如何從頭開始構建數(shù)控機床？ - DIY 指南
學習如何從頭開始構建數(shù)控機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 指南將指導您如何輕松制造自己的數(shù)控機器。
什么是數(shù)控機床？
數(shù)控機床是一種自動化的電動工具，利用計算機程序控制電機帶動X、Y、Z三個軸按照G代碼指令，沿著CAD/CAM軟件生成的刀具路徑來回移動，最終通過主軸上的刀具完成雕刻、切割、銑削等加工結果。
要考慮的事情
提到數(shù)控機床，大家就會想到它的高昂成本、復雜的編程操作，讓人感覺高深莫測。其實我們認識和學習數(shù)控機床，都是通過一些簡單而 低成本數(shù)控機床使我們從一名初學者升級為現(xiàn)代數(shù)控技術的專家。DIY數(shù)控機床的難度在于機床套件成本高、加工難度大，而軟件的設置和使用相對簡單。經(jīng)過一個月的學習和研究，我決定用當?shù)噩F(xiàn)有的材料，自己動手組裝一套 Mach3 控制的數(shù)控機床。
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)控機床。
1、龍門結構穩(wěn)定性好，加工幅面大，緊湊輕巧的臺式設計，輕巧方便攜帶。
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0.1mm，能滿足大多數(shù)PCB板、模具、印章、標牌的要求。
4.成本低于1,000美元，且組裝方便、簡單。
5.所用零部件及原材料均可在當?shù)卣业交蛸徺I，減少后顧之憂。
6.DIY過程不需要太復雜的工具。
7.Mach3控制器，使用方便。
8、主軸采用步進電機驅動，精度高。
如何構建數(shù)控機床結構？
本數(shù)控機床采用固定龍門結構，整機分為基臺、龍門架、X軸拖板、Y軸工作臺、Z軸拖板，Y軸工作臺的驅動步進電機固定在底板上，絲桿，并有2根光桿和龍門架作為Y軸工作臺滑動導軌。
龍門架上固定有X軸拖板的驅動步進電機、絲杠及作為X軸拖板滑動導軌的兩根光滑桿；X軸拖板上固定有Z軸拖板的驅動步進電機、絲杠及作為Z軸拖板滑動導軌的兩根光滑桿。
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)控機床電路？
該電路由X軸Y軸Z軸3個相同的步進電機驅動部分組成，現(xiàn)以X軸為柱說明其工作原理。
采用 L297/L298 的步進電機驅動電路
該電路主要由2片步進電機專用驅動集成電路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，驅動L298，L297還帶有2個PWM斬波器，控制相繞組電流，實現(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，進入U2（L298）在其輸出端（2、3、13、14腳）驅動雙H橋輸出步進脈沖，驅動步進電機轉動。
L298是雙H橋高壓大電流功率集成電路驅動器。
L297與L298組成完整的驅動系統(tǒng)，可驅動2相步進電機，最高電壓46V，每相電流2A。
U1的SYNC（1腳）為同步腳，與U1、U3的5腳相連，實現(xiàn)多個L297的同步。
步進電機驅動器控制板
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均被強制為低電平，使L298驅動器不工作。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，此2種方式可用于雙極工作方式的步進電機。
S15U1的VREF（引腳1）為參考電壓調節(jié)引腳，調節(jié)此引腳的電壓來設定步進電機相繞組的峰值電流。
步進電機驅動器套件
U17的cw/ccw（引腳1）是指定X軸步進電機旋轉方向的引腳，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，高電平時為半步驅動模式，低電平時為全步驅動模式。RESET（腳20）為異步復位信號，其作用是復位脈沖分配器。
D3-D26 是 L298 驅動器 H 橋的續(xù)流二極管。
如何設置 Mach3數(shù)控控制器？
