آلة التخطيط باستخدام الحاسب الآلي: 13 خطوة (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:39

يصف هذا التوجيه رسامًا مقاس A4 / A3 مصنوعًا من قسم من الأنابيب البلاستيكية ، ومحركين من نوع BYJ-48 ومضاعفات SG-90. إنها في الأساس عبارة عن راسمة ذات قاع مسطح ملفوفة في أسطوانة.

يقوم أحد المحركات بتدوير الأسطوانة بينما يقوم الآخر بتحريك رأس الطباعة. يتم استخدام المؤازرة لرفع القلم وخفضه.

تتميز هذه الراسمة بعدد من المزايا مقارنة بالآلات التخطيطية المسطحة التقليدية:

• بصمة أصغر بكثير
• لا يتطلب سوى سكة توجيه خطية واحدة
• سهل البناء
• الرخيص

يقبل المترجم الفوري إخراج كود gcode من إنكسكيب.

يتم التواصل مع الراسمة عبر رابط بلوتوث.

الراسمة متوافقة مع الكمبيوتر اللوحي الرسومي CNC الموضح في https://www.instructables.com/id/CNC-Graphics-Table …

على الرغم من أنها ليست أداة دقيقة ، إلا أن دقة هذه الراسمة مرضية للغرض المقصود منها نقل مخططات الألوان المائية على الورق.

الخطوة 1: الدائرة

تتكون الدائرة من متحكم Arduino UNO R3 ودرع مخصص يتم تركيب المكونات المنفصلة عليه. يتم توصيل الطاقة عبر منظم خارجي 5 فولت 1 أمبير. يبلغ متوسط التيار حوالي 500 مللي أمبير.

يتم توصيل محركات التدرج BYJ-48 بـ PORTB (المسامير D8 و D9 و D10 و D11) و PORTC (المسامير A0 و A1 و A2 و A3). يتم توصيل مؤازرة رفع القلم SG-90 بالمسمار D3.

توفر المقاومات 560 أوم ، والتي قد يتم حذفها ، مقياسًا لحماية الدائرة القصيرة لاردوينو في حالة حدوث خطأ ما. كما أنها تجعل من السهل ربط الدرع بسلك لأنها تعمل كـ "وصلات عبور" عبر قضبان الإمداد.

تمنع المقاومات 1k2 و 2K2 إتلاف وحدة البلوتوث HC-06 [1] عن طريق خفض خرج 5 فولت من اردوينو إلى 3.3 فولت.

[1] افصل وحدة البلوتوث HC-06 عند تحميل الكود إلى اردوينو عبر منفذ USB. سيؤدي ذلك إلى تجنب أي تعارضات في المنافذ التسلسلية.

الخطوة 2: المحرك الخطي

المحرك الخطي مصنوع من قضيب ألومنيوم بطول 3 مم × 32 مم ، وشريط من صفائح الألمنيوم ، وأربع بكرات صغيرة بحامل كروي.

يتوفر الألمنيوم في معظم متاجر الأجهزة. تتوفر بكرات U624ZZ 4x13x7mm U-groove من

كل ما تحتاجه هو الأدوات اليدوية البسيطة. قطع شريط الألمنيوم ليناسب أبعاد الراسمة الخاصة بك.

تجميع المحرك

قم بتركيب المحرك المتدرج BJY-48 عبر القضيب في أحد طرفيه وقم بتوصيل سن GT2 20 ، تجويف 5 مم ، بكرة بعمود المحرك. الآن قم بتركيب بكرة GT2 أخرى في الطرف الآخر من قضيبك بحيث تكون البكرة قادرة على الدوران بحرية. لقد استخدمت فاصلًا أنبوبيًا (راديو) بقطر 5 مم وبرغي 3 مم لتحقيق ذلك.

الآن قم بلف طول حزام توقيت GT2 حول البكرات. قم بربط نهايات حزام التوقيت عن طريق نصف لف بحيث تتشابك الأسنان وتثبتها برباط كبل.

أخيرًا ، قم بتوصيل مجموعة النقل بحزام التوقيت برباط كبل.

تجميع النقل

يتم تصنيع مجموعة النقل من شريط من صفائح الألومنيوم [1] حيث يتم تثبيت بكرات U624ZZ عليه. إذا لزم الأمر ، استخدم غسالة 4 مم لإبعاد البكرات عن لوح الألمنيوم.

