Как работает лазерный станок, станок для лазерной резки

Лазерные ЧПУ станки используются для производства мебели, рекламной продукции и сувениров из дерева или пластика. В комплекс действий гравера входит резка, выжигание, гравировка. Рабочий процесс осуществляется быстро и легко. Лазером можно наносить картинки, эмблемы и логотипы на деревянные и пластиковые поверхности.

Аппарат для гравировки можно приобрести в магазине или собрать своими руками. Лазер для резки фанеры своими руками изготовить не так уж сложно. У самодельного аппарата будет ниже мощность и, все же, на нем можно создавать полноценные гравюры.

Плата управления лазерным станком: M2 Nano, RuiDa

Так, ну и начнем тогда! А начнем мы с лицевой панели!

На данной модели установлена система управления RuiDa, а не M2. RuiDa — более крутая плата. Основные преимущества платы RuiDa:

Возможность изменять мощность лазера без помощи человека. Благодаря этому можно гравировать фотографии. На M2 можно сделать делать только однотонную гравировку за один проход.
Продолжение работы с момента экстренной остановки. Например, отключилось электричество — после его включения станок продолжит работу как ни в чем не бывало.
Возможность работы без компьютера, чтение файла с флешки.
Возможность подключения станка в локальную сеть.
Наличие русского интерфейса (для многих пользователей — это важно).
Возможность встраивания LaserWork в графические редакторы CorelDraw, Adobe Illustrator, Autocad, Inscape.
Компенсация люфтов.
Самодиагностика.
Поддержка мультипозиционирования (можно задать несколько опорных точек для начала работы).
Возможность просмотра слоев
Расчет точного времени обработки материала

Поменять плату с M2 на RuiDa можно поменять в любой момент, придется повозиться денек, правда.

На верхней фотографии изображена просто лицевая панель, а мозги станка выглядят иначе. Вот они:

Плата управления M2 Nano

Чтобы было понятно: данная плата состоит из:

USB UART преобразователь — передает и преобразует команды, поступаемые от компьютера к микроконтроллеру
Микроконтроллер — пребразует команды, непосредственно в движение самой лазерной головки и включение/отключение лазера. Делает он это с помощью драйверов шаговиков.
Два драйвера шаговых двигателей — контролируют ток шаговых двигателей.
Обвязка

Плата управления RuiDa

У RuiDa структура гораздо сложнее. Вот она в разобранном виде.

Здесь стоит уже шустрый 32-разрядный микроконтроллер TMS320, ПЛИС Altera и модули памяти. Это то, что увидел сразу, остальное не стал искать в интернете. Суть и так понятна. Возможности этой платы гораздо выше — это самостоятельный компьютер. Однако, у RuiDa нет на борту драйверов шаговых двигателей — их придется приобретать отдельно.

Материалы для обработки

С помощью лазерных аппаратов с числовым программным управлением можно обрабатывать такие материалы: акрил, полиэстер, двухслойный пластик, фанеру, шпон, дерево, картон и бумагу, кожу, камень, стекло, зеркало и др.

А с помощью бесконтактной технологии также возможна обработка достаточно тонких материалов (бумаги, кожи и прочего) – это материалы, работу с которыми еще недавно было довольно сложно автоматизировать.

Драйвера шаговых двигателей для лазерных станков

Не мчитесь приобретать сразу самые дорогие драйвера. У драйверов три основных параметра: ток, минимальная длина периода для сигнала тактирования STEP, и максимальный микрошаг. Если есть вопросы — лучше спросите НА ФОРУМЕ

Для маленьких лазерных станков серии HOBBY и OPTIMA мы даже сделали специальную плату расширения.

