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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。


ラベル ボールスクリュー の投稿を表示しています。 すべての投稿を表示
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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20日水曜日

ボールネジの種類や仕組み

今回使っている送り機構としてのボールスクリュー(ボールネジ)には、いくつか種類や仕組みの違いがあるようです。ミスミの「エンジニアのための技術講座」に書いてありました。

ボールネジの種類や仕組み

鋼球の循環方式解説
(1)エンドキャップ方式ナット内壁の鋼球循環穴と両端に組付けるエンドキャップで循環させる構造で、高速駆動に強い
(2)フロップオーバー方式(こま方式)「こま」をナット外筒に埋め込み、1リード毎にねじ軸のランド部を乗り越えて鋼球をもとの溝に戻し循環させる方式、コンパクト化に適す
(3)リターンチューブ方式鋼球循環用に成形した鋼管(リターンチューブ)をナット外周から組付けた構造で、組立が容易で量産に適していますがサイズが大きくなる
(4)ガイドプレート方式リターンチューブの替わりに同じ機能のガイドプレートやディフレクタを採用した構造で、コンパクト化に適している



上図はボールスクリュー上のナットについてですが、内部でベアリングが循環しているのはなんとなく知ってはいましたが、こんな感じになっているんですね。内部のベアリングボールがボールスクリューの溝を転がりながら進んでいて、行き止まりにならないように、また最初の位置に戻って来れるような道がついています。
ナットをボールスクリューから外してしまうと、バラバラとベアリングが出て来てしまって、再度入れ直すのは大変そうです。


今回購入したボールスクリューは「こま方式」のものだと思います。画像にあるような「こま部品」がついていました。この部分で一周回ってきたベアリングボールがまた元に戻るという仕組みになっているんですね。たしかによくできてる。


ボールネジの精度と等級
それからボールネジの精度や等級についての説明もありました。
JISだとC0、C1、C3、C5、C7、C10の6等級あるようです。C0〜C5が精密ボールネジ、C7〜C10が一般ボールネジで、C0が一番精度あるということです。
今回使っているのは、たしかC7の一般ボールネジだと思います。おそらく精密ボールネジクラスになると、値段も一気にあがりそうです。今後ボールネジを見たときに、この等級を参考にしてみるといいかもしれません。

ちなみにAliExpressだと、以下のようなC7クラスのボールネジが安く売っています。
AliExpress.com Product - 16mm Ballscrew 1605 C7 SFU1605 Rolled ball screw L=500mm with single ball nut for CNC part BK/BF12 end processing径16mm、500mm長、リード5mm、4,538円(送料込み)図面を送れば固有の両端加工もしてくれるようです。
ホビー程度ならC7クラスでも充分だと思います。当然台形ネジよりもずっと精度はでるはずです。国内(ミスミなど)でC5の精密ボールネジを購入するなら、最低でも5万円以上はすると思います。確かに、ボールネジの部分は加工精度に大きく影響してきますが、それと同様に躯体そのものも相当剛性がなければ意味のないものとなってしまうので、業務用レベルの加工精度を必要としないかぎりは、そこまで精度をあげなくてもよさそうです。

さらには、AliExpressには以下のようなCNCマシン用のボールネジセットも売っています。
AliExpress.com Product - 3sets Linear Rails SBR16 +3 ballscrews 1605+3 bearing mount BK/BF12 +3 couplersXYZ軸用のボールネジ、両端ベアリング、スライド機構含めて、33,022円(FedEx送料込み)国内C5精密ボールネジ1本以下の値段で、このようなセットも購入できます。

ボールネジの与圧
与圧によってボールネジのバックラッシュ低減や剛性の増大をさせているらしいです。あそびを設けるというよりも、逆に圧力かけているみたいですね。今回のボールネジナットにも小さなイモネジが2カ所ついており、そこを締めてみるとたしかに動きがきつくなります。これは与圧調整用ということなのかも。
用語解説
定位置予圧ねじ軸と鋼球の位置関係で予圧を与える方式
オーバーサイズボール方式ねじ溝の形状より僅かに大きな径(弾性変形程度)の鋼球を挿入して、常に力がかかった状態にする方式
リードシフト方式ナットの中央部でかけたい予圧量分だけリードをずらして溝加工し予圧を与える方式
間座方式2個のダブルナット構造の間に、予圧量分だけスペーサ(間座)をはさんで固定させた方式
定圧予圧ばね力を用いて予圧を与える方式


