DIY 写字机

2026/8/5

3D打印 esp32

自从我买了 3D 打印机之后，就十分好奇 CoreXY 结构，于是我打算 DIY 一个 CoreXY 平台。机床什么的是做不出来了，我就做了写字机 (Pen plotter) 。

框架

买了直线导轨，而不是像我家那个 3D 打印机一样的光轴。直线导轨是按 10cm 卖的，需要备注长度，商家去切。铝型材则是商家标好长度卖的。

到货后，滑块已经在导轨上了，我好奇它是怎么样的，就把滑块滑出导轨，看到里面有两排小钢球。我再把它装回导轨上时，没用多大力，就有两个小钢球掉出来，试了好几次才把它装回去。

导轨上有润滑油，味道非常大，我用纸巾把它擦掉了，但味道还是过了两三天才散去。大概是因为这个，不到两周就开始生锈了。

先定义坐标系：

       （后）
  电机        电机
    ----------- <--铝型材
    |         |
 导 |  -X轴+   |   +
 轨 |---------|  Y轴
    |         |   -
    |         |
(0,0)---------- <--铝型材
       （前）

我的结构和 3D 打印机的还不同，它的同步带从电机后面绕，应该是为了不挡住门，我没这个需求，就从前面绕，简单一些，还省几个惰轮。

首先做前面两个角的连接件。一开始我是把连接件和惰轮支架分开来做的，惰轮支架卡在导轨上。两侧的连接件和支架完全一样。

后来一装同步带，惰轮支架直接被拉掉下来了，所以重新设计，做了三层的惰轮支架，每层用螺丝固定。

同步带是往里拉的，所以上面那两层只在外侧用两个螺丝固定。两侧的支架不一样，在切片软件里镜像就行了，CAD 里就做了一个。

接下来是步进电机的支架。我买了两个 NEMA17 电机，高度 4cm ，有一个电机必须倒过来放，不然同步轮不够低，会爬坡，所以两个支架不能简单的镜像。

这个结构不是很结实。后来绕上了同步带，电机会轻微往前翘，只能拿一个重一点的东西压住。我也是没想到同步带有那么大力。

最后是 Y 轴两个滑块。它的作用是固定惰轮和 X 轴导轨。和第一次做的惰轮支架一样，用两根圆形的杆固定惰轮，不过因为这是一体的，所以强度还不错，装上同步带后也没有什么变形。

“工具头”

首先固定同步带。同步带卡扣是买的，在工具头上打两个孔，然后把用螺丝把卡扣固定住就行，这个简单。

难的，是怎么落笔。

最简单的方式就是把笔直接固定在舵机上，稍微偏离中心一点点，通过舵机转动直接带动落笔/抬笔。

不过，它有一些缺点。第一，工具头离纸有 4cm 左右，笔固定不稳，和纸的摩擦力大时容易卡住；第二，笔不是垂直落下去的，有可能写不出字。用过圆珠笔的都知道，斜着握笔，需要往手的方向“拉”，“推”是推不动的。而且落笔的角度和位置还会随着纸的高度而变化，如果在一本厚一点的书上写字，倾斜的更厉害，落笔位置也不可预测。圆珠笔还是比那种大头的马克笔难驾驭一些。

还有一个方案，同样是用舵机，但它在笔尖处固定，然后舵机通过抬起/放下笔芯尾部实现控制。不过，它仍然有以上问题。

所以我就用了齿轮条方案：在舵机上装齿轮，在齿轮条上装笔，在工具头上放一个垂直的滑槽，舵机带动笔垂直运动。

打开 FreeCAD 的 Addon manager ，安装 freecad.gears ，它需要 scipy 依赖，用 apt 安装：

sudo apt install python3-scipy

切换到齿轮工作台，创建 InvoluteGear 和 InvoluteRack ，调整尺寸，然后用 Part Design 画一个管道，拿来插笔芯。

我选择的是按动笔的笔芯，而不是拔盖签字笔的笔芯，因为按动笔的笔芯粗一些，结实，也短一些。

我手上没有直径稍大的弹簧，只能用按动笔自带的弹簧，只能把弹簧安装在它原本的位置。

第一次做出来就是这样的：

工具头 V1

组装好机器。

控制

步进电机驱动

驱动板的芯片是 ATD5833 。

首先，照着步进电机和驱动板的引脚定义接线：

驱动板	接线
VM	12V 电源
GND	接地
EN	接地使能
MS1、MS2	不需要微步，接地
M1A	电机 A+
M1B	电机 A-
M2A	电机 B+
M2B	电机 B-
VCC	3.3V 电源

