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5月7日土曜日

CNCマシン:ブラシレスモータースピンドル+ER11コレット

現在マキタのトリマ(350W)を木工用スピンドルとして使っていますが、そのうちアルミなども加工することを考えてブラシレスモータースピンドルを購入しようかと考えています。そうすると大体以下のようなもの(いつものAliExpressより)。
air cooled 400W Spindle Motor 48VDC ER11 collect + Mount Braket Holder + Power Supply + brushless spindle driver

Spindle: brushless DC Motor
Voltage: 12-48VDC
Power: 400W
Speed: 12000rpm/min
Diameter: 55mm
length: 172mm
Cooling type: air cooled
Net. weight: 1.1kgs


Power supply:
power: 400w
voltage; 48VDC
Current: 7.5A
Size: 215mmx115mmx50mm
Net weight: 0.95kgs

Brushless spindle driver;
Model: HX-WS400
Voltage: DC18V-DC52V
Current: 10A

Power supply:
Power: 400w
Voltage: DC48V
Input voltage: AC110V/220V 50/60HZ
Net. weight: 0.9kgs
size: 215x115x50mm

Clamp: D52mm

ブラシレスなのでドライバが必要。そしてDC48V電源も。それからスピンドルマウントも変えないといけません。ということでこれら全部が必要。
さらには、ER11コレットもいくつか必要。おそらく3mm、1/8インチ、6mm、1/4インチなどmmとインチの両方あると良さそうです。



コレットはこんな感じのセットでいいのかもしれない(1632円送料無料)。
ERコレットシステムとは、スイスのREGO-FIX社が開発した片側に8度テーパーのついたコレットチャックらしい。下の図のように、斜めに入れてカチッと装着するようです。同様に押して斜めにしてから外すようです。おそらく上記のコレットセットはクローンだとは思いますが。


必ずしも、上記のブラシレスモータースピンドルセットが安いというわけでなく、もう少し探してみると(それぞれ別々に買うと)、
・ブラシレスモータースピンドル+ドライバ(12447円
・DC48V/8.3A電源(3011円
・スピンドルマウント/径55mm(2543円
合計18,001円。ということで、別々に買った方が安い。
しかも電源DC48Vはセットのものだと7.5A、単品で8.3A。ひとつ疑問なのは、セットの中でブラシレスモーターの径が55mmなのに、マウントの径が52mmになっているということ。この辺もショップに確認してから購入したほうがいい。というより、セットよりもバラ買いのほうが安いので、このセットは買わないと思う。
いずれにしても、ER11コレットも含め約2万円というところでしょうか。
いまのところマキタのトリマで間に合わせて、必要応じてそのうち購入しようかと思います。


AliExpress.com Product - 600W CNC Brushless DC Motor Driver + 400W Spindle Motor For Engraving Machineこんなセット(10671円/送料込み)もあります。400Wブラシレスでドライバつきなら安いかも。

2016年5月5日木曜日

CNCマシン:中国製レーザーモジュールについて(まとめ)

レーザーの実験も終わったところなので、いままでのことをまとめておきます。

今回の自作CNCマシンでは、5.5W、12Vのレーザーモジュール(レーザーダイオード)を使っています。この手のレーザー加工機用のモジュールはEbayでも入手できますが、AliExpressで入手するのがほとんどでしょう。AliExpress内で「5.5w laser」や「5500mw laser」で検索すれば出てきます。
見た目はこんな感じのもので、レーザーモジュール本体、ドライバ基板(中央)、ACアダプターの3点セットになっています。もちろんマニュアルなし。Air Mail便で2週間前後で届きます。

AliExpress.com Product - 5500mW Blue-violet Laser Module Parts with Holder Heat sink for Mini Laser Engraving Machine High-power wave length 450nm focus ちなみに、これ↑は、5500mwのレーザーモジュール(約14800円)。たまに安いのがあります。

注意事項として:
購入する際も、一応内容のチェックをしたほうがいいです(メールやチャットで)。ドライバ基板はついてくるのか?ACアダプターは何V対応なのか?焦点距離はアジャスタブルかもしれないけど、大体どのくらいなのか?もし壊れていた場合返却できるのか?など。
マニュアルはないので、すぐに接続して試す前に、それぞれをテスターなどでチェックしたほうがいいです。ACアダプターの極性や電圧をチェックしてから、ドライバ基板に接続(このときまだレーザーモジュール本体はつながないほうがいいかも)。当然レーザー用ゴーグルも必要。ドライバ基板の各端子の極性や出力電圧チェック。配線の色が逆になっていることもあるので、それも確認するなど。レーザーを接続する場合も、異臭や異音を感じたら、すぐに電源OFFできるように身構えておく。燃えやすいものが近くにないかどうか。使用前と使用後の異常を確かめるためにも、最初にカメラで撮影しておくといいと思います。

