Time Tripper

Update : 2010/02/25

手作りCNCマシーンに挑戦!!
空想から現実へ橋渡し！「夢のマシーン」（製作費用：約4万円）【総製作時間：実質30日間】

ＣＮＣマシーンってご存知ですか？巷（ちまた）では色々な呼び方があるのですが、簡単に言えばコンピュータで設計したものを切ったり削ったりして現実の形にしてくる機械です。これ、前々からほしかったんですよ。勿論、市販機は沢山あり実際の工作現場では普通に使われている機械なのですが、ホビー用となると数は限られてきます。何より、それだけ特殊なものなので、値段が高い！ホビー用の入門機でも２０万円以上しますし、ちょっと大きなモノを加工できる機械はあっという間に数百万円しちゃいます。まさに一瞬で即死状態な値段となっています。私にとってはまさに「夢のマシーン」です。
CNC(Computerlized Numerical Control)　CNCとはコンピュータによって数値制御を行うこと｡

ネットをブラブラと散歩してますと、なんとこの夢のマシーンを手作りしている方々を見つけました。みなさんそれぞれの用途で色々な形をした機械を作られているのですが、いかんせん私の脳みそには電子工学の知識がからっきし抜け落ちていまして、コンピュータとモータを繋ぐあたりの電子回路がさっぱり・・・で、指を咥えながらその周りを散策していますと、なんとその電子回路を販売してくださるサイトを発見！そのサイトでは、親切なことにステッピングモータや電源まで、素人が手に入れるのが困難な部品までを全てセットにしたキットを販売してるではありませんか。これはもう買うしかないでしょう。しかしながらいくらお安い価格でも、私の年間予算から考えますと「んーーーーームリ」（日々苦しいですハイ）そこで一大決心して我が家の大蔵省（古い）と交渉を重ねまして・・・（これはどんなに凄いものかを力説。あることないこと・・・）なんとか、ようやく特別補正予算を組んでもらえることになりまして、なんとか夢のキットを手に入れることが出来ました。（やったー！）
「電子工作室ドリームキッズ」　電子工作をはじめ様々な実験を公開されています。キットは「配布コーナー」から

届いたキットを手にして、まずは、説明書をじっくりと読みふけりました。所々に専門用語もあり、何回となく読み込んでいくうちに、だんだんと不安が・・・確かに、必要な電気関係の部品は手に入ったのですが、それをのせる筐体を手作りする知識が無いことにようやくこの時になって気付いてしまったのです。これはヤバイ。あせりの中、とりあえず届いた部品を全て採寸（１００円のノギスで）してＣＡＤの部品登録し、パソコンの中で考えることにしました。

あーでもない、こーでもないと妄想している内に「直動機構」というものに突き当たってしまいました。「直動機構」とは工作機のスピンドル（わかりやすくドリル）を横や縦に動かすためのレールのようなもので、ものがものだけにかなりの精度と強度が要求される機構で、通常はリニアレール（高精度のベアリングが入ったスライドレール）やリニアブッシュ機構（高精度の軸棒とその上を滑る高精度の軸受け）が必要です。・・・リニア・・・。なんじゃそれ！色々と調べてみると、それぞれの値段が、１個数千円から数万円。ガーーン。最低限の部品を寄せ集めて試算してみても軽く数万円が・・・。これはイカン。しばしモーターを眺めながら、部品箱に綺麗に整理して部品棚に収めました。ハーー（その後、仕事が忙しくなったのもあり約１年お蔵入り状態になりました）

