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以下は報告書からの抜粋なので味も素っ気も無いけれど、まあ我慢されたし。
本開発のパーソナル・モデリング・マシンは製品の企画と設計段階における試作作業を技術者個人レベルで実現するための開発用加工システムである。加工の専門技術者だけでなく、機械、電子回路、ソフトウェア等の設計に関与する技術者が、容易に運用できる操作性と実用的な工作制度を持つ低価格な加工システムとして製品化を目指すもので、ここではその原型モデルを試作することを目標とする。
目標仕様 重量 ２０ｋｇ サイズ ５００ｍｍ立方 販売価格 ３５万円 絶対精度 １００μｍ 相対精度 ３０μｍ 目標精度 １０μｍ 加工領域 ２００×２００×５０mm 移動支持 磨きシャフト 移動駆動 台形ネジ＋ダブルナット 駆動方法 ステップモータ
全体的に軽量化を目指し、量産に結びつけるためにはアルミ部材を使用し、最終的にはアルミ鋳物で製造することができるようにした。 小物微細加工には１２０００ＲＰＭが欲しいが、スピンドル部の価格を押さえるため専用スピンドルを使えないのでモータ直結とした。したがってモータはスラストとその直角方向の力に耐える必要がある。
Ｙ軸 素材積載テーブルを前後に動かします。積載重量は２０ｋｇまで可能で、このときテーブルの垂直たわみは１００μになります。 Ｘ軸 マシンの上を左右に動く構造で、これに積載されるものはＺ軸とスピンドルモータ、合計で３ｋｇ。さらにスピンドル軸の切削抵抗が１ｋｇ程度となります Ｚ軸 スピンドルモータを載せて上下に動きます スピンドル 実験的にはＭＡＸＯＮ（スイス）製のＤＣ２４Ｖ１３０Ｗのコアレスモータを採用し、〜８０００ＲＰＭを確保します
３００万円程の一ランク上級マシンで剛性と切削抵抗を実験し推定してみた。
ミマキエンジニアリングのＮＣ−５Ｓ Ｚ軸の剛性 １０μｍ／１ｋｇ、Ｙテーブルの剛性 ２μｍ／１ｋｇ
仮定１：重切削 φ１０ｍｍで３００Ｗのエネルギーを消費 ６０００ＲＰＭ とすると毎秒１００回転 周長３１．４ｍｍ×１００で３ｍ／秒 １００Ｎの力、おおむね１０ｋｇ重
文献によれば
Ａｄ＝切り込み深さ（ミリ） 0.2
Ｒｄ＝切削幅（ミリ） 1.5
Ｓｚ＝１刃あたりの送り 0.05
Ｚ＝刃数 2
Ｋ＝材料係数（A5052=0.3) 0.3
Ｄ＝工具直径 3
Ｑ＝切削効率 20
これにより想定している加工対象であるアルミ合金で切削する状況を計算してみると２．８Ｎになり、たったの３００ｇぐらい（意外に小さい！）。
Ｚ軸の剛性 １０μｍ／１ｋｇ Ｙテーブルの剛性 １０μｍ／１ｋｇ
Ｙテーブルの剛性がＮＣ−５Ｓより劣るが、これはテーブル積載の予定重量が異なっているためで総合的性能としては妥当な線であろう。
フレーム アルミ型材を切削加工
組み立て ネジ止め
低価格供給のためには部材を鋳造するのではなく市販の型材をうまく使う必要がある。
ゼロ検出：
市販のゼロ検出ＳＷを利用したが8000円/個であり、各軸について２つの合計６個は高価すぎるので市販にいたるまでには改良しなければいけない。
各軸の駆動ドライバ：
４０００円/台のオリエンタルモータ製のユニットを３つ使用している。組み込み用量産品で信頼性も優秀でコスト的にも良好である。
各軸ドライバへの信号とゼロ検出：
GID-DIOキットを使用している。これは数理設計研究所による設計により同時に開発と試験中で４月から「ぐんま産業高度化センター」と共同で市販するものです。 パソコンからこのユニットを使用して８ビット出力のうち６ビットを３軸の駆動、１ビットをスピンドル制御に割り振る。入力の８ビットのうち６ビットを３軸それぞれ両端でのゼロ検出とリミッタに使用する。
電源：
すべての電源はＳＷレギュレータにより商用電源から２４ＶＤＣを作って供給する。電源容量は各軸のドライバが総計で４Ａ、スピンドルモータの最大出力時に７Ａ、合計で１１Ａ。最大電力は３００Ｗ未満となる。
その他：
緊急停止ボタンは必須ではあるが現状では設備していない。緊急停止ボタンはパソコン制御などによらず電源全体を遮断できる構造にする。
すべての制御はパソコンで行われ、通常の工作機械が持つ独立パネルを持たない。 パソコン側のソフトウェアは以下のモジュールで構成される予定である。
- ＸＹＺ軸ステップモータ制御とゼロ検出
- スピンドルのＯＮ／ＯＦＦ
- ジョグ機能
- ＮＣコードの翻訳
- 作業単位からＮＣコード作成
- 作業単位の編集
現在はこれらが個別に実験的に動作するだけで連携動作するところまで熟成されていない。
パーツ全ての購入価格は３０万円ぐらいになってしまったし、私の作業で３日の金属加工を要した。しかし商社ではなく群馬県内の金属加工業者に５０台／ロットでまかせればすべてで１５万円になると思われる。全体的に１０〜２０μｍの精度で試作したので、ベアリングやシャフト受け穴の精度が高すぎて組み立てるのに苦労した。それこそつばきを塗ってグッとしごいてという雰囲気。簡単にミクロン精度などと言うが、それより一桁低いはずなのだが、恐ろしいはめあい具合であった。
２０００年度はこれをGコードで駆動するソフトウェア、GID-DIOインターフェースの実験をかねて機構試験などをするよていである。
現物は太田研究室に置いてあるので見てみたい方は寄られたい。
↑ ３軸を組み立てて加重試験している段階、全ての軸について１０μｍ／ｋｇであった
↑Z軸機構部
↑ 実験するスピンドルモータ 左から AC３φコアレス（〜１２０００RPM、１５０W) DCコアレス（〜８０００RPM １３０W)
比較機にした ミマキエンジニアリングのNC-5S(実力精度１０μｍ）、シャフトやベアリングの穴明けに使用した。
end