Elektor PCB Prototyper

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1 Elektor PCB Prototyper Di Harry Baggen ((Elektor Olanda)) Vi piacerebbe realizzare C.S. con una separazione minima tra le tracce di soli 100 μm e fori da 0.2-mm? L Elektor PCB Prototyper è una macchina professionale in grado di fare questo e altro ancora. Grazie all architettura modulare software e hardware potrete realizzare, con facilità, un completo sistema automatizzato per il vostro laboratorio. Lo sviluppo di un sistema di motori completamente nuovo ha permesso alla Colinbus di costruire e vendere ad un prezzo molto più basso dei prodotti di caratteristiche equivalenti una macchina di elevato livello di precisione e versatilità. Quando nella nostra rivista del gennaio 2007 presentammo l Elektor Profiler non ci aspettavamo di ricevere una così grande quantità di richieste riguardanti l utilizzo delle macchine per la fresatura dei circuiti stampati. Elektor Profiler fu progettato per impieghi generali di fresatura, non espressamente per i circuiti stampati. Sebbene possa essere utilizzata anche per questo scopo, con impegno e bravura da parte utilizzatore, i risultati non sono in alcun modo paragonabili a quelli ottenuti utilizzando una macchina apposita. Gli utilizzatori occasionali, che hanno bisogno di creare un semplice C.S. per il montaggio di componenti convenzionali, si sono fin ora accontentati dei risultati ottenuti con il Profiler. Molti altri utenti avrebbero invece bisogno di una macchina più precisa e più versatile. Una macchina per C.S. è costosa e per costruirla servono manodopera specializzata e tecnologia. Sono poche le aziende in grado di farlo. I progettisti della Colinbus avevano due obiettivi: il primo era quello di ridurre il costo della macchina per renderla appetibile a piccole aziende, scuole, università e hobbisti desiderosi di fare un piccolo investimento per il loro hobby (considerato che per recuperare la spesa bisogna poi realizzare un gran numero di C.S.). Il secondo obiettivo era quello di realizzare una macchina versatile, così da potere essere impiegata per più lavori (non solo per i C.S.). C è voluto qualche anno ma adesso siamo in grado di presentarvi il PCB Prototyper: una macchina estremamente compatta che soddisfa entrambi i requisiti. Il progetto Il PCB Prototyper è una macchina compatta, a forma di cubo, che ha occupa un minimo spazio sul vostro tavolo di lavoro. Tutte le parti in movimento sono schermate da un coperchio di Plexiglas che rende la macchina silenziosa e pulita. Il coperchio è munito di interruttore di sicurezza che blocca la macchina quando lo si apre. Il progetto del PCB Prototyper è stato derivato da macchine per la realizzazione di C.S. professionali, il che vuol dire che tutte le parti meccaniche sono estremamente precise e che il software integrato dispone di speciali routine che permettono di lavorare ad un livello professionale. Il PCB Prototyper è il primo sistema che utilizza una progettazione modulare. Il piano di lavoro può essere sostituito da qualsiasi altro tipo di piano, la testa multifunzionale che ospita il mandrino ad alta velocità può essere rimosso o modificato e si possono montare una camera, un dispenser o altri accessori. La testa multifunzionale è ad innesto, in modo da poterla facilmente adattare al lavoro che si sta effettuando, mentre le condotte di aria e di aspirazione sono integrate nella macchina e si possono facilmente collegare e rimuovere. Il pannello posteriore, incernierato, può essere aperto per aumentare l area di lavoro o per permettere il passaggio di tubi o cavi. Queste sono solo alcune delle caratteristiche del PCB Prototyper, una vera macchina multifunzione in grado di eseguire decine di compiti nel vostro laboratorio. Il PCB Prototyper viene corredato del software di controllo ColiBri, un programma nel quale risiedono tutti i moduli software necessari al funzionamento della macchina. Il elektor

