Jak si postavit vlastní plotr

Určitě nejsem jediný, ačkoli nás asi není tak mnoho, kdo zatoužil si postavit vlastní tiskárnu, nebo plotr. V současnosti jsou moderní všelijaké 3D tiskárny, což mě prozatím (rok 2020) míjí, byť vlastní CNC router jsem si postavil. Přišlo mi mnohem užitečnější být schopen vyřezávat tvary z nejrůznějších materiálů, než jen matlat z plastu. Pro stavbu vlastního plotru se taky stroj několikrát uplatnil.

Proč ne původní Alfi?

Jednou z možností byl už od konce 80. let souřadnicový zapisovač Alfi, někdy nesprávně nazývaný Alfigraf, nebo zkráceně Alfi. V průběhu let jsem se s ním potkal několikrát. Párkrát jsem plotr viděl v provozu na počítačových sešlostech, četl jsem o něm články, viděl videa. A v klubovém archivu se celá léta jeden povaloval zabalený ve stavu ne zcela ideálním. A to mě provokovalo. Říkal jsem si, že až nebudu mít nic lepšího na práci, tak bych ho mohl opravit a oživit.

Jenže jsem si čím dál víc začínal všímat nedokonalostí, které by stály za vylepšení. Nešlo jen o prostou opravu a sestavení, mechanická konstrukce originálu není dost tuhá, díly mají příliš velké vůle a tak se mi do prosté opravy nechtělo. Kdykoli jsem začal přemýšlet o tom, co je na originálním Alfi od Merkuru mechanicky i elektronicky špatně, bylo toho tolik, že jsem se nakonec rozhodl postavit plotr znovu, po svém, stále založený na Merkuru, stále s pohonem pomocí vlasce, ale pokud možno bez té spousty drobných nedostatků.

Musím přiznat, že jsem nakonec neodolal a originální Alfi jsem taky opravil a zprovoznil.

Originální plotr vznikl v dobách socializmu, kdy bylo těžké sehnat kvalitní součástky a byl víceméně improvizací z "dětské" stavebnice. Autor Ing. Vladimír Doval se zcela zjevně snažil za každou cenu použít součástky snadno dostupné, ideálně takové, jaké stavebnice obsahovala s minimem úprav. Na nepříliš výrazné fotografii cedulky z muzea Merkuru u vystaveného Alfi byl uveden rok vzniku 1985 (tehdy byl Vladimír Doval ještě studentem), návod ke stavbě v časopise VTM vyšel v roce 1988 a v něm byla zmínka o chystané stavebnici.

Přesto se mu to nepovedlo, resp. nemohlo povést. Ve stavebnici Alfi jsou díly, které v sadě součástí stavebnic nejsou dodnes. Například pásky a úhelníky nestandardních délek, hřídel s rádlováním pro posuv papíru, přítlačné páčky, válečky s drážkou, hřídel navijáku... o krokových motorech, magnetu, elektronice, držáku pera a základnové desce ani nemluvě.

Postavit fungující plotr výhradně ze standardních součástek stavebnice Merkur by asi bylo možné jen za cenu velmi podivných kompromisů a výsledkem by byl mnohem méně praktický bastl. Použitím součástek unikátních pouze pro Alfi dokázal autor dosáhnout na tu dobu rozumného kompromisu.

Výsledkem tedy není plotr z Merkuru, ale plotr s použitím Merkuru, který má svůj osobitý styl, který byl ve své době opravdu dostupný, i cenově, prodával se levněji než tiskárna BT-100, který tehdejším kutilům mohl přinést potěšení i praktický užitek.

Podobnou cestou jsem se vydal i já. Začal jsem konstruovat plotr s použitím Merkuru, protože stavebnicová estetika má své kouzlo, ale kdekoli to bylo vhodné, použil jsem součástky vyrobené na míru, pro potřeby mé konstrukce. A protože mi z dřívějšího experimentu s nekompletním Minigrafem 0507 zbyly plošné spoje pro elektroniku, použil jsem je stejné i pro svou repliku Alfi.

Nemalou měrou k rozhodování přispěl i fakt, že jsem v té době měl krabici plnou součástek vymontovaných z velké A3 kopírky a přímo mě svrběly prsty je k něčemu použít. Vyrobit malou tiskárnu ze zbytků velké mi připadalo docela příhodné. Ve finále jsem použil jen pár tyčí, ale i to se počítá.

Jaké nedostatky Alfi se mi nelíbily?

