El objetivo de este proyecto es construir un prototipo semiprofesional de una cortadora laser portátil, con dos ejes de movimiento y la capacidad de cortar papel, cartón y grabar madera y piel.

Para que la cortadora/grabadora láser trabaje, se requiere de varios sitios web para que vectorizen la imagen, la traduzcan a G-Code y para cargarla al Arduino, sin perder la alta resolución y calidad.

El movimiento de la máquina se encuentra basado en CNC (Computer Numerical Controller), controlado por un Arduino Uno y dos motores de pasos NEMA 17.

El grabado láser es un proceso de manufactura en el cual el objeto grabado y agente de grabado no tienen contacto alguno. Consiste en que el rayo láser desgaste la superficie del material a trabajar. El nivel de profundidad de grabado puede ser desde micras hasta algunos milímetros, dependiendo del número de repeticiones de corte. Entre los materiales para grabar se encuentra una gama extensa pero es de suma relevancia el tipo de láser a utilizar así como su potencia.

Step 1: Armado De La Base Del Prototipo

La base del prototipo está conformada por seciones de perfil de aluminio 20x20 mm unidas por escuadras, tornillos 5M y su respectivo T-Slot.

La longitud de las secciones de perfil quedan a discreción del usuario, recordándole que de ello dependerá el área final de corte/grabado.

Step 2: Impresión De Las Piezas 3D De Los Ejes

Para montar los ejes de movimiento sobre la base-armazón se emplearon piezas elaboradas con impresión 3D, esto debido a la complejidad de ellas y a la disponibilidad de la técnica. Tales archivos para las piezas se encuentran adjuntas a continuación.

Step 3: Ensamble De Los Ejes De Movimiento Y a La Base

A las piezas Gantry 2, Idler Gantry y a Motor Gantry debe introducírsele baleros de rodamiento lineal LM8UU los cuales correrán sobre secciones de varillas de acero inoxidable de 7.9 mm de diámetro que serán los ejes.

A la pieza Motor Gantry y a Motor Base 2 se le atornillarán los motores NEMA 17.

De la pieza Rod Support se necesitan 4 unidades, las cuales deberán ser sujetadas a los perfiles de aluminio con tornillos 5M y T-Slots para sobre ellas montar las varillas de acero inox como se muestra en la fotografía.

Además se necesitan 2 piezas Pulley2 para acoplar a los baleros rotacionales 608zz que van montados en las piezas Motor Gantry e Idler Plate.

Para unir los ejes, se instaló una solera de desde la pieza Motor Gantry hasta Idler Gantry y a dicha solera se le atornilló un clip con la banda dentada, como se ve en las fotografías 2 y 3.

El láser entra a presión en la pieza Gantry 2.

Al final de la carrera de cada eje se colocará un switch límite para el controlador sepa cuándo alcanzó el final y también para conocer la posición cero.

Finalmente, a cada uno de los motores NEMA 17 se le instalará una polea GT2.

Step 4: Sistema Eléctrico De La Máquina

Se consideraron todos los componentes que requerían de energía eléctrica para operar y le dan "vida" a la máquina.

Dado que nuestra máquina se construyó tomando como referencia otro proyecto de este sitio, la parte eléctrica no varía mucho y se muestra a continuación un diagrama

Adicionalmente, tanto el microcontrolador Arduino como los componentes eléctricos para lectura y escritura de los sensores y actuadores de la máquina, fueron resguardados en un gabinete aislado y sellado.

Lista de materiales:

1. Diodo Laser 2W. Descripción: Diodo usado para cortar o grabar dependiendo del material en el cual se está trabajando.

2. 1.8A X-Drive. Descripción: Driver para ajustar la potencia final requerida del láser.

3. Lente para laser 405-G-2. Descripción: Lente ajustable para enfocar el rayo láser, dependiendo de la distancia de trabajo.

4. Arduino Uno. Descripción: Microcontrolador. Nos permite recibir y mandar información a la máquina, interpreta el código G y es el cerebro del equipo.

5. Motor de pasos Nema 17HS13-0404S

6. Driver para motor A4988. Descripción: Ayuda al motor a darle la potencia requerida y a controlarlo con mayor facilidad.

7. Limit Switch. Descripción: Límites o “topes” electromecánicos que mandan una señal eléctrica como salida

8. Transistor TIP 120. Descripción: Transistor que funciona como un relevador, permite el paso de cierta corriente gracias a la corriente captada.

9. Regulador de voltaje LM2596. Descripción: Regulador de voltaje mandado al diodo.

10. Eliminador de 3 a 12 VCC

11. Gabinete aislado de plástico 102x77x41 mm. Descripción: Caja de plástico donde se contienen los equipos eléctricos.

12. Cable de red. Descripción: Cable con el cual se interconecta todos los equipos.

Recomendaciones de seguridad:

1. No tocar el rayo láser.

2. No meter la mano cuando el sistema está en movimiento.

3. Desconectar la fuente de poder y el cable que va conectado a la computadora a la hora de querer realizar un ajuste mecánico o reparación.

4. A la hora de desconectar algún componente, revisar que se vuelvan a realizar correctamente las conexiones para no generar un corto circuito.

5. Revisar que la base sobre la cual este acostado el material a trabajar se encuentre completamente sólido, para que el rayo láser no traspase y dañe algún componente eléctrico.

