阅读说明：本技术 一种用于电流体动力喷印的轨迹诱导沉积控制系统及方法 (Track-induced deposition control system and method for electrohydrodynamic jet printing ) 是由 陈建魁 黄萌萌 尹周平 金一威 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明属于电流体动力喷印相关技术领域,并公开了一种用于电流体动力喷印的轨迹诱导沉积控制系统,其包括电流体动力喷印模块、视觉监测模块、系统控制模块、轨迹诱导沉积模块等多个功能模块；其中视觉监测模块用于获取墨滴的飞行轨迹、判断飞行速度与方向、观测落点、观测沉积形貌；系统控制模块用于实时控制诱导辅助电极背板的电极信号变化,以实现墨滴轨迹诱导及形态控制；轨迹诱导沉积模块则用于根据沉积图案设计辅助电极阵列分布,电场变化时调整墨滴轨迹朝目标落点飞行,同时在靠近落点时使墨滴能减速并平稳沉积。通过本发明,可进行精确的墨滴轨迹诱导并平稳沉积,能防止墨滴偏移、摊开、飞溅等,实现高精度、高质量电流体动力喷印。(The invention belongs to the technical field related to electrohydrodynamic jet printing, and discloses a track-induced deposition control system for electrohydrodynamic jet printing, which comprises a plurality of functional modules, such as an electrohydrodynamic jet printing module, a vision monitoring module, a system control module, a track-induced deposition module and the like; the visual monitoring module is used for acquiring the flight track of the ink drop, judging the flight speed and direction, observing the landing point and observing the deposition morphology; the system control module is used for controlling the electrode signal change of the induction auxiliary electrode back plate in real time so as to realize ink drop track induction and form control; the track induction deposition module is used for designing the distribution of the auxiliary electrode array according to the deposition pattern, adjusting the ink drop track to fly towards a target drop point when the electric field changes, and enabling the ink drop to decelerate and stably deposit when the electric field is close to the drop point. The invention can perform accurate ink drop track induction and stable deposition, can prevent ink drops from shifting, spreading, splashing and the like, and realizes high-precision and high-quality electrohydrodynamic jet printing.)

一种用于电流体动力喷印的轨迹诱导沉积控制系统及方法

技术领域

本发明属于电流体动力喷印相关技术领域，更具体地，涉及一种用于电流体动力喷印的轨迹诱导沉积控制系统及方法。

背景技术

电流体动力喷印技术是通过在喷头与基板之间施加高压电，使得墨滴带电从喷头喷射至基板来执行打印操作。而在并排多喷头喷射中，带电墨滴会受到邻近墨滴所形成电场及气流的影响而产生轨迹偏移，并且随着工艺需求的提高，墨滴体积不断减小，其在飞行中的轨迹偏移形成落点误差而造成的打印质量下降问题更加不能忽视；此外，液滴与基板撞击时由于自身较高的速度易发生飞溅、反弹等现象，同样不利于墨滴沉积形貌的控制。

现有技术中针对上述轨迹偏移导致落点偏差等问题，一般采用在基板上通过设计亲疏水结构使得落在基板的墨滴向规划区域转移，或者通过气流进行墨滴轨迹诱导。然而，进一步的研究表明：其一，对于亲水性较强及撞击速度较大而与基板形成较大接触面的墨滴，其难以达到较为精确的落点纠偏；其二，气流的引导则存在可控性差、精度差等缺陷，无法实现微米级、纳米级带电墨滴的精确轨迹诱导；其三，目前对沉积形貌的控制只能通过改变参数如冲击速度、墨滴粘度等来实现定性控制，但无法实现定量控制。相应地，本领域亟需对此作出进一步的完善的改进，以满足目前日益提高的工艺要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于电流体动力喷印的轨迹诱导沉积控制系统及方法，其中通过对基于电流体动力喷印来产生墨滴带电的特定工况及需求开展深入研究和分析，一方面针对性采用辅助电极阵列等组件来额外生成诱导电，并且进一步对墨滴执行包括轨迹诱导、沉积缓冲和落点调节在内的一系列控制操作，相应能够有效消除电场及气流等多种因素造成的轨迹偏差及在基板上可能存在的滑移带来的落点误差；另一方面还利用电场在墨滴撞击前产生斥力减速缓冲，并进行墨滴沉积形貌控制，可避免墨滴撞击出现飞溅、反弹等现象，因而与现有技术相比可显著提高落点精准度并更快形成良好形貌，达到更好的电流体动力喷印品质。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于电流体动力喷印的墨滴轨迹诱导沉积控制系统，其特征在于，该系统包括电流体动力喷印模块、视觉监测模块、系统控制模块和轨迹诱导沉积模块，其中：

