インターフェイスボードの製作

Beagle Bone Black の I/O は 3.3V かつかなり電流的に厳しいので、5V変換バッファを外部につけたほうがよさそうです。ということで、BBB とステッピングモータドライバの間にバッファをもうけました。やってることは単純で、バッファIC 74LVC541 で入出力をバッファしているだけです。5Vトレラントなバッファを使うことで電圧変換を同時に行います。

出力用に2つ、入力用に1つ使っています。入力用のICには 3.3V を供給し、入力側を5V でプルアップしています。出力用のICには5Vを供給し、BBB からは直接繋いでいます。あまり行儀良いとはいえなそうですが、これでインターフェイスは 5V に統一されています。

さらにフォトカプラとかで絶縁するとより良さそうですが、現状使っているステッピングモータドライバ (Sable-2015 付属のものです) にはフォトカプラが入っているっぽかったのでやっていません。

SOP の IC を使うつもりが、間違えて TSSOP のをいくつも買ってしまって諦めて TSSOP でなんとかしました。前に TSSOP をやったときは、かなりキツいと思いましたが、今回は思ったよりうまくできました。が、TSSOP 以外の部分で 0.25 幅の配線が2本ほど消滅してしまってリワークでなんとかしました。

というか後から調べてみたら 74*541 (非反転バッファ) で SOP の IC は秋月では取り扱いがないみたいですね。74*540 ならありました。反転でもソフト側でなんとかなるのでどっちでもいいんですが……

1608 (1.6x0.8mm) の抵抗の下を一本通すみたいなパターンにせざるを得なかったですが、なんとかなりました。といっても、特にチップ抵抗使う意味はなかったので、普通にリード部品にして安全に実装しても良かったかと思いました。今回はここの部分では特に問題が起きなくて良かったです。

(これらの切削は Grbl でやったものです)

HAL ファイルの設定

レポジトリ: https://github.com/cho45/machinekit-configs

HAL manual を一通り読んでも設定できるぐらいの知識はつかなくて、既存の他の設定ファイルや、ドライバのソースコードを読んだりしないと正確に設定することはできません……

とりあえず .hal での設定の流れですが以下のような感じです。

1. loadusr コマンドで実行に必要な外部プログラムをロードする
   • loadusr -w だとコマンドの終了を待つ (初期設定を外部コマンドでやるために必要)
   • loadusr -W だとコマンドが起動するまで待つ
2. loadrt コマンドで必要なコンポーネントをロード・設定する
3. addf でコンポーネントの関数を実行スレッドに追加する
4. setp でコンポーネントのパラメータ設定をする
5. net でコンポーネント間を接続する

net コマンドがいちばんややこしい です。既存の設定ファイルだと、source target の形式になってないものが多いような気がするんですが、なんで動いてるんでしょうね?

基本的には既存の設定のコピペでなんとかなるのですが、自分の環境にあわせてピン名などはあわせこまないといけません。

ちなみに [xxx]foo みたいな文法は .ini ファイルの値を参照していているだけです。

loadrt hal_bb_gpio output_pins=107,115,119,126,214 input_pins=109,110,114,116,118

loadrt hal_pru_generic prucode=$(HAL_RTMOD_DIR)/xenomai/pru_generic.bin pru=1 num_stepgens=3 num_pwmgens=1 halname=hpg

# P9.27
setp hpg.stepgen.01.dirpin          147
# P9.28
setp hpg.stepgen.01.steppin         145

# P9.27 GPIO
927
# P8.11 PRU OUT
1811
# P8.15 PRU IN
2815

.ini ファイルの設定

各軸の MAX_VELOCITY, MAX_ACCELERATION, SCALE, MIN_LIMIT, MAX_LIMIT はすくなくとも必ず理解して確実に設定しなければなりません。これらの項目はマシンごとに異なるのでコピペではどうにもならないからです。

