CNC robotplotter: 11 trin (med billeder)

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:27

Denne instruerbare beskriver en CNC -styret robotplotter. Robotten består af to trinmotorer med en pen-lift monteret midt mellem hjulene. Drejning af hjulene i modsatte retninger får robotten til at dreje rundt om spidsen. Drejning af hjulene i samme retning får pennen til at trække en lige linje. Den har følgende bevægelsesområder … fremad, bagud, roter til venstre og drej til højre.

Under drift roterer robotten mod den næste koordinat, beregner antallet af trin og bevæger sig derefter. For at fremskynde tingene er robotten programmeret til at tage den korteste drejevinkel, før den bevæger sig, hvilket betyder, at den ofte trækker, mens den kører baglæns.

Kommunikation med robotten sker via et bluetooth -link. Robotten accepterer både tastaturkommandoer og g-kode-output fra Inkscape.

Hvis du er "til" akvarelmaling, kan denne enhed overføre din skitse til papir. Ændring af SKALEN ændrer billedstørrelsen, hvilket betyder, at du ikke er begrænset til faste papirdimensioner.

Husk, at denne robot ikke er et præcisionsinstrument. Når det er sagt, er resultaterne ikke så dårlige.

Trin 1: Monteringsbeslag

Monteringsbeslaget var fremstillet af en 60 mm strimmel af 18 gauge aluminiumsplade. Aluminium blev valgt til beslaget, da det er let og let at arbejde. Der blev brugt et 3 mm bor til de små huller. Hvert af de større huller startede livet som et 9 mm hul, der blev forstørret ved hjælp af en "rottehale" -fil.

Endepladerne til motorerne på ovenstående fotos er 56 mm x 60 mm med en afstand på 110 mm fra hinanden, når de er foldet. Dette gav en mellemrum mellem hjulene på 141 mm. Hjuldiameteren for denne robot er 65 mm. Registrer disse dimensioner, da deres Ratio (CWR) bestemmer, hvor mange trin der er nødvendige for at rotere robotten 360 grader.

Hvis du ser nøje på billederne, vil du se en hack-sav skåret på hvert af hjulets "nederdele". "Skiven" af metal under hver af disse savskæringer er blevet bøjet så let ned, at:

• platformen (beslaget øverst) er plan,
• og robotten knokler næsten ikke.

Det er vigtigt, at penløftemekanismen er midt imellem og på linje med hjulene. Bortset fra det er robotdimensionerne ikke kritiske.

Penneliften består af en plastmedicinflaske, der monteres gennem aluminiumsbeslaget som vist. Der bores huller gennem låget og bunden til blyanten. Pen-lift disken omfatter enden af en tom plastik-hook-up-wire spole limet til messing midten af en radioknop, som er blevet boret for at passe til blyanten. Et lille blyfiskeri, der er passende boret, er blevet anbragt over blyanten for altid at sikre kontakt med papiret.

Robotten drives af seks AA -batterier monteret tæt på hjulene for at minimere belastningen på den tredje støtte.

[Tip: Aluminiumsplader kan skæres uden behov for en guillotine eller blikskår (som har en vane at deformere metallet). "Skår" kraftigt begge sider af arket langs snitlinjen ved hjælp af en stållineal og en kraftig kniv, der kan afbrydes. Placer nu scorelinien over kanten af et bord og bøj arket lidt nedad. Vend arket om og gentag. Efter et par bøjninger vil arket brække langs hele scoreliniens længde og efterlade en lige kant.]

Trin 2: Pen-lift og Shield

Jeg eksperimenterede med det originale kabelbinder og valgte i stedet en plastskive, der var limet til messingcentret på en "radioknap". Messingcentret blev boret for at passe til pennen. Grub-skruen muliggør præcis placering af pennen. Plastskiven blev skåret fra enden af en spole med tilslutningstråd.

Penløftemekanismen består af en lille servo, der fulgte med mit originale Arduino-kit, men enhver lille servo, der reagerer på 1mS og 2mS pulser med 20mS mellemrum, burde fungere. Robotten bruger 1mS pulser til pen-up og 2mS pulser til pen-down.

