月: 2013年9月

あれこれとやるうちに、ＣＮＣルーターの位置決め精度が気になってきましたので、調べてみました。
Ｙ軸を往復50mm Gコードを書いていろいろな送り速度で移動させ、ダイアルゲージで戻ってきた位置を10回計測してみました。
その結果
F=800 (mm/min) 標準偏差 0.0096 mm
F=1500 0.0070 mm
F=2500 0.0132 mm
この測定ではダイアルゲージからスピンドルが離れているため、誤差の要因になっているかもしれませんので、ダイアルゲージの測定子から離れないように5mmの往復移動での測定もやってみました。
その結果
F=300 標準偏差 0.0024 mm
F=800 0.0004 mm
F=1500 0.0013 mm
F=2500 0.0011 mm
不思議なことに、フィードが遅いと、誤差が大きめに出る傾向があります。
テーブルの振動が増えるせいでしょうか。
ちなみに、ダイアルゲージは安物なので、精度は、全測定範囲で、±0.018 mm 戻り誤差（これが今回の測定に関係)で0.005mm です。
いずれにしても、移動の精度は、それなりに良いようで、脱調も起こしていませんので、高速(F=2500とか）で移動させるようにしようかと思っています。
次に、現在、木の切断をやっていますが、適切なフィードレートその他の条件について考えずにやっていました。今日、もう少し考えを深めようと、テストをやってみましたので、それについても書いてみます。
まず、ネットで切削条件についていろいろ調べてみました。
使用している3mm 超硬エンドミル(Monotaroで購入こちら)の切削条件は
炭素鋼 7600rpm F=90
アルミ合金 15400rpm F=440
真鍮 11000rpm F=345
とありますが、木材なんてかかれてないです。
こちらなどを見ると、木材はグラファイトと同様で、切削速度V=200m/min 程度がよいという結論になっています。
ここからすると、３ｍｍのエンドミルですと21000rpm 程度ということになりますので、このあたりで考えてみることにします。
それから、フィードレートについては、こちらの考え方からすると、
一刃あたり、0.1mm 程度の送りを目安にして、
F=S×fz×N
　
F:テーブル送り速度[mm/min] Feed
S: １分間当たりの回転数[r.p.m]　　Spindle Speed
fz:一刃送り[mm/tooth] Feed per tooth
N:刃数 Number of fluetes
から計算すると、20000rpmで刃物を回転させた場合、
F=20000*0.1*2=4000mm/min というとっても高速な送りでもＯＫということになります。
先ほどのエンドミルの説明のrpmとフィードレートからすると、
アルミの場合、fz=0.014mm
炭素鋼の場合、fz=0.006mm
真鍮の場合、fz=0.016mm
とありますので、上の見積のfz=0.1mm は木が柔らかいとしてもちょっと過大かな？
また、切り込み量については、0.5*D程度とありますので、1.5mm 程度を目安にすることになるでしょうか？
このあたりの考え方から、木のエンドミルを使った加工について、実験をしてみました。
1×4 木材の木目と直交した向きの切削を、スピンドル回転数20000rpm, 10000rpm F=1000, 2000 mm/minの条件で切り込んでみました。
切り込み量0,0.2, 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5 mm の切削を行って、その際の音の様子や、出来栄えを見て、可否を判断しました。
その結果：

なんか、すべての条件で木の表面の角がバリバリで何か根本的なことを間違っている気もしますが（木の加工に金工用のエンドミルを使うことに問題がある？）、それ以外のポイントについて考えてみます。
まず切り込み量は、1.5mmまではよいけど、それ以上は、音が大きくなってきていたのでＮＧでしょう。
フィードはF=2000 でも1000でも顕著な違いはないように思えます。
次に、回転数は、10000rpmはちょっと遅いようです。10000rpmだと、むしれた感じになりやすい。
ということで、20000rpm, F=2000, 1.5mm切り込みでＯＫなのかなと思う次第です。
と、考えていたら、手持ちのBOSCHのパワートリマPMR500に付属していたビットでやってみたら違いが出るのかしらと思いました。PMR500の付属のビットは6mm径で、これは今使っているスピンドルについているコレット径と同じなので、何もしなくてもつけられます。今度試してみよっと。

中華なＣＮＣルーターのＸＹ軸はリニアガイドでできていますが、これがどの程度まっすぐかを定盤をＸＹテーブルに乗せて、ＸＹ軸を動かしながらダイアルゲージで測定してみました。
定盤は平面度は0.01mmと言っているものを使いましたが、それほど大きなものではないので、切削でよく使用しそうな中央部に置いて測りました。

