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CNCフライス(7) Z軸、スピンドル

編集: 2018/02/28 19:00

Z軸全景


Z軸上下機構

Z軸は、Y軸上を動くZベースプレートの上に組み付けてあり、スピンドルプレートが上下に動きます。

Y軸は、X軸と同じ機構でZベースプレートを動かしています。

スピンドルプレートは、Zベースプレートに組み付けたガイド部のスライドプレートに案内され、送りネジは ヒロスギネット で購入したM6精密ロングネジ(SUS303)を使っています。
スペースがないので台形ネジが使えず、M6寸切を使ったこともありましたが、精度や表面仕上げが悪いので上の製品を見つけて交換しました。
ナットはジュラコンから削り出して、X、Yと同じくダブルナットで与圧をかけています。

MDF材で作った最初の機械は全軸ともにスライドプレートが無く、アルミアングル(アルマイト加工)で直接MDF板をガイドしていましたが、フレームをアルミに変えた時に2mm厚のテフロンシートをカットしてスライドプレートとしました。
その後、XY軸はリニアガイドに改造しましたが、Z軸はスペースが無く当初のままです。

スライドプレートは、摩擦係数が低いとしてテフロンを選択したんですが、テフロンシートは大根の桂剥きみたいにして作るそうで、0.02~0.04mmの厚さムラがあります。
接着などができないので厚みを加工(両面)することができず、素材を寸法にカットしただけで使っていて、当たりが出ていないのがずっと気になっていました。

昨年、実際の摩擦抵抗を測ってみてあまり違わないのでジュラコン(POM)に変更し、片面を仕上げて皿ネジで固定してから厚みを仕上げるようにしました。
ただ、押さえの皿ネジは、強く締め込むと板が波打つので、わずかに押さえ込む程度でロックタイトで緩み止めをしてあります。

スライドプレートの両面を切削したので接触面が均一に当っているようで、加工精度が上がったような気(!?)がします。

ガイド部は、スライドプレートを90度に取り付けたアングルブロックと押さえ板で組んでいます。
アングルブロックはZベースプレートに、押さえ板はアングルブロックにボルトで止めてありますが、押さえ板にはアングルブロックのボルトが見える穴を開けています。
この構造で、スピンドルプレートの厚さ方向と幅方向のクリアランス調整を独立させています。
厚さ方向は押え板の取付面、あるいはジュラコン材の裏側ににシムプレートを入れて調整することにしていましたが、幸いシムプレート無しでピッタリでした。
幅方向の調整は、ワークテーブルY方向に対するスピンドル上下の鉛直度の調整も兼ねています。

摩擦抵抗を少しでも低くするため、スライドプレート表面にエーゼット CKM001を塗布してあります。
のオイルは各軸の送りネジにも使っていて、ダブルナットの与圧を強くしてもステッピングモータの負荷が小さくなりました。
それまでのオイルでは、寒い時期に電源投入直後にG0で動かすと脱調することがあったのが、まったくなくなりました、すごいです。

スピンドル

スピンドルは、当初の機械はベアリングをアルミアングルで支えているような簡単なもので、スピンドル自体も近くの鉄工所で作ってもらったものでした。
その後、10mmシャンクのER11コレットチャックに変更し、ベアリングブラケットを作り直しました。

さらに、THKリニアスライドSC16の内径がちょうど#6001ベアリングの外径(Φ28)に合うのに気がついて、コレットチャックを12mmシャンクのものに変更し、ベアリングケースにしました。

左が10mmシャンク(#6000)の旧タイプ(コレットチャックは抜いてあります)、右が現在のSC16+12mmシャンク(#6001)です。
12mmシャンクのER11コレットチャックは、シャンクに8mmくらいの通し穴があるので、長いエンドミルやドリルを保持するのに好都合です。
長さは、ダイアモンドコッピングソーで比較的簡単にカットできました。

eBayで購入したのでテーパ部の振れ精度などがでしたが、TIR 0.01以内に収まっています。
同じくeBayで買ったコレットはスリ割の仕上げが酷く、ダイアモンドヤスリで仕上げないと使えなかったんですが、振れ精度はとりあえず使えるレベルでした。
コレットは結局、
イスカルの6mmをモノタロウで購入しました。
eBayなら10個以上買える価格でしたが、精度は言うことなしです。

小径のエンドミルやエンドミルシャンクドリルを使うため、大昭和精機のストレートコレット(外径Φ6、内径Φ3とΦ4)も購入しています。
1/8″(Φ3.175)のコレットが欲しいのですが、いいのが見つかりません。

