Lasergraveringsmodul til cncfræseren

Transkript

1 Lasergraveringsmodul til cncfræseren I 2013 hægtede jeg mig på et Kickstarterprojekt Microslice (link). Microslice er en laser graveringsmaskine. Jeg købte PowerUp versionen med en 600 mw rød laser. Den har et lille fint xy-bord på ca cm. Den er helt super til at gravere læder og træ. Den kan skære papir og 2 mm skum men så er grænsen også nået Men 600 mw optisk effekt og skære i papir er jo ligesom kun lige nok til at gøre mig nysgerrig :-). Samtidig er de cm lidt småt når jeg nu alligevel har cnc-fræserens x-y-bord tilgængelig. Såeeee Mer vil have mer Laserdiode En lasers effekt opgives som optisk effekt. Grunden til at det har betydning er at at der går en hel del effekt tabt i varmetab i diode og linse. Der findes forskellige typer af lasere. De kraftige lasere i professionelle laserskæremaskiner er af typen CO2-lasere. De er ret dyre og kræver selvsagt store strømforsyninger. Og ikke mindst store sikkerhedsforanstaltninger. De mindste professionelle laserskæremaskiner har en 20W laser. Det er nok til at skære omkring 3mm krydsfiner og 8mm akryl. En mere moderat og tilgængelig klasse af lasere er LED-lasere.

2 Altså kraftige lysdioder som er fokuserede og yderligere fokuseres med en linse. Med en blå LED-laser på et par Watt bør det være muligt at skære 1-2mm krydsfiner og 1-2mm akryl. Der findes lasere med alverdens forskellige bølgelængder. Bølgelængden kan konverteres til en farve (for de synlige bølgelængder) som det ses her: Lys ved forskellige bølgelængder har forstellige evner til gravering og skæring. Det siges at en tommelfingerregel er at højere bølgelængder er bedre til at skære Blå skulle være den dårligste da den har en firkantet stråle mens grøn skulle være bedre da den har en fokuseret rund stråle. Desværre er det svært at skaffe kraftige røde dioder. Grønne har jeg slet ikke set så hvis man skal op i effekt er det de blå man ender på Og så er jeg lige nødt til at fyre en disclaimer af Min viden er baseret på yderst tvivlsomme kilder i de skumleste afkroge af nettet Hvis man skal skære skal emnet være i stand til at opsuge energien og ikke reflektere den. Matsort overflade er optimalt. For at sikre at temperaturen kommer højt nok op til at smelte / brænde emnet skal emnets varmeledningsevne være lav. Og så skal strålen selvsagt være meget fokuseret.

3 Jeg fandt en 1.8W 445 nm (blå) laser på ebay. Den kan vist ikke fås længere linket er dødt (dette link er til en der ligner ). Til gengæld har en kollega netop købt en 3W blå laser Jeg er en lille bitte ubetydelig smule misundelig Linsen har ret meget at sige for den optiske effekt altså hvor meget af den optiske energi der når ned i emnet. Linserne klasificeres G1, G2 eller G3. G1 er det bedste og dyreste. Jeg valgte en model med G2-linse. Desuden har det ret stor betydning om laseren er en Asortering eller en uspecificeret. De usorterede yder ofte markant under den specificerede optiske effekt (skriver mange på nettet). Jeg købte et komplet modul med laser, linse og hus for at være sikker på at delene passer sammen, er aligned og fokuseret korrekt. Laseren kan levere 1.8W optisk energi og får man fat i et datablad vil det fremgå hvordan man omsætter diodestrømmen til optisk energi. Det er desværre ikke tilgængeligt på den jeg har købt. I stedet er der en række skærmbilleder hvor man kan se den målte optiske energi og den tilsvarende strøm Ikke særligt professionelt ved 1.8W optisk ser det således ud som på billedet her altså 1.6A og 4.7V spændingsfald.

