CN105408094A - 用于三维对象的打印系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于三维对象(12)的打印系统(10)，包括用于储存和执行机器人程序的控制单元(14)以及工业机器人，工业机器人受到控制单元(14)的控制，并且包括具有若干个部件(16,18,22,28,38)的臂，其顶端可根据机器人程序的路径数据沿着预定的运动路径(56,86)而移动。打印单元(30,72)安装在机器人臂的顶端，并且受到控制单元(14)的控制，打印单元包括至少一个打印喷嘴(52,74,76,78)，其用于根据机器人程序的对象数据在相应的坐标(60,64,88,90)上逐点应用相应的打印材料部分(32,34)。

Description

用于三维对象的打印系统
技术领域
现有技术状态中不利的是可被打印的对象的尺寸局限于某一尺寸，例如xyz-方向上50cm，因为示例性的笛卡儿坐标操纵器具有相对应的有限尺寸。更大尺寸的对象，例如2m×2m×3m是不可用典型的笛卡儿坐标操纵器打印的。本发明的目的在于一种用于容易打印更大3D对象的系统。
背景技术
本发明涉及一种用于三维对象的打印系统。3D打印系统适合于例如3D原型机制造是众所周知的。这可实现工件快速且简易的生产，以用于起动成批生产之前的测试目的。但对于小批量单个工件的生产，3D打印系统也是合适的。目前具有若干种类型的3D打印系统。一种类型主要包含打印喷嘴和笛卡儿坐标操纵器，其被预见在xyz-方向上移动打印喷嘴。因而典型的笛卡儿坐标操纵器包括三个线性运动自由度。有待打印的3D对象的结构储存在例如一种三维矩阵中，其中对于各个坐标都提供了在相应的坐标上是否必须应用打印材料部分的信息。虽然相应的打印材料部分通常是以液态或可与之相当的状态打印的，但打印材料会在应用之后硬化，从而逐点和逐层打印出固体对象。
发明内容
这个问题通过用于前述种类的三维对象的打印系统来解决。这种打印系统，其特征在于一种用于储存和执行机器人程序的控制单元，受到控制单元控制并包括具有若干个部件的臂的工业机器人，以及打印单元，臂的顶端可根据机器人程序的路径数据沿着预定的运动路径而移动，打印单元安装在机器人臂的顶端并受到控制单元的控制，打印单元包括至少一个打印喷嘴，其用于根据机器人程序的对象数据在相应的坐标上逐点应用相应的打印材料部分。
本发明的基本思想是使用具有较大操作范围的工业机器人作为操纵器，其用于沿着预定的运动路径携带打印单元。典型的工业机器人具有例如围绕旋转底座的为3m的工作空间，并且包括例如四个、五个、六个或甚至七个运动自由度。机器人受到控制单元(相应地，机器人控制器)的控制。这是一种计算装置，其能够运行包含例如所需机器人运动的数据的软件程序。这种机器人的臂由例如旋转底座以及第一臂部件和第二臂部件组成，第一臂部件和第二臂部件以可回转的方式链状地连接起来。这两个臂部件可能各具有例如1.5m长度。每个部件通常包括自身的驱动器，并造成相应的运动自由度。因而在机器人的工作空间中利用第二臂部件的末端可能达到每个XYZ-坐标。
在根据本发明的打印系统中优选使用涂布机器人。用于操纵的典型的工业机器人被预见在起点和终点之间移动它们的臂。在那些点之间的运动种类并不具有重要意义。涂布机器人另一方面被预见以优选恒定的速度沿着给定的运动路径而移动其臂。这里不仅运动的起点和终点很重要，而且在那些点之间的整个运动也很重要。如果涂布机器人比所需的更慢，那么涂布结果将太厚，如果运动路径偏离其所需途径，那么涂布结果将是不均匀的。准备好的涂布机器人沿着整个运动路径具有高的精度，并因此非常适合用作用于打印三维对象的打印单元的操纵器。合适的机器人是例如ABBIRB5000或IRB5500。
通常在第二部件的末端会预见到腕部，其提供了额外的运动自由度，以用于使预见位于腕部的外端的工具(相对应地，打印单元)定向。因而利用工业机器人的通常较大的工作空间来打印三维对象是可能的。