THKリニアスライドSC16は、長さがそれまでの自家製ベアリングホルダとほとんど同じで、モータブラケットやZ軸送りステッピングモータなどをいじることなく入れ替えることができました。
下図はスピンドルの断面ですが、上下のベアリングの内輪間にスリーブを入れて、円周4ヶ所の皿ネジ+ローゼットワッシャでベアリングの外輪を押さえています。


スリーブは、ベアリングの幅とベアリングケースの幅から長さを決め、適当な与圧がかかるように摺り合わせをしています。
まともな設計なら外輪側にもスリーブを入れて与圧を合わせるんですが、ベアリングケースの上下面が平行であると期待して(!)手抜きをしています。

下の写真は、上面のベアリング押さえネジ(スペースの関係で4ヶ所)と、回転数検出の光電センサ、反射シールを貼ったカップリングが見えます。

下面にLEDと配線を埋め込む溝を加工して、運転中はエンドミルなど工具の周囲を照らすようにしています。

下の写真は真下から見上げたもので、下面にLED保護のために2mmの透明アクリル板を取り付けてあります。

切粉カバーと吸引装置

加工時の切粉(キリコ)は、特にケミカルウッドやコーリアン樹脂の場合は非常に細かいので、何らかの方法で収集しなければなりません。
オリジナルマインドでブロワファンMBD10-24Aというのがあったので、アクリル板でケースを作り、市販の掃除機用紙パックが使えるようにしました。

モータ部分が壊れた(壊した!)ので、24VDCモータに替えてあります。
ダクトはホームセンターで買ったものです。

スピンドル側は、取り外しできるようなスカート状のカバーを作りました。
8mmのアクリル板で形を切り出して2mmの溝を入れ、クリアファイルを切ったものをゴム板で押し込んであります。
10mmくらいの間隔で切り込みを入れ、ワークに引っ掛からないように、またカッターに巻き込まれない長さで、傷んだら交換は簡単です。
切削状態が見えるというのは、削るのが好きなオジさんにはたまりません。

ブロワファンは、けっこう吸引力はあるんですが音も大きく、加工中は切削音より吸引装置の方がうるさい状態です。
静電除去装置をつけてからはゴーゴー吸い込まなくてもよくなりましたが、掃除機(古いダイソンは別にして)に近い騒音なので、スイッチング電源のトリマーで電圧を調整して必要最小限にしています。

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CNCフライス(6) ワークテーブル、X軸、Y軸、Motor Tuning

編集: 2018/02/27 17:00

機械全景

左右方向がX軸、前後方向がY軸、スピンドル上下がZ軸です。
奥に見えるのはプラスチックなどの静電気対策の除電装置で、スピンドルの上に見える赤いクリップはZゼロ点検出のアース側ケーブルです。

最大加工範囲は X300 x Y300 x Z70ですが、X方向はもっと長いものも取り付けることができます。
左端に見えるのがX軸のステッピングモータ、Y軸のモータは隠れて見えません。

いわゆる門型で、スピンドル(Z軸)を含むY軸の構造部が動くタイプです。
フライスにはワークテーブルがXおよびY方向に動くタイプ(立型、竪型とも)もありますが、立型はY方向の動き(フトコロ)が大きく取りにくいのとX方向にストロークの2倍以上のスペースが必要なので、採用しませんでした。

アルミ素材は、一部を除きオリジナルマインドでA5052またはA2017(ジュラルミン)を寸法指定で購入しました。
大きさにもよりますが 300mmくらいまでだと、寸法公差 ±0.1 程度の4F加工で送ってもらえます。
 平行・直角は0.03mm程度で仕上がっていて、部品によっては外周加工なしで使えます。

以下の説明はこの機械に限ったもので特殊なこともあるので、あくまでも参考としてください。

ワークテーブル

図はX軸+方向から見た断面で、Y軸は右が+になります。
X軸送りナットを取り付けている板(クロスビーム)がリニアガイドで支持されていて、その両端にY軸機構を支えているコラムが載っています。
Y軸リニアガイドにZ軸機構が載って左右に移動しますが、図では省略しています。

アルミ材に変更した当初はワークテーブルが無く、本体フレーム上面にタップを立ててワークを固定していましたが、位置の自由度が低く固定が面倒なのでワークテーブルを追加しました。

ワークテーブルのT溝は専用カッターで加工したものではなく、下図のように12mm厚のアルミ板に10mm幅の溝と取り付けのボルト穴を加工して反転し、本体フレームに取り付けたのち5mmの溝を加工したものです。
この構造のため、ワークテーブルは取り外すとバラバラになるので、作り直すときでなければ解体できません。
なお、ワークテーブル上面に出るボルト穴は、キャップボルトの座繰りを少し深くしてシリコンラバーなどを打ち抜いたものを入れとかないと、切粉の掃除が面倒です。
失敗したのは、本体フレームの断面を見てもらうと分かりますが、ワークテーブルを載せているフレームとその下のビーム材を固定しているボルトが、T溝のラインと合ってしまったことです。ここに切粉がたまって困っていますが、座繰りの深さが十分で無く(組んだままで追加工ができない!)、ワークテーブルを作り直すかどうか思案中です。

