一种3D曲面电喷印图案化设备及方法技术

本发明专利技术属于曲面物体表面图案化相关技术领域，并公开了一种3D曲面电喷印图案化设备，包括工作台、上下料模块、电喷印模块、视觉模块和固化模块，其中工作台呈现多工位转盘的形式，通过自身的旋转来执行各工位的切换；电喷印模块包括多套对应于多个电喷印和预固化工位而一一设立喷印头，并可执行曲面的自由位姿调整及电喷印操作；视觉模块包括定位相机、测量相机、检测相机、基板观测相机和射流观测相机，并对于对各个工位中的工艺环节执行高精度的在线检测。本发明专利技术还公开了相应的工艺方法。本发明专利技术基于电流体喷印技术，具有高柔性、高分辨率喷印的特点，能高质量地实现曲面喷印，适用于具有多种图案曲面的图案化，典型的如3D手机盖板图案化过程。

Device and method for 3D surface injection printing patterning

The invention belongs to the technical field of object surface patterned surface, a 3D surface printing equipment and discloses patterned EFI, including working table, loading module, print module, vision module and EFI curing module, which work station presents multi station turntable, to perform the handover of each station through their rotation; EFI printing module comprises sets corresponding to a plurality of jet printing and pre solid chemical and set up one ink jet head, and can perform free-form posture adjustment and the electronic printing operation; visual positioning module includes a camera, camera, camera, measuring detection substrate and jet observation camera observation camera, and the online process of each in a station to perform high precision detection. The corresponding process method is also disclosed. The present invention electrohydrodynamic jet printing technology based on the features of high flexibility, high resolution printing, can achieve high quality surface printing, suitable for a variety of patterns with patterned surfaces, such as 3D mobile phone cover patterning process.

【技术实现步骤摘要】
一种3D曲面电喷印图案化设备及方法
本专利技术属于曲面物体表面图案化相关
，更具体地，涉及一种3D曲面电喷印图案化设备及方法。
技术介绍
