CN107225754A - 基于图像识别技术的3d打印机及其打印方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了基于图像识别技术的3D打印机及其打印方法，涉及3D打印技术领域，在打印过程中使用侧面红外摄像头拍摄正在打印层的红外图像，使用顶部红外摄像头拍摄打印完毕层的红外图像，接着识别并计算红外图像中当前层的厚度和打印完毕层外接矩形的长和宽，根据前面得到的厚度和长和宽对3D模型文件中下一层的标准厚度和标注长和宽分别校正后，使用校正后的数据与下一层打印时喷头的移动轨迹进行控制，使用前一层的误差校正后一层的标准数据，可以有效避免打印机因长时间工作造成的传动误差，进而提高产品精度。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印技术领域，特别涉及基于图像识别技术的3D打印机及其打印方法。
背景技术
3D打印，又称增材制造，属于快速成型技术的一种。3D打印技术出现于20世纪80年代，但由于成本的原因最近几年才被越来越多的使用。熔融沉积成型的3D打印技术是现在的消费级3D打印机所采用的一种主流技术。
熔融沉积成型的3D打印技术的原理：将丝状的热熔性材料进行加热融化，通过带有微细喷嘴的挤出机把材料挤出来。喷头可以沿Y轴和Z轴方向进行移动，工作台则沿X轴的方向移动(当然不同的设备其机械结构的设计也许不一样)，熔融的丝材被挤出后随即会和前一层材料粘合在一起。一层材料沉积后工作台将按预定的增量上升一个厚度，然后重复以上的步骤直到工件完全成型。
3D打印机使用一端时间后，由于各传动机构的磨损会出现传动不足的情况，导致喷头的实际位置和模型文件中的位置存在误差，进而降低产品精度。
发明内容
本发明实施例提供了基于图像识别技术的3D打印机及其打印方法，用以解决现有技术中存在的问题。
一种基于图像识别技术的3D打印机，包括打印机主体、图像采集模块和上位机，所述打印机主体内部安装有x、y和z向的滑轨，两个x向滑轨两端均垂直且滑动安装在两个y向滑轨之间，每个y向滑轨的两端分别垂直且滑动安装在两个z向滑轨之间，两个x向滑轨之间滑动安装有一个喷头，所述喷头的底部具有喷嘴；
所述图像采集模块包括顶部红外摄像头和侧面红外摄像头，所述喷头侧面固定安装一个所述顶部红外摄像头，且镜头沿z轴方向向下，两个x向滑轨之间固定安装一个所述侧面红外摄像头，且镜头沿x轴方向朝向喷嘴，该侧面红外摄像头300与喷嘴处于同一水平面上；
所述上位机中具有
处理器，用于实现各指令；以及
存储设备，用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行：
读取3D打印机本体中存储的打印机型号，在模型数据库中搜索与该打印机型号匹配的3D打印机误差校正文件，如果模型数据库中不存在与当前打印机型号匹配的3D打印机误差校正文件，则按照3D模型文件控制喷头的移动轨迹；
打印过程中，控制侧面红外摄像头拍摄多张红外图像，根据红外图像识别正在打印的一层，进而计算该层的厚度，输出当前层厚度；
一层打印完毕后，控制顶部红外摄像头拍摄多张红外图像，根据红外图像识别打印完毕的一层，进而计算该层所在区域的长和宽，输出当前层长和宽；
读取3D模型文件中记录的打印完毕层的标准厚度和标准外接矩形的长和宽，分别与所述当前层厚度和当前层长和宽比较，计算并输出厚度误差和形状误差；
根据厚度误差和形状误差分别对3D模型文件中记录的下一层的标准厚度和标准外接矩形的长和宽进行校正，输出校正后的数据；
下一层打印开始后，根据校正后的数据控制喷头的移动轨迹；
重复以上指令，直到打印完毕。
本发明还提供了一种基于图像识别技术的3D打印方法，包括以下步骤：
