专利名称：手持式图案产生装置及其使用方法
技术领域：
本发明总体上涉及剪贴簿制作、卡制作和相关的工艺，特别是涉及一 种用于切割或绘图设计的手持式图案产生装置及其相关的使用方法，所述 切割或绘图设计包括由媒介例如纸或布形成形状、图形、字符、数字、字 词等。
背景技术：
传统上，特别专业的计算机控制的图案机例如描绘机、切割机、雕刻 机和镂铣机已在商业上得到应用。这些机器由于操作需要专门的训练且具 有高的成本而不适合消费者市场。然而，最近的技术和制造进步己使得多 种样式的这些商用机器开始进入消费者市场。
这些较新的消费者装置的主要限制在于，具有小的图案尺寸与机器占
地尺寸比。与机器的占地尺寸相比，手持式变型由于传统的笛卡尔x-y驱 动机构需要的面积而产生小的图案，所述笛卡尔x-y驱动机构需要位于切 割区域以外的笨重的传动装置和安装结构。因此，在手持式图案产生装置 的领域需要改进。
发明内容
公开了一种手持式图案产生装置及其使用方法，其增大了图案尺寸与 机器占地尺寸比。本发明利用具有减小的形状因数的基于极坐标的驱动机 构和节省空间的传动装置和安装结构，使得所有构件均位于切割区域内。
在手持式图案产生装置的一个实施例中，转动件可转动地定位在壳体 内，且在转动驱动机构的动力作用下以极坐标的方式在角度上横过x-y平 面。轨道设置在转动件的表面上，以便为容纳工具头例如切割刀片、绘图 笔的支架提供径向路径。设置在转动件的表面上的引导轨包括提供非直线 路径的弯曲部分。径向驱动机构沿着轨道的径向路径横向驱动支架，使得
4柔性齿条沿引导轨的非直线路径行进。在另一种实施方式中，径向件与转 动件一起使用。特别地，径向件安装在转动件上，且在径向驱动机构的动 力作用下沿大致经过转动件的转动中心的路径移动。安装到径向件的支架 提供沿Z-轴线的致动。特殊的实施例提供了一种措施，以使径向件行进比 转动件的大致圆形本体的距离大的距离。
为了更完全地理解本发明的特征和优点，现参看借助附图对本发明所 作的详细描述，其中，在不同图中的相应的附图标记表示相应的部件，附 图包括
图1是用于在媒介上产生图案的系统的透视图，其中，使用了图案产 生装置的一个实施例；
图2是图1所示的图案产生装置的顶视图； 图3是图1所示的图案产生装置的后视图； 图4是图1所示的图案产生装置的仰视透视图5是图1所示的图案产生装置的内部构件的一个实施例的剖视透视
图6是图5所示的特殊的内部构件的分解图； 图7是支架和工具头的一个实施例的侧视图； 图8是支架和工具头的另一实施例的分解图9是图1所示的图案产生装置在操作和产生图案时的仰视图，其中 移除了特殊的构件；
图IO是图1所示的图案产生装置在操作和产生图案时的仰视图，其中 移除了特殊的构件；
图11是图1所示的图案产生装置在操作和产生图案时的仰视图，其中 移除了特殊的构件；
图12是图1所示的图案产生装置在操作和产生图案时的仰视图，其中 移除了特殊的构件；以及
图13是用于使用图1所示的图案产生装置的方法的一个实施例的流程图。
具体实施例方式
尽管下面详细地描述了本发明的各个实施例的制造和使用，但应当理 解，本发明提供了可在许多种特定背景下实施的具有适用性的众多本发明 的概念。在此所述的特殊实施例仅是示例性地说明制造和使用本发明的特 殊方式，而不是限制本发明的范围。
开始参看图1,其中示出了一种图案产生装置10，其应用于用于在媒 介16中产生图案14的系统12中。切割垫18包括用于接收和固定媒介16 的工件保持器20，例如，所述媒介可包括织物、织品、纸等。肩部12由切 割垫18的边缘24整体形成，以提供用于平台26的可释放的接合，所述平 台当被接合时如图所示地横向地叠置在切割垫18和媒介16上。平行的轨 28、 30设置在平台26上且适于接收图案产生装置10，而且使图案产生装 置10可在利用平台26的杆32、 34的用户动力作用下线性地横过媒介16， 这提供图案产生装置10的不用手扶的对齐和运动。
