CNC frézka z Arduina a GRBL: Stavba domácí CNC za 15 000 Kč

Před rokem jsem se rozhodl, že si postavím vlastní CNC frézku. Proč? Protože komerční CNC stojí minimálně 80 000 Kč a já chtěl něco, co zvládnu sestavit sám a přitom bude mít slušnou přesnost. Po roce používání můžu říct: byla to jedna z nejlepších investic do dílny.

V tomto návodu vás provedu celým procesem stavby CNC frézky s Arduino Uno a GRBL firmware. Výsledkem bude stroj, který dokáže frézovat dřevo, plasty, hliník a s upgrady i ocel.

Proč si stavět CNC vlastními silami?

Hlavní výhody DIY CNC

• Cena: 15 000 Kč vs. 80 000+ Kč za komerční
• Znalosti: Pochopíte každý šroub svého stroje
• Upgrade možnosti: Můžete průběžně vylepšovat
• Opravy: Žádné drahé servisní zásahy
• Přizpůsobení: Rozměry podle vašich potřeb

Co dokáže naše CNC

• Pracovní prostor: 30×30×8 cm (rozšiřitelný)
• Přesnost: ±0,1 mm (s kvalitními komponenty)
• Materiály: Dřevo, plasty, hliník, měkké kovy
• Software: Open source (bCNC, Universal G-Code Sender)
• Rychlost: 0-3000 mm/min podle materiálu

Komponenty a rozpočet

Základní mechanické díly (8 500 Kč)

Lineární vedení a ložiska:
- SBR20 tyče 500mm (4ks)          2 400 Kč
- Lineární ložiska SBR20UU (8ks)  1 600 Kč  
- Trapézové tyče 8mm (3ks)        1 200 Kč
- Trapézové matice (3ks)            450 Kč
- Spojky motorů (3ks)               300 Kč
- Hliníkové profily 2040 (6m)     2 550 Kč

Elektronické komponenty (4 500 Kč)

Řídící elektronika:
- Arduino Uno R3                     300 Kč
- CNC Shield V3                      150 Kč
- DRV8825 driver (4ks)               400 Kč
- NEMA 17 motory (3ks)             1 800 Kč
- Napájecí zdroj 24V/10A           1 200 Kč
- Emergency stop tlačítko            150 Kč
- Koncové spínače (6ks)              300 Kč
- Kabely a konektory                 200 Kč

Vřeteno a nástroje (2 000 Kč)

Frézovací jednotka:
- Spindle motor 400W + ER11         1 200 Kč
- Sada fréz 1-6mm (10ks)             400 Kč
- Upínací kleština ER11 set           200 Kč
- Odsávání třísek - ventilátor       200 Kč

Celkem: 15 000 Kč

Stavba krok za krokem

Krok 1: Příprava rámu (3-4 hodiny)

Začneme sestavením základního rámu z hliníkových profilů 2040. Tato fáze je kritická pro celkovou tuhost stroje.

Řez profilů:
- Základna: 600×400 mm (2ks dlouhé, 2ks krátké)
- Svislé sloupky: 400 mm (4ks)  
- Horní rám: 600×400 mm (2ks dlouhé, 2ks krátké)
- Portál: 450×300 mm (L-profil)

Pro přesné řezy použijte pokosovou pilu nebo si nechte řezat u dodavatele profilů.

Spojování profilů:

1. Označte pozice děr podle T-slot spojek
2. Vyvrtejte díry průměr 5mm
3. Sestavte základní rám pomocí úhlových spojek
4. Zkontrolujte pravoúhlost - diagonály musí být stejné
5. Dotáhněte všechny spoje momentem 8 Nm

Krok 2: Instalace lineárního vedení (4-5 hodin)

Lineární vedení je srdce každé CNC. Zde nesmíme šetřit na preciznosti.

