[发明专利]一种曲面基板的电流体动力学打印设备及其控制方法

摘要

本发明公开了一种曲面基板的电流体动力学打印设备及其控制方法，其包括机架；打印模块；打印平台；高压电源模块；所述打印模块能够分别沿着X、Z轴进行平移运动，所述打印平台设有打印面以及Y轴滑移机构，所述打印面设置在Y轴滑移机构上，实现打印面沿着Y轴方向进行平移运动，同时分别沿着X、Z轴进行周向旋转，从而使打印面分别绕着A和Z轴实现旋转运动，本发明通过曲面基板的电流体动力学打印控制方法，分别驱动X、Y、Z轴实现平移运动以及A、C轴实现旋转运动，促使打印平台实现空间复合运动，从而在曲面基板上进行电流体动力学图案的打印。

主权项

一种基于曲面基板的电流体动力学打印设备的控制方法，曲面基板的电流体动力学打印设备包括机架，所述机架上设有承载平台；打印模块，所述打印模块通过X轴滑移机构以及Z轴滑移机构设置在承载平台上，且其设有用于喷墨的喷嘴，用于喷墨到曲面基板上以进行图案打印；打印平台，所述打印平台通过Y轴滑移机构设置在承载平台上，打印平台上放置曲面基板；高压电源模块，正极与打印模块连接，其负极与打印平台连接，用于提供电场力；运动控制器模块，所述运动控制器模块控制X、Y、Z三轴的直线移动以及打印平台A轴和C轴的旋转运动，所述打印平台设有打印面以及Y轴滑移机构，所述打印面设置在Y轴滑移机构上，分别沿着X和Z轴进行周向旋转，其特征在于：控制方法步骤如下：(1)测量待打印的曲面基板曲面的表面形状，完成待打印的曲面基板曲面的三维曲面建模，具体实现过程如下：(a)采用三坐标测量仪，根据待打印的曲面基板曲面的特点选择合适的扫描方式测量待打印的曲面基板曲面的表面形状；(b)对待打印的曲面基板曲面的测量数据进行预处理，首先从测量的数据点集中剔除“坏点”；其次，通过曲面插值补充法或实物填充法，对测量的数据点进行增密处理；最后，采用平均法、五点三次平滑法或样条函数法，对测量的数据点进行平滑处理；(c)对预处理的测量数据点进行NURBS曲面拟合,构建打印基板曲面的三维模型：p(u,v)=Σi=0mΣj=0nωi,jdi,jNi,k(u)Nj,l(v)Σi=0mΣj=0nωi,jNi,k(u)Nj,l(v)]]>式中，di,j为控制顶点，i＝0,1,…,m，j＝0,1,…,n，ωi,j为权因子，Ni,k(u)(i＝0,1,…,m)和Nj,l(v)(j＝0,1,…,n)分别为u向k次和v向l次的规范B样条基函数；(2)在构建的待打印的曲面基板曲面的三维模型上，对打印图案进行三维建模，三维模型可以采用参数样条曲面、贝齐尔曲面、B样条曲面或NURBS曲面曲面表达式进行表示；(3)根据步骤(2)中构建的打印图案的三维模型，对打印图案进行路径规划，规划的图案打印路径采用NURBS曲线表示：p(u)=Σi=0nωidiNi,k(u)Σi=0nωiNi,k(u)]]>式中，di(i＝0,1,…,n)为控制顶点，ωi为权因子，Ni,k(u)(i＝0,1,…,m)为k次规范B样条基函数，规划的打印路径NURBS曲线采用三维建模笛卡尔坐标系表示为：p(u)＝[x(u),y(u),z(u)]；(4)根据规划的图案打印路径NURBS曲线，在打印路径NURBS曲线的主法线上，构建距离打印路径NURBS曲线为常数h(h>0)的NURBS曲线，通过该曲线确定打印路径NURBS曲线的主法线方向，该NURBS曲线采用三维建模笛卡尔坐标系可表示为：f(u)＝[xh(u),yh(u),zh(u)]；(5)对打