如何建造雷射切割機？

如何建造雷射切割機？ - DIY指南

您打算為業餘愛好者建造自己的雷射切割機，還是打算用它來創業賺錢？閱讀本指南，了解如何自行DIY雷射切割機，並成長為令人羨慕的專業製造商。

介紹

大家都知道，要成為合格的創客或DIYer，就必須使用雷射切割機基本上是入門必修課，但是可能會出現很多問題。如果自己能建一個的話，問題就迎刃而解了嗎？

我要分享的項目是去年做的一台激光切割機。相信大家都熟悉雷射切割機（又稱雷射切割機）雷射雕刻機因為它可以做雷射雕刻的工作），也是創客做專案的神器。其加工快速、板材高效利用、實現傳統工藝無法實現的切割技術等優點深受大家的喜愛。

通常使用數控工具機進行加工時，與雷射切割相比有以下問題：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。切割的優越性引發了自己製作雷射切割機的想法。

有了這個想法之後，我就開始對這個想法進行可行性研究。經過各類雷射切割機的多次研究和比較，結合自身條件和加工需求，權衡利弊後，我制定了模組化設計製作的分步搭建方案，可拆卸、可拆卸。

經過60天的時間，機器的各個部分都採用了模組化設計。透過模組化的概念，加工生產便捷，最後組裝就可以，資金壓力也不會太大，所需零件可以逐步購買。整機尺寸達1960mm*1200mm* 1210mm，加工行程為1260mm*760mm，切割功率為 100W。它可以一次加工大量零件，並具有雷射切割、雕刻、掃描、刻字和打標功能。

項目計劃

整個專案製作涉及7大部分，分別是：運動控制系統、機械結構設計、雷射管控制系統、導光系統、吹排氣系統、燈光聚焦系統、操作最佳化等幾個面向。

製作初始的整體思路是：

1.生產的雷射切割機的行程一定要大，以填補雷射切割機械加工範圍的空白。數控機床不夠大，可以省去預切板材的麻煩。還可以利用其雷射劃片功能直接對大板材進行劃片，解決了手動劃片的問題。

2.由於行程增加，雷射切割機的功率不能太低，否則雷射在空氣傳導中會有一定的損耗，所以整體功率不能低於 100W.

3.為了確保雷射切割機運作的精度和平穩性，整體材質選擇必須是全金屬的。

4.使用操作方便。

5.設計的結構能夠滿足後續的升級計畫。

控制板

DIY雷射切割機

有了一般的 DIY 想法架構和計劃，讓我們開始建造雷射切割機的 8 個步驟。我會詳細介紹一下具體的製作過程和涉及的細節。

步驟1.運動控制系統設計

第一步是運動控制系統。我使用RDC1S-B（EC）雷射主機板。此控制主機板可控制6442個軸，分別為X、Y、Z、U，主機板自備互動式顯示器。工具機的運作狀態、加工文件的儲存、工具機的調試都可以透過操作螢幕完成，但需要注意的一點是XYZ軸的馬達控制參數需要連接電腦進行參數設定。

例如：空載加減速、切割加減速、空載轉速、馬達位置誤差修正、雷射類型選擇等。控制系統由 24V DC，這需要一個 24V 開關電源。為了確保系統的穩定性，2 24V 採用開關電源，一個 24V2A 直接供應主機板，另一 24V15A 為 3 個馬達供電，而 220V 輸入端連接 30A 過濾，確保系統穩定運作。

控制系統測試

參數設定完成後，即可連接馬達進行空轉測試。此階段可驗證馬達連接線、馬達方向、螢幕運作方向、步進馬達細分設定、匯入切割檔案進行試運轉。我選擇的電機是2相57步進電機，長度57mm，因為上一個專案剛好剩下3個，所以抱著不浪費的想法就直接用了。我選擇的司機是 TB6600，即普通的步進馬達。進入馬達驅動器，細分設定為64。

如果希望雷射切割系統有更好的高速性能，可以選擇三相步進電機，它的扭矩較大，高速性能非常好。當然，經過後續的測試發現，3相2步進馬達完全可以勝任雷射掃描照片時X軸的高速運動，所以就暫時用它吧，後續如果需要升級的話再更換馬達。

在安全保護系統方面，整體電路佈局必須做到高壓和低壓分開。接線時要注意不要交叉。最重要的一點是一定要接地。因為當高壓通過時，金屬框架和外殼會產生感應電流，手觸摸時會有麻木的感覺。這時一定要注意有效接地，接地電阻最好不要大於4歐姆（需要測試接地線），防止觸電事故，另外，主電源開關還需要加裝一個接地電阻。

