打印方法和系统
阅读说明：本技术 打印方法和系统 (Printing method and system ) 是由 菲利普·柯林斯 尼古拉斯·坎贝尔·格迪斯 于 2019-09-16 设计创作，主要内容包括：一种控制系统的方法,所述系统包括用于在至少一个表面上打印图像的打印头,其中,所述至少一个表面的形状与公称表面的形状相差已知的容差,并且其中,所述打印头和所述至少一个表面沿着包括至少一个条带的预定打印路径相对于彼此移动。在初遍打印中,将小的预定点图案(称为“路径查找器(pathfinders)”)打印在物体的表面上,然后分析打印的点图案,例如使用机器视觉系统。然后可以根据该分析来计算出必要的校正,并将其应用于随后的全遍打印。(A method of controlling a system comprising a print head for printing an image on at least one surface, wherein the shape of the at least one surface differs from the shape of a nominal surface by a known tolerance, and wherein the print head and the at least one surface are moved relative to each other along a predetermined print path comprising at least one swath. In a first pass, a small predetermined dot pattern (known as a "pathfinders") is printed on the surface of an object and the printed dot pattern is then analysed, for example using a machine vision system. The necessary corrections can then be calculated from this analysis and applied to the subsequent full pass printing.)
技术领域
本发明的各方面通常涉及喷墨打印系统，并且具体地，涉及用于对固有定位误差进行校正的喷墨打印系统的方法和系统。
背景技术
现代喷墨打印系统通常包括含有多个液滴喷射装置的打印头(也称为“喷嘴”)，其形成喷嘴阵列。每个喷嘴通常包括致动器，该致动器被布置为在被致动时从喷嘴喷射墨水。这样的致动器包括例如压电致动器。
致动器由驱动电子设备(电子驱动电路)驱动，所述驱动电子设备提供电压波形或公共驱动信号，其被配置为导致墨水从喷嘴喷射。例如，致动事件在喷嘴的墨室中产生压力脉冲，其继而分配墨滴。
在许多应用中，驱动电子装置向许多喷嘴提供公共驱动信号，并且单独的或集成的控制器向打印头提供数据切换，从而确定在致动事件的给定实例中，哪个喷嘴要喷射墨水。与共享致动事件相关联的一组喷嘴的数据被称为“条纹数据(stripe data)”。
通过安排驱动信号和切换输入的协调序列，当打印头和基板(物体表面)相对于彼此移动时，打印头以像素阵列的形式在基板上产生图像。这适用于但不限于单遍(single-pass)打印系统和扫描打印系统。用于这种经协调的致动事件序列的数据是“条纹数据(stripe data)”的一个或多个实例，被称为“条带数据(swathe data)”。在打印期间由每个打印头寻址的区域通常被称为“条带(swathe)”。
打印分辨率是指单位距离内打印的点数，并且间距是其倒数。例如，间距为254μm的打印点的分辨率可描述为每英寸(2.54cm)100个点(2.54厘米)。处理方向分辨率是沿着喷嘴阵列和表面之间的相对路径的打印点间距。交叉处理分辨率是垂直于此的打印点间距。除非另有说明，否则“分辨率”表示处理方向的分辨率。
许多喷墨打印系统呈现出固有的定位误差，该定位误差太大，以至于无法进行校正就进行准确的打印。这些误差可以例如是由于打印过程中的不准确性(例如，机器人定位系统中的细微误差和/或由打印头方向变化引起的喷射变化)，这些误差基本上是可重复的，但是通过系统校准和/或制造物体的尺寸变化来校正将是困难或昂贵的。
对于这些问题，除了别的以外，根据本发明的方面试图提供一种解决方案。
发明内容
根据本发明的第一独立方面，本发明提供了一种控制系统的方法，该系统包括用于在至少一个表面上打印图像的打印头，其中，所述至少一个表面的形状与公称表面的形状相差已知的容差，并且其中，所述打印头和所述至少一个表面沿着包括至少一个条带的预定打印路径相对于彼此移动，所述方法包括以下步骤：
