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分享立柱式轻型数控铣床的制作过程,欢迎光临指导

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发表于 2015-10-28 15:41 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 ss570122 于 2015-10-29 18:01 编辑

        今年是自己DIY生涯中的一个丰收年,分别制作了一个轻型数控车床和轻型数控铣床,都已经在8月份完工,本想利用十一的几天假期把原来拍照的制作过程图片做了一些整理和注释,发出来与感兴趣的坛友来分享,没想到后几天朋友临时相约出去玩玩,就把内容先保存起来,准备这几天把相关内容都整理完,否则又要拖到寒假才能发出来。

    轻型数控铣床设计图动画,主要是用来清楚地演示其内部结构和零部件,和装配顺序无关。

        简单试机视频,最快进给只设置到18000mm/min,滚柱导轨的噪音在快速移动时要比滚珠导轨大些,中慢速还是很静音的。

        
        主轴试转视频



一、本人的需求、设计思路及选材原则
    自己主要定位于家庭工作间安放使用,用来自用DIY试验和加工兼顾,可用来加工金属材料,机器刚度、重量和移动速度中庸考虑,大行程,特别是Z轴,以便于用来五轴DIY试验加工,结构设计上尽量紧凑,占用空间小些,重量控制在在150~180kg左右,能够方便拆卸分为三大件(立柱、底座和工作台,每件一人能够搬动,便于安装、调试和折腾),另外在满足自己的性能要求之外要美观养眼,毕竟是放在家里,不仅仅是一个机加工具,也是一个“家用电器”。
    根据自己的需求选材,立柱,底座和工作台三大件尽量寻找合适的二手旧件,所需要的导轨安装面和其它相关安装面尽量有原始精度或者精磨加工处理过,这样会减少自己的后续加工量,这三大件决定了你DIY的基础机械性能、整体结构外形和尺寸;导轨之选用滚柱直线导轨,既可以满足高速工作,又可以保证一定的刚性;滚珠丝杆原本考虑2005规格,后来由于结构空间限制确定国产的1605双螺母丝杆,经过计算满足载荷要求;丝杆驱动选用伺服电机,是考虑到以后DIY试验的定位准确、高速运行和家用静音的需求,之所以选用三菱J3系列,因为性能优良,驱动器尺寸小,可以连体安装,HF-KP系列电机体积短小(小30%);主轴选用神鹰方形五轴承高速轻载无动力主轴,安装方便,DIY实验和加工性能兼顾,主轴动力选用二手东元750W伺服,钕铁硼强磁伺服电机,性能好体积短小,噪音小性价比高,其它的主体结构件全部采用陈年的铸铁板材加工,经过几十的年自然时效,好加工,变形量小。
    以上的选材是根据自己的需求、条件和可遇机会来选择的,只供参考,不具有指导意义。特别是二手件的选择,要定位适宜,不能盲目,理性选择,寻找时机,量力而行,性能价格兼顾有之,另外也要考虑到以后的扩展余量。

二、基本参数简介:
三轴行程:X=390mm;Y=200mm;Z=380mm
三轴驱动:400W伺服电机,额定转速3000rpm(最高6000rpm);
工作台面尺寸:600mm×180mm,T槽8mm螺栓;
主    轴:ER25接口,最高转速6000rpm;
主轴驱动:750W,二级同步带变速,额定0--1800rpm(最高0-2700rpm),额定0--3600rpm(最高0-5400rpm);
三围尺寸:宽×深×高  720mm×560mm×910mm
重    量:182kg
三、主要件大概花费:
立    柱:小集市,二手线切割立柱,铸铁,160mm×170mm×690mm,到手后自加工改制,470元;
底    座:小集市,二手工作台,球墨铸铁,530mm×200mm×60mm,双面精磨,到手后自加工改制,420元;
T 工作台:坛友处,铸铁,600mm×180mm×45mm,原为燕尾结构放置两年,按线轨结构重新铣磨加工,400元(友情价);
增高垫铁:坛友加工,45号钢,高42mm,线切割精磨,150元(友情价);
XY转接板:坛友加工,铸铁,铣精磨加工,100元(友情价);
导    轨:淘宝9成新,三轴直线导轨,IKO LRX20SL滚柱导轨,加长方形滑快和法兰滑块,共计2480元;
滚珠丝杆: 淘宝国产全新,三轴,1605双螺母,570元;
丝杆支撑座:淘宝二手,三套BK12、BF12,240元;
无动力主轴:淘宝全新,神鹰方形五轴承防水高速主轴+加15只ER25筒夹,跳动<0.005; 1325元;

