構(gòu)建一個(gè)簡單的基于Arduino的CNC繪圖儀

CNC機(jī)床是計(jì)算機(jī)化的數(shù)控機(jī)床，用于根據(jù)輸入其控制器單元的設(shè)計(jì)程序繪制任何東西或設(shè)計(jì)任何機(jī)械零件?？刂破鲉卧梢允怯?jì)算機(jī)或微控制器。CNC機(jī)床具有步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)，可根據(jù)進(jìn)料程序繪制設(shè)計(jì)。

在研究了數(shù)控機(jī)床之后，我決定使用當(dāng)?shù)乜捎玫牟牧辖ㄔ熳约旱臄?shù)控機(jī)床。世界上有很多數(shù)控機(jī)床，其中一些技術(shù)性很強(qiáng)，很難正確制造甚至操作它們。出于這個(gè)原因，我決定制作一個(gè)簡單的基于Arduino的CNC繪圖儀，這是迄今為止最簡單的制作。您也可以將其用作Arduino CNC繪圖機(jī)，只需進(jìn)行少量修改。

這款DIY Arduino數(shù)控機(jī)床可以繪制大多數(shù)基本形狀，文本甚至卡通。它的操作類似于人手的書寫方式。與人類書寫或繪畫的方式相比，它更快、更準(zhǔn)確。查看本教程末尾的演示視頻。

構(gòu)建 Arduino 數(shù)控機(jī)床：

對(duì)于CNC 繪圖機(jī)的操作，需要 3 個(gè)軸（x 軸、y 軸和 z 軸。x 軸和 y 軸協(xié)同工作，在普通紙上創(chuàng)建 2D 圖像。這些 x 軸和 y 軸彼此成 90 度放置，使得平面上的任何點(diǎn)都由給定的 x 和 y 值定義。Z軸用于將筆抬起并降低到普通紙上。

根據(jù)要繪制的圖像，計(jì)算機(jī)將生成適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)并通過USB端口將它們發(fā)送到微控制器。微控制器解釋這些坐標(biāo)，然后控制電機(jī)的位置以創(chuàng)建圖像。在這里，我們使用Arduino作為微控制器來構(gòu)建這臺(tái)CNC機(jī)床。三軸運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)提供，步進(jìn)電機(jī)將由Arduino板控制。

您需要什么：

注意：我的設(shè)計(jì)在尺寸和所用材料方面在硬件上有很大不同。我找不到舊的DVD驅(qū)動(dòng)器，所以我選擇了打印機(jī)部件。無論您使用哪種方法，請(qǐng)確保它具有步進(jìn)電機(jī)。

硬件要求：

鋁板 （710mm x 710mm）

舊的惠普/愛普生打印機(jī)。您可以使用舊的計(jì)算機(jī)DVD驅(qū)動(dòng)器

螺栓和螺母

有機(jī)玻璃

Arduino UNO

L293D 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器擴(kuò)展板或 Arduino CNC 擴(kuò)展板

微型伺服電機(jī)

一支筆

工具：

螺絲刀

鉆

切割工具（鋼鋸）

膠

臺(tái)式裝置

數(shù)控繪圖機(jī)底座：

該設(shè)備的主體是將機(jī)器的所有主要部件支撐在一起的底座，使機(jī)器牢固且便攜。在此設(shè)計(jì)中，我們將使用鋁來構(gòu)建底座，因?yàn)樗亓枯p，易于彎曲和切割，并且由于不生銹，因此具有良好的光澤外觀。

我的底座的設(shè)計(jì)和尺寸如下所示：

注意：所有尺寸均以毫米為單位。

經(jīng)過所有的彎曲和切割，我能夠生產(chǎn)出非常堅(jiān)固的底座，如下所示：

X、Y 和 Z 軸的組裝：

要制作 x 軸和 y 軸，請(qǐng)使用兩個(gè)打印機(jī)底座。這些部件中的每一個(gè)都包含一個(gè)步進(jìn)電機(jī)和一個(gè)皮帶驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，通常用于來回移動(dòng)墨盒。