まあ、ここまで本格的な精密さは求めてはいないのですが、仕組みが分かることでメンテナンスやトラブルの際の対処方法も見えてきます。


ボールネジへの給油(参照こちら
潤滑剤
用途
商品名
メーカ名
点検および補給
グリース
一般用アルバニアグリースS2昭和シェルグリースの汚れ、切粉の混入を2~3ヶ月間隔で点検する。
古いグリースを拭き取った後に補給する。特に異常がない場合も1年程度で交換する。
モービラックス No.2モービル石油
ダフニーコロネックスグリース No.2出光興産
低温用
マルテンプ PS No.2協同油脂
高温用
マルテンプ LRL協同油脂
オイル
一般用
ダフニーメカニックオイル出光興産油量、汚れを1週間ごとに点検する。
点検ごとに補給すること。
モービルバクトラオイルヘビーモービル石油


シェル アルバニアグリース HDX
昭和シェル石油
販売価格 ¥842

2016年4月8日金曜日

CNCマシン:部品到着

さきほどメインの部品となるXYZ軸ボールスクリュー+レールセット($325.51/FedEx IE送料込み)が届きました。セール中だったのとアプリ割引価格なので、少し安く買えました。

セット内容:(X軸900mm、Y軸1100mm、Z軸350mm)
XYZ軸ボールスクリュー+ナット+ナット用ブロック+両端ベアリングユニット+カップリング
XYZ軸ガイドレール+スライダーブロック(4個ずつ、計12個)
追加部品:(Y軸1100mm)
Y軸ボールスクリュー+ナット+ナット用ブロック+両端ベアリングユニット+カップリング

Y軸は2本でモータードライブするので、もう一式Y軸用の追加部品も入っているはずです。
一番長いのがY軸1100mmなので、この荷物も大体そのくらいの大きさです。FedEx IE(エコノミー)で注文日から10日後に着いたということです。一応トラッキングでも今日届くことにはなっていたので予定通り。

こんな感じで2個に分けて送られてきました。グリーンシートで覆われて(日本でいうブルーシートのような素材)、さらにその上から透明テープでぐるぐる巻きされています。きれいとはいえないけど、けっこう念入りに梱包されています。税関で中身チェックのために開けられることもありますが、開けるのが大変そうなくらいテープで巻かれています。
手前の不定形な方がやたらと重い。きっとレールが入っているのでしょう。


どうやって開けようかと思ったのですが、端からカッターでグリーンのシートを切り裂くことにしました。そうすると、なんか変な枯れ葉っぽいものがでてきたので、なんだこれ?と思ったら、レールが縄でぐるぐる巻きになっていました。今時、縄か?(中国らしい)と思ったけど、案外いい梱包材かもしれません(バカにしてはいけない)。となりには細長い段ボール箱の中に、ベアリングユニットやスライダーブロックの小さい箱が2列になってぎっしり詰め込んでありました。とりあえず縄をカッターで切って、レールを取り出しました。長いレールは1100mmあって、重さを計ってみたら1本2.56kgありました。合計でこの箱だけでも10kg以上あったかもしれません。


こちらは↑もうひとつの箱。ボールスクリュー4本(XYZ軸3本+追加Y軸1本)入っていました。スカスカに発泡梱包材が入っている感じ。とりあえず無事届きましたが、注文した部品が全部入っているか、寸法も大丈夫かチェックしました。ざっと見た感じ大丈夫そうです。


レールのほうは↑、スチール製の丸棒がアルミの台座に裏側からネジで留めてある仕組みになっており、台座は寸法通りでしたが、丸棒のほうが1mm前後長い感じです。おそらく別々に切って、あとで組み立てるんだと思いますが、丸棒をカットする人は少し雑な作業だったようです。


上の写真をよく見ると分かると思うのですが、ベース部分はきっちりそろえてあるにもかかわらずレール(丸棒)の部分の長さが微妙に違っています。

でも、設計上あまり問題にはならないので大丈夫だと思います。スチール製なので切りにくいですが、最悪グラインダーで削り取ることもできます。



これ↑が、ボールスクリューのモーター側の端部です。このように、径16mmのスクリュー部分から、ベアリングを通すために一旦径12mmに落とされ、さらにM12のネジ山がきってあり(ベアリングに固定するため)、最後は径10mmのところがカップリングに差し込まれます。


