Trazador de robot CNC: 11 pasos (con imágenes)

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:42

Este instructable describe un trazador de robot controlado por CNC. El robot consta de dos motores paso a paso con un elevador de pluma montado a medio camino entre las ruedas. Al girar las ruedas en direcciones opuestas, el robot gira alrededor de la punta del lápiz. Al girar las ruedas en la misma dirección, el lápiz dibuja una línea recta. Tiene el siguiente rango de movimientos … adelante, atrás, rotar a la izquierda y rotar a la derecha.

En funcionamiento, el robot gira hacia la siguiente coordenada, calcula el número de pasos y luego se mueve. Para acelerar las cosas, el robot está programado para tomar el ángulo de giro más corto antes de moverse, lo que significa que a menudo dibuja mientras viaja en reversa.

La comunicación con el robot se realiza a través de un enlace bluetooth. El robot acepta tanto los comandos del teclado como la salida del código g de Inkscape.

Si le gusta pintar con acuarela, este dispositivo puede transferir su boceto al papel. Cambiar la ESCALA cambia el tamaño de la imagen, lo que significa que no está restringido a las dimensiones fijas del papel.

Tenga en cuenta que este robot no es un instrumento de precisión. Dicho esto, los resultados no son tan malos.

Paso 1: soporte de montaje

El soporte de montaje se hizo con una tira de 60 mm de lámina de aluminio de calibre 18. Se eligió aluminio para el soporte porque es liviano y fácil de trabajar. Se utilizó una broca de 3 mm para los agujeros pequeños. Cada uno de los orificios más grandes comenzó su vida como un orificio de 9 mm que se amplió con la ayuda de una lima de "cola de rata".

Las placas de los extremos de los motores en las fotos de arriba son 56 mm x 60 mm espaciadas 110 mm cuando están plegadas. Esto dio un espaciado de rueda de centro a centro de 141 mm. El diámetro de la rueda de este robot es de 65 mm. Registre estas dimensiones ya que su Relación (CWR) determina cuántos pasos se necesitan para rotar el robot 360 grados.

Si miras de cerca las fotos, verás un corte de sierra en cada uno de los "faldones" de las ruedas. La "astilla" de metal debajo de cada uno de estos cortes de sierra se ha doblado ligeramente de modo que:

• la plataforma (parte superior del soporte) está nivelada,
• y el robot apenas se balancea.

Es importante que el mecanismo de elevación de la pluma esté a medio camino entre las ruedas y alineado con ellas. Aparte de eso, las dimensiones del robot no son críticas.

El elevador de bolígrafos comprende un frasco de plástico para medicamentos que se monta a través del soporte de aluminio como se muestra. Se perforan agujeros a través de la tapa y la base para el lápiz. El disco elevador de bolígrafos comprende el extremo de un carrete de alambre de conexión de plástico vacío pegado al centro de latón de una perilla de radio que ha sido perforada para adaptarse al lápiz. Sobre el lápiz se ha colocado una pequeña plomada de pesca de plomo, debidamente perforada, para asegurar en todo momento el contacto con el papel.

El robot se alimenta con seis baterías AA montadas cerca de las ruedas para minimizar la carga en el tercer soporte.

[Sugerencia: la hoja de aluminio se puede cortar sin la necesidad de una guillotina o tijeras de hojalatero (que tienen la costumbre de deformar el metal). "Marque" fuertemente ambos lados de la hoja a lo largo de la línea de corte con una regla de acero y una cuchilla de corte resistente. Ahora coloque la línea marcada sobre el borde de una mesa y doble la hoja ligeramente hacia abajo. Da la vuelta a la hoja y repite. Después de algunas curvas, la hoja se fracturará a lo largo de toda la línea marcada dejando un borde recto.]

Paso 2: Levantamiento de pluma y escudo

Experimenté con la atadura de cables original y opté por un disco de plástico pegado al centro de latón de una "perilla de radio". El centro de latón fue perforado para adaptarse a la pluma. El tornillo prisionero permite un posicionamiento preciso del bolígrafo. El disco de plástico se cortó del extremo de un carrete de alambre de conexión.

