介紹
大家都知道，要想成為一名合格的創(chuàng)客或 DIY 愛好者， 激光切割機 基本是入門必修課，但是可能會出現很多問題，如果能自己搭建一個，是不是問題就迎刃而解了？
我要分享的項目是去年做的一臺激??光切割機。相信大家都很熟悉激光切割機（又稱 激光雕刻機 激光雕刻機是目前市場上最流行的雕刻機之一（因為可以做激光雕刻作業(yè)），也是創(chuàng)客做項目的神器，其快速加工、高效利用板材、實現傳統(tǒng)工藝無法達到的切割工藝等優(yōu)勢深受大家的喜愛。
通常使用數控機床加工時，與激光切割相比，存在加工前需要安裝和更換刀具、對刀、噪音過大、加工時間長、粉塵污染、刀具半徑等問題。切割的優(yōu)越性促使我萌生了自己制作激光切割機的想法。
有了這個想法之后，我就開始對這個想法進行可行性研究，經過對各種類型的激光切割機進行多方調研和比較，結合自身條件和加工需求，權衡利弊后，制定了分步搭建方案，采用模塊化設計制作，可拆卸可升級。
歷經60天，機器各部件采用模塊化設計，通過模塊化理念，加工生產方便，最終組裝就夠了，資金壓力也不會太大，所需零件可以分步采購。成品機器尺寸達到1960mm*1200mm* 1210mm，加工行程為1260mm*760mm，切割功率為 100W.可一次性加工大量零件，具有激光切割、雕刻、掃描、刻字、打標等功能。
項目計劃
整個項目制作涉及7大部分，分別是：運動控制系統(tǒng)、機械結構設計、激光管控制系統(tǒng)、導光系統(tǒng)、吹排氣系統(tǒng)、燈光聚焦系統(tǒng)、操作優(yōu)化等幾個方面。
制作首字母的總體思路是：
1.生產的激光切割機的行程必須大，以填補加工范圍的空白 數控機床 面積不夠大，可以省去預先切割板材的麻煩，還可以利用其激光劃線功能，直接對大板進行劃線，解決了手工劃線的難題。
2、因為行程增加，激光切割機的功率不能太低，否則激光在空氣傳導中會有一定的損耗，所以整體功率不能低于 100W.
3、為了保證激光切割機的精度和運轉平穩(wěn)，整體材質選擇必須為全金屬。
4、使用操作方便。
5、設計結構可滿足后續(xù)升級計劃。
控制板
DIY激光切割機
有了大致的DIY思路框架和計劃，我們就開始制作激光切割機的8個步驟吧。我會詳細說明具體的制作過程和涉及的細節(jié)。
第一步、運動控制系統(tǒng)設計
第1步是運動控制系統(tǒng)，我用的是RDC6442S-B（EC）激光主板，這款控制主板可以控制4個軸，分別是X、Y、Z、U，主板自帶一個交互式顯示屏，機器的運行狀態(tài)、加工文件的存儲、機器的調試都可以通過操作屏完成，但有一點需要注意的是XYZ軸的電機控制參數需要連接電腦進行參數設置。
例如：空載加減速、切割加減速、空載轉速、電機位置誤差修正、激光器類型選擇等?？刂葡到y(tǒng)由 24V DC，這需要一個 24V 開關電源。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，2 24V 采用開關電源，一個 24V2A 直接供應主板，另一 24V15A 為 3 個電機供電，而 220V 輸入端連接 30A 過濾，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
控制系統(tǒng)測試
