PythonとRaspberry PiでXYテーブル制御GUIを作る単軸動作・片道運動・安全終了の実装【第10回】

はじめに

第9回では、XYテーブルに「原点復帰」や「ソフトリミット」を実装し、基本的な制御ができるようになりました。
しかし、実際に装置を運用してみると、現場レベルではさらに一歩踏み込んだ機能が欲しくなります。

• 「X軸だけを微調整したい」
• 「往復じゃなく、決まった位置にスッと移動させたい」
• 「今、具体的に何mmの位置にいるのか一目で知りたい」
• 「×ボタンで閉じたら、裏でモーターが変な動きをした…」

本記事では、これらの課題をすべて解決し、「実用的な制御アプリ」としての完成度を仕上げていきます。

完成したGUIイメージ

ｘ軸移動量(mm)
Ｘ軸サイクル数
Ｙ軸移動量(mm)
Ｙ軸サイクル数
Ｘ：？？？ｍｍ　Ｙ：？？？ｍｍ
ボタン「ＸＹ同時実行」
ボタン「緊急停止」
ボタン「原点復帰」
ボタン「Ｘ軸サイクル」「Ｙ軸サイクル」
ボタン「Ｘ軸片道」「Ｙ軸片道」
ボタン「プログラムの終了」

今回追加・改善する機能

新しくなったGUIには、以下の機能を盛り込みます。

1. 単軸動作（X軸・Y軸のみ）
2. 片道移動（位置決め操作）
3. 現在位置のリアルタイム表示
4. 安全なGUI終了シーケンス

UIは直感的に操作できるよう、軸ごとの実行ボタンを整理しました。

単軸動作の実装

実際の装置運用では、「X軸だけ動かしてセンサー位置を確認する」といった単独操作が非常に多く発生します。

単軸動作関数の追加

def start_x_cycle():

    distance=float(entry_X_dist.get())
    cycles=int(entry_X_cycle.get())

    threading.Thread(
        target=run_motor,
        args=("X軸",
              X_STEP,X_DIR,X_EN,
              X_MS1,X_MS2,X_MS3,
              X_RESET,X_SLEEP,
              distance,cycles),
        daemon=True
    ).start()

# Y軸も同様に作成（引数をY軸用に変更）

単軸動作用のGUIボタンの追加

単軸動作関数をつくったら、それに対応するGUIボタンを追加します。
Tkinter(as tk)でGUIを定義した箇所に以下のコードを追加します

tk.Button(root, text="X軸サイクル実行", command=start_x_cycle, bg="lightblue")\
.grid(row=10, column=0, pady=5)

tk.Button(root, text="Y軸サイクル実行", command=start_y_cycle, bg="lightblue")\
.grid(row=10, column=1, pady=5)

片道移動（位置決め）機能

「往復」ではなく「指定した距離だけ移動して止まる」機能です。ワークのセットや位置決め作業には欠かせません。

片道移動関数

第10回で新しく追加したrun_motor_oneway関数では、移動後に現在位置（current_pos）を更新するのがポイントです。

# ============================================
# 片道運動の関数（第10回追加）
# ============================================
def run_motor_oneway(axis_name, STEP, DIR, EN, MS1, MS2, MS3, RESET, SLEEP,
              distance_mm):
    
    global stop_flag,current_pos
    stop_flag = False
    
    start_pos =current_pos[axis_name]
    target_pos = start_pos + distance_mm
    
    # -----------------------------------------------
    # ソフトリミットチェック
    if axis_name == "X軸":
        if not (X_MIN_MM <= target_pos <= X_MAX_MM):
            message_queue.put(("error", f"{axis_name}移動範囲外:{target_pos:.2f}mm"))
            return
    else:
        if not (Y_MIN_MM <= target_pos <= Y_MAX_MM):
            message_queue.put(("error", f"{axis_name}移動範囲外:{target_pos:.2f}mm"))
            return
    
    steps = int(distance_mm * STEPS_PER_MM)
    if steps < 1:
        return
    intervales = get_intervals(steps,ACC_DEC_STEPS,1.5)
    gpio_init_axis(STEP,DIR,EN,MS1,MS2,MS3,RESET,SLEEP)
    
    step_count = 0  # ★ 現在位置（ステップ数）
    
    try:
        #-----正転のみ-----
        if axis_name =="X軸":
            GPIO.output(DIR,GPIO.LOW)
        else:
            GPIO.output(DIR,GPIO.HIGH)
        
        for t in intervales:
            if stop_flag:
                break
        
            GPIO.output(STEP,GPIO.HIGH)
            time.sleep(t)
            GPIO.output(STEP,GPIO.LOW)
            time.sleep(t)
            
            step_count += 1
            
            if step_count % 50 ==0:
                current_mm = step_count / STEPS_PER_MM
                message_queue.put(("pos",axis_name,current_mm))
        
