Hier ein Beispiel im Zeitraffer:

Und hier einige Bilder als SVG-Dateien, alle mit einem TSP Pfad (ein Linienzug, keine Kreuzungen):

• Darth Vader TSP SVG – Download
• Pferd TSP SVG – Download
• Fledermaus TSP SVG – Download

Die Files müssten sich auch in jedem aktuellen Browser betrachten lassen. Bitte nach rechts scrollen, falls die Grafik nicht gleich sichtbar ist.

Viel Spaß!

Im Ordner /arduino-source befindet sich der Sourcecode für den Arduino. Sollten beim Kompilieren Fehler wegen fehlender Libraries auftreten, so finden sich diese auch im ZIP oder bei den jeweiligen Anbietern.

Wer noch gar keine Arduino-Erfahrung hat, der findet bei Google oder auf arduino.cc genügend Informationen dazu. Sehr empfehlen kann ich auch das Arduino Starter Kit, das im beiliegenden (englischsprachigen) Buch die Erstinstallation der Arduino-Software sehr gut beschreibt und auch gleich erste einfache Projekte mitliefert.

Auf meinen Arduino Uno R3 konnte ich den Polargraph-Sketch ohne weitere Änderungen aufspielen. Wenn ihr statt des Adafruit Motor Shield V2 die V1 verwendet, so lässt sich das im Sketch konfigurieren. Anpassungen für andere Schrittmotortreiber gibt es im Polargraph-Forum, da habe ich aber bisher nichts ausprobiert.

Ist der Arduino Sketch erstmal auf den Mikrocontroller übertragen, so dient der Arduino jetzt als Server, der auf Befehle vom PC wartet und diese in Bewegungen der Schrittmotoren oder des Servo umsetzt. Die Befehle kommen dabei in Form von G-Code Anweisungen. G-Code ist ein sehr einfaches Set von Anweisungen („Gehe zu Position X, Y“), das zur Steuerung von Maschinen aller Art mit mehreren Achsen (CNC-Fräse, 3D-Drucker, Lasercutterm, Plotter etc.) verwendet wird. Mehr Informationen dazu hat wie immer Wikipedia.

Am PC dient as Programm polargraphcontroller als Steuerzentrale für den Plotter. polargraphcontroller ist in der leicht verständlichen Programmiersprache Processing geschrieben und liegt für eigene Modifikationen im Quellcode vor. Im ZIP-File sind aber vorkompilierte Versionen für die Plattformen Windows, Linux und OS X enthalten, man kann also sofort loslegen.

Nach dem ersten Start muss man erst einmal in den Punkt setup gehen und dort die Parameter der Schrittmotoren, der Zahnräder und der Zeichenfläche hinterlegen. Damit weiss die Software, wie die Zahnräder und damit die Länge der beiden Perlenschnüre gesteuert werden müssen, um gezielt einen Punkt auf der Zeichenfläche ansteuern zu können.

In der blauen Leiste links sieht man verschiedene Einstellmöglichkeiten, unter anderem:

• mm per rev: Der Umfang des Zahnrades, über das die Perlenkette läuft, als mm pro Umdrehung
• steps per rev: Die Schrittanzahl des Motors und darunter ein Mutiplikationsfaktor. Beide Werte sind mir nicht ganz klar (vor allem der step multiplier) und habe ich durch Versuch und Irrtum ermittelt
• machine width: Der innere Abstand der beiden Zahnräder voneinander, d.h. die maximale Zeichenfläche
• page width, page pos x etc.: Die Größe und Position des Papiers auf der Zeichenfläche
• home pos: Die Position des „Home Points“, dort muss sich der Stift am Anfang befinden. Sollte möglichst exakt eingehalten werden, die Genauigkeit aller Berechnungen hängt wesentlich davon ab.
• pen tip size: Die verwendete Stiftdicke, vor allem wichtig bei der Umwandlung von Bitmap-Bildern in Linienzüge, beeinflusst den Farbdeckungsgrad des Ergebnisses
• pen up/down position: Position des Servos in Grad zum Anheben und Absenken des Stifts
• motor max speed, acceleration: Maximale Geschwindigkeit und Beschleunigung der Schrittmotoren. Langsamer = schöneres Druckbild, schärfere Ecken
• serial port: Serieller Port, an dem der Arduino hängt

Verschiedene dieser Konfigurationen können jederzeit gespeichert und wieder importiert werden.

