Сборка ЧПУ-плоттера на Arduino: пошаговое руководство по созданию рисующей машины

Компоненты и материалы

Arduino Nano R3	×1
Драйвер двигателей L293D (Texas Instruments)	×1
Микросервопривод SG90	×1
Шаговый двигатель от DVD-привода	×1
Печатная плата JLCPCB (кастомная)	×1

Необходимые инструменты и оборудование

• Лазерный резак
• 3D-принтер

Программное обеспечение и онлайн-сервисы

• Arduino IDE
• Inkscape
• Processing (The Processing Foundation)
• EasyEDA

О проекте

Приветствую! Надеюсь, вам понравился мой предыдущий урок «Как сделать собственную обучающую платформу на Arduino», и вы готовы к новому проекту. Как обычно, я подготовил это пошаговое руководство, чтобы помочь вам создать недорогой электронный проект — «ЧПУ-плоттер», также известный как «ЧПУ для рисования» или просто «ЧПУ-станок на Arduino».

В интернете много уроков по созданию ЧПУ-плоттеров, но из-за нехватки детальной информации их воспроизвести было непросто. Именно поэтому я решил написать это подробное руководство, где покажу, как легко сделать свою рисующую машину.

Проект становится особенно удобным после получения кастомной печатной платы, заказанной у JLCPCB. Она улучшает внешний вид устройства, а в этом руководстве достаточно документации и кода, чтобы вы могли создать станок без затруднений. Мы реализовали проект за 5 дней: 3 дня на закупку деталей и сборку железа, и 2 дня на код и настройку.

Что вы узнаете из этого руководства:

• Правильный выбор компонентов под функции проекта
• Создание схемы подключения всех выбранных элементов
• Сборка механических и электронных частей
• Калибровка баланса станка
• Настройка и запуск системы

Шаг 1: Что такое плоттер?

Поскольку руководство ориентировано на новичков, сначала подробно объясню, что такое рисующая машина и как она работает.

Согласно Википедии, ЧПУ (CNC) — это компьютерное числовое управление, структура, управляемая компьютером, которая получает инструкции через последовательный порт и двигает свои исполнительные механизмы в зависимости от полученных команд. Большинство таких станков основаны на шаговых двигателях, установленных на каждой оси.

Важный термин — «ось». У каждого ЧПУ-станка есть определённое количество осей, контролируемых программой.

Наш ЧПУ-плоттер — это двухосевой станок (подробности на рисунке 1) с малыми шаговыми двигателями на осях (шаговый на рисунке 2). Эти двигатели перемещают рабочий стол в двумерной плоскости для создания рисунка пером. Перо поднимается и опускается с помощью третьего исполнительного механизма — сервопривода.

Шаг 2: Шаговый двигатель — основной привод

Шаговый двигатель — это бесколлекторный двигатель постоянного тока, который делит полный оборот на равные шаги. Позицию ротора можно задать без датчика обратной связи (в открытом цикле), если двигатель правильно подобран по крутящему моменту и скорости.

Откуда взять шаговые двигатели? Просто найдите старый DVD-привод (как на фото ниже). Я купил два за 2 доллара. Далее разберите привод, чтобы извлечь шаговые двигатели с их креплениями — нам нужно два таких узла.

После извлечения двигателей определите обмотки. У каждого шагового двигателя две обмотки. Мультиметром измерьте сопротивление между выводами коннектора — для каждой обмотки должно быть около 10 Ом.

После идентификации обмоток припаяйте провода для управления двигателем.

Шаг 3: Схема подключения

Сердце машины — плата Arduino Nano, которая управляет движением исполнительных механизмов в зависимости от инструкций от компьютера. Для управления шаговыми двигателями нужны драйверы, задающие скорость и направление.

Мы используем драйвер L293D (H-мост) (см. фото 3), который принимает команды от Arduino на своих входах и управляет шаговыми двигателями через выходы.

На схеме показано, как подключить все детали к Arduino. Следуйте этим соединениям для обоих шаговых двигателей и сервопривода. При необходимости можно изменить распиновку под свои нужды.

Шаг 4: Изготовление печатной платы (JLCPCB)

О компании JLCPCB

JLCPCB (Shenzhen JIALICHUANG Electronic Technology Development Co., Ltd.) — крупнейший в Китае производитель прототипов печатных плат и высокотехнологичный завод по быстрому изготовлению малых партий. Более 10 лет опыта, 200 000 клиентов по всему миру, более 8000 заказов в сутки. Годовая мощность — 200 000 кв.м. плат (1-2 слойные и многослойные). Профессиональное производство: крупный масштаб, современное оборудование, строгий контроль качества.

Проектирование электроники

После создания принципиальной схемы я превратил её в топологию печатной платы (см. фото ниже). Для производства выбрал JLCPCB — лучших и дешевых поставщиков. На их удобной платформе достаточно загрузить гербер-файл, задать параметры (толщина, цвет, количество) и оплатить. Я заплатил всего 2 доллара и получил готовые платы через 5 дней.

