これまでのあらすじ:
2016年3月、フェルト生地を手で裁断している際にレーザーカッターがあれば複雑なカットが容易にできるなあと思って、安価になってきたレーザーカッターを購入しようと思ったのがきっかけ。調べていくうちに、合板も切れたほうがいいと思うようになって、CNCルーター(CNCミリング)についても考えるようになった。
Arduinoは以前から使っており、CNCシールドがあると気付いて自作も可能と思うようになった。当初はShapeOkoやX-CARVEを参考にMakerSlide、OpenRail、V-Wheel、2GTタイミングベルトなどで5万円くらいで自作しようと思っていた。AliExpressでも部品が安く買えることが分かって、しばらくは部品探し。探せば探すほど安くて本格的な部品も見つかってくるので、そんなにケチらなくてもいいのではないかと徐々にスペックアップ。最終的には剛性や精度のことも考えてボールスクリューやリニアスライドを使うことになり、予想以上に重厚な3軸CNCマシンをつくることに(約7万円)。
構想から約5週間(制作約3週間)でルーターとレーザーともに使えるようになり、現在はgrbl1.1+Arduino CNCシールドV3.5+bCNCを使用中(Macで)。余っていたBluetoothモジュールをつけてワイヤレス化。bCNCのPendant機能でスマホやタブレット上のブラウザからもワイヤレス操作可能。



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:
*CNCマシンの制作記録は2016/04/10〜の投稿に書いてあります。

利用例や付加機能など:
CNCルーター関係:

2016年3月26日土曜日

いろいろあるG-Code Senderについて

Grbl Controller:(使い方はこちらへ
Mac+Arduinoという環境で、Arduino用CNCシールドを探すところから始まったので、まずは:
Protoneer Arduino CNC Shield V3.10
この↑シールド(A4988付き)でステッピングモーターを動かすことができるけれども、それをPC(Mac)から操作するソフトも必要なので、
Zapmaker Grbl Controller 3.6.1(for Mac)
が見つかった。インストールが面倒そうなのですが、このページの以下の投稿から「3.6.1-T4」か「3.6.1」が簡単にインストール出来る。ちなみにWin/Linux版はこちらから
この人↑が「3.6.1-T4」と「3.6.1」のバイナリーをつくってくれたらしいので、青文字の「3.6.1-T4」か「3.6.1」をクリックすればソフトをダウンロードできる。

しかし、調べていくうちにこの手のソフトがたくさんあることが分かってきた。
基本的にはGRBL関係なら以下のサイトに行くといいみたい。
https://github.com/grbl
ここには、
・grbl:(Arduinoにアップロードするファームウェア)
・grbl-builds(コンパイルされていないファームウェア保管場所)
・grbl-sim:(Arduinoなしでシミュレーションできるらしい)
・Universal-G-Code-Sender(JavaベースのクロスプラットホームのGコード操作ソフト)
の4項目がある。

Universal-G-Code-Sender:
Zapmaker Grbl ControllerのかわりにUniversal-G-Code-Senderを使うこともできるようで、もしかしたら、こちらのほうがメジャーなのかもしれない。以下のようなインターフェース。
似たような感じではあるけれど、使ってみてどちらが自分に合うかで決めればいいと思う。

ShapeOko Wikiにあるリスト:
ほかにもこの手のソフトはいろいろな人によって開発されていて、以下の「Shapeoko」のwikiサイトに載っている。
http://www.shapeoko.com/wiki/index.php/Communication_/_Control
この中のリストにも「Zapmaker Grbl Controller」があるけど、「Shapeoko」でも使っていたようだ
現在の「Shapeoko3」では、「Carbide Motion Machine Control Software」を使っているみたい。こんな画面(以下↓)。
ちなみに「Shapeoko3」は、Arduinoシールドに「CNC Shield」ではなく「gShield」を使っている。

この手のソフトは、G-Code-Senderと呼ばれているようだ。そしてArduinoにアップロードされるファームウェアはG-Code-Interpriterと呼ばれているらしい。日本語ではGコード送信プログラムとかGコード解析プログラムとでもいうのでしょうか?

