一种电流体动力学曲面喷印设备及其控制方法与流程

本发明涉及电流体动力学喷印技术领域，尤其涉及一种电流体动力学曲面喷印设备及其控制方法。

背景技术：

电流体动力学喷印技术是在基板和喷嘴之间施加电压，在诱导电场力作用下，打印溶液中的电荷在液体表面聚集，电荷间的库仑力导致液体表面产生切向应力，在该切向应力的作用下，液体在喷嘴顶端形成圆锥形液面，通常称为泰勒锥，随着电场强度增加，当电场力克服液体表面张力时，在泰勒锥的顶端产生射流或液滴。电流体动力学喷印技术可喷印圆阵列、图案和薄膜等。

目前传统的电流体动力学喷印设备只能在硬质平面基板和柔性介质基板上进行喷印图案，在硬质平面基板的电流体动力学喷印过程中，将硬质平面基板固定在支撑平面平台上进行平面喷印图案，在柔性介质基板的电流体动力学喷印过程中，采用卷到卷薄膜基板输送装置，实现柔性介质基板的平铺，并在平铺的柔性基板上进行喷印图案，这种喷印设备不能实现在硬质曲面基板上进行喷印图案。

电流体动力学曲面喷印技术是指可在非平面的承印介质上实现电流体动力学喷印图案的技术，电流体动力学曲面喷印技术可广泛应用于印刷电子、3d打印、凹凸面打印等领域。现有的电流体动力学曲面喷印设备采用三个移动轴实现三个方向的直线运动，采用两个转动轴实现回转运动，这种设备采用串联结构形式，质量较大，刚度较差，喷印过程中设备的动态特性较差以及运动平稳性较差，从而影响喷印图案的精度和质量。

技术实现要素：

本发明的目的在于，针对现有的电流体动力学曲面喷印设备存在的缺点，提出一种电流体动力学曲面喷印设备。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种电流体动力学曲面喷印设备，从而实现在曲面承印介质上实现电流体动力学喷印圆阵列、图案和薄膜等不同类型图形的喷印，其特征在于，该电流体动力学曲面喷印设备包括机架，所述机架上设有承载平台；

喷印模块，所述喷印模块通过水平横梁设置在承载平台上方，且其设有用于喷墨的喷墨机构，用于喷墨到曲面承印介质上以进行图形喷印；

喷印平台机构，所述喷印平台机构设置在承载平台上，且位于喷印模块下方，其包括三个三等分设置在承载平台上的万向节机构、设置在万向节机构上的高度可调的支撑件、设置在该支撑件上用于空间摆动的球铰以及一个设置在球铰上的可周向旋转，轴向摆动的旋转台。

所述喷印模块包括固定底座以及沿垂直方向设置喷墨机构，所述喷墨机构包括固定座、设置在固定座上可拆卸的注射器，在所述固定座的上端设置可沿垂直方向滑移的操作机构，所述注射器的柱塞部件与所述操作机构联动配合。

所述注射器通过软导管与所述喷印平台机构上方的喷头连接。

所述固定底座沿喷墨机构设置方向的两侧分别设置光源与相机。

所述相机通过调节机构固定设置在所述固定底座上。

所述支撑件包括具有u型豁口的固定件，沿u型豁口垂直方向设置螺杆，所述螺杆与设有内螺纹l型构件构成螺旋副，所述螺杆下端通过联轴器与交流伺服电动机连接，通过所述交流伺服电动机旋转带动螺杆的旋转运动，带动l型构件沿着螺杆轴向方向移动，所述具有u型豁口的固定件固定设置在万向节机构上，所述l型构件用于固定球铰，所述螺杆底部设置螺杆联轴器。

所述万向节机构包括设置在承载平台上的下底座、十字轴万向节以及上底座，所述十字轴万向节的任意两根对称设置的轴与下底座铰接，所述十字轴万向节的另外两根轴与上底座铰接设置。

所述旋转台包括与球铰固定连接的固定面，设置在固定面上的旋转台支座，与旋转台支座铰接设置的旋转台固定座，所述旋转台固定座与旋转台支座之间设有a轴旋转机构，所述a轴旋转机构一端通过联轴器与交流伺服电动机连接，旋转台固定座上设置c轴旋转机构，所述c轴旋转机构一端通过联轴器与交流伺服电动机连接，所述c轴旋转机构另一端与喷印平台固定连接。

本发明通过设置球铰、万向节机构、螺旋副机构及旋转机构实现喷印平台在空间上各个位置和角度的移动和转动，从而使得曲面承载介质的类型更加多样化，更能满足不同的曲面喷印的需求。

