CN107116786A - 一种五轴三维曲面彩色打印系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五轴三维曲面彩色打印系统，包括喷绘模块以及实现工件和喷绘模块之间三个直线相对运动和两个旋转相对运动的五轴联动机械结构，所述喷绘模块包括：至少三个喷头，围绕中心轴中心对称分布，各喷头所在的轴线向下倾斜并相交于同一喷绘点；至少三个装料斗，用于装不同颜色的颜料并分别向对应的喷头供料；供料动力源，用于驱动颜料从喷头喷出；本发明还公开了一种五轴三维曲面彩色打印方法；本发明使彩色打印由二维平面向三维曲面发展，为三维实体曲面上色提供一种更加智能化，更高效率的加工工艺，可以获得高质量、稳定性高、真实的图案。

Description

一种五轴三维曲面彩色打印系统和方法

技术领域

本发明涉及三维曲面彩色打印系统，尤其是涉及一种五轴三维曲面彩色打印系统和方法。

背景技术

当前实现三维彩色打印的技术和方法包含两类，一类是从材料颜色上进行调整，三维彩色打印机基于颜料三原色原理，通过控制红黄绿三种颜色物料进料长度，可以获得任意色彩，以此实现三维彩色打印，这种技术打印的工件颜色以渐变色为主，不易实现层内像素颜色突变，需要在制造时直接考虑颜色等的问题。

另一类是表面彩色打印，汽车喷绘属于三维曲面彩色打印，是对汽车外壳表面进行彩色喷绘。但该技术无法做到外周全角度表面打印，需要人工配合等，画面显得生硬、粗糙、不美观，质量无法保证。

为了解决上述问题，有研究人员提出了一些三维打印机，例如申请公布号CN102173211 A的专利文献公开了一种五轴联动控制立体打印设备的实现方法，该设备用于实现任意三维立体实体表面的喷墨打印功能，主要包括控制系统、机械运动结构和打印系统，其中：控制系统以五轴联动运动控制为基础，同步实现运动控制和打印控制，同时实现三维立体彩色计算机辅助设计和辅助加工功能，还实现了立体打印必需的五轴联动运动轨迹规划和同步颜色解析功能；机械运动结构采用一种五轴联动机械结构，实现了三个直线运动和两个旋转运动的联动功能；打印系统采用四个具有独立伸缩功能的喷头部分实现CMYK四色喷墨打印功能。

但是上述装置的四个喷头独立设置，色彩喷绘单一，画面不真实的问题。

发明内容

本发明提供一种五轴三维曲面彩色打印系统，对工件表面进行全角度彩色打印处理，打印效率更高，可以获得高质量、稳定性高、真实的图案。

一种五轴三维曲面彩色打印系统，包括喷绘模块以及实现工件和喷绘模块之间三个直线相对运动和两个旋转相对运动的五轴联动机械结构，所述喷绘模块包括：

至少三个喷头，围绕中心轴中心对称分布，各喷头所在的轴线向下倾斜并相交于同一喷绘点；

至少三个装料斗，用于装不同颜色的颜料并分别向对应的喷头供料；

供料动力源，用于驱动颜料从喷头喷出。

本发明的五轴三维曲面彩色打印系统，喷绘模块设有多个轴线相交的喷头，从而实现多色外部混合喷绘，配合五轴联动机械结构，喷绘色彩效果好。

三个直线和两个旋转运动具体是指在XYZ坐标系中实现X、Y、Z三个方向的运动，以及环绕X、Z方向转动，实现五轴联动。

在对三维曲面逐个像素点喷绘时，五轴联动可以保证喷绘模块距离工件表面距离恒定，使得喷绘点均匀一致；也使得喷绘模块的轴线方向垂直于曲面像素点所在的切平面，获得高质量图案。此外，喷绘模块与工件曲面有4-6mm距离，在五轴平台联动下，可以适应多种曲面结构，尤其是大曲率曲面，可以实现整个工件表面喷绘。

优选的，所述五轴联动机械结构包括：

Delta运动机构，装有所述喷头，实现三个直线运动；

二轴转台，用于装载工件，实现两个旋转运动。Delta运动机构是一种并联式运动机构，本发明使用的是rostock型delta运动机构，可以实现 xyz三个方向运动。

