Ploter CNC - pomocnik do kaligrafii

[crbjsfso]

1. Wprowadzenie

Od dawna zafascynowany jestem kaligrafią, nie tylko w kontekście naszego języka ojczystego, ale także innych bardziej egzotycznych jeżyków. Mimo wielokrotnych prób zmierzenia się z tym tematem od strony praktycznej doszedłem do wniosku, że forma biernego obserwatora daje mi więcej satysfakcji niż sam udziel w procesie kaligrafowania. Może to niektórym wydawać się dziwne, może nie, no cóż, tak mam. Po pewnym czasie w mojej głowie narodziła się myśl, a raczej pytanie. Czy jestem w stanie zbudować maszynę do kaligrafii? Uprzedzając nieco fakty - odpowiedź brzmi: tak. Więc zapraszam do zapoznania się, z krótką historią mojego plotera.

Po przejrzeniu zasobów sieci zdecydowałem się na ploter CNC, jako urządzenie, które spełni moje wymagania. W przyszłości może będzie dodatkowo rozbudowane i zyska funkcję na przykład laserowego grawera. Na początek, krótko o samym urządzeniu. Jak podaje Wikipedia ploter to komputerowe urządzenie peryferyjne, służące do pracy z dużymi płaskimi powierzchniami, mogące nanosić obrazy, wycinać wzory, grawerować itp. Plotery są również używane do kreślenia map. Są to urządzenia z powiedzeniem używane od lat w różnych gałęziach przemysłu. Pod naszymi strzechami, czyli w domu przeciętnego Kowalskiego się ich jednak nie widuje ponieważ funkcję tego typu urządzenia pełni drukarka, gdyż raczej na co dzień nie ma konieczności "generowania" pisma ręcznego na dużym formacie. Jest to pewien skrót myślowy, ale mam nadzieje, że większość osób rozumie o co mi chodzi.

Założenia są takie, że urządzenia ma być stosunkowo tanie, łatwe w budowie i obsłudze.

2. Projekt i Thingiverse

Thingiverse to serwis, w którym ludzie dzielą się swoimi projektami różnych maszyn, urządzeń, czy gadżetów, które można następnie wydrukować we własnym zakresie na drukarce 3D. Tak też postanowiłem zrobić, wykorzystać jeden z bardzo wielu istniejących już projektów na którego bazie zbuduję swój ploter. Konkretnie z projektu "Drawing Robot - Arduino Uno + CNC Shield + GRBL", który sam bazuje na innym tego typu projekcie.

2.1. Oryginalny projekt, źródło: thingiverse.com/thing:2349232

Do projektu zostały wykorzystane części stworzone na drukarce 3D, w przypadku gdy ktoś nie ma dostępu do tego typu urządzenia polecam skorzystać z ogłoszeń społeczności związanej z drukiem 3D. Takie usługi powinny być dostępne na miejscu we wszystkich większych miastach, a koszt to w tym przypadku to do kilkudziesięciu złotych. Nie zapominajmy to też, o naszej forumowej braci.

3. Części i narzędzia

Po za wydrukowanymi częściami będą potrzebne jeszcze:

Elementy elektroniczne, elektryczne

• Silnik krokowy NEMA 17 - 2 sztuki.
• Stalowy pręt o średnicy 8mm (oś X, Y) - 4 sztuki, w moim przypadku jest to 4x po 400mm.
• Stalowy pręt o średnicy 3mm (oś Z) - 2 sztuki, 2x 8mm.
• Stalowy pręt gwintowany o średnicy 8mm - 1 sztuka.
• Łożysko liniowe LM8UU - 8 sztuk.
• Serwomechanizm SG-90 - 1 sztuka.
• Sprężynka od długopisu lub gumka recepturka - od jednej do kilku sztuk w zależności od użytego uchwytu.
• Koło zębate GT2, 16 zębów - 2 sztuki.
• Łożysko 624zz - 5 sztuk.
• Pasek zębaty GT2 - w zależności od długości zastosowanych prętów dla osi X i Y, w moim przypadku wystarczyło 2000mm.
• Arduino Uno - 1 sztuka.
• Sterownik CNC Shield dla Arduino Uno - 1 sztuka.
• Zworki - 6 sztuk.
• Sterownik silnika krokowego A4988 - 2 sztuki.
• Zasilacz 12V minimum 2A - 1 sztuka.
• Przyciski krańcowe - 4 sztuki, opcjonalnie, zabezpieczenie osi X i Y z obu stron.
• Gniazdo DC - 1 sztuka.

Nakrętki

• M8 - 4 sztuki.
• M4 - 5 sztuk.
• M3 - 7 sztuk.

