自制家用作业书写机：Arduino + GRBL 控制的笔绘仪

零部件与物料

零部件	数量
Arduino UNO	1
SG90 微型舵机	1
A4988 步进电机驱动板	1

所需工具与设备

• 3D 打印机

软件与在线服务

• Arduino IDE

项目简介

开源版 AxiDraw 笔绘仪，可在任意平面用笔/记号笔/铅笔书写绘图。独特 CoreXY 延伸结构使写字头超出机身，可直接覆盖书本作业。最大绘图区域 24×30 cm，成本约 $75（视采购渠道与现有零件而定）。

核心架构：Arduino Uno + CNC Shield + GRBL 固件。感谢 NextPCB 赞助 PCB 打样：

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步骤 1：零件清单（BOM）

机械件：

• Nema 17 步进电机 ×2
• M8×450mm 光轴 ×2（X轴）
• M8×350mm 光轴 ×2（Y轴）
• 3mm 光轴 ×2（Z轴，可拆旧光驱）
• M8×480mm 丝杆 ×1
• LM8UU 直线轴承 ×8
• SG90 舵机 ×1
• 5mm 弹簧 ×1（圆珠笔芯拆解）
• GT2 同步轮 16齿 ×2
• 624zz 轴承 ×5
• GT2 同步带 2000mm ×1

电子件：

• Arduino Uno ×1
• CNC Shield ×1
• A4988 驱动板（带散热片） ×2
• 跳线帽 ×6
• 12V 2A 电源 ×1

螺丝/螺母/垫圈：详见原文规格表（M3、M4、5/16in 等）。

步骤 2：3D 打印

• 模型源：Thingiverse
• Cura 切片，75% 填充（70-100% 均可），层高 0.1-0.2mm，PLA 材料
• 笔夹、滑块、X轴左右支撑需加支撑
• 最长件约 10h，最短 30min；PLA 200°C 打印，无需边裙/底板

步骤 3：X 轴组装

两根 450mm 光轴插入 X 支撑件（必要时圆锉修孔、橡皮锤辅助）。丝杆穿底部孔，两侧各加 5/16in 垫圈+螺母锁紧。

步骤 4：X 轴滑块与轴承

上下壳体各压入 4 只 LM8UU 轴承。4 只 624zz 轴承压入 3D 打印惰轮（第 5 只留 Y 轴用）。滑块用 M3×20 螺丝+垫圈+螺母固定 4 只带惰轮的 624zz。X 支撑端也用 M3×16 螺丝防光轴窜动。

步骤 5：Y 轴组装

Y-后部：两根 350mm 光轴装入 Y-后件，M4×35 螺丝+螺母+第 5 只 624zz 惰轮，M3×16 锁光轴。
Y-前部：光轴/后件穿过 LM8UU 装上 Y-前件。

步骤 6：XY 轴同步带张紧

尖嘴钳引导 GT2 带穿过壳体齿槽，两端卡入底部滑块齿槽，张紧不可过松。装带后壳体手推会变紧属正常。

步骤 7：Z 轴组装

取 2 根 3mm 光轴 + Slider、Pen Holder、Base Slide、3mm 螺纹拇指螺丝。
M3×20 六角螺丝+拇指螺丝胶水固定。3 颗 M3×16 将 Base Slide 锁在 Y-前件（配 M3 螺母）。
Slider 与 Pen Holder 合体，穿光轴，中间垫小弹簧提供抬笔预压（可剪短调节）。

步骤 8：电子部分

推荐 Arduino Uno + CNC Shield：
1) 4 片 A4988 贴散热片
2) 插入扩展板驱动座
3) Uno 叠加扩展板，接好所有电机线
Shield 内置细分控制（1/16、1/32 微步），精度更高但电机发热大。通过跳线帽短接模式引脚选细分档位（参考数据手册）。万用表测线圈分组接线。

步骤 9：软件工具链

工具链：

• Inkscape（矢量绘图/导入）
• Inkscape MI GRBL 扩展（转 G-code）
• Universal G-code Sender（发送 G-code）
• GRBL 固件（烧录 Uno）

下载链接：
Arduino IDE / UGS / Inkscape / 4xiDraw&km laser / Processing / drawing-to-G-code Processing（见原文链接）

步骤 10：实测演示

机器书写/绘图实拍视频见原项目页面。

代码

GRBL 固件（Arduino Uno）

/***********************************************************************
 * Grbl for 328p-based Arduino (Uno)
 * 导入 Grbl 源码到 IDE → 选板 Uno → 直接上传
 * 高级配置：修改源码目录下 config.h 的 #define 项
 ***********************************************************************/
#include <grbl.h> // 请勿修改此文件

原理图