CNC自作


CNCフライス、普通に購入すると100万円以上。ちゃんとした工作機械だと数千万以上とか。高価すぎて趣味レベルでは買えるわけないがぜひ欲しい一品である。買えなければ作ってしまえということで、自作した。もちろん製品に追いつくような精度が期待できるわけが無いが。

概要

  1. X,Y,Z軸の自動制御。MACH３よりマシンコードで動作。
  2. アクリル、アルミの加工実績あり。できれば基板も作りたいので銅も削れれば尚良いが。
  3. 加工範囲：X軸140mm、Y軸100mm　Z軸60mm
  4. 加工精度：±0.2mm
  5. プロクソンのフライスマシンセット16000をベースに改良
  6. Z軸はリニアガイドを使用
  7. 最高切削速度：200mm/min　（3500mm/minも夢ではない！　10.19追記）

今後の目標

現在の進捗状況（2006年11月12日）

  1. 切削速度向上のため、秋月電子で購入したモータ”MINEBEA　23KM-K112”のドライブ回路を作成中。ユニバーサル基板で組んだが、CNCに組み込んでみるとケーブルが長すぎて動作不良。その問題解決のためモータごとに基板を製作している。１軸分は完成。
  2. 基本部分完成！アクリル加工成功！
  3. HDL改良＆回路追加でパワーダウンモードを追加。
  4. HDLをVHDLからVerilog-HDLに変更。（Verilog－HDLは同じ回路記述でもVHDLと比べてシンプルでGood！）
  5. HDLでパワーオンリセット追加。
  6. 停止スイッチ取り付け未作業。

制御回路のVerilog-HDLコード　NEW

cnc_ctrl.v (top module)
motor.v (sub module)

CNC自作記

2006年11月12日
とりあえず1枚現像＆エッチング完成。


部品を実装し、モータのケーブルも短くして、動作確認した。久々に一発で動作！
記録更新！モータ無負荷状態で、2400rpm（4800mm/min）で動作した。DCモータ並に高速回転しているステッピングモータを見るのは始めてかも・・・音も結構静か。

2006年11月10日
　前回製作した”MINEBEA　23KM-K112”の駆動回路だが、その後モータをCNC本体に取り付けたところ、3500mm/minで動作させると空転してしまい、1000mm/minがやっと回る状態。原因は、モータまで引き伸ばした約80ｃｍのケーブル。電流検出抵抗が0.47Ωなので、それに比べてケーブルが長く抵抗が大きいのが原因の様子。試しにケーブルを短くすると問題なく動作する。そこで、駆動回路を軸ごとに個別に製作し、それぞれのモータの側に置くことにした。

　この際なので、プリント基板を製作することにした。CADは”EAGLE”を使用。以下が回路図と設計画面。
回路図の左側のコネクタが、メインの制御基板からの制御信号入力で、右側のコネクタがモータ出力。





マスクは2セット製作することにした。OHPシートにインクジェットプリンタでプリントアウト。


　あと、パワーダウンモードを追加し、先日動作確認した。変更内容は・・・

　これで、当初からの問題であった、停止時の発熱も抑えられるはず。
　また、これまでハードウエア記述言語HDLは”VHDL”で製作していたが、最近”Verilog－HDL”のほうが気に入っていて、この機会に”Verilog－HDL”で書き直した。Verilog－HDLのほうが記述がシンプル＆フリーの回路シミュレータが使えてGood！！
さらに、このついでに起動時のパワーオンリセットを追加し、メイン制御回路の起動後1．4秒後に制御信号を出力するように変更した。

