CN107718544A - 带有视觉功能的3d打印装置及其工作方法 - Google Patents

带有视觉功能的3d打印装置及其工作方法 Download PDF

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王力
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Abstract

本发明涉及一种带有视觉功能的3D打印装置及其工作方法，本3D打印装置包括：控制模块、六自由度并联平台、位于六自由度并联平台上方的打印装置，以及所述打印装置连接在六自由度机械臂上；位于六自由度并联平台的四周设有图像采集装置，以采集打印3D物件的多角度图像数据；所述控制模块适于根据多角度图像数据控制六自由度并联平台调整平台倾角，以及控制六自由度机械臂调整打印装置的打印角度。本3D打印装置及其工作方法具有视觉功能，能够根据多角度图像数据控制六自由度并联平台调整平台倾角，以及控制六自由度机械臂调整打印装置的打印角度，进而能够保证3D打印质量，提高打印效果。

Description

带有视觉功能的3D打印装置及其工作方法
技术领域
本发明涉及3D打印领域，具体涉及一种带有视觉功能的3D打印装置。
背景技术
随着生产力的发展，以及3D打印技术的不断进步，通过3D打印技术能够让人们对产品快速建模，为人类带来了诸多方便。
尤其是3D打印技术结合视觉技术，以对物体进行检测能够极大的提高3D打印的智能化程度。
因此，在3D领域，设计一种带有视觉功能的3D打印装置能够保证3D打印质量，提高打印效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种带有视觉功能的3D打印装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种3D打印装置，包括：控制模块、六自由度并联平台、位于六自由度并联平台上方的打印装置，以及所述打印装置连接在六自由度机械臂上；位于六自由度并联平台的四周设有图像采集装置，以采集打印3D物件的多角度图像数据；所述控制模块适于根据多角度图像数据控制六自由度并联平台调整平台倾角，以及控制六自由度机械臂调整打印装置的打印角度。
进一步，为了提供一种可增大入光口径的、高分辨率、高像质的成像镜头模组，进而满足其小型化的需求；所述图像采集装置包括成像镜头模组，所述成像镜头模组包括：沿着光轴从物侧至像侧依次排列有：
具有负屈折力的第一透镜，其物侧表面为凸面；
具有正屈折力的第二透镜，其物侧表面和像侧表面均为凸面；
具有正屈折力的第三透镜，其物侧表面为凸面；
具有负屈折力的第四透镜，其呈弯月状；
光阑，其大小可调节；
具有负屈折力的第五透镜；
具有正屈折力的第六透镜，第五透镜和第六透镜为复合透镜；以及
具有正屈折力的第七透镜，由塑料材质所制成，其物侧表面为凹面，且物侧表面与像侧光学面皆为非球面，以及在物侧表面设有至少一个拐点；
其中，所述成像镜头模组的焦距为f，所述第二透镜的焦距为f2，所述第三透镜的焦距为f3，第五透镜和第六透镜的复合焦距为f5，满足下列关系式：
3.3＜|f/f2|+|f/f3|＜4.5，
10.8< f/f5＜13.5；以及
还满足下列关系式：0.65<Td/TTL<0.75，其中，Td为第四透镜的像侧表面至第七透镜的物侧表面在光轴上的间距；TTL为整个透镜系统的总长。
进一步，ft为第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的组合焦距；
Du为第五透镜的物侧表面至第七透镜的像侧表面在光轴上的间距，并且
满足下列关系式： 0.6<Du/ft<1。
进一步，在所述第七透镜的物侧表面的切线上设置一切点，所述切线垂直于光轴，且所述切点不位于光轴上，YC为所述切点与光轴的垂直距离，并且
满足下列关系式：0.1＜YC/f＜0.8。
