對列印頭定位系統的控制的製作方法

2023-05-15 10:26:16

專利名稱：對列印頭定位系統的控制的製作方法
技術領域：
本發明涉及用於在噴墨列印設備中定位列印頭組件的系統。具體而 言，本發明涉及具有智能補償裝置的伺服控制系統。
背景技術：
噴墨列印
列印是將信息傳達至公眾成員的一種最普及的方式。使用點矩陣打 印機的數字列印允許迅速列印存儲在諸如個人電腦的計算裝置上的文 本及圖形。這些列印方法允許以較經濟的價格將思想及概念迅速轉化為 列印製品而不會浪費時間並專門製造諸如平版的中間列印版。數字列印 方法的發展已經使得即使在家庭環境下普通人也可較經濟的實現打 印。
常M^點矩陣列印方法通常涉及使用列印頭，例如，具有多個列印元 件(例如，噴墨嘴)的噴墨列印頭。列印元件從列印頭向諸如紙或塑料 的列印介質傳輸諸如墨水或樹脂的列印材料。列印可以是諸如黑色的單 色、或諸如使用CMY(青色、品紅色、黃色、黑色=由(:、M、 Y的結 合形成的處理黑色)、CMYK(青色、品紅色、黃色、黑色)、或特殊 彩色方案(例如，CMYK加一個或更多附加點或特殊彩色)的全彩列印 的多色。為了列印諸如紙或塑料的列印介質，以特殊順序使用或"發射" 列印元件，同時列印介質相對於列印頭運動。每次發射列印元件，諸如
介質。通常，在一種形式的印表機中，將使頭相對於列印介質運動以產 生例如穿過頁面在第一方向上延伸的所謂光柵線(raster line)。第一方 向有時被稱為"快速掃描"方向。光柵線包括通過列印頭的列印元件輸 送至列印介質上的一系列點。列印介質通常在與第一方向垂直的第二方 向上間歇運動。第二方向通常被稱為慢速掃描方向。
列印光柵線以及相對於列印頭移動列印介質的結合形成通常緊密 布置的一系列平行光柵線。從遠處觀察，在這些點足夠接近的情況下， 人眼觀察到完整圖像而不會將圖像分辨為獨立點。不同顏色緊密布置的
點不會被獨立地辨識而是顯現出由已經使用的青色、品紅色以及黃色三 種顏色的量或濃度所決定的顏色。
為了改進例如直線的列印精度，優選地，如果點矩陣的點之間的間 距較小，則列印具有較高解析度。儘管高解析度不總是意味著好的打 印，但最小解析度是高質量列印所必需的。在慢速掃描方向上較小的點 間隔意味著列印頭上列印元件之間較小的間距，而在快速掃描方向上以 較小間距規則分布的點對用於在快速掃描方向上相對於列印介質移動 列印頭的驅動質量造成限制。
通常，在其發射前，有用於將列印元件定位在列印介質上適當位置
的機構。通常，這樣的驅動機構由微處理器、諸如PAL、 PLA、 FPGA 或類似裝置的可編程數字裝置控制，儘管本領域技術人員將理解任何由 軟體控制的裝置均可由專用硬體來控制，而軟體僅是一種實施策略。
大部分上述列印利用僅能夠在相對較小區域上進行列印的小型設 備在家庭及辦公環境下完成。大部分常用的紙張格式是諸如ISO 216 A4 紙尺寸及ANSI/ASME Y14.1 Letter格式的標準辦公格式。大型印表機通 常可以在IS0216A3或ANSI/ASMEY14.1 Tabloid格式上進行列印。
整體而言，這些印表機在尺寸及產出量上有限。
近來，例如噴墨印表機已經涉及到更廣泛的工業應用。大部分這些 印表機可處理較大紙張格式或使用特殊類型的墨水。
優選地，這些工業印表機能夠列印大尺寸紙張並獲得高產出量。高 達200x280cm的尺寸是希望的輸出格式。特殊應用例如為海報列印，廣 告等。
為了獲得高產出量，通常同時使用數個列印頭。
為了改進列印圖像的清晰度及對比度，近來的研究集中於使用墨水 的改進。為了以更深的黑色及更生動的顏色提供更快更不溶水的列印， 已經研發出顏料墨。這些顏料墨具有比之前的染料墨更高的固體含量。 兩種墨水均能較快的乾燥，這允許噴墨印表機構形成高品質圖像。
在一些工業應用中，例如使用噴墨處理製造列印板，具有特殊特性
的墨水會引起特殊問題。
例如，存在UV可凝固墨水以允許在列印之後使墨水快速硬化。可 在WO 02/53383中找到示例。然後需要設置特殊UV源以在列印之後使 墨水凝固。在列印帶的墨水已經通過UV源部分凝固之後，該帶可立即
被套印而不會存在墨滴將混合導致贗像的問題。
使用上述墨水允許以高速使用高品質列印方法，從而避免記錄方法 的性質固有的數個其他問題。
點矩陣列印的 一個常規問題是因圖像表達法的數字特性以及均勻 間隔點的使用而導致贗像的形成。因為列印試圖通過(幾乎)均勻間隔 點矩陣或圖案描繪連續圖像，故可能會產生諸如莫爾圖案的特定贗像。 贗像的另一個來源可能是因諸如在頭中列印元件的位置的各種不同制 造誤差以及列印頭相對於列印介質運動的系統誤差所導致的對點的錯 誤布置。具體而言，如果一個列印元件被誤置或其發射方向從希望方向 偏離，列印結果將顯現會在整個列印過程中存在的缺陷。
因為隨著速度的改變墨滴的飛行時間也將改變，故當列印頭正在運 動時，墨滴速度的改變也將導致贗像。類似的，用於移動列印介質的驅 動系統的系統誤差會導致可辨識的缺陷。例如，用於列印介質的驅動器 與列印介質之間的滑動本身將導致誤差。
事實上，列印系統的任何幾何結構限制均可以是誤差源，例如，打 印頭的長度、列印元件之間的空間、列印介質相對於頭在慢掃描方向上
的標定距離。上述誤差會導致"條狀化(banding)",其是以一系列帶 進行列印的清楚印象。涉及的誤差可以非常小，人眼的顏色辨別力、分 辨率及圖像識別力發展的很好，極小的誤差可會被看到。
