Construye un plóter de dibujo: dos ejes paso a paso

Qué vas a construir

Un plóter de dibujo cartesiano: dos ejes ortogonales accionados por correas dentadas, un mecanismo elevador de lápiz y un controlador que determina la posición exacta de la pluma porque estableció su cero de máquina contra finales de carrera al encender y ha contabilizado meticulosamente cada pulso emitido desde entonces.

Conviene reflexionar sobre por qué este es el proyecto idóneo para introducirse en las máquinas de precisión. Casi todos los demás proyectos del catálogo —seguidores de línea, esquivadores de obstáculos, robots de autoequilibrio— cuentan con realimentación sensorial en bucle cerrado: un sensor percibe el entorno, el software reacciona y los desvíos se corrigen continuamente. Esta máquina carece de ello. Ningún sensor mide dónde se encuentra el lápiz sobre el papel. La única razón por la que un trazo culmina en el punto exacto es que cada hipótesis de diseño y calibración física se cumplió con exactitud.

Esa característica la convierte en una maestra rigurosa. Un seguidor de línea que derive unos milímetros sigue completando el circuito. Un plóter con derivas traza un cuadrado cuyos extremos no se tocan, y ese hueco visible en tinta sobre el papel revela en milímetros exactos la magnitud del error acumulado.

La métrica rectora del proyecto

Dibuja un cuadrado de 100 mm de lado y mide con calibre el desfase en el vértice donde la última esquina debería encontrarse con la primera.

Esa única medición es el panel de control del proyecto, y la morfología del error diagnostica su causa raíz:

Cuatro de estas cinco causas se solucionan mediante parámetros de configuración; una reside en la estructura física. Distinguir cuál tienes delante antes de alterar variables constituye la destreza fundamental de este montaje.

Lista de materiales (BOM)

Presupuesto total estimado: 90–130 €. El multímetro y la fuente de alimentación son herramientas reutilizables; la mecánica específica ronda los 60 €.

Adquirir correas de caucho sin núcleo de fibra provoca estiramientos plásticos que degradan la repetibilidad, y comprar únicamente dos controladores en lugar de tres implica que un descuido accidental sin condensador detendrá el proyecto durante días.

Esquema general de conexiones

                12–24 V  ──┬── 100 µF ──┬── VMOT (Driver X)
                           │            └── VMOT (Driver Y)
                           └── GND ─────┬── Arduino GND
                                        │
  Arduino Uno                           │
    D2 ── X STEP        D5 ── Y STEP    │      Driver X ── bobina A ── motor X
    D3 ── X DIR         D6 ── Y DIR     │                └ bobina B
    D8 ── ENABLE (ambos, activo bajo)   │      Driver Y ── bobina A ── motor Y
    D9 ── X endstop  (INPUT_PULLUP)     │                └ bobina B
    D10 ── Y endstop (INPUT_PULLUP)     │
    D11 ── Señal servo pluma ───────────┴── Alimentación servo 5 V de Arduino

Una pauta de cableado esencial: mantén los cables de los finales de carrera físicamente separados del cableado de los motores. La corriente conmutada de un motor paso a paso induce picos electromagnéticos considerables, y un hilo de final de carrera que transcurra en paralelo a lo largo de 30 cm actúa como una antena receptora de ruido espurio. Una máquina que busca el cero de forma impecable con motores parados pero falla en plena ejecución adolece casi con certeza de este acoplamiento inductivo.

Hitos progresivos de validación

Supera metódicamente cada etapa antes de avanzar al siguiente ensamblaje:

1. Un motor individual en banco. Driver cableado, Vref calibrado, pin ENABLE a nivel bajo y 3200 micropulsos enviados. → Criterio de éxito: el eje gira una revolución completa y la marca de referencia vuelve al punto inicial diez veces seguidas.

2. Calibración de Vref en ambos controladores. Calcula el voltaje según la corriente nominal del motor y el valor de las resistencias sensoras de la placa (R100 o R050). → Criterio de éxito: lectura con multímetro dentro de ±0.02 V del valor teórico; tras 10 minutos de retención estática, los motores están tibios pero toleran el tacto continuo.

3. Bastidor y desplazamiento de ambos ejes. Correas montadas y con tensión media. → Criterio de éxito: desplazados manualmente con motores apagados, los carros deslizan con suavidad de tope a tope sin puntos duros ni atascos.

4. Pasos por milímetro. Ordena un desplazamiento de 100 mm en cada eje, mide con regla rígida y recalibra la relación si procede. → Criterio de éxito: un comando de 100 mm arroja entre 99.5 y 100.5 mm en ambos ejes repetidamente.

5. Medición de holgura (backlash). Aproxima el carro a una cota desde la izquierda y anota la posición; aproxímalo desde la derecha y compara. → Criterio de éxito: diferencia inferior a 0.2 mm. Si es mayor, retensa las correas y aprieta los prisioneros sobre el plano del eje.

