JP2024157479A - MEASURING APPARATUS, MEASURING METHOD, THREE-DIMENSIONAL PRODUCTION SYSTEM, AND CONTROL METHOD - Google Patents
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Abstract
【課題】ノズルの位置を正確に計測する装置を実現する。
【解決手段】 材料を吐出するノズル(41)を備えた3Dプリンタ(1)の計測装置(90)は、ノズルの先端部の鉛直方向高さを検出するタッチパネル(91)と、先端部の水平面内位置を検出するスキャナ(92)と、を備える。
【選択図】図1
A device for accurately measuring the position of a nozzle is provided.
[Solution] A measurement device (90) for a 3D printer (1) equipped with a nozzle (41) that ejects material includes a touch panel (91) that detects the vertical height of the tip of the nozzle, and a scanner (92) that detects the position of the tip in a horizontal plane.
[Selected Figure] Figure 1
Description
本発明は、3次元造形装置の計測装置およびそれを用いた3次元造形システムに関するものである。 The present invention relates to a measurement device for a three-dimensional modeling device and a three-dimensional modeling system using the same.
3次元の造形物(立体物)を造形する装置として、樹脂製のフィラメントを加熱溶融させ、ヘッドにおけるノズルから吐出する熱溶解積層方式の3Dプリンタ(3次元造形装置)が広く普及している。熱溶解積層方式の3Dプリンタでは、造形用データを水平平面でスライス(水平スライス)し、鉛直方向に積層することが一般的である。 3D printers (three-dimensional modeling devices) that use the fused deposition modeling method, in which a resin filament is heated and melted and ejected from a nozzle in the head, are widely used as devices for creating three-dimensional objects (solid objects). In fused deposition modeling 3D printers, it is common to slice the modeling data in a horizontal plane (horizontal slice) and then stack them vertically.
ここで、水平スライスでは造形物の下方に積層物がない場合、吐出した材料が鉛直下方に落下してしまう。そのため、造形物のモデルが中空で印刷するようなものである場合は、造形物の下方にサポート材を積層する必要があることが知られている。 Here, in horizontal slicing, if there is no layer below the object, the ejected material will fall vertically downward. For this reason, if the model of the object to be printed is hollow, it is known that it is necessary to layer support material below the object.
近年、水平平面ではない、自由曲面でスライスし積層する非平面スライスが注目されている。非平面スライスでは、自由曲面で積層することができるため、鉛直方向下方に造形物がないモデルであっても、サポート材を用いずに印刷することができる。非平面スライスでは、非特許文献1に示すような5軸仕様の3Dプリンタを用いることが一般的である。 In recent years, non-planar slicing, which slices and stacks on free-form surfaces rather than horizontal planes, has been attracting attention. With non-planar slicing, because it is possible to stack on free-form surfaces, it is possible to print without using support materials even for models that do not have a modeled object vertically below. For non-planar slicing, it is common to use a 5-axis 3D printer such as that shown in Non-Patent Document 1.
非特許文献1では、一般的な位置であるX/Y/Zの3軸に加えて、造形物を回転および傾斜させ造形物の姿勢を制御する2軸を追加している。非平面スライスに対応した機構は非特許文献1の構成に限定されず、例えば、6軸のパラレルリンク機構が挙げられる。
しかしながら、6軸のパラレルリンク機構を採用し、位置に加え姿勢を制御した場合、様々な要因から材料を吐出するノズルを所望の位置および姿勢に制御することは困難である。
In Non-Patent Document 1, in addition to the three axes of X/Y/Z, which are typical positions, two axes are added to rotate and tilt the object to control the attitude of the object. The mechanism compatible with non-planar slicing is not limited to the configuration in Non-Patent Document 1, and may be, for example, a six-axis parallel link mechanism.
However, when a six-axis parallel link mechanism is employed to control the attitude in addition to the position, it is difficult to control the nozzle that ejects the material to the desired position and attitude due to various factors.
本発明の目的は、ノズルの位置を正確に計測する装置を実現することである。 The object of the present invention is to realize a device that can accurately measure the position of a nozzle.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る計測装置は、材料を吐出するノズルを備えた3次元造形装置の計測装置であって、前記ノズルの先端部の鉛直方向高さを検出する先端高さ検出部と、前記先端部の水平面内位置を検出する水平位置計測部と、を備える。 To solve the above problems, a measurement device according to one embodiment of the present invention is a measurement device for a three-dimensional modeling device equipped with a nozzle that ejects material, and includes a tip height detection unit that detects the vertical height of the tip of the nozzle, and a horizontal position measurement unit that detects the position of the tip in a horizontal plane.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る計測方法は、材料を吐出するノズルを備えた3次元造形装置の計測方法であって、前記ノズルの先端部の鉛直方向高さを検出する先端高さ検出ステップと、前記先端部の水平面内位置を計測する水平位置計測ステップと、を含む。 In order to solve the above problems, a measurement method according to one aspect of the present invention is a measurement method for a three-dimensional modeling device equipped with a nozzle that ejects material, and includes a tip height detection step for detecting the vertical height of the tip of the nozzle, and a horizontal position measurement step for measuring the position of the tip in a horizontal plane.
