CNC DIY！ 自製土砲 CNC 雕刻機

本實驗室為了製作一些較堅固的客製化製品因此開了這個計畫
3D 印表機固然不錯, 但是所選用的材料仍無法適應某些應用
尤其需要鑽孔攻牙的, 需要小體積但高強度的
3D 列印的多層結構若沒有良好的黏合, 將會從各層間解體
尤其列印面積大時, 溫度差更容易產生這種現象
而 CNC 雕刻機總是從一開始就結構完整的物體去切削
結構設計妥當的話是相當堅固的, 可用的材質也非常多樣化
低溫強固的 HDPE, 化學特性優良又耐高溫的鐵氟龍 (貴！)
機體結構夠穩的話還可以切金屬, 應用範圍更廣
不過這機器可不好搞, 切割時是靠快速轉動銑刀來進行切削
這會產生極大的噪音以及振動, 機體結構需要能應付這些衝擊
可是預算不是無上限, 我們沒法無止盡的強化結構來解決問題
因此一些妥協是必須的, 我的機器會在加工時因為振動而產生誤差
故稱作 "土砲 CNC 雕刻機", 它還是能用, 只是有點不準XD
如果你期望自己做的機器可以超越商業產品, 那我會建議你忽略這篇文章
或許有人可以做到, 但我做不到XD



為了確保維修料能夠容易取得, 做這台機器選用的材料沒有商業客製品
例如滑軌, 我們可以在拍賣上找到一堆機器設備拆下的二手品
但是它們都是特殊規格, 而且有可能只有一件, 玩壞了就沒了
儘管它的精準度比我們的土砲製品好, 但是一旦故障我們就得變更設計
那只會更麻煩而已, 所以滑軌我們將用一般圓柱型的光軸來製作
在製作之前得先參考別人的設計, 我蒐集了一些資料
然後憑 "直覺" 和多年搞破壞的經驗來判斷結構的設計XD
我沒有機械基礎, 只有很破的物理概念, 所以可能會有錯, 歡迎踢館

目前我可以在拍賣上看到的廠機或半成品大致上有三種


這是我認為最糟的設計, 把 XY 軸疊在一起, 然後 Z 軸固定在機台上
它是能用的, 機器體積很大但是加工面積往往很小
其精神是固定銑刀, 然後把加工品 "推過去切", 由於兩推進軸疊在一起
推進軸機構要很堅固, 要能承受上面放的卡鉗以及加工品的重量
要堅固就會重, 金屬重就貴, 這種設計看起來不太好用
這應該是從手動銑床改進來的, 印象中看過影片操作手動銑床時
就是不斷轉動 XY 重疊的卡鉗, 這種卡鉗現在還可以在五金行買到, 還蠻貴的


這是拍賣上中低價成品機最常見的設計, XZ 軸移動的不是加工品而是銑刀
只有 Y 軸會承載加工品的重量, 這類產品主要是 "桌上型雕刻機"
加工面積小, 但體積也很小, 佔用空間差不多是一台電腦主機橫放, 且精確度還不錯
主要應用範圍為 PCB 雕刻, 木板雕刻, 部份高強度產品可執行金屬板雕刻


這是拍賣上較高單價成品機的設計, XYZ 軸都用來移動銑刀
加工品不用移動, 只要乖乖的躺著被切就可以了
加工面積特大, 主要用來割文字, 雕木板, 或是雷射切割
也是國外 CNC DIY 玩家常用的設計, 工作平台鋪上木板就可以很隨意的把加工品釘上去
然後就可以執行雕刻作業, 不用擔心承載問題, 機構只要能承受銑刀的反作用力即可
我個人認為這是最好的方案, 所以會以此方式來製作雕刻機
開始製作前我們得有各部位的尺寸規格, 決定這些規格時就要做些思考
還是一樣, 到處看別人的設計, 然後以我有限的知識進行猜測, 然後決定規格
我的考量有以下幾點, 這裡記下來供參考, 有錯請踢


當我們把裝了銑刀的電機固定到結構體上時, 移動銑刀切割, 會受到的阻力應來自箭頭 1
這個力沿著 Z 軸傳導(箭頭 2), 抵達 X 軸, 通常會是兩根光軸組成, 像 3D 印表機那樣
下面那軸(標三角形處)就像是支點, 會承受阻力, 然後 Z 軸就像一根槓桿
會對 X 軸上側(箭頭 3)的光軸產生力, 當 Z 軸越長, 銑刀那裡的力就越容易讓 X 軸變形
阿基米德：「給我一個支點，我就可以撬動整個地球。」
如果不希望 X 軸被撬開的話, X 軸間距(藍色虛線之間的距離)就不可以和 Z 軸總長差太多
桌上型銑床常見是 1:1, X 兩光軸間距和 Z 軸行程等長
有些比較大的機台會作到 1:2, Z 軸為 X 兩光軸間距的兩倍, 最多就這樣, 沒看到更長的了
雖然我不知道這力怎計算評估, 但看到別人大多設計成這樣, 不要超出太多應該還行
我的設計是兩倍再多一點點, 小貪心一下XD

從上圖的側面看過去, 我們可以得到下圖

藍色箭頭是 X 軸的寬度, 紅色箭頭是 Z 軸離 X 軸的距離
大部分的廠機會儘可能的縮短紅色箭頭的距離, 不會向上圖那種比例
那比例看起來就像縫紉機, 如果你的機身也和縫紉機那樣堅固的話或許沒問題
不過...這有意義麼?XD 這問題也類似槓桿, 應該比較像力矩的問題
試著在胸前舉起一桶水, 然後把手水平向前打直, 體驗一下水突然變重的感覺
應該就會懂這設計的問題出在哪


