KR20170086462A - 3d 프린터 - Google Patents

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KR20170086462A
KR20170086462A KR1020177005796A KR20177005796A KR20170086462A KR 20170086462 A KR20170086462 A KR 20170086462A KR 1020177005796 A KR1020177005796 A KR 1020177005796A KR 20177005796 A KR20177005796 A KR 20177005796A KR 20170086462 A KR20170086462 A KR 20170086462A
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KR
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motor
machine tool
axis
building surface
motion
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KR1020177005796A
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시멘 샬레 스코그스루드
위가르드 토마스 보
이벤 웨스트방
알렉산더 샤펠
한스 포스커
Original Assignee
시멘 샬레 스코그스루드
위가르드 토마스 보
한스 포스커
이벤 웨스트방
알렉산더 샤펠
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Abstract

역 SCARA 암 및 수직 선형의 Z축으로서의 2개 각 축을 통합한 3D 프린터가 기술된다. 3D 개체가 구축되는 플래터는 람다 축을 중심으로 자전하고 람다 축을 중심으로 공전한다. 실시예들은 다음을 기술한다: (i) 벨트, 풀리, 케이블 및 기타 연성 구동 장치가 없음; (ii) 리드 스크류 보정 장치가 없음; (iii) 장방형 박스 프레임이 없음; (iv) X-Y-Z 복셀 좌표를 선택적으로 실시간으로 각 좌표계로 변환함; (v) 스테핑 모터용 비 정현 구동 파형을 최적화함; (vi) 람다 축에서의 또는 그 근처의 특별한 경우를 처리함; (vii) 비 직각 플래터 편위를 측정 및 보상함. 장치 및 방법의 실시예들 모두가 특허청구된다.

Description

3D 프린터 {3D PRINTER}
본 출원은 2014년 8월 28일자로 출원된 미국 가출원 제62/043,293호(정리번호 45-001P)를 기초로 우선권을 주장한다.
본 발명의 분야는 3개 이상의 축을 사용하여 3차원 개체(object)를 제조하는 툴(tool)을 제조하는 것이다. 실시예들은 부가적인 제조 기계를 포함한다. 본 발명은 개체가 제조되는 플랫폼을 구동하는 역 SCARA 암(inverted SCARA arm)을 포함한다.
3D 프린터는 3차원 개체의 형상을 정의하는 전자 파일로부터 상기 3차원 개체(object)를 생성하기 위한 장치이다. 3D 프린터는 물질을 더하여 플랫폼상에 개체를 쌓거나 또는 플레이트를 만들거나, 또는 물질을 빼서 개체를 생성한다는 점에서 부가적(additive) 또는 공제적(subtractive)이다. 대부분의 3D 프린터는 부가적이다. 비교하자면, 대부분의 밀링머신과 선반작업은 공제적이다. 전형적인 부가적 3D 프린터는 압출기 또는 프린트 헤드라고도 불리는 헤드를 사용하며, 이는 한 번에 소량의 물질을 퇴적한다. 상기 물질은 열에 의해 헤드에서 액화되어 구축되는 개체에 놓일 수 있고 이후 냉각되며 경화된다. 다른 시스템으로는 빛, 자외선, 기타 방사선 또는 열을 사용하여 경화되거나 중합되는 물질을 사용한다. 또 다른 시스템은 한 통의 액체나 젤을 사용하는데 이는 헤드에 의해 하나씩 또는 낱낱으로 경화된다.
개체에서 물질의 코어 유닛 또는 소스 파일에서 상기 유닛의 정의는 종종 대개 볼륨 픽셀(volumetric pixel)에 해당하는 "복셀(voxel)"이라고 한다. 3D 소스 파일에는 복셀 대신에, 또는 복셀에 보충하여 벡터 정의나 면 정의가 포함될 수 있다. 3D 프린터는 3D 소스 파일의 일부 또는 전부를 복셀로 변환하거나 또는 소스 데이터를 일반적으로 평면에 있는 일련의 벡터로 변환할 수 있다.
3D 프린터에 대한 선행기술들은 X-Y-Z, 3-축, 직각좌표계(Cartesian), 직교 그리드(orthogonal grid)를 기반으로 한다. X-Y축은 일반적으로 Z축이 수직인 수평면을 정의한다. 개체는 한 번에 하나의 X-Y 평면에 형성되며, Z축은 연속하여 단계적으로 증가한다. 각 Z축 증가분에 대해 X-Y 평면이 프린트된다. X-Y 평면 내의 헤드는 반복적인 스캐닝 패턴이나 일련의 벡터 동작(motion) 또는 이들 둘 다로 움직일 수 있다.
이러한 구조의 특징은 프린트 헤드에 필라멘트 구동 모터를 포함하지 않고 X-Y-Z축 각각에 실질적으로 하나씩, 3개의 모터가 필요하다는 점이다. 3D 프린터는 전형적으로 적어도 하나의 스크류 드라이브 또는 벨트에 의해 각 동작이 제어되는 박스 프레임(구조를 감싸고 표면을 형성하는 6면체 또는 5면체 프레임)과, 병렬 슬라이드의 2개 직교쌍 위를 움직이는 구축 플레이트(build plate) 또는 이의 지지체로 구성된다. 대안적인 것으로는, 헤드는 X-Y축은 고정되고 Z축에서 수직으로 움직이는 플래터(patter)로 2개 직교쌍의 평행 슬라이드 상에서 움직일 수 있다. 따라서, 일반적인 구조로는 박스 프레임, 3개의 모터, 3개 이상의 나사 또는 벨트, 그리고 4개 내지 6개의 슬라이드가 필요하다. 상기 축들이 진정한 직교성을 유지하는 것은 어려운 일이다. 일부 구현을 위해 하나 이상의 축 상에서 정확도와 선형성을 유지하는 것도 어렵다.
선행 기술은 용융 퇴적 모델링(Fuse Deposit Modeling) 또는 FDM™(Stratasys, Inc.의 상표)을 포함한다. 선행 기술에는 용융 필라멘트 제조(fused filament fabrication: FFF)와 플라스틱 제트 인쇄(Plastic Jet Printing: PJP)가 포함된다.
선행 기술에는 SCARA(Selective Compliance Robot Arm) 암(arm)과, 역 SCARA 암(inverted SCARA arm), 그리고 로봇 SCARA 암(robotic SCARA arm)이 포함된다.
본 발명의 실시예들은 부가적(additive) 제조기계뿐만 아니라 공제적(subtractive) 제조기계를 포함한다.
본 발명은 종래 기술의 약점을 극복하는 것이다.
본 발명은 수평면에 대해 직각좌표 X-Y 좌표 대신에 "각(angular)" 좌표를 사용한다.
수평면의 2개 축은 턴테이블(turntable)의 중심축(람다(lambda) 축)을 중심으로 한 턴테이블의 자전과 턴테이블의 중심에서 벗어난 스윙 축의 일부(세타(theta) 축)를 중심으로 한 턴테이블의 자전이다. Z축은 종래의 수직축이다. 일 실시예에서, 수직 칼럼 내의 수직 스크류는 Z축 상의 재료 노즐을 포함하는 헤드 또는 압출기 블록을 구동한다. 일 실시예에서, Z축 구동 스크류 또는 선형 모터는 수평 빔을 구동하고, 상기 빔은 압출기 헤드를 포함하며, 상기 압출기 헤드 내의 하나 이상의 노즐은 장치에 의해 부가적으로 개체(object)를 구축하는 데 사용되는 재료를 생성한다.
일 실시예에서는 소프트웨어를 사용하여 소스 파일의 X-Y 선형 좌표계로부터 람다 및 세타 각도 값으로 변환한다. 이 실시예에서, 소스 데이터는 X, Y 및 Z 스칼라 좌표로 이루어진 복셀(voxel)(점, 선, 에지, 곡선, 면, 표면, 텍스처 또는 적어도 하나 이상의 복셀에 의해 부분적으로 정의된 볼륨(volume))로 볼 수 있는 한편, 실시예에 대한 대응하는 복셀 데이터는 람다, 세타 및 Z 스칼라 좌표로 구성된다. 소스 X, Y 및 Z 좌표의 범위는 일반적으로 기계의 실제 범위 내에 있는 한편(사후 좌표 스케일링(scaling) 또는 클리핑(clipping)이 수행되지 않는 한), 기계가 갖는 람다 및 쎄타 두 좌표의 범위가 더 작을지라도, 상기 람다 및 쎄타 좌표의 범위는 반드시 [0°, 360°] 범위 내에 있어야 한다. 일 실시예에서, 람다의 범위는 [0°, 360°]이고 세타의 범위는 [0°, 360°]보다 작다. 허용 오차, 속도 및 가속도와 같은 복셀에 대한 보조 인자가 X-Y-Z 좌표계에서 람다-세타-Z 좌표계로 마찬가지로 변환될 수 있다. 이러한 모든 좌표 변환을 단순히 "좌표 1변환(coordinate translation)"이라고 한다. 일부 실시예에서, 소스 Z 좌표로부터 타깃 Z 좌표로의 변환은 없다. 다른 실시예에서는 후술하는 편위 보정(skew correction)과 같이 소스 Z 스칼라로부터 타깃 Z 스칼라로의 좌표 변환 또한 존재한다.
일 실시예에서는 턴테이블(또는 구축 표면(build surface))의 평면과 실시예의 효과적인 기계의 Z축 간의 비직교성을 측정한다. 이 측정은 편위(skew)라고 불리는 오류를 식별한다. 편위는 턴테이블 또는 플래터 평면이 Z축으로부터 완전히 직각으로 벗어난 오프셋(offset)이기 때문에, 편위를 정의하는 데는 적어도 2개의 스칼라가 필요로 된다. 이 실시예는 이러한 측정값을 이용하여 3개 좌표(람다, 세타 및 Z) 중의 적어도 하나를 오프셋한다. 편위 보정은 다른 좌표 변환과 동시에 또는 개별적으로 이전에(즉, X-Y-Z 공간에서) 또는 이후에(즉, 람다-세타-Z 공간에서) 산출하여 수행될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 소프트웨어는 특별한 경우로서 람다 축 근처의 볼륨 또는 복셀을 처리한다. 특히, 람다 축의 속도는 이들 위치에서 또는 그 근처에서 제한될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 상기 소프트웨어는 특별한 경우로서 람다 축에서 볼륨 또는 복셀을 처리한다. 특히, 턴테이블이 180°자전될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 본 발명(3개 축 모두)은 벨트, 케이블, 풀리 및 체인의 조합들이 없으며 이들 모두를 포함하지 않는다.
