“Tom Nixon 打造了一台简易的 CNC 雕刻机，用于制造简单的 PCB。”
我制作了一台微型CNC雕刻机，用于PCB等小型加工任务。设备工作行程为106×104×20毫米，整机尺寸约300×250×200毫米，可加工引脚间距0.5毫米的FR4电路板，并具备铝材切割能力。
以下是两块自制电路板，以及在亚克力和铝材上的加工测试结果：
为什么要做？
受到Scanlime使用Bantam Tools桌面铣床直播的启发，我萌生了自建一台PCB雕刻机的想法。尽管专业打样服务在成本、精度和效率上更具优势，但其较长的交付周期（一周 vs 一小时）、按面积计费模式，常导致设计反复修改而延迟验证。
化学蚀刻虽成本低，但涉及危险化学品处理，不适合家庭环境，且难以实现精确外形切割和双面板对位。面包板原型则存在接线错误率高、高频性能差、修复困难等问题。
综合考虑空间限制与功能需求，市售设备大多体积大、价格高，而现有开源设计如“The Ant”在结构刚性和设计开放性方面未能满足要求，因此决定自行设计一款紧凑型CNC雕刻机。
设计标准
- 工作区域：≥100×100毫米
- 工作高度：≥15毫米，适应夹具与垫板
- 刀具兼容性：支持标准38.1×3.175毫米刀具，具备换刀行程
- 性能要求：
- FR4绝缘层雕刻：X/Y轴分辨率0.1毫米，Z轴0.01毫米
- 高效完成FR4切割
- 具备铝材加工潜力
- 体积与便携性：小巧轻便，便于收纳
经调研，成品设备均不符合预期，最终选择基于成熟组件自主构建。
运动系统设计
该设备为龙门式结构，采用2020铝型材框架。X轴与Z轴使用单根MGN12H线性导轨，Y轴采用双导轨提升稳定性。X、Y轴由NEMA17 0.9度步进电机直驱GT2同步带传动，Z轴采用丝杠配合消隙螺母，由NEMA14电机驱动。
尽管结构看似简单，但通过以下设计保障刚性：
- 紧凑尺寸（龙门跨度仅205mm），显著降低挠度
- 切削力靠近导轨作用，减少扭矩影响
- 同步带传动选用高扭矩电机、10mm GT2皮带、16齿小轮及高张力设计，确保传动刚性
- 0.9度步进电机提升分辨率（0.08mm）与静态刚性
- Z轴丝杠提供高分辨率定位，断电自锁，适合单向受力场景
部分结构件如皮带夹、张紧机构采用3D打印件：
张紧机构采用分体式设计，通过双侧调节螺丝实现高张力下的平行校准，有效抑制皮带蠕变。
Z轴
Z轴消隙螺母为3D打印件，因市售产品无法适配空间限制，最终自行攻丝制作。当前设计虽可运行，但柔性结构冗余，弹簧力依赖塑料弹性，底部螺丝被遮挡，需优化。
Z轴电机座采用创新预紧结构：
利用柔性联轴器拉伸实现丝杠预紧，结构紧凑，但当前使用球轴承不合理，计划更换为角接触轴承以提升性能。
主轴
主轴基于ER8夹头延长杆构建，由无刷外转子电机通过平皮带驱动：
主轴安装于3D打印的双角接触轴承座内，直接固定在Z轴滑块上，分体式设计增强刚性。轴承通过弹簧预紧，选用低刚度弹簧以规避PLA热膨胀影响。当前轴环为打印件，计划替换为金属件。
传动皮带为反向使用的6mm GT2同步带，宽度不匹配导致对中困难，需改进。电机座将与丝杠螺母集成至主轴块，提升整体性。
电子部分
控制系统基于Ender 3主板，经以下优化提升可靠性：
- 更换限位开关滤波电路，避免烧毁问题
- 短接A4988驱动器ROSC电阻，关闭自动模式切换，适配0.9度电机
