CN105479740B - 一种物体自动上色装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物体自动上色装置，包括工作平台、固定装置、CNC五轴联动装置，喷头、颜料盒与控制***，其中，固定装置包括一可移动杆，所述可移动杆前端设置橡胶方块，后端与一导轨滑动连接，用于固定模型；所述CNC五轴联动装置设置五个自由度，通过连接杆与喷头连接，用于精确控制喷头的运动，对物体进行上色；所述颜料盒装载CMYK颜料，并通过输料管分别连接到喷头处。本发明的自动上色装置及方法装置适用广泛，操作简单，能够实现在单色3D打印物体外表面自动涂上设定好的图案颜色，对于雕刻物体或其他一些物体，同样适用。

Description

一种物体自动上色装置及方法

技术领域

本发明涉及三维打印成型技术领域，具体地说，涉及一种物体自动上色装置及方法。

背景技术

三维（3D）打印技术是加式制造行业的重要组成部分，该技术以数字模型文件为基础，运用粉末状金属、树脂、蜡或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体，是一种集成化的先进制造技术。

在三维打印技术中，其中一个较难的过程是对物体进行自动上色。自动上色技术是对一个物体外表面进行喷色，使物体外表面呈现特定的图案的技术。传统的上色技术包括传统手动上色技术和传统自动上色技术。

传统手动上色技术是人工在物体表面彩绘，彩绘图案比较简单，且速度慢，精度不高，多个相同物体上色时，上色图案的一致性会很差。

传统自动上色技术是基于一般的机床控制，喷头只有3个自由度，一般仅适合表面凸出的物体，对于凹陷且弯曲的表面并不适合，特别像3D打印的表面复杂的物体不适合。随着3D打印技术的快速发展，对自动上色技术提出了新的要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种物体自动上色的装置及方法，本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种物体自动上色装置，包括工作平台、固定装置、CNC五轴联动装置，喷头、颜料盒与控制***，其中，所述固定装置包括一可移动杆，所述可移动杆前端设置橡胶方块，后端与一导轨滑动连接，用于固定模型；所述CNC五轴联动装置设置五个自由度，通过连接杆与喷头连接，用于精确控制喷头的运动，对物体进行上色；所述颜料盒装载CMYK颜料，并通过输料管分别连接到喷头处。

进一步地，所述颜料盒包括4个单元，分别用于装CMYK四种颜料，即青色、洋红色、黄色、黑色，所述四种颜料通过输料管分别连接至4个喷头处。

作为优选方案，所述工作平台设置坐标原点，用于对待上色物体进行定位。

作为其中的优选方案，所述固定装置设置6个，按顺序标号为1-6，其中1，3，5设为A组，2，4，6设为B组。

一种物体自动上色方法，按以下步骤进行：

第一步：对模型数据进行预处理；

第二步：将待上色物体严格按照3D数据模型的摆放位置进行放置，通过固定装置进行固定；

第三步：调节A组固定装置的可移动杆和可滑动装置，则可将待上色物体固定在工作平台上；

第四步：A组固定装置一起沿Z轴固定导轨上升，固定并等待上色；

第五步：控制***精确控制CNC五轴联动装置的移动，并控制喷头的喷墨；

第六步：B组固定装置对待上色物体进行固定，A组固定装置松开，并归位；喷头再次上色，直到完毕；

第七步：固定装置将待上色物体平稳放置到工作平台中心，固定装置、喷头归位；进一步地，第一步中，对模型数据进行预处理包括根据3D模型数据，与图像颜色信息，获取模型表面每个位置上的颜色CMYK信息，将路径和颜色信息分区，划分成四个互不叠加，但包含所有外表面的区域，并将路径与颜色信息，上传至上色装置的控制***。

