如何用 Arduino 制作 CNC 机床

• 1
  购买零件前需考虑的事项
• 2
  你实际在搭建哪种机床
• 3
  零件清单及信号链如何连接
• 4
  每毫米步数、微步与进给速度
• 5
  保持表面质量干净的机架、主轴与切削参数
• 6
  从 CAD 文件到 Arduino 机床首次切削
• 7
  何时停止调试雕刻机并订购零件
• 8
  分步：组装与调试机床
• 9
  Arduino 雕刻机与量产 CNC：哪种适合该任务

“用 Arduino 制作 CNC 机床”涵盖范围很广。实际中，运行 GRBL 的 Arduino Uno 驱动移动龙门上的三个步进电机，由修边机或 500 W 直流主轴切削。控制器不知道零件长什么样，只计脉冲并翻转方向引脚。

这意味着机床等级由机械结构决定。胶合板龙门配无支撑光轴会在切削负载下变形。焊接钢架配直线导轨和滚珠丝杠则不会。两种情况下电子部分成本几乎相同，约等于一个好主轴的价格。

先确定材料。软木、MDF、泡沫和亚克力在轻机架上切削良好。铝需要更刚的机架、更慢的进给和具有真实扭矩的主轴。如果零件是带公差标注的金属支架，Arduino 雕刻机是原型制作工具，不是最终工艺。

• 1
  三轴足以完成 2.5D型腔、轮廓、孔和 V 雕刻都可用 X、Y、Z 完成。
• 2
  首次搭建跳过第四轴旋转轴会增加驱动器、卡盘和大量装夹时间。
• 3
  先预算机架再预算电子控制板是能切金属的搭建中最便宜的部件。
• 4
  规划加工范围400 × 400 mm 切削区域是车库搭建的实用初始目标。

信号链很短。计算机通过 USB 将 G 代码发送到 Arduino。GRBL 解析 G 代码，翻转三个步进引脚、三个方向引脚和一个使能引脚。每个步进引脚接到步进驱动器，每个驱动器接一组电机线圈。

驱动器方面，TB6600 或 DM542 类模块是 NEMA 23 电机的常见选择。它们接受 9–42 VDC，处理 1.0–4.0 A。小机床上的 NEMA 17 电机可用 A4988 或 DRV8825 载板，加散热后上限约 1.5–2.0 A。

逻辑和电机分开供电。Arduino 从 USB 或小电源取 5 V。驱动器从专用电源取 24–36 V，额定电流至少为电机总电流的 1.3 倍。共用一条未滤波的电源轨会导致加工中途复位，这是首次搭建最常见的故障之一。

在 X、Y、Z 上添加限位开关。它们有两个作用：启动时回零和硬限位保护。将其常闭接地，断线时读为触发而非无声。

• 1
  Arduino Uno + CNC 扩展板经典 GRBL 1.1 组合，三轴，USB 接口。
• 2
  步进驱动器与电机匹配设置驱动器前检查电机标签上的额定电流。
• 3
  电机用 24–36 V 电源在驱动器限制内，更高电压在高速时提供更大扭矩。
• 4
  常闭限位开关失效模式比常开接线更安全。

每毫米步数是 GRBL 将指令距离转换为脉冲所用的数值。它由电机、驱动器和传动决定。200 步电机配 2 mm 导程滚珠丝杠和 8× 微步时，计算为 200 × 8 ÷ 2，即每毫米 800 步。同步带传动则用节径和带轮齿数。

微步不增加真实分辨率。8× 或 16× 时电机以更小的指令增量运动，但每微步保持扭矩下降。多数业余搭建在丝杠上用 8×，在同步带上用 16×，因为带传动需要更平滑的运动，而非更精细的位置。

最大进给速度由机床而非刀具决定。轻龙门在约 2,000 mm/min 以上开始振纹。先保守起步，再提高直到表面质量下降或电机堵转，然后回退 20%。

小型机器上，加速度比最高速度更重要。GRBL 默认约 10 mm/s² 对生产加工太慢，对刚性不足的机架又太快。刚性好的结构可试 50–200 mm/s²，轻量结构用 20–50 mm/s²。

