Лазерный гравер

Актуальность темы заключается в использовании уже ненужных деталей и материалов, создании на их основе полезного устройства. Бюджетный способ создания гравёра в том, что данный механизм мы собрали из подручных материалов, которые нашли дома (старый блок питания, корпус из остатков двери, стекло, кусок материнской платы, лазерный диод и шаговые двигатели из старых DVD). Все что мы приобрели это платa Arduino, плата расширения, драйверы шаговых двигателей и корпус лазера. Лазерный гравёр используется для выжигания на органических материалах. Изделия полученные данным механизмом применяются в декоре и сувенирной продукции.

Цель работы: создание работающего лазерного гравёра наиболее бюджетным способом.

Задачи: ознакомиться с платами Arduino;

Сделать механизм;

Подобрать программные средства работы;

Получить готовый продукт декора.

Что такое Arduino

Arduino — торговая марка аппаратно-программных средств для построения простых систем автоматики и робототехники, ориентированная на непрофессиональных пользователей. Программная часть состоит из бесплатной программной оболочки (IDE) для написания программ, их компиляции и программирования аппаратуры. Аппаратная часть представляет собой набор смонтированных печатных плат, продающихся как официальным производителем, так и сторонними производителями. Полностью открытая архитектура системы позволяет свободно копировать или дополнять линейку продукции Arduino.

Название платформы происходит от названия одноимённой рюмочной в Иврее, часто посещавшейся учредителями проекта, а название это в свою очередь было дано в честь короля Италии Ардуина Иврейского.

Arduino может использоваться как для создания автономных объектов автоматики, так и подключаться к программному обеспечению на компьютере через стандартные проводные и беспроводные интерфейсы.

1.1 Аппаратная часть

Под торговой маркой Arduino выпускается несколько плат с микроконтроллером и платы расширения (так называемые шилды). Большинство плат с микроконтроллером снабжены минимально необходимым набором обвязки для нормальной работы микроконтроллера (стабилизатор питания, кварцевый резонатор, цепочки сброса и т. п.).

1.2 Миниатюрные клоны Arduino

Помимо стандартных конструктивов Ардуино сторонние разработчики создали множество миниатюрных клонов, сохранив только архитектурную и программную совместимость. Среди этих клонов выделяется линейка продуктов Microduino. Линейка содержит полноценный набор конструктивно совместимых процессорных модулей, модулей связи, сенсоров и исполнительных устройств, практически не уступая ассортименту классических модулей Arduino. Как и Arduino, сборка плат производится в стопки. Линейка оформлена в двух оригинальных конструктивах:

Бескорпусной с соединениями на миниатюрных цанговых штыревых линейках (торговая марка «Microduino Upin27 Series»). Габарит плат 25*28 мм.

В стиле конструкторов Лего с электрическими соединениями на подпружиненных контактах и механической фиксацией, совместимой с конструкторами Лего (торговая марка «Microduino mCookie Series»).

Самый миниатюрный клон был выпущен под торговой маркой Femtoduino. Его размеры всего 15*20 мм, включая разъем micro USB, стабилизатор напряжения и полный комплект ввода-вывода Arduino UNO. Той же компанией выпущен самый нафаршированный миниатюрный клон под торговой маркой IMUduino. Это клон Arduino Leonardo с поддержкой USB Host (клавиатура и мышь), Bluetooth 4 Low Energy, шестиосный гироскоп/акселерометр, трехосный магнитометр (компас), барометр. Размер устройства 16*40 мм. К сожалению, проект на данный момент не предлагает совместимых по цоколевке плат расширения.

РИС.1 – 3 приложения 1

1.3 Микроконтроллер

Микроконтроллеры для Arduino отличаются наличием предварительно прошитого в них загрузчика (bootloader). С помощью этого загрузчика пользователь загружает свою программу в микроконтроллер без использования традиционных отдельных аппаратных программаторов. Загрузчик соединяется с компьютером через интерфейс USB (если он есть на плате) или с помощью отдельного переходника UART-USB. Поддержка загрузчика встроена в Arduino IDE и выполняется в один щелчок мыши.