Servoen er fastgjort til medicinflasken med små kabelbindere. Servohornet løfter plastskiven og dermed pennen, når der modtages en kommando til pen. Når en kommando til nedtrapning modtages, er servohornet godt fri af disken. Vægten af skiven og messingbeslaget sikrer, at pennen forbliver i kontakt med papiret. En blyvægt kan glides over blyanten, hvis du vil have "tunge" streger.

Hele mit kredsløb blev konstrueret på et Arduino prototype skjold. Tag stikket ud, når du vil uploade en skitse til din Arduino. Når din skitse er blevet uploadet, fjern USB -programmeringskablet, og udskift derefter skjoldet.

Batteristrøm tilføres Arduino via "Vin" -nålen, når skjoldet er fastgjort. Dette giver mulighed for hurtige ændringer i din software uden at løbe ind i batteri- og bluetooth -konflikter.

Trin 3: Kredsløb

Alle komponenter er monteret på et arduino proto-skjold.

BJY48 stepperne er forbundet til arduino ben A0.. A3 og D8.. D11

Pen-lift servomotoren er forbundet til pin D3, der er programmeret til at afgive 1mS (millisekund) og 2mS pulser med 20mS intervaller.

Servo- og trinmotorerne drives af deres egen 5 volt 1 amp strømforsyning.

HC-06 bluetooth-modulet drives af arduinoen.

Arduinoen drives via Vin -stiften.

Med undtagelse af HC-06 bluetooth-modulet, der har en spændingsdeler omfattende 1K2 og 2K2 ohm modstande til at sænke bluetooth RX indgangsspændingen til 3,3 volt, er alle modstande 560 ohm. Formålet med de 560 ohm modstande er at tilbyde kortslutningsbeskyttelse til arduinoen. De gør det også lettere at tilslutte skjoldet.

Trin 4: Noter til software design

. Ino -koden til dette projekt blev udviklet ved hjælp af "codebender" på https://codebender.cc/. "Codebender" er en skybaseret IDE (integreret udviklingsmiljø), som er gratis at bruge, har fremragende fejlfinding og automatisk registrerer din arduino.

SCALE- og CWR -konstanterne, der bruges i koden, bestemmes af:

• robotens dimensioner,
• motorspecifikationen,
• og dit valg af "stepping mode".

Motorspecifikationer

"28BYJ-48-5V Stepper Motors", der bruges i dette projekt, har en "skridevinkel" på 5.625 grader / 64 og et "hastighedsvariationforhold" på 64/1. Dette oversætter til 4096 mulige trin for en omdrejning af udgangsakslen, men forudsætter, at du bruger en teknik kaldet "halv-trin".

Hvordan Stepper Motors fungerer

"28BYJ-48-5V Stepper Motors" har fire spoler hver med en formet jernkerne, der indeholder otte poler. Hver af de fire polstykker forskydes således, at der er 32 poler med 360/32 = 11,25 graders mellemrum.

Hvis vi aktiverer (trin) en spole ad gangen (bølge-trin) eller to spoler ad gangen (fuld-trin), vil rotoren foretage en fuldstændig omdrejning i 32 trin. Da det interne gear er 64/1, kræver en omdrejning af udgangsakslen 2048 trin.

Halv-trin

Denne robot bruger halvtrin.

Halv-trin er en teknik, hvorved halv-trin skabes ved skiftevis at aktivere en enkelt spole, derefter to tilstødende spoler, og dermed fordoble antallet af trin fra 32 til 64 for en omdrejning af rotoren. Dette svarer til 64 poler med 360/64 mellemrum = 5.625 grader fra hinanden (skridevinkel).

Da det interne gear er 64/1, kræver en omdrejning af udgangsakslen 4096 trin.

De binære mønstre for at opnå halvtrinn er dokumenteret i funktionerne move () {…} og roter () {…}.

VÆGT

SCALE kalibrerer robotens bevægelse frem og tilbage.

