CN104647920B - 一种打印机喷头喷墨检测和控制系统及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及喷墨打印装置领域，特别是一种打印机喷头喷墨的检测和控制系统及其工作方法，包括墨池、摄像装置、图像采集分析模块、喷头控制模块，摄像装置设置在墨池的上方，摄像视线与喷头喷出的墨滴线呈垂直方向设置，摄像装置的信号输出端与图像采集分析模块连接，图像采集分析模块的信号输出端与喷头控制模块连接，喷头控制模块的信号输出端与喷嘴驱动系统连接。所述的喷头设置在无模砂型三维打印机的移动架上，墨池设置在无模砂型三维打印机喷头的原点工位的下方，在墨池旁边设置喷嘴吸墨装置和/或喷嘴擦拭装置。本发明系统及其工作方法可以及时发现喷嘴的堵塞，以便及时进行清洁处理，从而有效提高机器工作效率，降低运营成本。

Description

一种打印机喷头喷墨检测和控制系统及其工作方法

技术领域

本发明涉及喷墨打印装置领域，特别是一种打印机喷头喷墨的检测和控制系统及其工作方法。

背景技术

目前的喷墨打印机经常因喷头堵塞影响工作质量，尤其是应用于无模砂型制造的无模砂型三维打印机时，由于喷墨的承印物是型砂，工作环境布满粉尘，极易引发喷头堵塞，造成砂型质量缺陷。现有的喷墨打印机不能对喷头喷墨进行自动检测和控制，因此无法对喷头堵塞进行及时处理。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的问题，提出一种打印机喷头喷墨自动检测和控制系统及其工作方法。

本发明所要解决的技术问题是通过如下技术方案实现的：

一种打印机喷头喷墨检测和控制系统，包括墨池、摄像装置、图像采集分析模块、喷头控制模块，所述摄像装置设置在墨池的上方，摄像视线与喷头喷出的墨滴线呈垂直方向设置，所述摄像装置的信号输出端与所述的图像采集分析模块连接，所述的图像采集分析模块的信号输出端与喷头控制模块连接，所述的喷头控制模块的信号输出端与喷头驱动系统连接。

进一步地，所述的喷头为包括多个喷嘴的喷头，所述的打印机为无模砂型三维打印机，所述的喷头设置在无模砂型三维打印机的移动架上，所述的墨池设置在无模砂型三维打印机喷头的原点工位的下方，所述的摄像装置包括摄像头和光源。

更好地，在所述的墨池旁边设置喷嘴吸墨装置和/或喷嘴擦拭装置，所述的喷嘴吸墨装置包括阵列式真空吸管，所述的喷嘴擦拭装置包括设置在固定支架上的支撑轴、套设有海绵或橡胶的中间过渡件以及转动轴，在所述支撑轴上套设有卷布或卷纸，所述支撑轴上的卷布或卷纸绕过中间过渡件的上表面后缠绕在所述的转动轴上。

