CN107741425A - 一种用于增材制造的表面缺陷实时检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种用于增材制造产品表面缺陷的实时检测装置，包括与计算机处理单元连接的照明模块、镜头组及传感器模块、传动模块和计算机处理单元；所述照明模块工作于镜头组拍摄过程；所述镜头组包括一个或多个光学镜头；所述传动模块包括步进电机、丝杆以及相应的控制电路，用于改变镜头组的高度，使得镜头组能够始终跟随增材制品的制造过程；所述计算机处理单元用于接收镜头组采集的图像，将采集的图像融合之后，再通过相应的图像处理算法来判断增材制品的表面缺陷类型及位置并记录。本发明能够同时获取增材制品的360度表面图像，全面、无死角地检测制品表面凹陷、凸起、变色等表面缺陷进行高精度高分辨率的实时检测，提高系统的检测速度。
Description
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及用于增材制造的表面缺陷实时检测装置。
背景技术
增材制造技术的出现被认为是21世纪机械制造工业领域的一次划时代的工艺技术革新，给现代社会带来了强大的冲击和震撼。增材制造技术集合了数字建模技术、机电控制技术、信息技术、材料科学与化学等多项高新技术的优势，与传统机械制造技术相比有很多优势。
增材制造技术（Additive Manufacturing，AM）是一种快速自由成形、制造三维实体零件的新技术，也称为快速原型制造（Rapid Prototyping）、3D打印（3D Printing）、实体自由制造（Solid Free-form Fabrication）等。其中3D打印是最常用的技术名称之一。与传统的机械制造技术（即减材制造和等材制造）相比，增材制造技术有很多它们所无法比拟的优势，例如快速、环保、无需事先制造模具，甚至可以一次快速成型等。增材制品在生产和使用过程中会无可避免地产生某些缺陷，因此需要第一时间对其进行检测。
目前，对于增材制品的检测主要集中在增材制造原料的原材料检测、增材制品的超声检测、射线检测等。但这些检测的重点是增材制品的内部缺陷，例如其内部残余应力分布、材料孔隙率等，而对于某些对表面要求比较高的增材制品仍没有相适应的缺陷检测方法。
为了能满足对表面缺陷较为重视的增材制品的表面实时检测要求，提高整个增材制造过程的工作效率，可利用普通镜头与步进电机相结合的检测方法，采用多摄像头同时采集表面图像信息，并且可以对增材制品的生产进行跟随，同时满足了检测系统精度和速度上的要求。
发明内容
本发明发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种用于增材制造过程中增材制品的表面缺陷的实时检测装置，具体技术方案如下。
一种用于增材制造的表面缺陷实时检测装置，其包括计算机处理单元和分别与计算机处理单元连接的照明模块、镜头组及传感器模块、传动模块和计算机处理单元；所述照明模块为LED光源及开关控制电路，工作于镜头组拍摄过程；所述镜头组包括一个或多个光学镜头；所述传动模块包括步进电机、丝杆以及相应的控制电路，用于改变镜头组的高度，使得镜头组能够始终跟随增材制品的制造过程；所述计算机处理单元用于接收镜头组采集的图像，将采集的图像融合之后，再通过相应的图像处理算法来判断增材制品的表面缺陷类型及位置并记录。
进一步地，所述LED光源中的LED按照队列点阵形式有序排列在一起，集成在同一平面内发光体，或集成为带弧度的有利于聚光的发光体。
进一步地，LED光源的位置与镜头同轴或在多个镜头之间。
进一步地，所述步进电机作为改变镜头组高度的驱动，由一个控制电路来进行控制；当镜头组拍摄完一轮图像后，计算机处理单元根据增材制品的打印进度来决定是否提升镜头组高度，从而控制步进电机运动；步进电机的转动通过与镜头组相连的丝杆，将镜头组提升至需要的高度，使镜头组能够采集到产品新打印出的部分的表面，进行下一轮图像采集，这样就能保证镜头组始终能够采集到增材制品最新的表面图像，实现表面缺陷的实时检测。
进一步地，所述步进电机为一个或多个的组合。
进一步地，步进电机的控制信号与增材制造设备的z轴信息相关联。
镜头组通过多个镜头可得到目标元器件侧面360度的图像；镜头的排列方式按照等间隔的方式放置。
进一步地，LED光源由一个开关控制电路进行控制，开关控制电路按照计算机处理单元控制响应命令与镜头快门协同工作；镜头配合LED光源同步工作，一次闪光获取一个图像；镜头组拍摄得到的图像由传感器将获取的图像上传至计算机处理单元进行数据处理。
