CNC Drum Plotter: 13 مرحله (همراه با تصاویر)

2024 نویسنده: John Day | [email protected]. آخرین اصلاح شده: 2024-01-30 08:55

این دستورالعمل یک پلاتر A4/A3 ساخته شده از بخشی از لوله های پلاستیکی ، دو موتور پله ای BYJ-48 و یک سروو SG-90 را توصیف می کند. در اصل این یک پلاتر تخت است که در یک طبل جمع شده است.

یکی از موتورها درام را می چرخاند و دیگری موتور چاپ را حرکت می دهد. سروو برای بالا و پایین بردن قلم استفاده می شود.

این پلاتر چندین مزیت نسبت به پلاتر مسطح سنتی دارد:

• رد پا به میزان قابل توجهی
• فقط به یک راه آهن خطی نیاز دارد
• ساده برای ساخت
• ارزان

یک مترجم داخلی خروجی gcode را از Inkscape می پذیرد.

ارتباط با پلاتر از طریق پیوند بلوتوث است.

پلاتر با قرص گرافیکی CNC که در دستورالعمل من توضیح داده شده است سازگار است

در حالی که یک ابزار دقیق نیست ، دقت این پلاتر برای هدف مورد نظر خود برای انتقال طرح های آبرنگ روی کاغذ رضایت بخش است.

مرحله 1: مدار

این مدار شامل یک میکروکنترلر آردوینو UNO R3 و یک سپر سفارشی است که اجزای مجزا روی آن نصب شده اند. برق از طریق تنظیم کننده خارجی 5 ولت 1 آمپر اعمال می شود. جریان متوسط حدود 500 میلی آمپر است.

موتورهای پله ای BYJ-48 به PORTB (پایه های D8 ، D9 ، D10 ، D11) و PORTC (پایه های A0 ، A1 ، A2 ، A3) متصل می شوند. سرو سرو SG-90 به پین D3 متصل شده است.

مقاومت های 560 اهم که ممکن است حذف شوند ، در صورت خرابی ، حفاظتی از اتصال کوتاه به آردوینو ارائه می دهند. آنها همچنین سیم کشی سپر را آسان تر می کنند زیرا به عنوان "جهنده" در سراسر ریل های تغذیه عمل می کنند.

مقاومتهای 1k2 و 2K2 با کاهش خروجی 5 ولت از آردوینو به 3.3 ولت از آسیب به ماژول بلوتوث HC-06 [1] جلوگیری می کند.

[1] هنگام بارگذاری کد در آردوینو از طریق پورت USB ، ماژول بلوتوث HC-06 را از برق بکشید. با این کار از هرگونه تعارض پورت سریال جلوگیری می شود.

مرحله 2: درایو خطی

محرک خطی از طول میله آلومینیومی 3 در 32 میلی متر ، یک نوار ورق آلومینیوم و چهار قرقره کوچک بلبرینگ ساخته شده است.

آلومینیوم در اکثر فروشگاه های سخت افزار موجود است. قرقره های U624ZZ 4x13x7mm U-groove از https://www.aliexpress.com موجود است

ابزارهای دستی ساده همه آن چیزی است که شما نیاز دارید. میله آلومینیومی را متناسب با ابعاد پلاتر خود برش دهید.

مجموعه موتور

موتور پله ای BJY-48 را در یک سر از نوار سوار کرده و یک قرقره GT2 20 ، 5 میلی متری ، قرقره را به شافت موتور وصل کنید. حالا قرقره GT2 دیگری را در انتهای دیگر میله خود نصب کنید تا قرقره بتواند آزادانه بچرخد. من برای رسیدن به این هدف از اسپیسر لوله ای (رادیویی) با قطر 5 میلی متر و یک پیچ 3 میلی متری استفاده کردم.

حالا یک دور تسمه تایم GT2 را دور قرقره ها بچسبانید. انتهای تسمه تایم را با استفاده از یک پیچ و تاب به هم وصل کنید تا دندانها با یک کراوات به هم متصل شوند و ثابت شوند.

در نهایت مجموعه واگن را با تسمه کابل به تسمه تایم وصل کنید.

