CN117162480A - 多喷头单一液滴实时观测装置、观测方法和3d打印系统 - Google Patents

Abstract

为了解决现有的液滴观测装置无法对多喷头打印过程进行监测以及整体观测精度较低的技术问题，本发明提供一种多喷头单一液滴实时观测装置、观测方法、3D打印系统。本发明的观测装置通过第一舵机与位移平台的配合，使观测相机能实时捕捉当前工作的打印喷头并与其自动对焦，完成对打印喷头打印状态的实时监测；通过LED闪光灯高频多次闪烁，实现观测相机拍摄一张照片便能够拍摄到同一液滴在多个时刻的图像，与此同时，利用压电偏摆镜的高频偏转与远心镜头相互配合，将相邻时刻单一液滴重叠图像分离，使单张照片能够有足够液滴图像显示其成形过程，提高了整体观测精度，改善了增材制造期间的质量监测与故障诊断问题，降低了电子3D打印的废品率。

Description

多喷头单一液滴实时观测装置、观测方法和3D打印系统

技术领域

本发明属于增材制造领域，具体涉及一种多喷头单一液滴实时观测装置及控制方法。

背景技术

电子3D打印是一种新兴的技术，可以打印电路板和电子器件，在曲面电路、柔性电子等领域具有广阔的应用前景。在3D打印期间，通过液滴观测装置对打印喷头的工作状态实时观测，有助于进行电路打印质量的在线控制。

现有的液滴观测装置常将监测相机与打印喷头设置为相对静止，使得监测相机始终对焦在打印喷头上，以获得打印喷头处的实时工作情况。由于监测相机与打印喷头的空间位置相对固定，因此获得的拍摄照片质量比较稳定，再经过系统的处理后便可得出打印过程是否正常的判断结论。其具有的缺点是：

1.由于监测相机的对焦位置相对固定不变，因而只能对单喷头的3D打印过程进行监测，无法对多喷头的打印过程进行监测。

2.由于在监测过程中，是通过捕捉不同液滴在同一空间位置上的形态来判断打印喷头是否正常工作，整体观测精度较低。

发明内容

为了解决现有的液滴观测装置无法对多喷头打印过程进行监测以及整体观测精度较低的技术问题，本发明提供一种多喷头单一液滴实时观测装置、观测方法、3D打印系统。

本发明的技术方案是：

多喷头单一液滴实时观测装置，其特殊之处在于：包括第一舵机、第二舵机、位移平台、观测相机、镜头、压电偏转镜、LED闪光灯和控制系统；

所述观测相机安装在所述位移平台上，通过所述镜头进行观测；所述位移平台用于为所述观测相机和镜头提供直线运动，以实现调焦和对焦；

所述位移平台安装在所述第一舵机上，第一舵机用于为所述观测相机和镜头提供旋转运动，使其旋转至指定观测角度；

所述压电偏转镜安装在所述第二舵机上，第二舵机用于为所述压电偏转镜提供旋转运动，使其旋转运动至指定的光路折射位置处，实现光路调整；

所述LED闪光灯安装在所述镜头镜筒侧壁上，且LED闪光灯的出射光路与所述镜头的光轴平行；

所述第一舵机和第二舵机的位置关系满足：两者配合形成LED闪光灯-压电偏摆镜-当前工作的打印喷头-压电偏摆镜-镜头-观测相机的光路；

所述控制系统用于控制所述第一舵机、第二舵机、位移平台、观测相机、压电偏转镜和LED闪光灯工作；

所述LED闪光灯由所述控制系统控制启闭，且与当前待工作的打印机喷头同时触发，并以固定频率间隔闪烁；通过所述LED闪光灯的开关时序能够建立所述观测相机拍摄的液滴图像与时序的关系；

在所述观测相机每次拍摄期间，所述压电偏摆镜与所述LED闪光灯同频、连续多次动作，压电偏摆镜的每次位置变化均能引起液滴图像的偏移，使得相邻时刻的液滴图像重叠部分分离，进而实现所述观测相机单次拍摄便得到同一液滴在多个时刻的图像。

