Maslow4 (オープンソース CNC ルーター)
Maslow4はコンパクトな大型 CNC ルーターです。Maslow CNC ファミリーの最新設計です (2023 年現在)。オリジナルの Maslow の次世代かつ完全な再設計です。
これは、個人が利用できる、完全にオープンソースで低コストの大型 CNC ルーターの代替品です。主に、個人メーカーが自宅やガレージで OpenDesk のようなデザインをカットできるようにするツールとして想定されています。余分なスペースを必要とせず、数分でセットアップでき、最大 8 フィート x 4 フィートの大型フォーマットをミリメートル単位の精度で処理できます。
この設計の主な特徴は、コンパクトで、ポータブル（言葉の定義によって異なります）であることです。また、完全な水平からほぼ垂直（最大 75 度）まで、さまざまな角度で動作できるため、大型の CNC ルーターに必要なスペースが大幅に削減されます。
すべての Maslow4 設計ファイル、ファームウェア、ソフトウェアは GNU(?) ライセンスの下で配布されます。
Maslow4 はTolocarプロジェクトによってサポートされています。
コンテンツ
一般情報
Maslow 4 は、テンセグリティ ロボットと呼ばれるロボット ファミリーの一部です。テンセグリティ ロボットは、張力のかかった部材を使用して動きます。これにより、Maslow 4 は、高価な精密な剛性部品を使わずに、正確な動きを実現できます。Maslow 4 は、4 本の鋼鉄強化ベルトを使用して、切断面上の位置を完全に制限します。
カスタム 5 軸制御ボードは、4 つの高出力 DC サーボ モーター (磁気エンコーダー付きの遊星ギア ボックス) と 2 つのステッピング モーター (Z 軸用) を駆動します。各サーボ軸は独立して制御され、リアルタイムの電流フィードバックにより、Maslow が各ベルトの張力を「感じる」ことができます。コントローラーには、Wi-Fi、Bluetooth、USB C 接続があります。
Maslow4 は、デバイスが作成する Maslow Wi-Fi ネットワークに直接接続するか、ホーム ネットワークがある場合は Maslow をホーム ネットワークに接続することで、Wi-Fi 接続を備えた Windows、Linux、Mac、i-OS、または Android (アプリやソフトウェアのダウンロードは不要) デバイスから制御できます。インターネット接続は必要ありません。Bluetooth および USB C 接続も利用できます。
Maslow 4 は完全に自己調整機能を備えており、サーボ モーターを使用して一連の動作と測定 (ベルトが調整されたと感知するまでベルトを引っ張る) を自動的に実行し、その結果を記録します。次に、遺伝的アルゴリズムを使用して、正確な調整を「進化」させます。
アンカー ポイントは任意の 4 つの固定ポイントにすることができます。正確な間隔や長方形である必要はありません。
背景
6 年前にオープン ソース CNC ルーター (Maslow) が導入されました。
キャンペーンの実現を通じて、多様なデザインが構築され、世界中の人々のコミュニティが形成されました。その経験から得られたすべての教訓が、Maslow 4の構築に考慮されました。
Maslow 4 は、元のマシンを完全に再設計したものですが、改良されています。
このソリューションの利点は何ですか?
マズロー4の利点は次のとおりです。
- 任意のモデム ブラウザーを使用して Wi-Fi 経由で接続できます。
- 組み立ては簡単で、特別な工具は必要ありません。
- Wi-Fi コントローラーははるかに高速で、自動調整されます。
機械設計
Maslow4 は、ルーター本体の周囲に取り付けられた 2 つの「クランプ」の間に固定された、ルーター本体の周囲を回転する 4 つの「アーム」で構成されています。ルーターは「そり」の 4 つのポイントに取り付けられ、そのうち 2 つは Z 軸ステッピング モーター シャフトで、残りの 2 つは 4 つのリニア ボール ベアリングを使用してそりに取り付けられたポール上をスライドします。
ルーター本体は、2 つの Z 軸ステッピング モーターで上下に動かすことができます。機械全体は、各アームのモーターによって動かされ、ベルトを引っ張ったり解放したりして、切断面上のルーターの位置を変更します。
アームはボディの周りを自由に回転できるため、ベルトの張力によって常にアームが整列し、ベルトの延長部が常にルーターの中心で一致します。これにより、プログラムの内部計算が大幅に簡素化され、エラーが減少します。
オリジナルの Maslow とは異なり、Maslow4 ではすべての電子機器とコンポーネントがそりに取り付けられています。これにより、ユーザーは取り付けオプションを自由に選択できます。Maslow4 のフレームは、任意の 4 つの固定アンカー ポイントにすることができます。たとえば、木製またはアルミニウム製のフレームにすることも、床やコンクリートの車道にドリルで穴を開けたアンカーにすることもできます。
Maslow4 は、ベルトの長さを測定することによってのみ位置を追跡します。各アームにはエンコーダ ボードが取り付けられており、ローラー内に取り付けられた磁石を使用して、ベルトが通過するローラーの絶対位置を測定します。
アルゴリズム
位置決めの一般的な数学
Maslow4 は、作業領域での位置を決定するために、ベルトの長さ以外の入力を使用しません。
理論的には、アンカー ポイントの位置がわかれば、位置を決定するために 2 つのベルトの長さを知るだけで済みます。位置は、アンカー ポイントを中心とするベルトの長さの半径を持つ 2 つの円の交点にあります。通常、この式に適合するポイントは 2 つありますが、そのうちの 1 つは常に作業領域外にあるため無視できます。
