CN112549535A - 一种快速熔融沉积成型的打印机头及其打印控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种快速熔融沉积成型的打印机头及其打印控制系统，涉及打印技术领域，其中所述打印机头设置有传动装置和喷嘴，所述喷嘴连接有电磁阀，并且所述喷嘴设置有毛细管，所述喷嘴呈阵列排布式设置。控制系统包括控制单元和出料控制装置，所述出料控制装置分别与出料装置和打印头连接，所述控制系统还包括计算机管理系统、与所述计算机管理系统连接的切片区域分割单元、打印区域喷嘴数据计算单元和显示单元。本发明打印喷嘴由原来的单喷嘴变为至少1000个喷嘴的组合，并且每个喷嘴都可以独立控制打开和关闭状态。每次出料时由原来的打印一个0.3mm的点变为打印一个2cm2的面，每次打印覆盖区域是原来的1000倍，大幅提高了3D打印速度。

Description

一种快速熔融沉积成型的打印机头及其打印控制系统
技术领域
本发明涉及打印技术领域，且更具体地涉及一种快速熔融沉积成型的打印机头及其打印控制系统。
背景技术
熔融沉积成型(FDM)是快速成型技术的一种，其原理是打印喷头在计算机控制下作x-y联动及z向运动，丝材在喷头中被加热到温度略高于其熔点，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来，热熔性材料挤喷出喷嘴后，随即与前一个层面熔结在一起。一个层面沉积完成后，工作台按预定的增量下降一个层的厚度，再继续熔喷沉积，直至完成整个实体零件。目前的FDM技术3D 打印机一般只有一个打印喷嘴，通过点状打印形成一个横截面，层层堆叠成实体造型。因喷嘴要做平面机械运动，打印耗时长，成型速度慢。复杂形状需要数个小时甚至几天时间才能完成塑形，工作效率低下。
随着打印需求的增长和技术的不断发展，需要由更多的革命性的方法或新结构、样式来改善原有装置的不足，本发明就是通过改变原有打印喷嘴结构、打印控制模式及整个打印机装置结构来大幅提高快速成型的速度，使该技术在工业化、规模化应用的道路上前进了一大步。这就需要一种新型的打印机头及其打印控制系统来改变上述技术的不足。
发明内容
针对上述技术的不足，本发明公开一种快速熔融沉积成型的打印机头及其打印控制系统，通过100X100打印喷嘴阵列设置，实现打印喷头的快速喷射。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种快速熔融沉积成型的打印机头，其中所述打印机头设置有传动装置和喷嘴，所述喷嘴连接有电磁阀，并且所述喷嘴设置有毛细管，所述喷嘴呈阵列排布式设置。
在本发明进一步的技术方案中，所述喷嘴的阵列为100X100。
在本发明进一步的技术方案中，所述毛细管为不锈钢毛细管，外径尺寸为 0.3mm。
在本发明进一步的技术方案中，述喷嘴打印点的面积为2cm2。
在本发明进一步的技术方案中，所述传动装置包括横向X轴运动电机和垂直于所述横向X轴运动电机的纵向Y轴运动电机。
为了解决上述技术问题，本发明还采用以下技术方案：
一种控制快速熔融沉积成型的打印机头进行打印的控制系统，其中所述控制系统包括控制单元和出料控制装置，所述出料控制装置分别与出料装置和打印头连接，所述控制系统还包括计算机管理系统、与所述计算机管理系统连接的切片区域分割单元、打印区域喷嘴数据计算单元和显示单元，其中所述切片区域分割单元的输出端与所述打印区域喷嘴数据计算单元的输入端连接，所述打印区域喷嘴数据计算单元的输出端与所述显示单元的输入端连接，所述切片区域分割单元的输出端还与所述显示单元的输入端连接。
在本发明进一步的技术方案中，其中切片区域分割单元设置有数据输入接口、分割芯片和数据输出接口，其中所述数据输入接口的输出端与所述分割芯片的输入端连接，所述分割芯片的输出端与所述数据输出接口的输入端连接，其中所述分割芯片为通过AT89C55单片机控制的AM-209M分割芯片。
在本发明进一步的技术方案中，所述打印区域喷嘴数据计算单元设置有计算输入接口、计算芯片和计算输出接口，其中所述计算输入接口的输出端与所述计算芯片的输入端连接，所述计算芯片的输出端与计算输出接口的输入端连接，所述计算芯片为4000系列的数字计算芯片。
在本发明进一步的技术方案中，所述显示单元为LCD液晶显示屏。
为了解决上述技术问题，本发明还采用以下技术方案：
