微噴射打印二維運(yùn)動(dòng)與定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬(wàn)珩藝 姚晨怡 陸舸寅 孫懷遠(yuǎn) 廖躍華

摘要：微噴射打印是一種應(yīng)用于生物制造工程等多領(lǐng)域的新型工藝。在介紹微噴射技術(shù)原理、微噴射打印裝置構(gòu)成的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了二維運(yùn)動(dòng)與定位系統(tǒng)，包括定位模塊和二維運(yùn)動(dòng)模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)模塊的控制路徑，可以實(shí)現(xiàn)不同形態(tài)對(duì)象的定位需求，配合微噴射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確化、可視化的材料噴射或打印操作。

關(guān)鍵詞：微噴射打印;定位;運(yùn)動(dòng)控制

0 引言

微噴射技術(shù)是指在數(shù)字信號(hào)的激勵(lì)下，對(duì)裸結(jié)構(gòu)的微流體器件實(shí)施脈沖的慣性力，使微量流體在慣性力與黏性力交替作用下成為微滴或者一段連續(xù)的射流，并按一定的要求噴射打印到指定位置[1]。微噴射打印是一種新型工藝，其主要應(yīng)用于生物制造工程、制藥工程、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，如生物芯片制造、材料表面涂覆、藥物微粒制備、細(xì)胞顯微注射與打印等[2-3]。為保證微噴射打印工作的成功率和自動(dòng)化、可視化，常采用集微噴射、機(jī)器視覺(jué)、機(jī)電工程、智能控制等技術(shù)于一體的微噴射打印裝置，以滿足不同領(lǐng)域研究的微噴射打印要求[1]。其中，打印對(duì)象的定位和運(yùn)動(dòng)軌跡控制是實(shí)現(xiàn)打印的關(guān)鍵要素之一。為此，本文針對(duì)微噴射打印技術(shù)的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一套二維運(yùn)動(dòng)與定位系統(tǒng)，以確保微噴射打印或涂層的質(zhì)量和效率。

1 微噴射打印裝置構(gòu)成

二維運(yùn)動(dòng)與定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)定位主要應(yīng)用于微噴射打印裝置，該裝置應(yīng)用微噴射技術(shù)實(shí)施材料打印。作為二維運(yùn)動(dòng)與定位系統(tǒng)的應(yīng)用平臺(tái)，微噴射打印裝置一般由微噴射系統(tǒng)、二維運(yùn)動(dòng)與定位系統(tǒng)、機(jī)器視覺(jué)觀測(cè)系統(tǒng)、操作控制系統(tǒng)4個(gè)部分組成，圖1所示為微噴射打印裝置構(gòu)成示意圖。其中，微噴射系統(tǒng)包括微噴射組件及驅(qū)動(dòng)控制工作腔內(nèi)微量流體的壓電控制器與氣壓控制器，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化和高精度材料打印或涂層;機(jī)器視覺(jué)觀測(cè)系統(tǒng)包括CCD觀測(cè)組件及其軟件，實(shí)現(xiàn)微噴射打印形態(tài)觀察和圖像采集;操作控制系統(tǒng)與機(jī)器視覺(jué)觀測(cè)系統(tǒng)、壓電控制器及二維運(yùn)動(dòng)與定位系統(tǒng)相連，實(shí)現(xiàn)對(duì)微噴射打印、圖像采集和打印對(duì)象二維運(yùn)動(dòng)軌跡的控制;二維運(yùn)動(dòng)與定位系統(tǒng)是配合微噴射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)打印或涂層的關(guān)鍵部分，是微噴射打印裝置實(shí)現(xiàn)圖形設(shè)計(jì)和規(guī)劃打印不可或缺的核心組成部分。