مجموعه کالسکه

مجموعه کالسکه از یک نوار ورق آلومینیومی [1] ساخته شده است که قرقره های U624ZZ روی آن پیچ خورده است. در صورت لزوم از یک واشر 4 میلی متری برای فاصله گیری قرقره ها از ورق آلومینیوم استفاده کنید.

قرقره ها که دارای شیار 4 میلی متری هستند ، نوار آلومینیومی را در بالا و پایین قرار می دهند به طوری که هیچ حرکت عمودی وجود ندارد اما نوار آلومینیومی آزادانه به چپ و راست حرکت می کند.

برای اطمینان از اینکه کالسکه آزادانه کار می کند ، ابتدا دو قرقره بالایی را سوار کرده سپس با قرقره هایی که روی میله نشسته اند ، موقعیت دو قرقره پایینی را مشخص کنید. در حال حاضر ممکن است سوراخ های این دو قرقره حفر شود. ابتدا از یک مته کوچک "خلبان" استفاده کنید تا مانع از حرکت دریل بزرگتر 4 میلی متری شوید.

قبل از خم شدن نوار آلومینیوم به شکل "U" ، سوراخ بالا و پایین را متناسب با قطر قلم خود ایجاد کنید. حالا پیچ ها را کامل کنید.

تسمه تایم را با استفاده از کراوات کابل و پیچ 3 میلی متری بین دو قرقره بالا به مجموعه واگن وصل کنید.

مجموعه بلند کردن قلم

یک سروو SG-90 را با استفاده از یک یا دو بند کابل به قسمت بالای درب وصل کنید.

قلم خود را دو سوراخی که حفر کرده اید بیندازید. اطمینان حاصل کنید که قلم آزادانه بالا و پایین می رود.

یک قلاده به قلم خود ببندید به گونه ای که وقتی سروو در حالت قلم بالا قرار دارد ، قلم از درام جدا شود.

[1] آلومینیوم ممکن است با دو طرف ورق با یک چاقوی تیز (جعبه برش) بریده شود و سپس برش را روی لبه یک میز خم کنید. چند تکان می خورد و ورق شکسته می شود و یک استراحت مستقیم ایجاد می کند. این روش بر خلاف برش های قلع ، آلومینیوم را بر هم نمی زند.

مرحله 3: طبل

طبل شامل قسمتی از لوله پلاستیکی با دو شاخه چوبی است [1].

با استفاده از قطب نما ، در شعاع داخلی لوله خود ، خطوط انتهای پلاگین را ترسیم کنید. حالا با استفاده از یک اره تیغه خوب ("مقابله" ، "نگران") دور هر طرح را برش دهید ، سپس با کمک یک چوب چوب ، هر سرپوش را به صورت سفارشی مناسب کنید. دو شاخه های انتهایی را با استفاده از پیچ های چوبی کوچک ضد ضربه محکم کنید.

یک پیچ مهندسی 6 میلی متری در مرکز هر دوشاخه انتهایی محور را تشکیل می دهد.

ابعاد طبل

ابعاد درام با اندازه کاغذ شما تعیین می شود. قطر طبل 100 میلی متر از پرتره A4 و منظره A3 پشتیبانی می کند. قطر درام 80 میلی متر فقط از منظره A4 پشتیبانی می کند. تا حد امکان از قطر طبل برای کاهش اینرسی استفاده کنید … موتورهای BYJ-48 فقط کوچک هستند.

قطر درام 90 میلی متر برای کاغذهای افقی A4 و A3 ایده آل است زیرا لبه های مخالف آن ، وقتی روی درام پیچیده می شوند ، تقریباً 10 میلی متر روی هم قرار می گیرند ، این بدان معناست که شما فقط یک درز برای چسباندن در محل خود دارید.

چرخاندن طبل

هر محور از یک براکت انتهایی آلومینیومی عبور می کند تا درام بتواند آزادانه بچرخد. شناور انتهایی با استفاده از GT-2 ، دندانه 20 ، سوراخ 6 میلی متری ، قرقره محکم شده به محور در یک انتها جلوگیری می شود. تسمه تایم پیوسته GT-2 موتور پله ای BJY-48 را به درام متصل می کند. موتور به قرقره ای با اندازه سوراخ 5 میلی متر نیاز دارد.