本发明还提出来一种基于上述电流体动力学曲面喷印设备的控制方法，其步骤如下：

1）初始化所述电流体动力学曲面喷印设备的参数，并设置注射器的压力、高压电源的初始电压和喷头的喷印高度参数；

2）通过三维扫描仪对曲面承载介质的表面进行扫描，获取三维轮廓点云数据，并对点云数据进行数据处理，得到曲面承载介质的表面的三角网格，并对三角网格进行处理，构建曲面承载介质的三维曲面模型；

3）获取待喷印的图案；

4）确定曲面承载介质上喷印的起始点位置，将待喷印的图案形状映射到曲面承载介质的三维曲面模型的表面，得到曲面承载介质待喷印图案；

5）对曲面承载介质上的待喷印图案制定喷印路径轨迹；

6）调节电流体动力学曲面喷印设备的注射器的压力和高压电源的电压参数，确保喷印溶液得到稳定的射流形态；

7）针对曲面承载介质上的待喷印图案的喷印路径轨迹，确定每个喷印周期的曲面承载介质表面的喷印位置，控制器通过三个伺服交流电机驱动三根螺杆的伸缩以及两个交流伺服电机驱动两个旋转轴，调节三根螺杆长度的变化和两个旋转轴的转角变化控制喷印平台的空间位置和姿态，确保喷印位置点距离喷头的高度等于喷印高度以及曲面承载介质的喷印位置的法线方向与喷头的轴向方向重合，从而实现在曲面承载介质表面电流体动力学图案喷印。

所述步骤5）中，喷印路径轨迹可采用平行轨迹、环行轨迹、摆线式轨迹、放射轨迹、螺旋轨迹、垂直等高分层轨迹、曲面流线轨迹中的任意一种路径轨迹进行喷印。

本发明通过三个伺服交流电机驱动三根螺杆的伸缩以及两个交流伺服电机驱动两个旋转轴，三根螺杆的变化和两个旋转轴的转角变化决定了喷印平台的空间位置和姿态，使固定于喷印平台上的曲面承载介质位姿也随之变化，实现不同曲面承载介质的曲面喷印。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的平面示意图。

图3为本发明的喷印模块和喷印平台机构的结构示意图。

图4为本发明的喷印平台机构的结构示意图。

图5为本发明的喷印平台机构的正视图。

图6为本发明的单组喷印平台机构的结构示意图。

图7为本发明的喷印模块的结构示意图。

具体实施方式

下面针对附图对本发明的实施例作进一步说明：

如图所示，本发明公开了一种电流体动力学曲面喷印设备，其包括机架4，所述机架4上设有承载平台1，该承载平台作为喷印平台机构以及x轴滑移机构固定之用。

喷印模块3，所述喷印模块3通过x轴滑移机构设置在承载平台上方，且其设有用于喷墨的喷墨机构，用于喷墨到基板上以进行图案打印；

喷印平台机构2，所述喷印平台机构2设置在承载平台1上，且位于喷印模块3下方，其包括三个三等分设置在承载平台上的万向节机构21、设置在万向节机构上的高度可调的支撑件22、设置在该支撑件上用于空间摆动的球铰24以及一个设置在球铰上的可周向旋转，轴向摆动的旋转台23。即该旋转台可以z轴为中心周向旋转，以x轴为中心轴向摆动，从而实现喷印平台的旋转和摆动，而在旋转台下方的万向节机构以及球铰则可实现喷印平台各个曲线浮动，使得该曲面的设计更能符合曲面打印时的需求。

所述喷印模块3包括固定底座34以及沿z轴方向设置喷墨机构，所述喷墨机构包括固定座、设置在固定座上可拆卸的注射器31，在所述固定座的上端设置可沿垂直方向滑移的操作机构34，所述注射器的柱塞部件与所述操作机构联动配合，通过操作机构34带动柱塞部件动作，使其定量输出喷印溶液。所述注射器31的喷头通过导管32连接至所述喷印平台机构上方。所述固定底座31沿喷墨机构设置方向的两侧分别设置光源与相机。所述相机通过调节机构33固定设置在所述固定底座31上，可以调节相机的拍摄角度。