約１年間の休止状態中も、日々色々となんとか安く作る方法は無いものかと考え続けました。（いや、必死に忘れようとしていた。本音）問題は「直動機構」のバカヤロー！。ネットの工作事例の中では、棚や引出しに使われている。ベアリング入りスライドレールを使って工作されている方もいまして、当初は、それをなんとか手に入れる方法はないかと探し回ってみましたが、何分ド田舎のホームセンターでは、それすら手に入れることは出来ませんでした。勿論、ネット通販では手に入れることは出来るのですが、どうもふんぎりがつかず・・・ほとんどそんなキットも忘れかけたころネットでプリンやスキャナーの直動機構が使えるということを知りました。これだ！。パソコンの歴史が長ーーい我が家には、捨てるに捨てられない程のパソコン関連機械達がところ狭しと散在していまして、今となっては不動となったプリンタが数台あります。よくよく考えてみたら、プリンタそのものも１軸の直動機構と紙送り機構で二次元加工をする機械とも言えるわけで、その内の１軸は使えるということなのです。良く調べてみると、２台の不動プリンタが条件的には満たされてそうです。あと１軸足りないゾ。

早速プリンタの分解。頭の中は直動機構だけになり、その他の物は金ノコでぶった切りました。分解したプリンタも買った時は相当な値段をしたものですが、今となっては単なるゴミとなっている。モノの価値の儚さを後に実感しました。結果、なんとか２つの直動機構を手に入れることが出来ました。ここでポイントとしましては、できるだけ古いプリンタが良いということです。昔のプリンタはインクリボンを後ろからピン針で撃ちつけて紙に転写する機構（インパクトプリンタ）だったもので、重いプリンタヘッドを振り回すだけの構造を持っていました。現在主流のインクジェットプリンタは非常に軽いプリンタヘッドのため、軸そのものもが貧弱で、今回のような工作の転用には向きません。とにかく、出費はゼロで２軸ゲットです。

なんとか２軸（Ｘ軸とＹ軸）は手に入りましたが、残りの１軸（Ｚ軸）はどうにも見つかりません。機械の設計にこの２軸を足し込んで、設計を進めたのですが、残りのＺ軸が決まらないとその他の設計が出来ないことに気付きました。私の構想では、Ｘ軸とＹ軸を分けて、Ｘ軸上にＺ軸を乗せて、その上にスピンドル部分をくっ付ける構造なのですが、上が決まらないと下が決まらないのです。それとまたまた問題発生です。その上の上、スピンドル部分のモーターとルータビット（削るドリルのような刃物）を接続するチャック部分を、モーターと接続する方法が見付かりません。またまた作業休止の状態に追い込まれてしまいました。まずはチャックを何とかしなくては・・・

近くのホームセンターにも色々なドリルチャックが売られているのですが、今回のスピンドルモーターは軸が４mmで、それに合うチャックが見付かりません。結局昔使ってたラジコン部品の歯車を組み合わせて、手持ちのチャックと接続しました。おそらくはちゃんと芯が出ていないので、回転させるとバイブレータになることは容易に想像できます。正直、この工作には満足していませんが、とにかく一歩前進です。駄目な部分は、後で作り直せば良いのです。（楽観的に行こう！）

さて、次はＺ軸です。ここまでほぼ追い金無しできていますので、ここで妥協してリニアレールなどには手を出したくありません。なんとか手作りする方法はないものかと考えてみますと、もともとＺ軸はそれほどスライド幅が必要無いことに気付きました。スピンドルモータもそんなに強力なモーターでもありませんし、構造的に見てせいぜい50mm程度の加工範囲が関の山です。だったらなおさら手作りしたくなるわけです。で、分解したプリンタの残骸部品をレゴブロックのごとく組み合わせていると、プリンタの紙押さえのバーが、別の軸受けとほぼぴったり合うことを発見しました。これはスライドレールに使えそうです。

