專利名稱：五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種五軸聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)及方法，尤其涉及一種五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備及方法。
背景技術(shù)：
目前普遍使用的打印機(jī)都是針對(duì)各種平面材質(zhì)表面進(jìn)行的，如紙張、皮革、塑料、 玻璃、金屬等，這種打印機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于辦公及家庭用途。通常的打印方式，一方面被打印實(shí)體的表面按相對(duì)打印頭作輸送運(yùn)動(dòng)(或打印頭實(shí)際運(yùn)動(dòng)，被打印表面靜止)，同時(shí)打印頭沿與被打印實(shí)體相對(duì)輸送運(yùn)動(dòng)垂直方向掃描移動(dòng)，并進(jìn)行打印。這些打印機(jī)全部是應(yīng)用于平面打印，也就是二維打印。對(duì)于三維立體物品的表面上色，一般還是采用手工或半手工的方式，比如利用熱印紙的方式，或者直接用手工上色。 這種對(duì)于三維立體物品表面上色的方式，已經(jīng)嚴(yán)重影響了產(chǎn)品批量生產(chǎn)的效率和質(zhì)量，因此對(duì)于三維立體物品進(jìn)行立體打印的需求，近年來(lái)已經(jīng)非常緊迫，但目前還未見到任何成熟的立體打印機(jī)產(chǎn)品上市。立體打印設(shè)備，首先需要具備合理的機(jī)械結(jié)構(gòu)，保證打印頭可以達(dá)到三維立體物品表面的任意位置，從而進(jìn)行噴涂上色工作；其次必須有合理的控制系統(tǒng)，保證整個(gè)設(shè)備的運(yùn)動(dòng)控制與打印控制同步、精確進(jìn)行；同時(shí)還必須有合理的三維立體彩色計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助加工系統(tǒng)，保證提供打印工作必需的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和同步顏色解析；最后還需要有準(zhǔn)確的校準(zhǔn)機(jī)構(gòu)，以完成多色噴涂的重復(fù)性和一致性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明公開了一種五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方法，該設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)任意三維立體實(shí)體表面的噴墨打印功能，主要包括控制系統(tǒng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和打印系統(tǒng)，其中 控制系統(tǒng)以五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制為基礎(chǔ)，同步實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和打印控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維立體彩色計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助加工功能，還實(shí)現(xiàn)了立體打印必需的五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和同步顏色解析功能；機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用一種五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)功能；打印系統(tǒng)采用四個(gè)具有獨(dú)立伸縮功能的噴頭部分實(shí)現(xiàn)CMYK四色噴墨打印功能。其中控制系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)為采用多通用PC(個(gè)人計(jì)算機(jī))并行處理結(jié)構(gòu)，采用了多個(gè)通用PC分別完成不同的任務(wù)，核心結(jié)構(gòu)是兩臺(tái)PC配合通用I/O板卡，PC之間通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈路實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，完成并行控制的任務(wù)；第一臺(tái)PC運(yùn)行于通用多任務(wù)處理操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)，主要完成三維處理、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、色彩解析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助加工處理、人機(jī)交互、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通訊功能；第二臺(tái)PC運(yùn)行于通用強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)， 在第二臺(tái)PC上通過配置多種計(jì)算機(jī)通用總線多功能板卡、運(yùn)動(dòng)控制板卡、總線通訊板卡加其它控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制、實(shí)時(shí)打印控制、實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制與實(shí)時(shí)打印控制之間的同步控制和其它輔助控制功能。
其中，第二臺(tái)PC上配置的多種計(jì)算機(jī)通用總線包括PCI、PCIE、ISA、CompactPCI, PXI、PXIE 禾口 VXI。其中，控制系統(tǒng)在核心結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，具備擴(kuò)展成配備更多的通用PC或服務(wù)器的能力，擴(kuò)展部分通過實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈路來(lái)完成協(xié)同工作，包括作為圖形服務(wù)器的第三臺(tái)PC，用于三維處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助加工處理；作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器的第四臺(tái)PC， 以通過有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與各遠(yuǎn)程服務(wù)器或終端之間的交互操作與數(shù)據(jù)傳輸；作為冗余實(shí)時(shí)PC的第五臺(tái)PC，基本結(jié)構(gòu)與核心結(jié)構(gòu)中的第二臺(tái)PC—樣，用于出現(xiàn)潛在問題和故障時(shí)進(jìn)行冗余處理；作為監(jiān)測(cè)PC的第五臺(tái)PC，所述第五臺(tái)PC選擇采用多種計(jì)算機(jī)通用總線體系結(jié)構(gòu)，配備各種多功能采集板卡用于實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)處理功能。其中，遠(yuǎn)程服務(wù)器或終端包括遠(yuǎn)程加工調(diào)度管理中心、遠(yuǎn)程編程服務(wù)中心或遠(yuǎn)程技術(shù)支持中心。其中，第五臺(tái)PC上配置的多種計(jì)算機(jī)通用總線包括PCI、PCIE、ISA, CompactPCI, PXI、PXIE 禾口 VXI。