Construire votre propre traceur CNC à changement d'outil automatique – Tutoriel Machine à Dessiner DIY

Introduction

Dans ce tutoriel, je vais vous montrer comment j'ai construit un traceur CNC à stylo ou une machine à dessiner mais avec une fonctionnalité cool et c'est le changement d'outil automatique. En d'autres termes, la machine sera capable de changer automatiquement les couleurs et ainsi nous pourrons dessiner des choses vraiment cool avec.

Vous pouvez regarder la vidéo suivante ou lire le tutoriel écrit ci-dessous.

Vue d'ensemble

La construction de la machine est basée sur ma machine graveuse laser CNC DIY de ma vidéo précédente où l'objectif était de faire la machine CNC la plus simple avec un minimum de pièces possible. Elle utilise 3 moteurs pas à pas NEMA 17 pour les mouvements des axes X, Y et Z, et un petit servo pour la pince. Le cerveau de cette machine de traceur CNC à stylo est une carte Arduino UNO en combinaison avec un shield CNC et trois pilotes pas à pas A4988.

La zone de travail est assez grande, 360x280mm, et le niveau de détails que ce traceur à stylo peut produire est, à mon avis, assez impressionnant aussi. J'ai été réellement surpris de voir à quel point les dessins sont sortis bons et précis, surtout ceux où j'ai utilisé un stylo gel 0,6mm.

Néanmoins, maintenant je vais tout vous expliquer sur la construction d'une machine à dessiner comme celle-ci, y compris comment la concevoir, connecter l'électronique, quel firmware et logiciel utiliser et comment générer le G-code pour elle.

Modèle 3D du traceur CNC à stylo DIY

Pour commencer, jetons un coup d'œil à la conception de cette machine CNC. Comme je l'ai déjà mentionné, cette machine est basée sur la conception de ma précédente machine graveuse laser CNC où l'objectif était de faire un CNC très simple avec un minimum de pièces possible.

Les deux composants principaux sont les rails linéaires MGN15H, avec leurs blocs coulissants appropriés. Le mouvement pour les axes X et Y est fourni par deux courroies GT2 et quelques poulies GT2. Quant à l'axe Z, nous avons un mouvement alternatif simple où la partie mobile glisse de haut en bas sur deux tiges linéaires de 6mm et des roulements linéaires appropriés. Un petit servo de modélisme est utilisé pour saisir le stylo.

Une procédure de homing (mise à l'origine) est essentielle pour ce traceur à stylo car les porte-stylos ont une position fixe spécifique, donc la machine doit avoir un point de départ. Par conséquent, nous devons avoir un fin de course pour chaque axe.

Vous pouvez trouver et télécharger ce modèle 3D, ainsi que l'explorer dans votre navigateur sur Thangs :

Téléchargez le modèle 3D d'assemblage sur Thangs.

Merci à Thangs pour le soutien de ce tutoriel.

Quant aux fichiers STL utilisés pour l'impression 3D des pièces, vous pouvez les télécharger ici :

Assemblage de la machine

Voici toutes les pièces nécessaires pour assembler le traceur à stylo.

Voici une liste des composants nécessaires pour assembler cette machine CNC DIY. La liste des composants électroniques se trouve ci-dessous dans la section schéma de circuit.

• Rail linéaire MGN15H
• Tige linéaire 6mm
• Roulement linéaire 6mm
• Moteur pas à pas – NEMA 17
• Courroie GT2 + Poulie dentée
• Poulie tendeur GT2
• Écrous entretoises
• Boulons et écrous + Vis à tête plate 3x16mm

Très bien, maintenant nous pouvons commencer l'assemblage de la machine. J'ai commencé par fixer la plaque de base et le support pour le rail linéaire ensemble avec l'aide de quelques boulons M3. Tous les boulons pour assembler cette machine sont en fait des M3 avec diverses longueurs, sauf quelques boulons M5 nécessaires pour les poulies GT2.

