要点速览
Arduino 迷你 CNC 绘图机实际包含什么
Arduino 迷你 CNC 绘图机由固定在同一机架上的三个子系统组成：运动、驱动和控制。运动是 X、Y 轴以及夹持笔的部件。驱动是步进电机以及把旋转变成位移的同步带或丝杠。控制是 Arduino、CNC 扩展板和步进驱动器。
每个绘图问题都能追溯到这三个子系统之一。圆闭合处有明显平点，是运动问题。圆在整页上尺寸漂移，是驱动问题。圆画到一半停住，是控制问题。知道症状属于哪个子系统，能省下数小时猜测。
多数搭建失败在机架。3 mm 亚克力龙门在笔尖拖拽下会变形 0.2–0.5 mm，这种变形表现为软件无法调掉的反向间隙。用铝型材、12 mm 胶合板或加工板。如果有铣床，6 mm 铝龙门板能完全消除这个变量。
画图两个轴就够。加 Z 轴抬笔是另一个问题，会让接线和调试工作量翻倍。先做 2 轴版本，画出干净线条，再加舵机或小 Z 平台。
- 1运动X、Y 导轨、滑块、笔架
- 2驱动NEMA 17 步进电机、GT2 同步带或 T8 丝杠
- 3控制Arduino Uno、CNC 扩展板、A4988 或 DRV8825 驱动器
- 4机架刚性底板与龙门立柱
导轨、轴承与传动链选择
绘图面积约 300 × 300 mm 时，8 mm 光轴配 LM8UU 直线轴承是仍能用的最便宜方案。轴承有间隙，通常 0.05–0.1 mm，对笔来说可以接受。想要更紧的运动，用 MGN12 直线导轨；成本更高，但消除了间隙。
同步带还是丝杠是最关键的选择。20 齿带轮的 GT2 同步带每转移动 40 mm，快、安静、易张紧。T8 丝杠导程 2 mm 时，4 头每转移动 8 mm，单头 2 mm。它较慢，但笔尖侧向推时能保持位置。
要速度和长行程选同步带。笔拖拽力大、用马克笔绘图，或断电后需要滑块保持位置时选丝杠。两者混用，X 用带、Y 用丝杠，很常见且可行。
张紧比多数搭建者预想的更重要。轻按 GT2 同步带中点，挠度约 3–5 mm 合适。太松，换向时有反向间隙。太紧，电机轴承受载，低速有啸叫。
电机连丝杠要用弹性联轴器，不能用刚性联轴器。刚性联轴器把每一点微小不同轴都传到丝杠上，表现为绘图中的周期性摆动。5 × 8 mm 铝弹性联轴器成本低，能消除这个问题。
搭建的接线、驱动与电源
标准组合是 Arduino Uno 加 CNC 扩展板、两个 A4988 或 DRV8825 驱动器，以及 12 V 2 A 电源。扩展板直接插在 Uno 上，驱动器插在 X、Y 插座。2 轴绘图机把 Z 插座空着。
接电机前先设驱动电流。额定每相 1.5 A 的 NEMA 17 应运行在 1.0–1.2 A，即 Vref 引脚上约 0.7–0.85 V。更高，驱动器过热并在绘图途中关断。更低，电机负载下丢步。
细分改变每毫米步数。A4988 模块通常设为 1/16 细分。20 齿 GT2 带轮配 200 步电机，得到 200 × 16 ÷ 40 = 80 步/mm。记下这个数，要输入固件。
调试时 Arduino 用 USB 供电，绘图时用 12 V 供电。同时供电时，有些扩展板会向 USB 口反灌。用至少 2 A 的 12 V 电源；两个电机的绘图机正常运动耗电 1.2–1.8 A，换向时峰值更高。
电机线要远离限位开关线。步进电机线缆会携带开关噪声，与限位开关线平行走线会触发误停。如果机器回零到错误的角，通常就是这个原因。
GRBL 设置与每毫米步数计算
把 GRBL 1.1 烧录到 Uno，然后以 115200 波特率打开串口终端。输入 $$ 导出设置。必须先改的两个是 $100 和 $101，即 X 和 Y 的每毫米步数。
