CN110254055A - 一种圆柱体外侧表面连续打印装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种圆柱体外侧表面连续打印装置及方法，属于数字喷墨打印技术领域，包括圆柱体介质安装模块、喷头调整模块、喷头控制模块、主控制模块以及运动控制模块。本发明选择非接触式的数字喷墨打印技术结合运动控制、图像处理等技术，改变了现有喷墨打印方法中间歇的扫描打印方式，根据圆柱体的几何特征结合运动控制和图像处理技术设计运行轨迹，实现对圆柱体的表面的不间断的连续打印，实现了圆柱体外表面360°打印的一次成型，打印效率得到了极大的提高。

Description

一种圆柱体外侧表面连续打印装置与方法

技术领域

本发明涉及数字喷墨打印技术领域，尤其涉及一种圆柱体外侧表面连续打印装置与方法。

背景技术

喷墨打印改变了传统的丝网印刷和圆网印刷方式，在印刷领域的应用越来越广泛。通常情况下打印介质都是平面的，即使一些需要打印的非平面的产品也都是提前展平打印；但是存在大量圆柱体形状的工业产品，如无缝钢管、鱼竿、筒袜等。对这些产品进行打印时，采用现有扫描式喷墨打印方式效率低。

上述方法存在严重不足，某些工业产品的由于其生产工艺特点，如无缝钢管，鱼竿等，无法被展成平面，传统的丝网或圆网印刷不能对其进行打印；而柔软材质的产品，如筒袜，可以被压成平面后再打印，但是折痕处图案衔接有缝隙，打印质量不佳。

发明内容

本发明的目的在于提出一种对圆柱体外侧表面连续打印方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种圆柱体外侧表面连续打印装置，包括圆柱体介质安装模块、喷头调整模块、喷头控制模块、主控制模块以及运动控制模块；

圆柱体介质安装模块设在运动控制模块的一端，喷头调整模块设在运动控制模块的另一端，喷头控制模块设在喷头调整模块上；

圆柱体介质安装模块用于安装待打印的圆柱体介质，在打印过程中圆柱体安装模块带动圆柱体介质绕轴线旋转；

喷头调整模块上安装有多色喷头，喷头调整模块用于调整多色喷头的高度；

喷头控制模块用于把主控制模块生成的图像数据转换为喷墨动作打印到圆柱体介质外侧表面；

主控制模块用于执行图像处理，并将图像数据转化为喷头控制模块可识别的数据格式；

运动控制模块用于控制圆柱体安装模块旋转运动以及沿轴线的水平运动。

在打印圆柱体外侧表面时，多彩喷头相对于圆柱体的运动轨迹由圆柱体的转动以及横向运动共同形成，打印过程按照规划的轨迹不间断的连续运动，减少非打印时间，提高了打印效率。

优选的，圆柱体安装模块包括多爪卡盘以及回转伺服电机，回转伺服电机的主轴与多爪卡盘的中心转动配合。

多爪卡盘用于夹持安装有待打印圆柱体介质的套筒，采用多爪卡盘对套筒夹持，实现对不同半径大小套筒的夹持，适用范围广，回转伺服电机用于带动多爪卡盘上夹持的套筒绕其轴线旋转。

优选的，喷头调整模块包括Z轴伺服电机、丝杆升降机构和滑块，Z轴伺服电机的主轴与丝杠升降机构的输入端连接，滑块设在丝杆升降机构的升降端上，喷头控制模块设在滑块上。

采用伺服电机对丝杠升降机构的升降驱动，实现对滑块上的喷头控制模块升降的控制，从而对多彩喷头高度的控制，采用丝杠升降机构，升降的精度高。

一种使用权利要求圆柱体外侧表面连续打印装置的圆柱体外侧表面连续打印方法，包括以下步骤：

(1)将待打印的圆柱体介质套在套筒上，并将套筒安装在多爪卡盘的卡爪之间；

(2)由Z轴伺服电机驱动丝杆带动滑块上下运动，调节喷头平面与圆柱体上侧表面的垂直距离使处于多彩喷头的工作范围内；

(3)根据圆柱体的几何参数及多彩喷头的尺寸，计算套筒水平沿着Y轴方向横向运动的速度以及旋转速度；

(4)控制模块按照步骤(3)中计算得到的横向运动速度以及旋转运动速度，控制圆柱体旋转运动的同时横向运动，使多彩喷头进行连续打印。

在打印圆柱体外侧表面时，多彩喷头相对于圆柱体的运动轨迹由圆柱体的转动以及横向运动共同形成，打印过程按照规划的轨迹不间断的连续运动，减少非打印时间，可提高打印效率；