根据本发明的一个实施例，工业机器人(相应地，其臂)包括至少六个机器人部件，其具有六个运动自由度。如果机器人臂包括六个运动自由度，那么在其工作空间中，在各个定向上达到各个点是可能的。因而同具有三个运动自由度的笛卡儿坐标操纵器相比，在柔性方面赋予了某种超冗余性，笛卡儿坐标操纵器不会提供使工具定向的可能性。这种超冗余性例如可以一种有利的方式用于使机器人运动路径的编程变得更为灵活。
当应用打印材料部分时，在喷嘴的坐标和打印材料部分在有待打印的三维对象的表面上的相应撞击坐标之间存在差异。机器人的控制通常准备成使得打印材料部分的所需撞击坐标是在所需的运动路径中给出的，而打印喷嘴的真实的运动路径确定成使得其相对于打印材料的相应撞击坐标在固定的距离范围内，以避免任何冲突。相对于打印喷嘴始终在固定距离范围内的虚拟撞击点被称为TCP(工具中心点)。
因为撞击坐标不一定与必须应用打印材料部分的定向相关，所以打印材料部分可能从具有相应的不同定向的打印喷嘴的不同坐标应用于某一坐标上。这例如可通过打印喷嘴的相应的经调节的定向而实现校正打印喷嘴的实际位置的潜在偏差的可能性。因而工业机器人的运动自由度的超冗余性用于以有利的方式改善其精度。
根据本发明的另一实施例，可预见到用于预先确定至少一个打印喷嘴(相应地，TCP)的真实的实际位置的装置。因而可以很容易地检测真实位置与打印喷嘴(相应地，TCP)的相应的所需位置的偏差。由于其大的工作范围和组成的若干个运动自由度，工业机器人可能会经历在所需的预定的运动路径和真实运动路径之间的某些偏差。那些偏差对于有待打印的三维对象的结果具有很重要的意义，因为错放的打印材料部分将降低打印的三维对象的品质。
根据本发明的另一实施例，用于预先确定真实实际位置的装置包括用于相应机器人轴线的加速度传感器、分解器、编码器或激光干涉仪，相应的测量值可从那里提供给控制单元，控制单元准备据此预先推导出至少一个打印喷嘴的真实实际位置。
分解器通常在工业机器人中用于确定相应的机器人部件的回转角度。基于那些数据并通过使用机器人部件的几何结构可以据此确定机器人臂(相应地，TCP)的实际位置。实际位置数据通常用作输入数据，用于机器人的的驱动器的控制环路，驱动器促成机器人的姿势。同样当预见到控制环路时，机器人臂的实际位置可能经历相对于所需位置的偏差。
预先确定真实的实际位置意味着基本评估出最近将来的位置，例如在50ms等时间内的TCP的位置。这种特征是本发明的另一实施例所需要的，根据此实施例可预见到根据机器人程序的对象数据，只有在(预先)确定的至少一个打印喷嘴的真实的实际位置与相应坐标相对应的情况下才应用相应的打印材料部分，其中当然要假定一定的公差范围。
换句话说，如果打印喷嘴(相应地，TCP)根据机器人程序的对象数据经过相应的坐标时，就应用打印材料部分。如果存在超过某一极限的偏差，那么就停止相应的打印材料部分的应用。因而避免了打印材料部分以大于例如0.5mm的公差的极大的偏差应用于某一位置。
在原理上，存在两种偏差。根据第一变体，真实运动路径与预定的运动路径相对应，但在真实和所需的运动速度之间存在差异。在这种情况下，当打印喷嘴根据机器人程序的对象数据经过相应的坐标时，根本不会停止打印材料部分的应用，而是在那个时刻及时进行时间移位。根据第二变体，真实运动路径不与预定的运动路径相对应，因而根本不会到达根据机器人程序的对象数据的相应坐标，并且在这种情况下停止应用相应的打印材料部分。
为了避免双倍应用打印材料部分，根据本发明的另一实施例可预见到根据机器人程序的对象数据的每个相应的坐标而将相应的打印材料部分仅仅应用一次。因而一旦应用打印材料部分，如果打印喷嘴根据机器人程序的对象数据经过相应的坐标，并且如果相同的坐标被再次经过，那么不会进一步应用打印材料部分。因而对于各个坐标必须将是否已经执行应用的信息储存在例如控制单元的存储器中。
