图形施加系统的制作方法

图形施加系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种按照多个拼块将期望的图案施加到目标表面上的图形施加系统。所述系统包括图形施加装置，该图形施加装置包括具有可跟踪光学特征的基础结构、用于喷出涂料的至少一个喷嘴、用于定位喷嘴的驱动单元以及用于喷嘴相对于视觉特征的局部参照的局部相机。控制器控制驱动单元和喷嘴的喷出，以将期望的图案施加在目标表面上。所述系统还包括远离图形施加装置设置的外部参照装置，该外部参照装置用于根据可跟踪光学特征为施加装置提供全局参照。在通过全局参照使施加范围基本对准并且根据局部参照使实际拼块与先前施加的拼块精细对准的情况下施加期望的图案。
【专利说明】图形施加系统

【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及根据权利要求1所述的图形施加(applicat1n)系统、根据权利要求8所述的图形施加方法以及计算机程序产品。

【背景技术】
[0002]在许多不同的【技术领域】中期望将材料层施加到目标表面上。将材料施加到表面有各种原因，最常见的原因是期望满足美观要求，例如期望将特定的(通常为多色的)图形图案施加到表面上或表面的特定区域上，或者保护表面免受环境影响。例如，根据本发明的施加期望的图案的方法还可以用在现有技术中使用贴花(decal)来利用期望的图案装饰或美化表面或者将期望的标记施加在表面上的领域中。
[0003]例如，需要诸如涂漆、溅射、上墨、染色或涂布的【技术领域】包括建筑工程、广告、娱乐、运动场上的标记、道路标记、伪装、汽车制造、机械建筑、室内和室外墙面覆盖层、在大型卡车、半拖车、公共汽车、飞行器、船只上施加广告等。另外，常常需要修复已经(至少部分地)涂漆或装饰的表面，这些表面已经被磨损、被损坏、被蓄意破坏、被部分替换等。在这种修复或替换工作中，期望实现颜色和图案的高度匹配，以便于从旧施加到新施加的平滑且目测均匀的过渡。
[0004]作为照片、CAD文件等以数字方式提供并且应该被施加到表面的诸如徽标或图像的预定义的图案的漆绘工作非常费力。使用刷子或喷枪需要熟练的工人，他需要工具的指导和可靠操作方面的经验和知识以及了解涂料粘度、干燥条件以及劳动过程中的各种其它参数。工业上常常使用的另一种方案是通过胶带和/或胶箔(adhesive foil)将目标表面的非期望区域掩蔽，所述胶带和/或胶箔在施加完成之后被去除。另一种方法是将装饰胶箔或贴花直接施加到目标，作为已经携带或成形为期望的图案的基板。在任何情况下，可需要附加的一层透明保护涂层以保护作品和/或实现更光滑的表面。
[0005]将材料施加到表面上所使用的普遍原理是将材料(例如，涂料)从喷嘴装置喷出或弹出到目标表面上。所谓的喷墨技术最早公开于开尔文爵士(Lord Kelvin)的英国专利Nr.2，147中，从那以后陆续演进至目前的连续喷墨(CIJ)和按需喷墨(DOD)技术，如(例如)现代喷墨打印机中所使用的，其中DOD技术常常通过热DOD或压电DOD来具体实现。以明确限定的方式从喷嘴喷出溅射材料的小滴的新的喷墨技术(与上述现代喷墨打印机(家用或办公用)中所使用的系统相当)是可用的，其即使从1cm的距离也可喷涂出小于一厘米的窄点大小。这种低发散喷出技术允许在不掩蔽期望的目标区域的情况下施加期望的图案以及实时颜色混合或颜色改变、从一种颜色到另一种颜色的颜色渐变等。喷墨材料沉积也是一种新兴的制造技术，其中使用喷墨技术将材料沉积在基板上以便构建3D对象。
[0006]作为表面施加的示例，文献FR2850322公开了一种在大的表面上印刷图像的装置，其可用手来持握并移动。能够确定在表面上的位置和方向的装置通过了解其当前位置来确定需要将哪种颜色施加到表面上。这种确定通过将所确定的坐标与存储在装置的存储器中的图像进行匹配来实现。然后可将所存储的图像叠加到待涂漆的表面。
[0007]JP2006-320825示出了一种用于飞行器的均匀涂漆的自调节涂漆车。其包括臂控制装置以控制具有致动器头的臂的操作和移动。基于存储在存储器装置中的涂布区域的信息以及所述臂的姿态和位置信息来执行相对于待均匀涂布表面的涂漆处理。利用GPS确定涂漆车和致动器头的位置，测距仪测量致动器头与飞行器表面之间的距离。
[0008]W003066239公开了通过可移动施加器根据数字图像在建筑上施加涂料的方法。施加器具有固定到其主体的用于喷漆的喷嘴阵列，这些喷嘴尤其是通过手来在表面上方移动。仅当施加器的实时确定的位置在可接受阈值内时才施加涂料。US2006/221，403示出用于手持施加期望的图案的类似装置。
[0009]US2009/0022879涉及一种利用以位置相关方式控制的可替换涂漆装置对大的表面施加涂料或清漆的方法。所述装置包括使用固定在表面上的已知位置处的参考标记的实时位置测量系统的可替换部分。
[0010]US2008/152, 807、US2011/199, 431、US7, 350，890 和 US7, 922，272 提及在大的成型表面(例如，飞行器的机身)上施加精确定位的图形图像的方法和装置。其中所使用的设备包括导轨引导系统，该导轨引导系统将安装在将要施加图形图像的表面的一部分上。图形图像施加系统由操作定位系统和图形图像施加系统的软件来控制。在EP1987889和US2006/044376中，涂漆机在笛卡尔坐标框架结构内自动移动。
[0011]安装这些导轨会非常有挑战性。它们的位置和/或取向会影响施加的结果(例如，其在目标表面上的位置和/或取向)，并且还影响多个拼块(tile)相对于彼此的对准。另夕卜，安装导轨非常耗时，并且由于目标对象没有给这些导轨提供参照的固定装置，所以必须在目标周围使用吸盘、捆扎带或皮带以附接导轨，这难以在高位置精度下施加。
[0012]在US6，096，132中，使用距离传感器来控制三维可移动喷嘴以实现恒定的施加距离。US6，360，656确定目标表面的倾斜并相应地调节喷出。在US2010/304，009中，施加器处的传感器确定目标表面的三维形状并由此控制和调节施加器的3D移动和喷出，以在目标上生成期望的画面主题。
[0013]EP2433716涉及一种手持的表面溅射装置，其具有喷嘴和喷嘴控制机构以控制喷嘴的喷出特性。空间参照单元为溅射装置相对于目标表面提供参照，计算装置根据空间参照控制喷出以实现期望的溅射。
[0014]由于将大的期望图案一次施加到目标不可行，所以在单个施加步骤中，不得不将期望的图案分成区段或拼块，依次施加这些区段或拼块。这里，尤其是因为人观察者对未对准非常敏感，所以这些依次施加中的各个拼块的边界的对准必须精确对准。然而，如果仅基于拼块针对其紧邻的拼块直接对准来施加，则整个大的图案往往会在目标表面上变形或未对准。拼块及其位置和/或取向的微小不准确也将累积起来，最终不仅导致大图案整体的位置和取向不准确，而且导致拼块的几何冲突，类似间隙、交叠等。


【发明内容】

[0015]因此，本发明的一个目的在于提供一种用于将期望的图案施加到目标表面上的改进的图形施加系统或表面装饰系统。
[0016]本发明的另一目的在于提供一种改进的图形施加系统，其可根据期望的图案按照多个依次施加的拼块将涂料施加到目标表面上的期望的位置处，并且使得目标表面上的拼块无缝过渡。
[0017]本发明的另一目的在于提供一种图形施加系统，其避免在实际施加处理可执行之前目标和/或其周围的耗时的准备工作。
[0018]本发明的另一目的在于帮助用户完成施加任务并实现期望的施加结果，尤其是在比所使用的施加装置的施加范围大的大目标区域上。
[0019]本发明的另一目的在于提供一种通过施加来优化目标表面和/或能够对现场工作中总是出现的目标表面、期望的图案和/或施加的不精确进行自动补偿的方法和系统。
