制作指南

如何制作一台 CNC 绘图机

面向工程师和创客的分步搭建指南，目标是一台能绘图、切刻字膜或在软质材料上雕刻的两轴机器。内容涵盖机架、龙门、传动、电子部分和 GRBL 调参，以及那些悄悄毁掉精度的常见错误。买零件之前先读一遍。

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两轴运动GRBL 设置同步带与丝杠机架刚性

本页内容

本文内容

1
切削前要先确定的事
2
CNC 绘图机到底由哪些部分组成
3
决定公差的同步带、丝杠与导轨选择
4
控制器接线：让机器保持安静
5
从图纸到 G 代码，避免变形
6
毁掉首次绘图机搭建的五个错误
7
分步指南：如何制作一台 CNC 绘图机
8
按工具类型选择传动与导轨

要点速览

切削前要先确定的事

刚性比电机扭矩更重要刚性机架配 NEMA 17 电机，比软塌机架配 NEMA 23 画得更准。

龙门必须双驱单侧单电机驱动会让横梁扭斜，画出来就是歪的圆。

要速度用同步带，要出力用丝杠装笔用 GT2 同步带，加主轴或刻刀后改用丝杠。

校准每毫米步数量 100 mm 的实际移动，而不是量图纸。把误差反馈回 GRBL。

找正是搭建的一步拧紧最后一颗螺栓前，先检查对角线的角到角距离。

子系统

CNC 绘图机到底由哪些部分组成

绘图机就是两个成 90 度叠放的直线轴，运动轴上装一个刀架。X 滑架在龙门横梁上移动，龙门横梁在两侧导轨上移动。其余部分，电机、同步带、控制板，都只是为了把这两个轴准确、可重复地移动。

这个结构框架很重要，因为它告诉你误差从哪来。轴承间隙、同步带拉伸和机架变形，在纸上都表现为同一件事：一个闭合差 0.3 mm 的圆。如果你想知道如何做出一台能保持线条的 CNC 绘图机，就要从缩短并加硬从刀尖回到机架的这一整条回路开始。

机架材料决定上限。2020 或 2040 铝型材便宜、容易找正，但装重主轴会变形。同样外形尺寸下，钢方管或焊接钢机架的刚性是铝型材的 3 到 5 倍。MDF 只适合在 A3 纸上画图的笔式绘图机，它会随湿度蠕变，每个季节都得重新调平。

先定加工范围，再选材料。300 × 400 mm 工作区是首次搭建的最佳区间：大到能画 A3，小到 2020 型材还能保持刚性。同步带传动超过 600 mm，通常意味着降速，或者接受长线中段 0.2 到 0.5 mm 的下垂。

1
X 轴行程短，承载工具。尽量降低滑架质量。
2
Y 轴通常是龙门。跨度最长的环节就是最薄弱的环节。
3
刀架笔、刻刀或旋转工具。每种工具都会改变所需的刚性。
4
Z 轴抬笔和落笔用简单的电磁铁或丝杠升降就够了。

运动硬件

决定公差的同步带、丝杠与导轨选择

GT2 同步带配 20 齿带轮，电机每转一圈移动 40 mm。速度快、噪音低，多数笔式绘图机都用它。代价是拉伸：1,000 mm 的同步带在 2 N 工具阻力下，可能伸长到损失 0.05 到 0.15 mm 的位置精度。把同步带预紧到约 30 到 50 N，并缩短无支撑跨距。

丝杠几乎完全消除拉伸。TR8 × 2 丝杠每转一圈移动 2 mm，分辨率提高，速度下降。把丝杠用在承载最重工具的轴上。如果要切刻字膜或用 300 W 主轴雕刻，龙门用丝杠，滑架用同步带。

导轨的重要性超出多数首次搭建者的预期。MGN12 直线导轨配预紧滑块，出厂就能保持 0.02 mm 的运行平行度。便宜的圆杆配青铜衬套，几百小时后就会出现 0.1 mm 的旷量。如果打算雕刻，第一次就买导轨。

