回路の大半はこの部分に纏められています。
ギアカバーの天板にモーターや歯車の軸受けが付いているという、
国産製品の設計者が見たら卒倒しそうな構造・・・
ギア駆動なので騒音がひどく、エンドミルの刃当り音を聞き分けられない・・・
なので、加工原点を出すのに苦労したりします・・・
| フライス盤の魔改造 制御回路 Self-made control circuit of milling machine |
| 老後は、毎日、旋盤やフライス盤を回して暮らそうと企んでいるのに、 暑い日や、長時間運転で、フライス盤が度々不調を来します・・・ |
| 購入してから、それほど経過していないフライス盤 FM80E(A) ですが、 暑い日や長時間運転を行うと、突如として動かなくなってしまいます。 制御素子の過熱・放熱不足が原因と思われますが、 修理を依頼するのも面倒だし、 基本設計に問題があるのなら、また直ぐ同じ故障を繰り返すでしょう。 これでは、非常にイライラがつのるので、 制御回路を一から作り直すことにしました。 自作回路ならば、何かトラブルがあっても直ぐ対処もできるしね・・・ 追記：2023/10 現在、FM80E(A) は改善のため、電装品を国産品に換装しているようです。 |
| 2019/10/14 | |
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| モーターと天板を取り外したところ・・・ 回路の大半はこの部分に纏められています。 ギアカバーの天板にモーターや歯車の軸受けが付いているという、 国産製品の設計者が見たら卒倒しそうな構造・・・ ギア駆動なので騒音がひどく、エンドミルの刃当り音を聞き分けられない・・・ なので、加工原点を出すのに苦労したりします・・・ |
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| 制御回基板も似たようなもんです・・・両面実装基板で、裏面にはチップ部品がギッシリ・・・ 左の放熱器が付いている素子２つが、モーターの電流制御を行うSCRですが、 制御電力に比べて、放熱器があまりにも小さすぎるように思われます。 回路の詳細解析はしていませんが、 随分複雑な割には大した機能もなく、要領の悪い設計であることは見てとれます。 資源を無駄使いしているような設計です・・・ |
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| 自作する制御回路の概略ブロック図です。 回路は当初、PICマイコンとMOS-FETによるPWM制御を考えていましたが、 電圧の異なる定電圧電源がいくつか必要なので、面倒だなあと思っていたところ、 秋月電子から「20A AC100Vトライアック万能調光器キット」として売られている、 導通角制御（位相制御）基板が在ったので、試してみました。 基板と接続するVRはスイッチ付きの100kΩ、 CTは0.22μF耐圧400Vのフィルムコンデンサを使用しました。 詳しくは秋月電子の取説を参照してください。 試験結果は、低速運転時にモーターから100Hz（当方はAC50Hz地域なので）の唸り音が若干大きいものの、 低速時の粘りがあり、制御性良好、十分実用になることが判ったため、メインの制御はこの方式で試作することに・・・ 唸り音が気になる場合は、キャリアを可聴帯域外にした（例えば20kHz）PWM制御にする必要があるでしょう。 低速運転時にトルクに粘りが感じられる理由は、電源にAC100Vを直接使用するため、 制御回路の出力インピーダンスが低く、結果、 モーターの定速回転性が強まるためと思われます。 モーター電流の検出を行い、 エンドミルが材料に噛み込んだ際などの、過負荷・過電流時に、 モーター電流のシャットダウンを行うために、 やはり秋月電子の「SSR半導体リレーキット」を設けました。 電流検出にはACS712ELCTR-30A-T(Allegro Micro System)という電流センサICを使用。 また、オリジナルには無かった、非常停止ボタンも設けます。 電流センサIC出力のA/D変換や、その他全体の制御は、PICマイコンで行いました。 なお、同様な回路を自作される際、この過電流時の遮断機能を省略すると、 エンドミルが材料に嚙み込んだ際、即座に回転が止まりませんので非常に危険です。 ですので高速遮断回路は省略しないでください。 そのほか、AC電源を絶縁せず、そのままモーターに供給する方式のため、 感電・発火防止など、安全には十分注意してください。 追記：当初、高速遮断回路無しの回路例も記載していましたが、 安全上、好ましくないと判断し、削除しました。 |
| 2019/10/14 | |
