トリプルCNCマシン - ブラシレスモーター採用のプレミアムアップグレード版

必要な部品と材料

部品	数量	備考
Arduino UNO	1	Grbl実行用
A4988ステッカードライバー	4	SparkFun製等、X/Y/Z/エクストルーダー用
NEMA 17ステッピングモーター	4	OpenBuilds製、高トルク
CNCシールド	1	Arduino UNOピン配列対応
12V/29A電源ユニット	1	OpenBuilds、モーター・ブラシレス用
8mmメトリック台形ネジリードスクリュー	1	Z軸用、高精度位置決め

必要な工具

• 3Dプリンター (専用パーツ出力用)
• はんだごて (ドライバー・配線用)

プロジェクト概要

前作「トリプルCNCマシン」を大幅アップグレード。最大の特徴は**ルータースピンドルにブラシレスモーター (ドローン用モーター) を採用**した点です。従来のドレメルやスピンドルモーターに代わり、軽量・高回転・低振動・メンテナンスフリーを実現。

3つの機能を1台で

1. 彫刻/ルーティング: ブラシレスモーター + エンドミルで木材・プラスチック・アルミ削り出し
2. レーザー加工: レーザーモジュール搭載で切断・描画
3. ペンプロッター: ペンホルダー装着で精密描画・書道

3Dプリントパーツを差し替えるだけで機能切替可能。配線・構造を極力シンプルに設計し、組み立てやすさを重視しました。

ファームウェア: Grbl 0.9h カスタムビルド

本機はGrbl (オープンソースCNCファームウェア) をベースに、ブラシレスモーター制御・レーザーPWM・プロッターモード等を拡張したカスタムビルドを使用します。提供されている.hexファイル (Intel HEX形式) をArduino UNOに書き込んでください。

書き込み手順

1. Arduino IDE → ツール → 書き込み装置 「Arduino as ISP」等、または avrdude コマライン使用
2. Grblの設定 ($$ で表示) をマシン仕様に合わせて調整:
   $0=10 (step pulse, µs), $1=25 (idle delay, ms), $2=0 (step port invert), $3=5 (dir port invert)
$4=0 (step enable invert), $5=0 (limit pins invert), $6=0 (probe pin invert)
$10=1 (status report), $11=0.010 (junction deviation), $12=0.002 (arc tolerance)
$13=0 (report inches), $20=0 (soft limits), $21=0 (hard limits)
$22=1 (homing cycle), $23=3 (homing dir invert), $24=25.000 (homing feed)
$25=500.000 (homing seek), $26=250 (homing debounce), $27=1.000 (pull-off)
$100=800.000 (X steps/mm), $101=800.000 (Y steps/mm), $102=800.000 (Z steps/mm)
$110=5000.000 (X max rate), $111=5000.000 (Y max rate), $112=5000.000 (Z max rate)
$120=100.000 (X accel), $121=100.000 (Y accel), $122=100.000 (Z accel)
$130=200.000 (X max travel), $131=200.000 (Y max travel), $132=200.000 (Z max travel)

ブラシレスモーター制御について

Grbl標準のスピンドルPWM (D11) をESC (電子変速機) 入力に接続。M3 S10000 等で回転数指示。ESCキャリブレーションと極性確認を必ず実施してください。

3Dプリントパーツ (STL同梱)

• ブラシレスモーターマウント (冷却ファン一体型)
• レーザーモジュールホルダー (焦点調整機構付き)
• ペンホルダー (サーボ/ソレノイド対応でペン上げ下げ可能)
• リードスクリューナットブロック、エンドストップブラケット、配線カバー等

推奨材料: PETG または ABS (耐熱・剛性)。インフィル 50%以上、壁厚 3mm以上。

回路図・配線

添付画像参照。主な接続:

• CNCシールド → Arduino UNO スタック
• ステッカードライバー ×4 → X/Y/Z/E スロット
• ステッピングモーター ×4 → 各ドライバー
• ブラシレスESC → D11 (PWM)、GND、5V (BECから給電可)
• リミットスイッチ ×6 (X/Y/Z 各最小/最大) → CNCシールド端子
• 電源 12V/29A → CNCシールド電源入力、ブラシレスESC入力

組み立てのポイント

1. フレーム組み立て → 直角・平行度をダイヤルゲージで確認
2. リードスクリュー・ベアリング・ナットブロック組み付け → ガタなし確認
3. モーター取り付け → カップリング芯出し
4. 配線 → シールド・フェライトコアでノイズ対策
5. Grbl書き込み → $$ でパラメータ確認・調整
6. ホーミング動作確認 → 各軸ストローク確認
7. テストカット (彫刻/レーザー/プロッター) でキャリブレーション

安全上の注意

• ブラシレスモーターは高回転・高出力。保護メガネ・集塵機・非常停止スイッチ必須
• レーザー使用時はレーザー保護メガネ (波長対応)・遮光カバー・インターロック必須
• 電源容量に余裕を持たせ、配線は太め (AWG16以上) で
• 初回動作は低速・無負荷で段階的に確認

今後の拡張案

• オートツールチェンジャー (ATC) 対応化
• 閉ループステッピング (エンコーダー付き) で脱調検知
• カメラ+OpenCVでワーク原点自動検出
• Webインターフェース (GrblWeb / CNCjs) で遠隔操作・監視