用于打印三维物品的装置和方法
【专利摘要】一种在三维物品的曲面上打印图像的装置。所述装置主要包括：适配成支撑所述物品的支撑固定件；具有多个喷嘴的喷墨打印头；和铰接的机器人臂。支撑所述物品的所述支撑固定件和所述打印头其中之一安装到所述机器人臂并由其承载。所述机器人臂具有3个以上的运动自由度，并且能移动，从而导致所述打印头沿着一系列遵循所述物品的所述曲面的表面轮廓的扫描路径相对运动。控制器耦接到所述机器人臂并配置成导致所述机器人臂铰接运动，从而沿着所述一系列扫描路径移动所述打印头。随着所述打印头沿着所述一系列扫描路径移动，所述控制器导致所述机器人臂相对于所述物品的所述曲面将所述打印头连续定位在适合打印的位置。所述控制器进一步配置成让所述多个喷嘴沿着所述扫描路径在预定的位置喷射打印介质，从而在所述基材的所述曲面上形成所述图像。
【专利说明】用于打印三维物品的装置和方法
[0001]本发明申请是基于申请日为2008年12月30日，申请号为200880125833.3 (国际申请号为PCT/US2008/088545)，发明名称为“用于打印三维物品的装置和方法”的专利申请的分案申请。
【技术领域】
[0002]本发明一般涉及在三维物品上进行打印。更具体地说，本发明涉及利用包含喷墨打印头的机器人系统在弯曲基材上打印高质量图像的装置和方法。
【背景技术】
[0003]模制塑料物品逐渐被广泛接受，作为金属和玻璃物品的替代品。例如，塑料材料面板，诸如聚碳酸酯(PC)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)目前用于替代各种机动车应用领域中的传统玻璃窗和金属体面板，包括部件诸如B柱、头灯、车窗、透光天窗和不透光天窗。由于具备许多确定的优势，特别是在外形/设计、节省重量、安全性和可靠性方面，机动车窗系统代表这种塑料材料的特别理想的应用领域。更具体地说，塑料材料让机动车制造商有能力通过提高总体设计和形状的复杂性而突出它们的车辆。由于较之传统玻璃窗系统重量更轻，所以在车辆中包含塑料窗系统和部件可以便于降低车辆重心(因此车辆操作性和安全性更好)和改善燃料经济性。此外，安全性得到改善，特别是在翻滚事故中，原因是乘坐人或乘客保留在车辆中的可能性更大。与塑料窗系统关联的另一项优势在于，能将若干部件(以前粘结或接合在一起)整合成一个物品，从而减少了组装操作的数量。
[0004]塑料窗系统的一个固有缺陷在于，无法在该物品所产生的复杂表面形状(凹陷、凸起、多种曲线等)上方便地打印高质量的图像。打印是理想的方式，因为在复杂三维物品的表面上形成图像的其他方式耗费时间。不幸的是，常用的二位打印方法，诸如丝网印刷和移印，仅能以有限的成功率满足这种需求。
[0005]可以利用墨水或膏料以及本领域技术人员知道的各种方法，将图像直接打印在二维物品的任一表面上。除了上述方法之外，其他方法包括丝网印刷、喷墨打印和自动分配(诸如滴流拖动分配、流式分配、简单流分配)。在每一种上述情形下，面板形状都影响打印图像的质量，例如丝网印刷和其他方法在非平面面板上非常难于进行。打印的速度也影响个别打印线或特征的质量，因此引向产生的图像的质量。墨水或膏料较慢的速度和较高的流速可能导致图像的特征较宽和较深。相反，较高的速度和较低的流速可能导致特征较细和较浅。此外，保持打印设备与物品表面之间的偏移距离随着表面形状复杂性加大也变得更加困难，但是保持适当的偏移距离又是保证高质量图像所必要的。另外一个关心的方面是能将打印系统方便地适配不同形状的物品，而不是必须针对每一种新的物品设计构造专用于该具体物品的新打印系统。
[0006]因此，需要提供一种改进的用于在三维物品或基材诸如塑料机动车窗的表面上打印图像的装置和方法。
【发明内容】
[0007]为了满足上述需求，以及克服现有技术中的众多缺陷和其他局限，本发明一般提供一种用于在三维物品包括但不限于塑料机动车窗的曲面上打印图像的装置和方法。所述打印装置是一种机器人系统，包括适配成支撑三维物品的支撑固定件。铰接臂相对于所述支撑固定件定位，以使所述臂的端部相对于待打印的曲面定位。由所述臂的所述端部承载并安装到所述端部的是喷墨打印头。所述臂可以三个以上的自由度移动，所述臂能将所述喷墨打印头相对于所述物品的所述曲面定位于任何取向和位置。所述喷墨打印头包括多个喷嘴，所述喷嘴耦接到墨水源或其他适合打印的介质；并且还包括适当的控制结构，用于根据来自控制器或控制系统的指令从所述喷嘴分配墨水。