С помощью этой платы мы можем установить вместо стандартных драйверов — драйвера помощнее, или наоборот — драйвера, которые заставят работать двигатели абсолютно бесшумно. Эта идея пришла мне в голову после того, как я собирал очередной станок и мне потребовались драйвера, но в запасах все закончилось. Купил в одном Питерском магазине недешевые шаговые двигатели и поставил на станок — вроде все работает, погонял на высоких скоростях и все — пропуск шагов сразу. Долго думал в чем проблема, пока не догадался разобрать. Оказывается вместо фирменной микрухи, там стоял какой-то китайский новодел. Пришлось с нашего офисного станка снять драйвера для того, чтобы человеку не задержать поставку, правда, теперь у человека стоят супер мощные драйвера на 5 Ампер, хотя в реальности нужно 0.5 Ампер и 1 Ампер. Мы станки все подписываем, так как люди так гораздо быстрее осваиваются. Драйвера на данном станке установлены справа.

Ну а я сделал тем временем для нашего штатного станка такое временное решение:

Взял с наших 3Д принтаков драйвера и настроил под них Руиду, все подпаял, ну и до прихода новых драйверов все пока так и будет в таком состоянии. Главное все работает и на больших скоростях. Гравировка со скоростью 500 мм/с без проблем.

В общем, задача драйверов шаговых двигателей — обеспечить правильный ток на обмотках и не тормозить при приеме управляющих сигналов с микроконтроллера, для того, чтобы двигатели быстро и точно обеспечивали перемещение сопла лазера над рабочим полем.

Станок своими руками

Лазерный станок ЧПУ своими руками создать не так уж сложно, для этого потребуется запастись соответствующим материалом. Прибор будет отличаться от промышленных станков мощностью. Самодельный лазерный аппарат будет иметь мощность около 2Вт, тогда, как промышленные станки используют лазеры мощностью 50 Вт. С помощью такой аппаратуры можно будет обрабатывать картон, древесину, фанеру.

Чтобы собрать гравер своими руками, необходимо приобрести программируемую плату. В магазине они представлены в широком ассортименте, на их основе можно собрать любой механизм. Самоделки отличаются от заводских станков, но и за станком такого типа можно проводить широкий спектр работ. Не стоит забывать, что лазеры должны охлаждаться, для этих целей создают специальную охлаждающую систему с использованием насоса и жидкости.

Блок розжига лазерной трубки

Можете вернуться к прошлому рисунку — этот блок подписан. Достаточно массивный черный короб. Еще один важный элемент лазерного станка. Для того, чтобы трубка работала, этот блок поднимает напряжение на своих выводах до напряжения более 20 кВ и поднимает его до тех пор, пока в трубке не начнется разряд. Если трубка вышла из строя и разряд так и не начался, то блок высокого напряжения либо отключится, либо продолжит выдавать максимально высокое напряжение, что может вывести его из строя.

Будем считать, что трубка исправна и разряд начался — теперь блок высокого напряжения включает стабилизатор тока для поддержания необходимого тока вне зависимости от нагрузки в цепи. Напряжение, как правило, при этом уменьшается.

Какой станок выбрать: изучаем разновидности

Лазерные станки по разновидностям делятся по нескольким принципам.

По функциональной нагрузке:

Лазерный гравировальный станок выдает слабый пучок света, которого хватает для нанесения гравировки и выжигания. При увеличении длины волны установкой можно резать фанерный лист.
Фрезерно-лазерный станок для резки фанеры с увеличенной мощностью светового пучка умеет резать дерево, создавать пазы на изделиях. Часто с его же помощью можно нанести гравировку, просто настроив лазер на эту функцию.

По типу управления:

Станок по дереву ручного управления самый дешевый и понятный в работе. С его помощью создают уникальные в своем роде изделия.
ЧПУ заметно увеличивает стоимость оборудования, но и повышает качество изготовления абсолютно точных рисунков и форм. Достаточно задать программу и машина сделает все сама. В большинстве своем такие установки заключают в себе оба способа управления.