為了消除這些"i吳差，/>知要改變或變更對列印元件的^f吏用以在列印 過程中分散誤差，由此會掩蓋至少一些系統誤差。例如，從US 4,967,203 可知通常被稱為"疊瓦列印(shingling)"的一種方法描述了噴墨列印 機及方法。可通過四種點(青色、品紅、黃色及黑色)來列印各個列印 位置或"像素"。在光柵線上相鄰的像素不會由列印頭中相同的噴嘴打 印。替代地，使用相同的噴嘴列印間隔像素。在公知的系統中，以方格 圖案列印像素，即，當頭在快速掃描方向上往復運動時，噴嘴能夠僅在 間隔像素位置進行列印。因此，任何始終錯誤列印的噴嘴會不會導致慢 掃描方向上的均具有相同誤差的像素線。但是，結果是僅頭中50%的噴 嘴可在任意時間同時列印。事實上，實踐中，每個噴嘴均在從用於該噴 嘴的正確位置偏離一定量的位置列印。對疊瓦列印的使用可將這些誤差 在整個列印過程中分布。通常的認識是疊瓦列印是不充分的列印方法， 因為並非連續使用全部噴嘴，且需要通過數次。
公知的列印的另一種方法是例如在文獻US 4,198,642中公開的"隔 行列印(interlacing)"。這種類型列印的目的在於增大列印裝置的分辨 率。即，儘管列印頭上沿慢掃描方向上噴嘴之間的間距是特定間距X， 但在慢掃描方向上的列印點之間的間距小於該間距。列印介質與列印頭 之間的相對運動由間距X除以整數得出的間距所索引(index)。
例如可在文獻European application EP 01000586以及US 6,679,583 中找到更具體的列印技術方案。
另一個問題在於，當託架開始列印時，需要較高的加速度值。加速 度可高達10m/s2。以較低的加速度值達到較高的列印速度將產生較少的 振動問題，但較長的加速時間將導致時間損失，且不可避免的較長加速 距離將導致甚至更大的設備整體尺寸，引起更大的穩定性問題。
因此這些工業印表機通常包括
大尺寸記錄單元
使用多頭
更大重量
在較長距離上高速運動 較高加速度
複雜記錄方案(疊瓦列印，隔行列印等)
在列印頭託架上具有在線墨罐補給的大墨水存儲器，
並還可包括
UV預凝固裝置
冷卻裝置 布線及輸墨管。
為了能夠實現高品質列印，在這些工業設備中需要對列印單元的精 確且可重複定位及控制。為了高品質列印，將點布置精度設定約為5p， 而列印的點具有約30|li內的尺寸。但是，取決於對印表機的應用，可以 改變精度及點尺寸。
不能將用於現有技術家用及辦公用印表機的定位系統筒單地擴大 來用於工業列印設備。
在文獻JP20012701870中，提供了用於驅動噴墨印表機的託架的方 法，其中帶驅動系統具有兩個電機， 一個為步進電機，而另一個為在託 架加速期間使用的DC電機。在文獻US5,365,839中，使用託架及由線性電機驅動的平衡託架。 存在數個問題
因列印頭以及應用部件(UV源等)的較大重量導致的慣性問題。 因電機系統的重力或驅動力導致的框架折彎。
大尺寸心軸的^L曲。
因託架驅動系統的部件上的張緊導致的應變。
因應力引起設備框架的剛性不足導致形變以及對點的錯誤布置以 及列印頭在接收件上的錯誤記錄距離。
高精度託架驅動系統的成本，例如，長行程線性電機極其昂貴。
當列印頭定位系統以及接收件定位的基準點並非4皮此剛性固定 時，需要驅動列印託架的較大的力導致振動，由此引起列印缺陷。可以 視為列印頭驅動器的協調系統的軸線x與接收件彼此並未互鎖。
特定工業印表機使用較少數量的列印頭，由此將列印託架的重量保 持得較低，由此導致負面效果，即產出量較低。
其他類型使用更多的列印頭，但需要非常昂貴的紙張驅動系統以確 保精度。
一些工業印表機僅能為低品質成品，例如那些用於大尺寸廣告板的 工業印表機。
清楚的是，現有技術辦公印表機的驅動機構不能夠以所需速度及精 度來驅動工業印表機的較大列印託架。
清楚的是，為了獲得高產出量，需要發展具有改進列印託架的高品 質工業噴墨列印設備以在較大區域上具有高精度並能夠實現高速及加
速度值。

發明內容
可通過具有權利要求1的具體特徵的系統來實現上述有利效果。在 從屬權利要求中給出本發明的優選實施例的具體特徵。
可通過以下描述及附圖理解本發明的其他優點及實施例。


圖1是示出工業列印設備的主要結構的整體視圖。 圖2示出了優選實施例中電機概念中的電機。
圖3示出了使用可能記錄方案在託架組件的後續掃描運動期間列印 頭的4黃向運動卩立置。
動的部件。
圖5A及圖5B示出了主從伺服控制系統的元件的位置。 圖6A給出了電機驅動器中電機的伺服控制的示意性視圖。 圖6B給出了在基礎框架的任意一側為電機系統中的兩個電機使用 單 一從致動器的伺服控制系統的示意性視圖。
具體實施例方式
本發明提供了 一種更精確的託架驅動系統，其通過在列印期間利用 具有數字濾波器的自適應控制環主動避免頭傳輸系統中的振動，以合理 成本減小可能的列印誤差。通過以下設置獲得其他優點
減小承載列印頭並需要相對於接收件被精確定位的列印頭託架的重量。
通過使用用於列印模塊的獨立框架以及接收件使因列印頭託架的 加速產生的反作用力從圖像模塊偏離。
使用電機概念中的電機的改進但相對廉價高精度傳輸系統。 優選實施例
以下將結合其優選實施例來描述本發明，應當理解，並不意在將本 發明限制為那些實施例。在圖l中，給出了非詳細視圖，示出了工業打 印設備的主要構成
基礎框架1
計量框架2
託架組件3
接收件平臺4
載線器5。
基礎框架
設備的基礎框架1具有數個功能
基礎框架1還支撐進紙機構及承載例如用於託架組件3的掃描運動 的電才幾。
基礎框架1還有助於處理列印期間產生的力， 其包含諸如電源、供墨器、真空泵、電子部件等必需模塊。 基礎框架1被直接布置在底板上，並必需非常堅硬並具有較大重量 以避免因作用在各個設備部件的基礎框架1或環境的力導致的形變及振動。
基礎框架1由通過橫梁7彼此連接的兩個長側梁6構成。通過使用 斜穩定件(未示出)來使整體結構更穩定。
優選實施例中的基礎框架1的整體尺寸約為250cmx600cm。
計量框架
