이 튜토리얼에서는 자동 공구 교환 기능이 있는 CNC 펜 플로터, 즉 드로잉 머신을 만드는 방법을 보여드리겠습니다. 즉, 기계가 자동으로 색상을 변경할 수 있어 정말 멋진 그림을 그릴 수 있습니다.
기계 구조는 이전 동영상의 DIY CNC 레이저 조각기에서 기반하며, 목표는 최소한의 부품으로 가장 단순한 CNC 기계를 만드는 것이었습니다. X, Y, Z축 모션용 3개의 NEMA 17 스테퍼 모터와 그리퍼용 소형 서보를 사용합니다. 이 CNC 펜 플로터의 두뇌는 CNC 쉴드와 세 개의 A4988 스테퍼 드라이버와 조합된 아두이노 우노 보드입니다.
작업 영역은 360x280mm로 꽤 크며, 이 펜 플로터가 출력할 수 있는 디테일 수준도 제 생각에 꽤 인상적입니다. 특히 0.6mm 젤 펜을 사용했을 때 그림이 얼마나 정교하고 정확하게 나오는지 놀랐습니다.
이제 이런 드로잉 머신을 만드는 데 필요한 모든 것을 설명하겠습니다: 설계 방법, 전자 장치 연결, 펌웨어와 소프트웨어 선택, G-code 생성 방법 등.
먼저 이 CNC 기계의 설계를 살펴보겠습니다. 앞서 언급했듯 이 기계는 이전 CNC 레이저 조각기 설계를 기반으로 하며, 최소한의 부품으로 매우 단순한 CNC를 만드는 것이 목표였습니다.
두 가지 주요 구성 요소는 MGN15H 리니어 레일과 그에 맞는 슬라이딩 블록입니다. X축과 Y축 모션은 두 개의 GT2 벨트와 GT2 풀리를 통해 제공됩니다. Z축은 움직이는 부품이 두 개의 6mm 리니어 로드와 적절한 리니어 베어링 위를 위아래로 슬라이드하는 단순 왕복 운동입니다. 소형 하비 서보가 펜을 잡는 그리퍼로 사용됩니다.
이 펜 플로터에는 호밍 절차(homing procedure)가 필수적입니다. 펜 홀더가 특정 고정 위치를 가지므로 기계는 시작점이 있어야 합니다. 따라서 각 축마다 리미트 스위치가 필요합니다.
이 3D 모델은 Thangs에서 찾아보고 다운로드하거나 브라우저에서 탐색할 수 있습니다.
Thangs가 이 튜토리얼을 지원해 주셨습니다. 감사합니다.
3D 프린팅용 STL 파일은 여기서 다운로드할 수 있습니다:
펜 플로터 조립에 필요한 모든 부품입니다.
이 DIY CNC 기계 조립에 필요한 구성 요소 목록입니다. 전자 부품 목록은 회로도 섹션 아래에 있습니다.
자, 이제 기계 조립을 시작합니다. M3 볼트를 사용하여 베이스 플레이트와 리니어 레일 브래킷을 고정하는 것으로 시작했습니다. 이 기계를 조립하는 모든 볼트는 실제로 몇 개의 M5 볼트를 제외하고는 다양한 길이의 M3입니다.
양쪽이 준비되면 두 개의 볼트로 X축 리니어 레일을 양쪽에 고정합니다. 이 MGN15H 레일은 슬라이딩 블록 내부에 볼이나 롤러가 있어 매우 부드럽고 유격이 없는 모션을 제공합니다.
하지만 설치 전에 깨끗이 닦고 그리스를 잘 발라야 제대로 작동합니다.
다음으로 Y축 레일은 X축 슬라이딩 블록 위에 올라가며, 중앙 마운팅 플레이트로 이들을 고정합니다. 먼저 Y축 레일을 중앙 플레이트에 세 개의 볼트로 설치합니다.
그런 다음 두 개의 NEMA 17 스테퍼 모터를 설치합니다. 하나는 플레이트 위쪽, 다른 하나는 아래쪽에 장착합니다. 앞서 언급했듯 GT2 풀리 고정을 위해 M5 볼트와 너트가 필요합니다. 여기 있는 두 풀리는 실제로 X축 GT2 벨트와 스테퍼 모터 풀리에 그립을 제공하는 아이들러 풀리입니다.
