Einen Stiftplotter bauen: Zwei Schrittmotorachsen, die ankommen

Was du baust

Einen kartesischen Stiftplotter: zwei riemengetriebene Achsen im rechten Winkel, einen Stift, der hebt, und einen Controller, der weiß, wo der Stift ist – weil er beim Start gegen einen Schalter referenzierte und seither jeden Impuls zählte.

Es lohnt Klarheit, warum das eine gute erste Präzisionsmaschine ist – denn das auffälligste Projekt dieser Seite ist es nicht. Alles andere hier – Linienfolger, Hindernisvermeider, Balancierer – hat Feedback. Ein Sensor sieht die Welt, der Code reagiert, Fehler werden fortlaufend korrigiert. Diese Maschine hat nichts davon. Nichts an ihr misst, wo der Stift ist. Der einzige Grund, warum eine auf Papier gezeichnete Linie am richtigen Ort landet, ist, dass jede eingebaute Annahme stimmte.

Das macht sie zu einer ungewöhnlich ehrlichen Lehrerin. Ein driftender Linienfolger folgt weiter der Linie. Ein driftender Plotter zeichnet ein Quadrat, das nicht schließt – und die Lücke liegt direkt dort in Tinte auf Papier, in Millimetern, und sagt exakt, wie falsch man lag.

Die Zahl, die das Projekt treibt

Ein 100-mm-Quadrat zeichnen und die Lücke messen, wo die letzte Ecke die erste treffen sollte.

Diese eine Messung ist die gesamte Anzeigetafel des Projekts – und ihr Wert liegt darin, dass die Form des Fehlers die Ursache verrät:

Vier dieser fünf sind Einstellungen. Eines ist ein Rahmenproblem. Zu wissen, welches man hat, bevor man Dinge ändert, ist der Großteil der Fähigkeit.

Stückliste

Grob 90–130 £. Multimeter und Versorgung sind wiederverwendbar; die Bewegungsteile liegen um 60 £.

Zwei falsche Sparsamkeiten, die man nennen sollte: Nur-Gummi-GT2-Riemen dehnt sich genug, um als Spiel aufzutauchen – und die glasfaserbewehrte Art kostet ein Pfund mehr. Und exakt zwei statt drei Treiber zu kaufen heißt: Der erste, den man per vergessenem Kondensator tötet, stoppt das Projekt für eine Woche.

Wie alles zusammenhängt

                12–24 V  ──┬── 100 µF ──┬── VMOT (X driver)
                           │            └── VMOT (Y driver)
                           └── GND ─────┬── Arduino GND
                                        │
  Arduino Uno                           │
    D2 ── X STEP        D5 ── Y STEP    │      X driver ── coil A ── motor X
    D3 ── X DIR         D6 ── Y DIR     │                └ coil B
    D8 ── ENABLE (both, active low)     │      Y driver ── coil A ── motor Y
    D9 ── X endstop  (INPUT_PULLUP)     │                └ coil B
    D10 ── Y endstop (INPUT_PULLUP)     │
    D11 ── pen servo signal ────────────┴── servo 5 V from the Arduino

Die eine nicht offensichtliche Regel: Die Endschalterleitungen weg von den Motorkabeln führen. Ein Schrittmotorkabel ist eine zerhackende Stromquelle und eine Endschalterleitung, die 300 mm daneben läuft, eine Antenne. Eine Maschine, die bei abgeschalteten Motoren korrekt referenziert und bei laufenden scheitert, hat dieses Problem und sonst keines.

In Meilensteinen bauen

Jeder Meilenstein endet in einem Test. Keinen überspringen – jeder fängt einen Fehler, der später weit schwerer zu finden ist, wenn drei andere Dinge auch falsch sind.

1. Ein Motor auf der Werkbank. Treiber verdrahtet, Vref gesetzt, ENABLE low, 3200 Impulse befohlen. → Bestanden: Die Welle dreht exakt eine Umdrehung und eine Markierung darauf kehrt zehnmal hintereinander an dieselbe Stelle zurück.

2. Vref an beiden Treibern. Aus Motornennwert und eigenen Sense-Widerständen der Platine berechnen – Markierung prüfen, R100 oder R050. → Bestanden: Beide Messgeräte lesen innerhalb 0,02 V des Ziels, und nach zehn Minuten Halten sind die Motoren warm, aber man kann einen Finger darauf lassen.

3. Der Rahmen, beide Achsen fahrend. Riemen montiert und gespannt – fest, nicht gitarrensaitenstraff. → Bestanden: Von Hand bei ausgeschalteten Motoren geschoben bewegt sich jede Achse weich von Ende zu Ende ohne enge Stellen. Klemmen jetzt beheben; es tarnt sich sonst ewig als Schrittverlust.

4. Schritte pro Millimeter. 100 mm an jeder Achse befehlen, mit Lineal messen, per Verhältnis korrigieren, erneut messen. → Bestanden: Befohlene 100 mm ergeben zweimal 99,5–100,5 mm an beiden Achsen.

5. Spiel. Eine Markierung von links anfahren, notieren; von rechts anfahren, notieren. → Bestanden: unter 0,2 mm. Darüber Riemen spannen und prüfen, ob die Madenschrauben der Scheiben auf der Wellenabflachung sitzen.

