grbl1.1+Arduino CNCシールドV3.5+bCNCを使用中。
BluetoothモジュールおよびbCNCのPendant機能でスマホからもワイヤレス操作可能。
その他、電子工作・プログラミング、機械学習などもやっています。
MacとUbuntuを使用。

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。


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2018年2月19日月曜日

小型直動サーボ:GS1502とミニアクチュエータ


AliExpress.com Product - 2pcs/lot 1.5 g 1.5g servo micro digital servo loading two linear servo1107円(2個/送料無料)
ラジコン飛行機用のサーボらしいけれども直動というのがめずらしい。ストロークは以下の写真をみると10mm程度でしょうか。


以前、CD-ROMヘッド用のミニアクチュエータをAliExpressで見つけましたが(以下)、こちらはステッピングモーターを使っているので脱調しなければ精度・分解能はありそう。
AliExpress.com Product - circle 2 Phase 4 wire Mini screw rod stepper motor for camera Linear motor sliding table lead screw stepper motor
それぞれ、285円/296円/307円(送料無料)、比較的安い。
ストロークは、19mm/29mm/40mmのようです。

ミニCNCやミニロボットアームなど作れそうです。
いちおう気になったのでメモ。

2016年6月1日水曜日

ミニアクチュエータ

AliExpressを眺めていたらこんな小さなアクチュエータがありました。そんなに高くないので思わず買いそうになってしまいましたが、特に使う予定はないので今回は我慢。

これで$12.00送料無料
少し違うタイプもありました。こちら(以下)は$9.00。安い。と思ったら5個でこの値段でした。一個200円くらいです。上のものも5個の値段。意味なく買ってしまいそう。

しかし何に使えばいいでしょうか。元々はデジカメなどのレンズ焦点調節用でしょうか?
ミニCNCマシンでもつくればいいのかもしれませんが、きっと実用的ではないかもしれませんね。
もうすこし大きめになると以下のような感じ。
これは、一個で$13.00送料無料。移動距離は47、63、69mmの三種類ありそうです。このくらいならまだ何かには使えるかもしれません。ネイルアートに使うのもいいかもしれません。かなり細かい表現ができそうです。
上のものはアクリルがゴツいので、以下のような部品のみでもよさそうです。

これで$2.82ドル送料無料。3軸分買っても1000円以下です。移動距離は書いてないけれども、他で販売しているのをみると送りネジが74mmらしい。3個くらい買ってみてもいいかもしれないけど我慢しておきます。


2016年4月19日火曜日

CNCマシン:CNCシールド+ドライバDRV8825/A4988(まとめ)

数日前にDRV8825もAliExpressから届いており、CNCマシンが完成したらAitendoで購入したA4988と交換する予定です。ついでに、CNCシールドの新しいバージョン3.5も注文しました。いまなら、AliExpressでも$20以下で買えるようです。CNCシールドv3.5(V3.1から)ではgrbl0.9のピン配列に対応しているため、そのままPWM端子を使ってスピンドルやレーザーモジュールの可変出力制御できます。V3.0の場合grbl0.9のピン配列に対応していないため、Z+とZ-がPWMピン、SpnEn端子がZ+(あるいはZ-)。Ebayから購入すれば、最新版V3.5.1みたいですね。
*CNCシールドV3.0とV3.1以上(最新版V3.51)の違いについてはこちらへ

主に制御用の電気系統については以下が必要:
・grbl0.9jファームウェアをアップロードしたArduino Uno(方法はこちらへ
・CNCシールド(CNCシールドV3.0とV3.1以上の違いに注意)
・ステッピングモータードライバ(A4988/DRV8825など)
・ステッピングモーター(各XYZ軸)
・XYZ軸用リミットスイッチ(マイクロスイッチなど)
・スピンドル用TTL端子付きドライバ(あるいはレーザー用ドライバ)
・電源(ステッピングモーター用):DC24V/5A以上
・非常停止ボタンや各種スイッチ類(要配線)
という感じでしょうか。
ステッピングモーターのトルクや許容アンペア数、それに応じたステッピングモータードライバについてはデータシートなど見ながら適切なものを選んだほうがいいと思います。また電源もDC12VよりはDC24Vで充分なアンペア数のあるものを選んだほうがいいと思います。
各項目の詳細は以下に書いてあります。


追記:AliExpressでもV3.51ありました。以下。
AliExpress.com Product - New Development Board CNC Shield V3.51 for Arduino 3D Printer Micro Controllers GRBL v0.9 Compatible Uses Pololu Drivers1958円(送料込み)



どうやらこのCNCシールドV3.5は、クローンがたくさん出回っているV3.0と違って、AliExpressだとここでしか扱ってないようです。PROTONEER純正品らしく値段も格安というわけではないです。もともとそんなに高いものではないですが。

実は、まだCNCシールドV3.0を使ってステッピングモーターの試運転をしてなくて、というのもジャンパーブロックを購入していなくて、マイクロステップやA端子へのクローン設定を確かめることができないでいます。

AliExpressだとジャンパーブロックが格安だけれども、こんなに要らない。100個で105円(送料無料)。ピッチは2.54mmのものを使います。


CNCシールド:A端子設定:
CNCシールドにはXYZ軸用ドライバ端子と予備のAドライバ端子(4番目のドライバ用端子)があり、基板上のピン(電源12-36V端子の上に並んでいるX,Y,Z,D12)にジャンパーブロックを差し込むことで、AをXYZのどれかのクローンに設定することができます。またXYZのクローンではなく、独立した4番目のモーターとして駆動することもできます(Arduino Uno/ATMega328にアップロードするgrbl0.9や1.1は3軸まで、Arduino Mega 2560用であれば専用の4軸ファームウェア6軸ファームウェアがあります)。今回製作しているCNCマシンのようにY軸に2個のステッピングモーターを使っている場合は、Y軸設定をA端子にクローンすれば、二つのモーターが同じ動きになります。設定方法はこちらに書いてあります。

