精度はあまり必要ないのでアリミゾのＸ−Ｙテーブルではなく、平行に並べたシャフト上をスライドさせる方式にします。
手始めにシャフトを互いに組み立てるためのジョイントから作り始めます。
これがジョイントの図面。シャフトの直径は１３ｍｍ。シャフトはＳ４５Ｃのミガキ棒です。１６個も作らなければなりません。バイスに固定する作業の手間だけでもばかにならないのでバイスハンドルを先に作ってからにします。
作成途中のジョイントと素材。これを全部加工しなければならない。１個１時間でも１６時間かかる計算です。
端面を削るだけで一苦労でした
上の写真の状態から、ここまで加工するのに５時間かかりました。完成までまだまだです。
これだけのドリルを使うのでドリル交換の手間がかかります。１６個の部品の穴あけが半分終わって出たキリコがこれだけ。
直交する穴の間隔は精度が必要なので１３ｍｍのミガキ丸棒を差し込んで、それをバイスの側面に当てて全部品が同じ間隔になるようにしています。
ドリルの交換が面倒なので２本減らして３本で穴あけをするように変更しました。少しずつあけても精度にあまり影響はないようです。上の５本組であけたものとの差は認められません。
モーターを回す実験回路の回路図を作りました。２３２Ｃインターフェースやフラッシュメモリーが付いていますがモーターを回すだけなら不要です。この回路図はＤＲＯからの流用です。使えそうな部品を残してありますが最終形で残っているか否か現時点では定かではありません。
NCAIRFOIL.pdf へのリンク
１ｍｍのすりわりを入れて完成。バンドソー並の速度でスリワリを入れたところでメタルソーの刃がダメになりました。過熱が原因と思われます。完成したのはまだ３個だけです。
秋葉原の秋月電子でモーターを買ってきました。制御は４軸ですがモーターは６個使用します。黒いのはＦＥＴが４つ内蔵されたモータードライバー（東芝ＭＰ４４０１）です。当初トランジスターを４つ使う予定でしたがこちらの方がプリント基板のパターンがシンプルになります。これ１つでモーター１個をドライブできます。
基板を作るのはまだ先だが、パターンを作ってみました。サイズは１００ｍｍ×１５０ｍｍ
ＭＰ４４０１に合わせて回路図も少し変更。
NCAIRFOIL2.pdf へのリンク
固定しやすいようにモーターの上蓋と下蓋を入れ替えることにしました。中身はこんなになっています。
メタルソーでのスリワリを入れはどうもうまくいきません。購入したばかりのメタルソーを２枚もダメにしてしまいました。あきらめてバンドソーでスリワリを入れました。仕上がりはあまりきれいではありませんが、実用上は問題ありません。
このように組み立てるわけではありませんが作ったジョイントを使ってスライド部分の構造を考え中。
１６個のジョイントを使って枠を組み立てました。左右の長さは１ｍです。高さ奥行きは約３０ｃｍです。
スライド部分もジョイントと同じく１８ｍｍ角のミガキ棒から作ることにしました。
モーター駆動回路の実験開始。足が太いモータードライバーを直接挿すとブレッドボードが痛むのでＺＩＦソケットを使っています。
間違っている回路図を元に組み立てたのでモーターを回すだけでちょっと手こずりました。
回りました。 ＜− MOVIE
回路図が間違っていればプリント基板パターンも間違ってしまいます。修正したパターンをＡ３のコピー用紙に印刷して誤配線がないか確認。実物大でも印刷して部品が干渉していないかも確認しなければなりません。地味な作業です。
新品の感光基板なのに現像に４〜５分もかかる。何か変？？？
