专利名称：五轴联动控制立体打印设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种五轴联动控制系统及方法，尤其涉及一种五轴联动控制立体打印设备及方法。
背景技术：
目前普遍使用的打印机都是针对各种平面材质表面进行的，如纸张、皮革、塑料、 玻璃、金属等，这种打印机已经广泛应用于办公及家庭用途。通常的打印方式，一方面被打印实体的表面按相对打印头作输送运动(或打印头实际运动，被打印表面静止)，同时打印头沿与被打印实体相对输送运动垂直方向扫描移动，并进行打印。这些打印机全部是应用于平面打印，也就是二维打印。对于三维立体物品的表面上色，一般还是采用手工或半手工的方式，比如利用热印纸的方式，或者直接用手工上色。 这种对于三维立体物品表面上色的方式，已经严重影响了产品批量生产的效率和质量，因此对于三维立体物品进行立体打印的需求，近年来已经非常紧迫，但目前还未见到任何成熟的立体打印机产品上市。立体打印设备，首先需要具备合理的机械结构，保证打印头可以达到三维立体物品表面的任意位置，从而进行喷涂上色工作；其次必须有合理的控制系统，保证整个设备的运动控制与打印控制同步、精确进行；同时还必须有合理的三维立体彩色计算机辅助设计和辅助加工系统，保证提供打印工作必需的运动轨迹规划和同步颜色解析；最后还需要有准确的校准机构，以完成多色喷涂的重复性和一致性。
发明内容
本发明公开了一种五轴联动控制立体打印设备的实现方法，该设备用于实现任意三维立体实体表面的喷墨打印功能，主要包括控制系统、机械运动结构和打印系统，其中 控制系统以五轴联动运动控制为基础，同步实现运动控制和打印控制，同时实现三维立体彩色计算机辅助设计和辅助加工功能，还实现了立体打印必需的五轴联动运动轨迹规划和同步颜色解析功能；机械运动结构采用一种五轴联动机械结构，实现了三个直线运动和两个旋转运动的联动功能；打印系统采用四个具有独立伸缩功能的喷头部分实现CMYK四色喷墨打印功能。其中控制系统主要结构为采用多通用PC(个人计算机)并行处理结构，采用了多个通用PC分别完成不同的任务，核心结构是两台PC配合通用I/O板卡，PC之间通过实时数据链路实现实时数据交互，完成并行控制的任务；第一台PC运行于通用多任务处理操作系统软件平台，主要完成三维处理、运动轨迹规划、色彩解析、计算机辅助设计和辅助加工处理、人机交互、多媒体、网络通讯功能；第二台PC运行于通用强实时操作系统软件平台， 在第二台PC上通过配置多种计算机通用总线多功能板卡、运动控制板卡、总线通讯板卡加其它控制器来实现不同的实时运动控制、实时打印控制、实时运动控制与实时打印控制之间的同步控制和其它辅助控制功能。
其中，第二台PC上配置的多种计算机通用总线包括PCI、PCIE、ISA、CompactPCI, PXI、PXIE 禾口 VXI。其中，控制系统在核心结构的基础上，具备扩展成配备更多的通用PC或服务器的能力，扩展部分通过实时或非实时数据链路来完成协同工作，包括作为图形服务器的第三台PC，用于三维处理、计算机辅助设计和辅助加工处理；作为远程数据服务器的第四台PC， 以通过有线或无线网络实现与各远程服务器或终端之间的交互操作与数据传输；作为冗余实时PC的第五台PC，基本结构与核心结构中的第二台PC—样，用于出现潜在问题和故障时进行冗余处理；作为监测PC的第五台PC，所述第五台PC选择采用多种计算机通用总线体系结构，配备各种多功能采集板卡用于实现机电系统状态监测和故障预处理功能。其中，远程服务器或终端包括远程加工调度管理中心、远程编程服务中心或远程技术支持中心。其中，第五台PC上配置的多种计算机通用总线包括PCI、PCIE、ISA, CompactPCI, PXI、PXIE 禾口 VXI。其中，机械运动结构采用五轴联动机械结构，被打印实体安装在二维转台上，二维转台的第一个转动部分绕Y轴旋转运动，实现A向旋转，同时第二个转动部分安装在第一个转动部分的台面上，第二个转动部分绕垂直于第一个转动部分平面的法线方向作旋转运动，实现B向旋转；二维转台同时安装在Z向上下平移运动的支撑台面上，随支撑平面作沿 Z向的上下平移运动；喷头部分安装在作X向和Y向平移运动的支架上，同时作X向和Y向的平移运动；通过被打印对象和喷头的相对运动，实现了 X、Y、Z三个平移运动和A向、B向两个旋转运动，从而实现了五轴联动的运动机械结构，使喷头喷嘴可以到达被打印实体上任意位置，并保持合理的打印距离。