CN109866508B - 一种印刷系统及用于操作印刷机的方法 - Google Patents

Abstract

一种直接到物体印刷机，其包含图像投影仪，所述图像投影仪在所述保持器之前将图像投影在紧固在保持器中的物体上并且所述物体通过多个印刷头以将墨图像印刷在所述物体上。相机在所述物体上生成所述投影图像的图像序列以使操作员能够选择在用于所述图像的所述印刷的所述物体上的位置并且以通过用户界面识别所述图像的失真，因此控制器可修改所述印刷头的操作以减弱在所述物体上印刷的所述图像的所述失真。

Description

一种印刷系统及用于操作印刷机的方法

本公开一般涉及用于在三维(3D)物体上印刷的系统，更具体地，涉及在非生产环境中的物体上印刷图像的系统。

商业制品印刷通常出现在制品的生产期间。举例来说，球表皮在球完成和充气之前印刷有图案或标识。因此，例如，在其中潜在产品客户支持多个专业或大学团队的地区中，如配送站点或零售商店的非生产机构需要保存具有区域中流行的各种团队的标识的产品库存。对于每个不同标识订购正确的产品数目以维持库存可以是成问题的。

解决在非生产销路中的这些问题的一种方式应为保存未印刷版本的产品，和在配送站点或零售商店处在其上印刷图案或标识。已开发被称为直接到物体 (direct-to-object，DTO)印刷机的印刷机，用于印刷单个物体。用如二维(2D) 介质印刷技术的已知印刷技术操作这些印刷机以将图像内容应用到三维物体上产生混合结果。只要物体表面相对平坦，图像为可接受的。然而，许多产品，如马克杯、水瓶、笔等具有弯曲表面，这可不利地影响印刷图像质量。

与直接到物体的印刷相关的挑战包含例如跨大的和变化的间隙喷射墨滴、定位物体和在物体上的图像的位置、将图像配准到物体上和保持和定向物体用于印刷。考虑到可印刷的多种物体形状和大小，开发鲁棒方式来保持部件并精确地确定印刷头的面相对于待印刷表面的位置是困难的。换句话说，参考物体表面精确地确定印刷头的正确距离和定向以及识别在印刷头中的适当喷射器以使图像在物体上居中不是微不足道的任务。

没有限定边缘的物体加剧这些问题，这些边缘可用作配准图像的参考点并且为弹射器的操作计时。物体保持器可不以最佳匹配图像的定向呈现部件，并且在选择用于印刷图像的物体上的区域可为不规则的并且引起印刷图像的失真。因此，为具有不同程度的表面起伏和特征的各种产品产生高质量图像的印刷过程控制系统将是有益的。

新的直接到物体(DTO)印刷系统使得能够在印刷物体之前将图像与物体的区域配准。系统包含：多个印刷头，在多个印刷头中的每个印刷头配置成喷射标记材料；构件，其具有第一端部和第二端部，多个印刷头安放成与构件相对并且在构件的第一端部与第二端部之间；保持器，其配置成保持物体并且沿构件在构件的第一端部与第二端部之间移动；第一致动器，其可操作地连接到保持器以使致动器能够沿构件移动保持器以使物体移动经过印刷头以从在多个印刷头中的印刷头接收标记材料；第二致动器，其可操作地连接到保持器以使致动器能够垂直于构件并且在平行于构件的平面中移动保持器；成像装置，其安放在构件的第一端部与多个印刷头之间，成像装置配置成生成与成像装置相对的物体的一部分的图像序列；图像投影仪，其安放在构件的第一端部与多个印刷头之间，图像投影仪配置成将图像放置在与成像装置相对的物体的部分上；用户界面，其可操作地连接到成像装置以从成像装置接收图像序列，用户界面配置成使操作员能够操作第一致动器和第二致动器以调节物体在与成像装置相对的X-Y平面中的位置；和控制器，其可操作地连接到多个印刷头、第一致动器、第二致动器、成像装置、图像投影仪和用户界面。控制器配置成操作第一致动器沿构件在构件的第一端部与第二端部之间移动保持器和物体，以操作图像投影仪在物体的部分上形成图像，以操作成像装置在物体上生成图像的图像序列，以从用户界面接收信号，所述信号指示用于已选择印刷的印刷图像的物体的位置，以从用户界面接收数据，所述数据识别在物体上的图像的失真，和以参考识别来自图像投影仪的图像的失真的数据在多个印刷头的印刷头内操作喷射器以用着色剂在物体上形成图像。

