ガス冷却ペルチェ方式霧箱 その５ CNCマシンのMACH3コントローラ作製

　

このボードを使うことでMACH３をUSB経由で動かすことができるらしいのです。
MACH３のハードソフトの制限はずっと前から世界中で問題視されてきましたのですでにソリューションはあり、この手のボードは何種類も発売されています。
その中から、みら太な日々らしく最も安いものを購入しました。それでも4000円以上したんですよ。今見たら2000円くらいまで下がってますが（笑

ま、放置していた私が悪いので値段のことはおいといて、つくっていきたいと思います。

ボードにはずらりとターミナルが並んでいます。

付属のディスクには例によってあまり詳しくない説明があります。マニュアル自体はほとんどソフトのインストールと設定のみで、ハードウェアについてはこの接続図と、

もう少し具体的なポート名つきの接続図があるだけです。
まあこんだけあれば十分なわけですが。

これらの情報から分かったことは、このコントローラは後段にモータドライバとリミットスイッチ、スピンドルを回すためのインバータ、そしてマニュアルコントロール用のいわゆる手パが接続されることが期待されているということです。つまり、本来のMACH3出力であるパラレルポート（とパラレルケーブル）接続に対応したコントロールBOXと接続することは期待されていないということです。

これはどういうことか、もう少し詳しく見ます。
従来のパラレルポート接続はPCのセントロニクス規格に基づくロジック出力ですから電圧は5Vで、取り出せる電流も微々たるものです。よってそれに対応するコントロールボックスも入出力は5Vレベルになっています。ので私の手元にあるコントロールBOXもそうなっています。したがってGRBLの出力を行うハードウェアであるArduinoの５Vロジック入出力をそのままつなぐことができたのです。

一方今回のボードを見てみますと、モータドライバへの出力を行っているこの部分は５V系のようです。

が、リミットスイッチが接続されるこちら側は24Vになっています。

これは面倒です。
CNC3040のスピンドルの回転速度制御はコントローラと一体になっており、モータには二本線が入ってますので、おそらくDCブラシモータがついていてPWM制御と思われます。
一方このボードは後段にインバータが接続される、つまりスピンドルがACモータであることが期待されており、インバータの周波数制御に0-10Vの電圧が使われるようなのです。
私はインバータ触ったことがないのでよくわからんのですが、オムロンのwebページを見てみますと「アナログ制御」の項目に「インバータの設定周波数指令をアナログ信号で行うこと。アナログ信号：0-5V, 0-10V, 4-20mAなどの連続的な信号」という記載がありますのでおそらくこれでしょう。
そういいつつも、スイッチ回りは単にプルアップポートをGNDに落とすだけなので電圧は関係なさそうであります。インバータ繋ぎませんのでこのスイッチポート（上の図のI1-4）が５Vで動けば直結できます。
ということで調べてみましたところ…..残念ですが10V以上かけてやらないとスイッチ状態の変化をUSB側に出力してくれませんでした。
ということで、結論は「このまま直接つなぐことはできない」です。
少なくともスイッチポートに10V以上の電圧をかけてやる必要があり、またコントローラBOXとの間に5V-10V（以上）の電圧変換回路を追加してやる必要があります。
もちろん手元のコントローラBOX使わずに、このボードにモータドライバとリミットスイッチを直接接続すれば簡単なんですが、せっかくあるコントロールBOX使わないのももったいないですよね。ということでこの部分を作ることにしました。