Hvis vi antager en hjuldiameter på 65 mm, vil robotten bevæge sig fremad (eller bagud) PI*65/4096 = 0,04985 mm pr. Trin. For at opnå 1 mm pr. Trin (Inkscape bruger mm til sine 'koordinater) skal vi bruge en SKALEFAKTOR på 1/0,04985 = 20,0584. Dette betyder, at antallet af trin, der er nødvendige for at rejse mellem to punkter, er "afstand* SKALA".

CWR

CWR (cirkel-diameter til hjul-diameter-forhold) [1] bruges til at kalibrere robotens drejevinkel. En høj CWR giver størst opløsning og minimal kumulativ fejl, men ulempen er, at det vil tage længere tid, før robotten drejer.

Forudsat at robothjulene er 130 mm fra hinanden, skal hjulene køre PI*130 = 408,4 mm for at robotten kan rotere 360 grader. Hvis diameteren på hvert hjul er 65 mm, vil et omdrejning af et hjul flytte robotten PI*65 = 204,2 mm rundt i cirklen. For at hjulene kan køre hele cirkeldistancen, skal de dreje 407,4/204,2 = 2,0 (to gange).

Dette oversætter til en CWR på 2 og en opløsning på 360/(CWR*4096) = 0,0439 grader pr. Trin.

For størst mulig nøjagtighed skal SCALE og CWR begge bruge så mange decimaler som muligt.

[1]

Hjulsporene danner en cirkel, når robotterne drejer 360 grader. Da hjulsporene overlapper hinanden, er formlen for CWR:

CWR = hjul-afstand/hjul-diameter.

GCODE -tolken

Robotten reagerer kun på Inkscape -kommandoer, der starter med G00, G01, G02 og G03.

Den ignorerer alle F (feedrate) og Z (vertical position) koder, da robotten kun kan køre med en hastighed, og pennen er altid oppe for kode G00 og ned for alle andre koder. I- og J -koderne ("biarc"), der bruges ved afbildning af kurver, ignoreres også.

Den ubrugte kode M100 bruges til "MENU" (M til menu).

Ekstra T-koder er blevet tilføjet til testformål (T til test)

Koden til min tolk blev inspireret af

Trin 5: Installation af robotsoftwaren

Sluk, og tag derefter "motor / blå-tand" -skærmen ud. Dette opnår to ting:

• Det fjerner batteripakken, mens du programmerer arduinoen via dit USB-kabel
• Det fjerner HC-06 blå-tand-enheden, da programmering IKKE er mulig, mens Blue-tooth-modulet er tilsluttet. Grunden til dette er, at du ikke kan have to serielle enheder tilsluttet på samme tid.

Kopier indholdet af "Arduino_CNC_Plotter.ino" til en ny arduino -skitse, og upload det til din arduino. Tag dit USB -kabel ud, når softwaren er uploadet.

Tilslut ovenstående skjold igen … din robot er "klar til at rulle".

Trin 6: Opsætning af din Bluetooth

Inden du kan "tale" med robotten, skal HC-06 bluetooth-modulet "parres" med din pc.

Hvis din pc ikke har blå-tand, skal du købe og installere en Bluetooth USB-dongle. De nødvendige drivere er indeholdt i donglen. Bare tilslut det og følg vejledningen på skærmen.

Følgende sekvens forudsætter, at du bruger Microsoft Windows 10.

Venstreklik på "Start | Indstillinger | Enheder | Bluetooth". Din skærm viser bluetooth -status for hver enhed, der kan tilsluttes. Skærmbilledet nederst til venstre viser, at pc'en i øjeblikket er opmærksom på nogle bluetooth-øretelefoner.

Tænd robotten. HC-06 bluetooth-modulet begynder at blinke, og enheden vises i bluetooth-vinduet som vist i skærmbilledet i midten og nederst.

Venstreklik på "Klar til parring | Par" og indtast adgangskoden "1234" som vist i det øverste skærmbillede.

Venstreklik på "Næste" for at parre enheden. Din skærm skal nu ligne skærmbilledet nederst til højre, hvor der står "HC-06 Connected".

