Baskı Devre Kartı Delme Makinesi – II

Yazı dizimizin ikinci bölümü.Bilgisayar kontrollü baskı devre kartı delme makinesi (CNC PCB Drilling Machine) yapmak isteyenler, gerçekleştirilmiş olan bu projeye ilişkin yazı dizisini kaçırmasınlar! MAXIMUS'un hikayesi devam ediyor!

BİLGİSAYAR KONTROLLÜ BASKI DEVRE KARTI DELME MAKİNESİ
(CNC PCB DRILLING MACHINE)

MAXIMUS'un Hikayesi-2

Genel Bilgiler

Hacettepe Üniversitesi Elektrik Elektronik Mühendisliği Bölümü 2003 Bitirme Projesi
Projeyi yapan: Alper YILDIRIM
Proje hocası: Dr. Uğur BAYSAL
Projenin Amacı: Baskı devre endüstrisinde standart olarak kullanılan Excellon formatındaki dosyaları okuyarak delik koordinatlarını belirleyen ve bu koordinatlara göre baskı devre kartını otomatik olarak delecek sistemin mekanik ve elektronik tasarımı
Projenin Başlangıç Tarihi: Temmuz 2002
Projenin Bitiş Tarihi: Haziran 2003
Proje Maliyeti: 320 Milyon TL.
Sistemin Blok Diagramı

Not: Proje kapsamında yapılan kısımlar mavi renkte gösterilmiştir.

Sistemin Genel Açıklaması

Excellon Delgi Dosyası: Baskı devre delgi makinaları Excellon adı verilen bir standart ile çalışırlar. Excellon dosyalarında kart üzerindeki tüm deliklerin belirli bir ofset noktasına göre uzaklıkları belirlidir. Bunun dışında delik çapı, matkap dönüş hızı, makina hareket hızı, metrik/inch ölçü seçimi vb. farklı parametreler Excellon dosyasında ye alır. CAD programları Excellon standardında dosya üretir.

Bilgisayar Yazılımı: PC yazılımının asıl görevi makine ile haberleşmeyi sağlamaktır. Bu iş için bilgisayarın RS-232 seri portu kullanılmıştır. Makineyi kontrol eden komutlar belirli bir protokol yapısı içinde seri port üzerinden kontrol kartına iletilmektedir. Bunun dışında Excellon delgi dosyaları programla açılıp makinaya otomatik olarak gönderilebilmektedir. Tasarlanan GUI (Graphical User Interface – Grafiksel Kullanıcı Arabirimi) kullanıcının makineye kolaylıkla komuta etmesini sağlamaktadır.

Kontrol Kartı: Kontrol kartındaki tüm işlemler Microchip firmasının PIC16F877 mikrodenetleyicisi tarafından kontrol edilmektedir. Mikrodenetleyici seri port üstünden bilgisayarla haberleşmekte, I/O portları üstünden step motor sürücülerini kontrol etmekte ve limit switch durumlarını gözlemlemektedir.

Motor Sürücüleri: Step motorlara gerekli akımı basabilmek için oluşturulan sürücü kartlarıdır. Sürücüler "chopper (PWM)" yöntemine göre çalışmaktadır. Bu sayede step motorlar ulaşabilecekleri maksimum hızda çalıştırılmaktadır.

Mekanik düzenek: Mekanik sistem, step motorlara bağlanan sonsuz vida millerinin dönmesi sonucu, eksenlere tutturulan somunların eksen doğrultusunda hareket etmesi esasına göre çalışmaktadır. Ayrıca eksenlerin hareketini sağlamak için çelik miller kullanılmıştır. Düzenekte kullanılan malzemeler, civa çeliği, inox paslanmaz çelik, polietilen, delrin, kestamid ve alüminyumdur.
Burada genel açıklaması yapılan bölümler ilgili sayfalarda detaylı olarak ele alınmıştır.

Mekanik Tasarım

Maximus 3 eksenli çalışmak üzere dizayn edilmiştir. Her eksende hareket üretici bir motor, motor hareketini sonsuz vida miline ileten bir kaplin, sonsuz vida mili, mil uçlarında iki rulman ve mil hareketini eksene aktaran bir somun bulunmaktadır. Ayrıca eksenleri desteklemek için sonsuz vida milinin her iki tarafında birer adet civa çeliği mil bulunmaktadır. Eksenler bu millerin çevresinde kayan delrin parçalar üstünde hareket etmektedir.

Z Ekseni üstünden örnek verecek olursak; Step motorun dönmesi sonucu oluşan dairesel hareket kaplin vasıtasıyla sonsuz vida miline iletilmektedir. Sonsuz vida milinin her iki tarafında bulunan rulmanlar milin eksenden sapmadan dönmesini sağlamakdatır.

Dairesel hareket vida mili üstündeki somun aracılığı ile doğrusal harekete dönüşmektedir. Bu sayede, motorun sağa/sola dönüş hareketleri eksen üstünde ileri/geri ilerleme şeklinde sonuçlanmaktadır.

