CN109291438A - 一种用于增材制造粉床质量的测量方法 - Google Patents

一种用于增材制造粉床质量的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于增材制造粉床质量的测量方法，通过电机组件控制所述送粉缸的缸底上升一个单位高度，成型缸的底部下降一个单位高度，铺粉滚筒由送粉缸向成型缸运动，铺上一层粉末，形成粉床；铺粉滚筒逐层铺粉，光源发射器将不同栅距的光源连续地投射到粉床表面，利用摄像机采集光源图像，图像处理及显示系统通过摄像机采集到的图像信息构建粉床表面三维形貌，根据粉床表面的三维形貌，采用数理统计的方法计算三维表面的均值、标准差、不对称度和峰值，进而表征粉床质量。本发明的测量方法简单可靠，操作方便，能够定量的表征粉床质量，有助于提高增材制造粉床质量。

Description

一种用于增材制造粉床质量的测量方法
技术领域
本发明涉及一种用于增材制造粉床质量的测量方法。
背景技术
增材制造技术快速发展，是先进制造业中的代表性技术，世界各国纷纷将增材制造作为未来产业新的增长点，也是各制造强国发展下一代先进制造技术的突破方向。增材制造具有个性化、定制化和制造复杂零件的独特优势，可以缩短开发周期，减少制造成本，颠覆商业模式，已广泛应用于众多领域。基于粉床的增材制造工艺主要包括预热、铺粉、烧结熔化和后处理等过程。增材制造铺粉工艺阶段，铺覆出平整均匀和高密度的粉床是成型优良性能成型件的前提。
然而，目前工业生产过程中由于铺粉质量差而时常导致成型件质量差、精度低、翘曲变形甚至成型失败。其核心关键是无法调控铺粉层厚的均匀性，而现有阶段对粉层厚度缺乏科学的测量方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种增材制造粉床质量的测量方法，解决了上述背景技术中的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于增材制造粉床质量的测量方法，采用如下装置：送粉缸、铺粉滚筒、成型缸、电机组件、光源发射器、摄像机、图像处理及显示系统；所述送粉缸和成型缸并排设置，二者的上边缘平齐连接形成工作台，所述送粉缸的缸底在竖直方向上活动用于调节送粉缸的容量，所述成型缸用于形成粉床，成型缸的底部在竖直方向上活动用于调节成型缸的容量；所述铺粉滚筒设置于送粉缸上部，且铺粉滚筒的下边缘与送粉缸上边缘平齐，所述铺粉滚筒沿水平方向由送粉缸向成型缸做往复运动；所述电机组件与送粉缸、成型缸、铺粉滚筒电连接；所述光源发射器、摄像机架设于成型缸上方，所述图像处理及显示系统与摄像机连接；
包括如下步骤：
通过电机组件控制所述送粉缸的缸底上升一个单位高度，成型缸的底部下降一个单位高度，铺粉滚筒由送粉缸向成型缸运动，铺上一层粉末，形成粉床；铺粉滚筒逐层铺粉，光源发射器将不同栅距的光源连续地投射到粉床表面，利用摄像机采集光源图像，图像处理及显示系统通过摄像机采集到的图像信息构建粉床表面三维形貌，根据粉床表面的三维形貌，采用数理统计的方法计算三维表面的均值、标准差、不对称度和峰值，进而表征粉床质量。
在本发明一较佳实施例中，所述成型缸内设有成型件。
在本发明一较佳实施例中，所述粉床的粉末材料包括金属、高分子和陶瓷，粉末粒径为1～100μm。
在本发明一较佳实施例中，所述电机组件包括伺服电机和步进电机，所述伺服电机用于控制送粉缸的缸底和成型缸的底部升降，所述步进电机用于控制铺粉滚筒水平移动和自转连动，实现铺粉功能。
