Laser – Dołożenie głowicy laserowej do frezarki CNC – konfiguracja sterowania

5 (6)

Jak rozbudować frezarkę o moduł laserowy?

Jak działa ploter laserowy zrób to sam? Frezarka CNC z lazserem DIY

           Niniejszy wpis jest próbą odpowiedzi na problem jednego z widzów mojego kanału YT – jak dołożyć laser do cięcia do pracującej już frezarki? Jak to wszystko ze sobą połączyć, aby dokładana głowica laserowa współdziałała z posiadanymi już podzespołami i oprogramowaniem? Program sterujący to Mach3, a program do generacji g-kodu to LazyCam i oczywiście moduł lasera. Poniżej przybliżę jak połączyć maszynę CNC jaką jest frezarka z głowicą laserową. Skupię się na konfiguracji programu sterującego i przedstawię sposoby połączenia elektrycznego, tak aby laser chciał działać.

jak działa laser do cięcia?

Głowica laserowa to kluczowy element maszyny wykorzystującej cięcie laserowe do obróbki materiału. Głowica lasera diodowego ( bo o takim rozwiązaniu mówimy) odpowiada za generowanie i skupienie wiązki światła, wykorzystywanej do grawerowania i cięcia materiałów. Źródłem promieniowania jest dioda laserowa, której światło przechodzi przez układ soczewek, zapewniając precyzyjne ogniskowanie wiązki światła. Dzięki kompaktowej budowie i niskim poborze mocy, laser diodowy idealnie sprawdza się w ploterach CNC. Nadaje się do obróbki skóry, drewna, sklejki, czy tworzyw sztucznych.

Jak dobrać głowicę laserową? na co zwrócić uwagę?

Przy wyborze i konfiguracji lasera kluczowe znaczenie mają parametry wpływające na jakość cięcia i grawerowania. Jednym z najważniejszych jest moc optyczna lasera diodowego, która decyduje o możliwości cięcia materiałów oraz prędkości pracy. Duże znaczenie ma także jakość i regulacja ogniskowej, ponieważ precyzyjne ogniskowanie wiązki lasera diodowego przekłada się bezpośrednio na dokładność grawerowania. Warto zwrócić uwagę na wielkość plamki lasera, która determinuje szczegółowość detali. Dodatkowo ważne są prędkość pracy, tryb modulacji PWM oraz system chłodzenia głowicy. Powyższe parametry wpływają na stabilność i żywotność modułu lasera diodowego.

Jak skonfigurować Laser w programie Mach3

Program Mach3 to bardzo popularne oprogramowanie sterujące dla maszyn CNC, w tym laserem. Umożliwia on sterowanie ruchem maszyny w oparciu o komputer PC za pośrednictwem portu równoległego (LPT). Program Mach3 umożliwia sterowanie głowicą laserową na kilka sposobów.

Jeżeli laser ma być załączony do wycinania obwiedni, a nie grawerowania to możemy potraktować go jako wrzeciono. Wówczas moc ustawiana jest na stałe, a program serujący jedynie go załącza.

Laser jako wrzeciono

Aby rozpocząć konfigurację, otwórz menu „Konfiguracja” (Config). Następnie przechodzimy do  „Porty i piny”(Ports&Pins).

Aby nasze ‘wrzeciono’ po prostu włączało się i wyłączało, skonfigurujemy je jako standardowe wyjście. Pierwszą rzeczą do zrobienia jest włączenie wyjścia i zmapowanie pinu portu równoległego do oprogramowania. Przejdź do zakładki „Sygnały wyjściowe”(Output Signals):

Konfiguracja będzie zależała o sposobu sterowania maszyną. Maszyną możemy sterować przy pomocy portu LPT, lub dowolnego rodzaju kontroler ruchu. Przy porcie LPT możemy mieć różne ‘Płyty główne’ służące do rozdzielenia sygnałów portu równoległego;

Konfiguracja przekaźników na płycie SSK-MB2

Dla przykładu opiszę sytuację, gdy używamy port LPT i popularną Płytę SSK-MB2. Rzeczona płyta posiada wbudowane dwa przekaźniki. Styk jednego z przekaźników wykorzystamy do załączenia lasera. Użyjemy w tym celu przekaźnika PK1, który jest podłączony do pinu 1 w porcie LPT.