[0020]本发明的特殊目的是不仅根据美观要求，而且鉴于技术要求或这二者的组合通过施加来改进目标表面，尤其是不仅施加可见的平面2D期望图案，而且通过施加来利用包括有利的微结构或纳米结构的形貌或拓扑将目标表面三维结构化。
[0021]这些目的通过实现独立权利要求的特征来实现。在从属权利要求中描述以另选的或有利的方式进一步发展本发明的特征。
[0022]为了实现那些目的，根据本发明的用于将期望的图案施加到目标表面上，尤其是利用涂料将期望的图案施加到可任意形成的自由形式的大面积目标表面上的图形施加系统包括图形施加装置和外部参照装置。
[0023]所述系统的图形施加装置包括基座或框架结构、基座处的至少一个可跟踪光学特征、用于将材料(例如，涂料)喷出到目标表面上的至少一个喷嘴以及用于在至少两维上将喷嘴相对于基座定位以便调节喷嘴在目标表面上的喷出瞄准的驱动单元。对于所述施加装置，施加范围被限定为驱动单元可将喷嘴定位在其内的区域。
[0024]所述施加装置还包括局部相机，其朝向目标，以用于通过对目标表面部分地成像来为喷嘴相对于视觉特征提供局部参照。尤其是，所述局部相机可随喷嘴移动。例如，所述视觉特征可以是期望的图案的先前施加的区段，其通过图像识别在局部相机的图像中被空间参照。
[0025]具体地讲，通过局部相机的局部参照可以按照mm或亚mm范围内的位置精度或分辨率进行，优选地，局部参照的空间分辨率在施加装置可实现的分辨率的范围内或更高(例如，空间分辨率优于具有施加喷嘴和驱动单元的喷墨型印刷头可实现的每英寸点数)，更具体地讲，低于一毫米。局部参照可相对于目标表面处的视觉特征，而非相对于目标表面坐标系统全局绝对参照。
[0026]控制器根据喷嘴的实际位置和期望的图案来控制驱动单元和喷嘴的喷出，以将期望的图案施加在目标表面上(例如，利用喷嘴所喷出的涂料)。
[0027]所述系统的外部参照装置是远离图形施加装置设置的测绘仪器，用于根据施加装置的可跟踪光学特征为图形施加装置的基座相对于目标表面提供全局参照。所述参照在至少三个自由度，尤其是至少五个自由度上进行。例如，所述可跟踪光学特征可附接到基座或由基座实现。
[0028]具体地讲，通过外部参照装置的全局参照可以按照毫米、厘米或更高范围内的位置精度或分辨率来进行，优选地，全局参照可实现的空间分辨率低于局部参照可实现的分辨率，更具体地讲，是局部参照分辨率的至少十倍或更高，但是相对于目标表面坐标系统全局绝对参照。
[0029]当期望的图案大于施加范围时，将期望的图案分成多个拼块，所述拼块在施加范围内，并且所述拼块将利用图形施加装置相对于目标表面的逐步重新定位来依次施加。
[0030]所述施加装置被构建为在通过全局参照确定的施加范围(施加范围内待施加的各个实际拼块)相对于目标对象的基本对准，并且通过局部参照确定的通过喷嘴在施加范围内定位而实现的实际拼块与先前施加的拼块的精细对准的情况下，施加期望的图案。
[0031]换言之，系统控制器可被构建为通过基本对准和精细对准的组合将施加装置逐步重新定位，使得基于来自全局参照的信息使施加范围相对于目标对象对准(尤其是相对于施加范围的先前位置重新定位)，并基于来自局部参照的信息通过驱动单元将喷嘴定位以使施加范围内的实际拼块与目标表面处的视觉特征(尤其是一个或更多个先前施加的拼块)精细对准，来施加期望的图案。
[0032]所述外部参照装置可以是大地测量仪，其测量施加装置的极坐标，尤其是根据作为施加装置处的至少一个参考标记的可跟踪光学特征的光学测绘在六个自由度上确定施加装置相对于目标表面的全局位置和取向。该大地测量仪可包括光电距离测量和自动光学跟踪和/或可跟踪光学特征的识别和测绘。
[0033]例如，外部参照装置可以是激光跟踪器，施加装置可包括回射器作为可跟踪光学特征。在另一示例中，外部参照装置可以是电动视距仪或全站仪，施加装置可包括自动目标识别(ATR)回射器作为可跟踪光学特征。
[0034]可建立施加装置与外部参照装置之间的通信链路，以便交换全局和/或局部参照的空间参照信息，尤其是实时通信链路。
[0035]根据本发明，施加装置的施加范围通常比目标表面的尺寸小，尤其为所述尺寸的至少1/2或优选地更小。
[0036]施加装置可包括用户引导单元，该用户引导单元被构建为在从一个拼块位置到另一拼块位置重新定位施加装置的同时根据全局参照弓I导施加装置的重新定位。
[0037]本发明还涉及一种用于通过具有施加装置和外部参照装置的施加系统施加期望的图形的方法。将期望的图案施加到目标表面，尤其是利用涂料施加到自由形式的大面积目标表面是通过由驱动单元在至少两个维度中将用于将涂料喷出到目标表面上的至少一个喷嘴相对于施加装置的基座进行定位来完成的。通过所述定位，在施加范围内调节喷嘴到目标表面上的喷出瞄准，所述施加范围被限定为驱动单元可对喷嘴进行定位的区域。在图形施加装置的基座或框架结构处包括至少一个可跟踪光学特征。
[0038]在图形施加装置处，由朝向目标表面的局部相机通过对目标表面进行成像来进行喷嘴相对于视觉特征的局部参照，尤其其中，对喷嘴的定位还定位局部相机。所述局部参照可通过在来自局部相机的图像中对视觉特征进行图像识别来完成，其中，所述视觉特征可优选地为期望的图案的先前施加的区段。
[0039]对驱动单元的定位和喷嘴的喷出的控制由控制器根据喷嘴的实际位置和期望的图案来完成，以实现期望的图案在目标表面上的施加(例如，利用类似喷嘴所喷出的涂料或印刷油墨的材料)。
[0040]通过作为远离图形施加装置设置的测绘仪器的外部参照装置完成施加装置的基座相对于目标表面的全局参照。所述全局参照是根据施加装置的可跟踪光学特征在至少三个自由度，尤其是至少五个自由度上进行的。
[0041]当期望的图案大于装置的施加范围时，将期望的图案分成多个拼块，使得所述拼块在施加范围内。通过图形施加装置相对于目标表面逐步重新定位来依次施加所述拼块。
[0042]根据所述方法，通过待施加的实际拼块的施加范围相对于目标对象的基本对准(其基于全局参照进行)以及通过喷嘴在施加范围内的定位实现的实际拼块与先前施加的拼块的精细对准(其基于局部参照进行)的组合来完成期望的图案的施加。
[0043]对喷嘴的定位和喷出的控制通过局部参照、全局参照以及要施加在目标表面的期望位置处的期望的图案的组合来进行。所述控制调节喷嘴装置的移动和喷出，以便在目标表面上的期望的全局坐标处通过根据局部参照使拼块精确对准来在目标表面上实现期望的图案。
[0044]在实施方式的示例中，根据全局参照来控制施加装置相对于目标表面的布置以便于施加各个拼块，并且根据全局参照并考虑局部参照，尤其是考虑根据局部参照测绘的一个或更多个先前施加的拼块来控制喷嘴在施加装置的施加范围内的施加和移动。
[0045]这里，可通过根据全局参照使实际拼块缩放和/或变形以便实现所述实际拼块的轮廓与通过局部参照确定的一个或更多个先前施加的拼块的边界的匹配来进行施加。另夕卜，可将作为期望的图案的要施加的平面2D图像变换为目标表面的自由形式的3D形状，使得期望的图案在非平面、自由形式的目标表面上看起来不变形。
[0046]局部参照可通过对局部相机所拍摄的图像的数字图像处理来完成，其中，根据局部相机的图像中的结构特征，尤其是根据其轮廓、对比面、颜色分离、高通或低通滤波、特征提取等来确定先前施加的至少一个拼块。根据由此确定的局部参照，可修改实际待施加的多个拼块中的一个以满足全局参照和局部参照的要求(例如，通过在施加装置的当前施加范围内对拼块进行定位、移位、旋转和/或缩放)。
[0047]期望的图案的施加还可通过将3D形貌施加到目标表面上来完成(如下面详细描述的)，其中，期望的图案被形貌结构化以改进目标表面的空气动力学或流体阻力，尤其其中，所述形貌或拓扑是在目标表面上具体实现鲨鱼皮效应、荷花效应或类似效应的纳米结构或微结构(优选地，其高度变化小于5cm,优选地小于Icm或更低)。
[0048]这里，目标表面的3D形状以及目标表面上已经存在的3D形貌通过局部参照确定，并且对施加进行控制，以使得施加的表面结构平滑且无缝，使得在空气动力学上避免非最优过渡，并且所得表面结构是(准)无穷的。
