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在上學時，科學系的壁櫥里藏著一臺惠普繪圖儀。雖然我在上學的期間可以經常使用它，但我還是想擁有一臺屬于自己的繪圖儀。許多年之后，步進電機已經很容易獲得了，我又在從事電子產品和微控制器方面的工作，最近，我看到有人用丙烯酸塑料（acrylic）制作了一個顯示器。這件事啟發(fā)了我，并最終制作了我自己的繪圖儀。

我 DIY 的繪圖儀；在這里看它工作的視頻。

由于我是一個很懷舊的人，我真的很喜歡最初的 Arduino Uno。下面是我用到的其它東西的一個清單（僅供參考，其中一些我也不是很滿意）：

• FabScan shield：承載步進電機驅動器。
• SilentStepSticks：步進電機驅動器，因為 Arduino 自身不能處理步進電機所需的電壓和電流。因此我使用了一個 Trinamic TMC2130 芯片，但它是工作在單獨模式。這些替換為 Pololu 4988，但是它們運轉更安靜。
• SilentStepStick 保護裝置：一個防止你的電機驅動器轉動過快的二極管（相信我，你肯定會需要它的）。
• 步進電機：我選擇的是使用 12 V 電壓的 NEMA 17 電機（如，來自 Watterott 和 SparkFun 的型號）。
• 直線導桿
• 木制的基板
• 木螺絲
• GT2 皮帶
• GT2 同步滑輪

這是我作為個人項目而設計的。如果你想找到一個現成的工具套件，你可以從 German Make 雜志上找到 MaXYposi。

硬件安裝

正如你所看到的，我剛開始做的太大了。這個繪圖儀并不合適放在我的桌子上。但是，沒有關系，我只是為了學習它（并且，我也將一些東西進行重新制作，下次我將使用一個更小的橫梁）。

帶 X 軸和 Y 軸軌道的繪圖儀基板

皮帶安裝在軌道的側面，并且用它將一些輔助輪和電機掛在一起：

電機上的皮帶路由

我在 Arduino 上堆疊了幾個組件。Arduino 在最下面，它之上是 FabScan shield，接著是一個安裝在 1 和 2 號電機槽上的 StepStick 保護裝置，SilentStepStick 在最上面。注意，SCK 和 SDI 針腳沒有連接。

Arduino 堆疊配置（高清大圖）

注意將電機的連接線接到正確的針腳上。如果有疑問，就去查看它的數據表，或者使用歐姆表去找出哪一對線是正確的。

軟件配置

基礎部分

雖然像 grbl 這樣的軟件可以解釋諸如像裝置移動和其它一些動作的 G-codes，并且，我也可以將它刷進 Arduino 中，但是我很好奇，想更好地理解它是如何工作的。（我的 X-Y 繪圖儀軟件可以在 GitHub 上找到，不過我不提供任何保修。）

使用 StepStick（或者其它兼容的）驅動器去驅動步進電機，基本上只需要發(fā)送一個高電平信號或者低電平信號到各自的針腳即可?；蛘呤褂?Arduino 的術語：

digitalWrite(stepPin, HIGH);
delayMicroseconds(30);
digitalWrite(stepPin, LOW);

在 stepPin 的位置上是步進電機的針腳編號：3 是 1 號電機，而 6 是 2 號電機。

在步進電機能夠工作之前，它必須先被啟用。

digitalWrite(enPin, LOW);

實際上，StepStick 能夠理解針腳的三個狀態(tài)：

• Low：電機已啟用
• High：電機已禁用
• Pin 未連接：電機已啟用，但在一段時間后進入節(jié)能模式

電機啟用后，它的線圈已經有了力量并用來保持位置。這時候幾乎不可能用手來轉動它的軸。這樣可以保證很好的精度，但是也意味著電機和驅動器芯片都“充滿著”力量，并且也因此會發(fā)熱。

***，也是很重要的，我們需要一個決定繪圖儀方向的方法：

digitalWrite(dirPin, direction);

下面的表列出了功能和針腳：

在我們使用這些針腳之前，我們需要在代碼的 setup() 節(jié)中設置它的 OUTPUT 模式。

pinMode(enPin1, OUTPUT);
pinMode(stepPin1, OUTPUT);
pinMode(dirPin1, OUTPUT);
digitalWrite(enPin1, LOW);

了解這些知識后，我們可以很容易地讓步進電機四處移動：

    totalRounds = ...
    for (int rounds =0 ; rounds < 2*totalRounds; rounds++) {
       if (dir==0){ // set direction
         digitalWrite(dirPin2, LOW);
       } else {
         digitalWrite(dirPin2, HIGH);
       }
       delay(1); // give motors some breathing time
       dir = 1-dir; // reverse direction
       for (int i=0; i < 6400; i++) {
         int t = abs(3200-i) / 200;
         digitalWrite(stepPin2, HIGH);
         delayMicroseconds(70 + t);
         digitalWrite(stepPin2, LOW);
         delayMicroseconds(70 + t);
       }
    }

這將使滑塊向左和向右移動。這些代碼只操縱一個步進電機，但是，對于一個 X-Y 繪圖儀，我們要考慮兩個軸。

命令解釋器

我開始做一個簡單的命令解釋器去使用規(guī)范的路徑，比如：

"X30|Y30|X-30 Y-30|X-20|Y-20|X20|Y20|X-40|Y-25|X40 Y25

用毫米來描述相對移動（1 毫米等于 80 步）。

繪圖儀軟件實現了一個 持續(xù)模式 ，這可以允許一臺 PC 給它提供一個很大的路徑（很多的路徑）去繪制。（在這個視頻中展示了如何繪制 Hilbert 曲線）

設計一個好用的握筆器

在上面的***張圖中，繪圖筆是細繩子綁到 Y 軸上的。這樣繪圖也不精確，并且也無法在軟件中實現提筆和下筆（如示例中的大黑點）。

因此，我設計了一個更好用的、更精確的握筆器，它使用一個伺服器去提筆和下筆?？梢栽谙旅娴倪@張圖中看到這個新的、改進后的握筆器，上面視頻鏈接中的 Hilbert 曲線就是使用它繪制的。

圖中的特寫鏡頭就是伺服器臂提起筆的圖像

筆是用一個小夾具固定住的（圖上展示的是一個大小為 8 的夾具，它一般用于將線纜固定在墻上）。伺服器臂能夠提起筆；當伺服器臂放下來的時候，筆就會被放下來。

驅動伺服器

驅動伺服器是非常簡單的：只需要提供位置，伺服器就可以完成所有的工作。

#include <Servo.h>
 
// Servo pin
#define servoData PIN_A1
 
// Positions
#define PEN_UP 10
#define PEN_DOWN 50
 
Servo penServo;
 
void setup() {
  // Attach to servo and raise pen
  penServo.attach(servoData);
  penServo.write(PEN_UP);
}

我把伺服器接頭連接在 FabScan shield 的 4 號電機上，因此，我將用 1 號模擬針腳。

放下筆也很容易：

  penServo.write(PEN_DOWN);

進一步擴展

我的進一步擴展的其中一項就是添加一些終止檢測器，但是，我也可以不用它們，進而使用 TMC2130 的 StallGuard 模式來代替。這些檢測器也可以用于去實現一個 home 命令。

以后，我或許還將添加一個真實的 Z 軸，這樣它就可以對一個木頭進行銑削雕刻，或者鉆一個 PCB 板，或者雕刻一塊丙烯酸塑料，或者 … （我還想到了用激光）。