Mini-CNC-Laser-Holzgravierer und Laser-Papierschneider. - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:20

Dies ist eine Anleitung, wie ich einen Arduino-basierten Laser-CNC-Holzgravierer und einen dünnen Papierschneider mit alten DVD-Laufwerken, 250 mW Laser, hergestellt habe. Die Spielfläche beträgt max. 40 mm x 40 mm.

Macht es nicht Spaß, aus alten Dingen eine eigene Maschine zu bauen?

Schritt 1: Erforderliche Teile und Materialien

• Arduino Nano (mit USB-Kabel)
• 2x DVD-Laufwerk Stepper-Mechanismus
• 2x A4988 Schrittmotortreibermodule (oder GRBL-Shield)
• 250mW Laser mit verstellbarer Linse (oder höher)
• 12V 2A Netzteil Minimum
• 1x IRFZ44N N-KANAL-Mosfet
• 1x 10k Widerstand
• 1x 47 Ohm Widerstand
• 1x LM7805 Spannungsregler (mit Kühlkörper)
• Leere PCB-Platine
• Männliche und weibliche Header
• 2,5-mm-JST-XH-Style 2-Pin-Stecker
• 1x 1000uf 16v Kondensator
• Überbrückungskabel
• 8x kleine Neodym-Magnete (die ich aus dem DVD-Linsenmechanismus gerettet habe)
• 1x 2-poliger steckbarer Schraubklemmenblockstecker
• Kabelbinder (100mm)
• Sekundenkleber
• Epoxidklebstoff
• Holzsperrplatte
• Acrylplatte
• Einige M4-Schrauben, Bolzen und Muttern
• Laserschutzbrillen

LASER SICHERHEITSGLÄSER werden in diesem Projekt benötigt

Die meisten Teile wurden geborgen oder aus China über eine Site namens BANGGOOD gebracht.

Schritt 2: Zerlegen des DVD-Laufwerk-Stepper-Mechanismus

Es werden zwei DVD-Treibermechanismen benötigt, einer für die X-Achse und der zweite für die Y-Achse.

Mit einem kleinen Kreuzschlitzschraubendreher habe ich alle Schrauben entfernt und den Schrittmotor, die Gleitschienen und den Mitnehmer gelöst.

Die Schrittmotoren sind 4-polige bipolare Schrittmotoren.

Die geringe Größe und die geringen Kosten eines DVD-Motors bedeuten, dass Sie vom Motor keine hohe Auflösung erwarten können. Dafür sorgt die Leitspindel. Auch machen nicht alle dieser Motoren 20 Schritte/Umdrehung. 24 ist auch eine übliche Spezifikation. Sie müssen nur Ihren Motor testen, um zu sehen, was er tut. Verfahren zur Berechnung der Auflösung des Schrittmotors des CD-Laufwerks:

Um die Auflösung des Schrittmotors des CD/DVD-Laufwerks zu messen, wurde ein digitales Mikrometer verwendet. Der Abstand entlang der Schraube wurde gemessen. Die Gesamtlänge der Schraube mit einem Mikrometer betrug 51,56 mm. Zur Bestimmung des Steigungswerts, der den Abstand zwischen zwei benachbarten Gewinden an der Schraube darstellt. Die Fäden wurden innerhalb dieser Distanz zu 12 Fäden gezählt. Steigung = Abstand benachbarter Gewinde = (Gesamtlänge / Anzahl Gewinde = 51,56 mm) / 12 = 4,29 mm/Umdr.

Der Schrittwinkel beträgt 18 Grad, was 20 Schritten/Umdrehung entspricht. Nachdem nun alle benötigten Informationen vorliegen, kann die Auflösung des Schrittmotors wie folgt berechnet werden: Auflösung = (Abstand zwischen benachbarten Gewinden) / (N Schritte/Umdrehung) = (4,29 mm/Umdrehung) / (20 Schritte/Umdrehung) = 0,214 mm/Schritt. Dies ist dreimal besser als die erforderliche Auflösung von 0,68 mm / Schritt.

