数控雕刻机的制作

　　非常高兴能看到今年第 6 期《无线电》杂志做了一期关于雕刻机的专题，相信大家看过这个专题后，已经对雕刻机 有了比较系统的认识。我是一个电子爱好者，也是一个雕刻机爱好者，本文中，我想将我的雕刻机制作过程介绍出来， 希望能帮助广大朋友对雕刻机 DIY 有个更深入的了解。 本机采用固定龙门结构，设计之初平衡考虑了用途、强度、行程及器件尺寸组合的关系，外形尺寸： 355mm×355mm×370mm，行程：X215mm×Y215mm×Z55mm，重约 70kg，主要用于雕刻 PCB、外壳等，偶尔雕刻点铜、铝等 软金属。

　　通过螺母转变为轴向的螺母直线运动，螺母再带着部件移动。这种移动是相互的，如果丝杆没有固定牢固，传动过程中 除螺母移动外，丝杆会受螺母反作用力向相反方向移动，这就形成了丝杆的轴向攒动，造成传动误差。 丝杆一般两端用轴承支撑固定，但必须保证一端与机架完全固定，使其没有轴向攒动。一般固定端用两个推力轴承或两 个配对的角接触轴承，支撑端用一个深沟球轴承。

　　控制系统为一台计算机，可以使用商品的控制卡，如 PCI 插槽维宏控制卡，自带配套软件，也可以选用如 mach 等 软件通过打印机并口控制。安装软件后，要根据驱动板脉冲输入端口对应设置好打印机并口脉冲输出端口，根据丝杆螺 距及驱动细分设定脉冲数量及电机参数等。详细的设置过程网上可以查到，本文不再详述。 以上简单介绍了我 DIY 雕刻机的过程，希望能够帮助广大读者对雕刻机 DIY 有个更深入的认识,相信还有很多朋友 做得要比我好。我的机子还有很多不足，例如，为了省事我没有设计限位系统等。 雕刻机的制作是个系统的工程，需要机械、电子等多方面的知识，希望大家不要盲目制作。要清楚自己制作雕刻机 的用途，需要什么样的强度、行程，然后着手设计，系统规划，制定详细的制作计划，再采购必要的材料及零部件。设 计过程中还要了解市场哪些配件能买到、哪些是标准件、易损件及以后的维护等诸多问题。除了材料及零部件，还需要 配备一定的工具，如电钻、卡尺、百分表等。影响精度的关键零部件，如果没有加工条件，必要的外加工还是需要的。 总之，雕刻机 DIY 虽然难，但只要虚心交流学习，坚持不懈，相信用不了几个月的时间，你也会拥有自己的雕刻机。

　　机架是在一块 20mm 厚的 A3 钢板上平面磨床两面Baidu Nhomakorabea平后线mm 厚的钢板对于此机可以说是超标了，笔 者制作时主要考虑 A3 钢板比较便宜， 而且钢板厚了， 能保证强度， 也方便轴承座等的安装。 本机主体主要包括两块立板、 两块横板、XY 轴托板、工作平台及 Z 轴滑台，见图 1。

　　驱动部分每个轴各使用一个 57 步进电机，也是拆机二手件，为六线 元左右。步进电机通过 4 个直径 10mm、长度 60mm 的圆钢，两头攻 M4 螺丝孔固定在机架上。电机轴和丝杆轴用联轴器连接，以消除两轴误 差，保证传动自如。见图 3。

　　57 两相步进电机的转动角为 1.8°，就本机来说，步进电机每走 200 步旋转一周，丝杆直线mm，由此可 以算出机器分辨率为 0.02mm。实际使用中，驱动电路是带细分的，你可以选择如 2、4、8、16 等不同等级的细分。使 用细分，可以提高精度及步进电机运行的平稳性，但太高的细分也是没有意义的。高细分会提高驱动脉动频率，也就对 器件提出了更高的要求，器件指标不过关，反而会出现一些莫名其妙的问题，如光耦的响应速度等。如本机驱动选用 8 细分，理论精度就是 0.02mm 除 8，为 0.0025mm，但实际上这个精度是达不到的。机子的精度是个综合性的问题，包 括机架设计、导轨类型及精度、丝杆螺距及其精度、主轴精度等。所以选择丝杆时，不要追求太小的螺距，对提高精度 没有太大帮助，反而会降低机器运行速度。业余制作的雕刻机精度能达到 0.05mm 就已经非常不错了。

　　回差的产生是因为螺母和丝杆之间不可能绝对的吻合，螺母和丝杆的螺纹之间会有空隙，如图 A 中的 a、b 所示。这 样，丝杆在一正、一反的传动过程中，螺母实际要少移动 ab 的距离，这就是回差。

