CN110884127A - 一种拼接式3d打印装置及打印方法 - Google Patents
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Abstract
一本发明克服现有3D打印拼接处精度低的缺陷，提出一种拼接处打印精度高的拼接式3D打印装置和打印方法。打印装置包括控制系统、图像处理系统、树脂池、若干DLP光机、若干监测相机、DLP光机移动装置和DLP光机角度调节装置，DLP光机和监测相机均固定在树脂池正上方的DLP光机移动装置，DLP光机角度调节装置设置在DLP光机和DLP光机移动装置之间，DLP光机将打印图像拼接投影在树脂池，监测相机与图像处理系统电连接；DLP光机的移动方向与拼接方向互相垂直，各部件相互作用使投影的图像无畸变且拼接良好。本发明通过多台DLP光机拼接和移动将3D打印的单层图像从两个方向进行分割和拼接，图像处理系统判断拼接处的精度并由DLP光机移动装置和DLP光机角度调节装置共同作用，保证图像的拼接精度。
Description
技术领域
本发明涉及3D打印领域，特别是涉及一种拼接式3D打印装置及打印方法。
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201710485789.8和201520983708.3均提出了采用多台DLP光机拼接以增大打印尺寸的方法，但对于DLP光机之间的图像拼接处没有进行处理或者仅在软件层面对边缘进行简单的融合处理，拼接处的图像精度低。
中国专利201910189267.2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池和样品台在水平的XY平面移动的方式进行大画幅的拼接，该方法使得树脂池和样品台在三个方向上进行移动，且样品台和树脂池重量大，移动不便，这将会扩大图像拼接处的误差。
目前，如何在保证产品尺寸的基础上提高打印精度，减小拼接处的打印误差是亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服现有3D打印拼接处精度低的缺陷，提出一种拼接处打印精度高的拼接式3D打印装置和打印方法。
本发明所采用的技术方案为一种拼接式3D打印装置，其要点在于：它包括控制系统、图像处理系统、树脂池、若干DLP光机、若干监测相机、DLP光机移动装置和DLP光机角度调节装置，DLP光机和监测相机均固定在树脂池正上方的DLP光机移动装置，DLP光机角度调节装置设置在DLP光机和DLP光机移动装置之间，DLP光机将打印图像投影在树脂池，监测相机与图像处理系统电连接；所述若干DLP光机的布置使投影图像无缝拼接，DLP光机移动装置控制DLP光机移动，且DLP光机的移动方向与拼接方向互相垂直，监测相机采集每台DLP光机投影区域顶点图像并传输到图像处理系统，DLP光机角度调节装置调节DLP光机的角度使其投影的图像无畸变且拼接良好。
本发明通过多台DLP光机拼接和移动将3D打印的单层图像从两个方向进行分割和拼接，且拼接处设置监测相机，图像处理系统判断拼接处的精度并由DLP光机移动装置和DLP光机角度调节装置共同作用，保证图像的拼接精度。
所述DLP光机沿树脂池的Y轴方向布置，所述DLP光机沿树脂池的X轴方向运动，树脂池X轴方向的两侧边设置刻度尺。
DLP光机只需沿着X轴方向运动，刻度尺能在DLP光机的运动过程中提供参照，便于控制DLP光机的运动距离和路径。
所述DLP光机是两台，监测相机是六台，在两台DLP光机之间设置有两台监测相机，以监测投影图像的交界处；在拼接而成的长条形图像的两端分别设置有两台监测相机，以监测长条形图像的四个顶点的位置。
两台DLP光机投影的图像在一侧拼接形成长条形图像，在拼接图像的拼接处和顶点处分别设置监测相机以监测图像拼接精度和移动的准确度。