또 다른 실시예에서, 턴테이블의 회전 각도가 람다 모터 샤프트의 회전 각도와 동일하도록 턴테이블은 람다 모터 샤프트에 직접 연결된다. 이 실시예는 람다 모터 샤프트와 턴테이블 사이에서 서로에 대해 이동하는 기어나 기타 부분이 없다.
또 다른 실시예에서, 람다 모터는 강성 아암(arm)의 회전 각도가 세타 모터 샤프트의 회전 각도와 동일하도록 강성 아암을 통해 세타 모터 샤프트에 직접 연결된다. 이 실시예는 세타 모터 축과 람다 모터 사이에서 서로에 대해 이동하는 기어나 기타 부분이 없다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 Z축을 구동하는데 사용되는 단일 스크류 또는 나사산 로드(threaded rod)를 포함한다.
또 다른 실시예에서, 압출기 헤드는 X 및 Y 구동 장치 둘 다가 없이 Z축 구동 장치에 직접 또는 간접적으로 고정된다.
또 다른 실시예에서, 압출기 헤드는 Z축 및 필라멘트 구동장치 외에는, 프린터의 베이스와 압출기 헤드 사이에 기계적 구동 장치가 모두 없다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 박스 프레임이 없다. 즉, 3개의 동작 축들 중의 어느 것에 대해서도 필요한 기계적 지지를 제공하는 장방형(또는 원통형과 같은 등가물) 프레임이 없다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 단일의 구조적, 고정 수직 구성요소만을, 즉 Z축 레일만을 포함한다.
또 다른 실시예에서, 헤드는 하나의 단부에서 지지되는 단일 수평 빔의 구성요소이며 그 단부는 Z축 구동 컬럼에 부착된다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 하나 이상의 리드 스크류 또는 구동 스크류의 비 완전 정렬을 보상하기 위한 임의의 구성 요소가 없다.
또 다른 실시예에서, 본 발명은 구축 표면과 압출기 헤드 사이에, 턴테이블이나 플래터(platter) 또는 구축 표면의 중심 주위에, 적어도 350° 또는 330° 또는 300° 또는 270° 또는 220° 또는 180° 또는 150° 또는 120°인 각진 개구(angular opening)를 포함한다. 이러한 각진 개구는 실시예의 모든 요소가 없고, 특히 프레임 요소가 없다. 이러한 개구는 구축 중인 부품으로의 자유로운 접근을 가능케한다. 특히, 실시예를 둘러싸는 볼륨의 면들보다, X-Y 평면들 둘 다에서 더 큰 모놀리식(monolithic) 부품이 단계적으로 구성될 수 있다.
또 다른 실시예에서, 좌표 변환은 3D 프린터의 동작 중에 실시간으로 수행된다.
또 다른 실시예에서, 턴테이블, 플래터 또는 구축 플레이트는 공구 없이 분리 가능하다. 또 다른 실시예에서, 턴테이블은 플래터이거나 플래터를 지지한다. 본 명세서와 특허청구범위에서는 "구축 표면(build surface)"을 말한다. 이는 부품이 구축되는 참조 표면으로서 일반적으로 Z축 측정을 위한 영(0) 참조 지점이다. 일반적으로,구축 표면은 플래터 또는 구축 플레이트의 실제 또는 가상의 상부 면이다. 이 표면을 분리가능한 플래터 등의 물리적 부분보다는 참조 평면 또는 참조 평면 내로서 간주하는 것이 유용할 수 있다. 다양한 실시예에서, 움직이는 턴테이블과 구축되는 부품 간에 다양한 층들이 있을 수도 있고 없을 수도 있다. 이러한 후자의 하나는 분리가능하지만 영구적인 플래터일 수 있다. 또 다른 이러한 층은 사용자에 의해 제공될 수 있는 일회용 "테이블보(tablecloth)"일 수 있고 부품 아래에 배치될 수 있다. 턴테이블에 의해 구동되는 플래터와 같이 물리적 개체로서 구축 표면을 고려할 필요가 있을 수 있다. 따라서, 플래터는 구축 표면을 의미하는 것으로 해석될 수 있고, 그 반대도 마찬가지이다. 플래터의 다른 명칭은 "구축 표면" 또는 "구축 플레이트 (build plate)"이다. 또 다른 실시 예에서, 턴테이블이나 플래터는 자동화 장치로써 제거, 교체 또는 부가될 수 있다. 일 실시예에서, 플래터는 자석에 의해 턴테이블에 수직하거나 수평하게 또는 둘 다로 고정된다. 3개의 자석, 6개의 자석 또는 자석 쌍들을 사용할 수 있다. 일 실시예에서 턴테이블 또는 플래터는 정렬 핀, 지주, 디텐트(detent)와 맞물리는 리세스(recess), 스크류, 클립, 기타 고정구 등으로 수평면에 효과적으로 고정되고 중력에 의해 제 위치에 지지된다.
부품의 작업 표면은 움직이지 않기 때문에 종래 기술에서는 종종 구축 플레이트라고 불린다. 본 발명의 실시예에서, 구축 플레이트는 움직이고 턴테이블에 의해 구동된다. 따라서, 구축 플레이트와 플래터는 동일한 기능을 수행하지만, "플래터"라는 용어는 보다 기술적이고 적절한 경우 동일 또는 균등한 부분 및 기능으로서 해석될 수 있다.
도 1은 3D 프린터의 일 실시예의 사시도이다.
도 2는 3개의 모터 위치를 보이는 3D 프린터의 일 실시예의 저면도를 도시한다.
도 3은 Z 레일, 베이스 플레이트, 턴테이블 및 플래터를 나타내는 3D 프린터의 일 실시예의 정면도를 도시한다.
도 4는 붐, Z 레일, 레그 및 2개의 모터를 보이는 3D 프린터의 일 실시예의 측면도를 도시한다.
도 5는 스테퍼 모터를 위한 구동 파형의 일 실시예를 도시한다.
도 6은 세타 아암의 두 위치의 예시도를 도시한다.
도시되고 논의되는 모든 실시예는 단지 예시적이고 비 제한적인 것이다. 통상의 기술자가 알고 있는 바와 같이, 특허청구범위의 발명을 구현하는 데는 많은 대체가능한 물질, 구성, 구조 및 방법 단계들이 있다.
"자전(rotation)"이라는 용어는 개체(object) 내부의 축 주위를 회전하는 실제 또는 가상의 개체를 나타낸다. 예를 들어, 오디오 레코드는 일반적으로(구식인 경우) 레코드플레이어에서 스핀들을 중심으로 자전한다. 자전은 물리적으로는 회전 운동으로 구현된다.
반면에 "공전(revolve)"이라는 단어는 필연적인 자전 없이 원호 내에서 축 주위를 움직이는 물리적 또는 가상의 개체를 가리키되, 상기 축은 상기 개체 내에 있지않을 수도 있다. 예를 들어, 기계식 나침반을 들고 서있는 사람을 고려해보면, 나침반 바늘은 (자북(磁北)을 가리키도록) 핀 주위를 자전하는 반면, 사람이 발을 다른 방향으로 향하도록 수직축 상에서 움직이면, 나침반 본체는 사람의 수직축 주위를 공전한다. 이 예에서, 사람의 축은 세타(theta) 축으로, 나침반 바늘의 축은 람다(lambda) 축으로 고려될 수 있다.
도 1은 일 실시예의 사시도이다. 수평 베이스 플레이트(01)는 기본 구성요소이다. 상기 베이스 플레이트(01)는 벤치, 데스크, 플로어 또는 기타 지지체 표면상에 장치를 지지하기 위해 3개의 레그 푸터(leg footer)(미도시)와 결합하는 3개의 레그(leg: 03)에 의해 지지된다. 일 실시예에서, 상기 베이스 플레이트(01)는 또한 Z 레일 푸터(17)에 의해 지지된다. 수직 Z 레일(02)은 제2의 주요 구성요소이다. 상기 Z 레일(02)은 Z축 나사산 로드(11)를 양측에서 에워싸며, 이는 차례로 도시되지 않은 리드 스크류 너트를 통해 Z 레일(02) 상에서 붐(boom: 06)을 위아래로 구동시킨다. 상기 붐(06)은 스페이서(15)를 갖는 4개의 베어링(12)을 통해 상기 Z 레일 (02) 위를 통과한다.
붐(06) 상에 또는 그 내부에는 압출기(16) 및 상기 압출기의 일부를 위한 인클로저 커버(27)와, 필라멘트 구동 모터와, 팬(팬 커버 또는 인클로저라고도 함)이 장착된다. 상기 압출기(16)는 도시되지 않은 압출기 플레이트와 상기 인클로저 커버(27) 뒤의 상기 붐 상에 장착된다. Z 레일 상부 플레이트(08)는 상기 Z 레일(02)의 상부에 장착되고 베어링(표시되었으나 번호는 매기지 않았음)으로 Z축 나사산 로드(11)의 상부를 고정한다. 상기 Z축 나사산 로드(11)는 Z축 모터(05Z)에 의해 구동된다. 상기 Z 레일(02)은 바닥에서 Z 레일 푸터(17)로 종결된다. 압출기 블록(16)은 첨가제 재료를 분배하는 노즐을 적어도 하나 포함한다. 일부 실시예는 복수의 압출기를 사용하거나 아니면 복수 노즐을 갖는 압출기를 사용한다. 일반적으로, 압출기 블록 및 노즐은 필라멘트에서 공급되며, 이는 압출기 또는 노즐 안에서 가열된다. 상기 노즐은 이 도면에서는 보이지 않는다. 홀(31)이 제공되어 이를 통해 첨가제 재료 필라멘트(도시되지 않음)가 공급된다. "제4모터"로도 식별되는 필라멘트 구동 모터는 도시되지 않는다. 전원 스위치(30)가 도시된다. 턴테이블(turntable)은 "23"으로 도시된다. 플래터(platter) 또는 구축 표면(도시되지 않음)이 턴테이블(23)의 상부에 있을 수 있다. 상기 압출기, 필라멘트 구동 모터 및 팬에 대한 인클로저는 "27"로 도시되어있다.