一种控制打印机头的方法，包括以下步骤：
(1)通过切片区域分割单元对切片区域进行分割，当打印物品的切片文件导入打印控制系统后，打印控制系统首先根据每一层切片中物体截面占有的范围外沿框，制定出一个矩形面积，并将矩形面积通过用户设置的时间和调整节奏自动调整至打印喷嘴组合面积的整倍数，然后按照数字命名顺序将切片划分为多个区域，将每个区域按照“切片编号-区域编号”来命名；
其中切片区域分割方法中包括分割点判别算法，所述分割点判别算法的方法为IFCM算法，所述IFCM算法的实施过程为：
(11)图像信息初始化，假设输入切片区域分割单元的图像聚类种类为p，模糊指数为m0，收敛精度为ω，非隶属度控制参数为m，空间邻域信息控制参数为α，然后对打印切片区域图像的聚类中心进行初始化，以提高分类精度；
(12)当所有的打印图像信息被输入后，选择打印机头处的待分割的图像信息，并计算融入空间信息之后的模糊隶属度矩阵，隶属度函数为：
Figure RE-GDA0002926561960000031
在公式(1)中，ξi表示融合多种打印图像切片区域信息的灰度图像，其中dij和dik分别表示选取的切片区域点中的样本点距离聚类中心之间的距离，其中聚类中心为用户根据分类需求设定的距离，υj和υk分别表示不同的数据聚类中心，uij表示打印图像信息时，第 xi个样本点距离设定的聚类中心点υj之间的欧式距离；m0为介于0.5和0.8之间的常数；
(13)求出直觉模糊集的隶属度矩阵，其中
Figure RE-GDA0002926561960000032
在公式(2)中，πij表示为直觉模糊子集，πij值介于1和2之间；
(14)根据不断输入的打印切片区域图像信息，对聚类中心
Figure RE-GDA0002926561960000033
进行聚类，则得出新的聚类中心计算公式，用以下公式表示：
Figure RE-GDA0002926561960000034
(15)反复迭代计算，当|υj-υj-1|＜ω时，则停止迭代计算，其中0＜ω＜1。
(2)通过打印区域喷嘴数据计算单元计算打印区域喷嘴数据，以100X100 的打印喷嘴组合为例，按照“切片编号-区域编号”的编号对每个打印喷嘴进行编号，使得每个分割好的打印区域中物体的形状都与每个打印喷嘴有一一对应的位置关系，然后将对应的打印喷嘴编号数据提取出来，与区域编号一起形成打印喷嘴的控制数据，将控制数据的格式按照“切片编号-区域编号进行排列布局；
其中计算的方法为SSDA模板匹配算法，计算方法为：将打印切片区域图像中划分不同的模板，其中每个模板为用户设置成10mm*10mm的图像，再进行模板匹配时，在待打印区域中的搜寻待打印的目标，当待打印的目标的图像特征与模板数据库中的图像数据特征一致时，则待打印的目标的区域为待打印区域，其中图像特征至少包括图像尺寸、方向和像素；
(3)打印执行，打印控制系统读取每个打印区域的数据体，按照切片分割区域的编号顺序执行打印过程，每执行一次出料命令，就可在每层切片的分割好的20mmX20mm的范围内快速打印成型，以此按照区域编号顺序执行，直到完成整个物体的成型。
积极有益效果：
本发明打印喷嘴由原来的单喷嘴变为至少1000个喷嘴的组合，并且每个喷嘴都可以独立控制打开和关闭状态。每次出料时由原来的打印一个0.3mm的点变为打印一个2cm2的面，每次打印覆盖区域是原来的1000倍，大幅提高了3D 打印速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，其中：
图1为本发明中快速熔融沉积成型的打印机头中100X100打印喷嘴阵列截面示意图；
图2为本发明中控制快速熔融沉积成型的打印机头工作的打印控制系统示意图；
图3为本发明中控制快速熔融沉积成型的打印机头工作的工作状态架构示意图；
图4为本发明中控制快速熔融沉积成型的打印机头进行切片快速打印的原理示意图；
附图标识：1-打印头；2-出料控制装置；3-出料装置；4-控制单元；11-毛细管喷嘴阵列；12-毛细管本体；21-出料控制装置；31-盒体。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例(1)
如图1所示，一种快速熔融沉积成型的打印机头，其中所述打印机头设置有传动装置和喷嘴，所述喷嘴连接有电磁阀，并且所述喷嘴设置有毛细管，所述喷嘴呈阵列排布式设置。
在本发明中，所述喷嘴的阵列为100X100。
