實驗名稱：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，而是被側向的電場“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，由此對打印產生了兩個問題：（1）由于射流被側向電場“拉”過去了，導致射流的落點和噴嘴實際運動軌跡不一致，影響了打印的定位精度；（2）噴嘴和基板之間法向距離會減小，而噴嘴和基板之間電壓是固定的，意味著極間場強會增大，從而導致電流體噴印射流出現紊亂。以上兩個問題限制了電流體噴印工藝在曲面打印方面的應用，為了避免曲面電場對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量，提出了五軸電流體共形噴印工藝方法。

測試設備：高壓放大器、函數發生器、噴頭、氣閥、工業相機、PC工控機等。

實驗過程：

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結合在一起，五軸聯動平臺由XYZ三個線性平移軸和兩個旋轉軸組成，通過兩個旋轉軸可以使噴嘴始終和曲面基板的法線重合。由于噴嘴和電場線始終平行，因此電場不會對射流產生影響，從而達到提高打印質量的目的。

圖2：五軸電流體共形噴印實驗平臺

搭建了如圖2所示的五軸電流體共形噴印實驗平臺，該平臺為曲面電子集成制造裝備的一個模塊。運動部分主要由三個平移軸XYZ和兩個旋轉軸AC組成，AC軸位于XY軸上面，曲面基板固定在C軸的基座上，運動軸通過伺服電機驅動。每個運動軸上安裝有光柵尺，運動控制卡UMAC通過光柵尺反饋的位置實現對運動軸的閉環控制。五軸運動平臺在UMAC的控制下可以實現噴嘴在曲面基板上的垂直打印，從而避免曲面電場的影響。該實驗平臺還集成了實現電流體噴印工藝所需的各種硬件，高壓電源的正負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，定位相機垂直于基板，觀測相機對準噴嘴。由1原理圖可知，五軸電流體共形噴印平臺分為運動模塊、電壓模塊、墨液供給模塊和視覺模塊四個部分。

（1）運動模塊由運動模組和運動控制卡組成，運動模組由三個平移軸和兩個旋轉軸組成，其中AC軸位于XY軸上，該布局為一個雙轉臺五軸運動結構。運動控制卡采用可編程多軸運動控制器UMAC，UMAC為開發者提供了PComm32動態鏈接庫。運動控制卡通過執行數控代碼文件，可以使多軸聯動平臺實現五軸共形打印。

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

實驗結果：

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。由于雙轉臺五軸聯動平臺的軸坐標為P(x，y，z，a，c)，而前處理得到的插補點坐標為P(x，y，z，i，j，k)，針對軸坐標和插補坐標之間的非對等關系，通過運動學求解建立了插補點坐標和平臺軸坐標之間的數學關系。五軸切削加工采用固定進給率F的方式，無法反映工件坐標系下的打印速度，從而會導致五軸電流體噴印打印粗細不均。基于分段三次埃爾米特插值法對插補段的位置、速度和時間進行了約束，提高了打印速度的均勻性，同時保證了每個插補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