典型的3D曲面包括3D手机盖板之类的构件。智能手机发展至今，外形设计成为了竞争重心，曲面屏幕以独特的视觉效果和操作体验而大受青睐。3D曲面盖板由于具备轻薄、透明洁净、抗指纹、防眩光、坚硬、耐刮伤、耐候性佳，弧形边缘触控功能带来出色的触控手感，能解决天线布置空间不足问题并增强收讯功能等特点，因而产生了明显的优势。针对3D手机盖板之类的曲面印刷，是指在曲面盖板上实现不透光有色区域、logo、按键图标及其他图案的制作，然而此类物体的图案化处理难度很高，属于行业的共识之一。现有技术中的曲面印刷工艺通常包括以下几类：丝网印刷技术，是用刮板在印版图文部分施加压力将油墨从网孔中挤压到承印物上，墨层厚实，但曲面印刷时难以保证承印物、网框及刮墨板形状吻合，曲率急剧变化处积墨严重；OCA复合印刷技术，是将印刷好的图文通过OCA光学胶复合到目标曲面，工艺相对复杂；离子着色技术，是用有色金属离子替换掉玻璃浅表层的其它离子从而呈现出颜色，颜色较浅，工艺成本高；此外，还譬如包括光刻油墨印刷技术、激光雕刻油墨技术等其他一些技术。然而，进一步的研究表明：首先，上述图案化技术均无法很好地解决3D曲面物体的全制造环节的无缝衔接问题，使用时效率偏低，操作繁琐，并且存在各类的局限性；其次，在实际制造过程中，必需对曲面的高度信息获得高响应、高精度的实时掌控，进而实现高分辨率的曲面图案化，而现有的测量方案往往仅适用于针对平面物体的测量，只能测定被测物体到相机的距离信息，而无法获得被测物体在离面方向的精确变形信息。相应地，本领域亟需针对上述技术问题寻求更为完善的解决方案，以满足目前日益提高的工艺要求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种3D曲面电喷印图案化设备及方法，其中通过对该图案化设备的整体构造及布局方式重新进行设计，并对多个关键组件譬如电喷印模块、视觉模块和工作台的具体组成和设置方式等多个方面进行改进，同时还曲面高度的测量模块及测量原理专门进行了针对性研究，相应与现有的3D曲面图案化技术相比，不仅能够以非接触式的方式来高效执行夹持定位-高度测量-多次电喷印及预固化-质量检测及终固化等多个复杂工序，而且整个操作过程中可实现高精度、工位转换方便的无缝衔接，显著提高了整体的生产效率；此外，还能够在喷印过程中基于单目视觉即可获得更高精度的曲面高度信息测量，由此进一步确保可获得高分辨率、高柔性的3D曲面电喷印图案化效果。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种3D曲面电喷印图案化设备，该设备包括工作台、上下料模块、电喷印模块、视觉模块和固化模块，其特征在于：所述工作台呈现多工位转盘的形式，其通过自身的旋转来执行各工位的切换，这些工位依次包括曲面的定位装夹工位、曲面的高度测量工位、多个电喷印和预固化工位，以及质量检测工位；此外，各个工位上均配备有用于夹持曲面的夹具，并且各个工位均可相互独立地执行相关操作；所述上下料模块设置在所述多工位转盘的一侧，其包括末端配备有真空吸盘的机械臂，并用于将待作业的曲面周期性地予以吸附，并转移至各个工位或者从其移出；所述电喷印模块包括多套喷印头，这些喷印头对应于各个所述电喷印和预固化工位而一一设立，并且各个喷印头分别具备XYZ三轴方向上的移动自由度，以及沿着多工位转盘的径向自由度，由此调节与曲面之间的相对位置；所述视觉模块包括定位相机、测量相机、检测相机、基板观测相机和射流观测相机，其中该定位相机安装于所述定位装夹工位的上方，并用于观测及确定曲面在所述夹具上的正确安装位置；该测量相机安装于所述高度测量工位的上方，用于实时测量曲面的高度特征信息，然后以此指导所述喷印头的运动，以便确保其喷嘴与曲面之间实现恒定的高度，并据此选用喷嘴来形成所需线阵；该检测相机安装于所述质量检测工位的上方，并用于对曲面上的喷印质量执行检测；此外，该基板观测相机与各个所述喷印头的喷嘴保持平行地安装并随之一同运动，并用于在执行电喷印之前执行视觉定位以确定喷印的初始位置，同时在整个喷印过程中拍摄已形成的图案；该射流观测相机用于对所述喷印头所喷射的墨滴体积执行图像在线拍摄及测量；所述固化模块包括预固化装置和终固化装置，其中各个预固化装置对应于各个所述喷印头而设置且随之一同运动，并用于在所述喷印头完成每次喷印之后，对曲面进行一次预固化操作；该终固化装置则设置在所述多工位转盘的一侧，并用于对曲面上的整体图案执行最后的完全固化。作为进一步优选地，所述喷印头各自包括喷嘴、设置在该喷嘴下方且接地的环形电极、用于在所述喷嘴与所述环形电极之间产生电场的高压发生器，以及存储有油墨且与所述喷嘴保持连通的喷印容器；在工作时，在电场力的诱导作用下，油墨在所述喷嘴的顶端形成泰勒锥，液滴继续从该泰勒锥的顶端射出并在电场力的作用下破碎成大量的小液滴，进而实现对曲面的图案化操作。作为进一步优选地，所述喷印头的喷嘴优选为单喷嘴或者由多个小喷嘴共同构成的阵列化喷嘴；当采用阵列化喷嘴的形式时，各个小喷嘴以一定的高度差进行排列，并优选呈以下状态来执行喷射：被选用的小喷嘴底端在竖直平面投影所在曲线被设定为与待喷印的曲面截线之间保持基本共形。