도 2는 예시적인 저면도를 도시한다. 다른 도면들의 중복된 도면부호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 베이스 플레이트(01)가 도시된다. 3개의 모터를 볼 수 있는데, 이들은 Z-레일 푸터(17)에 인접한 Z축 모터(05Z)와, 람다 모터 샤프트(도시되지 않음)의 중심인 람다 축 주위로 턴테이블(도시되지 않음)을 회전시키는 람다 모터(05L)와, 세타 모터 샤프트(도시되지 않음)의 중심인 세타 축 주위로 원호 내에서 아암(07)을 움직이는 세타 모터(05TH)이다. 람다 축은 세타 축을 중심으로 공전한다. 3개의 모터 모두는 스페이서들(도시되지 않음)로써 장착된다. 상기 람다 모터 및 세타 모터 간의 관계와 세타 동작에 대해서는 그 개략도가 도 6에 도시된다. 람다 모터(05L)는 상기 턴테이블에 부착된다(도시되지 않음). 상기 람다 모터 및 턴테이블은 상기 베이스 플레이트(01)의 대향 측면 상에 있다. 베이스 플레이트에 만곡된 슬롯(41)의 형태로 관통부가 있고, 이를 통해 상기 람다 모터가 상기 턴테이블에 연결된다. 샤프트 그래버(shaft grabber)(도시되지 않음)는 Z축 모터 (05Z)의 샤프트를 나사산 로드에 연결한다(도 1의 "11" 참조). 3D 프린터는 3개의 레그(03) 상에 지지된다. 일 실시예에서는 프린터에서 4개 모터 중의 하나 이상에 대해 NEMA 표준 모터 사이즈인 "NEMA 17"을 사용한다. 모터는 스테퍼 모터나 서보 모터 또는 기타 유형의 모터(PZT 모터 또는 유압 모터 등)로 될 수 있다. 여기서는 주로 스테퍼 모터에 대하여 기술한다.
신규한 일 실시예는 도 2에 도시된 슬롯(41)을 이용함으로써 세타 동작이나 람다 동작 또는 이들 둘 다를 위한 동작 댐핑(motion damping)을 구현한다. 세타 축에 대한 댐핑(damping)은 마찰 라이너나 스페이서, 또는 모터(05L)에서 턴테이블까지의 상기 베이스 플레이트 관통부와 접촉하는 슬롯 (41)의 내부에 있는 구성요소를 사용함으로써 달성될 수 있다. 람다 축에 대한 댐핑은 하나 이상의 마찰 슬리브, 부싱, 브러시, 압력 플레이트 또는 피팅(fitting)이나, 또는 모터(05L)의 자전하는 람다 샤프트(또는 그것으로의 연장 부분) 주위의(전체적으로 또는 부분적으로) 구성 요소를 포함하는 댐핑 요소를 사용함으로써 달성될 수 있고, 여기서 상기 댐핑 요소는 상기 샤프트와 접촉한다. 신규한 일 실시예에서, 2개의 모놀리식(monolithic) 구성요소들로 구성되고 모놀리식일 수 있거나 또는 모놀리식이 아닌 단일의 구성요소가 람다 동작과 세타 동작 둘 다에 대한 댐핑을 제공한다. 예를 들어, 억지끼워 맞춤 라이너(press-fit liner)가 상기 슬롯 내에 배치되어 람다 모터 샤프트가 샤프트 길이에 따라 움직임에 따라(세타 동작) 마찰 및 댐핑 모두를 제공하고 람다 모터 샤프트가 자전함에 따라(람다 동작) 또한 마찰 및 댐핑을 제공할 수 있다. 다른 신규한 일 실시예에서는, 슬리브 또는 부싱을 사용하여 람다 및 세타 동작 모두에 대해 적어도 일부의 동작 댐핑을 구현한다. 예를 들어, 자전하는 람다 모터 샤프트 주위의 이러한 슬리브는 상기 슬리브가 슬롯(41)의 길이를 따라 움직일 때 슬리브 내부의 람다 동작에 대해 댐핑을 제공하고 슬리브 외부의 세타 동작에 대해 댐핑을 제공한다. 슬리브의 내부와 외부, 그리고 람다 모터 샤프트의 표면과 상기 슬롯의 내부에 대해 다르게 압력, 표면 크기, 표면 유형, 및 임의의 윤활제 또는 마찰 유체(예컨대, 왁스)를 변경함으로써 람다 및 세타 동작에 대한 댐핑이 적어도 어느 정도는 독립적으로 제어될 수 있다. 일 실시예에서, 슬롯 라이닝과 샤프트 슬리브 둘 다가 사용된다. 일 실시예에서, 상기 슬리브는 내부에서 적어도 부분적으로 둥글고 외부의 슬롯의 일부와 정합하도록 형성된다. 이러한 실시예에서 상기 결합된 댐핑 요소는 모놀리식(monolithic)일 수 있다.
일 실시예에서, 전술한 하나 이상의 댐핑 요소는 공구를 사용하지 않고 현장 대체 가능하다. 이러한 대체는 유지 보수를 위한 것일 수 있다. 다른 실시예에서, 의도적으로 상이한 댐핑 인자를 달성하기 위해 상이한 댐핑 요소가 현장 상호교환 가능한 것일 수 있다.
상기 댐핑 요소에 적합한 물질로는 복합체(composite), 펠트(felt), 경질 고무(hard rubber), 또는 폴리에틸렌(polyethylene), 테플론(teflon), PTFE, 나일론(Nylon) 또는 기타 플루오로폴리머(fluoropolymer) 또는 반 방향족 폴리아미드(semi-aromatic polyamide) 등의 플라스틱(plastic)을 포함한다. 구체적으로, 특허청구범위는 람다 동작을 위한 모놀리식 댐핑 요소와, 상기 세타 동작을 위한 모놀리식 댐핑 요소와, 단일 요소를 갖는 람다 동작 및 세타 동작 둘 다를 위한 모놀리식 댐핑 요소를 포함한다. 구체적으로, 특허청구범위에서는 댐핑 요소 또는 댐핑 기능의 일부로서 베이스 플레이트(01)에서 슬롯(41)을 사용하는 댐핑 구성이 특허청구된다. 구체적으로, 특허청구범위에서는 SCARA 암에서의 사용을 위해 기술한 댐핑 요소 및 구성이 청구된다. 구체적으로, 특허청구범위에서는 역(inverted) SCARA 암에서의 사용을 위해 기술한 댐핑 요소 및 구성이 청구된다. 구체적으로, 특허청구범위에서는 3D 프린터의 역 SCARA 암에서의 사용을 위해 기술한 댐핑 요소 및 구성이 청구된다.
일부 실시예들에서, 본 발명의 프린터는 전술한 댐핑 요소들 중에서 하나 이상의 댐핑 파라미터를 동적으로 측정한 후, 상기 하나 이상 측정된 댐핑 파라미터를 모터 제어 출력으로의 소스 이동 명령의 처리에 통합한다. 댐핑을 측정하는 한 가지 방법은 람다 축이나 세타 축을 최대 속도로 구동한 다음, 상기 구동 파형을 고정값으로 순간적으로 프리즈(freeze)시켜 효과적으로 상기 구동 속도를 0으로 떨어뜨리는 것이다. 샤프트 위치 인코더는 모터 샤프트의 실제 회전 위치를 제공하며, 따라서 모터 샤프트와 턴테이블 사이의 백래시(backlash)가 없고 강성 덕분으로 인해 턴테이블 자전 위치를 제공한다. 그러면 이동한 시간과 자전 거리는 상기 기계의 실시간 구성 및 구축 표면상의 모든 부분에 대하여 유효한 댐핑을 계산하는 데 사용될 수 있다. 또한, 람다 축 및 세타 축 둘 다에 대한 공진 주파수가 마찬가지로 측정될 수 있으며, 이는 어느 한쪽 축 또는 양쪽 축 모두에 하나 이상의 공진 주파수를 포함한다. 공진 주파수에 대한 지식이 예컨대 공진 주파수에서 또는 그 근처에서 동작할 때의 속도 또는 가속도를 줄이는데 사용될 수 있다. 이러한 측정(들) 및 사용(들)이 특허청구범위에 청구될 수 있다.
동적 댐핑 측정은 온도, 오래됨 및 마모와 같은 기계 변형을 보완할 뿐만 아니라 구축되는 한 부분의 무게에서의 변이를 보완할 수 있다. 따라서, 한 부품(part)이 구축되면서 댐핑이 변할 수 있을 뿐만 아니라 부품의 구축 도중에 일 회 이상 상기 변하는 댐핑을 측정하고, 부품의 구축 도중에 소스 이동 명령을 모터 제어 출력으로 처리하는 것에 대해 변경, 개선 또는 보완하는 데 사용할 수 있다.