6. No quedarse viendo el rayo láser por más de 30 segundos, ya que daña la vista.

7. Verificar que el equipo, antes de realizar una corrida, se encuentre en el cero absoluto de la máquina.

8. Revisar que la máquina se encuentre conectada correctamente a la fuente de energía.

Step 5: Sistemas De Software

Para poder realizar el control de los motores a pasos con el Arduino Uno es necesario utilizar una serie de software. En general se utilizan 3 software que son: Inkscape, Universal GcodeSender, Arduino y el sitio web makercam.com

A continuación de describe el proceso para el uso de estos softwares y por qué son necesarios para poder realizar el proceso de grabado con láser, ya que no son los únicos disponibles pero éstos son libres.

El proceso empieza seleccionando una imagen de internet de preferencia una que tenga líneas muy definidas ya que se deben detectar por el programa y después convertidas en coordenadas, se pueden seleccionar imágenes a color siempre y cuando tengan muy bien definidos el cambio de color pero es recomendable trabajar con imágenes a blanco y negro que no involucren tonalidades de grises ya que todos estos contrastes se pierden.

Una ves seleccionada la imagen con el programa Inkscape es necesario convertirla a un formato especial SVG (Scalable Vector graphics) que es el formato para guardar imágenes como vector que puede ser escalado y no pierde calidad como una imagen .jpg o .png además de esto la imagen se convierte en un conjunto binario en el cual solo existen blancos y negros lo cual nos permite identificar los puntos en los cuales se debe realizar el grabado para dar forma a la imagen.

Inkscape es un editor de gráficos vectoriales gratuito y de código libre. Inkscape puede crear y editar diagramas, líneas, gráficos, logotipos, e ilustraciones complejas

Inkscape tiene como objetivo proporcionar a los usuarios una herramienta libre de código abierto de elaboración de gráficos en formato vectorial escalable (SVG) que cumpla completamente con los estándares XML, SVG y CSS2.

En este link puedes encontrar Inkscape gratuitamente:

https://inkscape.org/es/descargas/

Step 6: Cómo Generar Imágenes Para Grabar

Dentro de Inkscape nos dirigimos en la opción de trazo, en seguida seleccionamos la opción vectorizar a mapa de bits con lo cual nos aparecerá una pantalla como la imagen 1.

Con esto se generara una imagen .SVG después de eso solo cerramos la ventana que apareció y procedemos a guardar el archivo

Nota: Nos debemos de asegurar que el archivo que vamos a guardar se encuentre en una carpeta que conozcamos su ubicación y que el archivo termine con .SVG.

El siguiente paso es convertir estos vectores a un sistema de coordenadas que la maquina CNC pueda entender, para esto es necesario convertirlos a un lenguaje llamado código G.

En seguida nos dirigimos a nuestro explorador de internet para buscar la página makercam.com, nos aparecerá una página parecida a la imagen 2.

Una ves dentro del programa nos dirigimos a la pestaña de File y seleccionamos open SVG file. Seleccionamos el archivo que creamos con Inkscape y lo abrimos.

La página nos permite trabajar con pulgadas o cm, también permite escalar la imagen para que concuerde con las dimensiones que desees. También es importante aclara que en el centro de la página encontramos el origen del plano cartesiano con el cual debemos trabajar ese es tu cero de trabajo y es el punto inicial del cual parte la máquina.

Cuando hayamos definido nuestro dibujo tanto en dimensiones, unidades y origen procedemos a la pestaña de CAM en la cual se desplegará las siguientes opciones tal y como en la imagen 3.

Dependiendo de la operación que deseamos realizar podemos elegir entre perfilado, cavidades, perforaciones etc…

Para nuestro ejemplo utilizamos perfilado que es la operación de seguir el contorno de la figura. Una vez selecciona nos aparece la siguiente imagen 4.

En ella encontraremos opciones como el diámetro de la herramienta, la profundidad esperada, el avance, la dirección y el corte de profundidad deseado. Estas medidas deben ser ajustadas de acuerdo a tu máquina, en el caso de la grabadora laser la profundidad (target depth) y el desbaste en z ( step down) deben ser los mismos para que la trayectoria la realice solo una vez.

Una vez acabado damos OK y volvemos a la pestaña de CAM seleccionamos calcular todo (calculate all) el cual nos genera una trayectoria en Código G, para tener acceso al código es necesario expórtalo dentro de la misma pestaña de CAM.

El archivo con los códigos G es necesario transferirlo a nuestro arduino para que se este mueva los motores y pueda generar la figura, para ser esto posible utilizamos Universal GcodeSender

GcodeSender el cual es un software de libre acceso que sirve como controlador CNC el cual permite controlar maquinas atreves de diferentes plataformas como arduino u otros microcontroladores.

Para poder hacer uso del Universal Gcode sender es necesario descargar el GRLB para arduino del siguiente link http://blog.protoneer.co.nz/grbl-arduino-library, enseguida cargarlo al arduino.

Para descargar el Universal GcodeSender es necesario acceder a este link http://winder.github.io/ugs_website/download/

Una vez descargado e instalado, se despliegara una pantalla como la de la imagen 5.

En ella podemos observar la pestaña de port en donde
se declara con cual puerto esta haciendo conexión la computadora y el arduino.

Finalmente, una vez establecida la comunicación y declarados los ceros de trabajo y de maquina se puede cargar el archivo que se descargado del makercam.