Сборка лазерного станка с ЧПУ
Данная статья написана avp в 2019-м году.
Информацию по характеристикам лазера и его использованию можно найти на странице CNC_Laser.
Содержание
Введение
Меня уже давно привлекает тема создания инструментов, которые могут создавать инструменты. В конце-концов, это то, чем занимается человечество на протяжении длительного времени: используя созданные инструменты, мы создаём что-то больше, что раньше было недоступно.
В конце 2018-го года мы решили попробовать собрать один из таких инструментов -- лазерный резак/гравировщик с ЧПУ -- в нашем хакерспейсе CADR. Проект с одной стороны не самый сложный -- сейчас в интернете масса инструкций по сборке различных станков с ЧПУ. С другой стороны, мы впервые решились поднять столь крупный проект.
Я с одним из наших активных участников, Петром Третьяковым, составил список материалов, необходимых для сборки, и мы посчитали стоимость -- получилось порядка 16-18к рублей. В наш список входило:
- Лазер на 5.5Вт (~8500 р.): https://www.aliexpress.com/item/-/32843304156.html
- Комплект защитных очков (~850 р.): https://ru.aliexpress.com/item/32845209559.html
- Двигатели NEMA17 (~2650 р.): https://www.aliexpress.com/item/5pcs-lot-Nema17-Rectangular-17HS4401-Stepper-Motor-V5-V6-4-lead-42-motor-42BYGH-motor-for/32838589646.html
- Комплект Arduino + CNC SHIELD + набор драйверов A4988 для управления станком: https://www.aliexpress.com/item/V3-0-Engraver-CNC-Shield-Board-A4988-Stepper-Motor-Drivers-For-UNO-R3-for-Arduino/2040099911.html
- Подшипники
- Гофрированная труба для вытяжки
- Крепёж (винтики-гаечки)
- Материал для корпуса
Постановка цели, поиск участников и сбор средств
Изначально мы хотели сделать фрезерный станок с ЧПУ, однако решили, что лазер с ЧПУ будет более востребован. Целью мы определили сборку инструмента, который был бы полезен участникам сообщества. Плюс также считаю, что именно ведение подобных проектов позволяет локальному сообществу развиваться.
Мы сразу решили позиционировать данный проект, как коллективный. Я был готов вложиться в осуществление идеи как с материальной, так и с организационной точки зрения; Пётр же готов был заняться сборкой и помочь с подбором компонентов.
Было сделано официальное объявление в кадрогруппе в Telegram (https://t.me/cadr_hackerspace) и других соцсетях о сборе средств на проект. Тем, кто донатил на лазер, предлагалась возможность пользоваться станком без дополнительных взносов, и возмещать только потраченные материалы. Задонатившим было предложено разместить их имена (или ники) на корпусе лазера после сборки.
Всего удалось собрать почти 10 килорублей на проект от сообщества. Список задонативших:
- инкогнито
- Колпашников Александр
- Слугин Владимир
- XXL
- Сувенир Сувенирыч
- @LeninOne
- @MaksimKidney
- @TaiBG
Данный список впоследствии был нанесён на корпус лазера, как и обещалось.
Лазер
Самым дорогим из вышеуказанного списка компонентов был, конечно, лазер. Мы выбрали лазер мощностью 5.5Вт, т.к. рассудили, что меньшую мощность брать смысла нет. Исходя из изученного материала в интернете, выходило, что данной мощности должно хватить для резки 3-4мм фанеры в несколько проходов. Конечно люди делают лазеры и из приводов записи компакт-дисков, однако резать распространённые виды фанеры таким лазером вряд ли получиться (мощность лазера из DVD-RW привода составляет порядка 120-150мВт).
Говорят, на мощный лазер невооружённым взглядом одному человеку можно посмотреть только два раза в жизни, поэтому мы сразу решили позаботиться о закупке защитных очков.
Длина волны выбранного нами лазера составляет 450нм, и очки нужно выбирать так, чтобы они отсекали как раз эту часть спектра (а не по красоте, как можно было подумать.) Хотя надо отдать должное: в этих очках чувствуешь себя так, как будто попал в Матрицу.
450нм попадают в видимый спектр, как можно видеть на данной иллюстрации:
Синий диапазон спектра как раз и отсекают купленные очки.
