【参赛】刨花板PCB雕刻机

scu319hy

一直以来都想DIY一台高精度的雕刻机，怎奈条件不允许，只能因陋就简。最近终于用刨花板东拼西凑，算是攒了一台PCB雕刻机，发表在本坛晶体管区。
受szlz61版主的鼓励，把制作过程补充完整，现重新发表在DIY竞赛区。不指望如此简陋的制作能夺得大奖，但求能为需要的朋友带来些许的帮助。效果如下:


由于之前制作时并未拍摄详细的过程照片，现在只能想法补充一些示意图片，并通过口头描述把过程重现出来，其中错误和不精确的地方，还请大家指正。

首先，我先说一下缘起与设计思路。
原本我是有一台雕刻机。是买的别人DIY的机器。算是我学习CNC的一个工具吧。通过它，我基本学会了CNC的初级使用方法。平常主要用来加工PCB。但机器的精度，速度等存在很大的问题。所以一直想自己做台更好的机器来代替它。但因为缺乏机械加工的环境和条件。只好退而求其次，想办法利用手边能找到的材料和工具，制作一台精度足以加工双面PCB的PCB雕刻机。

因为自己无法加工金属，又不想买现成的（主要是自己满意的都贵），只能选择易于加工的材料来制作。塑料钢性不够，玻纤板钢性不错，但比较贵。刚好手边有几块做家具剩下的刨花板，硬度很好，又能加工得动，在各方面比较适中，于是决定用它来搞。

普通CNC常见的结构有 移动龙门式，固定龙门式和立柱式三种。

移动龙门：

移动龙门结构的XYZ轴都在龙门上(如上图)，它非常省空间。几乎是加工大型工件的唯一选择。我之前的雕刻机就是这种结构。但它的刚性要差些。这种结构用木板制作，想实现高精度很困难。

固定龙门：

固定龙门结构把Y轴放到了加工平台下(如上图)，龙门上只有XZ轴，这样龙门的强度就容易保证。加工同样的尺寸工件，它要比移动龙门结构多占一倍的空间。

立柱式：

立柱式则把X轴也移到了加工平台下(如上图)，只有一个立柱用于承载Z轴。这样一来，立柱可以非常稳固。但它加工同样尺寸的工件会比移动龙门结构多占4倍的空间。一般小型的金属铣床都是这种结构。反正我一般也就用10x10cm的PCB，立柱结构成了我这台机器的最佳选择。

雕刻机的XYZ轴需要三个关键运动部件，一是导轨，二是丝杆，三是电机。

常见的导轨有光轴，方线轨，燕尾槽三种。光轴就是一根调直过的光钢棒，好点的还要打磨抛光一下。这种成本最低，精度和载重都比较差。我手上刚好还有一些8mm的光轴和直线轴承。反正PCB雕刻也不载重，导轨就用它了。方线轨相比光轴可以载重，能够做到非常高的精度(高精尖的CNC基本都选它)。而燕尾槽通常是在一体化铸造的机器上用，可载重，也可以做到高精度，只是比较容易磨损。
方线轨


燕尾槽


丝杆是把旋转运动转换为直线运动的工具。基本上可以理解为重型的精密螺丝。我手上有一些做3D打印机剩下的8mm T型丝杆以及消回差螺母，做PCB雕刻机应该够用了。这种传动用的T型丝杆有几条各自独立的螺纹，这样运转起来更平稳，精度会高些。当然，用更便宜的钢制牙条也可以做PCB雕刻机，精度应该也够用。消回差螺母是为了解决螺母与丝杆的间隙引起的回差问题。它实际上就是用弹簧顶着两个同步转动的螺母。这样两个螺母在两个方向上的间隙分别为“0”，只要作用力小于弹簧的弹力，那就不会引起太大回差的问题。

