CN114719744A - 一种打印头与工件平面位置标定的方法 - Google Patents

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Abstract

打印头与工件平面位置标定的方法，包括以下步骤，（S1）标定的打印基准点与工件平面的位置关系，建立像素坐标与物理坐标建立关系；（S2）在工件平面上形成打印点，根据打印点标定与相机十字中心位置关系；（S3）标定与激光测高传感器光点中心的位置关系；（S4）标定Z轴与产品表面之间的位置关系。

Description

一种打印头与工件平面位置标定的方法
技术领域
本发明属于3D打印设备技术领域，具体涉及一种打印头与工件平面位置标定的方法。
背景技术
3D打印是一种快速成型的技术，它是一种以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。随着3D打印行业的飞速发展，人们对3D打印机的需求也越来越大。当将3D打印机利用到特定的场合时，对3D打印机打印出的模型的精度要求更加严格，若没有在打印过程中及时发现打印模型的偏差，不仅打印成品无法使用，而且也浪费了打印材料和时间；目前市面上3D打印设备的各个部件之间的位置标定不准确，影响设备的打印精度。
申请号为202111152836X的发明专利公开了一种打印基板表面高度校准补偿方法、装置、电子设备及介质，所述打印基板表面高度校准补偿方法包括：装夹基板，并调节所述基板的高度，以使所述基板在传感器的量程范围内；将打印喷嘴和/或所述基板移动到打印开始点，开始打印并基于所述传感器的测量数据在打印过程中执行高度校准补偿程序，以使所述打印喷嘴与所述基板的表面保持预定距离，直到完成打印过程。本发明提供的打印基板表面高度校准补偿方法、装置、电子设备及介质，通过执行高度校准补偿程序可以在粗糙或翘曲的基板表面打印高精度线路；虽然该发明公开了对打印头、传感器以及相机的相对位置进行标定，但是并未公开对打印头、传感器以及相机的进行标定的具体方法，仍然存在标定方法复杂，标定效率较低等技术难题。
发明内容
针对以上不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种打印头与工件平面位置标定的方法，用于提高打印设备的各个部件之间的位置标定精度，并且简化标定方法，提高标定效率。
为解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是，
一种打印头与工件平面位置标定的方法，包括以下步骤，
（S1）打印头在工件平面上形成打印点，根据打印点标定打印头与相机十字中心位置关系；
（S2）在工件平面上设置基准点，标定打印头的打印基准点与产品平面基准点的位置关系，建立像素坐标与物理坐标建立关系；
（S3）标定打印头与激光传感器光点中心的位置关系；
（S4）标定打印头Z轴与产品表面之间的位置关系。
进一步的，步骤（S1）的手动标定步骤如下，
（1.1a）打印头出料，在工件平面上形成打印点；
（1.2a）手动驱动工件平面，将工件平面上的打印点移动至相机中心位置；
（1.3a）得到工件平面的移动距离，标定相机中心与打印头针头之间的位置关系。
进一步的，步骤（S1）的自动标定步骤如下，
（1.1b）打印头出料，在工件平面上形成打印点；
（1.2b）自动驱动工件平面，将工件平面上的打印点移动至相机的视野内；
（1.3b）计算相机视野内的打印点与相机中心的间距；
（1.4b）根据步骤（1.3b）中获得的间距与步骤（1.2b）中的工件平面移动距离，标定相机中心与打印头针头之间的位置关系。
进一步的，步骤（S2）还包括以下步骤，
（2.1）调节Z轴，使得相机对焦于工件平面上；
（2.2）选取物体表面特征Mark作为基准点；
（2.3）驱动工件平面移动，按照九点标定的方法将像素坐标与物理坐标建立关系。
进一步的，步骤（2.3）中九点标定的方法包括以下步骤，
（2.3.1）将相机中心移动至步骤（2.2）中的mark点，相机拍照；
（2.3.2）驱动工件平面，使得工件平面运动一个田字形轨迹；
（2.3.3）相机在田字形轨迹路线的交叉处进行拍照，并记录。
进一步的，步骤（S3）的自动标定步骤如下，
（3.1a）打印针头出料，驱动工件平面移动，在工件平面上打印成形一个矩形线框；
（3.2a）打印完成后，驱动工件平面沿X方向、Y方向进行直线运动；
