微噴射打印二維運動與定位系統設計

萬珩藝 姚晨怡 陸舸寅 孫懷遠 廖躍華

摘要：微噴射打印是一種應用于生物制造工程等多領域的新型工藝。在介紹微噴射技術原理、微噴射打印裝置構成的基礎上，設計了二維運動與定位系統，包括定位模塊和二維運動模塊的結構設計、運動模塊的控制路徑，可以實現不同形態對象的定位需求，配合微噴射系統實現精確化、可視化的材料噴射或打印操作。

關鍵詞：微噴射打印;定位;運動控制

0 引言

微噴射技術是指在數字信號的激勵下，對裸結構的微流體器件實施脈沖的慣性力，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，其主要應用于生物制造工程、制藥工程、醫學等領域，如生物芯片制造、材料表面涂覆、藥物微粒制備、細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化、可視化，常采用集微噴射、機器視覺、機電工程、智能控制等技術于一體的微噴射打印裝置，以滿足不同領域研究的微噴射打印要求[1]。其中，打印對象的定位和運動軌跡控制是實現打印的關鍵要素之一。為此，本文針對微噴射打印技術的應用，設計了一套二維運動與定位系統，以確保微噴射打印或涂層的質量和效率。

1 微噴射打印裝置構成

二維運動與定位系統的設計定位主要應用于微噴射打印裝置，該裝置應用微噴射技術實施材料打印。作為二維運動與定位系統的應用平臺，微噴射打印裝置一般由微噴射系統、二維運動與定位系統、機器視覺觀測系統、操作控制系統4個部分組成，圖1所示為微噴射打印裝置構成示意圖。其中，微噴射系統包括微噴射組件及驅動控制工作腔內微量流體的壓電控制器與氣壓控制器，實現數字化和高精度材料打印或涂層;機器視覺觀測系統包括CCD觀測組件及其軟件，實現微噴射打印形態觀察和圖像采集;操作控制系統與機器視覺觀測系統、壓電控制器及二維運動與定位系統相連，實現對微噴射打印、圖像采集和打印對象二維運動軌跡的控制;二維運動與定位系統是配合微噴射系統實現打印或涂層的關鍵部分，是微噴射打印裝置實現圖形設計和規劃打印不可或缺的核心組成部分。

2 二維運動與定位系統設計

2.1? ? 二維運動與定位系統結構設計

為配合微噴射系統完成高精度、自動化、高效率和高成功率的相關打印操作，根據設計方法學有關設計定位的基本內涵[4]，針對不同形態打印對象的自動定心和可靠準確的運動需求，二維運動與定位系統應由實施打印對象定位的定位模塊和實現打印軌跡控制的二維運動模塊組成，二維運動與定位系統如圖2所示。其中，定位模塊由具有自動定心作用的V型定位塊和置物臺組成，且V型定位塊上對稱設計有前后方向的橢圓槽，以便通過緊固螺釘使V型定位塊在置物臺上前后位置可調;二維運動模塊由X-Y型伺服電機組、工作平臺及運動控制器組成，X-Y型伺服電機組通過X軸伺服電機安裝在底板上，工作平臺安裝于Y軸上。定位模塊中的置物臺則通過兩個定位銷與工作平臺安裝在一起，實際應用中，當不需要定位模塊時，則可取下定位銷，卸掉定位模塊，此時的打印對象可直接安放于二維運動模塊的工作平臺上。

2.2? ? 二維運動與定位系統的運動控制

運動系統的作用是實現置物臺在水平面上的運動，其性能指標直接影響整個微噴射打印裝置的軌跡控制性能。根據系統的功能定位和精度要求，二維運動模塊采用反應速度快、線性度好、工作可靠的Yamaha X-Y型伺服電機驅動，而伺服電機則由可實現高速高精度軟件伺服控制的Yamaha-ERCX運動控制器通過二次開發程序，實現對置物臺上的打印對象進行X和Y方向順序、位置、軌跡等參數的高精度與快速響應控制，以滿足160 mm×160 mm區域、定位精度5 μm的要求，并根據指定流程進行的定點、直線、陣列微噴射打印。圖3所示為二維運動控制路徑。

打印對象運動控制操作界面與狀態顯示程序是基于Windows操作系統、利用VB編程語言開發的，具有運動啟動順序、運動方向、起始位置、運動速度、軌跡路線、X-Y軸點動選擇、矩陣和任意兩種點樣運動模式以及歸零復位選擇等功能。運動控制操作是通過操作控制系統向Yamaha-ERCX運動控制器發送字符串得以實現。

3 結語

微噴射打印裝置工作時，微噴射系統（打印中心）與打印對象的對中、打印對象的快速定位與運動軌跡的設計及實現等都是智能、準確、高效打印材料的基礎。本文研究設計的微噴射二維運動與定位系統，可以實現不同形態對象的定位需求，配合微噴射系統實現精確化、可視化的材料噴射或打印操作。隨著微噴射技術在不同領域應用的深入和拓展，人們對支撐微噴射打印技術的運動與定位系統特定功能的需求也將日益顯現，所以在后續研究中，將以滿足不同應用需求為目標，進一步完善和優化微噴射運動與定位系統，以支撐微噴射打印裝置方便快捷地進行各種材料的相關應用操作，確保對打印或涂層位置與軌跡的有效控制。

[參考文獻]

[1] 廖躍華，孫懷遠，堯婉辰，等.藥物微噴射多功能系統結構設計與測試[J].生物醫學工程學雜志，2019，36（6）：1032-1037.

[2] 戴鑫，馮春梅，徐澤瑋，等.機器人3D打印技術的應用進展[J].機械設計與制造工程，2020，49（6）：17-22.

[3] 李強，郭姍姍，符鋒.3D打印技術在生物材料制造領域的研究進展[J].武警后勤學院學報（醫學版），2020，29（6）：80-84.

[4] 李金龍.研究現代機械設計的創新設計理論與方法[J].科技創新導報，2020（12）：55-56.