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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

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。
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。

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軸のモータはスピンドルの向こうに隠れて見えません。

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。

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(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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