步进电机按负载选，不按机架选。每相 1.5 到 1.8 A 的 NEMA 17 驱动装笔的同步带绘图机没有问题。加上旋转工具后运动质量变成三倍，就要升级到 2.8 A 的 NEMA 23，并确认驱动器能供得上。电机选小了会悄悄丢步，图面只会慢慢漂移。

1
同步带传动快、便宜、有拉伸。适合笔和轻刻刀。
2
丝杠慢、刚性好、可重复。用在工具会反推的场合。
3
MGN12 导轨预紧可保持 0.02 mm 平行度。值得花这个钱。
4
NEMA 17 与 23装笔用 17，滑架变重后用 23。

电子

控制器接线：让机器保持安静

Arduino Uno 加 CNC 扩展板跑 GRBL 是标准的低成本方案。它通过 USB 读取 G 代码，输出三路 step/dir 信号，对绘图机来说余量足够。烧录 GRBL 1.1 或更新版本，因为旧版本处理圆弧的方式不同，画出来会看到多边形的圆。

步进电机用独立的 24 V 电源供电，不要用 USB 供电。24 V 5 A 电源带两个 NEMA 17 电机和一个小主轴还有余量。步进电机是脉冲式取电；电源太小会导致绘图途中复位，看起来像软件故障。

电机线远离限位开关线。步进脉冲是快速边沿，会耦合进任何并行一米长的导线。每个开关用双绞线，或用屏蔽线且只在控制箱一端接地。仅这一项改动就能消除大部分虚假限位触发。

在电机与机械结构断开的状态下设置驱动器电流，或至少在每次调整之间关闭机器电源。常见错误是把电流设得太高来防止丢步。这只会让电机发热，直到降额并开始丢步。设为额定相电流的80%，并在30分钟后检查电机外壳温度低于60 °C。

1
控制器Arduino Uno 加 CNC shield，GRBL 1.1 或更新版本。
2
电源24 V 5 A，与 USB 分开供电。可避免复位。
3
走线步进线和开关线分开走。屏蔽层单端接地。
4
驱动器电流额定相电流的80%。注意电机温度。

软件

从图纸到 G-code 且不失真

工具链很短：输入 SVG 或 DXF，输出 G-code，由 GRBL 执行。Inkscape 配合 Gcodetools 或 J Tech 扩展能很好地处理 SVG，适合笔绘作业。对于 DXF，使用 CAM 步骤显式设置刀具直径和落笔深度，因为绘图机本身没有刀具补偿。

首先要验证比例。发送一个 100 mm 的方形并用卡尺测量。如果结果是 100.4 mm，说明每毫米步数偏高 0.4%。按新值等于旧值乘以实测值再除以指令值重新计算，并写回。每个轴都要先做一次，再做其他事。

注意加速度设置。GRBL 默认加速度 10 mm/s² 平缓但慢。提高到 200 到 500 mm/s² 能大幅加快笔绘作业，但过高会在换向时导致皮带跳齿。逐步提高并重跑同一测试图，直到拐角保持锐利。

曲线是廉价机器暴露极限的地方。GRBL 用短线段逼近圆弧。线段长度太粗会出现可见的棱面。笔绘作业时把 CAM 工具中的圆弧公差保持在 0.02 到 0.05 mm。更细只会产生巨大文件而看不到收益。

1
Inkscape适合笔和刻刀作业的 SVG 转 G-code 路径。
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校准指令 100 mm，测量，修正每毫米步数。
3
加速度笔绘用 200 到 500 mm/s²。每一步都要测试。
4
圆弧公差0.02 到 0.05 mm。更细只会浪费文件大小。

