CN108638497A - 一种3d打印机打印模型外表面的全方位检测系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种3D打印机打印模型外表面的全方位检测系统，包括打印模块、打印检测模块、计算模块以及控制模块，所述打印模块包括打印头，所述打印检测模块包括：图像获取单元；驱动机构，带动所述图像获取单元绕所述打印头水平转动；所述计算模块将打印件数字模型进行切片，提取切片后模型的外轮廓，并计算外轮廓相邻点所在直线的垂直平分线；所述控制单元控制所述驱动机构工作使图像获取单元的朝向保持在该垂直平分线上从而在打印时所述图像获取单元始终正对当前打印表面；本发明还公开了一种3D打印机打印模型外表面的全方位检测方法；本发明针对FDM打印模型的外表面进行监测，保证打印过程中相机始终正对着零件外表面。

Description

一种3D打印机打印模型外表面的全方位检测系统和方法
技术领域
本发明涉及3D打印表面检测技术领域，尤其是涉及一种3D打印机打印模型外表面的全方位检测系统和方法。
背景技术
熔融沉积成型(FDM)是一种广泛应用的增材制造技术(俗称3D打印)，它是一种以数字模型文件为基础，运用金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。该技术在工业、建筑、航空、医疗等行业都有所应用。
随着3D打印行业的快速发展，人们对3D打印机的需求也越来越大。随着其应用场合的特定化，对3D打印机打印出的模型性能要求也越来越高。若没有在打印过程中及时发现打印模型的偏差，不仅打印成品无法使用，而且也浪费了打印材料和时间。因此，在3D打印中，早期的缺陷检测有助于打印机采取纠正措施，减少打印资源的浪费，防止打印过程有缺陷或缺损的对象的完成，减少对持续监控的需求。
目前对3D打印的在线检测方法主要有两种：一类是检测3D打印机的进料状况，这种方法仅仅检测进料与否，只能检测出线材是否用完，丝是否材打滑，是否堵头等现象，而对于造成打印模型质量不佳的其他原因则无法检测，例如进料与速度不匹配，热床错位，打印头定位不准。另一类是通过摄像机对打印模型固定视角拍摄图片并分析，这种方法能够对打印模型很好的检测。但这类检测方法的缺点一是由于其视角固定，随着模型的逐层打印，其检测会存在盲点；缺点二是为了减少盲区，需采用多个相机，不可避免造成了相机资源的浪费。
发明内容
本发明提供了一种3D打印机打印模型外表面的全方位检测系统，可对3D打印工件进行全角度实时监测，无死角盲点。
一种3D打印机打印模型外表面的全方位检测系统，包括打印模块、打印检测模块、计算模块以及控制模块，所述打印模块包括打印头，所述打印检测模块包括：
图像获取单元；
驱动机构，带动所述图像获取单元绕所述打印头水平转动；
所述计算模块将打印件数字模型进行切片，提取切片后模型的外轮廓，并计算外轮廓相邻点所在直线的垂直平分线；
所述控制单元控制所述驱动机构工作使图像获取单元的朝向保持在该垂直平分线上从而在打印时所述图像获取单元始终正对当前打印表面。
计算模块和控制模块可以集成在计算机中，也可以单独设置芯片。
进一步优选的，带动所述图像获取单元绕所述打印头水平转动具体是指带动图像获取单元绕所述打印头喷嘴的中轴线水平转动，打印头是有尺寸的，绕喷嘴中轴线可以保证转动的过程中打印头位置不变，只是姿态改变。
为了便于制造和使用，优选的，所述驱动机构为固定有所述图像获取单元和打印头的六自由度机械臂。
本发明将六自由度机械臂(即机器人)的空间运动灵活性与3D打印结合，利用机器人末端第六轴实现外表面的法矢拍摄，并保持在法矢变化相机转动的过程中打印头位置姿态不变。
为了降低制造成本，优选的，所述驱动机构包括：
转臂，一端绕所述打印头旋转安装，另一端固定所述图像获取单元；
动力源，驱动所述转臂转动。上述结构取消了六自由度机械臂(机器人)的使用，可以大大降低制造成本，更经济实惠。
为了提高图像获取效果，优选的，所述图像获取单元采用CCD相机。