如下面更详细地所述，在此提供的图案产生装置10使用转动机构和极 坐标系统，以提供手持式工具，所述手持式工具控制工具头，例如切割刀 片或绘图笔、且在任何合适的媒介上执行一大批的切割、设计和图案操作。 这些操作可进一步包括切割、绘图、描绘、研磨、镂铣、雕刻等。手持式 图案产生装置10以及相关的使用方法使得可进行切割或绘图设计，包括在 媒介例如纸或布上形成形状、图形、字符、数字、字词等。
应当理解，尽管图1示出了切割垫和平台，但媒介16也可通过任何合 适的技术保持在位。作为示例，用户可使用一只手或手指的压力来稳定媒 介，同时利用另一只手将装置保持在媒介上。作为另一示例，也可使用粘 性垫或喷胶。而且，磁体和磁性材料可分布在切割垫和图案产生装置之间， 以在切割垫与图案产生装置之间提供磁力，媒介可靠地置于它们之间。其 他技术包括钉和工件保持器装置以及铰链装置。
图2-6示出了图案产生装置的另外的视图。壳体40包括上侧42、前侧 44、后侧46、下侧48和两个侧部50、 52。上侧42接收图形用户接口 54， 所述图形用户接口 54包括监视器56和输入控制装置58。示于存放位置的 可移动手柄60可转动地连接到上侧42。设置在上侧42和后侧46的接合部
6位附近的输入端口 62接收存储卡64，例如固态电子存储装置。用户致动切 割过程所使用的切割按钮66邻近输入端口 62定位。壳体40适于包括窗口 68，通过所述窗口，图案产生装置10、特别是工具头70的对齐状态可与媒 介16对比。窗口 68可包括任何透明材料，例如透明塑料。
壳体40在其下侧48包括开口 72，且可包括两个部分上壳体40a和 下壳体40b。两个壳体40a、 40b具有配合的互补形式。凸缘部分74从壳体 40的接近开口 72处延伸，以便在壳体40和媒介16之间提供增加的接触面 积、和提供用于印刷或压花标尺标记的表面。在包括切割刀片的实施例中， 工具头70可包括设置在其上的可移除的保护套(未示出)，且可縮回地从 壳体40延伸，以在可能例如涉及形状、图形、字符、数字、字词等的切割 或绘制的图案产生过程中接触媒介16。最好参看图4，径向件78安装到转 动件80，所述转动件80定位在壳体40内。在一种实施方式中，径向件78 包括至少部分由支撑结构84形成的轨道82，所述支撑结构设置在转动件 80的表面86上，以在两个间隔开的平行导滑件90、 92之间提供线性、径 向路径，它们形成轨道82的一部分。如示例实施例所述，轨道82大致对 分转动件80。
在一种实施方式中，由转动件80整体形成的引导轨94包括弧形或弯 曲部分96、和线性部分IOO，该弧形或弯曲部分提供非直线路径98。包括 用于容纳径向件78的子构件的嵌件102的径向件78在轨道82和平行导滑 件90之间的位置设置在转动件80内且邻近引导轨94。可称作第一驱动机 构的转动驱动机构110设置在壳体40内。在转动驱动机构110的动力作用 下，转动件80相对于壳体40在角度上横过x-y平面。
支架112通过凸缘114、 116可滑动地安装到轨道82，所述凸缘114、 116从其延伸，以可滑动地咬合平行导滑件90、 92。在可称作第二驱动机 构且形成径向件78的一部分的径向驱动机构118的动力作用下，支架112 线性和径向地沿轨道82的路径88移动。径向驱动机构118固定在壳体40 内，且部分设置在嵌件102内。形成径向驱动机构118、从而形成径向件 78的一部分的柔性齿条120适于经过引导轨的弯曲部分96，如上所述，引 导轨还包括直线部分100，以允许柔性齿条120的最大伸展。如所示，在一 种实施方式中，转动件80包括具有半径r的大致圆形本体122。在该实施
7方式中，柔性齿条120包括比半径r大的被引导轨94所接受的长度。
