Мини-плоттер с ЧПУ из DVD-привода своими руками

Существует множество проектов и руководств, связанных с переделкой старых CD/DVD-плееров в плоттеры с ЧПУ на базе Arduino. Сегодня я хотел бы поделиться тем, как легко построить свой собственный недорогой мини-плоттер с ЧПУ на Arduino. Приступим.

Данная статья является переводом, однако для удобства восприятия повествование будет идти от первого лица.

Основные компоненты:

• 1 шт. х Плата расширения CNC для Arduino Nano v4;
• 1 шт. х Плата контроллера Arduino Nano;
• 2 шт. х Модуль драйвера шагового двигателя A4988;
• 2 шт. х Старые CD/DVD плееры;
• 1 шт. x Cерводвигатель SG90;
• 1 метр x Ленточный кабель провод 8P;
• 1 шт. x Алюминиевый уголок 20 x 20 x 1,4 мм - длина 120 мм;
• 1 шт. x Степлер;
• 1 шт. x Блок питания 12 В;
• 1 шт. x Алюминиевая муфта с гибким валом, размер внутреннего отверстия: 5 мм x 8 мм(или 8 мм x 8 мм);
• 2 шт. x Медные латунные столбы L-10мм;
• 2 шт. x Медные латунные столбы L-5мм;
• 2 шт. Болта + гайки + шайбы M4 x 50 мм;
• 3 шт. Болта + гайки + шайбы M4 x 25 мм;
• 2 шт. Болта + гайки + шайбы M4 x 20 мм;
• 1 шт. Болты + гайки + шайбы M2 x 40 мм;
• 2 шт. x Болты + гайки + шайбы M2 x 5 мм;
• Небольшие кабельные стяжки.

Инструменты:

• Пильный станок;
• Сверлильный станок;
• Ручная шлифовальная машина;
• Горячий клеевой пистолет;
• Паяльная машина.

Программное обеспечение:

• Прошивка MIGRBL;
• INKSCAPE версия 0.48.5;
• Расширение INKSCAPE MI-GRBL;
• Универсальный отправитель Gcode.

Идея создания мини-плоттера с ЧПУ проста: используйте два старых CD/DVD-плеера с шаговыми двигателями, один используется как поверхность для черчения, которая движется вперед и назад по оси Y, другой установите вертикально на нем, чтобы обеспечить движение влево и вправо по оси X. Затем мы устанавливаем сервопривод RC на оси X, чтобы поднимать и опускать перо во время построения осей Z.

В интернете трудно найти точные технические характеристики шаговых двигателей приводов DVD/CD. Я нашел в Интернете характеристики шагового двигателя DVD/CD, который похож на мой. Важные параметры выделены полужирным шрифтом.

У меня было два разных типа DVD/CD-плееров, один использовался для оси X с сопротивлением катушки шагового двигателя 14 Ом, а другой - для оси Y с сопротивлением катушки 10 Ом.

Плата расширения CNC v4 для Arduino Nano имеет 3 слота на печатной плате для модулей привода шаговых двигателей и один слот для Arduino Nano. Она может управлять 3 шаговыми двигателями от Arduino Nano. Плата расширения CNC V4.0 имеет несколько контактов GPIO, доступных для подключения к другим модулям, таким как концевой выключатель, а также к интерфейсу I2C или последовательной связи. Питание для 3 модулей привода шаговых двигателей и платы Nano подается через разъем внешнего питания (12 В постоянного тока).

Я купил плату расширения CNC для Arduino Nano v4 по низкой цене из Китая. По ссылкам я обнаружил, что мне нужно настроить как аппаратное, так и программное обеспечение, чтобы использовать прошивку GRBL и настроить режим микрошагов для A4988.

Все перемычки для настройки количества микрошагов подключены к GND, а их нужно подтянуть к VCC. Значение микрошага фиксировано на низком уровне и всегда переводит шаговый драйвер в полное разрешение шага.

Контакты, подключенные к входам «STEP» и «DIRECTION» драйверов шагового двигателя, неверны по сравнению с исходными определениями GRBL. Плата расширения CNC v4 использует Arduino Nano, поэтому мы можем исправить определения контактов «STEP» и «DIRECTION» в файле «cpu_map_atmega328p.h», расположенном в папке grbl, следующим образом:

#define X_STEP_BIT 5 // Uno Digital Pin 2

#define Y_STEP_BIT 6 // Uno Digital Pin 3

#define Z_STEP_BIT 7 // Uno Digital Pin 4

#define X_DIRECTION_BIT 2 // Uno Digital Pin 5

#define Y_DIRECTION_BIT 3 // Uno Digital Pin 6

#define Z_DIRECTION_BIT 4 // Uno Digital Pin 7

A4988 - это микрошаговый драйвер двигателя со встроенным переводчиком для упрощения работы. Он предназначен для работы биполярных шаговых двигателей в полушаговых, полушаговых, четвертьшаговых, восьмых и шестнадцатошаговых режимах с выходной мощностью до 35В и ± 2А.