在结合附图进行的以下描述中解释印刷系统的前述方面和其它特征，所述印刷系统在印刷之前将图像与对象的表面的一部分配准。

附图说明

图1为印刷系统的侧视图的示意图，所述印刷系统配置成将图像配准在物件保持器的表面的一部分上并且调节在印刷机中的印刷头的操作以为图像印刷在表面的所述部分上。

图2描绘在图1中示出的系统的实施例，所述系统使用印刷头中的一个作为图像投影仪。

图3描绘使用用户界面移动物体和选择在物体上的位置用于印刷。

图4描绘在图1中示出的系统的实施例，所述系统使用光投影仪用于图像投影仪。

图5为用于操作图2的系统的方法的流程图。

图6为用于操作图4的系统的方法的流程图。

图7A示出直立先前技术印刷系统，所述印刷系统将在物体保持器上的物体经过固定印刷头的阵列，并且图7B为在从固定印刷头查看时在图7A中的物体保持器的视图。

图8示出已知的通过在图7A中的系统印刷的图像的失真。

图9A描绘在图7A的先前技术系统中的物体的曲率增大时在印刷头与物体之间的距离增大的问题和在图9B中说明此问题的曲线，其中在图9C中说明所得图像失真。

为了本发明的实施例的一般理解，参考附图。在附图中，始终使用相同的附图标记表示相同的元件。

图7A描绘先前技术印刷系统100，其配置成在保持器108在构件116上移动经过固定印刷头112的阵列时印刷安装到保持器108的物体104的表面。如在本文件中所使用，术语“固定印刷头”是指在印刷机中的印刷头，其贯穿印刷通过托架紧固的物体使印刷头的面板保持与物体保持器的平面平行。如果在阵列112中的一个或多个印刷头118喷射紫外(UV)墨，那么控制器124操作 UV灯120以固化UV墨。控制器124还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配置成操作在阵列112中的印刷头118以将标记材料喷射到物体104的表面上。图7B描绘在它们面对印刷头阵列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。在图8中说明可能由使用先前技术印刷机100引起的图像失真。这些失真被称为桶形失真、针垫失真、胡须失真和梯形失真。

在先前技术印刷机100中出现的另一个问题在图9A中示出。此图示出在印刷头与通过印刷头118喷射的液滴的着陆位置之间的距离为在印刷头与最靠近印刷头的物体的部分之间的间隙(被表示为头部-圆柱间隙)和从在头部-圆柱间隙处的切线到在物体的曲面上的位置的间隙(表示曲面间隙)的总和。如在图中所示，头部-圆柱间隙保持不变，但是在物体的表面远离印刷头118下落时，曲面间隙增大。在图9B中的曲线揭示，在印刷位置从最靠近印刷头118 的物体的部分移离较远时，在印刷头118与液滴的着陆位置之间的距离增大。此距离的增加意味着在更远离最靠近印刷头物体的部分的位置处的液滴行进更远，因此物体具有更多时间在构件116上移动。因此，同时喷射的液滴跨物体不形成直线，而是形成如图9C所示的弯曲的失真图像。

为了解决印刷到物体的不规则表面上的墨图像的失真，已开发图1所示的印刷机200。如先前描述，印刷机在阵列112中的200包含固定印刷头118、 UV灯120、构件116和用于物体104的保持器108。印刷机200还包含用户界面232、图像投影仪236和成像装置240。图像投影仪236以下文更充分描述的方式将待印刷的图像投影到物体的表面的一部分上，并且成像装置240生成在表面部分上的图像的视觉图像序列。视觉图像序列显示在用户界面232上，因此操作员可看见在物体上图像看起来像什么。使用在用户界面232上的调节控件，操作员可操作致动器128以调节物体的竖直或Y位置以将正投影的图像偏移到表面上。印刷机200还包含另一个致动器242，其可操作地连接到保持器 108。保持器108配置有滑动件，使致动器242在与Y方向正交的方向上移动保持器，所述方向也处于与Y方向相同的平面中。在此文档中，此方向表示为 X或水平方向。因此，操作员可在X-Y平面中调节物体的表面部分的位置，所述X-Y平面平行于与图像投影仪236和成像装置240相对的构件116。另一个致动器246配置成旋转在保持器108中的物体夹持器以绕Z轴旋转物体104，Z 轴在印刷头118的平面与成像装置240之间延伸到保持器108的平面。操作员可通过用户界面控件操作此致动器以进一步调节图像的定位。此外，操作员可用用户界面观察在物体上的图像的任何失真并且输入数据，如代码，所述用户界面将失真识别为上文关于图8提到的失真中的一个。控制器224配置成选择喷射器以操作图像印刷，并且参考失真识别数据调节在印刷头118中的喷射器的喷射定时，以缓解操作员检测到的失真。一旦操作员完成将图像安放在物体表面上并且识别出图像的失真(如果有的话)，印刷机200就准备好移动保持器 108和物体104经过印刷头118用于印刷。