البكرات ، التي تحتوي على أخدود 4 مم ، تمتد على جانبي قضيب الألمنيوم أعلى وأسفل بحيث لا توجد حركة عمودية ومع ذلك يتحرك شريط الألمنيوم بحرية إلى اليسار واليمين.

للتأكد من أن العربة تعمل بحرية ، قم بتركيب البكرتين العلويتين أولاً ، ثم مع وضع البكرتين على الشريط ، حدد مواضع البكرتين السفلية. يمكن الآن حفر ثقوب هاتين البكرتين. استخدم مثقابًا "تجريبيًا" صغيرًا أولاً لمنع المثقاب الأكبر مقاس 4 مم من الانجراف.

قبل ثني شريط الألمنيوم إلى "U" ، قم بعمل ثقب أعلى وأسفل ليناسب قطر القلم. الآن أكمل الانحناءات.

قم بتوصيل حزام التوقيت بمجموعة النقل عن طريق ربطة كبل وبرغي 3 مم بين البكرتين العلويتين.

مجموعة رفع القلم

قم بتوصيل مؤازر SG-90 بأعلى مجموعة الحامل باستخدام واحد أو اثنين من ربطات الكبل.

أسقط قلمك في الفتحتين اللتين قمت بحفرهما. تأكد من أن القلم ينزلق لأعلى ولأسفل بحرية.

اربط "طوقًا" بقلمك بحيث يكون القلم خاليًا تمامًا من الأسطوانة عندما تكون المؤازرة في وضع القلم.

[1] يمكن تقطيع الألمنيوم بتدوير جانبي الصفيحة بسكين حاد (قاطع صندوق) ثم ثني القطع على حافة الطاولة. بعض الاهتزازات والورقة سوف تنكسر تاركة فاصلًا مستقيمًا. على عكس قصاصات القصدير ، فإن هذه الطريقة لا تتشابك مع الألومنيوم.

الخطوة 3: الطبل

تتكون الأسطوانة من قسم من الأنابيب البلاستيكية مع سدادين طرفيين خشبيين [1].

استخدم بوصلة ، مضبوطة على نصف القطر الداخلي للأنبوب ، لرسم الخطوط العريضة للسدادة النهائية. قص الآن حول كل مخطط باستخدام منشار نصل ناعم ("المواجهة" ، "الحنق") ثم قم بتركيب كل سدادة نهائية بشكل مخصص بمساعدة عرموش الخشب. اربط سدادات النهاية باستخدام مسامير خشبية صغيرة مضادة للغمر.

يشكل الترباس الهندسي 6 مم عبر مركز كل سدادة طرفية المحور.

أبعاد الطبل

يتم تحديد أبعاد الأسطوانة حسب حجم الورق الخاص بك. قطر الأسطوانة 100 مم يدعم صورة A4 ومنظر طبيعي مقاس A3. قطر الأسطوانة 80 مم يدعم فقط أفقي A4. استخدم أصغر قطر ممكن للأسطوانة لتقليل القصور الذاتي … المحركات BYJ-48 صغيرة فقط.

قطر الأسطوانة 90 مم مثالي للورق الأفقي مقاس A4 وورق الأفقي مقاس A3 لأن الحواف المعاكسة ، عند لفها حول الأسطوانة ، تتداخل بحوالي 10 مم مما يعني أن لديك خطًا واحدًا فقط لتثبيته في مكانه.

تدوير الاسطوانة

يمر كل محور عبر دعامة طرفية من الألومنيوم بحيث تكون الأسطوانة قادرة على الدوران بحرية. يتم منع تعويم النهاية عن طريق GT-2 ، 20 سنًا ، تجويف 6 مم ، بكرة مثبتة على المحور في أحد طرفيها. يربط حزام التوقيت المستمر GT-2 المحرك المتدرج الموجه BJY-48 بالأسطوانة. يتطلب المحرك بكرة بحجم تجويف 5 مم.

[1] تتوفر سدادات نهاية بلاستيكية لمعظم أقطار الأنابيب ولكن تم رفضها لأنها تناسب الأنبوب بدلاً من الداخل ويميل البلاستيك إلى الانثناء. من المحتمل أن يكونوا على ما يرام إذا تم استخدام محور مستمر بدلاً من البراغي … ولكن بعد ذلك تحتاج إلى طريقة ما لتثبيت المحور بالمقابس الطرفية.