X-osa (délka)

1. Na základnu namontujte 2 paralelní SBR20 tyče
2. Vzdálenost os: 100 mm (měřte v několika místech!)
3. Výška nad základnou: 40 mm
4. Zajistěte tyče držáky každých 150 mm

Y-osa (šířka)

1. Na portál (pohyblivá část) instalujte SBR20 vedení
2. Orientace kolmá na X-osu  
3. Délka aktivní dráhy: 300 mm
4. Zkontrolujte paralelnost s přesností ±0,05 mm

Z-osa (výška)

1. Svislé vedení na Y-vozíku
2. Aktivní zdvih: 80 mm (rozšiřitelný)
3. Zvláštní pozornost věnujte kolmosti
4. Test: vozík se musí pohybovat bez odporu

Pro kontrolu použijte digitální posuvné měřidlo a úhloměr.

Krok 3: Arduino a GRBL firmware (2 hodiny)

Nyní připravíme "mozek" našej CNC. Arduino s GRBL firmware je osvědčená kombinace.

Instalace GRBL firmware:

// 1. Stáhněte GRBL library z GitHub
// 2. V Arduino IDE: Sketch → Include Library → Add .ZIP Library
// 3. Nahrajte example sketch "grblUpload"
// 4. Otevřete Serial Monitor (115200 baud)
// 5. Měli byste vidět: "Grbl 1.1h ['$' for help]"

Základní konfigurace GRBL:

$0=10    (krok puls mikrosekund)
$1=25    (krok puls delay)
$2=0     (krok port invert)
$3=0     (směr port invert)  
$4=0     (krok enable invert)
$5=0     (limit pins invert)
$6=0     (probe pin invert)
$100=80.0  (x kroků/mm)
$101=80.0  (y kroků/mm)  
$102=400.0 (z kroků/mm)
$110=3000.0 (x max rychlost mm/min)
$111=3000.0 (y max rychlost mm/min)
$112=500.0  (z max rychlost mm/min)

Zapojení CNC Shield:

Motory:
X-motor → X slot na shield
Y-motor → Y slot na shield  
Z-motor → Z slot na shield

Koncové spínače:
X-limit → pin X-limit (normally open)
Y-limit → pin Y-limit (normally open)
Z-limit → pin Z-limit (normally open)

Napájení:
12-36V DC → External power
GND → společná zem

Krok 4: Kalibrace a první test (3-4 hodiny)

Kalibrace je nejdůležitější fází. Zde se rozhoduje o přesnosti vašeho stroje.

Kalibrace kroků na milimetr:

# Test pohybu 100mm, změřte skutečnou vzdálenost
# Aktuální_kroky = ($100 pro X-osu)  
# Skutečná_vzdálenost = naměřeno posuvným měřidlem

# Nové_kroky = Aktuální_kroky × (100 / Skutečná_vzdálenost)
# Příklad: 80 × (100 / 99.2) = 80.65

# Nastavte: $100=80.65

Test přesnosti:

1. Frézování čtverce 50×50 mm do MDF desky
2. Změřte rozměry posuvným měřidlem
3. Zkontrolujte pravoúhlost úhloměrem
4. Opakujte test 5× pro ověření opakovatelnosti

Očekávané výsledky:

• Rozměrová přesnost: ±0,1 mm
• Opakovatelnost: ±0,05 mm
• Pravoúhlost: ±0,1°

Krok 5: Software a G-code (2 hodiny)

Pro ovládání CNC budeme používat open source software.

Doporučené programy:

bCNC (pro začátečníky):

+ Intuitivní rozhraní
+ Grafická simulace
+ Integrovaný G-code editor
+ Podpora pro probe
- Občas nestabilní

Universal G-Code Sender (UGS):

+ Velmi stabilní
+ Pokročilé makra
+ Podpora pro konzoly
+ Java multiplatform
- Méně intuitivní

Instalace bCNC:

# Windows
pip install bCNC

# Linux  
sudo apt install python3-pip
pip3 install bCNC

# Mac
brew install python3
pip3 install bCNC

Základní G-code příkazy:

G90          ; Absolutní souřadnice
G21          ; Milimetry
G17          ; XY rovina
M3 S1000     ; Zapnout vřeteno (1000 RPM)
G0 X10 Y10   ; Rychloposuv na pozici
G1 Z-1 F100  ; Pomalý posuv do materiálu
G1 X50 F500  ; Frézování rychlostí 500mm/min
M5           ; Vypnout vřeteno
G0 Z5        ; Vytáhnout nástroj

První projekty a aplikace

Projekt 1: Dřevěná destička s logem (30 minut)

Ideální první projekt pro otestování všech funkcí.