Mach3是數(shù)控機床最常用的數(shù)字控制器，它的安裝很簡單，首先將Mach3運動卡插入電腦主板，在Windows操作系統(tǒng)中會默認安裝Mach3驅動。
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)控機床套件？
底板、X軸滑架、Y軸工作臺、Z軸滑架采用1.5米折彎機加工而成。2mm 冷軋鋼板，這樣能保證最理想的加工精度。如果沒有折彎機，也可以用手錘在大臺鉗上手工折彎。手錘加工時，應在工件上加墊鐵，避免在工件上留下錘痕。折彎后還要進一步整形，各平面不翹曲，相互成90度角。為保證沖孔位置正確，與第1條劃線平行和垂直的劃線針的針尖要細，劃線要準確，樣品沖頭定位插座要仔細準確。
數(shù)控機床套件
例如分6次打一個直徑2mm的孔，先用直徑4mm的鉆頭打孔，根據(jù)十字定位線判斷直徑4mm的孔是否準確，如果不準確，用園什銼修正，最后用擴孔器擴孔。 6mm鉆頭，這樣孔位誤差就比較小。
龍門架可用手鋸從防靜電地板鐵龍骨上切割下來，壁厚為1.2mm 根據(jù)圖紙，在虎鉗上進行折彎加工定型即可。作為X、Y、Z三軸導軌使用的燈條要求表面光滑，直徑3-10mm解決方法：拆下舊針式打印機的滑軌和舊激光打印機墨盒的上墨膠輥，各方向2根光滑桿應等長，端面平整，在端面中心鉆孔，用M5絲攻絲，用 5mm 螺栓。做工一定要水平、垂直，特別是各個方向的2個燈條一定要絕對平行，平行度很重要，決定了生產(chǎn)的成敗。
3軸的絲杠為直徑為 6mm，螺距為 1mm此絲杠可從五金店出售的用于天花板裝飾的長絲杠上切取所需長度，阻力和間隙要小，并在拖板相應的孔內焊接螺母，以盡量減少間隙，提高雕刻機的精度。
滑套是在五金店購買的黃銅軟管接頭，需選擇內徑略小于滑桿直徑的，然后用手動鉸刀將內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孔內。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，直到達到要求。
步進電機軸與絲桿通過一根銅管連接 6mm直徑的桿狀天線。絲桿與銅管焊接牢固，保證同心。銅管另一端穿入步進電機軸，然后打水平孔。用銷釘插入小孔固定，絲桿另一端用螺母焊接在滑架上。
這種數(shù)控機床可以根據(jù)自身材料的大小尺寸靈活控制，但整機不宜太大，避免剛性差。
如何操作數(shù)控機床？
數(shù)控加工前應事先準備好加工程序清單：
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。
3、設置起刀、收刀位置及坐標原點的位置。
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)控裝置進行處理（譯碼、運算等），經(jīng)過驅動電路將信號放大，驅動伺服電機輸出角位移、角速度，再通過執(zhí)行元件轉換成工作臺的直線位移，實現(xiàn)進給。
讓我們按照以下 9 個步驟開始操作數(shù)控機床。
步驟1.CNC編程。
加工前應先對數(shù)控程序進行分析、編制，如果程序較長或復雜，不要在數(shù)控機床上編程，而是用編程器或計算機編程，然后通過軟盤或通訊接口備份到數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)中，這樣可避免占用機床時間，增加加工的輔助時間。
第 2 步。打開機器。
一般先接通主電源，使數(shù)控機床具備開機條件，用鑰匙按鈕啟動數(shù)控系統(tǒng)，同時機床通電，數(shù)控系統(tǒng)的CRT顯示信息，夾鉗及其他輔助設備的連接狀態(tài)。
步驟3.設置實體參考點。
加工前先建立機床各坐標的運動基準，對于加控制系統(tǒng)的機床需先進行此步驟。
步驟4.開始CNC編程。
根據(jù)程序介質（磁帶、磁盤）不同，可用磁帶機、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，進行遠程分段加工。加工前還必須在程序中輸入工件原點、刀具參數(shù)、偏置、各種補償值等。
步驟5.程序編輯。
如需修改已輸入的程序，應將工作方式選擇開關置于編輯位置，用編輯鍵進行添加、刪除、修改。
第六步，程序檢查和調試。
首先鎖住機床，只運行系統(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。