关于柔性齿条120的径向运动和长度，可滑动地安装到转动件80上的 径向件78在径向驱动机构118的动力作用下沿大致通过转动件80的转动 中心的路径88移动。特别地，径向件78的柔性齿条120适于沿弯曲引导 轨94移动。在另一实施方式中，径向驱动机构118包括平行于路径88设 置的多个同步的小齿轮，且径向件还包括齿条，所述齿条适于在定位在横 向路径的极端时啮合总数以下的小齿轮，例如当支架112完全縮回或完全 伸展时的位置时。
另外，侧向件124以这种方式连接在柔性齿条120的一端处，即与柔 性齿条120协同移动并在柔性齿条120与转动件80之间保持可滑动的连接。 支架112包括外壳126，所述外壳126容纳内部z-轴线驱动机构128，所述 z-轴线驱动机构128控制工具头70相对于壳体40沿z-轴线的运动。
计算机控制器140经由图形用户接口 54、监视器56和输入控制装置 58与用户交互，且通过向驱动机构发送控制信号引导工具头70和产生图 案；所述驱动机构即为转动驱动机构110、径向驱动机构118和支架112 的z-轴线驱动机构128。计算机控制器140包括各种电子元件，且可访问 具有设置在上面的图案库的存储空间。图案库用于将用户的图案选择转换 为媒介上的产生后的图案。如下面更详细地所述，用户具有获得和设计用 于图案产生装置IO的图案的多种方式。应当理解，计算机控制器140可包 括用于处理和执行所需的指令和控制信号的硬件、软件和固件的任何组合。
在一个实施例中，壳体40以及其他构件的多个部分可包括由注射成型 形成的热塑性和/或热固性塑料。转动驱动机构110叠置在转到件80上、且 两者都固定在壳体40内。径向驱动机构118至少部分设置在转动件80上， 所述转动件80包括各种凸片、和公母连接器，以可转动地将转动件80固 定到壳体40。
关于转动驱动机构110，电机146固定在壳体40内，用于将转矩传递 到输出轴148，可以是小齿轮的齿轮150加装到输出轴148上。从转动件 80延伸的一组齿轮齿或齿圈152设置成与齿轮150处于啮合关系。关于径 向驱动机构118，与转动驱动机构110相类似，电机154设置在转动件80 上，以将转矩传递到输出轴156，所述输出轴156上面连接有小齿轮158。
8柔性齿条120设置成与小齿轮158处于啮合关系。
与形成轨道82的一部分的支撑结构84 —样，柔性齿条120定位在转 动件80的表面86上。与其他构件一样包括凸片和其他固定装置的托板112 可滑动地固定到支撑结构84和转动件80的表面86。
应当理解，在此所述的构件可由各种天然和合成材料制造，所述材料 包括塑料、金属、合成物等。而且，在转动和径向驱动机构110、 118中使 用的电机可以例如为DC电机、混合式步进电机、DC伺服电机、或直线电 机，其由达林顿晶体管阵列、FET阵列、功率开关晶体管和继电器装置或 它们的任何组合驱动。如所述，图案产生装置10由电池驱动。然而，应当 理解，可选的功率源属于在此所提供的教导内。例如，具有AC/DC适配器、 USB接口和一次性电池的巻绕式功率附件(coiled power attachment)是可 用的选择。
图7示出了支架112和工具头70的一个实施例。包括z-轴线致动器170 的z-轴线驱动机构128设置在支架112的外壳126内，用于控制杠杆172 克服保持夹174的枢转，所述z-轴线致动器包括螺线管181。保持夹174 经由压缩弹簧178连接到活塞176，所述压縮弹簧178向活塞施加设计的预 载。活塞容纳滚球轴承组件179，所述滚珠轴承组件179又保持工具头70。 提升弹簧180向活塞176施加轻的负载，以将其保持在升起位置，直到螺 线管181被加电，.该家电操作将吸引杠杆的下端172b，且使杠杆的上端172a 克服保持夹174向下枢转。
保持夹174、压縮弹簧178、活塞176、工具支承组件183、和工具头 70 —致地向下移动，直到可以是切割刀片的工具头70剌穿媒介16并在切 割表面例如垫上降至最低，在此点，仅保持夹174继续向下移动，直到螺 线管181完全变换为加电位置。通过采用这种方式，比压缩弹簧的设计的 预载稍大的载荷在切割过程中被施加。通过采用这种方式，工具头70的z-轴线位置以及施加给媒介16的力和压力可被控制。
