构建 3D 打印 CNC 路由器：金属和木材的 0.05 毫米精度 - 分步指南

在本教程中，我们将通过分步指南学习如何构建数控机床，以便您可以轻松地自己构建一台数控机床。 

这是一台全 3D 打印 CNC 机床或 CNC 铣床，我在设计时考虑了两个具体目标：尽可能坚固，并且构建尽可能简单。

概述

刚性直接影响机器的性能，除了雕刻和切割木材之外，我希望这款 CNC 路由器能够雕刻和切割铝。事实证明它可以非常自信地做到这一点。

这是用铝加工螺旋桨的示例。 只需一点点打磨，螺旋桨表面就变得非常光滑。

我还通过从铝材上切割出各种形状来进行一些精度测试。 如果我们使用适当的进给量和速度，我们可以获得 0.05 毫米精度以内的铝制零件。

我认为这是一个下降精度，因为它是一台 3D 打印 CNC 机器，使用修剪路由器以及用于运动控制的 Arduino UNO 和 GRBL。 

雕刻铝材轻而易举。我做了一些钥匙扣雕刻，其细节非常小，不到 1 毫米，效果非常好。

我还尝试过雕刻黄铜，结果也很棒。

模型来自 Etsy

这款 3D 打印 CNC 铣床甚至能够切割钢材。

我对这台数控机床的第二个目标是尽可能简单地构建，这意味着我不想使用任何电动工具来制造机器，不需要用锯切割铝型材，不需要钻孔，不需要攻丝……。没什么。

文学，您只需一组内六角扳手就可以构建这台数控机床，因为我专门设计它只使用标准组件，这些组件可以轻松地从亚马逊、全球速卖通或您选择的任何其他商店等网站采购。 因此，它几乎就像一个 DIY 套件，您只需组装即可。 您可以在下面找到此 CNC 构建所需组件的完整列表。

虽然（当然有一个警告），你需要一台 3D 打印机来制造这台 CNC 机器，但我认为这没什么大不了的，就好像你没有一台一样，现在有很多 3D 打印服务，你可以轻松地获得 3D 打印零件。

我将其称为全 3D 打印 CNC 机床，因为整个 CNC 结构都是基于 3D 打印零件，包括 X 轴板和 Z 轴板、铣刀安装座，甚至滚珠丝杠轴承座都是 3D 打印的。

我们对设计进行了优化，以充分利用我们可以使用 3D 打印机轻松打印复杂零件的事实。 结合一些 20x40mm 铝型材、15mm 线性导轨和 16mm 滚珠丝杠，我想我成功地获得了不错的性能。 它能够雕刻铝制零件，甚至是精密零件，而且木材项目轻而易举； 它可以轻松切割任何硬木，而且木雕效果非常完美。 看看这个 340x340mm 3D 山毛榉硬木浮雕吧。看起来很漂亮。

工作区域为 450x350x110 毫米，但最酷的部分是我们可以轻松缩放这台数控机床。

我们可以简单地为一些铝型材、线性导轨和滚珠丝杠使用更长的组件，并且我们立即获得更大的工作区域，而所有其他组件和组装过程本身保持不变。

下面可以找到有关哪些组件定义机器工作区域的详细信息，以便您可以通过选择正确的组件来获得所需的工作区域。

相关项目：

3D模型和STL下载文件

您可以使用 Onshape 直接在网络浏览器上查看此 DIY CNC 机器的 3D 模型。

您可以从 Cults3D 获取此 DIY CNC 机器的 3D 模型以及用于 3D 打印的 STL 文件。

物料清单

以下是此 DIY CNC 构建所需组件的完整列表。

给定的尺寸与我演示的具有 450x350mm 工作区域的 CNC 的尺寸完全相同。

组件 数量 购买链接 铝型材 2080 – 600mm
（Y 轴，自定义长度）2亚马逊 | 全球速卖通 铝型材 2040 – 600mm
（X 轴底座，自定义长度）3亚马逊 | 速卖通 铝型材 2040 – 700mm
（X 轴龙门架，自定义长度）2亚马逊 | 全球速卖通 铝挤压 2040 – 200mm2亚马逊 | 全球速卖通 铝挤压 2040 – 100mm2亚马逊 | 全球速卖通 直线导轨 HGR15 – 600mm
（Y 轴，自定义长度）和（X 轴，自定义长度）4亚马逊 | 全球速卖通 直线导轨 HGR15 – 300mm（Z 轴）2亚马逊 | 全球速卖通 滚珠丝杠 SFU1605 – 500mm
（Y 轴，自定义长度）2亚马逊 | 全球速卖通 滚珠丝杠 SFU1605 – 600mm
（X 轴，自定义长度）1亚马逊 | 全球速卖通 滚珠丝杠 SFU1605 – 300mm（Z 轴）1亚马逊 | 全球速卖通 轴耦合器 8mm 至 10mm4亚马逊 |速卖通 角接触轴承 – 7001 P5-DB A 对（4 对）亚马逊 | 全球速卖通 M12x1mm 锁紧螺母4亚马逊 | 全球速卖通 向心球轴承 – 6000 – 2RS 4亚马逊 | 全球速卖通 角支架 28x20x28mm
（配有合适的 T 形槽螺母和 M5 螺栓）18亚马逊 | 全球速卖通 角支架 20x20x20mm
（配有合适的 T 形槽螺母和 M5 螺栓）8亚马逊 | 全球速卖通 M5 滑动 T 型螺母100亚马逊 | 全球速卖通 M5 锤头 T 型螺母100亚马逊 | 全球速卖通 M4 滑动 T 型螺母50亚马逊 | 全球速卖通 M4 锤头 T 型螺母50亚马逊 | 全球速卖通 步进电机 NEMA23 4亚马逊 | 全球速卖通 内六角螺栓
M3x12mm – 10
M3x16mm – 5
M3x30mm – 5
M4x10mm – 5
M4x12mm – 5
M4x14mm – 60
M4x25mm – 10
M5x12mm – 50
M5x16mm – 40
M5x20mm – 40
M5x30mm – 40
M5x50mm – 25
M5x60mm – 35
M5x70mm – 5 /亚马逊 | 速卖通

