JP6687621B2 - 3dプリンタ - Google Patents
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Description
本発明の分野は、三次元の物体を製造するために3本以上の軸を用いる製造ツールである。実施形態は、付加的(additive)な製造機械を含む。本発明は、物体が製造されるプラットフォームを駆動する反転SCARAアームを組み入れている。
3Dプリンタは、三次元の物体の形状を定義する電子ファイルからその物体を作成するための装置および当該装置を用いる方法である。3Dプリンタは、材料を付加すること(adding)によってプラットフォーム上または構築プレート上で物体を構築するか、または材料を除去すること(subtracting)によって物体を作成するという点において、付加的であってもよく、除去的(subtractive)であってもよい。大部分の3Dプリンタは付加的である。比較として、大部分のフライス盤および旋盤の動作は除去的である。典型的な付加的3Dプリンタは、一時に少量の材料を堆積させるヘッド(押出機またはプリントヘッドとも呼ばれる)を用いる。材料は、ヘッド内で熱によって液化し、構築中の物体上に配置されてもよい(その後冷却するにつれて硬化する)。代替的なシステムは、光、紫外光、他の放射線または熱を用いることによって硬化または重合する材料を用いる。別の代替的なシステムは、ヘッドによってポイントごとまたはピースごとに硬化する液体またはゲルのタンクを用いる。
この発明は、従来技術における弱点を克服する。
図示され論じられる実施形態は、すべて例示のみのものであり、限定的ではない。当業者は、特許請求の範囲に記載される発明を実施する多くの代替的材料、構成、構造および方法ステップを知っている。
2極ステッピングモータの各コイルにわたる電流を、90°位相が異なる2つの理想正弦波のような曲線によって表されるものとする。位相が0から360°まで変化するにつれて、4つの完全な基本モータステップが生成される。従来のステッピングの代わりにこの位相曲線を介して直接的にステッパを駆動することにより、一種のスーパー・グラニュラーな(super-granular)解像度を達成する。完全なステップ値間の任意の中間値が正当であり、ステッパ回路の解像度は、電流を(たとえばPWMを用いて)制御できる精度と、与えられたモータの非線形性に関する知識とによってのみ制限される。
// ツイスタアーム/プラッタアセンブリを移動
static void maintain_xy_motion(float x_, float y_) {
static float distance, x, y;
uint8_t stage = motion_tick % TWISTER_MAINTENANCE_STAGES;
switch (stage) {
case 0: x = x_; y = y_; break;
case 1: distance = sqrt(x*x+y*y); break;
case 2: theta = 2*asin(distance/(2*ARM_LENGTH))+theta_offset; break;
case 3: lambda = theta/2-acos(y/distance)*signof(x);
break;
case 4: set_motor_position(MOTOR_THETA, theta, THETA_STEPS_PER_REVOLUTION); break;
case 5: set_motor_position(MOTOR_LAMBDA, lambda, LAMBDA_STEPS_PER_REVOLUTION); break;
}
}
float square_sin(float x, float smoothness) {
return (2*atan(sin(x)/smoothness))/M_PI;
}
float square_cos(float x, float smoothness) {
return square_sin(x+(M_PI/2), smoothness);
}
void mo_set_phase(uint8_t motor, float radians, float rate, float modulator) {
float _s, _c;
uint8_t base_coil = motor*2;
float sinusness = sinusness_table[motor]; // すなわち 0.41
float smoothness = smoothness_table[motor]; // すなわち 0.008
_s = sin(radians)*sinusness+square_sin(radians, smoothness)*(1.0-sinusness);
_c = cos(radians)*sinusness+square_cos(radians, smoothness)*(1.0-sinusness);
set_coil(base_coil, _s);
set_coil(base_coil+1, _c);
}