作为进一步优选地，各个所述喷印头配备有相同或不同材料的油墨，并用于执行曲面不同区域的喷印，由此实现多层复杂图案的电喷印。作为进一步优选地，对于所述测量相机而言，其优选采用单目视觉的方式来执行曲面高度特征信息的测量，并包括测量机架、平行光源组件、高度检测相机和距离传感器，其中：该测量机架呈水平布置的对称十字框架的形式，并作为其他组件的安装基础；该平行光源组件的数量为四个，它们各自安装在所述测量机架的四个相同臂结构的末端下方，并分别可经由配套的电机来驱动发生旋转以使其投影角发生改变；各个平行光源组件分别均由安装盒、以及依次分设在此安装盒内部的平行光管和透射光栅共同组成，其中该平行光管用于向所述透射光栅发射平行光束，该透射光栅上则刻有宽窄相间的两种平行刻痕，由此使得所述平行光管发出的平行光束在待测曲面上可投射形成明暗相间的平行条纹；该高度检测相机的数量仅为一个，它固定安装在所述测量机架的中央下方，并与各个所述平行光源组件相配合，用于对待测曲面上所形成的平行条纹执行采图以获得所需的二维图像；所述距离传感器分别对应于各个所述平行光源组件而设置，并且当通过调整所述测量机架的高度使得所述高度检测相机可获得清晰的所述二维图像时，用于在此位置下对所述高度检测相机的透镜光心到所述X"Y"平面之间的垂直距离H进行测量，同时用于对此高度检测相机的成像平面与该X"Y"平面之间的平行度进行检测，其中所述X"Y"平面是在测量之前预建一个参考平面，并且它与以所述高度检测相机的透镜光心为原点所建立的水平XY平面保持相互平行。作为进一步优选地，对于所述透射光栅各自具备的透光缝隙中的透光宽缝与透光窄缝而言，它们的位置按n位二进制方式进行编码排序，并优选对这n×2n条透光缝进行编码；其中n的取值根据所述检测相机的视场大小来确定，并确保使得所述检测相机所获得的图像中条纹数应满足m>3n-1；此外，所述透光窄缝d本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种3D曲面电喷印图案化设备，该设备包括工作台(500)、上下料模块(100)、电喷印模块(400)、视觉模块(300)和固化模块(200)，其特征在于：所述工作台(500)呈现多工位转盘(501)的形式，其通过自身的旋转来执行各工位的切换，这些工位依次包括曲面的定位装夹工位、曲面的高度测量工位、多个电喷印和预固化工位，以及质量检测工位；此外，各个工位上均配备有用于夹持曲面的夹具(502)，并且各个工位均可相互独立地执行相关操作；所述上下料模块(100)设置在所述多工位转盘(501)的一侧，其包括末端配备有真空吸盘(102)的机械臂(101)，并用于将待作业的曲面周期性地予以吸附，并转移至各个工位或者从其移出；所述电喷印模块(400)包括多套喷印头(402)，这些喷印头对应于各个所述电喷印和预固化工位而一一设立，并且各个喷印头分别具备XYZ三轴方向上的移动自由度，以及沿着多工位转盘(501)的径向自由度，由此调节与曲面之间的相对位置；所述视觉模块(300)包括定位相机(301)、测量相机(303)、检测相机(302)、基板观测相机(308)和射流观测相机(309)，其中该定位相机(301)安装于所述定位装夹工位的上方，并用于观测及确定曲面在所述夹具上的正确安装位置；该测量相机(303)安装于所述高度测量工位的上方，用于实时测量曲面的高度特征信息，然后以此指导所述喷印头的运动，以便确保其喷嘴与曲面之间实现恒定的高度，并据此选用喷嘴来组合成所需线阵；该检测相机(302)安装于所述质量检测工位的上方，并用于对曲面上的喷印质量执行检测；此外，该基板观测相机(308)与各个所述喷印头的喷嘴保持平行地安装并随之一同运动，并用于在执行电喷印之前执行视觉定位以确定喷印的初始位置，同时在整个喷印过程中拍摄已形成的图案；该射流观测相机(309)用于对所述喷印头所喷射的墨滴体积执行图像在线拍摄及测量；所述固化模块(200)包括预固化装置(202)和终固化装置(201)，其中各个预固化装置(202)对应于各个所述喷印头而设置且随之一同运动，并用于在所述喷印头完成每次喷印之后，对曲面进行一次预固化操作；该终固化装置(201)则设置在所述多工位转盘(501)的一侧，并用于对曲面上的整体图案执行最后的完全固化。...