Trin 7: Installation af terminalemuleringssoftwaren

For at "tale" med din robot har du brug for en terminalemuleringssoftwarepakke, hvis formål er at forbinde dit tastatur til robotten og sende g-kodefiler til robotten via bluetooth-linket.

Mit valg af terminalemuleringssoftware til dette projekt er "Tera Term", da det er meget konfigurerbart. Softwaren er gratis at bruge, og den nyeste version er tilgængelig fra:

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

Dobbeltklik på "teraterm-4.90.exe" i mappen "Download", og følg vejledningen på skærmen. Vælg standardindstillingerne. Venstreklik på "Serial" og derefter "OK" i åbningsskærmen.

Konfiguration af Teraterm

Inden vi kan "tale" med robotten, skal vi konfigurere "Teraterm":

Trin 1:

Venstreklik på "Opsætning | Terminal" og indstil skærmværdierne til:

Term størrelse:

• 160 x 48
• Fjern markeringen af de to felter umiddelbart nedenfor

Ny linje:

• Modtag: CR+LF
• Transmitter: CR+LF

Forlad resten af skærmen med standardværdierne.

Klik på "OK"

Trin 2:

Venstreklik på "Opsætning | Vindue" og indstil skærmværdierne til:

Klik på "Omvendt" (ændrer skærmens baggrundsfarve til hvid)

Forlad resten af skærmen med standardværdierne.

Klik på "OK"

Trin 3:

Venstreklik på "Opsætning | Skrifttype" og indstil skærmværdierne til:

• Skrifttype: Droid Sans Mono
• Skrifttypestil:: Regular
• Størrelse: 9
• Script: vestlig

Klik på "OK"

Trin 4:

Venstreklik på "Opsætning | Seriel" og indstil skærmværdierne til:

• Port: COM20
• Baudrate: 9600
• Data: 8 bit
• Paritet: ingen
• Stop: 1 bit
• Flowkontrol: ingen
• Overførselsforsinkelse: 100 ms/char, 100 msec/line

Klik på "OK"

Luk advarselsskærmen "Kan ikke åbne COM20"

Bemærkninger:

1. Min blå-tand bruger COM20 til blå-tand send og COM21 til blå-tand modtagelse. Dine blå-tand portnumre kan variere.
2. Overførselsforsinkelserne er til at bremse tingene ved brug af "File | Send …". Arduino ser ud til at savne linjer, hvis du prøver at fremskynde tingene. "File | Send …" virker pålidelig med de viste værdier, men eksperimentér også gerne.

Trin 5:

Venstreklik på "Opsætning | Gem opsætning …" og venstre-klik på "Gem"

Luk Teraterm

Trin 6:

Tænd din robot. Den blå tand-LED begynder at blinke.

Åbn Teraterm, og vent på, at meddelelsen "COM20 - Tera Term VT" vises i øverste venstre hjørne af Teraterm -skærmen. Den blå tand LED skal nu være konstant

Skriv "M100" uden anførselstegn … en menu skal vises. Tallene 19: og 17: der vises på skærmen er Xon- og Xoff -håndtrykkoderne fra arduinoen.

Tillykke … din robot er nu konfigureret.

Trin 8: Test diagrammer

"Menu" indeholder to testdiagrammer.

T103 tegner en simpel firkant. Alle hjørner skal mødes. Juster CWR -konstanten, og kompilér din kode igen, hvis de ikke gør det.

Den teoretiske CWR for mit design var CWR = 141/65 = 2.169. Desværre mødtes hjørnerne ikke helt. For at reducere kalibreringstiden afbildede jeg to firkanter … den ene med en CWR = 2 og den anden med en CWR = 2,3. Hvis du studerer ovenstående foto, vil du se, at enderne på den ene firkant er "åbne", mens de andre ender "overlapper". Mål afstanden fra ende til ende for hver af firkanterne, og tag et ark grafpapir. Tegn en vandret linje med (i dette tilfælde) 30 divisioner mærket 2,0 til 2,3. Brug en så stor skala som muligt til at markere afstanden "overlapning" over den vandrette linje og den "åbne" afstand under linjen. Forbind disse to punkter med en lige linje, og læs CWR -værdien af på det punkt, hvor den diagonale linje skærer CWR -aksen. For min robot var dette CWR -punkt 2.173 … en forskel på 0.004 !!