對(duì)于 z軸，使用膠水在 y 軸上安裝一個(gè)微型伺服電機(jī)。該伺服電機(jī)用于上下移動(dòng)筆。應(yīng)構(gòu)建良好的支撐機(jī)制，使筆可以自由上下移動(dòng)。

數(shù)控機(jī)床繪圖平臺(tái)：

由于這臺(tái)機(jī)器的巨大尺寸，該設(shè)備能夠在A5尺寸的紙上繪圖。因此，我們將從有機(jī)玻璃上切出一個(gè)A5（148mmx210mm）大小的平臺(tái)，然后用膠水將其粘貼到x軸運(yùn)動(dòng)部件上。

數(shù)控機(jī)床的布線和電路：

將L293D 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器護(hù)板插入 Arduino UNO 板上。該屏蔽可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)和兩個(gè)伺服電機(jī)。連接兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，如下所示。接地連接應(yīng)保持未連接狀態(tài)，因?yàn)殡姍C(jī)是雙楊型。這將作為我們的繪圖儀機(jī)器的Arduino CNC控制器。

同時(shí)將迷你伺服電機(jī)連接到伺服1。將 7.5V - 9V 電源連接到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器擴(kuò)展板的電源端口。計(jì)算機(jī)現(xiàn)已準(zhǔn)備好進(jìn)行測(cè)試。

Arduino 數(shù)控機(jī)床代碼和測(cè)試：

首先，我們需要測(cè)試步進(jìn)電機(jī)，看看它們是否正確連接。

由于我們使用的是 L293D 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器擴(kuò)展板，因此我們需要從此處下載 AFmotor 庫。然后將其添加到Arduino IDE庫文件夾中。確保將其重命名為 AFMotor。如果Arduino IDE已打開，請(qǐng)將其關(guān)閉并再次打開，然后單擊文件->示例->Adafruit Motor Shield庫->步進(jìn)器。確保在工具中選擇正確的端口和板，然后將代碼上傳到 Arduino 板。在步進(jìn)電機(jī)一號(hào)上應(yīng)觀察一些運(yùn)動(dòng)。

要測(cè)試電機(jī) 2，請(qǐng)?jiān)谙乱恍兄袑㈦姍C(jī)端口從 2 更改為 1，然后再次上傳代碼。

#include // Connect a stepper motor with 48 steps per revolution (7.5 degree) // to motor port #2 (M3 and M4) AF_Stepper motor(48, 2);

用于數(shù)控機(jī)床的Arduino代碼：

步進(jìn)電機(jī)正確響應(yīng)后，從下面的代碼部分復(fù)制CNC機(jī)床的Arduino代碼，并將其上傳到Arduino板。您可以從以下鏈接下載代碼。

Arduino CNC 代碼下載

數(shù)控機(jī)床G代碼：

G - CODE是我們告訴計(jì)算機(jī)化機(jī)器（CNC）做某事的語言。它基本上是一個(gè)包含 X、Y 和 Z 坐標(biāo)的文件。

例如：

G17 G20 G90 G94 G54 G0 Z0.25X-0.5 Y0. Z0.1 G01 Z0. F5. G02 X0. Y0.5 I0.5 J0. F2.5 X0.5 Y0. I0. J-0.5 X0. Y-0.5 I-0.5 J0. X-0.5 Y0. I0. J0.5 G01 Z0.1 F5. G00 X0. Y0. Z0.25

僅為一個(gè)簡單的正方形編寫 G 代碼可能確實(shí)具有挑戰(zhàn)性，但幸運(yùn)的是，我們有一個(gè)可以幫助我們生成 G 代碼的軟件。該軟件稱為“Inkscape”，請(qǐng)從此處下載。

您可以使用Inkscape生成自己的G代碼，我們將在下一節(jié)中解釋，或者您可以使用互聯(lián)網(wǎng)上現(xiàn)成的G代碼。

在我向您展示如何使用Inkscape生成G代碼之前，讓我們討論如何將這些G代碼發(fā)送到Arduino。使我們能夠?qū)代碼發(fā)送到Arduino的軟件稱為處理。