풀리 설치 시 아이들러 풀리에 맞춰 측정하고 수평을 맞춰야 합니다. Y축은 레일 반대쪽에 하나의 아이들러 풀리만 필요합니다. 이 축의 벨트는 루프 형태로 설치됩니다.
이제 두 축을 결합합니다. 중앙 플레이트를 X축 슬라이딩 블록에 네 개의 M3 볼트로 고정합니다. 이로써 기계의 주요 형태가 갖춰졌고, 이제 Y축 슬라이딩 블록이 작업 영역의 어떤 위치에도 도달할 수 있습니다.
이제 펜 리프터 메커니즘 조립을 계속합니다. 이 메커니즘은 두 부분으로 구성됩니다: Y축 슬라이딩 블록에 볼트로 고정된 고정 부분과 위아래로 슬라이드하는 이동 부분. 고정 부분이 제자리에 고정되면 Z축 스테퍼 모터를 설치합니다. 이 스테퍼도 NEMA 17이지만 무게를 줄이기 위해 40mm 대신 23mm로 더 짧습니다.
그런 다음 스테퍼 샤프트에 단순히 부착되는 리프터를 설치합니다. 가지고 있던 그럽 스크루가 좀 길어서 없이 샤프트에 리프터를 장착했지만, 구멍이 샤프트 모양과 같아 모션이 잘 전달됩니다. 이 부분을 조금 수정했지만 걱정 마세요, 다운로드 파일에 업데이트된 버전이 있습니다.
다음으로 이동 부분에 네 개의 리니어 베어링을 삽입하고 마이크로 서보를 고정했습니다. 서보 바로 옆에 펜 홀더 부분도 고정했습니다.
고정 부분과 이동 부분을 연결하기 위해 먼저 서보 와이어를 고정 부분의 구멍으로 통과시키고, 6mm 로드를 위에서 베어링과 고정 부분 구멍을 통해 삽입합니다. 이 로드를 설치하면서 고정 부분과 이동 부분 사이에 스프링을 삽입하여 이동 부분을 아래로 밀도록 합니다.
이렇게 하면 펜이 작업 표면과 더 잘 접촉할 수 있습니다. 고정 부분 하단에는 6mm 로드를 고정하기 위해 M3 너트를 삽입할 수 있는 구멍이 있습니다.
다음으로 기계 한쪽에 장착될 펜 홀더 유닛을 조립합니다. 최대 12개 펜을 수용할 수 있는 상단과 하단 부분으로 구성됩니다.
벨트 설치를 계속합니다. 먼저 필요한 길이를 측정하고 대략 잘라냅니다. 슬라이딩 블록에 벨트를 고정하기 위해 벨트가 중공 샤프트를 감고 양쪽 벽 사이에 고정되어 움직이지 않는 멋진 벨트 커넥터를 만들었습니다.
M3 볼트로 첫 번째 커넥터를 블록 한쪽에 고정하고 다른 쪽도 같은 절차로 반복합니다. 커넥터를 이 슬롯을 따라 움직여 벨트 텐션을 원하는 만큼 조절할 수 있습니다.
X축의 경우 벨트가 풀리를 지나며 스테퍼 모터 풀리와의 그립이나 텐션을 제공하는 방식으로 직선으로 한쪽에서 다른 쪽으로 갑니다.
X축 벨트 텐션을 위해 벨트 모양의 커넥터를 만들어 기계 양쪽에 조일 수 있게 했습니다.
다음으로 리미트 스위치를 설치합니다.
실제로는 Z축 리미트 스위치를 조금 낮췄고, X와 Y 리미트 스위치는 이미 와이어가 연결된 이전 프로젝트 것을 사용했습니다.
이제 기계적 부분이 완료되어 전자 장치 연결로 넘어갑니다.
언급했듯 아두이노 우노 보드와 CNC 쉴드, 세 개의 A4988 스테퍼 드라이버를 사용합니다.
아두이노 보드를 기계에 부착하기 위해 사이드 패널에 부착되는 추가 3D 프린트 부품을 만들었습니다. 아두이노 보드를 두 개의 M3 볼트로 고정하고 그 위에 CNC 쉴드를 장착했습니다.
여기서 각 스테퍼 드라이버마다 세 개의 점퍼를 꽂아 1/16 스텝 해상도를 선택한 후 스테퍼 드라이버를 장착합니다.
