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タップホルダーに300mmの寸切りボルトを通してモーターの軸に固定します。そして軸の中心から100mmのところに重しをぶら下げます。モーターには0.4x2=0.8Aを定電流で供給し、ホールドできなくなる時点での重量を測定します。

310[g]x10[cm]=3100gf cm=0.3[Nm]と算出されます。アマゾンで購入したこのモーターのトルクは0.26Nmとあるので、それを上回っている。これには少々驚いた。しかしながら、テスターで抵抗を測ると30Ωですが12Vで定電圧駆動すると0.4x2Aを流すことができず、0.4x2Aを流すために14.53/12=1.2で20%ほど余計に電圧を掛けているのでそれが理由かもしれない。

中華モーターということでまったく信頼してなかったけれども、この製品に関してはカタログ通りの静止トルクはあるようです。

こうなると次に購入するモーターの選択肢が広がる。次も中華モーターにするかもしれません。

Arduino UNOにバックラッシュ補正機能を移植し、うまく動作させることができました。

ソフトでバックラッシュの補正をしたいという要望は当然GRBLにもあって、調べたところ数年来にわたって時折質問が上がっているようです。そしてarduino UNOではメモリーが足りないために出来ないというのがお決まりの回答で、よって補正はGRBLの外の世界でやれという意見が100%です。GCODE post processorで検索を掛けると色々と出てきます。やることはGコードを調べてXYの移動方向が変わるときに、バックラッシュ分の下駄を履かせて動かすための別のGコードを挿入します。実例もあって、こちらの方は挿入するGコードを示しています。直線移動を指示するG1の場合はXYそれぞれを独立にモニターして向きが変わることを調べればよいので簡単です。円を描くG2も同じようにすればできると主張している人はいますが、実例を挙げている人は皆無です。

Gコードを入力にしているわけではありませんが、こちらの方はfusion360にプラグイン(?)を入れて、バックラッシュ補正をしたGCODEを吐き出すようにしているようです。fusion360に関しては全くの無知ですが、説明では円を4分割して象限の変わり目で補正を行うコードを出力しているようです。

G2コードを同様の手法で4分割すれば円に対してもバックラッシュ補正をすることは可能です。当方のハードではarduinoに送られるデータはすべてTWELITEのMCUを経由するので、TWELITEに円分割、バックラッシュ補正機能を実装すればよい。しかしGRBLにはジョグコマンドもあるのでそれの補正も必要。外部で補正を放り込むとGRBLの認識するマシン座標と現物がずれてしまうため、GRBLの出力する座標値にTWELITEで下駄を履かせてずれを外部に見えなくすることが望ましい。こういったGRBLとTWELITEの状態合わせは可能だけれども、実際に実装するのは結構面倒。

GRBLの本家ではありませんが、こちらの方はGRBL 1.1hをarduino MEGAに載せてバックラッシュ補正を組みこんでいます。これをarduino UNOに移植できないかを検討してみることにしました。当方のGRBL UNOではプログラムメモリーの使用量は92%なのでうまくすれば入るかもしれないと思ったからです。

MEGAのGRBLはUNOとほとんど同じですが、ソースコードをそのまま置き換えることでは対応できないため、バックラッシュ補正に関するコードを抜き出し、それをUNOのGRBLに組み込みます。手作業のため数時間掛かりましたが、移植することはできました。MEGAのコードには少々課題があって、そこを修正しないと動作しませんでした。移植後のプログラムメモリー使用量は94%です。

完成したソフトの動作を確認してみました。Xテーブルを左に移動してDROを0にセットします。

バックラッシュ補正を組み込んでいないソフトで、Xテーブルを右に10mm移動させます。DROの読みは9.89mmとなり、0.11mmのバックラッシュがあることが分かります。

次にバックラッシュ補正を入れたソフトに変えて、補正量を0.11mmに設定します。テーブルを同様に動かして調べると、DROの読みは10.01mmとなって補正が効いていることが確認できます。Yテーブルも同様です。

バックラッシュ補正時にはマシン座標の更新をしないようにソフトができているため、GRBLの報告するMPosは一貫性を維持しています。

grbl-1.1hとの差分(diff)ファイルをgithubに上げておきました。grbl11h-backlash.txtとbacklash.cとbacklash.hです。backlash.hはMEGAのものと全く同じです。

モーターの電源を常時オンに設定したところ、静止中にモーターからキーンという高周波音が聞こえます。Yの電流を0.6Aに増やしたことが原因かと思って調べたところ、音が出ているのは規定電流を流しているX側のモーターでした。A4988ドライバーICは接続する抵抗によってディケイモードを設定するようになっているため、モジュールの回路を調べて見ました。当方のモータードライバーは中華パチモノですから、オリジナルとは異なります。現物に合わせた回路は以下となります。

