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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen einer Strahleinheit und einem Bereich einer gekrümmten Oberfläche eines dreidimensionalen Objektes mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 bzw. Anspruch 22.
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Die Erfindung liegt in dem technischen Gebiet der Behandlung, insbesondere dem Bedrucken von dreidimensionalen Objektoberflächen.
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Der bekannte Stand der Technik in diesem technischen Gebiet umfasst Folgendes:
Aus der
DE 10 2012 006 371 A1 (Heidelberger Druckmaschinen AG) ist es bereits bekannt, Kfz-Karosserieteile, d. h. Objekte mit Krümmungen, Knicken, Vorsprüngen, Vertiefungen etc. in deren Oberfläche zu bedrucken. Dazu wird ein Tintenstrahl-Druckkopf mittels eines Roboterarms in einem Druckabstand entlang der Oberfläche geführt. Genannte Schritte der Behandlung sind: Vorbereiten der (Druck-)Daten, Vorbereiten des Objekts für das Vermessen, Vermessen des Objekts, Überarbeiten der Daten, Vorbereiten des Objekts für das Bedrucken, Drucken und abschließendes Trocknen. Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass das Vermessen des Objekts und das Überarbeiten der Druck-Daten komplexe und aufwändige Schritte sind, in denen eine Vielzahl verschiedener Daten und Datenformate zu verarbeiten sind. Um ein schnelles und Präzises Bedrucken zu ermöglichen, insbesondere bei wechselnden Objekten oder Stellen auf der Objektoberfläche, scheint es erforderlich, die konkrete Abarbeitung dieser Schritte zu verbessern.
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Es ist ferner auch bereits bekannt, in automatischen CNC-Fräsmaschinen auf Basis von aufwändigen CAD-Daten (so genannte „NURBS”: Non-uniform rational B-Splines bzw. nicht-uniforme rationale B-Splines) einen Fräskopf robotergeführt derart im xyz-Raum zu bewegen und zu orientieren, dass eine gewünschte Form aus einem Material gefräst wird. Hierbei wird der Fräskopf jedoch nicht beabstandet zum Material geführt, sondern in Kontakt zum Material gebracht, da ansonsten kein Materialabtrag möglich wäre. Mit anderen Worten: nicht nur die xy-Position, sondern auch die z-Position (als Beispiel für die Richtung senkrecht zur Materialoberfläche) ist sehr exakt einzuhalten, um eine fehlerhafte Materialbearbeitung zu vermeiden. Beim Bedrucken von Objektoberflächen ist ein entsprechend exaktes Einhalten des Abstandes (Druckkopf zu Oberfläche) jedoch nicht erforderlich und die aus dem Gebiet des CNC-Fräsens bekannten diesbezüglichen Maßnahmen erscheinen daher zu aufwändig.
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Es sind auch bereits Industrieroboter bekannt, welche z. B. „geteacht” werden können, d. h. der Pfad des so genannten TCP („tool center point”) wird zunächst durch Anfahren von Raumpunkten des Pfades durch den Bediener und anschließend durch automatisches Verbinden der Raumpunkte durch die Robotersteuerung erzeugt. Das Teachen ist jedoch ein sehr langsamer Vorgang und eignet sich daher nicht oder nur bedingt beim Bedrucken wechselnder Objekte oder Stellen auf der Objektoberfläche.
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Die Nutzung der im genannten Stand der Technik beschriebenen technischen Lösung(en) kann daher folgende Nachteile mit sich führen: ein zu aufwändiges und zu lange dauerndes Berechnen der anzufahrenden Positionen für eine die Oberfläche behandelnde Strahleinheit und damit verbunden eine zu große oder ungeeignete Datenmenge für die Ansteuerung eines Manipulators.
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Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein/-e gegenüber dem Stand der Technik verbessertes/-e Verfahren/Vorrichtung zu schaffen, welche/-s eine Relativbewegung zwischen einer Strahleinheit und einem Bereich einer gekrümmten Oberfläche eines dreidimensionalen Objektes mit der geforderten Präzision (für das Bestrahlen der Oberfläche) und mit einem für diese Präzision ausreichenden Aufwand (für das Erzeugen der Relativbewegung) ermöglicht. Dabei soll eine möglichst gleichförmige (gering beschleunigte, ruckfreie) Bewegung ohne die Behandlungsqualität, z. B. die Druckqualität, beeinträchtigende Schwingungen erzeugt werden. Zugleich soll eine hohe Produktivität erreicht werden.
