フォックス コーポレーション

CNC加工機の試作のページ その1

 フォックスで行う様々な加工をより精度良く、便利に行いたい事も有りCNC加工機の導入を考えています。

ただ、市販のCNC加工機は勿論、高精度で性能的には申し分無いのですが、CNC加工機の使用頻度と導入価格のバランスが乖離していて、今までは導入を見送っていました。

最近になり、フォックスの製品群が機械加工の必要性が増加したため、今回のCNC加工機の導入決断となりました。

先述したように市販品のCNC加工機は価格が高い為、今回CNC加工機を自社開発することにしました。
このページはCNC加工機の自社開発の記録として、もしこのような機械を製作してみたい方が居れば、何かの参考になれば幸いです。

プロジェクトスタートが2019/11月からです。
進行に応じて順次更新します。

自作CNCに興味が有る方に情報共有も検討しています。
例えばフレームの設計図面や、使用装置のアドバイスなど・・・。
自作の醍醐味はなんと言ってもノウハウの蓄積とコストダウンです。
挑戦してみたい方はお問い合わせ下さい。
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NEMA23 CNC 左の図面は現在考察中のCNC加工機のアウトラインです。
ワーク(加工対象物)寸法は900mmX450mmを想定しています。
X、Y軸の面積は広く取れていますが、Z軸(高さ)はそれほどでもなく、
約200mmを想定しています。

この加工寸法で現状の製品群の加工は十分に事足りるからです。
万が一、加工寸法が足らないような事象が頻発するなら、ガントリー(鳥居のような形の部分)を高くしたり、テーブル面積を広く拡張することも可能です。
自社製作の加工機なので全てにおいて自由度が高く、大幅なコストダウンが見込めるのが最大のメリットです。

今回製作するCNC加工機は始めは3軸動作で設計していますが、
注文したコントロールボードが4軸対応の為、将来的に4軸化仕様と考えています。
設計中のフレームはガントリーがY軸で前後にスライドし、X軸が左右にモータースピンドルをスライドさせます。Z軸はモータースピンドルの上下です。

スライドはリニアレールでベアリングブロックがスムースなスライドを行います。
 NEMA23 Mach3  自作CNCの構築には様々な周辺装置が必要です。
まず、基本的な3軸の動きを担うのが左写真のステッパーモーターと、そのモーターを制御するコントロールボードとモータードライバーです

写真左側の4つがモーター、真ん中の赤い基盤がコントロールボード、
4つの黒い部品がモータードライバー、奥の銀色の部品はAC-DC電源です。
コントロールボードはUSBでPCに接続し、CDに添付の各軸を制御するソフトで加工機が動作します。

これらの部品は国内だとAmazon他の通販サイトで購入が可能ですが、
今回は直接中国から購入しました。
大幅なコストダウンが見込めるからです。

ただ、ある一定のリスクもあるため、1度の沢山の部品を購入するのではなく、数パックを分割で購入します。
そうすることで送料を安く出来る事も大きな要素です。

ステッパーモーターが届いたら、まずはPCでこれらの部品が予定通りに動くのかを確認します。でないと、中国からの購入品は価格は安いけれど、不良品混入も頭に入れておかないと後で後悔することになるからです。


写真はAli公開サイトから引用しています。
 NEMA23  注文していたステッパーモーター関係がが届きました。
高トルク型を注文しましたが、やはりずっしりとした重さが有ります。

ステッパーモーター 型式 NEMA23
57HS1123A4D8       1.8'  3.0A
の物です。
発生トルクは425OZ/in と表記されています。

無事に動いてくれたらいいですが・・・。
参考価格 1個 約2700円 !送料無料
3つ買いました
 NEMA23  そしてステッパーモータードライバーです。
ステッピングモーターはそれに直接電源を接続しても回転しません。
ステッピングモーターに対して、どの方向に何回転しなさいと指令が必要です。
指令はPC → Break out Borad →モータードライバー → モーター となります。
このモータードライバーには様々な種類が有りますが、概ねコピー?クローン?商品のようで、価格も日本国内で購入するよりもはるかに安く入手できます。
今回のドライバーの価格はおおよそ、800円 !!でした。(送料無料)

ただし、web情報に記載してある配線図では正常に動作しませんでした。
このモデルを購入した人はどのようにして動かしたのか聞きたいです。
私は海外の情報を調べて配線の間違いに気がつきましたが、国内では情報は皆無でした。
右図に従い正確に配線したが、動かなかった・・・。
正しく言うと、極僅かにX軸が片方にだけ動いた。1度位。

海外の情報を漁りまくった結果、違う配線図を見つけて恐る恐る試したところ、動いた!。
一旦動くと、各種設定が進むので追加でY軸、Z軸と全て機嫌良く動くようになった。