根據本發明計量框架2意在支撐在列印期間在成像處理中涉及的全
部部件。
目標在於將計量框架2從引起振動力隔離開，並產生用於成像處理 的無振動基礎。
優選地計量框架2本身通過隔振器8被基礎框架1間接支撐。 計量框架2還被水平地從基礎框架1隔離開以避免振動的傳遞。 其還具有較高剛性以避免列印期間計量框架2的形變。 計量框架2提供
在計量框架2各個側邊用於導引託架組件3的導軌9, 至少一個編碼器IO,其能夠對託架精確定位。
計量框架2對至少直接涉及成像系統的全部部件(即，列印頭及接 收件)起基準框架的作用。
計量框架2的尺寸處於接收件平臺4與基礎框架1的尺寸之間，約 為200cm x 500cm。
接收件平臺
接收件平臺4在列印處理期間保持接收件(未示出)。 接收件平臺4優選地剛性較高以抵抗形變。 託架組件
託架組件3是在接收件平臺4上運動並提供列印動作的設備部件的 總的組件。
數個部件在託架中組合 列印頭，例如用於將墨滴噴在接收件上， "頭"墨水罐，在往返運動的頭上形成局部供應，
凝固燈，用於使在掃描運動之間使沉積墨水預凝固或乾燥，由此防 止墨滴遷移，
冷卻或加熱裝置，用於調節墨水以及/或凝固燈。
託架組件3停留在安裝在計量框架2上的導軌9上。在每側上，託 架組件3可具有一個或更多在計量框架2的導軌9上運動的架體11， 13。
可以將全部部件布置在單一託架上，但優選地將託架劃分為可獨立 定位的兩個獨立託架。
列印頭託架12包含列印頭，以在列印頭託架12在接收件上掃描期 間列印形成圖像的圖像像素條。列印頭通常被安裝在作為列印頭託架12 的部件的列印頭保持器15中。列印頭託架12具有至少兩個架體11,其 在安裝在計量框架2上的導軌9上運動。
列印頭的位置及速度必需被精確控制以確保墨滴在接收件上的精 確定位以避免圖像幹擾。上述列印頭託架12優選地在列印期間被大致 保持為不振動。
列印頭託架12可被設置有機構16，其可使位於列印頭保持器15中 的列印頭側向運動，由此使得能夠列印數個鄰近並(部分)重疊的圖像 條。這取決於在圖像列印期間可能使用的記錄方案。 一些可行的記錄方 案已經在以上現有技術中給出，並對後續效果做了描述。還需要冷卻/ 加熱裝置以將列印頭保持在希望的溫度。
應用託架14承載列印圖像相關的全部應用設備。這例如可包括 凝固燈，用於在列印其他條之前使墨水沉積條不運動。 對列印圖像進行操作或品質控制所需的必要傳感器。 在優選實施例中，應用託架14在於導軌9上運動的四個架體13上 運動。
應用託架14不需要處於完全不振動狀態。
凝固燈的位置及其他應用裝置不需要向列印頭那樣精確定位，且這 些部件可以維持一 些振動而不會引起其操作故障。
託架組件3在多個託架上的數個功能的分開允許減小列印頭託架 12的重量，並使得能夠對列印頭的位置進行更精確的控制。
對於大尺寸列印設備的優選實施例，使用約64個列印頭，每個都 具有70x35mm的尺寸。將頭形成在作為列印頭託架12的部件的列印頭
保持器15中，其額外冷卻，且每個列印頭需要設置有用於墨水供應的 必要管路，相關頭罐及用於驅動列印頭的布線，以及例如用於墨水供應 操作的可行真空件。因為所使用的記錄方案，列印頭託架12還設置有 能夠進行側向運動的機構16，以允許完全覆蓋整個列印區域。
全部部件以及託架12本身的重量的總和可得出列印頭託架12的總 重量，例如約250Kg。
應用託架14在優選實施例中包含凝固燈、線纜以及管鏈路5，以允 許託架組件3的掃描及冷卻等。因為在兩個掃描方向上進行記錄，故在 列印頭託架12的兩側複製凝固單元。在描述的實施例中，應用託架14 去除了列印頭託架12,但是作為替代實施例，可以設置兩個獨立的應用 託架14。用於應用託架14的總重量可以約為200Kg,但可依需求應用 而改變。
使用的系統具有重要的優點
通過使用用於在接收件上定位數字印表機的託架組件3的系統(其 中可以獨立地來定位具有至少一個列印頭的列印頭託架l2以及具有至 少一個應用裝置的應用託架14),需要以高精度定位的列印頭託架12 的質量被大大降低，由此相較於需要以高精度來定位列印頭託架12及 應用託架14的全部重量的情況，允許實現廉價及性質更佳的定位系統。
託架12及14兩者可具有其自身的定位系統以在託架上定位接收 件。例如可以使用磁編碼器10來跟蹤託架12及14的位置。磁編碼器 10中的數位化方法與在光學及接觸裝置中使用的類似。數字編碼標記的 載體是具有磁性及非磁性區域的圖案的鐵磁條10。響應於磁化的磁頭19 緊鄰條IO,並在磁性或非磁性區域通過頭時產生"0"或"1"脈沖。現 在的技術允許極為精確地界定磁性圖案，由此提供用於轉換器的較高的 解析度。
優選地，在計量框架2的兩側設置位置感應系統。 在優選實施例中，應用託架14的定位系統連接至列印模塊。 每個託架12, 14還可具有其自身單獨的導引系統，例如獨立的導
軌9的組，甚至可以提供用於承載導引系統的獨立框架。
更優選地，在相同框架上(在此情況下為計量框架2)布置託架12,
14兩者。
優選地，託架12, 14兩使用相同的導軌系統9。
將在以下給出對列印頭託架12及其功能以及定位系統的更詳細描述。
電機系統
為了操作印表機，必需由電機系統來移動託架12， 14。
在很多印表機中，使用帶驅動系統，其中在兩個滑輪上安裝張緊 帶，同時電機驅動至少一個滑輪且託架被安裝至帶。
如上所述，因為設備的較大整體尺寸以及託架的較大重量，帶驅動 系統不能提供所需的精度。
在一些印表機中高精度替代示例使用線性電機。但是，因為較大尺 寸，上述解決方案成本過高。
在本發明的優選實施例中，給出在能夠在較大距離上運動但實現高 解析度定位的電機系統中使用電機的解決方案。在圖2中給出根據優選 實施例的解決方案。
