【第6回】Raspberry PiでXYテーブル制御｜Pythonでステッピングモーターを2軸同時に動かす（XYテーブル製作シリーズ）

はじめに

この記事では XYテーブルの2軸を同時に動かす方法 を解説します。

前回の記事では
・X軸単体
・Y軸単体
を動かしました。

しかしXYテーブルでは
・XとYを同時に動かす
・斜め移動などを実現する
必要があります。

そこで今回は Pythonのスレッド（threading） を使って
2つのモーターを同時に動作させる方法 を解説します。

今回のゴール

今回のプログラムで出来ること

X軸 → 50mm
Y軸 → 30mm

X軸とY軸を同時に動作させる

つまり
斜め移動ができる
が実現できます

これは XYテーブル制御の基本動作 になります。

ハードウェア構成

今回使用する部品は以下です。

部品	型番
マイコン	Raspberry Pi 3 Model A+
モータードライバ	A4988
モーター	Nema17
電源	12V 5A

GPIO ピン設定

今回のピン配置です。

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

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

■ハードウェアを結線する際にあると便利なツール

Pythonで同時制御する方法

Pythonでは

threading

という機能を使うと

複数の処理を同時に動かす

ことができます。

今回のプログラムでは

X軸スレッド
Y軸スレッド

を同時に起動します。

Pythonコード

import RPi.GPIO as GPIO
import time
import threading

GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# -------------------------
# 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

# -------------------------
# 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

# -------------------------
# 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


# -------------------------
# 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.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)


# -------------------------
# 加減速計算
# -------------------------
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):

    print(axis_name,"開始")

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

    steps = int(distance_mm * STEPS_PER_MM)

    intervals = get_intervals(steps, ACC_DEC_STEPS, 1.5)    # 1.5秒で加減速込みの移動を完了させる

    for c in range(cycles):

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

        for t in intervals:

            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)

    GPIO.output(EN,GPIO.HIGH)

    print(axis_name,"終了")


# -------------------------
# XY同時スタート
# -------------------------
def start_both():

    x_dist = 60 # 移動距離(mm)
    x_cycle = 1 # 移動回数

    y_dist = 30 # 移動距離(mm)#
    y_cycle = 2 # 移動回数

    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()

    tx.join()
    ty.join()


# -------------------------
# 実行
# -------------------------
try:

    start_both()

finally:

    GPIO.cleanup()

実行方法

Raspberry Piで以下を実行します。

python3 XY_both_move.py

すると

X軸 → 50mm
Y軸 → 30mm

が同時に動作します。

次回予告

次回はいよいよ

XYテーブルの安全制御

を実装します。

具体的には

リミットスイッチ
原点復帰（Homing）
移動範囲制限

を追加します。

これにより

実用レベルのXYテーブル制御

に近づきます。

はじめに
今回のゴール
ハードウェア構成
GPIO ピン設定
Pythonで同時制御する方法
Pythonコード
実行方法
次回予告
XYテーブルの安全制御

過去のXYテーブル製作シリーズはこちらから