他には、Interactive G-Code-Generatorというのもあり、Javascriptでできる「Javascript G-Code Generator」というのもあるらしい、Webやブラウザ上でするにはいいかもしれない。
たしか、Smart Laser Miniがブラウザ上のインターフェースであるため、ネットを通して遠隔操作もできるようである。と、いまSmart Laser Miniのサイトを見に行ったら、来月(2016年4月)に新しいのでるみたいです(以下)。
レーザーモジュールが3Wにパワーアップしそうな感じです。価格は10万円くらいになってしまうのでしょうか。

ということで再びG-Code-Senderに戻りますが。
「X-CARVE」も「gShield」を使っている。インターフェースはブラウザ(今回はSafariで)で操作可能。以下のような感じ。これも右側に3Dシミュレーション画面のようなものがある。シンプルにまとまっていて素人でも使いやすい感じになっている。
いろんなG-Code-Senderが使えるということが分かったのですが、この際G-Code-Sender自体も自分の使い方に合わせてプログラムしようと思いましたが、今回はそこまではやらないで、既存の使いやすいものを試しながら選んで行こうと思います。

追記:
この記事を書いているときは、まだよく知らなかったので上記のようなソフトを試していました。現在はbCNC(以下のリンク)というG-Code-Senderを使っています。

関連:
CNC関連のソフト(まとめ)
G-Code-Sender(bCNCなど)

GRBLソフトウェアを試してみる

ハードのほうは、ネットで調べながらなんとなく検討はついてきた。
ソフトのほうは思っていたより簡単でArduinoがあれば何とかなりそう。
とりあえず、目をつけておいた「CNCシールド」でやろうと思っている。安くて手っ取り早そうなので。

ということで秋葉原で売っていないかチェック。
aitendoで中国製CNCシールドが売っていることが分かった。ネットで買ってもよかったけれども、すぐに試してみたいので店頭で購入することに。aitendoと言えば、昔は自作液晶スクリーン屋だったと思うけど、いつのまにか店も引っ越して、Arduino関係をかなり増やしていた。新店舗もすごい量の商品。全部中国製ぽいけど。まあ、安いから実験するにはいいかも。
追記:
以下のCNCシールドはV3.0(grbl0.8対応)です。最新版はCNCシールドV3.51(grbl0.9)になります。V3.0とV3.51の違い、あるいはV3.0でgrbl0.9/1.1を使う場合についてはこちらへ

CNCシールド950円、安い。ついでにドライバも。

ドライバは、ネットでもっと安いのがあるけど、実験ということで3個購入。
ついでに、Arduino UNOも買っておこうと秋月へ。Arduinoも中国製のクローンでもいいかもしれないけれど、一応純正品を。ArduinoはDiemilanove以後買っていないし、そのDiemilanoveも壊れてしまったので、交換用ATMEGA328も1個購入。
AliExpress.com Product - 1 set New cnc shield v3 engraving machine / 3D Printer / + 4pcs A4988 driver expansion board for Arduinoこれ↑なんかは(AliExpressで)、シールドとドライバ(4個)セットで624円しかしない。安い。

これでコントローラーは一応揃ってしまったので、Arduino UnoにCNC libraryを入れてみることに。

手順(旧型Grbl v0.8):*v0.8は古いので、v0.9あるいはv1.1の場合はここをスキップ
https://github.com/Protoneer/GRBL-Arduino-Library
にアクセスし、画面下のほうにある「How to install it:」から、
https://github.com/Protoneer/GRBL-Arduino-Library/archive/master.zip
このzipファイルをダウンロード。おそらく自動解凍するので、
「GRBL-Arduino-Library-master」というフォルダが出来上がる。
フォルダ名を「GRBL」に改名し、Arduinoのlibrariesフォルダへ入れる。Macなら、
/Users/username/Documents/Arduino/libraries
の中へ入れるだけ。
あとはArduinoソフトを起動して、
「Arduinoメニューバー>ファイル>スケッチの例>カスタムライブラリのスケッチの例>GRBL>GRBLtoArduino」を読み込む。
以下の画面が出て来て、
あとはArduinoボードをUSB接続しアップロード(ツール>マイコンボードでArduinoボードの種類、ツール>シリアルポートも正しく選択しておくように)。
これでArduino側は終了。Arduinoボードは、ゆくゆくはCNCマシンのステッピングモーターを動かすために、マシン本体へ取り付けられることになる。


