Ploter laserowy CNC

Opis projektu

Ploter laserowy CNC to jeden z moich pierwszych poważnych projektów wykorzystujących sterowanie numeryczne. Celem projektu było stworzenie niewielkiej platformy umożliwiającej automatyczne wykonywanie rysunków i grawerowanie przy użyciu głowicy laserowej.

Konstrukcja pracuje w dwóch osiach — X oraz Y — i posiada obszar roboczy około 190 × 190 mm. Jako narzędzie wykorzystano moduł laserowy o mocy 500 mW, będący pierwotnie rozszerzeniem dla drukarki Creality Ender 3, który po odpowiednim zamontowaniu pozwolił na realizację podstawowych operacji grawerowania.

Projekt był rozwijany przez kilka miesięcy i obejmował zarówno projekt mechaniczny, wykonanie elementów konstrukcyjnych, konfigurację elektroniki, jak i uruchomienie całego systemu sterowania.

Założenia projektowe

stworzenie własnej maszyny CNC od podstaw
możliwość automatycznego sterowania ruchem osi
wykorzystanie standardowych plików G-code
możliwość wykonywania prostych grawerów laserowych
zastosowanie łatwo dostępnych i niedrogich komponentów

Zakres realizacji

Samodzielnie wykonałem:

projekt mechaniczny konstrukcji
wykonanie elementów drukowanych 3D
montaż układu osi X i Y
integrację elektroniki sterującej
konfigurację firmware'u CNC
przygotowanie procesu generowania i wysyłania plików G-code
testy działania urządzenia oraz kolejne iteracje konstrukcji

Elementy mechaniczne zostały wykonane częściowo z profili i elementów dostępnych na rynku oraz części drukowanych metodą FDM z filamentów PLA i PETG. Do wykonania elementów wykorzystałem drukarkę Creality Ender 3, jednak obecnie w projektach używam nowocześniejszego sprzętu.

Wykorzystane technologie

Arduino UNO
CNC Shield
sterowniki silników krokowych A4988
firmware GRBL
Python
Inkscape + Laser Tools
Grbl Controller
druk 3D FDM
filamenty PLA i PETG
silniki krokowe z demontażu

Proces projektowy i rozwiązane problemy

Pomysł na budowę plotera pojawił się po zapoznaniu się z prostymi konstrukcjami CNC wykorzystującymi podzespoły odzyskane ze starych urządzeń. Pierwsza wersja projektu zakładała znacznie prostszą konstrukcję sterowaną ręcznie, jednak ograniczenia związane z elektroniką i sposobem sterowania sprawiły, że konieczne było całkowite przeprojektowanie rozwiązania.

Kolejne iteracje pozwoliły lepiej zrozumieć działanie systemów CNC, sterowania silnikami krokowymi oraz komunikacji pomiędzy komputerem a urządzeniem. Początkowe wersje konstrukcji wykorzystywały mniej odpowiednie materiały i rozwiązania mechaniczne, przez co nie zapewniały wymaganej precyzji oraz niezawodności.

Przełomowym etapem było zastosowanie drukarki 3D do wykonywania dedykowanych elementów konstrukcyjnych oraz wykorzystanie CNC Shield z firmware'em GRBL. Pozwoliło to przejść od eksperymentalnej konstrukcji do działającego urządzenia sterowanego standardowym językiem maszyn CNC.

Jednym z ograniczeń końcowej wersji była mała moc zastosowanego lasera. Urządzenie dobrze sprawdzało się podczas grawerowania, jednak próby cięcia materiałów takich jak sklejka często prowadziły do przypalania krawędzi i rozwarstwiania materiału. Problemy te wynikały głównie z ograniczeń technologicznych projektu, a ich rozwiązanie wymagałoby zastosowania mocniejszego lasera.

Galeria zdjęć

Rezultat

Efektem projektu jest działający ploter laserowy CNC umożliwiający wykonywanie prostych operacji grawerowania laserowego. Maszyna osiągnęła założony cel, czyli stworzenie własnego urządzenia CNC zdolnego do interpretowania plików G-code i automatycznego sterowania ruchem.

Najważniejsze parametry:

obszar roboczy: około 190 × 190 mm
liczba osi ruchu: 2 (X/Y)
źródło narzędziowe: laser 500 mW
sterowanie: Arduino UNO + CNC Shield

Projekt był również ważnym etapem rozwoju umiejętności związanych z projektowaniem mechanicznym, elektroniką, programowaniem mikrokontrolerów oraz prototypowaniem urządzeń mechatronicznych.

Film

Możliwości dalszego rozwoju

Dalszy rozwój konstrukcji wymagałby przede wszystkim zastosowania mocniejszego źródła laserowego oraz poprawy systemu odprowadzania dymu. Możliwe byłoby również rozbudowanie urządzenia o dodatkową oś Z i wymienne narzędzia umożliwiające pracę nie tylko z laserem. Rozważałem również budowę kolejnej, bardziej przyjaznej użytkownikowi wersji bazującej na zamkniętej komorze.