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专利名称：一种3D阵列式数字拓印设备及其拓印方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410443498.2

专利申请（专利权）人：大连理工大学
权利人地址：辽宁省盘锦市辽东湾新区大工路2号

专利发明（设计）人：游奎,任嘉俊,白赫扬,张忆和,易鹏飞,许景康,李兴华,马伟伟,马彩华,张议文,韩方鑫,邓平纠,孙楠,刘心田,徐吴玉阳,赵鲁豫

专利摘要：本发明公开了一种3D阵列式数字拓印设备及其拓印方法。上述拓印设备应用于工件的数字化设计中，其包括拓印架体、工件夹固组件、两组3D阵列拓印板、用于驱动对应3D阵列拓印板的直线驱动结构、以及和3D阵列拓印板之间固定连接有数据传输线的计算机系统。拓印架体包括两组承重板、支撑框架、固定连接在对应承重板上的四组横杆。每组3D阵列拓印板包括底板和呈阵列式密集固定于底板上的若干组数字拓印针。数字拓印针由针体、伸缩弹性针座、弹性针座套管和应变传感器构成。本发明成本低廉、技术难度低、仅需3D阵列拓印板与计算机辅助即可，不需昂贵的摄像头、AI深度学习智能化系统等复杂的技术，可以较低成本实现数字化建模工作。

主权利要求：
1.一种3D阵列式数字拓印设备，其特征在于，包括：
拓印架体，其包括两组承重板（1）、用于承载工件的支撑框架（2）、固定连接在对应承重板（1）上的四组横杆（3）；两组所述承重板（1）水平布设于支撑框架（2）的相对应两侧位置处，且承重板（1）立置布设；所述承重板（1）和支撑框架（2）底部均固定安装有垫座；四组所述横杆（3）均匀布设在四周位置处，且横杆（3）和承重板（1）相垂直，所述支撑框架（2）的相对应两侧壁处均开设有和横杆（3）相适配的插槽；
工件夹固组件（4），其装设在所述支撑框架（2）上；
两组3D阵列拓印板；
用于驱动对应3D阵列拓印板的直线驱动结构；以及
计算机系统（14），其和3D阵列拓印板之间固定连接有数据传输线；
其中，每组所述3D阵列拓印板包括底板（5）和呈阵列式密集固定于底板（5）上的若干组数字拓印针（6），所述数字拓印针（6）由针体、伸缩弹性针座（8）、弹性针座套管（7）和应变传感器（9）构成；所述数字拓印针（6）面向支撑框架（2）布设，且数字拓印针（6）和底板（5）相垂直；所述伸缩弹性针座（8）固定安装在针体针尾处，且针体针头面向工件设置；所述应变传感器（9）固定安装在伸缩弹性针座（8）和底板（5）之间，且底板（5）上固定连接有数据线；所述底板（5）水平布设在支撑框架（2）和对应承重板（1）之间处，且底板（5）上贯通开设有用于适配横杆（3）的定位腔；
所述直线驱动结构包括固定安装在承重板（1）上的驱动电机（10）、固定连接于驱动电机（10）输出端处的丝杆（11）、螺纹套设于丝杆（11）上的滑座（12）、装设于滑座（12）和3D阵列拓印板之间的连接件（13）。
2.根据权利要求1所述的一种3D阵列式数字拓印设备，其特征在于，所述工件夹固组件（4）包括螺纹贯通连接于支撑框架（2）前壁位置处的夹具I、螺纹贯通连接于支撑框架（2）后壁位置处的夹具II。
3.根据权利要求1所述的一种3D阵列式数字拓印设备，其特征在于，所述连接件（13）固定安装在滑座（12）和底板（5）之间，且丝杆（11）位于底板（5）背向数字拓印针（6）的相对应一侧位置处。
4.一种拓印方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1如拓印设备开机自检；所述拓印设备为如权利要求1至3中任意一项所述的一种3D阵列式数字拓印设备；
S2数字拓印针（6）的零位校正；
S3数字拓印针（6）的劲度系数校正；
S4对待拓印工件进行数字化建模，构建得到工件的三维数字化模型。
5.根据权利要求4所述的一种拓印方法，其特征在于，所述数字化建模的方法，其具体操作如下：S41将待拓印工件安置于支撑框架（2）上，利用工件夹固组件（4）进行固定；