Grbl v0.9の場合:(追記:最新版grbl1.1についてはこちら
上記はGrbl v0.8だったけど、v0.9をインストールすることに。
*Grbl v0.8をインストール済みの場合は、Grbl v0.8を消去してからインストール
つまり、「/Users/username/Documents/Arduino/libraries」内の「GRBL」フォルダを捨てる
このページ(grbl本家wiki)を見ると、Arduino IDEを立ち上げてから、インポートする方法が載っている。
・まずこのサイトの画面右側の「Download ZIP」をクリック。
・そうすると「grbl-master.zip」がダウンロードされる。
・「grbl-master.zip」をダブルクリックして解凍する。
・解凍すると「grbl-master」フォルダができあがる。
・Arduino IDEを立ち上げる。
・「Arduinoメニューバー>スケッチ>ライブラリをインクルード>.ZIP形式のライブラリをインクルード...」を選択。
・そうするとファイル選択のウィンドウが出るので、先ほど解凍したフォルダのほう「grbl-master>grbl」を選択。
・インクルードされたら、「Arduinoメニューバー>ファイル>スケッチの例>カスタムライブラリのスケッチの例>grbl>grblUpload」を選択。

現れた画面↑上で、「検証」、「マイコンへ書き込む」でArduinoボードへアップロード。
以上。

Arduino IDEでArduinoボードにアップロードされたgrbl0.9jを確認する:
CNCシールドを装着したArduinoボードをパソコンとUSB接続し、Arduino IDEを立ち上げて、メニューバーの「ツール>マイコンボード」から使用しているArduinoボードのタイプ(Arduino UnoならArduino/Genuino Uno)を選択。続いて「ツール>シリアルポート」からArduinoボードのシリアルポートを選択。
Arduino IDEの画面右上にあるシリアルモニタボタンをクリックする(以下)。


そうすると、シリアル通信用の画面が出てきます(以下)。
この画面↑右下にあるbaudrateをgrbl0.9以上なら115200 bps(grbl0.8なら9600)にしておきます。

最初に接続すると、上画像にのように「Grbl 0.9j ['$' for help]」と出てきます。ここでArduinoにアップロードされたgrblのバージョンが0.9jであることが確認できます。
続いて、コマンド入力欄に$$(設定内容確認コマンド)を入力し(以下)、
そして、右上の「送信」ボタン↑を押すと、

このような↑、現在のArduinoボード内にアップロードされたgrblの各種設定がでてきます。
それぞれの設定内容(grbl0.9)については、grblのサイトに書いてあります。
例えば、ここで各種設定の下から3行目にある$130=500.000に対して、
$130=300
を入力するとX軸の移動範囲を300mmに設定し直すことができます。
再度、$$を入力し設定内容を確認すれば、
このように↑設定内容の下から3行目にある$130の項目は、
$130=300.000
に変更されたことが確認できます。
このような設定は後々使うG Code Sender(GRBL Controller、Universal G-Code Sender、bCNCなど)で行えばいいのですが、一応Arduino IDEのシリアルモニタ機能でも可能なので、動作確認のために試してみるといいでしょう。


GRBL Controller:
つぎに、CNCマシン(Arduinoボード)をMac上で操作する「GRBL Controller3.6.1」ソフトをダウンロード。「GRBL Controller3.6.1-T4」というのもあるみたい。Win用はこちらから
このソフトで何をするかというと、
・CNCマシンの各種パラメータ(移動距離、移動スピードなど)の設定
・左右前後上下ボタン(ジョグボタン)でヘッドを材料の位置へ移動したり(加工原点設定)
・このソフトとは別にあらかじめ用意しておいたGコードファイルを読み込んでCNCマシンへ送信し加工開始
という感じ。Gコードを送信するためのソフト(G Code Sender)であって、このソフトでGコードを生成するわけではない。Gコード生成(G Code Generator)などほかのソフトについてはこちらへ
追記:
その後、Gコードを送信するソフト(G Code Sender)をいくつか試してみましたが、個人的にはGRBL ControllerではなくbCNCというのが便利で使っています。

あとはステッピングモータードライバ(A4988)をのせたCNCシールドをArduinoボードに装着し、MacとUSB接続、GRBL Controller3.6.1を立ち上げる。
GRBL Controller3.6.1の画面はこんな感じ↑。Grbl v0.8ならBaudRateは9600。v0.9なら115200。
CNCシールド(Arduino)とUSB接続後、Port name、Baudrateを選び、Openボタンで開始。
画面右のほうに3つのタブがあり、Advancedタブを押すと、
こんな画面↑が現れて、GRBL Settingsボタンを押すと各種設定ができそう。

