制作指南

如何制作一台类似 CNC 的自动绘图机

本指南讲解基于 CNC 式运动的自动绘图机的机械布局、电机选型、控制器接线和 G-code 准备。面向希望搭建一台像轻型 CNC 雕刻机而非玩具的两轴绘图机的工程师。读完后你应了解哪些零件可自行加工、哪些公差重要、以及搭建通常在哪里失败。

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两轴运动GRBL 或 Mach3实际 ±0.1 mm同步带或丝杠

本页内容

本文内容

1
要点速览
2
自动绘图机与 CNC 机床的区别
3
运动布局：切金属前先选同步带还是丝杠
4
电机、驱动器和保持线条笔直的电子部分
5
抬笔、压纸和决定绘图质量的细节
6
G-code 准备和适合笔的 CAM 设置
7
分步搭建：组装机器
8
自动绘图机：同步带传动与丝杠传动对比

快速回答

要点速览

自动绘图机是一台轻型 CNC同样的 G-code、同样的运动控制，切削力低得多。把它当作以笔为刀具的 CNC。

刚性仍决定精度机架变形会表现为线条波动。刚性好的龙门比高速电机更重要。

笔用同步带足够GT2 同步带在 300 mm 行程内约保持 ±0.1 mm。丝杠用于更重的刀具。

GRBL 是最便宜的方案Arduino Uno 加 GRBL 扩展板可驱动三轴，读取任意 CAM 工具输出的标准 G-code。

自行加工支架±0.05 mm 的铝板支架可消除破坏笔迹的间隙。

第 1 节

自动绘图机与 CNC 机床的区别

自动绘图机让笔在纸上移动，而不是让刀具在金属中旋转。控制链完全相同：CAD 或矢量文件转为 G-code，控制器将其转为步进和方向脉冲，电机驱动各轴。变化的是负载。笔以几克力接触纸面，因此结构可比雕刻机轻得多。

负载轻了，人反而容易大意。手压变形 0.3 mm 的机架在快速斜向移动时仍会变形，笔迹会如实反映。车间里用的规则同样适用：先刚性，后速度。把龙门做到手推不动，绘图自然准确。

还有一个控制差异值得了解。CNC 机床通常用闭环或至少失步检测驱动，因为丢一步就毁一个零件。绘图机可容忍某条线丢一步，但反复丢步会偏移整幅图。把加速度设低到电机永不失步，开环方案就没问题。

最后，想清楚机器的用途。若要在 A3 纸上画干净的技术图，同步带两轴加伺服抬笔就合适。若要在 1,200 mm 纸上拖马克笔，就需要更大的机架和不同的预算。先定纸张尺寸和工具，其余都由此决定。

第 2 节

运动布局：切金属前先选同步带还是丝杠

小型自动绘图机主要有两种传动方案。GT2 同步带配 20 齿带轮，电机每转约 40 mm 行程，成本很低。丝杠通常为 T8 或 SFU1204 滚珠丝杠，分辨率更细，但增加摩擦并限制速度。对笔而言，分辨率很少是瓶颈；同步带拉伸和机架变形才是。

同步带张力决定线条质量。太松会在换向时抖动，每个拐角留下短弧过冲。太紧会加载电机轴承、缩短寿命。目标是在最长跨距中点用手指轻压，同步带下垂约 3 到 5 mm。

若用丝杠，实际行程速度约 100 到 200 mm/s 后丝杠开始抖动。同步带轻松达到 300 mm/s。当图有数千短线段时这很重要，因为加速度主导总时间。加速度设在 300 到 1,000 mm/s²，再提高到电机刚开始丢步，然后回退 30%。

导轨和传动同样重要。MGN12 直线导轨便宜且刚性足够用于笔架。圆杆加青铜衬套可用，但几百小时后会出现间隙。若你自行加工零件，用 6061-T6 或 6082 铝以 ±0.05 mm 切出滑板并压平导轨座；螺栓拼接、有明显缝隙的板永远保持不了直线。

第 3 节

电机、驱动器和保持线条笔直的电子部分

1.8° 步距角的 NEMA 17 步进电机是该尺寸机器的标准选择。40 mm 机身、约 0.4 N·m 保持转矩可轻松驱动轻型龙门。更大的 NEMA 23 电机增加运动质量，对加速度弊大于利。保持运动件轻、电机适中。

使用至少 1/16 微步的驱动器，电流设为电机额定值的约 70% 到 80%。满电流会让电机发热且不提高精度。一小时后电机摸起来温热是正常的。若烫得拿不住，就降低电流。

控制器的选择归结为两种：Arduino Uno 上的 GRBL，或 PC 上配转接板的 Mach3。GRBL 更便宜，通过 USB 口运行，使用开源发送软件。Mach3 多一个并口和更大的功能集，但对一台笔式绘图机来说，复杂度超出多数搭建所需。无论哪种，限位开关都接常闭触点，这样断线时机器会停止，而不是把故障掩盖起来。

