CNCマシン：リミットスイッチ/ホーミングのトラブル（無事解決）

追記：
＊リミットスイッチの配線については、GrblサイトのWiring Limit Switchesに追記されたので参考にするといいと思います。ノイズフィルターの有無、ノーマルオープン/ノーマルクローズドなど画像付きで詳しく書かれています（英語）。

G-Code-Senderは、以前書いたようにbCNCを使うことにしました。そこでCNCマシン本体にせっかくつけたリミットスイッチを確かめようと実験開始。bCNCで$$を入力し設定を確かめて、リミットスイッチを使う設定$21=0を$21=1にして動かしてみました。しかし、動かすとなぜかすぐにロックされてしまいました。
bCNC画面のTerminalボタンで、コンソール画面にすると、以下のようなメッセージ。

ALARM: Hard limit
[Reset to continue]

再度Control画面に戻り、画面左上にある以下の「Reset」と「Unlock」で解除。

何度やっても、動かした瞬間にリミットスイッチが反応しているようで、まったく先に進みません。CNCマシン本体をいろいろ調べてみました。Shapeoko wikiにもリミットスイッチはノイズを拾いやすいからシールド線を使うといいと書いてあったのを思い出し、たしかにモーターの近くを線が通っているし、シールドなしのケーブルを使っているのでそういうノイズの問題かな？と、またオヤイデ行かないといけないのかなと思いながらもケーブルをたどるように調べてみました。しかし、最終的にはCNCシールドのリミットスイッチをつなぐ端子でおかしなことが起こっているというのが分かりました。

使っているCNCシールドはV3.5なので、grbl0.9のピン配列に対応しています（V3.0の場合はZ limit端子がArduinoボードのD11からD12に入れ替わっているので注意、詳しくはこちらへ）。
上の写真のように、CNCマシン本体からのリミットスイッチ線を外し、かわりに緑色のジャンパワイヤをZ limitのZ+（5V）に接続しつつ、白いジャンパワイヤ（手でもっているだけで何にも接続されていない）をちょっとつけるだけで、そのノイズに反応してリミットスイッチが入ってしまうという現象。試しにテスターで計測しながらやってみると、たしかに5Vが外乱（白ジャンパワイヤ）によって1~3Vくらいまで下がってしまう。それで通常HIGH状態がLOWを瞬間的に検出して反応してしまうみたい。
なんでこんなに敏感すぎるんだ？じゃあ、コンデンサでもかましてみたほうがいいかな？と思って、ちょっと検索してみると、やっぱりこのようなリミットスイッチのノイズ問題はよくあるそうです。その対策としてシールド線を使うとか安物ではなくノイズに強い部品にするとかいろいろあるけど、手っ取り早いのがやはりコンデンサーをつけるというのが、instructablesにのってました。
そこでは0.47uFのコンデンサーをArduinoボード上のリミットスイッチ用の端子（grbl0.9の場合、D9、D10、D12）につけるといいと書いてあります。ためしに手持ちのコンデンサーをつけてみることにしました。

こんな感じ↑で、CNCシールドV3.5に電解コンデンサー３個を直づけ（ちょうどArduinoボードD9、D10、D12の真上の端子とGND）。
これで動かしてみました。bCNCでGコードを入力。$21=1にしてHard limitをオンにしておきます。
Control画面の矢印で前後左右上下に動かしてみると、リミットがかからずちゃんと動きます（感動）。なるほど、やはり何らかのノイズがコンデンサーで解消されたというわけです。


ホーミングサイクルにチャレンジ
そのまま$21=1にしてHard limitをオンにして、今度はホーミングサイクルにチャレンジ。
しかし、、、動き始めましたが、途中で止まってしまいました。一歩進んだけど、また壁にぶちあたりました。
何が原因なんだろう？といろいろ調べてみたり、設定を変えてみたりしました。