　　丝杆的传动精度除受丝杆自身精度影响外（导程误差），还有丝杆安装造成的轴向攒动和丝杆的回差。丝杆的转动

　　滑动部分 XY 轴都选用了直径 20mm 的镀铬光轴，配合加长型箱式滑动单元，光轴长度为 315mm，两头攻 M8 螺丝孔， 通过螺丝固定在机架上，如图 2 所示。

　　加长箱式滑块长 100mm，内部有两个直线轴承，全部滑动单元价格在 300 元左右。制作本机时，笔者为了减少工作量 （可以少打螺丝孔）选用了这种一体的加长箱式滑块，因为每根光轴只有一个滑块，所以会对精度有一定的影响。读者 在制作的时候尽量设计成每根导轨两个滑块，可以通过调整安装，消除滑块本身的误差，提高精度。丝杆选用了二手拆 机的 THK 1404 滚珠丝杆，丝杆直径 14mm，螺距 4mm。丝杆安装在两根光轴的中间，一头用专用的固定座固定在机架上， 这种固定座内部为两个配对的角接触轴承， 可以消除丝杆的轴向攒动。 另一头通过一个普通的深沟球轴承支撑在机架上， 丝杆的螺母用于钢板做的方块和托板相连。 读者在制作时尽量选用滚珠丝杆，在保证精度的同时，能显著提高机器的运行速度（传动效率高）、稳定性及使用 寿命。二手拆机及全新国产滚珠丝杆都可选用。不同精度价格差距也比较大，业余制作选用 200 元左右的拆机或全新国 产滚珠丝杆足矣，丝杆直径和导程自己选择，一般直径 8~20mm，导程 2~20mm。不建议使用弹簧双螺母消回差，传动 效率底，寿命短，而且加工调试繁琐，有的爱好者自认为能节省成本，其实细算，得不偿失，最终钱没少花，机子做成 的效果还不理想。当然，如果只是做实验，可以尝试一下弹簧双螺母消回差。

　　控制箱内部包括电源变压器、电源整流滤波板、步进电机驱动板及主轴电机调速板，见图 5。

　　控制箱前面板很简洁，有电源总开关、急停开关、主轴开关及调速旋钮，后面板为驱动信号接口及步进电机接口。步进 电机通过四芯电缆及航空插头与控制箱连接，机架上面的活动线路用塑料拖链梳理固定。电机额定电流 2.7A，空出绕组 中心轴头接成大力矩模式， 实际驱动电流为额定电流的 0.7 倍， 1.9A。 即 步进电机驱动选用了接口驱动三轴一体的 A3977 驱动板， 价格在 200 元左右。 也可以运用 TA8435H， 电流 1.5A， 价格要梢便宜些， 变压器为订做的 220V/350W 变压器， 次级一路电压 24V、功率 150W，保证 6A 的电流输出，一路电压 110V 整流、 滤波后通过调速电路给主轴直流电机供电， 主轴电机直流调速板可以用 NE555 加 MOS 管自己制作，也可以在网上买到成品，价格几十元。

　　Z 轴是自制雕刻机过程中比较难的地方，如果选用成品雕刻机的二手拆机滑台，可为 DIY 起到事半功倍的效果，既能 节省加工工作量及成本，又能保证精度。 立板和侧板分别在相应的四角打孔，攻丝后用螺丝固定。尽量不用焊接而选用螺丝，一是螺丝可以方便后期调整， 二是焊接后由于应力作用，机架容易出现变形。 机架切割完成后，要在立板和横板上打孔，作为光轴及丝杆的固定孔。打孔时，需要使立板和横板分别两两对齐、 重叠后再进行，以保证光轴及丝杆安装的平行度，这点非常重要。 Y 轴平台下为防尘隔板，可以防止雕刻碎屑落在光轴及丝杆上，减少光轴及丝杆的磨损，延长使用寿命。这项防尘设 计是不可缺少的。

　　本机主轴选用了低价的直流电机，额定电压 110V，功率 200W，转速能到 9000 转，配合直流调速电路，能方便地 调节转速和功率／分，价格 100 多元。

　　电机夹头为 ER11 夹头，配合不同直径的夹头互换，以使用不同的刀具，主轴通过主轴夹具固定在 Z 轴上，见图 4。

　　这款直流电机用于业余条件下雕刻 PCB、外壳等，已经足够用了。当然你也可以使用“大功率变频主轴变频器”的组 合，价格会在几千元不等。