【Python × Raspberry Pi】ステッピングモーターの原点復帰を実装｜A4988＋リミットスイッチでXYステージ制御（第7回）

はじめに
今回のゴール
リミットスイッチとは
1. 今回の配線
Pythonで原点復帰を行う
バックオフ処理
1. 原点位置の確定
Pythonフルコードをダウンロード
実行時の動作
動作動画
今回のポイント
次回予告
過去のXYテーブル製作シリーズはこちらから

はじめに

前回の記事では、Pythonの threading を使って
X軸とY軸を同時に動かす方法 を解説しました。
これにより
・X軸
・Y軸
・XY同時制御
を同時に動かすXＹ制御の基本が完成しました。

しかし、この状態ではまだ実用的な装置とは言えません。。

それは「現在位置が分からず、安全制御がないこと」です。

多くの工作機械では、電源投入後に

原点復帰（Homing）

という動作を行います。

そこで今回は「XYテーブルの原点復帰機能」を実装します。

今回のゴール

今回のプログラムでは以下を実装します。

リミットスイッチ検出
原点方向へ移動
原点検出
バックオフ
原点位置確定

これにより「電源ON → 原点復帰 → 動作開始」という実用的な制御になります。

リミットスイッチとは

リミットスイッチは「機械の端（移動限界）をスイッチが押される事で検出するセンサー」です。
XYテーブルでは通常

X軸の端
Y軸の端

に設置します
本サイトではX軸Y軸に１個づつ配置することを想定しています。
使用するリミットスイッチは
「オムロン製：D2JW-01K1A1」です

今回の配線

今回は以下のGPIOを使用します。

X軸　X_LIMIT ＝ 4
Y軸  Y_LIMIT = 14

リミットスイッチは「NC（ノーマルクローズ）」で接続します

Pythonで原点復帰を行う

まず、原点復帰を開始する関数を作ります。

# -----------------------------------------------------
# 原点復帰処理
# -----------------------------------------------------
def start_homing():    threading.Thread(
        target=homing_axis,
        args=("X軸", X_STEP, X_DIR, X_EN, X_LIMIT,
              X_MS1,X_MS2,X_MS3,X_RESET,X_SLEEP),
        daemon=True
    ).start()
    
    threading.Thread(
        target=homing_axis,
        args=("Y軸", Y_STEP, Y_DIR, Y_EN, Y_LIMIT,
              Y_MS1,Y_MS2,Y_MS3,Y_RESET,Y_SLEEP),
        daemon=True
    ).start()

この関数では

X軸
Y軸

それぞれの原点復帰を別スレッドで実行しています。

そのため
「XY軸が同時に原点復帰」
する仕組みになります

原点復帰処理

次に、実際の原点探索処理です。

def homing_axis(axis_name, STEP, DIR, EN, limit_pin,
                MS1,MS2,MS3,RESET,SLEEP):

まず、A4988ドライバを初期化します。

gpio_init_axis(STEP,DIR,EN,MS1,MS2,MS3,RESET,SLEEP)

これにより

ENABLE
マイクロステップ
SLEEP
RESET

などの設定が行われます。

原点方向の設定

次に、原点方向を設定します。

if axis_name == "X軸":
    homing_dir = GPIO.HIGH
    backoff_dir = GPIO.LOW
else:
    homing_dir = GPIO.LOW
    backoff_dir = GPIO.HIGH

XYテーブルでは

X軸 → 左方向
Y軸 → 下方向

のように、軸ごとに原点方向が異なることがあります。

そのため

軸ごとに方向を設定

しています。

原点探索

次に、リミットスイッチが押されるまで移動します。

while GPIO.input(limit_pin) == GPIO.LOW:

    GPIO.output(STEP,GPIO.HIGH)
    time.sleep(0.001)

    GPIO.output(STEP,GPIO.LOW)
    time.sleep(0.001)

この処理で

スイッチON

になるまでモーターを動かします。

バックオフ処理

リミットスイッチを押した状態のままだと
次の動作ができなくなります。

そこで

少しだけ逆方向へ戻します。

GPIO.output(DIR,backoff_dir)for _ in range(BACKOFF_STEPS):    GPIO.output(STEP,GPIO.HIGH)
    time.sleep(0.001)    GPIO.output(STEP,GPIO.LOW)
    time.sleep(0.001)

この処理を

バックオフ（Backoff）

と呼びます。

原点位置の確定

最後に、現在位置を

0mm

として設定します。

current_pos[axis_name]=0.0

これにより

現在位置管理

が可能になります。

Pythonフルコードをダウンロード

この記事で使用したフルコードはこちらからダウンロードできます。

XY_safe_move.py をダウンロード（ZIP）

実行時の動作

プログラムを起動すると

X軸 原点復帰
Y軸 原点復帰

が実行されます。

その後

XY移動

が可能になります。

動作動画

今回のポイント

今回の重要ポイントは次の3つです。

リミットスイッチ
原点復帰（Homing）
バックオフ

この機能により

工作機械の基本制御

が完成します。

次回予告

次回は「XYテーブル GUI操作」を実装します

Pythonの「tkinter」を使い

移動量入力
XY同時制御
緊急停止

などを実装します。

これにより「WINDOW（アプリ）から操作できるXYテーブル」が完成します。

第7回　Raspberry PiでXYテーブル制御｜リミットスイッチと原点復帰（Homing）の実装（XYテーブル製作シリーズ）