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。


2016年4月3日日曜日

Z軸、X軸の再検討

Z軸に関しては、ほぼ設計終了。頼んだセットの中のZ軸レールとボールネジが350mmもあったので、高くそびえるような感じになってしまった。一番上についているのがNEMA23。
これ↑がCADで書いたZ軸の側面図と正面図(真ん中)。他の部品との干渉を考えてボルト穴も確認。図面下にあるのが、Z軸の断面図。径65mmのトリマーを固定するホルダーがついている。Z軸は基本的に5mm厚の150x380mmのアルミ板に全てがのっている。径16mmの2本のガイドレールがかなりゴツいので、それ自体でかなり剛性があると思う。

図面左右にあるのは、Z軸側面とX軸の断面図。二つのパターンを考えており、最初は右側の案。
X軸がけっこう悩みどころで、最初は6060のアルミフレームを基本構造とし、その上下にガイドレールをはさみこむようにつけてみた。ボールスクリューは6060の左側についている。なぜ6060をつかっているかというと、ガイドレールには30mmの幅でM5の穴がついているため、6060の30mm間隔の溝とちょうど合う。先入ナットをつかって簡単に固定できると思ったから。しかし、そのあとにどこにボールスクリューをつけたらいいか悩んで、結果的にこうなった。しかもレール上のスライダーにアルミチャンネル4080をかぶせて、全体的に6060を囲む感じになった。まあなんとかぎりぎりおさめた感じ。

図面左は、もうひとつのX軸の案。本当はこうしたい。この場合はX軸のアルミフレームは30150(30x150mm)が必要となるけれども、国内で30150を取り扱っているところがない。150mmもあるのでたわまないとは思うけど、Z軸と同じように2本のガイドレールの間にボールスクリューもおさまってコンパクトになる。最初の案(図面右側)のZ軸とX軸断面を含めた厚みが264mm、30150をつかっている案は223mmで、41mm薄い。たった41mmかもしれないけれど、Y軸方向に900mm以上作業エリアを確保しないといけないので、この41mmでもかなり大きい。
AliExpressでは30150は売っている。7132円/m。けっこう高め。
これ↑の、端から2列の溝とレールの穴がちょうど合う。ほかで検索しても、このタイプはここにしかない。15150という15mm単位のアルミフレームはあるのだけれど、溝のピッチは合うけど、薄くて弱すぎる。断面図をよく見ると、芯が通っていないので蛇腹のように折れ曲がりそう。


ミスミでも扱っているのは30120までで、ひとつ足りない。
NICオートテックでもアルミフレームは扱っているけど、同じように30150はないみたい。
そこで考えたのが、30120に3030を付け足して、30150にしようかと。


これ↑が30120(3200円/m)。
そして以下が3030(720円/m)。エコノミータイプNEFSで充分。


X軸は約1000mmなので、3200+720=3920円。ただ、問題なのはこの手のアルミフレームは直角に接合はできるけれども、平行に連結できない。基本的に溝に埋め込んだ先入ナットに外部からボルトで留める方法でしか固定ができないためである。考えたのは、3030の溝から4mmの穴をドリルであけ、そこにM4ボルトを貫通させるようにいれて、30120に留めるという感じ。溝幅は8mmしかないため、M5だときついので、通常M5をつかっているところ、そこだけM4ボルトとM4先入ナットに変更すればいちおう可能となる。あとは、ガイドレールによっても、3030と30150が連結されるので、きっと強度的には問題ないはず。そうすれば、最初の図面にあったような構成にできる。
あとは値段の違い。AliExpressで7132円(送料込み:EMS)、ミスミで3920円。3000円ほどの差でしかないから、AliExpressでもいいのだけれど(EMSだし)。もう少し設計を進めて、厳密な長さが決まれば、その寸法で注文してもいいかもしれない。

いまのところこんな進行状況。また微妙に設計内容がかわるかもしれない。

2016年4月2日土曜日

AliExpressの配送について

どうやらAliExpressのSaleは終わったみたい。サイトが赤とオレンジに染まっていたけど、白に戻っていた。先日買った部品:$190.60+送料$69.28が、$211.78+送料$69.28に戻っていました。
以前もAliExpressの配送料について書いたけれども、いまだに配送については謎。





















