设计自己的CNC雕刻机所需的一切

这是我希望在开始设计CNC路由器时可以阅读的百科全书

在设计自己的CNC铣刨机时，我将介绍所有组件以及您需要牢记的一些设计注意事项。

CNC铣刨机的基础是某种刚性框架。在框架的顶部，您可以安装线性导向器，以使轴移动。您可以用皮带或螺丝驱动该运动，皮带或螺丝的旋转由电动机驱动。这些电动机由连接到gcode解释器的脉冲发生器控制，该发生器从gcode发送器获取命令。我将在下面介绍您的所有主要选择。

框架是机器的主体。您应该使用能够使用的最坚硬的材料。

如果您只能使用木工设备，那么木材是您唯一的选择。木材的主要优点是便宜且易于加工。主要缺点是木材的刚性不足以抵抗切削力，从而导致颤振和低质量的表面光洁度。第二个问题是木材的尺寸非常不稳定，容易随温度和湿度的变化而波动。

如果您从不打算切割比木材更硬的材料，并且从不满足严格的公差或可重复的尺寸而感到舒适，那么木质框架可能是一种非常经济的选择。如果您主要是在制造艺术品而不是在公差范围内生产功能性机械零件，那么这可能是您的理想选择。

Mostly Printed CNC和其他类似的CNC利用廉价的挤压金属管充当骨头，并使用3D打印零件充当关节。除了将金属管切成一定长度外，这些设计中的许多都不需要任何种类的金属加工技能。鉴于当今3D打印机无处不在，这些设计非常容易获得，甚至比木制设计更容易获得。

它们的主要缺点是3D打印的零件不是很坚固，因此在这些机器上创建的零件的精度，可重复性和表面光洁度受到限制。这些设计的另一个常见缺点是将挤压金属表面用作线性导轨。挤压金属不是精确的表面，因此金属中的任何表面缺陷都会转化为成品中的缺陷。这限制了业余爱好和艺术项目的用途。

我应该提到＆＃34;低精度＆＃34; CNC铣刨机可能意味着付出或付出千分之几英寸。如果您是一位习惯于使用台锯和铅笔画线条的木工，那么公差非常严格，并且木制框架或大部分为印刷框架都可能超出您的需求。

铣刨机框架的一个非常受欢迎的选择是铝制8020。挤压型材可以按尺寸订购，某些供应商（例如Misumi）不仅会为您切割长度，还会钻孔和and孔，它们会攻丝端部并执行许多操作在您的工厂进行其他操作。

8020的易用性不能高估。如果您有斜切锯，则可以轻松地将其切短以自己制作所需的任何设计。主要优点是，您可以获得金属对金属接头的刚度和乐高玩具组的无限可返工性，而没有更多传统金属加工的困难。

一些供应商甚至可以在您的挤压件上铣削精密表面，从而使其既可以用作结构构件又可以用作线性导轨。

8020的主要缺点是，它比挤压的铝管贵得多，并且刚性不如钢。尽管如此，它还是一个非常受欢迎的选择，因为它是生产能够达到公差并产生出色表面光洁度的机器的最便宜，最简单的方法。

钢制框架是其高质量和高刚性的绝佳选择。最大的缺点是金属加工需要许多业余爱好者无法使用的工具，并且钢框架不能很好地阻尼振动。

如果您舒适地进行切割，焊接和粉末喷涂，则可能应该继续使用钢构筑框架。一些大的表面将需要铣削以固定直线导轨，因此在开始焊接之前，请确保已计划好所有内容。

使用钢框架，您可以达到严格的公差并切割几乎所有材料。您的机器的主要限制将不是它的框架。在这里查看这个旧的Tony出色的钢框架CNC铣刨机

铣床和车床通常采用铸铁制成的机架，因为它具有出色的减振性能，极高的刚性以及通过将多个零件组合成一个铸件而减少了零件数量。

此技术需要大量的预计划，经验和对金属铸造厂的访问。对于大多数业余爱好者来说，这是非常昂贵和困难的，但它可以生产出一些最好的CNC机器。

其他缺点是铸铁零件在露天环境中很容易生锈或腐蚀，如果被溶剂侵蚀。铸件通常需要喷砂和喷漆才能在工业环境中生存。

铸造过程不会给您留下精密的表面，因此，必须对必须在指定公差范围内的任何零件进行表面加工。

生产所需模具需要大量的前期工程成本，但是一旦有了模具，铸造的单位成本就具有成本竞争力。如果您要设计专门用于批量生产并出售给他人的极高质量的CNC铣刨机，请考虑将铸铁用于您的机架。