S42点击测定建模按钮，步进电机数字直线驱动机构驱动两块3D阵列拓印板运动至数字拓印针（6）相互接触的位置，由于待拓印工件的存在，两块3D阵列拓印板上的相应位置的数字拓印针（6）各自缩短mi距离，计算机系统（14）接收和处理数据，构建待拓印工件的三维数字模型；
mi反映待拓印工件在每一个数字拓印针（6）位置的凸凹程度。 说明书 : 一种3D阵列式数字拓印设备及其拓印方法技术领域[0001] 本发明涉及工业设计与制造技术领域，特别是涉及一种3D阵列式数字拓印设备，还涉及采用所述拓印设备来建立数字化模型的拓印方法。背景技术[0002] 在工业设计领域，反求设计是一种常见的设计思路，即对已有产品采取逆向工程进行仿造设计。当前，在计算机辅助设计非常成熟的情况下，在开展设计工作前已不再需要手工绘制图纸，而直接采用无纸化的电子数字化设计。[0003] 然而，能够进行工件的电子化辅助设计常见的方式为3D扫描技术，该项技术费用昂贵，使用条件苛刻，还存在着结果失真、比例失调等一系列不利的因素和限制条件，因此，亟需一种3D阵列式数字拓印方法。发明内容[0004] 鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种3D阵列式数字拓印设备及其拓印方法来快速准确地进行工件的数字化设计，减少失真，提高设计数值精度，降低设计费用。[0005] 一种3D阵列式数字拓印设备，包括：[0006] 拓印架体，其包括两组承重板、用于承载工件的支撑框架、固定连接在对应承重板上的四组横杆；[0007] 工件夹固组件，其装设在所述支撑框架上；[0008] 两组3D阵列拓印板；[0009] 用于驱动对应3D阵列拓印板的直线驱动结构；以及计算机系统，其和3D阵列拓印板之间固定连接有数据传输线；[0010] 其中，每组所述3D阵列拓印板包括底板和呈阵列式密集固定于底板上的若干组数字拓印针，所述数字拓印针由针体、伸缩弹性针座、弹性针座套管和应变传感器构成。[0011] 在其中一个实施例中，两组所述承重板水平布设于支撑框架的相对应两侧位置处，且承重板立置布设；所述承重板和支撑框架底部均固定安装有垫座。[0012] 进一步地，四组所述横杆均匀布设在四周位置处，且横杆和承重板相垂直，所述支撑框架的相对应两侧壁处均开设有和横杆相适配的插槽。[0013] 在其中一个实施例中，所述工件夹固组件包括螺纹贯通连接于支撑框架前壁位置处的夹具I、螺纹贯通连接于支撑框架后壁位置处的夹具II。[0014] 在其中一个实施例中，所述数字拓印针面向支撑框架布设，且数字拓印针和底板相垂直；所述伸缩弹性针座固定安装在针体针尾处，且针体针头面向工件设置；所述应变传感器固定安装在伸缩弹性针座和底板之间，且底板上固定连接有数据线。[0015] 进一步地，所述底板水平布设在支撑框架和对应承重板之间处，且底板上贯通开设有用于适配横杆的定位腔。[0016] 在其中一个实施例中，所述直线驱动结构包括固定安装在承重板上的步进驱动电机、固定连接于驱动电机输出端处的丝杆、螺纹套设于丝杆上的滑座、装设于滑座和3D阵列拓印板之间的连接件。[0017] 进一步地，所述连接件固定安装在滑座和底板之间，且丝杆位于底板背向数字拓印针的相对应一侧位置处。[0018] 一种拓印方法，包括以下步骤：[0019] S1拓印设备开机自检，检查驱动机构、数字拓印针、底板工况及其与计算机之间的通信状况，并将各运动机构位置归零；[0020] S2数字拓印针的零位校正；[0021] S3数字拓印针的劲度系数校正。[0022] S4对待拓印工件进行数字化建模，构建得到工件的三维数字化模型。[0023] 在其中一个实施例中，所述数字化建模的方法，其具体操作如下：[0024] S41将待拓印工件安置于支撑框架上，利用工件夹固组件进行固定；[0025] S42点击测定建模按钮，步进电机数字直线驱动机构驱动两块3D阵列拓印板运动至数字拓印针相互接触的位置，由于待拓印工件的存在，两块3D阵列拓印板上的相应位置的数字拓印针各自缩短mi距离，计算机系统接收和处理数据，构建待拓印工件的三维数字模型。