Lasersnijmachine: de ombouw

Door Springuin op zondag 21 december 2014 19:55 - Reacties (6)
Categorie: Laser, Views: 3.215

Zoals in de vorige blogs beschreven: na enig vooronderzoek ik heb op eBay een goedkope lasersnijmachine gekocht. Na een ruime hoeveelheid geduld is die ook gearriveerd, maar met gebroken laserbuis, en dus nog niet bruikbaar.

Nieuwe laserbuis

Ik heb een nieuwe buis besteld op eBay bij een verkoper genaamd AutomationDirect. Die verstuurde de buis op de dag van de bestelling en een kleine week later had ik hem binnen:
http://i.imgur.com/rVaHrAv.png

Na het inbouwen even een test om te kijken of er echt vermogen uit de buis komt:


Video van de test, sla 10 seconden over om direct de laser te zien.

Ok, de buis werkt. De ombouw kan dus beginnen.

Wat is het plan: op dit moment zit er dit in qua elektronica:
http://i.imgur.com/jtWzfrn.png
Je ziet hier het display, de laservoeding en het Moshi-mainboard.
Straks komt er in:
http://i.imgur.com/rsSio6n.png
Je ziet hier: de laservoeding, het LaOS display, het LaOS mainboard en twee stepperdrivers.

De oude electronica

http://i.imgur.com/ShN6TN1.jpg
Dat is het originele bord. Een standaard twee-laags print, ontworpen voor massaproductie. De print is met soldeerpasta, reflow en golfsoldeerbad gesoldeerd en vervolgens nabewerkt met de hand.
Reflow is standaard voor SMD componenten en je ziet her en der nog wat restjes soldeerpastabolletjes zitten, het stencilen van de pasta is dus niet overal netjes gebeurd. Aan de onderkant zie je dat alle via's dichtzitten met soldeer, dus de print is over het golfsoldeerbad geweest voor het solderen van de trough-hole componenten.
Bij sommige, wat grotere componenten zie je wat meer soldeer zitten, daar is wat met de hand bijgewerkt. Het lijkt er op dat men de reflow niet helemaal goed voor elkaar krijgt. Met hot-plate reflow haal je ongeveer dezelfde kwaliteit.

Al met al, geen echte bijzondere dingen, behalve dat ik liever geen losse soldeerpastaresten op een bord zie, want dat kan later voor problemen zorgen.

Wat eigenaardigheden:
  • De grote chip die je ziet zitten heeft geen opschrift (meer). Hij is niet afgeschuurd of iets dergelijks, maar er staat gewoon niks op. Het is overduidelijk een microcontroller; er zit een 32MHz kristal aan vast en alles is met deze chip verbonden. Opmerkelijk is dat er rijtjes SIL-weerstanden naast de chip staan, de microcontroller heeft blijkbaar geen interne pullupweerstanden.
  • De stappenmotor driver chips zitten verstopt onder de koelblokjes. Die koelblokjes zitten zonder pasta op de chips en worden vastgehouden met een schroef.
  • USB A female connector voor verbinding met de PC. Dit is een USB device, dus dat hoort een type B connector te zijn.
  • Voor de digitale eletronica zijn er maarliefst vier 1000uF elco's op het bord geplaatst. Dat is een rare keuze; voor een microcontrollertje en wat USB spul zou normaal een 100uF genoeg zijn geweest. Blijkbaar heeft men wat moeilijkheden gehad om de zaak stabiel te houden bij een slechte voeding en een noodgreep als deze gebruikt om de stabiliteit te waarborgen.
Vermogensinstelling:
http://i.imgur.com/M1Ko9d3.jpg
Dit printje geeft aan wat het procentuele vermogen is en met de knopjes kun je dat bijstellen; het is puur een PWM signaal generator waarbij je de duty-cycle instelt. Het displaytje is alleen met de laservoeding verbonden. Daarnaast is er nog een knop voor een test-fire van de laser; zodat je kunt kijken waar hij terecht komt. De ontwerpstijl is hetzelfde als bij het mainboard.