上記の構成によれば、ノズルの先端部の鉛直方向高さおよび水平面内位置を計測することができる。そのため、この値を用いて、ノズルの先端部の位置および姿勢を補正することができる。 The above configuration makes it possible to measure the vertical height and horizontal position of the nozzle tip. This value can then be used to correct the position and orientation of the nozzle tip.
前記水平位置計測部は、光学的に位置を計測してもよい。上記の構成によれば、高精度に水平面内位置を計測することができる。 The horizontal position measurement unit may measure the position optically. With the above configuration, the position in the horizontal plane can be measured with high accuracy.
前記先端高さ検出部は、特定平面内への前記先端部の接触を検出してもよい。上記の構成によれば、特定平面での高さを計測することができるため、この平面に対する高さでもって、補正を行うことができる。 The tip height detection unit may detect contact of the tip with a specific plane. With the above configuration, the height on the specific plane can be measured, and correction can be made based on the height relative to this plane.
前記先端高さ検出部は、タッチパネルまたはタッチスイッチであり、前記水平位置計測部は、スキャナまたはカメラであってもよい。 The tip height detection unit may be a touch panel or a touch switch, and the horizontal position measurement unit may be a scanner or a camera.
前記ノズルの姿勢を計測する姿勢検出部をさらに備えてもよい。上記の構成によれば、ノズルの姿勢を計測することができ、ノズルの姿勢までも補正することができるようになる。 The device may further include a posture detection unit that measures the posture of the nozzle. With the above configuration, it is possible to measure the posture of the nozzle, and even correct the posture of the nozzle.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る3次元造形システムは、前記3次元造形装置と、計測装置と、を備えた3次元造形システムであって、前記ノズルの、複数の指令位置および指令姿勢における、前記鉛直方向高さおよび前記水平面内位置を記憶する記憶部と、前記記憶部に基づき、所望の前記鉛直方向高さおよび所望の前記水平面内位置から、制御指令位置および制御指令姿勢を算出する算出部と、前記制御指令位置および制御指令姿勢に前記3次元造形装置を制御する制御部と、を備える。 In order to solve the above problems, a three-dimensional printing system according to one aspect of the present invention is a three-dimensional printing system including the three-dimensional printing device and a measurement device, and includes a memory unit that stores the vertical height and the horizontal position of the nozzle at multiple command positions and command attitudes, a calculation unit that calculates a control command position and a control command attitude from the desired vertical height and the desired horizontal position based on the memory unit, and a control unit that controls the three-dimensional printing device to the control command position and the control command attitude.
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る制御方法は、前記3次元造形装置と、計測装置と、を備えた3次元造形システムの制御方法であって、前記ノズルの、複数の指令位置および指令姿勢における、前記鉛直方向高さおよび前記水平面内位置を記憶する記憶ステップと、前記記憶部に基づき、所望の前記鉛直方向高さおよび所望の前記水平面内位置から、所望の指令位置および指令姿勢を算出する算出ステップと、前記所望の指令位置および指令姿勢に前記3次元造形装置を制御する制御ステップと、を含む。 In order to solve the above problems, a control method according to one aspect of the present invention is a control method for a three-dimensional printing system including the three-dimensional printing device and a measurement device, and includes a storage step of storing the vertical height and the horizontal position of the nozzle at a plurality of command positions and command attitudes, a calculation step of calculating a desired command position and command attitude from the desired vertical height and the desired horizontal position based on the storage unit, and a control step of controlling the three-dimensional printing device to the desired command position and command attitude.
上記の構成によれば、3次元造形装置に対して計測装置を用いることで、3次元造形装置の位置および姿勢の精度を向上させることができる。 According to the above configuration, by using a measuring device for the 3D printing device, the accuracy of the position and orientation of the 3D printing device can be improved.
本発明の一態様によれば、ノズルの位置を正確に計測する装置を実現することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to realize a device that can accurately measure the nozzle position.
〔実施形態〕
図1は、実施形態に係る3次元造形システム100の要部の構成を示すブロック図である。3次元造形システム100は、3Dプリンタ1(3次元造形装置)と、計測装置90と、を備える。まず、図2~6を参照して、本実施形態で材料を吐出するノズルの位置を計測する対象とする3Dプリンタ1の構成、動作方法に関して説明する。
[Embodiment]
Fig. 1 is a block diagram showing the configuration of the main parts of a three-
(3Dプリンタ1の構成)
図2は、実施形態1に係る3Dプリンタ1の構成を示す斜視図である。3Dプリンタ1は、1組のフレーム10と、6個のリニア駆動軸20と、6個の第1ボールジョイント30と、1個のヘッド40と、6個の第2ボールジョイント50と、6個のリンク60と、1個の造形ステージ70と、制御部80と、を備える。
(Configuration of 3D printer 1)
2 is a perspective view showing the configuration of the 3D printer 1 according to embodiment 1. The 3D printer 1 includes a set of frames 10, six linear drive shafts 20, six first ball joints 30, one head 40, six
フレーム10は、3Dプリンタ1の要部を固定する部材である。フレーム10は主に上部フレーム11と下部フレーム12に大別される。 The frame 10 is a member that secures the main parts of the 3D printer 1. The frame 10 is mainly divided into an upper frame 11 and a lower frame 12.