出力と値段:
この種類、メーカーはどこのものなのか分かりませんが、0.3W、0.5W、1W、2W、2.5W、3W、4W、5W、5.5W、8W、10W、12W、15Wのバリエーションがあるようです。2.5Wで1万円前後、5.5Wで1.5万円前後、10Wで2.5万円前後、15Wで3万円前後という感じでしょうか。ショップによっても値段がかなり違いますが、画像は同じものを転用しています。購入するときはメールやチャットで内容を確認したほうがいいでしょう。
AliExpress.com Product - New arrival High Power 12V 2W/2000mW Focusable Blue Laser Module 445nm/450nm with TTL / Wood carving / laser cutter こちら↑2000mwのダイオードレーザー、約10000円(送料込み)。
追記:12000mw(12W)レーザーモジュール
AliExpress.com Product - Freeshipping ! 12W 12000mW High-power laser engraving Laser module Blue Light 450nm laser head12Wで28,420円(送料込み)。
12Wレーザーモジュールについてはこちらへ

追記:さらに15Wレーザーモジュールも登場。
AliExpress.com Product - Freeshipping ! 15W 15000mW High-power laser engraving Laser module Blue Light 450nm laser head30,540円(送料込み)
15Wレーザーモジュールについてはこちらへ


レーザー加工機としてどのくらいのW数がいいか?:
国内のSmart DIYsの「FABOOL Laser mini」は1.6Wのようで、3Wにも拡張できるようです。おそらく、一度手にするともっと出力数の高いものが欲しくなってくると思います。1.6Wで柔らかい木材2mm切断できるらしいです。5.5Wで4〜5mmくらいでしょうか。アクリル板も切りたいと思うかもしれませんが、この手のダイオードレーザーだと透明アクリルは光を透過してしまって切れないようです(黒いアクリルなら可能)。もし分厚いアクリルも切りたいのであれば、Smart DIYsの「Smart Laser CO2」などの40Wクラスになってしまうでしょう。透明アクリルでも10mmまで切れるようです。ただし248,000円(税抜き)とかなり高額になってしまいます。中国製の40W/CO2レーザーであれば8万円前後で買えますが、電源やソフトなど改良する必要があるかもしれません。


AliExpress.com Product - 40w co2 3020 laser engraving machine,3020 laser cutting machine,engrave size 30*20cm support CorelDRAW output
中国製CO2レーザー40Wなら、こんな感じ↑(約68000円/送料込み)。これなら透明アクリルも切れるはずです。


ルーター、ミリングマシンという選択:
今回CNCマシンを制作するにあたりそんなことを考えましたが、やはり20万円以上も費やすのは高いかなと。分厚いアクリルなどを切るならルーターやミリングマシンで切った方がいいんじゃないかと。そうすれば、アルミなどの金属加工もできるし、レーザーとミリングの使い分けがいいのではないかと。
レーザー加工機の場合は、基本的にXY軸だけで済むし切断する材料から切削抵抗も受けないので、それほど剛性のある構造にしなくてもいいのですが、ルーター/ミリングマシンの場合は剛性をあげないと切削抵抗に耐えられなくなってしまいます。なので、レーザー加工機をルーターマシンに転用することはできませんが、その逆は可能なので、CNCルーターマシンをつくるという前提のほうがよさそうです。
もし自作しないのであれば、「Shapeoko3」や「X-CARVE」のような$1000くらいのXYZ軸の3軸CNCマシンを購入して、そのヘッドにレーザーモジュールを買い足せば15万円くらいで両方使えるようになると思います。当然自作すれば10万円以下で両方が可能になるはずです。
ミリングマシンであれば、基板制作も可能になるというメリットもあります。
ということから、レーザーの場合は例え5万円前後の10Wダイオードレーザーを装備したとしても、値段の割にはあまり大した物は切れないので、あくまで薄い素材を切るか、切るというよりも表面刻印加工用として考えたほうがいいかもしれません。どうしても分厚いアクリルなどをレーザーできれいに切りたいというのならCO2レーザーになってしまうと思います。