2006年10月24日
　”MINEBEA　23KM-K112”の駆動回路が完成。先日評価したSLA7026Mによる定電流チョッパ回路をX,Y,Z3軸に拡張。

2006年10月19日
　SLA7026Mの周辺回路を変更し、最大出力電流を0.5A増やして2Aにした。（モータとSLA7026Mの定格は３A。まだ少し余裕がある）。モータを駆動させ、最大移動速度を確認したところ、3500mm/minまで脱調せずに動作した。このスピードだと、テーブルの端から端まで約3秒！！実際このスピードで加工する必要は無い（できない）が見てて面白い。ちなみにこのときのステッピングモータの回転数は、1750ｒｐｍ、制御パルスは5.8ｋHz。
　
　昨日コンデンサが破裂して気づいたことが、コンデンサがないとモータ動作時、異常音がある。またデータシートには電解コンデンサをつけるように記されているが、肝心の値が不明。そこで、チョッパ回路の動作を追ってみた。普通電源の昇降圧チョッパにはフリーホイールダイオードがあり、OFFの期間もコイルに蓄積された電流を流しつづける。しかしSLA7026MにはFETのボディーダイオードがあるのみ（SLA7026MデータシートP21参照）で、OFFの時の電流の逃げ場が見当たらない。数時間悩んだ末、ON時に蓄積されたA相のエネルギーはA相と磁気的にカップリングしているA~相に逃げていて、電解コンデンサに回生されているのではないかと考えた。A相ではボディーダイオードが電流に対して逆向きなのでOFFのとき行き場が無いが、逆に巻かれたA~相に対してはボディーダイオードが電流と同じ向きになる。この電流によってコンデンサに電圧として充電され、次のONに備えられる。もちろんモータを動作させる為にエネルギーが必要なので、ON時の電流と、OFF時の逆電流の差が電源から供給される。

上記は電流検出抵抗（Rs＝0.47Ω）の両端の電圧。（5us/div、1V/div）
ON時は2.2A、OFF時は－2.0Aほどになっていて、確かにマイナス方向にも電流が流れている。

　普通の降圧チョッパとは動作が異なるが、原理的には同じだ。電圧から電流に変換されるため、低電流の電源でも電圧さえある程度高ければOKなので電源の選定に困らなくてすむ。またON直後に一気に電流がモータの定格近くまで立ち上がるので、高周波数のときもトルクが確保される。このため、1750ｒｐｍという回転数を得られた。こうなるとこれまで使用してきた２４Vのステッピングモータ　TS3103N247　は逆に使いにくくなる。コイル抵抗が高く、２４Vよりはるかに高い電圧でのチョッパ回路による定電流制御は困難なので、必然的に定電圧駆動となり、回転数向上は難しい。

　結論として、今回の回路定数ではスイッチングのON、OFF時間は10～15μsecになるので、モータの最大電流を２Aとして大体計算すると・・・1μF。案外小さくても大丈夫。
ちなみに、電源側の電流はモータ1台あたり最大0.3Aぐらい（実測）となっていた。手持ちの最大２．２Aのスイッチング電源で十分3台のモータが駆動できそうだ。

2006年10月18日
　パーン！！！。とんでもない爆音に腰が抜けそうになった。やってしまった！！昨日安定化電源で動作確認していたが、スイッチング電源回路にとりかえて電源を入れたところ、爆音と同時に部屋中が煙で真っ白。テーブルの上には紙くずのような破片が散乱。
　経験がある人はここまででわかるだろう。電解コンデンサの破裂だ。
昨日回路を組むとき、電源は５Vぐらいでいいかなと思い、目の前にあった耐圧10Vの電解コンデンサを実装していた。でもSLA7026Mは10V以上で動作するということに気づき、電圧を上げていた。もちろん電解コンデンサはそのまま。安定化電源は18Vまでしかあがらないため、昨日は18Vで駆動させていて（それでも８Vのオーバー）一応動作していた。
　それで今日は約３０Vのスイッチング電源を接続してしまったもんだから、２０Vのオーバーで破裂した！

電解コンデンサは破裂したらこんな感じ。アルミのカバーは遥かかなたに吹っ飛んだ。
気を取り直して、こんどは50V耐圧の電解コンデンサを実装して、無事動作することを確認した。
フライスマシンのテーブルのY軸にモータを取り付け、2000mm/minで動作させたところ、脱調もなく動作。見違えるほど動作が機敏になった。さらに以前のモータのような振動は少なく、かなりスムーズに動作している。これならマイクロステップ駆動にする必要はなさそう。

