Полуавтоматический сверлильный станок с лазерным указателем

Для сверления отверстий в печатных платах многие радиолюбители используют так называе­мые микродрели, представляющие собой миниатюрный электродвигатель постоянного тока, на валике которого закреплён цанговый зажим сверла. Как инструмент для обработки печатных плат микродрели далеки от идеала: попасть точно в центр будущего отверстия без кернения довольно трудно, а добиться руками точного вертикального положения микродрели практически невозмож­но. В результате — некачественное «косое» отверстие, центр которого смещён на другой стороне платы, а то и поломанное сверло (особенно легко сломать дорогостоящее твердосплавное свер­ло, которое изготовлено из очень хрупкого материала).

На рынке предлагается много вариантов сверлильных станков, но все они имеют ручную подачу сверла и значительный люфт, а из электронного «обеспечения» содержат только блок питания и стабилизатор частоты вращения приводного электродвигателя. Описываемый в статье самодель­ный сверлильный станок позволяет сверлить отверстия без предварительного кернения. Логикой его работы управляет микроконтроллер. При работе на этом станке не ломаются дорогие твердо­сплавные свёрла. Благодаря использованию таких свёрл повышается качество отверстий — они буквально прорезают отверстие, поэтому после сверления нет необходимости в обработке фоль­ги наждачной бумагой, которая делает тонкую фольгу печатных проводников ещё более тонкой.

Я просверлил на этом станке более 1500 отверстий одним твердо­сплавным сверлом (производства Гер­мании), и оно до сих пор не сломалось и продолжает сверлить высококачест­венные отверстия. Дешёвое сверло обычно перестаёт хорошо сверлить после 10—20 отверстий в фольгированном стеклотекстолите, поэтому при­ходится повышать частоту вращения сверла и усиливать нажатие при свер­лении, в результате вокруг отверстий образуются валики фольги, и после сверления требуется основательная обработка проводников наждачной бумагой.

Станок (его внешний вид слева, справа и сзади представлен соответст­венно на рис. 1—3) изготовлен на базе отечественного микроскопа МБИ-3 про­изводства объединения «ЛОМО». Его работой управляет блок управления (БУ), схема которого показана на рис. 4. Выполнен он на основе микроконтрол­лера ATtiny45 [1]. При подаче питания БУ устанавливает станок в исходное положение, т. е. если его подвижная часть находилась в нижнем или проме­жуточном положении, то она автомати­чески поднимается до начального верх­него положения. Далее обрабатывае­мую плату позиционируют под лазер­ным лучом (добиваются того, чтобы луч лазера попал в центр отверстия), при­жимают рукой к рабочему столику и нажимают на педаль. При этом БУ пода­ёт питание на электродвигатель приво­да патрона со сверлом и двигатель подачи сверла. По окончании сверле­ния двигатель подачи сверла возвра­щает станок в исходное состояние и БУ отключает питание обоих двигателей. Станок готов к сверлению следующего отверстия.

В качестве лазерного указателя использован доработанный лазерный модуль, который применяется в детских игрушках. Необходимо сфокусировать коллиматор лазера на короткое рас­стояние и ограничить ток питания, кото­рый должен быть таким, при котором лазер только-только начинает светить. Это позволяет получить более тонкий луч (мне удалось добиться его диамет­ра 0,2 мм) и снижает излучение лазера до безопасного уровня.

Узел крепления лазера в сборе пока­зан на рис. 5, а чертежи его деталей — на рис. 6. Основание 3 и держатель ла­зера 4 изготовлены из листовой стали толщиной примерно 1 мм (я использо­вал стенки корпуса старого CD-ROMа). Просверлив в заготовках необходи­мые отверстия, отгибают у держателя 4 под прямым углом прямоугольные лепестки для крепления винта с ла­зерным модулем. Модуль разбирают, залуживают место пайки его латунно­го корпуса и две гайки МЗ. В отвер­стия отогнутых лепестков держателя 4 вставляют винт 5 (М3х28) и навинчи­вают на него обе гайки 8 так, чтобы они оказались между проушинами держателя (см. рис. 5). Корпус лазера 2 вставляют под винт 5 (между гайками 8) и припаивают к нему гайки так, чтобы он вплотную прилегал к держателю (это необходимо для безлюфтового пере­мещения лазера при вращении винта в процессе регулировки).