框架花岗岩的一个奇特选择是环氧花岗岩-碾碎悬浮在环氧粘合剂中的天然花岗岩，您可以在室温下将其浇铸成任意形状。

环氧花岗岩的优点是尺寸非常稳定，耐化学溶剂，不需要喷漆，并且可以将振动衰减到等效钢框架的30倍，或者是铸铁的10倍。仅使用家用设备和技术，就可以将环氧花岗岩铸成您喜欢的任何形状。预制的螺纹嵌件和线性导轨可以在铸造时插入，从而大大减少了对最终铸件进行机械精加工的需要。对于超高精度建筑，环氧花岗岩是一个绝佳的选择。

缺点是环氧花岗岩的抗张强度低，通常在框架的所有部分都需要相当厚。

环氧树脂花岗岩是业余爱好者中罕见的选择，但我相信这主要是因为设计和建造过程太陌生了。由钢梁制成的框架易于可视化，并且可以直观地链接在一起。用铸造材料制成的框架需要非常不同的设计方法，大多数爱好者对此并不太了解。

如果您真的想制造出性能惊人的机器，尤其是如果您打算制造许多机器，那么环氧花岗岩可能是您的理想选择。

直线导轨的作用是将运动限制在单个轴上，以防止任何不必要的旋转或偏斜。这些通常是CNC铣床上最昂贵的零件。

铣床和车床通常使用箱式或燕尾式方式，它们是精密加工的表面，彼此悬浮在微观的油膜上，并用称为gibbs的小刀片保持紧密。当清洁干净的有害碎片并用油妥善维护时，任何方式都不会磨损，并且使用寿命比机器的其他每个部分都要长。

导轨具有较大的接触面积的优势，可以使振动非常有效地耦合通过线性导轨并进入框架。这允许振动能在整个机体中散布，并可以有效地将其衰减。

它们具有质量极高的次要优势，有助于降低振动幅度。方式是最坚固的线性导轨。在铣床或车床中，可以将这些方法直接磨入机器的主体中，从而减少了装配复杂性和零件数量。

尽管具有所有这些优点，但它们几乎从未被集成到CNC铣刨机中，因为它们每单位长度的价格太昂贵，它们的质量大，使它们笨拙，并且它们的磨损方式不适用于计算机控制的加工。

磨损的问题是，如果在行驶过程中确实出现了小问题，则它会迅速演变成严重的问题，进而造成进一步的损坏。修理方式，特别是在现场修理，是非常繁琐且因此昂贵的过程。机械师很可能会注意到在手动铣床上出现的此类问题，但是操作CNC铣床的计算机不会注意到。

支撑的轴是在底部具有铝质支撑结构的精密磨削钢，可将轴牢固地固定到CNC机床的机架上。在轴上运行的线性轴承可以在轴的长轴上自由地来回旋转约20度，这意味着它们实际上提供了两个不同的自由度，其中之一必须进一步受到设计其他方面的限制。 。轴承通常很容易拆卸和更换。

这些轴在固定表面和活动表面之间引入了许多间隔，为您提供了放置导螺杆，走线或进入活动部分背面的空间。额外分离的缺点是，它会使杠杆臂变长，从而放大了框架上的扭矩。

精密磨削的线性导轨的轮廓要比支撑轴低得多。它们的短高度使您可以生产出更加紧凑的设计，这对刚性有好处，但是由于空间不足，很难安装导螺杆。

另外，如果您使用这种类型的滑轨，请务必小心，切勿从滑轨上卸下滑轨。内部的滚珠轴承将掉落并无处不在。如果您能全部找到它们，则很难将它们放回内部。

非常便宜的低质量建筑将使用仅支撑在两个点上的无支撑线性轴。这是一个糟糕的主意，因为给定力的挠度要大几个数量级，从而导致非常低的精度和大量的颤动，从而导致较差的表面光洁度，较慢的切削速度和较短的刀具寿命。

