CNCによるPCBの作成その1

Instructablesだったか、ちょっと失念したがPCBの作成を3dプリンタでケガキでやっていたので、自分もやってみた。PCBをマジックインクで黒く塗りつぶし、とがった金属でケガキパターンを作成するという方法。自分は3DPrinterではなく、自作のCNCに6mmロッドの先端をグラインダで尖らせたものを使った。


方法は説明より、Videoを見ていただければ一目瞭然と思います。その結果は


こんな感じですが、ルーペで見るとちょっと実用にはならないかな?という感じです。マジックインクが乾くと、金属の針でケガクとどうしても割れが生じ、直線はギザギザになってしまう。
今回は失敗ですが、マジックインクを選択し、割れが生じないものを選べばいいかもしれない。

CNCがやっと完成の域に

 

長い間放っていたCNCがやっと完成の域に達しました。ProxxonのマイクロXYテーブルとドリルスタンドを利用し、3Dプリンタで打ち出したパーツを多用しました。

YテーブルがDefaultでは非常に短く、実用に耐えないので、Yテーブルの延長も3Dプリンタで打ち出しました。本来ならアルミの切り出しで新たに作り直すべきですが、ツールもないので、Webで検索したらアルミブロックで延長部分だけを追加している方がいた。これだ!と思いアルミではなく3d プリンタできれいに打ち出せば同じものが作れると思い、やってみた。この人はy軸のモーター側のベアリングホルダー兼ストッパーを延長yテーブルに変更し、ストッパを無くしているが、いい考えだ。自分はモーターの反対側にyテーブルを約30mm延長した。4回ぐらいカット&トライで作り直したが、うまくいった。メーカ側の設計図を見つけられなかったので、実体をカリパーで測定したが、どうも測定して3Dプリントすると、測定誤差とプリント誤差とが重なり、かなり違うものができてしまう。したがって、カット&トライがどうしても必要になる。可動部分が54㎜から70㎜となり、何とか実用に耐えるようになった。本来なら100㎜×100㎜くらいは欲しいところだが・・。今回はY軸の向こう側に延長したが、必要なら反対側にも同様に増設すれば、100mmにはなりそうだ。その際にはまた6Φの全ねじロッドが必要になるが。

Y軸の拡張部分
Y軸の拡張部分

白のPLAで出力したので、非常に目立つ。逆ねじのM6の送りロッドは長さが足りなくなったので、順ねじのM6に交換し、それに伴い内部の送りナットも順ねじに交換。(12Φの丸棒にM5 の下穴をあけM6でタップを切った。)

Y軸拡張2
Y軸拡張2

Z軸はずいぶん無様な形状をしているが、スピンドルモータの重量や切削時の横ブレに打ち勝つ強度を保つためにはこの程度の厚みと構造が必要だと思い、こんな箱状になってしまった。

Z軸
Z軸

一番苦労したのはZ軸。20Φの柱を何とか利用したかったので、LMF20UUを中国サイトから入手。異常に大きいのでかなりびっくりしたが、上下に2個つけた。入手してから気が付いたが、鍔のないLM20 を使って、ストッパーを3Dプリントしてもよかった。摺動部分はこれだけでは心もとないので、3Dプリンタのあまりの部品で6Φのリニアベアリングとスムースロッドで補助。

Z軸モーター
Z軸ステッピングモーター

すべての軸のステッピングモーターは秋月で一番安い¥800のギア付き。42㎜角ではこれが一番トルクが大きい。このモーターの性能/価格は中国のサイトでもかなわない。ただ、ギア付きなのでこれをうまく外す必要がある。そのためにギア抜きツール(AMAZONで入手)を使用した。このツールは強力で、ギアがきれいに抜ける。

