Сердце межпланетного лайнера

Планшетный графопостроитель «Моторий»

Мне всегда нра­ви­лись гра­фо­по­стро­и­тели, с ран­него дет­ства. Так сложилось, что по­играть­ся с настоящим графо­постро­ителем в свое время так и не довелось. А теперь их уже и не найдешь, все вытеснили струйные принтеры. Зато теперь я могу собрать свой графопостроитель. С блекджеком и шлюхами.

Устройство планшетного плоттера

Традиционный планшетный графопостроитель, а Моторий является одним из них, состоит из двухкоординатного стола, который носит головку с пером над листом бумаги. Головка оснащена исполнительным устройством, которое может поднимать и опускать перо. Опуская перо и перемещая головку можно рисовать линии, кривые, цифры, буквы и вообще все что угодно. До какого-то времени это был единственный способ вывода графики высокого разрешения, но потом появились лазерные принтеры и струйные принтеры самых больших форматов. Сейчас вооруженные ножом плоттеры используются для резки рекламных надписей в виниле.

Плоттер состоит из рамы с направляющими осями координаты X. Вдоль осей на подшипниках скользят блоки, на которых закреплен механизм координаты Y. А вдоль координаты Y скользит головка с приводом фломастера. Держалку пера можно назвать осью Z, но это не очень уважительно по отношению к трехкоординатным станкам с настоящей осью Z.

Планшентные графопостроители имеют много общего с трехкоординатными станками. Последние могут использоваться в качестве плоттеров, если вместо фрезы закрепить в них подпружиненное перо. Наоборот же, повесить на плоттер фрезерную головку не получится, потому что плоттер не обладает достаточной жесткостью, потому что его главный инструмент — перо — очень легок.

К нужному месту головка перемещается шаговыми двигателями. Двигатели управляются специальными схемами – драйверами шаговых двигателей. В свою очередь, эти схемы управляются микроконтроллером, который интерпретирует отправляемые с ПК данные. Например, данными может быть файл в формате HPGL. Обычно данные состоят из настроек параметров, за которыми следуют инструкции вида "PU; PA 4,8; PD 15,16,23,42;PG;". Эта последовательность поднимет перо, переместит его в координаты (4,8), затем опустит перо и переместит его в координаты (15,16), затем (23,42), оставив за собой ломаную линию. Последняя команда завершает чертеж.

Детали

Моторий построен из деталей, вытащенных из старых принтеров и сканеров. Это наложило определенные ограничения на его конструкцию. После охоты за принтерами и их разборки, были собраны следующие предметы:

• два биполярных шаговых двигателя
• зубчатые ремни и ролики для их натяжения
• направляющие оси, все разных диаметров
• каретки, скользящие по направляющим осям разных диаметров
• блоки питания
• всякие пружинки и пластмасса

Это полезные предметы. К сожалению, электроника из принтеров, за исключением блоков питания, как правило не очень полезна. Можно с ней сделать что-нибудь потешное, если есть чем.

Механика

Координаты

Подробно описывать конструкцию нет никакого смысла, потому что все в ней построено вокруг спасенных из принтеров деталей и второй такой сделать не получится. Все зависит от имеющихся материалов, инструментов и умения их применять. Очень полезно иметь маленькую настольную пилу и хоть бы и совсем непрочную подставку для дрели.


Замечание по поводу привода оси X: если противоположная ремню сторона мостика (Y) будет перемещаться на подшипниках скольжения, она скорее всего будет застревать, или неприятно дергаться. Я вышел из положения , сделав ползуна на двух шарикоподшипниках. Другие варианты: сделать привод с двух сторон, протянуть ось мотора Х через всю ширину поля и поставить второй ремень с противоположной стороны, сделать хитрую конструкцию из шнурков, как в «Волшебном экране», или можно тянуть мостик за среднюю точку, а не с краю. Если мостик будет болтаться, можно просто ограничить скорость перемещения по оси X.