W zakładce „Sygnały wyjściowe” wpisujemy 1 w polu „Numer portu” ( w przypadku, gdy używasz jednego portu LPT. Gdy masz podłączony drugi port  LPT i go używasz, to wpisz 2 ). W polu „Numer PIN” dla sygnału Output#1 ustawiamy 1. Należy jeszcze aktywować to wyjście (zielony znacznik w kolumnę Enabled).

Fizyczne, elektryczne połączenie omówimy za chwilę;

Kolejnym krokiem będzie ustawienie programu tak, aby można było załączyć ten przekaźnik. W tym celu przechodzimy do zakładki „Spindle Setup”(Ustawienia wrzeciona):

W lewym górnym rogu odznacz pole „Wyłącz przekaźniki wrzeciona”(Disable Spindle Relays) i wstaw 1 w polu „Zgodnie z ruchem wskazówek zegara”(Clockwise(M3)). Właśnie przypisaliśmy numer wyjścia, które aktywowaliśmy w poprzednim kroku. Teraz za każdym razem, gdy w G-kodzie sterującym maszyną zostanie wysłane polecenie M3 (zgodnie z ruchem wskazówek zegara), zostanie aktywowane wyjście #1 (pin 1). Spowoduje tozałączenie naszego przekaźnika.

Zatem polecenia ( tzw. M-kod) do włączania i wyłączania lasera to teraz:

     Laser WŁĄCZONY: „M3”

     Laser Wyłączony: „M5”

W sekcji „Parametry ogólne” ( General Parameters) zmień wszystkie opóźnienia na „0” sekund. Domyślnie będzie to „1”, co pozostawiłoby ślad na grawerowanym przedmiocie, ponieważ głowica po włączeniu zatrzymałaby się na sekundę w miejscu.

Funkcja opóźnienia (Dwell) w programie Mach3 G04

Gdyby jednak zaszła konieczność wprowadzenia opóźnienia po załączeniu lasera (wszystko zależy od głowicy jaką posiadasz) możemy w G-kodzie użyć polecenia G04PXX, gdzie X będzie naszym opóźnieniem;

Dla przykładu. Gdy po poleceniu M3 w G-kodzie pojawi się polecenie G04P0.5 spowoduje to odliczenie czasu 0.5 sekundy, po który program będzie kontynuował wykonywanie reszty kodu.

Gyby był problem z  odliczeniem czasu, to przejdź w menu Konfiguracja -> Preferencje ( Config-> General Config…) i tam upewniamy się, czy masz prawidłowo ustawioną funkcję G04 Dwell in ms

W takim przypadku możemy to odznaczyć, lub gdy pozostawimy tą opcję zaznaczoną, wówczas  składnia powinna wyglądać następująco:

G04P500

 500ms to właśnie 0.5sekundy :).

Innym sposobem wprowadzenia będzie wprowadzenie czasu opóźnienia w oknie ”Spindle Setup” General Parameters. Domyślnie ustawione jest na 1, co oznacza 1 sekundę. Ale, gdy opóźnienie wpiszemy jako 0.5 ( kropka ), lub gdy przestawimy je na mili sekundy (ms), wówczas wpisując 500 uzyskamy opóźnenie 0.5 sekundy.

Aby się upewnić, że opóźnienie działa, możemy poszukać lampki Dwell np. na głównym oknie programu ( zaznaczone poniżej strzałką. Gdy opóźnienie jest aktywne – lampka zostanie podświetlona na żółto;

Zależnie od tego jaki programy CAM generujący G-kod posiadasz, polecenie opóźnienia G04 jest różnie generowane. Warto o tym pamiętać.

