用于数字打印机的双托架结构的制作方法

专利名称：用于数字打印机的双托架结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于在数字打印机中定位托架组件的系统。具体而言， 本发明涉及允许对打印托架及应用托架进4亍独立定位的系统。
背景技术：
喷墨打印
打印是将信息传达至公众成员的一种最普及的方式。使用点矩阵打 印机的数字打印允许迅速打印存储在诸如个人电脑的计算装置上的文 本及图形。这些打印方法允许以较经济的价格将思想及概念迅速转化为 打印制品而不会浪费时间并专门制造诸如平版的中间打印版。数字打印 方法的发展已经使得即使在家庭环境下普通人也可较经济的实现打 印。
常规点矩阵打印方法通常涉及使用打印头，例如，具有多个打印元 件(例如，喷墨嘴)的喷墨打印头。打印元件从打印头向诸如纸或塑料 的打印介质传输诸如墨水或树脂的打印材料。打印可以是诸如黑色的单
色、或诸如使用CMY(青色、品红色、黄色、黑色-由C、 M、 Y的结 合形成的处理黑色)、CMYK(青色、品红色、黄色、黑色)、或特殊 彩色方案(例如，CMYK加一个或更多附加点或特殊彩色)的全彩打印 的多色。为了打印诸如纸或塑料的打印介质，以特殊顺序使用或"发射" 打印元件，同时打印介质相对于打印头运动。每次发射打印元件，诸如
介质。通常，在一种形式的打印机中，将使头相对于打印介质运动以产 生例如穿过页面在第一方向上延伸的所谓光栅线(raster line)。第一方 向有时被称为"快速扫描"方向。光栅线包括通过打印头的打印元件输 送至打印介质上的一系列点。打印介质通常在与第一方向垂直的第二方 向上间歇运动。第二方向通常被称为慢速扫描方向。
打印光栅线以及相对于打印头移动打印介质的结合形成通常紧密 布置的一系列平行光栅线。从远处观察，在这些点足够接近的情况下， 人眼观察到完整图像而不会将图像分辨为独立点。不同颜色紧密布置的
点不会被独立地辨识而是显现出由已经使用的青色、品红色以及黄色三 种颜色的量或浓度所决定的颜色。
为了改进例如直线的打印精度，优选地，如果点矩阵的点之间的间 距较小，则打印具有较高分辨率。尽管高分辨率不总是意味着好的打 印，但最小分辨率是高质量打印所必需的。在慢速扫描方向上较小的点 间隔意味着打印头上打印元件之间较小的间距，而在快速扫描方向上以 较小间距规则分布的点对用于在快速扫描方向上相对于打印介质移动 打印头的驱动质量造成限制。
通常，在其发射前，有用于将打印元件定位在打印介质上适当位置
的机构。通常，这样的驱动机构由微处理器、诸如PAL、 PLA、 FPGA 或类似装置的可编程数字装置控制，尽管本领域技术人员将理解任何由 软件控制的装置均可由专用硬件来控制，而软件仅是一种实施策略。
大部分上述打印利用仅能够在相对较小区域上进行打印的小型设 备在家庭及办公环境下完成。大部分常用的纸张格式是诸如ISO 216 A4 纸尺寸及ANSI/ASME Y14.1 Letter格式的标准办公格式。大型打印机通 常可以在IS0216A3或ANSI/ASMEY14.1 Tabloid格式上进行打印。
整体而言，这些打印机在尺寸及产出量上有限。
近来，例如喷墨打印机已经涉及到更广泛的工业应用。大部分这些 打印机可处理较大纸张格式或使用特殊类型的墨水。
优选地，这些工业打印机能够打印大尺寸纸张并获得高产出量。高 达200x280cm的尺寸是希望的输出格式。特殊应用例如为海报打印，广 告等。
为了获得高产出量，通常同时使用数个打印头。
为了改进打印图像的清晰度及对比度，近来的研究集中于使用墨水 的改进。为了以更深的黑色及更生动的颜色提供更快更不溶水的打印， 已经研发出颜料墨。这些颜料墨具有比之前的染料墨更高的固体含量。 两种墨水均能较快的干燥，这允许喷墨打印机构形成高品质图像。
在一些工业应用中，例如使用喷墨处理制造打印板，具有特殊特性
的墨水会引起特殊问题。
例如，存在UV可凝固墨水以允许在打印之后使墨水快速硬化。可 在WO 02/53383中找到示例。然后需要设置特殊UV源以在打印之后使 墨水凝固。在打印带的墨水已经通过UV源部分凝固之后，该带可立即 被套印而不会存在墨滴将混合导致赝像的问题。
使用上述墨水允许以高速使用高品质打印方法，从而避免记录方法 的性质固有的数个其他问题。
点矩阵打印的 一 个常规问题是因图像表达法的数字特'性以及均匀 间隔点的使用而导致赝像的形成。因为打印试图通过(几乎)均匀间隔 点矩阵或图案描绘连续图像，故可能会产生诸如莫尔图案的特定赝像。 赝像的另一个来源可能是因诸如在头中打印元件的位置的各种不同制 造误差以及打印头相对于打印介质运动的系统误差所导致的对点的错 误布置。具体而言，如果一个打印元件被误置或其发射方向从希望方向 偏离，打印结果将显现会在整个打印过程中存在的缺陷。
因为随着速度的改变墨滴的飞行时间也将改变，故当打印头正在运 动时，墨滴速度的改变也将导致赝像。类似的，用于移动打印介质的驱 动系统的系统误差会导致可辨识的缺陷。例如，用于打印介质的驱动器 与打印介质之间的滑动本身将导致误差。
事实上，打印系统的任何几何结构限制均可以是误差源，例如，打 印头的长度、打印元件之间的空间、打印介质相对于头在慢扫描方向上
的标定距离。上述误差会导致"条状化(banding)"，其是以一系列带 进行打印的清楚印象。涉及的误差可以非常小，人眼的颜色辨別力、分 辨率及图像识别力发展的很好，极小的误差可会被看到。