限位開關

操作面板還需要安裝急停開關、附鑰匙的電源開關、各運動軸的X、Y、Z軸限位開關、雷射管恆溫水保護開關、開蓋急停開關保護，提高雷射切割機的安全性。

電路佈局

為了方便後續維護，每個終端都可以進行相應的標記。

步驟 2. 機械設計

第二步是機械結構的設計。這一步是整個雷射切割機的重點。機器的精度和機器的運作都需要透過合理的機械結構來實現。設計開始的時候面臨的第一個問題就是確定加工行程，而加工行程的發展需要最初的指導想法。需要多大的加工範圍？

機械設計

木板的尺寸是1220mm*2400毫米。為了盡量減少切菜板的數量，木板的寬度為1200mm 作為長度加工範圍，而加工寬度必須大於600mm，所以我把寬度定在700mm左右，長度和寬度各加 60mm 夾緊或定位的長度。這樣就能確保實際有效處理範圍為1200mm*700毫米。依照處理行程範圍的大致估算，整體尺寸接近2米，沒有超出快遞運送的最大2米範圍，是符合要求的。

五金配件

接下來就是採購五金配件，雷射頭，一防，二防，同步帶輪等等。我選擇了歐洲標準 4040 主框架選用厚鋁型材，因為XY軸的安裝精度決定了以後的加工精度，而且材料一定要紮實。雷射頭X軸光束部分由 6040 厚鋁型材，寬度大於 4040 Y軸的傾斜度，因為雷射頭在中間位置時，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，首先要測量並畫出五金配件及各個零件，然後透過AutoCAD軟體進行結構設計。

XY軸結構設計

X軸的傳動由步進馬達透過同步帶輪減速並輸出到同步帶，同步帶的開口端與雷射頭連接。 X軸步進馬達的旋轉帶動同步帶使雷射頭做橫向移動； Y軸的傳動相對來說稍微複雜一些。要讓左右兩邊的直線滑塊通過一個馬達同步移動，需要將2個直線模組並聯在一個光軸上，然後光軸由步進馬達驅動，同時帶動2個直線滑塊，從而帶動Y軸移動。 X軸可以始終處於水平位置。

零件加工與組裝

完成設計後，下一步就是零件的加工與組裝，加工X軸墊片， 3D 列印Y軸光軸支架、組裝鋁型材框架、安裝直線導軌等，其中最關鍵、最繁瑣的部分就是精度的調整。這個過程需要反覆調試，需要耐心。

Y軸與光軸相連

1. 光軸由2個聯軸器和光軸支架固定。

2.加工X軸墊板，用於將X軸鋁型材和Y軸的2個直線模組連接起來。

3.在XY軸鋁型材框架的安裝過程中，這個過程中必須確保框架的垂直度和平行度，所以在這個過程中需要反覆測量，確保尺寸準確。安裝 Y 軸上的 2 條直線導軌時，請確保導軌與鋁型材平行，並透過千分錶測量，以確保平行度在 0.05mm.

安裝X軸雷射頭、直線導軌、坦克拖鍊和步進電機

4.安裝直線導軌的時候需要確保導軌與鋁型材平行。每節導軌需用百分錶測量，確保平行度在 0.05mm，為後續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，先確保X軸處於水平狀態，用百分錶標記米數。經過測量發現，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個百分錶重設為零），用卡子將2個滑塊及X軸的位置固定住。

將正時皮帶穿在兩側

6.將正時皮帶穿過兩側，並將左側正時皮帶固定。然後將左接觸式百分錶歸零，測量另一側的水平誤差，將水平誤差調整到0以內。1mm，並用夾子固定。然後固定右同步帶。這時，由於是右側的安裝操作，水平誤差肯定會增加。然後將百分錶再次往左側移至零位，放開右側聯軸器，即可移動X軸。滑動滑塊，調整水平誤差在0以內。1mm，並用卡子固定扭力聯軸器。

7.現在可以鬆開兩邊的夾子，測試Y軸移動時X軸是否處於水平位置，扭動Y軸同步輪，重複前面的測量過程。若發現X軸不同步，可能是兩邊同步帶的鬆緊程度不一樣或是各結構精度沒有調整好，這時就需要回到上一階段，重新進行調整。只要調整同步帶的鬆緊度，就需要再次重新調整X軸，直到Y軸移動，X軸始終處於水平誤差0的範圍內。1mm。記住，在這個階段要有耐心。