该电流体动力喷印模块用于在喷头与基板之间施加电压，并使得墨滴带电从喷头喷射至基板；

该视觉监测模块包括第一定位相机、第二定位相机、落点观测相机和形貌观测相机，其中所述第一、第二定位相机分别用于对飞行中的带电墨滴在XOZ平面、YOZ平面内的状态进行观测，由此结合这两个方位的观测数据来获取带电墨滴的飞行图像，同时将图像信息实时反馈至所述系统控制模块并获得带电墨滴的轨迹及飞行速度与方向等信息；所述落点观测相机用于对带电墨滴的实际落点进行实时观测，并将落点坐标图像实时反馈至所述系统控制模块；所述形貌观测相机用于对落至基板上的带电墨滴的形貌进行实时观测，并将形貌图像实时反馈至所述系统控制模块；其中，X轴方向被定义为沿着水平横向的方向，Y轴方向被定义为沿着水平纵向的方向，Z轴被定义为沿着竖直的方向；

该系统控制模块用于接收来自所述视觉监测模块的各类图像信息，并分别对应输出包含墨滴轨迹诱导控制信号墨滴沉积缓冲控制信号E_c和墨滴落点调节信号在内的一系列调节信号；

该轨迹诱导沉积模块包括电极背板控制单元和诱导辅助电极背板，其中所述电极背板控制单元用于接收来自所述系统控制模块的一系列调节信号，并控制所述诱导辅助电极背板执行对应的电信号调节；所述诱导辅助电极背板呈现由多个诱导辅助电极共同组成的阵列化结构，并且在所述电极背板控制单元的控制下，由该阵列化结构中不同区域的诱导辅助电极的不同带电状态来产生诱导电场，进而调整带电墨滴的轨迹朝着目标落点飞行，和/或促使带电墨滴在靠近落点的区域时获得减速并平稳沉积于基板。

作为进一步优选地，对于各个所述诱导辅助电极而言，其优选通过所述电极背板控制单元来接通不同开关，由此实现不带电、带正电荷或者带负电荷三种工作状态。

作为进一步优选地，对于所述电极背板控制单元而言，其优选依照以下公式来对各个诱导辅助电极提供电极状态控制信号向量：

其中，表示电极状态控制信号向量；Q_ef表示处于所述阵列化结构中第e行第f列的诱导辅助电极所对应的电极状态控制信号；k表示静电力常量，q₀表示各个带电墨滴所带的电荷量；表示该第e行第f列的诱导辅助电极与带电墨滴之间的位置向量，且各个诱导辅助电极在带正电值时被赋值为1、带负电值时被赋值为-1、不带电时被赋值为0；此外，i为电极阵列化结构中电极阵列的列数，j为电极阵列化结构中电极阵列的行数。

作为进一步优选地，对于所述系统控制模块而言，其优选依照以下公式对应输出所述墨滴轨迹诱导控制信号向量

其中，m表示单个带电墨滴的质量；分别表示该带电墨滴在t观测时刻所测定的位移向量、速度向量和加速度向量；表示该带电墨滴在诱导完成时刻的速度向量，表示该带电墨滴在诱导完成时刻的位移向量，ξ表示预设的气流影响因子。

作为进一步优选地，对于所述系统控制模块而言，其优选依照以下公式来对应输出所述墨滴沉积缓冲控制信号E_c，由此执行带电墨滴的沉积缓冲全过程：

其中，E_c表示所输出的墨滴沉积缓冲控制信号，并且其方向为竖直向上；m表示单个带电墨滴的质量；v_s、a_s分别表示该带电墨滴在s观测时刻所测定的速度值和加速度值；h₀为预设的墨滴沉积缓冲启动高度。

作为进一步优选地，对于所述系统控制模块而言，其优选依照以下公式采用开环控制方式来对应输出所述墨滴落点调节信号向量由此执行带电墨滴的落点调节全过程：

其中，T表示对带电墨滴预设的落点误差调整时间，μ表示基板的表面动摩擦系数，g为重力加速度；分别表示带电墨滴的初始落点位置向量和实际落点位置向量。

按照本发明的另一方面，还提供了相应的一种用于电流体动力喷印的墨滴轨迹诱导沉积控制方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(i)对系统执行初始化后，并输入多个设定参数；

