必須パーツのみで作るコンパクトCNCマシン – DIYレーザー彫刻機チュートリアル
このチュートリアルでは、3Dプリンターを使わず、最小限のパーツで最もシンプルなCNCマシンを製作する方法を紹介します。最近のプロジェクトでは3Dプリンターを多用してきましたが、誰もが3Dプリンターを持っているわけではありません。そこで、3Dプリンターや他のCNCマシンなしでもものづくりが可能であることを示したいと思います。 以下の動画をご覧いただくか、記事として以下をお読みください。 このCNCマシンは、電動ドリル一台といくつかの手工具だけで製作します。材料には8mm厚のMDFボードを使用します。これは十分な強度があり、3DプリントされたPLA素材よりも剛性が高い上、加工しやすい素材です。 今回はこのマシンをレーザー彫刻機として使用しますが、将来的にはペンプロッターとしても動作させる予定です。 この構造では高い剛性は得られないため、CNCルーターやフライス盤としての使用は困難です。しかし、より強力なレーザーを搭載すれば、このMDFボードや他の木材をかなり高い精度で切断可能です。 作業エリアは390×360mmと広く、このレーザー彫刻機が生み出すディテールレベルは驚くほど高いです。正直、彫刻結果の良さには驚きました。 このCNCマシンの頭脳は、Arduino UNOとCNCシールドの組み合わせです。図面や画像のレーザー彫刻用データ準備、Gコード生成、フリーのオープンソースソフトウェアによる制御方法については後ほど詳しく説明します。 SOLIDWORKS for Makersを使用して機械を設計しました。主要コンポーネントはMGN15Hリニアレールとそのスライドブロックの2つです。 2軸の駆動にはNEMA 17ステッピングモーター2台と、適切なGT2プーリーおよびタイミングベルトを使用します。すべての接続には8mm MDFボードを用い、ホーミング用にマイクロリミットスイッチを2個取り付けます。 以上が、最小限のパーツで構成されるCNCマシンの全容です。 3Dモデルはこちらからダウンロード可能です： Thangsでこの3Dモデルを検索、ダウンロード、ブラウザ上で探索できます： Thangsからアセンブリ3Dモデルをダウンロード。 このチュートリアルをサポートしてくれたThangsに感謝します。 中央マウントプレートの図面はこちら： 関連記事：Arduino CNCフォームカッティングマシン それではマシンの製作を始めましょう。このDIY CNCマシンの組み立てに必要なコンポーネントリストです。電子部品のリストは後述の回路図セクションにあります。 使用する8mm MDFボードです。3Dモデルから取り出した図面に従って、各パーツをカットします。 関連記事：自動工具交換付きDIYペンプロッター | CNC描画マシン カットには最もシンプルな方法、鉛筆でマーキングし、ノコギリで切断します。 手作業でのカットには多少の労力が必要ですが、この方法でも十分綺麗なパーツが得られます。 全パーツをカットしたら、穴あけ作業に移ります。穴位置の精度はカット精度以上に重要です。リニアレールやステッピングモーターなど、固定寸法を持つパーツと正確に合致させる必要があるためです。 Y軸とステッピングモーターを取り付ける中央プレートには多くの穴があります。正確な位置出しのため、実寸大の図面を印刷しました。 一般的なプリンターは誰でも入手可能なので、このプロジェクトで使用しても「ズル」にはならないと判断しました。これでパーツと図面を合わせて穴位置をマーキングできます。その後ドリルで穴あけしますが、手作業なので100%の精度は期待できません。集中力と忍耐が必要です。 3mmと5mmのドリル、ステッピングモーター用の開口部に25mmドリルが必要です。 次にマシンのベースを組み立てます。X軸レールを固定するため、レールサポート部の位置をマーキングし、ベース部に2箇所、サポート部に1箇所穴あけします。 最初の3mmネジと木工用ボンドで固定します。1本目のネジで直角度を確認し、2mmドリルでサポート部の2つ目の穴を下穴加工します。 同様に2つのブラケットを追加して補強します。 正直、このMDFパーツの組み立て方法はあまり良くありません。