El mecanismo de elevación de la pluma comprende un pequeño servo que venía con mi kit Arduino original, pero cualquier servo pequeño que responda a pulsos de 1 mS y 2 mS espaciados a 20 mS debería funcionar. El robot utiliza pulsos de 1 mS para la pluma hacia arriba y pulsos de 2 mS para la pluma hacia abajo.

El servo está unido al frasco de medicina con pequeñas bridas. La bocina del servo levanta el disco de plástico y, por lo tanto, el bolígrafo, cuando se recibe una orden de bolígrafo. Cuando se recibe un comando de pluma hacia abajo, la bocina del servo está bien alejada del disco. El peso del disco y el accesorio de latón aseguran que el bolígrafo permanezca en contacto con el papel. Se puede deslizar un peso de mina sobre el lápiz si desea líneas "gruesas".

Todo mi circuito se construyó sobre un prototipo de escudo Arduino. Desenchufe el protector cada vez que desee cargar un boceto en su Arduino. Una vez que se haya cargado su boceto, retire el cable de programación USB y luego reemplace el protector.

La energía de la batería se alimenta al Arduino a través del pin "Vin" cuando el escudo está conectado. Esto permite realizar cambios rápidos en su software sin tener conflictos con la batería y el bluetooth.

Paso 3: circuito

Todos los componentes están montados en un proto-escudo arduino.

Los steppers BJY48 están conectados a los pines arduino A0.. A3 y D8.. D11

El servomotor elevador de pluma está conectado al pin D3 que ha sido programado para emitir pulsos de 1 mS (milisegundos) y 2 mS a intervalos de 20 mS.

Los servomotores y los motores paso a paso se alimentan de su propia fuente de alimentación de 5 voltios y 1 amperio.

El módulo bluetooth HC-06 se alimenta desde el arduino.

El arduino se alimenta a través del pin Vin.

Con la excepción del módulo bluetooth HC-06, que tiene un divisor de voltaje que comprende resistencias de 1K2 y 2K2 ohmios para reducir el voltaje de entrada bluetooth RX a 3.3 voltios, todas las resistencias son de 560 ohmios. El propósito de las resistencias de 560 ohmios es ofrecer protección contra cortocircuitos al arduino. También facilitan el cableado del blindaje.

Paso 4: Notas de diseño de software

El código.ino para este proyecto se desarrolló utilizando "codebender" en https://codebender.cc/. "Codebender" es un IDE (entorno de desarrollo integrado) basado en la nube que es de uso gratuito, tiene una excelente depuración y detecta automáticamente su arduino.

Las constantes SCALE y CWR utilizadas en el código están determinadas por:

• las dimensiones del robot,
• la especificación del motor,
• y su elección de "modo paso a paso".

Especificaciones del motor

Los "motores paso a paso 28BYJ-48-5V" utilizados en este proyecto tienen un "ángulo de zancada" de 5,625 grados / 64 y una "relación de variación de velocidad" de 64/1. Esto se traduce en 4096 pasos posibles para una vuelta del eje de salida, pero se supone que está utilizando una técnica llamada "medio paso".

Cómo funcionan los motores paso a paso

Los "motores paso a paso 28BYJ-48-5V" tienen cuatro bobinas, cada una con un núcleo de hierro con forma que contiene ocho polos. Cada una de las cuatro piezas polares se desplaza de manera que hay 32 polos espaciados 360/32 = 11,25 grados.

Si energizamos (paso) una bobina a la vez (paso de onda), o dos bobinas a la vez (paso completo), el rotor hará una revolución completa en 32 pasos. Dado que el engranaje interno es 64/1, una vuelta del eje de salida requiere 2048 pasos.

Medio paso

Este robot usa medio paso.

El medio paso es una técnica mediante la cual se crean semitonos activando alternativamente una sola bobina y luego dos bobinas adyacentes, duplicando así el número de pasos de 32 a 64 para una vuelta del rotor. Esto es el equivalente a 64 polos espaciados 360/64 = 5.625 grados (ángulo de zancada).

Dado que el engranaje interno es 64/1, una vuelta del eje de salida requiere 4096 pasos.

Los patrones binarios para lograr medio paso están documentados en las funciones move () {…} y rotate () {…}.

ESCALA

SCALE calibra el movimiento de avance y retroceso del robot.