该解决方案适用于可以忽略工具力的激光切割机和3D打印机，但是这种方法不适用于CNC铣床。尽管存在缺点，但许多廉价的设计仍使用这种类型的线性导轨。尽可能避免这种情况。

该规则的一个例外是，如果您设计的轴的厚度比使用其他方法的轴厚得多。 A 2＆＃34;直径无支撑的轴可能比1/2＆＃34;的刚性更高。直径支撑的轴，前提是端部支撑也非常坚固。

线性致动器的工作是将旋转运动转换为线性运动，以沿其线性导轨推动轴。您主要担心的是间隙，价格，最大长度，反向驱动性和机械减小。次要问题可能包括对磨损，灰尘和振动的抵抗力。

皮带驱动器非常便宜，轻巧，其成本不取决于要驱动的长度。廉价的确有少量的承受力，它们可能会随着时间的流逝而延长，但不会超过一项工作。

一些设计的特征是带有运动皮带的固定电动机，该运动皮带来回穿梭线性平台。除非您找到抑制皮带振动的方法，否则这可能导致皮带拍打或弹跳。

另一种方法是在移动台上使用固定皮带，如流行的Shapeoko router刨机所示。这使您可以将皮带跳动问题换成电缆布线问题，从而为移动的电动机提供动力。

如果您的皮带轮和皮带齿不能完美啮合，则皮带的反冲可能是一个问题。皮带的另一个问题是，在马达和使皮带运动的齿轮之间没有机械减速。这对高速应用非常有用，但会引起扭矩问题，引起颤动并可能丢失步距。

齿条齿轮系统的主要优点是可以实现非常长的长度。如果您需要超过8英尺的行程，则可以采用R＆amp; P。这些系统通常具有非常强的适应性，能够在不牺牲空间分辨率的情况下快速行进长距离。

与皮带驱动器一样，R＆amp; P系统很容易反向驱动，这对于手动移动X和Y轴非常有用。但是，CNC的Z轴一定不能反向驱动，以防止在关闭电源时主轴掉入床身中。请勿在Z轴上使用皮带驱动器或R＆amp; P驱动器。

导螺杆通常在手动铣床和车床中发现，具有超强的承载能力。导螺杆价格便宜，可预测的磨损，易于更换且摩擦力低。

导螺杆的主要缺点是间隙。大多数导螺杆系统都有很大的反冲力，无法在CNC软件中统一补偿。某些软件包确实提供了“反冲补偿”。它尽力而为，并且在某些情况下可以完美执行，但是从一般意义上讲，这个问题是无法解决的。

还有一些特殊的螺母可以预紧以减少反冲。这在摩擦和反冲之间引入了折衷，这在实践中可能是有效的，但需要进行调整。

仅出于反冲原因，丝杠通常不用于高质量CNC铣刨机。 Z轴是一个例外，Z轴上向下推丝杠的主轴质量可以提供足够的预紧力以消除间隙。如果走这条路线，请注意使用向下切割的螺旋钻头，这些螺旋钻头会向主轴施加向上的力。

滚珠丝杠看起来很像丝杠，但更好。它们的螺纹轮廓与螺母中的循环球轴承特别匹配，因此摩擦小，磨损小且无间隙。许多高质量的CNC铣床都使用滚珠丝杠，因为它们具有出色的性能，即使它们比其他选件贵得多。

它们与丝杠共同的根本缺点是，如果旋转得太快，较长的轴可能会导致振动问题（螺旋鞭）。这将滚珠丝杠和导螺杆的最大可用长度限制为大约4英尺。对于小于该长度的任何长度，滚珠丝杠都是最昂贵，性能最好的选择。对于更长的时间，皮带或R＆amp; P开始发挥更好的作用。

丝杠和滚珠丝杠的主要考虑因素是，两种解决方案都无法逆向驱动，因此在关闭电源时，轴仍可以有效地锁定在适当的位置。对于大型重型设备，这可能是一个很好的安全功能。对于小型爱好机器，有时可能会令人讨厌。

