如何用 Nano Arduino 制作 CNC 机床

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  要点速览
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  Nano Arduino CNC 能做什么、不能做什么
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  用 Nano Arduino 制作 CNC 机床所需的零件
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  决定切削质量的 Grbl 设置
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  自制方案为什么尺寸不准
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  分步制作流程
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  DIY Nano 方案与专业 CNC 加工对比

Nano Arduino CNC 是一个 3 轴运动平台。Nano 运行 Grbl，通过 USB 读取 G 代码，并切换步进和方向引脚。这就是它的全部工作。其余部分，机架、主轴、轴承，决定你获得的精度。

对于胶合板或铝型材机架上的同步带或丝杠机床，实际加工范围约为 300 × 300 × 50 mm。制作良好时定位精度接近 ±0.1 mm，制作松散时约 ±0.3 mm。钜亮五金（GreatLight）在生产零件上保持 ±0.005 mm，可见两者差距之大。

可加工材料：MDF、硬木、亚克力、POM、泡沫，以及用 3 mm 单刃立铣刀、切深 0.2–0.5 mm 加工 6061 铝。不可加工材料：304 不锈钢、17-4PH、Inconel 和淬硬工具钢。刀具还没切入，主轴就先堵转。

如果零件有公差标注、表面处理规格或认证追溯要求，自制方案就不合适。可以用它验证形状，然后把文件交给真正的机床。

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  适合软材料上的标牌、夹具、壳体、PCB 和原型支架。
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  不适合航空航天配件、医疗零件，以及任何有 ±0.01 mm 标注的零件。

把制作分成四组：机械、运动、电子和软件。按这个顺序采购，可以避免在机架还夹不直刀具时就先给板子接线。

机械：铝型材或 18 mm 胶合板机架、12 mm 直线光轴或 MGN12 导轨，以及底板。运动：额定 1.5–1.7 A 的 NEMA 17 步进电机、配 20 齿带轮的 GT2 同步带，或配消隙螺母的 T8 丝杠。

电子：Arduino Nano、CNC 扩展板或自制载板、三到四个步进驱动器、24 V 10 A 电源、限位开关和急停按钮。软件：烧录到 Nano 的 Grbl 1.1，加上位机如 Universal Gcode Sender 或 Candle，以及 Fusion 360 或 Estlcam 等 CAM 工具。

不要省略急停按钮，也不要把主轴和 Nano 接在同一路 5 V 电源上。共用电源上的电机噪声会导致切削中途随机复位。

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  驱动器很关键小电机用 A4988，大电流用 DRV8825 或 TB6600。
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  电源24 V 10 A 可覆盖三个 NEMA 17 电机和 500 W 主轴。
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  接线步进电机用屏蔽线，屏蔽层只在驱动器端接地。

Grbl 出厂是通用默认值。每台机床都需要自己的数值，靠猜是首次制作切出椭圆圆或中途丢位的常见原因。

先设每毫米步数。在每个轴上指令移动 100 mm，用卡尺测量实际行程，然后按比例修正：新值等于旧值乘以 100 除以实测行程。重复直到 100 mm 内误差低于 0.05 mm。

然后设置最大速率和加速度。同步带机床从 800 mm/min 和 100 mm/s² 开始，以 10% 步进提高，同时观察是否丢步。如果电机嗡嗡响并堵转，先降加速度再降进给速度。

最后设置行程限位并启用回零。软限位会阻止要求超出机架行程的程序，启用它没有任何成本。

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  $100–$102X、Y、Z 的每毫米步数。先调这些。
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  $110–$112最大速率，单位 mm/min。保持在电机堵转点以下。
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  $120–$122加速度，单位 mm/s²。数值越低越不容易丢步。
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  $20–$22软限位。回零可靠后再启用。

丢步表现为零件偏移：型腔一侧正常，远端偏差 0.5 mm 或更多。常见原因是加速度过高、驱动器电流过低，或联轴器在负载下打滑。

反向间隙表现为轴换向时侧壁出现台阶。丝杠机床更换螺母；同步带机床检查带轮紧定螺钉和同步带张力。测量反向间隙：前进 10 mm，再后退 10 mm，读取差值。

另外两个原因是主轴跳动和刀具让刀。便宜的 500 W 主轴若跳动 0.05 mm，永远做不出 0.1 mm 的壁厚。用百分表测刀柄，再判断是不是控制器的问题。

切削力也会使机架弯曲。3 mm 立铣刀在铝件上切 0.5 mm 深时，推力足以让胶合板龙门架变形。采用更轻的切削量，或改用金属机架。

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  丢步降低加速度，在电机额定值内提高驱动器电流。
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  反向间隙更换磨损的螺母，紧固带轮，重新张紧同步带。
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  表面质量差先检查跳动、进给率和切削深度，再查电气部分。