撮ったビデオの容量が大きくUpladできないのでビデオをコンバージョンしたら映像と音声が同期しない現象が起きた。

まだ、穴あけしかテストしてないが、同じ基板に2度穴あけをしてみると全く同じところに、ドリルが通るので、バックラッシュも無いようだ。次はエンドミルを入手し基板パターンの切削をトライしよう。エンドミルは中国サイトに注文中。今は切削用モーターにはProxxonのハンドルータを使っているが、最高の20000rpmで連続で稼働させると音が非常にうるさい。 ブラシレススピンドルモーターが欲しいが、中国のサイトでも5000円から10000円くらいでなかなか踏ん切りがつかない。自作という手もあるがネオジムローターの入手が難しそうだが。さらにエンドミル用のコレットチャックをうまくつけられるかが難しそう。20000rpm以上で回そうとするとほんの少しの偏芯でも気になる。

やはり音と映像が同期していません。

今のところ、FirmwareはArduinoUNO互換のAitendo製にGRBL0.9j。ステッピングモータのドライバーはTB6650(全軸同じで1.2A  STOP50% 1/8駆動 減衰0%としたがこれが最適かどうかは不明) 3dprinterだと1/16稼働で十分のトルクが得られたが、1/16では音は静かだが脱調が激しい。コントローラーはgrbl controller3.6.1もしくは grblcontrol0.84(https://github.com/Denvi/grblControl/)(これは3Dで軌跡が表示されるので、見ていて面白い。)  最近grbl controller3.6.1T4(クリックでリンクに飛びます)が出て、同様に3Dが表示されるらしい。(テスト中)

grbl EEPROM の内容 ($$でコンソールより出力される)

Grbl 0.9j [‘$’ for help]
[‘$H’|’$X’ to unlock]
$0=10 (step pulse, usec)
$1=25 (step idle delay, msec)
$2=0 (step port invert mask:00000000)
$3=3 (dir port invert mask:00000011)
$4=1 (step enable invert, bool)
$5=0 (limit pins invert, bool)
$6=0 (probe pin invert, bool)
$10=3 (status report mask:00000011)
$11=0.010 (junction deviation, mm)
$12=0.002 (arc tolerance, mm)
$13=0 (report inches, bool)
$20=0 (soft limits, bool)
$21=1 (hard limits, bool)
$22=1 (homing cycle, bool)
$23=44 (homing dir invert mask:00101100)
$24=300.000 (homing feed, mm/min)
$25=5.000 (homing seek, mm/min)
$26=5 (homing debounce, msec)
$27=5.000 (homing pull-off, mm)
$100=1600.000 (x, step/mm)
$101=1600.000 (y, step/mm)
$102=1600.000 (z, step/mm)
$110=400.000 (x max rate, mm/min)
$111=400.000 (y max rate, mm/min)
$112=400.000 (z max rate, mm/min)
$120=10.000 (x accel, mm/sec^2)
$121=10.000 (y accel, mm/sec^2)
$122=10.000 (z accel, mm/sec^2)
$130=120.000 (x max travel, mm)
$131=80.000 (y max travel, mm)
$132=70.000 (z max travel, mm)

 

 

 

CNCの自作(5) Z軸のプラン

Z軸のスピンドルモータキャリッジの設計がなかなかうまく行かない。前回のCNCの自作(4)のやりかたでは、実際に3dプリンタで打ち出して取り付けてみると、どうもz軸がスムースに上下できない。3Dプリンタ特有の「ソリ」によって、台の部分とリニアベアリングの垂直性が保たれないようだ。

2個のリニアベアリングを別々に取り付ける方式はだめなようなので、全部をひとつにした形態にした。もともとドリルスタンドについていた、キャリアを利用するか、すべて3Dプリンタで打ち出すか、迷っている。

Z_C_2
Z_C_2

これは3DプリンタPrusa I3のX_Carridgeをまねて作った。実際にプリントアウトしてみるとなかなか良い。ただし、ドリルスタンドのキャリを多少改造しなければつかない。

3dPrint
3dPrint
Z_C_1
Z_C_1

これはスピンドルモータ取り付け部分もすべて一体形にしたもの。プリントアウトに4時間以上かかりそうだが、一応この案は上の方法が失敗したら、また考えることとした。

 