Schritt 3: Montage der Gleitschienen für die X- und Y-Achse

Für die Gleitschienen habe ich 2 zusätzliche Stangen für die bessere und reibungslosere Leistung verwendet. Die Hauptfunktion des Schiebers besteht darin, mit minimaler Reibung zwischen der Stange und dem Schieber frei auf der Stange zu gleiten.

Ich brauchte einige Zeit, um den Schieber frei auf der Stange gleiten zu lassen.

Schritt 4: Der Hauptrahmen für den Stepper X und Y

Mit einigen Acrylplatten hatte ich zwei der Hauptrahmen für den Stepper und die Gleitschienen gemacht. Der Schrittmotor hat Abstandshalter zwischen dem Hauptrahmen und seiner Basis und ist für die Achse erforderlich.

Schritt 5: Anbringen der Gleitschiene mit dem Hauptrahmen

Zuerst habe ich mit Sekundenkleber versucht, die richtige Position der Schienen einzustellen, wo sie sein sollten, damit der Follower den richtigen Kontakt mit dem Steppergewinde hat. Der Kontakt sollte richtig sein, nicht zu fest oder nicht zu schlacken. Wenn der Kontakt zwischen Mitnehmer und Gewinde nicht richtig ist, werden Schritte übersprungen oder der Motor zieht mehr Strom als im laufenden Zustand üblich. Die Anpassung dauert einige Zeit.

Sobald es angepasst war, habe ich sie mit Epoxidkleber fixiert.

Schritt 6: Verdrahtung von Schrittmotoren

Für die Schrittmotoren habe ich alte USB-Kabel verwendet, da sie innen 4 Drähte und eine Abdeckung haben und flexibler und einfacher zu handhaben sind.

Mit dem Durchgangsmodus im Multimeter bestimmen Sie 2 Spule, Spule A und Spule B.

Ich habe 2 Drahtpaare durch Auswahl von Farben hergestellt, ein Paar für die Spule A und das zweite für die Spule B. Gelötet und Schrumpfschlauch darauf verwendet.

Schritt 7: Kombinieren der X- und Y-Achse

X und Y koordiniert die Bewegung

Ich habe den Schieber der X- und Y-Achse senkrecht zueinander angebracht und einen Abstandshalter dazwischen verwendet. Und darüber noch ein dünnes Metallgitter als Arbeitsbett angebracht. Als Werkstückhalter werden Neodym-Magnete verwendet.

Schritt 8: Die Elektronik

FÜR DEN FAHRER VERWENDETE TEILE SIND:

• Arduino-Nano.
• 2x A4988 Schrittmotortreiber.
• 1x IRFZ44N N-KANAL-MOSFET.
• 1x LM7805 Spannungsregler mit Kühlkörper.
• 1x 47 Ohm und 1x 10k Widerstand.
• 1x 1000uf 16V Kondensator.
• 1x 2,5 mm JST XH-Style 2-Pin-Stecker.
• MÄNNLICHE und WEIBLICHE Stiftleisten.
• 1x (20mm x 80mm leere Platine).

In GRBL sind die digitalen und analogen Pins von Arduino reserviert. Der 'Step'-Pin für die X- und Y-Achse ist mit den digitalen Pins 2 bzw. 3 verbunden. Der 'Dir'-Pin für die X- und Y-Achse ist mit den digitalen Pins 5 bzw. 6 verbunden. D11 steht für Laser Enable.

Der Arduino wird über das USB-Kabel mit Strom versorgt. Die A4988-Treiber über eine externe Stromquelle. Alle Masse haben gemeinsame Verbindungen. VDD von A4988 sind mit 5V von Arduino verbunden.

Der Laser, den ich verwendet habe, läuft mit 5V und hat einen Konstantstromkreis eingebaut. Für die konstante 5V-Quelle aus dem externen Netzteil wird der Spannungsregler LM7805 verwendet. Kühlkörper ist Pflicht.

