Plotador de robô CNC: 11 etapas (com imagens)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2024-01-30 11:37

Este instrutível descreve uma plotadora de robô controlada por CNC. O robô é composto por dois motores de passo com um elevador de caneta montado a meio caminho entre as rodas. Girar as rodas em direções opostas faz com que o robô gire em torno da ponta da caneta. Girar as rodas na mesma direção faz com que a caneta desenhe uma linha reta. Possui a seguinte gama de movimentos … para frente, para trás, girar para a esquerda e girar para a direita.

Em operação, o robô gira em direção à próxima coordenada, calcula o número de etapas e se move. Para acelerar as coisas, o robô é programado para fazer o ângulo de viragem mais curto antes de se mover, o que significa que ele costuma desenhar ao se deslocar para trás.

A comunicação com o robô é feita por meio de um link bluetooth. O robô aceita comandos de teclado e a saída de código-g do Inkscape.

Se você gosta de pintura em aquarela, este dispositivo é capaz de transferir seu esboço para o papel. Alterar a ESCALA altera o tamanho da imagem, o que significa que você não está restrito às dimensões fixas do papel.

Lembre-se de que este robô não é um instrumento de precisão. Dito isto, os resultados não são tão ruins.

Etapa 1: suporte de montagem

O suporte de montagem foi feito de uma tira de 60 mm de folha de alumínio de calibre 18. O alumínio foi escolhido para o suporte por ser leve e fácil de trabalhar. Uma broca de 3 mm foi usada para os pequenos orifícios. Cada um dos orifícios maiores começou como um orifício de 9 mm que foi ampliado com a ajuda de uma lima "rabo de rato".

As placas terminais para os motores nas fotos acima têm 56 mm x 60 mm espaçadas de 110 mm quando dobradas. Isso deu um espaçamento entre as rodas de centro a centro de 141 mm. O diâmetro da roda para este robô é de 65 mm. Registre essas dimensões como sua Razão (CWR) determina quantos passos são necessários para girar o robô em 360 graus.

Se você olhar as fotos de perto, verá um corte de serra em cada uma das "saias" das rodas. A "lasca" de metal abaixo de cada um desses cortes de serra foi dobrada levemente para baixo, de modo que:

• a plataforma (parte superior do suporte) está nivelada,
• e o robô mal balança.

É importante que o mecanismo de levantamento da caneta esteja no meio e alinhado com as rodas. Fora isso, as dimensões do robô não são críticas.

O elevador de caneta é composto por um frasco de remédio de plástico que é montado através do suporte de alumínio, conforme mostrado. Os orifícios são feitos na tampa e no fundo para o lápis. O disco de levantamento da caneta compreende a extremidade de um carretel de fio de plástico vazio colado ao centro de latão de um botão de rádio que foi perfurado para caber no lápis. Uma pequena chumbada de pesca de chumbo, adequadamente perfurada, foi colocada sobre o lápis para garantir o contato com o papel em todos os momentos.

O robô é alimentado por seis baterias AA montadas perto das rodas para minimizar a carga no terceiro suporte.

[Dica: A chapa de alumínio pode ser cortada sem a necessidade de guilhotina ou tesouras de estanho (que costumam deformar o metal). Pesadamente, "marque" ambos os lados da folha ao longo da linha de corte usando uma régua de aço e uma faca de lâmina quebrável resistente. Agora coloque a linha de pontuação sobre a borda de uma mesa e dobre a folha ligeiramente para baixo. Vire a folha e repita. Depois de algumas dobras, a chapa se quebrará ao longo de todo o comprimento da linha vincada, deixando uma borda reta.]

Etapa 2: Pen-lift e escudo

Experimentei a braçadeira original e optei por um disco de plástico colado ao centro de latão de um "botão de rádio". O centro de latão foi perfurado para caber na caneta. O parafuso sem cabeça permite o posicionamento preciso da caneta. O disco de plástico foi cortado da ponta de um carretel de arame.