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Eine erfindungsgemäße Losung dieser Aufgabe stellen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen einer Strahleinheit und einem Bereich einer gekrümmten Oberfläche eines dreidimensionalen Objektes mit den Merkmalen von Hauptanspruch 1 bzw. 22 dar.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen einer Strahleinheit und einem Bereich einer gekrümmten Oberfläche eines dreidimensionalen Objektes, wobei eine Steuereinheit einen Manipulator zum Bewegen der Strahleinheit auf einem Pfad in einem Arbeitsabstand zur Oberfläche oder zum Bewegen des Objekts auf einem Pfad in einem Arbeitsabstand zur Strahleinheit steuert, zeichnet sich durch folgende Schritte aus: Approximieren einer Menge von ersten Stützstellen, welche sich im Wesentlichen in der gekrümmten Oberfläche befinden, durch ein erstes Polynom, einen ersten Polynomzug oder einen Kreis oder eine Ellipse, Generieren einer Menge von zweiten Stützstellen aus dem ersten Polynom oder aus dem ersten Polynomzug, wobei die zweiten Stützstellen von der Oberfläche einen Arbeitsabstand aufweisen, und Übergeben der zweiten Stützstellen an die Steuereinheit des Manipulators.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht mit Vorteil eine präzise, gleichförmige und insbesondere ruck- und schwingungsfreie Relativbewegung zwischen einer Strahleinheit und einem Bereich einer gekrümmten Oberfläche eines dreidimensionalen Objektes, wobei der technische Aufwand für das Erzeugen der Relativbewegung gering gehalten und eine hohe Produktivität erreicht wird.
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Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren das beabstandete Abfahren einer gekrümmten Objektoberfläche erlaubt, ist es in vorteilhafter Weise nicht erforderlich, die Oberfläche exakt durch NURBS zu beschreiben. Stattdessen erfolgt erfindungsgemäß eine genäherte (weniger rechen- und speicheraufwändige) Beschreibung der Oberfläche (genauer: nur der relevanten, abzufahrenden Bahnen entlang der Oberfläche) auf Basis von Polynomen, Polynomzügen, Kreise oder Ellipsen.
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Auf diese Weise können auch gezielt Abweichungen der Bahn von der Objektoberfläche vorgesehen werden, z. B. bei kleinen Erhebungen oder kleinen Vertiefungen in der Oberfläche.
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Vorteilhafte und daher bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den zugehörigen Unteransprüchen sowie aus der Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung können sich dadurch auszeichnen, dass
- • die ersten Stützstellen jeweils als ein Punkt einer Facettenfläche ausgewählt werden, wobei die Menge der Facettenflächen den Bereich der gekrümmten Oberfläche approximiert.
- • die ausgewählten Punkte der Facettenflächen Schnittpunkte der Facettenflächen mit ersten Hilfsnormalen auf einer Hilfsfläche sind.
- • die ersten Stützstellen jeweils als ein Punkt der Oberfläche ausgewählt werden, wobei die ausgewählten Punkte der Oberfläche Schnittpunkte der Oberfläche mit ersten Hilfsnormalen auf einer Hilfsfläche sind.
- • die ersten Hilfsnormalen senkrecht auf einem ersten Hilfspfad in der Hilfsfläche stehen.
- • auf dem ersten Hilfspfad zueinander beabstandete erste Hilfsstellen ausgewählt werden, an denen die ersten Hilfsnormalen senkrecht auf dem ersten Hilfspfad stehen, wobei die ersten Abstände zwischen benachbarten ersten Hilfsstellen entlang des ersten Hilfspfads gemessen werden und vorzugsweise konstant sind.
- • der erste Hilfspfad als eine Projektion einer sich in die Hauptbewegungsrichtung der Strahleinheit erstreckenden Strecke in die Hilfsfläche vorgegeben wird.
- • die Hilfsfläche ein Bereich einer Ebene, eines Zylindermantels oder einer Kugeloberfläche ist.
- • der erste Hilfspfad ein Abschnitt einer Geraden oder eines Bogens ist.
- • das Approximieren der ersten Stützstellen nach der Methode der kleinsten Fehlerquadrate erfolgt.
- • das erste Polynom ein vektorielles Polynom n-ten Grades ist, wobei n gleich 1, 2, 3, 4 oder 5, bevorzugt 2 oder 3, besonders bevorzugt 3 ist.
- • der erste Polynomzug ein Polynomzug n-ten Grades ist, d. h. eine Funktion, die stückweise aus Polynomen höchstens n-ten Grades zusammengesetzt ist.