參數設置好之后就可以接上電機進行空轉測試了，這個階段可以驗證電機連接線、電機方向、屏幕運行方向、步進電機細分設置、導入切割文件進行試運行。我選擇的電機是2相57步進電機，長度57mm，因為之前的項目剛好剩下3個，所以抱著不浪費的想法就直接用了。我選擇的驅動器是 TB6600，即普通的步進電機。進入電機驅動器，細分設置為64。
如果希望激光切割系統(tǒng)有更好的高速性能，可以選擇3相步進電機，扭矩較大，高速性能非常好。當然，經過后續(xù)的測試，發(fā)現2相57步進電機完全可以勝任激光掃描照片時X軸的高速運動，所以暫時就用它，后期需要升級的話再更換電機。
在安全保護系統(tǒng)方面，整體電路布局一定要高壓與低壓分開，走線時要注意不要有交叉，最重要的一點就是一定要接地，因為高壓通過時，金屬框架與外殼會產生感應電，手摸上去會有麻麻的感覺，此時一定要注意有效接地，接地電阻最好不超過4歐姆（需測試地線），防止觸電事故，另外總電源開關也需加漏電保護開關。
限位開關
操作面板上還需要安裝急停開關，帶鑰匙的電源開關，各運動軸的X、Y、Z軸限位開關，激光管恒溫水保護開關，開蓋保護的急停開關，提高激光切割機的安全性。
電路布局
為了方便后續(xù)維護，每個端子都可以貼上相應的標簽。
第二步、機械設計
第2步是機械結構的設計，這一步是整個激光切割機的重點，機器的精度，機器的運轉都需要通過合理的機械結構來實現。在設計之初，面臨的第1個問題就是確定加工行程，而加工行程的制定需要有一個初步的指導思想，需要多大的加工范圍呢？
結構設計
木板的尺寸是1220mm* 2400mm為了盡量減少砧板的數量，木板的寬度為1200mm 作為長度加工范圍，加工寬度必須大于600mm，所以我把寬度設置為大約 700mm，以及長度和寬度每個加 60mm 長度用于夾緊或定位。這樣可以保證實際有效加工范圍為1200mm* 700mm根據處理行程范圍的大致估算，整體尺寸接近2米，沒有超出快遞運送的最大范圍2米，符合要求。
五金配件
接下來就是采購五金配件，激光頭，一防，二防，同步帶輪等等。我選的是歐標的 4040 主框架采用厚鋁型材，因為XY軸的安裝精度決定了以后的加工精度，材料一定要扎實。激光頭X軸橫梁部分采用 6040 厚鋁型材，寬度大于 4040 Y軸的傾斜度，因為激光頭在中間位置時，如果強度不夠，鋁型材會變形。
五金配件
XY軸結構設計
在設計XY軸結構之前，首先要測量并畫出五金配件及各個零部件，然后通過AutoCAD軟件進行結構設計。
XY軸結構設計
X軸的傳動是由步進電機通過同步帶輪減速后輸出到同步帶，同步帶的開口端與激光頭相連，X軸步進電機的轉動帶動同步帶移動，使激光頭橫向移動；Y軸的傳動相對來說稍微復雜一些，要讓左右直線滑塊用一個電機同步移動，需要用2個直線模組并聯一個光軸，然后光軸再由步進電機驅動，同時帶動2個直線滑塊移動，這樣就能移動Y軸，使X軸始終處于水平位置。
零部件加工及裝配
設計完成后，接下來就是零件的加工和組裝，加工X軸隔板，3D打印Y軸光軸支架、組裝鋁型材框架、安裝直線導軌等，最關鍵也是最繁瑣的就是精度的調整，這個過程需要反復調試，需要耐心。
Y軸連接光軸
1、光軸由2個聯軸器及光軸支架固定。
2、加工X軸墊板，用于將X軸鋁型材和Y軸的2個直線模塊連接起來。
3、在XY軸鋁型材框架安裝過程中，必須保證框架的垂直度和平行度，因此在安裝過程中需要反復測量，以確保尺寸準確。在Y軸上安裝2條直線導軌時，確保導軌與鋁型材平行，并用百分表測量，確保平行度在±XNUMX°以內。 0.05mm.