所述DLP光机移动装置包括电机、联轴器、丝杠、滑块、导轨以及移动平台，丝杠通过联轴器与电机输出轴连接，且丝杠与电机输出轴同步转动，丝杠转动时带动滑块沿着导轨平移，移动平台与滑块相对固定，所述若干DLP光机和若干监测相机均固定在移动平台。
所有DLP光机和监测相机均固定在移动平台上，由电机和丝杠结构控制移动平台带动DLP光机和监测相机同步移动，仅需一个电机，便于控制，且能够避免DLP光机运动不同步带来的图像错位风险。
所述DLP光机角度调节装置包括带螺纹的导柱和调节螺母，四个调节螺母和导柱配合将DLP光机的四个角固定在所述移动平台。
所述DLP光机角度调节装置包括导柱、限位块和动力件，导柱竖直固定在移动平台，限位块和动力件将DLP光机四个角固定在导柱上，动力件输出沿导柱方向的力拉动限位块和DLP光机沿着导柱上下往复运动。
所述图像处理系统是OpenCV。
一种拼接式3D打印方法，使用上述任一种拼接式3D打印装置，包括以下几个阶段：
1、准备阶段：若干DLP光机均将图像投影在树脂池，调整图像拼接处的图像精度，并计算DLP光机的曝光宽度；
2、图像分割阶段：将三维模型转化为二维图像，再将二维图像分割成m*n个子图像，其中m是DLP光机的数量，n是每层二维图像在DLP光机移动方向的数量，n=二维图像总宽度/DLP光机曝光宽度，若此公式得出的n有小数点，则n取整数部分加1；
3、二维图像打印阶段：将第一列的图像通过DLP光机投影在树脂池，调整DLP光机的功率使一个薄层光敏树脂固化，每打印完一列移动DLP光机至下一打印位置并调整两列图像拼接处的精度，打印下一列图像直至打印完一层二维图像；
4、三维模型打印阶段：树脂池向下移动一个薄层距离，重复二维图像打印阶段直至三维模型打印完。
准备阶段包括步骤1、每台DLP光机以小功率分别投射出不足以让光敏树脂固化的图像，图像稳定后开启设置DLP光机之间的监测相机；步骤2、监测相机采集DLP光机所投影图像的拼接处图像信息并反馈至图像处理系统，图像处理系统将采集到的图像与投影的原图像比较判断拼接处是否存在图像倾斜问题；步骤3、若图像倾斜，则操作DLP光机角度调节装置从而调整DLP光机的投影角度直至图像拼接处的精度达标；步骤4、监测相机采集所有DLP光机所投影的拼接图像的四个顶点处图像信息，传输至图像处理系统，图像处理系统根据四个顶点处的图像信息计算拼接后的长条形图像的宽度。
二维图像打印阶段包括以下步骤：步骤1、DLP光机移动至首列打印位置，将第一列图像投影在树脂池中进行打印；步骤2、移动DLP光机，移动距离为DLP光机的曝光宽度，采集DLP光机所投影的拼接图像的四个顶点处及拼接处的图像信息，传输至图像处理系统判断两列打印图像拼接处以及DLP光机所投影的拼接图像的拼接处是否达到精度要求；步骤3、若达到精度要求，则执行步骤4，若不符合精度要求，调整DLP光机移动装置和DLP光机角度调节装置直至图像拼接精度达标；步骤4、打印图像并重复步骤1至4直至当前二维图像打印完成。
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，在两个方向的图像拼接处均设置监测相机，以控制图像的拼接精度，从而提高打印的精度。
附图说明
图1为3D打印系统立体图
图2为3D打印系统主视图
图3为3D打印系统侧视图
其中：1树脂池、2监测相机、3安装顶板、4刻度尺、5导柱、6弹簧、7限位块、8DLP光机、9安装板、10移动平台、11滑块、12导轨、13丝杠、14联轴器、15电机座、16电机、17动力件。
具体实施方式
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。
实施例1