为了消除这些误差，公知要改变或变更对打印元件的使用以在打印 过程中分散误差，由此会掩盖至少一些系统误差。例如，从US 4,967,203 可知通常被称为"叠瓦打印(shingling)"的一种方法描述了喷墨打印 机及方法。可通过四种点(青色、品红、黄色及黑色)来打印各个打印 位置或"像素"。在光栅线上相邻的像素不会由打印头中相同的喷嘴打 印。替代地，使用相同的喷嘴打印间隔像素。在公知的系统中，以方格 图案打印像素，即，当头在快速扫描方向上往复运动时，喷嘴能够仅在 间隔像素位置进行打印。因此，任何始终错误打印的喷嘴会不会导致慢 扫描方向上的均具有相同误差的像素线。但是，结果是仅头中50%的喷 嘴可在任意时间同时打印。事实上，实践中，每个喷嘴均在从用于该喷 嘴的正确位置偏离一定量的位置打印。对叠瓦打印的使用可将这些误差 在整个打印过程中分布。通常的认识是叠瓦打印是不充分的打印方法， 因为并非连续使用全部喷嘴，且需要通过数次。
公知的打印的另一种方法是例如在文献US 4,198,642中公开的"隔 行打印(interlacing)"。这种类型打印的目的在于增大打印装置的分辨 率。即，尽管打印头上沿慢扫描方向上喷嘴之间的间距是特定间距X, 但在慢扫描方向上的打印点之间的间距小于该间距。打印介质与打印头 之间的相对运动由间距X除以整数得出的间距所索引(index)。
例如可在文献European application EP 01000586以及US 6,679,583 中找到更具体的打印技术方案。
另一个问题在于，当托架开始打印时，需要较高的加速度值。加速 度可高达10m/s2。以较低的加速度值达到较高的打印速度将产生较少的 振动问题，但较长的加速时间将导致时间损失，且不可避免的较长加速 距离将导致甚至更大的设备整体尺寸，引起更大的稳定性问题。
因此这些工业打印机通常包括
大尺寸记录单元
使用多头
更大重量
在较长距离上高速运动 摔交高加速度
复杂记录方案(叠瓦打印，隔行打印等)
在打印头托架上具有在线墨罐补给的大墨水存储器，
并还可包括
UV预凝固装置
冷却装置
布线及输墨管。
为了能够实现高品质打印，在这些工业设备中需要对打印单元的精 确且可重复定位及控制。为了高品质打印，将点布置精度设定约为 而打印的点具有约30^内的尺寸。^旦是，取决于对打印^/L的应用，可以 改变精度及点尺寸。
不能将用于现有技术家用及办^^用打印机的定位系统简单地扩大 来用于工业打印设备。
在文献JP20012701870中，提供了用于驱动喷墨打印机的托架的方 法，其中带驱动系统具有两个电机， 一个为步进电机，而另一个为在托 架加速期间使用的DC电机。
在文献US5,365,839中，使用托架及由线性电机驱动的平衡托架。 存在数个问题
因打印头以及应用部件(UV源等)的较大重量导致的惯性问题。 因电机系统的重力或驱动力导致的框架折弯。 大尺寸心轴的扭曲。
因托架驱动系统的部件上的张紧导致的应变。
因应力引起设备框架的刚性不足导致形变以及对点的错误布置以 及打印头在接收件上的错误记录距离。
高精度托架驱动系统的成本，例如，长行程线性电机极其昂贵。
当打印头定位系统以及接收件定位的基准点并非4皮此刚性固定 时，需要驱动打印托架的较大的力导致振动，由此引起打印缺陷。可以 视为打印头驱动器的协调系统的轴线x与接收件彼此并未互锁。
特定工业打印机使用较少数量的打印头，由此将打印托架的重量保 持得较低，由此导致负面效果，即产出量较低。
其他类型使用更多的打印头，但需要非常昂贵的纸张驱动系统以确 保精度。
一些工业打印机仅能为低品质成品，例如那些用于大尺寸广告板的 工业打印才几。
清楚的是，现有技术办公打印机的驱动机构不能够以所需速度及精 度来驱动工业打印机的较大打印托架。
清楚的是，为了获得高产出量，需要发展具有改进打印托架的高品 质工业喷墨打印设备以在较大区域上具有高精度并能够实现高速及加
速度值。

发明内容
可通过具有权利要求1的具体特征的系统来实现上述有利效果。在 从属权利要求中给出本发明的优选实施例的具体特征。
可通过以下描述及附图理解本发明的其他优点及实施例。


图1是示出工业打印设备的主要结构的整体视图。 图2示出了优选实施例中电机概念中的电机。
图3示出了使用可能记录方案在托架组件的后续扫描运动期间打印 头的一黄向运动4立置。
动的部件。
图5A及图5B示出了主从伺服控制系统的元件的位置。 图6A给出了电机驱动器中电机的伺服控制的示意性视图。 图6B给出了在基础框架的任意一侧为电机系统中的两个电机使用 单一从致动器的伺服控制系统的示意性视图。
具体实施例方式
本发明提供了 一种更精确的托架驱动系统，其通过减d、承载打印头 并需要相对于接收件精确定位的打印头托架的重量，以合理成本减小可 能的打印误差。通过以下设置获得其他优点
通过使用用于打印模块的独立框架以及接收件使因打印头托架的 加速产生的反作用力从图像模块偏离。
使用电机概念中的电机的改进但相对廉价高精度传输系统。
通过在头传输系统中具有数字过滤器的合适的控制环来主动避免 打印期间的振动。
优选实施例
以下将结合其优选实施例来描述本发明，应当理解，并不意在将本 发明限制为那些实施例。在图l中，给出了非详细视图，示出了工业打 印设备的主要构成
基础框架1
计量框架2
托架组件3
接收件平台4
载线器5。
基础框架
设备的基础框架1具有数个功能
其形成用于打印机的打印机构以及所有其他部件的安装基础， 基础框架1还支撑进纸机构及承载例如用于托架组件3的扫描运动 的电机。 基础框架1还有助于处理打印期间产生的力， 其包含诸如电源、供墨器、真空泵、电子部件等必需模块。 基础框架1被直接布置在底板上，并必需非常坚硬并具有较大重量 以避免因作用在各个设备部件的基础框架1或环境的力导致的形变及振动。
基础框架1由通过横梁7彼此连接的两个长侧梁6构成。通过使用 斜稳定件(未示出)来使整体结构更稳定。
优选实施例中的基础框架1的整体尺寸约为250cmx600cm。 计量框架