大致上，可由以下系統設置根據本發明的解決方案，該系統使用用 於在列印期間在第一方向引起列印頭託架12的相對運動的第一電機系 統來相對於接收件在數字印表機中移動列印頭託架12,並使用第二電機 系統，其中第二電機系統在第二方向上引起第一電機系統及列印頭託架 12的第二相對運動。如圖2所示，在本發明的優選實施例中，第一電機 系統是小行程線性電機20，其在線性電機的轉子22安裝至列印頭託架 12時沿導軌9提供列印頭託架12的運動，而第二電機系統通過使用帶 驅動系統23, 24, 25 (其中線性電機的定子21被安裝在帶驅動系統的 帶24上)來提供長行程運動。上述運動還沿著導軌9的方向。列印頭 託架12的整體運動是第一及第二電機系統的運動之和的平移運動。
可以理解的是，在20提供列印處理所需的精度的同時，帶驅動提 供線性電機20的定子21在待由列印頭託架12覆蓋的長距離上不夠精 確的運動。
本發明最重要的優點在於通過使用電機概念中的電機，能夠以合理 成本提供列印頭託架12在長距離上的精確布置。
儘管可以使用電機概念中的該電機來對承載包括列印頭及應用設 備的全部託架部件的單一託架進行定位，但如上所述優選地將託架分 為需要被極精確地定位並由線性電機20的轉子22驅動的列印頭託架 12，以及可以不精確地運動並直接連接至帶驅動系統的帶24的應用4乇
架14。
由此將在本發明上述實施例中使用的電機系統的特性的優點與託
架組件3在列印頭託架12及應用託架14上劃分重量相結合。
列印頭託架12需要被極精確定位的重量被保持的儘可能的低，因 此可以將進行定位所需的線性電機20保持得儘可能的小。
在優選實施例中，使用帶驅動系統23， 24, 25作為第二電機系統， 而使用線性電機20作為第 一驅動系統。
應當理解，可以使用其他驅動系統作為第一及第二電機系統，但 是，這些驅動系統的特性會對上述設備的特性產生重大的影響
電機概念中的電機可獲得的精度，
定位系統可以操作的速度，
整個電才幾驅動系統的成本。
以下實施例是可行的，其中電機系統操作的方向可以相差很大，但 優選地在本發明中電機系統的操作方向非常接近。更優選地是，在優選 實施例中電機系統的操作方向平行，其中列印頭託架12與應用託架14 沿相同的導引系統9運動。
如圖1所示，具有相關線性電機20的帶驅動系統布置在託架組件3 任一側上。由此為快速加速提供了足夠的速度及動力，並使加速力在打 印頭託架12的兩側均等分布，從而避免了歪斜。
應當理解，託架的快速加速在印表機中產生很多力。這些力通過驅 動系統的帶24、驅動電機23、滑輪25以及其他部件作用在列印設備上， 並會導致振動。根據本發明通過設計列印系統具有以下設置可以減小用 於加速託架組件3的總重量所產生的力作用在印表機構上的效果
託架組件3,包括用於在接收件上列印圖像的列印頭，
計量框架2，用於支撐並沿列印路徑導引所述託架組件3,
基礎框架l，用於支撐上述計量框架2，
電機驅動系統，用於沿上述列印路徑移動上述託架組件3,其中當 電機驅動系統移動託架組件3時，電機系統23上的驅動及反作用力作 用在基礎框架1上。
如圖1所示的優選實施例的帶驅動系統，帶驅動系統的電機23及 滑輪25被布置在基礎框架1上。這意味著作用在電機23上以及驅動帶 24的力以及滑輪25上因帶24的張力而產生的力不會影響列印系統本身
的部件。
由線性電機20產生的力作用在帶24上，線性電機20的定子21連 接在帶24上，上述力還以此方式偏離至基礎框架1。
具有較大重量及較高剛性的基礎框架1承載加速力。託架12, 14 僅停留在計量框架2上，除了重力，不會有力作用在計量框架2上。根 據本發明的上述系統避免在計量框架2中產生振動，因為計量框架2用 作包括接收件平臺4及列印頭託架12的列印引擎的基準，故避免了對 記錄圖像的幹擾。
優選地，驅動帶24的取向優選地平行於導軌9，其確定列印路徑， 使得作用在託架組件3上用於移動其的作用力的取向平行於列印路徑。
為了避免振動從基礎框架1傳輸至計量框架2,優選地通過振動隔 離裝置將計量框架2進一步從基礎框架1隔離。
如圖l所示，振動隔離裝置可以是具有低本徵頻率的橡膠震動隔離 器(阻尼器)。根據本發明優選地，本徵頻率低於8Hz。
以下將進一步描述在列印設備中使用的可行記錄方法以及方法的 機械結果。
如上所述，在本發明的背景技術中，可以使用隔行列印及疊瓦列印 來改進圖像品質。當使用隔行列印時，列印頭的噴嘴必需能夠在後續記 錄行程期間到達中間位置。對於疊瓦列印方法而言，需要能夠在僅部分 記錄的路線上定位其他噴嘴，且其需要在列印頭託架12於接收件上的 後續掃描期間通過其他噴嘴來完成。
還使用其中使用次圖像的其他記錄方法，需要列印頭的橫向位移以 對準接收件上的不同位置。
在圖3中，給出了列印頭在用於記錄特定區域的每次掃描運動(來 回)期間在數個記錄步驟1至4的可能位置。
在優選實施例中，在記錄頭每次通過之後，通過使用於列印頭託架 12兩側在應用託架14上的UV燈來使沉積墨滴不會遷移，而使墨滴的 表面硬化以避免墨滴流出並與臨近墨滴混合導致列印缺陷提高。
在上述記錄方法中，如圖3所示，使用簡單疊瓦列印方法，需要不 同噴嘴在覆蓋區域上通過四次以列印整個圖像。
為了使列印頭的橫向運動成為可能，提供了具有電機17的額外側 向運動機構16用於使承載列印頭的列印頭託架12的一部分(以下稱為
列印頭保持器15)橫向位移。
根據本發明，系統總體上包括至少 一 個額外電機系統用於至少在第 三方向上引入列印頭託架的一部分的運動。
優選地，上述第三方向垂直與第一及第二電機運動方向。
如圖4所示，列印頭託架12的架體11在列印頭託架架體11的頂 部設置有滑動導軌18。