レールと軸受けは見つかりましたが、それを支える部分がありません。またまた、ゴミを掻き分け探して見ますと、昔買った１００円の名刺入れを発見しました。サイズ的には思っていたのとピッタンコです。材質は厚手のプラスチックのようですが、強度もそこそこありそうです。これでなんとなくＺ軸が見えてきました。もう一つ、Ｚ軸の上にのせるスピンドルモータのケースですが、これはかなり強度がいりそうです。できれば、厚手のアルミ板で加工したいところですが、買うと高いのです。またまた、プリンタの残骸にいいものを発見。昔のプリンタは図体もデカイですが、それを動かす電源部分も半端ではありません。その整流用のトランジスタを冷却する放熱板もデカイわけです。これが丁度Ｌ字に加工された厚手のアルミ板でして、これは使えそうです。これでようやく、Ｚ軸とスピンドル部分の部品が手に入りました。探せばあるものですね。

ステッピングモーターの軸送りは、当初からネジ棒を使おうと思っていましたので、ホームセンターで（4mm、0.7ピッチ）のネジ棒を３本買いこみました。高精度のネジ棒もあったのですが、とりあえず１本７０円の安い方をチョイスしました。（せこ）それとそれに合う長いナット４個入り１２０円です。ここまで来たら、作るべし。適当にＺ軸の設計をしまして、ゴリゴリと工作しました。各部の接続で、本来ネジ止めが必要な部分もあったのですが、穴あけ加工が面倒だったので、大胆にもボンドで接着しました。接着には２液混合のエポキシ接着剤を使ったのですが、これが大正解！ネジ止めだと振動でガタつく部分も、面で接着するとこれが全く無いのです。しかもエポキシ接着は下手な溶接より強固です。こんな調子でその後エポキシ君は大活躍しました。（いたる所エポキシだらけ。分解は出来ませんね）

なんとかＺ軸とスピンドル部分の工作もあっという間に完成。なんだか、ワレながら惚れ惚れする出来映えです。（おいおい汚いぞ）ここで、もう一つ。ステッピングモーターとネジ棒の接続ですが、通常はそれらを連結する「カップリング」という部品を使うのが常識ですが、
これまた結構な値段がします。どうやら微妙な振動やズレを調整する機能も必要な部分のようですが、ここまで来て新たな出費はちょっともったいない。またまた、ゴミ山を物色したところ、いいものを見つけました。それはアルミサッシのアミ戸の網を溝に押さえ込むゴムホースのようなものです。以前にアミ戸の張替えをした時に、ホームセンターでお験しサンプル品として短くカットしたものをお持ち帰りしたもので、サイズが良くわからなかったので、細いのから太いのまで色々ともっらって来たもので、その中の一番太いのが４mmの軸にピッタリはまりそうなのです。ものがゴムだけに弾力性もあり、強度もアミ戸用ですからそこそこあります。これは使えます。これを３本短くカットしてカップリングのゲットです。

おおよそ、大体の部品の調達の目途がたちました。出来たＺ軸部分を設計書に足して、ようやく全体の設計が出来あがりました。結果として、工作範囲は、２４０＊２２０＊６０（mm）の加工が出来そうです。ステッピングモータの分解能が7.5DEGなので、0.7ピッチのネジ棒と合わせて、理論上約0.014mm単位の制御が出来ることになります。（凄い！）これだけの性能がまともに動いたらそれこそ百万円単位の加工機となります。（まともには動かないと思いますが）設計はしたものの、ここまできたらとにかく動かしてみたくなるのが心情です。実は、この時まで全く通電すらしたことがなく、どんなに動くものか想像だけで作っていました。で、とりあえずＸ軸とＹ軸に適当にステッピングモータを糊付け（エポキシ君です）しまして、手元にあった引き出しの上にテープで固定（むちゃくちゃです）手持ちの配線すら無かったので、これもまた残骸プリンタの配線を引きちぎって延長線を作り。いざ通電！