댐핑은 일반적으로 스프링-질량-댐핑 시스템의 일부로 고려된다. 일반적으로 원하는 부품 공차와 관련하여 약간의 언더 댐핑(under-damping)이 더 빠른 속도의 작동을 허용할 수 있지만 시스템에서 임계적 댐핑을 갖는 것이 이상적이다. 일부 실시예들에서, 스프링-질량-댐핑 파라미터를 세타 축 및 람다 축에 대해 개별적으로 분리하는 것은 어렵다. 따라서, 전체 시스템을 효과적으로 댐핑하는 단일의 댐핑 요소는 댐핑의 가장 간단한 구현일 수 있으며 응용에 적합할 수 있다. 2개의 축, 특히 이들 실시예의 축을 댐핑하기 위해 단일의 댐핑 요소를 사용하는 것은 신규하고 그렇게 특허청구될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에 있어서, 스프링-질량-댐핑 파라미터는 하나의 기계에 대해 동적으로 또는 작동에 앞서 정적으로(모델링이나 이론적 계산 또는 둘 다) 세타 축 및 람다 축에 대해 개별적으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 세타 모터만이 움직이고 세타 모터 샤프트 위치 센서는 이 축의 스프링-질량-댐핑을 관찰하고 계산하는 데 사용된다. 이러한 운동 및 측정은 람다 모터만 움직여서 마찬가지로 반복된다. 만일 구축 표면이 비어있으면, 장치 요소의 질량과 탄성(springiness)이 정확하게 측정되어 알게 된다. 따라서, 마모 또는 의도적으로 생성된 댐핑 파라미터의 기타 변형은 이들 요소와 이들 방법으로 측정할 수 있다. 이러한 측정 또는 보정 중의 가속도나 속도는 작동 중의 일반적으로 사용되는 최대 가속도나 속도보다 높거나 심지어 훨씬 높을 수도 있다. 기계 구조의 강성으로 인해 구축 표면의 개체가 가동하는 스프링-질량-댐핑의 탄성 대부분의 원인으로 될 수 있다. 따라서, 스프링-질량-댐핑의 동적 측정이 바람직하다. 기계에서 부품의 질량은 사전에 알려지고 구축되는 개체의 질량은 구축 동안에 모든 진행 지점에서 쉽게 계산할 수 있으며 댐핑 파라미터 또한 구축의 개시에 앞서 알려질 수 있으므로, 구축 동안 구축 중인 개체의 탄성을 측정 및 계산한 다음, 이 측정값을 사용하여 모터 출력을 변경할 수 있다. 특히, 기계적 정착(mecahnical settling)을 허용함으로써 최종 개체 구축 정확도를 향상시키기 위해 더 낮은 가속도 또는 더 낮은 피크 속도 또는 더 긴 체류 시간을 사용할 수 있다. 이러한 동적 측정, 계산 및 사용은 신규한 것일 수 있고 그렇게 특허청구될 수 있다. 스프링-질량-댐핑 시스템의 탄성 및 댐핑 파라미터는 자전 운동과 선형 운동 간에서 실질적으로 변화할 수 있고, 하나의 직선 운동에서 직각 직선 운동으로 실질적으로 변할 수 있음을 주목해야 한다. 예를 들어, 크고 얇은 벽의 구조를 생각해보면, 상기 개체는 상기 벽 축 방향으로 움직일 때 강성이지만, 상기 벽 축에 수직하는 움직임은 탄력적이다. 따라서, 일부 실시예들에 있어서, 이들 축의 일부 또는 전부에 대해 스프링-질량-댐핑 시스템의 파라미터들을 개별적으로 측정하고 스프링-질량-댐핑 파라미터의 알게 된(구축 이전에) 측정값과 실시간의 측정값들, 특히 탄성을 결합하는 것이 바람직하다. 모터 샤프트 상에 샤프트 위치 센서를 갖는 것은 3D 프린터 상에서 개체를 구축하는 동안 댐핑을 동적으로 측정할 수 있는 능력을 제공하며, 이것이 본 실시예 구조의 신규한 이점이다. 댐핑 실시예들이 이 단락에서 기술한 조합들을 포함하여 명시적으로 특허청구된다.
도 3은 예시적인 정면도를 도시한다. 다른 도면들의 중복된 도면부호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 베이스 플레이트는 "01"로 표시된다. 하나의 모터인 람다 모터(05L)가 보인다. 3개의 다리(03)가 도시되어있다. Z-레일 푸터(17)가 도시되어있다. Z-레일(02)이 도시되어있다. Z축 나사산 로드(11)가 도시된다. 붐(06)의 단부가 도시되어있다. 압출기, 필라멘트 구동 모터 및 팬의 일부에 대한 인클로저 커버(27)가 도시된다. "16"은 인클로저 커버(27) 아래에서 부분적으로 보이는 압출기를 나타낸다. 이 도면에서 프린트 헤드 또는 압출기 노즐은 압출기의 최하부로서 도시된다. 턴테이블(23)은 상부에 놓인 플래터 또는 구축 표면(18)과 함께 보인다. 상기 람다 모터(05L)의 구동 샤프트(도면부호 없음)는 보이듯이 상기 베이스 플레이트(01)를 관통하고 상기 턴테이블(23)의 저부 중심에 연결된다. 이러한 구동 샤프트는 베이스 플레이트(01)와 만곡된 슬롯(도 2의 "41")을 각각 관통한다.
도 4는 예시적인 측면도를 도시한다. 다른 도면들의 중복된 도면부호는 동일한 구성요소를 나타낸다. 베이스 플레이트는 "01"로 표시된다. 3개의 레그(03) 중에서 2개가 보인다. 대안으로서의 실시예는 4개의 레그를 사용하며, 이들 레그는 레그 수평조절기(leg leveler)를 포함할 수 있다. 람다 모터(05L) 및 세타 모터 (05TH)가 도시되어있다. 아암(07)이 도시된다. Z-레일 푸터(17) 및 Z-레일(02)이 도시되어있다. 붐(06)이 도시된다. 노즐이라고도 하는, 프린트 헤드를 갖는 압출기 (16)가 보인다. 상기 붐(06)은 4개의 베어링(15)을 통해 상기 Z-레일(02) 상에서 통과한다. 턴테이블(23)이 보이고 이는 그 상부에 플래터 또는 구축 표면(18)을 갖는다. 또한, 도 4는 턴테이블 또는 플래터 편위(skew)를 측정하기 위해 사용되는 마이크로 스위치 또는 기타 센서(42)의 개략도를 도시한다. 실제로는 상기 압출기(16)와 그의 프린트 헤드가 마이크로 스위치 기능을 방해하지 않아야 하며, 그 반대도 마찬가지이다. 상기 압출기는 마이크로 스위치보다 더 낮으며, 예컨대 0.5 내지 10 ㎜ 더 낮은 범위이다. 구축 표면을 인쇄 영역 바깥쪽으로 이동시키면 간섭을 피할 수 있다. 이러한 작동을 위한 Z축 이동 거리는 상기 압출기 노즐이 상기 구축 플레이트 또는 구축 표면(23)을 놓치도록 되며 이로써 상기 마이크로 스위치가 상기 구축 표면과 접촉할 수 있게 된다. 상기 마이크로 스위치와 압출기 노즐 간의 수직 거리는 알려져 있으며 그 오프셋이 기계 보정 과정 동안 마이크로 스위치의 판독 값에 적용된다. 이러한 목적을 위해 세타 모터가 턴테이블을 회전시키도록 사용될 수 있다. 상기 센서의 히스테리시스는 상기 센서의 상태 변화 중에서 단 하나 또는 둘 다를 사용하여 상쇄될 수 있다. 마이크로 스위치 이외의 센서(자기 또는 유도 센서, 홀 효과 센서, 광학 또는 음향 센서 또는 시각 기반 센서 등)를 사용함으로써 턴테이블, 플래터 또는 구축 표면 편위를 측정하거나 결정할 수 있다. 반사 또는 간섭 패턴이 턴테이블, 플래터 또는 구축 표면 편위를 포함하여 턴테이블 또는 플래터 거리 결정의 일부로서 사용될 수 있다. 편위(skew)는 이상적으로는 경계선 주변에서 등 간격으로 3개 지점에서 측정된다. 그러나, 측정 위치가 더 적거나 또는 더 많을 수도 있다. 일부 실시예들에서 구축 표면상에 직접 편위를 측정하는 것이 유리할 수 있는 반면에, 다른 실시예들에서는 턴테이블 상에서 직접 편위를 측정하는 것이 유리할 수 있다. 3가지 이상의 측정이 구축 표면 편위를 보다 정확하게 계산하거나 왜곡(warp)을 측정하는데 또는 이 둘 다를 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예들은 자동 레벨 검출이나 자동 레벨 조정(또는 조정 방법을 사용자에게 지시) 또는 이 둘 다를 포함할 수있다.
제4모터인 필라멘트 드라이버 모터는 압출기 헤드와 노즐을 통해 필라멘트를 구동한다. 이 모터가 필라멘트를 구동하는 속도는 주어진 필라멘트 크기 및 구조에 대해 장치가 재료 공급 속도를 설정하는 주요 방법이다. 원하는 속도(예컨대, 초당 복셀)로 복셀들을 퇴적하는 것은 또한 노즐 헤드에서 플래터의 유효 속도를 조정하는 것을 필요로 한다. 복셀 퇴적 속도는 재료 공급 속도를 노즐 하에서 플래터의 순간 선형 속도로 나눈 값에 비례한다.
도면에 도시되지 않은 회로 기판은 상기 장치를 작동시키기 위한 전자장치를 포함한다. 펌웨어나 소프트웨어 또는 둘 다 이러한 기판상에 배치된다. 일부 실시예에서, 회로 기판상의 부트 로더(boot loader)는 도시되지 않은 케이블이나 무선 접속을 통해 소프트웨어를 다운로드한다. 회로 기판은 베이스 플레이트(01) 아래에 또는 다른 위치에 배치될 수 있다. 상기 장치를 실행하는 전자 장치 또는 소프트웨어의 일부가 상기 장치에 없을 수 있다. 예를 들어, 상기 장치를 구동하는 소프트웨어의 일부는 PC, 서버, 이동식 전자 장치 등에 위치될 수 있고, 도시되지 않은 유무선 연결을 통해 상기 장치와 통신할 수 있다.
전원 버튼 어셈블리는 도 1의 "30"으로 도시하듯이 LED 전원 버튼 링, 커버 및 전원 버튼을 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, "전원 버튼"은 전원을 켜고 끄는 것 외에 부가적이거나 다른 용도를 갖는다. 예를 들어, 대기 상태에서 활성 상태로 또는 그 반대로 변경하는 데 사용될 수 있고, 콜드 스타트(cold start), 웜 스타트(warm start), 소프트웨어 업데이트, 교정 사이클, 구축 정지, 일시 정지 또는 기타 작동을 초기화하는 데 사용할 수 있다. 이러한 다중 조작은 사전에 정해진 시간 동안 상기 버튼을 누른 채로 있거나 사전에 정해진 횟수만큼 상기 버튼을 누르거나 또는 둘 다를 수행함으로써 달성될 수 있다. 상기 전원 버튼의 다른 명칭은 제어 버튼이다.
도 5는 스테핑 모터를 구동하기 위한 파형의 일 실시예를 도시하며 이는 개선되고 특허청구된 것이다. 통상의 기술자가 알고 있는 바와 같이, 스테핑 모터 파형은 원래 구형파였으며, 그 후 계단 파형을 사용하여 "마이크로 스테핑(micro stepping)"으로써 개선되었다. 마이크로 스테핑은 모터의 기본 스텝 사이즈로 달성 할 수 있는 것보다 더 많은 각 모터 위치(angular motor position)를 제공한다. 예를 들어, 400개 기본 스텝(스텝당 0.9°)을 가진 모터는 8-레벨 계단 파형을 구동에 사용하는 경우 위와 같이 많은 각 위치의 8배, 즉 3200 마이크로 스텝을 가질 수 있다. 마이크로 스테핑에 대한 개선점은 정현파(sine wave) 구동으로서, 여기서 각각 코일을 통과하는 공칭 전류를 나타내는 2개의 정현파 신호가 일정한 회전 속도를 달성하도록 90°위상차로 작동한다. 모터의 각 분해능(angular resolution)은 이제 정현파의 정확도, 고유한 비선형성, 그리고 모터 한계 정확도의 설계 및 제조에 대한 기타 요소로 제한되므로, 상기 정확도 한도는 일반적으로 상기 분해능 한도보다 더 크다.
