CN115097785A - 一种五轴联动曲面喷墨打印按位置采样触发方法 - Google Patents

Abstract

一种五轴联动曲面喷墨打印按位置采样触发方法，先设定采样周期、印点分辨率和运动速度用于确定采样系数；再基于XYZAC轴进行曲面连续微线段位置采样线性插补；然后根据喷头的位置点运动与喷头矢量确定总给进量；再根据给进量和插补间距计算残余给进量，按位置采样插补为等距插补；最后根据承载面曲率设定单次给进量，计算进行每次插补的各维度进给量，将插补点转化为各轴的运动分量，最后将各轴的运动分量通过多轴同步控制方法转变为电机运动单位，从而实现按位置采样插补中的空间线性插补；本发明实现了曲面墨滴阵列高精度触发。

Description

一种五轴联动曲面喷墨打印按位置采样触发方法

技术领域

本发明属于喷墨打印曲面制造技术领域，具体涉及一种五轴联动曲面喷墨打印按位置采样触发方法。

背景技术

曲面打印成形过程中成形图案由喷头的运动轨迹与喷射点阵共同控制，打印图形灵活，不需要掩模，成形工艺简单且能一体化成形多种材料，鉴于上述优势，曲面打印技术在传感器、天线、射频识别、储能、显示器等领域有着广阔的应用前景。

目前曲面打印技术已细分为直写式打印、静电纺丝打印、气溶胶喷印和喷墨打印等多种方式，其中喷墨打印是一种非接触且高效的按需打印制造技术，利用压电方式、热发泡方式或者电流体方式将墨水以液滴的形式挤出，被挤出的液滴在工件表面上根据印点分辨率排列、铺展，该方式可以在工件表面上一体化成形介电材料和导电材料。

喷墨打印控制系统由喷头运动系统与喷射触发系统组成，两者需要高度耦合。传统宽幅打印机控制系统研究了平面打印，但是无法实现曲面法向打印；五轴加工专用数控系统适用于接触式曲面法向运动，但是无法实现曲面喷射，因此两种方式都不适用于曲面喷墨打印。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供了一种五轴联动曲面喷墨打印按位置采样触发方法，利用按位置采样插补方法减小了非线性误差导致的液滴落点误差，分析了喷射触发算法对打印精度的影响，进行了残余长度补偿，实现了曲面墨滴阵列高精度触发。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种五轴联动曲面喷墨打印按位置采样触发方法，包括以下步骤：

第一步：设定采样周期、印点分辨率和运动速度用于确定采样系数；

第二步：基于XYZAC轴进行曲面连续微线段位置采样线性插补，喷头在曲面上的空间曲线运动轨迹根据弓高误差在路径规划软件中将其分解为连续的直线微段，再将连续的直线微段发送至打印机控制系统进行插补，曲面按位置采样插补过程就是实现连续的空间直线运动；

第三步：根据喷头的位置点运动与喷头矢量确定总给进量，在承载面坐标系下，曲面上喷头运动被分解为喷头的位置点运动与喷头矢量的摆动，根据喷头位置点插补路径，计算插补给进总长度；

第四步：根据给进量和插补间距计算残余给进量，按位置采样插补为等距插补，完成等距插补步数为正整数长度后，进行最后一次各轴残余进给量计算并进行补偿；

第五步：根据承载面曲率设定单次给进量，然后计算进行每次插补的各维度进给量，将插补点转化为各轴的运动分量，最后将各轴的运动分量通过多轴同步控制方法转变为电机运动单位，从而实现按位置采样插补中的空间线性插补。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的一种五轴联动曲面喷墨打印按位置采样触发方法，按位置采样插补中插补点由喷射触发位置控制，因此触发间距与运动速度和运动轨迹无关，只与印点分辨率相关，触发精度只与运动轴的步进精度相关，设打印机运动精度为±1μm，则触发精度也为±1μm，相较于运动喷射独立的定时触发方式触发精度提升了97.7％，相较于时间分割法插补触发精度提升了96.5％。按位置触发点阵中，起始与终止段的墨滴分布均匀。

