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A4988かDRV8825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）

ステッパー モータードライバ コントローラー，SODIAL(R)20KHZ CNC単軸TB6600 2/4相ハイブリッドステッピング モータドライバ コントローラ 黒

posted with amazlet at 19.10.07

SODIAL
売り上げランキング: 57,160

Amazon.co.jpで詳細を見る

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）。

Ren He ステッピング モータドライバ モジュール DRV8825 3Dプリンタ 3Dプリンタ対応 ヒートシンク付き 5個

posted with amazlet at 19.10.07

Ren He
売り上げランキング: 18,612

Amazon.co.jpで詳細を見る

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。

AliExpress.com Product - Free shipping! New cnc shield v3 engraving machine / 3D Printer / + 4pcs DRV8825 driver expansion board が、793円送料無料で売っている。

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。

市販のCNCマシン/レーザーカッター

そろそろCNCミリングマシンもしくはレーザーカッターが必要となったので、調べてみることに。
追記：2016年10月現在の市販のレーザーカッターについてはこちらへ。  

まずは、レーザーカッターから。
工業用は高価なので、条件としては、以下のような感じ。
　　・Mac対応
　　・作業エリアがA4前後もしくはそれ以上
　　・薄い素材であれば切断可能な出力

 レーザーカッターでヒットするのは、国内のものだと。

・Smart Laser Mini

レーザー出力：1.6w
作業エリア：280x230mm
Mac対応
InkScape使用可
ブラウザから操作可
価格：59,184円（税込み）＋556円（送料）

追記：2016年4月からFabool Laser Miniにバージョンアップしましたね。59,800円（税抜き）。オプションでレーザー出力が3Wにアップ。そうなると以下のPodeaはどうなってしまうんでしょう。



・Podea-01

　　


レーザー出力：2w
作業エリア：297x210mm
Macは仮想Windowsを通して使用可
Illustrator使用可
価格：117,784円（税込み）＋送料

だいたいこの二つが使いやすそう。
Podeaのほうが性能としては良さそうだけど、Mac対応がいまいちなのと価格がけっこう高い。
それに比べ、Smart Laser Miniはやや性能は落ちるけれども、マイコンにArduinoを使っていることからも、オープンソース型で改造や改良ができそう。
ということで、この段階では、Smart Laser Miniが候補。

やはり予算としては、10万円以下。できれば５万円前後。

おそらくArduinoを使ってCNCを自作している人もいるだろうから、「arduino cnc library」や「arduino cnc shield」で検索すると、
http://blog.protoneer.co.nz/
というサイトがでてきます。

やっぱりArduinoシールド↑があります。価格も20ドルと高くない。ただし、シールド上に乗っているステッピングモータードライバ（緑色の基板３個）は含まれていない。
このドライバはA4988でスイッチサイエンスで一個1393円。XYZ軸用に３個必要なら、約4000円プラス。

しかし、「arduino CNCシールド」で検索すると、Amazonにはこんなものが売っている。



おそらく中国製だけど、同じものがかなり安く売っている。シールド一個1000円くらい。そしてドライバA4988も売っていて、こちらも安い。もっと安いのもあるけど、とりあえず３個で1290円。



そうなると、ドライバ３個付きのシールドで2300円くらい。安いので故障しても、買い替えればいいかとも思ってしまうので、なんとなくこれに決定。というか、この際自作してしまおうかという感じ。

このCNCシールド用のArduinoライブラリーは、以下からダウンロード。これはv0.8かな。
https://github.com/Protoneer/GRBL-Arduino-Library

v0.9が最新。v0.8から結構内容が変わった模様。
https://github.com/grbl/grbl

ということで、自作できそうなら自分の望むスペックにあわせてつくろうかなと思ってます。
もう少し調べてみて、時間とコストの関係から、製品を買って改造するか、上記のようなソフトや部品を集めて自作するかを決めたいと思います。