最简单的数控机床，零件最少 - DIY 激光雕刻机
在本教程中，我将向您展示我如何在不使用 3D 打印机的情况下，用最少的零件构建最简单的 CNC 机器。这是正确的。在我最近的大部分项目中，我一直在使用 3D 打印机，因为当然，它们非常适合原型制作，因为我们可以轻松地用它们制作任何我们想要的形状。然而，并不是每个人都有 3D 打印机，所以我想告诉你，即使没有 3D 打印机或其他 CNC 机器的帮助，我们也可以制作东西。
您可以观看以下视频或阅读下面的书面教程。
我将向您展示我是如何使用一个电动工具、一个钻头和几个手动工具来制造这台 CNC 机床的。我在这个构建中使用的材料是 8 毫米 MDF 板，它实际上非常坚固，可能比 3D 打印的 PLA 材料更坚固，同时也很容易使用。
在本视频中，我将使用这台 CNC 机器作为激光雕刻机，在未来的视频中，我计划将其用作笔式绘图仪。
显然，这种类型的机器结构不能提供很大的刚性，因此我们不能将它用作 CNC 路由器或铣床。但是，如果我们连接更强大的激光，我们可以用它来切割各种材料，比如我们在这里使用的这种 MDF 板或其他类型的木板，并且精度非常好。
工作区域相当大，390 x 360mm，这台激光雕刻机可以产生的细节水平令人印象深刻。老实说，我很惊讶雕刻的效果如此之好。
这台 CNC 机器的大脑是和 Arduino UNO 板与 CNC 防护板相结合，但更多详细信息以及如何准备用于激光雕刻的图纸或图像，制作 G 代码并使用免费的开放式控制机器源程序，稍后在视频中。
我首先使用 SOLIDWORKS for Makers 设计机器。这台数控机床的两个主要部件是这些 MGN15H 直线导轨及其合适的滑块。
为了驱动块或两个轴，我们使用了两个 NEMA 17 步进电机和一些合适的 GT2 皮带轮和同步带。为了将所有东西连接在一起，我们使用 8 毫米 MDF 板，并使用两个微型限位开关来归位机器。
就是这样，一台零件最少的 CNC 机床。
您可以在此处下载 3D 模型：
您可以找到并下载此 3D 模型，也可以在 Thangs 上的浏览器中进行探索：
从 Thangs 下载装配 3D 模型。
感谢 Thangs 对本教程的支持。
这是中央安装板的图纸：
另请参阅：Arduino CNC 泡沫切割机
好的，现在我们可以开始建造机器了。这是组装这台 DIY 数控机床所需的组件列表。电子元件列表可以在文章的电路图部分找到。
这是我将使用的 8mm MDF 板，根据我从 3D 模型中获取的图纸，现在我将切割成尺寸。
相关：带自动换刀器的 DIY 笔式绘图仪 |数控拉丝机
为此，我使用了最简单的方法，用铅笔标记需要切割的位置，然后用手锯切割。
当然，手工切割所有的碎片需要一些努力，但即使使用这种方法，我们仍然可以将它们变得非常漂亮和干净。
一旦我把所有的碎片都剪成合适的尺寸，我就继续在它们上面打孔。精确地打孔实际上比切割碎片更重要。孔的位置必须非常精确，因为它们必须与具有精确和固定尺寸的其他部件配合，如直线导轨和步进电机。
安装 Y 轴和步进电机的中心板上有许多孔，为了使它们正确，我打印了该部分的实际尺寸图。
每个人都可以轻松使用普通打印机，所以我认为如果我使用一台来构建这个项目也不会是作弊。通过这种方式，我们可以定位零件和图纸并标记孔的位置。然后我们可以钻孔，尽管这并不意味着我们会让它们 100% 准确。我们仍然是手工完成这项工作，所以我们必须非常专注和耐心才能把它们做好。
我们需要 3 和 5 毫米的钻头，以及一个 25 毫米的钻头，用于为步进电机制作开口。
接下来，我继续组装机器的底座，X 轴导轨将固定在该底座上。为此，我标记了应该固定导轨支撑部分的位置，并在底座部分钻了两个孔，在支撑部分钻了一个孔。
然后我用第一个 3 毫米螺丝和一些木胶固定这两个部分。第一个螺丝到位后，我检查了垂直度，然后用 2mm 钻头在支撑材料上预钻了第二个孔。
类似地，我添加了两个括号以获得更好的支持。
老实说，这种组装这些 MDF 零件的方法不是很好，因为我们所做的一切都是手工制作的，而且 MDF 板只有 8mm 刻度，这也使这个过程变得复杂。也许更好更简单的方法是使用金属支架，您可以在五金店轻松找到它们。