真鍮材でT型ナットを作り、ワークの取り付けが楽になりました。また、5mmのピンを立てて当たりにすれば、ダイアルゲージなど不要で簡単にワークをX軸に平行に置くことができます。

X軸、Y軸

ストロークは310mmで、ワークテーブルの大きさをカバーしています。
送りネジは30度台形ネジΦ10 ピッチ2mmで(オリジナルマインド自作用部品)、
軸端をΦ6に加工してあり、ネジ(M6細目)が切ってあります。
ナット(MCナイロン)も同じですが、いずれも現在は販売していないようです。

X、Y、Z各軸の送りネジの端を支えているベアリングはすべて606ZZ(内径6mm 外径17mm 幅6mm)で、ベアリングケースは厚さ12mmのアルミ板です。
ベアリングケースの形は図の通りですが、X軸はX+側、Y軸はYー側を支持しています。(Z軸はちょっと違うので別記事で説明)

ボールベアリングは与圧をかけて軸方向の遊びを抑える必要があり、次の要領で取り付けます;
 - ベアリングケースにはベアリング押さえのタップ(M3、両面)を加工(Y軸)
 - ベアリング内輪にシム(下図の赤色部分)を挟んでナットを締め、ケースに仮組み
   市販のアルミ板の厚さはプラス公差なので、シムは0.1mm程度を入れてみる
 - 片側のベアリング押さえのM3ボルト+ワッシャを締め込む
 - 反対側のM3ボルトを締めて、ネジ軸を回して軽い抵抗を感じるようならOK
   > 締める前と同じような軽さの場合は、シムを厚く
   > 抵抗が重い場合は、シムを薄く

X軸のベアリングケースは図のよう加工し、内側にプレートを挟んでベアリングケースを本体フレームにボルトで固定するので、ケースの段加工の深さで与圧を調整する形になっています。


下の写真はY軸の実際の状態。ベアリングを押さえているネジは裏側も同じものです。
皿ネジ+ローゼットワッシャを使っていますが、スペースがあればキャップスクリュウ+平ワッシャなど何でもいいです。
ただ、トラスネジは座面の直角が出ていないのが多く、使えません。
ナット兼用のハンドホイールを作りましたが、組み立て後はほとんど使っていません。

シムは、RCパーツとして TAMIYA SHOP で、内径基準(Φ3, 4, 5, 6, 10)で厚さが 0.1/0.2/0.3mm のセットを売っています。
MonotaRO (モノタロウ) で、ベアリングシムとして内径、外径、厚さそれぞれに豊富なバリエーションから選べます。
モノタロウは事業者向けですが、個人でも会社名を書けば登録できます。一般向けの IHCモノタロウ では、ベアリングシムは扱ってないようです。

X軸(Y軸も同じ)の送りナットは、クロスビームに固定したナットとフリーのナット間にスプリングを入れて、バックラッシュを抑えています。スプリングは必要な形式・サイズのものが、ばね通販のソテックで購入できます。

下図の左側のナットが固定、右側のナットはフリーです。スプリングは50N程度になるよう圧縮していて、これより強い負荷がかかるとネジの遊び分がずれることになりますが、あまり強くするとステッピングモータが脱調してしまいます。
バックラッシュはMach3の設定でも補正できますが、方向反転時に設定値だけ余分に動かすだけなので、機械精度を上げておくことが重要です。

今のところ、アルミ加工などで送り負荷が大きくなっても脱調することはありません。

送りのガイドは、最初はテフロン板を挟んだスライド式のものでしたが、後にTHKリニアガイド(中古)に変更しましたが動きが悪くなり、NSK LU15 0450-AL-K2-K6-1 (オリジナルマインド 未使用中古)に交換して使っています。
オリジナルマインドのページでは詳しい型番が出ていなかったのですが、現品は廃番になっているものの、潤滑ユニットがついた上級グレードのものでした。

ステッピングモータ
両軸共に日本電産サーボ KH56KM2-901 (オリジナルマインド 未使用中古)です。
コネクタはMonotaROで購入できます。
他のモデルでもコネクタは同じみたいです。(11極のコネクタを一つ飛びに6極使用)

速度(早送り)を1200 mm/min に設定すれば、トルクは 600mN-m あまりとなります。
早送りは、普通は切削負荷がないエアカット状態がほとんどなので、現在は F1500 にしています。