        GPIO.output(EN,GPIO.HIGH)
        
        #★片道なので位置を更新
        current_pos[axis_name]=target_pos
        message_queue.put(("pos",axis_name,current_pos[axis_name]))
        message_queue.put(("info",f"{axis_name}片道移動完了"))
    
    finally:
        print(f"[{axis_name}]片道終了")
#片道運動の関数＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝＝

片道移動用のGUIボタンの追加

片道動作の関数をつくったら、それに対応するGUIボタンを追加します。
Tkinter(as tk)でGUIを定義した箇所に以下のコードを追加します

tk.Button(root, text="X軸　片道", command=start_x_oneway, bg="lightblue")\
.grid(row=11, column=0, pady=5)

tk.Button(root, text="Y軸　片道", command=start_y_oneway, bg="lightblue")\
.grid(row=11, column=1, pady=5)

現在位置のリアルタイム表示

「今どこにいるか」を可視化することで、操作の安心感が格段に向上します。

ステップ数から位置を計算

ステッピングモーターは送ったパルス数で移動距離がわかるため、以下の計算で現在地を割り出します。

step_count += 1

if step_count % 50 == 0:

    current_mm = step_count / STEPS_PER_MM

    message_queue.put(
        ("pos",axis_name,current_mm)
    )

Point: すべてのステップでGUIを更新しようとすると、通信過多でアプリがフリーズします。% 50（剰余演算）を使って適度に間引くのがスムーズな表示のコツです。

GUI側処理

GUIではQueueからメッセージを受け取り
位置表示を更新します。

if msg[0]=="pos":

    _,axis,pos_mm = msg

    if axis=="X軸":
        x_pos_var.set(f"x:{pos_mm:.2f}mm")
    else:
        y_pos_var.set(f"y:{pos_mm:.2f}mm")

これで

モーター動作中（リアルタイム）
↓
現在位置が更新

されるようになりました。

安全なGUI終了（最重要）

装置制御において、右上の「×」ボタンでいきなり閉じるのは厳禁です。

なぜ「×」ボタンは危険なのか？

• GPIOの保持: プログラムが強制終了されると、出力ピンがHIGHのまま固定され、モーターに電流が流れ続けたり、異音が発生したりします。
• ゾンビ・スレッド: GUIは消えても、バックグラウンドのスレッドが生き残り、予期せぬ動作を続ける可能性があります。

対策：×ボタンの無効化と終了ボタン

「×」ボタンを無効化し、クリーンアップ処理（GPIO解放など）を必ず通る「終了ボタン」を実装します。

×ボタンを無効化

root.protocol(
    "WM_DELETE_WINDOW",
    disable_close
)

終了ボタンの追加　関数とGUI

GUIを終了させる関数の追加

def quit_program():

    global stop_flag
    stop_flag=True

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

    root.destroy()

対応する終了ボタンを追加

btn_quit = tk.Button(root,text="プログラム終了",command=quit_program,bg="gray",fg="white")
btn_quit.grid(row=7,column=0,columnspan=2,pady=15)

これで

モーター停止
↓
GPIO解放
↓
GUI終了

という安全な終了ができます。

まとめ

第10回では、XYテーブル制御GUIを「より使いやすく、より安全に」ブラッシュアップしました。

• 単軸操作で細かな調整が可能に
• 片道移動で正確な位置決めを実現
• リアルタイム表示で動作状況を把握
• 安全終了でハードウェアを保護

これで、XYテーブルを自在に操るための基本機能がすべて揃いました！

次回予告

いよいよこのシリーズもクライマックスです。
次回は、これまでのコードをきれいに整理した「完成版フルコード」を公開します。お楽しみに！

過去のXYテーブル製作シリーズはこちらから

• 【第0回】Raspberry PiのOSインストール完全ガイド｜初心者向けにゼロから解説
• 【第1回】PythonでLEDを光らせる｜GPIOの基本をやさしく解説
• 【第2回】ラズパイ＋A4988でステッピングモーターを回す
• 【第3回】ステッピングモーターをmm単位で動かす｜ベルト駆動の計算方法まで解説
• 【第1.5回】　A4988のVref調整手順（XYテーブル製作シリーズ）
• 【番外編】L6470が動かない？A4988と同じ感覚で使ってハマった話
• 【第4回】XYテーブル化の第一歩｜X軸とY軸を2台動かす
• 【第5回】Pythonでステッピングモーターの加減速制御を実装する
• 【第6回】Pythonでステッピングモーターを2軸同時に動かす
• 【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
• 【第8回】【Python × Raspberry Pi】XYテーブルをGUI操作する（Tkinter)
• 【第9回】Python×Raspberry PiでXYテーブルを制御するGUIを作る（原点復帰・位置表示・ソフトリミット実装）