CNCマシン：レーザー焦点距離測定実験（その２）

以前は、レンズ先から素材までの距離10mm〜100mm（5mm間隔で）焦点距離測定実験を行いました。その結果50mmくらいが焦点距離とわかったのですが、今回は50mm付近をさらに細かく測定したいと思います。
以下が前回の結果。距離50mmでの線が最もシャープ。

前回の結果から、50mm付近を0.2mm間隔で照射してみます。前回の結果を見ると、45mmと55mmだと、45mmのほうがややシャープなので、おそらく45mm〜50mmの間に最適な焦点距離があると思われます。

上画像は、48.2mm〜52.0mmまでの照射実験です。レーザーモジュールを取り外したりしたので前回の実験と多少の誤差があるかもしれません。この結果では、50mmというよりも左端の48.2mmがシャープに見えます。なので、48.2mm以下をさらに細かく照射実験してみました。

上画像は、46.1mm〜48.0mmまでを0.1mm間隔で照射した結果です。左端が46.1mm、中央に47と書いてあるところが47.0mm、右端48と書いてあるところが48.0mmです。
これを見る限り左にいけばいくほど少しずつ線が太くなっています。おそらく47.5mmあたりが焦点の中心ではないでしょうか。肉眼で見る限りは、47.0mmから48.0mmの間であれば、どれも同じように見えます。ということから、47〜48mmあたりを焦点距離にすればいいのかもしれません。焦点深度が1mmくらいあると考えてもいいかもしれません。実際フェルトや紙（多少波打っている素材）を切る場合なら、2mm前後は誤差があってもそれほど問題にはならなさそうです。

前回制作した黒いレーザーシールド（代用品）を取り付けた場合、レンズチューブ先端からレーザーシールドの底面までは45mmにセットしてあるため、以下のように素材との間に2mm厚のABS樹脂板（レーザーシールドと同じ材料）を差し込めば、だいたい焦点距離になるという感じです。

そろそろ実制作のためのツールとしてCNCマシンが使えそうです。まずはレーザーをつかってフェルト生地を切ろうと思っているので、その作業に合わせたセッティングという感じです。


実験続き：
焦点距離が分かったので、ためしに薄い合板を切ってみることにしました。5.5Wのレーザーダイオードでどのくらい切れるのか？とは言っても、個人的には木材をレーザーカットはしないと思うけれども、一応参考のために。

合板は厚さ2.2mm。Gコードを手入力していたので、最初と最後の部分が焦げています。5.5Wを100%の出力で、1パスで切っています

大きい円が直径20mm、小さいほうが10mm。

フィード（mm/min：切断時のスピード）が、左から100、70、100、50です。

そして、裏側を見ると、以下のような感じ。

まず20mmの円をフィード100でやってみましたが、大体切れていましたが、少しだけ切れていない部分があったため、裏からカッターで切り落としました。それなら少し遅くしてフィード70なら完全に切れるかな？と思ってやってみましたが、裏からみると似たような感じで、大体は切れているのですが、あともう少しという感じ。

10mmの小さい円のほうもそんな感じです。小さい円の上側がフィード100、下がフィード50。もちろんフィード50のほうがゆっくり動くので切れていそうですが、表からみるとかなり焦げています。おそらく、これ以上スピードを落としてゆっくり切ると完全に切り落とすことができるかもしれませんが、かなり焦げてしまって、切断線も太くなってしまいます。単純にスピードを落としてゆっくり切ればいいというわけでもなさそうです。

まとめ：

焦点測定実験からも、1〜2mmの焦点深度があるために、焦点をどこに合わせるかで切れ方も変わってくると思います。今回の場合は合板が2.2mmで、焦点は合板上面に合わせてしまいました。

できれば焦点は合板の厚みの中間あたり、つまり合板上面より1mm程度下げたところを狙うとよかったのかもしれません。焦点から離れるほど線も太くなって焦げが目立つし、さらには切れ味も悪くなります。