4 Beskyttelsesbriller Beskyttelsesbriller er vigtige meget vigtige Øjne kan ikke holde til ret meget lys. På Wikipedia er der en artikel om netop det (link). Øjnenes evne til at modstå lys varierer med bølgelængden og hvor længe øjet er udsat for påvirkning. Det måles i MPE (maxiumum permissable exposure) som eksempelvis kan udtrykkes i W/cm2 i forhold til tiden i sekunder som det ses i grafen. Lad os tage en 0.6W laser der er defokuseret så den dækker 1 cm2 (diameter på ca. 1,1cm). det betyder at der er 0,6W/cm2. Med en 440 nm laser kan øjet holde til det i rundt regnet 1us (microsekund) altså i et milliontedel af et sekund! Hvis vi vender det om og spørger hvad øjet kan holde til hvis man er udsat for det i et halvt sekund så er det ~5mW/cm2. Så med en 1.8 W laser der er fokuseret på måske 0.1 cm2 så skal man kort og godt sørge for at den aldrig kommer i nærheden af øjnene! I parantes bemærket så skal den sådan set heller ikke i nærheden af andre dele af kroppen. Den kan give nogle fæle forbrændinger.

5 Reelt er det heller ikke direkte lys jeg er nervøs for. Det der er mere reflektioner. Der er meget metal i fræseren og rammer laseren et stykke nogenlunde blankt metal så kunne man godt frygte at det ikke var helt ufarligt at få det i øjnene. Der er dog flere formildende faktorer. Dels afsættes en del af energien i det den rammer der er ingen optimale spejle så en stor del af energien går tabt der. Dels er overfladerne ikke polerede hvilket betyder at strålen vil spredes hvilket reducerer effekten per areal. Endelig er jeg normalt mindst 50 cm væk ofte mere. På den afstand er spredningen ret stor så der er ikke meget energi tilbage i lyset. Det ændrer dog ikke noget ved at man under uheldige omstændigheder kan risikere en koncentration der er højere end det øjet kan holde til. Og det er her sikkerhedsbriller kommer ind i billedet. Det bedste er at finde nogle briller er godkendt efter EN207 eller ANSI Z 136. Forudsætningen er dog at man finder en leverandør man kan stole på. Faktoren OD optical density fortæller hvor kraftig en laser brillerne kan blokere for (link). OD beskrives også som Ln hvis der specificeres efter den europæiske standard. I den europæiske standard skelnes desuden mellem continuous (markeret med D ), pulsed (markeret med I,R ) og ultra short pulses (markeret med M ). OD kan omsættes til den maksimale effekt brillen kan beskytte mod. Denne beregning afhænger af hvilken båndbredde og lysmønster

6 brillen skal beskytte mod. For continuous blå lasere omkring 450 nm gælder: P = 1 10OD+1 W/m². Så en brille med OD6 kan beskytte mod et direct hit fra en 10 W laser der er fokuseret på 1 mm2. OD5 kan til gengæld klare det samme for en 1W laser. Der mange der skriver at de kinesiske briller reelt ikke lever op til de sikkerhedskrav standarderne stilles. Hvilket uden tvivl er rigtigt. Hvis man køber billige briller bør man måle laserens optiske effekt og så sætte brillerne ind foran. Målet må være at ingenting slipper igennem så vil man kunne klare et direct hit hvis uheldet skulle være ude Desværre er det ret dyrt med grej til at måle optisk energi. Man kan også vælge at købe briller som andre har testet. At stole på en test på nettet kan dog være problematisk da resultatet reelt kun kan bruges for det samme produktionsbatch som den testede brille

7 Jeg købte briller på ebay inden jeg var opmærksom på detaljerne i specifikationerne (de er desværre ikke tilgængelige længere). De hører til i Kinakategorien og er rated til OD5. Selv hvis de reelt lever op til OD5 er det ikke nok da laseren er på 1.8W. Så direkte skud ikke nogen god ide! Jeg har forsøgt at skyde på min finger gennem glasset og jeg brændte mig ikke men glasset blev efter kort tid ødelagt i den prik jeg sigtede på. Meeen det er jo reelt en ubrugelig test for fingrene kan tåle meget mere end øjnene. Da godkendte briller fra en anerkendt europæisk leverandør koster over 1000 kr har jeg valgt at leve med dem jeg har købt ind til videre. jeg vil dog begynde at kigge efter et par briller af anerkendt fabrikat og se om ikke jeg kan finde et par til en lidt mere spiselig pris. Driver