Sale中に電動工具の充電式バッテリー(39%off+アプリ価格で2222円)を買っておこうと注文したときの、配送方法選択画面です。

配送料の安い順に、
PostNL
Seller's Shipping Method
EMS
FedEx IE
FedEx express
DHL
UPS

PostNL:
オランダからの郵便です。中国かと思いきや、たまにそうじゃないところから送られてくることもあります。バッテリーの重さは460g。PostNLだと2kgまでの小包だと日本まで約18ユーロ(2286円)かかるようですが、それだと送料だけになってしまう。ほとんど利益0もしくは赤字。ちなみに、純正バッテリーを国内で買うと9000円くらい。Amazonで同じ中国製を買うと3400円(39%offなし)くらいです。とにかく安い。オランダにも中国の工場でもあるんでしょうか。

Seller's Shipping Method:
だいたいはChina Post(中国郵政)になると思います。近いのに3週間はかかる。
品物によっては「China Air Mail」となっているときもあります。
ちなみに日本はGroup1(一番近い配達エリア)で、AirMailだと100gまで14元(242円)、100g超過ごとに9元(155円)。1kgだと1637円くらい。
Surface Airlifted Mail(SAL便)だと少し安くなって、1kgで925円。
Surface Mail(船便)だと、1kgで821円。
サイトには料金表はあるけど、日数までは書いてない。届けばいいだろってことか?
どれで送ってくるのかは知らない。おそらくAir Mailでは送ってこないだろう。SAL便だと、けっこう待たされることもあるみたいだし、船便になれば、もっと時間かかるし。この辺が理由で、3週間くらいかかるのかも。
中国元の単位はRMBというらしい。

EMS:
中国のExpress Mail Service。このレベルなら一応トラッキングできるはず。
日本にもEMSはある。AirMailよりは速いのではないでしょうか。一応、4〜6日で到着と書いてあります。

FedEx IE:
これはFedEx International Economyで、通常の早いイメージのFedExよりはちょっと安くて遅いもの。保証などいちおうそれなりのサービスはついているようです。
5営業日以内。

FedEx Express:
FedExにもいろいろ種類あるようで、こちらは通常のFedExのはず。
基本的にはIF、IP、IEの順で早さと確実さのランクが別れているみたい。おそらくIP(インターナショナルプライオリティ)で送られてくるのでは。どちらにしてもIEをのぞいて、1〜3営業日以内で届くらしい。FedExに預けて、即空港へ運ばれるという感じですね。

DHL:
DHLもFedEx同様に迅速なサービスです。FedExがアメリカ本社なのに対して、DHLはドイツらしいです。つまり、アメリカならFedEx、ヨーロッパならDHLという感じでしょうか。
内容はFedExもDHLもきっと似たようなものでしょう。

UPS:
これもFedEx、DHLと同じようなサービスだと思います。一応アメリカが本拠地です。FedexとUPSどっちがいい?と聞かれても分かりません。
たまたま一番高い配送方法になってはいますが、FedExより少し格上なのでしょうか?なんとなくイメージ的にはUPSのほうがよさそうですけど。日本で言えば、ヤマトと佐川の違いみたいなものでしょうか。おそらくヤマトのほうが圧倒的に便利だとは思いますが。

そのほか、

TNT:
これもFedExなんかと似たようなサービスだと思いますが、オーストラリアが本拠地らしいです。
使ったことはないですが、確かオーストラリアも輸送料金は高めだったと思います。


ただ商品によっては、様々な配送業者を選べないときもあります。特に送料無料と書かれている場合は、ショップが勝手に決めた配送方法になったりします。














たとえばこれ↑なんかは、3つ選択肢がありますが、FedEx Expressしか選択肢はないような感じです。FedEx IEやChina Post Air Parcelは一般的に安いはずなのに、FedEx Expressにしろってことでしょうか。まさかChina Post Air Parcelを選ぶ人はいないでしょう。

AliExpressの場合、商品代が安くても(安さでリスト並べ替えても)、送料が高い場合もあります。当然、送料無料を選んでも、送料込みの値段設定になっていたりするので、結局送料別の商品と変わらないときもあります。
基本的には、商品代+送料の合計金額で安いかどうか判断します。しかし、それで安いからといって、すぐにBUYボタンを押さずに、もう一回送料の選択画面をチェックしたほうがいいと思います。場合によっては、他のオプションも送料無料であったり、あるいはあと1ドルくらいたせば、急にFedExやDHLになったりするときもあります。China Postで3週間かかって送られてくるのなら、あとちょっと足して、FedExやDHLにすることができるときもあります。とくにFedEx IEがそんなに高くない場合もあるので、いちおうチェックするといいと思います。
とは言っても、工場やショップから配送されるまで、1週間とかかかる場合もあります。つまり1週間後にやっとFedExの手に渡って、そこから数日で届くと言う感じ。なので、FedExと言っても1週間以上あるいは10日くらいかかるときもあります。即日配送とでも書いていないかぎり、注文後数日で届くということはないと思います。
AliExpressの多くのショップがドロップシッピングをやっていると思われるので、注文してから発送されるまで時間がかかるときがあります。FedExなのに発送するまで1週間かかったりとか。