Une fois que nous avons les deux côtés prêts, nous pouvons fixer le rail linéaire de l'axe X sur eux avec deux boulons de chaque côté. Ces rails MGN15H fournissent un mouvement très fluide et sans jeu, car leurs blocs coulissants ont des billes ou des rouleaux à l'intérieur.

Cependant, avant de les installer, c'est une bonne idée de les nettoyer et de les graisser correctement pour qu'ils fonctionnent bien.

Ensuite, le rail de l'axe Y doit aller sur le bloc coulissant de l'axe X et pour les fixer ensemble, nous utiliserons une plaque de montage centrale. D'abord, nous pouvons installer le rail de l'axe Y sur la plaque centrale en utilisant trois boulons.

Ensuite, nous pouvons installer les deux moteurs pas à pas NEMA 17. L'un va sur le côté supérieur et l'autre sur le côté inférieur de la plaque. Comme mentionné précédemment, nous avons besoin de quelques boulons et écrous M5 pour installer les poulies GT2 en place. Les deux poulies ici sont en fait des poulies tendeurs qui sont utilisées pour fournir l'adhérence pour la courroie GT2 de l'axe X et la poulie dentée qui va sur le moteur pas à pas.

Quant à l'installation de cette poulie, nous devrions la mesurer et la mettre de niveau selon les poulies tendeurs. Pour l'axe Y, nous n'avons besoin que d'une poulie tendeuse qui va de l'autre côté du rail, car la courroie pour cet axe sera installée en boucle.

OK, ensuite vient le mariage ou la connexion des deux axes ensemble. Nous faisons simplement cela en fixant la plaque centrale au bloc coulissant de l'axe X en utilisant quatre boulons M3. Avec cela, la machine a sa forme principale et maintenant le bloc coulissant de l'axe Y peut atteindre n'importe quelle position dans la zone de travail.

Nous pouvons continuer maintenant avec l'assemblage du mécanisme de levage de stylo. Ce mécanisme est composé de deux parties, une fixe qui est boulonnée au bloc coulissant de l'axe Y, et l'autre qui glissera de haut en bas. Une fois la partie fixe fixée en place, nous pouvons installer le moteur pas à pas de l'axe Z dessus. Ce moteur pas à pas est aussi un NEMA 17 mais il est plus court, 23mm au lieu de 40mm, afin de réduire le poids.

Ensuite, nous pouvons installer le levier de levage qui est simplement attaché à l'arbre du pas à pas. La vis sans tête que j'avais était un peu longue pour lui, donc j'ai mis le levier sur l'arbre sans elle, mais son trou a une forme comme l'arbre donc le mouvement sera bien transféré. J'ai en fait fini par modifier cette pièce un peu, mais pas de souci, vous aurez la version mise à jour dans les fichiers de téléchargement.

Ensuite, j'ai inséré les quatre roulements linéaires dans la partie coulissante et fixé le micro servo en place. Puis j'ai aussi fixé la partie porte-stylo juste à côté du servo.

Pour connecter la partie fixe et la partie coulissante ensemble, d'abord nous devons faire passer le fil du servo à travers un trou dans la partie fixe et ensuite insérer les tiges de 6mm par le haut, à travers les roulements et le trou de la partie fixe. Pendant l'installation de cette tige, nous devrions aussi insérer un ressort entre la partie fixe et la partie coulissante d'une manière qu'il pousse la partie coulissante vers le bas.

Cela aidera le stylo à avoir un meilleur contact avec la surface de travail. Du côté inférieur de la partie fixe, il y a des ouvertures où nous pouvons insérer des écrous M3 et les utiliser pour fixer les tiges de 6mm en place.

Ensuite, nous pouvons assembler l'unité de porte-stylos qui va sur un côté de la machine. Elle est composée d'une partie supérieure et d'une partie inférieure avec des ouvertures pour accueillir jusqu'à 12 stylos.