6. Die Grenze finden, dann zurück. Drehzahl und Beschleunigung erhöhen, bis eine Achse springt, dann beide auf 50–60 % davon setzen. → Bestanden: Zwanzig Hin-und-her-Zyklen mit den gewählten Einstellungen kehren innerhalb 0,1 mm an dieselbe Markierung zurück.

7. Referenzfahrt. Endschalter montiert, dreiphasige Suche implementiert, zehn Referenzzyklen mit je einer Markierung. → Bestanden: Alle zehn Markierungen innerhalb 0,05 mm. Und: Einen Endschalter abziehen, referenzieren, und bestätigen, dass er mit Fehler aufgibt statt mahlt.

8. Die Stifthebung. Servo montiert, Auf- und Ab-Winkel per Versuch gefunden. → Bestanden: Der Stift berührt das Papier mit leichtem, gleichmäßigem Druck über das ganze Bett. Ein starr montierter Stift gräbt sich auf einer Seite eines unebenen Betts ein – gefedert oder schwerkraftgehängt ist weit gutmütiger.

9. Das Quadrat. Referenzieren, dann 100 mm auf Papier. → Bestanden: Die letzte Ecke trifft die erste innerhalb 0,3 mm, und dreimaliges Zeichnen ergibt drei Quadrate am selben Ort.

Wie gut aussieht

Die letzten zwei Zeilen zusammen sind die Lektion des ganzen Projekts. Die Motorauflösung – 0,0125 mm – ist grob zwanzigmal feiner als der Fehler, den man wirklich erreicht. Kein Teil der Endgenauigkeit begrenzt der Schrittmotor. Es sind ganz Riemen, Rahmen und Rechtwinkligkeit.

Das lohnt Verinnerlichen, bevor man einen besseren Motor kauft, um ein Plotproblem zu beheben – und darum steht der Schrittmotorsimulator auf dem Pfad: Er zeigt, dass der Rotor unter realistischer Last bereits drei, vier Mikroschritte hinter dem steht, wo der Treiber ihn wähnt – egal welcher Mikroschritt gewählt ist.

Hardwarenotizen, die zählen

24 V vor 12 V, wenn man die Wahl hat. Beide gehen. Der Unterschied liegt dort, wo Drehmoment wegzubrechen beginnt: etwa 280 U/min an 12 V gegen 600 U/min an 24 V bei gleichem Motor und gleicher Stromgrenze. Auf 20-Zahn-GT2-Scheibe sind das grob 190 mm/s gegen 400 mm/s, bevor die Maschine zu kämpfen beginnt. Kriecht der Plotter nur je, reichen 12 V.

Jumper MS1–MS3 high. Sechzehntelschritt macht die Maschine nicht genauer – stoppt aber das Klingeln der Motoren bei jedem Schritt, was an einem leichten Rahmen der Unterschied ist zwischen einer Maschine, die wie eine Maschine klingt, und einer, die wie eine wütende Wespe klingt. Der Preis sind 8 000 Impulse pro Sekunde bei 100 mm/s, was ein Uno schafft.

Die Riemen fest spannen, nicht straff. Überspannte Riemen belasten die Motorlager und fügen Reibung hinzu, die Drehmomentreserve frisst. Unterspannte Riemen fügen Spiel hinzu. Fest genug für dumpfes Anreißen ist richtig.

Beide Madenschrauben auf der Scheibenabflachung. Eine 20-Zahn-Scheibe, die auf einer Welle kriecht, erzeugt einen Fehler, der exakt wie Schrittverlust aussieht und auf keine Schrittverlustlösung anspricht. Loctite ist hier nicht übertrieben.

Wenn es schiefgeht

Wohin als Nächstes

GRBL einspielen. Sobald die Maschine bewiesen ist, liefert flashen von GRBL einen echten G-Code-Interpreter mit Referenzfahrt, Softlimits, Koordinatensystemen und Beschleunigung bereits geschrieben. $100 und $101 mit kalibrierten Schritten/mm konfigurieren, und man fährt sie aus jedem CAM-Werkzeug.

CoreXY. Dieselben zwei Motoren, beide am Rahmen fest, mit Riemen so geführt, dass X und Y Kombinationen beider Motoren sind statt je einer. Weniger bewegte Masse – also schneller und genauer, zum Preis einer kinematischen Mischschicht zwischen Koordinaten und Motoren.

Ein Laser statt Stift. Mechanisch dieselbe Maschine mit anderem Werkzeug – doch ein Diodenlaser bringt echte Augensicherheitsanforderungen, ein Gehäuse und Verriegelungen. Als separates Projekt behandeln statt als Tausch.

Eine Leitspindel-Z-Achse. Wer auf etwas mit Höhe plotten oder leicht gravieren will: Eine T8-Spindel liefert 400 Schritte/mm und hält die Position stromlos.

Closed-Loop-Schrittmotoren. Das eine Upgrade, das die schärfste Fehlermode dieses Projekts vollständig beseitigt. Ein Encoder auf jeder Motorrückseite verwandelt einen lautlosen verlorenen Schritt in Korrektur oder Alarm. Drei- bis vierfache Kosten – und wirklich unnötig, wenn alle Meilensteine oben bestanden.