Nach den Grundeinstellungen kann man auf der Seite input manuell erste Bewegungen auslösen.

Über set home teilt man dem Programm mit, dass sich der Stift an der Home-Position befindet. Die Motoren werden dann gelockt, halten also diese Position (lassen sich aber mit der Hand weiterhin bewegen, die Feinpositionierung kann man also leicht nach dem Homing durchführen). Mit move direct kann man auf einen Punkt auf der Zeichenfläche klicken und das Programm übergibt dem Arduino die Anweisung, diese Position anzusteuern. Sofort beginnen die Schrittmotoren zu arbeiten und man sieht sofort, ob Richtung und zurückgelegte Entfernung passen. Wenn das nicht der Fall ist oder die Motoren die Kette über das Ziel hinausbewegen, so ist das kein Problem. Man kann die Perlenketten jederzeit von den Zahnrädern abheben und die Motoren drehen damit leer.

Wenn Bewegungsrichtung und Entfernungen des Stifts ungefähr stimmen, kann man mit set area und set frame to area den maximalen Zeichenbereich des Stifts innerhalb der Papierfläche festlegen. Bildbereiche, die außerhalb dieses Rahmens liegen, werden nicht gezeichnet. Dann kann man entweder ein Pixelbild (JPG, PNG) laden und in mit verschiedenen Algorithmen in einen Linienzug umrechnen oder direkt eine SVG-Vektordatei importieren. In beiden Varianten gibt es verschiedene Einstellmöglichkeiten für Größe und Position des Bildes. Mit einem Klick auf render pixels oder draw vectors werden die C-Code Anweisungen erstellt, die dann am rechten Fensterrand angezeigt werden. Die Befehle landen in einer Warteschlange, die jederzeit pausiert und wieder gestartet werden kann. Man kann die Warteschlange vor dem Senden an den Plotter auch exportieren und z.B. in einem Texteditor manuell nachbearbeiten. In meiner aktuellen Version war das notwendig, weil die Befehle zum Heben und Senken des Stifts über den Servo nicht immer korrekt ausgegeben wurden und ich diese vor dem Ausdruck per Suchen/Ersetzen korrigiert habe.

Auch hier empfehle ich einen Blick in das Instructables-Projekt von Sandy Noble. Da sind die wichtigsten Programmschritte ganz gut erklärt.

Damit sollte der Vertical Plotter schonmal erste Ergebnisse liefern. Wie man mit zusätzlicher Software wie StippleGen die Möglichkeiten des Plotters noch weiter ausschöpfen kann, das zeige ich in einem eigenen Artikel.

Die Qual der Wahl – ein bisschen von überall

An Vertical Plotter oder Wall Plotter Projekten herrscht kein Mangel, viele der Projektseiten befinden sich aber in einem verwahrlosten Zustand oder sind zwar vielfach verlinkt, aber nicht mehr online. Am Ende blieben der Makelangelo, PlotterBot und Polargraph in der engeren Auswahl übrig. Für alle Projekte werden auf den Websites Bausätze zum Kauf angeboten, frei verfügbar gibt es teils umfangreiche Anleitungen und die notwendige Software zum Download.

Am interessantesten fand ich schlußendlich das Polargraph-Projekt, einerseits da dessen Erfinder Sandy Noble schon in der Anfangsphase des Projektes ein sehr umfangreiches Tutorial auf Instructables.com veröffentlicht hat, mit dem ich einige Grundelemente des Plotters sehr schnell austesten konnte, andererseits wegen der verfügbaren Processing-Software, die auf meiner Mac OS X Umgebung schon bei ersten Tests gut funktioniert hat und ich mich in Processing halbwegs gut auskenne.

Außerdem hat Sandy es mithilfe der aktiven Community in seinem Forum geschafft, die Server-Firmware für seinen Polargraph so weit zu optimieren, dass die Software in den Speicher eines Arduino Uno R3 passt – und einen besseren Arduino habe ich derzeit nicht zur Verfügung.

Hier ein Zeitraffer einer frühen Version des Plotters:

Jetzt aber zum Aufbau eines eigenen Vertical Plotters.

