Plotter de caneta DIY com trocador automático de ferramentas

Neste tutorial, mostrarei como construí um plotter de caneta CNC ou uma máquina de desenho, mas com um recurso interessante e isso é a troca automática de ferramentas. Em outras palavras, a máquina poderá mudar as cores automaticamente e assim podemos desenhar coisas muito legais com ela.

Você pode assistir ao vídeo a seguir ou ler o tutorial escrito abaixo.

Visão geral

A construção da máquina é baseada na minha máquina DIY CNC Laser Engraver do meu vídeo anterior, onde o objetivo era fazer a máquina CNC mais simples com o mínimo de peças possível. Ele usa 3 motores de passo NEMA 17 para o movimento dos eixos X, Y e Z e um pequeno servo para a garra. O cérebro desta máquina plotadora CNC Pen é uma placa Arduino UNO em combinação com um escudo CNC e três drivers de passo A4988.

A área de trabalho é bastante grande, 360x280mm, e o nível de detalhes que este plotter de caneta pode produzir são, na minha opinião, bastante impressionantes também. Fiquei realmente surpreso com o quão bons e precisos os desenhos ficaram, especialmente aqueles em que usei uma caneta gel 0,6 mm.

No entanto, agora vou explicar tudo o que você precisa saber sobre como construir uma máquina de desenho como esta, incluindo como projetá-la, conectar a eletrônica, qual firmware e software usar e como gerar o código G para ela.

Modelo 3D de plotadora de caneta CNC DIY

Para começar, vamos dar uma olhada no design desta máquina CNC. Como já mencionei, esta máquina é baseada no projeto da minha máquina de gravação a laser CNC anterior, onde o objetivo era fazer um CNC muito simples com o mínimo de peças possível.

Os dois componentes principais são os trilhos lineares MGN15H, juntamente com seus blocos deslizantes adequados. O movimento dos eixos X e Y é feito através de duas Correias GT2 e algumas polias GT2. Quanto ao eixo Z, temos um movimento alternativo simples onde a parte móvel desliza para cima e para baixo em duas hastes lineares de 6 mm e rolamentos lineares adequados. Um pequeno servo de hobby é usado para segurar a caneta.

Um procedimento de homing é essencial para este plotter de caneta, pois os suportes de caneta têm uma posição fixa específica, portanto, a máquina deve ter um ponto de partida. Portanto, devemos ter um interruptor de limite para cada eixo.

Você pode encontrar e baixar este modelo 3D, bem como explorá-lo em seu navegador no Thangs:

Baixe o modelo 3D de montagem em Thangs.

Obrigado Thangs por apoiar este tutorial.

Quanto aos arquivos STL que são usados para imprimir as peças em 3D, você pode baixá-los aqui:

Montagem da máquina

Aqui estão todas as peças necessárias para montar o plotter de caneta.

Aqui está uma lista de componentes necessários para montar esta máquina CNC DIY. A lista dos componentes eletrônicos pode ser encontrada abaixo na seção de diagrama de circuito do artigo.

MGN15H Trilho Linear ………………………… Amazônia / Banggood / AliExpress
Barra Linear 6mm ……………………………….. /
Rolamento linear 6mm …………………………. / AliExpress
Motor de passo – NEMA 17 …………….… Amazon / Banggood / AliExpress
Correia GT2 + Polia de Dente……………….…… Amazon / Banggood / AliExpress
Pola intermediária GT2 ………………………….….… Amazon / Banggood / AliExpress
Porcas espaçadoras …………………………….……….. Amazon / Banggood / AliExpress
Conjunto de parafusos e porcas ……………………….…… Amazon / Banggood / AliExpress ou na loja de ferragens local + Parafusos de cabeça chata 3x16mm

Muito bem, agora podemos começar a montar a máquina. Comecei prendendo a placa de base e o suporte do trilho linear com a ajuda de alguns parafusos M3. Todos os parafusos para montar esta máquina são na verdade M3 com vários comprimentos, exceto alguns parafusos M5 necessários para polias GT2.

Assim que tivermos os dois lados prontos, podemos fixar o trilho linear do eixo X neles com dois parafusos de cada lado. Esses trilhos MGN15H proporcionam movimentos muito suaves e sem folga, pois seus blocos deslizantes possuem esferas ou roletes dentro deles.

No entanto, antes de instalá-los, é uma boa ideia limpá-los e lubrificá-los bem para que funcionem corretamente.

Em seguida, o trilho do eixo Y deve ficar em cima do bloco deslizante do eixo X e, para prendê-los, usaremos uma placa de montagem central. Primeiro, podemos instalar o trilho do eixo Y na placa central usando três parafusos.