Mach3のインストールも若干クセがあり、何度かやり直した所上手く動くようになった。 
 
 Mach3 CNCの制御はPC上でこのようなソフトで行います。
これはMach3と呼ばれる定評がある?ソフトです。
設定は複雑で深く勉強する必要がありますが、操作していて楽しい物です。

そして、このMach3からの情報を受け取るインターフェースが必要です。
一般にブレークアウトボードと呼ばれていて、国内でもAmazon等でも多数が見かけられます。
それぞれに特徴があるようですが、使用する軸数が種類が選べるので将来的には多軸も挑戦してみたいと考えています。
 USB BOB CNC  これがブレークアウトボード、略してBOBと言う物です。
写真の物は4軸を制御できる物です。
今回試作するCNC加工機は3軸仕様なので1軸あまりますが、将来的に第4軸の動作にも興味があるので好都合です。

これも国内でAmazon等で見かけますが、購入した人は居るのか?不明です。
BOBはMach3とのインターフェースなのですが、Mach3が開発年代が古くてシリアル接続がメインの頃の物のようです。
現在、シリアル接続は淘汰されている為、USB接続でも動くようにBOB側で対応しているようです。
そのUSB接続も始めは動かず苦労しました。
マニュアルとYoutubeを詳細に調べたら情報が見つかり動くようになりましたが、もっと丁寧なマニュアルが欲しい物です。。
 2019/11/29

現在のところ3軸の動作に問題は無いようです。
購入当初は販売店がweb公開していた配線図に従ったところ動作せず、散々調べた結果、
ドライバーへの配線が間違っていることに気が付き、そこを修正したところあっさりと動き出しました。
途中ではBoBを別の物に変更しようかとも考えましたが、結果的に動いてくれたので何よりでした。

Mach3にサンプルデータが付属していたので試しに机上でGコードを走らせて見たところ、
X,Y,Z各軸がそれらしい動きで忙しく回転してくれています。
Mach3の詳細な設定はこれからですが、加工機本体の設計も概ねが決まってきており、これからの
進行が楽しみです。

3軸の動作の様子をYoutubeに公開するので、興味の有る方は視聴してみて下さい。
 
   左の写真は主軸(スピンドル)のコントローラーです。

可変周波数制御方式で、主軸が400hzなのでそれに合わせています。
電源の仕様は悩んだのですが、110V 1.5kwタイプを選びました。
他にも220V仕様がありますが、CNC機の設置場所の兼ね合いも有り、
電源の確保のし易さからこの仕様にしました。

出力の1.5kwですが、主軸の冷却方式が空冷と水冷があり、好みの問題で
空冷式を選びたかったので、空冷式の一番大きいサイズが1.5kwの為に結果的に
そうなった感じです。

パネル面には各種の設定キーがあり回転数の調節ボリュームも付いています。
定評の有る商品なのか、殆どの自作、小規模ユーザー向けに使用されています。

型式  HY01D511B
購入価格 11200円 (送料無料)
   写真のように操作パネルが取り外し可能です。

コントローラー本体をCNC制御BOXに格納してしまった場合に、操作
パネル部分をBOX表面に移設できるように別体式になっています。

私は制御機器の格納に自作PC向けのATXケースを使用する予定なので、その
ケースに格納して、操作が不便な場合には操作パネル部分を移設するかも
しれません。現在は未定です。
   配線関連です。
私の仕様の場合、AC100V入力を左端のR,Sに接続、主軸に右側のU,V,W,Gを
接続することで主軸をコントロールすることが出来ます。
主軸の回転方向が逆になった場合には、U,V,Wのどれか2本を入れ替えるだけで
回転方向を反転できます。
   実際には本機の下面からグロメットを通してターミナルへ接続します。
グロメットのゴムの質感が少し硬くて、このような所に日本製との違いを感じますが、
何より価格が安いので良しとします。
   そしてこれが主軸です。
110V 1.5kw仕様です。
軸はER16
手に取る時に感じましたが、もの凄く重いです。
モーターブラケットもセットで付いてきました。

価格 20210円 送料無料!
また掲載しますが、他にもテーパーコレットが1mm-10mmまでとincコレットが
1つ付いてきました。
あと、写真の電源カプラーも付属品です。
   ER16タイプのコレットです。切削対象がジュラがメインなので、主軸はしっかりした
物を選びました。
あえて空冷式を選んだのは、やはり水冷式の水漏れが怖いからです。
上の電源の部分で少し触れましたが、中国製のゴム製品の品質は良くないので
水冷系統に当然使用されているであろう、Oリングのゴム品質が先々足を
引っ張るのでは??との疑心から敢えて空冷式にしています。

CNC機を運用してみて、特に夏場などで主軸がヒート気味になるようなら
その時に自作の水冷ユニットで冷却しようと思います。
ただ、想定される使用用途から考えると空冷式で十分では?と考えていますが。
   
   
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