CN108943703B - 用于在具有固定打印头阵列的直达物体打印机中调节打印头操作的系统和方法 - Google Patents

用于在具有固定打印头阵列的直达物体打印机中调节打印头操作的系统和方法 Download PDF

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Abstract

一种直达物体打印机包括多个成像装置，所述多个成像装置在保持器和物体经过用于在物体上打印墨图像的多个打印头之前生成固定在保持器中的物体的图像数据。控制器接收图像数据并且将其转换成物体轮廓。控制器参考物体轮廓操作打印头中的喷射器以减弱不一致的墨图像密度和墨图像失真。

Description

用于在具有固定打印头阵列的直达物体打印机中调节打印头 操作的系统和方法
技术领域
本公开总体上涉及用于在三维(3D)物体上打印的系统，并且更特别地涉及用固定打印头阵列在物体上打印的系统。
背景技术
商品打印典型地在制品的生产过程期间发生。例如，在球完成并充气之前，球皮打印有图案或标志。因此，例如在潜在产品客户支持多个专业或大学团队的地区中，非生产机构(例如分销站点或零售店)需要保留具有该地区中追随的各个团队的标志的产品的库存。为每个不同的标志订购正确数量的产品以维持库存可能会有问题。
解决非生产商店中的这些问题的一种方式是保持产品的未打印版本，并且在分销站点或零售店处在其上打印图案或标志。被称为直达物体(DTO)打印机的打印机已被开发用于打印单独的物体。用已知的打印技术(例如二维(2D)介质打印技术)操作这些打印机以将图像内容应用到三维物体上产生混合的结果。只要物体的表面相对平坦，图像就可以接受。然而，诸如杯子，水瓶，笔等的许多产品具有弯曲的表面，这对打印的图像质量有不利影响。使用已知的2D打印过程，弯曲产品表面上的墨图像的密度(其可以以每英寸滴数(dpi)或每单位面积质量测量)显著变化，通常在打印品中产生条纹。而且，物体的曲率导致墨滴行进通过从打印头到物体表面的不同距离。这些行进的距离的差异导致图像失真。所以，为具有不同曲率程度的各种各样的产品产生高质量图像的打印过程控制系统将是有益的。
发明内容
一种新的直达物体(DTO)打印系统配置有固定打印头阵列，并且能够以高质量图像打印三维(3D)物体的弯曲表面。所述打印系统包括：多个打印头，所述多个打印头中的每个打印头配置成喷射标记材料；具有第一端部和第二端部的构件，所述多个打印头与所述构件相对并且在所述构件的所述第一端部和所述第二端部之间定位；保持器，所述保持器配置成保持物体并且沿着所述构件在所述构件的所述第一端部和所述第二端部之间移动；致动器，所述致动器可操作地连接到所述保持器以使所述致动器能够沿着所述构件移动所述保持器，从而使所述物体能够移动经过所述打印头以接收来自所述多个打印头中的打印头的标记材料；多个成像装置，所述多个成像装置定位在所述构件的所述第一端部和所述多个打印头之间，当所述物体经过所述多个成像装置时所述多个成像装置中的每个成像装置配置成生成与所述成像装置相对的所述物体的一部分的图像数据；以及控制器，所述控制器可操作地连接到所述多个打印头，所述致动器和所述多个成像装置。所述控制器配置成操作所述致动器以使所述保持器和所述物体沿着所述构件移动，响应于所述物体与所述成像装置相对而操作所述成像装置以生成所述物体的图像数据，参考从所述成像装置接收的生成的图像数据生成物体轮廓，并且参考生成的物体轮廓操作所述多个打印头的打印头内的喷射器。
一种操作具有固定打印头阵列的DTO打印机的方法使得能够打印具有弯曲表面的物体。所述方法包括：用控制器操作可操作地连接到保持器的致动器以使所述保持器和固定在所述保持器中的物体沿着构件移动，所述保持器安装到所述构件；响应于所述物体与多个成像装置相对而用所述控制器操作所述多个成像装置以生成所述物体的图像数据；参考从所述成像装置接收的生成的图像数据用所述控制器生成物体轮廓；以及参考生成的物体轮廓用所述控制器操作多个打印头内的喷射器。
附图说明
结合附图在以下描述中解释了打印3D物体的弯曲表面的打印系统的前述方面和其它特征。
