Лазер в умелых руках самодельщика превращается...

Превращается… Нет, не в световую саблю джедая. Превращается в станок — лазерный гравёр или резак. Началось это всё довольно давно. Как-то раз мне в руки попал станочный алюминиевый профиль 30×30 мм. Достался он мне почти задаром. Несколько обрезков мне подарил человек работающий в фирме, которая занимается изготовлением торгового оборудования - витрин, стеллажей, полок. Я на него долго смотрел, примерял куда бы как его использовать. Обрезки были небольшие и на хороший фрезерный станок их бы не хватило.

↑ Предисловие

Вот тогда-то меня и посетила мысль сделать себе лазерный гравер. Для чего он мне я тогда еще представлял не очень хорошо, но желание сделать и сам процесс изготовления своими руками чего-то нового, чего я раньше не делал перевесило сомнения.
В процессе изготовления я фотографий почти не делал, поэтому конструкцию буду описывать уже на основе фотографий готового изделия. Так же немного расскажу о сложностях, с которыми столкнулся при наладке изделия и настройке программного обеспечения. Надеюсь это будет полезно многим.
Итак, начнем.

↑ Изготовление станины

Начал постройку с рамы-станины прямоугольной формы. Использовал имевшиеся обрезки профиля, какие у меня были. Лучше всего это видно на фото снизу.

Для крепления профиля сначала пробовал использовать обычные мебельные уголки, потом пробовал строительные, но все-таки лучший результат получился со специально предназначенными для этого уголками.

Купить их можно через интернет. У наших российских продавцов это будет быстро, но дорого. У китайцев получится гораздо дешевле, но ждать долго. Я никуда не торопился.

Еще для работы с таким профилем очень нужны будут специальные Т-гайки, которые входят в прорези профиля и после поворота надежно фиксируют детали, которые прикручиваются к профилю.
Но можно обойтись и без них, использовать фланцевые гайки М5 - они гораздо дешевле и их можно найти в любом хозмаге.

Лазерная головка будет двигаться по двум осям. Соответственно потребуются направляющие, линейные подшипники и держатели для этих направляющих, чтобы их закрепить на станине. С этим у меня проблем не возникло.
Линейные подшипники и держатели под направляющие диаметром 8 мм у меня остались с тех пор когда я делал трех-координатный фрезер.

Их можно недорого приобрести и у наших китайских друзей.


Сами направляющие в большом количестве можно найти в старых принтерах. Там по таким направляющим движется печатная головка. В поисках шаговых двигателей я разобрал несколько старых принтеров, откуда и взял эти направляющие валы.
Сразу рекомендую внимательно присматриваться к старым матричным (или самым старым струйным) принтерам. Там искомые детали найдутся с почти стопроцентной вероятностью. Использованы шаговые двигатели стандарта Neima 17 имеющие точность позиционирования 200 шагов на оборот или 1.8 градуса на шаг.

Закрепляем направляющие на станине - это будет ось У. К линейным подшипникам прикрепляю поперечную планку, на которой будут закреплены направляющие оси Х.

Вот несколько фотографий иллюстрирующих то как это выглядит в моем случае. Самое главное, чтобы все части двигались легко без заеданий и перекосов.

На направляющих оси Х закреплена текстолитовая пластина, к которой в последствии будет крепиться сам лазерный излучатель.

Передвижение по осям будет осуществляться при помощи трех шаговых двигателей и зубчатых ремней. Два из них закреплены на поперечине и осуществляют передвижение по оси У.
Еще один будет двигать саму лазерную головку по оси Х. Двигатели и ремни взяты от матричных принтеров.

Но если их нет под руками, то их можно купить отдельно. Потребуются насадка на вал двигателя под зубчатый ремень и сам зубчатый ремень. Надо убедиться, что шаг зубцов на ремне совпадает с таковым на насадке

Концы ремня неподвижно закреплены на станине.

Для движения по оси Х я взял без изменения механизм привода печатной головки от принтера Epson LX800. Шаговый двигатель крутит зубчатый ремень, к одной из сторон которого прикреплен держатель лазерной головки.