O mecanismo de levantamento da caneta compreende um pequeno servo que veio com meu kit Arduino original, mas qualquer servo pequeno que responda a pulsos de 1 ms e 2 ms com espaçamento de 20 ms deve funcionar. O robô usa pulsos de 1 ms para caneta para cima e pulsos de 2 ms para caneta para baixo.

O servo é preso ao frasco do medicamento com pequenas braçadeiras. O chifre do servo levanta o disco de plástico e, portanto, a caneta, quando um comando de caneta é recebido. Quando um comando de caneta para baixo é recebido, a buzina do servo está bem afastada do disco. O peso do disco e da conexão de latão garantem que a caneta permaneça em contato com o papel. Um peso de chumbo pode ser colocado sobre o lápis se você quiser linhas "pesadas".

Todo o meu circuito foi construído em um protótipo de escudo Arduino. Desconecte o escudo sempre que desejar fazer o upload de um esboço para o seu Arduino. Depois de fazer o upload do seu esboço, remova o cabo de programação USB e recoloque a blindagem.

A energia da bateria é fornecida ao Arduino por meio do pino "Vin" quando o escudo é conectado. Isso permite que mudanças rápidas sejam feitas em seu software sem entrar em conflito com a bateria e o bluetooth.

Etapa 3: circuito

Todos os componentes são montados em um proto-escudo Arduino.

Os steppers BJY48 são conectados aos pinos Arduino A0.. A3 e D8.. D11

O servo motor caneta-lift é conectado ao pino D3, que foi programado para gerar pulsos de 1 ms (milissegundos) e 2 ms em intervalos de 20 ms.

Os servo e motores de passo são alimentados por sua própria fonte de alimentação de 5 volts e 1 ampere.

O módulo bluetooth HC-06 é alimentado pelo arduino.

O arduino é alimentado pelo pino Vin.

Com exceção do módulo bluetooth HC-06, que tem um divisor de tensão composto por resistores de 1K2 e 2K2 ohms para diminuir a tensão de entrada do bluetooth RX para 3,3 volts, todos os resistores têm 560 ohms. O objetivo dos resistores de 560 ohms é oferecer proteção contra curto-circuito ao arduino. Eles também facilitam a ligação da blindagem.

Etapa 4: notas de design de software

O código.ino para este projeto foi desenvolvido usando "codebender" em https://codebender.cc/. "Codebender" é um IDE (ambiente de desenvolvimento integrado) baseado em nuvem de uso gratuito, com excelente depuração e detecção automática do seu arduino.

As constantes SCALE e CWR usadas no código são determinadas por:

• as dimensões do robô,
• a especificação do motor,
• e sua escolha de "modo passo a passo".

Especificações do motor

Os "motores de passo 28BYJ-48-5V" usados neste projeto têm um "ângulo de passada" de 5,625 graus / 64 e uma "taxa de variação de velocidade" de 64/1. Isso se traduz em 4096 passos possíveis para uma volta do eixo de saída, mas assume que você está usando uma técnica chamada "meio passo".

Como funcionam os motores de passo

Os "motores de passo 28BYJ-48-5V" têm quatro bobinas, cada uma com um núcleo de ferro moldado que contém oito pólos. Cada uma das quatro peças polares são deslocadas de modo que haja 32 polos espaçados 360/32 = 11,25 graus.

Se energizarmos (passo) uma bobina por vez (passo da onda), ou duas bobinas por vez (passo completo), o rotor fará uma volta completa em 32 passos. Como a engrenagem interna é 64/1, uma volta do eixo de saída requer 2.048 etapas.

Meio-passo

Este robô usa meio passo.

Half-stepping é uma técnica em que meios-passos são criados pela energização alternada de uma única bobina, depois duas bobinas adjacentes, dobrando assim o número de passos de 32 a 64 para uma volta do rotor. Isso é o equivalente a 64 pólos espaçados 360/64 = 5,625 graus (ângulo de passada).

Como a engrenagem interna é 64/1, uma volta do eixo de saída requer 4.096 etapas.

Os padrões binários para obter meio passo são documentados nas funções move () {…} e rotate () {…}.

ESCALA

SCALE calibra o movimento para frente e para trás do robô.

