Construa um plotter de caneta cartesiano de dois eixos

O que você está construindo

Um plotter cartesiano de caneta: dois eixos em ângulo reto movidos por correias, uma caneta que sobe e um controlador que sabe onde ela está porque determinou a origem em uma chave na inicialização e contou cada pulso desde então.

Vale deixar claro por que esta é uma boa primeira máquina de precisão, porque não é o projeto mais vistoso do site. Tudo o mais aqui — robôs seguidores de linha, robôs com desvio de obstáculos, robôs autobalanceadores — tem realimentação. Um sensor observa o ambiente, o código reage e os erros são corrigidos continuamente. Esta máquina não tem nada disso. Nada nela mede onde a caneta está. A única razão para uma linha desenhada no papel terminar no lugar certo é que todas as suposições usadas na construção eram verdadeiras.

Isso faz dele um professor excepcionalmente honesto. Um robô seguidor de linha que deriva ainda segue a linha. Um plotter que deriva desenha um quadrado que não fecha, e a folga entre os cantos fica visível no papel, em milímetros, dizendo exatamente o quanto você errou.

O número que conduz o projeto

Desenhe um quadrado de 100 mm e meça a folga onde o último canto deveria encontrar o primeiro.

Essa única medida é o placar inteiro do projeto, e seu valor é que a forma do erro indica a causa:

Quatro dessas cinco situações dependem de ajustes; uma depende da estrutura. Saber qual delas você tem antes de começar a mudar as coisas é quase toda a habilidade.

Lista de materiais

Aproximadamente £90–130. O multímetro e a fonte podem ser reutilizados; os componentes de movimento custam cerca de £60.

Vale mencionar duas economias falsas. A correia GT2 somente de borracha estica o suficiente para aparecer como folga, e a versão com núcleo de fibra de vidro custa uma libra a mais. E comprar exatamente dois drivers em vez de três significa que o primeiro que você danificar por esquecer o capacitor interrompe o projeto por uma semana.

Como tudo se conecta

                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

A única regra não óbvia: mantenha os fios dos fins de curso longe dos cabos dos motores. O cabo de um motor de passo é uma fonte de corrente pulsada, e um fio de fim de curso que corre ao lado dele por 300 mm funciona como uma antena. Uma máquina que determina a origem corretamente com os motores desligados e falha com eles funcionando tem este problema, e nenhum outro.

Construa em marcos

Cada marco termina em um teste. Não os pule — cada um encontra uma falha muito mais difícil de localizar depois, quando outras três coisas também estão erradas.

1. Um motor na bancada. Driver conectado, Vref ajustado, ENABLE em nível baixo e 3200 pulsos comandados. → Aprovação: o eixo do motor gira exatamente uma volta e uma marca nele retorna ao mesmo lugar, dez vezes seguidas.

2. Vref nos dois drivers. Calcule a partir da corrente nominal do seu motor e dos resistores de medição de corrente da sua placa — verifique a marcação, R100 ou R050. → Aprovação: os dois multômetros leem dentro de 0,02 V do valor-alvo e, após dez minutos mantendo a posição, os motores estão quentes, mas você ainda consegue manter um dedo sobre eles.

3. A estrutura e os dois eixos em movimento. Correias instaladas e tensionadas — firmes, mas não tensas como corda de guitarra. → Aprovação: com os motores desligados, empurre cada eixo à mão e confirme que ele se move suavemente de ponta a ponta, sem pontos rígidos. Corrija o travamento agora; caso contrário, ele sempre vai se passar por perda de passos.

4. Passos por milímetro. Comande 100 mm em cada eixo, meça com uma régua, corrija pela razão e meça de novo. → Aprovação: 100 mm comandados resultam em 99,5–100,5 mm nos dois eixos, duas vezes.

5. Folga. Aproxime-se de uma marca pela esquerda e anote; aproxime-se pela direita e anote. → Aprovação: menos de 0,2 mm. Acima disso, aperte as correias e verifique se os parafusos Allen da polia estão pressionando a face plana do eixo.

6. Encontre o limite e recue. Aumente a velocidade e a aceleração até um eixo perder passos e então defina ambas para 50–60% desse valor. → Aprovação: vinte ciclos de ida e volta com os ajustes escolhidos retornam à mesma marca dentro de 0,1 mm.

