✅ Лазерный станок с ЧПУ с толковой комплектацией. Какой и КАК выбрать для хобби и производства? ВИДЕОобзор

Редукция и на что она влияет

Несмотря на высокую точность шаговых трехфазных двигателей улучшить их показатели по осям X и Y помогает редукция. Она может быть 1:2 или 1:3. И чем больше редукция, тем лучше точность позиционирования.

Координатный стол

Координатный стол лазерного станка предназначен для точного позиционирования фокусирующего элемента относительно изделия. Точность контуров, скоростные показатели при гравировке и контурном рисовании, качество изделий зависят, в первую очередь, от этого элемента конструкции.

Несущую функцию выполняет станина или корпус станка. К ней предъявляются требования жёсткости и точности геометрии. Для точного и плавного перемещения подвижных элементов, на станину установлены направляющие. От их качества зависит долговечность лазерно-гравировального станка и нагрузка на приводящую часть конструкции.

Существует множество способов сконструировать привод, у каждого есть свои достоинства, которые проявляют себя при правильном выборе сферы применения. Приводит в движение конструкцию мотор. На каждую ось координатного стола он свой. Могут использоваться сервомоторы и микрошаговые двигатели, которые, через свою систему управления подключены к контроллеру.

Летающая оптика

Для того, чтобы лазерное излучение попало точно в нужное место на материале, на подвижных частях координатного стола лазерно-гравировального станка установлена система зеркал. Луч, покидая излучающий элемент, встречает на своём пути первое, неподвижное, зеркало. Эта судьбоносная встреча меняет его траекторию, он отражается.

Для того, чтобы энергия луча не рассеялась зеркало изготовлено из специального материала и отполировано с высокой точностью, либо покрыто составом, уменьшающим рассеяние. После того, как первое, неподвижное, зеркало отразило луч, он попадает на второе зеркало, которое подвижно и. отразив луч, снова меняет его траекторию под прямым углом, направляя лазерный луч к третьему зеркалу, которое, в свою очередь отражает луч в фокусирующий элемент – линзу.

Надо заметить, что в зависимости от мощности излучающего элемента диаметр луча на выходе из него может достигать десяти миллиметров. Линза фокусирует энергию луча в пятно диаметром всего в две десятые миллиметра. Вся энергия, излученная лазерной трубкой, оказывается в этом крохотном пятнышке.

Лазерная лампа

В качестве излучающего элемента в лазерных станках наиболее распространено использование стеклянных отпаянных ламп. 

Лазерная лампа наполнена смесью газов на основе углекислоты. В ней организован оптический резонатор и два кольцевых электрода. При работе лазера на эти электроды подаётся высокое напряжение, приводящее к образованию тлеющего разряда, подобного разряду в неоновой рекламе.

В этом разряде происходит движение электронов от положительного электрода к отрицательному и при пересыщении энергией происходит свечение — выделение фотонов, которые по инерции пролетают электрод и отражаются от первого, полупрозрачного зеркала резонирующего контура.

https://www.youtube.com/watch?v=GGZqabFfEcI

Пролетая путь внутри тлеющего разряда эти фотоны сталкиваются с электронами и вызывают лавинообразное выделение себе подобных, долетая до второго, полностью не прозрачного зеркала, они отражаются от него. Зеркала расположены друг от друга на рассчитанном расстоянии, что приводит к резонансу системы.

В результате энергия фотонов становится настолько велика, что первое, полупрозрачное зеркало уже не удерживает их и трубка излучает лазер. Излучение лазера когерентное и одномодовое, что означает, что все фотоны летят рядом и в одном направлении, не сталкиваясь и не рассеиваясь.

Видео

На видео видна скорость воздействия лазера на некоторые материалы (белый лист, надпись маркером на бумаге, черный пластик и черная изолента, нитка, пластилин).

Подписаться на новые эксперименты HI-TESTING можно Вконтакте или следить за новыми видео сюжетами на сайте канала.

