Construire un traceur à stylo : deux axes pas à pas qui arrivent

Ce que vous construisez

Un traceur à stylo cartésien : deux axes à courroie à angle droit, un stylo qui se lève, et un contrôleur qui sait où est le stylo car il s’est référencé contre un interrupteur au démarrage et a compté chaque impulsion depuis.

Il vaut d’être clair sur pourquoi c’est une bonne première machine de précision, car ce n’est pas le projet le plus voyant de ce site. Tout le reste ici — suiveurs de ligne, éviteurs d’obstacles, équilibristes — a une rétroaction. Un capteur voit le monde, le code réagit, les erreurs se corrigent en continu. Cette machine n’en a aucune. Rien dessus ne mesure où est le stylo. La seule raison pour laquelle une ligne tracée sur papier finit au bon endroit est que chaque hypothèse intégrée était vraie.

Cela en fait un enseignant inhabituellement honnête. Un suiveur qui dérive suit encore la ligne. Un traceur qui dérive dessine un carré qui ne se referme pas, et l’écart est là en encre sur papier, en millimètres, disant exactement à quel point vous aviez tort.

Le nombre qui pilote le projet

Dessinez un carré de 100 mm et mesurez l’écart où le dernier coin devrait rejoindre le premier.

Cette seule mesure est tout le tableau de bord du projet, et sa valeur est que la forme de l’erreur dit la cause :

Quatre de ces cinq sont des réglages. Un est un problème de cadre. Savoir lequel vous avez avant de changer des choses est l’essentiel de la compétence.

Nomenclature

Environ £90–130. Le multimètre et l’alimentation sont réutilisables ; les pièces de mouvement font environ £60.

Deux fausses économies à nommer. La courroie GT2 tout caoutchouc s’étire assez pour apparaître comme du jeu, et celle à âme fibre de verre coûte une livre de plus. Et acheter exactement deux pilotes plutôt que trois signifie que le premier tué par l’oubli du condensateur arrête le projet pour une semaine.

Comment tout se relie

                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

La seule règle pas évidente : éloignez les fils de fins de course des câbles moteurs. Un câble pas à pas est une source de courant haché et un fil de fin de course longeant 300 mm est une antenne. Une machine qui se référence correctement moteurs désactivés et échoue moteurs actifs a ce problème et aucun autre.

Construisez par étapes

Chaque étape finit par un test. Ne les sautez pas — chacune attrape un défaut bien plus dur à trouver ensuite, une fois que trois autres choses sont aussi fausses.

1. Un moteur sur l’établi. Pilote câblé, Vref réglée, ENABLE bas, 3200 impulsions commandées. → Réussi : l’arbre tourne exactement un tour et une marque revient au même endroit, dix fois de suite.

2. Vref sur les deux pilotes. Calculez depuis le nominal de votre moteur et les résistances de mesure de votre carte — vérifiez le marquage, R100 ou R050. → Réussi : les deux multimètres lisent à 0,02 V près de la cible, et après dix minutes de maintien, les moteurs sont chauds mais on peut garder le doigt dessus.

3. Le cadre, les deux axes bougent. Courroies montées et tendues — fermes, pas tendues comme une corde de guitare. → Réussi : poussé à la main moteurs coupés, chaque axe coulisse doucement de bout en bout sans point dur. Corrigez le grippage maintenant ; il se déguisera en pas perdus pour toujours sinon.

4. Pas par millimètre. Commandez 100 mm sur chaque axe, mesurez au réglet, corrigez par le ratio, remesurez. → Réussi : 100 mm commandés donnent 99,5–100,5 mm sur les deux axes, deux fois.

5. Jeu. Approchez une marque par la gauche, notez ; approchez par la droite, notez. → Réussi : moins de 0,2 mm. Au-delà, tendez les courroies et vérifiez que les vis sans tête des poulies sont sur le méplat de l’arbre.

6. Trouvez la limite, puis reculez. Montez vitesse et accélération jusqu’à ce qu’un axe saute, puis réglez les deux à 50–60 % de cela. → Réussi : vingt allers-retours à vos réglages choisis reviennent à la même marque à 0,1 mm près.