6. Búsqueda de límites dinámicos. Incrementa velocidad y rampa de aceleración hasta que se produzca una pérdida de sincronismo (salto de pasos), fijando los parámetros nominales de trabajo al 50–60% de ese umbral crítico. → Criterio de éxito: 20 ciclos de ida y vuelta a velocidad de trabajo retornan a la misma marca con menos de 0.1 mm de variación.

7. Rutina de homing (cero de máquina). Finales de carrera montados, ciclo de tres fases implementado y diez secuencias de búsqueda de cero evaluadas. → Criterio de éxito: las diez marcas quedan confinadas dentro de 0.05 mm. Desconecta un final de carrera y comprueba que el firmware arroja error en lugar de forzar mecánicamente el carro.

8. Mecanismo de pluma. Servo montado y calibrado en ángulos de reposo y contacto. → Criterio de éxito: la pluma contacta el papel con una presión ligera y constante a lo largo de toda la superficie de dibujo.

9. El cuadrado de validación. Realiza el ciclo de homing y dibuja un cuadrado de 100 mm sobre papel. → Criterio de éxito: el último vértice cierra sobre el primero con una tolerancia inferior a 0.3 mm, y tres repeticiones sucesivas superponen sus trazos con total fidelidad.

Qué aspecto tiene una máquina bien calibrada

La comparación entre la resolución teórica por micropaso (0.0125 mm) y el error geométrico real (0.2–0.3 mm) sintetiza la lección técnica del proyecto: la resolución electrónica es veinte veces más fina que la precisión final obtenida. Ningún componente de la precisión global está limitado por el motor paso a paso; depende exclusivamente de la rigidez de la estructura, la tensión de las correas y la perpendicularidad de las guías.

El simulador de motores paso a paso ejemplifica esta realidad: bajo una carga mecánica realista, el rotor se desfasa físicamente tres o cuatro micropasos por detrás de la posición teórica dictada por el driver antes de perder el paso.

Detalles de hardware fundamentales

Preferible 24 V sobre 12 V. Ambos voltajes son funcionales. La diferencia radica en la velocidad a la que el par útil decae por efecto de la fuerza contraelectromotriz: alrededor de 280 rpm a 12 V frente a 600 rpm a 24 V para un mismo motor y límite de corriente. Con poleas GT2 de 20 dientes, esto equivale a unos 190 mm/s frente a 400 mm/s antes de comprometer el margen de par.

Configura los puentes MS1–MS3 en alto (1/16 de paso). La división por dieciséis no incrementa la precisión absoluta de la máquina, pero atenúa drásticamente las resonancias mecánicas y vibraciones acústicas de cada conmutación de fase, logrando un desplazamiento suave y silencioso. El coste computacional de generar 8 000 pulsos por segundo a 100 mm/s se encuentra perfectamente dentro de las capacidades de un Arduino Uno.

Ajusta la tensión de las correas a un nivel firme, sin exceso. Una tensión desmedida sobrecarga los rodamientos del motor y añade fricción parásita que consume par motor útil; una tensión insuficiente introduce holgura en los cambios de sentido.

Aprieta ambos prisioneros asegurando el plano rectificado del eje. Si una polea se desliza sobre el eje cilíndrico, el error resultante imita una pérdida de pasos pero no responde a ninguna corrección electrónica. Una gota de fijador de roscas es una medida altamente preventiva.

Diagnóstico y resolución de fallos

Ampliaciones futuras recomendadas

Implementación de firmware GRBL. Una vez validada la cinemática, flashear GRBL dota a la placa de un intérprete estandarizado de comandos G-code con control de homing, límites suaves, aceleraciones optimizadas y múltiples sistemas de coordenadas, permitiendo enlazar el plóter con suites de software de diseño vectorial y CAM.

Arquitectura cinemática CoreXY. Empleando los mismos dos motores anclados al bastidor estático y un tendido cruzado de correas, los ejes X e Y se convierten en combinaciones cinemáticas sincronizadas. Al no desplazar el peso de los motores en los carros móviles, se incrementa notablemente la aceleración y la velocidad de operación.

Cabezal láser de diodo. Mecánicamente equivalente con una herramienta lumínica, requiriendo cabinas cerradas, filtros de longitud de onda específicos y sistemas de enclavamiento de seguridad certificados.

Eje Z motorizado con husillo. Para trazar sobre superficies de altura variable o realizar grabados superficiales, un husillo T8 entrega 400 pasos/mm y retiene su posición con los motores desenergizados.

Control paso a paso en bucle cerrado. La inclusión de un codificador magnético u óptico tras cada motor convierte cualquier salto de paso inadvertido en una corrección inmediata o en una alarma de parada de seguridad.