其中，打印系统的每个喷嘴为细长管结构，分别连接四色墨盒；喷墨方式采用按需喷墨，按CMYK四色分别给被打印对象进行上色，即先上C，接着M,然后Y，最后K，每次利用一个颜色的喷嘴在被打印实体表面需要喷涂该颜色的部分上色，这时该喷嘴采用气动缸或其它机械结构保证比其它三个喷嘴伸出一定距离，从而保证喷嘴不与被打印实体表面产生干涉，实现给各种形状准确上色；喷墨控制采用压电陶瓷、热泡或其它通用的控制方式。其中，在被打印对象表面形状允许的情况下实现四色喷嘴同时喷墨。其中，所述的五轴联动控制立体打印设备还包括校准系统，校准系统采用多个摄像头进行图像识别，实现被打印实体的基准对齐功能；第一种颜色打印开始，首先在特殊位置用第一种色打印出特殊标志，然后进行第一种颜色的打印工作；换成第二种颜色的喷头部分以后，所述校准系统采用两个以上独立的高分辨率摄像头分别对特殊标志进行图像采集，并根据图像识别技术，分解出在X、Y、Z、A、B五个自由度上的偏差，根据偏差控制五个运动轴进行纠偏，纠偏完成后再进行第二种颜色的打印，并在特殊位置用第二种颜色打印同样的特殊标志；同样对于第三和第四种颜色的打印，也需要采用图像识别方式先进行纠偏， 再进行打印，并分别用第三种颜色和第四种颜色打印特殊标志最终完成CMYK四色打印工作。提供了一种五轴联动控制立体打印设备的控制方法，包括1)首先控制系统内第一台或第三台PC根据被打印三维立体实体的计算机辅助设计造型文件、也可根据三坐标测量机或三维摄像机取得的三维造型文件实现五轴联动运动
6轨迹规划；2)接着实现同步颜色解析功能，利用第一台或第三台PC中的色彩解析软件模块， 根据五轴联动加工轨迹代码程序形成既包含细插补五轴运动轨迹，也包含色彩信息的工件立体喷涂上色加工数据文件；3)然后同步实现五轴联动运动控制和打印控制，第一台和第二台PC并行工作的运动控制软件模块首先根据五轴运动轨迹代码文件进行插补运算、刀具补偿、加减速控制等算法，输出对X、Y、z、A、B五个轴的控制指令，实现了 X、Y、Z三个平移运动和A、B两个旋转运动，从而实现了五轴联动的运动机械结构，使喷头部分喷嘴可以到达被打印实体上任意曲面位置，并保持合理的打印距离；同时，控制系统的主控子系统和实时控制子系统并行工作的打印控制软件模块根据工件立体喷涂上色加工数据文件，与五轴运动同步控制四个单色喷头部分(CMYK)分别进行喷墨打印工作，喷墨方式采用按需喷墨，可按CM^(四色分别给被打印对象进行上色，即先上C，接着M，然后Y，最后K，也可在表面形状允许的情况下实现四色喷嘴同时喷墨，以提高打印速度；每次利用一个颜色的喷嘴在被打印对象表面需要喷涂该颜色的部分上色，这时该喷嘴会采用气动缸或其它机械结构保证比其它三个喷嘴伸出更多距离，从而保证喷嘴不与被打印对象表面产生干涉，可以给各种形状准确上色，尤其是比较深的凹陷部分也可以做到准确上色。其中，在按CM^(四色分别给被打印对象进行上色的过程中，每打印完一个颜色， 进行校准工作，即先打印特殊标志，然后进行该颜色的打印；前一个颜色打印完成后，根据摄像头对特殊标志的图像识别，利用第一台和第二台PC中并行工作的校准软件模块分解出在X、Y、Z、A、B五个自由度上的偏差，进行位置纠偏；再依次类推，继续进行其它颜色的打印工作，直至全部打印工作完毕。其中，在步骤1)中，先编辑被打印三维立体实体的计算机辅助设计造型文件后输出两种格式的造型文件，分别为带色彩信息的格式文件和不带色彩信息的造型文件，对于不带色彩信息的造型文件，利用第一台或第三台PC中的三维快速成型软件生成CAM所需的中间文件格式，进一步利用第一台或第三台PC中的CAM软件和后处理模块生成五轴联动加工轨迹代码程序，而对于带色彩信息的造型文件，利用第一台或第三台PC中的数据转换模块将带色彩信息格式文件重新编译，形成具有索引顺序并可快速查询的各子面参数数据文件。 其中，在步骤2)中，利用第一台或第三台PC中的色彩解析软件模块，根据五轴联动加工轨迹代码程序，根据喷嘴直径确认加工速度，以这个加工速度对五轴联动加工轨迹进行更细的插补工作，同时针对每个点在数据转换软件模块生成的子面参数数据文件中搜寻对应的颜色，以形成所述的加工数据文件。本发明实现了一种对于任意三维立体实体表面进行快速彩色喷墨打印的方法，突破了传统平面打印的使用约束，解决了对于具有复杂曲面的实体工件直接进行三维立体喷墨打印的难题，同时会大大提高复杂表面三维实体的喷墨上色速度和效率，适用于多种立体打印和印刷的需求。