- • die Facettenflächen aus einer Menge von xyz-Datensätzen generiert werden, welche bei einem Vermessen des Bereiches der gekrümmten Oberfläche gewonnen werden.
- • die Facettenflächen als Dreiecksflächen generiert werden.
- • die zweiten Stützstellen aus dem ersten Polynom oder dem ersten Polynomzug generiert werden, indem auf einem durch das erste Polynom oder durch den ersten Polynomzug beschriebenen zweiten Hilfspfad voneinander beabstandete zweite Hilfsstellen generiert werden, dass zweite Hilfsnormalen generiert werden, welche an den zweiten Hilfsstellen senkrecht auf dem zweiten Hilfspfad stehen und bevorzugt in einer zur Hilfsfläche senkrechten Ebene liegen, und dass der Abstand der zweiten Stützstellen von dem zweiten Hilfspfad oder von der Oberfläche als ein Arbeitsabstand gewählt wird.
- • der Arbeitsabstand der zweiten Stützstellen von dem zweiten Hilfspfad oder von der Oberfläche zwischen einem vorgegebenen Minimalabstand für die Kollisionsvermeidung (Strahleinheit und Objekt) und einem vorgegebenen Maximalabstand für die Präzisionsbearbeitung (z. B. Druckqualität bei Einsatz eines Tintenstrahl-Druckkopfes mit mindestens einer Düsenreihe quer zur Hauptbewegungsrichtung/Vorwärtsbewegung des Kopfes) gewählt wird.
- • die zweiten Stützstellen als eine Menge von xyz-Datensätzen übergeben werden.
- • außer den zweiten Stützstellen auch drei Winkelwerte an die Steuereinheit des Manipulators übergeben werden, welche die drei Raum-Orientierungen der Strahleinheit oder des Strahls oder der Strahlen an den zweiten Stützstellen beschreiben.
- • die Steuereinheit des Manipulators die Menge der zweiten Stützstellen durch ein zweites Polynom oder einen zweiten Polynomzug approximiert.
- • die Steuereinheit des Manipulators voneinander beabstandete Anfahrstellen für den Manipulator auf einem durch das zweite Polynom oder durch den zweiten Polynomzug beschriebenen Pfad generiert.
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Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen einer Strahleinheit und einem Bereich einer gekrümmten Oberfläche eines dreidimensionalen Objektes, mit einem Manipulator zum Bewegen der Strahleinheit auf einem Pfad in einem Arbeitsabstand zur Oberfläche oder zum Bewegen des Objekts auf einem Pfad in einem Arbeitsabstand zur Strahleinheit und mit einer Steuereinheit zum Steuern der Bewegung, zeichnet sich dadurch aus, dass ein Rechner vorgesehen ist, in dem ein Rechnerprogramm abgearbeitet wird, das die Verfahrensschritte gemäß einem der vorgenannten Ansprüche durchführt, und dass eine Datenschnittstelle vorgesehen ist, über welche wenigstens die zweiten Stützstellen an die Steuereinheit des Manipulators übergeben werden.
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Auch mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden die oben mit Bezug zum erfindungsgemäßen Verfahren genannten Vorteile erreicht.
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Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung können sich dadurch auszeichnen, dass
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- • ein Steuerprogramm, welches die zweiten Stützstellen enthält, über die Datenschnittstelle an die Steuereinheit des Manipulators übergeben wird.
- • der Manipulator ein Gelenkarm-Roboter, ein Portalroboter, ein Linearroboter oder ein Hybridroboter mit Linear- und Gelenkachsen ist.
- • die Strahleinheit eine Einheit ist, die Folgendes abstrahlt:
– Flüssigkeit, insbesondere Tintentropfen oder Farbspray,
– Gas, insbesondere Heißluft,
– Plasma oder Korona oder Ionen,
– Teilchen, insbesondere harte Partikel,
– Moleküle, Atome oder Elementarteilchen, insbesondere Elektronen,
– elektromagnetische Strahlung, insbesondere im Spektralbereich des Infraroten, des Ultravioletten oder im Bereich zwischen etwa 20 kHz und etwa 50 kHz, und/oder
– Schall, insbesondere Ultraschall.
- • die Strahleinheit zumindest einen Tintenstrahl-Druckkopf umfasst.
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Die Erfindung als solche sowie konstruktiv und/oder funktionell vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden nachfolgend unter Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen anhand wenigstens eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In den Zeichnungen sind einander entsprechende Elemente mit jeweils denselben Bezugszeichen versehen.