AをY軸のクローンにするなら、上記画像のように、ジャンパーブロック2個をYの欄に横一列に差し込むことになります。AをX軸のクローンにするなら、X欄に横一列に差し込む。独立した4番目のモーターとして制御するなら D12へ。説明は見当たらないですが、Aの回転を反転するには、A.DIRに差し込んだジャンパーブロックを外せばいいのかもしれません。ステッピングモーターの配線を反転させるといいようです。

AliExpress.com Product - Free shipping! New cnc shield v3 engraving machine / 3D Printer / + 4pcs A4988 driver expansion board CNCシールドV3.0(V3.51より古いタイプ)とA4988のセットならかなり安い。456円(送料込み)。V3.0でも配線に注意すれば使えるので、低価格重視ならこれでも充分。



リミットスイッチ:
XYZ軸の両端にリミットスイッチをつけるときは、CNCシールド基板右側にあるEND STOPS:X+,X-,Y+,Y-,Z+,Z-にマイクロスイッチなどを接続(±の記号は通常、X+:右方向のリミット、X-:左方向のリミット、Y+:奥、 Y-:手前、Z+:上、Z-:下)。接続方法はこのページ下部にあります。
リミットスイッチは原則的には通常オープンのほうの端子を使います。
追記:
リミットスイッチ端子はかなりノイズに弱いようなので、コンデンサーをつけるといいみたいです(その内容はこちら)。

CNCシールドV3.0(grbl0.8ではなくgrbl0.9や1.1に使う場合)のリミットスイッチについて:
grbl0.9からは、Z軸用リミットスイッチのピンとSpindle PWMのピンの位置が入れ替わったので、それに対応していないCNCシールドV3.0(grbl0.8用)を使うときは注意が必要です。CNCシールドV3.0の場合、まだSpindle PWM端子(可変制御)ではなく、Spindle Enable端子(ON/OFF制御)になっているはずです。つまり、CNCシールドV3.0でgrbl0.9や1.1を使う場合は、Z軸用リミットスイッチ(+と-の両方)をSpindle Enable端子に接続。そのかわりSpindle Enable(PWM端子として)は、Z+かZ-のどちらかへ接続。CNCシールドV3.0上のZ+とZ-は内部でパラレルにつながれているので、どちらにつないでもいいはずです。
*CNCシールドV3.0とV3.1以上(最新版V3.51)の違いについてはこちらへ

CNCシールド3.10以降であればgrbl0.9や1.1に対応しているので、ピンの配置はそのままのはずです。
CNCシールド上の各リミットスイッチ端子(2本ずつ)は、普段オープンな状態になっており、内部のプルアップ抵抗により一方の端子(内側の端子)がHIGH(5V)の状態になっています。リミットスイッチが押されるともう一本の外側のGND端子と接続されるためにLOW(0V)になり反応したということになるようです。
CNCシールドV3.0.2からは、リミットスイッチが押されたときにLOWになるかHIGHになるかを選択できる端子(END STOP HIGH/LOWの横にならんだ3本ピン)があります。デフォルトでは、3本ピンの左と真ん中にジャンパブロックを差し込む。逆の設定にしたい場合は、真ん中と右に差し込む。


ドライバ(A4988/DRV8825)の設定:
ドライバは、CNCシールドにただ差し込んで終わりというわけではなく、
・ヒートシンクをつける
・マイクロステッピング設定をする
・電流制限設定をする
ということが必要です(以下に説明)。

まずCNCシールドにドライバを差し込むときは、向きに注意しないといけません。
A4988なら、CNCシールド対してこの向き(上画像)。A4988上の可変抵抗器が下にくる感じです(この可変抵抗器もあとで使用するモーターに合わせて設定しなければいけません)。上画像のようにヒートシンクを各ドライバにつけたほうがいいでしょう。ヒートシンクなしだと1Aまで、ヒートシンクやクーリングファンできちんと冷却すれば2Aまで大丈夫らしいです。

また、DRV8825なら以下のような向き。A4988と違って可変抵抗器が上にくるように差し込みます。DRV8825はヒートシンクなしで1.5A、ヒートシンクありで2.5A。



実はドライバの裏側を見れば、どの端子が何なのか分かるのですが、始めて見たときは気づきにくいかもしれません。


マイクロステッピング設定方法:
ドライバを差し込むと見えなくなってしまいますが、ドライバのちょうど真下にジャンパーブロック(ジャンパーピン)を縦に3個差し込む端子MS1、MS2、MS3があります。以下の赤枠で囲んだ部分。
上画像の場合は、Z軸用ドライバの位置に白いジャンパーブロック(ジャンパーピン)が縦に2個差し込まれています。マイクロステップは以下の表を参考にすると1/8になります。X、Y、Aに関しても同様に所定の箇所へ必要数取り付けてください。

ジャンパーブロックの差し込む組み合わせによってマイクロステッピングをFull Step(1/1)、 Half Step(1/2)、1/4、1/8、1/16から選ぶことができます。Low:差し込まない、High:差し込む。
最高1/16までできるのがA4988(以下)。Pololuのサイトの書いてあります

