Vertikaalinen Piirturi Magneettikiinnityksellä

Tämä vertikaalinen piirturi voidaan ripustaa mille tahansa magneettitaululle. Tietokoneella ohjattava piirturi pystyy siirtämään SVG-kuvan taululle. Piirturin piirtoalueen koko on vapaasti säädettävissä (rajoitteita asettavat lähinnä taulun koko sekä johtojen ja kynän ohjaamiseen käytettävien kuulaketjujen pituus).

Laitteen toiminta perustuu siihen, että piirto-ohjelmistoa pyörittävä tietokone lähettää Arduinoon (johon kytketty moottorit ja servo) ohjeita siitä, että milloin minkäkin osan tulisi liikkua ja minkä verran. Moottorit vetävät keskellä olevaa "kelkkaa" ja siihen liitettyä kynää oikeaan suuntaan. Kelkkaan on kiinnitetty myös mikroservo, jonka tarkoituksena on liikkeellään nostaa kynä irti taulun pinnasta silloin kun tehdään siirtymiä ilman että on tarkoitus piirtää viivaa.

Kuvassa projektiin tarvittavat tarvikkeet.

• Arduino UNO
• Adafruit Motor Shield V2
• Kaksi askelmoottoria (5V - 12V, kuvassa tämä)
• SG90 mikroservo (kuvassa tämä)
• 12V, max 2.25A virtalähde (kuvassa tämä)
• Kuulaketjua (min 1 metri, kuvassa tämä)
• Vastapainot n. 200g per puoli (kuvassa tämä)
• Iso laakeri (kuvassa tämä)
• 10-12 kpl 10x5 kokoisia vahvoja magneetteja (kuvassa tämä)
• 1mm paksu kumikangas (kuvassa tämä)
• M2-ruuveja moottorien kiinnitykseen (8 kpl)

Lisäksi:

• USB-B kaapeli Arduinolle
• 4-johtimista kaapelia (moottoreille)
• 3-johtimista kaapelia (servolle)
• 2-johtimista kaapelia (moottoriohjaimen virralle)
• 3D-printattavat osat
• Valkotaulu
• Valkotaulutusseja
• Mittanauha
• Pikaliimaa

Tarvittavia työkaluja

• Pieni talttapäinen ruuvimeisseli
• Juotoskolvi (Adafruitin moottoriohjain vaatii liittimien juottamisen)
• 3D-tulostin ja siihen liittyvät perustarvikkeet

Huom! piirtoalueen mahdolliseen kokoon vaikuttaa johtojen ja kuulaketjun pituus. Esimerkiksi 1500mm leveä ja 1500mm korkea piirtoalue vaatii n. 5 metriä kuulaketjua, n. 2,5 metriä moottoriohjaimen virtajohtoa ja USB-B kaapelia, n. 1,5 metriä kaapelia moottoreille yhteensä ja n. 1,5 metriä kaapelia servolle.

Kokoa Adafruitin moottoriohjain juottamalla huolellisesti jalat kiinni ohjaimeen. Kiinnitä moottoriohjain arduinoon. Toteuteta ja testaa moottorien ja servon kytkennät.

Vinkkejä testaamiseen:

• Voit käyttää apuna Adafruitin tarjoamia loistavia ohjeistuksia. Hieman soveltamalla saat testattua myös kahden moottorin liikuttamista.
• Varmista että käytössäsi on oikeanlainen virtalähde, ja että se on kytketty oikein.
• Jos et tiedä moottorin johtojen järjestystä, Googlaa moottorisi merkki ja malli niin löydät sen ohjeistuksen. Tässä esimerkkityössä käytetty moottori on: Mercury motor sm-42byg011-25.

Tässä työssä tarvitaan ohjelmakoodia sekä Arduinoon että piirturia ohjaavaan tietokoneeseen. Arduino toimii ns. palvelimena jolle koneella pyörivä ohjelmisto lähettää ohjeita (liikuttaen moottoreja ja servoa).

Lataa Arduinoon ladattava ohjelmakoodi löytyy osoitteesta https://github.com/euphy/polargraph_server_a1. Koodi tulee ladata Arduinoon sen oman ohjelmiston avulla (Arduino IDE).

Koneella pyörivä ohjelmisto on rakennettu Processing ohjelman ympärille ja löytyy osoitteesta https://github.com/euphy/polargraphcontroller. Noudata sivulta löytyvää ohjeistusta ajaaksesi ohjelmiston. Toistaiseksi riittää että saat ohjelmiston tilaan jossa ohjelma saa yhteyden koneeseen liitettyyn Arduinoon (katso kuva).