参考までに自分が Grbl に設定していた項目 の一部をコピペしてくると

$0=10 (step pulse, usec)
$1=25 (step idle delay, msec)
$100=1066.667 (x, step/mm)
$101=1066.667 (y, step/mm)
$102=1066.667 (z, step/mm)
$110=800.000 (x max rate, mm/min)
$111=800.000 (y max rate, mm/min)
$112=800.000 (z max rate, mm/min)
$120=150.000 (x accel, mm/sec^2)
$121=150.000 (y accel, mm/sec^2)
$122=100.000 (z accel, mm/sec^2)
$130=200.000 (x max travel, mm)
$131=150.000 (y max travel, mm)
$132=60.000 (z max travel, mm)

としていました。この設定を Machinekit に置き換える場合、単位が全て単位時間あたりのものになっているので、そこをまず気をつける必要があります。

X軸の最大速度が 800mm/min なら [AXIS_0] で MAX_VELOCITY = 13.4 と指定する必要があります。加速度は単位が同じなのでそのまま MAX_ACCELERATION = 150。

SCALE は step/mm なのでこれもそのまま指定できます。(備考ですが、Sable-2015 のウェブの設定を見ると4マイクロステップ時のものになっています。実際には8ステップでしたので、2倍にしてあります)

自力で計算しなおす場合 200steps/rev, 8microsteps, 1.5mm/rev という環境なら

という感じで計算できます。

実行して調整する

実際設定一発で完璧に動かせるわけがないので、何度か調整する必要があります。

まず .hal の設定を変えてる場合は、意図したピンから出力がでていることをオシロで確認することが必要です。また入力も halmeter とかで必ず確認します。インターフェイス基板がちゃんと動いているかとかも含めて、動かす前に必ず電圧と波形をすべて確認します。

あとは

• 軸の移動方向が逆
  • SCALE の符号を逆にする
• ホーミング時に動く方向が逆
  • HOME_SEARCH_VEL の符号を逆にする
• 原点と逆方向にホームスイッチつけてんだけど？
  • HOME_OFFSET が「原点からホームスイッチまでの距離」を表わすので、これをテーブルサイズに設定する
• ホーミング後にものすごい動くんだけど？
  • ホーミング後は HOME で指定した座標まで移動する。HOME_OFFSET - 3 ぐらいに設定しとくのが良い

という感じで設定を詰めていきました。

備考：自分の環境 (Sable-2015)

上記設定ファイルはあくまで自分の環境用のもです。特にホーミングまわりや、軸方向などは設置状況に応じてそれぞれだと思います。

参考までにどんな環境で設定したかを書いておきます

• リミットスイッチは Sable-2015 を正面からみて、以下のようについています。片側だけです。ホーミングとリミットのスイッチを兼ねています。
  • Xは右側
  • Yは奥側
  • Zは上側
• X/Y 軸の原点は左手前
  • テーブルの右に行くにしたがってXが増える
  • テーブルの奥に行くにしたがってYが増える
• Z軸
  • スピンドルが下に行くにしたがってZが減る
• スッテピングモータードライバは付属のもの。
  • 8 マイクロステッピング設定
  • 特に改造していません

備考：内部コンポーネント

マニュアルは http://www.machinekit.io/docs/man/man9/ にありますm

ソースコードは src/hal/i_components にあります。謎のファイル形式にみえますが、instcompでコンパイル・インストールできるようになっているらしいく、実体はプリプロセッサで面倒な部分が隠してあるCのファイルです。

仕様

• 左アナログパッドに X/Y軸
• 右アナログパッドに Z軸

が割り当てられています。これが基本ですが、事故防止のため左右のトリガーを押している間しか動作しないようになっています。

• 左トリガーを押しながら軸操作をすると低速移動
• 右トリガーを押しながら軸操作をすると高速移動

アナログパッド自体にも傾きによって速度調節が入りますので、トリガーの役割は「最大速度の設定」です。

また、X/Y軸が同一アナログパッドにある弊害として、このままだと意図せずに移動したい軸ではない軸を動かしてしまうという問題があります。これに対処するため、

• Xボタンを押している間はX軸のみ動く (Y軸の移動が抑制される)
• Yボタンを押している間はY軸のみ動く(X軸の移動が抑制される)