提供用于在所述公称表面上打印所述图像的第一条带数据；
提供用于所述至少一个条带的第二条带数据，其中，所述第二条带数据限定由所述打印头制成的标记序列，当打印在所述公称表面上时，所述标记序列产生预定点图案序列，其中，来自所述点图案序列的至少一对点图案具有公称几何关系；
在所述至少一个表面上打印所述第二条带数据；
为所述至少一对点图案中的至少一个，确定打印在所述至少一个表面上的所述至少一对点图案的实际几何关系；
将所述实际几何关系与所述公称几何关系进行比较以确定至少一个差异；以及
通过对所述第一条带数据进行调整以补偿所述至少一个差异来提供第三条带数据。
本发明的各方面对于校正任何原因引起的打印位置误差是有利的，尤其是当打印在具有弯曲表面并且由于制造差异而不同于公称形状的物体(形状)上进行打印时。在初遍打印(preliminary printing pass)中，将小的预定点图案(称为“路径查找器”)打印在物体的表面上，然后分析打印的点图案，例如使用机器视觉系统。然后可以根据该分析来计算出必要的校正，并将其应用于随后的全遍打印(full printing pass)中。
本方面的“公称几何关系”是指序列中的点图案的物理结构。例如，可以以已知的间隔打印点序列，使得在相邻点之间存在公称的点间距。
在一个从属方面，所述方法还包括在所述至少一个表面上打印所述第三条带数据的步骤。
在一个从属方面，沿着所述预定打印路径提供所述预定点图案序列。这使得能够补偿引起处理方向上的点放置变化的误差。
在一个从属方面，预定点图案序列包括以相对于所述预定打印路径的已知方向提供点图案子序列。取向的知识使得能够识别点图案并测量它们之间的几何关系的变化。
在一个从属方面，所述预定打印路径包括至少两个条带，其中，所述对中的第一点图案对应于来自所述至少两个条带的第一条带，并且其中，所述对中的另一点图案对应于来自所述至少两个条带的第二条带。例如，这可以通过应用与所述对中的第一点图案和其他点图案之间的几何关系的变化相对应的校正来进行条带的对准。
在一个从属方面，所述打印头被配置为用多个不同的墨水打印。在另一个从属方面，所述打印头被配置为用第一墨水打印，所述系统包括被配置为用第二墨水打印的另一打印头。第一墨水可以不同于第二墨水，例如具有不同颜色。在不同颜色之间实现精确配准是有利的。
在从属方面中，所述预定点图案序列被选为具有变化的间隔和位置以减小可由人类视觉检测的结构。使“路径查找器”点不太明显是有利的。
在一个从属方面，当打印所述第三条带数据时，所述预定点图案序列中的至少一个预定点图案被定位在将要打印的所述至少一个表面上的区域中。有利的是，因此可以通过将尽可能多的点图案布置在它们将被打印的校正图像覆盖的位置中以及在图像空白的区域中很少或不布置这些点图案来隐藏“路径查找器”点图案。将理解的是，至少一个表面的区域在最大公差内在公称表面中具有相应的区域；优选地，仔细地选择公称表面上的区域，使得在打印时通过至少一个表面的相应区域来实现隐藏。
在一个从属方面，当打印所述第三条带数据时，所述预定点图案序列中的至少一个预定点图案被定位在不会用相同或类似墨水打印的所述至少一个表面上的区域中，其中，通过不打印已测量其实际几何关系的点来修改所述第三条带数据以补偿所述至少一个预定点图案的存在。有利的是，因此可以通过将尽可能多的点图案布置在将以其他方式通过将要打印的校正图像来打印它们的位置以及在图像空白的区域中很少或不布置的位置来隐藏“路径查找器”点图案。
在一个从属方面，当打印所述第三条带数据时，所述预定点图案序列中的至少一个预定点图案被定位在将不被打印的所述公称表面上的区域中，其中，所述第三条带数据被配置为选用与所述至少一个未打印的表面的颜色相似的墨水来打印在所述至少一个预定点图案上，以隐藏所述至少一个预定点图案。有利的是，因此可以在图像空白的区域中隐藏“路径查找器”点图案。
在一个从属方面，使用不在所述至少一个表面上留下永久可见标记的墨水在所述至少一个表面上打印所述第二条带数据。例如，这可以是可在其蒸发之前进行测量的挥发性墨水，或在可见光谱中透明但在其他照明(例如红外线或紫外光)下可见的墨水。
在从属方面，确定所述实际几何关系的步骤包括使用数字相机和图像处理模块，其中，所述图像处理模块被配置为分析在已打印的第二条带数据中打印点的相对位置，并且识别包括所述至少一个点图案的点组。另一从属方面，所述图像处理模块被配置为将所述实际几何关系与所述公称几何关系进行比较，以确定所述至少一个差异。