(ii)初始时刻，所述电流体动力喷印模块喷射带电墨滴，所述视觉监测模块实时观测带电墨滴的位置，并将图像信息反馈至所述系统控制模块；在此过程中，所述轨迹诱导沉积模块不产生额外电场；

(iii)所述系统控制模块通过处理图像信息，获得带电墨滴的轨迹及实时的速度与加速度，并且当带电墨滴偏离预设轨迹时，该系统控制模块向所述轨迹诱导沉积模块发送一个轨迹诱导信号，并通过所述诱导辅助电极背板来产生电场，相应地调整墨滴轨迹；

(iv)当带电墨滴接近基板时，所述系统控制模块向所述轨迹诱导沉积模块发送一个沉积缓冲信号，该轨迹诱导沉积模块产生与带电墨滴的电量相同的电场，使带电墨滴受到斥力而减速撞击；

(v)所述视觉监测模块实时观测带电墨滴的落点位置，将图像信息反馈至所述系统控制模块，该系统控制模块通过处理图像信息获得带电墨滴的落点坐标，并且当带电墨滴偏离预设落点时，该系统控制模块向所述轨迹诱导沉积模块发送一个落点调整信号，通过所述诱导辅助电极背板来产生电场，相应地调整墨滴落点；

(vi)所述视觉监测模块实时观测带电墨滴的形态，将图像信息反馈至所述系统控制模块，该系统控制模块通过处理图像信息获得带电墨滴的形貌信息，并且当墨滴形貌与预设不符时，该系统控制模块向所述轨迹诱导沉积模块发送一个形貌调整信号，通过所述诱导辅助电极背板来产生电场，相应地调整墨滴沉积形貌。

总体而言，按照本发明的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明中紧密结合电流体动力喷印产生的墨滴带电的特殊情况进行研究，并针对性采用额外生成诱导电场的方法对墨滴进行准确的轨迹诱导，通过实时相机观测及图像分析并进行信息反馈的方式来准确获取墨滴的空间位置及形态实时的轨迹观测，相应能够消除电场及气流等多种因素造成的轨迹偏差及在基板上可能存在的滑移带来的落点误差，适用于各种应用场景，不受墨滴材料参数、基板结构及喷射速度等因素的影响，均能实现精确的落点纠偏；

2、本发明还进一步利用额外生成电场在墨滴撞击前产生斥力进行墨滴的减速缓冲，减少撞击动能，避免墨滴撞击出现飞溅、反弹等现象，使得墨滴能更加平稳沉积在基板上；

3、本发明还进一步利用额外生成电场对墨滴进行落点及沉积形貌调整，使得墨滴能更精准沉积于基板上，并使得墨滴能更快形成良好形貌，提高电流体动力喷印品质。

附图说明

图1是本发明所构建的用于电流体动力喷印的轨迹诱导沉积控制系统的整体构造示意图；

图2是按照本发明优选实施方式的诱导辅助电极背板的原理示意图；

图3是按照本发明优选实施方式的诱导辅助电极背板的阵列方式示意图；

图4是按照本发明优选实施方式的液滴轨迹诱导及减速缓冲示意图；

图5是按照本发明的用于对墨滴进行全过程控制的控制原理图；

图6是用于示范性说明按照本发明的墨滴轨迹诱导沉积控制工艺流程的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图1是本发明所构建的用于电流体动力喷印的轨迹诱导沉积控制系统的整体构造示意图。如图1所示，该系统主要包括电流体动力喷印模块、视觉监测模块、系统控制模块和轨迹诱导沉积模块等功能模块，下面将对其逐一进行具体解释说明。

该电流体动力喷印模块1用于在喷头与基板41之间施加电压，并使得墨滴带电从喷头喷射至基板41。

作为本发明的关键改进之一，该视觉监测模块2被设计为包括第一定位相机21、第二定位相机22、落点观测相机23和形貌观测相机24，其中所述第一、第二定位相机分别用于对飞行中的带电墨滴10在XOZ平面、YOZ平面内的状态进行观测，由此结合这两个方位的观测数据来获取带电墨滴的飞行图像，同时将图像信息实时反馈至所述系统控制模块3并获得带电墨滴的轨迹及飞行速度与方向等信息；所述落点观测相机用于对带电墨滴的实际落点进行实时观测，并将落点坐标图像实时反馈至所述系统控制模块3；所述形貌观测相机用于对落至基板上的带电墨滴的形貌进行实时观测，并将形貌图像实时反馈至所述系统控制模块3。

该系统控制模块3在本发明中用于接收来自所述视觉监测模块的各类图像信息，并分别对应输出包含墨滴轨迹诱导控制信号墨滴沉积缓冲控制信号E_c和墨滴落点调节信号在内的一系列调节信号.

