CN110394422A - 一种砂型打印过程在线监控装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种砂型打印过程在线监控装置，包括工业相机、监控系统工控机、打印机控制器、显示器和打印机喷头，所述工业相机固定连接在打印机喷头上；所述打印控制器与打印机喷头电连接并控制其工作；所述监控系统工控机分别与打印机控制器、工业相机和显示器电连接。本发明采用动态监测方式，即工业相机随打印机喷头移动拍照，无需监控整个工作台平面，对于分辨率和帧频要求不高，通过两台布置于打印机喷头两侧工业相机，分别监测打印前和打印后状态，获得较高的图像监测质量，实现砂型打印过程实时监控。
Description
技术领域
本发明属于砂型3D打印设备技术领域，尤其涉及一种砂型打印过程在线监控装置及方法。
背景技术
砂型打印技术由于其高效率、低成本、柔性制造等优势，近些年在铸造领域发展极为迅速。目前国内外打印砂型工艺方法主要有四种：选择性激光烧结技术(SelectiveLaser sintering，SLS),三维粉末粘结技术(Three DimensionalPrinting，3DP)，无模铸型制造技术(Patternless Casting Manufacturing,PCM),GS(Gener is Sand)技术。
由于3DP技术成本较低，成形质量良好的特点，已成为国内外厂商采用主流工艺方法，已实现成熟的产业化。近几年，随着对于加工质量、加工精度要求不断提升，砂型打印领域中，针对现有砂型打印前需要大量反复调试、打印件质量一致性较差及过程不可控等问题，但在砂型打印领域，尚未公开报道过砂型打印过程在线监控系统。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷和不足，本发明的目的在于提供一种砂型打印过程在线监控装置及方法，采用机器视觉技术实现砂型打印状态在线监控。
一种砂型打印过程在线监控装置，其特征在于：包括工业相机、监控系统工控机、打印机控制器、显示器和打印机喷头，
所述工业相机固定连接在打印机喷头上；
所述打印控制器与打印机喷头电连接并控制其工作；
所述监控系统工控机分别与打印机控制器、工业相机和显示器电连接。
优选的，所述工业相机包括第一相机和第二相机，第一相机、第二相机分别设置在所述打印机喷头第一侧、第二侧的，第一相机、第二相机可随打印机喷头移动而移动。
优选的，所述工业相机的视场面积不小于打印机喷头的打印尺寸的1.2倍。
优选的，所述工业相机的帧率fps与打印机喷头的移动速率v及相机视场幅宽L的关系为
优选的，所述工业相机为面阵CMOS相机或CCD相机，分辨率≦1mm/pixel。
一种砂型打印过程在线监控方法，其特征在于：采用权利要求1-5中任意一项所述基于砂型打印过程在线监控装置实现，具体步骤如下：
S1：打印机控制器控制打印机喷头工作并向监控系统工控机发送指令；
S2：所述打印机喷头向其第一侧移动打印时，第一相机对铺砂面状态进行图像采集，第二相机对打印后成形砂型状态进行图像采集；所述打印机喷头向其第二侧移动打印时，第二相机对铺砂面状态进行图像采集，第一相机对打印后成形砂型状态进行图像采集；
S3：所述第一相机和第二相机采集的图像实时传输至监控系统工控机，由所述监控系统工控机中内置图像处理算法对采集到的图像进行分析处理；
S4：根据步骤S3中图像分析处理的结果，通过显示器显示出缺陷类型并通过监控系统工控机反馈给砂型打印机控制器后进行处理。
优选的，所述步骤S4中图像分析处理的办法包括依次进行的图像预处理、图像分割、图像增强、特征提取和缺陷识别。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)本发明采用机器视觉技术实现砂型打印状态在线监控，第一次提出砂型打印过程在线监控概念，保证砂型打印过程可控，砂型件质量可溯源分析。
(2)本发明将工业相机固定于打印机喷头，采取动态监测方式，即工业相机随打印机喷头移动拍照，无需监控整个工作台平面，对于分辨率和和帧频要求不高，由于实时局部拍照，图像监测质量较高；通过对打印过程中出现问题及时处理，一方面降低打印机调试准备大量工作，提高工作效率；一方面避免大型打印件成型后发现存在缺陷而报废，降低生产成本。
(3)本发明应用范围广阔，不仅适用于砂型打印，还可应用于其他材料的3DP打印，装置结构简单，性能要求较低且容易操作，可大大提高监测效率。
附图说明
图1为本发明一种砂型打印过程在线监控装置的结构示意图；
图2为本发明一种砂型打印过程在线监控方法检测步骤流程图；
本发明的附图标记列示如下：
1-工业相机，2-相机固定支架，3-打印机喷头，4-桁架，5-显示器，6-监控系统工控机，7-导线，8-打印机控制器；
1-1第一相机，1-2第二相机。
具体实施方式
下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式：
需要说明的是，本说明书所附图中示意的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。
同时，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。此外，术语“第一”，“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明包括提供一种砂型打印过程在线监控装置及方法，采取图像处理技术实现砂型打印状态的在线监控。
以下结合附图对本发明做进一步说明。
实施例1
