XYテーブルGUIに原点復帰・位置表示・ソフトリミットを実装【XYテーブル自作第9回】

XYテーブル製作シリーズ第9回

はじめに：原点復帰・位置表示・ソフトリミットで「装置」にする
ハードウェア構成（過去回のおさらい）
原点復帰（Homing）をGUIに追加する
現在位置の管理と、Queueで安全にGUI更新する
1. TkinterのStringVarで表示
2. ThreadからGUIを直接更新してはいけない
ソフトリミット（移動範囲の制限）
第9回完成コード
まとめと次回予告
1. 次に読む記事
よくある質問（FAQ）
XYテーブル製作シリーズ（全12回）
1. 補足記事
シリーズ記事一覧

はじめに：原点復帰・位置表示・ソフトリミットで「装置」にする

第8回で基本的なGUI操作ができるようになりました。実際の装置では、さらに原点復帰（Homing）・現在位置の管理・ソフトリミットの3つが重要です。CNCや産業装置でも必ず使われる機能で、今回これらを実装してXYテーブルコントローラの完成度を高めます。

この記事で分かること

GUIに「原点復帰」ボタンを追加し、X・Yを別スレッドで同時に原点復帰させる
current_pos 辞書でX軸・Y軸の現在位置(mm)を管理する
ThreadからGUIを直接触らず、queue.Queue ＋ root.after(100, ...) で安全に位置表示を更新する
ソフトリミット（X_MAX_MM／Y_MAX_MM）で移動範囲外の指示を弾く
リミットスイッチをNC（ノーマルクローズ）で配線する理由（断線もフェイルセーフで検知）
第9回完成コード（xy_no9_gui.py、ZIP配布）

ハードウェア構成（過去回のおさらい）

部品	型番
マイコン ×1	Raspberry Pi 3 Model A+
モータードライバ ×2	A4988
モーター ×2	NEMA17
電源	12V 5A
リミットスイッチ ×2	オムロン D2JW-01K1A1

# X軸 X_STEP=21 X_DIR=20 X_EN=16 X_MS1=17 X_MS2=27 X_MS3=22 X_RESET=5 X_SLEEP=6 X_LIMIT=4
# Y軸 Y_STEP=2  Y_DIR=26 Y_EN=18 Y_MS1=23 Y_MS2=24 Y_MS3=25 Y_RESET=12 Y_SLEEP=13 Y_LIMIT=14

A4988ドライバー2台・X軸Y軸リミットスイッチ・Raspberry Piの結線図 — 第7回と同じ結線

リミットスイッチをNC（ノーマルクローズ）にする理由：通常時は電流が流れ、スイッチが押されると接点が開いて電流が止まります。ケーブルが断線したときも電流が止まるため、断線も異常として検知できます（フェイルセーフ）。CNC・産業装置ではNCが基本です。

原点復帰（Homing）をGUIに追加する

原点復帰は「原点方向へ移動 → リミットスイッチON → 停止 → バックオフ（少し戻る）→ その位置を現在位置0mmとする」という流れです。バックオフはスイッチが押されたままだと次の動作ができないために必要です。

def start_homing():
    tx = 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))
    ty = 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))
    tx.start()
    ty.start()

btn_homing = tk.Button(root, text="原点復帰", command=start_homing, bg="lightgreen")
btn_homing.grid(row=6, column=0, columnspan=2)

現在位置の管理と、Queueで安全にGUI更新する

現在位置を current_pos 辞書で管理し、モーターが動くたびに更新します。

current_pos = {"X軸": 0.0, "Y軸": 0.0}

TkinterのStringVarで表示

x_pos_var = tk.StringVar(value="X:0.00mm")
y_pos_var = tk.StringVar(value="Y:0.00mm")
tk.Label(root, textvariable=x_pos_var).grid(row=8, column=0)

ThreadからGUIを直接更新してはいけない

Tkinterはスレッドセーフではなく、モータースレッドから直接 x_pos_var.set(...) するとエラーやフリーズの原因になります。そこで queue.Queue を挟みます。

message_queue = queue.Queue()

# モータースレッド側：メッセージを入れるだけ
message_queue.put("update_pos")

# GUIスレッド側：100msごとに取り出して画面更新
def process_queue():
    while not message_queue.empty():
        msg = message_queue.get()
        if msg == "update_pos":
            update_position_display()
    root.after(100, process_queue)

