CNC-設計編⑤駆動機構-タイミングベルトなど
前回の更新から1ヶ月以上あいだがあいてしまった。なにもしていなかったわけではなく製作は順調に進行中。記事をかくのがだるかっただけです。はい。
今回は駆動機構のなかでもとりわけ送り機構について。
送り機構は一般にモータの回転運動から軸の直動運動に変換するもの。だいたい以下のようなものがある。
タイミングベルト
歯のついたゴムベルトと歯付きプーリを組み合わせて使用する。軽量でメンテナンスも容易だが、変形しやすくあまり大きな力を伝達できない。剛性の確保のために、ベルト内にグラスファイバーや金属線が入っているものがおおい。
3Dプリンタなどで使われることが多いGT2やGT3といった規格の歯形状のものはバックラッシが非常に少ないらしい。
バックラッシュ（Backlash, バックラッシとも呼ぶ）とは、機械に用いられる送りねじ、歯車などの互いにはまりあって運動する機械要素において、運動方向に意図して設けられた隙間のこと。この隙間によってねじや歯車は自由に動くことができる。しかし、ある方向に回転していたものを逆の方向に回転させたとき、寸法のずれや衝撃が生じることがある。
かなり乱暴に言うとバックラッシが少ないほど送り機構の精度はよくなる。
海外有志が3Dプリンタに使われているタイミングベルトについてまとめたwiki。ほとんどがGT2を使用している。
http://reprap.org/wiki/Belts_and_Pulleys
AliExpressで調べてみるとこんなかんじ。ベルト幅w=6mm x L=5m、歯付きプーリ付きで15$くらい。
3Dプリンタに使われているような細いベルトを今回のような仕様のCNCのにつかうのはいささかマズい気がするので、もう少し幅広のものをさがしてみる。ベルト幅9mm~20mmで10~20$/5m前後。使用するならばこの辺だろうか。
台形ねじ
山が三角でなく台形のねじ。大きな力の伝達が出来るのと、バックラッシが普通のねじに比べて小さいのが特徴。3Dプリンタに採用されることも多い。 が、2000mm以上のものが見つからなかったので省略。
ボールねじ
いちばん性能のよいもの。円弧状のねじの谷に小さい金属球がころがることで摩擦、バックラッシともに少なく、大きな力の伝達もできる。
By W.Rebel - 投稿者自身による作品, CC 表示 3.0, Link
一般にとても高価だが、AliExpressで探すとたくさんある。 2200+1250+550mmのC7等級ボールねじとリニアレールのセット。630$くらい。
国内品と比較しても価格も安いし精度も出そうなので、精度を重視するならこれだろう。ただ、発送重量が46kgと書いてありあまりにお手軽でないことから今回は見送った。
ラックアンドピニオン
今回参考にしているF-117CNCが採用しているもの。
ラックアンドピニオンとは、
ラック・アンド・ピニオン（rack and pinion）とは歯車の一種で、回転力を直線の動きに変換する。ピニオンとよばれる小口径の円形歯車と、平板状の棒に歯切りをした（歯がつけられた）ラックを組み合わせたもの。ピニオンに回転力を加えると、ラックが歯すじ設定された末端まで水平方向に動く。日本ではラック・ピニオンと略されることもある。 ラック・アンド・ピニオン - Wikipedia
By OSHA Directorate of Technical Support and Emergency Management - Point of Contact Between a Rack and Pinion. オリジナルのアップロード者は英語版ウィキペディアのBrian0918さん, パブリック・ドメイン, Link
wikipediaにたよりすぎ。 Aliしてみたがいいものは見つからず、ミスミにあるのはこのへん。加工にもよるが、1mあたり約9000円くらいから。国内品はやはり高い。
まとめ
まとめてみるとこんなかんじ。
| タイミングベルト | 台形ねじ | ボールねじ | ラックギヤ | |
|---|---|---|---|---|
| 価格 | ◎ | ○ | △ | △ |
| 入手性 | ◎ | ○ | △ | △ |
| 重さ | ◎ | ○ | △ | △ |
| 精度 | △ | ○ | ◎ | ○ |
できるだけ安く済ませたいのと、引き継ぎの関係からメンテナンスも容易であるほうがいいので、タイミングベルトを採用することにする。
そろそろ製作記に入りたい...