Piirturi koostuu seuraavista 3D-printattavista osista:

• Moottorin kiinnikkeet (identtiset 2 kpl)
• Kuulaketjun "rattaat"
• Keskikelkka ja kuulaketjun kiinnikkeet
• Kynän pidike (kiinnittyy keskikelkkaan)
• Arduinon ja moottoriohjaimen kotelo

Kokonaisaika kaikkien osien printtaamiseen on noin 23 tuntia. Osat kannattaa kuitenkin tulostaa yksi kerrallaan.

(Huom. netistä löytyy liuta vastaavanlaisia ohjeistuksia englanniksi esim. Instructables tai Thingiverse sivustoilta, joista voi tarvittaessa hakea inspiraatiota jos tekee muutoksia näihin osiin. Tämän toteutuksen moottorin pidike on napattu pienin muutoksin MTvplot projektista: https://www.thingiverse.com/thing:2371117)

Moottorin kiinnikkeiden kokoaminen

• Käytä pieni määrä pikaliimaa ja upota magneetit koloihinsa
• Kun magneetit ovat upotettu ja varmasti kiinni, liimaa niiden päälle muotoon leikattu pala muovimattoa. Tämä varmistaa että moottorit eivät pääse liukumaan alas magneettitaululla (katso kuva)
• Kiinnitä moottorit M2 ruuveilla tukevasti. Varmista että johtojen suunta on molemmin puolin sama.

Kuulaketjun rattaiden kiinnitys

• Käyttäen pienen määrän pikaliimaa, kiinnitä rattaat moottorin akseliin. Riippuen moottorista, saattaa akselitangossa olla myös lovi varmistamassa että kiinnitykset eivät pääse pyörimään, tällöin ei kannata käyttää pikaliimaa. Ota tämä huomioon tulostaessa ja tee tarvittavat muutokset.

Keskikelkan ja kuulaketjun kiinnikkeiden kiinnitys

• Nämä osat ovat tulostaessa irrallaan ja puolitettuna mahdollisimman siistin tulostusjäljen saavuttamiseksi ilman tukirakenteiden käyttämistä. Liimaa osat kuvan mukaisesti kiinni toisiinsa (keskikelkan tasaiseen osaan). Kantta ei ole tarkoitus liimata kiinni kelkkaan tai ketjun kiinnikkeeseen, vaan se on irrallaan ja mahdollistaa kuulaketjun siirtämisen tarvittaessa.

Kynän pidike ja mikroservo

• Katso kuvasta mallia miten mikroservo on tarkoitus kiinnittää pidikkeeseen.

Arduinon ja moottoriohjaimen kotelo

• Varmista että johdot kytketty oikein ennen kotelon kasaamista. Riippuen tulosteen laadusta, saattaa lopullinen kiinnitys vaatia pienen määrän liimaa kotelon osien väliin jotta ne pysyvät hyvin kasassa.
• Kiinnitä magneetit pohjan koloihin pikaliimalla (2 magneettia vastakkaisille puolille riittää hyvin)

Seuraavaksi ohjelmisto tulee kalibroida toimimaan valitun kokoisella taululla.

Polargraphcontroller ohjelman säädöt toimivat hieman epäintuitiivisella tavalla niin, että klikkaat haluamastasi arvon kohdalta hiiren vasemman näppäimen pohjaan ja sitten vedät joko ylös tai alas muuttaaksesi arvoa. Ohjelman käyttö vaatii kärsivällisyyttä, sillä sitä ei ole suunniteltu käyttäjäkokemus edellä. Kokeile rohkeasti erilaisia arvoja ja siirtele kynää esim MOVE PEN TO POINT napilla ympäri piirtoaluetta että saat fiiliksen siitä miten kynä alueella liikkuu ja että asetukset ovat oikein. Ohjelmaa saattaa joutua käynnistelemään toisinaan jos halutaan vapauttaa moottorien lukitus. Muista klikata SAVE nappulaa sekä INPUT että SETUP välilehdillä kun teet muutoksia asetuksiin.