优选的，在步骤(3)中，套筒水平沿着Y轴方向横向运动的速度计算公式为

旋转速度的计算公式为

其中，套筒上待打印的圆柱体的半径为r，旋转速度为ω，圆周长为C＝2πr＝v_uT，选择圆柱体旋转一周的时间为喷头沿着Y轴方向的工作长度为a，单位长度内的像素数为m，打印周期为t，圆柱体外侧表面线速度为v_u。

通过对套筒横向运动速度以及旋转速度的计算，实现了多彩喷头打印过程按照规划的轨迹不间断的连续运动，有效地减少了非打印时间，提高了打印效率；

优选的，多彩喷头相对于圆柱体的运动轨迹可以等效为喷头的横向运动与圆柱体的旋转运动的合运动，其速度关系按照执行；

其中v_y为圆柱体横向运动速度，ω为圆柱体旋转运动角速度，a为喷头的工作长度，C为圆柱体的周长。

多彩喷头相对于圆柱体的运动轨迹可以等效为喷头的横向运动与圆柱体的旋转运动的合运动，通过对其速度关系的计算，实现打印过程按照规划的轨迹不间断的连续运动。

本发明的有益效果为：本发明选择非接触式的数字喷墨打印技术结合运动控制、图像处理等技术，改变了现有喷墨打印方法中间歇的扫描打印方式，根据圆柱体的几何特征结合运动控制和图像处理技术设计运行轨迹，实现对圆柱体的表面的不间断的连续打印，实现了圆柱体外表面360°打印的一次成型，打印效率得到了极大的提高。

附图说明

附图对本发明做进一步说明，但附图中的内容不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明一种圆柱体外侧表面连续打印装置的结构示意图。

图2是本发明一种圆柱体外侧表面连续打印方法的流程图；

图3是本发明一种圆柱体外侧表面连续打印装置的示意图。

其中，丝杆升降机构1；喷头安装座2；喷头控制模块3；滑块4；回转伺服电机5；多爪卡盘6；圆柱体介质7；运动控制模块8。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本实施例的一种圆柱体外侧表面连续打印装置，包括圆柱体介质安装模块、喷头调整模块、喷头控制模块、主控制模块以及运动控制模块8；

圆柱体介质安装模块设在运动控制模块8的一端，喷头调整模块设在运动控制模块8的另一端，喷头控制模块设在喷头调整模块上；

圆柱体介质安装模块用于安用于安装待打印的圆柱体介质7，圆柱体轴线与喷头的打印平面，打印过程中圆柱体安装模块的套筒旋转运动带动圆柱体介质7绕轴线旋转；

喷头调整模块用于安装多色喷头，同时调节喷头的高度使其与圆柱体的上侧面的距离处于打印的工作范围，在打印过程中圆柱体沿着轴向水平运动的同时在套筒的带动下绕轴线做旋转运动。

喷头控制模块用于把控制模块生成的图像数据转换为喷墨动作打印到圆柱体介质外侧表面；

主控制模块用于执行图像处理，并将图像数据转化为喷头控制模块可识别的数据格式；

运动控制模块8用于控制圆柱体安装模块旋转运动以及沿轴线的水平运动。

其中，如图1所示，圆柱体安装模块包括多爪卡盘6以及回转伺服电机5，回转伺服电机5的主轴与多爪卡盘6的中心转动配合，多彩喷头设在喷头安装座2上。

多爪卡盘6用于夹持安装有待打印圆柱体介质7的套筒，采用多爪卡盘6对套筒夹持，实现对不同半径大小套筒的夹持，适用范围广，回转伺服电机5用于带动多爪卡盘6上夹持的套筒绕其轴线旋转。

喷头调整模块包括Z轴伺服电机、丝杆升降机构1和滑块4，Z轴伺服电机的主轴与丝杠升降机构的输入端连接，滑块4设在丝杆升降机构的升降端上，喷头控制模块3设在滑块4上。