Die Bauteile

Im Shop von Polargraph gibt es verschiedene Kits und auch Einzelteile zu kaufen, darunter auch eine großartige Gondel (die Halterung für den Stift, die von den beiden Perlenketten bewegt wird). Ich habe mich dann aber doch für den Maker-Weg entschieden und mit handelsüblichen Bauteilen und einigen Teilen aus meinem (ja auch selbstgebauten) 3D-Drucker eine ganz eigene Version des Polargraph entwickelt.

Es sind wirklich nicht viele Teile notwendig (und einige der wenigen hier aufgelisteten sind eigentlich fast Luxus), hier eine Übersicht:

Rahmen:

• Eine Holzplatte oder ähnliches, nicht zu klein.
• Eine Holzleiste, 3×3 cm oder mehr, zur Verstärkung des oberen Randes der Platte. Da werden dann die Motorhalterungen draufgeschraubt

Mechanik und Motoren:

• 2 Schrittmotoren (was auch immer grade da ist, 200 Schritte/U reichen), z.B. STEPPERONLINE E Series Nema 17 Schrittmotor 2A 55Ncm 1,8 Grad mit 1 Meter Kabel für 3D-Drucker CNC(1 Pack)
• Befestigungswinkel für die Schrittmotoren (gibts z.B. hier, geht notfalls auch im Selbstbau oder 3D-Druck)
• einen kleinen Modellbauservo samt Servohorn
• 2 Perlenketten, wie sie bei Jalousien verwendet werden, gibts im Baumarkt
• 2 Zahnräder für die Perlenketten, diese sollten auf die Welle der Schrittmotoren passen, z.B. meine Zahnräder als 3D Modell
• die Gondel für den Stift, z.B. meine Variante als 3D Modell (da gibts noch jede Menge andere Ideen dazu, einafach googlen)

Elektronik:

• Ein Arduino Uno R3 (oder vergleichbar, muss aber mind 32 KB Speicher haben)
• Ein Adafruit Motor Shield V2 (V1 geht auch, ist aber nur mehr als Nachbau erhältlich)

dazu noch ein paar Kleinteile wie Schrauben und Klebeband, ein paar Drahtbrücken und, je nach Größe des Plotters, Kabel und etwas Werkzeug.

Achtung: Das Adafruit Motor Shield gibt es meist nur als Bausatz zu bestellen, es müssen aber nur ein paar Schraubklemmen und Stiftleisten angelötet werden, das geht ganz einfach.

Software:

Zum Betrieb des Plotters habe ich die Polargraph-Software von Sandy Noble verwendet. Der enthaltene Arduino-Sketch kann 1:1 auf den Arduino Uno übertragen werden und dient als Server für die ebenfalls enthaltene Polargraph Applikation. Diese ist in Processing geschrieben und im ZIP auch als vorkompilierte Version für Windows, OS X und Linux enthalten. Die aktuelle Version der Polargraph Software steht hier zum Download bereit.

KraxlBot – Aufbau, Version 1:

Weil der Plotter an der Wand herumkraxelt wie ein Bergsteiger, hat er jetzt auch einen Namen bekommen. KraxlBot! Zum besseren Verständnis zuerst ein Bild des Plotters im (derzeitigen) Endzustand.

Wie man sieht, besteht der Plotter nur aus recht wenigen Teilen. Ich habe eine Holzplatte (ca. 65x85cm) aus der Restekiste verwendet und auf der Rückseite mit einer leicht angeschrägten Stütze versehen, damit sie frei neben dem Werktisch stehen kann.

Am oberen Rand der Platte habe ich hinten eine Holzleiste (3x4cm) angeschraubt, um Platz für die Befestigung der Montagewinkel für die Schrittmotoren und etwas Ablagefläche für den Mikrocontroller zu gewinnen. Die Zahnräder für die Perlenketten sind so gedruckt, dass sie direkt auf die 5mm-Welle der Motoren aufgesteckt und falls nötig mit einer M3 Schraube fixiert werden können.

Achtung: Bei diesen Perlenketten scheint es verschiedene System mit unterschiedlichen Perlengrößen und -abständen zu geben. Meine Kette hat Perlen mit ca. 4mm Durchmesser, die in Abständen von ca. 6mm an der Schnur angebracht sind.

Bei der Montage der Schrittmotoren bitte darauf achten, dass das 4-aderige Anschlußkabel des Motors auch bis zum Arduino reicht – oder rechtzeitig für Verlängerung sorgen.