（3.3a）运动过程中，记录激光传感器测量高度处于最大值的坐标信息；
（3.4a）结合X方向上获得的两个坐标信息、Y方向上获得的两个坐标信息与打印形成的矩形线框的位置信息，计算激光传感器光点中心与打印针头中心的偏差距离，完成打印针头中心与激光传感器光点中心的自动标定。
进一步的，步骤（S3）的手动标定步骤如下，
（3.1b）打印头出料，在产品表面打印形成一个特征点，将激光测高传感器光点中心移动至该特征点上方；
（3.2b）根据打印点标定打印头与相机十字中心位置关系；计算激光测高传感器与相机十字中心位置关系。
进一步的，步骤（S4）的手动标定步骤如下，
（4.1）安装校准硅片，并驱动打印头进行Z向下降，下降到设定高度后停止；
（4.2）下降过程中，视觉系统不断地拍照、测量打印头及打印头在硅片上的倒影之间的距离、并反馈距离信息给运动执行机构；
（4.3）根据图像获得的倒影轮廓和打印头轮廓，计算打印头与校准硅片之间的距离，标定打印头Z轴与硅片之间的位置关系；
（4.4）通过激光测高传感器测量工件平面与硅片之间的高度差，从而标定打印头Z轴与工件平面之间的位置关系。
进一步的，步骤（4.3）中打印头与校准硅片之间的距离采用像素距离计算，人工加打印头调整至预期位置后，通过软件测量此时打印头及倒影之间的像素距离并记录，该像素距离设置为标准像素距离，后续打印头校准过程中，打印头尖点的像素距离等于或小于标准像素距离，则给出停止报警信号。
进一步的，步骤（4.3）中打印头与校准硅片之间的距离采用真是物理实物距离计算，人工输入打印头的直径，通过软件测量打印头的像素直径，通过真实直径和像素直径计算像素比，通过像素比结合测量到的打印头与倒影之间的像素距离来计算打印头与倒影之间的实际物理距离。
本发明的有益效果是，（1）基于精密运动平台，将视觉主动标定与校准方式与3D打印技术相结合，提高各个部件之间的定位精度，实现更高精度的打印技术，同时实现自动化标定，提高了3D打印的效率。
（2）步骤S2、S3设置了手动和自动标定的方法，便于根据实际调试需求对工件进行标定，并且简化标定方法，提高标定效率。
附图说明
图1是步骤S2的九点标定法的示意图。
图2是步骤S3的自动标定的坐标示意图。
图3是步骤S4打印头Z轴与产品表面之间的位置的标定示意图。
图4是与本标定方法适配的打印装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步描述。
实施例一
本位置标定的方法适用的3D打印设备包括可以进行XY方向移动的二维驱动平台1、可以进行Z向移动的支架2和校准硅片3，工件平面4安装在二维驱动平台1上，在支架2上安装有激光测高传感器5、垂直工业相机6、倾斜工业相机8，垂直工业相机6上安装有镜头，便于垂直工业相机6聚焦在产品上。
打印头与工件平面位置标定的方法，包括以下步骤，
（S1）打印头在工件平面上形成打印点，根据打印点标定打印头与相机十字中心位置关系；
（S2）在工件平面上设置基准点，标定打印头的打印基准点与产品平面基准点的位置关系，建立像素坐标与物理坐标建立关系；
（S3）标定打印头与激光测高传感器光点中心的位置关系；
（S4）标定打印头Z轴与产品表面之间的位置关系。
进一步的，步骤（S1）的手动标定步骤如下，
（1.1a）打印头出料，在工件平面上形成打印点，打印点的像素位置坐标为（X1，Y1）；
（1.2a）手动驱动工件平面，将工件平面上的打印点移动至相机中心位置，此时打印点的像素位置坐标为（X2，Y2）；
（1.3a）得到工件平面的移动距离，相机中心与打印头十字中心间距差为（X2-X1，Y2-Y1），从而标定相机中心与打印头之间的位置关系。
本手动标定方法适用于打印机精度校准，人工参与标定的方式具有更好的稳定性，保证设备精度。
步骤（S2）还包括以下步骤，
（2.1）对支架进行Z向调节，使得相机对焦于工件平面上，保证后续对Mark点进行捕捉；
（2.2）选取物体表面特征Mark作为模板坐标（图1中点位1所对应的粗实线光标），可以选取加工平面上的特殊形状的点位，便于后续识别；
（2.3）驱动工件平面移动，按照九点标定的方法将像素坐标与物理坐标建立关系。
在本实施例中，步骤（2.3）中九点标定的方法包括以下步骤，
（2.3.1）将相机中心（图1中的细实线光标）移动至步骤（1.2）中的mark点，相机拍照；
（2.3.2）驱动工件平面，使得工件平面运动一个田字形轨迹，在田字形轨迹路线的交叉处形成九个标点；