传动电机驱动:淘宝二手9成新,三轴,MR-J3-40A系列400W伺服驱动及HF-KP43电机,编码器线数262144p/rev(18-位),3650元;
主轴电机驱动:东元伺服驱动TSDA20B及750W钕铁硼强磁伺服电机8CC751G电机,550元;

另外附属件:
Z轴铝合金同步带轮和同步带,75元;
主轴和电机2级钢制同步带轮,400元;                                             
三轴弹性联轴器,100元;
6061-T6铝合金板材,230元;
12.9级内六角螺栓若干;
保赐利和三和自喷漆10罐,65元;
自己DIY工时费:无法用价格计算,锻炼身体,增加乐趣,应该是赚到了,呵呵。


先上几幅几个方位的裸照,可以清楚的看到大概的内部结构
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这是做了防尘处理的几组外形结构照片,Y轴是通常用风琴式防尘罩,Z轴下部防尘是采用的卷帘式拉伸防尘罩,主要是考虑到节省空间,不影响行程,效果不错,反应速度也很快。
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底盘采用22mm厚的花岗岩,主要是为了改善底座相对有点单薄的不足,底座用三根25mm厚铸铁条,正式使用的时候和底盘以及工作台用6只12mm的螺栓固定在一起形成一个整体结构,更增加了底座的刚度和稳定,也可以作为清洁盘使用。
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从下边这两个图可以看到Z轴的行程比较大,主要是为了五轴实验来考虑的,呵呵,看图片挺恐怖的
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这是一些局部结构细节图片
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主轴电机采用两级同步带变速,伺服电机安装在主轴箱内部主要考虑到工作室的上方有吊柜,如果装在主轴上方就要影响Z轴的行程,另外也是为了整体结构紧凑和美观,但是不利于散热,好在这个主轴伺服电机发热量很小。Z轴的伺服电机传动采用同步带轮也是因为工作台高度空间这个原因,另外采用了1:2减速,增加点垂直力,Z轴不加配重动作很轻松,不推荐这种方式,还是电机直连更好。
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这个就是比较有自己特点的Z轴卷帘式防尘结构,为了适应高速移动,采用了轴承棍子作为防尘布的承载移动,占用空间小,移动迅速。
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这是和以前做的小五轴转台的配合照,有点小了点,计划近期再做一个伺服电机和谐波传动的双转台。
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这个是配合五轴实验用的1200W水冷主轴,和无动力主轴更换和定位很方便。
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下边是先前作的姊妹花轻型数控车床,机架也基本完工,还差一个尾座没改造好,被数控铣床挤到后面再调整和试车了。
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 楼主| 发表于 2015-10-28 22:21 | 显示全部楼层
本帖最后由 ss570122 于 2015-10-29 19:38 编辑

工具篇:
       DIY的过程就是一个学习、思考、创新和动手的过程,不一定要等到有条件才动手DIY,一步步来,大件和精度要求高的可以先外委加工,自己就是从无到有,根据需要基本的工具还是要逐渐搭配齐的,自己没有什么高大上的工具。在DIY的过程中对几件工具感受颇深,

      这台去年做的移动龙门雕铣机在数控铣床和数控车床的DIY过程中立下了汗马功劳,大多数的小件活都是用它来完成的,今后它的使命已经完成,准备改点别的用。
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小车床,嘿嘿!真的是不咋地,但做点小件还勉强,总比万事求人要好很多,其历史使命也即将完成。
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这个小数控也即将退出自己的DIY历史舞台,不过还是有些恋恋不舍。
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这个磁力钻是发挥了很大的用场,凡是大件需要钻孔和攻丝的地方,都离不了它。角磨机就不用说了。
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DIY过程中印象很深的还有这些东西,必要的检测和测量工具要有些,特别是百分表、大理石方尺、直尺还是必要的,后期自己还买了一个200*300mm大理石小平台,用来简单检测小平面的平面和刮研用的,确实为提高DIY作品的水准大有益处
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  大理石200×200mm方尺,600mm直尺和200×300mm小平台,精度0级,质量尚可够用。
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这是几个月前新买的一个几百元的三丰数显卡尺,精度没的说。
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这个刮研刀对于做工具DIY有很大作用,和大理石量具配合可以弥补一些零部件加工精度不好的缺陷,当然了前提是你要多少辛苦点,对于不是专业做刮研的,可以先那块旧的铸铁板练练,不一定非得刮出花来,但是也要掌握点要领,否则有害无利,数控铣床所有的配合面自己都做了刮研处理,为以后的安装和调试起到了事半功倍的效果,也尽可能的提高了DIY作品的精度配合。
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再有就是这套攻丝工具,自己的感受就是不能马虎,毕竟所有的螺栓孔都是手攻的,其质量好坏对安装和使用有很大的影响,特别是这个棘轮式加长攻丝小工具,一定要买质量好的,先前买了一个几十元的,没用几次就罢工了。另外就是攻丝技巧也要在干中学,不要轻视对付,否则等你装配时就会发现后悔了。
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最后说说这个钢冲,以前很不是在意,用个废丝锥磨磨就用来冲,结果是定位精度多有偏差,后来买了这个才发现,原来自己定位冲孔还是很准的,呵呵,手巧不如家什妙。
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当然还有些别的常见小工具,但是这几样自己DIY过程中的使用率很高,使用感受很深,所以拿出来说说,可能叫大家见笑了。