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Die Zeichnungen zeigen:
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1 eine Perspektivansicht eines Objekts und eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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2 eine Perspektivansicht eines Bereichs des Objekts und (schematisch eingezeichnet) die Verfahrensschritte beim Berechnen des Steuerprogramms gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt eine Perspektivansicht eines Objekts 1 und einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung 4. Das dreidimensionale Objekt, beispielhaft dargestellt als eine Tür eines Fahrzeugs, ist im xzy-Koordinatensystem dargestellt. Das Objekt weißt eine gekrümmte Oberfläche 2, z. B. eine so genannte 3D-Freiformfläche, auf, welcher ein Bereich 3 zugeordnet ist. Das Objekt wird mittels der Vorrichtung innerhalb des Bereichs mit wenigstens einem Strahl 6 beaufschlagt, wozu die Vorrichtung eine Stahleinheit 5 umfasst. Bevorzugt ist die Strahleinheit als ein Tintenstrahl-Druckkopf 5 ausgebildet, welcher wenigstens eine Düsenreihe zur Abgabe von Tintentropfen aufweist. Weiter bevorzugt weist der Druckkopf mehrere Düsenreihen zur Abgabe von Tropfen verschiedener Farben auf (z. B. Vierfarbdruck: CMYK).
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Die Vorrichtung 1 umfasst einen Manipulator 7, beispielhaft dargestellt als ein Gelenkarm-Roboter. Bevorzugt bietet der Manipulator sechs Freiheitsgrade für die Bewegung der Strahleinheit 5 (die drei Raumrichtungen xyz zur Positionierung und drei Drehwinkel zur Ausrichtung der Strahleinheit).
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Die Vorrichtung 1 umfasst eine Steuereinheit 8, welche mit den Antrieben (nicht dargestellt) des Manipulators 7 über eine Steuerschnittstelle 13 verbunden ist. Die Steuereinheit kann Teil des Manipulators und z. B. vom Hersteller bereits in diesen integriert sein. Ferner umfasst die Vorrichtung einen Rechner 9, welcher über eine Datenschnittstelle 12 mit der Steuereinheit verbunden ist. Die Datenschnittstelle kann auch ohne direkte Verbindung mit einem Speichermedium z. B. einem USB-Stick ausgeführt sein. Auf dem Rechner wird ein Rechenprogramm 10 abgearbeitet (dessen Arbeitsweise mit Bezug zur 2 näher erläutert wird). Ergebnis der dabei durchgeführten Berechnungen ist ein Steuerprogramm 11, welches über die Datenschnittstelle an die Steuereinheit übertragen wird. Die Steuereinheit nutzt das Steuerprogramm für die Ansteuerung des Manipulators bzw. seiner Antriebe.
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Der Manipulator 7 bewegt die Strahleinheit 5 auf der Grundlage des Steuerprogramms 11 mit ihrem TCP entlang eines Pfads 14 (vgl. zweiter Polynomzug 51 in 2). Dabei bewegt sich die Strahleinheit in eine vorgegebene Hauptbewegungsrichtung 15 relativ zur Oberfläche 2 bzw. zum Bereich 3 und hält dabei einen vorgegebenen Abstand zur Oberfläche ein (vgl. Arbeitsabstand 61 in 2). Dieser Abstand kann innerhalb eines Bereichs liegen, der durch einen Minimalabstand (zur Kollisionsvermeidung) und einen Maximalabstand (zur Gewährleistung der Präzision der Bearbeitung, z. B. der Druckqualität) begrenzt ist.