Мы можем управлять шаговым двигателем с помощью всего двух контактов нашего контроллера: один для управления направлением вращения, а другой для управления шагами.

Во многих приложениях микрошаговый режим может повысить производительность системы, а также снизить сложность и стоимость системы по сравнению с полушаговыми и полушаговыми методами вождения. Микрошаговый режим можно использовать для решения всех проблем с резонансом, вибрацией и шумом в системе шагового двигателя, а также для повышения точности и разрешения шага.

По правилам, чем больше микрошагов, тем плавнее движения, но меньше крутящий момент, и наоборот. Я пробовал с 1/16 микрошагов, но в конце концов выбрал 1/8 микрошагов, что является хорошей комбинацией плавного движения и крутящего момента.

Каждый поворот шагового двигателя DVD/CD изначально разделен на 20 шагов с углом 18 °/ шаг (1 поворот = 360 градусов | 360/20 = 18 °). Когда мы применяем микрошаговый режим с разрешением 1/8 шага на A4988 для управления этим шаговым двигателем, каждое вращение шагового двигателя DVD/CD будет разделено на 160 шагов с углом 2,25°/ шаг, что сделает вращение шагового двигателя намного более плавным.

Моя настройка микрошагов - разрешение 1/8 шага для шаговых двигателей оси X и Y.

Подстроечный потенциометр на плате A4988 может использоваться для установки ограничения тока шагового двигателя. Следует обратить внимание на следующее:

• В платах шаговых драйверов A4988 используются различные резисторы RCS для считывания тока, в зависимости от производителя, обычно RCS может быть 0,05 Ом (с маркировкой «R050»), 0,1 Ом(с маркировкой «R100») или 0,2 Ом (с маркировкой «R200»). RCS на моей плате управления A4988: 0,1 Ом.
• Шаговые двигатели CD/DVD работают при уровне напряжения 5V, мы могли бы измерить сопротивление катушки 2 с мультиметром, чтобы получить оценочный максимальный ток с использованием закона Ома: Imax = V/R.
• Предел тока, Imax, относится к опорному напряжению следующим образом: VREF=(8 * Imax * RCS).

Следуя приведенному выше расчетному листу, мои окончательные настройки ограничения тока для 2-х шаговых двигателей следующие:

• Шаг по оси X: VREF =286 мВ;
• Шаг по оси Y: VREF =400 м;

Чтобы рассчитать VREF, необходимый для целевого тока A, мы можем применить следующие простые формулы:

• VREF =A /2,50 с RCS = 0,05 Ом;
• VREF =A /1,25 с RCS = 0,10 Ом;
• VREF =A /0,63 с RCS = 0,20 Ом.

Установка оси X и Y:

Существует много инструкций по изготовлению осей X и Y для мини плоттеров с ЧПУ.В этом проекте я в основном использовал болты для соединения компонентов.

• Первый шаг к созданию этого мини-плоттера с ЧПУ - это разобрать два привода DVD / CD.
• Я припаял 4 проводных кабеля к 2-м шаговым двигателям, определив их обмотки и клеммы.
• Я измерил длину DVD / CD-плеера - ось X, которая будет расположена горизонтально, затем вырезал алюминиевый уголок 20 x 20 x 1,4 мм с соответствующей измеренной длиной. В моем случае это 120 мм в длину.
• Я просверлил в этом алюминиевом уголке 6 отверстий следующим образом:
  • Два отверстия прикручены к приводу DVD / CD оси Y с помощью M4x50;
  • Два отверстия прикручены к приводу DVD / CD оси X с помощью M4x25;
  • Два оставшихся отверстия соединены с CNC Shield V4.0 через медные латунные стойки L-10 мм.

• Для оси Y - поверхность построения я использовал одну пластину из нержавеющей стали размером 70x80 мм.

• На рисунке ниже показана подставка мини-плоттера с ЧПУ.