如图 1至图3所示，一种拼接3D打印装包括树脂池1、六台监测相机2、两台DLP光机8、控制系统、DLP光机移动装置、DLP光机角度调节装置、刻度尺4。监测相机2和图像处理系统电连接，本例中图像处理系统采用OpenCV。树脂池1上方设置机架，DLP光机移动装置固定在机架上，DLP光机8和监测相机2均固定在DLP光机移动装置，DLP光机移动装置控制DLP光机8和监测相机2沿着树脂池1的X轴方向运动，刻度尺4沿X轴固定在树脂池1的两侧，为DLP光机8的移动提供参照。两台DLP光机8沿树脂池1的Y轴方向上布置使DLP光机8投影的图像在树脂池Y轴方向无缝拼接，且DLP光机8的摆放方式使其投影的图像的短边相接形成一长条形拼接图像。六台监测相机2两台为一组，三组监测相机2和两台DLP光机8交叉布置，其中设置在DLP光机8之间的两台监测相机2用于监测投影图像的交界处，设置在长条形图像的两端的两个监测监测相机2用于监测所投出的长条形图像的4个顶点的位置。
DLP光机移动装置包括导柱5、安装板9、移动平台10、滑块11、导轨12、丝杠13、联轴器14、电机座15、电机16，电机16通过电机座15固定在机架的安装顶板3上，滑块11、导轨12和丝杠13组成的丝杠运动机构通过联轴器与电机16连接，由电机16带动丝杠13旋转从而使滑块11在导轨12上做直线运动，移动平台10固定在滑块11上随着滑块11运动，DLP光机8通过安装板9和导柱5固定在移动平台10，监测相机2固定在移动平台10下方。
DLP光机角度调节装置包括导柱5、限位块7和动力件17，DLP光机8的四个角和限位块7可滑动地套接在导柱5上，四个限位块7分别设置在DLP光机8的下侧，动力件17可提供沿导柱5方向的力拉动限位块7沿着导柱5上下运动，从而使每一限位块7可同一导柱5上的DLP光机8的一个角上下运动，DLP光机8的四个角均可单独运动，进而调节DLP光机8的角度，使投影图像无畸变。导柱5外还套设有弹簧6，弹簧6两端分别抵在安装板9和DLP光机8之间，用于减缓DLP光机8在移动过程中的晃动。
打印开始前，应检查器件，检查DLP光机8的角度，角度转动较大时，控制动力件17驱动限位块7运动，大致调节两台DLP光机8的角度使两者平行，并固定限位块7，防止打印过程中DLP光机晃动。开启监测相机2，检测六台监测相机2图像采集情况，通过图像处理系统微调监测相机2的焦距，确定监测相机2采集到的图像清晰可读。简要检测导轨12与滑块11的稳定性，确认DLP光机与监测相机2移动路径顺利。
使用上述打印装置的3D打印方法包括以下几个步骤，具体为：
1、控制软件控制开启DLP光机8，使每台DLP光机8以小功率分别投射出不足以让光敏树脂固化的图像，图1中两条虚线即为DLP光机8所投影的拼接图像，其中a、b、e、f为图像四个顶点，c和d为拼接图像的拼接点，图像稳定后开启设置DLP光机8之间的两台监测相机2。
2、上述两台监测相机2采集DLP光机8所投影图像的拼接处c和d的图像信息并反馈至图像处理系统，图像处理系统采用分水岭算法将采集到的图像与投影的原图像比较判断拼接处是否存在图像倾斜问题，具体为：当两者误差像素较大时，对采集到的图像进行进一步判断，当出现图像边缘处一侧亮度较大，重叠像素重叠大于0.5个像素，而另一侧边缘出现图像分离现象，分离像素大于0.5像素，判断DLP光机8存在角度倾斜问题，否则认为DLP光机角度正常。
3、若图像倾斜，则操作DLP光机角度调节装置从而调整DLP光机8的投影角度直至图像拼接处的精度达标，具体调整操作为：以其中一台DLP光机8为基准，通过采集到的图像信息，控制系统根据图像采集系统的判断，向动力件17发送相应的调整信号，细微调整另一台DLP光机8上方的限位块7，达到调整其角度的目的，在每次调整后监测相机2实时采集拼接处图像，并判断是否需要继续调整，直至两幅图像的平行度达到要求。
另当采用两台以上的DLP光机8进行拼接时，应以中间、或靠近中间的一台作为基准，逐台调整DLP光机8角度，使每台DLP所投出的图像均达到平行度的要求。
