一种适用于喷墨打印的墨液锥体检测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于喷墨打印视觉检测技术领域，并公开了一种适用于喷墨打印的墨液锥体检测装置，其包括喷射模块、运动模块、机械辅助模块、视觉观测模块，其中机械辅助模块包括机架、竖直微调机构和倾斜微调机构；视觉观测模块包括倾斜布置的相机和光源，并通过基板反射采集镜像对称图像。本发明专利技术还公开了相应的检测方法，并用于实现包括喷嘴位置、倾角、喷嘴与基板间距检测，墨液锥体尺寸及轮廓变化检测，射流出现及喷射角度检测，射流形成相对于喷射信号的滞后时间及持续时间检测、喷射工艺参数反馈控制，以及射流在运动基板上的落点位置偏差等多方面的优化方案。通过本发明专利技术，能够高效率、高精度执行对喷墨打印的墨液锥体及喷嘴、射流进行在线检测。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于喷墨打印的墨液锥体检测装置及方法
本专利技术属于喷墨打印视觉检测
，更具体地，涉及一种适用于喷墨打印的墨液锥体检测装置及方法。
技术介绍
喷墨打印技术正应用于制造显示屏、柔性传感器等领域，相比于传统的蒸镀技术，具有工艺简单、打印分辨率高、材料浪费少等优点。喷墨打印过程中一般会产生墨液锥体，常见的喷墨打印技术包括压电喷印技术和电流体喷印技术，压电喷印技术是通过压电陶瓷在电压的作用下变形，将墨水从墨腔挤出并形成弯月面，电流体喷印技术通过高压电场将墨水拉出，在喷嘴尖端形成泰勒锥。在实际生产中，墨液锥体的形态，可以反映喷射效果，并指导工艺参数的设置，因而其检测具有重要的实际意义。现有技术中已经提出了一些关于喷墨打印中的墨液锥体检测方案。例如，韩国学者在电纺丝工艺中通过视觉观测，提出了根据泰勒锥斜率判断是否喷射的方法，其仅适用于特定形态的锥体，且判断方法不够直观；国内有学者提出的泰勒锥侧面轮廓特征尺寸检测方法，需检测泰勒锥轮廓的切线，检测方法较复杂。此外，还有人提出了根据泰勒锥图像面积和高度对工艺参数进行反馈调节的控制方法。然而，进一步的研究表明，上述现有技术仍具备以下的缺陷或不足：这类检测方法大多只检测墨液锥体的一部分特征，或者只定性观测锥体形态变化过程，因而无法获得更多准确描述喷射状态的工艺参数，相应在实际生产中对提高喷印效果的指导意义不强。
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适用于喷墨打印的墨液锥体检测装置及方法，其中通过对其视觉观测模块的整体组成尤其是布局方式和检测机理等多个方面进行重新设计，相应与现有方案相比能够更为精确地确定墨液锥体的位置，同时获得包含射流存在与否、射流滞后状况、锥体轮廓变化等更多检测参数，从而更有效地实现墨液落点位置的精确控制。按照本专利技术的一个方面，提供了一种适用于喷墨打印的墨液锥体检测装置，其特征在于，它包括喷射模块、运动模块、视觉观测模块和机械辅助模块，其中：所述喷射模块包括喷嘴和水平基板，其中该喷嘴用于向位于其下侧的所述水平基板执行喷射且在喷嘴尖端形成墨液锥体，该水平基板被设计为具备反光特征的表面，并作为承印对象接收墨液的落下；所述运动模块包括运动平台，其中该运动平台将所述喷射模块承载其上，并带动所述水平基板相对于所述喷嘴实现水平横向方向及水平纵向方向上的运动自由度；所述视觉观测模块包括相机和光源，其中该相机的镜头布置在所述喷嘴的一侧，且呈现与所述水平基板成一定夹角的倾斜布置；该光源布置在所述喷嘴的另外一侧，且呈现与所述水平基板呈相同夹角的对称倾斜布置，并确保在所述水平基板的反射作用下所述相机可采集到关于所述喷嘴的尖端的镜像对称图像，同时采集反映墨液锥体的锥体图像；所述机械辅助模块包括机架、竖直微调机构和倾斜微调机构，其中该机架安装于所述运动平台上，并用于将所述喷嘴与所述视觉观测模块的相对位置固定；该竖直微调机构和该倾斜微调机构用于根据所述视觉观测模块的实时检测结果反馈，分别用于对所述喷嘴与所述水平基板之间的距离、所述镜头到所述喷嘴的尖端之间的距离进行调节。