[1] دو شاخه های پلاستیکی برای اکثر قطرهای لوله در دسترس هستند ، اما به دلیل اینکه روی لوله قرار دارند و داخل آن قرار نمی گیرد و پلاستیک تمایل به خم شدن دارد ، رد شدند. اگر از یک محور پیوسته به جای پیچ و مهره ها استفاده شود ، احتمالاً مشکلی وجود نخواهد داشت … اما پس از آن شما به یک روش برای ثابت کردن محور به شاخه های انتهایی نیاز دارید.

مرحله 4: نکات ساختمانی

اطمینان حاصل کنید که قلم در امتداد مرکز طبل حرکت می کند. این امر ممکن است با برش گوشه ها از تکیه گاه های چوبی به دست آید. اگر قلم خارج از مرکز باشد ، تمایل به کشیدن به طرف درام دارد.

حفاری دقیق دو سوراخ قلم مهم است. هرگونه تزلزل در راهنمای قلم یا مجموعه کالسکه باعث ایجاد تزلزل در امتداد محور X می شود.

تسمه های تایم GT-2 را بیش از حد سفت نکنید … آنها فقط باید محکم باشند. موتورهای پله ای BYJ-48 گشتاور زیادی ندارند.

موتورهای پله ای BJY-48 اغلب مقادیر کمی واکنش نشان می دهند که در امتداد محور X ناچیز است ، اما وقتی به محور Y می آید نگران کننده است. دلیل این امر این است که یک دور موتور محور Y برابر با یک چرخش درام است ، در حالی که حرکت قلم نیاز به چرخش های زیادی از محور X برای عبور از طول درام دارد. هر گونه عکس العمل محور Y را می توان با نگه داشتن گشتاور ثابت بر روی درام حذف کرد. یک روش ساده این است که یک وزنه کوچک را به یک طناب نایلونی پیچیده در اطراف طبل وصل کنید.

مرحله 5: الگوریتم ترسیم خط Bresenham

این پلاتر از نسخه بهینه شده [1] الگوریتم رسم خط برزنهام استفاده می کند. متأسفانه این الگوریتم فقط برای شیب های خط کمتر یا مساوی 45 درجه (یعنی یک اکتانت دایره) معتبر است.

برای دور زدن این محدودیت ، من تمام ورودی های XY را به اولین "octant" "نقشه" می کنم ، سپس هنگام زمان رسم آنها را "unpap" می کنم. توابع نقشه برداری ورودی و خروجی برای دستیابی به این هدف در نمودار بالا نشان داده شده است.

استخراج

در صورت آشنایی با الگوریتم برسنهام ، ممکن است باقی مانده این مرحله حذف شود.

اجازه دهید یک خط از (0 ، 0) تا (x1 ، y1) بکشیم که در آن:

• x1 = 8 = فاصله افقی
• y1 = 6 = فاصله عمودی

معادله برای یک خط مستقیم که از مبدا (0 ، 0) عبور می کند با معادله y = m*x داده می شود که در آن:

m = y1/x1 = 6/8 = 0.75 = شیب

الگوریتم ساده

یک الگوریتم ساده برای رسم این خط به شرح زیر است:

• int x1 = 8 ؛
• int y1 = 6 ؛
• شناور m = y1/x1 ؛
• طرح (0 ، 0) ؛
• برای (int x = 1 ؛ x <= x1 ؛ x ++) {
• int y = گرد (m*x) ؛
• نمودار (x ، y) ؛
• }

جدول 1: الگوریتم ساده

ایکس	متر	m*x	y
0	0.75	0	0
1	0.75	0.75	1
2	0.75	1.5	2
3	0.75	2.25	2
4	0.75	3	3
5	0.75	3.75	4
6	0.75	4.5	5
7	0.75	5.25	5
8	0.75	6	6

این الگوریتم ساده دو مشکل دارد:

• حلقه اصلی شامل یک ضرب است که کند است
• از اعداد نقطه شناور استفاده می کند که سرعت آن نیز کند است

نمودار y در مقابل x برای این خط در بالا نشان داده شده است.

