CNCマシン：制作中１１（配線作業その２）

前回のZ軸裏の部分が大体できました（Z軸につくレーザー＋FAN+LED+EXTRAの合計8線はまだ）。結束バンドで力が加わりそうなところはブラケットといっしょに固定。ケーブルドラッグチェーンが垂れる部分をLアングルで支える部材を付け加えました。これで、正面から見れば、ケーブルドラッグチェーンはX軸のちょうど真裏で動くので目障りではありません。

まあ、それなりにすっきりしました。けっこう時間かかります。ケーブルの取り回しを考えて、そのための小さなブラケットをつくり、細かい作業が多いです。8芯ケーブル2本が取り付くピンソケット部分とケーブルドラッグチェーンに入る手前の部分は、いちおう結束バンドで押さえておくことに。結束バンドを通すために、ピンソケットがついている短いアングルはスペーサーで少し浮かしてあります。

その場その場で解決しながらつくっているので、あーでもないこーでもないと考えている間に時間がたってしまいます。しかもブラケットが取り付く穴を本体にもあける必要があるので、いちいち分解しては、ボール盤へ持って行き作業をする感じです。

つぎは、この↑部分。ここは前回の線＋X軸モーター＋X軸リミットスイッチで、合計24線ケーブルドラッグチェーンを通ります。8芯ケーブルなら3本ですが。
ここは、前回より大変そうです。まだ、どこに何を配置するか決まっていません。だいたい以下三つがここに集中しています。
・前回のX軸裏ケーブルドラッグチェーンを通ってきた8芯ケーブル2本の着地点コネクター
・X軸モーターとX軸リミットスイッチの端子をまとめたコネクター（合計8線）
・つぎのケーブルドラッグチェーンの入り口（8芯x3本）
あまりスペースもないのでまた新たなブラケットを付け加えなければいけませんが、どこにどのようにつけようか思案中です。必要に応じて、既存部品の改造もでてくるかと思います。そうなると、また分解して穴あけし、組み立て状態を見るという繰り返しになります。

次：配線作業続き。

CNCマシン：制作中１０（配線作業）

今日秋葉原に行って、ケーブルや端子類を購入してきました。
ケーブルはオヤイデで、ケーブルドラッグチェーンを通すなら多芯ケーブルがいいと思い購入。

左がVVC8芯(0.3㎟）、右がVVC4芯(0.3㎟）。それぞれ径が7mm、6mmくらい。最初ネットで見た段階では中の芯の断面積0.18㎟にしようかと思ってましたが、現物を見ると細いので、ひとつ上の太いものにしました。この太さでもケーブルドラッグチェーンには通るし、曲げてみてもそんなに硬くないので問題ないでしょう。これが2〜3本ケーブルドラッグチェーンに通る感じになります。
それから、赤黒の２本線ケーブルもリミットスイッチ用に買いました。
モーターなどからのノイズ対策にシールドケーブルもいいとShapeOko wikiに書いてありましたが、今回は普通のケーブルで。ノイズがひどければ、あとで交換するしかない。

まずは簡単そうなリミットスイッチから作業開始。これはX軸の一番遠いところのリミットスイッチ。レールの下の隙間にケーブルを通すことができたので、ちょうどよかったです。いちおう熱収縮チューブでハンダづけした端子部分を覆い、両面テープ付きのケーブル用抑え金具で多少引っ張られてもすぐには外れないようにしておきました。

これ↑は、Z軸の下のリミットスイッチ。ケーブルが弛まないように押さえ金具で部分的に固定。

つぎはZ軸裏側部分とX軸との交点。ここが面倒。モーターやリミットスイッチ、その他レーザー用の端子など入れると合計で16線あります。さきほどのVVC8芯ケーブル二本をZ軸から持って来て、ケーブルドラッグチェーンに通す部分です。ケーブルドラッグチェーンはどっち向きがいいか迷いましたが、下に垂らすほうにしてX軸の真裏にくるようにしました。木のブロックで支えていますが、あとで垂れるポイントに短いLアングルを取り付ける予定です。

上から8線Z軸のケーブルが来ており（レーザー用にあと8線あるけど、それはまだ）、普通の2.54mmピッチのピンヘッダ（2列x4）とつながれて、X軸側のピンソケットに差し込まれています（コネクターはちょうどいいのがなかったので、ピンヘッダとピンソケットを代用）。ピンヘッダだと弱すぎるかなと思いましたが、CNCシールドのモーター端子もピンヘッダなので大丈夫かと。分解するときに、Z軸とX軸を分離できるように配線を脱着可能にしてあります。
まだ仮固定中ですが、ピンソケットの両端3本ずつのソケットを抜き、そこにM3穴をあけてLアングルに固定する予定です。ピンヘッダのハンダづけされている部分は、ピンがたまに抜けるときがあるので、熱収縮チューブを用いずホットボンド（黒色）で固めてしまっています。同様にピンソケット側の8芯ケーブル2本分（合計16線）もホットボンドで固めてしまいました。とにかくこの8芯ケーブルをハンダ付けするのが面倒。
ケーブルドラッグチェーンの内寸が10x20mmで、まだ少しゆとりがあります。

