これまでのあらすじ:
2016年3月、フェルト生地を手で裁断している際にレーザーカッターがあれば複雑なカットが容易にできるなあと思って、安価になってきたレーザーカッターを購入しようと思ったのがきっかけ。調べていくうちに、合板も切れたほうがいいと思うようになって、CNCルーター(CNCミリング)についても考えるようになった。
Arduinoは以前から使っており、CNCシールドがあると気付いて自作も可能と思うようになった。当初はShapeOkoやX-CARVEを参考にMakerSlide、OpenRail、V-Wheel、2GTタイミングベルトなどで5万円くらいで自作しようと思っていた。AliExpressでも部品が安く買えることが分かって、しばらくは部品探し。探せば探すほど安くて本格的な部品も見つかってくるので、そんなにケチらなくてもいいのではないかと徐々にスペックアップ。最終的には剛性や精度のことも考えてボールスクリューやリニアスライドを使うことになり、予想以上に重厚な3軸CNCマシンをつくることに(約7万円)。
構想から約5週間(制作約3週間)でルーターとレーザーともに使えるようになり、現在はgrbl1.1+Arduino CNCシールドV3.5+bCNCを使用中(Macで)。余っていたBluetoothモジュールをつけてワイヤレス化。bCNCのPendant機能でスマホやタブレット上のブラウザからもワイヤレス操作可能。


CNCマシン全般について:
国内レーザー加工機と中国製レーザー加工機の比較
中国製レーザーダイオードについて
CNCミリングマシンとCNCルーターマシンいろいろ
その他:
利用例や付加機能など:
CNCルーター関係:

*CNCマシンの制作記録は2016/04/10〜の投稿に書いてあります。

2016年4月4日月曜日

CNCマシン:おさらい(必要なもの)

再度情報整理で、CNCマシンを自作するために必要なもの:
このブログでは、手っ取り早くCNCマシンをつくるということで、まずはArduinoを使用するところから始まり、そうするとArduinoにアップロードするプログラムはGrbl、そして配線を楽にしてくれるCNCシールドを使用するという感じです。
最初はステッピングモーターなどの複雑な動きを制御するのは難しい(かなり専門的な計算やプログラム、あるいは電子回路設計技術などが必要)と思っていましたが、それらは全てGrblがやってくれるので、あとは必要な部品を組み合わせて、ソフトと通信させればいいだけです。確かに専門的な知識はあった方がいいですが、それは作りながら学習していく感じでも大丈夫だと思います。今の時代はオープンソースのハードウェア、ソフトウェアがたくさんあるので、昔よりもかなり敷居は低くなったと思います。
尚システムに関しては、主にX-CARVEShapeOkoを参考にしています。

実際の加工作業の流れとしては(このブログ上でやっているやり方)、
CNCルーターの場合(合板などの2Dカット):
Inkscapeで図形(図面)を描画(svgファイルで保存)
・上記svgファイルをJscutで読み込み、切削用パスを作成しつつGコードに変換(gcodeファイルで保存)
・上記gcodeファイルをbCNCで読み込む
・材料を作業エリア内に固定する
・bCNCのジョグボタンで材料の位置へ移動し加工原点を設定する
・bCNCでGコードを送信する
・あとはCNCマシンが自動でカットしてくれる(集塵機も使用)

CNCレーザーカッターの場合(ダイオードレーザーで):
Inkscapeで図形(図面)を描画
・Inkscape内のLaser Tool Plug-inで出力設定など行い、Gコードに変換(gcodeファイルで保存)
・上記gcodeファイルをbCNCで読み込む
・材料を作業エリア内に固定する
・bCNCのジョグボタンで材料の位置へ移動し加工原点を設定する
・bCNCでGコードを送信する
・あとはCNCマシンが自動でカットしてくれる(要レーザー用ゴーグル)

という感じですが、ソフトやマシンの事前設定がある程度必要です。

全体の構成:


パソコン関係:
・パソコン(主にはMacで/Winも可)
  以下インストールするもの
   ・ブラウザはGoogle Chrome(SafariやInternet Explorerは以下のソフトには不向き)
   ・Arduino IDE、Arduino開発環境ソフト
   ・Grbl v0.9または最新版Grbl1.1(G-code interpreter)、Arduinoへアップロード
   ・Universal G-Code Sender(Gコード送信ソフト、Javaベース:Win、Linux、Mac対応)
      bCNC(Pythonベース)など、このソフト以外にもあります(G-Code Senderリスト
   以下は必要に応じて
   ・Inkscape(フリーベクター描画ソフト:Illustratorの代替ソフト)
   ・Laser Tool Plug-in(レーザー用のInkscapeプラグイン)
   ・XQuartz(Macは必要:Inkscapeを起動させるシステム)
   ・Jscut(Web上で図面データをGコードに変換してくれる)
   ・Python2.7(3.0ではなく):Macはインストール済みのため不要、Winの場合は必要