Suponiendo un diámetro de rueda de 65 mm, el robot se moverá hacia adelante (o hacia atrás) PI * 65/4096 = 0.04985 mm por paso. Para lograr 1 mm por paso (Inkscape usa mm para sus coordenadas) debemos usar un factor de ESCALA de 1 / 0.04985 = 20.0584. Esto significa que el número de pasos necesarios para viajar entre dos puntos es "distancia * ESCALA".

CWR

El CWR (Relación de diámetro de círculo a diámetro de rueda) [1] se utiliza para calibrar el ángulo de giro del robot. Un CWR alto ofrece la mayor resolución y el mínimo error acumulativo, pero la desventaja es que el robot tardará más en girar.

Suponiendo que las ruedas del robot están separadas 130 mm, entonces las ruedas deben viajar PI * 130 = 408,4 mm para que el robot gire 360 grados. Si el diámetro de cada rueda es de 65 mm, una vuelta de rueda moverá el robot PI * 65 = 204,2 mm alrededor del círculo. Para que las ruedas recorran la distancia del círculo completo, deben girar 407,4 / 204,2 = 2,0 (dos veces).

Esto se traduce en un CWR de 2 y una resolución de 360 / (CWR * 4096) = 0.0439 grados por paso.

Para mayor precisión, tanto la ESCALA como la CWR deben usar tantos lugares decimales como sea posible.

[1]

Las huellas de las ruedas forman un círculo cuando los robots giran 360 grados. Dado que las huellas de las ruedas se superponen, la fórmula para CWR es:

CWR = distancia entre ruedas / diámetro de rueda.

El intérprete de GCODE

El robot solo responde a los comandos de Inkscape que comienzan con G00, G01, G02 y G03.

Ignora los códigos F (velocidad de avance) y Z (posición vertical) ya que el robot solo puede viajar a una velocidad, y el lápiz siempre está hacia arriba para el código G00 y hacia abajo para todos los demás códigos. Los códigos I y J ("biarc") que se utilizan al trazar curvas también se ignoran.

El código no utilizado M100 se utiliza para el "MENÚ" (M para Menú).

Se han agregado códigos T adicionales para fines de prueba (T para prueba)

El código de mi intérprete se inspiró en

Paso 5: Instalación del software del robot

Apague y luego desenchufe el protector "motor / diente azul". Esto logra dos cosas:

• Quita la batería mientras programa el arduino a través de su cable USB
• Elimina el dispositivo de diente azul HC-06 ya que NO es posible programar mientras el módulo de diente azul está conectado. La razón de esto es que no puede tener dos dispositivos en serie conectados al mismo tiempo.

Copie el contenido de "Arduino_CNC_Plotter.ino" en un nuevo boceto de arduino y cárguelo en su arduino. Desenchufe su cable USB una vez que se haya cargado el software.

Vuelva a conectar el escudo anterior … su robot está "listo para rodar".

Paso 6: Configuración de su Bluetooth

Antes de que pueda "hablar" con el robot, el módulo bluetooth HC-06 debe estar "emparejado" con su PC.

Si su PC no tiene Bluetooth, debe comprar e instalar una llave USB Bluetooth. Los controladores necesarios se encuentran dentro del dongle. Simplemente conéctelo y siga las instrucciones en pantalla.

La siguiente secuencia asume que está utilizando Microsoft Windows 10.

Haga clic con el botón izquierdo en "Inicio | Configuración | Dispositivos | Bluetooth". Su pantalla mostrará el estado de bluetooth de cada dispositivo que se puede conectar. La captura de pantalla de la parte inferior izquierda muestra que la PC actualmente conoce algunos auriculares bluetooth.

Enciende el robot. El módulo bluetooth HC-06 comenzará a parpadear y el dispositivo aparecerá en la ventana bluetooth como se muestra en la captura de pantalla central inferior.

Haga clic con el botón izquierdo en "Listo para emparejar | Emparejar" e ingrese la contraseña "1234" como se muestra en la captura de pantalla superior.

Haga clic con el botón izquierdo en "Siguiente" para emparejar el dispositivo. Su pantalla ahora debería ser similar a la captura de pantalla inferior derecha que dice "HC-06 Connected".

Paso 7: Instalación del software de emulación de terminal

Para "hablar" con su robot, necesita un paquete de software de emulación de terminal cuyo propósito es conectar su teclado al robot y enviar archivos de código g al robot, a través del enlace bluetooth.

