Bouw een penplotter: twee stappenmotorassen die op de plek komen

Wat je bouwt

Een cartesische penplotter: twee door riemen aangedreven assen die loodrecht op elkaar staan, een pen die omhoog kan, en een besturingseenheid die weet waar de pen is, omdat die bij het opstarten tegen een schakelaar de nulpositie heeft bepaald en sindsdien elke puls heeft geteld.

Het is de moeite waard duidelijk te zeggen waarom dit een goede eerste precisiemachine is, want het is niet het spectaculairste project op deze site. Al het andere hier — lijnvolgers, obstakelvermijders, balancers — heeft terugkoppeling. Een sensor ziet de wereld, de code reageert, fouten worden voortdurend gecorrigeerd. Deze machine heeft daar niets van. Niets erop meet waar de pen is. De enige reden dat een lijn op papier op de juiste plek terechtkomt, is dat elke aanname die je hebt ingebouwd klopte.

Daarmee is het een ongewoon eerlijke leermeester. Een lijnvolger die afdrijft volgt de lijn nog steeds. Een plotter die afdrijft tekent een vierkant dat niet sluit, en de kloof ligt er in pen op papier, in millimeters, en vertelt je precies hoe verkeerd je zat.

Het getal waar het hele project om draait

Teken een vierkant van 100 mm en meet de kloof waar de laatste hoek de eerste zou moeten raken.

Die ene meting is de volledige scorekaart van het project, en de waarde ervan is dat de vorm van de fout je de oorzaak vertelt:

Vier van die vijf zijn instellingen. Eén is een frameprobleem. Weten welke van de twee je hebt voordat je iets verandert, is het meeste van de vaardigheid.

Onderdelenlijst

Ongeveer £90–130. De multimeter en de voeding zijn herbruikbaar; de bewegingsonderdelen kosten zo’n £60.

Twee valkuilen die het noemen waard zijn. Een GT2-riem met alleen rubber rekt genoeg uit om zich als speling te tonen, en de variant met glasvezelkern kost een pond meer. En wie precies twee drivers koopt in plaats van drie, ziet de eerste die hij vergeet af te dekken met een condensator het project meteen een week lang stillig liggen.

Hoe alles samenhangt

                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

De enige niet-vanzelfsprekende regel: leid de draden van de eindstopschakelaars weg van de motorkabels. Een stappenmotorkabel is een choppende stroombron, en een eindstopdraad die er 300 mm naast loopt is een antenne. Een machine die goed homt met de motoren uitgeschakeld en het niet doet terwijl ze draaien, heeft precies dit probleem en niets anders.

Bouw het in mijlpalen

Elke mijlpaal eindigt in een test. Sla ze niet over — elke test vangt een fout die later veel lastiger te vinden is, als er al drie andere dingen ook kapot zijn.

1. Eén motor op de werkbank. Driver bedraad, Vref ingesteld, ENABLE laag, 3200 pulsen gestuurd. → Criterium: de as draait precies één omwenteling en een markering erop komt tien keer na elkaar op dezelfde plek terug.

2. Vref op beide drivers. Reken het uit op basis van de nominale stroom van je motor en de meetweerstanden op jouw bord — controleer de aanduiding, R100 of R050. → Criterium: beide meters lezen binnen 0,02 V van de doelwaarde, en na tien minuten vasthouden zijn de motoren warm maar kun je er nog je vinger op houden.

3. Het frame, met beide assen in beweging. Riemen gemonteerd en gespannen — strak, maar niet gitaarsnaarstrak. → Criterium: met uitgeschakelde motoren met de hand geduwd, beweegt elke as soepel van het ene uiteinde naar het andere zonder plekken waar het vastloopt. Verhelp dit meteen; anders doet het zich later altijd voor als stappenverlies.

4. Stappen per millimeter. Stuur 100 mm op elke as aan, meet met een liniaal, corrigeer met de verhouding en meet opnieuw. → Criterium: een aangestuurde 100 mm levert op beide assen 99,5–100,5 mm, twee keer.

5. Speling. Nader een markering van links, noteer hem; nader van rechts, noteer hem. → Criterium: minder dan 0,2 mm. Daarboven: riemen aanspannen en controleren of de borstelschroeven op het vlak van de as zitten.

6. Zoek de grens en neem gas terug. Verhoog snelheid en versnelling tot een as stappen overslaat en zet beide op 50–60% daarvan. → Criterium: twintig heen-en-weercycli op je gekozen instellingen komen binnen 0,1 mm op dezelfde markering terug.

