УСТАНОВКА ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПЕЧАТИ ИЛИ ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ТРЕХМЕРНЫХ ДЕТАЛЕЙ
INSTALLATION FOR PRINTING OR FOR APPLICATION OF COATING TO SURFACES OF THREE-DIMENSIONAL PARTS

Данное изобретение относится к общей области обработки и нанесения покрытия на поверхности детали при помощи автоматической установки, в частности относится к выполнению печати посредством нанесения рисунков на поверхности сложных, в частности, трехмерных форм, и его объектом является установка для выполнения печати и/или нанесения покрытия на такие поверхности деталей, предпочтительно с применением средств печати типа струйной печати.
Рассматриваемые детали могут, в частности, представлять собой детали внутренней обшивки автомобиля.
Как известно и как раскрыто, например, в публикациях DE 10 2012 212 469 A1, US 2009/0167817 A1, ЕР 2 873 496 А1 и ЕР 0 931 649 А1, для печати на детали при помощи средств печати типа струйной печати печатающую головку, которая распыляет субстанцию для покрытия, такую как краску, можно перемещать при помощи робота-манипулятора относительно детали, которая остается неподвижной.
Однако средства печати, которые чаще всего включают в себя четырехцветный блок, как правило, являются объемными, поэтому их перемещение затруднено, особенно на высокой скорости. Это проявляется еще больше, когда эти средства печати объединены также с модулем по меньшей мере частичной сушки капель субстанции, расположенным непосредственно под печатающей головкой. Кроме того, на печатающие головки могут действовать помехи или изменения положения по причине быстрого перемещения робота-манипулятора. Чтобы ограничить эти помехи, необходимо ограничить скорость перемещения робота-манипулятора, что снижает темп производства, а также промышленную эффективность. Кроме того, резкие изменения ориентации печатающей головки влияют на качество печати. Действительно, внутри печатающей головки воздух находится под небольшим разрежением, что не дает субстанции выливаться под действием силы тяжести. Однако резкие изменения ориентации приводят к изменению баланса между атмосферным давлением и давлением внутри печатающей головки и, следовательно, нарушают распыление субстанции. Наконец, монтаж блока подачи субстанции в печатающую головку на роботе-манипуляторе может представлять собой сложную проблему.
Для преодоления этих недостатков было предложено, в частности, заявителем в его французских патентных заявках № 17 50260, № 17 51064 и № 18 54024 применять установки, в которых печатающая головка и средства сушки являются неподвижными, то есть находятся в неподвижном и статичном положении, и во время печати перемещается только деталь, установленная на многоосном роботе-манипуляторе.
В этих установках средства печати представляют собой единую четырехцветную печатающую головку, которая в передней проекции обычно имеет конфигурацию распыляющих сопел или отверстий для разных цветов, как показано на фиг. 1 (В = черный; Y = желтый; С = циановый; М = пурпурный).
Эти отверстия сгруппированы в ряды, расположенные друг над другом в вертикальном направлении (ось Z) с чередованием наносимых цветов, и промежуток «R» между соплами одного цвета, принадлежащими к двум последовательным рядам сопел набора, определяет разрешение печати.
Однако такая четырехцветная печатающая головка имеет ряд указанных ниже недостатков.
Так, она имеет большой габарит (высоту) в направлении Z (обычно вертикальное направление). Эта характеристика создает проблемы качества и равномерности печати по причине изменений скорости перемещения детали (закрепленной на роботе-манипуляторе). Кроме того, учитывая чередование рядов сопел по цветам, относительно большие расстояния, разделяющие два последовательных ряда, выдающих одинаковый цвет, затрудняют синхронизацию между этими рядами сопел одинакового цвета. По этой причине конечное качество печати на трехмерных поверхностях не является оптимальным. Наконец, порядок последовательности цветов физически зависит от распределения рядов сопел по цветам, и ограниченное разрешение четырехцветной головки вынуждает делать несколько проходов печати для получения хорошего качества печати, что приводит к значительной потере времени.