追記:FedExからの関税請求書
FedExなどで送ってもらうときに保険のための商品価値を記入する欄があって、ショップが勝手に記入する場合もあるとは思うけど、メッセージで聞かれて$300と伝えておいたら、後日FedExから2000円(関税1500円+手数料500円)の請求書が届きました。大体の場合は、ギフトや商品サンプルという名目で送ってくるため関税はかかりにくいと思うのですが、商品として送ってくると関税がかかってしまうようです。商品の内容によっては、関税率もかわってくるかと思います。購入したものはボールスクリューなどの機械部品だったため、おそらく商品価値の5%程度が関税としてかかったようです。


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

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。

CNCマシン:設計中

部品が届くまでもうしばらくかかるので、その間にCNCマシンの設計をCADで行っています。
部品の寸法はだいたい分かるので、実際に組み合わせたときに、外形や作業エリアがどのくらいになるのか検討中です。それぞれの部品は思っていたよりもゴツいので、けっこうスリム化するのが難しい感じです。
これは↑、真上から見た図面です。ボールスクリューの長さがX:Y=900mm:1100mmと決まっているので、できるかぎり作業エリアが大きくなるように工夫しています。ベアリングユニットやカップリングなどにボールスクリューが差し込まれるので、実際の長さよりは短くなってしまいます。
目標としては、Y軸で最低でも900mm確保したい感じです。いまぎちぎちにつめて990mm。これが物理的な限界だと思います。実際はもう少し短くなって、900mmを下回らないように気をつけないといけないです。X軸は、790mmが限界です。こちらはA1サイズの短手約600mmくらいを最低ラインにしています。
Z軸が結構大きくなったのですが、これ以上小さくするは難しそうです。かなりコンパクトに詰め込んだけれども、奥行き(Y軸方向)が265mmくらい、横幅(X軸方向)が150mm、高さはボールスクリューが350mmあるので、それにNEMA23がつくので420mmくらい、重さも結構重いはず。しかもトリマーもつけたら4~5kgくらいあるかも。
径65mmの穴のあいたブラケットがトリマーホルダーです。トリマーの中心軸がX軸(横方向)の中心から約145mmほど飛び出しています。
Y軸の外側にボールスクリューがついており、図面下のほうの四角がNEMA23(2個)です。もともと、NEMA23がフレームの角から図面でいう下のほうに飛び出していたのですが、それだとZ軸のトリマーホルダーがすぐにX方向フレーム(図面一番下)にぶつかってしまうので、全体的にモーターの位置を上のほうにずらしてみました。そうしないと、1100mmあるにもかかわらず、Z軸のトリマーの出っ張りのせいで900mmを確保するのは難しく、無造作に配置すると案外作業エリアが確保できないということに気がつきました。ほとんどパズルのように、パーツ配置の組み合わせをあーでもないこーでもないとやって、ようやくベストな配置が見えてきた感じです。ミリ単位で部材や部品同士がぶつかりあわないようにしたり、ネジが締められるようなスペースを確保したりと、結構大変です。あとは実際の部品が届いてからじゃないと分からないところもあります。部品が本当に寸法通りかも分からないし。現物でチェックした後にアルミフレームを注文する感じです。

ほかにも足りない部品はまだあるのですが、

これ↑は、ルーターホルダー(2734円)です。部品としては高いけれど、しっかり固定しないと振動でブレそうなので、あったほうがいいかと。トリマーの直径にあったものを選ぶように。
あとは、こんなものとか。

これ↑は、移動するZ軸やX軸の配線がからまったりしないようにするキャタピラ状のキャリッジ:ケーブルドラッグチェーン(785円/m)。これはなくても大丈夫かもしれませんが、あれば便利かもしれません。ただ、このチェーンがのる溝のようなものもつけないいけないかも。あとからでもいいかな。

あとこんなのも見つけました。

これは3Dプリンターのノズル部分(6304円)です。ステッピングモーターでフィラメント樹脂を送って、ヒーター付きノズルから溶けた樹脂がでてくるもの。結構安いですね。たしかにCNCマシンがあれば、この部品をつければ3Dプリンターにもなるはずです。Z軸のボールスクリューが350mm(たぶん実質200mmくらい)なので、それなりに上下に動かすこともできるはず。
ルーター(トリマー:木材)、ミリング(金属)、レーザー、3Dプリンティング、これら全部ができればすごいですが、そんなに欲張らなくてもいいかなと。試しにやってみる(遊んでみる)にはいいかもしれません。

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