De nieuwe elektronica

De nieuwe elektronica is het van het LaOS project.
http://i.imgur.com/4quUiCw.png
Bovenstaande afbeelding is een foto van het LaOS mainboard. In het midden zie je een blauw printje, dit is de mBed. Verder zijn er connectors voor aansluitingen naar de stappenmotordrivers, limitswitches, een display en aansluitingen voor het inschakelen van de laser en afzuiging.
De mBed
Een mBed is een printje met daarop een LPC1768; een ARM Cortex-M3 die op 96MHz draait, USB Host, USB device en ethernet aan boord heeft. Daarnaast is er de mBed library en online compiler zodat je, als je dat wilt, zonder iets te installeren met een paar regels code iets relatief complex op kunt zetten. De online compiler kan alles compileren en schotelt je vervolgens een .bin bestand ter download voor. Wanneer je de mBed via USB aansluit op de PC doet hij zich voor als USB stick; je kopieert het .bin bestand er naar toe en de processor wordt geprogrammeerd met de nieuwere firmware.

In eerste instantie was er voor de mBed alleen een online compiler en een closed source library. Zoals je je kunt voorstellen brengt dat soms problemen met zich mee. Wijzigingen in de library kunnen er voor zorgen dat code niet meer werkt zoals je had gewild en debuggen met een online ontwikkelomgeving is niet mogelijk. Een closed source library is lastig als je tegen een probleem of een bug aanloopt en je niet kunt vinden wat daarvoor de oorzaak is.
Inmiddels is de mBed library open source en zijn kun je dus overstappen naar offline compileren. Debuggen is inmiddels ook mogelijk zonder extra hardware.
Connectors
Er zijn verschillende soorten connectors op de verschillende machines; de print biedt ruimte voor 2.54mm pitch en 5.08mm pitch connectors. Op de foto zie je de grotere variant; ik houd van stevige connectors.
Er zijn twee connectors aan de bovenzijde gemonteerd en de rest aan de onderkant. Dat heeft zijn redenen. De connectors zitten aan de onderkant omdat ik dan van de bovenkant makkelijk kan meten en de opschriften beter kan lezen.
Het bord op de foto was een 'beta'-versie van revisie 0.5 en dit was mijn testopbouw om te kijken of alles paste. Dat was een leerzame bezigheid: links ging ik er vanuit dat ik die drie connectors netjes naast elkaar kon zetten en dat was niet zo. Dat is gecorrigeerd voor de definitieve revisie 0.5.

Rechts zitten de connectors voor de motoren. Afhankelijk van de keuzes die je maakt sluit je daar direct de stappenmotoren op aan of stappenmotor drivers. In beide gevallen kies je voor een vier-pins connector. Bij het gebruik van externe stappenmotor drivers kun je kiezen of je naast de step/dir/enable ook een ground of een voedingsaansluiting wilt hebben op je vier-pins connector, afhankelijk van wat je nodig hebt voor je stappenmotor driver.
Bij het opbouwen van het bord had ik nog geen stappenmotor drivers en wist ik nog niet wat ik nodig had. Daarom heb ik toen voor vijf-pins connectors gekozen, zodat alles voorhanden zou zijn. Een 'lelijke' connector aan de bovenkant was de trade-off.
Stappenmotor drivers
http://i.imgur.com/dOCqso3.png
Op de foto: stappenmotor drivers aangesloten.

Een stappenmotor driver is geen stukje software zoals een printerdriver maar het gaat hier om een stukje hardware wat een wel een zelfde soort functie vervult: het zet generieke signalen (stap, richting en enable) om in hardware specifieke signalen.
Stappenmotoren kunnen een maximale stroom hebben, dus op de driver stel je de gewenste stroom in. Daarnaast kunnen stappenmotor drivers een stap opdelen in kleinere stapjes zodat een hogere nauwkeurigheid gehaald kan worden: microstepping heet dat.

Op de print is ruimte voorzien voor Pololu drivers of je kunt met een paar doorverbindingen de stap, richting en enable signalen doorsturen naar de connectors.

Ik heb zelf wat meer vertrouwen in externe stappenmotor drivers en heb daarom voor externe drivers gekozen. In dit geval relatief goedkope van eBay, in een behuizing met fatsoenlijke warmteafvoer en met een stevige chip, een TB6600HB van Toshiba. Achteraf bleek dat de stroominstellingswaarden op de behuizing absoluut niet overeen kwamen met de werkelijkheid en was wat modificeerwerk noodzakelijk. Daarover later meer.

Motion test

Toen de home switches en stappenmotordrivers aangesloten waren heb ik een motiontest gedaan: even iets er naartoe sturen en kijken of alles naar wens werkt. Zonder de laser te activeren en zonder dat alles nauwkeurig geconfigureerd was, puur alleen om te kijken of de aansturing van de motoren werkte.
http://i.imgur.com/CXcDv3i.png
Dat ging goed; er zat beweging in! Omdat ik al wist dat de laserbuis werkte heb ik niet gekeken of ik al wat kon uitsnijden maar ben ik verder gegaan met de volgende aanpassing: het hoogteverstelbaar bed.