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2 zeigt eine Perspektivansicht eines Teils des Objekts 1 bzw. seiner Oberfläche 2 oder deren Bereich 3 und (schematisch eingezeichnet) die Verfahrensschritte beim Berechnen des Steuerprogramms 11 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Unter der Oberfläche 2 oder des Bereichs 3 des Objekts 1 befindet sich eine Hilfsfläche 20. Die Hilfsfläche ist lediglich ein mathematisches Konstrukt, das für die Berechnungen des Rechenprogramms 10 (vgl. 1) nützlich ist, d. h. es handelt sich dabei nicht um eine physische Fläche (entsprechendes gilt auch für die im Folgenden verwendeten Begriffe „Pfad”, „Stelle”, „Punkt”, „Abstand”, „Facette”, „Normale”, „Polygon”). Daher ist auch der Begriff „unter” nur so zu verstehen, dass die Hilfsfläche als Ausgangspunkt der Berechnungen beabstandet zur Oberfläche aufgespannt wird und bezüglich der Strahleinheit 5 zur anschaulichen Darstellung jenseits der Oberfläche liegen kann (vgl. 2). Die Hilfsfläche kann aber auch diesseits der Oberfläche liegen oder die Oberfläche schneiden. Sofern die Oberfläche nur leichte Krümmungen aufweist, kann als Hilfsfläche bevorzugt eine Ebene gewählt werden. Andernfalls kann es vorteilhaft sein, eine dem Verlauf der Oberfläche angepasste Hilfsfläche zu wählen, z. B. einen Bereich eines Zylindermantels oder einer Kugeloberfläche. Die Auswahl der Hilfsfläche und deren Positionierung relativ zur Oberfläche kann von einem Bediener der erfindungsgemäßen Vorrichtung 4 oder durch das Rechenprogramm 10 vorgenommen werden. Die mathematische Beschreibung der Hilfsfläche kann Teil des Rechenprogramms sein. Im gezeigten Beispiel liegt die Hilfsfläche in der xy-Ebene.
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Innerhalb der Hilfsfläche 20 und bevorzugt im Wesentlichen parallel zur Hauptbewegungsrichtung 15 der Strahleinheit 5 (vgl. 1) liegt ein erster Hilfspfad 21 vorgegebener Länge oder mehrere, bevorzugt parallele Hilfspfade. Sofern die Oberfläche nur leichte Krümmungen aufweist, kann als Hilfspfad bevorzugt ein Abschnitt einer Gerade gewählt werden. Andernfalls kann es vorteilhaft sein, einen dem Verlauf der Oberfläche angepassten Hilfspfad zu wählen, z. B. einen Abschnitt eines gebogenen oder kurvigen Pfads. Die Auswahl des Hilfspfads und dessen Richtung kann von einem Bediener der erfindungsgemäßen Vorrichtung 4 oder durch das Rechenprogramm 10 vorgenommen werden. Die mathematische Beschreibung des Hilfspfads kann Teil des Rechenprogramms sein. Im gezeigten Beispiel bildet der Hilfspfad einen Winkel 60 zur y-Achse. Der erste Hilfspfad kann bevorzugt als eine Projektion einer sich in die Hauptbewegungsrichtung 15 der Strahleinheit erstreckenden Strecke 5 in die Hilfsfläche 20 vorgegeben werden. Als weiterer Parameter kann auch noch die Geschwindigkeit der Bewegung und die Neigung der Strahleinheit 5 um eine in Hauptbewegungsrichtung 15 liegende Achse vorgegeben werden.
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Entlang des ersten Hilfspfads 21 werden durch das Rechenprogramm 10 erste Hilfsstellen 22 im gegenseitigen und bevorzugt konstanten ersten Abstand 24 (gemessen entlang des ersten Hilfspfads) gewählt. An den ersten Hilfsstellen berechnet das Rechenprogramm erste Hilfsnormalen 23. Diese stehen senkrecht auf dem ersten Hilfspfad und bevorzugt senkrecht auf der Hilfsfläche 20.
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Der Bereich 3 der gekrümmten Oberfläche 2 des Objekts 1 wird durch das Rechenprogramm 10 durch eine Vielzahl von Facetten 31 approximiert. Diese Facetten, bevorzugt Dreiecksflächen bzw. deren drei jeweilige Eckpunkte (alternativ: Vierecksflächen oder sonstige ebene Flächenelemente), können dem Rechenprogramm von einer (nicht dargestellten) Vorrichtung zur dreidimensionalen Vermessung (Scannen) der Oberfläche z. B. in Form so genannter STL-Daten übergeben werden (die STL-Daten können dabei aus einer so genannten „Punktewolke” als Ergebnis des Scanvorgangs gewonnen werden). Alternativ können dem Rechenprogramm auch die Oberfläche beschreibende CAD-Daten oder daraus abgeleitete Daten (NURBS im so genannten STEP-Format) übergeben werden. In 2 sind nicht alle die Oberfläche annähernden, sondern beispielhaft nur ausgewählte Facetten (solche „über” den ersten Hilfsstellen 22) dargestellt.
