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CNC-設計編③XY軸直動機構

CNC

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。

f:id:azurewood:20180228123714p:plain OpenRail® Gantry Plate - OpenBuilds Part Store

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。

f:id:azurewood:20180228124701p:plain Delrin V Wheel Kit

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。

f:id:azurewood:20180301012958p:plain V-Slot® 20x80 Linear Rail - OpenBuilds Part Store]

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。

f:id:azurewood:20180301013158p:plain Solid V Wheel Kit]

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。

f:id:azurewood:20180301014613p:plain 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。

f:id:azurewood:20180301011849p:plain f:id:azurewood:20180301012029p:plain http://openbuildspartstore.com/eccentric-spacer/

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

プラスチックの引張強さの一覧

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。