ソフトリミット（移動範囲の制限）

ソフトウェア側で移動範囲を制限し、リニアガイドを飛び越すような動作を防ぎます。

X_MIN_MM = 0
X_MAX_MM = 255   # 機械のスペックに合わせて変更
Y_MIN_MM = 0
Y_MAX_MM = 255

# モーター動作前にチェック
target = current_pos[axis_name] + distance_mm
if axis_name == "X軸" and (target < X_MIN_MM or target > X_MAX_MM):
    print("X軸 ソフトリミット(範囲外)")
    return

第9回完成コード

# ============================================
# 第9回
# XYテーブルGUI + 原点復帰 + 位置表示 + ソフトリミット
# ============================================

import RPi.GPIO as GPIO
import time
import threading
import tkinter as tk
import queue    # queueモジュールをインポート　　第9回追加

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# ============================================
# GPIO設定
# ============================================

X_STEP = 21
X_DIR  = 20
X_EN   = 16

X_MS1 = 17
X_MS2 = 27
X_MS3 = 22

X_RESET = 5
X_SLEEP = 6

X_LIMIT = 4


Y_STEP = 2
Y_DIR  = 26
Y_EN   = 18

Y_MS1 = 23
Y_MS2 = 24
Y_MS3 = 25

Y_RESET = 12
Y_SLEEP = 13

Y_LIMIT = 14

# ============================================
# モーション設定
# ============================================

BELT_PITCH = 2.0
PULLEY_TEETH = 32

MM_PER_REV = BELT_PITCH * PULLEY_TEETH

FULL_STEPS = 200
MICROSTEP = 16

STEPS_PER_REV = FULL_STEPS * MICROSTEP
STEPS_PER_MM = STEPS_PER_REV / MM_PER_REV

ACC_DEC_STEPS = 100
BACKOFF_STEPS = 200 # 原点復帰後のバックオフ量（ステップ数）

stop_flag = False

message_queue = queue.Queue()   # queueを追加   第９回追加

# ============================================
# 位置管理（第9回追加）
# ============================================

current_pos = {
    "X軸":0.0,
    "Y軸":0.0
}

# ソフトリミット（第9回追加）

X_MIN_MM = 0
X_MAX_MM = 255  # 適宜変更してください

Y_MIN_MM = 0
Y_MAX_MM = 255  # 適宜変更してください  


# ============================================
# GPIO初期化
# ============================================

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

    pins=[STEP,DIR,EN,MS1,MS2,MS3,RESET,SLEEP]

    for p in pins:
        GPIO.setup(p,GPIO.OUT)

    GPIO.setup(X_LIMIT,GPIO.IN,pull_up_down=GPIO.PUD_UP)
    GPIO.setup(Y_LIMIT,GPIO.IN,pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

    GPIO.output(RESET,GPIO.HIGH)
    GPIO.output(SLEEP,GPIO.HIGH)

    GPIO.output(MS1,GPIO.HIGH)
    GPIO.output(MS2,GPIO.HIGH)
    GPIO.output(MS3,GPIO.HIGH)

    GPIO.output(EN,GPIO.LOW)


# ============================================
# 加減速
# ============================================

def get_intervals(total_steps,acc_steps,total_time):

    const_steps=max(total_steps-acc_steps*2,1)

    total_ratio=acc_steps*0.5+const_steps+acc_steps*0.5

    base_interval=total_time/total_ratio/2

    intervals=[]

    for i in range(acc_steps):
        intervals.append(base_interval*(acc_steps-i)/acc_steps)

    for i in range(const_steps):
        intervals.append(base_interval)

    for i in range(acc_steps):
        intervals.append(base_interval*(i+1)/acc_steps)

    return intervals


# ============================================
# モーター制御
# ============================================

def run_motor(axis_name,
              STEP,DIR,EN,
              MS1,MS2,MS3,
              RESET,SLEEP,
              distance_mm,
              cycles):

    global stop_flag
    global current_pos

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

    steps=int(abs(distance_mm)*STEPS_PER_MM)    #absを追加して正負両対応

    intervals=get_intervals(steps,ACC_DEC_STEPS,1.5)

    for c in range(cycles):

        if stop_flag:
            return

        # ソフトリミットチェック（第9回追加）

        target = current_pos[axis_name] + distance_mm

        if axis_name=="X軸":
            if target  X_MAX_MM:
                print("X軸 ソフトリミット(範囲外)")
                return

        if axis_name=="Y軸":
            if target  Y_MAX_MM:
                print("Y軸 ソフトリミット(範囲外)")
                return