Из документа US 9 266 354 известна установка для печати, содержащая множество двухцветных или одноцветных печатающих головок и средств сушки/сшивания, установленных по окружности на неподвижной опорной конструкции.
Что касается декорируемой детали, то ее перемещают перед печатающими головками и средствами сушки/сшивания при помощи устройства-держателя, включающего в себя первый блок поступательного перемещения и второй и третий блоки перемещения вращением вокруг не параллельных между собой поворотных осей, одна из которых совпадает с осью поступательного перемещения первого блока.
Эта установка имеет сложную и относительно громоздкую конструкцию, к тому же с большим ограничением с точки зрения вариативности форм трехмерных поверхностей, которые можно обрабатывать. Наконец, она имеет множество положений печати и сушки, соответствующих разным положениям вышеупомянутых головок и средств.
Задачей настоящего изобретения является преодоление по меньшей мере основных указанных выше недостатков.
Поставленная изобретением задача решена в установке для печати и/или нанесения покрытия на поверхности деталей, в частности, на трехмерные поверхности, причем эта установка в основном содержит:
- держатель детали, выполненный с возможностью установки на нем и удержания декорируемой или покрываемой детали и установленный на устройстве перемещения по меньшей мере с пятью степенями свободы, например, таком как шестиосный робот-манипулятор,
- средства печати посредством распыления краски или аналогичной субстанции, представляющие собой по меньшей мере одну печатающую головку,
- сенсорные датчики, выполненные с возможностью измерять параметры расположения и/или перемещения детали, в частности, скорости перемещения и/или координаты расположения,
- возможно, средства по меньшей мере частичной сушки и/или сшивания субстанций, распыляемых на поверхности декорируемой детали,
- средства вычисления, контроля и управления, предназначенные и выполненные с возможностью использовать сигналы, выдаваемые сенсорными датчиками, и управлять по меньшей мере средствами печати и устройством перемещения,
при этом средства печати, сенсорные датчики и возможные средства сушки расположены рядом друг с другом, например, друг над другом на неподвижной опорной конструкции, такой как основание, стойка, портальная опора и т.д.,
при этом устройство перемещения и опорная конструкция расположены друг против друга, и указанной неподвижной опорной конструкции присвоена пространственная система координат с первой осью, определяющей расстояние между устройством перемещения и указанной опорной конструкцией, с второй осью, соответствующей направлению расположения друг над другом средств печати, сенсорных датчиков и, возможно, средств сушки, и с третьей осью, перпендикулярной к двум предыдущим осям,
при этом, согласно изобретению, в установке печати средства печати представляют собой по меньшей мере две подвижные одноцветные или двухцветные печатающие головки, выполненные с возможностью вращения и/или поступательного движения по меньшей мере с одной степенью свободы, при этом указанные головки выполнены с возможностью выборочно перемещаться, одна за другой, в направлении определенного пространственного положения, обеспечивающего печать на поверхности детали, причем под контролем средств вычисления, контроля и управления и в соответствии с заранее запрограммированными данными, например, с программой печати, определяющей также перемещение детали относительно опорной конструкции и определенного пространственного положения.