電子工作・電気関係:
・Arduino Uno(CNC制御基板)、上記Grblをアップロードしておく
・Arduino用 CNCシールド(中国製V3.0最新版V3.51開発元サイト
・USBケーブル(PC-Arduino間)
・ステッピングモーターNEMA17かNEMA23程度(3~4個)
・ステッピングモータードライバ(3~4個):A4988(2A)またはDRV8825(2.5A)
・安定化電源DC12Vもしくは24V/5A~10A(最低W数に関してはShapeOko Wikiへ
  NEMA17を4個駆動で100〜120W、NEMA23を4個駆動で150〜200W程度
AliExpress.com Product - 240W 24V 10A Switching Power Supply AC-DC 100~240V to Triple DC output 24V for CCTV& LED Device & CNC Stepper Driver100V/10A スイッチング電源 1829円送料込み
AliExpress.com Product - Osoyoo CNC Shield + UNO R3 Board + A4988 Driver w/ Heatsink Kits for Arduino 3D Printer Free ShippingArduino+CNCシールドセット(1457円送料込み)

ここまでの基本制御システムだけで1万円程度。
あとは本体のサイズ、剛性/精度の確保、ヘッドのパワーによってコストは変わります(以下)。

機構関係:
・XYZ軸用送り機構(以下のいずれか)
   ・タイミングプーリ、タイミングベルト(大きいものには幅9mm)
   ・送りネジ(普通の棒ネジ、台形ネジボールネジ)+専用ナット
精度を求めるならボールネジがベスト。しかし高価、低速。
タイミングベルトを使う場合、2GTや3GT(規格)ならバックラッシュゼロ(理論上)。安価。

・XYZ軸用ガイドレール/スライド機構(以下のいずれか)
   ・MakerSlide+V-Wheel
   ・OpenRail Slide Rail+V-Wheel
   ・v-Slot Rail+Solid V-Wheel
   ・リニアシャフト+リニアブッシュ+両端サポート
   ・リニアレール+リニアベアリングブロック+両端ベアリング
   ・リニアガイド+スライドブロック
AliExpress.com Product - 6 sets SBR16 L350/650/1050mm+ SFU1605-1050/750/350mm ball screw+3 BK12/BF12+3 DSG16H nut holder+ 3 D25-L30-6.35*10mm Couplingこれ↑は、AliExpressのCNC3軸マシン用の機構部品セット(約36000円/送料込み)。サイズもいろいろあります。ボールスクリュー式なので精度はいい。

・XYZ軸用構造体
   ・組み立て式溝付きアルミフレーム
   ・金属製アングル、チャンネル、角パイプなど

用途別工作用ヘッド:
   ・スピンドルモーター(金属切削)
   ・ルーター/トリマー(木工)
   ・レーザーモジュール(要防護ゴーグル/1.6Wで木材2mm、5Wで木材4mm程度)
   ・3Dプリンタノズル
   ・プラズマカッター(金属切断)
AliExpress.com Product - 5500mW Blue Laser Module Parts with Holder Heat sink for Mini Laser Engraving Machine High-power wave length 450nm focus5500mwダイオードレーザーならこれが安い(約15000円送料込み)。
AliExpress.com Product - 600W CNC Brushless DC Motor Driver + 400W Spindle Motor For Engraving Machineブラシレススピンドルならこんな感じ↑。約10000円(送料込み)。

その他:
  ・ケーブル、端子類、ネジ類
    ・ケーブルドラッグチェーン
  ・スイッチ・コントローラー類
    ・メインスイッチ/非常停止スイッチ
    ・XYZ軸用リミットスイッチ
    ・AC電源出力コントローラー(ヘッド出力手動)
  ・レーザー用ハニカムボード
  ・レーザー防護ゴーグル
  ・専用集塵機
  ・工具/計測器/機材など
    ・テスター(電圧、電流の設定やチェック)
    ・ノギス(部材の正確な厚みなどを計測)
    ・ダイヤルインジケーター(機構組み立ての際、平行/直角出しに必要)
    ・ボール盤(ハンドドリルだと正確に穴が開けにくい)

AliExpress.com Product - Protective Goggles Safety Glasses Eye Spectacles Green Blue Laser Protection free shippingレーザーゴーグル、115円(送料込み)。
特にレーザーを扱うには、目の損傷を避けるためにレーザー防護用ゴーグルが必要。



