자동 도구 교환기가 있는 DIY 펜 플로터

이 튜토리얼에서는 내가 CNC 펜 플로터 또는 드로잉 머신을 구축한 방법을 보여주지만 하나의 멋진 기능은 자동 도구 변경입니다. 다시 말해, 기계가 자동으로 색상을 변경할 수 있으므로 우리는 이 기계로 정말 멋진 것을 그릴 수 있습니다.

다음 비디오를 보거나 아래에 작성된 튜토리얼을 읽을 수 있습니다.

개요

기계 구성은 가능한 최소 부품으로 가장 간단한 CNC 기계를 만드는 것이 목표였던 이전 비디오의 DIY CNC 레이저 조각기를 기반으로 합니다. X, Y 및 Z 축 모션을 위해 3개의 NEMA 17 스테퍼 모터를 사용하고 그리퍼용으로 소형 서보를 사용합니다. 이 CNC 펜 플로터 기계의 핵심은 CNC 실드 및 3개의 A4988 스테퍼 드라이버가 결합된 Arduino UNO 보드입니다.

상당히 큰 360x280mm의 작업 영역과 이 펜 플로터가 출력할 수 있는 세부 수준도 제 생각에는 상당히 인상적입니다. 특히 0.6mm 젤펜으로 그린 그림이 정말 정확하고 잘 나와서 놀랐습니다.

그럼에도 불구하고 이제 설계 방법, 전자 장치 연결, 사용할 펌웨어 및 소프트웨어, G 코드 생성 방법을 포함하여 이와 같은 드로잉 머신을 구축하는 데 필요한 모든 것을 설명하겠습니다.

DIY CNC 펜 플로터 3D 모델

먼저 이 CNC 기계의 디자인을 살펴보겠습니다. 이미 언급했듯이 이 기계는 가능한 최소한의 부품으로 매우 간단한 CNC를 만드는 것이 목표였던 이전 CNC 레이저 조각기의 설계를 기반으로 합니다.

두 가지 주요 구성 요소는 적절한 슬라이딩 블록과 함께 MGN15H 선형 레일입니다. X축과 Y축에 대한 모션은 두 개의 GT2 벨트와 일부 GT2 풀리를 통해 제공됩니다. Z축의 경우 움직이는 부품이 2개의 6mm 선형 로드와 적절한 선형 베어링에서 위아래로 미끄러지는 단순한 왕복 운동이 있습니다. 작은 취미용 서보는 펜을 잡는 데 사용됩니다.

펜 홀더에는 특정 고정 위치가 있으므로 이 펜 플로터에는 원점 복귀 절차가 필수적이므로 기계에는 시작점이 있어야 합니다. 따라서 각 축에 대한 리미트 스위치가 있어야 합니다.

이 3D 모델을 찾아 다운로드할 수 있을 뿐만 아니라 Thangs의 브라우저에서 탐색할 수 있습니다.

Thangs에서 어셈블리 3D 모델을 다운로드하십시오.

이 튜토리얼을 지원해 주셔서 감사합니다.

부품 3D 인쇄에 사용되는 STL 파일은 여기에서 다운로드할 수 있습니다.

기계 조립

다음은 펜 플로터를 조립하는 데 필요한 모든 부품입니다.

다음은 이 DIY CNC 기계를 조립하는 데 필요한 구성 요소 목록입니다. 전자 부품 목록은 아래 기사의 회로도 섹션에서 찾을 수 있습니다.

MGN15H 선형 레일 ..................................................... Amazon / 뱅굿 / 알리익스프레스
리니어 로드 6mm ..................................................................... /
리니어 베어링 6mm ....................................................... / 알리익스프레스
스테퍼 모터 – NEMA 17 …………….... Amazon / Banggood / AliExpress
GT2 벨트 + 톱니 풀리 ..................................................... Amazon / 뱅굿 / AliExpress
GT2 아이들러 풀리 ........................................................... .... Amazon / 뱅굿 / 알리익스프레스
스페이서 너트 ........................................................................................... Amazon / 뱅굿 / AliExpress
볼트와 너트 세트 ........................................................................... Amazon / 뱅굿 / AliExpress 또는 지역 철물점 + 플랫 헤드 나사 3x16mm

자, 이제 기계 조립을 시작할 수 있습니다. M3 볼트를 사용하여 선형 레일용 베이스 플레이트와 브래킷을 고정하는 것으로 시작했습니다. 이 기계를 조립하기 위한 모든 볼트는 GT2 풀리에 필요한 몇 개의 M5 볼트를 제외하고 실제로 다양한 길이의 M3입니다.