На случай затирания загрузчика или покупки микроконтроллера без загрузчика разработчики предоставляют возможность прошить загрузчик в микроконтроллер самостоятельно. Для этого в Arduino IDE встроена поддержка нескольких популярных дешевых программаторов, а большинство плат Arduino имеет штыревой разъем для внутрисхемного программирования (ICSP для AVR, JTAG для ARM).

В Arduino IDE от компании, базирующейся на сайте arduino.cc, встроена возможность создания своих программно-аппаратных платформ. Этой возможностью пользуются сторонние компании, добавляющие в Arduino IDE свои наборы плат и компиляторов-загрузчиков к ним. Компания на сайте arduino.org не поддерживает такую возможность.

1.4 Периферия

Порты ввода-вывода микроконтроллеров оформлены в виде штыревых линеек. Никакого буферизирования, защиты, конвертации уровней как правило, нет. Микроконтроллеры питаются от 5В или 3,3В, в зависимости от модели платы. Соответственно порты имеют такой же размах допустимых входных и выходных напряжений. Программисту доступны некоторые специальные возможности портов ввода-вывода микроконтроллеров, например широтно-импульсная модуляция (ШИМ), аналогово-цифровой преобразователь (АЦП), интерфейсы UART, SPI, I2C. Количество и возможности портов ввода-вывода определяются конкретным вариантом микропроцессорной платы.

Помимо портов на платах микроконтроллеров иногда устанавливается периферия в виде интерфейсов USB или Ethernet. Опциональный набор внешней периферии на модулях расширения включает в себя:

USB Device (чаще всего как виртуальный COM порт через FTDI FT232, имеются также версии с эмуляцией USB HID Class клавиатур и мышек).

Проводной и беспроводной Ethernet как на основной плате так и на платах расширения.

Модуль GSM и другие беспроводные интерфейсы.

USB Host.

SD card.

Модуль управления низковольтным мотором на базе L298. Поддерживаются шаговый и коллекторный двигатели с напряжением до 12В и током до 2А на канал. Могут подключаться также реле, электромагниты и т. п. Модуль не имеет гальванической развязки.

Графический ЖКИ индикатор.

Модуль с макетным полем.

1.5 Концепция программирования

Программирование ведется целиком через собственную программную оболочку (IDE), бесплатно доступную на сайте Arduino (распространяется по условиям GPLv2). В этой оболочке имеется текстовый редактор, менеджер проектов, препроцессор, компилятор и инструменты для загрузки программы в микроконтроллер. Оболочка написана на Java на основе проекта Processing, работает под Windows, Mac OS X и Linux.

Используется комплект библиотек Arduino (по лицензии LGPL)

1.6 Язык программирования

Язык программирования Arduino является стандартным C++ (используется компилятор AVR-GCC) с некоторыми особенностями, облегчающими новичкам написание первой работающей программы.

Программы, написанные программистом Arduino называются наброски (или иногда скетчи ) и сохраняются в файлах с расширением ino. Эти файлы перед компиляцией обрабатываются препроцессором Ардуино. Также существует возможность создавать и подключать к проекту стандартные файлы C++.

Обязательную в C++ функцию main() препроцессор Arduino создает сам, вставляя туда необходимые «черновые» действия.

Программист должен написать две обязательные для Arduino функции setup() и loop(). Первая вызывается однократно при старте, вторая выполняется в бесконечном цикле.

В текст своей программы (скетча) программист не обязан вставлять заголовочные файлы используемых стандартных библиотек. Эти заголовочные файлы добавит препроцессор Arduino в соответствии с конфигурацией проекта. Однако пользовательские библиотеки нужно указывать.

Менеджер проекта Arduino IDE имеет нестандартный механизм добавления библиотек. Библиотеки в виде исходных текстов на стандартном C++ добавляются в специальную папку в рабочем каталоге IDE. При этом название библиотеки добавляется в список библиотек в меню IDE. Программист отмечает нужные библиотеки и они вносятся в список компиляции.

Arduino IDE не предлагает никаких настроек компилятора и минимизирует другие настройки, что упрощает начало работы для новичков и уменьшает риск возникновения проблем.

Простейшая Arduino-программа состоит из двух функций:

setup(): функция вызывается однократно при старте микроконтроллера.

loop(): функция вызывается после setup () в бесконечном цикле все время работы микроконтроллера.