[0049]本发明还涉及一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在机器可读介质上的程序代码，以用于将期望的图案施加到目标表面上，其中，所述施加通过将期望的图案分成多个拼块来进行。所述程序根据施加装置相对于目标表面的外部全局参照与待施加拼块相对于先前施加的拼块的局部参照的组合来控制施加(尤其是当所述程序在根据本发明的图形施加装置上执行时)。
[0050]根据本发明，鉴于全局坐标根据局部坐标来控制喷嘴的喷出和/或定位。例如，作为来自局部参照以及来自全局参照的空间参照数据的坐标被组合以控制喷嘴装置的喷出，其中，局部参照确保拼块彼此的精确匹配，全局参照确保拼块在目标对象上的期望定位，使得远大于施加装置的施加范围(尤其是五倍以上)的目标表面和/或期望的图案可被无缝地施加在目标上的期望位置处。
[0051]具体地讲，通过掩模或通过箔施加的图案的交叠和/或边缘导致表面上的微台阶。鉴于空气动力学，如飞机的表面上的这种不平、不光滑的特征不可取，尤其是如果所述特征并非出于空气动力学目的而专门设计的话。
[0052]通过根据本发明的施加装置的喷嘴的3D施加可用于补偿，例如填充、平滑或均衡表面形貌中的微小的不精确。那些不精确可以是微小的凹痕、钻孔、螺钉或铆钉头等。在现有技术中(如果有的话)必须用底漆材料填充那些不精确并在附加步骤中用砂纸打磨。根据本发明现在提出的特殊方面，这可在相同的步骤中通过相同的装置根据期望的图案施加保护性或装饰性表面涂层来完成。在3D施加中，可通过在需要更大施加高度的位置处喷出更多材料或者增加喷出时间来实现或补偿高度差。3D施加的另一种选择是通过目标表面上的多层材料来构建3D形貌。
[0053]近来在为改进空气动力学(或者流体中的流体阻力)而特殊设计的表面结构(所谓的鲨鱼皮效应)的方向上的研究实现了有希望的结果，并且载体表面的这种微结构化在降低燃料消耗进而实现更高的速度或保护表面免受环境影响(例如，灰尘、水、冰等)方面会是重要因素。在飞行器上的实际测试已经对此进行了证明。
[0054]在运输载体的涂漆和装饰方面这尤其具有挑战性，因为表面的涂漆处理生成载体的大部分外层，该外层还负责这些微结构化效果。因此，在本发明的先进实施方式中，目的不仅在于根据期望的图案实现载体的精确装饰，而且在于由此实现限定的表面结构(优选地在载体的整个外壳上无缝)，以实现类似最优空气动力学的期望效果。因此，不仅在表面上进行平面喷涂或喷墨施加，该处理更类似于在高度上进行微结构的3D打印，从而不仅实现期望的颜色表面保护，而且在载体表皮上实现改进的形貌结构。例如，这些可取的表皮结构的示例可见于US5, 848，769、EP1578600、W02011/124318或近来与鲨鱼皮效应有关的研究论文(例如，来自德国弗劳恩霍夫协会的IFAM)中。
[0055]根据本发明的这一方面，可由施加装置的喷嘴通过将纳米结构或微结构直接喷出到目标表面上来应用类似于鲨鱼皮效应的机翼肋骨效应(riblet effect)，尤其其中，SP使按照多个拼块逐步施加形貌，也可使用局部参照来实现自由形式的大面积表面的无缝覆盖。除了鲨鱼皮形貌之外，所谓的荷花效应涂层或者其它超疏水表面形貌也是已知的，并且也可根据本发明的这一方面来进行应用。
[0056]这里，垂直于表面的第三维度与目标表面维度相比是平整的(例如，几毫米或者甚至低于一毫米)，但是仍包括期望的形貌图案。这里，不仅必须使装饰性方面相对于表面的先前施加的区段精确对准，而且形貌必须匹配以实现无缝过渡，这是以最优方式实现期望的效果所需的。对于载体外壳上常见的非平面、自由形式的表面而言尤其如此。全局参照单独通常不足以实现这种效果，因为其位置精度太低不足以实现无缝形貌图案。因此，此实施方式中的局部参照不仅利用平面图像处理来使图形图案相对于图案的先前施加的部分对准以避免间隙或交叠，而且考虑表面的3D结构来使先前施加的3D结构与实际施加对准。例如，这可通过具有结构光照明的相机系统或者基于在限定的不同目标照明情况下实现的阴影效果通过表面形貌确定来实现。另外，为此可在喷出系统旁边局部使用多相机方法、RM相机、3D-Flash-LIDAR、激光扫描等。对于如上所述仅平面图形施加的局部参照，简单的一维或二维相机就足够了。
[0057]在此表面结构化技术中，目的不是实现具有纹理的平坦光滑的表面覆盖，而是将3D结构施加到表面上以实现期望的形貌。这通过在不同位置处将不同量的溅射材料喷出到表面上以实现期望的3D结构来完成。可存在构建形貌的专用施加材料，其在相同的处理中通过一层期望的颜色覆盖。在另一实施方式中，可通过为表面上色的相同材料来建立3D结构，但是也可通过透明形貌层来施加形貌。
[0058]上述鲨鱼皮施加也可独立于施加装置的参照被视作独立的发明，并且可在没有全局参照方面的情况下实现，但是后者如上所述可有助于施加。例如，通过用于改进载体的外表面的空气动力学、流体阻力和/或拒污性的装置和方法，施加装置包括用于喷出材料的喷嘴(所述喷嘴可相对于施加装置定位)以及用于为实际施加相对于先前施加提供参照的局部参照系统，其中所述装置被构建为按照多个依次施加的拼块将期望的3D形貌施加到载体外表面上，其具有微结构，尤其是鲨鱼皮或荷花拓扑，其中，通过根据局部参照将拼块的3D结构缝合在一起，所述微结构在多个拼块上具有无缝形貌。可选地，还可通过远程测绘仪器为施加装置相对于载体的位置和取向提供全局参照。

【专利附图】

【附图说明】
[0059]下面仅以示例的方式参照图中示意性示出的工作示例更详细地描述或说明根据本发明的方法以及根据本发明的装置和设置。具体地讲，
[0060]图1示出根据本发明的图形施加系统的可能实施方式的示例，该图形施加系统包括具有局部参照相机和远程参照装置的施加装置；
[0061]图2以简化框图示出根据本发明的图形施加系统的可能实施方式的示例；
[0062]图3以示意图示出根据本发明的图形施加系统的另一实施方式的另一示例；
[0063]图4示出根据本发明的图形施加系统的可能用途的示例；
[0064]图5示出根据本发明的系统的实施方式的抽象图；
[0065]图6示出根据本发明的将期望的图案施加到飞机上的图形施加系统的示例；
[0066]图7示出根据本发明的将期望的图案施加到船只上的图形施加系统的示例；
[0067]图8示出根据本发明的在飞机库中的图形施加系统的第一示例性实施方式的侧视和正视图；
[0068]图9示出根据本发明的在飞机库中的图形施加系统的第二示例性实施方式的侧视和正视图；
[0069]图10示出根据本发明的在飞机库中的图形施加系统的第三示例性实施方式的侧视和正视图；
[0070]图11示出利用根据本发明的图形施加系统将期望的形貌施加到目标表面的示例，其将鲨鱼皮施加到船身。
[0071]附图不应被认为是按比例绘制。贯穿附图，相同或功能等同的特征使用相同的标号。

【具体实施方式】
[0072]图1示出根据本发明的图形施加系统的实施方式的抽象图，该图形施加系统包括施加器或图形施加装置I以及位于施加装置I外部的参照装置2。在图示设置的示例中，施加装置I用于将期望的图案5施加到载体10上，或者更具体地讲，施加到作为必须施加期望的图案5的大面积自由形态的目标表面3的飞机尾翼上。
[0073]图形施加装置I包括喷嘴17，其用于将溅射材料(例如，涂料)喷出到目标表面3上。印刷头中可包括该喷嘴17或者一组这种喷嘴17，其可被设置在施加装置I的基础结构11内，使得可在施加装置I的施加范围内调节印刷头17喷嘴相对于目标表面3的喷出瞄准，由此限定施加范围。
[0074]存在喷嘴17相对于目标3的局部参照，这通过视场朝向目标表面3的局部相机14来实现。对于相机14，可参照目标表面3中(用于相机)的视觉特征15，尤其是其中视觉特征15可以是期望的图案5的先前施加的部分或区段。
