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Arduinoで作るCNCプロッター:自作描画機のステップバイステップガイド

必要な部品と材料

部品 数量 備考
Arduino Nano R3 1 制御用マイコンボード
L293D デュアルHブリッジ モータードライバー (Texas Instruments) 1 ステッピングモーター2台分の駆動用
SG90 マイクロサーボモーター 1 ペンの上下動作用
DVD-ROMから取り出したステッピングモーター 2 X軸・Y軸駆動用(中古DVDドライブから入手可能)
JLCPCB製カスタムPCB 1 回路基板(ガーバーファイル提供あり)

必要な工具と機械

使用ソフトウェア・オンラインサービス

プロジェクト概要

このチュートリアルでは、低コストで自作できるArduinoベースのCNCプロッター(描画機)の製作手順を詳しく解説します。DVD-ROMから取り出したステッピングモーターを再利用し、JLCPCBで製造した専用PCBを用いることで、配線の手間を大幅に削減。機械構造にはレーザーカットしたMDFパーツと3Dプリントしたペンホルダーを採用し、見た目も機能も両立させています。

製作期間は約5日間(部品調達・組み立て3日、ソフトウェア調整2日)と比較的短期間で完成可能です。初心者でも理解しやすいよう、ハードウェア選定から回路図、機械組み立て、ソフトウェア設定、テスト走行までをステップごとに説明しています。

Arduinoで作るCNCプロッター:自作描画機のステップバイステップガイド
完成したCNCプロッターの外観

学べること

Step 1: プロッター(描画機)とは?

CNC(Computer Numerical Control)とは、コンピュータからシリアルポート経由で送られる指示に従ってアクチュエーターを動作させる工作機械です。一般的にステッピングモーターを各軸に搭載し、プログラム制御で精密な位置決めを行います。

今回製作するプロッターは2軸(X-Y)構造で、各軸に小型ステッピングモーターを配置。アクティブトレイ(可動台)をXY平面上で動かし、サーボモーターでペンを上下させることで描画を行います。

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2軸(X-Y)構造のイメージ

Step 2: ステッピングモーターの準備

ステッピングモーターは1回転を等分して制御できるブラシレスDCモーターです。位置センサーなしで開ループ制御が可能なため、CNC用途に最適です。入手先は中古のDVDドライブ(2台で約2ドル程度)から取り出すのが安価で確実です。

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DVDドライブから取り出したステッピングモーターとキャリッジ

コイルの特定とはんだ付け

取り出したモーターは4線または6線タイプが多いですが、DVD用は一般的に4線(2相バイポーラ)です。マルチメーターで抵抗を測定し、各コイルの端子を特定します(1コイルあたり約10Ω)。特定後、制御用のリード線をはんだ付けします。

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マルチメーターでコイル端子を特定

Step 3: 回路図

制御の中心はArduino Nanoです。ステッピングモーター2台とサーボモーター1台を駆動するため、L293D HブリッジドライバーICを2個使用します(1個で2相駆動可能)。回路図は以下の通りで、両ステッピングモーターとサーボの接続を示しています。ピン配置は必要に応じて変更可能です。

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システム全体のブロック図
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L293Dとステッピングモーターの接続例
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詳細な回路図(スケマティック)

Step 4: PCB製作(JLCPCB製)

JLCPCBについて

JLCPCBは中国最大手のPCBプロトタイプメーカーで、10年以上の実績があります。1日8,000件以上の注文を処理し、年産20万平方メートルの生産能力を誇ります。低価格・高品質・短納期で、ホビイストからプロまで幅広く利用されています。

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JLCPCBの製造施設

PCB設計と発注

回路図からPCBパターンを設計(EasyEDA使用)し、ガーバーファイルをJLCPCBにアップロード。板厚・色・枚数を指定し、わずか2ドルで5枚を5日で受け取れました。シルク印刷も鮮明で、部品配置ラベルがそのまま実装ガイドになります。

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EasyEDAでのPCBレイアウト設計
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届いたカスタムPCB(部品配置ラベル付き)

ダウンロードファイル

Step 5: 機械フレームの設計・製作

見たよさと剛性を両立するため、SolidWorksで3つの主要パーツを設計し、DXFデータをレーザーカッターでMDF板(5mm厚)から切り出しました。製作はFabLab Tunisiaの協力を得ています。ペンホルダーは3Dプリント(STLデータ提供)で作成しています。

