CN113910601A - 打印基板表面高度校准补偿方法、装置、电子设备及介质 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种打印基板表面高度校准补偿方法、装置、电子设备及介质，所述打印基板表面高度校准补偿方法包括：装夹基板，并调节所述基板的高度，以使所述基板在传感器的量程范围内；将打印喷嘴和/或所述基板移动到打印开始点，开始打印并基于所述传感器的测量数据在打印过程中执行高度校准补偿程序，以使所述打印喷嘴与所述基板的表面保持预定距离，直到完成打印过程。本发明提供的打印基板表面高度校准补偿方法、装置、电子设备及介质，通过执行高度校准补偿程序可以在粗糙或翘曲的基板表面打印高精度线路。

Description

打印基板表面高度校准补偿方法、装置、电子设备及介质
技术领域
本发明涉及高精度3D打印及传感器技术领域，特别涉及一种打印基板表面高度校准补偿方法、装置、电子设备及介质。
背景技术
3D打印机在使用过程中如不进行加工平面的调平和高度补偿，在加工过程中极易出现碰坏喷嘴或者加工件出现瑕疵等问题，特别是加工精度在10μm或更高精度的情况，这一问题变得至关重要，如不采取有效的高度校准补偿以调平实时加工平面，高精度的3D打印加工将变得不可实现。
而现有技术中用于3D打印机的自动调平装置在使用的过程存在一定的缺陷。传统方案存在的缺陷包括：校准补偿精度低，传统方案补偿精度在10μm以上；传统方案多为整平面一次性校准，该方式无法满足基板平面内翘曲情况下的校准补偿；校准补偿方式单一，无法满足不同基材表面加工的需求。
3D打印机对于精度的要求非常高，一般自动调平装置只能进行粗略的调整，使得3D打印的加工平面不平或者是与打印喷嘴不垂直，仍旧会导致打印过程中出现碰坏喷头或导致产品的质量不合格等现象。所以，在高精度3D打印加工场景中，引入一种足够满足加工精度的高度校准补偿方式极为迫切。
发明内容
本发明的目的是提供一种打印基板表面高度校准补偿方法、装置、电子设备及介质，以解决现有技术中存在的问题。
第一方面，本发明提供一种打印基板表面高度校准补偿方法，包括：
装夹基板，并调节所述基板的高度，以使所述基板在传感器的量程范围内；
将打印喷嘴和/或所述基板移动到打印开始点，开始打印并基于所述传感器的测量数据在打印过程中执行高度校准补偿程序，以使所述打印喷嘴与所述基板的表面保持预定距离，直到完成打印过程。
进一步地，所述基于所述传感器的测量数据在打印过程中执行高度校准补偿程序包括：
在所述将打印喷嘴和/或所述基板移动到打印开始点之前，使用所述传感器扫描所述基板的表面，得到打印基板表面扫描数据；
对所述打印基板表面扫描数据进行处理，并基于处理结果在打印过程中执行高度校准补偿程序。
进一步地，所述使用所述传感器扫描所述基板的表面包括：
以预定精度扫描所述基板的表面的整个待打印区域；
和/或，以预定精度沿所述打印喷嘴的打印路径扫描所述基板的表面。
进一步地，所述以预定精度扫描所述基板的表面的整个待打印区域包括：
以预定扫描步长分别扫描覆盖所述整个待打印区域的单位区域，从而扫描所述整个待打印区域。
第二方面，本发明提供一种打印基板表面高度校准补偿装置，包括：电子设备、运动控制器、传感器、打印喷嘴、龙门立柱、相机、基板夹具和运动模组；
所述电子设备用于分析处理数据并控制所述打印基板表面高度校准补偿装置的操作；
所述运动控制器用于接收所述电子设备的指令并基于所述指令驱动所述运动模组；
所述传感器用于测量所述打印喷嘴与基板之间的距离；
所述打印喷嘴用于执行打印操作；
所述龙门立柱用于支撑所述传感器、打印喷嘴和/或相机；
所述相机用于获取所述打印基板表面高度校准补偿装置的工作区域的图像并实现视觉定位；
所述基板夹具用于夹装所述基板；
所述运动模组用于移动所述传感器、打印喷嘴、相机和/或基板夹具。
进一步地，所述电子设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现根据第一方面所述打印基板表面高度校准补偿方法的步骤。
进一步地，所述传感器包括：
白光干涉传感器、激光位移传感器、接触式位移传感器或力学传感器。
进一步地，所述运动模组包括：
音圈电机、直线电机和/或压电陶瓷电机。
进一步地，所述龙门立柱为大理石龙门立柱，和/或所述相机为高清工业相机。
第三方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时配合根据第二方面所述打印基板表面高度校准补偿装置实现根据第一方面所述打印基板表面高度校准补偿方法的步骤。