[0075]为了将期望的图案5施加在目标表面3上，存在控制器4 (例如，计算单元、微处理器等)，其控制驱动单元12的定位以及喷嘴17的喷出以使得期望的图案5将被施加到目标表面3。控制器4可被实现于施加装置I处、外部参照装置2处，作为单独的控制器装置或者作为分布式控制器系统。
[0076]除了施加装置I之外，还存在外部参照装置2作为远离施加装置I设置的测绘仪器，它是根据施加装置I的至少一个光学特征15为施加装置I相对于目标表面3提供全局参照的测绘装置。光学特征15可由施加装置I实现或者附接到施加装置I。施加装置I还可具有不止一个这种光学特征15以用于全局参照。通过光学装置以至少三个自由度(优选地，五个或六个自由度)无接触地实现全局参照。
[0077]在许多情况下，将涂料、印刷油墨或粉末施加到作为目标表面3的大的对象(例如，墙壁、工业结构、类似车身的制成品、大的机器零件、飞行器、船只、公共汽车等)无法在一个施加步骤中完成。因此，通过将期望的图案5(例如，图像和/或文本)分成多个区段或拼块8、9来依次施加期望的图形图案5，这些区段或拼块镶嵌或贴合(也称作缝合)在一起以得到总图案5。拼块8、9的尺寸可取决于许多因素，最重要的一个因素是在不对装置基座11重新定位的情况下，通过喷嘴17相对于装置基座11的移动可覆盖的施加装置的施加范围13。另外，目标表面3的形状、工作台的位置和尺寸、图案5的已经施加的区段的干燥条件、期望的图案5的总尺寸等可影响期望的图案5所分成的拼块8、9的尺寸、分割和施加顺序。另外，期望的图案5内的有利区段或结构(类似单个字母、词、图形项或者将施加相同颜色的区域等)可影响期望的图案5的分段和拼块尺寸的选择。因此，拼块8、9也可具有不同的形状，它们不必具有矩形形状，而是也可具有多边形轮廓。也无需所有拼块8、9使用施加装置I的整个施加范围13，这意味着拼块8、9中的至少一些也可小于施加范围13。
[0078]为了根据包括期望的图案5的信息的数据将材料施加到目标3上，必须建立施加装置I相对于目标表面3的空间参照。特别是在规模较大的目标10的情况下，需要实现施加在目标的整个范围上的空间参照。非平面(3D)目标表面3以及目标表面3上的突然中断是另一挑战，例如待涂漆表面包括电缆或管道，或者载体10的主体(类似飞机机身)包括窗户或者必须排除在涂漆之外的功能和活动设备，因为涂料可能导致故障。
[0079]在现有技术中，对目标表面3进行掩蔽以使得仅期望的区域保留不被覆盖以便于后续施加处理是很重要且耗时的准备工作。在半自动化设置中，类似US7，922，272中，按照准确的空间参照将施加器相对于目标固定是主要的准备工作。由此固定的现有技术的导轨被设计成为施加装置相对于目标表面提供定义的参照，以便于提供施加器相对于目标的预定义的机械固定且已知的位置、取向和距离。这里，施加精度由目标与施加装置的刚性机械链接(为施加器提供引导)预定义。用于施加器的引导件在目标表面上的不准确的安装会导致施加在目标表面上的图案的位置或取向不精确(尤其是相对于目标表面本身或者相对于期望的图案的先前施加的部分)。
[0080]控制器4可作为计算装置构建，其可计算实际或预测的施加点，作为目标表面3上的实际或预测的施加区域，喷嘴17的喷出物将撞击在其上。可改变喷嘴17的喷出特性以使得目标表面3将根据期望的图案5而被溅射，由此调节施加点。因此，施加点主要取决于施加装置I的全局空间参照、喷嘴17相对于目标表面3的局部参照和/或先前的施加以及喷嘴17的一组喷出特性。例如，喷嘴17的这些材料喷出特性可以是喷出方向、发散性、压力、速度、材料率等，其中一些可以是固定的，也可由喷嘴控制机构可变地控制。
[0081]在简单的实施方式中，使用开/关控制，但是已知有许多高级方法来影响喷出，尤其是在喷墨印刷或喷枪的【技术领域】中。为了提供将由喷嘴17弹出的施加材料，施加装置I可包括材料供应装置，其可链接到一个或更多个内部或外部材料罐。施加装置I还可配备有附加的用于喷砂的专用喷嘴17，以便于在施加期望的图案5之前通过单个装置I对目标表面3进行准备。
[0082]施加装置1、其控制器4或相关的计算装置可包括数据存储装置，期望的图案5的已经施加的部分的进度历史优选在施加过程中在线地存储在其中。存储装置还可包括期望的溅射数据5，其可被存储作为将施加到目标表面3的空间相关的期望图案。将施加到目标表面3的期望的图案5可由数字CAD类设计的图案、像素或矢量格式的图形图像、具有字体和大小信息的文本等来表示。期望的图案5数据可包括在可被实现为固定安装的存储器装置、用于容纳存储卡、USB盘等的槽的存储装置中，但是其也可通过有线或无线网络或云存储来访问。
[0083]通过对来自局部相机14的图像进行数字图像处理，可评价喷嘴17相对于在相机14的视场内可见的视觉特征的喷出瞄准的位置和取向(尤其是相对于作为视觉特征的先前施加)。在这种情况下的术语“可见”表示对于局部相机14可见，而不必对人眼可见。例如，不仅可见光谱范围，而且IR或UV范围也可使用。另外，目标表面3处的自然光学特征也可用作附加视觉特征，例如高对比度面、边缘、拐角、纹理、接缝、接头、螺钉、螺栓等，尤其是如果它们的位置可用作已知参照或者如果它们限定相关的施加参照，例如目标表面3上的期望的图案5的边界或省略，其必须根据它们的实际位置，而非它们的理论位置(可能不同)来考虑。
[0084]通过图像处理(例如，通过视觉特征的标识和匹配)的参照是数字图像处理领域中熟知的。因此，可按照像素，优选地还按照子像素分辨率，确定视觉特征在图像中的画面坐标。根据那些画面坐标，可收集参照信息。为了克服相机和/或其光学元件的可能的几何图形失真，已知有相机校准方法。因此，可对对象点至相机图像点的变换进行校准和建模。另外，如果这种相机校准是已知的，则视觉特征在相机图像中的已知几何形状的出现大小可用作信息来源，尤其是如果特征的形状(优选地还有其尺寸)是已知的-期望的图案5的先前施加的拼块8通常就是如此。
[0085]如果在目标表面3处在施加范围13中或周围除了期望的图案5的已经施加的拼块8之外还存在需要期望的图案5的几何贴合的其它视觉特征，例如目标表面3的一些边缘或拐角，则考虑局部参照来实现这里需要的精度，尤其是如果其参照精度高于全局参照可实现的精度的话。因此，直接相对于目标表面3的所述视觉特征进行局部参照，但是仍考虑全局参照。
[0086]除了局部参照之外，例如，还可使用施加装置I处的局部相机14来确定目标表面3的类型或颜色。还可存在用于局部相机14的光源，以针对相机14的视场提供限定的照明，尤其其中，所述光源发射限定且已知的光谱，以方便相机14的图像中的颜色的明确标识。
[0087]根据本发明的施加装置I由外部测绘装置作为外部参照装置2提供全局参照，以便确定施加装置的位置取向。由于施加装置I由外部测绘装置提供空间参照，所以不需要从施加装置I到目标表面3的预定义且精确对准的直接机械链接。这允许操作更自由，甚至可根本避免建立从装置I到目标3的直接附接。例如，这使得能够将施加装置I设置在可移动的工作平台上，而无需建立与具有目标表面3的对象的直接物理接触，或者将平台以高精度定位在限定的位置。
[0088]根据此全局参照，施加装置I相对于目标表面3的位置是已知的。根据本发明，通常不必以高精度确定此全局位置以使得全局位置信息的分辨率与要施加的作品的分辨率相同(例如，在喷墨类施加装置I所施加的每英寸点数的范围内)。
[0089]例如，全局参照可具有几毫米的精度，而施加的图案5的精度(尤其是图案的依次施加的区段8、9的缝合精度)在毫米以下的范围，例如，仅几十或几百微米。此高精度(这是例如将期望的图案5分成多个依次施加的拼块8、9所需要的)通过局部参照来建立，所述局部参照在施加装置I处进行并且朝向目标表面3，尤其是朝向期望的图案5的可能已经施加的区段8。
