2013年9月9日月曜日

CNCミルの研究 - 構造を調べる(制御編)

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photo credit: vrogy via photopin cc

CNCの構造を調べる、の続編です。今回は制御系です。

制御系は調べるのに少し手間取りました。LinuxCNC関連は特に曖昧ですので間違っていたらすいません…



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)

前回、CNCの大まかな構造として上の図を作りました。駆動系やスピンドルなどメカ部分については前回調べましたので、今回は残りの制御、電源、ソフトウェアについてです。

4. 制御系

制御系はG-Codeを解釈して各軸のモーターに指示を出す機能と、指示をもとにモーターを回転させる機能の2つからなります。前者はモーションコントローラー、後者はモータードライバーと呼ばれます(たぶん)。

ElecCNCDiagram

現在入手可能なCNC制御系のイメージ。今回はTinyGを使用する予定です。

実装は1枚の基板になっている場合(Tiny GやSmoothieboard)と複数の基板になっている場合(Arduino + モータドライバ基板)など様々です。

また、LinuxCNCやMachというソフトをパソコンにインストールするとパソコンをモーションコントローラーにする事ができます。この場合は、モータードライバーだけ別に制御基板が必要です。どちらも人気があるようですが、PCにパラレルポートが必要という欠点があります。USBだと制御信号を正確なタイミングで送る事が難しいことが理由のようです。

ただ、パラレルポートを持ったPCは既にほとんどありませんので、USB対応の動きも出てきているようです。

Webを見ていると、Arduinoとモータードライバー基板を組み合わせるのが一番安価な印象ですが、運用上はLinuxCNCが安定しているとも聞きます。

5. 電源

CNCミルに必要な電力は各軸のモーター+スピンドルのモーター+制御基板+その他(切削液のポンプなど)の合計になります。電源の供給能力はワット数で示されていますので、モーターや基板の消費電力の合計が電源のワット数を超えないようにします。また、モーターは立ち上がり時に一瞬多量の電力を消費するので、何割か余裕が必要なようです。

モーターや制御基板ごとに必要な電圧が異なる場合があるので気をつける必要がありそうです。複数の電圧が必要な場合はPC用のATX電源がよく使われます。

6. ソフトウェア

3Dプリンターと同じで、基板にインストールされ、G-Codeを解釈してモーターをコントロールするファームウェア、制御系にG-Codeを送るホストプログラム、データからG-Codeを生成するCAMソフト(3Dプリンターで言うスライサーに相当)があります。

ファームウェアはArduino用のGrblがあります。また、3Dプリンター用のMarlinを使っている例も見かけました。TinyG、Smoothieなどは専用基板があります。どちらもGrblの派生であったり、影響を受けていたりします。

ホストプログラムは色々あるようで、Grbl用のGrbl Controller、TinyG用?のCoolTerm, tgFXなどを見かけます。機能的にはあまり豊富ではなく、G-Codeのファイルを指定すると中身を基板に送信するだけ、といったソフトもあります。

LinuxCNCやMachはGUIを備えたモーションコントローラーですので、ファームウェアとホストプログラムの機能を持っています。スクリーンショットを見る限り、ホストプログラムとしての機能もかなりリッチな印象です。

調べきれていませんが、CAMもいろいろあるようです。PyCAMやSkeinforge(3Dプリンター用ですがミル用にも使える?)のほか、MeshCAMなど市販品もあります。

(Ref. モーションコントロール&モータードライブ基板)

TinyG
ステッパーモーター4軸のモータードライバーとモーションコントローラーを備えたOSHW基板。ファームウェアはGrblの派生で、より滑らかなアクセラレーション機能を実装している。

SmoothieBoard
CNCミルの他、3Dプリンターなどにも使用できるOSHW基板。普通の3軸制御だけでなく、HBotやデルタ方式も制御できる。アクセラレーション機能はGrblからの移植。

(Ref. モーションコントローラー)

Grbl
ShapeOkoが使用しているArduino用モーションコントローラー(ファームウェア) 

LinuxCNC
OSSのモーションコントローラー。名前の通り専用のLinux環境をパソコンにインストールするため専用機になる

Mach
国内の自作系CNCでよく見かけるモーションコントローラー。

(Ref. モータードライバー)

Grbl Shield
Grbl用のモータードライバーシールド。ステッパーモーター3軸(XYZ固定)を制御できる。TinyGと同じSynthetosが作成。

OriginalMind
Mach等と使用できるモータードライバーを販売している。

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