优选的，所述喷头包括：

喷管，一端连接装料斗，另一端为喷口；

环形气道，布置在所述喷管的外周，所述环形气道的环形出口围绕在所述喷口的外周，所述供料动力源为气动驱动源，所述气动驱动源连接环形气道；所述气动驱动源向环形气道通入高压气体，高压气体在环形出口喷出以在喷口处形成低压使颜料喷出。

当气动驱动源向环形气道通入高压气体，高压气体在喷口处喷出，由于气体高速流动在喷头处形成低压使颜料喷出喷头。

为了便于制造和安装，优选的，所述喷管和环形气道一体成型。喷管和环形气道为内管和外管的结构关系，便于制造和安装。

优选的，所述喷管在靠近喷口位置开始逐渐收缩至喷口，所述喷口的直径为0.1mm～0.3mm。进一步优选的，所述喷口直径为0.15mm～0.25mm。优点在于，颜料在气动驱动源不工作的时候，不会滴落，也不会蒸发固化。

优选的，所述环形气道在靠近喷口位置开始逐渐收缩至喷口，所述环形出口的宽度为0.4mm～0.6mm，所述环形出口的内环与所述喷口的距离为0.4mm～0.6mm。使得高压气体在非常靠近喷口处形成低压，充分利用高压气体的流动性。所述环形出口的宽度是指外环的半径减去内环的半径的长度。

为了简化结构，优选的，设有三个喷头和三个装料斗，各装料斗分别装有载青、品红、黄三种颜料。通过载青、品红、黄每次的喷量得到每个点不同的颜色，达到彩色打印的目的。

为了提高精度，优选的，所述喷头还包括调整所述喷管倾斜角度的活动支架。活动支架可以调整喷绘点离喷头的距离，可以进行调整，消除由装配和加工误差造成的三个喷头喷绘点不能集中于一点的问题。

为了方便调剂、制造和安装，优选的，所述活动支架包括：

第一连杆，一端与五轴联动机械结构的动力输出端铰接，一端与所述喷头固定连接；

第二连杆，一端与所述喷头铰接，另一端通过松紧螺钉与五轴联动机械结构的动力输出端连接，与所述第一连杆和喷头形成连杆机构。旋转松紧螺钉可以调节第二连杆的位置，从而带动喷头移动改变倾斜角度。

在对同一点进行喷射时，三个喷头同时打开，颜料在空中混合再喷绘到工件表面。彩色喷绘头通过固定架连接在delta运动机构上，活动支架为连杆结构，可以通过松紧螺钉调节喷头的倾斜角度，可以调整喷绘点离喷头的距离，可以进行微调，消除由装配和加工误差造成的三个喷头喷点不能集中于一点的问题。

气动驱动源即气动驱动系统包括气泵和电磁阀，通过精确控制电磁阀通断时间来精确控制喷出气体的流量，从而定量控制喷出的颜料。

本发明还公开了一种五轴三维曲面彩色打印方法，使用上述的五轴三维曲面彩色打印系统，包括以下步骤：

(1)通过五轴联动机械结构调整工件和喷绘模块之间的位置关系，使喷绘点靠近或位于待喷绘表面；

(2)根据喷绘表面所需的颜色确定各喷头的喷量，控制所有喷头同时喷洒颜料并在喷绘点混合后喷在喷绘表面。

具体的，采用本发明系统进行三维曲面彩色打印工作时，通过粘合剂把待喷绘工件固定在二轴转台，这里设定工件原点和五轴三维曲面彩色打印系统原点重合。五轴三维曲面彩色打印系统获取工件曲面每个像素点的颜色信息。根据提取的轮廓信息进行打印路径规划，通过Delta运动机构 X、Y、Z三个方向运动和二轴转台X、Z方向转动实现五轴联动，基于颜料三原色原理，每次对工件的一个像素点进行喷绘，通过控制在某一像素点三种基本颜料的混合比例，以获得其他多种颜色，这样逐个对工件的像素点进行喷绘，最后在工件三维曲面上获得色彩鲜艳的图案。