其中，对模型数据进行预处理步骤包括RGB贴图图像的格式转换、贴图色彩空间映射、喷头路径数据生成的过程。

作为优选方式，第五步中，所有连接喷头的CNC五轴联动装置并行运动，将喷头输送至不同模型区哉，同一时刻同一区域控制一个喷头工作，并依次切换进行喷印。

本发明所提供的一种物体自动上色装置及方法，具有以下优点：

第一：本发明的自动上色过程型数据处理、自动上色两个过程，型数据处理过程包括贴图图像格式转换、贴图色彩空间映射、喷头路径数据生成，数据处量为高精度上色控制提供准确依据，

第二：打印过程根据生成喷头移动路径的数据和喷头喷墨的数据，使用CNC五轴联动***控制喷头移动喷墨完成，定位准确，上色质量高；

第三：本发明的自动上色装置及方法装置适用广泛，操作简单，能够实现在单色3D打印物体外表面自动涂上设定好的图案颜色，对于雕刻物体或其他一些物体，同样适用。

附图说明

附图1为CNC五轴联动装置结构示意图；

附图2为固定装置结构示意图；

附图3为自动上色装置俯视图；

附图4为固定装置前视；

附图5为CNC五轴联动喷墨装置前视图；

附图6为模型数据处理过程流程图。

其中：

【主要部件符号说明】

1、CNC五轴联动装置；2、喷头；3、工作平台；4、固定装置。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明的一种物体自动上色装置及方法进一步详细的说明。

本发明根据计算机中模型的三维数据和表面颜色数据，使用基于计算机数字控制机床 (Computer Numerical Control，CNC)五轴联动***控制喷头移动的自动上色方法与装置。如图1所示，包括工作平台3、固定装置4、CNC五轴联动装置1、喷头2、颜料盒、输料管、USB接口及微处理结构等结构。其中，所述固定装置包括一可移动杆，所述可移动杆前端设置橡胶方块，后端与一导轨滑动连接，用于固定模型；所述CNC五轴联动装置设置五个自由度，通过连接杆与喷头连接，用于精确控制喷头的运动，对物体进行上色；所述颜料盒装载CMYK颜料，并通过输料管分别连接到喷头处。

其中的固定装置，如图2、3、4所示：固定装置包括前置橡胶方块、可移动杆、可滑动装置、固定导轨；所述可移动杆连同橡胶方块，可左右移动；所述可滑动装置可沿着固定导轨进行移动；所述前置橡胶方块与待上色物体接触，固定时需要加压，起到保护待上色物体表面的作用；所述六个固定装置分成两组，A组（1、3、5），B组（2，4，6）；所述工作平台上有一个坐标原点标志，如图3所示中心点，将待上色物体放在坐标原点处，通过工作平台上的固定装置将物体固定。所述四个喷头，分别对应CMYK四种颜料。所述颜料盒包括4个单元，分别用于装CMYK四种颜料，即青色、洋红色、黄色、黑色。4种颜料通过4根输料管分别引到4个喷头处。所述四个CNC五轴联动装置，分别与四种颜料的喷头相对应，控制喷头的运动轨迹；该装置含有五个自由度，可精确控制喷头的运动，并且适用于表面复杂的待上色物体的上色。所述输料管是沿着CNC五轴联动装置的可移动杆，一直连接到喷头处。所述USB接口及微处理结构，用于接收计算机传送的数据模型，精确控制喷头移动以及喷头喷墨。

实施例1：模型数据处理过程：

模型数据处理的步骤参照图6。

1，贴图图像格式转换

计算机中表示三维模型的颜色信息是通过三维模型数据和贴图图像数据组合的形式来表示。在计算机显示领域，贴图图像多以RGB色彩模式表示，RGB色彩模式是通过对红色（Red）、绿色（Green）、蓝色（Blue）三种颜色通道的变化以及相互之间的叠加来得到各式各样的颜色，这个标准几乎包括了人类视力所能感知的所有颜色。