По мощности и размеру:

Лазерно-гравировальный настольный прибор с небольшой мощностью до 80 Вт компактный, его можно разместить в небольшом цеху или дома. Установка подходит для создания мелкой сувенирной продукции, станок умеет наносить гравировку и резать тонкую фанеру.
Профессиональный станок лазерной гравировки и резки выдает мощность 80-195 Вт. Он обладает увеличенными габаритами и применяются в деревообрабатывающей и мебельной промышленности для выпуска серийной продукции и вырезания точных деталей. Стоимость такого аппарата начинается от 150 тысяч рублей.
Промышленный станок для лазерной резки по дереву умеет вырезать, точить, гравировать и много чего еще. Он обладает внушительными размерами и служит в крупных цехах для деревообделки.

Производители начиняют оборудование разными функциями, которые влияют на стоимость установки и замещают использование дополнительных инструментов, облегчающих процесс обработки:

Чиллер – устройство для охлаждения трубки лазера. Он необходим при продолжительном действии станка для нормализации температуры рабочих органов оборудования. Работает по принципу вторичной оболочки с циркулирующей водой, подключенной к насосу. Если станок не оборудован таким приспособлением, его покупают отдельно. Стоимость от 30 тыс. руб.
Система обдува резака и гравера нужна для снижения температуры места среза и выжигания, чтобы избежать чрезмерного обугливания шва. Кроме того, с рабочего места постоянно сдуваются пыль и мусор, что повышает комфорт работы и качество производства.

Выбор лазерного станка определяется потребностями в его мощности и функционале. Для крупного производства нецелесообразно приобретать маленький настольный агрегат, как и для дома устанавливать профессиональный или промышленный.

Существуют универсальные установки, способные работать с металлом, деревом, ПВХ и выполнять разные операции: гравирование, резку, фрезеровку. Стоимость таких установок высокая и приобретать их целесообразно только для крупного производства.

Представляем таблицу с тремя популярными моделями станков разной комплектации и мощности:

Тип	Габа- риты, мм	Функции, мощность луча, Вт	Цена, руб.
Настоль- ный гравер SF40В	350х 500х 800	Гравиро- вание, 40Вт	93 000
Лазерный станок LT-460	1070х 750х 670	Гравиро- вание, резка дерева, стекла, кожи, картона, 50 Вт	150 000
Лазерно-гравиро- вальный станок AL-1412	1960х 1610х 1120	Резка и гравиро- вание дерева, металла с покрытием и др. материалов, 60-150 Вт	420 000

Как видно, увеличение мощности лазера для станка влияет на стоимость оборудования и его функциональность. Производители предлагают модификации аналогичных агрегатов с разным набором функций, цена и качество изделий могут значительно отличаться от представленных.

Производители и обслуживание

Гравировальные станки для лазерной резки дерева и обработки изделий предлагают производители разных стран: России, Японии, стран Европы. Нельзя сказать, что они значительно отличаются друг от друга, но представители имеют свои особенности.

Ярким представителем российских разработчиков является НПФ «Лазеры и аппаратура», г. Зеленоград. Компания выпускает машины разной функциональности, продукция отличается сравнительно доступной стоимостью.

Японские марки Koike и Mazak изготавливают оборудование, удобное в управлении как ручным, так и автоматизированным методом.

Европейские бренды Trumpf, ESAB, Bystronic предоставляют самое разнообразное по функционалу оборудование с долгим сроком службы. Установки предназначены для обработки дерева, металлов, акрила и других материалов как специализированные, так и универсальные.

Надежные производители дают гарантию на свою продукцию. Качественные аппараты служат без перебоев годами, юстировка лазерного устройства производится редко в случае необходимости.

Лазерная трубка

О, это самое интересное место. Здесь для многих начинается что-то загодочное и непонятное. Давайте начнем с простого: что такое лазерная трубка?

Начнем с самого простого определения. Лазерная трубка — это стеклянная колба, которая имеет 3 внутренние полости. По средней из полостей течет вода или другая охлаждающая жидкость. А вот в других двух полостях находится смесь газов. Что же за смесь газов такая?