采用伺服电机对丝杠升降机构的升降驱动，实现对滑块4上的喷头控制模块升降的控制，从而对多彩喷头高度的控制，采用丝杠升降机构，升降的精度高。

图2是本发明一种圆柱体外侧表面连续打印装置与方法的流程图，具体包括：

(1)将待打印的圆柱体介质7套在套筒上，并将套筒安装在多爪卡盘6的卡爪之间；

(2)由Z轴伺服电机驱动丝杆1带动滑块4上下运动，调节喷头平面与圆柱体上侧表面的垂直距离使处于多彩喷头的工作范围内；

(3)根据圆柱体的几何参数及多彩喷头的尺寸，计算套筒水平沿着Y轴方向横向运动的速度以及旋转速度；

(4)控制模块按照步骤(3)中计算得到的横向运动速度以及旋转运动速度，控制圆柱体旋转运动的同时横向运动，喷头保持不动并连续打印。

优选的，在步骤(3)中，套筒水平沿着Y轴方向横向运动的速度计算公式为

旋转速度的计算公式为

其中，套筒上待打印的圆柱体的半径为r，旋转速度为ω，圆周长为C＝2πr＝v_uT，选择圆柱体旋转一周的时间为喷头沿着Y轴方向的工作长度为a，单位长度内的像素数为m，打印周期为t，圆柱体外侧表面线速度为v_u。

通过对套筒横向运动速度以及旋转速度的计算，实现了多彩喷头打印过程按照规划的轨迹不间断的连续运动，有效地减少了非打印时间，提高了打印效率；

多彩喷头相对于圆柱体的运动轨迹可以等效为喷头的横向运动与圆柱体的旋转运动的合运动，其速度关系按照执行；

其中v_y为圆柱体横向运动速度，ω为圆柱体旋转运动角速度，a为喷头的工作长度，C为圆柱体的周长。

(5)利用图像生成算法生成(4)中的打印数据，得到圆柱体外侧表面图像的平面展开图。圆柱体外侧表面图像的处理算法，具体步骤如下：

①初始化变量，圆柱体的外侧表面展开后为长方形，得到图像的尺寸如图(3)所示，根据图3的运动轨迹关系初始化打印图像的存储变量；

③数据处理模块的数据，根据(3)中所确定的速度形成的螺旋线轨迹计算每次喷墨时的位置坐标，按照图像数据排列顺序将每次打印的数据发送到喷头控制模块的对应坐标下；

④喷头控制模块打印图像，喷头控制模块收到对应坐标的数据后，结合运动控制模块的位置信息，控制喷头喷墨打印；

整个打印过程由两种运动联合完成，一种是圆柱体的轴向旋转，另一种是圆柱体的横向运动，喷头相对与圆柱体的运动轨迹由喷头的横向运动与圆柱体的旋转运动的合运动形成，合运动的轨迹为螺旋线，两种运动的速度按照设定的比例执行如图3所示，完成对圆柱体外侧表面的打印，两种运动的大小关系为v_y＝ωa/2π，其中v_y为横向运动速度，ω为旋转运动角速度，a为喷头的工作长度。

为了能清楚的介绍本发明所提供的圆柱体外侧表面的打印方法与装置，使本领域的人员不再进行创造性的劳动就可以实现本发明提供的方法，下面将通过一个实施例对图2的流程做出详细的解释。

实施案例是对圆柱体物体的外侧表面360°打印，已知圆柱体长度为L，半径为r，多彩喷头沿着Y轴方向的长度为a，左端记为A，右端记为B。整个打印过程由两种运动联合完成，一种是圆柱体绕着U轴的旋转，角速度为ω，另一种是圆柱体沿着Y轴的横向运动，速度为v_y。A与B在柱面的轨迹为螺旋线，两种运动按照设定的比例执行，完成对圆柱体外侧表面的360°连续打印，若把圆柱体外侧表面展开则是一个矩形，矩形的长为L，宽为2πr，打印第一个360°时，A和B的在展开的矩形平面上的轨迹分别为AA₁和BB₁，且AA₁平行于BB₁，继续打印时的轨迹为平行于AA₁和BB₁的斜线，如图3(b)所示。

(1)：将待打印圆柱体安装在多爪卡盘6上，如图3所示，使圆柱体侧面的切线平行于水平线。

(2)：调节多彩喷头的高度，使多彩喷头与圆柱体上侧表面的垂直距离处于工作范围。

(3)：根据圆柱体的几何尺寸以及多彩喷头的有效工作长度规划运动轨迹并确定运动速度大小。为了保证打印图像的完整、无间隙，需要对多彩喷头相对圆柱体的运动轨迹进行规划。在本实施例中，多彩喷头相对圆柱体外侧表面的位置由圆柱体的转动以及横向运动共同决定。由于速度是位移对时间的一阶导数，因此对位置的控制等价于对转动速度与横向运动速度之间的比例控制。图3(b)展示了速度关系示意图，考虑对圆柱体外侧表面打印图像的完整，无间隙，且打印速度最快，则打印结果必须如图3(b)所示，第一个360°打印覆盖区域为平行四边形AA₁B₁B，每打印360°，多彩喷头的打印覆盖面为一个平行四边形，并依次排列，由图3(b)可以看出，点A₂和B₂在圆柱体外侧表面分别于A₁和B₁重合，由此可得出速度关系：

