CNCシールドでリミットが常時ON（Pn:Z）になる原因｜GRBLのD11・D12ピン反転の罠【自作CNC第5回】

自作CNCシリーズ 第5回

はじめに：触れていないのに「Pn:Z」が常時ONになる

こんにちは、にんじんです🥕

Y軸を追加して2軸同期走行までは動いたのに、ホーミングを有効にした瞬間、リミットスイッチに触れてもいないのに「Pn:Z」が常時ONになる——。この記事では、その原因がGRBL v0.9以降で入れ替わったD11（スピンドル制御）とD12（Z軸リミット）のピンアサインにあったこと、そして格安CNCシールドのシルク印刷を信じてはいけない理由を、実際の切り分け作業とともに解説します。あわせて、Y軸追加後の2軸同期テスト（スクエア走行・円弧補間）と、モーターが逆に回るときの $3 による対処もまとめます。

Y軸の追加と2軸同期テスト走行（Gコード実行）

テスト環境は、以前製作したXYテーブルを流用したプロトタイプ機です。可動範囲はX・Yともに250mm。本番の筐体を組む前に、まずこの構成で制御系を仕上げます。今回のテストで確認するのは次の3点です。

• 範囲内（250mm）で問題なく動作するか
• X軸とY軸を同時に動かす複雑な動作ができるか
• 繰り返し動作でステップのズレ（脱調）が発生しないか

スクエア走行テスト（test02.nc）で四角形を描く

まずは基本の四角形。CNCjsからテスト用のGコード（.ncファイル）を実行します。イメージは 200mm四方を2周です。

(10,210) ┌─────┐ (210,210)
         │       │
(10,10)  └─────┘ (210,10)

「test02.nc」は以下の通りです。

G21         ; mm単位
G90         ; 絶対座標

F500        ; 送り速度

G0 X10 Y10  ; スタート位置（少し内側）

; 四角形1周（200mmサイズ）
G1 X210 Y10
G1 X210 Y210
G1 X10 Y210
G1 X10 Y10

; もう一周（動作確認）
G1 X210 Y10
G1 X210 Y210
G1 X10 Y210
G1 X10 Y10

円弧補間テスト（test03.nc）で同期と脱調をチェック

四角形が確認できたら、次は円を描く動作です。きれいな円にはX軸とY軸が互いに加減速を連携させる必要があります。このテスト（test03.nc）で、2軸の同期と脱調（ステップ抜け）の有無を細かくチェックします。

「test03.nc」は以下の通りです。

G21
G90
F500

G0 X110 Y110

G2 X110 Y110 I50 J0

モーターが逆方向に動くときは $3（Step direction invert）

テスト中にモーターが想定と逆方向に動いたり斜めに走ったりする場合、配線を物理的に差し替えなくても、GRBLの $3（Step direction invert）でソフト側から回転方向を反転できます。

• $3=1：X反転
• $3=2：Y反転
• $3=3：X＋Y両方反転

GRBLでのホーミング（原点復帰）の有効化と事前準備

2軸の動作が確認できたので、次は「ホーミング（原点復帰）」の設定です。これは電源を入れたときにマシンへ正確な現在位置を認識させるための重要な設定です。

Z軸未実装環境でのリミットスイッチとモーターの仮配線

GRBL・CNCjsの仕様上、Z軸の環境が確認できないとホーミング全体を実行できません。ニンジンの環境はXYテーブル流用のためZ軸を物理固定できないので、単独のステッピングモーター（Nema17）とリミットスイッチ（オムロン D2JW-01K1A1）を一時的に配線して検証します。

CNCjsからのホーミング関連パラメータの設定

CNCjsのコンソールで以下を実行し、設定を流し込みます。

$130=250 ; X最大移動距離
$131=250 ; Y最大移動距離
$132=10  ; Z適当（まだ仮です）

$22=1    ; ホーミングON
$23=3    ; ホーミング方向（今回は左奥を原点に設定）

GRBLの仕様上の注意：$22=1（ホーミング有効）にすると、起動直後は必ずアラーム状態（ロック）になります。これは現在地が未確定のまま誤動作するのを防ぐ安全設計で、ホーミングが正常に完了すれば自動的に解除されます。

異常事態：リミットスイッチ未操作なのに「Pn:Z」が常時ONになる

ホーミングを実行する前に、リミットスイッチのステータスを確認するためコンソールから ? コマンド（ステータスレポート要求）を実行しました。

コンソールの表示：
<Alarm|MPos:0.000,0.000,0.000|FS:0,0|Pn:Z>

末尾の Pn:Z は「Z軸のリミットスイッチが押されています」というサインです。ですが、まだスイッチに触れてもいません。結線もNC（ノーマルクローズ）で正しく行っているはずなのに、なぜか「常時ON」扱い。ここから長い切り分けが始まりました。

原因究明：CNCシールドの仕様とGRBLの歴史（D11とD12の入れ替わり）

テスターでArduino UnoとCNCシールドの回路を1本ずつ確認したところ、原因が判明しました。

結論として、Amazonで購入した市販のCNCシールドで、D11ピンとD12ピンの配線が入れ替わっていました。

• 本来の想定：ArduinoのD12ピンがシールド上の「Z軸リミット端子」に接続
• 実際の回路：ArduinoのD11ピンがシールド上の「Z軸リミット端子」に導通
• 付随：D11であるべき「SpnEN（スピンドル有効）」信号がD12ピンに接続

つまり D11ピンとD12ピンが完全に入れ替わっている状態でした。これでは、Z軸のリミットスイッチを基板のシルク印刷どおりに配線しても、現行のGRBL仕様では正常に認識されません。

この写真が正しい結線です。見た目はSpnENに接続されていて誤配線のように見えますが、これで正しく動きます。

旧GRBL（v0.8以前）と現行GRBL（v0.9以降）のピンアサインの違い

さらに調べると、基板の不良というより「GRBLのバージョンの歴史」が関係していました。

• 旧GRBL（v0.8まで）：D11ピンが「Z軸リミット」に割り当てられていた
• 現行GRBL（v0.9以降）：D11ピンが「スピンドル制御（PWM出力）」に変更され、Z軸リミットはD12ピンへ移された

D11はPWM（パルス幅変調）が得意なピンで、スピンドルの回転数制御に向いています。より高度なCNC制御に対応するため、GRBLの開発元が「D11をスピンドル用に、Z軸リミットをD12へ移設」と決めた背景があります。ニンジンはその歴史を知らず「基板がNG」と思い込んでいました。一概にコピー不良とは言えないようです。

※ニンジンが購入したCNCシールドが対象の話です。注意喚起の意味で記事にしています。購入品によって差異があるため、テスター等で結線を確認することを推奨します。

まとめと次回予告：入れ替わったピンへの対策と4ステップホーミング

ピン配置が入れ替わっている原因は特定できましたが、ホーミングを成功させるにはこの回路構成に合わせた対策が必要です。さらに「物理的なZ軸ユニットがまだない」というプロトタイプ機ならではの難題も控えています。

次回・第6回では、ホーミング動作の挙動を検証し、ON → OFF → ON → OFF の4ステップ手順を攻略する方法を解説します。

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