それから、1パスで一気に切らないで、焦点を下げながら2パス、3パスでフィードも速めで切った方がきれいにきれそうです（次回試してみます）。フィード100でも90%以上切れているので、フィード200で、2パス（１周目は焦点を材料上面から0.5mm下、2周目は1.5mm下で）とかがいいかもしれません。焦点深度を超える厚みのある材料の場合は何回かに分けて切った方がよさそうです。このレーザーダイオードの場合なら、焦点深度を1mmと仮定すれば、1パスで切るには1mm厚までで、それ以上の厚みの場合は、1mmずつZ軸も下げながら3mmなら3パスという感じで切った方がいいかもしれない。

そうやって切っていけば、5mmくらいは簡単に切れそうです。がんばれば10mmも10パスくらいできれるのかもしれませんが、その場合ルーターで切ったほうがよさそう。

さらに実験：

先ほど書いたように1パスで切らないで2パス、3パスでの切断実験をしてみました。

すべて直径10mm、厚さ2.2mmの合板です。2パス切断は、1周目焦点距離-0.5mm、2周目焦点距離-1.5mmで行いました。左端のを除いては、すべて2パスでフィード（切断速度）を100、150、200に変えただけです。右から２番目の2パスF100は完全に抜け落ちてました。

裏返すと以下。

右から2個目が2パスでフィード200のもの。やはり一番速いせいか完全には切れていません。なので、フィード200のままで3パスにしたものが右端です。0.8mmずつ下げたものです。ほぼ切れています。裏面はきれいなほうですが、表面がやや焦げが多いです。

左から2番目がフィード100で、完全に抜け落ちていますが、その分少し焦げが多いので、ここまでフィード落とさなくてもいいという感じ。左端がフィード150で大体切れています。この程度がちょうどいいのかもしれませんが、やや裏面も焦げている感じです。

４つを比較すると、両端のどちらかがよさそうという感じですが、2パスF150のほうがいいかもしれません。パスの回数が増えると、表面がけっこう焦げてしまいますね。ということから、適度なフィードでパス数もあまり増えないようにということですが、いろいろ試してみないと分からないというのが結論です。

CNCマシン：JscutでオフセットカットやポケットカットのG Code生成

grbl　wikiのUsing GrblページにのっているGRBLwebというG Code Senderを見てみると、ブラウザ上で作業できるようなのですが、ネットワークに接続されたRaspberry PIをホストとしてCNCマシンの遠隔操作も可能なので便利そうです。CNCマシン用の小型コンピュータを設置するような感じでしょうか。そうすればわざわざMacBookをUSB接続せずに使えるので、5000円前後で可能ならいいかもしれません。でも、それならArduinoじゃなくてRaspberry PIで直接動かした方がよさそう。

Jscut：
同時にGRBLweb用に、JscutというsvgファイルをG Codeに変換してくれるweb上のソフトもあるようです。こちらは、http://jscut.org/jscut.htmlにアクセスすればすぐに使えるので試してみました。

こんな画面（ブラウザ上）です。真ん中上のほうにある「Open SVG」で以前合板でつくったパーツのデータ（Inkscapeで描画したsvgファイル）を開いてみました。右上の水色の部分に手順がでてくるので、図形を選択しながら左右のパラメータ（エンドミルの直径、フィード、材料の厚みなど）を設定します。

設定が終われば、左上の「Operations」内にどんな加工をしたいかを選ぶところがあります。Pocket、Inside、Outside、Engrave、VPocketの５種類あるので、大体の加工ができそうです。

今回の図形では、オフセットで3mm外側のラインで加工したいので、「Outside」を選択。最終的に合計深さ3mm削るなら「3 Deep」を入力。

その右となりにある「Generate」をクリックするとG Codeが生成されます。

図形画面上の「Simulate GCODE」を選択すれば、どんな感じに削るか見ることが出来ます。「Save GCODE」をクリックし、保存名や保存先を指定して.gcodeファイルとして保存できます。そしてbCNCなどで.gcodeファイルを読みこませて加工という手順。

追記：

尚、「Tabs」（タブ：部品が母材から完全に切り離れないようにつなぎ目をつける機能）に関しては、こちらの作業例にかいてあります。

今回生成されたG Codeだと問題なさそうです。これを使えば以前困っていたオフセットカットもすぐにできそうです。

Raspberry Piがあれば、GRBLwebとJscutの両方をブラウザ上でできるし、カメラも設置しておけば切削状況も確認しながら遠隔操作可能となるので、かなり便利そうです。

