DIY CNC旋盤：自作の旋盤で理想の物作りを実現しよう

趣味で使えるCNC旋盤が欲しく有りませんか？

自作するのはどうでしょう。

この記事では、私が数ヶ月かけて設計変更を繰り返し、自分だけのCNC旋盤を完成させました。

その経験をもとに、自作CNC旋盤の魅力と設計から製作までの方法を解説します。

機械工作が好きで、物作りに情熱を持っている方なら、市販品では味わえない、独自のCNC旋盤を作る喜びを感じられるでしょう。

あなたの理想のCNC旋盤に近づくお手伝いをします。

一つ一つの問題に取り組み、諦めずに解決していけば、きっと完成するでしょう。

自分だけのCNC旋盤で、物作りの新しい趣味の世界を開拓しましょう。

自作CNC旋盤の魅力と挑戦

市販のCNC旋盤とは一線を画す、自作CNC旋盤の魅力についてお話ししましょう。

どんな魅力があるのでしょうか？

市販のCNC旋盤では実現できない独自のデザイン

自作CNC旋盤の一番の魅力は、独自のデザインが可能であることです。

市販の旋盤では、自分の理想とするデザインがなかなか見つからないこともありますよね。

しかし、自作すれば、自分の好みやニーズに合わせたデザインが実現できます。

自作旋盤で追求する理想の機能と性能

自作CNC旋盤では、理想の機能や性能を追求することができます。

市販の旋盤には、自分が求める性能が備わっていない場合もありますが、自作なら自由にカスタマイズできます。

そもそも、市販品の卓上CNC旋盤はほとんど売られていません。
アルミよりも硬い金属を加工できるCNC旋盤はないと思います。

また、自分の理想に合わせて、機械のサイズ構成部品のレイアウトを自由に決められます。

自作旋盤の製作に必要な技術と機材

自作CNC旋盤を製作するには、ある程度の技術と機材が必要です。

しかし、その過程で新しい技術を身につけたり、機械についての知識を深めることができます。

また、既存の機材を改良することで、独自の機能を追加することも可能です。

独創的なCNC旋盤の設計ポイント

自作CNC旋盤の設計には、独創的なアイデアが必要です。
ここでは、独創的な設計ポイントについて解説します。

2本のZ軸リニアガイドの90°配置

一般的なCNC旋盤では、Z軸リニアガイドが平行に配置されていますが、2本のZ軸リニアガイドを90°配置することで、高精度な調整を楽に行えます。

高精度に調整された機械は、加工物が安定し、精度の高い加工が可能になります。

異なる長さのリニアガイドとリニアブロックの使用

異なる長さのリニアガイドとリニアブロックを使用することで、旋盤のサイズをコンパクトにすることができます。

これにより、省スペースでの設置が可能となり、小さい作業場でも自作CNC旋盤を利用できます。

小型化とモーター配置の工夫

自作CNC旋盤の小型化を実現するためには、モーターの配置に工夫が必要です。
例えば、モーターを旋盤の内部に設置することで、旋盤全体のサイズを縮小できます。

また、モーターの取り付け角度を工夫することで、よりスムーズな動作が可能になります。

防音ボックスでの利用を見据えた設計

自作CNC旋盤を快適に使用するためには、防音ボックスでの利用を考慮した設計が重要です。

私のように共同住宅に住み近隣から苦情がくる可能性がる人の場合騒音問題は大きな問題です。

ここでは、防音ボックスの構造や特徴、旋盤のサイズと収納性、他の機器との共用に向けた工夫について説明します。

防音ボックスの構造と特徴

防音ボックスは、騒音や振動を抑える効果があります。

通常、防音ボックスは遮音材を内部に設置し、内部からの音や振動を低減します。

また、内部に吸音材を配置することで、さらに静かな作業環境を実現できます。

旋盤のサイズと防音ボックスへの収納性

自作CNC旋盤のサイズは、防音ボックスへの収納性を考慮して設計する必要があります。

旋盤のサイズをコンパクトにすることで、防音ボックスに収納しやすくなり、省スペースでの設置が可能になります。

防音ボックスのサイズは、500mmｘ500ｍｍｘ 500mmで、内側は400mm x 400mm x 350mmです。
この寸法以下のサイズに設計する必要がありました。