J'ai continué avec l'installation des courroies. D'abord, nous devons mesurer combien de longueur nous avons besoin et la couper approximativement à la taille. Pour attacher la courroie au bloc coulissant, j'ai fait ces connecteurs de courroie cool, où la courroie passe autour d'un arbre creux et entre deux parois qui n'autorisent pas la courroie à bouger.

En utilisant un boulon M3, nous pouvons fixer le premier connecteur d'un côté du bloc, et répéter la même procédure pour l'autre côté. Nous pouvons déplacer les connecteurs le long de ces fentes ici et ainsi tendre la courroie autant que nous voulons.

Quant à l'axe X, la courroie ira en ligne droite d'un côté à l'autre, en passant par les poulies d'une manière qui fournira de la tension ou de l'adhérence avec la poulie du moteur pas à pas.

Pour tendre la courroie de l'axe X, j'ai fait ces connecteurs qui ont une forme comme la courroie et ainsi nous pouvons les serrer sur les côtés de la machine.

Ensuite, nous pouvons installer les fins de course.

J'ai en fait fini par baisser un peu ce fin de course de l'axe Z, et pour les fins de course X et Y, j'ai utilisé ceux de mon projet précédent qui avaient déjà des fils connectés.

Connexion de l'électronique

Avec cela, la partie mécanique de la machine est prête et nous pouvons passer à la connexion de l'électronique.

Comme mentionné, nous utilisons une carte Arduino Uno en combinaison avec un shield CNC et trois pilotes pas à pas A4988.

Pour fixer la carte Arduino à la machine, j'ai fait une pièce supplémentaire imprimée en 3D qui va sur le panneau latéral. J'ai fixé la carte Arduino avec deux boulons M3, et au-dessus j'ai inséré le shield CNC.

Ici, nous devons insérer trois cavaliers pour chaque pilote pas à pas afin de sélectionner la résolution 1/16 de pas, et ensuite nous insérons les pilotes pas à pas.

Ensuite, nous pouvons connecter les moteurs au shield CNC de manière appropriée. Pour connecter les micro fins de course en place, j'ai simplement soudé des fils directement sur eux, et de l'autre côté, j'ai soudé des connecteurs femelles que j'ai obtenus à partir de quelques fils de connexion.

Quant au moteur servo, j'ai utilisé des câbles d'extension servo pour qu'il puisse atteindre le shield CNC. Pour alimenter la machine, nous avons besoin d'une alimentation 12V. Voici un schéma de circuit de comment tout doit être connecté.

Schéma de circuit du traceur CNC à stylo DIY

Voici le schéma de circuit de comment tout doit être connecté.

Vous pouvez obtenir les composants nécessaires pour ce projet depuis les liens ci-dessous :

• Moteur pas à pas – NEMA 17
• Moteur pas à pas – NEMA 17 23mm
• Pilote pas à pas A4988
• Moteur Servo
• Shield CNC Arduino
• Arduino Uno
• Fin de course
• Alimentation DC

Donc, nous utilisons une carte Arduino UNO en combinaison avec un shield CNC et trois pilotes pas à pas A4988. Nous avons trois micro fins de course pour le homing de la machine et un petit moteur servo pour le mécanisme de pince. Pour l'alimentation, nous avons besoin d'une alimentation 12V avec un courant minimum de 2 ampères.

Finalisation de l'assemblage de la machine

Il y a quelques touches finales qui doivent être faites pour compléter ce traceur à stylo. Ici, j'installe la pince à stylo qui est simplement attachée au moteur servo à travers le bras du servo.

Pour gérer les câbles du levier de stylo, j'ai utilisé un set de table de salle à manger dont le matériau était ferme mais flexible, donc c'était parfait pour le travail.

Avec cela, notre machine à dessiner est terminée. Cependant, il y a quelques choses que nous devrions noter ici. Comme le rail de l'axe Y n'est pas supporté d'un côté et que le matériau PLA de l'impression 3D n'est pas si rigide, quand il est complètement étendu, le levier de stylo était 4mm plus bas comparé au côté supporté.