To tyle. Teraz, gdy program sterujący będzie zawierał polecenie M3 nasz laser zostanie uruchomiony, a M5 go wyłączy;

Laser jako chłodziwo

Istnieje jeszcze jedna możliwość konfiguracji włączania lasera. Gdy laser chcemy dołożyć do pracującej już maszyny – np. frezarki, gdzie wrzeciono jest już skonfigurowane, a nie chcemy nic zmieniać – wówczas laser możemy załączać jako chłodziwo lub mgłę ( coolant ). Chłodziwo może być używane przy wrzecionie, ale Mach3 pozwala skonfigurować jeszcze tzw. mgłę ( rodzaj chłodzenia). Opcja szczególnie przydatna, gdy nic nie chcemy przepinać elektrycznie.

Dodanie lasera podpiętego pod wyjście chłodziwa/mgły jest tak samo proste, jak powyższa konfiguracja z wrzecionem.

W zakładce „Sygnały wyjściowe” zdefiniuj kolejne wyjście do załączenia naszego ‘chłodziwa’. Jak poprzednio musisz ustawić wyjścia zależnie od posiadanego systemu sterowania. Dla naszego przykładu z płytą główną SSK-MB2 użyjemy drugiego przekaźnika PK2, który podłączony jest do 16 pinu portu LPT. Pamiętaj o aktywacji wyjścia ( kolumna Enabled). Czyli nasza konfiguracja będzie wyglądała następująco:

Następnie w zakładce „Spindle Setup” ( Ustawienia wrzeciona) odznacz „Disable Flood/Mist Relays” i wstaw ( zależnie od potrzeb) 2 w polu „Mist” lub 2 w polu „Flood”.  Spowoduje to aktywację pinu 16 ( wyjścia #2), gdy w programie znajduje się polecenie M-kod „M7” lub odpowiedno„M8”.

Aby włączyć i wyłączyć laser, będzie to:

     Laser WŁĄCZONY: „M7” lub „M8” ( zależnie którego wyjścią użyjesz)

     Laser Wyłączony: „M9”

Mała uwaga; jedno z wyjść warto zostawić dla frezarki jako właśnie chłodzenie, drugie możemy wykorzystać pod sterowanie laserem. Polecenie M-kod M9 nie będzie nam kolidowało, ponieważ powiedzmy polecenie M8 użyte jako sterowanie laserem nie powinno się pojawić podczas pracy frezarki. Trzeba tylko uwzględnić to podczas generacji G-kodu w programie Cam.

Konfiguracja opóźnienia załączania

Jeżeli chodzi o opóźnienie to tutaj tak samo możemy wstawić polecenie G04P100. Możemy też wykorzystać pole Delay przypisane do wybranej funkcji ( M7 lub M8). Jak poprzednio możemy tam wpisać 0.5 ( kropka) lub 500, gdy czas opóźnienia przestawimy na mili sekundy (ms);

Opóźnienie może być przydatne gdy moc lasera jest niska i aby przepalić materiał potrzeba chwili czasu.

Podsumowując tą część – omawiamy tutaj podłączenie głowicy laserowej, jednak równie dobrze tym sposobem możemy wysterować inne urządzenia zewnętrzne  podłączone do naszej frezarki- np. odciąg wiórów/odpylacz.

G-kod sterowania frezarką, a laser w poloterze laserowym

Powyższe formy sterowania zakładają pracę lasera w funkcji wrzeciona, niejako w jego zastępstwie. Z reguły kod G jest dla frezarki jest tak tworzony, że wrzeciono jest załączone na początku i wyłączone na końcu pracy. Wszystkie przeloty między obrabianymi detalami są realizowane z obracającym się frezem. Dzieje się tak, iż podniesione narzędzie nie dotyka materiału, a z ekonomicznego punktu widzenia ( w tym czasu obróbki) w większości prac lepiej jest zostawić wrzeciono włączone, niż za każdym razem je wyłączyć, aby za chwilę ponownie je włączyć.