在本发明中，所述毛细管为不锈钢毛细管，外径尺寸为0.3mm。
在本发明中，所述喷嘴打印点的面积为2cm2。
在本发明中，所述传动装置包括横向X轴运动电机和垂直于所述横向X轴运动电机的纵向Y轴运动电机。
如图2和图3所示，一种控制快速熔融沉积成型的打印机头进行打印的控制系统，所述控制系统包括控制单元4和出料控制装置2，所述出料控制装置2分别与出料装置3和打印头1连接，所述控制系统还包括计算机管理系统、与所述计算机管理系统连接的切片区域分割单元、打印区域喷嘴数据计算单元和显示单元，其中所述切片区域分割单元的输出端与所述打印区域喷嘴数据计算单元的输入端连接，所述打印区域喷嘴数据计算单元的输出端与所述显示单元的输入端连接，所述切片区域分割单元的输出端还与所述显示单元的输入端连接。
在本发明进一步的实施例中，其中切片区域分割单元设置有数据输入接口、分割芯片和数据输出接口，其中所述数据输入接口的输出端与所述分割芯片的输入端连接，所述分割芯片的输出端与所述数据输出接口的输入端连接，其中所述分割芯片为通过AT89C55单片机控制的AM-209M分割芯片。
在本发明进一步的实施例中，所述打印区域喷嘴数据计算单元设置有计算输入接口、计算芯片和计算输出接口，其中所述计算输入接口的输出端与所述计算芯片的输入端连接，所述计算芯片的输出端与计算输出接口的输入端连接，所述计算芯片为4000系列的数字计算芯片。
在本发明进一步的实施例中，所述显示单元为LCD液晶显示屏。
如图4所示，下面结合具体实施例，对本发明的工作过程做进一步地描述。
实施例(2)
本发明在进行打印控制时，分为以下步骤：
第一步：通过切片区域分割单元分割切片区域分割。切片文件导入控制系统后，控制系统首先根据每一层切片中物体截面占有的范围外沿框定出一个矩形面积，并将其自动调整至打印喷嘴组合面积的整倍数，然后按照一定的顺序将切片划分为若干个区域，给每个区域按照“切片编号-区域编号”来命名，如1-1代表第一层切片的第一个分割区域，以此类推，将所有的打印区域都进行编号。
其中切片区域分割方法中包括分割点判别算法，所述分割点判别算法的方法为IFCM算法，所述IFCM算法的实施过程为：
(11)图像信息初始化，假设输入切片区域分割单元的图像聚类种类为p，模糊指数为m0，收敛精度为ω，非隶属度控制参数为m，空间邻域信息控制参数为α，然后对打印切片区域图像的聚类中心进行初始化，以提高分类精度；
(12)当所有的打印图像信息被输入后，选择打印机头处的待分割的图像信息，并计算融入空间信息之后的模糊隶属度矩阵，隶属度函数为：
Figure RE-GDA0002926561960000061
在公式(1)中，ξi表示融合多种打印图像切片区域信息的灰度图像，其中dij和dik分别表示选取的切片区域点中的样本点距离聚类中心之间的距离，其中聚类中心为用户根据分类需求设定的距离，υj和υk分别表示不同的数据聚类中心，uij表示打印图像信息时，第 xi个样本点距离设定的聚类中心点υj之间的欧式距离；m0为介于0.5和0.8之间的常数；
(13)求出直觉模糊集的隶属度矩阵，其中
Figure RE-GDA0002926561960000062
在公式(2)中，πij表示为直觉模糊子集，πij值介于1和2之间；
(14)根据不断输入的打印切片区域图像信息，对聚类中心
Figure RE-GDA0002926561960000071
进行聚类，则得出新的聚类中心计算公式，用以下公式表示：
Figure RE-GDA0002926561960000072
(15)反复迭代计算，当|υj-υj-1|＜ω时，则停止迭代计算，其中0＜ω＜1。
第二步：通过打印区域喷嘴数据计算单元计算打印区域喷嘴数据。以 100X100的打印喷嘴组合为例，对每个打印喷嘴按照其固定位置从1-1000进行编号，每个分割好的打印区域中物体的形状都会与每个打印喷嘴有一一对应的位置关系，将对应的打印喷嘴编号数据提取出来，与区域编号一起形成打印喷嘴的控制数据，其格式为“切片编号-区域编号(一组1-1000的离散数组)”，如1-1 (3、8、9、20、25-50、80......999)就是第一层切片第一个分割区域在打印时处于打开状态的喷嘴是哪些。