由上面技术方案可知，本发明提供的打印基板表面高度校准补偿方法、装置、电子设备及介质，通过使用传感器和音圈电机，可以执行高度校准补偿程序以在粗糙或翘曲的基板表面打印高精度线路。
附图说明
图1是根据本发明的打印基板表面高度校准补偿方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的打印基板表面高度校准补偿方法的流程图；
图3是根据本发明另一实施例的打印基板表面高度校准补偿方法的流程图；
图4是根据本发明实施例的使用传感器扫描基板的表面的示意图；
图5是根据本发明另一实施例的使用传感器扫描基板的表面的示意图；
图6是根据本发明的打印基板表面高度校准补偿装置的结构示意图；
图7是根据本发明的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
传统高度校准调平补偿方式存在校准补偿精度低，大多为整平面一次性校准以及校准补偿方式单一等问题，无法满足当下高精度3D打印工艺对加工平面平整度的需求。
本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提供一种可以实现在任意基板表面打印精度为1μm的精细线路的技术方案，特别是对于幅面整体不平的基板、存在内翘曲问题的基板、内部表面粗糙度较差的基板，本发明提供的打印基板表面高度校准补偿方法、装置、电子设备及介质可以根据不同基板选择不同高度校准补偿方式实现最高效的3D打印精细线路加工。
图1是根据本发明的打印基板表面高度校准补偿方法的流程图，参考图1，本发明提供的打印基板表面高度校准补偿方法包括：
步骤110：装夹基板，并调节所述基板的高度，以使所述基板在传感器的量程范围内；
在本发明实施例中，需要说明的是，可以通过手动调节所述基板的高度，也可以通过运行自动寻高程序调节所述基板的高度，本发明实施例提供的方法包括多种调节基板高度方法。
步骤120：将打印喷嘴和/或所述基板移动到打印开始点，开始打印并基于所述传感器的测量数据在打印过程中执行高度校准补偿程序，以使所述打印喷嘴与所述基板的表面保持预定距离，直到完成打印过程。
为了进一步说明本发明提供的打印基板表面高度校准补偿方法，下面参考图2，图2是根据本发明实施例的打印基板表面高度校准补偿方法的流程图，在本实施例中，提供了实时扫描补偿方法，该方法包括：
步骤1：基板夹装；
步骤2：通过手动调节方式或者通过自主研发的自动寻高程序将基板移动至合适高度范围，即传感器量程范围内；
步骤3：将基板移动至打印开始点；
步骤4：开启扫描补偿程序同时运行打印程序开始打印；
步骤5：打印完成。
本方案效率高，加工精度也可以做到稳定的1μm，但工艺实现方式难度较大，要尽可能地保证传感器焦点和喷嘴尖端聚焦在同一点，实际情况中两者可能存在间距，但间距应控制在打印速度与补偿程序响应速度换算后的合理差值内，若两者是存在间距的，则在复杂图形加工过程中需要实时改变传感器和喷嘴的位置，确保传感器一直置于喷头前端。
为了进一步说明本发明提供的打印基板表面高度校准补偿方法，下面参考图3，图3是根据本发明另一实施例的打印基板表面高度校准补偿方法的流程图，在本实施例中，所述基于所述传感器的测量数据在打印过程中执行高度校准补偿程序包括：在所述将打印喷嘴和/或所述基板移动到打印开始点之前，应先通过自主研发的高精度视觉定位以及传感器自主定位程序，根据预设的标记点位对针头、传感器以及相机的相对位置进行标定。标定结束后，将针头移动至打印加工起始点，设定扫描参数并运行扫描程序，所述传感器会根据设定区域、设定方式及相应参数对所述基板的表面进行扫描，得到打印基板表面扫描数据；且在扫描结束后打印针头自动回归预设打印起点位置；同时，处理器在后台对所述打印基板表面扫描数据进行处理，并基于处理结果在打印过程中执行高度校准补偿程序。所述使用所述传感器扫描所述基板的表面包括：以预定精度扫描所述基板的表面的整个待打印区域；和/或，以预定精度沿所述打印喷嘴的打印路径扫描所述基板的表面。具体地，提供了预先扫描补偿方法，该方法包括：
步骤1：装夹基板；
步骤2：通过手动调节方式或者通过自主研发的自动寻高程序将基板移动至合适高度范围，即传感器量程范围内；
步骤3：通过自主研发的高精度视觉定位以及传感器自主定位程序，根据预设的标记点位对针头、传感器以及相机的相对位置进行标定；
步骤4：将基板移动至打印开始点；
步骤5：选择面扫描方式或者打印路径扫描方式并设定相应扫描参数；
步骤6：采集数据；
步骤7：进行后台数据处理；
步骤8：开始打印；
步骤9：打印完成。
在本发明实施例中，可以根据不同基板选择不同高度校准补偿方式实现最高效的3D打印精细线路加工。