本发明还提出上述的打印机喷头喷墨检测和控制系统的工作方法，包括下列步骤：

(1)喷头控制模块向喷头驱动系统发出指令，使喷头由工作位置移动至墨池上方；

(2)图像采集分析模块使摄像装置对墨滴线进行拍摄；

(3)图像采集分析模块对拍摄的墨滴线图像进行分析，并将分析结果发送至喷头控制模块；

(4)喷头控制模块根据像素数值分析结果判断喷嘴堵塞情况；

(5)喷头控制模块根据喷嘴堵塞情况向喷头驱动系统发出指令，使喷头返回工作位置继续工作，或者使喷头移动至喷嘴吸墨装置和/或擦拭装置进行清洁处理。

具体地，在步骤(2)中，如果喷头为包括多排喷嘴的喷头，则从第一排开始，逐排进行拍摄，在拍摄某一排喷嘴的图像时，由喷头控制模块关闭其它各排喷嘴。

在步骤(3)中，图像采集分析模块首先对原始图像进行像素二值化处理，使墨滴像素值为1，非墨滴像素值为0，并使用图像边缘提取算法，对拍摄的墨滴线图像进行边缘像素提取处理；然后分别使用矩形框将各个墨滴的边缘线包围，并分别求取每个矩形包围的边缘墨滴像素值之和，然后将求和结果与矩形包围的边缘像素点总数相除，获得百分数值S，即S＝(矩形包围边缘墨滴像素值之和/矩形包围边缘像素点总数)×100％，最后将分析结果发送至喷头控制模块进行步骤(4)。

在步骤(4)中，喷头控制模块根据设定的S的边界设定百分数值Sdw对各个喷嘴是否堵塞进行判断，若S≥Sdw，则判定墨滴线边缘存在，即相应的喷嘴没有被堵塞；若S＜Sdw，则判定墨滴线边缘不存在，即相应的喷嘴已被堵塞。在步骤(4)中，还包括设喷嘴总数为k，最低可工作喷嘴数为k1，堵塞喷嘴数为k2，当k－k2≥k1时，则判定喷头可以继续工作，对于判定堵塞的喷嘴，喷头控制模块将其屏蔽，不将其纳入工作喷嘴范畴。当k－k2＜k1时，则判定喷头需要进行清洁处理。

进一步地，还包括步骤(6)：对喷头进行清洁处理后，再次进行步骤(2)至(4)，对喷头的堵塞情况进行检查。当进行两次清洁处理和检测后，仍然是k－k2＜k1时，则喷头控制模块使喷头停止工作并发出报警信号，请求人工处理。

本发明具有以下优点和积极效果：

本发明提出的一种打印机喷嘴喷墨状态的检测和控制系统及其工作方法，可以及时发现喷嘴堵塞，并及时进行清洁处理，从而有效提高机器工作效率，降低运营成本。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

图1是本发明系统的示意图；

图2是本发明设置在无模砂型三维打印机上的位置示意图；

图3是摄像头拍摄的墨滴线图像示意图；

图4是对墨滴线进行边缘提取处理后的图形示意图；

图5是墨滴线像素分析示意图。

具体实施方式

图1是本发明系统的示意图，如图所示，包括墨池1、摄像装置、图像采集分析模块3、喷头控制模块4，喷头驱动系统5和喷头6，摄像装置设置在打印机的喷头检测位置，摄像装置设置在墨池1的上方，摄像视线与喷头6喷出的墨滴线6.1呈垂直方向设置，摄像装置的信号输出端与图像采集分析模块3连接，图像采集分析模块3的信号输出端与喷头控制模块4连接，喷头控制模块4的信号输出端与喷头驱动系统5连接。

图2是本发明设置在无模砂型三维打印机上的位置示意图，如图所示，摄像装置包括摄像头2.1和光源2.2，喷头为包括多个喷嘴的喷头6，喷头6设置在无模砂型三维打印机的移动架7上，墨池1设置在无模砂型三维打印机喷头的原点工位的下方。在墨池1旁边顺序设置喷嘴吸墨装置9、喷嘴擦拭装置10，喷嘴吸墨装置包括阵列式真空吸管9.1，喷嘴擦拭装置10包括设置在固定支架10.0上的支撑轴10.1、中间过渡件10.2和转动轴10.3，在支撑轴10.1上套设有卷布或卷纸10.4，支撑轴10.1上的卷布或卷纸10.4绕过中间过渡件10.2的上表面后缠绕在转动轴10.3上。

以下结合图2至图5以无模砂型三维打印机的喷嘴喷墨检测和控制系统为例说明其工作方法，包括下列步骤：

步骤(1)，喷头控制模块向喷头驱动系统发出指令，使喷头由工作位置移动至墨池上方。

喷头控制模块可以根据设定的程序和时间向喷头驱动系统发出指令，使喷头6由制作砂型的工作位置移动至喷头的原点工位，即墨池1的上方；并在喷头到达原点工位后向图像采集分析模块发出工作指令。