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Da die Oberfläche 2 in der Praxis mit mehreren Hunderttausend oder Millionen Facetten 31 beschrieben werden kann, erfolgt im bevorzugten Ausführungsbeispiel zunächst eine Datenaufbereitung, um den Pfad 14 trotz dieser gewaltigen Datenmenge in wenigen Sekunden planen zu können. Die Facetten sind durch die Koordinaten (x, y, z) jeweils dreier Punkte im Raum eindeutig definiert. Die Reihenfolge der Punkte kann die Orientierung der Oberfläche festlegen. Bei der Datenaufbereitung werden nun für jedes Dreieck die minimalen und maximalen Koordinatenwerte xMin, xMax, yMin, yMax, zMin, zMax bestimmt, die den kleinstmöglichen Würfel mit Kanten parallel zu den Koordinatenachsen beschreiben, der das Dreieck vollständig umschließt. Bei Oberflächen, bei denen sich die dritte Koordinate eindeutig als Funktion der anderen beiden Koordinaten darstellen lässt, reicht die Bestimmung der minimalen und maximalen Koordinatenwerte dieser zwei Koordinaten.
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Das Rechenprogramm 10 ermittelt den Schnittpunkt 32 der ersten Hilfsnormalen 23 mit einer Facette 31 und wählt diesen Schnittpunkt als eine erste Stützstelle 30 aus. Mit anderen Worten: die erste Hilfsnormale durchstößt die Oberfläche 2 in einem Punkt einer Oberflächen-Facette, der für die weiteren Rechenschritte als Stützstelle dient. Auf diese Weise wird ermittelt, welche Facetten jeweils „über” den ersten Hilfsstellen 22 liegen. In einer Facette können auch mehrere Schnittpunkte liegen.
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Die ersten Stützstellen 30 bzw. eine Menge solcher Stützstellen werden von dem Rechenprogramm 10 durch ein erstes Polynom 33 oder einen ersten Polynomzug 33 (auch „Spline” genannt), ggf. vektorielles Polynom oder vektorieller Polynomzug, approximiert. Durch diesen erfindungswesentlichen Schritt wird es in vorteilhafter Weise möglich, eine für die Behandlung der Oberfläche 2 mit einem Arbeitsabstand, insbesondere für das Bedrucken, geeignete Bahn (vgl. Pfad 14) zu generieren, wobei diese Bahn bzw. der entsprechende Pfad nicht selbst auf den STL-Daten, sondern auf einem Polynom oder einem Polynomzug beruht. Diese Approximation kann bevorzugt nach der Methode der kleinsten Quadrate erfolgen. Durch die Approximation wird ein Polynom oder ein Polynomzug möglichst geringer Ordnung bestimmt, welches/welcher den Verlauf der ersten Stützstellen 30 hinreichend gut annähert. Versuche mit Kfz-Türen (und somit bei deren üblichen Krümmungen) haben gezeigt, dass ein mehr als 70 cm langer Verlauf mit mehr als 70 ersten Stützstellen durch ein Polynom 3. Grades hinreichend gut approximiert werden kann.
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Allgemein lässt sich der erste Hilfspfad
21 als Funktion einer einzigen Variablen p darstellen, so dass auch kurvenförmige Hilfspfade möglich sind. Die Koordinatenwerte x(p) und y(p) sind dann Funktionen von p. An vorzugsweise aber nicht notwendigerweise äquidistanten Variablenwerten p1, ..., pn oder ersten Hilfsstellen
22 können dann die Funktionswerte zi = f(x(pi), y(pi)) = f(pi) berechnet werden. Zur Bestimmung des Funktionswerts zi = f(x(pi), y(pi)) kann zunächst die Facette
31 bestimmt werden, die die erste Hilfsnormale
23 schneidet. Auf Basis der durch die Größen xMin, xMax, yMin, yMax, zMin, zMax definierten Einhüllungsquader kann die Zahl der für einen Schnittpunkt in Frage kommenden Facetten auf wenige reduziert werden, indem z. B. nur diejenigen für eine Schnittpunktprüfung weiter betrachtet werden, für welche xMin ≤ x(pi) ≤ xMax und yMin ≤ y(pi) ≤ yMax gilt. Die in Frage kommenden Facetten können nun daraufhin geprüft werden, ob sie die Hilfsnormale schneiden. Dazu können z. B. die Variablen c1, c2 und c3 gemäß der Gleichung
für jedes in Frage kommende Dreieck berechnet werden, wobei die Punkte p1(x1, y1, z1), p2(x2, y2, z2) und p3(x3, y3, z3) die Eckpunkte der Facette sind. Die Gerade schneidet eine Facette, falls 0 ≤ c1 ≤ 1 und 0 ≤ c2 ≤ 1 und 0 ≤ c3 ≤ 1 gilt. Der dem z-Wert des Schnittpunkts entsprechende Funktionswert ergibt sich dann zu zi = f(x(pi), y(pi)) = c1·z1 + c2·z2 + c3·z3. Durch die zweistufige Prüfung ist die Bestimmung der Funktionswerte zi sehr schnell, so dass die Planung des Pfades