Изобретение будет более понятно из нижеследующего описания предпочтительных вариантов осуществления, представленных в качестве неограничивающих примеров со ссылками на прилагаемые схематичные чертежи, на которых:
на фиг. 1 схематично показан промежуток «R» между соплами одного цвета, принадлежащими к двум последовательным рядам сопел набора, четырехцветной печатающей головки, известной из уровня техники;
на фиг. 2 показана установка печати согласно варианту осуществления изобретения, общий вид сбоку;
на фиг. 3А-3С показана деталь А, выделенная на фиг. 2, которая соответствует части установки, объединяющей средства печати, сенсорные датчики и средства сушки, в соответствии с первой версией осуществления изобретения (поступательное перемещение расположенных в линию печатающих головок вдоль одной оси), частичные виды сбоку (3А), спереди (3В) и сверху (3С);
на фиг. 4А и 4В представлены два последовательных цикла печати с двумя одноцветными головками разных цветов, виды, аналогичные фиг. 3В;
на фиг. 5А-5С показана деталь А, выделенная на фиг. 2, в соответствии со второй версией осуществления изобретения (окружное распределение и перемещение вращением печатающих головок вокруг одной оси), частичные виды сбоку (5А), спереди (5В) и сверху (5С);
на фиг. 6А и 6В показана деталь А, выделенная на фиг. 2, в соответствии с третьей версией осуществления изобретения (поступательное перемещение в двух перпендикулярных направлениях печатающих головок, расположенных на одной прямой), частичные виды сбоку (6А) и спереди (6В);
на фиг. 7 представлена часть детали А, выделенной на фиг. 2, с показом средств печати и их размещения в опорной конструкции, в соответствии с четвертой версией осуществления изобретения (печатающие головки могут перемещаться в трех взаимно ортогональных направлениях), прозрачный вид в перспективе;
на фиг. 8 схематично представлено для сравнения расстояния D и d между рядами распылительных сопел одного цвета для четырехцветной печатающей головки из известного технического решения и для одноцветной печатающей головки в соответствии с изобретением;
на фиг. 9А и 9В схематично показаны промежутки между двумя радами сопел и результирующие промежутки с точки зрения разрешения печати на неплоской поверхности для четырехцветной печатающей головки из известного технического решения (9А) и для одноцветной печатающей головки в соответствии с изобретением (9В);
на фиг. 10 показаны опорные конструкции установки печати, иллюстрирующие разницу в вертикальном габарите между четырехцветной печатающей головкой из известного технического решения (слева) и простой одноцветной или двойной (двухцветной) печатающей головкой в соответствии с изобретением, виды спереди;
на фиг. 11 показан другой вариант осуществления заявленной установки печати, общий частичный вид.
На фиг. 2 и 11 представлена установка 1 для печати и/или нанесения покрытия на поверхности 2’ деталей 2, в частности, на неплоские или трехмерные поверхности, причем эта установка в основном содержит:
- держатель 3 детали, выполненный с возможностью установки на нем и удержания декорируемой или покрываемой детали 2 и установленный на устройстве 4 перемещения по меньшей мере с пятью степенями свободы, например, таком как шестиосный робот-манипулятор,
- средства 5 печати посредством распыления краски или аналогичной субстанции, представляющие собой по меньшей мере одну печатающую головку 6 или 7,
- сенсорные датчики 8, выполненные с возможностью измерять параметры расположения и/или перемещения детали 2, в частности, скорости перемещения и/или координаты расположения,
- возможно, средства 9 по меньшей мере частичной сушки и/или сшивания субстанций, распыляемых на поверхности 2’ декорируемой детали 2,
- средства 10 вычисления, контроля и управления, предназначенные и выполненные с возможностью использовать сигналы, выдаваемые сенсорными датчиками 8, и управлять по меньшей мере средствами 5 печати и устройством 4 перемещения.
Средства 5 печати, сенсорные датчики 8 и возможные средства 9 сушки расположены рядом друг с другом, например, друг над другом на неподвижной опорной конструкции 11, такой как основание, стойка, портальная опора и т.д.,
Устройство 4 перемещения и опорная конструкция 11 расположены друг против друга, и указанной неподвижной опорной конструкции 11 соответствует пространственная система координат X, Y, Z с первой осью Х, определяющей расстояние между устройством 4 перемещения и указанной опорной конструкцией 11, со второй осью Z, соответствующей направлению расположения друг над другом средств печати, сенсорных датчиков и, возможно, средств сушки 5, 8, 9, и с третьей осью Y, перпендикулярной к двум предыдущим осям X и Z,
Согласно изобретению и как показано на фиг. 3-10, средства 5 печати представляют собой по меньшей мере две подвижные одноцветные 6 или двухцветные 7 печатающие головки, выполненные с возможностью вращения и/или поступательного движения по меньшей мере с одной степенью свободы, при этом указанные головки 6, 7 могут перемещаться выборочно, одна за другой, в направлении определенного пространственного положения PSD, обеспечивающего печать на поверхности 2’ детали 2, причем под контролем средств 10 вычисления, контроля и управления и в соответствии с заранее запрограммированными данными, например, с программой печати, определяющей также перемещение детали 2 относительно опорной конструкции 11 и определенного пространственного положения PSD.
