微喷射打印二维运动与定位系统设计

万珩艺 姚晨怡 陆舸寅 孙怀远 廖跃华

摘要：微喷射打印是一种应用于生物制造工程等多领域的新型工艺。在介绍微喷射技术原理、微喷射打印装置构成的基础上，设计了二维运动与定位系统，包括定位模块和二维运动模块的结构设计、运动模块的控制路径，可以实现不同形态对象的定位需求，配合微喷射系统实现精确化、可视化的材料喷射或打印操作。

关键词：微喷射打印;定位;运动控制

0 引言

微喷射技术是指在数字信号的激励下，对裸结构的微流体器件实施脉冲的惯性力，使微量流体在惯性力与黏性力交替作用下成为微滴或者一段连续的射流，并按一定的要求喷射打印到指定位置[1]。微喷射打印是一种新型工艺，其主要应用于生物制造工程、制药工程、医学等领域，如生物芯片制造、材料表面涂覆、药物微粒制备、细胞显微注射与打印等[2-3]。为保证微喷射打印工作的成功率和自动化、可视化，常采用集微喷射、机器视觉、机电工程、智能控制等技术于一体的微喷射打印装置，以满足不同领域研究的微喷射打印要求[1]。其中，打印对象的定位和运动轨迹控制是实现打印的关键要素之一。为此，本文针对微喷射打印技术的应用，设计了一套二维运动与定位系统，以确保微喷射打印或涂层的质量和效率。

1 微喷射打印装置构成

二维运动与定位系统的设计定位主要应用于微喷射打印装置，该装置应用微喷射技术实施材料打印。作为二维运动与定位系统的应用平台，微喷射打印装置一般由微喷射系统、二维运动与定位系统、机器视觉观测系统、操作控制系统4个部分组成，图1所示为微喷射打印装置构成示意图。其中，微喷射系统包括微喷射组件及驱动控制工作腔内微量流体的压电控制器与气压控制器，实现数字化和高精度材料打印或涂层;机器视觉观测系统包括CCD观测组件及其软件，实现微喷射打印形态观察和图像采集;操作控制系统与机器视觉观测系统、压电控制器及二维运动与定位系统相连，实现对微喷射打印、图像采集和打印对象二维运动轨迹的控制;二维运动与定位系统是配合微喷射系统实现打印或涂层的关键部分，是微喷射打印装置实现图形设计和规划打印不可或缺的核心组成部分。

2 二维运动与定位系统设计

2.1    二维运动与定位系统结构设计

为配合微喷射系统完成高精度、自动化、高效率和高成功率的相关打印操作，根据设计方法学有关设计定位的基本内涵[4]，针对不同形态打印对象的自动定心和可靠准确的运动需求，二维运动与定位系统应由实施打印对象定位的定位模块和实现打印轨迹控制的二维运动模块组成，二维运动与定位系统如图2所示。其中，定位模块由具有自动定心作用的V型定位块和置物台组成，且V型定位块上对称设计有前后方向的椭圆槽，以便通过紧固螺钉使V型定位块在置物台上前后位置可调;二维运动模块由X-Y型伺服电机组、工作平台及运动控制器组成，X-Y型伺服电机组通过X轴伺服电机安装在底板上，工作平台安装于Y轴上。定位模块中的置物台则通过两个定位销与工作平台安装在一起，实际应用中，当不需要定位模块时，则可取下定位销，卸掉定位模块，此时的打印对象可直接安放于二维运动模块的工作平台上。

2.2    二维运动与定位系统的运动控制

运动系统的作用是实现置物台在水平面上的运动，其性能指标直接影响整个微喷射打印装置的轨迹控制性能。根据系统的功能定位和精度要求，二维运动模块采用反应速度快、线性度好、工作可靠的Yamaha X-Y型伺服电机驱动，而伺服电机则由可实现高速高精度软件伺服控制的Yamaha-ERCX运动控制器通过二次开发程序，实现对置物台上的打印对象进行X和Y方向顺序、位置、轨迹等参数的高精度与快速响应控制，以满足160 mm×160 mm区域、定位精度5 μm的要求，并根据指定流程进行的定点、直线、阵列微喷射打印。图3所示为二维运动控制路径。

打印对象运动控制操作界面与状态显示程序是基于Windows操作系统、利用VB编程语言开发的，具有运动启动顺序、运动方向、起始位置、运动速度、轨迹路线、X-Y轴点动选择、矩阵和任意两种点样运动模式以及归零复位选择等功能。运动控制操作是通过操作控制系统向Yamaha-ERCX运动控制器发送字符串得以实现。

3 结语

微喷射打印装置工作时，微喷射系统（打印中心）与打印对象的对中、打印对象的快速定位与运动轨迹的设计及实现等都是智能、准确、高效打印材料的基础。本文研究设计的微喷射二维运动与定位系统，可以实现不同形态对象的定位需求，配合微喷射系统实现精确化、可视化的材料喷射或打印操作。随着微喷射技术在不同领域应用的深入和拓展，人们对支撑微喷射打印技术的运动与定位系统特定功能的需求也将日益显现，所以在后续研究中，将以满足不同应用需求为目标，进一步完善和优化微喷射运动与定位系统，以支撑微喷射打印装置方便快捷地进行各種材料的相关应用操作，确保对打印或涂层位置与轨迹的有效控制。

[参考文献]

[1] 廖跃华，孙怀远，尧婉辰，等.药物微喷射多功能系统结构设计与测试[J].生物医学工程学杂志，2019，36（6）：1032-1037.

[2] 戴鑫，冯春梅，徐泽玮，等.机器人3D打印技术的应用进展[J].机械设计与制造工程，2020，49（6）：17-22.

[3] 李强，郭姗姗，符锋.3D打印技术在生物材料制造领域的研究进展[J].武警后勤学院学报（医学版），2020，29（6）：80-84.

[4] 李金龙.研究现代机械设计的创新设计理论与方法[J].科技创新导报，2020（12）：55-56.