根据本发明计量框架2意在支撑在打印期间在成像处理中涉及的全
部部件。
目标在于将计量框架2从引起振动力隔离开，并产生用于成像处理 的无振动基础。
优选地计量框架2本身通过隔振器8被基础框架1间接支撑。 计量框架2还一皮水平地从基础框架1隔离开以避免振动的传递。 其还具有较高刚性以避免打印期间计量框架2的形变。 计量框架2提供
在计量框架2各个侧边用于导引托架组件3的导轨9， 至少一个编码器10,其能够对托架精确定位。
计量框架2对至少直接涉及成像系统的全部部件(即，打印头及接
收件)起基准框架的作用。
计量框架2的尺寸处于接收件平台4与基础框架1的尺寸之间，约 为200cm x 500cm。
接收件平台
接收件平台4在打印处理期间保持接收件(未示出)。 接收件平台4优选地刚性较高以抵抗形变。 托架组件
托架组件3是在接收件平台4上运动并提供打印动作的设备部件的 总的组件。
数个部件在托架中组合 打印头，例如用于将墨滴喷在接收件上， "头"墨水罐，在往返运动的头上形成局部供应，
凝固灯，用于使在扫描运动之间使沉积墨水预凝固或干燥，由此防 止墨滴迁移，
冷却或加热装置，用于调节墨水以及/或凝固灯。
托架组件3停留在安装在计量框架2上的导轨9上。在每侧上，托 架组件3可具有一个或更多在计量框架2的导轨9上运动的架体11, 13。
可以将全部部件布置在单一托架上，但优选地将托架划分为可独立 定位的两个独立^乇架。
打印头托架12包含打印头，以在打印头托架12在接收件上扫描期 间打印形成图像的图像像素条。打印头通常被安装在作为打印头托架12 的部件的打印头保持器15中。打印头托架12具有至少两个架体11,其 在安装在计量框架2上的导轨9上运动。
打印头的位置及速度必需被精确控制以确保墨滴在接收件上的精 确定位以避免图像千扰。上述打印头托架12优选地在打印期间被大致 保持为不振动。
打印头托架12可被设置有机构16，其可使位于打印头保持器15中 的打印头侧向运动，由此使得能够打印数个邻近并(部分)重叠的图像 条。这取决于在图像打印期间可能使用的记录方案。 一些可行的记录方 案已经在以上现有技术中给出，并对后续效果做了描述。还需要冷却/ 加热装置以将打印头保持在希望的温度。
应用托架14承载打印图像相关的全部应用设备。这例如可包括 凝固灯，用于在打印其他条之前使墨水沉积条不运动。 对打印图像进行操作或品质控制所需的必要传感器。 在优选实施例中，应用托架14在于导轨9上运动的四个架体13上 运动。
应用托架14不需要处于完全不振动状态。
凝固灯的位置及其他应用装置不需要向打印头那样精确定位，且这 些部件可以维持一些振动而不会引起其操作故障。
托架组件3在多个托架上的数个功能的分开允许减小打印头托架 12的重量，并使得能够对打印头的位置进行更精确的控制。
对于大尺寸打印设备的优选实施例，使用约64个打印头，每个都 具有70x35mm的尺寸。将头形成在作为打印头托架l2的部件的打印头
保持器15中，其额外冷却，且每个打印头需要设置有用于墨水供应的 必要管路，相关头罐及用于驱动打印头的布线，以及例如用于墨水供应
操作的可行真空件。因为所使用的记录方案，打印头托架12还设置有 能够进行侧向运动的机构16,以允许完全覆盖整个打印区域。
全部部件以及托架12本身的重量的总和可得出打印头托架12的总 重量，例如约250Kg。
应用托架14在优选实施例中包含凝固灯、线缆以及管链路5，以允 许托架组件3的扫描及冷却等。因为在两个扫描方向上进行记录，故在 打印头托架12的两侧复制凝固单元。在描述的实施例中，应用托架14 去除了打印头托架12,但是作为替代实施例，可以设置两个独立的应用 托架14。用于应用托架14的总重量可以约为200Kg，但可依需求应用 而改变。
使用的系统具有重要的优点
通过使用用于在接收件上定位数字打印机的托架组件3的系统(其 中可以独立地来定位具有至少一个打印头的打印头托架12以及具有至 少一个应用装置的应用托架14),需要以高精度定位的打印头托架12 的质量被大大降低，由此相较于需要以高精度来定位打印头托架12及 应用托架14的全部重量的情况，允许实现廉价及性质更佳的定位系统。
托架12及14两者可具有其自身的定位系统以在托架上定位接收 件。例如可以使用磁编码器10来跟踪托架12及14的位置。磁编码器 10中的数字化方法与在光学及接触装置中使用的类似。数字编码标记的 载体是具有磁性及非磁性区域的图案的铁磁条10。响应于磁化的磁头19 紧邻条IO,并在磁性或非磁性区域通过头时产生"0"或"1"脉冲。现 在的技术允许极为精确地界定磁性图案，由此提供用于转换器的较高的 分辨率。
优选地，在计量框架2的两侧设置位置感应系统。 在优选实施例中，应用托架14的定位系统连接至打印模块。 每个托架12， 14还可具有其自身单独的导引系统，例如独立的导
轨9的组，甚至可以提供用于承载导引系统的独立框架。
更优选地，在相同框架上(在此情况下为计量框架2)布置托架12,
14两者。
优选地，托架12, 14两使用相同的导轨系统9。200680015840.9
说明书第10/24页
将在以下给出对打印头托架12及其功能以及定位系统的更详细描述。
电机系统
为了操作打印机，必需由电机系统来移动托架12, 14。
在很多打印机中，使用带驱动系统，其中在两个滑轮上安装张紧 带，同时电机驱动至少一个滑轮且托架被安装至带。
如上所述，因为设备的较大整体尺寸以及托架的较大重量，带驱动 系统不能提供所需的精度。
在一些打印机中高精度替代示例使用线性电机。但是，因为较大尺 寸，上述解决方案成本过高。
在本发明的优选实施例中，给出在能够在较大距离上运动但实现高 分辨率定位的电机系统中使用电机的解决方案。在图2中给出根据优选 实施例的解决方案。