7. Determinação da origem. Fins de curso instalados, busca em três fases implementada e dez ciclos de determinação da origem, marcando a máquina em cada um. → Aprovação: todas as dez marcas ficam dentro de 0,05 mm. E: desconecte um fim de curso, determine a origem e confirme que a máquina desiste com um erro em vez de raspar.

8. A elevação da caneta. Servo montado e ângulos de subida e descida encontrados por tentativa. → Aprovação: a caneta toca o papel com pressão leve e uniforme em toda a mesa. Uma caneta montada rigidamente afunda de um lado de uma mesa irregular — uma caneta sustentada por mola ou suspensa pela gravidade tolera melhor as diferenças de nível.

9. O quadrado. Determine a origem e desenhe um quadrado de 100 mm no papel. → Aprovação: o último canto encontra o primeiro dentro de 0,3 mm, e três desenhos produzem três quadrados no mesmo lugar.

Como fica um bom resultado

As duas últimas linhas juntas são a lição do projeto inteiro. A resolução do motor — 0,0125 mm — é aproximadamente vinte vezes menor que o erro que você realmente terá. Nenhuma parte da precisão final é limitada pelo motor de passo. Tudo é correia, estrutura e perpendicularidade.

Vale internalizar isso antes de comprar um motor melhor para corrigir um problema de desenho, e é por isso que o simulador de motores de passo está no caminho: ele mostra que, sob uma carga realista, o rotor já fica três ou quatro micropassos atrás do que o driver pensa, qualquer que seja o micropasso escolhido.

Observações dos componentes que importam

24 V em vez de 12 V, se você tiver escolha. Os dois funcionam. A diferença está no ponto em que o torque começa a cair: cerca de 280 rpm a 12 V contra 600 rpm a 24 V para o mesmo motor e limite de corrente. Em uma polia GT2 de 20 dentes, isso equivale a aproximadamente 190 mm/s contra 400 mm/s antes de a máquina começar a perder sincronismo. Se uma velocidade baixa for suficiente, 12 V bastam.

Jumpers MS1–MS3 em nível alto. O micropasso 1/16 não deixa a máquina mais precisa, mas evita que os motores zumam a cada passo, o que em uma estrutura leve é a diferença entre uma máquina que funciona normalmente e outra que parece uma vespa irritada. O custo é 8 000 pulsos por segundo a 100 mm/s, algo que um Uno administra.

Tensione as correias de forma firme, não apertada. Correias excessivamente tensionadas sobrecarregam os mancais dos motores e acrescentam atrito que consome a margem de torque. Correias pouco tensionadas acrescentam folga. O ideal é uma tensão suficiente para produzir um som abafado.

Aperte os dois parafusos Allen da polia contra a face plana do eixo. Uma polia de 20 dentes que escorrega no eixo produz um erro que parece exatamente perda de passos e não responde a nenhuma das correções para perda de passos. Loctite não é exagero aqui.

Quando algo dá errado

Para onde seguir

Use o GRBL. Depois que a máquina estiver comprovada, gravar o GRBL fornece um interpretador de G-code de verdade, com determinação da origem, limites de software, sistemas de coordenadas e aceleração já implementados. Configure $100 e $101 com seus passos/mm calibrados e você poderá comandá-la por qualquer ferramenta CAM.

CoreXY. Os mesmos dois motores, ambos fixos na estrutura, com as correias roteadas de modo que X e Y sejam combinações dos dois motores, em vez de um para cada eixo. Há menos massa em movimento, então a máquina é mais rápida e precisa — ao custo de uma camada de transformação cinemática entre as coordenadas e os motores.

Um laser em vez de uma caneta. Mecanicamente é a mesma máquina com outra ferramenta, mas um laser de diodo acrescenta requisitos reais de segurança ocular, uma carcaça e travamentos de segurança. Trate como um projeto separado, não como uma troca.

Um eixo Z com fuso de avanço. Se quiser desenhar em uma superfície com relevo ou passar para gravação leve, um fuso T8 fornece 400 passos/mm e mantém a posição mesmo com a máquina desligada.

Motores de passo com realimentação. A única melhoria que elimina completamente o modo de falha mais grave deste projeto. Um encoder na parte de trás de cada motor transforma uma perda de passo silenciosa em uma correção ou um alarme. Custa três ou quatro vezes mais e, de fato, é desnecessário se todos os marcos acima foram aprovados.