MS1MS2MS3Microstep Resolution
LowLowLowFull step
HighLowLowHalf step
LowHighLowQuarter step
HighHighLowEighth step
HighHighHighSixteenth step
ジャンパーブロックを何も差し込まなければ、初期設定のLow/Low/Lowのフルステップになります。
つまりマイクロステッピングされないまま、1回転200ステップのモーターなら200ステップのまま。
3つさせば、200x16=3200で1回転で3200ステップのきめ細かさになります。細かくすればするほど動きは滑らかになって振動が減りますが、トルクが下がってしまうようです。

また、DRV8825なら1/32まで設定できます(とは言っても、1/32は使わないと思うけど)。
現状では、DRV8825でマイクロステッピング1/8に設定しています。
DRV8825についてのPololuサイト
MODE0MODE1MODE2Microstep Resolution
LowLowLowFull step
HighLowLowHalf step
LowHighLow1/4 step
HighHighLow1/8 step
LowLowHigh1/16 step
HighLowHigh1/32 step
LowHighHigh1/32 step
HighHighHigh1/32 step

電流制限設定:
ステップ数をあげるとより多くの電流が流れるため、モーターにとって過電流になりダメージを与えることがあります。そうならないように電流制限する機能がドライバについています。ドライバ基板上の可変抵抗器で調節可能です(電流というか電圧を調整するのですが)。以下、Pololuのセッティング動画。

まずマイクロステップ設定をフルステップの状態(ジャンパーブロックをなにも差し込まない)で、
モーターの許容電流値が1Aなら、
A4988の場合、
Current Limit=VREF x 2.5
モーターの許容電流が1A=VREF x 2.5なので、 VREF=0.4Vとなります。可変抵抗器を回して、0.4V以下になるように設定すればいいことになります。
その際テスターで電圧を計測します。ドライバ基板の右下のGND端子(以下のステッピングモーターとの配線画像を見るとGNDの位置が分かります)にテスターのマイナスプローブ、そしてテスターのプラスプローブを可変抵抗器の回す部分(もしくは可変抵抗器の3つ脚の真ん中の端子)に接続。ゆっくり可変抵抗器を回しながら、1Aのモーターなら0.4Vくらいになるようにします (下の画像のような2Aのモーターなら0.8V)。A4988の場合は、CNCシールドに差し込みパソコンにUSB接続で電源供給し調整できました。

追記(2017年以降):
PololuのA4988のサイトを見ると、従来の電流制限設定の計算式は
Current Limit=VREF x 2.5
でしたが、2017年以降のPololu製A4988ボードでは、センスレジスタが0.050Ωから0.068Ωへ改良されたために、計算式は

となったようです。
Rcsの部分が、センスレジスタの値(従来の0.050か2017年製の0.068か)であり、
従来の計算式にRcsを代入すれば、
Vref=8×Imax×0.050=Imax×0.4
となるので、結果的には、
Current Limit=VREF x 2.5(従来の計算式)
と同じ値になるというわけです。
新しい計算式は、Pololu製の2017年製のA4988ボードを使った場合適用されるので、中国製のA4988の場合は、おそらく従来の計算式のままで大丈夫だと思います。

DRV8825の場合、
Current Limit=VREF x 2.0
なので、1Aのモーターなら0.5V、2Aのモーターなら1.0Vになるように可変抵抗器を回します。
DRV8825の場合、パソコンとのUSB接続だけではダメで、CNCシールドの12-36Vに電源供給しないとできませんでした。

追記:
RepRapの電流制限のページを見ると、A4988やDRV8825ドライバーのチョッピング機能により上記のように電流制限すれば、例えばInventablesで売っている2.8AのNEMA23モーターも駆動可能。2.8Aの場合、A4988ならVREF=2.5/2.8=0.89V以下に可変抵抗器を設定すれば、最大トルクは得られないけれども大丈夫らしいです。Inventables NEMA23 2.8Aのページの質問(2013/DEC/10)で、GrblShield2.0Aでこのモーターは使えるのか?というのがあり、最大トルクは得られないけれども一応使えると書いてある。
関連:Shapeoko Wikiのドライバのページ


ステッピングモーターとの配線:
モーターによっては線の色が違う場合があるので、データシートなどでチェックして、どの色がどの線なのか確認したほうがいいと思います。また、ステッピングモーターには4線、6線、8線などあります。PololuのFaqにそれぞれの接続の仕方が書いてあります。
以下は、今使っているモーター(2相ユニポーラ6線)です。
定格3.6V/2.0A、3.6V与えると2.0A電流が流れるということなので、ドライバDRV8825で2Aの電流制限をしたということは3.6Vで駆動することになります。
上の図面で、右下に見える配線図にどの線が何色かが書いてあります。
これを見ながらA4988の場合なら、以下の配線になります。
モーターは右側の端子、2B、2A、1A、1Bの4本に接続されています。ということは、先ほどのモーターの図面を参照すると、
2B-BLK(黒)
2A-GRN(緑)
1A-RED(赤)
1B-BLU(青)
という対応になります。CNCシールドの各ドライバの右側に4つのピンが縦についており、そのまま上から、黒、緑、赤、青という配線でこのモーターの場合つなぎます。
モーターのYEL(黄)とWHT(白)は未接続で構いません。

DRV8825の場合は以下。
B2-BLK(黒)
B1-GRN(緑)
A1-RED(赤)
A2-BLU(青)
となります。
A4988とピンの番号が微妙に違うので、間違わないようにしてください(上からの順番は同じ)。
それと、モーターの線の色については、そのモーターのデータシートを探し出して確認したほうがいいと思います。ドライバA4988/DRV8825のピンに関しては、裏返すとシルクで書いてあるので、ドライバの差し込む向きを確認する場合やモーターと接続する場合、どの端子なのか実際に見て確認できます。
CNCシールドのモーター接続のピンは、ドライバのピンをそのまま右へ平行移動した4つのピンになっているはずです。

