Lucrare de Licență [608019]

1
Universitatea Politehnica Timișoar a
Facultatea de Mecanică
Departamentul de Mecatronică

Lucrare de Licență

Dispozitiv de tăiere și gravare în două axe
cu efector final laser

Coordonator : Studenț i:
Dr. Ing. Andr eea DOBRA Alin-Gabriel BĂLAN
Claudiu -Marius CIUGUDEAN

Timiș oara 2019

2
Cuprins
1. Introducere ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. .. 3
1.1. Motivare ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………… 3
1.2. Descrierea lucrării ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 4
1.3. Obiective ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………….. 5
2. Laserul ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………….. …….. 6
2.1 Scurt istoric al evoluției laserului ………………………….. ………………………….. ………………….. 6
2.2 Informații generale ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………….. 6
2.3 Tipuri de dispozitive laser ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 8
3. Metodologie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ………………………… 18
3.1. Scopul ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………………. 18
3.2. Componente ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………………. 18
3.2.1. Mate riale utilizate ………………………….. ………………………….. ………………………….. ….. 19
3.2.2. Componente mecanice: ………………………….. ………………………….. ……………………….. 19
3.2.3. Componente electronice ………………………….. ………………………….. ………………………. 23
3.2.4. Echipament de protecție ………………………….. ………………………….. ………………………. 28
3.3. Scheme de concepere s i dimensionare ………………………….. ………………………….. ………….. 29
3.4. Calculul lungimii de undă, energie și frecvență pentru laserul cu fascicul albastru ……… 33
3.5. Schema electrică ………………………….. ………………………….. ………………………….. …………… 34
3.5.1. Schema principială de funcționare ………………………….. ………………………….. ………… 34
3.5.2. Montajul electric final ………………………….. ………………………….. ………………………….. … 35
3.6. Funcționare Soft ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………. 37
3.6.1. Configurarea librăriei GRBL v1.1 și încărcarea acesteia ………………………….. …………. 38
3.6.2. Configurarea și utilizarea programului LaserGRBL ………………………….. …………….. 41
3.6.3. Procesul de gravare și tăiere ………………………….. ………………………….. ………………… 45
3.6.4. Schema logică principială de funcționare a programului ………………………….. ………. 49
4. Avantaje și dezavantaje ale gravării cu laser ………………………….. ………………………….. …….. 51
5. Rezultatul obținut ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………… 53
6. Bibliografie ………………………….. ………………………….. ………………………….. ……………………… 55

3
1. Introducere
Prezenta lucrare arată modalitat ea prin care se poate construi ș i utiliza un dispozitiv de
gravare cu laser.
În primul capitol al lucră rii, este prezentată o privire de ans amblu asupra temei,
obiectivul și structura acesteia. În acest capitol este menționat motivul și rezultatul dorit, pe
baza că rora se vor defini concluziile de la sf ârșitul lucră rii.

1.1. Motivare
Odată cu puternica lansare a imprimantelor 3D, a devenit aproape obligatoriu ca fiecare
companie sa aibă in laboratorul său o unealtă cu ajutorul că reia sa creeze prototipuri cu care
să își poată exprima cu ușurință ideile î ntr-un mod realist. Într -o companie de automotive
fiecare inginer trebuie să -și prezinte gândurile legate de diferitele proiecte în care el/ea se
angajează să le dea o formă fizică , astfel încât să poată oferi mai mu lte detalii și specificații.
Mașinile de tăiere ș i gravar e cu gabarit mare sunt o piedică în utilizarea lor de că tre un tânăr
student care dorește să le folosească pentru proiecte la scară mică. Î n cazul imprimantelor
3D, costul producerii unui astfel de model este mul t mai mare comparativ cu cel obț inut cu
ajutorul unui laser.
Pe lângă acest lucru, laserul poate fi folosit și î n industria auto, ca de exemplu î n fabricile
ce produc materialul textil pe ntru scaunele auto. Modelul regăsit pe tapiț eria sca unelor auto
(Figura 1) ale producă torului de autoturisme VW este obț inut printr -un proces de sudare la
cald a două tipur i de material diferite. Acest model în momentul de față este tăiat cu ajutorul
unui cuț it cu modelul respectiv, apoi presat cu ajutorul unei prese. În timp acesta se
deteriorează, investindu -se bani în ascuțirea lui periodică iar în cele din urmă trebuie
schimbat cu unul nou. Laserul spre deosebir e de acesta, poate fi folosit fără nicio grijă .
Prin urmare, pe l ângă faptul că acest dis pozitiv le oferă studenților posibilitatea de a -și
obține obiectul dorit într -un mod uș or și mult mai ieftin și firmele pot r educe costuri le
suplimentare prin tăierea modelelor necesare într -un mod c ât mai simplu.

4

Figura 1- Tapițerie scaun auto [6]
1.2.Descriere a lucrării
Dispozitivul prezentat î n această lucrare se bazează pe mașinile industriale de tăiere și
gravare cu la ser. Acesta este compus din două motoare pas cu pas, unul este folosit la
antrenarea platformei mobile de pe axa X iar cel de -al doilea la deplasarea pe axa Y a
laserului cu o putere de 2.5W. Î n ansamblu, laserul este situat pe partea superioară a
platformei mobile la o distanță necesară pentru a asigura efectul dorit (tăierea și gravarea
corectă cu ajutorul laserului). Motoarele sunt c ontrolate cu ajutorul unei plăcuț e Nano, copie
a plă cii Arduino Nano. Î n micro procesorul acesteia este salvată o librărie cu ajutorul căreia
putem face cu ușurință legătura dintre acesta și motoare. Pentru răcirea laserului î n timpul
procesului de gravare, a fost instalat în partea opusă diodei un cooler car e are ca scop răcirea.
Având în vedere că pentru acest dispozitiv de gravare în miniatură a trebuit să combinăm
partea mecanică, cu partea electronică ș i partea de programare (Figura 2) , putem spune
despre sistemul nostru că este unul mecatronic.

Figura 2- Diagramă construcție dispozitive laser
Dispozitiv de
gravare cu
laser
Parte mecanică
Motoare pas cu pasParte electronică
Placa Nano
CNC Shield V4
Drivere A4988
Laser
Modul TTLParte de programare
Libraria GRBL
LaserGRBL

5
1.3.Obiective
Obiectivele lucrării sunt:
– Reducerea dimensiunilor mașinilor de tăiat ș i gravare la scară largă într -un mic
echipament portabil de laborator ;
– Crearea dispozitivului la un preț câ t mai redus ;
– Utilizarea acestuia la gravarea pe material textil, piele , carton, materiale plastice
cât și pe placaj având ș i posibilitatea de a le tă ia;
– Deplasarea fără probleme a dispozitivului ;
– Utilizarea acestuia inclusiv î n halele de producție .

6
2. Laserul
2.1 Scurt istoric al evoluției laserului
Lasere le au evoluat mult de -a lungul timpului, d e la primele modele de lasere p ână la
cele performante din ziua de azi, am structurat într-un tabel (Figura 3 ) principalele
evenimente ale evoluț iei laserelor:

Figura 3- Prezentarea evoluției laserului

Iar din punct de vedere cronologic (Figura 4 ) cele ma i importante momente din evoluți a
laserului se pot vederea pe axa de mai jos:

Figura 4- Axă cronologică a evoluției laserului

2.2 Informaț ii generale
Laserul este un dispozitiv optic care generează un fascicul coerent de lumină, provine de
la acronimul LASER din limba engleză ”Light Amplification By Stimulated Emission of