14 auch bei aus sehr vielen Facetten bestehenden 3D-Modellen der Oberfläche
2 in wenigen Sekunden ausgeführt werden kann. An die resultierenden Wertepaare (pi, zi) kann nun das erste Polynom
33 oder der erste Polynomzug
33 wählbarer Ordnung mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate approximiert werden. Es resultiert ein eindimensionales Höhenprofil z(p) als Funktion von p und mit x(p) und y(p) die Oberflächenbahn (x(p), y(p), z(p)) im dreidimensionalen Raum. Alternativ ist auch eine Approximation durch mehrere Polynome oder Polynomzüge möglich. Es ist sinnvoll, den Grad der Polynome oder Polynomzüge möglichst klein aber so groß wie nötig zu wählen, damit die maximale Abweichung zwischen einem Pfad, welcher dem ersten Polynom oder ersten Polynomzug entspricht (siehe unten: zweiter Hilfspfad
40), und der durch Daten beschriebenen Oberfläche
2 im Bereich der Druckbahn nicht zu groß wird. Da Sprungstellen die mögliche Bahngeschwindigkeit zur Vermeidung großer Beschleunigungen und Rücke im Allgemeinen deutlich reduzieren, ist es vorteilhafter, jede Druckbahn mit einem einzelnen Polynom oder Polynomzug zu approximieren. Auch durch Erhöhung des Grades eines Polynoms oder Polynomzugs lassen sich die Abweichungen reduzieren.
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Das erste Polynom 30 oder der erste Polynomzug 30 beschreibt einen zweiten Hilfspfad 40. Entlang des zweiten Hilfspfads werden durch das Rechenprogramm 10 zweite Hilfsstellen 41 im gegenseitigen und bevorzugt konstanten Abstand 43 (gemessen entlang des zweiten Hilfspfads) gewählt. Das Rechenprogramm generiert zweite Hilfsnormalen 42, welche an den zweiten Hilfsstellen senkrecht auf dem zweiten Hilfspfad stehen und bevorzugt in einer zur Hilfsfläche 20 senkrechten Ebene liegen.
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Das Rechenprogramm 10 wählt einen Arbeitsabstand 61 und generiert zweite Stützstellen 50 auf den zweiten Hilfsnormalen im Arbeitsabstand von der Oberfläche, d. h. von dem ersten Polynom 30 oder von dem ersten Polynomzug 30, welches/welcher die Oberfläche approximiert. Der Arbeitsabstand entspricht dabei im Wesentlichen dem Abstand des TCP der Strahleinheit 5 von der Oberfläche 2. Bei einem ausgedehnten Tintenstrahl-Druckkopf als Strahleinheit und beim Bedrucken einer Oberfläche, welche lateral zu Hauptbewegungsrichtung gekrümmt ist, weisen einzelne Düsen des Kopfes unterschiedliche Abstände zur Oberfläche auf. Der Arbeitsabstand kann in diesem Fall z. B. als ein zulässiger Abstand einer äußeren Düse oder einer mittleren Düse der Düsenreihe vorgegeben werden. Die zweiten Stützstellen werden von dem Rechner 9 an die Steuereinheit 8 übergeben (vgl. 1). Die zweiten Stützstellen könne dabei als eine Menge von xyz-Datensätzen übergeben werden. Die Übergabe der Daten über die Datenschnittstelle 12 (vgl. 1) kann bevorzugt als eine Übergabe der Daten in Form eines Steuerprogramms bzw. aufgenommen in ein Steuerprogramm für die Steuereinheit erfolgen. Außer den zweiten Stützstellen können bevorzugt auch noch drei Winkelwerte an die Steuereinheit übergeben werden, welche die drei Raum-Orientierungen der Strahleinheit oder des Strahls oder der Strahlen an den zweiten Stützstellen beschreiben.
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Nach erfolgter Übergabe approximiert die Steuereinheit 8 die Menge der zweiten Stützstellen 50 durch ein zweites Polynom 51 oder einen zweiten Polynomzug 51, wobei das Polynom oder der Polynomzug dem in 1 dargestellten Pfad 14 für den TCP der Strahleinheit 5 entspricht. Hierzu generiert die Steuereinheit von einander beabstandete Anfahrstellen 52 für den Manipulator 7 (genauer: für den TCP der Strahleinheit, der mittels des Manipulators relativ zur Oberfläche 2 bewegt wird) auf dem durch das zweite Polynom oder durch den zweiten Polynomzug beschriebenen Pfad.