ボールスクリューをベアリングユニットに差し込むと上画像のような感じ。径12mmの部分がけっこうぴったりで、差し込むのに苦労しました。木片で反対から叩き込んで入れました。手ではもう抜けない。黒い四角いM12ナットで固定し、それからカップリングを入れるということです。

ボールスクリューをベアリングユニットに差しこんだときの寸法が気になっていたので、Z軸を簡単に組み立ててチェックしてみました。以下。


上の画像のように組んでみました。実際はこれらが350x150x5mmのアルミ板に固定されますが、いまは机の上に直置き。左側にステッピングモーターと接続するカップリングもセットには含まれており、赤とか青の樹脂が入っているカップリングよりは、このタイプ(全体がアルミ製で溝が切り込まれている)でよかったです。以下。

Z軸のレールとボールスクリューの全長は350mmあります。レールはいいのですが、ボールスクリューは両端にある黒いベアリングユニットに差し込まれるために、移動可能な距離は350mm以下になってしまいます。この状態で二つのベアリングユニット間は280mm。ボールスクリュー上を移動するナットが50mmあるので、最大230mm移動可能。とはいっても、Z軸はあまり移動する必要はないので、移動距離が縮まっても問題ないです。




この部分↑が、ショップにのっていた図面とちょっとだけ違っていました。これはZ軸の下端ベアリングユニットですが、ベアリングが5mmほど奥に入り込んでいます。図面では入り込んでいなかったので、この5mm分移動距離が縮まってしまうということです。ボールスクリューは径16mmで、このベアリングに差し込まれるために長さ11mmだけ径10mmに細くなっています。
以下が、ショップにのっていた図面。

これ↑を見ると、ベアリングは黒いハウジングの左についていますが、今回送ってきたものは中央についているという感じです。CADでも、これを元に描いていたので、少しだけ修正しないといけません。ボルト穴の位置などもかわってくるので。それほど大きい違いではないので、なんとかなりますが、Z軸だけでなく、X軸、Y軸でも同じことが起きるので、その分5mmずつ作業エリアが小さくなります。


あとは各部品の精度ですが、ボールスクリューはさすがにベアリングボールが入っているため、ガタはないです。レール上のスライダーのほうはどうかというと、手で動かしてみると少しガタがありました。でもよく見てみると、側面に六角ソケットネジがついており、六角レンチでしめてみたらかなりきつくなってガタはなくなりました。つまりこの締め具合で調整可能ということです。よかった。


もうひとつ、ボールスクリュー上のナットと、レール上のスライダーが同一平面上にあるかどうかです。定規を当ててみたら、だいたい大丈夫そうです。上の画像では、左に見えるボールスクリューナットのほうがやや下にあるように見えますが、スライダの締め具合も調整可能だし、なんとかなるのでは。最悪シムを挟んで、できるかぎり同一平面上にならぶようにしたいと思います。まだ、レールもなにも固定していないので、その分の誤差で写真のように見えてるかもしれません。今後の施工の仕方で精度もかわるかもしれないし、いまのところはそれほど問題にはならなさそう。

ということで、一通りチェックしましたが、特に問題ない感じです。
中国製だから信用できないといわれますが、中国もどんどん成長しているのだろうし、その分精度も上がって来ているのかもしれません。ただ心配なのは、今後値段があがっていくことだけでしょうか。数年もすれば、今の値段ではきっと買えないでしょう。どんどん日本の製品に近い値段になっていくとは思います。

それとこのセットを買うときに、このセットに含まれているY軸のボールスクリューやベアリングなど一式を追加注文したいとショップにチャットしたら(以前の投稿で書いたように)、普通より安い価格でOKしてくれた。しかし、その追加分の支払いボタンはないので、「どうやって支払えばいい?」ときいたら、「この部品(全然関係ない部品であるベアリングブッシュ)を13個買えば、その追加の部品代を支払ったことにする」と言われて、半信半疑でベアリングブッシュ13個買った。話の流れから大丈夫だろうと思ってそうしたけど、結果的にちゃんと追加の部品が届いてよかった。

