Construa um Plotter CNC com Arduino: Guia Passo a Passo para Máquina de Desenho DIY

Componentes e Materiais Necessários

Componente	Quantidade	Observações
Arduino Nano R3	1	Cérebro do sistema
Driver de Motor Dual H-Bridge L293D (Texas Instruments)	1	Controla dois motores de passo
Micro Servo Motor SG90	1	Para levantar/abaixar a caneta
Motor de passo de drive DVD-ROM	2	Extraídos de drives de DVD antigos
PCB Personalizada (JLCPCB)	1	Placa de circuito impresso customizada

Ferramentas e Máquinas Necessárias

• Cortadora a laser (genérica) - para cortar peças em MDF 5mm
• Impressora 3D (genérica) - para suporte da caneta

Aplicativos e Serviços Online

• Arduino IDE
• Inkscape (para gerar G-code)
• Processing 3 (para enviar G-code ao Arduino)
• EasyEDA (design de PCB)

Sobre o Projeto

Olá pessoal! Espero que tenham gostado do meu tutorial anterior "Como fazer sua própria plataforma de treinamento Arduino" e estejam prontos para um novo projeto. Como de costume, preparei este guia passo a passo para a construção de um projeto eletrônico de baixo custo e incrível: a máquina plotter CNC, também conhecida como "CNC de desenho" ou simplesmente "máquina CNC com Arduino".

Encontrei muitos tutoriais na web explicando como fazer um plotter CNC, mas a falta de informações detalhadas tornava a construção difícil. Por isso, decidi criar este instructable mostrando em detalhes como construir facilmente sua própria máquina de desenho.

Este projeto fica muito mais simples após obter a PCB personalizada que encomendamos da JLCPCB. Para melhorar a aparência da máquina, também incluímos documentação e códigos suficientes para que você possa criar a sua sem dificuldades. Construímos este projeto em apenas 5 dias: 3 dias para conseguir todas as peças e finalizar a montagem do hardware, e 2 dias para preparar o código e fazer ajustes.

O Que Você Vai Aprender

• Seleção correta de hardware baseada nas funcionalidades do projeto
• Preparação do diagrama de circuito para conectar todos os componentes
• Montagem de todas as partes do projeto (montagem mecânica e eletrônica)
• Balanceamento e calibração da máquina
• Operação e controle do sistema

Passo 1: O Que é uma Máquina Plotter?

Como este tutorial é para iniciantes, vou explicar detalhadamente o que é uma máquina de desenho e como ela funciona!

Conforme definido na Wikipedia, CNC significa Controle Numérico Computadorizado - uma máquina que é uma estrutura controlada por computador que recebe instruções através de uma porta serial enviada por um computador e move seus atuadores dependendo das instruções recebidas. A maioria dessas máquinas são baseadas em motores de passo, que incluem motores de passo em seus eixos.

Outro termo importante é "eixo". Cada máquina CNC tem um número definido de eixos que serão controlados pelo programa do computador.

No nosso caso, o plotter CNC que construímos é uma máquina de dois eixos (detalhes na figura 1) que possui pequenos motores de passo em seus eixos (motor de passo na figura 2). Estes steppers moverão uma bandeja ativa e a farão mover em um plano de dois eixos para criar o desenho usando uma caneta. A caneta será segurada e liberada usando um terceiro motor em nossa estrutura, que será um servo motor.

Passo 2: Motor de Passo - O Principal Atuador

Um motor de passo (stepper motor) é um motor DC sem escovas que divide uma rotação completa em um número de passos iguais. A posição do motor pode então ser comandada para mover e manter em um destes passos sem nenhum sensor de posição para feedback (controlador de malha aberta), desde que o motor seja dimensionado cuidadosamente para a aplicação em relação a torque e velocidade.

Primeira questão: de onde conseguir os motores de passo para nosso projeto? Fácil: basta pegar um leitor de DVD antigo como o da foto abaixo.

Consegui dois por 2 dólares. Tudo o que você precisa fazer é desmontá-lo para extrair o motor de passo e seu suporte, como mostram as próximas imagens. Precisaremos de dois deles.

Uma vez que você tenha seus motores do leitor de DVD, deve prepará-los para uso identificando as extremidades das bobinas do motor. Cada motor de passo tem duas bobinas e, usando um multímetro, você pode identificar as extremidades das bobinas medindo a resistência entre os pinos do conector do motor ("como mostra a próxima imagem") e para cada bobina deve ser cerca de 10Ω medidos.

Após identificar as bobinas do motor, apenas solde alguns fios para controlar o motor através delas ("veja próxima imagem").

Passo 3: O Diagrama de Circuito

O coração da nossa máquina é uma placa de desenvolvimento Arduino Nano que controlará o movimento de cada atuador dependendo das instruções recebidas do computador. Para controlar esses motores de passo, precisamos de um driver de motor de passo para controlar a velocidade e direção de cada atuador.