Assumindo um diâmetro de roda de 65 mm, o robô se moverá para frente (ou para trás) PI * 65/4096 = 0,04985 mm por etapa. Para atingir 1 mm por etapa (o Inkscape usa mm para suas 'coordenadas), devemos usar um fator de ESCALA de 1 / 0,04985 = 20,0584. Isso significa que o número de etapas necessárias para viajar entre quaisquer dois pontos é "distância * ESCALA".

CWR

O CWR (razão do diâmetro do círculo para o diâmetro da roda) [1] é usado para calibrar o ângulo de giro do robô. Um CWR alto oferece maior resolução e erro cumulativo mínimo, mas a desvantagem é que demorará mais para o robô girar.

Supondo que as rodas do robô estejam espaçadas de 130 mm, as rodas devem viajar PI * 130 = 408,4 mm para que o robô gire 360 graus. Se o diâmetro de cada roda for de 65 mm, então uma volta de uma roda moverá o robô PI * 65 = 204,2 mm ao redor do círculo. Para que as rodas percorram a distância do círculo completo, elas devem girar 407,4 / 204,2 = 2,0 (duas vezes).

Isso se traduz em um CWR de 2 e uma resolução de 360 / (CWR * 4096) = 0,0439 graus por etapa.

Para maior precisão, a ESCALA e o CWR devem usar o máximo possível de casas decimais.

[1]

As trilhas das rodas formam um círculo quando os robôs giram 360 graus. Uma vez que os rastros das rodas se sobrepõem, a fórmula para CWR é:

CWR = espaçamento entre rodas / diâmetro das rodas.

O intérprete GCODE

O robô responde apenas aos comandos do Inkscape começando com G00, G01, G02 e G03.

Ele ignora quaisquer códigos F (taxa de avanço) e Z (posição vertical), pois o robô só pode se deslocar em uma velocidade e a caneta está sempre para cima para o código G00 e para baixo para todos os outros códigos. Os códigos I e J ("biarc") usados ao traçar curvas também são ignorados.

O código não utilizado M100 é usado para o "MENU" (M para Menu).

Códigos T extras foram adicionados para fins de teste (T para teste)

O código do meu intérprete foi inspirado em

Etapa 5: Instalando o software do robô

Desligue e retire a tampa do "motor / dente azul". Isso atinge duas coisas:

• Ele remove a bateria enquanto você programa o arduino por meio do cabo USB
• Ele remove o dispositivo dente-azul HC-06, pois a programação NÃO é possível enquanto o módulo dente-azul está conectado. A razão para isso é que você não pode ter dois dispositivos seriais conectados ao mesmo tempo.

Copie o conteúdo de "Arduino_CNC_Plotter.ino" em um novo esboço do arduino e envie-o para o seu arduino. Desconecte o cabo USB assim que o software for carregado.

Reconecte o escudo acima … seu robô está "pronto para rolar".

Etapa 6: Configurando Seu Bluetooth

Antes de poder "falar" com o robô, o módulo bluetooth HC-06 deve ser "emparelhado" com o seu PC.

Se o seu PC não tiver dente azul, você precisará comprar e instalar um dongle USB Bluetooth. Os drivers necessários estão contidos no dongle. Basta conectá-lo e seguir as instruções na tela.

A seqüência a seguir pressupõe que você esteja usando o Microsoft Windows 10.

Clique com o botão esquerdo em "Iniciar | Configurações | Dispositivos | Bluetooth". Sua tela exibirá o status do bluetooth de cada dispositivo que pode ser conectado. A captura de tela inferior esquerda mostra que o PC está ciente da presença de alguns fones de ouvido bluetooth.

Ligue o robô. O módulo de bluetooth HC-06 começará a piscar e o dispositivo aparecerá na janela de bluetooth conforme mostrado na captura de tela central inferior.

Clique com o botão esquerdo em "Pronto para emparelhar | Emparelhar" e digite a senha "1234" conforme mostrado na captura de tela superior.

Clique com o botão esquerdo em "Avançar" para emparelhar o dispositivo. Sua tela agora deve ser semelhante à captura de tela no canto inferior direito que diz "HC-06 conectado".