Materiál: Bukové dřevo 10mm
Fréza: 2mm karbidová
Rychlost vřetena: 18000 RPM
Posuvová rychlost: 800 mm/min
Hloubka řezu: 0,5 mm
Počet průchodů: 2

Postup:

1. Vytvořte design v Inkscape nebo FreeCAD
2. Exportujte do DXF formátu
3. Importujte do CAM software (FreeCAD Path)
4. Vygenerujte G-code
5. Simulujte v bCNC
6. Spusťte na CNC

Projekt 2: Hliníková destička s gravírováním (45 minut)

Pokročilejší projekt pro testování práce s kovy.

Materiál: Hliník 2024 - 5mm
Fréza: 1mm karbidová (pro hliník)
Rychlost vřetena: 24000 RPM
Posuvová rychlost: 300 mm/min  
Hloubka řezu: 0,1 mm
Chlazení: Isopropylalkohol

Důležité pro hliník:

• Ostré nástroje (tupé způsobují opotřebení)
• Dostatečné chlazení/mazání
• Malé hloubky řezu (0,05-0,2 mm)
• Vysoké otáčky vřetena
• Odsávání hliníkových třísek

Projekt 3: PCB prototyping (60 minut)

CNC frézka je ideální pro rychlé prototypy plošných spojů.

Materiál: FR4 1,6mm s mědí
Fréza: 0,1mm V-bit (30°)
Rychlost vřetena: 30000 RPM
Posuvová rychlost: 100 mm/min
Hloubka řezu: 0,04 mm (jen měď)

Software pro PCB:

• FlatCAM (bezplatný)
• Eagle + CAM processor
• KiCAD + PCB2GCode

Údržba a upgrade možnosti

Pravidelná údržba

Týdně:

• Vyčištění třísek a prachu
• Kontrola utažení spojů
• Promazání lineárních ložisek

Měsíčně:

• Kalibrace přesnosti
• Kontrola opotřebení nástrojů
• Update GRBL firmware

Ročně:

• Výměna ložisek (podle intenzity)
• Kontrola elektrických spojů
• Kalibrace se standardním etalon

Upgrade možnosti

Okamžitě výhodné (do 3 měsíců):

• Automatická změna nástrojů (ATC) - 8 000 Kč
• Vodní chlazení vřetena - 3 000 Kč
• Odsávání třísek - 2 000 Kč
• Dotyková sonda pro měření - 1 500 Kč

Dlouhodobé upgrady:

• Servomotory místo stepperů - 15 000 Kč
• Rozšíření pracovního prostoru - 5 000 Kč
• 4. osa pro rotační frézování - 8 000 Kč
• Uzavřený kryt s filtracemn - 6 000 Kč

Troubleshooting - časté problémy

"Stroj vibruje při frézování"

Příčiny a řešení:

• Neuložené lineární vedení → Dotáhnout všechny spoje
• Nevyvážené vřeteno → Kontrola upnutí nástroje
• Příliš vysoké posuvy → Snížit rychlost o 30%
• Rezonance rámu → Přidat výztuhy nebo změnit frequenci

"Neprecizní rozměry výrobků"

Diagnostika:

1. Test opakování pohybu:
   - 10× pohyb tam a zpět na 100mm
   - Měření odchylky
   - Přípustná odchylka: ±0,02mm

2. Test vůle:
   - Ruční pohyb osami
   - Vůle max 0,05mm
   - Více = výměna ložisek

3. Test ztracených kroků:
   - Rychlý pohyb na krajní pozice  
   - Porovnání s referenčním bodem
   - Ztracené kroky = přetížení motoru

"GRBL hlásí alarmy"

Nejčastější chybové kódy:

Alarm 1: Hard limit triggered
→ Zkontrolovat koncové spínače

Alarm 2: G-code motion target exceeds machine travel
→ Příliš velký program pro pracovní prostor

Alarm 3: Reset while in motion  
→ Ztráta komunikace nebo výpadek napájení

Reset: $X (v bCNC nebo terminál)