調整XY軸框架

8.檢查兩側同步帶鬆緊度是否一致，以輕壓至1-2cm深度為宜，使兩側深度一致。

9. 安裝步進馬達。安裝馬達時，需要注意調整其鬆緊度。如果同步帶太鬆，會造成運動間隙，如果太緊，同步帶會破裂。

安裝Y軸步進電機

測試機械機構穩定性

連接控制系統測試機械結構的穩定性，連接電腦調試馬達參數，測量繪製的圖形與設計尺寸的偏差，根據實際距離偏差調整步進馬達的脈衝量，檢查機構是否有間隙。各筆畫是否連貫，交點是否相連。進行重複繪製，透過重複繪製來偵測重複定位精度。當然，機構的重複定位精度可以透過固定百分錶和儀表來檢測。

連接控制系統進行測試

重複繪製3次之後，可以看到所有筆畫都在一個地方，沒有任何重影，表示重新定位沒問題。目前XY軸已經可以繪製圖形了。若增加提筆功能則可成為大型繪圖儀。當然，我們真正的目的是為了做一台雷射切割機，所以我們還需要繼續努力。

XY軸完成後，下一步就是製作Z軸。在製作Z軸之前，我們需要做 3D 建模並設計整體框架。由於Z軸與切割平台連接並固定在框架模組上，因此必須一起設計和製造。 Z軸實現上升和下降功能，然後直接在其上放置XY軸模組，組合即可實現XYZ軸的功能。

設計Z軸升降平台

利用Solidworks建模，設計雷射切割工作台的整體框架和Z軸結構。透過 3D 從長遠來看，結構性問題可以很快發現並迅速糾正。

移動平台搭建

框架和結構就位後，即可製作機器底部的活動平台。整個雷射切割機放置在平台上。機器比較大。搭建好雷射切割工作台然後再搬上去是不現實的。此製程也會影響機器的精度，因此只能建構在底層移動平台上。

1.現在開始搭建底部的可移動平台，先購買1加厚方鋼用來製作框架。

2.方鋼是一根一根焊接而成的，完成後非常堅固，整個人坐在上面沒有任何問題。

3.將4個滾輪焊接到框架上，並在左側留出600mm的間隙。主要是為了預留恆溫水和氣泵的空間。現在移動平台的框架已經焊接好了，需要在頂部和底部安裝一層木板。

4.建造機器框架，從網路上購買鋁型材。該模型是 4040 國家標準鋁型材。採用這種國標鋁型材的主要原因是其重量比較輕，安裝之後容易搬運，強度好，而且四周的圓角比較小，方便後續鈑金面板的設計和安裝。

在客廳搭建一個機架，太大了，裝不下。

組裝XY軸和機架

5.組裝XY軸和機架，將完成的機架放在移動平台上，然後將調試好的XY軸安裝到機架上。整體效果還是不錯的。

6.開始製作Z軸支撐片，在鋁片上劃線，確定孔位。進行一些鑽孔和攻牙以製作 4 個相同的支撐板。

組裝 Z 軸升降螺桿

7.組裝Z軸升降螺桿，並組裝T型螺桿、同步帶輪、軸承座、支撐板、法蘭螺帽。

8.安裝Z軸升降螺桿、步進馬達、正時皮帶。 Z軸升降原理：步進馬達透過兩側張緊輪將同步帶張緊。當馬達轉動時，帶動4個升降螺桿同向轉動，使4個支撐點同時上下移動，切割平台同時與支撐點連接。上下運動。安裝蜂巢板時，需要注意平整度的調整。用千分錶測量整個車架的h8差，並將h8差調整為0。1mm.

對於氣路結構、雷射光路、鈑金蒙皮等機械結構，後面在涉及到相應系統時會進行詳細說明。接下來介紹第三部分。

步驟3.雷射管控制系統設置

1。選擇 CO2 雷射管模型。雷射管分2種：玻璃管、射頻管。射頻管採用30V低壓，精度高，光斑小，壽命長，但價格昂貴，而玻璃管的壽命在1500小時左右，光斑比較大，採用高壓驅動，但價格便宜。如果只切割木材，皮革，壓克力，玻璃管完全可以勝任，目前市面上大部分雷射切割機都採用玻璃管。由於成本問題，我選擇玻璃管，尺寸為1600mm*60mm，雷射管冷卻需要採用水冷，而且是恆溫水。

雷射電源

我選擇的雷射管電源是 100W 雷射電源。介紹了雷射電源的功能。雷射管的正極發射近萬伏的高壓。由於濃度高 CO2 高壓放電激發管內的氣體，在管尾部產生波長10.6um的雷射。請注意，該雷射是不可見光。