此外，作为本发明的另一关键改进，该轨迹诱导沉积模块4优选可包括电极背板控制单元42和诱导辅助电极背板43，其中所述电极背板控制单元42用于接收来自所述系统控制模块的一系列调节信号，并控制所述诱导辅助电极背板43执行对应的电信号调节；所述诱导辅助电极背板43被针对性设计为呈现由多个诱导辅助电极44共同组成的阵列化结构，并且在所述电极背板控制单元42的控制下，由该阵列化结构中不同区域的诱导辅助电极的不同带电状态来产生诱导电场，进而调整带电墨滴的轨迹朝着目标落点飞行，和/或促使带电墨滴在靠近落点的区域时获得减速并平稳沉积于基板。

此外，按照本发明的一个优选实施方式，上述系统诱导辅助电极44其优选三种状态，如图2的示意图所示，通过电极背板控制单元42传输的信号优选接通不同开关来实现不带电、带正电荷、带负电荷三种状态，每个诱导辅助电极接通时所带电荷数相同。

按照本发明的另一优选实施方式，诱导辅助电极背板的阵列方式优选被设计如图3所示。其中，在沉积基板平行平面诱导辅助电极呈阵列式排布，j行i列中每个诱导辅助电极与电极背板控制单元及接地连接，电极背板控制单元控制诱导辅助电极阵列不同区域的不同带电状态，由此产生诱导电场，进而实现精确的墨滴轨迹诱导、沉积缓冲、落点及形貌调整等一系列操作。

此外，按照本发明的另一优选实施方式，上述轨迹诱导沉积模块(4)中的电极背板控制单元用于接收系统控制模块3发送的控制信号后，按照控制信号进行处理，电极背板控制模块按如下公式输出各辅助电极(44)电极状态控制信号Q_ef；

其中为电极状态控制信号向量，k为静电力常量，q₀为带电墨滴所带电荷量，为第e行第f列辅助电极与带电墨滴间的位置向量，且第e行第f列辅助电极有三种状态，带正电值为1、带负电值为-1、不带电值为0。

此外，按照本发明的另一优选实施方式，上述系统控制模块优选轨迹闭环控制方式，相应执行墨滴轨迹诱导的全过程，其中：

对于所述墨滴轨迹而言，设定墨滴质量为m，相应根据视觉系统模块所确定的墨滴t时刻位移向量、速度向量及加速度向量为则该系统控制模块按照以下公式输出墨滴轨迹诱导信号向量：

其中表示该带电墨滴在诱导完成时刻的速度向量，表示该带电墨滴在诱导完成时刻的位移向量，ξ表示预设的气流影响因子。

此外，按照本发明的另一优选实施方式，上述系统控制模块优选开环控制方式，相应执行墨滴沉积缓冲的全过程，其中：

对于所述墨滴沉积缓冲而言，设定墨滴质量为m，相应根据视觉系统模块所确定的墨滴s时刻速度值、加速度值分别为v_s、a_s，则该系统控制模块按照以下公式输出墨滴沉积缓冲信号：

其中h₀为墨滴沉积缓冲启动高度，E_c的方向为竖直向上。

此外，按照本发明的另一优选实施方式，上述系统控制模块优选落点调节开环控制方式，相应执行墨滴落点调节的全过程，其中：

对于所述墨滴落点调节而言，设定墨滴质量、初始落点位置向量分别为m、相应根据视觉系统模块所确定的墨滴实际落点位置向量为则该系统控制模块按照以下公式输出墨滴落点调节信号向量：

其中μ基板表面动摩擦系数，g为重力加速度，T为落点误差调整时间。

图6是用于示范性说明按照本发明的墨滴轨迹诱导沉积系统控制工艺流程的示意图。相应地，该方法包括下列步骤：

首先，系统统初始化后，输入下列的多个设定参数，譬如可包括：预设的墨滴落点坐标(x₀，y₀，z₀)、墨滴质量m、墨滴沉积成型高度h₀、墨滴与沉积基板接触直径D₀、落点误差调整时间T、开始进行沉积缓冲2墨滴与沉积基板的竖直距离D，并根据预设墨滴落点规划预设轨迹l₀；