Благодаря вышеуказанным признакам, изобретение позволяет преодолеть недостатки, связанные с многоцветной печатающей головкой, которая имеет большой габарит вдоль оси расположения друг над другом средств 5, 8, 9 (ось Z на фигурах) и в которой сопла одного цвета соответственно отстоят друг от друга.
Кроме того, определение для различных головок 6, 7 средств 5 единого обеспечивающего печать пространственного положения PSD позволяет упростить и сделать более точной кинематику относительного перемещения и расположения различных головок 6, 7 относительно детали 2, движущейся в ходе печати.
Наконец, обеспечивая сближение рядов сопел или аналогичных распылительных отверстий 13, предусмотренных для одного цвета, полученное разрешение будет намного более высоким (см. фиг. 8-10). Положение PSD находится на одной прямой и непосредственно смежно с положениями сенсорных датчиков и средств сушки 8 и 9 при более простой конструкции и более высокой эффективности.
В варианте осуществления, представленном на фиг. 2, и в версиях, представленных на фиг. 3-7, печатающие головки 6, 7 по меньшей мере частично остаются в опорной конструкции 11, хотя и являются относительно нее подвижными.
В соответствии с первой версией осуществления, как показано на фигурах 3, печатающие головки 6, 7 могут быть расположены линейно рядом друг с другом вдоль третьей оси Y и могут вместе перемещаться скольжением вдоль этой оси Y под действием соответствующего поступательного привода, управляемого средствами 10 вычисления, контроля и управления.
Различные одноцветные головки 6 могут входить в состав одного модуля, образующего многосекционную головку 5 в виде гребенки, и могут быть сгруппированы в линию в горизонтальном направлении (ось Y на фигурах), то есть с минимальным вертикальным габаритом (ось Z на фигурах). Блок головок 6 можно направлять при поступательном движении при помощи направляющей, кулисы или аналогичного элемента, входящего в состав конструкции 11.
Сенсорные датчики 8 и средства 9 сушки обычно установлены неподвижно на указанной конструкции 11, однако могут быть также выполнены подвижными по примеру печатающих головок 6, чтобы еще больше повысить точность печати.
На фиг. 4А и 4В показаны два последовательных рабочих этапа процесса печати на поверхности 2’ при помощи установки 1, показанной на фиг. 1 и содержащей средства 5 печати, показанные на фиг. 3А-3С.
На первом этапе (фиг. 4А) печатающая головка 6, 7, предусмотренная для цианового цвета, располагается поступательным движением вдоль оси Y (горизонтальное направление) на вертикали и по оси сенсорного датчика 8 и средства 9 сушки/сшивания (положение PSD). Многоосный робот-манипулятор 4 перемещает деталь 2 перед указанной головкой 6, 7, которая распыляет краску цианового цвета на покрываемую поверхность 2’ в соответствии с заранее определенной программой печати, исполняемой средствами 10 вычисления, контроля и управления, которые используют также данные, выдаваемые сенсорными датчиками 8 и относящиеся к относительному положению и к параметрам перемещения детали 2.
Средства 9 сушки/сшивания обеспечивают фиксацию и по меньшей мере частичное затвердевание наносимых капель.
Под управлением средств 10 многосекционная головка 5 в виде гребенки перемещается при этом на один шаг линейным приводом (не показан) таким образом, чтобы головка 6, 7, предусмотренная для пурпурного цвета, оказалась в положении PSD. Краска опять распыляется в соответствии с заранее определенной программой, тогда как деталь 2 перемещается перед активной головкой 6, 7 (головка пурпурного цвета), а средства 9 осушают капли. Затем эти этапы повторяются для двух других цветов, чтобы завершить цикл печати.
В случае необходимости, весь цикл печати можно повторить с незначительным произвольным смещением печатающих головок 6, 7 (относительно их положения во время предыдущего цикла печати), чтобы добиться еще лучшего разрешения.