Далее на выступающий конец винта 5 навинчивают ещё две гайки 1 (одна из них будет контргайкой) и затягивают их с таким расчётом, чтобы проушины держателя 4 не давали винту 5 сме­щаться вдоль оси. Теперь при враще­нии винта по часовой стрелке и в обрат­ном направлении лазерный модуль бу­дет перемещаться от одной проушины до другой.

Для крепления держателя с лазером на основании 3 к последнему с обрат­ной стороны припаивают четыре гайки (их хорошо видно на рис. 2). Затем в со­ответствующие отверстия держателя со стороны лазера вставляют четыре винта 7 (М3х15) с подложенными под головки шайбами 6 и надевают на них цилиндрические пружины сжатия, пос­ле чего ввинчивают их в припаянные к основанию гайки. Теперь с помощью винтов можно регулировать положение лазера в разных направлениях.

Собранную конструкцию примеряют к тубусодержателю (верхней части мик­роскопа), загибают вокруг него хвосто­вик основания держателя лазера и, перенеся острой чертилкой контуры отверстий в основании на тубусодержатель, сверлят в нём два отверстия диа­метром 2,5 и глубиной 10 мм и нарезают в них резьбу М3. В завершение закрепляют основание держателя лазе­ра на микроскопе винтами МЗ.

Для подачи сверла использован электродвигатель с червячным редук­тором от видеомагнитофона (разбирал аппарат давно, поэтому указать его на­звание не могу). Этот механизм (рис. 7) закреплён на тубусодержателе микро­скопа с помощью трёх металлических стоек с внутренней и наружной резьбой М4 и такого же числа винтов М4. Шес­терня закреплена на ручке микроскопа тремя винтами М2,5 с гайками, отверс­тия в обеих деталях — сквозные. Необ­ходима аккуратность при сборке — несоосность шестерни и ручки должна быть минимальной.

Скорость подачи регулируют подстроечным резистором R11. Электро­двигатель использован маломощный (номинальное напряжение — 6 В, ток — 30 мА), но благодаря червячному редук­тору он справляется со своей задачей вполне. Конструкция редуктора может быть любой, но должна обеспечивать достаточное усилие, чтобы легко пово­рачивать ручку микроскопа. Можно ис­пользовать шаговый электродвигатель. В первом проекте я так и сделал, но имевшийся шаговый двигатель обладал недостаточным моментом на валу, а подходящего найти не удалось. Если у кого-нибудь возник интерес по исполь­зованию шагового двигателя, можете обратиться ко мне через редакцию. Файлы проекта сохранились. В нём ис­пользовался микроконтроллер ATmega8.

Ключ на составном транзисторе VT5VT6 включает и выключает электро­двигатель подачи сверла (его подклю­чают к вилке ХР6), транзистор \/Т2 и реле К1 управляют её направлением: вверх или вниз. Ключ на составном транзисто­ре VTЗVT4 управляет электродвигателем привода сверла (его подсоединяют к вилке ХРЗ), на микросхеме DA1 и тран­зисторе VT1 собран стабилизатор час­тоты его вращения, регулируют частоту подстроечным резистором R1. Приме­нять стабилизатор частоты вращения более сложный, например, как предло­женный в [2], нет смысла, поскольку «прицеливаться» сверлом в центр от­верстия «на глаз» не надо. Экспери­менты по этому поводу проводились.

На микросхеме DA6 собран стабили­затор напряжения питания электродви­гателя подачи сверла [3]. Включённые последовательно интегральные стаби­лизаторы DA2 и DA5 предназначены для получения стабилизированных напря­жений соответственно 12 и 5 В. Первое из них используется для питания стаби­лизаторов тока на микросхемах DA3, DA4, второе — для питания микроконт­роллера и ключа на транзисторе VT2. Конденсаторы С2, СЗ, С6 — фильтрую­щие, остальные — блокировочные.