在图2所示的印刷机200'中，在印刷头阵列中的最低印刷头配置成喷射只可通过红外成像装置查看的墨。在此实施例中，控制器224操作致动器128以安放物体的部分与成像装置240相对，因此可将物体表面的部分的图像序列发送到用户界面的显示器，并且操作员可用如图3所示在用户界面上的调节控件操纵致动器128、242和246以将物体安放到适当的定位用于印刷。一旦操作员选择在物体上的图像的定位，控制器224就将保持器108和物体104移动到与红外墨喷射印刷头相对的位置，并且操作印刷头以用红外墨在物体表面上印刷图像。印刷的图像不必但可以是待用彩色标记材料印刷在物体上的图像的副本。然而，更频繁地，图像将是一组基准或一些其它适当的测试图案，其识别待印刷的区域的轮廓和可由区域的起伏或突起引起的任何失真。然后，控制器224 操作致动器128以使保持器108和物体104返回到与成像装置240相对的位置。在那里，红外成像装置240将此印刷的图像的图像序列生成到用户界面的显示器，因此操作员可确定物体表面的所选部分是否可容纳图像以及使操作员能够识别图像的任何失真。一旦已输入失真识别数据(如果有的话)，控制器224 就操作致动器128以响应于操作员用指示物体准备好印刷的用户界面生成信号而移动保持器108和物体104经过印刷头118用于印刷。

在图4所示的印刷机200”中，图像投影仪336为光图像投影仪，其在成像装置240的视场中的物体表面上提供光图像。在此实施例中，控制器224操作致动器128以安放物体的一部分与成像装置240相对，因此可将在物体表面的部分上投影的图像的图像序列发送到用户界面232的显示器，并且操作员可用如图3所示在用户界面上的调节控件操纵致动器以将物体安放到适当的位置用于印刷。此外，操作员可识别在正查看的图像序列中的图像的任何失真。一旦已输入失真识别数据(如果有的话)，控制器224就操作致动器128以响应于操作员用指示物体准备好印刷的用户界面生成信号移动保持器108和物体104经过印刷头118用于印刷。与红外墨实施例的情况一样，光图像不必是待在物体上印刷的图像的副本，但是它可以是。然而，更频繁地，图像将是一组基准或一些其它适当的测试图案，其识别待印刷的区域的轮廓和可由区域的起伏或突起引起的任何失真。因为光不落在投影仪与物体之间的间隙上，所以凭经验确定启动信号调节并将其作为校准参数存储在印刷机中，或将测试图案印刷在基板上并通过控制器分析以确定墨滴从在印刷头中的喷射器下垂。

在图2和图4的实施例中，成像装置240被说明为相机240，其配置成在保持器108中的物体104上生成图像的视频图像数据。尽管在图中示出照相机，但是成像装置可为多个光发射器和光检测器，其配置成将光向物体导引并接收反射光，因此检测器生成作为对应于通过检测器接收的光强度的电信号的图像数据。如在本文件中所使用的，“成像装置”意指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。在图中，相机配置成以30帧/秒或更高的帧速率捕获彩色图像，并且每帧具有1024像素乘1024像素的分辨率。视频数据以已知格式(如avi或wmv)捕获，并转换成具有已知格式(如PNG，jpeg等)的图像数据文件。将图像数据提供给用户界面232用于显示，以使操作员能够验证图像的位置并检测在图像中可存在的任何失真。

用于操作印刷机200'的方法500在图5中示出，并且用于操作印刷机200”的方法600在图6中示出。在方法的描述中，方法正在执行某些任务或功能的陈述是指控制器或通用处理器实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操纵数据或操作在印刷机中的一个或多个组件以执行任务或功能。上文提到的控制器224可为这类控制器或处理器。替代地，控制器可用多于一个处理器和相关的电路和组件实施，其中的每个配置成形成本文描述的一个或多个任务或功能。此外，方法的步骤可以任何可行的时间顺序执行，而不管在图中所示的顺序或其中描述处理的顺序。

