实验名称：五轴电流体共形喷印的后处理算法研究

　　研究方向：射流的方向不是垂直向下，而是被侧向的电场“拉”过去了。并且随着基板的倾角增大，射流的偏移角度随之增大，由此对打印产生了两个问题：（1）由于射流被侧向电场“拉”过去了，导致射流的落点和喷嘴实际运动轨迹不一致，影响了打印的定位精度；（2）喷嘴和基板之间法向距离会减小，而喷嘴和基板之间电压是固定的，意味着极间场强会增大，从而导致电流体喷印射流出现紊乱。以上两个问题限制了电流体喷印工艺在曲面打印方面的应用，为了避免曲面电场对电流体喷印射流的影响，提高在曲面工况下电流体喷印的质量，提出了五轴电流体共形喷印工艺方法。

　　测试设备：高压放大器、函数发生器、喷头、气阀、工业相机、PC工控机等。

　　实验过程：

　　图1：五轴电流体共形喷印原理图

　　如图1所示，将电流体喷印工艺和五轴加工技术结合在一起，五轴联动平台由XYZ三个线性平移轴和两个旋转轴组成，通过两个旋转轴可以使喷嘴始终和曲面基板的法线重合。由于喷嘴和电场线始终平行，因此电场不会对射流产生影响，从而达到提高打印质量的目的。

　　图2：五轴电流体共形喷印实验平台

　　搭建了如图2所示的五轴电流体共形喷印实验平台，该平台为曲面电子集成制造装备的一个模块。运动部分主要由三个平移轴XYZ和两个旋转轴AC组成，AC轴位于XY轴上面，曲面基板固定在C轴的基座上，运动轴通过伺服电机驱动。每个运动轴上安装有光栅尺，运动控制卡UMAC通过光栅尺反馈的位置实现对运动轴的闭环控制。五轴运动平台在UMAC的控制下可以实现喷嘴在曲面基板上的垂直打印，从而避免曲面电场的影响。该实验平台还集成了实现电流体喷印工艺所需的各种硬件，高压电源的正负极接在喷嘴和基板之间，流量泵固定在Z轴上面，喷头安装在精密流量泵上，定位相机垂直于基板，观测相机对准喷嘴。由1原理图可知，五轴电流体共形喷印平台分为运动模块、电压模块、墨液供给模块和视觉模块四个部分。

　　（1）运动模块由运动模组和运动控制卡组成，运动模组由三个平移轴和两个旋转轴组成，其中AC轴位于XY轴上，该布局为一个双转台五轴运动结构。运动控制卡采用可编程多轴运动控制器UMAC，UMAC为开发者提供了PComm32动态链接库。运动控制卡通过执行数控代码文件，可以使多轴联动平台实现五轴共形打印。

　　（2）电压模块由函数发生器和高压放大器组成。NI-VISA提供了USB通信协议接口，上位机程序通过发送SCPI程控指令可以使函数发生器产生方波、正弦波和三角波等各种波形，电压信号通过高压放大器扩大1000倍加载到喷嘴和基板之间，不同波形的电信号可以使喷嘴产生不同形态的电流体喷印射流。

　　实验结果：

　　提出了五轴电流体共形喷印，然后搭建了五轴电流体共形喷印平台。由于双转台五轴联动平台的轴坐标为P(x，y，z，a，c)，而前处理得到的插补点坐标为P(x，y，z，i，j，k)，针对轴坐标和插补坐标之间的非对等关系，通过运动学求解建立了插补点坐标和平台轴坐标之间的数学关系。五轴切削加工采用固定进给率F的方式，无法反映工件坐标系下的打印速度，从而会导致五轴电流体喷印打印粗细不均。基于分段三次埃尔米特插值法对插补段的位置、速度和时间进行了约束，提高了打印速度的均匀性，同时保证了每个插补段的过渡位置速度和加速度平滑过渡。

　　高压放大器推荐：ATA-7050

　　图：ATA-7050高压放大器指标参数

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