そうすると、こんな設定画面↑が現れて、下から3行目にあるX軸の最大移動範囲(x max travel, mm)に400.000を入力(設定)してみる。数値を入れたらリターンを押してから、下のApplyボタンを押す。しかし、、、
> $28=400.000
error: Invalid statement
というエラーが出てしまう。どうやら、他の項目も同じようにエラーがでるようで、このソフト自体にエラーがありそう。$130=400.000のはずなのに、なぜか$28=400.000と認識しているようで、そのためにエラーがでているみたい。対応する項目がずれているのかもしれません。
なので、画面左にあるCommand欄に手動で、以下のように$130=400を入力しリターン。
そうすると、コンソールには
> $130=400
と出て来て、設定されたはず。ちなみに、先ほどのAdvanced>GRBL Settingsを押してみると、
こんな感じで↑、下から3行目には400.000がきちんと設定されています。どうも、このGrbl Settings画面で入力するとエラーが出るようなので、Commandから手入力したほうがよさそうです。このような理由からも、このソフトは使わなくなりました。
以下は、GRBL Controller3.6.1-T4(こちらはエラーでなさそうです)
GRBL Controller3.6.1-T4の画面はこんな感じ↑。なんか3Dの画面がついてる。

まとめ:
・Arduinoボードへアップロードするプログラム/ライブラリ(Grbl v0.8またはv0.9)
・Mac上で操作するアプリのインストール(Grbl Controller 3.6.1-T4がおすすめ)
の二つが必要。
そして、
・Grbl v0.8の場合はGrbl Controller上のBaudRateを9600
・Grbl v0.9の場合はGrbl Controller上のBaudRateを115200
にする必要がある。
*Grbl Controller 3.6.1のほうは、なぜかエラーがでるので、使うならGrbl Controller 3.6.1-T4のほうがよさげ、機能も豊富だし改善されているようです。
おそらく、Arduino経由でCNCマシンを検索すると(特に日本語で)、CNCシールドやGrbl Controllerに行き着くと思うのですが、Grblで調べると(Grbl Wikiなどから)、Universal G-Code SenderやbCNCというソフトに辿り着くと思います。個人的には、どちらかというとUniversal G-Code SenderやbCNCのほうが使いやすいと思います。
追記:
2017年以降であれば、最新版Grbl1.1を使ったほうがいいと思います。おそらくGRBL Controller3.6.1は、数年前のGrbl0.8用という感じなので(使えないというわけでもないのですが)、Grbl1.1に対応した新しいソフトのほうがいいかもしれません。Grbl1.1についてはこちらへ

「Grbl v0.9 + GrblController3.6.1-T4」 の場合
上記のようにGrbl v0.9をアップロードしたArduino UNOをMacにUSB接続し、GrblController3.6.1-T4をMac上で立ち上げてみました。まだステッピングモーターは未接続。
GrblController3.6.1-T4の画面左上の
・「Port name」でArduinoのポートを選択
・「Baud Rate」で115200を選択
・画面左上「Open」ボタンをクリック
そうすると以下のような画面。
Openボタンで開始したら、Grbl Settingsボタンで各種設定ができます(こちらはエラーでません)。なので、こっちのほうがいいかもしれません。

よくみると「Spindle On」だけでなく「Speed spindle」もついています。TTLドライバ付きのレーザーモジュールならレーザー出力調整できそうです。この機能を生かすには「CNC Shield V3.10」にしたほうがよさそう。先日aitendoで買った中国製の「CNC Shield V3.0」だとgrbl0.8対応なので端子がON/OFF制御になっている(追記:grbl0.9ではピン配列が少し変わったので、それにあわせて接続を入れ替えればV3.0でも使えるようです)。まあ、そのへんは後々バージョンアップしようと思います。
とりあえず、ソフトのほうはなんとかなりそうです。ということで、またハードの検討に戻ります。

関連:
CNC関連のソフト(まとめ):GrblController以外にも使いやすいソフトはあります。
CNCシールドV3.0とV3.1以上の違いについて:(最新版はV3.51)

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。)

AliExpress.com Product - Free Shipping New CNC Single Axis TB6600 0.2 - 5A Two Phase Hybrid Stepper Motor Driver Controller .We are the manufacturer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1866円+送料340円=2206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。

こんなもの↑(CNCシールドV3.0+DRV88254個付き)が、1063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。
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。
これ↑「Shapeoko 2 CNC machine nema 17 Z axis assemble kit(no motor) M8*1.25 delrin nut」、9040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。

