Соберите графоплоттер с двумя точными осями на шаговых двигателях

Что вы собираете

Декартов графоплоттер: две ремённые оси под прямым углом, поднимающееся перо и контроллер, который знает положение пера, потому что при запуске определил нулевую координату по выключателю и с тех пор подсчитывает каждый импульс.

Стоит чётко объяснить, почему это хорошая первая машина высокой точности, хотя проект не самый эффектный на сайте. Все остальные разработки здесь — роботы, следующие по линии, роботы, обходящие препятствия, балансирующие роботы — имеют обратную связь. Датчик видит мир, код реагирует, ошибки непрерывно корректируются. В этой машине ничего из этого нет. Ничто на ней не измеряет положение пера. Линия оказывается в нужном месте на бумаге только потому, что все заложенные предположения оказались верными.

Поэтому это необычно честный учебный пример. Робот, следующий по линии, даже если дрейфует, продолжает следовать за ней. Графоплоттер, который дрейфует, рисует незамыкающийся квадрат, и разрыв прямо виден на бумаге, в миллиметрах, точно показывая величину ошибки.

Число, определяющее проект

Нарисуйте квадрат 100 mm и измерьте зазор там, где последний угол должен совпасть с первым.

Это единственное измерение — главный критерий оценки проекта. Его ценность в том, что форма ошибки указывает на причину:

Четыре из пяти случаев — настройки. Один — проблема рамы. Большая часть навыка состоит в том, чтобы определить, какой это случай, до начала изменений.

Перечень компонентов

Примерно £90–130. Мультиметр и источник питания можно использовать повторно; на механические части движения приходится около £60.

Стоит назвать две ложные экономии. Слабый чисто резиновый ремень GT2 растягивается достаточно, чтобы проявиться как люфт, а вариант со стекловолоконным сердечником стоит на фунт больше. Покупка ровно двух драйверов вместо трёх означает, что первый, уничтоженный из-за забытого конденсатора, остановит проект на неделю.

Как всё соединено

                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

Единственное неочевидное правило: прокладывайте провода концевых выключателей вдали от кабелей двигателей. Кабель шагового двигателя является источником импульсного тока, и провод концевого выключателя, идущий рядом с ним на протяжении 300 mm, превращается в антенну. Если машина правильно находит нулевую координацию при отключённых двигателях и не может при их работе, проблема только в этом.

Сборка по этапам

Каждый этап заканчивается проверкой. Не пропускайте их: каждый обнаруживает неисправность, которую гораздо сложнее найти позже, когда неправильно работают ещё три вещи.

1. Один двигатель на рабочем столе. Подключённый драйвер, заданный Vref, ENABLE на нижнем уровне и 3200 импульсов. → Критерий: вал делает ровно один оборот, и отметка на нём десять раз подряд возвращается в то же место.

2. Vref на обоих драйверах. Рассчитайте по номиналу двигателя и сопротивлениям резисторов вашей платы: проверьте маркировку R100 или R050. → Критерий: оба мультиметра показывают отклонение от цели не более 0.02 V, а после десяти минут удержания двигатели тёплые, но палец можно оставить.

3. Рама, обе оси движутся. Ремни установлены и натянуты — плотно, но не как струна гитары. → Критерий: при толкании рукой при отключённых двигателях каждая ось плавно проходит весь ход без заеданий. Устраните заклинивание сейчас, иначе оно навсегда будет казаться потерей шагов.

4. Шаги на миллиметр. Задайте 100 mm по каждой оси, измерьте линейкой, скорректируйте по измеренному отношению и измерьте снова. → Критерий: заданные 100 mm дают 99.5–100.5 mm по обеим осям при двух измерениях.

5. Люфт. Подойдите к отметке слева и запишите положение, затем справа и запишите положение. → Критерий: менее 0.2 mm. Если больше, натяните ремни и проверьте, что стопорные винты шкивов находятся на лыске вала.

6. Найдите предел, затем отойдите. Увеличивайте скорость и ускорение до пропуска шагов осью, затем установите оба значения на 50–60% от найденного. → Критерий: двадцать циклов туда-обратно при выбранных настройках возвращаются к той же отметке в пределах 0.1 mm.

