一種曲面基板的電流體動力學打印設備及其控制方法與流程

本發明涉及電流體動力學打印
技術領域：
，尤其涉及一種曲面基板的電流體動力學打印設備及其控制方法。
背景技術：
：電流體動力學打印技術是在基板和噴嘴之間施加電壓，在誘導電場力作用下，溶液從噴頭流出，在噴嘴處形成彎液面，隨著電壓逐漸升高，電荷在彎液面聚集，電荷間的庫侖力導致液體表面產生切向應力，在剪切力的作用下，彎液面在噴嘴頂端形成泰勒錐，隨著電場強度增加，庫侖力克服液體表面張力，液體從泰勒錐的頂端射出，形成液滴或射流。電流體動力學打印技術在微納米加工技術方面得到廣泛關注，如柔性電子電路、可穿戴電子設備、太陽能電池、生物功能器件等。目前的電流體動力學打印設備只能進行硬質平面基板和柔性介質基板的打印，在硬質平面基板的電流體動力學打印過程中，將硬質平面基板固定在支撐平面平臺上進行平面打印，在柔性介質基板的電流體動力學打印過程中，采用卷到卷薄膜基板輸送模塊，以輸送作為圖案打印基底的柔性介質基板薄膜，實現柔性介質基板的平鋪，并在平鋪的基板上打印圖案。電流體動力學打印工藝容易受到運動平臺的移動速度、所施加的電壓、噴射高度等參數的影響，影響電流體動力學打印圖案的精確成形，影響功能器件的形貌，從而影響其性能。目前電流體動力學打印設備只能實現X、Y和Z軸的移動打印，僅適合平面基板的打印，對于曲面基板的電流體動力學打印，由于曲面基板的形狀比較復雜，在打印過程中僅通過Z軸的移動難以準確控制噴射高度和打印位置的法線方向，從而影響曲面基板上電流體動力學打印厚度和圖案的精確成形。技術實現要素：本發明的目的之一在于，針對現有的電流體動力學打印設備難以滿足曲面基板的電流體動力學打印的不足，提出一種曲面基板的電流體動力學打印設備，突破現有的電流體動力學打印技術對曲面基板電流體動力學打印圖案的限制，實現復雜曲面基板上圖案打印的精確成形。本發明的技術方案是：一種曲面基板的電流體動力學打印設備，其包括機架，所述機架上設有承載平臺；打印模塊，所述打印模塊通過X軸滑移機構以及Z軸滑移機構設置在承載平臺上，且其設有用于噴墨的噴嘴，用于噴墨到曲面基板上以進行圖案打印；打印平臺，所述打印平臺通過Y軸滑移機構設置在承載平臺上，打印平臺上放置曲面基板；高壓電源模塊，正極與打印模塊連接，其負極與打印平臺連接，用于提供電場力；其特征在于：運動控制器模塊，所述運動控制器模塊控制X、Y、Z三軸的直線移動以及打印平臺A軸和C軸的旋轉運動，所述打印平臺設有打印面以及Y軸滑移機構，所述打印面設置在Y軸滑移機構上，分別沿著X和Z軸進行周向旋轉。所述打印模塊包括噴墨機構、X軸滑移機構以及Z軸滑移機構，所述X軸滑移機構設置在支撐架上，所述Z軸滑移機構設置在X軸滑移機構上且與X相滑移機構構成X軸滑移配合，所述噴墨機構設置在Z軸滑移機構上且與Z軸滑移機構構成Z軸滑移配合。所述噴墨機構包括安裝平臺以及固定設置在安裝平臺上的噴嘴，所述安裝平臺與Z軸滑移機構構成Z軸滑移配合。所述安裝平臺下側沿噴嘴兩側各設置第一光源和第一攝像頭，所述第一光源和第一攝像頭傾斜相向設置。所述打印平臺設有A軸旋轉機構、C軸旋轉機構以及Y軸滑移機構，所述打印面通過C軸旋轉機構固定設置在A軸旋轉機構上，所述打印面與C軸旋轉機構構成周向旋轉配合，所述打印面和C軸旋轉機構與A軸旋轉機構構成X向擺動配合，所述A軸旋轉機構固定設置在Y軸滑移機構上，且其與Y軸滑移機構成滑移配合。所述A軸旋轉機構包括A軸電機和A軸固定架，所述C軸旋轉機構鉸接設置在A軸固定架上，且由A軸電機帶動擺動，所述A軸固定架可滑移設置在Y軸滑移機構上。所述C軸旋轉機構包括C軸電機和C軸固定架，所述打印面設置在C軸固定架上，且與C軸電機構成周向旋轉配合。