Ekonomika provozu

Provozní náklady

Elektřina:

• Spotřeba: 0,8 kW při práci
• Cena za hodinu: ~4 Kč (při 5 Kč/kWh)
• Roční spotřeba: 200 kWh (5h/týden)

Nástroje:

• Karbidová fréza 2mm: 150 Kč (50 hodin práce)
• Karbidová fréza 6mm: 300 Kč (100 hodin práce)
• V-bit 0,1mm: 250 Kč (20 hodin práce)

Návratnost investice:

Příklad projektů za rok:

PCB prototypy (20ks × 200 Kč)      4 000 Kč
Hliníkové díly (10ks × 500 Kč)     5 000 Kč  
Dřevěné výrobky (50ks × 100 Kč)    5 000 Kč
Údržba a upgrade                  -2 000 Kč
Nástroje a materiál               -3 000 Kč
                                  ──────────
Čistý zisk za rok:                 9 000 Kč

ROI = 60% za první rok

Porovnání s alternativami

Outsourcing výroby:

• PCB prototypy: 500 Kč/ks vs. 50 Kč vlastní
• Hliníkové díly: 1500 Kč/ks vs. 200 Kč vlastní
• Rychlost: 1-2 týdny vs. stejný den

Komerční CNC:

• Pořizovací cena: 80 000 - 300 000 Kč
• Servis: 5 000 Kč/rok
• Ale: Vyšší přesnost a rychlost

Bezpečnost při práci s CNC

Osobní ochranné pomůcky

Povinné:

• Ochranné brýle (vždy!)
• Chrániče sluchu (nad 85 dB)
• Pracovní rukavice (při manipulaci)

Doporučené:

• Respirátor při frézování MDF/kompozitů
• Pracovní obuv s pevnou špičkou
• Přiléhavé oblečení (žádné volné rukávy)

Bezpečnostní opatření

Emergency stop:

• Červené tlačítko na dosah ruky
• Okamžité vypnutí všech motorů a vřetena
• Test funkčnosti před každým použitím

Pracovní prostor:

• Kryt proti rozlétání třísek
• Dostatečné osvětlení (min 500 lux)
• Odsávání prachu a par
• První pomoc v dosahu

Elektrická bezpečnost:

• FI proudový chránič (30 mA)
• Uzemnění rámu stroje
• Kontrola izolace jednou ročně

Závěr a další kroky

Stavba vlastní CNC frézky je skvělý projekt, který spojuje mechaniku, elektroniku a software. Za 15 000 Kč získáte stroj, který pokryje 80% vašich potřeb a navíc se na něm naučíte principy číslicově řízené výroby.

Klíčové body pro úspěch:

1. Kvalitní mechanika - zde nešetřete
2. Precizní sestavení - čas investovaný do přesnosti se vrátí
3. Postupné vylepšování - začněte jednoduše, upgrade průběžně
4. Bezpečnost především - žádný projekt nestojí za úraz

Co dál:

• Připojte se k české CNC komunitě na Facebooku
• Sdílejte své projekty a získávejte inspiraci
• Zvažte workshop nebo kurz pro pokročilé techniky

Máte zkušenosti s CNC? Podělte se o své tipy v komentářích!

FAQ - Nejčastější otázky

Q: Je možné frézovat ocel? A: S upgradem na servomotory a tuhým rámem ano. Základní verze zvládne měkčí oceli do 2mm s velmi pomalými posuvy.

Q: Jak dlouho trvá sestavení?
A: Pokud máte zkušenosti s mechanikou, zvládnete to za 2 víkendy. Začátečníci počítejte s měsícem večerní práce.

Q: Potřebuji speciální software? A: Ne, všechno potřebné je open source. Za CAM doporučuji FreeCAD Path nebo Fusion 360 (personal use zdarma).

Q: Můžu frézovat 3D tvary? A: Ano, ale složitost je limitována 3-osou kinematiku. Pro složité 3D modely zvažte 4. nebo 5. osu.

Q: Jak hlučná je CNC? A: Při práci 70-80 dB. S odsáváním a krytem kolem 65 dB. Doporučuji chrániče sluchu.