レーザーカットするときなどは、カメラ越しに見ればいいので安全対策にもいいかもしれません。

あと、WebベースのCNCソフトなら、cheton/cncも気になる。調べれば調べるほど、いろいろでてくる。開発が終わっていそうなものもあれば、いまでも頻繁に更新されているものとか。基本的な操作をするならどれでもよさそう。別に遠隔操作などしなくてもいいけど、オフセットカットパスを自動生成してくれたり、2.5Dだけでなく3D切削/Engravingにも対応しているようなG Code Generatorで便利そうなのが欲しい感じです。

bCNCにおける加工原点の移動方法：
Gコードは生成したけれども、切削作業前に、やっぱり加工原点を変更したいというときがあります（材料が思ったより小さかったり、微妙に形状に合ってなかったなど）。以下は、G Code SenderであるbCNCで加工原点を編集する方法です。

 bCNCのメニューバーのFileタブを選択し、フォルダアイコンをクリックすれば、ファイル選択画面が出て、PC内に保存されているJscutなどで生成したGコードのファイルを読み込むことができます。
今回の図面は部品の下中央を加工原点として、Inkscapeで描きました。左右対称ということもあったので。この原点をbCNC上でずらそうと思います。

 メニューバーのEditorタブに切り替えます。そうすると上の画面のようになります。ここで、Originボタンを押して、加工原点にしたい位置（今回の場合、部品の左上→右上の間違い）をクリックします。

そうすると瞬時に加工原点は部品の右上に移動します。以上です。

Moveボタンで図形移動：
また、他のやり方として、Originボタンの左にあるMoveボタンで部品の図形ごと移動してしまうという方法。

 まずMoveボタンを押します。移動したい図形全体をマウスで囲んで選びます（クリックなら部分的なパスを選ぶことも出来ます）。あとはドラッグして移動します（今回の場合、やや左下へドラッグ）。失敗したらUndo。

 先ほどは部品の右角に加工原点がありましたが、ドラッグしてここまでずれました。

あとは、視点を切り替えてみて（赤丸で囲んだタブで選択：ISO1など）、大丈夫か確認します。
真上や真横から見た視点にも変えられるので、X-Y平面上での移動ならX-Yタブ、上下方向で移動したいならX-Zなどを選んでパスを移動させます。この加工パスの場合、3回で切断するパスなのでそれぞれ同じパスが3層になっています。一つの層だけのパスを選びたい場合は、X-Y平面の視点だと選びにくいので、このようなISO1や横から見たX-Zなどの視点にするとやりやすくなります。
このほか、ある程度のパスの編集もこのEditorタブの画面内で可能です。すべては試してないので分かりませんが、いろいろいじってみるといいと思います。

CNCマシン：ハニカムパネル（代用品）

ハニカムパネルの代用品として、アルミC型チャンネルを敷き詰めればいいかなと考えていましたが、スクラップをさがしてみたらアルミLアングルの端材が何本かあったので、以下のように敷き詰めてみました。左にあるのがA4サイズコピー紙です。

Lアングルは25x25mm t=2mmです。使えそうな端材はこれで全部ですが、だいたいA4サイズならカバーできます。

これなら下の合板の台座も焦げなくていいかもしれません。多少大きめのサイズなら以下のように少し間隔あけて並べるとか。すこし焦げる部分がでてくるけど。

これ↑は、A3サイズコピー紙です。ぎりぎり置ける感じ。
そして使わないときは以下のようにコンパクトにまとめておける点がいいかもしれません。

この程度のサイズのものなら、しばらくはこんな感じで使ってみます。
ひとつ問題なのは、先ほどのように縦に複数並べると貫通したレーザー光が縦方向（手前）に漏れてくるということ。そういう意味では、ハニカムパネルやグリッド状パネルなら縦横どちらにも漏れない仕組みになっていて、より安全ということ。ただ接地面積を減らして持ち上げればいいと思っていたけど、反射光が拡散しないようにするためには、そんな工夫も必要かもしれません。

ということで、以下のようにしてみればまだましかも。

手前に漏れてくるレーザー光をブロックするLアングルを配置。
これなら、先ほどより安全。ただ並べているだけなので、位置は適当に調整可能です。
あとで照射実験してみようと思います。