为了便于定位CCD相机，优选的，所述CCD相机的镜头正对打印头。以此保证打印时所述CCD相机始终正对打印表面。
为了提高获取图像的质量，优选的，所述图像获取单元外周设有环形光源。进一步优选的，环形光源与图像获取单元的镜头同轴，提供良好的光源环境。
所述CCD相机与打印头固定，根据相机型号Basler acA 1600-20gm的焦距范围，其固定距离范围为260mm～470mm。
所述相机支架与打印头固定支架为螺钉方式固定，两根型材固定在打印头固定支架两端，构成悬臂梁结构。
所述CCD相机与相机支架为螺钉固定，相机镜头正对打印头及当前打印层。
所述打印头固定支架保持打印头中心线与机器人末端旋转中心线同轴，保持CCD相机在旋转的过程中保持打印头位置姿态不变。
一种3D打印机打印模型外表面的全方位检测方法，使用上述的3D打印机打印模型外表面的全方位检测系统，包括以下步骤：
(1)算法模块将打印件数字模型进行切片，提取切片后模型的外轮廓，并计算外轮廓相邻点所在直线的垂直平分线；算法模块通过软件将打印件数字模型转换成STL三角面片格式，并通过切片软件对三角面片进行切片。所述垂直平分线即为打印时图像获取单元的方向(打印外轮廓时所在点的外法矢)，以此保证打印时图像获取单元始终正对打印表面。
(2)将切片后的运动信息转换成打印头的运动信息；将切片后的运动信息格式为：X_Y_Z_V_E_F_(X_、Y_、Z_依次为点坐标，V_为当前点的法矢角度，E_为挤丝长度，F_为移动速度)转换成机器人(当驱动机构采用机器人时)运动信息，格式为P1.X_P1.Y_P1.Z_P1.J_E_F_，(同理，P1.X_P1.Y_P1.Z_依次为点坐标，P1.J_当前点的法矢角度，E_为挤丝长度，F_为移动速度)。
(3)控制模块根据运动信息控制打印模块工作；
(4)在打印过程中，控制模块控制驱动机构使图像获取单元始终保持与打印件当前外表面打印点法矢方向；当驱动机构采用机器人时，由于CCD相机通过相机支架与打印头固定，通过使相机始终保持与打印件当前外表面打印点法矢方向，则可保证相机对任意拍摄区域都保持在固定焦距范围内，可以保证采集到的图片信息清晰。
(5)随着打印过程图像获取单元实时采集图片。图像采集无死点盲点，将采集到的信息通过图像采集卡传送回进行处理。
本发明的有益效果：
本发明的3D打印机打印模型外表面的全方位检测系统和方法，针对FDM打印模型的外表面进行监测，并通过切片算法将外表面任意点的法矢计算出来，保证打印过程中相机始终正对着零件外表面。
附图说明
图1是本发明的3D打印机打印模型外表面的全方位检测系统的结构示意图。
图2是本发明的全方位检测原理示意图。
图3为本发明的全方位检测原理的立体示意图。
图4是本发明的3D打印机打印模型外表面的全方位检测方法的流程线框图。
图中：1、机器人，2、打印头固定支架，3、挤丝电机，4、打印头，5、相机支架，6、CCD相机，7、环形光源，8、热床，9、打印件，10、计算机，11、机器人控制器，12、Arduino板卡，13、图像采集卡。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的3D打印机打印模型外表面的全方位检测系统包括：机器人1、打印头固定支架2、挤丝电机3、打印头4、相机支架5、CCD相机6、环形光源7、热床8、计算机10、机器人控制器11、Arduino板卡12和图像采集卡13。其中机器人1采用三菱RV-6SD机器人，CCD相机6像素分辨率为1236X 1626，帧数率为20fps。
如图2～4所示，本实施例的3D打印机打印模型外表面的全方位检测方法，包括如下步骤：
步骤一：算法软件模块将打印件数字模型转换成STL三角面片格式，并通过切片软件对三角面片进行切片。而后提取切片后模型的外轮廓，并计算外轮廓相邻点所在直线的垂直平分线，该垂直平分线即为打印时CCD相机6的方向(打印外轮廓时所在点的外法矢)，以此保证打印时检测相机始终正对打印表面。
