2017年07月15日

ロボットアームの構想

CNC のコントローラを自作したいのであるが、テスト用にこんなものを作ろうかと。

ステッピングモータ、モータドライバ



A4988 モジュールと、CNC SHIELD V3 -- A4988 モジュールを使うためのマザーボード。最新の GRBL で使うには古くて非互換になってるので安価。自作するのであるから、使えさえすればいい。これらは、試作だけじゃなくて、完成品でも使う予定。




テスト用に使うステッピングモータ。5V で使えて安価なタイプ。軸は 5mm φで、ギアード。1回転 64 ステップ x64 = 4096 ステップ。トルクは、34.3 mN/m = 0.3kg/cm x64 = 19.2 kg/cm ?。現物が手に入ったが確かに指では回せない。周波数 100 Hz とか書いてあるから、1回転させるのに、40 秒! 無負荷では 1000 Hz までいけるそうだから、最大で 4秒。


2GTベルトとプーリー







プーリーは自作したいと考えているのだが、どんなものがあるか紹介。ベルトは 6mm 幅で 2mm ピッチで突起が付いているタイプ(2GT/ GT2?)が安価に売られている。クローズド・ループのもの 158mm と 400mm を使おうと思っている。他には、オープン・ループのものもある。ブーリについては、駆動側は 20 teeth のものが良く使われるようだ。これは自作しないのだが、アーム側は自作したい。60 teeth よりもっと大径のものが良いと思っている。テンションをかけるための アイドル・プーリーというものもある。これは使うかどうか分からない。



さて、どんなものを作りたいかというと、あくまでテストなので、ちゃんとなにかを動かして、効果が目で見えるもの。しかも、シンプルなもの --- これが条件である。よくよく考えたのだが、水平方向にのみ動かすロボットアーム(のようなもの)が良さそうだということになった。
となると、ペンを持たせて字を描かせる -- これが効果である。それさえできれば良いが、工作精度というものは、追及しない。ガタガタの字になってしまうと悲しいが、論理的に問題なければ、それもやむなし。
ペンの上げ下げも必要ない。が、楽しくなってくれば、サーボかなにか使うことを考えたい。精度についても、追及すると楽しい結果が得られるのであれば、2号機というものを考えたい。



イメージを形にしてみた。18mm 厚の板に 51mm の蝶番を付ける。根本の板はベースに固定。これは、高さがいるので縦。ステッピングモータのブラケットは 25mm のアルミアングルで自作(46mm 長)。プーリーは 20:60 。最初にイメージしたものであるが、問題が。

そもそも、ステッピングモータについて誤解していたのである。1回転 64 ステップとなっていたが、モーター部の話で、ギアが 1:64 だったのだ。トルクも 0.3 kg/cm しかないと思っていたのだが、64倍! ロスがなければ、20kg/cm に近い。これなら、直接アームを動かせる。

で、アームなのだが、硬い木材が入手できたのである。直接ステッピングモータの軸に付ければ良いのではないかと。 .... というわけで、随分と話が変わってしまった。

    カバ 硬さ 14 GPa 比重 0.7 重さ当たりの硬さ 21
    ジュラルミン 硬さ 70 GPa 比重 2.7 重さ当たりの硬さ 26

    こんなデータを見つけてしまった。一般のアルミはもっと弱いわけだから、3mm 厚のアルミを使いたいようなところで、6mm 〜 9mm ぐらいの厚みにすれば十分な強度ではないか? 入手した硬木には、カバ(マカバ・カバ桜)もあるし、同じクラスで衝撃にも強そうな ウォールナットやタモ、ナラもある。

    ちなみに、硬い木材に期待するのは、ステッピングモータの軸穴。5mm φ の軸の両側が 1mm づつ削ってあるのだが、この形に削るだけで、がたなくアームを回せるのかどうか? プラスチックなんかでは良くあるが、硬木なら大丈夫なのかどうか? ダメなら硬木を使う理由はあまりない。普通の木材ベースで、プラリペア(または、その代用品)を使って、軸穴部分だけアクリルにする手が使えるはず。

アームの設計



2の腕をどうするか考えておけば、他は、その応用でいける。
とりあえず、板のサイズは 147mm 以下。先端にモーターを付けるが、太さは、46mm ぐらい必要。そこに取り付ける腕は ひとまず、135° 動けば良しと考える。モーターは M4 でマウントするが、腕にタップしてみる。( 無理なら貫通させてナット止め。) 。取付穴の周囲は、木材を残すわけだが φ10 の円と考えてみる。その円をモーター軸を中心に 67.5°回転させた位置に置いて、干渉しないように考える。そうすると、取り付ける側の 腕は、太さ 20mm 以下ぐらい。無駄に面積を取ってもしょうがないので、Y 字型になりそう。
回転部分の軸だが、片側はモーターの軸をはめる。片持ちでは安定しないだろうから、腕をそれぞれ削って、軸と軸受けにする。板厚は 25mm として、軸、軸受けに 8mm ほど使う。軸の太さは 10mm ぐらい?