Ось Y в целом проще, потому что вдоль нее перемещается существенно менее массивная головка.

Каретка с пером

Каретка так же важна, как и оси X-Y. Она должна быть достаточно жесткой, чтобы перемещать перо, махать им и не перекашиваться, когда перо давит на бумагу. У меня ось Y состоит из хорошей оси, плохой оси, поэтому мне пришлось прибегать к нестандартным методам обеспечения дополнительной жесткости (см. деревянные калабашки, которые упираются в уголок).

Во всех интернетах ничего совершенно невозможно найти по поводу конструкции механизма, который поднимает и опускает перо. Все самодельщики-плоттеростроители тщательно обходят вопрос построения головки, делают вид, что она возникла сама собой. Я пробовал несколько разных конструкций и пока остановился на самой простой: маленькая сервомашинка толкает короткую сторону рычага. С длинной стороны рычага зажат фломастер. Пружина давит вниз, когда серва находится в поднятом состоянии. Таким образом перо поднимается всегда на фиксированную высоту, а опускается настолько, насколько позволяет толщина бумаги, или другого разукрашиваемого предмета.

Ниже приведен эскиз моей конструкции подъема и опускания пера. Система получилась не очень удобная, а для компенсации поперечного люфта я подтягиваю ее к одной стороне резинкой. Кроме того, в таком режиме работы срок службы сервомашинки может оказаться не очень долгим. Зато механизм очень простой, собирается из кусков алюминиевых уголков и квадратов и фанеры. Рычаг успешно преобразует силищу, которой у сервомашины хоть отбавляй, в скорость перемещения.

Самый большой недостаток этой конструкции — нелинейность перемещения пера. Если поверхность неровная, а с бумагой это все время случается, то в месте касания пера бумаги могут оставаться засечки.

Когда видите какой-нибудь интернет-отчет о самодельном графопостроителе, а фоток чертежей нет, это потому что автор так и не сделал нормальный привод пера.

Электроника

Моторий собран из компонентов старых, но не очень все-таки старых принтеров. Им и 10 лет не было, по правде говоря. Шаговые двигатели в таких принтерах, как правило, — биполярные, с четырьмя проводами. Чтобы управлять таким мотором, нужно собирать специальную схему, которая позволяет пропускать ток через обе его обмотки в разных направлениях. Такая схема называется H-мост и в простейшем случае состоит из 4-х транзисторов. Но даже если ее собрать, она позволит совершать только полные шаги. Большинство современных двигателей рассчитаны на управление с микрошагами: таким образом механика упрощается, а электроника усложняется. К счастью, можно воспользоваться готовой микросхемой для лентяев: A3984, которая преобразует сигналы выбора направления и шага от микроконтроллера в токи в обмотках моторов. Внутри же такая микросхема не проще космической ракеты.

Драйверы ШД могут только выполнять микрошаг вперед-назад и удерживать положение ротора. Для того, чтобы преобразовывать команды от компьютера, нужен микроконтроллер. Он будет разбирать HPGL и превращать его в низкоуровневые команды для ШД. Это будет ATmega644, потому что в ней удачно сочетается размер памяти для программы, которая может случиться достаточно сложной, ОЗУ для буферов и переменных и возможность работать на 20 МГц. В моем контроллере атмега работает на 18,432 МГц, потому что эта частота удобна для получения любой скорости передачи через последовательный порт.

USB-последовательный порт сделан на обычной FT232RL. Плоттеры очень медленные, поэтому обязательно надо было реализовать flow control и для этого специально зарезервированы две ножки на микроконтроллере. В Мотории используется аппаратный flow control.

В этой разработке не использовано ни одного синего светодиода.

Питание для логики и моторов взято из блока питания одного из разобранных принтеров. Это хороший, полностью изолированный пластмассовый кирпич, который дает +5В и 1А 24В, чего хватает для двух шаговых моторов.

