一种五轴联动及阵列喷头曲面法向量打印方法技术

一种五轴联动及阵列喷头曲面法向量打印方法，先将曲面打印系统传动链分为喷头传动链和承载面传动链，两条运动链转换为喷头或承载面相对于打印机机体的运动；再将喷头坐标系平移至落点位置使其与承载面重合；建立打印运动模型传动链与承载面坐标系和机械坐标系关系模型；建立机械坐标系与承载面坐标系的相互转换模型，然后建立阵列喷头曲面法向运动模型，将喷头在承载面坐标系中的运动映射到打印机机械坐标系中，根据转角获得打印机机械坐标系下的各个线性轴在机械坐标系下的实际运动位置；最后由控制器根据阵列喷头曲面法向运动模型计算的XYZAC轴坐标，对驱动器进行发送指令带动五轴实现对曲面法向量进行喷墨打印；本发明专利技术实现喷头沿曲面法向运动。明实现喷头沿曲面法向运动。明实现喷头沿曲面法向运动。

【技术实现步骤摘要】
一种五轴联动及阵列喷头曲面法向量打印方法


[0001]本专利技术属于喷墨打印曲面制造
，具体涉及一种五轴联动及阵列喷头曲面法向量打印方法。

技术介绍

[0002]宽幅打印通常在平面基板上成形，而曲面喷墨打印(Fanbo Meng,Jin Huang,3D
‑
Printed Conformal Array Patch Antenna using a Five
‑
axis Motion Printing System and Flash Light Sintering,3D Printing and Additive Manufacturing 00(2018))需要在特定形状曲面上依靠喷射点阵沉积成形，该曲面便是承载液滴的承载面，为保证液滴触发间距均匀且喷头不与承载曲面干涉，喷头须沿曲面法向喷射。
[0003]此外，曲面上液滴的铺展不同于平面，液滴铺展受重力影响，当曲面的斜率越大时，前进角会增大，在曲率过大时，相邻液滴会向下堆积融合；如果直接在曲率变化的表面成形，会导致液滴在不同曲率下固化效果不同，为确保最终表面效果的一致性，曲面喷射时液滴须落在近似平面上。
[0004]进而，喷墨打印为非接触式打印，喷头与打印表面的距离会影响打印效果，喷头过低会增加喷头与承载面干涉概率，喷头过高时扰动会导致落点偏差，不稳定的喷头高度会导致液滴落点不均匀，因此曲面打印还需要保持最佳打印高度的稳定性。
[0005]根据上述分析可知，曲面打印中需要喷头沿曲面法向运动、喷射高度准确且稳定，而现有曲面打印技术存在的缺点：
[0006]1.当利用三轴运动平台进行曲面天线打印，该方法中只有一个轴实现运动喷射同步控制，其余两轴负责辅助移动，该方法只能实现小曲率曲面打印，当曲面法向与喷头矢量夹角大于90
°
时，无法打印。
[0007]2.目前五轴曲面打印仍使用单喷头进行加工，算法直接套用数控加工系统，效率远低于阵列喷头。