No nosso caso, usaremos um driver de motor H-bridge L293D ("veja imagem 3") que receberá os comandos do motor enviados pelo Arduino através de suas entradas e controlará os motores de passo usando suas saídas.

Para conectar todas as peças necessárias junto com nossa placa Arduino, fiz o diagrama de circuito que mostra a primeira imagem, onde você deve seguir a mesma conexão para ambos os motores de passo e o servo motor.

A próxima imagem explica em detalhes através de um esquema o diagrama de circuito e como devem ser as ligações entre o Arduino e os outros componentes. Claro que você pode ajustar estas ligações dependendo das suas necessidades.

Passo 4: Fabricação da PCB (Produzida pela JLCPCB)

Sobre a JLCPCB

A JLCPCB (Shenzhen JIALICHUANG Electronic Technology Development Co., Ltd.) é a maior empresa de prototipagem de PCB na China e um fabricante de alta tecnologia especializado em prototipagem rápida de PCB e produção de PCB em pequenas quantidades. Com mais de 10 anos de experiência em fabricação de PCB, a JLCPCB tem mais de 200.000 clientes no país e no exterior, com mais de 8.000 pedidos online de prototipagem de PCB e produção de pequena quantidade por dia. A capacidade de produção anual é de 200.000 m² para PCBs de 1, 2 ou múltiplas camadas. A JLC é um fabricante profissional de PCB caracterizado por grande escala, equipamentos avançados, gestão rigorosa e qualidade superior.

Eletrônica na Prática

Após fazer o diagrama de circuito, transformei-o em um design de PCB para produzi-lo ("veja as próximas imagens"). Para produzir a PCB, escolhi a JLCPCB como melhor fornecedora de PCB e a mais barata para encomendar meu circuito. Com sua plataforma confiável, tudo o que precisei fazer foi alguns cliques simples para fazer upload do arquivo Gerber e definir alguns parâmetros como espessura da PCB, cor e quantidade. Paguei apenas 2 dólares para receber minha PCB após cinco dias.

Arquivos para Download

Você pode obter o arquivo do Circuito (PDF) aqui. Como pode ver nas imagens acima, a PCB é muito bem fabricada como mostra "a próxima imagem" do esquema relacionado.

E obtive o mesmo design de PCB que fizemos para nossa placa principal e todos os rótulos e logos estão lá para me guiar durante os passos de soldagem. Você também pode baixar o arquivo Gerber para este circuito aqui, caso queira fazer um pedido do mesmo design de circuito.

Passo 5: Projete um Suporte para Sua Máquina!

Para dar uma melhor aparência à nossa máquina, decidi projetar estas três peças ("veja figura 1") usando o software SolidWorks. Estas peças nos ajudarão a montar os leitores de DVD juntos. Obtive os arquivos DXF destas peças e com a ajuda dos meus amigos no FabLab Tunísia consegui produzir as partes projetadas usando uma máquina de corte a laser CNC. Usamos material de madeira MDF de 5mm para produzir estas peças.

Outro design é o suporte da caneta de desenho, que obtive através de um processo de impressão 3D. Você pode baixar todos os arquivos relacionados nos links abaixo.

Passo 6: Lista de Materiais (Ingredientes)

Agora vamos revisar os componentes necessários para este projeto. Estou usando um Arduino Nano como mencionado acima, que será o coração da nossa máquina. O projeto também inclui dois motores de passo com seus drivers ICs e um servo motor. Abaixo você encontra alguns links recomendados da Amazon para os itens apropriados:

• A PCB que encomendamos da JLCPCB
• Um Arduino Nano: Link Amazon
• 2 x Driver H-bridge L293D: Link Amazon
• 2 x Soquetes IC DIP 16 pinos: Link Amazon
• 1 x Soquete IC DIP: Link Amazon
• Conectores header SIL e parafuso: Link Amazon
• 1 x Servo motor SG90: Link Amazon
• 2 x Leitores de DVD (para extrair motores de passo)
• Peças impressas em 3D (suporte da caneta)
• Peças cortadas a laser (estrutura em MDF)
• Parafusos para montagem
• Caneta de desenho (a que recebemos de brinde da JLCPCB ou qualquer outra)

Passo 7: Montagem Eletrônica e Testes

Passamos agora para a soldagem de todos os componentes eletrônicos. Como de costume, você encontrará na camada superior de silk screen um rótulo de cada componente indicando sua colocação na placa, e assim você terá 100% de certeza de que não cometerá erros de soldagem.

Faça Alguns Testes

Após soldar os componentes eletrônicos ("veja primeira imagem"), aparafusei o leitor de DVD no prato do eixo X e fiz o mesmo para a placa principal. Então coloquei os fios do motor nos conectores de parafuso para fazer um teste simples usando um código de teste de motor de passo ("veja próxima imagem"). Como você vê, o motor de passo move-se bem e estamos no caminho certo.