图8示出了支架112和工具头70的另一实施例。电机l卯固定在支架 112的外壳126内，以向输出轴192传递转矩。传动机构194将输出轴192 连接到工具头70，使得工具头70是可操作的，以便可控制地相对于壳体 40沿z-轴线移动。如所述，传动机构194包括连接到输出轴192的蜗轮196。
9具有形成在其上的外螺纹200的工具头保持器198与形成在工具头引导件 206的内表面204上的内螺纹202啮合。从工具头引导件206的外表面210 延伸的齿轮齿208与蜗轮196啮合。如所示，支架112包括带键的轴212， 所述轴212至少部分伸入到工具头保持器198的互补槽214中，所述互补 槽在转动上约束工具头保持器198。当电机190被正向驱动时，工具头引导 件206的转动旋出工具头保持器198，使得它向下移动，以接合媒介16。 工具头保持器198的行进深度由电机190的工作时间、或由计算机控制器 140监视的编码器、或由与计算机控制器140监测的电机电流关联的测量压 力确定。在一种实施方式中，z-轴线驱动机构128包括监测z-轴线致动器 170的转矩和/或功率消耗的电子元件，从而通过相互关系监测工具头70在 媒介16上的力和压力，其中所述z-轴线致动器170可包括电机。
图9-12示出了操作实施例中的图案产生装置10，其中，支架112的外 壳126的一部分已被移除，以显露出柔性齿条120。如上所述，图案产生装 置10的驱动机构是基于极坐标的。转动驱动机构110如双向箭头220所示 地控制工具头70的角坐标。特别地，转动驱动机构110转动转动件80，所 述转动件80又在角度上使轨道82和支架112移位，所述支架112保持工 具头70。另一方面，径向驱动机构118如双向箭头222所示地控制工具头 70的径向坐标。更具体地讲，径向驱动机构118控制支架112和工具头70 在轨道82中的位置，所述轨道82大致平分转动件80的区域。
参看图9，工具头70沿着一条线定位在侧面部位，所述线可被认为极 轴，所述极轴以附图标记224表示，源自以附图标记226表示的极点。在 该位置，转动驱动机构110还没有使工具头70在角度上从极轴224移位， 而径向驱动机构118已在径向上使工具头70沿着极轴224从转动件80的 极点226移位到转动件80的边缘。在此，柔性齿条120以从小齿轮158 沿着引导轨94的直线部分100直到支架112的长度大致延伸。
参看图IO，工具头70大致定位在极点226处。为了使工具头70从图 9所示的侧面位置变换到极点226处的位置，径向驱动机构118縮回支架 112和工具头70。当发生縮回时，柔性齿条120行进通过引导轨94的弯曲 部分96的非直线路径98。弯曲部分96的非直线路径98使柔性齿条120 的径向占地尺寸最小化，且允许非直线路径98接纳长度比转动件80的半
10径r大的柔性齿条120。应当理解，尽管转动件80被示为具有大致圆形本 体122，但其他形状和形式的转动件80也属于在此提供的教导内。而且， 本领域的技术人员可以理解，其他形状和形式可具有不同于半径的尺寸、 不同于极轴的轴线和不同于极点的中心。
参看图11，工具头70在转动件80的边缘处并与极轴224成270°的 角定位。为了将工具头70从图IO所示的位置移动到图ll所示的位置，转 动驱动机构110转动工具头70，且径向驱动机构118使工具头70直线前进 到所示的位置。这些操作可以任何顺序或大致同时地进行。