步骤(2)，图像采集分析模块使摄像装置对墨滴线进行拍摄。

图像采集分析模块接收到工作指令后，使摄像头2.1对喷头6的喷嘴墨滴线进行拍摄。图3是摄像头拍摄的墨滴线图像示意图。如图所示，所拍摄的墨滴线为10条，是喷头的10个喷嘴喷出的墨滴线。如果喷头包括更多喷嘴，则从最边缘的喷嘴开始，控制程序将各喷嘴进行分组和编号，然后使喷头移动，使摄像头视野范围涵括第一组喷嘴的喷射墨滴线进行拍摄，图中所示为第一组，编号为1至10，在拍摄完第一组后程序控制喷头移动，使摄像头视野范围涵括第二组喷嘴的喷射墨滴线进行拍摄，如此循环直至拍摄完所有喷嘴的喷射情况。如图3的上部线条图所示，在没有喷嘴被堵塞的情况下，拍摄得到的墨滴线是一条一条以均匀的间隔排列的粗直线。若有喷嘴被堵塞，则图像的某些部位存在较大的空缺，如图3的下部线条图所示。由于喷嘴喷射的墨滴在离开喷嘴较远处时会飘散，因此宜在靠近喷嘴的墨滴直线的上部位置进行拍摄。如果喷头为包括多排喷嘴的喷头，则从第一排开始，逐排进行拍摄，在拍摄某一排喷嘴的图像时，由喷头控制模块关闭其它各排喷嘴。

步骤(3)，图像采集分析模块对拍摄的墨滴线图像进行分析，并将分析结果发送至喷头控制模块。

如图4所示，图像采集分析模块对图像进行像素二值化处理，使墨滴像素值为1，非墨滴像素值为0，并使用图像边缘提取算法，对拍摄的墨滴线图像进行边缘像素提取处理；然后分别使用矩形框将各个墨滴的边缘线包围，并分别求取每个矩形包围的边缘墨滴像素值之和，然后将求和结果与矩形包围的边缘像素点总数相除，获得百分数值S，即S＝(矩形包围边缘墨滴像素值之和/矩形包围边缘像素点总数)×100％，最后将分析结果发送至喷头控制模块进行步骤(4)。

图像处理采用的图像边缘提取算法可以使用如Sobel、Canny等算法进行，即对于所拍摄的墨滴喷射线图段，不考虑内部的颜色，只取该图段边缘像素和进行计算。

Sobel算法主要用于数字图像的一阶梯度计算和边缘检测。在技术上，它是一个离散的一阶差分算子，用来计算图像亮度函数的一阶梯度之近似值。在图像的任何一点使用此算子，将会产生对应的梯度矢量或其法矢量。Canny算法主要用于：①去噪声：任何边缘检测算法都不可能在未经处理的原始数据上很好地处理，所以第一步是对原始数据与高斯平滑模板作卷积，得到的图像与原始图像相比有些轻微的模糊(blurred)。这样，单独的一个像素噪声在经过高斯平滑的图像上变得几乎没有影响。②寻找图像中的亮度梯度：图像中的边缘可能会指向不同的方向，所以Canny算法使用4个mask检测水平、垂直以及对角线方向的边缘。原始图像与每个mask所作的卷积都存储起来。对于每个点我们都标识在这个点上的最大值以及生成的边缘的方向。这样我们就从原始图像生成了图像中每个点亮度梯度图以及亮度梯度的方向。③在图像中跟踪边缘：较高的亮度梯度比较有可能是边缘，但是没有一个确切的值来限定多大的亮度梯度是边缘，多大又不是，所以Canny使用了滞后阈值。滞后阈值需要两个阈值——高阈值与低阈值。假设图像中的重要边缘都是连续的曲线，这样我们就可以跟踪给定曲线中模糊的部分，并且避免将没有组成曲线的噪声像素当成边缘。所以我们从一个较大的阈值开始，这将标识出我们比较确信的真实边缘，使用前面导出的方向信息，我们从这些真正的边缘开始在图像中跟踪整个的边缘。在跟踪的时候，我们使用一个较小的阈值，这样就可以跟踪曲线的模糊部分直到我们回到起点。