그런 다음 모터들을 CNC 쉴드에 적절히 연결합니다. 마이크로 리미트 스위치 연결을 위해 직접 납땜하여 와이어를 연결하고, 다른 쪽에는 점퍼 와이어에서 얻은 암 핀 헤더를 납땜했습니다.
서보 모터의 경우 CNC 쉴드까지 도달할 수 있도록 서보 연장 케이블을 사용했습니다. 기계 전원용으로 12V 전원 공급 장치가 필요합니다. 모든 것을 연결하는 회로도는 다음과 같습니다.
이 프로젝트에 필요한 구성 요소는 아래 링크에서 구할 수 있습니다:
아두이노 우노 보드와 CNC 쉴드, 세 개의 A4988 스테퍼 드라이버를 사용합니다. 호밍용 세 개의 마이크로 리미트 스위치와 그리퍼 메커니즘용 소형 서보 모터가 있습니다. 전원용으로 최소 2암페어 정격의 12V 전원 공급 장치가 필요합니다.
이 펜 플로터를 완성하기 위한 몇 가지 마무리 작업이 있습니다. 서보 혼을 통해 서보 모터에 단순히 부착되는 펜 그리퍼를 설치합니다.
펜 리프터의 케이블 관리를 위해 식탁 매트를 사용했는데, 재질이 단단하면서도 유연해서 이 작업에 완벽했습니다.
이제 드로잉 머신이 완성되었습니다. 하지만 몇 가지 주의할 점이 있습니다. Y축 레일이 한쪽에 지지되지 않고 3D 프린팅 PLA 재질 자체가 그렇게 단단하지 않아 완전히 확장되었을 때 펜 리프터가 지지된 쪽보다 4mm 낮았습니다.
이는 너무 큰 유격이라 기계 앞쪽을 조금 들어 올려 해결했습니다. 이렇게 하여 차이를 약 1mm로 줄여 수용 가능하게 만들었습니다. 이 큰 레일을 사용하신다면 Y축 레일을 반대쪽에서도 지지하는 것을 강력히 권장합니다.
또 다른 문제는 펜 홀더입니다. 펜이 이런 방식으로는 제자리에 잘 고정되지 않습니다. 상단 구멍을 더 크게 만들고 측면에 부드러운 재료를 추가하여 펜이 제자리에 머물면서 기계가 쉽게 삽입할 수 있도록 개선하는 것을 제안합니다.
마지막으로 기계 전체 아래에 보드를 깔아 평평한 작업 표면을 만듭니다.
자, 이제 기계가 완성되었습니다.
이제 펌웨어를 아두이노에 설치하여 CNC 기계의 모션을 제어하고, G-code를 보내 기계에 무엇을 할지 지시할 제어 소프트웨어가 필요합니다.
DIY CNC 기계에 가장 대중적인 선택은 오픈 소스 GRBL 펌웨어입니다. 하지만 이 펜 플로터에는 서보 모터를 제어할 수 있는 수정된 버전이 필요합니다. 이 수정된 버전은 "grbl-servo"라고 하며, 스핀들 제어 핀(디지털 핀 11)의 기본 PWM 주파수를 1kHz에서 50Hz로 변경하여 이런 유형의 서보 모터를 제어할 수 있게 합니다.
이 GRBL 펌웨어를 다운로드하여 아두이노 IDE의 라이브러리 폴더에 설치한 후, config.h 파일을 수정하여 기본 2축 호밍 대신 3축 호밍을 활성화해야 합니다.
제어 소프트웨어로는 GRBL-Plotter를 사용합니다. 이는 플로터 제어 전용 소프트웨어로, 이미지나 그래픽에서 G-code를 생성할 수 있는 그래픽 변환기를 포함합니다. 이 것도 오픈 소스 소프트웨어로 Github에서 다운로드할 수 있습니다.
먼저 적절한 COM 포트를 통해 아두이노 보드를 소프트웨어에 연결합니다. "Kill Alarm" 버튼을 클릭하면 시리얼 모니터에 현재 GRBL 파라미터 목록이 나옵니다. 이 파라미터들을 우리 기계에 맞게 변경해야 합니다.