进一步，还建立下列关系式1.8＜|R6a/f|＜3.0，其中
R6a表示的所述第六透镜的物体侧表面的曲率半径。
进一步，设定SAG7为第七透镜的物侧表面与光轴的交点至成像表面的最大有效径位置于光轴上的水平位移距离；CT7为第七透镜在光轴上的中心厚度，满足下列关系式：1.8<SAG7/CT7<3.0。
进一步，所述第一透镜在光轴上的厚度为CT1，所述第二透镜在光轴上的厚度为CT2，所述第三透镜在光轴上的厚度为CT3，所述第四透镜在光轴上的厚度为CT4，满足下列关系式：0.3＜(CT1+CT2+CT3+CT4)/f＜0.6。
进一步，所述第一透镜的色散系数为v1，所述第二透镜的色散系数为v2，满足下列关系式：15＜v1-v2＜30；以及所述第二透镜和第三透镜之间的空气间隔为3.75~5.15mm，所述第六透镜和第七透镜之间的空气间隔为5.55~7.70mm。
又一方面，本发明还提供了一种3D打印装置的工作方法，包括：控制模块、六自由度并联平台、位于六自由度并联平台上方的打印装置，以及所述打印装置连接在六自由度机械臂上；位于六自由度并联平台的四周设有图像采集装置，以采集打印3D物件的多角度图像数据；所述控制模块适于根据多角度图像数据控制六自由度并联平台调整平台倾角，以及控制六自由度机械臂调整打印装置的打印角度。
本发明的有益效果是，本3D打印装置及其工作方法，其具有视觉功能，能够根据多角度图像数据控制六自由度并联平台调整平台倾角，以及控制六自由度机械臂调整打印装置的打印角度，进而能够保证3D打印质量，提高打印效果。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明提供的3D打印装置的结构示意图。
图2是本发明提供的成像镜头模组实施例的示意图。
图3是实施例的轴上色差图（mm）。
图4是实施例的像散图（mm）。
图5是实施例的畸变图(%)。
图6是实施例的倍率色差图（μm）。
图中：六自由度并联平台1、打印装置2、六自由度机械臂3、图像采集装置4。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种带有视觉功能的3D打印装置，包括：
控制模块、六自由度并联平台1、位于六自由度并联平台上方的打印装置2，以及所述打印装置连接在六自由度机械臂3上；位于六自由度并联平台1的四周设有图像采集装置4，以采集打印3D物件的多角度图像数据；所述控制模块适于根据多角度图像数据控制六自由度并联平台调整平台倾角，以及控制六自由度机械臂调整打印装置的打印角度。
所述控制模块可以采用嵌入式处理器，所述打印装置包括至少一个喷头机构，所述喷头机构适于通过输料管连接材料存储罐，所述材料存储罐所连接的空压机由控制模块控制；所述六自由度机械臂3和六自由度并联平台上的驱动部分均由控制模块进行控制。
具体的，通过先前输入的方式输入需要3D打印的模型，然后将由控制模块控制六自由度机械臂3和六自由度并联平台1协同工作，完成3D物件打印工作；并且所述控制模块适于根据多角度图像数据控制六自由度并联平台调整平台倾角，以及控制六自由度机械臂调整打印装置的打印角度。
作为图像采集装置的一种优选的实施方式，所述图像采集装置包括成像镜头模组，图像采集装置4作为重要的部件，再加上装置的小型化趋势，其安装的成像镜头模组也需要具有相应的小型化，而且对于摄像的清晰度要求也越来越高，即对于成像镜头模组内的光学镜头也进一步要求高分辨率等性能。
目前，一般的高像素薄型镜头，多采用五片式或六片式透镜结构为主，这种系统在小口径的配置中，有效提升了成像品质，同时维持了小型化的特性。但是装置的小型化趋势，对小型化摄像镜头的像素、成像质量及分辨率等性能提出了进一步更高的要求。已知的五片式或六片式结构在大口径的配置下，将无法进一步缩短系统长度，满足像质要求以及照度需求。
因此，为了实现高分辨率和高像质的要求，本实施例提出了一种成像镜头模组。
所述成像镜头模组包括：沿着光轴从物侧至像侧依次排列有：
具有负屈折力的第一透镜，其物侧表面为凸面；