最終的にはA1サイズをカバーできるくらいの大きさが欲しいのですが、LアングルやCチャンネル材を敷き詰めると材料費だけで5000円はかかりそうです。
以前見つけたAliExpressの以下のハニカムパネル（13,483円）だと、サイズのわりにそんなに高くないけど、これを買うならブラシレスモーターのスピンドル（約18000円）を買う方が先かなとも考えてしまいます。

このハニカムパネルは確かにいいけど、使わないとき邪魔だし、しばらくはLアングルかCチャンネル材の代用品で行こうと思います。

CNCマシン：レーザーシールド（代用品）制作

まだレーザー遮光アクリルを入手していないので（高価なので）、その代用品をつくろうと思います。探したらABS樹脂2mm厚があったのでそれを材料にボックス状のシールドをレーザーの下部につけようと思います。レーザーモジュールの断面が32.5mm角なので単純に内寸33mm角チューブをABS樹脂でつくる感じです。

こんな感じで４枚の板を張り合わせてネジで止める部分に溝をつけるだけ。今回もまたすべて手仕事です。ABS板はプロクソンサーキュラーソーで切断。溝は模型用ノコギリ。あとはサンドペーパーで調整。この程度の作業だとCNCマシンでつくるとかえって時間がかかってしまいます。

そして、以下のようにすっぽりはめ込みます。

このままだとレーザー光が透けてしまうので、後から黒い塗装をしようと思います。

中に煙などがこもってしまいそうですが、レーザーモジュールの上部にファンがついており、黒いヒートシンク内部には通気孔が通っているので、煙を吸い上げるような感じで排気してくれます。

このままでもいいのかもしれませんが、いちおう以下のようにさらにレーザー照射面付近に窓のような物をつけてみました。このほうが反射光が外に出ないかなと思ってつけてみましたがどうでしょう？

直径20mmの穴が開いています。ここからレーザー光が出て来て素材に照射します。素材とこのシールドとの距離が短いほどレーザー光は外へ漏れないのですが、おそらく素材と5mm程度間隔をあけようと思います。

サンドペーパーで継ぎ目を削ったのでけっこうカチッとした感じになりました。あとは塗装するだけです。

内部と外部に塗装すれば、レーザー光は透けないでしょう。もしそれでも透けるのであれば、表面にアルミホイルなど貼ろうと思います。

前回のレーザー実験：

前回の写真を見ると、レーザー光が素材に当たっている部分が一番まぶしい感じです（以下、前回の画像）。

けっこう広範囲に漏れてきているのが分かります。合板の上の線が5mm間隔なので30mm四方はかなり強力な反射光、そしてだいたい50mm四方にまで広がっています。これがどのくらい小さくなるか？？

素材が合板なら表面がフラットなのでシールドを3mmくらいまで接近させることができそうですが、フェルトなどの柔らかい素材だと多少波打っているので、5mmはあけないといけない。紙なども大きいと丸まってしまったりするし、素材をフラットに固定するのはけっこう大変です。

ハニカムパネル：

それとそのうちハニカムパネルも買わないといけないかも。画鋲をならべて自作している人もいたけど、ハニカムパネルは高価なので、そんな感じでもいいのかもしれない。サッシ用のコの字型アルミチャンネル（等間隔でたくさん並べる）も安価でいいかもしれない。

またもやAliExpressで探すと（以下）、

こんな感じのサイズで13,483円（送料込み）。A1サイズがすっぽり入るのでよさそう。サイズに対して思ったより高くないけど、やっぱり高い。というか、こうやって少しずつ環境を整えて行こうとするとけっこうお金がかかる。仕方ないのかもしれないけど。

レーザーシールド（代用品）完成：

つや消し黒を内部と外部にスプレーして完成したので早速実験してみます。５度塗りくらいしました。

レーザーシールド実験開始：

こんな感じでCNCマシンにセットします。以下。

ぎりぎりまで下げておきます。

それではレーザースイッチオン。M03 S1000でレーザー（5.5W）は最大出力。レンズ先からの焦点距離は約50mmですが、合板と今回のシールドの隙間は約5mmあります。
Gコード直接入力、レーザー出力100%、相対座標で現在地を12時の位置にして時計回りに半径20mmの円を300mm/minの速度で描くというプログラムです。
M03 S1000 G91 G2 X0 Y0 I0 J-20 F300

