GRBL 改裝我部 CNC 雕刻機

我 自 己 第 一 部 CNC 雕 刻 機 就 是 EleksMaker 的 EleksMill 雕 刻 機 ,當 年 它 在 kickstarter 上 開 售 時 風 頭 也 一 時 無 兩 。

到 現 在 ,該 公 司 已 經 有 了 自 己 的 網 站 ( store.eleksmaker.com ),而 且 也 多 了 好 多 不 同 種 類 的 產 品 ,例 如 下 面 這 個 畫 蛋 裝 置 ,就 讓 人 驚 歎 不 已 ( 但 誰 會 買 呢 ?? )。

雕 刻 機 要 改 機 的 話 ,第 一 樣 野 一 定 係 想 改 大 個 雕 刻 行 程 。其 實 大 部 分 雕 刻 機 所 用 的 都 是 公 家 規 格 的 材 料 ,想 要 買 的 話 外 面 都 會 買 得 到 。多 得 近 年 3D 打 印 機 的 興 起 ,大 部 分 3D 打 印 機 的 零 件 ,都 是 和 雕 刻 機 一 樣 的 。

雕 刻 機 增 加 行 程

雕 刻 機 增 加 行 程

要 改 大 雕 刻 行 程 ,首 先 要 改 大 的 是 雕 刻 機 的 外 框 。雕 刻 機 的 外 框 很 多 都 是 用 「鋁 型 材 」,而 大 部 分 都 是 用 「歐 標 2020」或 者 「歐 標 2040」的 。「鋁 型 材 」一 般 散 賣 就 是 按 一 米 一 米 來 賣 的 ,每 次 最 少 要 買 一 米 。大 部 分 店 家 都 可 以 幫 忙 切 割 、鑽 孔 和 攻 絲 等 加 工 ,當 然 會 收 取 一 點 點 加 工 費 ,但 也 是 十 分 便 宜 的 。想 要 怎 樣 切 割 和 加 工 ,一 定 要 先 和 店 家 溝 通 好 才 付 款 。

加 大 了 外 框 ,我 們 也 要 相 應 長 度 的 光 軸 絲 桿 。光 軸 有 不 同 的 直 徑 ,如 果 你 要 用 回 原 來 的 軸 承 ,就 必 須 要 買 和 原 來 一 樣 粗 的 。但 如 果 你 的 雕 刻 機 能 夠 改 為 安 裝 更 粗 的 直 線 滾 珠 軸 承 ,你 也 可 以 改 用 粗 一 點 的 光 軸 。入 門 級 雕 刻 機 的 光 軸 一 般 都 在 8mm 到 12mm 之 間 。

光 軸 會 有 不 同 的 安 裝 方 式 ,有 夾 的 ,也 有 上 螺 絲 的 。如 果 購 買 和 雕 刻 機 原 來 一 樣 的 安 裝 方 式 的 話 ,就 會 事 半 功 倍 。例 如 我 的 雕 刻 機 的 8mm 光 軸 是 在 兩 端 使 用 M4 螺 絲 孔 來 固 定 的 ,所 以 購 買 光 軸 時 要 請 店 家 代 為 開 孔 ,開 孔 費 當 然 是 另 外 算 。

絲 桿 多 數 都 是 8mm 直 徑 的 ,好 多 店 都 叫 它 做 T8 絲 桿 。雖 然 絲 桿 只 有 一 個 直 徑 ,但 絲 桿 卻 有 不 同 導 程 ,導 程 就 是 絲 桿 轉 一 圈 ,螺 母 所 行 走 的 直 線 距 離 。買 的 時 候 最 好 買 回 和 原 來 一 樣 導 程 的 ,那 螺 母 就 不 用 再 買 。

理 論 上 ,導 程 越 細 ,雕 刻 機 就 越 精 密 ,如 果 你 喜 歡 的 話 ,在 改 機 時 也 可 以 買 導 程 細 一 點 的 絲 桿 。但 記 得 改 絲 桿 導 程 的 時 候 ,螺 母 的 導 程 是 一 樣 要 改 的 ,所 以 最 好 成 套 購 買 。改 了 絲 桿 導 程 之 後 ,別 忘 記 要 更 正 grbl 的  setting,即 是 $100, $101 and $102 – [X,Y,Z] steps/mm。