Především nepřesnost vyplývající z vlastností stavebnice Merkur byla tím největším problémem. Merkur používá milimetrový rastr, základní vzdálenost středů otvorů je 10mm, případně 5mm u některých zvláštních dílů. Průměr kulatých otvorů je 4mm, oválné na L profilech jsou v jedné z os o 2 mm širší (o 1mm na každou stranu od středu). Tolerance nikde není určena, je dána přesností výrobního procesu - vysekávání dílů, ohýbání dílů i proměnlivou tloušťkou práškové barvy na dílech. K montáži se nejlépe hodí šrouby se závitem M3.5, které jsou dle norem zastaralé a proto špatně sehnatelné. Ale jako jediné se do otvorů vejdou s přiměřeně velkou vůlí. M3 jsou většinou příliš malé a M4 příliš velké, otvorem projdou, ale problémy nastanou při kombinaci více dílů, vůči sobě nepatrně posunutých a při kolizi matiček a hlav šroubů v rozích.

Podobně hřídele - vnější průmer hřídelí (tyček) v Merkuru je zhruba 3,8mm. Ne vždy se hodí mít tak velkou vůli.

Nedostatečná tuhost konstrukce způsobovala prohnutí bočnic k sobě, pokud je lanko/vlasec jen trochu napnutý. Dá se to zmírnit rozpěrkou se zarážkami. Ta v původní konstrukci chyběla, ale je snadné ji tam doplnit i u originální konstrukce. Jen zarážky je dobré hodně utáhnout, aby nehrozilo jejich klouzání po tyčce. Není to ideální, ale posloužilo to dobře. Samozřejmě i to jde udělat lépe a přesněji.

Šrouby v roli čepů na kterých se kýve vstupní podpěra papíru i páky přítlaku papíru. Nakonec nevím, proč je zavěšení podpěry papíru volné. Nemuselo by být.

Špatné lineární vedení, místo kluzných ložisek zarážky (ocel na ocel s velkou vůlí). Ani tenkost merkurové tyčky na které vozík s perem jezdil a možné mírné prohnutí tyčky, nebo pružení při dopadu pera na papír tomu nepomáhá.

Měkký a okolo svislé osy se protáčející držák pera. Ten se mi podařilo nakonec zajistit i na originální konstrukci. Vůle vozíku na vodící tyčce spolu s její pružností a vůlí usazení té tyčky v bočnicích představovaly větší problém.

Motory s pouhými 80 kroky na otáčku a z toho vyplývající velký krok pro posun pera přibližně 0.15mm.

Hliníkové kladky na šroubech M3.5. Ty mě provokovaly hodně. Jednak je mezi šroubem a kladkou nutně velká vůle přibližně 0.5mm, druhak velké tření. Nejenom, že klouže hliník po oceli, ale ještě ke všemu po oceli se závitem, který kladku zevnitř pomalu hobluje. Dá se tomu trochu pomoct okartáčováním závitu, což odstraní ostré hrany a otřepy. Opotřebovávání kladky zevnitř se tím zpomalí. Vůle zůstává. Její vliv se dá potlačit napnutím vlasce. Přesto to není hezké řešení.

Mechanické propojení páčky magnetu na lištu přiklápějící pero nestojí za moc.

Elektronika - ne že bych měl něco proti jednoduchosti, mohl bych pravděpodobně celou desku nahradit devíti darlingtony, nebo nějakým integrovaným driverem jako je např. L293D a tím desku zjednodušit, ale když jsem s tím začal, měl jsem už hotovou elektroniku jak pro spínání motorů s magnetem, tak pro řízení s AT Mega 32 a částečně funkční software schopný přijímat data z RS232 a interpretovat několik nejzákladnější HPGL příkazů. Byla by hloupost vymýšlet znovu něco dalšího. HPGL je dobrý standard pro tento typ kreslítek. Tím spíš, že je dodnes podporovaný některými programy a dodnes používaný např. řezacími plotry pro vyřezávání reklamní grafiky z vinylových fólií.

Více o tom, jak se pracuje s originálním Alfi v tomto druhém článku.

