DIY Arduino 3D 线材弯折机：机电一体化项目全攻略

本教程展示如何制作一款 Arduino 控制的 3D 线材弯折机。这是一个典型的机电一体化系统，融合机械、电子与计算机工程，非常适合工科学生或机电入门者练手。

可观看视频或阅读下方图文教程。

工作原理概述

线材先经多组直滚轮矫直，由步进电机精准送料至弯折机构。弯折机构包含一颗步进电机（旋转弯折齿轮）和一颗微型舵机（驱动齿条弹出弯折销）。Z 轴步进电机带动整个弯折头绕线材旋转，从而实现三维成型。主控为 Arduino，电路集成在定制 PCB 上。固件内置星形、立方体、支架等自动成型程序，并提供串口手动模式。

3D 模型与打印件

SolidWorks 建模，Thangs 在线查看/下载。齿轮、轴承座、联轴器等关键件 3D 打印（Creality CR-10，打印质量优）。

机械结构制作

底座与导轨： 8mm MDF 双层底板 + 4 根 18mm 胶合板立柱，木工胶+螺丝固定。顶板安装 3D 打印轴承座（垫 3mm MDF 调高），装入 6202 轴承（外径 35mm、内径 15mm），穿 15mm 空心铜管作为 Z 轴主轴（长约 30cm）。主轴中部固定 30 齿模数 1.5 齿轮（M3 螺母嵌入槽内锁紧）。

Z 轴驱动： NEMA 17 步进电机 + 18 齿齿轮，3D 打印安装支架（长孔便于啮合调整）。

送料机构： NEMA 17 直装顶板，输出轴接 3D 打印联轴器+铜管作为摩擦轮。对侧装压料杠杆（带轴承），通过胶合板块+T型螺母+螺栓调节压力，保证送料摩擦力。

矫直系统： 胶合板钻孔装 3 组/2 组矫直轮（轴承+3D 打印槽形外环），对向夹紧，螺母调节间隙。前后各加一块导向板。

弯折机构： MDF 板开 38mm 孔装 NEMA 23 大扭矩步进电机，输出轴装 18 齿模数 2.5 齿轮，与 30 齿大齿轮啮合。大齿轮集成 MG996R 舵机安装座，舵机驱动齿条机构：齿条端部装铜管作为弯折触点，AB 胶固定轴承于大齿轮。齿条小齿轮锁在舵机摇臂上。

弯折头安装到 Z 轴： 两个 3D 打印轴夹通过 M6 螺栓锁在弯折板上，再夹紧在 Z 轴铜管上。加装 3mm 出线喷嘴和弯折头底部微动开关（用于回零）。

电路原理图

3 颗 DRV8825 驱动 3 个步进电机（NEMA 17×2 + NEMA 23×1），12V/3A+ 供电。MG996R 舵机另接 LM7805 降压供电（Arduino 5V 稳压器带不动）。弯折头微动开关接数字引脚（上拉）。

元件链接：

• NEMA 17 步进电机………
• NEMA 23 步进电机………
• DRV8825 驱动模块………
• 微动开关…………………
• 12V 2A 电源适配器………
• DC 电源插座………………
• Arduino 开发板……………

PCB 设计

EasyEDA 双层布线，集成：3 路步进驱动器插座（含细分选择跳针）、舵机接口、双微动开关、电源端子、额外 IO 引出。生成 Gerber 交 JLCPCB 制板（首单 $2/10pcs）。

焊接排针、贴片元件、驱动器插座、Arduino 排母、端子、电源开关。步进细分选 16 细分（对应跳针）。

Arduino 固件详解

使用 AccelStepper 库驱动步进电机，Servo.h 控制舵机。定义 STEP/DIR 引脚、限位开关、串口指令缓冲。

#include <AccelStepper.h> #include <Servo.h>
#define limitSwitch 11
AccelStepper feederStepper(1, 5, 6);  // STEP=5, DIR=6
AccelStepper zAxisStepper(1, 7, 8);   // STEP=7, DIR=8
AccelStepper benderStepper(1, 9, 10); // STEP=9, DIR=10
Servo servo01;
String dataIn = ""; String manualStatus = "";
int count = 0, dist;

setup()：舵机初始位（弯折销收回 40°），三电机最大速度 2000 steps/s。弯折电机回零：反向转动触发限位开关 → 设当前位置为 0 → 正转 1400 步到弯折起始位 → 再置 0。

