CNC robotplotter: 11 trinn (med bilder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

Denne instruksen beskriver en CNC -kontrollert robotplotter. Roboten består av to trinnmotorer med en penneløft montert midt mellom hjulene. Rotering av hjulene i motsatte retninger får roboten til å svinge rundt pennespissen. Rotering av hjulene i samme retning får pennen til å trekke en rett linje. Den har følgende bevegelser: fremover, bakover, roter til venstre og roter til høyre.

I drift roterer roboten mot neste koordinat, beregner antall trinn og beveger seg deretter. For å få fart på ting, er roboten programmert til å ta den korteste svingvinkelen før den beveger seg, noe som betyr at den ofte trekker mens den reiser bakover.

Kommunikasjon med roboten er via en bluetooth -lenke. Roboten godtar både tastaturkommandoer og g-kodeutgangen fra Inkscape.

Hvis du er "interessert i" akvarellmaleri, kan denne enheten overføre skissen din til papir. Endring av SKALEN endrer bildestørrelsen, noe som betyr at du ikke er begrenset til faste papirdimensjoner.

Husk at denne roboten ikke er et presisjonsinstrument. Når det er sagt, er ikke resultatene så verst.

Trinn 1: Monteringsbrakett

Monteringsbraketten var laget av en 60 mm stripe av 18 gauge aluminiumsplate. Aluminium ble valgt for braketten, ettersom det er lett og lett å jobbe. Et 3 mm bor ble brukt til de små hullene. Hvert av de større hullene startet livet som et 9 mm hull som ble forstørret ved hjelp av en "rottehale" -fil.

Endeplatene for motorene på bildene ovenfor er 56 mm x 60 mm med en avstand på 110 mm fra hverandre når de er brettet. Dette ga en senter-til-senter hjulavstand på 141 mm. Hjuldiameteren for denne roboten er 65 mm. Registrer disse dimensjonene som deres Ratio (CWR) bestemmer hvor mange trinn som trengs for å rotere roboten 360 grader.

Hvis du ser nøye på bildene, vil du se en hack-sag kuttet på hvert av hjulets "skjørt". "Sliveren" av metall under hvert av disse sagskjærene har blitt bøyd så langt ned at:

• plattformen (brakettopp) er plan,
• og roboten knapt rocker.

Det er viktig at penneløftemekanismen er midt mellom, og på linje med, hjulene. Annet enn det er ikke robotdimensjonene kritiske.

Penneløfteren består av en medisinflaske av plast som monteres gjennom aluminiumsbraketten som vist. Hull bores gjennom lokket og bunnen for blyanten. Penneløfteskiven består av enden av en tom plastrulle med tråd som er limt til messing i midten av en radioknott som er boret for å passe til blyanten. En liten blyfiskesink, passende boret, har blitt plassert over blyanten for å sikre kontakt med papiret hele tiden.

Roboten drives av seks AA -batterier montert nær hjulene for å minimere belastningen på den tredje støtten.

[Tips: Aluminiumsplater kan kuttes uten behov for guillotine eller tinnklips (som har en vane å deformere metallet). "Skår" tungt på begge sider av arket langs snittlinjen ved hjelp av en stållinjal og en kraftig kniv. Legg nå scorelinjen over kanten på et bord og bøy arket litt nedover. Snu arket og gjenta. Etter noen bøyninger vil arket sprekke langs hele scorelinjens lengde og etterlate en rett kant.]

Trinn 2: Penneløft og skjold

Jeg eksperimenterte med det originale kabelbåndet og valgte i stedet en plastskive limt på messingsenteret på en "radioknott". Messingsenteret ble boret for å passe til pennen. Grub-skruen tillater presis plassering av pennen. Plastskiven ble kuttet fra enden av en spole med tilkoblingstråd.

Penløftemekanismen består av en liten servo som fulgte med det originale Arduino-settet mitt, men enhver liten servo som reagerer på 1mS og 2mS pulser med 20mS fra hverandre bør fungere. Roboten bruker 1mS pulser for pen-up og 2mS pulser for pen-down.

