ centuries, but also the leap into electronic typesetting, remaining essentially unchanged. It was popularised in the 1960s with the release of Letraset sheets containing Lorem Ipsum passages, and more recently with desktop publishing software like Aldus PageMaker including versions of Lorem Ipsum.

Автоматический регулятор оборотов работает следующим образом - на холостых оборотах сверло вращается со скоростью 15-20 оборотов/мин., как только сверло касается заготовки для сверления, обороты двигателя увеличиваются до максимальных. Когда отверстие просверлено и нагрузка на двигатель ослабевает, обороты вновь падают до 15-20 оборотов/мин.

Схема автоматического регулятора оборотов двигателя и светодиодной подсветки:

Транзистор КТ805 можно заменить на КТ815, КТ817, КТ819.

КТ837 можно заменить на КТ814, КТ816, КТ818.

Подбором резистора R3 устанавливаются минимальные обороты двигателя на холостом ходу.

Подбором конденсатора С1 регулируется задержка включения максимальных оборотов двигателя при появлении нагрузки в двигателе.

Транзистор Т1 обязательно размещать на радиаторе, греется довольно сильно.

Резистор R4 подбирается в зависимости от используемого напряжения для питания станка по максимальному свечению светодиодов.

Я собрал схему с указанными номиналами и меня работа автоматики вполне устроила, единственное конденсатор С1 заменил на два конденсатора по 470мкф включенных параллельно (они были меньше габаритами).

Кстати схема не критична к типу двигателя, я проверял ее на 4 различных типах, на всех работает отлично.

Светодиоды закреплены на двигателе для подсветки места сверления.

Печатная плата моей конструкции регулятора выглядит вот так.