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Piccolo Incisore Laser

By Tittopower

Dopo le esperienze ben riuscite di costruzione di 2 stampanti 3D ho voluto affrontare anche l'avventura laser. Si tratta della prima esperienza con poca o nessuna conoscenza al riguardo per cui meglio iniziare con qualcosa di "piccolo" per fare esperienza e conoscerne le potenzialità, poi magari in futuro si crescerà di potenza e dimensioni se necessario.
Ho dovuto fare quindi come prima cosa la conoscenza del GRBL, a quanto pare il software più utrilizzato per la gestione e l'utilizzo delle CNC e dei laser per uso hobbystico. In alternativa avrei potuto semplicemente montare sulla mia CNC XJ25 la sola testina laser, fare qualche piccola modifica all'elettronica e sarei stato pronto per fare test ma non mi andava di mettere mano a una cosa perfettamente funzionante e soprattutto di invadere il pc dedicato con altri software in quanto è risaputo che mach3 (che utilizzo per la parte software), digerisce solo pc estremamente "puliti".
Tanto per fare un esempio mi sono trovato a dover risolvere un enigmatico problema con mach3 e le porte usb, ho impiegato molto tempo a scoprire che se lasciavo inserita una chiavetta su alcune porte del pc mentre venivano eseguite delle lavorazioni, le misure su un asse venivano ridotte in lunghezza del 4%... meglio lasciare quindi il pc con mach3 con il minimo indispensabile dei software necessari e senza nessun altro dispositivo connesso alle sue porte usb.

Detto questo ho quindi optato per riutilizzare le rimanenze meccaniche delle parti per le stampanti 3D (motori, profili, dadi, cinghie, pulegge, cuscinetti ecc..) ed acquistando solamente una testina laser ed una elettronica Arduino Uno + relativa scield CNC mi sono ritrovato con tutto l'occorrente per la costruzione. Il progetto è partito con un disegno realizzato in 3D per avere idea delle dimensioni delle parti e di come tagliarle o dimensionarle per non avere poi interferenze meccaniche non previste.

Con pazienza ho quindi disegnato i componenti principali in base ai materiali a disposizione e pian piano li ho assemblati e integrati nel progetto ridimensionando o correggendo ove necessario fino al completamento della intera struttura. Il tempo impiegato per il disegno dei componenti e relativo assemblaggio virtuale è stato ampiamente ripagato, tutte le parti realizzate sono state assemblate senza alcuna post-correzione necessaria.

Ogni componente del disegno è un "gruppo" che può essere copiato, spostato, modificato così da poter essere portato sul modello completo per verificarne il perfetto dimensionamento o eventualmente correggerlo per arrivare alle misure esatte di ogni particolare. Alcune parti sono stampate in 3D quindi escono da questo disegno già pronte dimensionalmente, altre parti realizzate in alluminio sono state convertite in cad poi Gcode per la CNC che lavora alluminio.

Sono giunto quindi al progetto finale pronto da realizzare. Si tratta di una piccola macchina con area utile di 30 x 30 cm a 2 assi che utilizza 2 soli motori e non 3 come solitamente avviene per questo tipo di macchine. Il motivo per cui la movimentazione del ponte mobile ho preferito fosse controllata da un solo motore è la stessa per cui utilizzo sempre una cinghia per collegare le 2 viti Z per il controllo dell'altezza nelle stampanti 3D, infatti 2 motori passo-passo anche se collegati in parallelo o con 2 driver clonati perdono la sincronizzazione meccanica a causa delle ripetute accensioni/spegnimenti cui sono soggetti, il motivo è semplicemente che i motori passo passo, per loro natura, sono soggetti a un proprio campo magnetico quando non sono controllati da un driver per cui una volta disalimentati ruotano al punto magnetico più vicino, per cui facilissimo che perdano la sincronizzazione meccanica con conseguente disallineamento dello squadro macchina. Nel mio caso usando un solo motore, basta serrare le pulegge destra/sinistra una volta per tutte per non avere problemi nel tempo.

Per il resto nulla di nuovo sotto al sole.

Questa è l'elettronica Arduino Uno + shield CNC. Si tratta di un comune kit acquistabile in rete a 15 eur che fa tutto quello che serve per pilotare piccole macchine CNC o laser. Si compone di una scheda Arduino Uno (azzurro) + una scheda CNC-shield (rosso) + 2 o più driver motori (piccoli circuiti rossi). Quando la acquistiamo non è pronta all'uso, occorrerà caricare su di essa il software o firmware che vogliamo utilizzare, in questo caso particolare il GRBL (che a quanto ho capito è una sigla inventata che non ha un significato), un software free abbastanza sofisticato per il controllo del movimento di macchine che fanno cose o che fanno muovere cose su base Arduino.
Per fare in modo che la nostra macchina esegua le operazioni volute dobbiamo quindi dotare Arduino del software GRBL, come fare ?

