專利名稱：用于打印三維物品的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及在三維物品上進(jìn)行打印。更具體地說，本發(fā)明涉及利用包含噴墨 打印頭的機(jī)器人系統(tǒng)在彎曲基材上打印高質(zhì)量圖像的裝置和方法。
背景技術(shù)：
模制塑料物品逐漸被廣泛接受，作為金屬和玻璃物品的替代品。例如，塑料材料面 板，諸如聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)目前用于替代各種機(jī)動(dòng)車應(yīng)用領(lǐng)域中 的傳統(tǒng)玻璃窗和金屬體面板，包括部件諸如B柱、頭燈、車窗、透光天窗和不透光天窗。由于 具備許多確定的優(yōu)勢(shì)，特別是在外形/設(shè)計(jì)、節(jié)省重量、安全性和可靠性方面，機(jī)動(dòng)車窗系 統(tǒng)代表這種塑料材料的特別理想的應(yīng)用領(lǐng)域。更具體地說，塑料材料讓機(jī)動(dòng)車制造商有能 力通過提高總體設(shè)計(jì)和形狀的復(fù)雜性而突出它們的車輛。由于較之傳統(tǒng)玻璃窗系統(tǒng)重量更 輕，所以在車輛中包含塑料窗系統(tǒng)和部件可以便于降低車輛重心(因此車輛操作性和安全 性更好)和改善燃料經(jīng)濟(jì)性。此外，安全性得到改善，特別是在翻滾事故中，原因是乘坐人 或乘客保留在車輛中的可能性更大。與塑料窗系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)在于，能將若干部件 (以前粘結(jié)或接合在一起)整合成一個(gè)物品，從而減少了組裝操作的數(shù)量。塑料窗系統(tǒng)的一個(gè)固有缺陷在于，無法在該物品所產(chǎn)生的復(fù)雜表面形狀(凹陷、 凸起、多種曲線等)上方便地打印高質(zhì)量的圖像。打印是理想的方式，因?yàn)樵趶?fù)雜三維物品 的表面上形成圖像的其他方式耗費(fèi)時(shí)間。不幸的是，常用的二位打印方法，諸如絲網(wǎng)印刷和 移印，僅能以有限的成功率滿足這種需求?？梢岳媚蚋嗔弦约氨绢I(lǐng)域技術(shù)人員知道的各種方法，將圖像直接打印在二 維物品的任一表面上。除了上述方法之外，其他方法包括絲網(wǎng)印刷、噴墨打印和自動(dòng)分配 (諸如滴流拖動(dòng)分配、流式分配、簡單流分配)。在每一種上述情形下，面板形狀都影響打印 圖像的質(zhì)量，例如絲網(wǎng)印刷和其他方法在非平面面板上非常難于進(jìn)行。打印的速度也影響 個(gè)別打印線或特征的質(zhì)量，因此引向產(chǎn)生的圖像的質(zhì)量。墨水或膏料較慢的速度和較高的 流速可能導(dǎo)致圖像的特征較寬和較深。相反，較高的速度和較低的流速可能導(dǎo)致特征較細(xì) 和較淺。此外，保持打印設(shè)備與物品表面之間的偏移距離隨著表面形狀復(fù)雜性加大也變得 更加困難，但是保持適當(dāng)?shù)钠凭嚯x又是保證高質(zhì)量圖像所必要的。另外一個(gè)關(guān)心的方面 是能將打印系統(tǒng)方便地適配不同形狀的物品，而不是必須針對(duì)每一種新的物品設(shè)計(jì)構(gòu)造專 用于該具體物品的新打印系統(tǒng)。因此，需要提供一種改進(jìn)的用于在三維物品或基材諸如塑料機(jī)動(dòng)車窗的表面上打 印圖像的裝置和方法。

發(fā)明內(nèi)容
為了滿足上述需求，以及克服現(xiàn)有技術(shù)中的眾多缺陷和其他局限，本發(fā)明一般提 供一種用于在三維物品包括但不限于塑料機(jī)動(dòng)車窗的曲面上打印圖像的裝置和方法。所述 打印裝置是一種機(jī)器人系統(tǒng)，包括適配成支撐三維物品的支撐固定件。鉸接臂相對(duì)于所述支撐固定件定位，以使所述臂的端部相對(duì)于待打印的曲面定位。由所述臂的所述端部承載 并安裝到所述端部的是噴墨打印頭。所述臂可以三個(gè)以上的自由度移動(dòng)，所述臂能將所述 噴墨打印頭相對(duì)于所述物品的所述曲面定位于任何取向和位置。所述噴墨打印頭包括多個(gè) 噴嘴，所述噴嘴耦接到墨水源或其他適合打印的介質(zhì)；并且還包括適當(dāng)?shù)目刂平Y(jié)構(gòu)，用于根 據(jù)來自控制器或控制系統(tǒng)的指令從所述噴嘴分配墨水。為了形成圖像，必須在與所述物品的所述表面上的像素位置對(duì)應(yīng)的精確時(shí)間點(diǎn)， 向所述打印頭中的每個(gè)噴嘴單獨(dú)施加具有特定形狀、幅值和脈沖持續(xù)時(shí)間的波形。所述波 形控制從噴嘴噴射的墨水量，以及部分地控制所述物品上產(chǎn)生墨水像素的特征，并最終控 制整體圖像的質(zhì)量。傳統(tǒng)噴墨打印應(yīng)用方案通過相對(duì)于物體的兩個(gè)自由度(χ和y軸)的 運(yùn)動(dòng)，有時(shí)通過三個(gè)自由度(X、Y和Z軸)的運(yùn)動(dòng)操縱所述打印頭的位置。