图1为控制系统结构简图2为五轴联动控制立体打印设备的运动关系图；图3为五轴联动控制立体打印设备三维结构简图；图4A为五轴联动控制立体打印设备结构主视图；图4B为五轴联动控制立体打印设备结构右视图；图4C为五轴联动控制立体打印设备结构俯视图；图5为打印系统三维结构示意图；图6A为打印系统结构主视图；图6B为打印系统结构左视图；图6C为打印系统结构俯视图；图7为基本工作流程图。201为沿X向直线移动，202为沿Y向直线移动，204为A向旋转运动，203为B向旋转运动，205为沿Z向直线移动
具体实施例方式五轴联动控制立体打印设备分为控制系统、机械运动结构、打印系统和校准系统， 下面分别介绍。1.控制系统五轴联动控制立体打印设备的控制系统部分是整个设备的核心，有了上述的五轴联动机械结构和特殊的打印系统结构，控制系统部分需要把五轴联动运动控制和打印控制紧密结合起来，同时充分利用软件优势实现从三维立体彩色造型到实体运动轨迹规划和三维色彩定位解析的功能，才能实现完整的立体打印功能。因此控制系统部分不仅要满足各种实时运动控制和同步打印控制的需求，还必须具有强大的运动轨迹规划和三维色彩定位解析的功能，能同时满足这些功能的控制系统需要既有很强的实时控制能力，还需要具备同步控制能力，同时还必须具备很强的三维造型处理、色彩解析、计算机辅助设计和辅助加工(CAD/CAM)处理等能力。由于目前主要的三维造型软件、CAD/CAM软件都是运行在多任务处理操作系统软件平台上的，而适用于本设备的控制系统还必须具有强大的实时控制功能，即必须有强实时操作系统作为软件平台基础，因此单一的通用操作系统软件平台无法满足本控制系统的需求。本发明公开了一种多工业PC并行处理结构的控制系统结构用于五轴联动控制立体打印设备。这种多通用PC(可以采用工业级PC或其它类型)并行处理结构的控制系统， 采用了多个PC分别完成不同的任务，核心结构是两台PC配合通用I/O板卡，PC之间通过实时数据链路实现实时数据交互，完成并行控制的任务；第一台PC运行于通用多任务处理操作系统软件平台(如Windows，Linux等)，主要完成三维处理、运动轨迹规划、色彩解析、 计算机辅助设计和辅助加工处理、人机交互、多媒体、网络通讯功能；第二台PC运行于通用强实时操作系统软件平台(如DOS，QNX, Pharlap等)，在这台PC上通过配置不同的PCI、 PCIE、ISA、CompactPCI、PXI、PXIE、VXI等多种计算机通用总线多功能板卡、运动控制板卡、 总线通讯板卡加其它控制器来实现不同的实时运动控制、打印控制和其它辅助控制功能， 主要实现实时运动控制与实时打印控制，以及二者之间的同步控制，还有在线信息处理等工作。这种结构既充分发挥了通用多任务处理操作系统软件平台上丰富的三维处理、色彩解析、计算机辅助设计和辅助加工处理、人机交互、多媒体、网络通讯等强大功能，又同步地保证了具备强实时控制能力。在核心结构的基础上，可以扩展成配备更多的通用PC或服务器都通过实时或非实时数据链路来完成协同工作，比如可以配备一台图形服务器(第三台PC)，用于三维处理、计算机辅助设计和辅助加工处理等；还可以配备一台远程数据服务器(第四台PC)，以通过有线和无线网络实现与各远程服务器或终端之间的交互操作与数据传输；同样可以配备一台冗余实时PC，基本结构与针对核心结构中的第二台实时处理PC 一样，用于出现潜在问题和故障时进行冗余处理；另外还可以配置一台PC并选择采用PCI、 PCIE、ISA、CompactPCI, PXI、PXIE、VXI等多种计算机通用总线体系结构，配备各种多功能采集板卡用于实现机电系统状态监测和故障预处理功能。该控制系统的结构简图见图6。