優選地，列印頭保持器15被支撐在三個滑動導軌18上以給予足夠 的支撐基礎，但僅使用兩個或超過三個滑動導軌18的結構也是可行的， 但這些方案需要更嚴苛的設計及製造。
三個滑動導軌18的基礎提供了充足的區域，並避免了因摩擦(例 如在被支撐在四個滑動導軌18上且四個滑動導軌18並未被很好地對準 的情況下會發生)導致的搖擺及張緊。
優選地，三個滑動導軌18設置有下方或上方柔性安裝裝置(未示 出)。在圖中未示出的一種實際實施例是滑動導軌被定位在三個特殊設 計的鉸鏈(例如由允許沿Z軸旋轉的萬向節形成)上，用於在非常嚴苛 地限制在其他方向上的運動或旋轉的同時提供對左右側良好的位置可 控性。
可以利用額外電機系統(例如可以是心軸驅動系統)、精確帶驅動 系統等來實現僅需在有限距離上進行的列印頭保持器"自身的運動。
在根據本發明的優選實施例中，利用布置在列印頭託架12的架體 11與位於滑動導軌18上的列印頭保持器15之間的額外線性電機17來 實現上述目的。
載線器
在各個印表機中，需要規定列印頭往復運動的策略以對列印元件 (例如，噴墨列印頭的噴嘴)的發射(firing)進行控制。在小型的桌上
的輕質帶狀線纜，列印頭託架12來回拉動帶狀線纜並在紙面上、多動。 小型印表機通常具有在需要時可以被替換的包含在列印頭託架12
中的小型墨罐。但是，工業印表機可具有多個列印頭(在優選實施例中
高達64個)並會消耗大量墨水，由此在列印期間需要對在列印頭託架
12上設置的"頭"罐進行補充。
由此產生以下結果，需要大量布線及管路以以合適的數據來驅動打
印頭並供應所需的墨水。
還需要一些管路用於列印頭的最終冷卻系統，如優選實施例所需，
使用對UV燈系統的冷卻以在列印頭託架12通過之後固定墨滴。
還需要供應能量以操作凝固燈，並需要一些布線以驅動電機系統， 其用於列印頭保持器15的橫向運動、對與驅動帶、傳感器等一同運動 的線性電機的驅動。當列印設備的尺寸非常大時，這意味著需要大量布 線及管路，並意味著很大的重量。通常使用載線器5來分組並安排上述 部件以允許運動，該載線器由一同形成柔性鏈5的各段構成。這在列印 期間與託架的快速加速及高速結合，還在列印設備中產生拖曳及振動。 優選地，進行從基礎框架1到應用託架14的連接，這會承受一些 振動由此計量框架2及列印頭託架12均不會面對由相當大的載線器5 產生的力。可在應用託架14與列印頭託架12之間設置較小、較短距離 的載線器，其不會在列印系統中帶來很大的振動及拖曳。為了平衡載線 器5在列印系統上的效果，優選地設置兩個載線器，在基礎框架l兩側 各一個。這些載線器均具有在驅動託架組件3時需要考慮的效果。 列印動作
以下描述如何實現列印循環。 首先，使設備就緒以進行運行
準備所有數據，並方便地以正確順序從數據處理器到列印頭託架12 提供數據，且如果需要，為列印設備的具體偏差進行數據數據。
使墨供應就緒，這意味著將全部墨水水平設至為最佳且需要的真空 及壓力值為正確的。
列印頭的溫度處於操作範圍內。
如果需要，對列印頭的噴嘴板進行清潔。
將託架組件3置於開始位置，且列印頭載體處於第一列印行程的正 確橫向位置。
在接收件平臺4上設置接收件片。 列印
當開始實際列印時，通過位於列印頭託架12任一側的線性電才幾20 來使列印頭託架12加速。
當線性電機20的定子21連接至帶驅動系統的帶24時，反作用力 從定子21被傳遞至帶24並通過帶24到達基礎框架1上的電機23及帶
滑輪25 ，由此使得計量框架2相對而言不受加速的影響。
使用處於計量框架2兩側的磁編碼器系統10， 19來測量列印頭託 架12的位置。
取決於對磁編碼器系統10， 19的讀取，調整線性電才幾20的運動。 上述編碼器測量以及線性電機驅動控制形成整體電機系統的第一 伺服控制環。
才艮據優選實施例，例如可將線性電機20的行程距離限制為-4mm與 +4mm,由此限制線性電機的成本。為了避免線性電機到達行程的末端， 需要對定子21的位置進行修正。
利用帶驅動器23, 24， 25來實現上述目的。
在優選實施例中，由距離傳感器28來測量列印頭託架架體11與應 用託架架體13之間的距離。
一旦測量值超過特定值，就將帶驅動器的電機23設定為運動，並 將應用託架14設定為遵循列印頭託架12。
雖然進行以上設置，但可以改變線性電機20的定子21的位置，且 線性電機20不會到達行程位置的端部。
儘管在優選實施例中測量託架12與託架14之間的距離，但可以檢 測線性電機20的轉子22及定子21的相對位置以驅動帶驅動電機23。 例如可以利用磁編碼器10來完成對定子21或應用託架14的精確測量。
使用測量值來對帶驅動系統的電機23進行控制。由此形成本驅動
系統中的第二控制環。
由應用託架14的加速產生的力也會類似地通過帶驅動系統的帶24 及驅動滑輪25傳遞至基礎框架1。
當託架組件3加速時，其將達到希望的列印速度。通過對線性電機 20的位置進行快速調節來將列印頭託架12的速度保持恆定，該位置調 節抵消因驅動帶24上的振動(其還作用在線性電機20的定子21上) 而導致的位置改變。可在前方或後方進行上述調節。利用伺服控制環 26， 27來對電機系統的整體運動進行控制。
當託架12處於列印速度時，其也將在接收件平臺4上達到希望打 印位置。
利用位於計量框架2任一側上的》茲編碼器10來進行上述感應。 根據運動的列印頭託架12的位置，數據被傳輸至列印頭及在第一
次掃描期間列印圖像的第 一細條。
在優選實施例中，使用可利用UV燈硬化的墨水。為了使記錄墨滴
不會遷移，噴出的墨滴的外表面由安裝在應用託架14上並跟隨列印頭 託架12的UV燈硬化。在第一次掃描結束時，託架組件3在最後的墨滴 沉積之後減速。