具有正屈折力的第二透镜，其物侧表面和像侧表面均为凸面；
具有正屈折力的第三透镜，其物侧表面为凸面；
具有负屈折力的第四透镜，其呈弯月状；
光阑，其大小可调节；
具有负屈折力的第五透镜；
具有正屈折力的第六透镜，第五透镜和第六透镜为复合透镜；以及
具有正屈折力的第七透镜，由塑料材质所制成，其物侧表面为凹面，其物侧表面与像侧光学面皆为非球面，且其物侧表面设有至少一个拐点；
其中，所述成像镜头模组的焦距为f，所述第二透镜的焦距为f2，所述第三透镜的焦距为f3，第五透镜和第六透镜的复合焦距为f5，满足下列关系式：
3.3＜|f/f2|+|f/f3|＜4.5，
10.8< f/f5＜13.5；
另外，还满足下列关系式：0.65<Td/TTL<0.75，其中，Td为第四透镜的像侧表面至第七透镜的物侧表面在光轴上的间距；TTL为整个透镜系统的总长。
所述成像镜头模组同时满足关系式3.3＜|f/f2|+|f/f3|＜4.5和10.8<f/f5＜13.5，能够进一步缩短镜头的系统长度，保证镜头的小型化。当|f/f2|+|f/f3|和f/f5过大时，不利于象散的矫正，且会使中心视场的轴上色差增大；而当|f/f2|+|f/f3|和f/f5过小时，多个透镜的轴上间距过大，不利于镜头的小型化。
具体符合上述条件式的各实施例数值如下表所示：
条件式 实施例
3.3＜|f/f2|+|f/f3|＜4.5 4.0
10.8< f/f5＜13.5 12.5
本发明所述的成像镜头模组中，至少有一个面为非球面，并采用塑料材料，以获得较多的控制变量，通过合理的光焦度分配，有利于像差的修正，提升镜头的成像品质，有效缩短镜头的体积，满足适用于成像镜头模组的高像质且小型化的需求。
本发明实施例提供的成像镜头模组，如图2所示，由物侧至像侧依次包括沿着光轴排列的：
具有负屈折力的第一透镜L1，其物侧表面为凸面；
具有正屈折力的第二透镜L2，其物侧表面和像侧表面均为凸面；
具有正屈折力的第三透镜L3，其物侧表面为凸面；
具有负屈折力的第四透镜L4，其呈弯月状；
光阑，其大小可调节；
具有负屈折力的第五透镜L5；
具有正屈折力的第六透镜L6，第五透镜L5和第六透镜L6为复合透镜；以及
具有正屈折力的第七透镜L7，由塑料材质所制成，其物侧表面为凹面，其物侧表面与像侧光学面皆为非球面，且其物侧表面设有至少一个拐点；
其中，所述成像镜头模组的焦距为f，所述第二透镜L2的焦距为f2，所述第三透镜L3的焦距为f3，第五透镜L5和第六透镜L6的复合焦距为f5，满足下列关系式：
3.3＜|f/f2|+|f/f3|＜4.5，
10.8< f/f5＜13.5。
另外，还满足下列关系式：0.65<Td/TTL<0.75，其中，Td为第四透镜的像侧表面至第七透镜的物侧表面在光轴上的间距；TTL为整个透镜系统的总长。
其中，ft为第一透镜L1、第二透镜L2、第三透镜L3和第四透镜L4的组合焦距；Du为第五透镜L5的物侧表面至第七透镜L7的像侧表面在光轴上的间距，满足下列关系式：0.6<Du/ft<1 。
切点是所述第七透镜L7的物侧表面上的切线的切点，所述切线垂直于光轴，且所述切点不位于光轴上，YC为所述切点与光轴的垂直距离，满足下列关系式：0.1＜YC/f＜0.8。
满足关系式1.8＜|R6a/f|＜3.0，其中，R6a表示的所述第六透镜的物体侧表面的曲率半径。
SAG7为第七透镜L7的物侧表面与光轴的交点至成像表面的最大有效径位置于光轴上的水平位移距离；CT7为第七透镜L7在光轴上的中心厚度，满足下列关系式：1.8<SAG7/CT7<3.0。
实施例中的成像镜头模组各参数如下所述：|f/f2|+|f/f3|=4.0，f/f5=12.5，Td/TTL=0.69，Du/ft=0.83，YC/f =0.55。
系统参数：光阑值3.25。
表1
表面类型 曲率半径 厚度 材料 有效口径 圆锥系数
球面 无穷 无穷
球面 无穷 -0.3375 2.0251