Провода от двигателей и лазера собраны в жгут, обмотаны сверху разрезанным по спирали силиконовым шлангом. Важно чтобы провода были многожильные и достаточно мягкие, чтобы не оказывали сопротивления передвижению и не перетирались, не переламывались.

Под жгут проводов уложены направляющие из тонкого уголка, чтобы жгуты не провисали.

↑ Электрическая схема устройства

За основу электронной части взята стандартная плата Arduino Uno. К ней присоединяется плата управления шаговыми двигателями CNC Shield V3.0 На эту плату установлены драйвера шаговых двигателей на основе микросхемы А4988. Эти все платы купил на тоже у китайцев, хотя они есть в продаже и в наших магазинах.


Плата закреплена на станине. Рядом закрепил блок питания. Он должен обеспечивать ток не менее 5А.

Для подключения к плате контроллера очень кстати подошли провода от старых компьютерных корпусов. На них уже закреплены разъемы, одевающиеся на штырьки. Можно все собрать без применения пайки.
Для питания очень кстати подошел импульсный блок питания 12 В и 10 А (взят с запасом большим, чтобы в последствии можно было использовать или более мощный лазер или применить другие более мощные шаговые двигатели).

↑ Схема подключения лазера к Ардуино

Схем подключения лазера к Ардуино в сети очень много. Я использовал вот эту:

К выводам для подключения шагового двигателя по оси Х у меня подключено два мотора. У одного из них только поменял местами выводы одной из обмоток. Чтобы моторы крутились в разные стороны. Это нужно для синхронизации движения разных концов подвижной системы.

↑ Настройка контроллера

Когда все соединения сделаны необходимо настроить контроллер на работу с компьютером и конкретным, получившимся у меня железом.
Я приведу описание на основе компьютера с установленной системой Windows 7. Но хочу сказать, что у всех программ, которыми я пользовался, есть и версии для Linux поэтому можно будет создать полностью работоспособную систему используя ТОЛЬКО СВОБОДНО РАСПРОСТРАНЯМОЕ ПО.

До этого опыта работы с Ардуино я не имел, поэтому первым делом углубился в чтение Интернета на предмет найти простое и понятное описание "для чайника" с чего начать и как сделать все правильно. Если ищешь, то всегда найдешь. На сайте CNC-Design я нашел подборку статей о том, как это правильно сделать. Приведу ссылки в подвале статьи.

Саму прошивку GRBL можно найти также и в архиве в конце статьи. Почему лучше взять именно её я объясню чуть позже, когда буду описывать свою борьбу с непослушным контроллером.
Настройка основных параметров прошивки я делал, используя Arduino IDE. После прошивки если все прошло хорошо, на экран будет выведена конфигурация в таком вот виде.

**** Connected to COM4 @ 115200 baud ****
Grbl 1.1g ['$' for help]
>>> $$
$0 = 10 (Step pulse time, microseconds)
$1 = 25 (Step idle delay, milliseconds)
$2 = 0 (Step pulse invert, mask)
$3 = 0 (Step direction invert, mask)
$4 = 0 (Invert step enable pin, boolean)
$5 = 0 (Invert limit pins, boolean)
$6 = 0 (Invert probe pin, boolean)
$10 = 1 (Status report options, mask)
$11 = 0.010 (Junction deviation, millimeters)
$12 = 0.002 (Arc tolerance, millimeters)
$13 = 0 (Report in inches, boolean)
$20 = 0 (Soft limits enable, boolean)
$21 = 0 (Hard limits enable, boolean)
$22 = 0 (Homing cycle enable, boolean)
$23 = 0 (Homing direction invert, mask)
$24 = 25.000 (Homing locate feed rate, mm/min)
$25 = 500.000 (Homing search seek rate, mm/min)
$26 = 250 (Homing switch debounce delay, milliseconds)
$27 = 1.000 (Homing switch pull-off distance, millimeters)
$30 = 1000 (Maximum spindle speed, RPM)
$31 = 0 (Minimum spindle speed, RPM)
$32 = 0 (Laser-mode enable, boolean)
$100 = 250.000 (X-axis travel resolution, step/mm)
$101 = 250.000 (Y-axis travel resolution, step/mm)
$102 = 250.000 (Z-axis travel resolution, step/mm)
$110 = 500.000 (X-axis maximum rate, mm/min)
$111 = 500.000 (Y-axis maximum rate, mm/min)
$112 = 500.000 (Z-axis maximum rate, mm/min)
$120 = 10.000 (X-axis acceleration, mm/sec^2)
$121 = 10.000 (Y-axis acceleration, mm/sec^2)
$122 = 10.000 (Z-axis acceleration, mm/sec^2)
$130 = 200.000 (X-axis maximum travel, millimeters)
$131 = 200.000 (Y-axis maximum travel, millimeters)
$132 = 200.000 (Z-axis maximum travel, millimeters)
ok
>>> $G
[GC:G0 G54 G17 G21 G90 G94 M5 M9 T0 F0 S0]
ok