本发明公布的五轴联动控制立体打印设备控制系统包括主控子系统、实时控制子系统、图形服务子系统、远程服务子系统、扩展子系统和内部数据链路。与该控制系统相关的还有远程加工调度管理中心、远程加工编程服务中心、远程技术支持中心、远程状态监测和故障诊断中心及外部有线和无线通讯网络。在图1中，五轴联动控制立体打印设备控制系统101中主要包括102、103、104、 105、106、107几个子系统，其中102为主控子系统(核心控制部分之一)，实现主控软件功能，包括对实时控制子系统进行监控、三维处理、色彩解析、计算机辅助设计和辅助加工处理、人机交互、多媒体、 网络通讯等功能。该子系统为并行处理主程序运行机，与其他子系统进行并行处理，并行处理数据链路实现数据交互；103为实时控制子系统(核心控制部分之一)，完成实时运动控制、打印控制和其它辅助控制功能，包括实时在线插补和刀补功能、直接运动控制和辅助控制功能、打印控制、以及通过各种总线通讯加运动控制器实现的控制功能、实时控制系统状态监测功能等； 该子系统可根据用户需求通过配置不同的PCI、PCIE、ISA、CompactPCI、PXI、PXIE、VXI等多种计算机通用总线多功能I/O板卡、运动控制板卡、总线通讯板卡加运动控制器来实现不同的实时运动控制、打印控制和其它辅助控制功能；该子系统服从子系统102的监控与管理，与子系统102实时并行工作；104为图形服务子系统(扩展功能部分之一)，配备专用图形服务器，可以用于完成不需要实时处理的三维图形处理、运动轨迹规划、色彩解析、计算机辅助设计和辅助加工处理等功能；该子系统是为主控子系统102的工作而服务的，可以选择使用；105为远程服务子系统(扩展功能部分之一)，配备专用服务器，既可以通过控制系统内部数据链路与各子系统通讯，也可以通过有线和无线网络实现与各远程服务器或终端之间的交互操作与数据传输，主要完成远程加工调度管理、远程加工编程服务、远程技术支持服务、远程技术升级服务和远程状态监测与故障诊断服务；该子系统是为了进一步扩展核心控制系统部分的远程服务功能而配备的，可以选择使用；106为其它扩展子系统(扩展功能部分之一)，主要用于更多的需求扩展而准备， 如可以扩展专用的设备远程状态监测和故障诊断子系统、扩展更多的实时控制子系统和冗余子系统，扩展专用的数据服务器子系统等；扩展子系统根据需求而定，不限数量和功能， 可以选择使用；
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107为内部数据链路(核心功能部分之一)，分为实时数据链路和非实时数据链路两种，子系统102和103之间为实时数据链路，其它子系统之间可为实时数据链路或非实时数据链路，内部数据链路可以采用多种通讯方式，如实时以太网络、各种现场总线，甚至无线网络等。108为远程加工调度管理中心平台(扩展功能部分之一)，它根据调度管理中心具体需求提供调度指令，发给子系统105实现远程加工调度管理；109为远程加工编程服务中心(扩展功能部分之一)，它可以根据用户具体需求， 将定制的加工程序发送到子系统105，由子系统105转发给子系统102，帮助用户实现特殊部件的加工编程服务；110为远程技术支持中心(扩展功能部分之一)，它可以根据用户具体需求，进行各种技术支持服务，并可以提供技术升级服务；111为远程状态监测和故障诊断中心(扩展功能部分之一)，它根据子系统101对加工设备整体机电系统状态监测和故障预处理得到的数据包，实现远程状态监测和故障诊断、分析、处理的功能；112为外部有线或无线通讯网络，子系统105通过这个网络实现与外部108、109、 110、111的信息交互。2.机械运动结构五轴联动控制立体打印设备的机械运动结构采用五轴联动机械结构进行设计，运动关系见图2所示。被打印实体安装在二维转台上，二维转台的第一个转动部分可以绕Y 轴旋转运动(A向旋转)，同时第二个转动部分安装在第一个转动部分的台面上，第二个转动部分可以绕垂直于第一个转动部分平面的法线方向作旋转运动(B向旋转)；二维转台同时安装在Z向上下平移运动的支撑台面上，随支撑平面作沿Z向的上下平移运动；喷头部分安装在可以作X向和Y向平移运动的支架上，可以同时作X向和Y向的平移运动。