ROSCはグランドに直結しているため、ディケイモードはミックスモードとなり、FastからSlowへと切り替わります。

モーターの電流を調べるとそのように動作しています。電流検出抵抗R4/R5は上の左図の一番下の赤矢印の位置に入っています。Fastが始まるとR4/R5を流れる向きが変わってマイナスとなり、Slowになると抵抗を流れなくなるので0となり、正常に動作しているようです。

コイルを流れる電流が変動すると振動して音がでるのは仕方がない。静止しているから聞こえるわけで動作中はさらに大きな動作音が出るので気付かないだけです。またY側から音がしないのは電流スイッチングが起こらないからで、 コイルの抵抗は30Ωのため最低所要電源電圧は30x0.6=18Vとなりますが、現在使っている電源が18.5Vのためトリップする電流まで到達してないからでした。0.6A流すと20Wの発熱があるため0.5Aに下げました。0.5Aでもスイッチングは起こらず静かです。発熱は15Wで少しだけマシに。

次はX側のDROをメンテして導電塗装をします。

GRBLの各パラメーターを適宜設定するとホーミングサイクルが直ぐに動作します。リミットスイッチが入るまで自動的にXYテーブルを動かしてホーム位置を見つけます。またモーター電流を規定の0.4Aに設定しました。これで試したところ、Yがテーブル位置によって脱調する。モーターのトルクが不足しているようです。Yは製作精度の関係でバックラッシュがXよりも小さい=抵抗が大きいことも関係している模様。アマゾンで購入したモーターの性能も信頼できないし、素性の知れたモーターに買い替えるのが正しい選択ですが、そうすると現在のモーターの行き場がなくなる。そこで当面は電流を0.6A程度流すことにしました。明らかに定格オーバーで発熱で早々に壊れるかもしれないが、それまでに次のモーターを選んでおけば良い。

モーターは置いといて懸案だったDROのメンテを行うことにしました。DROの表示値が時折飛ぶ問題が引き続きあって、表示装置を作ったら再度調べようと思っていました。この問題は調べたところ、ここやここやここやここやここで語られています。これらの内容を書き出すと、

- 読み取りヘッドがスケールに対して安定してない。シムを入れて然るべき位置に固定して上手く動くようになった。
- バッテリーが減ってくると交換するまで変な動き
- スケールに付着した削りくず。ペーパータオルで拭いたら数か月は正常動作。ただしスケール上およびタオルに削りくずが付いているのを実際に見たことはない
- モータースイッチからのEMI。レールにカバーをし、電気的に機械から絶縁したら良くなった
- 電気的雑音に弱い、特にモーターと蛍光灯。電解コンデンサを交換するか、ユニット内部の電源に接続することを勧める <= 電解コンデンサは使われてないと思う
- 5mmステップで表示が前後に飛ぶ。時として機械が止まっていて電源オフのときにもおかしくなる。表示がおかしくなるユニットはスケールとリーダーのアライメントを調整することで改善する。しかし時折おかしくなる。故障か？
- 測定値が0.2または0.4(インチ)飛ぶ <= これは頷ける。スケールのパターンは0.2インチで繰り返されているようだ
- 0.4インチジャンプの原因として、スケールが天地逆に付いている。それからスケールとピックアップエンコーダーが近過ぎるのでシムで調整
- 電気的にDROを本体から絶縁したら即直った
- iGagingはバッテリー動作用で、読み取りヘッド側に何ら電源安定回路がない。2または3個で使うとケーブルがグランドループを構成してアンテナとなる。電源ラインには5Vを越えるスパイクが観測されることがあり、結果GND=5V、Vcc=3Vとなり電源がフリップしてピックアップがリセットする。直すには電源をアイソレートする。しょっちゅう起きないなら、0.1 or 0.01uFのバイパスキャパシタをVccとGroundにボード上に入れる
- シールドケーブルを使え
- グランドループとは関係なく起きている。実際回路は絶縁されていてループは無い。モータースタートアップ時に起きる。10kのプルダウン抵抗を外したら直った

といった具合で、色々な人がそれぞれの環境で色んなことを試してそれぞれの考察が述べられています。当方の環境では電池動作でグランドループとは関係なく飛んでいた。その時はピックアップがおかしいのか表示部がおかしいのかが不明でしたが、今は表示部は自作。それでも飛ぶのでピックアップの問題と確定。蛍光灯のスタンドのスイッチを入れた途端に2回ほど飛んだのでピックアップがEMIの影響を受けている模様。そこでシールドのためケースに導電塗装をしてみました。Polycalmという導電塗料で4回重ね塗りした後にケースの端と端で抵抗を測ったら4Ω程度でした。

また効果は不明ですが電源ラインにキャパシタを追加。これで様子見です。