としてあります。Z軸は独立していて問題ないので、これで意図した軸を確実に動かせます。

まだ L, R, A, B, Back, Start ボタンと十字キーとスティック押し込みが余っています。probe はどこかに入れたいですが、残りは特に思いついてません。

.hal

# X-BOX USB コントローラジョギング設定
# abs-hat0x, abs-hat0y: デジタル十字キー 1 か 0 か  -1
# abs-rx, abs-ry: 右アナログスティック
# abs-rz: 右アナログトリガー (RT)
# abs-x, abs-y: 左アナログスティック
# abs-z: 左アナログトリガー (LT)
# btn-a: Aボタン
# btn-b: Bボタン
# btn-mode: XBox ボタン
# btn-select: BACK ボタン
# btn-start: スタートボタン
# btn-thumbl: 左スティック押し込み
# btn-thumbr: 右スティック押し込み
# btn-tl: 左上側ボタン (LB)
# btn-tr: 右上側ボタン (RB)
# btn-x: Xボタン
# btn-y: Yボタン

loadusr -W hal_input -KRAL 360

loadrt deadzone count=5
loadrt scale count=2
loadrt mux2 count=3
loadrt flipflop count=1

addf flipflop.0 servo-thread
addf mux2.0 servo-thread
addf mux2.1 servo-thread
addf mux2.2 servo-thread

addf deadzone.0 servo-thread
addf deadzone.1 servo-thread
addf deadzone.2 servo-thread
addf deadzone.3 servo-thread
addf deadzone.4 servo-thread
addf scale.0 servo-thread
addf scale.1 servo-thread

setp deadzone.0.center      0.0
setp deadzone.0.threshhold  0.2
setp deadzone.1.center      0.0
setp deadzone.1.threshhold  0.2
setp deadzone.2.center      0.0
setp deadzone.2.threshhold  0.2
setp deadzone.3.center      0.0
setp deadzone.3.threshhold  0.2
setp deadzone.4.center      0.0
setp deadzone.4.threshhold  0.2


# トリガーをひかない限り動かないようにする
# また、トリガーのアナログ値によって最大スピードを制限する
# 左トリガー
setp input.0.abs-z-offset 0
setp input.0.abs-z-scale 255
net joy-speed-jog-dead-l input.0.abs-z-position   deadzone.3.in
setp scale.0.gain 80
setp scale.0.offset 0
net joy-speed-jog-scale-l deadzone.3.out scale.0.in
net joy-speed-jog-final-l scale.0.out mux2.0.in0

# 右トリガー
setp input.0.abs-rz-offset 0
setp input.0.abs-rz-scale 255
net joy-speed-jog-dead-r input.0.abs-rz-position   deadzone.4.in
setp scale.1.gain 800
setp scale.1.offset 0
net joy-speed-jog-scale-r deadzone.4.out scale.1.in
net joy-speed-jog-final-r scale.1.out mux2.0.in1

# 左か右いずれかを有効にする。ただし左が優先
net joy-flipflop-reset input.0.abs-z-is-pos flipflop.0.reset
net joy-flipflop-set input.0.abs-rz-is-pos flipflop.0.set
net joy-select-maxspeed flipflop.0.out mux2.0.sel
net joy-selected-maxspeed mux2.0.out halui.jog-speed

# X-BOX のコントローラの Scale は 127.5 ではないので気をつけよう
# 軸方向反転の設定
# setp input.0.abs-rx-scale -32767.5
setp input.0.abs-ry-scale -32767.5
setp input.0.abs-y-scale -32767.5

# 左アナログパッドはX/Y軸
# 右アナログパッドはZ軸
net joy-x-jog-dead input.0.abs-x-position  deadzone.0.in
net joy-y-jog-dead input.0.abs-y-position  deadzone.1.in
net joy-z-jog-dead input.0.abs-ry-position   deadzone.2.in