[0008]为了形成图像，必须在与所述物品的所述表面上的像素位置对应的精确时间点，向所述打印头中的每个喷嘴单独施加具有特定形状、幅值和脉冲持续时间的波形。所述波形控制从喷嘴喷射的墨水量，以及部分地控制所述物品上产生墨水像素的特征，并最终控制整体图像的质量。传统喷墨打印应用方案通过相对于物体的两个自由度(X和y轴)的运动，有时通过三个自由度(X、Y和Z轴)的运动操纵所述打印头的位置。对于本发明，采用3个以上的自由度(最多6个)来相对于所述物品的所述曲面定位所述打印头。所述额外的自由度包括围绕三个轴，即Α、B和C (有时称为Xr、Yr和Zr)的旋转运动，从而除了由沿着Χ、Υ和Z轴的运动提供的平移定位之外，提供所述打印头的取向定位。通过这种方式，可以保持打印头的取向任何时刻都垂直于所述物品的所述表面。
[0009]对于本发明，所述臂移动所述打印头沿着投射直线经过所述物品的所述表面，所述投射直线称为扫描路径或方向。对于所述物品的所述表面上的每个位置以及打印头的位置，打印头的每个喷嘴具有关联的一组值、控制信号或波形，所述一组值、控制信号或波形判断喷嘴是否喷射墨水，如是，则精确控制喷射的墨水量。所述控制信号对应于在所述物品的所述曲面上产生希望的图像所需的打印像素。
[0010]通过控制所述臂的所述端部的位置，可以相对于待打印的所述物品的所述表面控制打印头的位置(定位和取向)。可以使用各种方法来确定所述打印头相对于所述物品的所述表面的实际位置。知道所述打印头的实际位置之后，可以使用各种方法来控制在相对于所述物品的每个实际位置为所述喷嘴产生发射脉冲。这些方法包括根据下述信息确定所述发射脉冲:打印头已经沿着扫描路径移动的相对距离，诸如距离扫描路径起点的距离，结合针对扫描路径限定或推导出的图形数据；知道何时开始打印，结合用于复制的图像以及打印头行进速度的实时知识；打印头的绝对坐标，结合针对所述相同坐标的预定图像数据；和利用激光器或其他传感器感知部件特征，和根据所述特征的绝对位置或相对位置触发脉冲。
[0011]因此，在本发明的一个方面，提供了一种在三维物品的曲面上打印图像的装置，所述装置包括:适配成支撑所述物品的支撑固定件；具有多个耦接到打印介质源的喷嘴的喷墨打印头；支撑所述物品的所述支撑固定件和所述打印头其中之一安装到所述机器人臂并由其承载，所述机器人臂具有3个以上的运动自由度，并且能移动，从而导致所述打印头沿着一系列遵循所述物品的所述曲面的表面轮廓的扫描路径相对运动；和控制器，所述控制器耦接到所述机器人臂并配置成导致所述机器人臂铰接运动，从而沿着所述一系列扫描路径移动所述打印头，随着所述打印头沿着所述一系列扫描路径移动，所述控制器导致所述机器人臂相对于所述物品的所述曲面将所述打印头定位在适合打印的位置，所述控制器耦接到所述打印头并进一步配置成让所述多个喷嘴沿着所述扫描路径在预定的位置喷射打印介质，从而在所述基材的所述曲面上形成所述图像。
[0012]在本发明的另一方面，所述扫描路径为线性路径。在本发明进一步的方面，所述多个喷嘴设置成阵列。
[0013]在本发明的额外一方面，所述多个喷嘴设置成线性阵列。
[0014]在本发明的另一方面，所述多个喷嘴设置成二维阵列。
[0015]在本发明的另一方面，所述控制器配置成让所述多个喷嘴根据距离所述扫描路径上与存储在所述控制器的存储器中的图像定位数据相关联的已知点的距离，而喷射打印介质。
[0016]在本发明的进一步的方面，所述控制器配置成在沿着所述扫描路径的行程起始点从所述机器人臂接收开始信号，并在沿着所述扫描路径相对于所述起始点的另外一些距离处接收另外的距离信号。
[0017]在本发明的另外一方面，所述控制器配置成根据实际扫描路径相对于期望扫描路径纠正误差，从所述多个喷嘴喷射打印介质的控制过程得到校正，以对应于实际扫描路径。
[0018]在本发明的另一方面，传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让所述多个喷嘴根据所述传感器感知到的部件特征来喷射打印介质。
[0019]在本发明的另一方面，所述传感器是光学传感器。
[0020]在本发明的另一方面，所述传感器是激光传感器。