在上色印刷领域进行彩色图案输出时，一般是以CMYK色彩模式进行全彩色图案输出。CMYK也称作印刷色彩模式，是一种依靠反光的色彩模式，和RGB类似，CMY表示青色（Cyan）、品红色（Magenta）、黄色（Yellow）三种印刷油墨，K是源自一种只使用黑墨的印刷版Key Plate。从理论上来说，只需要CMY三种油墨就足够了，它们三个加在一起就应该得到黑色。但是由于目前制造工艺还不能造出高纯度的油墨，CMY相加的结果实际是一种暗红色。

从上述可知，模型数据处理的第一步就是要将图像从RGB色彩模式转换到CMYK色彩模式，这种上色印刷前的彩色格式转换实际上是一种图像格式转换，也是一种彩色分色过程，常用的方式有灰度分量替代法（Gray Component Replacement ，GCR）。

由RGB可以很容易得到CMY，如下：

C = 1.0 - ( R / 255.0f );

M = 1.0 - ( G / 255.0f );

Y = 1.0 - ( B / 255.0f );

再使用灰度替代法即可得到最终的CMYK，公式描述如下：

K = min（C,M,Y）；

C = C – K；

M = M – K；

Y = Y – K；

其中min（）表示求各个分量最小值。

通过以上方式，得到贴图图像的CMYK模式下的表示形式。

2，贴图色彩空间映射

模型数据处理的第二步是将贴图图像颜色信息与待上色物体的各个点的几何空间信息进行叠加，生成模型三维空间的颜色信息。立体模型外表面颜色信息一般是使用彩色贴图方式来实现，彩色贴图是通过一定映射函数把彩色2D图案对应到每个3D点上，实现3D模型外表面的彩色化。对于平面图案中的任意点P(u, v)的颜色信息为C(u, v)，包含 3个分量：

C(u, v) = (R(u, v), G(u, v), B(u, v))

这个颜色信息被映射到3D空间点P(x, y, z)上。式子中是基于RGB，而对于CMYK同样适合。确定映射关系是这种贴图过程的关键。我们可以选择一种映射关系，使得彩色2D图案可以映射到3D模型外表面，使得3D模型外表面具有特定的颜色图案。最后得到的数据为（x,y,z,R,G,B）或（x,y,z,C,M,Y,K），这就对应于喷头移动的全部路径和喷头喷出颜料的全部色彩信息。

3，喷头路径数据生成

模型数据处理的第三步是生成路径信息及其对应的喷色信息。对于已知三维模型和其外表面颜色信息数据的待上色物体，只需根据三维模型和其外表面颜色信息数据，生成相应的喷头路径数据和喷墨数据，并将生成的路径数据和喷墨数据输入到自动上色装置即可。

生成路径与3D打印技术中的生成路径类似，是依据切片进行，即对三维模型进行切片分层处理，获取每一层的外表面路径和其颜色信息数据，并将外表面路径数据在空间中进行分区，即划分四个不叠加的区域，对应四个喷头，同一时刻四个喷头分别在四个不同的区域喷色，喷完后进行区域切换，保证每一个区域同一时刻只有一个喷头。

实施例2,五轴联动CNC的工作原理:

自动上色过程是根据生成的路径信息和喷头喷色信息，使用CNC五轴联动***控制喷头移动喷墨的过程。

计算机数字控制机床 (Computer Numerical Control，CNC) 是一种装有程序控制***的自动化机床。该控制***能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床做出相应的动作。与普通机床相比，CNC有如下特点：加工精度高，具有稳定的加工质量；可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；机床本身的精度高、刚性大。

CNC五轴联动***，如图5所示：有五个自由度，分别为：绕z轴旋转角度θ，回转半径r，θ和r控制喷头绕z轴做圆周运动；沿z轴升降量h，控制喷头上下往返运动，与回转运动相叠加，以实现喷头做鞍马形轨迹运动；喷头的左右倾角β和喷头的前后倾角α，控制着喷头更为细致的运动。