Kayma milleri ve kayma parçalarının amacı eksen hareketlerine minimum sürtünme ile destek olmaktır.

Endüstriyel CNC sistemlerinde yukarıda görülen her parça yerine özel komponentler kullanılmaktadır. Bunlardan en önemlisi dairesel hareketin doğrusal harekete çevrildiği somun ve sonsuz vida mili kısmıdır. Burada kullanılan basit M12 somun ve mil yerine endüstride "ballscrew" adı verilen bilyalı somunlar kullanılmaktadır. Mil ile temasın bilyalar üstünden yapıldığı bu somunlar %90 verim ve çok düşük sürtünme katsayıları ile yüksek dönüş hızlarında çalışabilmektedir.

Bir diğer endüstriyel parça ise kayma parçaları yerine kullanılan linear rulmanlar yada bilyalı arabalardır. Temas noktalarında bilyalar kullanıldığı için bu ürünlerde de sürtünme oranları oldukça düşüktür.

Endüstriyel ürünler oldukça pahalı oldukları için bu tasarımda kullanılmamıştır. Sonuçta, kullanılan amatör parçalar mekanik sistem üstünde sürtünmeler, kasılmalar ve boşluklar oluşturmuştur. Kasılma ve sürtünmeler el ile yapılan ayarlamalar sonucunda minimum düzeye indirilmiştir. Somunlardan kaynaklanan boşluklar (backlash) ise fazla hata oluşturmadığı için gözardı edilmiştir.

Mekanik sistemin iskeletinde sert plastik malzemeler ve alüminyum tercih edilmiştir. Plastik malzemeler hafifliği ve kolay işlenebilirliği ile tasarımı kolaylaştırmıştır. Piyasada yaygın olarak bulunan malzemeler kestamid, delrin, polietilen, polyamid, teflon ve fiberdir. Ucuzluğu nedeniyle tasarımın büyük bölümünde polietilen maddesi kullanılmıştır. Bunun dışında sürtünmenin minimum olması gereken kayma parçalarında kayganlığı nedeniyle delrin tercih edilmiştir.

Delrin kayma parçalarının içine 12.2mm çapında delik açılmıştır. M12 civa çeliği miller bu parçalardan geçirilerek eksenlerin bu parçalar üstünde kayması sağlanmıştır. Düzenekteki tolerans hataları nedeniyle düşük sürtünmeli ve kasılmasız eksen hareketi elde etmek için oldukça uğraşılmıştır.

Sonsuz vida milleri, uçlarından 6mm çapa kadar inceltilerek M6 rulman yuvalarına oturtulmuştur. Step motor tarafında kalan kısımlar rulman yuvalarından çıktıktan sonra ayrıca kaplinlere vidalanmıştır.

Step motorlar ise X ve Z ekseninde destek milleri, Y ekseninde ise destek parçası ile sabitlenip kaplinlerin diğer ucuna vidalanmıştır.

Somunlar, kestamid yuvalara sabitlenerek kayma parçaları ile birlikte 2mm'lik alüminyum levhalara vidalanmıştır.

Y ekseni dğer eksenlerden bağımsız çalışmaktadır. Bu sayede mekanik tasarım kolaylaşmıştır. Gelişmiş uygulamalarda bu pek tercih edilen bir yöntem değildir, çünkü iş parçası Y ekseni boyunca hareket etmek zorunda kalmaktadır. İş parçasının ağır olması durumunda eksen motoru bu ağırlığı yenemeyecek ve step kaçırmaları meydana gelecektir. Bunun yerine, Y ekseni iş parçasını değilde matkap motorunu hareket ettirecek şekilde tasarlanmalıdır.

Z ekseni X ekseni üstünde hareket etmektedir.
Bu işlem Z ekseninin X eskenindeki alüminyum levha üstüne sabitlenmesi sonucu elde edilmiştir.

Teorik Hassasiyet

M12 sonsuz vida milleri için standart hatve aralığı 1.75mm dir.
Bu durumda mil bir tur attığında eksen 1.75mm ileri yada geri ilerlemektedir.
Step motorlar millere direkt bağlandığı için motor hareketleri birebir millere aktarılmaktadır.
Kullanılan step motorlar 1.8° lik motorlardır. Bir tur 200 adımla kontrol edilmektedir.

Motorlar full-step modda sürülürse bir pulse motoru 1.8° döndürür.
Bu durumda hassasiyet 1.75mm / 200 = 8.75 mikron dur.

Motorlar half-step modda sürülürse bir pulse motoru 0.9° döndürür.
Bu durumda hassasiyet 1.75mm / 400 = 4.375 mikron dur.

Bu değerler makinenin teorik hassasiyetini belirtmektedir. Pratikte bu değerlere ulaşmak mümkün değildir. Somunlardaki boşluklar (backlash) ve malzemelerdeki hata payları bunu engeller. Yapılan denemelerde gözle görülebilen bir çözünürlük hatası yaşanmamaktadır. Ancak kesin bir çözünürlük değeri verebilecek bir ölçüm yapılamamıştır.

Alper YILDIRIM
b0164043@hacettepe.edu.tr