本發(fā)明涉及三維曲面彩色打印系統(tǒng)，尤其是涉及一種五軸三維曲面彩色打印系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)前實現(xiàn)三維彩色打印的技術(shù)和方法包含兩類，一類是從材料顏色上進行調(diào)整，三維彩色打印機基于顏料三原色原理，通過控制紅黃綠三種顏色物料進料長度，可以獲得任意色彩，以此實現(xiàn)三維彩色打印，這種技術(shù)打印的工件顏色以漸變色為主，不易實現(xiàn)層內(nèi)像素顏色突變，需要在制造時直接考慮顏色等的問題。

另一類是表面彩色打印，汽車噴繪屬于三維曲面彩色打印，是對汽車外殼表面進行彩色噴繪。但該技術(shù)無法做到外周全角度表面打印，需要人工配合等，畫面顯得生硬、粗糙、不美觀，質(zhì)量無法保證。

為了解決上述問題，有研究人員提出了一些三維打印機，例如申請公布號cn102173211a的專利文獻公開了一種五軸聯(lián)動控制立體打印設(shè)備的實現(xiàn)方法，該設(shè)備用于實現(xiàn)任意三維立體實體表面的噴墨打印功能，主要包括控制系統(tǒng)、機械運動結(jié)構(gòu)和打印系統(tǒng)，其中：控制系統(tǒng)以五軸聯(lián)動運動控制為基礎(chǔ)，同步實現(xiàn)運動控制和打印控制，同時實現(xiàn)三維立體彩色計算機輔助設(shè)計和輔助加工功能，還實現(xiàn)了立體打印必需的五軸聯(lián)動運動軌跡規(guī)劃和同步顏色解析功能；機械運動結(jié)構(gòu)采用一種五軸聯(lián)動機械結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了三個直線運動和兩個旋轉(zhuǎn)運動的聯(lián)動功能；打印系統(tǒng)采用四個具有獨立伸縮功能的噴頭部分實現(xiàn)cmyk四色噴墨打印功能。

但是上述裝置的四個噴頭獨立設(shè)置，色彩噴繪單一，畫面不真實的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種五軸三維曲面彩色打印系統(tǒng)，對工件表面進行全角度彩色打印處理，打印效率更高，可以獲得高質(zhì)量、穩(wěn)定性高、真實的圖案。

一種五軸三維曲面彩色打印系統(tǒng)，包括噴繪模塊以及實現(xiàn)工件和噴繪模塊之間三個直線相對運動和兩個旋轉(zhuǎn)相對運動的五軸聯(lián)動機械結(jié)構(gòu)，所述噴繪模塊包括：

至少三個噴頭，圍繞中心軸中心對稱分布，各噴頭所在的軸線向下傾斜并相交于同一噴繪點；

至少三個裝料斗，用于裝不同顏色的顏料并分別向?qū)?yīng)的噴頭供料；

供料動力源，用于驅(qū)動顏料從噴頭噴出。

本發(fā)明的五軸三維曲面彩色打印系統(tǒng)，噴繪模塊設(shè)有多個軸線相交的噴頭，從而實現(xiàn)多色外部混合噴繪，配合五軸聯(lián)動機械結(jié)構(gòu)，噴繪色彩效果好。

三個直線和兩個旋轉(zhuǎn)運動具體是指在xyz坐標(biāo)系中實現(xiàn)x、y、z三個方向的運動，以及環(huán)繞x、z方向轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)五軸聯(lián)動。

在對三維曲面逐個像素點噴繪時，五軸聯(lián)動可以保證噴繪模塊距離工件表面距離恒定，使得噴繪點均勻一致；也使得噴繪模塊的軸線方向垂直于曲面像素點所在的切平面，獲得高質(zhì)量圖案。此外，噴繪模塊與工件曲面有4-6mm距離，在五軸平臺聯(lián)動下，可以適應(yīng)多種曲面結(jié)構(gòu)，尤其是大曲率曲面，可以實現(xiàn)整個工件表面噴繪。