上电，电机没有通电。我用手去转电机的轴，跟没通电时的感觉一样，正常情况下应该是有一个保持力矩的。

排查各个引脚的问题：

VM 连接了 12V 电源，没问题。
EN 接地是使能，我接地了。即使悬空，也有半流锁定功能，应该也有保持力矩的。
VCC 连接了 3.3V 。驱动板也支持 5V ，我也试了 5V ，没用。

拿万用表测驱动板的输出电压，在 0.1V 左右跳动，至少有输出，和不通电时还是不同。

我也转过驱动板上的电位器，转到哪都一样。

最后认为是驱动模块坏了，就买了两个 Drv8825 驱动模块。拿到快递后，看到 IC 表面跟抛光了一样，有可能是奸商把别的芯片打上了 TI 的丝印。

模块不需要 3.3V/5V 的 VCC 供电，可能是 IC 内部从电机的电源降压的。然后也用不了，用万用表测，也是电压跳动，拿 Hz 挡位测，有 20kHz 左右的脉冲。难不成是电机的问题？拿万用表测电机的两个线圈的电阻，都有 2Ω 左右，应该没问题。

那再买一个，如果还是不行，那就是我的问题了。我花了3倍的价格，去第一次买 ATD5833 的店铺，再买了两个 TMC2209 模块，一个 15 块钱。

买回来，接上，能用。

便宜没好货，但是能差到直接没法用，我也是真没想到。

固件

我手上有现成的 esp32s3 开发板。

固件则选择了 FluidNC（网页似乎不支持 HTTPS ）

FluidNC is a CNC firmware optimized for the ESP32 controller. It is the next generation of firmware from the creators of Grbl_ESP32. It includes a web based UI and the flexibility to operate to a wide variety of machine types.

打开 Espressif 的 esp-dev-kits 文档，翻到底部，照着它的引脚图，避开 strapping pins ，连接步进电机驱动板。

FluidNC 有 Web installer ，直接调用浏览器的 Web serial API ，连接 esp32 ，烧录程序。

烧录后，可以在 Web installer 里面修改一些配置。比如，它的 Wi-Fi 默认是 AP 模式，想要用它的 WebUI 就得连接到它的 Wi-Fi ，不方便，可以把它修改成 Station 模式，让它连接指定 Wi-Fi 。它支持 fallback ，如果连不上指定 Wi-Fi ，它会切换回 AP 模式。

打开家里路由器的 WebUI ，查看接入设备，有一个 hostname 为 fluidnc 的设备，在浏览器里用 IP 地址访问它的 WebUI 。

这个 UI 设计的还不错。

写了一个简单的配置文件，把它配置成 CoreXY 模式，再把步进驱动模块连接到的 GPIO 写进去。在 WebUI 的首页上传文件，它默认识别 config.yaml 为配置文件，可以在 WebUI 的设置里修改默认使用的配置文件的文件名。上传完配置文件后重启。

默认在 Alarm 状态，要进入 Idle 状态，需要先 soft reset ，然后 unlock 。它还有 sleep 状态，会关闭所有电机。

在它的 WebUI 里面 Jog XY 轴，Y轴没问题，X轴反了。

配置文件里，给direction_pin后面加个:low可以反转电机方向，比如direction_pin: gpio.7:low。

也就那么6种情况，挨个试试：

X电机反向
Y电机反向
XY电机都反向
交换XY电机，X电机反向
交换XY电机，Y电机反向
交换XY电机，XY电机都反向

我的运气比较差，试到最后一个才成功。

配置成 Z 轴的舵机动不了。关机的时候用手去转舵机，FluidNC启动时会给它设置一个角度，说明还是能控制的。仔细去看 FluidNC 的文档，加上了steps_per_mm和max_travel_mm这两个配置后，能动了。

