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oxox 2021年02月28日作成 (2021年02月28日更新)
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マニュアル式、クレーンゲーム

マニュアル式、クレーンゲーム

はじめに

クレーンゲームは好きなんだけれど、既存のものは操作を X, Y 方向のボタンを押すだけのオートマチックで、動作もゆっくりしているところが不満。建機は操縦桿がたくさんあって、それを両手で操って、動きもきびきびしたのが好み。だけど、そんなのない。「ないなら作ってしまえ」と軽い気持ちで作り始めたのだけど、理論的にはできるはずなのに、作ってみると問題発生、仕様変更、代替案の実装のループが続く。はたして、完成できるのか...

材料

材料表

フレーム

Item Size Qty Remarks
V-Slot 2020 レール 500mm 8 ヘッダー3
V-Slot 2040 レール 500mm 4 ヘッダー3
V-Slot 2040 レール 550mm 2 ヘッダー3

駆動系

Item Model Qty Remarks
バイポーラステッピングモーター 17HD48002H-22B 4 X軸:2, Y軸:1, Z軸:1
タイミングベルト 5mm 3 X軸, Y軸左, Y軸右
リードスクリュー 250mm 1 Z軸
サーボモーター MG-90S 3 アーム

コントローラ

Item Model Qty Remarks
マイコン PIC 16F18857 3
ドライバー AE-L6470 3 L6470 実装
サーボテスター 1 サーボモーター制御に流用

表示系

Item Model Qty Remarks
LCD 1 秋月電子

操作卓

Item 用途、材料 Remarks
ジョイスティック 1 X,Y軸 500mm
ジョイスティック 2 Z軸 500mm
レバー アーム開閉 自作
操作卓 杉材+L金具 自作

ワイヤ, コネクタ

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AWG28, AWG22
Dupont コネクタ
XH コネクタ

電源

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DC3.3V 低電圧レギュレータ + DCジャック DIP 化キット --- ---
DCジャック DIP 化キット、DC6V x2 --- ---
DCジャック DIP 化キット、DC12V --- ---
スイッチング AC アダプター --- ---

その他

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Limit switch Sodial
Limit switch マウントと対向プレス 3D printer で自作
アーム 透明アクリル板から切り出し
アームベッド 透明アクリル板から切り出し
アームベッドマウント 透明アクリル板から切り出し
Y軸マウント アクリル板をホールソーで加工
ワイヤーカバー

材料説明

組み立て

フレーム

2020, 2040 V-Slot レールを一辺 500mm の直方体に組み立てる。
向かって左右方向をX、奥行き方向をY、垂直方向をZ として、左右の Y方向のレール上にそれぞれホイール付きのガントリープレートを取り付ける。それらをX方向に別の V-Slot レールで連結し、X軸のガントリープレートを取り付ける。 X方向のレールの両端に取り付けたモーターの軸にプーリーを取り付けて、タイミングベルトでX軸ガントリープレートを移動させる。
X 軸ガントリープレートには、Z軸 のシャフト(リードスクリュー)を掴んだボールナットを固定する。Z 軸のシャフトの下端にはモーターとクレーンアームとそれを駆動するサーボモーターを取り付けたアームベッドを取り付ける。

https://res.cloudinary.com/elchika/image/upload/t_elchika_article_cover/v1/user/dbe0730f-c1e6-4ff3-b8cf-4e1de54530ce/article/a9389f0b-5ae6-47e7-a18e-209c33020d28/x9zd0wfedtioks7imsfl.jpg

駆動系

Y軸左手前にもモーターを設置、、左側モーターからフレーム右側までアルミ棒で連結して、その先にベアリングとプーリーを取り付けて、左右両方からY方向レール上のガントリープレートを駆動する。
Z軸については、X方向レール上のガントリープレートには垂直方向に一条ねじを切ったシャフト(リードスクリュー)をボールナットを介して取付け、シャフトはモーターで直接回転できるようにする。
Z軸モーターには、3個のサーボモーターを取り付けたアームベッドを取り付ける。
サーボモータのホーンにアクリル板にて作成したアームを取り付ける。
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制御

X, Y, Z軸はそれぞれ PIC 16F18857 でコントロールする。
PIC の入力はジョイスティックで、これはレバーを四方にリミットスイッチが取り付けられている。レバーを倒すと通電する。Pull up で接続。
PIC の出力は、SPI で L6470 に接続し、ステッピングモーターを制御している。他に I2C で LCD ディスプレイにステータス、座標を表示している。
L6470 では PIC から受信したメッセージに応じてモータの回転方向、スピード、加減速度を指定できる。また、定期的に座標の取得もする。

クレーンアームを動かすサーボモーターは、PWM にてデューティー比を 0% から 20% に変えて動かす。今回はサーボテスターをコントローラーとして流用した。
サーボテスターに自作のレバーを取りつけて、レバーを前後して、アームを開閉するようにした。
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操作方法

電源投入するとゆっくりとモータ-を逆回転させてリミットスイッチが入るところを探す。リミットスイッチが入るを順方向に少し進めて、座標をゼロにセットする。(ホーミング)
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フレームサイズからあらかじめ計算した範囲にしか進めないので、ホーミング後はガントリープレートがフレーム枠に到達することはない。

左のジョイスティックで X, Y 平面の移動を操作する。斜めに進むことも可能。
中央のジョイスティックで アームの上下を操作する。
右のレバーでアームの開閉を行う。

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これらの操作は同時に行うことができるので、アームベッドを降下させながら斜めに進めて、アームを開くことができる。
ステッピングモーターは加速しながらあらかじめ設定した最高速に近づくのでスムーズ。かつ、動きも素早い。当初の目的達成できた。

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