[0021]在本发明的另外一方面，所述控制器在存储器中存储一组用于从所述多个喷嘴每一个喷射打印介质的值，所述值组对应于所述部件特征的每个位置。
[0022]在本发明的另一方面，所述控制器配置成将所述打印头的实际位置与对应于所述物品的所述表面上的三维图像的存储图像数据比对，并根据比对结果控制从所述多个喷嘴喷射打印介质。
[0023]在本发明进一步的方面，打印头高度传感器配置成监控所述打印头相对于所述物品的所述曲面的高度。
[0024]在本发明的另外一方面，促动器配置成根据所述打印头的监控高度，将所述打印头移动到距离所述物品的所述曲面的一定距离。
[0025]在本发明的另一方面，所述打印头高度传感器包括激光器。
[0026]在本发明进一步的方面，所述控制器配置成让所述机器人臂铰接运动，从而将所述打印头定位到与所述物品的所述曲面垂直的取向。
[0027]在本发明另外一方面，提供一种在三维物品的曲面上打印图像的方法，所述方法包括步骤:提供具有待打印曲面的三维物品；将具有多个喷嘴的喷墨打印头定位在所述物品的所述表面附近；沿着经过所述物品的扫描路径移动所述喷墨打印头，同时将所述喷墨打印头相对于由所述物品的所述表面所展现出的曲率定位；并根据所述打印头相对于所述物品的位置以及存储在控制器的存储器中并与所述物品的所述表面相关联的图像数据，从所述多个喷嘴喷射墨水。
[0028]在本发明的另一方面，喷射墨水的步骤进一步包括步骤:确定用于移动所述喷墨打印头的起始位置，并根据所述打印头沿着所述扫描路径移动的、距离所述起始点的距离，从所述喷墨打印头喷射墨水。
[0029]在本发明进一步的方面，喷射墨水的步骤进一步包括步骤:确定初始喷射墨水的时间，并根据从喷射墨水开始经过的时间以及所述打印头沿着所述扫描路径移动的速度，而进一步从所述嗔墨打印头嗔射墨水。
[0030]在本发明另一方面，喷射墨水的步骤进一步包括步骤:确定所述打印头相对于所述物品的所述表面的绝对坐标，并将所述坐标与存储在控制器的存储器中的图像数据相关联。
[0031]在本发明的另一方面，喷射墨水的步骤进一步包括步骤:利用传感器感知部件特征，并根据与存储在控制器的存储器中的图像数据关联的感知到的部件特征从所述喷墨打印头喷射墨水。
[0032]在本发明进一步的方面，提供步骤:感知打印头相对于所述物品的实际表面的高度并相对于所述物品的实际表面将所述打印头的高度调节到偏移高度。
[0033]本发明包括以下实施方式:
[0034]实施方式1.一种在三维物品的曲面上打印图像的装置，所述装置包括:
[0035]适配成支撑所述物品的支撑固定件；
[0036]具有多个耦接到打印介质源的喷嘴的喷墨打印头；
[0037]铰接的机器人臂，支撑所述物品的所述支撑固定件和所述打印头其中之一安装到所述机器人臂并由其承载，所述机器人臂具有3个以上的运动自由度，并且能移动，从而导致所述打印头沿着一系列遵循所述物品的所述曲面的表面轮廓的扫描路径相对运动；
[0038]和控制器，所述控制器耦接到所述机器人臂并配置成导致所述机器人臂铰接运动，从而沿着所述一系列扫描路径相对移动所述打印头，随着所述打印头沿着所述一系列扫描路径移动，所述控制器导致所述机器人臂相对于所述物品的所述曲面将所述打印头连续定位在适合打印的位置，所述控制器耦接到所述打印头并进一步配置成让所述多个喷嘴沿着所述扫描路径在预定的位置喷射打印介质，从而在所述基材的所述曲面上形成所述图像。
[0039]实施方式2.如实施方式I所述的装置，其特征在于，所述扫描路径为线性路径。
[0040]实施方式3.如实施方式I所述的装置，其特征在于，所述多个喷嘴设置成线性阵列和二维阵列其中一种。
[0041]实施方式4.如实施方式I所述的装置，其特征在于，所述控制器配置成让所述多个喷嘴根据距离所述扫描路径上与存储在所述控制器的存储器中的图像定位数据相关联的已知点的距离，而喷射打印介质。
[0042]实施方式5.如实施方式4所述的装置，其特征在于，所述控制器配置成在沿着所述扫描路径的行程起始点从所述机器人臂接收开始信号，并在沿着所述扫描路径相对于所述起始点的另外一些距离处接收另外的距离信号。
[0043]实施方式6.如实施方式5所述的装置，其特征在于，所述控制器配置成根据实际扫描路径相对于期望扫描路径纠正误差，从所述多个喷嘴喷射打印介质的控制过程得到校正，以对应于实际扫描路径。