2 Una macchina per la fresatura di circuiti stampati con tante possibilità di espansione Specifiche tecniche Area di lavoro: mm (X Y Z) Risoluzione: Motori X/Y/Z: 1.8 μm Motori ibridi Max. velocità mandrino: 40,000 rpm (regolabile tramite software) Piano di lavoro: Tavola di precisione con singolo slot a T Cambio attrezzi: Manuale (sistema automatico disponibile come accessorio) Dimensione attrezzi: Standard 1/8 (altre dimensioni disponibili come accessori) Modulo di incisione: Regolabile, con micrometro integrato Estrazione polveri: Integrato nel modulo di incisione Dimensioni: mm (L P H) Alimentazione: VAC, 50/60 Hz Peso: Circa 35 kg Software: Software CAM e di controllo in dotazione (ambienti Windows XP, Windows Vista o Windows 7) Comunicazione con il PC: Porta USB modulo software principale, in dotazione con la macchina standard, è il modulo PCB. Questo package CAM, appositamente progettato per la realizzazione dei C.S., è senza dubbio uno dei più potenti e user-friendly sul mercato. Meccanica È generalmente risaputo che i risultati ottenuti utilizzando una normale macchina fresatrice per l incisione meccanica dei C.S. sono scadenti, principalmente a causa della progettazione meccanica delle macchine. Ciò non significa che alcune macchine siano peggiori delle altre, ma che sono semplicemente state progettate per soddisfare altre esigenze. Sono i piccoli dettagli che fanno la differenza. In primo luogo, una macchina per C.S. deve essere stabile e per questo la sua struttura deve essere massiccia. Per questa ragione il PCB Prototyper è stato realizzato tutto in acciaio. La struttura in acciaio inoltre assicura che le robuste guide alla base per le boccole di scorrimento non si muovano. La seppur minima flessione o anche il minimo movimento delle aste di guida, infatti, produrrebbe imperfezioni sul prodotto finito. Una flessione di 0,01 mm causa un errore di incisione maggiore della distanza di isolamento tra le piste: un risultato inaccettabile in una macchina per C.S. Il PCB Prototyper è inoltre dotato di dispositivi per la riduzione del gioco sulle viti delle barre filettate. Questi dadi speciali prevengono il gioco meccanico che si genera quando le aste cambiano direzione, cosa particolarmente importante quando si devono realizzare piccole piazzole o piste strette. Elettronica e software integrato La differenza più importante tra una fresatrice convenzionale e una per C.S. non sta nei componenti meccanici, bensì nel software che calcola i movimenti e controlla i motori. È ovvio che la realizzazione di centinaia di piccoli cerchi e di piste richieda l utilizzo di routine completamente diverse da quelle impiegate per la fresatura di oggetti (come ad esempio i pannelli frontali). È perciò perfettamente plausibile che una fresatrice convenzionale con una velocità massima di 500 mm/s impiegherà molto più tempo per produrre un C.S. rispetto ad una vera fresatrice per C.S. funzionante ad una velocità massima di 100 mm/s. La massima velocità è un aspetto secondario per la fresatura di un C.S.; sono molto più importanti le caratteristiche di accelerazione e decelerazione ed i relativi algoritmi di calcolo. Ciò perché la fresatrice non potrà mai raggiungere la sua massima velocità quando sta lavorando in quanto i movimenti sono troppo piccoli. Il controller del PCB Prototyper è stato realizzato utilizzando una CPU RISC ARM7 a 32-bit ed una FPGA. Generalmente, la potenza di calcolo di questo sistema permette il funzionamento indipendente della macchina, ma non è sempre così. Per questa ragione il controller del PCB Prototyper è in grado di affidare al PC lo svolgimento di specifici task, offrendo ulteriori possibilità di utilizzo. Il micro controller,a sua volta, è si in grado di ese- elektor

3 Figura 1. Dettaglio di un C.S. lavorato dal PCB Prototyper. Alcune tracce sono larghe solamente 0.15 mm. guire i calcoli per tutti i movimenti senza dipendere dal PC, ma può allo stesso tempo sfruttarne l elevata potenza di calcolo. In questo modo si sfruttano i vantaggi di entrambi i sistemi e allo stesso tempo di entrambi i sistemi si eliminano gli svantaggi. Testa multifunzionale La testa multifunzionale è montata sull asse Z del PCB Prototyper. Questo modulo ospita un mandrino completo di tubi di estrazione della polvere e di conduzione dell aria, un micrometro per la regolazione della profondità ed un modulo di incisione di precisione con una camera di aspirazione. È possibile inoltre montare una macchina fotografica, un dispenser ed ulteriori accessori. La velocità di funzionamento del motore ad alta velocità del mandrino si può regolare via software, fino ad un massimo di rpm (giri al minuto). Una comoda manopola di blocco e la testa di incisione snodabile permettono la facile sostituzione degli attrezzi. Questo semplifica considerevolmente l utilizzo di frese e punte di Figura 2. Il modulo di incisione con un C.S. montato sul piano sottostante. L intero piano si muove lungo l asse X. piccola dimensione. La testina di estrazione della polvere è integrata nel modulo di incisione. Il vantaggio più grande è quello di potere orientare la testa di incisione senza dovere scollegare alcun tubo. Il dispositivo di aspirazione diretta passante sul blocco motore rimuove efficacemente