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CNC为ComputerNumerical Control（计算机数字控制）的英文缩写。从原理上讲，CNC雕刻机包含可以夹持刀具的较大功率、较高转速、较高精度的旋转动力头，能够被程序控制，使动力头在三维空间中做有规律的运动的一种机电一体化设备。其高速旋转的刀具，在受控运动的过程中切削掉材料，最终将材料切削成所需要的形状。 在这里讨论家用小型CNC雕刻机是如何进行设计、选材、制作的。 图1、制作完成的CNC雕刻机 设计篇 简单介绍一下雕刻机N轴的概念和雕刻机的结构形式。 N轴，三维坐标系有三个坐标轴，分别是X轴、Y轴和Z轴，只具备三个方向运动能力的雕刻机叫三轴雕刻机，三轴雕刻机的主轴一般来说是固定垂直向下的，只能进行正Z轴向的加工，无法使主轴转向XY和负Z方向，而需要进行空间各方向的加工，那么主轴必须可以转向，为了弥补主轴进行空间旋转的困难，可以使被加工零件进行相应轴向的旋转，于是出现了四轴、五轴、六轴的雕刻机，其分别在三轴的基础上递增了XYZ的轴向旋转能力。 雕刻机的结构形式根据XYZ三个轴的自由组合可以分为很多种。比如立柱式和龙门式，立柱式特点是Z轴独立，XY轴组合在一起。龙门式特点是Z轴与X轴组合在一起。很多爱好者纠结移动龙门式好还是移动平台式好，其实两种结构各有特点。 移动平台式就是XZ轴的组合（即龙门）与Y轴分别固定在机架上，工作台固定在Y轴上，Y轴的移动就等于移动工作台。优点是容易实现较高精度和较高速度，缺点是Y轴的行程不可能太大，并且机架复杂整体重量更重。高精度龙门铣床、精雕机多采用这种结构。 移动龙门式就是龙门在Y轴上整体运动，工作台与机架一体固定不动。优点是机架结构较简单容易以较轻的整备重量实现更大的Y轴行程。广告雕刻机、木工雕刻机等这类以高速切割为主的机型多采用这种结构。
下面言归正传。
可能大部分爱好者对雕刻机是以玩为主，很难预测今后会加工多大的东西，因此虽然说是“小型”，其加工面积（即XY轴行程）还是不能太小。为了保证能应对大部分尺寸的雕刻，加工面积达到A3纸（约300*400mm）大小比较合适，再大就不方便放在桌上。 在这里，本着轻型、高速为原则，所设计的雕刻机为龙门式移动平台机型；同时XYZ轴行程分别达到400mm、300mm和140mm；使用的刀具最大为6mm直径、常用刀具直径为3.175mm。预期能实现工艺品雕刻和对铜铝等金属的轻量铣削。 因为要设计的是轻量型雕刻机，但要保证机械部分的强度，选用铝合金材质，机架采用15mm厚度的6061铝合金板。 要达到预计行程的机架尺寸则需要达到Y方向485mm（Y轴行程+Y轴滑块最大间距）、X方向550mm（X轴行程+Z轴总宽+立柱厚度）、Z方向465mm（Z轴总长+工作台上方空间+Z轴高度）。XY轴使用20mm直径的圆形直线导轨（光轴），Z轴用HGH15的方形直线导轨；根据加工需求通过软件计算得知，刀具承受的最大切削力为单方向20kgf（再大力刀断了也不用算了）。使用SoildWorks进行建模，计算结果是机架及导轨承受反作用力后的变形量均在0.05mm以内。满足了设计要求。 关于是采用方轨还是光轴的问题，打算XY轴用20mm的光轴，Z轴用15mm的方轨。建模计算是用的20mm光轴算的，变形量小于5丝，说明光轴用在这台机器上够用了。讨论一下选用什么材质的光轴杆和什么结构的滑块，在这里更重要。