T104 tegner et mere komplekst testdiagram.

Inkscape g-koder for dette testdiagram er indeholdt i filen "test_chart.gnc". "Biarc" "I", "J" parametrene vist i koden er blevet ignoreret, hvilket tegner sig for den segmenterede cirkel.

Trin 9: Oprettelse af en oversigt

Følgende procedure anvender "Inkscape" og forudsætter, at vi ønsker at tegne en blomst fra et billede med titlen "flower.jpg".

Inkscape version 0.91 leveres med gcode -udvidelser og kan downloades fra https://www.inkscape.org Klik på "Downloads", og vælg den korrekte version til din computer.

Trin 1: Åbn dit billede

Åbn Inkscape og vælg "File | Open | flower.jpg".

Vælg følgende muligheder på pop op-skærmen:

Billedimporttype: ………… Integrer

• Billed -DPI: ……………………. Fra fil
• Billedgengivelsestilstand:… Ingen
• Okay

Trin 2: Centrer billedet

Klik på F1 (eller værktøjet øverst til venstre i sidepanelet)

Klik på billedet … pile vises

Tryk og hold samtidigt på "ctrl" og "shift" -tasterne, og træk derefter en hjørnepil indad, indtil sidens omrids vises. Dit billede er nu centreret.

Trin 3: Scan dit billede

Vælg "Sti | Spor bitmap", og vælg derefter følgende muligheder fra pop op-skærmen:

• farver
• fjern markeringen af "stackscanninger"
• gentag: opdater … scannummer … opdater
• klik på OK, når du er tilfreds med antallet af scanninger

Luk pop op-vinduet ved at klikke på X i øverste højre hjørne.

ADVARSEL: Hold antallet af scanninger til et absolut minimum for at reducere robotplotningstiden. Enkle konturer er bedst.

Trin 4: Opret en oversigt

Vælg "Object | Fill and Stroke |". Der vises en pop-up med tre menufaner.

• Vælg "Stroke paint", og klik på feltet ud for X
• Vælg "Udfyld", og klik på X

Luk pop op-vinduet ved at klikke på X i øverste højre hjørne. Der er nu lagt en kontur over billedet

Fravælg dit billede ved at klikke uden for siden.

Klik nu inde i billedet. En meddelelse "Billede: 512 x 768: integreret i root" eller lignende vises nederst på skærmen.

Klik på "slet". Kun konturen er tilbage.

Trin 5: Time-out

Tid til lidt opdagelse.

Klik på F2 (eller det 2. fra øverste værktøj i sidepanelet), og flyt markøren over omridset. Bemærk, hvordan omridset blinker rødt, når markøren passerer over de forskellige stier.

Klik nu på omridset. Læg mærke til, hvordan et antal "noder" vises. Disse "noder" skal konverteres til g-kode koordinater, men før vi kan gøre det, skal vi tildele en referencekoordinat til vores side.

Trin 6: Tildel sidekoordinaterne

Tryk på F1, klik derefter på omridset.

Vælg "Lag | Tilføj lag", og klik på "Tilføj" i pop-up-vinduet. G-kodeudvidelserne, som vi er ved at bruge, kræver mindst et lag … selvom det er tomt!

Vælg "Udvidelser | Gcodetools | Orienteringspunkter". Vælg "2-punkts-tilstand" i pop-up-vinduet, og klik på "Anvend".

Afvis alle advarselsmeddelelser.

Klik på "Luk" for at lukke pop-up'en

Nederste venstre hjørne af din side har fået tildelt koordinaterne "0, 0; 0, 0; 0, 0"

Trin 7: Vælg et værktøj

Vælg "Udvidelser | Gcodetools | Værktøjsbibliotek" og klik på:

• kegle
• ansøge
• OKAY …. (for at slette advarslen)
• Tæt

Tryk på F1, og træk den grønne skærm fra siden.