所述支撑件22包括具有u型豁口的固定件221，沿u型豁口垂直方向设置螺杆223，所述螺杆223与设有内螺纹的l型构件构成螺旋副，所述螺杆223下端通过联轴器224与交流伺服电动机连接，通过所述交流伺服电动机旋转带动螺杆的旋转运动，带动l型构件沿着螺杆轴向方向移动，可以通过螺杆调节l型固定件的升降，来改变喷印平台的高度，并可通过螺杆联轴器实现自动空间浮动，实现曲面的生成。

所述万向节机构包括设置在承载平台上的下底座211、十字轴万向节213以及上底座212，所述十字轴万向节213的任意两根对称设置的轴与下底座铰接，所述十字轴万向节的另外两根轴与上底座铰接设置，利用十字轴万向节213和球铰可以实现旋转台的任意弧度的动作。

所述旋转台包括与球铰24固定连接的固定面236，设置在固定面236上的旋转台支座233，与旋转台支座233铰接设置的旋转台固定座234，所述旋转台固定座234与旋转台支座233之间设有a轴旋转机构237，所述a轴旋转机构237一端通过联轴器与交流伺服电动机连接，旋转台固定座上设置c轴旋转机构235，所述c轴旋转机构235一端通过联轴器与交流伺服电动机连接，所述c轴旋转机构235另一端与喷印平台固定连接。

本发明通过三个伺服交流电机驱动三根螺杆的伸缩以及两个交流伺服电机驱动两个旋转轴，三根杆长的变化和两个旋转轴的转角变化决定了喷印平台的空间位置和姿态，使固定于喷印平台上的曲面承载介质位姿也随之变化，实现不同曲面承载介质的曲面喷印。本发明通过设置球铰、万向节机构、螺旋副机构及旋转机构实现喷印平台在空间上各个位置和角度的移动和转动，从而使得曲面承载介质的类型更加多样化，更能满足不同的曲面喷印的需求。

本发明还提供了一种基于上述电流体动力学曲面喷印设备的喷印控制方法：将待喷印溶液注入注射器中，注射器通过软导管与喷印平台机构上方的喷头连接，通过沿垂直方向滑移的操作机构控制注射器的柱塞部件的位置，调控注射器中的压力，控制器通过控制高压电源的电压调节待喷印溶液的电场力，控制器通过三个伺服交流电机驱动三根螺杆的伸缩长度控制喷头与曲面承载介质之间的距离，设置好曲面承载介质待喷印的初始位置，调整好喷印溶液的射流形态，根据待喷印图案，控制器通过三个伺服交流电机驱动三根螺杆的伸缩以及两个交流伺服电机驱动两个旋转轴，调节三根螺杆长度的变化和两个旋转轴的转角变化控制喷印平台的空间位置和姿态，在注射器压力电场力作用下，带喷印溶液从注射器通过软导管流入喷头顶端，在高压电源的电场力作用下，带喷印溶液从喷头顶端射出，实现曲面承载介质的曲面喷印，其具体实现步骤如下：

（1）对电流体动力学曲面喷印设备进行参数初始化，并设置注射器的压力、高压电源的初始电压和喷头的喷印高度等参数；

（2）通过三维扫描仪对曲面承载介质的表面进行扫描，获取三维轮廓点云数据，并对点云数据进行数据处理，得到曲面承载介质的表面的三角网格，对三角网格进行处理，构建曲面承载介质的三维曲面模型；

（3）以数据文件、位图文件或矢量图形文件中的任意一个文件格式打开待喷印的图案文件；

（4）确定曲面承载介质上喷印的起始点位置，将待喷印的图案形状映射到曲面承载介质的三维模型的表面，得到曲面承载介质待喷印图案；

（5）对曲面承载介质上的待喷印图案制定喷印路径轨迹，喷印路径轨迹可以采用平行轨迹、环行轨迹、摆线式轨迹、放射轨迹、螺旋轨迹、垂直等高分层轨迹、曲面流线轨迹等轨迹中的任意一种路径轨迹进行喷印；

（6）调节电流体动力学曲面喷印设备的注射器的压力和高压电源的电压等参数，确保喷印溶液得到稳定的射流形态；

（7）对曲面承载介质上的待喷印图案的喷印路径轨迹，确定每个喷印周期的曲面承载介质表面的喷印位置，控制器通过三个伺服交流电机驱动三根螺杆的伸缩以及两个交流伺服电机驱动两个旋转轴，调节三根螺杆的变化和两个旋转轴的转角变化控制喷印平台的空间位置和姿态，确保喷印位置点距离喷头的高度等于喷印高度以及曲面承载介质的喷印位置的法线方向与喷头的轴向方向重合，从而实现在曲面承载介质表面电流体动力学图案喷印。

实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。