西马特Super X0微型铣床传记-全面改装-打造家用DIY CNC数控小铣床-小雕刻机！

joyrus

2009年10月17日的完整系统试加工测试视频：

第一个视频：打矩阵孔测试视频

http://player.youku.com/player.php/sid/XMTI2MDAxNzcy/v.swf


跟多的视频和资料请看楼下的不断更新。

2009年9月28日的系统测试视频：

步进马达与Mach系统4轴控制板+驱动器的测试视频：

http://player.youku.com/player.php/sid/XMTIxOTMyNTQw/v.swf


X，Y轴运行测试视频：

http://player.youku.com/player.php/sid/XMTIxOTM1OTAw/v.swf


http://player.youku.com/player.php/sid/XMTIxOTM0MjAw/v.swf



先看看SX0的处女照：



技术参数：
HEADSTOCK TRAVEL        140 MM (Z轴）
CROSS AXIS(X)        160 MM  （X轴）
CROSS AXIS(Y)        100 MM （Y轴）
MOTOR POWER         150 W   （电机功率）
SPINDLE TAPER         MT1     （主轴锥度）
SPINDLE SPEED        L:100-1300RPM  H:200-2000RPM （转速）
SPINDLE ROTARY ANGLE         -45°～ +45°   （左右角度）
END MILLING CAPACITY        10MM (3/8")  （端面铣）
FACE MILLING CAPACITY        16MM (5/8")   （平面铣）
MACHINE WEIGHT        G.W:28KG（毛重）  N.W:25KG  （重量）

非常的小巧，使用便利，非常适合家庭小制作，或者制作模型小配件。

我的计划是要把SX0 DIY改造成数控铣床！

看看它的构造：



标准的X、Y十字工作台，Z轴立柱的床身结构，Z轴还可以正负45度偏转。





Y轴丝杠手轮，转一圈螺距2.5mm。手轮刻度很清楚，手感也很好。X轴丝杠两边各有一个手轮，非常人性化的设计，使用便利。





Z轴也是2.5mm螺距的丝杠，3轴丝杠的设计非常适合DIY改CNC数控铣床，不需要大费周折。



拆开Y轴防护罩可直接看到丝杠和螺母的安装方式与工作情况。

铜螺母很长，安装双螺母可组成消回差结构，成为低廉的入门CNC数控。



拆下Y轴组件，可以看清楚底座的燕尾导轨，最终我会为导轨贴塑，有效减少摩擦阻力，消除低速爬行的情况。

再看看主轴的机构，2段变速，用皮带的，没有齿轮了，150W的马达4000转，到主轴皮带轮减速后最高转速2000转，我以后会使用更小更高转速的模型用无刷马达，计划主轴转速提高到6000-24000转，这样就可以用来雕刻了，同时也是一台小雕刻机！





ProE设计中的步进电机座，编制数控加工程序G代码。



使用西马特KX3数控铣床，进行加工过程。



钻孔。



铣孔。



铣槽。





铣外轮廓。





通过KX3加工完成的各轴步进电机安装座。进行试安装。

X轴。







Z轴。





Y轴，同时试装步进电机。










用西马特C2-300车床车制步进电机的支柱。







对各轴丝杠进行试安装调试。用步进电机座代替原来的手轮座，安装手轮，测试安装。

Z轴。







Y轴。



X轴。



3轴安装后的全貌。



对各轴螺母进行调试。



给一个主轴部分的特写，这个主轴会有很大的改造空间。




X，Y，Z各轴的步进电机组合电机支柱，安装轴承。





















各轴丝杠与步进电机座组合，安装自制的轴连器，安装原来的平面推力轴承，消除丝杠的轴向间隙。













最后固定步进电机。













拆掉主轴箱上的所有部件，包括主轴电机，控制板，控制箱。整个Z轴的重量变的很轻，以后计划安装模型上用的大功率高速无刷电机。





把先前组合好的各轴系统安装上SX0。























后续对丝杠和螺母的改造。

原来使用的是12mm直径2.5mm导程的梯形丝杠(T型丝杠)，配合铜制单螺母，原配的螺母与丝杠配合比较好，回程间隙(回差)不大。但是要改数控的话就要设法完全消除回差。最好的选择是更换滚珠丝杠，但是成本比较高，3个轴的改造费用需要约500元，而且还是精度较低的轧制丝杠，如果使用高精度的磨制丝杠费用还要怎加约1倍，也就是要近1000元。