특허청구된 실시예는 정현파 구동에 대한 개선점을 제공한다. 도 5에 도시 된 바와 같은 변형된(modified) 한 쌍의 정현파 구동신호는 정현파 구동에 비해 향상된 선형성, 개선된 정확도, 개선된 반복성 및 향상된 유지 토크(holding torque)를 제공한다. 선형성은 일반적으로 구동 신호의 360°를 커버하는 각도들(즉, 4개의 모든 기본 모터 스텝들)에 대해 원하는 각도와 실제 각도 간의 그래픽 관계로 정의된다. 정확도는 하나의 원하는 각도와 실제 각도 간의 오차로 정의된다.
도 5에서 수평축(51)은 임의의 각 회전 단위로 표시된다. 수직축(52)은 1.0이 피크 전류가 되도록 정규화된 모터 코일 전류를 나타낸다. 흑색 실선(54)은 하나의 코일에서의 전류를 나타내며, 점선(53)은 제2코일의 전류를 나타낸다. 피크(57)는 제1코일에서의 피크 (+)전류를 나타내고, 피크(58)는 제2코일에서의 피크 (-)전류를 나타낸다. 이들 두 피크(57)(58)에서 다른 코일의 전류는 0이다. 일 실시예에서, 구형파 신호와 정현파 신호를 함께 믹싱하면 최적화된 파형이 생성된다. 다른 실시예는 상기 믹싱에서 "평활화된" 구형파를 부가적으로 사용한다. 상세한 내용은 하술한다. 하나의 목표 및 효과는 코일들 내로 "작은 전류"를 최소화하는 것이다. 왜냐면 선형성, 정확성 또는 유지 토크에 미치는 유익한 영향이 최소이기 때문이다. 따라서, 코일 전류의 시간 위치(53)(54)(56)로 보이듯이 0.5보다 큰 전류 값이 바람직한 한편, 정현파 구동에 존재할 더 낮은 전류 값은 점(55)으로 보이듯이 0 또는 거의 0으로 설정된다. 정확한 형상을 생성하는 파라미터는 이론적으로는 모터 설계구조로부터 결정될 수 있거나 또는 실제적으로는 특정 구조의 특정 모터를 테스트함으로써 결정될 수있다.
개선된 정현파 구동은 아래에서 상세히 기술한다.
스텝- 레스 (Step-Less) 스테핑 모터 구동
2극 스테핑 모터의 각 코일을 흐르는 전류를 2개의 이상적인 정현파(90°위상차)와 같은 곡선으로 나타내어본다. 위상이 0에서 360°로 갈수록 4개의 완전한 기본 모터 스텝들이 생성된다. 종래의 스테핑 대신에 직접 이러한 위상 곡선을 통해 스테퍼를 구동하면 초미세 분해능(super-granular resolution)을 얻을 수 있다. 전체 스텝 값들 간의 중간 값은 유효하며 스테퍼 회로의 분해능은 단지 전류를 제어할 수 있는 정확도(예컨대, PWM을 사용)와 주어진 모터의 비선형성에 대한 지식에 의해서만 제한된다.
정현파 구동은 이상적인 모터에서는 작동하지만, 그러한 모터는 실제로 존재하지는 않는다. 실험을 바탕으로 우리는 두 조절 가능한 파라미터인 "sinusness"와 "smoothness"가 주어질 때, 저속에서 대부분의 스테핑 모터를 매우 부드럽게 구동하는 위상 커브 형상에 도달했다. 이러한 커브(도 5에 도시하는 바와 같은)를 생성하는 것이 아래 코드로 보이듯이 함수 mo_set_phase의 관심사이다.
// Moves the twister arm/platter assembly to track
// position of the simulated gantry robot
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]; // i.e. 0.41
float smoothness = smoothness_table[motor]; // i.e. 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);
}
square_sin은 sinus 커브와 동일한 위상 특성과 조정 가능한 에지 평활도(edge smoothness)를 갖는 연속 파생 가능한 유사 구형파를 생성한다. 1.0의 평활도는 실제 정현파를 산출하는 반면, 평활도가 점근적으로 0에 접근할수록 상기 함수는 실제 구형파에 접근한다.
이 실시예에서의 구현에서, 상기 구형파는 각 코일의 전류가 너무 낮아서 토크가 거의 또는 전혀 인가되지 않는 "데드 존(dead zone)"을 "건너뛰는(skipping)" 역할을 한다. 파형의 평활도는 커브가 한 극성에서 다른 극성으로 전환되면서 시스템 내로 노이즈나 떨림(shaking)이 유입되는 것을 방지하기 위해 사용된다.
다음으로, 이 구형파는 일정량의 종래 정현파와 믹싱된다. 상기 sinusness 파라미터는 상기 믹싱의 비율을 특정한다. sinusness가 1.0에 가까워지면 상기 유사 구형파는 정현파로 대체된다. 상기 sinusness 및 smoothness 값은 어셈블리에서의 각 모터에 대해 실험적으로 결정된다. 우리의 현재 구성은 0.41의 sinusness와 0.008의 구형파 smoothness로 잘 동작하는 모터를 사용한다. 위상 다이어그램을 다시 살펴보면, 이제 함수는 도 5와 같이 보인다. 일 구현예로서는 아래 코드와 같다:
// These curves are then fed to our PWM-driver like this:
// There are four coils, two for each motor. Current is signed.
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);
}
}
// The pulse length that will yield full duty cycle
#define PWM_MAX 750
// There are 16 channels, four for each motor. Saturation is
// unsigned.
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 hardware registers for the STM32 ARM processor
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;
}
}
이러한 방식으로 스테핑 모터를 구동하면, 매우 낮은 속도에서 거의 연속적인 스텝 분해능 및 무소음 작동이 가능하다. 저소음은 가정, 실험실 또는 사무실 환경에서의 용도로 설계된 스테퍼 모터 장비의 신규한 이점이다.
좌표 변환의 세부 사항
Twister는 좌표 변환(coordinate translation: 좌표라고도 함)을 수행하는 소프트웨어의 한 특정한 실시예 명칭이다.
Twister는 X-Y-Z-공간에서 시뮬레이션된 "섀도우(shadow)" 직각 좌표 로봇을 실행한 다음, 현재 프린터 메커니즘의 각도 좌표 공간에서 직각 좌표 로봇의 동작을 모방한다. 상기 실시예의 공간을 세타, 람다, Z 공간이라고 부르며, 여기서 세타는 내부(아암) 모터의 자전각을 나타내는 한편, 람다는 외부(턴테이블) 모터의 공전을 나타낸다. 상기 실시예의 Z축은 리드 스크류를 통해 작동되는 종래의 선형 축이다.
직각 좌표 섀도우 로봇 소프트웨어는 본질적으로 유비쿼터스 Grbl CNC 펌웨어(http://github.com/grbl/grbl에서 찾을 수 있음)를 약간 수정한 버전이다.
Grbl은 초당 작은 커널(kernel) MOTION_TICKS_PER_SECOND를 실행하여 작동한다. 일반적인 속도는 30kHz이지만 1kHz에서 300kHz까지의 범위가 사용될 수 있다. 일반적으로 이러한 속도는 적어도 부분적으로 기계 사이즈에 따라 달라진다. 이러한 커널에서 Twister 피기백(piggyback)이 모든 시간-스텝에 대해 maintain_xy_motion 함수를 실행한다. 세타-람다 어셈블리를 상기 섀도우 로봇의 X-Y 위치와 동기화를 유지하는 것이 이 함수의 과제이다. 샘플 코드는 다음과 같다:
// Update the position of the arm/platter assembly
maintain_xy_motion(
(1.0f*st.position[X_AXIS])/PLANNER_STEPS_PER_MM,
(1.0f*st.position[Y_AXIS])/PLANNER_STEPS_PER_MM);
PLANNER_STEPS_PER_MM에 의한 부동 소수점 나누기로의 변환은 스텝 모터 스텝 총수에서의 섀도우 좌표를 부동 소수점 밀리미터 위치로 변환하는 효과가 있다.
상기 X-Y 좌표에서 세타-람다로의 변환 함수 코드는 아래 코드와 같이 표시된다:
d(x, y) = sqrt(x*x+y*y)
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);
상기 d 함수가 [x, y]-벡터의 크기(즉, 플래터의 중심으로부터 X-Y-평면에서의 툴(tool)의 첨단까지의 거리)를 산출하는 경우, ARM_LENGTH는 상기 아암의 길이이다(x 및 y와 동일한 눈금 단위로). Signof는 모든 값 ＞0에 대해 1.0을 산출하고, 0보다 작은 모든 값에 대해서는 -1을, 정확히 0.0인 값에 대해서는 0.0을 산출한다.
