Arduinoを使った歯車研削機を改良

◆まえがき

半月前に簡単な歯車研削機を作りましたが、スリットを入れる機能しか無いので最終的な歯車の形はヤスリを使って削り出す必要があります。やってみるとこの作業は結構大変で、特にたくさんある歯の歯幅を一定に揃えるのは手作業では無理な感じでした。

そんなことで砥石で2回カットすることで歯底の幅を自動的に切り出してしまうことにしました。

◆加工中の様子

歯の幅を正しいサイズで加工することが出来るようになりました。

歯車の寸法精度を上げるため、軸の先端をV溝で保持する方式に変更しています。

◆回路図

砥石の上限位置をVR1で設定出来るようにしました。

◆プログラム

20221018_GearCutter2.ino (BOM付きutf8）

動けば良いというレベルで作っているので、直したいところがいっぱいあるのですが、記録を兼ねてそのまま公開します。以下はプログラムのポイントです。

・#define NGT の値で歯数を指定

・#define CUT_WIDTH の値で2度切りする時の移動量を指定。この値(cp2)はモジュールと砥石の幅で変わってくるので、後記の表から拾ってくる。

・プログラムを起動すると加工待ち状態で待機し、この時に可変抵抗を廻すと砥石の位置を上下させます。ここで設定した位置が砥石の上限位置になります。

・加工スタートスイッチ（SW-1)をONにすると歯車加工を開始。OFFにすると加工中の歯の加工が終わった後で次の歯の位置に移動した後で待機。

・円周加工スイッチを押しながらリセットすると、ワークが連続回転するので外周加工を行います。

◆歯車仕様一覧表

モジュールと歯数に対する各部寸法の一覧表です。また、歯底を2度切りで加工するためのパラメーター(cp2)の値を示します。

◆加工例

・研削加工後

歯が少し傾いています。砥石の位置が悪い可能性が高いのですが、2度切りしている2回目の加工で砥石が逃げるような現象が発生しているのかも知れません。先に中央で切って後で前後をカット、つまり3度切りすれば改善するのかも知れません。

・刃先形状修正後

それっぽくなっています。なおこの例では歯の厚さが薄くなりすぎています。

◆関連ツールの整備

より精度の高い歯車の製作を目指して以下のようなツールを整備しました。

・軸穴加工ドリル

ハンドドリルでは正確な加工が難しかったので、実体顕微鏡にミニルーターを取り付けて穴開け出来るようにしました。この顕微鏡(SMZ-2B)の上下移動機構はクロスローラーガイドなので精度は抜群に良いはずです。

ボール盤があればこんなことしなくても良いんですが、まあ無いものはしょうがないです。

◆噛み合い確認

歯車として正常に使えるか確認するために準備しました。規定の軸間距離に設定してスムーズに廻るか確認します。モーターで回して歯面の当たりを出す狙いもあります。

◆ギアプラー

軸に圧入した歯車を抜くためのプラーを適当にでっち上げ。

・完成品、素材など

テスト加工で作った歯車などです。歯型を修正していない物もありますが、この状態でストックしておいて実際に必要になった時に追加工するつもりです。軸穴だけ開けたものもあります。

軸穴をΦ1.9mmのドリルで開け、M2の長ネジをマンドレル代わりに使って歯車を加工。最終的には、Φ2mmのシャフトならそのまま圧入し、それ以外のサイズの場合は穴を拡大して使うつもりです。

◆改良が必要な点

モーターを使って歯の噛み合わせを確認すると、高速回転させた時に歯の衝突が発生しているようです。慣らし運転や潤滑で改善出来るのかも知れません。噛み合わせのガタが大きいのもその原因になっている気もします。ともかく、現時点ではモーターピニオンのような高速回転する場所に使える歯車は出来ていません。なお、モーターピニオンのモジュールは0.5mmでおもちゃ病院の標準在庫にあるので、とりあえずは困らないと思います。

◆まとめ

必要なサイズの歯車を切り出すための最低限の仕掛けが出来ました。おもちゃ修理の実戦で使いながら改良していきたいと思います。

こういうメカ物は結果がすぐに判って楽しいのですが、精度を出そうとすると改善が必要な箇所が一気に増えてしまって処置が大変でした。プログラムや回路をいじっていたのは総作業時間の5%くらいで、後はメカの改良とテスト加工に費やすことになりました。慣れないことをやると時間ばかりかかってしまいます。