الخطوة 4: نصائح البناء

تأكد من أن القلم يتحرك على طول مركز الأسطوانة. يمكن تحقيق ذلك عن طريق قص الزوايا من الدعامات الخشبية. إذا كان القلم بعيدًا عن المركز ، فسوف يميل إلى الانزلاق على جانب الأسطوانة.

من المهم إجراء عمليات حفر دقيقة لثقبين للقلم. سيؤدي أي تذبذب في دليل القلم أو مجموعة الحامل إلى حدوث تذبذب على طول المحور السيني.

لا تفرط في إحكام أحزمة التوقيت GT-2 … كل ما تحتاجه هو أن تكون مشدودة. لا تحتوي المحركات المتدرجة BYJ-48 على الكثير من عزم الدوران.

غالبًا ما تُظهر المحركات المتدرجة BJY-48 كميات صغيرة من رد الفعل العكسي الذي يعد غير ذي أهمية على طول المحور السيني ولكنه يثير القلق عندما يتعلق الأمر بالمحور الصادي. والسبب في ذلك هو أن دورانًا واحدًا لمحرك المحور Y يساوي دورانًا واحدًا للأسطوانة ، في حين تتطلب عربة القلم العديد من الدورات لمحرك المحور X لاجتياز طول الأسطوانة. يمكن القضاء على أي رد فعل عنيف على المحور Y من خلال الحفاظ على عزم دوران ثابت على الأسطوانة. تتمثل إحدى الطرق البسيطة في إرفاق وزن صغير بسلك نايلون ملفوف حول الأسطوانة.

الخطوة 5: خوارزمية الرسم الخطي لبريسنهام

يستخدم هذا الراسم نسخة محسنة [1] من خوارزمية رسم خط بريسنهام. لسوء الحظ ، هذه الخوارزمية صالحة فقط لمنحدرات الخط التي تقل عن أو تساوي 45 درجة (أي ثماني واحد من الدائرة).

للتغلب على هذا القيد ، أقوم "بتعيين" جميع مدخلات XY إلى "octant" الأول ، ثم "unmap" عندما يحين وقت الرسم. تظهر وظائف تعيين المدخلات والمخرجات لتحقيق ذلك في الرسم البياني أعلاه.

الاشتقاق

قد يتم حذف ما تبقى من هذه الخطوة إذا كنت معتادًا على خوارزمية Bresenham.

لنرسم خطًا من (0 ، 0) إلى (x1 ، y1) حيث:

• x1 = 8 = المسافة الأفقية
• y1 = 6 = مسافة عمودية

يتم الحصول على معادلة الخط المستقيم الذي يمر عبر الأصل (0 ، 0) بواسطة المعادلة y = m * x حيث:

م = y1 / x1 = 6/8 = 0.75 = المنحدر

خوارزمية بسيطة

خوارزمية بسيطة لرسم هذا الخط هي:

• كثافة العمليات x1 = 8 ؛
• كثافة العمليات y1 = 6 ؛
• تعويم م = y1 / x1 ؛
• مؤامرة (0 ، 0) ؛
• لـ (int x = 1 ؛ x <= x1 ؛ x ++) {
• int y = round (m * x) ؛
• مؤامرة (س ، ص) ؛
• }

الجدول 1: خوارزمية بسيطة

x	م	م * س	ذ
0	0.75	0	0
1	0.75	0.75	1
2	0.75	1.5	2
3	0.75	2.25	2
4	0.75	3	3
5	0.75	3.75	4
6	0.75	4.5	5
7	0.75	5.25	5
8	0.75	6	6

هناك مشكلتان في هذه الخوارزمية البسيطة:

• الحلقة الرئيسية تحتوي على عملية الضرب البطيئة
• تستخدم أرقام الفاصلة العائمة وهي بطيئة أيضًا

تم عرض رسم بياني لـ y مقابل x لهذا الخط أعلاه.

