如何從頭開始構(gòu)建數(shù)控機(jī)床？ - DIY 指南
學(xué)習(xí)如何從頭開始構(gòu)建數(shù)控機(jī)器比您想象的要容易。我們將 DIY 過程分解為一系列易于初學(xué)者遵循的步驟。從購買零件到安裝軟件，我們的 DIY 指南將指導(dǎo)您如何輕松制造自己的數(shù)控機(jī)器。
什么是數(shù)控機(jī)床？
數(shù)控機(jī)床是一種自動化的電動工具，利用計算機(jī)程序控制電機(jī)帶動X、Y、Z三個軸按照G代碼指令沿CAD/CAM軟件生成的刀具路徑往復(fù)移動，最終通過主軸上的刀具完成雕刻、切割、銑削等加工結(jié)果。
要考慮的事情
提到數(shù)控機(jī)床，大家就會想到它的高昂成本、復(fù)雜的編程操作，讓人感覺高深莫測。其實(shí)我們認(rèn)識和學(xué)習(xí)數(shù)控機(jī)床，都是通過一些簡單而 低成本數(shù)控機(jī)床使我們從一名初學(xué)者升級為現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)的專家。DIY數(shù)控機(jī)床的難度在于機(jī)床套件成本高、加工難度大，而軟件的設(shè)置和使用相對簡單。經(jīng)過一個月的學(xué)習(xí)和研究，我決定用當(dāng)?shù)噩F(xiàn)有的材料，自己動手組裝一套 Mach3 控制的數(shù)控機(jī)床。
建筑難度： 中等。
建筑工期： 16天。
DIY工具： 臺鉗、電鉆、手鋸、試樣沖頭、絲錐、鉸刀、卡尺、彎管機(jī)和螺絲。
新會員入門指南
本指南致力于介紹如何創(chuàng)建具有以下功能的功能性數(shù)控機(jī)床。
1、龍門結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，加工幅面大，緊湊輕巧的臺式設(shè)計，重量輕，便于攜帶。
2. 可用于切割和銑削 PCB、PVC、丙烯酸、MDF、木材、鋁和銅。
3、其加工精度可達(dá)0.1mm，能滿足大多數(shù)PCB板、模具、印章、標(biāo)牌的要求。
4. 成本低于 US$1,000個，且組裝方便、簡單。
5.所用零部件及原材料均可在當(dāng)?shù)卣业交蛸徺I，減少后顧之憂。
6.DIY過程不需要太復(fù)雜的工具。
7.Mach3控制器，使用方便。
8、主軸采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，精度高。
如何構(gòu)建數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)？
本數(shù)控機(jī)床采用固定龍門結(jié)構(gòu)，整機(jī)分為基臺、龍門架、X軸拖板、Y軸工作臺、Z軸拖板，Y軸工作臺的驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)固定在底板上，絲桿，并有兩根光桿和龍門作為Y軸工作臺滑動導(dǎo)軌。
龍門架上固定有X軸拖板的驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)、絲杠及作為X軸拖板滑動導(dǎo)軌的兩根光滑桿；X軸拖板上固定有Z軸拖板的驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)、絲杠及作為Z軸拖板滑動導(dǎo)軌的兩根光滑桿。
主軸箱體上裝有L型固定支架和U型擋圈，用于將主軸固定在Z軸滑架上。
與絲杠配合的螺母焊接在X、Y、Z軸的拖板上。
如何制作數(shù)控機(jī)床電路？
該電路由X軸Y軸Z軸三個相同的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動部分組成，現(xiàn)以X軸為柱狀圖說明其工作原理。
采用 L297/L298 的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路
該電路主要由兩塊步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動集成電路L297、L298組成，L297主要作用是脈沖分配，在其輸出端A、B、C、D產(chǎn)生輸出邏輯脈沖，驅(qū)動L298，L297還帶有兩路PWM斬波器，控制相繞組電流，實(shí)現(xiàn)恒流斬波控制，以獲得良好的力矩頻率特性。