Moottorin liikkeen asetukset ja piirtoalueen koko

1. Varmista että olet "aktivoinut" yhteyden klikkaamalla "QUEUE PAUSED" tekstistä. Tekstin pitäisi muuttua "QUEUE ACTIVE" ja värin vaihtua vihreäksi.
2. Siirry SETUP välilehdelle
3. HUOM! seuraavat asetukset ovat riippuvaisia käytetystä moottorista, kuulaketjusta ja rattaan välityksistä. Jos käytät eri moottoreita, tai muuten eri osia ketjun tai rattaiden osalta, saattavat nämä arvot olla huomattavastikin erilaisia tapauksessasi.
4. Aseta MM PER REV arvoksi 101
5. Aseta STEPS PER REV arvoksi 400
6. Aseta STEP MULTIPLIER arvoksi 8
7. Seuraavat arvot eivät enää ole riippuvaisia moottorista tai ketjusta, vaan piirtoalueen koosta. Kuvasta voit tarkistaa että mikä arvo kuuluu mihinkin.
8. Aseta MACHINE WIDTH arvoksi koneen leveys millimetreinä
9. Aseta MACHINE HEIGHT arvoksi koneen korkeus millimetreinä
10. Aseta PAGE WIDTH arvoksi sivun korkeus millimetreinä (voi olla lähes sama kuin MACHINE HEIGHT, noin 10mm marginaalein molemmin puolin)
11. Aseta PAGE HEIGHT arvoksi sivun korkeus millimetreinä (riippuen koneen leveydestä, tämän tulisi olla hieman pienempi kuin MACHINE HEIGHT arvon)
12. Aseta PAGE POS X arvoon 10
13. Aseta PAGE POS Y arvoon 50 (tämä saattaa olla enemmän tai vähemmän riippuen piirtoalueen leveydestä)
14. Klikkaa CENTRE PAGE
15. Klikkaa CENTRE HOMEPOINT (pitäisi automaattisesti asettaa sekä HOME POS X että HOME POS Y arvot oikein)
16. Tärkeää: kun piirtoalueen koko on asetettu, on tärkeä muistaa klikata ylhäältä UPLOAD MACHINE SPEC niin uudet arvot asettuvat laitteelle. On hyvä klikata myös SAVE, jotta samaa ei tarvitse tehdä uudelleen aina kun ohjelma käynnistetään.

Kynän nostomekanismin asetukset

1. Aseta PEN UP POSITION arvoksi 200
2. Aseta PEN DOWN position arvoksi 75
3. Tärkeää: kun arvot on asetettu, täytyy ne lähettää laitteelle klikkaamalla UPLOAD LIFT RANGE nappia
4. Tallenna arvot klikkaamalla SAVE nappulaa.

Piirtäminen

1. Etsi haluamasi kuva SVG muodossa. Kiinnitä huomiota kuvan monimutkaisuuteen, ja käytä ainakin ensimmäisiä testejä tehdessäsi mahdollisimman yksinkertaisia kuvia. Esimerkin kuvan löydät tästä.
2. Siirry INPUT välilehdelle
3. Klikkaa SELECT AREA
4. Klikkaa aloituskohdaksi piste piirtoalueen (vaalean harmaa) vasemmasta ylälaidasta
5. Klikkaa lopetuskohdaksi piste piirtoalueen oikeasta alalaidasta
6. Klikkaa SET FRAME TO AREA
7. Klikkaa LOAD VECTOR
8. Aseta kuva keskelle piirtoaluetta
9. Säädä kuvan kokoa RESIZE VECTOR kohdasta
10. Kun kuva on haluamassasi kohdassa, kohdista kynä fyysisellä piirtoalueella oikeaan kohtaan. Saattaa vaatia vähän säätöä, koska moottorit lukkiutuvat kun yhteys aktivoidaan. Ylhäällä napit SET PEN POSITION (mahdollistaa sen että voit manuaalisesti kertoa ohjelmalle missä kynä on fyysisellä taululla) ja MOVE PEN TO POINT (siirtää kynän valittuun kohtaan taulua) auttavat siinä että saat kohdistettua piirto-ohjelmassa ja fyysisellä taululla kynän suurinpiirtein samaan kohtaan.
11. Varmista että kynä on selvästi kehystetyn alueen (punaiset merkkiviivat) sisällä (voit siirtää sen sinne käyttämällä SET PEN POINT nappia, mutta varmista että kynä on myös fyysisesti jotakuinkin samassa kohtaa taulua).
12. Klikkaa DRAW VECTORS niin piirtäminen alkaa.
13. Tallenna arvot klikkaamalla SAVE nappulaa.