其中，機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，被打印實(shí)體安裝在二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，二維轉(zhuǎn)臺(tái)的第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分繞Y軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)A向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)第二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分安裝在第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的臺(tái)面上，第二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分繞垂直于第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分平面的法線方向作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)B向旋轉(zhuǎn)；二維轉(zhuǎn)臺(tái)同時(shí)安裝在Z向上下平移運(yùn)動(dòng)的支撐臺(tái)面上，隨支撐平面作沿 Z向的上下平移運(yùn)動(dòng)；噴頭部分安裝在作X向和Y向平移運(yùn)動(dòng)的支架上，同時(shí)作X向和Y向的平移運(yùn)動(dòng)；通過被打印對(duì)象和噴頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了 X、Y、Z三個(gè)平移運(yùn)動(dòng)和A向、B向兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了五軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，使噴頭噴嘴可以到達(dá)被打印實(shí)體上任意位置，并保持合理的打印距離。其中，打印系統(tǒng)的每個(gè)噴嘴為細(xì)長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)，分別連接四色墨盒；噴墨方式采用按需噴墨，按CMYK四色分別給被打印對(duì)象進(jìn)行上色，即先上C，接著M,然后Y，最后K，每次利用一個(gè)顏色的噴嘴在被打印實(shí)體表面需要噴涂該顏色的部分上色，這時(shí)該噴嘴采用氣動(dòng)缸或其它機(jī)械結(jié)構(gòu)保證比其它三個(gè)噴嘴伸出一定距離，從而保證噴嘴不與被打印實(shí)體表面產(chǎn)生干涉，實(shí)現(xiàn)給各種形狀準(zhǔn)確上色；噴墨控制采用壓電陶瓷、熱泡或其它通用的控制方式。其中，在被打印對(duì)象表面形狀允許的情況下實(shí)現(xiàn)四色噴嘴同時(shí)噴墨。其中，所述的五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備還包括校準(zhǔn)系統(tǒng)，校準(zhǔn)系統(tǒng)采用多個(gè)攝像頭進(jìn)行圖像識(shí)別，實(shí)現(xiàn)被打印實(shí)體的基準(zhǔn)對(duì)齊功能；第一種顏色打印開始，首先在特殊位置用第一種色打印出特殊標(biāo)志，然后進(jìn)行第一種顏色的打印工作；換成第二種顏色的噴頭部分以后，所述校準(zhǔn)系統(tǒng)采用兩個(gè)以上獨(dú)立的高分辨率攝像頭分別對(duì)特殊標(biāo)志進(jìn)行圖像采集，并根據(jù)圖像識(shí)別技術(shù)，分解出在X、Y、Z、A、B五個(gè)自由度上的偏差，根據(jù)偏差控制五個(gè)運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行糾偏，糾偏完成后再進(jìn)行第二種顏色的打印，并在特殊位置用第二種顏色打印同樣的特殊標(biāo)志；同樣對(duì)于第三和第四種顏色的打印，也需要采用圖像識(shí)別方式先進(jìn)行糾偏， 再進(jìn)行打印，并分別用第三種顏色和第四種顏色打印特殊標(biāo)志最終完成CMYK四色打印工作。提供了一種五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備的控制方法，包括1)首先控制系統(tǒng)內(nèi)第一臺(tái)或第三臺(tái)PC根據(jù)被打印三維立體實(shí)體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)造型文件、也可根據(jù)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或三維攝像機(jī)取得的三維造型文件實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)
6軌跡規(guī)劃；2)接著實(shí)現(xiàn)同步顏色解析功能，利用第一臺(tái)或第三臺(tái)PC中的色彩解析軟件模塊， 根據(jù)五軸聯(lián)動(dòng)加工軌跡代碼程序形成既包含細(xì)插補(bǔ)五軸運(yùn)動(dòng)軌跡，也包含色彩信息的工件立體噴涂上色加工數(shù)據(jù)文件；3)然后同步實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制和打印控制，第一臺(tái)和第二臺(tái)PC并行工作的運(yùn)動(dòng)控制軟件模塊首先根據(jù)五軸運(yùn)動(dòng)軌跡代碼文件進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算、刀具補(bǔ)償、加減速控制等算法，輸出對(duì)X、Y、z、A、B五個(gè)軸的控制指令，實(shí)現(xiàn)了 X、Y、Z三個(gè)平移運(yùn)動(dòng)和A、B兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了五軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，使噴頭部分噴嘴可以到達(dá)被打印實(shí)體上任意曲面位置，并保持合理的打印距離；同時(shí)，控制系統(tǒng)的主控子系統(tǒng)和實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)并行工作的打印控制軟件模塊根據(jù)工件立體噴涂上色加工數(shù)據(jù)文件，與五軸運(yùn)動(dòng)同步控制四個(gè)單色噴頭部分(CMYK)分別進(jìn)行噴墨打印工作，噴墨方式采用按需噴墨，可按CM^(四色分別給被打印對(duì)象進(jìn)行上色，即先上C，接著M，然后Y，最后K，也可在表面形狀允許的情況下實(shí)現(xiàn)四色噴嘴同時(shí)噴墨，以提高打印速度；每次利用一個(gè)顏色的噴嘴在被打印對(duì)象表面需要噴涂該顏色的部分上色，這時(shí)該噴嘴會(huì)采用氣動(dòng)缸或其它機(jī)械結(jié)構(gòu)保證比其它三個(gè)噴嘴伸出更多距離，從而保證噴嘴不與被打印對(duì)象表面產(chǎn)生干涉，可以給各種形狀準(zhǔn)確上色，尤其是比較深的凹陷部分也可以做到準(zhǔn)確上色。其中，在按CM^(四色分別給被打印對(duì)象進(jìn)行上色的過程中，每打印完一個(gè)顏色， 進(jìn)行校準(zhǔn)工作，即先打印特殊標(biāo)志，然后進(jìn)行該顏色的打?。磺耙粋€(gè)顏色打印完成后，根據(jù)攝像頭對(duì)特殊標(biāo)志的圖像識(shí)別，利用第一臺(tái)和第二臺(tái)PC中并行工作的校準(zhǔn)軟件模塊分解出在X、Y、Z、A、B五個(gè)自由度上的偏差，進(jìn)行位置糾偏；再依次類推，繼續(xù)進(jìn)行其它顏色的打印工作，直至全部打印工作完畢。其中，在步驟1)中，先編輯被打印三維立體實(shí)體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)造型文件后輸出兩種格式的造型文件，分別為帶色彩信息的格式文件和不帶色彩信息的造型文件，對(duì)于不帶色彩信息的造型文件，利用第一臺(tái)或第三臺(tái)PC中的三維快速成型軟件生成CAM所需的中間文件格式，進(jìn)一步利用第一臺(tái)或第三臺(tái)PC中的CAM軟件和后處理模塊生成五軸聯(lián)動(dòng)加工軌跡代碼程序，而對(duì)于帶色彩信息的造型文件，利用第一臺(tái)或第三臺(tái)PC中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將帶色彩信息格式文件重新編譯，形成具有索引順序并可快速查詢的各子面參數(shù)數(shù)據(jù)文件。 其中，在步驟2)中，利用第一臺(tái)或第三臺(tái)PC中的色彩解析軟件模塊，根據(jù)五軸聯(lián)動(dòng)加工軌跡代碼程序，根據(jù)噴嘴直徑確認(rèn)加工速度，以這個(gè)加工速度對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)加工軌跡進(jìn)行更細(xì)的插補(bǔ)工作，同時(shí)針對(duì)每個(gè)點(diǎn)在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件模塊生成的子面參數(shù)數(shù)據(jù)文件中搜尋對(duì)應(yīng)的顏色，以形成所述的加工數(shù)據(jù)文件。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了一種對(duì)于任意三維立體實(shí)體表面進(jìn)行快速彩色噴墨打印的方法，突破了傳統(tǒng)平面打印的使用約束，解決了對(duì)于具有復(fù)雜曲面的實(shí)體工件直接進(jìn)行三維立體噴墨打印的難題，同時(shí)會(huì)大大提高復(fù)雜表面三維實(shí)體的噴墨上色速度和效率，適用于多種立體打印和印刷的需求。