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Der TCP der Strahleinheit 5 wird nun mittels des Manipulators 7 von einer Anfahrstelle 52 zur nächsten bewegt. Dabei wird die Stahleinheit 5 aktiviert und die Oberfläche 2 im Bereich 3 (genauer: auf einer dem Pfad 14 folgenden linien- oder streifenförmigen Bahn) bestrahlt, bevorzugt bedruckt. Beim Bedrucken ist es somit auch erforderlich, dass der Druckkopf 5 synchron zur Relativbewegung zum Objekt 1 mit den erforderlichen Druckdaten zur Erzeugung des Druckbildes an der gewünschten Position auf der Oberfläche 2 versorgt wird. Hierzu kann eine (nicht dargestellte) Druckkopf-Steuerung vorgesehen sein.
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Während der Manipulator 7 die Strahleinheit 5 entlang des Pfades 14 bewegt, wird die Strahleinheit synchron zur Bewegung oder zur jeweiligen Position des Manipulators angesteuert, so dass die Strahlen, insbesondere Tintentropfen-Strahlen, an den vorgesehenen Stellen der Oberfläche 2 landen. Um die Komplexität der Anwendung zu reduzieren, greift die Steuerung 8 des Manipulators und die Druckkopf-Steuerung im präferierten Ausführungsbeispiel nicht auf die ursprünglichen 3D-Oberflächendaten zu. Stattdessen sieht die Erfindung bevorzugt vor, dass die Steuereinheit 8 auch die Parameter der zweiten Polynome 51 oder zweiten Polynomzüge 51 speichert, an die Druckkopf-Steuerung überträgt und die Druckkopf-Steuerung aus diesen Polynomen oder Polynomzügen die für die Synchronisierung der Ansteuerung der Düsen des Druckkopfs relativ zur Oberfläche 2 erforderlichen Informationen berechnet.
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Um den Druckkopf 5 mit konstanter Geschwindigkeit während des Druckens über den Pfad 14 bzw. die entsprechende Druckbahn bewegen zu können, ist ein Beschleunigungsbereich vor der Druckbahn und ein Verszögerungsbereich hinter der Druckbahn erforderlich, deren Länge unter anderem von den gewählten Bewegungsparametern Maximalruck, Maximalbeschleunigung und Maximalgeschwindigkeit abhängen. Um störende Schwingungsanregungen oder eine Geschwindigkeitsreduktion aufgrund von Unstetigkeitsstellen zu vermeiden, ist es sinnvoll, dass – wie im Bereich der Druckbahn – auch in den Beschleunigungs- und Bremsbereichen Stützstellen auf dem durch ein Polynom oder einen Polynomzug beschriebenen Pfad gewählt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Objekt, z. B. Kfz-Karosserieteil oder -Tür
- 2
- Oberfläche, z. B. Außenoberfläche
- 3
- Bereich der Oberfläche, welcher behandelt wird
- 4
- Vorrichtung
- 5
- Strahleinheit, z. B. Tintenstrahl-Druckkopf
- 6
- Strahl, z. B. Tintentropfen-Strahl
- 7
- Manipulator, z. B. Gelenkarm-Roboter
- 8
- Steuereinheit des Manipulators
- 9
- Rechner der Vorrichtung
- 10
- Rechenprogramm
- 11
- Steuerprogramm
- 12
- Datenschnittstelle
- 13
- Steuerschnittstelle
- 14
- Pfad des TCP der Strahleinheit
- 15
- Hauptbewegungsrichtung
- 20
- Hilfsfläche
- 21
- erster Hilfspfad
- 22
- erste Hilfsstelle
- 23
- erste Hilfsnormale
- 24
- erster Abstand
- 30
- erste Stützstelle
- 31
- Facettenfläche
- 32
- Schnittpunkt
- 33
- erstes Polynom/erster Polynomzug
- 40
- zweiter Hilfspfad
- 41
- zweite Hilfsstelle
- 42
- zweite Hilfsnormale
- 43
- zweiter Abstand
- 50
- zweite Stützstelle
- 51
- zweites Polynom/zweiter Polynomzug
- 52
- Anfahrstelle
- 60
- Winkel
- 61
- Arbeitsabstand
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012006371 A1 [0003]