7
Radiation” adică amplificare a luminii prin stimularea emisiei radiației. Primul laser
funcțional a fost construit pe rubin de către americanul Theodore Meiman, în 1960.
Fundamentele teoretice și practice pentru această realizare au fost oferite de americanul
Charles Townes și rușii Alexander Prokhorov și Nikolay Basov, care au și împărțit premiul
Nobel în fizică pentru anul 1964. Fasciculul de lumină al laserului este diferit de cel al
luminii normale datorită lățimii d e bandă spectrale temporale și înguste. Laserul este un
dispozitiv complex ce utilizează un mediu activ laser, ce poate fi solid, lichid sau gazos, și o
cavitate optică rezonantă. Mediul activ, cu o compoziție și parametri determinați, primește
energie din exterior prin ceea ce se numește pompare. Pomparea se poate realiza electric sau
optic, folosind o sursă de lumină (flash, alt laser etc.) și duce la excitarea atomilor din mediul
activ, adică aducerea unora din electronii din atomii mediului pe niveluri de energie
superioare. Față de un mediu aflat în echilibru termic, acest mediu pompat ajunge să aibă
mai mulți electroni pe stările de energie superioare, fenomen numit inversie de populație.
Un fascicul de lumină care trece prin acest mediu activat va fi amplificat prin dezexcitarea
(revenirea unui sistem atomic dintr -o stare superioară într -o stare inferioară) stimulată a
atomilor, proces în care un foton care interacționează cu un atom excitat determină emisia
unui nou foton, de aceeași direcție, lungime de undă, fază și stare de polarizare. Astfel este
posibil ca pornind de la un singur foton, generat prin emisie spontană, să se obțină un fascicul
cu un număr imens de fotoni, toți având aceleași caracteristici cu fotonul inițial. Acest fapt
determină car acteristica de coerență a fasciculelor laser.
Rolul cavității optice rezonante, formată de obicei din două oglinzi concave aflate la
capetele mediului activ, este acela de a selecta fotonii generați pe o anumită direcție (axa
optică a cavității) și de a -i recircula numai pe aceștia de cât mai multe ori prin mediul activ.
Trecerea fotonilor prin mediul activ are ca efect dezexcitarea atomilor și deci micșorarea
factorului de amplificare optică a mediului. Se ajunge astfel la un echilibru activ, în care
număr ul atomilor excitați prin pompare este egal cu numărul atomilor dezexcitați prin emisie
stimulată, punct în care laserul ajunge la o intensitate constantă. Având în vedere că în
mediul activ și în cavitatea optică există pierderi prin absorbție, reflexie p arțială, împrăștiere,
difracție, există un nivel minim, de prag, al energiei care trebuie furnizată mediului activ
pentru a se obține efectul laser.
Laserele pot fi clasificate in mult e tipuri, ca de exemplu in funcț ie de modul de operare
sau tipul mediului activ al laserului. În funcție de tipul mediului activ și de modul în care se
realizează pomparea acestuia laserul poate funcționa în undă continuă s au în impulsuri.
Primul maser ( MASER reprezintă acronimul denumirii din limba engleză Microwave

8
Amplification by St imulated Emission of Radiation – „Amplificare de microunde prin emisie
stimulată a radiației”) și primu l laser funcțional în regim de impulsuri.
Diodele laser sunt create prin suprapunerea semiconductoarelor negative (Tip N) cu
semic onduct oarele pozitive (tip P). Între cele două semiconductoare sunt amplasate două
oglinzi av ând dimensiuni de c âțiva microni (Figura 5) . Între cele două oglinzi sunt stocați
fotonii. Fotonii se lovesc î n continuu de oglinzile amplasate între cele două semicondu ctoare.
Fotonii vor crea și ei la r ândul lor alți fotoni care se află în aceeași fază, au aceeași polarizare
și se deplasează î n ace eași direcț ie cu fotonul original. P rocesul va continua iar din ce în ce
mai mulți fotoni vor fi creați. Acest lucru va continua p ână în momentul în care întreaga
joncțiune P -N este umplută de lumina laserului. O parte din fasciculul de lumină al laserului
este liberat pe partea din spate a diodei, ajung ând în fotodioda. Prin acest proces, fotodioda
poate regla tensiunea di odei la ser. Pentru ca lumina difractată să poată lua forma tipică a
fascicolului de lumină , se vor folosi lentile.

Figura 5- Dioda [32]

2.3 Tipuri de dispozitive laser
Dispozitivele laser pot fi împă rțite (Figura 6) în:
• modul de funcționare : lasere în regim continuu și lasere î n impulsuri;
• natura mediului activ utilizat : lasere cu gaz, lichid ș i solid ;
• domeniul spe ctral î n care emit;
• puterea emisă.

9

Figura 6- Modul de împărțire a dispozitivelor laser
Un alt criteriu de împărțire a laserelor , este după natura electronilor folosiți în obținerea
radiaț iei laser, aceste categorii sunt: lasere cu electroni legați ș i lasere cu electroni liberi .

Figura 7- Tipuri de lasere

A) Laserele cu electroni lega ți
Aceste tipuri de lasere sunt cele mai utilizate în domeniile științifice ș i tehnice. La acest
tip de lasere se f olosesc pentru producerea radiației laser at ât tranziț iile electronilor de pe
nivel ele exterioare atomice, ionice și moleculare c ât și de pe nivelele inferioare atomice. În
cele ce urmează vom prezenta laserele care se regăsesc în această categorie a electronilor
legaț i cu cateva detalii consctructive, de funcțion are și sch ematice:

A1) Laserul cu rubin
Primul lase r cu rubin a fost realizat de că tre fizicianul American Theodore Maiman cu
ajutorul colaboratorilor săi în anul 1960 fiind supranumit “Tată l industriei electro -optice”. Modul de împărțire
a dispozitivelor
laser
Modul de
funcționareNatura mediuluiDomeniul
spectralPuterea emisă
Natura
electronilor
Lasere cu
electroni legați
Laserul cu
rubinLaserul cu
Ti:safirLaserul cu
semiconducto
riLaserul cu
raze XLasere cu
electroni liberi

10
Din punct de vede re constructiv, acesta este alcă tuit din: cr istalul cilindric de rubin, două
oglinzi p aralele (argintate sau aurite) și un tub de descă rcare cu o formă de spirală , acesta
este umplut cu un gaz nobil fiind conectat la un condensator de o capacitate mare. În Figura
8 se regăseș te schema de funcț ionare a laserului cu rubin .

Figura 8- Schema de funcționare a laserului cu rubin [22]

Bara de rubin cu u n diametru de aproximativ 1 cm ș i o lungime de câtiva centimetr i,
în ceea ce priveș te ogliz iile din interiorul cavității, una este î n total itate reflectatoare iar
cealaltă doar parțial și permite cuplajul radiaț iei laser cu exteri orul. Ionii de Crom sunt
excitaț i de l ampa flash care poate fi dispusă sub formă de spirală î n jurul ba rei de rub in.
Laserul cu rubin poate funcționa fie în impulsuri, fie î n mod de regim continu u. [22]

A2) Laserul cu Ti:safir
Inventat și construit de Peter Moulton în anul 1982 in laboratoa rele de la MIT . Acest
laser are o utulizare principală pe partea de cercetare științifică datorită capacităț ii de a
genera impulsuri ultrascurte.
Necesita tea laserelor cu lungimi de undă variabile a fost necesară pentru efectuarea de
studii spectrale asupra proprietaților optice ale substanț ei.
Una dint re cele m ai remarcabile dezvoltări de eficiență și de manipulare î n domeniul
laserelor acordabile spectral o reprezintă lasereul cu mediu activ cristalin de Ti:AL 2O3 (safir
dopat cu titan). Aceste lasere au o putere optică de p ână la 5W.

11

Figura 9- Oscilatorul cu Ti:safir [22]
În Figura 9 este prezentat ă o parte a os cilatorului Ti:safir. Cristalul T i:safir este sursa de
lumină roșie (st ânga) iar sursa de lumină verde este de la pompa cu laser. [ 22]

A3) Laserul cu semiconductori
Laserul cu se miconductori este construit pe ș ablonul d e mediu activ, sistem de excitare,
rezonator optic.
Ca mediu activ este folosit un amestec semiconductor, cel mai des un semiconductor
format din Galiu ș i Arsenic. Sistemul de excotare este format din două straturi
semiconductoare, unul de tip p si unul de tip n.
Laserul cu semiconductori poate fi imaginat ca o ‘’pătură’’ formată din 3 straturi de
semiconductori la care se adaugă elementele sistemului de excitare. Pentru ace st tip de laser
energia necesară excită rii siste mului de atomi din mediul activ cât și factorul declanș ator
sunt date de curentul elec tric care este exemplificat în Figura 10. Această “pătură”
corespunde modelului cla sic de diodă .

12

Figura 10- Principiul laserului cu semiconductori [27]

În ceea ce priveș te randamentul une i astfel de diode, acesta este î n jur de 30% dar cu
precizarea că ampli ficarea este destul de mare. Av ând în vedere că dioda laser este de
dimensiuni f oarte mici curentul ar trebui să aibă c âteva mii de amperi pe centimetru dar
adesea este sub 100mA (datorat dimensiunii reduse). P entru obț inerea unor re zultate
mulțumitoare de multe ori se folosesc mai multe straturi dec ât în F igura 10.
Stratu l activ de obicei are o lungime de sub 1 mm , iar grosimea este de la 200 p ână
la 10 nm ( în funcție de model ). Datorită faptului că grosimea stratului acti v este f oarte
subțire ( între 200 și 10 nm ), faș ciculul emis este foarte divergent astfel laser ul cu
semiconductorii se bazează în foarte mare măsură pe rezonatorul optic, care trebuie ales
foarte atent deoarece trebuie poziț ionat foarte atent pentru a obține performanț e maxime.

Figura 11- Emisia laser în cazul diodei [27]

În Figura 11 , se observă că emisia laser se face în două direcț ii. Se poate crea o
cavitate rezonantă prin poziționarea unei oglinzi perfecte ș i a unei oglinzi semitransparente.