大致上，可由以下系统设置根据本发明的解决方案，该系统使用用 于在打印期间在第一方向引起打印头托架12的相对运动的第一电机系 统来相对于接收件在数字打印机中移动打印头托架12，并使用第二电机 系统，其中第二电机系统在第二方向上引起第一电机系统及打印头托架 12的第二相对运动。如图2所示，在本发明的优选实施例中，第一电机 系统是小行程线性电机20,其在线性电机的转子22安装至打印头托架 12时沿导轨9提供打印头托架12的运动，而第二电机系统通过使用带 驱动系统23, 24， 25 (其中线性电机的定子21被安装在带驱动系统的 带24上)来提供长行程运动。上述运动还沿着导轨9的方向。打印头 托架12的整体运动是第一及第二电机系统的运动之和的平移运动。
可以理解的是，在20提供打印处理所需的精度的同时，带驱动提 供线性电机20的定子21在待由打印头托架12覆盖的长距离上不够精 确的运动。
本发明最重要的优点在于通过使用电机概念中的电机，能够以合理 成本提供打印头托架12在长距离上的精确布置。
尽管可以使用电机概念中的该电机来对承载包括打印头及应用设 备的全部托架部件的单一托架进行定位，但如上所述优选地将托架分 为需要被极精确地定位并由线性电机20的转子22驱动的打印头托架 12,以及可以不精确地运动并直接连接至带驱动系统的带24的应用托架14。
由此将在本发明上述实施例中使用的电机系统的特'性的优点与托
架组件3在打印头托架12及应用托架14上划分重量相结合。
打印头托架12需要被极精确定位的重量被保持的尽可能的低，因 此可以将进行定位所需的线性电机20保持得尽可能的小。
在优选实施例中，使用带驱动系统23, 24， 25作为第二电机系统， 而使用线性电机20作为第 一驱动系统。
应当理解，可以4吏用其他驱动系统作为第一及第二电才几系统，^f旦 是，这些驱动系统的特性会对上述设备的特性产生重大的影响
电机概念中的电机可获得的精度，
定位系统可以操作的速度，
整个电机驱动系统的成本。
以下实施例是可行的，其中电机系统操作的方向可以相差很大，但 优选地在本发明中电机系统的操作方向非常接近。更优选地是，在优选 实施例中电机系统的操作方向平行，其中打印头托架12与应用托架14 沿相同的导引系统9运动。
如图1所示，具有相关线性电机20的带驱动系统布置在托架组件3 任一侧上。由此为快速加速提供了足够的速度及动力，并使加速力在打 印头托架12的两侧均等分布，从而避免了歪斜。
应当理解，托架的快速加速在打印机中产生很多力。这些力通过驱 动系统的带24、驱动电机23、滑轮25以及其他部件作用在打印设备上， 并会导致振动。根据本发明通过设计打印系统具有以下设置可以减小用 于加速托架组件3的总重量所产生的力作用在打印机构上的效果
托架组件3，包括用于在接收件上打印图像的打印头，
计量框架2，用于支撑并沿打印路径导引所述托架组件3,
基础框架l,用于支撑上述计量框架2，
电机驱动系统，用于沿上述打印路径移动上述托架组件3,其中当 电机驱动系统移动托架组件3时，电机系统23上的驱动及反作用力作 用在基础框架1上。
如图1所示的优选实施例的带驱动系统，带驱动系统的电机23及 滑轮25被布置在基础框架1上。这意味着作用在电机23上以及驱动带 24的力以及滑轮25上因带24的张力而产生的力不会影响打印系统本身
的部件。
由线性电机20产生的力作用在带24上，线性电机20的定子21连 接在带24上，上述力还以此方式偏离至基础框架1。
具有较大重量及较高刚性的基础框架1承载加速力。托架12, 14 仅停留在计量框架2上，除了重力，不会有力作用在计量框架2上。根 据本发明的上述系统避免在计量框架2中产生振动，因为计量框架2用 作包括接收件平台4及打印头托架12的打印引擎的基准，故避免了对 记录图像的千扰。
优选地，驱动带24的取向优选地平行于导轨9,其确定打印路径， 使得作用在托架组件3上用于移动其的作用力的取向平行于打印路径。
为了避免振动从基础框架1传输至计量框架2，优选地通过振动隔 离装置将计量框架2进一步从基础框架1隔离。
如图l所示，振动隔离装置可以是具有低本征频率的橡胶震动隔离 器(阻尼器)。根据本发明优选地，本征频率低于8Hz。
以下将进一步描述在打印设备中使用的可行记录方法以及方法的 机械结果。
如上所述，在本发明的背景技术中，可以使用隔行打印及叠瓦打印 来改进图像品质。当使用隔行打印时，打印头的喷嘴必需能够在后续记 录行程期间到达中间位置。对于叠瓦打印方法而言，需要能够在仅部分 记录的路线上定位其他喷嘴，且其需要在打印头托架12于接收件上的 后续扫描期间通过其他喷嘴来完成。
还使用其中使用次图像的其他记录方法，需要打印头的横向位移以 对准接收件上的不同位置。
在图3中，给出了打印头在用于记录特定区域的每次扫描运动(来 回)期间在数个记录步骤1至4的可能位置。
在优选实施例中，在记录头每次通过之后，通过使用于打印头托架 12两侧在应用托架14上的UV灯来使沉积墨滴不会迁移，而使墨滴的 表面硬化以避免墨滴流出并与临近墨滴混合导致打印缺陷提高。
在上述记录方法中，如图3所示，使用简单叠瓦打印方法，需要不 同喷嘴在覆盖区域上通过四次以打印整个图像。
为了使打印头的横向运动成为可能，提供了具有电机17的额外侧 向运动机构16用于使承载打印头的打印头托架12的一部分(以下称为
打印头保持器15)横向位移。
根据本发明，系统总体上包括至少 一 个额外电机系统用于至少在第 三方向上引入打印头托架的一部分的运动。
优选地，上述第三方向垂直与第一及第二电才几运动方向。
如图4所示，打印头托架12的架体11在打印头托架架体11的顶 部设置有滑动导轨18。