7. Référencement. Fins de course montés, recherche en trois phases implémentée, dix cycles de référencement avec une marque à chaque fois. → Réussi : les dix marques dans 0,05 mm. Et : débranchez un fin de course, référencez, et confirmez qu’il abandonne avec une erreur au lieu de labourer.

8. Le levage du stylo. Servo monté, angles haut et bas trouvés par essais. → Réussi : le stylo touche le papier avec une pression légère et régulière sur tout le lit. Un stylo monté rigide creusera d’un côté d’un lit pas de niveau — suspendu par ressort ou gravité est bien plus indulgent.

9. Le carré. Référencez, puis dessinez 100 mm sur papier. → Réussi : le dernier coin rejoint le premier à 0,3 mm près, et le dessiner trois fois donne trois carrés au même endroit.

À quoi ressemble un bon résultat

Les deux dernières lignes ensemble sont la leçon de tout le projet. La résolution du moteur — 0,0125 mm — est environ vingt fois plus fine que l’erreur réellement atteinte. Aucune partie de la précision finale n’est limitée par le pas à pas. Tout est courroie, cadre et équerrage.

Cela vaut d’être intégré avant d’acheter un meilleur moteur pour corriger un problème de tracé, et c’est pourquoi le simulateur pas à pas est sur le parcours : il montre que sous charge réaliste le rotor est déjà trois ou quatre micropas derrière où le pilote croit qu’il est, quel que soit le micropas choisi.

Notes matérielles importantes

24 V plutôt que 12 V, si vous avez le choix. Les deux marchent. La différence est où le couple commence à s’effondrer : environ 280 tr/min à 12 V contre 600 tr/min à 24 V pour même moteur et même limite de courant. Sur une poulie GT2 20 dents, c’est environ 190 mm/s contre 400 mm/s avant que la machine peine. Si le traceur ne fera que ramper, 12 V suffit.

Cavaliez MS1–MS3 au haut. Le seizième de pas ne rend pas la machine plus précise, mais il empêche les moteurs de sonner à chaque pas, ce qui sur un cadre léger fait la différence entre une machine qui sonne comme une machine et une qui sonne comme une guêpe en colère. Le coût est 8 000 impulsions par seconde à 100 mm/s, ce qu’un Uno gère.

Tendez les courroies fermes, pas tendues. Des courroies sur-tendues chargent les roulements moteurs et ajoutent du frottement qui mange la marge de couple. Sous-tendues elles ajoutent du jeu. Assez fermes pour sonner sourd est juste.

Les deux vis sans tête sur le méplat de poulie. Une poulie 20 dents qui rampe sur un arbre produit une erreur qui ressemble exactement à des pas perdus et ne répond à aucun des correctifs des pas perdus. Du frein-filet n’est pas excessif ici.

Quand ça tourne mal

Pour aller plus loin

Passez à GRBL. Une fois la machine prouvée, flasher GRBL donne un vrai interpréteur de G-code avec référencement, limites logicielles, systèmes de coordonnées et accélération déjà écrits. Configurez $100 et $101 avec vos pas/mm calibrés et vous pouvez la piloter depuis tout outil FAO.

CoreXY. Les mêmes deux moteurs, tous deux fixés au cadre, avec des courroies routées pour que X et Y soient des combinaisons des deux moteurs plutôt qu’un chacun. Moins de masse mobile, donc plus vite et plus précis — au prix d’une couche de mélange cinématique entre les coordonnées et les moteurs.

Un laser au lieu d’un stylo. Mécaniquement c’est la même machine avec un autre outil, mais une diode laser ajoute de vraies exigences de sécurité oculaire, un caisson et des verrouillages. Traitez-le comme un projet séparé plutôt qu’un échange.

Un axe Z à vis-mère. Si vous voulez tracer sur quelque chose avec du relief, ou passer à la gravure légère, une vis T8 donne 400 pas/mm et tient la position hors tension.

Pas à pas en boucle fermée. La seule amélioration qui supprime entièrement le mode de défaillance le plus net de ce projet. Un codeur au dos de chaque moteur transforme un pas perdu silencieux en correction ou alarme. Trois ou quatre fois le coût, et vraiment inutile si les étapes ci-dessus ont toutes passé.