測った範囲は140mm * 140mm の範囲で、20mm間隔で測定をしてみました。一応Yに140mm振って、Xに20mm振って、YとXを戻して原点に戻って再現性はあることを確認しています。
置き方で当然傾斜していることが考えられますので、（とはいえ傾斜の量は、X, Y軸それぞれ140mmにつき0.1mm程度でした）、測定データに近似平面をExcel のソルバーでフィッティングして、そこからの残差を見てやりました。
その結果が下の通り。

鞍状のＸ，Ｙ軸のゆがみが見えました。リニアガイドの取り付けの具合によって反っているって感じですかね。
ゆがみの量は測定した範囲で±0.06mm程度でした。
基板の切削をやるには台座を平に切削するか、ゆがみの様子を計測して補正するようにした方がいいかな。
とはいえ、定盤を置いたときの傾斜の方が大きいぐらいなので、平らな面を作っても、基板の置き方でどう転ぶかわからないような気もします。
また、0.06mm程度の変形は、この機械の場合、Ｚ軸を押す力が変わっただけで起こるような感じの量なので、機械の剛性と比べて特に狂いが大きいというわけではないと思います。
とりあえず、どの程度の変形があると思って作業を組立てないといけないかがわかったからよかった。

機械の調整ばっかりで購入後ろくにものを作っていませんでしたが、それではイカンということで、ものを作り始めました。
お題は、小学校の「おはなしポケット」という絵本読み聞かせのボランティアの本のリクエスト投書ＢＯＸの作成です。
今は段ボールで作ったリクエスト投書箱でやっているそうなので、もう少し長持ちするものをということで手元にあるシナ合板や100円ショップで売っているMDF板で作ることにします。
投書箱はA4を４つに切ったサイズのリクエスト用紙を入れるように作りますが、投書をしたらＢＯＸの中の引き出しに溜まるようにすることと、投書用の用紙や鉛筆を投書箱に入れておけるようにしてみました。
今回、ＣＮＣルーターの操作に慣れることも目的としましたので、下のような縛りをすることにしました。
一つ、板の切り出しなどは、ＣＮＣルーターを使って行う。
一つ、投書箱にＣＮＣルーターを使って文字の彫刻を行う。
はっきり言って、図面を書いた後、板取図を作成して、板に直接ケガキして手で切った方が速いと思いますが、あえてＮＣでやります。
ＣＮＣルーターでの加工手順は下のような段取りでやりました。今回、加工をする過程で、ルーチン的なながれができてきたので備忘録的に書いておきます。
1. JW_CADで図面を書く。　ここは、普段と同じです。
2. 部品単位で、JW_CADのレイヤーを分けて部品のＮＣ加工の輪郭図を書きます。
これは、まず、３面図から、部品図を別レイヤーに書き起こし、その部品図それぞれについて、切削用のエンドミルの径（今回3mmを使いました）を考えて、JW_CADの複線機能を使って、切削パスの図にしておきます。
部品によっては、切り出し以外に掘り込みをする必要がある場合がありますが、それは別のレイヤーで書いておきます。
このJW_CADのレイヤーをNCVCで読み込んでGコード(NCのプログラム）に変換する関係で、部品加工図のレイヤーは
CAM_部品名_連番(00,01..)_切削深さ(5mmとか・・・)という決まったスタイルの名前にしておきます。
連番をつけることで、NCVCで加工の順番を設定することが容易になりますし、切削の深さを書いておくと、NCVCでレイヤーそれぞれに切削の条件設定をすることになりますが、それが簡単になります。
また、最後に切削した部品が完全に切り離れないような考慮（加工の順番など）をしておくこと。
また、ORIGINという名前のレイヤーに加工の原点を指定しますが、これは、それぞれの部品の左下端に指定することにします。これがいろいろだと、材料をテーブルに置いて位置合わせする際にミスの原因になるので、決め事にして置いた方がよさそう。
3. 部品ごとに、NCVCでJW_CADの図面を読み込んで、Gコードを作成。
NCVCで図面の読み込みの設定で、読み込みたい部品名のレイヤーを指定して読み込みます。
複数のレイヤーで１部品を作るときは、各レイヤーごとに切削条件のファイル指定をするのが便利。
切削条件も5mm掘り込みなら5mm掘り込み、という名前で切削条件のファイル名を決めておくのが混乱しにくくてよいと思います。
NCVCはヘッダーとフッターを自動的に追加してくれますが、この機能であらぬところに行くようなコマンドが入らないようにチェックしておきます。
4. planet cnc （CNCコントロールソフト）で出来上がったGコードを読み込んで加工
材料の位置に合わせて、加工オフセットの設定が必要ですが、定例的に下記のようにやっています。
まず、加工する材料の左下にスピンドルを動かして、よさそうなところに合わせたら、そこにオフセットを設定します。
planet CNCソフトですと、マシン – オフセット(第二原点)-ＸＹのみオフセット のコマンドでＸＹ軸のオフセットを設定。
次にＺ軸は、加工物の表面を0として、加工深さが5mmですと-5というような設定で使っていますが、オフセットの設定は、1.2mm厚のプリント基板を使ったツールセンサーを用意したので、それを使ってワンタッチでやっています。
ツールセンサーの板をスピンドルの刃物に下に敷いたら、
マシン – オフセット(第二原点)-Measure Offset Z のコマンドを実行すると、
planetCNCのソフト設定で、ツールセンサーの1.2mm厚を入れてありますので、自動的に加工物の表面がZ=0となります。
オフセットの設定をしたあと、planetCNCの画面で、加工範囲が機械の動作範囲内にあることを確かめます。画面には、機械の動作範囲と加工パスが図示されていますので、それを見ます。