图1是配置成生成物体保持器上的物体的轮廓并且调节打印机中的打印头的操作的打印系统的侧视图的示意图。
图2是沿着线2-2截取的图1中所示的相机阵列的图示。
图3是用于在图1的系统中打印物体的过程的流程图。
图4A描绘了物体轮廓的弯曲部分在平面上的投影。
图4B描绘了对打印头操作的调节以补偿在弯曲物体的侧面发生的条纹以及所得到的打印图像。
图5A描绘了从物体轮廓获得的打印头到物体的距离。
图5B描绘了对打印头操作的调节以补偿打印头喷嘴和物体之间的距离的差异以及所得到的打印图像。
图6A示出了将物体保持器上的物体进给经过固定打印头阵列的立式现有技术打印系统。
图6B描绘了图6A的现有技术系统中的物体和物体保持器的前视图。
图7A描绘了在图6A的现有技术系统中当物体的曲率增加时滴之间的距离增加的问题，在图7B中示出该问题的图形，在图7C中示出所得到的条纹。
图8A描绘了在图6A的现有技术系统中当物体的曲率增加时打印头和物体之间的距离增加的问题，在图8B示出该问题的图形，在图8C中示出所得到的图像失真。
具体实施方式
为了对本实施例的一般理解，参考附图。在附图中，始终使用相似的附图标记来表示相似的元件。
图6描绘了现有技术的打印系统100，其配置成当保持器108在构件116上移动经过固定打印头112的阵列时打印安装到保持器108的物体104的表面。如该文件中使用的，术语“固定打印头”是指在由保持器固定的物体的打印期间使其面板保持平行于物体保持器的平面的打印机中的打印头。如果阵列112中的一个或多个打印头118喷射紫外(UV)墨，则UV灯120由控制器124操作以固化UV墨。控制器124也配置成在物体安装到保持器中之后操作致动器128以移动保持器108。控制器124配置成操作阵列112中的打印头以将标记材料喷射到物体104的表面上。图6B描绘了当其面对打印头阵列112时的保持器108和物体104。闩锁132将保持器108附接到构件116。
现有技术打印机100产生的问题在图7A至7C和图8A至8C中示出。在图7A中，标记材料滴从打印头118朝着弯曲物体104的表面喷射。读者应当注意，在图7A中仅描绘了物体的一半，但是物体的另一半重复负X，正Y平面中的关系。由于物体的表面远离打印头弯曲，因此当物体进一步远离打印头弯曲时滴的着落区域之间的距离增加。该关系在图7B中用图形描绘，并且示出了当滴着落的位置离最接近打印头118的物体位置更远时，墨质量/单位面积减小。如图7C中所示，打印头118针对每个位置喷射相同数量的滴，但是由于外周边上的滴之间的距离增加，因此打印图像140在边缘处比在中心处密度小。
现有技术打印机100中出现的另一问题在图8A中示出。该图示出了打印头和由打印头118喷射的滴的着落位置之间的距离是打印头和最接近打印头的物体的部分之间的间隙(其表示为头-缸间隙)和从头-缸间隙处的切线到物体曲率上的位置的间隙(其表示曲率间隙)的总和。如图所示，头-缸间隙保持恒定，但是曲率间隙随着物体的表面远离打印头118而增加。图8B中的图形揭示了当打印位置从最接近打印头118的物体的部分更远地移动时打印头118和滴的着落位置之间的距离增加。该距离的增加意味着在离最接近打印头的物体的部分更远的位置处的滴行进更远，因此物体有更多时间在构件116上移动。因此，同时喷射的滴不会形成穿越物体的直线，而是如图7C中所示形成弯曲图像144。图像中的该曲率称为图像失真。
为了解决弯曲物体上的墨图像的条纹和失真，已开发图1中所示的打印机200。打印机200包括阵列112中的固定打印头118，UV灯120，构件116，和用于物体104的保持器108，如前所述。打印机200也包括如图所示为相机阵列240的多个成像装置，其配置成从多个位置生成保持器108中的物体104的图像数据。尽管在图中示出相机，但是成像装置可以是多个光发射器和光检测器，其配置成将光朝着物体引导并且接收反射光，使得检测器生成图像数据作为与由检测器接收的光强度对应的电信号。成像装置也可以是接触传感器，其接合物体104的表面并且生成与接触传感器的偏转程度对应的信号。如该文件中使用的，“成像装置”表示配置成生成指示与成像装置相对的物体的表面的一部分的一个或多个信号的任何装置。