Em seguida, podemos instalar os dois motores de passo NEMA 17. Um vai no lado superior e o outro no lado inferior da placa. Como mencionei anteriormente, precisamos de alguns parafusos e porcas M5 para instalar as polias GT2 no lugar. As duas polias aqui são, na verdade, polias intermediárias que são usadas para fornecer aderência para a correia GT2 do eixo X e a polia dentada que vai no motor de passo.

Quanto à instalação dessa polia, devemos medi-la e nivelá-la de acordo com as polias intermediárias. Quanto ao eixo Y, precisamos apenas de uma polia intermediária que fica do outro lado do trilho, pois a correia desse eixo será instalada em um loop.

Ok, o próximo é o casamento ou conectar os dois eixos. Simplesmente fazemos isso prendendo a placa central ao bloco deslizante do eixo X usando quatro parafusos M3. Com isso a máquina ganhou sua forma principal e agora o bloco deslizante do eixo Y pode atingir qualquer posição na área de trabalho.

Podemos continuar agora com a montagem do mecanismo de levantamento da caneta. Este mecanismo é composto por duas partes, uma fixa que é aparafusada ao bloco deslizante do eixo Y e outra que desliza para cima e para baixo. Uma vez que a parte fixa esteja fixada no lugar, podemos instalar o motor de passo do eixo Z nela. Este stepper também é um NEMA 17, mas é mais curto, 23 mm em vez de 40 mm, para reduzir o peso.

Em seguida, podemos instalar o levantador que é simplesmente preso ao eixo do stepper. O parafuso sem cabeça que eu tinha era um pouco longo para ele, então eu coloquei o levantador no eixo sem ele, mas seu orifício tem uma forma como o eixo para que o movimento seja bem transferido. Na verdade, acabei modificando um pouco essa parte, mas, não se preocupe, você obterá a versão atualizada dela nos arquivos de download.

Em seguida, inseri os quatro rolamentos lineares na parte deslizante e prendi o micro servo no lugar. Então eu também prendi a parte do suporte da caneta ao lado do servo.

Para conectar a parte fixa e a parte deslizante, primeiro precisamos passar o fio do servo através de um furo na parte fixa e depois inserir as hastes de 6mm a partir do topo, através dos rolamentos e do furo da parte fixa. Ao instalar esta haste, devemos também inserir uma mola entre a parte fixa e a parte deslizante de forma que empurre a parte deslizante para baixo.

Isso ajudará a caneta a ter um melhor contato com a superfície de trabalho. Na parte inferior da parte fixa, existem aberturas onde podemos inserir porcas M3 e usá-las para fixar as hastes de 6 mm no lugar.

Em seguida, podemos montar a unidade porta-canetas que fica em um lado da máquina. É composto por uma parte superior e uma parte inferior com aberturas para acomodar até 12 canetas.

Continuei com a instalação dos cintos. Primeiro, precisamos medir quanto comprimento precisamos e cortá-lo aproximadamente no tamanho. Para prender o cinto ao bloco deslizante, fiz esses conectores de cinto legais, onde o cinto gira em torno de um eixo oco e entre duas paredes que não permitem que o cinto se mova.

Usando um parafuso M3 podemos fixar o primeiro conector de um lado do bloco e repetir o mesmo procedimento para o outro lado. Podemos mover os conectores ao longo dessas ranhuras aqui e assim tensionar a correia o quanto quisermos.

Quanto ao eixo X, a correia irá em linha reta de um lado para o outro, passando pelas polias de forma a proporcionar tensão ou aderência com a polia do motor de passo.

Para tensionar a correia do eixo X, fiz esses conectores que têm o formato da correia e assim podemos apertá-los nas laterais da máquina.

Em seguida, podemos instalar os interruptores de limite.

Na verdade, acabei diminuindo um pouco esse interruptor de limite do eixo Z e, quanto aos interruptores de limite X e Y, usei os do meu projeto anterior que já tinha fios conectados a eles.

Conectando os eletrônicos

Com isso, a parte mecânica da máquina está pronta e podemos prosseguir com a conexão da eletrônica.

Como mencionei, estamos usando uma placa Arduino Uno em combinação com um escudo CNC e três drivers de passo A4988.

Para conectar a placa Arduino à máquina fiz uma peça adicional impressa em 3D que vai no painel lateral. Fixei a placa Arduino com dois parafusos M3 e, em cima, inseri o escudo CNC.

Aqui precisamos inserir três jumpers para cada driver de passo para selecionar 16^th /step resolução e, em seguida, inserimos os drivers de passo.

Então podemos conectar os motores à blindagem do CNC de forma adequada. Para conectar os micro interruptores de limite no lugar, eu simplesmente soldei fios diretamente a eles e, do outro lado, soldei conectores de pinos fêmeas que os peguei de alguns fios de salto.

