自制CNC钢笔绘图仪（自动换刀） - DIY绘图机教程

本教程将展示如何制作一台CNC钢笔绘图仪（绘图机），并具有一个很酷的功能：自动换刀。换句话说，机器能自动更换颜色，从而绘制出非常酷炫的图案。

您可以观看以下视频或阅读下方文字教程。

概述

机器结构基于我之前的DIY CNC激光雕刻机，目标是用最少零件制作最简单的CNC机器。使用3个NEMA 17步进电机驱动X、Y、Z轴，一个微型舵机控制夹爪。大脑是Arduino UNO配合CNC扩展板和三个A4988步进驱动器。

工作区域相当大，360x280mm，绘图精度在我看来相当令人印象深刻，尤其是使用0.6mm中性笔时。

现在我将详细讲解构建此类绘图机所需的一切：设计、电子连接、固件与软件选择、G代码生成方法。

DIY CNC钢笔绘图仪3D模型

首先看设计。如前所述，基于我之前的CNC激光雕刻机设计，目标是极简零件。两大核心部件是MGN15H线性导轨及配套滑块。X、Y轴运动通过两条GT2同步带和带轮实现。Z轴为简单往复运动：移动部分在两根6mm光轴和线性轴承上上下滑动。一个微型舵机用于夹持钢笔。

回零程序对本绘图仪至关重要，因为钢笔架位置固定，机器必须有起始参考点。因此每个轴都必须有限位开关。

您可以在Thangs上找到并下载此3D模型，也可在浏览器中浏览：

Download the assembly 3D model at Thangs.

Thanks Thangs for supporting this tutorial.

用于3D打印零件的STL文件可在此下载：

机器组装

以下是组装绘图仪所需的所有零件。

组装所需组件清单（电子元件清单见后文电路图部分）：

• MGN15H线性导轨 ………………………… Amazon / Banggood / AliExpress
• 线性光轴 6mm ……………………………….. /
• 线性轴承 6mm ………………………………. / AliExpress
• 步进电机 - NEMA 17 …………….… Amazon / Banggood / AliExpress
• GT2同步带 + 齿形带轮……………….…… Amazon / Banggood / AliExpress
• GT2惰轮 ………………………….….… Amazon / Banggood / AliExpress
• 间隔柱 …………………………….……….. Amazon / Banggood / AliExpress
• 螺栓螺母套装 ……………………….…… Amazon / Banggood / AliExpress 或当地五金店 + 沉头螺丝 3x16mm

开始组装。先用M3螺栓固定底板和导轨支架。本机所有螺栓均为M3各种长度，仅GT2带轮需少量M5螺栓螺母。

两侧准备好后，用每侧两颗螺栓将X轴导轨固定。MGN15H导轨因滑块内含钢球/滚子，提供极其平滑无间隙运动。

安装前建议清洁并润滑导轨以确保正常工作。

Y轴导轨安装在X轴滑块上方，用中心安装板连接。先用三颗螺栓将Y轴导轨固定在中心板上。

接着安装两个NEMA 17步进电机。一个在板子顶部，一个在底部。安装GT2带轮需M5螺栓螺母。此处两个带轮为惰轮（提供X轴同步带抓力）和安装在步进电机上的齿形带轮。

安装齿形带轮时需根据惰轮位置测量调平。Y轴只需一个惰轮安装在导轨另一侧，因Y轴同步带将成环安装。

接下来连接两轴：用四颗M3螺栓将中心板固定到X轴滑块。机器主体成型，Y轴滑块可到达工作区任意位置。

继续组装钢笔升降机构。由固定在Y轴滑块上的固定部分和上下滑动的移动部分组成。固定部分固定后，安装Z轴步进电机（NEMA 17短款，23mm而非40mm以减轻重量）。

升降臂直接套在步进电机轴上。原配定位螺丝过长，我未使用，但孔型与轴匹配可传递运动。该零件后续略微修改，下载文件中已更新。

将四个线性轴承装入移动部分，固定微型舵机，并在旁边固定钢笔夹持部件。

连接固定和移动部分：先将舵机线穿过固定部分孔洞，从顶部插入6mm光轴穿过轴承和固定部分孔。同时在固定和移动部分之间放入弹簧，使其推动移动部分向下，帮助钢笔更好贴合工作面。固定部分底部有开口可装入M3螺母锁紧光轴。

接着组装安装在机器一侧的钢笔架单元，由上下两部分组成，可容纳最多12支钢笔。

安装同步带。先测量所需长度大致裁剪。为将同步带固定在滑块上，我制作了很酷的同步带连接器：同步带绕过中空轴并夹在两壁之间防止移动。

用M3螺栓固定第一个连接器在滑块一侧，另一侧重复。可沿槽移动连接器张紧同步带。

X轴同步带直线连接两侧，穿过带轮提供与步进电机带轮的张紧/抓力。

X轴张紧用类似同步带形状的连接器拧紧在机器两侧。

安装限位开关。

我最终将Z轴限位开关位置略微下调，X、Y轴限位开关沿用之前项目已接线的。

电子连接

机械部分完成，进行电子连接。

如前所述，使用Arduino Uno配合CNC扩展板和三个A4988步进驱动器。

为将Arduino固定在机器上，我额外3D打印了一个侧板部件。用两颗M3螺栓固定Arduino，上方插入CNC扩展板。

需为每个步进驱动器插入三个跳线帽选择1/16细分，然后插入驱动器。将电机正确连接到CNC扩展板。微型限位开关直接焊线，另一端焊母排针（从杜邦线剪下）。舵机用延长线连到CNC扩展板。供电需12V电源，最小2A。电路连接图如下：