披露：这些是附属链接。作为亚马逊合作伙伴，我通过符合条件的购买赚取收入。

缩放 CNC – 自定义工作区域大小

如果您想增加 CNC 的工作面积，只需增加特定轴的铝型材、线性导轨和滚珠丝杠的尺寸即可。

例如，为了增加Y轴的工作面积，从450x350mm增加到450x750mm，我们需要增加Y轴铝型材、直线导轨和滚珠丝杠的长度。差值是750-350=400mm，因此我们需要在该数控机床的Y轴零件的基础长度上增加300mm。那将是：

• 铝型材 2080 – 600mm + 400mm =1000mm
• 直线导轨 HGR15 – 600mm + 400mm =1000mm
• 滚珠丝杠SFU1605 – 500mm + 400mm =900mm

同样的原理也适用于在 X 轴上缩放机器的工作区域。不过，这里有一个区别，因为我们会增加龙门尺寸，所以我们需要添加另一个桁架结构元素。

在 Y 轴上缩放 CNC 机床的工作区域

请注意，增加机床X轴或龙门尺寸会导致整机刚性降低，而增加Y轴尺寸几乎不会影响整机刚性。

组装

您可以按照以下视频获取有关如何构建这款 DIY 3D 打印数控机床的完整分步指南。

电子产品概述

我决定将这份 CNC 构建指南分开，并在下一个视频中解释电子设备以及如何制作该 CNC 机器的接线和控制箱，以及如何设置机器并用它进行第一次切割。 

真的很快，这台数控机床基于 Arduino 和 GRBL。我将 Arduino UNO 与 CNC 扩展板结合使用，以轻松连接所有设备，并使用 DM542 步进驱动器来驱动 NEMA23 步进电机。

运动控制固件是 GRBL，为了控制机器并向其发送 G 代码，我使用了通用 G 代码发送器，它们都是开源的。

我的意思是，它不一定是 Arduino 和 GRBL；也可以是 Arduino 和 GRBL。我们可以在该 CNC 构建中使用任何其他 CNC 控制器，例如 LinuxCNC、grblHAL、Mach 3 或 Mach 4 等。 这种 Arduino 和 GRBL 组合是 CNC 控制器最简单、最便宜的选择，但当然，它缺乏一些高级功能，如实时控制和更好的可配置性。 如果您不方便自己制作控制箱，可以使用现成的 CNC 控制箱，即使其中包含用于步进电机的电缆。

无论如何，有关我如何为此 3D 打印 CNC 路由器构建控制箱以及如何设置 GRBL 和控制机器的详细指南，请观看下一个视频。 还有一个单独的视频，我将向您展示如何为这台数控机床制作废板和防尘套，并详细解释如何开始在数控机床上进行第一次切割，以及我如何制作我们在这里看到的这些演示项目。

在结束本教程之前，我想向您展示更多的东西，或者这台机器的刚性和精确度，以及建造它的成本是多少。 

刚性和准确性

为了展示这台数控机床的刚性，我在铣机上插入了一根 6 毫米的轴，并使用千分表测量机器在受力时会偏转的程度。为此，我使用了测力计和千分表。

测量工具：
测力计：亚马逊 | 速卖通
数字千分表：亚马逊 | 速卖通

首先，我正在测试 X 轴刚性。在 50N 的力下，立铣刀偏转约 0.16mm，在 70N 的力下偏转 0.24mm。另一方面，在 50N 的力下，Y 轴的偏转约为 0.22mm，在 70N 的力下，Y 轴的偏转约为 0.32mm。

这是一个有点糟糕的结果，但这是预料之中的，因为这是一台龙门式数控机床，与 X 轴相比，Y 轴的刚性通常较小。 

至于 Z 轴刚性，我在 50N 的力下测得约 0.18mm 的偏转，在 70N 的力下测得约 0.25mm 的偏转。

使用适当的进给量和速度切割铝时，数控铣床的这种刚性可确保精度在 0.06 毫米以内。

我用铝制成了这个测试部件，设置如下。对于粗加工，4mm DOC、1.2mm WOD 和 1200mm/min 进给速率。偏移量为 0.3 毫米。然后，对于最终轮廓走刀，采用 2mm DOC，进给速度为 500mm/min。 我用数字千分表测量了该零件，所有方向的所有形状的精度都在 0.06 毫米以内。

我再说一遍； 我认为这是一个相当不错的结果，因为它是一个完全 3D 打印的 CNC 路由器，使用修剪路由器和 Arduino 和 GRBL 进行运动控制。

展示

以下是我用这台 DIY CNC 机床制作的一些项目。

• 3D 浮雕

来自 Etsy 的模型 – Ram Head

• V 型钻头雕刻和粗加工

来自 Etsy 的模型 – Heart Box

• 数控镶嵌

• 铝雕刻

• 黄铜雕刻

来自 Etsy 的模型 – Dragon Head

• 用铝加工螺旋桨

尽管如此，请继续关注更多 CNC 相关内容。我还将制作一个 Discord 或类似的帖子，供每个人分享他们构建这台数控机床的经验，并围绕它建立一个社区来解决问题和改进机器。