2013年6月28日金曜日

MDFでCNCの自作に挑戦 -設計・組み立て編-



arduinoに出会ってからこういうこともしてみたいと思っていましたが、とうとうCNCミルに手を付けました。

最近の記事のジャンクプリンタをばらしてステッピングモーターやシャフトを取り出したり、ステッピングモーターを動かしてみたのもこの準備のため。



◆基本的な方針
できるだけ安く
精度はそこそこ
できるだけ材料は近所のホームセンターで入手できるもの

◆もう少し具体的に
ジャンクプリンタのシャフトとステッピングモーターを使う。シャフトが一軸分足りないので、何かを流用する
金属材の価格と入手性と加工の難易度から、木材で組み立てる
安価なSPF材など、年輪の残っている木材はソリ、ねじれが生じやすいのでMDF材を使う

◆道具について
木工加工の道具はひと通り揃っているが、ボール盤、ドリルスタンドはない
電動ドリル、ディスクグラインダー、丸のこ、ジグソー、ハンドリューター、トリマーはある
が、MDFのカットはホームセンターでのカットサービス(パネルソー、店員が操作)を使う
(自作のテーブルソーはあるが、たぶん自分でカットするより精度が出る)

ベルトやプーリーの入手性から送りネジ方式を採用
ボールねじ、台形ねじは高いのでホームセンターの建設用?のネジを使う。
ネジは直径10mm、ピッチ1.5mmの全ねじ。結構曲がっています。
ピッチ1mmだと思い込んでいたら1.5mmでした。
(モーター1回転で1.5mmステージが進む)
3軸ともステンレスのネジにしたかったが、長いものがないのでZ軸だけ。X、Y軸はユニクロームの全ねじ。
リニアレールの代わりに引き出しに使うスライドレールも考えましたが、どの程度のがたつきがあるのかわからないのでパス。
ホームセンターのステンレスパイプを使うつもりだったので、ボールベアリングを通販で。内径6mmのものを36個+予備。1個66円。

デザインはネットにあるものを参考に、sketchupで適当にこねくったのがこれ


ジャンクプリンタのシャフトのうち1本をカットしてZ軸に。
直径9.0mmと9.5mm、約40cmのシャフトをX軸に。
左は、Y軸が足りないのでホームセンターに売っているステンレスパイプ(何かのパイプにステンレス板を巻きつけたもの)を使うつもりだった時のデザイン。
ベアリングをボルトに通しパイプを挟み込むタイプ。
実際手にとって見ると、許容できないほどに曲がっていたので却下。
売っていたアルミ丸パイプは強度的に弱そうで却下。
サイズ、価格、強度的に使えそうだったのが角パイプで、それを採用した場合のデザインが右。
その時には買わずに、100円ショップへ行くとアルミパイプのタオル掛けを発見。
長さ、太さもちょうどいいし、パイプを保持する部分もプラ製だけどちょうどいい大きさ。
袋に入っていて直進性だけが不安だったけど購入。使います。

MDFの厚さは12mmにし、木取り(板をどう切るか決めること)のために販売されている板の大きさも調査。
MDF12mm厚、450mm x 300mm 参考価格315円。
木材購入時に頼めるカットサービスは1カット30円。
22カットしました。

手に入る物のサイズを考慮して設計しなおしたものが以下。
手持ちのハンドリューターを使う予定




で、分解して並べたのがこれ。
印刷して、これを見ながら店員に指示してパネルソーでカット

◆送りネジナット、軸受、シャフトホルダについて
送りネジに使う長ネジは、山にバリが多かったのでスチールウールで磨き、パーツクリーナーで洗浄。

テーブルに固定される送りネジナットに、ナットと板が接合され金属製のものがあったのでそれを使おうと思っていました。
となるとボルト・ナットのがたつきから来るバックラッシュをどうにかしないといけないのですが、それに使うのがポリエチレン製の白いまな板。

350mm x 205mm 15mm厚で700円弱。

Z軸は垂直方向に力がかかるので、バックラッシュのキャンセルは特に無し。
X、Y軸の送りネジナットを金属製パーツ+ポリ製パーツの予定を、ポリ製パーツのみで済ませました。


軸受、シャフトホルダはシャフトのサイズが様々あるので、既成品は難しそう。
ボール盤も旋盤なんて持ってないし金属製のものを自作も無理。
これらもまな板から切り出したもので作ります。