リニア駆動軸20は、上部フレーム11と下部フレーム12との間を繋ぐ直動運動をするアクチュエータである。リニア駆動軸20としては、リニアモータ、ボールねじ、またはタイミングベルトなどの任意の駆動形態をとることができる。また、本実施形態ではステッピングモータ(図示省略)とタイミングベルト(図示省略)を使用することとするが、使用するモータの種類も制限されない。 The linear drive shaft 20 is an actuator that performs linear motion and connects the upper frame 11 and the lower frame 12. The linear drive shaft 20 can take any drive form, such as a linear motor, a ball screw, or a timing belt. In this embodiment, a stepping motor (not shown) and a timing belt (not shown) are used, but the type of motor used is not limited.
また、実施形態では、リニア駆動軸20が上部フレーム11と下部フレーム12とを接続するフレームおよびリニアガイドの機能をも兼ね備えるが、別に鉛直フレームおよびリニアガイドがあってもよい。6個のリニア駆動軸は鉛直方向に延伸し、互いに平行に設置される。リニア駆動軸20を区別する場合に、リニア駆動軸20a~20fと称する。 In the embodiment, the linear drive shaft 20 also functions as a frame that connects the upper frame 11 and the lower frame 12 and as a linear guide, but a separate vertical frame and linear guide may also be provided. The six linear drive shafts extend vertically and are installed parallel to one another. When distinguishing between the linear drive shafts 20, they are referred to as linear drive shafts 20a to 20f.
第1ボールジョイント30は、リニア駆動軸20にて駆動されるボールジョイントである。第1ボールジョイント30は、回転、揺動する機構であれば何でもよく、例えばユニバーサルジョイントであってもよい。第1ボールジョイント30を区別する場合に、第1ボールジョイント30a~30fと称する。リニア駆動軸20は対応する添え字「a」~「f」の第1ボールジョイント30を駆動する。つまり、リニア駆動軸20aは第1ボールジョイント30aを駆動する。 The first ball joint 30 is a ball joint driven by the linear drive shaft 20. The first ball joint 30 may be any mechanism that rotates and oscillates, for example a universal joint. When distinguishing between the first ball joints 30, they are referred to as first ball joints 30a to 30f. The linear drive shaft 20 drives the first ball joints 30 with the corresponding suffixes "a" to "f". In other words, the linear drive shaft 20a drives the first ball joint 30a.
ヘッド40は、エクストルーダ(図示省略)から供給された材料を溶解し、ノズル41から吐出するヘッドである。3Dプリンタ1では、ヘッド40を回転および/または傾斜させることによって、ノズル41の先端41aの位置および姿勢を制御する。 The head 40 melts the material supplied from the extruder (not shown) and ejects it from the nozzle 41. In the 3D printer 1, the position and attitude of the tip 41a of the nozzle 41 is controlled by rotating and/or tilting the head 40.
第2ボールジョイント50は、ヘッド40に接続されるボールジョイントである。第2ボールジョイント50は、回転、揺動する機構であれば何でもよく、例えばユニバーサルジョイントであってもよい。第2ボールジョイント50を区別する場合に、第2ボールジョイント50a~50fと称する。
The
リンク60は、第1ボールジョイント30と第2ボールジョイント50とを接続するリンクである。リンク60は、第1ボールジョイント30の揺動中心と、第2ボールジョイント50の揺動中心とを通る直線に対し延伸する。また、リンク60は、ロッドであってもよい。リンク60を区別する場合に、リンク60a~60fと称する。リンク60は対応する添え字「a」~「f」の第1ボールジョイント30と第2ボールジョイント50とを接続する。つまり、リンク60aは第1ボールジョイント30aと第2ボールジョイント50aとを接続する。また、リンク60a~60fの長さはそれぞれ等しい、つまり、第1ボールジョイント30から第2ボールジョイント50までの距離はそれぞれ等しい。
The link 60 is a link that connects the first ball joint 30 and the
造形ステージ70は、ノズル41から吐出された材料を積層し、造形物を保持するステージである。造形ステージ70は加熱できてもよい。造形ステージ70は、フレーム10に対して固定されている。また、造形ステージ70は水平平面上に設置されている。 The modeling stage 70 is a stage that stacks the material ejected from the nozzle 41 and holds the model. The modeling stage 70 may be heatable. The modeling stage 70 is fixed to the frame 10. The modeling stage 70 is also installed on a horizontal plane.
