СТАНОК С ЧПУ ДЛЯ ЛАЗЕРНОЙ ГРАВИРОВКИ

В современном мире для создания эстетически привлекательных объектов используются как традиционные материалы (дерево, металл), так и относительно новые – различные пластики, в том числе оргстекло. Из них создают объемные изделия, либо на их поверхность наносят гравировку или рисунки.

Являясь одной из древнейших художественных техник, гравирование на различных материалах остается актуальным и в наши дни [1]. Из трудоемкого и отнимающего много времени занятия гравирование превратилось в механизированный процесс. Оставив человеку процесс творчества в области дизайна рисунка, или воспользовавшись возможностями компьютера для его обработки, непосредственно процесс гравировки можно автоматизировать с помощью станка с числовым программным управлением. Такой станок возможно приобрести, затратив на это немало средств, но можно изготовить самому, имея определенные навыки в области слесарной обработки и используя начальные знания в области электроники.

В нынешнее время требования потребителя к качеству изготовления и эстетической привлекательности изделия достаточно высоки. Это влечет за собой повышение стандарта точности изготовления. В связи с этим ручное изготовление изделий в некоторых сферах практически исключено. Взамен ему пришла механическая обработка. В современном мире в большинстве случаев для этого используют различные станки с числовым программным управлением.

Использование станков с числовым программным управлением также приводит к более эффективному использованию ресурсов: ускорению процесса производства, уменьшению его трудоемкости, уменьшению штата сотрудников, снижению количества отходов и процента брака. Актуальным для себя считаю, то, что разработанный мной станок может отвечать самым высоким требованиям, предъявляемым к такому оборудованию.

Современные станки, такие как фрезерный, лазерно-гравировальный, 3D принтер, позволяют создавать высокоточные изделия, в том числе и в бытовых условиях. Однако, станки, имеющие высокую точность недоступны для широкого круга потребителей из-за высоких цен, так же в большинстве случаев это станки с мощностью, избыточной для повседневного бытового использования. При ручном изготовлении изделий затрачивается значительно больше рабочего времени, что непременно отразится на конечной цене продукта. Качество продукта изготовленного в ручную не всегда может удовлетворять требованиям по точности изготовления, что накладывает границы на применение ручного труда. Для бытового использования профессиональные станки не подходят из-за высокого энергопотребления (а иногда из-за отсутствия дополнительных высокочастотных источников питания), больших габаритных размеров.

1. Типы гравировальных станков с ЧПУ [5]

На сегодняшний день существуют механическая, пескоструйная и лазерная гравировки.

- возможность применения практически любого материала;

- при нанесении рисунка на поверхность детали не оказывается механическая нагрузка;

- гравирование осуществляется на высоком уровне точности;

- при нанесении изображений на деталь практически не создается шума;

- мощность лазерного луча можно регулировать,

Лазерная гравировка более распространена, чем ее аналоги. Это связано с тем, что при меньших затратах мощности они обеспечивают более качественное выполнение задачи.

Для лазерной гравировки и резки применяют следующие станки:

1) Углекислотный лазер – гравирует на резине и пластике, режет и сваривает оргстекло и металлы.

2) Лазерный гравер/резак Endurance DIY – гравирует пластики, древесину, режет пластик и древесину до 2 мм.

3) Многофункциональный станок с ЧПУ (Snapmaker) – может использоваться как фрезерный станок, 3D принтер, лазерный гравер.

Проанализировав варианты решения проблемы, я остановил свой взгляд на следующих, наиболее полно отвечающих моим требованиям вариантах:

а) лазерный гравировальный станок с ЧПУ;

б) фрезерный гравировальный станок с ЧПУ;

в) универсальный станок с ЧПУ;

После анализа идей было решено взять за основу лазерный гравировальный станок с ЧПУ ^[5]. Одним из ключевых достоинств лазерного гравировального станка является возможность нанесения цветной гравировки на изделии.

Но в станках, имеющих высокую точность, практически всегда используются трубки с CO₂, что значительно увеличивает их мощность и стоимость, делая нецелесообразным их использование в бытовых условиях. Приобретая более дешевые не сертифицированные аналоги, мы рискуем получить товар не надлежащего качества или с отличными от заявленного характеристиками.