2016年3月23日水曜日

自作CNCマシン全体構想

望んだスペックのCNCマシンをほぼ自作でつくろうかと構想中です。
ということで、スペックを分かる範囲で以下に箇条書き。

ヘッド部分:
・ルーター(手持ちのマキタ、将来的にはブラシレスモーター)
・レーザーモジュール(2.5W以上)、TTLドライバ付き(PWM調節可)
  *PWM使用の場合、GRBL v0.9が必要。
  *ちなみに、安い中国製CNC ShieldはV3.0の場合GRBL0.9のピン配列に対応していないため、Z+とZ-がPWMピン、SpnEn端子がZ+(あるいはZ-)となる。

ハード部分:
・サイズ:1000x1000mm
・作業エリア:約800x800x100mm
・X軸レール:V-slot アルミニウム(20x60x1000mm)計2本
・Y軸レール:V-slot アルミニウム(20x60x1000mm)計1本
・Z軸レール:未定(たぶん台形ネジ+V-slot)バックラッシュ軽減
・ホイール:Solid V Wheel、計16個(Eccentric Spacerで調整可)
・タイミングプーリー(ピッチ:2GT、歯数:20)
・タイミングベルト(ピッチ:2GT)

電気系統:
・モーター(計4個:X軸1個、Y軸2個、Z軸1個):NEMA17(2.8V 1.68A)
・マイコン:Arduino Uno+CNCシールドV3.0かV3.10
・モータードライバ(4個):A4998(ヒートシンクありで2A)またはDRV8825(2.5A)
・リミットスイッチ:マイクロスイッチ(たぶん後々つける)
・電源:安定化電源12V(アンペア数はこれから計算、たぶん15Aあれば充分?)

ソフト部分:(Macメインで操作)
・Arduino CNC Library
・GRBL Controller

CNCミリングマシンについて

CNCマシンのヘッドを交換可能にして、ミリングとレーザーカッター兼用のマシンを自作したいと考えてます。
自作CNCミリングマシンだと、国内であれば「オリジナルマインド」で部品が購入できそうですが、けっこう高め。AliExpressで中国製を買うよりは信用できますが、部品全部揃えると10万円すぐ超えそうです。なので、参考程度に眺めつつ、同時に海外のCNCマシンも探してみました。特にArduinoを使ったオープンソース的なものを。候補としては以下のもの。

Shapeoko

Shapeoko3:
価格:999ドル
作業エリア:16"x16"x3"(406x406x76mm)
ファームウェア:GRBL
Mac対応
NEMA23ステッピングモーター使用

レールというかフレームも太めで安定してそうです。

Shapeoko XL/XXL(1399ドル)が2016年3月末にリリースされるようです。その名の通り大きめのものです。
XL作業エリア:33"x17"x3"(828x431x7.6mm)
XXL作業エリア:33"x33"x3"(828x828x7.6mm)


X-CARVE

X-CARVE:
オプションがあり、値段が変わってきますが、最小のもので以下から。
価格:934.90ドル
作業エリア:300x300mm

作業エリアを大きめにすると、以下くらい。
価格:1213.90ドル〜
作業エリア:800x800mm

ただし、不必要なオプションなど省いていけば、1000ドル以下にもなりそう。

このサイト(INVENTABLES)では、その他パーツ類なども購入できます。
たとえば、レール付きアルミフレーム(以下)。

このタイプ↑。「MakerSlide」という片側にV型の山がついているアルミフレームがレールになります。1000mm長で20.93ドル。
そのための車輪が以下。

V型の山のついたレール上をこのV溝付きの「V-Wheel」が転がるという仕組みです。これならブレが少なくなりそうです。1個(1セット)4.85ドル。20個で75.50ドル。
Shapeoko3もX-CARVEもこのV-Wheelをつかっているようです。

ちなみにV型の山のついたアルミフレームは、日本のミスミでは売ってないはず。
V溝樹脂ベアリングは、近いものなら日本でも手に入ります。たとえばこれとか(1個100円前後)。

ただし、またAliExpressへ行ってみると、「MakerSlide」も「V-Wheel」も売ってますね。
「MakerSlide」は、なぜか高い。
送料含めて安い方から買う方がいいでしょう。
いずれにしても、このVレール付きアルミフレームは使えそうです。

ちなみに、日本製の「Smart Laser Mini」のレールとホイールは、ちょっと違う感じです。

これは↑「V-slot」アルミフレームと呼ばれています。
国内ではAmazonでも購入できるようです。


海外だと「OPENBUILDS partstore」にあります。
20x20は売り切れ中ですね。1000mmで1123円。
20x40は在庫ありのようです。1000mmで1460円。
比較的安いと思いますが、送料を入れるとかなり高くなりますね。
ホイールは、「Solid V wheel」というみたいですね。一個545円。

