如何低成本制作一个极坐标绘图仪

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极坐标绘图仪是一种利用两台步进电机，通过绳子悬挂控制笔移动的绘图机器。通过电机调节绳子的长度，实现笔的精确移动。

这款绘图仪采用便宜的零件和 3D 打印部件，结构紧凑，易于组装。主要部件包括 3D 打印件、旧自拍杆、Arduino Nano、两台 28BYJ-48 步进电机和一个舵机。

极坐标绘图仪的宽度可调，范围为 375mm 至 690mm，因此可以在很小或很大的空间内绘制不同尺寸的图案。

所需材料

• 1 个 Arduino Nano（带 USB 数据线）
• 2 个 28BYJ-48 步进电机（配 ULN2003 驱动板）
• 1 个舵机
• 2 根旧自拍杆（长度 280mm）
• 1 个 5V 母 DC 电源插座
• 绳子或线（用于悬挂笔）
• 笔或记号笔
• 绘图表面（垂直板或纸张）
• 电源（USB 或外接电源）
• 3D 打印零件
• 轴承和螺丝
• 强力胶

工具：

• 3D 打印机
• 迷你电钻
• 螺丝刀套装
• 电烙铁
• 数字卡尺
• 卷尺或直尺

步骤 1：组装机器

3D 打印部件分为三大部分：

主部件（电路壳体）：

• 用于安装控制电路，包括 Arduino Nano 和 ULN2003 驱动板。
• 左右两侧各固定一根自拍杆。
• 主体顶部和底部有矩形孔，便于舵机连线，可任选一个用于连接舵机到电路板。

电机固定部件：

• 用螺丝将步进电机固定在 3D 打印件的腔体内。
• 每个固定件都有孔用于穿过电机线。
• 这些固定件将与自拍杆另一端连接。
• 用强力胶把步进电机组件安装在自拍杆末端。

移动部件（吊舱 Gondola）：

• 由 3D 打印件、轴承和螺丝组成。
• 用于固定笔或记号笔和舵机。
• 舵机需用较长的线，因为吊舱会在整个绘图区域内移动。
• 用强力胶将舵机粘在 3D 打印件上，确保舵机臂能在预留缝隙间自由活动。
• 吊舱有两只可动臂，用螺丝连接，不要拧太紧，以便自由转动。
• 轴承主要作为配重，确保吊舱在移动时保持稳定，也可用螺母等重物替代。

步骤 2：电路连接图（第一部分）

将 ULN2003 驱动板连接到 Arduino Nano：

X 轴电机：

• IN4 → D2
• IN3 → D3
• IN2 → D4
• IN1 → D5

Y 轴电机：

• IN4 → A0
• IN3 → A1
• IN2 → A2
• IN1 → A3

舵机连接：

• 信号线（棕色）→ D9
• 电源线（红色）→ 5V
• 地线（黑色）→ GND

将两台 28BYJ-48 步进电机分别接到各自的 ULN2003 驱动板，并通过 5V 母 DC 插座为驱动板和电机供电，按电路图完成所有连接。

步骤 3：电路连接图（第二部分）

如果使用 ULN2003 电机驱动板，可以参考该电路图进行连接。

步骤 4：上传程序

下载极坐标绘图仪的源码：https://github.com/zanedrys/IPAD

• 解压后，打开 Processing 软件，找到 Sketch Book 文件夹（文件/首选项/Sketchbook/位置）。
• 在 Polargraph 文件夹中找到 Processing 库，将所有库文件夹复制到 Processing Sketchbook 的 libraries 文件夹中。
• 将 Polargrapcontroller 文件夹从 Polargraph/processing-source/ 目录下移动到 sketchbook 文件夹中。
• 将 Polargraph 库文件夹中的库复制到 Arduino 的 libraries 文件夹中。
• 打开 Polargraph/arduino-source/polargraph_server_a1 文件夹中的 Arduino 源码。

步骤 5：配置参数

针对 28BYJ-48 步进电机和 ULN2003 驱动板，需要对 Polargraph 源码做如下修改：

• 用 Arduino IDE 打开 polargraph_server_a1.ino。
• 在 polargraph_server_a1 标签页：
• 注释掉第 71 行（加//）
• 去掉第 76 行的注释（去掉//）
• 在 Configuration 标签页：
• 用 AccelStepper motorA(8, A0,A2,A1,A3); 替换掉第 96 行的 AccelStepper motorA(8, 6,8,7,9);
• 上传 polargraph_server_a1.ino 到 Arduino Nano。

步骤 6：最终组装

• 将绳子绑在电机轴上，使笔架（吊舱）悬挂在中间。
• 将舵机安装在笔架上，用于控制笔的升降。
• 确保两根绳子长度一致，系统平衡。

步骤 7：机器设置

• 打开 Processing 2，打开 polargraphcontroller（文件→sketchbook→polargraphcontroller）。
• 点击运行按钮启动程序。
• 在工具栏点击 Setup 标签。
• 调整两滑轮间距离（Machine Width）。
• 设置机器高度（滑轮到面板底部的高度）。
• 设置绘图区域尺寸。
• 首先点击 Center Page 并将 Page Pos Y 设为 197。
• 然后点击 Center Home Point，将 Home Pos Y 设为 197。

步进电机参数：

• 根据所用滑轮和皮带设置 STEP PER REV。我用的是 28BYJ-48 步进电机，步进数为 2048。

舵机（笔）参数：

• Pen Up Position 和 Pen Down Position 分别为舵机的抬笔和落笔角度。
• 点击 Serial Port，选择 Arduino 所在端口，连接成功后显示绿色并显示端口号。
• 点击 Command Queue 激活指令传输。
• 点击 Upload Lift Range，再点击 Test Lift Range 测试舵机角度。

步骤 8：生成 SVG 文件

• 用 Inkscape 等软件创建 SVG 文件。
• 打开 Inkscape，点击文件→文档属性，设置宽高为 100mm。
• 拖入图片，选择图片→转换为路径→删除原图→路径→对象转路径。
• 文件→另存为→文件名.svg→保存。
• 通过串口监视器或 Polargraph 控制程序将 SVG 文件发送到 Arduino。

步骤 9：运行

加载矢量图：

• 保存设置，每次启动程序都要加载设置。
• 点击 Input 标签，切换到主界面。
• 手动将吊舱移动到设定的 Home 点，每次绘图前都需如此，然后点击 Set Home。
• 设定笔位置后，点击 Set Pen Position。
• 点击 Set Area 设定绘图区域，再点击 Set Frame to Area 完成设置。

绘制矢量图：

• 找到任意矢量图，将其转为 SVG 格式。
• 在程序中选择 Load Vector，调整图片大小（Resize Vector），移动图片到合适位置（Move Vector），设定打印区域（Select Area、Set Frame to Area）。
• 最后点击 Draw Vector 开始绘图。

效果提升小技巧：

• 使用光滑的绳子或钓鱼线来减少摩擦。
• 添加配重来稳定笔架。
• 校准系统来确保绘图比例准确。

步骤 10：绘图效果展示

▲ 完整演示视频

STL 文件和 SVG 文件可以选择移步原文：https://www.instructables.com/Polargraph-Plotter/下载，也可以点击文末左下角阅读原文，到DF创客社区论坛打包下载。