Śruby

• M4 x 35mm - 5 sztuk.
• M3 x 20mm - 1 sztuka.
• M3 x 16mm - 13 sztuk.
• M3 x 6mm - 4 sztuki.

Podkładki

• M8 - 4 sztuki.
• M3 - 4 sztuki.

Inne

Przewody do silników krokowych, kupne czy też zrobione własnoręcznie. Wszelkie narzędzia, które mogą się przydać pod czas budowy, jak na przykład piła do przycięcia stalowych prętów, cążki do metalu, czy stacja lutownicza, ale to raczej oczywiste. 

4. Elektronika i mechanika

Sercem urządzenia jest Arduino Uno z płytką rozszerzeń CNC, w której osadzone są 2 sterowniki A4988. Płytkę rozszerzeń wpinamy zgodnie z opisem pinów, powinny być one opisane na obu płytkach. Tak samo postępujemy z A4988 dla osi X i Y.

4.1. Diagram połączeń elektrycznych z CNC Shield.

4.2. Zmontowany układ, gotowy do pracy.

Ploter wykorzystuje system CoreXY do poruszania karetką. Według opinii krążących w internecie taki system jest bardziej precyzyjny i prostszy do wykonania w porównaniu do starowania osiami X i Y niezależnie. Nie jestem ekspertem i ciężko mi stwierdzić czy tak rzeczywiście jest. Bez względu na to czy ma to odzwierciedlenie w rzeczywistości, to dość spora część tego typu maszyn budowanych przez hobbystów wykorzystuje właśnie CoreXY, jeśli nie mamy do czynienia z dużymi obciążeniami karetki.

4.3. Wizualizacja układu CoreXY.

4.4. Schemat ruchu układu CoreXY.

5. Oprogramowanie

Oprogramowanie Arduino zostało wykonane zgodnie z poniższym poradnikiem:
https://electricdiylab.com/grbl-cnc-shield-z-axis-servo-migrbl/

Należy jedynie pamiętać, że przez samym zaprogramowaniem mikro kontrolera należy w pliku config.h zmienić linie:

// #define COREXY // Default disabled. Uncomment to enable.

na

#define COREXY // Default disabled. Uncomment to enable.

czyli usunąć komentarz, przez co zostanie włączona opcję COREXY ponieważ właśnie takiego starowania używa ploter. W przeciwnym wypadku nasza maszyna będzie działać, ale wszystko co stworzy będzie obrócone o 45 stopni.

6. Efekt końcowy

Tak oto prezentuje się efekt końcowy, wymaga jeszcze kilku końcowych szlifów, jak dobór odpowiednich sprężyn, przetestowanie różnych podkładek do pisania, piór, długopisów, wykonanie nowego "trzymaka", dodaniu kilku trytytek, ect. Mimo tych drobnych aspektów maszyna działa bardzo dobrze i jestem zaskoczony jej dokładnością.

      

6.1. Wybrane ujęcia gotowego plotera.

 

6.2. Film obrazujący pracę plotera.

Film ukazuje również problemy z dociskiem długopisu spowodowane nierównym podłożem.

Edytowano Październik 15, 2019 przez crbjsfso
Dodanie linku do filmu w serwisie Vimeo.

[Treker (Damian Szymański)]

Właśnie zaakceptowałem Twój opis, możesz go teraz zgłosić do akcji rabatowej umieszczając link w temacie zbiorczym. Dziękuję za przedstawienie ciekawego projektu, zachęcam do prezentowania kolejnych DIY oraz aktywności na naszym forum 🙂

[SOYER]

brawo @crbjsfso prosto, tanio, skutecznie, po mojemu 😉

[davidgold]

Szanuje, że ktoś tu zainteresował się takim tematem @crbjsfso. Wygląda naprawdę dobrze - solidnie, tanio, prosto.

Obecnie też jestem w trakcie tworzenia plottera, bardzo podobnego do Twojego. Moje postępowanie było bardzo zbliżone - także Arduino Uno z CNC Shield. Startowałem z projektu: https://www.thingiverse.com/thing:1514145 i filmu opisującego temat (jak widać bardzo podobne): 

Miałem jednak inne założenia, trochę zwariowane i bardziej skomplikowane. Moje pole ruchu XY jest wielkości 500x500cm, a głowica może poruszać się w osi Z (silnik krokowy 28BYJ). Rozważam możliwości zmiany głowicy z długopisu na laser w przyszłości, dlatego tak zaszalałem z rozmiarami.

