一种实时曲面喷墨打印系统和方法与流程

本发明涉及一种实时曲面喷墨打印系统和方法，更具体地说，本发明涉及一种在三维曲面上用六轴机械臂喷墨打印的方式进行实时打印的系统和方法，属于三维打印技术领域。

背景技术：

传统的曲面印刷技术包括丝网印刷、移印、凸版胶印等，主要是在简单、规则曲面进行印刷，对空间一般不规则曲面不具备印刷能力，并且存在效率低下，工艺复杂，存在污染等问题。曲面喷墨打印是一种新型的曲面印刷技术，在曲面打印方面有着独特优势，并且随着个性化三维物品市场需求的增大，曲面喷墨打印开始成为研究热点。

在现有技术中，在三维曲面上进行喷墨打印，主要采用的是“先扫描，再计算，后打印”的工作模式，步骤包括：提供要打印的图案；被打印区域的三维测量；根据测量产生空间点坐标，生成相应的三维网格；生成喷头或被打印物体的打印路径；喷头或被打印物体沿计算路径运动，同时驱动喷头进行打印。采用这种方式，由于扫描要用到二维轮廓扫描仪，成本高，且不能实现实时打印。

克雷格﹒奥尔等公开了一种用于打印三维物品的装置和方法(申请公布日2014年07月09日，申请公布号：cn103909743a)，该技术也实现了曲面喷墨打印，但文中并未提及传感器的数量、定位方法等，所用传感器如何能保证喷头垂直于被打印表面未做具体说明，且其所用传感器为光学传感器包括激光传感器，由于传感器数量未做说明，如果使用一个或两个传感器的话，仅能反馈一点或两点的距离信息，并不能定位喷头所在平面。因此，cn103909743a并未说明所用传感器如何能保证喷头垂直于被打印表面。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种实时曲面喷墨打印系统和方法，以克服现有技术中的不足。

为了实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种实时曲面喷墨打印系统，其包括：

喷墨装置，其包括喷头，用于向待打印曲面喷射墨水；

传感器，其与所述喷墨装置相连，用于感知并反馈当前喷头与待打印曲面之间的距离信息；

机械臂，其具有六个自由度，用于承载所述喷头和传感器，并实时反馈喷头当前的姿态信息，使喷头能够以合适的姿态运动到下一位置进行喷墨打印；

以及，控制装置，其分别与所述传感器、机械臂连接，用于接收所述传感器和机械臂的反馈信息，并实时计算运动路径和喷头的姿态调整值，以及控制喷头喷射墨水在待打印曲面上打印出指定图形。

作为较佳优选实施方案之一，所述传感器包括至少三个接近开关，该三个接近开关不在同一直线上。

进一步地，所述接近开关包括激光式接近开关、电容式接近开关、电感式接近开关、电磁式接近开关或超声波式接近开关。

作为较佳优选实施方案之一，所述传感器是三态接近开关，能够分别在喷头与待打印曲面之间的距离大于、等于、小于一设定数值时向所述控制装置反馈距离信息。

作为较佳优选实施方案之一，所述实时曲面喷墨打印系统还包括至少三个防撞传感器，其至少用于感知并向所述控制机构反馈喷头当前的距离信息。

作为较佳优选实施方案之一，所述传感器和所述喷头安装在所述机械臂上，跟随所述机械臂运动。

作为较佳优选实施方案之一，所述喷墨装置还包括供墨装置，与所述喷头通过喷墨管道相连接，用于向所述喷头提供墨水。

本发明实施例还提供了一种实时曲面喷墨打印方法，基于前述实时曲面喷墨打印系统而实施，其包括：

提供待打印曲面和待打印图形；

将所述喷头调整至初始位置，并确定打印高度和所述喷头的前进方向；

所述传感器读取距离信息，所述机械臂读取姿态信息，并反馈给控制装置；

以及，所述控制装置根据当前距离信息和姿态信息，实时计算到达下一点的位置和喷头姿态，使所述机械臂调整姿态向下一位置运动，所述喷头在运动的同时进行喷墨打印。

作为较佳优选实施方案之一，所述控制装置使所述喷头的中心点始终保持距离待打印表面的等高度打印，并使所述喷头的喷孔面始终垂直于待打印表面。

作为较佳优选实施方案之一，在所述喷墨打印过程中，所述传感器将距离信息实时反馈给控制装置，所述机械臂将所述喷头的姿态信息实时反馈给控制装置，且所述控制装置实时计算运动路径的下一位置及所述喷头的姿态调整值。