在本发明一较佳实施例中，所述光源发射器为半导体激光器，且半导体激光器和被测粉床的距离800-1000mm。
在本发明一较佳实施例中，所述摄像机为工业CCD摄像机，用于将光线变为电荷并将电荷存储及转移，从而把电信号传输到图像处理及显示系统，摄像机和被测粉床的距离为300～600mm。
在本发明一较佳实施例中，所述光源发射器中心轴和摄像机中心轴的夹角为20～30°。
在本发明一较佳实施例中，图像处理及显示系统包括处理器和显示器，所述处理器采用相位调制模式，将投射的条纹解算出粉床表面的三维形貌，成像在显示器上。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
本发明的一种用于增材制造粉床质量的测量方法，通过图像处理的方法获得粉床表面的三维形貌，进而表征粉床质量。本发明的测量方法简单可靠，操作方便，能够定量的表征粉床质量，有助于提高增材制造粉床质量。
附图说明
图1为本发明装置示意图，其中箭头表示运动方向。
图2为粉床表面的三维形貌图。
具体实施方式
请查阅图1，本实施例以尼龙粉末为对象，其测量方法如下：
采用如下装置：送粉缸4、铺粉滚筒5、成型缸3、电机组件、光源发射器6、摄像机7、图像处理及显示系统8；
所述送粉缸4和成型缸3并排设置，二者的上边缘平齐连接形成工作台，所述送粉缸4的缸底在竖直方向上活动用于调节送粉缸4的容量，所述成型缸3用于形成粉床1，所述成型缸3内设有成型件2，成型缸3的底部在竖直方向上活动用于调节成型缸3的容量；
所述铺粉滚筒5设置于送粉缸4上部，且铺粉滚筒5的下边缘与送粉缸4上边缘平齐，所述铺粉滚筒5沿水平方向由送粉缸4向成型缸3做往复运动；
所述电机组件与送粉缸4、成型缸3、铺粉滚筒5电连接；所述电机组件包括伺服电机和步进电机，所述伺服电机用于控制送粉缸4的缸底和成型缸3的底部升降，所述步进电机用于控制铺粉滚筒5水平移动和自转连动，实现铺粉功能。通过高精度的伺服电机控制实现精确的送粉量和粉层厚度，通过步进电机实现水平移动和自转联动，铺粉滚筒5的平移运动将多余的粉末推走，同时滚筒的旋转运动将粉末压平，可以较大程度地提高粉末的压实密度，从而实现铺粉功能。
所述光源发射器6、摄像机7架设于成型缸3上方；本实施例所述光源发射器6中心轴和摄像机7中心轴的夹角为20～30°。
所述光源发射器6为半导体激光器，且半导体激光器和被测粉床1的距离800-1000mm。本实施例优选1000mm。半导体激光器具有高速、高精度的特点，能够投射出稳定、分辨率高、对比度好、条纹精细的结构光。本实施例选取的半导体激光器最高调制频率可高达200MHz，波长为760nm，发散角为0.5mrad，最高分辨率达1280×1024，并且半导体激光器和被测粉床1的距离800-1000mm，从而实现高精度的光栅投影。
所述摄像机7为工业CCD摄像机7，摄像机7和被测粉床1的距离为300～600mm，用于将光线变为电荷并将电荷存储及转移，从而把电信号传输到图像处理及显示系统8。工业CCD摄像机7具有高性价比的特点，在本实施例中，选取分辨率：1920*1080，像素大小：1μm的摄像机7，并根据拍摄测量范围的大小，设置为与被测粉床1的距离为500mm。
所述图像处理及显示系统8与摄像机7连接；图像处理及显示系统8包括处理器和显示器，所述处理器采用相位调制模式，将投射的条纹解算出粉床1表面的三维形貌，成像在显示器上。
包括如下步骤：
