🔥自制微型激光切割机：Arduino + Grbl 0.9，轻松实现精准切割！

自从苹果的原装键盘罢工之后，就入了机械键盘的大坑，无奈除了少数几个牌子有for Mac版本的之外，大多数键盘都是for PC，甚至套装键帽也没有苹果版的，command键、option键没有怎么能忍受，于是想试试自己能不能烧制几个，想起来半年前看到 Instructable 上有人用旧光驱做出了微型激光雕刻机，于是准备制作自己的激光雕刻机。

仔细看了几篇文章，最后选择了SilverJimny的The MicroSlice的方案作为这次的主要参考，因为这个方案完成度很高，尤其是SilverJimny给出了完整的机架CAD图纸，而且做得很漂亮。不过制作说明写得还有一些含糊，制作的过程中基本也是一边尝试一边摸索，也走了些弯路，我会尝试在这篇帖子中讲清楚。

最终完成品功能：

大于50mm X 50mm 的工作区域；

能够切割纸张、雕刻塑料、木头；

所用到软硬件都是开源的；（Arduino + Grbl 0.9）

花最少的钱办最多的事；

可扩展，比如用树莓派，或者增加第三轴用于调焦；

！！第一处注意点：

arduino不论新旧（我用的Duemilanove，你也可以用Uno）不过烧录Grbl控制程序（0.8版本以上）对容量有要求，我们要使用328P的芯片；

Grbl官方build的版本可能无法直接用（原因后面会说明），需要改源代码重新编译或者使用我编译好的版本；

Step1：准备材料（这里列出原清单，逐一说明，链接全部改为某宝）

1 x Arduino板（uno/ Duemilanove都行 328P芯片）

1 x X 轴马达；

1 x Y 轴马达；

1 x 两路继电器（我买的继电器低电平吸合，高电平释放，这和Grbl里面的设定刚好是反的，因此后面要改源代码）；

2 x Easydriver板（这货比较贵，买国产的就行，其实也不一定非用easyDriver，比如我后来发现sparkfun的 auto driver板子更牛逼，多达128微步，不过换其他板子需要改机架安装孔位，8微步是必须的，如果考虑更便宜的国产板要把这个要素考虑在内）；

2 x 5v 稳压模块

2 x 散热片（散热片没有现成尺寸的，需要自行切割，后面会说明）

1 x 45x45x10 风扇 (12v) （45X45的风扇已经比较难少见了，我建议是买50X50的，改一下机架）

4 x 微动开关（带钢片）

9 x 铷磁铁棒（这个用处不大，可以忽略）

4 x 橡胶脚垫（可以忽略，或者用别的垫片自行切割）

5 x M3机箱手拧螺丝

1 x 激光二极管（我用的是三菱ML101F27，研究了很久，这是我能找到的最便宜的，功率也够大的激光二极管）

1 x 激光模组 45mm

1 x 激光驱动板

1 x 激光镜头（一般模组自带的是塑料镜头，不够好）

1 x 4mm 铝管（内径3mm，长度100mm就足够用了）

2 x 3mm x 150mm 钢棒

1 x 3mm x 100mm 钢棒（这个一定要很直很光，我建议买回来自己用手锯切割，因为代割不准）

17 x M3 花牙压板螺母（SilverJimny用的那种国内没的卖，找的替代品，感叹一下国产紧固件落后人几十年）

6 x M2 沉头螺丝 (6mm) （沉头螺丝用来装光驱步进电机）

6 x M2 螺母

20 x M3 螺母

6 x M2 平头螺丝 (6mm) （用来装钢棒两端的固定木片）

8 x M2 平头螺丝 (8mm) （平头螺丝装微动开关）

4 x M3 尼龙螺丝 (6mm) （用来固定easydriver等板子）

4 x M3 50mm 铜柱

7 x M3 内六角螺丝 (8mm)