在图1中，阵列中的每个相机配置成以30帧/秒或更大的帧速率捕获彩色图像，并且每帧具有1024像素乘以1024像素的分辨率。视频数据以已知格式(如avi或wmv)被捕获并且被转换成具有已知格式(如PNG，jpeg等)的图像数据文件。图像数据被提供给控制器224，所述控制器配置有存储在可操作地连接到控制器的存储器中的编程指令，以处理图像数据并且生成物体104的3D物体轮廓。由控制器生成的3D物体轮廓是具有参考保持器108的表面的(x，y，z)坐标的三维矩阵数据，并且这些轮廓以已知格式(如.csv，.txt等)被存储。控制器224使用生成的物体轮廓控制打印头118的操作以补偿条纹和失真，如下面更全面地描述。在替代实施例中，不是从由成像装置产生的物体的图像数据生成物体轮廓，而是可以将物体轮廓数据作为等式或设计数据文件传输到控制器。
在图3中示出了用于操作打印机200的过程。在该过程的描述中，过程正在执行一些任务或功能的陈述是指控制器或通用处理器执行存储在可操作地连接到控制器或处理器的非暂时性计算机可读存储介质中的编程指令以处理数据或操作打印机中的一个或多个部件以执行任务或功能。上面所述的控制器224可以是这样的控制器或处理器。替代地，控制器可以用一个以上的处理器和相关的电路和部件实现，其每一个配置成形成本文中所述的一个或多个任务或功能。另外，该方法的步骤可以以任何可行的时间顺序执行，而不管图中所示的顺序或描述处理的顺序如何。
过程300开始于将物体104固定在保持器108内(框304)。控制器操作可操作地连接到保持器108的致动器128以移动与相机阵列240相对的物体和保持器，并且当保持器和固定在保持器中的物体经过相机阵列时控制器操作相机阵列中的相机以生成物体的图像数据，控制器从相机阵列接收所述图像数据(框308)。如果物体的配置需要额外的时间来生成图像数据，则控制器还配置成操作致动器以在继续移动保持器和物体经过打印头之前将保持器和物体保持与多个相机相对持续预定时间段。控制器处理图像数据以产生物体的3D轮廓(框312)。3D轮廓用于识别物体表面积比(框316)，其由控制器使用以操作打印头以进行局部墨密度控制(框320)。3D轮廓也用于识别打印头到物体的距离(框324)，其由控制器使用以操作打印头以进行喷射器定时控制(框328)。
图4A示出了物体表面积比识别。投影平面404与物体轮廓408配合以获取物体表面积与投影平面上的对应面积的局部比率。该比率函数可以描述为f(x,y)＝δS(x,y)/δpS(x,y)。然后，控制器相对于面积比dpiph(x,y)～f(x,y)＝δS(x,y)/δpS(x,y)局部地控制打印头，以确保整个物体表面上的每单位面积的质量是均匀的，如图4B中所示。具体地，如图7C中所示发生不均匀的密度，原因是来自与最远离打印头的弯曲表面的一部分相对的喷射器的滴必须比由更接近物体的喷射器喷射的相同数量的滴覆盖更大的面积。为了克服该距离差异的影响，控制器224增加发射脉冲与非发射脉冲的比率，所述非发射脉冲通过其曲率操作从物体表面移除的喷射器，以比更接近物体的喷射器喷射更多的滴。也就是说，那些喷射器操作的频率增加。在更大面积上的所得到的滴的增加数量使标记材料的分布更均匀，在更接近打印头的更小区域中的滴的数量更少。
图5A示出了打印头到物体的距离识别。该距离函数可以被描述为h(x,y)，并且参考打印头118的面的位置和物体轮廓408来识别其值，如图所示。然后使用该距离来控制喷射器发射的时间。具体地，由于滴具有近似相同的速度，因此来自离物体更远的喷射器的滴比来自更接近物体的喷射器的滴行进更长的时间段以到达物体的表面。通过在发射更接近的喷射器之前发射离物体更远的喷射器，来自两个喷射器的滴大约同时到达物体的表面。该操作使滴能够形成如图5B中所示的直线，而不是如图8C中所示的曲线。
应该领会以上公开的装置和其它特征，功能或其替代方案的变型可以期望地组合到许多其它不同的系统或应用中。本领域技术人员随后可以在其中做出各种目前未预料的或未预期的替代方案，修改，变型或改进，其也旨在由以下权利要求涵盖。