[0026] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0027] 本发明的拓印设备成本低廉、技术难度低、仅需3D阵列拓印板与计算机辅助即可，不需昂贵的摄像头、AI深度学习智能化系统等复杂的技术，可以较低的成本实现工件的数字化建模工作。[0028] 本发明的拓印方法，样品工件的数字建模迅速简洁，可迅速获得工件的实物尺寸及高精度离散的三维坐标数据，很容易就能建立样品工件的数字化模型，整个拓印过程计算量低、迅速，可快速准确的实现工件的数字化设计。附图说明[0029] 图1所示为本发明实施例1提供的一种3D阵列式数字拓印设备的结构示意图。[0030] 图2所示为图1的爆炸图。[0031] 图3所示为图2中A处的平面透视图。[0032] 主要元件符号说明[0033] 1、承重板；2、支撑框架；3、横杆；4、工件夹固组件；5、底板；6、数字拓印针；7、弹性针座套管；8、伸缩弹性针座；9、应变传感器底座；10、步进驱动电机；11、丝杆；12、滑座；13、连接件；14、计算机系统。[0034] 以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。具体实施方式[0035] 下面结合附图对本发明进行详细的描述。[0036] 实施例1[0037] 请参阅图1?3，本实施例提供了一种3D阵列式数字拓印设备，其应用于工件的数字化设计中。拓印设备包括拓印架体、工件夹固组件4、两组3D阵列拓印板、用于驱动对应3D阵列拓印板的直线驱动结构、以及和3D阵列拓印板之间固定连接有数据传输线的计算机系统14。[0038] 拓印架体包括两组承重板1、用于承载工件的支撑框架2、固定连接在对应承重板1上的四组横杆3。两组所述承重板1水平布设于支撑框架2的相对应两侧位置处，且承重板1立置布设。所述承重板1和支撑框架2底部均固定安装有垫座，基于垫座来承托拓印架体，以实现其在如桌面等载体上的稳固置放。四组所述横杆3均匀布设在四周位置处，且横杆3和承重板1相垂直，所述支撑框架2的相对应两侧壁处均开设有和横杆3相适配的插槽。[0039] 本实施例的拓印架体，其为由支撑框架2、横杆3和承重板1相互配合构成的组合体，组装时将横杆3沿插槽插入支撑框架2中即可，拿住承重板1施加沿插入方向反向的拉力即可进行拆卸，操作便捷省力，此外，在直线驱动机构驱动3D阵列拓印板移动时，横杆3还起到支撑3D阵列拓印板的作用。[0040] 工件夹固组件4装设在所述支撑框架2上，所述工件夹固组件4包括螺纹贯通连接于支撑框架2前壁位置处的夹具I、螺纹贯通连接于支撑框架2后壁位置处的夹具II。本实施例中，通过夹具I和夹具II于工件前后侧施加相向的压力，从而实现工件在支撑框架2上的悬置固定，以便后续的拓印操作，需要说明的是，待拓印工件的最大尺寸，应当不大于3D阵列拓印板尺寸的90％，工件最大厚度的一半，不应大于数字拓印针线性伸缩变化最大值的90％。[0041] 每组所述3D阵列拓印板包括底板5和呈阵列式密集固定于底板5上的若干组数字拓印针6。所述数字拓印针6面向支撑框架2布设，且数字拓印针6和底板5相垂直。所述数字拓印针6由针体、伸缩弹性针座8、弹性针座套管7和应变传感器9构成。两组3D阵列拓印板呈左右镜像对称性结构，本实施例的3D阵列拓印板相当于一块数字型屏幕，每一个数字拓印针6即为一个精确的像素位点，每一个数字拓印针6伸缩量的变化值真实地反应了所拓印对象实际尺寸的数据，由于数字拓印针6的二维坐标固定且已知，当数字拓印针6沿单一方向伸缩变动时，应变传感器9检测获得对应的伸缩变化数据，从而迅速获得所拓印对象的三维空间坐标数据，进而建立其数字化模型。[0042] 所述伸缩弹性针座8固定安装在针体针尾处，且针体针头面向工件设置，所述应变传感器9固定安装在伸缩弹性针座8和底板5之间，且底板5上固定连接有数据线。所述底板5水平布设在支撑框架2和对应承重板1之间处，且底板5上贯通开设有用于适配横杆3的定位腔，基于定位腔来提供底板5和横杆3之间的连接定位，保证3D阵列拓印板始终做水平方向上的直线运动。