如何制造激光切割机？ - DIY 指南
介绍
大家都知道，要想成为一名合格的创客或 DIY 爱好者， 激光切割机 基本是入门必修课，但是可能会出现很多问题，如果能自己搭建一个，是不是问题就迎刃而解了？
我要分享的项目是去年做的一台激光切割机。相信大家都很熟悉激光切割机（又称 激光雕刻机 激光雕刻机是目前市场上最流行的雕刻机之一（因为可以做激光雕刻作业），也是创客做项目的神器，其快速加工、高效利用板材、实现传统工艺无法达到的切割工艺等优势深受大家的喜爱。
通常使用数控机床进行加工时，与激光切割相比，存在以下问题：加工前需要安装和更换刀具、对刀、噪音过大、加工时间长、粉尘污染、刀具半径等问题。切割的优越性促使我产生了自己制作激光切割机的想法。
有了这个想法之后，我就开始对这个想法进行可行性研究，经过对各种类型的激光切割机进行多方调研和比较，结合自身条件和加工需求，权衡利弊后，制定了分步搭建方案，采用模块化设计制作，可拆卸可升级。
历经60天，机器各部件采用模块化设计，通过模块化理念，加工生产方便，最终组装就够了，资金压力也不会太大，所需零件可以分步采购。成品机器尺寸达到1960mm*1200mm* 1210mm，加工行程为1260mm*760mm，切割功率为 100W.可一次性加工大量零件，具有激光切割、雕刻、扫描、刻字、打标等功能。
项目计划
整个项目制作涉及7大部分，分别是：运动控制系统、机械结构设计、激光管控制系统、导光系统、吹排气系统、灯光聚焦系统、操作优化等几个方面。
制作首字母的总体思路是：
1.生产的激光切割机的行程必须大，以填补加工范围的空白 数控机床 面积不够大，可以省去预先切割板材的麻烦，还可以利用其激光划线功能，直接对大板进行划线，解决了手工划线的难题。
2、因为行程增加，激光切割机的功率不能太低，否则激光在空气传导中会有一定的损耗，所以整体功率不能低于 100W.
3、为了保证激光切割机的精度和运转平稳，整体材质选择必须为全金属。
4、使用操作方便。
5、设计结构可满足后续升级计划。
控制板
DIY激光切割机
有了大致的DIY思路框架和计划，我们就开始制作激光切割机的8个步骤吧。我会详细说明具体的制作过程和涉及的细节。
步骤1.运动控制系统设计
第1步是运动控制系统，我用的是RDC6442S-B（EC）激光主板，这款控制主板可以控制4个轴，分别是X、Y、Z、U，主板自带一个交互式显示屏，机器的运行状态、加工文件的存储、机器的调试都可以通过操作屏完成，但有一点需要注意的是XYZ轴的电机控制参数需要连接电脑进行参数设置。
例如：空载加减速、切割加减速、空载转速、电机位置误差修正、激光器类型选择等。控制系统由 24V DC，这需要一个 24V 开关电源。为了保证系统的稳定性，2 24V 采用开关电源，一个 24V2A 直接供应主板，另一 24V15A 为 3 个电机供电，而 220V 输入端连接 30A 过滤，保证系统稳定运行。
控制系统测试
参数设置好之后就可以接上电机进行空转测试了，这个阶段可以验证电机连接线、电机方向、屏幕运行方向、步进电机细分设置、导入切割文件进行试运行。我选择的电机是2相57步进电机，长度57mm，因为之前的项目刚好剩下3个，所以抱着不浪费的想法就直接用了。我选择的驱动器是 TB6600，即普通的步进电机。进入电机驱动器，细分设置为64。
如果希望激光切割系统有更好的高速性能，可以选择3相步进电机，扭矩较大，高速性能非常好。当然，经过后续的测试，发现2相57步进电机完全可以胜任激光扫描照片时X轴的高速运动，所以暂时就用它，后期需要升级的话再更换电机。