Der IRFZ44N N-CHANNEL MOSFET arbeitet als elektronischer Schalter, wenn er ein digitales High-Signal von Pin D11 von Arduino empfängt.

HINWEIS: 5 V von Arduino Nano können nicht verwendet werden, da der Laser mehr als 250 mA zieht und der Arduino Nano nicht so viel Strom liefern kann.

Konfigurieren von Micro Stepping für jede Achse

MS0 MS1 MS2 Mikroschrittauflösung

Niedrig Niedrig Niedrig Vollschritt.

Hoch Niedrig Niedrig Halber Schritt.

Niedrig Hoch Niedrig Viertelschritt.

Hoch Hoch Niedrig Achter Schritt.

Hoch Hoch Hoch Sechzehnter Schritt.

Die 3 Pins (MS1, MS2 und MS3) dienen zur Auswahl einer der fünf Schrittauflösungen gemäß obiger Wahrheitstabelle. Diese Pins haben interne Pull-Down-Widerstände. Wenn wir sie also getrennt lassen, arbeitet die Platine im Vollschrittmodus. Ich habe die 16. Schrittkonfiguration für reibungslos und rauschfrei verwendet. Die meisten (aber sicherlich nicht alle) Schrittmotoren machen 200 Vollschritte pro Umdrehung. Durch geeignete Steuerung des Stroms in den Spulen ist es möglich, den Motor in kleineren Schritten zu bewegen. Der Pololu A4988 kann den Motor in 1/16-Schritten bewegen - oder 3.200 Schritten pro Umdrehung. Der Hauptvorteil des Mikroschritts besteht darin, die Rauheit der Bewegung zu reduzieren. Die einzigen vollständig genauen Positionen sind die Vollschrittpositionen. Der Motor kann eine stationäre Position an einer der Zwischenpositionen nicht mit der gleichen Positionsgenauigkeit oder mit dem gleichen Haltemoment wie an den Vollschrittpositionen halten. Im Allgemeinen sollten Vollschritte verwendet werden, wenn hohe Geschwindigkeiten erforderlich sind.

Schritt 9: Alles zusammen zu einem zusammenbauen

Ich habe einen Laserständer aus einem langen dünnen Metallstreifen und einigen Plastik-L-Klammern mit einigen Stützen gemacht. Alles wird dann mit M4-Schrauben, Muttern und Bolzen auf einer Holzplatte montiert.

Der Anschluss von Schrittmotoren an den Treiber erfolgt ebenfalls.

Schritt 10: Lasermontage

Der von mir verwendete Laser ist ein fokussierbares Lasermodul 200-250mW 650nm. Das äußere Metallgehäuse dient als Kühlkörper für die Laserdiode. Es verfügt über eine fokussierbare Linse zur Einstellung des Laserpunktes.

Mit zwei Kabelbindern habe ich den Laser mit dem Ständer montiert. Kühlkörper für Laser kann auch verwendet werden, aber mein Laser überhitzte nicht, also habe ich ihn nicht verwendet. Verbinden Sie die Laserkabelklemme mit der Laserbuchse auf der Treiberplatine.

Hier bekommst du einen

Schritt 11: Einstellen des Stepper-Treiberstroms

Um hohe Schrittraten zu erreichen, ist die Motorversorgung typischerweise deutlich höher, als dies ohne aktive Strombegrenzung zulässig wäre. Ein typischer Schrittmotor könnte beispielsweise einen maximalen Nennstrom von 1 A bei einem Spulenwiderstand von 5 haben, was eine maximale Motorversorgung von 5 V bedeuten würde. Die Verwendung eines solchen Motors mit 12 V würde höhere Schrittraten ermöglichen, aber der Strom muss aktiv auf unter 1A begrenzt werden, um Schäden am Motor zu vermeiden.