 前回よりは漏れていません。一応効果あります。塗装した黒いボディからも光は透けていません。上のほうからみるとこうですが、ちょっと下がって見てみると（以下）、レーザーが素材に当たっている部分が見えるためか反射が強く見えます。

 ゴーグルをつけて写真を撮っているので、そのときはどんな感じに見えるかはわかりません。
写真の撮り方や露出によっても写り方が違うので、これ↑なんかはかなり反射光がはみでているように見えます。

かなり上のほうから見れば、こんな↑感じ。少しだけ周囲にはみ出ているくらい。周囲も明るいせいか、レーザーの漏れてくる光もあまり目立ちません。

直接素材にレーザー光が当たっている部分が見えなければ、けっこう大丈夫そうです。つまり、あまり真横から見ないほうがいいということです。４面囲うというよりも、照射スポットが隠れるようにするといいのかもしれません。今回このボックス型シールドの底面に20mmの穴をあけましたが、あまり意味はないかも。それよりも、底面をはみ出るくらい大きくして全体的に隠すようにすればいいのかもしれません。ちなみに合板上の円は直径40mmなので、底面に直径60mmの円板をつければほとんど青い光が見えなくなるはずです。

結論として、シールドをつけないよりはつけたほうが断然いいですね。ただ、照射している部分が見えないので、４面あるうちの前面だけでもレーザー遮光アクリルにしたいです。いずれにせよ、これで前よりは怖がらずに作業できそうです。

追記：

その後レーザーシールドを改良したバージョンはこちら。

CNCマシン：スイッチパネルの制作

まだCNCマシンのスイッチパネル/スイッチボックスは出来ていないので、昨日また秋葉原に行って必要な端子類など買ってきました。

Z軸の真下あたりに照明もつけようと、ためしにテープ状のLED（一番上）も買ってみました（使うかどうかわからないけど）。画像左中にもLED照明がありますが、これは昔買ったもので、こっちをつかうかもしれません。ピンソケットとピンプラグはプローブ用。それからステッピングモータードライバ用のファン。電源用ソケットとプラグ付きコード（この辺も探したら持っていた）。

だいたいこの部品を取り付ける感じ。

現状はこんな↑感じ。CNCシールド、レーザードライバ、DC24V電源、DC12V電源が一直線線に並んでいる。

この上にもう一枚板のせる感じです。

上面の板は、ここまでは出来ています。AliExpressで買った非常停止ボタン（139円送料無料）も届いたので取り付けてみました。普通に取り付けるなら径22mmの穴をあけるのですが、この板が15mmもあるので、上から径30mmのフォスナービットでザグリをいれて、さらに26mmで貫通穴をあけて、段つきの穴にして取り付けました。そうしないと上から締め付けるギザギザナットがスイッチ本体のネジ山まで届かない。

縦に３個ならんでいるスイッチはLEDで光るタイプ。手前が主電源用（AC100VをON/OFF）。真ん中がLED照明用。奥がレーザー用。

あとは、先ほどのプローブ用ピンソケット、電源用ソケット、ファンが側面につく感じです。LED付きスイッチもあるし、けっこう配線が面倒かも。

秋月や千石のある通りに、二軒ほどLED屋があるので（いつのまにかできていた）ちょっとのぞいてみました。Z軸真下につけるLEDでちょうどいいのがないかと。そうするとリング状のLEDを発見。しかし、２個セットで3000円以上する。高すぎる。径60mm、70mm、80mm、90mmなど、ちょうどトリマを囲むように配置できそう。

あとからAliExpressにも売ってないかなと思って、「LED ring」で検索したらやっぱりでてきた。

２個セットで591円。これに透明カバーがついたものとか、LED部分がもう少し強力そうなものとか何種類かあるけど、このタイプが比較的安い。明るさはどのくらいなのかわからない。大きさも径60〜120mmまで10mm単位でいろいろあるみたい。DC12V仕様。

AliExpress.com Product - COB! 2Pieces(1pair) Auto Halo Rings COB 70MM Angel Eye COB Chips Car Headlight 70mm Car Angel Eyes Motorcycle White Waterproof２個で591円

これは何用なのかと思ったら、自動車のヘッドライトの周囲につけるアクセサリー照明らしい。この大きさはこの車種に適合しているとかたまに説明が書いてあり、サンプル写真ものっていた。

