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:
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個セットで以下のような感じ。

Anycubic 3Dプリンタ Reprap RP A4988用 5x StepStick DRV8825 ステッパ モータ ドライバ モジュール 5個入
Posted at 2017.6.14
Anycubic
販売価格 ¥1,499
(2017年6月14日10時54分時点の価格)
売上げランキング: 22402

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。

23 件のコメント:

  1. お世話になってます。私もTB6600:4.5Aのやつ(上の方の写真)3つ試しに発注してみました。初めてなので安いものからと思いまして..ちゃんとついたら他もウォッチリストに登録していってます。

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    1. こんにちは、anoseさん。
      TB6600ならかなり高トルクのモーター使えますね。
      CNCミリング/ルーターとしても使う感じですか?
      サイズもかなり大きくできると思います。

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    2. 一番やすい発送方法にしたので届くのは来月はじめぐらいとおもいます。
      ステッピングモーター初めてなのでとドライバとの組み合わせがよくわからないのですが、ステッピングモーターの入力定格電圧というのはドライバの仕様のどの部分に関係あるのでしょう?ドライバの入力範囲内なら問題ないのでしょうか?

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    3. TB6600のデータシートには、通常8〜42V、最大50Vと書いてありますね。
      https://toshiba.semicon-storage.com/info/docget.jsp?did=12779&prodName=TB6600HG

      ステッピングモーターの場合、電圧よりも電流のほうが気になりますね。
      TB6600なら4.5Aまで大丈夫なのでNEMA23でも余裕だと思いますが。

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    4. ちなみに電源は24Vを使うのが一般的なようですがステッピングモーターの電流x軸分x1.5ぐらいで見積もればいいのでしょうか?

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    5. 2個モーターを並列つなぎするなら合計で4.5Aまで大丈夫だと思います。
      パルスでオンオフを繰り返すので実際は4.5A以上いけるとは思いますが、ドライバ1個に対してモーター1個つないだほうが確実かもしれませんね。
      TT6600のそのユニットは使ったことはないので分からないですが、ディップスイッチ1〜3が、もしかすると電流制限設定のスイッチかもしれませんね。
      どのくらいのステッピングモーターを使う予定でしょうか?

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    6. 無難に57BYGH420でいこうかと思っています。今の中華CNC3020と同様にY軸は1個で中央で駆動しようかと思います。3軸とも同じモーターにするつもりですが、Zはでかすぎますかね?SBR16を使う予定です。

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    7. 57BYGH420ならTB6600だと余裕で使えますね。
      Z軸はNEMA17でも大丈夫だと思いますが、そこそこ大きいものであれば、NEMA23でいいと思います。強いに越したことはないと思います。
      同じモーターで揃えておいたほうが、設定も共有できるし、モーターを入れ替えたりもできるのでいいと思います。

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    8. 電源をどうしようかと思ってるんですが、スピンドル用に48Vは単独で大容量のものを準備するとして、24Vのステッピングモータ用がどれぐらいの容量が必要か..http://www.aitendo.com/product/1154 こういうのでいけたら1つですむんですけどね。

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    9. モーターが3つなら24V/5Aでも大丈夫そうです。
      ちなみに、モーター4個で24V/7Aの安定化電源を使っています。
      https://www.sengoku.co.jp/mod/sgk_cart/detail.php?code=2ALG-AGFT

      Shapeoko Wikiに電源について書いてあります。
      http://www.shapeoko.com/wiki/index.php/Power_Supply

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  2. 意外に早くモータードライバが到着しました。AliExpressの商品の受領?の確認処理は必要なんですかね?これをするとどうなるんでしょう?

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    1. 受け取り確認を押さないと、ショップに対してAliExpressから入金されないようです。

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    2. 受取確認しときました。このシステムは顧客はAliExpressに支払ってサプライヤーへはちゃんとついたことを確認してからAliExpressが(手数料引いて)支払うイメージなんですね?

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    3. そうらしいです。
      なので、もし不良品や返品の場合は、受け取り確認を押さずにショップのほうとやりとりしないといけないみたいです。

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    4. このモータードライバーちょっと開けてみましたけどTB6600ではなくTB67S109AFTというドライバが使われてますね..微妙。2Aで使う分には問題ないと思いますけど出力電流が3.0Aなんです。TB6600が4.0Aなのでおそらくローコストタイプですね。同じ東芝ですが。まあ安いし使えないわけではないのでいいんですが..

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    5. ここにデータシートありますね。
      https://toshiba.semicon-storage.com/info/docget.jsp?did=14392&prodName=TB67S109AFTG

      試しに、ショップへメールしてみたらどうでしょうか。

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    6. feedbackで一応伝えておきましたが自分的には許容範囲なので星4つで(3つ以下だとそのまま書き込めなくて面倒なので)。でも普通は中開けてまで確認しませんよね?機械モンは開けないと気が済まないタチで..TB6600FGとパッケージもほぼ同じで虫眼鏡で見ないと気がつきません。
      でもいました。気づいて文句言ってる人が..
      http://www.ebay.com/itm/Single-Axis-4A-TB6600-Stepper-Motor-Driver-Controller-9-42V-Micro-Step-CNC-/111967221945
      写真が同じなので多分同じ商品です。

      削除
  3. ステッピングモーターがまだ届かないので実験用に秋月700円モーターを購入して動作テストをしましたが、とりあえず動いたので他の部品も発注することにしました。
    ブログはやってないのでみんカラですけど記録を残すことにしました。
    http://minkara.carview.co.jp/userid/2383826/blog/c1033274/

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    1. anoseさんご連絡ありがとうございます。拝見しました。いろいろやってますね。
      また、何かありましたら、コメントよろしくお願いします。

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  4. ステッピングモーターが到着しました。6線式(ユニポーラ)でドライバはバイポーラなのでフルコイル接続の場合は電流設定値はモーター定格値の半分ということみたいなのですがドライバはcurrent:1.0 PK:1.2とcurrent:1.5 PK:1.7の設定があってどちらがいいか迷っています。低い方でいいんですかね?√2倍とかいう情報もあるので..

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    1. とりあえず、低い方の設定にすれば無難だとは思いますが、57BYGH420は定格電流2Aなので、フルコイルなら半分の1Aに設定したほうがいいのかもしれません。
      ただし、現在DRV8825(最大2.5A)を使っており、2Aの電流制限に設定していますが特に問題なく動いています。

      削除
  5. 自作でCNCレーザーカッター組みました
    すごく参考になりました感謝なのですm(__)m
    先人の知恵に縋れて良かったです

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    1. むぅねこさん、コメントありがとうございます。
      トラブルや発見など情報いただければ助かりますので、また何かございましたらコメントよろしくお願いします。

      削除

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