Servoen er festet til medisinflasken med små kabelbindere. Servohornet løfter plastskiven, og derav pennen, når en kommando for penn mottas. Når en ned-kommando mottas, er servohornet godt unna platen. Vekten på skiven og messingbeslaget sikrer at pennen forblir i kontakt med papiret. En blyvekt kan glides over blyanten hvis du vil ha "tunge" linjer.

Hele kretsen min ble konstruert på et Arduino -prototypeskjold. Koble fra skjoldet når du vil laste opp en skisse til Arduino. Når skissen din er lastet opp, fjerner du USB -programmeringskabelen og bytter deretter skjoldet.

Batteristrøm tilføres Arduino via "Vin" -pinnen når skjoldet er festet. Dette gjør det mulig å gjøre raske endringer i programvaren din uten å støte på batteri- og bluetooth -konflikter.

Trinn 3: Krets

Alle komponentene er montert på et arduino protoskjold.

BJY48 stepper er koblet til arduino -pinner A0.. A3 og D8.. D11

Pen-løft servomotoren er koblet til pinne D3 som er programmert til å levere 1mS (millisekund) og 2mS pulser med 20mS intervaller.

Servo- og trinnmotorene drives av sin egen 5 volt 1 amp strømforsyning.

HC-06 bluetooth-modulen drives av arduinoen.

Arduinoen drives av Vin -pinnen.

Med unntak av HC-06 bluetooth-modulen, som har en spenningsdeler som består av 1K2 og 2K2 ohm motstander for å slippe Bluetooth RX inngangsspenningen til 3,3 volt, er alle motstandene 560 ohm. Formålet med de 560 ohm motstandene er å tilby arduino kortslutningsbeskyttelse. De gjør det også lettere å koble skjoldet.

Trinn 4: Software Design Notes

. Ino -koden for dette prosjektet ble utviklet ved hjelp av "codebender" på https://codebender.cc/. "Codebender" er en skybasert IDE (integrert utviklingsmiljø) som er gratis å bruke, har utmerket feilsøking og automatisk oppdager din arduino.

SCALE- og CWR -konstantene som brukes i koden bestemmes av:

• robotens dimensjoner,
• motorspesifikasjonen,
• og ditt valg av "trinnmodus".

Motorspesifikasjoner

"28BYJ-48-5V steppermotorer" som ble brukt i dette prosjektet har en "skråvinkel" på 5.625 grader / 64 og et "hastighetsvariasjonsforhold" på 64/1. Dette oversetter til 4096 mulige trinn for en omdreining av utgangsakselen, men forutsetter at du bruker en teknikk som kalles "halv-trinn".

Hvordan Stepper Motors fungerer

"28BYJ-48-5V Stepper Motors" har fire spoler hver med en formet jernkjerne som inneholder åtte poler. Hver av de fire polstykkene forskyves slik at det er 32 poler 360/32 = 11,25 grader fra hverandre.

Hvis vi aktiverer (trinn) en spole om gangen (bølgestegning), eller to spoler om gangen (full-trinn), vil rotoren gjøre en fullstendig omdreining i 32 trinn. Siden det interne giret er 64/1, krever en omdreining av utgangsakselen 2048 trinn.

Half-Stepping

Denne roboten bruker halvtrinn.

Halvtrinn er en teknikk der halvt trinn opprettes ved å vekselvis aktivere en enkelt spole, deretter to tilstøtende spoler, og dermed doble antall trinn fra 32 til 64 for en omdreining av rotoren. Dette tilsvarer 64 poler med 360/64 mellomrom = 5.625 grader fra hverandre (skråvinkel).

Siden det interne giret er 64/1, krever en omdreining av utgangsakselen 4096 trinn.

De binære mønstrene for å oppnå halvtrinn er dokumentert i funksjonene move () {…} og rotate () {…}.

VEGG

SCALE kalibrerer robotens bevegelse fremover og bakover.