خوارزمية بريسنهام

قدم Bresenham مفهوم مصطلح الخطأ "e" الذي تمت تهيئته إلى الصفر. لقد أدرك أن قيم m * x الموضحة في الجدول 1 يمكن الحصول عليها عن طريق الإضافة المتتالية لـ "m" إلى "e". لقد أدرك أيضًا أن y لا تتزايد إلا إذا كان الجزء الكسري من m * x أكبر من 0.5. للحفاظ على مقارنته ضمن النطاق 0 <= 0.5 <= 1 ، يستبدل 1 من 'e' كلما زاد y.

• كثافة العمليات x1 = 8 ؛
• كثافة العمليات y1 = 6 ؛
• تعويم م = y1 / x1 ؛
• int y = 0 ؛
• تعويم e = 0 ؛
• مؤامرة (0 ، 0) ؛
• لـ (int x = 1 ؛ x <= x1 ؛ x ++) {
• ه + = م ؛
• إذا (هـ> = 0.5) {
• ه - = 1 ؛
• ذ ++ ؛
• }
• مؤامرة (س ، ص) ؛
• }

الجدول 2: خوارزمية بريسنهام

x	م	ه	ه -1	ذ
0	0.75	0	0	0
1	0.75	0.75	-0.25	1
2	0.75	0.5	-0.5	2
3	0.75	0.25		2
4	0.75	1	0	3
5	0.75	0.75	-0.25	4
6	0.75	0.5	-0.5	5
7	0.75	0.25		5
8	0.75	1	0	6

إذا قمت بفحص الخوارزمية والجدول 2 ، فسوف تلاحظ ذلك ؛

• الحلقة الرئيسية تستخدم الجمع والطرح فقط … لا يوجد ضرب
• نمط y هو نفسه كما في الجدول 1.

لكننا ما زلنا نستخدم أرقام الفاصلة العائمة … لنصلح هذا.

خوارزمية Bresenham (الأمثل)

يمكن تحويل خوارزمية النقطة العائمة في Bresenham إلى شكل عدد صحيح إذا قمنا بقياس 'm' و 'e' بمقدار 2 * x1 في هذه الحالة م = (y1 / x1) * 2 * x1 = 2 * y1

بصرف النظر عن قياس 'm' و 'e' ، فإن الخوارزمية مشابهة لتلك المذكورة أعلاه باستثناء:

• نضيف 2 * y1 إلى "e" في كل مرة نزيد فيها "x"
• نزيد y إذا كانت e تساوي أو أكبر من x1.
• نطرح 2 * x1 من "e" بدلاً من 1
• يتم استخدام x1 للمقارنة بدلاً من 0.5

يمكن زيادة سرعة الخوارزمية بشكل أكبر إذا استخدمت الحلقة صفرًا للاختبار. للقيام بذلك ، نحتاج إلى إضافة تعويض لمصطلح الخطأ "e".

• كثافة العمليات x1 = 8 ؛
• كثافة العمليات y1 = 6 ؛
• int m = (y1 << 1) ؛ // ثابت: منحدر تم قياسه بمقدار 2 * x1
• int E = (x1 << 1) ؛ // ثابت: 2 * x1 للاستخدام في الحلقة
• int e = -x1 ؛ // offset of -E / 2: الاختبار يتم الآن عند الصفر
• مؤامرة (0 ، 0) ؛
• int y = 0 ؛
• لـ (x = 1 ؛ x <= x1 ؛ x ++) {
• ه + = م ؛
• إذا (هـ> = س 1) {
• هـ - = هـ
• ذ ++ ؛
• }
• مؤامرة (س ، ص) ؛
• }

الجدول 3: خوارزمية بريسنهام (الأمثل)

x	م	ه	ه	هـ - هـ	ذ
0	12	16	-8		0
1	12	16	4	-12	1
2	12	16	0	-16	2
3	12	16	-4		2
4	12	16	8	-8	3
5	12	16	4	-12	4
6	12	16	0	-16	5
7	12	16	-4		5
8	12	16	8	-8	6

مرة أخرى ، فإن نمط y هو نفسه الموجود في الجداول الأخرى. من المثير للاهتمام أن نلاحظ أن الجدول 3 يحتوي فقط على أعداد صحيحة وأن نسبة م / إي = 12/16 = 0.75 وهي ميل الخط "م".