其中计算的方法为SSDA模板匹配算法，计算方法为：将打印切片区域图像中划分不同的模板，其中每个模板为用户设置成10mm*10mm的图像，再进行模板匹配时，在待打印区域中的搜寻待打印的目标，当待打印的目标的图像特征与模板数据库中的图像数据特征一致时，则待打印的目标的区域为待打印区域，其中图像特征至少包括图像尺寸、方向和像素。
在进一步的实施例中，以8位图像(其1个像素由1个字节描述)为例，模板T(m×n个像素)叠放在被搜索图S(W×H个像素)上平移，模板覆盖被搜索图的那块区域叫子图Sij，i，j为子图左上角在被搜索图S上的坐标。搜索范围是：
1≤i≤W–M (4)
1≤j≤H–N (5)
通过比较T和Sij的相似性，完成模板匹配过程。衡量模板T和子图Sij的匹配程度,可用下列两种测度，这种方法是最简单的SAD法，同时也是速度较快的一种方法：
Figure RE-GDA0002926561960000073
Figure RE-GDA0002926561960000081
但是SAD算法的鲁邦性较差，为了解决这个问题，同时兼顾实时性，模板匹配中的相关系数法可以很好地适应这些要求：相关系数(r)是一种数学距离，可以用来衡量两个向量的相似程度。它起源于余弦定理：cos(A)＝(a2+c2-b2)/2bc，如果两个向量的夹角为0度(对应r＝1)，说明它们完全相似，如果夹角为90度 (r＝0)，则它们完全不相似，如果夹角为180度(r＝-1),则它们完全相反。把余弦定理写成向量的形式：
定理写成向量的形式：
cos(A)＝<b，c>/(|b|*|c|), (8)
即：
Figure RE-GDA0002926561960000082
Figure RE-GDA0002926561960000083
其中分子表示两个向量的内积，分母表示两个向量的模相乘。
在具体实施例中，更常用的是去均值相关系数，它在上式的基础上还要在分子分母减去各个向量的均值，用公式表示为：
Figure RE-GDA0002926561960000084
模板大小的确定往往是一个经验值，紧帖目标轮廓的模板或者包含太多背景的模板都不好，前者的模板太小，它对目标的变化太敏感，会很容易丢失目标。后者正相反，目标变化的时候算法却没有反应。一般而言，目标所占模板的比例在30％～50％为佳。
上述实施例仅仅为示例性实施例。
第三步：打印执行。打印控制系统读取每个打印区域的数据体，按照切片区域分割单元对切片分割区域的编号顺序执行打印过程，每执行一次出料命令，就可在每层切片的分割好的20mmX20mm的范围内快速打印成型，以此按照区域编号顺序执行，直到完成整个物体的成型。
通过上述步骤，在进行物体打印时，通过打印区域喷嘴数据计算单元计算、分析打印区域喷嘴数据，单个切片按照打印头范围大小划分为若干区域，每个区域内会显示需要打印物体的切片形状，打印时与切片形状相对应的毛细管打印喷嘴电磁阀打开，挤出打印材料，其余打印喷嘴为关闭状态，这样就可以一次性完成打印矩阵所控制范围内的堆积层。然后打印头在X-Y方向做直线运动，转到下个打印区域进行打印，从而快速完成一整个切片的打印过程。而传统的单喷嘴打印机需要重复单点打印过程数千次到上万次。本发明对提高打印速度效果明显。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种快速熔融沉积成型的打印机头，其特征在于：所述打印机头设置有传动装置和喷嘴，所述喷嘴连接有电磁阀，并且所述喷嘴设置有毛细管，所述喷嘴呈阵列排布式设置。
2.根据权利要求1所述的一种快速熔融沉积成型的打印机头，其特征在于：所述喷嘴的阵列为100X100。
3.根据权利要求2所述的一种快速熔融沉积成型的打印机头，其特征在于：所述毛细管为不锈钢毛细管，外径尺寸为0.3mm。
4.根据权利要求2所述的一种快速熔融沉积成型的打印机头，其特征在于：所述喷嘴打印点的面积为2cm2。
5.根据权利要求1所述的一种快速熔融沉积成型的打印机头，其特征在于：所述传动装置包括横向X轴运动电机和垂直于所述横向X轴运动电机的纵向Y轴运动电机。