2006年10月17日
　切削速度が現状200mm/minとかなり遅いので、高速化を検討中。現在のモータでは限界の様なので、秋月電子で購入した”MINEBEA　23KM-K112”を試してみることにした。ただ、コイル抵抗が1Ωと低いため、これまでの回路のように単純にダーリントントランジスタアレイを用いた回路での動作は困難。そこで、定電流チョッパ制御を試みる。秋月で”SLA7026M”が入手できたので、早速ユニバーサル基板に組んでみた。
　2時間ほどで回路が完成し、安定化電源に接続し、MACH３から、目標の500mm/minのパルスを入力すると、極めてスムーズに回っている。トルクもきわめて高い。・・・・目標達成は確実か！？
　何と2500mm/minまで脱調せずに回転した。これまでのモータからくらべるとまさしく桁違い！！

2006年10月16日
　愛犬”らむ”の名前入りキーホルダーを製作。

材料：3.0ｔ　アクリル
切削送り：100mm/min（X,Y軸）、50mm/min(Z軸)
深彫：有り、0.4ｍｍ毎
エンドミル：3φ
切削油：水道水
加工時間：約20分

2006年10月15日
　Z軸のモータを取り付け、モータの配線も行って、やっと完成！！
細かな動作チェックなんてやってられない。とにかく早く加工してみたい。ということで早速アクリル加工を試みる事にした。
ｊｗ-cadで作図し、NCVCでマシンコードを生成し、MACH３にコードを読み込ませてスタート。が、すぐに異常に気づいた。Z軸が下がりつづけ、アクリルを突っ切った。これはまずいとおもい、緊急停止をしようと思ったが、
「停止スイッチを付けていなかった！！！」
パニックになっているうちにあっというまにテーブルのアルミまで到達。
電源コンセントを抜いて、何とか停止したが、エンドミルの刃が全て隠れるぐらいまで入ってしまった。
なんとかエンドミルを救出したが、見るも無残な姿に・・・アルミの円しか削っていないのに一瞬であの世行き。（このエンドミルは安いほうだが、それでも１本1000円。）



確認していると、NCVCのZ軸の切削原点が、0ｍｍのところが+10ｍｍになっていたので修正。
今度は電源コンセントを抜く準備をしながら加工することにした。（停止スイッチ取り付けは後回し）
無事加工が進み、約15分で加工完了。



以下はX,Y,Z軸自動制御での初めての作品。思いつくがままに製図したもので、利用価値の無いただの加工サンプル。


材料：3.0ｔ　アクリル
切削送り：100mm/min（X,Y軸）、50mm/min(Z軸)
深彫：有り、0.4ｍｍ毎
エンドミル：3φ
切削油：水道水
精度（ノギスで計測）：X,Y軸共に-0.2mm（外寸）　±0.0ｍｍ（円）　+0.0ｍｍ（中央の長穴）
加工時間：約15分

2006年10月14日
　プロクソンフライスマシンに元々付いていたZ軸のガイドは、回転が重すぎてモータ駆動できなさそうので、作り直すことにした。一旦モータ、ガイドを全て取っ払って、アルミ板等を加工し、以前購入したリニアガイド、送りねじを固定した（写真左）。
　モータの台座をリニアガイドに固定するための加工、組み立てを行った。このあたりの作業は、少しでも狂うと、スムーズにスライドしてくれないため一苦労。丸一日費やした。


Z軸のモータ固定金具を製作。Z軸はまだ駆動しないのでZ軸にハンドルを取り付け手動で加工を行った。X,Y軸はMACH3から制御した。自作CNCで加工を行うのは初めてだが、見た目には満足のいく仕上がり。ただ精度があまりよくない。設計では中心の円がφ20.0mmだが、実測値はφ19.8ｍｍ。バックラッシュが原因か？

2006年10月11日
　注文していたカップリング（NBK　MSF-20、MSF-16）、エンドミル、セットカラーが届いた（写真左）。早速カップリングとセットカラーを取り付け、動作確認を行った。
　制御側はJｗ_cadとNCVCを用いてマシンコードを作成。テーブルにコピー紙を固定し、鉛筆をZ軸に固定して、プロッタ的に動作させた。□20ｍｍの幾何模様を描いたところ結構綺麗に線引きができた（写真右）、線が太くて確認しにくいが少なくとも±0.3mmぐらいの精度は確保できた。