Natomiast w przypadku plotera laserowego samo podniesienie głowicy laserowej nic nie da, ponieważ emitowana wiązka fotonów cały czas docierałaby do obrabianego materiału. Doprowodzaiłoby to do zniszczenia powierzchni. Dlatego laser musimy wyłączyć przy przejazdach, tak jak to ma miejsce w wypalarce plazmowej. Tutaj również musimy wyłączyć strumień plazmy przed przejazdem nad materiałem, bo ten cały czas by operował w materiale. Zostają kwestie wysokości i prędkości, przy których można by było eksperymentować przejazdy, ale co do zasady powinniśmy je wyłączyć. Dlatego stosowanie postprocesora w programie CAM dla frezarek jest na tyle problematyczne, iż wymagałoby to dodania poleceń włączenia i wyłączenia w odpowiednich miejscach.

            Jak już wspomniałem przed chwilą z punktu widzenia algorytmu procesu cięcia wycinarka plazmowa ma zbliżoną pracę do plotera laserowego – proces obróbki wygląda tak samo, różni się jedynie ‘narzędziem tnącym’. Dlatego możemy do generowania programu sterującego dla wycinania laserem użyć postprocesora dla wycinarki plazmowej. Wówczas polecenia włączenia jak i wyłączenia pojawią się tam gdzie chcemy;

Jak edytować gkod – Znajdź i zamień

Innym sposobem na rozwiązanie tego problemu jest funkcja Wyszukaj i zamień. Wszystko zależy od tego, w jaki sposób tworzony jest Twój G-Code. Sprowadza się to do tego, że musimy dodać dodatkowe m-kody M3/M5 pomiędzy każdą wypalaną bryłą.

Standardowy kod GCode zawierający ruchy poszczególnych osi, w tym Z może być edytowany (przy użyciu funkcji „znajdź i zamień wszystko”), gdzie każdy ruch osi  Z na plus ( do góry) jest zastępowany przez M5 ( wyłącz wyjście), a każdy ruch osi Z na minus ( w dół) jest zastąpiony poleceniem M3. Chociaż może to wydawać się czasochłonne, zadanie to można zautomatyzować w większości postprocesorów programów CAM.

            Jednak jeżeli nie chcemy, lub gdy nie mamy możliwości tworzenia nowych G-kodów dla nasze obróbki program Mach 3 umożliwia jeszcze inne sposoby sterowania funkcją on/off głowicy lasera.

Polecenia m-kod M10/M11 dla zewnętrznych kontrolerów i Makra

            Jednym ze sposobów jest wykorzystanie makr M10/M11. Polecenia te zarezerwowane są dla zewnętrznych kontrolerów ruchu – takich jak np. Smoothstepper, który wykracza po za ramy niniejszego opracowania ( będzie o tym oddzielny artykuł). Makro w programie Mach3 pozwala zrealizować zdefiniowane przez użytkownika funkcje.

Edycja mózgu programu Mach3 dla sterowania laserem

                    Podobnie jak powyższe makra, Brain ( Mózg) programu Mach3 można edytować w celu określenia momentu załączenia lasera. Będzie o tym oddzielny artykuł.

Sterowanie włączeniem lasera od wysokości osi Z

Dla portu LPT istnieje jeszcze jeden sposób na sterowanie momentem załączenia wrzeciona – jest to funkcja uzależniająca włączenie od wysokości osi Z. Aby aktywować tę opcję przechodzimy do menu Konfiguracja -> Preferencje ( Config-> General Config…) i tam załączamy funkcję Z in 2.5D on Output #6 ( Z jest 2.5D na wyjściu 6) – jak  to pokazano na poniższym zrzucie ekranu.