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(limitSwitch, INPUT_PULLUP);
  servo01.attach(2); servo01.write(40);
  feederStepper.setMaxSpeed(2000);
  zAxisStepper.setMaxSpeed(2000);
  benderStepper.setMaxSpeed(2000);
  // 回零
  while (digitalRead(limitSwitch) != 0) {
    benderStepper.setSpeed(1200); benderStepper.runSpeed();
    benderStepper.setCurrentPosition(0);
  }
  delay(40);
  while (benderStepper.currentPosition() != -1400) {
    benderStepper.setSpeed(-1200); benderStepper.run();
  }
  benderStepper.setCurrentPosition(0);
}

loop() 读取串口指令：manual 进入手动模式，star/cube/stand 执行预设图形。

void loop() {
  String mode = Serial.readString();
  if (mode.startsWith("manual")) manual();
  if (mode.startsWith("star")) star();
  if (mode.startsWith("cube")) cube();
  if (mode.startsWith("stand")) stand();
}

星形生成逻辑（star()）： 循环 5 次（五角星）。每次：送料 38mm（步进换算系数 48 steps/mm）→ 弯折销抬起 → 弯折 -52° → 回零 → 再送料 38mm → 弯折销压下 → 弯折头转到新初始位（-42°） → 弯折销抬起 → 反向弯折 +105° → 回零 -63° → 弯折销压下。角度换算常数 angleConst=18（steps/度）。

void star() {
  while (count != 5) {
    int feed = 38; int feedDistance = feed * 48;
    while (feederStepper.currentPosition() != feedDistance) { feederStepper.setSpeed(1200); feederStepper.run(); }
    feederStepper.setCurrentPosition(0); servo01.write(40); delay(200);
    int angleConst = 18;
    // 弯折 -52°
    while (benderStepper.currentPosition() != -52 * angleConst) { benderStepper.setSpeed(-700); benderStepper.run(); }
    benderStepper.setCurrentPosition(0); delay(100);
    // 回零 +52°
    while (benderStepper.currentPosition() != 52 * angleConst) { benderStepper.setSpeed(1200); benderStepper.run(); }
    benderStepper.setCurrentPosition(0); delay(100);
    // 二次送料
    while (feederStepper.currentPosition() != feedDistance) { feederStepper.setSpeed(1200); feederStepper.run(); }
    feederStepper.setCurrentPosition(0); delay(100);
    servo01.write(130); delay(200); // 压下弯折销
    // 移至反向弯折初始位 -42°
    while (benderStepper.currentPosition() != -42 * angleConst) { benderStepper.setSpeed(-1200); benderStepper.run(); }
    benderStepper.setCurrentPosition(0); delay(200);
    servo01.write(40); delay(200); // 抬起
    // 反向弯折 +105°
    while (benderStepper.currentPosition() != 105 * angleConst) { benderStepper.setSpeed(700); benderStepper.run(); }
    benderStepper.setCurrentPosition(0); delay(50);
    // 回零 -63°
    while (benderStepper.currentPosition() != -63 * angleConst) { benderStepper.setSpeed(-1200); benderStepper.run(); }
    delay(100); servo01.write(130); benderStepper.setCurrentPosition(0); count++;
  }
}

手动模式（manual()）： 串口指令解析——f[mm] 送料，b[deg] 弯折（支持负号），z[deg] Z 轴旋转，end 退出。弯折时自动处理弯折销上下、正反向初始位切换。

if (dataIn.startsWith("f")) { // 送料
  dist = dataIn.substring(1).toInt() * 48;
  while (feederStepper.currentPosition() != dist) { feederStepper.setSpeed(1200); feederStepper.run(); }
  feederStepper.setCurrentPosition(0);
}
if (dataIn.startsWith("b")) { // 弯折
  // 解析角度，处理正负号，自动切换弯折销状态与初始位
}
if (dataIn.startsWith("z")) { // Z轴
  // 解析角度驱动 zAxisStepper
}

完整代码（含 cube()、stand()、完整 manual()）见文末。

已知问题与改进

矫直系统若拧太紧会导致送料打滑。可尝试：更高强度材料替代铜管、重新设计送料轮结构（如滚花轮、双轮夹持）。

教程结束。欢迎提问交流，关注我的 Arduino 项目合集！