光轴和滑块千万不要选的太差，雕刻机使用寿命关键就在这里，推荐采用轴承钢的硬轴杆，表面光洁度越高越好，在淘宝买的话可以多买几家的做样品，半米一根就够了，拿着互相敲，用力，最后谁家卖的硬轴上没留下凹坑，或者大家质量都不错，那就看哪个凹坑最浅，那就选他家的，准没错，我选了台湾进口的轴承钢硬轴，嗯，比国产方轨硬。 为了提高三轴的定位精度、提高运行速度、加大提高传动效率，使用C7精度的滚珠丝杆，三轴均使用16mm直径5mm导程（即1605）。滚珠丝杆采用一端两轴承固定安装结构，固定侧使用两个7000背靠背安装角接触轴承，用以固定滚珠丝杆无串动；支撑侧连接在步进电机上，对滚珠丝杆提供支撑。 由于光轴精密移动结构比较怕粉尘，因此雕刻机三个轴都需要设计防尘罩，有防尘设计的机器也更美观。 机械制造，设计先行。选好需要采用的材料，根据其规格画出零件图，并进行三维建模模拟组装： 图2、SolidWorks三维建模并组装之后看起来比较直观，也方便检查错误 在反复确认各部位尺寸没有错误、各零件之间互相不发生干涉之后，就可以对零件进行归类，分成直接购买成品的零件、需要外包加工的零件、可以自行DIY的零件。将需要外包加工的零件绘制出设计图，与外协厂家沟通进行加工制作；将可以自行DIY的零件绘制零件图，并根据加工步骤编写G代码，利用铣床进行加工。当然，计算出所有所需螺丝的详细规格和长度，并一一归类列出，也是一件繁重的工作，因为经过详细计算，这台雕刻机有两百多个螺丝。 图3、根据零件加工步骤进行展开，方便排列G代码执行顺序，东西多了就容易乱
按图施工不容易出错，没有精细的设计肯定会在后面的加工过程中修修改改，俗话说好记性不如烂笔头嘛。 设计完成之后，就开始买材料了，铝材、主轴单元的零件、传动单元的零件、滑动单元的零件；钻头、铣刀……总之各种材料各种贵。 材料篇 考验荷包的时候到啦，一咬牙一跺脚，全买质量好的。比如，一跟光轴，台湾进口的40一根，国产的20一根，你差那20元吗，不差吧，结果全部买回来发现好不容易回满的血，又成空壳了。 图4、购买的15mm国标覆膜6061铝合金板 图5、定制的滚珠丝杆和直线导轨
图6、光轴和直线滑块 图7、挤压丝锥 在铝合金上加工螺纹孔使用挤压丝锥更好，挤压加工的螺孔比切削丝锥加工出的光洁度更好也更耐用。 联轴器用于连接步进电机和滚珠丝杆，使其能同步旋转，这里我们使用刚性联轴器，特点是无间隙、连接同心度高。 经计算，使用57型0.9NM扭矩的步进电机即能满足使用要求，这里做1.3倍冗余，使用1.2NM扭矩的步进电机，关于步进电机的选型可以搜索“步进电机选型计算”。 图8、定制的不锈钢防尘罩 防尘罩是拉丝不锈钢的，激光切割+数控折弯，保护膜撕掉之后相当漂亮，镜面型的容易留下指纹，所以用拉丝的 图9、各种螺丝
图10、定制的百折布防尘 好了，放空口袋就该劳命了，下面就是无尽的机加工…… 加工篇 下好料的6061铝合金板材应能容纳所需零件的尺寸并留有余量，拼板的零件间隔应不小于铣刀直径，铝材放在铣床上应精确找正位置，把材料大致摆正位置固定在工作台上，把百分表吸附在铣床Z轴上，表尖点在材料边沿，反复移动铣床的X轴，反复调整材料的位置，看百分表读数，直到偏差均匀且最小。 图11、找正材料位置 之后，运行将之前编好的Ｇ代码，让铣床开始工作了。加工顺序大致是：铣平面—－铣槽—－钻孔—－精铣孔—－铣沉孔——外形切割——后期修磨倒边角。 继续按此方法加工，将所有零件全部加工出来。
图12、部分零件
图13、用卡尺量一下尺寸，很准，最后倒边
图14、使用修边器倒边前和倒边后的对比 扫下面的二维码可以看到加工的优酷视频。 安装篇 直到所有直接购买成品的零件已买齐、需要外包加工的零件已到齐、可以自行DIY的零件也已加工完毕，就可以开始安装调试了。
