Costruisci un plotter a penna: due assi passo-passo che arrivano

Cosa stai costruendo

Un plotter cartesiano a penna: due assi a cinghie ad angolo retto, una penna che si solleva e un controllore che sa dove si trova la penna perché ha eseguito l’homing contro un interruttore all’accensione e da allora ha contato ogni impulso.

Vale la pena chiarire perché questa è una buona prima macchina di precisione, perché non è il progetto più spettacolare di questo sito. Tutto ciò che c’è qui — seguitore di linea, evitatore di ostacoli, robot che si bilancia — ha una retroazione. Un sensore osserva il mondo, il codice reagisce, gli errori vengono corretti in continuo. Questa macchina non ha nulla di tutto ciò. Nulla su di essa misura dove si trova la penna. L’unico motivo per cui una linea tracciata sulla carta finisce nel posto giusto è che ogni ipotesi su cui hai costruito il sistema si è rivelata vera.

Questo la rende un maestro insolitamente onesto. Un seguitore di linea che deriva continua comunque a seguire la linea. Un plotter che deriva disegna un quadrato che non si chiude, e il divario è proprio lì, a penna su carta, in millimetri, e ti dice esattamente quanto hai sbagliato.

Il numero che governa il progetto

Disegna un quadrato di 100 mm e misura il divario nel punto in cui l’ultimo angolo dovrebbe incontrare il primo.

Quella singola misurazione è l’intero tabellone del progetto, e il suo valore è che la forma dell’errore ne indica la causa:

Quattro di queste cinque cause sono impostazioni. Una è un problema del telaio. Sapere quale hai prima di iniziare a modificare le cose costituisce gran parte della competenza.

Lista dei componenti

Circa £90–130. Il multimetro e l’alimentatore sono riutilizzabili; le parti per il movimento costano circa £60.

Ci sono due risparmi fasulli che vale la pena nominare. Una cinghia GT2 solo in gomma si allunga abbastanza da manifestarsi come gioco meccanico, mentre quella con nucleo in fibra di vetro costa una sterlina in più. E acquistare esattamente due driver invece di tre significa che il primo che distruggi dimenticando il condensatore blocca il progetto per una settimana.

Come è collegato tutto

                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 regola non ovvia è una sola: instrada i fili dei finecorsa lontano dai cavi dei motori. Il cavo di un motore passo-passo è una sorgente di corrente a treno d’onda e un filo di finecorsa che lo affianca per 300 mm diventa un’antenna. Una macchina che esegue l’homing correttamente con i motori disabilitati e fallisce mentre sono in funzione ha questo problema e nessun altro.

Costruiscilo per traguardi

Ogni traguardo termina con una prova. Non saltarli — ognuno intercetta un guasto molto più difficile da trovare in seguito, quando anche altre tre cose saranno sbagliate.

1. Un motore sul banco. Driver cablato, Vref impostato, ENABLE basso, 3200 impulsi comandati. → Superato: l’albero compie esattamente una rivoluzione e il segno su di esso torna nello stesso punto, per dieci volte.

2. Vref su entrambi i driver. Calcola in base alla corrente nominale del motore e ai resistori di sensore della tua scheda — controlla la marcatura, R100 o R050. → Superato: entrambi i multimetri indicano un valore entro 0.02 V rispetto al valore di riferimento e, dopo dieci minuti di eccitazione, i motori sono caldi ma puoi tenere un dito su di essi.

3. Il telaio, entrambi gli assi in movimento. Cinghie montate e tese — sode, ma non tese come la corda di una chitarra. → Superato: spingendo a mano con i motori spenti, ogni asse si muove in modo fluido da un’estremità all’altra senza punti duri. Correggi ora eventuali blocchi; in seguito si fingeranno sempre come perdita di passi.

4. Passi per millimetro. Comanda 100 mm su ciascun asse, misura con un righello, correggi in base al rapporto e rimisura. → Superato: 100 mm comandati danno 99.5–100.5 mm su entrambi gli assi, due volte.

5. Gioco meccanico. Avvicinati a un segno da sinistra e annotalo; avvicinati da destra e annotalo. → Superato: meno di 0.2 mm. Se supera tale valore, tendi le cinghie e controlla che le viti senza testa delle pulegge siano sulle superfici piane dell’albero.

6. Trova il limite, poi arretrati. Aumenta velocità e accelerazione finché un asse salta un passo, poi imposta entrambe al 50–60% di tale valore. → Superato: venti cicli di andata e ritorno con le impostazioni scelte tornano allo stesso segno entro 0.1 mm.