8 Driveren købte jeg på ebay (link). Det er en 0-5A justerbar driver og detaljer findes her: link. Den forsynes med 3-12 V DC. Maksimalstrømmen justeres på et potentiometer og man kan på en indgang justere mellem 0 og 100% enten ved at pulsbreddemodulere indgangen eller ved at sætte et 0-5V signal på. Imax justeres på det lille multiturn potentiometer. Man skal være meget opmærksom på ikke at skrue for højt op da det går meget hårdt ud over laserens levetid. Det anbefales at bruge en række dioder i serie (så spændingsfaldet matcher diodens) mens man justerer. Derved kan man justere i ro og mag før man sætter den følsomme diode på. Husk at måle strømmen på diodesiden. Forsyningen til driveren beregnes som: Vin-min = 0,2* I + Vd Med 4.7V over dioden ved en strøm på 1.6A fås Vin-min til 5.02V. Meeeen en test med 5V på driveren viste at den kun kunne levere 1.2A Så jeg skiftede til 12V og vupti virkede den som den skulle Jeg satte et potentiometer på justeringsindgangen (0-5V) så jeg kan justere strømmen til laseren. Det har vist sig ret praktisk især til gravering af eks. læder hvor fuld power kræver at x-y-bordet skal bevæge sig i urealistisk høje hastigheder.

9 Effektafsættelsen i lysdioden samt ditto i driveren skal jo bortskaffes og ved 1.8W optisk afsættes der P=4.7V*1.6A-1.8W=5,7W i laserdioden. Bemærk at den optiske energi leveres via lyset til destinationen så det bliver ikke til varme i laseren. Resten af spændingen (op til 12V) ligger over driveren så der afsættes P=(12-4.7)*1.6A=11,7W. Samling Med stumperne og sikkerheden på plads er næste skridt at få det hele sat sammen. Jeg ønskede mig noget der kunne monteres i cnc-fræserens spindel og styres fra MACH3. Jeg fandt et køleprofil fra en gammel CPU-blæser og borede et hul til laseren. Driveren monterede jeg på en lille vinkel med driverens fet transistor ned på kølepladen.

10 Jeg lavede et kabel ned til styreboksen hvor strømforsyningen også er placeret så det hele er fleksibelt. Styring og software Når man har et stykke vectorgrafik som man gerne vil gravere, så kan man bruge Inkscape med en lasergraveringsplugin. Der er lavet en særlig plugin til microslice Det virker ret fint når man først har lært det at kende. Der er en del guides på microslice forum et (link). Der er dog tre vigtige punkter Størrelsen er 1:1 så mål alting op i mm og ikke pixel eller andet. Desuden så er referencen (0,0) placeres fast i nederste venstre hjørne af arbejdsarket. Endelig så skal alle former laves om til stier brug Object to path funktionen i path menuen.

11 Microslice graveringsmaskinen er baseret på Arduino board med GRBL-software (link). Der er dog lavet en speciel version til Microslice hvor z-aksen er sat ud af drift. Den kan også findes på LittleBox s forum: link. GRBL er et stykke embedded software der oversætter G-koder til x-y-z-koordinater. Den supporterer end-switches og er alt i alt ret gennemarbejdet. Man sender g-koden ned til controlleren via en seriel forbindelse med et stykke software der kaldes en Gcode sender. Der er forskellige muligheder og som en del af mine forsøg på at få gjort systemet stabilt købte jeg picsender (link) men reelt tror jeg GRBL controller (gratis) som blev anbefalet er helt fin. Problemet viste sig nemlig at være en semi-defekt USB-port. Det tog lidt tid at finde den fejl Desværre er GRBL controller vist stoppet fra leverandørens side alle links er døde. Men Universal G-code sender skulle være et alternativ som jeg dog ikke har testet (link). Meeen nu er der jo det ved det at jeg bruger MACH3 i fræseren. Outputtet fra Inkscape plugin en er jo G-kode så det burde bare virke Men G-kode der kommer ud af laserengraving plug-in en er altså ikke kompatibel med MACH3. Efter nogle forsøg lykkedes det at fikse det:

12 1. kør laser engraving plugin 2. slet alle linjer med $ 3. tilføj G91.1 efter G90 i toppen af filen (relative ijk ved g2/3) Jeg endte med at ændre i plug-in en så den ikke udskriver linjerne med $ og tilføjer G91.1 i toppen. taaadaaah it works Mit første forsøg på microslice: Og til enden af min (vores :-)) whisky tønde:

13 Og en kasse til en oprykningsbog til spejderne:

14 Hva ka den så? Nå men nu er laseren monteret og testet men hvad kan den så Altså hvad kan den skære? Jeg har lavet nogle forsøg med 1mm læder, Materiale status billede

15 1mm læder 2 passes ok

16 0.6mm pap (grå) 3 passes ok

17 2mm pap (grå) 5 passes ikke ok 3.5mm bølgepap 3 passes ok 3mm masonit 5 passes ikke ok

18 2mm akryl (grå) 5 passes 50mm/s ikke ok Så med andre ord cutting potential er ret begrænset med 1.8W optisk effekt Hjemmebygget CNC-fræser del 3 (software) Der er behov for tre stykker software for at komme fra ide til fræst emne 1. M a c h i n e c o n t r o l l e r d e t s o f t w a r e d e r s t y r e r stepmotorerne og sikrer at fræsebord og spindel bevæger sig derhen hvor det skal 2. 3D-CAD computer aided design kort fortalt et 3d tegneprogram 3. CAM computer aided manufacturing et program der kan oversætte en 3d-tegning til g-code som er cnc-sprog De to sidste vil jeg kun gå kort ind i da det er meget afhængigt af smag og behag hvilket software man bruger. Machine controlleren er mere relevant at gå i dybden med

19 Machine controller Jeg har valgt at bruge MACH3 (link) og helt ærligt kan jeg ikke huske om der findes alternativer I virkeligheden var MACH3 det første designvalg jeg gjorde og derfra fulgte valg af stepper controller og så videre MACH3 koster lige nu $175. Min Lasergrveringsmaskine har valgt en anden model hvor en arduino udstyret med GRBL software styrer stepper driverne. Det betyder at man sender g-code ned til det lille print der så oversætter til step til akserne. MACH3 er baseret på at styre LPT-porte (printerporte). Dødeligt umoderne allerede da jeg lavede systemet. Men det har været tradition i mange år at gøre det sådan i hobbysystemer Smoothstepper er USB-baseret og virker ved at en plugin i

20 MACH3 simulerer en parallelport og sender output ud på smoothstepper. Det er også derfor at alle porte og outputs nummereres efter port 1 og 2. Begrænsninger i hvilke pins der er inputs og outputs er ligeledes afgjort af hvad en parallelport kunne den gang de var standardudstyr Der findes nu alternativer blandt andet MACH4 som ikke er parallelport baseret. Smoothstepper kommer med en MACH4 driver på et tidspunkt Den var ikke klar sidst jeg checkede men skulle være på vej. Ports and pins Når MACH3 er installeret og driverne oppe at køre så skal den grundlæggende konfiguration laves. Det handler i al sin enkelthed om at afgøre hvilke pins der anvendes til step/direction, endestop og deres polaritet. Hvis en motor kører den forkerte vej ja så markerer man den bare som active low eller bytte to ledninger ud til motoren. Jeg har følgende tildeling af pins (og bruger kun port 1): X step Port 1 pin 2 Active high Y step Port 1 pin 3 Active high Z step Port 1 pin 4 Active high X direction Port 1 pin 6 Active low Y direction Port 1 pin 7 Active high Z direction Port 1 pin 8 Active high X ++/ /home Port 1 pin 11 Active high Y ++/ /home Port 1 pin 12 Active high Z ++/ /home Port 1 pin 13 Active high E-stop Port 1 pin 10 Active low Spindle / output 1 Port 1 pin 16 Active high