改 大 了 外 框 和 行 程 之 後 ,我 們 可 以 雕 刻 更 大 的 物 件 ,所 以 ,工 作 台 也 會 要 增 大 一 點 。我 的 雕 刻 機 原 來 使 用 「2080 鋁 型 材 」,我 想 把 平 台 增 大 一 倍 ,但 因 為 同 樣 的 鋁 型 材 沒 有 這 麼 寬 的 ,所 以 我 只 能 使 用 兩 片 2080,再 用 直 碼 在 底 部 固 定 。

增 大 了 的 工 作 台

增 大 了 的 工 作 台

雕 刻 機 原 來 的 夾 具 是 非 常 不 好 用 的 ,所 以 我 亦 趁 機 加 了 一 個 CNC 專 用 的 「超 薄 平 口 鉗 」。不 過 ,平 口 鉗 的 大 小 和 安 裝 方 式 不 一 定 和 你 的 平 台 兼 容 ,你 可 以 和 店 家 溝 通 一 下 ,那 個 長 度 和 螺 絲 孔 的 位 置 都 是 可 以 訂 製 的 。對 於 小 型 雕 刻 機 來 說 ,平 口 鉗 算 是 很 重 的 ( 1KG ),所 以 如 果 Y 軸 的 跨 度 很 大 ,最 好 要 把 光 軸 都 換 成 12mm。

除 了 上 面 的 重 大 改 進 之 外 ,其 實 也 有 很 多 小 東 西 可 以 改 良 的 。首 先 就 是 那 個 「消 回 差 螺 母 」( anti-backlash nut )。其 實 eleksmill 原 本 也 有 「雙 螺 母 」的 設 計 來 消 回 差 從 而 提 升 精 確 度 ,但 那 個 安 裝 有 一 定 難 度 ,對 新 手 又 或 者 不 明 就 裡 的 人 來 說 會 是 一 個 惡 夢 。如 果 安 裝 得 唔 好 ,更 加 會 加 速 螺 絲 桿 的 損 耗 和 降 低 雕 刻 機 的 精 度 。

雙 螺 母 消 回 差

雙 螺 母 消 回 差

backslash2

雙 螺 母 消 回 差

市 面 上 其 實 已 經 有 許 多 不 同 款 式 的 anti-backslash nuts。「雙 螺 母 消 回 差 」的 技 術 ,簡 單 說 就 是 同 時 用 兩 個 螺 母 ,再 在 中 間 加 一 條 彈 簧 ,令 到 螺 母 在 兩 個 轉 動 的 方 向 都 緊 貼 著 螺 絲 桿 ,令 到 螺 母 來 回 轉 動 時 不 會 因 為 有 一 個 微 小 的 空 隙 而 造 成 短 暫 的 停 頓 。這 種 短 暫 的 停 頓 會 令 到 雕 刻 出 來 的 圖 案 不 對 齊 ,從 而 降 低 整 個 系 統 的 精 確 度 。

我 自 己 就 選 了 這 一 種 ,既 小 巧 又 容 易 安 裝 的 款 式 。它 的 4 個 固 定 小 孔 ,是 已 經 做 好 了 M3 的 螺 紋 的 ,安 裝 的 時 候 不 用 額 外 的 螺 母 ,非 常 的 方 便 。購 買 這 一 種 螺 母 的 時 候 一 定 要 注 意 規 格 ,特 別 是 導 程 ( 2mm / 4mm / 8mm ),以 配 合 你 自 己 的 螺 絲 桿 。

雕 刻 機 是 震 動 得 比 較 利 害 的 機 器 ,所 以 螺 絲 螺 母 如 果 上 不 是 極 緊 ,就 有 機 會 因 為 震 動 而 鬆 脫 。大 家 不 妨 把 所 有 螺 母 ,都 換 成 帶 膠 圈 的 防 鬆 脫 螺 母