Согласно второй версии осуществления, представленной на фигурах 5, печатающие головки 6, 7 можно сгруппировать в окружном направлении вокруг второй оси Z, и они могут вместе поворачиваться вокруг этой оси Z под действием соответствующего поворотного привода (не показан), управляемого средствами 10 вычисления, контроля и управления.
По примеру вышеуказанной версии процесс печати можно осуществлять последовательными этапами, поворачивая модуль, объединяющий различные головки 6, на часть оборота (в данном случае на четверть оборота) вокруг оси Z.
Как и в предыдущем случае, сенсорные датчики и средства сушки 8 и 9 обычно являются неподвижными, но могут быть выполнены также с возможностью перемещения одновременно с печатающими головками 6.
Согласно отличительному признаку, дополняющему вышеуказанные версии и совместимому с этими версиями, можно предусмотреть, чтобы каждая из печатающих головок 6, 7 была подвижной индивидуально и перемещалась скольжением под действием соответствующего управляемого привода (не показан), отдельного для каждой головки 6, 7 или общего для всех головок 6, 7, вдоль первой оси Х (не показана).
Это обеспечивает большую гибкость маневрирования и применения, а также лучшее управление, лучший контроль и более значительную гибкость с точки зрения расстояния распыления.
В соответствии с третьей конструктивной версией изобретения, представленной на фигурах 6, печатающие головки 6, 7 могут быть сгруппированы рядом друг с другом линейно вдоль второй оси Z и могут, с одной стороны, перемещаться вместе скольжением вдоль этой оси Z и, с другой стороны, могут перемещаться индивидуально скольжением вдоль первой оси Х под действием соответствующих поступательных приводов (не показаны), управляемых средствами 10 вычисления, контроля и управления (например, автоматом), с которыми может быть связан пульт 10’ управления и программирования.
Предпочтительно цикл управления печатающими головками 6, 7 содержит последовательно сначала перемещение скольжением вдоль оси Z для выбора цвета для нанесения, затем перемещение скольжением вдоль оси Х, чтобы поместить соответствующее распылительное отверстие 13 (сопло) напротив декорируемой поверхности.
Наконец, как показано на фиг. 7, печатающие головки 6, 7 могут быть установлены на или внутри опорной конструкции 11 с возможностью перемещения скольжением индивидуально вдоль трех осей Х, Y и Z под действием соответствующих поступательных приводов, управляемых средствами 10 вычисления, контроля и управления.
Специалисту в данной области понятно, что вертикальное Z и горизонтальные XY направления, показанные на фигурах, являются лишь наиболее распространенными примерами. Действительно, в соответствии с конструкцией и соответствующей ориентацией устройства 4 перемещения детали 2 эти оси Х, Y и Z можно поменять местами, и в этом случае ось Z уже не будет соответствовать вертикальному направлению (версия на фигурах не показана).
Предпочтительно опорная конструкция 11 оснащена кожухом 12 с отверстием 12’, обозначающим определенное пространственное положение, обеспечивающее печать PSD, причем, в случае необходимости, это отверстие 12’ обеспечивает прохождение печатающей головки 6, 7.
Кроме того, учитывая вертикальное расположение друг над другом средств 5, 8 и 9, опорная конструкция 11 с кожухом 12 предпочтительно имеет простую и малогабаритную форму колонки.
Согласно второму варианту осуществления установки 1, схематично показанному на фиг. 11, опорная конструкция 11 представляет собой стойку или стеллаж для размещения поста обслуживания печатающих головок 6, 7, и указанная установка 1 содержит второе устройство 4’ перемещения с по меньшей мере пятью степенями свободы, предпочтительно второй шестиосный робот-манипулятор, выполненный с возможностью выборочно перемещать печатающую головку 6, 7 от ее места в стойке или стеллаже 11 в определенное пространственное положение PSD и наоборот под управлением средств 10 вычисления, контроля и управления. Указанную печатающую головку 6, 7 можно удерживать в этом положении PSD в ходе операции печати или нанесения покрытия при помощи этой головки 6, 7 или, в случае необходимости, можно перемещать соответственно перемещению детали 2.