Mi elección de software de emulación de terminal para este proyecto es "Tera Term", ya que es altamente configurable. El software es de uso gratuito y la última versión está disponible en:

osdn.jp/projects/ttssh2/downloads/64798/term-4.90.exe

Haga doble clic en "teraterm-4.90.exe" de la carpeta "Descargar" y siga las instrucciones en pantalla. Seleccione la configuración predeterminada. Haga clic con el botón izquierdo en "Serie" y luego en "Aceptar" en la pantalla de inicio.

Configuración de Teraterm

Antes de poder "hablar" con el robot debemos configurar "Teraterm":

Paso 1:

Haga clic con el botón izquierdo en "Configuración | Terminal" y establezca los valores de la pantalla en:

Tamaño del término:

• 160 x 48
• Desmarque las dos casillas inmediatamente debajo

Nueva línea:

• Recibir: CR + LF
• Transmitir: CR + LF

Deje el resto de la pantalla con los valores predeterminados.

Haga clic en Aceptar"

Paso 2:

Haga clic con el botón izquierdo en "Configuración | Ventana" y establezca los valores de la pantalla en:

Haga clic en "Invertir" (cambia el color de fondo de la pantalla a blanco)

Deje el resto de la pantalla con los valores predeterminados.

Haga clic en Aceptar"

Paso 3:

Haga clic con el botón izquierdo en "Configuración | Fuente" y configure los valores de la pantalla en:

• Fuente: Droid Sans Mono
• Estilo de fuente:: Regular
• Tamaño: 9
• Guión: occidental

Haga clic en Aceptar"

Paso 4:

Haga clic con el botón izquierdo en "Configuración | Serie" y establezca los valores de la pantalla en:

• Puerto: COM20
• Tasa de baudios: 9600
• Datos: 8 bits
• Paridad: ninguna
• Detener: 1 bit
• Control de flujo: ninguno
• Retardo de transmisión: 100 mseg / char, 100 mseg / línea

Haga clic en Aceptar"

Cierre la pantalla de advertencia "No se puede abrir COM20"

Notas:

1. Mi diente azul usa COM20 para envío de diente azul y COM21 para recepción de diente azul. Sus números de puerto blue-tooth pueden diferir.
2. Los retrasos de transmisión son para ralentizar las cosas cuando se usa "Archivo | Enviar …". El arduino parece perder líneas si intentas acelerar las cosas. "Archivo | Enviar …" parece confiable con los valores mostrados, pero siéntase libre de experimentar.

Paso 5:

Haga clic con el botón izquierdo en "Configuración | Guardar configuración …" y haga clic con el botón izquierdo en "Guardar"

Cerrar teraterm

Paso 6:

Enciende tu robot. El LED de diente azul comenzará a parpadear.

Abra Teraterm y espere a que aparezca el mensaje "COM20 - Tera Term VT" en la esquina superior izquierda de la pantalla de Teraterm. El LED de diente azul ahora debería estar fijo

Escriba "M100" sin las comillas … debería aparecer un menú. Los números 19: y 17: que aparecen en la pantalla son los códigos de protocolo de enlace Xon y Xoff del arduino.

Felicitaciones … su robot ya está configurado.

Paso 8: Gráficos de prueba

El "Menú" contiene dos gráficos de prueba.

T103 traza un cuadrado simple. Todos los rincones deben encontrarse. Ajuste la constante CWR y vuelva a compilar su código si no es así.

El CWR teórico para mi diseño fue CWR = 141/65 = 2.169. Desafortunadamente, las esquinas no coincidieron del todo. Para reducir el tiempo de calibración, tracé dos cuadrados … uno con CWR = 2 y el otro con CWR = 2.3. Si estudias la foto de arriba, verás que los extremos de un cuadrado están "abiertos" mientras que los otros extremos se "superponen". Mide la distancia de un extremo a otro para cada uno de los cuadrados y toma una hoja de papel cuadriculado. Dibuja una línea horizontal con (en este caso) 30 divisiones etiquetadas de 2.0 a 2.3. Utilizando una escala lo más grande posible, trace la distancia de "superposición" sobre la línea horizontal y la distancia "abierta" debajo de la línea. Conecte estos dos puntos con una línea recta y lea el valor CWR en el punto donde la línea diagonal corta el eje CWR. Para mi robot, este punto CWR fue 2.173… ¡¡una diferencia de 0.004 !!