通过被打印实体和喷头的相对运动，实现了 X、Y、Z三个平移运动和A、B两个旋转运动，从而实现了五轴联动的运动机械结构，进一步使喷头喷嘴可以到达被打印实体上任意曲面位置，并保持合理的打印距离，实现三维立体打印的基本运动需求。五轴联动控制立体打印设备的运动机械结构简图见图3五轴联动控制立体打印设备结构简图和图4A、4B、4C五轴联动控制立体打印设备结构投影简图。图4A、4B和4C中，401为X轴驱动电机；402为Z轴驱动电机；403为Z轴传动丝杠；404和407为校准用摄像头；405为X轴传动丝杠；406为喷头部分；408为二维转台回转动作台面；409为二维转台倾斜动作驱动电机；410为Y轴传动丝杠；411为Y轴驱动电机； 412为Z向导轨；413为二维转台倾斜动作台面(回转动作驱动电机位于该部分内部)。X、Y、Z向驱动电机401、411、402接收控制系统指令，通过传动丝杠和导轨实现在 X、Y、Z三个方向上的直线运动，其中打印系统在X、Y方向作直线运动，二维转台在Z向作上下直线运动；二维转台倾斜动作驱动电机409接收控制系统指令，驱动倾斜动作台面绕Y轴作旋转运动；位于二维转台倾斜动作台面内的回转动作驱动电机接收控制系统指令，驱动回转动作台面绕X轴作旋转运动。这三个直线运动和两个旋转运动实现了五轴联动的运动功能。3.打印系统
五轴联动控制立体打印设备打印系统的结构跟普通的喷墨打印机有一定的不同， 普通的喷墨打印机的喷头具有多组CMYK四色喷嘴，每个喷嘴直径比较小，但喷头总体尺寸比较大，目的是为了提高打印速度。五轴联动控制立体打印设备由于要完成各种复杂曲面的打印喷涂工作，尤其是需要对很多凹陷的表面进行打印，所以喷头不能体积过大，否则会产生喷头与工件表面干涉的现象，无法准确接近被打印表面而进行打印。因此五轴联动控制立体打印设备的打印系统需要特殊的结构和实现方式首先喷头的尺寸要比较小，即采用CMYK四个颜色的单独喷嘴，每个喷嘴为细长管结构，分别连接四色墨盒；每个喷嘴的直径比通用喷墨打印机的喷嘴直径稍大，这样可以保证加工速度不会降低很多；喷墨方式采用按需喷墨，可按CM^(四色分别给被打印实体进行上色，即先上C，接着M，然后Y，最后K，也可在表面形状允许的情况下实现四色喷嘴同时喷墨，以提高打印速度；每次利用一个颜色的喷嘴在被打印实体表面需要喷涂该颜色的部分上色，这时该喷嘴会采用气动缸或其它机械结构保证比其它三个喷嘴伸出更多距离，从而保证喷嘴不与被打印实体表面产生干涉，可以给各种形状准确上色， 尤其是比较深的凹陷部分也可以做到准确上色；单独的喷嘴可以根据具体需求实现同色喷嘴成组方式，以提高打印速度，前提是必须保证喷嘴组的尺寸满足被打印实体表面最狭窄的形状需求；喷墨控制可采用压电陶瓷、热泡等其它通用的控制方式。五轴联动控制立体打印设备的打印系统结构见图5三维结构示意图和图6A、6B和 6C结构投影简图。图 6B 中，601、602、615、616 分别为 CMYK 四色墨盒；603、605、612、614 分别为四根导墨管；604,606,611,613分别为四个喷头；607,608,609,610分别为四个喷嘴；617中集成了打印驱动模块、伸缩运动驱动模块及运动机构。4.校准系统本发明公开的五轴联动控制立体打印设备校准系统主要用于CMYK四色喷头分别上色的过程中进行被打印实体的基准对齐。第一种颜色打印开始，首先在特殊位置用第一种色打印出特殊标志(一般为十字线，也可以为其它形状)，然后进行第一种颜色的打印工作；换成第二种颜色的喷头以后，采用两个以上独立的高分辨率摄像头分别对标志进行图像采集，并根据图像识别技术，分解出在X、Y、Z、A、B五个自由度上的偏差，根据偏差控制五个运动轴进行纠偏，纠偏完成后再进行第二种颜色的打印，并在特殊位置用第二种颜色打印同样的特殊标志；同样对于第三和第四种颜色的打印，也需要采用图像识别方式先进行纠偏，再进行打印，并分别用第三种颜色和第四种颜色打印特殊标志最终完成CMYK四色打印工作。校准系统的控制主要由子系统102和103同步完成，子系统103连接摄像头，采集图像信号，并且进行图像识别与纠偏功能。图7是基本工作流程图，按以下步骤执行1)系统启动后，各子系统分别进行自检，包括主控子系统102、实时控制子系统 103、图形服务子系统104和远程服务子系统105，否则进行故障处理；2)远程服务系统105分别运行远程加工调度服务处理、远程系统升级服务处理、 远程数控编程服务处理，如果这三个处理步骤有来自各远程中心的指令和处理要求，分别进行对应处理，之后运行远程状态监测和故障处理服务；