FluidNC 就是快，几秒就能重启，改配置很快就能生效，修改部分配置甚至无须重启，我那个 3D 打印机开机都要开半分钟。

完整配置：

name: "Plotter"

kinematics:
    corexy:

axes:
  x:
    motor0:
      standard_stepper:
        step_pin: gpio.6
        direction_pin: gpio.7:low
        disable_pin: gpio.47:high
  y:
    motor0:
      standard_stepper:
        step_pin: gpio.4
        direction_pin: gpio.5:low
        disable_pin: gpio.48:high
  z:
    steps_per_mm: 100
    max_travel_mm: 5
    motor0:
      rc_servo:
        output_pin: gpio.21

写字

接下来我就需要一个 G-code sender ，我选择了 AxioCNC ，去它的 Releases 里面下载 .deb ，然后用sudo dpkg -i axiocnc.deb安装。

我第一次下载的是 desktop 版，启动后它会打开自带的 Chromium ，但是一直显示连接中。之后又下载了 headless 版，在浏览器里访问它的前端。后来想起来，第一次打不开有可能是因为我在环境变量里配置了代理。

去设置里连接 esp32 ，选择对应的串口。回到主页，连接。

用 Inkscape 写一个 Hello world ，选中它，在工具栏的 Path 菜单里使用 Object to path，把它转为 path 。

找了一个 svg 转 G-code 的工具：svg2gcode ，把 svg 放进去，导出 gcode 。

svg2gcode

可以用 NC Viewer 预览。

NC Viewer

它没有生成抬笔/落笔指令，需要自己加。用 nvim 编辑 gcode，在 G0 前后插入抬笔和落笔命令：

:%s/^G0.*/G0 Z-3\r&\rG0 Z-13/

加载 gcode 到 AxioCNC 里，手动归零，启动 job ，最后写出来是这个样：

因为纸和笔尖的摩擦力大，再加上固定笔的地方离纸比较远，写字时，笔尖容易“卡”在纸上。跟用手拿笔是一个道理，握笔时离笔尖远了，力气小了，控制力就差，机器也是一样。

所以我改进了工具头，加长了导轨的长度，让它离纸更近一些。也改进了齿轮条，在笔尖的位置固定住，防止笔芯本身变形。

再换上一个几乎是新的笔芯，拿它写字：

2026/7/30
我用 FluidNC + AxioCNC
控制 Plotter
写下这段文字

跟旁边的 Hello world 比，确实好了很多，但还是远远达不到我的要求。

通过继续加长 Z 轴导轨，让导轨离纸更近，来提升稳定性，这个方法应该不管用了。第一，毕竟是塑料，导轨长了会变形；第二，导轨长了，3D 打印时就需要更多支撑；第三，齿轮条和导轨之间的摩擦力会变大。最后，导轨如果更低，如果我要在一本厚一点的书上写字，导轨和地板之间就没有足够距离了。

重新设计

既要在 XY 平面不晃动，又要在 Z 轴上下运动，我能想到的，只有金属的直线导轨了。我就买了一条 10cm 的 MGN7 导轨和一个 MGN7C 滑块。7mm 宽的导轨非常细，笔芯都有 5.4mm ，但它很轻。

我选择固定滑块，让导轨上下运动，跟之前的做法差不多，只是塑料导轨变成了滑块，而齿轮条变成了导轨。

可以继续用舵机和齿轮条带动导轨上下运动，不过既然改都改了，那就改的彻底一点，把它变成一个真正的 Z 轴。于是，我买了一个 NEMA11 步进电机，长度和宽度都是 28mm 。小电机居然比那两个 NEMA17 的大电机还贵几块。最后加上同步轮、同步带。这次的同步带用 6mm 宽的。

先改工具头，电机没有直接放在工具头上，而是架起来，给固定工具头的螺丝钉留位置，再在右侧加上惰轮支架和滑块支架。

Z 轴同步带的两端固定在导轨上。其实更好的做法是固定在工具头右侧，导轨上用惰轮，类似动滑轮，这样可以减少对导轨侧向的拉力。但是，第一，惰轮很大，第二，工具头本来就很宽了，再加宽就没多少空间运动了。