Виды лазерной резки

В зависимости от мощности луча, лазерные станки позволяют выполнять такие виды обработок:

Резать детали путём расплавления выгодно по следующим причинам:

• ресурс лазера выше, чем при испарении;
• меньшее потребление электроэнергии;
• допускается резка заготовок различной толщины;
• точная регулировка луча системой управления — фокусировка, угол наклона;
• высокое качество торцов деталей после обработки;
• при добавлении газов снижается вероятность образования окислов.

Метод испарения применим для небольшой толщины. Требует значительных энергозатрат, поэтому на практике его используют достаточно редко. Изготовление деталей становится экономически не выгодным.

Дизайн станка

Дизайн и компоновка оборудования для лазерной резки металла обеспечивают удобство в работе, а также производительность. Простота удаления стружки, доступное пространство для перемещения заготовки относительно лазера, эффективность охлаждения — вот основные параметры, зависящие от расположения конструктивных элементов.

Важно обращать внимание на следующие узлы:

• подъёмный стол;
• лазер;
• систему охлаждения;
• оптику.

Драйвера моторов

Для эффективной подачи напряжения на обмотки шаговых моторов и управления ими на лазерные станки с ЧПУ устанавливаются драйвера. От их качества и надежности также зависит точность и скорость перемещения лазерной головы по рабочему полю. Как и шаговые моторы наиболее совершенными и надежными в техническом плане сегодня являются драйвера Leadshine.

Извлекаем лазерный модуль

Разбираем и добираемся до лазерной головки.

Извлекаем лазерную головку.

Наша цель — лазерный модуль.

Перед извлечением самого модуля закоротим все его три вывода тонким медным проводом (мы взяли одну нитку из многожильного). Это нужно для подстраховки от статики.

Теперь можно извлекать лазерный модуль. Он там «сидит» довольно неплохо, поэтому нужно потрудиться и сбалансировать усилия между «раскурочить» и «не сломать».

Вот как-то так должно получиться.

Изготовление корпуса

В Интернете встречал описание, где люди использовали лазерные указки или фонарик в качестве корпуса. Тем более что и линзы там уже есть. Но, во-первых, у нас не оказалось под рукой лазерной указки нужного размера. А, во-вторых, это увеличило бы бюджет мероприятия. А я уже говорил, что лично у меня это уменьшает удовольствие от полученного результата.

Мы начали пилить алюминиевый профиль.

Обязательно нужно все изолировать.

Как изготовить станок для лазерной резки своими руками

Создать своими руками станок для резки металла лазерным лучом можно только твердотельный, так как для него просто подобрать комплектующие, цены на них невысокие. Основными элементами для сборки являются сам лазер и система управления его работой.

Приобрести лазер можно в специализированных магазинах или снять с готовых изделий (лазерной указки, привода лазерных дисков). Для создания управляющей схемы потребуются следующие компоненты:

• конденсаторы 100 пФ, 100 мкФ;
• резисторы номиналом от 2 до 5 Ом;
• плата для пайки;
• фокусирующая оптика;
• цилиндрический металлический корпус, подходит от светодиодного фонарика;
• мультиметр.

Новичкам рекомендуется приобретать в магазинах радиоэлектроники готовую печатную плату с установленными элементами. Альтернативой является выбор готовой схемы, изготовления на её основе платы и самостоятельной пайки.

Также нужно заранее подготовить дополнительные для сборки компоненты:

• корпус для радиоэлементов и лазера;
• шаговые двигатели, платы управления ими;
• регулятор напряжения излучателя;
• резиновые ремни зубчатые, металлические шкивы под них;
• крепёжные элементы;
• выключатели кольцевого типа;
• USB-контроллер для цифрового управления;
• систему охлаждения;
• металлические трубки (направляющие) и доски (для корпуса).

Пошаговый процесс изготовления:

1. Разбирается корпус устройства-донора, из него демонтируется лазерная головка.
2. Изготавливается прямоугольный каркас из деревянных планок.
3. Внутри корпуса монтируются поперечные направляющие, а на них продольные, к которым крепится станина.
4. Подсоединяются к перемещаемой планке шкивы, устанавливаются двигатели, одеваются ремни.
5. На перемещаемую станину закрепляется лазерная головка.
6. Монтируется система охлаждения.
7. К лазеру подключается плата управления.
8. Выводится проводка от управляющей платы на переднюю панель корпуса, подключаются системы контроля и управления.
9. Подключается USB-контроллер, на ПК согласуется с программным обеспечением, выполняются настройки.
10. Проверяется работа оборудования в основных режимах.