非球面 1.7059 0.5062 1.544/56.11 2.0890 -0.0416
非球面 5.3544 0.0757 2.0882 -53.1547
非球面 6.7536 0.2130 1.635/23.78 2.0877 -64.2148
非球面 3.1837 0.1178 2.0943 -0.0643
非球面 -2.3145 0.2538 1.635/23.78 2.1094 -7.0819
非球面 2.0390 0.3698 2.2228 1.5293
非球面 11.7195 0.6393 1.544/56.11 2.6000 12.7906
非球面 4.8248 0.6930 2.8714 0.4313
非球面 -31.7345 0.5418 1.544/56.11 3.3099 -24.2930
非球面 -1.4022 0.3238 3.7524 -5.6530
非球面 1.7244 0.2250 1.544/56.11 3.9632 -0.4222
非球面 2.2397 0.2500 5.0395 -22.3361
球面 无穷 0.2100 1.517/64.17 5.8281
球面 无穷 0.5809 5.9568
球面 无穷 6.5302
下表是非球面透镜的非球面高次项系数A4、A6、A8、A10、A12、A14：
表2
A4 A6 A8 A10 A12 A14
-4.5236E-03 1.0363E-02 -2.9652E-03 3.7644E-03 0 0
-8.3234E-02 7.1475E-02 -3.7506E-03 -1.6994E-02 0 0
-5.9916E-02 6.5451E-02 -2.7719E-03 -2.4135E-02 0 0
-9.0841E-04 1.7726E-02 -9.8418E-03 5.6343E-04 0 0
-8.8827E-02 -2.1146E-02 1.3512E-03 1.8005E-02 0 0
-1.5612E-01 7.1981E-03 1.0232E-02 2.2272E-03 0 0
-2.3692E-02 6.3465E-04 1.4016E-03 9.2135E-04 0 0
-4.4245E-02 5.0386E-03 -5.3424E-03 2.1275E-03 0 0
-7.0820E-02 4.2424E-03 1.4341E-03 -1.1185E-03 0 0
-7.3912E-02 4.3543E-02 -1.1592E-02 1.1835E-03 0 0
4.4218E-02 -2.8754E-04 -2.5484E-03 4.2749E-04 5.8204E-06 4.8611E-06
-2.2877E-02 2.7012E-03 -6.8090E-04 2.7496E-05 2.0269E-06 -3.2882E-07
图3、图4、图5和图6是实施例的轴上色差图、像散图、畸变图和倍率色差图，通过实施例的轴上色差图、像散图、畸变图和倍率色差图，可以看出本发明的成像镜头模组具有良好的光学性能。
本成像镜头模组其采用七片式结构，通过增大入光口径以满足高分辨率的要求，并通过减薄透镜的厚度或透镜间距来保证具有上述摄像镜头的成像镜头模组的小型化，同时，为装置的进一步小型化提供了保障。
实施例2
在实施例1基础上，本实施例2提供了一种3D打印装置的工作方法，包括：控制模块、六自由度并联平台、位于六自由度并联平台上方的打印装置，以及所述打印装置连接在六自由度机械臂上；位于六自由度并联平台的四周设有图像采集装置，以采集打印3D物件的多角度图像数据；所述控制模块适于根据多角度图像数据控制六自由度并联平台调整平台倾角，以及控制六自由度机械臂调整打印装置的打印角度。
本实施例2中图像采集装置的结构和工作原理在实施例1中进行了详细阐述，此处不再赘述。