الگوریتم برسنهام

برزنهام مفهوم اصطلاح خطا "e" را که مقدار آن صفر است ، معرفی کرد. او متوجه شد که مقادیر m*x نشان داده شده در جدول 1 را می توان با افزودن متوالی 'm' به 'e' بدست آورد. او در ادامه متوجه شد که y تنها در صورتی افزایش می یابد که قسمت کسری m*x بیشتر از 0.5 باشد. برای حفظ مقایسه خود در محدوده 0 <= 0.5 <= 1 ، هر زمان که y افزایش یابد ، 1 را از 'e' تفریق می کند.

• int x1 = 8 ؛
• int y1 = 6 ؛
• شناور m = y1/x1 ؛
• int y = 0 ؛
• شناور e = 0؛
• طرح (0 ، 0) ؛
• برای (int x = 1 ؛ x <= x1 ؛ x ++) {
• e+= m ؛
• اگر (e> = 0.5) {
• e -= 1؛
• y ++ ؛
• }
• نمودار (x ، y) ؛
• }

جدول 2: الگوریتم برسنهام

ایکس	متر	ه	e-1	y
0	0.75	0	0	0
1	0.75	0.75	-0.25	1
2	0.75	0.5	-0.5	2
3	0.75	0.25		2
4	0.75	1	0	3
5	0.75	0.75	-0.25	4
6	0.75	0.5	-0.5	5
7	0.75	0.25		5
8	0.75	1	0	6

اگر الگوریتم و جدول 2 را بررسی کنید ، مشاهده خواهید کرد که ؛

• حلقه اصلی فقط از جمع و تفریق استفاده می کند … هیچ ضرب وجود ندارد
• الگوی y مانند جدول 1 است.

اما ما هنوز از اعداد نقطه شناور استفاده می کنیم … بیایید این را برطرف کنیم.

الگوریتم برسنام (بهینه سازی شده)

الگوریتم نقطه شناور برزنهام را می توان به صورت عدد صحیح تبدیل کرد اگر "m" و "e" را با 2*x1 مقیاس کنیم که در این صورت m = (y1/x1)*2*x1 = 2*y1

الگوریتم جدا از مقیاس بندی 'm' و 'e' مشابه الگوریتم فوق است به جز:

• هر بار که x را افزایش می دهیم 2*y1 به 'e' اضافه می کنیم
• اگر e برابر یا بزرگتر از x1 باشد ، y را افزایش می دهیم.
• 2*x1 را از 'e' به جای 1 کم می کنیم
• برای مقایسه به جای 0.5 از x1 استفاده می شود

اگر حلقه از صفر برای آزمایش استفاده کند ، سرعت الگوریتم می تواند بیشتر شود. برای انجام این کار ، ما باید یک جبران را به عبارت خطا "e" اضافه کنیم.

• int x1 = 8 ؛
• int y1 = 6 ؛
• int m = (y1 << 1) ؛ // ثابت: مقیاس شیب 2*x1
• int E = (x1 << 1) ؛ // ثابت: 2*x1 برای استفاده در حلقه
• int e = -x1؛ // جبران -E/2: آزمایش در حال حاضر در صفر انجام شده است
• طرح (0 ، 0) ؛
• int y = 0 ؛
• برای (x = 1 ؛ x <= x1 ؛ x ++) {
• e += m ؛
• if (e> = x1) {
• e -= E
• y ++ ؛
• }
• نمودار (x ، y) ؛
• }

جدول 3: الگوریتم برسنهام (بهینه شده)

ایکس	متر	ه	ه	e - E	y
0	12	16	-8		0
1	12	16	4	-12	1
2	12	16	0	-16	2
3	12	16	-4		2
4	12	16	8	-8	3
5	12	16	4	-12	4
6	12	16	0	-16	5
7	12	16	-4		5
8	12	16	8	-8	6

بار دیگر الگوی y همانند جداول دیگر است. جالب است بدانید که جدول 3 فقط شامل اعداد صحیح است و نسبت m/E = 12/16 = 0.75 که شیب 'm' خط است.

این الگوریتم بسیار سریع است زیرا حلقه اصلی فقط شامل جمع ، تفریق و مقایسه با صفر است. ضرب جدا از زمانی که مقادیر "E" و "m" را با استفاده از "چپ-شیفت" مقداردهی می کنیم برای دو برابر کردن مقادیر x1 و y1 استفاده نمی شود.