當待列印的圖像的格式小於整個接收件平臺4或使用較小的接收件 時，託架組件3就不需要使用列印設備的總長度。
在掃描結束時，取決於所選擇的利用疊瓦列印及/或隔行列印的記錄 方案，通常將列印頭保持器15布置在另一橫向位置。此時類似地在相 反方向上使託架組件3加速，且在正確的速度及時間點，利用下述UV 燈以使列印點不遷移後，通過列印頭來列印圖像的第二條。
如圖所示，優選地在列印頭兩側設置UV燈以允許在掃描及反向掃 描期間進行列印。如上所述，應用託架14優選地橋接列印頭託架。
如果僅需要單方向列印，則可以使用不對稱設置，但這種記錄方法 自然存在時間損失的問題，因為反向掃描會花費大量時間但不會進行打 印。這會嚴重地影響產出量。
在第二次掃描之後，再次將列印頭保持器15移動至新的橫向位置 並進行第三次掃描(第二次在向前方向)。
在可能的記錄方案中，完成總共八次掃描，由此記錄形成總圖像的 八個部分圖像，且通過凝固燈使其臨時不會遷移以對抗圖像贗像。
在列印期間，計量框架2及應用託架14保持相對無振動。
但是，託架組件3的加速及運動(可能約lm/sec的速度重約450Kg) 沒有振動是不可能的。
如果有振動可以識別振動的數個成因。
因為託架組件3的相對快速加速，因為加速力僅作用在支撐端上， 託架12自身將略微折彎並將託架12設定為輕微振蕩。為了避免這些振 動的影響，託架12需要具有較高的剛性，且其結構也應當包括(可通 過專用阻尼器實現的)阻尼效果，以確保在列印頭託架12到達列印位 置之前快速地減弱這些振動。託架12的本徵頻率應當至少在60Hz之 上，優選為80Hz之上。
因為可以在左右兩側移動列印頭保持器15，由於在左右兩側之間打 印頭託架12的重量的不相同、變化及分布的原因，可能在計量框架2
的兩側產生力的不平衡。這將表現為帶24的不同的張力，要由線性電
機20產生更大的力等。
這會產生列印系統的歪斜形變，並將影響系統的特性。
已經發現，在以lm/sec的速度進行列印時，載線器5會引起具有約
60Hz頻率的一些振動。
因為重心可能位於作用在託架上加速力的施加位置之下或之上，故
會產生作用在託架12， 14上的轉矩，由此導致振動。
在列印期間，帶24在託架12, 14與帶驅動電機23之間的長度連
續改變，其中振動特性可能會連續改變，由此導致振動。
儘管計量框架2的剛性極高，會因託架組件3的較大重量導致產生
一些微小的折彎。上述折彎的量當然取決於託架位置。
所有這些因素均會對驅動電機的伺服系統2 6 ， 2 7的工作產生影響。 通常而言，可將伺服系統的功能或任務描述如下。 命令信號發送至伺服系統的"定位控制器"。定位控制器是存儲關
於各種工作(或任務)的信息的裝置。對其進行編程以激勵電機/負載，
即，改變速度/位置。信號然後通過進入伺服控制或"放大"部分。伺服
控制獲取該低能量水平信號，並將能量增大(或放大)至合適水平以實
際引起伺服電機/負載的運動。必需將這些低能量水平信號進行放大。需
要更高電壓水平以以合適的高速度使伺服電機旋轉，並需要高電流水平
提供轉矩以使更大的負載運動。
將上述能量從"能量供應"供應至伺服控制(放大器)。其還供應
任何集成電路運行所需的任意低水平電壓。
當能量被供應至伺服電機時，負載開始運動，速度及位置改變。 當負載運動時，轉速計、解析器或編碼器檢測上述運動並提供"反
饋"至控制器的信號。該"反饋"信號告知定位控制器電機是否正在進
行正確的任務。
定位控制器分析該反饋信號並判定負載是否由伺服電機正確地移 動；如果判定為否，則控制器進行適當的修正。例如，假設命令信號是 以1000rpm來驅動負載。因為某些原因，其實際以900rpm旋轉。反饋 信號將告知控制器速度為900rpm。控制器然後將1000rpm的命令信號 (希望速度)與900rpm的反饋信號(實際速度)進行比較，並注意到 誤差。控制器然後輸出信號以在伺服電機上施加更大電壓以增大速度直
至反饋信號等於命令信號，即，不存在誤差。因此，伺服系統涉及數個 裝置。其是用於控制一些物件(負載)的裝置的系統。可以任何方式(即， 位置、方向、速度)來控制受控(受調節)的物件(負載)。只要使用 合適的反饋裝置(誤差檢測裝置)，就可以相關於基準(命令信號)來 控制速度或位置。比較反饋與命令信號，然後進行修正。因此，對伺服 系統的定義是其由對負載的速度/位置進行控制或調節的數個裝置構 成。
但是，必需補償伺服系統以確保正確操作。其可以以至少兩個不同
才莫式進4亍運^亍
第一運行模式，當輸入命令改變時產生瞬態(也可被稱為動態響應 狀態)。這使得電機/負載進行加速/減速，即，改變速度。在該時段期 間，存在相關的
1) 電機/負載達到最終速度/位置所需時間(升高時間)，
2) 電機/負載停止所需時間，和
3) 可接受的特定量過衝。
當電機/負載已經到達最終速度時(即，連續運行)產生運行的第二 模式(穩定狀態)。在此時間期間，存在關聯以下精度(設備運行的精 度如何)。這通常被稱為穩態誤差。設備能夠以兩種不同模式運行以應 對設備性能所需的各種運行。為了使設備運行而不會過度過衝，在適當 時段內停止並具有最小穩態誤差，可以調節或補償伺服系統。
補償涉及對伺服系統的增益及帶寬進行調節(或調諧)。首先，順 序描述對這些術語的定義，然後描述其如何影響性能。增益是輸出與輸 入的比率。因此增益是對輸入信號的放大的測量。在伺服控制器中，增 益影響精度(即，電機實際的速度或位置與希望速度或位置的接近程 度)。高增益允許小的精確運動及設備將能夠製造精密部件。
帶寬以頻率表達或測量。在伺服系統中，帶寬是控制器/電機/設備 可進行何種快速程度的響應的測量。帶寬越寬，設備可越快地進行響 應。快速響應將使得設備能夠快速反應。但是，因為以下原因需要限制 帶寬