Forutsatt en hjuldiameter på 65 mm, vil roboten bevege seg fremover (eller bakover) PI*65/4096 = 0,04985 mm per trinn. For å oppnå 1 mm per trinn (Inkscape bruker mm for sine 'koordinater) må vi bruke en SKALEFaktor på 1/0,04985 = 20,0584. Dette betyr at antall trinn som trengs for å reise mellom to punkter er "avstand* SKALER".

CWR

CWR (sirkel-diameter til hjuldiameterforhold) [1] brukes til å kalibrere robotens svingvinkel. En høy CWR gir størst oppløsning og minimum kumulativ feil, men ulempen er at det vil ta lengre tid for roboten å snu.

Forutsatt at robothjulene er 130 mm fra hverandre må hjulene kjøre PI*130 = 408,4 mm for at roboten skal rotere 360 grader. Hvis diameteren på hvert hjul er 65 mm, vil en omdreining av et hjul bevege roboten PI*65 = 204,2 mm rundt sirkelen. For at hjulene skal kjøre hele sirkelavstanden må de svinge 407,4/204,2 = 2,0 (to ganger).

Dette oversetter til en CWR på 2 og en oppløsning på 360/(CWR*4096) = 0,0439 grader per trinn.

For størst mulig nøyaktighet bør SCALE og CWR begge bruke så mange desimaler som mulig.

[1]

Hjulsporene danner en sirkel når robotene snur 360 grader. Siden hjulsporene overlapper formelen for CWR er:

CWR = hjulavstand/hjuldiameter.

GCODE -tolken

Roboten reagerer bare på Inkscape -kommandoer som starter med G00, G01, G02 og G03.

Den ignorerer alle F (feedrate) og Z (vertical position) koder ettersom roboten bare kan kjøre med en hastighet, og pennen er alltid opp for kode G00 og ned for alle andre koder. I- og J -kodene ("biarc") som brukes når du plotter kurver blir også ignorert.

Den ubrukte koden M100 brukes til "MENY" (M for meny).

Ekstra T-koder er lagt til for testformål (T for test)

Koden til tolken min ble inspirert av

Trinn 5: Installere robotprogramvaren

Slå av støpselet og koble fra "motor / blå-tann" skjermen. Dette oppnår to ting:

• Den fjerner batteripakken mens du programmerer arduinoen via USB-kabelen
• Den fjerner HC-06-blåtann-enheten, ettersom programmering IKKE er mulig mens Blue-tooth-modulen er tilkoblet. Grunnen til dette er at du ikke kan ha to serielle enheter tilkoblet samtidig.

Kopier innholdet i "Arduino_CNC_Plotter.ino" til en ny arduino -skisse og last det opp til din arduino. Koble fra USB -kabelen når programvaren er lastet opp.

Koble til skjoldet ovenfor … roboten din er "klar til å rulle".

Trinn 6: Konfigurere Bluetooth

Før du kan "snakke" med roboten må HC-06 Bluetooth-modulen "pares" med PCen.

Hvis PC-en ikke har blå tann, må du kjøpe og installere en Bluetooth USB-dongle. De nødvendige driverne finnes i dongelen. Bare koble den til og følg instruksjonene på skjermen.

Følgende sekvens forutsetter at du bruker Microsoft Windows 10.

Høyreklikk på "Start | Innstillinger | Enheter | Bluetooth". Skjermen din viser Bluetooth -statusen for hver enhet som kan kobles til. Skjermbildet nederst til venstre viser at PC-en for øyeblikket er klar over noen Bluetooth-øretelefoner.

Slå på roboten. HC-06 Bluetooth-modulen begynner å blinke, og enheten vil vises i Bluetooth-vinduet som vist på skjermbildet i midten og nederst.

Venstreklikk på "Klar til å koble | Par" og skriv inn passordet "1234" som vist i det øverste skjermbildet.

Venstreklikk "Neste" for å koble enheten. Skjermen din skal nå være lik skjermbildet nederst til høyre som sier "HC-06 Connected".

Trinn 7: Installere terminalemuleringsprogramvaren

For å "snakke" med roboten din trenger du en terminalemuleringsprogramvarepakke som har som formål å koble tastaturet til roboten og sende g-kodefiler til roboten via Bluetooth-lenken.