Pojawiły się ogólne problemy ze sztywnością urządzenia, więc w tej chwili jestem na etapie przeprojektowania części drukowanych, by wszystko było bardziej spójne.
Mam parę pytań do Ciebie na jakie problemy natrafiłeś przy projekcie:
1. Czy masz jakiś problem ze sztywnością? Widzę na filmie, że długopis nie dotyka w pełni powierzchni.
2. Czy miałeś dużo "zabawy" przy dostrojeniu sterowników A4988 (dobranie prądu na silnik krokowy) - nic nie jest napisane w Twoim opisie. Jakie masz silniki krokowe do osi XY? Napisałeś tyle, że NEMA17, co jest jedynie informacją o rozmiarze obudowy silnika. Ja wziąłem dość mocne silniki (1.7A) bliskie granicy "przepustowości prądowej" sterownika i boję się nie spalić, a jednocześnie prąd jest za mały.
3. Czy miałeś problemy z naciąganiem paska GT2? Czy jakoś rozwiązałeś naciąganie paska? 
4. Jakie oprogramowanie użyłeś do sterowania urządzeniem? Chodzi mi, czy używasz jakieś oprogramowania do testów? Ja osobiście polecam CNCjs https://github.com/cncjs/cncjs/wiki. Można sterować głowicą za pomocą przycisków na komputerze.

Będę wdzięczny za odpowiedź. Jeszcze raz gratuluje solidnej realizacji projektu.
DG

Edytowano Listopad 4, 2019 przez davidgold
dokończenie myśli z jednego zdania

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[crbjsfso]

Dnia 4.11.2019 o 13:20, davidgold napisał:

1. Czy masz jakiś problem ze sztywnością? Widzę na filmie, że długopis nie dotyka w pełni powierzchni.

Już nie, to było spowodowane nierównym podłożem, którym chciałem uzyskać dobre zdjęcia. Dobrze to działa na modelarskiej podkładce do cięcia, takiej "samogojącej" czy jak to się nazywa. Trzeba pamiętać też, żeby sam długopis nie był za nisko, ponieważ jeśli jest umieszczony za nisko to podczas pisania może unieść nieznacznie całą konstrukcję. Obecnie czekam na zamówione okulary ochronne, ponieważ chce przeprowadzić testy z laserem 500mW, a bez ochrony oczu to całkowicie odpada.

Dnia 4.11.2019 o 13:20, davidgold napisał:

2. Czy miałeś dużo "zabawy" przy dostrojeniu sterowników A4988 (dobranie prądu na silnik krokowy) - nic nie jest napisane w Twoim opisie. Jakie masz silniki krokowe do osi XY? Napisałeś tyle, że NEMA17, co jest jedynie informacją o rozmiarze obudowy silnika. Ja wziąłem dość mocne silniki (1.7A) bliskie granicy "przepustowości prądowej" sterownika i boję się nie spalić, a jednocześnie prąd jest za mały.

Właściwie wcale tego nie ustawiałem bo wszystko ruszyło od razu. Założyłem, że jeżeli silniki będą się grzały podczas pracy to zmniejszę natężenie na sterowniku, a jeśli będzie problem z ruchem to zwiększę. Silnik to NEMA 17, model MINEBEA-17PM-K940 (prąd 1.5A). O kalibracji jest dość sporo w internecie, na przykład tutaj w sekcji "Current Limiting".

Dnia 4.11.2019 o 13:20, davidgold napisał:

3. Czy miałeś problemy z naciąganiem paska GT2? Czy jakoś rozwiązałeś naciąganie paska? 

Nie, nie miałem problemu z naciąganiem paska. Przykręciłem częściowo jedną końcówkę, tak aby się trzymała ale nie na 100%. Następnie powoli przeciągnąłem przez całą maszynę i naciągałem z drugiej strony, a gdy już byłem zadowolony na naprężenia to przykręciłem całość z drugiej strony. Wydaje mi się, że na przedstawionych przez Ciebie zdjęciach widać skręcony pasek. Paski nie mogą być skręcone jak spirala DNA, tylko muszą być proste.

Dnia 4.11.2019 o 13:20, davidgold napisał:

4. Jakie oprogramowanie użyłeś do sterowania urządzeniem? Chodzi mi, czy używasz jakieś oprogramowania do testów? Ja osobiście polecam CNCjs https://github.com/cncjs/cncjs/wiki. Można sterować głowicą za pomocą przycisków na komputerze.

Używam Universal G-Code Sender, ponieważ dobrze działa i był to pierwszy program tego typu z jakim miałem styczność. Został pokazany na tym filmie pod koniec, z którego również czerpałem informacje. Nie miałem jeszcze czasu testować innych rozwiązań, a do tego nie mam zastrzeżeń.