T104 traza un gráfico de prueba más complejo.

Los códigos g de Inkscape para esta tabla de prueba se encuentran en el archivo "test_chart.gnc". Los parámetros "biarc" "I", "J" que se muestran en el código se han ignorado, lo que explica el círculo segmentado.

Paso 9: creación de un esquema

El siguiente procedimiento utiliza "Inkscape" y asume que deseamos dibujar una flor a partir de una imagen titulada "flor.jpg".

La versión 0.91 de Inkscape viene con extensiones de gcode y se puede descargar desde https://www.inkscape.org. Haga clic en "Descargas" y seleccione la versión correcta para su computadora.

Paso 1: abre tu imagen

Abra Inkscape y seleccione "Archivo | Abrir | flor.jpg".

Elija las siguientes opciones en la pantalla emergente:

Tipo de importación de imagen: ………… Insertar

• DPI de imagen: ……………………. Desde el archivo
• Modo de reproducción de imágenes:… Ninguno
• OK

Paso 2: Centra la imagen

Haga clic en F1 (o en la herramienta superior izquierda en la barra lateral)

Haga clic en la imagen … aparecerán flechas

Presione y mantenga presionadas simultáneamente las teclas "ctrl" y "shift" y luego arrastre una flecha de esquina hacia adentro hasta que aparezca el contorno de la página. Su imagen ahora está centrada.

Paso 3: escanea tu imagen

Seleccione "Ruta | Trazar mapa de bits" y luego elija las siguientes opciones en la pantalla emergente:

• colores
• desmarque "escaneos de pila"
• repetir: actualizar … número de escaneo … actualizar
• haga clic en Aceptar cuando esté satisfecho con la cantidad de escaneos

Cierre la ventana emergente haciendo clic en la X en la esquina superior derecha.

ADVERTENCIA: Mantenga el número de escaneos al mínimo absoluto para reducir el tiempo de trazado del robot. Los contornos simples son los mejores.

Paso 4: crea un esquema

Seleccione "Objeto | Relleno y trazo |". Aparecerá una ventana emergente con tres pestañas de menú.

• Seleccione "Trazo de pintura" y haga clic en el cuadro junto a la X
• Seleccione "Rellenar" y haga clic en la X

Cierre la ventana emergente haciendo clic en la X en la esquina superior derecha. Ahora se superpone un contorno sobre la imagen.

Anule la selección de su imagen haciendo clic fuera de la página.

Ahora haga clic dentro de la imagen. Un mensaje "Imagen: 512 x 768: incrustado en la raíz", o similar, aparecerá en la parte inferior de la pantalla.

Haga clic en "eliminar". Solo queda el contorno.

Paso 5: tiempo muerto

Es hora de explorar un poco.

Haga clic en F2 (o la segunda herramienta desde arriba en la barra lateral) y mueva el cursor sobre el contorno. Observe cómo el contorno parpadea en rojo cuando el cursor pasa por las diferentes rutas.

Ahora haz clic en el contorno. Observe cómo aparecen varios "nodos". Estos "nodos" deben convertirse en coordenadas de código g, pero antes de que podamos hacer eso, debemos asignar una coordenada de referencia a nuestra página.

Paso 6: Asignar las coordenadas de la página

Presione F1 y luego haga clic en el contorno.

Seleccione "Capa | Agregar capa" y haga clic en "Agregar" en la ventana emergente. Las extensiones de código g que estamos a punto de usar requieren al menos una capa… ¡incluso si está en blanco!

Seleccione "Extensiones | Gcodetools | Puntos de orientación". Elija "Modo de 2 puntos" en la ventana emergente y haga clic en "Aplicar".

Descarte cualquier mensaje de advertencia.

Haga clic en "Cerrar" para cerrar la ventana emergente.

A la esquina inferior izquierda de su página se le asignaron las coordenadas "0, 0; 0, 0; 0, 0".

Paso 7: seleccione una herramienta

Seleccione "Extensiones | Gcodetools | Biblioteca de herramientas" y haga clic en:

• cono
• Solicitar
• OK …. (borrar la advertencia) a.
• Cerrar

Presione F1 y arrastre la pantalla verde fuera del contorno de la página.