8 x M3 3mm 尼龙隔离柱

2 x 机架激光切割加工

另外我补充一下SilverJimny没列出来但是必要的零件，工具：

快干白乳胶；

220V转12V变压器（输出电流最好能在1A以上，因为arduino的5V电压是拖不动步进电机的，需要通过DC Jack额外供电）

4 x M3 16mm螺丝（用于安装风扇）

铝箔（淘宝可以买到带背胶的，一定要光面，越光洁对激光的反射越强）；

杜邦线、杜邦头（公母都要）；

杜邦头塑料壳（1P、2P、3P、4P都需要一些，当然你也可以只用1P，只是到时候接线更乱些）；

单排、双排插针都需要一些（焊在easydriver上，有些店家有送，不过仍然需要一些额外的双排插针）；

1.0mm的4P插座（用来接步进电机，不用的话焊线会很考验手工）；

尼龙扎带几根；

3M导热胶（用来粘散热片）；

一个5mw的激光头（这个用来测试的时候用，因为大功率的激光很危险，必须确定一切妥当之后再安装，你也可以用led代替，不过需要串接个降压电阻）；

激光防护眼镜（便宜的那种只能说聊胜于无，300左右的我没买，最后家里找了副Speedo泳镜（银闪闪带反射镀膜那种）+ 绿色墨镜（吸收红光）= 双重防护，基本OK了，调焦的时候需要直视激光，完了只要不看就可以了，实在不想买，也可以用相机或摄像头来间接观察激光，切记不可以用眼睛直接观察激光，伤害非常大，会造成白内障！！！）

工具：

水口钳、剥线钳、压线钳（压杜邦头）、钢锯、电烙铁、电钻、微型虎台钳（最大开口要5cm以上，要夹在桌子上的那种，不要吸盘式的）

模型用强力夹（20只是必须的，如果有几个F夹更好）；

这里写得比较啰嗦，后面有不明白的地方可以回过头来再看看，你会觉得有用的；

Step2：少年，来拼模型吧

加工好的机架木片，3mm航空椴木，其实到手就可以拼装了，但是...等等…这白白的木色怎么能够衬托出某屌的高大上，喷个漆再说。

喷漆选了亚光黑，对手艺要求低效果也好，右边这种喷罐需要两听，喷一遍—晾干，双面来回三遍；记得喷的时候背面用胶带贴好，免得零件翻面时候掉出来，完美控也可以先拼好再上色；

从最简单的地方下手吧，先把上面的部分找出来拼好，用胶水固定，注意除了主体4片，还有两小片粘在下方背面，如下图所示。

接下来拼装龙门架，因为有些步骤漏掉没拍，所以借用一下SilverJimny的图

这里有两点需要注意：
第一：安装光驱步进电机的那两颗沉头螺丝，安装好以后一定不能凸出来，否则滑块容易被卡住，解决的办法：买个沉头钻，把沉头孔打深一点，不够再把螺丝磨平一点；
第二：看到龙门下部的那两个圆孔了么？铝管就是装在这里的，果断插入，铝管一定要能够顺滑的在钢棒上滑动，如果内孔不够光滑，可以上一点油，套在钢棒上打磨几下，打到光滑为止；

Step3：上部工作台

这部分没有太多需要说明的，注意一下中间两片梁的方向就可以了；

到这已经可以把上半部分拼起来看一下效果了，注意不要忘记安装档片；

Step4：切割台

切割台最简单也最烦，两片用胶水黏住就好了，要覆盖上一层铝箔用来反射激光，防止激光把机架烧断，这里蜂窝状的结构有点麻烦，只能用小刀一点点刻出来，建议先贴好铝箔，再黏合两片板，这样刻的时候方便点。嫌麻烦的可以不割，优点是保护性其实更好，缺点是不够拉风；

上了土豪金是不是立刻高大上了很多；

Step5：稳压模块和散热片

注意模块插针要自行焊接的，焊好以后把背面多出来的引脚用水口钳剪掉，并且用锉刀打平以便粘散热片；

单耳散热片没有现成的买，基于花最少的钱办最多的事原则，买了两片45mmX45mm的金色散热片，用手锯锯成合适的大小，电钻打一个M3大小的眼，用3M导热胶带粘在了模块背面；（粘之前务必和板子对一下孔位）

