X-DRAW笔式绘图仪

广东工业大学

陈松辉，陈梓华，李安国，林立惠，张 曈

指导老师：刘建群，于兆勤

1 X-DRAW简介

X-DRAW与打印机不同，是一个笔式绘图仪。该绘图仪可使用圆珠笔、钢笔、记号笔、马克笔等在大部分表面进行书写或绘画，甚至给它装上激光发射器后可代替笔使用。绘图仪如图1所示。

图1 绘图仪

2 工作原理

2.1 装置架构

通过inkscape平台进行艺术创作后，inscape可将图画转化为G代码经发送器通过串口发送给Arduino，Arduino接收并解析G代码后进行路径规划，从而实现运动控制。系统控制流程如图2所示。

2.2 机械原理

X-DRAW的执行机构主要包括控制笔前后左右运动的滑轨机构以及控制笔上下运动的抬笔机构。

2.2.1 滑轨机构

X-DRAW的滑轨机构采用corexy结构的变体，其运动原理如图3所示

图中弯曲的箭头为电机的旋转方向，没有标注即电机处于静止状态。直箭头指明当前状态下笔头的运动方向。

图2 系统控制流程

图3 滑轨机构的运动原理

当电机A/B两者的转速一致时，通过两个电机的联合运动即可控制笔头向8个常规方位运动。当电机A/B两者的转速不一致时，即可让笔头在这8个角度以外的所有角度运动，从而实现笔头在各方位上的运动。

2.2.2 抬笔机构

X-DRAW的抬笔机构选用凸轮机构，利用SG90舵机驱动凸轮，通过控制滑台的运动带动笔进行上下运动，其工作示意如图4所示。

图4 抬笔机构工作示意

图5所示为抬笔机构落笔/抬笔的两种状态。

图5 抬笔机构抬笔/落笔状态

2.3 控制原理

控制系统由上位机和下位机组成。

2.3.1 上位机

上位机包含了两大软件，分别为允许用户进行艺术创作并生成G代码的inkscape软件与给下位机发送指定G代码的Grbl Controller G代码控制器。

（1）Inkscape软件

Inkscape 是功能强大的矢量图处理软件。它允许使用者进行充分的艺术创作，直接导入素材，支持包括形状、路径、文本、标记、克隆、alpha 混合、变换、渐变、图案、组合等SVG特性。同时还支持创作共用的元数据、节点编辑、图层、复杂的路径运算、位图描摹、文本绕路径、流动文本、直接编辑XML等。它可以导入JPEG，PNG，TIFF等格式，并输出为PNG和多种矢量格式，支持几乎所有格式的图片，并直接导出G代码。软件操作界面如图6所示。

图6 软件操作界面

（2）Grbl Controller

Grbl Controller为G代码控制器，软件通过串口与下位机通信，将inkscape生成的G代码发送给下位机。图7所示为Grbl Controller软件的操作界面。

图7 Grbl Controller软件操作界面

2.3.2 下位机

下位机将Arduino作为控制芯片，负责与上位机通信。接收并解析G代码，规划运动路径，之后进行运动控制。通过给A4988步进电机驱动模块发送脉冲信号控制步进电机的运动，通过PWM信号控制舵机的运动。下位机硬件连接如图8所示。

图8 下位机硬件连接

3 创新点

（1）在笔的固定方式上，创新性使用了夹持的方式，在更换不同类型的笔时，只需简单的按压笔夹即可更换所需要的笔，无需其他工具。更换示意如图9所示。

（2）在笔架原有的固定方式上，增加了强磁吸附式固定方式，方便用户调整笔的角度。强磁吸附结构如图10所示。

图9 更换示意

图10 强磁吸附结构

强磁吸附结构由两块强磁、中心定位销钉以及角度控制销钉组成，允许用户在0°/22.5°/45°三个角度之间进行调整，全过程只需三步即可完成，无需拧螺丝或借助工具。调整示意如图11所示。

图11 调整示意

（3）对操作头进行模块化设计，将其分为抬笔模块和激光模块，如图12所示。操作头与机架通过燕尾槽连接，如图13所示，大大方便了模块之间的更换。

图12 抬笔模块与激光模块

图13 操作头与机架的连接

（4）机器在闲置时可以进行折叠变形以减少收纳空间，十分便携。这是针对于X，Y轴固定方式的创新性改进，使得改进后的装置只需拧松中间的螺丝即可变形收纳。机器变形前后分别如图14，图15所示。

4 应用前景

4.1 产品功能

（1）与打印机绘图仪不同，该仪器可以模仿人的手写笔迹。

（2）支持多种类别的笔进行书写，包括圆珠笔、中性笔、钢笔、马克笔，甚至直径较大的白板笔。

（3）在激光模式下，可以进行激光雕刻以及灰度打印或制作橡皮章。

（4）支持多图层打印。

（5）机械结构为corexy的变体结构，具有一定的学习研究价值。

（6）模块化设计，有利于玩家升级开发，具有一定的娱乐价值

图14 机器变形前

图15 机器变形后

4.2 面向群体

（1）学生可通过X-DRAW学习了解corexy的机械结构、运动算法，给创新创业实践项目开拓新思路。

（2）老师可将X-DRAW作为教具，讲解G代码以及机械控制原理等。

（3）DIY爱好者可通过X-DRAW满足动手的欲望，提高动手能力。

（4）创客教育团队可通过X-DRAW培养中小学生对于机械的感性认识，营造良好的学习氛围，提高实践动手能力。

（5）研发人员可利用X-DRAW的滑轨机构进行某些试验性实验。

（6）需要大量重复抄写工作的人员可通过X-DRAW模仿人写字的字迹进行书写，解放人的双手。

4.3 与市面现有产品的不同

（1）采用夹持的方式固定笔，换笔极为方便。

（2）采用强磁吸附式固定笔架，方便用户调整。

（3）模块化设计，通过燕尾槽的固定方式方便模块与模块之间的切换。

（4）可快速进行变形收纳以节省空间，十分便携。