安裝X軸激光頭、直線導軌、坦克拖鏈和步進電機
4、安裝直線導軌時，需要保證導軌與鋁型材平行，每節(jié)導軌需要用百分表測量，保證平行度在 0.05mm，為后續(xù)的安裝打下了良好的基礎。
固定 X 軸位置
5、安裝Y軸同步帶，首先保證X軸處于水平狀態(tài)，用百分表標尺測量，測量后發(fā)現鋁型材本身的曲率約為 0.05mm，因此水平精度應控制在0.1mm （最好將2個百分表復位為零），用卡子將2個滑塊及X軸的位置固定住。
將正時皮帶穿入兩側
6.將兩側正時皮帶穿過，左側正時皮帶固定好，然后將左側接觸式百分表歸零，測量另一側水平誤差，將水平誤差調整到0以內。1mm，并用卡子固定。再固定右側同步帶。此時由于右側安裝操作，水平誤差肯定會增大。然后將百分表再次移到左側歸零，松開右側聯軸器，移動X軸?；瑒踊瑝K，調整水平誤差在0以內。1mm，并用卡子固定扭矩聯軸器。
7.現在可以松開兩邊的夾鉗，測試Y軸移動時X軸是否處于水平位置，扭動Y軸同步輪，重復前面的測量過程。如果發(fā)現X軸不同步，可能是兩邊同步帶的松緊度不一樣或各結構精度沒有調整好，那么就需要回到上一階段，重新調整一次。只要調整好同步帶的松緊度，就要重新調整X軸，直到Y軸移動時，X軸始終在0的水平誤差范圍內。1mm. 記住在這個階段要有耐心。
調整 XY 軸框架
8、檢查兩邊正時皮帶的松緊度是否一致，以輕輕下壓1-2cm深度為宜，使兩邊的深度保持一致。
9、安裝步進電機，安裝電機時需要注意調整其松緊度，同步帶過松會造成運動反沖，過緊會造成同步帶斷裂。
安裝 Y 軸步進電機
測試機械機構穩(wěn)定性
連接控制系統(tǒng)測試機械結構的穩(wěn)定性，連接電腦調試電機參數，測量繪制的圖形與設計尺寸的偏差，根據實際距離偏差調整步進電機的脈沖量，檢查機構是否有反向間隙。各行程是否連貫，交點是否連通。進行重復繪制，通過重復繪制檢測重復定位精度。當然，也可以通過固定百分表、儀表等方式檢測機構的重復定位精度。
連接控制系統(tǒng)進行測試
重復繪制3次后，可以看到所有筆畫都是一個地方，沒有任何重影，說明重新定位沒問題。目前XY軸已經可以繪制圖形了，如果加上提筆功能，就可以變成大型繪圖儀了。當然，真正的目的是為了做激光切割機，所以還需要繼續(xù)努力。
XY軸完成后，下一步是制作Z軸。在制作Z軸之前，我們需要做3D建模設計整體框架，由于Z軸與切割平臺相連，固定在框架模塊上，所以必須一起設計制作，Z軸實現上升、下降功能，再將XY軸模塊直接放在其上，組合起來即可實現XYZ軸的功能。
設計 Z 軸升降平臺
利用Solidworks建模，設計激光切割工作臺整體框架及Z軸結構。通過3D從這個角度看，結構性問題能夠被迅速發(fā)現并迅速糾正。
移動平臺建筑
框架和結構做好了，就可以制作機器底部的移動平臺了，整個激光切割機就放在平臺上，機器比較大，如果要制作激光切割工作臺面再搬上去，不太現實，而且工藝上也會影響機器的精度，所以只能制作底部移動平臺。
1.現在開始搭建底部的可移動平臺，先購買1加厚方鋼用來制作框架。
2、方鋼一根一根焊接而成，完成后非常牢固，整個人坐在上面也沒有問題。
3. 將 4 個滾輪焊接到框架上，并留出 600mm 左側留有縫隙。主要是為了預留恒溫水泵和氣泵的空間?，F在移動平臺的框架已經焊接好了，需要在頂部和底部安裝一層木板。