Предпочтительно второй робот-манипулятор 4’ оснащен на уровне своего свободного конца автоматическим сменщиком 14 инструмента с его автоматическим устройством управления, на котором можно временно и разъемно установить печатающую головку 6, 7, выбранную для предусмотренной операции печати, при этом работой каждой печатающей головки 6, 7 и циркуляцией печатной краски в соответствии с возможными движениями несущего робота-манипулятора 4’ управляют средства 10.
Когда печатающие головки 6, 7 не используются, каждая из них в этом втором варианте осуществления установки может храниться в опорной конструкции 11 (при этом размер и количество мест хранения адаптированы к потребностям с точки зрения качества и количества).
Каждая печатающая головка 6, 7 может быть выполнена с возможностью заправки чернилами или без такой возможности, при этом управление разрежениями оцифровано (средства 10) и адаптируется в режиме реального времени к движениям робота 4’ и к ориентации соответствующей головки 6, 7.
Установка каждой головки 6, 7 на ее автоматическом сменщике 14 инструмента обеспечивает любую ориентацию головки, установленной для работы в общей сфере действия робота 4’.
Для осуществления цветной печати робот 4’ захватывает головку 6, 7 соответствующего цвета в стойке 11 при помощи автоматического сменщика 14 инструмента.
Предпочтительно параметры контроля печатной краски и печатающей головки адаптируют в режиме реального времени, чтобы компенсировать движения руки робота 4’, когда печатающая головка приводится в движение на конце руки робота.
В рамках этого второго варианта осуществления изобретения специалисту в данной области понятно, что каждую печатающую головку 6, 7 можно использовать в двух следующих конфигурациях, а именно:
- робот располагает применяемую головку в качестве неподвижной печатающей головки (принцип печати на передвигаемой детали, согласно которому деталь перемещают перед неподвижной головкой при помощи другого робота 4). Возможность изменять рабочее положение в зависимости от формы обрабатываемой детали, позволяет намного упростить программирование траекторий робота, отвечающего за траектории печати,
- деталь 2 установлена на первом роботе 4, а печатающую головку держит второй робот 4’, и оба робота 4, 4’ работают совместно под контролем средств 10. Это открывает возможность обрабатывать намного более объемные детали и на всех их сторонах.
Предпочтительно все различные печатающие головки 6, 7 имеют одинаковые конструкции и наружные формы.
Согласно первому варианту осуществления, представленному на фиг. 3-7, установка 1 предпочтительно содержит четыре одноцветные печатающие головки 6, при этом каждая головка 6 содержит по меньшей мере два ряда отверстий 13 для распыления краски одного цвета (см., в частности, фиг. 8 и 9). Если необходимо добиться очень высокого разрешения печати, каждая головка 6 в варианте может содержать только один ряд отверстий 13 для данного цвета.
Согласно второму варианту осуществления, частично представленному на фиг. 10, установка 1 может содержать две двухцветные печатающие головки 7, при этом каждая головка 7 состоит из двух объединенных одноцветных головок 6, каждая из которых содержит два ряда отверстий 13 для распыления краски одинакового цвета.
Практическое выполнение средств 4, 4’, 5, 8, 9 и 12, а также разработка программ управления и печати доступны специалисту в данной области, в частности, специалистам в области автоматики и автоматических систем печати.
Предпочтительно установка 1 может использовать мгновенные скорости участков поверхности 2’ перемещающейся детали 2 (считываемые сенсорными датчиками 8 и используемые средствами 10) для управления циклом печати, как было указано, например, во французской патентной заявке № 18 54024, поданной на имя заявителя (см., в частности, фиг. 2).
Точно так же, средства 9 сушки и/или сшивания предпочтительно могут содержать источник излучения со средствами регулирования пучка, как описано и показано, например, во французской патентной заявке № 17 50260, поданной на имя заявителя.
Разумеется, изобретение не ограничивается описанными и показанными на прилагаемых чертежах вариантами осуществления. В них можно вносить изменения, в частности, что касается состава различных элементов или их замены техническими эквивалентами, не выходя при этом за рамки объема защиты изобретения.