Z軸の剛性が欲しい


で、Z軸の剛性について書いていましたが、250mm Z軸でも、かなり気になります。
その原因はホイールが3つしか無い事だと考えています。
X,Y軸と同じ機構を入れればだいぶマシになると考えています。
現状 Y軸のプレートに15mmのMDFを付けて、これを捨て板にするとエンドミルが当たる所で
こんな感じになります。

この状態でX,Yと同じ駆動系を付けると、ここから上には上げる事が出来なくなります。
そこで、250mmのZ軸を引っ張りあげている2本のフレームを50mmほど長くすれば
その50mm分が可動範囲になります。
もちろんバックラッシ防止ナットブロックをX,Yと同じナットブロックにする必要があります。
どの程度効果あるかわかりませんが、個人的にはすごく興味があります。

実施にあたって一番の問題は300mmのC-Beamリニアレールが提供されてない点です。
でも、ここは300mmの方が良いと思いませんか?何しろ、これより下に工具を付けるメリットってありませんから。(少しはZ軸の剛性が悪化する)

もう1つの案としてはX軸の機構だけを30cmほど上に追加で付けて、Z軸の角度がズレないようにするというのも考えたのですが、X軸の機構を現状と同じ方法でもう1つ付けるのはムリなので諦めました。

追記:
縦フレームを伸ばす事を考えたが、これ下にフレームを積んでかさ上げしてしまえばいいんだよな。

これならばアルミ板を加工した物と、直角固定具が4〜6個で何とか固定できる。
40mmか60mmかさ上げ出来る。ただ、まあ・・ここまでバラして組み立て直すのは面倒くさいなあ・・
あるいは・・・いっそ375mmの縦フレームにして、375mmの駆動系に変えるという手もある気がします。
この場合変更するのは縦フレームの2本、駆動系のフレーム1本 、スクリュースクリュー 415mm ああこっちの方が楽か。でも、これはこれで距離が離れてしまうから剛性が落ちそうな気もする。でも手軽だなああ
この方法を使った場合はプレート端のローラーから50mm+125mm=175mm離れてしまう。
コストが1万以上かかるわりに効果はほぼ0になるような気もしてきました。

参照頂き有り難うございます!

拙宅でもかさ上げ案考えたことあります.結局縦フレーム延長と補強に走ったのですが…

工具固定座をもう一つ追加したら如何でしょうか?拙宅ではオリジナルのc-beamマシンのときからそうしています.いまはX軸に工具がついていますがガントリープレートに2本の固定座を直接ネジ止めしています.

あるいは,OpenbuildsのHigh Z modの考え方は如何でしょうか?

https://openbuilds.com/builds/high-z-mod-for-lead-cnc.8869/

Z軸の伝動機構ですが,XY軸に比べるとたしかに弱いので,拙宅ではバックラッシ防止ナットブロックを上下に2個づつ入れています.ただ上下とも完全固定すると固すぎるので上部のみ完全固定していますが,これでも大分改善します.

あとc-beamレールの剛性はv-slotに比べると大きいですが長くなるほど信頼性が下がりますね.拙宅ではX軸1mのc-beamレールの剛性が一番低くなっています.

工具に電源を入れてない状態でZ軸を下げすぎた時に気が付いたのですが、どちらかというと、この3つのローラーの所で曲がりが発生しているようで、X軸の機構は全く影響が出てなかったように思えます。
私の場合、目的が厚み2-4mmのアルミを切ったり穴開けたりというのがメインなのでZ軸は工具の交換時に必要な40mmもあればいいんじゃないかなあ。と考えています。

OpenbuildsのHigh Z mod、ここまでやると完璧な気がします。

8mmメトリックACMEリードスクリュー用ナットブロック


用に3mmのスペーサー代わりになる土台を3Dプリンターで作りました。
実際に3Dプリンターに出力したものはプリンターの特性で穴が小さかったり、厚みが無かったりで修正していて多分再現性が無いと思われるので元のサイズで作った物をアップロードしておきます。
マージンが全く考えられていませんので特に出っ張りの部分や穴のサイズは程々に調整して頂くためにFusion 360の.f3d形式でアップロードしておきます。

base-add-ref.f3d (51.9 KB)


それでせっかく作ったしZ軸にも[8mmメトリックACMEリードスクリュー用ナットブロック] にしようかと、入れ替えてみました。

すると、Z軸がロックカラー- 8mm分とスペーサーの分の9mmぐらい余計に上がらなくなりました。
(何も考えて無かった)
こうなってくると、底上げしたくなってくるのですが、私の加工するものって、せいぜい30mmぐらいの厚みで、捨て板を直接プレートにネジ止めして使って居るので、そんな「こだわり」のために機材を重くする必要性も無いな。と諦めました。