Cercherò di fare un riassunto semplice dei passaggi necessari:

Per prima cosa dobbiamo scaricare il software o meglio la libreria GRBL dal sito GitHub ---- a questo link potremo scaricare l'ultima versione che al momento è la 1.1f , il file è possibile scaricarlo in formato HEX, ZIP, TAR-GZ, rispettivamente formato testo ASCII, per Windows, per Linux.
Utilizzando il file HEX avremo bisogno di un programma chiamato XLOADER per caricarlo sul Arduino, mentre se utilizziamo Windows avremo bisogno del programma ARDUINO IDE , io ho utilizzato ARDUINO IDE quindi descriverò la procedura per windows.

1. --- Installiamo quindi ARDUINO IDE consentendo anche l'installazione dei driver Arduino

2. --- Dopo aver scaricato il GRBL lo estraiamo, entro vi troveremo i file come nella immagine precedente:

Ora se intendiamo utilizzare grbl per una CNC a 3 assi possiamo procedere al punto 3 : Se vogliamo realizzare un incisore Laser 2 assi ed utilizzare dei fine corsa meccanici per la home, dovremo prima andare a modificare il file grbl.h presente nella cartella grbl prima di procedere al punto 3. Vedere NOTA PER LASER CON FINECORSA HOME a seguito.

3. --- Quella che a noi interessa è la cartella grbl, apriamo ARDUINO IDE ed importiamo la cartella grbl come libreria : dall'interfaccia ARDUINO IDE ---> Sketch ---> includi libreria ---> includi libreria formato Zip---> selezionare cartella grbl

4. --- Verifichiamo che la libreria sia stata importata correttamente: dall'interfaccia ARDUINO IDE ---> includi libreria , verificare che grbl sia in elenco.

5. --- Possiamo ora connettere il circuito Arduino Uno con il cavo USB ad una delle porte USB del nostro PC, se si tratta di un arduino standard esso verrà riconosciuto, se si tratta di una versione cinese il chip di interfaccia USB potrebbe non essere riconosciuto per cui sarà necessario cercare il driver appropriato sul sito del produttore. Verifichiamo attraverso la gestione dispositivi di windows quale porta COM Arduino si è preso e memorizziamola.

6. --- Ora possiamo chiudere ARDUINO IDE e recarci nella cartella grbl precedentemente estratta, entro essa è presente la cartella "examples" ---> "grblUpload" ---> grblUpload.ino che dovremo aprire,

7. --- Selezioniamo quindi nell'interfaccia ARDUINO IDE che si è aperta dal menù Strumenti---> scheda ---> Arduino/Genuino Uno poi di seguito sempre da Strumenti---> porta ---> selezioniamo la porta a cui Arduino si è connesso.

8. --- Ora possiamo premere il pulsante del ARDUINO IDE "carica" (quello verde in alto con simbolo freccia destra) ed il grbl verrà caricato sulla scheda Arduino. A fine processo se tutto è andato bene non dovremo leggere alcun messaggio di errore nella finestra in basso nera del Arduino Ide, comparirà solo una scritta in colore arancio che ci indica che abbiamo poca memoria disponibile... ma questo è regolare.

NOTA PER LASER 2 ASSI CON FINECORSA HOME

Gli incisori laser sono dotati solitamente di 2 assi, la configurazione grbl predefinita prevede invece 3 assi. Questo non comporta alcun problema sul funzionamento in modalità laser se NON vengono utilizzati dei fine corsa meccanici per la home. Se invece si intende utilizzarli e caricassimo il grbl come in origine avremo un mancato funzionamento del comando home in quanto come primo movimento il software andrà a cercare di trovare il fine corsa Z che noi non abbiamo per cui ci verrà restituito un errore. Per adattare le istruzioni grbl ed avere una ricerca della home solo per gli assi X e Y procediamo in questo modo PRIMA di caricare la libreria nel nostro Arduino Ide:
rechiamoci nella cartella grbl appena scompattata ed apriamola, vi troveremo il file grbl.h, apriamolo con l'editor di testi Notepad++
Andiamo alla riga 105 come nella figura seguente,

Come si può notare in caso di utilizzo di fine corsa il grbl originale prevede prima la ricerca dello zero dell'asse Z e di seguito in maniera contemporanea degli assi X e Y. Dovremo modificare le righe come nella figura seguente,

In questo modo il grbl procederà alla ricerca dello zero prima sull'asse X poi su quello Y senza errori. Salviamo le modifiche e aggiungiamo quindi all'Arduino Ide la libreria così corretta. Andiamo ora al punto 3 e proseguiamo fino al punto 8.