旋盤と他の機器との共用に向けた工夫

自作CNC旋盤を他の機器と共用する場合には、旋盤の設計に工夫が必要です。

例えば、旋盤のCNCユニットをコネクターで繋ぐようにして、CNCユニットの他のCNCマシンと共有を可能にすることで、連携がスムーズに行えます。

自作CNC旋盤の製作の課題

自作CNC旋盤の製作過程は、金属加工の機械設備やCNCマシンの活用、旋盤加工の実現方法など、多くの課題を解決しながら進める必要があります。

金属加工における機械設備の課題

鋼材を加工できるCNC旋盤を作るには、金属加工が欠かせません。
金属を加工には、機械設備が必要です。

例えば、必要最小限のボール盤や板金を曲げるベンダーなど工作機械が必要です。

金属できるCNCマシンの活用

金属加工ができるCNCマシンは、高い精度での加工が可能であり、自作CNC旋盤製作に役立ちます。
CNCマシンを活用することで、複雑な形状の部品も短時間で加工でき、効率的に製作を進めることができます。

鋼材を加工できる卓上CNCルーターは、私が知る限り売られていません。
無いものは作る。
私は改造しは、市販されているCNCルーターを改造して鋼材が加工できるようにしました。

旋盤加工の実現方法

旋盤加工は、自作CNC旋盤の核となる部分です。
まず、旋盤に適した切削工具を選定し、ワークピースを正確に加工する方法を確立します。

次に、旋盤の回転速度や送り速度を調整し、最適な加工条件を見つけ出します。これらの工程を繰り返すことで、理想的な旋盤加工が実現できます。

機械ベッドの製作

CNC旋盤を自作する際に、大きな課題の一つは機械のベッドをどのように作成するかということです。

通常、大きな鋳物を機械加工して削り出すような工作機械は一般家庭にはなく、扱いも難しいため、代替案が求められます。

この問題を解決する方法として、エポキシ花崗岩ベースの制作がおすすめです。

エポキシ花崗岩は家庭でも手軽に作れる素材で、強度や耐久性にも優れています。

詳細なエポキシ花崗岩の情報と制作方法については、別のページで確認いただけます。

ぜひ参考にして、自作CNC旋盤のベッド作成に挑戦してみてください。

この記事では簡単に説明します。

埋め込み金属の固定

まず、埋め込み金属を適切な位置に配置し、固定することが重要です。
この段階が基盤となるため、精度が求められます。

型枠の作成

次に、エポキシ花崗岩を流し込むための型枠を作成します。

エポキシ花崗岩の調合と流し込み

型枠が完成したら、エポキシ花崗岩の調合して型枠に流し込む。

型枠解体

最後に、エポキシ花崗岩が硬化したら、型枠を解体します。

CNC旋盤のリニアガイド取り付けの重要性

CNC旋盤は精密な加工が求められる場面で活躍する機械ですが、その精度を支えるのがリニアガイドです。