        # 正転
        if axis_name=="X軸":
            GPIO.output(DIR,GPIO.LOW)
        else:
            GPIO.output(DIR,GPIO.HIGH)

        for t in intervals:

            if stop_flag:
                return

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

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

        # 逆転
        if axis_name == "X軸":
            GPIO.output(DIR,GPIO.HIGH)
        else:
            GPIO.output(DIR,GPIO.LOW)

        for t in intervals:

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

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

        # 位置更新（第9回追加）
        current_pos[axis_name]+=distance_mm  # 移動量を加算（正負両対応）
        message_queue.put("update_pos") # 移動完了後に位置表示更新を指示

    GPIO.output(EN,GPIO.HIGH)


# ============================================
# XY同時実行
# ============================================

def start_xy():

    global stop_flag
    stop_flag=False

    x_dist=float(entry_x_dist.get())
    x_cycle=int(entry_x_cycle.get())

    y_dist=float(entry_y_dist.get())
    y_cycle=int(entry_y_cycle.get())

    tx=threading.Thread(
        target=run_motor,
        args=("X軸",
              X_STEP,X_DIR,X_EN,
              X_MS1,X_MS2,X_MS3,
              X_RESET,X_SLEEP,
              x_dist,x_cycle)
    )

    ty=threading.Thread(
        target=run_motor,
        args=("Y軸",
              Y_STEP,Y_DIR,Y_EN,
              Y_MS1,Y_MS2,Y_MS3,
              Y_RESET,Y_SLEEP,
              y_dist,y_cycle)
    )

    tx.start()
    ty.start()


# ============================================
# 原点復帰（第9回追加）
# ============================================

def start_homing():

    global stop_flag
    stop_flag=False
    
    GPIO.setup(X_EN,GPIO.OUT)
    GPIO.setup(Y_EN,GPIO.OUT)
    GPIO.output(X_EN,GPIO.LOW)
    GPIO.output(Y_EN,GPIO.LOW)
    
    tx = 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)
    )

    ty = 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)
    )

    tx.start()
    ty.start()

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

    print(axis_name,"原点復帰開始")

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

    GPIO.setup(limit_pin,GPIO.IN,pull_up_down=GPIO.PUD_UP)

    # 原点方向
    if axis_name == "X軸":
        homing_dir = GPIO.HIGH
        backoff_dir = GPIO.LOW
    else:
        homing_dir = GPIO.LOW
        backoff_dir = GPIO.HIGH

    GPIO.output(DIR,homing_dir)

    time.sleep(0.05)

    # 原点探索
    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)

        if stop_flag:
            return

    time.sleep(0.05)

    # BACKOFF
    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)

    GPIO.output(EN,GPIO.HIGH)

    current_pos[axis_name] = 0.0
    message_queue.put("update_pos") # 原点復帰後に位置表示更新を指示

    print(axis_name,"原点復帰完了")


# ============================================
# 緊急停止
# ============================================

def stop_motor():

    global stop_flag
    stop_flag=True

    GPIO.output(X_EN,GPIO.HIGH)
    GPIO.output(Y_EN,GPIO.HIGH)


# ============================================
# 位置表示更新（第9回追加）
# ============================================

def update_position_display():

    x_pos_var.set(f"X:{current_pos['X軸']:.2f} mm")
    y_pos_var.set(f"Y:{current_pos['Y軸']:.2f} mm")