Контроллер

Контроллеры для лазерных станков можно четко разделить на однозадачные и многозадачные. К первым относится плата М2, разработанная компанией LIHUIYU Studio Labs, с управляющей программой CorelLaser, в качестве примера вторых можно выделить наиболее распространенные RuiDa (управляющая программа RDWorks) и AWC от компании Trocen (управляющая программа LaserCAD).

Минус однозадачных контроллеров в том, что если вам необходимо материал и гравировать, и резать, то одновременно в рамках одной задачи обе эти операции вы сделать не сможете. Только друг за другом. Такие контроллеры целесообразно выбирать тогда, когда на вашем производстве большое количество однотипных задач, к примеру, только лазерная резка или только лазерная гравировка. В ином случае вам придется фактически дважды делать макет, а это время.

Многозадачные контроллеры позволяют запускать лазерный резку, гравировку либо быстрый рез в различных режимах обработки в любом количестве в рамках одной задачи. И это значительно экономит время на производстве и снижает себестоимость услуг или готовых изделий.

Концевые датчики

Для ориентации в пространстве лазерной головы по оси X и портала по оси Y, а по другому определения нулевой координатной точки, на лазерном станке устанавливаются концевые датчики. Они бывают двух типов: индуктивные и нажимные (механические).

Минус механических в открытости системы, которая со временем загрязняется продуктами горения и выходит из строя. Индуктивные датчики — это датчики закрытого типа, поэтому они более надежны.

Купольная система вытяжки и сама вытяжка

Дым, образующийся в процессе лазерной резки и гравировки, а по другому — продукты горения, являются препятствием для лазерного луча. И чем больше в рабочей зоне будет дыма, тем хуже будет качество обработки. Поэтому на лазерном станке реализована система вентиляции, к которой подключается вытяжка.

Оптимальная мощность вытяжки на средне и широкоформатных станках считается 550 Вт, для малоформатных из-за подойдет 250 Вт и меньше. Вытяжки могут быть как встроенные, так и отдельностоящие радиального типа (Улитка). Преимущество вторых в том, что их вы можете устанавливать как рядом со станком, так и далеко от него без потери эффективности удаления продуктов горения из рабочей зоны станка.

Для наиболее эффективного удаления дыма из станка в процессе обработки в рабочей зоне должно быть реализовано две зоны вытяжной вентиляции: под рабочим полем, чтобы эффективно удалять дым в процессе сквозной лазерной резки, и за ним, чтобы делать это в процессе поверхностной гравировки, когда нижний отвод невозможен.

Помимо этого нижняя система вытяжки должна быть оборудована купольной системой, обеспечивающей наибольшую эффективность, а также защищающей механизм подъема/ опускания рабочего поля от загрязнений. Также дополнительным приятным бонусом такой системы является установка в ее нижней части контейнера для сбора мелких деталей и отходов производства.

Лазерный чпу станок из cd приводов на базе arduino

//простое подключение A4988
//пины reset и sleep соединены вместе
//подключите VDD к пину 3.3 В или 5 В на Arduino
//подключите GND к Arduino GND (GND рядом с VDD)
//подключите 1A и 1B к 1 катушке шагового двигателя
//подключите 2A и 2B к 2 катушке шагового двигателя
//подключите VMOT к источнику питания (9В источник питания   term)
//подключите GRD к источнику питания (9В источник питания - term)
int stp = 13; //подключите 13 пин к step
int dir = 12; //подключите 12 пин к dir
int a = 0;
void setup()
{
pinMode(stp, OUTPUT);
pinMode(dir, OUTPUT);
}
void loop()
{
if (a < 200) // вращение на 200 шагов в направлении 1
{
a  ;
digitalWrite(stp, HIGH);
delay(10);
digitalWrite(stp, LOW);
delay(10);
}
else { digitalWrite(dir, HIGH);
a  ;
digitalWrite(stp, HIGH);
delay(10);
digitalWrite(stp, LOW);
delay(10);
if (a>400) // вращение на 200 шагов в направлении 2
{
a = 0;
digitalWrite(dir, LOW);
}
}
}

Линза

Линзу прикрепили на пластилин для регулировки ее положения.