7. Homing. Eindstopschakelaars gemonteerd, zoeken in drie fasen geïmplementeerd, tien homingcycli met telkens een markering. → Criterium: alle tien markeringen binnen 0,05 mm. En: haal een eindstop eruit, hom, en controleer dat hij met een foutmelding opgeeft in plaats van te blijven wrijven.

8. De penoplaat. Servomotor gemonteerd, bovenste en onderste stand gevonden door te proberen. → Criterium: de pen raakt het papier met lichte, gelijkmatige druk over het hele bed. Een pen die je stijf monteert graaft zich aan één kant in een bed dat niet waterpas staat; monteer je hem aan een veer of laat je hem aan de zwaartekracht hangen, dan is dat veel vergevingsgezinder.

9. Het vierkant. Hom, en teken dan 100 mm op papier. → Criterium: de laatste hoek raakt de eerste binnen 0,3 mm, en drie keer tekenen geeft drie vierkanten op dezelfde plek.

Hoe goed het eruit moet zien

De laatste twee rijen samen zijn de les van het hele project. De resolutie van de motor — 0,0125 mm — is ongeveer twintig keer fijner dan de fout die je in de praktijk haalt. Geen enkel deel van de uiteindelijke nauwkeurigheid wordt door de stappenmotor begrensd. Het is allemaal riem, frame en loodrechtheid.

Dat is de moeite waard te begrijpen voordat je een betere motor koopt om een tekenprobleem op te lossen, en daarom staat de stappenmotor-simulator op het pad: hij laat zien dat de rotor onder een realistische belasting al drie of vier microstappen achter de positie zit die de driver denkt te hebben, ongeacht welk microstappen je kiest.

Hardwaretips die ertoe doen

24 V in plaats van 12 V, als je kiezen mag. Allebei werken. Het verschil is waar het koppel wegvalt: ongeveer 280 rpm bij 12 V tegenover 600 rpm bij 24 V, voor dezelfde motor en dezelfde stroomgrens. Op een GT2-riemschijf met 20 tanden is dat ruwweg 190 mm/s tegenover 400 mm/s voordat de machine begint te tobben. Als de plotter maar langzaam kruipt, is 12 V prima.

Zet jumper MS1–MS3 hoog. Stappen in zesten maakt de machine niet nauwkeuriger, maar het voorkomt dat de motoren bij elke stap nazingen, wat op een licht frame het verschil is tussen een machine die klinkt als een machine en een die klinkt als een boze wesp. Dat kost 8 000 pulsen per seconde bij 100 mm/s, en een Uno kan dat aan.

Span de riemen strak, maar niet klem. Te strak gespannen riemen belasten de lagers van de motor en voegen wrijving toe die je koppelmarge opslokt. Te los gespannen riemen geven extra speling. Strak genoeg om dof te tokken, maar niet verder, is goed.

Beide borstelschroeven op het vlak van de as. Een riemschijf met 20 tanden die op de as kruipt levert een fout die er precies uitziet als stappenverlies en op geen enkele oplossing daarvoor reageert. Loctite is hier niet overdreven.

Wat er misgaat

Waar je hierna mee verder kunt

Zet GRBL erin. Zodra de machine bewezen werkt, geeft het flashen van GRBL je een echte G-code-interpreter met homing, zachte limieten, coördinatensystemen en versnelling al geschreven. Stel $100 en $101 in met je gekalibreerde stappen/mm en je kunt hem vanuit elke CAM-tool aansturen.

CoreXY. Dezelfde twee motoren, allebei vast aan het frame, met riemen zó gelegd dat X en Y combinaties van de twee motoren zijn in plaats van elk één motor. Minder bewegende massa, dus sneller en nauwkeuriger — tegen de prijs van een kinematische menglaag tussen de coördinaten en de motoren.

Een laser in plaats van een pen. Mechanisch is het dezelfde machine met een ander gereedschap, maar een diodelaser voegt echte eisen voor oogveiligheid, een behuizing en vergrendelingen toe. Behandel het als een apart project, niet als een uitwisseling.

Een Z-as met schroefspindel. Wil je tekenen op iets met hoogte, of overstappen op licht graveren, dan geeft een T8-schroefspindel 400 stappen/mm en houdt de positie vast met de voeding uit.

Stappenmotoren met gesloten lus. De enige upgrade die de gevaarlijkste storingsmodus van dit project volledig wegneemt. Een encoder op de achterkant van elke motor maakt van een stilzwijgend verloren stap een correctie of een alarm. Drie tot vier keer de kosten, en werkelijk overbodig als je alle mijlpalen hierboven hebt gehaald.