ＣＮＣで遊ぶ【ペンプロッタ制作】

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ＣＮＣで遊ぶ【ペンプロッタ制作】

（2020年2月10日）

今回のCNC工作は、ステッピングモータを用いたペンプロッタの制作です。

※ＣＮＣとは、コンピュータ数値制御の略です

【注意事項】
・当コンテンツを参考に工作する場合は、自己責任でお願いします。
・摺動部のガタが大きい為、精度はあまり良くありません。
・ＣＮＣ学習用（試作実験用）ぐらいでの使用を前提としています。

材料

ラック＆ピニオンセット-------1～2袋

※3軸制御する場合は、ラックが3本必要なので2袋必要ですが、ℤ軸の移動距離は短いので切って使う方法もある。

ユニバーサルプレート-------2～3袋

※シャフト固定用パーツが2袋だと足らないが、余りパーツをうまく使えば2袋でもOK。

ステンシャフト150ｍｍ×3ｍｍ--------6本

※今回の工作では、ℤ軸のシャフト（2本）は100ｍｍに切断したものを使っています。

ゴムジョイント（内径２ｍｍ）又は、網戸のゴム

※シャフトの固定用です。

小型ギアーヘッド付きステッピングモーター（軸径3ｍｍ） ------3個
ピニオンギア（0.5モジュール・穴径3ｍｍ・歯数42）------3個

※ピニオンギアの歯数は、ガタやトルクを考えると極力少なくした方良い。

今回使用したステッピングモーターはユニポーラ型なので、図のΦ1ｃとΦ2ｃを使わなければバイポーラ型として使えなくもない。未確認だが・・。

・Ｍ３のビス&ナット-------------適量

※M3×10が一番よく使うが、他の長さも必要。

Arduino(uno)------1個
ステッピングモータードライバ------3軸分
※アマゾンなんかで売っている、Arduino + CNCシールド + モータードライバのセットでも問題ないと思う。

スライダーの組み立て

まずは、ユニバーサルプレートを以下のように組み立てます。
ＸＹ軸は同じような構造なので、2セット同じものを作ります。

ラックを以下のようにビスとナットで取り付けます。

真ん中のビスはＭ3*10で、両端のビスはＭ3*15です。
モーターを取り付ける際にギアーが届かないので、プレートとラックの間にナットを入れます。真ん中のビスはラックに差し込んだ状態でOK。

モーターの位置調整用に、ユニバーサルプレートのL型パーツの図の部分を長穴にしておきます。
次にシャフトを入れ、両端をゴムチューブで固定します。

ステッピングモーターを取り付けます。

シャフトを一旦抜いて、お好みの長さに切ったユニバーサルプレートをL型パーツに取り付け、再度シャフトを入れなおせば完成。

ラックとピニオンギアの隙間調整はお好みで・・。まあ、剛性の無いフレームなので、当て付けで問題はないと思います。

必須ではないが、ユニバーサルアーム（別売り）を以下のよう取り付ければ、ガタは少し減る。

ユニバーサルアームは以下のように加工し、半月部分をシャフト当てつけ取り付けます。
もちろんのことだが、摺動抵抗にならないように調整は必要。

ペンプロッタとして使うのであれば、75ｍｍ×75ｍｍの付箋が乗るようにすれば便利。

今回作ったZ軸です。ラックはタミヤのものではなく、アマゾンで買ったモノ。

Z軸のラックは、XY軸とは逆で可動側に付けています。

で、今回作ったXYZ軸一式。

スライダー固定台にXY軸を付けてみる。

Ⅹ軸にℤ軸を付けてみる。

スライダー固定台

材料は、ホームセンターで売っているモノを使用
・テーブルの脚？（３００ｍｍ）　←名称わかりません・・
・コの字型ブラケット
・木の端材（出来ればMDF板の方が良い）
・適当なボルト・ビス・ナット

底面は100均のクッション貼り付け。

コの字型ブラケットの隙間は、適当なものを詰めてグラつきを無くします。
画像はスチレンボードを使用。

スライダーの取り付けビス穴は、タミヤのユニバーサルプレートをテンプレートにして、
穴あけを行います

動作確認

今回の制御系は、こんな感じです。

ステッピングモータードライバは、自作の定電圧型ドライバを使用。
CNCコントローラは、Arduino(uno)にGRBLを書き込み使用。
※アマゾンで売っている、Arduino + CNCシールド + モータードライバのセットも構成は同じ。

今回のモーターパラメータは以下のように割り出した。

ステッピングモーター　SPG20-332（0.75/step）
ピニオンギア（0.5モジュール・歯数42）

※ステッピングモーターの励磁方式は、２相励磁とします。
※ピニオンギア直径は、歯の真ん中部分から測った径とします。

【ギア1回転で進む距離】
21mm(ピニオンギア直径） ×　3.14（円周率）　＝　65.94mm

【モーター1回転に必要なパルス数】
360（度数） ÷　0.75（1パルスの度数）＝　480

【1パルスで進む距離】
65.94mm（ギア1回転で進む距離）÷　480（モーター1回転に必要なパルス数）＝　0.137mm

【1mm進む必要パルス数】
1（step/mm）÷　0.137mm(1パルスで進む距離）＝　7.29

1mm進む必要パルス数（7.29）を＄100・＄101・＄102に入力。
若干の誤差はあるので、動かしながら実測し数値を修正していく。

＄110～＄112：送り速度（脱調する場合は数値を少なくする）
＄120～＄122：加速度（脱調する場合は数値を少なくする）
＄130～＄132：可動範囲

動作させるCNCソフトは、bCNC
モーターパラメータの変更もｂCNCで出来ます。

動作確認です。
2Ｄ-CADで動作確認用のデータを作る。1マス＝10ｍｍ

bCNCにDXFファイルを直接読み込ませる。

動作はこんな感じ。

ステッピングモーターのギアーヘッドのバックラッシュが大きいので、精度はいまひとつ・・。
まあ、遊びで使う分には全然問題無し。フィード速度が速いのは気持ちがいい。