圖1為控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2為五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備的運(yùn)動(dòng)關(guān)系圖；圖3為五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備三維結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖4A為五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備結(jié)構(gòu)主視圖；圖4B為五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備結(jié)構(gòu)右視圖；圖4C為五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備結(jié)構(gòu)俯視圖；圖5為打印系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)示意圖；圖6A為打印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主視圖；圖6B為打印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)左視圖；圖6C為打印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)俯視圖；圖7為基本工作流程圖。201為沿X向直線移動(dòng)，202為沿Y向直線移動(dòng)，204為A向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，203為B向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，205為沿Z向直線移動(dòng)
具體實(shí)施例方式五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備分為控制系統(tǒng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)、打印系統(tǒng)和校準(zhǔn)系統(tǒng)， 下面分別介紹。1.控制系統(tǒng)五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備的控制系統(tǒng)部分是整個(gè)設(shè)備的核心，有了上述的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)和特殊的打印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，控制系統(tǒng)部分需要把五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制和打印控制緊密結(jié)合起來(lái)，同時(shí)充分利用軟件優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)從三維立體彩色造型到實(shí)體運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和三維色彩定位解析的功能，才能實(shí)現(xiàn)完整的立體打印功能。因此控制系統(tǒng)部分不僅要滿足各種實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制和同步打印控制的需求，還必須具有強(qiáng)大的運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和三維色彩定位解析的功能，能同時(shí)滿足這些功能的控制系統(tǒng)需要既有很強(qiáng)的實(shí)時(shí)控制能力，還需要具備同步控制能力，同時(shí)還必須具備很強(qiáng)的三維造型處理、色彩解析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助加工(CAD/CAM)處理等能力。由于目前主要的三維造型軟件、CAD/CAM軟件都是運(yùn)行在多任務(wù)處理操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)上的，而適用于本設(shè)備的控制系統(tǒng)還必須具有強(qiáng)大的實(shí)時(shí)控制功能，即必須有強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)基礎(chǔ)，因此單一的通用操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)無(wú)法滿足本控制系統(tǒng)的需求。本發(fā)明公開了一種多工業(yè)PC并行處理結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)用于五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備。這種多通用PC(可以采用工業(yè)級(jí)PC或其它類型)并行處理結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)， 采用了多個(gè)PC分別完成不同的任務(wù)，核心結(jié)構(gòu)是兩臺(tái)PC配合通用I/O板卡，PC之間通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈路實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，完成并行控制的任務(wù)；第一臺(tái)PC運(yùn)行于通用多任務(wù)處理操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)(如Windows，Linux等)，主要完成三維處理、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、色彩解析、 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助加工處理、人機(jī)交互、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通訊功能；第二臺(tái)PC運(yùn)行于通用強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)(如DOS，QNX, Pharlap等)，在這臺(tái)PC上通過配置不同的PCI、 PCIE、ISA、CompactPCI、PXI、PXIE、VXI等多種計(jì)算機(jī)通用總線多功能板卡、運(yùn)動(dòng)控制板卡、 總線通訊板卡加其它控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制、打印控制和其它輔助控制功能， 主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制與實(shí)時(shí)打印控制，以及二者之間的同步控制，還有在線信息處理等工作。這種結(jié)構(gòu)既充分發(fā)揮了通用多任務(wù)處理操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)上豐富的三維處理、色彩解析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助加工處理、人機(jī)交互、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通訊等強(qiáng)大功能，又同步地保證了具備強(qiáng)實(shí)時(shí)控制能力。在核心結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，可以擴(kuò)展成配備更多的通用PC或服務(wù)器都通過實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈路來(lái)完成協(xié)同工作，比如可以配備一臺(tái)圖形服務(wù)器(第三臺(tái)PC)，用于三維處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助加工處理等；還可以配備一臺(tái)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器(第四臺(tái)PC)，以通過有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與各遠(yuǎn)程服務(wù)器或終端之間的交互操作與數(shù)據(jù)傳輸；同樣可以配備一臺(tái)冗余實(shí)時(shí)PC，基本結(jié)構(gòu)與針對(duì)核心結(jié)構(gòu)中的第二臺(tái)實(shí)時(shí)處理PC 一樣，用于出現(xiàn)潛在問題和故障時(shí)進(jìn)行冗余處理；另外還可以配置一臺(tái)PC并選擇采用PCI、 PCIE、ISA、CompactPCI, PXI、PXIE、VXI等多種計(jì)算機(jī)通用總線體系結(jié)構(gòu)，配備各種多功能采集板卡用于實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)處理功能。