Etapa 7: Instalando o software de emulação de terminal

Para "falar" com o seu robô, você precisa de um pacote de software de emulação de terminal cujo objetivo é conectar o teclado ao robô e enviar arquivos de código-G para o robô, via link bluetooth.

Minha escolha de software de emulação de terminal para este projeto é "Tera Term", pois é altamente configurável. O software é de uso gratuito e a versão mais recente está disponível em:

osdn.jp/projects/ttssh2/downloads/64798/term-4.90.exe

Clique duas vezes em "teraterm-4.90.exe" na pasta "Download" e siga as instruções na tela. Selecione as configurações padrão. Clique com o botão esquerdo em "Serial" e depois em "OK" na tela de abertura.

Configurando o Teraterm

Antes de podermos "falar" com o robô, devemos configurar o "Teraterm":

Passo 1:

Clique com o botão esquerdo em "Configuração | Terminal" e defina os valores da tela para:

Tamanho do termo:

• 160 x 48
• Desmarque as duas caixas imediatamente abaixo

Nova linha:

• Receber: CR + LF
• Transmitir: CR + LF

Deixe o resto da tela com os valores padrão.

Clique OK"

Passo 2:

Clique com o botão esquerdo em "Configuração | Janela" e defina os valores da tela para:

Clique em "Reverter" (muda a cor de fundo da tela para branco)

Deixe o resto da tela com os valores padrão.

Clique OK"

Etapa 3:

Clique com o botão esquerdo em "Configuração | Fonte" e defina os valores da tela para:

• Fonte: Droid Sans Mono
• Estilo da fonte:: Regular
• Tamanho: 9
• Script: Western

Clique OK"

Passo 4:

Clique com o botão esquerdo em "Configuração | Serial" e defina os valores da tela para:

• Porta: COM20
• Taxa Baud: 9600
• Dados: 8 bits
• Paridade: nenhuma
• Parar: 1 bit
• Controle de fluxo: nenhum
• Atraso de transmissão: 100 mseg / car, 100 mseg / linha

Clique OK"

Feche a tela de aviso "Não é possível abrir COM20"

Notas:

1. Meu dente azul usa COM20 para envio de dente azul e COM21 para receber dente azul. Seus números de porta blue-tooth podem ser diferentes.
2. Os atrasos de transmissão são para tornar as coisas mais lentas ao usar "Arquivo | Enviar…". O arduino parece perder linhas se você tentar acelerar as coisas. "Arquivo | Enviar…" parece confiável com os valores mostrados, mas sinta-se à vontade para experimentar.

Etapa 5:

Clique com o botão esquerdo em "Configuração | Salvar configuração…" e clique com o botão esquerdo em "Salvar"

Fechar Teraterm

Etapa 6:

Ligue o seu robô. O LED dente azul começará a piscar.

Abra o Teraterm e aguarde até que a mensagem "COM20 - Tera Term VT" apareça no canto superior esquerdo da tela do Teraterm. O LED dente azul agora deve estar estável

Digite "M100" sem as aspas … um menu deve aparecer. Os números 19: e 17: que aparecem na tela são os códigos de handshaking Xon e Xoff do arduino.

Parabéns … seu robô está configurado agora.

Etapa 8: gráficos de teste

O "Menu" contém dois gráficos de teste.

T103 plota um quadrado simples. Todos os cantos devem se encontrar. Ajuste a constante CWR e recompile seu código se não o fizerem.

O CWR teórico para meu projeto foi CWR = 141/65 = 2,169. Infelizmente, os cantos não se encontraram. Para reduzir o tempo de calibração, plotei dois quadrados … um com CWR = 2 e o outro com CWR = 2,3. Se você estudar a foto acima, verá que as extremidades de um quadrado estão "abertas" enquanto as outras extremidades "se sobrepõem". Meça a distância de ponta a ponta para cada um dos quadrados e pegue uma folha de papel milimetrado. Desenhe uma linha horizontal com (neste caso) 30 divisões rotuladas de 2.0 a 2.3. Usando a maior escala possível, trace a distância de "sobreposição" acima da linha horizontal e a distância "aberta" abaixo da linha. Conecte esses dois pontos com uma linha reta e leia o valor CWR no ponto onde a linha diagonal corta o eixo CWR. Para o meu robô, este ponto CWR foi 2,173 … uma diferença de 0,004 !!