C'est beaucoup trop de jeu mais j'ai réussi à résoudre ce problème en surélevant le côté avant de la machine un peu. De cette façon, j'ai réduit la différence à environ 1mm ce qui était acceptable. Si vous prévoyez d'utiliser ces grands rails, je suggérerais définitivement de supporter le rail de l'axe Y de l'autre côté aussi.

Un autre problème est le porte-stylos, car les stylos ne restent pas bien en place de cette façon. Ici, je suggérerais de faire les ouvertures du haut plus grandes et d'ajouter un matériau souple sur les côtés pour que les stylos restent en place tout en étant faciles à insérer pour la machine.

Finalement, nous pouvons insérer une planche sous toute la machine pour avoir une surface plane.

Et c'est tout, notre machine est terminée.

Firmware et logiciel de contrôle du traceur à stylo DIY

Ce qui reste à faire maintenant est de lui donner vie ou d'en faire une vraie machine CNC. Pour cela, nous devons installer un firmware sur l'Arduino pour contrôler le mouvement de la machine CNC et nous avons besoin d'un logiciel de contrôle à travers lequel nous enverrons des G-codes et dirons à la machine quoi faire.

Le choix le plus populaire pour les machines CNC DIY est le firmware open source GRBL. Cependant, pour ce traceur à stylo, nous avons besoin d'une version modifiée, qui peut contrôler le moteur servo. Cette version modifiée s'appelle "grbl-servo", qui modifie la fréquence PWM par défaut de la broche de contrôle de la broche (ou broche numérique 11) de 1kHz à 50 Hz ce qui est nécessaire pour contrôler ce type de moteur servo.

Une fois que nous téléchargeons et installons ce firmware GRBL dans le dossier bibliothèque de notre IDE Arduino, nous devons aussi modifier son fichier config.h afin d'activer le homing 3 axes, au lieu de son homing 2 axes par défaut.

Quant au logiciel de contrôle, nous utiliserons GRBL-Plotter qui est dédié au contrôle des traceurs et inclut un convertisseur graphique à travers lequel nous pouvons générer du G-code à partir de nos images ou graphiques. Celui-ci est aussi un logiciel open-source qui peut être téléchargé depuis Github.

Ici, la première chose que nous devons faire est de connecter notre carte Arduino au logiciel à travers le port COM approprié. Une fois que nous cliquons sur le bouton "Kill Alarm", sur le moniteur série nous obtiendrons une liste de nos paramètres GRBL actuels. Nous devons changer certains de ces paramètres selon notre machine.

Paramètres GRBL

La première chose que nous devrions ajuster ici est la résolution de déplacement ou les valeurs steps/mm. Ces valeurs indiquent combien de pas le moteur doit faire pour bouger de 1mm. Cela dépend du type de moteur pas à pas que nous avons, de la résolution de micro-pas sélectionnée et de la transmission de mouvement, dans ce cas la courroie GT2 et la poulie.

Pour notre machine, une valeur de 80 steps/mm est nécessaire pour les axes X et Y pour être précis. Quant à l'axe Z, j'ai mis une valeur de 40 qui n'est pas vraiment précise en termes de mouvement réel, mais nous ne pouvons pas l'atteindre de toute façon avec notre mouvement alternatif.

Nous devrions aussi mettre le paramètre numéro 23 à 0, ce qui dit où sont situés nos fins de course, définir le débit maximal, l'accélération, la vitesse de déplacement maximale et le paramètre numéro 1 à une valeur de 255, ce qui maintient les pas à pas actifs en permanence. Cependant, nous devrions noter qu'avec cela activé, surtout pour le moteur pas à pas de l'axe Z, nous devrions ajuster la limite de courant du pilote A4988 au minimum car le NEMA 17 plus court peut chauffer rapidement.