Mitt valg av terminalemuleringsprogramvare for dette prosjektet er "Tera Term", ettersom det er svært konfigurerbart. Programvaren er gratis å bruke, og den nyeste versjonen er tilgjengelig fra:

osdn.jp/projects/ttssh2/downloads/64798/term-4.90.exe

Dobbeltklikk på "teraterm-4.90.exe" fra "Last ned" -mappen og følg instruksjonene på skjermen. Velg standardinnstillingene. Venstreklikk "Serial" og deretter "OK" på åpningsskjermen.

Konfigurere Teraterm

Før vi kan "snakke" med roboten må vi konfigurere "Teraterm":

Trinn 1:

Venstreklikk på "Oppsett | Terminal" og sett skjermverdiene til:

Termstørrelse:

• 160 x 48
• Fjern merket for de to boksene umiddelbart nedenfor

Ny linje:

• Motta: CR+LF
• Send: CR+LF

La resten av skjermen stå med standardverdiene.

Klikk "OK"

Steg 2:

Høyreklikk på "Oppsett | Vindu" og sett skjermverdiene til:

Klikk "Reverse" (endrer bakgrunnsfargen på skjermen til hvit)

La resten av skjermen stå med standardverdiene.

Klikk "OK"

Trinn 3:

Venstreklikk "Setup | Font" og sett skjermverdiene til:

• Skrift: Droid Sans Mono
• Skriftstil:: Vanlig
• Størrelse: 9
• Manus: vestlig

Klikk "OK"

Trinn 4:

Høyreklikk på "Setup | Serial" og sett skjermverdiene til:

• Port: COM20
• Overføringshastighet: 9600
• Data: 8 bit
• Paritet: ingen
• Stopp: 1 bit
• Flytkontroll: ingen
• Overføringsforsinkelse: 100 ms/char, 100 ms/line

Klikk "OK"

Lukk advarselsskjermen "Kan ikke åpne COM20"

Merknader:

1. Min blå tann bruker COM20 for blåttannssending og COM21 for mottak av blåttann. Dine blåtann-portnumre kan variere.
2. Overføringsforsinkelsene skal bremse ting når du bruker "File | Send …". Arduino ser ut til å savne linjer hvis du prøver å få fart på tingene. "File | Send …" virker pålitelig med verdiene som vises, men prøv også.

Trinn 5:

Venstreklikk "Oppsett | Lagre oppsett …" og venstre klikk "Lagre"

Lukk Teraterm

Trinn 6:

Slå på roboten din. Blåtann-LED-en begynner å blinke.

Åpne Teraterm og vent til meldingen "COM20 - Tera Term VT" vises øverst til venstre på Teraterm -skjermen. Blåtand-LED-en skal nå være konstant

Skriv "M100" uten anførselstegn … en meny skal vises. Tallene 19: og 17: som vises på skjermen er Xon- og Xoff -håndtrykkskodene fra arduinoen.

Gratulerer … roboten din er nå konfigurert.

Trinn 8: Test diagrammer

"Menyen" inneholder to testdiagrammer.

T103 plotter en enkel firkant. Alle hjørner skal møtes. Juster CWR -konstanten og kompiler koden din på nytt hvis de ikke gjør det.

Den teoretiske CWR for designet mitt var CWR = 141/65 = 2.169. Dessverre møttes ikke hjørnene helt. For å redusere kalibreringstiden tegnet jeg to firkanter… den ene med en CWR = 2 og den andre med en CWR = 2,3. Hvis du studerer bildet ovenfor, vil du se at ender av en firkant er "åpne" mens den andre enden "overlapper". Mål ende-til-ende-avstanden for hver av rutene og ta et ark med grafpapir. Tegn en horisontal linje med (i dette tilfellet) 30 divisjoner merket 2.0 til 2.3. Plasser "overlappingsavstanden" over den horisontale linjen og den "åpne" avstanden under linjen ved å bruke en så stor skala som mulig. Koble disse to punktene med en rett linje og les av CWR -verdien på det punktet der den diagonale linjen kutter CWR -aksen. For roboten min var dette CWR -punktet 2.173 … en forskjell på 0.004 !!