加工範囲、はみ出していたら、加工対象のテーブル上の位置を直します。
次に、加工範囲に障害物がないことを確かめておきます。ＧコードでＸやＹ座標が大きいところを選んで、ＸＹテーブルをその位置に動かします（planetCNCにコマンドあり）。この時Ｚ軸は必ず上の方にあげておきましょう。クランプ等に干渉したり、加工対象の外側にはみ出していないか必ず確かめましょう。
5. 良ければ、加工開始。
切りくずが結構でますので、まめに掃除機で吸い取ります。本当はスピンドルに集塵ホースをつけたいところですが、もう少し機械に慣れてからにしようと思います。
これは加工中の様子。

切削の条件ですが、まだ慣れていません。試行錯誤で今のところ、下に書いたような条件でやっています。
今、15mm ファルカタ合板（吊戸棚を作った余りの材）、6mm MDF合板（ダイソーで100円で売っている）で工作しています。
3mmエンドミルを使った時、切り込みは1.5mm程度にしておく必要がありそう。
最初3mmの切り込みでやってみましたが、うまく切れるものの、負荷が重いためか非常に、うるさく、振動も大きい。
回転数は、スピンドルの三相モーターの周波数120Hz 程度でもいけているような感じなので、7200回転程度かな。あまり回転数が高くても、いいことはない。（特にＭＤＦは、焦げます）。
フィードはF=600mm/min 程度でも問題はなさそう。とはいってもいろいろとパラメターを変えてためしたわけではないので。。。
とりあえず、15mm合板、6mm MDF合板を切り出して、積木細工的に形にしてみたところ。

今のところ、致命的なミスはなさそう。

我が家の中華なCNCルーター 3040Z-S ですが、初心者が使っているわけで、いろいろとミスをします。
あるとき、痛烈なミスをしてしまいました。よくあるミスかもしれませんが、スピンドルを止めた後、Ｚ軸を十分に上にあげずに操作していました。加工対象の位置決めをして、その位置にオフセットを設定するつもりが、勘違いして、XYのみ原点に移動のコマンドをうってしまいました。そうすると、そのＺ軸のままステージが原点に移動するわけですが、原点の位置との間にあったのは、ワーク固定用のクランプ。
刃物がクランプに衝突して折れちゃいました。刃物が折れただけだったらよかったのですが、このときＺ軸が歪んでしまった様子。Ｚ軸を上下させると明らかにスピンドルの先が振れています。とてもこのまま加工等できなさそうな感じ。
というわけで、苦しいトラブルシュートの開始です。
まず、Ｚ軸をバラしてボールねじのところを観察。ボールねじが軸受と接する部分で曲がってしまって（1mm近くも！）、芯がずれてしまっているようです。
しばらく逡巡したあと、ボールねじの軸を削って芯を出すことにしました。
ネジの軸を削ると当然ベアリングとの隙間ができてしまいますから、軸を0.5mm程度削ってそこに真鍮のパイプを差し込んで調整することにしました。ボールねじはクロモリ鋼でできているわけですが、ミニルーターに超硬合金のカッターをつけて、ルーターをドリルスタンドにつけて、ＸＹテーブルで少しづつ手でねじを送って削りました。