优选地，打印头保持器15被支撑在三个滑动导轨18上以给予足够 的支撑基础，但仅使用两个或超过三个滑动导轨18的结构也是可行的， 但这些方案需要更严苛的设计及制造。
三个滑动导轨18的基础提供了充足的区域，并避免了因摩擦(例 如在被支撑在四个滑动导轨18上且四个滑动导轨18并未被很好地对准 的情况下会发生)导致的摇摆及张紧。
优选地，三个滑动导轨18设置有下方或上方柔性安装装置(未示 出)。在图中未示出的一种实际实施例是滑动导轨被定位在三个特殊设 计的铰链(例如由允许沿Z轴旋转的万向节形成)上，用于在非常严苛
控性。 可以利用额外电机系统(例如可以是心轴驱动系统)、精确带驱动 系统等来实现仅需在有限距离上进行的打印头保持器15自身的运动。
在根据本发明的优选实施例中，利用布置在打印头托架12的架体 11与位于滑动导轨18上的打印头保持器15之间的额外线性电机17来 实现上述目的。
载线器
在各个打印机中，需要规定打印头往复运动的策略以对打印元件 (例如，喷墨打印头的喷嘴)的发射(firing)进行控制。在小型的桌上
的轻质带状线缆，打印头托架12来回拉动带状线缆并在纸面上、移动。 小型打印机通常具有在需要时可以被替换的包含在打印头托架12
中的小型墨罐。但是，工业打印机可具有多个打印头(在优选实施例中
高达64个)并会消耗大量墨水，由此在打印期间需要对在打印头托架
12上设置的"头"罐进行补充。
由此产生以下结果，需要大量布线及管路以以合适的数据来驱动打
印头并供应所需的墨水。
还需要一些管路用于打印头的最终冷却系统，如优选实施例所需，
使用对UV灯系统的冷却以在打印头托架12通过之后固定墨滴。
还需要供应能量以操作凝固灯，并需要 一 些布线以驱动电机系统，
其用于打印头保持器15的横向运动、对与驱动带、传感器等一同运动 的线性电机的驱动。当打印设备的尺寸非常大时，这意味着需要大量布 线及管路，并意味着很大的重量。通常使用载线器5来分组并安排上述 部件以允许运动，该载线器由一同形成柔性链5的各段构成。这在打印 期间与托架的快速加速及高速结合，还在打印设备中产生拖曳及振动。
优选地，进行从基础框架1到应用托架14的连接，这会承受一些 振动由此计量框架2及打印头托架12均不会面对由相当大的载线器5 产生的力。可在应用托架14与打印头托架12之间设置较小、较短距离 的载线器，其不会在打印系统中带来很大的振动及拖曳。为了平衡载线 器5在打印系统上的效果，优选地设置两个载线器，在基础框架l两侧 各一个。这些载线器均具有在驱动托架组件3时需要考虑的效果。
打印动作
以下描述如何实现打印循环。 首先，使设备就绪以进行运行
准备所有数据，并方便地以正确顺序从数据处理器到打印头托架12 提供数据，且如果需要，为打印设备的具体偏差进行数据数据。
使墨供应就绪，这意味着将全部墨水水平设至为最佳且需要的真空 及压力值为正确的。
打印头的温度处于操作范围内。
如果需要，对打印头的喷嘴板进行清洁。
将托架组件3置于开始位置，且打印头载体处于第一打印行程的正
确横向位置。
在接收件平台4上设置接收件片。
打印
当开始实际打印时，通过位于打印头托架12任一侧的线性电才几20 来使打印头托架12加速。
当线性电机20的定子21连接至带驱动系统的带24时，反作用力 从定子21被传递至带24并通过带24到达基础框架1上的电机23及带
滑轮25，由此使得计量框架2相对而言不受加速的影响。
使用处于计量框架2两侧的磁编码器系统10， 19来测量打印头才乇 架12的位置。
取决于对磁编码器系统10， 19的读取，调整线性电机20的运动。 上述编码器测量以及线性电机驱动控制形成整体电机系统的第一 伺服控制环。
根据优选实施例，例如可将线性电机20的行程距离限制为-4mm与 +4mm，由此限制线性电机的成本。为了避免线性电机到达行程的末端， 需要对定子21的位置进行修正。
利用带驱动器23， 24， 25来实现上述目的。
在优选实施例中，由距离传感器28来测量打印头托架架体11与应 用4乇架架体13之间的距离。
一旦测量值超过特定值，就将带驱动器的电机23设定为运动，并 将应用托架14设定为遵循打印头托架12。
虽然进行以上设置，但可以改变线性电机20的定子21的位置，且 线性电机20不会到达行程位置的端部。
尽管在优选实施例中测量托架12与托架14之间的距离，但可以;f佥 测线性电机20的转子22及定子21的相对位置以驱动带驱动电机23。 例如可以利用^f兹编码器10来完成对定子21或应用4乇架14的精确测量。
使用测量值来对带驱动系统的电机23进行控制。由此形成本驱动 系统中的第二控制环。
由应用托架14的加速产生的力也会类似地通过带驱动系统的带24 及驱动滑轮25传递至基础框架1。
当托架组件3加速时，其将达到希望的打印速度。通过对线性电机 20的位置进行快速调节来将打印头托架12的速度保持恒定，该位置调 节抵消因驱动带24上的振动(其还作用在线性电机20的定子21上) 而导致的位置改变。可在前方或后方进行上述调节。利用伺服控制环 26, 27来对电机系统的整体运动进行控制。
当托架12处于打印速度时，其也将在接收件平台4上达到希望打 印位置。
利用位于计量框架2任一侧上的磁编码器10来进行上述感应。 根据运动的打印头托架12的位置，数据被传输至打印头及在第一
次扫描期间打印图像的第 一细条。
在优选实施例中，使用可利用UV灯硬化的墨水。为了使记录墨滴 不会迁移，喷出的墨滴的外表面由安装在应用托架14上并跟随打印头
托架12的UV灯硬化。在第一次扫描结束时，托架组件3在最后的墨滴 沉积之后减速。
当待打印的图像的格式小于整个接收件平台4或使用较小的接收件 时，托架组件3就不需要使用打印设备的总长度。