これプレート付けるとZ軸上がらなくなっちゃいますね www
何も考えてませんでした

Z軸は下ろす方には余裕がある事に気がついて
もう1枚のプレートを付ける案を考えました。
最初の没案と違うのはプレートの位置を1ホイル分ずらす
所です。
これで工具取り付け具に衝突しないようになります。
多分いけるんじゃないかなあ。と思って居ますが・・
なんか抜けがあるような気がします。

ずらして1枚プレートを付けるのをやってみました。
Z軸を一番上に上げた状態で、ステッピングモータをY軸方向に力をかけたとき(5kg程度)
元々は2mmぐらい動いていたのが1mm程度になりました。
触った感じですが、このホイールを使った駆動系はこれぐらいが限界という気がします。
これ以上を目指すなら、棒にベアリングを使った移動具を付けるような構造が必要だと感じます。

クーラントを使ったCNCまでヤル気が起きないため、このぐらいで妥協することにします。

ある時ホイールが知らぬうちに割れているのに気付いてからポリカーボネート製ホイールへの信頼が薄れたので、ステンレス製ホイールを今試しています。
まずはZ軸に装着しましたが、C-beamとの金属同士ならではの固いあたりがとても良い感じです。
剛性アップに寄与している実感はあるのですが、確信が得られたらまた報告したいと思います。

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ステンレスホイール試してみました。
1段ずらしでプレート追加した状態で一番上に上げた状態でモーター位置に力を
加えた時にポリカーネートの時は1mmほど動いたのが、入れ替え後 0.4mm程度に
改善されました。

まあその代わりフレームが削れるかもしれない、ステンレスが錆びるかもしれない
という心配がありますが。

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プレート1個ずらし、可動範囲を調べました。
p-1
下側は工具取り付け具の固定具が干渉するため約10mmほど上がらなくなります。
上側は70mm程度可動範囲があります。(単純に1個ずらした35mmほど下がらなくなります)
p-2
下ろす方は元々下がりすぎるようだったので、これぐらいの方が安心できます。
まあ下げすぎればホイールがタダでは済まないと思いますが。

上げる方ですが、私は捨て板(MDF)を直接プレートに乗せてネジ止めしています。
ですのでMDF 1枚分ぐらい上がらなくても問題になりません。

また [バックラッシ防止ナットブロック]を使わず、X軸, Y軸の [8mmメトリックACMEリードスクリュー用ナットブロック]を2個使ってX,Y軸と同じ構造にしてあります。
これによって、取り付け具の固定具が干渉しなくてもスクリューの位置を決めている [8mmシャフトカラー]が大体7mm程度干渉しています。

後黄色いテープはセンサーの線をフレームの中に入れるための物です。下側に入れたセンサーからステッピングモーター近くに引き出して、ステッピングモーターの配線と共に引き出すことを考えています。
(一応、 ケーブルチェーンも買ってあります。3Dプリンターでケーブルチェーンを取り付ける取り付け具を作るのが面倒で放置しています)

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自分もZ軸にプレートを追加する形で補強したところZ軸のブレが少なくなったように感じます。
Z軸を500mmに拡張しているのでX軸に補助レールを一本入れて変則的な形になっていますが、以前モーターを6個使ったヤケクソ気味なものよりもシンプルで気に入っています。

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Z軸の剛性を高めたい人は多いと思うので、自分の場合の組み立て例を書いておきます。
6mmスペーサーor6mm偏心スペーサーと書いてあるところは、自分のマシンの左右どちらかが偏心スペーサーになっていると思うのでそれに合わせて左右を揃えてください。

①分解

マシンの組立説明を参考にZ軸のガントリープレートを取り外す。(正面から止めている12mm低頭ボルト4カ所を外し、後ろからスペーサーを貫通している60mm低頭ボルト4本を緩める)
上の方向のホイール4つを固定しているナイロンロックナット低頭ボルト25mmを取り外す。

②ホイール、ガントリープレートの追加1

上の方向のホイール4つを固定しているナイロンロックナット低頭ボルト25mmを取り外し、代わりに低頭ボルト60mmを使って
元から付いていた6mmスペーサーor6mm偏心スペーサー元から付いていたVホイール9mmスペーサーVホイール6mmスペーサーor6mm偏心スペーサーを通し、
ガントリープレートを取り付けます。
ガントリープレートからはみ出ている低頭ボルト60mmの先端をワッシャーナイロンロックナットで固定。

③Vホイールの追加

追加したガントリープレートの上二箇所に低頭ボルト25mmを使って
6mmスペーサーor6mm偏心スペーサーVホイールナイロンロックナットを取り付け。
あとは本来の組立説明に沿ってZ軸を再び組み立てる。

