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万能投影機 Nikon V-12とRhinocerosをArduinoでつなぐ


時計作り・修理ではすでにある部品と同じ形状の物を作る必要があります。既存の部品を採寸して作るわけですが、その工程で3D CADと万能投影機を連携させて使ってみました。まずは結果からご覧ください。下の写真の左がオリジナルの部品、右が今回切削加工して作った部品です。3mm厚の真鍮板をCNCフライスで切削加工して作りました。軸受けになるルビーの受け石を入れる前の状態です。IMG_4853

万能投影機Nikon V-12とXYカウンタSC102です。測定したい部品を微動テーブルの上に乗せて使います。微動テーブルのリニアエンコーダにカウンタがつながっており1/1000mm単位で座標値を表示します。万能投影機はテレセントリック工学系で歪みが無く、真上から撮影した像をスクリーンに投影します。周辺部分も歪みが無いのでスクリーンに定規を当てて測定することも可能です。下の画像ではちょっと見にくいですが、スクリーン中央にはヘアラインの十字線が入っています。このヘアラインに読み取りたいポイントを合わせ、カウンタの座標値を読み取るという手順です。ただ、座標をメモにとってCADに入力するという事をすると手間と時間が非常にかかります。そこでこの工程を半自動化します。カウンタSC102の背面にポートがあってそこから座標値が出力されています。出力形式は7セグLEDに表示をしている数値をそのまま出力している感じで独自形式です。この出力形式はSC102のマニュアルに載っています。IMG_4859

SC-102から出力される信号を扱いやすい形式にしてパソコンに入力するための基板です。Arduino Megaを使いシールド(拡張基板)として製作しました。フラットケーブルはSC-102のコネクタにつながっており、USBケーブルはパソコンにつながります。電源はUSBバスパワーで動作します。表面実装のLEDとスイッチが付けてあります。スイッチは値の確定(出力)用が一つとモード切り替え用として7個付けてあります。今回のテストでは右端のスイッチを出力用として使っただけです。(簡単に作れるようにスイッチを表面実装にしましたが、スイッチは外部につなげるようにしたほうが良かったです。)回路は単純にフラットケーブルから来る信号をデジタル入力に接続しているだけです。IMG_4868

さてここから本番。Arduinoで受け取った信号をArduino内部で数値に変換します。一桁づつ受け取った信号を文字に直して、それをくっつけて数値に変換するといったような処理になります。そしてその信号をシリアル通信で出力します。出力した信号はパソコン側で受信しますが3D CADソフトRhinocerossを使います。Rhinocerossのplug-inにGrasshopperというものがあります。このplug-inは数学的な処理により図形を作り出したり人間では困難な繰り返し作業をやってくれるものです。プログラミングが必要になりますが、部品をワイヤーで繋ぐ感覚でGUIでプログラムを作ることができます。このGrasshopperで動作するFireflyという機能があります。このFireflyはArduinoからシリアル通信でデータを受け取ることができるものです。これを使いArduinoから来る信号をRhinoceross上で扱うことが出来るようにになります。下図がそのプログラムです。大雑把に機能説明をすると、ポートをオープンして受信したデータをセミコロン(;)で行に分解、そして各行をカンマ(,)で区切ってXとYの座標値として取り出します。それを3次元の座標値に変換して点をプロットする、というものです。点に変換する作業は下図の右下にあるC#のスクリプトで行っています。スクリーンショット 2016-01-05 18.29.10

読み取り作業中の様子。座標を読み取りたいポイントに合わせて出力スイッチを押すという作業を繰り返します。IMG_4865

点がプロットされました。
スクリーンショット 2016-01-08 8.54.54

読み取った点を元に円にしたり、直線でつないで輪郭を作成します。読み取り精度ですが万能投影機の性質上透過光で読める穴や外形は非常に高い精度で読み取ることができます。反射光で読み取る段差部分はピントをどこに合わせるのかといったノウハウがあり操作者次第といったところがあります。スクリーンショット 2016-01-08 11.04.54

平面図を元にして立体にします。万能投影機では厚さの測定は出来ないのでマイクロメータで測定した値を使い立体にしています。この後、RhinoCAMで切削パスを作成してCNCフライス盤で切削します。スクリーンショット 2016-01-08 12.08.22

3mm厚の真鍮板から切削します。IMG_6307

切削の終わった様子。4mmと1mmのスクエアエンドミル、0.5mmのボールエンドミルで加工しました。IMG_6309

そして切削が終わった部品。これで片面の切削が終わった状態です。この後、裏面の切削を行います。裏面の切削はこの部品がはまる治具を切削しこの部品をそこにはめ込み切削を行います。
IMG_4856
裏面の切削後に元の地板に取り付けてみました。軸受けになる石を入れていないので動作チェックはしていませんが、目視と部品を取り付けの時の感触ではオリジナル部品と変わるところはありません。上面は捨て板に接着した状態のままの未仕上げ状態です。この後に磨いて表面を仕上げる工程へと入ります。
IMG_6325