CNC-設計編④駆動機構-モータ
駆動モータの選定
次はXY軸の送り機構と言っていたが気が変わったので今回は軸の駆動モータについて。
設計前からステッピングモータを使うことはほぼ決まっていた。ACサーボ等に比べてずっと低コストで制御もかんたん。
ところでステッピングモータにはオープンループタイプとクローズドループタイプの二種類ある。
一般的なのはオープンループで、回転角度を制御にフィードバックしない方式。センサが無いぶんつくりや制御が単純で扱いやすいが、過負荷時には脱調(入力に同期しなくなること)することがある。
クローズドループタイプはロータリーエンコーダ等で常時回転角度を検出しながら制御する方式。このためオープンループで起こる脱調が発生せず信頼性が高い。ただし高価で専用のドライバ回路も必要になる。 AliExpressみてみると、モータ+ドライバ1ユニットのセットで109$。やはりお高め。
そんなわけでお金もないので、すべてオープンループタイプのステッピングモータを使うことにする。
AliExpress探すと、門型なのでX軸、Y軸x2、Z軸の計4つ必要なのでよさそうなのはこの辺。 4軸CNC用セットで、電源・モータ4基・ドライバ4基・I/Fボードが全部入りで送料込み190$。相変わらずくそやすい。fakiki.comとかの中古品よりも安いとなると中華パワーこえぇってなる。
ステッピングモータを選ぶときは、ステップ数(1パルスの軸回転角)、保持トルク、消費電流がたいせつ。 上の商品のステッピングモータは、
57J1876-447
• 2 phase 1.8° stepping angle
• NEMA 23
• Holding toque of 2.2 N*m (312 oz-in)
とあるので、
ステップ数は360°/1.8=200stepで標準的なステッピングモータ。
よく見かけるNEMA23とかいうのはステッピングモータの規格。
保持トルクは2.2Nm(22.4kgf･cm)とかなり強い。
また、消費電流は型番で調べると4.7Aのようだ。Hybrid stepper motor 2 phase nema 23 57J1876-447
特に消費電流についてはドライバの定格電流とも関係してくる。 ドライバの仕様は、
TB6600 Single Axis Stepper Motor Driver
• Output current up to 5.0A.
• Suitable for 2-phase and 4-phase motors.
• 1, 2, 4 (New Mode), 8, 16 adjustable microstep control, motors run more precisely and smoothly.
最大5Aとあるのでこれならモータをドライブできるだろう。と思ったが、このドライバに乗ってる東芝のTB6600は、定格最大電流が4.5Aで絶対最大定格が5.0Aとなっている。
TB6600データシート(pdf)
おいおい大丈夫かという感じだが、見たところ出力電流を指定できるようなので4.2Aとかで運用すればおそらく問題ないだろう。
さいごにI/Fボードについて。
セットのボードはパラレル接続の5軸ブレークアウトボード。ステッピングモータ出力に加えて、各種リミットスイッチやスピンドルモータ制御用のピンがある。
それと、Mach3に完全対応と書いてあるので、ソフト面では安心。
ただ、レガシーなパラレル接続が不安なので、Arduinoベースのgrblシールドから制御信号だけ取り出して使ってみることも検討中。調べるとgrblベースのCNCソフトウェアも充実してきてるようだし。
aitendoのCNCシールド。左側のSTEP/DIRを直接上のモータドライバに接続すれば。。。という感じ。
ひとまずモータまわりについてはこんなかんじのものを使うことに。
次はXY軸の駆動機構についてかく。
CNC-設計編③XY軸直動機構
CNC3回目。今回はXY軸の直動機構について。
主な直動機構に関して以下のような印象。OpenRailとV-SlotについてはOpenBuildsのオープンソースな直動機構である。
| OpenRail | V-Slot | リニアガイド | リニアシャフト | |
|---|---|---|---|---|
| 価格 | ◎ | ◎ | × | △ |
| 入手性 | ○ | △ | △ | ○ |