該控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖6。本發(fā)明公布的五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備控制系統(tǒng)包括主控子系統(tǒng)、實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)、圖形服務(wù)子系統(tǒng)、遠(yuǎn)程服務(wù)子系統(tǒng)、擴(kuò)展子系統(tǒng)和內(nèi)部數(shù)據(jù)鏈路。與該控制系統(tǒng)相關(guān)的還有遠(yuǎn)程加工調(diào)度管理中心、遠(yuǎn)程加工編程服務(wù)中心、遠(yuǎn)程技術(shù)支持中心、遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷中心及外部有線和無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)。在圖1中，五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備控制系統(tǒng)101中主要包括102、103、104、 105、106、107幾個(gè)子系統(tǒng)，其中102為主控子系統(tǒng)(核心控制部分之一)，實(shí)現(xiàn)主控軟件功能，包括對(duì)實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控、三維處理、色彩解析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助加工處理、人機(jī)交互、多媒體、 網(wǎng)絡(luò)通訊等功能。該子系統(tǒng)為并行處理主程序運(yùn)行機(jī)，與其他子系統(tǒng)進(jìn)行并行處理，并行處理數(shù)據(jù)鏈路實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互；103為實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)(核心控制部分之一)，完成實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制、打印控制和其它輔助控制功能，包括實(shí)時(shí)在線插補(bǔ)和刀補(bǔ)功能、直接運(yùn)動(dòng)控制和輔助控制功能、打印控制、以及通過各種總線通訊加運(yùn)動(dòng)控制器實(shí)現(xiàn)的控制功能、實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能等； 該子系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求通過配置不同的PCI、PCIE、ISA、CompactPCI、PXI、PXIE、VXI等多種計(jì)算機(jī)通用總線多功能I/O板卡、運(yùn)動(dòng)控制板卡、總線通訊板卡加運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制、打印控制和其它輔助控制功能；該子系統(tǒng)服從子系統(tǒng)102的監(jiān)控與管理，與子系統(tǒng)102實(shí)時(shí)并行工作；104為圖形服務(wù)子系統(tǒng)(擴(kuò)展功能部分之一)，配備專用圖形服務(wù)器，可以用于完成不需要實(shí)時(shí)處理的三維圖形處理、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、色彩解析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助加工處理等功能；該子系統(tǒng)是為主控子系統(tǒng)102的工作而服務(wù)的，可以選擇使用；105為遠(yuǎn)程服務(wù)子系統(tǒng)(擴(kuò)展功能部分之一)，配備專用服務(wù)器，既可以通過控制系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)鏈路與各子系統(tǒng)通訊，也可以通過有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與各遠(yuǎn)程服務(wù)器或終端之間的交互操作與數(shù)據(jù)傳輸，主要完成遠(yuǎn)程加工調(diào)度管理、遠(yuǎn)程加工編程服務(wù)、遠(yuǎn)程技術(shù)支持服務(wù)、遠(yuǎn)程技術(shù)升級(jí)服務(wù)和遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)與故障診斷服務(wù)；該子系統(tǒng)是為了進(jìn)一步擴(kuò)展核心控制系統(tǒng)部分的遠(yuǎn)程服務(wù)功能而配備的，可以選擇使用；106為其它擴(kuò)展子系統(tǒng)(擴(kuò)展功能部分之一)，主要用于更多的需求擴(kuò)展而準(zhǔn)備， 如可以擴(kuò)展專用的設(shè)備遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷子系統(tǒng)、擴(kuò)展更多的實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)和冗余子系統(tǒng)，擴(kuò)展專用的數(shù)據(jù)服務(wù)器子系統(tǒng)等；擴(kuò)展子系統(tǒng)根據(jù)需求而定，不限數(shù)量和功能， 可以選擇使用；
9
107為內(nèi)部數(shù)據(jù)鏈路(核心功能部分之一)，分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈路和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈路兩種，子系統(tǒng)102和103之間為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈路，其它子系統(tǒng)之間可為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈路或非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈路，內(nèi)部數(shù)據(jù)鏈路可以采用多種通訊方式，如實(shí)時(shí)以太網(wǎng)絡(luò)、各種現(xiàn)場(chǎng)總線，甚至無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等。108為遠(yuǎn)程加工調(diào)度管理中心平臺(tái)(擴(kuò)展功能部分之一)，它根據(jù)調(diào)度管理中心具體需求提供調(diào)度指令，發(fā)給子系統(tǒng)105實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程加工調(diào)度管理；109為遠(yuǎn)程加工編程服務(wù)中心(擴(kuò)展功能部分之一)，它可以根據(jù)用戶具體需求， 將定制的加工程序發(fā)送到子系統(tǒng)105，由子系統(tǒng)105轉(zhuǎn)發(fā)給子系統(tǒng)102，幫助用戶實(shí)現(xiàn)特殊部件的加工編程服務(wù)；110為遠(yuǎn)程技術(shù)支持中心(擴(kuò)展功能部分之一)，它可以根據(jù)用戶具體需求，進(jìn)行各種技術(shù)支持服務(wù)，并可以提供技術(shù)升級(jí)服務(wù)；111為遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷中心(擴(kuò)展功能部分之一)，它根據(jù)子系統(tǒng)101對(duì)加工設(shè)備整體機(jī)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)處理得到的數(shù)據(jù)包，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷、分析、處理的功能；112為外部有線或無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)，子系統(tǒng)105通過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與外部108、109、 110、111的信息交互。2.機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備的機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)關(guān)系見圖2所示。