接地是常被跳过的一步。把电机线缆的屏蔽层接到控制器处的单一接地点，并让电机线与限位开关线分开走。步进脉冲很容易耦合进信号线，症状是随机停机，或绘图到一半偏移几毫米。

第 4 节

抬笔、压纸，以及决定绘图质量的细节

笔不抬起，每个图形之间就会留下一条线。两种常见方案：带杠杆臂的小舵机，或带弹簧回位的电磁铁。舵机更安静，也更容易用同一块 GRBL 板通过主轴使能引脚控制。抬起位置设在纸面上方约 5 mm，落下位置调到笔尖刚好接触纸面。

接触力应保持较低，针管笔约 5 到 20 克，毡头笔可更大。力太大会压弯纸张，使整张纸上的线宽变化。力太小则在纹理纸上出现断线。要在实际使用的纸上测试，因为纸厚会改变接触点。

用真空台、低粘性胶垫或简单的长尾夹夹住四角来固定纸张。如果胶带不会掀起纸边，贴胶带也行。纸张任何翘曲都会变成高度误差，0.5 mm 的翘曲就足以让细笔的线宽出现可见变化。

保持笔垂直于绘图平面。倾斜安装的笔画出的线宽随方向变化，在圆和斜线上很明显。使用可调角度的支架，并在第一次正式作业前用直角尺检查。

第 5 节

G 代码准备与适合笔的 CAM 设置

多数矢量文件在机器运行前需要一步转换。Inkscape 加 G 代码扩展，或 Fusion 360 的描线工序等 CAM 工具，都能输出标准 G 代码。把刀具直径设为实际笔线宽度，因为这个值决定路径偏移，也决定拐角是尖角还是圆角。

最初几次作业把进给率设保守些。笔不在乎切削速度，但机器在乎加速度。从 60 mm/s、500 mm/s² 加速度开始，等图面干净后再提高。如果拐角过冲，先降加速度再降进给。

Z 轴移动是另一个要留意的设置。平整纸面上抬笔 2 mm 足够，抬得更高只浪费时间。下刀速率设慢，约 50 mm/s，避免笔接触时弹跳。如果起笔线偏淡，在落下位置加 0.1 s 的短停留。

跑整张纸之前，先在发送软件里检查绘图原点和比例。400 mm 上 1% 的比例误差就是 4 mm，足以画出纸外。先在纸张边缘画一个边框，确认轮廓落在预期位置。

自制顺序

分步搭建：组装机器

按这个顺序做。跳过步骤通常意味着返工框架。

1
1. 确定工作区域先定纸张尺寸，然后每个轴加 50 mm 行程余量。A3 横向需要约 470 × 330 mm 的有效行程。买导轨前先在纸上画出包络。
2
2. 做刚性底座框架用 2020 或 2040 铝型材。端面切方，误差在 0.2 mm 内，用角件螺栓连接，不要用打印角件。推每个角检查是否晃动。
3
3. 平行安装导轨在每对导轨两端测量中心距，差值控制在 0.1 mm 内。导轨平行可防止滑座在行程两端卡滞。
4
4. 装驱动系统装 GT2 同步带配 20 齿带轮，或 T8 丝杠配消隙螺母。张紧同步带，使跨中在手指轻压下挠曲 3 到 5 mm。
5
5. 装电机并设电流NEMA 17 电机，1/16 细分，驱动电流设为额定值的 70% 到 80%。上电前先手动转动每个轴，感受是否卡滞。
6
6. 接控制器Arduino Uno 加 CNC 扩展板的 GRBL，或 Mach3 加转接板。限位开关接常闭触点。线缆屏蔽层单点接地。
7
7. 安装抬笔机构舵机或电磁铁接 Z 轴或主轴使能输出。行程设为抬起 5 mm、落下刚好接触。用塞尺在笔尖下调整。
8
8. 校准并测试画一个 100 mm 正方形并测量。调整每毫米步数，直到 100 mm 内误差低于 0.2 mm。再画一个圆检查反向间隙。

驱动方式对比

自动绘图机：同步带驱动与丝杠对比

根据纸张尺寸、绘图密度和可接受的噪音来选择。

因素	GT2 同步带驱动	T8 丝杠
实际速度	最高 300 mm/s	100 到 200 mm/s
每步分辨率	1/16 细分下约 0.0125 mm	1/16 细分下约 0.005 mm
反向间隙风险	张紧后较低	需要消隙螺母
噪声	导程大，电机负载更安静	低嗡鸣，电机负载更大
500 mm 轴成本	低	中等
适用场景	大幅面绘图、快速移动	小幅面密集绘图、细线
维护	每隔几个月重新张紧	润滑并检查螺母磨损