CN110884126B - 一种大画幅3d打印的高精度打印系统及打印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于克服现有大画幅3D打印精度低的缺陷，提出一种打印精度高的大画幅3D打印系统和打印方法。所述打印系统包括若干DLP光机、摄像机、样品台、计算机，所述样品台两侧边缘设有标尺，DLP光机和摄像机固定在同一支架上沿标尺方向同步移动，摄像机采集曝光范围的四个顶点延长线处的标尺刻度并将刻度信息发送到计算机处理，计算机根据刻度信息计算DLP光机的移动距离。本发明设置多个DLP光机，多个光机拼接可在一定程度上增大打印尺寸，将DLP光机设置为沿一个方向运动，便于控制DLP光机移动的精度，减小打印误差。

Description

一种大画幅3D打印的高精度打印系统及打印方法
技术领域
本发明涉及3D打印领域，特别是涉及一种大画幅3D打印的高精度打印系统及打印方法。
背景技术
3D打印技术已经在许多领域得到应用，在诸多的3D打印技术中，光固化3D打印技术具有制作原型表面质量好、尺寸精度高等优点，是实现高精度成型的主要方式。该技术利用光固化光敏树脂，通过逐层累加实现实体模型的制作。光固化的方式目前有激光扫描和DLP（Digital Light Processor——数字光处理器）成像两种方式。 DLP成像方式原则上可以实现微米级极高精度的3D打印，其核心显示器件为DMD（Digital MicromirrorDevice——数字微镜），目前的最高分辨点数为2560*1600，打印尺寸与精度要求相关，如果按精度要求较低的0.1mm计算，最大能实现256mm*160mm的打印尺寸，如果加工精度进一步提高，其打印尺寸将进一步减小，难以满足众多产业需求的高精度、大尺寸加工要求。
中国专利CN97283825A中公开了一种基于DLP光固化的大幅面快速3D打印方法以及打印设备；该系统以四台DLP光机为基础，构成较大的曝光面积。该系统在增加了投影产品规模的同时，增加了产品的使用成本，并且灵活性与可协调性较差，光机出现微小的移动时，将会产生误差，导致打印产品的失败。
中国专利CN99822891A中公开了一种高精度大幅面立体投影3D打印系统及其打印方法；该系统采用了计算机控制树脂槽和样品台在水平的XY平面移动的方式进行大画幅的拼接，误差主要来源于自动轴，系统使用激光位移计对移动的位置进行定位和误差分析，通过再次打印的方式对移动中产生的误差量进行补偿。该方法使得树脂槽和样品台在三个方向上进行移动，这将会扩大误差。
目前，如何在保证产品尺寸的基础上提高打印精度，减小打印误差及亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有大画幅3D打印精度低的缺陷，提出一种打印精度高的大画幅3D打印系统和打印方法。
本发明所采用的技术方案为一种大画幅3D打印的高精度打印系统，其要点在于：包括若干DLP光机、摄像机、样品台、计算机，所述样品台两侧边缘设有标尺，DLP光机和摄像机固定在同一支架上沿标尺方向同步移动，摄像机采集曝光范围的四个顶点延长线处的标尺刻度并将刻度信息发送到计算机处理，计算机根据刻度信息计算DLP光机的移动距离。
本发明设置多个DLP光机，多个光机拼接可在一定程度上增大打印尺寸，将DLP光机设置为沿一个方向运动，便于控制DLP光机移动的精度，减小打印误差，且DLP光机和摄像机同步移动，摄像机可实时采集曝光范围的大小获得DLP光机的移动距离，且计算机可根据摄像机控制DLP光机的位置，提高DLP光机的移动精度，进而提高打印精度。
所述DLP光机布置在样品台上方的X轴方向上，且每台DLP光机曝光范围在X轴方向上无缝拼接，所述标尺沿样品台的Y轴方向布置。
DLP光机在X轴方向上无缝拼接增大了X轴方向的打印尺寸，在Y轴方向上可以移动也增大了Y轴方向的打印尺寸，使得整体的打印尺寸增大。
所述DLP光机是两台，一台DLP光机和两台摄像机为一组，每台DLP光机两侧各设置一台摄像机，且同一组DLP光机和摄像机固定在同一轨道上由一台电机控制沿着样品台Y轴方向移动。
每台DLP光机两侧的摄像机可采集曝光范围两个顶点处的位置，所有四个摄像机即可采集四个顶点的位置，且每组的DLP光机和摄像机同步移动，便于控制DLP光机和摄像机的相对位置，每次移动后不需重新调整摄像机位置即可进行采集。