Любой из этих параметров можно изменить, введя в командной строке терминала символ $, номер параметра и после знака равно его значение. Эти параметры запоминаются в памяти Ардуино до следующего изменения. В документации на прошивку можно найти полное описание всех этих параметров. Я же тут напишу только про те, которые потребовались мне для настройки.

Изначально прошивка GRBL 1.1 предназначена для работы с трех координатным фрезерным станком. У меня вместо фрезы лазер. Надо включить режим работы с лазером.
Вводим в командной строке $32=1.

Фрезерный станок при холостых перемещениях шпиндельный мотор не отключает. Нам же надо, чтобы при холостых перемещениях от точки к точке лазер выключался, иначе он продолжит прожигать все на своем пути. Именно за этот режим работы и отвечает этот параметр.

Дальше очень важными являются переменные $101, $102, $103 как следует из описания они отвечают за передвижение по осям. Сколько импульсов подать на шаговый двигатель, чтобы переместить инструмент на 1 мм по осям X Y Z соответственно.

Эти значения устанавливаются исходя их параметров механики имеющегося станка. Для примера опишу как это было сделано для оси Х. Я посчитал количество зубцов на ведущем ролике, закрепленном на шаговом двигателе. У меня их 24. Потом я отсчитал 24 зубчика на приводном ремне и измерил полученное расстояние линейкой. Получилось 48 мм. Это означает, что за один полный оборот двигатель передвинет лазерную головку на 48 мм.

Контроллер, управляющий двигателем, позволяет его передвигать в режиме "микрошага", это когда на один импульс мотор поворачивается на 1/2, 1/4, 1/8 и даже для некоторых разновидностей контроллеров на 1/16 и 1/32 стандартного шага в 1.8 градуса. Режим микрошага увеличивает точность позиционирования, но при этом снижает скорость работы и увеличивает нагрев как микросхемы управления, так и самого двигателя в ходе работы.

У меня установлен режим 1/4 шага. Это означает что на полный оборот надо подать не 200, а 800 импульсов. 800 импульсов передвинут лазерную головку на 48 мм.

Соответственно мне надо будет параметр $101 установить 800/48=16.67
Ввожу команду $101=16.67
Тоже самое проделываю с осью Y. Поскольку оси Z на моем гравере нет, параметр $103 можно не трогать. От него ничего не зависит.

Параметры $110, $111, $112 определяют с какой максимальной скоростью может передвигаться инструмент по соответствующим осям. У меня установлена максимальная скорость 1000 мм/мин.

Параметры $120, $121, $122 определяют максимальное ускорение, с которым может набираться заданная скорость по осям. Оно зависит от веса подвижных частей станка и мощности двигателей. Для лазера, у которого нет массивных деталей ускорение я поставил 100.

$130 $131 $132 - это максимальные размеры рабочего поля станка. У меня по осям X Y получилось 240 на 240 мм, а для оси Z (которой нету) значение можно не трогать.

