各种小零件，或是给雕刻机做点小改造

几个月前，我发布过一篇小型雕刻机的评测。在那篇评测中，我指出了结构上的缺陷，也提到打算把它们改进一下。
这篇评测会介绍这台机器的配件，补充一些理论知识，并展示改造过程。

先说明一下，这是改造的第一部分，后续还会继续，不过什么时候能写还不知道。这篇评测主要是想说明需要什么，以及为什么需要。先向CNC机床方面的高手们道个歉，我在这方面还是新手，有些东西对我来说也是第一次接触。因此，部分信息是从网上找到的，部分来自我的经验。如果有需要纠正的地方，欢迎留言，我想这对大家都会有帮助。

标题里只写了一件商品，但实际上我订了三件，其中一件还买了两种版本。不过我们还是按顺序来说。

我收到一个信封，里面装着一大堆各种小包裹。


先从丝杠说起。
我订了3根，直径都一样，都是8 mm，但长度不同：两根200 mm，一根100 mm。评测标题里有购买链接。


丝杠套装里配有3个螺母，所以整套东西就是这样。


机床机构通常通过螺旋传动来移动。借助丝杠和螺母，电机轴的旋转运动会转化为螺母的直线运动，而螺母固定在需要移动的机构上。

最简单的形式就是一根长丝杠加一个螺母。不过在评测这台机器时，我注意到厂家用的丝杠类型不太合适，准确地说，是螺纹类型不合适。
这种螺纹是为紧固件设计的，也就是螺钉、螺栓和螺母，并不太适合用作小型机床的丝杠。


螺纹的种类其实很多，有公制、英制，也有粗牙和细牙（精密螺纹）。例如锯齿形螺纹常用于台钳、压力机等受力方向单一的场合。
其他螺纹类型的示例可以看这张图。


丝杠通常采用梯形螺纹或矩形螺纹。
不过，除了名称和类型，它们还有一个小区别：矩形螺纹不像梯形螺纹那样有标准规定，也就是说，严格来说可以按自己的尺寸加工，但通常建议采用与梯形螺纹相同的尺寸和螺距。所以我才把它们放在一起介绍。

梯形螺纹


矩形螺纹


以前我以为，带矩形螺纹的丝杆是小型机床上最简单的传动方式，但实际使用后发现，它的性能大致介于普通螺纹丝杆和昂贵的滚珠丝杠（滚珠螺旋传动）之间。

顺便说说滚珠丝杠，在我看来，它是数控机床的最佳选择，可惜也是最贵的。
它采用螺纹形状复杂的丝杆，而且通常还要经过额外磨削，因为它本身就是直线轴承的一部分。
螺母上还有一个回珠机构，滚珠会通过它返回起点，从而形成闭环循环。


看它运动起来会更直观。



需要说明的是，将旋转运动转换为直线运动，不只有丝杆传动这一种方式，也可以使用齿轮齿条传动，不过这种方案在小型机床上更少见。齿轮齿条传动需要更大功率的电机，但也能实现更快的移动速度。


这就是矩形螺纹丝杆的实物样子。


套件里还配了相应的螺母，上面有用于固定到机构上的孔。




照片里可以看到改造前的普通螺纹杆和专用丝杆之间的区别，我想这差异一眼就能看出来。


另外，在上一篇评测里我还抱怨过，连接电机轴和丝杆时，配套的只是普通联轴器。
这当然也有好处，下面我会讲到；但它也有个很大的缺点：要想正常工作，必须保证电机轴和丝杆严格同轴。稍有偏差，固定件就会慢慢被磨坏，螺杆也会松脱。

其中一根轴我怎么都没法装好，只好缠了点胶带。


所以我订购了专用联轴器。
我的电机轴直径是5 mm，丝杆直径是8 mm，因此选了5×8的联轴器，商品链接，店铺售价$3.80。


还有其他直径组合可选，从3×3到10×10，也包括中间规格。
不过要注意，我这套的轴径和螺纹直径相同，严格来说这样不对，轴端应该是无螺纹的；但当时有什么就订什么了。
总之，挑选套件时一定要仔细。


联轴器有四种类型：
刚性联轴器
这种联轴器价格低、可靠性高，能够传递较大的扭矩，但完全无法补偿不同轴。

螺旋联轴器
本质上就是一根弹簧，价格适中，可以补偿较大的不同轴，但无法传递较大的扭矩，而且比较脆弱。由于弹性特性，还可能增大间隙并引发共振。

梅花联轴器
能够传递较大的扭矩，但补偿不同轴的能力不如螺旋联轴器，而且缓冲垫也可能磨损。

膜片联轴器
既能补偿较大的不同轴，又能传递较大的扭矩，但遗憾的是价格最高。


一开始还买不到工业生产的联轴器时，人们甚至会用手边材料自制，比如用一段高压软管。这种方案完全可行，但加工不方便，耐用性也较差。


我给每台电机订了一只联轴器，因为我决定把所有轴都改造一遍。


这些联轴器是螺旋式的，照片里可以看到，它本质上就是一根弹簧。我第一次“认识”这种联轴器，是在组装3D打印机时，当时看到它居然能弯曲，还挺惊讶的 :)