读取3D打印机本体中存储的打印机型号，在模型数据库中搜索与该打印机型号匹配的3D打印机误差校正文件，如果模型数据库中不存在与当前打印机型号匹配的3D打印机误差校正文件，则按照3D模型文件控制喷头的移动轨迹；
打印过程中，控制侧面红外摄像头拍摄多张红外图像，根据红外图像识别正在打印的一层，进而计算该层的厚度，输出当前层厚度；
一层打印完毕后，控制顶部红外摄像头拍摄多张红外图像，根据红外图像识别打印完毕的一层，进而计算该层所在区域的长和宽，输出当前层长和宽；
读取3D模型文件中记录的打印完毕层的标准厚度和标准外接矩形的长和宽，分别与所述当前层厚度和当前层长和宽比较，计算并输出厚度误差和形状误差；
根据厚度误差和形状误差分别对3D模型文件中记录的下一层的标准厚度和标准外接矩形的长和宽进行校正，输出校正后的数据；
下一层打印开始后，根据校正后的数据控制喷头的移动轨迹；
重复以上指令，直到打印完毕。
本发明实施例中提供了基于图像识别技术的3D打印机及其打印方法，在打印过程中使用侧面红外摄像头拍摄正在打印层的红外图像，使用顶部红外摄像头拍摄打印完毕层的红外图像，接着识别并计算红外图像中当前层的厚度和打印完毕层外接矩形的长和宽，根据前面得到的厚度和长和宽对3D模型文件中下一层的标准厚度和标注长和宽分别校正后，使用校正后的数据与下一层打印时喷头的移动轨迹进行控制，使用前一层的误差校正后一层的标准数据，可以有效避免打印机因长时间工作造成的传动误差，进而提高产品精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于图像识别技术的3D打印机的打印机主体内部各方向滑轨及喷头和红外摄像头的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参照图1，本发明实施例提供了基于图像识别技术的3D打印机，该3D打印机包括打印机主体、图像采集模块和上位机，所述打印机主体内部安装有x、y和z向的滑轨，如图1所示，x向和y向滑轨的数量均为两个，两个x向滑轨平行且两端均垂直且滑动安装在两个y向滑轨之间，z向滑轨的数量为四个，四个z向滑轨均平行，一个y向滑轨的两端分别垂直且滑动安装在两个z向滑轨之间，另一个y向滑轨的两端分别垂直且滑动安装在剩余两个z向滑轨之间。上述打印机主体中的x向、y向和z向滑轨为目前众多3D打印机的滑动结构中的一种，具体滑轨之间的连接方式以及滑轨与打印机主体中其他部件的连接方式均为现有技术，在此不做详细介绍。
两个x向滑轨之间滑动安装有一个喷头100，所述喷头100的底部具有喷嘴(图未示)，所述图像采集模块包括顶部红外摄像头200和侧面红外摄像头300，所述喷头100侧面固定安装一个所述顶部红外摄像头200，且镜头沿z轴方向向下，两个x向滑轨之间还固定安装一个所述侧面红外摄像头300，且镜头沿x轴方向朝向喷嘴，该侧面红外摄像头300与喷嘴处于同一水平面上。
应理解，所述侧面红外摄像头300应该安装在x向滑轨靠近末端的位置，但是不应接触到y向滑轨，所述喷头100在工作过程中不致撞到所述侧面红外摄像头300。
所述喷头100在驱动装置的带动下在x向滑轨上沿x轴方向移动，x向滑轨在驱动装置的带动下在y向滑轨上沿y轴方向移动，y向滑轨在驱动装置的带动下在z向滑轨上沿z轴方向移动，上述的驱动装置以及喷头的工作状态均由上位机控制，上位机根据3D模型文件控制个驱动装置和喷头100的具体工作状态，控制方法为现有3D打印机常用的方法，在此不再详述。
所述上位机可以为通用计算机，使用信号线与所述打印机主体连接即可对打印机主体进行控制。所述上位机还与模型数据库连接，所述模型数据库中存放有多个3D模型文件以及3D打印机误差校正文件。上位机可以从模型数据库中下载3D模型文件及3D打印机误差校正文件，也可以向模型数据库中上传3D模型文件及3D打印机误差校正文件。在本实施例中，所述每个3D打印机误差校正文件对应一种型号的3D打印机，其中记录有该型号的3D打印机在各种通电工作时间段上的误差校正数据。