Еще стоит упомянуть о параметре $30 - "максимальные обороты шпинделя". В моем случае это не обороты, а мощность лазера. Максимум 1000 соответствует 100% яркости. Минимум 0 - это значит лазер выключен. Я этот параметр оставил без изменения. У меня 1 об/мин шпинделя соответствует 0.1% яркости лазера.
У меня лазер мощностью 6000 мВт. Можно было этот параметр сделать равным 6000. Тогда число оборотов в минуту примерно соответствовало бы мощности излучения в милливаттах.
Тут как кому будет удобнее.

↑ Управляющая программа

На этом предварительную настройку можно закончить и установив программу управления станком попробовать подвигать его по осям взад и вперед проверив все ли работает как надо.
По поводу программы управления, основная задача которой пересылать управляющие коды и команды с компьютера на станок. Таких программ найти можно много. В процессе работы я перепробовал несколько из них и остановился в конце концов на программе Candle



Хотя пробовал и B-CNC и Universal G-code Sender. Любая из них вполне подойдет для этого.
Установил программу, понажимал кнопочки - станочек жужжит и ездит по моим командам. Ура! Можно уже работать, но для комфортной и безопасной работы требуется еще сделать кое-что.

↑ Концевые выключатели

Для того чтобы в процессе работы случайно не выехать за пределы рабочего поля и не повредить механику очень желательно их установить. Я использовал обычные микропереключатели. Вот как они закреплены на станине для оси Х

и для оси Y.

Для того чтобы они заработали необходимо в конфигурации переключить параметр $21 c нуля в единичку. Это можно сделать снова, запустив терминал в программе Arduino IDE. Такой же терминал, позволяющий делать настройки прошивки есть и в программах управления станком, в той же Candle. Вводим $21=1

Включил. Начинаю кнопками управления передвижением двигать головку и проверяю что получится, когда она дойдет до концевика. При срабатывании выключателя движение останавливается, и программа выдает сообщение об аварии. Все бы хорошо, но иногда срабатывание происходит на середине рабочего поля. Причем в непредсказуемые моменты.

Долго я с этим боролся, потом наконец догадался, что происходит это из-за помех, которые наводятся на провода концевых выключателей от проводов, идущих к шаговым моторам. Надо было сразу эти провода делать экранированными. По своей природной лени я расплетать жгуты с проводами не стал, а просто взял несколько мелких SMD конденсаторов на 10нФ и припаял их на плату контроллера на штырьки, к которым подключаются концевики.


Это решило проблему с наводками и больше они меня не беспокоят. Но, как оказалось, и это не все. В программе управления есть команда "Домой" - это когда станок передвигает инструмент в точку с координатами 0:0 ориентируясь на срабатывание концевых выключателей. Очень удобно, когда есть точная привязка к рабочему столу. Нажимаю "домик" - станок не производит никаких движений и через десяток секунд выдает аварийное состояние.

Оказывается, все дело в несуществующей оси Z. Изначально прошивка делалась под три координаты и первой в ноль должна уйти координата Z - шпиндель поднимается в самую верхнюю точку, чтобы ничего не задеть инструментом и только потом начинаются передвижения по другим осям. В моем случае координаты Z нету и это приводит к ошибке. Не получив сигнала от несуществующего датчика положения на вертикальной оси, контроллер выдает сигнал аварии.

Пришлось долго думать, в чём дело. В конце концов обратил внимание на файл config.h в составе прошивки. Там указан алгоритм выполнения команды "домой", где в первую очередь обрабатывается перемещение по оси Z.

В файле Config.h нашел нужные строчки и закоментировал с помощью //

//#define HOMING_CYCLE_0 (1<<Z_AXIS) // REQUIRED: First move Z to clear workspace.
//#define HOMING_CYCLE_1 (1<<X_AXIS)|(1<<Y_AXIS) // OPTIONAL: Then move X,Y at the same time.