为了降低费用同时达到基本的使用精度，我选择使用双螺母消除回差的结构保留使用原来的梯形丝杠。我使用了下面的结构，可以很方便的随时调整两个螺母间的距离，借此消除回差。









两个铜螺母外用一个铝制的套圈+紧顶螺丝来固定，这是用于Y轴的丝杠和双螺母组合。








安装到SX0上后测试效果，由于铜的金属特性比较难做到完全消除回差，而且阻力比较大，磨损也比较快，会很快的重新出现回差，这样不利于长期使用。

为此我在接下来的X轴双螺母中使用了聚四氟乙烯作为螺母的核心部件，下面是双螺母的结构，顶丝还未安装。

与Y轴同螺母的比较很明显，可以基本完全消除回差，摩擦阻力远远低于铜制螺母，只是负载能力肯定是低于铜螺母，是否可以100%胜任工作时的负荷以及最大运行速度就需要之后实际运行的测试了。










今天是9月28日终于完成了X与Y轴的所有调试安装，连接步进马达测试运行成功了，详细的过程如下。





在淘宝上买的Mach系统5轴控制板集成了4个步进马达驱动器，具有最高8细分功能，只是电流低了一点，驱动57马达的力矩低一些。





我使用的是Mach3 CNC多轴数控系统。





首先测试已经调试完毕的X，Y轴，同时也对比2种双螺母的工作效果。





运行一段G代码程序，2轴工作状况良好。




通过这次运行测试，完全的比较了铜制螺母与聚四氟乙烯螺母的工作性能，从一开始的安装调试，聚四氟乙烯就体现出相当优良的机械特性，无论是静态摩擦还是动态摩擦基本没有什么区别，都远远小于铜螺母。启动-加速-减速，X轴的聚四氟乙烯螺母运行顺畅，步进马达的负载也远远小于Y轴的铜制螺母！

程序运行后Y轴马达已经温热，而同样的X轴马达却还是冰凉的！再检查丝杠与螺母的回差，发现聚四氟乙烯螺母几乎还是没有回差，而铜螺母的回差有了明显的放大！可以说在这次的无负载测试中，聚四氟乙烯螺母的性能远超铜制螺母。之后我还会再做负载测试，来比较关键的重复定位精度，最终检验两种材料的优劣。

明天上传今天测试的视频。

2009年9月29日

今天我完成了Z轴螺母的安装设计方案，同时使用45号钢料车制了关键部件，至此最关键的部分都已经完成了设计和制造工作。等待最后的组装即可，另外还会做导轨贴塑，并且进行对比测试。

马上就要10.1国庆大假了，祝大家国庆假期快乐！我们节后再见了。

国庆假期一结束我就匆匆忙忙的又开始了DIY CNC的历程。

对Z轴的改造完成了。




由于Z轴是最后改造的部分，所有在X，Y轴的改造期间已经完成对Z轴导轨的贴塑工作。现在的Z轴主轴箱在导轨上的摩擦阻力大幅度的减少，在Z轴没有配重的情况下，主轴箱上行也已经非常的轻松了，所以本来打算安装气弹簧配重的计划暂时推迟，等无配重测试后再安装对比测试。





Z轴丝杠螺母采用了聚四氟乙烯核心材料的双螺母结构，相对之前的结构又做了一些改进，目前几乎消除了丝杠回差，效果令人非常满意。由于Z轴的螺母与主轴箱的链接结构所限，所以原有的铜螺母不能直接利用，同时为了提高性能，我使用45号钢车制了一个Z轴螺母座。