T104 representa um gráfico de teste mais complexo.

Os códigos g do Inkscape para este gráfico de teste estão contidos no arquivo "test_chart.gnc". Os parâmetros "biarc" "I", "J" mostrados no código foram ignorados, o que representa o círculo segmentado.

Etapa 9: Criação de um esboço

O procedimento a seguir usa "Inkscape" e assume que desejamos desenhar uma flor de uma imagem intitulada "flor.jpg".

Inkscape versão 0.91 vem com extensões gcode e pode ser baixado de https://www.inkscape.org Clique em "Downloads" e selecione a versão correta para o seu computador.

Etapa 1: Abra sua imagem

Abra o Inkscape e selecione "Arquivo | Abrir | flor.jpg".

Escolha as seguintes opções na tela pop-up:

Tipo de importação de imagem: ………… Incorporar

• DPI da imagem: ……………………. De arquivo
• Modo de renderização de imagem:… Nenhum
• OK

Etapa 2: centralize a imagem

Clique em F1 (ou a ferramenta superior esquerda na barra lateral)

Clique na imagem … setas irão aparecer

Simultaneamente, pressione e segure as teclas "ctrl" e "shift" e arraste uma seta de canto para dentro até que o contorno da página apareça. Sua imagem agora está centralizada.

Etapa 3: digitalize sua imagem

Selecione "Caminho | Rastrear bitmap" e escolha as seguintes opções na tela pop-up:

• cores
• desmarque "stack scans"
• repetir: atualizar … verificar o número … atualizar
• clique em OK quando estiver satisfeito com o número de varreduras

Feche o pop-up clicando no X no canto superior direito.

AVISO: Mantenha o número de varreduras em um mínimo absoluto para reduzir o tempo de plotagem do robô. Contornos simples são os melhores.

Etapa 4: crie um esboço

Selecione "Objeto | Preenchimento e traço |". Um pop-up com três guias de menu aparecerá.

• Selecione "Stroke paint" e clique na caixa ao lado do X
• Selecione "Preencher" e clique no X

Feche o pop-up clicando no X no canto superior direito. Um contorno agora é sobreposto à imagem

Desmarque sua imagem clicando fora da página.

Agora clique dentro da imagem. Uma mensagem "Imagem: 512 x 768: incorporado na raiz", ou semelhante, aparecerá na parte inferior da tela.

Clique em "excluir". Apenas o contorno permanece.

Etapa 5: tempo limite

É hora de explorar um pouco.

Clique em F2 (ou a segunda ferramenta a partir do topo na barra lateral) e mova o cursor sobre o contorno. Observe como o contorno pisca em vermelho à medida que o cursor passa sobre os diferentes caminhos.

Agora clique no contorno. Observe como vários "nós" aparecem. Esses "nós" precisam ser convertidos em coordenadas de código-g, mas antes de fazermos isso, precisamos atribuir uma coordenada de referência à nossa página.

Etapa 6: Atribua as coordenadas da página

Pressione F1 e clique no contorno.

Selecione "Camada | Adicionar Camada" e clique em "Adicionar" na janela pop-up. As extensões de código-g que estamos prestes a usar requerem pelo menos uma camada … mesmo que esteja em branco!

Selecione "Extensões | Gcodetools | Pontos de orientação". Escolha o "modo de 2 pontos" na janela pop-up e clique em "Aplicar".

Ignore todas as mensagens de aviso.

Clique em "Fechar" para fechar o pop-up

O canto inferior esquerdo da sua página foi atribuído às coordenadas "0, 0; 0, 0; 0, 0"

Etapa 7: Selecione uma ferramenta

Selecione "Extensões | Gcodetools | Biblioteca de ferramentas" e clique em:

• cone
• Aplicar
• OK …. (para limpar o aviso)
• Fechar

Pressione F1 e arraste a tela verde para fora do contorno da página.