其中对于基板表面粗糙度较差，加工精度需求特别高的情况，可以选择以预定精度沿所述打印喷嘴的打印路径扫描所述基板的表面。图4是根据本发明实施例的使用传感器扫描基板的表面的示意图，参考图4，在本发明实施例中，使用传感器以预定精度沿打印喷嘴的打印路径扫描基板的表面，这样就得到了整个打印路径上的打印喷嘴与基板的表面的距离的数据，根据这个数据就可以预先确定打印喷嘴在打印过程中需要进行的高度调节，准确地在需要调高的位置调高打印喷嘴，在需要调低的位置调低打印喷嘴，从而使得打印喷嘴与基板的表面保持预定距离，保证打印线路的完整准确，并且避免损坏打印喷嘴。本方案为加工路径扫描补偿方案，适合表面情况较差，加工精度需求特别高的情况。可以满足几乎所有情况的加工，且针对加工路径相对简单样品，加工效率高，但是针对加工路径长且复杂的样品，加工效率相对较低。
其中对于基板表面形貌相对较好的情况，可以选择以预定精度扫描基板的表面的整个待打印区域。图5是根据本发明另一实施例的使用传感器扫描基板的表面的示意图，参考图5，在本发明实施例中，以预定精度扫描基板的表面的整个待打印区域，其中以预定精度扫描所述基板的表面的整个待打印区域包括：以预定扫描步长分别扫描覆盖所述整个待打印区域的单位区域，从而扫描所述整个待打印区域。从图5可以看出，每个扫描点之间间隔固定的扫描步长，这个扫描步长是预先基于打印线路的精度，扫描整个基板表面所需时间，基板表面的粗糙程度等等确定的。四个扫描点构成一个单位区域，依次扫描所有单位区域，直到完成对整个待打印区域的扫描。本方案为小区域平面扫描补偿方案(四个扫描点构成一个小区域单元，以四个点的高度数据来调整该区域的相对水平)，适合基板表面形貌相对较好的情况。本方案加工效率高，也可以达到较高的打印精度。
图6是根据本发明的打印基板表面高度校准补偿装置的示意图，参考图6，通过将高精度传感器及高精度音圈电机引入整机设备体系，设计搭建了一种打印喷嘴与打印基板表面高度校准装置，本发明提供的打印基板表面高度校准补偿装置包括：
电子设备1、运动控制器2、传感器4、打印喷嘴5、龙门立柱6、相机7、基板夹具8和运动模组(包括音圈电机9和未在图中示出的直线电机)；
所述电子设备1用于分析处理数据并控制所述打印基板表面高度校准补偿装置的操作；
所述运动控制器2用于接收所述电子设备的指令并基于所述指令驱动所述音圈电机9(从而移动基板夹具)和直线电机(从而移动传感器、打印喷嘴和/或相机)；
所述传感器4用于测量所述打印喷嘴4与基板3之间的距离；
所述打印喷嘴5用于执行打印操作；
所述龙门立柱6用于支撑所述传感器4、打印喷嘴5和/或相机7；
所述相机7用于获取所述打印基板表面高度校准补偿装置的工作区域的图像并实现高精度视觉定位；
所述基板夹具8用于夹装所述基板3；
所述运动模组用于移动所述传感器、打印喷嘴、相机和/或基板夹具。
为了进一步说明本发明提供的打印基板表面高度校准补偿装置，下面参考图7，图7是根据本发明电子设备的结构示意图，在本实施例中，提供了一种电子设备的实体结构，如图7所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)710、通信接口(CommunicationsInterface)720、存储器(memory)730和通信总线740，其中，处理器710，通信接口720，存储器730通过通信总线740完成相互间的通信。处理器710可以调用存储器730中的逻辑指令，以执行打印基板表面高度校准补偿方法，该方法包括：装夹基板，并调节所述基板的高度，以使所述基板在传感器的量程范围内；将打印喷嘴和/或所述基板移动到打印开始点，开始打印并基于所述传感器的测量数据在打印过程中执行高度校准补偿程序，以使所述打印喷嘴与所述基板的表面保持预定距离，直到完成打印过程。
此外，上述的存储器730中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
在本发明实施例提供的打印基板表面高度校准补偿装置中，所述传感器包括：
白光干涉传感器、激光位移传感器、接触式位移传感器或力学传感器等一切可以实现测距的传感器。
在本发明实施例提供的打印基板表面高度校准补偿装置中，所述运动模组包括：
音圈电机、直线电机和/或压电陶瓷电机等一切可以实现目标精度的运动硬件单元。