Step6：风扇

风扇比较简单螺丝上好，电源线缠一下用困扎带固定，接线端火线做一个杜邦公头，零线一个杜邦母

Step7：底座

底座做好是分离的两个部件，如图所示，然后通过下图的铜柱拧合在一起

首先把小圆环全部理出来，按孔大小分好类，一共是4种，其中4个刚好可以嵌入压板螺母孔径最小的圆环拿出4个放到旁边（备用品），其余的分成4组

剩下的压板螺母全部嵌到板子里，这些螺母是用来固定电路板模块的

看一下数量的分配

小圆环胶合的时候可以用我们的钢棒套一下来辅助定位，这样粘的准一点

把风扇支架插上去试一下，如果刚好能卡进去那就对了

再对一下，最后完成的是这样分开的两块板，注意上面那块板上有4个圆环，刚好铜柱可以通过去，这4个环之起到美化作用，没有结构意义

Step8：接线（这部分大多数贴都没讲清楚，加上一些非常规的接法，导致我走了不少弯路，我会尽量讲细一点）

以上接线图只看一下效果，没有什么实质性的意义，拍再多也讲不清楚，我下面会画一个原理图，不过首先让我们明确一下几个要点：

1. 我们买到的步进电机额定电压是4~6V，但是！！我们给easyDriver驱动板供电是接12V，你没看错，有人说这样接不会烧电机么？是的，如果电机不走的情况下直接12V会很烫并且容易烧毁，但是easyDriver有个enable针脚，可以控制只在运行的情况下供电，算是超频使用了，如果你非要接5V供电，结果就是装好后无法拖动机架，很容易卡住、失速；（不过切记测试板子的时候不要接12V，除非你已经接好enable针脚）

2. 风扇额定电压是12V，但是我们是接到5V的稳压模块上的，也就是降频使用，很奇怪吧，不过不要怀疑，就是这么接的，因为风扇全速会把纸吹跑，我们只要一点点风降温就够了；

3. 两个稳压模块的输入端都是接12V，降压到5V使用，这样做的原因是为了获得更大的输出电流，激光头和风扇马达在这个项目里也算是大功率设备；

4. 总结一下，除了继电器的输入电压是5V，其他所有负载接的都是12V（风扇，激光接的是12V降压后的5V），12V电压如何获得？arduino外接变压器，Vin针脚输出是12V；

如果对接线还有不清楚的地方，可以看一下Grbl的wiki

最后说明一下easyDriver的8微步，easyDrive通过MS1，MS2的高低电平来细分步进电机的微步，8微步也就是将原来的一步细分为8步，获得更精确的控制，比如我们用的电机一转20步，现在变成一转160步。幸运的是，easyDriver板子默认就是8微步，我们不需要再进行额外的设置，如果有兴趣的可以看一下easyDriver官网的说明，低的细分会获得更高的扭矩（电机力气更大，不过这个项目中我们已经通过接12V超频使用来获得更大扭矩了）。

Step9：设置软件

这台机器，我们使用Grbl v0.8来做控制（烧进Arduino）。

还需要一个配套的客户端软件，通过串口向Grbl发送G-code代码。

最后我们还需要用一套工具来画图，并且把图转为G-code代码。

整个的流程是这样：

矢量图——> 转为G-code——> 通过串口发送到Arduino——>Grbl解析代码并且控制机器切割

接下来我们一步步讲解：

1. 将Grbl烧录进Arduino：

我这里用的0.8c版本，截至写稿时最新的是0.9Beta，也OK（0.9主要优化了弧线的绘制），只不过参数稍有不同

要烧录Arduino，需要用到Arduino IDE, 各位应该都装了，没有的请去官网下载

烧录之前，确保激光头已经断开（我的建议是大家一直使用5mw的低功率激光头，等最后全部搞好没有问题了再换成大功率的）

Grbl wiki 详细说明了如何烧录预编译好的头文件

树莓派的使用者可以参考Zapmaker的在树莓派上安装Grbl

之前提到过，官方预编译的头文件在我们这个项目不好用，需要改源码，附件中我提供了改好的头文件

2. 客户端工具有两个，我们实际使用Universal GcodeSender，不过GrblController有一个不错的参数面板，另外spindle on可以简单的控制激光开关，我们测试和设置的时候用这个（可惜这个软体有bug，Gcode的速度代码认不出，总之我们只用它来调试）

GrblController连上aduino后，点Advanced——>Grbl Setting 我们可以看到Grbl的初始化参数如下：

$0=755.906 (x, step/mm)

$1=755.906 (y, step/mm)

$2=755.906 (z, step/mm)

$3=30 (step pulse, usec)

$4=500.000 (default feed, mm/min)

$5=500.000 (default seek, mm/min)

$6=28 (step port invert mask, int:00011100)

$7=25 (step idle delay, msec)

$8=50.000 (acceleration, mm/sec^2)

$9=0.050 (junction deviation, mm)