Etapa 8: ajuste a ferramenta e as configurações de alimentação

Esta etapa não é necessária, mas foi incluída para ser completa, pois mostra como alterar as configurações de "diâmetro" e "avanço" da ferramenta, caso você tenha uma fresadora.

Clique no símbolo "A" na barra lateral e altere as configurações mostradas na tela verde de:

• diâmetro: de 10 a diâmetro 3
• feed: de 400 a 200

Etapa 9: gerar o código-g

Pressione F1

Selecione a imagem

Selecione "Extensões | Gcodetools | Caminho para Gcode | Preferências" e altere:

• Arquivo: flower.ncg ……………………………………… (nome de arquivo do código g de controle numérico)
• Diretório: C: / Users / yourname / Desktop… (local de armazenamento para flower.ncg)
• Altura de segurança Z: 10

Sem sair da janela pop-up, selecione a guia do menu "Caminho para Gcode" e clique em:

• Inscreva-se … (isso pode levar muito tempo … espere !!)
• OK ……. (ignore quaisquer avisos)
• Fechar… (uma vez que o código foi criado)

Se você examinar o contorno, agora ele consiste em pontas de seta azuis (imagem inferior).

Feche o Inkscape.

Etapa 10: verifique o seu código

nraynaud.github.io/webgcode/ é um programa online para visualizar a imagem que seu código G criará. Simplesmente solte seu código G no painel esquerdo do simulador e a visualização correspondente aparecerá no lado direito da tela. As linhas vermelhas mostram o caminho da ferramenta e os elevadores da caneta do robô.

As configurações de "Path | Trace Bitmap" para a imagem superior foram:

• "Cores"
• "Varreduras: 8"

As configurações de "Path | Trace Bitmap" para a imagem inferior foram:

• "Detecção de borda"
• "Limite: 0,1"

A menos que você precise dos detalhes, sempre crie uma imagem simples.

Etapa 11: Enviando um arquivo do Inkscape para o robô

Vamos supor que queremos enviar um arquivo "Hello_World_0001.ngc" para o robô.

Passo 1

Ligue o robô.

Coloque o robô no canto esquerdo inferior da página de desenho e aponte-o para as 3 horas. Esta é a posição inicial padrão.

Abra o Teraterm e espere até que a luz do bluetooth pare de piscar. Isso indica que você tem um link.

Passo 2

Verifique se os valores máximos de X e Y no arquivo que você está prestes a enviar cabem na página. Por exemplo, o anexo "Hello_World_0001.ngc" mostra que o valor máximo de X é:

G00 X67.802776 Y18.530370

e o valor máximo de Y seja:

G01 X21.403899 Y45.125018 Z-1.000000

Se você quiser que sua imagem seja maior do que 67,802776 acima por 45,125018 mm, altere o tamanho do gráfico usando as seguintes opções de menu:

M100

T102 S3.5

Esta sequência de comando exibe o menu, para que você possa ver os códigos T e, em seguida, aumenta o tamanho da imagem 3,5 vezes (350%)

Passo 2

Clique com o botão esquerdo em "Arquivo | Enviar arquivo…"

"Navegue" para o arquivo "Hello_World_0001.ngc".

Clique com o botão esquerdo em "Abrir". O arquivo agora será enviado ao robô linha por linha.

É tão simples … feliz conspiração:)

Notas:

• Todos os comandos do MENU DEVEM estar em maiúsculas.
• Os 19: e 17: mostrados na foto acima são os códigos de handshaking do Arduino (decimais) para "Xoff" e "Xon". Os dois pontos foram adicionados para melhorar a aparência visual. Um comando do Inkscape segue cada "Xon".
• Você nunca deve ver duas coordenadas X, Y na mesma linha. Se isso acontecer, aumente os tempos de atraso serial de seu valor atual de 100 ms por caractere. Atrasos mais curtos podem funcionar …
• O "Hello World!" o gráfico mostra sinais de erro cumulativo. Ajustar o CWR deve corrigir isso.

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