现在数控驱动的核心部件都已经完成了，接下来要制作的就是主轴部分，原来的主轴保留，但是马达必须要更换，所以需要重新设计马达座等部件。

2009年10月17日最新的进度更新(已经完成了整体的加工测试，打孔和铣圆)，请看本帖14楼之后。

joyrus

改好数控之后是不是可以做所有的直升机配机呀？
小飞机 发表于 2009-9-27 19:52

做不了的，还需要车床等其他设备一起协作完成各种零件的制造。

joyrus

12v的电源目前来看Ｘ，Ｙ两轴的表现应该够了，关键是看Ｚ轴配上后的总体表现，最终运行实际加工后的情况。

聚四弗乙烯螺母当然是自己车的没有买。

joyrus

我在找X0改CNC的资料
结果找到这里来..

没想到tendy也出现在这里..
想说今天您怎么没进度了..呵呵
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版主您好~
有考虑过不更换马达只改变减速成加速吗?
不知这样扭力还够不够..
能勉强当雕刻机用 ...
Shinnher 发表于 2009-10-14 01:52

原来的主轴马达完全可以保留使用，也就是说可以不用对主轴箱做任何的改动，就是重量比较大需要进行配重，否则Z轴步进马达的负载过大容易失步。

由于我需要经常使用0.5-2mm的铣刀进行加工，所以需要2万-4万的转速才会考虑改装主轴，当然用5000转左右的转速也可以工作，但是加工效率低，刀具也容易损坏。

最新的进度是3轴的机械部分全部已经改装完成了，目前我在改主轴，预计明天就可以完全安装好，并且连接系统进行整体运行测试了。

joyrus

最新的进展：

X Y Z 三轴的综合测试都已经完成了，明天就安装主轴马达，先用SX0原来的马达做测试，Z轴安装配重气弹簧。

明天会上最新的照片和测试视频。

joyrus

期待中...
另外..如果聚四氟乙烯螺母双螺母结构表现不错..
版主考虑量产贩售吗?
Shinnher 发表于 2009-10-17 19:06

下面的照片你应该已经看过了，这是目前SX0上使用的我设计和制作的螺母副，每个螺母副由2个独立的螺母组成(共4个部件组成)，与丝杠组合后可方便调整螺母副的回差，由于结构的设计可以使到在运行中螺母副的两个螺母趋向相互挤压而防止回差变化，保持回差的稳定。同时由于聚四氟乙烯的优良耐磨性，进一步长时间的稳定了螺母副的性能。

对后来实际加工工件的测试后，测得回差可控制在0.03mm左右，达到了接近滚珠丝杠的效果。制造这样一副螺母的成本相比较我在淘宝上买的那种常见的双螺母消回差的螺母要大一些。










这是Z轴螺母副，与主轴箱的连接需要，所以Z轴的螺母副由5个部件组成(增加的这个部件结构比较复杂，加工精度要求高)，成本会高出不少。















X，Y，Z轴现在已经都换上新的聚四氟乙烯螺母副了，X，Y螺母副是相同的结构。

正在计划出SX0的数控套件。

joyrus

这里说说主轴配重平衡的问题。

由于Z轴的重量很大5-7kg左右，而且又有导轨的阻力，所以对于57步进电机来说负担过重，必须要进行配重！

有两种方案：效果最好的是安装与主轴重量相等的配重块使用线缆链接主轴通过滑轮吊挂，就像电梯使用的配重技术一样，可以做到接近100%的平衡，Z轴的空载负担将减轻到几乎只需要抵抗导轨阻力。还有一种就是我们使用在SX0上的气弹簧支撑，气弹簧不同与普通的螺旋钢弹簧，气弹簧的弹力是恒定的，不会因为压缩而弹力增加，对于SX0显然这个方案简单而现实，只是气弹簧的常用现货标准规格为5kg，10kg或者更高。