という感じで準備は整っているのですが、肝心のジャンパーブロックがまだない。CNCマシンの配線作業する段階になったときに、秋葉原に行ってケーブル、コネクター類といっしょに手に入れようと思ってます。


基本的な配線の仕方(CNCシールドV3.5の場合):
*CNCシールドV3.0の場合は、SpnEn端子とZ軸リミットスイッチ端子を入れ替えて接続(詳細はこちらへ
左下の青い端子にステッピングモーター用の電源、そして各軸ステッピングモーター、各軸リミットスイッチ、可変出力可能なTTL端子つきのスピンドル用モータードライバ(あるいはレーザー用ドライバ)を接続。下画像には、ステッピングモータードライバは搭載されていないので、A4988やDRV8825をマウントして下さい。

この画像の場合、Y軸に2個のモーターを使う設定なので、4つのステッピングモータードライバを搭載します。右下のステッピングモータードライバ用の端子(A端子)がY軸用のクローンです。その設定のため、左側に緑色の枠で示したジャンパブロックを2個(Y軸用)を差し込みます(写真上のX軸用の黒いジャンパーブロック2個は差し込まない)。3個しかモーターを使わないのであれば、A端子そして左側のクローン用のジャンパブロックも不要です。
*ステッピングモーターの各線の色はモーターによって違う場合があるので注意して下さい。

各軸ドライバ用端子の間(電解コンデンサの下)には、写真上ではマイクロステップ設定用のジャンパブロックが縦に3個ずつ差し込んでありますが、マイクロステップをいくつに設定するかは、前述してある内容を確認して必要数差し込んで下さい。

リミットスイッチは、XYZ軸に2個ずつあるため12本の線が必要ですが、各軸+と-は回路内で並列つなぎになっているため、配線をまとめてしまえば4本で済みます(黒い端子はGNDなので、6本ある線を1本にまとめ、各軸ごとの赤い線は1本ずつ合計3本にまとめることができます)。もし長い距離を配線しなければいけないときは、途中でまとめてしまったほうがいいかもしれません。

スピンドル用のドライバ(TTL端子)をSpnEn(pwm)に接続することで、Gコードでスピンドルの出力調整が可能になりますが、スピンドルを手動制御するなら接続する必要はありません。

このほか、プローブ機能、非常停止(デジタルブレーカー)など、いくつか端子は余っていますが、最低限これだけをつなげば動かすことはできます。動作確認後、あとからそのような機能を追加配線していってもいいと思います。ステッピングモーターの回転方向やスピード(フィード)は、ソフトで設定可能です。
このCNCシールドの真下にくるArduinoボード自体は、通常パソコンとUSB接続されるために、USB経由でDC5Vが供給されます。もし、ワイヤレスなどスタンドアロンで動かす場合は、Arduinoボードに電力を供給する電源が別途必要になります。


電源について:
ステッピングモーターは前述してあるNEMA23(3.6V/2.0A)を4個使用しており、現在DC24V/7Aのスイッチング電源(AC100V用)に接続しています。
ShapeOko Wikiには電源について書いてあり、NEMA17クラス4個であれば100から120W程度、NEMA23クラス4個であれば150〜200W。
参考までに、ShapeOko3ではNEMA23クラス4個使用に対して、24V/5Aの電源を用いているようです。最近のX-CARVEでは、NEMA23クラス(140oz-in)4個に対して24V/17A。

2016年4月10日日曜日

CNCマシン:製作開始

さて何からつくろうかな?(部品選定や設計内容についての記事はこれ以前にあります。)
Z軸からつくりたいけど、まだアルミ板が届いていないのでできません。構造フレームとなるアルミC型チャンネルを切断してもいいのですが、できればCNCマシンの上のほう(Z軸)からつくっていったほうが、寸法のしわよせを吸収できるので、構造フレームも後回し。ほとんどのアルミ部材が5mm厚です。場合によっては、全体的に5mm(アルミ1枚分)大きくなったりすることもあるので、小さいところからつくったほうがよさそう。
手持ちの材料で75x50x5mmのアルミLアングルがかなり余っているので、要所要所でつかっていこうと思ってます。短く切ってL型のジョイント部材につかったり、モーターマウントにつかったりと。

まずは、ステッピングモーターのマウントからつくりましょう。合計4つあります。それぞれマウントの寸法が違うのですが、基本的には75x50x5mmのアルミLアングルをつかうことになっています。

NEMA23のステッピングモーターは、インチサイズのためか寸法がミリ単位だと中途半端です。


四隅の穴がM5サイズで間隔が47.14mm、外形が56.4mm角。
モーターがのるように、Lアングルを60mm幅でカットしてみることに。

卓上マルノコでカットしたのですが、5mmもあるためものすごい量のアルミの細かい削りカスが飛び散りました。きれいにカットはできるのですが、刃にアルミがこびりつくので、切削用オイルとかつかったほうがいいですね。いちおう注文はしてあるけど、それもまだ届いてないです。


とりあえず一個だけカットしてみました。
残りは切削用オイルが届いてからにしよう。マルノコの刃を金属ブラシできれいにしておきました。けっこうアルミが刃についてました。
こんな感じのマルノコです。


