XYテーブルをCNC化！ArduinoとA4988を使ったステッピングモーター制御の基本【自作CNC第1回】

自作CNCシリーズ 第1回

はじめに

こんにちは。にんじんです🥕

この記事は、手元にある自作XYテーブルを流用して、ArduinoとA4988でCNC制御の基盤を作る「自作CNCシリーズ」の第1回です。今回のゴールはシンプルで、Arduinoからの指示でX軸・Y軸のステッピングモーターを回すところまで。加工機としての完成ではなく、まず「配線と電気的な仕様に問題がないか」を確認します。

今回の検証ゴールとハードウェア構成

今回の到達目標は 「Arduinoからの指示でX軸・Y軸を動作させること」です。加工機としての完成ではなく、まず「問題なく動く状態」を作り、結線や電気的な仕様に問題がないかを確認します。

自作CNCのハードウェア構成と部品選定

テストにあたり、以下の部品一式を用意しました。

※一部のリンクはアフィリエイトプログラムを利用しています。

ステッピングモータードライバ「A4988」の特徴と電流調整（Vref）の注意点

CNC自作の定番ドライバが「A4988」です。特徴は次のとおりです。

• マイクロステップ制御に対応し、細かな位置決め（1/16分割など）ができる
• 基板上の半固定抵抗を回して、電流制限値を手動で調整できる
• 比較的安価で入手性が良い

CNC制御でRaspberry PiではなくArduinoを選ぶ理由

CNCの制御にRaspberry Pi（ラズパイ）を使う構成も見かけますが、今回はメインのモーター制御にArduinoを選びました。理由は、CNCで極めて重要な「リアルタイム処理」の適性にあります。

Raspberry Piの特性：汎用OS（Linux）が動いており、バックグラウンドで様々な処理が同時に走ります。そのため厳密なリアルタイム処理が苦手で、モーター制御では次の課題が出ます。

• パルス信号の出力タイミングにわずかなバラつきが生じる
• 信号の遅延がモーターの「脱調（ステップ抜け）」の原因になり得る

実際にオシロスコープで波形を見ても、ラズパイ単体でシビアなCNC制御を行うのは難しいという印象でした。

Arduinoの強み：OSを持たず「単一のプログラムだけを愚直に実行する」構造のため、リアルタイム制御に非常に強いです。測定したパルス波形も安定していました。

これはラズパイが劣るという話ではなく、適材適所です。実機を動かすパルス制御はArduino、命令を送る上位の頭脳（GUI操作盤）はRaspberry Pi、という組み合わせが理想的で、このシリーズもその構成でCNCマシンを製作していきます。

ハードウェアの回路接続と電解コンデンサによるノイズ対策

電源ラインに電解コンデンサ（100μF以上）が必須となる理由

結線図をよく見ると、モーター電源（12V）に電解コンデンサ（100μF以上）を並列で入れています。目的は「電圧の安定化」です。

豆知識：なぜA4988に電解コンデンサを入れるのか
ステッピングモーターは動作中、コイルに急激な電流変化が起きるため、電源ラインにノイズや電圧の揺れが発生します。

コンデンサなしだと何が起きるか：

• 電圧が瞬間的に落ちる（電圧降下）
• 逆起電力によるスパイクが発生する
• その結果、モーターが不安定になる・ステップ抜け（脱調）・最悪の場合 A4988が破損する

コンデンサの役割：電解コンデンサは「電気のバッファ（貯水タンク）」として働きます。電圧が下がったときは電気を供給し、上がりすぎたときは吸収して、電源を安定させます。

実務的なポイント：

• 容量は 100μF〜470μF程度が一般的
• 耐圧は使用電圧（12V）より余裕を持たせる（例：30V〜50V）
• できるだけ A4988の近くに配置する

開発環境の準備：Arduino IDEのインストール手順

Arduino UNO R3 を動かすために、専用アプリ「Arduino IDE」をインストールします。Arduino公式のソフトウェアページから、使用するPCに対応するインストーラーをダウンロードしてください。