被打印實(shí)體安裝在二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，二維轉(zhuǎn)臺(tái)的第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分可以繞Y 軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(A向旋轉(zhuǎn))，同時(shí)第二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分安裝在第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的臺(tái)面上，第二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分可以繞垂直于第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分平面的法線方向作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(B向旋轉(zhuǎn))；二維轉(zhuǎn)臺(tái)同時(shí)安裝在Z向上下平移運(yùn)動(dòng)的支撐臺(tái)面上，隨支撐平面作沿Z向的上下平移運(yùn)動(dòng)；噴頭部分安裝在可以作X向和Y向平移運(yùn)動(dòng)的支架上，可以同時(shí)作X向和Y向的平移運(yùn)動(dòng)。通過被打印實(shí)體和噴頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了 X、Y、Z三個(gè)平移運(yùn)動(dòng)和A、B兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了五軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步使噴頭噴嘴可以到達(dá)被打印實(shí)體上任意曲面位置，并保持合理的打印距離，實(shí)現(xiàn)三維立體打印的基本運(yùn)動(dòng)需求。五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備的運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖3五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和圖4A、4B、4C五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備結(jié)構(gòu)投影簡(jiǎn)圖。圖4A、4B和4C中，401為X軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)；402為Z軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)；403為Z軸傳動(dòng)絲杠；404和407為校準(zhǔn)用攝像頭；405為X軸傳動(dòng)絲杠；406為噴頭部分；408為二維轉(zhuǎn)臺(tái)回轉(zhuǎn)動(dòng)作臺(tái)面；409為二維轉(zhuǎn)臺(tái)傾斜動(dòng)作驅(qū)動(dòng)電機(jī)；410為Y軸傳動(dòng)絲杠；411為Y軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)； 412為Z向?qū)к墸?13為二維轉(zhuǎn)臺(tái)傾斜動(dòng)作臺(tái)面(回轉(zhuǎn)動(dòng)作驅(qū)動(dòng)電機(jī)位于該部分內(nèi)部)。X、Y、Z向驅(qū)動(dòng)電機(jī)401、411、402接收控制系統(tǒng)指令，通過傳動(dòng)絲杠和導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)在 X、Y、Z三個(gè)方向上的直線運(yùn)動(dòng)，其中打印系統(tǒng)在X、Y方向作直線運(yùn)動(dòng)，二維轉(zhuǎn)臺(tái)在Z向作上下直線運(yùn)動(dòng)；二維轉(zhuǎn)臺(tái)傾斜動(dòng)作驅(qū)動(dòng)電機(jī)409接收控制系統(tǒng)指令，驅(qū)動(dòng)傾斜動(dòng)作臺(tái)面繞Y軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；位于二維轉(zhuǎn)臺(tái)傾斜動(dòng)作臺(tái)面內(nèi)的回轉(zhuǎn)動(dòng)作驅(qū)動(dòng)電機(jī)接收控制系統(tǒng)指令，驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)動(dòng)作臺(tái)面繞X軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了五軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)功能。3.打印系統(tǒng)
五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備打印系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)跟普通的噴墨打印機(jī)有一定的不同， 普通的噴墨打印機(jī)的噴頭具有多組CMYK四色噴嘴，每個(gè)噴嘴直徑比較小，但噴頭總體尺寸比較大，目的是為了提高打印速度。五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備由于要完成各種復(fù)雜曲面的打印噴涂工作，尤其是需要對(duì)很多凹陷的表面進(jìn)行打印，所以噴頭不能體積過大，否則會(huì)產(chǎn)生噴頭與工件表面干涉的現(xiàn)象，無(wú)法準(zhǔn)確接近被打印表面而進(jìn)行打印。因此五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備的打印系統(tǒng)需要特殊的結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式首先噴頭的尺寸要比較小，即采用CMYK四個(gè)顏色的單獨(dú)噴嘴，每個(gè)噴嘴為細(xì)長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)，分別連接四色墨盒；每個(gè)噴嘴的直徑比通用噴墨打印機(jī)的噴嘴直徑稍大，這樣可以保證加工速度不會(huì)降低很多；噴墨方式采用按需噴墨，可按CM^(四色分別給被打印實(shí)體進(jìn)行上色，即先上C，接著M，然后Y，最后K，也可在表面形狀允許的情況下實(shí)現(xiàn)四色噴嘴同時(shí)噴墨，以提高打印速度；每次利用一個(gè)顏色的噴嘴在被打印實(shí)體表面需要噴涂該顏色的部分上色，這時(shí)該噴嘴會(huì)采用氣動(dòng)缸或其它機(jī)械結(jié)構(gòu)保證比其它三個(gè)噴嘴伸出更多距離，從而保證噴嘴不與被打印實(shí)體表面產(chǎn)生干涉，可以給各種形狀準(zhǔn)確上色， 尤其是比較深的凹陷部分也可以做到準(zhǔn)確上色；單獨(dú)的噴嘴可以根據(jù)具體需求實(shí)現(xiàn)同色噴嘴成組方式，以提高打印速度，前提是必須保證噴嘴組的尺寸滿足被打印實(shí)體表面最狹窄的形狀需求；噴墨控制可采用壓電陶瓷、熱泡等其它通用的控制方式。五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備的打印系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖5三維結(jié)構(gòu)示意圖和圖6A、6B和 6C結(jié)構(gòu)投影簡(jiǎn)圖。圖 6B 中，601、602、615、616 分別為 CMYK 四色墨盒；603、605、612、614 分別為四根導(dǎo)墨管；604,606,611,613分別為四個(gè)噴頭；607,608,609,610分別為四個(gè)噴嘴；617中集成了打印驅(qū)動(dòng)模塊、伸縮運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)模塊及運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。4.校準(zhǔn)系統(tǒng)本發(fā)明公開的五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備校準(zhǔn)系統(tǒng)主要用于CMYK四色噴頭分別上色的過程中進(jìn)行被打印實(shí)體的基準(zhǔn)對(duì)齊。第一種顏色打印開始，首先在特殊位置用第一種色打印出特殊標(biāo)志(一般為十字線，也可以為其它形狀)，然后進(jìn)行第一種顏色的打印工作；換成第二種顏色的噴頭以后，采用兩個(gè)以上獨(dú)立的高分辨率攝像頭分別對(duì)標(biāo)志進(jìn)行圖像采集，并根據(jù)圖像識(shí)別技術(shù)，分解出在X、Y、Z、A、B五個(gè)自由度上的偏差，根據(jù)偏差控制五個(gè)運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行糾偏，糾偏完成后再進(jìn)行第二種顏色的打印，并在特殊位置用第二種顏色打印同樣的特殊標(biāo)志；同樣對(duì)于第三和第四種顏色的打印，也需要采用圖像識(shí)別方式先進(jìn)行糾偏，再進(jìn)行打印，并分別用第三種顏色和第四種顏色打印特殊標(biāo)志最終完成CMYK四色打印工作。