Блок управления сверлильным станком

Для сверления отверстий в печатных платах радиолюбители разрабаты­вают малогабаритные сверлильные станки. Преимущество станка перед микродрелью заключается в точности сверления и, что самое главное, мень­шей вероятности поломки свёрл, осо­бенно тонких. Иногда такой станок осна­щается полуавтоматической системой управления [1]. Блок управления этого станка выполнен на микроконтроллере, но его вполне можно собрать и на двух микросхемах стандартной логики. Та­кой вариант блока управления и пред­ставлен в этой статье.

Алгоритм его работы несколько отличается от представленного в [1], где автор отмечает, что ход сверла нет смысла делать более 20 мм. Однако это не совсем так. Дело в том, что часто приходится работать разными свёрла­ми, а они, в зависимости от диаметра, имеют разную длину. Так, сверло диа­метром 0,6 мм имеет длину примерно 22 мм, а диаметром 1,6 мм — 42 мм. Не всегда длину сверла можно “скомпен­сировать”, утопив его поглубже в патро­не. При сверлении же фольгированного стеклотекстолита (обычно толщиной 1,5…2,5 мм) ход сверла может быть и 6…10 мм. Если вал двигателя имеет осевой люфт (предполагается, что пат­рон закреплён непосредственно на ва­лу), его тоже необходимо учитывать. По­этому более удобно сделать рабочий ход сверла около 10 мм. Но сделать так, чтобы рабочий участок хода можно было сдвигать вдоль всего интервала хода подвижной части (будем далее для крат­кости называть её шпинделем) станка.

Исходя из этих соображений, при из­готовлении своего станка я выбрал мак­симальный ход шпинделя около 55 мм, чтобы можно было пользоваться свёр­лами диаметром от 0,6 до 2 мм. Для сдвига рабочего участка можно приме­нить регулируемые конечные выключа­тели, однако более удобно организо­вать электронное управление. Здесь следует остановиться на конструкции собственно станка, а именно привода шпинделя. Это может быть зубчатая рейка или, как в моём случае, винтовая передача. Преимущество такой переда­чи в том, что её легко изготовить само­стоятельно, и именно для такой переда­чи и предназначено устройство, пред­ставленное ниже. При использовании зубчатой рейки организовать вышеопи­санный алгоритм проще механически, поэтому такой вариант здесь не рассмат­ривается, хотя описываемый блок впол­не можно использовать и в станке [1].

Итак, чтобы определить величину смещения шпинделя, необходимо знать шаг резьбы винта. Например, приме­нённый в моём станке в качестве винта саморез по металлу имеет шаг резьбы 2 мм. Это значит, что за один его пол­ный оборот шпиндель станка перемещается на 2 мм. Таким образом, чтобы он переместился на требуемые 10 мм, нужно, чтобы винт сделал пять оборо­тов при подаче сверла, а затем ещё пять для возврата сверла в исходное положение, что и реализует предлагае­мый блок управления. Он позволяет отсчитывать от 1 до 15 оборотов в каж­дом направлении. Датчиком оборотов служит геркон, срабатывающий под действием магнита, закреплённого на шестерне, насаженной на винт.

Схема блока управления представ­лена на рис. 1. Основа устройства — двоично-десятичный реверсивный счёт­чик К561ИЕ14 (DD2). В данном случае он работает в двоичном режиме, по­скольку на вход модуля счёта подаётся лог. 1. Поскольку у этого счётчика нет входа обнуления R, для этой цели ис­пользуется вход предварительной уста­новки S (вывод 1). При подаче на него сигнала с уровнем лог. 1 на выходе устанавливается число 0, так как входы предустановки (выводы 3, 4, 12, 13) со­единены с общим проводом.

Работает устройство следующим образом. При подаче напряжения пита­ния на прямом выходе триггера DD1.1 (вывод 1) устанавливается лог. 0, на входе R (вывод 10) триггера DD1.2 и входе S счётчика DD2 — лог. 1. На входе направления счёта U (вывод 10) счётчика DD2 — лог. 1, а на всех его выходах, кроме выхода переполнения Р (вывод 7), — лог. 0.