Maslow4 は 4 つのベルトを使用して位置を決定します。
校正プロセス
XY 平面上の位置を決定するには、機械はアンカー ポイントまでの距離を知る必要がありますが、そのためにはアンカーの位置に関する非常に正確な知識が必要です。これは、この種の機械の課題の 1 つです。アンカー ポイントの実際の座標を決定することは、ほとんどのセットアップと個人にとって大きな課題であることが判明しました。
これらの理由から、Maslow4 はアンカー ポイントの座標を決定する新しいキャリブレーション プロセスを利用します。
Maslow4 は、アンカー ポイントの XY 座標のおおよその値から始めます。まず、4 つのベルトすべてをゼロ位置に引き戻して、ベルトのゼロ長さの位置を較正します。次に、ベルトを伸ばしてポイントに固定し、Maslow は作業エリアの中央に散らばっている 10 x 10 グリッドのポイント間を移動し始めます。各ポイントで、マシンはモーターからの電流フィードバックを使用して張力を検出し、下部のベルト 2 本を引き戻して張力をかけます。次に、各ポイントで張力のあるベルトの長さを測定します。このようにして、100 セットのベルト長さが得られます。
これらの測定値は、アンカー ポイントの座標が正しければ、すべて同じポイントで一致できるはずです。座標の近似値から開始するため、実際のソリューションを見つけるために次の「進化的」アルゴリズムを使用します。
- まず、各測定値セットを座標平面に対するベルトの角度に沿って移動させることにより、各セットのベルト端が互いに最も近くなる角度セットを決定します。
- 次に、どのベルト端が他のベルト端から最も離れているかを示すアンカー ポイントを決定します。
- この差を小さくするために、アンカー ポイントの位置を微調整する必要がある方向を決定します。
- 私たちはその点をその方向に少しずつ動かします。
- 1に戻ります。
このサイクルは、ソリューションのグローバル最小値、つまりベルトの端の間の平均距離が最小で、どの方向にアンカー ポイントを移動してもこれ以上改善できないソリューションに到達するまで実行し続けます。これにより、実際のソリューションに最も近いソリューションが得られます。
ハードウェア
Maslow4 制御ボードは、カスタム設計されたオープンソース PCB です。メイン コントローラーは ESP32-S3 チップです。モーター ドライバー ボード、4 つの磁気エンコーダー、2 つの Z 軸ステッピング モーター、内蔵 SD メモリ、および冷却ファンを介して 4 つの DC モーターを制御します。
ファームウェア
Maslow4 は、オープン ソースの CNC ファームウェア FluidNC (以前の Grbl_Esp32) のブランチです。独自の maslow 構成ファイルを使用し、別のオープン ソース ESP3D-UI プロジェクトに基づいて、若干の変更を加えた同じ Web インターフェイスを使用します。Web インターフェイスでは、マシンを完全に制御できます。キャリブレーション、ステータスのレポート、カット中のファイルのリアルタイムの監視などが可能です。Web インターフェイスから読み込むことができる標準の g コード ファイルをサポートしています。
Web インターフェイスを使用すると、ローエンドの古いマシンでも、あらゆるプラットフォームやブラウザーから Maslow4 を制御できます。
部品と組み立て
Maslow4 は、DeWalt DWP611 ルーター (ヨーロッパでは DeWalt 26200) ハンドヘルド CNC ルーターをベースに構築されています。ルーター本体の周りを回転する 4 つの「アーム」で構成され、アームをまとめる 2 つの「クランプ」に挟まれています。次に、アームを 2 つのステッピング モーターと 2 つの支持ポールで「スレッド」に接続します。
アームを備えたルーターは、2 つの Z 軸ステッピング モーターによって駆動され、そりに対して上下にスライドできます。
制御ボードは、DeWalt ルーターにクランプで固定されるプラスチック ベースに固定されています。冷却ファンが内蔵されたカバーが付いています。ルーターの空冷もボードの冷却効果を高めるために使用されています。
Sled にはダスト ホース ポートを備えたダスト収集システムがあり、そこに掃除機を接続してダストを収集できます。
各アームはプラスチック製のベースと、それに取り付けられた DC モーターおよびエンコーダー ボードで構成されています。ギアボックス付きの DC モーターは、ギアを介してメイン スプール ギアに接続され、その周囲にベルトが巻かれています。ベルトは 2 つのローラーの間からアームから出ており、そのうちの 1 つには磁石が内蔵されており、ベルトの伸びを測定するために使用されます。
インパクト
Maslow4 は、ほとんどの人にとって十分な価格の、手頃な価格の大型 CNC ルーターとして設計されています。その仕様は、オープン デザインからカスタム家具や家庭用備品を作成するなどのほとんどのプロジェクトに十分すぎるほどです。これにより、家具などの製造をより分散化して民主化できます。より大きな目標は、オープン ソース CNC のエコシステムを強化し、個人が使用できるよりオープンなデザインの作成を奨励することで、住宅をより手頃な価格にすることです。住宅や住宅構造は、これらのデザインの中に含まれており、市場よりもはるかに安い価格で住宅を建設できる可能性があります。
ギャラリー
参考文献
- https://www.maslowcnc.com/ - マズロー プロジェクトの公式 Web サイト。
- https://forums.maslowcnc.com/ - 公式 Maslow CNC フォーラム