هذه الخوارزمية سريعة للغاية حيث أن الحلقة الرئيسية تتضمن فقط الجمع والطرح والمقارنة مع الصفر. لا يتم استخدام الضرب بصرف النظر عن الوقت الذي نقوم فيه بتهيئة قيم "E" و "m" باستخدام "إزاحة لليسار" لمضاعفة قيم x1 و y1.

[1] هذه النسخة المحسّنة من خوارزمية بريسنهام مأخوذة من بحث بعنوان "Bresenham Line and Circle Drawing" ، حقوق النشر © 1994-2006 ، W Randolph Franklin (WRF). يمكن استخدام مواده في البحث والتعليم غير الهادفين للربح ، شريطة أن تنسب إليه الفضل ، وأن ترجع إلى صفحته الرئيسية ،

الخطوة 6: الكود

قم بتنزيل الملف المرفق في مجلد يحمل نفس الاسم ثم قم بتحميله على الراسمة باستخدام arduino IDE (بيئة التطوير المتكاملة).

افصل وحدة HC-06 bluetoorh قبل محاولة التحميل. يعد ذلك ضروريًا لتجنب تعارض المنفذ التسلسلي مع كبل USB.

كود الطرف الثالث

بالإضافة إلى كود.ino أعلاه ، ستحتاج إلى حزم البرامج التالية التي تكون مجانية / أدوات تبرع:

• Teraterm المتاح من
• إنكسكيب المتوفر من

يمكن العثور على إرشادات لتثبيت واستخدام كل من حزم الطرف الثالث المذكورة أعلاه في مقالتي

الخطوة 7: القائمة

قم بإجراء اتصال بلوتوث مع الراسمة الخاص بك باستخدام "Teraterm".

قم بتشغيل "caps lock" لأن جميع الأوامر بأحرف كبيرة.

اكتب الحرف "M" ويجب أن تظهر القائمة كما هو موضح أعلاه.

القائمة تشرح نفسها بشكل معقول:

• M (أو M0) يعرض القائمة
• يتيح لك G0 إرسال القلم إلى تنسيق XY محدد مع رفع القلم.
• يتيح لك G1 إرسال القلم إلى تنسيق XY محدد مع خفض القلم.
• يسمح لك T1 بوضع قلمك فوق إحداثيات 0 ، 0. اكتب "E" للخروج.
• يسمح لك T2 بتوسيع نطاق السحب الخاص بك. على سبيل المثال "T2 S2.5" سيقيس الرسم الخاص بك بنسبة 250٪. المقياس الافتراضي هو 100٪
• يسمح لك T3 و T4 برفع القلم أو إنزاله.
• يرسم T5 نموذج اختبار "ABC".
• T6 يرسم "الهدف".
• يرسم T7 مجموعة من الخطوط الشعاعية ، والغرض منها هو التحقق من أن خوارزمية Bresenham تعمل في كل من "الثماني" الثمانية

ملحوظات:

• تستخدم كل حركات القلم مجموعة مقياس الرسم باستخدام خيار القائمة T2
• الأرقام "17:" و "19" هي رموز مصافحة الطرفية "Xon" و "Xoff" من مترجم اردوينو.

الخطوة 8: المعايرة

قيم X_STEPS_PER_MM و Y_STEPS_PER_MM للأسطوانة بقطر 90 مم.

يمكن حساب قيم أقطار الأسطوانة الأخرى باستخدام العلاقات التالية:

• محيط الأسطوانة هو قطر PI *
• 2048 خطوة تساوي ثورة واحدة لكل عمود محرك
• ثورة واحدة من بكرة GT-2 تعادل 40 ملم حركة خطية لحزام التوقيت

طريقة أخرى هي إدخال الأوامر التالية ،

• G1 X0 Y100
• G1 X100 Y100

ثم قم بقياس طول الخطوط الناتجة و "مقياس" قيم X-STEPS_PER_MM و Y_STEPS_PER_MM

الخطوة 9: المعالجة المسبقة لـ Gcode

لا تتطلب هذه الراسمة سوى أربعة من أكواد Inkscape gcodes (أي: G0 ، G1 ، G2 ، G3). سيتم تنفيذ الكود بشكل أسرع إذا أزلنا جميع رموز gcodes والتعليقات غير الضرورية.