改完工具头，快递还没到，还有大把时间，于是把别的几处也改了。

Y 轴上的左右两个惰轮支架用柱子支撑，容易变形，改成和前面两个角落一样的三层结构。

可惜 X 轴导轨买短了，如果长一点，就可以直接用螺丝固定在滑块的钉孔上。金属的，更稳。

电机往前翘。正放的电机支架从两个螺丝固定改成四个。倒放的电机支架的高度减少几毫米。再加上框架容易变成平行四边形，于是给每个导轨的两端都改成用两个螺丝固定。

改完之后，闲着没事干，给电机、导轨、铝型材、同步轮和惰轮建模，切换到 Assembly 工作台，把它们和我自己的零件一起放到一个 Assembly 里面，添加 Fixed joint 和 Revolute joint ，工具头就可以在导轨上滑动：

当然，这么做也有点用，我可以在 Assembly 里用 Measure 工具测量同步轮、惰轮和工具头上的同步带卡扣是否在一个高度上，防止同步带爬坡。

到货了之后，量了尺寸，没问题，开始打印所有零件，同时拆掉之前装的机器。

除了设计改进，这次我也用了 ABS 代替之前的 PETG ，应该更硬一些。

组装好：

虽然比 V1 稳了很多，但两条同步带仍然要一样紧，不然 X 导轨会歪一点。

本来有两个 5V 稳压模块的，都拿去改车了，附近又没地方插充电头，只能用可调电源，把 12V 降到 5V ，给开发板供电。

工具头特写：

用两个惰轮会更好，但是没地方装了。

线有点乱，但不影响使用。

修改配置

电机的步距角是 1.8° ，GT2 同步带的齿距是 2mm ，我用的同步轮有 20 齿，steps_per_mm就应该是(360°/1.8°)/(20*2)=5，但实际它走的距离远小于预期，我就看了步进驱动器的文档，它的 MS1 和 MS2 引脚控制了微步，最大是 1/8 ，没有全步，我不知道默认情况下它是拉低还是拉高，就把两个引脚接地，就是 1/8 微步。设置的steps_per_mm就要乘4，也就是 40 。

然后启用 homing ，XY 轴的原点就是左前方，Z 轴的原点是它能运动到的最上方。

测试的时候，Z 轴导轨撞到了铝型材，还好影响不大，笔还是挺紧的。~~这下真的需要一个物理的 E-STOP 急停按钮了。~~ 加一个软限位，设置max_travel_mm和soft_limits。

axes:
  x:
    homing:
      positive_direction: false # 向负方向寻找限位开关
      mpos_mm: 0 # pull off 结束后的 X 轴坐标
      cycle: 2 # 一键 home 时，先移动 Z 轴，再移动 XY 轴
      seek_mm_per_min: 1000 # homing 时的速度
      soft_limits: true # 如果 gcode 移动距离的超过软限位，打断。jogging 默认有软限位。
    motor0:
      limit_neg_pin: gpio.12:low:pu # 常开限位开关的 GPIO ，默认 pull up
      pulloff_mm: 5 # 碰到限位开关后，向正方向移动一点距离，离开开关
      # ...
  z:
    homing:
      positive_direction: true # 向正方向（上）寻找限位开关
      cycle: 1 # 第一轮 homing
    # ...

FluidNC 的默认速度很慢，需要自己去试，找到合适的速度。Z 轴的运动距离就那么一两毫米，速度不重要，所以主要是 XY 轴的。

默认的 jogging 速度很慢，需要用 gcode ，自己设置 feed rate ，比如G1 X200 Y300 F1000。

一开始我设置的max_rate_mm_per_min是 6000 ，也就是 10cm/s ，之后每次提升 2000 ，提升到 14000 的时候出现异响，但距离仍然精准，我觉得可能是共振问题，就继续提到 16000 ，开始丢步，于是最终把速度设在 12000 。acceleration_mm_per_sec2一开始设在 300 ，后来提升到 500 ，够快了，就没再往上试。