在安全保护系统方面，整体电路布局一定要高压与低压分开，走线时要注意不要有交叉，最重要的一点就是一定要接地，因为高压通过时，金属框架与外壳会产生感应电，手摸上去会有麻麻的感觉，此时一定要注意有效接地，接地电阻最好不超过4欧姆（需测试地线），防止触电事故，另外总电源开关也需加漏电保护开关。
限位开关
操作面板上还需要安装急停开关，带钥匙的电源开关，各运动轴的X、Y、Z轴限位开关，激光管恒温水保护开关，开盖保护的急停开关，提高激光切割机的安全性。
电路布局
为了方便后续维护，每个端子都可以贴上相应的标签。
第 2 步。机械设计
第2步是机械结构的设计，这一步是整个激光切割机的重点，机器的精度，机器的运转都需要通过合理的机械结构来实现。在设计之初，面临的第1个问题就是确定加工行程，而加工行程的制定需要有一个初步的指导思想，需要多大的加工范围呢？
结构设计
木板的尺寸是1220mm*2400mm。为了尽量减少切菜板的数量，木板的宽度为1200mm 作为长度加工范围，而加工宽度必须大于600mm，所以我把宽度定在700mm左右，长度和宽度各加 60mm 长度用于夹紧或定位。这样可以保证实际有效加工范围为1200mm*700mm，按照加工行程范围大致估算，整体尺寸接近2米，没有超出快递最大2米的范围，满足要求。
五金配件
接下来就是采购五金配件，激光头，一防，二防，同步带轮等等。我选的是欧标的 4040 主框架采用厚铝型材，因为XY轴的安装精度决定了以后的加工精度，材料一定要扎实。激光头X轴横梁部分采用 6040 厚铝型材，宽度大于 4040 Y轴的倾斜度，因为激光头在中间位置时，如果强度不够，铝型材会变形。
五金配件
XY轴结构设计
在设计XY轴结构之前，首先要测量并画出五金配件及各个零部件，然后通过AutoCAD软件进行结构设计。
XY轴结构设计
X轴的传动是由步进电机通过同步带轮减速后输出到同步带，同步带的开口端与激光头相连，X轴步进电机的转动带动同步带移动，使激光头横向移动；Y轴的传动相对来说稍微复杂一些，要让左右直线滑块用一个电机同步移动，需要用2个直线模组并联一个光轴，然后光轴再由步进电机驱动，同时带动2个直线滑块移动，这样就能移动Y轴，使X轴始终处于水平位置。
零部件加工及装配
设计完成后，接下来就是零件的加工和组装，加工X轴隔板， 3D 打印Y轴光轴支架、组装铝型材框架、安装直线导轨等，最关键也是最繁琐的就是精度的调整，这个过程需要反复调试，需要耐心。
Y轴连接光轴
1、光轴由2个联轴器及光轴支架固定。
2、加工X轴垫板，用于将X轴铝型材和Y轴的2个直线模块连接起来。
3、在XY轴铝型材框架安装过程中，必须保证框架的垂直度和平行度，因此在安装过程中需要反复测量，以确保尺寸准确。在Y轴上安装2条直线导轨时，确保导轨与铝型材平行，并用百分表测量，确保平行度在±XNUMX°以内。 0.05mm.
安装X轴激光头、直线导轨、坦克拖链和步进电机
4、安装直线导轨时，需要保证导轨与铝型材平行，每节导轨需要用百分表测量，保证平行度在 0.05mm，为后续的安装打下了良好的基础。
固定 X 轴位置
5、安装Y轴同步带，首先保证X轴处于水平状态，用百分表标尺测量，测量后发现铝型材本身的曲率约为 0.05mm，因此水平精度应控制在0.1mm （最好将2个百分表复位为零），用卡子将2个滑块及X轴的位置固定住。
将正时皮带穿入两侧