所述打印平臺兩側分別設置第二光源和第二攝像頭，且所述第二光源和第二攝像頭相向對稱設置。本發明通過使得打印平臺可周向旋轉以及X軸擺動設置在承載平臺上，使其可以進行曲面打印。本發明目的之二在于提供一種基于上述的曲面基板的電流體動力學打印設備的控制方法，其步驟如下：(1)測量待打印的曲面基板曲面的表面形狀，完成待打印的曲面基板曲面的三維曲面建模，具體實現過程如下：(a)采用三坐標測量儀，根據待打印的曲面基板曲面的特點選擇合適的掃描方式測量待打印的曲面基板曲面的表面形狀；(b)對待打印的曲面基板曲面的測量數據進行預處理，首先從測量的數據點集中剔除“壞點”；其次，通過曲面插值補充法或實物填充法，對測量的數據點進行增密處理；最后，采用平均法、五點三次平滑法或樣條函數法，對測量的數據點進行平滑處理；(c)對預處理的測量數據點進行NURBS曲面擬合,構建打印基板曲面的三維模型：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為控制頂點，i＝0,1,…,m，j＝0,1,…,n，ωi,j為權因子，Ni,k(u)(i＝0,1,…,m)和Nj,l(v)(j＝0,1,…,n)分別為u向k次和v向l次的規范B樣條基函數；(2)在構建的待打印的曲面基板曲面的三維模型上，對打印圖案進行三維建模，三維模型可以采用參數樣條曲面、貝齊爾曲面、B樣條曲面或NURBS曲面曲面表達式進行表示；(3)根據步驟(2)中構建的打印圖案的三維模型，對打印圖案進行路徑規劃，規劃的圖案打印路徑采用NURBS曲線表示：p(u)=Σi=0nωidiNi,k(u)Σi=0nωiNi,k(u)]]>式中，di(i＝0,1,…,n)為控制頂點，ωi為權因子，Ni,k(u)(i＝0,1,…,m)為k次規范B樣條基函數，規劃的打印路徑NURBS曲線采用三維建模笛卡爾坐標系表示為：p(u)＝[x(u),y(u),z(u)]；(4)根據規劃的圖案打印路徑NURBS曲線，在打印路徑NURBS曲線的主法線上，構建距離打印路徑NURBS曲線為常數h(h>0)的NURBS曲線，通過該曲線確定打印路徑NURBS曲線的主法線方向，該NURBS曲線采用三維建模笛卡爾坐標系可表示為：f(u)＝[xh(u),yh(u),zh(u)]；(5)對打印圖案所規劃的打印路徑NURBS曲線進行雙NURBS樣條插補計算，具體實現步驟如下：(a)在電流體動力學打印過程中，運動平臺的各個軸均按照一定的插補周期進行運動，確定下一個插補周期的打印距離：Δs(ti)＝v(ti)T式中，Δs(ti)為當前運動插補周期的打印距離，v(ti)為當前運動插補周期的打印速度，T為運動平臺的運動插補周期；(b)確定下一個運動插補周期的參數空間中的參數值ui+1，在參數空間中，NURBS曲線打印軌跡參數，通過二階泰勒級數展開式求解，下一個插補周期的參數值ui+1：ui+1=ui+Δs(ti)[x′(ui)]2+[y′(ui)]2+[z′(ui)]2-Δs(ti)[x′(ui)x′′(ui)+y′(ui)y′′(ui)+z′(ui)z′′(ui)]2[x′(ui)]2+[y′(ui)]2+[z′(ui)]2]]>(c)獲得下一個運動插補周期的三維建模笛卡爾坐標系中的打印路徑NURBS曲線的打印位置以及該位置的法線方向上距離為常數h的位置，分別由步驟(3)和步驟(4)中獲得的坐標系中得到，得到的值分別為：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)確定規劃路徑NURBS曲線的下一個運動插補周期的打印位置的