【技术特征摘要】
1.一种3D曲面电喷印图案化设备，该设备包括工作台(500)、上下料模块(100)、电喷印模块(400)、视觉模块(300)和固化模块(200)，其特征在于：所述工作台(500)呈现多工位转盘(501)的形式，其通过自身的旋转来执行各工位的切换，这些工位依次包括曲面的定位装夹工位、曲面的高度测量工位、多个电喷印和预固化工位，以及质量检测工位；此外，各个工位上均配备有用于夹持曲面的夹具(502)，并且各个工位均可相互独立地执行相关操作；所述上下料模块(100)设置在所述多工位转盘(501)的一侧，其包括末端配备有真空吸盘(102)的机械臂(101)，并用于将待作业的曲面周期性地予以吸附，并转移至各个工位或者从其移出；所述电喷印模块(400)包括多套喷印头(402)，这些喷印头对应于各个所述电喷印和预固化工位而一一设立，并且各个喷印头分别具备XYZ三轴方向上的移动自由度，以及沿着多工位转盘(501)的径向自由度，由此调节与曲面之间的相对位置；所述视觉模块(300)包括定位相机(301)、测量相机(303)、检测相机(302)、基板观测相机(308)和射流观测相机(309)，其中该定位相机(301)安装于所述定位装夹工位的上方，并用于观测及确定曲面在所述夹具上的正确安装位置；该测量相机(303)安装于所述高度测量工位的上方，用于实时测量曲面的高度特征信息，然后以此指导所述喷印头的运动，以便确保其喷嘴与曲面之间实现恒定的高度，并据此选用喷嘴来组合成所需线阵；该检测相机(302)安装于所述质量检测工位的上方，并用于对曲面上的喷印质量执行检测；此外，该基板观测相机(308)与各个所述喷印头的喷嘴保持平行地安装并随之一同运动，并用于在执行电喷印之前执行视觉定位以确定喷印的初始位置，同时在整个喷印过程中拍摄已形成的图案；该射流观测相机(309)用于对所述喷印头所喷射的墨滴体积执行图像在线拍摄及测量；所述固化模块(200)包括预固化装置(202)和终固化装置(201)，其中各个预固化装置(202)对应于各个所述喷印头而设置且随之一同运动，并用于在所述喷印头完成每次喷印之后，对曲面进行一次预固化操作；该终固化装置(201)则设置在所述多工位转盘(501)的一侧，并用于对曲面上的整体图案执行最后的完全固化。2.如权利要求1所述的3D曲面电喷印图案化设备，其特征在于，所述喷印头(402)各自优选包括喷嘴(401)、设置在该喷嘴(401)下方且接地的环形电极(406)、用于在所述喷嘴(401)与所述环形电极(406)之间产生电场的高压发生器(405)，以及存储有油墨且与所述喷嘴(401)保持连通的喷印容器(404)；在工作时，在电场力的诱导作用下，油墨在所述喷嘴(401)的顶端形成泰勒锥，液滴继续从该泰勒锥的顶端射出并在电场力的作用下破碎成大量的小液滴，进而实现对曲面的图案化操作。3.如权利要求2所述的3D曲面电喷印图案化设备，其特征在于，所述喷印头的喷嘴(401)为单喷嘴或者由多个小喷嘴共同构成的阵列化喷嘴；当采用阵列化喷嘴(407)的形式时，各个小喷嘴以一定的高度差进行排列，并优选呈以下状态来执行喷射：被选用的小喷嘴底端在竖直平面投影所在曲线被设定为与待喷印的曲面截线之间保持基本共形。4.如权利要求1-3任意一项所述的3D曲面电喷印图案化设备，其特征在于，各个所述喷印头(402)配备有相同或不同材料的油墨，并用于执行曲面不同区域的喷印，由此实现多层复杂图案的电喷印。5.如权利要求1-4任意一项所述的3D曲面电喷印图案化设备，其特征在于，对于所述测量相机(303)而言，其优选采用单目视觉的方式来执行曲面高度特征信息的测量，并包括测量机架(307)、平行光源组件(304)、高度检测相机(303′)和距离传感器(306)，其中：该测量机架(307)呈水平布置的对称十字框架的形式，并作为其他组件的安装基础；该平行光源组件(304)的数量为四个，它们各自安装在所述测量机架(307)的四个相同臂结构的末端下方，并分别可经由配套的电机(305)来驱动发生旋转以使其投影角发生改变；各个平行光源组件分别均由安装盒(31)、以及依次分设在此安装盒内部的平行光管(32)和透射光栅(33)共同组成，其中该平行光管(32)用于向所述透射光栅(33)发射平行光束，该透射光栅(33)上则刻有宽窄相间的两种平行刻痕，由此使得所述平行光管(32)发出的平行光束在待测曲面上可投射形成明暗相间的平行条纹；该高度检测相机(303′)的数量仅为一个，它固定安...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹周平，陈建魁，刘强强，王一新，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42