常见问题

毁掉首次绘图机搭建的五个错误

最常见的失败是框架不方正。直到你画一个矩形并测量对角线才会发现，而那时导轨已经用螺栓固定。每个装配阶段都要检查方正，而不是最后才查。

第二个是皮带张力松动。太松则滑架在换向时滞后。太紧则给电机轴承加载，并听到无法消除的啸叫。对于这个尺寸的机器，GT2 皮带 30 到 50 N 是可用的范围。

第三个是混用电机尺寸却不改驱动器。NEMA 23 电机配为 NEMA 17 设置的驱动器会发热并在负载下丢步。让驱动器电流范围匹配电机额定值，并设为80%。

第四个是把电机线和限位开关线放在同一线束中。症状是加工中途随机触发限位。看起来像固件 bug，其实不是。分开走线或加屏蔽。

第五个是跳过校准步骤。把 100 mm 方形画成 100.4 mm 的绘图机没坏，只是未校准。用卡尺和 GRBL 参数花两分钟就能修好。

1
框架不方正对角线偏差超过 0.5 mm 意味着重装，而不是调整。
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皮带张力错误太松滞后，太紧啸叫。目标 30 到 50 N。
3
驱动器不匹配让驱动器电流范围匹配电机，设为80%。
4
共用走线幽灵限位触发通常是耦合干扰，不是固件问题。
5
未校准在评判机器之前先测量 100 mm 移动。

构建顺序

分步指南：如何制作 CNC 绘图机

1
1. 确定工作范围并按 1:1 画出先决定行程，例如 300 × 400 × 50 mm。在纸上按 1:1 画出框架轮廓，并在上面布置每根导轨和电机。这能在钻孔前发现干涉。多数首次搭建失败在这里，因为电机机身与龙门在行程末端相撞。
2
2. 切割并校正框架用硬质合金锯片将 2020 或 2040 型材切到长度，并去除两端毛刺。在平面上组装，不要在弯曲的工作台上。测量角到角：在拧紧角件之前，两条对角线必须在 0.5 mm 内匹配。
3
3. 安装 Y 轴导轨和龙门将侧导轨平行用螺栓固定，并用千分表沿全行程检查。目标是在 400 mm 上平行度 0.05 mm。如果使用双驱龙门，现在安装两个电机和皮带，并将皮带张力设为 30 到 50 N。
4
4. 安装 X 轴导轨和滑架固定龙门横梁，然后在其上安装 X 轴导轨。确认 X 轴导轨在其长度上与 Y 轴垂直度在 0.1 mm 内。此步骤用靠尺靠在龙门上不够准确；用千分表沿导轨扫过。
5
5. 安装工具架和 Z 轴升降电磁铁升降适合笔且几乎不增加重量。一旦加装旋转工具就需要丝杠 Z 轴。保持笔尖与滑架同心在 0.2 mm 内，否则每次换笔都会偏移原点。
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6. 接电子线并设置驱动器电流将步进电机接到 CNC shield，向驱动器输入供 24 V，并让开关线远离电机线。将每个驱动器设为电机额定相电流的80%。在电机空载下上电，确认它们保持位置。
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7. 烧录 GRBL 并校准每毫米步数上传 GRBL 1.1 或更新版本。每个轴发送 100 mm 移动，测量结果，并按旧值乘以实测值再除以指令值修正每毫米步数。重复直到 100 mm 上误差低于 0.1 mm。
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8. 运行测试图并调整加速度绘制一个 100 mm 圆和一个 100 mm 方形。检查圆度和拐角锐利度，然后从默认 10 mm/s² 逐步提高加速度，直到拐角开始变圆。退回一步并将数值记录在机器上。

选材

按工具类型选择驱动和导轨

选择与你计划安装的工具匹配的那一列，而不是以后可能添加的工具。

刀具	驱动	导轨	预期重复定位精度
笔在纸上	GT2 同步带，20T 带轮	圆杆，青铜衬套	±0.2 mm
笔，寿命更长	GT2 同步带，20T 带轮	MGN12 直线导轨	±0.05 mm
刻字刀	X 轴同步带，Y 轴丝杠	两轴均用 MGN12	±0.05 mm
浅雕刻	TR8 × 2 丝杠	MGN12，预压滑块	±0.02 mm
软金属打标	丝杠，NEMA 23	MGN15，预压滑块	±0.02 mm