電動リニアステージの製作(4) ~ モータの接続と試し動作 ~

概要

　リニアステージの送りねじシャフトにモータを接続して、ステージが動かせるか試した。

背景と目的

　前回、モータ以外の部品を仮組み立てした。今回は、モータを送りねじに接続し、モータを動かしたときにステージが動くか試す。

詳細

1.モータとギヤボックス

　モータとギヤボックスは、タミヤの３速クランクギヤーボックスセットと付属のモータを使うことにした。理由は、手持ち品があったから。ギヤ比は3速のうち最も高速なものを使用することにする。
また、シャフトは付属品だと無駄に長くて邪魔なので、少し短いもの(手持ち品のダブルギヤボックス付属のものと思われる)を使った。

図1　モータとギヤボックス

2.接続と試し動作

　モータを接続したのが図2。シャフトカプラの穴に対して少し緩かったが、イモネジで固定することでちゃんと固定できた。
この状態で、電池(単3エネループ2本直列)をつないでシャフトを回転させてみたところ、動きはするのだが、シャフトカプラに対してシャフトがまっすぐ入っていないため、振動と騒音が大きかった。そこで、振動が小さくなるように何度がシャフトを挿しなおしたところ、そこそこスムーズに回るようになった。
というわけで、こちらの動画のように、ステージが動くようになった。また、試しにスマホ(100数十グラム程度)を載せてみたが、全く問題なく動かせることも確認した。ここまでは、狙い通りだ。

図2　シャフトにモータを接続したところ

まとめと今後の課題

　というわけで、どうにかモータでステージを動かせるところまで来た。次は、オーバーラン防止と回転数検出のためのフォトリフレクタ部分の設計と制作を行いたい。

電動リニアステージの製作(3)

概要

　3Dプリント部品が納品され、組み立て前に形状を確認し、組み立てに支障のある寸法誤差を修正した。

背景と目的

　前回、3Dプリント部品を設計、発注を行った。今回は、3Dプリント部品が到着したので、組み立て前に寸法狂いがないか確認し、組み立て可能であることを確認する。

詳細

1.納入された部品

　図1.1が納品された4つの部品である。早速、形状を確認してみる。
まず、すぐに気づくことは、以前制作したときと同様に、円形の穴が楕円になってしまっているところである。これが気になるが、外寸は設計通りであることがわかった。

図1.1　納品された4つの部品

2.各部品の寸法誤差を確認

　以下、1つずつ確認した。

2.1　ステージ

　ステージは、各穴にそれぞれナット、ブッシュ等をはめてみたところ、シャフトを支持する無給油ブッシュ挿入穴3か所は、楕円に歪んでいるためブッシュが入らなかった。そこで、やすりで少しづつ穴を広げ調整したところ、ちゃんとすべてのブッシュが収まった。すべてが収まった様子は図2.1。予定では、イモネジで固定が必要なのだが、寸法がギリギリで固く動きそうもないので必要ないかもしれない。

図2.1　ブッシュ、ナットを装着した様子

2.2　シャフト支持部品(先端側)

　先端側のシャフト支持部品には、ボールベアリングとアルミパイプを固定するのだが、アルミパイプ固定側の穴が変形により挿入不可。やすりで修正した。また、真ん中のフォトリフレクタ基板は、穴の設計自体が悪くこちらもやすりで少し修正。その結果、図2.2のとおりちゃんと挿入し、固定できた。

図2.2　ボールベアリングとシャフトを固定した様子

2.3　シャフト支持部品(モータ側)

　モータ側のシャフト支持部品も、ボールベアリングとアルミパイプを固定する。こちらはボールベアリングもダメだった。同様にやすりで修正して図2.3のようになった。

図2.3　モータ側

2.4　シャフトカプラ

　図2.4のように、送りねじシャフトをM2のイモネジでカプラに固定。

図2.4　シャフトカプラをシャフトに固定した様子

3.仮組み立て

　各部品ごとに、組み立てできそうな感じになったので、モータ部以外をいったん仮組み立てをしてみたのが図3。シャフトを回すと、ちゃんとステージが移動でき、特に引っ掛かりもなくスムーズに動く。モータ軸をつなげば動きそうな感じだ。