6.将两侧正时皮带穿过，左侧正时皮带固定好，然后将左侧接触式百分表归零，测量另一侧水平误差，将水平误差调整到0以内。1mm，并用卡子固定。再固定右侧同步带。此时由于右侧安装操作，水平误差肯定会增大。然后将百分表再次移到左侧归零，松开右侧联轴器，移动X轴。滑动滑块，调整水平误差在0以内。1mm，并用卡子固定扭矩联轴器。
7.现在可以松开两边的夹钳，测试Y轴移动时X轴是否处于水平位置，扭动Y轴同步轮，重复前面的测量过程。如果发现X轴不同步，可能是两边同步带的松紧度不一样或各结构精度没有调整好，那么就需要回到上一阶段，重新调整一次。只要调整好同步带的松紧度，就要重新调整X轴，直到Y轴移动时，X轴始终在0的水平误差范围内。1mm. 记住在这个阶段要有耐心。
调整 XY 轴框架
8、检查两边正时皮带的松紧度是否一致，以轻轻下压1-2cm深度为宜，使两边的深度保持一致。
9、安装步进电机，安装电机时需要注意调整其松紧度，同步带过松会造成运动反冲，过紧会造成同步带断裂。
安装 Y 轴步进电机
测试机械机构稳定性
连接控制系统测试机械结构的稳定性，连接电脑调试电机参数，测量绘制的图形与设计尺寸的偏差，根据实际距离偏差调整步进电机的脉冲量，检查机构是否有反向间隙。各行程是否连贯，交点是否连通。进行重复绘制，通过重复绘制检测重复定位精度。当然，也可以通过固定百分表、仪表等方式检测机构的重复定位精度。
连接控制系统进行测试
重复绘制3次后，可以看到所有笔画都是一个地方，没有任何重影，说明重新定位没问题。目前XY轴已经可以绘制图形了，如果加上提笔功能，就可以变成大型绘图仪了。当然，真正的目的是为了做激光切割机，所以还需要继续努力。
XY轴完成后，下一步是制作Z轴。在制作Z轴之前，我们需要做 3D 建模设计整体框架，由于Z轴与切割平台相连，固定在框架模块上，所以必须一起设计制作，Z轴实现上升、下降功能，再将XY轴模块直接放在其上，组合起来即可实现XYZ轴的功能。
设计 Z 轴升降平台
利用Solidworks建模，设计激光切割工作台整体框架及Z轴结构。通过 3D 从这个角度看，结构性问题能够被迅速发现并迅速纠正。
移动平台建筑
框架和结构做好了，就可以制作机器底部的移动平台了，整个激光切割机就放在平台上，机器比较大，如果要制作激光切割工作台面再搬上去，不太现实，而且工艺上也会影响机器的精度，所以只能制作底部移动平台。
1.现在开始搭建底部的可移动平台，先购买1加厚方钢用来制作框架。
2、方钢一根一根焊接而成，完成后非常牢固，整个人坐在上面也没有问题。
3、将4个滚轮焊接到框架上，左边留600mm的空隙，主要是为了预留恒温水、气泵的空间。现在移动平台的框架已经焊接好了，下面需要安装一层木板在上面和下面。
4. 搭建机器框架，从网上购买铝型材。模型是 4040 国标铝型材。使用这种国标铝型材的主要原因是重量比较轻，安装后容易搬运，强度好，四周的圆角比较小，方便后续钣金面板的设计和安装。
在客厅里搭建一个机架，太大了，放不下。
组装 XY 轴及机架
5、组装XY轴与机架，将完成的机架放到移动平台上，再将调试好的XY轴安装到机架上，整体效果还是不错的。
6.开始制作Z轴支撑片，在铝片上划线，确定孔位，钻孔攻丝，制作4片一模一样的支撑片。
组装 Z 轴升降螺钉
7、组装Z轴升降丝杠，组装T型丝杠、同步带轮、轴承座、支撑板、法兰螺母。
8、安装Z轴升降丝杆、步进电机、同步带。Z轴升降原理：步进电机通过两边张紧轮张紧同步带，电机转动时带动4个升降丝杆同向转动，使4个支撑点同时上下移动，切割平台与支撑点连接处同时上下移动。安装蜂窝板时需要注意平整度的调整，用百分表测量整个框架的h8差，将h8差调整为0。1mm.