[1] این نسخه بهینه از الگوریتم برسنهام از مقاله "خط Bresenham و طراحی دایره" ، حق چاپ © 1994-2006 ، W Randolph Franklin (WRF) است. مطالب وی ممکن است برای تحقیقات و آموزش غیرانتفاعی استفاده شود ، به شرط آنکه به او اعتبار دهید و به صفحه اصلی او پیوند دهید ،

مرحله 6: کد

فایل پیوست شده را در پوشه ای با همین نام بارگیری کرده و سپس با استفاده از arduino IDE (محیط توسعه یکپارچه) آن را در پلاتر بارگذاری کنید.

قبل از بارگذاری ماژول HC-06 bluetoorh را از برق بکشید. این امر برای جلوگیری از تعارض پورت سریال با کابل USB ضروری است.

کد شخص ثالث

علاوه بر کد.ino فوق ، به بسته های نرم افزاری زیر نیز نیاز دارید که رایگان هستند:

• Teraterm که از https://osdn.net/projects/ttssh2/releases/ در دسترس است
• Inkscape که از https://inkscape.org/en/download/ در دسترس است

دستورالعمل نصب و استفاده از هر یک از بسته های شخص ثالث فوق را می توانید در مقاله من مشاهده کنید

مرحله 7: منو

با پلاتر خود با استفاده از "Teraterm" یک اتصال بلوتوث ایجاد کنید.

"caps lock" خود را روشن کنید زیرا همه دستورات با حروف بزرگ هستند.

حرف "M" را تایپ کنید و منویی مطابق شکل بالا ظاهر شود.

منو به طور منطقی خود توضیحی است:

• M (یا M0) منو را نشان می دهد
• G0 به شما این امکان را می دهد که قلم را با یک قلم بلند شده به یک مختصات خاص XY ارسال کنید.
• G1 به شما این امکان را می دهد که قلم را به یک مختصات خاص XY با قلم پایین ارسال کنید.
• T1 به شما امکان می دهد قلم خود را روی مختصات 0 ، 0 قرار دهید. برای خروج عبارت 'E' را تایپ کنید.
• T2 به شما امکان می دهد میزان کشش خود را مقیاس بندی کنید. به عنوان مثال "T2 S2.5" مقیاس نقاشی شما را 250 افزایش می دهد. مقیاس پیش فرض 100٪ است
• T3 و T4 به شما امکان می دهند قلم را بالا یا پایین بیاورید.
• T5 یک الگوی آزمایشی "ABC" ترسیم می کند.
• T6 "هدف" را ترسیم می کند.
• T7 مجموعه ای از خطوط شعاعی را ترسیم می کند ، هدف از آنها تأیید این است که الگوریتم برسنهام در هریک از هشت "اکتانت" کار می کند.

یادداشت:

• همه حرکت های قلم از مقیاس ترسیم با استفاده از گزینه منو T2 استفاده می کنند
• اعداد "17:" و "19:" کدهای پایانی "Xon" و "Xoff" از مفسر آردوینو هستند.

مرحله 8: کالیبراسیون

مقادیر X_STEPS_PER_MM و Y_STEPS_PER_MM مربوط به درام با قطر 90 میلی متر است.

مقادیر سایر قطرهای درام را می توان با استفاده از روابط زیر محاسبه کرد:

• محیط طبل قطر PI*است
• 2048 مرحله برابر است با یک دور هر محور موتور
• یک دور قرقره GT-2 معادل 40 میلی متر حرکت خطی تسمه تایم است

روش دیگر این است که دستورات زیر را وارد کنید ،

• G1 X0 Y100
• G1 X100 Y100

سپس طول خطوط به دست آمده را اندازه گیری کرده و مقادیر X-STEPS_PER_MM و Y_STEPS_PER_MM را "مقیاس" کنید

مرحله 9: پیش پردازش Gcode

این پلاتر فقط به چهار مورد از کدهای Inkscape (مانند: G0 ، G1 ، G2 ، G3) نیاز دارد. اگر همه کدها و نظرات غیر ضروری را حذف کنیم ، کد بسیار سریعتر اجرا می شود.

