中文 | English

【自造筆記】進階五連桿畫圖機

自從5,6月製作了一款齒輪連桿畫圖機之後,就一直想製作另一個更複雜的設計
vMaker文章連結: https://vmaker.tw/archives/36818
youtube影片連結:https://youtu.be/DpHBdhuYsPU

國外有一系列稱為kinectic drawing machine的作品,原本是利用兩個唱片轉盤的調速來改變圖形,其中很有名的一位創作者是Robert Balke。更多他的作品可以在他的網站跟Instagram看到
網站連結: https://robertbalke.de/
Instagram連結: https://www.instagram.com/robertbalke/

這次我想要透過更為機械的方法來創作作品,因此稍微做了一點研究發現不同於之前做的Geared Five bar mechanism是透過齒輪限制連桿組的自由度,還可以透過多個獨立的輸入來限制連桿組的自由度。(當系統只有一個自由度時,就會有固定移動的軌跡)
所以概念就逐漸形成,要將原本的齒輪換成能夠獨立控制的輸入源,製作兩個輸入的5連桿機構。同時也為了配合Maker Faire Taipei 2019的參展,這次作品就直接放大4倍,做成50*50cm!

材料選用

結構材料:盡可能還是維持簡單,所以是以3mm密集板和3D列印件為主
馬達:大尺寸且需要精細的控制馬達,所以必須要使用好一點的馬達,我用的是網路上資源比較多的NEMA17步進馬達。
控制板:電路底子比較差的我,也是找到資源較多又比較簡單的方法,所以使用Arduino Uno + CNC Shield V3來做3組馬達做控制。
電源:外接12V的電源供應器

設計細節

結構加強:雷切作品在放大的過程中,會凸顯木頭材料本身過軟的缺點,容易因自身重量變形,最簡單的加強方式就是將密集板疊厚,我這次是加強到6mm的厚度(兩層),若需要做到更大的尺寸則需要用結構的方式加強,否則純粹用疊加的方式會有過重的問題。
繪圖紙替換:上一次的設計最大的問題就是繪圖紙的替換十分麻煩,而且原本用口紅膠的固定方式不只會讓紙容易被撕破,殘留在木板上的問題也很嚴重。因此這次我們嘗試在木板上面貼上一層塑膠片,並用3M的噴膠黏貼,應該能大幅改進替換的難易度跟問題。
摩擦力控制:和第一點提到的木頭過軟類似,摩擦力也是木製作品一個很大的問題。我們這裡除了預留更多餘隙之外,最重要的是在轉盤下面自製鋼珠萬向輪,用來減少圓盤的接觸面積進而大幅漸低摩擦力。
連桿固定: 連桿的長度調整跟拆裝也是前一代很大的問題之一,所以這次我們就嘗試使用我們很愛應用的磁鐵,看能不能取代轉軸軸心的角色。

製作重點紀錄

由於這次製作過程很冗長又很多trial and error,因此就不一步一步說明製作過程,只挑出關鍵的環節分享囉
電腦模擬(linkage):這種複雜的連桿機構能夠先在電腦模擬,實在非常有幫助,之前看到有人分享linkage這個免費的軟體 (只有window版) 雖然功能蠻陽春的,但是各種連桿跟驅動方式都有支援,最重要的是可以繪製路徑,這些功能都比一般繪圖軟體更為強大跟快速,很推薦大家使用喔

摩擦力控制:雖然已經預期到,但仍然有許多可以進步的空間,應用金屬跟潤滑油作為主要的潤滑方式是很有幫助的做法,但應該還可以融入鐵氟龍之類的低摩擦係數的塑膠,可能會更有彈性
A4988步進馬達驅動板:A4988上面的可調式電阻可以控制參考電壓,雖然對於限制電流很有幫助,但是對於想要簡單上手來說十分困難,為了預防過熱問題,參考電壓我都只抓在0.4~1V附近,但就無法發揮到步進馬達的全力
磁鐵:磁鐵真的是超級好用的東西,能夠很穩定的結合物件也很容易組裝替換,很適合應用在模組化的作品內
定位柱:雷切作品越做越多,越覺得定位柱是非常重要的東西,雖然在產品中不太常看到(外觀會比較醜一點),但是定位柱對於要面與面對齊的情境下是非常好用的,也不用怕在用夾具夾緊的時候滑動

未來進步項目

控制器:雖然現在能畫出幾個有趣的圖案,但是能夠調整馬達轉速(動態或非動態)還是對於裝置的完整度有很重要的角色,因此加入控制盒(旋鈕)非常重要
更好的替換繪圖紙設計:雖然現在已經好拆裝很多,但是撕下來的紙都很捲曲,不適合贈送或是收藏。最好的方式是能夠有類似一疊紙在繪圖機圓盤上,畫完後一張一張依序撕開。但這個要花很多時間,而且會大幅增加轉盤重量,極可能影響到馬達的扭力。
連桿長度設計:這次由於連桿長度可調整範圍蠻大的,加上轉盤為獨立控制,導致繪圖筆頭蠻容易超出圓盤,這部分還需要更多的研究跟實驗才能有比較好的配套方式

*下圖是 Robert Balke 其中一次展覽使用的控制器造型

分享到社群

林 允涵

透過拍攝影片紀錄創作過程並提供開源設計,讓更多人對於自造運動產生興趣並開始自己動手實現自己的想法