X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Лазерный станок с программным управлением «ЛАК-300»
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Аннотация руководителя
В данной работе рассмотрена проблема разработки станка с программным управлением, имеющим меньшую стоимость при той же эффективности, что и существующий аналог. Исследованы конструкции существующих станов с программным управлением, виды программного обеспечения, а также характерные особенности процесса обработки различных материалов на станке с программным управлением (далее ПУ-программное управление). На основе проведенного исследования разработан и изготовлен станок с ПУ «ЛАК-300», характерным отличием от аналога является применение программируемой платформы «Arduino UNO» и упрощенной конструкции, что значительно снизило стоимость станка. Проведен сравнительный анализ нового и существующего станка с ПУ.
Введение
Одним из самых точных режущих инструментов на сегодняшний день является луч лазера, позволяющий обрабатывать детали с точностью до нескольких сотых долей миллиметра, а совместное использование при обработке лазером персонального компьютера, значительно упрощает обработку деталей.
Актуальность работы. В нашем колледже обучаются студенты различных профессий - слесаря, станочники, закройщики, электрики и т.д. Важнейшим качеством в их профессиональной деятельности является точность обработки при изготовлении шаблонов, разметке деталей, создании лекал, выкроек, трафаретов, печатных плат и т.д. Данные виды работ наиболее эффективно выполнять на лазерных станках с ПУ, однако существующие станки с лазерной обработкой материалов довольно дороги.
Цель работы
Разработать конструкцию и создать лазерный станок с ПУ, не уступающий по производительности и точности серийному лазерному станку, к тому же имеющий более низкую стоимость.
Задачи работы:
- исследовать существующие конструкции лазерных станков с ПУ;
- исследовать программное обеспечение лазерных станков с ПУ;
- изготовить на базе станочной мастерской нашего колледжа новый лазерный станок с ПУ, сочетающий простоту изготовления и эксплуатации при низкой стоимости относительно существующих аналогов;
- тестирование нового лазерного станка с ПУ на различных материалах – дерево, металл, ткань, картон.
Лазерный станок с программным управлением «ЛАК-300»
Проведя анализ недорогих конструкций станков с ПУ использующих при обработке луч лазера, выбираем в качестве прототипа станок «HBN-1», имеющий многочисленные положительные отзывы и самую низкую стоимость в своем размерном ряду (приложение А).
«HBN-1» имеет следующие характеристики (И.2.1.):
- точность обработки - 0.1мм;
- рабочая зона -40мм*40мм;
- мощность лазера - 0.3 Вт;
- производительность при прожигании до 50мм/мин, при гравировании до 300 мм/мин;
- стоимость от 7250 до 15000 руб.
Данный прототип имеет две оси перемещения: стол с заготовкой – ось перемещения Х, перемещение модуля светодиодного лазера - ось перемещения Y. Конструкция компактная, эргономичная, но каркас станка требует определенных затрат, к тому же направляющие осей можно не изготавливать, а использовать направляющие неисправных DVD-rom. Управление станка «HBN-1» происходит на основе дорогостоящих, специально разработанных электронных плат. Мы предлагаем использовать универсальный блок программированного управления – платформу « Arduino UNO», имеющую относительно низкую стоимость, простоту сборки и наладки.
В результате анализа существующих конструкций станков с ПУ, программного обеспечения, и электронных платформ на которых работают рассмотренные станки, нами создан лазерный станок с программным управлением «ЛАК-300».
«ЛАК-300» состоит из 2 рам на которых установлены шаговые электродвигатели, приводящие в движение рабочий стол- горизонтальную ось X и модуль лазера вертикальную ось Y. Рама стола закреплена на деревянном основании, рама лазерного модуля закреплена вертикально на дюралевых уголках. На рабочем столе закрепляются обрабатываемые материалы, затем луч лазера производит обработку по траекториям, создаваемым на персональном компьютере и интерпретируемым процессором платформы « Arduino UNO».
Принципиальная схема «ЛАК-300» представлена в приложении Б, а внешний вид «ЛАК-300» в приложении В.
Новый станок имеет те же параметры рабочей зоны, мощности лазерного модуля, как и у аналога. Управление перемещениями станка осуществляется платформой «Arduino UNO». Питание лазера (5вольт) осуществляется через « cnc- shield v3» - дополнительной коммутационной платой, а включение и выключение лазера происходит через одноканальное реле, подсоединенное к порту шпинделя на «cnc- shield v3» (У.1.2.).
На следующем этапе мы исследовали множество бесплатных программ для управления нашим станком: «light burn»; «Crash ing editor»; «CArler»; « Benbox laser Engraver» и др.
Исследовав данные программы, мы выбрали программное обеспечение «Benbox laser Engraver». «Вenbox laser Engraver» лучше всего подходит по типу подключения к платформе «Arduino UNO» и проще прошивается стандартной программой «Grbl» .
Для того чтобы прошить плату «Arduino UNO» понадобился USB-кабель, связывающий персональный компьютер со схемой станка.
Через USB-кабель с компьютера передается команда или список команд на плату «Arduino UNO» по прошивке (в которую изначально занесены команды управления). Плата «Arduino UNO» посылает команды к плате «CNC- shield» , управляющей шаговыми двигателями и через релейный модуль включает луч лазера во время обработки.
Для настройки шаговых двигателей (изменение количества шагов (3200) и напряжения (0.6вольт)) использовались драйвера A4988.
На следующем этапе мы провели эксперименты по обработке различных материалов (приложение Д).