ちなみにAliExpressでも売ってます。こちらのほうが安くなりますね。
20x20で、684円/m+送料863円
20x40で、912円/m+送料1572円というのがあります。
ホイールも20個セットで3990円送料無料

「MakerSlide」+「V-Wheel」にするか、「V-slot」+「Solid V wheel」にするかで悩みますが、どちらもガタが少なくて済みそうなので、マシンの設計次第で、どちらがいいか決めたいです。
ここまで来ると、部品調達も何とかなりそうなので、自作できそうな感じになってきました。
マシンのX軸とY軸の仕組みについては、このどちらかを使って行けそうです。あとはミリングマシンにしたときのZ軸上下方向の動きをどうするかという感じです。
ルーターやレーザーモジュールを片持ち梁で付けるようになるので、あまりハングオーバーしないように、スリムな仕組みにしたいと思っています。
場合によっては、以下のような台形ネジを使おうかなとも検討中。

これ↑もAliExpressで見つけたものです。一応バックラッシュ対策もとれるのでよさそうです。
1937円送料無料。

この辺の部品を組み合わせれば、そこそこガタのないものがつくれそうです。
ルーター、電源は手持ちのものを使い、あとはレーザーモジュールを何Wにするかという感じです。

追記:その後内容を新しく書き換えたほうはこちら

レーザーカッターの種類について

CNCミリングマシンとレーザーカッターを比較すると。
おそらくCNCミリングマシンのほうが剛性が必要そう。
ヘッドをルーターからレーザーに変えれば、仕組みはいっしょなので、レーザーカッターとしても使えます。ということで、もし自作するなら、両方できるようにしようかと。

レーザーカッターは40Wや50Wの強力なものになると、CO2レーザー加工機となって、アクリル5mmとかも切断できるみたいですが、20万円以上と急に値段が高くなってしまいます。


上記は、「Smart Laser Mini」(税込み59,184円)の上位機種である「Smart Laser CO2」(税込み268,704円)。たしかにこうなると高い。しかも仕組みも複雑そう。とくにレーザー周辺の部品や排気装置など、いろいろ必要そう。なので、このスペックは望まないことに。CO2レーザーじゃなければ、AliExpressで検索すると5.5wというパワフルなものもあります。「Smart Laser Mini」が1.6Wなので、3倍以上、かなり強そう。ただし中国製なので、どの程度信用できるかは分かりません。
























これ↑で390ドル(42,796円)。この値段で5.5Wが買えるというのは、たしかに魅力的です。
以下は41238円。
AliExpress.com Product - 5500mwA laser toy grade DIY desktop micro laser engraving machine engraving machine marking 350*500 working face
おそらくレーザーモジュールの強さでかなり値段は変わってくるので、レーザーモジュールだけ調べてみると、

























これ↑は、5.5Wのレーザーモジュール、230.75ドル(26,300円)。送料無料です。写真で見る限り、一応TTLドライバもついているんでしょうけど。この手のものは、買う前にメールできちんと確認とったほうがいいですね。
先ほどの390ドルのキットから、このレーザーモジュール分差し引くと、フレームやステッピングモーター、マイコン基板などその他の部品は約16,000円くらいということになります。やはり価格の半分以上はレーザーモジュール代という感じです。

レーザーモジュールに関しては、もしパワー不足だと感じれば(CO2レーザーは無理だとしても)、必要であれば5.5Wへ後から交換してしまうのもいいかと。

ということで、ますます自作度アップしてきましたが、レーザーモジュールは交換可能としても、フレームやレールの剛性のほうが大事かもしれません。この中国製のものは全体的につくりが甘そうなので、精度低そうな気がします。安いので、中国製キットを買って、もし精度が出ていなければ、改良するのも手ではあります。そうすれば、「Smart Laser Mini」(税込み59,184円)の値段以下でも、サイズや出力アップしたものが案外つくれそうです。

ということで、レーザーカッターについては、レーザーモジュールも含めて部品はなんとかなりそう。
AliExpressで売っているレーザーカッターキットは、Arduinoで動くようなものが多いです。Arduinoボード自体も純正ではないですけれども。自作レベルであれば、この程度のものでもいいかもしれません。そのままでは使えないのかもしれないですが、改良すればなんとかなりそうです。

関連:
中国製レーザーモジュールについて

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。