使用上述任一种打印系统的高精度打印方法，打印步骤为：步骤1、将三维模型转化为二维图像；步骤2、根据样品台的最大曝光面的大小，对每层二维图像曝光面的大小进行图像分割、成像；步骤3、移动光机使其位于打印位置并曝光；步骤4、采集曝光范围四个顶点的位置信息及其延长线上的刻度信息计算DLP光机的移动距离；步骤5、打印曝光范围内的图像；步骤6、打印误差计算与分析；步骤7、若误差在预计范围内，重复上述步骤3至步骤6直至打印完成；若误差超出，再次处理分割图像增大精度并打印。
步骤3具体操作为：将分割后的二维图像曝光到工作台，摄像机采集图像四个顶点处X轴延长线上的刻度信息，计算机将采集到的刻度信息进行处理获得采集的曝光范围，并将采集的曝光范围和分割的曝光范围进行对比，若二者的曝光范围相等则对DLP光机进行移动和微调确定初始打印位置，若二者不相等，则调节摄像机并重新读取刻度信息直至二者相等。
本发明从X轴和Y轴两个方向上对图像进行分割和拼接，从两个方向上增大打印画幅，DLP光机仅在Y轴方向上进行移动，相对于现有技术中X轴和Y轴两个方向都有移动的方案，本发明仅Y轴一个方向有移动，便于减小移动过程中产生的误差，从而提高打印的精度。
附图说明
图1为3D打印系统示意图
图2为大画幅3D打印流程图
图3为摄像机采集的初始曝光边缘图像
图4为摄像机采集的另一侧曝光边缘图像
其中：1DLP光机、2摄像机、3样品台、4标尺、5刻度尺、6一侧刻度、7边缘延长线、8曝光图像、9另一侧刻度。
实施方式
下面结合视图对本发明进行详细的描述，所列举的实施例可以使本专业的技术人员更理解本发明，但不以任何形式限制本发明。
如图 1所示，一种大画幅3D打印系统包括两台DLP光机1、四台摄像机2、样品台3、两个标尺4，标尺4沿样品台的Y轴方向固定在样品台3两侧。将DLP光机1和摄像机2分为两组，每组包含一台DLP光机1和两台摄像机2，且摄像机2布置在DLP光机两侧，具体是同组的DLP光机1和摄像机2沿样品台的Y轴方向排列，且每组DLP光机1和摄像机2固定在同一轨道上，由同一台电机控制其移动。两组DLP光机1与摄像机2分别由两个电机控制，图像产生畸变时，可以分别调整。DLP光机1将由计算机处理并得到的平面二维分割图像投影在样品台3上并进行曝光，两台DLP光机沿样品台X轴方向分布，二者的曝光范围在样品台的X轴方向无缝拼接。当图像通过DLP光机在样品台上曝光时，调整摄像机的位置和角度使其可以采集到曝光图像四个顶点位置的X轴方向延长线上清晰的标尺4的刻度信息，图1中两条虚线即为曝光范围的两侧边。
如图2所示是使用上述3D打印系统的大画幅3D打印方法，主要步骤包括：三维模型转化为平面二维图像、二维图像分割、曝光范围位置信息采集与处理、分割图像打印、打印结果的误差判断等。
具体操作步骤为：步骤1、利用计算机将三维模型转化为二维图像并对二维图像进行平滑优化处理。步骤2、对平滑的二维图像进行分割，并将分割的图像与样品台3的最大曝光面的大小进行比较，若分割的图像大小大于样品台3的最大曝光面，则重新对二维图像进行分割使其小于样品台3的最大曝光范围。步骤3、移动DLP光机1的位置将分割后的图像通过DLP光机1曝光到工作台。步骤4、摄像机2采集标尺4的刻度信息反馈到计算机，由计算机确认曝光范围的Y轴方向的宽度并获得DLP光机1的移动距离。步骤5、打印曝光范围内的图像。步骤6、在打印完成后，判断打印的结果是否在误差范围内。步骤7、如果超出打印的误差范围，计算机会重新对二维图像进行平滑处理，然后重复步骤2至步骤5直至打印误差可接受；如果打印误差在可接受的范围内，则判断是否还有未打印的分割图像，若有，则重复上述步骤3至步骤6；否则，打印工序结束。
其中，步骤4中采集标尺4的刻度信息计算DLP光机1的移动距离是本发明的主要改进点，四台摄像机2分别采集曝光范围的四个顶点处的图像信息并传输到计算机。计算机采用OpenCV中的OCR算法将摄像头采集的图像转化为灰色图像，对灰色图像进行二进制化处理以及高斯滤波处理，然后进行canny边缘检测，最后对图像进行匹配，归一化处理并获取所需要的图像区域，将摄像机采集到的图像信息中曝光边缘沿X轴方向延伸至标尺4处的刻度尺寸信息并获得对应的Y轴坐标，将刻度尺寸值的Y值与延伸线上的图像顶点坐标的Y值进行对比，若刻度尺寸的Y值小于图像顶点坐标的Y值，则摄像机向Y轴的正向微调；若刻度尺寸的Y值大于图像顶点坐标的Y值，则摄像机向Y轴的负向微调。在曝光边缘位置坐标不变的情况下，重新读取刻度尺寸的位置坐标和刻度值，直到两位置坐标的Y值相等，则同侧两台摄像机采集到的刻度尺寸之差的绝对值与曝光在工作台图像的宽度一致，此宽度即DLP光机1的移动距离。