では、リニアガイドの役割と、取り付け面の平面度がどのように重要かを見ていきましょう。

リニアガイドの役割

リニアガイドは、CNC旋盤の可動部分を滑らかに移動させる役割があります。
これにより、加工精度が向上し、作業効率がアップします。

リニアガイドが正しく機能しないと、加工精度が損なわれるため、取り付けの重要性が分かりますね。

取り付け面の平面度の問題

リニアガイドの取り付け面の平面度が高いほど、リニアガイドが正確に動作します。
しかし、リニアガイと取り付け面が、必ずしも平面度が十分であるとは限りません。

もし、あなたが、製作中の機械のベッドをフライス加工できるほど大きなフライス盤を持っていれば問題ありません。

しかし、一般的に、家にその様な設備はないでしょう。

そこで、平面加工技術スクレーピングが役立ちます。

スクレーピングを用いた平面加工

リニアガイドの取り付け面を整えるために、スクレーピングという技法が用いられます。
スクレーピングの基本原理、必要な道具、手順について解説していきます。

スクレーピングの基本原理

スクレーピングは、特殊なカッターを使って、金属表面を削る技術です。
これにより、高い平面度を実現することが可能です。

必要な道具

スクレーピングには、次の道具が必要です。

1. スクレーパー：金属表面を削るための道具
2. マーキングコンパウンド：削り取る範囲を確認するためのインク
3. 定盤：ブルーコンパウンドを塗布するための板

スクレーピングの手順

まず、マーキングコンパウンドを塗布し、接触箇所を確認します。

次に、専用のスクレーパーを使って、表面の凹凸を整えます。

スクレーピングの目的

スクレーピングは、表面の接触面積を増やすことで、精度を向上させるために行われます。

注意点

スクレーピングは熟練が必要な作業で、適切な手法と技術が重要です。

正確なスクレーピングを行うことで、品質が向上します。

スクレーピングのコツ

1. 適切なスクレーパーとマーキングコンパウンドを使用することが重要です。

2. スクレーピングを行う際は、均一な圧力をかけて作業を進めることが大切です。

3. 作業中は、定期的に接触面積を確認し、慎重に削っていくことが重要です。

リニアガイドの取り付けと調整

リニアガイドの取り付けには、仮取り付け、ネジ穴の加工、平行度の調整が必要です。
それぞれの手順を詳しく解説していきます。

リニアガイドの仮取り付け

まず、リニアガイドを取り付ける位置を確認し、仮取り付けを行います。

これにより、ネジ穴の位置やリニアガイドの取り付け角度を把握できます。
リニアガイドを取り付けるネジ穴の加工は非常に重要です。

２本のリニアガイドをそれぞれボルト１本だけで固定して、ダイヤルゲージを使って正確にリニアガイドの位置を決めます。
そして、残りのリニアガイド取り付けホルトの位置にセンターポンチを打ちます。