對(duì)于本發(fā)明，采 用3個(gè)以上的自由度(最多6個(gè))來相對(duì)于所述物品的所述曲面定位所述打印頭。所述額 外的自由度包括圍繞三個(gè)軸，即A、B和C(有時(shí)稱為&、Yr和τχ)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，從而除了由 沿著Χ、Υ和Z軸的運(yùn)動(dòng)提供的平移定位之外，提供所述打印頭的取向定位。通過這種方式， 可以保持打印頭的取向任何時(shí)刻都垂直于所述物品的所述表面。對(duì)于本發(fā)明，所述臂移動(dòng)所述打印頭沿著投射直線經(jīng)過所述物品的所述表面，所 述投射直線稱為掃描路徑或方向。對(duì)于所述物品的所述表面上的每個(gè)位置以及打印頭的位 置，打印頭的每個(gè)噴嘴具有關(guān)聯(lián)的一組值、控制信號(hào)或波形，所述一組值、控制信號(hào)或波形 判斷噴嘴是否噴射墨水，如是，則精確控制噴射的墨水量。所述控制信號(hào)對(duì)應(yīng)于在所述物品 的所述曲面上產(chǎn)生希望的圖像所需的打印像素。通過控制所述臂的所述端部的位置，可以相對(duì)于待打印的所述物品的所述表面控 制打印頭的位置(定位和取向)?？梢允褂酶鞣N方法來確定所述打印頭相對(duì)于所述物品的 所述表面的實(shí)際位置。知道所述打印頭的實(shí)際位置之后，可以使用各種方法來控制在相對(duì) 于所述物品的每個(gè)實(shí)際位置為所述噴嘴產(chǎn)生發(fā)射脈沖。這些方法包括根據(jù)下述信息確定所 述發(fā)射脈沖打印頭已經(jīng)沿著掃描路徑移動(dòng)的相對(duì)距離，諸如距離掃描路徑起點(diǎn)的距離，結(jié) 合針對(duì)掃描路徑限定或推導(dǎo)出的圖形數(shù)據(jù)；知道何時(shí)開始打印，結(jié)合用于復(fù)制的圖像以及 打印頭行進(jìn)速度的實(shí)時(shí)知識(shí)；打印頭的絕對(duì)坐標(biāo)，結(jié)合針對(duì)所述相同坐標(biāo)的預(yù)定圖像數(shù)據(jù)； 和利用激光器或其他傳感器感知部件特征，和根據(jù)所述特征的絕對(duì)位置或相對(duì)位置觸發(fā)脈 沖。因此，在本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種在三維物品的曲面上打印圖像的裝置，所 述裝置包括適配成支撐所述物品的支撐固定件；具有多個(gè)耦接到打印介質(zhì)源的噴嘴的噴 墨打印頭；支撐所述物品的所述支撐固定件和所述打印頭其中之一安裝到所述機(jī)器人臂并 由其承載，所述機(jī)器人臂具有3個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)自由度，并且能移動(dòng)，從而導(dǎo)致所述打印頭沿 著一系列遵循所述物品的所述曲面的表面輪廓的掃描路徑相對(duì)運(yùn)動(dòng)；和控制器，所述控制 器耦接到所述機(jī)器人臂并配置成導(dǎo)致所述機(jī)器人臂鉸接運(yùn)動(dòng)，從而沿著所述一系列掃描路 徑移動(dòng)所述打印頭，隨著所述打印頭沿著所述一系列掃描路徑移動(dòng)，所述控制器導(dǎo)致所述 機(jī)器人臂相對(duì)于所述物品的所述曲面將所述打印頭定位在適合打印的位置，所述控制器耦 接到所述打印頭并進(jìn)一步配置成讓所述多個(gè)噴嘴沿著所述掃描路徑在預(yù)定的位置噴射打 印介質(zhì)，從而在所述基材的所述曲面上形成所述圖像。在本發(fā)明的另一方面，所述掃描路徑為線性路徑。在本發(fā)明進(jìn)一步的方面，所述多
5個(gè)噴嘴設(shè)置成陣列。在本發(fā)明的額外一方面，所述多個(gè)噴嘴設(shè)置成線性陣列。在本發(fā)明的另一方面，所述多個(gè)噴嘴設(shè)置成二維陣列。在本發(fā)明的另一方面，所述控制器配置成讓所述多個(gè)噴嘴根據(jù)距離所述掃描路徑 上與存儲(chǔ)在所述控制器的存儲(chǔ)器中的圖像定位數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的已知點(diǎn)的距離，而噴射打印介 質(zhì)。在本發(fā)明的進(jìn)一步的方面，所述控制器配置成在沿著所述掃描路徑的行程起始點(diǎn) 從所述機(jī)器人臂接收開始信號(hào)，并在沿著所述掃描路徑相對(duì)于所述起始點(diǎn)的另外一些距離 處接收另外的距離信號(hào)。在本發(fā)明的另外一方面，所述控制器配置成根據(jù)實(shí)際掃描路徑相對(duì)于期望掃描路 徑糾正誤差，從所述多個(gè)噴嘴噴射打印介質(zhì)的控制過程得到校正，以對(duì)應(yīng)于實(shí)際掃描路徑。