ライトが何となく暗いような気がする。これが原因か？ 塩化第２鉄溶液も真っ黒、これもまた寿命か？
まとめて５枚作りました。現像がうまくいかなかったので、あまりきれいに出来ませんでした。
調べると感光用ライト（ブラックライト ＦＬ１０ＢＬ）の寿命は３５００時間らしい、２時間程度しか使ってないので寿命はまだのはず。天井の蛍光灯に繋ぎ換えてみましたが明るさは同じ。機械の方がいかれているわけではなさそうです。
寿命ついでに、これはドリルの寿命。切れなくなると周囲が盛り上がります。並んであいているのは新品のドリルで開けた物。基板４〜５枚で寿命がくるみたいです。この写真の穴径は０．８ｍｍ。リード線は０．６ｍｍ以下の物が多いので０．８ｍｍ径のドリルを一番多用します。
今日は休暇中なので昼間工作をしています。直射日光で再感光しています。昨日保存しておいた現像液に浸けて感光剤を除去します。感光時間は十分すぎるくらいなので、いつもなら１０秒できれいになります。．．．が、今回は落ちるのに２〜３分かかりました。感光剤の成分が変わったか、室温が高かったせいで感光剤が変質してしまったのかもしれません。現像液で感光剤が再除去出来るということは現像中にも感光が進んでいることを意味しています。感光が進むと青から緑へ変色します。上の写真よりだいぶ緑色になっています。
銅表面は数時間すると茶色く酸化します。現像液を落としたら直ぐこれを吹きかけておきます。湿度が高い時吹きかけると白い斑点が出るので出来るだけ湿度の低い昼間に吹きかけます。通常は雨の日を避けるだけで十分ですが、ここは山の麓なので湿度が高く使う時間を選ぶ必要があります。
基板上に取り付けるスイッチのピン間隔を間違えてました。寸法上このスイッチの取り付けは断念して一回り小さい物を又裂き状態で取り付けました。右上に４つ並んでいる穴がモーター用コネクターが付く箇所です。
６本足のコネクターの足を２本引き抜いてモーター用コネクターとして使用します。ラジオペンチで軽く引っ張るだけで簡単に抜けます。コネクターを全部付けた後で気が付きました。モーターは５本足であることを。コネクターを全部はずして足を再度差し込んで、基板に穴を開け基板に無理矢理ハンダ付け。５番目の足にはパターンがないのでかなり強引なハンダ付けになっています。
コントローラーが完成しました。１．５ｍｍのアルミ版に取り付けてあります。アルミ版は２０Ｖ電源レギュレター（基板の裏側に張り付いています）のヒートシンクになっています。１００Ｖむき出しですがこのまま使います。回路図にはヒューズやスイッチもありますが面倒なので止めました。コンデンサーの容量もパーツケースにあった物を適当に取り付けたので回路図とあまり合っていません。この回路のコンデンサー容量はいいかげんでも大丈夫です。計算してませんが全部で￥７０００〜￥８０００になると思います。（トランスが高い）
Ｇコードを解釈して動作するだけの処理能力はありません。だいたいの処理フローはこんなです。
１）一定の時間間隔（１０ｍｓｅｃ程度）でモーターを１ステップだけ「正転」「そのまま」「逆転」させるかＰＣ側のソフトで計算しておく
２）ＲＳ−２３２Ｃ経由でコントローラーに計算したデータを送り込む
３）コントローラーはデータが送られてくるとそれをフラッシュメモリー（８ピンのＩＣ）に書き込む
４）コントローラーは全てのデータを受信したらそのまま待機する
５）コントローラー上のスイッチ（３つある物の内どれか）を押すと、一定間隔でフラッシュメモリーからデータを読み込んでそれに従ってモーターを回す
フラッシュメモリーに一端データを書き込むのはＰＣと切り離しても動くようにするためです。