Кстати, эта линза работает лучше, если ее перевернуть выпуклой частью к лазерному диоду.

Регулируем и получаем более-менее собранный луч.

Точно отрегулировать, наверное, можно, но нам и этого хватило, чтобы черный пластик начал плавиться.

Спичка мгновенно загоралась.

Черная изолента разрезалась как ножом по маслу.

Из этого лазера получилась бы отличная пушка для игры в солдатики.

Линза для фокуссировки

Луч получился совсем не «лазерный». Нужна линза для регулировки фокусного расстояния. Для начала вполне подойдет линза из того же привода.

Через линзу получается сфокусировать луч, но без жесткого корпуса занятие утомительное.

Моторы по осям x и y

На лазерных станках, от которых требуется производительность, должны быть установлены трехфазные шаговые двигатели 57-й серии. Наиболее совершенными и надежными, обеспечивающими стабильно высокую точность и скорость перемещения по рабочему полю в процессе продолжительной эксплуатации на данный момент являются двигатели под торговой маркой Leadshine производства Leadshine Technology Co., Ltd.

Но почему именно трехфазные? Если по-простому, то в отличие от дешевых инертных двухфазных они ускоряют производство на 20-30%. Помимо этого трехфазные моторы позволяют гравировать очень продолжительное время без пропуска шага на скорости до 1000 мм/сек.

Такой режим обработки применяется, к примеру, на так называемой светлой лазерной гравировке фанеры или гравировке оргстекла (акрила). Двухфазные моторы не обладают такими показателями, они не смогут нормально гравировать на скорости 1000 мм/сек. Также большие скорости без пропуска шага необходимы в процессе быстрого реза.

В техническом плане основное отличие трёх- от двухфазных моторов в том, что при увеличении скорости вращения первые сохраняют больший крутящий момент. А это значит, что при быстром увеличении частоты вращения мощность у трехфазных моторов теряться не будет, чего не скажешь о медленных двухфазных.

А вот вам небольшой пример того, как это преимущество трехфазных моторов влияет на снижение времени производства. Во время лазерной гравировки любые шаговые двигатели лазерного станка по оси X могут приближаться к своим предельным нагрузкам/возможностям, и тут трёхфазный значительно выигрывает у двухфазного за счёт более высокой динамики разгона, следовательно, можно уменьшить в настройках контроллера расстояние вылета головы по оси X, необходимое при лазерной гравировке на больших скоростях и как следствие сэкономить время на производстве с одной стороны и обработать большую площадь — с другой.

Если речь идет о еще больших скоростях и точности, то обратите внимание на моторы с энкодером (с обратной связью), время производства с которыми в зависимости от задачи уменьшается на 30-40%.

На малоформатных станках с рабочим полем 300х200 мм, 400х400 мм или 600х400 мм допустимо устанавливать двухфазные моторы 42-й серии, так как на таких размерах большие скорости не развить в следствии необходимости запаса пути на разгон и торможение.

Мощность лазера и охлаждение

Лазерный резак по металлу оснащается лазерами различной мощности, позволяющими выполнять различные задачи. Чем выше мощность, тем качественнее обработка, больше допустимая толщина заготовок, но и выше энергопотребление.

Для эффективной работы и установки необходимо обеспечивать качественное охлаждение трубки. От этого будет зависеть ресурс работы лазера. Обычно достаточно водяной системы с датчиком потока, позволяющим контролировать охлаждение.

Направляющие по осям x и y

На производительных СО2 лазерах должны быть установлены квадратные направляющие рельсового (профильного) типа шириной не менее 15 мм. Именно такие дают стабильные показатели точности перемещения лазерной головы и портала по соответствующим осям на больших скоростях и как следствие обеспечивают высокую производительность и снижение себестоимости готовой продукции.