进一步地，所述计算机处理单元用于获取图像的分析处理，通过输出响应命令控制步进电机、镜头组和LED光源的工作状态；计算机处理单元是根据外部设备输入的控制信号调节步进电机和/或镜头的工作状态，具体步骤如下：
1）按照3D打印的上升速率来设定镜头的快门频率以及对LED光源阵列开关要求；
2）当进入图像采集环节时，镜头组进行拍摄，获取元器件侧面360度图像，由传感器送入到计算机处理单元中；
3）通过计算机处理单元将采集到的图像进行图像融合，由计算机图像处理算法（例如基于神经网络的缺陷检测方法、基于支持向量机的缺陷检测方法以及基于模糊理论的缺陷检测方法等）判断是否存在表面缺陷，若有缺陷，记录下该缺陷的种类以及位置并进入第4）步，否则直接进入第4）步；
4）由计算机根据制造进度来判断是否需要提升镜头组的高度，并给出相应的控制信号来控制步进电机的转动，从而使镜头组始终跟随制造进度，达到实时检测表面缺陷的目的。
由计算机根据制造进度来判断是否需要提升镜头组的高度，并给出相应的控制信号来控制步进电机的转动，从而使镜头组始终跟随制造进度，达到实时检测表面缺陷的目的。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：在增材制造过程中，通过一个或多个光学镜头组成的镜头组采集图像，通过图像融合处理，能够同时获取增材制品的360度表面图像，全面、无死角地检测制品表面凹陷、凸起、变色等表面缺陷进行高精度高分辨率的检测，提高系统的检测速度。同时利用步进电机来改变镜头的高度，使得镜头组能够随时采集增材制品最新的表面图像，达到实时检测的效果。
附图说明
图1是本发明一种用于增材制造的表面缺陷实时检测装置的实施例整体结构示意图；
图2是实施例中的一种可见光LED光源示意图；
图3是实例中的镜头组与LED光源布置示意图；
图4是另一种实施例的镜头组与LED光源布置示意图；
图5是实例中一种用于增材制造的表面缺陷实时检测装置的工作原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明的具体实施作进一步说明，但本发明的实施和保护不限于此，需指出的是，以下若有未特别详细说明之处，均是本领域技术人员可参照现有技术实现的。
本实例一种用于增材制品表面缺陷实时检测装置的组成为：照明模、镜头组及传感器模块、传动模块和计算机处理单元。所述照明模块为LED光源及开关控制电路，工作于镜头组拍摄过程；所述镜头组包括一个或多个普通光学镜头，计算机处理单元在拍摄后对镜头组采集的图像进行融合，对融合后的图像进行缺陷检测分析。所述传动模块包括步进电机、丝杆或其他机械装置以及相应的控制电路，用于改变镜头组的高度，使得镜头组能够始终跟随增材制品的制造过程；所述计算机处理单元用于接收镜头组采集的图像，将其融合之后，再通过相应的图像处理算法来判断增材制品的表面缺陷类型及位置并记录。如图1，是本发明检测装置的一种应用实例整体示意图图，包括打印喷头1；增材制品2；镜头及传感器3；步进电机4；载物台5；LED光源6；丝杆7。
本实例通过LED光源对增材制品进行照射，可以弥补环境光不足或不均匀的缺点，使得制品表面能够获得均匀且强度适当的光照，这样就使镜头组采集的图像更加清晰和稳定。
优选的，所述LED光源可以选白色或其他照射强度较高的光源。
优选的， LED光源按照队列点阵形式有序排列在一起，形成一个平面的各色LED光源发光体，可以是集成在同一平面内发光体，也可以集成为带弧度的有利于聚光的发光体。
优选的，LED光源的放置可以选择与镜头同轴，也可以放置在两镜头之间。
本发明使用步进电机作为改变镜头组高度的驱动。它由一个控制电路来进行控制。当镜头组拍摄完一轮图像后，计算机处理单元根据增材制品的打印进度来决定是否提升镜头组高度，从而控制步进电机运动。步进电机的转动通过与镜头组相连的丝杆，将镜头组提升一定的高度，使其能够采集到产品新打印出的部分的表面，进行下一轮图像采集，这样就能保证镜头组始终能够采集到增材制品最新的表面图像，实现表面缺陷的实时检测。
优选的，传动系统的步进电机可以是一个或多个的组合。
优选的，步进电机的控制信号可以与增材制造设备的z轴信息相关联。
通过多个镜头可得到目标元器件侧面360度的图像。使用多个镜头同时采集图像相较于的单个镜头大大提高了采集效率，同时也使得系统的机械结构和运动控制更加简单。
优选的，镜头的个数可根据增材制品的规格来具体确定，只要满足能够采集到制品的全部侧面图像即可。
优选的，镜头的排列方式可以按照等间隔的方式放置。
LED光源（红色、白色等）阵列组成的发光体由一个开关控制电路进行控制。LED光源的开关由开关控制电路按照计算机控制响应命令与镜头快门协同工作。镜头组拍摄得到的图像由传感器将获取的图像上传至计算机处理单元进行数据处理。
