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

技術特征：

1.一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。

2.根據權利要求1所述的曲面基板的電流體動力學打印設備，其特征在于：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軸滑移機構構成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。

3.根據權利要求2所述的曲面基板的電流體動力學打印設備，其特征在于：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。

4.根據權利要求3所述的曲面基板的電流體動力學打印設備，其特征在于：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。

5.根據權利要求1所述的曲面基板的電流體動力學打印設備，其特征在于：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。

6.根據權利要求5所述的曲面基板的電流體動力學打印設備，其特征在于：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。

7.根據權利要求5所述的曲面基板的電流體動力學打印設備，其特征在于：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。

8.根據權利要求1、2、3、4、5、6或7所述的曲面基板的電流體動力學打印設備，其特征在于：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。

9.一種基于上述任意一項權利要求所述的曲面基板的電流體動力學打印設備的控制方法，其特征在于：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：

$p\left(u,v\right)=\frac{\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{i,j}{d}_{i,j}{N}_{i,k}\left(u\right)N_{j,l}\left(v\right)}{\underset{i=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_{i,j}{N}_{i,k}\left(u\right)N_{j,l}\left(v\right)}$

式中，d_i,j為控制頂點，i＝0,1,…,m，j＝0,1,…,n，ω_i,j為權因子，N_i,k(u)(i＝0,1,…,m)和N_j,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：

$p\left(u\right)=\frac{\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i{d}_i{N}_{i,k}\left(u\right)}{\underset{i=0}{\overset{n}{\Σ}}{\mathrm{\ω}}_i{N}_{i,k}\left(u\right)}$

式中，d_i(i＝0,1,…,n)為控制頂點，ω_i為權因子，N_i,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)＝[x_h(u),y_h(u),z_h(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(t_i)＝v(t_i)T

式中，Δs(t_i)為當前運動插補周期的打印距離，v(t_i)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u_i+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u_i+1：

$\begin{array}{c}{u}_{i+1}=u_i+\frac{\mathrm{\Δ}s\left(t_i\right)}{\sqrt{{\[x^{\′}\left(u_i\right)\]}^2+{\[y^{\′}\left(u_i\right)\]}^2+{\[z^{\′}\left(u_i\right)\]}^2}}-\\ \frac{{\mathrm{\Δs}}^2\left(t_i\right)\[x^{\′}\left(u_i\right)x^{\′\′}\left(u_i\right)+y^{\′}\left(u_i\right)y^{\′\′}\left(u_i\right)+z^{\′}\left(u_i\right)z^{\′\′}\left(u_i\right)\]}{2\sqrt{{\[x^{\′}\left(u_i\right)\]}^2+{\[y^{\′}\left(u_i\right)\]}^2+{\[z^{\′}\left(u_i\right)\]}^2}}\end{array}$

(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(u_i+1)＝[x(u_i+1),y(u_i+1),z(u_i+1)]

f(u_i+1)＝[x_h(u_i+1),y_h(u_i+1),z_h(u_i+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u_i+1進行計算，獲得其主法線的單位矢量：

$F\left(u_{i+1}\right)={\[F_x,F_y,F_z\]}^T=\frac{f\left(u_{i+1}\right)-p\left(u_{i+1}\right)}{|f\left(u_{i+1}\right)-p\left(u_{i+1}\right)|}$

(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(u_i+1)以及該位置的主法線單位矢量F(u_i+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(t_i+1)＝m₁arccosF_x,m₁＝-1,1

$C\left(t_{i+1}\right)=m_2\arctan \frac{F_x}{F_y}-m_2\mathrm{\π},m_2=0,1$

x(t_i+1)＝[x(u_i+1)-x₀]cosC(t_i+1)-[y(u_i+1)-y₀]sinC(t_i+1)+x₀

y(t_i+1)＝[x(u_i+1)-x₀]cosA(t_i+1)sinC(t_i+1)+[y(u_i+1)-y₀]cosA(t_i+1)cosC(t_i+1)-[z(u_i+1)-z₀]sinA(t_i+1)+y₀

z(t_i+1)＝[x(u_i+1)-x₀]sinA(t_i+1)sinC(t_i+1)+[y(u_i+1)-y₀]sinA(t_i+1)cosC(t_i+1)-[z(u_i+1)-z₀]cosA(t_i+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(t_i+1)＝A(t_i+1)-A(t_i)

ΔC(t_i+1)＝C(t_i+1)-C(t_i)

Δx(t_i+1)＝x(t_i+1)-x(t_i)

Δy(t_i+1)＝y(t_i+1)-y(t_i)

Δz(t_i+1)＝z(t_i+1)-z(t_i)；

(6)分別將移動軸X、Y、Z軸的移動距離Δx(t_i+1)、Δy(t_i+1)、Δz(t_i+1)以及旋轉軸A和C軸旋轉角度ΔA(t_i+1)和ΔC(t_i+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。