ある程度の知識やスキル:
・電気、電子工作やArduinoの知識。
・金属加工スキル、あるいは加工機材(最低でもボール盤)を持っているなど。
・パソコン・プログラミング・オープンソースの知識やスキル。
・できればCADの製図スキルや3Dモデリングスキル。
以上のような素養がないと、Web上の説明を読んでも何を言っているかわからない。つくることはそれほど難しくないけれども、実作業における調整やメンテナンスをするには、仕組みをある程度理解していないときついと思う。
それから、Arduino、Grblなど情報源が海外に多くあることから(海外ショップも含め)、英語に対しては抵抗感がないほうがいい。英語を翻訳するのが苦手なら翻訳サイトを使えばいいと思う。それすら面倒だと収集できる情報量がかなり限定されてしまう。特にShapeOko Wiki(英語)には自作CNCに関する情報がかなり揃っているので、ここを見るだけでも充分。

安くつくるには:
中国製の安いキットを買って部品だけ流用すれば、既製品の半額以下で製作できる(例えば10万円の製品が5万円以下、50万円の製品が10万円程度で自作できる)。作業エリアA4サイズくらいなら、3万円以下で自作することができるはず。Amazonでも安いキットを買えるけれども、AliExpressのほうがもっと安い。ものによっては半額以下。
Arduino制御の中国製キットも多いが、もし中国語Win用ソフト+専用ステッピングモータードライバ基板が付属しているのなら、Arduino CNC Shield(1500円〜2000円)にすれば、Win/Macともに使用可能で特に問題ない。
問題があるとすれば、直動機構の精度やフレーム構造の剛性の欠如。バックラッシュ、ガタつき、揺らつきを改良する必要がある。
レーザーカッターの場合は、XY軸だけなので比較的安価につくれる。あとはレーザーモジュールの出力次第(値段次第:5Wのもので17,817円)。ステッピングモーターはNEMA17(静止トルク:5kgfcm程度)でも大丈夫。
ミリングマシン、ルーターマシンの場合はかなり剛性が必要。ステッピングモーターもトルクが高いほうがいい。NEMA23以上(静止トルク:10kgfcm以上)とか。

たまに、中国製レーザーカッターキットを購入したけど(安さに惹かれて)、マニュアルもなければソフトも中国製で使い方が分からないと言って(使うのを諦めて)、ヤフオクに安く出品してある。もし望んでいるスペックに近いものであれば、そういうのも狙い目かもしれない。

剛性や精度について:
自作あるいはキットや既製品を改造して作業エリアや出力の大きいものをつくる場合、細い部材を継ぎ足して複雑な構造にすると、振動に対してぐらついたり、局部的に大きな力が加わったときに弱かったりする。崩壊しない構造体をつくるのではなく、振動やぐらつきに強い構造体にしなければいけない。そのためには、断面が大きい太い部材をつかって、出来るだけ少ない本数で構造体をシンプルに構成した方がいい。ビルのような建物の構造(ラーメン構造)というよりは、橋や高速道路のような土木っぽい大胆な構造にしたほうがいい。

ソフトや電気系統よりも、直動のメカニズムを精度よくつくることが一番難しいと思う。しかし、V-Wheelや中国製の安い直動部品を買えば、かなり精度はあがるはず。
引き戸用車輪(戸車)などを流用してもっと安くつくることもできるが、精度をあげるには加工上の工夫が必要となってくるため、安価な中国製部品を使ったほうが余計な苦労せずに済む。
手っ取り早いのが、日本ならオリジナルマインドなどから、自作CNCパーツを組み合わせてつくること。でも、かなり高価になる。AliExpressでも似たような自作CNC、自作3Dプリンター屋があるので、そこで部品を集めて、それらを組み合わせれば、かなり安くつくることができる。この場合、自作と言っても、ただ部品を組み合わせるだけなので、金属加工スキルもあまり必要ない。ただし、部品の図面や仕様書をよく見て、それにあう部材やその他の部品を選ぶことができないといけない。その分の知識は必要となる。