スライドはしないのですが120mm厚まで切れます。音はうるさいですが、前回購入したスピードコントローラでパワーを半分くらいに落としているので、すこしましかと。

あとは、モーターに合わせて穴を開けていきます。M5用の貫通穴ですが、いちおう径5.5mmであけて、多少位置調整きくようにしておきます。モーターの軸まわりには径38.1mmで一段高くなっている部分があるので、この部分もホールソーかなんかであけないといけません。これがめんどう。

製作には、このほかボール盤があれば、だいたい充分かと。特殊な道具は超低頭ボルト用のドリルビットやネジを切るタップくらいでしょうか。

製作用機材/工具:
・卓上マルノコ(アルミ切断用)
  ・クランプ(卓上マルノコ切断時の材料固定用、深さ140mm程度)
  ・切削用オイル
  ・スピードコントローラ(あると便利かと)
・ボール盤(各種穴あけ)
  ・超低頭ボルト用段付きドリルビット(大径9.5mm/小径5.5mm)
  ・ドリルビット径6.5mm(M6用貫通穴用)
  ・ドリルビット径5.5mm(M5用貫通穴用)
  ・ドリルビット径4.2mm(M5タッピング下穴用)
  ・ドリルビット2.5mm(マイクロスイッチM2貫通穴用)
  ・ドリルビット1.75mm(M2タッピング下穴用)
  ・ホールソー/自由錐などサイズ調整可能なサークルカッター
・M2とM5タップ
・六角レンチ
・ペンチ、スパナ類
・定規、スコヤなど

こんなものでしょうか。ほとんど既製品の部品を組み立てるだけなので、あまり道具は必要ないかんじです。軸加工などするなら旋盤も必要ですが、今回の場合はもうすでに加工済みなので必要ありません。


作業の続き:
モーターマウントのためにカットしたLアングルに穴あけ。まだキャップスクリューが届いてないので、普通のネジで仮止め。

四隅にあるM5用の穴(径5.5mm)はいいのですが、真ん中に大きくあいている穴(直径39mm)をあけるのが大変。そんなに大きいホールソーは持っていないので、半径調節可能なサークルカッターを使いました。こんなかんじのものです(以下)。

少しずつしか削れないので、けっこう時間かかります。無理に押し付けると刃がくい込んで止まってしまいます。音もうるさいし、削りカスもすごい飛び散る。それと摩擦でかなり熱くなるので、革手袋したほうがいいと思います。これも切削用オイルがあったほうがいい。

レーザーモジュール購入:
そういえば、$150の5WレーザーモジュールはAliExpressで買ってしまいました(17,302円/航空便送料込)。元々予算が1〜2万円くらいだったので、また消えてなくなる前に買っておこうかと。他のショップだと$200~300くらいするので安いほうだと思います。これで、ほぼ予定とおりの部品類が揃った感じです。レーザーも入れて合計で78,509円。ルーター(トリマ)や12V安定化電源はこれに含まれていませんが、もし同等のものを新品で購入すれば、合計で10万円いかないくらいでしょう。

最初はSmart Laser Mini(1.6Wレーザー、A4サイズ)を約6万円で購入しようと思っていましたが、今回作業エリアA1サイズ以上、ルーター機能追加(構造剛性強化)、レーザー出力を5Wにアップ(Smart Laser Mini買って5Wレーザーを追加すれば77,000円くらい)、ということでこの値段なら充分だと思います。実は、ちょっと前にヤフオクで使わなくなった腕時計を10万円ほどで売ることができたので、それを予算上限にしていました。その腕時計とCNCマシンと交換したようなものです。

CNCマシンが必要な理由:
レーザーを使いたいのは、元々洋服をつくるためであり、レーザーで切ってもこげにくいフェルトや化学繊維の布地を使って、手では切りにくい複雑精緻な模様や洋服のパターンそのものをつくろうとしています。ここ最近は、CNCマシンのことばかりで、洋服のほうは制作が一時ストップしている感じです。ただ、すこしずつCNCマシンの特性が見えてくると、洋服のデザインにおいても、こんなことができるかもしれないという感じでアイデアも同時に湧いてきます。

ルーターのほうは、家具のようなものをつくろうとしており、こっちも少しやってはいるのですが、CNCマシンのために一旦ストップしています。いままではマルノコやジグソーで切断していたのですが(ジグソーでカットした作業途中の材料がまだ放置してある)、これもまた複雑なかたちの場合、けっこう手間がかかる。バンドソーを購入しようかとも思っていたのですが、この際CNCマシンにしてしまおうということになりました。

3Dプリンターのほうは、まだ保留というかんじです。知り合いにも3Dプリンターでアクセサリーとか小物をつくっている人がいて、けっこうきれいな作品として仕上がっています。おそらく洋服の装飾部分やアクセサリーのようなものをつくりたいとは思いますが、まだアイデアがまとまっていないので、そのうちアイデアのかたちが見えてくれば3Dプリンターにも手を出したいと思っています。3Dプリンター自体をつくることも楽しいので。

次の工程:X軸の制作

2016年4月4日月曜日

CNCマシン:ステッピングモーター到着

先ほど、ステッピングモーター(4個)到着しました。6日で届いたということになります。
いちおうDHLで送ってきました。
梱包もちゃんとしてます。これは、57BYGH420というNEMA23クラスのステッピングモーターで、3.2V、2A、静止トルク9kgcm。自作CNCでは比較的よく使われているものだと思います。NEMA23にしてはアンペア数が2Aと低めで扱いやすく(ドライバA4988でも使える)、NEMA17に比べれば、1.5〜2倍くらいトルクの強いモーターです。アプリ割引やセール割引もあったので、4つで9120円(DHL送料込み)。ひとつ2280円ということになります。いまAliExpressを見てみたら、9549円(中国航空便送料込み)で、DHLにすると10760円となっていました。少し得した感じ。
はじめ3個セット販売している店で4個セットにして売ってもらうほうが安いかなと頼んでみたけど、結局単品で売っている店で4個買った方が安くなった。送料は4個だからといって、4倍になるわけではないので、しかも期間限定割引もあったので、セット販売の店より1000円近く安くなった。
日本でこのくらいのNEMA23を買えばひとつ4000円くらいはするので、半額近い値段だと思います。