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レーザーカット用パーツの設計図
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レーザーカットされたMDFパーツ

Step 6: 部品リスト(調達リンク付き)

Step 7: 電子部品の実装とテスト

PCBのシルク印刷に従って部品をはんだ付けします。ICはソケットに挿すため、万一の交換も容易です。実装後、X軸側のステッピングモーターを接続し、簡易テストコードで動作確認を行います。

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部品実装完了したPCB
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ステッピングモーター接続テストの様子

テスト用スケッチ(ステッピングモーター動作確認)

#include <Stepper.h>
const int stepPerRotation = 20; // DVD用ステッピングモーターの1回転ステップ数
Stepper myStepperX(stepPerRotation, 8, 9, 10, 11); // X軸用ピン設定

void setup() {
  myStepperX.setSpeed(100); // 速度設定
  myStepperX.step(100);     // 正転
  delay(1000);
  myStepperX.step(-100);    // 逆転
  delay(1000);
}
void loop() {}

Step 8: 機械パーツの組み立て

  1. Y軸プレートに2つ目のステッピングモーターを固定
  2. X軸とY軸を90度に直交させて組み合わせ、XYテーブルを形成
  3. ペンホルダーにスプリングと小径シャフトを組み込み、サーボで上下動作できるようにする
  4. ペンホルダーをY軸キャリッジに、作業台(アクティブプレート)をX軸キャリッジにそれぞれ固定(ホットグルーやネジで)
  5. 全配線をPCB上のコネクタに接続し、ケーブルを整理
Arduinoで作るCNCプロッター:自作描画機のステップバイステップガイド
Y軸側ステッピングモーターの取り付け
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X軸とY軸を直交配置
Arduinoで作るCNCプロッター:自作描画機のステップバイステップガイド
完成したXYテーブル機構

Step 9: ソフトウェア構成と操作手順

描画を実行するには以下の3つのソフトウェアを連携させます。

  1. Inkscape:描画データ(SVG等)を作成・読み込み、G-codeに変換
  2. Arduino IDE:マシン制御用ファームウェアをArduinoに書き込み
  3. Processing 3:G-codeファイルを読み込み、シリアル通信でArduinoへ送信
Arduinoで作るCNCプロッター:自作描画機のステップバイステップガイド
3つのソフトウェアの役割分担

9-1. ファームウェア書き込み

GitHubリポジトリからCNC_Plotter.inoをダウンロードし、自分のピン配置に合わせて修正後、Arduino IDEで書き込みます。

9-2. InkscapeでG-code生成

  1. 用紙サイズ・単位(mm)を設定
  2. 描画したい図形を配置・拡大縮小
  3. 「MakerBot Unicorn G-code」形式で保存(アドオンが必要な場合あり)
  4. G-codeパラメータ(送り速度、ペン上下のZ値等)を画像の通り設定
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用紙・単位設定
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G-code出力パラメータ設定

9-3. Processingで実行

  1. GitHubからCNC_program.pdeを開き、実行
  2. キーボードのPキーでCOMポート選択
  3. GキーでG-codeファイル選択 → 自動的に描画開始
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Processingのメイン画面
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COMポートとG-codeファイルの選択ダイアログ

Step 10: テスト走行と結果

G-code送信開始とともにプロッターが描画を開始します。基板上のLEDがステッピングパルスに同期して点滅し、動作状態が視覚的に確認できます。描画精度は驚くほど高く、複雑な図形も滑らかに再現されます。

Arduinoで作るCNCプロッター:自作描画機のステップバイステップガイド
描画中の様子(LED点滅がステップパルスを示す)
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描画例:幾何学模様
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描画例:文字・ロゴ
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描画例:イラスト
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描画例:複雑なパターン
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描画例:連続模様

プロジェクトは大成功です。低コストで高機能なCNCプロッターが自作できることを実証できました。詳細な設計ファイル・コードはGitHubで公開しています。

関連リソース

前作「Arduinoトレーニングプラットフォームの作り方」もぜひご覧ください。YouTubeチャンネル登録もよろしくお願いします!

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