T104 plotter et mer komplekst testdiagram.

Inkscape g-koder for dette testdiagrammet finnes i filen "test_chart.gnc". Parameterne "biarc" "I", "J" som er vist i koden, er ignorert som står for den segmenterte sirkelen.

Trinn 9: Opprette en disposisjon

Følgende prosedyre bruker "Inkscape" og forutsetter at vi ønsker å tegne en blomst fra et bilde med tittelen "flower.jpg".

Inkscape versjon 0.91 kommer med gcode -utvidelser og kan lastes ned fra https://www.inkscape.org Klikk på "Nedlastinger" og velg riktig versjon for datamaskinen din.

Trinn 1: Åpne bildet ditt

Åpne Inkscape og velg "File | Open | flower.jpg".

Velg følgende alternativer fra hurtigmenyen:

Bildeimporttype: ………… Legge inn

• Bilde DPI: ……………………. Fra fil
• Bildegjengivelsesmodus:… Ingen
• OK

Trinn 2: Sentrer bildet

Klikk på F1 (eller verktøyet øverst til venstre i sidefeltet)

Klikk på bildet … pilene vises

Trykk og hold inne "ctrl" og "shift" -tastene samtidig, og dra deretter en hjørnepil innover til sidekonturen vises. Bildet ditt er nå sentrert.

Trinn 3: Skann bildet ditt

Velg "Path | Trace Bitmap", og velg deretter følgende alternativer fra popup-skjermen:

• farger
• fjern merket for "stack scans"
• gjenta: oppdater … skannummer … oppdater
• klikk OK når du er fornøyd med antall skanninger

Lukk popup-vinduet ved å klikke på X øverst til høyre.

ADVARSEL: Hold antallet skanninger til et absolutt minimum for å redusere robotplottingstiden. Enkle konturer er best.

Trinn 4: Lag en oversikt

Velg "Object | Fill and Stroke |". En pop-up med tre menyfaner vises.

• Velg "Stroke paint" og klikk på boksen ved siden av X
• Velg "Fyll" og klikk på X

Lukk popup-vinduet ved å klikke på X øverst til høyre. En oversikt er nå lagt over bildet

Fjern markeringen av bildet ditt ved å klikke utenfor siden.

Klikk nå inne i bildet. En melding "Bilde: 512 x 768: innebygd i roten" eller lignende, vises nederst på skjermen.

Klikk "slett". Bare konturen gjenstår.

Trinn 5: Tidsavbrudd

På tide med litt utforsking.

Klikk på F2 (eller det andre fra øverste verktøyet i sidefeltet) og flytt markøren over omrisset. Legg merke til hvordan omrisset blinker rødt når markøren går over de forskjellige banene.

Klikk nå konturen. Legg merke til hvordan et antall "noder" vises. Disse "noder" må konverteres til g-kode koordinater, men før vi kan gjøre det må vi tilordne en referansekoordinat til siden vår.

Trinn 6: Tilordne sidekoordinatene

Trykk på F1 og klikk deretter på omrisset.

Velg "Lag | Legg til lag" og klikk "Legg til" i popup-vinduet. G-kodeutvidelsene som vi skal bruke krever minst ett lag … selv om det er tomt!

Velg "Utvidelser | Gcodetools | Orienteringspunkter". Velg "2-punktsmodus" fra popup-vinduet og klikk "Apply".

Avvis eventuelle advarsler.

Klikk "Lukk" for å lukke popup-vinduet

Nederst til venstre på siden din er tilordnet koordinatene "0, 0; 0, 0; 0, 0"

Trinn 7: Velg et verktøy

Velg "Utvidelser | Gcodetools | Verktøybibliotek" og klikk:

• Kjegle
• Søke om
• OK…. (for å fjerne advarselen)
• Lukk

Trykk på F1 og dra den grønne skjermen utenfor sidens omriss.