在扫描结束时，取决于所选择的利用叠瓦打印及/或隔行打印的记录 方案，通常将打印头保持器15布置在另一横向位置。此时类似地在相 反方向上使托架组件3加速，且在正确的速度及时间点，利用下述UV 灯以使打印点不迁移后，通过打印头来打印图像的第二条。
如图所示，优选地在打印头两侧设置UV灯以允许在扫描及反向扫 描期间进行打印。如上所述，应用托架14优选地桥接打印头托架。
如果仅需要单方向打印，则可以使用不对称设置，但这种记录方法 自然存在时间损失的问题，因为反向扫描会花费大量时间但不会进行打 印。这会严重地影响产出量。
在第二次扫描之后，再次将打印头保持器15移动至新的横向位置 并进行第三次扫描(第二次在向前方向)。
在可能的记录方案中，完成总共八次扫描，由此记录形成总图^象的 八个部分图像，且通过凝固灯使其临时不会迁移以对抗图像赝像。
在打印期间，计量框架2及应用托架14保持相对无振动。
但是，托架组件3的加速及运动(可能约lm/sec的速度重约450Kg ) 没有振动是不可能的。
如果有振动可以识别振动的数个成因。
因为托架组件3的相对快速加速，因为加速力仅作用在支撑端上， 托架12自身将略微折弯并将托架12设定为轻微振荡。为了避免这些振 动的影响，托架12需要具有较高的刚性，且其结构也应当包括(可通 过专用阻尼器实现的)阻尼效果，以确保在打印头托架12到达打印位 置之前快速地减弱这些振动。托架12的本征频率应当至少在60Hz之 上，优选为80Hz之上。
因为可以在左右两侧移动打印头保持器15,由于在左右两侧之间打 印头托架12的重量的不相同、变化及分布的原因，可能在计量框架2的两侧产生力的不平衡。这将表现为带24的不同的张力，要由线性电
机20产生更大的力等。
这会产生打印系统的歪斜形变，并将影响系统的特性。
已经发现，在以lm/sec的速度进行打印时，载线器5会引起具有约 60Hz频率的一些振动。
因为重心可能位于作用在托架上加速力的施加位置之下或之上，古文 会产生作用在托架12, 14上的转矩，由此导致振动。
在打印期间，带24在托架12, 14与带驱动电机23之间的长度连 续改变，其中振动特性可能会连续改变，由此导致振动。
尽管计量框架2的刚性极高，会因托架组件3的较大重量导致产生 一些微小的折弯。上述折弯的量当然取决于托架位置。
所有这些因素均会对驱动电机的伺服系统26， 27的工作产生影响。
通常而言，可将伺服系统的功能或任务描述如下。
命令信号发送至伺服系统的"定位控制器"。定位控制器是存储关 于各种工作(或任务)的信息的装置。对其进行编程以激励电机/负载， 即，改变速度/位置。信号然后通过进入伺服控制或"放大"部分。伺服 控制获取该低能量水平信号，并将能量增大(或放大)至合适水平以实 际引起伺服电机/负载的运动。必需将这些低能量水平信号进行放大。需 要更高电压水平以以合适的高速度使伺服电机旋转，并需要高电流水平 提供转矩以使更大的负载运动。
将上述能量从"能量供应"供应至伺服控制(放大器)。其还供应 任何集成电路运行所需的任意低水平电压。
当能量被供应至伺服电机时，负载开始运动，速度及位置改变。
当负载运动时，转速计、解析器或编码器检测上述运动并提供"反 馈"至控制器的信号。该"反馈"信号告知定位控制器电机是否正在进 行正确的任务。
定位控制器分析该反馈信号并判定负载是否由伺服电机正确地移 动；如果判定为否，则控制器进行适当的修正。例如，假设命令信号是 以1000rpm来驱动负载。因为某些原因，其实际以900rpm旋转。反馈 信号将告知控制器速度为900卬m。控制器然后将1000rpm的命令信号 (希望速度)与900rpm的反馈信号(实际速度)进行比较，并注意到 误差。控制器然后输出信号以在伺服电机上施加更大电压以增大速度直
至反馈信号等于命令信号，即，不存在误差。因此，伺服系统涉及数个 装置。其是用于控制一些物件(负载)的装置的系统。可以任何方式(即， 位置、方向、速度)来控制受控(受调节)的物件(负载)。只要使用 合适的反馈装置(误差检测装置)，就可以相关于基准(命令信号)来 控制速度或位置。比较反馈与命令信号，然后进行修正。因此，对伺服 系统的定义是其由对负载的速度/位置进行控制或调节的数个装置构 成。
但是，必需补偿伺服系统以确保正确操作。其可以以至少两个不同
模式进行运行
第一运行模式，当输入命令改变时产生瞬态(也可被称为动态响应 状态)。这使得电机/负载进行加速/减速，即，改变速度。在该时IS:期 间，存在相关的
1) 电机/负载达到最终速度/位置所需时间(升高时间)，
2) 电机/负载停止所需时间，和
3) 可接受的特定量过冲。
当电机/负载已经到达最终速度时(即，连续运行)产生运行的第二 模式(稳定状态)。在此时间期间，存在关联以下精度(设备运行的精 度如何)。这通常被称为稳态误差。设备能够以两种不同模式运行以应 对设备性能所需的各种运行。为了使设备运行而不会过度过沖，在适当 时段内停止并具有最小稳态误差，可以调节或补偿伺服系统。
补偿涉及对伺服系统的增益及带宽进行调节(或调谐)。首先，顺 序描述对这些术语的定义，然后描述其如何影响性能。增益是输出与输 入的比率。因此增益是对输入信号的放大的测量。在伺服控制器中，增 益影响精度(即，电机实际的速度或位置与希望速度或位置的接近程 度)。高增益允许小的精确运动及设备将能够制造精密部件。
带宽以频率表达或测量。在伺服系统中，带宽是控制器/电机/设备 可进行何种快速程度的响应的测量。带宽越宽，设备可越快地进4亍响 应。快速响应将使得设备能够快速反应。但是，因为以下原因需要限制 带宽
1 )仅可处理如此大的能量的部件的限制。此外，增大的增益增加 了部件、成本及复杂性。