所述上位机中具有存储设备和处理器，所述存储设备中存储有多条指令，由所述处理器加载并执行。所述处理器执行的指令包括：
读取3D打印机本体中存储的打印机型号，在模型数据库中搜索与该打印机型号匹配的3D打印机误差校正文件，如果存在匹配的3D打印机误差校正文件，则下载并存储该3D打印机误差校正文件；
读取3D打印机本体中存储的通电工作时间，在3D打印机误差校正文件中查询与该通电工作时间匹配的通电工作时间段；
在3D打印机开机工作后，根据与查询到的通电工作时间段对应的误差校正数据对3D模型文件中喷头的移动数据进行校正，以校正后的数据控制喷头的移动轨迹；
应理解，上述喷头的轨迹为空间上的移动轨迹，由喷头在x轴、y轴和z轴方向上的移动轨迹合成，因此上面所说的控制喷头的移动轨迹为控制喷头在x轴、y轴和z轴方向上的移动。
如果模型数据库中不存在与当前打印机型号匹配的3D打印机误差校正文件，则按照3D模型文件控制喷头的移动轨迹；
打印过程中，控制侧面红外摄像头拍摄多张红外图像，根据红外图像中的颜色识别正在打印的一层，进而计算该层的厚度，多张红外图像计算得到的厚度取平均值，输出当前层厚度；
一层打印完毕后，控制顶部红外摄像头拍摄多张红外图像，根据红外图像中的颜色识别打印完毕的一层，进而计算该层所在区域的长和宽，多张红外图像计算得到的长和宽取平均值，输出当前层长和宽；
在本实施例中，由喷嘴喷出的熔融材料温度较高，在红外图像中呈现红色或接近红色的颜色，而已经凝固的材料以及周围环境中的设备温度较低，在红外图像中呈现蓝色或者接近蓝色的颜色，因此可以根据颜色的不同识别正在打印和打印完毕的一层；由于3D打印中每层的外部轮廓形状不固定，对于外部轮廓不是矩形的层，识别出打印完毕的一层的外部轮廓后，使用外接矩形包围该外部轮廓，该外接矩形的长和宽即为打印完毕一层的长和宽；
读取3D模型文件中记录的打印完毕层的标准厚度和标准外接矩形的长和宽，分别与所述当前层厚度和当前层长和宽比较，计算并输出厚度误差和形状误差，其中厚度误差为标准厚度与当前层厚度的差值，标准外接矩形的长和当前层的长的差值为长度误差，标准外接矩形的宽和当前层的宽的差值为宽度误差，形状误差为长度误差和宽度误差的平均值；
根据厚度误差和形状误差分别对3D模型文件中记录的下一层的标准厚度和标准外接矩形的长和宽进行校正，输出校正后的数据；
下一层打印开始后，根据校正后的数据控制喷头的移动轨迹；
重复以上指令，直到打印完毕；
读取3D打印机本体中存储的通电工作时间，确定该通电工作时间所在的通电工作时间段，计算每一层打印时厚度误差平均值和形状误差平均值，将包括厚度误差平均值、形状误差平均值、通电工作时间段和打印机型号在内的数据制作成为3D打印机误差校正文件，上传至模型数据库中。
基于相同的发明构思，本发明还提供了基于图像识别技术的3D打印方法，该方法包括以下步骤：
读取3D打印机本体中存储的打印机型号，在模型数据库中搜索与该打印机型号匹配的3D打印机误差校正文件，如果存在匹配的3D打印机误差校正文件，则下载并存储该3D打印机误差校正文件；
读取3D打印机本体中存储的通电工作时间，在3D打印机误差校正文件中查询与该通电工作时间匹配的通电工作时间段；
在3D打印机开机工作后，根据与查询到的通电工作时间段对应的误差校正数据对3D模型文件中喷头的移动数据进行校正，以校正后的数据控制喷头的移动轨迹；
如果模型数据库中不存在与当前打印机型号匹配的3D打印机误差校正文件，则按照3D模型文件控制喷头的移动轨迹；
打印过程中，控制侧面红外摄像头拍摄多张红外图像，根据红外图像中的颜色识别正在打印的一层，进而计算该层的厚度，多张红外图像计算得到的厚度取平均值，输出当前层厚度；