CW5000 冷水機

2、選擇冷水機。雷射管在正常使用過程中會產生高溫，需要透過水循環冷卻。如果溫度過高又不及時冷卻，就會對雷射管造成不可逆的損壞，導致雷射管壽命急劇下降或爆裂。水溫下降的速度也決定了雷射管的性能。

冷卻方式有2種，一種是水冷，一種是風冷，一種是用空壓機冷卻的冷卻方式。如果雷射管 80W，空氣冷卻可以勝任，但如果超過 80W，必須採用壓縮機冷卻方式。否則，熱度根本無法抑制。我選擇的恆溫水是 CW5000 模型。如果升級雷射管的功率的話，這個恆溫水還是可以勝任的。整機包括溫控系統、儲水桶、空壓機、冷卻板等。模組組成。

3.安裝雷射管，將雷射管安裝到管座上，調整雷射管h8使其與設計高度一致，注意輕拿輕放。

雷射管安裝

連接恆溫水出水管。要注意的是，進水口先從雷射管的正極進入，雷射管正極進水口要朝下，冷卻水從底部進入，然後從雷射管負極的頂部出來，再透過水循環保護開關回到回流口。恆溫水箱完成一個循環。當水循環停止時，水保護開關會斷開，並回饋訊號到控制板，控制板關閉雷射管，防止過熱。

連接電流表

4.雷射管負極接電流表，再接雷射電源負極。雷射管工作時，電流表可以即時顯示雷射管的電流。透過數值可以比較設定功率和實際功率來判斷雷射管是否正常運作。

5.連接雷射電源、恆溫水、水保護開關、電流表的電路，準備好防護眼鏡（因為雷射管發出不可見光，需要使用10.6um專用防護眼鏡），並設定雷射功率將雷射管調至40%，開啟突發模式，將測試板放在雷射管前面，按下開關發射雷射，板子瞬間被點燃，測試效果非常好。

下一步是調整光路系統。

步驟 4. 雷射管光導系統設置

第四部分是雷射管導光系統的設定。如上圖所示，雷射管發出的雷射經過一面鏡子折射4度到達第二面鏡子，第二面鏡子再次折射90度到達第三面鏡子。折射使雷射向下射向聚焦鏡，然後聚焦鏡將雷射聚焦形成非常精細的光斑。

這個系統的困難在於，無論雷射頭在加工過程中處於何處，聚焦光斑都必須在同一點，也就是說，在移動狀態下，光路必須重合，否則雷射光束將會發生偏轉，不會發出任何光。

1面鏡光路設計

反光鏡支架的調整過程：反光鏡與雷射成45度角，導致雷射點難以判斷。有必要 3D 列印輔助調整的45度支架，在通孔上貼上美紋紙，開啟雷射。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，使光點控制在圓孔的中心。

二面鏡光路設計

透過測量獲得8號鏡支架的精確安裝位置和安裝h2 3D 設計2面鏡軌跡，並以遊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面鏡子角度的過程：將Y軸靠近鏡子，打點，再將Y軸末端移開，再打點。這時會發現2個點並不重合，如果近點較高，遠點較低，那麼就需要調整鏡子向上旋轉，反之則向下；接下來就是繼續做遠點和近點了，如果近點在左邊，遠點在右邊，就需要調節鏡子向左旋轉，反之亦然，直到近點跟遠點重合為一個點，就說明2號面鏡子的光路完全平行於Y軸的運動方向。

第三面鏡光路設計

調整2面鏡角度的過程：移動Y軸到1面鏡，然後移動X軸到近端，打點，再移動X軸到遠端，再打點，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。接下來繼續做點，一點遠一點近，如果近點在左邊，遠點在右邊，就需要調節2面鏡向左旋轉，反之亦然，直到近點與遠點重合為一點，也就是近端3面鏡光路與X軸運動方向完全平行。然後將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。

事實上，調整到了這一步還沒結束。觀察第3面鏡鏡座的光斑是否在圓心處。當光點偏左時，需將2面鏡鏡座往後移，反之亦然。調整整個雷射管的位置向下移動，反之亦然。當更換2面鏡支架的時候，我們需要再次重複調整2面鏡鏡片角度的過程。在更換雷射管h8的時候，我們需要把整個鏡片調整過程重複一遍（包括：1面鏡支架、1面鏡鏡片和2面鏡的調整過程），並一遍又一遍地做點，直到光斑在中心位置，4個點完全重合。