その他の部分。根本は取り付け穴を付けられる大きさ。これをベースの板に直接取り付けると、アームが下と接触してしまうのでスペーサーを入れる。ひょっとしたら縦にして普通のロボットアームっぽくできるかも。それは、後で考えよう。

で、肘から先の部分。稼働範囲は、± 67.5° なのだが、135° - 0°になるように、曲げる。手首の先はまだ考えていない。



プーリーとベルトは使わなくなったが、せっかくなのでメモは残しておく。

入手したプーリーは、20T と 60T 。16T というタイプもあったが、open loop 用みたいなことが書いてあった。2GT のベルトにも、使える最小の径というのがあって、16T では、小径すぎるのかも知れない。大径の方は、径が大きくなると随分と値段が高くなる。送料もかさむ。80T とか 100T は、ちょっと買ってみようという気にはならなかった。

で、ベルトなのだが、close loop のものを使う。本来、設計してから目的にあった長さのものを買うべきなのだが、どんなものかいくつか買ってみた。158mm , 200mm , 400mm 。買ったのは良いが、軸間を後で計算するのは、めんどくさい。調べたものを記しておく。

 ・ http://gijyutsu-keisan.com/calc/mech/calc_belt_len/calc.php?sel_graph=beltlen

ベルト長を計算してくれるサイトが見つかったので、カット&トライで軸間を計算。最初に直径を求める必要があるが、20T なら 円周 40mm のはず。12.732 60T : 38.197 , 80T : 50.930

20T-60T 158mm : 36.8 200mm : 58.6 400mm : 159.5
20T-80T 200mm : 46.0 400mm : 148.8

20T-80T で 200mm は割とギリギリ。軸間 46mm だと、プーリーの内径どうしの距離が 14.17mm 。

80T のプーリーは、51mm + 鍔 のサイズがあって、存在感がある。これは作ってみたいとは思っている。

材料は、10mm 厚 と 5mm 厚 の PE(ポリエチレン)まな板。一面しか加工できないので、 鍔だけのを 5mm 厚で作ってはめこむ。言うは簡単だが、精度が出てないと無理。まずこれをクリアした後ということになる。また、1mm (以下)のエンドミルが必要。経験を積んで自信が出来た後でないと無理。



ところで、木材にタップとか今まで考えたこともなかったのだが、いけるのだろうか? そもそも、タップ自体あまりしたことはない。下穴のサイズすら知らない。ちょっと調べておこう。
 M2 1.6mm
 M2.5 2.1mm
 M3 2.5mm
 M4 3.3mm
 M5 4.2mm
 M6 5.0mm

0.1mm 径が小さくても、ごまかせるのだろう。1.5mm, 2.0mm, 3.2mm は手持ちにある。が、4.2mm を 4.0mm では厳しいような。。。見つけたら買っておこう。

さて、木材にタップだが、1X4 などでは出来るような気がしない。一応 硬木を想定。アルミだと 3mm 厚でタップするような強度をイメージ。 硬木で 2〜3倍の 6mm 〜 9mm ぐらいで。一度実験してみないと。

とりあえず、M3 のテスト

材料は、カバ桜、ウォールナット、1x4 (ホワイトウッド )。

下穴開けも、タップも軽い。どれも同じような感じで頼りない印象。金属製スペーサ(ねじ 5mm長)を取り付けて見ると ... 意外なことにどれもしっかり止まる。スペーサ程度なら 1x4 でも十分。耐久性が重要なのだが、よく分からない。どこまでトルクをかけたらネジ山がつぶれるか ... というのとは関係なさそうだし。スペーサーも痛みそうで嫌だったり。

M5 のテスト

4mm のキリしかないのだが、タップしてみる。貫通穴をあけたときに、失敗して 1x4 は裏側がだいぶささくれた。カバ桜も少々。ウォールナットは全然 --- 粘りがあるとは、こういうことだったのか。タップは少々重くなった。当然といえば当然だが、力が必要という感じでもない。ネジを付けてみたが、ちょっと失敗して、カバ桜のネジ山を少々つぶした。途中で回すのに力がいるようになって付け直すことに。どれも同じだが、全然力が必要でなく、頼りなく締まっていく。で、最後にしっかり止まる感じ。それは良いのだが、現時点ではタップしてみましたというだけ。どう評価したら良いのだろう?

ところで、ウォールナットは 厚いので全部はネジ切れなかった。長いボルトをねじ込んでいくと、ネジが切れてないところで、随分とかたくなる。が、ちゃんと入っていく。問題ない。。というより全部はネジ切らない方が良いのかも。
posted by すz at 20:04| Comment(0) | TrackBack(0) | CNC
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