基于arduino的多功能写字机的设计概述

郭宗昊 张盛阳 周家乐 霍建振

摘 要 本文在数控机床理论与创新的基础上，基于arduino平台，设计了一种性价比高、体型小、稳定性强的多功能写字机系统。通过对上位机传输的G代码信息的采集、翻译后控制两个电机进行相应的动作，进而控制刀头移动。通过蓝牙模块亦可通过手机进行无线操控，便于调试。该系统具有搭建简单、造价低廉、功能易于扩展等优点。

关键词 arduino平台;写字机;蓝牙;激光雕刻

引言

现如今，我国的教育水平相较于之前有了很大的提升，但发展仍然有一些不平衡，一些学校、教育机构缺少教育条件，学生虽然学习了一些机床的工作原理，但却无法将知识与实际相结合，本项目建立了一个便宜简易的机床模型，从而使学生更好地将知识与实际结合;而在学校小型实验室中，常常会需要切割一些脆性材料，但一方面通过铡刀等物理器具切割时，切口往往不直，或者大面积崩裂，另一方面，市面上的激光切割装置价格高昂，小型实验室往往难以负担，而且一些DIY爱好者往往喜欢在作品上留下自己的印记，市面上的激光装置功率太大，只能做到切割，而无法做到雕刻图案，而通过本项目的激光切割雕刻功能则能解决上述的成本与精细度问题;另外，对于一些文案工作者，往往会需要大量誊抄一些文章，作为本项目的基础功能，写字功能可以帮助他们节省时间，用户也可以通过软件生成自己的字迹，让一般人分辨不出是否出自机器之手。本项目的进行主要从硬件和软件两个方面进行[1]。

1 系统总体设计及硬件选择

为了达成高内聚低耦合，保证系统稳定运行，在挑选硬件时，除了硬件本身要稳定之外，与其他部分连接后构成的系统也要稳定。

本项目的硬件系统主要包括电机驱动部分，激光切割部分，舵机驱动部分，蓝牙驱动模块，以及Arduino控制器。其中，手机端与电脑端软件负责图片处理，并分别通过蓝牙模块和USB转接线与主板通信。

1.1 电机的选择

市面上可供选择的步进电机很多，这里我们选用两个42HB2401A步进电机来带动齿条，进一步使功能头在平面上移动。电机的额定电压为3.57V。额定电流为1.7A，扭矩为0.31N.m。

1.2 激光头的选择

激光头多种多样，由于本项目有简小、便宜的要求，我们这里选用波长为450nm功率为3000mw的CNC蓝紫光激光头，除了小巧便宜，它还具有可以调节PWM的功能，因此可以直接调试，不需要改写程序，功率调大可以用于切割，功率调小可以用于雕刻，应用灵活方便。

1.3 舵机的选择

舵机作为控制起笔落笔的重要器件，要求反应灵敏，耐磨耐用，价格低廉。这里我们选用SG90S，这款舵机工作扭力为2.0kg（4.8V），反应速度为0.11s（4.8V），塑料齿的转动角度范围是90～180°，且重量仅有13.6g，便于机器灵活移动[2]。

1.4 蓝牙模块的选择

蓝牙模块用于与手机等移动上位机进行联系，这里选用HC-06蓝牙模块，工作频段为2.4G，工作电压3.0～3.6V，有效接收距离为10m，适于在教室等场合进行展示，也便于学生亲自动手体验;支持8位数据位，1位停止位、无奇偶校验的通信格式。

1.5 控制板的选择

主控板选择arduino uno r3，其上搭载的主控芯片为AVR的ATmega328P，且arduino系列产品都拥有简单易用的Arduino IDE作为开发环境，便于程序调试;arduino uno r3的时钟频率为16MHz，14路数字IO出口，六路模拟输入，输入电压7-12V，六路PWM通道。

1.6 串口通信

通过arduino uno r3的主控芯片ATmega328内置的UART进行与上位机的串口通信，再通过板上自带的CH340这一USB 总线的转接芯片就可以进行数据传输[3]。

2 机械结构的设计

本项目采用corexy结构，通过一根齿条在经过固定板上的从动轴、电机下面的主动轴多次改向后，使齿条回到原来的固定板，通过电机带动主动轴，主动轴带动齿条，齿条带动机械臂上的固定板来使机械臂在滑轨上移动。

X轴：将电机放在X轴两端，通过对两个电机的调控，控制机器在X轴方向（左右）和Y方向（上下）的运动;考虑到电气接线的缘故，我们将控制板放置在X轴左边的固定板上，这样导线可以在不碰触滑动路径、不影响机器运动的条件下连接主控板和舵机、电机等驱动装置[4]。

3 结束语

本项目设计了一个多功能写字机系统，采用corexy运动结构，此结构简单稳定，使电机不工作在运动轴上，保证了运动的稳定性的同时搭建也比较简易。针对教育水平各地区各学校发展不平衡，一些学校和教育机构虽然教授机床的相关课程，但却没有相应的条件能够使学生可以动手实践，本项目可作为简易的教具机床使用。除了具备传统的电脑控制，使用蓝牙功能后，还可以手机控制机械臂移动，不再受电脑携带不易的限制，可在普通教室作为学生了解机床的简易教具。另外，通过配置各种不同的模块装置后就具有作为教具、写字、绘制图案、雕刻、切割等功能。且本项目硬件方面有体积小、造价低、搭建简易的优点，利于在课堂、小型实验室使用;软件操作简单，利于无基础用户上手。

參考文献

[1] 冯亮，辛建，富东赢.基于arduino的激光雕刻&写字机的研发[J].科技创新导报，2018，（34）：92.

[2] 田军，杨磊，薛荣.基于智能控制的直流电机PWM调速[J].价值工程，2019，（18）：46.

[3] 刘勇，张东升，齐高峰.基于Arduino的一种桌面型激光雕刻系统的研发[J].花炮科技与市场，2018，（1）：59.

[4] 蔡睿妍.Arduino的原理及应用[J].电子设计工程，2012，（16）：3.

作者简介

郭宗昊（1999-），男;学历：本科生，现就读单位：临沂大学 自动化与电气工程学院，研究方向：自动控制、单片机应用技术。

霍建振（1972-），男;学历：硕士，副教授，现就职单位：临沂大学 自动化与电气工程学院，研究方向：自动控制、电力电子技术及电力拖动。

[基金项目] 临沂市科技攻关项目（编号：2015GG031）。