緊張の一瞬です。「まてよ！チェック」遠い昔、中学生時代に「エレキット」（電子工作は懐かしい）をいくつか作ったことがあるのですが、最後の最後でプラスとマイナスを間違えてお釈迦にしたことが何度かあったもので、ここは我慢して再チェック。準備ＯＫ！いざ通電！ブル！おっ！何か動いた。スピンドルが一瞬動いてとまりました。やってもーたか？・・・とにかく制御用のソフトを立ち上げて、それぞれの軸を動かしてみました。ウーーン。おっ！ウーーン。おっおっ！ウーーン。おっおっおーー！動いたーーー！なんか動いているみたいです。ＸＹＺのそれぞれの軸の動きが確認できました。パソコンからのマウス操作だけで、機械が勝手に動いている。これはまさに感動モノです。刃物は付けていませんが、スピンドルのオン、オフもちゃんと動きます。しばしウーーンウーーンウーーンの繰り返しでニンマリです。

ここまで来たら、何かを切ってみたいのが人情です。このＮＣの制御コードは簡単なテキストで書けることはわかっていましたので、メモ帳を使って簡単なＮＣコード書いてみました。いざコード実行。ウーーンウーーンウーーンおーーーー！動いている！とにかく動いています。（なんだかよくわからない興奮状態）「よし何か切るぞ」あたりを見回して、見つけたのはその日食べたメザシが入っていた食品トレーです。なんだかちょっと魚臭かったのですが、これを良く洗い、底の部分だけをカットしました。それをＹ軸ステージに両面テー部で固定して、ルータービットの手持ちが無かったので、１mmのドリルをチャックにセット。いざ初切り！

何分、全ての軸をテープで固定しているだけなので、今にも分解しそうなのですが、そこは手で押さえながら、いざスタート！おっ何か切れている。「んーーーん？んーーん？はいはい」何分はじめて物を切断するため、どれくらいの切断能力があるのかわかりません。やわらかい食品トレーを選んだのもそのためです。多少歪んでいるようですが、何か切れました。よくよくＮＣコードと照らし合わせてみると、おおよそ指定した座標の軌道を走ったようです。なんとなく大満足です。今までの苦労がようやく一つ報われた感じです。

その後、何度となくテスト切りを続ける中で、簡単なＮＣコード吐き出すEXCELマクロを作ってみました。勿論目的は私の場合木材加工なので、まずは円弧の切り出しをやってみたかったのですが、キットに含まれている制御ボードでは、円弧や直線（斜線）のサポートがありません。Ａ点からＢ点までの移動はキッチリできるのですが、その軌道が思わく通り行かないのです。つまり各ステッピングモーターは同じタイミングで同じ量だけしか動かすことが出来ません。よって、斜め４５度の動きは出来ても４０度はダメということです。しかし、そこは座標指定を細かくしてやればごまかせるわけで、ここはソフトでカバーです。（厳密には階段状の加工となるのですが）なんとか円弧や斜め線の加工が出来るようになりました。

ここまで来たら、後は筐体を作るだけです。もともと筐体の材料はＭＤＦ（圧縮材）を使うつもりでした。ＭＤＦは圧縮材なので、材質密度と精度も高く、加工材として扱いやすいものです。しかも、厚みも強度もあるので、よくスピーカーなどの製作に使われます。手持ちのＭＤＦを設計図どおりにカットして箱の出来上がり。（おいおい、いい加減な工作）なんだかゴミ箱みたいです。
この手の機械は加工面が水平になっている場合が多いのですが、私の設計では、垂直になっています。もちろん水平に置くことも出来るのですが、垂直に置くことで、加工した切り屑が下のポケットに落ちるところがミソです。これで掃除が楽になるという環境（部屋のことですが）にやさしい物作りなのです。見栄えの問題もあり、Ｙ軸の工作台の上に１００円ショップで買ったカッティングマットを貼りつけました。何だかカッコイイ!!