На станке применена светодиодная подсветка. Ток подсветки и ток лазера стабилизированы: на микросхеме DA3 собран стабилизатор тока лазера, на DA4 — светодиодов подсветки. Ток ста­билизации рассчитывают по формуле I = 1,25/R [3] и устанавливают подбор­кой резисторов R13 и R14. Благодаря стабилизированному току возможно подключение нескольких однотипных светодиодов подсветки последова­тельно. Лазер подключён к вилке ХР4, светодиоды — к ХР5.

Разъём ХР7 предназначен для под­ключения программатора. Назначение его контактов соответствует программатору «TRITON+V5.7T USB» [4]. Программа микроконт­роллера разрабатывалась в интегрированной среде CodeVisionAVR V2.05 [5, 6].

К разъёму ХР2 подключены двухпозиционный датчик край­них верхнего и нижнего поло­жений сверла и кнопка старта сверления. Последняя подсо­единена к контактам 2 и 4, дат­чик верхнего положения — к контактам 1 и 4, нижнего — к контактам 3 и 4. Датчик и кнопка с нормально разомкну­тыми контактами, которые при срабатывании замыкают­ся на общий провод. В качест­ве кнопки применёна конечный выключатель, смонтированный в педали. Датчик положения использован от DVD-проигрывателя музыкального центра. Срабатывание датчика в ниж­нем положении регулируют таким образом, чтобы сверло опускалось не более чем на 1 мм ниже обрабатываемой платы. Датчиком верхнего по­ложения регулируют макси­мальный ход сверла, делать его более 20 мм нет смысла. Регулировка производится пе­ремещением стоек из упругой проволоки 3 (рис. 8), закреп­лённых винтами 6 (МЗ) на ско­бе 5. Винты ввинчивают в пря­моугольные пластины с резь­бой через щель в скобе, которая позволяет перемещать ограничите­ли вверх и вниз. Пластины с резьбой, а не стандартные гайки, применены для того, чтобы можно было фиксировать положение стоек в найденном положе­нии без применения какого-либо инструмента для удержания гаек от вращения при затягивании винтов 6. Можно припаять пластинки к гайкам. Скоба за­креплена винтами 4 на тубусодержателе, а датчик 2 — на Г-образном кронштейне, при­винченном к основанию мик­роскопа. Чертёж скобы 5 пока­зан на рис. 9, изготовлена она, как и детали держателя лазера, из листовой стали.

Напряжение питания стан­ка зависит от применённого электродвигателя привода сверла, но не должно быть ни­же 14 В. Я использовал дви­гатель перемещения печата­ющей головки от струйного принтера Canon с номиналь­ным напряжением питания 24 В. Напряжение питания станка выбрано с запасом по регулировке — 30 В. Потреб­ляемый ток всего устройства в установившемся режиме (при сверлении) — 1,5 А, в момент запуска двигателей он кратко­временно возрастает до 3 А. Таким образом, блок питания должен обеспечить на выходе напряжение 30 В при потреб­ляемом токе не менее 3 А. Я использую самодельный им­пульсный лабораторный блок питания с линейным стабили­затором 0…50 В, 0…10А. Ог­раничение по току даёт плав­ный пуск двигателей.

Детали блока управления смонтированы на печатной плате из односторонне фольгированного стеклотекстоли­та, изготовленной по чертежу, показанному на рис. 10. Рисунок печатных проводников нанесён методом экспозиции изображения с фотонегатива на фольгу заготовки, покрытую фоторезистом. Негативный фотошаблон можно напечатать на струйном принтере с максимальным качеством.

Постоянные резисторы R3, R7—R9, R15, керамические конденсаторы С1, С4, С5, С7 (все типоразмера 0805 для поверхностного монтажа) и микроконт­роллер DD1 (в корпусе SOIC8) припаи­вают непосредственно к печатным про­водникам. Остальные резисторы — МЛТ-0,25, конденсаторы — оксидные импортные.