[0044]实施方式7.如实施方式I所述的装置，进一步包括，传感器，所述传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让所述多个喷嘴根据所述传感器感知到的部件特征来喷射打印介质。
[0045]实施方式8.如实施方式7所述的装置，其特征在于，所述传感器是光学传感器。
[0046]实施方式9.如实施方式7所述的装置，其特征在于，所述传感器是激光传感器。
[0047]实施方式10.如实施方式7所述的装置，其特征在于，所述控制器在存储器中存储一组用于从所述多个喷嘴每一个喷射打印介质的值，所述值组对应于所述部件特征的每个位置。
[0048]实施方式11.如实施方式I所述的装置，其特征在于，所述控制器配置成将所述打印头的实际位置与对应于所述物品的所述表面上的三维图像的存储图像数据比对，并根据比对结果控制从所述多个喷嘴喷射打印介质。
[0049]实施方式12.如实施方式I所述的装置，进一步包括，打印头高度传感器，所述打印头高度传感器配置成监控所述打印头相对于所述物品的所述曲面的高度。
[0050]实施方式13.如实施方式12所述的装置，进一步包括，促动器，所述促动器配置成根据所述打印头的监控高度，将所述打印头和所述物品的表面其中之一相对于彼此相向地或背离地移动。
[0051]实施方式14.如实施方式12所述的装置，其特征在于，所述打印头高度传感器包括激光器。
[0052]实施方式15.如实施方式I所述的装置，其特征在于，所述控制器配置成让所述机器人臂铰接运动，从而将所述打印头定位到与所述物品的所述曲面垂直的取向。
[0053]实施方式16.—种在三维物品的曲面上打印图像的方法，所述方法包括步骤:
[0054]提供具有待打印曲面的三维物品；
[0055]将具有多个喷嘴的喷墨打印头定位在所述物品的所述表面附近；
[0056]沿着经过所述物品的扫描路径移动所述喷墨打印头，同时将所述喷墨打印头相对于由所述物品的所述表面所展现出的曲率定位；和
[0057]根据所述打印头相对于所述物品的位置以及存储在控制器的存储器中并与所述物品的所述表面相关联的图像数据，从所述多个喷嘴喷射墨水。
[0058]实施方式17.如实施方式16所述的方法，其特征在于，喷射墨水的步骤进一步包括步骤:确定用于移动所述喷墨打印头的起始位置，并根据所述打印头沿着所述扫描路径移动的、距离所述起始点的距离，从所述喷墨打印头喷射墨水。
[0059]实施方式18.如实施方式16所述的方法，其特征在于，喷射墨水的步骤进一步包括步骤:确定初始喷射墨水的时间，并根据从喷射墨水开始经过的时间以及所述打印头沿着所述扫描路径移动的速度，而进一步从所述喷墨打印头喷射墨水。
[0060]实施方式19.如实施方式16所述的方法，其特征在于，喷射墨水的步骤进一步包括步骤:确定所述打印头相对于所述物品的所述表面的绝对坐标，并将所述坐标与存储在控制器的存储器中的图像数据相关联。
[0061]实施方式20.如实施方式16所述的方法，其特征在于，喷射墨水的步骤进一步包括步骤:利用传感器感知部件特征，并根据与存储在控制器的存储器中的图像数据关联的感知到的部件特征的位置从所述喷墨打印头喷射墨水。
[0062]实施方式21.如实施方式16所述的方法，进一步包括步骤:感知打印头相对于所述物品的实际表面的高度并相对于所述物品的实际表面将所述打印头的高度调节到偏移高度。
【专利附图】
【附图说明】
[0063]文中所述附图仅用于例述目的并且，本意并非以任何方式限制本发明的范围。图1是使得喷墨打印头横穿三维物品并采用本发明原理的机器人臂的透视图；
[0064]图2A和图2B是分别展现位于其上的线性阵列和二维阵列喷嘴的喷墨打印头下侧的代表性透视图；
[0065]图3是三维物品的平面图，示出喷墨打印头的扫描路径的线性投影并带有部分打印于其上的图像；和
[0066]图4是大致沿着图3中的线4-4切开的喷墨打印头的截面图，喷墨打印头遵循扫描路径并根据本发明的原理打印图像。
【具体实施方式】
[0067]以下描述的本质仅仅是示例性质，并且目的并不是以任何方式限制本发明及其应用或使用。应该理解，在描述内容和附图始终，对应的附图标记指代类似或相应的部件和特征。