雕 刻 機 外 框 多 數 使 用 鋁 型 材 ,鋁 型 材 安 裝 時 一 定 會 用 到 鋁 型 材 的 螺 母 。鋁 型 材 的 螺 母 主 要 分 兩 類 ,一 類 是 可 以 後 加 入 去 的 ,就 像 T 型 螺 母 ,另 一 類 是 要 預 先 安 裝 進 去 的 ,例 如 滑 塊 螺 母 。個 人 覺 得 滑 塊 螺 母 是 比 較 好 的 ,因 為 可 以 隨 時 扭 鬆 ,慢 慢 對 好 位 ,然 後 再 扭 緊 。滑 塊 螺 母 是 扭 鬆 了 之 後 也 不 會 掉 出 來 的 。個 人 習 慣 把 雕 刻 機 的 所 有 T 型 螺 母 都 換 成 滑 塊 螺 母 的 。

鋁 型 材 的 螺 母 是 有 不 同 大 小 的 螺 絲 孔 的 ,單 是 2020 鋁 型 材 的 螺 母 ,也 會 有 分 m4 / m5 / m6,大 家 要 看 看 自 己 的 雕 刻 機 是 用 那 一 個 大 小 的 螺 絲 ,千 萬 不 要 買 錯 了 。

雕 刻 機 都 會 使 用 步 進 馬 達 ,而 步 進 馬 達 都 會 自 己 的 驅 動 板 ( driver ) 的 。一 般 入 門 級 雕 刻 機 最 常 用 的 就 是 A4988 晶 片 ,它 也 有 一 定 的 熱 量 。如 果 輸 出 電 流 大 於 1A,則 更 必 須 要 做 好 散 熱 。坊 間 其 實 也 有 很 多 小 型 散 熱 片 ,非 常 便 宜 的 ,大 家 可 以 買 回 來 自 己 安 裝 。

雕 刻 風 扇 安 裝 孔

雕 刻 風 扇 安 裝 孔

加 裝 散 熱 風 扇

加 裝 散 熱 風 扇

除 了 散 熱 片 ,我 們 也 可 以 加 裝 小 型 的 散 熱 風 扇 。很 多 雕 刻 機 控 制 板 都 有 12V 的 風 扇 電 源 ,只 要 去 買 一 把 12V 5cm 的 小 風 扇 ,然 後 自 己 用 雕 刻 機 在 亞 克 力 外 殼 上 刻 一 個 圓 型 和 4 個 螺 絲 位 。

如 果 大 家 覺 得 跟 機 的 GRBL 控 制 板 不 夠 勁 ,當 然 也 可 以 自 行 更 換 。其 實 更 換 控 制 板 並 不 困 難 ,基 本 的 接 駁 其 實 都 一 樣 。最 基 本 要 接 駁 的 東 西 就 是 ,1 個 主 軸 摩 打 ,3 個 步 進 電 機 ,一 個 DC 電 源 輸 入 ,一 個 USB 插 口 。以 上 這 些 接 口 每 一 塊 控 制 板 都 有 ,就 算 要 改 接 線 也 十 分 容 易 。唯 一 要 注 意 的 是 輸 入 的 電 壓 ,有 些 最 大 只 支 援 12V,有 些 則 支 援 12V-36V。大 家 不 要 升 級 不 成 反 而 買 了 更 低 電 壓 的 控 制 板 。

換 了 更 強 的 控 制 板 ,大 家 也 可 以 考 慮 更 換 更 強 力 的 主 軸 摩 打 。更 換 主 軸 摩 打 最 主 要 的 考 慮 其 實 是 那 個 mount。安 裝 555 摩 打 ( 直 徑 35.8mm ) 的 mount 基 本 上 不 能 安 裝 775 摩 打 ,安 裝 775 摩 打 ( 直 徑 42mm ) 的 mount 亦 不 可 能 安 裝 真 正 的 主 軸 摩 打 ( 直 徑 52mm 起 )。找 主 軸 電 機 的 時 候 ,最 好 找 有 「雙 滾 珠 軸 承 」、「大 扭 力 」、「帶 散 熱 風 扇 」的 款 式 。

如 果 想 再 講 究 一 點 的 ,可 以 選 擇 「無 刷 摩 打 」( brushless motor )。「無 刷 摩 打 」號 稱 超 長 壽 命 ( 是 有 刷 摩 打 的 5-10 倍 )、噪 音 低 、大 扭 拒 、效 率 高 ,還 可 以 正 反 轉 。如 果 大 家 買 「內 置 驅 動 」的 款 式 ,更 可 以 直 接 駁 12V / 24V 電 源 就 能 用 。