21 Motor profile Når der først er hul igennem motorerne til og de flytter sig når man bruger piletasterne i MACH3 ja så skal man finde ud af hvor mange step der er per mm fremdrift på aksen og hvor hurtigt de kan køre Antal step per mm skal man regne ud ved følgende udregning: StepPerMm = MotorStepPerRev * DriverMicroSteps GevindStigning MotorStepPerRev = 200 (1.8 gr/step) GevindStigningXY = 3 mm/omdr GevindStigningZ = 1.5 mm/omdr DriverMicroSteps = 32 steps per step (sw5-8: off/on/off/on) StepPerMmXY = 200 * 32 / 3 = StepPerMmZ = 200 * 32 / 1.5 = / For at finde ud af maksimalhastighed og acceleration så sætter man et måleur op på den pågældende akse og kører så frem og tilbage i stadig højere hastighed indtil man begynder at mister steps Start med lav acceleration. Når max hastighed er fundet så justeres accelerationen

22 gradvist op til man igen mister steps. Når man mister steps er det i øvrigt meget tydeligt at høre Mit udstyr kan køre med 800 mm/min og 50 mm/s^2 i acceleration. Når først det virker Det er ret nemt at få MACH3 til at virke men selvfølgelig er der 1000 mulige settings som man kan bruge mange timer på at undersøge bagefter Eks. er der en sjov lille feature som jeg skal bruge når jeg laver lasergravering fra Inkscape og den plugin der hedder Laser Engraving. Den genererer nemlig kurve bevægelser med absolutte IJ-koordinater hvor mit cad-program følger den G-kode der vælger mode Men når først det virker så virker det kanongodt. På hovedskærmen kan man bruge piletasterne til at bevæge X-Y akserne. Page up-down styrer Z-aksen. Trykker man shift sammen med piletasterne så kører den il-gang. Jeg bruger piletasterne til at flytte fræsehovedet til det sted jeg har lavet min CAM-programmering til at placere 0punktet. Når man er på plads så trykker man på zero ud for hhv. x, y og z-akserne. Når man skal placere et nulpunkt på kanten at ned mod bordetm så kan man skubbe et stykke mellem fræser og emne. Når man ikke længere kan og tilbage ja så er du nogle få 1/100 dele fra et emne eller avispapir ind rykke det frem emnet. Det er også på hovedfanen man loader en g-code fil. Bevægelserne vises i preview vinduet og det er godt til et hurtigt sanity check. Hvis man går ind i CAM fanen har man mulighed for at skrive gkoder direkte. Eks. bruger jeg meget at sende x-y-z til bestemte positioner med g0 og g1 kommandoer.

23 eks. g0 x0 y0 z0 g0 x100 g1 y50 f150 g0 er il-gang. g0 er bearbejdningsmovement. x-y-z komponenterne er i mm i absolutte koordinater i forhold til det programmerede 0-punkt. f??? er skærehastigheden i mm/minut. Man kan også selv skrive g-koderne i en tekstfil og så loade den i MACH3. Det er ind i mellem nemmere hvis man bare skal fræse en simpel profil eks. et spor eller lignende. 3D-cad Der er mange forskellige cad-programmer der var ikke nær så mange da jeg startede. De gratis versioner var ikke anvendelige den gang. Så med et blik på økonomien valgte jeg Alibre CAD. Det var ikke gratis men lå langt fra de professionelle pakker Solid works, Autocad etc. I dag er der en del gratis udgaver som jeg tror er helt fine FreeCAD (link), SketchUp Make (link) og ikke mindst OpenSCAD (link). Den sidste vækker virkelig nørd-genet :-). Man skriver nemlig sin 3d-model som hvis man skriver software Et sprog der nok ikke er helt nemt at lære Nå men jeg holder mig foreløbigt til den jeg har betalt for. Alibre er i mellemtiden blevet købt af Geomagic så de hedder nu Geomagic design (link).