如图1所示，一种砂型打印过程在线监控装置，包括工业相机1、监控系统工控机6、打印机控制器8、显示器5和打印机喷头3，所述工业相机1通过相机固定支架2固定连接在打印机喷头3上；打印机喷头3通过滑轨设置在桁架4上，打印机喷头3可在桁架4上，沿桁架4所在方向进行移动。
所述打印控制器8通过导线7与打印机喷头3电连接并控制其工作；
所述监控系统工控机6通过导线分别与打印机控制器8、工业相机1和显示器5电连接。
所述打印机控制器8用于控制打印机喷头3的动作、速度、轨迹；
所述的监控系统工控机6用于获得工业相机1的拍摄图像，并对其进行分析、处理，并将处理结果反馈给砂型打印机控制器8；
所述显示器5用于实时显示当前拍摄画面，给出当前铺砂状态及打印状态及处理结果。
本实施例中所述打印机喷头3尺寸为120mm×120mm。
其中，监控系统工控机6的选用研华IPC610。
具体地，所述工业相机1包括第一相机1-1和第二相机1-2，第一相机1-1、第二相机1-2分别设置在所述打印机喷头第一侧、第二侧的，第一相机1-1、第二相机1-2可随打印机喷头3移动而移动，便于在打印机喷头3移动时，采集砂床上铺砂状态和砂型打印状态。
具体地，所述工业相机1的视场面积不小于所述打印机喷头3的打印尺寸的1.2倍，保证工业相机1均能完整的采集到打印区域。
具体地，所述工业相机1的帧率fps与打印机喷头3的移动速率v及相机视场幅宽L的关系为才能保证本装置实现监控图像连续稳定性。
具体地，所述第一相机1-1和第二相机1-2的特征参数相同，所述工业相机1为面阵CMOS相机或CCD相机，配套相应的镜头，视场幅宽L为144mm；像素不小于1440×1440pixels；所述打印机喷头3移动速度v取2m/s；相机帧率≥13.9fps；分辨率不大于1mm/pixel；物距设置100mm。
具体地，工业相机1选择大恒图像MER-U3-L系列MER-502-79U3M-L POL型号相机，分辨率2448(H)×2048(V)，帧频为79fps，靶面尺寸2/3”。
镜头选择大恒图像定焦镜头Schneider Apo-Xenoplan 1.4/23，焦距23mm，工作距离大于86mm。
一种砂型打印过程在线监控方法，基于砂型打印过程在线监控装置实现，具体步骤如下：
S1：打印机控制器8控制打印机喷头3工作并向监控系统工控机6发送指令；
S2：所述打印机喷头3向其第一侧移动打印时，第一相机1-1对铺砂面状态进行图像采集，第二相机1-2对打印后成形砂型状态进行图像采集；所述打印机喷头3向其第二侧移动打印时，第二相机1-2对铺砂面状态进行图像采集，第一相机1-1对打印后成形砂型状态进行图像采集；
S3：所述第一相机1-1和第二相机1-2采集的图像实时传输至监控系统工控机6，由所述监控系统工控机6中内置图像处理算法对采集到的图像进行分析处理；
S4：根据步骤S3中图像分析处理的结果，通过显示器5显示出缺陷类型并通过监控系统工控机6反馈给砂型打印机控制器8后进行处理。
具体地，所述步骤S3中图像分析处理的办法包括依次进行的图像预处理、图像分割、图像增强、特征提取和缺陷识别。
工业现场采集的图像通常包含噪声，图像预处理主要目的是减少噪声，改善图像的质量，使之更适合人眼的观察或机器的处理。
图像分割就是把图像分成若干个特定的、具有独特性质的区域并提出感兴趣目标的技术和过程。它是由图像处理到图像分析的关键步骤。
图像增强就是增强图像中的有用信息，有目的地强调图像的整体或局部特性，改善图像质量、丰富信息量，加强图像判读和识别效果，满足某些特殊分析的需要。
特征提取可理解为从高维图像空间到低维特征空间的映射，其有效性对后续缺陷目标识别精度、计算复杂度、鲁棒性等均有重大影响，基本思想是使目标在得到的子空间中具有较小的类内聚散度和较大的类间聚散度。
缺陷识别，选择基于上述图像特性提取，采取监督学习的模式识别，主要有基于概率统计的分类器、线性分类器、人工神经网络分类器和支持向量机等，可以实现铺砂状态及砂型打印过程中缺陷类型识别。
具体地，所述步骤S4中识别出缺陷类型进行相应处理，包括继续打印、实时报警、停止生产、重新铺砂、采取人工补救措施或重新打印，至少包括以上一种处理方式。
识别出缺陷类型反馈给打印机控制器后进行如下处理：
(1)缺陷类型为条纹时，打印机控制器8控制打印机喷头3暂停工作，并进行人工补救调整铺砂状态；
(2)缺陷类型为砂堆时，处理办法为重新铺砂；
(3)缺陷类型为裂纹时，打印机控制器8控制打印机喷头3暂停工作，直至排除问题后再重新工作；
(4)缺陷类型为小凹坑时，打印机控制器8控制打印机喷头3继续打印；
(5)缺陷类型为大凸台时，打印机控制器8控制打印机喷头3暂停工作并报警。
具体地，所述步骤S4中识别缺陷类型，若发现缺陷则进行缺陷定义；若无缺陷则继续进行图像采集；若无法识别缺陷，则继续打印，待后续优化算法后再进行图像采集。
通过以上方法可实现砂型打印过程在线监控，现金属增材制造领域流行监控技术方案均为相机固定于成形舱顶窗或侧窗，利用相邻层过渡时间间隙进行某层铺粉或打印状态监测，对于相机的帧频和分辨率要求非常高。很难适用于大尺寸的砂型打印；本技术方案将相机固定于打印机喷头3，采取动态监测方式，即相机随打印机喷头3移动拍照，无需监控整个工作台平面，对于分辨率和和帧频要求不高，但图像监测质量较高。
本技术方案本专利应用对象不局限于砂型打印，可用于其他材料的3DP打印。
上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。
Claims (7)
1.一种砂型打印过程在线监控装置，其特征在于：包括工业相机、监控系统工控机、打印机控制器、显示器和打印机喷头，
所述工业相机固定连接在打印机喷头上；
所述打印控制器与打印机喷头电连接并控制其工作；