Mechanika plotru

Já začal tím, že jsem si v hromadě vymontovaných součástek našel ocelovou tyč do které jsem vysoustružil otvor skrz a na koncích zvětšil, aby se dovnitř daly zalisovat bronzová kluzná ložiska. K nim jsem měl vhodnou 6mm tyčku vymontovanou z téže kopírky. Z toho vzniklo lineární vedení pro pero. Nadchlo mě, jak hladce to klouže a víceméně bylo rozhodnuto, že musím ve stavbě pokračovat, protože vše ostatní mi připadalo triviální. V tom jsem se samozřejmě mýlil. Na druhou stranu, nepřekonatelné to taky nebylo. Sešrouboval jsem dohromady provizorní rám s bočnicemi, zároveň jsem začal kreslit výkres v QCADu a vyrobil čepy na zavěšení podpěry papíru a začal pracovat na navijáku, protože ten spolu s lineárním vedením tvoří základ celého plotru.

Tady je celá galerie fotek z průběhu stavby, do článku jsem jich vybral jen pár.

lineární vedení

Jak jsem zmínil, lineární vedení je vyrobené z 6mm hlazené tyče. Možná bych dnes použil větší průměr, možná by bylo lepší použít broušenou a povrchově kalenou tyč. Použil jsem, co zbylo po rozebrání kopírky a tyhle tyče se zdály vhodné. Po pár desítkách nakreslených stránek na plotru mohu bezpečně říct, že stačí. Tyče jsem zkrátil, na koncích osoustružil, závitníkem vyřezal závit M4 a jedna posloužila k vedení vozíku pera, druhá jako 240mm dlouhý distanční sloupek spolehlivě bránící ohnutí bočnic k sobě tahem vlasce, je-li silněji napnutý.

Z kopírkových součástek jsem vzal i bronzová kluzná ložiska. Bronz je pro tyto účely vhodný, dobře drží mazivo a dobře odolává opotřebení. Ložiska jsem zalisoval do vyrobené trubky z 12mm tyče. Do trubky jsem z jedné strany vyvrtal otvory, vyřezal závit M3 a do nich je přišroubovaný držák pera.

Nedořešil jsem dodnes pouze připevnění vlasce. Měl jsem pár nápadů, jak to řešit, aby vlasec z vozíku vycházel ve správné výšce, stejné, jako je drážka v kladkách na obou stranách dráhy vozíku, ale lenost zvítězila. Vlasec jsem přichytil pod šroubky a tam je dodnes.

Na výkresu se vlasec zdá být upevněný správně, ale v realitě pozici ovlivňuje poloha pera a s různou vzdáleností od okraje může hodně napnutý vlasec působit proti zdvižení, nebo proti přiklopení pera, podle toho jak moc je napnutý a kde přesně je připevněný.

kladky

Hliníkové kladky na šroubech a kladky umístěné na hřídeli příliš nízko, aby vlasec dřel o plech bočnice jako v originálním Alfi, jsou nepřípustné, ale co místo nich? Z Číny jsem nakoupil pár velmi levných kladek s kuličkovými ložisky. Bohužel mizerná kvalita odpovídá ceně, takže jsem jich rovnou pár vyhodil. Ze zbývajících jsem vybral lepší, umyl v petroleji a čerstvě namazené použil.

Ve výkresu jsem porovnával různé možnosti upevnění. Přišroubování kladek na pravé straně u magnetu moc možností nedává. Na levé straně u motorů jsem to nakonec vyřešil výrobou držáku z merkurové desky 2x3 dírky na které je připájený kousek mosazné trubky s v nitřním průměrem 4mm. Tou prochází hřídel pro kladky.

Po krátké době používání plotru jsem vynechal jednu z kladek na pravé straně, druhá není potřeba. A provizorně podepřel tyč se dvěma kladkami na straně levé a zároveň ji zajistil čepem skrz proti posouvání, stahovací pásek nestačil. Celá konstrukce by měla být udělána jinak a lépe, ale... trvale dočasné řešení.

hřídel navijáku

Hřídelka navijáku musí být tak přesná, jak je jen možné. Z jedné strany musí natěsno pasovat do spojky na hřídel motoru, pokud možno bez vůle (ne moc velkou silou nalisovat), z druhé strany musí pasovat do kuličkového ložiska s vnitřním průměrem 3.0mm (opět spíš nalisovat, ale šetrně a malou silou) a mezi nimi musí mít průměr pokud možno po celé délce stejný, což se na čínském soustruhu s malou tuhostí, velkými vůlemi nevyrábí snadno. Ale nakonec se podařilo, s pomocí jemného pilníku a velmi jemného brusného papíru jsem odstranil stopy po nástroji a výsledkem byla hřídel s průměrem velmi blízkým 3.60mm (možná místy o setinu méně). Což pro daný účel stačí.