参看图12，工具头70以与图11的工具头70相同的极角或方位角定位。 然而，在图12中，工具头70设置在极度延伸位置，其中，工具头70延伸 超过转动件80到达转动件80和壳体40之间的位置。柔性齿条120沿着引 导轨94的平行于轨道82的直线部分100大致完全直线延伸。柔性齿条120 的直线部分100允许延伸超过转动件80达到壳体40，且引导轨94的弯曲 部分96在转动件80的限界内提供路径，以接收柔性齿条120，在所示的实 施例中，柔性齿条120的长度比转动件80的半径大。因此，图案产生装置 10包括径向行进距离大于转动件80的直径的工具头。参看图9和12，工 具头70和柔性齿条120的两个相应的径向位置可被比较。在图9中，工具 头70定位在转动件80的极点226处，且长度比转动件80的半径大的柔性 齿条120通过弓I导轨94的弯曲部分96巻绕或弯曲。另一方面，在图12中， 工具头70和柔性齿条120完全延伸，且使用了引导轨94的与弯曲部分96 不同的直线部分IOO。
因此，应当理解，工具头70可通过转动和径向驱动机构110、 118的 基于极坐标的配合定位在壳体40内的任何位置。因此，图案产生装置10 通过如上所述地操纵工具头70的角位移和径向位移以及通过控制工具头 70与媒介16的接触产生图案。如上所述，z-轴线驱动机构128控制z-轴线 位置以及与媒介16接触的力和压力，以根据所需的图案14通过实施选择 性的切割操作产生所需的图案。通过采用这种配置，转动驱动机构80和径 向驱动机构78大致包含在由支架的运动限定的切割区域的投影内。
众多种应用场合得益于由在此提供的手持式图案产生装置IO提供的较 大的图案尺寸与机器占地尺寸比。特别地，转动和径向驱动机构110、 118的结构和功能包含在壳体40内，以最小化形状因数和占地尺寸、最大化图 案产生区域。在此提供的图案产生装置提供包含在切割区域的占地尺寸内
的驱动机构。通过使用上述设计的一个实施例，图案产生装置10不超过5 英寸(12.7厘米)X5英寸(12.7厘米)方形区域。这些尺寸大致属于"可 手持"的范围内。另外，图案产生装置10可产生4英寸(10.2厘米)X4 英寸(10.2厘米)或以上的图案。该尺寸对于许多潜在应用是必需的。除 了能够产生具有有用图案尺寸的较小机器，在此提供的图案产生装置10通 过高效使用价廉的部件降低了成本，且节省工作和办公空间。
图13示出了用于使用图案产生装置的方法的一个实施例。在框240， 设计者创建光栅图像图案集，其可包括表示形状、图案等的外形或形式的 数据文件或数据结构，其可经由计算机监视器、纸张或其他显示介质观看。 在框242,原始设备制造商(OEM)创建数字翻阅图像(digital thumbnail image)和图案命令文件，在框244处，其可被编程到也可称作图案卡的可 移除的存储卡或媒体卡上。在框246，用户可从零售店购买图案卡。
返回到框242，作为一种替代方式，方法可行进到框248，其中，OEM 上载翻阅图像和命令文件到因特网上的网站，以允许用户在框250处购买 和下载文件。 一旦用户购买和下载文件到个人计算机，例如，文件可放置 在媒体卡上，如框252所示。
在框254，用户由软件或预先存在的图像创建光栅图像图案集，然后在 框256，创建数字翻阅图像和图案命令文件。创建图案命令文件的该方法行 进到前述的框252，其中，用户对可移除的媒体卡进行编程。在框240-252 中提供的选择允许用户采用多种技术创建图案。然而，应当理解，本技术 并不仅限于这些选择。
不管采用何种创建图案的技术，在框258，用户此时可将图案卡和相关 的数据安装在图案产生装置上。在框260，多种图案的像显示在手持式图案 产生装置的图形用户接口上。然后，用户在框262处从多种图案的像中选 择图案。在框264处，在手持式图案产生装置也在框264处定位在切割垫 上之前，媒介安装在切割垫上。此时，可通过手持式图案产生装置的窗口 观看、检验和调节工具头，特殊实施例中的切割刀片，邻近媒介的定位。
在框266，手持式图案产生装置被命令产生所选择的图案，特别是，与
12计算机控制器相关联的CPU或电子元件读取必需的命令文件且将信号传递 到每个驱动机构和垂直致动器机构，以产生图案。在产生图案时，手持式