Файлы для скачивания

Схему (PDF) и гербер-файлы можно скачать по ссылкам в репозитории. На фото видно, что платы изготовлены качественно: все надписи и логотипы на месте, что облегчает пайку.

Шаг 5: Проектирование механической основы

Для эстетичного вида я спроектировал три детали в SolidWorks (см. фото 1), которые соединяют каретки DVD-приводов. DXF-файлы этих деталей были вырезаны на лазерном станке из 5-мм МДФ в FabLab Tunisia.

Держатель пера напечатан на 3D-принтере. Все файлы для печати и резки доступны в репозитории проекта.

Шаг 6: Полный список компонентов

• Печатная плата от JLCPCB
• Arduino Nano
• 2 × драйвер L293D
• 2 × панелька DIP-16 для L293D
• 1 × панелька DIP для Arduino
• Разъемы SIL и винтовые клеммы
• Сервопривод SG90
• 2 × DVD-привода (доноров шаговых двигателей)
• 3D-напечатанные детали (держатель пера)
• Лазерно-вырезанные детали (МДФ 5 мм)
• Болты и винты для сборки
• Рисующее перо (можно использовать фирменное перо от JLCPCB или любое другое)

Шаг 7: Электронная сборка и тестирование

Переходим к пайке. На верха слое шелкографии нанесены обозначения каждого компонента — это исключает ошибки при монтаже.

Тестирование шаговых двигателей

После пайки прикрепил DVD-привод к пластине оси X, подключил провода двигателя к винтовым клеммам и запустил тестовый скетч для проверки шагового двигателя. Двигатель работает корректно — мы на верном пути.

/************************************************************************************************************************************************************************
 * - Author : BELKHIR Mohamed
 * - Profession : (Electrical Engineer) MEGA DAS owner
 * - Main purpose : Industrial Application
 * - Copyright (c) holder : All rights reserved
 * - License : BSD 2-Clause License
 * - Date : 20/04/2017
 ***********************************************************************************************************************************************************************/
#include <Stepper.h>
const int stepPerRotation = 20; // Шагов на оборот (стандарт для CD/DVD)
Stepper myStepperX(stepPerRotation, 8, 9, 10, 11); // Пины двигателя оси X

void setup() {
  myStepperX.setSpeed(100);
  myStepperX.step(100);
  delay(1000);
  myStepperX.step(-100);
  delay(1000);
}
void loop() {}

Шаг 8: Сборка механической части

Закрепляем второй шаговый двигатель на пластине оси Y. Теперь обе оси готовы для создания двумерной плоскости (см. фото ниже). Их нужно установить под углом 90° друг к другу.

Изготовление держателя пера

Держатель пера собирается на пружине с маленьким осевиком, сервопривод закрепляется на месте. Готовый держатель клеится (термоклеем или эпоксидным клеем) к каретке оси Y, чтобы он мог скользить за шаговым двигателем. Рабочая пластина крепится к каретке оси X. В конце подключаем провода двигателей к разъемам на плате. После небольшой настройки механика готова к работе.

Шаг 9: Программная часть

Для работы станка используются три программы:

1. Inkscape — создание рисунка и экспорт в G-код.
2. Arduino IDE — прошивка микроконтроллера кодом управления станком.
3. Processing — связующее звено: читает G-код и посылает команды Arduino через последовательный порт.

Сначала загрузите скетч для Arduino из репозитория на GitHub, обновив номера пинов под свою схему.

Подготовка G-кода в Inkscape

Настройте поля страницы и единицы измерения. Создайте или импортируйте рисунок, сохраните в формате «MakerBot Unicorn GCode» (если нет — установите дополнение). При сохранении откроется окно параметров G-кода — задайте их как на скриншотах ниже.

Связывание станка с G-кодом в Processing 3

Откройте файл «CNC program» из того же репозитория на GitHub и запустите его.

Откроется второе окно. Нажмите клавишу P для выбора COM-порта станка, затем G для выбора G-код файла. После выбора файл станок сразу начнёт рисовать.

Шаг 10: Тестирование и результаты

Загрузив G-код, станок начинает рисовать. Особенно приятно смотреть на мигающие светодиоды, показывающие последовательность импульсов для каждого шагового двигателя.

Рисунки получаются качественными, проект отличный и доступный для повторения. Не забудьте посмотреть наш предыдущий проект «Arduino Training Platform» и подписаться на YouTube-канал для новых видео. Делайте электронику каждый день! Это был BEE MB от MEGA DAS. До встречи!

Код

Все необходимые файлы (скетч Arduino, программу Processing, файлы Inkscape, герберы, DXF/STL) доступны в репозитории GitHub:
https://github.com/BEEMB/CNC_Plotter

Файлы для 3D-печати и лазерной резки

STL (держатель пера) и DXF (детали основы) на Thingiverse:
CAD файлы на Thingiverse

Схемы

Принципиальная схема (PDF) и гербер-файлы печатной платы в архиве: schamatic_Z2mcsRwq7L.rar