进一步地，所述镜头为远心镜头。

进一步地，所述第一舵机和第二舵机均为能够360°旋转的舵机。

进一步地，所述LED闪光灯为具有快速响应的发光LED。

进一步地，所述第一舵机和第二舵机均以3D打印机的工作板为基准，安装在所述工作板上。

进一步地，所述控制系统基于PLC开发。

本发明另外还提供了一种利用上述的多喷头单一液滴实时观测装置实现多喷头单一液滴的实时观测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1：对焦；

控制系统控制第一舵机、第二舵机转动，形成LED闪光灯-压电偏转镜-待工作的打印喷头-压电偏转镜-镜头-观测相机的光路；

控制系统控制位移平台动作，直至观测相机的成像清晰，完成对焦；

步骤2：拍摄；

控制系统触发观测相机，在观测相机每次拍摄期间，控制压电偏转镜与LED闪光灯同频、多次连续动作，如此，每次拍摄均能得到同一液滴在多个时刻的图像。

本发明还提供了一种具有液滴实时观测功能的多喷头3D打印系统，包括多个打印喷头、用于带动打印喷头运动的运动滑台；其特殊之处在于：还包括上述的多喷头单一液滴实时观测装置；所述多喷头单一液滴实时观测装置中的所述控制系统还用于切换打印喷头交替工作；所述多喷头单一液滴实时观测装置用于获取所述多个打印喷头中当前工作的打印喷头产生的液滴图像。

本发明的有益效果是：

1.本发明的观测装置通过第一舵机与位移平台的配合，调整观测相机的位置使之与当前工作的打印喷头进行对焦，使得观测相机能实时捕捉当前工作的打印喷头并与其自动对焦，完成对打印喷头打印状态的实时监测；通过高频LED闪光灯高频多次闪烁，实现观测相机拍摄一张照片便能够拍摄到同一液滴在多个时刻的图像，与此同时，利用压电偏摆镜的高频偏转与远心镜头相互配合，进行相邻时刻单一液滴重叠图像的分离，有效避免了传统观测装置由于曝光次数多、速度快导致液滴图像重叠、畸变的现象，保证被测液滴的轮廓投影的真实性，使得单张照片能够有足够的液滴图像显示液滴成形的过程，提高了整体观测精度，改善了增材制造生产过程的质量监测与故障诊断问题，降低了电子3D打印的废品率。

2.本发明观测装置中的运动部件采用高精度、快响应组件，例如位移平台采用步进电机和滚珠丝杠驱动，液滴分离采用压电偏摆镜实现，提高了打印过程期间液滴观测的准确性和实时性。

3.本发明具有液滴观测功能的3D打印系统中的控制系统(计算机+驱动控制器)基于PLC开发，简单、可靠，集成了传动系统粗/微调、喷头动作控制、喷头切换、各部件复位、远心镜头自动对焦/微调、自动拍摄、图像处理、急停、警告等功能。

4.本发明结构简单，可靠性好。

附图说明

图1是本发明观测装置的结构示意图。

图2是本发明观测装置中观测相机的安装位置示意图。

图3是本发明观测装置中压电偏摆镜机构的结构示意图。

图4是本发明的观测装置喷头切换后观测系统移动示意图。

图5是本发明的观测装置的LED光脉冲序列1(对位校准时序)。

图6是本发明的观测装置的LED光脉冲序列2。

图7是对焦流程的逻辑控制图。

图8是观测装置的逻辑控制图。

附图标记说明：

1.工作板；2.电路打印喷头；3.结构打印喷头；4.气动滑台；5.第一舵机；6.第一舵机的舵机板；7.观测相机；8.位移平台；9.远心镜头；10.第二舵机；11.第二舵机的舵机板；12.压电偏摆镜；13.LED闪光灯的安装孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明的多喷头单一液滴实时观测装置，包括第一舵机5、第二舵机10、位移平台8、观测相机7、远心镜头9、压电偏转镜12、LED闪光灯和控制系统。

第一舵机5和第二舵机10均以3D打印机的工作板1为基准，安装在工作板1上，第一舵机5和第二舵机10的位置关系满足：两者配合实现其上的远心镜头9和压电偏摆镜12能够形成打印喷头-压电偏摆镜12-远心镜头9-观测相机7的光路。第一舵机5和第二舵机10均为可360°旋转的舵机，通过输入脉冲电信号后可输出旋转运动。