レーザー加工機を自作する場合:
ミリングは必要なく、レーザーだけでいいのであれば、3万円もあれば作業エリア500mm角くらいのものをつくることができると思います。何Wのレーザーにするかでコストが変わるので、レーザーモジュールを除いた部分(XY軸の2軸CNCマシン)だけであれば2万円くらいでつくれると思います。
必要なのは:
モーター:ステッピングモーターNEMA17クラス2個
送り機構:2GTタイミングベルト+タイミングプーリー
直動機構(構造フレームも兼ねる):V-slot Rail+solid V-wheel
制御:Arduino+ステッピングモータードライバ
その他:配線材料、ネジ類、ブラケット、リミットスイッチなど
しかし、AliExpressで2万円くらいで2Wレーザーカッターキットが買えるので、それをベースに改造したほうが早いかもしれません。Arduinoで動くものが多いので、Arduinoが使えるのであれば特に問題ないと思います。付随のソフトに問題があるのであれば、オープンソースのgrblやUniversal G-Code Senderを使えばいいと思います。自作についてはソフトとハードともに、Shapeoko wikiReprap wikiなどから充分情報が手に入ると思います。

AliExpress.com Product - benbox 2000mw laser engraving machine cutting maching laser engraver big working area 65*50cm support laser power adjust2Wレーザー加工機、21,671円(送料込み)

ダイオードレーザーモジュールの構成:
CO2レーザーはあきらめるとして(かわりにミリング加工する)、それでもレーザーでしか切ることができない柔らかい素材や刻印加工もあるので、一概にダイオードレーザが使い物にならないというわけでもありません。レーザーモジュールを買うなら、上画像にあるようにTTL端子のついたドライバが付属しているか確認したほうがいいと思います。
こんな感じで↑、ドライバ基板にTTL端子がついています。ここにArduinoなどのマイコンをつなげばレーザーの可変出力を可能にします。何もつながなければ、手動によるON/OFF制御になってしまいます。

ドライバ基板は全体的にはこんな感じになっています。大きさは幅50mm、奥行き30mm、高さ25mm程度。右上が先ほどのTTL端子+-、その下の赤黒ケーブルがついている端子が電源DC12V端子、左側にLD+-端子(レーザー本体につなぐ)、その下がFAN+-端子(レーザー本体につけるDC12V用クーリングファン)。LD端子+からは約5.5Vが出ていました。

左に見えるのが付属のACアダプター、INPUT:AC100〜240V 50/60Hz DC12V 2A。レーザー本体は、32.5x32.5x65mmくらいの大きさです。先端と反対部分にファンがついており、ケーブルも別です。回路も含めてレーザー本体は、ほとんどが黒塗りのアルミ製ヒートシンクで囲われており、中心に円筒状(径18mm)になって入っています。
この状態で電源をつなげばすぐにレーザーは使えますが、いきなり最大出力がでるので注意しないといけません。
そのために、レーザー防護用ゴーグルが必要になります。

レーザー防護対策:
レーザーの安全基準(オムロン)を見てみると、大抵のレーザ加工機の場合は最も危険なクラス4に入ると思います。なので一度目を通しておくといいと思います。
レーザ用ゴーグルなどがないと目に損傷を与えてしまうので、もし複数の人数で作業している場合は全員着用する必要があると思います。できるだけ見ないように注意しても、予期せぬ反射光が目に入って来たり、ゴーグルを着用していても頭をちょっと動かした際にゴーグルと顔との隙間から光が入ってくることもあります。当然、何も防護していない他の人やペット類がいるような場所での作業は控えた方がいいと思います。
国内の防護ゴーグルを購入しようとすると2〜3万円くらいします。Amazonで探すと1000〜2000円くらい。

安いですが、これもきっと中国製だと思います。なのでAliExpressで同じようなものを探すと、
これ↑なんかは、一個155円(送料無料)
いちおう使っているレーザーの波長をチェックして、それに対応するものを選ぶ必要があります。
上記のレーザーモジュールの場合450nmなのでその波長をカバーしているかどうか?それと安全性の基準となるOD値(Optical Density:光学濃度)が書いてあるはずなので、それもチェック。書いてないようなものは買わない方がいいと思います。
この表↑を見るとOD値が大きいほど安全という感じです。

それと、ゴーグル以外にもレーザー遮光アクリル/シートなどあるといいかもしれません。ただしこれも結構高いです。
AliExpressで安く売ってるかと思うと、そうでもありません。
これ↑は、Laser Safety Windowという厚さ5mmのアクリル板ですが、100x150mmのハガキサイズで4790円もします。
他には、アメリカのJ-Tech Photonicsにある以下のもの。
12インチ角(約300mm角)で$12.49しかしないのですが、送料が$63.61もするので、8000円くらい。このサイトに利用例がありますが、以下のようにするだけでもかなり目に入ってくる量は減ると思います。

使っているレーザーの焦点距離が素材まで50mm程度なので、できればレーザーモジュール下の部分を箱状に囲ってしまうともっといいはず。そうすれば、いちいち怖がらずにどんどん作業できそうです。