図3　仮組み立て

まとめと今後の課題

　各部品を使って、仮組み立てするところまでできた。次回は、モータ部を取り付けモータで駆動してステージを動かしてみたい。

電動リニアステージの製作(2)

概要

　シャフト支持部品とシャフトカプラの設計、DMMへの発注を行った。また、3Dプリント以外の部品を一部調達した。

背景と目的

　前回、リニアステージのステージ部分の設計を行った。今回は、シャフト支持部品2つとシャフトカプラの設計およびDMMへのそれらの発注、それ以外の部品を選定、調達した。

詳細

1.シャフト支持部品の仕様検討、設計

　まず、図1.1に示す2本のΦ6mmシャフトの両端を支持するシャフト支持部品(モータ側、先端側)を設計する。

図1.1　シャフト支持部品

1.1　モータ側を設計

　モータ側は図1.1のように、67mm×20mm×15mmのブロックを基本形状とし、シャフト支持穴2つ、ステージ位置検出用のフォトリフレクタを装着する切り込み、この部品を他の部品と結合するためのねじ穴を開けた。アルミパイプは、上面に開けた穴からホーローセット(イモネジ)で固定する。また、外径13mmのボールベアリングをこの部品にイモネジで固定し、その中に送りねじを通す。

図1.2　モータ側

1.2　先端側を設計

　先端側も図1.3のようにモータ側とほぼ同様の構造。

図1.3　先端側

2.シャフトカプラの設計

　シャフトカプラは、送りねじとそれを駆動するモータシャフトを連結するための部品。送りねじがM6、モータ側を3mmの6角シャフト(タミヤの工作キット等でよくあるもの)を連結するため、図2.1のような6角柱の部品の天面、底面にそれぞれM6の丸穴と3mm6角穴を開けた。また、シャフトはイモネジで固定。さらに、送りねじ側に突起があるが、これは、シャフト回転数を計測するため。この突起近傍にフォトリフレクタを設置すれば、シャフトの回転により突起がフォトリフレクタ前を通過すると反射光が強まり、回転を検出できる。

図2.1　シャフトカプラ　送りねじ側


図2.2　シャフトカプラ　モータ軸側

3.3Dプリント部品以外の調達

　以下の部品をそれぞれ調達した。モータ部分やフォトリフレクタ等については、仕様検討中のため今回は買っていない。

• 寸切りボルト　ノーブランド　M6径、1mmピッチ、長さ285ｍｍ(ホームセンター、約50円)　×1個
• ボールベアリング　日本精工　686-H-ZZ　(モノタロウ、181円)　×2個
• 無給油ブッシュ　オイレス工業　80B-0605(モノタロウ、39円)　×3個
• ホーローセット　八幡ネジ　M3×6mm(カインズホーム)　×6個
• ホーローセット　八幡ネジ　M2×4mm(カインズホーム)　×5個

4.DMMへの発注

　ステージ、シャフト支持部品×2、シャフトカプラをそれぞれ発注した。金額は合計で約1万円。シャフトカプラが大きさの割に高かった。小さいほど安いというものでもないようだ。

• ステージ　ナイロン製　2738円
• シャフト支持部品(モータ側)　ナイロン製　2950円
• シャフト支持部品(先端側)　ナイロン製　2955円
• シャフトカプラ　ナイロン製　1532円

まとめと今後の課題

　各3Dプリント部品の設計と発注ができた。次回は、3Dプリント部品が納品され次第、組み立てを行いたい。

電動リニアステージの製作(1)

