實(shí)驗(yàn)名稱：五軸電流體共形噴印的后處理算法研究

研究方向：射流的方向不是垂直向下，而是被側(cè)向的電場(chǎng)“拉”過去了。并且隨著基板的傾角增大，射流的偏移角度隨之增大，由此對(duì)打印產(chǎn)生了兩個(gè)問題：（1）由于射流被側(cè)向電場(chǎng)“拉”過去了，導(dǎo)致射流的落點(diǎn)和噴嘴實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡不一致，影響了打印的定位精度；（2）噴嘴和基板之間法向距離會(huì)減小，而噴嘴和基板之間電壓是固定的，意味著極間場(chǎng)強(qiáng)會(huì)增大，從而導(dǎo)致電流體噴印射流出現(xiàn)紊亂。以上兩個(gè)問題限制了電流體噴印工藝在曲面打印方面的應(yīng)用，為了避免曲面電場(chǎng)對(duì)電流體噴印射流的影響，提高在曲面工況下電流體噴印的質(zhì)量，提出了五軸電流體共形噴印工藝方法。

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、函數(shù)發(fā)生器、噴頭、氣閥、工業(yè)相機(jī)、PC工控機(jī)等。

實(shí)驗(yàn)過程：

圖1：五軸電流體共形噴印原理圖

如圖1所示，將電流體噴印工藝和五軸加工技術(shù)結(jié)合在一起，五軸聯(lián)動(dòng)平臺(tái)由XYZ三個(gè)線性平移軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸組成，通過兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸可以使噴嘴始終和曲面基板的法線重合。由于噴嘴和電場(chǎng)線始終平行，因此電場(chǎng)不會(huì)對(duì)射流產(chǎn)生影響，從而達(dá)到提高打印質(zhì)量的目的。

圖2：五軸電流體共形噴印實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

搭建了如圖2所示的五軸電流體共形噴印實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，該平臺(tái)為曲面電子集成制造裝備的一個(gè)模塊。運(yùn)動(dòng)部分主要由三個(gè)平移軸XYZ和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸AC組成，AC軸位于XY軸上面，曲面基板固定在C軸的基座上，運(yùn)動(dòng)軸通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。每個(gè)運(yùn)動(dòng)軸上安裝有光柵尺，運(yùn)動(dòng)控制卡UMAC通過光柵尺反饋的位置實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)軸的閉環(huán)控制。五軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在UMAC的控制下可以實(shí)現(xiàn)噴嘴在曲面基板上的垂直打印，從而避免曲面電場(chǎng)的影響。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)還集成了實(shí)現(xiàn)電流體噴印工藝所需的各種硬件，高壓電源的正負(fù)極接在噴嘴和基板之間，流量泵固定在Z軸上面，噴頭安裝在精密流量泵上，定位相機(jī)垂直于基板，觀測(cè)相機(jī)對(duì)準(zhǔn)噴嘴。由1原理圖可知，五軸電流體共形噴印平臺(tái)分為運(yùn)動(dòng)模塊、電壓模塊、墨液供給模塊和視覺模塊四個(gè)部分。

（1）運(yùn)動(dòng)模塊由運(yùn)動(dòng)模組和運(yùn)動(dòng)控制卡組成，運(yùn)動(dòng)模組由三個(gè)平移軸和兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸組成，其中AC軸位于XY軸上，該布局為一個(gè)雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)控制卡采用可編程多軸運(yùn)動(dòng)控制器UMAC，UMAC為開發(fā)者提供了PComm32動(dòng)態(tài)鏈接庫。運(yùn)動(dòng)控制卡通過執(zhí)行數(shù)控代碼文件，可以使多軸聯(lián)動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)五軸共形打印。

（2）電壓模塊由函數(shù)發(fā)生器和高壓放大器組成。NI-VISA提供了USB通信協(xié)議接口，上位機(jī)程序通過發(fā)送SCPI程控指令可以使函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生方波、正弦波和三角波等各種波形，電壓信號(hào)通過高壓放大器擴(kuò)大1000倍加載到噴嘴和基板之間，不同波形的電信號(hào)可以使噴嘴產(chǎn)生不同形態(tài)的電流體噴印射流。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

提出了五軸電流體共形噴印，然后搭建了五軸電流體共形噴印平臺(tái)。由于雙轉(zhuǎn)臺(tái)五軸聯(lián)動(dòng)平臺(tái)的軸坐標(biāo)為P(x，y，z，a，c)，而前處理得到的插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)為P(x，y，z，i，j，k)，針對(duì)軸坐標(biāo)和插補(bǔ)坐標(biāo)之間的非對(duì)等關(guān)系，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)求解建立了插補(bǔ)點(diǎn)坐標(biāo)和平臺(tái)軸坐標(biāo)之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。五軸切削加工采用固定進(jìn)給率F的方式，無法反映工件坐標(biāo)系下的打印速度，從而會(huì)導(dǎo)致五軸電流體噴印打印粗細(xì)不均。基于分段三次埃爾米特插值法對(duì)插補(bǔ)段的位置、速度和時(shí)間進(jìn)行了約束，提高了打印速度的均勻性，同時(shí)保證了每個(gè)插補(bǔ)段的過渡位置速度和加速度平滑過渡。

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審核編輯 黃宇