Paso 8: ajuste la herramienta y la configuración de alimentación

Este paso no es obligatorio, pero se ha incluido para completarlo, ya que muestra cómo cambiar los ajustes de "diámetro" y "avance" de la herramienta en caso de tener una fresadora.

Haga clic en el símbolo "A" en la barra lateral y luego cambie la configuración que se muestra en la pantalla verde de:

• diámetro: de 10 a diámetro 3
• pienso: de 400 a 200

Paso 9: Genere el código g

Presione F1

Seleccionar la imagen

Seleccione "Extensiones | Gcodetools | Ruta a Gcode | Preferencias" y cambie:

• Archivo: flower.ncg ……………………………………… (nombre de archivo de código g de control numérico)
• Directorio: C: / Users / yourname / Desktop… (ubicación de almacenamiento para flower.ncg)
• Altura segura Z: 10

Sin salir de la ventana emergente, seleccione la pestaña de menú "Ruta a Gcode" y haga clic en:

• Aplicar … (esto puede llevar mucho tiempo … ¡¡espera !!)
• OK ……. (descarte cualquier advertencia)
• Cerrar… (una vez creado el código)

Si examina el contorno, ahora consta de puntas de flecha azules (imagen inferior).

Cierre Inkscape.

Paso 10: Verifique su código

nraynaud.github.io/webgcode/ es un programa en línea para visualizar la imagen que creará su código g. Simplemente coloque su código g en el panel izquierdo del simulador y la visualización correspondiente aparecerá en el lado derecho de su pantalla. Las líneas rojas muestran la trayectoria de la herramienta y los elevadores de bolígrafos del robot.

La configuración de "Ruta | Trazar mapa de bits" para la imagen superior fue:

• "Colores"
• "Escaneos: 8"

La configuración de "Ruta | Trazar mapa de bits" para la imagen inferior fue:

• "Detección de bordes"
• "Umbral: 0,1"

A menos que necesite el detalle, siempre cree una imagen simple.

Paso 11: Envío de un archivo de Inkscape al robot

Supongamos que queremos enviar un archivo "Hello_World_0001.ngc" al robot.

Paso 1

Enciende el robot.

Coloque el robot en la esquina inferior izquierda de la página de dibujo y apúntelo hacia las 3 en punto. Ésta es la posición inicial predeterminada.

Abra Teraterm y espere hasta que la luz de bluetooth deje de parpadear. Esto indica que tiene un enlace.

Paso 2

Compruebe que los valores máximos de X e Y máximos del archivo que está a punto de enviar se ajusten a la página. Por ejemplo, el "Hello_World_0001.ngc" adjunto muestra que el valor máximo de X es:

G00 X67.802776 Y18.530370

y el valor máximo de Y será:

G01 X21.403899 Y45.125018 Z-1.000000

Si desea que su imagen sea más grande que los 67.802776 anteriores por 45.125018 mm, cambie el tamaño de trazado usando las siguientes opciones de menú:

M100

T102 S3.5

Esta secuencia de comando muestra el menú, para que pueda ver los códigos T, luego aumenta el tamaño de la imagen 3,5 veces (350%)

Paso 2

Haga clic con el botón izquierdo en "Archivo | Enviar archivo …"

"Examinar" para el archivo "Hello_World_0001.ngc".

Haga clic con el botón izquierdo en "Abrir". El archivo ahora se enviará al robot línea por línea.

Es así de simple … feliz trama:)

Notas:

• Todos los comandos del MENÚ DEBEN estar en mayúsculas.
• Los 19: y 17: que se muestran en la foto de arriba son los códigos de protocolo de enlace de arduino (decimal) para "Xoff" y "Xon". Se agregaron los dos puntos para mejorar la apariencia visual. Un comando de Inkscape sigue a cada "Xon".
• Nunca debería ver dos coordenadas X, Y en la misma línea. Si esto sucede, aumente los tiempos de retardo en serie desde su valor actual de 100 mS por carácter. Es posible que funcionen retrasos más breves …
• El "¡Hola mundo!" el gráfico muestra signos de error acumulativo. Ajustar el CWR debería solucionar este problema.

Haga clic aquí para ver mis otros instructivos.