# XボタンまたはYボタンを押しているときは、それぞれX軸またはY軸のみ移動可能にする
# 予め net はしておくが、ボタンが押されたときは他軸の移動を抑制する形
net joy-x-jog-mux deadzone.0.out mux2.1.in0
setp mux2.1.in1 0
net joy-y-jog-mux deadzone.1.out mux2.2.in0
setp mux2.2.in1 0

net joy-x-brake input.0.btn-y mux2.1.sel
net joy-y-brake input.0.btn-x mux2.2.sel

net joy-x-jog mux2.1.out halui.jog.0.analog
net joy-y-jog mux2.2.out halui.jog.1.analog
net joy-z-jog deadzone.2.out halui.jog.2.analog

# X-BOX ボタンでマシンが起動するぞ
net joy-btn-xbox input.0.btn-mode halui.machine.on

備考：deadzone の設定

アナログスティックを離していてもいずれかの方向に多少傾いていて入力されてしまうので、中央付近に不感帯をつくっておく必要があります。

備考：XBox コントローラのアナログスティック類は 16bit

なので各種 scale に入ってる値が 32767.5 になっている。うっかり符号を変えようとして -127.5 とか入れると大変なことになるので注意が必要。

XBox コントローラは、2つの2軸アナログパッドと、2つのトリガーが16bitアナログなため、合計で6つのアナログ入力があります。

やってみた雰囲気

フォトカプラ的なもの (多少実際のモデルと異なります)

ロータリーエンコーダー風のもの

位置的にちゃんと光軸通るの？ってのを探ってる

周辺環境とがっちゃんこしたやつ

回るんやで

CAM まで内蔵されてるんやで

できたで (※これは3D CGではありません)

温度感

2D で「スケッチ」を描いてプッシュ/プルで形成していくので、SkechUp と比べてイメージの書き下し手順には大差なく、Fusion 360 のほうが高機能なのでかなりやりやすい。

上のように手にとれる立体をつくるまで、モデリングに3、4時間、切削の4時間ぐらい(ハマリも含めて)。

思いのほかモデリングが楽で「こうしたい」と思ったことはだいたいできた。スケッチを複製して別の面に移動するみたいなことはできない？ っぽくて、プッシュプルで頑張ったけど、やりかたはありそう…

YouTube に公式の日本語チュートリアルがあるので、ぼーっと見とくだけで全能感が産まれる。

ワークフロー

スケッチと呼ばれる 2D 図面を起こしてから、3D モデルに変換していく。

図形は最初から完璧に配置する必要はない。図面に寸法を記入すると、自動的に図形の形が正しい形になる。

拘束という仕組みがあり、辺と辺・点と点の関係を定義すると、図形に他の変更を加えても、その関係が維持されるようになる。寸法も拘束の一種といえる。宣言的プログラミング (制約プログラミング) を GUI でできる感じ。

長方形などのプリミティブな図形は、簡単に図形が描けるだけではなく、自動的に拘束が定義される。

タイムライン

まず、これはアンドゥ機能ではない。

作業のある時点に遡って変更を行え、それに依存する他の作業すべてに影響を及ぼす。過去改変のコマンド。

CAM まわりの罠

Grbl な環境でめちゃくちゃな動きをしまくってハマりまくった。CAMotics とかでシミュレーションさせたりしてもおかしくなくて、実機で動かして初めて分かる不具合だったのでかなり難儀した (安いエンドミル数本と高いエンドミル1本をダメにした)

以下のようにすること

• minimumCircularRadius を 1000 とかにする (ARC コマンドをやめて全て直線で出力)
• 出力ファイルを nkf -Lu --overwrite 1.nc とかして改行コードを unix にすること (Fusion 360 は CRLF を吐くが、LF にしないとなんか謎のぶっこわれたパスを描いてしまうことがあった)