anche le più piccole particelle di polvere. La profondità di fresatura viene impostata tramite un micrometro. Ciò permette di ottenere isolamenti perfetti tra le tracce anche utilizzando una fresa conica. Se utilizzate il PCB Prototyper per altri lavori il micrometro si potrà sfruttare per una regolazione di alta precisione o per effettuare misurazioni. Una macchina versatile Come già menzionato, il PCB Prototyper è più di una semplice fresatrice per C.S. La macchina potrà essere facilmente adattata per eseguire altri compiti. Questo grazie non solo agli aspetti meccanici della macchina ma anche al software incluso. La difficoltà maggiore nello sviluppo di una macchina di tale versatilità sta nel garantire la necessaria precisione, dato che ogni volta che si può agire sui controlli di una macchina c è la possibilità di commettere errori. Per garantire tale precisione sono state trovate diverse soluzioni innovative: Come in tante fresatrici per C.S. la versione standard del PCB Prototyper viene fornita di una base di lavoro piatta dotata di una scanalatura a T al centro. In questa scanalatura vengono montati blocchetti scorrevoli dotati di piccole punte per il bloccaggio del materiale da lavorare. Questo sistema è perfetto per la realizzazione di C.S. a doppia faccia, ma non è adatto per la realizzazione di altri oggetti (ad esempio i pezzi tridimensionali). Il progetto del PCB Prototyper permette la sostituzione del piano di lavoro con uno in alluminio con slot a T, con un piano con sistema a vuoto d aria e un piano realizzato su specifiche del cliente. Il modulo di incisione è dotato di un sensore di profondità intercambiabile. La versione standard della macchina viene fornita con un sensore adatto alla maggior parte dei comuni C.S. mentre per l incisione di C.S. HF o per materiali molto morbidi può essere opportuna la sostituzione del sensore standard con uno maggiormente adatto all esigenza. Quasi tutte le fresatrici per C.S. possiedono una testa di incisione fissa, ideale per la fresatura di C.S. ma assolutamente inservibile per effettuare altre lavorazioni. Il PCB Prototyper è dotato di un originale sistema Pivo, che permette di potere allontanare la testa di incisione. Oltre a semplificare il montaggio di piccole frese, il vantaggio è quello di potere rimuovere con facilità il modulo di incisione. Una volta rimosso si può accedere al connettore di estrazione della polvere e, se opportuno, si può montare una differente bocchetta. Si assicura così la migliore aspirazione a seconda della lavorazione. La testa multifunzione del PCB Prototyper è stata progettata per permettere il montaggio di dispositivi speciali, come ad esempio una camera, un dispositivo per l effettuazione di misure, un dispenser. Il tavolo di lavoro della macchina è stato realizzato in maniera tale che il mandrino e gli accessori possano coprire elektor

4 La testa multifunzione Meccanismo a molla del modulo di incisione Modulo di incisione rimovibile Bottone di rilascio dell asse del motore Manopola di bloccaggio Sistema di estrazione delle polveri integrato Micrometro per la profondità di fresatura Alloggiamento per l utensile Fori di montaggio per gli accessori l intera area di lavoro. Un comodo sportellino sul retro della macchina permette agli utilizzatori di potere lavorare pezzi più grandi del piano di lavoro, sia su specifiche porzioni di pezzi grandi sia oggetti interi (marcando dei punti di riferimento e facendo poi scorrere il pezzo sulla macchina) senza dovere effettuare complicate manovre. È possibile anche smontare la testa multifunzione ed utilizzare la macchina per scopi completamente differenti. Grazie agli attacchi a rilascio veloce, i tubi per aria presenti sulla macchina si potranno utilizzare per aspirare o emettere aria. Software incluso Il software fornito con la macchina è molto importante. Gli utilizzatori devono essere in grado di importare i file dai programmi di disegno PCB e convertirli in C.S. pronti per l assemblaggio, il tutto senza difficoltà. Si devono potere effettuare con facilità anche lavorazioni più complesse. Il software in dotazione con il PCB Prototyper è in grado di fare questo e ben altro ancora. Come già detto, il PCB Prototyper viene fornito con ColiBri, un software versatile che comprende tutti i moduli software necessari al funzionamento della macchina. L idea che sta dietro a questo approccio è che l utente deve semplicemente cliccare su un file e ColiBri deve automaticamente provvedere ad aprire l ambiente di lavoro giusto. Per realizzare C.S. selezionerà il modulo PCB mentre per fare oggetti 3D