7. Homing. Finecorsa montati, ricerca in tre fasi implementata, dieci cicli di homing con un segno tracciato ogni volta. → Superato: tutti e dieci i segni rientrano in 0.05 mm. E: scollega un finecorsa, esegui l’homing e verifica che si arresti segnalando un errore invece di continuare a spingere.

8. Il sollevamento della penna. Servomotore montato, angoli di salita e discesa determinati per prova. → Superato: la penna tocca la carta con una pressione leggera e uniforme su tutto il piano. Una penna montata rigidamente penetrerà su un lato di un piano non in livello — sospesa elasticamente o per gravità è molto più tollerante.

9. Il quadrato. Esegui l’homing, poi disegna 100 mm sulla carta. → Superato: l’ultimo angolo incontra il primo entro 0.3 mm e, disegnandolo tre volte, ottieni tre quadrati nello stesso posto.

Come appare un risultato buono

Le ultime due righe insieme sono la lezione dell’intero progetto. La risoluzione del motore — 0.0125 mm — è all’incirca venti volte più fine dell’errore che realizzerai davvero. Nessuna parte della precisione finale è limitata dal motore passo-passo. Tutto dipende da cinghie, telaio e ortogonalità.

Vale la pena interiorizzarlo prima di acquistare un motore migliore per risolvere un problema di tracciatura, ed è il motivo per cui il simulatore di motore passo-passo è nel percorso: ti mostra che sotto un carico realistico il rotore si trova già tre o quattro microstep dietro rispetto a dove il driver pensa che sia, qualunque microstepping scelga.

Note sull’hardware che contano

Preferisci 24 V a 12 V, se puoi. Funzionano entrambi. La differenza è il punto in cui la coppia inizia a diminuire: circa 280 rpm a 12 V contro 600 rpm a 24 V per lo stesso motore e limite di corrente. Su una puleggia GT2 a 20 denti corrisponde all’incirca a 190 mm/s contro 400 mm/s prima che la macchina inizi a soffrire. Se il plotter dovrà sempre procedere lentamente, 12 V bastano.

Porta i jumper MS1–MS3 alti. Lo stepping a sedicesimi non rende la macchina più precisa, ma impedisce ai motori di rimbombare a ogni passo, il che su un telaio leggero fa la differenza tra una macchina che suona come una macchina e una che suona come un’vespa arrabbiata. Il costo è di 8 000 impulsi al secondo a 100 mm/s, che un Uno gestisce.

Tendi le cinghie in modo sodo, non teso. Le cinghie troppo tese caricano i cuscinetti del motore e aggiungono attrito che consuma il margine di coppia. Quelle troppo allentate aggiungono gioco meccanico. Devono essere abbastanza tese da suonare ovattamente quando le fai vibrare.

Entrambe le viti senza testa sulla superficie piana della puleggia. Una puleggia a 20 denti che scivola sull’albero produce un errore identico alla perdita di passi, che non risponde a nessuno dei rimedi per la perdita di passi. La Loctite non è eccessiva.

Quando va storto

Dove portarlo in seguito

Sostituisci il firmware con GRBL. Una volta dimostrata la funzionalità della macchina, installare GRBL ti dà un vero interprete G-code con homing, limiti software, sistemi di coordinate e accelerazione già implementati. Configura $100 e $101 con i passi/mm calibrati e potrai comandarlo da qualsiasi strumento CAM.

CoreXY. Gli stessi due motori, entrambi fissati al telaio, con cinghie instradate in modo che X e Y siano combinazioni dei due motori anziché uno per ciascuno. Minore massa in movimento, quindi maggiore velocità e precisione — al costo di un livello cinematico di mescolamento tra coordinate e motori.

Un laser invece di una penna. Meccanicamente è la stessa macchina con un utensile diverso, ma un laser a diodo introduce reali requisiti di sicurezza per gli occhi, un’involucro e dispositivi di interblocco. Trattalo come un progetto separato anziché come una sostituzione.

Un asse Z con vite senza fine. Se vuoi tracciare su qualcosa dotato di altezza, oppure passare a incisioni leggere, una vite T8 fornisce 400 passi/mm e mantiene la posizione anche a tensione spenta.

Motore passo-passo a ciclo chiuso. L’unico potenziamento che elimina completamente la modalità di guasto più critica di questo progetto. Un encoder sul retro di ogni motore trasforma una silenziosa perdita di passi in una correzione o in un allarme. Costa tre o quattro volte tanto ed è davvero superfluo se hai superato tutti i traguardi sopra riportati.