印图案所规划的打印路径NURBS曲线进行双NURBS样条插补计算，具体实现步骤如下：(a)在电流体动力学打印过程中，运动平台的各个轴均按照一定的插补周期进行运动，确定下一个插补周期的打印距离：Δs(ti)＝v(ti)T式中，Δs(ti)为当前运动插补周期的打印距离，v(ti)为当前运动插补周期的打印速度，T为运动平台的运动插补周期；(b)确定下一个运动插补周期的参数空间中的参数值ui+1，在参数空间中，NURBS曲线打印轨迹参数，通过二阶泰勒级数展开式求解，下一个插补周期的参数值ui+1：ui+1=ui+Δs(ti)[x′(ui)]2+[y′(ui)]2+[z′(ui)]2Δs2(ti)[x′(ui)x′′(ui)+y′(ui)y′′(ui)+z′(ui)z′′(ui)]2[x′(ui)]2+[y′(ui)]2+[z′(ui)]2]]>(c)获得下一个运动插补周期的三维建模笛卡尔坐标系中的打印路径NURBS曲线的打印位置以及该位置的法线方向上距离为常数h的位置，分别由步骤(3)和步骤(4)中获得的坐标系中得到，得到的值分别为：p(ui+1)＝[x(ui+1),y(ui+1),z(ui+1)]f(ui+1)＝[xh(ui+1),yh(ui+1),zh(ui+1)](d)确定规划路径NURBS曲线的下一个运动插补周期的打印位置的主法线单位矢量，根据下一个运动插补周期的参数空间中的参数值ui+1进行计算，获得其主法线的单位矢量：F(ui+1)=[Fx,Fy,Fz]T=f(ui+1)-p(ui+1)|f(ui+1)-p(ui+1)|]]>(e)将得到的下一个运动插补周期的三维建模笛卡尔坐标系中的打印路径NURBS曲线的打印位置p(ui+1)以及该位置的主法线单位矢量F(ui+1)转换到电流体动力学打印设备坐标系中的移动轴X、Y、Z轴和旋转轴A、C轴，转动台在电流体动力学打印设备坐标系中坐标为(x0,y0,z0)，下一个运动插补周期的移动轴X、Y、Z轴和旋转轴A、C轴的值分别为：A(ti+1)＝m1arccosFx,m1＝‑1,1C(ti+1)=m2arctanFxFy-m2π,m2=0,1]]>x(ti+1)＝[x(ui+1)‑x0]cosC(ti+1)‑[y(ui+1)‑y0]sinC(ti+1)+x0y(ti+1)＝[x(ui+1)‑x0]cosA(ti+1)sinC(ti+1)+[y(ui+1)‑y0]cosA(ti+1)cosC(ti+1)‑[z(ui+1)‑z0]sinA(ti+1)+y0z(ti+1)＝[x(ui+1)‑x0]sinA(ti+1)sinC(ti+1)+[y(ui+1)‑y0]sinA(ti+1)cosC(ti+1)‑[z(ui+1)‑z0]cosA(ti+1)+z0(f)分别获得下一个运动插补周期的X、Y、Z轴的打印距离以及A、C轴旋转角度，分别表示为：ΔA(ti+1)＝A(ti+1)‑A(ti)ΔC(ti+1)＝C(ti+1)‑C(ti)Δx(ti+1)＝x(ti+1)‑x(ti)Δy(ti+1)＝y(ti+1)‑y(ti)Δz(ti+1)＝z(ti+1)‑z(ti)；(6)分别将移动轴X、Y、Z轴的移动距离Δx(ti+1)、Δy(ti+1)、Δz(ti+1)以及旋转轴A和C轴旋转角度ΔA(ti+1)和ΔC(ti+1)经过数据处理后传给各个轴的伺服驱动器，由驱动器驱动电机的运动，促使X、Y、Z轴进行平移运动以及A、C轴进行旋转运动，从而实现在曲面基板上进行电流体动力学图案的打印。