Транзисторы VT1, VT4, VT6 — любые серий КТ805, КТ819, VT3, VT5 — ВС337, ВС547, 2N2222, серий КТ315, КТ3102; VT2 — ВС337, 2N2222, любой из серий КТ630, КТ815, КТ972 (максимальное значение его коллекторного тока должно быть не меньше рабочего тока реле К1 ). В качестве ключа VT5VT6 можно приме­нить один транзистор серии КТ829 или КТ972, а ключа VT3VT4 — один транзис­тор КТ827 или КТ829 с любым буквен­ным индексом.

Реле К1 — R40-11D2-5/6, оно заме­нимо любым другим с напряжением срабатывания 5 В и с двумя группами переключающих контактов, рассчитан­ных на коммутацию тока не менее 1 А. Можно использовать реле на 12 В, подключив верхний (по схеме) вывод его обмотки (вместе с диодом VD1) к выхо­ду (вывод 3) микросхемы DA2.

Плата управления установлена под столиком и закреплена винтами МЗ че­рез уголки к основанию микроскопа (см. рис. 1). Микросхемы DA2 и DA5 ус­тановлены на теплоотводах. Желатель­но снабдить теплоотводом и транзистор VT1. Столик изготовлен из текстолита.

Перед переделкой в сверлильный станок микроскоп необходимо разо­брать, тщательно смыть довольно вяз­кую смазку, затрудняющую ход тубусодержателя (верхней части микроскопа), и смазать жидкой смазкой, например, трансформаторным маслом. Ход верх­ней части должен быть максимально лёгким, плавным и без люфта.

От использования для крепления сверла классической цанги было реше­но отказаться. Применены конус Морзе и трёхкулачковый патрон для свёрл диа­метром 0,3—4,5 мм. Соединение двига­теля с патроном должно быть без биений.

Юстировку точки лазера на обраба­тываемой плате с помощью винтов про­изводят в следующем порядке: сверлят отверстие в пластине фольгированного стеклотекстолита, аналогичного тому, из которого изготовлена плата, затем регулировочными винтами держателя юстируют точку лазера точно на от­верстие. При этом надо постараться не смещать пластину. По моему опыту, если точка лазера пропала (пере­стала отражаться от фольги), то луч лазера попал в отверстие и отъюс­тирован. Толщина стеклотекстолита должна быть такой же, как и у из­готовляемой платы. После этого можно быть уверенным в том, что лазер точно укажет центр будущего отверстия.

При исправных деталях и безо­шибочном монтаже БУ в налажива­нии не нуждается.

Станок эксплуатируется более года. Во время работы свободны обе руки, и поэтому работать на станке удобно. Я не сломал ни одно­го сверла, хотя изготовляю платы довольно часто, и я не представляю, как обходился без этого станка раньше. Теперь смело покупаю вы­сококачественные дорогие свёрла. На сверление 50 отверстий уходит не более получаса. Но всё же необ­ходима осторожность, есть опас­ность сломать хрупкое сверло при установке платы на рабочий столик станка — нечаянно стукнуть по свер­лу. Вероятность поломки сверла при сверлении невелика, если, конечно, не двигать плату в это время.

ЛИТЕРАТУРА

1. Atmel 8-bit AVR Microcontroller with 2/4/8KBytes In-System Programmable FlashATtiny25/V/ATtiny45/V/ATtiny85/V. — URL: http://www.atmel.com/devices/aspx (18.03.15).
2. Митько В. Регулятор-стабилизатор частоты вращения сверла. — Радио, 2004, № 12, с. 34.
3. SGS Thomson microelectronics. 1.2V ТО 37V ADJUSTABLE VOLTAGE REGULA­TOR LM117/LM217/LM317. — URL:http://tec.org.ru/_bd/16/1626_LM317.pdf (18.03.15).

4. Программатор ТРИТОН+ V7TU USB. — URL: http://triton-prog.ru/index.php?productlD=119 (18 03.15).
5. Лебедев M. В. CodeVisionAVR: пособие для начинающих. — М.: Додека — XXI, 2008.
6. AVR033: Getting Started with the Code­VisionAVR С — URL: http://www.atmel.com/lmages/doc2500.pdf (18.03.15).

Скачать архив к проекту

Автор: И. ПАРШИН, г. Мирный Архангельской обл.

Источник: Радио №7, 2015