做一台笔式绘图机：两根能准确到位的步进轴

做的是什么

一台笛卡尔坐标绘图机：两条互相垂直的皮带传动轴、一支可以抬起的笔，以及一台知道笔在哪儿的控制器——因为它在开机时靠限位开关回过原点，并且此后一直在数每一个脉冲。

有必要说清楚它为什么会是一台适合入门的精密机器，因为它并不是本站最炫的项目。本站其他项目——循迹车、避障车、平衡车——都有反馈：传感器看到世界，代码作出反应，误差被持续修正。这台机器完全没有这些。上面没有任何部件在测量笔在哪里。纸上的线条之所以能落在正确的位置，唯一的原因就是你内置的每一个假设都成立。

这让它成为一位异常诚实的老师。漂了位的循迹车照样还能跟着线走。漂了位的绘图机画出的方框却合不上，而那道缺口就以墨水的形式留在纸上、以毫米为单位，精确地告诉你你错得有多厉害。

贯穿整个项目的那一个数

画一个 100 mm 的方框，量一量本该重合的最后一个角和第一个角之间差了多少。

这一个测量值就是整个项目的记分牌，它之所以有价值，在于误差的形状本身就能告诉你原因：

这五条里有四条属于参数设置，一条是框架问题。动手改之前先弄清自己遇到的是哪一种，这就是这件事的全部难点所在。

物料清单

**大约 £90–130。**万用表和电源以后还能复用；运动部件大约 £60。

有两个看起来省钱、其实并不省钱的做法值得点出来。其一，纯橡胶芯的 GT2 皮带拉伸量足以表现为背隙，而玻纤芯的只贵一镑。其二，只买两块驱动器而不是三块，意味着你第一次因为忘记加电容而烧掉一块驱动器时，项目要停摆一周。

整体怎么接线

                12–24 V  ──┬── 100 µF ──┬── VMOT (X driver)
                           │            └── VMOT (Y driver)
                           └── GND ─────┬── Arduino GND
                                        │
  Arduino Uno                           │
    D2 ── X STEP        D5 ── Y STEP    │      X driver ── coil A ── motor X
    D3 ── X DIR         D6 ── Y DIR     │                └ coil B
    D8 ── ENABLE (both, active low)     │      Y driver ── coil A ── motor Y
    D9 ── X endstop  (INPUT_PULLUP)     │                └ coil B
    D10 ── Y endstop (INPUT_PULLUP)     │
    D11 ── pen servo signal ────────────┴── servo 5 V from the Arduino

唯一一条不容易想到的规则：**限位开关的线要远离电机线走。**步进电机的线缆是一个斩波电流源，而与它并行 300 mm 的限位线就是一根天线。如果你的机器在电机断电时能正常回零、一开动就失败，那问题就是这个，别无其他。