優(yōu)選的，所述五軸聯(lián)動機械結(jié)構(gòu)包括：

delta運動機構(gòu)，裝有所述噴頭，實現(xiàn)三個直線運動；

二軸轉(zhuǎn)臺，用于裝載工件，實現(xiàn)兩個旋轉(zhuǎn)運動。delta運動機構(gòu)是一種并聯(lián)式運動機構(gòu)，本發(fā)明使用的是rostock型delta運動機構(gòu)，可以實現(xiàn)xyz三個方向運動。

優(yōu)選的，所述噴頭包括：

噴管，一端連接裝料斗，另一端為噴口；

環(huán)形氣道，布置在所述噴管的外周，所述環(huán)形氣道的環(huán)形出口圍繞在所述噴口的外周，所述供料動力源為氣動驅(qū)動源，所述氣動驅(qū)動源連接環(huán)形氣道；所述氣動驅(qū)動源向環(huán)形氣道通入高壓氣體，高壓氣體在環(huán)形出口噴出以在噴口處形成低壓使顏料噴出。

當(dāng)氣動驅(qū)動源向環(huán)形氣道通入高壓氣體，高壓氣體在噴口處噴出，由于氣體高速流動在噴頭處形成低壓使顏料噴出噴頭。

為了便于制造和安裝，優(yōu)選的，所述噴管和環(huán)形氣道一體成型。噴管和環(huán)形氣道為內(nèi)管和外管的結(jié)構(gòu)關(guān)系，便于制造和安裝。

優(yōu)選的，所述噴管在靠近噴口位置開始逐漸收縮至噴口，所述噴口的直徑為0.1mm～0.3mm。進一步優(yōu)選的，所述噴口直徑為0.15mm～0.25mm。優(yōu)點在于，顏料在氣動驅(qū)動源不工作的時候，不會滴落，也不會蒸發(fā)固化。

優(yōu)選的，所述環(huán)形氣道在靠近噴口位置開始逐漸收縮至噴口，所述環(huán)形出口的寬度為0.4mm～0.6mm，所述環(huán)形出口的內(nèi)環(huán)與所述噴口的距離為0.4mm～0.6mm。使得高壓氣體在非?？拷鼑娍谔幮纬傻蛪?，充分利用高壓氣體的流動性。所述環(huán)形出口的寬度是指外環(huán)的半徑減去內(nèi)環(huán)的半徑的長度。

為了簡化結(jié)構(gòu)，優(yōu)選的，設(shè)有三個噴頭和三個裝料斗，各裝料斗分別裝有載青、品紅、黃三種顏料。通過載青、品紅、黃每次的噴量得到每個點不同的顏色，達到彩色打印的目的。

為了提高精度，優(yōu)選的，所述噴頭還包括調(diào)整所述噴管傾斜角度的活動支架?；顒又Ъ芸梢哉{(diào)整噴繪點離噴頭的距離，可以進行調(diào)整，消除由裝配和加工誤差造成的三個噴頭噴繪點不能集中于一點的問題。

為了方便調(diào)劑、制造和安裝，優(yōu)選的，所述活動支架包括：

第一連桿，一端與五軸聯(lián)動機械結(jié)構(gòu)的動力輸出端鉸接，一端與所述噴頭固定連接；

第二連桿，一端與所述噴頭鉸接，另一端通過松緊螺釘與五軸聯(lián)動機械結(jié)構(gòu)的動力輸出端連接，與所述第一連桿和噴頭形成連桿機構(gòu)。旋轉(zhuǎn)松緊螺釘可以調(diào)節(jié)第二連桿的位置，從而帶動噴頭移動改變傾斜角度。

在對同一點進行噴射時，三個噴頭同時打開，顏料在空中混合再噴繪到工件表面。彩色噴繪頭通過固定架連接在delta運動機構(gòu)上，活動支架為連桿結(jié)構(gòu)，可以通過松緊螺釘調(diào)節(jié)噴頭的傾斜角度，可以調(diào)整噴繪點離噴頭的距離，可以進行微調(diào)，消除由裝配和加工誤差造成的三個噴頭噴點不能集中于一點的問題。