Ссылки:

• Проект в EAGLE CAD
• Схема в PDF
• Фотошаблоны PDF: верх низ

Печатная плата

Печатная плата разведена так, чтобы ее удобно было делать в домашних условиях. Она двусторонняя, но обратная сторона очень простая, проводники на ней толстые, а переходные отверстия жирные, так что выравнивание не очень критично. Все пады разъемов имеют по дополнительному переходному отверстию, чтобы удобно было паять разъемы со стороны компонентов.

Дополнительные очки тем, кто сможет изобразить плату на самодельном графопостроителе.

Сборка и наладка

A3984 выпускаются в корпусах типа eTSSOP. Буковка «e» означает, что у них снизу есть площадка для механической связи с платой и теплоотвода. Эта площадка абсолютно обязательно должна быть припаяна, а делать это в домашних условиях на самодельной плате без маски трудно. Я высверлил большие дырки, в которые налил припой и потом тыкал туда жалом, пока все не растеклось. Это самый трудный момент в сборке, все остальное как обычно.

Настраивать в этой схеме особенно нечего. Единственное, что нужно подобрать, — это V_ref: напряжение, которое задает максимальный ток, проходящий через обмотки моторов. Начать следует с минимального V_ref и увеличивать его постепенно, пока моторы не станут уверенно вращаться. Если мотор не вращается, или не удерживает положение, внутренняя схема управления пытается компенсировать и это приводит к перегреву. Исправно работающий драйвер двигателя должен быть прохладным.

Загрузка ПО

Кому-то нравится внутрисхемное программирование, мне же нравятся начальные загрузчики. Обычно я использую внутрисхемное программирование только для прошивки загрузчика и потом больше его не трогаю. В этот раз я пользуюсь загрузчиком, совместимым с STK500, который можно найти тут, инструкция прилагается. После установки загрузчика, ПО можно загружать через USB с помощью обычного avrdude, или AVR Studio в режиме STK-500.

Программное обеспечение

ПО для Мотория предоставляется как есть, все открыто, лицения типа BSD. Пользуйтесь на здоровье, только меня, автора, не забывайте. Спасибо.

Все должно собираться сразу avr-gcc, или WinAVR. Внутри исходники содержат какую-то документацию.

Ссылки:

• Исходные коды
• Онлайновая документация обновляется иногда

HPGL

Язык управления плоттерами HPGL невероятно сложен. Моторий поддерживает лишь очень малое его подмножество. В настоящее время, реализованного HPGL-я хватает ровно на то, чтобы изображать чертежи печатных плат из EAGLE и рисовать картинки, преобразованные из PostScript с помощью утилиты pstoedit.

Список поддерживаемых команд HPGL содержится на этой странице в вики: HPGL Implementation

Реализация всех инструкций неполная и, возможно, неточная. В качестве основного справочника я пользуюсь вот этим странным руководством: HP-GL Reference Guide

Результаты

Разработка продолжается и результаты со временем меняются. По состоянию на настоящий момент в принципе можно рисовать печатные платы для корпусов TQFP с шагом 0.8мм, особенно если разводить их с учетом особенностей устройства. Но результат не выглядит достаточно красиво. Маркеры оставляют слишком жирные и неравномерные линии, чернила имеют тенденцию растекаться, кончик пера быстро изнашивается. В общем, при изготовлении печатных плат получается недостатков больше чем преимуществ. Лучше использовать графопостроитель для чего-нибудь другого.

Вот несколько рисунков, сделанных Моторием на разных стадиях разработки:



Настоящая радость должна наступить после установки на место пера 300мВт лазера.

Обновка: 300мВт лазер

300мВт — не так много, как хотелось бы. Но, все же, им можно резать тонкие пленки, выжигать по дереву. Если не торопиться, то можно вырезать фигуры из плотного черного поролона толщиной 10-12мм.