校準(zhǔn)系統(tǒng)的控制主要由子系統(tǒng)102和103同步完成，子系統(tǒng)103連接攝像頭，采集圖像信號(hào)，并且進(jìn)行圖像識(shí)別與糾偏功能。圖7是基本工作流程圖，按以下步驟執(zhí)行1)系統(tǒng)啟動(dòng)后，各子系統(tǒng)分別進(jìn)行自檢，包括主控子系統(tǒng)102、實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng) 103、圖形服務(wù)子系統(tǒng)104和遠(yuǎn)程服務(wù)子系統(tǒng)105，否則進(jìn)行故障處理；2)遠(yuǎn)程服務(wù)系統(tǒng)105分別運(yùn)行遠(yuǎn)程加工調(diào)度服務(wù)處理、遠(yuǎn)程系統(tǒng)升級(jí)服務(wù)處理、 遠(yuǎn)程數(shù)控編程服務(wù)處理，如果這三個(gè)處理步驟有來(lái)自各遠(yuǎn)程中心的指令和處理要求，分別進(jìn)行對(duì)應(yīng)處理，之后運(yùn)行遠(yuǎn)程狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障處理服務(wù)；
11
3)主控子系統(tǒng)102驗(yàn)證用戶使用權(quán)限，確認(rèn)后進(jìn)入正式運(yùn)行環(huán)境；4)利用子系統(tǒng)102或104中的三維造型軟件編輯被打印物品的三維造型，輸出兩種格式的造型文件，分別為帶色彩信息的格式文件和不帶色彩信息的造型文件；5)對(duì)于不帶色彩信息的造型文件，利用子系統(tǒng)102或104中的三維快速成型軟件生成CAM所需的中間文件格式；6)接下來(lái)利用子系統(tǒng)102或104中的CAM軟件和后處理模塊生成五軸聯(lián)動(dòng)加工軌跡代碼程序；7)同步于第5)步，對(duì)于帶色彩信息的造型文件，利用子系統(tǒng)102或104中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將帶色彩信息格式文件重新編譯，形成具有索引順序并可快速查詢的各子三角面參數(shù)數(shù)據(jù)文件；8)然后，利用子系統(tǒng)102或104中的色彩解析軟件模塊，根據(jù)五軸聯(lián)動(dòng)加工軌跡代碼程序，進(jìn)行細(xì)插補(bǔ)工作，即根據(jù)噴嘴直徑確認(rèn)加工速度，以這個(gè)加工速度對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)加工軌跡進(jìn)行更細(xì)的插補(bǔ)工作，同時(shí)針對(duì)每個(gè)點(diǎn)在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件模塊生成的子三角面參數(shù)數(shù)據(jù)文件中搜尋對(duì)應(yīng)的顏色，最終形成既包含細(xì)插補(bǔ)五軸運(yùn)動(dòng)軌跡，也包含色彩信息(CMYK值) 的工件立體噴涂上色加工數(shù)據(jù)文件；9)利用子系統(tǒng)102和103并行工作的運(yùn)動(dòng)控制軟件模塊根據(jù)五軸運(yùn)動(dòng)軌跡代碼文件控制五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)行；同時(shí)，利用子系統(tǒng)102和103并行工作的打印控制軟件模塊根據(jù)工件立體噴涂上色加工數(shù)據(jù)文件，與五軸運(yùn)動(dòng)同步控制四個(gè)單色噴頭分別進(jìn)行噴墨打印工作；10)子系統(tǒng)102和103并行工作的運(yùn)動(dòng)控制軟件模塊首先根據(jù)五軸運(yùn)動(dòng)軌跡代碼文件進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算、刀具補(bǔ)償、加減速控制等算法，輸出對(duì)X、Y、z、A、B五個(gè)軸的控制指令， 分別驅(qū)動(dòng)連接于X、Y、Z、A、B五個(gè)軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，被打印實(shí)體安裝在二維轉(zhuǎn)臺(tái)上， 二維轉(zhuǎn)臺(tái)的第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分可以繞Y軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(A向旋轉(zhuǎn))，同時(shí)第二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分安裝在第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的臺(tái)面上，第二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分可以繞垂直于第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分平面的法線方向作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(B向旋轉(zhuǎn))；二維轉(zhuǎn)臺(tái)同時(shí)安裝在Z向上下平移運(yùn)動(dòng)的支撐臺(tái)面上，隨支撐平面作沿Z向的上下平移運(yùn)動(dòng)；噴頭部分安裝在可以作X向和Y向平移運(yùn)動(dòng)的支架上，可以同時(shí)作X向和Y向的平移運(yùn)動(dòng)。通過被打印實(shí)體和噴頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了 X、Y、Z三個(gè)平移運(yùn)動(dòng)和A、B兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了五軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步使噴頭噴嘴可以到達(dá)被打印實(shí)體上任意曲面位置，并保持合理的打印距離，實(shí)現(xiàn)三維立體打印的基本運(yùn)動(dòng)需求；同時(shí)，子系統(tǒng)102和103并行工作的打印控制軟件模塊根據(jù)工件立體噴涂上色加工數(shù)據(jù)文件，與五軸運(yùn)動(dòng)同步控制四個(gè)單色噴頭(CMYK)分別進(jìn)行噴墨打印工作，噴墨方式采用按需噴墨，可按CMYK四色分別給被打印實(shí)體進(jìn)行上色，即先上C，接著M，然后Y，最后K，也可在表面形狀允許的情況下實(shí)現(xiàn)四色噴嘴同時(shí)噴墨，以提高打印速度；每次利用一個(gè)顏色的噴嘴在被打印實(shí)體表面需要噴涂該顏色的部分上色，這時(shí)該噴嘴會(huì)采用氣動(dòng)缸或其它機(jī)械結(jié)構(gòu)保證比其它三個(gè)噴嘴伸出更多距離，從而保證噴嘴不與被打印實(shí)體表面產(chǎn)生干涉， 可以給各種形狀準(zhǔn)確上色，尤其是比較深的凹陷部分也可以做到準(zhǔn)確上色；11)每打印完一個(gè)顏色，進(jìn)行校準(zhǔn)工作，即先打印特殊標(biāo)志，然后進(jìn)行該顏色的打??；前一個(gè)顏色打印完成后，根據(jù)攝像頭對(duì)特殊標(biāo)志的圖像識(shí)別，分解出在X、Y、Z、A、B五個(gè)自由度上的偏差，進(jìn)行位置糾偏；再依次類推，繼續(xù)進(jìn)行其它顏色的打印工作，直至全部打印工作完畢。
盡管已根據(jù)較佳實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了描述，但是應(yīng)該理解，在不背離權(quán)利要求書所闡明的真實(shí)精神和范圍的情況下可以做出各種改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備，其特征在于該設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)任意三維立體實(shí)體表面的噴墨打印功能，主要包括控制系統(tǒng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和打印系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)以五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制為基礎(chǔ)，同步實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和打印控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維立體彩色計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助加工功能，還實(shí)現(xiàn)了立體打印必需的五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和同步顏色解析功能；機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用一種五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)功能；打印系統(tǒng)采用四個(gè)具有獨(dú)立伸縮功能的噴頭部分實(shí)現(xiàn)CMYK四色噴墨打印功能。
