2011年12月12日 星期一

製作掃描式感光電路板曝光機 Part-1 機械部份

本文在 2011/12/12 22:42 發表於 Yahoo!奇摩部落格
因Yahoo!奇摩部落格將於2013年12月26日終止服務故遷移至此

這是一個拖了非常久的計畫
原因是沒有對機械的背景
對於一些常見的齒輪和牽引輪看起來理所當然
我在軍中也碰了不少XD
可是實際上做起來就會發現困難重重
就算用現成的零件來兜也是會產生許多問題
因此花了一些時間思考
然後又花了大量的時間實作才完成

這個計畫的目標是製作一個電路板曝光機
手洗電路板基本的流程就是製圖→曝光→顯影→蝕刻→上料
在以往,我們曝光就是採用日光燈管
但是日光燈管是細長型的,只有燈管寬度範圍內才能受到接近的光量
若板子大過太多,多出的部份就會曝光不足
除非板子大小剛好和燈管寬度一樣
不然我們往往需要兩支甚至三支的燈管才能曝光
或是移動燈管順序曝光
可是移動時必須水平的穩定移動
不然有些區域會重複曝光
除非圖的遮罩品質良好,保證不透光
不然重複曝光的區域就有可能會完全曝光而導致顯影時完全被洗掉
然而,我的製程都是採用雷射印表機列印投影片
墨粉不可能完全不透光,因此曝光時間就必須正確
以 T8 三波長白色日光燈管來說
貼近電路板 3-5 公分處同一區域曝光需 8-12 分鐘才能完成
如果用這種燈管曝光大板子我們就痛苦啦
要記得每 8-12 去分鐘移動一下燈管,移動時還必須平穩
學長曾有言:重複的工作是罪惡的XD
為什麼我們要用人力去作這種蠢事?
基於這懶人思想,我開始發展解決方案



為了加速曝光,我買來了更變態的燈管:T5 紫外線燈管
以前聽某音響論壇的人說,用 T8 紫外線燈管曝光只要 30 秒,真是超強的
可是 T8 燈管太粗了,不利於機械牽引(不是做不到,但會比較費力)
所以我用 T5 的細燈管
不知道是不是因為這樣我測得的曝光時間變長很多
每區域要 2.5 分鐘,整整多了四倍時間
但還是贏過 T8 三波長白色燈管的 8-12 分鐘
接著製作牽引機件
一開始我想到用掃描器的殼子,我相信這很直覺
可是實際上是不行的
理由是我們用掃描器時是把紙面向掃描器
如果我們把投影片放上去,電路板曝光面就要面向掃描器
這使得我不容易對準投影片
不過這可以解決,那就是把電路板平放桌子上,曝光面向上
接著蓋上投影片,再蓋上一片玻璃,然後對準位置
然後再把掃描器面朝下疊上去
不過這樣用掃描器的殼還有意義嗎?XD
除此之外,我的掃描器是薄型的,T5 燈管也塞不進去
所以就不用這方法了

說到牽引結構第一個想到的還是掃描器裡的機構
所以我買來了這個

在拍賣上桿子叫做 "線性滑軌" ,上面的固定物叫做 "滑塊"
這是工業用的製品,就算最細的規格直徑也要個一公分
都實心的,所以有點重量,也就有點貴XD
但用起來真沒話說,非常穩固,移動順暢
滑塊內有整排的滾珠

滑軌有多種規格,像是螺桿型的,有底座的...等
其他種是有特殊需求才用,所以我買這基本款,這種最便宜

有了軌道,第二件事就是把軌道固定好
所以我需要一個固定架

用環氧樹脂灌注,底座切個凹槽方便固定在玻璃上
本篇所有自訂元件都是用環氧樹脂灌注的
製作途中翻模,修模流程一樣也沒少
只是不貼出所有過程以免佔版面
對細節有興趣可參考 模型製作 標籤裡的文章