양면이 준비되면 각 측면에 두 개의 볼트로 X축 선형 레일을 고정할 수 있습니다. 이 MGN15H 레일은 슬라이딩 블록 내부에 볼이나 롤러가 있기 때문에 매우 매끄럽고 자유로운 움직임을 제공합니다.

그러나 제대로 작동하려면 설치하기 전에 잘 청소하고 기름칠을 하는 것이 좋습니다.

다음으로 Y축 레일은 X축 슬라이딩 블록 위에 있어야 하며 함께 고정하기 위해 중앙 마운팅 플레이트를 사용합니다. 먼저 3개의 볼트를 사용하여 Y축 레일을 중앙 플레이트에 설치할 수 있습니다.

그런 다음 두 개의 NEMA 17 스테퍼 모터를 설치할 수 있습니다. 하나는 플레이트의 위쪽으로 가고 다른 하나는 플레이트의 아래쪽으로 이동합니다. 앞서 언급했듯이 GT2 풀리를 제자리에 설치하려면 M5 볼트와 너트가 필요합니다. 여기에 있는 2개의 도르래는 실제로 X축 GT2 벨트의 그립을 제공하는 데 사용되는 아이들러 도르래와 스테퍼 모터에 연결되는 톱니 도르래입니다.

그 풀리를 설치하려면 아이들러 풀리에 따라 측정하고 수평을 맞춰야 합니다. Y축의 경우 이 축의 벨트가 루프에 설치되므로 레일의 다른 쪽에 있는 아이들러 풀리 하나만 필요합니다.

자, 다음은 결합 또는 두 축을 함께 연결하는 것입니다. M3 볼트 4개를 사용하여 중앙 플레이트를 X축 슬라이딩 블록에 고정하면 됩니다. 이것으로 기계의 주요 모양이 생겼고 이제 Y축 슬라이딩 블록이 작업 영역의 모든 위치에 도달할 수 있습니다.

이제 펜 리프터 메커니즘 조립을 계속할 수 있습니다. 이 메커니즘은 두 부분으로 구성됩니다. 하나는 Y축 슬라이딩 블록에 볼트로 고정되어 있고 다른 하나는 위아래로 슬라이딩됩니다. 고정 부품이 제자리에 고정되면 그 위에 Z축 스테퍼 모터를 설치할 수 있습니다. 이 스테퍼도 NEMA 17이지만 무게를 줄이기 위해 40mm 대신 23mm로 더 짧습니다.

그런 다음 스테퍼의 샤프트에 간단히 부착된 리프터를 설치할 수 있습니다. 가지고 있던 그럽스크류가 좀 길어서 리프터가 없는 샤프트에 끼워봤는데 구멍이 샤프트와 같은 형태로 되어있어 움직임이 잘 전달됩니다. 실제로 이 부분을 약간 수정했지만 다운로드 파일에서 업데이트된 버전을 얻을 수 있으므로 걱정하지 마십시오.

다음으로 4개의 리니어 베어링을 슬라이딩 부분에 삽입하고 마이크로 서보를 제자리에 고정했습니다. 그런 다음 서보 바로 옆에 펜 홀더 부분도 고정했습니다.

고정 부품과 슬라이딩 부품을 함께 연결하려면 먼저 고정 부품의 구멍을 통해 서보 와이어를 통과시킨 다음 베어링과 고정 부품 구멍을 통해 상단에서 6mm 로드를 삽입해야 합니다. 이 막대를 설치할 때 고정 부분과 슬라이딩 부분 사이에 스프링을 삽입하여 슬라이딩 부분을 아래로 밀어야 합니다.

이렇게 하면 펜이 작업 표면과 더 잘 접촉할 수 있습니다. 고정 부분의 아래쪽에는 M3 너트를 삽입하고 6mm 막대를 제자리에 고정하는 데 사용할 수 있는 구멍이 있습니다.