برای این کار به یک نسخه از "Notepad ++" نیاز دارید. این ویرایشگر متن رایگان شامل یک موتور جستجوی "عبارت معمولی" برای یافتن و حذف متن ناخواسته است. ++ Notepad از https://notepad-plus-plus.org/download/v6.9.2.html در دسترس است

فایل موردنظر را با Notepad ++ باز کنید و مکان نما را در بالای فایل قرار دهید.

"View/Show Symbol/All Characters" و سپس "Search/Replace …" را از نوار بالای منو انتخاب کنید.

روی کادر تأیید "Regular Expression" کلیک کنید (تصویر اول را ببینید) و هر یک از دنباله های کد زیر را در کادر جستجو وارد کنید.

بعد از هر ورودی روی "جایگزینی همه" کلیک کنید:

• %
• (.*)
• ^م.*$
• Z.*$

عبارات منظم فوق همه٪ نمادها ، همه نظرات نشان داده شده در داخل پرانتز ، همه کد M ، همه کد های Z و کدهای زیر را حذف می کند.

اکنون روی کادر تأیید "Extended Expression" (تصویر دوم را ببینید) کلیک کنید و دنباله کد زیر را وارد کنید:

r / n / r / n / r / n

این عبارت حمل و نقل و خوراک های خطی ناخواسته ایجاد شده توسط دنباله اول را حذف می کند.

با استفاده از "ذخیره به عنوان" فایل خود را با نام دیگری ذخیره کنید.

انجام شده.

مرحله 10: نتایج

این پلاتر به عنوان "اثبات مفهوم" ساخته شد و هرگز قصد نداشت کامل باشد. با این حال ، نتایج بد نیست. آنها قطعاً هدف طراحی من را در انتقال خطوط آبرنگ روی کاغذ برآورده می کنند.

سه تصویر اول به ترتیب الگوهای تست داخلی T5 ، T6 ، T7 هستند.

"سلام جهان!" الگو از طریق بلوتوث به پلاتر ارسال شد. یک نسخه "پیش پردازش شده" از این فایل ضمیمه شده است.

مرحله 11: به روز رسانی کد

کد این پلاتر به Drum_Plotter_V2.ino به روز شده است.

تغییرات از Drum_Plotter.ino اصلی شامل موارد زیر است:

• موقعیت قلم روان تر
• اکنون دستورالعمل های کد G02 (قوس در جهت عقربه های ساعت) را تشخیص می دهد
• در حال حاضر دستورالعمل های کد G03 (قوس خلاف جهت عقربه های ساعت) را تشخیص می دهد

نمودار پیوست روش من را برای محاسبه زاویه قوس نشان می دهد.

مرحله 12: Drum_plotter_v3.ino

به روز رسانی کد "CNC Drum Plotter" ضمیمه شده است.

"drum_plotter_v3.ino" یک اشکال جزئی را برطرف می کند که بر دقت پلاتر تأثیر می گذارد.

تغییر تاریخ

نسخه 2:

منحنی های دو قوس اضافه شده است

نسخه 3:

توابع زیر برای رفع اشکال جزئی که بر دقت پلاتر تأثیر می گذارد بازنویسی شد.

• (int) با تابع round () در تابع move_to () جایگزین می شود.
• تابع draw_line () تابع "octant" جستجو بهبود یافته است
• مترجم اکنون از توابع رشته ای به جای اشاره گرها استفاده می کند که طراحی را ساده می کند. به عنوان مثال ، اکنون می توانیم "MENU" را جستجو کنیم نه اینکه به دنبال حرف "M" بگردیم و سپس عدد صحیح زیر را استخراج کنیم. این به شما امکان می دهد پلاتر را با دستورات شخصی خود شخصی کنید.

مرحله 13: Drum_plotter_plotter_v4.ino

16 ژانویه 2017:

کد این پلاتر درام بیشتر بهینه شده است. ویژگی های اضافی اضافه شده است.

تغییرات عبارتند از:

• سریعتر الگوریتم draw_line ()
• تابع move_to () را مطابقت می دهد
• شمارنده گام
• رفع اشکال جزئی

برای جزئیات بیشتر ، نظرات داخل "drum_plotter_v4.ino" پیوست را بخوانید.

برای مشاهده سایر دستورالعمل های من اینجا را کلیک کنید.