// 4つのコイル(各モータに2つ)がある。電流は符号付きである。
static void set_coil(uint8_t coil, float current) {
uint8_t base_channel = coil*2;
if (current > 0.0) {
set_pwm(base_channel, current);
set_pwm(base_channel+1, 0);
} else {
set_pwm(base_channel, 0);
set_pwm(base_channel+1, -current);
}
}
// フルデューティサイクルを与えるパルス長
#define PWM_MAX 750
// 16チャネル(各モータに4つ)がある。飽和度は
// 符号なしである。
static void set_pwm(uint8_t channel, float saturation) {
if (saturation < 0) { saturation = 0; }
else if (saturation > 1.0) { saturation = 1.0; }
uint32_t dutycycle = floor(PWM_MAX*saturation);
switch(channel) {
// PWMハードウェアはSTM32 ARMプロセッサに登録する
case 0 : TIM3->CCR1 = dutycycle; break;
case 1 : TIM3->CCR2 = dutycycle; break;
case 2 : TIM3->CCR3 = dutycycle; break;
case 3 : TIM3->CCR4 = dutycycle; break;
case 4 : TIM5->CCR1 = dutycycle; break;
case 5 : TIM5->CCR2 = dutycycle; break;
case 6 : TIM5->CCR3 = dutycycle; break;
case 7 : TIM5->CCR4 = dutycycle; break;
case 8 : TIM1->CCR1 = dutycycle; break;
case 9 : TIM1->CCR2 = dutycycle; break;
case 10: TIM1->CCR3 = dutycycle; break;
case 11: TIM1->CCR4 = dutycycle; break;
case 12: TIM4->CCR1 = dutycycle; break;
case 13: TIM4->CCR2 = dutycycle; break;
case 14: TIM4->CCR3 = dutycycle; break;
case 15: TIM4->CCR4 = dutycycle; break;
}
}
maintain_xy_motion(
(1.0f*st.position[X_AXIS])/PLANNER_STEPS_PER_MM,
(1.0f*st.position[Y_AXIS])/PLANNER_STEPS_PER_MM);
theta(x, y) = 2*arcsine(d(x, y)/(2*ARM_LENGTH))
lambda(x, y) = theta(x, y)/2-arccosine(y/d(x, y))*signof(x);
// ツイスタアーム/プラッタアセンブリを移動
static void maintain_xy_motion(float x_, float y_) {
static float distance, x, y;
uint8_t stage = motion_tick % TWISTER_MAINTENANCE_STAGES;
switch (stage) {
case 0: x = x_; y = y_; break;
case 1: distance = sqrt(x*x+y*y); break;
case 2: theta = 2*asin(distance/(2*ARM_LENGTH))+theta_offset; break;
case 3: lambda = theta/2-acos(y/distance)*signof(x);
break;
case 4: set_motor_position(MOTOR_THETA, theta,
THETA_STEPS_PER_REVOLUTION); break;
case 5: set_motor_position(MOTOR_LAMBDA, lambda,
LAMBDA_STEPS_PER_REVOLUTION); break;
}
}
uint8_t motor,
float angle,
uint16_t steps_per_revolution) {
mo_set_phase(motor, angle*(steps_per_revolution/4), 0, 0);
}
以下の文章は、ターンテーブルまたはプラッタのスキューに対する測定および補正の一実施形態を記述する。