滚珠丝杆：

滚珠丝杆(如上图)是比T型丝杆更精密的东西。回差小，寿命长，噪音小，但贵很多。相比T型丝杆它没有制动力，重载时电机要比较有力才行。

电动滑台的电机通常使用步进电机或伺服电机。步进电机每一步转动一个固定的角度，比如1.8度、0.9度。那么它们转一圈分别要200步和400步。配合丝杆的导程(转一圈，一条螺纹前进的距离。螺距*螺纹条数=导程)，就可以精确的把工件移动到指定的位置。我选用的电机是几个拆机的两相42电机，十多元一台，步进角是1.8度。配合我的T8-8mm丝杆，前进1mm需要25步。后面会用到这个参数。
通常，步进电机有开环和闭环两种控制方式。开环控制无反馈，只给电机激励，但不管电机是否正确动作。只要负载不大，一般问题不大。但如果负载大了，就会失步，移动的位置就错乱了。闭环控制则要在电机上加反馈装置，检测电机的位置，从而决定给什么样的激励。这样就可以避免电机失步的问题。它精度高，运转速度快，扭力大，但成本高很多。我这里只用开环控制方式。
伺服电机，和闭环控制的步进电机是类似的。它采用闭环控制，可以提供高速，高扭矩，高精度的动力，但价格也高。


(不想拆机器了，拿存货的光轴、丝杆、电机摆拍一下。丝杆上的不是消回差螺母)

有了这些光轴、丝杆和电机，只需要为它们提供支持底座就可以拼成滑台了。我这里是用刨花板锯了几块约35mm宽的板子，在中间打孔来做的底座。（这种方式的好处是底座只要做好了，基本上就能确定光轴的大部分安装精度了。如果使用独立的光轴托分别安装光轴，则要花不少工夫来做校准）光轴部位只需要用8mm的钻头钻孔即可。电机轴、消回差螺母，直线轴承和T型丝杆座的位置要开大一些的孔，有开孔器最好。我没有合适的钻头，也没有开孔器，更没有合适的铣刀，将就用6mm的旧立铣刀开的孔，刀烧了简单磨磨再继续...花了不少工夫来钻孔。因此Z轴没有再用刨花板做，把以前买的一个亚克力玩具滑台找出来用上，雕PCB还是可以的。

X轴的滑台两根光轴的间距要大一些，我这里有约200mm。这样可以减轻Y轴重量不平衡带来的扭矩。Y轴的光轴间距只要与X轴的行程差不多即可，太大会减小X轴的行程，太小又会不太稳定。只要保证加工点在XY轴的光轴之间即可。
XY轴滑台的叠厚也要尽可能的小些，这样不仅可以减小XY轴滑台本身的水平方向扭矩，还可以减低Z轴立柱的高度，减轻Z轴的扭矩。使机器尽可能稳定一些。材料差只能在其它方向想点办法。
电机与丝杆的连接采用了弹性连轴器，这样即使丝杆/电机与光轴有一定的径向安装误差也是可以容忍的，对轴向(传动方向)的精度影响很小。另外，我在XY方向的电机上使用了弹性安装座，使用它可以极大得减小电机运转时的振动(主要是声音很大)。


机器的立柱部分是Z轴的支撑，要稳固。与加工点的距离越近，在加工时受到的扭力就越小，但又要留出足够的空间给XY轴运动。我这里采用了两块板组成了一个类似固定龙门的结构，但X轴不安装在上面。这样立柱既不会影响XY轴滑台移动，又可以与加工点距离比较近一些。

滑台就绪，只要安装到机架上即可。安装时要保证滑台两跟光轴平行(虽然刨花板固定轴座已经确定了两轴的距离，但没法保证不扭动，两轴的两端到底板的距离可能不尽相同。这样的话，滑台运行时会产生轻微的旋转)。如果有偏差，可以在光轴座四角下方垫铁片的方式调整。做到光轴两端到底板的距离基本相同(我这里只调整到误差小于0.1mm)。


我库存了很多各式电机。其中有一台18v的895高速电机，动平衡非常好，运转很平稳，声音细腻。空载转速超过12000rpm，电流3.5A。自带散热风扇，转起来风很大，像个鼓风机。电机是滚珠轴承，无任何轴向跳动(肉眼不可察觉)。很适合用做雕刻机主轴电机。但它的轴与ER夹头是紧配，我费尽全身力气都压不进去丝毫。有个小虎钳，可是开口太小不合用。最终花了几天时间，想了个办法，总算是压紧了。压紧后精度很好，比之前用木板敲进去时有明显改善。

我是这样压ER夹头的。C型夹一对，铁板一块，拉马一副，螺钉一个...