Der A4988 unterstützt eine solche aktive Strombegrenzung, und das Trimmer-Potentiometer auf der Platine kann verwendet werden, um die Strombegrenzung einzustellen. Eine Möglichkeit, die Strombegrenzung einzustellen, besteht darin, den Treiber in den Vollschrittmodus zu versetzen und den Strom zu messen, der durch eine einzelne Motorspule fließt, ohne den STEP-Eingang zu takten. Der gemessene Strom beträgt das 0,7-fache des Stromgrenzwerts (da beide Spulen immer eingeschaltet und im Vollschrittmodus auf 70 % der Stromgrenzwerteinstellung begrenzt sind). Bitte beachten Sie, dass das Ändern der Logikspannung Vdd auf einen anderen Wert die Strombegrenzungseinstellung ändert, da die Spannung am Pin „ref“eine Funktion von Vdd ist. Eine andere Möglichkeit, die Stromgrenze einzustellen, besteht darin, die Spannung direkt auf dem Potentiometer zu messen und die resultierende Stromgrenze zu berechnen (die Strommesswiderstände sind 0,1). Die Stromgrenze bezieht sich wie folgt auf die Referenzspannung: Stromgrenze = VREF × 1,25 Wenn die Referenzspannung beispielsweise 0,6 V beträgt, beträgt die Stromgrenze 0,75 A. Wie oben erwähnt, ist der Strom durch die Spulen im Vollschrittmodus auf 70% der Stromgrenze begrenzt. Um also einen Vollschritt-Spulenstrom von 1A zu erhalten, sollte die Stromgrenze 1A/0,7=1,4A betragen, was entspricht auf einen VREF von 1,4 A/1,25 = 1,12 V. Weitere Informationen finden Sie im A4988-Datenblatt. Hinweis: Der Spulenstrom kann stark vom Netzteilstrom abweichen, daher sollten Sie nicht den am Netzteil gemessenen Strom zur Einstellung der Strombegrenzung verwenden. Der geeignete Ort, um Ihr Strommessgerät zu platzieren, ist in Reihe mit einer Ihrer Schrittmotorspulen.

Schritt 12: Machen Sie sich bereit

Mit vier kleinen Neodym-Magneten verriegeln Sie das Werkstück auf dem Arbeitsbett und stellen die X- und Y-Achse in Ausgangsposition (Home). Schalten Sie die Treiberplatine über eine externe Stromquelle und Arduino Nano zum Computer über ein USB-A-zu-USB-Mini-B-Kabel ein. Versorgen Sie das Board auch über eine externe Stromquelle.

SICHERHEIT ZUERST

LASER-SICHERHEITSBRILLE SIND NOTWENDIG

Schritt 13: GRBL-Firmware

1. Laden Sie die GRBL 1.1 hier herunter,
2. Entpacken Sie auf dem Desktop den grbl-master Ordner, Sie finden ihn in der Datei master.zip
3. Führen Sie die Arduino-IDE aus
4. Wählen Sie im Menü der Anwendungsleiste: Sketch -> #include Library -> Add Library from file. ZIP
5. Wählen Sie den Ordner grbl aus, den Sie im Ordner grlb-master finden und klicken Sie auf Öffnen
6. Die Bibliothek ist jetzt installiert und die IDE-Software zeigt Ihnen diese Meldung: Die Bibliothek wird Ihrer Bibliothek hinzugefügt. Überprüfen Sie das Menü "Bibliotheken einschließen".
7. Öffnen Sie dann ein Beispiel namens "grbl upload" und laden Sie es auf Ihr Arduino-Board hoch

Schritt 14: Software zum Senden von G-CODE

Außerdem brauchen wir eine Software, um G-Code an die CNC zu senden, dafür habe ich den LASER GRBL verwendet

LaserGRBL ist einer der besten Windows GCode-Streamer für DIY-Lasergravierer. LaserGRBL kann den GCode-Pfad zu Arduino laden und streamen sowie Bilder, Bilder und Logos mit dem internen Konvertierungstool gravieren.

LASER GRBL herunterladen.