主轴由eBay购得的无刷电调驱动，但缺乏速度反馈，当前通过G代码设定PWM值控制转速，存在不确定性。未来计划加装转速传感器，实现闭环控制与失速检测。
软件
控制器运行uCNC固件，支持多电机控制与基础功能，开发者响应迅速，bug修复及时。上位机采用bCNC，具备以下优势：
- 高度图功能优于uCNC，支持区域设置与结果可视化
- 支持手动换刀流程：暂停、移位、探针校准刀偏
- 集成摄像头辅助定位，可用于双面PCB对位（理论可行，实际精度要求不高）
PCB加工路径由pcb2gcode生成，转换稳定但存在路径切断走线的bug。其忠实还原设计与最优路径之间存在权衡，部分操作（如修方角）可优化。
曾考虑开发专用G代码生成器以深入理解工艺，但工程量较大。
一个更好的控制器？
当前上下位机分离架构存在协议混乱、交互别扭等问题，尤其在用户介入操作时易出错。对比现有方案：
- Klipper：G代码由主机解析，微控制器仅输出脉冲，通信高效，但专为3D打印设计，缺少CNC关键功能。
- LinuxCNC：实时生成电机位置指令，功能强大但部署复杂。需在PC或嵌入式设备运行实时系统，对普通用户门槛较高。
理想方案应整合G代码解释、状态反馈与用户交互，建立统一API，提升系统稳定性与可维护性。
刀具
- FR4加工：eBay廉价刀具中仅钻头可用，铣刀钝化严重，雕刻刀几何不一致。
- 铝材与塑料：AliExpress“DREANIQUE”单刃立铣刀表现良好。
- 工件夹持：3D打印压板配合底板M3螺纹孔，效果稳定。大面积板材中心易弹性变形，可通过中心支撑+高度图补偿解决。
成果
FR4 电路板
首件为红外传感器放大器，用于功能验证：
最复杂项目为tidybot控制板，集成ESP32-C6、USB接口、电机驱动等，采用双面板设计，过孔由黄铜铆钉连接，背面为地层：
绝缘雕刻与外形切割各耗时约10分钟。当前手动喷洒肥皂水抑尘，过程繁琐。若配备吸尘系统并提升进给速度（现为100mm/min，下刀0.45mm），效率可进一步提升。
另一典型应用为DC-DC电源原型，布局随意，局部走线后补漆包线：
绝缘雕刻仅6分钟，无需钻孔切割，快速实现功能验证。关键电源路径性能优于面包板+SMD转接板方案。
亚克力
使用2mm单刃立铣刀，在1100mm/min、20000RPM下完成4mm孔与3mm槽加工：
每齿进给约0.05mm，下刀深度0.75–1mm。排屑略有挑战，可见轻微重复切削痕迹。孔采用螺旋下刀，槽使用斜坡进刀，表面更顺滑。
铝材
在未知型号铝材上加工5mm宽、2mm深型腔与2mm槽，参数如下：
进给500mm/min，主轴20000RPM，每齿进给0.025mm，下刀0.2mm。型腔采用自适应清角+0.1mm精加工，出现轻微颤振，后续可通过参数优化提升表面质量。
成本
不含电子部分的主要物料成本估算：
- 步进电机及支架、联轴器：70英镑
- 角接触轴承（3个）：16英镑
- 线性导轨、丝杠：45英镑
- 同步带、轮、惰轮：36英镑
- ER8夹头组件：11英镑
- 2020铝型材：24英镑
- 主轴电机及电调：25英镑
- 铝板（床身与滑架）：20英镑
- 丝锥：21英镑
- 杂项硬件：30英镑
总计约300英镑，部分零件参考Voron采购指南选型。
结论
从经济性角度，该项目难以证明其价值，尤其是投入的时间成本。但从技术探索角度看，非传统设计决策取得了成功，设备性能达到甚至超过初始预期。
目前已有明确升级计划与后续应用项目，将持续迭代更新。