上述图像边缘提取算子，如sobel算子和canny算子，只是两个具体的例子，在实际使用中可以根据图像特征设计其他边缘提取算子。一旦这个过程完成，我们就得到了一个轮廓边缘非常清晰而内部填充区域空白的二值图像，去除了原始图像中大部分的噪声干扰，如图5所示，以第一组图样进行分析，以7号、8号墨滴喷射线为例，该矩形包围的区域，在计算机存储器中存储的即为一个像素的矩阵，在对像素进行二值化处理后，边缘的墨滴像素值为1，边缘的非墨滴像素值为0，计算各矩形包围的边缘像素和。

步骤(4)，喷头控制模块根据像素数值判断喷嘴堵塞情况。

喷头控制模块根据S的边界设定百分数值Sdw对各个喷嘴是否堵塞进行判断，若S≥Sdw，则判定墨滴线边缘存在，即相应的喷嘴没有被堵塞；若S＜Sdw，则判定墨滴线边缘不存在，即相应的喷嘴已被堵塞。Sdw的值根据喷头喷嘴数量和工作要求而定，一般范围为50％-80％。

以图5为例，编号7的墨滴图像用边缘提取算法得出的边缘像素点总数为20，边缘墨滴像素值的总和为19，则百分数值S＝19/20×100％＝95％，若取Sdw＝80％，则S＞Sdw，则判定墨滴线边缘存在，即相应的喷嘴没有被堵塞。编号8的墨滴图像用边缘提取算法得出的边缘像素总数为20，边缘墨滴像素值的总和为2，则百分数值S＝2/20×100％＝10％，若取Sdw＝50％，则S＜Sdw，则判定墨滴线边缘不存在，即相应的喷嘴已被堵塞。

在步骤(4)中，还可以设喷嘴总数为k，最低可工作喷嘴数为k1堵塞喷嘴数为k2：

当k－k2≥k1时，则判定喷头可以返回工作位置继续工作。对于判定堵塞的喷嘴，喷头控制模块可以将其屏蔽，不将其纳入工作喷嘴范畴。假定喷嘴总数k＝10，设其最低可工作喷嘴数为k1＝8，由于只有一个喷嘴堵塞，则k2＝1，则10－1≥8，因此可以使喷头返回工作位置继续工作。

当k－k2＜k1时，则判定喷头需要进行清洁处理。如k＝10，k1＝8，k2＝3时，则10－3＜8，说明需要进行清洁处理。

步骤(5)，喷头控制模块根据喷嘴堵塞情况向喷嘴驱动系统发出指令，使喷头6返回工作位置继续工作，或者使喷头6移动至喷嘴吸墨装置9和喷嘴擦拭装置10进行清洁处理(参见图2)。当喷头6移动至喷嘴吸墨装置9上方时，在喷头下方的阵列式真空吸管9.1的端口与喷头6表面保持较小的距离，使真空吸管将喷嘴表面凝聚的墨滴吸走。接着使喷头6移动至喷嘴擦拭位置10的上方进行擦拭。如图2所示，当需要擦拭喷头6时，首先控制喷头6移动到擦拭装置的套设有海绵或橡胶的中间过渡件10.2的正上方，然后使喷头6下降，使喷头6的底面与卷纸10.4的上表面相持平或略低，然后使转动轴10.3转动，喷头6逆向移动，使卷纸10.4的上表面对喷头底面即喷头喷墨面进行擦拭；擦拭完毕后使喷头6上升并回到原点位置。

