Plotter PCB

    08/feb/2013 

    Depois de muitas dificuldades e decepções tentando fazer Placas PCB decidi montar (tentar) uma plotter PCB para facilitar esse trabalho chato de fazer placas em casa. Primeiramente quando tive a ideia, eu queria fazer algo de baixo custo, para tal resolvi montar a Plotter a partir de peças usadas de sucata de impressoras. Na cidade onde moro é fácil encontrar esse tipo de material.

     As peças que foram aproveitadas da impressora são:

• Pino linear
• Guias para pino linear
• Timing Belt
• Motor de passo

Guias para pino linear

     Então para que essas peças focem iguais foi necessário encontrar duas impressoras de marca e modelo idênticos.

Timing belt

Motor de passo

Pino linear de impressora

     A estrutura da Plotter eu pensei em fazer de várias maneiras diferente. Metal, madeira, plástico. Mas todos esses materiais tinham um problema que era a precisão. Como seria eu quem iria cortar o material e eu não tenho equipamento correto para realizar esse tipo de procedimento, estaria pecando no ponde de precisão dos cortes. O que causaria muito dificuldade na realização dos ajustes para colocar a Plotter para funcionar.

     Depois de muito pesquisa e teste sobre o tipo de material que iria utilizar para fazer a estrutura da plotter, acabei optando por fazer de acrílico com cortes a Lase. Como o acrílico não é um material muito caro, e os cortes a Laser são precisos, seria uma ótima saída para contornar o problema da precisão das peças.
    Para cada peça retirada da impressa fiz um desenho específico. Como pode-se ver abaixo a peça para os Guias e Marcador Permanente.

Guide holder

Permanent Pen Holder

     O próximo passo era fazer um esboço de como seria a forma da plotter. Essa parte foi um tanto complicado para fazer. Não me decidia se faria a caneta se deslocar nos eixos X e Y com base fixa, ou se optava pela caneta se movem pelo eixo X e a base pelo eixo Y. Pois eu sempre encontrava um problema que poderia acontecer se eu adotasse tal tipo de estrutura. Mas depois de mudar o desenho inúmeras vezes acabei decidindo fazer a caneta se movimentar somente em um eixo e a base no outro. Como a estrutura seria toda de acrílico isso evitaria flexão do material acrílico.

    A única parte da Plotter que não usaria Barra Roscada nem Timing Belt seria o eixo Z. Pelo menos na minha ideia não usaria. Para o eixo Z eu pensei em fazer algo diferente para evitar possíveis imperfeições na Placa PCB, pensei em fazer algo portado de mola para compensar esse possível desvio. De acordo com o desenho abaixo.

Pen Car

    Como pode-se ver no desenho acima, para o eixo Z eu utilizei um Servo Motor 9g (azul no desenho). Esse servo motor é ligado a parte móvel do eixo Z através de uma mola (não visível). Foi necessário montar um circuito a parte para o controle desse Servo Motor. Utilizei os sinais de Direction que o Software de controle fornecia para movimentar o eixo Z para as direções superior e inferior. A posição inicial e final do eixo Z é controlada pelo tempo de pulso. Parte superior polso de 1700uS e parte inferir pulso de 1900uS. Esses pulsos são gerados pelo Microcontrolador PIC16F628A, o qual capta os sinais de Direction do Software e transforma em PWM para o Servo Motor.

Eixo Z

    Na imagem acima podemos observar melhor a posição do Servo Motor no carro móvel do eixo Z. Como eu trabalhei com acrílico em todo o projeto, muitas partes foram unidas com cola Araldite. Uma ótima cola e com ótima resistência, mesmo em superfícies lisas.

     Optei fazer uma mudança do projeto original, substituindo as Timing Belt por Fusos. Para o movimento dos eixos usaria fusos, porém como não era necessário muita força mecânica na Plotter, por se tratar de apenas movimentar uma caneta, optei por utilizar Barra Roscada no lugar dos Fusos. A Barra Roscada é muito inferior se comparada ao Fuso, sua linearidade também deixa muito a desenhar. Porém é uma ótima opção para trabalhos que não necessitam de um alto grau de precisão. Na imagem abaixo podemos ter uma ideia de como ficaria a parte inferior da Plotter.

Parte móvel da base com a barra roscada ao invés da Timing Belt

    O problema foi que ao montar a Plotter percebi que pelo fato da Barra Roscada não sendo linear e a base móvel não tendo uma boa fixação, causava muitos movimentos indesejáveis, deixando o desenho com imperfeições.

Barra Roscada na base móvel

Barra Roscada na base móvel 3D

    09/feb/2013
    Outro fato que também notei foi o longo período exigido para realizar a Plotagem, pois os motores que utilizei não são para altas velocidades. Então quando aumentava a frequência dos pulsos para aumentar a velocidade dos motores, muitos passos eram perdidos. Tive então que redesenhar a Plotter, optando por perder na precisão, mas ganhar na velocidade e acuracidade.
    O que decidi fazer foi substituir as Barras Roscadas pelas Timing Belts, voltando novamente a ideia do projeto original.