作为较佳优选实施方案之一，在所述喷墨打印过程中，所述机械臂调整姿态时，能够根据之前的响应，做出加速调整。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：

1)本发明提供的实时曲面喷墨打印系统可以实时计算运动路径，实时调整喷头姿态，在距离待打印曲面等高度并且大致垂直于待打印曲面处进行喷墨打印；

2)本发明提供的实时曲面喷墨打印系统的传感器监测的距离值和喷头的姿态值实时反馈，控制单元实时计算，得出下一点运动坐标及喷头姿态调整值，用这种形式代替常见的“扫描—计算—打印”的工作模式，实现实时打印，降低成本，把复杂程度转移到控制单元上，简化硬件配置和操作步骤；

3)本发明提供的实时曲面喷墨打印系统的传感器采用三点定位法，用至少三个不在同一直线的距离传感器，保证喷孔面垂直于待打印曲面，提高打印精度；并且，所用传感器为三态接近开关，反应灵敏准确，动作误差小；

4)本发明提供的实时曲面喷墨打印系统的控制单元中添加加速算法，可以优化计算结果，进一步保证打印质量；

5)本发明提供的实时曲面喷墨打印系统的六轴机械臂的折叠式结构，使系统可在比自身体积大的物体上进行打印，从而实现大面积打印；

6)本发明提供的实时曲面喷墨打印系统的喷头不仅能打印一般的染料墨水，还可以打印功能性墨水，如石墨烯墨水，大大拓展了应用范围；

7)本发明提供的实时曲面喷墨打印系统，由于实现了实时打印，对于某些难以使用扫描仪进行扫描的内侧壁等结构，也可以进行打印，扩大了应用范围，且使用更方便，操作更简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a是本发明一典型实施方案之中一种实时曲面喷墨打印系统的结构示意图。

图1b是本发明一典型实施方案之中控制装置的结构示意图。

图1c是本发明一典型实施方案之中上位机的结构示意图。

图2是本发明一典型实施方案之中一种传感器的安装方式示意图。

图3是本发明一典型实施方案之中一种防撞传感器的安装方式示意图。

图4和图5是本发明一典型实施方案之中机械臂的参考坐标系示意图。

附图标记说明：1-机械臂，2-传感器，3-喷头，4-供墨装置，5-控制柜，6-上位机，7-固定装置，8-防撞传感器，9-腰部，10-大臂，11-小臂，12-腕部。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案，如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明实施例的一个方面提供的一种实时曲面喷墨打印系统，其包括：

喷墨装置，其包括喷头，用于向待打印曲面喷射墨水；

传感器，其与所述喷墨装置相连，用于感知并反馈当前喷头与待打印曲面之间的距离信息；

机械臂，其具有六个自由度，用于承载所述喷头和传感器，并实时反馈喷头当前的姿态信息，使喷头能够以合适的姿态运动到下一位置进行喷墨打印；

以及，控制装置，其分别与所述传感器、机械臂连接，用于接收所述传感器和机械臂的反馈信息，并实时计算运动路径和喷头的姿态调整值，以及控制喷头喷射墨水在待打印曲面上打印出指定图形。

其中，关于“六个自由度”，请参阅图5所示，6个自由度包括：腰部9的转动、大臂10的俯仰、小臂11的俯仰、小臂11的转动、腕部12的俯仰、腕部12的转动。

作为较佳优选实施方案之一，所述传感器包括至少三个接近开关，该三个接近开关不在同一直线上。

进一步地，所述接近开关包括激光式接近开关、电容式接近开关、电感式接近开关、电磁式接近开关或超声波式接近开关等，但不限于此。

作为较佳优选实施方案之一，所述传感器是三态接近开关，能够分别在喷头与待打印曲面之间的距离大于、等于、小于一设定数值时向所述控制装置反馈距离信息，共三种状态，反应灵敏准确，动作误差小。

作为较佳优选实施方案之一，所述实时曲面喷墨打印系统还包括至少三个防撞传感器，与所述喷头连接，其至少用于感知并向所述控制机构反馈喷头当前的距离信息。

进一步地，所述每个所述防撞传感器与每个所述传感器一一对应且相互连接。

其中，所述防撞传感器分布在喷头周围，位置上最好紧靠距离传感器，防撞传感器可以是任意一种能够感知距离的传感器，设定一个安全值，当检测到距离小于该安全值时，会中断当前执行的指令，优先做出调整动作让该防撞传感器紧靠的距离传感器远离被打印曲面，图3中两者的关系代表紧靠。