Одна из простейших схем на Arduino — это подключение внешнего светодиода, управление которым происходит при помощи программы (скетча). Одна из простейших схем на Arduino — это подключение внешнего светодиода, управление которым происходит при помощи программы (скетча).

Так выглядит полный текст простейшей программы (скетча) мигания светодиодом, подключенного к 13 выводу Arduino, с периодом 2 секунды:

void setup () {

pinMode (13, OUTPUT); // Назначение 13 вывода Arduino выходом

}

void loop () {

digitalWrite (13, HIGH); // Включение 13 вывода, параметр вызова функции digitalWrite HIGH - признак высокого логического уровня

delay (1000); // Цикл задержки на 1000 мс - 1 секунду

digitalWrite (13, LOW); // Выключение 13 вывода, параметр вызова LOW - признак низкого логического уровня

delay (1000); // Цикл задержки на 1 секунду

}

1.7 Загрузка программы в микроконтроллер

Закачка программы в микроконтроллер Arduino происходит через предварительно запрограммированный специальный загрузчик (все микроконтроллеры от Ардуино продаются с этим загрузчиком). Загрузчик создан на основе Atmel AVR Application Note AN109. Загрузчик может работать через интерфейсы RS-232, USB или Ethernet в зависимости от состава периферии конкретной процессорной платы. В некоторых вариантах, таких как Arduino Mini или неофициальной Boarduino, для программирования требуется отдельный переходник.

Пользователь может самостоятельно запрограммировать загрузчик в чистый микроконтроллер. Для этого в IDE интегрирована поддержка программатора на основе проекта AVRDude. Поддерживается несколько типов популярных дешёвых программаторов.

2.Что такое шаговый двигатель

Шаговый двигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Основное отличие между ним и всеми остальными типами двигателей состоит в способе, благодаря которому происходит вращение. В отличие от других моторов, шаговые двигатели вращаются НЕ непрерывно! Вместо этого, они вращаются шагами. Каждый шаг представляет собой часть полного оборота. Эта часть зависит, в основном, от механического устройства мотора и от выбранного способа управления им. Шаговые двигатели также различаются способами питания. В отличие от двигателей переменного или постоянного тока, обычно они управляются импульсами. Каждый импульс преобразуется в градус, на который происходит вращение.

2.1 Основы работы шагового двигателя

Как и все моторы, шаговые двигатели состоят из статора и ротора. На роторе установлены постоянные магниты, а в состав статора входят катушки (обмотки).

РИС.8 приложения 1

3.2 Волновое управление или полношаговое управление одной обмоткой

Это означает, что электрический ток протекает только через одну обмотку. Этот способ используется редко. В основном, к нему прибегают в целях снижения энергопотребления.

2.3 Полношаговый режим управления

Вторым, и наиболее часто используемым методом, является полношаговый метод. Для реализации этого способа, напряжение на обмотки подается попарно. В зависимости от способа подключения обмоток (последовательно или параллельно), мотору потребуется двойное напряжение или двойной ток для работы по отношению к необходимым при возбуждении одной обмотки. В этом случае мотор будет выдавать 100% номинального вращающего момента.

2.4 Полушаговый режим

Это очень интересный способ получить удвоенную точность системы позиционирования, не меняя при этом ничего в «железе»! Для реализации этого метода, все пары обмоток могут запитываться одновременно, в результате чего, ротор повернется на половину своего нормального шага. Этот метод может быть также реализован с использованием одной или двух обмоток. Ниже показано, как это работает.

Используя этот метод, тот же самый мотор сможет дать удвоенное число шагов на оборот, что означает двойную точность для системы позиционирования. Например, этот мотор даст 8 шагов на оборот!

2.5 Режим микрошага

Микрошаговый режим наиболее часто применяемый способ управления шаговыми двигателями на сегодняшний день. Идея микрошага состоит в подаче на обмотки мотора питания не импульсами, а сигнала, по своей форме, напоминающего синусоиду. Такой способ изменения положения при переходе от одного шага к другому позволяет получить более гладкое перемещение, делая шаговые моторы широко используемыми в таких приложениях как системы позиционирования в станках с ЧПУ. Кроме этого, рывки различных деталей, подключенных к мотору, также как и толчки самого мотора значительно снижаются. В режиме микрошага, шаговый мотор может вращаться также плавно как и обычные двигатели постоянного тока.