まな板にドリルで穴を開けると広げながら穴を開けるようで、ドリルを抜くと若干穴が小さくなります。
9mmシャフトの軸受のために9mmの穴を開けると、手で押しこめば入る感じ。
9.5mmのシャフトを9mmの穴に入れようとしても入らなかったので、切れ目を入れて広げます。

10mmの穴を開けて10mmのネジを手で入れるとネジを切りながら入っていく感じ。
何回も回していると削れてきて、回さねくてもネジが動く感じ。

◆ステッピングモーターの取り付け、カップリング
手持ちのアルミ板3mm厚のものをジグソーでカットし穴を開け、ステッピングモーターを取り付け。

モーター側4mmと5mm。送りネジ10mmで合うカップリングがない。あっても買わない。
ので、モーターに、12mm角にカットし穴を開けたまな板を差し込み、回転させながらハンドリューターを当て、直径10mmになるように削り、送りネジと合わせる。
薄いゴムシートを巻きつけて接続し、ゴムホースを締める金具で固定。
モーターによって軸方向のがたつきがあるので、調整しながら。
試運転でモーターの振動がMDFに伝わりうるさかったので、ナット、ワッシャー部分に薄いゴムシートをはさみ、振動が伝わるのを軽減。
M3の高ナット4本で支えるつもりが、売っていないのでM6、60~70mmのボルト・ナットで固定。
 
◆モータードライバ、インターフェースボード

最終的には、LinuxCNCを入れたPCからコントロールの予定。
家でLinuxMINT12が動いている古いデスクトップPCにパラレルポートがあり、LinuxCNCのLiveCDで動作確認済み。
パラレルポートがある中古ノートPC探すかなぁ。

パラレルポートからの信号の波形整形と電流増幅、ノイズ対策、CNC側とのアイソレーション(絶縁分離)目的から、ブレイクアウトボード(インターフェースボード)を入れたほうがいいようです。
パラレルポートの定格電流等も注意しないといけないでしょう。
つまり、パレルポートの信号を直にモータードライバへ入力はおすすめしません。
現在はまだ用意していないのでarduinoにGrblを書き込み、USB経由で試運転をします。

◆ひとまず完成





→MDFでCNCの自作に挑戦 -試運転編-


(CNCに対する気持ちが途絶え放置してます・・・
         設計は真似しないほうがいいです 2013/9/21)

(当時のテスト動作で、ベアリング取り付けなどの設計が悪いようで、
  高さ方向の動きの精度がよくありませんでした。
  その後、大幅な再設計、改造をしようと思っていましたが、放置状態です。
                          2017/10/22)

追記 2018/04/07

当時の部品選定、設計でプロッタ、木材の切削の試運転はしましたが、満足の行くものではなく、放置していました。
最近、意欲が湧いてきましたので、再着手です。(5年も経ってた!)
3Dプリンタの流行から、中華製である程度の精度の部品が安く手軽に手に入るようになったので、ebay、aliexpress、banggoodからCNC用部品を調達し、元のMDF-CNCの部品を交換、改造していきたいと思います。(すでにプロッタとして試運転はしています)
現時点で交換済みは、(いまいち部品名がよくわかりません)

  リニアロッド10mm
  リニアロッドサポート
  リニアブッシュハウジング
さらに、注文済み部品は、
  ステッピングモータ
  フレキシブルカプラ
  リニアブッシュハウジング(追加)
  T8リードスクリュー(台形ねじ)
  T8アンチバックラッシュナット
  ベアリングシャフトサポート
  ナットハウジング

こんな感じでしょうか。
MDF製フレームを除いて、総とっかえになります。
いずれ、簡単な報告記事を書こうかと思いますが、いつになるやら。



3 件のコメント:

  1. 設計図を参考にさせていただきたいのですが、小さい部品の高さが分かりません。
    教えていただけないでしょうか?75.0mmX62.0mm?

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    1. パネルソーでカットしてもらう画像ですね。75x62だと思います。

      が、あまりこの設計は参考にしないほうがいいと思います。
      当時のテスト動作で、ベアリング取り付けなどの設計が悪いようで、
      高さ方向の動きの精度がよくありませんでした。
      その後、大幅な再設計、改造をしようと思っていましたが、放置状態です。

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  2. 大幅な再設計楽しみにしています。とりあえず、参考にさせていただきます。
    いつできるか分かりませんが、、、

    ありがとうございます。

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