無 刷 摩 打 的 名 稱 和 有 刷 摩 打 不 太 一 樣 ,5 系 大 小 的 無 刷 摩 打 會 叫 「3650」( 直 徑 36mm,高 50mm ),7 系 的 就 會 叫 「4260」。一 般 來 說 ,選 好 直 徑 和 電 壓 ,買 回 來 換 上 就 能 用 。大 家 搜 尋 「無 刷 摩 打 」的 時 候 ,很 可 能 會 見 到 很 多 「異 常 漂 亮 」的 摩 打 ,那 些 基 本 上 都 是 遙 控 模 型 用 的 ,是 設 計 給 鋰 電 池 用 的 ,電 壓 完 全 不 一 樣 ,應 該 不 能 拿 來 給 CNC 用 。

5 系 和 7 系 摩 打 ,主 要 都 是 給 玩 具 用 ,所 以 其 設 計 都 不 是 長 開 的 ,但 用 雕 刻 機 雕 比 較 精 緻 的 東 西 ,有 時 難 免 一 雕 就 雕 幾 個 小 時 ,所 以 如 果 摩 打 發 燙 的 話 ,最 好 還 是 加 裝 散 熱 片 風 扇 ,幫 助 散 熱 。

升 級 了 控 制 板 ,換 了 更 強 力 的 主 軸 ,大 家 也 不 妨 考 慮 升 級 電 源 。大 家 可 以 去 找 一 種 「開 關 電 源 」( switching power supply ),據 說 會 比 較 省 電 。例 如 我 自 己 把 我 的 雕 刻 機 的 控 制 板 由 12V 更 換 了 支 援 24V 的 ,然 後 也 把 主 軸 摩 打 也 更 換 成 24V 的 ,然 後 就 選 了 一 個 24V 10A 的 開 關 電 源 ,保 證 夠 水 夠 力 。

接 駁 開 關 電 源 的 話 ,你 可 以 買 一 點 「叉 型 」或 「圓 型 」的 冷 壓 接 線 端 子 。會 方 便 很 多 ,也 會 牢 固 很 多 。

加 裝 了 照 明 燈

加 裝 了 照 明 燈

我 用 LED 燈 帶 ( 12V 燈 帶 ,每 三 顆 LED 一 段 可 以 剪 開 ,背 面 帶 雙 面 膠 紙 的 ),在 主 軸 電 機 的 旁 邊 加 了 LED 燈 ,作 為 平 台 照 明 之 用 。LED 燈 帶 非 常 小 巧 ,又 非 常 輕 ,安 裝 更 是 方 便 ,貼 上 就 是 ,12V 電 源 和 風 扇 一 樣 ,兩 者 共 用 一 個 電 源 插 口 就 可 以 了 。

最 後 ,你 有 部 CNC 機 ,自 然 就 可 以 自 己 動 手 製 造 custom made 的 組 件 了 。EleksMaker 後 來 出 的 CNC 機 ,已 經 全 部 改 用 硬 塑 膠 來 做 機 身 ,而 不 再 使 用 那 種 軟 木 了 。於 是 ,我 也 買 了 幾 片 A4 大 小 ,10mm ( 即 1cm ) 厚 的 阿 加 力 膠 板 來 自 製 機 身 ,成 本 也 不 到 一 百 蚊 。

自 製  CNC 組 件

自 製 CNC 組 件

裝 好 之 後 就 成 了 下 面 的 樣 子 。

改 裝 後 的  Eleksmill

改 裝 後 的 Eleksmill

既 然 是 自 己 製 造 ,當 然 就 可 以 自 己 改 良 一 下 。例 如 那 個 龍 門 ,我 就 加 多 了 兩 排 孔 ,以 方 便 我 升 高 和 降 低 Z 主 軸 ,令 我 可 以 雕 刻 更 多 不 同 厚 度 的 木 料 。

雕 刻 機 的 龍 門

雕 刻 機 的 龍 門

在 Z 軸 的 T8 絲 桿 ,原 本 是 沒 有 軸 承 的 ,我 給 它 補 回 了 ,感 覺 上 紮 實 很 多 。( 一 個 8mm 法 蘭 軸 承 也 就 一 兩 塊 錢 )