氣動驅(qū)動源即氣動驅(qū)動系統(tǒng)包括氣泵和電磁閥，通過精確控制電磁閥通斷時間來精確控制噴出氣體的流量，從而定量控制噴出的顏料。

本發(fā)明還公開了一種五軸三維曲面彩色打印方法，使用上述的五軸三維曲面彩色打印系統(tǒng)，包括以下步驟：

(1)通過五軸聯(lián)動機械結(jié)構(gòu)調(diào)整工件和噴繪模塊之間的位置關(guān)系，使噴繪點靠近或位于待噴繪表面；

(2)根據(jù)噴繪表面所需的顏色確定各噴頭的噴量，控制所有噴頭同時噴灑顏料并在噴繪點混合后噴在噴繪表面。

具體的，采用本發(fā)明系統(tǒng)進行三維曲面彩色打印工作時，通過粘合劑把待噴繪工件固定在二軸轉(zhuǎn)臺，這里設(shè)定工件原點和五軸三維曲面彩色打印系統(tǒng)原點重合。五軸三維曲面彩色打印系統(tǒng)獲取工件曲面每個像素點的顏色信息。根據(jù)提取的輪廓信息進行打印路徑規(guī)劃，通過delta運動機構(gòu)x、y、z三個方向運動和二軸轉(zhuǎn)臺x、z方向轉(zhuǎn)動實現(xiàn)五軸聯(lián)動，基于顏料三原色原理，每次對工件的一個像素點進行噴繪，通過控制在某一像素點三種基本顏料的混合比例，以獲得其他多種顏色，這樣逐個對工件的像素點進行噴繪，最后在工件三維曲面上獲得色彩鮮艷的圖案。

本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明的五軸三維曲面彩色打印系統(tǒng)使彩色打印由二維平面向三維曲面發(fā)展，為三維實體曲面上色提供一種更加智能化，更高效率的加工工藝，可以獲得高質(zhì)量、穩(wěn)定性高、真實的圖案。

(2)本發(fā)明突破傳統(tǒng)3d彩色打印機進行全彩打印的局限性，以一種全新的加工工藝對實體曲面進行彩色打印，對于只需要實體表面去表達顏色信息的工件，可以直接地對工件曲面進行彩繪，很大地縮短加工周期，并且只需要對涂料進行合適的選擇，可彩色打印工件的材料也有很多的選擇。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的五軸三維曲面彩色打印系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是噴涂模塊的局部放大圖。

圖3是活動支架的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是噴頭的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是噴頭的剖視示意圖。

圖6是本發(fā)明的三維曲面彩色打印系統(tǒng)工作流程線框圖。

圖中：1、工作臺底部，2、二軸轉(zhuǎn)臺，3、電磁閥，4、待噴繪工件，5、delta運動機構(gòu)，6、裝料腔，7、噴頭，8、氣泵，9、活動支架，10、噴口，11、松緊螺釘，12、顏料通道，13、顏料進口，14、顏料出口，15、氣體進口，16、氣體通道，17、環(huán)形出口，901、第一連桿，902、第二連桿。