图15、雕刻机的零配件 下面开始机架的安装。先装配Y轴底盘。在光轴上套入四个已安装好的滑块，将光轴、滚珠丝杆与已安装角接触轴承和深沟球轴承的两端板连接固定，把滑块连扳与滑块用螺丝连接起来，在滑块和连板之间加减紫铜垫进行反复调整，使其在紧固所有螺丝后滑块装配体依然非常顺滑，脱离滚珠丝杆后，用手轻轻推一下，装配体能在光轴上自由无阻的滑到另一端，反向亦然。之后，安装步进电机、防尘罩和限位开关。
图16、装配好的Y轴
图17、Z轴 调试最重要的有两点，一是顺滑，绝对不能有一点卡涩，由于之前加工的光轴安装孔和滚丝杆轴承孔的位置和间距都是非常准确的，所以比较容易保证；二是XYZ要相互垂直。把X、Z轴装配体放在装配好的底盘上，装上铝型材角接件；把百分表固定在Z轴上，表尖点在Y轴上，打表并调节龙门左右高度，直至X轴在滑至左右两端的过程中百分表数值相同，这样就能保证X轴和工作台平面平行，按此方法继续调试其他各轴直至完成。 电控篇 雕刻机的电控部分其实很简单，可以分为四个部分：运动控制器、电机驱动、电源、箱体及附件。 运动控制是一个复杂的系统，是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的运动轨迹和规定的运动参数进行运动。运动控制器读取标准G代码，获取各轴应该以怎样的速度、按照哪种方式、移动到什么位置，然后进行插值运算，运算结果就是从当前位置移动到下一个位置应经历的三维路径点，输出控制各轴的方向和速度信号，使各轴按照G代码所指示的方式和速度进行运动。运动控制器在运算过程中要考虑的东西有很多：比如步进电机的速度和方向不能突变，运算时就必须要考虑其加速和减速；比如大部分时候G代码所指示的下一个坐标点与当前坐标相比，三个坐标轴都发生了变化，运算时就必须使三个坐标同时按照各自的速度、方向、加速度运动，使各轴的空间矢量之和按照G代码要求的速度和方向运动，这也叫N轴联动；再比如G代码给出下一个空间坐标点，要求按照已知的半径以圆弧方式移动过去，运动控制器不但要考虑以上两个假设的所有情况，还必须精确计算出该矢量圆弧路径的每一个坐标点的坐标值，这便是运动控制器的插值计算能力，该能力是否强大，在控制层面决定了雕刻的精度，这也是衡量运动控制器性能的条件之一。当然，运动控制器处理这些事情要足够的快，不能让步进电机停工等待。 如此这般，运动控制器有不少很优秀的平民化方案，最常用的几种方案分别分别是：USB Mach3、并口mach3、5.4.49版本的维宏卡。 5.4.49版本的维宏卡，是上海维宏科技有限公司的早期产品。这里提及此方案并强调版本是因为该版本的维宏系统已经盗版泛滥，因为价格低廉，用户的确不少。但PCI卡的质量取决于盗版商家，信号无隔离、抗干扰能力较差，不推荐使用，另外其存在依赖台式电脑无法用于笔记本、不支持第四轴的致命缺陷，的确不方便。 并口Mach3方案，是美国ArtSoft公司开发的开源数控系统，由PC软件读取G代码并完成所有运算，电脑25针打印口（并口）输出控制信号。但非常不稳定，其运算核心对PC操作系统所提供运行环境的要求非常高（详细请参考mach3规格书），容易丢步跑飞。 USB Mach3方案，此方案是在并口Mach3基础上，进行了二次开发，使Mach3只读取G代码不做任何运算处理，所有运算全部交给运动控制卡上的数字信号处理芯片，因此不再依赖电脑的运行环境，只要有USB的电脑都能胜任。 我们这台雕刻机使用的运动控制器是一款有自主知识产权的USB Mach3卡。可以实现四轴联动、微米级的控制精度；变频器接口同控制电路之间是隔离的，不会因强电设备引入干扰信号；端口功能可以由软件设置。考虑到后期可以方便加装第四轴和扩展电子手轮，在满足本机性能要求的同时价格适中、尺寸小巧，因此选用USB Mach3控制器。