作为较佳优选实施方案之一，所述传感器和所述喷头安装在所述机械臂上，跟随所述机械臂运动，待打印曲面不动。

作为较佳优选实施方案之一，所述机械臂包括六轴机械臂，且具有折叠式结构，使系统可在比自身体积大的物体上进行打印，从而实现大面积打印。

作为较佳优选实施方案之一，所述喷头包括复数个喷孔，为多孔结构，在打印过程中，根据要打印图案的数字信息，相对应的喷孔喷射墨水。本发明的喷头不仅能打印一般的染料墨水，还可以打印功能性墨水，如石墨烯墨水，大大拓展了应用范围。

在本发明中，由于采用的喷头有多个喷孔，因此要确定喷孔所在面(简称为“喷孔面”)的姿态，至少需要三点定面，也就是至少需要不位于同一直线的三个距离传感器，才能保证喷孔面垂直于待打印表面。

在本发明中，传感器采用三点定位法，用至少三个不在同一直线的距离传感器，保证喷孔面垂直于被打印曲面，提高打印精度。

作为较佳优选实施方案之一，所述喷墨装置还包括供墨装置，与所述喷头通过喷墨管道相连接，用于向所述喷头提供墨水。

进一步地，所述供墨装置还与一固定装置固定连接。

作为较佳优选实施方案之一，所述控制装置包括控制单元(如控制柜)和上位机。

更进一步地，在一些较为具体的实施例中，可以通过如下优化方法，优化所述控制单元的计算结果，进一步保证打印质量。该优选方法的原理包括：设定一个计数标识来标记当前调用的位姿调整计算方法，当检测到连续两次或两次以上调用相同的计算方法时，比如连续执行下降高度的动作，此时程序自动调用加速算法，使单步调整值按相应的倍数增大，以达到尽快调整至目标值的目的。

其中，作为本发明的一更为优选的实施案例之一，所述系统包括：

机械臂，具有六个自由度，承载喷头和传感器，可以实时反馈喷头当前的姿态信息，使喷头能够以合适的姿态运动到下一坐标点进行喷墨打印；传感器，用于感知并反馈喷头当前的距离信息；喷墨装置，包括喷头和供墨装置，用于向待打印表面喷射墨水；控制装置，包括控制柜和上位机，用于接收传感器和机械臂的反馈信息，运行控制单元，实时计算运动路径和喷头的姿态调整值，并控制喷头喷射墨水打印图形。

本发明的实时曲面喷墨打印系统可以实时计算运动路径，实时调整喷头姿态，在距离被打印曲面等高度并且大致垂直于被打印曲面处进行喷墨打印。

本发明实施例的另一个方面提供的一种实时曲面喷墨打印方法，基于前述实时曲面喷墨打印系统而实施，其包括：

提供待打印曲面和待打印图形；

将所述喷头调整至初始位置，并确定打印高度和所述喷头的前进方向；

所述传感器读取距离信息，所述机械臂读取姿态信息，并反馈给控制装置；

以及，所述控制装置根据当前距离信息和姿态信息，实时计算到达下一点的位置和喷头姿态，使所述机械臂调整姿态向下一位置运动，所述喷头在运动的同时进行喷墨打印。

作为较佳优选实施方案之一，所述控制装置使所述喷头的中心点始终保持距离待打印表面的等高度打印，并使所述喷头的喷孔面始终垂直于待打印表面。

作为较佳优选实施方案之一，在所述喷墨打印过程中，所述传感器将距离信息实时反馈给控制装置，所述机械臂将所述喷头的姿态信息实时反馈给控制装置，且所述控制装置实时计算运动路径的下一位置及所述喷头的姿态调整值。

在本发明中，控制装置实时计算运动路径的下一位置及所述喷头的姿态调整值的计算原理如下：

不在同一直线上的至少三个接近开关可以定位一个平面，该平面与喷头所在平面重合或平行。每个接近开关都可以实时反馈距离被打印曲面的远近状态，读取所有接近开关的状态可以得到一组状态值，基于每一组状态值可以对应调整喷头的位姿，使每个接近开关与被打印曲面的垂直距离向靠近设定值的方向调整，同时还要保证在打印前进方向上移动单位步长，从而使喷头所在的平面始终大致垂直于待打印曲面。机械臂执行的每一个运动指令，都需要在读取当前传感器的距离状态值和机械臂坐标值后，调取对应的计算方法，计算得出调整后的位姿。