[0068]本发明一般提供一种在三维(3-D)物品的曲面上打印的方法。更具体地说，本发明提供一种利用喷墨打印头结合具有3个以上运动自由度的机器人臂在3-D物品的曲面上打印高质量图像的方法。
[0069]现在参照图1，如图所示，机器人系统10配置成在3-D物品14上打印图像12，所述物品14示为用于机动车的塑料后窗组件(后窗)。塑料机动车窗组件一般以刚性透明基材构成，其上涂覆一种或多种保护性涂层。
[0070]基材本身以任何热塑性聚合树脂或者混合物或这它们的组合形成。适当的热塑性树脂包括单不限于聚碳酸酯、丙烯酸树脂、聚芳酯树脂、聚酯树脂和聚砜树脂以及它们的共聚物和混合物。通过使用多种已知技术注入模制、热成型或挤压中的任何一种，所述基材可以形成期望的形状。
[0071]所述保护性涂层设计并选择为保护物品14免受自然影响，诸如暴露于紫外线辐射、氧化和磨损。这种效果可以通过在所述基材一侧或两侧(外侧和内侧)使用单层保护涂层或多层保护涂层来实现。在实践中，保护性涂层可以是塑料膜、有机涂层、无机涂层或它们的混合物。塑料膜可以与所述基材具有相同或不同的成分。所述膜和涂层可以包括紫外线吸收剂(UVA)分子、流变控制添加剂，诸如分散剂、表面活性剂和透明填料(例如，二氧化硅、氧化铝等)，以改善耐磨性；以及包括其他添加剂，以改变产生的物品14的光学、化学或物理属性。所述保护性涂层可以通过本领域技术人员知道的任何适当技术进行涂覆。这些技术包括活性组分沉积，诸如用于真空辅助沉积过程的技术；和大气涂层过程，诸如用来向基材附图溶胶凝胶涂层的技术。真空辅助沉积过程的示例包括但不限于等离子增强化学气相沉积、离子辅助等离子沉积、磁控溅射、电子束蒸发和离子束溅射。大气涂层过程的示例包括但不限于屏幕涂层、喷射涂层、旋转涂层、浸溃涂层和浇涂。
[0072]图像12可以是任何期望图像，诸如消隐和渐隐边缘、徽标或管理标记，并且可以在向基材涂覆保护性涂层之前或之后打印。因此，图像12可以直接打印在基材上，并被保护性涂层包封。作为替代，图像可以打印在由任一保护性涂层，包括最外侧涂层限定的表面上。
[0073]图像12以不透明墨水形成，所述墨水配置成用于喷墨打印，并且特别用于系统10中采用的打印头打印。本领域技术人员明白，所述墨水的类型和墨水参数，包括单不限于:固体百分比、颗粒分散度、流变性质和固结特性，需要进行选择，以匹配与所述打印头相关的操作参数，诸如喷口尺寸、操作温度和压力。此外，所述墨水必须(在粘性与非降解性方面与形成所述基材与所述保护性涂层相适应。
[0074]机器人系统10包括机器人臂16，所述机器人臂能以3个以上的自由度优选6个自由度移动，以便在物品14位于牢固保持产物品14的静止支撑固定件22中的时候，安装有喷墨打印头18的机器人臂16能相对于物品14的曲面20处于任意位置(定位和取向)。因此，由机器人臂16上的打印头18限定的工具中心点(TCP)可以平移到X、Y和Z坐标系中的任意点，并围绕任意旋转轴Rx、Ry和Rz旋转取向，其中Rx、Ry和Rz表示6个定位自由度的取向分量(要注意，在文中这是一种一般术语，并且所述旋转轴通常以不同的名称来指代，包括例如A、B、C，取决于其来源)，并且后者限定与打印头18所限定的打印平面36垂直的轴线(在图4中示出)，以下会有进一步讨论。通过这种方式，在打印过程中，打印头18扫描(沿着扫描路径)经过表面20时，TCP的定位和取向可以任何时候都保持离物品14的表面20指定距离并与该表面垂直。
[0075]机器人系统10静止安装在支撑表面24，如上所述，包括连接到机器人臂16端部的打印头18。打印头18的构造如本领域技术人员所熟知，并配置成在3-D物品14的表面20上进行打印。为了喷射墨水，打印头18包括以线性阵列定位的一系列喷嘴28，如图2A所示，以二维阵列定位，如图2B所示，或者适合具体打印应用的其他形式。
[0076]在打印过程中，控制器26控制机器人臂16的移动，并沿着一系列扫描路径或通道移动打印头18，所述扫描路径在图1、3和4中一般以30指代。扫描路径30使得打印头18在经过物品14前进时，以适合特定打印应用的限定偏移距离(d)遵循物品14的表面20的轮廓。虽然扫描路径30不遵循物品14的表面20的轮廓，但是扫描路径30沿着一定的方向，以便它们在物品14上限定一系列平行的线性投影。所述线性投影在图3的平面图中可以看到。一般来说，机器人臂16将以打印头18位于物品14 一端的状态开始，并沿着每一条连续的扫描路径30前进，直到到达物品的相对端部。