13
Diodele laser sunt considerate ca fiind printre cele mai fragile dispozitive de emisie
laser. Ma rimea stratului activ este de mă rimea une i bacterii, acest strat fiind ușor de străpuns
prin supunerea la curenți neadecvați sau influenț e electrostatice.
O diodă chiar foarte mică , poate de zvolta puteri ale luminii de până la 3 -5 mW. Av ând
inconvenientul că sunt rare ș i foarte scumpe, diodele ce dezvoltă puteri de mii de mW există
și le putem găsi în inscriptoarele de CD dar și în alte instrumente de acelaț i profil.
În concluzie laserele cu semico nductori sunt rentab ili datorită costurilor reduse de fabricație,
mărimilor reduse, domeniul acestor laser e semiconductoare fiind relativ nou, oferă implicații
puternice în viața de zi cu zi deja, iar inovaț iile cu ajutorul lor vor fi tot mai multe.

A4) Laserul cu raze X
Laserul cu raze X reprezintă în momentul de față cea mai nouă generație de surse de lumină .
Acesta are capaci tatea de emitere a unor fa scicule foarte intense de radiații X in “rafale”
extrem de scurte care generează o sursă de lumină aproximativ de zece miliarde de ori mai
strălucitoare d ecât orice altă sursă de lumină existent .
Din punct de vedere al utiliză rii, laser ele cu raze X pot fi utilizate în domeniile științ ei de la
designul unor materiale noi dar și în cercetări astrofizice p ână la dezvoltarea de medicamente
noi.

Figura 12- Principiul de generare a pulsurilor coerente de raze X [28]

Din punct de vedere al funcționării laserele cu raze X sunt acț ionate cu ajutorul
fascilulelo r de electroni de mare energie și intensitate. Altern ând între șiruri de magneț i

14
permanenți ( în F igura 12 , poartă denumirea de “Undulator” ) fasciculele de electroni emit
“rafale” coerente cu raze X. [28]

B) Lasere cu electroni liberi
În anul 197 6, John Madey profesor de fizică la Universitatea din Hawaii a construit
primul laser cu electroni liberi.
Principiul de fun cționare al acestor lasere constr ă în transformarea energiei cinetice a
electronilor liberi în radiație electromagnetică , astfel ac este lasere se bazează pe confinarea
într-o cavitate optică a radiației emisă de că tre un fascicul de electroni relativiș ti până când
aceștia sunt fr ânați într -un câmp magnetic transversal și periodic spaț ial ( Figura 10 )

Figura 13- Reprezentarea schematică laserului cu electroni liberi [22]

În urma reacț iei dintre: fasciculul de electroni, unda electromagnetică progresează
prin cavitat ea laser care se propagă în aceeași direcție cu fașciculul de electroni și c âmpul
magnetic periodic spaț ial produs de un ansamblu de magneți, rezultă lumina . [1]

Tipuri de dispozitive laser folosite în procesele de tă iere/gravare
Dispozitivele laser au un număr de aplicaț ii la care pot fi folosite , din ce în ce mai mare
fiind utilizate î n foarte multe domenii :
• industrial e
• medicale
• procese optice

15

Figura 14- Aplicațiile dispozitivelor laser
Dintre aceste domenii î n care dispozitivele laser au o mare aplicabilitate , noi ne vom
concentra pe laserele folosite î n procesele industriale, dintre care cele mai cunoscute și
întâlnite sunt cele de:
• Tăiere
• Sudare
• Tratamente chimice
• Topire
• Fotolitografie
• Gravare
• Măsura

Tăierea – este o procedură de decupare a unui material cu ajutorul laserului, este foarte
utilizată datorită preciziei fo arte ridicate la care se lucrază, dar ș i posibilitatea de a lucra la
viteze ridicate.
Tăierea cu laser este o metodă precisă de a decupa un model dintr-un material dorit .

Figura 15- Tăiere cu laser [34] Domenii de utilizare a
dispozitivelor laser
Aplicații industriale Aplicații medicale Aplicații optice

16

În procesul de tăiere sunt cele mai utilizate dispositive sunt: laserul cu diodă , laserul
cu Nd, laserul cu CO 2, cel din urmă oferind o putere mare de lucru de p ână la 50 de kW.
Aceste lasere pot tă ia de la material e mai maleabile cum sunt: cauciucul, lemnul, plasticul
până la mater iale mult mai dure cum ar fi: oț el sau aluminiu.

Figura 16- Lasere utilizate în procesul de tăiere

Gravarea – este o procedură specială de inscripț ionare a unor obiecte din plastic,
lemn sau metal . Dispozitivul propus va utiliza gravarea cu laser.

Figura 17- Gravare cu laser [1]

În timpul procesului de gravare laser, se procesează o formă grafică sau o imagine (
în formate curente ex. JPG sau PNG) pe o g amă variată de materiale Lasere utilizare în
procesul de tăiere
L. cu diodă L. cu Nd L. cu CO2

17
Din punct de vedere al calităț ii de lucru, gravura laser pr oduce o calitate foarte
ridicată , finisajul realizat cu laserul fiind permanent, extrem de detaliat ș i fin. De asemenea
gravarea cu laser are un mare avant aj deoarece materialul nu suferă deplasă ri pe masa de
lucru, deci nu necesită prinderi speciale.

18
3. Metodologie
3.1. Scopul
Am realizat acest dispozitiv de gravare deoarece am observat ne voia tot mai mare în
firmele din industria auto de realizare a pieselor la o calitate superioară într -un timp scurt și
nevoia ca aparatura de lucru să fie practică și ușor de utilizat . În urma acestor observații am
creeat un dispozitiv care :
a) Reduce apara tele industriale de tăiat la scară largă î ntr-un mic echipament portabil
de laborator ;
b) Reduce costurile de fabricare a prototipurilor ;
c) Utilizabil pentru tăierea/gravarea h ârtiei, a materialului textil, a lemnului ;
d) Deplasarea ușoară și să nu necesite un spaț iu mare de lucru ;
e) Stârnirea curiozității persoanelor, datorită efectorului final care este un laser ;
f) Crearea unui dispozitiv cu un cost de producție redus, dar să fie eficient si durabil.

3.2. Componente

Figura 18- Diagramă componente Dispozitiv
Materiale
Profile L din
aluminiu
Sticlă sintetică
cu gorisime de
2mm
Șuruburi cu cap
cilindric
M4X12mm
Piuliță
hexagonală M4Componente
mecanice
Dipozitiv de
angrenare
Motoare pas cu
pasComponente
electronice
Nano V3.0
ATmega328P
Drivere motoare
A4988
CNC Shield V4
Laser
Modul TTL
Sursă de tensiune
Matrix MPS –
3005L -3Echipament de
protecție
Ochelari de
protecție

19

3.2.1. Materiale utilizate
Materialele utilizate in cadrul acestui proiect sunt următoarele :
• Profile L din aluminiu cu dimensiunile de 20x20x1.5mm – utilizate la crearea
suportului
• Șurub cu cap cilindric, cu locaș hexagonal, oț el, zincat alb, M 4 x 12 mm –
utilizate la prinderea profilelor
• Piuliță hexagonală, din oț el, M4
• Sticlă sintetică cu grosime 2mm – utilizată ca supo rt pentru materialele ce
urmează să fie gravate

3.2.2. Componente mecanice :
Din punct de vedere mecanic, au fost utilizate următoarele componente:
a) Două motoare pas cu pas
b) Dispozitiv de angrenare

a) Motoarele pas cu pas
Motoarele pas cu pas (Figura 20) provin de la două unităț i optice de la firma LG,
acestea sunt motoare hibride, bipolare pas cu pas, cu ajutorul cărora se pot manevra cele
două axe.
Motorul pas cu pas este un motor fără perii, sincron care transformă impulsurile de comandă
în mișcare de rotație. Acestea pot împărți o rotație completă de 360˚ a axului într -un număr
discret de pași. O caracteristică importantă care îl diferențiază de motorul DC este faptul că
puterea consumată este constantă, independenț a de cup lul rezistiv. Pu terea este egală cu
produsul dintre viteza unghiulară și cuplu, ceea ce înseamnă că dacă se dorește cuplu mare
viteza trebuie să scadă , iar la viteze mari cuplul este mic. Motoarele pas cu pas sunt împărțite
în mai multe categorii (Figura 19) :

20

Figura 19- Tipuri de motoare pas cu pas
a) Motoare cu reluctanță variabilă : Rotoru l este realizat din fier moale și cu
înfășurările pe stator. Realizeaz ă mișcarii de rotație ale axului între 5˚ și 15˚ cu o viteză
ridicată , dar nu își poate menține poziția axului pe durata lipsei tensiunii de alimentare a
bobinelo r.
b) Motoare cu magneți permanenț i: La acest tip constructiv înfășură rile sunt
realizate pe stator dar rotorul este realizat din magneți permanenți fără dinți, magne tizați
perpendicular pe axa care separă polii. Dacă bobinele sunt energizate secvențial rotorul se
va roti prin atracție magnetică. Aceste motoare realizează mișcări ale axului de 45˚ sau 90˚
cu un cuplu ridicat dar la viteze de rotație mici.
c) Motoare hibride: Sunt o combinaț ie a primelor două tipuri constructive. Funcționează
la viteze mari și cuplu dinamic mare. Beneficiază și de așa numitul “detent torque”, adică un
cuplu care asigură menținerea fixă a poziției axului și pe durata lipsei ener gizării bobinelor.