Configuration GRBL-Plotter

OK, regardons maintenant la configuration du contrôleur. Il y a tant d'options à ajuster ici que cela peut être un peu intimidant au début. Ici, d'abord nous devons définir la translation stylo haut/bas sur l'axe Z et définir des valeurs pour les positions Haut et Bas.

Dans l'onglet Table d'outils, nous pouvons définir la couleur des stylos et leur position. Nous devrions noter ici que ces valeurs sont pour le G53 ou le système de coordonnées machine. Cela signifie qu'elles sont définies par les fins de course dures que la machine a, et le déplacement maximal que nous avons défini dans les paramètres GRBL plus tôt.

Pour définir la position de chaque stylo, j'ai utilisé les valeurs d'offset, qui sont 0 pour X et 277 pour l'axe Y dans ce cas. Ces valeurs positionnent la pince devant le premier stylo, et puis je n'ai juste eu à définir la valeur Y pour chaque stylo, qui est de 21,7mm dans la direction négative.

Ici, nous pouvons aussi ajuster le débit et les positions haut et bas pour chaque stylo individuellement, au cas où il y aurait différents stylos.

Ensuite, dans l'onglet Changement d'outil, nous devrions sélectionner "Perform tool change on Tx M06" qui dit à la machine de faire le changement d'outil quand cette commande apparaît dans le G-code.

La valeur "x" après la lettre T indique le numéro d'outil de la table d'outils. Pour effectuer le changement d'outil, nous devons inclure des scripts "select" et "remove", qui sont exécutés quand la commande Tx M06 apparaît. Dans ces scripts, nous définissons le mouvement de la pince pour prendre ou retirer l'outil.

Pour sélectionner un stylo, la pince est d'abord positionnée devant le stylo actuel en coordonnées machine absolues, celui défini dans la table d'outils. Ensuite, le servo ouvre la pince, elle monte de 4mm de plus, puis se déplace vers le stylo en direction X et un peu en direction Y. Ensuite, la pince se ferme, soulève le stylo et revient à la même position avant d'exécuter le script. Pour retirer le stylo, les étapes du script sont les mêmes mais dans l'ordre inverse.

Bien sûr, tous ces paramètres dépendent des stylos eux-mêmes, leurs dimensions et les dimensions des porteurs. La seule façon d'obtenir ce processus correct est en testant et corrigeant les valeurs.

Génération de G-code pour traceur CNC à stylo avec changement d'outil automatique

Finalement, regardons comment nous pouvons générer du G-code à partir d'images avec ce logiciel GRBL-Plotter.

Une fois que nous chargeons l'image, nous pouvons cliquer sur "Preview with colors from table" pour voir à quoi ressemblerait l'image. Dans l'onglet correction d'image, nous pouvons jouer avec les valeurs de Luminosité, Contraste, Gamma et Saturation afin d'obtenir des couleurs similaires à l'image réelle ou celle que nous voulons réellement. Nous pouvons définir la taille de sortie en mm, et dans l'onglet remplacement de couleurs, nous pouvons supprimer les couleurs que nous ne voulons pas utiliser.

Par exemple, nous pouvons supprimer la couleur abricot qui est la couleur blanche dans l'image. Ensuite, nous pouvons cliquer sur le bouton Create G-Code et le G-code sera généré.

Nous pouvons aussi générer des G-codes à partir de fichiers SVG, que nous pouvons simplement glisser-déposer, et le logiciel générera le G-code tout de suite.

Avant de commencer le traçage, nous devrions définir la position 0 où nous voulons dans la zone de travail et puis cliquer sur le bouton lecture.

Le traceur à stylo commencera à travailler et nous pourrons profiter de le regarder faire de la magie.

J'espère que vous avez apprécié cette vidéo et appris quelque chose de nouveau. Si vous avez des questions, n'hésitez pas à les poser dans la section commentaires ci-dessous.