すべて手作業で、MDFが8mmと薄いため、直角を出すのが非常に困難です。金物店で売っている金属ブラケットを使う方が簡単で確実かもしれません。 それでも両側が完成したら、X軸レールを取り付けます。 MGN15Hレールは、スライドブロック内にボールやローラーを備え、非常にスムーズでガタのない動きを実現します。 取り付け前にしっかり洗浄し、グリスアップしておきます。リニアレールは各側面でM3ボルト2本ずつで固定します。 次に、X軸スライドブロックの上にY軸を取り付けます。これには中央プレートを使用します。 ここでもM3ボルトで固定します。ステッピングモーターの固定にもM3ボルトを使用します。 一方のステッピングモーターには、適切な取り付け高さを得るためにスペーサーナットを使用しています。ただし、このステッピングモーターをプレートの底面に取り付ければ、スペーサーナットは不要だったかもしれません。 X軸駆動用に、ステッピングモーターシャフト近くにGT2アイドラープーリー2個を取り付け、ベルトとステッピングプーリーの間に適切なテンションを生み出します。 これらの固定にはM5ボルトとナットを使用します。Y軸の場合、ベルトをループ状に取り付けるため、レール反対側にアイドラープーリー1個のみで済みます。 いよいよX軸とY軸のレールを接続します。M3ボルト4本で接合します。この接続精度がマシン全体の精度を左右するため、極めて重要です。 スコヤを使って2軸が直交しているか確認し、必要なら調整します。 次に、Y軸スライドブロックに取り付けるパーツ（エンドエフェクター、今回はレーザーモジュールを保持する部分）を組み立てます。前述の方法で組み立て、M3ボルト4本でスライドブロックに固定します。 レーザーモジュールをM3ボルト2本で固定します。 GT2ベルトを取り付けます。必要な長さを測ってカットします。 ベルトをスライドブロックに固定するには、M5ボルト2本と結束バンドを使用します。 ベルトの片側をM5ボルトに結束バンドで固定し、反対側でテンションをかけてからもう一方のボルトに結束バンドで固定します。 X軸の場合、ベルトは一直線に両側に張られ、3つのプーリーを通る形でステッピングモータープーリーとのグリップ/テンションを確保します。 ベルトの両端を、1本のボルトと角型MDFピースで固定します。 これでCNCマシンの機械部分はほぼ完成です。あといくつか作業が残っています。 底面にフェルトパッドを貼り付け、マシンがしっかり固定されるようにします。 Y軸用マイクロリミットスイッチを取り付けます。M2ボルト2本で固定します。 X軸用リミットスイッチの穴を中央プレートに開け忘れていたため、現場でマーキングして穴あけしました。 少しきつかったですが、うまく取り付けられました。 機械部分が完成したので、電子部品の配線に移ります。前述の通り、Arduino UNO、CNCシールド、DRV8825またはA4988ステッピングドライバー2個を使用します。 Arduinoボードをマシン側面に固定します。Arduinoの取り付け穴2箇所をマーキングし、3mmドリルで穴あけ。ベースとArduinoの間に5mmスペーサーナットを入れます。 CNCシールドをArduinoの上に装着。各ドライバーにジャンパー3本ずつを挿入し、最高ステップ分解能（1/16または1/32）を選択します。 ※写真にある3本のジャンパーは今回不要です。以前のプロジェクトで使用したものが残っています。 付属ケーブルでステッピングモーターを接続。リミットスイッチは2線式で接続します。 リミットスイッチ側は直接ハンダ付けし、CNCシールド側はメスピンヘッダーをハンダ付けして着脱可能にしました。 レーザーモジュール接続には3線（GND、12V、PWM制御用信号線）が必要です。マシンの最遠点まで届く長さにします。 レーザーモジュール側は付属の3ピンコネクター、CNCシールド側はGNDと12Vを電源コネクターへ、信号線をZ+またはZ-エンドストップピンへ接続します。 全体の接続を示す回路図です。 