制御部80は、ヘッド40およびノズル41を所望の位置および/または姿勢にするために、リニア駆動軸20を制御する。また、ロードセル42によって、ノズル41が造形ステージ70に接触したことを検出する。つまり、制御部80は、3Dプリンタ1の各部を統括的に制御する。なお、詳細は後述する。
The
(3Dプリンタ1の位置および姿勢の定義)
ヘッド40の位置および姿勢は、ノズル41の位置および姿勢で定義することができ、ノズル41の先端部41aの位置Pn(xn、yn、zn)およびノズル41の姿勢(φ、θ)である。位置(xn、yn、zn)は、造形ステージ70の中心が原点である。
(Definition of position and orientation of 3D printer 1)
The position and orientation of the head 40 can be defined by the position and orientation of the nozzle 41, which are the position Pn (xn, yn, zn) of the tip 41a of the nozzle 41 and the orientation (φ, θ) of the nozzle 41. The position (xn, yn, zn) has the center of the modeling stage 70 as its origin.
また、姿勢(φ、θ)は、ノズル41の姿勢に追従して動作する方向ベクトルで定義でき、φは当該方向ベクトルとZ軸とのなす角度であり、θは当該方向ベクトルのX/Y成分の角度である。つまり、φは傾斜角度であり、θは回転角度である。 The attitude (φ, θ) can be defined as a direction vector that moves in accordance with the attitude of the nozzle 41, where φ is the angle between the direction vector and the Z axis, and θ is the angle of the X/Y components of the direction vector. In other words, φ is the tilt angle, and θ is the rotation angle.
例えば、φ=0°でのノズル41の姿勢は図3であり、造形ステージ70に対し垂直(鉛直)である。φ>0°におけるθ=0°でのノズル41の姿勢は図4である。また、φ>0°におけるθ≠0°のノズル41の姿勢は図5である。 For example, the orientation of the nozzle 41 when φ=0° is as shown in FIG. 3, which is perpendicular (vertical) to the modeling stage 70. The orientation of the nozzle 41 when θ=0° and φ>0° is as shown in FIG. 4. Moreover, the orientation of the nozzle 41 when θ≠0° and φ>0° is as shown in FIG. 5.
(3Dプリンタ1の動作)
次に、3Dプリンタ1の動作の仕方を説明する。図6は、実施形態1に係る3Dプリンタ1の上面図である。図6に示すように、3Dプリンタ1のリニア駆動軸20は、略正三角形の頂点に、それぞれ2個ずつ配置されていることがわかる。つまり、上述した略正三角形の頂点近傍で、それぞれ2個ずつの第1ボールジョイント30が直動運動(鉛直運動)することがわかる。その結果、第1ボールジョイント30のX/Y座標は変化せず、Z座標のみが変化する。
(Operation of 3D printer 1)
Next, the operation of the 3D printer 1 will be described. Fig. 6 is a top view of the 3D printer 1 according to the first embodiment. As shown in Fig. 6, it can be seen that the linear drive shafts 20 of the 3D printer 1 are arranged in pairs at each of the vertices of a substantially equilateral triangle. In other words, it can be seen that the first ball joints 30 each move linearly (vertically) in the vicinity of each of the vertices of the above-mentioned substantially equilateral triangle. As a result, the X/Y coordinates of the first ball joints 30 do not change, and only the Z coordinate changes.
また、ヘッド40は上述した略正三角形の逆向きの略正三角形の頂点に、それぞれ2個ずつの第2ボールジョイント50が配置されている。つまり、第2ボールジョイント50はそれぞれ互いに対し相対的に固定されている。 The head 40 also has two second ball joints 50 arranged at each vertex of a roughly equilateral triangle that faces in the opposite direction to the roughly equilateral triangle described above. In other words, the second ball joints 50 are fixed relative to each other.
第1ボールジョイント30と第2ボールジョイント50との間の距離はリンク60によって一定なため、リニア駆動軸20によって第1ボールジョイント30の位置を制御することによって、第2ボールジョイント50の位置を制御することができ、結果として、ヘッド40およびノズル41の位置および/または姿勢を制御することができる。 Since the distance between the first ball joint 30 and the second ball joint 50 is constant due to the link 60, the position of the second ball joint 50 can be controlled by controlling the position of the first ball joint 30 with the linear drive shaft 20, and as a result, the position and/or attitude of the head 40 and nozzle 41 can be controlled.