气路结构、激光光路、钣金蒙皮等机械结构，后面涉及到相应系统时会详细讲解，接下来介绍第3部分。
步骤3.激光管控制系统设置
1。 选择 CO2 激光管型号。激光管分为2种：玻璃管和射频管。射频管采用30V低压，精度高，光斑小，寿命长，但价格昂贵，而玻璃管的寿命在1500小时左右，光斑比较大，采用高压驱动，但价格便宜。如果只是切割木材，皮革，亚克力，玻璃管完全可以胜任，目前市面上大部分激光切割机都是采用玻璃管。由于成本问题，我选择玻璃管，尺寸1600mm*60mm，激光管冷却需要采用水冷，而且是恒温水。
激光电源
我选择的激光管电源是 100W 激光电源。介绍激光电源的作用。激光管正极发出近万伏的高压，由于激光浓度高， CO2 在高压放电激发管内通入气体，在管尾产生波长为10.6um的激光，注意这个激光是不可见光。
CW5000 冷水机
2、选择冷水机。激光管在正常使用过程中会产生高温，需要通过水循环进行冷却。如果温度过高不及时冷却，会对激光管造成不可逆的损坏，导致激光管寿命急剧下降甚至爆裂。水温下降的速度也决定了激光管的性能。
冷却方式有2种，一种是水冷，一种是空气冷却，一种是使用空气压缩机冷却的冷却方式。如果激光管约 80W，空气冷却可以胜任，但如果超过 80W必须采用压缩机制冷方式，不然热量根本抑制不住，我选的恒温水是 CW5000 型号。如果升级激光管功率，这款恒温水依然可以胜任。整机包含温控系统、储水桶、空压机、冷却板等模块组成。
3、安装激光管，将激光管安装到管座上，调整激光管h8使之与设计高度一致，注意轻拿轻放。
激光管安装
连接恒温水出水管，需要注意的是进水口先从激光管正极进入，激光管正极进水口要朝下，冷却水从底部进入，再从激光管负极上方出来，再经过水循环保护开关回到回水口。恒温水箱完成一个循环，当水循环停止时，水保护开关断开，并反馈信号给控制板，控制板关闭激光管，防止过热。
连接电流表
4、激光管负极接上电流表，再接回激光电源负极，激光管工作时，电流表可以实时显示激光管的电流，通过数值可以对比设定功率与实际功率来判断激光管工作是否正常。
5、接好激光电源、恒温水、水保开关、电流表的电路，准备好防护眼镜（因为激光管发的是看不见的光，所以要用10.6um的专用防护眼镜），把激光管的功率设置为40%，打开点亮模式，把测试板放在激光管前面，按下开关发射激光，板子瞬间被点燃，测试效果很好。
接下来就是调整光路系统。
步骤4.激光管光导系统设置
第四部分是激光管导光系统设置。如上图所示，激光管发出的激光经过一面镜子折射4度到第二面镜子，第二面镜子再折射90度到第三面镜子。折射使激光向下射向聚焦镜，聚焦镜将激光聚焦成非常精细的光斑。
本系统的难点在于加工过程中不管激光头在什么位置，聚焦的光斑必须在同一点，也就是说在移动的状态下光路必须重合，否则激光束就会发生偏转，无法出光。
1面镜光路设计
镜子支架的调节过程：镜子与激光呈45度角，难以判断激光点，需要 3D 打印辅助调节的45度支架，通孔处贴上美纹纸，开启激光。点射模式（开启时间0.1S，功率 20% 防止穿透），调整支架的高度、位置、旋转角度，使光斑控制在圆孔的中心。
二面镜光路设计
通过测量获得8号镜支架的精确安装位置和安装h2 3D 设计2面镜轨迹，并用游标卡尺测量准确安装2面镜支架（先安装到初始位置）。
调整第一面镜反射角度
调整1面镜角度的过程：移动Y轴靠近镜子，打点，再移动Y轴末端远离，再次打点。此时会发现2点并不重合，如果近点偏高，远点偏低，则需要调节镜子向上旋转，反之亦然；接下来就是继续打点，远点和近点，如果近点在左边，远点在右边，则需要调节镜子向左旋转，反之亦然，直到近点和远点重合为一个点，就说明2面镜光路完全平行于Y轴移动方向。
第三面镜光路设计
调整2面镜角度的过程：将Y轴移到1面镜，然后移动X轴到近端，做激光打点，再将X轴移到远端，再做激光打点，此时观察是否近点较高，远点较低，则需要调整2面镜向上旋转，反之亦然。下一步继续做点，一点远一点近，如果近点在左边，远点在右边，则需要调整2面镜向左旋转，反之亦然，直到近点与远点重合为一点，也就是说近端3面镜的光路与X轴的运动方向完全平行。然后将Y轴移到远端，在X轴的近端和远端各标记一个点，如果不重合说明2个镜路不重叠，需要返回调整1面镜的角度，直到Y轴近端的X轴上的2个点和Y轴远端的X轴上的2个点和4个点完全重合。
其实调整到了这一步还没有结束，观察第3面镜镜片支架的光点是否在圆心，当光点偏左的时候需要将第2面镜镜片支架往后移，反之则往上移。调整整个激光管的位置往下移，反之则往上移。换第2面镜支架的时候需要把调整第2面镜镜片角度的过程再重复一遍，换激光管的h8的时候需要把整个镜片调整过程再重复一遍（包括：第1面镜支架、第1面镜镜片和第2面镜的调整过程），再做一遍点，直到光点在中心位置，4个点完全重合为止。
调整第三面镜反射角度
3面镜角度调整过程：镜子的调整是在镜子的基础上增加2个Z轴升降点，也就是8个点，调整的原则是先确定1个点的升降点然后把X轴移动到另一端，再打升降点，如果光斑高点高于低点，就需要把4面镜镜片往后旋转，反之则往右旋转，反之则往左旋转。
如果光点始终调整不准重合，说明3面镜光路与X轴不重合，需要返回调整2面镜镜片角度，需要返回调整激光管h8，再从反向支架开始重新调整，直到8点完全重合。
对焦镜头
对焦镜头有四种：4、50.8、63.5、76.2，我选的是101.6的。8mm.