組み立てたのちに、Mach3 で送り量などの設定を行います。

Motor Tuning and Setup

Config メニューから Motor Tuning をクリックすると上の画面になります。画面はX軸ですが、他の軸も同じです。

Steps per は単位長さを送るのに必要なパルス数で、
 = (モータ1回転のパルス数 ÷ 送りネジピッチ) ÷ マイクロステップ
で計算します。
モータ1回転が 200パルス、送りネジピッチが 2mm、マイクロステップ1/4 なら、400 となります。

マイクロステップを細かくすると計算上の分解能は上がりますが、メカとしての精度が良くなる訳ではないので、まず機械精度を上げておくことが重要です。
駆動トルクが低下するので実用的な値に留めておくべきですが、細かくすると動きが滑らかになるのでどちらを取るか悩ましいところではあります。また、マイクロステップを小さくすると、パルス生成のためにCPU負荷が大きくなります。
マイクロステップは、分解能としては1/2(=5μm/pulse)でもいいのですが、動きの滑らかさでは1/8くらいにしたいところで、結局1/4(=2.5μm/pulse)にしてあります。

実際の値が半端な数字になっているのはネジのピッチ誤差を補正したもので、Mach3 のマニュアル入力から指令した数値と、実際の移動量の差から計算しています。
例えばノギスを200mm に固定して、マニュアルで 200mm 移動させた時の差をピックテスト(てこ式ダイアルインジケータ)などで測定します。
実測値が 200.04mm だったとすると、補正後の Steps per は (200 ÷ 200.04) x 400 = 399.920 となります。

Velocity は、最大速度 G0です。プログラム中でこれより大きい値を指令しても(例えば G1 X200 F3000)、これを超えることはありません。

Acceleration は、加速・減速時の加速度です。50mm/sec/sec とすると、1500mm/min (=25mm/sec) に達するのに 0.5秒かかります。グラフは数値を変えると変わります。

次の軸へ移る前あるいはOKを押して終了する前に、 クリックしないと変更した数値は保存されません

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CNCフライス(5) Mach3 + 2010 Screenset

編集: 2018/02/27
校正、追記など: 2020/10/15 

Mach3 はCNCに興味がある人は誰でもご存知と思いますが、自作や市販機改造など多くのホビーユーザ(生産現場でも?)が使っているコントローラです。
音速の単位で知られているのでドイツ語読みのマッハと発音する人が多いですが、英語ではマーク[mɑːk]あるいはマク[mæk]です。

今はMach4が出ていますが、まだまだMach3は国内でもユーザーが多いのでネット検索で山のように情報が得られます。日本語バージョンはありませんが、ユーザーフォーラムは大規模なものでとても参考になります。
ライセンスを購入する前はトライアル版(Gコードが確か500行しか実行できない)として使えますが、ライセンス購入後は10,000,000行まで実行可能です。
また、操作画面の見かけを変えるのに有償無償合わせてたくさんのScreensetがあり、ソフトの知識があれば自分で画面を編集できるようにもなっています。

私は、ツールパス表示部分が大きいのと見た目がシンプルなのが気に入って、標準の1024.setではなく、最初から下のような 2010 Screensetを使っています。
ユーザーが増えてほしいと願っているんですが、国内には誰もおられないようです。
2020/10/15 追記:
ベンダーに聞いてみたら、日本で10人余りがライセンスを買っておられるようです。

ツールパス画面は写真(jpg)をPhotoVCarveで生成したものですが、Gコードは約100,000行、加工に数時間かかります。

2010 Screenset のユーザーを増やすため(?)、主な操作・設定の説明をしておきます。
上の写真は運転画面(Run)ですが、他の設定は画面右側中央のRun〜Settingsのタブで切り替えます。

Run 運転

Cycle Start
= 加工開始
Feedhold = 一時停止
 読込み中の行を完了して停止
 スピンドルは止まりません
 Cycle Start で運転再開
Stop = 停止、スピンドルも停止


Feedrate Override % は、マウスで上下にドラッグすると速度調整ができますが、数字を打ち込んでも変えられます (最大値は250%)

Jog ジョグ (手送り)

Jog Mode = 動作の切り替え
 MPG (ペンダントなど)
 Continuous (連続)
 Step (設定量だけ)

Jog Setting = 現在の設定量
 Jog Speed (連続送り速度)
 Step Increment
(設定量)

いずれもキーボードの➕、➖ ボタンで増減、設定値は Settings タブで指定

キーボードからの各軸送りボタンは(Mach3基本設定のままであれば);
 X+ : ⇨  X-: ⇦  Y+: ⇧  Y-: ⇩  Z+: PgUp  Z-: PgDn

 
Tool Change 工具交換の設定
エンドミルなどを交換した時のZ軸ゼロを設定

Auto Zero Settings
 Plate Thickness = プレートの厚さ
 Clearance Plane = ゼロ点を検出して戻る位置

 