У представленных выше станков, как и у любого другого изделия, есть недостатки:

- высокая стоимость (1), (2);

- невозможно работать в домашних условиях;

- для корректной работы станка необходим наладчик (3);

- невозможно обрабатывать заготовки, превышающие размеры рабочего поля станка;

- отсутствие вытяжки для удаления продуктов горения из зоны резки/гравировки.

В ходе анализа аналогов выявились наиболее важные технические характеристики для будущего станка. Необходимо изготовить конструкцию, отвечающую таким требованиям как:

1. Скорость во время работы выше 1000 мм/мин, повторяемость 0,05 мм.
2. Минималистичная конструкция.
3. Применение сертифицированных компонентов.

Изучив различные источники информации о станках с ЧПУ, контроллерах, драйверах шаговых двигателей и проведя анализ полученной информации, я пришел к выводу, что лучше использовать контроллер, управляемый с персонального компьютера и шаговые электродвигатели [2], что позволяет контролировать перемещение лазерного излучателя до сотых долей миллиметра.

2. Описание работы станка

Разработанный мною станок представляет собой конструкцию, содержащую станину из алюминиевого профиля на которой расположен портал для перемещения лазерного излучателя в трех плоскостях.

В основе работы устройства лежит принцип перемещения лазерного излучателя по трем координатам – осям X и Y и Z. С персонального компьютера на микроконтроллер Arduino Uno [3] загружается заранее созданный G-code [4]. Код обрабатывается микроконтроллером, последний управляет шаговыми двигателями с помощью драйверов, на которые отправляются электрические импульсы. Крутящий момент от шагового двигателя передается в зависимости от оси, либо на ремень каретки лазера (ось Y) или портал (ось X), либо на винтовую пару, отвечающую за перемещение по оси Z. Принципиальная схема станка содержится в Приложении А.

Устройство способно выполнять резку дерева, пластика, оргстекла, кожи, и других подобных материалах, а также выполнять гравировку на перечисленных материалах.

Устройство качественно осуществляет гравировку поверхности, требует минимального обучения пользователя, отличается простотой конструкции и высокими эксплуатационными характеристиками.

В ходе создания проекта была разработана оригинальная конструкция станка с использованием современных компонентов.

Конструкция станка позволяет выполнять гравировку и резку заготовок, превышающих по размерам габариты станка

Станок эргономичен, транспортабелен, ремонтопригоден. Эстетические характеристики отвечают стандартам промышленного дизайна.

3.Расчет стоимости станка

Расчет себестоимости станка представлен в таблице 1.

Таблица 1

Себестоимость станка

Итог: 5216 руб.

Себестоимость равна 5216 руб.

При массовом производстве следует обратить внимание на улучшение характеристик изделия, и эстетические качества изделия, что повышает его конкурентоспособность.

Новизна работы:

1. Спроектированное мной устройство не имеет аналогов по стоимости среди станков аналогичной мощности.

2. Использование данного устройства дает возможность выполнять резку и гравировку на различных материалах.

С помощью моего лазерного гравера можно быстро и качественно изготавливать дизайнерские изделия. Использование устройства требует минимального обучения пользователя, знаний и умений. Для работы устройства не требуется специально оборудованного помещения.

Практическая значимость работы:

1. В сравнении с имеющимися станками, выполняющими аналогичные процессы, в моем станке снижена стоимость за счет использования более дешевых комплектующих, при этом сохранены высокие эксплуатационные характеристики станка.

2. Проект является перспективной разработкой. Предложенное устройство может быть использовано как плоттер или фрезерный гравировальный станок.

3. В перспективе создание многофункционального станка на прежней базе.

Приложение А

Принципиальная схема станка

Приложение Б

Фото готового изделия

Список литературы:

1. http://www.minimum-price.ru/articles/istoriya_gravirovki/ (3.11.20 19:35)
2. http://engineering-solutions.ru/motorcontrol/stepper/ (14.05.20 22:43)
3. https://arduinomaster.ru/platy-arduino/plata-arduino-uno/ (17.08.20 23:54)
4. https://github.com/github (27.02.19 16:23)
5. https://vseochpu.ru/gravirovka-chpu/ (1.02.21 17:51)