[0077]根据向物品14的表面20上涂覆图像12，物品14的表面20上的所有点都被认为限定代表一组值的像素，用于控制从喷嘴20喷射墨水。因此，对于每一个像素位置来说，存储在控制器26中的一组值确定位于打印头18上的给定喷嘴28是否将喷射墨水，从而在该位置打印图像12的像素。在打印头18沿着每条扫描通道30移动时，对于每个像素来说，打印头18的每个喷嘴以预定方式喷射墨水(即，特定的量等等)或者不喷射墨水。通过将一组值与每个像素位置关联，图像12被打印在物品14上的适当区域中。从图1和3中可以看出，图像12是提供在物品14边缘附近的消隐特征。
[0078]如上所述，控制器26电气耦接到机器人臂16，并控制臂16的运动，因此控制打印头18的运动。相同的控制器26，或者额外的控制器，根据由与打印头18和TCP的位置对应的物品14上的像素位置所代表的一组值，控制打印头18以及从喷嘴喷射墨水。因此，控制器26控制通常与喷墨打印头18关联的必要机构和结构，包括与喷嘴28关联并将打印介质(墨水)源32流体耦接到喷嘴28的任何流量控制器。与喷墨打印头18关联的各种结构对于本领域技术人员是熟知的，因此文中不需要进一步详细讨论。
[0079]在形成物品14时，CAD信息可以用来限定物品14的理想形状。但是，由于在制造过程中物品14接受各种处理，所以物品14的实际形状将略微不同于物品14的理想形状。这种差别必须考虑，以便在物品14上产生高质量的图像12。为了产生图像12，具有特定形状、幅值和脉冲持续时间的波形必须在非常精确的时刻施加给每个喷嘴28，该时刻对应于TCP与物品14的实际表面20上的像素位置以及与该像素位置相关的一组值重合的时刻。
[0080]为了保证打印头18从物品14的表面20偏移正确的偏移量(d)，系统10可以采用主动高度控制机构，如美国专利申请N0.11/321,567中所述，该申请文件通过引用而包含在本文中。一般来说，利用这种高度控制机构，传感器34(诸如三角测量激光器、光子传感器、气压传感器、超声传感器、磁性传感器等)直接或间接测量由打印头18的喷嘴28限定的平面36离物品14的表面20的距离。作为这种测量的结果，控制器26纠正机器人臂16的位置，从而将打印头18移动到离物品14的表面20期望的偏移距离(d)。作为替代，可以根据传感器34的输入，利用与机器人臂16端部上的打印头18关联的促动器，主动控制打印头18的位置，以及喷嘴28的位置。这种促动器沿着与喷嘴平面36正交的轴线将打印头18和嘴28移动(向表面20或背离表面20移动)到由特定应用场合指定的预定偏移距离(d)。所述促动器可以是能快速作出响应并且精度高的任何各种设备，诸如线性马达和电器、液压、气动、压电、电磁促动器或者其他促动器。
[0081]如前所述，可以使用各种方法来确定打印头18相对于物品14的实际表面20的实际位置。知道打印头18的实际位置之后，可以使用各种方法来控制生成发射脉冲(前述用于给定像素位置处的每个喷嘴的一组值)，用于处在物品14的表面20的每个实际位置的喷嘴28。文中所述各种方法包括根据以下知识确定发射脉冲:打印头18已经沿着扫描路径30移动的相对距离，诸如距离扫描路径30起点的距离，结合针对扫描路径30限定或推导出的图形数据；知道沿着扫描路径30的扫描路程过程中何时开始打印，结合用于复制的图像以及打印头行进速度的实时知识；打印头18的绝对坐标，结合针对所述相同坐标的预定图像数据；和利用激光器或其他传感器感知物品14的表面上的特征，和根据所述特征的绝对位置或相对位置触发脉冲。