2016年4月2日土曜日

CNCマシン:ボールネジ

最終的には、送り機構をボールネジ+スライドレールにすることになった。
当初はずっとタイミングベルト+タイミングプーリ、V Wheel+OpenRailを使う予定ではあった。歯が半円状になっている2GTのタイミングベルトであれば、基本的にはバックラッシュ0らしいけれども、ベルトを長くするほど伸び縮みの誤差、テンションの差で誤差が生じるのではないかとちょっと懸念していた。メリットとしては、大きさを拡張しやすいところにあると思う。ベルト自体は買い替えても安いものだし、あとはレール部分を長いものにすればいいだけ。

ボールネジは精度がでるけれども、拡張するにはボールネジと両端部のベアリングユニットなど、取り替えるのが結構面倒だし高価でもある。あと金属部品が多くなるため重くなってしまう。据え置き型ならそれでもいいけど、使わないときもあるので邪魔になるだけ。できれば、使わないときはフレームごと壁とかにかけておきたいけれども、もはや15kg以上はあるかもしれない。予定していたよりもかなり重くなってしまった。


















これ↑が、今回使うボールネジの図面。全長L=1100(Y軸2本)、900(X軸1本)、350(Z軸1本)の合計4本。
左側が2段径を落としてあって、Φ10x15mmにNEMA23とカップリングを介して接続され、Φ12x39mmのところがBK12ベアリングユニットに通される部分(39mmのうち左側14mmがM12のネジ山が切られており、BK12ベアリングブロックにねじ込まれ固定される)。BK12には、5mm奥に差し込まれるためさらに5mm減る。右側Φ10x11mmもBF12ベアリングユニットに入る部分。そうなると全長Lから15+39+5+11=70mm減ることになる。さらには、ボールネジ上を動くボールナット+ハウジングで50mm減る。




















上の図がそれぞれの部品の構成図。ほとんど規格化されており、しかもそんなに種類はない。ボールスクリューに関しては、この構成が最も一般的で、AliExpressで売っている部品もほぼ同じ。あとはどこで安く買うかくらい。同じ規格でもコピー商品もあるようで、写真や図面だけでは判断つかない。

ということでもともとのボールスクリューの全長から合計で120mm減るので、これらの部品を使った物理的な移動距離の限界は以下のようになる。

X軸:900-70-50=780mm(目標600mm以上)
Y軸:1100-70-50=980mm(目標900mm以上)
Z軸:350-70-50=230mm(目標特になし、100mm前後でも構わない)

いちおう望んでいるサイズはカバーされているけど、ボルトや部品同士の干渉も含め、もう少し移動距離が減ってしまうと思う。もともとの長さから150〜200mmくらい減ると考えておけばいいのかもしれない。Y軸に関しては、なんとかぎりぎりと言う感じ。もっと長いボールネジにすればいいのではないか?と思うけど、そうすると現在使っている作業台の横幅をはるかに超えてしまうので、作業エリアの確保も大事だけど、外形が大きくなりすぎるのも問題。作業エリア優先ではあるけれども。

以前、既存のフライス盤をNC化するというのをどこかのサイトで見たことあった。仕組みはわかるのだけど、ソフトも含めけっこう面倒だなと思っていた。ソフトはMach2とか3でやっている人が多いと思うけど、Windows対応なのでMacではできない。しかも有料。この手の工学系はWindowsが当たり前だろうけど、なんとか普段つかっているMacでできないものかと思っていた。オープンソース型のArduinoやソフトが出回るようになってから、Macに対応するソフトも開発されたおかげで、今回できそうだなと思った次第。Arduino+Gcode Senderなので、当然Windowsにも対応している。JavaベースのUniversal G-Code-Senderのように、プラットホームに依存せずに使えるので便利になった。
ソフトのほうは、Mac対応が増えてよかったけれども、やはりハードに関してはきちんとつくらなければ精度がでない。ひたすらアルミフレーム2020を格子状に組んで大きめのCNCマシンをつくっている人もいるけど、剛性がとれなければ、せっかくモーターやマイクロステップ駆動で精度が出せても意味ない。最終的にはハード設計が一番大変で、構造的なセンスが必要だと思う。

関連:
ボールネジの仕組みや種類について

2016年3月28日月曜日

CNCマシン:Z軸再検討、そしてさらには、、、

だいたいCNCマシンのパーツリストは出来たのですが、Z軸に関してまだ疑問が残っています。面倒だからShapeoko2のZ軸キットを買ってしまおうと思いましたが、通常のM8の棒ネジを使っており、精度のわりに9040円もするので、やはり自作かなと再検討。キットなら、OpenBuildsPartStoreの以下のものがよさげなのだけど、送料含めるとかなり高い。