步骤(6)，当对喷头进行清洁处理后，再次进行步骤(2)至(4)，对喷头的堵塞情况进行检查。当进行两次清洁处理和检测后，即对喷头进行第一次上述的清洁处理工作之后，返回进行步骤(2)至(4)检测后发现仍然是k－k2＜k1时，则对喷头进行第二次清洁处理，然后第二次返回进行步骤(2)至(4)进行检测，如检测结果仍然是k－k2＜k1时，则喷头控制模块使喷头停止工作并发出报警信号，请求人工处理。如喷嘴堵塞属于一般程度的事故，经两次清洁处理应可以排除，如两次清洁处理后仍不能排除，说明属于严重堵塞或与其他系统的事故有关，因此需要人工检查和处理。

清洁处理装置和方法可以根据喷头喷嘴设置情况和堵塞情况采取多种实施方式，包括压墨处理、真空吸墨处理、擦拭处理，在进行压墨处理时，使喷头停留在墨池上方，并使喷头墨盒内的压力由负压调为正压，以便将喷嘴的堵塞物冲走。进行真空吸墨处理、擦拭处理则需要设置吸墨装置和擦拭装置。上述的方法和装置可以同时采用，也可以只采用其中一种。

在采用一种清洁方法和装置的时候，对喷头进行第一次清洁处理工作之后，返回进行步骤(2)至(4)进行检测，如检测后发现仍然是k－k2＜k1时，则对喷头进行第二次清洁处理，然后第二次返回进行步骤(2)至(4)进行检测，如检测结果仍然是k－k2＜k1时，则喷头控制模块使喷头停止工作并发出报警信号，请求人工处理。

在采用包括压墨处理、真空吸墨处理、擦拭处理三种方法和装置的时候，如需要进行清洁处理时，首先进行压墨处理，然后再次进行步骤(2)至(4)，对喷头的堵塞情况进行检测，如检测结果仍然是k－k2＜k1时，则进行真空吸墨处理，然后再次进行步骤(2)至(4)，对喷头的堵塞情况进行检测，如检测结果仍然是k－k2＜k1时，则进行擦拭处理，然后再次进行步骤(2)至(4)，对喷头的堵塞情况进行检测，如检测结果仍然是k－k2＜k1时，则喷头控制模块使喷头停止工作并发出报警信号，请求人工处理。即流程顺序为：

压墨处理→如检测不合格→真空吸墨处理→如检测不合格→擦拭处理→如检测不合格→人工处理。

尽管实施例已对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的技术方案进行修改和等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种打印机喷头喷墨检测和控制系统的工作方法，所述打印机喷头喷墨检测和控制系统，包括墨池、摄像装置、图像采集分析模块、喷头控制模块，所述摄像装置设置在墨池的上方，摄像视线与喷头喷嘴喷出的墨滴线呈垂直方向设置，所述摄像装置的信号输出端与所述的图像采集分析模块连接，所述的图像采集分析模块的信号输出端与喷头控制模块连接，所述的喷头控制模块的信号输出端与喷头驱动系统连接；

其特征是包括下列步骤：

(1)喷头控制模块向喷嘴驱动系统发出指令，使喷头由工作位置移动至墨池上方；

(2)图像采集分析模块使摄像装置对墨滴线进行拍摄；

(3)图像采集分析模块对拍摄的墨滴线图像进行分析，并将分析结果发送至喷头控制模块；

所述图像采集分析模块首先对原始图像进行像素二值化处理，使墨滴像素值为1，非墨滴像素值为0，并使用图像边缘提取算法，对拍摄的墨滴线图像进行边缘像素提取处理；然后分别使用矩形框将各个墨滴的边缘线包围，并分别求取每个矩形包围的边缘墨滴像素值之和，然后将求和结果与矩形包围的边缘像素点总数相除，获得百分数值S，即S＝(矩形包围边缘墨滴像素值之和/矩形包围边缘像素点总数)×100％，最后将分析结果发送至喷头控制模块进行步骤(4)；