/************************************************************************************************************************************************************************ 
 * - 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; // Número de passos por volta. Valor padrão para CD/DVD
// Indica pinos do motor de passo do eixo X
Stepper myStepperX(stepPerRotation, 8, 9, 10, 11);

void setup() {
  myStepperX.setSpeed(100); // Velocidade do motor de passo
  myStepperX.step(100);
  delay(1000);
  myStepperX.step(-100);
  delay(1000);
}

void loop() {}

Passo 8: Montagem das Peças Mecânicas

Continuamos a montagem da nossa estrutura aparafusando o segundo motor de passo no prato do eixo Y ("veja próxima imagem").

Uma vez preparado o eixo Y, você terá ambos os eixos prontos para criar o plano de dois eixos sobre o qual falamos no primeiro passo ("veja próximas duas imagens"). Tudo o que você precisa fazer é colocar os dois eixos em um ângulo de 90°.

Fabricação do Suporte da Caneta

Preparamos o suporte da caneta colocando um pequeno eixo em uma mola para segurar o suporte da caneta impresso em 3D e então aparafusamos o servo motor em seu local ("veja imagem 4"). O suporte da caneta está pronto, então o colamos no carro do eixo Y usando cola quente ou qualquer outro meio para torná-lo capaz de deslizar no eixo Y seguindo os passos do motor de passo ("veja imagem 5"). Então colamos nossa bandeja ativa no carro do eixo X ("veja imagem 6"), e finalizamos com a aparafusagem dos fios dos motores em seus conectores na placa. Após alguns arranjos, temos nosso design mecânico pronto para a ação ("veja imagem 7").

Passo 9: Parte de Software

Passando para a parte de software, combinaremos três softwares para dar vida à máquina. Fiz uma breve descrição na primeira imagem: faremos nosso design usando o software Inkscape, que produz um arquivo G-code necessário para nossa máquina. Para entender as instruções G-code, a máquina deve ter seu próprio código que faremos upload usando o software Arduino IDE. A última parte é como vincular o código da máquina ao arquivo G-code, isso é realizado pelo software Processing.

O primeiro passo é fazer upload do sketch do Arduino que você pode baixar do link postado no GitHub e não se esqueça de atualizar os pinos dos motores de passo de acordo com seu esquema.

Preparando o G-code no Inkscape

Então passamos para o Inkscape e ajustamos alguns parâmetros ("veja próximas duas imagens") como moldura do papel e unidades.

Preparamos nosso design e salvamos no formato MakerBot Unicon ("veja próximas duas imagens"). Se este formato não estiver disponível na sua versão do Inkscape, você pode instalar um add-on para tê-lo. Uma vez que você clica em (salvar), uma nova janela aparecerá para ajustes de parâmetros do arquivo G-code.

Tudo o que você precisa fazer é seguir os mesmos ajustes que os nossos e tudo ficará bem. Siga "as próximas três imagens", defina estes parâmetros desta forma, e você terá seu arquivo G-code.

Vinculando a Máquina ao Arquivo G-code - Processing 3

Passando para o software Processing, ele é um pouco como o Arduino IDE ("veja próxima imagem").

Então você deve abrir o arquivo 'CNC program' que pode baixar do mesmo repositório no GitHub e apenas executá-lo ("veja próximas duas imagens").

Uma segunda janela aparecerá. Você precisa pressionar a tecla 'p' no teclado para selecionar a porta COM da máquina ("veja próxima imagem"), e pressionar a tecla 'g' para selecionar o arquivo G-code desejado. Uma vez selecionado, a máquina começará a desenhar diretamente.

Passo 10: Testes e Resultados

E aqui estamos, a hora chegou para alguns testes. Uma vez carregado o arquivo G-code, a máquina começa a desenhar e eu realmente gostei da piscada dos LEDs que mostra as sequências enviadas para cada motor de passo.

Os desenhos ficaram muito bem feitos, e vocês podem ver que o projeto é incrível e fácil de fazer também.

Não se esqueça de assistir nosso projeto anterior, "como fazer sua própria plataforma de treinamento Arduino". E inscreva-se no nosso canal do YouTube para mais vídeos incríveis.

Uma última coisa: certifiquem-se de que estão fazendo eletrônica todos os dias.

Foi o BEE MB da MEGA DAS. Até a próxima!

Código

Todos os arquivos necessários para este projeto estão disponíveis no repositório GitHub: https://github.com/BEEMB/CNC_Plotter

Peças Personalizadas e Enclosures

Arquivos STL e DXF para peças cortadas a laser e impressas em 3D: Thingiverse

Esquemáticos

Diagrama de circuito (formato PDF) e arquivo Gerber para a PCB relacionada disponíveis para download.