帰巣サイクルは、プラッタまたは構築表面の周縁に沿った3点において測定値を与える。一部の実施形態では、精度を向上させるために、構築表面に対する整合した平面が確立されるまで、追加の測定が行われる。測定値は、プラッタまたは構築表面のチルト平面を計算するために用いられる。関数に提供される角度は、λ==0.0である時の、プラッタまたは構築表面に沿った、ツール位置に対する角度である。Z値はmm単位で表されてもよい。半径は、中央から測定点までの距離であるが、一実施形態では、測定値が取られる方法のために、すべての測定値について偶然等しくなる。関数init_wobble_correctorはこれらのパラメータを取り、次のコード示すように、平面方程式のための定数をセットアップする。
float angle0, float z0,
float angle1, float z1,
float angle2, float z2) {
// サンプルについて直交座標点を計算
float p1[] = {cos(angle0)*radius, sin(angle0)*radius, z0};
float p2[] = {cos(angle1)*radius, sin(angle1)*radius, z1};
float p3[] = {cos(angle2)*radius, sin(angle2)*radius, z2};
// 1つを減算することにより2つのベクトルに変換
float v1[] = {p2[0]-p1[0], p2[1]-p1[1], p2[2]-p1[2]};
float v2[] = {p3[0]-p1[0], p3[1]-p1[1], p3[2]-p1[2]};
// ステップ1において得られたベクトルのクロス積を求める
plane_a = v1[1] * v2[2] - v1[2] * v2[1];
plane_b = v1[2] * v2[0] - v1[0] * v2[2];
plane_c = v1[0] * v2[1] - v1[1] * v2[0];
// 平面方程式の係数a,b,cは、
// すなわち30,−48および17である。
// 従って我々は 30x - 48y + 17z = d を得る。
// dを求めるために、3点のうち1つを単純に
// 方程式に差し込む。
// たとえば、点(1,2,3)を選ぶと、
// (30)(1) - (48)(2) + (17)(3) = -15 を得る。
plane_d = plane_a*p1[0]+plane_b*p1[1]+plane_c*p1[2];
}
一部の実施形態では、データを用いることにより、プラッタまたは構築表面のチルトを補償するためにゴーストガントリーロボットの直交座標を正確に回転させ変換するための変換行列がセットアップされる。これは、3軸すべてについて補償するが、チルトが通常は0.5度未満であることを考えると、この実施形態では、Gコードから受け取る際に任意のZ座標にずれ値を加算することにより、構築表面(ここではプラッタ頂部)をスキューするだけで十分であるとわかった。任意に与えられる[x,y]点における任意に与えられるZ座標に加算すべき値を求めるために、次のコードに示す平面方程式を用いる:
return (plane_d-plane_a*x-plane_b*y)/plane_c;
}
void plan_buffer_line(float x, float y, float z, float e, float feed_rate, uint8_t invert_feed_rate)
{
// 新たなブロックをセットアップする準備
block_t *block = &block_buffer[block_buffer_head];
// 軸ずれプラッタについて揺れ補正を適用
z += act_wobble_correct_zero_z_at(x, y);
[...]
}
エキゾチックな(exotic)またはアンギュラーな(angular)ロボット幾何学のために、別の幾何学用に作成された運動制御システムの出力を実時間で変換することによって制御装置を実装することは、一実施形態のコンテキストにおいて、効果的な実装を達成するためのコスト効率的な方法である(とくに性能およびコストに対して)。ほとんどの場合、結果はネイティブの運動制御アルゴリズムが生じさせるものと事実上等価であるが、1つのトラブルスポットが存在する:
float elapsed = 1.0f*(motion_tick - rate_sampled_at_tick)/MOTION_TICKS_PER_SECOND;
theta_rate = (theta-theta_sample)/elapsed;
lambda_rate = (lambda-lambda_sample)/elapsed;
theta_sample = theta;
lambda_sample = lambda;
rate_sampled_at_tick = motion_tick;
}
// 現在維持されている最大スピードの分数(fraction)を計算する。
// 1.0は、サブシステムが厳密に最大許容レートで動いていることを意味する。
// タイムワープブレーキングを制御するために用いられる。
static float fraction_of_max_physical_speed() {