具體實施方式

如圖1～5所示，本實施例的五軸三維曲面彩色打印系統(tǒng)包括：五軸聯(lián)動機械結(jié)構(gòu)和噴繪模塊。

五軸聯(lián)動機械結(jié)構(gòu)包括工作臺底部1、delta運動機構(gòu)5與二軸轉(zhuǎn)臺2。噴繪模塊包括三個噴頭7、三個裝料斗6和氣動驅(qū)動系統(tǒng)。三個裝料斗6分別裝載青、品紅、黃三種顏料，每個裝料斗都連接一個噴頭7，每個噴頭7所在軸線相交于一點，其噴點匯集到一點，即噴繪點。在對同一點進行噴射時，三個噴頭7同時打開，顏料在空中混合再噴繪到工件表面。噴頭7通過活動支架9連接在delta運動機構(gòu)上，活動支架9包括第一連桿901和第二連桿901以及松緊螺釘11，第一連桿901一端與五軸聯(lián)動機械結(jié)構(gòu)5的動力輸出端鉸接，一端與噴頭7固定連接；第二連桿902一端與噴頭7鉸接，另一端通過松緊螺釘11與五軸聯(lián)動機械結(jié)構(gòu)5的動力輸出端連接，與第一連桿901和噴頭7形成連桿機構(gòu)?？梢酝ㄟ^松緊螺釘11調(diào)節(jié)噴頭的傾斜角度，可以調(diào)整交匯點離噴頭的距離，可以進行微調(diào)，消除由裝配和加工誤差造成的三個噴頭噴點不能集中于一點的問題。

本實施例中，噴頭7設(shè)計基于噴筆結(jié)構(gòu)，進料口13和進氣口15，內(nèi)外有兩個通道，分別是噴管結(jié)構(gòu)的顏料通道12和圍繞在顏料通道12外周環(huán)形氣道結(jié)構(gòu)的氣體通道16，顏料通道12在彩色噴繪頭中部并逐漸收縮，在噴口10處是直徑0.2mm的顏料出口14，氣體通道16在顏料通道16外周也逐漸收縮，在噴口10的外周形成寬度為0.5mm的環(huán)形出口17，環(huán)形出口17與噴口10齊平，環(huán)形出口17的內(nèi)環(huán)與噴口的距離為0.5mm。當(dāng)氣體通道16通入高壓氣體，氣體在噴口10處噴出，由于氣體高速流動在噴口10處形成低壓使涂料噴出噴頭7。

氣動驅(qū)動系統(tǒng)包括氣泵8和電磁閥3，通過精確控制電磁閥3通斷時間來精確控制噴出氣體的流量，從而定量控制噴出的顏料量。

如圖6所示，本實施例的五軸三維曲面彩色打印系統(tǒng)的工作過程如下：

1、通過粘合劑把待噴繪工件固定在二軸轉(zhuǎn)臺，設(shè)定工件原點和五軸彩色打印系統(tǒng)原點重合。

2、獲取工件的模型信息，在三維層切系統(tǒng)下，對工件的模型進行層切處理提取輪廓信息，根據(jù)輪廓信息進行打印路徑規(guī)劃；獲取工件曲面每個像素點的顏色信息和每個像素點曲面形狀，并根據(jù)曲面形狀調(diào)整工件姿態(tài)進行表面法向跟蹤，生成工件彩色打印程序代碼。

3、通過delta運動機構(gòu)x、y、z三個方向運動和二軸轉(zhuǎn)臺x、z方向轉(zhuǎn)動實現(xiàn)五軸聯(lián)動進行逐個像素點打印?；陬伭先?，每次對工件的一個像素點進行噴繪，通過控制在某一像素點三種基本顏料的混合比例，以獲得其他多種顏色，每種顏料的噴出量通過控制電磁閥的通斷時間來定量控制。這樣逐個對工件的像素點進行彩色打印，最后在工件三維曲面上獲得色彩鮮艷的圖案。

綜上所述，本實施例的五軸三維曲面彩色打印系統(tǒng)，使彩色打印由二維平面向三維曲面發(fā)展，為三維實體曲面上色提供一種更加智能化，更高效率的加工工藝?？梢垣@得高質(zhì)量、穩(wěn)定性高、真實的圖案；突破傳統(tǒng)3d彩色打印機進行全彩打印的局限性，以一種全新的加工工藝對實體曲面進行彩色打印。對于只需要實體表面去表達顏色信息的工件，可以直接地對工件曲面進行彩繪，很大地縮短加工周期。并且只需要對涂料進行合適的選擇，可彩色打印工件的材料也有很多的選擇；提供五軸工作臺臺包括于delta運動機構(gòu)和二軸轉(zhuǎn)臺，機械結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，也便于維護。