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3)主控子系统102验证用户使用权限，确认后进入正式运行环境；4)利用子系统102或104中的三维造型软件编辑被打印物品的三维造型，输出两种格式的造型文件，分别为带色彩信息的格式文件和不带色彩信息的造型文件；5)对于不带色彩信息的造型文件，利用子系统102或104中的三维快速成型软件生成CAM所需的中间文件格式；6)接下来利用子系统102或104中的CAM软件和后处理模块生成五轴联动加工轨迹代码程序；7)同步于第5)步，对于带色彩信息的造型文件，利用子系统102或104中的数据转换模块将带色彩信息格式文件重新编译，形成具有索引顺序并可快速查询的各子三角面参数数据文件；8)然后，利用子系统102或104中的色彩解析软件模块，根据五轴联动加工轨迹代码程序，进行细插补工作，即根据喷嘴直径确认加工速度，以这个加工速度对五轴联动加工轨迹进行更细的插补工作，同时针对每个点在数据转换软件模块生成的子三角面参数数据文件中搜寻对应的颜色，最终形成既包含细插补五轴运动轨迹，也包含色彩信息(CMYK值) 的工件立体喷涂上色加工数据文件；9)利用子系统102和103并行工作的运动控制软件模块根据五轴运动轨迹代码文件控制五轴联动运行；同时，利用子系统102和103并行工作的打印控制软件模块根据工件立体喷涂上色加工数据文件，与五轴运动同步控制四个单色喷头分别进行喷墨打印工作；10)子系统102和103并行工作的运动控制软件模块首先根据五轴运动轨迹代码文件进行插补运算、刀具补偿、加减速控制等算法，输出对X、Y、z、A、B五个轴的控制指令， 分别驱动连接于X、Y、Z、A、B五个轴的驱动电机进行运动，被打印实体安装在二维转台上， 二维转台的第一个转动部分可以绕Y轴旋转运动(A向旋转)，同时第二个转动部分安装在第一个转动部分的台面上，第二个转动部分可以绕垂直于第一个转动部分平面的法线方向作旋转运动(B向旋转)；二维转台同时安装在Z向上下平移运动的支撑台面上，随支撑平面作沿Z向的上下平移运动；喷头部分安装在可以作X向和Y向平移运动的支架上，可以同时作X向和Y向的平移运动。通过被打印实体和喷头的相对运动，实现了 X、Y、Z三个平移运动和A、B两个旋转运动，从而实现了五轴联动的运动机械结构，进一步使喷头喷嘴可以到达被打印实体上任意曲面位置，并保持合理的打印距离，实现三维立体打印的基本运动需求；同时，子系统102和103并行工作的打印控制软件模块根据工件立体喷涂上色加工数据文件，与五轴运动同步控制四个单色喷头(CMYK)分别进行喷墨打印工作，喷墨方式采用按需喷墨，可按CMYK四色分别给被打印实体进行上色，即先上C，接着M，然后Y，最后K，也可在表面形状允许的情况下实现四色喷嘴同时喷墨，以提高打印速度；每次利用一个颜色的喷嘴在被打印实体表面需要喷涂该颜色的部分上色，这时该喷嘴会采用气动缸或其它机械结构保证比其它三个喷嘴伸出更多距离，从而保证喷嘴不与被打印实体表面产生干涉， 可以给各种形状准确上色，尤其是比较深的凹陷部分也可以做到准确上色；11)每打印完一个颜色，进行校准工作，即先打印特殊标志，然后进行该颜色的打印；前一个颜色打印完成后，根据摄像头对特殊标志的图像识别，分解出在X、Y、Z、A、B五个自由度上的偏差，进行位置纠偏；再依次类推，继续进行其它颜色的打印工作，直至全部打印工作完毕。
尽管已根据较佳实施方式对本发明进行了描述，但是应该理解，在不背离权利要求书所阐明的真实精神和范围的情况下可以做出各种改变和修改。
权利要求
1.一种五轴联动控制立体打印设备，其特征在于该设备用于实现任意三维立体实体表面的喷墨打印功能，主要包括控制系统、机械运动结构和打印系统，其中控制系统以五轴联动运动控制为基础，同步实现运动控制和打印控制，同时实现三维立体彩色计算机辅助设计和辅助加工功能，还实现了立体打印必需的五轴联动运动轨迹规划和同步颜色解析功能；机械运动结构采用一种五轴联动机械结构，实现了三个直线运动和两个旋转运动的联动功能；打印系统采用四个具有独立伸缩功能的喷头部分实现CMYK四色喷墨打印功能。