方法500开始于将物体104紧固在保持器108内(框504)。控制器操作可操作地连接到保持器108的致动器128以移动物体和保持器与成像装置240相对，并且控制器操作成像装置以生成控制器发送到用户界面的物体的图像序列 (框508)。使用用户界面的位置调节控件，操作员在XY平面中平移物体并且绕Z轴旋转物体以选择物体的适当部分用于印刷图像(框512)。响应于来自用户界面已选择图像定位的信号，控制器224操作致动器128以移动在物体上所选位置与喷射红外墨的印刷头118相对(框516)。印刷头通过控制器操作，以用红外墨在物体的所选部分上形成图像(框520)。然后，控制器324操作致动器128以使保持器108和物体104返回到与成像装置240相对的位置(框524)，并且操作成像装置以在物体上生成发送到用户界面的显示器的红外墨图像的图像序列。(框528)。操作员查看图像以确定是否需要对物体的位置和定向进行另外的改变并且如果需要，那么输入图像失真的识别(框532)。响应于操作员指示物体准备好印刷(方框536)，控制器224操作致动器128以移动保持器108 和物体104经过将可见着色剂喷射到物体上以形成图像的印刷头118(框540)。当印刷完成时(框544)，控制器224操作致动器128以使保持器108和物体104 返回到可从保持器移除物体的起始位置(框548)。

方法600开始于将物体104紧固在保持器108内(框604)。控制器操作可操作地连接到保持器108的致动器128以移动物体和保持器与光投影仪336相对，并且控制器操作光投影仪以在成像装置240生成控制器发送到用户界面的物体的图像序列时将光图像投影在物体上(框608)。使用用户界面的位置调节控件，操作员在XY平面中平移物体并且绕Z轴旋转物体以选择物体的适当部分用于印刷图像并且输入观察的任何失真的识别代码(框612)。响应于操作员使用用户界面指示物体准备好印刷(框616)，控制器224操作致动器128以移动保持器108和物体104经过将可见着色剂喷射到物体上形成图像的印刷头118 (框620)。当印刷完成时(框624)，控制器224操作致动器128以使保持器108 和物体104返回到可从保持器移除物体的起始位置(框628)。

Claims (16)

1.一种印刷系统，其包括：

多个印刷头，在所述多个印刷头中的每个印刷头被配置成喷射标记材料；

构件，其具有第一端部和第二端部，所述多个印刷头安放成与所述构件相对并且在所述构件的所述第一端部与所述第二端部之间；

保持器，其配置成保持物体并且沿所述构件在所述构件的所述第一端部与所述第二端部之间移动；

第一致动器，其可操作地连接到所述保持器以使所述第一致动器能够沿所述构件移动所述保持器以使所述物体能够移动经过所述印刷头以从在所述多个印刷头中的所述印刷头接收标记材料；

第二致动器，其可操作地连接到所述保持器以使所述第二致动器能够垂直于所述构件并且在平行于所述构件的平面中移动所述保持器；

成像装置，其安放在所述构件的所述第一端部与所述多个印刷头之间，所述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序列；

图像投影仪，其安放在所述构件的所述第一端部与所述多个印刷头之间，所述图像投影仪配置成将图像放置在与所述成像装置相对的所述物体的所述一部分上；

用户界面，其可操作地连接到所述成像装置以从所述成像装置接收所述图像序列，所述用户界面配置成使操作员能够操作所述第一致动器和所述第二致动器以调节所述物体在与所述成像装置相对的X-Y平面中的位置；以及

控制器，其可操作地连接到所述多个印刷头、所述第一致动器、所述第二致动器、所述成像装置、所述图像投影仪和所述用户界面，所述控制器配置成操作所述第一致动器以沿所述构件在所述构件的所述第一端部与所述第二端部之间移动所述保持器和物体，以操作所述图像投影仪在所述物体的所述一部分上形成图像，以操作所述成像装置在所述物体上生成所述图像的所述图像序列，以从所述用户界面接收信号，所述信号指示用于已选择进行印刷的印刷图像的所述物体的所述位置，以从所述用户界面接收数据，所述数据识别在所述物体上的所述图像的失真，以及以参考所述数据在所述多个印刷头的所述印刷头内操作喷射器以用着色剂在所述物体上形成图像。

2.根据权利要求1所述的印刷系统，其中所述成像装置是可操作地连接到所述用户界面用于将视频图像序列递送到所述用户界面的相机。

3.根据权利要求2所述的印刷系统，其中所述图像投影仪是在所述多个印刷头中的印刷头，所述印刷头配置成将红外材料喷射到所述物体上以用所述红外材料在所述物体上形成所述图像；且