我选择使用的是5kg的气弹簧，原因是Z轴向上运动时是空载运行，所以步进马达可以负担一些而外的主轴重量(2-3kg)，而主轴下行到刀具切入工件后就是负载运行，此时多余的主轴重量就减轻步进马达下行时的负荷。

这是选择使用的气弹簧，长度250mm。




这是安装后的效果。





安装前需要在主轴箱上和底座防尘罩固定板上打孔攻丝，同时车制2个专门的垫圈。

joyrus

第一次正式开始测试加工，两个加工项目。

1.钻孔，一共15个孔(矩阵排列)，3.3mm整体合金转头，孔深5mm，主轴转速2800转，使用钻深孔循环代码。测试一下定位与重复定位精度。

2.铣圆，4毫米高速钢铣刀，主轴转速2800转，深度2mm，每次下刀深度0.4mm，速度F300(每分钟300mm).测试一下X，Y联动运行精度。


使用压板固定6毫米厚6061铝板在工作台面上



开始转孔一共15个。



转孔视频：

http://player.youku.com/player.php/sid/XMTI2MDAxNzcy/v.swf


转好孔的板，之后我们重复执行了钻孔的程序，在原有孔的基础上检测重复定位的精度，在已经有孔的地方再钻孔，如果不出现切屑就说明重复定位非常好。实际测试结果是几乎没有出屑，而在钻头到达孔底时出现了一些切屑。经过测量在X，Y方向上的重复定位精度达到0.02-0.03mm，Z轴精度由于受到了丝杠螺母固定方式以及螺母回差调整不到位出现了较大的误差等原因(影响Z轴定位的因素相对X，Y比较多，比较复杂)，需要再改进测试。




铝板反过来再铣孔。




检测孔的尺寸，在X和Y两个方向分别测量直径，两者相差0.02mm，误差相当的小，已经达到了接近滚珠丝杠的精度，非常满意。








铣孔的视频：

http://player.youku.com/player.php/sid/XMTI2MTk2NTky/v.swf


截至至2009年10月21日，最新的进度为，重新车制了一套主轴皮带轮，原来主轴的转速范围在0-1600/0-2800转左右2档。为了使其胜任基本的雕刻任务重新车制了一套同样是2档的皮带轮，其中一档保留0-1600左右的转速，用于直径大于4mm的铣刀。而将另外一档改为0-8000左右的高转速，这样就可以使用直径较小的铣刀用于雕刻，可以保证雕刻的质量和效率。

joyrus

这就是我自己车的一套皮带轮，已经装在了Super X0上了，旁边配电箱上放着原先的一套皮带轮。





现在主轴最高理论转速约8000转，今天使用最高转速做了一个遥控直升机(丘比特-CUPID-V3)上的垂直尾翼。

同时机器的外观与保护措施也在不断的复原和改进，第一步已经复原了X，Y，Z轴原有的防尘系统，临时用PVC包装材料为X，Y轴的步进马达驱动部分进行了防尘处理，下一步要设法先对工作台的周边做完善的防尘处理。这样可以为将来的冷却系统提供回收功能，还保护了床身。最后会安装行程开关，以防止不熟悉机床行程的操作者可能损坏Super X0的螺母副。





用1.5mm的铣刀，吃刀量(一次下刀)1.3mm，转速8000转，F200的速度(200mm/分钟)，原材料为进口的1mm厚玻璃纤维板。
















在制作过程中，主轴马达转速比较稳定，没有出现负载时转速下降的情况，当然1.5mm铣刀和玻璃纤维的材质，主轴的负载并不大。但说明Super X0原配150W的马达是可以满足使用的。

joyrus

减速改加速果然可行...感谢版主~
另外..有打算做个箱子把它装进去吗?
再贴个吸音棉..应该够安静了..
Shinnher 发表于 2009-10-24 00:07

一定会做一个全封闭或者半封闭的机罩，这样就不怕以后冷却液飞溅了！

机器运转很安静，就是主轴的转速提高到8000后的主轴声音变得尖利一些，听起来不太好受。