不过，一旦我准备好两侧，我就将 X 轴导轨安装到它们上。
这些 MGN15H 导轨提供非常平滑且无间隙的运动，因为它们的滑块内部有滚珠或滚子。
在安装它们之前，我们应该对它们进行清洁和润滑。我用每侧的两个 M3 螺栓将直线导轨固定到位。
接下来，我们需要将 Y 轴安装在 X 轴滑块的顶部。为此，我们将使用中央板。
同样，我们使用 M3 螺栓将零件固定在一起。为了将步进电机固定到位，我们还需要 M3 螺栓。
除此之外，对于其中一个步进器，我正在使用一些距离螺母来为其获得适当的安装高度，尽管我可能已经将这个步进器安装在板的底部，所以我们必须使用那些距离坚果。
为了驱动X轴，我们需要在步进轴附近安装两个GT2惰轮，以便在皮带和步进轮之间产生适当的张力。
我们需要 M5 螺栓和螺母来固定它们。至于 Y 轴，我们只需要在轨道的另一侧安装一个惰轮，因为该轴的皮带将安装在一个环中。
好的，接下来是结合或将 X 轴和 Y 轴导轨连接在一起。我们使用四个 M3 螺栓来做到这一点。这种连接对于精确是至关重要的，因为整台机器的精度取决于它。
使用方尺，我们必须检查两个轴是否相互垂直，如果不垂直，我们应该适当调整它们。
接下来，我们可以安装Y轴滑块上的零件，并在这种情况下实际固定末端执行器或激光模块。使用前面介绍的方法，我将这些部件组装起来，并用四个 M3 螺栓将它们固定在滑块上。
现在我们可以用两个 M3 螺栓将激光模块固定到位。
我继续安装 GT2 皮带。我测量了我需要多长并将腰带剪成合适的尺寸。
为了将皮带固定到滑块上，我使用了两个 M5 螺栓和拉链。
我用扎带将皮带的第一侧固定到 M5 螺栓上，然后在另一侧拉紧皮带并用扎带将其固定到第二个螺栓上。
至于 X 轴，皮带将在穿过三个皮带轮时从一侧向另一侧直线拉伸，从而与步进电机皮带轮提供张力或抓持力。
我用一个螺栓和方形 MDF 片固定两侧的皮带。
有了这个，我们的CNC机器几乎完成了。我们需要做的事情很少。
在底部，我粘了一些家具垫，这样机器就可以更牢固地固定在原位。
然后我安装了 Y 轴的微型限位开关。为此，我们需要两个 M2 螺栓。
至于X轴限位开关，我忘记在中心板上打孔了，所以我在现场做了标记并钻孔。
将这个限位开关固定到位有点紧，但最后效果很好。
机械部分现已完成，因此我们可以继续连接电子元件。正如我所提到的，我们将使用 Arduino UNO 板与 CNC Shield 和两个 DRV8825 或 A4988 步进驱动器结合使用。
我将 Arduino 板固定在机器的侧面，所以我标记了两个 Arduino 孔并用 3mm 钻头钻了它们。我在侧面板和 Arduino 板之间使用了一个 5mm 距离的螺母。
CNC 防护罩简单地位于 Arduino 板的顶部。我们需要为每个驱动器插入 3 个跳线，以便我们选择最高的步进分辨率。
请注意，这三个跳线应该被移除，因为我们不需要它们。我在以前的一个项目中使用过它们。
然后我们可以使用提供的电缆将步进电机连接到位。为了连接限位开关，我们需要两根线连接。
我将电线的一端直接焊接到止动件上，在另一侧焊接母排针，这样我就可以轻松地将其连接到 CNC 屏蔽层。
至于连接激光模块，我们需要 3 根线，GND，12V 和一条用于 PWM 控制的信号线。这些电线需要更长一点，这样才能到达机器的最远点。
一侧是激光模块中的 3 针连接器，另一侧是 GND 和 12V 线，它们将连接到 CNC 屏蔽的电源连接器和需要连接的信号线到 Z+ 或 Z- 止动销。
这是所有需要如何连接的电路图。
您可以通过以下链接获取本项目所需的组件：
因此，我们将 Arduino UNO 板与 CNC Shield 和两个 DRV8825 或 A4988 步进驱动器结合使用。我们有两个用于归位机器的微型限位开关和一个可以 PWM 控制的 12V 激光模块。为了供电，我们需要 12v 电源，最小电流速率为 3 安培。
有了这个，我们实际上已经完成了机器的组装。现在剩下要做的就是赋予它生命或让它成为一台真正的数控机床。为此，我们需要在 Arduino 上安装固件来控制 CNC 机床的运动。