[0082]在上述方法的第一步中，即根据离扫描通道30的起点的相对距离确定触发脉冲，相对于支撑固定件22中的物品14的位置确定至少第一扫描路径30的起点，以及可能每个后续扫描路径30的起点。在打印头18利用机器人臂16开始沿着扫描路径30运动时，输出信号。从所述开始信号，连续输出距离信号，以标记打印头18沿着扫描路径30的位置。这些距离与存储在控制器26中的图像数据关联，并且利用与对应于打印头18已经沿着扫描路径30移动的距离的物品14的表面20上的像素位置关联的数组值来触发适当的喷嘴28。优选，打印头18首先加速并且在打印头18到达要求在物品14上打印的第一像素位置之前实现恒定速度。如果在打印头18进行加速的同时碰到要求打印的像素位置，则值组与发射脉冲关联到打印头18的加速度，以便实现将打印像素定位在物品14的表面上。可以通过各种装置对扫描路径起点的近似定位进行补偿。一种所述装置沿着扫描路径30延伸打印头18，而不会在物品14的表面20上打印，同时记录真实定位数据，然后向所述真实定位数据应用校准/滤波算法，从而补偿扫描路径相对于物品14的表面20的近似定位。[0083]在略微类似的方法中，不在扫描路径30的起点输出起点信号，而是可以在要求打印的物品14的表面20上的第一像素位置输出起点信号。这种方式，结合存储在存储器中的图像数据，允许针对打印开始位置和打印头18沿着扫描路径的行进速度计算何时遇到要求打印的后续像素位置，所述行进速度为恒定速度。
[0084]在上述方法的另一种形式中，发射脉冲(用于物品14的表面20上的给定像素位置的值组)建立在打印头18的绝对坐标的基础上。所述坐标经由一个或多个传感器相对于物品14的实际表面20进行确定，并与物品14的实际表面20上的像素位置进行关联。所述坐标，结合存储在存储器26中的预定图像数据并针对所述相同坐标，然后用于适当地促使从喷嘴28对每个像素位置喷射墨水。
[0085]最后，可以根据感知形成在物品14的表面20上的特征来确定发射脉冲。因此，利用激光器或者其他传感器感知模制特征或者一系列特征，这些特征可以是物品14的表面20上的周边框架或者其他标记。感知到的特征或者一系列特征与存储在控制器26的存储器中的特征数据进行比对，并与对应于与所述特征或多个特征关联的像素位置的一组值关联。然后根据物品14的表面20上感知到的特征绝对位置或相对位置，触发发射脉冲。
[0086]作为以上方法的替代方案，机器人臂16可以耦接到支撑所述物品的支撑固定件22并携带支撑固定件22。因此，机器人臂16导致物品14相对于打印头18的移动进行移动，打印头在该替代实施方式中可以是静止的。但是打印头18相对于物品14的表面20的相对运动仍旧如上所述那样发生。
[0087]本领域技术人员容易理解，上述描述意味着例述本发明的实施原理。所述描述的目的并不限制本发明的范围或其应用领域，在不脱离由附带的权利要求书限定的本发明的精神的前提下，本发明容易进行改型、变化和变更。
【权利要求】
1.一种在三维物品的曲面上打印图像的装置，所述装置包括: 适配成支撑所述物品的支撑固定件； 具有多个耦接到打印介质源的喷嘴的喷墨打印头； 铰接的机器人臂，所述支撑固定件和所述打印头其中之一安装到所述机器人臂并由其承载，所述机器人臂具有3个以上的运动自由度，并且能移动，从而导致所述打印头沿着一系列遵循所述物品的所述曲面的表面轮廓的扫描路径相对运动； 打印头传感器，所述打印头传感器配置成监控所述打印头相对于所述物品的所述曲面的高度，所述打印头传感器安装到所述机器人臂并由其承载； 和控制器，所述控制器耦接到所述机器人臂并配置成导致所述机器人臂铰接运动，从而沿着所述一系列扫描路径相对移动所述打印头，随着所述打印头沿着所述一系列扫描路径移动，所述控制器导致所述机器人臂以垂直于所述物品的所述曲面的取向将所述打印头连续定位在适合打印的位置，所述控制器耦接到所述打印头并进一步配置成让所述多个喷嘴沿着所述扫描路径在预定的位置喷射打印介质，从而在所述基材的所述曲面上形成所述图像。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，控制器配置成基于存储在控制器的存储器中的一组值来喷射打印介质，其中控制器配置成控制给定喷嘴是否喷射打印介质。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，控制器配置成控制多个喷嘴使得打印头的每个喷嘴或者喷射打印介质或者不喷射墨水。