优选的，开关控制电路必须按照计算机响应命令同时控制LED光源和镜头。
优选的，用于增材制造的表面缺陷实时检测装置的工作举例如下。
1)镜头组为一个或多个普通光学镜头的组合，协同工作。
2)照明模块为普通白色或其他颜色LED光源，与镜头搭配使用，在镜头获取图像的时间进行使用。
3)步进电机用于移动镜头组的高度，使镜头组能够跟随产品的制造的需求而上升。
4）普通光学镜头配合LED光源同步工作，一次闪光获取一个图像。
5）步进电机通过丝杆或其他机械装置与镜头组相连接，达到在垂直方向上移动镜头组的效果。
6）上述1）、2）和3)提到的光学镜头、光源以及步进电机可作为集成设备协同工作，随着产品制造进度而实时采集图像。
7）不同镜头采集到的图像送入计算机进行图像融合处理和分析，得出相应的表面缺陷分析结果。
8）随着增材制造的进程，系统按照设定的进度，判断镜头组是否需要上升，若需要则步进电机运行特定时间，若不需要则镜头采集图像，进行图像融合后再进行表面缺陷分析。
9）用多个光学镜头同时采集图像进行检测分析，提高了图像分析的精确度和速度，同时步进电机带动镜头的移动，保证了镜头始终能够采集到新打印部分的表面图像，实现了实时检测的要求。
Claims (9)
1.一种用于增材制造的表面缺陷实时检测装置，其特征在于包括计算机处理单元和分别与计算机处理单元连接的照明模块、镜头组及传感器模块、传动模块和计算机处理单元；所述照明模块为LED光源及开关控制电路，工作于镜头组拍摄过程；所述镜头组包括一个或多个光学镜头；所述传动模块包括步进电机、丝杆以及相应的控制电路，用于改变镜头组的高度，使得镜头组能够始终跟随增材制品的制造过程；所述计算机处理单元用于接收镜头组采集的图像，将采集的图像融合之后，再通过相应的图像处理算法来判断增材制品的表面缺陷类型及位置并记录。
2.根据权利要求1所述的一种用于增材制造的表面缺陷实时检测装置，其特征在于所述LED光源中的LED按照队列点阵形式有序排列在一起，集成在同一平面内发光体，或集成为带弧度的有利于聚光的发光体。
3.根据权利要求2所述的一种用于增材制造的表面缺陷实时检测装置，其特征在于LED光源的位置与镜头同轴或在多个镜头之间。
4.根据权利要求2所述的一种用于增材制造的表面缺陷实时检测装置，其特征在于所述步进电机作为改变镜头组高度的驱动，由一个控制电路来进行控制；当镜头组拍摄完一轮图像后，计算机处理单元根据增材制品的打印进度来决定是否提升镜头组高度，从而控制步进电机运动；步进电机的转动通过与镜头组相连的丝杆，将镜头组提升至需要的高度，使镜头组能够采集到产品新打印出的部分的表面，进行下一轮图像采集，这样就能保证镜头组始终能够采集到增材制品最新的表面图像，实现表面缺陷的实时检测。
5.根据权利要求4所述的一种用于增材制造的表面缺陷实时检测装置，其特征在于所述步进电机为一个或多个的组合。
6.根据权利要求4所述的一种用于增材制造的表面缺陷实时检测装置，其特征在于步进电机的控制信号与增材制造设备的z轴信息相关联。
7.根据权利要求1所述的一种用于增材制造的表面缺陷实时检测装置，其特征在于镜头组通过多个镜头可得到目标元器件侧面360度的图像；镜头的排列方式按照等间隔的方式放置。
8.根据权利要求1所述的一种用于增材制造的表面缺陷实时检测装置，其特征在于LED光源由一个开关控制电路进行控制，开关控制电路按照计算机处理单元控制响应命令与镜头快门协同工作；镜头配合LED光源同步工作，一次闪光获取一个图像；镜头组拍摄得到的图像由传感器将获取的图像上传至计算机处理单元进行数据处理。
9.根据权利要求1所述的一种用于增材制造的表面缺陷实时检测装置，其特征在于所述计算机处理单元用于获取图像的分析处理，通过输出响应命令控制步进电机、镜头组和LED光源的工作状态；计算机处理单元是根据外部设备输入的控制信号调节步进电机和/或镜头的工作状态，具体步骤如下：
1） 按照3D打印的上升速率来设定镜头的快门频率以及对LED光源阵列开关要求；
2） 当进入图像采集环节时，镜头组进行拍摄，获取元器件侧面360度图像，由传感器送入到计算机处理单元中；
3） 通过计算机处理单元将采集到的图像进行图像融合，由计算机图像处理算法判断是否存在表面缺陷，若有缺陷，记录下该缺陷的种类以及位置并进入第4）步，否则直接进入第4）步；
4） 由计算机根据制造进度来判断是否需要提升镜头组的高度，并给出相应的控制信号来控制步进电机的转动，从而使镜头组始终跟随制造进度，达到实时检测表面缺陷的目的。
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