附图说明

图1为本发明实施例按位置采样插补与喷射触发示意图。

图2为本发明的流程示意图。

图3为本发明实施例采样系数的取值图。

图4为本发明实施例多坐标联动时的按位置采样直线插补示意图。

图5为不同触发方式触发精度数据对比图。

图6为按位置采样插补打印效果对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰明了，结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出曲面按位置采样插补方法，该插补方法以喷头运动位置为驱动轴，通过印点分辨率获取喷射触发间距，并以喷射触发位置为基础划分插补步长，如图1所示，插补间隔只与印点分辨率有关，因此可实现喷射触发与运动控制的高度耦合。在按位置采样插补中，印点分辨率控制喷头运动方向的喷射触发间距，因此喷射触发间距必须是采样步长的整数倍，则采样步长为：

式中，p为印点分辨率，m为采样系数且为正整数，k_p为印点分辨率转换系数，λ为按位置采样插补的插补步长；本实施例以喷射点间距为84.5μm(印点分辨率为300dpi)的打印精度为例，令m＝2，则按位置采样插补的插补步长为42μm，实际运动中每间隔λ采样一次，由于喷射间距是采样步距的整数倍，因此运动中每间隔m个采样步长触发一次喷射。

参照图2，一种五轴联动曲面喷墨打印按位置采样触发方法，包括以下步骤：

第一步：设定采样周期、印点分辨率和运动速度用于确定采样系数，采样系数m的变化会影响按位置采样插补在时间轴上的采样周期，由于采样系数m的大小会影响后续速度调节和曲面打印时喷头矢量调节的频率，因此需要在打印前确定其采样系数m，采样系数m计算如下：

其中，T_time为采样周期，其大小决定速度控制的频率；采样系数、运动速度和印点分辨率的关系如图3所示(取采样周期为10ms)，当打印速度越低且打印精度越低时，需要的采样系数m值越大，因此采样系数m在线性插补中由采样周期、印点分辨率和运动速度共同决定；

按位置采样插补方法的提出过程是以印点分辨率为控制基础，因此该方式可以同时兼顾运动精度与喷射触发精度，且喷射触发过程与运动速度无关；

第二步：基于XYZAC轴进行曲面连续微线段位置采样线性插补，曲面打印中运动轨迹较为复杂，但是任何轨迹都是由微小线段等基本的运动单元组成的，因此本发明按位置采样插补中空间微小线段插补；

喷头在曲面上的空间曲线运动轨迹可以根据弓高误差在路径规划软件中将其分解为连续的直线微段，再将连续的直线微段发送至打印机控制系统进行插补，曲面按位置采样插补过程就是实现连续的空间直线运动；由于喷射触发间距在承载面(用于承载墨滴沉积的工件表面)坐标系中描述，因此插补过程也需要在承载面坐标系下进行；

第三步：根据喷头的位置点运动与喷头矢量确定总给进量，在承载面坐标系下，曲面上喷头运动被分解为喷头的位置点运动与喷头矢量的摆动，首先确定喷头位置点插补路径，如图4所示，设本次插补起始点为A^P(x_a,y_a,z_a)，喷头矢量为n_a(i_a,j_a,k_a)，终点位置为B^P(x_b,y_b,z_b)，喷头矢量为n_b(i_b,j_b,k_b)；

设其各方向位置进给总量为

则：

则插补给进总长度为：

第四步：根据给进量和插补间距计算残余给进量，按位置采样插补通常情况下为等距插补，但是对于任意直线一定会有无法等距的残余距离，因此插补过程将两者分开计算，等距插补步数为正整数N_line，最后一步为残余进给步：