本发明的有益效果：

(1)本发明的五轴三维曲面彩色打印系统使彩色打印由二维平面向三维曲面发展，为三维实体曲面上色提供一种更加智能化，更高效率的加工工艺，可以获得高质量、稳定性高、真实的图案。

(2)本发明突破传统3D彩色打印机进行全彩打印的局限性，以一种全新的加工工艺对实体曲面进行彩色打印，对于只需要实体表面去表达颜色信息的工件，可以直接地对工件曲面进行彩绘，很大地缩短加工周期，并且只需要对涂料进行合适的选择，可彩色打印工件的材料也有很多的选择。

附图说明

图1是本发明的五轴三维曲面彩色打印系统的结构示意图。

图2是喷涂模块的局部放大图。

图3是活动支架的结构示意图。

图4是喷头的结构示意图。

图5是喷头的剖视示意图。

图6是本发明的三维曲面彩色打印系统工作流程线框图。

图中：1、工作台底部，2、二轴转台，3、电磁阀，4、待喷绘工件， 5、Delta运动机构，6、装料腔，7、喷头，8、气泵，9、活动支架，10、喷口，11、松紧螺钉，12、颜料通道，13、颜料进口，14、颜料出口，15、气体进口，16、气体通道，17、环形出口，901、第一连杆，902、第二连杆。

具体实施方式

如图1～5所示，本实施例的五轴三维曲面彩色打印系统包括：五轴联动机械结构和喷绘模块。

五轴联动机械结构包括工作台底部1、Delta运动机构5与二轴转台2。喷绘模块包括三个喷头7、三个装料斗6和气动驱动系统。三个装料斗6 分别装载青、品红、黄三种颜料，每个装料斗都连接一个喷头7，每个喷头7所在轴线相交于一点，其喷点汇集到一点，即喷绘点。在对同一点进行喷射时，三个喷头7同时打开，颜料在空中混合再喷绘到工件表面。喷头7通过活动支架9连接在delta运动机构上，活动支架9包括第一连杆 901和第二连杆901以及松紧螺钉11，第一连杆901一端与五轴联动机械结构5的动力输出端铰接，一端与喷头7固定连接；第二连杆902一端与喷头7铰接，另一端通过松紧螺钉11与五轴联动机械结构5的动力输出端连接，与第一连杆901和喷头7形成连杆机构。可以通过松紧螺钉11 调节喷头的倾斜角度，可以调整交汇点离喷头的距离，可以进行微调，消除由装配和加工误差造成的三个喷头喷点不能集中于一点的问题。

本实施例中，喷头7设计基于喷笔结构，进料口13和进气口15，内外有两个通道，分别是喷管结构的颜料通道12和围绕在颜料通道12外周环形气道结构的气体通道16，颜料通道12在彩色喷绘头中部并逐渐收缩，在喷口10处是直径0.2mm的颜料出口14，气体通道16在颜料通道16外周也逐渐收缩，在喷口10的外周形成宽度为0.5mm的环形出口17，环形出口17与喷口10齐平，环形出口17的内环与喷口的距离为0.5mm。当气体通道16通入高压气体，气体在喷口10处喷出，由于气体高速流动在喷口10处形成低压使涂料喷出喷头7。

气动驱动系统包括气泵8和电磁阀3，通过精确控制电磁阀3通断时间来精确控制喷出气体的流量，从而定量控制喷出的颜料量。

如图6所示，本实施例的五轴三维曲面彩色打印系统的工作过程如下：

1、通过粘合剂把待喷绘工件固定在二轴转台，设定工件原点和五轴彩色打印系统原点重合。

2、获取工件的模型信息，在三维层切系统下，对工件的模型进行层切处理提取轮廓信息，根据轮廓信息进行打印路径规划；获取工件曲面每个像素点的颜色信息和每个像素点曲面形状，并根据曲面形状调整工件姿态进行表面法向跟踪，生成工件彩色打印程序代码。