通过电机组件控制所述送粉缸4的缸底上升一个单位高度，成型缸3的底部下降一个单位高度，铺粉滚筒5由送粉缸4向成型缸3运动，铺上一层粉末，形成粉床1；铺粉滚筒5逐层铺粉，光源发射器6将不同栅距的光源连续地投射到粉床1表面，利用摄像机7采集光源图像，图像处理及显示系统8通过摄像机7采集到的图像信息构建粉床1表面三维形貌，根据粉床1表面的三维形貌，采用数理统计的方法计算粉床1表面算术平均偏差Sa；粉床1表面均方根偏差Sq；粉床1三维表面的表面最高峰值Sp：粉床1三维表面最大谷深Sv，粉床1三维表面内的最大峰值与最大谷深之和Sz，采用这些定量的指标表征粉床1质量。
本领域技术人员可知，当本发明的技术参数在如下范围内变化时，可以预期得到与上述实施例相同或相近的技术效果：所述粉床1的粉末材料包括金属、高分子和陶瓷，粉末粒径为1～100μm，要求粉末具有较高的球形度和良好的流动性。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (8)

1.一种用于增材制造粉床质量的测量方法，其特征在于采用如下装置：送粉缸、铺粉滚筒、成型缸、电机组件、光源发射器、摄像机、图像处理及显示系统；所述送粉缸和成型缸并排设置，二者的上边缘平齐连接形成工作台，所述送粉缸的缸底在竖直方向上活动用于调节送粉缸的容量，所述成型缸用于形成粉床，成型缸的底部在竖直方向上活动用于调节成型缸的容量；所述铺粉滚筒设置于送粉缸上部，且铺粉滚筒的下边缘与送粉缸上边缘平齐，所述铺粉滚筒沿水平方向由送粉缸向成型缸做往复运动；所述电机组件与送粉缸、成型缸、铺粉滚筒电连接；所述光源发射器、摄像机架设于成型缸上方，所述图像处理及显示系统与摄像机连接；
包括如下步骤：
通过电机组件控制所述送粉缸的缸底上升一个单位高度，成型缸的底部下降一个单位高度，铺粉滚筒由送粉缸向成型缸运动，铺上一层粉末，形成粉床；铺粉滚筒逐层铺粉，光源发射器将不同栅距的光源连续地投射到粉床表面，利用摄像机采集光源图像，图像处理及显示系统通过摄像机采集到的图像信息构建粉床表面三维形貌，根据粉床表面的三维形貌，采用数理统计的方法计算三维表面的均值、标准差、不对称度和峰值，进而表征粉床质量。
2.根据权利要求1所述的一种用于增材制造粉床质量的测量方法，其特征在于：所述成型缸内设有成型件。
3.根据权利要求1所述的一种用于增材制造粉床质量的测量方法，其特征在于：所述粉床的粉末材料包括金属、高分子和陶瓷，粉末粒径为1～100μm。
4.根据权利要求1所述的一种用于增材制造粉床质量的测量方法，其特征在于：所述电机组件包括伺服电机和步进电机，所述伺服电机用于控制送粉缸的缸底和成型缸的底部升降，所述步进电机用于控制铺粉滚筒水平移动和自转连动，实现铺粉功能。
5.根据权利要求1所述的一种用于增材制造粉床质量的测量方法，其特征在于：所述光源发射器为半导体激光器，且半导体激光器和被测粉床的距离800-1000mm。
6.根据权利要求1所述的一种用于增材制造粉床质量的测量方法，其特征在于：所述摄像机为工业CCD摄像机，用于将光线变为电荷并将电荷存储及转移，从而把电信号传输到图像处理及显示系统，摄像机和被测粉床的距离为300～600mm。
7.根据权利要求1所述的一种用于增材制造粉床质量的测量方法，其特征在于：所述光源发射器中心轴和摄像机中心轴的夹角为20～30°。
8.根据权利要求1所述的一种用于增材制造粉床质量的测量方法，其特征在于：图像处理及显示系统包括处理器和显示器，所述处理器采用相位调制模式，将投射的条纹解算出粉床表面的三维形貌，成像在显示器上。
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