如图2所示，位移平台8为二维移动平台，位移平台8安装在第一舵机5的舵机板6上，观测相机7安装在位移平台8上，观测相机7采用远心镜头9进行观测；本实施例中位移平台8的驱动组件由步进电机和滚珠丝杠构成，滚珠丝杆用于将步进电机的旋转运动转化为直线运动。

第一舵机5用于为观测相机7提供旋转运动，使得观测相机7可以旋转至指定观测角度；第一舵机的舵机板6与位移平台8面面接触，给位移平台8提供了支撑；位移平台8用于为观测相机7和远心镜头9提供直线运动，使得观测相机7可以调整焦点位置，完成对观测点的对焦；远心镜头9作为光路的一部分，用于为观测相机7提供观测点的图像。因此，通过第一舵机5的旋转以及观测相机7在位移平台8上的直线移动，可使得远心镜头9的位置发生变换，从而实现对焦。本实施例中所优选的远心镜头9相比于非远心镜头，有固定的光学倍率，不会因为物距不同导致倍率不同，避免了在拍摄过程中出现近处拍摄到的图像成像大、远处拍摄到的图像成像小的现象，将畸变系数降低至0.1％以下，在拍摄过程中不会产生视差，成像清晰。

如图3所示，第二舵机10的舵机板11为L形舵机板，压电偏摆镜12安装在该L形多机板的竖板上；第二舵机10用于为压电偏摆镜12提供旋转运动，使压电偏摆镜12旋转运动至正确的光路折射位置处(此时打印喷头的图像能够呈现在观测相机7拍摄的图像画面中)，实现光路调整；压电偏摆镜12包括平面反射镜和四个压电陶瓷，通过逆压电效应在输入脉冲电信号后四个压电陶瓷的厚度发生变化，从而快速、准确地带动平面反射镜进行微量偏转，使得在空间上重叠的液滴图像分离，获得单一液滴的成形过程图像；因此，通过第二舵机10的旋转以及压电偏转镜12自身的高速偏转可实现对单个液滴的清晰观测。

LED闪光灯(图中未示出)采用具有快速响应的发光LED，设置在远心镜头9的镜筒侧壁上的LED闪光灯的安装孔13处，且发出的光束与远心镜头9的光轴平行；LED闪光灯的开启和关闭由驱动控制器控制，且与待打印的喷头同时被触发，并以固定频率间隔快速闪烁；通过按照图6时序图设置LED闪光灯的开关时序(高电平开启、低电平关闭)，从而通过LED闪光灯的开关时序建立液滴图像与时序的联系。控制系统包括计算机和驱动控制器；计算机用于向驱动控制器发出工作指令；驱动控制器用于根据接收到的工作指令控制第一舵机5、第二舵机10、观测相机7、远心镜头9、位移平台8、压电偏摆镜12以及3D打印机的喷射系统动作。

本发明的基本原理是：

远心镜头9具有固定的光学倍率，整个光路是由当前工作的打印喷头的喷嘴处出发，入射至压电偏摆镜12上经过压电偏摆镜12折射后传达至远心镜头9。通过第一舵机5的旋转可以调整远心镜头9的观测角度，使其观测方向与压电偏摆镜12折射后的光路平行，通过位移平台8的直线运动可以使观测相机7和远心镜头9一起平移从而调整远心镜头9的位置，使远心镜头9的焦点与观测点(观测点为当前工作的打印喷头的喷嘴下方区域，该区域能够观测到成型液滴形貌)重合，从而完成对当前工作的打印喷头的对焦工作。

对焦完成后触发拍摄指令，压电偏转镜12发生偏转，利用压电偏转镜12位置变化实现图像横向偏移，同时被观测相机7捕捉，图像反复偏移便可在一次相机开启时间内获取液滴从产生到喷射的全过程；此时，通过液滴图像与时序关系，利用自由落体运动原理预测液滴飞行轨迹，通过运动方程计算液滴初速度与加速度信息。