まずは部品集め。必要なものがすべて手元にあることはわかっておりますので持ってくるだけです。

こちらは昇圧DCDCコンバータ。USBの５Vを10V以上に持ち上げます。

このボードほんに便利です。効率は大したことないですが、なんといってもUSBや乾電池レベルから簡単に30Vまでの電圧を得ることができます。
こちら

一枚50円もしません。持っといて損はないです。

接続を確認するためには、以前作ったこのGRBL変換ボックスを使います。これとこの自分の投稿記事を参考にすれば接続を間違うことはないでしょう。

箱はこのあたりで。
パラレルコネクタも買い置きを出してレイアウトしてみます。電圧変換基板は小さくまとめられると思いますのでどっか隙間に入るでしょう。

ケースはカホパーツのジャンク市で入手したものです。GRBL変換BOXにも同じシリーズのものを使いました。今回のボードは一回り大きいものを使います。

ディスクには必要なソフトが入っていますので、それをインストールしていきます。

なんとこのディスクMACH３が入ってるんですよ。いやいかんでしょこれは。
もちろん海賊版、つか不法コピー品ですが何の記載もありません。

インストールのガイドには「ライセンスキーをインストールフォルダに置け」という指示と共に、ライセンスキーファイルも同梱されています。いかんでしょ。

とかおもいつつインストールを終了するといきなりこれ。ちなみにOSはwindows10です。

このまま再起動を繰り返してどうにもなりません。MACH3とwindows10の相性がここまで悪いとは。
おそらく前述した「ハードウェアを直接叩きに行くドライバ」が悪さをしているものと思われます。あとから読んだらインストールガイドには「このドライバ入れるなよ」と書いてありました（笑

結局こうなりました。しゃーない。

気を取り直してWindows7マシンにインストールします。PCはいくらでもあるのです。この程度じゃ何のダメージもありません。

で、そのドライバを入れない代わりに、USB経由でボードをコントロールするためのプラグインが入ってました。なるほど。プラグイン経由でUSB側に流すんですね。仮想パラレルポート的なドライバを使うのかと思ってました。

接続するとあっさり認識。

詳しくテストしていきます。

MACH３起動します。
前述の違法ライセンスキーファイルですが、こういうのもなんですがよくできています。
MACH３はライセンスキーファイルを正しくインストールすると購入時に登録する名前がタイトルバーに表示されるんですが、このインストールキーファイルでは何も表示されません。いかんでしょこれは。

Diagnostics画面でスイッチの認識を確認します。

状態変化が認識されるとこの辺に変化が出るはずです。

適当なポートをGNDに落とします。

すると、ピン設定に従って信号が検出されます。

インストールマニュアル通りの設定だとHomeスイッチは全部並列接続ですのでM1～M4が全部ONします。つまり上の写真は正常な反応ということです。

同様にリミットスイッチ側も正常であることを確認します。

問題は、この検出が約10V以上の入力電圧を必要とすることです。
ということで件の昇圧DCDC基板が必要になるのです。

とにかく、ボードの動作確認ができましたのでケースに組み込むべく加工を行います。

実にシンプルなケースです。

まずUSBコネクタを出す穴から。ボードをレイアウトしておおよその位置を出してそこに穴開けます。

もう一段大きくして、

ハンドニブラで、

四角く整えます。

ここで改めてボードを当てて位置を確認し、切り広げる方向を微調整しながら穴を大きくします。切り口を黒マジックで塗ると見栄えが良くなります。豆知識。

ばっちり。

内側の様子。

ボードの位置を決めたら、ねじ止め用の穴を開けていきます。オートポンチで穴位置出して、

3.5φ穴開けておきます。これでボード側の加工は終わり。

続いて反対側にパラレルポート取り付け用の大穴を開けます。手順は同じ。

ほんとはきれいな等脚台形の穴開けて内側からコネクタを覗かせたいところですが、そんな加工技術は持ち合わせておりません。汚い切り口を隠すように外側からコネクタをかぶせます。

実際の切り口はこんなに汚いのです（笑

穴加工が終わりましたので、ボードとコネクタを固定して配線をしていきます。

ねじ止めして、

ゴム足貼り付けます。

GRBL変換ボックスより一回り大きいです。

そのGRBL変換ボックスを開けて、配線を確認します。
GRBL変換ボックスのArduino側のポートレイアウトはここにありますので、これと同じポートを同じコネクタ位置にはんだ付けしていけばいいわけです。

パラレルコネクタに、

リード線はんだ付けしていきます。

熱収縮チューブを忘れずに。

三連休の中日をまったりと過ごしております。
ハンダ付けは順調に終了。

お次、電圧変換回路です。
汚くて申し訳ないですが、無いよりましな回路図はこちら。ちなみに最終的に作り直してもっと簡単なものにしています。それは後ほど。
信号はCNC3040→PCへの一方通行ですので簡単な回路です。5Vでプルアップしたベース電圧がCNC側のスイッチオンでGNDレベルに落ちると変換ボード側の12Vが遮断されてポートがハイレベルになります。

作っていきます。

トランジスタはみんな大好きC1815.