根据你的硬件算出这个数，不要照抄论坛帖子。每毫米步数 =（电机步数 × 细分）÷（同步轮齿数 × 同步带节距）。对于 200 步电机、1/16 细分、20 齿同步轮、2 mm GT2 节距：200 × 16 ÷ (20 × 2) = 80。对于 2 mm 导程的 T8 丝杆、1/16 细分：200 × 16 ÷ 2 = 1600。
把 $110 和 $111（最大速率）先设得保守一些。同步带机 600 mm/min、丝杆机 300 mm/min 是安全的起点。等机器能画出干净的方框且不丢步后，再提高。
把 $120 和 $121（加速度）设为 100–200 mm/s²。太高，电机在尖角处会堵转。太低，画图耗时很长，笔在每个顶点停留，使点比线更深。
烧录后，用 G0 X10 和 G0 Y10 点动各轴。用卡尺测量实际行程。如果指令 10 mm 实际走了 9.6 mm，就把每毫米步数乘以 10 ÷ 9.6 后重新输入。两轮之后，全行程误差可控制在 0.1 mm 以内。
笔偏置、反向间隙，以及限制绘图质量的因素
笔式绘图仪没有 Z 轴，笔尖始终偏离滑架中心。这个偏置意味着绘制位置取决于运动方向。如果不补偿，15 mm 的偏置在换向时会产生 30 mm 的误差。
解决办法是在 G-code 中用 G92 偏置，或用小幅 Z 抬升在笔画之间抬起笔。GRBL 可以把 Z 引脚上的舵机当作简单的开/关输出来驱动，足以实现抬笔和落笔。设置舵机行程，使抬笔时笔尖离纸 1–2 mm。
反向间隙表现为线条换向处的小缺口或重叠。测量方法：装笔后画一条水平线去程再回程，用放大镜测量两趟之间的偏移。同步带机 0.1–0.3 mm 属正常。超过 0.5 mm 就更换或重新张紧同步带。
绘图质量还取决于纸和笔。细头针管笔在光滑纸上可画出约 0.3 mm 宽的清晰线条。圆珠笔在有纹理的纸上会漂移，线宽随速度变化。如果测试机械精度，每次都用同一支笔和同一种纸。
如果以后需要保持 ±0.005 mm 而非 ±0.2 mm 的零件，绘图仪框架的逻辑仍然适用：先刚度，再驱动，最后软件。这与我们加工支架或工装夹具板时的顺序相同。
- 1用往返线测量反向间隙画去程和回程，再用放大镜测量缺口
- 2笔偏置保持在 20 mm 以内偏置越长，方向相关误差越大
- 3所有测试用同一支笔和同一种纸更换任一项都会改变线宽，掩盖真实误差
分步详解：如何制作 Arduino 迷你 CNC 绘图仪
按这个顺序做。框架未找方就跳到固件，浪费的时间比省下的多。
- 1切割并钻孔底板用 12 mm 胶合板或 6 mm 铝板。导轨安装孔在台钻上钻，不要手钻。孔距与导轨长度的匹配误差应在 0.5 mm 以内。手钻孔会使导轨不平行，滑架在行程两端会卡滞。
- 2安装 Y 轴导轨和滑架把两根 Y 导轨等距用螺栓固定到底板上。先套上滑架，再拧紧远端。拧紧一端，检查滑架沿全长滚动顺畅，然后拧紧另一端。
- 3组装 X 轴龙门把 X 导轨装到龙门板上，再把龙门板用螺栓固定到 Y 滑架。用直角尺检查垂直度。如果龙门倾斜 0.5°，画出的方框会变成平行四边形，任何固件设置都修不好。
- 4安装电机、同步轮和同步带把 NEMA 17 电机装到支架上。安装 GT2 同步轮，紧定螺钉对准轴上的平面。穿好同步带，张紧到中点下垂 3–5 mm。检查同步带在同步轮上居中运行，不摩擦法兰。
- 5连接电子部分把 CNC 扩展板插到 Uno 上。按正确方向插入驱动器，然后把 Vref 设为 0.7–0.85 V。把电机接到 X 和 Y 插座。限位开关布线要与电机布线分开。