4.如权利要求1所述的装置，进一步包括，传感器，所述传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让所述多个喷嘴根据所述传感器感知到的部件特征来喷射打印介质。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述控制器配置成在存储器中存储一组用于从所述多个喷嘴每一个喷射打印介质的值，所述值组对应于所述部件特征的每个位置。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述传感器是光学传感器。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多个喷嘴设置成线性阵列和二维阵列其中一种。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器配置成让所述多个喷嘴根据距离所述扫描路径上与存储在所述控制器的存储器中的图像定位数据相关联的已知点的距离，而喷射打印介质。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述控制器配置成在沿着所述扫描路径的行程起始点从所述机器人臂接收开始信号，并在沿着所述扫描路径相对于所述起始点的另外一些距离处接收另外的距离信号。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述控制器配置成根据实际扫描路径相对于期望扫描路径纠正误差，从所述多个喷嘴喷射打印介质的控制过程得到校正，以对应于实际扫描路径。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制器配置成将所述打印头的实际位置与对应于所述物品的所述表面上的三维图像的存储图像数据比对，并根据比对结果控制从所述多个喷嘴喷射打印介质。
12.如权利要求1所述的装置，进一步包括，促动器，所述促动器配置成根据所述打印头的监控高度，将所述打印头和所述物品的表面其中之一相对于彼此相向地或背离地移动。
13.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述打印头高度传感器包括激光器。
14.一种在三维物品的曲面上打印图像的方法，所述方法包括步骤: 提供具有待打印曲面的三维物品； 将具有多个喷嘴的喷墨打印头定位在所述物品的所述表面附近； 通过使用铰接的机器人臂，沿着经过所述物品的表面的扫描路径相对移动所述喷墨打印头，同时将所述喷墨打印头相对于由所述物品的所述表面所展现出的曲率定位，其中所述机器人臂具有三个以上的自由度移动，由此使得打印头沿所述扫描路径相对移动； 感知打印头相对于所述物品的实际表面的高度并相对于所述物品的实际表面将所述打印头的高度调节到偏移高度，其中打印头高度传感器监控所述打印头相对于所述物品的所述曲面的高度，所述打印头高度传感器安装到所述机器人臂并由其承载；和 通过使用控制器，在所述打印头沿着一系列扫描路径移动时，使所述机器人臂以垂直于所述物品的所述曲面的取向将所述打印头连续定位在适合打印的位置，根据所述打印头相对于所述物品的位置以及存储在控制器的存储器中并与所述物品的所述表面相关联的图像数据，从所述多 个喷嘴喷射墨水。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，喷射墨水的步骤进一步包括步骤:确定用于相对移动所述喷墨打印头的起始位置，并根据所述打印头沿着所述扫描路径移动的、距离所述起始点的距离，从所述喷墨打印头喷射墨水。
16.如权利要求14所述的方法，其特征在于，喷射墨水的步骤进一步包括步骤:确定初始喷射墨水的时间，并根据从喷射墨水开始经过的时间以及所述打印头沿着所述扫描路径移动的速度，而从所述喷墨打印头喷射墨水。
17.如权利要求14所述的方法，其特征在于，喷射墨水的步骤进一步包括步骤:确定所述打印头相对于所述物品的所述表面的绝对坐标，并将所述坐标与存储在控制器的存储器中的图像数据相关联。
18.如权利要求14所述的方法，其特征在于，喷射墨水的步骤进一步包括步骤:利用传感器感知部件特征，并根据与存储在控制器的存储器中的图像数据关联的感知到的部件特征的位置从所述喷墨打印头喷射墨水。
【文档编号】B41J3/407GK103909743SQ201410162739
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2008年12月30日 优先权日:2007年12月31日
【发明者】克雷格.奥尔 申请人:埃克阿泰克有限责任公司