[0090]尤其是与大许多的目标表面3相比，通过全局参照可相对精确地将待施加图案5在目标表面3上对准，尽管不像局部参照那么精确。例如，在机翼上设置“NO STEP”标记被精确设置在几毫米或者甚至几厘米内。因此，利用施加装置I的全局参照将施加装置I相对于目标载体10上的期望的区域定位，并由装置I在其施加范围13内进行施加。如果标记尺寸足够小以适合施加范围13，则可在单个拼块中一次完成施加，而无需将期望的图案5分成多个拼块。
[0091]以这样的方式构建施加装置I以施加期望的图案5:在通过全局参照确定的施加范围13内使待施加的实际拼块9分别相对于目标表面3和/或相对于先前施加范围基本对准，并且通过将喷嘴17定位在通过局部参照确定的施加范围13内来使实际拼块9与一个或更多个先前施加的拼块8精细对准。
[0092]图2示出根据本发明的图形施加系统I的实施方式的另一抽象图。该图中的喷嘴装置17包括多种溅射材料的混合物。在图示的示例中，有三个溅射材料供应装置31r、31g、31b，其表示从对应存储装置供应的红、绿和蓝涂料。不同的溅射材料可在喷嘴装置17内部混合成由控制器4控制的期望的组合物(例如)以实现期望的颜色，然后将由喷嘴17喷出。还存在以虚线示出的附加材料供应装置31x，但是材料供应装置的数量可根据施加装置I的实施方式和/或施加任务而变化(从I开始)。
[0093]例如，施加的材料可以是涂料、末道漆、漆料(lacquer)、清漆、墨和粉、蜡、塑料、有机硅等。将材料从材料供应装置供应给喷嘴17，材料供应装置可被实现为与设置在施加装置I处的罐或容器的连接或者来自外部存储装置的管线。
[0094]施加装置I可包括具有单个或多个喷嘴17 (例如，按照行或喷杆排列)的印刷头。控制器4可在短的反应时间内调节各个喷嘴17。在其它实施方式中，也可通过单个致动器针对多个喷嘴调节喷嘴特性。为了减小剩余反应时间的影响，用于喷嘴17的控制算法可包括反应时间的预测。喷嘴17可像喷墨打印机的放大版本一样工作，以通过一组原色(类似RGB、CMYK、HSV等)施加任何颜色，其可通过类似黑色和白色的一些特殊颜色或者类似金、银、透明涂层等的专色(spot colour)来扩展。
[0095]施加装置I的实施方式可以按照这样的方式构建，使得通过一种或更多种颜色或材料18溅射目标表面3，其中，不同的颜色可以:
[0096]-通过对来自材料供应装置的基本的一组不同的颜色或材料中的材料点的点矩阵进行抖动或溅射来混合，
[0097]-在喷嘴装置内部或者前面或者通过在目标表面3上叠加基本的一组不同的材料中的不同材料的点来在线混合，或者
[0098]-通过从材料供应装置供应的预混的颜色或材料来离线混合。
[0099]还可另外混合溶剂以实现材料的期望粘度。另外，还可喷出纯溶剂以用于清洁目标表面3、施加装置I或其二者。如果施加的材料可通过类似紫外辐射或热的特定环境影响而固化，则施加装置可配备有环境影响源，如，UV灯或红外辐射器，其也可通过激光源来实现，所述激光源(至少大体上)仅覆盖当前正在施加或者刚刚施加的点。
[0100]市场上存在可用的用于弹出材料的喷嘴17，其使得能够从距目标大于十厘米的距离处在喷出方向上喷射限定的材料点，使得在目标表面3上的点直径或尺寸小于一厘米。点的实际大小不仅可通过变化目标距离来调节，而且可通过调节喷嘴17的喷出特性以影响目标表面3上的点的喷出发散性和形状来调节。通过这样的调节，即使在变化施加距离的情况下，也可在目标表面3上实现期望的点大小，这尤其有利于非平面目标表面3。可按照每秒几百个点或者甚至更大的高重复率弹出点。这样的印刷头及其喷嘴系统17还使得能够在不对目标表面3进行掩蔽的情况下施加期望的图案5，即使在不同颜色的目标区段彼此紧密排列时也是如此。局部参照可考虑其对准，因为(例如)可通过施加装置I处的局部参照相机14进一步观察施加处理，以验证施加处理并将其与期望的图案5进行比较。
[0101]在根据本发明的施加的离线规划中，规划工具可支持操作者预先准备将期望的图案5分割成拼块8、9，并且还模拟施加程序。规划可在远程计算机上执行，或者可包括在施加装置I内，其具有相应的输入和输出装置以便于用户交互。可在工作之前基于已经可用的数字数据(例如，3D模型、CAD数据)或者通过由局部和/或外部参照收集的表面模型信息来完成规划。
[0102]在根据本发明的施加的在线规划中，在工作过程中及时地将期望的图案5分割成拼块8、9。由于存在施加装置I的全局参照，所以施加顺序不必遵循施加装置I的期望的重新定位的预定义序列，而是也可通过任意或随机的重新定位来完成。另外，可使用上述在线和离线规划的组合。
[0103]由于外部参照装置2远离施加装置I设置，从远程装置2到施加装置I的控制器4建立(此实施方式中的)无线通信链路32，所述控制器4控制期望的图案5的施加。优选地，使用实时通信，其允许处理动态移动。可选地，可能发生的通信和/或评价延迟可(至少部分地)通过预测或前瞻来补偿。
[0104]可将参照信息从外部参照装置2传输至施加装置1，(例如)作为位置和取向信息。通信可通过有线或无线手段进行，并且优选地实时地进行或者通过使用分布式时钟系统来进行，(例如)使得位置和取向值具有在所有通信装置处均相等的唯一时间戳。在图示的示例中，施加装置I和外部参照装置2处的通信装置32被实现为无线数据通信。
[0105]在施加处理的过程中还可使用全局和/或局部参照的组合，以验证目标和/或施加装置I所在的平台没有移动(因为这可由振动、摆动、热变形、沉降效应、漂移等引起)。这些不精确在根据本发明的施加处理中可由驱动单元12通过待施加图案5的反向移位来确定和补偿，以实现期望的图案5的贴合而拼块8、9没有间隙或交叠。
[0106]除了局部参照相机14之外，施加装置I处的电子测距(EDM)装置或激光测距仪可精确地确定与目标表面的施加距离，以相应地调整喷嘴17的喷出特性。还可存在用于确定目标表面3上的涂料的厚度的传感器，其优选地可随喷嘴17和/或相机14移动。用于这些镀覆厚度确定传感器的技术是本领域熟知的。图中通过可选方框41来示出那些附加装置。
[0107]图3所示的根据本发明的图形施加系统的示例性实施方式建立通信链路32以用于从外部装置2至施加装置I交换参照数据(例如，位置和取向信息的形式)。外部参照装置2根据可跟踪光学特征15用于施加装置I的全局参照。所示的通信链路32是有线链路，但是其也可通过无线链路来实现。施加装置I的控制器4将此信息与通过来自局部参照相机14的图像的数字图像处理而确定的局部参照信息一起使用，以控制印刷头或喷嘴单元17的驱动单元12并且控制喷嘴单元17将涂料18喷出到目标表面3，以便将期望的图案5(存储在存储器单元中)施加到目标表面3上。
[0108]至少一个局部相机14可利用图像传感器，尤其是利用检测光学辐射的一维或二维CMOS或CCD传感器阵列21以及透镜系统22 (其视场23朝向目标表面3)来具体实现。
[0109]控制器4控制或调节喷嘴17的控制机构27，并且可被实现为微控制器、嵌入式系统、个人计算机，或者还可为分布式系统的形式，例如，在施加装置处具有基本计算单元，其可建立与具有更大容量和性能的另一计算装置(例如，个人计算机、膝上型计算机或工作站)的有线或无线通信链路。
[0110]存储器单元可包括在施加装置I中或连接到施加装置1，例如，可被实现为诸如RAM、ROM、硬盘、存储卡、USB盘等的至少一个存储装置，其可为固定的或可去除的或者这两者的组合。存储装置被构建为保存包括期望的图案5的信息(例如，可以是CAD制图、向量图形、位图图片(压缩或未压缩的))的数据，并且还可包括附加三维信息。在成型的弯曲或不平目标表面3的情况下，(除了二维或三维作品信息本身之外)期望的图案5还可包括关于作品在提供目标表面3的对象或载体10上的三维拟合的信息。