# ============================================
# Queue(第9回追加)
# ============================================

def process_queue():

    while not message_queue.empty():
        msg = message_queue.get()
        if msg == "update_pos":
            update_position_display()

    root.after(100, process_queue) # 100msごとにキューをチェック

# ============================================
# GUI
# ============================================

root=tk.Tk()
root.title("XY Table Controller")


tk.Label(root,text="X移動量(mm)").grid(row=0,column=0)
entry_x_dist=tk.Entry(root)
entry_x_dist.grid(row=0,column=1)

tk.Label(root,text="Xサイクル").grid(row=1,column=0)
entry_x_cycle=tk.Entry(root)
entry_x_cycle.grid(row=1,column=1)


tk.Label(root,text="Y移動量(mm)").grid(row=2,column=0)
entry_y_dist=tk.Entry(root)
entry_y_dist.grid(row=2,column=1)

tk.Label(root,text="Yサイクル").grid(row=3,column=0)
entry_y_cycle=tk.Entry(root)
entry_y_cycle.grid(row=3,column=1)


# 現在位置表示（第9回追加）

x_pos_var=tk.StringVar(value="X:0.00 mm")
y_pos_var=tk.StringVar(value="Y:0.00 mm")

tk.Label(root,textvariable=x_pos_var).grid(row=4,column=0)
tk.Label(root,textvariable=y_pos_var).grid(row=4,column=1)


tk.Button(root,
          text="XY同時実行",
          command=start_xy,
          bg="lightblue").grid(row=5,column=0,columnspan=2,pady=10)


tk.Button(root,
          text="緊急停止",
          command=stop_motor,
          bg="red",
          fg="white").grid(row=6,column=0,columnspan=2,pady=10)


# 原点復帰ボタン（第9回追加）

tk.Button(root,
          text="原点復帰",
          command=start_homing,
          bg="lightgreen").grid(row=7,column=0,columnspan=2,pady=10)


root.after(100, process_queue) # Queue(キュー)の監視処理開始
root.mainloop()

⬇ xy_no9_gui.py をダウンロード（ZIP）

原点復帰ボタンと現在位置表示を追加した第9回のXYテーブル操作GUI — 第9回で完成するGUI

まとめと次回予告

原点復帰・現在位置表示・ソフトリミットを実装し、XYテーブル制御ソフトの完成度が大きく向上しました。次回・第10回では、単軸動作・片道移動・安全なプログラム終了を追加します。

次に読む記事

🎛️ 次回はこちら（第10回） XYテーブル制御GUIに単軸動作・片道移動・安全なプログラム終了を実装単軸操作・位置決め・×ボタン無効化。 → 🧵 前回（第8.5回） PythonのGUIが固まる理由とThreadの使い方｜Tkinterでモーター制御中もボタンを効かせる今回使った Queue パターンの背景。 → 🗺️ 全体像自作XYテーブルの全手順ロードマップ｜Raspberry Pi＋ステッピングモーターで2軸制御第0回〜第11回の全工程をまとめたロードマップ。 →

よくある質問（FAQ）

Qなぜ Thread から直接 GUI（StringVar）を更新してはいけないのですか？

ATkinterはスレッドセーフに設計されていません。別スレッドからウィジェットやStringVarを操作すると、多くの場合は動くものの、タイミングによってクラッシュやフリーズが起きます。queue.Queue にメッセージを積み、root.after でGUIメインスレッドが取り出して更新するのが安全な定番パターンです。

Qroot.after(100, process_queue) の100は何ですか？

A100ミリ秒ごとにキューをチェックして画面を更新する、という意味です。小さくすると表示が滑らかになりますがCPU負荷が上がり、大きくすると表示がカクつきます。位置表示なら50〜200ms程度が実用的です。

Qソフトリミットの範囲（255mm）はどう決めればいいですか？

Aリニアガイドの有効ストロークから、両端に安全マージン（5〜10mm）を引いた値にします。原点復帰でバックオフした位置が0なので、そこから実際に動ける距離を実測して X_MAX_MM に設定します。

Q原点復帰中に緊急停止したいです。

Ahoming_axis のステップループ内で if stop_flag: return をチェックします。緊急停止ボタンで stop_flag=True にし、あわせて GPIO.output(EN, GPIO.HIGH) でドライバの電流を切ると即座に止まります。

Qcurrent_pos が実際の位置とずれていきます。

A脱調（パルスを送ったのにモーターが回っていない）が起きると、指令上の current_pos と実機がずれます。加減速を効かせて脱調を防ぎ、定期的に原点復帰して current_pos をリセットするのが確実です。