Jen ten zvolený průměr 3.60mm byla možná chyba. Kvůli tomu plotr nemá rozlišení v ose X 860dpi, ale pouze 816dpi. Domníval jsem se, že rádlováním se naopak průměr hřídele posuvu papíru zvětší, což se stalo, ale mnohem méně a ještě ke všemu se výstupky zaboří do papíru, takže toto zvětšení se na rozlišení prakticky neprojeví. Přesto je to proti originálnímu Alfi zlepšení. V originálním Alfi je průměr hřídelky navijáku 3.8mm, tedy stejný, jako všechny Merkurové tyčky/hřídelky.

Proč je ideální 3.50mm? Protože vlasec má 0.3mm, při navinutí na hřídelku navijáku je nutné počítat jeho délku jakoby procházela jeho středem, k průměru 3.50 je nutné přičíst 2x 1/2 z 0.3mm a to je dohromady 3.8mm, stejný průměr jako hřídelka kterou se posouvá papír.

Pozor na otvor skrz hřídelku, nesmí mít ostré hrany, aby nepoškozoval vlasec, který by se v tom místě mohl přetrhnout.

Opět po krátké době používání jsem vyřadil dolní kladky u navijáku. Mírně se nakláněly a přidávaly nežádoucí vůli. Ukázalo se, že vlasec po broušených tyčkách klouže velice snadno a ani desítky hodin používání a mnoho vytištěných stránek nevedlo k problémům.

hřídelové spojky

Viz výkres - ideálně soustružit na jedno upnutí, nutno přizpůsobit použitým motorům. Spojka u motoru pro posuv pera musí být perfektně souosá z obou stran.

Spojka u posuvu papíru má otvor ze strany k motoru a čep z druhé strany na který je navlečená hadička a tou je spojka spojená s hřídelí posuvu papíru. Asi to není nutné, ale tak mi to vyšlo a hadička funguje jako pružná spojka bez vůle kompenzující nepatrnou nesouosost.

Na fotce ještě není spojka navijáku (resp. je provizorní) s motorem pro posuv pera a vlasec je ještě vedený před kladky, které jsem později vynechal. Nechtělo se mi plotr znovu rozebírat jen kvůli focení, proto jsem použil foto z archivu ještě před dokončením plotru.

magnet pera

Zvolil jsem jeden z magnetů, který mi zbyl vymontovaný z tiskárny. Nemám jak změřit sílu, kterou přitahuje jádro, když k němu připojím napětí, jediné, co k němu můžu říct, že síla byla dostatečná. Na druhé straně páky proti magnetu působí pružina, která musí být dost silná, aby udržela pero zdvižené, když magnetem neprotéká proud a zároveň přitažení ani položení pera nesmí být příliš pomalé. Ale to vše se dá do určité míry doladit natažením pružiny, pauzou v softwaru, nebo délkou páky, která naklání lištu pod perem.

Přidávám ještě dva nákresy, jak je uspořádaná sestava magnetu pera vůči vozíku pera, kladkám i posuvu papíru.

vozík pera

Cílem bylo umožnit použití libovolného pisátka. V podstatě stejně jako tomu bylo u Alfi a pozdějších Minigrafů. Mám ještě plotr XY-4160, který má na vozíku nestandardní závit kompatibilní jenom s určitými pery, které je dnes téměř nemožné sehnat. Tomu jsem se chtěl vyhnout a proto jsem se pokusil napodobit svěráček podobný na originálním Alfi, jen robustnější z materiálu, který jsem měl v tu dobu k dispozici (8mm tlustá deska z polyethylenu).

Šroub jsem kromě vyvrtání a vyřezání vnitřního závitu znovu protočil závitníkem a důkladně okartáčoval, aby jeho závit byl hladký bez jakýchkoli otřepů. Tím jsem se snažil předejít opotřebení vnitřního závitu v plastu a zatím, po dalších dvou letech používání, se zdá, že se mi to povedlo.

Kdybych držák vyráběl znovu, nejspíš bych přidal další 1mm k maximálnímu průměru pera a pero posunul o další 1mm vpřed, dál od přiklápecí lišty. Teď je to na hraně tolerance.

čepy podpěry a přítlaku papíru

Vstupní podpěra papíru je maličko komplexnější než u původního Alfi, zavěšená na čepech, které vymezují posuv do stran s minimální vůlí. Aby se papír o něco nezarazil, zakryl jsem celou plochu podpěry průhledným plastem.