a) b) c)
Figura 20 – Motoarele pas cu pas [25]
Tipuri de motoare pas
cu pas
Cu reluctanță variabilăCumagneți
permanenți Motoare hibrid

21
Acestea la rândul se clasifică după tipul înfășurării (Figura 21) după stator în:

Figura 21 – Motoarele în funcție de tipul înfășurării

I) În Figura 22 se poate observa c ă statorul e compus din cate dou ă bobine pe
pol, care au unul din începuturi legate împreună. Putem privi aceste înfășurări si ca o bobina
pe pol, dar cu priză mediana. La acest tip constructiv circuitul de comandă este simplu, fiind
nevoie doar de un element de comutație pentru fiecare bobină, deoarece pentru a obține
mișcarea de rotație a axului motorului, sensul curentului prin bobinele din stator ul motorului
nu trebuie schimbat. Dacă se lasă neconectate începuturile comune ale bobinelor, motorul
pas cu pas unipolar poate fi privit ca un motor bipolar.

Figura 22 – Motor unipolar [25]
II) Motoarele bipolare (Figura 23) au o înfășurare pe pol. Pentru a obține
mișcarea de rotație
a axului, sensul curentului prin bobine trebuie schimbat, și de aici apare și necesitatea unui
circuit de comandă mai complex, de obicei o punte H utilizată și la comanda motoarelor de
curent continuu în două cadrane. La aceeași greutate motoarele bipolare dezvoltă un cuplu
mai mare dec ât cele unipolare.
După tipul
înfășurării
M.P.P unipolare M.P.P bipolare M.P.P “8 –lead”

22

Figura 23- Motor bipolar [25]
III) În realitate acestea nu constituie o categorie aparte dar se diferențiază prin
faptul că au 8 fire (Figura 24) , adică 4 bobine (2 pe pol) cu ambele capete accesibile la
exterior. Prin diverse conexiuni pot fi folosite ca și motoare unipolare sau bipolare după cum
urmează:
• Unipolare
• Bipolare in serie: Se obține un curent mai mic consumat de motor deoarece
inductanța bobinelo r se dublează și se obține un cuplu ridicat la viteze mici.
• Bipolare in paralel: Se obține un cuplu mai mare la viteze mari dar in același timp
si curentul prin motor va cre ște.
• Bipolar cu o singura bobina pe faz ă: Se va folosi o singura bobina pe pol. [25]

Figura 24- Motor 8 lead [25]

În figura 25 este prezentat motorul folosit la manevrarea axelor.

Figura 25- Mecanism utilizat la angrenare

23

a) Dispozitivul de angrenare
Acesta a fost luat împreuna cu cele două motoare de pe sistemele optice și este
asemănător cu cel din Figura 26. Ansamblul este de fapt un cadru pe care se regăsește
motorul împreună cu dispozitivul de angrenare. Prins de acesta se poate vedea o masă mobilă
ce se deplasează pe două ghidaje cilindrice ca cele d in imagine. Angrenarea este una de tip
șurub -piuliță.

Figura 26- Mecanism utilizat la angrenare [5]

3.2.3. Componente electronice
Componentele electronice sunt :
a) Nano V3.0 ATmega328P
b) Drivere pentru motoare A4988
c) Arduino CNC Shield V4
d) Laser cu o putere de 2.5W
e) Modul TTL pentru laser
f) Sursă de tensiune MATRIX MPS -3005L -3

a) Placa de dezvoltare Nano V3.0 ATmega328P [13]
Plăcile Arduino sunt plăcuțe de dezvoltare open source av ând la bază
microcontrolere pe 8 biț i, care permit comunicarea se rială, comandă Pulse Width

24
Modulation (PWM), achiziție analogică și comunicații Input / Output digitale. Limbajul de
programare folosit este unul prietenos, făc ându-l accesibil tuturor persoanelor.
În cadrul realizări i practice am ales să concepem un dispozitiv de gravare laser.
Pentru program area acestuia am folosit o placă Nano V3.0 ATmega328P (Figura 27) .
Aceasta este o copie mai ieftină a plăci i de dezvoltare Nano, creată de cei de la Arduino.
Placa Nano V3.0 AT mega328P este versiunea compactă a plăcuței Arduino Uno. Aceast a
are un port USB de tip Mi ni-B prin care se face posibilă alimentarea sa ș i comu nicarea cu
calculatorul. La bază are un microcontroler ATmega328 și operează la o tensiune de 5V.
Tensiunea recomandat ă este cuprins ă între 7 și 12V iar limita este cuprinsă î ntre 6 si 20V.
Are o memorie de 32 Kb din tre care 2 dintre ei sunt ocupați de bootloader și o viteză de
16MHz. Pe aceasta se pot găsi 8 pini ce suportă semnal analogic și 14 pini ce suportă semnal
digita l, dintre aceștia 6 sup ortă semnal PWM (Pulse Wave Modulation). Dimensiunile PCB –
ului sunt de 18X45mm iar acesta are o greutate de 7g.

Figura 27- Placă de dezvoltare Nano [13]

b) Drivere pentru motoare A4988 [23]
Pentru controlarea motoar elor pas cu pas am utilizat două drivere A4988 (Figura 28) ,
compatibil cu placa A rduino, unul pentru fiecare motor. Tensiunea suportată de circuitele
logice este cuprinsă între 3V ș i 5.5V, iar cea pentru cont rolarea motoarelor este cuprinsă
între 8V ș i 35V. Intensitatea curentul ui maximă admisă este de 2A. Se pot seta maxim 5
moduluri pentru paș i (Full, 1/2, 1/4, 1/8 și 1/16). Acesta este protejat împotriva subtensiunii,
supracurentului ș i supratemperaturii. Pe l ângă toate acestea, pe PCB este instalat și un
potențiometru, cu ajutorul că ruia se poate limita curentul. Dimensi unile acestuia sunt de
16x21mm ș i are o greutate de 1.3g. [23]

25

Figura 28- Drivere pentru motoare A4988 [23]

c) CNC Shield V4
Montarea componentelor electronice se face pe un CNC Shield V4.0 (Figura 29) .
Acesta este conceput p entru dispozitivele de gravare și este compatibil cu plăcile Arduino
Nano. Are trei sloturi î n care se pot introduce drivere pentru mot oare pas cu pas, astfel
oferi nd posibilitatea de a comanda p ână la max im 3 axe. Fiecare motor necesită 2 portur i
I/O, deci pentru trei motoare sunt necesare 6 p orturi. Sub fiecare driver se găsesc trei jumpere
cu ajutorul cărora se pot seta pașii doriți doar prin conectarea și deconectarea lor. Pe l ângă
toate acestea, Shield -ul are 3 limit -switch -uri pentru fie care axa, are două ieșiri, una de 5V
și una de 3,3V, 4 porturi analogice, 4 pini pentru comunicarea serial ă și 4 pini la care se
poate conecta un display cu modulat or I2C. Pe placa se mai poate găsi și o mufă jack pr in
care se poate conecta o sursă de tensi une externă de p ână la 12V ș i un buton de reset.

26

Figura 29- CNC Shield V4 [14]
a) Laserul
Pentru a putea crea acest prot otip am folosit un laser (Figura 30 ) achiziț ionat de pe
platforma Aliexpress, acesta av ând o diodă laser de pu tere 2.5 W , de culoare albastră ș i cu
o lungime de un dă cupri nsă între 445nm ș i 450nm. Carcasa p rotectoare a diodei este
compusă din aluminiu și alamă iar dimensiunile ei sunt de 33x33x63 mm. În capătul opus
diodei se găsește un cooler ce are ca scop ră cirea, acesta se po ate alimenta la o tensiune de
12V.

Figura 30- Laserul folosit pentru dispozitivul de gravare [16]

27

b) Modulul TTL
Laserul a venit împreună cu un modul TTL (transistor -transistor -logic) (Figura 31) ,
acesta nu suportă semnal PWM deci nu poate modifi ca puterea laserului, acesta acționează
ca un switcher schimb ând starea din ON în OFF sau invers a laserului. Suportă o tensiune
de intrare de p ână la 12V curent continuu. Semnalul de intrare în modulul TTL este cuprins
între 0 și 5V. Dacă acesta este 0, dioda laser este oprită, în momentul în care acesta primește
5V dioda este p ornită. Dimensiunile modulu lui sunt de 43x65mm .