電流制限抵抗は1kくらいで。

XYZ軸用に3チャンネル作ります。

配線して、

CNC3040側の接続。なんや分からんと思いますが（笑

変換ボード側も接続していきます。

とりあえず必要なところだけつなぎます。

動作テスト。

まずモータが回るか確認。こちらは順調。電圧変換も何もないですから動くはずであります。
が、リミットスイッチをどれも認識しません。あれれであります。

実はここまでコントローラBOX側の回路を見ておりませんでした（笑
舐めてはいかんですね。ちゃんと確認しましょう。といいつつ、おそらくこれでいいだろうという回路図があるだけで、ほんとに手元のBOXのものであるかどうかは実はわかってないんです（笑

で、改めて回路図を見ていますといくつか間違いに気がつきました。
いや正確には間違いではないのですが、余計なお世話をしていました。
CNC3040BOX側のモータドライバに接続されたポートはすべて5Vでプルアップされています。

一方で変換ボード側にもこんな感じでプルアップをしておりました。
この抵抗はいらないです。あっても問題はないですが、両方でプルアップする必要はないですし、5Vといいつつ両者の電圧には微妙に違いがありますのでぶつかるのは避けたほうがリスク低減になります。ということで、これは外すことに。

で、邪魔板を外すとこのようにちゃんとローレベルに落ちます…..ん？
いやいや確かに電圧は大きく落ちるのですが、なぜか0.8Vも残ってます。高すぎじゃないですか？C1815のベースに0.8Vも加えたら完全にONします。ということは、C1815のベースに印可される電圧は、リミットスイッチ遮断時5.28V（C1815はON）、リミットスイッチ非遮断時0.82V（C1815はやっぱりON）ということで、状態変化しないじゃないですか。

なんで0.8Vも残っているのかはわかりません。が、これを何とかしないとリミットスイッチの変化が検出できません。
まずは何とか動かしたいということで、原因究明はさておいて対策のみやることにしました。この0.8Vをもう少しだけ低くしてやればいいだけですので、直列にダイオードを入れます。信号は一方通行ですのでこれで十分です。

ダイオードは必ずVfを持っていて、単純に言えばVf以下ではONしません。このVfはPN接合面のバンドギャップに起因するものですので印可する電圧にかかわらず降下する電圧は一定です。シリコンダイオードだとだいたい0.6V下がります。ので、これを入れればよいはずです。

電圧変換回路を作り直します。
それと、CNC3040BOXのスイッチポートも全部プルアップされていることが分かりましたのでこの部分も不要ですので外します。
結局回路はずいぶんと簡単になって、こうなります。

では作っていきます。
回路が簡単になったので、プローブ用も含めて4チャンネル分を小さな基板に乗せることにしました。

ハンダ付けしたものを接続して、

配線していきます。

動作確認したところばっちり3軸ともスイッチを認識しました。

原点復帰動作を動画で。

蓋を閉めて変換BOXの完成です。

テスト切削をしてみます。

データはfusion360で作っています。作り方はネット上にたくさん情報がありますのでそちらを参考にしてください。とても簡単です。例えばこのあたりが分かりやすいです。

100均のMDFを削ってみます。

動画で。

出来ました。5分くらい。

ええ感じであります。

外します。

狙い通りの寸法で上がっております。

素晴らしいです。
レーザ加工機に続いてCNCもMACH３コントロール化で来ましたので非常に使いやすくなりました。

ということで、終始ガス冷却ペルチェ方式霧箱とは関係ない話が続きましたが、ガス冷却ペルチェ方式霧箱に必要なパーツを作るための活動ということでガス冷却ペルチェ方式霧箱その５として投稿しておきます。