追記:
最終的には以下のように、安価なレーザー用ゴーグルを材料にシールドを自作しました(そのときの内容はこちら)。


レーザー用ソフトなど:
Inkscapeで描画しGコードを生成するには、
Laserweb3(Grbl1.1対応のブラウザベースGコード生成+送信アプリ)
があります。
特にLaser Tool Plug-inは、Inkscapeのプラグインであり、レーザー加工機用につくられているのでInkscapeで描画しつつ、それをすぐにGコード変換できるので使いやすいと思います。あるいは、Laserweb3ならInkscapeで描いた図面等を取り込んだ後、Gコード生成とGコード送信が一つのアプリで可能なので便利です。
レーザードライバのTTL端子への出力値や刻印加工の設定も簡単にできそうです。
Arduino+grbl0.9(あるいは1.1)を使っている場合は出力値0〜1000の値を入力します。1000で100%、500で50%、0で0%。

レーザーの焦点距離:
きちんとした製品であれば、マニュアルなどに焦点距離について書いてあるはずですが、上記の中国製レーザーモジュールの場合、当然マニュアルなんかはついてきません。なので自力で探し出すことになります。もしくは買ったショップに問い合わせてみてもいいかもしれませんが、商品を売ってはいるものの、その商品の細かな内容についてまで知っているとは限りません。
設定が悪いとせっかく高出力のレーザーであっても半分の能力しか発揮できないということもあり得ます。まあ仕方ないですが、それも経験や学習から向上させていくしかありません。

焦点を合わせるには2カ所調整する必要がありそうです。
まず、先端部分にレンズが内蔵されたアルミチューブがあります。これを回すと前後に位置を調整できます。

こんな感じで飛び出してきます。中のレーザーダイオードからレンズまでの距離を合わせる必要がありそうです。
まず、レンズチューブ先端と素材を50mmくらい離して照射してみて、一番光点が小さくなるように調整します。もちろんゴーグルは必須です。できれば、出力を下げてやったほうがいいのですが。
ただ問題は、このレンズチューブを緩めると(飛び出させると)、ネジ山のあそびが多すぎるせいか、すこしぐらぐらしてしまいます。締め付けるために薄型ナットを取り付ける方法もあるのですが、M9ピッチ0.5mmという特殊なナットが必要になります。そのようなもので管用ナットというのがあるのですが、国内だとM9ピッチ0.75mmが主流のようでなかなか見つけるのが大変です。それならそのナット(締め付ける部品)すら自作したほうがいいかというと、


いちおうAmazonでもM9ピッチ0.5mm(1300円+送料880円)のタップは購入できます。しかし、たかがナット一個のために2180円も費やすのももったいないというのであれば、

こんな感じで、プラスチックの板などに径8.5mmくらいの穴をあけてから、アルミのレンズチューブ根元についているネジ山を利用して、タッピングしてしまうという手があります。そうすればプラスチックの板がレンズチューブを締め付けるナットになってくれるというわけです。これでレンズチューブを飛び出させてもぐらぐらしなくなります。
こんな方法で、内部のレーザーダイオードとレンズの距離を合わせたら、つぎは素材との距離を計測します。およそ50mmくらいだと思うのですが、レーザーの種類やレンズの種類によっても異なるかもしれないので、いちおう距離10mmから100mmくらいまでを5mm間隔くらいで照射実験します。

これが実験結果ですが、下のほうに手書きしてある数字が距離(mm)です。つまり左側10mmから徐々に5mmずつ離していって照射してみたということです。これを見ると分かるように、距離50mmが一番線がシャープになっています。50mmから離れるほど、線が太くなり、さらには線が薄くなっていくのが分かるかと思います。これは5mm間隔でやっていますが、さらに今度は45mmから55mmの間を0.5mm間隔などで実験すれば、さらにもっと正確な焦点距離がわかるはずです。という感じで焦点距離を探すように調べてみるといいと思います。

追記:
その後、0.1mm単位で焦点距離を調べてみると46.5〜48.5mmくらいでした。肉眼で見る限りでは約2mm前後のずれがあってもシャープさが鈍る感じではありませんでした。2mmの焦点深度があるような感じです。

いちおう以下に、10mmから100mmまで(5mm間隔、合計20本)の実験につかったGコードを書いておきます。
Arduino UNO+CNC ShieldV3.5+grbl0.9jで、PWM機能を使ってレーザードライバのTTL端子へつないで出力調整できるようにしてあります。尚、実験レポートは前回の投稿に書いてあります。