主法線單位矢量，根據下一個運動插補周期的參數空間中的參數值ui+1進行計算，獲得其主法線的單位矢量：F(ui+1)=[Fx,Fy,Fz]T=f(ui+1)-p(ui+1)|f(ui+1)-p(ui+1)|]]>(e)將得到的下一個運動插補周期的三維建模笛卡爾坐標系中的打印路徑NURBS曲線的打印位置p(ui+1)以及該位置的主法線單位矢量F(ui+1)轉換到電流體動力學打印設備坐標系中的移動軸X、Y、Z軸和旋轉軸A、C軸，轉動臺在電流體動力學打印設備坐標系中坐標為(x0,y0,z0)，下一個運動插補周期的移動軸X、Y、Z軸和旋轉軸A、C軸的值分別為：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)分別獲得下一個運動插補周期的X、Y、Z軸的打印距離以及A、C軸旋轉角度，分別表示為：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)分別將移動軸X、Y、Z軸的移動距離Δx(ti+1)、Δy(ti+1)、Δz(ti+1)以及旋轉軸A和C軸旋轉角度ΔA(ti+1)和ΔC(ti+1)經過數據處理后傳給各個軸的伺服驅動器，由驅動器驅動電機的運動，促使X、Y、Z軸進行平移運動以及A、C軸進行旋轉運動，從而實現在曲面基板上進行電流體動力學圖案的打印。本發明通過曲面基板的電流體動力學打印控制方法，分別驅動X、Y、Z軸實現平移運動以及A、C軸實現旋轉運動，促使打印平臺實現空間復合運動，從而在曲面基板上進行電流體動力學圖案的打印。附圖說明圖1為本發明的結構示意圖。圖2為本發明的內部結構示意圖。圖3為本發明的內部結構平面視圖。圖4為本發明的打印平臺的結構示意圖。圖5為本發明的曲面基板電流體動力學打印的控制流程框圖。具體實施方式下面針對附圖對本發明的實施例作進一步說明：如圖所示，本發明公開了一種曲面基板的電流體動力學打印設備，其包括機架1，所述機架上設有承載平臺2；打印模塊，架設在承載平臺2上，且所述打印模塊的X軸以及Z軸滑移機構設置在承載平臺上，且其設有用于噴墨的噴嘴4，用于噴墨到曲面基板上以進行圖案打印；所述打印模塊包括噴墨機構、X軸滑移機構7以及Z軸滑移機構6，所述X軸滑移機構設置在支撐架8上，所述Z軸滑移機構設置在X軸滑移機構上且與X相滑移機構構成X軸滑移配合，所述噴墨機構設置在Z軸滑移機構上且與Z軸滑移機構構成Z軸滑移配合。所述噴墨機構包括安裝平臺5以及固定設置在安裝平臺上的噴嘴4，所述安裝平臺5與Z相滑移機構構成Z軸滑移配合。支撐架8豎直設置在承載平臺2上，而X軸滑移機構7則包括X軸滑軌，成X軸固定設置在支撐架上，而后Z軸滑移機構6的Z軸滑軌則與X軸滑軌滑移配合，即Z軸滑軌通過移動快固定設置在X軸滑軌上，可沿X方向移動，而噴墨機構通過安裝平臺固定在Z軸滑軌上，而安裝平臺5與Z軸滑軌沿Z方向移動，從而實現X軸和Z軸移動，從而進行調節噴墨機構的噴嘴4的位置。所述安裝平臺5下側沿噴嘴4兩側各設置第一光源9和第一攝像頭10，所述第一光源和第一攝像頭傾斜相向設置。該第一光源和第一攝像頭的中心線與噴嘴的軸線相交于打印平臺上，用于獲取噴嘴打印時落點的監控。打印平臺，所述打印平臺設置在承載平臺2上，且所述打印平臺的Y軸滑移機構設置在承載平臺上，用于放置曲面基板；運動控制器模塊，所述運動控制器模塊控制X、Y、Z三軸的直線移動以及打印平臺A軸和C軸的旋轉運動，其通過與各個伺服電機以及電機連接，通過控制電機來進行X、Y、Z三軸的直線移動以及打印平臺A軸和C軸的旋轉運動。從圖中看，可以獲知A軸即為X軸，而C軸即為Z軸。