Картон прорезается за один проход на подаче 250 мм/мин, ткань прорезается за один проход на подаче 300мм/мин, дерево толщиной 2 мм прорезается за 2 прохода на подаче 50 мм/мин.
Металл прорезать лазером данной мощности невозможно, поэтому обработка печатных плат проводилось предварительным покрытием лаком, а затем гравированием контактных дорожек, с последующим травлением в кислоте.
Анализируя результаты тестирования, приходим к выводу, что наш станок имеет ту же производительность и точность обработки, что и аналог
При настройке, эксплуатации и видеозаписи операторы не допускали непосредственного контакта луча лазера и органов зрения!
Далее мы провели экономическое обоснование изготовления «ЛАК-300».
Цена компонентов:
1. Cnc- shield v3 + 4 шт. драйвера A4988 +плата расширения драйвера «Arduino UNO» R3 с USB кабелем – 669 руб.
2.Фокусируемый лазерный модуль 300 мВт – 480 руб.
3. Релейный модуль 12 В. – 67 руб.
4.Кабель WAVGAT Dupont 20 см – 61 руб.
5.Цена металлопроката и деревянного основания -150 руб.
6.Стоимость обработка деталей станка на оборудовании (30 минут) - 600руб.
7.Шаговый двигатель 2шт - 200 руб.
7.Торговый сбор – 30% - 600руб.
Стоимость нашего станка составляет 2827 рублей, что в 2.5 раза меньше стоимости аналога.
Практическая значимость работы
Станок с ПУ «ЛАК-300» изготовлен и применяется при обработке различных деталей студентами нашего колледжа (приложение Е), а также используется в учебной мастерской нашего образовательного учреждения как действующий станок с программным управлением. При проведении учебной практики по профессии станочник, данное оборудование применяется при изучении тем станки с программным управлением. При проведении теоретических занятий по МДК 01.01. «Технология металлообработки на металлорежущих станках с программным управлением», данное оборудование применяется, в качестве наглядного учебного пособия при изучении тем связанных с программированием и управлением станков с ПУ.
Выводы
Нами исследованы существующие конструкции лазерных станков с ПУ. В результате в качестве аналога выбран станок китайского производства «HBN-1», имеющий мощность лазера 300мВт и размеры рабочего стола 40мм. на 40мм.
Исследовано программное обеспечение лазерных станков с ПУ. В результате выбрано бесплатное программное обеспечение «Вenbox laser Engraver», лучше всего подходящее по типу подключения к платформе «Arduino UNO » и проще прошивающееся стандартной программой прошивки «Grbl»
Разработан и изготовлен станок с ПУ «ЛАК-30» имеющий более простую конструкцию и более дешевое электронное обеспечение при той же точности, надежности и производительности, что и у аналога
Проведено тестирование нового лазерного станка с ПУ на различных материалах: дерево, металл, ткань, картон. В результате определено, что производительность и точность нашего станка не уступает аналогу, а стоимость станка с ПУ «ЛАК-300» в 2.5 раза ниже стоимости «HBN-1»
Дальнейшие исследования будут направлены на разработку и создание станка «ЛАК-3000», имеющего более высокую производительность обработки и автоматическую фокусировку лазерного луча, за счет дополнительной оси Z.
Список использованной литературы
1.Учебники и учебные пособия
У.1.1. Корсаков В.С. Основы конструирования приспособлений.Учебник для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - M.: Машиностроение, — 277 с.: 2017.
У.1.2. Улли Соммер. Программирование микроконтроллерных плат Arduino/Freeduino – Санкт-петербург,-2016.
У.1.3. Холодкова А.Г., Общая технология машиностроения, М.:224 стр. ОИЦ "Академия", 2018 .
2. Интернет-ресурсы
И.2.1.https://aliexpress.ru/item/1748046962.html?spm=a2g0o.productlist.0.0.3a8a71b1QJtutS&algo_pvid=754b382e-d438-4bc0-82d6-0f0072fb905d&algo_expid=754b382e-d438-4bc0-82d6-0f0072fb905d-20&btsid=0b8b035615876160937985857e710d&ws_ab_test=searchweb0_0,searchweb201602_,searchweb201603_ - китайский аналог лазерного гравировального станка
И.2.2. https://microkontroller.ru/arduino-projects/kak-nachat-rabotu-s-arduino-uno-rukovodstvo-dlya-nachinayushhih/ - программирование микроконтроллеров
И.2.3. https://yabs.yandex.ru/count/WZyejI_ - программирование «Arduino UNO»
ПРИЛОЖЕНИЕ А
Китайский аналог разрабатываемого лазерного станка с ПУ «HBN-1»
ПРИЛОЖЕНИЕ Б
Принципиальная схема лазерного станка с ПУ «ЛАК-300»
ПРИЛОЖЕНИЕ В
Лазерный станок с ПУ «ЛАК-300»
ПРИЛОЖЕНИЕ Г
Программное обеспечение лазерного станка с ПУ «ЛАК-300»
1.Benbox laser Engraver
2 Grbl
ПРИЛОЖЕНИЕ Д
Видеофильм «Эксплуатация лазерного станка с ПУ «ЛАК-300»
c видеоматериалами можно ознакомиться на канале youtube, перейдите по ссылке: https://www.youtube.com/watch?time_continue=6&v=Qq9bUBBbOWs&feature=emb_logo
ПРИЛОЖЕНИЕ Е
Продукция лазерного станка с ПУ «ЛАК-300»