從上面的問題衍伸, 如果上圖三角形處是支點, 箭頭 1 是槓桿產生的力
把這力延伸到支撐 X 軸的側板上, 它應該會形成箭頭 2 那樣的扭轉力
這扭轉力加上重力, 它應該會產生箭頭 3 那樣的扭轉力施加到 Y 軸上
所以如果藍色箭頭的距離太短就有可能容易扭曲變形
試著用雙手抓起掃把, 調整兩手之間距離, 相信會發現雙手距離越近越不容易操作掃把
目前觀察廠機設計上圖藍色箭頭的距離, 大多會大於等於上上圖紅色箭頭的距離
寬大的底座就像金字塔一樣比較不容易被推倒

我選的這種設計法有著超大工作面積的特色, 但這特色不是免費的

考慮上圖, 由於大工作面積, X 軸可以很長, 如果此時 Y 軸只有一邊放馬達
當箭頭 2 處 Y 軸用馬達牽引時, 銑刀在 X 軸末端受到箭頭 1 的阻力
機體就會變形, 上圖是誇張版的, 除非施加百公斤以上的力才有可能這樣
如果不管它就會產生不小的誤差, 以我的實驗可以到 1 公分以上的距離差
要避免這問題就要 Y 軸兩側都裝上馬達, 兩倍支出！ 後篇電機部份會介紹怎麼接

接著考慮 X 軸方向的變形, 如果從機器正面面對 X 軸看過去, 應該會如下圖

如果只有兩根連桿, 用手推側板上端, 它就會像平行四邊形般的變形
解法是背面鎖上一塊金屬板固定

這也是多數廠家的方案, 但是要在上圖藍色箭頭處攻牙鎖螺絲可不是件容易事
首先側板厚度要夠, 10mm 以上為佳, 這會大幅增加成本以及加工難度, 所以我沒做這
目前用力搖側板上方會產生 2-3mm 的位移, 只能當作誤差不理它了, 沒辦法

了解了這些考量後就可以動手了, 首先, 備料！

這樣就五張小朋友了, CNC 的東西真的不便宜...
L 型鋁條, 光軸, 幾片鋁板, 還有光軸上的滑塊(上圖下方的方形鋁塊)
光軸直徑為 12mm, 本來想選 16mm, 但是看一看售價......我想 12mm 應該夠用XD
Y 軸光軸為直接切斷無加工, XZ 軸光軸就有特別請廠商加工

在光軸兩側鑽孔攻牙, 光軸可是中碳鋼做的, 很硬！ 除非科班出身否則不要想自己鑽！
加這加工兩根軸就五張國父以上了, 但這是值得的, 它可以大幅簡化後續設計
不用想辦法怎麼用 O 環鎖在側板, 而且這樣更容易產生平行四邊形變形, 比較不穩固
我要求的規格是 Y 軸 450mm, XZ 都是 300mm
XZ 兩軸四根攻牙成 M6 的螺紋, 深 15mm, 買四顆 M6 螺絲就完成固定, 簡單穩固

接著是側板加工

側板 150mm x 300mm, 厚 6mm, 畫好線, 用中心衝打孔後電鑽鑽孔
6mm 就要鑽蠻久的了, 而且手持電鑽常常鑽歪, 所以 10mm 我可不想挑戰
不過如果家裡開工廠有立式鑽床或是借的到的可以挑戰看看


第一次鑽完, 雖然努力對準, 還是只有三顆螺絲鎖的進去, 剩下的都歪了
後來用了很多難以描述的 "怪方法", 什麼斜鑽之類的, 總算是讓所有螺絲都能鎖進去
鑽完孔時孔的四周會有翹起, 那一定要完全剷除, 否則滑塊就會歪, 兩個滑塊在同一側板上
一個歪了就表示光軸會插不進去！ 一定要確實處理, 可以買這個

導角修邊用的滾磨刀, 鑽完用這管在洞口擼一下就圓滿了
鎖螺絲時不要單顆一次鎖緊, 會不平衡, 先全部螺絲都鎖進去
然後把光軸插進去, 接著再一一旋緊, 若發現旋緊後光軸無法順暢移動表示不平衡
請重新檢視各螺絲孔, 如果是鋁板不平......那就爆炸了, 重買一片重新開始
厚的鋁板一般是不容易彎, 太厚又不好加工, 我運氣不錯, 買一次就能用



這是 X 軸和 X 軸上基座剛完成的樣子, 就從側面鎖緊就可以, 蠻穩固的


X 軸和 Z 軸連接的情況,  X 軸的兩光軸間距和 Z 軸滑塊的間距相近
這總成用兩片 7mm 厚的鋁板, 寬都是 100mm, X 軸基座鋁板長 160mm
Z 軸基座鋁板長 310mm, 整個總成拿手上感覺頗重, 應該有個 3 公斤
Z 軸基座鋁板和 Z 軸光軸連接的是 L 型鋁條, 厚 3mm, 長寬為 40mm 和 20mm


這樣就完成三軸的機構了, 上圖右上有一滑塊沒鎖緊, 那個後來有處理掉
每個滑塊都要能確實鎖緊, 不然遇到振動會鬆脫, 然後就解體了, 這很危險

下篇→ 土砲 CNC：電機部份