所述打印平臺設有打印面13以及Y軸滑移機構3，所述打印面設置在Y軸滑移機構3上，所述打印面13與Y軸滑移機構構成周向旋轉以及X軸擺動配合。所述打印平臺設有A軸旋轉機構、C軸旋轉機構以及Y軸滑移機構，所述打印面通過C軸旋轉機構固定設置在A軸旋轉機構上，所述打印面與C軸旋轉機構構成周向旋轉配合，所述打印面和C軸旋轉機構與A軸旋轉機構構成X軸擺動配合，所述A軸旋轉機構固定設置在Y軸滑移機構上，且其與Y軸滑移機構成滑移配合。所述A軸旋轉機構包括A軸電機17和A軸固定架14，所述C軸旋轉機構鉸接設置在A軸固定架上，且由A軸電機帶動擺動，所述A軸固定架14可滑移設置在Y軸滑移機構上，該擺動角度可以根據需求進行設定。所述C軸旋轉機構包括C軸電機15和C軸固定架16，所述打印面設置在C軸固定架上，且與C軸電機構成周向旋轉配合，從而可在噴嘴固定不動的情況下，利用打印面的旋轉或擺動實現曲線噴印。所述打印平臺兩側分別設置第二光源11和第二攝像頭12，且所述第二光源和第二攝像頭相向對稱設置。該第二光源和第二攝像頭分別設置在液體滴落的路徑的兩側，用于監控液滴滴落時的軌跡。其中，X軸滑移機構、Y軸滑移機構以及Z軸滑移機構均采用伺服電機控制。高壓電源模塊，正極與打印模塊連接，其負極與打印平臺連接，用于提供電場力，控制噴嘴噴印。所述機架為柜體，該柜體通過承載平臺分成上下兩個柜，上柜中放置噴墨機構和打印平臺，而上柜設有左右前三道可開啟的柜門，而下柜前側設有可開啟的柜門。通過關閉柜門可以實現打印設備的密封，保證打印環境不受外界影響。一種具有上述的曲面基板的電流體動力學打印設備的控制方法，其具體實現過程如下：(1)測量打印基板曲面的表面形狀，完成打印基板曲面的三維曲面建模，具體實現過程如下：(a)采用三坐標測量儀，根據打印基板曲面的特點選擇合適的掃描方式測量打印基板曲面的表面形狀；(b)對打印基板曲面的測量數據進行預處理，首先從測量的數據點集中剔除“壞點”；其次，通過曲面插值補充法或實物填充法等方法，對測量數據點進行增密處理；最后，采用平均法、五點三次平滑法或樣條函數法等方法，對測量數據點進行平滑處理；(c)對預處理的測量數據點進行NURBS曲面擬合,構建打印基板曲面的三維模型，其模型可以表示為：p(u,v)=Σi=0mΣj=0nωi,jdi,jNi,k(u)Nj,l(v)Σi=0mΣj=0nωi,jNi,k(u)Nj,l(v)---(1)]]>式中，di,j為控制頂點，i＝0,1,…,m，j＝0,1,…,n，ωi,j為權因子，Ni,k(u)(i＝0,1,…,m)和Nj,l(v)(j＝0,1,…,n)分別為u向k次和v向l次的規范B樣條基函數。(2)在構建的打印基板曲面的三維模型上，對打印圖案進行三維建模，三維模型可以采用參數樣條曲面、貝齊爾曲面、B樣條曲面或NURBS曲面等曲面表達式進行表示。(3)根據構建的打印圖案的三維模型，對打印圖案進行路徑規劃，規劃的圖案打印路徑可采用NURBS曲線表示：p(u)=Σi=0nωidiNi,k(u)Σi=0nωiNi,k(u)---(2)]]>式中，di(i＝0,1,…,n)為控制頂點，ωi為權因子，Ni,k(u)(i＝0,1,…,m)為k次規范B樣條基函數。