Менее надежный и требующий постоянного обслуживания вариант — роликовые или круглые направляющие, устанавливаются на лазерном СО2 оборудовании для резки и гравировки с малым размером рабочего поля, так как на таком оборудовании нет возможности развить большую скорость перемещения.

Оптика

Устройство для лазерной резки предусматривает установку оптики, назначение которой фокусировать луч. Она может быть следующих видов:

• длиннофокусной, применяемой для обработки толстых заготовок;
• короткофокусной, используемой для гравировки или резки тонколистового металла.

Питание

Питать нужно от 3,7в. Для переносного лазера отлично подойдут аккумуляторы от мобильных телефонов, соединенные параллельно.

Мы же воспользовались стабилизированным блоком питания.

Подъёмный стол

Станок для лазерной резки оснащён подъёмным столом, предназначенным для закрепления и перемещения заготовки относительно луча. Перемещение может быть линейным вдоль вертикальной оси координат. Он обладает различной грузоподъёмностью, площадью, способен перемещаться при помощи механического или электрического подъёмного привода.

Предостережение

Следует заранее предупредить о безжалостности лазера к сетчатке глаза.

При работе с лазером нужно обязательно пользоваться специальными очками. Вы спросите, зачем я это все пишу, ведь все равно никто этого делать не будет? Ну а вдруг! Вдруг найдется хоть один разумный человек и наденет таки специальные очки при обращении с лазером. И один или даже два глаза эти строки спасут!

У нас же таковых очков не оказалось и мы все делали на свой страх и риск. А вот красные очки, в отличие от очков для безопасности, позволят лучше увидеть сам лазерный луч. Для красоты можно подпустить дыма, как мы сделали в заставке к видео.

Преимущества и недостатки

Станки лазерной резки обладают следующими преимуществами:

• простота обработки хрупких деталей;
• низкая степень погрешности при позиционировании лазера над обрабатываемой поверхностью;
• удобная система управления;
• резка заготовок любой формы;
• простота гравировки и резки изделий из твёрдых сплавов;
• толщины резки: медь, латунь — до 1,5 см, сталь, алюминий — до 2 см, нержавейка — до 5 см;
• высокая скорость обработки;
• минимальная себестоимость готовых изделий.

Основные недостатки:

• сложность конструкции, обслуживания, ремонтов;
• высокая стоимость оборудования и комплектующих;
• ограниченность по толщине заготовок;
• значительный расход электроэнергии;
• особые требования к безопасности при установке, эксплуатации.

Принципы выбора

Оборудование для лазерной резки металла выбирается по следующим критериям:

• производительности, скорости обработки, позиционирования луча над рабочей поверхностью;
• типу излучателя (металлического или керамического), срока его службы, надёжности, особенностей конструкции;
• торговой марки, под которой был изготовлен станок;
• гарантийному сроку от производителя;
• виду материалов деталей, используемых в устройстве позиционирования лазера, особенно направляющих;
• назначению, условиям эксплуатации, на которые рассчитан промышленный станок;
• удобству и простоте управления;
• возможностям расширения функциональности;
• требованиям к помещению, где будет выполнена установка оборудования;
• стоимости конкретной модели, комплектующих, расходных материалов.

Пробный запуск

Подключив питание, видим потребление 200мА и пучок яркого света.

В темноте работает как фонарик.

Ремни привода по осям x и y

Зубчатые ремни на лазерных станках устанавливаются для передачи вращательного движения по осям X и Y. Их качество и натяжка напрямую влияют на качество обработки. По материалу и конструкции зубчатые ремни для лазерных станков делятся на резиновые (неопреновые) с кордной нитью или тканью и полиуретановые с металлическим кордом. Также по профилю их можно разделить на дюймовые MXL и метрические 3М.

Преимущество полиуретановых ремней с металлическим кордом над резиновыми в том, что в процессе очень продолжительной эксплуатации они не рвутся и не растягиваются в незаметных местах, гарантируя тем самым точность обработки. С обычными резиновыми ремнями подобная история происходит часто.

