V-Plotter

Das Video zum Kapitel

Die Version von Sven erzielt eine deutlich höhere Genauigkeit:
https://www.youtube.com/watch?v=a3AkIxpZkvM
https://hackaday.io/post/47161

Mechanik

Abbildung 1:
Der hier gezeigte V-Plotter besteht aus einem Raspberry Pi, zwei doppelten H-Brücken, zwei Schrittmotoren und einem Servo zum Anheben und Absenken des Zeichenstifts.
Die Mechanik ist bei diesem Modell auf einer Platte von 94x20cm untergebracht. Darunter befindet sich eine weitere Platte von etwa 90x43cm. Die effektive Zeichenfläche beträgt damit etwa 56x30cm.

Abbildung 2:
Im einfachsten Fall kann die Schnur auf der Welle der Schrittmotoren aufgewickelt werden. Dabei sollte diese möglichst nahe an dem Zeichenbrett verlaufen, weshalb die Motoren mit der Antriebswelle zum Brett hin montiert werden.

Abbildung 3:
Der Stift ist mit einer Schelle an einem Streifen Lochband befestigt. Das Lochband wiederum ist an einem Stück Plexiglas verschraubt. Mit einem Servo kann das Lochband gebogen und somit der Stift angehoben beziehungsweise abgesenkt werden.
Der dreieckige Drahtbügel dient der Stabilisierung des Stifts beim Zeichenvorgang. Ist der Stift abgesenkt, so liegt die gesamte Mechanik auf drei Punkten auf der Zeichenfläche auf, womit der Stift nicht hin und her wackeln kann.
Diese Mechanik sollte so leicht als möglich gebaut werden, um die auf die Schnüre wirkenden Kräfte klein zu halten. Daher wird ein Microservo zur Betätigung des Stifts verwendet.

Abbildung 4:
Je näher der Stift an der Basislinie der Schrittmotoren, um so höher werden die auf die Schnüre wirkenden Kräfte und um so mehr werden diese gedehnt.

Abbildung 5:
Daher ist die am unteren Rand der Zeichenfläche geplottete Textzeile weniger verzerrt als die obere.

Abbildung 6:
Die Software benötigt vier Parameter:
Die Basislänge, also den Abstand der beiden Schrittmotoren, die Länge beider Schnüre im Nullpunkt,...

Abbildung 7:
...sowie die Schnurlänge pro Schritt eines Motors. Dazu wird einer der Motoren um 2000 Schritte bewegt und die Längendifferenz der Schnur gemessen. Diese Parameter sind im Quellcode zu setzen.

Abbildung 8:
Beim Zeichnen werden die Schnüre an den beiden Schrittmotoren auf- beziehungsweise abgerollt. Die Schnüre liegen dabei in mehreren Lagen übereinander. Ist eine Schnur kurz, so befinden sich viele Lagen auf der Motorspindel und der Gesamtdurchmesser ist maximal. Ist eine Schnur hingegen auf ihrer Maximallänge, so entspricht der Gesamtdurchmesser der Motorwelle. Daher bewegt sich der Stift pro Schritt um so weniger, je länger die Schnur wird, wodurch die Rechnung der Software nicht mit der Realität übereinstimmt - es kommt unweigerlich zu Verzerrungen.
Mit einem größeren Spindeldurchmesser wird die Verzerrung durch das Aufwickeln der Schnüre verringert. Ich habe dazu ein Untersetzungsgetriebe aus Plexiglas mit meiner CNC-Maschine gefräst.

Abbildung 9:
Aufgewickelt wird die Schnur auf einem Kugellager mit einem Außendurchmesser von 30mm. Bei einer maximalen Schnurlänge von 140cm werden damit nur wenige Lagen übereinandergewickelt. Weiterhin ist die relative Änderung des Durchmessers pro Wickel-Lage deutlich kleiner als bei einem Wellendurchmesser von nur 5mm.

Abbildung 10:
Um genau definierte Punkte für die Umlenkung der Schnüre und somit für die Randbedingungen an X₀/Y₀ zu erhalten, werden Ösen aus Kupferdraht verwendet.

Mathematik

Abbildung 10:
Aus den Bedingungen für den Nullpunkt (Fadenlänge links / rechts, Basislänge) können die Werte für X₀ und Y₀ errechnet werden.

Abbildung 11:
Die X- / Y-Werte einer Vektorgrafik müssen in Fadenlängen umgerechnet werden. Zusätzlich müssen zu den X- / Y-Werten die Anfangswerte X₀ und Y₀ addiert werden.

Elektronik

Abbildung 12:

Abbildung 13:
Die von mir verwendeten Schrittmotoren ziehen an 12V Versorgungsspannung 340mA, womit die elektrische Leistung bei etwa 4W liegt. An 5V sinkt der Strom auf nur 150mA, die Leistung auf 0.75W.
Der Maximalstrom darf nicht über dem Maximalstrom der H-Brücken liegen!
Auf dem Typenschild steht:
Type KP4M2-217
1.8 Deg/Step

Abbildung 14:
Die H-Brücken besitzen einen L298N Chip und sind in vielen Varianten zu günstigen Preisen erhältlich. Der Maximalstrom liegt bei 2A. Die Hitzeentwicklung ist aber schon oberhalb 1A spürbar.

Software

Die Software des V-Plotters läuft unter der Kommandozeile und kann daher auch per ssh von jedem anderen Computer aus bedient werden. Den Quellcode findet ihr in der Rubrik Download.

Abbildung 15:
Das unterstützte Vektorformat ist "Scalable Vector Graphics (*.svg)". Dabei sind einige Besonderheiten zu beachten:
Es können keine Flächen sondern lediglich Linien (Pfade) gezeichnet werden. Sämtliche Pfade müssen als "Polygon" vorliegen. Getestet habe ich die Software mit Grafiken, die ich mit Libre Office Draw bearbeitet und exportiert habe.

V-Plotter mit Arduino

Morten hat einen V-Plotter mit einem Arduino gebaut. Seine Beschreibung findet ihr hier:
http://pappmaskin.no/2016/08/pen-plotter-1

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