原来的设计中，丝杠的自由端就那么悬在空中。使用刚性联轴器时这还可以接受，但配上螺旋联轴器就完全不行了。
正如我前面所说，螺旋联轴器的结构本质上就是一根刚性弹簧。
正是这个特性会带来一个副作用——间隙。如果不固定轴端，就能把它来回移动±2-3mm，间隙相当大，之前为改进结构所做的一切努力都会白费。

为了固定轴，我订购了轴承，商品链接，价格为$4.20。


这种轴承有不同结构，有通孔和盲孔之分，固定到底座上的方式也各不相同。我决定订购内径8mm的通孔款。对我来说，8mm就是丝杠的直径；如果轴带有轴颈，孔径就应该与轴颈直径相匹配。
安装的是密封轴承，所以在合理范围内不用担心灰尘。
上面有两颗螺钉，用来固定轴。

测试后发现，它们没能完全消除间隙，不过已经把间隙压到了几乎为零。
我不是专家，但我认为这种用途的轴承结构应该有所不同，因为它们主要是为另一种工作方式设计的，而不是像这里这样承受轴向推力。
不过无论如何，总比什么都不装强得多。


三套组件，准备安装到机器上。


相关部件的简要介绍到此为止，接下来可以开始改造了。


首先，我拆下了带动工作台的丝杆。照片里可以看到原来的部件，以及准备换上的部件。


联轴器


螺母。
这里我还要多说几句。
正如我在上一篇评测中展示的那样，原来用的是塑料螺母，每根轴上两个，中间隔着一片硅胶垫圈。
这种结构不耐用，但几乎没有间隙，而且成本很低。起初我打算把塑料螺母换成金属的，但又担心这样会磨损丝杆。虽然套装里附送了三个备用螺母，我还是觉得整套更换才是更妥当的做法。


问题在于，丝杆传动的间隙几乎无法避免，所以人们会用各种方法来减小间隙，比如采用特殊结构并加装弹簧。


也可以使用开槽螺母，本质上和雕刻机套装里附带的两个螺母类似。
这种情况下，用一颗额外的螺丝把螺母拧紧，从而减小间隙。不过要记住两点：拧得越紧，间隙越小，但转动机构所需的力也越大，螺母磨损也越快。


这次我决定先保持原样，不去管那点小间隙，以后有可能再改进。

新丝杆比原装的稍长一些，199 mm，而原装的是189 mm，不过这点差异并不重要。


我先从工作台开始改，因为它是最容易改的部件。
这活儿真让我骂了好一阵，因为为了装上螺母，我不得不把孔钻大。不只是扩孔，还得手动再稍微扩大一点直径。我用10 mm的钻头钻孔（实际是9.9 mm），而螺母外径约为10.2 mm。


最难的部分是把螺母装进去，工作台还碍事。原来的螺母有一侧被削掉了一块。


我用多功能工具切掉了一小块工作台 :) 然后拧下前部，标出螺母的安装孔位置。螺母有四个安装孔，但由于原来的螺母只有三个孔，我怎么折腾，最后也只能固定在三个孔上。其实两个孔就够了，甚至可能更好，不过我还是决定用三个孔固定。


从结构上看，螺母应该把较长的一端插进孔里，但我决定反过来装，现在它是朝里“看”的。


如你所见，这么做并非无缘无故，而是「事出有因」。这样一来，我稍微增加了这根轴的行程。


联轴器没遇到任何问题，拆下旧的，调整好位置，再把新的拧上就行了。
问题在于电机轴上有一段扁位，也就是说轴沿长度方向削掉了一小块，安装时要注意别让螺钉落在这段位置上。


试装了一下轴承。虽然轴比之前长，但效果再合适不过了，多出来的长度正好派上用场，因为轴需要固定在轴承里。
其实一开始我想把轴承安装孔的直径加大，但轴承实在太大了，孔的尺寸会超出安装它的金属框架边缘。
保险起见，我把轴孔直径从8加大到了10 mm。


接下来一切按部就班。
把轴孔钻大。
标出安装孔的位置。为此一定要把工作台尽量移到靠近轴承的位置，这样轴就能自行对准所需位置。
钻两个直径3.2 mm的孔，再攻4 mm的螺纹。
调整轴承的位置，确保它不会妨碍轴转动，然后拧紧固定件。原来的孔直径是5 mm，不过我决定留点「调整余地」，这样更方便。
最后用轴承自身的螺钉固定轴。


接下来就变得既简单又复杂了。
说简单，是因为我大致知道该怎么做；说复杂，是因为这需要拆开机器的一部分。不过之前我一直尽量小心操作，所以有些工作不得不在不拔掉导线的情况下完成。有些电机上带有接插件，那样就简单多了，但我这里只能断开主轴电机。