1 )僅可處理如此大的能量的部件的限制。此外，增大的增益增加 了部件、成本及複雜性。
2)共振條件確定需要避免一些頻率。設備絕不能在共振點運行， 否則將產生不穩定及損壞。在如上述優選實施例的列印設備中，這將迅 速引起圖像的可見幹擾。
總而言之，通常通過對增益以及響應的調整來對伺服系統進行補償 (或"調諧")使得設備可滿意地運行。
通過設定簡單的低通濾波器可實現上述目的，但也存在更複雜的濾 波器。
一個示例例如是可以設定更多參數的四次方濾波器。
但是，因為設備的複雜性(在運行期間特性連續改變)及對獲得高 產出量的需求，能夠將增益及帶寬正好設定為希望的值而不會過分損失 伺服控制的動態特性，由此導致較低的性能及產出量。
在其中智能及數字濾波會使伺服控制參數適應實際系統特性的反 饋環中，利用具有特定補償智能的伺服控制以及自適應數字濾波，可以 獲得好得多的控制。
對於優選實施例，通過具有至少一個託架12並包括至少一個伺服 控制系統26的系統對列印頭保持器15的定位給予更佳的控制，其中伺 服控制系統26具備補償智能，其具體適應於對定位系統的共振特性的 改變。
上述定位系統包括電機系統、導軌9、框架以及測量系統。 適應性避免了諧振的產生，諧振將導致圖像贗像甚至導致列印設備 不能工作。
具有補償智能的系統優選地包括具有至少 一 個增益計劃特徵的伺 服控制系統26。伺服環26的增益需要控制並可以利用特定計劃管理。
因為驅動線性電機系統用於自動列印的方法包括驅動帶驅動器 23, 24, 25,故優選地控制系統包括前饋引導。這意味著在將第一電機 系統20設定為運動時第二電機系統已經被啟動以預見託架距離落在所 需值外時不可避免的啟動。這意味著從控制系統27也接收主控制系統 26的目標位置/速度，由此可以在主控制系統26的位置/速度產生之前已 經致動從驅動器，即，從控制系統可預見主控制系統中的位移/速度誤 差。前饋控制可避免主控制環26中較大的位移/速度誤差，並可加寬整 個運動控制系統的帶寬。
控制系統利用將列印頭託架12的位置考慮在內的補償智能。這意 味著取決於列印頭託架12沿導軌9的位置並取決於列印頭保持器15的 位置(在左右極限橫向位置之間)，對濾波進行適應。
優選地，補償智能還將列印頭託架12的加速考慮在內以獲得最佳 前饋引導。可以通過使用驅動控制信號來估計上述加速，但也可使用計
量框架2上的位置檢測系統10， 19來測量上述加速。
通常，控制系統中的託架是承載列印頭的列印頭託架。 根據本發明使用兩個電機系統及伺服系統26的優選實施例包括用
於控制兩個電機系統的分級結構，其中第二伺服系統27分級從屬於第
一伺服系統26。
在優選實施例中，上述系統包括第二伺服系統27，其中第一伺服系 統26包括線性電機20而第二伺服系統27包括帶驅動系統。
在優選實施例中，第一伺服系統26的電機的定子21被布置在第二 伺服系統27的帶驅動器的帶24上。在上述實施例中，基礎為其上安裝 有應用託架架體13的基礎。
為了具有希望的特性，第一伺服系統26是高精度定位系統而第二 伺服系統27是低精度定位系統。
取決於列印設備的結構，補償智能優選地將載線器5的影響考慮在內。
上述伺服控制環26, 27的主-從結構僅是使用分級結構來控制兩個 伺服驅動系統的兩個伺服驅動系統26, 27的一個可行實施例，其中第 二伺服驅動系統分級從屬於第一伺服驅動系統。在實施例中，上述系統 包括具有線性電機20的第一伺服系統以及具有帶驅動系統的第二伺服 系統27。在優選實施例中，第一伺服系統的線性電機的靜止部分被安裝 在第二伺服系統的帶驅動器的帶上。
圖5A及圖5B示出了可在上述實施例中使用的影響伺服系統工作的
部件
設備定位到其上的底板， 基礎框架1,
由減振器隔離位於基礎框架1上的計量框架2， 基礎框架1上的帶驅動電機23， 用於驅動應用託架14的帶24， 應用託架14及線性電機20的定子21， 具有線性電機20的連接轉子的列印頭託架12, 檢測列印頭託架12的位置的位置傳感器10， 19，
指示列印頭託架12 (+線性轉子)與應用託架14 (+線性定子)的 相對位置的距離傳感器28。
圖6A給出了相同系統的等同動態模型。
該模型僅示出了列印驅動一側，因此可以加倍。每個部件均被表示 為質量，而質量之間的相互作用被表示為在質量之間起彈簧作用的分量 以及起阻尼器作用的平行分量。
使用小腳部將基礎框架1放置在底板上，甚至這些腳部也具有決定 底板與基礎框架1之間相互作用的參數。作為本發明的結果基礎框架1 與計量框架2之間的振動隔離器賦予兩者之間的相互作用參數。
另一方面，從電機23的力在基礎框架1與帶驅動電機23的被設定 為旋轉運動的質量之間起作用。帶24自身利用線性電機20的定子21 來決定電機23的運動質量與應用託架14的質量之間的相互作用。
線性電機20的力作用在應用託架14的質量與列印頭託架12的質 量之間。測量裝置28對應用託架14的質量相對於列印頭託架12的質 量的位置(距離傳感器)以及列印頭託架12的質量相對於計量框架2 的質量的位置(磁編碼器系統IO， 19)進行測量。
因為重量分布以及帶24在電機23與託架14之間長度的變化，可 以改變全部的參數。
因為列印頭保持器15的橫向運動，作用在一側的列印頭託架12的 質量也可改變。
載線器5的影響並未被上述模型包含內，但如果需要也可包含。 如上所述，上述模型僅給出列印設備一側的部件，而在設備的兩側 設置自適應數字濾波裝置。
可為另一側增加第二模型，其中框架的質量可以共用。 在圖6B中示出集成伺服控制系統，其可被設置使得其中全部測量 均作為輸入而自適應數字濾波器基於在列印設備兩側的測量進行濾 波。提供單個帶驅動電機23,且在計量框架2的兩側的滑輪25由萬向