來自HDR1（2腳）的X軸脈沖進(jìn)入U18（L1）的CLOCK（297腳），經(jīng)U1在其輸出端A、B、C、D、C（4、6、7、9腳）處理，產(chǎn)生輸出邏輯脈沖，進(jìn)入U2（L298）在其輸出端（2、3、13、14腳）驅(qū)動雙H橋輸出步進(jìn)脈沖，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動。
L298是雙H橋高壓大電流功率集成電路驅(qū)動器。
L297與L298組成完整的驅(qū)動系統(tǒng)，可驅(qū)動最高電壓46V、每相電流2A的兩相步進(jìn)電機(jī)。
U1的SYNC（1腳）為同步腳，與U1、U3的5腳相連，實(shí)現(xiàn)多個L297的同步。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器控制板
U10的ENABLE（腳1）使能控制腳，控制輸出邏輯，低電平時INH1、INH2、A、B、C、D均被強(qiáng)制為低電平，使L298驅(qū)動器不工作。CONTROL（腳11）用于選擇斬波信號的控制，低電平時斬波信號作用于INH1、INH2，高電平時斬波信號作用于A、B、C、D信號。前者適用于單級工作方式，兩種方式均可用于雙極工作方式的步進(jìn)電機(jī)。
S15U1的VREF（引腳1）為參考電壓調(diào)節(jié)引腳，調(diào)節(jié)此引腳的電壓來設(shè)定步進(jìn)電機(jī)相繞組的峰值電流。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器套件
U17的cw/ccw（引腳1）是指定X軸步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的引腳，來自HDR1（引腳6）的X軸方向指定信號連接到此引腳。
HALF/FULL（腳19）為勵磁模式控制腳，高電平時為半步驅(qū)動模式，低電平時為全步驅(qū)動模式。RESET（腳20）為異步復(fù)位信號，其作用是復(fù)位脈沖分配器。
D3-D26 是 L298 驅(qū)動器 H 橋的續(xù)流二極管。
如何設(shè)置 Mach3數(shù)控控制器？
Mach3是數(shù)控機(jī)床最常用的數(shù)字控制器，它的安裝很簡單，首先將Mach3運(yùn)動卡插入電腦主板，在Windows操作系統(tǒng)中會默認(rèn)安裝Mach3驅(qū)動。
USB Mach3三軸數(shù)控控制器套件
您還可以選擇 DSP、NcStudio、Mach4、Syntec、OSAI、Siemens、LNC、FANUC 和其他數(shù)控控制器。
如何安裝和使用 CAD/CAM 軟件？
數(shù)控機(jī)床最常見的 CAD/CAM 軟件包括 Type3、ArtCAM、Cabinet Vision、CorelDraw、UG、MeshCAM、Solidworks、AlphaCAM、MasterCAM、UcanCAM、CASmate、PowerMILL、Aspire、Alibre、AutoCAD、Fusion360、Autodesk Inventor、Rhinoceros 3D，可以設(shè)計2D/3D 圖紙來生成加工刀具路徑。
CAD / CAM軟件
如何組裝數(shù)控機(jī)床套件？
底臺、X軸拖板、Y軸工作臺、Z軸拖板均采用1.5-2mm冷軋鋼板經(jīng)折彎機(jī)加工而成，能保證最理想的加工精度。如無折彎機(jī)，也可在大型虎鉗上用手錘手工折彎。手錘加工時，工件上應(yīng)加墊鐵，避免在工件上留下錘痕。折彎后需進(jìn)一步整形，各平面均不翹曲，相互成90度角。為保證沖孔位置正確，與第一條劃線平行、垂直的劃線針針尖要細(xì)，劃線要準(zhǔn)確，樣品沖頭定位插座要仔細(xì)準(zhǔn)確。
數(shù)控機(jī)床套件
比如分兩次打一個直徑6mm的孔，先用4mm直徑的鉆頭打孔，根據(jù)十字定位線判斷4mm直徑的孔是否準(zhǔn)確，如果不準(zhǔn)確，用園什錦銼修正，最后用6mm鉆頭擴(kuò)孔，這樣孔位誤差就比較小了。