Maintain_xy_motion은 이러한 전달함수를 취하고 성능상의 이유로 모든 동작 순간(motion tick)에 대해 한 작은 계산 단위를 완료하는 시간 스텝들에 걸쳐 상기 계산들을 다중처리한다. 이러한 함수에서 상기 사이클의 여섯 번째 완료시마다 세타-람다 모터 상태를 완전히 업데이트한다. 이는 아래의 코드로 표시된다:
// Moves the twister arm/platter assembly to track the
position of
// the simulated gantry robot
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;
}
}
여기서 motion_tick은 MOTION_TICKS_PER_SECOND의 속도로 상기 동작 커널의 모든 반복마다 증가하는 카운터이다. 입력 파라미터 x_ 및 y_는 플래터의 중심을 기준으로 툴(tool)의 원하는 위치를 지정하며 상수 ARM_LENGTH와 동일한 길이 단위에 있어야 한다. TWISTER_MAINTENANCE_STAGES는 6이지만, 어셈블리의 업데이트 빈도를 효과적으로 줄여 프로세서 로드를 감소시키기 위해 더 높게 설정할 수 있다. THETA_STEPS_PER_REVOLUTION 및 LAMBDA_STEPS_PER_REVOLUTION은 기계의 각 모터에 대한 공전당 스텝이다. 현재 프로토타입에서 이들 값은 모두 400이다. 왜냐면 스텝당 0.9°의 각도를 갖는 모터를 사용하기 때문이다. Set_motor_position은 타깃인 스테퍼 모터의 식별자, 이 모터의 원하는 현재 각도, 그리고 이 모터의 공전당 스텝 수와 함께 호출된다. 이 함수는 단지 간단하게 상기 주어진 스테퍼 모터의 자기장에 대해 위상각으로 변환된 각도로써 상기 주어진 모터에 대해 mo_set_phase를 호출하는 것만으로 유효하다. 이는 아래 코드에 표시된다:
static void set_motor_position(
uint8_t motor,
float angle,
uint16_t steps_per_revolution) {
mo_set_phase(motor, angle*(steps_per_revolution/4), 0, 0);
}
모터의 "위상"은 모터 코일들에서의 자기장의 각도를 나타낸다. 위와 같은 각도 파라미터는 모터의 완전한 회전 각도를 나타낸다. 위의 식은 모터의 특정 각도에 대해 각도를 위상 값으로 변환한다. 모터가 상대적으로 느리게 구동되고 완전한 스텝을 제멋대로 하지 않는 한, 이러한 함수 호출에서 모터는 항상 실제 제공된 각도로 유지된다.
플래터 경사(tilt) 또는 편위 (skew) 보상
이하, 턴테이블 또는 플래터 편위를 측정하고 보정하는 일 실시예를 기술한다.
먼저, 세타 모터의 위치는 아암이 아암 스윙 영역의 최외곽에 위치한 마이크로 스위치 또는 기타 센서를 작동하게 할 때까지 상기 세타 모터를 시계 방향으로 돌림으로써 설정된다. 세타 모터는 천천히 후퇴하며 마이크로 스위치가 해제될 때 상기 세타 모터의 각 위치(angular position)가 영(0)으로 된다.
람다 모터는 원위치로 복귀될 필요가 없다. 왜냐면, 프린트가 시작될 때 플래터의 방향은 임의적이어서 원위치 복귀 사이클의 시작시 람다 모터의 위치는 즉시 영(0)으로 되기 때문이다.
제2 마이크로 스위치는 턴테이블, 플래터 또는 다른 지점에서의 구축 표면 경계의 높이를 탐침하기 위해 하강 및 상승시킬 수 있도록 Z축 붐 아래에 배치된다. 플래터 샤프트 슬롯은 플래터가 툴(tool)의 경로에서 약간 벗어날 수 있도록 하는 형상으로 된다. 베이스 플레이트에는 또한 플래터가 이러한 방식으로 옆으로 움직일 때 툴 또는 압출기 헤드가 베이스 플레이트 아래로 가라앉을 수 있도록 하는 개구가 있다. 이로써 붐 상의 마이크로 스위치가 플래터 경계에 접촉할 수 있다.
측정은 스위치가 폐쇄될 때까지 붐을 낮춘 다음, 붐을 천천히 들어올리면서 마이크로 스위치가 스위치 상태를 변경하는 Z-위치에 주목함으로써 수행된다. 원위치 복귀 사이클의 본 실시예에서 이러한 측정은 경계(120°마다)를 따라 등 간격으로 3회 수행된다. 마이크로 스위치 이외에 동등한 기능으로 작동하는 센서는 동일한 동작으로 동일한 작업을 수행하는 데 사용될 수 있다.
경사면(tilt-plane) 계산
상기 원위치 복귀 사이클은 플래터 또는 구축 표면의 경계를 따라 3개 지점에서 측정값을 산출한다. 일부 실시예들에서 증가된 정확성을 위해 구축 표면에 대한 일관된 평면이 확립될 때까지 부가적인 측정값이 얻어진다. 상기 측정값들은 플래터나 구축 표면의 경사면을 계산하는 데 사용된다. 함수에 제공되는 각도는 람다 == 0.0일 때 툴 위치를 기준으로 플래터 또는 구축 표면에 연하는 각도이다. Z값은 ㎜ 단위로 될 수 있다. 반경은 중심으로부터 측정 지점까지의 거리이며, 이는 일 실시예에서 측정값이 얻어지는 방식으로 인해 부수적으로 모든 측정값에 대해 동일하다. 함수 init_wobble_corrector는 이들 파라미터를 사용하여 아래 코드에 보이듯이 평면 방정식에 대한 상수를 설정한다:
void init_wobble_corrector(float radius,
float angle0 , float z0,
float angle1 , float z1,
float angle2 , float z2) {
// Calculate the Cartesian points for the samples
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};
// Convert to two vectors by subtracting one
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]};
// Find the cross product of the vectors found in Step 1.
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];
// The coefficients a, b, and c of the planar equation are
// i.e. 30, -48, and 17.
// So we have 30x - 48y + 17z = d.
// To find d, we simply plug one of the three points into
// the equation.
// For example, if we select the point (1,2,3), we get
// (30)(1) - (48)(2) + (17)(3) = -15
plane_d = plane_a*p1[0]+plane_b*p1[1]+plane_c*p1[2];
}
보상 적용
일부 실시예들에서의 데이터를 사용하여 플래터 또는 구축 표면의 경사를 보상하기 위해 고스트 갠트리 로봇(ghost gantry robot)의 직각 좌표를 올바르게 회전 및 변환하는 변환 행렬을 설정한다. 이는 3개 축 모두에 대해 보상하지만, 상기 경사는 보통 1°의 반 미만임을 고려할 때, 이 실시예에서는 보통 G코드로부터 허용되는 대로 임의의 Z-좌표에 변위값을 부가함으로써 구축 표면(여기서는 플래터 상부)을 기울이게 하는 것만으로 충분함이 입증되었다. 임의의 주어진 [x, y] 지점에서의 임의의 주어진 Z 좌표에 추가할 값을 찾으려면, 아래 코드에 보이는 평면 방정식을 사용한다:
float act_wobble_correct_zero_z_at(float x, float y) {
return (plane_d-plane_a*x-plane_b*y)/plane_c;
}
이 함수는 특정 [x, y] 좌표에서 툴(예컨대, 노즐 또는 압출기 헤드) 아래에 있는 플래터 또는 구축 표면의 Z-위치를 산출한다. 이러한 변위는 아래 코드에 보이듯이 G-코드-파서(parser)로부터 시뮬레이션 된 갠트리 로봇의 동작 계획에 수용됨에 따라 상기 Z 좌표에 추가된다:
// Add a new linear movement to the motion plan.
void plan_buffer_line(float x, float y, float z, float e,
float feed_rate, uint8_t invert_feed_rate)
{
// Prepare to set up new block
block_t *block = &block_buffer[block_buffer_head];
// Apply wobble correction for off axis platter
z += act_wobble_correct_zero_z_at(x, y);
[...]
}
거의 무한대 자전 속도의 가능성 처리
다른 기하학적 구조체에 대해 생성된 동작 제어 시스템의 출력을 실시간으로 변환함으로써 특이하거나 각진 로봇 지오메트리(geometry)에 대한 제어기를 구현하는 것은 일 실시예에서 특히 성능 및 비용 측면에서 효과적인 구현을 달성하기 위한 비용 효율적인 방법이다. 대부분의 경우에 있어서 결과는 원래의 동작 제어 알고리즘이 산출하는 것과 실제로 동등하다. 그러나, 한 가지 문제점이 있다.
섀도우 갠트리 로봇이 플래터의 피벗 지점에 가까이 이동할 때, 이의 출력이 플래터로 하여금 무한대에 근접하는 속도로 자전하도록 할 수 있을지도 모른다. 이 문제에 대한 한 가지 간단한 해결 방법은 서브 시스템이 실제 로봇의 실제 속도를 모니터링하고 시뮬레이션 된 직각 좌표 로봇의 시간 축(time base)을 조정하여 속도가 물리적으로 가능한 영역 내에 머무는지(특히, 비현실적인 속도를 피하면서)를 확인하는 일종의 "시간 지연"을 구현하는 것이다.
작동에 대한 이러한 측정, 계산 및 조정은 신규일 수 있으며 특허청구될 수 있다.
상기 속도는 아래 코드와 같이 일정 간격(예컨대, 1kHz, 또는 200Hz ~ 20kHz 범위)으로 작동 제어기에서 세타 및 람다 각도 변수의 변화 속도를 모니터링함으로써 측정된다:
static void measure_theta_lambda_rates() {
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;
}
time_warp 계수는 아래 코드에서 보이듯이 일정한 히스테리시스로 유지된다:
// Calculates the fraction of max speed currently held by
// the most rapidly moving subsystem.
// 1.0 means the system is running at exactly the maximum
// allowed rate. Used to control time warp braking.
static float fraction_of_max_physical_speed() {
return
fabs(lambda_rate)/MAX_LAMBDA_RATE_RADIANS_PER_SECOND;
}
// Bends time to keep actual physical motion within the
// specified boundaries of the machine.
static void maintain_time_warp() {
float max_speed_fraction =
fraction_of_max_physical_speed();
float max_time_warp = 1/max_speed_fraction;
// If speed already more than allowed, just hard-brake
if (time_warp > max_time_warp) {
time_warp = max_time_warp;
}
// When speed within 20% of max speed, start braking.
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;
}
}
갠트리 로봇 제어 소프트웨어가 time_warp_ing을 허용하기 위해 어떻게 수정되는지에 대한 상세는 여기서는 중요하지 않을 수 있다- 0.5의 time_warp가 실시간 절반 속도로 섀도우 로봇을 구동하도록 time_warp가 스텝 발생 속도를 비례하여 수정한다고 하는 정도면 충분하다.
매우 특별한 경우는 별개로 처리해야 한다. 이동이 플래터의 정 중심을 통과하면, 상기 제어 소프트웨어에서의 일부 계산이 고장난다. 그 방정식에 의하면 요구되는 속도는 정확히 무한대일 것이다. 이 시점에서 플래터가 최대 속도로 180°회전하는 동안에 섀도우 로봇은 완전히 정지되어야 한다. 이는 상기 소프트웨어의 특별한 경우로서 특수한 경우로 취급된다.