Trinn 8: Juster verktøy- og feedinnstillingene

Dette trinnet er ikke nødvendig, men har blitt inkludert for fullstendighet, ettersom det viser hvordan du endrer innstillingene for verktøyets "diameter" og "mating" hvis du har en fresemaskin.

Klikk på "A" -symbolet i sidefeltet, og endre deretter innstillingene som vises i den grønne skjermen fra:

• diameter: fra 10 til diameter 3
• fôr: fra 400 til 200

Trinn 9: Generer g-koden

Trykk på F1

Velg bildet

Velg "Extensions | Gcodetools | Path to Gcode | Preferences" og endre:

• Fil: flower.ncg ……………………………………… (numerisk kontroll g-kode filnavn)
• Katalog: C: / Users / ditt navn / Desktop … (lagringsplass for flower.ncg)
• Z Sikker høyde: 10

Uten å forlate popup-vinduet, velg "Path to Gcode" -menyen og klikk:

• Søk … (dette kan ta lang tid … vent !!)
• OK ……. (avvis eventuelle advarsler)
• Lukk … (når koden er opprettet)

Hvis du undersøker omrisset, består den nå av blå pilhoder (nedre bilde).

Lukk Inkscape.

Trinn 10: Bekreft koden din

nraynaud.github.io/webgcode/ er et online program for å visualisere bildet som g-koden din vil lage. Bare slipp g-koden din på venstre panel av simulatoren, og den tilsvarende visualiseringen vises på høyre side av skjermen. De røde linjene viser verktøysbanen og robotpenneløftene.

Innstillingene for "Path | Trace Bitmap" for det øverste bildet var:

• "Farger"
• "Skanninger: 8"

Innstillingene for "Path | Trace Bitmap" for det nederste bildet var:

• "Kantdeteksjon"
• "Terskel: 0,1"

Med mindre du trenger detaljene, må du alltid lage et enkelt bilde.

Trinn 11: Sende en Inkscape -fil til roboten

La oss anta at vi vil sende en fil "Hello_World_0001.ngc" til roboten.

Trinn 1

Slå på roboten.

Plasser roboten i nedre venstre hjørne av tegningssiden og pek den mot 3-tiden. Dette er standard startposisjon.

Åpne Teraterm og vent til Bluetooth -lampen slutter å blinke. Dette indikerer at du har en lenke.

Steg 2

Kontroller at maksimal X- og maksimal Y -verdier i filen du skal sende vil passe på siden. For eksempel viser vedlagte "Hello_World_0001.ngc" maksimal X -verdi som skal være:

G00 X67.802776 Y18.530370

og den maksimale Y -verdien som skal være:

G01 X21.403899 Y45.125018 Z-1.000000

Hvis du vil at bildet ditt skal være større enn 67,802776 over 45,125018 mm ovenfor, kan du endre plottstørrelsen ved å bruke følgende menyalternativer:

M100

T102 S3.5

Denne kommandosekvensen viser menyen, slik at du kan se T-kodene, og deretter øker bildestørrelsen 3,5 ganger (350%)

Steg 2

Høyreklikk "Fil | Send fil …"

"Søk" etter "Hello_World_0001.ngc" -filen.

Høyreklikk "Åpne". Filen blir nå sendt til roboten linje for linje.

Det er så enkelt … glad planlegging:)

Merknader:

• Alle MENY-kommandoer MÅ stå i store bokstaver.
• 19: og 17: vist på bildet ovenfor er arduino -håndtrykkskodene (desimaler) for "Xoff" og "Xon". Tykktarmen ble lagt til for å forbedre det visuelle utseendet. En Inkscape -kommando følger hver "Xon".
• Du bør aldri se to X, Y-koordinater på samme linje. Hvis dette skjer, må du øke serielle forsinkelsestider fra gjeldende verdi på 100 ms per tegn. Kortere forsinkelser kan fungere …
• "Hei verden!" plottet viser tegn på kumulativ feil. Tilpasning av CWR bør fikse dette.

Klikk her for å se mine andre instrukser.