Kolejnym krokiem będzie włączenie i ustawienie parametrów Wyjścia #6 w menu „Konfiguracja” (Config), a następnie przechodzimy do  „Porty i piny”(Ports&Pins). W zakładce „Sygnały wyjściowe” wpisujemy 1 (lub 2 – zależnie od używanego numeru portu) w polu „Numer portu” i np. 16 w polu „Numer PIN” dla sygnału Output#6. Należy jeszcze aktywować to wyjście (zielony znacznik w kolumnę Enabled). Pin 16 odpowiada przekaźnikowi PK2 na płycie głównej SSK-MB2. Ważne jest, aby pin ten nie był przypisany nigdzie indziej w konfiguracji programu. Ponieważ gdyby inna funkcja chciała sterować tym wyjściem, to przekaźnik może działać niepoprawnie.

To wszystko jeżeli  chodzi o konfigurację. Sprawdźmy jak to działa.

Poniżej widzimy widok karty Diagnostyka w programie Mach3. Jak widzimy pozycja osi Z wynosi 0. Wyjście #6 jest wyłączone.

            Na kolejnym zrzucie widzimy, iż oś Z podjechała 0.001 mm do góry, co spowodowało aktywację Wyjścia 6.

            Generalnie podniesienie osi na dowolną wysokość aktywuje Wyjście 6, a powrót na 0 lub poniżej powoduje dezaktywację wyjścia sterującego laserem.

            To tyle. Najfajniejsze jest to, że maszyna fizycznie nie musi mieć 3 osi – może pracować tylko w płaszczyźnie X-Y. Wówczas w programie konfigurujemy niejako wirtualną oś Z i przy jej pomocy sterujemy laserem.

Moment załączenia lasera

Tutaj mała uwaga – G-kod dla frezarki oraz wypalarki plazmowej zazwyczaj działa tak, że frezowanie jest wykonywane dla ujemnych wartości osi Z ( oś opuszczona), a przy podniesionej osi są wykonywane przeloty. Czyli podczas pracy narzędzie tnące wchodzi w materiał. Czyli odwrotnie niż przed chwilą uzyskaliśmy. Dlatego musisz drogi czytelniku pobawić się ustawieniem stanu niskiego ( kolumna Active Low) dla Wyjścia #6 – aby upewnić się, że laser aktywuje się, gdy Z opada, i wyłącza się, gdy oś Z zostaje podniesiona. Po zmianie sygnału Active Low lampka Output#6 w oknieDiagnostyka może wprowadzać w błąd – źle pokazuje, ale przekaźnik działa prawidłowo – dla ustawień sygnału Active Low, sytyk NO – dla wysokości >0 wyłącza przekaźnik, dla <=0 załącza. Czyli tak jak chcemy.

Innym sposobem może być wykorzystanie styku NC zamiast NO sterowanego przekaźnika ( styk normalnie otwarty i normalnie zamknęty).

Jak określić moment załączenia lasera?

Musimy pamiętać, aby w programie generujący G-kod ( LazyCam, ESTLCam, itp) zdefiniować odpowiednie wysokości włączenia/wyłączenia lasera. Chcemy, aby ruch osi Z był szybki i bez opóźnień. Ustawiamy więc głębokość ‘frezowania’ na -0,1 mm, a podnoszeni na 0,1 mm. Regulując wysokością podnoszenia/opuszczania, oraz prędkością pracy osi Z możemy regulować swego rodzaju ‘czasem opóźnienia’. Im mniejsze wartości w osi Z tym szybciej ruszy palenie po ustawieniu osi Z. Oczywiście możemy również zastosować G04 w programie.

Czyli podczas pracy G-code ustawia pozycję w osiach X-Y bez wyzwalania lasera. Następnie oś Z opada do -0,1 i laser włącza się, następuje wycinanie i na koniec oś Z podnosi się do +0,1 na wysokość przelotową, co skutkuje wyłączeniem lasera. Proces powtarza się za każdym razem, gdy zmienia się wysokość osi Z. Na koniec frezowania a raczej wypalania plazmowego (a tak naprawdę wycinania laserem 😊) oś Z podnosi się i ostatecznie wyłącza laser.