こんな感じでしばらくは配線作業となります。
ホットボンドがべたべた扱いにくいのですが、ある程度盛りつけたらすぐにクラフトテープの表面（テプロンっぽい粘着しにくい面）に押し付けると平らになることがわかったので、今後そうやってもう少しきれいに作業しようと思ってます。

次：配線作業続き。

CNCマシン：配線計画その２＋CNCシールドV3.5到着

CNCマシン本体に対して、主には以下の配線が必要です。
・XYZ軸のステッピングモーター（４個）
・XYZ軸両端のリミットスイッチ（6個）
・レーザーモジュール＋ファン
・LED照明＋予備端子

全ては手前右下のCNCシールドを内蔵したコントロールボックスまで線が引かれます。
コントロールボックス上には、主電源スイッチや非常停止ボタンなどいくつかのスイッチ類がつきます。
途中、X軸裏面とY軸右側面にケーブルドラッグチェーンがつきます。
ケーブルはCNCマシン本体をX軸、Y軸、Z軸にそれぞれ分解したときに脱着可能にするためコネクターが用いられます。
以下が配線のダイアグラムです（ちょっと見にくいですが）。

字がつぶれて見にくいですが、このくらいの配線数があるという感じです。かなり大変。
上のほうから、一番遠いZ軸付近のもの、次にX軸関係、そしてY軸関係、最後下の方がコントロールボックス（CNCシールド）で、スイッチ類や電源など。
途中にコネクターもつけるので、その数も多いです。だいたいこれで把握はできたので、まだケーブルドラッグチェーンは届いていないのですが、配線部品を買いにいこうと思います。コネクター類は現物を見て判断しながら選ぼうと思います（相応しいのがなければ、普通の2.54mmピッチのピンヘッダとピンソケットでもよさそうだけど）。

CNCシールドV3.5到着
それから、CNCシールドV3.5が届きました。これでレーザーの可変出力が可能になります。
V3.0からだと、けっこう内容が変わっているようです。ピンの数も増えている感じです。

このCNCシールドにDRV8825を4つのせる予定です。DRV8825のほうが電流制限値が高いのでその分パワフルなのでは。

基板右側の真ん中あたりに「SpnEn(pwm)」端子があります。それと基板左上のタクトスイッチの右にある「P-STOP（シルクが重なって読みにくい）」とあるのが、非常停止ボタン用でしょうか？試してみないと分からないですね。基板右下の「Abort（中断/途中終了）」とどう違うのか？タクトスイッチ（Arduinoボードのリセットスイッチ）のすぐとなりにあるので、リセットだとは思うのですが。
それと、ジャンパーブロックもついていました。これでようやく実験できます。

ハードウェア/構造の作業は大体終わったので、徐々に電気系の作業に移っていきます。

次：引き続き配線作業。

CNCマシン：制作中９（リミットスイッチ＋配線計画）

リミットスイッチXYZ軸用（合計6個）つくりました。左からX軸用、Y軸用、Z軸用。フレーム外部に取り付けるものは大きめですが、内部に取り付けるものはスペースが限られているのでかなり小さいです。マイクロスイッチの大きさが13x6.5x5mmで、アルミLアングルを加工したものにM2ネジで固定してあり、本体へはM3ネジで固定します。
注文したケーブルドラッグチェーンがまだ届かないので、配線作業はまだこれからです。本体をX軸、Y軸、Z軸に分解したときに配線も脱着可能にするために各部にコネクターも必要です。配線作業もけっこう手間がかかりそうです。
当初は、XYZ軸のリミットスイッチをパラレルにつないで一組のプラスマイナスの線に集約しようと考えていましたが、grbl0.9では、それぞれ別々に認識してくれるようなので、CNCシールドまで合計12本の線で引っ張ってくることになります。

追記：
Arduinoボードのピン割当を見てみると、XYZで3端子+GNDの合計4端子あればいいようです。つまりX+とX-はパラレルにつながっているということです。YやZも同じ。ということで、12本が4本で済むはずです。


配線計画
CNCマシン本体Y軸右手前（Y-のリミットスイッチを基準点とすると）からの線の最短道のりは以下のようになるので、
X+2線：1.2m
X-2線：2.2m
Y+2線：1.2m
Y-2線：0m（基準点）
Z+2線：2.4m
Z-2線：2.4m
最短でも合計9.4m。
しかし、Y-の基準点からコントロールボックス（CNCシールドや安定化電源）までの線もあるので、それぞれに0.5m延長させると12.4mとなり、リミットスイッチだけでも約15m分は２本線ワイヤーを買ってこなければいけません。

そのほか、
・ステッピングモーター
　　X軸4線：1.2m
　　Y軸左4線：1.0m
　　Y軸右4線：0m（基準点）
　　Z軸：4線2.4m
・レーザーモジュール
  LD2線：2.4m
  ファン2線：2.4m
  TTL2線：2.4m

スピンドル先端にLED照明もつけたいけどそれは後回し（というか2線余分につけておけばいい）。
ワイヤーの種類や長さ、コネクター端子類、そしてスイッチ類などいろいろあるので、一度きちんと配線計画の図面を描いて整理してみないとダメですね。そのあとに秋葉原に行く感じですね。

次は配線計画へ。

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

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