LaserGRBL sucht ständig nach verfügbaren COM-Ports auf dem Computer. Die Liste der Ports ermöglicht Ihnen die Auswahl des COM-Ports, an dem Ihre Steuerplatine angeschlossen ist. Bitte wählen Sie die richtige Baudrate für die Verbindung entsprechend Ihrer Maschinen-Firmware-Konfiguration (Standard 115200).

Grbl-Einstellungen:

$$ - Grbl-Einstellungen anzeigen

Um die Einstellungen anzuzeigen, geben Sie $$ ein und drücken Sie die Eingabetaste, nachdem Sie sich mit Grbl verbunden haben. Grbl sollte mit einer Liste der aktuellen Systemeinstellungen antworten, wie im Beispiel unten gezeigt. Alle diese Einstellungen sind persistent und werden im EEPROM gespeichert. Wenn Sie also herunterfahren, werden diese beim nächsten Einschalten Ihres Arduino wieder geladen.

$0=10 (Schrittimpuls, usec)

$1=25 (Schritt-Leerlaufverzögerung, ms)

$2=0 (Schritt-Port-Invertierungsmaske:00000000)

$3=6 (dir port invert mask:00000110)

$4=0 (Schrittfreigabe invertieren, bool)

$5=0 (Limit Pins invertieren, bool)

$6=0 (Sondenpin invertieren, bool)

$10=3 (Statusberichtsmaske:00000011)

$11=0,020 (Verbindungsabweichung, mm)

$12=0,002 (Bogentoleranz, mm)

$13=0 (Zoll angeben, bool)

$20=0 (weiche Limits, bool)

$21=0 (harte Grenzen, bool)

$22=0 (Referenzzyklus, bool)

$23=1 (Homing Dir Invert Mask:00000001)

$24=50.000 (Referenzvorschub, mm/min)

$25=635.000 (Referenzfahrt, mm/min)

$26=250 (Homing-Entprellung, ms)

$27=1.000 (Referenzabzug, mm)

100 $ = 314,961 (x, Schritt/mm)

101 $ = 314.961 (y, Schritt/mm)

102 $ = 314.961 (z, Schritt/mm)

110 $ = 635.000 (x max. Rate, mm/min)

$111=635.000 (y max Rate, mm/min)

$112=635.000 (z max. Rate, mm/min)

120 $ = 50.000 (x Beschleunigung, mm/s^2)

121 = 50.000 (y-Beschleunigung, mm/s^2)

$122=50.000 (z-Beschleunigung, mm/s^2)

$130=225.000 (x max. Federweg, mm)

$131=125.000 (y max. Federweg, mm)

$132=170.000 (z max. Federweg, mm)

Schritt 15: Optimieren des Systems

Hier kommt der schwierigste Teil des Projekts

Einstellen des Laserstrahls auf den kleinstmöglichen Punkt auf dem Werkstück. Dies ist der schwierigste Teil, der Zeit und Geduld mit der Trail-and-Error-Methode erfordert

Anpassung der GRBL-Einstellungen für 100 $, 101 $, 130 $ und 131 $

Meine Einstellung für die GRBL ist, $100=110.000

$101=110.000

$130=40.000

$131=40.000

Ich habe versucht, ein Quadrat mit 40 mm Seiten zu gravieren, und nach so vielen Fehlern und dem Anpassen der Einstellung von grbl bekomme ich die richtige 40 mm-Linie sowohl von der X- als auch von der Y-Achse graviert. Wenn die Auflösung von X- und Y-Achse nicht gleich ist, wird das Bild in beide Richtungen skaliert.

Denken Sie daran, dass nicht alle Schrittmotoren von DVD-Laufwerken gleich sind

Es ist ein langwieriger und zeitaufwändiger Prozess, aber die Ergebnisse sind so zufriedenstellend, wenn sie optimiert werden.