在本發(fā)明的另一方面，傳感器配置成感知所述部件的曲面上的部件特征，其中所 述控制器配置成讓所述多個(gè)噴嘴根據(jù)所述傳感器感知到的部件特征來噴射打印介質(zhì)。在本發(fā)明的另一方面，所述傳感器是光學(xué)傳感器。在本發(fā)明的另一方面，所述傳感器是激光傳感器。在本發(fā)明的另外一方面，所述控制器在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)一組用于從所述多個(gè)噴嘴每 一個(gè)噴射打印介質(zhì)的值，所述值組對(duì)應(yīng)于所述部件特征的每個(gè)位置。在本發(fā)明的另一方面，所述控制器配置成將所述打印頭的實(shí)際位置與對(duì)應(yīng)于所述 物品的所述表面上的三維圖像的存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)比對(duì)，并根據(jù)比對(duì)結(jié)果控制從所述多個(gè)噴嘴 噴射打印介質(zhì)。在本發(fā)明進(jìn)一步的方面，打印頭高度傳感器配置成監(jiān)控所述打印頭相對(duì)于所述物 品的所述曲面的高度。在本發(fā)明的另外一方面，促動(dòng)器配置成根據(jù)所述打印頭的監(jiān)控高度，將所述打印 頭移動(dòng)到距離所述物品的所述曲面的一定距離。在本發(fā)明的另一方面，所述打印頭高度傳感器包括激光器。在本發(fā)明進(jìn)一步的方面，所述控制器配置成讓所述機(jī)器人臂鉸接運(yùn)動(dòng)，從而將所 述打印頭定位到與所述物品的所述曲面垂直的取向。在本發(fā)明另外一方面，提供一種在三維物品的曲面上打印圖像的方法，所述方法 包括步驟提供具有待打印曲面的三維物品；將具有多個(gè)噴嘴的噴墨打印頭定位在所述物 品的所述表面附近；沿著經(jīng)過所述物品的掃描路徑移動(dòng)所述噴墨打印頭，同時(shí)將所述噴墨 打印頭相對(duì)于由所述物品的所述表面所展現(xiàn)出的曲率定位；并根據(jù)所述打印頭相對(duì)于所述 物品的位置以及存儲(chǔ)在控制器的存儲(chǔ)器中并與所述物品的所述表面相關(guān)聯(lián)的圖像數(shù)據(jù)，從 所述多個(gè)噴嘴噴射墨水。在本發(fā)明的另一方面，噴射墨水的步驟進(jìn)一步包括步驟確定用于移動(dòng)所述噴墨 打印頭的起始位置，并根據(jù)所述打印頭沿著所述掃描路徑移動(dòng)的、距離所述起始點(diǎn)的距離， 從所述噴墨打印頭噴射墨水。在本發(fā)明進(jìn)一步的方面，噴射墨水的步驟進(jìn)一步包括步驟確定初始噴射墨水的 時(shí)間，并根據(jù)從噴射墨水開始經(jīng)過的時(shí)間以及所述打印頭沿著所述掃描路徑移動(dòng)的速度， 而進(jìn)一步從所述噴墨打印頭噴射墨水。
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在本發(fā)明另一方面，噴射墨水的步驟進(jìn)一步包括步驟確定所述打印頭相對(duì)于所 述物品的所述表面的絕對(duì)坐標(biāo)，并將所述坐標(biāo)與存儲(chǔ)在控制器的存儲(chǔ)器中的圖像數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。在本發(fā)明的另一方面，噴射墨水的步驟進(jìn)一步包括步驟利用傳感器感知部件特 征，并根據(jù)與存儲(chǔ)在控制器的存儲(chǔ)器中的圖像數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的感知到的部件特征從所述噴墨打 印頭噴射墨水。在本發(fā)明進(jìn)一步的方面，提供步驟感知打印頭相對(duì)于所述物品的實(shí)際表面的高 度并相對(duì)于所述物品的實(shí)際表面將所述打印頭的高度調(diào)節(jié)到偏移高度。


文中所述附圖僅用于例述目的并且，本意并非以任何方式限制本發(fā)明的范圍。圖 1是使得噴墨打印頭橫穿三維物品并采用本發(fā)明原理的機(jī)器人臂的透視圖；圖2A和圖2B是分別展現(xiàn)位于其上的線性陣列和二維陣列噴嘴的噴墨打印頭下側(cè) 的代表性透視圖；圖3是三維物品的平面圖，示出噴墨打印頭的掃描路徑的線性投影并帶有部分打 印于其上的圖像；和圖4是大致沿著圖3中的線4-4切開的噴墨打印頭的截面圖，噴墨打印頭遵循掃 描路徑并根據(jù)本發(fā)明的原理打印圖像。