(計測装置90)
計測装置90は、タッチパネル91(先端高さ検出部)と、スキャナ92(水平位置計測部)と、加速度センサ93(姿勢検出部)と、を備える。計測装置90は、3Dプリンタ1に固定されておらず、必要なときに3Dプリンタ1に載置できる構成であっても構わない。なお、本実施形態では、造形ステージ70の上にスキャナ92を載置し、さらにその上にタッチパネル91を載置するものとする。また、ヘッド40に対し加速度センサ93が固定されているものとする。
(Measuring Device 90)
The measuring
(タッチパネル91)
タッチパネル91は、抵抗膜式タッチパネルであり、ノズル41の先端部41aがタッチパネル91に接触したことを検出する。また、ノズル41の先端部41aのタッチパネル91への接触を検出すると、タッチパネル91は、制御部80に接触を検出したことを通知する信号を出力する。なお、制御部80は、該信号を入力すると、実行中のプローブ動作(ノズルを鉛直方向下に移動させる動作)を終了し、その時点での鉛直方向高さを検出する。
(Touch panel 91)
The
なお、タッチパネル91は、タッチパネルに限定されず、透明なタッチスイッチなどであってもよいし、レーザ式のエリアセンサなどであってもよい。つまり、タッチパネル91は、ノズル41の先端部41aの鉛直方向高さが、特定平面に到達したこと(接触したこと)を検出するセンサであればよい。
Note that the
(スキャナ92)
スキャナ92は、ラインカメラをラインカメラの延伸方向に対し垂直方向に動かすことで、2次元画像を取得する装置であり、いわゆるスキャナである。なお、本実施形態では、スキャナ92の天面であるガラスは、タッチパネル91になっている。スキャナ92の焦点距離は一般的に天面のガラスにあっている。そのため、タッチパネル91に接触したノズル41の先端部41aは、スキャナ92の焦点距離にあい、良好な画像を取得できる。
(Scanner 92)
The
スキャナ92は、取得した2次元画像を制御部80に出力し、制御部80は、該2次元画像を画像処理し、ノズル41の先端部41aの位置を計測する。また、ノズル41の先端部41aの位置の画像処理は、制御部80ではなくスキャナ92の制御装置で行ってもよい。
The
なお、スキャナ92は、スキャナに限定されず、水平平面内を動くカメラであってもよい。この場合、カメラの位置に加え、カメラの画像でもって、ノズル41の先端部41aの位置を計測する。つまり、スキャナ92は、ノズル41の先端部41aの水平面内位置を検出するセンサであればよい。例えば、タッチパネル91でもって、水平面内位置を合わせて計測しても構わない。ただし、スキャナ92は、ノイズおよび分解能の観点から、水平面内位置を光学的に検出することが好ましい。
The
(加速度センサ93)
加速度センサ93は、少なくとも3軸以上の加速度を検出できる加速度センサである。加速度センサ93は、検出した加速度を制御部80に出力する。加速度センサ93が検出した重力加速度の方向から、ヘッド40の姿勢、すなわちノズル41の姿勢を算出することができる。
(Acceleration sensor 93)
The
加速度センサ93は加速度センサに限定されず、任意の姿勢を検出するセンサであればよく、例えば、ジャイロセンサ、複数の赤外線マーカを用いたシステムなどであってもよい。
The
(制御部80)
制御部80は、取得部81と、記憶部82と、算出部83と、指令部84と、を備える。取得部81は、計測装置90が検出した計測結果を取得する。記憶部82は、取得部81によって取得した、計測装置90の計測結果を記憶する。また、記憶部82は、計測装置90の計測を行った条件(指令位置および指令姿勢)を記憶する。これらの計測結果、指令位置、および指令姿勢を校正データと総称する。
(Control unit 80)
The
算出部83は、記憶部に記憶された複数の校正データに基づき、所望の鉛直方向高さおよび所望の水平面内位置ならびに姿勢から、必要な制御指令位置および制御指令姿勢を算出する。すなわち、算出部83は、所望の位置および姿勢から、必要となる制御指令位置および制御指令姿勢の補正値を算出している。算出部83は、算出した所望の制御指令位置および制御指令姿勢を指令部84に出力する。
The
指令部84は、入力した位置および姿勢になるようにリニア駆動軸20を制御する。すなわち、記憶部82と算出部83と指令部84とでもって、入力した位置および姿勢となる、制御指令位置および制御指令姿勢を逆算し、その値でもって制御を行うことで、位置および姿勢を所望の状態となるように制御する。
The
(校正データの取得方法)
以降は、制御部80と計測装置90とを用いた校正データの取得方法に関して説明する。図7は、校正データの取得方法を示すフローチャートである。
(How to obtain calibration data)
The following describes a method for acquiring calibration data using the
指令部84は、校正データを取得する位置・姿勢に3Dプリンタ1を制御する。すなわち、指令部84は、計測を行う姿勢において、計測を行う水平面内位置に、ノズル41を移動させる(S11)。
The
その後、指令部84は、水平面内位置および姿勢を維持したまま、鉛直方向高さが低下するように、鉛直方向下方に向けてノズル41を下降させる(S12)。タッチパネル91は、ノズル41がタッチパネル91に接触したかを判断する(S13)。ノズル41がタッチパネル91に接触していない場合、処理をS12に戻し、ノズル41の下降を継続する。
Then, the
対して、ノズル41がタッチパネル91に接触した場合、処理をS14に遷移させる。タッチパネル91は、ノズル41の降下を停止させる信号を制御部80に出力し、この信号を受けて指令部84は、ノズル41の下降を終了する(S14)。ここでは、いわゆるプローブ動作を行っており、ノズル41の先端部41aの鉛直方向高さを計測している。
On the other hand, when the nozzle 41 touches the
その後、ノズル41の先端部41aがタッチパネル91の表面にある状態で、スキャナ92は2次元画像を取得する(S15)。スキャナ92は、取得した2次元画像を制御部80に出力し、制御部80は画像処理を行い、ノズル41の先端部41aの水平面内位置を算出する(S16)。なお、画像処理を行う装置は制御部80に限定されない。
Then, while the tip 41a of the nozzle 41 is on the surface of the
記憶部82は、取得した校正データを記憶する。すなわち、ノズル41の先端部41aがタッチパネル91に接触したときの鉛直方向高さと、画像処理して得られたノズル41の先端部41aの水平面内位置と、計測を行った位置と、計測を行った姿勢と、を合わせて記憶する(S17)。
The
ここで、校正データには、加速度センサ93によって計測できるヘッド40の姿勢も含まれてもよい。つまり、計測を行った姿勢によって、実際にどのような姿勢になったかを計測してもよく、記憶部82が合わせて記憶してもよい。
The calibration data may also include the posture of the head 40 that can be measured by the
(校正データの状態)