將要加工的工件固定、找正，建立基準。方法采用機床手動增量移動、連續(xù)移動或手動輪動。將起始點設為程序的開始處，并設定刀具的基準。
步驟8.開始數(shù)控加工。
連續(xù)加工一般采用內存中的程序添加方式。數(shù)控加工中的進給速度可通過進給速度開關調整。加工過程中，可按進給保持按鈕暫停進給運動，觀察加工情況或進行手動測量。再次按循環(huán)啟動按鈕，可恢復加工。為確保碗形正確，添加前應重新檢查。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.關閉機器。
添加后，關閉電源前注意檢查數(shù)控機床狀態(tài)及機床各部件位置，先關閉機床電源，再關閉系統(tǒng)電源，最后關閉主電源。
常見問題
自己可以建造多少種類型的數(shù)控機床？
最常見的可自行制作的數(shù)控機床類型包括數(shù)控雕刻機、數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床、數(shù)控鉆床、數(shù)控激光機和數(shù)控等離子切割機。
組裝數(shù)控機床套件需要花多少錢？
DIY數(shù)控機器套件的成本包括計算機、控制板、機器零件和配件。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，平均成本在 1,000 美元以下。
數(shù)控機床可以做什么？
數(shù)控機床可以對金屬、木材、塑料、泡沫、織物和石材進行銑削、車削、切割、雕刻、雕花、標記、研磨、彎曲、鉆孔、清潔、焊接。
主軸電機該如何選擇？
主軸電機是數(shù)控機床的核心部件。您需要根據(jù)您的業(yè)務計劃購買合適的主軸電機，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，這里我其實建議選擇滾珠絲杠要好很多，雖然我用的是導螺桿，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，但是摩擦時間長了之后旋轉誤差會越來越大。
如何選擇步進電機？
只要數(shù)控機床在工作，步進電機就在工作。如果電機選擇不當，那么第一電機很容易發(fā)熱。機床剛開始工作的時候電機就很燙，這應該不是我們想要的。電機的力矩也是一個需要考慮的問題，力矩不足很容易丟步。所以選擇步進電機的時候不要貪多。
注意事項
無論您是在構建 經(jīng)濟實惠的數(shù)控雕刻機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)控機床的電源。機床上有1個步進電機和一個主軸電機，因此數(shù)控機床在使用過程中電流很大。購買直流電源時，應購買額定電流較大的直流電源。主軸電機轉速的決定因素是直流電源的電壓，電壓越高，主軸能轉的最大轉速就越快，所以電壓不能太小。
綜上所述，我建議自制數(shù)控機床的額定電壓在30V左右，額定電流至少 10A 保證機器的正常工作。30V的電壓主要用在主軸電機上，步進電機不需要那么高的電壓。因為步進電機是絲杠驅動的，所以電壓小了扭力還可以做大。所以我建議供給步進電機的電壓只要12V就夠了。步進電機用的是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，3個步進電機的電流都要經(jīng)過這個變壓器，變壓器的散熱跟不上，導致發(fā)熱嚴重。
延伸閱讀
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數(shù)控雕刻機價格：亞洲與歐洲的比較
本文介紹了亞洲和歐洲的數(shù)控雕刻機的價值，并比較了兩個地區(qū)的不同價格和各種成本，以及如何根據(jù)您的預算選擇最佳機器。
數(shù)控雕刻機術語簡介
當您想了解數(shù)控雕刻機時，您應該從詞匯表中了解數(shù)控、CAD、CAM、G-Code 等。
數(shù)控雕刻機用于什么？
數(shù)控雕刻機用于自動木工、石雕、金屬銑削、塑料雕刻、泡沫切割和玻璃雕刻。
是否有可靠的便攜式數(shù)控機床？
您是否在苦苦尋找可靠的便攜式數(shù)控機床？這里有一份專業(yè)的用戶指南，可為您提供選擇適合您需求的機床的提示。
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