作为进一步优选地，优选采用以下方式执行对所述喷嘴的位置快速检测：首先对采集的各个所述镜像对称图像进行自适应阈值分割，并进行腐蚀膨胀操作；接着在分割出的图像两侧边缘上分别取N对称点，将这些对称点彼此相连后取中点；将这些重点拟合后得到所述喷嘴的轴线，该轴线与各个所述镜像对称图像的相邻端交点即为喷嘴端点。作为进一步优选地，优选采用以下方式确定所述喷嘴与所述水平基板之间的间距：基于所采集的镜像对称图像，计算两个所述喷嘴端点之间的距离d，则所述喷嘴与所述水平基本之间的间距为dsinα，其中α表示所述视觉观测模块与所述水平基板的夹角；此外，所述喷嘴的倾角β被表示为其与所述喷嘴的轴线之间的夹角。作为进一步优选地，采用基于像素数量的原理来检测墨液锥体的最低点：首先在所述锥体图像的对称轴处定义一个宽度为t个像素、边界为l1、l2的区域，并对此区域从上到下逐行扫描；设定参考阈值g，设第i行中满足灰度值大于等于g的像素数量为k(i)，当k(i)小于等于设定值k时，所在行即为墨液锥体最低点。作为进一步优选地，采用以下方式确定墨液锥体的尺寸及轮廓变化：首先在所获得的喷嘴端点下方定义一个感兴趣区域，并进行基于灰度梯度的边缘检测，获得墨液锥体边缘；接着根据墨液锥体的最低点和顶部边缘来建立特征三角形并计算它的宽度w和高度h；然后将所述锥体图像离散为n个圆台微元叠加，按体积分法计算墨液锥体的体积其中ai表示各个编号为i的圆台的直径，△h表示各圆台的高；最后，连续观测锥体图像并分别计算其对应的体积，使用帧间差分法表示锥体轮廓的变化。作为进一步优选地，优选采用以下方式确定射流的出现及所述喷嘴的喷射角度：首先对所采集的所述镜像对称图像进行滤波、自适应阈值分割，然后通过竖直直方图统计每行中满足阈值的像素数量，并且当除喷嘴及墨液锥体图像以外位置直方图不为零时，则判断存在射流由此实现射流的快速判断；此外，通过竖直直方图定位射流的竖直位置，并采用最小二乘法拟合射流轴线，计算其与两个所述喷嘴端点连线的夹角，即为射流喷射角度。作为进一步优选地，优选采用以下方式估算射流相对于喷射信号的滞后时间及射流持续时间：设开始采集所述镜像对称图像的触发信号与喷射信号同步产生，信号传输延迟为△t，采图周期为T，设第m帧中射流恰好开始出现，第n帧中射流恰好消失，则射流产生的滞后时间为td＝(m-1)T+△t，射流持续时间为tw＝(n-m)T。作为进一步优选地，优选采用采用以下方式估算射流在所述水平基板上的落点位置偏差：设所述水平基板的运动速度为设射流由于抛体运动产生的水平位移为抛体运动期间所述水平基板的运动位移为则总位置偏差作为进一步优选地，上述装置优选采用以下方式执行喷射工艺参数的反馈控制过程：先在预设工艺条件下测得喷射状态良好时的锥体体积V0作为模板，后续喷射时测量锥体实际体积V与之对比，并设定两个系数λ1和λ2，其中λ1<λ2，将与此系数分别相比较来确定对应的控制动作，从而实现对喷射工艺参数的反馈调节。按照本专利技术的另一方面，还提供给了相应的墨液锥体检测方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：(a)采用所述视觉观测模块完成对所述喷嘴和墨液锥体的图像采集及预处理；(b)基于所采集的镜像对称图像，执行所述喷嘴轴线的检测，并将该轴线与各个镜像对称图像的相邻端交点确定为喷嘴端点；(c)基于所采集的镜像对称图像，继续执行对所述喷嘴的倾角、以及它与所述水平基板之间间距的检测；(d)在所获得的喷嘴端点下方定义一个兴趣区域，然后检测获得反映墨液锥体尺寸、墨液锥体最低点和墨液锥体轮廓变化的参数；(e)基于所采集的镜像对称图像，确定射流的存在，然后进一步执行有关射流喷射角度、射流形成滞后时间、射流持续时间及射流落点位置偏差这些参数的检测。