M05 S0
G90
G21

G1 F600
G1  X10 Y60 Z10
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X10 Y10 Z10
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1  X15 Y60 Z15
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X15 Y10 Z15
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1  X20 Y60 Z20
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X20 Y10 Z20
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1  X25 Y60 Z25
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X25 Y10 Z25
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1  X30 Y60 Z30
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X30 Y10 Z30
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1  X35 Y60 Z35
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X35 Y10 Z35
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1  X40 Y60 Z40
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X40 Y10 Z40
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1  X45 Y60 Z45
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X45 Y10 Z45
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1  X50 Y60 Z50
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X50 Y10 Z50
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1  X55 Y60 Z55
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X55 Y10 Z55
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1  X60 Y60 Z60
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X60 Y10 Z60
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1  X65 Y60 Z65
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X65 Y10 Z65
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1  X70 Y60 Z70
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X70 Y10 Z70
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1  X75 Y60 Z75
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X75 Y10 Z75
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1  X80 Y60 Z80
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X80 Y10 Z80
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1  X85 Y60 Z85
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X85 Y10 Z85
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1  X90 Y60 Z90
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X90 Y10 Z90
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1  X95 Y60 Z95
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X95 Y10 Z95
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1  X100 Y60 Z100
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X100 Y10 Z100
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1  X105 Y60 Z105
G4 P0 
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X105 Y10 Z105
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1 X0 Y0
M30

CNCマシン:レーザー焦点距離計測実験

レーザーのほうの準備が整ったので早速実験開始です。今回はレーザー切断するための、対象との焦点距離を計測します。レーザーは5.5W 450nmのブルーレーザーです(約17000円でAliExpressより入手)。
50mmの線を5mm間隔で20本引き、一本引くことにZ軸を5mmずつあげていくという実験です。Inkscape+Laser Tool Plug-inで5本くらい線を引いて、Gコードとして吐き出したものをTextEditで開いて、Z軸が5mmずつ上がる部分を書き足しました(以下6行目:G X10 Y60 Z10のZ10が5ずつ増えていき、Xも5ずつ増える)。最初の3行以降、9行ずつ一本の線を引く内容になってます。

M05 S0 (レーザー停止、出力0)
G90 (絶対座標設定)
G21 (単位mm設定)

G1 F600 (フィード600mm/min速度設定)
G1  X10 Y60 Z10 (座標X=10,Y=60,Z=10へ移動)
G4 P0 (待ち時間0)
M03 S1000 (スピンドル/レーザーON、出力100%)
G4 P0 (待ち時間0)
G1 F400.000000 (フィード400mm/min速度設定)
G1  X10 Y10 Z10 (座標X=10,Y=10,Z=10へ移動)
G4 P0 (待ち時間0)
M05 S0  (レーザー停止、出力0)

G1 F600
G1  X15 Y60 Z15
G4 P0
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X15 Y10 Z15
G4 P0
M05 S0

・(中略)

G1 F600
G1  X105 Y60 Z105
G4 P0
M03 S1000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X105 Y10 Z105
G4 P0
M05 S0

G1 F600 (フィード600mm/min速度設定)
G1 X0 Y0 (原点へ移動)
M18 (プログラム終了) M30(プログラム終了)

こんな感じのGコードです。合計20本の線。M03 S1000でレーザー出力最大です。
追記:
最後の行にある「M18」は、grblではエラーがでるようです。M30に書き換えたほうがよさそうです。これについてはこちらへ


シナランバーコア合板に照射します。先端のレンズチューブからの距離10mmから100mmまでを計測。
bCNCで見るとこんな感じ。階段のように上がって行く感じです。以下(なんか途中からちょっとずれてるけど大丈夫でしょう。あとで確認すると一段ずれていたようです)。

ということで、読み込ませたGコードをスタート。


実験開始です。レーザー防護ゴーグルをしていたので、どんな感じの写真になっているかはそのときは分かりません。危険な光がでてます。

いちおう順調。危険なので、あまり見てません。単純な線なので面白くはないです。
数分かかって終了です。

ボケボケですが、よくみると50(距離50mm)が、やたらとシャープな線になっています。50を中心として線が太くなって、さらには薄くなっているのが分かります。これはどうみても焦点距離は50mmという感じ。予想は当たりました(このレーザーが届いたときに試しに合板に照射してみたとき定規ではかったら、大体50mm前後がよく燃えてたので)。49mmか51mmか?というほど厳密にやらなくてもよさそうです。やってもいいのですが(その実験内容はこちら)、以下のもうひとつの焦点調節もあります。

実はこの実験をするまえに、レーザーのレンズ部分を多少調整しておきました。
先端のアルミチューブのなかにレンズがはいっています。これを回すと前後に動いて焦点調節できるのですが、前回投稿した内容のように、かなりガタがあり、いちおう内部にはバックラッシュ対策としてスプリングが入っていましたが、それでもなんかゆるゆるな感じです。なのでプラスチック板を間にはさんでぐらつかないようにしました。前回手動で焦点を合わせたときだいたい2mmくらい出っ張る感じだったので、このプラスチックの板の分だけ前に出ているという感じです。