これ↑で、11254円。ただし送料込みだと約18000円になってしまう。NEMA23対応でLead Screwの部分もしっかりしていそう。長さは250mmのもの。ただちょっと気になるのは、ステッピングモーターが長めのスペーサーを通して2カ所だけで固定されている。3本目の脚はカップリングがついている軸の部分。中の棒ネジが上下のベアリングをはさんで固定されていて構造的には大丈夫なのだろうけど、ちょっと変。それとも軸が良く見えるように、単に手前2本を外してあるのかな?
ちなみにAliExpressで買おうとしていた、Shapeoko2のZ軸キットは以下。

見た目だけでは分かりにくいかもしれないけど、普通の棒ネジM8、裏側には樹脂製のネジを切ってあるブロックがついている。アンチバックラッシュというわけでもない。NEMA17対応。使われている部品が大したことなく、自作したほうがましなのではないかと。これが9040円なので、それ以下でつくれるという条件で。しかも精度よく。

ということで、またいろいろとZ軸の部品を探し始めることに。オリジナルマインドやミスミで部品を探してみたけど、工業用のかなり高価なものばかりなので、やっぱりAliExpressで探すしかない。

まずは、Lead Screw部分。前に見つけたこれ↓

真ん中の黒い樹脂ブロックが、いちおうアンチバックラッシュとなっている。これはShapeoko2のZ軸アップグレードキットの一部。そのアップグレードキットはもう売ってないらしい。
ただ、これ↑だとLead Screwの両端が未加工状態。このままでもカップリングで接続するなりして使えるかもしれないけど、せっかくだからもう少し工夫したい。旋盤で削ればいいのだけど、材質がステンレスなので、ステンレス用のバイトを買わなくてはいけない(Amazonで2200円)。


きっとこれ↑も中国製。ステンレス用のバイトは持ってないから買ってもいいけど、どんどん遠回りになってしまうので、また探してみることに。そうすると、このLead Screwだけ売ってるとこがあり、説明を良く読むと、加工してくれると書いてある。以下。

TR8*4, stainless steel threaded rod, 290mm」1066円(送料込)。
これだと(写真は規格が違っても同じものを使い回しているらしい)、直径8mm、ピッチ2mm、一回転で4mm送られる。これの両端10〜20mmの長さで径6mmにしてもらえると肩もついてベアリングにきっちりはまってくれる。さきほどのアンチバックラッシュの黒い樹脂ブロックも別売りであるので、それも必要。以下(顔みたいな部品)。
これ↑1005円(送料込)。上の棒ネジとあわせて合計2071円。セット販売しているもの(1956円)より少し高くなるけど、ちょっとの差なので問題ない。日本で買うと、台形ネジだけで2000円以上するはず。この段階では、XY軸がNEMA23でいくので、Z軸もついでにNEMA23にしようと思う。ちなみにShapeoko2のZ軸セットはNEMA17なので、精度+パワーアップできそう。


つぎに、直動移動のガイドをどうしようかと。Shapeoko2のZ軸キットはMakerSlideとV-Wheelを使っている。それでもいいのだけれども、いろいろAliExpress内を探していると、こんなものが。以下。

これ↑は、2個セットのリニアレール(200mm長)。値段が2073円(送料無料)。一本1000円か、安い。サイズはいくつかあるけど、レールの直径がこれは10mm、下の台座の幅が32mmらしい。
ここではレールの長さも切ってくれるらしい。Z軸はあまり重くならないようにコンパクトにつくろうと思っているので、この200mmで大丈夫そう。
しかし、良く読むとレールだけらしい。「SBR10UU」というLinear Slide Blockは別売り。