Z 軸 補 回 軸 承

Z 軸 補 回 軸 承

主 軸 當 然 要 加 大 ,現 在 可 以 安 裝 42mm ( 加 上 那 鐵 圈 就 是 45mm ) 直 徑 的 7 系 摩 打 。我 選 用 的 是 24V 20000 轉 的 775 摩 打 ,也 不 過 二 十 幾 蚊 人 仔 。

改 換 了 更 高 級 的 摩 打

改 換 了 更 高 級 的 摩 打

X 軸 的 步 進 電 機 ,改 回 直 線 安 裝 的 設 計 ,而 棄 用 它 原 來 的 齒 輪 + 皮 帶 的 設 計 。

X 軸 改 用 直 線 安 裝 的 方 式

X 軸 改 用 直 線 安 裝 的 方 式

主 軸 摩 打 之 下 當 然 要 貼 上 一 節 12V 的 LED 燈 帶 。

主 軸 摩 打 之 下 加 了  LED 燈 來 照 明

主 軸 摩 打 之 下 加 了 LED 燈 來 照 明

我 當 然 也 趁 機 換 了 更 好 的 GRBL 控 制 板 。它 可 以 控 制 24V 的 主 軸 摩 打 ,也 有 脫 機 控 制 。我 加 裝 了 12V 的 風 扇 來 散 熱 。因 為 用 了 24V 主 軸 ,我 也 換 了 一 個 24V 的 開 關 電 源 ,右 手 邊 的 小 小 電 路 板 是 一 塊 24V 降 12V 的 電 路 板 ,我 用 它 來 給 LED 燈 帶 和 散 熱 風 扇 供 電 的 。

更 換 了 好 一 點 的  CNC 控 制 板

更 換 了 好 一 點 的 CNC 控 制 板

用 CNC 雕 刻 機 生 產 零 件 給 CNC 雕 刻 機 升 級 ,機 器 自 己 升 級 自 己 ,簡 直 就 係  skynet + terminator,哈 哈 哈 哈 哈 哈 ,人 類 離 滅 亡 不 遠 了 。

ctleung張 先 生 ,男 性 ,肖 龍 。
職 業 :I.T. Consultant
簡 介 :不 好 好 讀 書 ;七 尺 差 五 寸 ,手 長 過 膝 ,雙 耳 垂 肩 ;性 寬 和 ,寡 言 語 ,喜 怒 不 形 於 色 。據 說 少 時 曾 斬 白 蛇 於 鳳 凰 山 下 ……
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CNC 雕刻機,GRBL 控制板比較

在 最 早 的 時 期 ,想 要 使 用 GRBL,就 要 使 用 Arduino UNO 外 加 一 個 CNC Shield。初 代 CNC Shield 的 功 能 只 是 把 UNO 的 針 腳 引 出 來 ,和 加 上 連 接 stepper motor driver 的 線 路 。隨 著 GRBL 的 進 化 ,這 種 Arduino CNC Shield 也 出 了 很 多 代 ( V1, V2, V3, ….. )。

到 了 後 來 ,Arduino 推 出 了 NANO,使 用 和 UNO 一 樣 的  ATmega328P 芯 片 ,所 以 後 來 出 的 CNC Shield 都 多 數 以 NANO 為 主 。NANO 佔 位 比 較 少 ,加 上 NANO 的 Shield 通 常 都 比 較 新 ,功 能 比 較 完 善 ,所 以 漸 漸 是 取 代 了 UNO 的 Shield。

以 我 自 己 用 過 的 幾 款 GRBL 控 制 板 來 說 ,其 實 都 大 同 小 異 。個 人 覺 得 最 主 要 的 分 別 是 對 不 同 主 軸 摩 打 的 支 援 ,畢 竟 ,雕 刻 機 的 靈 魂 就 是 主 軸 摩 打 。

最 入 門 級 的 ,就 是 只 支 援 12V 輸 入 ,12V 輸 出 的 控 制 板 。這 種 控 制 板 限 制 了 你 只 能 使 用 12V 的 主 軸 摩 打 。12V 的 摩 打 一 般 來 就 是 就 扭 力 較 小 。