Она состоит из:

CO2 (углекислый газ) — газ, благодаря которому и происходит выделение энергии в виде фотонов. В совокупности и дающие лазерное излучение.
N2 (Азот) — является хорошим резонатором. Большую часть поглащаемой энергии он переводит в колебания, заставляя частицы CO2 сталкиваться между собой.
He (Гелий) — он увеличивает скорость испускания фотонов. Но у Гелия также высокая теплопроводность, благодаря чему удается поддерживать низкую температуру CO2. А низкая температура CO2 позволяет создать высокую заселенность низких энергетических уровней. Благодаря этому CO2 может испустить больше новых фотонов. Ну и низкая температура CO2 замедляет скорость его деградации. Но атомы Гелия очень маленькие и они просачиваются даже через стекло, из которого сделана лазерная трубка. Поэтому старая трубка (более 2-х лет), которой даже ни разу не пользовались будет иметь низкую мощность излучения, а также очень быстро придет в негодность из-за деградации CO2.

Фотон излучается в следующих случаях:

Заряженная частица CO2 сталкивается с фотоном или нейтральным атомом.
Столкновение атомов N2 с атомами CO2
Воздействие внешнего электромагнитного поля

Для того, чтобы создать положительную обратную связь в трубке есть оптический резонатор.

Структура лазерной трубки

Резонатор состоит из стеклянной колбы (отмечена рыжим) и двух зеркал. У одного коэффициент отражения 100% (на практике 98%), у другого — 50%.

В оптическом резонаторе происходит интерференция волн. Волна, идущая вблизи оси резонатора усиливается, происходит отражение от зеркал. Причем при каждом таком отражении волна только частично проходит через зеркало с коэффициентом отражение 50%. Собственно первые 50% подаются непосредственно для резки материала, а вторая половина отражается и остается в резонаторе.

Чем выше температура лазерной трубки, тем более бледным становится разряд фиолетового цвета.

Линзы, зеркала оптическая фурнитура

В лазерных граверах Alfa-J применены держатели зеркал последнего поколения, защитный кожух защищает от пыли и продуктов горения, позволяет легко найти центр зеркала при юстировке:

Такой реализации мы еще не встречали ни на одном конкурентном станке. Также обратите на систему юстировки положения зеркал, имеется регулировка как смещения в основании держателя, так и трех точечная регулировка наклона зеркала с фиксирующими контргайками, такая система позволит точно натсроить и надежно зафиксировать положение настройки на весь период эксплуатации.

Зеркала на выбор как цельные из молибдена, такие зеркала можно отполировать на полировочном столе слесаря инструментальщика при помутнении, так можно установить и кремниевые с медным напылением — такие зеркала полировке не поддадутся, но и дешевле.

Диаметр зеркал и линз имеют значение при специализации станка под гравировку или резку. Так зеркала и линзы большого диаметра отражают и пропускают лазерный луч с минимальными потерями по мощности что хорошо для резки, но в гравировке более важным становится характеристика размера светового пятна, и чем меньше будет диаметр лазерного луча на входе в линзу, тем компактнее будет световое пятно на материале. А так как любой луч, даже лазерный имеет свойство рассеиваться как луч фонарика становится шире при удалении, так и для гравировки лучше использовать оптику с меньшими диаметрами чтобы минимизировать диаметр луча при транспортировке от излучателя до линзы в головке, поэтому в граверах используются зеркала диаметром не более 20мм, и линзы диаметром не более 15мм.

За компактность светового пятна на материале также отвечает материал линзы, так арсенид галлия (GaAs) имеет более высокий коэффициент преломления и более предпочтителен для гравировки, а линзы из селенида цинка (ZnSe) имеют меньший коэффициент преломления и предпочтительны для резки.