selezionerà il modulo 3D. Con questo sistema l utilizzatore avrà un idea chiara su quali file si sta lavorando, ed ogni file sarà collegato automaticamente al modulo software necessario alla lavorazione. Con il PCB Prototyper viene fornito di base di ColiBri e il modulo PCB, il che significa che al momento dell acquisto PCB Prototyper sarà un completo sistema di fresatura per C.S. Se necessario si potranno acquistare altri moduli oppure si potranno realizzare in proprio (viene fornito agli utenti il set completo di comandi). Modulo PCB Il modulo PCB è un package software che aderisce ai più recenti standard software. L interfaccia in stile Office e la grafica in stile Windows 7 rendono il lavoro intuitivo. Il software di controllo della macchina ed il package CAM sono completamente integrati nel modulo PCB, eliminando la necessità di dovere trasferire manualmente i file da un ambiente all altro. Ciò semplifica parecchio il lavoro, in quanto qualsiasi modifica eseguita nel modulo CAM si riflette automaticamente sull ambiente di controllo, e viceversa. Nonostante questo collegamento si possono lavorare altri C.S. nell ambiente CAM e generare i relativi profili senza interferire con il lavoro di fresatura eseguito dalla macchina. Il modulo PCB non ha quelle restrizioni che tipicamente si incontrano in analoghi package. Le funzionalità che spesso i costruttori elektor

5 ed è stato capace di generare i file di routing per tutti i C.S. il che non è avvenuto con gli altri package. Non abbiamo molto spazio a disposizione per descrivere tutte le funzioni e tutte le caratteristiche del modulo PCB. Se desiderate saperne di più visitate il sito della Colinbus all indirizzo www. colinbus.com/pcbprototyper dove troverete una descrizione dettagliata. Figura 3. Il controller PCB Prototyper è stato realizzato con un processore 32-bit RISC ed una FPGA. limitano nei pacchetti base, come ad esempio il multi-strato, la rimozione del rame residuo, la rimozione di punti isolati, l utilizzo di strategie di tracciamento in funzione degli utensili, il controllo di conformità di progetto, e la metallizzazione o meno dei fori, sono invece di serie nel modulo PCB. Con il PCB Prototyper, la realizzazione di C.S. è semplice e gli errori sono rari, ma come in tutte le lavorazioni meccaniche è sempre possibile che qualcosa vada storto. La funzione selective remake del modulo PCB in questo caso è utile. Si supponga che una punta o una fresa si spezzi durante una lavorazione. Si potrà selezionare un area, o la singola traccia difettosa e ricominciare la nuova lavorazione, lasciando inalterato il resto del lavoro. In assenza di questa funzione si dovrebbe rifare da capo l intero circuito. Per capire cosa è in grado di fare questo modulo PCB abbiamo utilizzato 4 package CAM simili per generare i contorni di 10 differenti C.S. (diverse piastre per HF che necessitano esclusivamente la rimozione del rame residuo, qualche piastra multi-strato complessa ed un paio di piastre digitali ed analogiche). In molti casi (ma non sempre) il modulo PCB ha impiegato lo stesso tempo per la lavorazione Ordini L Elektor PCB Prototyper viene fornito montato e calibrato e con un motore completo di mandrino. Il software in dotazione è composto dalla shell ColiBri e dal modulo PCB. Per effettuare l acquisto si prega di utilizzare il modulo d ordine sul sito di Elektor ( Prototyper). Il prezzo è di oltre le tasse (dove necessario) e le spese di spedizione. Le spese di spedizione dipendono dal Paese di destinazione e sono elencate sul sito web. La macchina viene venduta e fatturata da Colinbus. Al momento per il PCB Prototyper sono in fase di sviluppo vari software e varie estensioni hardware. Saranno annunciati su Elektor e sul sito web non appena disponibili. La prova del nove Ovviamente non possiamo pubblicare tutta la documentazione fotografica delle caratteristiche del PCB Prototyper. Tutto ciò di cui avreste bisogno è la verifica dei risultati con i vostri stessi occhi e con una lente di ingrandimento. Non possiamo sfortunatamente invitare ciascun lettore ad una sessione dimostrativa, ma possiamo dirvi che lo staff dei progettisti Elektor si è completamente convinto dopo l analisi di diversi C.S. realizzati con il PCB Prototyper e loro sono molto esigenti quando si tratta della qualità dello loro piastre. Siamo sicuri che il laboratorio di Elektor prenderà un PCB Prototyper al più presto per realizzare quei C.S. di cui ha a volte immediatamente bisogno. (100619) Figura 4. I profili del C.S. elaborati utilizzando il nuovo programma ColiBri ed il modulo software PCB elektor