龍門架可按圖紙用手鋸從壁厚1.2mm的防靜電地板鐵龍骨上切割下來，在老虎鉗上折彎加工定型即可。作為X、Y、Z三軸導(dǎo)軌使用的燈條要求表面光滑，光滑直徑為8-10mm，可通過拆開舊針式打印機(jī)的滑軌和舊激光打印機(jī)墨盒內(nèi)的上墨膠輥解決。各方向兩根光滑燈條應(yīng)等長，端面應(yīng)平整。在端面中心鉆孔攻入M5導(dǎo)線，用5mm螺栓固定，做工必須水平、垂直，特別是各方向兩根燈條必須絕對平行，平行度很重要，決定了生產(chǎn)的成敗。
三軸的絲杠采用直徑6mm、螺距1mm的絲杠，此絲杠可以從五金店賣的裝修天花板用的長絲杠上切下需要的長度，阻力和間隙要小，在拖板相應(yīng)的孔內(nèi)焊接上螺母，以盡量減少間隙，提高雕刻機(jī)的精度。
滑套是在五金店購買的黃銅軟管接頭，需選擇內(nèi)徑略小于滑桿直徑的，然后用手動鉸刀將內(nèi)徑擰緊到與滑桿精確匹配。必要時用金相砂紙打磨光軸，將滑套切成6mm長的段，共12段，然后用大功率烙鐵將其焊接到滑架相應(yīng)孔內(nèi)。焊接時切勿將滑套放入，如果焊料滲透到里面，請使用氯化鋅作為助焊劑，保證焊接質(zhì)量。裝配時要注意滑臺的阻力要小而一致，如果阻力大，可以用烙鐵重新加熱滑套，直到達(dá)到要求。
步進(jìn)電機(jī)軸與絲桿通過一根6mm直徑的桿狀天線的銅管連接，絲桿與銅管焊接牢固，保證同心，銅管另一端插入步進(jìn)電機(jī)軸內(nèi)，然后水平鉆孔，用銷釘插入小孔固定，絲桿另一端焊接有滑架上的螺母。
這種數(shù)控機(jī)床可以根據(jù)自身材料的大小尺寸靈活控制，但整機(jī)不宜太大，避免剛性差。
如何操作數(shù)控機(jī)床？
數(shù)控加工前應(yīng)事先準(zhǔn)備好加工程序清單：
1、確定零件的加工工序和加工所采用的刀具和切削速度。
2、確定零件的輪廓連接點(diǎn)。
3、設(shè)置起刀、收刀位置及坐標(biāo)原點(diǎn)的位置。
按規(guī)定的語句格式編寫數(shù)控指令集，將指令集輸入數(shù)控裝置進(jìn)行處理（譯碼、運(yùn)算等），經(jīng)過驅(qū)動電路將信號放大，驅(qū)動伺服電機(jī)輸出角位移、角速度，再通過執(zhí)行元件轉(zhuǎn)換成工作臺的直線位移，實(shí)現(xiàn)進(jìn)給。
讓我們按照以下 9 個步驟開始操作數(shù)控機(jī)床。
步驟1.CNC編程。
加工前應(yīng)先對數(shù)控程序進(jìn)行分析、編制，如果程序較長或復(fù)雜，不要在數(shù)控機(jī)床上編程，而是用編程器或計算機(jī)編程，然后通過軟盤或通訊接口備份到數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)中，這樣可避免占用機(jī)床時間，增加加工的輔助時間。
第 2 步。打開機(jī)器。
一般先接通主電源，使數(shù)控機(jī)床具備開機(jī)條件，用鑰匙按鈕啟動數(shù)控系統(tǒng)，同時機(jī)床通電，數(shù)控系統(tǒng)的CRT顯示信息，夾鉗及其他輔助設(shè)備的連接狀態(tài)。
步驟3.設(shè)置實(shí)體參考點(diǎn)。
加工前先建立機(jī)床各坐標(biāo)的運(yùn)動基準(zhǔn)，對于增加控制系統(tǒng)的機(jī)床需先進(jìn)行此步驟。
步驟4.開始CNC編程。
根據(jù)程序介質(zhì)（磁帶、磁盤）不同，可用磁帶機(jī)、編程器或串行通訊輸入。如果是簡單程序，可用鍵盤在數(shù)字控制面板上直接輸入，也可以在MDI方式下逐段輸入，進(jìn)行遠(yuǎn)程分段加工。加工前還必須在程序中輸入工件原點(diǎn)、刀具參數(shù)、偏置、各種補(bǔ)償值等。
步驟5.程序編輯。
如需修改已輸入的程序，應(yīng)將工作方式選擇開關(guān)置于編輯位置，用編輯鍵進(jìn)行添加、刪除、修改。
第六步，程序檢查和調(diào)試。
首先鎖住機(jī)床，只運(yùn)行系統(tǒng)，這一步是檢查程序，如果有錯誤，需要重新編輯。
步驟7.工件固定與對準(zhǔn)。
將要加工的工件固定、找正，建立基準(zhǔn)。方法采用機(jī)床手動增量移動、連續(xù)移動或手動輪動。將起始點(diǎn)設(shè)為程序的開始處，并設(shè)定刀具的基準(zhǔn)。
步驟8.開始數(shù)控加工。