使った部品は

ガントリープレート汎用 1
低頭ボルト60mm 4
低頭ボルト25mm 2
Vホイールキット 6
9mmスペーサー 4
6mmスペーサー 3
6mm偏心スペーサー 3
ナイロンロックナット 6
ワッシャー 4

です。低頭ボルト25mm、ナイロンロックナットは外したものを使い回さず新規に用意するものとしてカウントしています。(ナイロンロックナットは一度外したものを再利用しないほうが良いという説があったので)

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全然本質じゃないけれど

①分解

前側だけじゃなく後ろからスペーサーを通ってネジが4本入っています。
これを取り外すには後ろ側のフレームを取り外す必要があります。

③Vホイールの追加

これは ②ホイール、ガントリープレートの追加1 の所でやっておいた方が楽そうです。

もう少し言うとステッピングモーター部分を外してリードスクリュー固定座を外して、リードスクリューを付けたまま引っ張り出す等の説明がいるような気がします。

ここまで書くのは大変そうなのでお任せします。

任されたので該当箇所追記しました。

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ステンレスホールのベアリング付きを今まで使っていたのですが、
どうもベアリングの質が悪いような気がしてベアリングが付いてないホールとNTN Z625ZZベアリングを買ってハンマーで入れてみました。

自分でやってわかった事ですが、ベアリングを打ち込む高さがかなりがかなり難しい事がわかりました。
プラのホイールの場合は指ではまるぐらいテンションがかかってないため問題になりませんが、ステンレスの場合はハンマーで打ち込むのでやり過ぎると真ん中にある精密シムに力がかかるぐらいまで打ち込んでしまいベアリングが回りにくくなります。
スクリーンショット 2021-07-17 12.51.19

ホイールには奧に行き過ぎないように突起がありますが少し不足しているようです。
なので力任せに打ち込むと精密シムを完全に挟んでベアリングが回りにくくなります。
かといって精密シムが動き回るぐらい弱いと今度はネジを強く締めるとベアリングに力がかかりベアリングが回りにくくなります。
回りにくくなるだけなら良いのですが、ベアリングの玉に負担がかかり寿命が短くなります。
理想は精密シムがベアリングの真ん中に軽く力を加えた時に動かなくなり、力を加えないときは動き回るぐらいなのが理想ですが、さすが日本製のベアリング内側の部分はほとんど動かないので調整が難しい。(打ち込むのは簡単だけど戻す事は出来ないため最後の方は弱く何度も確かめながらやる必要がありそうです)

なかなか家の中でゴムハンマーで打ち付けていると近所迷惑なので日本製のベアリングでホイールを作るのは進みません。

自分はたまたまハンドプレス機を持っているので他の方法は試していないのですが、テーブルバイスとかなにか挟んで締めこめるバイス的なものだと徐々に加減を見ながら埋め込んでいけそうな気がします。
もしバイス的なものが無ければ少し厚めの木の端切れ2枚それぞれに、穴を2つ(もしくは3つ)開けて、そこに通したボルト&ナットで徐々に挟み締めこんでいくとかいかがでしょうか。

ちなみにメタルホイールに入れ替えて使わなくなった樹脂ホイールは、自分はハンドプレス機を使ってベアリングをはずすことができできました。
いくつかのシムは外すときの圧で使えなくなりましたが、ベアリングはフィラメントリールホルダーに再利用してます。

ハンドプレス機という手があったかあ。
力加減はハンマーでも何とか出来るようになりましたが、やはり作業中の騒音は気になってました。
これは良さそうですね。水平が保たれるか心配ですが安いのを探して使って見ようかと思って居ます。

ハンドプレス中古でも無いかなあ。と探していたら、楽天で 強力ハンドプレス機というのが8,800円で売られていました。
ハンマーの音はさすがに迷惑なのでダメ元で買って見ました。
https://item.rakuten.co.jp/carymo/arberpres/

ハンマーであれほど苦労し、打ち過ぎて1つダメにしたことを考えるとかなり楽です。
工具としては作りがダサダサで大丈夫かよ。と思っていたのですが、思ったより水平が守られているようで、あまり力をかけずにスルッと入ります。
多分ですが、1:20の比率と書いてある通り20kg程度しかかけられないと400kgも力にならないような気がしますが、ベアリングは水平が守られるせいか軽く押す程度で(多分ベアリングには50kgの力)入ります。力を入れすぎても奥まで入って回りにくくなるといった事故は起きませんでした。
(ただ作りが作りだけに酷い物が届くかもしれません)

AvalonTech株式会社スタッフです。
改良案のキット化に関するご紹介です。

現在、morih様発案のZ軸剛性補強を弊社オンラインストアにてキット化し販売しております。

ぜひ皆様の自作CNCにお役立てください。

弊社ではオープンソースプロジェクト発展のため技術者やユーザによる技術開発を支援しております。