则等距比例系数为：

设各方向每次等距插补进给量为ΔU_line＝[Δx_line Δy_line Δz_line]^T，则有：

设最后一次各轴残余进给量为

则有：

第五步：根据承载面曲率设定单次给进量，在喷头矢量插补中，其变化过程与喷射触发位置无关，只与承载面曲率有关，因此只需将其等比例依附于每次插补的位置点之上；

设喷头矢量的总进给量为

则有：

设喷头矢量每次等距插补进给量为ΔN_line＝[Δi_line Δj_line Δk_line]^T，则有：

设最后一次各矢量残余进给量为

则有：

通过式(11)可得到每次插补的各维度进给量，便可将插补点转化为各轴的运动分量，最后将各轴的运动分量通过多轴同步控制方法转变为电机运动单位，从而实现按位置采样插补中的空间线性插补。

结果对比分析：如图5所示，定时触发在匀速运动阶段其落点均匀，触发位置与理论位置接近，但是在变速运动阶段，触发间距误差范围为+86μm到-0.5μm；当实际运动速度小于理论速度时，液滴点间距减小，导致液滴堆积，多层打印后在起始与终止位置会有明显突起，并且由于起止位置液滴堆积(图6)，时间分割法插补会在每个插补周期内触发喷射，但是插补位置与运动位置无法精确同步，因此落点间距会产生波动，触发间距误差范围为+33.3μm到-24.5μm。

按位置采样插补中插补点由喷射触发位置控制，因此触发间距与运动速度和运动轨迹无关，只与印点分辨率相关，触发精度只与运动轴的步进精度相关，设打印机运动精度为±1μm，则触发精度也为±1μm，相较于运动喷射独立的定时触发方式触发精度提升了97.7％，相较于时间分割法插补触发精度提升了96.5％。如图6所示，按位置触发点阵中，起始与终止段的墨滴分布均匀。

Claims (5)

1.一种五轴联动曲面喷墨打印按位置采样触发方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：设定采样周期、印点分辨率和运动速度用于确定采样系数；

第二步：基于XYZAC轴进行曲面连续微线段位置采样线性插补，喷头在曲面上的空间曲线运动轨迹根据弓高误差在路径规划软件中将其分解为连续的直线微段，再将连续的直线微段发送至打印机控制系统进行插补，曲面按位置采样插补过程就是实现连续的空间直线运动；

第三步：根据喷头的位置点运动与喷头矢量确定总给进量，在承载面坐标系下，曲面上喷头运动被分解为喷头的位置点运动与喷头矢量的摆动，根据喷头位置点插补路径，计算插补给进总长度；

第四步：根据给进量和插补间距计算残余给进量，按位置采样插补为等距插补，完成等距插补步数为正整数长度后，进行最后一次各轴残余进给量计算并进行补偿；

第五步：根据承载面曲率设定单次给进量，然后计算进行每次插补的各维度进给量，将插补点转化为各轴的运动分量，最后将各轴的运动分量通过多轴同步控制方法转变为电机运动单位，从而实现按位置采样插补中的空间线性插补。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一步中采样系数m计算如下：

其中，T_time为采样周期，其大小决定速度控制的频率；p为印点分辨率，m为采样系数且为正整数，k_p为印点分辨率转换系数，v为运动速度。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第三步具体为：

设本次插补起始点为A^P(x_a,y_a,z_a)，喷头矢量为n_a(i_a,j_a,k_a)，终点位置为B^P(x_b,y_b,z_b)，喷头矢量为n_b(i_b,j_b,k_b)；

设其各方向位置进给总量为

则：

则插补给进总长度为：

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的第四步中等距插补步数为正整数N_line，最后一步为残余进给步：

则等距比例系数为：

设各方向每次等距插补进给量为ΔU_line＝[Δx_line Δy_line Δz_line]^T，则有：

设最后一次各轴残余进给量为

则有：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述的第五步中设喷头矢量的总进给量为

则有：

设喷头矢量每次等距插补进给量为ΔN_line＝[Δi_line Δj_line Δk_line]^T，则有：

设最后一次各矢量残余进给量为

则有：

通过式(11)得到每次插补的各维度进给量。

Images