ЛАЗЕРНО-ГРАВИРОВАЛЬНЫЙ СТАНОК С ЧПУ

В наше время для создания эстетических объектов используются как традиционные материалы (дерево, металл), так и относительно новые – пластик, в том числе оргстекло. Из них создают объемные изделия, либо на их поверхность наносят рисунок в объеме или цвете.

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 создания рисунка или воспользовавшись возможностями компьютера для его обработки, непосредственно процесс гравирования (резки либо выжигания) можно автоматизировать с помощью станка с числовым программным управлением. Такой станок возможно приобрести, затратив на это немало средств, а можно создать самому, имея некоторые слесарные навыки и знания электроники.

В современной жизни стандарты точности изготовления изделий и требования потребителей к их качеству достаточно высоки. В связи с этим ручное изготовление изделий в некоторых сферах практически исключено. Взамен ему пришла механическая обработка и изготовление. В настоящее время в большинстве случаев для этого используются 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 количества занятых в производстве работников, уменьшению количества отходов.  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 труднодоступны для широкого круга потребителей из-за высокой цены. Еще один недостаток большинства высокоточных моделей – большие габаритные размеры.

Для изготовления изделия с помощью ручного труда затрачивается значительно больше рабочего времени, что отражается на стоимости продукта. Качество продукта не всегда может удовлетворять требованиям по точности изготовления, что делает невозможным использование ручного труда в некоторых областях. Для бытового использования профессиональные станки не подходят из-за высокого энергопотребления (а иногда из-за отсутствия источника питания 380 В), больших габаритных размеров.

1. Типы гравировальных станков с ЧПУ[5]

На сегодняшний день существуют механическая и лазерная гравировки.

- 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, ускоряя или замедляя рабочий процесс.

Лазерные станки гравировального типа постепенно вытесняют фрезерные 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) Лазерно-гравировальный станок с СО₂ – режет и гравирует на любом материале;

2) Лазерный гравер/резак Endurance DIY – режет и гравирует на древесине и других не твердых материалах;

3) Универсальный станок с ЧПУ – может использоваться как сверлильный, токарный, фрезерный станок.

Проанализировав некоторые варианты решения проблемы, я остановился на следующих наиболее отвечающих заданным требованиям:

а) лазерно-гравировальный станок с ЧПУ;

б) станок плазменной резки;

в) универсальный станок с ЧПУ;

После анализа идей было решено взять за основу лазерно-гравировальный станок с ЧПУ ^[5]. Одним из ключевых достоинств лазерно-гравировального станка является цветная гравировка на изделии.

Но в станках, имеющих высокую точность, практически всегда используются трубки с CO₂, что значительно увеличивает их мощность и стоимость, делая их использование в бытовых условиях невозможным. Приобретая более дешевые китайские аналоги, мы рискуем получить некачественный или не соответствующий заказанному товар.

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

- высокая стоимость (1), (2);

- невозможно работать в домашних условиях, школьных мастерских;

- для корректной работы станка необходим наладчик (3);

- невозможно работать на пространстве, превышающем размер рабочего поля станка;

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

В ходе анализа аналогов выявились наиболее важные характеристики будущего станка. Было принято решение о создании конструкции с характеристиками, удовлетворяющими таким параметрам как:

1. Удовлетворительная скорость и высокое качество работы.
2. Простая конструкция.
3. Приемлемая цена.

Изучив источники информации (техническую литературу, интернет -ресурсы, мнения профессионалов) о станках с числовым программным управлением, микроконтроллерах и электродвигателях, проанализировав полученные результаты, я пришел к выводу, что лучше использовать микроконтроллер и шаговые электродвигатели [2], что позволяет контролировать каждый шаг лазера до сотых долей миллиметра.

2. Описание работы станка

Разработанный станок представляет собой конструкцию, включающую станину, портал и лазерный светодиод на подвижной каретке.

В основе работы устройства лежит принцип перемещения лазера по двум координатам – осям X и Y. С персонального компьютера на микроконтроллер Arduino Uno [3] загружается G-code [4]. Код обрабатывается микроконтроллером, последний управляет шаговыми двигателями с помощью драйверов. Крутящий момент от шагового двигателя передается в зависимости от оси, либо на ремень каретки лазера, либо на шпильку, отвечающую за перемещение по оси X. Принципиальная схема станка содержится в Приложении А.

Устройство способно выполнять резку дерева, пластика, оргстекла, кожи, фетра, а также выполнять рисунки 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 станины для крепления портала станка.

Конструкция станка позволяет выполнять гравирование и резание на неограниченной площади.

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

Себестоимость равна 5036 руб. 90 коп.

Окончательный расчет цены изделия

Цена = себестоимость + прибыль (30 %) + НДС (20%) = 5036.90 руб. + 1511.07 руб. + 1007.38 = 6195.35 руб.

При массовом производстве следует обратить внимание на улучшение характеристик изделия, что повысит его конкурентоспособность.

Новизна работы:

1. Спроектированное мной устройство не имеет аналогов по стоимости в своей размерной и мощностной категории.

2. Использование данного устройства дает возможность выполнять резку и гравирование 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.

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/ (1.12.18 17:11)
2. http://engineering-solutions.ru/motorcontrol/stepper/ (17.01.19 21:37)
3. https://arduinomaster.ru/platy-arduino/plata-arduino-uno/ (27.02.19 16:20)
4. https://github.com/github (27.02.19 16:23)
5. https://vseochpu.ru/gravirovka-chpu/ (1.02.19 17:51)