FINE NOTA PER LASER

9. --- Scolleghiamo il circuito Arduino dalla porta USB.

10. --- Ora possiamo inserire la CNC-shield tramite i suoi connettori a pettine sopra alla scheda Arduino Uno a mò di panino premendo fino a che tutto risulti compatto.

11. --- Inseriamo nelle apposite sedi i driver che intendiamo utilizzare (attenzione al loro orientamento a seconda dei modelli utilizzati !), connettiamo Arduino al Pc e alimentiamo la shield con 12 Volt per eseguire la taratura dei driver in base ai motori che utilizziamo. A tal proposito consultare una qualsiasi guida video su youtube.

Il grbl è ora pronto a funzionare e andrà configurato per la nostra macchina (N° passi dei motori, velocità accelerazioni, direzioni, homing....ecc.): per fare questo con semplicità consiglio di installare il programma LASERGRBL in quanto ha una interfaccia molto semplice e immediata per la configurazione dei parametri, potrete poi sempre disinstallarlo se non necessario.
Una volta installato LASERGRBL connettiamolo al nostro arduino (selezionare la giusta porta COM e la velocità 115200) e tramite il menù FILE---> Grbl Configuration potremo variare e salvare i parametri. Ogni parametro contiene una breve descrizione sommaria della funzione che svolge, per una più ampia spiegazione degli stessi consultare la pagina Grbl V1.1 Configuration , che consiglio di stampare e tenere a portata di mano in quanto presenti alcune tabelle che servono per invertire la direzione dei motori se non corretta, di variare la direzione home e tutto quanto porterà la nostra cnc o laser a funzionare come vogliamo.

Nella immagine la configurazione che sto utilizzando. Ricordo che per utilizzare il laser in PWM ovvero a potenza variabile modulata occorre mettere il parameto $32=1. Per le schede shield versione 3.0 il segnale PWM dovrà essere prelevato dal pin Z+ della sezione endstop, per le versioni shield V3.1 vi è invece un pin dedicato. Il segnale PWM in uscita da arduino è un segnale 0/5Volt, quindi un PWM-TTL.

NOTA settaggio parametro $30 Il parametro $30 è settato in origine a 1000, in alcune guide online viene settato a 255. In pratica non cambia nulla per quanto riguarda il funzionamento del laser e della sua possibilità di essere modulato in potenza. A seconda del programma che andremo a utilizzare per creare il gcode ricordiamoci però quale valore abbiamo settato poichè la potenza del laser sarà adeguata al parametro. Se per esempio settiamo S30=255 ed utilizziamo LASERGRBL per creare il Gcode, se vogliamo che il laser lavori a metà potenza massima dovremo impostare un valore di 127 durante la creazione del codice... Se settiamo S30=1000 ed utilizziamo LASERGRBL per creare il Gcode, se vogliamo che il laser lavori a metà potenza massima dovremo impostare un valore di 500 durante la creazione del codice. Alcuni programmi come ad esempio LASERWEB utilizzano invece la potenza laser in percentuale, in questo caso sia che abbiamo settato S30=255 o 1000 sarà il programma stesso ad adeguare la potenza del laser alla percentuale selezionata.

Ora alcune immagini della realizzazione dell'incisore

La parte elettronica Arduino+shield è stata sistemata in un box stampato in 3d, includendo i comuni controlli (abort-resume-hold-endstop) che avvengono tramite comuni pulsanti. Una ventola aiuta a mantenere freddi i driver, tutte le connessioni all'asse X (motore-fine corsa-laser-ventilazione) sono portate tramite presa DB15.

Entro il box è incluso anche uno controllo on-off a mosfet comandato dall'uscita "CoolEn" che comanda la ventola di evacuazione dei fumi piazzata sul laser stesso.

L'alimentazione alla shield e al laser viene fornita da un comune alimentatore switch da 12V - 10A, a cui è stata applicata una chiusura di protezione.

..

