一种高精度3d打印装置及其打印方法
阅读说明：本技术 一种高精度3d打印装置及其打印方法 (High-precision 3D printing device and printing method thereof ) 是由 朱伟军 曲优 李东升 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高精度3D打印装置及其打印方法,该装置及方法突破了以往仅对工业机器人及3D打印算法层面改进以进行精度补偿在原理上的局限性,采用基于机器视觉及自动化控制的精度补偿机构,从而能够在实施3D打印的过程中对由3D打印工艺产生的打印误差及工业机器人自身的绝对定位误差进行高精度稳定补偿,实现对打印轨迹与姿态的精确控制,从而达到提高工业机器人3D打印产品打印精度,增加打印系统可靠性的目的。(The invention discloses a high-precision 3D printing device and a printing method thereof, which break through the limitation that in the past, only an industrial robot and a 3D printing algorithm are improved to carry out precision compensation on the principle, and a precision compensation mechanism based on machine vision and automatic control is adopted, so that the printing error generated by a 3D printing process and the absolute positioning error of the industrial robot can be stably compensated with high precision in the process of carrying out 3D printing, and the precise control on the printing track and the posture is realized, thereby achieving the purposes of improving the printing precision of 3D printing products of the industrial robot and increasing the reliability of a printing system.)
技术领域
本发明涉及增材制造
技术领域
，尤其涉及一种高精度3D打印装置及其打印方法。背景技术
近年来，随着现代工业的高速发展，传统的加工方式已经远远不能满足现代高新技术制造产品的要求，智能与自动化是制造业未来发展的必然趋势。与此同时，市场需求的多样性也促使传统制造业向绿色制造、智能制造等方向转变，生产模式也由“大批量单一模式”逐步演变为“小批量个性化定制”。顺应这一需求，智能制造的典型代表，3D打印技术应运而生且发展迅速。
在众多3D打印技术中，熔融沉积制造工艺由于其具有设备费用较低、工艺简单、材料利用率高等优势在实际生产中得到广泛应用。熔融沉积制造工艺3D打印机利用热塑性材料在熔融状态下的流动性和粘结性，将丝材加热至略高于熔化温度，在计算机的控制下，喷头基于水平分层数据执行X-Y平面运动，通过送丝装置将丝材送至喷嘴，加热、熔化、挤出并粘接到工作台表面，然后快速冷却和固化。在打印完每层后，将喷头高度提高一层(或者将工作台的高度降低一层)，继续打印下一层。如此重复，喷头运动完成逐层的打印最终实现整个三维模型的成型制造。
然而，3D打印是一个集材料、工艺、设备等多因素的增材制造过程，3D打印的曲面化、高精度化一直是业内研究重点。工业机器人因为有通用性强、稳定可靠、重复精度高等诸多优点，所以被应用于3D打印中，作为打印过程中的运动载体；同时，针对提高打印精度的问题，诸如空间搜索法等的路径改进算法亦被广泛采用。