6.一种控制权利要求1至5任意一项所述的一种快速熔融沉积成型的打印机头进行打印的控制系统，其特征在于：所述控制系统包括控制单元(4)和出料控制装置(2)，所述出料控制装置(2)分别与出料装置(3)和打印头(1)连接，所述控制系统还包括计算机管理系统、与所述计算机管理系统连接的切片区域分割单元、打印区域喷嘴数据计算单元和显示单元，其中所述切片区域分割单元的输出端与所述打印区域喷嘴数据计算单元的输入端连接，所述打印区域喷嘴数据计算单元的输出端与所述显示单元的输入端连接，所述切片区域分割单元的输出端还与所述显示单元的输入端连接。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于：其中切片区域分割单元设置有数据输入接口、分割芯片和数据输出接口，其中所述数据输入接口的输出端与所述分割芯片的输入端连接，所述分割芯片的输出端与所述数据输出接口的输入端连接，其中所述分割芯片为通过AT89C55单片机控制的AM-209M分割芯片。
8.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于：所述打印区域喷嘴数据计算单元设置有计算输入接口、计算芯片和计算输出接口，其中所述计算输入接口的输出端与所述计算芯片的输入端连接，所述计算芯片的输出端与计算输出接口的输入端连接，所述计算芯片为4000系列的数字计算芯片。
9.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于：所述显示单元为LCD液晶显示屏。
10.一种控制打印机头的方法，其特征下于：包括以下步骤：
(1)通过切片区域分割单元对切片区域进行分割，当打印物品的切片文件导入打印控制系统后，打印控制系统首先根据每一层切片中物体截面占有的范围外沿框，制定出一个矩形面积，并将矩形面积通过用户设置的时间和调整节奏自动调整至打印喷嘴组合面积的整倍数，然后按照数字命名顺序将切片划分为多个区域，将每个区域按照“切片编号-区域编号”来命名；
其中切片区域分割方法中包括分割点判别算法，所述分割点判别算法的方法为IFCM算法，所述IFCM算法的实施过程为：
(11)图像信息初始化，假设输入切片区域分割单元的图像聚类种类为p，模糊指数为m0，收敛精度为ω，非隶属度控制参数为m，空间邻域信息控制参数为α，然后对打印切片区域图像的聚类中心进行初始化，以提高分类精度；
(12)当所有的打印图像信息被输入后，选择打印机头处的待分割的图像信息，并计算融入空间信息之后的模糊隶属度矩阵，隶属度函数为：
Figure RE-FDA0002926561950000021
在公式(1)中，ξi表示融合多种打印图像切片区域信息的灰度图像，其中dij和dik分别表示选取的切片区域点中的样本点距离聚类中心之间的距离，其中聚类中心为用户根据分类需求设定的距离，υj和υk分别表示不同的数据聚类中心，uij表示打印图像信息时，第xi个样本点距离设定的聚类中心点υj之间的欧式距离；m0为介于0.5和0.8之间的常数；
(13)求出直觉模糊集的隶属度矩阵，其中
Figure RE-FDA0002926561950000031
在公式(2)中，πij表示为直觉模糊子集，πij值介于1和2之间；
(14)根据不断输入的打印切片区域图像信息，对聚类中心
Figure RE-FDA0002926561950000032
进行聚类，则得出新的聚类中心计算公式，用以下公式表示：
Figure RE-FDA0002926561950000033
(15)反复迭代计算，当|υj-υj-1|＜ω时，则停止迭代计算，其中0＜ω＜1。
(2)通过打印区域喷嘴数据计算单元计算打印区域喷嘴数据，以100X100的打印喷嘴组合为例，按照“切片编号-区域编号”的编号对每个打印喷嘴进行编号，使得每个分割好的打印区域中物体的形状都与每个打印喷嘴有一一对应的位置关系，然后将对应的打印喷嘴编号数据提取出来，与区域编号一起形成打印喷嘴的控制数据，将控制数据的格式按照“切片编号-区域编号进行排列布局；
其中计算的方法为SSDA模板匹配算法，计算方法为：将打印切片区域图像中划分不同的模板，其中每个模板为用户设置成10mm*10mm的图像，再进行模板匹配时，在待打印区域中的搜寻待打印的目标，当待打印的目标的图像特征与模板数据库中的图像数据特征一致时，则待打印的目标的区域为待打印区域，其中图像特征至少包括图像尺寸、方向和像素；
(3)打印执行，打印控制系统读取每个打印区域的数据体，按照切片分割区域的编号顺序执行打印过程，每执行一次出料命令，就可在每层切片的分割好的20mmX20mm的范围内快速打印成型，以此按照区域编号顺序执行，直到完成整个物体的成型。
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