Форма тока, протекающего через обмотку похожа на синусоиду. Также могут использоваться формы цифровых сигналов. Вот некоторые примеры:

РИС.5 – 7 приложения 1

Метод микрошага является в действительности способом питания мотора, а не методом управления обмотками. Следовательно, микрошаг можно использовать и при волновом управлении и в полношаговом режиме управления.

2.6 Типы шаговых двигателей

Шаговый двигатель с постоянным магнитом

Ротор такого мотора несет постоянный магнит в форме диска с двумя или большим количеством полюсов. Работает точно также как описано выше. Обмотки статора будут притягивать или отталкивать постоянный магнит на роторе и создавать тем самым крутящий момент. Ниже представлена схема шагового двигателя с постоянным магнитом.

РИС.8 приложения 1

Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

У двигателей этого типа на роторе нет постоянного магнита. Вместо этого, ротор изготавливается из магнитомягкого металла в виде зубчатого диска, типа шестеренки. Статор имеет более четырех обмоток. Обмотки запитываются в противоположных парах и притягивают ротор. Отсутствие постоянного магнита отрицательно влияет на величину крутящего момента, он значительно снижается. Но есть и большой плюс. У этих двигателей нет стопорящего момента. Стопорящий момент — это вращающий момент, создаваемый постоянными магнитами ротора, которые притягиваются к арматуре статора при отсутствии тока в обмотках. Можно легко понять, что это за момент, если попытаться повернуть рукой отключенный шаговый двигатель с постоянным магнитом. Вы почувствуете различимые щелчки на каждом шаге двигателя. В действительности то, что вы ощутите и будет фиксирующим моментом, который притягивает магниты к арматуре статора.

РИС.9 приложения 1

2.7 Гибридный шаговый двигатель

Данный тип шаговых моторов получил название «гибридный» из-за того, что сочетает в себе характеристики шаговых двигателей и с постоянными магнитами и с переменным магнитным сопротивлением. Они обладают отличными удерживающим и динамическим крутящим моментами, а также очень маленькую величину шага, лежащую в пределах 0.9-5°, обеспечивая великолепную точность. Их механические части могут вращаться с большими скоростями, чем другие типы шаговых моторов. Этот тип двигателей используется в станках ЧПУ high-end класса и в роботах. Главный их недостаток — высокая стоимость.

3. Лазерные гравёры, принцип работы

В лазере, (лазерном станке) свет от лампы, фокусируется в луч и передается через систему зеркал или оптическое волокно на линзу, где он приобретает окончательную фокусировку и попадает на гравируемый материал. При этом, чем ближе расстояние от линзы до материала к фокусному тем точнее и тоньше могут быть линии гравировки. В процессе лазерной гравировки снимается (выжигается, испаряется) верхний слой или слои за счет чего на поверхности материала возникают углубления, сочетания которых дают необходимое изображение или надпись. Глубина гравировки зависит от выбранной мощности лазерного станка, от физических свойств гравируемого материала и от количества проходов (количества линий — траектория которых совпадает с траекторией уже выгравированных линий, проще говоря, повторений сделанных по одной и той же заготовке). В процессе лазерной гравировки, с учетом особенностей метода, на краях гравируемого изображения могут возникать оплавления, как побочный эффект перегревания материала. Этот эффект может в дальнейшем быть убран за счет уменьшения температуры и длительности воздействия луча на материал, что реализуется путем уменьшения мощности станка, увеличением скорости гравировки, за счет чего может понадобиться выполнение дополнительных проходов.

Лазерная резка — обеспечивает качественную и точную поверхность реза широкого спектра материалов, высокую скорость порезки, параллельность кромок реза и минимальную зону термического влияния.

Лазерная гравировка — технология, позволяющая наносить изображения на любые материалы, не прикасаясь к их поверхности. С помощью лазерного луча с поверхности удаляется небольшой слой материала, что приводит к образованию рельефного изображения. Гравировка — это основной способ нанесения высококачественного и долговечного изображения.