다음으로 기계의 한쪽에 있는 펜 홀더 유닛을 조립할 수 있습니다. 상단부와 하단부로 구성되어 있으며 최대 12개의 펜을 수납할 수 있는 구멍이 있습니다.

벨트 설치를 진행했습니다. 먼저 필요한 길이를 측정하고 대략적인 크기로 자릅니다. 벨트를 슬라이딩 블록에 부착하기 위해 벨트가 움직이는 것을 허용하지 않는 두 개의 벽 사이와 중공 축을 중심으로 벨트가 돌아가는 이 멋진 벨트 커넥터를 만들었습니다.

M3 볼트를 사용하여 블록의 한쪽에 첫 번째 커넥터를 고정하고 다른 쪽에도 동일한 절차를 반복합니다. 여기에서 이 슬롯을 따라 커넥터를 이동할 수 있으므로 벨트를 원하는 만큼 조일 수 있습니다.

X축의 경우 벨트가 한쪽에서 다른 쪽으로 직선으로 이동하면서 스테퍼 모터 풀리에 장력 또는 그립을 제공하는 방식으로 풀리를 통과합니다.

X축 벨트의 장력을 조절하기 위해 벨트 모양의 커넥터를 만들어 기계 측면에 고정할 수 있도록 했습니다.

다음으로 리미트 스위치를 설치할 수 있습니다.

실제로는 이 Z축 리미트 스위치를 약간 낮추게 되었고 X 및 Y 리미트 스위치는 이미 전선이 연결된 이전 프로젝트의 스위치를 사용했습니다.

전자 제품 연결

이것으로 기계의 기계적 부분이 준비되었으며 전자 장치 연결을 계속 진행할 수 있습니다.

앞서 언급했듯이 우리는 CNC 실드 및 3개의 A4988 스테퍼 드라이버와 함께 Arduino Uno 보드를 사용하고 있습니다.

Arduino 보드를 기계에 부착하기 위해 측면 패널에 연결되는 추가 3D 인쇄 부품을 만들었습니다. 아두이노 보드를 M3볼트 2개로 고정하고 그 위에 CNC 실드를 삽입했습니다.

여기에서 16^번째 를 선택하기 위해 각 스테퍼 드라이버에 대해 3개의 점퍼를 삽입해야 합니다. /step resolution을 선택한 다음 스테퍼 드라이버를 삽입합니다.

그런 다음 모터를 CNC 실드에 적절하게 연결할 수 있습니다. 마이크로 리미트 스위치를 제자리에 연결하기 위해 와이어를 직접 납땜하고 다른 쪽에는 점프 와이어에서 가져온 암 핀 헤더를 납땜했습니다.

서보 모터의 경우 CNC 실드에 도달할 수 있도록 일부 서보 연장 케이블을 사용했습니다. 기계에 전원을 공급하려면 12V 전원 공급 장치가 필요합니다. 다음은 모든 것이 어떻게 연결되어야 하는지에 대한 회로도입니다.

DIY CNC 펜 플로터 회로도

다음은 모든 것이 어떻게 연결되어야 하는지에 대한 회로도입니다.

아래 링크에서 이 프로젝트에 필요한 구성 요소를 얻을 수 있습니다.

스테퍼 모터 – NEMA 17 ...................................... Amazon / Banggood / AliExpress
스테퍼 모터 – NEMA 17 23mm … .. Amazon //
A4988 스테퍼 드라이버........................................................................... Amazon / Banggood / AliExpress
서보 모터 ........................................................................................... Amazon / Banggood / AliExpress
Arduino CNC Shield ........................................... .. Amazon / 뱅굿 / AliExpress
Arduino Uno ........................................................................... ... Amazon / Banggood / AliExpress
리미트 스위치 ........................................................... 아마존 / 뱅굿 / AliExpress
DC 전원 공급 장치 ..................................................................... Amazon / 뱅굿 / AliExpress

따라서 우리는 CNC Shield 및 3개의 A4988 스테퍼 드라이버와 함께 Arduino UNO 보드를 사용하고 있습니다. 기계의 원점 복귀를 위한 3개의 마이크로 리미트 스위치와 그리퍼 메커니즘을 위한 소형 서보 모터가 있습니다. 전원을 공급하려면 최소 전류 속도가 2A인 12v 전원 공급 장치가 필요합니다.