（2.3.3）相机在田字形轨迹路线的交叉处进行拍照，即，在1-9的每个标点出进行拍照、记录。
通过上述方法可以获得相机的像素坐标与打印平面的物理坐标关系，所述的田字形轨迹路线需要保证每个标点清晰，并且所有标点的点位均需要在相机的视野范围内。
步骤（S3）的手动标定步骤如下，
（3.1b）打印头出料，在产品表面打印形成一个特征点，将激光传感器光点中心移动至该特征点上方，此时激光传感器的像素坐标是（X3、Y3）；
（3.2b）根据打印点标定打印针头与相机十字中心位置关系，相机中心与针头十字中心间距差为（X3-X1，Y3-Y1）；计算激光传感器与相机十字中心位置关系。
步骤（S4）的手动标定步骤如下，
（4.1）安装校准硅片，并驱动打印头进行Z向下降，下降到设定高度后停止；
（4.2）下降过程中，视觉系统不断地拍照、测量打印头及打印头在硅片上的倒影之间的距离、并反馈距离信息给运动执行机构；
（4.3）根据图像获得的倒影轮廓和打印头轮廓，计算打印头与校准硅片之间的距离，标定打印头Z轴与硅片之间的位置关系；
（4.4）通过激光测高传感器测量工件平面与硅片之间的高度差，从而标定打印头Z轴与工件平面之间的位置关系。
步骤（4.3）中打印头尖点与校准硅片之间的距离采用像素距离计算，人工加打印头调整至预期位置后，通过软件测量此时打印头及倒影之间的像素距离并记录，该像素距离设置为标准像素距离，后续打印头校准过程中，打印头尖点的像素距离等于或小于标准像素距离，则给出停止报警信号。
实施例二
本实施例替代实施例一中步骤（S1）的手动标定步骤，其余标定方式与实施例一一致。
步骤（S1）的自动标定步骤如下，
（1.1b）打印头出料，在工件平面上形成打印点，打印点的像素位置坐标为（X1，Y1）；
（1.2b）设备自动驱动工件平面移动，设备自动记录移动距离，将工件平面上的打印点移动至相机的视野内；
（1.3b）计算相机视野内的打印点与相机中心的间距；
（1.4b）根据步骤（1.3b）中获得的间距与步骤（1.2b）中的工件平面移动距离，标定相机中心与打印头之间的位置关系。
本方法无需将打印点移动至相机中心位置，通过设备自动计算的方式进行相机中心与打印头之间的位置标定，标定效率较快。
实施例三
本实施例替代实施例一中步骤（S3）的自动标定步骤，其余标定方式与实施例一一致。
步骤（S3）的自动标定步骤如下，
（3.1a）打印针头出料，驱动工件平面移动，在工件平面上打印成形一个矩形线框，矩形线框上形成四个顶点坐标（XP1,YP1）（XP2,YP2）（XP3,YP3）（XP4,YP4）；
（3.2a）打印完成后，驱动工件平面沿X方向、Y方向进行直线运动；
（3.3a）运动过程中，记录激光传感器测量高度处于最大值的坐标信息，即激光传感器移动过程中与矩形线框的交叉点，交叉点坐标为（XL1,YL1）（XL2,YL2）（XL3,YL3）（XL4,YL4）；
（3.4a）通过计算激光传感器移动至（XL1,YL1）（XL2,YL2）的移动距离获得激光传感器光点中心与打印针头中心的X向偏差距离，通过计算激光传感器移动至（XL3,YL3）（XL4,YL4）的移动距离获得激光传感器光点中心与打印针头中心的Y向偏差距离，从而完成打印针头中心与激光传感器光点中心的自动标定。
通过激光传感器在矩形线框上移动，分别形成X方向上的两个位置距离和Y方向上的两个位置距离，通过各自求平均来降低打印产生的偏差的影响。
实施例四
本实施例替代实施例一中步骤（4.3）打印头与校准硅片之间的距离采用像素距离计算方法，其余标定方式与实施例一一致。
步骤（4.3）中打印头与校准硅片之间的距离采用真是物理实物距离计算，人工输入打印头的直径，通过软件测量打印头的像素直径，通过真实直径和像素直径计算像素比，通过像素比结合测量到的打印头与倒影之间的像素距离来计算打印头与倒影之间的实际物理距离。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现；因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
尽管本文较多地使用了图中附图标记对应的术语，但并不排除使用其它术语的可能性；使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种打印头与工件平面位置标定的方法，其特征在于，包括以下步骤，