これ↑が正規の利用法らしい。自動車用だからDC12V仕様だったのかと。

いずれにしても、サイズや種類も豊富なのでトリマのサイズにあわせて一個買ってみようかと。

ただトリマの場合、集塵カバーも取り付くので、LED照明を取り付ける部分がなかなかない。集塵カバーにLEDを内蔵してしまえばいいのかもしれないけど、どうしようかな？いずれ集塵用カバーも作り直そうと思うのでそのときにでもまた考えます。

作業のつづき：

その後かなり時間かかりましたが、一応配線終了。LED付きスイッチのLEDがスイッチのON/OFFに連動するのかと思ったらそうではなくて３個分配線やり直しました。全体的に相当面倒な配線でした。

接点がむき出しにならないように、熱収縮チューブとホットボンドも使いました。こんな感じで開けることができるように線を少し長めにしました。けっこう隙間なく詰まっています。

CNCマシンの脇に置くとこんな感じです。まだ側面の板はつけてませんが、一応すっきりしたと思います。LED照明はまだつけていませんが、スイッチ（真ん中）には配線済みなので、LED照明をZ軸裏の端子につなげばON/OFF可能です。予備用にもう一回路あるのですが、それもZ軸裏までは配線済みです。何に使うかは未定です。

まだ上板も固定はしていないのでちょっとずれてのっています。全面はパンチングメタルで、ここから空気が入り込んで右脇にあるクーリングファンから排気されます。パンチングメタル上の左上にあるピンプラグがプローブ用の端子です。プローブを使うときだけここに差し込みます。非常停止ボタンは、CNCシールドのP-Stop端子（E-Stop端子）につないでありますが、まだ試していません。３個ならんでいる一番手前のスイッチが主電源ON/OFFで、これをOFFにするとAC100Vが遮断されるために、モーターやレーザーなども同時にOFFになってしまいます。CNCシールド（Arduinoボード）だけはMacBookにUSB接続するために電源が落ちるということはありません。非常停止ボタンはおそらくArduinoボードのリセットボタンと同じなのかもしれませんが、その場合モーターはOFFになるにしても、レーザーはOFFにならないので、その辺が気になります。ということから、主電源OFFが非常停止になるのかもしれません。

Shapeoko wikiを見てみると、E-Stopには、AC BreakerとDigital Breakerの二種類あると書いてありました。

AC Breakerは、もともとのAC電源を切る方法。

Digital Breakerは、Arduinoに信号を送ってマシン自体（ステッピングモーター）を止める。しかし、スピンドルは別なので、Sparkfunで売っているPowerSwitch Tail Ⅱと連動させればスピンドルも止めることができるようです。

こんな感じのもの↑（$28.95）。

本体に端子がついていて、E-Stopを押すとPowerSwitch Tail Ⅱに信号が送られてAC電源も切ってしまうようです。たしかに便利というか安全そうです。

さらに作業のつづき（スイッチパネル完成）：

ようやく完成。というか側面の板を貼っただけです。なぜか手ノコと穴あけはカッターで作業（このほうが早い）。

側面にUSB端子とクーリングファンがついています。右側2/3は電源類が入っているので簡単な通気口をあけておきました。

前面にあるピンソケットにプローブ用ピンプラグを差しこんであります。前面のパンチングメタルから空気が入ってクーリングファンにより排気されます。主にCNCシールドのステッピングモータードライバDRV8825（４個）とレーザー用ドライバを冷却します。コントロールパネル（コントロールボックス）はすべてネジ止めで組み立てられているので、故障や機能を付け足すときは分解することができます。とにかく配線がとても面倒でした。

あと残っている作業は、スピンドル下のLED照明（集塵カバーも兼ねて）、レーザーシールドの取り付けくらいでしょうか。レーザーシールドについては、現在問い合わせている段階です。レーザー遮蔽アクリルでレーザーダイオードの真下を箱状に囲いたいと思っています。内寸で32.5x32.5x50mmくらい。最悪一面だけレーザー遮蔽アクリルにして、残り３面は普通の不透明アクリル（黒など）でもいいかもしれません。それまでは、かわりになる不透明な箱をつけてみようかと思ってます。