苦学生の道楽

面白そうなものを作る！

アプリや電子工作など、「楽しそう！」と思ったものに片っ端から触れていく人の活動記録です

CNCペンプロッターの作成　その2

工作

前回の続きです。

前回はbCNCのインストールまで行ったので、次は実際にモーターを動かすところまでやっていきたいと思います。

まずは、SVGからG-Codeを生成するために、Inkscapeをインストールします。

※Macの場合について書いています。Windowsではうまくいかない場合があります。

Inkscapeを使ってG-Codeを生成する

1. Xquartzのインストール (Macの場合のみ)

MacでInkscapeを使う場合にはXQuartzが必要です。
ダウンロードしたら開いて、右下のボタンを押していけばインストールが完了します。

2. Inkscapeのインストール

以下のサイトから「Inkscape」をダウンロードします。

Inkscape 0.92.2 - macOS | Inkscape

Inkscape 0.92.2 - Windows | Inkscape

ここで、拡張機能「MI Inkscape Extension」を使うためには、古いバージョンをインストールしないといけないという情報もありますが、コードを少し書き換えれば最新版でも使えます。

Inkscape起動して「Where is X11 ?」と聞かれた場合は、「/Applications/Utilities/XQuartz.app」を選択すれば起動します。それでもうまく起動しなければ、PCを再起動してみてください。

3. Inkscapeの拡張機能「MI Inkscape Extension」のインストール

ここからダウンロードします。

解凍すると、次のような4つのファイルが入っています。 f:id:tamu19:20190819112234p:plain ただ、このままだと最新版Inkscape0.92で動かないので、servo.pyを以下のように書き換えます。

//3085行目
- doc_height = inkex.unittouu(self.document.getroot().get('height'))
+ doc_height = self.unittouu(self.document.getroot().get('height'))

次に、これらの4つのファイル全てを「~/.config/inkscape/extensions/」の中に入れます。
ターミナルから次のようにすると楽です。

//解凍後のMI Inkscape Extensionに移動する
$ mv ./* ~/.config/inkscape/extensions/
//これで、4つ全てのファイルが移動する。

4. Inkscapeを起動してSVGからG-Codeを作る

拡張機能を入れたら、Inkscapeを再起動して、まず適当なSVGを作ります。試しに長方形を描いてみます。 f:id:tamu19:20190819115548g:plain

  1. 矩形ツールで長方形を描く
  2. メニュー「パス」から「オブジェクトをパスへ」を選択（何も変化はありませんが、パス化されています）
  3. メニュー「エクステンション」から「MI GRBLZ-AXIS Servo Controller/MI GRBLZ-AXIS Servo Controller」を選択する

すると、このようなウィンドウが出てくるので、「X軸の動く速さ」「Y軸の動く速さ」をどちらも「2000mm/min」に設定します(任意の値でいいが、初めは小さい方がいい)。

f:id:tamu19:20190819123605p:plain ファイルの保存先を設定したら、「Apply」を押してG-Codeを生成します。
生成されたG-Codeの中身をみてみると、こんな感じになっています。 f:id:tamu19:20190819124753p:plain

コマンド 機能
G21 座標の単位が「ミリ(mm)」であることを伝える命令。「G20」はインチである。
G04 「一時停止」の命令。続けて「P〇〇」と書くと〇〇ミリ秒間停止し、「S〇〇」と書くと〇〇秒間停止する。 追記:私の環境ではPはミリ秒ではなく秒になっていました。サイトによって情報が違うので、設定によるのかもしれません。
F 「フィード率」といい、G1が実行されているときの動く速さを決める命令。「G1 F〇〇」と書くと、分速〇〇mmで移動する。

※その他のコマンドについては、前回の記事の最後に書きました。

さて、いよいよこのG-CodeをbCNCに読み込ませて、Arduino(grbl)に送信したいと思います。

と、その前に、モーターを動かすための12V電源を確保します！

12V電源の確保と半可変抵抗の調整

このCNCシールドには12V~36Vの直流電源を流すことができます(使用するモーターによって変える)。そのため今回は、12VのACアダプター、もしくは12Vのスイッチング電源が必要です。

【電源の家】12V5A汎用スイッチング式安定化電源 ACアダプター最大出力60W PSE取得品 出力プラグ外径5.5mm(内径2.1mm) ノイズフィルターつき

【電源の家】12V5A汎用スイッチング式安定化電源 ACアダプター最大出力60W PSE取得品 出力プラグ外径5.5mm(内径2.1mm) ノイズフィルターつき

直流安定化電源 AC DC 12V コンバーター 安全保護 回路 装置 最大 (10A)