一层打印完毕后，控制顶部红外摄像头拍摄多张红外图像，根据红外图像中的颜色识别打印完毕的一层，进而计算该层所在区域的长和宽，多张红外图像计算得到的长和宽取平均值，输出当前层长和宽；
读取3D模型文件中记录的打印完毕层的标准厚度和标准外接矩形的长和宽，分别与所述当前层厚度和当前层长和宽比较，计算并输出厚度误差和形状误差，其中厚度误差为标准厚度与当前层厚度的差值，标准外接矩形的长和当前层的长的差值为长度误差，标准外接矩形的宽和当前层的宽的差值为宽度误差，形状误差为长度误差和宽度误差的平均值；
根据厚度误差和形状误差分别对3D模型文件中记录的下一层的标准厚度和标准外接矩形的长和宽进行校正，输出校正后的数据；
下一层打印开始后，根据校正后的数据控制喷头的移动轨迹；
重复以上步骤，直到打印完毕；
读取3D打印机本体中存储的通电工作时间，确定该通电工作时间所在的通电工作时间段，计算每一层打印时厚度误差平均值和形状误差平均值，将包括厚度误差平均值、形状误差平均值、通电工作时间段和打印机型号在内的数据制作成为3D打印机误差校正文件，上传至模型数据库中。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种基于图像识别技术的3D打印机，其特征在于，包括打印机主体、图像采集模块和上位机，所述打印机主体内部安装有x、y和z向的滑轨，两个x向滑轨两端均垂直且滑动安装在两个y向滑轨之间，每个y向滑轨的两端分别垂直且滑动安装在两个z向滑轨之间，两个x向滑轨之间滑动安装有一个喷头，所述喷头的底部具有喷嘴；
所述图像采集模块包括顶部红外摄像头和侧面红外摄像头，所述喷头侧面固定安装一个所述顶部红外摄像头，且镜头沿z轴方向向下，两个x向滑轨之间固定安装一个所述侧面红外摄像头，且镜头沿x轴方向朝向喷嘴，该侧面红外摄像头300与喷嘴处于同一水平面上；
所述上位机中具有
处理器，用于实现各指令；以及
存储设备，用于存储多条指令，所述指令适于由处理器加载并执行：
读取3D打印机本体中存储的打印机型号，在模型数据库中搜索与该打印机型号匹配的3D打印机误差校正文件，如果模型数据库中不存在与当前打印机型号匹配的3D打印机误差校正文件，则按照3D模型文件控制喷头的移动轨迹；
打印过程中，控制侧面红外摄像头拍摄多张红外图像，根据红外图像识别正在打印的一层，进而计算该层的厚度，输出当前层厚度；
一层打印完毕后，控制顶部红外摄像头拍摄多张红外图像，根据红外图像识别打印完毕的一层，进而计算该层所在区域的长和宽，输出当前层长和宽；
读取3D模型文件中记录的打印完毕层的标准厚度和标准外接矩形的长和宽，分别与所述当前层厚度和当前层长和宽比较，计算并输出厚度误差和形状误差；
根据厚度误差和形状误差分别对3D模型文件中记录的下一层的标准厚度和标准外接矩形的长和宽进行校正，输出校正后的数据；
下一层打印开始后，根据校正后的数据控制喷头的移动轨迹；
重复以上指令，直到打印完毕。
2.如权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述处理器在模型数据库中搜索与该打印机型号匹配的3D打印机误差校正文件时，如果确定存在匹配的3D打印机误差校正文件，加载并执行以下指令：
下载并存储该3D打印机误差校正文件；
读取3D打印机本体中存储的通电工作时间，在3D打印机误差校正文件中查询与该通电工作时间匹配的通电工作时间段；
在3D打印机开机工作后，根据与查询到的通电工作时间段对应的误差校正数据对3D模型文件中喷头的移动数据进行校正，以校正后的数据控制喷头的移动轨迹。
3.如权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述处理器在执行外上述指令后，还加载并执行：