技术实现思路

[0008]为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种五轴联动及阵列喷头曲面法向量打印方法，通过建立曲面运动学模型，将复杂的打印机机械坐标系运动转化到承载面坐标系中，在承载面中将喷头矢量控制与喷头位置控制区分，实现喷头沿曲面法向运动。
[0009]为了达到上述目的，本专利技术按以下技术方案实现：
[0010]一种五轴联动及阵列喷头曲面法向量打印方法，包括下述步骤：
[0011]第一步：将曲面打印系统传动链分为喷头传动链和承载面传动链；喷头传动链从喷头开始到打印机机体结束，承载面传动链从承载面开始到打印机机体结束，两条运动链最终都转换为喷头或者承载面相对于打印机机体的运动，最终喷头处液滴落点与承载面重合；
[0012]第二步：定义将阵列喷头的坐标系建立在喷孔列中心点；将喷头坐标系平移至落点位置使其能与承载面重合，运动过程中通过调节打印高度的大小调节喷头至承载面的距离；
[0013]第三步：分别建立打印运动模型传动链与承载面坐标系和机械坐标系关系模型；
[0014]第四步：建立机械坐标系与承载面坐标系的相互转换模型，同时考虑两条运动链，分别将喷头位置点和喷头矢量映射到打印机机械坐标系中；
[0015]第五步：建立阵列喷头曲面法向运动模型，首先将喷头在承载面坐标系中的运动映射到打印机机械坐标系的过程中，然后根据转角获得打印机机械坐标系下的各个线性轴在机械坐标系下的实际运动位置；
[0016]第六步：由控制器根据阵列喷头曲面法向运动模型计算的XYZAC轴坐标，对驱动器进行发送指令并带动五轴实现对曲面法向量进行喷墨打印。
[0017]本专利技术具有以下有益效果：
[0018]由于曲面打印中涉及坐标旋转与线性轴跟随，直接计算较为复杂，因此需要建立曲面运动学模型，将复杂的打印机机械坐标系运动转化到承载面坐标系中，在承载面中将喷头矢量控制与喷头位置控制区分，既可以实现喷头沿曲面运动，又便于计算运动与喷射位置，为实现运动喷射协同控制提供良好的运动控制基础。
附图说明
[0019]图1为本专利技术曲面法向喷射过程示意图。
[0020]图2为本专利技术的流程图。
[0021]图3为本专利技术打印运动模型传动链示意图。
[0022]图4为本专利技术喷头坐标系定义示意图。
[0023]图5为本专利技术C轴转角的多组解示意图。
[0024]图6为本专利技术AC轴转角求解流程图。
具体实施方式
[0025]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清晰明了，结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0026]阵列喷头曲面法向运动首先需要定义打印机回零后各轴所处位置为打印机机械坐标系原点，将打印机机械坐标系进行平移和旋转以后可以得到液滴承载曲面的承载面坐标系；在平面打印中承载面坐标系可与机械坐标系重合，但是在曲面打印中，如图1所示，用打印机机械坐标系描述曲面运动过程会同时涉及线性运动轴与旋转运动轴，因此在曲面打印时需要建立多个坐标系。
[0027]如图2所示，一种五轴联动及阵列喷头曲面法向量打印方法，包括下述步骤：
[0028]第一步：将曲面打印系统传动链分为喷头传动链和承载面传动链；阵列喷头曲面打印过程中喷墨成形过程在考虑打印的同时还需要兼顾成形表面的固化，由于固化设备体积大且固化过程容易造成喷头堵塞，因此针对不同材料的固化设备均需放置在远离喷头工作的区域，因此确定曲面喷墨打印的运动模型为：喷头固连在两组串联的线性轴上，承载面
固接在AC轴上，AC轴与承载面可以在一条线性轴上做长距离直线运动，便于第二工位固化；
[0029]根据上述分析则曲面打印系统传动链应该分为两条，如图3所示，喷头传动链从喷头开始到打印机机体结束，承载面传动链从承载面开始到打印机机体结束，两条运动链最终都可以转换为喷头或者承载面相对于打印机机体的运动，最终喷头处液滴落点与承载面重合；
[0030]第二步：定义将阵列喷头的坐标系建立在喷孔列中心点；由于运动模型闭环点是液滴落点与承载表面重合，因此喷头坐标系O
n
X
n
Y
n
Z
n
与承载面坐标系O
p
X
p
Y
p
Z
p
重合，但是打印过程为非接触式，因此需要将喷头坐标系平移至落点位置使其能与承载面重合，如图4所示为阵列喷头坐标系位置，其中d
mnz
为打印高度，运动过程中可以通过调节d
mnz
的大小调节喷头至承载面的距离；
[0031]第三步：分别建立打印运动模型传动链与承载面坐标系和机械坐标系关系模型；
[0032]设O
N
在坐标系O
Z
X
Z
Y
Z
Z...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种五轴联动及阵列喷头曲面法向量打印方法，其特征在于，包括下述步骤：第一步：将曲面打印系统传动链分为喷头传动链和承载面传动链；喷头传动链从喷头开始到打印机机体结束，承载面传动链从承载面开始到打印机机体结束，两条运动链最终都转换为喷头或者承载面相对于打印机机体的运动，最终喷头处液滴落点与承载面重合；第二步：定义将阵列喷头的坐标系建立在喷孔列中心点；将喷头坐标系平移至落点位置使其能与承载面重合，运动过程中通过调节打印高度的大小调节喷头至承载面的距离；第三步：分别建立打印运动模型传动链与承载面坐标系和机械坐标系关系模型；第四步：建立机械坐标系与承载面坐标系的相互转换模型，同时考虑两条运动链，分别将喷头位置点和喷头矢量映射到打印机机械坐标系中；第五步：建立阵列喷头曲面法向运动模型，首先将喷头在承载面坐标系中的运动映射到打印机机械坐标系的过程中，然后根据转角获得打印机机械坐标系下的各个线性轴在机械坐标系下的实际运动位置；第六步：由控制器根据阵列喷头曲面法向运动模型计算的XYZAC轴坐标，对驱动器进行发送指令并带动五轴实现对曲面法向量进行喷墨打印。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：第一步中喷头固连在两组串联的线性轴上，承载面固接在AC轴上，AC轴与承载面在一条线性轴上做长距离直线运动。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第三步具体为：设O
N
在坐标系O
Z
X
Z
Y
Z
Z
Z
中的位置为(d
znx
,d
zny
,d
znz
)，则喷头在Z轴坐标系中的位姿为：O
X
X
X
Y
X
Z
X
和O
Z
X
Z
Y
Z
Z
Z
分别为X轴和Z轴的部件坐标系，其中Z轴依赖于X轴，设O
Z
在坐标系O
X
X
X
Y
X
Z
X
中的位置为(d
xzx
,d
xzy
,d
xzz
)，O
X
在坐标系O
M
X
M
Y
M
Z
M
中的位置为(d
mxx
,d
mxy
,d
mxz
)，当两轴分别移动到X和Z位置时则两线性移动轴的位姿为：分别移动到X和Z位置时则两线性移动轴的位姿为：在喷头运动链中，当喷头运动到(X,Y,Z,A,C)位置时，喷头相对于打印机机械坐标系的位姿为：
在承载面运动链中，首先需要建立承载面坐标系，令O
P
X
P
Y
P
Z
P
与承载面固联，其三个主矢量的方向与C轴部件坐标系相同，则原点O
P
在坐标系O
C
X
C
Y
C
Z
C
中的位置为(d
cpx
,d
cpy
,d
cpz
)，则承载面坐标系在C轴部件坐标系中的位姿为：O
C
X
C
Y
C
Z
C
是与C轴固联的C轴坐标系，设其原点在C轴轴心线上，当打印机在初始位置时，其三个主矢量方向与A轴部件坐标系O
A
X
A
Y
A
Z
A
相同，设原点O
C
在坐标系O
A
X
A
Y
A
Z
A
中的位置为(d
acx
,d
acy
,d
acz
)，当喷头运动到(X,Y,Z,A,C)位置时，O
C

【专利技术属性】
技术研发人员：孟凡博，黄进，平补，师学友，时洪亮，王新浩，王建军，张洁，赵鹏兵，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：