步骤二：将切片后的运动信息，格式为：X_Y_Z_V_E_F_(X_、Y_、Z_依次为点坐标，V_为当前点的法矢角度，E_为挤丝长度，F_为移动速度)转换成机器人1运动信息，格式为P1.X_P1.Y_P1.Z_P1.J_E_F_，(同理，P1.X_P1.Y_P1.Z_依次为点坐标，P1.J_当前点的法矢角度，E_为挤丝长度，F_为移动速度)。
步骤三：将机器人1运动信息拷至计算机10，计算机10发送运动指令(P1.X_P1.Y_P1.Z_P1.J_F_)给机器人控制器11，发送挤丝(E_)和温度指令给Arduino板卡12，由Arduino板卡12控制打印头4温度和热床8温度，以及发送信号给挤丝电机3控制挤丝长度。
步骤四：在打印过程中，由于CCD相机6通过相机支架与打印头4固定，通过使CCD相机6始终保持与打印件9当前外表面打印点法矢方向，则可保证CCD相机6对任意拍摄区域都保持在固定焦距范围内，可以保证采集到的图片信息清晰。
步骤五：CCD相机6随着打印过程实时采集图片，无死点盲点，将采集到的信息通过图像采集卡传送回计算机10进行处理。
CCD相机6与打印头4固定，根据相机型号Basler acA 1600-20gm的焦距范围，其固定距离范围为260mm～470mm。相机支架5与打印头固定支架2为螺钉方式固定，两根型材固定在打印头固定支架两端，构成悬臂梁结构。CCD相机6与相机支架5为螺钉固定，相机镜头正对打印头及当前打印层。打印头固定支架2保持打印头4中心线与机器人1末端旋转中心线同轴，保持相机在旋转的过程中保持打印头位置姿态不变。
综上所述，本实施例针对FDM打印模型的外表面进行监测，并通过切片算法将外表面任意点的法矢计算出来，保证打印过程中CCD相机6始终正对着零件外表面；将机器人1的空间运动灵活性与3D打印结合，利用机器人1末端第六轴实现外表面的法矢拍摄，并保持在法矢变化CCD相机6转动的过程中打印头4位置姿态不变。

Claims (7)

1.一种3D打印机打印模型外表面的全方位检测系统，包括打印模块、打印检测模块、计算模块以及控制模块，所述打印模块包括打印头，其特征在于，所述打印检测模块包括：
图像获取单元；
驱动机构，带动所述图像获取单元绕所述打印头水平转动；
所述计算模块将打印件数字模型进行切片，提取切片后模型的外轮廓，并计算外轮廓相邻点所在直线的垂直平分线；
所述控制单元控制所述驱动机构工作使图像获取单元的朝向保持在该垂直平分线上从而在打印时所述图像获取单元始终正对当前打印表面。
2.如权利要求1所述的机器人3D打印机打印模型外表面的全方位检测系统，其特征在于，所述驱动机构为固定有所述图像获取单元和打印头的六自由度机械臂。
3.如权利要求1所述的机器人3D打印机打印模型外表面的全方位检测系统，其特征在于，所述驱动机构包括：
转臂，一端绕所述打印头旋转安装，另一端固定所述图像获取单元；
动力源，驱动所述转臂转动。
4.如权利要求1所述的机器人3D打印机打印模型外表面的全方位检测系统，其特征在于，所述图像获取单元采用CCD相机。
5.如权利要求4所述的机器人3D打印机打印模型外表面的全方位检测系统，其特征在于，所述CCD相机的镜头正对打印头。
6.如权利要求1所述的机器人3D打印机打印模型外表面的全方位检测系统，其特征在于，所述图像获取单元外周设有环形光源。
7.一种3D打印机打印模型外表面的全方位检测方法，其特征在于，使用如权利要求1～6任一权利要求所述的3D打印机打印模型外表面的全方位检测系统，包括以下步骤：
(1)算法模块将打印件数字模型进行切片，提取切片后模型的外轮廓，并计算外轮廓相邻点所在直线的垂直平分线；
(2)将切片后的运动信息转换成打印头的运动信息；
(3)控制模块根据运动信息控制打印模块工作；
(4)在打印过程中，控制模块控制驱动机构使图像获取单元始终保持与打印件当前外表面打印点法矢方向；
(5)随着打印过程图像获取单元实时采集图片。
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