（S1）打印头在工件平面上形成打印点，根据打印点标定打印头与相机十字中心位置关系；
（S2）在工件平面上设置基准点，标定打印头的打印基准点与产品平面基准点的位置关系，建立像素坐标与物理坐标建立关系；
（S3）标定打印头与激光传感器光点中心的位置关系；
（S4）标定打印头Z轴与产品表面之间的位置关系。
2.根据权利要求1所述的一种打印头与工件平面位置标定的方法，其特征在于，步骤（S1）的手动标定步骤如下，
（1.1a）打印头出料，在工件平面上形成打印点；
（1.2a）手动驱动工件平面，将工件平面上的打印点移动至相机中心位置；
（1.3a）得到工件平面的移动距离，标定相机中心与打印头针头之间的位置关系。
3.根据权利要求1所述的一种打印头与工件平面位置标定的方法，其特征在于，步骤（S1）的自动标定步骤如下，
（1.1b）打印头出料，在工件平面上形成打印点；
（1.2b）自动驱动工件平面，将工件平面上的打印点移动至相机的视野内；
（1.3b）计算相机视野内的打印点与相机中心的间距；
（1.4b）根据步骤（1.3b）中获得的间距与步骤（1.2b）中的工件平面移动距离，标定相机中心与打印头针头之间的位置关系。
4.根据权利要求1所述的一种打印头与工件平面位置标定的方法，其特征在于，步骤（S2）还包括以下步骤，
（2.1）调节Z轴，使得相机对焦于工件平面上；
（2.2）选取物体表面特征Mark作为基准点；
（2.3）驱动工件平面移动，按照九点标定的方法将像素坐标与物理坐标建立关系。
5.根据权利要求2所述的一种打印头与工件平面位置标定的方法，其特征在于，步骤（2.3）中九点标定的方法包括以下步骤，
（2.3.1）将相机中心移动至步骤（2.2）中的mark点，相机拍照；
（2.3.2）驱动工件平面，使得工件平面运动一个田字形轨迹；
（2.3.3）相机在田字形轨迹路线的交叉处进行拍照，并记录。
6.根据权利要求1所述的一种打印头与工件平面位置标定的方法，其特征在于，步骤（S3）的自动标定步骤如下，
（3.1a）打印针头出料，驱动工件平面移动，在工件平面上打印成形一个矩形线框；
（3.2a）打印完成后，驱动工件平面沿X方向、Y方向进行直线运动；
（3.3a）运动过程中，记录激光传感器测量高度处于最大值的坐标信息；
（3.4a）结合X方向上获得的两个坐标信息、Y方向上获得的两个坐标信息与打印形成的矩形线框的位置信息，计算激光传感器光点中心与打印针头中心的偏差距离，完成打印针头中心与激光传感器光点中心的自动标定。
7.根据权利要求1所述的一种打印头与工件平面位置标定的方法，其特征在于，步骤（S3）的自动标定步骤如下，
步骤（S3）的手动标定步骤如下，
（3.1b）打印头出料，在产品表面打印形成一个特征点，将激光测高传感器光点中心移动至该特征点上方；
（3.2b）根据打印点标定打印头与相机十字中心位置关系；计算激光测高传感器与相机十字中心位置关系。
8.根据权利要求1所述的一种打印头与工件平面位置标定的方法，其特征在于，步骤（S4）的手动标定步骤如下，
（4.1）安装校准硅片，并驱动打印头进行Z向下降，下降到设定高度后停止；
（4.2）下降过程中，视觉系统不断地拍照、测量针头及针头在硅片上的倒影之间的距离、并反馈距离信息给运动执行机构；
（4.3）根据图像获得的倒影轮廓和打印头轮廓，计算打印头与校准硅片之间的距离，标定打印头Z轴与硅片之间的位置关系；
（4.4）通过激光传感器测量工件平面与硅片之间的高度差，从而标定打印头Z轴与工件平面之间的位置关系。
9.根据权利要求1所述的一种打印头与工件平面位置标定的方法，其特征在于，步骤（4.3）中打印头尖点与校准硅片之间的距离采用像素距离计算，人工加打印头调整至预期位置后，通过软件测量此时针头及倒影之间的像素距离并记录，该像素距离设置为标准像素距离，后续打印头校准过程中，打印头尖点的像素距离等于或小于标准像素距离，则给出停止报警信号。
10.根据权利要求1所述的一种打印头与工件平面位置标定的方法，其特征在于，步骤（4.3）中打印头尖点与校准硅片之间的距离采用真是物理实物距离计算，人工输入打印头的直径，通过软件测量打印头的像素直径，通过真实直径和像素直径计算像素比，通过像素比结合测量到的打印头尖点与倒影之间的像素距离来计算打印头与倒影之间的实际物理距离。
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