なぜなら、最終的にリニアガイドの微調整は、リニアガイドのボルト取り付け穴とボルトのクリアランスを使って行うからです。

リニアガイドの為のネジ穴を失敗すると今までの苦労が全て無駄になる可能性があります。

ネジ穴の加工

センターポンチの窪みに正確にタップの下穴を開けていきます。

リニアガイド取り付けるM3のネジ穴を加工します。
ネジ穴は、タップで加工します。

リニアガイドの取り付け

ネジ穴ができたので、リニアガイドの取り付けと調整を行います。
調整方法は、仮取り付けの時と同じです。

Y方向を調整するときは、リニアガイドAを基準にします。

ダイヤルケージをこの様に当てます。
リニアブロックを動かして平行を確認と調整をします。

X方向を調整する時はリニアガイドBを基準にします。X方向も同様に平行確認と調整を行います。

この方法はリニアガイドが90度に配置しているからできる調整方法です。
家庭で製作する工作機械は高精度の加工をすることが難しいので、この方法は有効だと思います。

CNC旋盤の金属パーツ作成に必要な道具

CNC旋盤で金属パーツを作る際に必要な、私が頻繁に使用する道具たちを紹介します。

ドリルマシン: 金属加工の必需品

ドリルマシンは、金属パーツ作成において決して欠かすことができない道具です。
パーツに穴を開けたり、形状を調整したりする作業に頻繁に使います。

さまざまなビットを交換すれば、様々な作業が可能となり、その汎用性から私のワークショップでも大活躍しています。

バンドソー: 静かに金属を切断

次に、金属切断に必要不可欠なバンドソーです。
このマシンは、その静かな作動音が特徴です。

以前は、普通の鉄鋸で素材を切断していたので、非常に大変でした。

私の様に、大きな音を出せない環境に住んでいる人々にとって、これは非常に重要な便利です。

バンドソーは静かな作動音で、必要な金属パーツを切り出すことが可能となります。

CNCマシン: 精密な金属加工のために

最後に、複雑な形状のパーツを作るためには、CNCマシンが必要不可欠です。
精密な加工が可能で、細部までこだわったパーツ制作を実現します。

私の場合、このCNC旋盤の制作を始める前に金属加工ができる５軸CNCマシンを完成させていたので、問題ありませんでした。

しかし、CNCマシンがないとモーターブラケットなどの製作が非常に困難です。

市販されているCNCルーターを改造して鋼材を加工できるようにするのも一つの解決策です。

廃材から金属パーツを作る

次に、廃材から金属パーツを作る理由について考察します。
素材の入手難易度とコスト削減の観点から説明します。

素材の入手難易度

個人で金属素材を入手するのは結構大変です。
アルミ製のシートメタルやステンレスプレートは、比較的入手しやすいですが、ブロック状の金属を売っているオンラインショップは少ないです。

コスト削減

また、金属の廃材を入手できる人は、廃材を利用することでコスト削減が可能になります。

少しでも安く部品を作りたいと考えるなら、廃材の利用は避けて通れない道です。

私は、板金や金属ブロックの廃材を入手できる状況にあるので、恵まれています。

３Dモデルに基づいて製作したぱパーツ

仮組立するとこんな感じです。

CNC旋盤制作における注意点とトラブルシューティング

十分な設備がない中で何かを製作すると色々な加工精度の問題が発生します。

全てのパーツを産業用CNCマシンで正確に加工できれば問題ありません。
しかし、そういう人は、そもそも自分の工作機械を作ろうとは思わないでしょう。

なぜなら、その人は、すでに十分な工作機械を持っている人だからです。

つまり、自作工作機械を作る人は、十分な工作機械がない中で製作しているので、いつも加工精度の問題に直面するはずです。

試験的な組み立てのあとパーツ調整の必要性

試験的な組み立て、これは何のために必要でしょうか？
それは、各パーツがうまく組み合わさるかを確認するためです。

例えば、ボルト穴の位置が少しでもズレていれば、ボルトを取り付けることができません。

それはどういうことかと言うと、3mmのボルト穴の場合、クリアランスは片側0.25mmしかありません。

これは、0.25mm以上ボルト穴がズレてしまうと、組み立てが不可能になることを意味します。

ズレると、こうなります。

だから、パーツを組み立てて、調整が重要なのです。

ポルト取り付け穴の修正

細かい加工の修正には、この様な卓上CNCルーターが便利です。
なぜならば、各軸にハンドルが付いていて手動でも各軸が動かせるからです。

つまり汎用機としても使えるのでちちょっとした加工に便利です。

手作業によるボルト穴修正

CNCマシンにセットできないパーツは手作業です。
大変な作業ですが、頑張ります。

Z軸のボールネジの取り付け

製作したZ軸用のブラケットにボールネジを取り付けます。
通常、家庭用のCNCルーターなどの工作機械は、リードスクリューが使用されています。
それは、簡単にいうと、精度の高い普通のネジです。

それに比べて、ボールネジは、産業用CNC工作機械に一般的に使われている部品です。

もちろんボールネジにも幾つかの種類とグレードがあります。

コストの面から趣味で使う自作工作機械には、最低ランクのボールネジになるかもしれませんが、市販されているCNCルーターよりも産業用のパーツに近い部品を使っているという優越感はあるのではないでしょうか。

ヘッドストックの取り付けと調整

購入したヘッドストックユニットもいくつかの追加工が必要でした。
ボール盤でヘッドストック取り付け穴の追加工して、大きなプーリーを取り付けるためにもスイカ工をしました。

Z軸に対してヘッドストックが並行になる様に調整する必要があります。
精度の高いシャフトをチャックして、ツールポストに取り付けたダイヤルゲージで平行確認をします。

平行調整はヘッドストックベースを削って調整します。
時間はかかりますが、削って平行確認を何度も繰り返します。

キャレッジの取付け

キャレッジは既製品を改造することにしました。
ボールネジを使って自作したかったのですが、小型化を優先することにしました。

リミットスイッチの追加とその重要性

なるべく外側に飛び出さない位置にスイッチを配置しました。

X軸のホームスイッチ

X軸のホームスイッチは、メンテナンス性を考えてスイッチを外さなくても刃物台ベースを外せる様にしました。

X軸とZ軸用のクローズドループ ステッパーモーター

次に、X軸とZ軸のクローズドループ ステッパーモーターです。

普通のステッパーモーターとは違い、これらのモーターは負荷がかかっても角度を見失わない特性を持っています。

エンコーダーが付いていて角度を補正するのです。

これはCNCマシンにとって、とても重要なことです。
なぜなら、もしモーターが正しい角度で回らないと、正確な加工ができなくなってしまうからです。

今まで何度もこの問題のせい不良パーツを作りました。

でもこのモーターで問題解決。

電源とその仕様

次に進む前に、このCNC旋盤に必要な電源について詳しく説明しましょう。
私が選んだ電源は、最大36ボルト、15アンペアのものです。

最大36ボルト、15アンペアの電源の選定理由

なぜこの電源を選んだのか気になりますよね。
理由は、私が使用するサーボモーターやステッパーモーターが、この電源仕様に最適だからです。

また、大きな電力を必要とするパーツもあり、その電源供給を確保するためにも、この電源を選びました。
つまり、当たり前ですが、電源選定は、使用するパーツによって決まるのです。

ボルト数を調整できるタイプの利点

この電源はボルト数を調整できるタイプです。
これにより、様々な用途に対応できるのが大きな利点です。

特に、機械をカスタマイズする際や新たなパーツを追加する際に、電源のボルト数を調整できると非常に便利です。

CNCユニットのインストールとセットアップ

ここではCNCユニットのインストールとセットアップについて説明します。

Raspberry Pi4 にLinuxCNCのインストール

このプロジェクトではRaspberry Pi4をCNCコントローラーとして使用しました。
そして、そのRaspberry Pi4にLinuxCNCをインストールしました。

LinuxCNCは、オープンソースのCNCソフトウェアで、多機能かつカスタマイズが可能な点が魅力です。
また、Raspberry Pi4はコンパクトかつ高性能なハードウェアで、低コストで購入可能なため、DIYプロジェクトに最適です。

もし、あなたがCNCプロジェクトを始めるなら、この組み合わせを試すのはどうでしょうか？
インストール方法は動画で説明します。

Mesa 7C81の使用とその設定

次に、Mesa 7C81というモーションコントロールカードを使用しました。

Mesa 7C81は、高精度のモーションコントロールを実現するための強力なカードです。
このカードを使用することで、スムーズな運動制御と精密な加工が可能になります。

このカードの設定は、最初は少し複雑に感じるかもしれませんが、その後のパフォーマンスを考えると、その労力は十分に報われるでしょう。

ワイヤリングから動作確認までのプロセス

さて、いよいよ最終ステップです。全てのパーツが揃い、設定も完了したら、次はワイヤリングと動作確認です。

CNCユニットにDB 25コネクターを配線します。

各モータに配線します。

ワイヤリングの完了と次のステップ

ワイヤリングは、全ての電子部品を適切に接続する作業を指します。
それは一見、複雑に見えるかもしれませんが、一つひとつ慎重に進めることで、誰でも完成させることができます。

私のプロジェクトでは、サーボモーターやステッパーモーター、CNCユニット、電源ユニットを全て接続しました。

それぞれの部品が正しく機能するように、時間をかけて確認しました。

ワイヤリングが完了したら、次は動作確認です。

テストカット

テストカットに関しては動画を見てもらった方がわかると思いますが、何枚かの写真を貼っておきます。

最後に

ここまでお読みいただき、ありがとうございました。
この記事があなたのCNC旋盤プロジェクトに役立つ情報を提供できたことを願っています。

もし、このプロジェクトについてさらに詳しく知りたい方は、是非、私のYouTubeチャンネルをご覧ください。
私は、このプロジェクトの全てのステップを詳細に記録し、共有しています。

最後に、あなたのCNCマシン作りが順調に進むことを願っています。