図8は、校正データにおける計測を行った水平面内位置を表す図である。図8における点が計測を行った水平面内位置を表す。また、図8では点同士を接続する線分も合わせて記載してある。詳細は後述するが、この三本の線分によって区切られる三角形を用いて、算出部83は、補正を行う。
(Calibration data status)
Fig. 8 is a diagram showing positions in a horizontal plane where measurements were taken in the calibration data. Points in Fig. 8 represent positions in a horizontal plane where measurements were taken. Line segments connecting the points are also shown in Fig. 8. As will be described in detail later, the
図9は、スキャナ92によって取得した水平面内位置を表す図である。図9における各点および各三角形は、図8の各点および各三角形に1対1で対応している。つまり、図8と図9とは3Dプリンタ1の誤差を含んだ射影関係にある。図8は規則的に点が配置されているのに対し、図9では、不規則に点が配置されている。この差異は3Dプリンタ1の誤差による。
Figure 9 is a diagram showing positions in a horizontal plane acquired by the
この誤差の要因としては、機械的な組み立て精度・部品精度・リニア駆動軸20の位置決め精度などによって発生しており、複数のパラメータが相互に関連しあうため調整・計測が困難である。そのため、これ以降、この誤差を補正する方法に関して説明する。 The causes of this error include mechanical assembly accuracy, component accuracy, and positioning accuracy of the linear drive shaft 20, and adjustment and measurement are difficult because multiple parameters are interrelated. Therefore, from here on, we will explain how to correct this error.
ここで、3Dプリンタ1では、6個の第1ボールジョイント30の位置関係の相対的な差によって、ヘッド40およびノズル41の水平面内の位置(XY座標)および姿勢は決定される。対して、鉛直方向の位置(Z座標)は、6個の第1ボールジョイント30の絶対的な平均の高さによって決定されている。そのため、上述したプローブ動作では、水平面内の位置および姿勢は変化しない。 Here, in the 3D printer 1, the position (XY coordinates) and orientation of the head 40 and nozzle 41 in the horizontal plane are determined by the relative difference in the positional relationships of the six first ball joints 30. In contrast, the vertical position (Z coordinate) is determined by the absolute average height of the six first ball joints 30. Therefore, the position and orientation in the horizontal plane do not change with the above-mentioned probe operation.
このため、単一の特定の平面(例えば、タッチパネル91の表面)における位置および姿勢の対応関係をマッピングすることによって、マッピングされた範囲内に収まる鉛直方向の変化には対応することができる。この性質を利用して、本実施形態では、算出部83は補正を行っている。
Therefore, by mapping the correspondence between position and orientation on a single specific plane (e.g., the surface of the touch panel 91), it is possible to accommodate vertical changes that fall within the mapped range. In this embodiment, the
なお、誤差の例示として、水平面内位置(XY座標)を対象としてあげたが、実際には、鉛直方向高さ(Z座標)、および姿勢(傾斜角度φ、回転角度θ)にも誤差はある。これらもまとめて補正する。 Note that we have given an example of error in the horizontal plane (XY coordinates), but in reality there are also errors in the vertical height (Z coordinate) and attitude (tilt angle φ, rotation angle θ). These will also be corrected together.
(算出部83による補正)
図10は、算出部83による補正方法を示すフローチャートである。校正データから所望の傾斜角度φを含む第1リストを取得する(S21)。傾斜角度φが計測したデータとは限らないため、算出部83は、次の方法で第1リストを生成しても構わない。
(Correction by Calculation Unit 83)
10 is a flowchart showing a correction method by the
まず、傾斜角度φがφ1≦φ<φ2を満たす場合を考える。ここで、φ1およびφ2はともに計測を行った姿勢の傾斜角度である。このとき、校正データにおける同一の水平面内位置でかつ同一の回転角度の傾斜角度φ1および傾斜角度φ2の値を、線形補間することで、傾斜角度φの値を導出し、第1リストとしてもよい。 First, consider the case where the tilt angle φ satisfies φ1≦φ<φ2. Here, φ1 and φ2 are both the tilt angles of the posture in which the measurement was performed. In this case, the value of the tilt angle φ may be derived by linearly interpolating the values of the tilt angles φ1 and φ2 at the same horizontal plane position and the same rotation angle in the calibration data, and this value may be used as the first list.
