X-DRAW筆式繪圖儀

廣東工業(yè)大學

陳松輝，陳梓華，李安國，林立惠，張 曈

指導老師：劉建群，于兆勤

1 X-DRAW簡介

X-DRAW與打印機不同，是一個筆式繪圖儀。該繪圖儀可使用圓珠筆、鋼筆、記號筆、馬克筆等在大部分表面進行書寫或繪畫，甚至給它裝上激光發(fā)射器后可代替筆使用。繪圖儀如圖1所示。

圖1 繪圖儀

2 工作原理

2.1 裝置架構

通過inkscape平臺進行藝術創(chuàng)作后，inscape可將圖畫轉化為G代碼經發(fā)送器通過串口發(fā)送給Arduino，Arduino接收并解析G代碼后進行路徑規(guī)劃，從而實現(xiàn)運動控制。系統(tǒng)控制流程如圖2所示。

2.2 機械原理

X-DRAW的執(zhí)行機構主要包括控制筆前后左右運動的滑軌機構以及控制筆上下運動的抬筆機構。

2.2.1 滑軌機構

X-DRAW的滑軌機構采用corexy結構的變體，其運動原理如圖3所示

圖中彎曲的箭頭為電機的旋轉方向，沒有標注即電機處于靜止狀態(tài)。直箭頭指明當前狀態(tài)下筆頭的運動方向。

圖2 系統(tǒng)控制流程

圖3 滑軌機構的運動原理

當電機A/B兩者的轉速一致時，通過兩個電機的聯(lián)合運動即可控制筆頭向8個常規(guī)方位運動。當電機A/B兩者的轉速不一致時，即可讓筆頭在這8個角度以外的所有角度運動，從而實現(xiàn)筆頭在各方位上的運動。

2.2.2 抬筆機構

X-DRAW的抬筆機構選用凸輪機構，利用SG90舵機驅動凸輪，通過控制滑臺的運動帶動筆進行上下運動，其工作示意如圖4所示。

圖4 抬筆機構工作示意

圖5所示為抬筆機構落筆/抬筆的兩種狀態(tài)。

圖5 抬筆機構抬筆/落筆狀態(tài)

2.3 控制原理

控制系統(tǒng)由上位機和下位機組成。

2.3.1 上位機

上位機包含了兩大軟件，分別為允許用戶進行藝術創(chuàng)作并生成G代碼的inkscape軟件與給下位機發(fā)送指定G代碼的Grbl Controller G代碼控制器。

（1）Inkscape軟件

Inkscape 是功能強大的矢量圖處理軟件。它允許使用者進行充分的藝術創(chuàng)作，直接導入素材，支持包括形狀、路徑、文本、標記、克隆、alpha 混合、變換、漸變、圖案、組合等SVG特性。同時還支持創(chuàng)作共用的元數據、節(jié)點編輯、圖層、復雜的路徑運算、位圖描摹、文本繞路徑、流動文本、直接編輯XML等。它可以導入JPEG，PNG，TIFF等格式，并輸出為PNG和多種矢量格式，支持幾乎所有格式的圖片，并直接導出G代碼。軟件操作界面如圖6所示。

圖6 軟件操作界面

（2）Grbl Controller

Grbl Controller為G代碼控制器，軟件通過串口與下位機通信，將inkscape生成的G代碼發(fā)送給下位機。圖7所示為Grbl Controller軟件的操作界面。

圖7 Grbl Controller軟件操作界面

2.3.2 下位機

下位機將Arduino作為控制芯片，負責與上位機通信。接收并解析G代碼，規(guī)劃運動路徑，之后進行運動控制。通過給A4988步進電機驅動模塊發(fā)送脈沖信號控制步進電機的運動，通過PWM信號控制舵機的運動。下位機硬件連接如圖8所示。

圖8 下位機硬件連接

3 創(chuàng)新點

（1）在筆的固定方式上，創(chuàng)新性使用了夾持的方式，在更換不同類型的筆時，只需簡單的按壓筆夾即可更換所需要的筆，無需其他工具。更換示意如圖9所示。

（2）在筆架原有的固定方式上，增加了強磁吸附式固定方式，方便用戶調整筆的角度。強磁吸附結構如圖10所示。

圖9 更換示意

圖10 強磁吸附結構

強磁吸附結構由兩塊強磁、中心定位銷釘以及角度控制銷釘組成，允許用戶在0°/22.5°/45°三個角度之間進行調整，全過程只需三步即可完成，無需擰螺絲或借助工具。調整示意如圖11所示。

圖11 調整示意

（3）對操作頭進行模塊化設計，將其分為抬筆模塊和激光模塊，如圖12所示。操作頭與機架通過燕尾槽連接，如圖13所示，大大方便了模塊之間的更換。

圖12 抬筆模塊與激光模塊

圖13 操作頭與機架的連接

（4）機器在閑置時可以進行折疊變形以減少收納空間，十分便攜。這是針對于X，Y軸固定方式的創(chuàng)新性改進，使得改進后的裝置只需擰松中間的螺絲即可變形收納。機器變形前后分別如圖14，圖15所示。

4 應用前景

4.1 產品功能

（1）與打印機繪圖儀不同，該儀器可以模仿人的手寫筆跡。

（2）支持多種類別的筆進行書寫，包括圓珠筆、中性筆、鋼筆、馬克筆，甚至直徑較大的白板筆。

（3）在激光模式下，可以進行激光雕刻以及灰度打印或制作橡皮章。

（4）支持多圖層打印。

（5）機械結構為corexy的變體結構，具有一定的學習研究價值。

（6）模塊化設計，有利于玩家升級開發(fā)，具有一定的娛樂價值

圖14 機器變形前

圖15 機器變形后

4.2 面向群體

（1）學生可通過X-DRAW學習了解corexy的機械結構、運動算法，給創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)實踐項目開拓新思路。

（2）老師可將X-DRAW作為教具，講解G代碼以及機械控制原理等。

（3）DIY愛好者可通過X-DRAW滿足動手的欲望，提高動手能力。

（4）創(chuàng)客教育團隊可通過X-DRAW培養(yǎng)中小學生對于機械的感性認識，營造良好的學習氛圍，提高實踐動手能力。

（5）研發(fā)人員可利用X-DRAW的滑軌機構進行某些試驗性實驗。

（6）需要大量重復抄寫工作的人員可通過X-DRAW模仿人寫字的字跡進行書寫，解放人的雙手。

4.3 與市面現(xiàn)有產品的不同

（1）采用夾持的方式固定筆，換筆極為方便。

（2）采用強磁吸附式固定筆架，方便用戶調整。

（3）模塊化設計，通過燕尾槽的固定方式方便模塊與模塊之間的切換。

（4）可快速進行變形收納以節(jié)省空間，十分便攜。