2013年9月7日土曜日

CNCミルの研究 - 構造を調べる(メカ編)

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photo credit: rileyporter via photopin cc

他のCNCミルの構造を調べる事で、なにを作る必要があるのか把握します。



まずは大まかな構成です。幸いMakerの作例やオープンソースのデザインが多数ありますので、それを参考にすることができます。スピンドルを除くと3Dプリンターと似ていますね。

Cnc

番号

構成品

説明

備考

I.

スピンドル

刃物を回転させ素材を削る

 

II.

ワークテーブル

切削する素材を固定するテーブル

 

III.

位置決め機構

スピンドルを3次元移動させる

 一般的にXYZの3軸

IV.

制御装置

G-Codeをもとにモーターを制御する

 

V.

電源

モーターや制御装置に電気を供給する

 

VI.

 ソフトウェア

G-Codeの生成や解釈をする

 

一般的なCNCミルの構造(例)

1. スピンドル

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photo credit: conarcist via photopin cc

素材を加工する刃物を回転させる部分です。使用されるモーターの種類や出力は非常に様々です。ACモーターやDCモーター、DCブラシレスモーターが使われています。出力も10W〜数百Wと幅広いです。

(2013.9.7追記、文書の漏れを修正しました。)

Spindle

番号

構成品

説明

備考

I.

フレーム

モーターやベアリングを取り付ける

 

II.

モーター

刃物を回転させるためのモーター

 

III.

カップリング

モーターとコレットチャックを接続する

 回転軸のズレを吸収

IV.

コレットチャック

刃を取り付ける軸

 固定にコレット必要

V.

ベアリング

コレットチャックを保持する

 

VI.

カラー

チャックが脱落しないよう固定する

 

VII.

ミル

切削刃。エンドミル、ドリルなど

 

スピンドルの構造(例)

作り方としては3種類。一番シンプルなのは完成品のスピンドルを購入する方法です。ただし高価なので、ルーターをポン付けする事もよく行われます。3番目は部品を買ってきて自分で組み立てる方法です。

2. テーブル

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photo credit: CabFabLab via photopin cc

素材を固定するテーブルです。ワークテーブルとも呼ばれます。アルミフレームを利用した物がよく使われていますが、これはアルミフレームの溝にナットを入れて、素材をボルト止めする事ができるからのようです。

3. 位置決め機構

XYZの3軸からなる位置決め機構は駆動部の動力伝達方式によって何種類かあります。送りネジを使う物とタイミングベルトを使う物が一般的です。3Dプリンターはタイミングベルトを使う方式がほとんどですが、CNCミルは送りネジが多いようです。

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photo credit: ehud42 via photopin cc

Cncaxis

番号

構成品

説明

備考

I.

フレーム

モーターやベアリングを取り付ける

 

II.

モーター

位置決め用モーター

ステッパモータ他

III.

カップリング

モーターと送りネジを接続する

軸のズレを吸収する

IV.

ベアリング

送りネジを保持する

 

V.

送りネジ

ナットを直線運動させる

 

VI.

移動体

ナットを保持し、ネジで送られる

 他軸の位置決め機構など

VII.

ナット

送りネジの回転を直線運動に変換

バックラッシ対策が必要

VIII.

リニアシャフト

移動体を保持

リニアガイドなど色々

IX.

スリーブ

リニアシャフトと移動体を円滑

 

送りネジを使った位置決め機構(1軸分)の例

また、XYZの各軸をどうアレンジするかもいろいろなデザインがあります。ワークテーブルをXYZの3方向に移動させる仕組みの物(ヒザ型)、テーブルを固定しスピンドルを移動させるものやテーブルY軸、スピンドルZX軸のもの(門型、自作CNCミルとしてはもっともよく見ます)、ワークテーブルがXY軸に動き、スピンドルがZ軸方向に動くもの(ヘッド型)の3種類が代表的です。変則的な構成ではHbotやデルタ方式のデザインがあります。 

一般に、門型は板物の加工に適し、ヒザ型やヘッド型は高さのある立体物の加工が得意と言われるようです。

ちなみにフレームにはMDF、木材、アルミフレームなどがよく使われています。

(Ref. オープンソース系のCNCデザイン)

ShapeOko
小型で美しい設計のCNCミル。 変に自作するよりこれを作るのが多分正解。

OtherMIll
最近話題?のTinyGを使った卓上CNCミル。なかなか便利そうなソフトウェアワークフローを実装中らしいです。

WoodCNC
akirahitoshiさんの国産木製CNCフレーム。組立マニュアルと図面が公開されています。 

Contraptor
アメリカで流通しているインチフレームを使って組み立てるCNCミル。SketchUpを使って設計されているのも特徴です。

Mantis
田中教授のFabで紹介されていたオープンソースのCNCミル。シンプルな構造だけに分かりやすいです。

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