LaserGRBL-Benutzeroberfläche

• Verbindungssteuerung: Hier können Sie den seriellen Port und die richtige Baudrate für die Verbindung entsprechend der grbl-Firmware-Konfiguration auswählen.
• Dateikontrolle: Zeigt den geladenen Dateinamen und den Fortschritt des Gravurvorgangs an. Der grüne „Play“-Button startet die Programmausführung.
• Manuelle Befehle: Sie können hier eine beliebige G-Code-Zeile eingeben und „Enter“drücken. Befehle werden in die Befehlswarteschlange eingereiht.
• Befehlsprotokoll und Befehlsrückgabecodes: zeigen eingereihte Befehle und deren Ausführungsstatus und Fehler an.
• Jogging-Steuerung: ermöglicht die manuelle Positionierung des Lasers. Der linke vertikale Schieberegler steuert die Bewegungsgeschwindigkeit, der rechte Schieberegler die Schrittgröße.
• Gravurvorschau: Dieser Bereich zeigt die endgültige Arbeitsvorschau. Während des Gravierens zeigt ein kleines blaues Kreuz die aktuelle Laserposition zur Laufzeit an.
• Grbl Reset/Homing/Unlock: Diese Schaltflächen senden Soft-Reset-, Homing- und Unlock-Befehle an das Grbl-Board. Auf der rechten Seite der Schaltfläche zum Entsperren können Sie einige benutzerdefinierte Schaltflächen hinzufügen.
• Feed Hold and Resume: Diese Schaltflächen können die Programmausführung unterbrechen und fortsetzen, indem der Befehl Feed Hold oder Resume an das grbl-Board gesendet wird.
• Zeilenanzahl und Zeitprojektion: LaserGRBL kann die Programmausführungszeit basierend auf der tatsächlichen Geschwindigkeit und dem Auftragsfortschritt schätzen.
• Überschreibt Status und Steuerung: Zeigt und ändert die aktuelle Geschwindigkeit und die Leistungsüberbrückung. Overrides ist eine neue Funktion von grbl v1.1 und wird in älteren Versionen nicht unterstützt.

Schritt 16: Holzgravur

Der Rasterimport ermöglicht es Ihnen, ein Bild jeglicher Art in LaserGRBL zu laden und es in GCode-Anweisungen umzuwandeln, ohne dass andere Software erforderlich ist. LaserGRBL unterstützt Fotos, Cliparts, Bleistiftzeichnungen, Logos, Symbole und versucht, mit jeder Art von Bild das Beste zu machen.

Es kann aus dem Menü „Datei, Datei öffnen“aufgerufen werden, indem ein Bild vom Typ jpg,-p.webp

Die Einstellung für die Gravur ist für alle Materialien unterschiedlich.

Definieren Sie die Gravurgeschwindigkeit pro mm und Qualitätslinien pro mm

Video Attached ist der Zeitraffer des gesamten Prozesses.

Schritt 17: Dünnes Papierschneiden

Dieser 250mW Laser kann auch dünnes Papier schneiden, aber die Geschwindigkeit sollte sehr niedrig sein, d.h. nicht mehr als 15mm/min und der Laserstrahl sollte richtig eingestellt sein.

Video Attached ist der Zeitraffer des gesamten Prozesses.

Schritt 18: Vinyl schneiden und benutzerdefinierte Aufkleber herstellen

Ich habe einige benutzerdefinierte Vinyl-Aufkleber gemacht. Die Geschwindigkeit des Boarders ändert sich in Bezug auf die Farbe des verwendeten Vinyls.

Dunkle Farben sind am einfachsten zu verarbeiten, während die helleren Farben etwas kniffliger sind.

Die obigen Bilder zeigen, wie Vinylaufkleber verwendet werden, die mit der CNC hergestellt werden.

♥ Besonderer Dank an die GRBL-Entwickler:)

Ich hoffe, Ihnen hat dieses Projekt gefallen, lassen Sie es mich in den Kommentaren wissen, wenn Sie Fragen haben, Ich würde auch gerne Fotos von Ihren CNC-Maschinen sehen!

Vielen Dank!! für Ihre Unterstützung.

Erster Preis beim Microcontroller Contest