あとで、時間があるときにCNCシールドにつないでGrbl Controllerで試運転してみたいと思います。

このほか、ボールスクリュー+ガイドレールセット、スピンドルホルダー、DVR8825、レーザーゴーグルなどいろいろ注文してあるのですが、同じ日に注文したのにも関わらず、メインの部品となるボールスクリュー+ガイドレールセットだけが、いまだに発送待ち。いちおうFedDex IEなんだけど、発送にまわすまでが意外と時間かかる。
この調子でどんどん届けばいいのだけれども、やっぱり遅い。ボールスクリュー+ガイドレールセットの注文履歴を見ると、もともとは7営業日以内に発送となっているのに、今日みてもあと6日以内に発送となっている。勝手に発送締め切り日伸ばすなよ。

ちなみにアルミフレーム30150の安いとこAliExpressで見つけた。以下。
サイズ30150が6048円/m(EMS送料込)。使うならここにしよう。このショップでは、いろんな種類のアルミフレームを取り扱っている。

2016年4月2日土曜日

CNCマシン:分解能について

今回の部品を分解能的に見ると。

・ステッピングモーターNEMA23:1回転200ステップ、1ステップ1.8度
・モータードライバDRV8825:マイクロステップ駆動1、1/2、1/4、1/8、1/16、1/32選択可
・ボールネジ:1回転5mm

マックスの分解能は、DRV8825のマイクロステップ設定を1/32に設定した場合、
ステッピングモーター1回転:200×32=6400ステップ
つまり6400ステップでボールネジ上を5mm移動することになる。
そうすると1ステップで、5/6400=0.00078125mm進むことになり、これが一番細かい解像度となる。理論上1/1000ミリ以下。
1280step/mm

ただ、単純に分解能をマックスまであげればいいというわけでもないみたい。その分トルクが下がるらしい。Shapeokoではマイクロステップは1/8がいいと言っている。

仮に1/8なら、
ステッピングモーター1回転:200×8=1600ステップ
1600ステップで5mm進む
5/1600=0.003125mm
なので、これでも1/100ミリ以下の精度。
320step/mm。

これらの数値はパソコン上でつかうGcode Senderソフトに初期設定として入力する必要がある。
Gcode Sender自体が、1/16までしか対応してないものもあったはず。実際に1/16と1/8を比較して、1/8でも充分きれいに削れるなら1/8でいいと思う。1/8だとしても、解像度的には8128dpiもある計算になる。Shapeokoだと40step/mmくらいらしい。1016dpi。たしかにこのくらいでも大丈夫そう。そうすると、マイクロステップを1/2にしてもいいのかも。ただ、その分振動が大きくなるし、音もうるさくなるかも。ステッピングモーター独特のパルス音がどのくらいうるさいかも気になる。
いずれにしても、ステッピングモータードライバDRV8825上にジャンパーピンを差し込むことで、マイクロステップ数1〜1/32までを簡単に変えられる。あとはGcode Senderの初期設定値をそれに変えるだけ。
もうひとつパラメータがあるとすれば、5000〜6000円のスピードコントローラーを買い足して、それを介してトリマーのスピード調節するという感じ。切削する材料にちょうどいいスピードを試し切りしてみて、それから本格的な作業をすればいいと思う。

2016年3月25日金曜日

ステッピングモータとドライバの選定

CNCミリングマシンとなると、実際に固い素材にスピンドルの刃が当たって削っていくことからも、トルクの高いステッピングモーターのほうがいい。しかし、トルクの高いモーターだとアンペア数も高くなるために、ドライバの許容アンペア数を超えてしまうので、それぞれの比較をすることに。
候補としては最新のCNC Shield V3.10(追記:現在の最新版はV3.51)を使いたいところではあるが、中国製のCNC Shield V3.0になるとかなり安いので、とりあえずはV3.0で(とは言っても純正のV3.10もそれほど高価ではないので後々V3.10へ)。
開発しているProtoneerによると、公表しているCNC Shieldのガーバーファイル(回路設計図)を中国の製造業者が何の断りもなしにコピーしCNCシールドを格安販売していることに怒っているようで、今後(V3.10以降)はガーバーファイルは公表しないと言っている。
CNCミリングマシンの仕様は、X-CARVE(もしくはShapeoko2か3)を参考に。

*ここではCNCシールドを使う前提なので、そうなるとおのずとPololuのA4988DRV8825となってしまいます。DRV8825のほうが2.5Aまで大丈夫なので、ステッピングモーターは2.5A以下のものを選ぶという順番で考えています。もしCNCシールドを使わず、Arduinoボードにステッピングモータードライバを直接配線するのであれば、アンペア数の高い他のドライバを選ぶことで、モーターもより強力なものを使うことも可能になります。

ステッピングモータードライバ:
CNC Shield V3.0+A4988:2A
・CNC Shield V3.0+DRV8825:2.5A
gShield(DRC8818):2.5A(Shapeoko3、X-CARVEで用いられている)
L6470:3A(ピーク7A)
・TB6600:4.5A(高出力なら以下。Amazonでも購入可。850円)