概要

　リニアステージの自作に向けて、構想とステージ部分の設計を行った。

背景と目的

　以前、3Dプリントサービスを利用して、ラズベリーパイの筐体を製作したが、今度は電子機器の筐体ではなく、何か動くものを作ってみたくなった。そこで、スマートフォンやデジカメなど載せて動かせるリニアステージを自作してみたいと思う。もちろん、初めてなのでうまく作れる自信はないが、とりあえず、構想から入ってみる。

詳細

1.構想

　いきなり大がかりなものをつくるのは大変なので、今回は最低限の構成にしようと思う。
イメージとしては、以下の図のように、移動ステージが2本のシャフトに載っていて、片方のシャフトを送りねじとして、シャフトを回転させることで、前後にステージが移動するものにする。
うまくすれば、モータを制御しカメラ位置を動かしながらタイムラプス撮影などにも応用できるだろう。

図1　リニアステージの構想

2.ステージ部の設計

　どこから手を付けるのがいいのかわからないが、とりあえずイメージの湧いた部分から進めることにする。
ステージ部は、以下の仕様とする。
・スマートフォンやデジカメが載る程度の大きさとして65㎜角
・カメラ用のウイットねじが取り付けられる穴を用意
このほか、位置決め用のセンサ等の取り付けについては、ちょっとイメージがわかないので後々考えるとして、以下のような感じにした。
底面側には、補強桟とステージの中心にウイットねじの6角ボルトを付ける穴を設けた。また、汎用的にモノを固定するための穴を複数あけておく。
4隅の穴はシャフトを通す部分。丸穴はΦ8で回転しないシャフトを通す部分である。ここにまず無給油のブッシュ(モノタロウで見つけたオイレス工業製外径Φ8、内径Φ6のもの、約40円/個)をはめ込み、Φ6のアルミパイプを差し込む。ブッシュを使用するのは、摩擦なくシャフトが自由に動くようにするため。(私はこういう部品を調べてみて初めて知った。初めてだと、こういう知識がないので苦労する。)6角の穴は、送りねじを通す部分。この穴にまず6角ナットをはめ、それにΦ6の寸切りボルトを通す。これによって、ねじの回転を直線運動に変換する。

図2.1　ステージ部　底面側


図2.2　ステージ部　天面側

まとめと今後の課題

　構想とステージ部の設計を行った。次回は、シャフトとシャフトの支持部の設計に進みたい。

3Dプリントサービスを使ってみる(2)

概要

　3DプリントをDMMに発注し、納品された。

背景と目的

　前回、3Dプリント用モデルを作成した。今回は、DMMに発注をかけて、納品されるまでを記録した。

詳細

1.データのアップロードとデータチェック、注文

　まず、DMM.makeにログインし、3Dデータをアップロードボタンを押す。すろと、カテゴリの選択とファイルの選択画面が出るので、STLファイルを選択した。すると、図1.1のような画面が出た。これでアップロードは完了のようだ。

図1.1　アップロード完了画面

　次に、マイ3Dデータ画面に移動すると、ステータスが表示される。図1.2のようにエラーチェックが行われ、数分で造形・出品可能となった。なので、注文画面に移動したところ、図1.3のように材質を選んですぐに注文できるようになっていた。材質を選ぶと値段が変わる。今回は初めてなので、一番安いナイロンを選択。およそ5000円だ。ということで、注文ボタンを押し、支払いと届け先等を入力して注文は完了。

図1.2　マイ3Dデータ


図1.3　注文画面

2.納品

　納品はナイロンの場合7~9日と書いてあったが、形状が単純なためか、注文後たったの3日で到着した。図2.1は到着したアイテム。ナイロンなので真っ白でざらざらした手触り。においはほぼない。肉厚は2mmなので押すと少し歪む。補強を入れればよかったかもしれない。穴の大きさや位置については、実物を測ってみたところほぼ設計通り。誤差は0.5mm未満といったところか。