v_y＝a/(2π/ω)＝ωa/2π；

圆柱体转动一周，多彩喷头可划过圆柱体的一周，同时上述速度关系可保证每个角度上的像素都可以被完整的打印。因此按照该运动轨迹可实现圆柱体外侧表面的360连续打印。

(4)执行S103中规划的运动轨迹并打印。在本实施例中，横向运动速度v_y以及旋转速度ω在步骤(3)中确定。在打印过程中，待打印的圆柱体的两端设有传感器，控制模块收到起始端传感器信号后，控制多彩喷头开始喷墨打印，多彩喷头打印的数据经喷头控制模块传输到多彩喷头中，喷头控制模块收到终止端传感器信号后，喷头控制模块终止多彩喷头打印，打印完成。

以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种圆柱体外侧表面连续打印装置，其特征在于，包括圆柱体介质安装模块、喷头调整模块、喷头控制模块、主控制模块以及运动控制模块；

所述圆柱体介质安装模块设在运动控制模块的一端，所述喷头调整模块设在所述运动控制模块的另一端，所述喷头控制模块设在所述喷头调整模块上；

所述圆柱体介质安装模块用于安装待打印的圆柱体介质，在打印过程中圆柱体安装模块带动圆柱体介质绕轴线旋转；

所述喷头调整模块上安装有多色喷头，所述喷头调整模块用于调整所述多色喷头的高度；

所述喷头控制模块用于把所述主控制模块生成的图像数据转换为喷墨动作打印到圆柱体介质外侧表面；

所述主控制模块用于执行图像处理，并将图像数据转化为所述喷头控制模块可识别的数据格式；

所述运动控制模块用于控制圆柱体安装模块旋转运动以及沿轴线的水平运动。

2.根据权利要求1所述的圆柱体外侧表面连续打印装置，其特征在于，所述圆柱体安装模块包括多爪卡盘以及回转伺服电机，所述回转伺服电机的主轴与所述多爪卡盘的中心转动配合。

3.根据权利要求1所述的一种圆柱体外侧表面连续打印装置，其特征在于，所述喷头调整模块包括Z轴伺服电机、丝杆升降机构和滑块，所述Z轴伺服电机的主轴与所述丝杠升降机构的输入端连接，所述滑块设在所述丝杆升降机构的升降端上，所述喷头控制模块设在所述滑块上。

4.一种使用权利要求1-3所述的一种圆柱体外侧表面连续打印装置的圆柱体外侧表面连续打印方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将待打印的圆柱体介质套在套筒上，并将套筒安装在多爪卡盘的卡爪之间；

(2)由Z轴伺服电机驱动丝杆带动滑块上下运动，调节喷头平面与圆柱体上侧表面的垂直距离使处于多彩喷头的工作范围内；

(3)根据圆柱体的几何参数及多彩喷头的尺寸，计算套筒水平沿着Y轴方向横向运动的速度以及旋转速度；

(4)控制模块按照步骤(3)中计算得到的横向运动速度以及旋转运动速度，控制圆柱体旋转运动的同时横向运动，使多彩喷头进行连续打印。

5.根据权利要求4所述的一种圆柱体外侧表面连续打印方法，其特征在于，在步骤(3)中，套筒水平沿着Y轴方向横向运动的速度计算公式为

旋转速度的计算公式为

其中，套筒上待打印的圆柱体的半径为r，旋转速度为ω，圆周长为C＝2πr＝v_uT，选择圆柱体旋转一周的时间为喷头沿着Y轴方向的工作长度为a，单位长度内的像素数为m，打印周期为t，圆柱体外侧表面线速度为v_u。

6.根据权利要求4所述的一种圆柱体外侧表面连续打印方法，其特征在于，喷头相对于圆柱体的运动轨迹可以等效为喷头的横向运动与圆柱体的旋转运动的合运动，其速度关系按照执行；

其中v_y为圆柱体横向运动速度，ω为圆柱体旋转运动角速度，a为喷头的工作长度，C为圆柱体的周长。