2)共振条件确定需要避免一些频率。设备绝不能在共振点运^f亍，
否则将产生不稳定及损坏。在如上述优选实施例的打印设备中，这将迅 速引起图像的可见干扰。
总而言之，通常通过对增益以及响应的调整来对伺服系统进行补偿 (或"调谐")使得设备可满意地运行。
通过设定简单的低通滤波器可实现上述目的，但也存在更复杂的滤 波器。
一个示例例如是可以设定更多参数的四次方滤波器。
但是，因为设备的复杂性(在运行期间特性连续改变)及对获得高 产出量的需求，能够将增益及带宽正好设定为希望的值而不会过分损失 伺服控制的动态特性，由此导致较低的性能及产出量。
在其中智能及数字滤波会使伺服控制参数适应实际系统特性的反 馈环中，利用具有特定补偿智能的伺服控制以及自适应数字滤波，可以 获得好得多的控制。
对于优选实施例，通过具有至少一个托架12并包括至少一个伺月良 控制系统26的系统对打印头保持器15的定位给予更佳的控制，其中伺 服控制系统26具备补偿智能，其具体适应于对定位系统的共振特性的 改变。
上述定位系统包括电机系统、导轨9、框架以及测量系统。 适应性避免了谐振的产生，谐振将导致图像赝像甚至导致打印设备 不能工作。
具有补偿智能的系统优选地包括具有至少 一个增益计划特征的伺 服控制系统26 。伺服环26的增益需要控制并可以利用特定计划管理。
因为驱动线性电机系统用于自动打印的方法包括驱动带驱动器 23, 24， 25，故优选地控制系统包括前馈引导。这意味着在将第一电机 系统20设定为运动时第二电机系统已经被启动以预见托架距离落在所 需值外时不可避免的启动。这意味着从控制系统27也4^收主控制系统 26的目标位置/速度，由此可以在主控制系统26的位置/速度产生之前已 经致动从驱动器，即，从控制系统可预见主控制系统中的位移/速度误 差。前馈控制可避免主控制环26中较大的位移/速度误差，并可加宽整 个运动控制系统的带宽。
控制系统利用将打印头托架12的位置考虑在内的补偿智能。这意 味着取决于打印头托架12沿导轨9的位置并取决于打印头保持器15的 位置(在左右极限横向位置之间)，对滤波进行适应。
优选地，补偿智能还将打印头托架12的加速考虑在内以获得最佳 前馈引导。可以通过使用驱动控制信号来估计上述加速，但也可使用计
量框架2上的位置4全测系统10， 19来测量上述加速。
通常，控制系统中的托架是承载打印头的打印头托架。
根据本发明使用两个电机系统及伺服系统26的优选实施例包括用 于控制两个电机系统的分级结构，其中第二伺服系统27分级从属于第 一伺服系统26。
在优选实施例中，上述系统包括第二伺服系统27，其中第一祠月艮系 统26包括线性电机20而第二伺服系统27包括带驱动系统。
在优选实施例中，第 一伺服系统26的电机的定子21被布置在第二 伺服系统27的带驱动器的带24上。在上述实施例中，基础为其上安装 有应用托架架体13的基础。
为了具有希望的特性，第一伺服系统26是高精度定位系统而第二 伺服系统27是低精度定位系统。
取决于打印设备的结构，补偿智能优选地将载线器5的影响考虑在内。
上述伺服控制环26, 27的主-从结构仅是使用分级结构来控制两个 伺服驱动系统的两个伺服驱动系统26, 27的一个可行实施例，其中第 二伺服驱动系统分级从属于第一伺服驱动系统。在实施例中，上述系统 包括具有线性电机20的第一伺服系统以及具有带驱动系统的第二伺服 系统27。在优选实施例中，第一伺服系统的线性电机的静止部分被安装 在第二伺服系统的带驱动器的带上。
图5A及图5B示出了可在上述实施例中使用的影响伺服系统工作的 部件
设备定位到其上的底板， 基础框架1,
由减振器隔离位于基础框架1上的计量框架2， 基础框架1上的带驱动电机23, 用于驱动应用托架14的带24， 应用托架14及线性电机20的定子21, 具有线性电机20的连接转子的打印头托架12, 检测打印头托架12的位置的位置传感器10， 19，
指示打印头托架12 (+线性转子)与应用托架14 (+线性定子)的 相对位置的距离传感器28。
图6A给出了相同系统的等同动态模型。
该才莫型仅示出了打印驱动一侧，因此可以加倍。每个部件均一皮表示 为质量，而质量之间的相互作用被表示为在质量之间起弹簧作用的分量 以及起阻尼器作用的平行分量。
使用小脚部将基础框架1放置在底板上，甚至这些脚部也具有决定 底板与基础框架1之间相互作用的参数。作为本发明的结果基础框架1 与计量框架2之间的振动隔离器赋予两者之间的相互作用参数。
另一方面，从电机23的力在基础框架1与带驱动电机23的被设定 为旋转运动的质量之间起作用。带24自身利用线性电机20的定子21 来决定电机23的运动质量与应用托架14的质量之间的相互作用。
线性电机20的力作用在应用托架14的质量与打印头托架12的质 量之间。测量装置28对应用托架14的质量相对于打印头托架12的质 量的位置(距离传感器)以及打印头托架12的质量相对于计量框架2 的质量的位置(磁编码器系统IO, 19)进行测量。
因为重量分布以及带24在电机23与托架14之间长度的变化，可 以改变全部的参数。
因为打印头保持器15的横向运动，作用在一侧的打印头托架12的 质量也可改变。
载线器5的影响并未被上述模型包含内，但如果需要也可包含。 如上所述，上述模型仅给出打印设备一侧的部件，而在设备的两侧 设置自适应数字滤波装置。
可为另一侧增加第二模型，其中框架的质量可以共用。 在图6B中示出集成伺服控制系统，其可被设置使得其中全部测量 均作为输入而自适应数字滤波器基于在打印设备两侧的测量进行滤 波。提供单个带驱动电机23，且在计量框架2的两侧的滑轮25由万向
轴连接。