Figura 31- Modulul TTL [16]

c) Sursa de tensiune MATRIX MPS -3005L -3
Pentru a putea alimenta motoarele pas cu pas î ntr-un mod corect pentru a le put ea
utiliza la capacitate maximă fără a le supraalimenta, am folosit o sursă de tensiune MPS –
3005L -3 (Figura 31) produsă de firma MATRIX. Aceasta are ca ș i caracteris tici 2 secțiuni
reglabile, care funcț ionează în modul de stab ilizare de curent sau tensiune ș i ca alimentator
serial, par alel sau independent. Are 4 afișaje LED, citire simultană ș i reglare continuă a
tensiunii și a curentului, limitator de curent programa bil, siguranț ă de scurtcir cuitare. Pe
lângă toate acestea, are două canale care suportă o tensiune de ieșire cuprinsă între 0 și 30V
DC și o intensitate de p ână la 5A. Ieș irile de tensiune nereglabile au 5V DC și 3A. Sursa se
alimentează la 230 V ±10% 50/60Hz. Dimensiunile acest eia sunt de 140 x 245 x 345 mm și
are o masă de 8 k g. [17]

28

Figura 32- Sursa de tensiune MATRIX MPS -3005L -3 [17]

3.2.4. Echipament de protecție
Ochelari de protecție
Fasciculul laserului este foarte periculos, acesta poate provoca răni ireversibile ale
retinei, fiind foarte importantă folosirea ochelarilor de protecție în timpul proceselor de
gravare și tăiere. Pentru acest tip de laser am folosit o pereche de ochelari (Figura 33) ce
neutralizează efectele cauzate de către diodele laser cu fascicul de culoare ver de și albastru.
Pe lângă toate acestea, protejează și împotriva radiațiilor produse de raze. Aceștia sunt
indicați laserelor cu o lungime de undă cuprinsă între 190nm și 1200nm.

Figura 33- Ochelar i de protecție

29
3.3. Scheme de concepere si dimensionare
Dispozitivul de gravare este de dimensiu ni reduse iar fiecare componentă și
dimensiune a fost proiectată în soft -ul CREO , după care s -a construit ansamblul.
În prima fază au fost achiziț ionate profile L (Figura 34) , care au avut scopul de a
constitui structura dispozitivulu i de gravare. Acestea au fost tă iate la dimensiunile
reprezentate mai jos, după cum urmează :

A fost nevoie de :
• 2 profile L de lungime 121 de mm,
• 2 profil e L de lungime 150 de mm, care împreuna formează baza dispozitiv ului
• 4 profile L de lungime 200 de mm.

Figura 34- Modelul 2D al profilelor L cu dimensiuni

Placa de bază (Figura 35) care a avut rol de prinder e a profilelor L, dimensiunile e i au rezultat
ca urmar e a dimensiunilor profilelor L ș i are o grosime de 3 mm.

30

Figura 35- Modelul 2D al plăcii de bază
Pentru deplasare s -au folosit componentele (Figura 36) a două unități optice obținute de la
calculatoare vechi ce au cotele:

31

Figura 36- Modelul 2D al unității

Informațiile privind dimensiunile laserului (Figura 37) au fost cunoscute din specificațile
producătorului iar laserul a fost proiectat la aceste dimensiuni :

Figura 37- Modelul 2D al laserului

În final dispozitiv ul de gravare rezultat are dimensiuni reduse, este ușor de transportat
și manevrat, Figura 38 :

32

Figura 38- Modelul 2D al dispozitivului de gravare

Dispozi tivul final în forma reală se poate vedea în figura 39 :

33

Figura 39- Dispozitiv ul realizat

3.4. Calculul lungimii de undă , energie și frecvenț ă pentru laserul cu fascicul
albastru
În primul rând , se cunoaște că viteza luminii (C) este egală cu: C= λ* ν (1) , de
asemenea viteza luminii în vid are valoarea C=3*108 m/s. Unitatea de măsură pentru undă
(λ) este metrul, iar pentru frecvență (ν) este s-1 (Hz), unde s reprezintă secundele. Energia
are formula E= ɦ* ν (2), unde:
ɦ- reprezintă constanta lui Plank și are valoare 6.63*10-34 J*s (J=jouli) [36]

Calculul Frecvenței:
Se cunoaște că lungimea de undă pentru culoarea albastră este 460 nm [35]. Prin
convertirea valori respective in metri se obține:
4.6*10-7m ( 460nm/109m=4.6*10-7m)
Introducând această valoare în ecuația (1) obținem:
3*108 m/s=(4.6*10-7m)* ν
De unde rezultă valoare frecvenței :
ν=(3*108)/(4.6*10-7)
Rezolv ând calculul rezultă că frecvența este :
ν=6.52 *1014 Hz

34

Calculul Energiei
Din relația 2 avem: E= ɦ* ν, iar înlocuind cu valori în ecuație obținem:
E= (6.63*10-34J)*( 6.52*1014Hz)
Rezolvând calculul rezultă că energia este :
E= 4.32*10-19J

3.5. Schema electric ă
3.5.1. Schema principială de funcț ionare
În imaginea 40 este prezentat montajul principial, creat cu ajutorul softului Fritzing .
În aceasta se regăsesc toate conexiunile dintre placa Arduino, motoare și modulul TTL al
laserului. Conexiunile pe placa Arduino s -au făcut în felul următor:
– Porturile digitale 5 și 6 de pe placa Vin conectate la pini STEP de pe fiecare driver
respectiv
– pinul 5 la driverul care manevrează motorul corespunzător axei X
– pinul 6 la driverul pentru axa Y
– porturile 3 și 2 au fost conectate la pini DIR de pe driver.
– Pentru a putea comunica cu laserul, portul 11 al plăcii este conectat la plusul portului
de in trare a semnalului TTL de pe modul.
În cazul driverelor, conexiunile au fost făcute în felul următor:
– Pinii SLEEP și RESET au fost conectați între ei,
– Pinii MS3, MS2, și MS1,
– GND au fost conectați la portul GND de pe placa Arduino,
– pinul VDD a fost conectat la 5V pe placă
– pinul VMOT a fost conectat la o sursă externă de tensiune, sursa fiind setată la 7V.
Având în vedere că motoarele pas cu pas alese sunt bipolare, toți cei patru pini 1B,1A,2A,2B
vor fi conectați la motor. Pentru a putea face aceste conexiuni a trebuie mai întâi să
identificăm cu ajutorul unui multimetru firele aferente fiecărui pol.
Modulul TTL al laserul prezintă 4 mufe mamă de tip JST cu 2 pini. Prima mufă, ce -a de
culoare roșie este mufa de alimentare, prin aceasta se poate oferi laserului și cooler -ului o
sursă exterioară de tensiune, de până la maxim 12V. Mufa de alimentare a ventilatorul de
răcire se află pe verticala celei de tensiune externă iar paralel cu aceasta se găseșt e ce-a prin
care modulul se conectează la placa Arduino, acesta fiind legat la placă după cum am
specificat și mai sus. Deasupra de portul de comunicare cu placa Arduino se găsește mufa

35
cu ajutorul căreia se poate face alimentarea laserului. Conexiunea din tre toate acestea se face
conform Figurii 40.

Figura 40- Montajul principial de funcționare

3.5.2. Montajul electric final
Pentru a ne putea îndeplini scopul p ropus la începutul proiectului , am ales să folosim
un CNC Sh ield V4. Cu ajutorul lui am reușit să simplificăm considerabil at ât schema
electrică c ât și costurile. Mai jos este prezentată schema electrică a acestuia.
Cooler
Laser
Modul
TTL
Motor
pas cu
pas
Driver
A4988
Placa Nano

36

Figura 41- Schema electrică [37]
Acum, cu ajutorul acestuia, schema electrică finală se regăsește în Figura 42. Cele
patru fire ale bornelor motorului au fost conectate la cei 4 pini din dreptul driverului aferent
axei dorite, iar modulul TTL va fi conectat la pinii ce au inscripționat în dreptul lor „+Z”
aceștia sunt conectați direct la pinul 11 de placa Arduino după cum se poate vedea ș i în
Figura 41. Rezultatul final se poate vedea in figura 43.

Laser
CNC Shield
Motor pas
cu pas
Modul
TTL
Coole
r

37
Figura 42 – Montajul electrică finală

Figura 43- Montajul electric de pe dispozitiv

3.6. Funcți onare Soft
După cum am specificat și î n punctele anterioare, pentru a putea manevr a motoarele,
avem nevoie de două drivere A4988. Pe l ângă acestea este nevoie și de librăria GRBL v1.1
ce trebuie încărcată în placa Arduino ș i softul LaserGRBL, conceput sp ecial pentru
dispozitivele de tăiere ș i gravare cu laser. Cu ajutorul a cestui soft se pot manevra cu ușurință
motoarele direct din interfața acestuia, se pot î ncărca imagini ce sunt prelucrate și
transformate într -un fiși er ce conține mișcările efectuate în codul G, pe baza că ruia va lucra
dispozitivul.