Установка оси Z:

Когда я использовал степлеры в своем офисе, мне пришла в голову идея, что я могу использовать степлер как механическую часть для подъема ручки. И как показала практика это оказалось хорошей идеей. Если у вас возникли проблемы с подъемником ручки мини-плоттера с ЧПУ, вы можете обратиться к моим инструкциям ниже. Это легко сделать из имеющихся канцелярских товаров.

В этом проекте я использовал пружинный механизм степлера для перемещения пера вверх и вниз по оси Z.

• Сначала я разобрал степлер на мелкие детали.
  

• Средняя часть - патрон магазина степлера с прижимным блоком и пружиной, в ней 2 небольших отверстия на расстоянии 17 мм. Я использовал его для крепления ручки/карандаша.

• Я соединил их с 2 отверстиями гибкой муфты 5x8 с помощью 2 шурупов и 2 медных латунных стоек для ручки/карандаша.
  

• Поскольку шаг резьбы отверстия гибкой муфты отличается от стандартной медной латунной стойки, мне пришлось использовать медную латунную прокладку, взятую из сломанного компьютера. Её голова больше обычной. Вы можете увидеть это на изображении ниже.

• Обратите внимание, чтобы пружина сшивателя не касалась головки винтов при движении толкающего блока вверх и вниз, я как можно тоньше заточил головки двух винтов.

• RC сервоприводы хорошо помещаются во внутреннюю U-образную рамку степлера.

• Я снял пластиковую часть, вырезал и оставил только U-образную часть для зажима сервопривода RC.

• Соедините RC сервопривод и толкающий блок длинным винтом M2x40 через 4 отверстия сшивателя. Я затянул его, чтобы убедиться, что сервопривод не может двигаться, когда он работает.

• На обратной стороне картриджа магазина степлера есть одно большое отверстие. Позже оно будет использоваться для соединения держателя ручки/карандаша, включая сервопривод RC, с механизмом оси X через это отверстие с помощью болта M4x25 и 3 гаек.

• Вставьте карандаш в гибкую муфту и выполните выравнивание и затягивание. Чтобы закрепить карандаш, можно затянуть 2 оставшихся небольших винта на гибкой муфте. Чтобы поднять ручку, я вырезаю резиновый или акриловый лист круглой формы, просверлите по центру отверстие с таким же диаметром ручки. Я установил его на перо, отрегулировав его по сравнению с RC серворычагом так, чтобы перо можно было поднять вверх по RC серворычагу и вниз с помощью пружины степлера.

• А вот и вариант с шариковой ручкой.

• Я подключил, выровнял и затянул подъемную часть ручки к DVD/CD приводу по оси X болтом и гайками.

• Я установил плату расширения CNC v4.0 на алюминиевый уголок на 2 медных латунных опорах и подключил все кабели 2 шаговых двигателей, сервопривода RC к экрану CNC. Затем я использовал кабельные стяжки, чтобы закрепить провода.

MIGRBL отличается от оригинального GRBL тем, что MIGRBL настроен для плат расширения CNC, у которых оси X и Y подключены к 2 шаговым двигателям, а ось Z подключена к серводвигателю RC для подъема/опускания ручки.

• Скачайте файлы прошивки MIGRBL;
• Скопируйте MIGRBL в C: Users Administrator Documents Arduino libraries;
• Внесите исправления в соответствии с шагом 4;
• Теперь, когда мы установили библиотеку MIGRBL в IDE и внесли необходимые исправления. Откройте Arduino IDE, в меню «File» выберите «Examples » -> «MIGRBL» -> «grblUpload»;
• Выберите правильный порт и плату (Arduino Nano), скомпилируйте и загрузите код в Arduino Nano;
• С моим Arduino Nano мне пришлось выбрать через инструменты «Arduino IDE»-> «Processor» -> «ATmega328P» (старый загрузчик) после выбора «Tools» -> «Board» -> «Arduino Nano».

Я использовал программу INKSCAPE для создания G-кода.

• Скачал программное обеспечение Inkscape версии 0.48.5;
• Установил на свой компьютер.

Поскольку я использовал прошивку MIGRBL для Arduino Nano (подключенную к плате расширения v4.0) для этого мини-плоттера с ЧПУ и Axis Z, подъем пера управляется серводвигателем RC, поэтому обычный G-CODE, созданный из INKSCAPE, не будет работать. Для того, чтобы он заработал, делаем следующие шаги:

• Загрузите INKSCAPE MI-GRBL EXTENSION;
• Разархивируйте файл;
• Скопируйте несжатые файлы в каталог INKSCAPE -> Share -> Extension folder.

После того, как у нас есть исполняемый файл G-кода из INKSCAPE, для потоковой передачи и отправки файла G-CODE в Arduino Nano мы можем использовать Universal Gcode Sender - UGS.