图案产生装置选择性地使切割刀片径向横过媒介。另外，在产生图案时， 切割刀片选择性地在角度上横过媒介。选择性地径向横过媒介和选择性地 在角度上横过媒介的操作重复地发生，而不管其顺序。在这些操作中，z-轴线驱动机构上下致动切割刀片而与媒介接触，以产生图案。
尽管已参看示例性实施例描述了本发明，但该描述并不认为是限制性 的。本领域的普通技术人员在参看描述时可显见本发明的示例性实施例和 其他实施例的各种修改和组合。因此，权利要求书包括任何这种修改或实 施例。
1权利要求
1.一种手持式图案产生装置(10)，包括壳体(40)，所述壳体(40)具有位于其下侧(48)的开口(72)；可转动地定位在壳体(40)内的转动件(80)，所述转动件(80)在第一驱动机构(110)的动力作用下适于相对于壳体(40)在角度上横过x-y平面；设置在转动件(80)的表面(86)上的轨道(82)，所述轨道(82)适于提供径向路径(88)；设置在转动件(80)的表面(86)上的引导轨(94)，所述引导轨(94)包括提供非直线路径(98)的弯曲部分(96)；可滑动地安装到轨道(82)的支架(112)，所述支架(112)包括从其延伸的工具头(70)，所述工具头(70)适于相对于壳体(40)沿z-轴线移动；以及用于沿着轨道(82)的径向路径(88)横向驱动支架(112)的第二驱动机构(118)，所述第二驱动机构(118)包括适于沿引导轨(94)行进的柔性齿条(120)。
2. 如权利要求l所述的手持式图案产生装置(10)，其特征在于，它还包括计算机控制器(140)，所述计算机控制器(140)电连接到第一驱动机构(110)、第二驱动机构(118)和支架(112)，且用于与用户交互并引导工具头(70)。
3. 如权利要求2所述的手持式图案产生装置(10)，其特征在于，计算机控制器(140)还包括访问存储空间的通路，所述存储空间具有设置在上面的图案库。
4. 如权利要求1所述的手持式图案产生装置(10)，其特征在于，转动件(80)还包括具有半径r的大致圆形本体(122)，且柔性齿条(120)还包括比半径r大的被引导轨(94)所接受的长度。
5. —种手持式图案产生装置(10)，包括壳体(40)，所述壳体(40)具有位于其下侧(48)的开口 (72);可转动地定位在壳体(40)内的转动件(80)，所述转动件(80)在第一驱动机构(110)的动力作用下适于相对于壳体(40)在角度上横过x-y平面；可滑动地安装到转动件(80)的径向件(78)，所述径向件(78)在第二驱动机构(118)的动力作用下适于沿大致通过转动件(80)的转动中心的路径(82)移动；以及安装到径向件(78)的支架(112)，所述支架(112)包括从其延伸的工具头(70)，所述工具头(70)适于相对于壳体(40)沿z-轴线移动。
6. 如权利要求5所述的手持式图案产生装置(10)，其特征在于，工具头(70)的功能从包括切割、绘图、描绘、研磨、镂铣和雕刻的组中选择。
7. 如权利要求5所述的手持式图案产生装置(10)，其特征在于，转动件(80)还包括弯曲的引导轨(94)，且径向件(78)还包括适于沿弯曲的引导轨(94)移动的柔性齿条(120)。
全文摘要
公开了一种手持式图案产生装置(10)及其使用方法。在一个实施例中，转动件(80)可转动地定位在壳体(40)内，且在第一驱动机构(110)的动力作用下在角度上横过x-y平面。轨道(82)设置在转动件(80)的表面(86)上，以便为容纳工具头(70)的支架(112)提供径向路径(82)。设置在转动件(80)的表面(86)上的引导轨(94)包括提供非直线路径(98)的弯曲部分(96)。第二驱动机构(118)沿着轨道(82)的径向路径(82)横向驱动支架(112)，使得柔性齿条(120)沿着引导轨(94)的非直线路径(98)行进。
文档编号B26D5/20GK101687332SQ200780035630
公开日2010年3月31日 申请日期2007年8月27日 优先权日2006年8月25日
发明者J·马隆, M·温施 申请人:记忆批发公司