2.如权利要求1所述的五轴联动控制立体打印设备，其特征在于所述控制系统主要结构为采用多通用PC(个人计算机)并行处理结构，采用了多个通用PC分别完成不同的任务，核心结构是两台PC配合通用I/O板卡，PC之间通过实时数据链路实现实时数据交互， 完成并行控制的任务；第一台PC运行于通用多任务处理操作系统软件平台，主要完成三维处理、运动轨迹规划、色彩解析、计算机辅助设计和辅助加工处理、人机交互、多媒体、网络通讯功能；第二台PC运行于通用强实时操作系统软件平台，在第二台PC上通过配置多种计算机通用总线多功能板卡、运动控制板卡、总线通讯板卡加其它控制器来实现不同的实时运动控制、实时打印控制、实时运动控制与实时打印控制之间的同步控制和其它辅助控制功能。
3.如权利要求2所述的五轴联动控制立体打印设备，其特征在于所述第二台PC上配置的多种计算机通用总线包括PCI、PCIE、ISA、CompactPCI、PXI、PXIE和VXI。
4.如权利要求2所述的五轴联动控制立体打印设备，其特征在于所述控制系统在核心结构的基础上，具备扩展成配备更多的通用PC或服务器的能力，扩展部分通过实时或非实时数据链路来完成协同工作，包括作为图形服务器的第三台PC，用于三维处理、计算机辅助设计和辅助加工处理；作为远程数据服务器的第四台PC，以通过有线或无线网络实现与各远程服务器或终端之间的交互操作与数据传输；作为冗余实时PC的第五台PC，基本结构与核心结构中的第二台PC—样，用于出现潜在问题和故障时进行冗余处理；作为监测PC的第五台PC，所述第五台PC选择采用多种计算机通用总线体系结构，配备各种多功能采集板卡用于实现机电系统状态监测和故障预处理功能。
5.如权利要求4所述的五轴联动控制立体打印设备，其特征在于所述远程服务器或终端包括远程加工调度管理中心、远程编程服务中心或远程技术支持中心。
6.如权利要求4所述的五轴联动控制立体打印设备，其特征在于所述第五台PC上配置的多种计算机通用总线包括PCI、PCIE、ISA、CompactPCI、PXI、PXIE和VXI。
7.如权利要求1所述的五轴联动控制立体打印设备，其特征在于所述机械运动结构采用五轴联动机械结构，被打印实体安装在二维转台上，二维转台的第一个转动部分绕Y 轴旋转运动，实现A向旋转，同时第二个转动部分安装在第一个转动部分的台面上，第二个转动部分绕垂直于第一个转动部分平面的法线方向作旋转运动，实现B向旋转；二维转台同时安装在Z向上下平移运动的支撑台面上，随支撑台面作沿Z向的上下平移运动；喷头部分安装在作X向和Y向平移运动的支架上，同时作X向和Y向的平移运动；通过被打印对象和喷头部分的相对运动，实现了 X、Y、Z三个平移运动和A向、B向两个旋转运动，从而实现了五轴联动的运动机械结构，使喷头部分的喷嘴可以到达被打印实体上任意位置，并保持合理的打印距离。
8.如权利要求1所述的五轴联动控制立体打印设备，其特征在于所述打印系统的每个喷嘴为细长管结构，分别连接四色墨盒；喷墨方式采用按需喷墨，按CMYK四色分别给被打印对象进行上色，即先上C，接着M,然后Y，最后K，每次利用一个颜色的喷嘴在被打印实体表面需要喷涂该颜色的部分上色，这时该喷嘴采用气动缸或其它机械结构保证比其它三个喷嘴伸出一定距离，从而保证喷嘴不与被打印实体表面产生干涉，实现给各种形状准确上色；喷墨控制采用压电陶瓷、热泡或其它通用的控制方式。
9.如权利要求8所述的五轴联动控制立体打印设备，其特征在于在被打印对象表面形状允许的情况下实现四色喷嘴同时喷墨。
10.如权利要求8所述的五轴联动控制立体打印设备，其特征在于所述的五轴联动控制立体打印设备还包括校准系统，校准系统采用多个摄像头进行图像识别，实现被打印实体的基准对齐功能；第一种颜色打印开始，首先在特殊位置用第一种色打印出特殊标志，然后进行第一种颜色的打印工作；换成第二种颜色的喷头部分以后，所述校准系统采用两个以上独立的高分辨率摄像头分别对特殊标志进行图像采集，并根据图像识别技术，分解出在X、Y、Z、A、B五个自由度上的偏差，根据偏差控制五个运动轴进行纠偏，纠偏完成后再进行第二种颜色的打印，并在特殊位置用第二种颜色打印同样的特殊标志；同样对于第三和第四种颜色的打印，也需要采用图像识别方式先进行纠偏，再进行打印，并分别用第三种颜色和第四种颜色打印特殊标志最终完成CMYK四色打印工作。