(摆拍示意)

主轴电机通过一个电机座安装在Z轴滑台上。没想到亚克力开孔后上螺丝还是很好的，非常牢固。


主控板使用的是库存了好几年的“鲁班”的板子，原本买来也不知道做什么用，就是想试试好不好玩，这回算是用上了。它的核心是一块Arduino Mini板。其中运行的是开源CNC控制软件GRBL。

我自己配了三块A4988步进电机驱动。并把GRBL从原来的0.9升级到了1.1f版本(不升级的话，上位机软件新版会有些功能无法使用)。
这个板子并不复杂，也可以自己DIY。它的电机控制部分非常简陋，是通过光耦直接驱动MOS管，连续流二极管都没有。负载大时，MOS管都能自己把自己从板子上焊下来。不过从另一方面说明它的MOS管是真材实料...后面我在电机端口并了个大功率的肖特基二极管用来当续流管。也就打消了重新DIY电机控制模块的想法。

三台步进电机，加一台895电机，基本上开机以后就要5A以上的电流了。好在雕刻时主轴负载不大，以前存了一台20多块的12V 10A开关电源可以用。把电源电压调到最大，约15v。这样既可以提高主轴的转速，又可以提高步进电机的高速性能(A4988可以工作在35v以下)。差不多够用，接个电源线底座。效果还不错。电源没什么压力，不太发热。

特别强调： 高压要注意安全!!!高压要注意安全!!!高压要注意安全!!!

上位机软件Candle是用来控制机器运作的软件。它主要负责把刀路代码发送到主控板。还有一些控制功能，可以手工控制各轴移动。由于软件可以控制，我就没有增加手轮，复位和急停开关。实际上，复位和急停非常有必要。在关键时刻很有用。

如果对刀路的加工速度不满意，可以选择软件修正，在加工时调整给进速度。如上图红框中的部分。

一切就绪后，GRBL需要先进行一些配置，否则它可能无法正确工作。
首先，需要配置各轴的步进脉冲数，也就是前进1mm所需要的脉冲数。前面我们计算过，我的电机+丝杆每25步移动1mm。在主控板上，我给步进电机驱动设置了16细分。这样一来，步进电机每一步被细分为了16个微步，因此，需要25x16=400个脉冲才会移动1mm。我这里各轴参数一样，所以需要设置
  $100=400
  $101=400
  $102=400
XYZ三轴都是400个脉冲移动1mm。
第二，还需要设置各轴的最大速度。我这里XY轴轻载，Z轴带主轴电机，所以XY轴设置成1500mm/分，Z轴设置成800mm/分。如下:
$110=1500
$111=1500
$112=800
第三，滑台启动/停止时，要有一个加速度。电机扭力越大，速度越快，负载越轻，加速也可以越大。我这里XY轴设置为60mm/s，Z轴设置为40mm/s
$120=60
$121=60
$122=40
其它还有很多参数可以设置，但最重要的就是这三组。具体的大家可以参考GRBL的说明文档。
设置完成后，运行$$命令来检查设置的参数，如下Console中的内容：



Candle支持自动找平功能，可以用来解决PCB不平整的问题。需要多加一个附件--对刀线。如下图：

这就是两根电线而已，一头接两个鳄鱼夹，一个夹工件，一个夹尖刀。如下：

电线另一头接了一个4芯的杜邦母头，可以插在主控板上。不是所有的主控板都引出了这个接口，它使用了Arduino的A5引脚。A5默认上拉是高电平，如果与地短路被拉成低电平时，GRBL就认为刀与工件接触了。由此即可实现对刀。