高 級 一 點 的 ,是 支 援 12V-36V 輸 入 / 輸 出 的 控 制 板 。你 可 以 使 用 24V ,甚 至 36V 的 主 軸 摩 打 ,扭 力 會 大 一 點 。使 用 這 一 類 控 制 板 要 特 別 留 意 主 軸 摩 打 的 電 壓 ,因 為 它 的 主 軸 摩 打 的 輸 出 電 壓 是 和 輸 入 電 壓 一 樣 的 ,所 以 你 的 輸 入 的 電 壓 ,必 須 要 使 用 和 主 軸 電 機 相 同 。即 是 如 果 你 使 用 24V 的 主 軸 摩 打 ,你 便 必 須 要 使 用 24V 的 電 源 。

上 面 這 一 款 控 制 版 另 一 個 特 別 的 地 方 ,就 是 把  ATmega328P 芯 片 整 合 在 控 制 板 之 上 ,應 該 對 生 產 成 本 有 一 定 幫 助 。新 出 的 控 制 板 越 來 越 多 是 這 一 種 設 計 。

最 好 的 ,是 使 用 「繼 電 器 」的 GRBL 控 制 板 。這 一 類 的 控 制 板 可 以 控 制 真 正 的 雕 刻 機 主 軸 摩 打 。

「繼 電 器 」其 實 就 是 一 種 「開 關 」,是 可 以 用 較 小 的 電 流 去 控 制 較 大 電 流 的 自 動 開 關 。我 們 只 要 把 300W / 400W 的 大 功 率 的 主 軸 摩 打 ,和 獨 立 的 48V 電 源 接 到 繼 電 器 ,然 後 就 可 以 用 Arduino 的 5V / 40mA 微 小 電 流 來 控 制 主 軸 電 機 的 開 關 。

使 用 「繼 電 器 」的 GRBL 控 制 板 一 般 會 有 兩 個 電 源 輸 入 ,12V 的 電 源 是 供 電 給 主 板 和 步 進 摩 打 的 ,而 主 軸 摩 打 就 會 使 用 和 其 匹 配 的 獨 立 電 源 ,另 外 連 接 到 繼 電 器 之 上 。

GRBL 控 制 板 第 二 個 主 要 分 別 ,就 是 可 不 可 以 「脫 機 控 制 」。因 為 做 精 細 的 雕 刻 的 時 間 會 比 較 耐 ( 數 個 小 時 ),如 果 有 脫 機 控 制 ,就 不 用 長 開 電 腦 了 。「脫 機 控 制 器 」都 會 有 card reader,只 要 把 雕 刻 文 件 ( G code files ) 儲 存 到 記 憶 卡 ,「脫 機 控 制 器 」便 可 以 直 接 讀 取 這 些 文 件 來 雕 刻 。

在 上 面 的 幾 種 控 制 板 之 中 ,eleksmaker 都 沒 有 脫 機 控 制 ,反 而 「36V 控 制 板 」和 「繼 電 器 控 制 板 」都 有 脫 機 控 制 ,不 過 「脫 機 控 制 器 」都 要 另 購 。「脫 機 控 制 器 」都 要 搭 載 「控 制 板 」使 用 ,最 好 還 是 和 「控 制 板 」一 起 買 ,不 然 有 機 會 得 物 無 所 用 。

至 於 其 他 的 功 能 ,還 包 括 支 援 「激 光 」( 上 面 三 個 都 支 援 )、兩 個 Y-axis 輸 出 ( 某 些 龍 門 移 動 式 的 雕 刻 機 ,不 常 用 )、風 扇 輸 出 ( 12V 輸 出 ,除 了 加 風 扇 幫 助 控 制 板 散 熱 ,我 也 喜 歡 加 LED 作 照 明 )、有 「對 刀 」( probe ) 和 「限 位 開 關 」( limit switches ) 的 插 口 。不 過 這 些 都 不 是 必 要 功 能 ,大 家 按 自 己 的 需 要 選 擇 即 可 。

ctleung張 先 生 ,男 性 ,肖 龍 。
職 業 :I.T. Consultant
簡 介 :不 好 好 讀 書 ;七 尺 差 五 寸 ,手 長 過 膝 ,雙 耳 垂 肩 ;性 寬 和 ,寡 言 語 ,喜 怒 不 形 於 色 。據 說 少 時 曾 斬 白 蛇 於 鳳 凰 山 下 ……
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