Для сравнения фото плохой фурнитуры, крепление на тонком гнущемся уголке, фиксация контргайкой — сбивает выставленные настройки, экономия даже на фиксаторе пружины — сделано из шпильки:

Система зеркал лазерного станка

Я надеюсь, что вам теперь стало понятнее, как работает лазерная трубка. Вернемся к той половине излучения, которую выпускает на волю зеркало с 50% отражением. Это излучение и будет производить резку материала. Но для начала надо его правильно направить. От правильной настройки зеркал очень сильно зависит качество реза.

Как только излучение выходит из трубки, то оно попадает на поверхность зеркала для оси X. Это зеркало недвижимо, настройку надо начинать именно с него. Главная задача — сделать так, чтобы луч, отраженный от этого зеркала попадал в одну и ту же точку зеркала по оси Y. Оно не обязательно должно попадать в центр, главное — чтобы в одну точку.

После того, как зеркало по оси X настроено, необходимо настроить зеркало по оси Y абсолютно таким же способом. Последнее зеркало — это зеркало для линзы. Его задача правильно подать луч на линзу, благодаря чему линза правильно и точно сфокусирует излучение, а вы получите качественный рез.

У некоторых людей, купивших станок где-то на стороне возникает проблема. Даже если все зеркала четко настроены, то в разных местах луч бьет не в одну точку. Ответ на эту проблему практически однозначен — вина кроется в механике и направляющие станка не параллельны.

Воздушная помпа

Воздушная помпа служит для отвода продуктов горения от оптики в лазерной головке, а также для удаления продуктов горения из зоны реза. Под нужды заказчика возможна комплектация до Помпы воздушной для лазерного гравера 385 Вт 300L/min. Такая мощная помпа может потребоваться для резки бумаги и картона без обгорания, или осуществлять резку дерева также с минимальным нагаром.

Фокусировка линзы, подъемный механизм стола

Настройка фокуса линзы может происходить тремя способами:

Ручная фокусировка: ставится на самых бюджетных моделях, вы сами подкручиваете высоту линзы. Абсолютно нормальный ручной способ, благодаря отсутствию дополнительных механических частей, такие станки весьма небольшие.
Фокусировка с помощью подъемного стола. Здесь стол уже соединен с винтовыми штангами, которые приводятся в действия двигателем.
Винтовые шатнги, двигатель и сотовый стол
Фокусировка с помощью подъемного стола + автофокусировка. Тоже самое, что и второе, но около сопла стоит концевик или датчик расстояния. Благодаря такому устройству, вы просто кладете лист материала на стол, а станок сам настроит фокус. Правда, бывают и курьезные случаи. Иногда ставят концевики в виде тонкой кнопки. Люди тоже бывают невнимательны, уставшие. И вот если сопло окажется не над листовым материалом и вы включите автофокус, то очень высокая вероятность, что кнопка провалится между сотами стола или ламелями, станок не заметит препятствия и продолжит поднимать стол. Чем все заканчивается, я здесь показывать не буду). Вывод: смотрите, чтобы концевик был достаточно толстым, будьте более внимательными или фокусируйте вручную, это занимает не больше минуты.
Доп. опция — RED LIGHT фокусировка. Если честно, я ей никогда не пользуюсь, может быть зря, но мне как-то проще сделать мерную фигурку и отфокусировать по ней.

Корпус

Корпус влияет на габариты обрабатываемого материала, на правильную геометрию резки и гравировки, сохранение геометрии при транспортировке и эксплуатации, влияет на защиту ключевых узлов, например управляющей электроники от продуктов горения материала, возможность установки опций как подъемный стол или конвейер, возможность сквозной подачи длинных материалов на рабочую столешницу.

Выбирая производителей для ассортимента лазерных граверов, мы учли все необходимые пожелания в линейках производителей Alfa-J и JQ, последний имеет опыт эксплуатации в РФ более 10 лет, в том числе в жестких условиях гравировки камня, а Alfa-J имеет аналогичные характеристики без переплаты за брэнд.