発泡スチロールを切るために必要な速度は１ｍｍ／秒程度です。秋月電子のステッピングモーターの回転速度は最大０．５回転／秒程度しか出ません。１．２５ｍｍピッチのＭ８ネジで送ると０．６２５ｍｍ／秒しか出ません。ネジで送る方式が最も構造が簡単でよいのですがもっと高速なモーターに変えなければならなくなります。出費が大きくなるので歯付きベルトで駆動する方式にしてみます。
ブレッドボードで実験していたときより何故か早く回るようになりました。最大１．６６回転／秒で回ります。但しこの回転数ではトルクがほとんど無いので実用最大回転数は１回転／秒といったところです。直列抵抗を入れると時定数が変化して最大回転数が上がるらしいのですがあまり変化はありませんでした。直列に抵抗を入れると電圧降下してしまうので電源電圧も上げなければ実際の効果は確認できません。写真はちょうど良い抵抗値のセメント抵抗がなかったので１０Ωの抵抗を５〜６個数珠つなぎにして実験しているところです。何とかぎりぎりの速度が確保できそうなのでベルト駆動は止めてネジ送りに再度方針変更です。
限界速度 ＜− ＭＯＶＩＥ 電圧２０Ｖ
モーター６個を全部繋いでみましたが何故か一つだけ動きません。原因を調べるためにブレッドボードに回路を組み立ててみましたがどうやらＣＰＵとモータードライバーの接続の方法に問題があるようです。うまく動く回路をブレッドボード上に組み上げたいのですがモータードライバーをハンダ付けした基板から取り外すのは困難です。いつもなら必ず１つよけいに購入しておくのですが今回は必要数の６個しか購入していませんでした。とりあえず１個動かなくても先に進めるので原因調査はあとまわしにします。
５個まとめて回してみました ＜− ＭＯＶＩＥ ５個いっぺんに回すとかなりうるさい 背景に映っている茶色い小瓶はドリンク剤ではなくキンカンです。
翼の形に添ってそのままニクロム線を動かすと線径の半分だけ小さい物が出来ます。実際はニクロム線径（約０．４５ｍｍ）よりかなり多め（だいたい０．８ｍｍ）に溶けるので０．４ｍｍほど小さい物が出来ます。発泡スチロールのままでは強度が不足するので表面には厚さ１ｍｍ程度のバルサを張ります、その分だけ小さい物を作るためには翼型より０．６ミリより内側にオフセットしたラインを通るようにニクロム線を動かせばよいことになります。内側の輪郭がニクロム線を動かす軌跡です。
オフセットした翼型の作図はＣＡＤを使用すると簡単に出来るのでＮＣデータはＣＡＤで作り、ＣＡＤのスクリプトでオフセットしたデータをＣＳＶに書き出し、さらにそれを加工（Ｐｅｒｌで作ろうと思います）してモーター駆動データを作ることにします。
書き出されたＣＳＶはこんな物です。
翼型は曲線に見えますが、ミクロで見ると連続した線分の集合です。
１列目：内部データ。これは座標ではない。ＢＵＧ取りの参考のために書き出しているだけ
２列目：線分始点Ｘ座標値
３列目：線分始点Ｙ座標値
４列目：線分終点Ｘ座標値
５列目：線分終点Ｙ座標値
これを書き出す鍋ＣＡＤのスクリプト
翼のつけ根と翼端の形状や大きさが違うとき、ニクロム線の両端は翼型の傾きが変化するポイント（○が付いている部分）を同時に通過しなければ翼の前縁や後縁がへこんだ翼になってしまいます。傾きが変化している部分はプログラム（鍋ＣＡＤのスクリプト）で機械的に求められます。この画面はプログラムで傾きの変化点に○を書いたものです。慣れてきたせいもあってＮＣデータまで鍋ＣＡＤのスクリプトで作ってしまった方が簡単に思えてきました。