写真のようにセットして、メニューバーの  をクリックすると、スピンドルが下がってゼロ点を検出します。

アイコンをクリックする前に必ず、プレートと工具をタッチさせて  のランプがになるのを確認します。
タッチした時に導通が無いと
、工具を破損する可能性があります。

プレートは、写真のようにアクリルなど絶縁体の上に金属板を載せたようなもので、タッチしたときに変形しないように作ります。±0.01 程度でZのゼロ設定(=カッター先端が Z 0.00)ができます。

Tool Change と Probing を使うには、Mach3 の設定と、信号を入れるための電線+クリップが必要です。

Mach3 – Config – Ports & Pins – Input Signals – Probe の設定
パラレルポートの入力に使えるピンを設定 (13ピンを設定)

HobbyCNC ボードの入力は10kΩでプルアップされているので、13ピンとグランドへ配線するだけで使えますが、プレートが13ピン側になるので機械の金属部と接触しないよう絶縁する必要があります。
上の写真ではエンドミルをつかんでいるクリップがグランド側になります。(クリップを付け間違ったので赤色になっていますが、直すのが面倒なので …)
エンドミル側はグランドにつながっていますが、不安定なので、必ず基板のグランドから引っ張ってこないと危険です。

ワークにプレートを載せ、アイコン  をクリックすると;
 下降 250mm/min > 通電確認 > 2mm上昇 > 下降 25mm/min > 通電確認 >上昇
という動作で、工具先端がワーク上面(ゼロ点)からClearance Plane の値まで上昇します。マクロ(M889.mls)を編集すれば速度などは変えられます。

Settings ジョグ速度の設定

Jog % Inc. = 早送り速度に対する%
Jog Step Increments =Step送りの単位で、各軸のボタンを押すごとに進む量

 

それぞれ5段階の設定で、− ボタンを押すごとにサイクリックに変わります。

Options

Optionsタブの Simulateで、ピッタリではないですが、加工時間の予想ができます。

Probing
これらの他に、Probingという画面があり、ワークのXY平面上の位置を読み込んで原点出しに使うことができます。円柱状のワークの中心、丸穴の中心、ポケット加工の中心なども読み込めます。
便利に使えるので、詳しく説明しておきます。

メニューバーの Probing アイコン をクリックすると、下の画面が現れます。

例えば、スピンドルにプローブとして6mmのロッド(エンドミルのシャンクなど)をセットしてグランド側のクリップでくわえておき、ワーク側を13pin側のクリップでくわえます。
ワークが本体と絶縁されていれば(=両面テープで固定されているなど)、13pin側のクリップをワークに当てておけば問題ないですが、金属製のクランプなどで固定されている場合はちょっとしたアダプタみたいなものが必要です。
ワークがアクリルなど絶縁体の場合も同様です。

 

下の写真は、左がエッジ用、右がコーナー用です。コーナー用はエッジ検出にも使えますが、ワークによって使えない場合があるので、エッジ用を別に作ってあります。
   

いずれもアルミ板にアクリル板を接着して削ったものです。コーナー用のアダプタは、L型の両方が同じ寸法になるように加工しておかなければなりません。
いずれも、Tool Change のプレートを兼ねることもできます。
上の写真に描き込んである部分(赤色矢印)の実寸法を

に入れておきます。アダプタを変えたときには、忘れず変更してください。

コーナーの測定は、すべて時計回りに動きます。
  >   =  X軸がに動き、その後Y軸が
  >   =  Y軸がに動き、その後X軸が
  >   =  Y軸がに動き、その後X軸が
  >   = X軸がに動き、その後Y軸が

  > 円柱の場合は Y+からスタート、Z方向にかわしながら、Yー、X+、Xー の順

注意点:
コーナー検出の場合は、プローブをコーナーから約38mm以内に位置させてスタートします。元の値が1.5 inch(38mm)ですが、それぞれのマクロを編集すれば変えられます。下の図は、 の動作です。

その他の入力は次の通り;

:プローブの接近速度

:再接近速度

:検出までの最大距離 (大きすぎても問題なし)

:アダプタを使用する場合のオフセット (上の説明参照)

:円柱測定の場合、移動時にZ軸を引き上げる距離

:スピンドル側につけたプローブ(ロッド) 外径

:測定後の退避距離


:プローブがスピンドル中心でない場合の距離 X、Y

:エッジ検出の際に、指定した距離で2回測定
(下の  参照)
数字がマイナスの場合は、2回目はその軸のマイナス方向へ動く
円柱測定の場合は、直径以上の値を入力 円柱の芯出しは=>