2 二維運(yùn)動(dòng)與定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1? ? 二維運(yùn)動(dòng)與定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為配合微噴射系統(tǒng)完成高精度、自動(dòng)化、高效率和高成功率的相關(guān)打印操作，根據(jù)設(shè)計(jì)方法學(xué)有關(guān)設(shè)計(jì)定位的基本內(nèi)涵[4]，針對(duì)不同形態(tài)打印對(duì)象的自動(dòng)定心和可靠準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)需求，二維運(yùn)動(dòng)與定位系統(tǒng)應(yīng)由實(shí)施打印對(duì)象定位的定位模塊和實(shí)現(xiàn)打印軌跡控制的二維運(yùn)動(dòng)模塊組成，二維運(yùn)動(dòng)與定位系統(tǒng)如圖2所示。其中，定位模塊由具有自動(dòng)定心作用的V型定位塊和置物臺(tái)組成，且V型定位塊上對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)有前后方向的橢圓槽，以便通過(guò)緊固螺釘使V型定位塊在置物臺(tái)上前后位置可調(diào);二維運(yùn)動(dòng)模塊由X-Y型伺服電機(jī)組、工作平臺(tái)及運(yùn)動(dòng)控制器組成，X-Y型伺服電機(jī)組通過(guò)X軸伺服電機(jī)安裝在底板上，工作平臺(tái)安裝于Y軸上。定位模塊中的置物臺(tái)則通過(guò)兩個(gè)定位銷(xiāo)與工作平臺(tái)安裝在一起，實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)不需要定位模塊時(shí)，則可取下定位銷(xiāo)，卸掉定位模塊，此時(shí)的打印對(duì)象可直接安放于二維運(yùn)動(dòng)模塊的工作平臺(tái)上。

2.2? ? 二維運(yùn)動(dòng)與定位系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制

運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的作用是實(shí)現(xiàn)置物臺(tái)在水平面上的運(yùn)動(dòng)，其性能指標(biāo)直接影響整個(gè)微噴射打印裝置的軌跡控制性能。根據(jù)系統(tǒng)的功能定位和精度要求，二維運(yùn)動(dòng)模塊采用反應(yīng)速度快、線性度好、工作可靠的Yamaha X-Y型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，而伺服電機(jī)則由可實(shí)現(xiàn)高速高精度軟件伺服控制的Yamaha-ERCX運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)二次開(kāi)發(fā)程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)置物臺(tái)上的打印對(duì)象進(jìn)行X和Y方向順序、位置、軌跡等參數(shù)的高精度與快速響應(yīng)控制，以滿足160 mm×160 mm區(qū)域、定位精度5 μm的要求，并根據(jù)指定流程進(jìn)行的定點(diǎn)、直線、陣列微噴射打印。圖3所示為二維運(yùn)動(dòng)控制路徑。

打印對(duì)象運(yùn)動(dòng)控制操作界面與狀態(tài)顯示程序是基于Windows操作系統(tǒng)、利用VB編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，具有運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)順序、運(yùn)動(dòng)方向、起始位置、運(yùn)動(dòng)速度、軌跡路線、X-Y軸點(diǎn)動(dòng)選擇、矩陣和任意兩種點(diǎn)樣運(yùn)動(dòng)模式以及歸零復(fù)位選擇等功能。運(yùn)動(dòng)控制操作是通過(guò)操作控制系統(tǒng)向Yamaha-ERCX運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送字符串得以實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié)語(yǔ)

微噴射打印裝置工作時(shí)，微噴射系統(tǒng)（打印中心）與打印對(duì)象的對(duì)中、打印對(duì)象的快速定位與運(yùn)動(dòng)軌跡的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)等都是智能、準(zhǔn)確、高效打印材料的基礎(chǔ)。本文研究設(shè)計(jì)的微噴射二維運(yùn)動(dòng)與定位系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)不同形態(tài)對(duì)象的定位需求，配合微噴射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確化、可視化的材料噴射或打印操作。隨著微噴射技術(shù)在不同領(lǐng)域應(yīng)用的深入和拓展，人們對(duì)支撐微噴射打印技術(shù)的運(yùn)動(dòng)與定位系統(tǒng)特定功能的需求也將日益顯現(xiàn)，所以在后續(xù)研究中，將以滿足不同應(yīng)用需求為目標(biāo)，進(jìn)一步完善和優(yōu)化微噴射運(yùn)動(dòng)與定位系統(tǒng)，以支撐微噴射打印裝置方便快捷地進(jìn)行各種材料的相關(guān)應(yīng)用操作，確保對(duì)打印或涂層位置與軌跡的有效控制。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 廖躍華，孫懷遠(yuǎn)，堯婉辰，等.藥物微噴射多功能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與測(cè)試[J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志，2019，36（6）：1032-1037.

[2] 戴鑫，馮春梅，徐澤瑋，等.機(jī)器人3D打印技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程，2020，49（6）：17-22.

[3] 李強(qiáng)，郭姍姍，符鋒.3D打印技術(shù)在生物材料制造領(lǐng)域的研究進(jìn)展[J].武警后勤學(xué)院學(xué)報(bào)（醫(yī)學(xué)版），2020，29（6）：80-84.

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