При нажатии на кнопку SB1 (“Пуск”) триггер DD1.1 переключается в единич­ное состояние, на его инверсном выхо­де (вывод 2) появляется уровень лог. 0 и счётчик DD2 переходит в режим счёта. Одновременно высокий уровень пода­ётся на вход ST-BY (вывод 4) микросхе­мы DA1, разрешая её работу, а также на базу транзистора VT2.

На входе IN (вывод 7) микросхемы DA1 — лог. 0. Двигатели М1 (подача сверла) и М2 (вращение сверла) запус­каются, и начинается отсчёт импульсов с резистора R3, формируемых герконом SF1 и подаваемых на тактовый вход С (вывод 15) счётчика DD2. Кон­денсатор С2 подавляет дребезг кон­тактов геркона. При каждом обороте винта на счётчик приходит один им­пульс. Как только пройдёт нужное чис­ло импульсов (в данном случае пять), на входе установки S (вывод 8) тригге­ра DD1.2 появляется уровень лог. 1. На его инверсном выходе появляется лог. 0, при этом меняются направление счёта счётчика DD2 и направление вра­щения электродвигателя М1, посколь­ку на входе IN микросхемы DA1 теперь лог. 1. Снова начинается отсчёт им­пульсов, только теперь счётчик работа­ет на вычитание. Как только в счётчике появится число 0, на его выходе пере­полнения Р (вывод 7)устанавливается лог. 0, транзистор VT1 закрывается, триггер D01.1 переключается в нуле­вое состояние и всё устройство воз­вращается в исходное состояние.

Требуемое число оборотов винта устанавливают съёмными перемычка­ми S1 —S4, подключающими к выходам счётчика DD2 диоды VD3—VD6, аноды которых соединены с входом S тригге­ра DD1.2. На схеме установлены только две перемычки (S1, S3), что соответст­вует числу пять в двоичном представ­лении (0101). Для получения другого числа оборотов нужно добавить (или убрать) часть перемычек. Так, если не­обходимо число 7 (0111), следует уста­новить перемычки S1—S3.

Кнопка SB2 (“Стоп”) служит для при­нудительной остановки станка, кнопка­ми SB3 “↓” и SB4 “↑” можно управлять им в ручном режиме. При нажатии на кноп­ку SB4 напряжение положительной по­лярности поступает на все входы микро­схемы DA1 (ход сверла вверх), а при на­жатии на SB3 — только на входы ST-BY и MUTE (ход сверла вниз). Применение микросхемы TDA7266L, представляю­щей собой мостовой усилитель мощнос­ти ЗЧ с однополярным питанием, поз­волило обойтись без реле, упростить блок питания и уменьшить габариты устройства. Эта микросхема оказалась удобна тем, что имеет вход выключения ST-BY и не требует навесных элемен­тов. К тому же надёжность микросхемы выше, чем электромагнитного реле.

Резистор R12 ограничивает момент на валу электродвигателя М1. Это не­обходимо при работе с тонкими свёр­лами, так как при большом передаточ­ном числе редуктора даже маломощ­ный двигатель способен обеспечить усилие, вполне достаточное для их поломки. Конечные выключатели QF1 и QF2 срабатывают в крайних положе­ниях шпинделя станка. Поскольку они включены последовательно с двигате­лем, они зашунтированы диодами VD11 и VD13. Если сработал, например, вы­ключатель QF1, то двигатель запустится через диод VD11, но только при другой полярности напряжения.

Ключ на транзисторах VT2—VT4 ра­ботает следующим образом: при появ­лении лог. 1 на резисторе R8 транзис­тор VT2 открывается, закрывая VT3. Напряжение на конденсаторе С6 начинает плавно увеличиваться. Благодаря кон­денсатору С6 транзистор VT4 откры­вается постепенно и двигатель М2 за­пускается плавно, без рывка. Стабилитрон VD10 и диод VD12 защищают транзистор VT4 от пробоя.

Немного о деталях. Микросхема К561ИЕ14 заменима счётчиком этой же серии К561ИЕ11, однако её вывод 9 нужно соединить с общим проводом. Заменять микросхему К561ТМ2 анало­гом из серии К176 не следует. Возмож­ность замены микросхем импортными аналогами не проверялась.