プログラムは簡単ですが、とにかく面倒です。元の図形は線分だけで構成されていますが図形をオフセットすると線分と円弧になります。以下の図は正方形を外側にオフセットしたものですが。その図形は直線と円弧で構成されています。これと同じ理屈で翼型を内側に０．６ｍｍオフセットした上の図形も翼の下面が直線と円弧で構成されています。Ｒが緩やかなので円弧部分は円弧の始点−終点を結ぶ直線として扱えば十分ですが、鍋ＣＡＤでは円弧を「中心のＸＹ座標、円弧の半径、円弧の開始、終了角度」で表しているので始点終点の座標は計算しなければなりません。
何故か１個だけ動かないモーターがあるので、その問題の絞り込みをします。同じプログラムがブレッドボードに組んだ回路では動くのでＭＰ４４０１が１個だけ死んでいる可能性が高い。
やはりＭＰ４４０１が死んでました。交換したら動くようになりました。電気工作を長い間やっていますが、半導体が死んでいたことは滅多にありません。（死んでいたのではなく殺してしまったのかもしれません） 差し替えて動くのですから、静電気かハンダ付けの熱でやられたかのどちらかでしょう。ブレッドボードで回路を組んでいると誤配線はしょっちゅうやりますが、今までに死んだ（殺した）半導体は、これを含めて２年間で２個だけです。案外丈夫なものです。
ＮＣデータは一端このメモリーに蓄積するようにします。ＡＴＭＥＬ製の２４Ｃ１０２４です。１０２４という数値はメモリー容量のビット数を表していてバイトに換算すると１２８Ｋバイトになります。フラッシュメモリーなので電源を切っても内容は保持されます。１２８Ｋバイトを書き込むのに要する時間は実測６．５秒でした。１バイト単位で書き込むと１バイト書き込むたびに５ミリ秒待たなければなりませんが、最大の２５６バイト単位で書き込むと２５６バイトにつき５ミリ秒の待ち時間で済むので高速に書き込めます。読み込み速度のほうは５ミリ秒の待ち時間が必要ないので４割くらい早く読み込めます。次は２３２Ｃのプログラムに取りかかります。
これはＲＳ２３２ＣのインターフェースＩＣ、ＡＤＭ３２０２ＡＮです。上の物同様、秋月電子で購入した物です。特にインテリジェントな機能があるわけではなく５ＶのＴＴＬ電圧をＲＳ２３２Ｃの±１２Ｖに変換するだけの物です。ＩＣの回りに並んでいる青い物はコンデンサーです。このコンデンサーに電気を蓄えて５Ｖから１２Ｖを作り出しています。
１１５２００ｂｐｓでも問題なく通信できました。テストにはＷｉｎｄｏｗｓ付属のハイパーターミナルを使いました。ＮＣ基板側のソフトは２３２Ｃから１文字受信して、受信した文字をそのままハイパーターミナルに返す簡単な物です。双方向通信プログラムの開発はＲＳ２３２Ｃに限らずＴＣＰ／ＩＰ等でも「受信した１文字を、そのまま送信する」プログラムを作ってみるのが定石です。電子回路部分の基本的な機能確認はこれでおしまいです。次は平面座標上の２点間を直線移動させるためのロジックを考えます。
直線補間は簡単そうで結構面倒でした。
太い線の升目がステッピングモーター１ステップで動く距離を表しています。Ｍ１０のネジで送るとピッチが１．５ｍｍ、ステッピングモーターは２００ステップで１回転なので１マスの１辺の長さ＝１．５／２００ｍｍになります。１マスをさらに細い線で４等分しています、これは数学で言う補助線です。
定規で引いた赤い矢印と青い矢印が動かしたい軌跡です。この軌跡が通過する升目をピンクと水色のラインマーカーで塗ってみました。そして塗られた升目に接している太い線の交点に○印を付けていきます。そして○印を順番につないでいったもの、この図ではフリーハンドの矢印が実際にデジタル制御で動かす軌跡になります。