2006年10月1日
自作制御基板にダーリントントランジスタアレイFT5754Mを3個とコネクタを追加した。X,Y,Z軸共に動作OK。

2006年9月25日
　X,Y軸のモータ取り付けOK。悩んだ結果送りねじは元から付いていた台形ネジを流用。ハンドルを取り外して、固定用のアルミ板を製作してモータを取り付けた。ひとまずデジットで購入したステッピングモータを取り付けたが、秋月電子で購入したモータも穴の位置が同じ為、これも取り付け可能。ただ、秋月電子で購入したモータはコイル抵抗が１Ωと低いため、手持ちの３．３Vor５V電源で駆動するにはチョッパ回路が必要。
　カップリングは未入手のため、とりあえずセロテープで代用。（ありえない代用か？）でもセロテープでもバックラッシュなしで結構しっかり回っている。ひとまずはデジットのモータで進めることに。

2006年9月13日
　秋月電子通商で、かなり大型のステッピングモータが新商品として登場した。（MINEBEA　23KM-K112　3A/相　コイル抵抗約１Ω　1.8°2相ユニポーラ）
テーブルの駆動に思った以上にトルクが必要そうだったので、とりあえず無くならないうちに4個注文。同時にダーリントントランジスタアレイFT5754Mも購入。さて、デジットのモータか、秋月のモータか、どちらが採用になるかは未定だ。
写真の一番左はデジットで購入したもの。

2006年7月7日
　やっとプロクソンフライスマシンセット16000を購入。本来は購入したら組み立てるものだが早速テーブルを分解して詳細を確認。
フライスモータは思った以上に回転が滑らかで、高回転でも安定している。テーブルのほうはモータと比較すると劣る。送りねじを取り除きスライドさせると、ところどころ引っ掛かりがある。本当にデジットで購入したステッピングモータで駆動できるか心配である。

2006年4月27日
　先日、リサイクル品でリニアガイドを発見。ストロークは80mmということで、Z軸のガイドに使えそう。リニアガイドは新品は一本1万円以上と結構高価だが、リサイクル品ということで安かったので即2本購入。若干表面に錆びが見られるが、わずかに傾けただけでスルスルと動く。もちろんガタも無いので満足。

2006年4月までの進捗
　まず３軸駆動のためのステッピングモータのドライバ＆PCとのインターフェースを製作することにした。CNCの制御ソフトウエアにMACH３を使いたいのでパラレルポート経由で接続することになる。

　ちょうどトランジスタ技術の2006年4月号にMAXⅡ搭載基板が付録でついていた。MAXⅡはCPLDであり、FPGAほど容量があるわけではない。以前MAXシリーズの容量不足で苦労した経験もあり、回路を組む前にコーディングし、恐る恐るQuartusⅡを用いて合成をかけた・・・結構余裕で入った。これでMAXⅡ採用決定。

　調べているとMAXⅡはI／Oが３．３V！パラレルポートとは電圧が一致しないため、手持ちの７４LCX２４５でレベル変換を行うこととしたが、面実装のものしか無かったため変換基板を使用。やたら面積ばかり取られる。そのうちプリント基板で作りたい。


PCと自作基板を接続し、MACH３を起動させてJOGモードで信号を出力した。オシロスコープでモータ駆動信号を確認。ステッピングモータの駆動信号はちゃんと出でいる。

気になるのが、パラレルポート側に不定期に現れるノイズ。とりあえずパラレルポート＜－＞７４LCX２４５のダンピング抵抗を限界まで上げて対処＆制御信号をLOWアクティブに変更した（MACHではLOWアクティブ／Highアクティブが自由に設定できる）。信頼性向上にはVHDLでのノイズ対策も必要かも。
ここまでで基板の機能は、

2006年4月?日
大阪にあるデジットでステッピングモータを3個購入。1個800円。このスペックではかなり安い。
仕様：TAMAGAWA　SEIKI　TS3103N247　24V　0.3A　1.8°ユニポーラ　

で、これまでに製作した基板に接続して動かしてみると、ウイーンと音を立てて回り始めた。ちょっと感動！！
保持トルクは極めて高い。シャフトを素手で回そうとしたが無理で、ペンチを使わないと回らないほど。回転数を上げていくと、２００パルス／secぐらいまでは多少負荷をかけても脱調せずに回転。

ただ、発熱がかなりあり、数分駆動させたら持てないほど。電圧は抑え気味のほうがよいのかも。

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