規劃的打印路徑NURBS曲線采用三維建模笛卡爾坐標系可表示為：p(u)＝[x(u),y(u),z(u)](3)(4)根據規劃的圖案打印路徑NURBS曲線，在打印路徑NURBS曲線的主法線上，構建距離打印路徑NURBS曲線為常數h(h>0)的NURBS曲線，通過該曲線確定打印路徑NURBS曲線的主法線方向，該NURBS曲線采用三維建模笛卡爾坐標系可表示為：f(u)＝[xh(u),yh(u),zh(u)](4)(5)對打印圖案所規劃的打印路徑NURBS曲線進行雙NURBS樣條插補計算，具體實現步驟如下：(a)在電流體動力學打印過程總，運動平臺的各個軸均按照一定的插補周期進行運動，確定下一個插補周期的打印距離，其距離可以表示為：Δs(ti)＝v(ti)T(5)式中，Δs(ti)為當前運動插補周期的打印距離，v(ti)為當前運動插補周期的打印速度，T為運動平臺的運動插補周期；(b)確定下一個運動插補周期的參數空間中的參數值ui+1，在參數空間中，NURBS曲線打印軌跡參數，通過二階泰勒級數展開式求解，下一個插補周期的參數值ui+1可表示為：ui+1=ui+Δs(ti)[x′(ui)]2+[y′(ui)]2+[z′(ui)]2-Δs(ti)[x′(ui)x′′(ui)+y′(ui)y′′(ui)+z′(ui)z′′(ui)]2[x′(ui)]2+[y′(ui)]2+[z′(ui)]2---(6)]]>(c)計算下一個運動插補周期的三維建模笛卡爾坐標系中的打印路徑NURBS曲線的打印位置以及該位置的法線方向上距離為的常數h的位置，分別由式(3)和(4)求解，得到的值分別為：p(ui+1)＝[x(ui+1),y(ui+1),z(ui+1)](7)f(ui+1)＝[xh(ui+1),yh(ui+1),zh(ui+1)](8)(d)確定規劃路徑NURBS曲線的下一個運動插補周期的打印位置的主法線單位矢量，根據下一個運動插補周期的參數空間中的參數值ui+1進行計算，其主法線的單位矢量可表示為：F(ui+1)=[Fx,Fy,Fz]T=f(ui+1)-p(ui+1)|f(ui+1)-p(ui+1)|---(9)]]>(e)將計算得到的下一個運動插補周期的三維建模笛卡爾坐標系中的打印路徑NURBS曲線的打印位置p(ui+1)以及該位置的主法線單位矢量F(ui+1)轉換到電流體動力學打印設備坐標系中的移動軸X、Y、Z軸和旋轉軸A、C軸，設轉動臺在電流體動力學打印設備坐標系中坐標為(x0,y0,z0)，下一個運動插補周期的移動軸X、Y、Z軸和旋轉軸A、C軸的值分別為：A(ti+1)＝m1arccosFx,m1＝-1,1(10)C(ti+1)=m2arctanFxFy-m2π,m2=0,1---(11)]]>x(ti+1)＝[x(ui+1)-x0]cosC(ti+1)-[y(ui+1)-y0]sinC(ti+1)+x0(12)y(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)+y0---(13)]]>z(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---(14)]]>(f)分別計算下一個運動插補周期的X、Y、Z軸的打印距離以及A、C軸旋轉角度，分別表示為：ΔA(ti+1)＝A(ti+1)-A(ti)(15)ΔC(ti+1)＝C(ti+1)-C(ti)(16)Δx(ti+1)＝x(ti+1)-x(ti)(17)Δy(ti+1)＝y(ti+1)-y(ti)(18)Δz(ti+1)＝z(ti+1)-z(ti)(19)(6)分別將移動軸X、Y、Z軸的移動距離Δx(ti+1)、Δy(ti+1)、Δz(ti+1)以及旋轉軸A和C軸旋轉角度ΔA(ti+1)和ΔC(ti+1)經過數據處理后傳給各個軸的伺服驅動器，由驅動器驅動電機的運動，促使X、Y、Z軸進行平移運動以及A、C軸進行旋轉運動，從而實現在曲面基板上進行電流體動力學圖案的打印。實施例不應視為對本發明的限制，但任何基于本發明的精神所作的改進，都應在本發明的保護范圍之內。當前第1頁1 2 3