注意！！！这样的对刀方式非常容易出问题。如果忘记把线取下来就开动电机的话...后果可想而知.所以实体的急停按钮很有必要！我这根线就是这样废掉的。
后来我改进了连接方式，把连接尖刀的线直接连接在电机外壳上，信号通过电机壳到电机轴再到尖刀。这样就只需要连接工件的一个鳄鱼夹即可。但这样依旧有危险，因为Z轴对刀时没有限制探测范围(或者是探测范围很大)，如果忘记连接工件的对刀线，那Z轴就会一直向下探测，直到碰到限位开关为止。我就这样断了好几把尖刀。这也是后来我要自己磨刀的原因...

PCB自动找平效果如下：

自动找平后(勾上Use Heightmap)，可以看到刀路已经变弯了。

实际上不光可以用来“找平”，还可以“找不平”。也就是做仿形...多加些采样点，可以做到很高的精度。

机器可以工作了，给它加个照明吧。灯板是用洞洞板做的，3串4并共用了12个3mm白光LED。串上390欧电阻，直接从电源上取电。最后用双面胶贴在电机座上。

哈哈，无影灯效果还可以：

至此，刨花板雕刻机算是完成了。雕刻机的用处不止做PCB，用来加工一点其它小东西也不错。只要发挥想象力，用它可以做出很多有趣的东西来。打板回来以后用来裁板也是极好的！

如下，是用我制作的这台机器加工出来的作品。

1号是拼装好后直接加工的，没有作任何的调试。因为PCB本身不平，在PCB的左侧有一些残铜，PCB也雕刻得比较深。但总得来说机器是能正常使用了。
2号是使用了Candle的自动找平功能，通过它在加工区域多点测量PCB表面高度，然后自动拟合出PCB上的高度信息。在加工时自动修正Z轴加工深度。可以有效得避免残铜问题。仔细观察时可以发现，纵向的走线粗细不一，水平的走线就好很多。这是因为X轴的电机安装松动导致X轴回差过大引起的。另外，这块PCB的加工深度依旧比较深，所以走线都比较细。(我在制作刀路时留了不少余量的)
3号是修正了X轴回差问题后，用比较小的深度加工出来的效果，基本上和ArtCAM仿真出来的效果接近。自动找平时，由于平底尖刀很尖，要刺入PCB一定深度才会停止，所以找到的0点会小于铜皮表面的高度(估计约有0.05mm左右)。要手工补偿回来一些才会有好的效果。如果生成刀路的加工深度为0，则只要补偿回来0.02mm左右。这样基本可以把铜皮清除干净。
在调试过程中弄坏了几把刀，4号/5号是重新磨刀后雕刻的。可以看到，PCB的走线边缘有高光部分，那是由于刀不够锋利，铜层未雕刻干净导致的，线路也比较毛糙。
我购买的0.1mm尖刀，实际上刀尖应该不止0.1mm。我在重磨这把刀时，刀已经磨尖了，但应该还是不止0.1mm。于是，我再次重新磨制了这把刀，把刀尖磨小，并尽可能让它保持锋利。
6号/7号则是在磨刀后重新加工的，可以看到走线边缘非常干净，走线的余量也体现出来了。0.2mm的间距和0.2mm的走线效果都很好。

最后，补充一些使用过程中的心得体会：

关于磨刀，有磨刀机来磨刀当然很方便，没有的话也没问题。我就是手工磨的刀。买个3000目的金钢石砂轮，把它夹在电钻上，慢点磨就行。为了保证刀尖在中轴线上，左右两边需要轮流磨。平底尖刀在磨制时，要注意“平底”这个特征。不能把刀磨成尖的。另外，平底尖刀有侧是个平面，这面是不能磨的。否则刀尖就没法在中轴线上了。要磨成如下图的样子：