所述相机配置成用于红外成像。

4.根据权利要求3所述的印刷系统，所述控制器进一步配置成操作所述第一致动器以维持所述保持器和所述物体与所述相机相对以使得能够选择所述物体的一部分用于所述图像，以操作所述第一致动器以移动所述物体的所选择的所述一部分与喷射红外材料的所述印刷头相对，以操作所述印刷头以将所述红外材料喷射到所述物体的所选择的所述一部分上，以及以操作所述第一致动器以移动所述物体的所述一部分与所述成像装置相对，以使通过所述红外材料图像的所述成像装置生成的所述图像序列能够被发送到所述用户界面。

5.根据权利要求2所述的印刷系统，其中所述图像投影仪是光投影仪，其安放成使所述光投影仪能够在所述物体具有所述相机的视场时将光图像导引到所述物体上。

6.根据权利要求2所述的印刷系统，其进一步包括：

紫外灯，其配置成在紫外范围中发光以固化从在所述多个印刷头中的所述印刷头中的至少一个喷射的紫外可固化标记材料；以及

所述控制器可操作地连接到所述紫外灯，所述控制器进一步配置成操作所述紫外灯以固化通过所述印刷头中的至少一个喷射到所述物体上的紫外墨。

7.根据权利要求1所述的印刷系统，其中所述用户界面配置成生成识别所述图像失真的所述数据，所述数据作为将所述图像失真识别为桶形失真、针垫失真、胡须失真和梯形失真中的一个的数据。

8.根据权利要求1所述的印刷系统，其进一步包括：

可操作地连接到所述保持器的第三致动器，所述第三致动器配置成绕在所述成像装置与所述物体之间延伸的Z轴旋转所述物体；以及

所述用户界面包含可操作地连接到所述第三致动器以绕所述Z轴旋转所述物体的控件。

9.一种用于操作印刷机的方法，其包括：

用控制器操作第一致动器，所述第一致动器可操作地连接到保持器以使所述保持器和固定在所述保持器中的物体沿着安装有所述保持器的构件移动；

用所述控制器操作成像装置以响应于所述物体与所述成像装置相对而生成所述物体的图像序列；

在用户界面处显示所述图像序列；

用所述用户界面操作所述第一致动器以沿着Y轴调节所述物体的位置，以及用所述用户界面操作第二致动器以沿着X轴调节所述物体的位置；

用所述用户界面生成信号，所述信号指示用于已选择的图像的所述物体的位置；

用控制器操作图像投影仪以将所述图像放置在所述物体上；

用所述用户界面生成用于识别所述物体上所述图像的失真的数据；以及

当所述控制器正在操作所述第一致动器以使所述保持器和所述物体移动经过多个印刷头时，参考识别所述图像的所述失真的所述数据，用所述控制器操作所述多个印刷头中的喷射器以用着色剂在所述物体的所选择的一部分上形成图像。

10.根据权利要求9所述的方法，所述成像装置的操作进一步包括：

用相机生成视频图像序列。

11.根据权利要求10所述的方法，所述图像投影仪的操作进一步包括：

用所述控制器操作所述多个印刷头中的印刷头，所述印刷头配置成在形成由标记材料形成的所述图像之前将红外材料喷射到所述物体上以用所述红外材料在所述物体上形成所述图像。

12.根据权利要求11所述的方法，其进一步包括：

用所述控制器操作所述第一致动器以维持所述保持器和所述物体与所述相机相对以使得能够选择所述物体的一部分用于所述图像；

操作所述第一致动器以移动所述物体的所选择的所述一部分与喷射红外材料的所述印刷头相对；

用所述控制器操作所述印刷头以将所述红外材料喷射到所述物体的所选择的所述一部分上，以及

用所述控制器操作所述第一致动器以移动所述物体的所述一部分与所述成像装置相对，以使通过所述红外材料图像的所述成像装置生成的所述图像序列能够被发送到所述用户界面。

13.根据权利要求10所述的方法，所述图像投影仪的操作进一步包括：

当所述物体在所述相机的视场内时，操作光投影仪以将光图像引导到所述物体上。

14.根据权利要求10所述的方法，其进一步包括：

用所述控制器操作紫外灯，所述紫外灯配置成在紫外范围中发光以固化从在所述多个印刷头中的所述印刷头中的至少一个喷射的紫外可固化标记材料。

15.根据权利要求9所述的方法，识别所述图像失真的所述数据的生成进一步包括：

用所述用户界面生成识别桶形失真、针垫失真、胡须失真或梯形失真的代码。

16.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括：

用所述用户界面操作第三致动器，以使所述物体绕在所述成像装置和所述物体之间延伸的Z轴旋转。

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