Arduinoを使って簡単な歯車研削機を作る

◆まえがき

おもちゃ病院で修理を行う時に新しい歯車が必要になることがあります。標準的な歯車なら在庫があるのですが、モジュールが大きな物などは手持ちが無くて困ってしまいます。仕方が無いので金ノコとヤスリで歯車を削り出したりしているのですが、あまり精度よく作ることが出来ません。

そんなことで歯車を削り出すメカを作ってみることにしました。ただインボリュートの歯形まで削り出すことまでは難しいので、正確な割り出し角度で歯のピッチを刻む物を作り、最終的な形状はやすりで削って仕上げることにしました。

◆構造

・全体

歯の割り出しには、プリンターを分解した時に回収しておいたギア付きステッピングモーターを使います。歯のカットにはミニルーターにディスク砥石を取り付けた物を使います。

砥石の上下を自動化するためサーボモーターを使いました。なお、砥石の下限位置は手動で決め、サーボモーターは下限ストッパーに当たるまで砥石を下げることだけを行うようにしました。

全体の制御にはArduino UNO を使っています。

・ミニルーター

ミニルーターのボディの後端付近にV溝を加工し、その溝を金属の軸に輪ゴムで押し付けることでスイング可能としています。

砥石の下限位置は手動ストッパーの位置を変えることで行い、そのストッパーの上にサーボモーターを載せてミニルーターを上下させる構造としました。

・角度割り出し部

写真の左のギアが角度割り出し用の物です。中間のアルミのLアングルで作ったV溝でチャックを受けています。

・ステッピングモーター

モーターの1回転は200パルス、ギアの減速比は (94 / 19) x (83 / 29) = 14.15971 。ということで、1回転させるには 2831.942パルスという半端な値が必要になります。

・ワーク取り付けヘッド

六角軸のチャックを樹脂パイプで延長した物を作りました。軸の左端はギア部と接続し易くするため四つ割りにしてあります。また軸の調心のためユニバーサルジョイントになるように切れ込みを入れています。

軸は片持ちなので、精度が悪いと先端が振れるので要注意です。実は2回作り直しました。

◆回路図

モータードライバIC（L298N)を使ってスッテッピングモーターを駆動しています。モーターのコイル抵抗は8Ωで、USBの5Vから直接駆動出来るようにするため、R1, R2を入れています。電源に余裕があればこの抵抗は省略してもっと高速動作させたいところです。

サーボは、D3ピンから接続するだけで動くので簡単で良いです。

・回路部

◆ソフト

20221007_GearCutter.ino (UTF8エンコード、BOM付き）

動けば良いという感じで作っているので、使っていない関数や変数が残ったりしています。オリジナルは、この記事から持ってきました。なお、プログラムは9枚歯の状態になっているのでこれ以外の歯数にしたい時は修正が必要です。

ギアの減速比が半端な値なので駆動パルスの計算は浮動小数点で行っています。そんなことで、もの凄く長い時間動かすと計算誤差が蓄積して影響が出るかも知れませんがたぶん大丈夫でしょう。因みにこのミニルーターの連続通電時間可能は15分です。

スタートスイッチをONにすると、軸をインデックス回転させると共に砥石を上下させて研磨を繰り返します。SW-2を押した状態でリセットすると調整用に軸を連続回転させます。

◆加工中

削りカスは右方向へ飛ぶので、加工中は水に濡らしたティッシュぺーパーで受けるようにしています。

・動画

Arduinoを使った歯車研削盤のスピンドルをサーボモーターで上げ下ろし出来るようにして自動化した。
メカ物は結果がすぐ判るので楽しいね。 pic.twitter.com/LNKgYmU013

— ラジオペンチ (@radiopench1) October 6, 2022

多くの方からいいねを頂いてます。嬉しい限りです。

◆まとめ

これで割と楽に歯車を作ることが出来るようになったと思います。何より自動で動く物はは見ていて飽きないです。

今回の記事では三つ爪のチャックでワークを咥えています。つまり外形基準で加工しています。歯車は軸穴を基準で作った方がいろいろと都合が良いので、穴基準でも加工できるように取り付け用の部品を整備したいと考えています。この時、軸の先端を支持すれば、旋盤のセンター仕事のようになって精度も上がると思います。