具體實(shí)施例方式以下描述的本質(zhì)僅僅是示例性質(zhì)，并且目的并不是以任何方式限制本發(fā)明及其應(yīng) 用或使用。應(yīng)該理解，在描述內(nèi)容和附圖始終，對(duì)應(yīng)的附圖標(biāo)記指代類似或相應(yīng)的部件和特 征。本發(fā)明一般提供一種在三維(3-D)物品的曲面上打印的方法。更具體地說，本發(fā) 明提供一種利用噴墨打印頭結(jié)合具有3個(gè)以上運(yùn)動(dòng)自由度的機(jī)器人臂在3-D物品的曲面上 打印高質(zhì)量圖像的方法?，F(xiàn)在參照?qǐng)D1，如圖所示，機(jī)器人系統(tǒng)10配置成在3-D物品14上打印圖像12，所 述物品14示為用于機(jī)動(dòng)車的塑料后窗組件(后窗)。塑料機(jī)動(dòng)車窗組件一般以剛性透明基 材構(gòu)成，其上涂覆一種或多種保護(hù)性涂層。基材本身以任何熱塑性聚合樹脂或者混合物或這它們的組合形成。適當(dāng)?shù)臒崴苄?樹脂包括單不限于聚碳酸酯、丙烯酸樹脂、聚芳酯樹脂、聚酯樹脂和聚砜樹脂以及它們的共 聚物和混合物。通過使用多種已知技術(shù)注入模制、熱成型或擠壓中的任何一種，所述基材可 以形成期望的形狀。所述保護(hù)性涂層設(shè)計(jì)并選擇為保護(hù)物品14免受自然影響，諸如暴露于紫外線輻 射、氧化和磨損。這種效果可以通過在所述基材一側(cè)或兩側(cè)(外側(cè)和內(nèi)側(cè))使用單層保護(hù) 涂層或多層保護(hù)涂層來實(shí)現(xiàn)。在實(shí)踐中，保護(hù)性涂層可以是塑料膜、有機(jī)涂層、無機(jī)涂層或 它們的混合物。塑料膜可以與所述基材具有相同或不同的成分。所述膜和涂層可以包括紫 外線吸收劑(UVA)分子、流變控制添加劑，諸如分散劑、表面活性劑和透明填料(例如，二氧 化硅、氧化鋁等)，以改善耐磨性；以及包括其他添加劑，以改變產(chǎn)生的物品14的光學(xué)、化學(xué)或物理屬性。所述保護(hù)性涂層可以通過本領(lǐng)域技術(shù)人員知道的任何適當(dāng)技術(shù)進(jìn)行涂覆。這 些技術(shù)包括活性組分沉積，諸如用于真空輔助沉積過程的技術(shù)；和大氣涂層過程，諸如用來 向基材附圖溶膠凝膠涂層的技術(shù)。真空輔助沉積過程的示例包括但不限于等離子增強(qiáng)化學(xué) 氣相沉積、離子輔助等離子沉積、磁控濺射、電子束蒸發(fā)和離子束濺射。大氣涂層過程的示 例包括但不限于屏幕涂層、噴射涂層、旋轉(zhuǎn)涂層、浸漬涂層和澆涂。圖像12可以是任何期望圖像，諸如消隱和漸隱邊緣、徽標(biāo)或管理標(biāo)記，并且可以 在向基材涂覆保護(hù)性涂層之前或之后打印。因此，圖像12可以直接打印在基材上，并被保 護(hù)性涂層包封。作為替代，圖像可以打印在由任一保護(hù)性涂層，包括最外側(cè)涂層限定的表面 上。圖像12以不透明墨水形成，所述墨水配置成用于噴墨打印，并且特別用于系統(tǒng)10 中采用的打印頭打印。本領(lǐng)域技術(shù)人員明白，所述墨水的類型和墨水參數(shù)，包括單不限于 固體百分比、顆粒分散度、流變性質(zhì)和固結(jié)特性，需要進(jìn)行選擇，以匹配與所述打印頭相關(guān) 的操作參數(shù)，諸如噴口尺寸、操作溫度和壓力。此外，所述墨水必須(在粘性與非降解性方 面與形成所述基材與所述保護(hù)性涂層相適應(yīng)。機(jī)器人系統(tǒng)10包括機(jī)器人臂16，所述機(jī)器人臂能以3個(gè)以上的自由度優(yōu)選6個(gè)自 由度移動(dòng)，以便在物品14位于牢固保持產(chǎn)物品14的靜止支撐固定件22中的時(shí)候，安裝有 噴墨打印頭18的機(jī)器人臂16能相對(duì)于物品14的曲面20處于任意位置(定位和取向)。 因此，由機(jī)器人臂16上的打印頭18限定的工具中心點(diǎn)(TCP)可以平移到X、Y和Z坐標(biāo)系 中的任意點(diǎn)，并圍繞任意旋轉(zhuǎn)軸Rx、Ry和Rz旋轉(zhuǎn)取向，其中Rx、Ry和Rz表示6個(gè)定位自 由度的取向分量(要注意，在文中這是一種一般術(shù)語，并且所述旋轉(zhuǎn)軸通常以不同的名稱 來指代，包括例如A、B、C，取決于其來源)，并且后者限定與打印頭18所限定的打印平面36 垂直的軸線(在圖4中示出)，以下會(huì)有進(jìn)一步討論。通過這種方式，在打印過程中，打印 頭18掃描(沿著掃描路徑)經(jīng)過表面20時(shí)，TCP的定位和取向可以任何時(shí)候都保持離物 品14的表面20指定距離并與該表面垂直。機(jī)器人系統(tǒng)10靜止安裝在支撐表面24，如上所述，包括連接到機(jī)器人臂16端部的 打印頭18。打印頭18的構(gòu)造如本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知，并配置成在3-D物品14的表面20 上進(jìn)行打印。為了噴射墨水，打印頭18包括以線性陣列定位的一系列噴嘴28，如圖2A所 示，以二維陣列定位，如圖2B所示，或者適合具體打印應(yīng)用的其他形式。在打印過程中，控制器26控制機(jī)器人臂16的移動(dòng)，并沿著一系列掃描路徑或通道 移動(dòng)打印頭18，所述掃描路徑在圖1、3和4中一般以30指代。