液滴分离原理：

微滴成形的过程非常短暂，只有几十微秒，拍摄到微滴成形过程中的微滴的形态需要微秒级的曝光时间。因此，本发明通过改变LED闪光灯的脉冲序列，使得一张照片中能够拍摄到多个时刻的液滴图像，从而记录液滴成型的全过程；由于相邻时刻单个液滴成形过程的图像存在空间重叠，所以通过改变压电偏摆镜12中平面反射镜的倾角，使得每次曝光拍摄时液滴的成像位置相较于前一时刻有一个沿液滴运动方向的直线偏移，这个偏移量大于等于液滴图像重叠部分的高度，这样便使重叠部分的图像分离，得到分散后单个液滴的成形过程图像。

虽然相同时间内曝光次数多会使原始成像中出现液滴重叠的现象，但是通过液滴图像分离后，较多的图像(例如5个液滴图像)可以较好地显示出液滴成形的整个过程。而采用减少曝光次数来避免液滴图像重叠的方法会使原始图像中出现的液滴数过少(例如仅有2个液滴图像)，无法准确显示液滴成形的整个过程。

下面以应用于某双喷头3D打印机为例，对本发明的多喷头单一液滴实时观测装置的使用方法进行说明。

该双喷头3D打印机包括工作板1、结构打印喷头3和电路打印喷头2，结构打印喷头3和电路打印喷头2各自通过一个气动滑台4安装在工作板1上，根据需要精确移动相应的打印喷头的位置进行打印工作。

该双喷头3D打印机上电复位，3D打印机的工作板1启动，移动至合适位置，结构打印喷头3开始工作，打印出基体材料。与此同时，第二舵机10旋转调整压电偏转镜12的角度，第一舵机5旋转调整观测相机7的角度，形成了LED闪光灯——压电偏转镜12——结构打印喷头3——压电偏转镜12——远心镜头9——观测相机7的光路如图4所示，之后观测相机7通过位移平台8直线运动调节焦点位置使成像清晰，完成对焦工作。

对焦完成后触发拍摄指令，压电偏转镜12发生微量偏转，分离重叠的液滴图像，图像传递至后续的图像处理分析系统(可采用市面成熟的图像分析处理软件，如OpenCV、LabVIEW等)，用于预测液滴滴落点。

结构打印喷头3工作结束，喷头复位，电路打印喷头2通过3D打印机自身的位移机构和气动滑台4移动至工作位置开始打印工作，与此同时第一舵机5、第二舵机10旋转调整观测相机7、远心镜头9和压电偏转镜12的位置形成LED闪光灯——压电偏转镜12——电路打印喷头2——压电偏转镜12——远心镜头9——观测相机7的光路，观测相机7和远心镜头9通过位移平台8移动重新对焦，对焦完成后开始拍摄，压电偏转镜12微量偏转分离重叠液滴图像，图像传递至后续的图像处理分析系统，用于预测液滴滴落点。

将本发明的多喷头单一液滴实时观测装置应用于现有的多喷头3D打印机中，可以构成具有液滴实时观测功能的3D打印系统。以下以某双喷头3D打印机为例，说明其控制原理：

当观测装置启动后，计算机向装置驱动控制器发送启动指令，使得观测装置中的旋转系统(第一舵机5和第二舵机10)、对焦系统(观测相机7、远心镜头9和位移平台8)、振镜系统(压电偏摆镜12)，以及3D打印机的喷射系统(电路打印喷头2、结构打印喷头3和气动滑台4)均复位。各系统复位后，驱动控制器通过气动滑台4控制需要进行打印的喷头(被观测喷头)移动到设定工作位置，开始调整观测相机7的位置，以使得观测相机7能够清晰的拍摄到所需观测的打印喷头。

首先，控制系统(计算机+驱动控制器)分别对第一舵机5、第二舵机10和位移平台8发出指令，使位移平台8和压电偏摆镜12分别在第一舵机5和第二舵机10的驱动作用下粗调至其理论设定角度，位移平台8通过步进电机的驱动，使得其上的观测相机7和远心镜头9粗调至理论设定位置。由于打印喷头的安装位置、舵机与位移平台8的驱动组件中丝杠的旋转动作等都可能存在误差，因而还需对旋转系统和对焦系统进行微调(如图7所示)：

