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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。


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2016年4月15日金曜日

CNCマシン:制作中4(X+Z軸合体)

X軸(レール部分で900mm)とZ軸(レール部分で350mm)をつなげる部分をつくりました。
75x50mm t=5mmのアルミLアングルが3mくらい余っているので、それを使うことに。52.5x38x150mmにすこし細くカットするのですが、卓上マルノコには固定しにくいのでジグソーでカット。切断面はアルミ用平ヤスリで。
左がそのまま卓上マルノコで150mmにカットしたLアングル。右が必要な寸法にカットされたLアングル。
この部材がZ軸裏面について、X軸上のスライダーに重なります。

X軸とZ軸を合体。X軸の上下スライダーを先ほどのLアングルとアルミ板でつないで、その部分にZ軸が固定されます。と思ったら、早速ミス。アルミ板にM5のタップを切らなければいけないのに、貫通穴を開けてしまいました。しかも穴の位置もなぜか1mmずつ外側にずれていました。作り直しかと思ったけど、上下ひっくり返したら新たに穴が開けられそうなのでそのまま続行。ちょうどZ軸とX軸の間にはさまれる箇所で見えないところなので大丈夫でした。けっこう慎重にやっているつもりが、たまにミスでます。今回はリカバリーきいてよかったけど、材料も限られているので、ミスると怖いです。

X軸とZ軸が交差している部分の厚みは合計で115mm。部品がゴツいわりにけっこうスリム化できたかも。スライドする部分は、それぞれが平行でなければいけないので、ネジ穴のあそびの分で微調整します。だいたいスムースに動きます。Z軸の移動プレートにも段付きドリルビットで穴あけ追加しましたが、極低頭ボルトが足りない。購入した長さ16mmの極低頭ボルトだと実は1mmくらい長過ぎたので買い替え中。今日出荷されたと思うけど、届くのは明日かあさってか。
しかし重い。この状態で16.5kg。
OpenRailとV-Wheelを使っていれば、おそらくこの半分くらいの重さで済んだのかもしれない。

X軸の裏面(C型チャンネルの背の部分)に、ケーブルドラッグチェーンをつけようかなと思ってますが、まだ届かない。リミットスイッチなど細かい部分はこれからつくる予定。とりあえず次はY軸2本です。またC型チャンネルの切断作業からです。

つづき:Y軸2本の制作

CNCマシン:制作中3(Z軸)

アルミ板が届いたので、卓上マルノコで切断してZ軸をつくることにしました。オーソドックスな構成。何かを参考にしたわけではないけれども、普通に考えるとこうなってしまう。
基本的には150x350mm厚さ5mmのアルミ板にレール2本、上下のベアリングユニット、そしてモーターマウントが取り付けてあります。5mmの板で弱すぎるかなと思ったけど、レール自体がゴツいので強度的には大丈夫でしょう。

以下は、部品が届いた時に並べて見た時の画像。このまま5mm厚のアルミ板に固定しただけです。

移動プレートの穴はまだ全部おわってません。上部角の2カ所だけ極低頭六角穴付きボルトをいれてあります。段付きドリルビットでざぐりを入れて、頭がプレート表面から飛び出ないようにしてあります。残りの下穴の部分もそうする予定です。
モーター側から見た画像。Lアングルでつくったモーターマウントは裏側から普通のキャップスクリューでタップを切ったベースのプレートに固定してあります。このあと移動プレートの上には、ルーターホルダーが取り付けられますが、まだその部品は届いていません。
部品が重なりあってくるのですが、できるだけどのネジにもアクセスしやすいように配置しているつもりです。持ってみると、またもやかなり重い。計ってみたらこれだけで5.5kgありました。ルーターなどもつくと、7kg近くなりそう。
それぞれのネジ穴はM6なら径6.5mm、M5なら径5.5mmであけているので、ゆるめれば多少調整がききます。レール2本とボールスクリューが平行になっていないといけないので、最終的に細かな調整が必要となります。

つぎの段階として、このZ軸と前回つくったX軸をつなぐ部分をつくる予定です。CAD図面を見ながら図面上の寸法と現物の寸法を見比べていますが、いまのところ大きくずれてはいません。ただ、ネジの配置はそのつど決めているので多少の変更がでてきています。ミスミにまたネジを追加発注しました。今回つかったアルミ板はモノタロウに発注しましたが、幅150mmが実際は151mmで(ノコ切断面)でした。もしかすると、フライス加工で150mmに落とすために1mm多いのかもしれませんが、151mmでそのまま使っています。左右対称の構成なので、中心線を引いて、そこからの距離でマーキングしてあります。穴の位置さえ合っていればいいので、多少材料の大きさが違っていても大丈夫です。
いまのところ順調にすすんでますが、重さだけが気になる。予想よりはるかに重い。