掃描路徑30使得打印頭18 在經(jīng)過物品14前進(jìn)時(shí)，以適合特定打印應(yīng)用的限定偏移距離(d)遵循物品14的表面20的 輪廓。雖然掃描路徑30不遵循物品14的表面20的輪廓，但是掃描路徑30沿著一定的方 向，以便它們?cè)谖锲?4上限定一系列平行的線性投影。所述線性投影在圖3的平面圖中可 以看到。一般來說，機(jī)器人臂16將以打印頭18位于物品14 一端的狀態(tài)開始，并沿著每一 條連續(xù)的掃描路徑30前進(jìn)，直到到達(dá)物品的相對(duì)端部。根據(jù)向物品14的表面20上涂覆圖像12，物品14的表面20上的所有點(diǎn)都被認(rèn)為 限定代表一組值的像素，用于控制從噴嘴20噴射墨水。因此，對(duì)于每一個(gè)像素位置來說，存 儲(chǔ)在控制器26中的一組值確定位于打印頭18上的給定噴嘴28是否將噴射墨水，從而在該 位置打印圖像12的像素。在打印頭18沿著每條掃描通道30移動(dòng)時(shí)，對(duì)于每個(gè)像素來說，
8打印頭18的每個(gè)噴嘴以預(yù)定方式噴射墨水(即，特定的量等等)或者不噴射墨水。通過將 一組值與每個(gè)像素位置關(guān)聯(lián)，圖像12被打印在物品14上的適當(dāng)區(qū)域中。從圖1和3中可 以看出，圖像12是提供在物品14邊緣附近的消隱特征。如上所述，控制器26電氣耦接到機(jī)器人臂16，并控制臂16的運(yùn)動(dòng)，因此控制打印 頭18的運(yùn)動(dòng)。相同的控制器26，或者額外的控制器，根據(jù)由與打印頭18和TCP的位置對(duì) 應(yīng)的物品14上的像素位置所代表的一組值，控制打印頭18以及從噴嘴噴射墨水。因此，控 制器26控制通常與噴墨打印頭18關(guān)聯(lián)的必要機(jī)構(gòu)和結(jié)構(gòu)，包括與噴嘴28關(guān)聯(lián)并將打印介 質(zhì)(墨水)源32流體耦接到噴嘴28的任何流量控制器。與噴墨打印頭18關(guān)聯(lián)的各種結(jié) 構(gòu)對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是熟知的，因此文中不需要進(jìn)一步詳細(xì)討論。在形成物品14時(shí)，CAD信息可以用來限定物品14的理想形狀。但是，由于在制造 過程中物品14接受各種處理，所以物品14的實(shí)際形狀將略微不同于物品14的理想形狀。 這種差別必須考慮，以便在物品14上產(chǎn)生高質(zhì)量的圖像12。為了產(chǎn)生圖像12，具有特定形 狀、幅值和脈沖持續(xù)時(shí)間的波形必須在非常精確的時(shí)刻施加給每個(gè)噴嘴28，該時(shí)刻對(duì)應(yīng)于 TCP與物品14的實(shí)際表面20上的像素位置以及與該像素位置相關(guān)的一組值重合的時(shí)刻。為了保證打印頭18從物品14的表面20偏移正確的偏移量(d)，系統(tǒng)10可以采 用主動(dòng)高度控制機(jī)構(gòu)，如美國專利申請(qǐng)No. 11/321,567中所述，該申請(qǐng)文件通過引用而包 含在本文中。一般來說，利用這種高度控制機(jī)構(gòu)，傳感器34 (諸如三角測(cè)量激光器、光子傳 感器、氣壓傳感器、超聲傳感器、磁性傳感器等)直接或間接測(cè)量由打印頭18的噴嘴28限 定的平面36離物品14的表面20的距離。作為這種測(cè)量的結(jié)果，控制器26糾正機(jī)器人臂 16的位置，從而將打印頭18移動(dòng)到離物品14的表面20期望的偏移距離(d)。作為替代， 可以根據(jù)傳感器34的輸入，利用與機(jī)器人臂16端部上的打印頭18關(guān)聯(lián)的促動(dòng)器，主動(dòng)控 制打印頭18的位置，以及噴嘴28的位置。這種促動(dòng)器沿著與噴嘴平面36正交的軸線將打 印頭18和嘴28移動(dòng)(向表面20或背離表面20移動(dòng))到由特定應(yīng)用場(chǎng)合指定的預(yù)定偏移 距離(d)。所述促動(dòng)器可以是能快速作出響應(yīng)并且精度高的任何各種設(shè)備，諸如線性馬達(dá)和 電器、液壓、氣動(dòng)、壓電、電磁促動(dòng)器或者其他促動(dòng)器。如前所述，可以使用各種方法來確定打印頭18相對(duì)于物品14的實(shí)際表面20的實(shí) 際位置。知道打印頭18的實(shí)際位置之后，可以使用各種方法來控制生成發(fā)射脈沖(前述用 于給定像素位置處的每個(gè)噴嘴的一組值)，用于處在物品14的表面20的每個(gè)實(shí)際位置的 噴嘴28。