(1)对第一舵机5和第二舵机10进行微调：

如图5所示，启动观测相机7并且触发LED脉冲序列1，当观测相机7触发后，在观测相机7触发时间范围内打印喷头被触发、喷射，同步产生一个光源触发波形，观测相机7拍摄一张图片，对所拍摄的图像进行分析，判断在此位置下打印喷头喷嘴及其下方区域在所拍摄图片中的位置，若没有位于所拍摄图片左侧的设定位置，则控制第一舵机5和第二舵机10中的旋转平台动作，进行反复微调，每做一次调整，触发一次LED脉冲序列1，观测相机7拍照。根据拍摄到的照片进行判断，直至拍摄照片中喷头喷嘴位于图片左侧设定位置，微调结束，锁定第一舵机5和第二舵机10旋转平台。

(2)对位移系统进行微调：

启动观测相机7并触发LED光脉冲序列1，拍摄一张照片，对拍摄到照片的边缘信息进行连续性分析，判断照片的边缘是否清晰，从而判断远心镜头9是否对焦完成。若照片边缘的清晰度不满足要求，表示远心镜头9没有对焦完成，则控制系统向位移平台8发出对焦指令，位移平台8动作，从而改变远心镜头9与被观测喷头之间的距离。每完成一次调整动作，触发LED脉冲序列1，观测相机7拍照并对所拍摄到的图片进行连续性分析，判断是否对焦完成，若不满足要求，控制系统继续向位移平台8发出对焦指令，直到满足对焦要求后，微调结束，锁定位移平台8。

上述对拍摄的照片的边缘信息进行连续性分析，判断照片的边缘是否清洗，从而判断远心镜头9是否对焦完成的最为简单直接的方法为：

对图像进行二值化，通过多次采集图像，对比黑色区域在整个图像中的占比变化趋势，当黑色区域占比发生由少变多再变少的现象时，则黑色区域占比位于变化临界值时远心镜头9的位置即为焦点，此时远心镜头9对焦完成。

经过上述微调操作，观测相机7位置已经调整完毕，位于最佳观测位置，因而可以进行观测动作。

如图6、8所示，当观测相机触发后，控制系统(计算机+驱动控制器)控制被观测喷头开始动作，喷头以同步或稍慢的速度触发产生一滴液滴，随后同时触发LED光脉冲序列2与压电偏摆镜12(振镜系统)，使其两者同频、连续动作，即控制系统每发出一个LED光脉冲的同时，压电偏摆镜12随着LED闪光灯闪烁快速偏转一个偏转角α。拟设定在观测相机7的一个曝光时间范围内，LED闪光灯光脉冲触发五次，同时压电偏摆镜12偏转五次(在其他实施例中也可以调整偏转次数，但是最少应是三次，偏转次数上限与液滴直径有关，在保证液滴分离的情况下，偏转次数越多轨迹越平滑，但会导致观测效率下降，目前偏转五次为最优选择)，即在一张照片中显示一个液滴成形过程的五个状态。当五次触发结束后，向观测相机7、LED光脉冲、压电偏摆镜12发出停止工作指令。

在观测期间还需要判断喷头是否正常工作，具体方法是：

通过对采集图像设定亮度阈值，进行二值化，观察图像区域中是否存在尺寸大于设定范围像素液滴图像来判断喷头是否正常工作，若存在，则认为液滴已正常喷射。若喷头处于正常工作状态，则对所采集的图像进行分析及液滴特征的提取，从而得到喷头液滴成形过程的相关运动参数；若所采集的图像异常，则需找出喷头存在的故障，解决问题后，使喷头重新开始工作。