38

3.6.1. Configurarea librăriei GRBL v1.1 și încă rcarea acesteia

GTBL este o alternativă, de înaltă per formanță și cost redus utilizată la controlul
mișcării pe bază de port paralel pen tru dispo zitivele de t ip CNC. Această versiune de GRBL
este com patibilă cu Arduino Uno, Duemil anove, Nano, Micro, etc ce au la bază un proce sor
pe 328p.
Controlerul este scris într -un C optimizat, utilizând fiecare caracteristică inteligentă
a chips -urilor AVR pentru a realiza o programare precisă și o funcționare asincronă.
Acesta acceptă și respectă standardele codului G, fiind testat pe ma i multe mașini fără să
existe probleme. Arcurile, cercurile și mișcarea elicoidală sunt pe deplin suportate, precum
și toate celelalte com enzi primare sub forma codului G .
GRBL își planifică din timp mișcările, căut ând cu p ână la 16 mișcări în viitor pent ru a-și
planifica din timp viteza oferind o accelerație liniară și o înclinare liberă .[9]
Aceasta î nsă nu este 100% compa tibilă cu Shield -ul CNC V4 deoarece pe PCB pinii 2,3,4
au fost inversaț i cu pinii 5,6,7 dar ace st lucru se poate modifica. După ce a fost descărcată
librăria am accesa t folder -ul în care se află toate fișierele aferente acesteia și am deschis
fișierul cpu_map.h, am coborât până la linia 36 unde se găsește notația „ // Define step pulse
output pins. NOTE: All step bit pi ns must be on th e same port. ” și am modificat urmă toarele
linii de cod (Figura 44) în felul următor (Figura 45).

Figur a 44 – Codul inițial al librărie

39

Figur a 45 – Codul modificat din librărie
La finalizarea modificărilor, am salvat fișierul respectiv iar întregul folder care
conține toate fișierele a fost mutat în folderul Libraries al programului A rduino.
Pentru încărcarea libră riei, am conectat cu ajutorul cablului USB placa Nano la portul USB
al calculatorului, după care s-a deschis programul Arduino ș i s-a accesa t Tools (Figura 4 6)
din meniul de sus. Am coborât p ână la inscripția „Board” ș i am deschis un nou sub meniu,
din acesta am selectat placa „Arduino Nano”. După ce a fost selectată placa, sub inscripția
precedentă se re găsește o alta numită „ Processor”, de unde se selectează select a
„ATmega328P” acesta fiind tipul de m icrocontroler utilizat. O ultimă configurare pe care a
trebuit să o facem înainte de a încărca libră ria este aceea de selectare a portului. Acest lucru
se face din ac eeași locați e, de la inscripția „Port”, în cazul nostru acesta este COM3.

Figura 46 – Sub meniul Tools al Softului Arduino 20

40
Deoarece softul este sincronizat cu placa, se poate încărca libră ria. Pentru a putea
face acest lucru am deschis sub meniul Files, am selectat opțiunea Exemple, am dat scroll în
jos p ână când a apărut librăria „GRBL”, în momentul î n care curso rul este pus pe aceasta,
vor apărea două opț iuni, dintre aceste a două, am selectat grblUpload (Figura 4 7). Odată cu
selectarea acesteia, se va d eschide un sketch nou, unde am apăsat butonul Upload pentru a
se încărca librăria în placa N ano.

Figura 47 – Selectare librăria GRBL

41

3.6.2. Configurarea ș i utilizarea programului LaserGRBL
Următoarea etapă pe care am parcurs -o după instalarea librăriei a fost aceea de
configurare a parametrilor programului , toate modificările ce urmează să fie făcute vor fi
salvate î n memoria microcontrolerului . La deschidere a programului LaserGRBL se alege
portul la care este conec tată placa și frecvenț a (Baud), aceasta este de 115200 biți/s (Figura
48) și se va apă sa butonul din dreptul aceste ia pentru a se conecta la placa de achiziț ii de
date.

Figura 48 – Panoul de conectare al Softului GRBL

Configurarea programu lui se face prin tastarea a două „$$” î n fereastra de
comunicare cu so ftul. În momentul în care cele două semne au fost tastate, î n fereastra de
dialog (Figura 4 9) vor fi prezentate toate setă rile disponibile. Pentru a modifica valorile
acest ora, trebuie introdus codul setă rii și valoarea nouă (de ex: $110=100 ). Parametrii
modificați se pot regăsi in tabelul 1.
Tabelul 1
• $30
Maximum spi ndle seed valoarea maximă introdus ă,
portul 11 al plăcii Arduino
returnează 5V.
• $32 Laser mode eneble dacă valoarea introdusă este
1, atunci laserul nu va fi
oprit c ând se folosesc
comenzile G1, G2, G3
• $100 X axis travel resolution câți pași trebuie să facă
motorul corespunză tor axei
X pentru se considera 1mm

42
• $101 Y axis travel resolution câți pași trebuie să facă
motorul corespunză tor axei
Y pentru a se considera
1mm
• $102 Z axis travel resolution câți pași trebuie să facă
motorul corespunzător axei
Z pentru a se considera
1mm
• $130 X axis maximum travel distanța maximă care poate
să fie parcursă pe axa X
• $131 Y axis maximum tr avel distanța maximă care poate
să fie parcursă pe axa Y

• $132 Z axis maximum travel distanța maximă care poate
să fie parcursă pe axa Z

Figura 49 – Configurare parametrii Soft GRBL

43
În Figura 50 este prezentat panoul manual prin care se pot manevra axele, fiecare
săgeată reprezintă o mișcare efectuată pe o axă, de exemplu dacă este apăsată săgeata cu
vârful îndreptat spre stânga, masa mobilă se va deplasa către stânga, dacă este apăsată
săgeata din colțul din dreapta sus , atât masa mobilă cât si laserul se vor deplasa către dreapta.
Pe lângă acesta se poa te seta vitea za de deplasare cu ajutorul opțiuni din dreapta. Ace asta
poate lua valori cuprinse între F10 și F500. În partea opusă este opțiunea cu ajutorul că reia
se pot modifica pașii, aceasta este prestabilită la 1 dar poate lua valori cuprinse între 0. 1 și
200 de paș i. Butonul din mijloc este butonul de Home Positio n ce aduce toate cele trei axe
în punctul de coordonate 0.

Figura 50 – Panoul manual al softului GRBL

Pornirea și oprirea laserului se poate face doar cu ajutorul codului G, comanda pentru
acest lucru fiind M03 S1000 iar pentru oprirea acestuia M03 S0. Pentru a introduce un buton
cu ajutorul căruia să se oprească sau pornească laserul am apăsat click în spațiul de lângă
butoanele din dreapta. În momentul în care am apăsat click au apă rut trei opțiuni, prima fiind
crearea unui buton nou, prin selectarea opțiunii „Add Custom Button”, exportarea butoanelor
deja existente prin selectarea opțiunii „Export custom button” sau importarea unor butoane
prin selectarea celei de -a treia opțiune de numită „Import custom button”. În momentul în
care am selectat prima opțiune, a apărut fereastra denumită „Custom Button” din figura 51
Din aceasta se poate selecta tipul de buton dorit, în cazul de față, ce -a mai bună opțiune ar fi
un buton de tipul „TwoS tateButton”. Butonul putând fi folosit atât pentru pornirea laserului
cât și pentru oprirea lui. În primul rând am selectat imaginea pe care o va avea butonul, acest
lucru a fost posibil prin apăsarea unui click sub inscripția „Image”. Următorul lucru care a
trebuit să fie făcut a fost introducerea comenzi „M3 S1000” în câmpul „GCode” pentru
pornirea laserului și „M05” în câmpul „GCode2” pentru oprirea acestuia. În câmpul din
dreptul inscripției „Tool Tip” s -a introdus tipul de unealtă pentru care a fost de stinat iar la
Enabled am selectat opțiunea „Connected”. Acest lucru făcând posibilă pornirea și oprirea
laserului cu ajutorul acestui buton doar atunci când programul este conectat la placă .

44

Figura 51 – Fereastra de creare b uton
Rezultatul final se poate observa in figura 52.

Figura 52 – Configurările pentru butonul laserului
Modalitatea folosită pentru stabilirea parametrilor pentru X,Y si Z axis travel
resolution este următoarea: Am luat o bucată de ma terial cu o densitate mai mare și a fost
fixată pe masa mobilă . Am adus ambele axe la capăt de cursă ș i am pornit laserul pentru a
marca locația î n care se află. După care am măsura 5mm pe axele X și Y (Figura 5 3) și am
făcut un marcaj în zona respectivă . Am setat travel re solution 1 pentru ax a X si Y prin
comenzile $100=1 și $101=1. După aceea am pornit laserul și l -am deplasa încet către fiecare
punct. Î n tot acest timp am ținut evidența numărul de paș i care a fost făcut pe o distanță de
5mm pe fiecare axă, acesta a fost de 33 de pași. Prin împărțirea numărului obținut la 5 am
obținut numărul de pași efectuați de motor pe o distanță de 1mm.

