自動繪圖機! 教你畫出一支皮卡丘!


(文章後面有高畫質影片)



成功畫出皮卡丘!


大人的科學-自動手書きマシン オートマ・テ

會製作這個自動寫字機主要是因為前陣子買了大人的科學與明和電機合作的 「自動手書きマシン オートマ・テ」 https://otonanokagaku.net/magazine/vol41/index.html

這本雜誌的附錄就有一個自動手寫的機器人,自行組裝好,裝上電池按下開關,就可以自動寫出文字或是畫圖


裡面還附三種圖案可以替換,一種圖案有3片不同形狀的凸輪片,分別是X軸Y軸以及Z軸


這幾片凸輪圓盤旋轉之後,帶動機器,移動X、Y、Z軸,就可以寫出漂亮的字


看起來超複雜的凸輪片其實原理很簡單! 只要利用座標的概念,在凸輪設定X軸、Y軸、Z軸的座標數值,就可以讓機器寫出任何圖案 我們先來看看這個機器的機構部分

圖片中我推動的分別是X軸、Y軸跟Z軸 凸輪的工作就是旋轉的時候,分別將偵測的桿件往外推動,就可以讓筆移動特定的距離 但這種凸輪,一般讀者不太容易自己設計,所以大人的科學雜誌很貼心的寫了一個網頁,讓你可以自己創建圖案,畫好圖就可以自動生成圖片所需的X軸、Y軸與Z軸的凸輪,有興趣的朋友可以到這個網址玩一玩喔~ https://otonanokagaku.net/magazine/vol41/appli/


製作過程

好了,講這麼多! 快來看看我做的自動繪圖機,到底是怎麼回事吧~



設計方向

首先我覺得這個裝置最難的部分,是寫字的機構,要如何製作出穩定滑順的裝置真的花費我很多的心力去測試 我參考大人的科學版本後,有幾點需要重新修正 1.這個寫字機回來的方式是用彈簧拉回來,但我手邊沒有剛好的彈簧,所以彈回來的機構需要找到替代品


2.這種有XYZ軸的機構,只要一軸移動了,另外其他軸也會跟著移動,而他解決方法是用拉線的方式,但我覺得這種方式不太可靠,再加上我手邊沒有釣魚線,所以就要想一下別種方式才行


3.原版的XYZ三軸的偵測點在同個位置,這樣的做法可以讓凸輪盤在同個地方定位,但我自己製作的話,機構可能會產生干涉(看看同個位置堆了多少零件...),為了避免困擾所以我把偵測點避開


機構測試

確定好要修改的部分就開工了!! 首先我先用風扣板來製作模型,測試機構

確認零件尺寸與相對位置之後,就進電腦畫較為精確的圖,再利用雷射切割切出來實驗



經過兩天的設計,終於定案了!


說明上圖我修改的幾個部分 1.彈簧的部分直接使用橡皮筋,橡皮筋用2條連在一起,是因為我希望自動繪圖機的可寫面積為5x5cm,也就是說橡皮筋的行程要有5cm,用兩條橡皮筋可以確保力量穩定輸出。 2.連接的部分使用培林放在中空孔內,這樣的機構可以讓X軸移動的同時,Y軸也能同時移動,兩軸之間不會互相干涉,替代原本綁線的方式 3.我將X軸與Y軸的偵測旋轉90度,這樣確保零件之間不會干涉,安裝也比較容易 完成之後的測試


凸輪繪圖盤

機構設計完成之後,就可以進行圖案設計的部分了 我使用的軟體是Rhino 6 以及外掛Grasshopper讓我能夠以圖形化介面,讓電腦自動生成我要的圖案。 這邊簡單說明一下設計的邏輯 凸輪繪圖盤的設計需要依據機構,設定一個範圍,以我設計的機構來說,凸輪繪圖盤的範圍直徑要在100~150mm之間 所以皮卡丘圖案的X軸圓盤,就是介於100~150mm


下圖右邊紅色點點的位置,分別對應畫圖的X軸座標0與25的位置


我的機器座標原點在右上角,所以右上角為0,0原點 X與Y的偵測點行程為25mm,以原點0,0畫的這個方塊就是可以畫圖的面積了  (經由機構可以放大2倍,所以實際上畫圖範圍是50mm平方)



這邊用方型的圖案作為示範,圖案的起點座標為5,5,依序把座標點標出來


接者在凸輪上平分四個點,標示座標的位置,就可以得到凸輪初步的形狀

當然如果只有四個座標點是不夠的,只要座標點夠多,就可以畫出更精確的圖案

像這樣標示一堆點之後,連起來就可以得到"方形"圖案的X軸凸輪了


依照此原理,我將皮卡丘的圖案等分成1000個點,經由程式計算出相對應的X座標與Y座標


利用取得的座標,就可以算出皮卡丘X軸的凸輪座標,再把所有點連起來就完成了


Y軸的凸輪也是相同原理,但這邊要注意的是Y軸的偵測點在上方,而X軸在右方,所以Y軸的凸輪繪圖盤必須要旋轉90度 在設計皮卡丘圖案之前,也找了幾個圖案測試,這是初期測試的影片 Facebook影片連結: https://www.facebook.com/DavidHuangsLab/videos/3778590945514854/


"讚"的圖案效果很好~特徵細節都有完美呈現~ 當然也要來測試這種凸輪的極限,看看能不能繪製精細的圖案,所以測試一下文字的部分

“Maker”文字的效果差強人意,後來發現原因不是凸輪設計的問題,而是機構以及筆本身晃動產生的誤差,導致文字在X軸會有左右偏移的現象,字就黏在一起了。 經過幾次測試之後~ 皮卡丘就決定是你了! 這種圖案既可以一筆畫完成,而且複雜程度剛剛好能完美呈現~


放上皮卡丘的凸輪繪圖盤



失敗的Z軸

再來就是Z軸的部分,其實原本有打算製作Z軸的。 原本大人的科學Z軸是用拉線解決,而我試著將底板從下方升起的方式處理,這樣就可以避免機構太過複雜的問題,從底部拉一個獨立的機構把Z軸吊起來


但這樣的作法需要很大的力道,使用凸輪製作可能會卡住或有其他問題存在,所以就將Z軸捨棄了,改為手動的方式升起底板。


這個手動的升起機構是使用四連桿固定的方法,升起的細長壓克力有些變形,但可以讓畫筆跟紙張接觸時,有點彈性空間



轉動齒輪

轉動的方式大人的科學是使用馬達帶動,而我在初期測試時是直接用手轉動,覺得用手轉動還滿有趣味性的,所以就設計齒輪以手動方式轉動,利用小齒輪帶動,可以順暢的放大力道,輕鬆控制



完成!

裝上紙張,裝上筆,轉動齒輪,人人都可以輕鬆畫出一支皮卡丘~


高畫質影片:


後記

這次的作品大概花3天時間製作,會製作的原因主要是之前沒設計過凸輪這類的機械裝置,想要用個簡單的作品來做實驗。 而這類的機械結構早在17世紀就被玩到爛掉了,在早期這類東西多為鐘表師傅的創作,在沒有電腦與機械加工技術的古代,那些人就已經製作出自動寫字、畫圖、甚至彈鋼琴的機器了,有興趣的朋友可以看Automatons介紹影片: https://youtu.be/C7oSFNKIlaM 再回頭看我做的自動繪圖機只是幼幼班的等級XD 感謝各位的觀看~


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