Quanto ao servo motor, usei alguns cabos de extensão do servo para que ele alcance a blindagem do CNC. Para alimentar a máquina, precisamos de uma fonte de alimentação de 12V. Aqui está um diagrama de circuito de como tudo precisa ser conectado.

Diagrama de circuito de plotadora de caneta CNC DIY

Aqui está o diagrama de circuito de como tudo precisa ser conectado.

Você pode obter os componentes necessários para este projeto nos links abaixo:

Motor de passo – NEMA 17……………… Amazon / Banggood / AliExpress
Motor de passo – NEMA 17 23mm ….. Amazon / /
A4988 Stepper Driver………………..…..… Amazon / Banggood / AliExpress
Servomotor ……………………………….… Amazon / Banggood / AliExpress
Arduino CNC Shield ……………………….. Amazon / Banggood / AliExpress
Arduino Uno………………………………….… Amazon / Banggood / AliExpress
Interruptor de limite ………………………………………. Amazônia / Banggood / AliExpress
Fonte de alimentação CC …………………………… Amazon / Banggood / AliExpress

Então, estamos usando uma placa Arduino UNO em combinação com um CNC Shield e três drivers de passo A4988. Temos três micro interruptores de limite para o retorno da máquina e um pequeno servo motor para o mecanismo da garra. Para alimentação, precisamos de uma fonte de alimentação de 12v com uma taxa de corrente mínima de 2 amperes.

Concluindo a montagem da máquina

Há poucos retoques finais que precisam ser feitos para completar este plotter de caneta. Aqui estou instalando a pinça de caneta que é simplesmente conectada ao servo motor através da buzina do servo.

Para o manuseio dos cabos do levantador de canetas, usei um tapete de mesa de jantar cujo material era firme, mas flexível, por isso foi perfeito para o trabalho.

Com isso, nossa máquina de desenho está concluída. No entanto, há algumas coisas que devemos observar aqui. Como o trilho do eixo Y não é suportado em um lado e o material PLA de impressão 3D em si não é tão rígido, quando totalmente estendido, o levantador da caneta ficou 4 mm mais baixo em comparação com o lado suportado.

Isso é muito jogo, mas consegui resolver esse problema levantando um pouco a parte frontal da máquina. Desta forma reduzi a diferença para cerca de 1mm, o que era aceitável. se você planeja usar esses trilhos grandes, sugiro definitivamente suportar o trilho do eixo Y do outro lado também.

Outra questão é o porta-canetas, pois as canetas não ficam bem no lugar dessa forma. Aqui eu sugiro aumentar as aberturas superiores e adicionar um pouco de material macio nas laterais para que as canetas permaneçam no lugar e seja fácil para a máquina inseri-las.

Finalmente, podemos inserir uma placa sob toda a máquina para obter uma superfície plana.

E pronto, nossa máquina está pronta.

Software de controle e firmware de plotadora de caneta DIY

O que resta a fazer agora é dar vida a ela ou torná-la uma verdadeira máquina CNC. Para isso, precisamos instalar um firmware no Arduino para controlar o movimento da máquina CNC e precisamos de um software de controle através do qual enviaremos códigos G e diremos à máquina o que fazer.

A escolha mais popular para máquinas CNC DIY é o firmware GRBL de código aberto. No entanto, para este plotter de caneta precisamos de uma versão modificada dele, que possa controlar o servo motor. Esta versão modificada chamada “grbl-servo”, que altera a frequência PWM padrão do pino de controle do fuso (ou pino digital número 11) de 1 kHz para 50 Hz que é necessário para controlar este tipo de servo motor.

Depois de baixar e instalar este firmware GRBL na pasta da biblioteca do nosso Arduino IDE, também precisamos modificar seu arquivo config.h para habilitar o homing de 3 eixos, em vez do homing padrão de 2 eixos.

Quanto ao software de controle, usaremos o GRBL-Plotter que é dedicado ao controle de plotters e inclui um conversor gráfico através do qual podemos gerar código G a partir de nossas imagens ou gráficos. Este também é um software de código aberto que pode ser baixado do Github.

Aqui, a primeira coisa que precisamos fazer é conectar nossa placa Arduino ao software através da porta COM adequada. Uma vez que clicamos no botão “Kill Alarm”, no monitor serial, obteremos uma lista de nossos parâmetros GRBL atuais. Precisamos alterar alguns desses parâmetros de acordo com nossa máquina.