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1、本专利技术设计的视觉观测系统，相机、镜头、光源倾斜布置，借助基板反射作用，可得到观测对象的镜像对称图像，根据对称关系便于确定基板位置，从而确定喷嘴倾角及与基板间距，便于墨液锥体和射流的检测；2、本专利技术提出的检测方法，按照喷嘴、墨液锥本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于喷墨打印的墨液锥体检测装置，其特征在于，它包括喷射模块、运动模块、视觉观测模块和机械辅助模块，其中：所述喷射模块包括喷嘴(10)和水平基板(11)，其中该喷嘴用于向位于其下侧的所述水平基板执行喷射且在喷嘴尖端形成墨液锥体，该水平基板被设计为具备反光特征的表面，并作为承印对象接收墨液的落下；所述运动模块包括运动平台(20)，其中该运动平台将所述喷射模块承载其上，并带动所述水平基板相对于所述喷嘴实现水平横向方向及水平纵向方向上的运动自由度；所述视觉观测模块包括相机(40)和光源(42)，其中该相机的镜头(41)布置在所述喷嘴的一侧，且呈现与所述水平基板成一定夹角的倾斜布置；该光源布置在所述喷嘴的另外一侧，且呈现与所述水平基板呈相同夹角的对称倾斜布置，并确保在所述水平基板的反射作用下所述相机可采集到关于所述喷嘴的尖端的镜像对称图像，同时采集反映墨液锥体的锥体图像；所述机械辅助模块包括机架(30)、竖直微调机构(31)和倾斜微调机构(32)，其中该机架安装于所述运动平台上，并用于将所述喷嘴与所述视觉观测模块的相对位置固定；该竖直微调机构和该倾斜微调机构用于根据所述视觉观测模块的实时检测结果反馈，分别用于对所述喷嘴与所述水平基板之间的距离、所述镜头到所述喷嘴的尖端之间的距离进行调节。...

【技术特征摘要】
1.一种适用于喷墨打印的墨液锥体检测装置，其特征在于，它包括喷射模块、运动模块、视觉观测模块和机械辅助模块，其中：所述喷射模块包括喷嘴(10)和水平基板(11)，其中该喷嘴用于向位于其下侧的所述水平基板执行喷射且在喷嘴尖端形成墨液锥体，该水平基板被设计为具备反光特征的表面，并作为承印对象接收墨液的落下；所述运动模块包括运动平台(20)，其中该运动平台将所述喷射模块承载其上，并带动所述水平基板相对于所述喷嘴实现水平横向方向及水平纵向方向上的运动自由度；所述视觉观测模块包括相机(40)和光源(42)，其中该相机的镜头(41)布置在所述喷嘴的一侧，且呈现与所述水平基板成一定夹角的倾斜布置；该光源布置在所述喷嘴的另外一侧，且呈现与所述水平基板呈相同夹角的对称倾斜布置，并确保在所述水平基板的反射作用下所述相机可采集到关于所述喷嘴的尖端的镜像对称图像，同时采集反映墨液锥体的锥体图像；所述机械辅助模块包括机架(30)、竖直微调机构(31)和倾斜微调机构(32)，其中该机架安装于所述运动平台上，并用于将所述喷嘴与所述视觉观测模块的相对位置固定；该竖直微调机构和该倾斜微调机构用于根据所述视觉观测模块的实时检测结果反馈，分别用于对所述喷嘴与所述水平基板之间的距离、所述镜头到所述喷嘴的尖端之间的距离进行调节。2.如权利要求1所述的墨液锥体检测装置，其特征在于，优选采用以下方式执行对所述喷嘴的位置快速检测：首先对采集的各个所述镜像对称图像进行自适应阈值分割，并进行腐蚀膨胀操作；接着在分割出的图像两侧边缘上分别取N对称点，将这些对称点彼此相连后取中点；将这些重点拟合后得到所述喷嘴的轴线，该轴线与各个所述镜像对称图像的相邻端交点即为喷嘴端点。3.如权利要求1或2所述的墨液锥体检测装置，其特征在于，优选采用以下方式确定所述喷嘴与所述水平基板之间的间距：基于所采集的镜像对称图像，计算两个所述喷嘴端点之间的距离d，则所述喷嘴与所述水平基本之间的间距为dsinα，其中α表示所述视觉观测模块与所述水平基板的夹角；此外，所述喷嘴的倾角β被表示为其与所述喷嘴的轴线之间的夹角。4.如权利要求1-3任意一项所述的墨液锥体检测装置，其特征在于，优选采用基于像素数量的原理来检测墨液锥体的最低点：首先在所述锥体图像的对称轴处定义一个宽度为t个像素、边界为l1、l2的区域，并对此区域从上到下逐行扫描；设定参考阈值g，设第i行中满足灰度值大于等于g的像素数量为k(i)，当k(i)小于等于设定值k时，所在行即为墨液锥体最低点。5.如权利要求4所述的墨液锥体检测装置，其特征在于，优选采用以下方式确定墨液锥体的尺寸及轮廓变化：首先在所获得的喷嘴端点下方定义一个感兴趣区域，并进行基于灰度梯度的边缘检测，获得...

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