連續(xù)加工一般采用內(nèi)存中的程序添加方式。數(shù)控加工中的進(jìn)給速度可通過進(jìn)給速度開關(guān)調(diào)整。加工過程中，可按進(jìn)給保持按鈕暫停進(jìn)給運(yùn)動，觀察加工情況或進(jìn)行手動測量。再次按循環(huán)啟動按鈕，可恢復(fù)加工。為確保碗形正確，添加前應(yīng)重新檢查。銑削過程中，對于平面彎曲件，可用鉛筆代替刀具在紙上畫出零件的輪廓，更直觀。如果系統(tǒng)有刀具路徑，可用仿真功能檢查程序的正確性。
步驟9.關(guān)閉機(jī)器。
添加后，關(guān)閉電源前注意檢查數(shù)控機(jī)床狀態(tài)及機(jī)床各部件位置，先關(guān)閉機(jī)床電源，再關(guān)閉系統(tǒng)電源，最后關(guān)閉主電源。
常見問題及解答
自己可以建造多少種類型的數(shù)控機(jī)床？
最常見的可自行制作的數(shù)控機(jī)床類型包括數(shù)控雕刻機(jī)、數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控鉆床、數(shù)控激光器和數(shù)控等離子切割機(jī)。
組裝數(shù)控機(jī)床套件需要花多少錢？
DIY數(shù)控機(jī)器套件的成本包括計算機(jī)、控制板、機(jī)器零件和配件。大部分成本集中在硬件上，這取決于您對數(shù)控加工計劃所需的精度，平均成本低于 US$1,000.
數(shù)控機(jī)床可以做什么？
數(shù)控機(jī)床可以對金屬、木材、塑料、泡沫、織物和石材進(jìn)行銑削、車削、切割、雕刻、雕花、標(biāo)記、研磨、彎曲、鉆孔、清潔、焊接。
主軸電機(jī)該如何選擇？
主軸電機(jī)是數(shù)控機(jī)床的核心部件。您需要根據(jù)您的業(yè)務(wù)計劃購買合適的主軸電機(jī)，這完全取決于您要加工的材料和項目所需的精度。
如何選擇傳動系統(tǒng)？
一個是傳動系統(tǒng)的選擇是選擇絲杠還是滾珠絲杠，這里我其實(shí)建議選擇滾珠絲杠要好很多，雖然我用的是導(dǎo)螺桿，但是我還是建議選擇滾珠絲杠，滾珠絲杠的精度高，旋轉(zhuǎn)誤差小，而且在傳動的過程中，聲音很小，而絲杠的傳動過程是金屬與金屬之間的摩擦，雖然聲音不是很大，但是摩擦?xí)r間長了之后旋轉(zhuǎn)誤差會越來越大。
如何選擇步進(jìn)電機(jī)？
只要數(shù)控機(jī)床在工作，步進(jìn)電機(jī)就在工作。如果電機(jī)選擇不當(dāng)，那么首先電機(jī)就很容易發(fā)熱。機(jī)床剛開始工作的時候電機(jī)就很燙，這應(yīng)該不是我們想要的。電機(jī)的力矩也是一個需要考慮的問題，力矩不足很容易丟步。所以選擇步進(jìn)電機(jī)的時候不要貪多。
注意事項
無論您是在構(gòu)建 經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的數(shù)控雕刻機(jī)無論是自己動手制作最便宜的數(shù)控車床，還是自己動手制作最便宜的數(shù)控銑床，首先要注意的就是數(shù)控機(jī)床的電源。機(jī)床上有三個步進(jìn)電機(jī)和一個主軸電機(jī)，因此數(shù)控機(jī)床在使用過程中電流很大。購買直流電源時，應(yīng)購買額定電流較大的直流電源。主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速的決定因素是直流電源的電壓，電壓越高，主軸能轉(zhuǎn)的最大轉(zhuǎn)速就越快，所以電壓不能太小。
綜上所述，我建議自制數(shù)控機(jī)床的額定電壓在30V左右，額定電流至少10A以上，才能保證機(jī)床的正常工作。30V的電壓主要用在主軸電機(jī)上，步進(jìn)電機(jī)不需要那么高的電壓。因為步進(jìn)電機(jī)是絲杠驅(qū)動的，所以電壓小了扭力還可以很大。所以我建議給步進(jìn)電機(jī)供電的電壓只要12V就夠了。步進(jìn)電機(jī)用的是12V，但是直流電源提供的電壓是30V，這里就需要用到一個變壓器，這個變壓器的功率要大，三個步進(jìn)電機(jī)的電流都要經(jīng)過這個變壓器，變壓器的散熱跟不上，導(dǎo)致發(fā)熱嚴(yán)重。
延伸閱讀
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