导螺杆和滚珠丝杠还提供内置的机械减速装置。轴的单次旋转可能会使轴移动1mm或30mm，具体取决于轴的用途。业余级机器的典型值为5mm /圈。这限制了机器的最大行驶速度，但这通常不是主要问题，除非您在时间充裕的工作车间工作。机械缩减可为您提供更高的空间分辨率和对跳过步骤的更高抵抗力。

极具诱惑力的是使用螺纹杆（又称“全螺纹”），或者甚至是带有螺母的大螺栓来产生线性运动。这种方法便宜得多，毕竟看起来很像导螺杆吗？但是不要落入这个陷阱。这两个系统完全不同。

导螺杆上的螺纹轮廓为梯形，螺距较大，表面光洁度高。导螺杆设计为通过旋转传递线性运动。

螺杆上的螺纹轮廓为三角形，螺距相对较细，表面光洁度较高。螺杆设计用于将螺母锁定到位，并通过摩擦将其固定在此处。

电动机将电能转换为机械旋转，从而为导螺杆提供动力。实际上有两个选择。

步进电动机无疑是最流行的选择，它具有多组电线（电动机极），您可以按照特定的模式为它们通电，以使电动机以一些小的角度增量（例如1.8度）步进。控制它的逻辑在Arduino上实现很简单，但是所需的功率对于Arduino来说通常太高了，因此您通常会购买一个带有步进和方向脉冲并直接为电机电极供电的电机控制器。

步进器在低速时具有高扭矩，但在高RPM时其扭矩会迅速下降。因此，将步进器与齿轮箱减速器组合通常是没有意义的。考虑将齿轮减速10倍：您的齿轮箱可将扭矩提高10倍，但电动机必须以10倍的速度运行才能达到相同的轴速。但是，如果将速度提高10倍，则电动机的转矩可能会比低速时低10倍。因此，最终您的设置将比直接驱动系统严格得多。此外，齿轮箱还会增加摩擦，噪音和间隙。

一个常见的错误是将丝杠直接安装在步进电机的轴上，使得通过丝杠传递的切削力由电机本身承担。这对于电动机是不利的，因为内部的轴承通常不设计为承受轴向力，并且在负载下可能会发热或损坏。同样，电动机轴和电动机主体可能会具有直接转化为间隙的轴向倾斜。正确安装的丝杠或滚珠丝杠的两侧都有轴承座，可以承受轴向载荷。电机用于径向负载。

使用步进器的一个陷阱是，如果您的切削力瞬间超过可用扭矩，它们就会打滑。这被称为跳过步骤，这意味着您的零件会出现严重缺陷，通常会在跳过后加工的零件的每个表面上出现严重缺陷。唯一的解决方案是对电机进行超规格测试，并以比您期望的机器更高的转矩运行它们。

一些步进电机控制器允许微步进，这是一种将电机步进人为地细分为更细微增量的方法。例如，您可能会看到一个8倍的微步进器，以便每个电机脉冲移动0.225度而不是整个1.8度。 Microstepping是一个混合袋，您应该使用多少有争议。更大的微步长意味着更好的分辨能力，更少的机器自然共振激发和更少的噪音。但这是以较低的扭矩和较高的步进频率为代价的-两种资源在家用CNC中可能是非常宝贵的。传统观点认为，在保持所需分辨率的同时，尽量少使用微步进。对我而言，这意味着4倍微步进。

伺服电动机本身就是一个复杂的反馈控制系统。它由一个电动机，一个确定其精确位置的测量系统以及一个带有板载逻辑的控制器组成，该控制器可将电动机保持在指定的精确位置，即使在改变外部扭矩试图将电动机从其位置移开时也是如此。

可以使用任何类型的电动机，包括DC，AC或步进电动机。该传感器通常是数字旋转编码器，但是某些系统使用旋转分解器或霍尔效应传感器。控制器通常是某种具有可配置增益的微控制器，因此您可以调整所需的响应特性。一些控制器仅由分立的电气组件组成，并且可以通过移动电位器进行调整。

与步进电机相比，伺服电机通常更快，更安静，更平滑且更坚固。它们的缺点是复杂性和价格。用于CNC铣刨机单轴的单个步进电机可能要花费40美元。更换伺服电机的成本可能为400美元，安装后需要调整。

也就是说，伺服电机不会跳过任何步骤。即使您暂时不知所措

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