所述监控系统工控机分别与打印机控制器、工业相机和显示器电连接。
2.根据权利要求1所述的砂型打印过程在线监控装置，其特征在于：所述工业相机包括第一相机和第二相机，第一相机、第二相机分别设置在所述打印机喷头第一侧、第二侧的，第一相机、第二相机可随打印机喷头移动而移动。
3.根据权利要求1所述的砂型打印过程在线监控装置，其特征在于：所述工业相机的视场面积不小于打印机喷头的打印尺寸的1.2倍。
4.根据权利要求1所述的砂型打印过程在线监控装置，其特征在于：所述工业相机的帧率fps与打印机喷头的移动速率v及相机视场幅宽L的关系为
5.根据权利要求1所述的砂型打印过程在线监控装置，其特征在于：所述工业相机为面阵CMOS相机或CCD相机，分辨率≦1mm/pixel。
6.一种砂型打印过程在线监控方法，其特征在于：采用权利要求1-5中任意一项所述基于砂型打印过程在线监控装置实现，具体步骤如下：
S1：打印机控制器控制打印机喷头工作并向监控系统工控机发送指令；
S2：所述打印机喷头向其第一侧移动打印时，第一相机对铺砂面状态进行图像采集，第二相机对打印后成形砂型状态进行图像采集；所述打印机喷头向其第二侧移动打印时，第二相机对铺砂面状态进行图像采集，第一相机对打印后成形砂型状态进行图像采集；
S3：所述第一相机和第二相机采集的图像实时传输至监控系统工控机，由所述监控系统工控机中内置图像处理算法对采集到的图像进行分析处理；
S4：根据步骤S3中图像分析处理的结果，通过显示器显示出缺陷类型并通过监控系统工控机反馈给砂型打印机控制器后进行处理。
7.根据权利要求6所述的砂型打印过程在线监控方法，其特征在于：所述步骤S4中图像分析处理的办法包括依次进行的图像预处理、图像分割、图像增强、特征提取和缺陷识别。
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Inventor after: Fan Junwei Inventor after: Cheng Xing Inventor after: Wang Yaoxiang Inventor after: Gao Bin Inventor after: He Yixuan Inventor after: Hu Jiawei Inventor before: Fan Junwei Inventor before: Zhou Xin Inventor before: Cheng Xing Inventor before: Wang Yaoxiang Inventor before: Gao Bin Inventor before: He Yixuan Inventor before: Hu Jiawei |
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Effective date of registration: 20230302 Address after: 710000 Room 301, West 3rd Floor, Building B, Huigu Innovation Park, No. 1123, Hangchuang Road, National Civil Aerospace Industry Base, Xi'an, Shaanxi Province Applicant after: Xi'an Intelligent Manufacturing Enterprise Management Partnership (L.P.) Address before: Room 303-306, 3 / F, Zhongchuang Plaza, 385 Hangtian Middle Road, Xi'an national civil aerospace industry base, Shaanxi 710100 Applicant before: XI'AN AERO-SPACE ENGINE & SMART MANUFACTURING INSTITUTE CO.,LTD. |
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Effective date of registration: 20230906 Address after: Room 303, West third floor, building B, Huigu Innovation Park, 1123 hangchuang Road, Xi'an national civil aerospace industry base, Shaanxi 710000 Applicant after: Xi'an Aerospace electromechanical Intelligent Manufacturing Co.,Ltd. Address before: 710000 Room 301, West 3rd Floor, Building B, Huigu Innovation Park, No. 1123, Hangchuang Road, National Civil Aerospace Industry Base, Xi'an, Shaanxi Province Applicant before: Xi'an Intelligent Manufacturing Enterprise Management Partnership (L.P.) |
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