次は、X軸とZ軸の合体

2016年4月11日月曜日

CNCマシン:スピンドル集塵機能

アルミC型チャンネルを切っていて思ったのですが、CNCマシンにも集塵機能をつけないと部屋中埃まみれなりそうです。やはり集塵機能もかなり重要になってくるかと。

オリジナルマインドでは、以下のようなキットを販売していますが、相変わらず高価。






















動画を見ると、たしかに効果ありそうです。
このくねくね曲がるチューブは、Amazonでもクーラントパイプとして500円前後で売ってますね。たぶん中国製。


あとは蛇腹ホースに接続して掃除機につなげれば、なんとかなりそう。
一方向からというより、前後に2本くらいつけるともっと集塵能力があがるかも。
























やっぱりありますね。AliExpressだと、こんな二股のも(994円/送料無料)。Amazonで安いのを買えば、どうせ中国から送られてくるので、AliExpressから買っても同じですね。さらに先端部分にLED照明もつければもっと便利です。

他のアイデアとしては、掃除機の丸ブラシを改造してつけるというのも。


こんな↑感じのものを、改造してルーターの刃を囲んでしまう方法。ただ、その場合、加工中に刃の先端部分が見えなくなってしまうのが気になります。透明プラスチックでできていればいいのですが、なかなかないです。
なので、もう少し工夫すると、ルーターの直径にあうようなアクリルチューブを50mm前後用意して、その下にブラシをつけるというかんじ。上の掃除機用丸ブラシのブラシ部分を取り付けてもいいですが、以下のような網戸用のブラシ(モヘア)を使ってもいいかもしれません。
















こんな↑細長いブラシ(網戸サッシの隙間虫除け)があります。これを切って円形の透明アクリルチューブにつけると回転中の刃も見えるかと思います。ルーターの刃の周りを360度囲むので、かなり集塵能力があがると思います。上記のモヘヤは毛足が9mmですが、12mmの合板を切る場合には短すぎるので、20mmくらいのものを使うといいと思います。

実際つくって試してみないと分からないですが、手っ取り早いのは先ほどのクーラントパイプを使う方法ですね。それで集塵効果が思ったほど期待できなければ、360度囲むようなつくりにすればいいと思います。

ということで、試しに手持ちの材料でつくってみました。まだブラシ(モヘヤ)がないので未完成ですが。




















トリマは径65mm。グレーの塩ビ水道管が径22mm。
材料をさがしていたら、たまたまマキタの蛇腹ホースもでてきて、ちょうど塩ビ水道管が入るのでつけてみました。蛇腹ホースはコネクターがあるので、そのままマキタの集塵機につながります。
12mmの合板なので、少し薄いかもしれません。15mmくらいあるといいかも。いちおう切り込みをいれてネジで締められるようにはしています。周囲には透明塩ビ板(照明器具のパッケージについていたものを切って丸めただけ)を巻きこんでいます。両面テープで留めているだけですが、ちゃんとビスで留めれば大丈夫かと。
ブラシなしで、これだけでも集塵能力はかなりあがると思います。ブラシが透明塩ビ下端につくと、中が見えにくくなることはたしか。このまま透明塩ビ下端に短冊上の切り込みをいれるだけでもいいかもしれません。ほんとは合板の部分も透明アクリルでつくるといいのでしょうが。
CNCマシン上では、トリマはホルダーで固定されるため、ホルダーを避けて塩ビ水道管がついています。だから、その分だけトリマと塩ビ水道管の間に距離があります。
ちなみに夜になってしまって、試運転するとうるさいので、まだ試していません。

追記(次の日):
それなりに集塵効果ありました。ただ問題は、トリマの排気が下方向に出るので、その勢いで削りカスをまき散らそうとします。集塵機の吸い上げるパワーが弱いと、削りカスが外に追い出されます。集塵機のパワーをあげたら、けっこうましになりました。まき散らされると言っても、なにもないよりはずっといいです。やっぱりブラシ(モヘヤ)があったほうがいいかもしれません。おそらく70%が90%くらいに集塵率があがると思います。

さらには、AliExpressでこんなのもありました(以下)。
AliExpress.com Product - 1M x 80mm Brush Vacuum Cleaner Engraving Machine Dust Cover For CNC Router For Spindle Motor. いちおうCNC集塵用のブラシ(632円送料込み)。
ブラシ部分は70mmで1m巻き。これで側面を囲ってしまえばいいですが、上面を透明にしてエンドミル部分を見下ろす感じになりそうです。

関連:
集塵機を取り付けて「初カット(合板)にチャレンジ」

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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