我磨制的时候，是先把平底刀尖磨出来。然后再左右侧分别磨制，直到刀尖尺寸达到自己的要求即可。
锋利的尖刀在雕刻PCB时有“刷刷”的声音，振动比较小，走线边缘不会有毛刺(有轻微毛刺问题也不大，可以用2000目砂纸稍微打磨一下)。

关于刀具夹装。虽然ER夹头的设计很好，可自动校准。但一方面便宜的夹头/弹性夹筒精度不行，另一方面夹装本身就会有误差。所以，有的时候尖刀在转动时会有摆动，需要再校准一下。当主轴转动时，仔细观察刀尖。如果刀尖有虚影，这时肯定是刀尖不在中轴线上，需要重新夹装。在夹装时，完全上紧ER螺母前，用手定住ER夹头，转动一下尖刀，可以多转几圈以减小尖刀的安装误差。夹装好后再开动主轴检查。直到刀尖没太大虚影时即可。这对PCB雕刻品质影响重大。

关于加工速度。受主轴机器刚性，电机转速，刀尖尺寸，步进电机性能，工件重量，以及AVR的性能影响，加工速度不可能太快。我这里一般选择600mm/分左右的加工速度。

关于刀路生成。我是用KiCAD画板子，然后生成DXF文件。再用ArtCAM打开DXF文件生成刀路的。这中间可能会有一些不兼容问题，KiCAD生成的DXF文件，ArtCAM打开后有一些矢量连接问题。需要用ArtCAM的矢量检查工具检查一下，然后手工删除有问题的矢量。ArtCAM生成好刀路，最后导出为Mach3的格式即可。

花了几天时间，总算是写完了。能力有限，很多资料是后来补充的。有不准确，不清楚的地方，还请大家指出。

scu319hy

重新磨了把刀，挑战了一下高精度的线路。0.2mm的线没什么压力。QFP，QFN，MSOP10这种0.5mm脚距的基本上问题不大；0402，0201这种封装也可以。但BGA就掉了焊盘了，不过自己雕刻板子也用不着BGA。

ljjch

好！ 精彩！

广源

只有崇拜的份！

sjtx1971

虽说简陋,但技术精湛,尤其是软件部分,学习了
不知道上位机软件Candle有没有中文版的,英文太差

scu319hy

谢谢各位支持，欢迎大家仿制更高档的机器

scu319hy

sjtx1971 发表于 2019-11-22 09:50
虽说简陋,但技术精湛,尤其是软件部分,学习了
不知道上位机软件Candle有没有中文版的,英文太差

谢谢。Candle是开源的，网上能找到一些老旧的汉化版。其实里面没几个英文。用英文版不会给你带来太大的困扰的。

sunnywind

想问下楼主，雕刻刀是转着磨圆那边，平面那边不能磨对吧？

scu319hy

sunnywind 发表于 2019-11-22 22:46
想问下楼主，雕刻刀是转着磨圆那边，平面那边不能磨对吧？

嗯，如果能转动着打磨圆的这一面当然好。如果是手工打磨，也可以只磨两侧的刀刃。平面一般不要去磨它。厂家生产的时候，那面已经磨得差不多了，自己磨很难保证刚好打磨到与轴线重合。

hu2013b

支持楼主制作成功和分享，几年前在数码坛也对着做了一个微型雕刻机，也是想用来雕刻PCB板子的，做好雕刻过一些，因为光轴上没用回差螺母，走起来精度太差而在吃灰中了。

sjtx1971

scu319hy 发表于 2019-11-22 12:45
谢谢。Candle是开源的，网上能找到一些老旧的汉化版。其实里面没几个英文。用英文版不会给你带来太大的困 ...

多谢,回头下载个试试

scu319hy

hu2013b 发表于 2019-11-23 01:36
支持楼主制作成功和分享，几年前在数码坛也对着做了一个微型雕刻机，也是想用来雕刻PCB板子的，做好雕刻过 ...

精度受很多影响的，除了消回差螺母的影响，主轴的震动影响也很大的。赶快翻出来扫扫灰，再改进改进

ailisheng

做的不错！

无敌吴刚

很漂亮！！我想仿铝板的。！！