Чуть ниже снял комментарии с этих строк.

#define HOMING_CYCLE_0 (1<<X_AXIS)
#define HOMING_CYCLE_1 (1<<Y_AXIS) 

Потом снова GRBL прошивку залил в Ардуину. В приложении к статье исправленная прошивка которая отрабатывает только 2 оси.

↑ Проба пера

Вот теперь все заработало. Уже не терпится что-нибудь прожечь. Попробовал делать разные картинки на фанере, бумаге, разных сортах пластика.
Выяснил, что фанеру, электрокартон, и очень многие сорта пластмассы можно не только покрывать узорами, но и резать. Например, из толстого электрокартона или 1.5 мм фанеры можно с хорошей точностью нарезать каркасы для намотки трансформаторов.

Метал этому лазеру, конечно же не по зубам. На чистом железе он даже следов не оставляет. Но зато легко справляется с различными лакокрасочными покрытиями. Особенно если они темного цвета. Прожигает до металла даже порошковую краску. А это отличная возможность делать элементы оформления корпусов, гравировать логотипы и надписи.
Вот пример логотипа, придуманного за пять минут.

А это проба сделать надписи на кусочке боковой стенки старого компьютерного корпуса.

↑ Изготовление печатной платы

Но если лазер легко сжигает краску поверх метала, то почему бы этот аппарат не использовать для изготовления печатных плат? Для начала я поступил просто. Взял рисунок печатной платы, сделанной в популярном Sprint -Layout инвертировал цвета и заставил лазер выжигать все пространство между проведенными дорожками. Это было ошибкой. Небольшая пробная плата гравировалась очень долго.


Решение нашлось в лице программки FlatCAM.
Программа FlatCAM специально создавалась для изготовления прототипов печатных плат при помощи механического или лазерного гравера. На эту программу есть подробные описания и даже видеоуроки. Освоить ее не составило труда.

↑ Изготовления платы светодиодного индикатора на микросхеме LM3914

Дальше я покажу как за несколько простых шагов получить качественную печатную плату для своего устройства. Показывать я это буду на примере изготовления платы светодиодного индикатора на микросхеме LM3914.

Вот схема этого устройства.

Рисунок печатной платы в формате SprintLayout в приложении. Открываем его в программе и делаем экспорт в формате Gerber.

На экране экспорта выбираем какой слой будет экспортироваться, не забываем поставить галочку "Разметка отверстий" и если надо, то ставим галочку "Отобразить зеркально".
Создается файл в формате Gerber, который теперь надо открыть в программе FlatCAM
Вот как он будет выглядеть на экране этой программы.

Программа сгенерирует траекторию движения лазера, таким образом, чтобы он выжигал изолирующие промежутки между дорожками и сделал разметку отверстий для сверления. Ширина этих дорожек задается количеством проходов вокруг каждой дорожки. За один проход лазер прожигает в краске дорожку шириной примерно 0.2 мм. Поэтому для создания изолирующего промежутка шириной 1 мм надо задать 5-6 проходов.

Вот что получается в результате.

Если результат нам понравился, то тогда сохраняем управляющие коды для лазерного гравера в отдельный файл и можно начинать собственно изготовление платы.

Кусок фольгированного текстолита тщательно зачищается и обезжиривается. После этого я покрываю его слоем аэрозольной черной матовой краски и для быстроты сушу феном.

Подготовленный текстолит ложится на рабочий стол и прижимается к нему небольшими магнитами, чтобы случайно не сдвинулся во время работы.

↑ Видео станка в работе

Как идет процесс прожига лучше посмотреть на коротком видео.




Пока лазер скребет краску можно заняться своими делами. Через пару десятков минут плата выглядит вот так.

↑ Полезные ссылки

• Установка и настройка Arduino IDE
• GRBL - скачиваем и прошиваем
• Программа Candle
• Программа Flatcam

↑ Файлы

🎁prilozhenie.7z  310.7 Kb ⇣ 39

Удачи всем в творческих начинаниях!

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации