高周波スタート付きCNCプラズマカッターの作り方
How to make a CNC plasma cutter with high-frequency start (incoherency.co.uk)
要約
この記事では、高周波スタート（HFスタート）を持つプラズマカッターがCNCコントローラーのUSB接続を妨げる電磁干渉（EMI）の問題を、WiFi経由で通信するESP32とFluidNCを使用することで解決する方法を解説しています。作者は、DIYで構築したモーションシステムとプラズマカッターを統合し、切断パラメータの調整や電源管理の課題にも触れながら、HFスタート付きプラズマカッターをCNCで活用するための実践的な知見を共有しています。
全文翻訳
高周波スタート付きCNCプラズマカッターの作り方
高周波スタート（"HFスタート"）付きプラズマカッターの問題点は、パイロットアークの点火時に発生する膨大な電磁干渉（EMI）が、近くの電子機器に問題を引き起こすことです。特に、CNCモーションコントローラーへのUSB接続が切断されがちになります。これを解決するには、WiFi経由でモーションコントローラーと通信します。
これは、作業台の仮設場所に設置した私のマシンです。
もしプラズマカッターをまだ購入していないなら、「HFスタート」ではなく「ブロウバックスタート」付きのものを入手することをお勧めします。そうすれば、その心配をする必要がありません。HFスタート付きのマシンを入手したのは私のミスでした。しかし、なんとか動作させることができたので、もし既にHFスタートのマシンを持っていて、それをCNCで使いたいのであれば、同じようにできるかもしれません。
最近、サイクルカーの平面部品を、非常に低い送り速度と切り込み深さで、多くの時間とエンドミルを費やして作っていたため、CNCプラズマカッターが欲しくなりました。
そこでeBayで入札を始め、誤ってParkside PPS 30 B2を80ポンドで落札してしまいました。
出品者は、Lidlで衝動買いしたが、コンプレッサーが必要だと気づき、持っていなかったと述べていました。
もしリサーチをしていれば、ブロウバックスタートのないマシンには入札しなかったでしょうが、現実はこうです。
届いたので、ガレージの床に設置し、プラズマアークを点火しながら、私の6040 CNCルーターを動かそうとしました。
予想通り、動作させることができませんでした。ほとんどの場合、アークを点火するとUGSがGrblから切断されました。
しかし、偶然にも、私は非常に長く非常に遅い動きが少ないテストプログラムを実行していました。これは、Grblのバッファに数分間の動きが残っていることを意味しました。そして、UGSがGrblから切断されて完全に壊れていても…Grblはマシンを動かし続けていることに気づきました！Gコードを完璧に追従していました。
つまり、問題はHFスタートが実際にGrblの動作を妨げているのではなく、単にUSBシリアル接続を切断しているだけなのです。
解決策：ESP32ボードでFluidNCを使用し、WiFi経由で通信します。FluidNCはGrbl互換ですが、よりモダンなマイクロコントローラーに適しています。
Charlieは光ファイバー経由でコントローラーと通信することを提案しました。これはWiFiよりもさらにうまく機能するかもしれませんが、セットアップがより面倒です。
残念ながら、ESP32の出力は5Vではなく3.3Vです。ストリップボード上にArduino Nano ESP32用のブレークアウトボードを作成し、74HCT245をレベルシフターとして出力に使用しました。これは3.3V入力を5V出力として提供するのに十分でしたが、どれほど正当かは不明です。
ここに私のカスタムブレークアウトボードが見えます。
当初、私はi3クローン3Dプリンターを分解した際に余ったA4988ドライバー付きの小型ステッピングモーターで実験しました。これらは問題なかったと思います。しかし、数年前に購入した未完成のCNCミニミルプロジェクトから余っていたLeadshineイージーサーボもいくつかありました。干渉がエンコーダー入力を混乱させると思ったので、Leadshineサーボは動作しないと思っていましたが、テストしたところ問題ないようでした。そして、それらはより強力で優れていますので、それらを使用しました。
しかし、プラズマカッターには、おそらく派手なサーボは必要ないでしょう。切断負荷は基本的にゼロで、単なる飾り立てられたペンプロッターのようなものです。
Leadshineのドキュメントでは最低18Vが必要とされていますが、手元にあった12V電源で試したところ、問題ないようです。
その後、サーボのアラーム出力をFluidNCの入力に接続しましたが、アークが開始されるたびに誤ってトリガーされ続けました（ため息）。そのため、アラーム入力をなしでサーボを実行しています。これは、オープンループステッピングモーターを使用した場合よりも悪い状況ではありません。
私のモーションプラットフォームは、角パイプ鋼と3Dプリント部品でできています。
同じ3Dプリンターから余ったGT2ベルトと、プリントしたプーリーを使用しています。2つのオレンジ色の部品のうち大きい方は36時間かかり、700gの材料を使用しました。これは私のこれまでの最大の3Dプリントです。すべてBambu Studioの"strength"設定でABS-GFでプリントしました。
"リニアレール"は、角パイプ鋼上を直接走行する608ベアリングで構成されています。調整可能にはしませんでしたが、すべきでした。なぜなら、予想よりもわずかに遊びが多いからです。これもルーターには全く不十分ですが、プラズマカッターなら大丈夫だと思います。
（トーチリードに巻かれたアルミホイルは、FluidNCを使用する前のシールド実験の名残で、効果はありませんでしたが、まだ外していません）。
より大きな水トレイが必要です。
プラズマカッターのアークを発火させるには、通常トーチトリガーに接続する2ピンのGX16コネクタがあります。
これをFluidNCで操作されるリレーに接続したので、M3/M5でオン/オフできるようになりました。（ただし、M3が何も行わないようにするには、FluidNCにゼロ以外の"スピンドル速度"を与える必要があることに注意してください。そのため"M3 S1"に慣れてください）。
これで、CNCモーションシステムと、CNC制御から発火できるHFスタートプラズマカッターが完成しました。何かを切り出す準備はできましたか？
残念ながら、私はプラズマ切断の経験がなく、（私の人生の物語ですが）見た目よりも難しいです。
空気圧、電流設定、送り速度をいじってみましたが、4mm鋼材をきれいに切断できませんでした。これは残念です。なぜなら、マシンのドキュメントでは最大12mmの鋼材を切断できるとされているからです。
しかし、3mm鋼材を試したところ、最初のテストカットはうまくいきました。そこでハート型を切り出そうとしました。（このGコードはChatGPTに書かせました）。
途中で延長コードのヒューズが飛んでしまいました。コンプレッサーとプラズマカッターを同じ延長コードに接続していたからです。ドジ！
コンプレッサーを別の延長コードに移動させてから、一度でうまくいきましたが、カットの下面にはかなりのスラッグがありました。
アングルグラインダーでこれをきれいにしましたが、片方の軸ではマシンがきれいにまっすぐ切断されているのに、もう片方の軸ではかなりひどく面取りされていることがわかります。
到着したらトーチの消耗品を交換する予定です。それでもダメならトーチクランプの角度を調整可能にするつもりです。これで面取りは解消できると思いますが、過度の面取りと切断性能の悪さが、私のマシンが実際には故障している証拠なのかどうかはわかりません。これが、ほとんど使用されずにeBayで売られた本当の理由かもしれません。
その後、切断中に16アンペアのブレーカーが数回トリップしたので、コンプレッサーを別の回路で動かす方法を見つけるか、現在の回路をアップグレードする必要があるかもしれません。
これは私の制御キャビネットにあるスイッチとライトです。
ただし、「アラーム」ライトは、サーボドライブがそれをトリガーできなくなったため、現在は余分です。
「トーチ」ライトは、FluidNCがリレーをオンにするように要求しているときに点灯しますが、スイッチが「イネーブル」に設定されていない限り、リレーは実際にはオンになりません。これは、Gコードを誤操作した場合でも、トーチが予期せず点火しないようにするためです。
ちなみに、このマシンには緊急停止ボタンは明らかにありませんが、トーチをオフにしたり、電源を切ったりすることはできます。そして、プラズマカッターを無人で稼働させるような状況は考えられないので、それほど心配していません。
リミットスイッチもありません。DIYマシンにリミットスイッチを付ける人がいる理由がよくわかりません（自動工具交換装置などがない限り）。グローバル座標系に何のメリットがあるのでしょうか？ジョブごとにワーク座標を設定する必要がある anyway。私のどのマシンにもリミットスイッチはありませんが、特にこのマシンでは、HFアークが開始されるたびにリミットスイッチが誤ってトリガーされると予想されます。
では、CNCプラズマカッターの製作について何を学びましたか？
- WiFi経由でモーションコントローラーと通信すれば、HFスタートマシンを使用できます。
- マイクロコントローラーへの入力（リミットスイッチ、緊急停止、アラーム入力、USBシリアルなど）は一切不要です。
- 角パイプ鋼とボールベアリングでリニアレールを作る場合は、遊びを取り除けるように、一部を調整可能にしてください。
- GT2ベルトは十分です。
- 3Dプリント構造は十分です。
- 正しい切断パラメータを取得するのは、残念ながらフライス加工の場合と同様に簡単ではありません。まだ学ぶことはたくさんあります。
- Leadshineイージーサーボは、ドキュメントでは最低18Vが必要とされていますが、12V電源でも動作するようです。
私はFluidNCと通信するためにカスタムGコード送信機を作成しました。既存のものとは異なる動作をさせたかったからです。コーディングエージェントはソフトウェアを安価に作成します。しかし、UGSはWiFi経由で通信できると確信しているので、独自の送信機を作成する必要はありません。
もしこの投稿の情報を使ってCNCプラズマカッターを作成した場合は、私にメールで教えてください。ぜひ聞かせていただきたいです。