45
33
5=6,6𝑝𝑎𝑠𝑖
𝑚𝑚
În cazul nostru, valorile pentru ambele mot oare au fost identice dar există
posibilitatea ca acestea să difere. Acum că am obținut valorile putem să le introducem în
program prin comenzile următoare: înt âi se accesează meniul de setă ri prin comanda $$ după
care se trec următorii parametrii $100=6.6 ș i $101=6.6 .

Figura 53 – Exemplu de calibrare

În același fel am aflat ș i dimensiunile maxime de gr avare ale parametrilor 130,131 și
132. Am pornit laserul și am g ravat până când s-au atins capetele de cursă pentru axele
respective. Am măsurat dimensiunile gravate și le -am introdus î n lista de parametrii.
Toți parametri modificați sunt salvați automat în momentul în care este apăsată tasta
enter. În momentul î n care toate aceste etape au fost realizate am trecut la etapa următoare .

3.6.3. Procesul de gravare și tă iere

Etapele pentru începerea procesului de gravare și tăiere se pot vedea în f igura 5 4:

Figur a 54 – Etapele procesului
Sectare fișierAjustarea
imaginiiSetarea
parametrilor
laseruluiApăsarea
butonului de
start

46
Am selectat fișierul dorit după care am apăsat butonul Open (Fig ura 55). Din
fereastra proaspăt deschisă (Figura 5 6) se pot face ajustaje asupra imaginii, acestea se
pot găsi in tabelul 2

Tabelul 2
Ajustaj Descriere
Resize poate modifica calitatea imaginii
Brightness modifică luminozitatea
Contrast modifică contrastul
White Clip transformă pixelii cu valori apropiate de 255 (culoarea alb) în pixeli
albi
B&W Când această căsuță este bifată, imaginea se transformă în alb și
negru

În chenarul Convesion Tool avem modurile prin care se dorește parcurgerea
traseului, acestea se regăsesc in tabelul 3.
Tabelul 3
Tip traseu Descriere
Line to line tracing activând această opțiune, laserul va parcurge imaginea de la un
cap la altul pe orizontal ă, verticală sau diagonală iar când va
întâlni în calea lui un pixel negru, acesta va porni laserul.
1bit BW Dithering imaginea va fi compusă doar din pixeli albi și pixeli negri
așezați de așa natură încât sa ofere impresia unui filtru
Grayscale
Vectori ze produce un contur de linii vectoriale
Centerline produce contururi formate dintr -o singură linie

Toate aceste modalități de parcurgere au la rândul lor alte setări prin care se poate
defini calitatea, modul prin care imaginea este parcursă, rotunjirea colțurilor conturului
imaginii etc.

47

Figura 55 – Fereastra de selectare a fi șierului

Figura 56 – Fereastra de ajustare a imagini
În figura 5 6, in câmpul evidențiat printr -un pătrat negru, există mai multe o pțiuni, acestea
vor fi prezentat e de la stânga la dreapta. Prima este de a aduce imaginea la forma originală,

48
următoarele butoane se pot folosi la rotirea ei, butoanele patru si cinci la inversarea imaginii ,
cu penultimul se poate da zoom iar cu ultimul se pot inversa culorile modelului . În momentul
în care am finalizat modificările am apăsat butonul Next acesta deschizând o altă fereastră
numită Target image (Figura 5 7) din care se pot modifica parametrii laserului. În chenarul
speed se poate seta viteza de gravare a laserului. În cel denumit Laser Options se poate seta
codul de pornire a laserului. Dacă acesta este setat M3 atunci laserul este în modul standard,
efectuând doar operații de oprire și pornire, dacă este setat M4 atunci acesta este in modul
Dynamic Laser Power Mode , programul având posibilitatea de a ajusta puterea laserului în
funcție de nuanțele de gri. Pe lângă acestea în acest chenar se mai poate seta comanda pentru
oprirea laserului, aceasta fiind M5, puterea minimă și puterea maximă pe care o poate avea
acesta . Din ultimul chenar denumit Image size and position se poate modifica dimensiunea
imaginii și poziționarea acesteia. Pentru a continua am apăsat butonul Create. Din dreptul
chenarului Progress, se poate seta numărul de treceri, în cazul în care se dorește trecerea de
mai multe ori pe același traseu. Acesta este prestabilit ca fiind 1.

Figura 57 – Fereastra de setare a parametrilor laserului

În timpul procesului (Figura 5 8) avem toolbar denumită „Process” în care ne este
afișat cât timp a trecut de la începerea acestuia, un afișaj care ne arată numărul de linii din
desen și timpul estimat „Projected Time” până la finalizarea acestuia. Pentru încetarea
gravării, am apăsa butonul roșu de lângă bara de proces, acesta oprind procesul într -un punct
favora bil lui. O altă modalitate prin care putem opri procesul este prin apăsarea butonul din
partea din stânga – jos a desenului având ca logo un fulger. Acest buton va opri instantaneu

49
alimentarea cu curent a dispozitivului. Cât timp acest buton este activat n u se mai poate
manevra sub nicio formă dispozitivul. Pentru a dezactiva restricțiile am tast at comanda $X,
o alta modalitate fiind prin apăsarea butonului învecinat, acesta având un lacăt ca și Icon.
Pe lângă cele două butoane, mai avem și butonul „Set zer o point” la apăsarea butonului,
toate axele vor fi aduse în poziția zero sau home în cel mai scurt timp posibil. Butonul Feed
Hold din colțul din dreapta staționează procesul de gravare până în momentul în care este
apăsat butonul învecinat „Resume”.
La fi nalizarea activității este afișat mesajul [… lines,’ … errors, … min] în care este
specificat numărul de linii efectuate, numărul de erori și timpul efectuat în minute.

Figura 58 – Desfășurarea procesului de gravare

3.6.4. Schema logică principială de funcț ionare a programului
Pentru procesul de gravare, programul efectuează o că utare de tipul pixel cu pixel,
acesta parcurg ând întregul desen pe orizontală sau verticală , linie cu linie pentru a depista
fieca re pixel. Primul lucru pe care î l va face soft -ul după ce desenul a fost încă rcat iar
procesul a fost pornit, este acela de că utare a cel ui mai convenabil punct pentru î nceper ea

50
gravă rii, încep ând de la p rimul pixel negru de pe axa X. În momentul în care acesta a ajuns
în punctul țintă, va porni laserul p ână când se vor depăș i pixel ii respectivi. Pe tot parcursul
procesului, soft -ul va verifica dacă pe traseu se mai regăsesc alț i pixeli. În cazul în care î n
calea lui , aceștia se regăsesc în vecinătatea lui, laserul va fi menținut în această stare p ână la
depășirea acestora. În cazul în care nu se mai regă sește nici un pixel, se consideră că motorul
aferent axei X a ajuns la capăt de cursă ș i se va porni cel al axei Y pentru a trece la următorul
rând. Pe acesta se va repeta etapa anterioară p ână când nu vor mai exista alți pixeli, acest
lucru însemn ând că desenul a fost finalizat iar Y a ajuns la capăt de cursă, duc ând la op rirea
programului și afiș area rezultatul ui final în fereastra de dialog. În figura 59 este prezentată
schema logică , unde:
• X=max – este capătul cursei axei X
• Y=max – este capă tul cursei axei Y
• If pix=true – este afirmația care confirmă gă sirea pixelilor

Figura 59 – Schema logică principială de funcționare a programului

51

4. Avantaje și dezavantaje ale gravă rii cu laser
Utilizarea unui dispozitiv de gravare are avantaje și dezavantaje . Deoarece am
construit un astfel de dispozitiv ne -am lovit de anumite probleme nefavorabile , dar am putut
observa și avantaje gravării cu las erul iar mai jos am prezentat c âteva dintre avantajele și
dezavantajele gravă rii cu laser.

Avantaje ale dispozitivului de gravare laser
a. Marginile sunt curate, fără arsură ș i formare de praf.
b. Nivel ridi cat de precizie la gravare dar ș i precizie a liniei de gravare (Figura 60).
c. Materialul pre lucrat nu se va deforma datorită lipsei de contact cu dispozitivul de
prelucrare (laserul).
d. Gravarea ma terialelor de diverse grosimi și combinații dintr -o dată .
e. Nu necesită dispozitive speciale de prind ere, deoarece materialul este așezat u șor
pentru prelucrare, ceea ce ne generează costuri reduse.