「線が通過するマスをラインマーカーで塗る」と言葉で書くと簡単ですが、これは１マスを構成する線分Ａ−Ｂ、線分Ｂ−Ｃ、線分Ｃ−Ｄ、線分Ｄ−Ａのうち、どれか２つの線分が線分Ｅ−Ｆと交わる事を意味します。
とりあえず、線分Ｃ−Ｄと線分Ｅ−Ｆの交点について考えてみます。（１つが出来ればあとは４回同じ事をやればいいのですから）
線分が交わることは、直線(無限長)と直線の交点が線分Ｃ−Ｄ、線分Ｅ−Ｆの間にある事を証明すればＯＫです。直線の式は Ｙ＝ａＸ＋ｂ で（懐かしい．．．）ａが直線の傾き、ｂがＸ＝０の時のＹ座標の値（確かｙ切片という）です。点Ｅの座標をＥｘ、Ｅｙってな具合に書くとすると、傾きは（Ｆｙ−Ｅｙ）／（Ｆｘ−Ｅｘ）、ｙ切片のほうはＹ＝ａＸ＋ｂの式をｂ＝Ｙ−ａＸと変形してＸとＹにＥもしくはＦの座標を入れてあげれば求めることが出来ます。直線Ｅ−Ｆの式が出来れば後は簡単です。直線Ｃ−Ｄの式は、もし点ＣのＸ座標が「５」ならＸ＝５という簡単な式です。既に直線Ｅ−Ｆの式Ｙ＝ａＸ＋ｂのａもｂも値が求められていますから、この式のＸに「５」を代入すれば、交点のＹ座標を求めることが出来ます。
線分が交わるのと直線が交わるのは意味が違います。平行でなければ直線は必ず交わりますが、線分の場合はそうではありません。交点の座標をＫｘ，Ｋｙとすると
Ｄｘ＞＝Ｋｘ＞＝Ｃｘ
Ｄｙ＞＝Ｋｙ＞＝Ｃｙ
Ｆｘ＞＝Ｋｘ＞＝Ｅｘ
Ｆｙ＞＝Ｋｙ＞＝Ｅｙ
の４式が成り立っていれば線分Ｅ−Ｆと線分Ｃ−Ｄは交わっているといえます。
１ステップ移動するのにかかる時間は移動させる経路の長さをステップ数で単純に割ったものとします、下の例ではＡ−Ｂ間の距離を５で割ります。結果的に１ステップ移動させるのにかける時間は各線分毎に異なったものになります。移動させる距離はＳＱＲＴ（（Ｂｘ−Ａｘ）^２＋（Ｂｘ−Ａｘ）^２）です。時間はタイマーで生成します。
今度は例外ケースについて考えてみます。
このようなド真ん中を通る垂直、水平線は赤い経路を取る方法と青い経路を取る方法の２通り存在してしまいます。また右のように、垂直、水平線以外でもド真ん中を通る線は赤い経路と青い経路の２通りが存在します。どちらでも問題はないので、どちらかに決めてしまえばよさそうです。
計算を簡単にするためにどちらの領域でもない（どちらの領域でもある）境界線上は原点に近い方の領土とすることにします。従って、下の写真の例ではＣ点やＤ点は通過せずにＡ点から一気にＢ点に移動します。斜め４５度の移動を認めずに「斜め４５度に移動するときは必ず左回りで目的地にたどり着く」という水色の線で書いた方法もありますが、モーターを同時に２個動かすことに問題はないので「４５度移動も有り」とします。
Ａ，Ｂはそれぞれ翼のつけ根の断面形状、翼の先端の断面形状です。（もちろん実際の断面はこんなものではありません）。発泡スチロールを切断するニクロム線は「Ａ１とＢ１」−＞「Ａ２とＢ２」−＞「Ａ３とＢ３」−＞「Ａ１とＢ１」を同時に通過しなければなりません。下の例のように線分の本数が異なっていると計算が複雑になるのでＢ３−Ｂ１間をＡ３−Ａ４とＡ４−Ａ１の長さの比率で分割し実際には存在しないＢ４点を生成して線の本数を合わせてしまうことにします。