3、通过Delta运动机构X、Y、Z三个方向运动和二轴转台X、Z方向转动实现五轴联动进行逐个像素点打印。基于颜料三原色原理，每次对工件的一个像素点进行喷绘，通过控制在某一像素点三种基本颜料的混合比例，以获得其他多种颜色，每种颜料的喷出量通过控制电磁阀的通断时间来定量控制。这样逐个对工件的像素点进行彩色打印，最后在工件三维曲面上获得色彩鲜艳的图案。

综上所述，本实施例的五轴三维曲面彩色打印系统，使彩色打印由二维平面向三维曲面发展，为三维实体曲面上色提供一种更加智能化，更高效率的加工工艺。可以获得高质量、稳定性高、真实的图案；突破传统3D 彩色打印机进行全彩打印的局限性，以一种全新的加工工艺对实体曲面进行彩色打印。对于只需要实体表面去表达颜色信息的工件，可以直接地对工件曲面进行彩绘，很大地缩短加工周期。并且只需要对涂料进行合适的选择，可彩色打印工件的材料也有很多的选择；提供五轴工作台台包括于 Delta运动机构和二轴转台，机械结构简单，制作成本低，也便于维护。

Claims (10)

1.一种五轴三维曲面彩色打印系统，包括喷绘模块以及实现工件和喷绘模块之间三个直线相对运动和两个旋转相对运动的五轴联动机械结构，其特征在于，所述喷绘模块包括：

至少三个喷头，围绕中心轴中心对称分布，各喷头所在的轴线向下倾斜并相交于同一喷绘点；

至少三个装料斗，用于装不同颜色的颜料并分别向对应的喷头供料；

供料动力源，用于驱动颜料从喷头喷出。

2.如权利要求1所述的五轴三维曲面彩色打印系统，其特征在于，所述五轴联动机械结构包括：

Delta运动机构，装有所述喷头，实现三个直线运动；

二轴转台，用于装载工件，实现两个旋转运动。

3.如权利要求1所述的五轴三维曲面彩色打印系统，其特征在于，所述喷头包括：

喷管，一端连接装料斗，另一端为喷口；

环形气道，布置在所述喷管的外周，所述环形气道的环形出口围绕在所述喷口的外周，所述供料动力源为气动驱动源，所述气动驱动源连接环形气道；所述气动驱动源向环形气道通入高压气体，高压气体在环形出口喷出以在喷口处形成低压使颜料喷出。

4.如权利要求3所述的五轴三维曲面彩色打印系统，其特征在于，所述喷管和环形气道一体成型。

5.如权利要求3所述的五轴三维曲面彩色打印系统，其特征在于，所述喷管在靠近喷口位置开始逐渐收缩至喷口，所述喷口的直径为0.1mm～0.3mm。

6.如权利要求3或5所述的五轴三维曲面彩色打印系统，其特征在于，所述环形气道在靠近喷口位置开始逐渐收缩至喷口，所述环形出口的宽度为0.4mm～0.6mm，所述环形出口的内环与所述喷口的距离为0.4mm～0.6mm。

7.如权利要求1所述的五轴三维曲面彩色打印系统，其特征在于，设有三个喷头和三个装料斗，各装料斗分别装有载青、品红、黄三种颜料。

8.如权利要求1所述的五轴三维曲面彩色打印系统，其特征在于，所述喷头还包括调整所述喷管倾斜角度的活动支架。

9.如权利要求8所述的五轴三维曲面彩色打印系统，其特征在于，所述活动支架包括：

第一连杆，一端与五轴联动机械结构的动力输出端铰接，一端与所述喷头固定连接；

第二连杆，一端与所述喷头铰接，另一端通过松紧螺钉与五轴联动机械结构的动力输出端连接，与所述第一连杆和喷头形成连杆机构。

10.一种五轴三维曲面彩色打印方法，其特征在于，使用如权利要求1～9任一权利要求所述的五轴三维曲面彩色打印系统，包括以下步骤：

(1)通过五轴联动机械结构调整工件和喷绘模块之间的位置关系，使喷绘点靠近或位于待喷绘表面；

(2)根据喷绘表面所需的颜色确定各喷头的喷量，控制所有喷头同时喷洒颜料并在喷绘点混合后喷在喷绘表面。