レンズチューブを外すとこんな感じ。いちおうプラスチックの板はレンズチューブのネジ山(M9ピッチ0.5mm)でタッピングしてあるので、レンズチューブを締めることができます。焦点の合わせ方はけっこう適当で、回してみて行き過ぎたら戻るという繰り返しで決めています。照射してみて、見た目できるだけ細い光点になるようにしただけです。
こっちのレーザー本体の焦点もいちおう大体合わせてから、照射する物体との距離を合わせる感じになります。
今回の実験で大体は分かったので、試しにフェルトも切ってみることに。レーザー先端からフェルトまでの距離は50mmにしておきました(実験結果から)。

先ほどの距離実験の合板の上にフェルトをのせて切ったのですが、F300 S1000(5.5W 100%)で切ってしまったので出力が強すぎたようです。下の合板に貫通して普通に切れ目が入っています。

F300をF600くらいにもっと速くするか、レーザーの出力を50%くらいにしてもフェルトなら切れそうです(強すぎると焦げてしまう)。フェルトは木材と違ってあっさりきれてしまいます。とりあえず、これでかなり複雑な模様のフェルト切断も可能になったので(当初の目標)、さっそく使っていきたいと思います。

ということで今回の実験は終了。あとは切断する材料に対するちょうどいい出力値やスピードを見つけて行く感じでしょうか。
それとレーザ用のスイッチを手元につけないといけません。

前々回のトリマを使っての合板の切断と今回のレーザー切断が一応確認できたので一安心です。

関連:
レーザー焦点距離計測実験その2(より詳細な実験)

2016年5月4日水曜日

CNCマシン:レーザーカッターの準備/Inkscape Laser Tool Plug-in

前回、シナ合板をトリマで切断できたので、次はいよいよレーザーです。
レーザーの配線はZ軸裏までは届いているので、あとはドライバをつなげれば使えないこともないのですが、まだレーザーモジュール本体をZ軸に固定するブラケットをつくっていません。適当に現在取り付けてあるルーターマウントに挟み込んでしまえばいいのかもしれませんが、焦点を合わせる実験もしたいのである程度きちんと固定しようかと思っています。

焦点を探すためのGコードも用意しなければいけません。いまのところ50mmの線を20本くらい並べて、一本ごとにZ軸を2mm上げながらレーザーを照射して、どの距離がベストなのか調べるGコードをつくろうとしています。


Inkscape Laser Tool Plug-in
調べているあいだに、InkscapeのLaser用のExtension(Laser Tool Plug-in)があることが分かったので、早速ダウンロードしました。
使い方はシンプル。
Inkscapeで図形を描き(パス化しておく:Path>Object to Path)、そしてExtensions>Generate Laser Gcode>J Tech Photonics Laser Tool...を選ぶと、上画像の設定画面がでる。
GコードのM3でON、M5でOFF、あとはスピードや出力値、何回パスで切断するなど設定し、DirectoryとFilenameを入力して(入力しないとエラーになる)Applyを押せば、Gコードファイルが生成されます。あとはこのGコードファイルをG Code Senderで読み込んで実行するだけ。
レーザーの出力設定は、Laser PowerS#の欄に、grbl0.9なら1000で出力100%、500で50%、0で0%。生成されたGコードでは、M3 S1000などとなっています。

たぶん個人的にはEngravingは使わないと思います。なので簡単な設定で使えそうです。


レーザー防護アクリル
このサイトでは、レーザー防護用のアクリル板(24x12インチ:$24.99)も売っているようで、他のところと比べると結構安い。しかし送料が高い($67.61)。送料込みで1万円くらいになってしまうけど、それでも他より安いかも。もう少し探してみます。
レーザーは怖いので、いずれレーザーモジュールの真下あたりにつけたいと思ってます。

レーザーはレーザーでルーターやトリマとも違うし、もう少し調べたりしないといけません。


レーザーモジュールの取り付け
どのようにレーザーモジュールをZ軸に固定しようか悩みましたが、以下のようなブラケットをLアングルでつくってみました。

Lアングルは25x25x148mmです。レーザーモジュール(5.5W 450nm)はM3スクリュー2個でとめてあります。


このLアングルをルーターマウントの隙間にはさんで固定することにしました。ルーターマウントを外してから取り付けるのは面倒なので、そのままどこかに固定できないかと思ってこうしました。レーザーの場合は力が加わらないので、動かないように固定できれば充分なはずです。
まだ、焦点距離の実験をしていないので、一応レーザー先端と台座表面までの距離が0mmまで下げられるようにしてあります。焦点距離が分かれば、多少上のほうにずらすかもしれません。