2.如權(quán)利要求1所述的五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備，其特征在于所述控制系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)為采用多通用PC(個(gè)人計(jì)算機(jī))并行處理結(jié)構(gòu)，采用了多個(gè)通用PC分別完成不同的任務(wù)，核心結(jié)構(gòu)是兩臺(tái)PC配合通用I/O板卡，PC之間通過實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈路實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互， 完成并行控制的任務(wù)；第一臺(tái)PC運(yùn)行于通用多任務(wù)處理操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)，主要完成三維處理、運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃、色彩解析、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助加工處理、人機(jī)交互、多媒體、網(wǎng)絡(luò)通訊功能；第二臺(tái)PC運(yùn)行于通用強(qiáng)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)軟件平臺(tái)，在第二臺(tái)PC上通過配置多種計(jì)算機(jī)通用總線多功能板卡、運(yùn)動(dòng)控制板卡、總線通訊板卡加其它控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制、實(shí)時(shí)打印控制、實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制與實(shí)時(shí)打印控制之間的同步控制和其它輔助控制功能。
3.如權(quán)利要求2所述的五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備，其特征在于所述第二臺(tái)PC上配置的多種計(jì)算機(jī)通用總線包括PCI、PCIE、ISA、CompactPCI、PXI、PXIE和VXI。
4.如權(quán)利要求2所述的五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備，其特征在于所述控制系統(tǒng)在核心結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，具備擴(kuò)展成配備更多的通用PC或服務(wù)器的能力，擴(kuò)展部分通過實(shí)時(shí)或非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)鏈路來(lái)完成協(xié)同工作，包括作為圖形服務(wù)器的第三臺(tái)PC，用于三維處理、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助加工處理；作為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)服務(wù)器的第四臺(tái)PC，以通過有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與各遠(yuǎn)程服務(wù)器或終端之間的交互操作與數(shù)據(jù)傳輸；作為冗余實(shí)時(shí)PC的第五臺(tái)PC，基本結(jié)構(gòu)與核心結(jié)構(gòu)中的第二臺(tái)PC—樣，用于出現(xiàn)潛在問題和故障時(shí)進(jìn)行冗余處理；作為監(jiān)測(cè)PC的第五臺(tái)PC，所述第五臺(tái)PC選擇采用多種計(jì)算機(jī)通用總線體系結(jié)構(gòu)，配備各種多功能采集板卡用于實(shí)現(xiàn)機(jī)電系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障預(yù)處理功能。
5.如權(quán)利要求4所述的五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備，其特征在于所述遠(yuǎn)程服務(wù)器或終端包括遠(yuǎn)程加工調(diào)度管理中心、遠(yuǎn)程編程服務(wù)中心或遠(yuǎn)程技術(shù)支持中心。
6.如權(quán)利要求4所述的五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備，其特征在于所述第五臺(tái)PC上配置的多種計(jì)算機(jī)通用總線包括PCI、PCIE、ISA、CompactPCI、PXI、PXIE和VXI。
7.如權(quán)利要求1所述的五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備，其特征在于所述機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，被打印實(shí)體安裝在二維轉(zhuǎn)臺(tái)上，二維轉(zhuǎn)臺(tái)的第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分繞Y 軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)A向旋轉(zhuǎn)，同時(shí)第二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分安裝在第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分的臺(tái)面上，第二個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分繞垂直于第一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部分平面的法線方向作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)B向旋轉(zhuǎn)；二維轉(zhuǎn)臺(tái)同時(shí)安裝在Z向上下平移運(yùn)動(dòng)的支撐臺(tái)面上，隨支撐臺(tái)面作沿Z向的上下平移運(yùn)動(dòng)；噴頭部分安裝在作X向和Y向平移運(yùn)動(dòng)的支架上，同時(shí)作X向和Y向的平移運(yùn)動(dòng)；通過被打印對(duì)象和噴頭部分的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了 X、Y、Z三個(gè)平移運(yùn)動(dòng)和A向、B向兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了五軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，使噴頭部分的噴嘴可以到達(dá)被打印實(shí)體上任意位置，并保持合理的打印距離。
8.如權(quán)利要求1所述的五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備，其特征在于所述打印系統(tǒng)的每個(gè)噴嘴為細(xì)長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)，分別連接四色墨盒；噴墨方式采用按需噴墨，按CMYK四色分別給被打印對(duì)象進(jìn)行上色，即先上C，接著M,然后Y，最后K，每次利用一個(gè)顏色的噴嘴在被打印實(shí)體表面需要噴涂該顏色的部分上色，這時(shí)該噴嘴采用氣動(dòng)缸或其它機(jī)械結(jié)構(gòu)保證比其它三個(gè)噴嘴伸出一定距離，從而保證噴嘴不與被打印實(shí)體表面產(chǎn)生干涉，實(shí)現(xiàn)給各種形狀準(zhǔn)確上色；噴墨控制采用壓電陶瓷、熱泡或其它通用的控制方式。
9.如權(quán)利要求8所述的五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備，其特征在于在被打印對(duì)象表面形狀允許的情況下實(shí)現(xiàn)四色噴嘴同時(shí)噴墨。