Если на вашем лазерном станке будут установлены обычные резиновые (неопреновые) ремни черного цвета, то в скором времени на лазерной резке вас ждет несовпадением размеров, незамыкание тех же окружностей, несовпадение точки старта и финиша, на гравировке наиболее распространенным результатом дефекта резиновых зубчатых ремней является размытость или по другому задвоение изображения.

Именно поэтому все наши лазерные станки, на которых установлены шкивы с количество зубьев не менее чем 24 мы, мы комплектуем полиуретановыми ремнями с металлическим кордом. На шкивы с меньшим количеством зубьев такие ремни устанавливать нельзя, так как меньший диаметр приведет к скорой деформации и разрыву металлического корда, что сразу же скажется на качестве обработки.

Сборка схемы

Теперь перейдем к схеме. Она необходима для контроля мощности лазера. В противном случае он просто сгорит.

Мы не заморачивались и сделали навесной монтаж.

Система перемещения лазерного станка с чпу

На скорость и точность перемещения лазерной головы по рабочему полю и как следствие производительность лазерно гравировального станка влияет его механика, которая состоит из двигателей по осям X и Y, драйверов, направляющих, редукторов, датчиков, а также ремней. Вот основные требования при определении оптимальной комбинации системы перемещения.

Скорость резки фанеры, оргстекла или акрила лазером

Да, на лучшую прорезаемость влияет несколько факторов, среди которых и идеальная юстировка, и подаваемое в зону реза с компрессора давление воздуха, и температура в системе охлаждения, и, если речь идет о то же фанере, даже ее качество. Но если вас интересует скорость резки фанеры лазером, то возьмите за основу данные из таблицы.

Помимо этого определяясь с лазерной трубкой надо понимать, что более мощные излучатели (выше с 90-100 Вт) не смогут дать вам детальную ювелирную гравировку, к примеру, при изготовлении печатей или на фотогравировке тех же портретов, из-за большого диаметра пятна прожига.

Касаемо производителя лазерной трубки, мы рекомендуем RECI от компании Beijing Reci Laser Technology Co., Ltd. На данный момент это наиболее надежные и производительные СО2 излучатели, которые зарекомендовали себя годами. Можете проверить данную информацию на специализированных форумах и убедиться в этом сами.

Устройство и принцип работы

Лазерный станок предназначен для гравировки и резки металлических изделий. Конструктивно состоит из следующих узлов:

• систем излучения, преобразования;
• излучателя с резонаторами;
• управляющей системы;
• органов управления;
• узла, перемещающего лазер над рабочей поверхностью.

Конструкция зависит от типов оборудования:

• газовые — оснащаются системой накачки инертных газов (неон, гелий), стеклянной колбой с излучающей трубкой;
• твердотельные, устанавливаются лампы накачки, импульсные лампы, рабочее тело (рубин) система зеркал (отражающие, полупрозрачные);
• газодинамические — предусмотрено сопло для ускорения газов, системы охлаждения;

Плотность пучка составляет 100 МВт/см2. При облучении поверхности заготовки происходит её быстрый разогрев, плавление. За счёт теплопроводности луч способен проникать вглубь металла. В зоне нагрева при достижении температуры кипения происходит его испарение.

Устройство лазера

Эксплуатация

Особенности эксплуатации станков для лазерной резки по металлу:

• необходимо выполнить заземление оборудования;
• при работе включить водяное охлаждение;
• для повышения точности обработки металлических поверхностей, необходимо выполнять юстировку оптики;
• запрещено резать детали, не соответствующие заявленным производителем требованиям по эксплуатации;
• для стабильной работы электроники нужно обеспечить качественное электропитание;
• важно регулярно проводить техосмотры, заменять изношенные детали, расходные материалы;
• направляющие нуждаются в качественной периодической смазке;
• поддерживать оборудование в чистоте.

Станок позволяет обрабатывать металлические поверхности лазерным лучом, обладающим высокой энергией, когерентностью, постоянной длиной волны. При попадании на поверхность заготовки происходит её нагрев до температуры плавления. В результате такого воздействия одна часть металла испаряется, а другая — переходит в расплавленную металлическую фазу.