根据本发明的第二个独立方面，提供了一种控制系统的方法，该系统包括用于在至少一个表面上打印图像的打印头，其中，所述至少一个表面的形状与公称表面的形状相差已知的容差，并且其中，所述打印头和所述至少一个表面沿着包括至少一个条带的预定打印路径相对于彼此移动，所述方法包括以下步骤：
提供用于在所述公称表面上打印所述图像的第一条带数据；
提供用于所述至少一个条带的第二条带数据，其中，所述第二条带数据限定由所述打印头制成的标记序列，当打印在所述公称表面上时，所述标记序列产生预定点图案序列，其中，来自所述点图案序列的至少一点图案具有公称几何关系；
在所述至少一个表面上打印所述第二条带数据；
为所述至少一个点图案中的至少一个，确定打印在所述至少一个表面上的所述至少一个点图案的所述实际几何关系和对应于所述公称表面的所述特征的所述至少一个表面的特征；
将所述实际几何关系与所述公称几何关系进行比较以确定至少一个差异；以及
通过对所述第一条带数据进行调整以补偿所述至少一个差异来提供第三条带数据。
该方面中的最小公称几何关系是指所述序列中的点图案与所述至少一个表面的特征之间的预期关系(距离和/或定位)。例如，特征可以是直边缘或圆孔，或其他已知形状，并且可以通过校正相对于特征的误差来保留图像中的对应的规则形状。应当理解的是，在所述至少一个表面上可以存在多个这样的特征。
根据本发明的第三个独立方面，提供了一种系统，包括打印头，所述打印头被配置为在至少一个表面上打印图像，其中，所述至少一个表面的形状与公称表面的形状相差已知的容差，并且其中，所述打印头和所述至少一个表面沿着包括至少一个条带的预定打印路径相对于彼此移动，所述系统还包括处理器，所述处理器被配置为：
提供用于在所述公称表面上打印所述图像的第一条带数据；以及
以及提供用于所述至少一个条带的第二条带数据，其中，所述第二条带数据限定要由所述打印头制成的标记序列，当打印在所述公称表面上时，所述标记序列产生预定点图案序列，其中，来自所述点图案序列的至少一对点图案具有公称几何关系；
其中，所述打印头还被配置为在所述至少一个表面上打印所述第二条带数据；
其中，所述处理器还被配置为：
为所述至少一对点图案中的至少一个，当打印在所述至少一个表面上时，确定所述至少一对点图案的所述实际几何关系；
将所述实际几何关系与所述公称几何关系进行比较以确定至少一个差异；以及
通过对所述第一条带数据进行调整以补偿所述至少一个差异来提供第三条带数据。
根据本发明的第四个独立方面，提供了一种系统，包括打印头，所述打印头被配置为在至少一个表面上打印图像，其中，所述至少一个表面的形状与公称表面的形状相差已知的容差，并且其中，所述打印头和所述至少一个表面沿着包括至少一个条带的预定打印路径相对于彼此移动，所述系统还包括处理器，所述处理器被配置为：
提供用于在所述公称表面上打印所述图像的第一条带数据；以及
以及提供用于所述至少一个条带的第二条带数据，其中，所述第二条带数据限定要由所述打印头制成的标记序列，当打印在所述公称表面上时，所述标记序列产生预定点图案序列，其中，来自所述点图案序列的至少一个点图案和所述公称表面的特征具有公称几何关系；
其中所述打印头还被配置为在所述至少一个表面上打印所述第二条带数据；
其中，所述处理器还被配置为：
为所述至少一个点图案中的至少一个，确定打印在所述至少一个表面上的所述至少一个点图案的所述实际几何关系和对应于所述公称表面的所述特征的所述至少一个表面的特征；
将所述实际几何关系与所述公称几何关系进行比较以确定至少一个差异；以及
通过对所述第一条带数据进行调整以补偿所述至少一个差异来提供第三条带数据。
在一个从属方面，还包括数字相机和图像处理模块，所述图像处理模块被配置为确定所述实际几何关系。
在一个从属方面，提供了一种包括根据第三个或第四个独立方面的系统的打印系统。
独立权利要求中的每个独立权利要求的优选特征在从属权利要求中提供。
附图说明
现在将参考附图仅以举例的方式描述本发明的各方面，其中：
图1是在打印形状之前进行的准备方法步骤(一次，初遍)的示意图；
图2是准备步骤之后的方法步骤的示意图(每个对象可重复)；
图3(a)至3(c)是条带对准图案的示意图；
图4(a)和4(b)是条带进度图案的示意图；
图5是打印的条带对准图案的成像组以及它们的实际几何关系的测量的示意图。
具体实施方式
提供了一种示例性打印系统以涂覆或装饰一系列物体的表面，每个物体具有相同的公称形状(公称物体表面)，但经受几百微米的公差。图1示出了在打印第一物体之前执行一次的准备步骤。图2示出了一旦完成准备步骤，将对每个物体重复的方法步骤。