[0111]例如，施加装置I的实施方式可配备有多个LED的布置作为用于全局参照的有源可跟踪光学特征，其中，该布置被构建为使得施加装置I的位置和取向可被唯一地确定(例如，在闪示码、不同的颜色等的辅助下)。在另一实施方式中，施加装置I处的可跟踪光学特征还可通过无源光学特征的布置(类似具有精确限定的形状和/或颜色的一个或更多个几何对象)来具体实现。可跟踪光学特征还可包括荧光或回射表面。例如，目标标记类似于已知用于测绘仪器的那些标记，尤其适于用作外部参照装置2的测绘仪器。
[0112]可选地，施加装置I可由附加MU41支持，以确定移动动力学和/或重力方向。此信息可与全局参照和局部参照的空间位置和取向测量组合。
[0113]根据本发明的图形施加系统的实施方式还可包括或者还可链接到环境传感器42以用于确定局部环境条件，例如温度、风速、湿度、时间以及影响施加的材料18的喷出和干燥条件的其它因素。由那些传感器42收集的环境信息可由控制器4用来命令喷嘴控制机构27。另外，可存在另一或附加传感器42以用于分析施加材料，类似确定其粘度、流速、供应存量等。另外，在确定喷嘴17的期望的喷出特性时可考虑重力方向。
[0114]图4中是根据本发明的图形施加系统的实施方式的示例。存在施加装置1，其具有可跟踪光学特征15，所述光学特征使得位于远处的外部参照装置2 (例如，激光跟踪器)能够测绘施加装置I的位置和取向。施加装置包括驱动单元，其用于使一个或多个喷嘴17相对于施加装置I的基础结构11移动，以使得可通过喷嘴17的喷出覆盖施加装置I的施加范围13。喷嘴17可在待施加的期望图案5的横向(由箭头60指示)上移动，并且还可垂直于目标表面3移动，从而调节喷嘴17与目标表面3之间的距离61。特别是对于弯曲或自由形式的目标表面3，术语横向和垂直必须从广义上解释，如，在近似此方向上的范围内。
[0115]施加装置I还包括局部参照相机14A、14B，其视场23A、23B朝向目标表面3。局部相机14A及其视场23A(如目标表面3上绘制的圆所指示的)可被实现为可随喷嘴17移动。局部相机14B也可被实现为在基座11处，其视场23B朝向目标表面3(如相机14B处的三角形所指示的)。在该图中，示出局部相机14A、14B的两个选项,但是一个也足够了。
[0116]局部相机14拍摄目标表面3的图像，并建立对目标表面处的视觉特征的局部参照。这种参照可包括目标坐标信息，例如所示的相对于视觉特征(可以是期望的图案5的已经施加的区段(例如，一个或多个拼块))的旋转63和/或位置62。如果视觉特征提供可用的项，则也可利用局部相机14A和/或14B来通过局部参照确定局部比例64和/或目标距离61。
[0117]然后基于来自全局参照和局部参照的信息来控制喷嘴17的喷出和驱动单元12，以便在目标表面3和/或期望的图案5大于施加装置I的施加范围的情况下，将期望的图案5按照多个依次施加的拼块施加在目标表面3上。这里，局部参照和全局参照的组合不仅是并列使用两个原理。有利的是，将这些原理组合以补偿各个原理的弱点，以得到有利的效果，从而使得能够将图形图案高质量地施加到(例如)具有自由形状的大表面的对象，例如飞机、船只等。
[0118]在特殊实施方式中，除了通过驱动机构12使喷嘴17移动之外，控制机构还可(例如)通过倾斜喷嘴17或者通过影响材料喷射来精细调节喷嘴17的喷出或弹出方向。根据空间取向以及关于已经施加的区域8 (例如，通过局部参照)和目标表面3上仍待施加的区域9(例如，根据限定期望图案5的数据)的知识，控制器4能够自动决定是否通过特定喷嘴17释放材料(例如，涂料)到表面3上的当前目标点。
[0119]在所示的实施方式中，施加装置I被构建为置于可移动工作平台上，但是在另一示例中(下文示出)，它也可被构建成可移动印刷箱，可由工人几乎随机地置于目标上。印刷箱由参照装置2测绘以实现全局参照，并且(根据其相对于目标的参照)确定在印刷箱的施加范围13内的期望图案5的期望拼块并准备施加。另外，印刷箱通过朝向目标表面3的相机14A、14B以及所得图像的数字图像处理来执行局部参照。这里，标识并定位目标表面的视觉特征(尤其是期望的图案5的已经施加的部分)。根据此局部参照，可建立期望的拼块的精确对准，而无需将印刷箱精确固定到目标上。
[0120]在单个拼块的施加过程中，可(例如)通过具有吸盘、磁吸、粘底(sticky sole)等的脚来将施加装置I临时固定在目标处。
[0121]图5示出根据本发明的图形施加系统的另一示例性实施方式，其包括具有一行或一排多个喷嘴装置17的施加装置I。示意图示出将期望的图案5以文字的形式施加在目标表面3上。存在期望图案5的已经施加的区段8(加粗绘制)以及期望图案5的待施加的区段9 (以虚线绘制)。由于期望的图案5的总尺寸延伸出施加装置I的施加范围13，所以必须通过将期望的图案5分成多个拼块8、9来进行施加。
[0122]在此实施方式的示例中，以这样的方式分割期望的图案5:每一单个字母一次施力口，而不被分到多个拼块8、9中(尽管施加范围13可能足够大以另外施加附加字母的一部分)。对于施加装置I及其施加范围13相对于目标表面3的对准，使用外部全局参照装置2根据其可跟踪光学特征15来测绘施加装置1，由此可确定施加装置I相对于目标表面3的全局坐标的位置和取向。因此，即使在局部参照相机14的视场23中没有先前施加的视觉特征(通过其可建立当前施加部分9对先前施加部分8的参照)(例如，如果单词或字母的间隔超出施加范围13，就是如此)，拼块8、9和字母也可彼此对准。如图所示，施加装置I可配备有手动操作的手柄以及抵靠目标表面3固定的脚。在另一实施方式中，如上所述，施加装置I可被实现为置于工作平台等上，所述平台可相对于目标表面3移动。
[0123]在此实施方式的示例中，施加装置I可仅被手动固定到目标表面3上。为了在局部相机视野范围内获得用于局部参照的有利的视觉特征(例如，期望的图案5的先前施加的部分的边缘或拐角或者其它光学目标特征)，可使用全局参照信息作为定位施加装置I的用户引导(例如，通过指示可取位置或其偏差)。因此，可根据目标表面3处的视觉特征帮助用户将施加装置I设置为有利于待进行的施加部分9和局部参照。
[0124]为了与装置I交互以(例如)观测、选择、布置、修改、操纵或者甚至创建和限定期望的图案5，施加装置I可包括人机接口(HMI)59，例如，HMI可包括按钮、旋钮、操纵杆、拨盘、光指示器、显示器、触摸屏等。
[0125]HMI59还可用作方向指示以用于用户引导，通过其可在方向上引导用户重新定位施加装置I。施加装置可配备有一些简单的符号灯以用于指示操作者的期望移动方向。还可通过屏幕或图形显示器上的符号来指示期望的移动。还有一种选择是将当前待施加的拼块或施加范围的轮廓叠加(例如，通过激光线投影仪或其它光学投影装置)到目标表面3上。当用户按照与一个或更多个先前施加的拼块8对准的方式将施加装置I对准时，局部参照可处理精细调节，并且(例如)通过将期望的图案剪切、旋转或略微变形成待施加拼块9来确定待施加拼块9的细节，其适合以目标表面3上已经存在的施加部分8作为局部参照相机14的视觉特征。另选地，可基于全局参照将局部参照相机14的图像与待施加的期望图案5叠加，可将所得叠加物呈现给用户。
[0126]图6示出根据本发明的图形施加系统的实施方式，其任务是按照多个拼块8、9将期望的图案5施加到作为目标表面3的飞行器尾翼上。由位于施加装置I外部或远离施加装置I的全局参照装置2为施加装置I提供空间参照。为了参照，施加装置I或其基座11配备有至少一个可跟踪光学特征15以便于全局参照装置2通过光学装置无接触地测绘。由此获得的测绘信息在装置I与2之间传输。
[0127]在施加装置I的框架或基座11内有具有一个或多个喷嘴17的印刷头，其可在框架11内移动以便覆盖可通过喷嘴17的喷出瞄准的施加范围13。
[0128]施加装置I还包括局部参照相机14，其被构建为向喷嘴17对目标表面3处的视觉特征(例如，喷嘴17先前的施加部分，类似期望图案5的施加的区段8)的喷出瞄准提供空间参照。