Преимуществом выбранного лазера является относительная дешевизна и простота эксплуатации. Весь лазер умещается вот в такой модуль:
Слева можно видеть управляющую плату, а справа -- лазер. Охлаждение интегрировано в модуль лазера, и выполнено в виде кулера на верхней части, который продувает воздух через корпус.
Хотя 5.5Вт -- это не самый мощный лазер в данном исполнении, "потолок" для них, судя по всему, находится в районе 15Вт. Следующим по мощности идёт уже CO2 лазер с отдельной системой накачки и охлаждения, что влечёт за собой повышение общей стоимости станка (одна только трубка накачки стоит по цене нашего лазера.)
Кроме того, CO2 лазеры могут требовать специфический проприетарный софт как на стороне контроллера, так и на управляющем компьютере, что не всегда хорошо.
Заказ и доставка
Заказывали всё из Китая.
Дольше всего нам пришлось ждать лазер. Он шёл к нам примерно два месяца: сначала поставщик не мог его отправить, сумел только на 3-й раз, и большую часть времени затем товар провёл на таможне. Вероятно это связано с тем, что на упаковке лазера китайцы написали везде "очки", вместо честной надписи "лазер".
Сборка
Фокусировка выбранного нами лазера производиться путём кручения фокусной линзы. На некоторых лазерах подобного типа фокус не регулируется, поэтому необходимо обеспечить ось Z на станке. В нашем же случае задача несколько упрощалась, так как вместо оси Z мы решили сделать фиксированное по высоте крепление лазера и регулировать фокус вручную.
При этом, у лазера есть пристрелочный режим -- в этом режиме лазер бьёт с малой мощностью, так, чтобы можно было отрегулировать фокус. Теоретически в этом режиме можно и без очков регулировку делать, а практически получается, что глаза у нас только два и пока не сменные. Поэтому опять же, не забываем про технику безопасности (ТБ).
Итого в нашей конструкции было решено две оси: X и Y.
В качестве материала изначально был выбран профиль конструкционный, по типу такого:
Причиной выбора послужило то, что у нас этот профиль уже был. Однако впоследствии опытным путём было выяснено, что при использовании его в качестве направляющих в нашей конструкции крепления получается какая-то хрень, и всё надо переделывать.
Проблемы начались из-за того, что зубчатый ремень постоянно соскальзывал с ролика на одной из осей, смещаясь внутрь пазух профиля. Пётр пытался замазать пазухи герметиком, однако это хоть и дало некоторый эффект, система всё ещё работала нестабильно.
Пришлось выполнить направляющие из обычного квадратного алюминиевого профиля (более конкретно из квадратных труб), который можно купить в Castorama и других магазинах примерно за 70 р./м. Реализацию менее критических конструктивных компонентов оставили на старых профилях.
После замены направляющих станок стал работать существенно лучше.
Управляющая часть
Лазер был собран на платформе Arduino Uno + CNC Shield V 3.0. Прошивкой послужил GRBL ( https://github.com/gnea/grbl )
Программная часть для управления лазером Первое, что мы попытались сделать -- это найти ПО для управления лазером, которое бы работало нормально на платформе GNU/Linux. Однако единственное, что удалось найти более-менее работающее -- это LaserWeb ( https://github.com/LaserWeb ). Но увы, отношения у нас с ним не сложились. Да, оно красивое и работает, но работает жутко медленно на относительно мощном компьютере (~2ГГц одноядерный ЦП). При тестировании гравировки лазер двигался задумчиво и неторопливо, притормаживая постоянно периодически.
В итоге, самым подходящим ПО для управления лазером оказался LaserGRBL ( https://lasergrbl.com/en/ ), который, увы, доступен на данный момент только под Microsoft Windows, однако распространяется под GNU GPL v3+ (исходный код: https://github.com/arkypita/LaserGRBL/ )
Текущий статус
Станок доступен для участников сообщества только под руководством одного из администраторов, прошедших инструктаж по работе со станком и по технике безопасности. При работе со станком необходимо возмещать использованные материалы или их стоимость. Для тех, кто вложился в закупку компонентов для станка, никаких дополнительных взносов не будет требоваться. Если вы не вкладывались в закупку и не участвовали в сборке, то будет неплохо дотанить в CADR хотя бы 50р за один сеанс работы на станке при его использовании, дабы сообщество не загнулось и были ресурсы на обслуживание станка и на дальнейшее развитие.