:測定後にエッジあるいはコーナーの座標をゼロにセット
Probe Edge の場合はゼロにならず、Probing Results に座標が表示されます。

:誤ってプロービング動作に入らないようチェック

:チェックを入れると、エッジの2ヶ所を測定し、その軸に対する角度と2点の差を測定 (測定完了すると、チェックは外れます)

測定結果は、次のように表示されます; 
Probe X Pos 、Probe Y Pos = 最初に検出したエッジの座標
Edge Angle = 2点の差 (Edge dx/dy) と距離 (Edge Length) から計算した角度
Pocket X Length 、Pocket Y Length = ポケット測定の場合の各方向の幅
Edge dx/dy = 2点の差
Pocket X Center 、Pocket Y Center = ポケット測定の場合の各方向の幅の中心座標

ハンドコントローラ
ワークの位置決めなどをするのに、Config > System Hotkeys を使って矢印キーなどを設定しますが、フルキーボードは大きすぎて取り回しが悪いので、USB接続のテンキーパッドを使っています。
2010 Screensetでは、RunやJogなど画面切り替えするのにMach3のHotkeysでは割り当てできず、テンキーをカスタマイズできる「DressKey:簡単にテンキーをカスタマイズしよう」を使って簡易コントローラを作りました。
 <2021年2月20日追記:上のDressKeyのサイトは昨年閉鎖されたようです>
このソフトは、AutoHotKeyというスクリプト言語を使って入力を簡単にし、日本語化したものです(と書いてありました)。
ただ、理解が足りないのか一部の設定がうまくいかず、結局AutoHotKeyのスクリプトを作りました。
AutoHotKey はネット検索するとたくさんの使用例や解説があります。

無線接続のテンキーパッドもありますが、うまく設定できないという情報もあり、とりあえずはケーブル付きです。

Run = 運転画面に切り替え (Cycle Startではありません)
Jog F3 = ジョグ画面へ
Step<>Cont = ジョグ時のステップと連続の切り替え
Tool = Tool Change 画面へ
Safe Z = Z軸の退避 (Machine Coordinate のゼロへ戻る)
P = 全軸の退避(Z – Y – X の順に原点へ戻る)
STOP = EStop

これら以外の、各軸の+、ーなどはMach3のHotKeysの設定です。使うときは、適当なジッパー付きポリ袋に入れてゴミ除けにしています。

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CNCフライス(4) ブレークアウトボード (BOB)

編集: 2018/03/11

Mach3の信号を受けて、ステッピングモータを駆動しリミットスイッチやフォトセンサなどの信号入力、スピンドルON/OFFの信号出力を処理するのがブレークアウトボードで、HobbyCNC PRO 4Axis キットを購入(部品は3軸分だけ)、半田付けして組み立てたものを使っています。
4軸全部のキットや、ステッピングモータを含めたセットもあります。
いったん販売を停止していたようですが、最近は完成品も売っていてユーザーフォーラムもあり、サポートはとても良いです。

キットを注文すると、下のような生基板と、必要なIC、コンデンサ、端子台などが送られてきます。

組み立ての順に写真付きで、英語ですがとても分かりやすい説明があります。

説明通りに組んで半田付けを完了すると、下のように完成です。
この後、ドライバICの放熱板(t3アルミ板)と、24V出力を利用して小さな冷却ファンを追加しています。(X、Yのステッピングモータが3Aのため)
ユニポーラ、2/4相、5/6/8ケーブルのステッピングモータがコントロールできます。
マイクロステップは、1/1 1/2 1/4 1/8 1/16 のいずれかを設定できますが、できる限り小さくしておかないとトルクが落ちます。送りネジピッチ 2mmとして 200pulse/rev のモータであればフルステップで 0.01mm/pulse になるので、1/2か1/4にしておけば十分かと思います。
マイクロステップを細かくすると計算上の分解能は上がりますが、機構上の精度が良くなる訳ではないので、まず機械精度を上げておくことが重要です。

入出力用に 10 11 12 13 15 ピンのコネクタがあり、10KΩでプルアップされているので使いやすいです。私の場合は、Mach3 プリンタポートからのDSUB25ピンコネクタを、次のように接続しています。
Index pulse (15pin – IN) : 反射型光電センサを使ってスピンドル回転数検出、表示
Tool Touch (13pin – IN): Tool Change のプレート側へ接続
Spindle ON/OFF (1pin – OUT): リレーを経由してスピンドルモータのオンオフ

Mach3での Config – Ports & Pins – Input Signals の設定

同じく Config – Ports & Pins – Motor Outputs の設定


最初は HobbyCNC EZ という3軸限定のものを6年以上使っていましたが、今は予備として置いてあります。
今のは、アップグレードキット(1軸追加のための部品)を買えば4軸にできるということです。