按里程碑来做

每个里程碑都以一次测试收尾。不要跳过任何一个——它们各自都能抓出一个故障，而等到那时另外三样东西也一起坏了，这种故障就难查得多。

**1. 台架上的单个电机。**驱动器接好线，Vref 调好，ENABLE 拉低，命令输出 3200 个脉冲。 → *通过：*轴正好转一整圈，轴上做的记号回到原处，连续十次都如此。

**2. 两块驱动器的 Vref。**根据电机额定值和你自己板子上的采样电阻来算——看清丝印，是 R100 还是 R050。 → *通过：*两块的读数都在目标值的 ±0.02 V 以内，通电保持十分钟后电机只是温热，手指还能一直放在上面。

**3. 框架装好，两轴都能动。**皮带装好并张紧——要结实，不要紧到像吉他弦。 → *通过：*电机关闭时用手推动，每个轴都能从一端到另一端顺畅滑动，没有卡死的点。现在就把卡滞修掉；否则它以后会永远伪装成丢步。

**4. 每毫米步数。**在每个轴上命令走 100 mm，用直尺量出实际值，按比例修正，再量一次。 → *通过：*命令 100 mm，两轴实测都是 99.5–100.5 mm，连做两次都成立。

**5. 背隙。**从左边接近标记，记下位置；从右边接近，记下位置。 → *通过：*差值小于 0.2 mm。超过这个数，就把皮带张紧，并检查皮带轮的顶丝是否打在轴的平面上。

**6. 先找到极限，再退回来。**逐步提高速度和加速度，直到某个轴开始丢步，然后把两项都设成该值的 50–60%。 → *通过：*在设定的参数下，往返二十次都能回到同一个标记，误差在 0.1 mm 以内。

**7. 回零。**装上限位开关，实现三段式找零，做十次回零，每次做一个记号。 → *通过：*十个记号都在 0.05 mm 以内。另外还要做这一项：拔掉一个限位开关再回零，确认它会报错放弃，而不是一路磨着往前走。

**8. 抬笔机构。**装好舵机，反复试出抬起和落下的角度。 → *通过：*笔以轻微而均匀的压力接触纸面，整个台面范围内压力都一致。笔如果刚性安装，在不平的台面上就会往一侧扎——用弹簧或者重力悬挂会宽容得多。

**9. 方框。**先回零，然后在纸上画 100 mm。 → *通过：*最后一个角和第一个角的偏差在 0.3 mm 以内，而且连画三次，三个方框都落在同一处。

做到什么程度算好

最后两行合起来就是整个项目最核心的教训。电机的分辨率——0.0125 mm——大约比你实际能达到的误差还细二十倍。最终精度没有任何一项是受步进电机限制的。全部取决于皮带、框架和方正度。

在为了解决绘图问题而去买一台更好的电机之前，这一点值得先记清楚；这也正是步进模拟器被列进学习路径的原因：它会告诉你，在真实的负载下，转子已经落在驱动器以为的位置之后三四微步，无论你选择哪种细分方式。

值得注意的硬件细节

**如果可以选，就用 24 V 而不是 12 V。**两种都能用。差别在于扭矩从哪里开始往下掉：同样的电机、同样的限流下，12 V 大约在 280 rpm 之后掉扭矩，24 V 要到 600 rpm 之后。配上 20 齿的 GT2 同步轮，机器开始吃力之前大约分别是 190 mm/s 和 400 mm/s。如果绘图机永远只会慢慢爬，12 V 也够。

**把 MS1–MS3 跳线接高。**十六细分并不会让机器更准，但它能让电机不再在每一步都发出振铃般的响声——在单薄的框架上，这决定了机器听起来像一台机器，还是像一只愤怒的黄蜂。代价是在 100 mm/s 时每秒多出 8 000 个脉冲，Uno 完全应付得了。

**皮带张到结实，而不是绷紧。**过紧的皮带给电机轴承增加负载，还会引入吃掉扭矩裕量的摩擦；过松的皮带则会增加背隙。弹起来声音发闷，就说明松紧合适了。

**两个顶丝都要压在同步轮的平面齿上。**在轴上打滑的 20 齿同步轮，产生的误差看起来和丢步一模一样，而针对丢步的任何办法都不管用。这里用一点螺纹胶并不算过头。

出问题时看这张表

接下来可以往哪走

**换用 GRBL。**机器验证通过之后，烧上 GRBL，你就得到了一台真正的 G 代码解释器，回零、软限位、坐标系和加速都已经写好了。用标定出来的每毫米步数配置好 $100 和 $101，就可以用任何 CAM 软件驱动它。

**CoreXY。**还是那两台电机，但都固定在框架上，皮带走向改成让 X 和 Y 成为两台电机速度的组合，而不是各由一台驱动。运动质量更小，所以更快也更准——代价是在坐标和电机之间多出一层运动学混合。

**用激光代替笔。**机械上就是同一台机器换个工具，但二极管激光会带来实打实的眼睛安全要求，还需要外壳和联锁。把它当成一个独立项目，而不是一次简单替换。

**改用丝杠 Z 轴。**如果你想在有高度的表面上绘制，或者转做浅雕，一根 T8 丝杠可以做到 400 步/mm，而且断电后仍能保持位置。

**闭环步进电机。**这是唯一一个能彻底去掉本项目最尖锐失效模式的升级。每台电机后面装一个编码器，就能在悄悄丢步时给出修正或报警。代价是三到四倍的价格，如果上面的里程碑全部通过，那确实没有必要。