重复上述观测动作，直到得到液滴成形过程的图像。

一个喷头(电路打印喷头2或结构打印喷头3之一，实际工作时二者交替打印)观测结束后，控制系统控制打印喷头进行切换动作，使得待观测喷头切换至工作位置。因为被观测物体及其位置发生变化，因而需要重新对焦，所有系统复位，第一舵机5与位移平台8将观测相机7粗调至观测位置，第二舵机10将压电偏摆镜12粗调至观测位置。第一舵机5旋转微调使观测相机7运动至合理观测角度后停止动作，第二舵机10微调压电偏摆镜12至合适反射位置后停止动作，锁紧第二舵机10。位移平台8微调使观测相机7和远心镜头9与喷头间的距离在规定物距范围内，满足对焦要求后停止动作，锁紧位移平台8。观测相机7位置调好以后，开始正式进入观测阶段，重复上述观测动作，得到第二个喷头的液滴成形图像。

Claims (8)

1.多喷头单一液滴实时观测装置，其特征在于：包括第一舵机、第二舵机、位移平台、观测相机、镜头、压电偏转镜、LED闪光灯和控制系统；

所述观测相机安装在所述位移平台上，通过所述镜头进行观测；所述位移平台用于为所述观测相机和镜头提供直线运动，以实现调焦和对焦；

所述位移平台安装在所述第一舵机上，第一舵机用于为所述观测相机和镜头提供旋转运动，使其旋转至指定观测角度；

所述压电偏转镜安装在所述第二舵机上，第二舵机用于为所述压电偏转镜提供旋转运动，使其旋转运动至指定的光路折射位置处，实现光路调整；

所述LED闪光灯安装在所述镜头镜筒侧壁上，且LED闪光灯的出射光路与所述镜头的光轴平行；

所述第一舵机和第二舵机的位置关系满足：两者配合形成LED闪光灯-压电偏摆镜-当前工作的打印喷头-压电偏摆镜-镜头-观测相机的光路；

所述控制系统用于控制所述第一舵机、第二舵机、位移平台、观测相机、压电偏转镜和LED闪光灯工作；

所述LED闪光灯由所述控制系统控制启闭，且与当前待工作的打印机喷头同时触发，并以固定频率间隔闪烁；通过所述LED闪光灯的开关时序能够建立所述观测相机拍摄的液滴图像与时序的关系；

在所述观测相机每次拍摄期间，所述压电偏摆镜与所述LED闪光灯同频、连续多次动作，压电偏摆镜的每次位置变化均能引起液滴图像的偏移，使得相邻时刻的液滴图像重叠部分分离，进而实现所述观测相机单次拍摄便得到同一液滴在多个时刻的图像。

2.根据权利要求1所述的多喷头单一液滴实时观测装置，其特征在于：所述镜头为远心镜头。

3.根据权利要求1或2所述的多喷头单一液滴实时观测装置，其特征在于：所述第一舵机和第二舵机均为能够360°旋转的舵机。

4.根据权利要求3所述的多喷头单一液滴实时观测装置，其特征在于：所述LED闪光灯为具有快速响应的发光LED。

5.根据权利要求4所述的多喷头单一液滴实时观测装置，其特征在于：所述第一舵机和第二舵机均以3D打印机的工作板为基准，安装在所述工作板上。

6.根据权利要求5所述的多喷头单一液滴实时观测装置，其特征在于：所述控制系统基于PLC开发。

7.利用权利要求1-6任一所述的多喷头单一液滴实时观测装置实现多喷头单一液滴的实时观测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：对焦；

控制系统控制第一舵机、第二舵机转动，形成LED闪光灯-压电偏转镜-待工作的打印喷头-压电偏转镜-镜头-观测相机的光路；

控制系统控制位移平台动作，直至观测相机的成像清晰，完成对焦；

步骤2：拍摄；

控制系统触发观测相机，在观测相机每次拍摄期间，控制压电偏转镜与LED闪光灯同频、多次连续动作，如此，每次拍摄均能得到同一液滴在多个时刻的图像。

8.一种具有液滴实时观测功能的多喷头3D打印系统，包括多个打印喷头、用于带动打印喷头运动的运动滑台；其特征在于：还包括权利要求1-6任一所述的多喷头单一液滴实时观测装置；所述多喷头单一液滴实时观测装置中的所述控制系统还用于切换打印喷头交替工作；所述多喷头单一液滴实时观测装置用于获取所述多个打印喷头中当前工作的打印喷头产生的液滴图像。