- 6烧录 GRBL 并设置每毫米步数上传 GRBL 1.1，以 115200 波特率打开串口监视器，把 $100 和 $101 设为计算值。把 $110/$111 设为 600 mm/min、$120/$121 设为 150 mm/s² 作为起点。
- 7校准行程并找方各轴每轴指令 100 mm 并测量。按指令距离与实际距离之比调整每毫米步数。重复直到 100 mm 内误差低于 0.1 mm。然后画一个 100 mm 方框，测量两条对角线，差值应在 0.5 mm 以内。
- 8设置笔偏置并画测试文件安装笔，使笔尖位于滑架中心 10–20 mm 以内。在 CAM 后处理中应用偏置，或用 G92 偏移。画一个包含圆、尖角和长直线的测试文件，以暴露反向间隙和丢步。
迷你绘图仪：同步带、丝杆与齿条对比
数据基于 200 步电机、1/16 细分。
| 驱动类型 | 每毫米脉冲数 | 适用场景 | 注意事项 |
|---|---|---|---|
| GT2 同步带，20T 带轮 | 80 | 绘图快，行程 300–500 mm | 张紧不足时有反向间隙 |
| GT2 同步带，16T 同步轮 | 100 | 小框架，分辨率更细 | 每齿同步带负载更高 |
| T8 丝杆，2 mm 导程 | 1600 | 笔拖拽重、马克笔作业 | 速度慢，需要弹性联轴器 |
| T8 丝杆，8 mm 导程 | 400 | 速度与保持力的平衡 | 启动需要更大扭矩 |
| 齿轮齿条 | 因模数而异 | 600 mm 以上长行程 | 不预紧会有反向间隙 |
Arduino 迷你 CNC 绘图仪搭建问答
没有任何加工工具能搭出来吗？
可以，前提是接受胶合板或亚克力框架和手钻孔。代价是精度：框架变形和孔位偏差会带来 0.2–0.5 mm 误差。
想要更好的数字，就把龙门板和电机支架拿去机加工。6 mm 铝板配钻孔和铰孔，能消除变形并保持导轨平行。
为什么我的绘图仪把圆画成椭圆？
两个轴的每毫米步数不同。对照硬件计算检查 $100 和 $101，然后让每个轴走 100 mm，测量实际行程。
第二个原因是皮带张力。如果 X 皮带比 Y 皮带松，X 轴在换向时会滞后，圆就会沿该轴被压扁。
步进驱动器应该给多大电流？
对于每相额定 1.5 A 的 NEMA 17，把驱动器设为 1.0–1.2 A。在 A4988 上，这大约是 Vref 引脚 0.7–0.85 V。
如果驱动器一分钟内烫到手不能碰，就降低电流或加散热片和风扇。驱动器过热会在绘图途中停机，笔就停在原地。
进给率应该从多少开始？
皮带传动机器从 600 mm/min 开始，丝杠传动机器从 300 mm/min 开始，加速度设为 100–200 mm/s²。
每次以 100 mm/min 提高进给率，并重画一个测试方块。拐角开始变圆的那个速度就超过你的极限，从那里退回 20%。
需要限位开关吗？
绘图不需要它们，但它们能让回零可重复。没有它们，每次作业开始都得手动设原点。
如果安装，限位开关的走线要与电机分开。开关线路上的噪声会造成误触发，机器会回零到随机的角。
同一套电子设备能驱动小型铣削主轴吗？
控制侧相同，机械侧不同。绘图仪框架是按几牛顿的笔压设计的。切削刀具会以几十牛顿反推，框架会变形。
凡是去除材料的应用，都需要刚性框架、预紧直线导轨和滚珠丝杠。那是另一台机器，不是这台机器的升级。
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