タマムシの羽根のスマホケースの製作、2022年版

◆まえがき

今年もタマムシの羽根をあしらったスマホケースを作ったので、記録を兼ねて製作過程を紹介します。

◆去年の作品　（製作記事：玉虫厨子にインスパイアされてタマムシのスマホケースを作った）

羽根を小さく刻んでモザイク状に貼り付けています。羽根は立体形状で平らな面に貼ることが難しいのでこのようなデザインにしました。

これはこれで面白いと思うのですが、やはり羽根の形を残した方が印象的な物になったはずです。ということで気になっていました。あと、この写真で判る様に1年経つとレジンが劣化して部分的に黄変しちゃってます。

◆製作準備

・素材

散歩の時に拾い集めておいたタマムシの羽根。あとは100円ショップのポリカ製のスマホケースとレジンです。（これ以外に裏面を塗るためのスプレー塗料を使っています）

・レジンを硬化させるためのUV-LED

ポリカケースの裏からUVを照射して羽根を1枚づつ平らに接着する必要があるのですが、その時に両手は開けておきたいのでフットスイッチを使ってUV-LEDを点灯させる仕掛けが必要になります。そこで、上の写真のような物を準備しました。

上の白い小さな基板は100円ショップの 6灯UV-LED照射装置の中の基板を取り出した物です。そのままだと全部のLEDが光って目に良くないので1か所だけ残してアルミテープで遮光しておきました。

下の木の棒は手製のフットスイッチで、右端に付けたプッシュスイッチを踏むことでLEDを点灯させています。なおスイッチの接点はUV照射装置の押しボタンに並列に接続してあり、1回押すとタイマー動作でLEDが点灯。点灯した状態で再度押すと消灯します。

◆デザイン検討

羽根の形を生かしたものにしたいので、上のようなデザインで行くことにしました。手に入った羽根のサイズは少し違っていたのでレイアウトに生かしています。あと、羽根の色も個体によって少し違っていたので、緑色が鮮やかなものを選別しました。

◆羽根の前処理

タマムシの羽根は3次元の立体形状になっていて、特に根元は固いのでそのままでは平面に貼り付けることが出来ません。

この写真は羽根を裏側から見たものですが、以下のような処理を行いました。

a) 右端（根元）は固いので半円状に切り捨て。

b) 羽根の周囲には補強用のリブが入っているのでカッターの刃を立ててスクイーズすることで除去。

c) 裏面の全面にある光沢部もスクイーズして除去。（薄い黄色のベースが見えてくる）こうすることで羽根が薄くなって平面に貼り付け易くなるのと同時に接着力も上がります。

◆貼り付け

羽根の裏にUVレジンを塗っておき、所定の位置に平らな木片を使って押し付け、その状態で裏側からUVを照射することで平らに接着しました。

羽根を置く位置が判る様に、反対側から目印になる点を描いておきました。（後でアルコールで消します）

接着性を良くするため。ポリカの表面はあらかじめ400番のサンドペーパーで面を荒らしておきました。写真でケースの表面がくすんでいるのはこのためです。

・貼り付け完了

裏から見た写真です。羽根の根元を切り捨てているので、レイアウト検討時と比べると羽根が少し短くなっています。

この状態で点検して大きな空洞にはレジンを補充しました。

頭や尻尾を模した模様などはマジックインキで手書きで書き加えました。このあたりはもっと綺麗にやる手がありそうです。

羽根の裏を加工する時に穴が開いてしまった箇所は、その穴の裏側を黒く塗っておくと目立たなくなります。

・オーバーコート

小さなハケを使ってレジンを上塗りし、その後屋外に出して太陽光で硬化させました。レジンはたぶん3グラムくらい載せています。

羽根の表面はレジンがはじき易いので事前にアルコールなどで十分脱脂しておいた方が良いです。

・完成

裏側に薄いベージュ色のスプレーを塗って完成です。

◆まとめ

何とか完成形まで持って行くことが出来ました。世界に一つしかないスマホケースの完成です。

羽根を如何にして平面に加工するかがポイントで、今回は機械的に削ってしまいました。強アルカリで煮ると柔らかくなりそうなのでいつかやってみたいのですが、実験室のような場所でやらないとちょっと危険ですね。

◆反省点、他

1）トップコートを固める時、反応熱で羽根の裏から小さに気泡が発生した箇所が発生してしまいました。レジンはすぐに固まるので気泡はそのままの形で残ります。羽根の裏に空間が残らないようにレジンを入れておくと良いです。

2）裏面の色は薄めのベージュにしたのですが、去年のように真っ白の方が見た目は綺麗でした。

3）一部でトップコートの中で羽根の表面が剥がれた個所が発生してしまいました。トップコートの前に良く脱脂しておけば良かったです。