Työ soveltuu hyvin esimerkiksi ryhmätyöksi yläasteen valinnaiseen käsityöhön. Riippuen luokkakoosta, voidaan toteuttaa joko yksi piirturi porukalla, tai muutama piirturi 4-5 hengen ryhmissä. Riippuen toteutustavasta, voidaan jakso toteuttaa ns. pikamallina (5x90min), tai sitten noin tuplasti pidempänä kokonaisuutena (10x90min). Pidemmässä mallissa perehdytään kaikkiin aiheisiin tarkemmin noin kahden kaksoistunnin ajan ja toimitaan enemmän oppilaiden oman ohjautuvuuden mukaan. Pikamallissa toimitaan enemmän opettajavetoisesti ja käydään vain perusteet kaikista aiheista.

Jakson sisältö ja tavoitteet

• Elektroniikan perusteiden ymmärrys (Arduino, juottaminen).
• 3D-mallinnus.
• 3D-tulostaminen.
• CNC-ohjauksen periaatteet (GCODE yms.)
• Ohjelmistot: elektronisten laitteiden välinen kommunikointi (server-client malli).
• Ryhmätyöskentely.
• Yrittäjyys ja tuotteistaminen.

Jakson opetuskerrat (ns. "pikamalli", 5 x 90min)

1. Projektin esittely motivoivalla tavalla. Ryhmiin jakautuminen, ja yhteinen ideointi ja toteutuksen suunnittelu soveltuvin osin. Ideoinnissa voidaan esimerkiksi pohtia myös projektin tuotteistamista ja mitä se vaatisi. Arduinoon perehtyminen. Nopeimmille ohjelmistoon tutustumista ja Arduinon ja tietokoneen välisen yhteyden muodostaminen.
2. 3D-mallintamisen perusteet. Käydään läpi jokin 3D-mallinnukseen sopiva suht. helppokäyttöinen ohjelmisto (esim. Fusion 360) perustasolla. Toteutetaan pienimuotoinen projekti 3D-mallintamiseen liittyen (esim. tehdään valmiiseen 3D-malliin tarvittava muutos, kuten erikokoisen kynän käytön mahdollistaminen).
3. 3D-tulostamisen perusteet. Tekniikan käytöstä tarkemmin, mihin se soveltuu, mihin ei, mitä tärkeää huomioida tulostaessa. Aloitetaan tulostaminen (tulostetaan esim. moottorien kiinnikkeet, ja demonstroidaan samalla tukimateriaalien merkitys ja tarve).
4. Ohjelmistot ja CNC-ohjauksen periaatteet. Prototyyppaus ja testaus. Tehdään tarvittavat kytkennät jotta kaikki elektroniikkaosat toimivat, Arduinoon on asennettu ohjelmistot ja koneella on tarvittava ohjelmisto. Tavoitteena saada testattua, että koko järjestelmä toimii ennen kuin lähdetään kasaamaan laitetta. Kasaaminen voidaan aloittaa tulostetuilla osilla. Jatketaan tulostamista (keskikelkka ja Arduinon kotelo)
5. Viimeistely, laitteen kasaaminen ja ensimmäiset piirustukset laitteen avulla.

Eriyttäminen

• Työ on tarkkarajainen sen suhteen mitkä osat toimivat ohjelmiston kanssa yhteen, joka luo hieman haasteita eriyttämiseen ja omaan suunnitteluun. Riippuen oppilaiden taitotasosta, voidaan kuitenkin lisätä tarvetta ongelmanratkaisuun esim. muuttamalla tiettyjä osia (esim. erikokoisen kynän käyttäminen, joka vaatii 3D-printattaviin osiin jonkin verran muutoksia). Kaikkia osioita voidaan kuitenkin syventää tarvittaessa pitkällekin, joten etevimmille oppilaille on mahdollista tarjota lisähaastetta helposti.

Muuta huomioitavaa

• Työ vaatii opettajalta harrastuneisuutta ja aikaa tutustua esim. piirto-ohjelmistoon hyvin etukäteen.
• Huomioi tulostukseen tarvittava aika. Yhteensä tulostettavaa on noin 23 tunnin verran (riippuen tulostusasetuksista). Pyri saamaan tulostukset käyntiin tunnin päätteeksi.
• Työn kokonaiskustannus on noin 150€ per toteutus. Eniten hintaa on Arduinolla, moottoriohjaimella ja moottoreilla.