Станок лазерной резки и гравировки своими руками на основе «Arduino»

Станок лазерной резки и гравировки своими руками на основе «Arduino»

Технология цифрового управления полезна для работы различных машин. Список оборудования включает, к примеру, портативные лазерные режущие и гравировальные станки. Такие аппараты позволяют выполнять резку на различной поверхности, в зависимости от мощности лазерного диода. Рассмотрим тему — как собрать станок лазерной резки и гравировки, управляемый посредством контроллера «Arduino», непосредственно своими руками. Популярный конструктор делает доступным сборку эффективного инструмента для малого бизнеса. Модель гравировального аппарата компактна, проста в эксплуатации, недорогая по стоимости производства.

Особенности лазерного света гравировальных станков

Усечённый лазер следует рассматривать как «усиление света посредством индуцированного излучения». Этот момент подразумевает исход лазера от источника (резонатора), которым генерируется (передаётся) излучение, поэтапными наплывами и неразличимыми:

  • повторением,
  • стадией,
  • поляризацией.

Лазерный свет, по сути, представлен формой узкой длиной волны. Существуют лазеры, воспроизводящие широкий спектр света или постоянно пропускающие световые волны различной длины.

Технология под станок лазерной резки широко используется как часть подготовки металла и неметаллического материала. Подход значительно сокращает время и стоимость обработки, улучшает характер обрабатываемой детали. Современный лазерный гравировальный режущий инструмент — это своего рода «фантастический меч», способный рассекать железо, словно жевательную резинку.

Технология лазерной резки как инновация в малом бизнесе

Лазерная резка — инновация, где используется технология резки материалов на базе современной электронной сборки и генерации. Лазерная резка работает путём стабильной координации выхода мощного луча лазера через оптику. Лазерная оптика наряду с программированием контроллера используются для координации материала или рабочей лазерной стойки.

ЛАЗЕРНЫЙ

Лазерная гравировальная машина своими руками
Нечто подобное и вполне работоспособное допустимо собрать на базе популярного контроллера «Arduino». Гравировальная машина домашнего производства – как инструмент малого бизнеса

Механические лазерные нарезные станки могут успешно применяться для обработки нарезкой на листовом материале. Лазерная нарезка является эффективным инструментом в плане использования мощной энергии задействованного лазера. Под управлением ПК формируется лазерный тактовый импульс нужной частоты и ширины.

После прохождения и серийного отражения в рамках оптического пути установки с помощью центрирующего сбора фокальных точек, ударный лазерный луч превращается в незаметную и высокоэффективную вспышку. Эта вспышка образуется на максимальном сближении с обрабатываемой поверхностью, моментально расплавляя материал.

Каждое мощное лазерное излучение способно за короткое время создать тончайший технологический нарезной проход. Под управлением ПК лазерная головка движется умеренно, в точном соответствии с графиком линий, очерчивающих желанную форму гравировки или резки. В отличие от традиционных технологий обработки резанием, лазерная нарезка отличается:

  1. Высоким качеством исполнения реза.
  2. Скоростью производства.
  3. Технологичностью исполнения.
  4. Широким спектром применения.

Экспериментальное изготовление портативного лазерного станка

Портативный лазерный режущий гравировальный станок, относительно простой в изготовлении, можно сказать — мечта малых предприятий, осваивающих бизнес гравировки или аналогичный. Это своего рода революция современных технологий, связанных с производством, благодаря простоте в обращении и универсальности.

ЛАЗЕР-МАШИНА

Структурная схема гравера на Arduino
Структурная схема машины лазерной гравировки: 1 – шаговый моторы; 2 – блок питания 12 вольт; 3 – кнопки-ограничители осевого перемещения; 4 – регулятор напряжения; 5 – лазерный диод; 6 – драйверы электродвигателей; 7 – контроллер «Arduino»; 8 – реле 5 вольт; 9 – кнопки контроля и управления

Для изготовления оборудования с последующей работой, направленной на резку и гравировку изделий, потребуется обзавестись программным обеспечением и основными модульными деталями. Перечень необходимых модулей с кратким описанием представлен ниже.