文中所述各種方法包括根據(jù)以下知識(shí)確定發(fā)射脈沖打印頭18已經(jīng)沿著掃描路 徑30移動(dòng)的相對(duì)距離，諸如距離掃描路徑30起點(diǎn)的距離，結(jié)合針對(duì)掃描路徑30限定或推 導(dǎo)出的圖形數(shù)據(jù)；知道沿著掃描路徑30的掃描路程過程中何時(shí)開始打印，結(jié)合用于復(fù)制的 圖像以及打印頭行進(jìn)速度的實(shí)時(shí)知識(shí)；打印頭18的絕對(duì)坐標(biāo)，結(jié)合針對(duì)所述相同坐標(biāo)的預(yù) 定圖像數(shù)據(jù)；和利用激光器或其他傳感器感知物品14的表面上的特征，和根據(jù)所述特征的 絕對(duì)位置或相對(duì)位置觸發(fā)脈沖。在上述方法的第一步中，即根據(jù)離掃描通道30的起點(diǎn)的相對(duì)距離確定觸發(fā)脈沖， 相對(duì)于支撐固定件22中的物品14的位置確定至少第一掃描路徑30的起點(diǎn)，以及可能每個(gè) 后續(xù)掃描路徑30的起點(diǎn)。在打印頭18利用機(jī)器人臂16開始沿著掃描路徑30運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸 出信號(hào)。從所述開始信號(hào)，連續(xù)輸出距離信號(hào)，以標(biāo)記打印頭18沿著掃描路徑30的位置。 這些距離與存儲(chǔ)在控制器26中的圖像數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，并且利用與對(duì)應(yīng)于打印頭18已經(jīng)沿著掃描路徑30移動(dòng)的距離的物品14的表面20上的像素位置關(guān)聯(lián)的數(shù)組值來觸發(fā)適當(dāng)?shù)膰娮?28。優(yōu)選，打印頭18首先加速并且在打印頭18到達(dá)要求在物品14上打印的第一像素位置 之前實(shí)現(xiàn)恒定速度。如果在打印頭18進(jìn)行加速的同時(shí)碰到要求打印的像素位置，則值組與 發(fā)射脈沖關(guān)聯(lián)到打印頭18的加速度，以便實(shí)現(xiàn)將打印像素定位在物品14的表面上?？梢?通過各種裝置對(duì)掃描路徑起點(diǎn)的近似定位進(jìn)行補(bǔ)償。一種所述裝置沿著掃描路徑30延伸 打印頭18，而不會(huì)在物品14的表面20上打印，同時(shí)記錄真實(shí)定位數(shù)據(jù)，然后向所述真實(shí)定 位數(shù)據(jù)應(yīng)用校準(zhǔn)/濾波算法，從而補(bǔ)償掃描路徑相對(duì)于物品14的表面20的近似定位。在略微類似的方法中，不在掃描路徑30的起點(diǎn)輸出起點(diǎn)信號(hào)，而是可以在要求打 印的物品14的表面20上的第一像素位置輸出起點(diǎn)信號(hào)。這種方式，結(jié)合存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中 的圖像數(shù)據(jù)，允許針對(duì)打印開始位置和打印頭18沿著掃描路徑的行進(jìn)速度計(jì)算何時(shí)遇到 要求打印的后續(xù)像素位置，所述行進(jìn)速度為恒定速度。在上述方法的另一種形式中，發(fā)射脈沖(用于物品14的表面20上的給定像素位 置的值組)建立在打印頭18的絕對(duì)坐標(biāo)的基礎(chǔ)上。所述坐標(biāo)經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)傳感器相對(duì)于 物品14的實(shí)際表面20進(jìn)行確定，并與物品14的實(shí)際表面20上的像素位置進(jìn)行關(guān)聯(lián)。所 述坐標(biāo)，結(jié)合存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器26中的預(yù)定圖像數(shù)據(jù)并針對(duì)所述相同坐標(biāo)，然后用于適當(dāng)?shù)卮?使從噴嘴28對(duì)每個(gè)像素位置噴射墨水。最后，可以根據(jù)感知形成在物品14的表面20上的特征來確定發(fā)射脈沖。因此，利 用激光器或者其他傳感器感知模制特征或者一系列特征，這些特征可以是物品14的表面 20上的周邊框架或者其他標(biāo)記。感知到的特征或者一系列特征與存儲(chǔ)在控制器26的存儲(chǔ) 器中的特征數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，并與對(duì)應(yīng)于與所述特征或多個(gè)特征關(guān)聯(lián)的像素位置的一組值關(guān) 聯(lián)。然后根據(jù)物品14的表面20上感知到的特征絕對(duì)位置或相對(duì)位置，觸發(fā)發(fā)射脈沖。作為以上方法的替代方案，機(jī)器人臂16可以耦接到支撐所述物品的支撐固定件 22并攜帶支撐固定件22。因此，機(jī)器人臂16導(dǎo)致物品14相對(duì)于打印頭18的移動(dòng)進(jìn)行移 動(dòng)，打印頭在該替代實(shí)施方式中可以是靜止的。但是打印頭18相對(duì)于物品14的表面20的 相對(duì)運(yùn)動(dòng)仍舊如上所述那樣發(fā)生。本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解，上述描述意味著例述本發(fā)明的實(shí)施原理。所述描述的 目的并不限制本發(fā)明的范圍或其應(yīng)用領(lǐng)域，在不脫離由附帶的權(quán)利要求書限定的本發(fā)明的 精神的前提下，本發(fā)明容易進(jìn)行改型、變化和變更。
