设计一款紧凑型A4 CoreXY绘图仪，配备定制电子元件和ESP32固件，实现精准运动控制

Mini Plotter 是一款桌面尺寸、支持 Wi-Fi 的笔式绘图仪，可在 A444 纸上绘制任意矢量图形。您只需通过手机或笔记本电脑浏览器连接设备，上传 SVG 文件，即可观看图形自动绘制。无需线缆、无需特殊软件，也无需驱动程序。所有操作均通过由绘图仪自身托管的简洁定制网页界面完成。

它通过步进电机在两个轴(X和Y)上移动笔，再利用伺服电机在Z轴上升降笔。这是任何CNC机床的经典三轴结构，经过缩小并简化后变得更加易于使用。

我们为什么要建造它?

该项目由喀拉拉邦创客实验室(Fab Lab Kerala)的团队开发，该实验室专注于数字制造、开源硬件和动手学习。

动机很简单：打字机绘图仪是有趣的设备，但大多数要么是昂贵的商用机型，要么是复杂的业余爱好者自制装置，需要通过USB连接笔记本电脑，并配备一系列软件工具。我们希望去掉所有这些繁琐的东西。

我们的目标是：

•使绘图仪完全无线且自给自足(设置后无需电脑)

•让每个人都能使用：如果你能将文件上传到网站，你就可以使用这个绘图仪

•使用价格实惠且易于改装的组件(如28BYJ-48步进电机、ESP32芯片、3D打印结构)来构建，以便任何创客空间或Fab Lab的人都能复制它。

•将概念验证为产品原型：一个真实、精美的设备，而非概念验证的线缆束。

它是如何工作的?

总体而言，工作流程如下：

•开启迷你绘图仪。ESP322 启动并创建一个 Wi-Fi 接入点。

•将您的手机或笔记本电脑连接到该Wi-Fi网络。

•打开浏览器。您将被自动重定向至绘图仪内置的网页应用( captive portal )。

•在网页界面上传一个SVG文件。

•该网页应用使用 JavaScript 在浏览器中解析 SVG SVG 并将其完全转换为 G 代码。

•G代码通过Wi-Fi发送回ESP32。

•ESP322 固件会解析每个 G 代码指令，并相应驱动步进电机和伺服电机。

•笔在纸上移动，勾勒出你的设计。

无需云服务，无需应用商店，无需驱动安装，只需一个浏览器和一个SVG文件。

运动系统

绘图仪采用笛卡尔坐标系的XY运动系统：

•X轴：一个28BYJ-48单极步进电机通过GT2皮带和皮轮驱动，使笔架沿水平杆左右移动。

•Y轴：第二个28BYJ-48电机可带动整个X轴组件前后移动，实现A4图纸区域的完整二维覆盖。

•Z轴(笔架升降)：一个小型SG90伺服电机可升降笔架，使绘图仪在不绘图时(笔上)和绘图时(笔下)都能移动。

28BYJ-48 是一款小型、低成本的单极步进电机，内置行星齿轮箱，因此在体积相对较小的情况下具有较高的扭矩。每个电机由 ULN28033 达林顿晶体管阵列驱动，该阵列将 ESP32 的低电流 GPIO 信号转换为驱动电机线圈所需的电流。

绘图区域

A4(约210 x 297毫米)，标准纸张尺寸，覆盖范围完整。

机械设计

框架

整个框架均为3D打印而成。每个结构支架、导轨、电机支架、皮带张紧器和笔架均专为FDM打印设计，并在无需金属加工的情况下组装完成。这使得该设计可完全复制，任何创客空间或Fab Lab均可使用桌面3D打印机进行制作。

关键设计考虑因素：

•刚性与重量：零件设计时具有足够的壁厚，以防止拉伸过程中的弯曲，同时尽可能减轻移动滑架的重量，从而降低电机负荷。

•皮带路径：GT2皮带传动系统已集成到印刷机车的设计中，并配有张紧器以消除回差。

•笔架：Z轴笔座可固定标准马克笔，并直接连接到伺服臂，使伺服电机的旋转可直接带动笔尖上升或下降。

装配

框架采用标准的直线杆(光滑钢制)，并配有印刷轴承座，使运动轴保持笔直且摩擦低。两个轴相互垂直，形成经典的CoreXY相邻布局，即一个电机独立控制一个轴。

电子产品

ESP32

ESP32 是绘图仪的“大脑”，负责处理以下功能：

•托管Wi-Fi接入点和 captive portal portal portal 网络服务器

•通过浏览器接收Wi-Fi上的G代码

•实时解析并执行G代码指令

•通过ULN2803驱动器为步进电机生成步进脉冲

•向伺服发送PWM信号以控制笔的升降

ESP32的双核架构非常适合此应用：一个核心负责Wi-Fi/HTTP协议栈，另一个核心处理对时间敏感的电机步进控制，从而避免通信延迟影响运动的平滑性。

步进电机驱动器：ULN2803

ULN2803 是一个 8 通道达林顿晶体管阵列。每个 28BYJ-48 电机有 4 个线圈输入，因此一个 ULN28033 可驱动一个电机(使用其 8 个通道中的 4 个)。ESP32 的 GPIO GPIO 引脚连接到 ULN2803 的输入端，输出直接连接到电机线圈。