7. Определение нулевой координаты. Установите концевые выключатели и реализуйте трёхфазный поиск, затем выполните десять циклов определения нуля, каждый раз нанося отметку. → Критерий: все десять отметок находятся в пределах 0.05 mm. И ещё: отключите концевой выключатель, выполните определение нуля и убедитесь, что машина прекращает попытку с ошибкой, а не продолжает упираться.

8. Подъём пера. Установите сервопривод и подберите углы подъёма и опускания экспериментально. → Критерий: перо равномерно и с небольшим усилием прижимается к бумаге по всему рабочему полю. Жёстко установленное перо будет сильнее давить с одной стороны неровного поля; пружинное или подвешенное под действием тяжести гораздо менее требовательное.

9. Квадрат. Найдите нулевую координату, затем нарисуйте на бумаге 100 mm. → Критерий: последний угол совпадает с первым в пределах 0.3 mm, а три рисунка располагаются в одном месте.

Как выглядит хороший результат

Последние две строки вместе содержат главный урок проекта. Разрешение двигателя — 0.0125 mm — примерно в двадцать раз мельче погрешности, которую вы действительно получите. Ничто в итоговой точности не ограничено шаговым двигателем. Всё определяют ремень, рама и отсутствие перекоса.

Это стоит понять до покупки более мощного двигателя ради исправления проблемы рисования, и именно поэтому симулятор шаговых двигателей включён в путь обучения: он показывает, что при реалистичной нагрузке ротор уже отстаёт на три или четыре микрошага от положения, которое предполагает драйвер, независимо от выбранного микрошага.

Важные замечания по оборудованию

24 V вместо 12 V, если есть выбор. Оба варианта работают. Разница возникает там, где начинает падать момент: примерно 280 rpm при 12 V против 600 rpm при 24 V для одного двигателя и того же ограничения тока. На шкиве GT2 на 20 зубьев это примерно 190 mm/s против 400 mm/s до момента, когда машина начнёт испытывать затруднения. Если графоплоттер всегда будет двигаться медленно, достаточно 12 V.

Установите перемычки MS1–MS3 на верхний уровень. Шестнадцатишаговый режим не повышает точность машины, но устраняет звон двигателей на каждом шаге, что на лёгкой раме отличает звук нормальной машины от звука разъярённой осы. Цена — 8 000 импульсов в секунду при 100 mm/s, что Uno выдерживает.

Натяните ремни плотно, но не туго. Чрезмерное натяжение нагружает подшипники двигателя и добавляет трение, расходующее запас момента. Слишком слабое натяжение добавляет люфт. Нужно ощущение тугой, но не звонкой струны.

Затяните оба стопорных винта на лыске шкива. Шкив на 20 зубьев, который проворачивается на валу, создаёт ошибку, неотличимую от потери шагов и не реагирующую ни на одно средство исправления потери шагов. Loctite здесь вполне уместен.

Когда что-то идёт не так

Куда двигаться дальше

Установите GRBL. После подтверждения работоспособности машины прошивка GRBL даёт полноценный интерпретатор G-code, в котором уже написаны определение нулевой координаты, мягкие пределы, системы координат и ускорение. Настройте $100 и $101 по откалиброванному числу шагов/mm, и машиной можно будет управлять из любого CAM-инструмента.

CoreXY. Те же два двигателя, оба неподвижно закреплены на раме, а ремни соединены так, что X и Y являются комбинациями двух двигателей, а не каждый соответствует одному. Меньше движущейся массы — значит, выше скорость и точность, — но появляется слой кинематического смешивания между координатами и двигателями.

Лазер вместо пера. Механически это та же машина с другим инструментом, но диодный лазер требует реальных мер безопасности для глаз, защитного ограждения и блокировок. Считайте это отдельным проектом, а не простой заменой.

Ось Z с ходовым винтом. Если нужно рисовать на поверхности с перепадом высот или перейти к лёгкому гравированию, винт T8 обеспечивает 400 steps/mm и удерживает положение при отключённом питании.

Шаговые двигатели с замкнутым контуром. Единственная модернизация, полностью устраняющая самый опасный отказ этого проекта. Энкодер на задней стороне каждого двигателя превращает незаметную потерю шага в коррекцию или сигнал тревоги. Стоимость в три-четыре раза выше и действительно не нужна, если все перечисленные этапы пройдены.