| 重さ | ◎ | ◎ | △ | △ |
| 精度 | △ | △ | ◎ | ○ |
重量、価格面の制約から、お手軽さのないリニアガイドとリニアシャフトは却下。 OpenRailかV-Slotかという話に。
OpenRail
OpenRailはアルミフレームに鈎状のアルミ材を取り付けそれを直動ガイドにする機構。
2枚のレールをV字の溝が入ったV Wheelという車輪で挟み込んで荷重を支えながら動くようにしている。
AliExpressで探すとやはりある。コピー品なのかオリジナルの横流しかはわからないが。。。 OpenRailのレール部分。1mx10本で49$。これはあまりセラーが少ないようでいくつかしかヒットしなかった。
V-Wheelとベアリング、ボタンボルト、スペーサ、ナイロンナットのセット。1ロット20セットで31.5$。似たようなのがたくさん出品されている。
V-Slot
その名のとおりV字のスロットの入ったアルミフレームが直動ガイドになる機構。 したがってアルミフレームは専用品の特殊な形状となる。
車輪はOpenRailと似たような取り付け方法になるが、OpenRailはレールが凸になるのに対してV-Slotは車輪側が凸になる。
これもAliExpressには扱っているところはいくつかあるが多くはない。
V-Slotを使用したキットも販売されていて、サイズが選べる(最大1500x1000)のでセラーと交渉してキット内容を変更してもらうのもありかもしれない。ただZ軸のワークサイズが足りない。
500$程度でステッピングモータなどの電装系は入っていないが構造全部入り。
Buy Products Online from China Wholesalers at Aliexpress.com
ところで、OpenRail、V-Slotどちらの機構でも面白いのは、締め付けやクリアランスの調整をeccentric spacerというもので実現してること。
偏心したスペーサをガントリープレートに取り付けて車輪を支えるボルトを通すと、このスペーサを回すだけで数ミリメートルの調整ができる。よくかんがえたなあと感心。
たぶんこの辺の動画を見たほうがわかりやすい。
比較
価格比較については、mirror nerrorさんの自作CNCブログ内の記事
に詳しく、とても参考になる。
AliExpressで安く購入することを考えると、入手性がよいのはおそらくOpenRailの方。Tナットやボタンボルトを大量に仕入れる必要もあるが、これもAliExpressにあるので総合的には安く済みそう。ミスミのアルミフレームを使えるので設計に自由度も出る。
ただ、車輪の素材が樹脂なので、車輪の溝に引張応力がはたらきそうなOpenRailは若干強度に不安が残る。これに関しては参考にしている作例F-117CNCでも故障事例で挙げられいて、溝で2つに割れた車輪の画像がある。
この方は車輪をXtreme V Wheel(ポリカボネート製)からDelrin V Wheel(デルリン=ポリアセタール製)に変更することでこの問題を解決したとも書いている。
Xtreme V WheelはDelrin V Wheelの上位互換の扱いで、価格も倍程度するのでなんだかおかしい。OpenBuildsはXtreme Solid V Wheelの商品ページで、
(中略)So, while the Delrin Solid V Wheels work great for most light load applications, the OpenBuilds Xtreme Solid V Wheels can be used for Builds where heavier loads are required and less compression in the delrin is desired. Xtreme Solid V Wheel
と書いていて、圧縮に強いという触れ込み。圧縮しかはたらかないV-Slotには適するが、OpenRailにはあまり適していないということなのかもしれない。
調べてみると、
種類 引張強さ[kgf/mm2] ポリカボネート(PC) 5.6~6.6 ポリアセタール(POM) 7.03
となっていてやはりDelrin V Wheelのほうが引張につよいようだ。 OpenRailにはDelrin~が、V-SlotにはXtreme~が良いという風に考えておこう。