接着，依照所述系统控制模块所输出的控制信号，相应执行模块轨迹诱导沉积模块执行下列操作：初始时刻，所述电流体动力喷印模块喷射带电墨滴，轨迹诱导沉积模块不产生额外电场，所述视觉系统模块实时观测墨滴位置，将图像信息反馈至系统控制模块，系统控制模块通过处理图像信息获得墨滴轨迹及实时的速度与加速度，当墨滴偏离预设轨迹时，系统控制模块向轨迹诱导沉积模块发送一个轨迹诱导信号，通过轨迹诱导沉积模块电极背板产生电场，相应的调整墨滴轨迹；

更具体地，图4中示范性说明轨迹诱导沉积单元进行轨迹诱导的工作原理：当带正电墨滴偏离预定直线轨迹时，从YOZ面看其处于预定落点右侧平面，XOY面所示的诱导辅助电极阵列中，轨迹诱导沉积单元在接收到系统控制模块的轨迹诱导信号后控制带电墨滴左侧平面的电极带负电，使得带正电墨滴受到电流体喷印系统的竖直向下的电场力F_E与诱导辅助电极施加的电荷引力F_e的合力，在合力作用下最终回到预定轨迹，实现轨迹规划。

接着，当墨滴接近沉积基板时，系统控制模块向轨迹诱导沉积模块发送一个沉积缓冲信号，所述轨迹诱导沉积模块产生与墨滴电量相同的电场，使墨滴受到斥力减速撞击。

更具体地，如图4中示范性说明了轨迹诱导沉积模块进行沉积缓冲的工作原理：当带正电墨滴到达预定沉积缓冲高度时，轨迹诱导沉积模块在接收到系统控制模块的轨迹诱导信号后控制所有电极带正电，使得带正电墨滴受到电流体喷印系统的竖直向下的电场力F_E与诱导辅助电极施加的电荷斥力F_e的合力，在合力作用下减速，实现沉积缓冲。

接着，视觉监测模块实时观测墨滴的落点位置，将图像信息反馈至系统控制模块，系统控制模块通过处理图像信息获得墨滴落点坐标，当墨滴偏离预设落点时，系统控制模块向轨迹诱导沉积单元发送一个落点调整信号，通过轨迹诱导沉积单元的极背板产生电场，相应的调整墨滴落点；

最后，视觉监测模块实时观测墨滴形态，将图像信息反馈至系统控制模块，系统控制模块通过处理图像信息获得墨滴形貌信息，当墨滴形貌与预设不符时，系统控制模块向轨迹诱导沉积单元发送一个形貌调整信号，通过轨迹诱导沉积单元的电极背板产生电场，相应的调整墨滴沉积形貌。

此外，墨滴飞行过程中，当墨滴未处于预设轨迹时，持续进行轨迹调整，所述视觉系统模块实时观测墨滴位置，直至墨滴处于预设轨迹时，停止轨迹调整。而在墨滴沉积缓冲过程中，当墨滴距离沉积基板D时且为直接接触基板时，可持续进行沉积缓冲，所述视觉监测模块实时观测墨滴位置，直至墨滴撞击沉积基板时，停止沉积缓冲过程。

当墨滴撞击沉积基板后，墨滴未处于预设落点时，可持续进行落点调整，所述视觉监测模块实时观测落点位置，直至墨滴到达预设落点时，停止落点调整；落点确定后，当墨滴未形成预设沉积形貌时，持续进行形貌调整，所述视觉监测模块实时观测沉积形貌，直至墨滴形成预设沉积形貌时，停止形貌调整。

综上，按照本发明通过对料卷收卷时内应力分布状态的规律研究，不仅提出了新型的墨滴轨迹诱导沉积控制系统，而且还对具体的控制工艺及处理过程进行了描述。相应地，不仅能实时精确的进行轨迹诱导控制，能够消除电场及气流等多种因素造成的轨迹偏差及在基板上可能存在的滑移带来的落点误差，同时不受墨滴材料参数、基板结构及喷射速度等因素的影响，适用于各种应用场景，均能实现精确的落点纠偏。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。