11.如权利要求1所述的五轴联动控制立体打印设备的控制方法，其特征在于所述控制方法包括以下内容，1)首先控制系统内第一台或第三台PC根据被打印三维立体实体的计算机辅助设计造型文件、也可根据三坐标测量机或三维摄像机取得的三维造型文件实现五轴联动运动轨迹规划；2)接着实现同步颜色解析功能，利用第一台或第三台PC中的色彩解析软件模块，根据五轴联动加工轨迹代码程序形成既包含细插补五轴运动轨迹，也包含色彩信息的工件立体喷涂上色加工数据文件；3)然后同步实现五轴联动运动控制和打印控制，第一台和第二台PC并行工作的运动控制软件模块首先根据五轴运动轨迹代码文件进行插补运算、刀具补偿、加减速控制等算法，输出对X、Y、U、B五个轴的控制指令，实现了 X、Y、Z三个平移运动和A、B两个旋转运动，从而实现了五轴联动的运动机械结构，使喷头部分喷嘴可以到达被打印实体上任意曲面位置，并保持合理的打印距离；同时，控制系统的主控子系统和实时控制子系统并行工作的打印控制软件模块根据工件立体喷涂上色加工数据文件，与五轴运动同步控制四个单色喷头部分(CMYK)分别进行喷墨打印工作，喷墨方式采用按需喷墨，可按CiffK四色分别给被打印对象进行上色，即先上C，接着M，然后Y，最后K，也可在表面形状允许的情况下实现四色喷嘴同时喷墨，以提高打印速度；每次利用一个颜色的喷嘴在被打印对象表面需要喷涂该颜色的部分上色，这时该喷嘴会采用气动缸或其它机械结构保证比其它三个喷嘴伸出更多距离，从而保证喷嘴不与被打印对象表面产生干涉，可以给各种形状准确上色，尤其是比较深的凹陷部分也可以做到准确上色。
12.如权利要求11所述的控制方法，其特征在于在按CMYK四色分别给被打印对象进行上色的过程中，每打印完一个颜色，进行校准工作，即先打印特殊标志，然后进行该颜色的打印；前一个颜色打印完成后，根据摄像头对特殊标志的图像识别，利用第一台和第二台PC中并行工作的校准软件模块分解出在X、Y、z、A、B五个自由度上的偏差，进行位置纠偏； 再依次类推，继续进行其它颜色的打印工作，直至全部打印工作完毕。
13.如权利要求11或12所述的控制方法，其特征在于在步骤1)中，先编辑被打印三维立体实体的计算机辅助设计造型文件后输出两种格式的造型文件，分别为带色彩信息的格式文件和不带色彩信息的造型文件，对于不带色彩信息的造型文件，利用第一台或第三台PC中的三维快速成型软件生成CAM所需的中间文件格式，进一步利用第一台或第三台PC 中的CAM软件和后处理模块生成五轴联动加工轨迹代码程序，而对于带色彩信息的造型文件，利用第一台或第三台PC中的数据转换模块将带色彩信息格式文件重新编译，形成具有索引顺序并可快速查询的各子面参数数据文件。
14.如权利要求11或12所述的控制方法，其特征在于在步骤2)中，利用第一台或第三台PC中的色彩解析软件模块，根据五轴联动加工轨迹代码程序，根据喷嘴直径确认加工速度，以这个加工速度对五轴联动加工轨迹进行更细的插补工作，同时针对每个点在数据转换软件模块生成的子面参数数据文件中搜寻对应的颜色，以形成所述的加工数据文件。
全文摘要
本发明公开了一种五轴联动控制立体打印设备的实现方法，该设备用于实现任意三维立体实体表面的喷墨打印功能，主要包括控制系统、机械运动结构和打印系统，其中控制系统以五轴联动运动控制为基础，同步实现运动控制和打印控制，同时实现三维立体彩色计算机辅助设计和辅助加工功能，还实现了立体打印必需的五轴联动运动轨迹规划和同步颜色解析功能；机械运动结构采用一种五轴联动机械结构，实现了三个直线运动和两个旋转运动的联动功能；打印系统采用四个具有独立伸缩功能的喷头部分实现CMYK四色喷墨打印功能。
文档编号B41J2/21GK102173211SQ20101061418
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者石毅 申请人:石毅