Den Arduino Uno samt Adafruit Motor Shield V2 habe ich derzeit einfach mittig auf die Holzleiste gelegt und hinten mit einem Metallwinkel vor dem Abrutschen gesichert. Da muss auf jeden Fall noch eine elegantere Lösung her. Für die Motoren reicht die Stromversorgung des Arduino über USB nicht aus, ich verwende zusätzlich ein einfaches Steckernetzteil (z.B ein Voltcraft USPS 1000), das ich auf 12V eingestellt habe. Man kann aber auch z.B. einen 9V-Block direkt an das Motor Shield anschließen.

Die Verkabelung der Schrittmotoren mit dem Motor Shield ist etwas trickreich, da sowohl der angesteuerte Motor (links/rechts) als auch die Laufrichtung stimmen und die Anforderungen der Software erfüllen soll. Am besten zuerst den Aufbau fertigstellen, dann die Polargraph Firmware aufspielen und mit der PC-Software im manuellen Modus die am Bildschirm angezeigten Bewegungen mit den tatsächlichen abgleichen. Im schlimmsten Fall (so war es bei mir) müssen dann sowohl die Motoren an die jeweils anderen Anschlüsse (M1 und M2 am Shield) gesteckt und bei der Verkabelung noch die Reihenfolge der Kabelpaare vertauscht werden. Versuch und Irrtum!

Will man den Polargraph auch mit einer Vorrichtung zum Anheben des Stiftes ausstatten (anfangs nicht unbedingt notwendig, aber dann zeichnet er halt bei jeder Bewegung oder muss während der Fahrt zum Startpunkt des Plots manuell angehoben werden), dann muss der zugehörige Servo an den Servo2-Stecker des Motor Shield.

Die Gondel habe ich mittlerweile mehrmals überarbeitet, wirklich gut funktioniert sie aber noch nicht. Größter Nachteil ist, dass die beiden Punkte, an denen die Perlenkette aufgehängt ist, nicht drehbar gelagert sind. Das werde ich in einer der folgenden Versionen korrigieren. Auf Thingiverse gibt es aber noch viele weitere Varianten, einfach nach „polargraph“ oder „gondola“ suchen. Die perfekte Gondel mit kugelgelagert beweglichen Aufhängungen gibts im Polargraph-Shop.

Die Perlenkette wird durch die Öffnung des jeweiligen Halters geführt und mit einer M3 Schraube festgeklemmt. Der Stift wird in die Stifthalterung geschoben und mit einer M4-Schraube fixiert (da ist die Öffnung im Modell etwas klein, notfalls nachbohren). Wird auch ein Servo zum Abheben des Stifts von der zeichenfläche verwendet, so ist daraug zu achten, dass der Stift nicht zu weit durch die Halterung ragt. Der Servo muss im „Lift“-Zustand weiter in Richtung Zeichenfläche ragen als der Stift. Den genauen Drehwinkel des Servos für „Pen Lift“ und „Pen Drop“ kann man später in der Software einstellen. Die Drehrichtung muss aber passen, also vor dem Ankleben testen!

Am unteren Ende der Gondel ist noch eine Öffnung für eine M3-Schraube angebracht, an der einige Gewichte befestigt werden können. Das erhöht die Stabilität und Laufruhe der Gondel. Man kann hier aber auch einfach irgendetwas Schweres ankleben oder mit einer Schnur oder Klemme befestigen. Am besten ist es, auch an den losen Seiten der Perlenketten kleine Gewichte anzubringen (vorher kontrollieren, bis wohin die Kette über die Zahnräder gezogen wird!), das verringert die Gefahr von störenden Abrutschern an den Zahnrädern. Idealerweise sollten sich das Gewicht der Gondel und die Gegengewichte an den Ketten die Waage halten, so genau ist es da aber nicht.

Das war im wesentlichen schon die Hardware. Abhängig von den verfügbaren Bauteilen kann der Plotter aber auch deutlich anders aussehen. Sobald die beiden Motoren montiert und mit dem Motor Shield verkabelt sind, können schon die ersten Tests mit der Software durchgeführt werden.

Ich verwende die Polargraph Firmware am Arduino und die zugehörige Processing App. Am Screenshot sieht man links die Schaltflächen für „Set Home“ zur Kalibrierung und „Move Direct“, mit denen man kontrollieren kann, ob sich der Plotter bei Steuerbefehlen auch in die richtige Richtung bewegt.

Dazu aber mehr im nächsten Artikel.