먼저 조정해야 할 것은 이동 해상도, 즉 steps/mm 값입니다. 이 값은 모터가 1mm 이동하기 위해 몇 스텝을 밟아야 하는지 나타냅니다. 이는 사용하는 스테퍼 모터 타입, 선택한 스텝 해상도, 모션 전달 방식(여기서는 GT2 벨트와 풀리)에 따라 달라집니다.
우리 기계의 경우 X축과 Y축에 80 steps/mm 값이 필요합니다. Z축은 실제 모션으로는 달성할 수 없는 40으로 설정했습니다(왕복 운동 방식이므로).
파라미터 23을 0으로 설정하여 리미트 스위치 위치를 지정하고, 최대 피드 속도, 가속도, 최대 이동 속도를 설정하며, 파라미터 1을 255로 설정하여 스테퍼를 항상 활성화 상태로 유지합니다. 다만 이 기능 활성화 시, 특히 Z축 스테퍼의 경우 A4988 드라이버의 전류 제한을 최소로 조정해야 합니다. 짧은 NEMA 17 스테퍼가 빠르게 과열될 수 있기 때문입니다.
컨트롤러 설정을 살펴보겠습니다. 조정할 옵션이 많아 처음에는 좀 압도적일 수 있습니다. 먼저 펜 업/다운 변환을 Z축으로 설정하고 업/다운 위치 값을 설정합니다.
Tool table 탭에서 펜 색상과 위치를 정의합니다. 이 값들은 G53(기계 좌표계) 기준이며, 하드 리미트 스위치와 앞서 GRBL 파라미터에서 설정한 최대 이동 거리에 의해 정의됩니다.
각 펜 위치 정의를 위해 오프셋 값(X축 0, Y축 277)을 사용했습니다. 이 값들은 그리퍼를 첫 번째 펜 앞에 위치시키며, 각 펜의 Y값을 음의 방향으로 21.7mm씩 정의했습니다.
여기서 각 펜마다 피드 속도와 업/다운 위치를 개별적으로 조정할 수도 있습니다(펜 종류가 다른 경우).
Tool change 탭에서 "Perform tool change on Tx M06"을 선택하여 G-code에 이 명령이 나타날 때 공구 교환을 수행하도록 합니다.
T 뒤의 'x' 값은 툴 테이블의 도구 번호를 나타냅니다. 공구 교환을 수행하려면 Tx M06 명령이 나타날 때 실행되는 "select"와 "remove" 스크립트를 포함해야 합니다. 이 스크립트에서 펜을 집거나 제거하기 위한 그리퍼 움직임을 정의합니다.
펜 선택 시: 그리퍼가 툴 테이블에 정의된 절대 기계 좌표에서 실제 펜 앞에 위치 → 서보가 그리퍼 오픈 → 4mm 더 위로 이동 → X 방향으로 펜 쪽으로 약간 이동하고 Y 방향으로 약간 이동 → 그리퍼 클로즈 → 펜 들어 올리기 → 스크립트 실행 전 위치로 복귀. 펜 제거는 동일한 단계를 역순으로 수행합니다.
물론 이 모든 파라미터는 펜 자체, 펜의 치수, 홀더 치수에 따라 달라집니다. 이 과정을 정확하게 만들려면 테스트하고 값을 수정하는 수밖에 없습니다.
마지막으로 GRBL-Plotter 소프트웨어로 이미지에서 G-code를 생성하는 방법을 살펴보겠습니다.
이미지를 로드한 후 "Preview with colors from table"을 클릭하면 이미지가 어떻게 나올지 미리 볼 수 있습니다. 이미지 보정 탭에서 밝기, 대비, 감마, 채도 값을 조절하여 실제 이미지와 비슷하거나 원하는 색상을 만듭니다. 출력 크기를 mm 단위로 설정하고, 색상 교체 탭에서 사용하지 않을 색상을 제거합니다.
예를 들어 이미지의 흰색인 살구색을 제거할 수 있습니다. 그런 다음 "Create G-Code" 버튼을 클릭하면 G-code가 생성됩니다.
SVG 파일에서도 G-code를 생성할 수 있습니다. 그냥 드래그 앤 드롭하면 소프트웨어가 바로 G-code를 생성합니다.
플로팅 시작 전에 작업 영역에서 원하는 위치에 0 위치를 설정한 후 재생 버튼을 클릭합니다.
펜 플로터가 작업을 시작하면 마법을 부리는 것을 즐겁게 볼 수 있습니다.
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