接著我想我們會需要一個輪子來帶動
所以做了一個牽引輪

用發泡樹脂弄個圓盤,上面疊個黏土當原型,然後灌成環氧樹脂

這樣做出來一定沒法很圓,所以找個地方固定後打磨

結果......還是沒有非常圓
這東西手工做真困難,或許是我方法不對

接著製作托架,把輪子固定在滑塊上


最後大合體

牽引輪外加一條橡皮筋增加摩擦力
不圓的地方希望能用橡皮筋的彈性補足

接著製作燈管固定架

T5 燈管細小,只要能夾住就能牽引
不過後來想想把燈管先固定到木條上然後再牽引木條不是更簡單?
算了,當時也沒想這麼多,以後再改


接著整合測試
先隨意固定上步進馬達試看看

結果就出包了XD

上了橡皮筋但還是不夠圓
所以當轉到凹陷處就會空轉,無法前進
直到轉到凸出處才會牽引
就算換成高吸附能力的矽膠皮也是一樣
橡皮筋牽引時因為有彈性,剛轉動時輪子不會動
直到拉力夠把橡皮筋拉緊時輪子才會開始轉,這也是問題
這些問題將導致速度不穩定,忽快忽慢,曝光時間自然無法準確
我知道用齒輪一定比較好
但是齒輪沒法自己做,做個輪子都亂七八糟了還齒輪
模型店齒輪規格不一,齒輪比也是個問題
還有齒輪軸,如果想帶動旋轉,齒輪和軸不能打滑
可是這些都是精密小零件,很難手工製作,買來的也都規格不同
這個計畫就在此卡住了兩個月
到這裡為止所有中間材料





兩個月後我看到這個
LEGO 3D Milling Machine - "3D Printer"
樂高規格是固定的,也有穩固可帶動的十字轉軸
也有齒軌可以當軌道,比輪子準確得多
輪軸固定在積木上,積木可任意組合外型
這可以輕易的客製化
於是我就去找了些零件來用
以前就覺得樂高的東西真是貴
扯到 NXT 的配件更是靠北
馬達, 控制器當然不用說, 都是以國父為單位計價
他們的馬達只有兩線, 推測應該是直流馬達
直流馬達很難推斷現在轉到哪裡
一定要加感測器識別
而直流馬達多轉速高, 還要加上一堆齒輪調速, 這成本很高
那些齒輪一顆都十到三十圓
稀少零件, 像是齒軌, 一小段也是賣近三十
要鋪成一整條要一張小朋友, 搞雞毛啊
所以, 我就...

用 copy 的XD
光碟可以複製, 模型當然也可以
雖然複製出來有些瑕疵, 氣泡, 小缺角
受限於製程(?)也不能細部複製, 因此重量較重
但這並不影響使用 (就算影響, 我還有砂紙可以消除干擾XD)

並且有預鑄庫存 !
由於馬達上齒輪和樂高不相容
所以我們會需要轉換器
在軟體就叫做 glue layer
硬體就是 level shifter ! (越說越模糊XD)
所以我這樣做

這樣丟下去灌注就可以得到外圈是小齒, 軸心是樂高的齒輪
接著製作骨架用來固定齒輪

看外型應該不難理解原型怎麼來的XD
搭配預鑄庫存和骨架進行轉動測試

輕轉右側齒輪, 左側齒輪飛快旋轉
透過不斷的小齒推大齒達到減速效果
此時用最左側齒輪接上步進馬達就能以超微速前進
希望能達到我需要的兩分鐘走一小步的目標
接著製做軌道, 兜成這樣

到這裡, 我已經看到光明的前景了XD
這能做成, 有希望 !

接著修整骨架, 讓它好看些

馬達要放上去, 因此需要馬達固定架

動力部分完工


馬達卡得蠻緊的, 齒輪可以旋轉
轉動時感覺到強大的阻力
可以預期馬達輸出會被轉換成非常慢的速度

不過光這個結構是沒法牽引燈管的
因為它能動, 卻不一定能正正的走
有個負載在一邊, 這樣會惹麻煩
所以, 前面做失敗的滑軌又派上用場
組合起來:

用動力機械牽引滑塊, 這樣就能走得直了
以上是機械部份組件,光這樣只是能手動玩而已
接著我們要補上自動控制部份才能為它注入活力

下篇: 製作掃描式感光電路板曝光機 Part-2 控制部份

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