Přítlak papíru je vylepšený o spojku, která zajišťuje možnost uvolnit papír jedním prstem z kterékoli strany. U původního Alfi bylo nutné přítlak papíru zdvihat na obou stranách současně, což bylo nepohodlné.

A nakonec jsem k plotru navrhl a vyrobil i stylový štítek z mosazi.

Elektronika plotru s AT Mega 32

Řídící desku i desky s drivery motorů L298D jsem navrhoval primárně tak, aby se vešly do Minigrafu 0507, který jsem dostal zcela bez elektroniky - jen mechaniku s motory. Během toho se ukázalo, že by stejné plošné spoje mohly pasovat i do konstrukce Alfi, jen bylo vhodnější umístit drivery motorů k jedné straně, zatímco u Minigrafu jsou drivery po obou stranách řídící desky. Proto jsou desky oddělené, aby mohly být pro oba mé plotry identické a nemusel jsem je vyrábět dvakrát různé.

Drivery motorů je samozřejmě možné nahradit jiným driverem, modulů s L298D je na výběr spousta. Jen je k nim potřeba ještě doplnit nějaký výkonový spínač i pro magnet pera.

Pravý konektor je RS232, který se používá ke komunikaci s plotrem ve výchozím režimu.

Levý konektor řídící desky slouží k připojení ovládacích tlačítek, nebo alternativně k připojení počítače pro snímání obrazu perem z papíru k čemuž je zároveň nutné ovládat plotr přímo, aby snímání bylo synchronní s polohou pera. Proto ho lze přepnout do režimu, který je kromě velikosti kroku kompatibilní s Minigrafem. Tj. ovládá se na třech bitech binární hodnotou 0-7 pro každý motor a jedním bitem se přiklápí pero.

Svorkovnice vlevo od levého konektoru slouží k připojení napájení - přibližně 12V, které se používá přímo pro motory a po stabilizaci na 5V i pro MCU AT Mega 32.

Dolů vyvedený ISP konektor umožňuje programování MCU AT Mega 32 i když je plotr kompletně sestavený.

Více detailů na konci textu v přiložených projektech pro Eagle 6.4 ve kterém jsem plošné spoje tehdy navrhoval.

Ovládání plotru z PC

Ovládá se pomocí několika málo nejzákladnějších příkazů z HPGL sady.

V tuto chvíli zná plotr pouze tyto příkazy.

TODO: doplnit, rozšířit, naprogramovat další příkazy

Připojení k ZX Spectrum

K připojení je stejně jako v případě jakéhokoli jiného počítače potřeba sériový port RS232. Mohl jsem si vybrat mezi softwarovou RS232 kompatibilní se ZX Spectrum 128k a plnohodnotným sériovým portem SIF. Funguje obojí. Softwarová RS232 v tomto případě nemá žádnou zásadní nevýhodu proti skutečnému UARTu, protože během odesílání sekvence příkazů do plotru stejnak ZX Spectrum nepotřebuje dělat něco jiného. Maje obojí, je výběr spíš otázkou dostupného softwaru a osobních preferencí.

V tuto chvíli existuje pouze ovladač pro tisk z BASICu. Další snad přibudou.

Odkazy

• můj článek o originálním plotru Alfi
• můj článek o programu pro tisk z BASICu na ZX Spectru pomocí HPGL
• diskuze na OldCompu o originálním plotru Alfi z Merkuru
• diskuze na OldCompu o této RS232 replice plotru Alfi
• foto z výroby mé RS232 repliky Alfi na egalerie.net
• program QCAD - jednoduchý, ale velmi praktický 2D CAD, který jsem použil při návrhu

Download

• alfi_rs232_cygnusova_replika_vykres_soucasti.pdf - výkresy mechaniky v PDF
• 2020-08-27_qcad2_replika_alfi.dxf.gz - výkresy mechaniky v DXF do QCADu
• logo Alfi v DXF
• logo Alfi v SVG (náhled z DXF)
• plotter_Alfi_RS232_project_PCB_for_Eagle_6-4_controller_board.tar.bz2
• plotter_Alfi_RS232_project_PCB_for_Eagle_6-4_motor_driver.tar.bz2
• plotter_Alfi_RS232_project_PCB_for_Eagle_6-4_button_panel.tar.bz2
• atmega32_firmware.tar.bz2

Historie změn článku

• 2023-06-22 - zveřejněno