直流安定化電源 AC DC 12V コンバーター 安全保護 回路 装置 最大 (10A)

ここで、今回用いたステッピングモーター「NEMA17」の規格をみてみると、
  • モーター型:双極性ステッパー
  • ステップ角度:1.8°
  • 保持トルク：26Ncm(36.8oz.in)
  • 定格電流/位相: 0.4A
  • 位相抵抗：30オーム

となっています。よって、今回はこのモーターを2つ使うので、最大2Aの電流を引き出せる12VのACアダプターがあれば十分と考えました。

そこで、使わなくなった12V-2A程度のACアダプタを探していたところ、WiiのACアダプターがちょうど12V-3.7Aであったので、これを使用しました。 f:id:tamu19:20190820034119j:plain f:id:tamu19:20190820034932p:plain ※ちゃんと熱縮チューブでカバーしないとショートする危険があるので注意してください。

また、モータードライバ「A4988」の製造元の「Pololu」のサイトを見ると、A4988は以下の式を満たすように使用するべきと書いてありました。

V_{REF}=8\cdot I_{MAX}\cdot R_{CS}

  • V_{REF} : A4988の半固定抵抗とGND間の電圧
  • I_{MAX} : ステッピングモーターの許容電流
  • R_{CS} : A4988の電流検出抵抗の値 = 0.050[Ω](純正は0.068[Ω])

したがって、今回はモーターの定格電流0.4Aを I_{MAX}に代入して、V_{REF} =8\cdot0.4\cdot0.050=0.16\, [V]

となります。ということで、ArduinoのUSB電源を入れて、V_{REF}を測定します(12V電源は入れる必要ない)。V_{REF}は下の写真のように、半可変抵抗とGND間の電圧を測ります。 f:id:tamu19:20190820042730j:plain 測定してみると、0.646Vになっており、これだとモーターに過電流が流れてしまいます。そこで、半可変抵抗を反時計回りに回して抵抗値をあげると、0.176Vまで下がりました。これで準備OKです。 f:id:tamu19:20190820043448p:plain

追記 : サーボモーターの接続

サーボモーターについて書くのを忘れていました。私が使用するのは「SG92R」というサーボモーターで、ペンを上げ下げするだけなのでトルクはほとんど必要ないです。そのため、Arduino入門キットによく入っている「SG90」というサーボモーターでも問題ないと思われます。どちらも動作電圧は4.8Vであるので、問題なく使うことができます。

CNCシールドとの接続方法については、前回の記事で書いた通り、サーボモーターの中央の線を5Vに、端のオレンジ色の信号線をZ+に、残りのGND線をGNDに接続すればOKです。

bCNCからArduino(grbl)にG-Codeを送信する！

さて、いよいよモーターを動かしていきます！。ここまで思っていたよりもやることが多くて大変でした...。
まずは、bCNCを起動します。起動したら、上の方の「ファイル」というボタンを押します。すると、次のような画面がでるので、「Serial」の中の「ポーレート」を「115200」に設定します。(もしgrbl v0.8を使っているなら9600に設定する) f:id:tamu19:20190820052036p:plain 次に、ArduinoとPCを接続して、「Serial」の中の「ポート」から、Arduinoのポートを探して選択します。終わったら、その右の「開く」というボタンを押すと、上部の「Status」が「Idle」という状態に変わると思います。これで接続完了です。

そして、画面上部の「ファイルのアイコン」のボタンを押して、Inkscapeで作成した.gcodeのファイルを開きます。開くと、画面右に作成した図形が表示されると思います。(今回の例だと長方形が表示されるはず)

そうしたら、画面上部の「Control」というボタンを押します。そして、ここでCNCシールドの12V電源を入れます。(タイミングはいつでもいい)

ここで試しに、画面左下の矢印ボタンを左右に押してみて、モーターが滑らかに動けば問題ないです。(音を立てて激しく振動している、もしくは、わずかに振動しているだけの場合は、先ほどの電圧の調整を間違っている場合があります) f:id:tamu19:20190820053723p:plain ここまで、全て順調だったら、画面上部の「Start」ボタンを押します。すると、ステッピングモーターが動き出し、サーボモーターが適切なタイミングで上げ下げすると思います。

Y軸のステッピングモーターも取り付ければ、ハードウェアとソフトウェアの方は完成です。 あとは、ペンプロッターとして組み立てるだけですね！
それでは、次回は部品を組み立てていき、ペンプロッターを完成させたいと思います。