Составляющие резательно-гравировального лазерного станка

Функционирование аппаратной части инструмента лазерной гравировки обеспечивает программное обеспечение «Eleksmaker» или подобное, преобразующее графическое изображение в G-код, используемый контроллером.

Требуемое изображение импортируется в формате «Scalable Vector Graphics (SVG)», а посредством ПО «Eleksmaker» конвертируется в G-код, создающий координаты изображения. Программным обеспечением «Eleksmaker» управляются шаговые двигатели, контролируется мощность лазера.

Электронным аппаратным средством проекта выступает конструктор «Arduino nano» — электронное устройство на основе макетных плат. Это фактически готовая управляющая база портативного станка лазерной резки и гравировки. Контроллер на основе «Arduino nano» поддерживает:

  • регулировку мощности лазера,
  • функцию редуцированного света,
  • изоляцию оптической муфты,
  • защиту от помех.

Системой «Arduino» также управляются шаговые двигатели, доступно выполнение прошивки контроллера при необходимости.

Лазерный диодный модуль самодельного гравера

Модули лазерных диодов доступны в широком ассортименте длин волн, выходных мощностей или форм пиллерсов в зависимости от применения. Зелёные лазеры дают более заметную дифференциацию на материалах.

ЛАЗЕР-ДИОД

Станок лазерной резки и лазерный диод для применения
Лазерный диод, помещённый внутри массивной алюминиевой оболочки для обеспечения изоляции и эффективного охлаждения. Такого рода компонент используется в самодельной конструкции

Для применения в составе описываемой конструкции гравера используется лазерный модуль мощностью 500 МВт, при длине волны 450 нм. Удачно подходят для воспроизводства проекта конструкторы с лазерными диодными модулями, представленные ниже в таблице:

Продукт Напряжение питания, В Мощность, мВт Программное обеспечение
SLB Works 12 500 BenBox
Zeta USB DIY 12 500 Eleksmaker
NEJE DK-8 12 500 Eleksmaker

Возможная конструкция рамы резательно-гравировального станка

Опоры шарнирно-винтовой передачи и опоры вала можно установить на полых алюминиевых стойках. Такие элементы используются для всех основных конструктивных частей машины. Толщина алюминия составляет около 2 мм.

Алюминиевые стойки относительно легко режутся и сверлятся, при этом материал хорошо держит форму и достаточно высокие механические нагрузки. Кроме того, учитывая квадратную форму, алюминиевые стойки обеспечивают точные параметры параллельности / перпендикулярности опорных поверхностей.

КОНСТРУКТИВ

Лазерная гравировка - шасси для конструкции своими руками
Примерно такой выглядит часть конструкции шасси, на котором закрепляются осевые направляющие перемещения шаговых электродвигателей самодельной лазерной гравировальной установки

Монтажные отверстия на алюминии просто высверлить с помощью аккумуляторной дрели, а обрезка стоек по размеру выполняется торцовочной пилой (или обычной ножовкой). Винты и гайки M5 применяются в конструкции рамы для скрепления большинства деталей между собой. Применение винтовых скреплений обеспечивает лёгкую разборку и модификацию рамы.

Внедрение шаговых электродвигателей в станок лазерной резки

Как показала практика экспериментов, практично использовать в качестве шаговых приводов электродвигатели серии «NEMA 23» или аналогичные с высоким крутящим моментом. Мощные шаговые двигатели, однако, требуют мощных драйверов для получения максимальной отдачи. В результате оптимальным решением видится использование индивидуального шагового драйвера для каждого двигателя.

Подборка получается следующей:

  • количество шаговых двигателей 2,
  • тип моторов – «NEMA 23»,
  • удерживающий момент — 1,8 Нм,
  • 200 шагов / оборот (угол шага 1,8 градуса),
  • потребляемый ток не более 3.0 А,
  • вес не более 1 кг,
  • тип соединения биполярное 4-х проводное,
  • драйверы шаговых двигателей – 2,
  • цифровой шаговый драйвер,
  • функция микро-шага,
  • выходной ток 0,5 — 5,6 А,
  • функция ограничителя выходного тока,
  • частота импульсного входа до 200 кГц,
  • напряжение питания 20 — 50 вольт постоянного тока.