Spiegels afstellen

In een verloren moment heb ik nog wel even de spiegels afgesteld. Er zijn drie spiegels in de machine.
De laserbuis ligt achterin de machine. De eerste spiegel weerkaatst de beam naar voren en de tweede naar rechts. De derde spiegel zit in de headen stuurt de beam naar beneden door de lens.
De lens focust de beam. Het materiaal ligt op de juiste afstand van de lens zodat de beam precies in het materiaal het scherpst gefocust is.

De eerste twee spiegels en de laserbuis kun je verstellen en die moeten zo ingesteld worden dat de beam telkens min of meer in het midden van de spiegel zit en aan het begin en einde van de assen telkens op het zelfde punt zit. Omdat je de beam niet kunt zien plak je een stuk tape over de spiegel. Je drukt op de testknop en de laser brand een vlek op je tape. Hier zie je een stukje tape op de head zitten, met de brandvlekken van de afstelling van de spiegel:
http://i.imgur.com/LXjadXy.png
Omdat de beam op de spiegels nog niet gefocust is zijn de spots nog vrij groot. Het vermogen van de laser is desondanks genoeg om deze brandvlekken te maken.

Hoogteverstelbaar bed

Het bed is de ondergrond waar je materiaal op ligt. In de machine was een soort klemraampje gemonteerd, klein en niet hoogte verstelbaar. Iets erbovenop leggen was niet handig; dan ligt het materiaal te hoog en niet meer in het scherpstelpunt.
Tijd om wat anders te bouwen. Bij de machine had ik ook een los honingraat bed gehad. Het zat er los bij verpakt en men had zelf blijkbaar ook geen idee hoe het er in gemonteerd zou kunnen worden. Wel, dat moeten we zelf maar even oplossen: eerst vier gaatjes in de rand van het honingraatbed:
http://i.imgur.com/96gx7yn.png
Overtekenen op de bodem van de machine:
http://i.imgur.com/0rB0luE.png
Boren, en kijken of het past:
http://i.imgur.com/Gf6QXPS.png
En dit is de constructie die hoogteverstelling mogelijk maakt:
http://i.imgur.com/gXZn1oZ.png
De draadeinden zitten vast in de bodem, de veren drukken het bed omhoog en met een moer aan de bovenkant kan ik het bed weer naar beneden draaien:
http://i.imgur.com/OBKSzBv.png
De uiteindelijke constructie is iets anders geworden. De veren waren niet sterk genoeg dus die heb ik later vervangen door sterkere; het schroefdraad bleef steken in de randen van het bed; daarvoor heb ik de gaten groter gemaakt en er een kraagbus ingestoken zodat de binnenkant glad is. Verder zijn de gewone moeren vervangen door vleugelmoeren.

Resultaat

Toen het bed op z'n plek stond was het tijd om te gaan afstellen en testen:
http://i.imgur.com/JJzsVgT.png
De rechthoekjes waren om de richting en x/y spiegeling goed te krijgen. De 'lineaaltjes' waren een testpatroontje om te kijken wat het juiste aantal stappen per meter waarde was die ik in het configuratiebestand van het LaOS bord moest zetten om de schaal kloppend te krijgen.
Vervolgens ben ik bezig geweest om te kijken wat nu je correcte focusafstand was:
http://i.imgur.com/81vc8nz.png
De belangrijkste tool was hier het voelermaatje om te kijken wat de breedte van de snede was: hoe dunner, hoe beter, want dan is alle energie gefocust op een zo klein mogelijk punt en dat is het efficiŽntst.

Nog niet helemaal klaar

Snijden werkt, focus klopt, klaar, toch? Niet helemaal; toen ik eens iets ingewikkelders probeerde kwam er nog een foutje om de hoek kijken:
http://i.imgur.com/8GyVEr7.png
Dit was een olifant modelletje wat ik op thingiverse gevonden had. Als je kijkt zie je bijvoorbeeld dat de poten overlappen en dat de vormen niet op hetzelfde punt beginnen als eindigen.
http://i.imgur.com/eGpiEGf.png
In een volgend weblog wil ik de oplossing hiervoor beschrijven.