[0129]图7所示的图形施加系统的实施方式用于将作为期望的施加图案数据的标记施加到作为目标表面3的船只的弯曲表面上。相比而言，船只表面大于类似所示的标志5B、载重指示5C或船名的连贯图案。然而，图案5B、5C和可大于施加装置I的施加范围，因此按照多个拼块依次施加期望的图案5。外部参照装置2提供施加装置I (根据其可跟踪光学特征)相对于船只(作为整个目标表面3)的空间信息。局部相机14为施加喷嘴17相对于目标表面3的视觉特征的位置和/或取向提供参照，尤其是提供喷嘴的施加与视觉特征(特别是期望的图案5的先前施加的区段或拼块)的精确对准。
[0130]在特殊实施方式中，船只的整个外壳也可作为目标表面3以施加期望的图案5A，其可为平的装饰性的图形图案或者具有如上所述的附加技术功能的表面的3D形貌结构化。除了施加装置I的可跟踪光学特征15之外，目标表面3或者包括目标表面3的对象也可配备有一个或更多个附加可跟踪光学特征15A以便于全局参照装置2获得用于全局参照的附加信息。
[0131]如图8的示例中所示，根据本发明的图形施加系统I用于通过如上所述具有局部参照相机14和外部参照装置2的施加装置I将期望的图案5施加到飞机机身的弯曲表面
3。在左手侧以侧视图示出设置，在右手侧以正视图示出同一设置。全局参照装置2被置于地面上，并根据其光学特征15光学测绘施加装置I并提供全局参照数据作为施加装置I的空间信息。
[0132]在从飞机库的天花板悬挂的可移动平台50上使用施加装置I。在飞机库或船厂中，通常有从天花板悬挂的工作平台，但是也可使用斗式卡车、液压升降梯(hydraladders)、悬臂升降台(boom lift)、配备有(优选地为可电动移动的)脚手架的其它载体来到达自由形式的大目标表面上的期望的目标区域。那些可移动台架等的位置通常手动控制，并且(如果有的话)配备有具有几十cm或更差范围内的低精度的位置测量系统。
[0133]由于期望的图案5大于施加装置I内的喷嘴17可覆盖的施加范围13，将按照多个拼块8、9逐步施加期望的图案5。根据通过全局参照装置2收集的信息确定期望的图案5(其各个拼块8、9)在目标表面3上的位置。尤其在拼块8、9必须拼在一起的边界处，根据通过局部参照相机14确定的信息来精细调节施加。这允许期望的图案5即使被分成依次施加的多个拼块8、9也可精确施加，而无需施加装置I从一个拼块到另一拼块的移动的精确机械引导。这里，在施加处理中也可标识并补偿相对于施加装置I的理论理想位置的偏差。
[0134]图9中示出具有与图8类似的设置的另一示例。施加装置I被置于或设置在可相对于目标移动的台架(在此示例中安装在车辆51处)上。由于通常认为这样的车辆及其平台不提供固定和稳定的空间参照，所以以此为基础进行施加将无法提供期望的结果。根据本发明，在施加处理中，全局参照装置2跟踪施加装置I的空间参照的这种空间偏差，以使得可考虑并补偿所述偏差。
[0135]可通过驱动单元12 (其相对于施加装置I在两个或更多个维度上驱动印刷头)的反向移动来调节可在施加装置的施加范围13内移动的印刷头或喷嘴系统17以实现这种补偿。局部相机14也随印刷头一起移动，当前施加部分9由此相对于目标表面3上的视觉特征(例如，期望的图案5的已经施加的区段8)精确对准。通过局部参照的高空间精度(优于全局参照可实现的精度)，期望的图案5的不同拼块8、9或区段可在施加过程中保持完整以实现期望的结果。然而，仅局部精整可能无法确保期望的图案5及其拼块8、9在目标表面3的整个区域上的正确对准，因此外部设置的全局参照装置2在施加处理的过程中(优选地为连续或在线地)跟踪全局施加精度。这里，还可通过期望的图案5的实际拼块的略微变形来补偿视觉偏差，以便使局部参照和全局参照一致(如果无法以其它方式校正所述偏差的话)。
[0136]在图10的示例中，类似于图8或图9，目标表面3也在飞行器载体10上。这里，悬臂升降台53上的工人55将施加装置I抵靠目标表面3固定。为了这一任务，她可在施加装置I与目标表面之间通过脚、吸盘、磁铁等来辅助支撑。工人55将施加装置I定位在目标表面上，其中，她可以利用来自全局参照装置2的信息作为辅助，所述全局参照装置2通过施加装置I处的至少一个可跟踪光学特征15来远程测绘施加装置I。这种辅助可如上所述(例如)通过显示施加装置I的移动信息进行，可根据所述信息将施加装置I的施加范围13至少近似设置在目标表面3上的期望位置处。另外，将通过驱动单元12 (尤其通过考虑来自局部参照相机14的信息)完成拼块位置的精细调节。
[0137]然后，利用来自全局参照的信息以及相对于先前施加的局部参照信息(如果可用的话)，工人55开始施加，并且喷嘴施加期望的图案5的实际拼块。当完成时，工人55可手动将施加装置I移至下一位置(优选根据全局参照来引导)，以使得施加范围13将包括先前施加部分的边界，期望的图案5将从所述边界继续。遵循这一顺序，将根据全局参照和局部参照来依次构建期望的图案5。
[0138]在图11中，根据本发明的上述特殊方面将鲨鱼皮施加到作为目标表面3的载体10的主体(在图示实施方式中，船体)上的示例。存在如上所述测绘施加装置I的外部参照装置2。此实施方式的期望的图案5包括用于降低水中的阻力和/或减少藻类生长的三维微结构，例如所述鲨鱼皮或荷花皮(lotus-skin)，但是也存在其它结构。然而，期望的图案5仍可包括诸如船名的特定图形元素(文本OT)。出于示意性目的，待施加图案5的3D结构相对于其它组件未按比例绘制，而是被放大。
[0139]此实施方式中的局部参照通过调整施加以与已经施加的拼块匹配确保了微结构图案的无缝过渡，以便即使在目标表面的弯曲部分上也实现期望的结构效果。装置2的全局参照提供了相对于船只上的全局坐标的参照。例如，全局参照可跟踪施加以避免不精确的累积，确定应用的设置，和/或通过使图案和/或拓扑结构适应表面的形状根据预期的水流线确保期望的微结构图案的施加以实现期望的效果。因此，按照目标表面3的形状调整期望的图案5的施加，例如，这在通过箔或者现有技术中已知的其它手段施加这种图案时是不可能的。期望的微结构图案5可以说是被3D打印到载体10的另外完成的目标表面3上。载体10还可被具体实现为飞机、卡车、汽车、等或其部分，以改进空气动力学(甚至以加装方法)。除了所述已知的图案之外，可通过在(例如)风洞中实验或者通过波阻实验来找到、改进和优化图案的最优形貌以及那些图案的采用。
[0140]尽管通过施加诸如鲨鱼皮或荷花效应图案的3D微结构的施加装置I施加3D微结构的这一特殊方面，可被视作独立的发明，尤其独立于用于为施加装置I相对于目标表面3提供参照的技术。这一特殊方面可在没有全局参照的情况下实现，作为独立发明。
[0141]此实施方式包括期望的3D溅射数据，施加装置I尤其通过施加多层材料来构建三维形貌或结构。因此，施加装置I的喷嘴17可按照三维或更多维移动。施加装置I可为便携的，并且可按照不同的位置和取向使用，这优于已知的静止3D打印机或立体光刻装置(类似基于具有笛卡尔轴系统的平台的那些装置)。
【权利要求】