Claims (21)

1.一种打印系统，其包括：
多个打印头，所述多个打印头中的每个打印头配置成喷射标记材料；
具有第一端部和第二端部的构件，所述多个打印头与所述构件相对并且在所述构件的所述第一端部和所述第二端部之间定位；
保持器，所述保持器配置成保持物体并且沿着所述构件在所述构件的所述第一端部和所述第二端部之间移动；
致动器，所述致动器可操作地连接到所述保持器以使所述致动器能够沿着所述构件移动所述保持器，从而使所述物体能够移动经过所述打印头以接收来自所述多个打印头中的打印头的标记材料；
多个成像装置，所述多个成像装置定位在所述构件的所述第一端部和所述多个打印头之间，当所述物体经过所述多个成像装置时所述多个成像装置中的每个成像装置配置成生成与所述成像装置相对的所述物体的一部分的图像数据；以及
控制器，所述控制器可操作地连接到所述多个打印头，所述致动器和所述多个成像装置，所述控制器配置成操作所述致动器以使所述保持器和所述物体沿着所述构件移动，响应于所述物体与所述多个成像装置相对而操作所述成像装置以生成所述物体的图像数据，参考从所述成像装置接收的生成的图像数据生成物体轮廓，并且参考生成的物体轮廓操作所述多个打印头的打印头内的喷射器。
2.根据权利要求1所述的打印系统，其中所述多个成像装置是可操作地连接到所述控制器的多个相机，用于将由所述多个相机中的每个相机生成的图像数据传送到所述控制器。
3.根据权利要求2所述的打印系统，其中所述多个打印头中的打印头是固定打印头。
4.根据权利要求3所述的打印系统，所述控制器还配置成以第一频率操作比更接近所述物体的喷射器离所述物体更远的喷射器，并且以第二频率操作更接近所述物体的喷射器，所述第一频率大于所述第二频率。
5.根据权利要求4所述的打印系统，所述控制器还配置成在操作更接近所述物体的喷射器之前，操作比更接近所述物体的喷射器离所述物体更远的喷射器以使来自离所述物体更远的喷射器的标记材料的滴能够与从更接近所述物体的喷射器喷射的滴同时到达所述物体。
6.根据权利要求3所述的打印系统，所述控制器还配置成在操作更接近所述物体的喷射器之前，操作比更接近所述物体的喷射器离所述物体更远的喷射器以使来自离所述物体更远的喷射器的标记材料的滴能够与从更接近所述物体的喷射器喷射的滴同时到达所述物体。
7.根据权利要求3所述的打印系统，其还包括：
紫外(UV)灯，所述紫外灯配置成发射UV范围内的光以固化从所述多个打印头喷射的UV可固化标记材料。
8.根据权利要求3所述的打印系统，其中，所述多个照相机与所述构件相对布置。
9.根据权利要求3所述的打印系统，所述控制器还配置为操作所述致动器以将所述保持器和所述物体保持与所述多个相机相对持续预定时间段。
10.根据权利要求3所述的打印系统，所述控制器还配置成参考所述物体轮廓识别物体表面积比。
11.根据权利要求3所述的打印系统，所述控制器还配置成参考所述物体轮廓识别打印头到物体的距离。
12.一种用于操作打印机的方法，其包括：
用控制器操作可操作地连接到保持器的致动器以使所述保持器和固定在所述保持器中的物体沿着构件移动，所述保持器安装到所述构件；
响应于所述物体与多个成像装置相对而用所述控制器操作所述多个成像装置以生成所述物体的图像数据；
参考从所述多个成像装置接收的生成的图像数据用所述控制器生成物体轮廓；以及
参考生成的物体轮廓用所述控制器操作多个打印头内的喷射器，所述多个打印头中的打印头是固定打印头。
13.根据权利要求12所述的方法，所述多个成像装置的操作还包括：
用所述控制器操作多个相机以生成图像数据。
14.根据权利要求12所述的方法，还包括：
用所述控制器以第一频率操作比更接近所述物体的喷射器离所述物体更远的喷射器；以及
以第二频率操作更接近所述物体的喷射器，所述第一频率大于所述第二频率。
15.根据权利要求14所述的方法，其还包括：
在操作更接近所述物体的喷射器之前用所述控制器操作比更接近所述物体的喷射器离所述物体更远的喷射器以使来自离所述物体更远的喷射器的标记材料的滴能够与从更接近所述物体的喷射器喷射的滴同时到达所述物体。
16.根据权利要求13所述的方法，其还包括：
在操作更接近所述物体的喷射器之前用所述控制器操作比更接近所述物体的喷射器离所述物体更远的喷射器以使来自离所述物体更远的喷射器的标记材料的滴能够与从更接近所述物体的喷射器喷射的滴同时到达所述物体。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括：
用所述控制器以第一频率操作比更接近所述物体的喷射器离所述物体更远的喷射器，以及以第二频率操作更接近所述物体的喷射器，所述第一频率大于所述第二频率。
18.根据权利要求13所述的方法，还包括：
用所述控制器操作紫外(UV)灯以发射UV范围内的光以固化从所述多个打印头喷射的UV可固化标记材料。
19.根据权利要求13所述的方法，还包括：
用所述控制器操作所述致动器以将所述保持器和所述物体保持与所述多个相机相对持续预定时间段。
20.根据权利要求13所述的方法，还包括：
用所述控制器参考所述物体轮廓识别物体表面积比。
21.根据权利要求13所述的方法，还包括：
用所述控制器参考所述物体轮廓识别打印头到物体的距离。
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