新しい筐体（今まではセロテープ筐体）でいざカット。おーーさすがに動きがいい。カットの精度も30CMモノサシで計る範囲ではピッタンコです。（いい加減）ここまできたら、何かまともなものを切ってみたくなるものです。 EXCELマクロの単品カットではお粗末なので、ＣＡＤデータをカットするためのツールを作ることにしました。もともとＣＡＤは「Lillicad」というフリーウェアをよく使っていまして、手に馴染んでいます。このソフトはＤＸＦ等のデータも扱えるのですが、標準のデータ形式もテキスト形式で、一読すれば殆どフォーマットは理解できるほど単純でわかりやすい形式です。このデータから（直線、円、円弧、ポリライン）のデータを抜き出して、ＮＣコード作り出すプログラムを作ることにしました。後々色々なデータ加工を考慮すると汎用的なEXCELで作っておくのが便利ということで、今回もEXCELマクロです。何とか２日程度でコンバータが出来ました。

とりあえず、お約束の文字切りをやってみました。今回の切断は薄手のプラスチック板です。ＣＡＤと連動することで自由に工作が出来るようになりました。ベクトルフォントを抜き出して、いざカット。おーさすがに綺麗に切れる。手作業ではこうは行きません。切断時間は多少かかりますが、それでもスタートボタンを押した後は、テレビを見るなり、本を読むなりして気が付くと出来あがっている。なんとも楽ちんな工作です。これだけ切れれば、看板屋くらいは出来そうです。

Ｘ軸（Ｚ軸とスピンドルが乗っている）は、今だ未固定です。なんか不安定そうに見えますが、これが実に都合がよいのです。材料にによっては大きさも厚みも違いますから、材料セットする時が非常に楽なんです。当然、切断を行う時は固定しますが、今は大きなハンドクリップで固定しています。（これ絶対便利です）スピンドルモーターの上にのっかている置物は、実は重り用です。これを乗っけておくと綺麗に切れるのです。フライス加工では、切断する材料と刃物、切断スピード（スピンドルの回転速度も）の組み合わせが難しいのですが、硬いものを切るときは、どうしても刃物がはじかれますので振動が出るのですが、重りによって振動を押さえ（慣性力もあるのかな）滑らかな切り口になります。この手の工作機は重い程精度が良いのもそのせいかもしれません。

このＣＮＣマシーンは今だ未完成です。おそらく完成に至ることはないと思いますが、あくまで道具として使い込んでいきたいと思っています。構想的には、この１号機で２号機の部品を作り、２号機で３号機を作るといった具合に「道具から道具を作る」ことで徐々に精度を上げていく作戦です。今のところ、木材をサクサク切断するまでは至ってませんが、いずれはこの工作機で木工時計を作ることを目標に改良を続けていきたいと思っています。
スピンドルの変更（追加？）
不完全燃焼な工作であったスピンドルチャックですが、案の定ブレがあります。２mmのエンドミルでカットしても当然それ以上の切り込みが出来てしまうので、なかなか設計どうりに切れません。チャックの芯だしは、私の技術では、運を天に任せて「数打てば当る」手法で作るだけです。何本か作ってみて、ようやくまーまーのものが出来たのですが、結果、思ったような切り出しは出来ませんでした。元々キットに付属されていたスピンドルモーターは、電子基盤などの回路をケガク程度であれば十分なんですが、木材をカットするようなパワーがありません。事例の中では、プーリー等を使って倍速している例もありましたが、元々のパワーが足りない上に倍速してはより非力になります。そこで、手持ちのフレキシブルルーターを付けてみることにしました。このルーター小物用に便利と思い、近くのホームセンターで在庫処分で５千円で売っていたものを買ったのですが、実際のところ利用する用途は限られていて今まで殆ど使っていませんでした。モーターは９０Ｗなので通常の木工ルーターに比べるとかなり非力なのですが、このマシーンでは丁度良いと思います。簡単な固定台を作って、いざカット「キュイーーーン」おーー今までのモーターとは月とすっぽんです。試しに薄手のMDFをカットしてみましたが、グイグイ切っていきます。実験成功！これで一気カットも出来そうです。次は５００Ｗクラスに改造するぞ！