DIY CNC Pen Plotter mit automatischem Werkzeugwechsler – Zeichenmaschine bauen

Übersicht

Bau einer CNC-Zeichenmaschine (Pen Plotter) mit automatischem Werkzeugwechsler (Automatic Tool Changer). Basiert auf vorherigem DIY CNC Laser Gravur-Projekt (minimalistische Bauweise).

Hauptmerkmale

• 3 × NEMA 17 Schrittmotoren (X, Y, Z)
• 1 × Micro-Servo für Greifer
• Steuerung: Arduino UNO + CNC Shield + 3 × A4988 Treiber
• Arbeitsbereich: 360 × 280 mm
• Hohe Detailgenauigkeit (besonders mit 0,6 mm Gel-Stift)

3D-Modell & Design

Basiert auf CNC Laser Engraver Design (minimal Teile). Linearsystem: MGN15H Führungen + Schlitten. X/Y: GT2 Zahnriemen & Riemenscheiben. Z: Hin- und Herbewegung auf 6 mm Rundführungen + Linearlager. Greifer: Hobby-Servo.

Referenzfahrt (Homing) essenziell → je Achse ein Endschalter.

3D-Modell auf Thangs: Im Browser ansehen & herunterladen.

STL-Dateien für 3D-Druck: Download-Link im Originalartikel.

Mechanischer Aufbau (Zusammenfassung)

1. Basisplatte & Linearschienen-Halter verschrauben (M3)
2. X-Achse: MGN15H Schienen an beiden Seiten
3. Y-Achse: Zentrale Montageplatte auf X-Schlitten, Y-Schiene + 2 Motoren (oben/unten)
4. GT2 Riemenscheiben & Umlenkrollen montieren (M5 Schrauben)
5. X- & Y-Achse verbinden (Zentralplatte an X-Schlitten)
6. Z-Achse (Stifthalter): Fester & beweglicher Teil, NEMA 17 kurz (23 mm), 4 Linearlager, Servo, Stiftaufnahme
7. Feder zwischen festem & beweglichem Teil für Andruck
8. Stifthalter-Einheit (12 Stifte) an Maschinen-Seite
9. Riemen spannen (selbstgedruckte Riemenverbinder)
10. Endschalter montieren

Elektronik

Arduino UNO + CNC Shield + 3 × A4988 (je 3 Jumper für 1/16 Microstepping). 3 Endschalter, Servo (Verlängerungskabel). 12 V / 2 A Netzteil.

Schaltplan

Komponenten-Links

• NEMA 17 Schrittmotor
• NEMA 17 23 mm (Z-Achse)
• A4988 Treiber
• Servo Motor
• Arduino CNC Shield
• Arduino UNO
• Endschalter (Micro)
• 12 V / 2 A Netzteil

Fertigstellung & Known Issues

• Kabelmanagement: Tischmatte als Kabelkette
• Problem: Y-Schiene einseitig ungestützt → 4 mm Durchbiegung. Lösung: Vorderseite anheben (→ 1 mm Rest). Empfehlung: Y-Schiene beidseitig lagern.
• Problem: Stifte halten nicht gut. Lösung: Obere Öffnungen vergrößern, weiches Material an Seiten.
• Grundplatte unterlegen für ebene Fläche

Firmware & Software

Firmware: grbl-servo (modifiziertes GRBL für Servo-Steuerung: PWM 1 kHz → 50 Hz auf Pin 11). config.h anpassen: 3-Achsen-Homing aktivieren.

Steuer-Software: GRBL-Plotter (Open Source, GitHub). Dediziert für Plotter, mit Grafik-zu-G-Code-Konverter.

GRBL Parameter (Wichtigste)

• $100, $101 (X/Y Steps/mm): 80 (GT2, 16 Microsteps, NEMA 17 1,8°)
• $102 (Z Steps/mm): 40 (Hubbewegung, nicht linear)
• $23 = 0 (Homing-Zyklus Definition)
• $110, $111, $112 Max Feedrate
• $120, $121, $122 Beschleunigung
• $1 = 255 (Stepper immer aktiv – Z-Strom begrenzen!)

GRBL-Plotter Setup

• Pen Up/Down → Z-Achse, Positionen definieren
• Tool Table: Stiftfarben & Positionen (Maschinenkoordinaten G53)
• Offset: X=0, Y=277 für ersten Stift, dann Y -= 21,7 mm pro Stift
• Tool Change: „Perform tool change on Tx M06“ aktivieren
• Select/Remove Scripts für Greifer-Bewegungen definieren

G-Code Generierung

Bild laden → „Preview with colors from table“ → Bildkorrektur (Helligkeit, Kontrast, Gamma, Sättigung) → Ausgabegröße (mm) → Farb-Ersetzung (unnötige Farben entfernen) → „Create G-Code“. Auch SVG per Drag & Drop möglich.

Nullpunkt im Arbeitsbereich setzen → Play → Maschine zeichnet.