grbl0.9にはホーミングの設定がいくつかあります（grblサイト参照）。
・$22：Homing cycle bool
　　ホーミングサイクルするかどうかの設定（する場合$22=1）
　　ホーミングサイクルによって、Z軸、X軸、Y軸、（A軸）という順番でゼロ地点設定
　　そのためにはリミットスイッチを最低各軸の+側につける必要あり
　　$23によってホーミングの方向を変更可能（通常各軸＋側）
・$24：Homing feed mm/min
　　ホーミングサイクルで最終的に座標ゼロポイントを決定するときの速度設定
　　かなり遅めにして少しずつ進む感じ
　　25mm/minくらい
・$25：Homing seek mm/min
　　ホーミング開始後、各軸のリミットスイッチを探しだすときの速度設定
　　慎重すぎて遅すぎると時間がかりすぎるので、スイッチをなぎたおさないくらいの速度
　　600mm/minくらい（最終的には300に下げました）
・$26：Homing debounce ms
　　ホーミングサイクルによってリミットスイッチを押す際のチャタリング/デバウンス防止のためのディレイ時間設定
　　5〜25ms（最初250msになっていました）
・$27：Homing pull-off mm
　　ホーミングサイクル後にリミットスイッチから事故防止のため少しだけ離れておく距離
　　3〜5mm

と、こんな感じであります。

まずは、リミットスイッチのノイズがなくなったので、即停止はなくなったのですが、以下のような感じで止まってしまいます。

・Z軸＋リミットスイッチを探しに上にあがる。
・Z軸＋リミットスイッチを押す
・Z軸一旦少し下がる
・再度ゆっくり上昇（多分$24のHoming feedの速度で）
・また少し下がる（多分$27の5mm分）

ここまではいいのですが、次の行程でつまづきます。
・XとY軸が＋方向に向かって同時に動き始める
・それぞれリミットスイッチを押す
・それぞれ少し戻る
そして、ここで止まる

おそらく次はZ軸の動きから察すると、ゆっくりHoming feedでゼロ地点を設定しに動くはずですが、なぜか止まります。またノイズなのかなとも思ったりして、いろいろ検索してみましたが、解決できるようなネタは見つかりません。
リミットスイッチにもコンデンサーつけてみたり、Y軸片側のモーターだけで駆動させてみたり。
なんとなくモーターに負荷がかかっているようにも見えるので（送りネジとガイドレールの平行がとれていなくて窮屈になっているとか）、ドライバが一時的にシャットダウンしているのかと思ってみたりして、それでマイクロステッピングを1/8から1/4に変えてみたりしてみました。


コンデンサー付け替え
いろいろやっているうちに分からなくなってきて、先ほどつけたノイズ対策のコンデンサーを見てみると、0.47uFなのに47uFをつけていることに気がつきました。容量がデカすぎるけど、つけたことによって一応ノイズは消えたわけだし大丈夫だろうと思いましたが、もうちょっと他のコンデンサーがないか探してみると、1uFのコンデンサー一袋が見つかったのでためしに付け替えてみました。

こんどはこんな感じ。コンデンサーも小さくなりました。同じようにArduinoボードD9、D10、D12、GNDの真上の部分です。0.47uFに対して1uFなのでまあまあ近い。
念のためと思ってつけたリミットスイッチのコンデンサーも外してしまいました。この３つで勝負。
それと、上記に書いたgrbl0.9ホーミングの設定値も少し変えてみました。

主には、$24=30、$25=300、$26=25、$27=5、そしてマイクロステッピングは1/4。
さて、ホーミングボタン（Home）を押すと、

まずは、Z軸が動き始めました。そしてX軸、Y軸です。速度をちょっと変えたので、なんとなくいい感じ。それで、問題のXとY軸のHoming feed速度で動く部分（最初600でしたが300に下げたことで負荷が下がったのかも）。おお、ゆっくり動き始めした。このままいけるかな？と息をのんで見守っていると、なんとか最後まで無事ホーミングサイクルが終了しました。エラーなしです。思わずコンソール画面を見てみました。
偶然なのかなんなのか分かりませんが、ようやくホーミング達成（感動）。

追記：

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リミットスイッチ6個セット、324円（送料込み）。
このようなノイズキラー付きのリミットスイッチを使えばトラブルが少なくなるかもしれません。