return fabs(lambda_rate)/MAX_LAMBDA_RATE_RADIANS_PER_SECOND;
}
// 実際の物理的運動を、機械の指定された境界内に
// 維持するための時間を曲げる。
static void maintain_time_warp() {
float max_speed_fraction = fraction_of_max_physical_speed();
float max_time_warp = 1/max_speed_fraction;
// スピードがすでに許容範囲を超えていれば、単にハードブレーキ
if (time_warp > max_time_warp) {
time_warp = max_time_warp;
}
// スピードが最大スピードから20%以内であれば、ブレーキを開始する
if (max_speed_fraction > 0.80) {
time_warp *= 0.99;
} else if (max_speed_fraction < 0.9) {
time_warp *= 1.01;
}
if (time_warp > 1.0) {
time_warp = 1.0;
}
}
「3D機械ツール」…4D、5Dまたは5D機械ツール内の3軸を含む。
Claims (20)
- λ回転モータであって、前記λ回転モータはλシャフトおよび対応するλ軸を備え、前記λ軸は前記λシャフトと同一直線上にある、λ回転モータと、
θ回転モータであって、前記θ回転モータはθシャフトおよび対応するθ軸を備え、前記θ軸は前記θシャフトと同一直線上にある、θ回転モータと、
固定された基準平面から所定距離にある構築表面と、
前記λシャフトが通過する開口を備えるベースプレートと、
ツールヘッド軸を有する機械ツールヘッドと、
近位端において前記θシャフトに固定され、遠位端において前記λモータに固定された接続アームと、
を備える機械ツールであって、
前記λ軸および前記θ軸は平行であり、ずれており、
前記基準平面は前記λ軸および前記θ軸に対して垂直であり、
前記基準平面は前記ベースプレートから所定距離にあり、
前記λモータは、前記ベースプレートの第1の側に配置され、前記構築表面は前記ベースプレートの第2の側に配置され、
前記構築表面は、取り外し可能に固定された部品を受容するよう構成されており、
前記ツールヘッド軸は、前記機械ツールヘッドを通過し、前記基準平面に対して垂直であり、前記θ軸に対して固定され、
前記λシャフトは、前記構築表面を前記λ軸の周りに回転させるように構成され、
前記θシャフトの回転は、前記λモータと、前記λ軸と、前記構築表面とを、前記接続アームを介して前記θ軸の周りの円弧の範囲内で回動させるよう構成され、
前記開口は、前記円弧に沿って設けられ、
前記ツールヘッド軸が前記構築表面上の任意の所望の点と交わるように前記構築表面を運動させるように、前記λシャフトの回転および前記θシャフトの回転が構成される、
機械ツール。 - 前記構築表面は、前記λシャフトの回転および前記θシャフトの回転のみに応じて運動する、請求項1に記載の機械ツール。
- 前記λモータと、前記θモータと、前記λシャフトと、前記接続アームと、前記構築表面と、介在する運動可能な機械的要素すべてとからなる前記機械ツールの運動可能な機械的部分は、ベルト、プーリー、チェーン、ワイヤ、歯車、スクリュー駆動および油圧を備えない、請求項1に記載の機械ツール。
- 前記λシャフトの回転が前記構築表面を回動させ、これにおいて、前記λ軸に対する前記構築表面の回転角度は、前記λシャフトの前記λ軸の周りの回転角度と同じであり、
前記θシャフトの回転が前記構築表面を回動させ、これにおいて、前記θ軸に対する前記構築表面の前記回転角度は、前記θシャフトの前記θ軸の周りの回転角度と同じである、
請求項1に記載の機械ツール。 - 部品ソースデータを受け取るよう構成される機械ツール制御装置と、
前記λシャフトに配置され、前記機械ツール制御装置に動作可能に電子的に接続されたλ回転角度センサと、
前記θシャフトに配置され、前記機械ツール制御装置に動作可能に電子的に接続されたθ回転角度センサと、
をさらに備え、
前記機械ツール制御装置は、前記部品ソースデータと、前記λ回転角度センサと、前記θ回転角度センサとに応じて、前記λモータおよび前記θモータにモータ制御出力を提供するよう構成される、
請求項1に記載の機械ツール。 - 前記機械ツールは、単一の親スクリュー軸をさらに備え、
前記単一の親スクリュー軸は、単一の親スクリューの中心と、Z軸回転モータのシャフトの中心とを通り、
前記Z軸回転モータは、前記親スクリューを直接的に駆動するよう構成され、
前記親スクリュー軸は、前記ツールヘッド軸と平行であり、前記ツールヘッド軸からずれており、
前記機械ツールはZ軸レールを備え、前記Z軸レールは、前記親スクリュー軸と平行な2つの側面を備え、前記2つの側面は共通の縁において接合され、
前記機械ツールはツールヘッドブームを備え、前記ツールヘッドブームはZ軸ベアリングを備え、
前記Z軸ベアリングは前記Z軸レールの縁上に動作可能に載っており、
前記Z軸回転モータは、前記ツールヘッドブームを、前記Z軸に平行な直線経路上で移動させるよう構成される、