まだ配線少し残っています。上画像のものは付属のレーザー用ドライバです。左側にLD+-端子、FAN(DC12V)+-端子、右側にTTL+-端子、電源(DC12V)+-端子の合計8端子あります。このドライバをレーザーモジュールの近く(Z軸上)に持って行くか、それともCNCシールドなどがあるコントロールボックスに持ってくるかも悩みましたが、とりあえずコントロールボックスに置いて、左側のLD+-、FAN+-端子をZ軸までつなげる感じです。Z軸までは配線済みなので、あとはコネクター端子をつくるだけです。
CNCシールドV3.5のSpnEn(pwm)端子とレーザードライバのTTLをつないで、Gコードで
M03 S10000
を入力すればレーザー最大出力となるはずです。grbl0.9ではS0〜S10000まで出力を可変できるようですリンク先ページ真ん中あたりにレーザーのPWMのことが書いてあります)。
追記:
bCNCで試してみましたが(grbl0.9j)、
M03 S500
を入力するとCNCシールド上のSpnEn(pwm)端子から2.5Vが出ているということは、
S1000で出力100%、
S500で50%、
S100で10%、
S0(もしくはM5)で出力ゼロ
ということです。S1000以上いれると5Vのまま、つまり100%。


焦点距離計測方法
それからレーザーの焦点距離計測実験のGコードも書かないといけません。Inkscape Laser Plug-inで50mmの線を5mm間隔で10本引くというのをGコード出力してみましたが、以下のような感じになっていました。単純なGコードなので見ると分かります。

M05 S0
G90
G21

G1 F600
G1  X56.8936 Y61.0874
G4 P0 
M03 S10000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X56.8936 Y11.0874
G4 P0 
M05 S0
 ・
 ・(繰り返し)
 ・
G1 F600
G1  X51.8936 Y61.0874
G4 P0 
M03 S10000
G4 P0
G1 F400.000000
G1  X51.8936 Y11.0874
G4 P0 
M05 S0

G1 F600
G1 X0 Y0
M30 (この部分、オリジナルのコードはM18ですが、grblだとエラーになるのでM30に変更)

基本的には、最初と最後の部分を除くと、一本線を引くごとにX座標が5mmずつ減っているだけです。それを10回繰り返しているだけ。ここにはZ軸のコマンドが入っていないので(Z軸は固定という設定だったので)、一本引くごとに5mmずつ上げていくとかすればいいと思います。

なんとなく焦点距離は50mm前後だと思うのですが、材料表面から10mmずつ100mmまであげていき、その結果から焦点に近い距離を1mm単位で動くGコードに書き直して、2段階くらいでやってみようと思ってます。
ただ、問題はレーザーモジュール先端についているレンズも調整可能なので、中のレーザーダイオードからレンズまでの距離も合わせる必要があるのだとすれば、少し面倒です。

実験の結果は次の投稿へ

追記:
その後、配線が終わりレーザーがつくかどうか試してみました。
ひとつ問題は、bCNCでシリアル通信でつなぐときにレーザーが一瞬光ってしまうということ。すぐに出力がゼロになるのですが、しかし出力ゼロにしても、よく見るとわずかながらレーザーが出ています。ちなみにレーザーの元電源を切ってしまうと、Hard limitが働いてエラーがでます。なので、元電源というよりレーザーだけの配線の途中にスイッチをいれたほうがよさそう。

それと焦点調整については、レーザーの出力をかなり弱くして(1/100くらい)、とりあえず手でレーザーモジュールの調整可能なレンズを動かしてみました。
どうやら、レンズをきつくしめた位置だと、ピントがぼけてしまうようです。けっこう緩めて、2mmくらい飛びでるくらいがちょうどよさそうです。ただ、ネジ山があまりタイトではないので、ゆるめると少しぐらつきます。薄いナットで動かないように固定できるといいのですが、おそらくレンズチューブのネジ山はM9/ピッチ0.5mmらしく、なかなかないタイプ。

2016年5月3日火曜日

CNCマシン:初カットにチャレンジ

昨日、カットの実験をやろうと思ってましたが、オフセット(刃の半径分ずらす)のパスのやり方がよくわからず、そのかわりProbeの実験をしていました。この際、Inkscapeのオフセット機能でもいいのですが。
せっかく材料を切るなら、以前つくりかけで中断していたシナ合板のパーツ(CNCマシンとは関係ないパーツ)をつくろうと思って、Inkscapeで図面を描こうとしていたところで時間切れ。以前のパーツはジグソーで切っていたのですが、だんだん面倒になり、そして今回CNCマシンをつくるにあたって、しばらく放置してあったものです。ようやくCNCマシンで切断できる準備が整ったので、以前のシナ合板パーツ制作の続きをしようということです。