車輪の強度問題についてはなんとかなりそうだということがわかったので、X,Y軸の直動機構にはOpenRailを使用することにする。
はやく製作記のほうに入りたい気持ちだが、次は送り機構について。
CNC-設計編②基本構造
イチから設計するのはたいへんだるいので Hytech2kさんの作例を参考にさせていただくことにした。F-117 CNCと呼んでいるようだ。
基本構造にアルミフレーム、直動機構にOpenRail、送り機構にピニオンギアを使用している。
フレーム
基本的にミスミのアルミフレームを使用することにした。利点として、
加工が不要
加工不要でボルト締結だけで組立可能なので、手間いらずである程度の精度を出せる。注文時にmm単位で寸法指定できて素人の加工よりもよほどよい仕上がり。普及している
多くのオープンソースなCNCはアルミフレームを使用しているものが多い。 また、普及している分さまざまなパーツも中華なサードパーティから安く購入することができる。汎用性が高い
アルミフレームはいろんなことに使えるので、もし不要になっても役に立つ。
また、あとに書くように直動機構にOpenRailを採用することにしたので、アルミフレームを使用する必要があった。
以下詳細
ワークテーブル部
当初一番安い20x20mmのアルミフレームでもいいかと思ったが、剛性がないとどうしようもないので最終的にF-117CNCを真似て20x40のアルミフレームを使用。
Y軸
いちばん長い2本のy軸は荷重による変形がおこりやすいので、20x80のアルミフレームを使うことにした。
ワークテーブルとY軸はまとめるとこんなかんじに。左右両側のフレームがy軸。t=5のA5052アルミ板で端部、t=3のアルミアングルで内側面を固定する予定。
X軸
X軸は両端でしか支持できないため、たわみを少なくする剛性の高い40x80のアルミフレームを使用。
X軸の支柱
多くの作例を見ると、t=10くらいのアルミ板を使用しているものが多い。 ShapeokoもY軸から板でX軸の両断面を支持している。
ただこの方法は支柱の板厚方向の荷重に弱く高さをかせげないのと、支柱の間の距離とX軸の長さが正確に合っていなければならず精度を出すのがむずかしそう。
これなら使えるのではないかと思われた、モノタロウにあったエヌアイシ・オートテックのA6063アルミ等辺アングル。これでx軸の前面両端を支持することにすれば、コンパクトではないがいろんな心配事が減る。
安価でよさそうな大型のアルミ等辺アングルはこのくらいしか見つからなかった。板厚は5~10mm、辺寸法は30~90mmでたくさんのラインナップがある。こういうものから選定するときは視覚的に比較するとわかりやすい。
ケチなので欲しいのは断面性能と価格のバランス。横軸を1mあたりの価格、縦軸を断面二次モーメントで散布してみると、
どれがどれだかわからないグラフになってしまっているが、左上ほどコスパがよいということになる。そうすると5040円でI=66.9×104 mm4なのはAFEL-9005。これがよさそう。実際、支柱長さ500mmで10kgfの切削抵抗がはたらいたときの変位を片持ち梁で単純計算しても0.04mm程度なので今回の仕様では十分だろう。
Z軸
Z軸はコンパクトに直動機構や送り機構もまとめないとならないため、出来合いのものを買ったほうが楽だと判断。 AliExpressなどで探すといろんなものがある。たとえばこんなもの
ボールねじ+リニアシャフト+カップリング+ステッピングモータ全部入りで送料込み100US$程度。これを日本製のもので揃えたら一体いくらになるのだろう。精度云々は置いといて中国やばい。
ワークサイズを考えて、移動可能量は200~400mm程度のものを選択する予定。
次はx,y軸の直動機構と送り機構について。
CNC-設計編①コンセプト設計
CNCカテゴリ初のエントリ。
ひとくちにCNCと言ってきたがCNCとはコンピュータ数値制御(Computerized Numerical Control)のことであって、実際の工作機械としてはCNCフライスやCNC旋盤といったさまざまなものがある。その中でも今回つくっていくものはDIY界隈で「CNCルータ」と呼ばれているものとなる。(CNCフライス、CNCミリングマシンなどといっても大体おなじものを指すようである。)
[CNCルータ 自作] などと検索すれば大量に情報が出てくるので詳細は省くが、CNCルータの形態は