Il fine corsa X è stato posizionato direttamente sulla parte mobile in modo da non avere un cablaggio indipendente e volante, quello Y è nella zona vicino all'elettronica. La mia home è invertita rispetto alla classica del grbl che sarebbe in origine nel verso positivo (in alto a destra). ATTENZIONE: durante le prime prove non riuscivo ad ottenere la home della macchina nonostante tutte le impostazioni fossero corrette, la causa era il collegamento agli end stop che non ho provveduto a effettuare con cavo schermato. Se anche con cavi schermati non riuscite ad ottenere i corretti movimenti applicate ad ogni ingresso endstop sulla shield una resistenza di pull-up da 4700 ohm assieme ad un condensatore da 0,1n verso massa. Con questi accorgimenti non ho avuto più alcun problema.

Il supporto che regge la cinghia sul lato anteriore, il foro asolato ne consente la tensionatura, realizzato in alluminio poi sabbiato.

Il motore per l'asse Y è uno solo, ancorato al telaio con una parte stampata in 3D, si tratta di un nema 17 da 60mm bialbero. E' unito agli alberi di trasmissione attraverso giunti rigidi, ai lati 4 cuscinetti garantiscono l'allineamento e la scorrevolezza.

Il laser: si tratta di una unità cinese da 445nm da 5,5W, è stata sostituita la ventola in alto con una a doppia portata per mantenere basse temperature di esercizio, nella parte inferiore un condotto con ventola da 60mm a grande flusso (12V 0.4A) assicura una rapida evacuazione dei fumi per non sporcare la lente di emissione e mantenere più fresca la zona di lavoro.

Il laser CNC a realizzazione ultimata, utilizza per tutti i movimenti guide a ricircolo da 12 mm e cinghie passo 2,5mm. I profili in alluminio sono da 30 x 30 e 20 x 40 sul ponte. Nella parte inferiore sono presenti 4 squadri in alluminio da 75 X 75mm che sono serviti in fase di assemblaggio per preformare la squadratura e la planarità corrette. In seguito sono stati applicati 4 piedi magnetici in gomma + plastica.

Uno dei primi esperimenti di incisione su legno, avevo in casa una piccola meccanica di orologio funzionante per cui ho provato semplicemente a farne il supporto. Si tratta di comune compensato inciso a 500mm/min e metà potenza laser. Disegno semplice poichè è stato il primo file che ho fatto con inkscape che trovo un programma molto adatto all'utilizzo con laser poichè crea file vettoriali ed anche direttamente il codice gcode pronto all'uso. Il compensato da 3 mm volendo viene tagliato dal laser con 4 passaggi alla massima potenza e 200mm/min.

Per curiosità ho provato il laser su alluminio anodizzato nero e questo è stato il risultato, velocità 200mm/min full power. Con altri test sono riuscito a tagliare pellicole adesive senza perforare il supporto sottostante, ottenendo delle buone maschere per verniatura, ma sono ancora alle prime armi e per ora non è possibile sperimentare ancora ! Per l'utilizzo in ambiente chiuso è necessario che costruisca un contenitore in cui mettere il tutto dotato di aspiratore che scarichi esternamente poichè durante le lavorazioni i fumi e gli odori sono veramente poco sopportabili !

Un altra bella esperienza di costruzione che ha richiesto disegno 3D, disegno 2D, fresatura e stampa di parti, apprendimento di nuovi utilizzi di Arduino si è conclusa, ora si tratta di apprendere l'utilizzo dei programmi di disegno e di comando dedicati per ottenere i migliori risultati. Grazie della lettura.

Raccomando a tutti la massima attenzione durante l'utilizzo di apparecchi laser di questo tipo in quanto i raggi diretti ed anche riflessi sono pericolosissimi per la vista, usare sempre occhiali specifici per la lunghezza d'onda di emissione del laser utilizzato, allontanare se presenti gli animali, sorvegliare sempre le lavorazioni poichè è facile che con certi materiali possa innescarsi una fiamma e conseguentemente un incendio !!!!

Gennaio 2019, Tittopower

Le operazioni svolte nell'articolo possono provocare danni notevoli agli apparecchi e alla persona qualora chi le esegue non abbia una certa familiarità con l'elettricità, la meccanica, l'elettronica ecc.. ci si astenga quindi eventualmente dal metterle in pratica qualora non si abbia affinità con le materie predette. In ogni caso lo scrivente non si ritiene responsabile di eventuali danni provocati dai progetti e dal loro utilizzo a cose e/o persone.

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