【木製CNC】電子基板の製作 - とある科学の備忘録

前回、CNCの機械系を設計・製作しました。

shizenkarasuzon.hatenablog.com

今回は、この機械部を動かすために必要な電子基板を作成していきます。

1.概要
- ステッピングモーターまでの信号の流れ
2.メイン基板の製作
- シュミットトリガインバータ
3.モータードライバー基盤の製作
4.パラレルケーブルの製作
5.リミットスイッチの製作
4.設置

1.概要

CNCには、三次元で物体を切削するために、X軸、Y軸、Z軸の3つの可動部があります。そして、各軸にはステッピングモーターがついていて、それがそれぞれの可動部の移動量を制御しています。そして、これらのステッピングモーターはパソコンから送られた切削指令をもとに動いています。

なので、この記事で紹介するのは、「PCから送られてきた切削指令をもとに各軸のステッピングモーターを制御するための基盤作成方法」です。

そこで、この研究では、次のような方針で基盤を作成しました。
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まず、私たちはステッピングモーターを動かすための専用のドライバーが必要と考え、それぞれの軸専用のモータードライバー基盤（Motor Driver Board）を製作しました。
そして、それらのドライバー基盤と、PCを繋いでいるのが、「メイン基板（Main Board）」です。

PCから送られてきたモーターの制御命令の信号はメイン基板を通って各軸のドライバー基盤に伝わります。そして、ドライバー基盤はその信号をもとに専用のICによってステッピングモーターを動かします。

さらに、緊急時の非常停止ボタンも取り付けています。上図でいうと赤枠の部分ですが、スイッチを押すと、すべて機能（ステッピングモーターの回転、スピンドルモーターの回転 etc. )が停止するようになっています。

ステッピングモーターまでの信号の流れ

ステッピングモーターを動かすための信号の伝達経路についてです。

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まず、パソコンから、パラレルケーブルを通して「クロック信号」と「DIR信号」が送られてきます。

・「クロック信号」は回転方向や回転角度を表しています（クロック信号はパルス派の信号で、1パルスが入力されると、ステッピングモーターが1ステップ角*1だけ回転する。）
・「DIR信号」は「CW/CCW信号」とも呼ばれ、モーターの回転方向（時計回り or 反時計回り）を表します。

この信号は、メイン基盤を通して、それぞれのモータードライバー基盤のステッピングモータードライバーに送られます。ステッピングモータードライバーは受け取ったクロック信号とDIR信号をA、A/、B、B/信号の4つに変換します。ステッピングモーターはこの4つの信号によって動きます。

2.メイン基板の製作

f:id:pythonjacascript:20181107225652j:plain — メイン基板

メイン基盤はパソコンとパラレルケーブルでつながっており、主に、パソコンから送られてきた信号をモータードライバー基盤に送る役割があります。

補助的な役割として、非常停止信号とリミット信号をパソコンに送る役割もあります。

回路図です。
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この回路図には書き忘れていますが、74HC14の近くにパスコン（ノイズを防いだり電源電圧の変化を少なくするコンデンサ）をつけたり、リレーのコイルやスピンドルのモーターの近くに逆起電力を流すためのダイオードをつけたりしています。また、74HC14の入力がオープンになるのを防ぐために、パラレルポートの各入力ピンを抵抗でプルアップ（またはプルダウン）しています。

基盤の電源（5V）は、三端子レギュレータL7805を使って生成しています。

シュミットトリガインバータ

パラレルケーブルから入力された信号は、一旦74HC14 というICを通ります。

74HC14はシュミットトリガインバータという種類のICです。これを取り付けることで、送られてきた信号にフィルターをかけることができ、出力電圧の違いがはっきりと現れます。
入力信号がはっきりしたデジタル0と1の明確な差がない時に、0と1境でどちらか不明になったり、高速で0と1を繰り返さないために使われます。