      呵呵,最后还要说说这个,不是必需的,但是为自己能够记录下DIY的过程也是建功不少,当然DIY过程是一种自娱自乐,也是本职工作外的一种精神享受,能够记录下来,不仅仅是和他人共享自己的喜悦和体会,也为过后找出自己的不足之处加以改进和提高,当然了等到老了干不动那一天,你会看着这些照片回首DIY往事,也是一种快乐,不过自己的摄影水平很一般,不做广告看疗效,这个疗效就是照片要拍的清晰为好,要还原真实的DIY过程,体现出DIY的重点结构和部件,以利于坛友互相交流和提出建议
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材料准备篇:

      个人DIY的困难之处除了加工设备的问题,再就是选材也不容易,当然了,如果有条件铸造和机加工设备,这些就不是问题了,可恰恰多数DIYer们是没有这些好的条件,那么就要根据自己的需求来选择用材,DIY数控家用铣床,机身关键是三大块,底座,立柱和工作台,如果想遇到非常理想的不是很容易,所以不能着急,要根据自己的需求理性寻找,多逛逛小集市和淘宝,当然了如地方有废旧机电公司也许会好些,自己是先定位个人的需求再寻找,即使不和自己的意,也要看看有没有改造的余地。

     首先说说这个立柱,是在小集市上买的,是线切割燕尾导轨立柱,40kg左右,690mm高,底座安装面200*160。尽管有些木憨憨的,但是其高度、燕尾导轨面和安装底座结构自己一眼就看中,最满意的就是导轨面特长580mm,适合安装长直线导轨,符合自己大Z轴行程的需求,也有改造的空间,所以果断出手。

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这是一个老式工作台,也是在小集市购买的,球墨铸铁的,尺寸530mm×200mm×60mm,双面磨过,平整度不错,原想当工作台用,但到后来觉得尺寸和结构自己适当加加工用来做底座很不错,尽管外围尺寸显得小了点,但是很厚重,重量32kg左右,可以通过加大底面等一些措施来提高稳定性和刚度。另外就是和后买的25mm厚的花岗岩底盘连成一个整体刚性会改善不少。
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这是加工来的两个垫高块,一是用来提高立柱的高度,加大Z轴行程,在这就是利用这个垫高块的空间用来安装Y轴伺服电机,符合自己的紧凑美观的结构需求。
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呵呵,这个工作台较为最满意的一个,铸铁,尺寸600mm×180mm×45mm,原是坛友maduo220几年前做的燕尾硬轨数控铣床拆开友情价给我的,并且按我提供的图纸把燕尾改成代靠山的线轨和丝杆安装面,台面精磨过,主要是已经放置了几年,自然时效了,嘿嘿。
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这个导轨安装面没磨,在使用时用刮刀和大理石方尺和平台做了刮研处理,没有耗费多少时间。
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这个是XY转接快,是很关键的一个部件,是决定X轴和Y轴导轨的精度关键所在,是坛友cf0930按我提供的尺寸单独给铸造并加工的,六面精磨,尺寸相当准确,精度很好,友情价,近乎没花钱,为后来的安装和调试减少了很多麻烦,垫高块也是他给加工的,质量精度没的说。
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这是在淘宝上买的IKO LRX20滚柱导轨,还有后来一次买的,总共有8个加长方形滑快和4个法兰滑块,成色很新,阻尼如初,导轨2套600mm长,一套400mm长,之所以选择滚柱导轨就是为了自己快速运行兼顾一定的刚性。
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嘿嘿,滚珠丝杆嘛,不是很高端,原本想选用2005规格,但是后来受到结构尺寸限制,换成1605规格的,简单计算下载荷够用,之所以选择国产的,主要是性价比高,精度够用,当然和自己选择的滚柱导轨显得不“配套”;呵呵,先用着,换一个也不是很麻烦,不过估计也不换换了,选用双螺母大家都懂的,就不说了。
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伺服电机选用的相对高端点,主要是为了将来的扩展和五轴实验,三菱MR-J3系列是自己目前用过的最好的伺服驱动,其编码器分辨线数达262144p/rev(18-位),其实分辨率用不到这些,关键是高分辨的编码器结合控制固件会使得伺服电机的低速性能显著提高,选用的MR-J3-40A驱动器超薄,可以之间不留间隙并排安装,有利于控制系统尺寸紧凑,另外选择的配套电机HF-KP43性能也很好,特点是尺寸短小,比同类功率大小的要短30%,否和自己需要的高性能和紧凑需求,我的前一个数控车床也是采用的这个系列伺服。
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这是一些旧的铸铁板材,也自然时效十几年了,用来加工如主轴箱等相关附件,好加工,不容易变形。
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CAM设计篇:

        如果自己有CAM基础条件,最好在主要材料准备好后,不要急于动手制作,因为个人DIY的设计思维要根据自己的条件在制作过程中经常的变化,一定要将主要部件测绘准确,用CAM软件画出来,然后直接在三维图上设计,确定各个要配合和加工部件的结构尺寸,开始可能会比较耗费时间,但是会少走弯路,再动手之前要不断地去看,不断地去思考,可能你就会发现有很多要修改之处,这样会事半功倍,而且不会由于轻易动手而出现的加工废品和遗憾。
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 楼主| 发表于 2015-10-28 22:21 | 显示全部楼层
本帖最后由 ss570122 于 2015-10-29 18:27 编辑

开工制作篇(1)— 立柱

        买来的时候是这种结构,高690mm,底座连接面积200×160mm,导轨安装面580mm,重量40kg,实在是有点厚,准备做一些改造,改造后重量大约32kg,底座连接面积200×130mm。

        开始用角磨机切割,其实一个完整的立柱经过多年自然时效,内部应力已经平衡,如果切割开会破坏内部应力可能会有些变形,也是为了减轻重量和整体结构等综合考虑,立柱前部导轨安装面很厚重,将近40mm,又放置了十几年,估计变形量不会很大,改造好后再做些刮研处理是可行的。

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切割后是这个样子,切下来的后面板处理后还是要用的,用来封闭立柱,加强立柱刚性。
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呵呵,好看很多吧。
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用磁力钻给立柱连接底座钻孔6个12mm的连接孔,以后用6只M10高强螺栓与底座垫高块相连。
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这是以后与底座连接的样子。
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    开始用龙门数控雕铣机对立柱做一些外形修整。
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准备开始加工直线导轨的靠山槽之前先定好位,以已立柱连接底座的平面为基准,用大理石方尺调整好垂直度。
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开始加工导轨靠山槽,原来的导轨安装面保持得还不错,直接用来安装直线导轨,采用在加工的槽内安放靠山块作为靠山,如果有好的大加工机械和磨床的话,应该直接洗出靠山和导轨安装面是最好的方法,没条件只好采用这种方式做靠山。
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在加工好靠山槽后一起把导轨安装螺孔、靠山块螺孔和银钢支的螺孔一并钻好,保证一致性。
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这是加工好的样子。
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用20×8mm规格的45号钢条做导轨靠山块,原想一整条安装,但是刮研比较麻烦,做成块更方便些,按需求也够用了,先把两个侧面精铣好,这是关键的地方,一定要仔细。
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然后切断成小靠山块。
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再加工安装螺孔,因为导轨的滑块与安装面的许用空间很少,5mm左右,所以要用矮帽高强螺栓连接,
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这是加工后装好靠山块的立柱,以后还要用刮刀对靠山块的导轨靠紧面,以保证导轨的直线度。
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安装好导轨靠山银钢支最终的样子。
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立柱切割后背本还是要安装背板的,以保证立柱的刚度,还是用原来切割下来的背板用,先将背部安装面铣平整。
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将原来的背板铣平处理
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这是最初要大概要安装的样子,后来又给提高了,下部用另作的加厚背板,以增加和底座的链接和刚性。
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这是用20mm厚的铸铁板加工的立柱加厚背板。
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    呵呵,铣刀饨了,也懒得换刀,铣的比较粗,反正也是要喷漆,粗点好打腻子,
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最后的两块立柱背板安装好的样子,是不是能对立柱的刚性起到点加强作用。
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加工立柱Z轴的滚珠丝杆支座附件,
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Z轴螺母座还需要改制一下
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这是立柱Z轴的丝杆驱动电机和加工的同步带轮,减速比1:2,三菱HF-KP43B带刹车400W,性能很好。
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这是Z轴传动部件大概要安装的样子,还要对同步带轮做点改造,原来是用螺丝锁紧,准备改制成抱紧式的。
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拆了一个联轴器加工改制。
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  这是伺服电机同步带轮改好后是这样子,再用不锈钢小螺栓与同步带轮连成一个整体,便成了抱紧式同步带轮,呵呵。
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安装好的样子
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这是改制丝杆同步带轮安装好的样子。
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这是最后立柱Z轴丝杆和伺服电机整体安装好的样子。
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开始制作立柱Z轴防尘部件,准备采用卷帘式防尘罩,主要是节省Z轴空间,好像在论坛没见到有坛友用这种结构形式,自己先吃个“螃蟹”,后来使用效果很好,先加工角型铝合金条用来做立柱Z轴两侧防尘条。
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这是卷帘式防尘罩,加工好的防尘条和防尘布的支撑辊,这个支承辊一定要用的,保证防尘布的张力,又可以高速运行。所以支承辊是用26只小轴承和10mm的钢柱制成的。嘻嘻,也算是自己的一个小小的创新吧,当然也还有很多别的方法,只要滑顺就好。
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支撑轴承的钢棒两侧钻好限制螺孔,用来固定小轴承。
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这是装配好的样子。
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安装到立柱Z轴最终的样子
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这是卷帘式防尘罩最后装好的样子
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定制的卷帘防尘布可以最大伸长450mm,防尘盒侧截面积42*46mm,宽195mm,防尘步宽182mm,防尘步的两侧多出铝合金防尘侧板10mm,保证防尘效果。
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发表于 2015-10-28 22:26 | 显示全部楼层
自己做做的吗。很专业。
发表于 2015-10-28 22:51 | 显示全部楼层
丝杆是多少的?
发表于 2015-10-28 23:14 | 显示全部楼层
孙老师好作品
发表于 2015-10-29 14:04 | 显示全部楼层
强贴留爪。
发表于 2015-10-29 14:46 | 显示全部楼层
哇哦   好厉害啊,这机床真漂亮,手艺真不错   
发表于 2015-10-29 16:13 | 显示全部楼层
老师的小型数车出不?
发表于 2015-10-29 23:51 | 显示全部楼层
楼主的出现,在初冬,给像我这样的DIY综合症候群吹来了一陈春风,此贴必火。遇见如此强贴,果断终止(长期)潜水,回复一贴,共同探讨:

见解
  1、非常佩服楼主在机械、电气各方面的积累,是看到楼主的电控部分(我的还处在用步进的阶段),做得相当完美,特别是在对MACH3软件的理解、对OME和运动控制系统的应用,在diyer中可算一流;
  2、楼主的动手能力很强,在机器的外观、内部运行干涉和扩展等方面考虑很到位;
  3、难得一点是:楼主的爱好很广,很坚持。
建议
  1、底座有机会可加强;
  2、还是建议在Z轴上直连电机,担心力矩的话可加平衡。
发表于 2015-10-29 23:52 | 显示全部楼层
E:\GAME\燕尾槽\jj1

本人的步进机机
发表于 2015-10-29 23:59 | 显示全部楼层
本帖最后由 qxmgfl 于 2015-10-30 00:03 编辑



发表于 2015-10-30 00:16 | 显示全部楼层

发表于 2015-10-30 00:52 | 显示全部楼层
工程浩大,真有毅力。
发表于 2015-10-30 07:08 | 显示全部楼层
孙老师出品必属佳作!又可参照学习了
发表于 2015-10-30 07:55 | 显示全部楼层



好精致啊,羡慕,收藏,慢慢看

发表于 2015-10-30 09:04 | 显示全部楼层
精品杰作。为我们以后D装备提供了捷径非常感谢孙老师的无私奉献。
发表于 2015-10-30 10:06 | 显示全部楼层



孙老师好厉害啊,这机床真漂亮,手艺真不错 ,我也在做立柱数控铣得好好向你学习,目前自己在加エ中。考虑了很久为了减少加エ量买了台新的微型卧铣机架,想请教ー个问题导轨安装为什么要用圆柱钢条来做靠山而不是直接铣出来台阶来做靠山?这样做有什么优点谢谢指教、我刚好在考虑用什么方法固定导轨

发表于 2015-10-30 10:15 | 显示全部楼层
真是高手。做的真好。

 楼主| 发表于 2015-10-30 12:28 | 显示全部楼层
lzp2792803 发表于 2015-10-28 22:26
自己做做的吗。很专业。

,应该说整体是自己做的,多是利用二手件自己改造和加工,可以随心所欲,充分利用。
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