Inkscapeでの作業:
・とりあえず、mm単位に設定したInkscapeでパーツの図面描画。大きさは210x100mmくらい。
・Inkscape内のオフセット機能でエンドミルの半径3mm分外側の線を描く(パス)。
・パーツの形と今回使う材料(端材)の形から、中央下を基準点に設定して製図した図形を配置。
・それをExtensionsのgcodetoolsでG-Codeに吐き出す。

CNCマシンの設定(bCNC使用):
・トリマに集塵機取り付け(以前つくった集塵用パーツ)。
・電源は、集塵機、トリマ、CNCマシンモーター用電源、それとパソコンとArduinoをUSB接続。
・材料:シナ合板12mm厚の配置(ビスで直に固定)。
・ホーミングでマシン原点の設定。
・作業エリア中央あたりに配置した材料へ移動しXY軸を微調整して材料に大体あわせる
・仮にWPos(0,0,0)に設定
・Probeを使ってZ軸ゼロ位置設定

準備OK(上画像)。以前つくった集塵パーツ、蛇腹ホースも黒いマジックテープで固定(使えるかどうか?ないよりはいいはず)。

bCNCの画面は以下のような感じ。

今回は12mm厚のシナ合板を3回パス(4mmずつ)で切る設定。材料として使っている端材がV字型しているので、原点を合わせやすいように中央下が図面上でも原点になってます。

カット開始:
準備は整ったので(ここまででもかなり時間かかる)、Startボタンをクリック(その前に集塵機とトリマのスイッチもON)。
思っていたより速く進むので、bCNC上のFeed Overrideを85%まで下げました(追記:この時点ではGrbl0.9、まだオーバーライド機能には未対応だったので意味なし)。それとトリマの回転数は50%くらいに下げていたのを80%くらいまであげました。トリマは下に排気するので、細いグレーの水道管では吸い取りきれません。しかも周囲についている透明塩ビのスカートと台との間にも隙間があります。ただ、空気中に細かい塵が舞うほどではありません。いちおうそれなりに機能はしてます。
3回目のパス。いちおう順調。Feedやトリマの回転速度もちょうどよさそう。焦げたりしていません。切りくずは周囲にたまっていますが、宙に舞うような細かい塵はあいかわらず吸い取ってくれてます。


カット終了:
カット直後の材料の状態(削りカスは集塵機で吸い取り済み)。バリや底面に薄皮が残っています。薄皮が少し残っているくらいがちょうどよさそうです。部品が動かないし、台を削らないので(今回、作業台は無傷でした)。
さて、台から材料を外して、どのくらいきれいか見てみます。
カッターで薄皮を切ってサンドペーパーでバリをとると、かなりきれい。寸法もあっています。
合格という感じです。

エッジもかなりシャープにでています(もっとひどいかと予想していました)。4枚刃のエンドミルですが、けっこう木材でも大丈夫なんですね。

上が今回CNCマシンで切った部品、下が数ヶ月前にジグソーで切った部品。見た目はあまりかわらないかも。CNCマシンだと凹みが丸くなってしまうのは仕方ないけど、あとからヤスリかノミなどで調整すればいい。

感想:
以前ジグソーで切ったほうも(上画像の下の部品)、丁寧に切ったのできれいなほうだと思うのですが(エッジにバリなどでないように一旦カッターで切り込みを入れている)、やはりそれだけ面倒。しかし時間的にはあまりかわらないかも。CNCマシンだと準備やら設定にもけっこう時間かかるので(慣れれば早いのかもしれないけれど)、ジグソーとクランプを駆使して切ったほうが圧倒的に早いはず。騒音や塵の量も少なくてすむし。
でも、何個も切るとなると体力が尽きたり飽きが来て、そういうときにはCNCマシンのほうがいい。使い分けかもしれないけれど、やはりCNCマシンだと疲れないというのが一番の利点かな。音がうるさいのが問題。そもそもトリマも集塵機もうるさい。

最後にCNCマシンで切ったパーツの凹み部分の丸みをヤスリで削ってはめ込むとこんな感じ。CNCマシンカットと手仕事との合体。やはりCNCマシンだとトラブルさえなければ、精確に形を切ってくれるからいいかもしれない。
ということで、今回のCNCマシン初カットは無事終了。使えるということが分かって一安心。
トリマのノイズもあるのかと思ってましたが、特に影響ありませんでした。
つぎはレーザーの実験をしなけれないけません。