• Загрузите программное обеспечение UGS, затем установите его на компьютер;
• Откройте UGS, выберите «Port» и установите скорость 115200;
• Нажмите «Connect», после чего на вкладке «Console» отобразится следующая информация.

Steps/mm: Сообщает GRBL, сколько шагов необходимо, чтобы переместить машину на заданное расстояние.

• Шагов на оборот = 20; - это исходное количество шагов, необходимых для того, чтобы шаговый двигатель совершил 1 полный оборот.
• Микрошаги - 1, 1/2, 1/4, 1/8, 1/16 - это настройка драйвера шагового двигателя A4988. Более высокое значение означает меньший крутящий момент, но более высокую точность. Моя настройка микрошагов: 1/8.
• мм на оборот - это расстояние в мм, на которое винт перемещается за один оборот (шаг винта). Так как шаг винта CD/DVD ROM является "однозаходным", то "шаг" - это осевое расстояние между соседними резьбами.

Согласно спецификации шаг винта шагового двигателя DVD/CD составляет 3 мм. Мы можем проверить, измерив рабочую длину винта: 40 мм и посчитав количество резьбы в этом рабочем диапазоне: 14. Шаг винта можно оценить следующим образом:

ШАГ = 40/13 = 3 мм.

Моя последняя калибровка:

• X Макс. Ход (мм): 130 = 40,000
• Максимальный ход по оси Y (мм): 131 = 40,000
• X шагов / мм: 101 = 53,333
• Шаг по оси Y / мм: 100 = 53,333

Эти приведенные выше значения в точности были подтверждены моими тестами.

Мы могли бы обратить внимание на следующие шаги, прежде чем запускать мини-плоттер с ЧПУ.

• Проверьте настройки микрошагов A4988: подробное описание в шаге 5.
• Проверьте настройки ограничения тока A4988: подробное описание в шаге 5.
• Подключите мини-плоттер с ЧПУ к UGS и проверьте его параметры калибровки: подробное описание в шаге 10.
• Чтобы проверить двигатели и плату расширения CNC, перейдите на вкладку «Управление станком» -> щелкните стрелки X+, X-, Y+ и Y-.
• Мы должны следить за движением шаговых двигателей, касаясь их, чтобы проверить, горячие ли они. Если шаговые двигатели горячие, мы должны дважды проверить VREF на A4988 с помощью мультиметра и немного снизить VREF.
• Правильное направление этого плоттера следующее: Простой способ понять декартову систему координат по отношению к вашему станку с ЧПУ - это использовать «Правило правой руки».

Мы можем изменить направление движения оси без изменения проводки в Axis Direction $3. Из-за устройства моих шаговых двигателей мне пришлось изменить направление шагового двигателя по оси Y, поэтому мое значение настройки было: $3 = 2 . См. Таблицу конфигурации осей ниже.

• Чернила:
• Откройте INKSCAPE.
• Установите размер страницы 40 x 40 мм.
• Нарисуйте квадрат размером 10 мм x 10 мм -> Select Image->Convert to Path
• Перейдите в Extension Menu-> Нажмите MIGRBL Z-AXIS SERVO CONTROL, настройте значения во всплывающем окне.

Мои настройки показаны на картинке ниже:

• Нажмите «Apply», квадратный G-код будет сохранен с именем и в выбранной нами папке.

• Универсальный отправитель Gcode.
• Откройте UGS, выберите Port и установите скорость 115200 бод, щелкните вкладку «Подключить».
• Выберите подходящее положение, перемещая оси X влево - вправо, оси Y вперед - назад и установите исходные координаты кнопкой «Сбросить ноль».
• Нажмите «Открыть» -> Перейдите к файлу G-кода, созданному INKSCAPE.
• Нажмите «Отправить», и мини-ЧПУ выполнит рисование квадрата 10x10 мм в соответствии с G-кодом.
• Наблюдайте за миниплоттером в действии на вкладке «Визуализатор».
• Измерьте фактическую длину по осям X и Y линейкой, чтобы проверить правильность 10 мм. Если нет, мы должны проверить шаг / мм, иначе какие-либо механические детали застряли.
• Нарисуйте еще несколько кругов разного диаметра, проверьте, совпадают ли начальная и конечная точки круга? Если они не совпадают, возможно, кончик пера перекошен или механические части не выровнены.

На фотографиях выше вы можете убедиться, что данный мини-плоттер с ЧПУ работает довольно хорошо. При желании его можно настроить более точно.