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| 内部の様子。オリジナルの電子回路は、フライス盤のコラムに搭載されていましたが、 作例では、外部の独立したケースにまとめました。 金属の切り子が飛び交う環境で使用されるので、通気口などを開けてはいけません。 説明のためACアダプタは外へ出してあります。 背面に放熱器を背負った２つの素子はトライアックですが、 フランジが絶縁されているので、工作が楽です。 整流ダイオードも発熱しますので底面に取り付け、放熱しました。 PICマイコン基板は、以前製作したものの流用です。 ファームウェアももちろん自作です。 |
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| 2019/10/14 | |
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| 無負荷時の電流センサの出力波形。 当方は AC50Hz 地域なので、100Hz の脈流が表れています。 無負荷状態でスロットルを回していくと、 モーターに加わる電圧波形は大きく変化していきますが、 面白い事に、電流波形の方は殆ど一定で変化しません・・・ 過電流検出は、この電流を検出し作動させることになります。 追記：試用を重ねた結果、ピーク電流に対する過電流検出では、多少過敏で不安定に思われたので、 10ms 間（脈流の１サイクル分）に電流検出を256回行い、 （すなわち約 39μs 毎のサンプリング間隔） その平均電流値に対して過電流検出を判断する様、 ファームウェアを改変しました。 電流センサも当初 ACS711ELCTR-12AB-T を使用していましたが ACS712ELCTR-30A-T(Allegro Micro System)に変更しました。 安全のため、運転中は過電流検出値をなるべく小さくし、 重切削など、止むを得ない場合のみ設定値を上げています。 下表は、次項のモーターを550Wのものに交換後の設定値です。 |
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| 2019/10/14 | |
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| 出来上がった、制御回路ボックス前面・・・ 左上は赤色LEDで、運転中は常時点灯、 過電流検出による非常停止時は高速点滅、 非常停止ボタンが押されての非常停止時はゆっくり点滅、 と表示の区別をしました。 蒸機の逆転器ハンドルのようなスロットルレバーは自作。 赤いキノコスイッチは非常停止ボタン。黄色のテプラで Emergency Stop の表示をしてあります。 （要はここだけ国際安全規格に沿った形とした訳です） 正逆転スイッチは、元のフライス盤からの流用ですが、 接続関係が直ぐには判らず、解析するのに少々時間を要しました。 電流計（SD-39-DC3A 若松通商扱い）はネットで丸窓のものを探し出し、レトロな雰囲気に・・・ ちなみに、無負荷運転時は、回転数に依らず0.5Aぐらいを指します・・・ |
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| 2019/10/14 | |
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| 制御回路ボックス背面・・・ 右端はAC電源インレットで、一応ノイズフィルタ付きを使用しましたが、 当然の事ながらノイズ測定環境が無いため、（外部施設での測定も多大なコストが掛かる） VCCIなどの電磁放射・伝導ノイズに関する規格をクリアしているかどうかは判りません。 放熱器は長時間運転しても、わずかに暖かくなるくらいで、十分な放熱能力でした。 左上はモーターへ至る配線のコネクタ。 下の赤いツマミはディップロータリースイッチで、 モーターのシャットダウン電流値を設定することができます。 |
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| 使用時のレイアウト。 駆動系も歯車からタイミングベルトへ改造後の姿です。 制御ボックスに、角度万力を載せているのは、 あわてて非常停止ボタンを押したときに、 軽いので吹っ飛んで行かない様にするため・・・ 過電流シャットダウン回路は高速、鋭敏で、 エンドミルが被削材に食い込むなど過負荷が加わると、一瞬で停止するので、 駆動ベルトやモーターなどにも過負荷が継続する事無く、 安心感を持って工作に取り組めます。 この一連の改造で、故障や不具合に悩まされる事も無くなり、 使い勝手も良好なものとすることができました。 これで、気分の良い、老後を過ごせる事でしょう・・・ |
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