第1リストから所望の回転角度θを含む第2リストを取得する(S22)。回転角度θが計測したデータとは限らないため、算出部83は、次の方法で第2リストを生成しても構わない。
A second list including the desired rotation angle θ is obtained from the first list (S22). Because the rotation angle θ is not necessarily measured data, the
まず、回転角度θがθ1≦φ<θ2を満たす場合を考える。ここで、θ1およびθ2はともに計測を行った姿勢の回転角度である。このとき、第1リストにおける回転角度θ1および回転角度θ2の値を線形補間することで、回転角度θの値を導出し、第2リストとしてもよい。 First, consider the case where the rotation angle θ satisfies θ1≦φ<θ2. Here, θ1 and θ2 are both rotation angles of the attitude at which the measurement was performed. In this case, the value of the rotation angle θ may be derived by linearly interpolating the values of the rotation angle θ1 and the rotation angle θ2 in the first list, and used as the second list.
第2リストから所望の水平面内位置(X,Y)を含む第3リストを取得する(S23)。第3リストは、所望の水平面内位置(X,Y)における各値を導出するためのものであればよい。例えば、第3リストとしては、図9において、所望の水平面内位置(X,Y)が含まれる第1三角形αを特定する。第1三角形αに対応する、図8における第2三角形βを特定する。第1三角形αおよび第2三角形βにおける各点の値が第3リストである。 A third list including the desired horizontal position (X, Y) is obtained from the second list (S23). The third list may be used to derive each value at the desired horizontal position (X, Y). For example, as the third list, a first triangle α in FIG. 9 that includes the desired horizontal position (X, Y) is identified. A second triangle β in FIG. 8 that corresponds to the first triangle α is identified. The values of each point in the first triangle α and the second triangle β are the third list.
第3リストにおいて、所望の傾斜角度・回転角度・水平面内位置における制御指令位置を算出する(S24)。さらに、第3リストにおいて、所望の傾斜角度・回転角度・水平面内位置における制御指令姿勢を算出する(S25)。制御指令位置および制御指令姿勢を算出する方法は任意の射影関係を用いればよい。 In the third list, a control command position at the desired tilt angle, rotation angle, and position in the horizontal plane is calculated (S24). Furthermore, in the third list, a control command attitude at the desired tilt angle, rotation angle, and position in the horizontal plane is calculated (S25). The method for calculating the control command position and control command attitude may use any projection relationship.
図11は、制御指令位置および制御指令姿勢を算出するための射影関係の一例である。図11における第1三角形αにおける点ABCは、第2三角形βにおける点DEFとそれぞれ対応している。 Figure 11 shows an example of a projection relationship for calculating a control command position and a control command attitude. In Figure 11, points ABC in the first triangle α correspond to points DEF in the second triangle β.
第1三角形α内の点Pが所望の水平面内位置である。ここで、ベクトルAPは、ベクトルABとベクトルACとに係数をかけた合成ベクトルに分解できる。このときの分解したベクトルの成分の係数を、係数sおよび係数tとする。 Point P in the first triangle α is the desired position in the horizontal plane. Here, vector AP can be decomposed into a resultant vector obtained by multiplying vectors AB and AC by a coefficient. The coefficients of the components of the decomposed vectors at this time are coefficients s and t.
次に対応する第2三角形βのベクトルDEおよびベクトルDFに係数sおよび係数tを用いて、制御指令位置の水平面内位置Qを求める。ベクトルDQは、ベクトルDEに係数sをかけたベクトルと、ベクトルDFに係数tをかけたベクトルとの合成ベクトルである。 Next, the horizontal position Q of the control command position is calculated by applying coefficients s and t to vectors DE and DF of the corresponding second triangle β. Vector DQ is the resultant vector of vector DE multiplied by coefficient s and vector DF multiplied by coefficient t.
この係数sおよび係数tを用いて、点Qにおける他の値を算出する。算出する値としては、点Qにおける水平面内位置(X,Y)、鉛直方向高さZ、傾斜角度φ、および回転角度θである。これにより、制御指令位置(X,Y,Z)および制御指令姿勢(φ、θ)を求める。なお、算出方法としては、点Dの値がd、点Eの値がe、点Fの値がfのとき、次式によって点Qの値qを求められる。
q=s(e-d)+t(f-d)+d
Using these coefficients s and t, other values at point Q are calculated. The values to be calculated are the position in the horizontal plane (X, Y), the vertical height Z, the tilt angle φ, and the rotation angle θ at point Q. In this way, the control command position (X, Y, Z) and the control command attitude (φ, θ) are determined. As for the calculation method, when the value of point D is d, the value of point E is e, and the value of point F is f, the value q of point Q is determined by the following formula.