では「SBR10UU」というLinear Slide Blockを探してみると、ありました。以下。

4つで↑、1903円。 直動にはペアで必要なので、Z軸だけで約3000円。おそらく、MakerSlide+V-Wheelよりも精度はでそう。ということは、X軸やY軸もこれでいけるかもしれないと思って4個セットでもいいのかもと。でもこのスライドブロックの図面を見るとかなり小さい(軸方向の長さで35mm)ので、場所によっては2個つなげる必要があるかも。ロングバージョンもあるけど、それだとレール軸径が16mmになってしまう。Z軸はおそらく左右一個ずつで合計2個。XY軸は2個つなげたほうがよさそう。そうすると、X軸4個、Y軸も4個で、合計10個。10個セット(2905円)というのもあるので、それにしよう(割安にもなるし)。と思ったら、よくみるとこのタイプは丸棒用だった。やっぱりさっきの4個セットを2〜3セット買わないと。
OpenRail Slide Railを使うはずだったけど、すべてXYZ軸をこれに置き換えるとどのくらいかかるか?
レール1000mmのものを見てみたら、2本で4485円(送料込)。なんかここはEMSで送るからレール自体安いけど、送料がそれ以上に高い。普通の遅い配送でいいのだけれども。

ということは、
X軸レール(1000mm)2本 4485円
Y軸レール(1000mm)2本 4485円
Z軸レール(200mm)2本 2052円
スライドブロック 4個セット×3 5709円
合計:16,731円

あとは、
Z軸用Threaded Rod 1066円
アンチバックラッシュ樹脂製ナット (Z軸用) 1005円
カップリング(6mm-6.35mm) 331円
Z軸用フランジ付きベアリング(内径6mm) 367円
NEMA23 3個セット 7502円 (レートが前回よりも50円値上がった)
NEMA23 単品 2841円
DRV8825 4個セット 803円
タイミングプーリ(5個)+ベルト(5m)セット 3112円
タイミングベルト用アイドラー(12個セット)2721円
合計:19,748円

そして、
ミスミのアルミフレーム類一式が 12,330円

全体合計:48,809円

という感じで、なんとか5万円以内には収まった。前回と比べれば、V-Wheelとかは全て廃止だけど、オールNEMA23でいちおう性能は上がったはず。


前回と今回の比較
前回のレールの部分(直動するために必要な部品類)だけを抜き出すと、
OpenRail Linear Rail(1mx6本) 5151円
V-Wheel(12個セット) 2588円
Eccentric Spacer(10個セット) 1591円
Shapeoko2 Z軸キット(1個) 9040円
合計:18,930円

そして今回この部分に相当する部品だけを抜き出すと、
X軸レール(1000mm)2本 4485円
Y軸レール(1000mm)2本 4485円
Z軸レール(200mm)2本 2052円
スライドブロック 12個 5709円
Z軸用Threaded Rod 1066円
アンチバックラッシュ樹脂製ナット (Z軸用) 1005円
カップリング(6mm-6.35mm) 331円
Z軸用フランジ付きベアリング(内径6mm) 367円
合計:19,500円

今回のほうは他にアルミ板やネジ類も必要なのでもう少し必要。ただ性能はあがったので、結果的には今回のほうがいいかもしれない。作業量が増えるのは、まあ仕方ないだろう。
前回ので発注しちゃおうと思っていたけど、こうやって検討を重ねるとどんどん内容が変わってくる。きりがないかも。これで発注しちゃっていいのか?とまだ疑問は残るけど。

ひとつは、このレールをミスミのアルミフレームに沿わせるようにボルト締めすることになるけど、このレールの穴の左右の間隔が22mm、ミスミの20mmだとちょっとずれてしまう。レールの穴を7mmに拡大すれば間隔20mmでM5なら入る。もしくは、ジグをつくって、レールに新たに穴をあけるかという感じ。でも、そうなってくると、ミスミのアルミフレームを使う意味もあまりなくなってしまう。それなら、普通のアルミ材をつかったほうが安くなる。
元々このアルミフレームは好きじゃないので(理系っぽい人が好むのは分かる)、フレーム自体もとから作ろうかとも思ってしまう。
だんだん当初のイメージと変わってきてしまった。このへんをもう少し検討かな?
というか、自分をどう納得させるか?という問題。

ちなみに、ミスミで単なる素材としてのアルミ角パイプを見てみると、
40x60x1000/t=2/4本で10,416円(こちらは1mなら4本単位、元々が4mだからか)
50x50x1000/t=2/4本でも10,416円、一本あたり2604円
コの字型のチャンネルなら、
60x30x1000/t=3で1本2750円(こちらは5本とかでも買える)
60x30x1000/t=3/4本セットで9288円(4本単位)
60x30x4000/カットなしでそのままなら8140円

しかし、ミスミのアルミフレーム4080は1770円/m。意外に素材アルミのほうが高い。

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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