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權(quán)利要求
一種在三維物品的曲面上打印圖像的裝置，所述裝置包括適配成支撐所述物品的支撐固定件；具有多個(gè)耦接到打印介質(zhì)源的噴嘴的噴墨打印頭；鉸接的機(jī)器人臂，支撐所述物品的所述支撐固定件和所述打印頭其中之一安裝到所述機(jī)器人臂并由其承載，所述機(jī)器人臂具有3個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)自由度，并且能移動(dòng)，從而導(dǎo)致所述打印頭沿著一系列遵循所述物品的所述曲面的表面輪廓的掃描路徑相對(duì)運(yùn)動(dòng)；和控制器，所述控制器耦接到所述機(jī)器人臂并配置成導(dǎo)致所述機(jī)器人臂鉸接運(yùn)動(dòng)，從而沿著所述一系列掃描路徑相對(duì)移動(dòng)所述打印頭，隨著所述打印頭沿著所述一系列掃描路徑移動(dòng)，所述控制器導(dǎo)致所述機(jī)器人臂相對(duì)于所述物品的所述曲面將所述打印頭連續(xù)定位在適合打印的位置，所述控制器耦接到所述打印頭并進(jìn)一步配置成讓所述多個(gè)噴嘴沿著所述掃描路徑在預(yù)定的位置噴射打印介質(zhì)，從而在所述基材的所述曲面上形成所述圖像。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述掃描路徑為線性路徑。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述多個(gè)噴嘴設(shè)置成線性陣列和二維陣列 其中一種。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述控制器配置成讓所述多個(gè)噴嘴根據(jù)距 離所述掃描路徑上與存儲(chǔ)在所述控制器的存儲(chǔ)器中的圖像定位數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)的已知點(diǎn)的距 離，而噴射打印介質(zhì)。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述控制器配置成在沿著所述掃描路徑的 行程起始點(diǎn)從所述機(jī)器人臂接收開始信號(hào)，并在沿著所述掃描路徑相對(duì)于所述起始點(diǎn)的另 外一些距離處接收另外的距離信號(hào)。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，所述控制器配置成根據(jù)實(shí)際掃描路徑相對(duì) 于期望掃描路徑糾正誤差，從所述多個(gè)噴嘴噴射打印介質(zhì)的控制過程得到校正，以對(duì)應(yīng)于 實(shí)際掃描路徑。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括，傳感器，所述傳感器配置成感知所述部件的 曲面上的部件特征，其中所述控制器配置成讓所述多個(gè)噴嘴根據(jù)所述傳感器感知到的部件 特征來噴射打印介質(zhì)。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述傳感器是光學(xué)傳感器。
9.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述傳感器是激光傳感器。
10.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述控制器在存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)一組用于從所 述多個(gè)噴嘴每一個(gè)噴射打印介質(zhì)的值，所述值組對(duì)應(yīng)于所述部件特征的每個(gè)位置。
11.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述控制器配置成將所述打印頭的實(shí)際位 置與對(duì)應(yīng)于所述物品的所述表面上的三維圖像的存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)比對(duì)，并根據(jù)比對(duì)結(jié)果控制 從所述多個(gè)噴嘴噴射打印介質(zhì)。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，進(jìn)一步包括，打印頭高度傳感器，所述打印頭高度傳感 器配置成監(jiān)控所述打印頭相對(duì)于所述物品的所述曲面的高度。