写个字试试：

2026/8/3
Plotter V2
重新设计，精度大幅提高

相比左边写的"AxioCNC"，效果好了很多。

后来测试时，12000 的速度也时不时丢步，所以改回了 8000 。

除了研究 CoreXY 结构，还有一个原因让我做了这个写字机。

2024 年 9 月，极客湾发布了一个视频：我们造出了“自动写作业机器人”，从框题到推理、写字，甚至翻页，都能全自动完成，我十分羡慕。当时我刚上高中，技术这一块，可以说是几乎不懂，尤其是硬件。但我一直都有要做它的想法。

现在做出来了，它到底能不能写作业呢？

我半个月前做了作业管线，用 AI 解决了 OCR 和推理，但仍需手写。截至这个项目完成，我已经用手写完了大部分的暑假作业，但还留了几页，给它来写。作业管线数据还留着，从数据库里拿出来 AI 生成的答案。

我选择了让它写数学的大题，因为空间够大，写歪一点也没事。缺点就是，需要解决 LaTeX 的问题。

Markdown 是这样的：

(1)

$x_n = 2(n-1) = 2n - 2$

$y_n = 2 \cdot 3^{n-1}$

$\begin{cases} a_n - b_n = 2n - 2 \\ a_n + b_n = 2 \cdot 3^{n-1} \end{cases}$

安装 Pandoc ，把它渲染成 PDF ：

sudo apt install pandoc texlive-latex-recommended
pandoc answer.md -o answer.pdf

不支持全角标点符号，手动删去。

把生成的 PDF 导入到 Inkscape ：

大概是字体问题。在导入时选择 Draw all text ，把所有字转为 path ，这下可以了。

保存为 svg ，用 svg2gcode 转换：

不知怎的，就是生成不了，我用 Inkscape 导出 Plain svg 也不行。找个 svg 清理工具：svgcleaner ，用 Rust 写的，最后一次 release 是 8 年前，有 Linux 版

./svgcleaner math.svg math-clean.svg

8 年前的，还能用，静态链接的优点就是这个了吧。

再放到 svg2gcode ，这下能正常生成 gcode 了。

用 NCViewer 预览，才发现忘用单线字体了，它仍然是描边。

Inkscape 里有一个功能：Extensions > Text > Hershey text ，可以使用 Hershey font ，把文字转为单线字体。

重新导入 pdf ，选择 Keep missing font’s names ，打开那个拓展，开启 Live preview 。

可以看到，所有的减号都渲染不出来。试了它自带的所有字体，都没用。

把减号复制出来，在 Unicode explorer 里面搜索。它的减号是 U+2212 minus sign ，而不是键盘上的 U+002D hyphen minus 。

手动替换 minus sign 为 hyphen minus 。大括号的问题是没法解决了，除非自己画一个。

在 Inkscape 里面调整文字大小和位置，再生成一个 gcode ，用 nvim 加抬笔落笔。导入 AxioCNC ，开始。

实际花了 13 分钟，远慢于手写。视频用了 30 倍的速度。

虽然不如极客湾的那个，我做不出自动识别，也做不出自动翻页，但它至少能用。

总结

FreeCAD 文件和完整的 FluidNC 配置我都放在 GitHub 的 BinTianqi/Plotter 仓库里了。

最后，拿它画一个 ATRI 的学校吧。

（自己在 Inkscape 里描的线，svg 也放在 GitHub 上了）

材料清单

硬件

主框架

3 * MGN12 导轨（两条 50cm 的，一条 35cm 的）
3 * MGN12C 滑块
2 * 2020 铝型材（两条 35cm 的）
1 * GT2 同步带（一卷 5m）
2 * GT2 同步轮
6 * GT2 惰轮（10mm 宽，带齿）
2 * GT2 惰轮（10mm 宽，不带齿）
2 * GT2 同步带卡扣
2 * NEMA17 步进电机

Z 轴

1 * MGN7 导轨（10cm）
1 * MGN7C 滑块
1 * GT2 同步带（6mm 宽）
1 * GT2 同步轮（6mm 宽）
1 * GT2 惰轮（6mm 宽，不带齿）
1 * NEMA11 步进电机

其他

1 * 12V 电源
3 * TMC2209 步进电机驱动模块
1 * esp32s3 开发板

总成本不到 300 块。

软件

FluidNC
AxioCNC
Inkscape
svg2gcode
NCViewer