Bezpieczeństwo

            Należy pamiętać, że zanim włączymy program Mach3 stany logiczne na poszczególnych pinach portu LPT mogą być loswe ( zauważyłeś na pewno, że przy włączaniu komputera często przekaźniki pstrykają) Dodatkowo po włączeniu programu Mach3 wartości osi Z mogą też być losowe. Mmoże to sprawić, że laser niekontrolowanie się uruchomi… Dlatego sugeruję dodać wyłącznik bezpieczeństwa w obwód zasilania lasera.

            Możemy to np. zrealizować w następujący sposób – dajemy przełącznik obrotowy ( o wystarczającej obciążalności styków ) w obwód zasilający laser. Wówczas procedura uruchomienia wygląda następująco:

1. Włączamy komputer
2. Włączamy program Mach3
3. Ładujemy Gkod, ustawiamy wysokość osi Z (>0, co zapewni nam wyłączenie lasera)
4. Włączamy zasilanie lasera naszym włącznikiem
5. Uruchomiamy Gkod, który przejmie kontrolę nad załączaniem lasera

To rozwiązanie wydaje się dość proste i skuteczne.

Połączenie elektryczne

Gdy mamy już skonfigurowany program Mach3 możemy przyjrzeć się podłączeniu lasera. Założenie było takie, że z programu sterującego mamy jedynie włączać lub wyłączać laser. W tym celu użyliśmy przekaźników PK1 i/lub PK2.

Płyta SSK-MB2 posiada wbudowane dwa przekaźniki; oba przekaźniki mają wyprowadzone dwie pary styków. Wykorzystując styki COM i NO możemy załączyć zasilanie dla lasera, lub możemy podać napięcie sterujące na zacisk lasera załączającego jego pracę. Wszystko zależy od lasera jaki posiadamy i sposobu w jaki jest on załączany do pracy. Należy pamiętać, o obciążalności prądowej styków przekaźnika ( ważne, aby nie przekroczyć dopuszczalnego prądu pracy styków przekaźnika). Dla płyty SSK-MB2 będzie to 8A ( przy załączeniu jednej pary styków).

Sterowanie mocą lasera

            Głowica laserowa pozwala najczęściej na sterowanie jej mocą przy pomocy sygnału PWM. Jak to zrealizować opiszę w kolejnym artykule :).

Podsumowanie

Program Mach 3 to uniwersalne oprogramowanie, które może przemienić komputer w sterownik maszyn CNC. Jest to program bardzo elastyczny – mnogość przedstawionych powyżej sposobów sterowania ploterem laserowym to potwierdza.

Aby uzyskać dobrą jakość cięcia, musimy zgrać moc lasera z posuwem ( prędkością cięcia). Im moc lasera większa przy pracy z danym materiałem, tym większe prędkości cięcia możemy uzyskać. Gdy jest pojawia się problem z docinaniem materiału, musimy zwolnić. Gdy materiał jest nadpalany – zmniejszamy moc lasera, lub gdy maszyna na to pozwala, zwiększamy posuw :).

Na sam koniec chciałbym wspomnieć chyba o najważniejszej rzeczy. Należy pamiętać, że Laser może być potencjalnie niebezpieczny i należy zachować wszelkie środki ostrożności. Należy używać odpowiednich okularów ochronnych, aby zapobiec uszkodzeniu oczu.

To jest tylko sugestia wykorzystania programu sterującego Mach3 i głowicy laserowej. Autor niniejszego opracowania nie ponosi odpowiedzialności za jakiekolwiek szkody lub obrażenia wyrządzone osobom lub mieniu. Korzystanie z niniejszych instrukcji do wykonania wycinarki laserowej odbywa się według własnego uznania i należy przestrzegać wszelkich środków ostrożności.

Życzę udanej pracy z maszyną :).

KG