3.1 Самодельный лазерный гравёр

Самодельный лазерный гравёр, который обойдется значительно дешевле, чем серийная модель, можно изготовить даже в том случае, если вы не обладаете глубокими знаниями в электронике и механике. Лазерный гравёр предлагаемой конструкции собирается на аппаратной платформе «Ардуино» (Arduino) и имеет мощность 300 мВт, тогда как у промышленных моделей этот параметр составляет не менее 400 Вт. Однако даже такая невысокая мощность позволяет использовать данный аппарат для резки изделий из пенополистирола, пластика и картона, а также выполнять качественную лазерную гравировку.

Гравировать можно на всем, все зависит от мощности лазера. Основными материалами на которых выжигаю-это фанера ,кожа, кожзаменители, оргстекло.

3.2 Материалы

1. Блок питания компьютера

2. Приводы DVD-RW

3. Коллиматор лазерного диода

4. Плата Arduino

5. Плата расширения(шилд)

6. Драйвера шаговых двигателей

7. Драйвер лазера (микросхема ULN 2003)

8. Часть материнской платы

9. Корпус из подручных материалов

3.3 Техника безопасности при гравировке

Любое помещение, в котором проводится лазерная гравировка, резка, термообработка, должно быть отмечено знаком лазерной опасности. Войти в такую зону могут только работники, имеющие допуск. В производственном помещении должны отсутствовать следующие предметы:

блестящие;

взрывоопасные;

легковоспламеняющиеся.

Особое внимание уделяется освещению рабочего помещения: в нем должно присутствовать столько света, чтобы не возникала темновая адаптация глаз. Все установки должны быть экранированы так, чтобы не допустить воздействия на глаза первичного и направленного вторичного изучения.

Работа должна производиться в перчатках, очках и одежде специального назначения.

4. Заключение

Подводя итоги в заключении исследования я скажу, что работа меня заинтересовала и хотелось бы, и в дальнейшем поработать над усовершенствовании станка. В результате проведения манипуляций с тем материалом, что мы имели, у нас получилось собрать лазерный гравёр. Проведя тесты мы поняли, что гравёр работает, но для резки материалов необходим более мощный лазер. Рабочая площадь 4х4 см. В перспективе приобретение лазера более 2,5 Вт и увеличение площади обрабатываемой поверхности.

РИС 10 – 14 приложения 1

Список литературы и интернет ресурсы

1. Петин В. А., Проекты с использованием контроллера Arduino. — СПб.: БХВ-Петербург, 2014. — 400 с.: ил. — (Электроника)

2. Блум Джереми, Изучаем Arduino: инструменты и методы технического волшебства—Спб:БХВ-Петербург,2015.

3. С. Монк, Программируем Arduino. Профессиональная работа со скетчами . — СПб.: Питер, 2017.

4. Петин В.А., Биляковский А.А., Практическая энциклопедия Arduino. —М.:ДМК Пресс,2017.

5. Arduino-Википедия, https://ru.m.wikipedia.org/wiki/Arduino

6. Что такое Arduino/Амперка https://amperka.ru/page/what-is-arduino

7. Cамодельный лазерный гравёр https://met-all.org/oborudovanie/prochee/lazernyj-graver-svoimi-rukami-iz-printera-dvd-pleer.html

Приложение 1

Рисунки

РИС.1 Плата Arduino Diecimila

РИС.2 Стандартный конструктив Ардуино с платами расширения

РИС.3 Плата Femtoduino

Формы сигнала для управления шаговым двигателем

РИС.5 РИС.6 РИС.7

Шаговый двигатель с постоянным магнитом Шаговый двигатель с переменным магнитным сопротивлением

РИС.8 РИС.9

$C:\Users\дом\Downloads\2018-03-09 09-08-46.JPG$ $C:\Users\дом\Downloads\2018-03-09 09-08-59.JPG$

РИС 10 РИС 11

$C:\Users\дом\Downloads\archive-2018-03-09_14-24-08\archive\2018-03-09 12-55-19.JPG$ $C:\Users\дом\Downloads\archive-2018-03-09_14-24-08\archive\2018-03-09 14-17-19.JPG$ $C:\Users\дом\Downloads\archive-2018-03-09_14-24-08\archive\2018-03-09 14-20-09.JPG$

РИС 12 РИС 13 РИС 14

Снег своими руками

На горке

Рукавичка

Ребята и утята

Астрономический календарь. Январь, 2019 год