4. 搭建機器框架，從網上購買鋁型材。模型是 4040 國標鋁型材。使用這種國標鋁型材的主要原因是重量比較輕，安裝后容易搬運，強度好，四周的圓角比較小，方便后續(xù)鈑金面板的設計和安裝。
在客廳里搭建一個機架，太大了，放不下。
組裝 XY 軸及機架
5、組裝XY軸與機架，將完成的機架放到移動平臺上，再將調試好的XY軸安裝到機架上，整體效果還是不錯的。
6.開始制作Z軸支撐片，在鋁片上劃線，確定孔位，鉆孔攻絲，制作4片一模一樣的支撐片。
組裝 Z 軸升降螺釘
7、組裝Z軸升降絲杠，組裝T型絲杠、同步帶輪、軸承座、支撐板、法蘭螺母。
8、安裝Z軸升降絲桿、步進電機、同步帶。Z軸升降原理：步進電機通過兩邊張緊輪張緊同步帶，電機轉動時帶動4個升降絲桿同向轉動，使4個支撐點同時上下移動，切割平臺與支撐點連接處同時上下移動。安裝蜂窩板時需要注意平整度的調整，用百分表測量整個框架的h8差，將h8差調整為0。1mm.
氣路結構、激光光路、鈑金蒙皮等機械結構，后面涉及到相應系統(tǒng)時會詳細講解，接下來介紹第3部分。
第三步、激光管控制系統(tǒng)設置
1。 選擇 CO2 激光管型號。激光管分為玻璃管和射頻管兩種。射頻管采用30V低壓，精度高，光斑小，壽命長，但價格昂貴；而玻璃管壽命約1500小時，光斑較大，采用高壓驅動，但價格便宜。如果只切割木材、皮革、亞克力等，玻璃管完全可以勝任，目前市面上大部分激光切割機都采用玻璃管。由于成本問題，我選擇了玻璃管，尺寸為1600mm*60mm，激光管冷卻需要采用水冷，而且是恒溫水。
激光電源
我選擇的激光管電源是 100W 激光電源。介紹激光電源的作用。激光管正極發(fā)出近萬伏的高壓，由于激光濃度高， CO2 在高壓放電激發(fā)管內通入氣體，在管尾產生波長為10.6um的激光，注意這個激光是不可見光。
CW5000 冷水機
2、選擇冷水機。激光管在正常使用過程中會產生高溫，需要通過水循環(huán)進行冷卻。如果溫度過高不及時冷卻，會對激光管造成不可逆的損壞，導致激光管壽命急劇下降甚至爆裂。水溫下降的速度也決定了激光管的性能。
冷卻方式有2種，一種是水冷，一種是空氣冷卻，一種是使用空氣壓縮機冷卻的冷卻方式。如果激光管約 80W，空氣冷卻可以勝任，但如果超過 80W必須采用壓縮機制冷方式，不然熱量根本抑制不住，我選的恒溫水是 CW5000 型號。如果升級激光管功率，這款恒溫水依然可以勝任。整機包含溫控系統(tǒng)、儲水桶、空壓機、冷卻板等模塊組成。
3、安裝激光管，將激光管安裝到管座上，調整激光管h8使之與設計高度一致，注意輕拿輕放。
激光管安裝
連接恒溫水出水管，需要注意的是進水口先從激光管正極進入，激光管正極進水口要朝下，冷卻水從底部進入，再從激光管負極上方出來，再經過水循環(huán)保護開關回到回水口。恒溫水箱完成一個循環(huán)，當水循環(huán)停止時，水保護開關斷開，并反饋信號給控制板，控制板關閉激光管，防止過熱。
連接電流表
4、激光管負極接上電流表，再接回激光電源負極，激光管工作時，電流表可以實時顯示激光管的電流，通過數值可以對比設定功率與實際功率來判斷激光管工作是否正常。