기계 조립 완료

이 펜 플로터를 완성하기 위해 수행해야 하는 최종 수정이 거의 없습니다. 여기에 서보 혼을 통해 서보 모터에 간단히 부착되는 펜 그리퍼를 설치합니다.

펜리프터의 케이블을 관리하기 위해 견고하면서도 유연한 재질의 식탁매트를 사용하여 작업에 딱이었습니다.

이것으로 우리의 드로잉 머신이 완성되었습니다. 그러나 여기서 우리가 주의해야 할 몇 가지 사항이 있습니다. Y축 레일이 한쪽 면이 지지되지 않고 3D 프린팅 PLA 소재 자체가 그렇게 딱딱하지 않기 때문에 완전히 확장했을 때 펜 리프터는 지지된 면에 비해 4mm 낮아졌습니다.

너무 많은 플레이를 하긴 했지만 기계의 앞면을 약간 들어 올려 문제를 해결했습니다. 이런 식으로 차이를 허용 가능한 약 1mm로 줄였습니다. 이 큰 레일을 사용할 계획이라면 반대쪽의 Y축 레일도 지원하는 것이 좋습니다.

또 다른 문제는 펜 홀더입니다. 펜이 이런 식으로 제자리에 잘 고정되지 않기 때문입니다. 여기에서는 상단 구멍을 더 크게 만들고 측면에 부드러운 재료를 추가하여 펜이 제자리에 유지되면서 기계에서 쉽게 삽입할 수 있도록 하는 것이 좋습니다.

마지막으로 전체 기계 아래에 보드를 삽입하여 평평한 표면을 얻을 수 있습니다.

그게 다야, 우리 기계가 완성되었습니다.

DIY 펜 플로터 펌웨어 및 제어 소프트웨어

이제 남은 것은 그것에 생명을 불어넣거나 실제 CNC 기계로 만드는 것입니다. 이를 위해 CNC 기계의 동작을 제어하기 위해 Arduino에 펌웨어를 설치해야 하고 G 코드를 보내고 기계에게 수행할 작업을 알려주는 제어 소프트웨어가 필요합니다.

DIY CNC 기계에서 가장 인기 있는 선택은 오픈 소스 GRBL 펌웨어입니다. 그러나 이 펜 플로터의 경우 서보 모터를 제어할 수 있는 수정된 버전이 필요합니다. "grbl-servo"라고 불리는 이 수정된 버전은 이러한 유형의 서보 모터를 제어하는 데 필요한 스핀들 제어 핀(또는 디지털 핀 번호 11)의 기본 PWM 주파수를 1kHz에서 50Hz로 변경합니다.

이 GRBL 펌웨어를 다운로드하여 Arduino IDE의 라이브러리 폴더에 설치하고 나면 기본 2축 원점 복귀 대신 3축 원점 복귀를 활성화하기 위해 config.h 파일도 수정해야 합니다.

제어 소프트웨어의 경우 플로터 제어 전용인 GRBL-Plotter를 사용하고 이미지 또는 그래픽에서 G 코드를 생성할 수 있는 그래픽 변환기를 포함합니다. 또한 Github에서 다운로드할 수 있는 오픈 소스 소프트웨어입니다.

여기에서 가장 먼저 해야 할 일은 적절한 COM 포트를 통해 Arduino 보드를 소프트웨어에 연결하는 것입니다. "Kill Alarm" 버튼을 클릭하면 직렬 모니터에 현재 GRBL 매개변수 목록이 표시됩니다. 기계에 따라 이러한 매개변수 중 일부를 변경해야 합니다.

GRBL 매개변수

여기서 조정해야 할 첫 번째 사항은 이동 분해능 또는 단계/mm 값입니다. 이 값은 모터가 1mm 이동하기 위해 몇 단계를 거쳐야 하는지를 나타냅니다. 이것은 우리가 가지고 있는 스테퍼 모터의 유형, 선택한 단계 분해능 및 모션 전달(이 경우 GT2 벨트 및 풀리)에 따라 다릅니다.