Trin 8: Juster værktøjs- og feedindstillingerne

Dette trin er ikke påkrævet, men er inkluderet for fuldstændighed, da det viser, hvordan du ændrer værktøjets "diameter" og "feed" -indstillinger, hvis du har en fræser.

Klik på "A" -symbolet i sidepanelet, og skift derefter de indstillinger, der vises på den grønne skærm fra:

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

Trin 9: Generer g-koden

Tryk på F1

Vælg billedet

Vælg "Extensions | Gcodetools | Path to Gcode | Preferences" og rediger:

• Fil: flower.ncg ……………………………………… (numerisk kontrol g-kode filnavn)
• Telefonbog: C: / Brugere / dit navn / Desktop … (lagerplads til flower.ncg)
• Z Sikker højde: 10

Uden at forlade pop-up-vinduet skal du vælge fanen "Sti til Gcode" og klikke på:

• Ansøg … (dette kan tage lang tid … vent !!)
• OKAY ……. (afvis enhver advarsel)
• Luk… (når koden er oprettet)

Hvis du undersøger omridset, består den nu af blå pilehoveder (nederste billede).

Luk Inkscape.

Trin 10: Bekræft din kode

nraynaud.github.io/webgcode/ er et online program til visualisering af det billede, som din g-kode vil oprette. Bare slip din g-kode på venstre side af simulatoren, og den tilsvarende visualisering vises på højre side af din skærm. De røde linjer viser værktøjsstien og robotpenløfterne.

Indstillingerne for "Sti | Spor bitmap" for det øverste billede var:

• "Farver"
• "Scanninger: 8"

Indstillingerne for "Sti | Spor bitmap" for det nederste billede var:

• "Kantdetektering"
• "Tærskel: 0,1"

Medmindre du har brug for detaljerne, skal du altid oprette et simpelt billede.

Trin 11: Send en Inkscape -fil til robotten

Lad os antage, at vi vil sende en fil "Hello_World_0001.ngc" til robotten.

Trin 1

Tænd robotten.

Placer robotten i nederste venstre hjørne af tegningssiden og peg den mod 3-tiden. Dette er standard startposition.

Åbn Teraterm og vent, indtil Bluetooth -lampen holder op med at blinke. Dette indikerer, at du har et link.

Trin 2

Kontroller, at de maksimale X- og maksimum Y -værdier i den fil, du er ved at sende, passer på siden. For eksempel viser den vedhæftede "Hello_World_0001.ngc" den maksimale X -værdi, der skal være:

G00 X67.802776 Y18.530370

og den maksimale Y -værdi skal være:

G01 X21.403899 Y45.125018 Z-1.000000

Hvis du vil have dit billede til at være større end ovenstående 67,802776 med 45,125018 mm, skal du ændre plottestørrelsen ved hjælp af følgende menuindstillinger:

M100

T102 S3.5

Denne kommandosekvens viser menuen, så du kan se T-koderne og derefter øger billedstørrelsen 3,5 gange (350%)

Trin 2

Venstreklik på "Fil | Send fil …"

"Gennemse" efter filen "Hello_World_0001.ngc".

Venstreklik på "Åbn". Filen vil nu blive sendt til robotten linje for linje.

Det er så enkelt … glad planlægning:)

Bemærkninger:

• Alle MENU-kommandoer SKAL være i store bogstaver.
• 19: og 17: vist på ovenstående foto er arduino -håndtrykkoderne (decimal) for "Xoff" og "Xon". Kolonerne blev tilføjet for at forbedre det visuelle udseende. En Inkscape -kommando følger hver "Xon".
• Du bør aldrig se to X, Y-koordinater i samme linje. Hvis dette sker, skal du øge de serielle forsinkelsestider fra deres aktuelle værdi på 100 mS pr. Tegn. Kortere forsinkelser virker muligvis …
• "Hej verden!" plot viser tegn på kumulativ fejl. Tilpasning af CWR burde løse dette.

Klik her for at se mine andre instruktioner.