日本の安い部品かそれとももっと安い中国製か:
おそらく自作しようと思う人は、できるだけ安くつくろうと思うはず。専門的な工作機械であるCNCマシンを、100円ショップやホームセンターで手に入る材料でつくること自体にDIY/ハッキング的な意義があるかもしれない。しかしAliExpressのように本格的な中国製部品がものすごく安く手に入るようになってからは、無理にハッキングせずとも(スライド機構の代用部品として戸車を使うなどしなくても)、安価でそこそこの精度のものを手っ取り早くつくれるようになった。AliExpressでも、ものによってはまだ安くないものもあったり、あるいはショップによっても値段が違うことも多い。しかしよく探すととんでもなく安いものがあったりする。日本の1/10くらいの値段で。そうなると100円ショップやホームセンターよりも安く、しかも質もそれほど悪くないこともある。逆に質と値段から考えると100円ショップは高いのかもしれない。三流四流の材料を100円ショップで買うよりも、中国製の専用部材を500円で買ったほうがいいものができるという感じ。全部100円ショップの材料でつくるか、それとも部分的に中国製の500円の専用部品を入れておくか、そのバランスの見極めにはセンスが必要かもしれない。要は、日本国内だけでなく(手に入りやすいから、対応が日本語だから、信頼できるからという理由にこだわらず)、世界中の部品を検索して(場合によってはメールなどで問い合わせもしてみたり交渉もしてみる)、安さ(送料込みの値段)と性能のバランスから各自が部品選定していけるかどうかだと思う。

7 件のコメント:

  1. 前略、ご無沙汰してます。
    とりあえず動作確認まで出来ましたが(ブログ参照)、これからがソフト的な設定と制御系の追加(スピンドル制御とか)をしなければなりません。LinuxCNCでやることに決めているのですが色々苦労しそうです。色々とアドバイスありがとうございました。

    返信削除
    返信
    1. ブログ拝見しました。完成おめでとうございます。かなり大きそうですね。
      たしかにLinuxCNCならいろいろできそうですね。

      削除
  2. さすがです、10万円以内こんなマシン作れる、びっくりしました。

    部品について、質問数件あります。
    1:DRV8825(2.5A) 熱ちょっと心配ですが、30分ぐらい使用すれば、熱くないでしょうか。
    2:もう5年ぐらい中国に帰省しなかった。 確かに最近機械加工会社がいっぱい出てきましたが、部品加工精度は日本製品と全然違うと思います。(値段もう全然違うでしょう。)
    気になるのはレール、ボールネジの精度はどうでしょうか。 
    自分も一台500*500作業エリアCNCを作りたいです。 部品ちょっと重くて、ガイドレール使う予定です。軽いですから。
    3:Arduino Uno(CNC制御基板)について、ノイズは大丈夫でしょうか。 安定性はどうでしょうか。

    部品を中国国内から購入予定です、上海から往復で1.5-2万円前後、23KGケース 2個分で 送料は安いと思います。(もちろん、一部品質が良い、英語わからない販売業者がいます。)

    返信削除
    返信
    1. コメントありがとうございます。
      1:DRV8825には電流制限設定、保護回路がついているようなので、負荷がかからないような設定にすれば大丈夫だと思います。もしもっとトルクの高いモーターを使うのであれば、TB6600など使うといいかもしれません。

      2:使っているボールネジは、JIS規格で言えばC10の一般ボールネジです。当然C0~C5の精密ボールネジならもっと精度でると思いますが、かなり高価になると思います。本格的に精密ボールネジを使うのであれば、躯体ももっと剛性あるつくりにしないといけないと思いますが、個人的にはC10でも充分だと思っています。ボールネジについては、以下に書いてます。
      http://cnc-selfbuild.blogspot.jp/2016/04/blog-post_20.html

      3:ノイズについては、リミットスイッチ端子で発生しましたが、コンデンサーをつけたら解決しました。配線もシールド線を使うといいとは思いますが、普通の線でも大丈夫でした。これについては、以下に書いてあります。
      http://cnc-selfbuild.blogspot.jp/2016/05/cnc.html

      やはり一番難しいのは剛性のある躯体をつくることだと思います(しかしかなり重くなると思います)。スライド機構もきちんと平行と直角を出すのが難しいですね。ダイヤルゲージを使って誤差0.1mm以下には調整してみましたが、精密な金属部品をつくるCNCフライス盤というよりもCNCルーターとして使っているので、そこまで精度についてはこだわっていませんね。

      削除
  3. CNCマシンに憧れてWebを検索するうち、すごい方のページに辿り着いて
    見よう見まねで自作してみようと計画しています。
    先ずは場所の確保を進めていますが、機械の架台はどれくらいのサイズで
    収まっておりますか?
    よろしくお願い致します。

    返信削除
    返信
    1. このブログで制作したCNCマシンは作業エリア940x740mmで、約1200mm角(24mm厚)の積層合板の上に固定してます。重さはマシンだけで40kgはあると思います。台の脚は2x4材を組んでいます。
      900mm幅の合板を加工したかったので、最低でも900mmを確保したという感じです。

      削除
  4. ご返信ありがとうございます。
    参考にさせて頂きます。

    返信削除

人気の投稿