- ルータ(回転工具)がZ軸上を上下動する
- Z軸がX軸上を左右に移動する
- X軸が、それを支える2本のY軸上を前後に移動する
のような構成になっていることが多い(門型と呼ばれる)。卓上のCNCルータでは、3番目のY軸上の移動をワークテーブルの移動によって行っているものも多い。
最近はオープンソースで図面を公開しているようなCNCルータも多く、中国から楽に部品を買うこともできるようになり、安価で簡単にCNCの設計製作が可能になっている。
オープンソースCNCルータの例
- OenBuilds https://openbuilds.com/
安価な直動機構「V-Slot」「OpenRail」を提供している。サイト内フォーラムのBuild List には海外の多くのメイカーたちのCNCマシンが公開されていてとても参考になる。その中でも「OX CNC」という作例は多くの自作大型CNCルータのスタンダードになっているようだ。 - Carbide3D http://carbide3d.com/
オープンソースCNCルータ「Shapeoko」を販売している。Shapeokoに使われている直動機構はV-Slotとかなり似ている。海外の自作CNC界隈でよく見かける機種。
要求仕様
基本的な用途として、発泡材からの翼型切り出しや、アクリル、木材等の切削を想定している。
以上のようなことをふまえて設計製作していく。特に、「自作するからには安く済ませる」ということを目標にした。
設計要素
CNCの要素は大きく分けて、
- 基本構造(フレーム)
3軸や材料を支える構造。荷重による変形やブレによって精度が低下するので剛性(変形しにくさ)が高いほうがよい。 - 直動機構
軸上をスライドするレールのような機構。LMガイドやリニアガイドが有名だがとても高価。戸車のような車輪とレールで安価に実現している例もある。 - 送り機構
軸を移動させるために、ステッピングモータなどの回転運動を直線運動に変換するもの。ボールねじや台形ねじは高価で重いが精度が高い。タイミングベルトは安価で軽量だが精度はそこそこ。
の3つの選定が特に重要。この辺を次に書いていきたい。
先人たちの類似作例
先ほどのOpenBuildsのBuild List内の、大型CNCをつくっている中で参考にしていったもの3作例を挙げておく。かなり詳細な説明や写真、図面など公開されていて感謝するしかない。
また、設計のうえでこちらのサイトが非常に参考になった。大型のCNCルータやレーザーカッターマシンを自作されている方のサイトで設計・製作過程が事細かにわかる。ぼくの記事よりもこちらを見たほうが非常にわかりやすい。
はじめる、ブログ
はじめましてなので
こんなかんじのひと
- 最近研究室に配属された大学生
- 飛ぶものの制御とかやるらしい
- このあいだまで某鳥人間サークルやってた
- ものづくりならなんでもすき
- とてもよわい(特にあさ)
こんなことするために
工作したりプログラミングしたりすると、いろんなメイカーたちが残してくれた情報にお世話になることが多いです。そんな方たちにあこがれてはじめてみました。
つくったもの知ったことをアウトプットしていくブログにしたいです。 ものづくりを駆動するのは「見せびらかし」だとおもう。見せびらかし駆動開発ですね。
いまはこんなものつくったり
- 大型CNC
サークル用にOBとしてつくってます。界隈ではCNCは最近の流行りだったり。加工対象が1820x910(6x3尺)の材料なのでとても巨大です。安価につくれるようがんばってます。しばらくはこれが中心になりそう。
まじめっぽいはなし
できあがったモノだけ見てもその設計や製作の意図というものはわからないもので、つぶさにプロセスを観察しないと出来上がるのは「劣化コピー」になってしまいがち。
ものづくりサークルでも、後輩へ引き継ぐときにモノだけ見せて意味を伝えなければ、たまに意図しないことが起こったりします。
なので、できるだけそんなことにも気をつけながら書いていきたいなと思ってます。
がんばる
ここまで書いてすごく思考の文章変換がたいへんでした。 これからは論文を書いていくことにもなるので、このブログが訓練になるといいです。
三日坊主にならないように、まず1週間ちゃんと書くようにこころがけたいです。
なんかさびしいので画像はる。
このまえ帰省したら咲いてた福寿草です。かわいいですね。春はすぐそこです。