在本发明实施例提供的打印基板表面高度校准补偿装置中，所述龙门立柱为大理石龙门立柱或其他一切可以满足该功能的龙门立柱装置，和/或所述相机为高清工业相机或其他一切可以满足该功能的相机设备。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的打印基板表面高度校准补偿方法，该方法包括：装夹基板，并调节所述基板的高度，以使所述基板在传感器的量程范围内；将打印喷嘴和/或所述基板移动到打印开始点，开始打印并基于所述传感器的测量数据在打印过程中执行高度校准补偿程序，以使所述打印喷嘴与所述基板的表面保持预定距离，直到完成打印过程。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的打印基板表面高度校准补偿方法，该方法包括：装夹基板，并调节所述基板的高度，以使所述基板在传感器的量程范围内；将打印喷嘴和/或所述基板移动到打印开始点，开始打印并基于所述传感器的测量数据在打印过程中执行高度校准补偿程序，以使所述打印喷嘴与所述基板的表面保持预定距离，直到完成打印过程。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
由上面技术方案可知，本发明提供的打印基板表面高度校准补偿方法、装置、电子设备及介质，通过使用高精度传感器和高精度音圈电机，可以实现设备行程范围(至少200mm2面积)内补偿精度达±0.1μm；以实现任意基板表面1μm精度精细线路的打印；可以实现根据不同基板选择不同高度校准补偿方式实现最高效的3D打印精细线路加工。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种打印基板表面高度校准补偿方法，其特征在于，包括：
装夹基板，并调节所述基板的高度，以使所述基板在传感器的量程范围内；
将打印喷嘴和/或所述基板移动到打印开始点，开始打印并基于所述传感器的测量数据在打印过程中执行高度校准补偿程序，以使所述打印喷嘴与所述基板的表面保持预定距离，直到完成打印过程。
2.根据权利要求1所述的打印基板表面高度校准补偿方法，其特征在于，所述基于所述传感器的测量数据在打印过程中执行高度校准补偿程序包括：
在所述将打印喷嘴和/或所述基板移动到打印开始点之前，使用所述传感器扫描所述基板的表面，得到打印基板表面扫描数据；
对所述打印基板表面扫描数据进行处理，并基于处理结果在打印过程中执行高度校准补偿程序。
3.根据权利要求2所述的打印基板表面高度校准补偿方法，其特征在于，所述使用所述传感器扫描所述基板的表面包括：
以预定精度扫描所述基板的表面的整个待打印区域；
和/或，以预定精度沿所述打印喷嘴的打印路径扫描所述基板的表面。
4.根据权利要求3所述的打印基板表面高度校准补偿方法，其特征在于，所述以预定精度扫描所述基板的表面的整个待打印区域包括：
以预定扫描步长分别扫描覆盖所述整个待打印区域的单位区域，从而扫描所述整个待打印区域。
5.一种打印基板表面高度校准补偿装置，其特征在于，包括：电子设备、运动控制器、传感器、打印喷嘴、龙门立柱、相机、基板夹具和运动模组；
所述电子设备用于分析处理数据并控制所述打印基板表面高度校准补偿装置的操作；
所述运动控制器用于接收所述电子设备的指令并基于所述指令驱动所述运动模组；
所述传感器用于测量所述打印喷嘴与基板之间的距离；
所述打印喷嘴用于执行打印操作；
所述龙门立柱用于支撑所述传感器、打印喷嘴和/或相机；
所述相机用于获取所述打印基板表面高度校准补偿装置的工作区域的图像并实现视觉定位；
所述基板夹具用于夹装所述基板；
所述运动模组用于移动所述传感器、打印喷嘴、相机和/或基板夹具。
6.根据权利要求5所述的打印基板表面高度校准补偿装置，其特征在于，所述电子设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现根据权利要求1至4任一项所述打印基板表面高度校准补偿方法的步骤。
7.根据权利要求5所述的打印基板表面高度校准补偿装置，其特征在于，所述传感器包括：
白光干涉传感器、激光位移传感器、接触式位移传感器或力学传感器。
8.根据权利要求5所述的打印基板表面高度校准补偿装置，其特征在于，所述运动模组包括：
音圈电机、直线电机和/或压电陶瓷电机。
9.根据权利要求5所述的打印基板表面高度校准补偿装置，其特征在于，所述龙门立柱为大理石龙门立柱，和/或所述相机为高清工业相机。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时配合根据权利要求5-9任一项所述打印基板表面高度校准补偿装置实现根据权利要求1至4任一项所述打印基板表面高度校准补偿方法的步骤。
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