由于标尺4的精度较高，刻度线密集，在图像采集过程中有可能拍摄到一条以上刻度线，由于OCR算法的限制，有可能出现将其他刻度线当成曝光范围边缘刻度线的情况，以至于出现刻度尺寸的Y值和图像顶点坐标的Y值不等的现象，此时应微调摄像机2使其在拍摄范围内仅采集到一条刻度线，获得准确的刻度值。
图3和图4是摄像机2的拍照示意图，在打印开始时，工作台一侧的摄像机会捕捉到打印台的刻度尺5的读数以及部分曝光图像8的边缘延长线，图3是摄像机捕捉到打印台打印图像曝光的一侧边缘延长线7的一侧刻度6，例如图3中计算机读到的曝光一侧刻度6数据为3.00mm，图4是摄像机捕捉到打印台打印图像曝光的另一侧边缘延长线7的另一侧刻度9，例如图4中计算机读到的曝光另一侧刻度9数据为30.00mm。将图4另一侧刻度9和图3一侧刻度6数据相减的绝对值（如得到27.00mm）得到曝光范围宽度，即DLP光机1下次移动的距离，就可以计算出打印图像的最终宽度。
除首次曝光打印外，从打印第二个分割图像时，移动DLP光机1与摄像机2至下一曝光位置，其移动距离为上一次曝光的宽度，摄像机2采集两次曝光位置的交接处（即上一次曝光的另一侧刻度9与本次曝光的一侧刻度6），计算机判断是否存在微小的位移，若存在则控制电机稍作调整，使拼接处的距离在0.5个像素之内，并进行曝光。
其余未述部分为现有技术。
本发明可以极大的提升3D打印器件的大小，通过摄像机对拼接边缘的实时信息采集与电机的控制，确保打印器件的拼接图像的准确性，提高精确度；同时可以对两台DLP进行分别控制，减小图像畸变的误差。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改进与等同替换，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种大画幅3D打印的高精度打印系统，其特征在于：包括若干DLP光机、摄像机、样品台、计算机，所述样品台两侧边缘设有标尺，DLP光机和摄像机固定在同一支架上沿标尺方向同步移动，在DLP光机两次打印的间隙，摄像机采集曝光范围的四个顶点延长线处的标尺刻度并将刻度信息发送到计算机处理，计算机根据刻度信息计算DLP光机的移动距离；所述DLP光机布置在样品台上方的X轴方向上，且每台DLP光机曝光范围在X轴方向上无缝拼接，所述标尺沿样品台的Y轴方向布置。
2.根据权利要求1所述的一种大画幅3D打印的高精度打印系统，其特征在于：所述DLP光机是两台，一台DLP光机和两台摄像机为一组，每台DLP光机两侧各设置一台摄像机，且同一组DLP光机和摄像机固定在同一轨道上由一台电机控制沿着样品台Y轴方向移动。
3.一种大画幅3D打印的高精度打印方法，其特征在于：使用权利要求1-2任一所述的一种大画幅3D打印的高精度打印系统，打印步骤为：步骤1、将三维模型转化为二维图像；步骤2、根据样品台的最大曝光面的大小，对每层二维图像曝光面的大小进行图像分割、成像；步骤3、移动光机使其位于打印位置并曝光；步骤4、采集曝光范围四个顶点的位置信息及其延长线上的刻度信息计算DLP光机的移动距离；步骤5、打印曝光范围内的图像；步骤6、打印误差计算与分析；步骤7、若误差在预计范围内，重复上述步骤3至步骤6直至打印完成；若误差超出，再次处理分割图像增大精度并打印。
4.根据权利要求3所述的一种大画幅3D打印的高精度打印方法，其特征在于：步骤4具体操作为：将分割后的二维图像曝光到工作台，摄像机采集图像四个顶点处X轴延长线上的刻度信息，计算机将采集到的刻度信息进行处理获得采集的曝光范围，并将采集的曝光范围和分割的曝光范围进行对比，若二者的曝光范围相等则计算DLP光机的移动距离，若二者不相等，则调节摄像机并重新读取刻度信息直至二者相等并计算DLP光机的移动距离。
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