为了确保打印材料部分同样应用于根据机器人程序的对象数据的由于太大的运动路径偏差而已经被忽略的那些相应的坐标上，以下用于三维对象的打印系统的实施例是可预见的。这种打印系统的特征在于，控制单元准备调节预定的运动路径，使得在由于相应的真实实际位置与根据预定运动路径的相应的所需位置的偏差而没有应用打印材料部分的情况下，至少一个打印喷嘴再次逼近相应的坐标，以应用相应的打印材料部分。因而在已经打印了一层有待打印的对象之后，额外的路径可能得以增补，据此，这层所有错过的坐标得以逼近。这在应用下一层之前必须重复，直至层的所有相应坐标已经应用了相应的所需的打印材料部分。
根据本发明的另一实施例，打印单元包括若干个单独的可控制的打印喷嘴，用于彼此独立地逐点应用相应的打印材料部分。打印单元例如可包括一排十个打印喷嘴，其优选垂直于机器人臂的顶端运动方向进行定向。在相邻喷嘴之间的距离应优选在坐标被限定在一种三维矩阵中的情况下与有待应用的坐标的典型距离相对应，或与坐标的距离的多倍相对应。因而可能并行地应用几个打印材料部分。
一般说来，若干个打印喷嘴的其中一个喷嘴根据机器人程序的对象数据经过相应坐标的几率比单个打印喷嘴更高。出于这个原因，在本发明的范围内还可提供具有例如四个打印喷嘴的打印单元，这些打印喷嘴是非常紧密在一起的。整个打印单元沿着预定的路径移动，其中相对于所需的预定运动路径可能发生某些偏差。相对于相应坐标具有最低偏差的那个打印喷嘴将被预见用于应用相应的打印材料部分。打印三维对象的精度将随之增加。
根据本发明用于三维对象的打印系统的另一实施例，逐层应用相应的打印材料部分是可预见的。通常三维对象是从底部至顶部逐层打印的。如果下面第(n-1)层的相应的打印材料部分没有应用的话，就不能应用第n层中的打印材料部分。在应用打印材料时已经忽略了一层的某些坐标的情况下，在应用下一层之前，那些坐标将被再次逼近，并且试图再次应用打印材料。
根据本发明的另一实施例，预定的运动路径是曲流状的，并且确定成使得根据机器人程序的对象数据，在相应的坐标上应用相应的打印材料部分的同时，机器人臂的顶端优选不会经历加速。曲流状的运动路径特别适合于覆盖有待打印的三维对象的一层的矩阵状设置的坐标。在机器人臂的顶端的加速得以避免的情况下，以有利的方式简化了真实实际位置的预先确定过程。
根据本发明的另一实施例，预定的运动路径确定成使得根据机器人程序的对象数据，在相应的坐标上应用相应的打印材料部分的同时，只有一个机器人部件会经历主动运动。因而机器人运动一方面是相当平滑的，因为其并不由若干个机器人部件的若干运动之和组成。别的机器人臂围绕其旋转底座的旋转运动是此一个示例。另一方面，这种运动是相当容易预测的，因为其是预先确定实际位置所需要的，实际位置可能超前例如30ms。
在从属权利要求中提到了本发明进一步的有利实施例。
附图说明
现在将通过示例性的实施例并参照附图进一步解释本发明，其中：
图1显示了一种示例性的打印系统，
图2显示了第一示例性的运动路径，其具有用于应用打印材料的坐标，且
图3显示了第二示例性的运动路径，其具有用于应用打印材料的坐标。
具体实施方式
图1显示了一种示例性的打印系统10。三维对象12通过机器人进行打印，机器人包括：第一机器人部件16，即旋转底座；可沿着箭头20指示的运动方向回转的第二机器人部件18；第三机器人部件22，其可沿着箭头24指示的运动方向回转；以及第四机器人部件26，其可沿着箭头28指示的运动方向回转。而且机器人可沿着第七轴线38移动，如箭头42所示。
所有机器人部件16,18,22,26可回转地连接成代表机器人臂的链条。在机器人臂的顶端，可预见打印单元30将相应的打印材料部分32,34应用于三维对象12的上表面上。打印单元30包括若干个打印喷嘴，从而可同时应用若干个打印材料部分32,34。
控制单元14(相应地，计算单元)被预见到在其上运行机器人程序，其也包括路径数据作为对象数据。根据机器人程序的数据，控制单元通过连接线路44将信号提供给若干个机器人驱动器。机器人驱动器通常包括整流器，其用于产生针对所属电动机的相应的电信号。