5、接好激光電源、恒溫水、水保開關、電流表的電路，準備好防護眼鏡（因為激光管發(fā)的是看不見的光，所以要用10.6um的專用防護眼鏡），把激光管的功率設置為40%，打開點亮模式，把測試板放在激光管前面，按下開關發(fā)射激光，板子瞬間被點燃，測試效果很好。
接下來就是調整光路系統(tǒng)。
第四步、激光管光導系統(tǒng)設置
第四部分是激光管導光系統(tǒng)設置。如上圖所示，激光管發(fā)出的激光經過一面鏡子折射4度到第二面鏡子，第二面鏡子再折射90度到第三面鏡子。折射使激光向下射向聚焦鏡，聚焦鏡將激光聚焦成非常精細的光斑。
本系統(tǒng)的難點在于加工過程中不管激光頭在什么位置，聚焦的光斑必須在同一點，也就是說在移動的狀態(tài)下光路必須重合，否則激光束就會發(fā)生偏轉，無法出光。
1面鏡光路設計
鏡子支架的調節(jié)過程：鏡子與激光呈45度角，難以判斷激光點，需要3D打印輔助調節(jié)的45度支架，通孔處貼上美紋紙，開啟激光。點射模式（開啟時間0.1S，功率 20% 防止穿透），調整支架的高度、位置、旋轉角度，使光斑控制在圓孔的中心。
二面鏡光路設計
通過測量獲得8號鏡支架的精確安裝位置和安裝h23D設計2面鏡軌跡，并用游標卡尺測量準確安裝2面鏡支架（先安裝到初始位置）。
調整第一面鏡反射角度
調整1面鏡角度的過程：移動Y軸靠近鏡子，打點，再移動Y軸末端遠離，再次打點。此時會發(fā)現2點并不重合，如果近點偏高，遠點偏低，則需要調節(jié)鏡子向上旋轉，反之亦然；接下來就是繼續(xù)打點，遠點和近點，如果近點在左邊，遠點在右邊，則需要調節(jié)鏡子向左旋轉，反之亦然，直到近點和遠點重合為一個點，就說明2面鏡光路完全平行于Y軸移動方向。
第三面鏡光路設計
調整2面鏡角度的過程：將Y軸移到1面鏡，然后移動X軸到近端，做激光打點，再將X軸移到遠端，再做激光打點，此時觀察是否近點較高，遠點較低，則需要調整2面鏡向上旋轉，反之亦然。下一步繼續(xù)做點，一點遠一點近，如果近點在左邊，遠點在右邊，則需要調整2面鏡向左旋轉，反之亦然，直到近點與遠點重合為一點，也就是說近端3面鏡的光路與X軸的運動方向完全平行。然后將Y軸移到遠端，在X軸的近端和遠端各標記一個點，如果不重合說明2個鏡路不重疊，需要返回調整1面鏡的角度，直到Y軸近端的X軸上的2個點和Y軸遠端的X軸上的2個點和4個點完全重合。
其實調整到了這一步還沒有結束，觀察第3面鏡鏡片支架的光點是否在圓心，當光點偏左的時候需要將第2面鏡鏡片支架往后移，反之則往上移。調整整個激光管的位置往下移，反之則往上移。換第2面鏡支架的時候需要把調整第2面鏡鏡片角度的過程再重復一遍，換激光管的h8的時候需要把整個鏡片調整過程再重復一遍（包括：第1面鏡支架、第1面鏡鏡片和第2面鏡的調整過程），再做一遍點，直到光點在中心位置，4個點完全重合為止。
調整第三面鏡反射角度
3面鏡角度調整過程：鏡子的調整是在鏡子的基礎上增加2個Z軸升降點，也就是8個點，調整的原則是先確定1個點的升降點然后把X軸移動到另一端，再打升降點，如果光斑高點高于低點，就需要把4面鏡鏡片往后旋轉，反之則往右旋轉，反之則往左旋轉。
如果光點始終調整不準重合，說明3面鏡光路與X軸不重合，需要返回調整2面鏡鏡片角度，需要返回調整激光管h8，再從反向支架開始重新調整，直到8點完全重合。
對焦鏡頭
對焦鏡頭有四種：4、50.8、63.5、76.2，我選的是101.6的。8mm.