图18、USBMACH3卡，波形输出无失真 电机驱动，包括步进电机驱动和主轴电机驱动。步进电机驱动器可选余地有很多，有模块式的，比如A3977、TB6560、TB6600等；有数字式分立电路+MOS管型的，如M542等，都可以使步进电机跑起来，但是性能有差别：所有模块式驱动器均不抗干扰！加磁环、用屏蔽线，全部无效！而数字驱动器细分精准，性能稳定、精度高、抗干扰能力强！不加磁环，不用屏蔽线，步进电机就是不失步！因此，选用力川M542驱动器。有兴趣可以搜搜“TB6600驱动器”二十多元，“M542驱动器”一百多元，一分钱一分货。 主轴电机的驱动器根据所使用的主轴电机不同而不同，为了达到工艺品雕刻应有的精细度，选用最高24000转的1500W水冷主轴电机，这类电机为三相异步交流电机，需要通过改变三相交流电频率的方式进行调速，因此选用220V市电输入的通用型水冷主轴变频器，可以通过G代码从6000~24000转进行调速。这里使用台达1.5kW变频器。 步进电机驱动器和变频器都需要有电源供电，变频器直接输入220V市电即可，而步进电机则需要直流电源供电，为了能让步进电机能稳定在较高转速上，供电电压不宜低于24V。采用开关电源或线性电源供电均可，考虑到开关电源重量轻体积小，因此选用24V350W开关电源。 电控箱体为专门设计定制的不锈钢机箱，内部能容纳4个M542驱动器、1个变频器、1个开关电源和运动控制卡。步进电机连线、水冷主轴连线、对刀、限位接线均使用镀银航空插头，确保连接可靠；水泵跟随主轴的启停而自动启停，在箱体上使用两孔插座；总电源使用品字插座，开关电源及变频器与插座接地端相连，确保可靠接地。
图19、控制箱布置图及展开图
图20、控制箱外观
图21、电控箱内部
图22、雕刻机控制箱接线图 效果测试篇 现在万事俱备，只欠通电测试，用万用表测试接线没有错误之后（包括各接地是否接通），电脑装上mach3软件及飞雕插件，插上各连接线，通电试机。 由于之前运动部件调试顺畅，雕刻机空程速度可以稳定在5000mm/min，即F5000。
图23、3.175直径两刃铣刀F2000铣血檀木
图24、黄铜材质的火漆章 火漆章尺寸20*20，材料是25mm直径的黄铜棒，浮雕面用30度0.3mm的平底尖刀雕刻，浮雕深度1mm，外廓是3.175两刃铣刀精铣，深度10mm。
图25、雕刻的红木和玉石 大日如来有血檀、黄檀、紫光檀，平安牌是花梨木，雕刻深度3mm，均使用平底尖刀雕刻。雕刻步骤：使用20度0.2mm尖刀，设置0.2mm行距、预留0.5mm余量、设置2500mm/min速度进行开粗雕刻；再使用20度0.1mm尖刀，设置0.07mm行距、2000mm/min速度进行精雕；最后利用Artcam软件捕捉外廓，生成铣边刀路，最终加工成型。开粗雕刻的目的是快速清除多余材料，使精雕效果更好，并且可以防止精雕时断刀导致材料报废。玉石雕刻需要把玉石泡在水槽里，图上玉石雕刻使用4mm直径30度0.5的玉石专用刀，设置深度3mm，速度800mm/min。 扫下面的二维码可以看到试机精雕梳子（已经完成了一遍粗雕）的优酷视频。 至此，一台家用轻型高速CNC雕刻机就制作完成了。希望同样爱上CNC的你也自己动手，打造一台专属雕刻机，让它为自己的工作生活带来实实在在的帮助吧。
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