控制单元14还通过连接线路46从视觉系统40中接收数据。视觉系统40准备预先确定打印单元30(相应地，打印喷嘴)的真实的实际位置和定向。基于此可推导出实际的TCP坐标。基本上其足以确定打印单元30的基准点的坐标和定向，并且基于打印单元30的几何结构确定一个或多个打印喷嘴的TCP。
图2以草图50显示了第一示例性的运动路径，其具有用于应用打印材料的坐标60,64。示例性的打印喷嘴52在方向54上沿着预定运动路径的区段56移动。在这个区段不存在真实运动路径与所需的预定运动路径的显著偏差。“x”60显示了根据机器人程序的对象数据的相应坐标，其中相应的打印材料部分必须应用于该坐标。因为在预定运动路径的区段56中不存在打印喷嘴54的偏差，所以相应的打印材料部分将在经过相应的坐标60时通过打印喷嘴52来应用。
在所需预定运动路径的第一区段56之后是第二区段，其由虚线来标记。根据机器人程序的对象数据的相应坐标在这个区段用“+”64来标记，其中相应的打印材料部分必须应用于该坐标上。相应的运动路径的真实区段58不同于所需的运动路径。由于相应的坐标的差异太大，没有任何打印材料部分将根据机器人程序的对象数据而应用于相应的坐标64上。
打印系统被预见在切换到下一层之前检查打印材料是否已经应用于层中各个坐标。因为在这个阶段没有打印材料应用于坐标64，所以调节预定的运动路径，使打印喷嘴52再次逼近相应的坐标64，其用于应用相应的打印材料部分。一段经调节的路径用标号62标记，并且后随为区段66，这两段都以虚线来显示。打印喷嘴52然后沿着适应的所需运动路径的区段66移动而没有任何显著的偏差，从而在经过坐标64时应用相应的打印材料部分。
图3以草图70显示了第二示例性的运动路径，其具有用于应用打印材料的相应坐标。打印单元72的三个打印喷嘴74,76,78沿着相应的平行路径80,82,84而移动。预定的运动路径86相对于平行路径成角度的，并且根据机器人程序的对象数据包括第一坐标88和第二坐标90。当越过预定的运动路径86(相应地，坐标)时，没有打印材料将应用于第一坐标88上，因为在坐标88和打印喷嘴的平行路径80,82,84之间存在太大的偏差。当经过第二坐标90时将应用相应的打印材料部分，因为不存在显著的偏差。
标号列表
10示例性的打印系统
12三维对象
14控制单元
16第一机器人部件
18第二机器人部件
20第二机器人部件的运动方向
22第三机器人部件
24第三机器人部件的运动方向
26第四机器人部件
28第四机器人部件的运动方向
30打印单元
32第一打印材料部分
34第二打印材料部分
38第七轴线
40视觉系统
42第一机器人部件沿着第七轴线的运动方向
44第一连接线路
46第二连接线路
50第一示例性的运动路径，其具有用于应用打印材料的坐标
52示例性的打印喷嘴
54打印喷嘴的运动方向
56预定的和真实的运动路径区段(一致的)
58真实的第二区段的运动路径
60用于应用打印材料的第一坐标(对应的位置)
62第一区段的经调节的运动路径
64用于应用打印材料的第二坐标(不对应的位置)
66第二区段的经调节的运动路径
70第二示例性的运动路径，其具有用于应用打印材料的坐标
72具有三个打印喷嘴的打印单元
74第一打印喷嘴
76第二打印喷嘴
78第三打印喷嘴
80第一打印喷嘴的真实运动路径
82第二打印喷嘴的真实运动路径
84第三打印喷嘴的真实运动路径
86打印单元的预定的运动路径
88用于应用打印材料的第一坐标(与位置相对应)
90用于应用打印材料的第二坐标(不与位置相对应)。

Claims (10)

1.一种用于三维对象(12)的打印系统(10)，包括
控制单元(14)，其用于储存和执行机器人程序，
工业机器人，其受到所述控制单元(14)的控制，并且包括具有若干个部件(16,18,22,28,38)的臂，所述臂的顶端可根据所述机器人程序的路径数据沿着预定的运动路径(56,86)而移动，