q=s(ed)+t(f-d)+d
(まとめ)
制御指令位置(X,Y,Z)および制御指令姿勢(φ、θ)によって3Dプリンタ1を制御することによって、3Dプリンタ1の機構によって発生する誤差を補正することができる。補正のために、計測装置90によって、各種値を計測することができる。
(summary)
By controlling the 3D printer 1 using the control command position (X, Y, Z) and the control command attitude (φ, θ), it is possible to correct errors that occur due to the mechanism of the 3D printer 1. For the correction, various values can be measured by the measuring
(変形例)
タッチパネル91によって、ノズル41がスキャナ92の焦点距離にあう高さに調整したが、この限りではない。例えば、ノズル41があるはずの位置の鉛直方向高さをレーザ変位計で計測し、そのあと、その高さに合わせてオートフォーカスしたカメラでもって水平面内位置を計測してもよい。
(Modification)
The nozzle 41 is adjusted to a height that matches the focal length of the
また、算出部83の計算順序は特に制限されない。例えば、まずはじめに回転角度の計算を行い、次に傾斜角度の計算を行い、最後に水平平面内位置の計算を行ってもよい。
さらに、計測装置90は3次元造形装置の計測装置に限定されず、3Dプリンタ1と同様の機構を有したパラレルリンク機構のための計測装置であってもよい。また、3Dプリンタ1と同様にノズル41が傾斜および回転する機構のための計測装置であってもよい。さらに、ノズル41に限定されず、エンドエフェクタであってもよい。
Furthermore, there is no particular limitation on the order of calculations performed by the
Furthermore, the measuring
〔付記事項〕
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
[Additional Notes]
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the claims. Forms obtained by appropriately combining the technical means disclosed in different embodiments are also included in the technical scope of the present invention.
1 3Dプリンタ(3次元造形装置)
10 フレーム
11 上部フレーム
12 下部フレーム
20、20a~20f リニア駆動軸
30、30a~30f 第1ボールジョイント
40 ヘッド
41 ノズル
41a 先端
42 ロードセル
50、50a~50f、51 第2ボールジョイント
52 ソケット
53 ボール
54 シャフト
55 第1回転部
56 アーム
57 第2回転部
60、60a~60f リンク
70 造形ステージ
80 制御部
81 取得部
82 記憶部
83 算出部
84 指令部
90 計測装置
91 タッチパネル(先端高さ検出部)
92 スキャナ(水平位置計測部)
93 加速度センサ(姿勢検出部)
100 3次元造形システム
1. 3D printer (3D modeling device)
LIST OF SYMBOLS 10 Frame 11 Upper frame 12 Lower frame 20, 20a to 20f Linear drive shaft 30, 30a to 30f First ball joint 40 Head 41 Nozzle 41a Tip 42
92 Scanner (horizontal position measurement unit)
93 Acceleration sensor (attitude detection unit)
100 3D modeling system
Claims (8)
前記ノズルの先端部の鉛直方向高さを検出する先端高さ検出部と、
前記先端部の水平面内位置を検出する水平位置計測部と、を備える計測装置。 A measurement device for a three-dimensional modeling device equipped with a nozzle for discharging a material,
a tip height detection unit that detects a vertical height of a tip of the nozzle;
and a horizontal position measuring unit that detects the position of the tip portion in a horizontal plane.
前記水平位置計測部は、スキャナまたはカメラである、請求項1に記載の計測装置。 the tip height detection unit is a touch panel or a touch switch,
The measurement device according to claim 1 , wherein the horizontal position measurement unit is a scanner or a camera.
前記ノズルの先端部の鉛直方向高さを検出する先端高さ検出ステップと、
前記先端部の水平面内位置を計測する水平位置計測ステップと、を含む計測方法。 A measurement method for a three-dimensional printing apparatus equipped with a nozzle that ejects a material, comprising the steps of:
a tip height detection step of detecting a vertical height of the tip of the nozzle;
and a horizontal position measuring step of measuring a position of the tip portion in a horizontal plane.
前記ノズルの、複数の指令位置および指令姿勢における、前記鉛直方向高さおよび前記水平面内位置を記憶する記憶部と、
前記記憶部に基づき、所望の前記鉛直方向高さおよび所望の前記水平面内位置から、制御指令位置および制御指令姿勢を算出する算出部と、
前記制御指令位置および制御指令姿勢に前記3次元造形装置を制御する制御部と、を備える3次元造形システム。 A three-dimensional printing system including the three-dimensional printing device and the measurement device according to claim 1 ,
a storage unit that stores the vertical height and the position in the horizontal plane of the nozzle at a plurality of command positions and command attitudes;
a calculation unit that calculates a control command position and a control command attitude from the desired vertical height and the desired position in the horizontal plane based on the storage unit;
a control unit that controls the 3D printing device to the control command position and the control command attitude.
前記ノズルの、複数の指令位置および指令姿勢における、前記鉛直方向高さおよび前記水平面内位置を記憶する記憶ステップと、
前記記憶部に基づき、所望の前記鉛直方向高さおよび所望の前記水平面内位置から、所望の指令位置および指令姿勢を算出する算出ステップと、
前記所望の指令位置および指令姿勢に前記3次元造形装置を制御する制御ステップと、を含む制御方法。 A control method for a three-dimensional printing system including the three-dimensional printing apparatus and the measurement apparatus according to claim 1 , comprising:
a storing step of storing the vertical height and the horizontal position of the nozzle at a plurality of command positions and command attitudes;
a calculation step of calculating a desired command position and a command attitude from the desired vertical height and the desired position in the horizontal plane based on the storage unit;
and controlling the three-dimensional printing apparatus to the desired command position and command attitude.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2024157479A true JP2024157479A (en) | 2024-11-07 |
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