EZとPROでは、StepとDirが逆なので、Mach3の設定変更が必要です。
入れ替えた時に、半田付けをミスしたのかとパニックになりました。

Mach3からの信号でスピンドルモータをON/OFFするリレー回路と、各軸のホーム位置センサ信号をMach3へ入力する回路は、基板を作って追加しました。

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CNCフライス(3) CAD/CAM

編集: 2018/02/27
追記:2021/03/19

CAD
使いやすいものを選べばいいですが、私はCADintoshを使っています。
ドイツのベンダーですが、GraphicConverterなど数種類のMac用ソフトを出しています。
このCADは、仕事で使っていたUNIXベースのCADと操作が殆ど同じなので、全く違和感なく使えています。
インストールしたMacOSを日本語で使っていれば、完全ではありませんが、表示の大部分は日本語になります。
ちょっとしたバグがあっても、問題点を指摘すれば対応してくれます。

他にもMac用CADはいくつかありますが、CADintoshがもっとも安いです。

WindowsのCADもトライアル版でいくつか見ましたが、私には使えませんでした。
いずれにしろ、CAMが読み込めるデータを書き出すことができればOKです。

Fusion360という3D-CAD(CAM機能もあり?)がほとんどフリーで使えるようで、こういったホームページの図なんかもカッコよくなると思いますが、残念ながら使えていません。

CAM
残念ながら、Macで動くCAMはありません。

最初の1年くらいは、Mach3でなくTurboCNCというコントローラ(MS-DOS)を使っていたのですが、Gコードは手打ちで入力して結構勉強になりました。
Loop文が使えてGコードファイルが小さくなり、確認も楽でした。
TurboCNCはまだまだユーザーがおられるようです。

Mach3を購入してしばらくは付属のLazyCam Betaというなんとも恐ろしい名前(怠け者のベータ版?!)のCAMソフトを使っていました。
付属してくる状態では機能が不十分でライセンスを購入しましたが、たまにおかしな結果を出すことに注意すれば結構使えました。

その後、 VectricCut2D を使っていましたが、加工条件の設定(プランジ量の変更など)がより幅広い VCarvePro へ乗り換えキャンペーンを利用して変更しました。
日本語にも対応していてインストール時に選択できますが、よくできたソフトだと思います。
文字彫刻など、ビットさえ用意すれば、いろいろな加工ができる優れものです。
ライセンス料が今では結構高くなってしまいましたが、Pro版に加工範囲の制限(600×600まで)など少し機能を落としたVCarve Desktopというのもあります。
全てのソフトでビデオチュートリアル(英語のみ)がとても充実していて、英語が理解できなくても画面を見ているだけで分かりやすいです。
ユーザーフォーラムもいろいろあって、ちょっとした疑問があっても検索できて便利です。とんでもない質問も見かけますが、ちゃんと多くのユーザーがヒントを書き込んでくれています。これはMach3でも同じで、私も2、3回質問して教えてもらいました。

同社のPhotoVCarveというリトフェインができるソフトも使っています。
リトフェインというのは写真(jpeg)からデータを生成して、コーリアン(Corian®)などの4mm程度の板の表面を浮き彫り状に加工し、背面からの光で絵が浮き出るものです。
精細に加工するには1mmとかの細いボールエンドミルを使うので、ハガキサイズで7時間くらいかかることもありますが、誰かにプレゼントすると驚かれます。
カラーじゃないの?と言われたことがありますが、無理です。
リトフィンだけではなく、普通に浮き彫り加工できるので面白いソフトです。

なお、全てのVectricソフトは無償のトライアル版があります。

VCarveProとMach3はWindowsXPのデスクトップPCで動かしていますが、セキュリティーの問題があるのでネットには接続せず、CADintoshからのデータの受け渡しはUSBメモリです。WiFi接続するのは、アップデートをチェックする時だけです。
2021/03/18 追記
Windows10のラップトップに変更したので、データの受け渡しはiCloud経由で簡単になりました。==>

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CNCフライス(2) 構成

編集: 2018/02/15

全体の構成

CAD、CAM
 - CAD: LemkeSoft: CADintosh (MacBookPro)
 - CAM: Vectric: VCarvePhotoVCarve (WindowsXP)

コントローラ
 - Mach3 R 3.043.062 (WindowsXPデスクトップ、Mach3はパラレルポートが必要)
 - CADからのDXFデータ受け渡しはUSBメモリ

ブレークアウトボード (BOB)
 - HobbyCNC PRO 4Axisを使用
 - センサ入力やスピンドルON/OFFなど信号入出力の外部回路は自作

ステッピングモータ
 - XY軸:日本電産サーボ KH56KM2-901
 - Z軸:オリジナルマインド 42mm(型番なし)

リミットスイッチ
 - X、Yのホームポジションのみに透過型フォトセンサ取り付け

スピンドル
 - ER11コレットチャック
 - DCモータ直結 約6,000RPM (回転数検出に反射型フォトセンサ取り付け)