目前，现在3D打印工艺的不足主要体现在以下方面：(1)基于熔融沉积制造工艺的3轴打印机的打印范围通常受限于设备框架，打印空间往往小于0.5m3，无法成型更大范围的构件；(2)基于熔融沉积制造工艺的3轴打印机由于其机构自由度的限制只能打印平面构件，在打印曲面时会出现明显的阶梯，对于曲面零件的打印具有局限性；(3)基于熔融沉积制造工艺的打印方式，在打印过程中会因材料性能、打印温度、喷嘴与基板间距离等因素产生误差。同时，使用运动机构在打印过程中也会由于机器人末端的负载、机械臂的刚度、移动速度等因素产生系统误差。二者叠加所产生的误差通常可达2-3mm，其打印精度显得差强人意。
发明内容
为解决上述现有技术存在的不足，本发明提出一种高精度3D打印装置及其打印方法，该装置采用基于机器视觉及自动化控制的精度补偿机构，从而能够在实施3D打印的过程中对由3D打印工艺产生的打印误差及工业机器人自身的绝对定位误差进行高精度稳定补偿，实现对打印轨迹与姿态的精确控制，从而达到提高工业机器人3D打印产品打印精度，增加打印系统可靠性的目的。
本发明的技术方案如下：
一种高精度3D打印装置，包括：工业机器人运动系统、补偿系统、视觉系统和打印系统；其中，
工业机器人运动系统作为整个高精度3D打印装置的基座或安装在导轨、转台上，包括工业机器人和中控单元；
补偿系统能够在一个或多个自由度对由机器人运动和打印系统产生的过程上或结果上的误差做出精确补偿，其包括补偿机构、控制单元和驱动单元，补偿系统连接于工业机器人末端，其上打印支持平台安装视觉系统及打印系统；
视觉系统用于观测3D打印过程中打印品产生的误差；
打印系统用于实施3D打印工作。
优选的，所述补偿机构为单轴或多轴的串/并联机构，驱动单元由控制单元操控，驱动补偿机构在各自由度上运动。
优选的，所述补偿机构为六轴并联平台，所述驱动单元包括电机和其他驱动装置，所述控制单元为运动控制器、PLC或单片机。
优选的，所述视觉系统包括相机、靶标或机器学习单元和图像处理单元，所述相机为工业相机或深度相机，所述靶标或机器学习单元用于帮助相机认知打印头的位姿信息，图像处理单元用于将相机摄取的图像与靶标进行对比，得出补偿量，并生成补偿代码发送给补偿系统。
优选的，所述靶标为打印件本身，打印平台上的标志线或相机可识别的其他信息。
优选的，所述工业机器人为多轴串联或并联机器人，所述中控单元为独立控制系统或工业自动化网络。
优选的，所述工业机器人为六轴串联工业机器人。
优选的，所述打印系统包括打印头、挤出单元、加热单元和散热单元。
本发明还提出了一种基于前述高精度3D打印装置的打印方法，包括以下步骤：
S1根据建立的待打印件三维模型，工业机器人将位于其末端的补偿系统移动到指定打印节点；
S2通过视觉系统收集此刻打印头位姿信息，由图像处理单元经数据处理后，得出补偿量并发送给补偿系统；
S3补偿机构根据补偿量带动打印系统运动，完成补偿；
S4打印系统实施3D打印工作；
S5该打印节点打印工作完成后，工业机器人将位于其末端的补偿系统移动到下一打印节点；
S6重复步骤S2-S5，直至待打印件被打印成型。
优选的，完成步骤S3之后使用视觉系统收集补偿后的打印头位姿信息，以对补偿精度进行评估。
相比于现有技术，本发明具有以下优势：
1.本发明的高精度3D打印装置突破了以往仅对工业机器人及3D打印算法层面改进以进行精度补偿在原理上的局限性，采用补偿系统读取视觉系统获得的图像信息和补偿数据，对3D打印过程进行实时补偿，可以有效改善由3D打印工艺及工业机器人本身所综合产生的3D打印误差，从而大大提高了工业机器人3D打印的精度。
2.补偿系统采用单轴或多轴的串/并联机构，其具有轻量化和小型化的优势，能够很好地适配不同型号的工业机器人3D打印设备，适用性广泛。
3.本发明基于高精度3D打印装置的打印方法具有自动控制功能，整个打印过程的补偿可以自动化进行，提高了补偿效率，降低了使用门槛，增加了打印装置的市场潜力。
4.相比于传统的3D打印装置，本发明采用了拥有更多自由度的工业机器人，从而能更好地进行曲面零件的3D打印，突破了平面打印的局限性。
附图说明
图1为本发明的高精度3D打印装置结构示意图；
图2为基于本发明的高精度3D打印装置的打印方法流程图；
附图标记：
1-工业机器人，2-六轴并联平台补偿机构，3-相机调整机构，4-CCD相机，5-连接架，6-挤出头。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