處理 IDE 以上傳 G 代碼：

該平臺(tái)將幫助我們向Arduino板發(fā)送G代碼。為此，您必須下載 GCTRL。偏微分方程文件。

從這里下載 GCTRL.pde 文件并使用處理 IDE 打開它

在處理 IDE 中打開它后，單擊“運(yùn)行”。將出現(xiàn)一個(gè)窗口，其中包含所有說明。按鍵盤上的p。系統(tǒng)將要求您選擇一個(gè)端口。因此，請(qǐng)選擇連接Arduino板的端口。我的情況是端口 6。

現(xiàn)在按g并瀏覽到保存 G 代碼的文件夾。選擇正確的 G 代碼，然后按回車鍵。如果一切都連接正確，您應(yīng)該會(huì)看到您的設(shè)備開始在紙上繪制。

如果要終止進(jìn)程，只需按x，設(shè)備將停止它正在執(zhí)行的任何操作。

如何生成自己的G代碼：

我們提到Inkscape是我們將用來生成 G 代碼的軟件。在此示例中，我們將創(chuàng)建一個(gè)簡單的文本（HELLO WORLD），如下所示。

注意：Inkscape沒有將文件保存為G代碼的內(nèi)置方式。因此，您需要安裝一個(gè)附加組件，該附加組件可以將圖像導(dǎo)出到 G-CODE 文件。從這里下載這個(gè)MakerBot Unicorn插件，并附上安裝說明。

如果安裝成功，請(qǐng)打開Inkscape，轉(zhuǎn)到“文件”菜單，然后單擊“文檔屬性”。首先將尺寸從 px 更改為毫米。同時(shí)將寬度和高度減小到 90 毫米?，F(xiàn)在關(guān)閉此窗口。正方形將作為繪圖區(qū)域出現(xiàn)。這是我們將用來編寫文本的區(qū)域。

現(xiàn)在在左側(cè)欄上，單擊創(chuàng)建和編輯文本對(duì)象選項(xiàng)卡。鍵入文本“HELLO WORLD”并將其放置在正方形的右上角，如下所示。

單擊文本并選擇您喜歡的字體樣式類型。單擊應(yīng)用并關(guān)閉。

現(xiàn)在單擊路徑并選擇“對(duì)象到路徑”"

您的文本現(xiàn)在可以另存為 G 代碼了。單擊文件 ->另存為，然后將文件名鍵入為“hello world”

將文件類型更改為“MakerBot Unicon G-Code”，如下圖所示。僅當(dāng)加載項(xiàng)安裝成功時(shí)，才會(huì)顯示此信息。最后單擊保存，然后單擊彈出窗口中的確定。

您已經(jīng)生成了一個(gè) G 代碼，可以使用前面的過程對(duì)其進(jìn)行繪制。

GRBL 控制器：

一旦您設(shè)法使用 Inkscape 生成 G 代碼，可能需要查看 G 代碼以確保它在繪圖限制范圍內(nèi)。

繪圖限制在Arduino CNC CODE中設(shè)置，如下所示：

上面在GRBL控制器中顯示的圖像不應(yīng)超出上述CNC Arduino代碼中顯示的限制。如果它超出這些限制，例如朝向 x 軸的負(fù)側(cè)，則不會(huì)繪制負(fù)側(cè)上的該部分。

在此示例中，x 和 y 值的范圍為 0mm 到 40mm。

由于我使用的是可以在更大面積上打印的打印機(jī)部件，因此我將最大值從40mm更改為60mm。

每當(dāng)您使用Inkscape生成G代碼時(shí)，您都可以首先在GRBL程序中打開該G代碼，以查看它是否在這些限制范圍內(nèi)。如果不在里面，您需要在 Inkscape 中調(diào)整圖像大小，直到它在您的限制范圍內(nèi)。