(4)喷头控制模块根据像素数值分析结果判断喷嘴堵塞情况；

(5)喷头控制模块根据喷嘴堵塞情况向喷头驱动系统发出指令，使喷头返回工作位置继续工作，或者使喷头移动至喷嘴吸墨装置和/或喷嘴擦拭装置进行清洁处理。

2.根据权利要求1所述的一种打印机喷头喷墨检测和控制系统的工作方法，其特征是，所述的打印机为无模砂型三维打印机，所述的喷头为包括多个喷嘴的喷头，所述的喷头设置在无模砂型三维打印机的移动架上，所述的墨池设置在无模砂型三维打印机喷头的原点工位的下方，所述的摄像装置包括摄像头和光源。

3.根据权利要求2所述的一种打印机喷头喷墨检测和控制系统的工作方法，其特征是，在所述的墨池旁边设置喷嘴吸墨装置和/或喷嘴擦拭装置，所述的喷嘴吸墨装置包括阵列式真空吸管，所述的喷嘴擦拭装置包括设置在固定支架上的支撑轴、套设有海绵或橡胶的中间过渡件以及转动轴，在所述支撑轴上套设有卷布或卷纸，所述支撑轴上的卷布或卷纸绕过中间过渡件的上表面后缠绕在所述的转动轴上。

4.根据权利要求1所述的一种打印机喷头喷墨检测和控制系统的工作方法，其特征是，在步骤(2)中，如果喷头为包括多排喷嘴的喷头，则从第一排开始，逐排进行拍摄，在拍摄某一排喷嘴的图像时，由喷头控制模块关闭其它各排喷嘴。

5.根据权利要求1所述的一种打印机喷头喷墨检测和控制系统的工作方法，其特征是，在步骤(4)中，喷头控制模块根据S的边界设定百分数值Sdw对各个喷嘴是否堵塞进行判断，若S≥Sdw，则判定墨滴线边缘存在，即相应的喷嘴没有被堵塞；若S＜Sdw，则判定墨滴线边缘不存在，即相应的喷嘴已被堵塞。

6.根据权利要求1所述的一种打印机喷头喷墨检测和控制系统的工作方法，其特征是，在步骤(4)中，还包括设喷嘴总数为k，最低可工作喷嘴数为k1，堵塞喷嘴数为k2，当k－k2≥k1时，则判定喷头可以继续工作，对于判定堵塞的喷嘴，喷头控制模块将其屏蔽，不将其纳入工作喷嘴范畴；当k－k2＜k1时，则判定喷头需要进行清洁处理。

7.根据权利要求1所述的一种打印机喷头喷墨检测和控制系统的工作方法，其特征是，还包括步骤(6)：对喷头进行清洁处理后，再次进行步骤(2)至(4)，对喷头的堵塞情况进行检测。

8.根据权利要求6或7所述的一种打印机喷头喷墨检测和控制系统的工作方法，其特征是，当进行两次清洁处理和检测后，仍然是k－k2＜k1时，则喷头控制模块使喷头停止工作并发出报警信号，请求人工处理。

9.根据权利要求6或7所述的一种打印机喷头喷墨检测和控制系统的工作方法，其特征是，所述的清洁处理包括压墨处理、真空吸墨处理、擦拭处理，如需要进行清洁处理时，首先进行压墨处理，然后再次进行步骤(2)至(4)，对喷头的堵塞情况进行检测，如检测结果仍然是k－k2＜k1时，则进行真空吸墨处理，然后再次进行步骤(2)至(4)，对喷头的堵塞情况进行检测，如检测结果仍然是k－k2＜k1时，则进行擦拭处理，然后再次进行步骤(2)至(4)，对喷头的堵塞情况进行检测，如检测结果仍然是k－k2＜k1时，则喷头控制模块使喷头停止工作并发出报警信号，请求人工处理。