翼のつけ根と翼端の形状が異なると状況はさらに複雑になります。青い水色の部分が翼の両端の断面形状です、翼を設計するときはこの断面形状のみを考えます。ニクロム線の両端はワークの両端より外側にあるため、実際にニクロム線の両端が描く軌跡はＡ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４のように翼断面形状とは異なったものになります。また、Ａ側の動きに合わせてＢ側を動かすようにします。Ｂは常にＡの動きに従うように動かします。移動速度はＡ側のみに与えます。Ａ側の軌跡がＢ側の軌跡より小さいとＡ側に最高速度を与えたときＢ側がついてこられなくなるのでプログラムでこれを見つけてエラーを出せるようにする必要があります。この例のように極端にサイズが異なると小さい側が加熱されすぎになりますが、これは防ぎようがありません。
引越の時に分解してしまったので再度組み立て直しました。平らな鉄板の上で組み立てます。
モーターを取り付ける部分を設計中。
こんな例外があることに気づきました。線分ＡもＢも移動するステップ数は同じ１ステップ。だけど長さがだいぶ異なります。「１ステップ移動するのにかかる時間は移動させる経路の長さをステップ数で単純に割ったものとする」としましたがこれでは１ステップの移動にかかる時間が線分の長さに比例しなくなります。線分の長さが十分に長ければ「ほぼ比例する」といっていいのですが、極端に短いとこのような問題を発生させます。数学的に美しい解決方法が思いつかないので、速度の上限と下限を設けてみることにします。
モータ取り付け用の部品を作り始めます。全部アルミです。茶色いのは保護シート。
これも部品の一部。
鍋ＣＡＤスクリプトだけでは、ファイルの入力やスクリプト間の変数の受け渡しがコピペ方式以外に出来ず、一連の操作を連続実行するのが困難であるため、別の言語を採用することにしました。 １年間の限定でちょうど今マイクロソフトが「Ｖｉｓｕａｌなんたらシリーズ」を無料で利用可能にしているのですが、単に「線を引く」「ＲＳ２３２Ｃ経由で１バイト送信する」という処理だけで、いろいろな「お作法」を守らねばならず、１０数行（数十行？）の決まり文句のコーディングを強いられるため、もっとシンプルに使える無料の「ＨＳＰ」という言語を使うことにしました。 この言語は、昔、パソコンといえばＮＥＣのＰＣ８８やＰＣ９８だった頃に使われていたＮ８８−ＢＡＳＩＣをＷｉｎｄｏｗｓ環境に移植したような仕様になっています。 Ｖｉｓｕａｌシリーズは初心者向きではありませんが、このＨＳＰという言語は初心者にもお勧めの言語です。
意味のある物ではありませんがこの画面を表示するプログラムは．．．
こんなです。画面にいろいろな部品を貼り付けて、翼型ＣＳＶファイルをを読み込みそれを表示して１００行以内に収まっています。さすがに命令数が昔のＢＡＳＩＣとは比較にならないほど多く（たぶん５倍はある）必要な命令をその中から探すのが大変ですが、古いＢＡＳＩＣ風のプログラムでＷｉｎｄｏｗｓアプリケーションが作れてしまうというのが新鮮です。
ソフトは少しずつ出来上がってきていますが、駆動部分の部品加工が止まってしまっていたので再開しました。各部品の型紙を枠に貼り付けて干渉などの問題がないか確認してみました。
大量のキリコが出ました。この構造はシャフトを長い物に交換するだけで、より大きなワークに対応できますが、これ作っている間にもう一つ装置が作れてしまうほど手間がかかります。
既にスリワリをいれた部品をガイドにしてバンドソーでスリワリを入れています。構造上はネジの頭を沈める必要はありませんがタップが深く切れないので沈め穴を掘っています。
ソフトは完成半ばです。簡単そうに見えますが翼端と翼根では形状も構成する点の数も異なるので、ここまで作るのかなり大変でした。現時点のプログラムの行数はコメントも含めて１４００行ほどあります。
ワイヤーの動きをシミュレートしているところ ＜− ＭＯＶＩＥ