AliExpressだと以下(666円)。
AliExpress.com Product - 42/57/86 TB6600 stepper motor driver 32 segments upgraded version 4.0A 42VDC
注意:コメント頂いたanoseさんによると、上記(AliExpressで販売)の商品は、TB6600のかわりにTB67S109AFT(内部のドライバIC)が入っているらしいです。この中国製ドライバユニットはAliExpressの他のショップでも販売しているため、注文の際には本当にTB6600が入っているかどうか確認したほうがよさそうです。

シールド上のドライバにはヒートシンクが必要。クーリングファンも付けようと思う。
X-CARVEを見てみると、gShieldでNEMA23のステッピングモーターもつかっている。gShieldはXYZ用の3つのドライバ(DRC8818)を装備、しかもY軸方向のひとつのドライバにパラレルでモーター2個を付けても大丈夫らしい。
CNC Shield V3.0の場合はドライバを4つ(XYZ+A)装備可能で、Aの箇所がXYZのコピーもしくは単体独立でも使える仕様となっている。

この段階では、
「CNC Shield V3.0+DRV8825(2.5A)」を使おうと思う。
アマゾンではドライバ5個セットで以下のような感じ(1099円)。


これも中国製だろうから、直接AliExpressで買ったほうが安いかもしれない。

やっぱり安い。とりあえずこれでいいかも。


ステッピングモーター:
次は、ステッピングモーターについてだけれども。X軸1個、Y軸2個、Z軸1個の合計4個必要。
トルクから言えば、NEMA23にしたいけれども、NEMA17のトルク高めのでも大丈夫かと。NEMAというのは規格であって、ステッピングモーターの場合NEMA23やNEMA17というように数字が大きいほど強力。

RepRapのNEMA17リストで見ると、
NEMA17クラスで、トルク65N・cm=6.62805kgf・cmが最高。

NEMA17と23の違いは以下のような感じ。
・NEMA17
   外形42mm角、軸径5mm、重量350g前後、価格2000円前後
・NEMA23
   外形57mm角、軸径6.35mm、重量1000g前後、価格4000円前後

X-CARVEでは、オプションで以下のNEMA17かNEMA23を選択できる(Shapeoko3ではNEMA23のみが標準装備)。
NEMA17 60 oz-in(4個で$80)  1.68A 2.8V (部品買い一個$16.94:なぜか安い??)
NEMA23 140 oz-in(4個で$150)  2.8A 2.3V (部品買い一個$39)

このトルクを参考にすると(トルク自動換算してみると)、
NEMA17: 60 oz-in = 0.42375 N・m = 4.32 kgf・cm
NEMA23: 140 oz-in = 0.98875 N・m = 10.08 kgf・cm

同様なものを他で探すと(以下)。

NEMA17(4.32 kgf・cm以上)相当のステッピングモーター:
秋月:ST-42BYH1004  4.4 kgf・cm、1A、5V、ステップ数400、1900円
千石:42BYGHM809  4.48668kgf・cm、1.7A、3V、ステップ数400(Sparkfun製)、2800円
マルツ:42BYGH47-401A  5.5kgf・cm(Seeed製、以下と同様/納期3~4週間)、1910円
Seeed:42BYGH47-401A  5.5kgf・cm、1.5A、24V、ステップ数200、$14.50
Digikey:42BYGH47-401A  (同上)、1761円
AliExpress:42BYGHW811  4.89456kgf・cm、2.5A、3.1V、ステップ数200、6658円(5個/送料込)1332円/個
AliExpress:17HS8401  5.3kgf・cm、1.8A、不明V、ステップ数200、1590円(送料無料)
AliExpress:17HS4218  6.628kgf・cm、1.8A、不明V、ステップ数200、2267円(送料無料)
AliExpress:42HS6315A4  7.65kgf・cm、1.5A、不明V、ステップ数200、5358円(2個/送料込)2679円/個(単体で買うと3030円

NEMA17クラスだと以上のような感じ。結構高トルクもあるので、NEMA23にしなくてもよさそう。NEMA23だとドライバの許容アンペア数を超えてしまうこともあるため。
追記:
A4988は2Aまでだけれども、電流制限設定を行うことで、2.8Aのモーターでも動かすことはできるらしい。ただし、2.8Aを2.0Aに制限してしまうので、本来のトルクも下がってしまう(ドライバのまとめはこちら)。


そして以下がNEMA23。

NEMA23相当のステッピングモーター:
秋月:ST-57BYG076  13kgf・cm、0.6A、12V、ステップ数200、4000円
千石:57BYGH420   9.17kgf・cm、2A、3V、ステップ数200(Sparkfun製)、3980円
Wantai:57BYGH420  9kgf・cm、2A、3.6V、ステップ数200、3個7452円(送料込)、Shapeoko標準装備品(1個あたり2484円)
AliExpress.com Product - Best Selling! 6-lead Nema 23 stepper motor 57BYGH420 127oz-in 56mm 2A CE ROHS ISO CNC Mill Laser Engraving この↑NEMA23は2Aで比較的扱いやすい(2462円送料込み)。


まとめ:
NEMA17で、5kgf・cm(0.49N・m、70oz・in)前後、1.5A前後という感じでしょうか。
NEMA23で、10kgf・cm(0.98N・m、140oz・in)前後、2〜3A前後。NEMA23で2A以下のものは少ない。たしかにNEMA23だと力強く、ワンランク上という感じです。Shapeoko標準装備のWantai製NEMA23なら使えそうです。57BYGH420単品購入なら2822円。重さ800g。
*ステッピングモーターの配線についてはこちらのページ後半に書いてあります。