因其特性的原因，该系统具有共振及抗共振点，但其因特性的改变 而在频率及幅值方面改变。虽然滤波技术使用可以是移动陷波滤波器模 式，但需要复杂的多的数字滤波技术。
数字滤波装置的目的在于在希望的频率范围上调节增益并从测量
信号及反馈环中过滤掉特定的频率。在运行期间滤波还可适于框架1, 2 期望的反作用或动态性能。
甚至可以研发出其中数字滤波系统具有"自调谐功能"(其中滤波 自我调节以为具体设置甚至为打印设备影响动态性能的小的设计变更 获得理想的参数)的系统。
优选地，通过适应有利的机械设计参数来避免干扰共振现象的产 生，由此能够避免对复杂滤波技术的需求。
系统中的前馈补偿了带的弹性。当启动带驱动器23,因为施加的力
的原因，带24延长约1.5mm,且具有线性定子21的应用托架14将在 带驱动器的电机23启动之后开始略微运动。为了实现平顺运行，应当 预先启动带驱动器23, 24， 25,由此线性电机20以正确的速度在正确 的时间运动。可以理解，因为托架14与电机23之间的带长也不相同， 故前馈对于扫描及反向扫描运动不同。
与前馈类似，当使托架14停止时，需要考虑带24张紧的解除以及 带部分的相应缩短。可以较早的停止带驱动器的转动。
如上所述，在带驱动器启动之后，通过线性电机20对打印头托架 12进行加速。这意味着线性电机20需要能够相当快地对打印头托架12 的全部重量进行加速，而带驱动器仅对应用托架14进行加速。
这意味着高精度线性电机20将极大，由此更加昂贵笨重。
如果使用其中应用托架14将打印头托架12推动至运行速度的结 构，则可以设置替代结构。
在扫描开始时，首先启动带驱动器23， 24, 25,并允许后侧应用托 架14以受控方式与打印头托架12发生接触。然后，通过带驱动电机23 可以对4乇架12， 14两者的质量的组合进行加速。 一旦处于运行速度， 则线性电机20仅需提供很小的加速以将打印头托架12从应用托架14 分离以实现上述正常打印运行。
在加速期间，在打印之后，可以将打印头托架12引至应用托架14 的前侧，且带驱动电机23可提供托架12， 14两者的减速且不会涉及线 性电机直至托架组件3停止。然后，通过带驱动器23， 24， 25使托架 组件3再次在相反方向上加速，由此也将打印头托架12推动至运行速 度。线性电机20然后可再次使打印头托架12从应用托架14脱离并可 开始打印。这将允许小功率、更轻、更廉价的线性电机20进一步减小
托架组件3的重量。
上述操作优选地包括使用伺服控制，其具有不同的运行模式，其中 参数被设定至加速/平稳状态/减速情况。
已经对本发明的优选实施例进行了描述，现在对本领域技术人员清 楚的是不脱离所附权利要求界定的本发明的范围，可以对其进行各种改
沐
又o
标号
1基础框架 2计量框架 3托架组件 4接收件平台 5载线器
6基础框架的侧梁
7基础框架的横梁
8振动隔离器
9导轨或导引机构
10》兹编；马器
11打印头托架的架体
12打印头托架
13应用托架的架体
14应用托架
15打印头保持器
16侧向运动才/L构
17侧向运动纟几构的电枳j
18滑动导轨
19磁头传感器
20线性电机(第一电机系统)
21线性电机的定子
22线性电机的转子
23带驱动电枳j
24带
25滑轮
26第一饲服环
27第二饲服环
28距离传感器系统
权利要求
1.一种系统，用于在接收件上定位数字打印机中的托架组件(3)，所述托架组件(3)包括打印头托架(12)，其具有至少一个用于在所述接收件上进行打印的打印头；应用托架(14)，其具有用于支持在所述接收件上进行打印的至少一个应用装置；其特征在于，所述托架(12，14)可以独立地定位。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中，每个托架(12, 14)均具 有不同定位系统，用于在所述接收件上对所述托架(12, 14)进行定位。
3. 根据权利要求2所述的系统，其中，所述应用托架(14)的所 述定位系统与所述打印托架(12)相连接。
4. 根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中，所述托架(12, 14)被安装在相同的导引机构(9)上。
5. 根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其中，所述应用托架 (14)桥接所述打印托架(12)。
6. 根据权利要求2-5中任一项所述的系统，其中，所述打印头托架 (12)的所述定位系统具有比所述应用托架(14)的所述定位系统更高的精度。
7. 根据权利要求2-6中任一项所述的系统，其中，所述打印头托架 (12)的所述定位系统具有更好的动态特性。
8. 根据权利要求1-7中任一项所述的系统，其中，对所述打印头托 架(12)进行优化以具有最小重量。
9. 根据权利要求卜8中任一项所述的系统，其中，所述应用托架 (14)被带驱动电机系统(23， 24, 25 )定位，且所述打印头托架(12)被线性电机系统(20)定位，其中所述线性电机(20)的定子(21)安 装在所述带驱动电机系统的带(24)上。
全文摘要
提供了一种打印头定位系统，其中所述托架组件被分为具有高精度定位性能的打印托架以及仅需要低精度定位系统的应用托架。因为这种划分，需要被精确定位的部件的质量被大大减小，由此更容易对轻负载精确定位，并允许在维持高打印精度的同时使用更廉价的驱动系统。
文档编号B41J3/44GK101171133SQ200680015840
公开日2008年4月30日 申请日期2006年5月4日 优先权日2005年5月9日
发明者A·-J·贝尔特曼, A·布拉尔斯, B·弗林登, B·弗霍斯特, M·范卡尔姆索特, W·范德温克尔 申请人:爱克发印艺公司