للقيام بذلك تحتاج إلى نسخة من "Notepad ++". يحتوي محرر النص المجاني هذا على محرك بحث "تعبير عادي" للبحث عن النص غير المرغوب فيه وإزالته. يتوفر Notepad ++ من

افتح الملف المراد تعديله باستخدام Notepad ++ وضع المؤشر في أعلى الملف.

حدد "عرض / إظهار الرمز / كل الأحرف" متبوعًا بـ "بحث / استبدال …" من شريط القائمة العلوي.

انقر فوق خانة الاختيار "تعبير عادي" (انظر الصورة الأولى) وأدخل كل تسلسل من تسلسلات التعليمات البرمجية التالية في مربع البحث.

انقر فوق "استبدال الكل" بعد كل إدخال:

• %
• (.*)
• ^ م. * $
• Z. * $

تزيل التعبيرات العادية أعلاه جميع رموز٪ ، وجميع التعليقات الموضحة بين قوسين ، وجميع رموز M ، وجميع رموز Z والرموز التالية.

انقر الآن على مربع الاختيار "Extended Expression" (انظر الصورة الثانية) وأدخل تسلسل الرمز التالي:

r / n / r / n / r / n

يزيل هذا التعبير أحرف الإرجاع وموجزات الأسطر غير المرغوب فيها التي تم إنشاؤها بواسطة التسلسل الأول.

احفظ الملف باسم مختلف باستخدام "حفظ باسم".

منتهي.

الخطوة 10: النتائج

تم تصميم هذا المخطط ليكون "دليلًا على المفهوم" ولم يقصد أبدًا أن يكون مثاليًا. بعد أن قلت أن النتائج ليست سيئة للغاية. إنها بالتأكيد تحقق هدفي التصميمي المتمثل في نقل الخطوط العريضة للألوان المائية على الورق.

الصور الثلاث الأولى هي نماذج الاختبار المضمنة T5 و T6 و T7 على التوالي.

"أهلاً بالعالم!" تم إرسال النمط إلى الراسمة عبر البلوتوث. تم إرفاق نسخة "مُعالجة مسبقًا" من هذا الملف.

الخطوة 11: تحديث التعليمات البرمجية

تم تحديث الكود الخاص بهذا الراسمة إلى Drum_Plotter_V2.ino.

تتضمن التغييرات من Drum_Plotter.ino الأصلي ما يلي:

• وضع قلم أكثر سلاسة
• يتعرف الآن على تعليمات G02 gcode (أقواس في اتجاه عقارب الساعة)
• يتعرف الآن على تعليمات G03 gcode (أقواس عكس اتجاه عقارب الساعة)

يوضح الرسم البياني المرفق طريقي لحساب زاوية القوس.

الخطوة 12: Drum_plotter_v3.ino

مرفق تحديث كود "CNC Drum Plotter".

يعمل "drum_plotter_v3.ino" على إصلاح خطأ بسيط أثر على دقة الراسمة.

تغيير التاريخ

الإصدار 2:

تمت إضافة منحنيات ثنائية القوس

الإصدار 3:

تمت إعادة كتابة الوظائف التالية لمعالجة خطأ بسيط أثر على دقة الراسمة.

• (int) تم استبدالها بـ round () في وظيفة move_to ().
• تم تحسين خوارزمية البحث "الثمانية" للدالة draw_line ()
• يستخدم المترجم الآن وظائف سلسلة بدلاً من المؤشرات التي تبسط التصميم. على سبيل المثال ، يمكننا الآن البحث عن "MENU" بدلاً من البحث عن الحرف "M" ثم استخراج الرقم الصحيح الذي يليه. هذا يسمح لك بتخصيص الراسمة بأوامرك الخاصة.

الخطوة 13: Drum_plotter_plotter_v4.ino

16 يناير 2017:

تم تحسين الكود الخاص بآلة تخطيط الأسطوانة بشكل أكبر. تم إضافة ميزات إضافية.

تشمل التغييرات:

• أسرع خوارزمية draw_line ()
• مطابقة الدالة move_to ()
• عدادات الخطوة
• إصلاح الخلل الطفيف

لمزيد من التفاصيل ، اقرأ التعليقات الموجودة داخل "drum_plotter_v4.ino" المرفقة.

انقر هنا لعرض التعليمات الأخرى الخاصة بي.