Например, все кромки стальных листов при сборке корпуса имеют торцевой загиб, что добавляет поперечной жесткости по сравнению с конкурентами:

Панель управления заключена в отдельный кожух, для защиты от продуктов горения:

Откидные крышки корпуса позволяют обрабатывать длинные материалы:

Таким образом корпус станков Alfa-J подходит для специализации под любые задачи, имеет большой запас прочности, продуманные мелочи, как например пневмостойки крышек, концевые датчики закрытия крышек, и на их базе можно построить любую раскроечную или гравировальную машину.

Охлаждение лазерной трубки

Тут я бы сделал разделение на три типа:

Чиллер CW3000 — достаточно бесполезный вариант. Суть его работы заключается в следующем. CW3000 — это емкость примерно на 9 литров с радиатором, помпой и вентилятором. Все. Как вы понимаете трубка достаточно быстро прогревает 9 литров и радиатор с вентилятором не справляются с охлаждением, так как станки устанавливаются в отапливаемых помещениях.
Помпа — не смотря на то, что этот вариант дешевле, но он оказывается эффективнее. Главное использовать большую емкость — от 35 литров. При такой емкости трубка никак не успевает нагреть воду. Главное, чтобы в помещении было не слишком жарко. Как правило, в большинстве пром. помещений и домах температура в районе 22 градусов это в пределах нормы.

Но бывает люди покупают станок себе домой, а место есть только рядом с батареей. Это очень плохой вариант, но в данном случае можно замораживать бутылки с соленой водой в морозилке и на время резки класть их в емкость.
Чиллеры CW5000, CW5200 — не дешевый вариант, такие чиллеры просто необходимы для мощных трубок. Их преимущество заключается в том, что даже в жаркую погоду вы сможете работать на станке без каких-либо страхов за трубку, так как такие чиллеры работают по принципу холодильника.

Управляющий контроллер

Лидером из контроллеров выделяется Ruida, этот производитель отказался от USB-ключа для активации, разработал удобное ПО. Модель контроллера RDC6442G — для станков с одним излучателем, RDC6442S — для моделей с двумя излучателями. Leetro с их контроллерами MPC на сегодняшний день утратили актуальность, как впрочем и контроллеры AWC и Topwisdom.

Отдельно упомянем одноплатные контроллеры без графических панелей управления типа Laser Cube, MKS DLC, Moshi, Lihuiyu, Arduino и т.д. — это все таки не контроллеры для серийного промышленного оборудования, т.к. они очень ограничены по функционалу и с очень простым ПО, возможно подойдет энтузиастам для разработки собственных станков, но станки для производства на этих контроллерах, какой бы заманчивой цена не была мы бы не советовали приобретать.

Основные функции

Стол современного лазерного оборудования, как правило, сквозной. На таких столах можно обрабатывать заготовки, имеющие разнообразную длину. Современные конструкции станков можно дополнить различными элементами для повышения функциональности.

Это могут быть:

подъемный стол, благодаря которому можно увеличить высоту по Z оси;
поворотные механизмы, которые используют для обработки изделий цилиндрической формы;
сотовые поверхности, предназначенные для работы с заготовками небольших размеров.

Гравировальный лазерный станок можно автоматизировать, благодаря применению ЧПУ. Такие механизмы будут стоить дорого, но они окажутся более производительными и удобными в работе.

На станках с ЧПУ можно минимизировать ошибки в гравировке или раскрое. Можно сказать, что их просто-напросто невозможно допустить, так как управление происходит благодаря особому, специально разработанному для такого оборудования, программному обеспечению. Трудности могут возникнуть только из-за ошибок, допущенных при разработке эскизов.

На таком оборудовании не нужно выполнять какую-либо ручную работу. Основная задача оператора — наблюдение за бесперебойной работой оборудования и отслеживание качества производимых заготовок. Подобные станки, как правило, оснащены дистанционным управлением.