在本发明的另一方面，所述喷头为多孔，在打印过程中，根据要打印图案的数字信息，相对应的喷孔喷射墨水。

作为较佳优选实施方案之一，在所述喷墨打印过程中，所述机械臂调整姿态时，能够根据之前的响应，做出加速调整。

进一步地，所述喷头打印的墨水包括染料墨水和/或功能性墨水。本发明的喷头不仅能打印一般的染料墨水，还可以打印功能性墨水，如石墨烯墨水，大大拓展了应用范围。

在本发明的另一方面，根据提供曲面的实际情况，部分打印参数可调，以达到最佳打印效果。

本发明的方法中传感器监测的距离值和喷头的姿态值实时反馈，控制单元实时计算，得出下一点运动坐标及喷头姿态调整值，用这种形式代替常见的“扫描—计算—打印”的工作模式，实现实时打印，降低成本，把复杂程度转移到控制单元上，简化硬件配置和操作步骤。

下面将结合附图及典型案例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

请参阅图1a-图1c所示，为本实施例中的一种实时曲面喷墨打印系统，传感器2和喷头3安装在机械臂1的末端法兰上，传感器2的输出信号接入控制柜5；喷墨装置包括喷头3和供墨装置4，喷头3通过喷墨管连接至供墨装置4，供墨装置4安装在固定装置7上；控制装置包括控制柜5和上位机6，机械臂1通过互联线连接控制柜5，控制柜5通过网线连接上位机6，控制单元在上位机6运行。

其中，传感器2为三态接近开关，即分别在大于、小于、等于动作距离时反馈信号，其中动作距离为一个距离段，比如动作距离为a～b毫米(a<b)，则接近开关在小于a毫米、大于b毫米，以及a～b毫米之间时都可以反馈信号。

其中，所述三态接近开关包括激光式、电容式、电感式、电磁式、超声波式等，但不限于此。

本发明的系统至少需要三个接近开关，分布在喷头3周围且不在同一直线上，保证传感器2所在的平面与喷头3底面在同一平面上或者平行，以此保证喷头3的姿态和打印高度，图2展示了一种可能的安装方式。

为了避免喷头3和被打印物体相撞，在控制单元中，调整喷头3姿态时，会尽可能倾向于喷头3远离被打印面，如正常打印高度为a～b毫米，则尽量保证喷头3在b毫米处打印。为了进一步提高系统的可靠性，可以在喷头3周围安装防撞传感器8，至少需要三个防撞传感器8，图3展示了一种可能的安装方式，当接收到防撞传感器8的信号时，可以及时调整姿态。

打印开始，先将喷头3移动至初始位置，尽可能调整喷头3的姿态垂直于被打印表面，并且满足打印高度的要求。规定打印过程中的前进方向，如图4和图5所示，如规定前进方向为参考坐标系的y方向。其中，参阅图5所示，机械臂的6个自由度包括：腰部9的转动、大臂10的俯仰、小臂11的俯仰、小臂11的转动、腕部12的俯仰、腕部12的转动。

本发明的原理及使用操作如下：打印过程中，控制单元首先读取传感器2的值，判断喷头3与曲面是否垂直，即当前姿态是否需要调整；如果不需要调整，那么读取机械臂1的姿态值，根据当前姿态值计算出下一点的位置和姿态；如果需要调整，则需要先计算姿态调整值，从而得出下一点的位置和姿态；计算完毕，发送运动指令，并检测是否到达指定运动点。

开始打印后，喷头3在移动的过程中处于准备喷射状态，当收到开始喷射的信号后，喷头3开始喷墨，用垂直投影的方式，按照存储的二维数字图形控制相对应的喷孔进行喷射。

控制单元中，读取到当前姿态时，会综合考虑前一步的影响，做出加速调整，如连续两次打印高度大于设定值，则做出加速下降的判断；根据提供曲面的实际情况，部分打印参数可调，以达到最佳打印效果，如控制界面提供步长、打印高度、打印速度、报警距离等参数，根据实际情况可以做出适当调整。

藉由上述技术方案，本发明的实时曲面喷墨打印系统可以实时计算运动路径，实时调整喷头姿态，在距离待打印曲面等高度并且大致垂直于待打印曲面处进行喷墨打印；并且，本发明的实时曲面喷墨打印系统的传感器监测的距离值和喷头的姿态值实时反馈，控制单元实时计算，得出下一点运动坐标及喷头姿态调整值，用这种形式代替常见的“扫描—计算—打印”的工作模式，实现实时打印，降低成本，把复杂程度转移到控制单元上，简化硬件配置和操作步骤。

虽然结合附图对本发明进行了说明，但是附图中公开的实施例旨在对本发明优选实施方式进行示例性说明，而不能理解为对本发明的一种限制。

本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。