우리 기계의 경우 X 및 Y 축이 정확하려면 80steps/mm 값이 필요합니다. Z-축에 관해서는 실제 모션 측면에서 실제로 정확하지 않은 값을 40으로 설정했지만 왕복 모션으로는 이를 달성할 수 없습니다.

또한 매개변수 번호 23을 0으로 설정해야 합니다. 이는 리미트 스위치의 위치를 알려주고 최대 이송 속도, 가속도, 최대 이동 속도 및 매개변수 번호 1을 255 값으로 설정하여 모든 스테퍼를 활성 상태로 유지합니다. 시각. 그러나 이 기능을 활성화하면 특히 Z축 스테퍼의 경우 더 짧은 NEMA 17 스테퍼가 빠르게 뜨거워질 수 있으므로 A4988 드라이버의 전류 제한을 최소로 조정해야 합니다.

GRBL-플로터 설정

자, 이제 컨트롤러 설정을 살펴보겠습니다. 여기에서 조정할 수 있는 옵션이 너무 많아서 처음에는 약간 겁이 날 수 있습니다. 여기에서 먼저 Pen 상하 이동을 Z축으로 설정하고 Up 및 Down 위치에 대한 값을 설정해야 합니다.

도구 테이블 탭에서 펜 색상과 위치를 정의할 수 있습니다. 여기서 이 값은 G53 또는 기계 좌표계에 대한 값이라는 점에 유의해야 합니다. 이것은 기계가 가지고 있는 하드 리미트 스위치와 이전에 GRBL 매개변수에서 설정한 최대 이동 거리에 의해 정의됨을 의미합니다.

각 펜의 위치를 정의하기 위해 오프셋 값을 사용했습니다. 이 경우 X축은 0이고 Y축은 277입니다. 이 값은 그리퍼를 첫 번째 펜 앞에 배치한 다음 각 펜에 대해 음의 방향으로 21.7mm인 Y 값을 정의해야 했습니다.

여기에서 다른 펜이 있는 경우에 대비하여 각 펜의 공급 속도와 위아래 위치를 개별적으로 조정할 수도 있습니다.

다음으로 공구 교환 탭에서 "Tx M06에서 공구 교환 수행"을 선택해야 합니다. 이 명령은 G 코드에 이 명령이 나타날 때 기계에 공구 교환을 수행하도록 지시합니다.

문자 T 뒤의 "x" 값은 공구 테이블의 공구 번호를 나타냅니다. 도구 변경을 수행하려면 Tx M06 명령이 나타날 때 실행되는 "선택" 및 "제거" 스크립트를 포함해야 합니다. 이 스크립트에서 도구를 가져오거나 제거하기 위해 그리퍼의 움직임을 정의합니다.

펜을 선택하기 위해 그리퍼는 먼저 도구 테이블에 정의된 절대 기계 좌표에서 실제 펜 앞에 배치됩니다. 그런 다음 서보가 그리퍼를 열고 4mm 더 위로 이동한 다음 X 방향으로 펜을 향해 이동하고 Y 방향으로 약간 이동합니다. 그런 다음 그리퍼가 닫히고 펜을 들어 올려 스크립트를 실행하기 전에 같은 위치로 다시 이동합니다. 펜을 제거하는 스크립트 단계는 동일하지만 역순입니다.

물론 이러한 모든 매개변수는 펜 자체, 치수 및 홀더 치수에 따라 다릅니다. 이 프로세스를 올바르게 수행하는 유일한 방법은 값을 테스트하고 수정하는 것입니다.

자동 공구 교환 기능이 있는 CNC 펜 플로터용 G 코드 생성

마지막으로 이 GRBL-Plotter 소프트웨어를 사용하여 이미지에서 G 코드를 생성하는 방법을 살펴보겠습니다.

이미지를 로드하면 "표의 색상으로 미리보기"를 클릭하여 이미지가 어떻게 보이는지 확인할 수 있습니다. 이미지 보정 탭에서 밝기, 대비, 감마 및 채도 값을 사용하여 실제 이미지 또는 실제로 원하는 것과 유사한 색상을 얻을 수 있습니다. 출력 크기를 mm 단위로 설정할 수 있으며, 색상 교체 탭에서 사용하고 싶지 않은 색상을 제거할 수 있습니다.