ЧПУ электро искровой гравёр на ARDUINO NANO 3

В данной статье речь пойдет о простом способе нанесении гравировки на металлическую поверхность - ЭЛЕКТРОИСКРОВЫМ способом. Это очень старая технология и она появилась вместе с изобретением электричества.

В советское время производили бытовые гравёры по металлу и выжигатели по  дереву - "ОРНАМЕНТ-1". Правда сейчас их достать довольно затруднительно.

У них очень простая  схема.

Принцип работы простой - в ручке электро искрового гравёра находится электромагнитное втягивающее реле - соленоид. Сердечник соленоида механически , жестко, связан с искровым электродом. Когда электродом(+) притрагиваемся к проводящей поверхности с которой подключен второй провод цепи (обычно "-") , то происходит замыкание цепи и по соленоиду протекает ток, в результате образуется магнитное поле - и соленоид втягивает сердечник , жестко связанный с электродом - происходит разрыв цепи питания, при этом сжимает пружину обратного хода. В момент разрыва цепи питания образуется искровой разряд между электродом и проводящей поверхностью. Температура плазмы разряда достаточно высокая, чтобы проплавить поверхность- оставить точку каверну. После разрыва цепи магнитное поле выключается и перестаёт действовать сила, втягивающая сердечник с электродом. Пружина обратного хода распрямляется, возвращая сердечник в изначальное положение и происходит контакт электрода с проводящей поверхностью и цикл повторяется, пока электрод поднесён к проводящей поверхности на расстояние рабочего хода сердечника соленоида. Параллельно соленоиду часто ставят конденсатор, чтобы образовать колебательный резонансный контур. С настроенным колебательным контуром параметры искро образования более стабильны.

На деле это выглядит так

Или вот чертеж очень древней конструкции электроискрового карандаша

Бывают и другие конструкции, например такие

В интернете очень много разных конструкций - я выбрал для повторения конструкцию на основе автомобильного втягивающего реле.  Для этого нашёл в гараже старое реле управления воздушной заслонкой двигателя - оно на 12 вольт и имеет сопротивление катушки 22 ома. Новая деталь выглядит примерно так:

Мне из этого механизма нужна только электромагнитная катушка в корпусе и втягивающий сердечник. На сердечник-шток приделал держатель электрода. Электроды, по советам сети интернет, лучше использовать -медные, железные, вольфрамовые и гафниевые. Их можно прикупить в магазинах, торгующих оборудованием для сварки и плазменной резки. Или просто использовать кусочки медной проволоки или кусок гвоздя с откушенной шляпкой подходящего диаметра.

Вид со схемой электропитания- приведен на фото ниже. Силовой трансформатор - стандартный ТН36. Он имеет несколько вторичных обмоток 6,3 вольта на 1,5 ампера каждая - их можно соединять последовательно для увеличения напряжения - 6 или 12 или 18 или 21 вольта (напряжения могут быть немного выше или ниже в зависимости от напряжения входной сети 230 вольт). Или можно соединить параллельно - тогда будет увеличен ток. После трансформатора диодный мост со сглаживающим конденсатором. На самой катушке -параллельно ей припаян конденсатор 0,025 мкф - для улучшения искрообразования. Этот конденсатор надо подбирать к каждой катушке . В зависимости от катушки - его надо подбирать в пределах 0,5 мкф - 0,01 мкф и его напряжение должно быть, раза в четыре, выше рабочего.

Фото как работает вся эта конструкция  - ток ограничен сопротивлением катушки и мощностью трансформатора - у меня он получился в пределах 1-0,5 ампера.

Так как я не нашёл в сети интернет любительских конструкций для искрового гравёра пришлось мудрить самому. Самый главный вопрос - на каком программном обеспечении делать гравёр - сразу на ум приходит два пути. Первый - на основе ПО для лазерных граверов - управление по двум координатам Хи У. Второй, на основе ПО для фрезеров - управление по трём (XYZ) и более координатам. Но, для фрезера процесс подготовки управляющих кодов более трудоёмкий и сложный. И занимает в разы больше времени. Поэтому решил пытать счастья на основе конструкции для лазерного гравёра. Делал раньше конструкцию лазерного гравёра на основе ДВД компьютерного привода, поэтому для прототипа электроискрового гравёра решил использовать что то подобное, но с учётом опыта и наличия комплектующих. А в наличии были шаговые двигатели 4401 и выбраковка  линейных рельс длиной по 20 см.

В итоге получился  такой конструктив

Один ремень пришлось сшивать из двух кусков - на цельный длины не хватило.

Оси Х и У - на рельсах с ремённым приводом. А Ось Z - ручная регулировка по высоте.

 Напечатал нужные детальки - накладка держателя столика

 И ось Z

В собранном виде получилось так

По плате управления - собрал все на ARDUINO NANO 3  и на перепаянном shield 111303. По шилду много информации на этом сайте, поэтому подробно останавливаться не  буду. Залил внутреннюю прошивку GRBL F1.1.

Со схемой управления искровой головкой пришлось сильно помудрить, так как простая схема не подошла - от искровой головки в линии питания и сигнальные линии идет очень много помех. Поэтому пришлось паять ТТЛ управление с оптронной развязкой и делать раздельное питание от разных источников питания. Иначе шли сбои при выполнении программы. Также пришлось поставить дополнительный дроссель с конденсатором между блоком питания и платой управления.

Схема управления сделана на основе такой схемы

К шилду подключено по аналогии с лазерным гравёром к "Z+" и " Z-" - земля.

"Земли" (общий провод) силовых частей платы управления и искровой головки РАЗДЕЛЬНЫЕ. Подключается к шилду - вот по этой аналогии.

Управление и формирование исполняемых кодов - получилось использовать БЕСПЛАТНУЮ программу для формирования управляющих кодов для лазерных гравёров LaserGRBL.

Реальная работа представлена на видео...... Это первый прототип, показывающий принципиальную возможность такого гравёра. После того , как он заработал - полезли косяки конструкции - шток реле имеет технологический зазор - поэтому он имеет люфт , что негативно сказывается на точности - т.е. конструктив электроискровой головки надо переделывать - шток удлинять и помешать в линейный подшипник. Также требуется смазывать поверхность металла для скольжения электрода по поверхности металла при гравировке - смазкой или жидкостью - я смазал просто машинным маслом. Это непонятно как сказывается на гравировке.... то есть надо подбирать более лучший состав. Также -а на чём гравировать, на чем настраивать гравёр ?  Я использовал жесть от консервной банки - дешево, но не самый лучший вариант  - так как она покрыта оловом (бывают и другие покрытия). Покрытия у жести бывают разные - их тоже надо выбирать для лучшего результата. Жесть надо лучше ровнять...... Но в принципе, рабочий ход у реле 5 мм - поэтому не очень ровная поверхность и люфты у рельсовых направляющих не сильно снижают работоспособность гравёра, но качество страдает.

Короткое видео с работой

 Всем удачи и хорошего настроения.