[0043] 本实施例中，弹性针座套管7用于确保针体沿单一方向做伸缩变化，并且不发生偏斜，当每一个针体承受不同的压力时，伸缩弹性针座8发生相应的伸缩变化，使得针体针头产生不同程度的缩短，进而由应变传感器9换算为具体的伸缩变化数据，通过数据传输线传输给计算机系统14，伸缩变化数据作为对应数字拓印针6的第三坐标数据Zi来进行后续的计算处理。[0044] 所述直线驱动结构包括固定安装在承重板1上的步进驱动电机10、固定连接于驱动电机10输出端处的丝杆11、螺纹套设于丝杆11上的滑座12、装设于滑座12和3D阵列拓印板之间的连接件13。所述连接件13固定安装在滑座12和底板5之间，且丝杆11位于底板5背向数字拓印针6的相对应一侧位置处。本实施例的直线驱动结构，其工作过程如下：步进驱动电机10运行带动丝杆11旋转，此时，其上的滑座12在螺纹连接作用下将旋转运动转化为直线运动，从而通过连接件13对3D阵列拓印板施加推力以带动其做直线运动。[0045] 本实施例的拓印设备，其拓印过程如下：直线驱动结构驱动3D阵列拓印板，两组3D阵列拓印板做相向移动，直至两组3D阵列拓印板上的数字拓印针6相互接触时，停止运动，此时，数字拓印针6因工件的存在而缩短，由于3D阵列拓印板上每一个数字拓印针6的位置固定，即其平面二维坐标已经固定了，设其为Xi，Yi,在每一个Zi≠0的位置，该Zi≠0的位置指示因工件的存在而发生伸缩变化的数字拓印针6，可迅速得到待拓印工件的立体三维坐标数据Xi，Yi，Zi，全体Zi≠0三维坐标数据通过计算机系统14上搭载的专用3D数字拓印软件系统进行反演，则可以立即得到工件整体的数字化模型。[0046] 综上，本实施例的拓印设备成本低廉、技术难度低、仅需3D阵列拓印板与计算机辅助即可，不需昂贵的摄像头、AI深度学习智能化系统等复杂的技术，可以较低的成本实现工件的数字化建模工作。[0047] 实施例2[0048] 本实施例提供了一种拓印方法，其采用如实施例1的一种3D阵列式数字拓印设备来快速准确地建立样品工件的数字化模型。所述拓印方法包括以下步骤：[0049] S1拓印设备开机自检；[0050] 接通电源后，开启辅助计算机系统14，启动专用3D数字拓印软件系统，软件系统自动进行自检工作，自检过程中，若计算机系统14和3D阵列拓印板之间的通讯正常，即可开始下一步工作，若通讯异常则发出警报信息，提示某个3D阵列拓印板上某个位置的数字拓印针6信号异常或无通讯，需要进行如检修、更换数字拓印针6或更换3D阵列拓印板等操作；[0051] S2数字拓印针6的零位校正；[0052] 所述数字拓印针6零位校正的方法，其具体操作如下：点击零位校正按钮，步进电机数字直线驱动机构驱动两块3D阵列拓印板运动至数字拓印针6相互接触的位置，则将所有数字拓印针6的第三坐标Zi赋值为0，即完成零位校正工作。[0053] S3数字拓印针6的劲度系数校正。[0054] 所述数字拓印针6劲度系数校正的方法，其具体操作如下：[0055] S31将一个尺寸已知的标准样品模件，安置于支撑框架2的标准位置，设标准样品模件厚度的一半为已知的m毫米；[0056] S32点击劲度系数校正按钮，步进电机数字直线驱动机构驱动两块3D阵列拓印板运动至数字拓印针6零位校正的位置，则因标准样品的存在，数字拓印针6缩短了m毫米；[0057] S33设应变传感器9测得的弹性压力为fi，则其对应数字拓印针6的劲度系数ki＝fi/m，将ki值赋值给对应的数字拓印针6，完成劲度系数校正工作。[0058] S4对待拓印工件进行数字化建模，构建得到工件的三维数字化模型；[0059] 所述数字化建模的方法，其具体操作如下：[0060] S41将待拓印工件安置于支撑框架2上，利用工件夹固组件4进行固定；[0061] S42点击测定建模按钮，步进电机数字直线驱动机构驱动两块3D阵列拓印板运动至数字拓印针6零位校正的位置，由于待拓印工件的存在，两块3D阵列拓印板上的相应位置的数字拓印针6各自缩短mi距离，对于计算机辅助系统而言，mi是未知的。