対応するインストーラーを選択し「DOWNLOAD」をクリック

ダウンロードしたファイルを実行し、「同意する」をクリック

どちらかを選択し「次へ」をクリック

「インストール」をクリック

「完了」をクリックして終了

テストコードによるステッピングモーターの動作確認手順

結線と開発環境が整ったら、テストプログラムを実行して動作を確認します。検証用のテストコード test_code_XY.ino は、X軸・Y軸をそれぞれ正転→逆転させるシンプルな内容です。シリアルモニタで s を送ると停止します。

test_code_XY.ino（Arduino IDEに貼り付けて書き込みます）

// テストコード　test_code_XY.ino

#define X_STEP 2
#define X_DIR 5

#define Y_STEP 3
#define Y_DIR 6

#define ENABLE 8

bool stopFlag = false;

void setup() {
  pinMode(X_STEP, OUTPUT);
  pinMode(X_DIR, OUTPUT);
  pinMode(Y_STEP, OUTPUT);
  pinMode(Y_DIR, OUTPUT);
  pinMode(ENABLE, OUTPUT);

  digitalWrite(ENABLE, LOW); // 有効化

  Serial.begin(115200);
  Serial.println("Press 's' to STOP");
}

// 停止チェック
void checkStop() {
  if (Serial.available()) {
    char c = Serial.read();
    if (c == 's' || c == 'S') {
      stopFlag = true;
    }
  }
}

// 停止処理
void stopAll() {
  Serial.println("STOPPED");
  digitalWrite(ENABLE, HIGH); // モーターOFF
  while (1); // 完全停止
}

// 指定軸を指定方向に回す
void moveMotor(int stepPin, int dirPin, bool dir, int steps) {
  digitalWrite(dirPin, dir);

  for (int i = 0; i < steps; i++) {
    checkStop();
    if (stopFlag) stopAll();

    digitalWrite(stepPin, HIGH);
    delayMicroseconds(1000);
    digitalWrite(stepPin, LOW);
    delayMicroseconds(1000);
  }
}

void loop() {
  stopFlag = false;

  // ===== X軸 =====
  moveMotor(X_STEP, X_DIR, LOW, 300); // 正転
  delay(500);
  moveMotor(X_STEP, X_DIR, HIGH, 300);  // 逆転

  delay(1000);

  // ===== Y軸 =====
  moveMotor(Y_STEP, Y_DIR, HIGH, 300); // 正転
  delay(500);
  moveMotor(Y_STEP, Y_DIR, LOW, 300);  // 逆転

  delay(2000);
}

• Arduino IDEを開く
• 上部のプルダウンで、Arduinoが接続されているポートを選択
• デフォルトのコードを削除し、テストコードを貼り付け
• 左上の → ボタンをクリックして書き込み
• 自動でX軸・Y軸の動作が始まります

※ 動作を一時停止したい場合は、Arduino IDE右上のボタンから「シリアルモニタ」を起動し、キーボードの S を入力して Enter を押してください。

動作動画

プログラム実行時に重点的に確認するポイント

• 意図した方向に軸（モーター）が回転しているか
• 回転時に異常な異音や、不自然な激しい振動が出ていないか
• 引っかかりがなく、スムーズに同期して回転しているか

この段階で違和感がある場合は、モーターの配線順（相の組み合わせ）が間違っているか、A4988の電流制限値（Vref）の設定が不適切な可能性が高いので、再確認してください。

まとめと次回予告：リミットスイッチの実装と機械原点の確定へ

今回は、Arduinoを使ったCNC制御の基本構成と、最初の回転テストまでの手順を紹介しました。本来はリミットスイッチの配線までまとめる予定でしたが、解説が長くなったため、回路の安全に関わるスイッチの実装は次回に回します。

次回・第2回では、工作機械として正確な位置決め（原点復帰／ホーミング）を行うための、リミットスイッチの実装と配線を進めます。

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よくある質問（FAQ）

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