Для каждой оси двигатель приводится в движение шариковым винтом через соединитель двигателя.

ШАГОВЫЙ

Станок лазерной резки - шаговый мотор и драйвер к мотору
Внешний вид электродвигателя и электронного драйвера управления таким мотором, которые могут использоваться в самостоятельно собираемой конструкции гравировальной лазерной машины

Двигатели крепятся к раме с помощью двух алюминиевых углов и алюминиевой пластины. Алюминиевые углы и пластина имеют толщину 3 мм и достаточно прочны, чтобы выдержать вес двигателя без прогиба.

Электронная схема управления лазерным гравировальным станком

Схема станка лазерной резки требует питания не менее 10 вольт постоянного тока и простой входной сигнал включения / выключения, который обеспечивается модулем «Arduino».

Схемой используется микросхема LM317T, представляющая линейный регулятор (стабилизатор) напряжения и тока. Через потенциометр, включенный в цепь, осуществляется регулировка заданной токовой величины.

В целом гравировальная машина имеет два отдельных источника питания по причине различных требований к рабочим напряжениям. Так, драйверам шагового двигателя требуется питание напряжением 20-50 вольт постоянного тока. Каждый шаговый двигатель потребляет максимальный ток 3,0 ампера.

Когда двигатели работают непрерывно, потребление тока не превышает значения 1 ампер. Когда же меняется скорость шаговых моторов, потребление возрастает до 2А на каждый мотор. Соответственно, требуется блок питания шаговых драйверов мощностью не менее 100 Вт с выходным напряжением 36 вольт при токе 3 А.

Драйверу лазера требуется напряжение питания не менее 10 вольт при токе не менее 1,25 ампер. Здесь вполне достаточно блока питания, например, от компьютеров типа ATX PC, с напряжением на выходе 12 вольт.

Станок лазерной резки — скетч обработки интерпретатором «Arduino»

Скетч объекта обработки контроллер «Arduino» интерпретирует блоком инструкций. Существует ряд символов инструкции:

  • быстрое перемещение вправо на один пиксель (пустой пиксель),
  • медленное перемещение вправо на один пиксель (прожжённый пиксель),
  • быстрое перемещение влево на один пиксель (пустой пиксель),
  • медленное перемещение влево на один пиксель (прожжённый пиксель),
  • быстрое перемещение вверх на один пиксель (пустой пиксель),
  • медленное перемещение вверх на один пиксель (прожжённый пиксель),
  • быстрое перемещение вниз на один пиксель (пустой пиксель),
  • медленное перемещение вниз на один пиксель (прожжённый пиксель),
  • включение лазера,
  • отключение лазера,
  • возврат осей в исходное положение.

С каждым символом контроллером «Arduino» запускается соответствующая функция для формирования сигнала на выходных выводах. Функционал «Arduino» контролирует скорость двигателя посредством задержек между шаговыми импульсами. В идеале машина работает с одинаково высокой скоростью, будь то гравировка пикселя или пропускание пустого пикселя.

Однако по причине ограниченной мощности лазерного диода, работу машины следует несколько замедлять в процессе прожигании пикселя. Поэтому используются две скорости для каждого направления в списке символов инструкций, что обозначены выше.

Скетч «Arduino» также управляет масштабированием изображения объекта. Драйверы с шаговым двигателем настроены на половину шага. То есть, на драйверы требуется 400 шаговых импульсов на один оборот двигателя (400 шаговых импульсов / 5 мм линейного движения). Без какого-либо масштабирования гравированные картинки получаются малоразмерными настолько, что объект трудно различить невооружённым глазом.

Заключительный момент на станок лазерной резки

Одним словом – есть заманчивая идея для реализации своими руками. Эту идею вполне допустимо осуществить в реальный бизнес-проект. Здесь представлены некоторые соображения умельцев, уже сумевших смонтировать работающее вполне эффективно оборудование. Почему бы не повторить полезное дело. Однако повторяя проект, не следует забывать о безопасности. Работа с лазером требует применения определённых защитных функций. Как минимум, конструкторам нужны специальные очки для защиты органов зрения.


При помощи информации: Instructables