Parâmetros GRBL

A primeira coisa que devemos ajustar aqui é a resolução de deslocamento ou os valores de passos/mm. Esses valores indicam quantos passos o motor deve dar para mover 1mm. Isso depende do tipo de motor de passo que temos, da resolução do passo selecionada e da transmissão de movimento, neste caso a correia e a polia GT2.

Para nossa máquina, é necessário um valor de 80 passos/mm para que os eixos X e Y sejam precisos. Quanto ao eixo Z, defino um valor de 40 que na verdade não é preciso em termos de movimento real, mas não podemos conseguir isso de qualquer maneira com nosso movimento recíproco.

Devemos também definir o parâmetro número 23, para 0, que informa onde estão localizados nossos fins de curso, definir a taxa de alimentação máxima, aceleração, velocidade máxima de deslocamento e o parâmetro número 1 para um valor de 255, que mantém ativos os steppers todos os Tempo. No entanto, devemos observar que, com isso ativado, especialmente para o stepper do eixo Z, devemos ajustar o limite de corrente do driver A4988 para o mínimo, porque o stepper NEMA 17 mais curto pode esquentar rapidamente.

Configuração do GRBL-Plotter

Ok, então vamos dar uma olhada na configuração do controlador agora. Há tantas opções para ajustar aqui que pode ser um pouco intimidante no início. Aqui primeiro precisamos definir a tradução da caneta para cima e para baixo para ser o eixo Z e definir valores para a posição para cima e para baixo.

Na aba Tabela de ferramentas, podemos definir a cor das canetas e sua posição. Devemos observar aqui que esses valores são para o G53 ou o sistema de coordenadas da máquina. Isso significa que eles são definidos pelos interruptores de limite rígidos que a máquina possui e pelo curso máximo que definimos nos parâmetros GRBL anteriormente.

Para definir a posição de cada caneta, usei os valores de deslocamento, que são 0 para o eixo X e 277 para o eixo Y neste caso. Esses valores posicionam a pinça na frente da primeira caneta, e então só tive que definir o valor Y para cada caneta, que é 21,7mm no sentido negativo.

Aqui também podemos ajustar a taxa de alimentação e a posição para cima e para baixo para cada caneta individualmente, caso haja canetas diferentes.

Em seguida, no toque de troca de ferramenta, devemos selecionar “Executar troca de ferramenta no Tx M06”, que informa à máquina para fazer a troca de ferramenta quando este comando aparecer no código G.

O valor “x” após a letra T indica o número da ferramenta da tabela de ferramentas. Para realizar a troca de ferramenta devemos incluir os scripts “select” e “remove”, que são executados quando o comando Tx M06 aparece. Nestes scripts definimos o movimento da garra para pegar ou retirar a ferramenta.

Para selecionar uma caneta, a pinça é posicionada primeiro na frente da caneta real em coordenadas absolutas da máquina, aquela definida na tabela de ferramentas. Então o servo abre a pinça, ela sobe mais 4 mm, depois se move em direção à caneta na direção X e um pouco na direção Y. Em seguida, a garra fecha, levanta a caneta e volta para a mesma posição antes de executar o script. Para remover a caneta, as etapas do script são as mesmas, mas na ordem inversa.

Claro que todos estes parâmetros dependem das próprias canetas, da sua dimensão e da dimensão dos suportes. A única maneira de corrigir esse processo é testando e corrigindo valores.

Geração de código G para plotadora de caneta CNC com troca automática de ferramentas

Finalmente, vamos dar uma olhada em como podemos gerar código G a partir de imagens com este software GRBL-Plotter.

Depois de carregar a imagem, podemos clicar em “Visualizar com cores da tabela” para ver como ficaria a imagem. Na guia de correção de imagem, podemos brincar com os valores de Brilho, Contraste, Gama e Saturação para obter cores semelhantes à imagem real ou àquela que realmente queremos. Podemos definir o tamanho de saída em mm e, na toca de substituição de cor, podemos remover as cores que não queremos usar.

Por exemplo, podemos remover a cor damasco que é a cor branca na imagem. Então podemos clicar no botão Create G-Code e o G-code será gerado.

Também podemos gerar códigos G a partir de arquivos SVG, que podemos simplesmente arrastá-los e soltá-los, e o software gerará o código G imediatamente.

Antes de iniciar a plotagem, devemos definir a posição 0 onde quisermos na área de trabalho e depois clicar no botão play.

O plotter de canetas começará a funcionar e podemos desfrutar de vê-lo fazendo mágica.

Espero que tenham gostado deste vídeo e aprendido algo novo. Se você tiver alguma dúvida, sinta-se à vontade para perguntar na seção de comentários abaixo.

Arduino Tutorial 01:Começando Máquina CNC mais simples com o mínimo de peças possível – Gravador a laser DIY

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