3D 소스 파일 형식에는 STL(stereo lithography 파일 형식), Collada, ASE, S3D, U3D, DWF, DXF, 3DS, OBJ 및 STL이 포함된다. 소스 파일 형식은 "슬라이서 (slicer)" 소프트웨어를 통과할 수 있는데, 이는 실시예의 구성요소일 수도 있고 아닐 수도 있으며 G-코드 또는 G코드의 시퀀스를 포함하는 파일을 생성한다. G코드가 포함된 파일은 소스 파일로 될 수 있다. ISO 6983은 종종 G-코드에 가장 적합한표준으로 고려된다.
정의
"3D 공작 기계(3D machine tool)"- 이는 4D, 5D 또는 5D 공작 기계 내에 3개 축을 포함한다.
"구축 영역(Build area)"- 이는 3D 부가적(additive) 프린터의 경우 개체를 일반적으로 플래터 또는 구축 표면 상에 인쇄할 수 있는 수평 영역을 나타낸다.
"제어 축(Controlled axis)"- 이는 위치들 간에 제어된 속도를 포함하여 선형 위치 또는 자전 위치 중 원하는 위치로 제어할 수 있는 축을 말하며, 상기 자전 속도가 가변적일 경우에도 연속 자전축(예컨대, 드릴 프레스 또는 선반 회전 축)은 제외한다. 제어 가능한 원하는 위치 분해능은 기계의 공작물에서 원하는 특징 사이즈의 정밀도와 비슷해야 한다.
"드라이브 스크류 보상 장치(Drive screw compensating device)"- 드라이브 스크류 백래시 보상기(drive screw backlash compensator)와 같이 드라이브 스크류 또는 그 구현물에서의 불완전함을 보상하도록 설계된 장치 또는 센서. 이러한 보상 장치는 기계적 또는 전자적일 수 있거나 또는 소프트웨어일 수 있다.
"첫째 동작의 기계 구성요소(Mechanical components of the first motion)"- 첫째 동작과 함께 움직이는 모든 기계 구성 요소.
"원호 상 개방(Open on an arc)"- 이는 프린트되거나 프린트될 개체의 모든 높이로부터, 원호 내에서, 람다 축으로부터, 수평면 내에서 프레임 요소나 기타 요소 등의 장애물이 없는 장치를 가리킨다.
"부품이 부착(Part is affixed)"- 구축 영역 또는 툴 범위 영역에 부품이 부착될 수 있는 방법은 많다. 이는 중력에 의해서만 부착될 수 있다. 부가적(additive) 3D 프린터의 경우, 첨가제 재료의 점착성은 그 부분을 부착하기에 충분하며 부품의 나머지 부분에 대해서는 이것이 구축됨에 따라 충분하다. 일반적으로 턴테이블이나 플랫폼과 같이 기계의 일부에 직접 프린트하기를 원하지 않으므로, 대부분의 경우 중간 표면을 사용할 수 있다. 플랫폼이 저렴하거나 일회용이거나 또는 플랫폼에서 부품을 완전히 제거하기가 쉬운 경우라면, 플랫폼은 중간 표면으로 될 수 있다. 공제적(subtractive) 제조의 경우, 클램프나 바이스 또는 기타 장치를 사용할 수 있다.
"부품 표면(Part surface)"- 이는 부가적 가공이나 공제적 가공을 위해 부품이 배치되거나 고정되는 표면을 말한다.
"평삭반 툴 영역(Planer tool area)"- 이는 표면을 기준으로 툴 헤드가 위치할 수 있는 영역을 한정하는 구축 표면, 플래터, 턴테이블, 구축 플레이트 또는 기타 중간 표면상의 영역이다. 이는 플랫폼이 가능한 부품의 모든 부분을 지나 확장하는 것이 도움이 되므로 플랫폼보다 작을 수 있다.
"플래터(platter), 플레이트(plate) 또는 구축 표면(build surface)"- 이는 일반적으로 턴테이블(중력에 의해 부착된 것을 포함하여) 또는 턴테이블과 부품(part) 간의 중간 요소에 연결된 실제 요소 또는 가상 표면을 나타낸다. 상기 부품은 구축 표면이나 기타 중간 요소 상에 직접 구축될 수 있다. 상기 구축 표면은 "평삭반 툴 영역"을 포함할 수 있다. 일부의 문맥이나 실시예들에서 이들 용어의 사용은 약간 상이할 수 있다. 예를 들어, 부품의 치수를 논하자면, 상기 부품의 기부는 구축 표면, 또는 상기 구축 표면과 실제 부분 간의 중간층과 접촉하여 있게 된다. 마찬가지로 보정 그리고 편위 측정 또는 편위 교정은 특정 요소 또는 표면에 대한 것일 수 있다. 일반적으로 플래터는 턴테이블에 접촉되어 구동된다. 따라서, 상부로부터 저부로의 요소들의 순서는 부품(part), 구축 표면상의 중간층, 구축 표면, 플래터, 턴테이블, 턴테이블 구동 요소(예컨대, 구동 모터 샤프트)일 수 있다. 이렁게 나열된 모든 요소가 모든 실시예에서 사용되는 것은 아니다. 하나 이상의 중간층은 실시예의 일부이거나 사용자에 의해 제공될 수 있다. 하나 이상의 중간층은 영구적, 반영구적 또는 일회용 일 수 있다. 동등하게 동작하는 동등한 구조 또는 요소가 사용될 수 있고 본 특허청구범위의 범위에 포함된다(설령 이러한 동등한 구조 또는 요소가 부가적인 이익을 제공하더라도).
"실시간(Real Time)"- 실행 중에 발생하는 작동 또는 측정. 기계 시스템과 그의 제어 및 측정에서, 실시간은 시뮬레이션 이전이나 시뮬레이션 동안의 계산값이나 또는 미리 결정된 파라미터와 비교할 때 기계 시스템의 관련 동작 동안의 것이다.
"툴 범위 영역(Tool range area)"- 부가적 또는 공제적 가공에 사용할 수 있는 부품(part) 표면에 있거나 또는 그 위에 있는 영역이다. 수평이 아닌 부품 표면의 경우 또는 부품 표면상의 가공 볼륨이 부품 표면 아래에 있는 부품 표면의 경우, "위에(over)"라는 용어의 의미가 그에 따라 조정된다.
"턴테이블(Turntable)"- 일반적으로 람다 및 세타 동작 시스템에 연결되어 구동되는 기계 구성요소를 나타낸다. 턴테이블 상부에는 플래터 또는 구축 플레이트를 분리가능하게 배치할 수 있다. 구축 플레이트의 상부 표면은 구축 표면일 수 있거나 또는 부품이 제조되는 평삭반 툴 영역을 포함할 수 있다. 일반적으로 부품 및 기계 측정을 위한 참조 표면이 이 표면이다. 구축 플레이트 및 구축 표면은 대안적으로는 턴테이블과 일체형일 수 있다.
"이상적인(ideal), 이상적으로(ideally), 최적의(optimum) 및 바람직한(preferred)" - 본 발명을 설명할 때, "이상적인", "이상적으로", "최적의", "해야 한다(should)" 그리고 "바람직한"이라는 용어의 사용은 구체적으로 본 발명의 하나 이상의 적용을 위한 하나 이상의 실시예에 대한 최상의 형태를 지칭한다. 이러한 최상의 형태는 비한정적이며, 통상의 기술자가 인식하는 바와 같이 실시예들, 적용들 또는 구현기술들에 모두 최상의 형태는 아닐 수도 있다.
"~수 있다(May, Could), 임의(Option), 모드(Mode), 대안의(Alternative) 및 특징(Feature)" - 이들 용어가 본 발명을 기술할 때 사용한 경우, 본 발명의 다양한 실시예들을 구체적으로 참조한다. "도시된" 또는 "코드"라는 단어를 사용하는 예들, 기재들 및 도면들은 비한정적 실시예들을 나타낸다. 모든 도면은 비한정적인 실시예들이다. 여기서의 기술은 모두 통상의 기술자라면 알겠지만 비제한적이다.
본 발명의 특허청구범위는 명세서, 도면, 특허청구범위 및 요약서에서의 모든 특징, 요소, 예, 특허청구항, 실시예, 표, 값, 범위 및 도면의 모든 조합들 및 부분 조합들을 명시적으로 포함한다. 본 발명의 특허청구범위는 특허청구항, 명세서 및 도면에 기재된 모든 방법의 임의 조합을 구현하는 장치 및 시스템을 명시적으로 포함한다. 본 발명의 특허청구범위는 특허청구항, 명세서 및 도면에 기재된 장치 및 시스템을 임의 조합으로 사용하는 방법을 명시적으로 포함한다.
실시예들은 특허청구범위에 기재된 3D 프린터를 사용하여 부품을 제조하는 방법을 포함한다. 실시예들은 특허청구범위에 기재된 바와 같은 3D 프린터를 사용하여 부품을 스캐닝하는 방법을 포함한다. 실시예들은 특허청구범위에 기재된 바와 같은 공작 기계(machine tool)에서 스테퍼 모터를 구동하는 방법을 포함한다. 실시예들은 특허청구범위에 기재된 바와 같이 람다 및 세타 자전축을 댐핑하는 방법을 포함한다.