相应的，应变传感器9测得的压力各自为fi，并将相应数据传输给计算机系统14，计算机系统14随即根据已经校正的劲度系数ki，反演计算出每一个数字拓印针6缩短的距离Zi＝fi/ki。显然，相对应地，每一个Zi＝每一个mi，也就是利用了数字拓印针，准确地测得了每一个位置的mi。与零位校正相比较，未曾发生伸缩变动的数字拓印针，仍然赋值其Zi＝0。[0062] 由于3D阵列拓印板中，其数字拓印针6阵列位置固定，即每一个数字拓印针6的平面坐标(Xi，Yi)是已知且固定不变的，经过检测，在每一个Zi≠0的位置，计算机系统14赋值得到其三维坐标(Xi，Yi，Zi)，基于测得三维坐标数据，可迅速构建待拓印工件的三维数字模型，且与真实尺寸一一对应。[0063] 数字化拓印针6第三坐标Zi检测获取方法如下：设伸缩弹性针座8的劲度系数为k，应变传感器9测得的压力为f，根据弹性变化胡克定律，可知对应数字拓印针6顶部针头的伸缩变化量Z＝f/k。则每一个数字拓印针6所测得的变化量Zi，真实地反应了工件在每一个数字拓印针6位置的凸凹程度的大。滞赜≌6不发生伸缩变化的位置，取Zi＝0。需要注意的是，设数字拓印针6正常线性变化范围内，其最大伸缩变化量为Zmax，则工件最大厚度的一半，应当不大于Zmax的90％。[0064] 实体的数字拓印针6因物理大小限制，相互之间排布间隔距离有一定的最小限值，如果不满足工件数字化检测像素要求，可以在任意相邻的两个数字拓印针6所检测的数据之间，进行自动化插值以提升拓印的像素质量。[0065] 数字化模型精度提升的相关过程如下：[0066] 在Zi、Zi+1任意一个数值不为零的情况下，如果Zi＝Zi+1，无论在(Xi，Yi，Zi)、(Xi+1，Yi+1，Zi+1)之间插入多少个像素点，其第三个坐标Zi’值不变，即Zi’＝Zi＝Zi+1。[0067] 在Zi、Zi+1任意一个不为零的情况下，如果Zi≠Zi+1，设在(Xi，Yi，Zi)、(Xi+1，Yi+1，Zi+1)之间插入n个像素点，默认采取线性插值，即在两个相邻像素点之间采用直线进行连接，其间的数据进行(n+1)份均分处理。令ΔXi＝(Xi+1?Xi)/(n+1)，ΔYi＝(Yi+1?Yi)/(n+1)，ΔZi＝(Zi+1?Zi)/(n+1)，其插值后的三维坐标数据依次为(Xi，Yi，Zi)、(Xi+ΔXi，Yi+ΔYi，Zi+ΔZi)、…、(Xi+nΔXi，Yi+nΔYi，Zi+nΔZi)、(Xi+1，Yi+1，Zi+1)。[0068] 需要说明的是，特殊情况下，可以选择考虑进行其他曲线形式插值，如在Zi≠0、Zi+1≠0、Zi≠Zi+1情况下，设在(Xi，Yi，Zi)、(Xi+1，Yi+1，Zi+1)之间插入n个像素点，前两个坐标数据仍然进行线性插值，即ΔXi＝(Xi+1?Xi)/(n+1)，ΔYi＝(Yi+1?Yi)/(n+1)，第三个坐标考虑在两个相邻像素点之间采用某种曲线方程进行连接，基于实际需要设定该曲线的必需参数，譬如其曲率、曲率半径等，再根据Zi、Zi+1数据求取该曲线方程，进而以ΔZi＝(Zi+1?Zi)/(n+1)为插值计算步长，基于所求得的曲线方程逐步计算得到第三坐标的数据，设为ΔZi’，需要注意的是，此处的每一个ΔZi’并不一定相等，仅为指示作用，则曲线插值后的三维坐标数据依次为(Xi，Yi，Zi)、(Xi+ΔXi，Yi+ΔYi，Zi+ΔZi’)、…(Xi+nΔXi，Yi+nΔYi，Zi+nΔZi’)、(Xi+1，Yi+1，Zi+1)。[0069] 综上，本实施例的拓印方法，样品工件的数字建模迅速简洁，可迅速获得工件的实物尺寸及高精度离散的三维坐标数据，很容易就能建立样品工件的数字化模型，整个拓印过程计算量低、迅速，可快速准确地实现工件的数字化设计。[0070] 对于所涉及的各个部件的命名，以其在说明书中描述的功能作为命名的标准，而不受本发明所用到的具体的名词的限定，本领域的技术人员也可以选用其它的名词来描述本发明的各个部件名称。

专利地区：辽宁

专利申请日期：2024-04-12

专利公开日期：2024-11-12

专利公告号：CN118313087B