Plotter final project

    Na imagem acima pode-se notar como ficaria o projeto final.

    Abaixo são algumas imagem das peças em acrílico já prontas para a montagem.

Base mounting (old version)

    A imagem acima mostra a minha primeira tentativa em montar a base móvel da Plotter que seria deslocada pelo pino Roscado.

Base Holder

    Usando uma mini morsa para segurar firmemente o acrílico. Os acrílicos cortados a Laser tem a limitação de serem 2D. Ou seja, os cortes são todos no plano X,Y. Sendo assim todos os furos e cortes no eixo Z devem ser feitos manualmente.

Threaded Rod and Bering

    Na ideia original havia um Bering Holder que seria utilizado como suporte para a Baring e a Barra Roscada.

Base Side Adjust

    A base móvel tem um corte especial. Fiz o desenho de maneira que quando fosse encaixado nas guias laterais, a base feita em acrílico exerceria pressão nos guias laterais. Isso foi possível, pois o desenho foi feito deixando uma pequena parte do acrílico em excesso. Dessa maneira a parte em excesso trabalharia como uma "mola". Facilitando a retirada de folgas.

Left and Right Sides

    Acima podemos ver os cortes que servirão como base para o motor e as Barras Lineares. Foram cortadas em acrílico 10mm para evitar flexão do material.

Base

Side holder

Pen and guide holders

    Pode-se notar na imagem acima que os suportes para os Guias e para a caneta são em cortes abertos. As peças foram projetadas dessa maneira para que tanto os Guias quanto a Caneta ficassem bem justas quando os parafusos de ajustes fossem apertados.

Guide holder

Z axis guide

    A peça acima é o guia do eixo Y. Como esse eixo tem somente uma barra roscada como guia. É necessário a instalação desse guia para evitar movimentos em torno do próprio eixo.

    Abaixo podemos ver as imagens que constituem o eixo Z, e também a montagem do mesmo.

Movable Z axis

Servo and Z axis

Pen holder

Z axis mounting

Z axis 

Z axis final mounting

Final Plotter Mounting

    Acima a foto de todas as peças juntas, plotter montada. Porém ainda falta a parte eletrônica. Que deixei para fazer no final.

    Para a parte eletrônica realizei alguns testas antes com Drivers para motor de passo, o que achei mais conveniente foi a união dos CIs L297 com o L298. No próprio Datasheet dos componentes já tem um circuito que pode ser montado para movimentar motores de passo.

Driver para os motores de passo

    Eu montei o circuito acima e não tive problemas para colocar para funcionar. O circuito acima faz interface diretamente com a porta paralela do PC, sendo de boa prática implementar também alguns acopladores ópticos ao circuito, no intuito de proteger a porta do PC. Os dois únicos pinos que serão utilizados no CI são os pinos de CLOCK e CW/CCW. O restante dos pinos de configuração do CI podem ser japeados de acordo com a necessidade de cada um.

    Como eu não gosto de montar placas de circuito (acho a pior parte). Montei todo o circuito em duas placas padrão.

Driver do motor de passo

    Após os circuitos montados na placa padrão, fixei os dois dentro de uma caixa, para melhorar a aparência e também evitar contato com os fios que ficam expostos.

Conexão com a porta paralela

    Abaixo segue foto da caixa driver já selada e pronta para funcionamento. Instalei um LED verde para visualização de quando os drivers estão energizados, e também uma chave alavanca para ligar e desligar o driver. A conexão com fios coloridos, são os fios que veem dos motores de passo, eles são conectados na parte frontal da caixa driver. A qual envia os comandos para os motos realizarem os movimentos.

Driver da Plotter

    No interior dessa caixa driver temos somente os driver que controlam os eixos X e Y. Pois como eu disse anteriormente o eixo Z tem uma forma de controle especifia. O eixo Z não necessita do Clock proveniente da porta paralela para trabalhar, ele necessita somente do sinal de Direction, os limites de subida e descida são controlados por um Microcontrolador.

    Como o drive para os eixos X e Y já estavam prontos, decidi montar o controle do eixo Z no protoboard e colocar a máquina pára desenhar a placa do eixo Z.

Z axis controller

    Abaixo já podemos ver o resultado da placa PCB desenhada pela Plotter.

    Percebe-se que fica razoavelmente boa. Como a tinta da caneta é resistente a água, não acontece problemas como por exemplo trilhas trincadas, faltando ou com qualquer outro tipo de defeito. Após a corrosão basta passar um algodão com álcool que a tinta sai facilmetne.

    Após a corrosão, trabalhei a placa cortando o excesso das laterias e lixando. Para dar uma característica um pouco mais profissional. Abaixo o resultado final da placa controladora do eixo Z.

Z axis controller board

    Bom, acho que é isso. Para quem quiser ver um vídeo da Plotter trabalhando segue abaixo.

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