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-CARVEやShapeOko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：
基本的には、CNCシールドを装着したArduino Unoを中心に、ステッピングモーター、リミットスイッチ、スピンドル、電源などが接続されます。Arduino UnoとパソコンはUSB接続され、ソフトを使ってGコードを送信します。

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
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トルクも高いので、CNCルーター用としても使える。
CNCレーザーだけでいいのならトルクの低いNema17でも大丈夫。


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

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・全体の構造体
　　　・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

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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）
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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）

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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。

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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。