図2.1　納品されたアイテム

　一つ気になったのは、ボスや底面に開けたねじ穴の形。円形のはずだったが、出来上がりは円の一部が欠けたかまぼこのような形だった。図2.2を見るとよくわかる。

図2.2　ボスと底面のねじ穴の様子

3.ラズパイを装着、タッピングねじの効きを確認

　ラズパイを装着してみた。ラズパイとの固定方法はM2.6のなべタッピングねじを使用。すべての端子類にちゃんと接続できることも確認した。これは、実用になりそうだ。

図3.1　ラズパイを装着した様子

4.感想

　初めて3Dプリントをやってみたが、形状が単純だったためか、寸法狂いもほとんどなくちゃんとしたものができた気がする。発注までのステップも比較的簡単で、初心者でも自分でモデルを作成して、プリントするのはそんなに難しくないなという印象だ。
いままでの工作で、出来上がった回路を筐体に入れる場合、出来合いのケースを買って加工していたが、手作業だとどうしても加工精度やデザイン自由度で制約があった。また、何より加工の手間がかかる。3Dプリントを使用すれば非常に自由度が高くオリジナリティの高いものが短期間で作れる気がする。今後も、趣味の工作で活用出来たらと思う。

まとめと今後の課題

　3Dプリント作品を制作した。この経験を今後の工作にどんどん活用していけたらと思う。

3Dプリントサービスを使ってみる(1)

概要

　3Dプリント用のモデルを作成した。

背景と目的

　昨今、3Dプリンタが身近になってきたこともあり、DIY分野で3Dプリンタによる製作例がかなり増えてきた。そこで、私も3Dプリンタを使用した作品にチャレンジしてみる。

詳細

1.作品の題材

　初めてでも作れそうで実用になりそうなものがないか考えた結果、よく遊んでいるラズベリーパイのケースを作ることにした。主な目標仕様は以下。配線の付け外しが頻繁にあるので、蓋なしで全く問題ないだろう。

• Raspberry Pi 2 Model Bが収納でき、各端子にアクセスできること
• 横に並べてユニバーサル基板(72×48mm)が収納できること
• 蓋はなし

2.ネット上のサービスを決定

　次に、3Dプリントの個人向けサービスを探した結果、DMMにすることにした。素人の私が判断できる知識はないので決め手は、単なる知名度。

3.3Dモデルを作成

　DMMでは3D CADとしてAutoDeskの123D Designを薦めていたが、STL形式が出力できればほかでもよさそうなので、私は使い慣れたSketchUpを使用した。ただし、SketchUpはデフォルトではSTL出力できないので、こちらを参考にプラグインをインストールしておいた。
作成したモデルは図3.1のとおり。蓋のない箱に、ラズパイの各種端子にアクセスするための穴を開けてある。また、ラズパイをねじ固定するためのねじ穴(タッピングねじを使用予定)をつけた。
奥の平らな部分はユニバーサル基板を収納するエリア。底面に基板固定用のねじ穴をいくつか開けた。その穴は図3.2のとおり皿ねじの頭を入れられるように円錐上のくぼみにしてある。

図3.1　SketchUpでモデルを作成、上から


図3.2　SketchUpでモデルを作成、底面から

4.データ出力とエラーチェック

　最後に、STL形式のデータを出力する。SketchUpのFile>Export STLから単位をミリメートル、フォーマットをASCIIとして出力。そして、次にエラーチェックを実施。方法は、DMMのこちらを参考に、MiniMagicsというソフトを使いチェックした。このソフトの使い方は簡単でエラーチェックというボタンを押すとすぐに結果が出る。一度、エラーが出たのでSketchUpに戻って修正した。
その結果、図4のようにエラーがありませんというメッセージが出た。これでデータの準備はOKそうだ。
とりあえず、今回はここまで。

図4　MiniMagicsでエラーチェックしたところ

まとめと今後の課題

　3Dプリント用のモデルを作成した。次回は、DMMに作成依頼をかけたいと思う。