10.如權(quán)利要求8所述的五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備，其特征在于所述的五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備還包括校準(zhǔn)系統(tǒng)，校準(zhǔn)系統(tǒng)采用多個(gè)攝像頭進(jìn)行圖像識(shí)別，實(shí)現(xiàn)被打印實(shí)體的基準(zhǔn)對(duì)齊功能；第一種顏色打印開始，首先在特殊位置用第一種色打印出特殊標(biāo)志，然后進(jìn)行第一種顏色的打印工作；換成第二種顏色的噴頭部分以后，所述校準(zhǔn)系統(tǒng)采用兩個(gè)以上獨(dú)立的高分辨率攝像頭分別對(duì)特殊標(biāo)志進(jìn)行圖像采集，并根據(jù)圖像識(shí)別技術(shù)，分解出在X、Y、Z、A、B五個(gè)自由度上的偏差，根據(jù)偏差控制五個(gè)運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行糾偏，糾偏完成后再進(jìn)行第二種顏色的打印，并在特殊位置用第二種顏色打印同樣的特殊標(biāo)志；同樣對(duì)于第三和第四種顏色的打印，也需要采用圖像識(shí)別方式先進(jìn)行糾偏，再進(jìn)行打印，并分別用第三種顏色和第四種顏色打印特殊標(biāo)志最終完成CMYK四色打印工作。
11.如權(quán)利要求1所述的五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備的控制方法，其特征在于所述控制方法包括以下內(nèi)容，1)首先控制系統(tǒng)內(nèi)第一臺(tái)或第三臺(tái)PC根據(jù)被打印三維立體實(shí)體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)造型文件、也可根據(jù)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或三維攝像機(jī)取得的三維造型文件實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃；2)接著實(shí)現(xiàn)同步顏色解析功能，利用第一臺(tái)或第三臺(tái)PC中的色彩解析軟件模塊，根據(jù)五軸聯(lián)動(dòng)加工軌跡代碼程序形成既包含細(xì)插補(bǔ)五軸運(yùn)動(dòng)軌跡，也包含色彩信息的工件立體噴涂上色加工數(shù)據(jù)文件；3)然后同步實(shí)現(xiàn)五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制和打印控制，第一臺(tái)和第二臺(tái)PC并行工作的運(yùn)動(dòng)控制軟件模塊首先根據(jù)五軸運(yùn)動(dòng)軌跡代碼文件進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算、刀具補(bǔ)償、加減速控制等算法，輸出對(duì)X、Y、U、B五個(gè)軸的控制指令，實(shí)現(xiàn)了 X、Y、Z三個(gè)平移運(yùn)動(dòng)和A、B兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了五軸聯(lián)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，使噴頭部分噴嘴可以到達(dá)被打印實(shí)體上任意曲面位置，并保持合理的打印距離；同時(shí)，控制系統(tǒng)的主控子系統(tǒng)和實(shí)時(shí)控制子系統(tǒng)并行工作的打印控制軟件模塊根據(jù)工件立體噴涂上色加工數(shù)據(jù)文件，與五軸運(yùn)動(dòng)同步控制四個(gè)單色噴頭部分(CMYK)分別進(jìn)行噴墨打印工作，噴墨方式采用按需噴墨，可按CiffK四色分別給被打印對(duì)象進(jìn)行上色，即先上C，接著M，然后Y，最后K，也可在表面形狀允許的情況下實(shí)現(xiàn)四色噴嘴同時(shí)噴墨，以提高打印速度；每次利用一個(gè)顏色的噴嘴在被打印對(duì)象表面需要噴涂該顏色的部分上色，這時(shí)該噴嘴會(huì)采用氣動(dòng)缸或其它機(jī)械結(jié)構(gòu)保證比其它三個(gè)噴嘴伸出更多距離，從而保證噴嘴不與被打印對(duì)象表面產(chǎn)生干涉，可以給各種形狀準(zhǔn)確上色，尤其是比較深的凹陷部分也可以做到準(zhǔn)確上色。
12.如權(quán)利要求11所述的控制方法，其特征在于在按CMYK四色分別給被打印對(duì)象進(jìn)行上色的過程中，每打印完一個(gè)顏色，進(jìn)行校準(zhǔn)工作，即先打印特殊標(biāo)志，然后進(jìn)行該顏色的打?。磺耙粋€(gè)顏色打印完成后，根據(jù)攝像頭對(duì)特殊標(biāo)志的圖像識(shí)別，利用第一臺(tái)和第二臺(tái)PC中并行工作的校準(zhǔn)軟件模塊分解出在X、Y、z、A、B五個(gè)自由度上的偏差，進(jìn)行位置糾偏； 再依次類推，繼續(xù)進(jìn)行其它顏色的打印工作，直至全部打印工作完畢。
13.如權(quán)利要求11或12所述的控制方法，其特征在于在步驟1)中，先編輯被打印三維立體實(shí)體的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)造型文件后輸出兩種格式的造型文件，分別為帶色彩信息的格式文件和不帶色彩信息的造型文件，對(duì)于不帶色彩信息的造型文件，利用第一臺(tái)或第三臺(tái)PC中的三維快速成型軟件生成CAM所需的中間文件格式，進(jìn)一步利用第一臺(tái)或第三臺(tái)PC 中的CAM軟件和后處理模塊生成五軸聯(lián)動(dòng)加工軌跡代碼程序，而對(duì)于帶色彩信息的造型文件，利用第一臺(tái)或第三臺(tái)PC中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊將帶色彩信息格式文件重新編譯，形成具有索引順序并可快速查詢的各子面參數(shù)數(shù)據(jù)文件。
14.如權(quán)利要求11或12所述的控制方法，其特征在于在步驟2)中，利用第一臺(tái)或第三臺(tái)PC中的色彩解析軟件模塊，根據(jù)五軸聯(lián)動(dòng)加工軌跡代碼程序，根據(jù)噴嘴直徑確認(rèn)加工速度，以這個(gè)加工速度對(duì)五軸聯(lián)動(dòng)加工軌跡進(jìn)行更細(xì)的插補(bǔ)工作，同時(shí)針對(duì)每個(gè)點(diǎn)在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換軟件模塊生成的子面參數(shù)數(shù)據(jù)文件中搜尋對(duì)應(yīng)的顏色，以形成所述的加工數(shù)據(jù)文件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種五軸聯(lián)動(dòng)控制立體打印設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方法，該設(shè)備用于實(shí)現(xiàn)任意三維立體實(shí)體表面的噴墨打印功能，主要包括控制系統(tǒng)、機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)和打印系統(tǒng)，其中控制系統(tǒng)以五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制為基礎(chǔ)，同步實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制和打印控制，同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維立體彩色計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和輔助加工功能，還實(shí)現(xiàn)了立體打印必需的五軸聯(lián)動(dòng)運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃和同步顏色解析功能；機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)采用一種五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)械結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)直線運(yùn)動(dòng)和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的聯(lián)動(dòng)功能；打印系統(tǒng)采用四個(gè)具有獨(dú)立伸縮功能的噴頭部分實(shí)現(xiàn)CMYK四色噴墨打印功能。
文檔編號(hào)B41J2/21GK102173211SQ20101061418
公開日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2010年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月28日
發(fā)明者石毅 申請(qǐng)人:石毅