虽然上面针对3D打印装置描述了本发明的原理以及具体实施方式，但是在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形均落在本发明的保护范围内。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，而并非用于限制本发明。

Claims (9)

1.一种3D打印装置，其特征在于，包括：控制模块、六自由度并联平台、位于六自由度并联平台上方的打印装置，以及
所述打印装置连接在六自由度机械臂上；
位于六自由度并联平台的四周设有图像采集装置，以采集打印3D物件的多角度图像数据；
所述控制模块适于根据多角度图像数据控制六自由度并联平台调整平台倾角，以及控制六自由度机械臂调整打印装置的打印角度。
2.根据权利要求1所述的3D打印装置，其特征在于，
所述图像采集装置包括成像镜头模组，所述成像镜头模组包括：沿着光轴从物侧至像侧依次排列有：
具有负屈折力的第一透镜，其物侧表面为凸面；
具有正屈折力的第二透镜，其物侧表面和像侧表面均为凸面；
具有正屈折力的第三透镜，其物侧表面为凸面；
具有负屈折力的第四透镜，其呈弯月状；
光阑，其大小可调节；
具有负屈折力的第五透镜；
具有正屈折力的第六透镜，第五透镜和第六透镜为复合透镜；以及
具有正屈折力的第七透镜，由塑料材质所制成，其物侧表面为凹面，且物侧表面与像侧光学面皆为非球面，以及在物侧表面设有至少一个拐点；
其中，所述成像镜头模组的焦距为f，所述第二透镜的焦距为f2，所述第三透镜的焦距为f3，第五透镜和第六透镜的复合焦距为f5，满足下列关系式：
3.3＜|f/f2|+|f/f3|＜4.5，
10.8< f/f5＜13.5；以及
还满足下列关系式：0.65<Td/TTL<0.75，其中，Td为第四透镜的像侧表面至第七透镜的物侧表面在光轴上的间距；TTL为整个透镜系统的总长。
3.根据权利要求2所述的3D打印装置，其特征在于，
ft为第一透镜、第二透镜、第三透镜和第四透镜的组合焦距；
Du为第五透镜的物侧表面至第七透镜的像侧表面在光轴上的间距，并且
满足下列关系式： 0.6<Du/ft<1。
4.根据权利要求3所述的3D打印装置，其特征在于，
在所述第七透镜的物侧表面的切线上设置一切点，所述切线垂直于光轴，且所述切点不位于光轴上，YC为所述切点与光轴的垂直距离，并且
满足下列关系式：0.1＜YC/f＜0.8。
5.根据权利要求4所述的3D打印装置，其特征在于，
还建立下列关系式1.8＜|R6a/f|＜3.0，其中
R6a表示的所述第六透镜的物体侧表面的曲率半径。
6.根据权利要求2或3所述的3D打印装置，其特征在于，
设定SAG7为第七透镜的物侧表面与光轴的交点至成像表面的最大有效径位置于光轴上的水平位移距离；CT7为第七透镜在光轴上的中心厚度，满足下列关系式：1.8<SAG7/CT7<3.0。
7.根据权利要求6所述的3D打印装置，其特征在于，
所述第一透镜在光轴上的厚度为CT1，所述第二透镜在光轴上的厚度为CT2，所述第三透镜在光轴上的厚度为CT3，所述第四透镜在光轴上的厚度为CT4，满足下列关系式：0.3＜(CT1+CT2+CT3+CT4)/f＜0.6。
8.根据权利要求2所述的3D打印装置，其特征在于，
所述第一透镜的色散系数为v1，所述第二透镜的色散系数为v2，满足下列关系式：15＜v1-v2＜30；以及
所述第二透镜和第三透镜之间的空气间隔为3.75~5.15mm，
所述第六透镜和第七透镜之间的空气间隔为5.55~7.70mm。
9.一种3D打印装置的工作方法，其特征在于，
包括：控制模块、六自由度并联平台、位于六自由度并联平台上方的打印装置，以及
所述打印装置连接在六自由度机械臂上；
位于六自由度并联平台的四周设有图像采集装置，以采集打印3D物件的多角度图像数据；
所述控制模块适于根据多角度图像数据控制六自由度并联平台调整平台倾角，以及控制六自由度机械臂调整打印装置的打印角度。
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