本发明提出的高精度3D打印装置主要包括四部分：工业机器人运动系统、补偿系统、打印系统和视觉系统。在一个实施例中，如图1所示，包括工业机器人1，六轴并联平台补偿机构2，相机调整机构3，CCD相机4，步进电机及连接架5，加热块及挤出头6。
工业机器人运动系统：由工业机器人及其中控单元组成的工业机器人运动系统在3D打印的过程中负责主要的运动过程，将打印系统和视觉系统送到指定的打印节点。在一些实施例中，工业机器人可以为多轴串联机器人，以六轴串联工业机器人为最优，因为曲面零件的打印要求主要运动机构至少要拥有六自由度，并且六轴串联工业机器人的工作空间也相对较大。在一些实施例中，中控单元可以是机器人自身的控制柜，也可以是更高级别的工业自动化网络，工业自动化网络中存在多台3D打印设备或其它相关智能设备，由上位机或数控系统来对所有设备进行控制。
补偿系统：包括补偿机构、打印支持平台、机器人连接平台、控制单元和驱动单元，在3D打印的过程中负责对打印误差进行补偿动作。在一些实施例中，补偿机构可以是单轴或多轴串联或并联平台，采用单轴运动滑台时，精度最高可达到10μm，理论上可将某个自由度上的误差补偿到10μm级别，六轴并联平台则为最优选择，因为六轴并联平台具有高精度、多自由度的优势，其重复定位精度最高可以达到±0.75μm，与此同时具有6自由度也可以满足打印曲面零件时可能需要补偿六自由度误差的需求。驱动单元和控制单元依据补偿机构类型而改变，但原理始终是对各自由度的运动机构进行驱动，驱动单元包括但不限于步进电机、伺服电机；以单轴运动滑台为例，其控制单元包括但不限于运动控制卡、PLC；以六轴并联平台为例，其控制单元包括但不限于可编程运动控制器、PLC、单片机。
视觉系统：视觉系统在3D打印过程中负责观测打印头位姿，然后计算出位姿偏差发送给补偿系统，补偿机构依据补偿量来进行打印头补偿。在一些实施例中，补偿的依据是对由视觉系统实际获得的TCP(在机器人坐标系下，TCP位姿信息即末端位姿信息)与基板位置信息进行调整，补偿后可以使TCP与基板的位置关系达到最佳的打印效果。视觉系统主要包括相机、靶标或机器学习单元和图像处理单元，在一些实施例中，位姿信息采用工业相机或深度相机加靶标获取，该种方式成本最低、灵活度相对较高、精度相对可控。在另一些实施例中，也可以使用激光跟踪仪加靶球和图像处理单元作为视觉系统。在另一些实施例中，使用机器学习单元帮助相机获取位姿信息。图像处理单元将得到的图像信息处理成打印头末端的位姿信息，并与提前输入的理论位姿进行对比后，依据补偿系统的设计发送不同的补偿信息。
打印系统：打印系统在3D打印过程中负责将耗材进行处理后打印在基板上，逐层形成结构件。打印系统因其耗材不同可以打印工程塑料、树脂基电极、碳纤维增强复合材料等，针对不同的打印任务打印系统的结构可以进行调整。在一个实施例中，打印系统包括打印头、挤出单元、加热单元和散热单元。打印系统的控制单元也因其具体构成各不相同。例如在碳纤维预浸料铺丝过程中，控制单元需要控制打印头上的重送装置对耗材进行输送，需要控制气动元件对耗材进行剪断，需要控制温控元件对耗材进行预热等等。
基于本发明提出的高精度3D打印装置，还设计了一种高精度3D打印方法，具体包括以下步骤：
S1根据建立的待打印件三维模型，六轴串联工业机器人将位于其末端的补偿系统移动到指定打印节点；
S2通过位于补偿系统打印支持平台上的视觉系统收集此刻打印头位姿信息，由图像处理单元经数据处理后，得出补偿量并发送给补偿系统；
S3六轴并联平台补偿机构根据补偿量带动安装在打印支持平台上的打印系统运动，完成补偿；
S4视觉系统收集补偿后的打印头位姿信息，对补偿精度进行评估；
S5打印系统实施3D打印工作；
S6该打印节点打印工作完成后，工业机器人将位于其末端的补偿系统移动到下一打印节点；
S7重复步骤S2-S5，直至待打印件被打印成型。
以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离发明原理的前提下，还可以对发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入发明权利要求的保护范围内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
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