接下来改造的是带动机构左右移动的轴，做法和工作台轴一样，只是稍微简单一些。


顺便把Z轴电机稍微抬高了一点，以增加行程；而且新的丝杆也比旧的长。
我用的是某块主板配件包里的支撑柱。


然后我就踩坑了。X轴出现了严重的不同轴，连联轴器都无济于事。固定轴时，轴转起来非常费劲。
只好又把所有东西拆开，打磨螺母底座，再重新装回去。


X轴轴承装得很顺利，和工作台轴上的情况完全一样。


不过，Z轴出了点小状况。我也想尽可能增大行程，但没想到这样一来，轴承可能会挡住正在加工的工件。
另外，即使把电机抬高了5 mm，丝杠还是明显长于所需长度。
第二个问题是，不知为什么，联轴器安装孔做成了20 mm（联轴器本身直径为19 mm），而X轴和Y轴的孔是22 mm，所以联轴器装进去简直是严丝合缝……后来用锥形钻头解决了。我实在想不出怎么把20 mm的孔扩到22 mm，这种钻头用起来倒是非常方便。


后来我想，真要是碍事就锯掉。照片里Z轴机构并没有降到最低位置，而是大约抬高了10 mm。


不过装上铣刀后，我觉得这样没问题，何况我计划更换夹头，到时候向上的行程余量比向下的更重要。


最后就成了这样，当然也谈不上完美。但在我看来，比原来好多了。

组装好后，我只给“机头”的丝杠上了润滑脂，其他地方最好别润滑，不然灰尘会粘上去，结果反而更糟。


至此，机床的“硬件”改造就完成了，接下来我开始处理项目的“软件”部分。
不过这里等着我的还有个小惊喜。
一开机，一切就正常运行了，甚至没遇到任何问题——要不是有个小插曲。我不知为什么一直以为速度会提高2倍，结果却提高了8倍！
检查和改造过程中，我注意到这里用的是四头螺纹，从丝杠端面就能看得很清楚。
照片上可以看到螺纹有四个起始端。


简单解释一下。四头螺纹属于多头螺纹。
普通螺钉及其配套螺母采用单头螺纹，也就是说，整个螺纹就像一条连续的线。
多头螺纹则相当于同时有好几条“线”。这种设计可以在保持较高强度的同时增大螺距，因为啮合的螺纹牙有好几圈。


这样一来，旧丝杠的进给速度只有现在的八分之一，不过在施加的扭矩不变时，它的进给力也大了8倍。
也就是说，速度慢，但力气大。在上一篇评测里，我抱怨过机床运行得太慢。其实，除了螺距不同导致速度降低8倍之外，步进电机的步距角是0.9°，而更常见的电机步距角为1.8°，这又让速度降低了一半。

照片上可以看到，旧丝杠转一圈的螺纹圈数，相当于新丝杠转一圈的多少倍。
不过旧丝杠还有一个优点：它基本不需要让电机轴进入制动模式。机构只能靠电机带动；由于螺距很小，不转动电机轴就根本无法移动。


大致情况就是这样，下面是一段改造后的运行演示视频。
可以在雕刻机的评测中看看改造前的运行情况。


运行过程截图。测试时我使用了一个PCB雕刻软件自带的示例文件。


加工结果照片。这里可以看到雕刻存在的一个问题：哪怕表面稍有不平，也会导致刀具切入过深，或者反过来从工件上方掠过。我测试用的是一块层压刨花板，它非常平整，不像玻纤覆铜板那样。因此，材料必须非常仔细地处理。比如用剪刀裁切时，玻纤覆铜板会变形，之后想把它弄平可不容易。
不过，这台迷你雕刻机非常适合给电路板钻孔，只是需要换上一个像样的夹头，这个以后再说。


近距离拍摄的照片。铣刀不太锋利，所以左上方能看到切削缺陷。此外，铣刀尖端应该收至零点，而我这把并没有完全做到。

不过，铣削电路板也并非适用于所有情况。如果你做的是低压设备的电路板，那就没问题。但如果打算制作高压设备，可能会遇到问题；如果需要电气隔离，最好还是蚀刻电路板，因为焊盘之间发生击穿很危险。


今天我不打算列出商品的优缺点，只简单聊聊整体感受。

单看联轴器、丝杠和轴承，它们和其他同类产品相比并没有什么特别之处。不过，这些东西也不太容易出岔子。我可以说，丝杠挺直的，不过我只用直尺的边缘检查过。
在我看来，这种方案在评测中展示的几种方案里算是中规中矩。再次强调，提升的只有空程速度，因为进给速度取决于加工材料，所以有些情况下，它的速度可能和第一种方案完全一样。
我觉得，小型机床用这种配置完全没问题；但如果尺寸更大，还是用滚珠丝杠更好。

接下来看看我最终得到的结果。
优点——空程速度提高，可靠性更高。
缺点——噪声明显变大，虽然间隙不大，但还是有；牵引力也更小。

总体来说，算是有得有失。
目前计划改造轴承和夹头；等这些想法都实现后，我很可能会开始组装自己的机床，到时候会采用滚珠丝杠和膜片联轴器。我觉得膜片联轴器搭配滚珠丝杠更适合高质量加工，不过价格也不一样了 :(

差不多就这些。很想听听更有经验的朋友的建议：比如在2040-4060规格的机床上还能用些什么？我目前还在挑选方案。

本次评测所用商品由商家提供。