DIY CNC钢笔绘图仪电路图

所需电子元件购买链接：

• 步进电机 - NEMA 17……………… Amazon / Banggood / AliExpress
• 步进电机 - NEMA 17 23mm ….. Amazon / /
• A4988步进驱动器………………..…..… Amazon / Banggood / AliExpress
• 舵机 ……………………………………….… Amazon / Banggood / AliExpress
• Arduino CNC扩展板 ……………………….. Amazon / Banggood / AliExpress
• Arduino Uno………………………………….… Amazon / Banggood / AliExpress
• 限位开关 ……………………………………. Amazon / Banggood / AliExpress
• 直流电源 ………………………………… Amazon / Banggood / AliExpress

我们使用Arduino UNO + CNC Shield + 3个A4988驱动器。3个微型限位开关用于回零，一个微型舵机用于夹爪。供电需12V 2A最小电流。

完成机器组装

几个最后修饰完成绘图仪。安装钢笔夹爪，直接连接在舵机舵盘上。

管理升降机构线缆，我用餐桌垫材质（坚韧且柔韧）做线缆管理。

机器完成。但有几点注意：Y轴导轨单侧悬臂，3D打印PLA材料刚性不足，全伸展时钢笔升降机构比支撑侧低4mm。

偏差过大，我通过垫高机器前端将差值降至约1mm（可接受）。若使用大尺寸导轨，强烈建议在另一侧也支撑Y轴导轨。

另一个问题是钢笔架，钢笔无法稳固停留。建议加大上部开口并在侧面加软性材料，使钢笔易于插拔且不易脱落。

最后在整机下垫一块板获得平整工作面。

机器组装完成。

DIY钢笔绘图仪固件与控制软件

接下来赋予其生命使其成为真正CNC机器。需给Arduino刷入控制CNC运动的固件，并用控制软件发送G代码指令机器动作。

DIY CNC最流行的开源固件是GRBL。但本绘图仪需要控制舵机的修改版，称为“grbl-servo”，将主轴控制引脚（数字引脚11）默认PWM频率从1kHz改为50Hz以适配舵机。

下载安装GRBL固件到Arduino IDE库文件夹后，还需修改config.h启用3轴回零（默认2轴）。

控制软件使用GRBL-Plotter，专为绘图仪设计，含图形转G代码转换器。同样开源，可从Github下载。

首步：通过合适COM端口连接Arduino。点击“Kill Alarm”按钮，串口监视器显示当前GRBL参数。需根据机器修改部分参数。

GRBL参数设置

首要调整行程分辨率（steps/mm）。表示电机转多少步移动1mm，取决于步进电机类型、细分设置、传动机构（本例GT2同步带轮）。

本机X、Y轴设80 steps/mm以保证精度。Z轴设40（非真实运动精度，因往复运动无法达标）。

参数$23设0（限位开关位置），设置最大进给率、加速度、最大移动速度，参数$1设255（保持步进电机通电锁轴）。注意：启用此项后，尤其Z轴短电机易发热，需将A4988驱动器电流限制调至最小。

GRBL-Plotter设置

控制器设置选项很多，初看令人望而生畏。首先设置笔升降映射为Z轴，设定抬笔/落笔位置值。

在刀具表标签定义钢笔颜色和位置。注意这些值基于G53机器坐标系，由硬性限位开关和GRBL参数中设定的最大行程决定。

定义各钢笔位置用偏移值：X=0, Y=277（此值使夹爪对准第一支笔），然后每支笔Y向负方向间隔21.7mm。

可为每支笔单独调整进给率和升降位置（适应不同笔型）。

在换刀标签选择“Perform tool change on Tx M06”，指示M06指令出现时执行换刀。

T后的数字x表示刀具表中的刀具编号。换刀需包含“select”和“remove”脚本，M06出现时执行，定义夹爪动作取/放刀具。

取笔流程：夹爪按机器绝对坐标移至刀具表定义位置 → 舵机张开夹爪 → 上抬4mm → X向靠近笔并略微Y向移动 → 夹爪闭合 → 抬起笔 → 回到脚本执行前位置。放笔步骤相反。

所有参数取决于钢笔尺寸、笔架尺寸，唯有反复测试调整才能完美。

为自动换刀CNC钢笔绘图仪生成G代码

最后看如何用GRBL-Plotter从图片生成G代码。

加载图片后点击“Preview with colors from table”预览效果。在图像校正标签调整亮度、对比度、伽马、饱和度以获得接近真实或期望的颜色。设置输出尺寸（mm），在颜色替换标签移除不需要的颜色。

例如移除图中白色对应的杏色。点击“Create G-Code”生成G代码。

也可从SVG文件生成G代码，直接拖拽SVG文件即可自动生成。

绘图前在工作区任意位置设定零点，点击播放按钮开始。

钢笔绘图仪开始工作，享受它创造魔法的过程。

希望您喜欢本视频并学到新知识。如有疑问欢迎在下方评论区提问。