Микросхему TDA7266L [2] можно заменить другим УМЗЧ, который может работать в мостовом включении с вхо­дом выключения (например TDA7360). Вместо диодов КД522А можно приме­нить КД510А, вместо 1N4007 — КД243 с любым буквенным индексом. Транзис­торы КТ315И заменимы импортными С945, а полевой транзистор IRF510 — транзистором NTD3055L, причём в этом случае устройство можно сущест­венно упростить, исключив транзисто­ры VT2, VT3, стабилитрон VD10 и резис­торы R10, R11 (рис. 2). Правда, при таком построении ключа двигатель М2 будет работать только в автоматиче­ском режиме.

Геркон SF1 — малогабаритный замы­кающий, такие используются в устрой­ствах охранной сигнализации. Вместо него можно попробовать применить оптопару с открытым оптическим кана­лом (практически такая возможность не проверялась). В качестве конечных вы­ключателей QF1, QF2 использованы микропереключатели из неисправной компьютерной мыши.

При изготовлении и регулировке дат­чика оборотов винта нужно учитывать время, требуемое для остановки под­вижной части станка: если оно слишком большое, магнит может останавливаться не точно напротив геркона, а немного позже, когда он уже разомкнут. Это при­ведёт к тому, что с каждым циклом свер­ления подвижная часть станка будет подниматься выше, и в какой-то момент сверло перестанет доставать до обраба­тываемой платы. Может создаться оши­бочное впечатление, что “виноват” дре­безг контактов, но это не так. В подобном случае придётся уменьшить напряжение источника +5 В, но делать его ниже 4 В не рекомендуется, поскольку при мень­шем напряжении микросхема DA1 может работать некоррект­но. Можно заменить R12 рези­стором большего сопротивле­ния или применить для управле­ния герконом более мощный магнит.

Детали устройства смонти­рованы на печатной плате из фольгированного с одной сто­роны гетинакса, её чертёж по­казан на рис. 3. Конденсаторы СЗ и С4 припаяны к выводам микросхем со стороны печат­ных проводников. После про­верки работоспособности плату желательно покрыть лаком.

Внешний вид готового блока представлен на рис. 4. На плате отсутствуют детали электрон­ного ключа на транзисторах VT2, VT3 (он смонтирован отдельно по схеме, показанной на рис. 2) и приме­нены другие диоды (выпаяны из платы старого видеомагнитофона; их тип, к сожалению, неизвестен). Микросхему DA1 и транзистор VT4 следует снабдить теплоотводами в виде дюралюминие­вых пластин толщиной 2 мм (первую — площадью 5, а второй — 12 см²). Если ток заторможенного двигателя М1 неве­лик (не превышает 300 мА), теплоотвод на DA1 можно не устанавливать.

Налаживание устройства заключает­ся в подборке резистора R11 или кон­денсатора С6 так, чтобы приводной двигатель успевал разогнаться до номинальной частоты вращения преж­де, чем сверло коснётся поверхности обрабатываемой платы. Возможно, по­требуется подбор цепи подавления дребезга контактов геркона (С2, R3) и резистора R12. Для питания станка можно использовать лабораторный двухканальный источник. Давать какие-либо конкретные рекомендации здесь затруднительно — всё зависит от на­пряжения и мощности применённых двигателей.

Работают на станке с описанным блоком управления следующим обра­зом. Сначала кнопкой SB4 поднимают шпиндель станка вверх и зажимают сверло в патроне. Затем, мани­пулируя кнопками SB3 и SB4, устанавливают конец сверла на расстоянии около 8 мм от по­верхности стола и нажимают на кнопку SB1, запуская первый цикл сверления. Этот цикл не­обходим для того, чтобы винт остановился в правильном по­ложении (магнитом к геркону), поскольку при ручном управле­нии нужное положение винта угадать довольно трудно. Пос­ле того как сверло вернётся в исходное положение, убежда­ются, что конец сверла устано­вился на достаточном расстоя­нии, кладут плату на стол стан­ка и сверлят отверстия только нажатием на кнопку SB1.

LITERATUR

1. Паршин И. Полуавтоматический свер­лильный станок с лазерным указателем. — Радио, 2015, № 7, с. 32—35.
2. TDA7266L – 5W MONO BRIDGE AMPLIFI­ER. — URL: http://datasheet.su/datasheet/STMicroelectronics/TDA7266L.pdf (3.11.2015)

Autor: Е. ГЕРАСИМОВ, ст. Выселки Краснодарского края
Источник: Радио №1, 2016