读取3D打印机本体中存储的通电工作时间，确定该通电工作时间所在的通电工作时间段，计算每一层打印时厚度误差平均值和形状误差平均值，将包括厚度误差平均值、形状误差平均值、通电工作时间段和打印机型号在内的数据制作成为3D打印机误差校正文件，上传至模型数据库中。
4.如权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述处理器在计算打印完毕层所在区域的长和宽时，识别打印完毕的一层的外部轮廓，使用外接矩形包围该外部轮廓，该外接矩形的长和宽即为打印完毕一层的长和宽。
5.如权利要求1所述的3D打印机，其特征在于，所述处理器在计算厚度误差和形状误差时，厚度误差为标准厚度与当前层厚度的差值，标准外接矩形的长和当前层的长的差值为长度误差，标准外接矩形的宽和当前层的宽的差值为宽度误差，形状误差为长度误差和宽度误差的平均值。
6.一种基于图像识别技术的3D打印方法，其特征在于，包括以下步骤：
读取3D打印机本体中存储的打印机型号，在模型数据库中搜索与该打印机型号匹配的3D打印机误差校正文件，如果模型数据库中不存在与当前打印机型号匹配的3D打印机误差校正文件，则按照3D模型文件控制喷头的移动轨迹；
打印过程中，控制侧面红外摄像头拍摄多张红外图像，根据红外图像识别正在打印的一层，进而计算该层的厚度，输出当前层厚度；
一层打印完毕后，控制顶部红外摄像头拍摄多张红外图像，根据红外图像识别打印完毕的一层，进而计算该层所在区域的长和宽，输出当前层长和宽；
读取3D模型文件中记录的打印完毕层的标准厚度和标准外接矩形的长和宽，分别与所述当前层厚度和当前层长和宽比较，计算并输出厚度误差和形状误差；
根据厚度误差和形状误差分别对3D模型文件中记录的下一层的标准厚度和标准外接矩形的长和宽进行校正，输出校正后的数据；
下一层打印开始后，根据校正后的数据控制喷头的移动轨迹；
重复以上指令，直到打印完毕。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，如果模型数据库中存在与当前打印机型号匹配的3D打印机误差校正文件，则下载并存储该3D打印机误差校正文件；
读取3D打印机本体中存储的通电工作时间，在3D打印机误差校正文件中查询与该通电工作时间匹配的通电工作时间段；
在3D打印机开机工作后，根据与查询到的通电工作时间段对应的误差校正数据对3D模型文件中喷头的移动数据进行校正，以校正后的数据控制喷头的移动轨迹。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
读取3D打印机本体中存储的通电工作时间，确定该通电工作时间所在的通电工作时间段，计算每一层打印时厚度误差平均值和形状误差平均值，将包括厚度误差平均值、形状误差平均值、通电工作时间段和打印机型号在内的数据制作成为3D打印机误差校正文件，上传至模型数据库中。
9.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在计算打印完毕层所在区域的长和宽时，识别打印完毕的一层的外部轮廓，使用外接矩形包围该外部轮廓，该外接矩形的长和宽即为打印完毕一层的长和宽。
10.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在计算厚度误差和形状误差时，厚度误差为标准厚度与当前层厚度的差值，标准外接矩形的长和当前层的长的差值为长度误差，标准外接矩形的宽和当前层的宽的差值为宽度误差，形状误差为长度误差和宽度误差的平均值。
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