$10=0.100 (arc, mm/segment)

$11=25 (n-arc correction, int)

$12=3 (n-decimals, int)

$13=0 (report inches, bool)

$14=1 (auto start, bool)

$15=0 (invert step enable, bool)

$16=0 (hard limits, bool)

$17=0 (homing cycle, bool)

$18=0 (homing dir invert mask, int:00000000)

$19=25.000 (homing feed, mm/min)

$20=250.000 (homing seek, mm/min)

$21=100 (homing debounce, msec)

$22=1.000 (homing pull-off, mm)

我们最关注的两个参数是 $0 和 $1 这两个参数决定X和Y轴的每mm步长，如果设置不正确，那我们烧出来的图片就和设定尺寸不一致

这两个参数如何计算？

步数 = 每转步数 X 微步数 / 蜗杆螺距

比如我们的电机是20步每转，微步数是8，螺距是3mm，那么：

20 X 8 / 3 = 53.33333333 就是我们得到的结果；

其他的设置主要是空行程时候的速度，各项功能的开关及掩码等等不一一赘述，有兴趣深入的同学可以去Grbl wiki 进一步了解，总之将参数设置如下：

$0=53.333 (x, step/mm)
$1=53.333 (y, step/mm)
$2=53.330 (z, step/mm)
$3=10 (step pulse, usec)
$4=2000.000 (default feed, mm/min)
$5=500.000 (default seek, mm/min)
$6=28 (step port invert mask, int:00011100)
$7=25 (step idle delay, msec)
$8=10.000 (acceleration, mm/sec^2)
$9=0.050 (junction deviation, mm)
$10=0.100 (arc, mm/segment)
$11=25 (n-arc correction, int)
$12=3 (n-decimals, int)
$13=0 (report inches, bool)
$14=1 (auto start, bool)
$15=0 (invert step enable, bool)
$16=1 (hard limits, bool)
$17=1 (homing cycle, bool)
$18=0 (homing dir invert mask, int:00000000)
$19=25.000 (homing feed, mm/min)
$20=200.000 (homing seek, mm/min)
$21=100 (homing debounce, msec)
$22=2.000 (homing pull-off, mm)

3.要画图并生成G-code，最好的工具是inkspace+laserengraver插件（件附件），画图你可以用任何矢量软件，只要能存为SVG就好了，然后在inkspace里面输出，附件里我给了一个转好的样例文件供下载；

4.修改Grbl源代码

因为Grbl默认是3轴，而我们的机器只有2轴，因此z轴的代码可能会引发一些问题（比如归零的时候卡住了之类）因此我们需要改一下1.下载 Grbl源文件
2.解压
3.用你喜欢的文本编辑器打开config.h文件

4. 找到以下代码：
#define HOMING_SEARCH_CYCLE_0 (1<<Z_AXIS)
#define HOMING_SEARCH_CYCLE_1 ((1<<X_AXIS)|(1<<Y_AXIS))
改为：
// #define HOMING_SEARCH_CYCLE_0 (1<<Z_AXIS)
#define HOMING_SEARCH_CYCLE_0 ((1<<X_AXIS)|(1<<Y_AXIS))

5. 找到一下代码：
#define HOMING_LOCATE_CYCLE ((1<<X_AXIS)|(1<<Y_AXIS)|(1<<Z_AXIS))
改为：
#define HOMING_LOCATE_CYCLE ((1<<X_AXIS)|(1<<Y_AXIS))
6. 保存

第二处需要修改的部分取决于你用的继电器，我买到的继电器是低电平触发，这和Grbl配置相反，
有的人想，只要接线改接到常闭就好了呗？答案是不行，如果这样接的话，我们设想一下，arduino通电前，因为整个系统没有电，激光不亮，通电瞬间，因为磁吸是有延时的，激光先亮，然后继电器吸合了，常闭端变成开路，激光灭。
也就是说插上usb口的瞬间，激光会亮一下，这一下足以把你的纸烧个洞，完美控当然不能忍；
废话不多说还是改代码：
1. 文本编辑器打开 spindle_control.c文件
2. 把所有出现 1<<SPINDLE_ENABLE_BIT 和 ~(1<<SPINDLE_ENABLE_BIT) 的地方相互交换一下；
3.保存

将改好的源代码重新编译

Step10. 最后补充一下激光头的安装
【燃烧吧切割机】自制微型激光切割图34