将聚焦镜放入激光头的圆柱体中，凸面朝上，放置一块倾斜的木板，移动X轴，使每一点 2mm，找到光斑最薄的位置，测量激光头到木板的距离，这个距离就是激光切割最合适的焦距位置，光路在这一步已经调整好了。
步骤5.吹气排气系统设置
第五部分是吹气排气系统的设置。激光切割时会产生浓烟，浓烟颗粒会覆盖在聚焦板上面，降低切割功率。解决办法是在聚焦板前面增加气泵。
我选择的气泵是空气压缩机气泵，主要是气压比较高，切割时可以利用气体的作用提高切割效率。输出信号从主板接出来控制电磁阀，电磁阀控制气泵吹气。
激光切割木材项目
安装完成后，我迫不及待地想试切一下 6mm多层板，可以顺利切穿，效果很理想，唯一的问题是排风系统没有配套齐全，烟雾比较大。
按设计尺寸切割不锈钢板，钻孔后用螺丝将不锈钢板固定，整机完全封闭，只留有进风口和出风口。
排气扇固定在墙上，需要制作支架。
3D 印刷出风口
中压风机采用 300W 电源，根据自身铝合金窗的尺寸专门设计的矩形出风口。
步骤 6. 照明和聚焦系统设置
第六部分为灯光及调焦系统，采用独立供电6V的LED灯带，在控制系统部分、处理区、存储区同时增加LED照明。
在激光头后面加了一个十字激光头用于调焦，采用5V独立电源，配有独立开关，激光头的位置由十字线决定，水平激光线用来判断板子的深度，如果板子不在中心说明板子不平整或者焦距调节不当，可以调节Z轴向下调焦，把水平线调到中心即可。
安装激光十字焦点
步骤 7. 操作优化
第七部分是操作优化。为了方便紧急停止，在顶部靠近工作面的位置设计了急停开关，侧面安装了按键开关、USB接口和调试口。正面设计了主电源开关、吹排风控制开关、LED照明开关、激光对焦开关，使所有操作都可以在一个面板下完成。
开关按钮布局
机器两侧设计有柜门，左侧用于存放激光切割机使用的工具，右侧用于检查和维护。正面底部有检查窗，当有工件掉落时，可以从底部取出。还可以观察激光功率是否足够，是否及时切割完毕，以便及时增加功率。
我还增加了一个脚踏板，当需要启动激光切割机的时候，只需要踩下脚踏板就可以完成操作，省去了繁琐的按钮操作，非常快捷方便。
步骤 8. 测试和调试
最后还需要对激光切割系统的功能进行测试，在使用过程中改进切割参数以达到更好的效果，并对激光切割、激光雕刻等功能进行调试。
激光切割项目
至此，整个激光切割机已经搭建完毕，制作过程中遇到的一些瓶颈和困难，通过努力一个个被克服了。这次DIY经历非常宝贵，通过这个项目，让我学到了很多关于激光切割机的知识，同时也非常感谢行业大佬们的帮助，让这个项目少走了弯路。
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