Figura 60 – Precizie ridicată de gravare pe lemn, metal sau sticlă

Dezavantaje ale dispozitivului de gravare laser
a. În urma gravă rii cu laser pe diferite materiale (în special plas tic) poate genera
mirosuri neplă cute .
b. Colorarea canturilor unor tipuri de mat eriale debitate – placaj lemn (F igura 61)

52
c. Stabilirea valorii neglijabile a laserului de divizare si a temperaturii poate provoca
aprinderea anumitor mater iale. Riscul de ardere poate apă rea la m ateriale cum ar fi
lemnul sau h ârtia.
d. Funcționează doar î n regim de curent continuu.
e. Timpul de gravare este mai ridicat față de un dispozitiv laser profesionist.

Figura 61 – Se poate observa colorarea canturilor

53
5. Rezultatul obținut

În urma finalizări dispozitivului avem următoarele concluzii . Funcționarea corectă s-
a datorat diferite lor componente de calitate cumpărate sau obținute. În cele din urmă scopul
a fost atins ș i putem s pune că am reușit să ne î ndeplinim obiectivele propuse la î ncep utul
proiectului. Dimensiunile ș i greutatea acestuia s unt foarte mici, de unde rezultă că am reușit
să construim un dispozitiv ce îndeplinește aceleași funcții ca un laser industrial doar că la o
scară mult mai mică. Putem spune că și din pu nct de vedere financiar am reușit să ne
îndeplinim scopul, având în vedere că un dispozitiv cu un principiu asemănător și cu o putere
mai mică de doar 1500mW poate ajunge în mediul virtual la un preț de peste 10 0$,
comparativ cu dispozitivul î n care am investit :

• 2.58$ – pentru placa Nano
• 2.92$ – pentru cele două drivere A4988
• 9.73$ – pentru cele 4 perechi de ochelari de protecț ie
• 45.72$ – pentru ansamblul de laser împreună cu modulul TTL
• 1.19$ – pentru CNC Shield -ul V4
• 4.74$ – costul aproximativ al profilelor L, ș uruburile și piuliț ele utilizate la
construirea standului
• 0$- au fost cele două motoare, acestea au fost obținute din unităț i optice de la
calculatoare vechi
• 0$- au fost cele trei bucăți de sticlă sintetică , acestea le -am prim it de la locul de
munc ă
Ținând cont de faptul că am comandat toate cele 4 componente electronice de pe
Aliexpress , am primit un discount de 2$. În total am investit în acest dispozitiv 55.15$ fără
cele 4 perechi de ochelari achiziționate suplimentar. În concluzie suma investită de noi î n
dispoziti v este aproape jumă tate din prețul unui dispozitiv asemănător achiziționat on -line,
acest lucru făc ându-l mult mai accesibil studenț ilor.
Am realizat un dispozitiv ce poate grava cât și tăia carto n, materiale plastice, placaj.
Pe lângă toate acestea, dispozitivul poate tă ia sau grava materialele textile sau din piele,
astfel poate fi folosit î n fabricarea mostrelor pen tru piesele de dimensiuni mici î n fabricile
de automotiv e ce produc material text il pentru tapiț eria scaunelor auto.

54
Rezultatele obținute se pot vedea în F igurile 60, 61.

Figura 60 – Rezultate în urma tăierii

Figura 21- Rezultate în urma gravării

55

6. Bibliografie
[1] http://all3dp.com/1/la ser-engraver -engraving -machine/ (Accesat Iunie 2019)
[2] http://allmetech.com/ce -este-si-ce-face-un-strung -cnc/ (Accesat Iunie 2019)
[3] http://atelier13bis.blogspot.com/2013/09/laser -vs-cnc-avantaje -si-dezavantaje.html
(Accesat Iunie 2019)
[4] http://benboxlaser.us/index.php?to pic=942.0 (Accesat Iunie 2019)
[5]
http://d2t1xqejof9utc.cloudfront.net/sc reenshots/pics/0afeec8e6e2b48b8cac57c2ec3f5dc13/
large.JPG?fbclid=IwAR2lNGG -gFJKJp3SQR_bPQ1Xj2BWmUvhguISZxPmJJo0 –
VmSCxX -rhjQ5vY (Accesat Iunie 2019)
[6] http:/ /dezmembrariautomobile.ro/wp –
content/uploads/2017/11/IMG_1595_800x600.jpg (Accesat Iunie 2019)
[7] http://en.wikipedia.org/wiki/Ti –
sapphire_la ser#/media/File:Titanium_sapphire_oscillator.jpg (Accesat Iunie 2019)
[8] http://forum.arduino.cc/index.php?topic=406110.0 (Accesat Iunie 2019)
[9] http://github.com/gnea/grbl (Accesat Iunie 2019)
[10] http://github.com/grbl/grbl (Accesat Iunie 2019)
[11] http://lasergrbl.com/en/ (Accesat Iunie 2019)
[12] http://lasergrbl.com/en/usage/user -interface/ (Accesat Iunie 2019)
[13] http://store.arduino.cc/arduino -nano (Accesat Iunie 2019)
[14] http://wiki.keyestudio.com/Ks0152_keyestudio_CNC_Shield_V4 (Accesat Iunie
2019)
[15]
http://www.aliexpress.com/item/32795326359.html?spm=a2g0s.9042311.0.0.265a4c4dDI
UUn5 (Accesat Iunie 2019)

56
[16]
http://www.aliexpress.com/item/32914660936.html ?spm=a2g0s.9042311.0.0.57404c4dzW
h7C3 (Accesat Iunie 2019)
[17] http://www.dioda.ro/surse -tensiune/370 -blocuri -de-alimen tare-pentru -laborator -cu-
iesire -tripla -MATRIX -MPS -3005L -3.html (Accesat Iunie 2019)
[18] http://www.fanuc.eu/ro/ro/aplica%C5%A3ii/t%C4%83iere -cu-laser (Accesat Iunie
2019)
[19] http://www.hackster.io/macinblack/laser -engraver -with-arduino -719d14 (Accesat
Iunie 2019)
[20] http://www.independent.co.uk/property/house -and-home/laser -a-timeline –
1973907.html (Accesat Iunie 2019)
[21] http://www.photonics.com/LinearChart.aspx?ChartID=2 (Accesat Iunie 2019)
[22] http://www.physics.pub.ro/Cursuri/Niculae_Puscas_ –
_Optica.Lasere/13_tipuri_de_lasere.pdf (Accesat Iunie 2019)
[23] http://www.pololu.com/product/1182/specs (Accesat Iunie 2019)
[24] http://www.qreferat.com/referate/fizica/Aplicatii -Laser838.ph p (Accesat Iunie 2019)
[25] http://www.qreferat.com/referate/mecanica/Motorul -pas-cu-pas939.php (Accesat
Iunie 2019)
[26] http://www.referatele.com/referate/fizica/online5/Laserii -si-tipurile -de-laser -Laserul –
cu-microunde -Laserul -optic -Laserul -cu-rubin -Laserii-cu-semicond.php (Accesat Iunie
2019)
[27] http://www.referatele.com/referate/fizica/online9/Laserul -cu-semiconductori –
Dispozitive -laser -referatele -com.php (Accesat Iunie 2019)
[28] http://www.scientia.ro/stiinta -la-minut/concepte -explica te-in-60-secunde/1557 –
laserul -cu-raze-x-pe-intelesul -tuturor.html (Accesat Iunie 2019)
[29] http://www.scribd.com/doc/48429799/Efectul -LASER -Aplicatii -Si-Tipuri -de-Lasere
(Accesat Iunie 2019)
[30] http://www.scritub.com/stiinta/fizica/Laseri -Aplicatii93541.php (Accesat Iunie 2019)

57
[31] http://www.ulsinc.com/learn/history -of-lasers (Accesat Iunie 2019)
[32] http://www.youtube.com/watch?v=Dk_CbGJI41U (Accesat Iunie 2019)
[33] http://www.youtube.com/watch?v=fi57H_X –
AcY&feature=share&fbclid=IwAR0veyqhpNbJgn72EdhOTMxuD5g3x9wKV4tW_Uu7r
WrJ2Xe9AysdL –5G_Y (Accesat Iunie 2019)
[34] http://www.3erp.com/use -laser -cutting -sheet -metal -prototyping/ (Accesat Iunie 2019)
[35] https://ro.wikipedia.org/wiki/Cul oare (Accesat Iunie 2019)
[36] https://ro.wikipedia.org/wiki/Constanta_Planck (Accesat Iunie 2019)
[37] https://www.instructables.com/id/How -to-Use-the-CNC -V4-Board -despite -Its-quirks/
(Accesat Iunie 2019)
[38] https://www.youtube.com/watch?v=m8BNX_E -RsQ (Accesat Iunie 2019)
[39] Dan MĂ RGINEANU, Mașini de lucru în procese automate, Anul IV, Semestrul I,
2018
[40] Rodica Militaru, Elemente constructive de mecatronică, Anul III, Semestrul I, 2017
[41] Valer Dolga, Sisteme de ac ționare, Anul III, Semestrul II, 2018