实施例3，物体自动上色过程：

首先，对模型数据进行预处理；对模型数据进行预处理包括RGB贴图图像的格式转换、贴图色彩空间映射、喷头路径数据生成的过程。根据3D模型数据，与图像颜色信息，获取模型表面每个位置上的颜色CMYK信息，将路径和颜色信息分区，划分成四个互不叠加，但包含所有外表面的区域，并将路径与颜色信息，上传至上色装置的控制***。

第二步：将待上色物体严格按照3D数据模型的摆放位置进行放置，通过固定装置进行固定；第三步：调节A组固定装置的可移动杆和可滑动装置，则可将待上色物体固定在工作平台上；第四步：A组固定装置一起沿Z轴固定导轨上升，固定并等待上色；第五步：控制***精确控制CNC五轴联动装置的移动，并控制喷头的喷墨；所有连接喷头的CNC五轴联动装置并行运动，将喷头输送至不同模型区哉，同一时刻同一区域控制一个喷头工作，并依次切换进行喷印。第六步：B组固定装置对待上色物体进行固定，A组固定装置松开，并归位；喷头再次上色，直到完毕；第七步：固定装置将待上色物体平稳放置到工作平台中心，固定装置、喷头归位。

上述打印过程，优选还可包括对喷头的清洗，每隔一段时间，喷头需要进行清洗，清洗时，喷头先归位到清洗处，清洗装置自动喷出清洗液进行清洗。四个喷头的清洗是错开时间的。某个喷头使用完毕时，需自动归位到清洗处，然后归位到初始位置。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种物体自动上色装置，其特征在于：包括工作平台、固定装置、CNC五轴联动装置，喷头、颜料盒与控制***，其中，

所述固定装置包括一可移动杆，所述可移动杆前端设置橡胶方块，后端与一导轨滑动连接，用于固定模型；

所述固定装置设置6个，按顺序标号为1-6，其中1，3，5设为A组，2，4，6设为B组；

所述CNC五轴联动装置设置五个自由度，通过连接杆与喷头连接，用于精确控制喷头的运动，对物体进行上色；

所述颜料盒装载CMYK颜料，并通过输料管分别连接到喷头处。

2.根据权利要求1所述的一种物体自动上色装置，其特征在于：所述颜料盒包括4个单元，分别用于装CMYK四种颜料，即青色、洋红色、黄色、黑色，所述四种颜料通过输料管分别连接至4个喷头处。

3.根据权利要求1所述的一种物体自动上色装置，其特征在于：所述工作平台设置坐标原点，用于对待上色物体进行定位。

4.一种物体自动上色方法，其特征在于：按以下步骤进行：

第一步：对模型数据进行预处理；

第二步：将待上色物体严格按照3D数据模型的摆放位置进行放置，通过固定装置进行固定；

第三步：调节A组固定装置的可移动杆和可滑动装置，则可将待上色物体固定在工作平台上；

第四步：A组固定装置一起沿Z轴固定导轨上升，固定并等待上色；

第五步：控制***精确控制CNC五轴联动装置的移动，并控制喷头的喷墨；

第六步：B组固定装置对待上色物体进行固定，A组固定装置松开，并归位；喷头再次上色，直到完毕；

第七步：固定装置将待上色物体平稳放置到工作平台中心，固定装置、喷头归位。

5.根据权利要求4所述的一种物体自动上色方法，其特征在于：第一步中，对模型数据进行预处理包括根据3D模型数据，与图像颜色信息，获取模型表面每个位置上的颜色CMYK信息，将路径和颜色信息分区，划分成四个互不叠加，但包含所有外表面的区域，并将路径与颜色信息，上传至上色装置的控制***。

6.根据权利要求5所述的一种物体自动上色方法，对模型数据进行预处理步骤包括RGB贴图图像的格式转换、贴图色彩空间映射、喷头路径数据生成的过程。

7.根据权利要求5所述的一种物体自动上色方法，其特征在于第五步中，所有连接喷头的CNC五轴联动装置并行运动，将喷头输送至不同模型区域，同一时刻同一区域控制一个喷头工作，并依次切换进行喷印。