• 1
  丝杠传动公式电机步数 × 细分 ÷ 丝杠导程（mm）。
• 2
  同步带传动公式电机步数 × 细分 ÷（带轮齿数 × 带节距）。
• 3
  用试切验证指令走 100 mm，测量实际结果，再按比例修正设置。
• 4
  备份设置在 GRBL 发送端发送 $$，把输出保存为文本文件。

刚性对表面质量的影响比控制器更大。龙门在 20 N 侧向载荷下偏移 0.2 mm，G 代码写得再好也会振刀。Z 轴尽量短，龙门两端都要支撑，主轴端面尽量靠近工件。

用修边机加工软木时，6 mm 双刃上切刀、12,000 rpm、1,500 mm/min、切深 3 mm 是合理起点。加工铝件时切深降到 1–2 mm，用单刃刀，并喷少量润滑雾。刚性好的机器上顺铣通常表面更好。

Arduino 本身有实际限制：Uno 的步进频率约 30 kHz。对中等进给的路由机够用，但会限制高细分丝杠传动机器的速度。需要更高速度就换 32 位控制板。

粉尘和切屑是另一个表面质量杀手。在刀具处接吸尘器并加简单吸尘罩，避免切屑被二次切削，这是 hobby 路由机工件上可见痕迹的主要来源。

• 1
  Z 轴行程短更好刀具伸出每多 1 mm，刀具处偏移就增加。
• 2
  先浅切铝件 1 mm，木材 3 mm，再逐步加深。
• 3
  持续排屑切屑被二次切削会导致振刀和表面变差。
• 4
  检查每颗螺栓的扭矩龙门螺栓松动会在切削中表现为锥度。

在 CAD 中按实际毛坯尺寸和实际刀具直径建模。把刀具建成圆柱，检查每个内角。6 mm 刀具做不出 3 mm 内圆角，CAM 预览会显示为与图纸不符的圆角。

导出到 CAM，把零点设在毛坯顶面，选择 GRBL 后处理器。后处理必须输出 G21（毫米）、G90（绝对移动）、M3 或 M4（主轴控制）。如果后处理输出 G28 或换刀宏，运行前删掉。

先把 Z 轴抬高 20 mm 空跑程序。同时看机器和屏幕上的刀路。任何 Z 轴低于零的移动都是装夹错误，不是机器错误，空跑发现比切进毛坯便宜得多。

然后用同种材料的废料切一个试件。用卡尺对照图纸测量，在加工正式零件前修正每毫米步数或 CAM 中的刀具直径补偿。

• 1
  按刀具建模内圆角半径至少等于刀具半径。
• 2
  在毛坯顶面设零毛坯顶面 Z 零在换刀后更容易重设。
• 3
  切削前先空跑抬高 Z 20 mm，完整看一遍刀路。
• 4
  先切试件测量并修正后再上正式毛坯。

调机到某个点就不再有效。图纸要求 ±0.05 mm 或更紧，或材料是不锈钢、钛合金、加填料的工程塑料，hobby 机架就撑不住。靠加弹簧、降进给去追，会耗掉几周。

实用的交接方式是把同一份 CAD 文件发给量产工厂对比。路由机给你一个实物零件验证设计；工厂给你最终产品需要的公差、材料性能和表面处理。

路由机保留它擅长的活：测试工装、夹具、壳体和没有公差标注的快速支架。这些零件几小时就能回来，材料成本几乎可以忽略。

如果已有加工好的原型要转小批量，同一份文件通常可以直接沿用。发 STEP 文件和标注关键尺寸的图纸，并注明哪些面是外观面。

• 1
  公差是触发条件紧于 ±0.05 mm 就超出路由机能力范围。
• 2
  材料是第二个触发条件钢、钛合金和 Inconel 需要量产设备。
• 3
  路由机留着做夹具非关键工装夹具是 DIY 机器的合适场景。
• 4
  发 STEP 加图纸清楚标注关键尺寸和外观面。