必要なコンポーネントは以下のリンクから入手可能です： Arduino UNO + CNCシールド + DRV8825/A4988×2、マイクロリミットスイッチ×2（ホーミング用）、PWM制御可能な12Vレーザーモジュールを使用。電源は12V、最低3A以上のものを用意してください。 機械の組み立ては完了しました。いよいよファームウェアを書き込み、本物のCNCマシンとして動作させます。 DIY CNCで最も一般的なのはオープンソースのGRBLファームウェアです。これに加えて、Gコードを送信してマシンを制御するコントロールソフトが必要です。ここではLaserGRBLを使用します。これはGRBLファームウェア搭載レーザー彫刻機専用に作られたオープンソースのコントローラーで、非常に優秀です。 LaserGRBLにはGRBLファームウェアをArduinoに直接書き込む機能があり、手動書き込みは不要です。X/Yホーミングのみの2軸マシン向けプリセットも選択可能です。 ファームウェア書き込み後、マシンを接続してGRBL設定ウィンドウを開き、マシンに合わせたパラメータを調整します。 最初に調整すべきは、X/Y軸の移動分解能（steps/mm）です。これはモーターが1mm移動するのに必要なステップ数を示し、モータータイプ、ステップ分解能、伝達機構（GT2ベルト/プーリー）によって決まります。 デフォルト値は通常250 steps/mmです。JOGコマンドで20mm移動させ、実際の移動量を測定します。 私の場合、Y軸で20mm指令に対し実測31mmでした。 20/31 = 0.645、これに250を掛けると161.29。この値をsteps/mmとして設定します。 更新後、指令通りの距離で動くか確認します。納得いかない場合は、正方形を描画して測定し、微調整します。最終的に160 steps/mmで落ち着きました。 他にも重要なパラメータがあります：ハードリミット（リミットスイッチ）の有効化、ソフトリミット（作業エリア設定）、ホーミング方向（リミットスイッチの位置）など。 私のパラメータセットをダウンロードしてインポートすることも可能です。 LaserGRBLの優れた点は、内蔵Gコードジェネレーターを備えていることです。写真、クリップアート、鉛筆画などを直接読み込み、彫刻用Gコードを生成できます。ラスタライズツールは多機能で、ラインツーライン トレーシング、ベクトル化、1bit白黒ディザリングなどが選択可能です。 もちろん、Inkscapeとそのプラグイン「Inkscape-Lasertools」でGコードを生成し、こちらで読み込むこともできます。この方法は以前のSCARAロボットレーザー彫刻機の動画で解説しているので、詳細はそちらをご覧ください。 では、LaserGRBLで写真からレーザー彫刻用Gコードを生成する手順を紹介します。犬の写真を用意しました。 明るさとコントラストで画像を調整。変換タイプはラインツーライン トレーシング、1bit白黒ディザリング、ベクトル形式などから選択可能。ここではラインツーライン トレーシングを選び、ライン方向と品質（mmあたりのライン数）を設定します。 彫刻速度、レーザー出力の最小/最大PWM値、彫刻サイズを設定。 これでGコードが生成されます。開始前に「Frame」ボタンで彫刻範囲を確認し、ワークピースの位置を調整できます。 注意：レーザーの紫外線から目を守るため、必ずレーザー安全ゴーグルを着用してください。非常に危険です。 マシンが正しくキャリブレーションされていれば、かなり綺麗な彫刻が可能です。キャリブレーション用に、100%〜10%透過率の正方形を含む画像を用意しました。 結果に応じて彫刻速度とPWM値を調整してください。 キャリブレーション画像はこちらからダウンロード可能です： 以上でこのチュートリアルは終了です。お楽しみいただけたら幸いです。質問があればコメント欄でどうぞ。他のArduinoプロジェクトもぜひご覧ください。概要
機械の概要
DIY CNCレーザー彫刻機の3Dモデル
マシンの組み立て
電子部品の配線
DIY CNCレーザー彫刻機 回路図
ファームウェアと制御ソフトウェア
レーザー彫刻用Gコードの生成
製造プロセス
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