電源
 - ブレークアウトボード用: スイッチングレギュレータ24VDC/150W
 - スピンドルモータ用: 同じですが別系統にしてあります

大まかに分けると上のようになり、詳しくは、順序が前後するかもしれませんが記事を分けて書いていきます。

今後、各ページの内容を修正することがあります。

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CNCフライス(1) 作ってみる

編集: 2018/02/23

CNCフライスは、“自作”、”CNC”などで検索すると中国製のキットや小型の汎用フライスをCNC化している例が多いですが、長野県岡谷市の株式会社オリジナルマインド
から、まさにオリジナルの数種類のキットが出ています。国産キットは、この会社だけと思います。

同社でキット、コントローラ、Mach3などのソフト(ライセンス代行)、工具など必要なものを購入すればすぐにでも何か作ることができ、サポートも対応が丁寧です。さらに、材料、部品なども販売していて、自作ユーザーにはありがたい存在で、いろいろ購入したものは順次紹介します。

また、自作自慢の掲示板 というサイトを参考にさせてもらっています。
中身は「自作自慢の掲示板!」「挨拶雑談掲示板!」「何でも質問掲示板!」の三つに分かれています。厳密な区分はありませんが、質問やこんなの作りましたというようなことを投稿すれば、いろいろヒントをもらったりできます。
特定のソフトやメーカーに偏らず、汎用フライスをCNC化したユーザーも多く気軽に投稿できるのでお勧めです。投稿された内容からいろんな発見があり、運営されている方にはとても感謝しています。

もう一つ、たまたま近くにあったのが幸運だったんですが、ねじの松喜という会社があります。一般的なボルト、ネジ、ピンなどはたいがい在庫していて、1本(!)から買えます。特殊なものは取り寄せてもらえて、家人の勤める会社に頼まれた銘板用のパーカーリベットも翌日には手に入りました。
ホームセンターなどでは数本単位で価格も高く、欲しいものがないことも多いので、ありがたい存在です。

私はメカの技術屋だったので、退職を機にCNCフライスを自分で設計・製作してみようと思いついたのが始まりで、削るものをあとから考えるという変わった(?)方向で始めました。
作り始めて数年は、設計変更した部品を加工して現在の部品と入れ替えるという、何十年も前に学校で習った「工作機械の歴史」をなぞるようなことを繰り返して楽しんでいました。

最初は下のようなMDF材で作ったペラペラのもので、単にXYZがプログラム通りに動くという程度のものです。ボールペンを付けて、四角や円など入力した形が描かれた時は嬉しかったのを覚えています。
寸法がきっちり出ているのと表面が滑らかなのでMDFを使い始めたんですが、早い話がとても分厚い紙(!)なので、剛性というのは全く期待できません。

スピンドルは、マブチモーターの一番大きいのをタイミングベルトで減速しています。

減速にはタイミングベルトやVプーリーなどいろいろ作ってみましたが、どうしても音が大きくて長く苦労しました。今は、高トルクのDCモータ(eBayで購入)を直結することで解決しています。

余談ですが、モータ軸にコレットチャックを直結したものがブラケット付きでeBayなどにたくさん出ていますが、モータ軸のベアリングは軸方向の遊びが大きいので細かい加工には使えません。

 スピンドルは近くの鉄工所で作ってもらったもので、エンドミルなどを押しネジで固定するものです(6mmシャンク限定)。送りネジはM6寸切、ガイドはアルミアングル(アルマイト仕上)でMDF材を直接押さえています。
このころは、アルミを削るのに 切り込み 0.05mm 送り80mm/min くらいで、切削量は現在の1/100くらいでしょうか。ただ、送り寸法は結構正確で、ボルト穴やタップ下穴はセンタードリルで開けておいて、ボール盤でドリルを通せばきっちり合いました。

第2世代(?)として、本体フレームをアルミ板で作り直し、各軸の送りガイドはテフロン板を組み込んだものにしています (下の写真の赤丸の部分)。
スピンドルモータの減速や送りネジはMDF時代と変わっていません。スピンドルもベアリング剥き出しの簡単なもので、今から見るとよく削れてたな〜という思いです。

現在では、送りガイドをリニアガイド(Z軸を除く)に、スピンドルをER11コレットチャックに、送りネジを台形ネジ(Z軸を除く)になど、各部を変更・改良してきましたが、今に至るまで全体の構成は変わっていません。

アルミ合金なので残念ながら鉄鋼材料は削れませんが、アルミ材およびアクリルなどの樹脂材料はそこそこの加工ができるようになりました。

キットではなく、自分で考えて作ったCNCフライスについて、順不同ですがボチボチと書き綴っていきます。

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