在步骤S10，计算出公称物体表面的“打印路径”。“打印路径”描述了打印头相对于用于打印的表面的相对运动。打印路径描述了在喷咀下经过的表面上的多个位置。确定单个喷咀的路径在目标表面上提供喷咀迹线的轨迹。即使喷咀的布置是静态的并且物体移动，或者两运动都移动以提供相对运动，该相对运动也是相等的。
当确定打印路径时，必须允许足够的打印头间隙，以避免打印头碰撞在公差内的任何物体。
在步骤S21，生成用于在公称物体表面上打印图像的第一条带数据。在步骤S22，生成包括“路径查找器”点图案的第二条带数据。路径查找器图案是各个点(点图案)的组。将理解的是，步骤S21和S22也可以相反的顺序执行。
设计点图案是很重要的，从而可以通过观察小组点的相对位置来进行测量，从而消除了实现绝对定位精度的需要。
路径查找器点图案可以是以下类型：
1.“条带对准图案”，表示应该与相邻条带中的类似图案保持已知对准的点图案。
2.“条带进度图案”，表示记录打印头沿条带的相对运动的点图案。
3.“特征对准图案”，表示应该与公称表面的特征中的已知对准的点图案。
4.“颜色配准图案”，表示应该正确配准的不同颜色墨水的点图案。
因此，路径查找器点图案之间可以具有已知的几何关系(形成对的路径查找器点图案)，或者它们可以与公称物体表面上的特征处于已知的几何关系。应当理解的是，上述不是路径查找器图案类型的排他列表。
图3(a)至3(c)各自示出了上面列出的第一类型的路径查找器点图案的三个示例。在两个条带在交叉处理方向上重叠的区域中，在水平条带边界上已经打印了条带对齐图案10、20。左侧点10作为上条带的一部分打印，右侧点20作为下条带的一部分打印。
如果定位误差为零，则在交叉处理方向中的点的相对位置将是公称(图3(a))。如果右侧点20高于左侧点10，则存在重叠(图3(b))。如果右侧点20低于左侧点10，则存在间隙或欠重叠(图3(c))。应当理解的是，实际上，点图案将被充分地分离，使得图像处理模块可以明确地定位它们并且提取出重叠测量。
图4(a)至图4(b)各自示出了第二类型的路径查找器点图案的两个示例。在这两种图案中，点以规则的间隔打印。“间隔”是指例如时间间隔或编码器脉冲之间的间隔。在图4(a)的示例中，打印点的序列包括均匀间隔(以公称点间距)的点30。在图4(b)的示例中，两个相邻点40之间的距离变化。
点放置的变化可能是由于打印路径和表面尺寸误差的组合。例如，在打印头由机器人手臂控制的情况下，机器人定位中可能会出现误差。对于静态姿态，这些误差的绝对值可以是几百微米，对于动态路径，则可能更大。但是，重复精度通常非常好-通常高达20-30微米。其他可能的误差来源是预期的制造物体尺寸的变化(例如，由于注射模制公差)。
当准备方法步骤完成后，对每个物体重复以下步骤(图2)：
在步骤S30，在物体的表面上打印具有路径查找器点图案的第二条带数据。第二条带数据可以包括上述的一种或多种类型的“路径查找器”图案。
在步骤S40，通过已知的图像捕获装置，例如照相机或机器视觉系统，对打印的点图案进行成像。所捕获的图像应当具有至少等于所需打印精度的分辨率，优选地具有比点间距的两倍更好的精度。
在步骤S50，针对成像的路径查找器点组测量实际的几何关系，例如相关尺寸。例如，图像处理模块可以用于分析打印的第二条带中的打印点的相对位置，并且识别包括所述至少一个点图案的点组。所述测量应当允许例如相机视点和镜头的几何形状。
图5示出了成像的点图案组的示例以及由成像处理模块识别的两个点图案50、60(分别为左侧和右侧的三联体)之间的实际几何关系的示意性分析。在该示例中，图案50中的一个由第一条带和另一图案60通过第二条带打印。
在步骤S60，将实际几何关系与公称几何关系(例如，图3(a)中所示的类型)进行比较。从图5可以看出，实际几何关系表示在两个条带(图3(b)中所示的类型)之间存在重叠。因此，在步骤S50使用测量和图像分析，可以计算补偿打印误差所需的校正(失真)，例如，条带未对准和/或打印头速度变化。
在步骤S70，将校正应用于第一条带数据(待打印的图像)以产生第三条带数据。在步骤S80，将第三条带数据(已校正图像)打印到物体的表面上。
本领域技术人员将理解，通过“打印头”，我们理解任何形式的标记制作装置，例如喷墨打印头、激光蚀刻装置、机械划线或冲头。因此，本发明的上下文中的“图像”描述了要在物体的表面上进行的标记的任何布置。这可以包括但不限于图形、文本、功能材料，涂层或预处理、蚀刻或抗性化学、粘合剂或生物材料。
本领域技术人员将能够鉴于落入所附权利要求书的范围内的公开内容进行修改和替换。本说明书中公开或示出的每个特征可以单独地或与本文中公开或示出的任何其他特征以任何适当的组合结合在本发明中。
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