CNCの自作(4) Z軸のプラン

DrillStand
DrillStand

画面のキャプチャーはDesignSparkMechanical

z軸のプランがほぼ出来た。BubbleGumCNCはmf70のマイクロフライス盤を対象にしているので、ドリルスタンドしか持っていない自分は、そのドリルスタンドにスピンドルモータを取り付けるアタッチメントを作成する必要があり、いろいろ考えた挙句、やっとプランが出来た。

ドリルスタンドにもともと付いていたドリルアタッチメントを利用して、LM6UUを上下に取り付ける方式にしてみた。スピンドルモーターはProxxonのルーターを取り付けるかDCモーターを別途スピンドルモーターとしてつけるかを考察している。

LM6UUは3Dプリンタの製作であまったものを利用したかったので、わざと6mmにした。6mmシャフトがないのでまた、ハードオフから古いスキャナを仕入れてくる予定。

DesignSparkMechanicalは無料で使わせてくれるが、非常に簡単に3dオブジェクトが作れる優れもの。google のscketchupよりもむしろ使いやすい。オリジナルはrsdocというファイルができるが、3dプリンター用にSTLファイルもexportができる。

CNCの自作(3) Spider Couplerを作った

ThingiverseにあったSpiderCouplerは大きさが合わないので新たにDesignSparkで4.5mmx5mmのSpiderCouplerを作成。ステッピングモーター軸と送りねじのカプラーをいろいろ作成してみたが、やっと満足するものが出来た。これでモーター軸と送りネジの芯ずれが解消されると思う。

Screen1
Screen1

L=25mm ,R=18mm 4.5mmx5mm

Spider1
Spider1
Spider2
Spider2

 

 

CNCの自作(2)

xyテーブルテスト
xyテーブルテスト

秋月からモーターが届いたので早速xytableのテスト。本当はモーターと駆動軸との接続はフレキシブルカプラーを使うべきだが、無いので固定のカプラーを3dプリントしたが、モーター軸と駆動軸の芯ずれが気になる。駆動軸が4.5mmと中途半端な太さなので、これはつくるしか無さそう。4-5mmを入手して4mmをドリルで拡げるか?

 

CNC

CNCの自作(1)

ThingiverseからBubblegumCNCのSTL_DATAをDownloadし、ずーっと以前にYahooオークションで安価で落札したProxxonのXYテーブルに付けてみた。

CNC
CNC

GRBLController+Arduino(GRBL)+Driverでうごかしてみたが・・・秋月の1000円のST-42BYG020(NEMA17)のバイポーラ接続ではトルクが足りないようで、うまく回っているところもあるが、途中でグッグと大きな音を立ててブレーキがかかってしまう。ドライバー(TB6560)の電流を上限まで上げても回転音が大きくなるだけで改善しない。

秋月のページでトルクデータをよく見てみると、ST-42BYG020は静止トルク:1.6kgfcmでONOSOKKIのトルク変換ページを使うと0.157Nmと、ギアつき700円の17PM-K044-AKZは0.27Nmなのでずいぶん小さい。今までこちらのほうがトルクが大きいだろうと信じ込んでいたが、逆だった。3dプリンターをこれで作っていたら失敗していたかもしれない。ギアつきのステッピングモータに変えるか、さらにトルクのあるST-42BYH1004(これは少し値段が高いし、大きい)に変える必要がある。

*その後、3dプリンタのExtruder用のステッピングモーターをはずして、このCNCに接続してみたら一軸だけだがちゃんと動いた。やはり上記推測は正しかったようだ。早速、秋月に注文しなきゃ。ただしZ軸もこれで良いのか?重いスピンドルモーターを上下させる必要があるが。ちょっと心配。ただ、まだその上下機構をどうするか?考え中。

交換した3DプリンタのExtruder用のステッピングモーターはこのST-42BYG020でも充分に機能した。試しに先のボルトナットをプリントしてみたが、なぜか少し音が変わったがフィラメントの送りはまったく問題なくかった。