28BYJ-48电机采用半步模式运行，实现更平滑的运动和更高的有效分辨率，通过齿轮箱每全转一圈可提供4096个步数。

接线概览

注意：ESP32 采用 3.3V 逻辑电平，但 28BYJ-48 和舵机则使用 5V 电压。ULN2803 的输出端兼容 5V，因此是连接这两个电压等级的理想接口。

固件

固件使用Arduino框架(通过Arduino IDE或PlatformIO)在ESP32上运行。

固件的功能

•启动时：以接入点模式初始化Wi-Fi，启动HTTP网页服务器，并设置电机和舵机的GPIO引脚。

•提供网页应用服务：网页界面的HTML/CSS/JS存储在闪存中(SPIFFS/LittleFS)，并由任何连接的浏览器获取。

•接收G代码：浏览器将G代码行(或完整的G代码程序)通过POST方式发送到ESP32上的HTTP端点。

•解析G代码：固件会读取诸如G0(快速移动)、G1(直线移动)、M3/M5(笔下/上)等指令，并将其转换为电机动作。

•执行运动：步进脉冲按正确顺序发送至ULN2803驱动器，以实现半步操作;伺服电机将位置调整为0度(笔向下)或90度(笔向上)。

关键固件功能

•捕获门户：任何对未识别域名的HTTP请求都会被重定向至绘图仪的Web应用程序，从而实现无缝体验(无需输入IP地址)。

•G代码队列：传入的G代码被缓冲，以便Web应用程序在执行前发送指令。

•加速：实现了基础的梯形加速，以防止齿轮式28BYJ-48电机在快速运动时发生卡死。

•归位：启动时，车床移动到其初始位置(原点角)，以便后续所有坐标保持一致。

支持的G代码指令

命令 — — 操作

G0 X__ Y__ -- -- 快速移动(向上笔)至坐标

G1 X__ Y__ -- -- -- 线性绘制移动(笔向下)

M3 -- 下压(伺服用于绘制位置)

M5 -- 提起(伺服移动到位置)

G28 -- -- 所有轴归位

软件：网络应用程序

这正是Mini Plotter与众不同的地方。它无需用户安装GRBL发送器、Inkscape插件或Python脚本，所有操作都在浏览器中完成。

网络应用的工作原理

该网页应用是一个使用纯JavaScript编写的单页应用程序，直接从ESP32的闪存中加载运行。当用户连接到绘图仪的Wi-Fi网络并打开浏览器时，即可立即看到界面。

第一步：上传一个SVG文件

用户从设备中选择任意一个SVG文件。该文件通过FileReader API在浏览器中读取，且在此阶段不会离开设备。

第二步：SVG转G代码

JavaScriptJavaScript 应用程序解析 SVG DOM，提取所有路径元素，并将其转换为 G 代码：

•元素通过其 d d 属性进行转换。贝塞尔曲线和弧线被近似为短的线性段。

•元素作为特殊情况处理，并转换为相应的线性工具路径。

•每条连续路径变为笔下段(G1移动);在不连续路径之间的移动变为笔上快速移动(G0 + M5/M3)。

•坐标系经过缩放和平移，以适应A4图纸的区域。

•生成的G代码会显示在预览面板中，以便用户在发送前进行检查。

第三步：预览

基于画布的视觉预览可在浏览器中直接渲染工具路径，准确显示绘图仪将绘制的内容，包括哪些部分为连续移动(以颜色显示)和快速移动(以虚线显示)。

第四步：发送至绘图仪

当用户点击“绘图”时，G代码会通过HTTP POST请求以逐行(或批量)方式发送到ESP32的/plot端点。网页应用会跟踪进度，并显示实时状态指示器。

为什么选择定制网络应用?

•无需安装：可在任何支持浏览器的手机、平板或笔记本电脑上使用。

•离线模式：无需网络连接即可完全正常运行(应用程序由绘图仪本身提供服务)。

•快速迭代：更新网页应用就像重新刷写SPIFFS分区一样简单，无需重新编译固件。

•可扩展性：未来诸如路径优化、填充图案或多层绘图等功能，均可纯通过 JavaScript 添加。

构建说明

1. 打印零件

从仓库中打印所有STL文件：

•层高：0.222 毫米

•填充率：30-40%

•材质：PLA(使用PETG以提高刚性)

•支撑：车架轴承座所需

2. 组装框架

•将线性杆穿过印刷轴承支架

•将步进电机安装到其印刷的支架上

•调整GT2皮带的路径和张力

•将伺服电机安装到Z轴笔架导轨上

3. 连接电子设备

根据仓库中的接线图进行连接：

•ESP32 -> ULN2803 输入(每个电机4个引脚)

•ULN2803 输出 -> 28BYJ-48 电机线圈

•ESP32 GPIO 23 -> SG90 伺服信号线

•为所有组件提供5V电源

4. 刷写固件

Bash

5. 首次运行

•开启绘图仪电源

•将您的设备连接到名为“MiniPlotter”的Wi-Fi网络

•打开浏览器，您将自动被重定向至网络应用程序。

•上传一个 SVG 文件并点击“绘制”

本文编译自hackster.io