軸連接。
因其特性的原因，該系統具有共振及抗共振點，但其因特性的改變 而在頻率及幅值方面改變。雖然濾波技術使用可以是移動陷波濾波器模 式，但需要複雜的多的數字濾波技術。
數字濾波裝置的目的在於在希望的頻率範圍上調節增益並從測量
信號及反饋環中過濾掉特定的頻率。在運行期間濾波還可適於框架1， 2 期望的反作用或動態性能。
甚至可以研發出其中數字濾波系統具有"自調諧功能，，(其中濾波 自我調節以為具體設置甚至為列印設備影響動態性能的小的設計變更 獲得理想的參數)的系統。
優選地，通過適應有利的機械設計參數來避免幹擾共振現象的產 生，由此能夠避免對複雜濾波技術的需求。
系統中的前饋補償了帶的彈性。當啟動帶驅動器23，因為施加的力 的原因，帶24延長約1.5mm,且具有線性定子21的應用託架14將在 帶驅動器的電機23啟動之後開始略微運動。為了實現平順運行，應當 預先啟動帶驅動器23, 24， 25,由此線性電機20以正確的速度在正確 的時間運動。可以理解，因為託架14與電機23之間的帶長也不相同， 故前饋對於掃描及反向掃描運動不同。
與前饋類似，當使託架14停止時，需要考慮帶24張緊的解除以及 帶部分的相應縮短。可以較早的停止帶驅動器的轉動。
如上所述，在帶驅動器啟動之後，通過線性電機20對列印頭託架 12進行加速。這意味著線性電機20需要能夠相當快地對列印頭託架12 的全部重量進行加速，而帶驅動器僅對應用託架14進行加速。
這意味著高精度線性電機20將極大，由此更加昂貴笨重。
如果使用其中應用託架14將列印頭託架12推動至運行速度的結 構，則可以設置替代結構。
在掃描開始時，首先啟動帶驅動器23， 24, 25,並允許後側應用託 架14以受控方式與列印頭託架12發生接觸。然後，通過帶驅動電機23 可以對託架12, 14兩者的質量的組合進行加速。 一旦處於運行速度， 則線性電機20僅需提供很小的加速以將列印頭託架12從應用託架14 分離以實現上述正常列印運行。
在加速期間，在列印之後，可以將列印頭託架12引至應用託架14 的前側，且帶驅動電機23可提供託架12， 14兩者的減速且不會涉及線 性電機直至託架組件3停止。然後，通過帶驅動器23, 24， 25使託架 組件3再次在相反方向上加速，由此也將列印頭託架12推動至運行速 度。線性電機20然後可再次使列印頭託架12從應用託架14脫離並可 開始列印。這將允許小功率、更輕、更廉價的線性電機20進一步減小
託架組件3的重量。
上述操作優選地包括使用伺服控制，其具有不同的運行模式，其中 參數被設定至加速/平穩狀態/減速情況。
已經對本發明的優選實施例進行了描述，現在對本領域技術人員清 楚的是不脫離所附權利要求界定的本發明的範圍，可以對其進行各種改 變
標號
1基礎框架 2計量框架 3託架組件 4接收件平臺 5載線器
6基礎框架的側梁
7基礎框架的橫梁
8振動隔離器
9導軌或導引機構
10》茲編碼器
11列印頭託架的架體
12列印頭託架
13應用託架的架體
14應用託架
15列印頭保持器
16側向運動才幾構
17側向運動才幾構的電才幾
18滑動導軌
19磁頭傳感器
20線性電機(第一電機系統)
21線性電機的定子
22線性電機的轉子
23帶驅動電機
24帶
25滑輪
26第一祠服環
27第二飼服環
28距離傳感器系統
權利要求
1.一種系統，用於在包括至少一個伺服控制系統的噴墨列印設備中對具有至少一個託架的列印頭組件進行定位，所述伺服控制系統具有補償智能，其特徵在於，所述補償智能適應於所述定位系統的共振特性的變化。
2. 根據權利要求1所述的系統，其中，所述伺服控制系統還包括 至少一個增益調整特性。
3. 根據權利要求1或2所述的系統，其中，所述伺服控制系統包 括前饋引導。
4. 根據前述任一權利要求所述的系統，其中，所述補償智能將所 述列印頭組件的位置考慮在內。
5. 根據前述任一權利要求所述的系統，其中，所述補償智能將所 述列印頭組件用於最佳前饋引導的加速度考慮在內。
6. 根據前述任一權利要求所述的系統，其中，所述補償智能包括具有變化特徵頻率的濾波器。
7. 根據前述任一權利要求所述的系統，其中，第一託架是列印頭 託架(12)。
8. 根據前述任一權利要求所述的系統，其中，所述伺服系統包括 用於控制兩個電機系統的分級結構。
9. 根據前述任一權利要求所述的系統，其中，所述系統包括第二 伺服系統，其中所述第一伺服系統包括線性電機(20)而所述第二伺服系統包括帶驅動系統。
10. 根據前述任一權利要求所述的系統，其中，所述第一伺服系統 的所述電機的定子(21)被布置在所述第二伺服系統的帶驅動器的帶(24)上。
11. 根據前述任一權利要求所述的系統，其中，所述第一伺服系統 是高解析度定位系統，而所述第二伺服系統是低解析度定位系統。
12. 根據前述任一權利要求所述的系統，其中，所述補償智能將載 線器(5)的影響考慮在內。
全文摘要
提供了一種用於對列印頭組件進行定位的系統，其中改進伺服控制系統利用自適應數字濾波器來對抗驅動系統的變化。伺服控制使用補償智能，以適於改變定位系統的例如受列印頭組件位置影響的共振特性。伺服控制優選地包括增益調整、自適應數位技術、前饋特徵。在混合驅動系統中使用組合主從伺服系統。
文檔編號B41J29/38GK101171141SQ200680015902
公開日2008年4月30日 申請日期2006年5月4日 優先權日2005年5月9日
發明者A·-J·貝爾特曼, A·布拉爾斯, B·弗林登, B·弗霍斯特, M·范卡爾姆索特, W·范德溫克爾 申請人:愛克發印藝公司