DIY CNC 机器最受欢迎的选择是开源 GRBL 固件。除了 GRBL 固件，我们还需要一个控制软件，通过它我们将发送 G 代码并告诉机器该做什么。在这种情况下，我们将使用 LaserGRBL 控制器。该软件专门用于使用 GRBL 固件控制激光雕刻机，我可以告诉你，考虑到它也是开源的，它确实是一个非常棒的控制器。
使用 LaserGRBL，我们可以选择直接将 GRBL 固件刷写或上传到 Arduino，因此我们不必手动执行此操作。我们甚至可以为只有 X 和 Y 归位的两轴机床选择一个即用型版本，就像我们需要的那样。
所以，一旦我们用 GRBL 固件烧写我们的 Arduino，我们就可以将我们的机器与控制器连接并打开 GRBL 配置窗口，以便我们可以根据我们的机器调整一些参数。
我们应该在这里调整的第一件事是移动分辨率或 X 和 Y 轴的步数/毫米值。这些值表示电机移动 1 毫米应采取多少步。这取决于我们拥有的步进电机的类型、选择的步进分辨率和运动传输，在这种情况下是 GT2 皮带和皮带轮。
以下是我们如何为我们的机器计算这些值。这里的默认值通常是 250 步/毫米。现在我们可以使用 JOG 命令移动机器，例如 20mm，我们应该注意机器实际移动了多少。
在我的例子中，Y 轴 20mm 的点动，实际移动是 31mm。
所以，20/31 =0.645，如果我们将该值乘以 250，我们将得到 161.29。所以，这就是我们应该为我们的机器设置为 step/mm 值的值。
如果我们现在尝试使用更新的值移动机器，机器应该移动准确的距离。如果您对结果不满意，您仍然可以通过绘制正方形并测量它们来微调这些值。我最终使用了 160 步/毫米的值。
然而，还有其他重要的参数也需要调整。例如，我们应该启用作为实际限位开关的硬限位，定义工作区域的软限位，设置定义限位开关在机器上的位置的归位方向等等。
您可以下载我的一组参数，然后将它们导入到您的固件中。
该软件的另一个优点是它还具有内置的 G 代码生成器。这意味着我们可以将任何照片、剪贴画、铅笔画等直接加载到软件中，我们可以根据需要生成用于雕刻的 G 代码。光栅图像工具非常通用，有许多选项可供选择，例如选择线到线跟踪、矢量化、1 位 BW 抖动等。
当然，如果您愿意，您也可以使用其他软件生成 G 代码，例如 Inkscape 及其插件 Inkscape-Lasertools 用于生成 G 代码并在此处加载它们。我已经在我之前的视频中解释了如何使用这种方法生成 G 代码，用于 SCARA 机器人激光雕刻机，因此有关更多详细信息，您可以查看该视频。
现在我将向您展示如何使用 LaserGRBL 从照片中生成用于激光雕刻的 G 代码。这里我有一张狗的照片，我会用软件打开。
使用亮度和对比度选项，我们可以根据需要调整图像。我们可以选择照片的转换类型，例如，Line to Line tracking、1 bit BW dithering 或矢量格式。我将为这张照片使用线到线跟踪，在这里我们还可以选择线的方向和雕刻的质量，这取决于每毫米的线数。
接下来，我们可以选择雕刻速度，设置激光功率的最小和最大PWM值，以及设置雕刻的大小。
就是这样，软件将为此雕刻生成 G 代码。在我们开始之前，我们可以使用框架按钮来勾勒或向我们展示雕刻将在哪里进行，这样我们就可以根据需要调整我们的工件。
请注意，我们必须使用激光护目镜，以保护我们的眼睛免受激光紫外线的伤害，因为它非常危险。
如果我们正确校准了我们的机器，我们可以获得相当好的雕刻。为了校准，我们可以使用我制作的这张图片，它的正方形透明度为 100% 到 10%。
根据结果调整激光功率的雕刻速度和PWM值。
这里可以下载校准图片：
所以，这就是本教程的内容。我希望你喜欢它并学到新的东西。如果您有任何问题，请随时在下面的评论部分提问，不要忘记查看我的其他一些 Arduino 项目。概览
DIY数控激光雕刻机3D模型
组装机器
连接电子元件
DIY数控激光雕刻机电路图
固件和控制软件
为激光雕刻生成 G 代码
制造工艺