ちなみにY軸にはステッピングモーターを2個つける予定なので、その分強くなるはず。X軸は1個のステッピングモーターで駆動するので、X軸にはそこそこ高トルクのものが必要かもしれません。Z軸は台形ネジを使うかもしれないので、高トルクは必要ないかもしれません。
よって、X軸においては高トルク優先で。ということで以下のような感じ。

オールNEMA17なら、
X軸(1個):AliExpress:42HS6315A4  7.65kgf・cm(3030円)
Y軸(2個):AliExpress:17HS8401  5.3kgf・cm(1590円×2個=3180円)
Z軸(1個):AliExpress:17HS8401  5.3kgf・cm(1590円)
合計4個で7800円。

もしくは、NEMA23(3個セット買い)も入れて、
X軸(1個):Wantai:57BYGH420  9kgf・cm(XY軸3個セットで7452円)
Y軸(2個):Wantai:57BYGH420
Z軸(1個):AliExpress:17HS8401  5.3kgf・cm(1590円)
合計4個で9042円。

オールNEMA17でコンパクトに行こうかと思ったけど、XY軸はやっぱりNEMA23のほうがいいかな。と、だんだんスペックが高くなってしまう。

Z軸に関しては、以下のようなLead screw付きのステッピングモーターでもいいかもしれない。
これ↑は、M8棒ネジがついているタイプ。
モーターとしてはNEMA17クラスであり、
42HD4027-04、トルク4.0kgf・cm、1.5A、3.3V、ステップ数200、2942円(送料込)
棒ネジ部分:M8、ピッチ8mm、300mm長
この場合だとXY軸のモーター含め、オールNEMA17なら合計9152円となる。
NEMA23との組み合わせなら10394円。

しかし、以下のようなものもある。
AliExpress.com Product - SWMAKER Shapeoko 2 CNC machine nema 17 Z axis assemble kit(no motor) M8*1.25 delrin nut9040円(送料込)
モーターはついていないけど、Shapeoko2の部品で、ここまで出来上がっているキット。
モーターは先ほどの、AliExpress:17HS8401  5.3kgf・cm(1590円)でも使えばいい。
Z軸をつくるのが面倒であれば、これでもいいかも。

そうなると先ほどの、
X軸(1個):AliExpress:42HS6315A4  7.65kgf・cm(3030円)
Y軸(2個):AliExpress:17HS8401  5.3kgf・cm(1590円×2個=3180円)
Z軸(1個):AliExpress:17HS8401  5.3kgf・cm(1590円)
合計4個で7800円、それにこのキット9040円をプラスして、16840円。
もしくは、
X軸(1個):Wantai:57BYGH420  9kgf・cm(XY軸3個セットで7452円)
Y軸(2個):Wantai:57BYGH420
Z軸(1個):AliExpress:17HS8401  5.3kgf・cm(1590円)
との組み合わせで、合計18082円。

Z軸のスライド機構も含めて、この値段であればまあまあいいかもしれない。

ただ、このキットだと棒ネジは普通のM8っぽいので、どのくらいバックラッシュがあるかが疑問。
ということで「Shapeoko2」の組み立てマニュアルをチェック。
Z軸については、この章に組み立て方が書いてある。
上の組立図内の②が棒ネジを通す部品「13x35x20mm Derlin Lead Nut」。
AliExpressではこの部品「Openbuilds OX Shapeoko CNC Z axis parts Delrin Nut TR8*8(P2) metric 8 mm ACME block nut block POM material」も売っている。バックラッシュしにくいのだろうけど、この手の部品は需要があるのか高い。
棒ネジはM8、ピッチ1.25mmらしい(まあ普通の棒ネジ)。
*POMとは、ポリアセタールと言われる樹脂で耐摩耗性が高く軸受けや樹脂製のギヤなどにも用いられている素材らしい。

しかし、こうなると「Shapeoko2」をつくっているような感じ。ただ気になるのは「Shapeoko3」では、Z軸の仕組みがLead screwを使わず、タイミングベルトで昇降しているということ。なぜそうなったのかは分からないけど、たしかにShapeoko3のほうがシンプルかもしれない。精度が下がりそうだけれど、マシンがバージョンアップしているのに、あえてタイミングベルトにしてあるのだから、それほど精度に関しては問題ないのかもしれない。
ちなみに「X-CARVE」では、Leadscrewを使っている。普通のM8棒ネジ($11)かAcme棒ネジ($30)のオプションがある。
ネジ山の種類には、三角ネジ、角ネジ、台形ネジがあるらしい。普通のM8などのネジはメートル法の60度の三角ネジだけれども、Acme(アクメ)ネジは29度のインチ台形ネジ。一般的なM8でピッチ1.25mm、このAcmeネジは径3/8インチ(9.525mm)、ピッチ1/16インチ(1.5875mm)。

このAcme棒ネジ部品自体、加工には旋盤が必要な上に材質がステンレスであるから固くて大変そう。
「Shapeoko3」は、このような外注しなければ加工できないような部品をあえて使っていないのはDIYらしさがあっていいのかもしれない。精度を上げようとすれば、より専門的な部品や加工が必要になるけれども、そうするだけ敷居が高くなってしまう。やはりいかにシンプルにつくるかということも大事かもしれない。故障やトラブルの際にも自力で解決できるような構造のほうが望ましいであろう。
ということで、Z軸に関しては、上記のどれかになるだろうけど、もう少し検討することに。
しかしながら、ドライバ、ステッピングモーターに関しては、選択肢をかなり絞ることができた。上記のどれかになるだろう。

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