將聚焦鏡放入激光頭的圓柱體中，凸面朝上，放置一塊傾斜的木板，移動X軸，使每一點 2mm，找到光斑最薄的位置，測量激光頭到木板的距離，這個距離就是激光切割最合適的焦距位置，光路在這一步已經調整好了。
第五步、吹氣排氣系統(tǒng)設置
第五部分是吹氣排氣系統(tǒng)的設置。激光切割時會產生濃煙，濃煙顆粒會覆蓋在聚焦板上面，降低切割功率。解決辦法是在聚焦板前面增加氣泵。
我選擇的氣泵是空氣壓縮機氣泵，主要是氣壓比較高，切割時可以利用氣體的作用提高切割效率。輸出信號從主板接出來控制電磁閥，電磁閥控制氣泵吹氣。
激光切割木材項目
安裝完成后，我迫不及待地想試切一下 6mm多層板，可以順利切穿，效果很理想，唯一的問題是排風系統(tǒng)沒有配套齊全，煙霧比較大。
按設計尺寸切割不銹鋼板，鉆孔后用螺絲將不銹鋼板固定，整機完全封閉，只留有進風口和出風口。
排氣扇固定在墻上，需要制作支架。
3D印刷出風口
中壓風機采用 300W 電源，根據自身鋁合金窗的尺寸專門設計的矩形出風口。
第六步、 照明和聚焦系統(tǒng)設置
第六部分為燈光及調焦系統(tǒng)，采用獨立供電6V的LED燈帶，在控制系統(tǒng)部分、處理區(qū)、存儲區(qū)同時增加LED照明。
在激光頭后面加了一個十字激光頭用于調焦，采用5V獨立電源，配有獨立開關，激光頭的位置由十字線決定，水平激光線用來判斷板子的深度，如果板子不在中心說明板子不平整或者焦距調節(jié)不當，可以調節(jié)Z軸向下調焦，把水平線調到中心即可。
安裝激光十字焦點
第七步、 操作優(yōu)化
第七部分是操作優(yōu)化。為了方便緊急停止，在頂部靠近工作面的位置設計了急停開關，側面安裝了按鍵開關、USB接口和調試口。正面設計了主電源開關、吹排風控制開關、LED照明開關、激光對焦開關，使所有操作都可以在一個面板下完成。
開關按鈕布局
機器兩側設計有柜門，左側用于存放激光切割機使用的工具，右側用于檢查和維護。正面底部有檢查窗，當有工件掉落時，可以從底部取出。還可以觀察激光功率是否足夠，是否及時切割完畢，以便及時增加功率。
我還增加了一個腳踏板，當需要啟動激光切割機的時候，只需要踩下腳踏板就可以完成操作，省去了繁瑣的按鈕操作，非?？旖莘奖恪?/p>
第八步、 測試和調試
最后還需要對激光切割系統(tǒng)的功能進行測試，在使用過程中改進切割參數以達到更好的效果，并對激光切割、激光雕刻等功能進行調試。
激光切割項目
至此，整個激光切割機已經搭建完畢，制作過程中遇到的一些瓶頸和困難，通過努力一個個被克服了。這次DIY經歷非常寶貴，通過這個項目，讓我學到了很多關于激光切割機的知識，同時也非常感謝行業(yè)大佬們的幫助，讓這個項目少走了彎路。