請求項1に記載の機械ツール。 - 前記親スクリューは前記ベースプレートを通過する、請求項6に記載の機械ツール。
- 前記ブームに対する支持は、前記親スクリューおよびZ軸レールのみである、請求項6に記載の機械ツール。
- 前記機械ツールは、単一の構築表面スキューセンサを備え、
前記単一の構築表面スキューセンサは、前記ブーム上に、前記ツールヘッド軸からずれて配置され、前記構築表面と前記基準平面との間の角度を測定するよう構成され、
前記機械ツールは、前記構築表面と前記基準平面との間の角度を測定するよう構成される第2のセンサを備えない、
請求項6に記載の機械ツール。 - 前記ブームの固定された位置に対して、前記単一の構築表面スキューセンサは、前記構築表面から、前記構築表面と前記機械ツールヘッドとの距離よりも大きい距離を置いて配置され、ただし、距離は前記基準平面と垂直に測定される、請求項9に記載の機械ツール。
- 前記機械ツールは、前記λモータ、前記θモータ、前記構築表面、前記Z軸モータ、前記Z軸レール、前記ブームおよび前記ツールヘッドからなる群を囲う箱型フレームを備えず、
前記機械ツールは、前記群のいかなる要素に対する機械的支持を提供する箱型フレームも備えない、
請求項6に記載の機械ツール。 - 前記ベースプレートの前記開口は、前記θ軸から所定の固定径方向距離を置いて設けられ、前記円弧に沿って湾曲したスロットである、請求項6に記載の機械ツール。
- 前記機械ツールは制御装置を備え、
前記制御装置は、
(a)前記構築表面を第1の位置へと移動させ、
(b)前記スキューセンサが前記構築表面を検出するまで前記ブームを下降させ、
(c)ブームを上昇させ、
(d)前記構築表面を第2の位置へと移動させ、
(e)前記スキューセンサが前記構築表面を検出するまで前記ブームを下降させ、
(f)ステップ(a)〜(e)に応じ、構築表面スキューに対する2個のスカラー値を計算する
よう構成される、請求項10に記載の機械ツール。 - 前記機械ツールヘッドを除き、前記機械ツールは、前記λ回転モータ、前記θ回転モータ、およびZ軸モータ以外のいかなる追加の機械的アクチュエータも備えない、請求項1に記載の機械ツール。
- 前記λ回転モータ、前記θ回転モータおよび前記Z軸回転モータは、前記ベースプレートの前記第1の側に配置される、請求項6に記載の機械ツール。
- 前記λシャフトの回転運動および前記θシャフトの回転運動は、前記λシャフトを介して前記構築表面に伝達される、請求項1に記載の機械ツール。
- 前記λモータと、前記θモータと、前記λシャフトと、前記接続アームと、前記構築表面と、介在する運動可能な機械的要素すべてとからなる前記機械ツールの運動可能な機械的部分は、線形運動要素を備えない、請求項1に記載の機械ツール。
- 前記機械ツールは、前記取り外し可能に固定された部品を構築するよう構成される、付加的材料製造ツールであり、
前記機械ツールヘッドは、前記部品を製造するために用いられる付加的材料を提供する、
請求項1に記載の機械ツール。 - 機械ツール上で部品を製造する方法であって、
前記方法は、
(a)機械ツール制御装置によって第1の部品に対するソースデータを受け取るステップと、
(b)前記ソースデータに応じ、前記機械ツールを用いて前記第1の部品を製造するステップと
を備え、
前記機械ツールは、
λ回転モータであって、前記λ回転モータはλシャフトおよび対応するλ軸を備え、前記λ軸は前記λシャフトと同一直線上にある、λ回転モータと、
θ回転モータであって、前記θ回転モータはθシャフトおよび対応するθ軸を備え、前記θ軸は前記θシャフトと同一直線上にある、θ回転モータと、
固定された基準平面から所定距離にある構築表面と、
前記λシャフトが通過する開口を備えるベースプレートと、
ツールヘッド軸を有する機械ツールヘッドと、
近位端において前記θシャフトに固定され、遠位端において前記λモータに固定された接続アームと、
を備え、
前記λ軸および前記θ軸は平行であり、ずれており、
前記基準平面は前記λ軸および前記θ軸に対して垂直であり、
前記基準平面は前記ベースプレートから所定距離にあり、
前記λモータは、前記ベースプレートの第1の側に配置され、前記構築表面は前記ベースプレートの第2の側に配置され、
前記構築表面は、取り外し可能に固定された部品を受容するよう構成されており、
前記ツールヘッド軸は、前記機械ツールヘッドを通過し、前記基準平面に対して垂直であり、前記θ軸に対して固定され、
前記λシャフトは、前記構築表面を前記λ軸の周りに回転させるように構成され、
前記θシャフトの回転は、前記λモータと、前記λ軸と、前記構築表面とを、前記接続アームを介して前記θ軸の周りの円弧の範囲内で回動させるよう構成され、
前記開口は、前記円弧に沿って設けられ、
前記ツールヘッド軸が前記構築表面上の任意の所望の点と交わるように前記構築表面を運動させるように、前記λシャフトの回転および前記θシャフトの回転が構成される、
方法。 - 前記ツールヘッド軸は前記基準平面に対して固定される、請求項1に記載の機械ツール。
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