最初ハイスの刃物で削ったら、削ったはずの深さと出来上がりの軸の太さが矛盾していて「おっかしいなあ」と思っていましたが、実は刃物の方が急速に摩耗していたという・・・さすがに超硬の刃物だと問題なく切れました。
最終的にはそれなりにきれいに削れるようになりましたが、初めてのことばかりなので当然いろいろとミスをして、修正できたのかとっても不安な出来栄え。
ボールねじの軸を出すのはとても大変で、軸の上下それぞれ削って修正したら、修正した側にベアリングを挿して軸を決めて、そのうえで反対側の軸の修正削りをしてみましたが、どっかのローカルミニマムに落ち込んでいるような気がしてならない。
一応、修正した後、組立てて、ダイアルゲージでＺ軸の動きを計測してみました。

計測は、Ｚ軸を0.1mm ステップでジョグで送って、ダイアルゲージで動いた位置を測りました。
そうすると、ボールねじ１回転(５mm 分）を周期とする周期的な誤差が出ています。0.1mm 送ったつもりが0.09mmしか送れていないとかそういう感じです。
最初の計測時は、±0.06mm もの誤差が出てしまっていました。当然使い物になりません。
そこで、もう少し丁寧に軸を出したところ少し良くなって、±0.025mm程度の誤差にはなりましたが、依然大きいです。さらにいろいろ削ってみたりしたのですが、それ以上よくならないというか、むしろ少し悪化したような気もするので、ボールねじの軸でなくて他のところに問題があるのかもしれない。
Ｘ軸とＹ軸で同じ計測をすると、こちらは大体±0.01mm 以内の周期的誤差です。Ｚ軸も基本的に構造は同じなので、同レベルの誤差には落ち着かせたいのですが、だんだんドツボにはまってきた気もしますので、とりあえず、このあたりで一旦一休みすることにしました。
ボールねじや軸受ベアリングや軸受のプレートなどを取り換えるといいのでしょうけど、もう少し追求してどこが誤差の原因なのかを考えてみたいと思っているところです。
ボールねじの受けを単純にラジアルベアリングで受ける構造になっているのですが、これでいいのだろうか？構造にも問題があるような気がします。

ここの所ＣＮＣルーターを使いこなすところまでいっておらず、周辺の環境整備をしていました。
1) USB-CNCコントローラーを箱に収納
今まで、コントローラの基板がむき出して、そのような状態でアルミを切削したりしていました。超危険なので、せめて箱に入れようということで、木箱に収納しました。
木箱は、100円ショップで売っている厚さ約6mmのMDF板を切り出し、木工ボンドで貼り付けて作りました。
板の切り出しはのこぎりで手でやりましたが、DB25ピンのコネクタや、USBコネクターの穴、それから、基板を取り付けるビスが底面の下に出ないように座繰り穴をあけるなどは、CNCルーターを使いました。
また、蓋は、基板が見えるように5mm厚のアクリル板をMDF板の箱とはめ合わさるようCNCで縁を面取りしてみました。

これは、面取り加工の様子。掃除機で切り子を吸い出しながらやらないと散らかって大変。
箱には、ツールセンサー用の端子も取り付けてみました。
こんな感じです。まあまあ？

箱の設計を間違って、木工用ボンドで張り合わせるのがえらい大変だった。思いつきで図面も描かずに作るとだめだね。
2) USBカメラの取り付け
カメラは結局、カメラにエポキシ接着剤でLアングルを張っておき、それをスピンドルに取り付けられた取り付け用のＬアングルに3mmネジで固定するという方法でつけました。

ためしに穴を木の板にあけて、カメラのオフセットを調べたところZ=18.16mmの時、X = -60.7 mm, Y= 4.4mmでした。ただ、カメラのマニュアル焦点を合わせようと動かすと光軸がずれるようでこりゃだめだって感じです。
3) ツールセンサー
planet CNCの紹介youtube ビデオでも見つかりますが、プリント基板をセンサーの端子に、Z軸のオフセット測定ができるようにしました。
プリント基板は手持ちのものを切り出して作りましたので、t=1.2mmでした（これをplanet CNCコントロールソフトのZ値に代入）。
一応ちゃんとZ原点を設定したり、ワークの座標を取り込んだりできることを確かめる。
4) 集塵対策
今のところ、お古の掃除機を使って、切り子を吸い出していますが、洗濯機の蛇腹ホースを掃除機に取り付けて、スピンドルのところから直接吸い出せるかなと思い、やってみました。
正直、掃除機がうるさいです。また、ホースも、切り子は横向きに飛ばされるので、ホースを最後は横向きにした方が良いようで、音がうるさい割にはあまり効率よく吸ってくれません。

道具で遊んでばかりではなく、実際のものを作らないとなあ。