13.如權(quán)利要求12所述的裝置，進(jìn)一步包括，促動(dòng)器，所述促動(dòng)器配置成根據(jù)所述打 印頭的監(jiān)控高度，將所述打印頭和所述物品的表面其中之一相對(duì)于彼此相向地或背離地移 動(dòng)。
14.如權(quán)利要求12所述的裝置，其特征在于，所述打印頭高度傳感器包括激光器。
15.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述控制器配置成讓所述機(jī)器人臂鉸接運(yùn) 動(dòng)，從而將所述打印頭定位到與所述物品的所述曲面垂直的取向。
16.一種在三維物品的曲面上打印圖像的方法，所述方法包括步驟提供具有待打印曲面的三維物品；將具有多個(gè)噴嘴的噴墨打印頭定位在所述物品的所述表面附近；沿著經(jīng)過所述物品的掃描路徑移動(dòng)所述噴墨打印頭，同時(shí)將所述噴墨打印頭相對(duì)于由 所述物品的所述表面所展現(xiàn)出的曲率定位；和根據(jù)所述打印頭相對(duì)于所述物品的位置以及存儲(chǔ)在控制器的存儲(chǔ)器中并與所述物品 的所述表面相關(guān)聯(lián)的圖像數(shù)據(jù)，從所述多個(gè)噴嘴噴射墨水。
17.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，噴射墨水的步驟進(jìn)一步包括步驟確定用 于移動(dòng)所述噴墨打印頭的起始位置，并根據(jù)所述打印頭沿著所述掃描路徑移動(dòng)的、距離所 述起始點(diǎn)的距離，從所述噴墨打印頭噴射墨水。
18.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，噴射墨水的步驟進(jìn)一步包括步驟確定初 始噴射墨水的時(shí)間，并根據(jù)從噴射墨水開始經(jīng)過的時(shí)間以及所述打印頭沿著所述掃描路徑 移動(dòng)的速度，而進(jìn)一步從所述噴墨打印頭噴射墨水。
19.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，噴射墨水的步驟進(jìn)一步包括步驟確定所 述打印頭相對(duì)于所述物品的所述表面的絕對(duì)坐標(biāo)，并將所述坐標(biāo)與存儲(chǔ)在控制器的存儲(chǔ)器 中的圖像數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)。
20.如權(quán)利要求16所述的方法，其特征在于，噴射墨水的步驟進(jìn)一步包括步驟利用傳 感器感知部件特征，并根據(jù)與存儲(chǔ)在控制器的存儲(chǔ)器中的圖像數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)的感知到的部件特 征的位置從所述噴墨打印頭噴射墨水。
21.如權(quán)利要求16所述的方法，進(jìn)一步包括步驟感知打印頭相對(duì)于所述物品的實(shí)際 表面的高度并相對(duì)于所述物品的實(shí)際表面將所述打印頭的高度調(diào)節(jié)到偏移高度。
全文摘要
一種在三維物品的曲面上打印圖像的裝置。所述裝置主要包括適配成支撐所述物品的支撐固定件；具有多個(gè)噴嘴的噴墨打印頭；和鉸接的機(jī)器人臂。支撐所述物品的所述支撐固定件和所述打印頭其中之一安裝到所述機(jī)器人臂并由其承載。所述機(jī)器人臂具有3個(gè)以上的運(yùn)動(dòng)自由度，并且能移動(dòng)，從而導(dǎo)致所述打印頭沿著一系列遵循所述物品的所述曲面的表面輪廓的掃描路徑相對(duì)運(yùn)動(dòng)?？刂破黢罱拥剿鰴C(jī)器人臂并配置成導(dǎo)致所述機(jī)器人臂鉸接運(yùn)動(dòng)，從而沿著所述一系列掃描路徑移動(dòng)所述打印頭。隨著所述打印頭沿著所述一系列掃描路徑移動(dòng)，所述控制器導(dǎo)致所述機(jī)器人臂相對(duì)于所述物品的所述曲面將所述打印頭連續(xù)定位在適合打印的位置。所述控制器進(jìn)一步配置成讓所述多個(gè)噴嘴沿著所述掃描路徑在預(yù)定的位置噴射打印介質(zhì)，從而在所述基材的所述曲面上形成所述圖像。
文檔編號(hào)B41J3/407GK101939171SQ200880125833
公開日2011年1月5日 申請(qǐng)日期2008年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月31日
發(fā)明者克雷格·奧爾 申請(qǐng)人:?？税⑻┛擞邢挢?zé)任公司