打印单元(30,72)，其安装在所述机器人臂的顶端上，并且受到所述控制单元(14)的控制，所述打印单元(30,72)包括至少一个打印喷嘴(52,74,76,78)，其用于根据所述机器人程序的对象数据在相应的坐标(60,64,88,90)上逐点应用相应的打印材料部分(32,34)，
其特征在于，
预见到用于预先确定所述至少一个打印喷嘴(52,74,76,78)的真实的实际位置的装置，并且在所述至少一个打印喷嘴的预先确定的真实的实际位置和根据所述机器人程序的对象数据的相应坐标(60,64,88,90)之间的差异超过某个极限的情况下，预见到所述系统会停止应用相应的打印材料部分。
2.根据权利要求1所述的用于三维对象的打印系统，其特征在于，所述工业机器人是涂布机器人，其沿着整个运动路径具有高的精度。
3.根据权利要求1或2所述的用于三维对象的打印系统，其特征在于，所述工业机器人包括至少六个部件(16,18,22,28,38)，其具有六个运动自由度。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的用于三维对象的打印系统，其特征在于，用于预先确定真实实际位置的所述装置包括用于机器人的相应轴线的加速度传感器、分解器、编码器或激光干涉仪，相应的测量值可从那里提供给所述控制单元(14)，所述控制单元(14)准备据此预先推导出所述至少一个打印喷嘴(52,74,76,78)的真实的实际位置。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的用于三维对象的打印系统，其特征在于，预见到的是根据所述机器人程序的对象数据，每个相应的坐标(60,64,88,90)将只应用相应的打印材料部分(32,34)一次。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的用于三维对象的打印系统，其特征在于，预见到所述控制单元(14)调节(62,66)所述预定的运动路径(56,86)，使得在由于相应的真实的实际位置相对于根据所述预定运动路径(56,86)的相应的所需位置的偏差而没有应用打印材料部分(32,34)的情况下，用于应用相应的打印材料部分(32,34)的相应的坐标(60,64,88,90)再次被所述至少一个打印喷嘴(52,74,76,78)逼近。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的用于三维对象的打印系统，其特征在于，所述打印单元(30,72)包括若干个单独的可控制的打印喷嘴(52,74,76,78)，其用于彼此独立地逐点应用相应的打印材料部分(32,34)。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的用于三维对象的打印系统，其特征在于，预见到逐层应用相应的打印材料部分(32,34)。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的用于三维对象的打印系统，其特征在于，所述预定的运动路径(56,86)是曲流状的，并确定成使得在根据所述机器人程序的对象数据的相应坐标(60,64,88,90)上应用相应的打印材料部分(32,34)的同时，所述机器人臂的顶端优选不经历加速度。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的用于三维对象的打印系统，其特征在于，所述预定的运动路径(56,86)确定成使得在根据所述机器人程序的对象数据的相应坐标(60,64,88,90)上应用相应的打印材料部分(32,34)的同时，只有一个机器人部件(16,18,22,28,38)会经历主动运动。
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