1.一种用于将期望的图案(5)施加到目标表面(3)，尤其是施加到任意形状的大面积目标表面的图形施加系统(1，2)，该图形施加系统(1，2)具有: ■图形施加装置(1)，其包括: ο基础结构(11)， ο所述基础结构(11)处的至少一个可跟踪光学特征(15)，ο用于将涂料喷出到所述目标表面(3)上的至少一个喷嘴(17)，ο驱动单元(12)，其用于在至少两维，尤其是三维中将所述喷嘴(17)相对于所述基础结构(11)定位，以便调节所述喷嘴(17)在所述目标表面(3)上的喷出瞄准，由此将施加范围(13)限定为所述驱动单元(12)能够对所述喷嘴(17)进行定位的区域， ο局部相机(14)，其朝向所述目标表面(3)，尤其是随所述喷嘴(17)移动，用于通过对所述目标表面(3)进行成像来为所述喷嘴(17)相对于视觉特征提供局部参照，尤其其中，所述视觉特征是所述期望的图案(5)的先前施加的区段(8)，以及 ■外部参照装置(2)，其作为远离所述图形施加装置(I)设置的测绘仪器，用于在至少三个自由度，尤其是至少五个自由度上根据所述施加装置(I)的所述可跟踪光学特征(15)来为所述图形施加装置(I)的所述基础结构(11)相对于所述目标表面(3)提供全局参照，其中， ■所述期望的图案(5)大于所述施加范围(13)，并且 ■所述期望的图案(5)被分成多个拼块(8，9)， ο所述拼块(8，9)在所述施加范围(13)内，并且 ο所述拼块(8，9)将通过所述图形施加装置⑴相对于所述目标表面(3)的逐步重新定位(7)来依次施加， 其中，所述图形施加系统包括控制器(4)，该控制器(4)用于根据所述喷嘴(17)的实际位置和所述期望的图案(5)来控制所述驱动单元(12)和所述喷嘴(17)的喷出，使得在通过所述全局参照确定的所述施加范围(13)相对于所述目标表面(3)的基本对准并且通过所述局部参照确定的通过所述喷嘴(17)在所述施加范围(13)内定位而实现的实际拼块(9)与一个或更多个先前施加的拼块(8)的精细对准的情况下，实现所述期望的图案(5)在所述目标表面⑶上的施加。
2.根据权利要求1所述的系统，该系统的特征在于: 所述外部参照装置⑵是在极坐标中测量所述施加装置⑴的位置和取向的大地测量仪，尤其是优选地利用光电距离测量来根据作为可跟踪光学特征(15)的至少一个参考标记的光学测绘在六个自由度中确定所述施加装置(I)相对于所述目标表面(3)的全局位置和取向。
3.根据权利要求2所述的系统，该系统的特征在于: 所述外部参照装置(2)是激光跟踪器，并且所述施加装置(I)包括回射器作为所述可跟踪特征(15)。
4.根据权利要求2所述的系统，该系统的特征在于: 所述外部参照装置(2)是电动的视距仪，并且所述施加装置(I)包括ATR回射器作为可跟踪特征(15)。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的系统，该系统的特征在于: 用于在所述施加装置(I)与所述外部参照装置(2)之间建立通信链路(32)，以便交换所述全局参照和/或局部参照的空间参照信息的装置。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的系统，该系统的特征在于: 所述施加装置⑴的所述施加范围(13)比所述目标表面(3)的尺寸小，尤其是所述目标表面(3)的尺寸的至少1/2或更小。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的系统，该系统的特征在于: 所述施加装置(I)包括用户引导单元，该用户引导单元被构建为根据所述全局参照来引导所述施加装置(I)的重新定位，尤其是利用光指示器或屏幕的光学用户引导来引导所述施加装置(I)的重新定位。
8.一种用于通过具有施加装置(I)和外部参照装置(2)的施加系统(1，2)应用图形施加的方法，其中，将期望的图案(5)施加到目标表面(3)上，尤其是将涂料施加到自由形式的大面积目标表面(3)是通过以下步骤完成的: ■通过驱动单元(12)在至少两个维度中将用于将材料喷出到所述目标表面(3)上的至少一个喷嘴(17)相对于所述施加装置(I)的基础结构(11)进行定位，所述定位在施加范围(13)内调节所述喷嘴(17)到所述目标表面(3)上的喷出瞄准，所述施加范围(13)被限定为所述驱动单元(12)能够对所述喷嘴(17)进行定位的区域， ■通过由朝向所述目标表面⑶的局部相机(14)对所述目标表面(3)进行成像来为所述喷嘴(17)相对于视觉特征提供局部参照，尤其其中，所述喷嘴(17)的定位还对所述局部相机(14)进行定位，并且/或者所述局部参照是通过在来自所述局部相机(14)的图像中对所述视觉特征进行图像识别来完成的，其中，所述视觉特征能够优选地为所述期望的图案(5)的先前施加的区段(8)，并且 ■通过作为远离所述图形施加装置(I)设置的测绘仪器的外部参照装置(2)，在至少三个自由度，尤其是至少五个自由度中根据所述施加装置(I)的所述可跟踪光学特征(15)来完成所述图形施加装置(I)的所述基础结构(11)相对于所述目标表面(3)的全局参照， 其中，所述施加是通过以下步骤完成的: 将所述期望的图案(5)分成多个拼块(8，9)，使得所述拼块在所述施加范围(13)内，并且通过将所述图形施加装置(I)相对于所述目标表面(3)逐步重新定位来依次施加所述拼块(8，9)，并且 其中，对所述驱动单元(12)的定位和所述喷嘴(17)的喷出的控制是由控制器(4)根据所述喷嘴(17)的实际位置和所述期望的图案(5)来完成的，使得在通过所述全局参照确定的所述施加范围(13)相对于所述目标表面(3)的基本对准，并且根据所述局部参照通过所述喷嘴(17)在所述施加范围(13)内定位而实现的实际拼块(9)与先前施加的拼块(8)的精细对准的情况下，实现所述期望的图案(5)在所述目标表面(3)上的施加。
9.根据权利要求8所述的方法，该方法的特征在于: 对所述喷嘴(17)的定位和喷出的控制是由所述局部参照、所述全局参照以及要施加在所述目标表面(3)的期望位置处的所述期望的图案(5)的组合来确定的，尤其其中，根据所述全局参照来控制所述施加装置(I)的所述施加范围(13)的布置，并且根据相对于所述期望的图案(5)的先前施加的拼块(8)的所述局部参照来控制所述喷嘴(17)的喷出和定位。
10.根据权利要求8至9中的任一项所述的方法，该方法的特征在于: 根据所述全局参照和所述局部参照来使所述实际拼块(9)缩放和/或变形，以便实现所述实际拼块(9)的轮廓与先前施加的拼块(8)的匹配，尤其其中，所述缩放和/或变形包括所述期望的图案(5)的定位、旋转、剪切和/或缩放。
11.根据权利要求8至10中的任一项所述的方法，该方法的特征在于: 将作为期望的图案(5)的要施加的平面2D图像变换为所述目标表面(3)的自由形式的3D形状。
12.根据权利要求8至11中的任一项所述的方法，该方法的特征在于: 用于使所述喷嘴(17)相对于所述期望的图案(5)的已经施加的拼块(9)对准的所述局部参照是通过对所述局部相机(14)所拍摄的图像进行数字图像处理来完成的。
13.根据权利要求8至12中的任一项所述的方法，该方法的特征在于: 所述期望的图案(5)包括3D形貌，该3D形貌由所述施加装置(I)利用所述喷嘴(17)施加到所述目标表面(3)上，并且被结构化为改进所述目标表面(3)的空气动力学或流体阻力，尤其其中，所述3D形貌是高度变化小于Icm的微结构。
14.根据权利要求13所述的方法，该方法的特征在于: 所述目标表面(3)上的所述3D形貌是根据所述局部参照通过所述目标表面(3)上的多个拼块(8,9)的无缝缝合来施加的，并且 使所述形貌的取向适应于所述全局参照和/或所述目标表面(3)的形状，其中，对施加进行控制，使得所施加的表面结构是平滑的并且符合空气动力学，并且避免从一个拼块到另一拼块的非最优过渡。
15.一种计算机程序产品，该计算机程序产品包括存储在机器可读介质上的程序代码或者被具体实现为电磁波的计算机数据信号，以用于计算根据权利要求8至14中的任一项所述的方法，其中，所述程序进行控制，以基于所述喷嘴(17)的局部参照以及通过外部全局参照装置(2)的所述施加装置(I)的全局参照来利用具有可定位的喷嘴(17)和相机(14)的施加装置(I)将期望的图案(5)的多个拼块(8，9)施加到目标表面(3)上，尤其是在根据权利要求1至7中的任一项所述的图形施加系统(1，2)中执行所述程序。
【文档编号】B41J2/01GK104129173SQ201410181519
【公开日】2014年11月5日 申请日期:2014年4月30日 优先权日:2013年5月2日
【发明者】波·佩特尔松, 克劳斯·施奈德, 贝内迪克特·泽布霍塞尔, 克努特·西尔克斯 申请人:赫克斯冈技术中心