[BeheGrzmot]

Witam,

Też kiedyś myślałem o podobnym wynalazku, jednak ja sobie to inaczej wyobrażałem - przede wszystkim na kółkach - by mogło być mniejsze niż powierzchnia i dojeżdżać do właściwych miejsc, albo chociaż jeżdżenie sterowane na pilota.

Natomiast patrząc na Twoją konstrukcję i problem z dociskiem - od razu przychodzi na myśl skrócenie ramienia. A najlepiej by było oś rysującą umieścić na dole, a jeszcze lepiej - z jakimś krótszym pisakiem, by umożliwić jego montaż na środku konstrukcji - wtedy mógłby przejeżdżać pod spodem i rysować po obu stronach konstrukcji w kształcie krzyża.

[davidgold]

@crbjsfso Dzięki za odpowiedź. Powodzenia z laserem, jestem ciekawy jak Ci pójdzie.

@BeheGrzmot Rozumiem, że chodzi Ci o takiego robota jeżdżącego, który rysuje za pomocą przymocowanego pisaka. Pomysł ciekawy - nie masz ograniczenia wielkości pola. Jednak byłby problem z odpowiednim bazowaniem (ustaleniem początku układu współrzędnych - dwie współrzędne i kierunek początkowy) - ale to problem do rozwiązania. Może taki robot by znalazł zastosowanie w malowani jakiś murali (duże płaskie powierzchnie?) - wystarczy wymyśleć jak przymocować puszkę farby i jak wyzwalać farbę. 

Co do skrócenia ramienia, najlepiej zmienić konstrukcje, kosztem wielkości (mobilności) i wygodnego umieszczenia silników krokowych (i ilości). Np. taką jaką zrobił ten chłopak (tutaj głowicą jest dremel):

Ogólnie polecam śledzić co robi Nikodem - parę fajnych doświadczeń i pomysł można od niego "kupić".

[BeheGrzmot]

Dnia 9.11.2019 o 19:55, davidgold napisał:

Rozumiem, że chodzi Ci o takiego robota jeżdżącego, który rysuje za pomocą przymocowanego pisaka. Pomysł ciekawy - nie masz ograniczenia wielkości pola. Jednak byłby problem z odpowiednim bazowaniem (ustaleniem początku układu współrzędnych - dwie współrzędne i kierunek początkowy) - ale to problem do rozwiązania. Może taki robot by znalazł zastosowanie w malowani jakiś murali (duże płaskie powierzchnie?) - wystarczy wymyśleć jak przymocować puszkę farby i jak wyzwalać farbę. 

Bardziej myślałem o małej gotowej konstrukcji - jak Twoja, czy każda inna "frezarka", tyle że z kółkami i bez "stołu". Czyli dojeżdża w wybrane miejsce - tam rysuje/frezuje na powierzchni obsługiwanej przez konstrukcję, a gdy skończy - przenosi się dalej lub w zupełnie inne miejsce. Takie coś powinno być znacznie prostsze.

Zaś co do farby... pewnie najlepiej by było wciągać przez rurkę i przez jakąś dyszę rozpylać.

[crbjsfso]

Prawdopodobnie chodzi o coś w tym stylu. Tego typu konstrukcje powinny dobrze działać jako ploter, laser małej mocy czy drukarka, ale jako frezarka to moim zdaniem tego typu konstrukcje mają zbyt mała bezwładność. Tutaj jest interesująca konstrukcja na kółkach o teoretycznie nieskończonej powierzchni roboczej dla jednej osi.

[BeheGrzmot]

Bardziej jak to drugie - chodziło mi o konstrukcję normalną 2-3 osiową/prowadnicową, ino z kółkami skrętnymi zamocowanymi podobnie do tych z drugiego filmu. Podczas drukowania/frezowania/itp. kółka zahamowane, mogą być nawet wysuwane podpórki jak w dźwigach samochodowych itp., ale niekoniecznie. Ogólnie zamysł był taki, by kółka służyły wyłącznie do jazdy podczas spoczynku maszyny. Natomiast praca/wydruk/itp. tylko na postoju na normalnych prowadnicach.

Ew. drugi pomysł - nie bawić się w kółka, lecz zamocować tam ściski podobne do imadła - dzięki temu można by przymocować do dowolnego blatu lub obszaru roboczego - zamiast stołu teowego. Mogłoby to być fajne, bo można by umieścić taką maszynkę np. na skośnej lub wręcz pionowej powierzchni. Np. przyczepić do ścianki szafki i wyfrezować na niej płaskorzeźbę bez konieczności demontażu ścianki.