24 1) 4) 7) 2) 3) 5) 6) 8) Alibre / Geomagic var utroligt nemt at lære Det er baseret på at man vælger en flade (et plan eller en flade på et andet objekt), tegner en 2d-figur (med dimensioner og constraints der binder elementerne sammen) og bruger så den til enten at tilføje eller fjerne materiale fra modellen. Der forskellige smarte måder at tilføje/fjerne materiale på så det er

25 utroligt fleksibelt trods den nemme betjening. De fleste moderne cad-systemer er parametriske. Det betyder at man kan definere dimensioner (afstande, størelser, vinkler etc) vha. beregninger. Man kan definere variable og basere beregningerne på dem og andre beregninger. Meget fleksibelt og nemt at tilpasse. Hvis én dimension ændres følger de andre automatisk med. Jeg købte en 3Dconnexion SpaceNavigator mus det er en speciel mus til at navigere i 3d. Det er vildt rart og meget intuitivt at kunne zoome ind, ud, panorere, skifte viewpoint etc. Når man tegner flere elementer eller gerne vil sætte egne dele sammen med andre (downloadede) dele så kan man også det i Geomagic i assembly -delen. Du kan se eksempler i artiklen om mekanikken til CNC-fræseren.

26 CAM Computer Aided Manufacturing er processen der omsætter en CADtegning til noget CNC-maskinen kan forstå som regel Gcode. G-kode er en måde at beskrive maskinens bevægelser. Der er kommandoer til lineære bevægelser (G00 ilgang og G01 lineær bearbejdning) og til cirkulære bevægelse med eller mod uret (G02, G03). Og ca. 98 mere Der er ret mange kommandoer som vist sjældent bruges. Der er faktisk mange maskiner der kun understøtter ganske få G-koder. Det er også årsagen til at der i CAM-programmer altid defineres en POST-processor altså en efterbearbejdnings engine der tilpasser G-koden til den enkelte maskine. En CAM-engines opgave er som sagt at oversætte en CAD-tegning til maskinbevægelser. Der er dog lidt mere i historien. Først og fremmest skal man vælge et koordinat-system at arbejde i. Ofte skal et emne bearbejdes fra flere sider og det opnår man ved at definere flere CAM-jobs med forskellige koordinatsystemer. Desuden skal man kunne definere hvordan råemnet ser ud så programmet kan beregne hvordan bearbejdningen skal foregå. Jeg ved ikke om der findes automatiske systemer men dem jeg har arbejdet med fungerer alle ved at man selv vælger hvilken fræser man vil bruge og derefter hvilken type fræseoperation man vil gennemføre eks. grovbearbejdning (roughing) og sletbearbejdning (finishing). Der er i de fleste programmer et antal forskellige patterns radial bearbejdning, horisontal / parallel, radial / spiral

27 Der er et hav af CAM-engines. Desværre var der (dengang) ingen af de gratis der reelt virkede Så jeg endte med et produkt der hedder Alibre CAM. Det er integreret i Geomagic Design men er reelt en tilpasset VisualCAM. Det er rigtigt rart at brugerfladen er den man kender men det er vel bare tilvænning

28 I Alibre CAM kan man få vist en simulering af hvordan jobbet virker i praksis. Og det er vigtigt for det er ofte ret svært at gennemskue hvordan algoritmerne vil opføre sig på det konkrete emne Man skal angive hvilke flader der skal bearbejdes eller hvilke der skal være ydre grænse som algoritmen det kan godt give en del frustrationer Konklusion Maskincontrolleren skal man vælge en der passer til det hardware man har købt eller bygget. Men CAD/CAM er en smagssag. Jeg vil når tiden er til det sætte mig nærmere ind i de gratis alternativer men lige nu er du på egne ben