ホーミングサイクルの流れ
・XYZ軸の+側（右、奥、上）にリミットスイッチ（この場合ホームスイッチと呼ぶのかも）をつける。
　＊grbl0.9ではZ+端子とSpinEn端子が入れ替わったので、CNCシールドV3.0を使う場合は、Z+リミットスイッチをSpinEnへつなぐ。Z+とZ-は内部でパラレルにつながっているので、Z-リミットスイッチもSpinEnにつなぐ（詳しくはこちらへ）。
・デフォルト$21=0（リミットスイッチ：オフ）のままでも構わない。
・$22=1にしてホーミングサイクル機能をオンにしておく。
・$24〜$27は上記のような数値にしておく。場合によっては少し遅めにする。
・あとは$Hをコマンド入力して（あるいはHomeボタン）ホーミングサイクルを開始する。
・最初にZ軸がリミットスイッチ方向に動き出しマシン原点を見つける。つぎにXY軸も同じように原点を探し出して終了。これでリミットスイッチがある箇所、右奥上がマシン原点（0,0,0）となる。最終停止位置は、$27で設定した値分だけ戻った位置になり、そこで終了（ホーミングサイクル中に各リミットスイッチを押すけれども、S21=1でHard limitがオンになっていても関係なく動き続ける）。

この画面↑でも分かるように、右側のX-Y平面上で、きちんと右上に矢印と現在位置が重なりました。原因はコンデンサーなのか、設定値なのか分かりませんが、なんとかここまで辿りつけました。
これでようやくゼロ地点設定可能となったので、思うように操作できそうです。
というのが、今日の収穫でした。ここまで来るのにかなり疲れました。
あとで設定値などを変えてみてどこが原因だったのか究明したいと思います。途中試行錯誤していた段階でも、速度を変えると動き始めたりしたので、適度な速度設定などがもしかしたら必要なのかもしれません。当然マシンによっても違うので、調べても最適な値は分からないのかもしれません。

ちなみにホーミングが成功するまでは、以下のように現在値と原点がずれた感じになっていました。
追記：
このずれは、現在地をWPosのリセットをすることで解消できます。G92X0Y0Z0のGコードを入力することで現在地を原点（加工原点）にセットすることができます。あるいは、bCNCならX=0、Y=0、Z=0ボタンで各軸ごとに、現在地を0に設定できます。

このままでも作業できないわけでもないのですが、やはりせっかくリミットスイッチもつけたことだし、ホーミングが機能しないと、なんとなく気持ちが悪い。

ということで、ホーミング直後の状態。右奥が原点です。見た目は前から特に変わっていません。
完成目標は４月中としていたので、ぎりぎり予定通りという感じです（まだ少し作業は残ってますが）。まあ、とりあえず一段落つきました。

作業エリア940x740mmの3軸CNCマシンとしてこの段階で、
Grbl0.9j＋bCNC：Mac対応フリーウェア
ボールネジ＋リニアレール一式：37000円
ステッピングモーターNEMA23（4個）：9000円
アルミ構造フレーム材料＋ネジ類：12000円
Arduino Uno：3000円
CNCシールドV3.5＋モータドライバDRV8824（4個）：3000円
配線材料＋ケーブルドラッグチェーン：6000円
合計約70000円くらいかかりました。
予算の半分はボールネジ＋リニアレールという感じ。MakerSlide、V-Wheel、タイミングベルトなどにしていれば、50000円くらいで済んだかもしれません。
その他：
レーザーモジュール5.5W（購入済み：17000円）、トリマ300W（手持ち：10000円くらい）、DC24V/7A電源（手持ち：5000円くらい）
という感じです。
使用工具など：
卓上マルノコ、小型ボール盤、ジグソー、ハンダゴテ、ホットボンド、各種タップ、各種ドリルビットくらいです。


追記：
その後、ドライバ（DRV8825）のマイクロステッピング設定を1/4から1/8に戻してホーミングしてみましたが問題ありませんでした。
ついでに、以前サンプルで拾った星形の.ngcファイルを読み込ませて実行してみました。

ホーミングでマシン原点を出してから、作業エリアの中央あたりに移動させて、そこをWPosの原点にしてから実行してみました。まだトリマはつけてないですが、MDFを３回パスで削るファイルのようで、きちんと３周して元の定位置に戻りました。もうそろそろCNCルーターとして使えそうという感じが見えてきましたが、まだレーザーについては後回しになっています。


続き：合板の初カット