Claims (25)

  1. 부품(part)을 제조하기 위한 3D 공작 기계로서, 최소 2개의 제어 가능한 제1동작 및 제2동작의 동작들과, 상기 부품이 직접적 또는 간접적으로 부착되는 구축 표면과, 공작 기계 헤드를 포함하는 3D 공작 기계에 있어서,
    상기 개선은
    상기 제1동작은 제1축을 중심으로 한 자전(rotary) 운동이고;
    상기 제2동작은 제2축을 중심으로 한 자전 운동이되, 상기 제2축은 상기 제1축에 평행하고 상기 제1축으로부터 오프셋되며, 상기 제1축은 상기 제2축을 중심으로 공전(revolve) 하고;
    상기 구축 표면은 상기 제1동작의 방향으로 구동되고 상기 구축 표면은 상기 제1축에 수직이며;
    상기 구축 표면은 상기 제2동작의 축에 대해 자전함으로써,
    상기 공작 기계 헤드는 상기 제1동작 및 제2동작에 응답하여 상기 공작물 표면으로부터의 상기 공작 기계 헤드 거리에서 상기 구축 표면의 연속적인 평면 툴(tool) 범위 영역에 걸쳐 상기 구축 표면에 대해 위치될 수 있되, 상기 공작 기계 헤드 거리는 상기 구축 표면에 수직으로 측정되는 3D 공작 기계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1동작은 제1회전모터인 람다(lambda) 모터에 의해 구동되고,
    상기 제2동작은 제2회전모터인 세타(theta) 모터에 의해 구동되며,
    상기 제1회전모터 및 제2회전모터와 상기 구축 표면 사이의 3D 공작 기계의 기계 구성요소는 모두 모터 생성 회전 운동의 선형 동작으로의 기계적 변환이 없는 3D 공작 기계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1회전모터 및 제2회전모터와, 상기 제1회전모터 및 제2회전모터와 상기 구축 표면 사이의 모든 기계적 상호 연결과, 상기 구축 표면을 포함하여 상기 제1동작 및 제2동작을 구현하는 상기 3D 공작 기계의 기계적 부분은 벨트, 풀리, 체인, 와이어, 기어, 스크류 드라이브 및 유압 장치가 없는 3D 공작 기계.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 제2동작은 상기 제1회전모터를 포함하여 상기 제1동작의 기계 구성요소을 이동시키는 3D 공작 기계.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1회전모터는 상기 구축 표면의 각(angular) 위치가 상기 제1회전모터 샤프트의 각 위치와 동일하도록 상기 구축 표면에 연결되는 3D 공작 기계.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 제2회전모터는 상기 제2축 주위의 상기 제1축의 공전의 각이 상기 제2회전모터 샤프트의 각 위치와 동일하도록 상기 제1회전모터에 연결되는 3D 공작 기계.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1회전모터 및 제2회전모터 각각의 자전 각을 실시간으로 측정하는 2개의 회전각센서인 제1회전각센서 및 제2회전각센서를 더 포함하고;
    공작 기계 제어기가 상기 평면 툴 범위 영역이 상기 공작 기계 헤드에 대해 이동될 수 있도록 상기 제1회전모터 및 제2회전모터에 모터 제어 출력을 제공하도록 구성되며;
    적어도 상기 제1회전모터 및 제2회전모터에 대한 상기 모터 제어 출력은 상기 2개의 회전각센서의 실시간 각도 측정값에 응답하는 3D 공작 기계.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1회전각센서 및 제2회전각센서는 각각 상기 제1회전모터 및 제2회전모터의 모터 샤프트 상에 장착되는 3D 공작 기계.
  9. 제2항에 있어서,
    선형이며 제3모터에 의해 구동되는 제3동작을 더 포함하는 3D 공작 기계.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3동작은 상기 평면 툴 범위 영역에 수직인 Z축 상에서의 선형 동작으로 상기 공작 기계 헤드를 구동하는 3D 공작 기계.
  11. 제10항에 있어서,
    베이스 플레이트와;
    Z축의 선형 동작에 의해 구동되되, 상기 공작 기계 헤드를 포함하는 붐(boom)과;
    본 발명의 기계적 요소 상에서 무선 데이터 인터페이스 및 카메라를 포함하는 개인용 전자 장치를 수용하도록 된 개인용 전자 장치 마운트와;
    상기 개인용 전자 장치와 통신하도록 구성된 무선 데이터 인터페이스를 갖는 공작 기계 제어기를 더 포함하고,
    상기 공작 기계 제어기는 적어도 상기 제1동작 및 제2동작을 구동하도록 되고 상기 무선 인터페이스를 통해 상기 개인용 전자 장치에 명령을 제공하도록 구성되되, 상기 명령에 응답하여 취해지고 3D 모델 재구성 프로그램으로의 입력으로서 사용되는 연속적인 카메라 이미지가 상기 3D 모델 재구성 프로그램으로부터 평면 툴 범위 영역 상에 있는 부품의 완전하고 정밀한 3D 모델을 생성하도록 타이밍되고,
    상기 3D 공작 기계는 추가적 제어 가능한 동작이 없는 3D 공작 기계.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 3D 모델 재구성 프로그램을 포함하는 3D 공작 기계.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제3모터는 구동 스크류로서 기능하는 나사산 로드를 통해 적어도 부분적으로 상기 공작 기계 헤드에 연결되고,
    상기 3D 공작 기계는 구동 스크류 보정 장치가 없는 3D 공작 기계.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 3D 공작 기계는 첨가 물질 제조 툴이며 상기 공작 기계 헤드는 상기 부품을 제조하는데 사용되는 첨가 물질을 제공하는 3D 공작 기계.
  15. 제10항에 있어서,
    Z축에 수직인 평면으로부터 상기 평면 툴 범위 영역의 평면의 오프셋을 측정하도록 구성된 구축 표면 편위(skew) 측정 센서를 더 포함하고,
    상기 구축 표면 편위 측정 센서는 상기 부품의 제조 동안 상기 목적을 위해 가동되는 3D 공작 기계.
  16. 제15항에 있어서,
    X-Y-Z 직각 좌표계로 기술된 복셀 일 세트를 포함하는 입력 소스 데이터를 수용하도록 구성된 공작 기계 제어기를 더 포함하고,
    상기 공작 기계 제어기는 상기 X-Y-Z 직각 좌표계로부터 상기 3D 공작 기계의 좌표계로 좌표 변환을 제공하도록 구성되고, 상기 3D 공작 기계의 좌표계는 상기 제1동작 및 제2동작과, 제3선형동작에 대응하는 2개의 회전축을 포함하고,
    상기 공작 기계 제어기는 상기 제1, 제2 및 제3 모터에 모터 제어 출력을 제공함으로써 상기 공작 기계 헤드가 상기 평면 툴 범위 영역과 일치하는 상기 원통형 제조 볼륨의 일 평면 단부를 갖는 연속 원통형 제조 볼륨 내에서 상기 구축 표면에 대해 이동될 수 있도록 구성되고,
    상기 공작 기계 제어기의 모터 제어 출력은 상기 구축 표면 편위 측정 센서에 의해 제공된 측정값에 응답하며,
    상기 구축 표면 편위 측정 센서의 측정값은 부품의 제조 동안 변경될 수 있는 3D 공작 기계.
  17. 제9항에 있어서,
    상기 3D 공작 기계는 상기 평면 툴 범위 영역을 둘러싸고 상기 제3동작의 방향을 따라 상방으로 연장된 장방형 박스 프레임이 없되, 상기 장방형 박스 프레임은 상기 제1, 제2 및 제3 동작 중 하나를 제공하는 임의의 3D 공작 기계 구성요소에 대해 필요한 기계적 지지를 제공하는 3D 공작 기계.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 람다 모터의 회전 운동이 상기 구축 표면에 직접적 또는 간접적으로 연결되는 만곡된 베이스 플레이트 슬롯을 포함하는 베이스 플레이트와;
    상기 제1동작의 댐핑을 제공하도록 구성된 제1마찰요소를 더 포함하고,
    상기 제1마찰요소는 적어도 부분적으로 상기 베이스 플레이트 슬롯 내부에 위치되는 3D 공작 기계.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제1회전동작이 상기 구축 표면에 직접적 또는 간접적으로 연결되는 만곡된 베이스 플레이트 슬롯을 포함하는 베이스 플레이트와;
    상기 제2동작의 댐핑을 제공하도록 구성된 제2요소를 더 포함하고,
    상기 제2요소는 적어도 부분적으로 상기 베이스 플레이트 슬롯 내부에 위치되는 3D 공작 기계.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 람다 모터의 회전 동작이 상기 구축 표면에 직접적 또는 간접적으로 연결되는 만곡된 베이스 플레이트 슬롯을 포함하는 베이스 플레이트와;
    상기 제1동작의 댐핑을 제공하도록 구성된 제1마찰요소와;
    상기 제2동작의 댐핑을 제공하도록 구성된 제2마찰요소를 더 포함하고,
    상기 제1마찰요소 및 제2마찰요소는 적어도 하나의 공통 요소를 공유하고, 상기 공통 요소는 상기 만곡된 베이스 플레이트 슬롯 내에 위치되는 3D 공작 기계.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 람다 모터의 회전 동작이 상기 구축 표면에 직접적 또는 간접적으로 연결되는 만곡된 베이스 플레이트 슬롯을 포함하는 베이스 플레이트와;
    상기 제1동작의 댐핑을 제공하도록 구성된 제1마찰요소와;
    상기 제2동작의 댐핑을 제공하도록 구성된 제2마찰요소를 더 포함하고,
    상기 제1마찰요소 및 제2마찰요소 중의 하나 또는 둘 다는 모놀리식(monolithic)이며, 상기 제1마찰요소 및 제2마찰요소는 동일한 요소일 수 있는 3D 공작 기계.
  22. 제1항에 있어서,
    무선 전자 데이터 인터페이스 및 카메라를 포함하는 개인용 전자 장치를 위한 상기 3D 공작 기계의 기계 구성요소 상의 마운트와;
    상기 개인용 전자 장치와 통신하도록 구성된 무선 데이터 인터페이스를 갖는 공작 기계 제어기를 더 포함하고,
    상기 공작 기계 제어기는 상기 무선 인터페이스를 통해 상기 개인용 전자 장치에 명령을 제공하도록 구성되되, 상기 명령에 응답하여 상기 개인용 전자 장치에 의해 취해진 연속적인 카메라 이미지가 시계열의 이미지들로 제공될 때 상기 개인용 전자 장치에 대해 고정된 부품 배향으로 제조되는 부품을 보이도록 타이밍되고,
    상기 공작 기계 제어기를 통해 상기 명령을 제공하면 상기 3D 공작 기계는 상기 3D 공작 기계가 상기 명령을 제공하지 않으면 부품을 제조하는 데 걸리는 시간의 적어도 90% 내로 부품을 제조하도록 된 3D 공작 기계.
  23. 제1항에 있어서,
    모터 구동 신호로 상기 제1회전모터 및 제2회전모터를 구동하도록 구성된 공작 기계 제어기를 더 포함하고,
    상기 제1회전모터 및 제2회전모터는 스테퍼 모터이고,
    상기 제1회전모터 및 제2회전모터용 상기 모터 구동 신호는 각각 이중 위상 파형이고, 각 위상은 구형파 성분 및 정현파 성분 모두를 부가적으로 포함하는 3D 공작 기계.
  24. 제1항의 3D 공작 기계를 사용하여 부품을 제조하는 방법.
  25. 제8항의 3D 공작 기계를 사용하여 부품을 제조하는 방법.
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