4、监测相机2采集所有DLP光机所投影的拼接图像的四个顶点处a、b、e、f的图像信息，传输至图像处理系统，图像处理系统根据四个顶点处的图像信息计算拼接后的长条形图像的宽度。具体为：两台DLP光机8完成图像拼接后，开启另外四台位于边缘处的监测相机2，抓取图像四个顶点处的位置信息并反馈至图像处理系统，位置信息包括DLP光机8投射的边界图像及相对应刻度尺4的图像信息，图像处理系统根据采集到的位置信息，延长图像边界处至刻度尺4，并读取此时的刻度尺4数值，将数值相减得到本次投影的曝光宽度，即每次投影DLP光机8需要移动的距离。
5、控制系统将三维模型转化为二维图像，再采用K-Means算法将二维图像分割成m*n个子图像，其中m是DLP光机的数量，n是每层二维图像在DLP光机移动方向的数量，n=二维图像总宽度/DLP光机曝光宽度，若此公式得出的n有小数点，则n取整数部分加1，本例中m=2。
6、将分割完成后的第一列的两个个子图像通过图像分配器分别发送到相应的两台DLP光机8上，DLP光机8移动至首列打印位置，调整DLP光机8使其输出正常工作功率将第一列图像投影在树脂池1中进行打印。
7、移动DLP光机8，移动距离为DLP光机的曝光宽度，监测相机2采集DLP光机所投影的第二列图像的四个顶点处及拼接处的图像信息，传输至图像处理系统判断两列打印图像拼接处以及DLP光机所投影的拼接图像的拼接处是否达到精度要求。
8、若达到精度要求，则执行步骤10，如果出现重叠、偏离、倾斜等情况，调整DLP光机移动装置和DLP光机角度调节装置直至图像拼接精度达标；
9、打印图像；
10、重复步骤6至9直至当前二维图像打印完成；
11、树脂池向下移动一个薄层距离，重复步骤10直至三维模型打印完。
在整个3D打印过程中，控制系统随时监测并记录整机的工作状态，并及时保存响应的数据，如若出现系统断电等意外情况，及时中断打印，并保存当前状态，包括DLP光机8位置信息，当前打印图层及图层中分割子图像，直至下次启动选择是否恢复中断打印前的状态继续后续的打印工作，或是重新开始打印。
其余未述部分与现有技术相同。
实施例2
两个实施例的区别在于DLP光机角度调节装置，本例中采用带螺纹的导柱5和调节螺母代替实施例1中光滑的导柱5、限位块7和动力件17，将原本电动调节DLP光机8的角度改为手动调节，具体为 DLP光机8的四个角通过调节螺母固定在导柱5上，且DLP光机8的四个角均可以在导柱5上滑动，当需要调节DLP光机8的角度时，手动旋转其中部分调节螺母即可。
实施例2的其余部分与实施例1相同。
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 (10)
1.一种拼接式3D打印装置，其特征在于：它包括控制系统、图像处理系统、树脂池、若干DLP光机、若干监测相机、DLP光机移动装置和DLP光机角度调节装置，DLP光机和监测相机均固定在树脂池正上方的DLP光机移动装置，DLP光机角度调节装置设置在DLP光机和DLP光机移动装置之间，DLP光机将打印图像投影在树脂池，监测相机与图像处理系统电连接；所述若干DLP光机的布置使投影图像无缝拼接，DLP光机移动装置控制DLP光机移动，且DLP光机的移动方向与拼接方向互相垂直，监测相机采集每台DLP光机投影区域顶点图像并传输到图像处理系统，DLP光机角度调节装置调节DLP光机的角度使其投影的图像无畸变且拼接良好。
2.根据权利要求1所述的一种拼接式3D打印装置，其特征在于：所述DLP光机沿树脂池的Y轴方向布置，所述DLP光机沿树脂池的X轴方向运动，树脂池X轴方向的两侧边设置刻度尺。
3.根据权利要求1所述的一种拼接式3D打印装置，其特征在于：所述DLP光机是两台，监测相机是六台，在两台DLP光机之间设置有两台监测相机，以监测投影图像的交界处；在拼接而成的长条形图像的两端分别设置有两台监测相机，以监测长条形图像的四个顶点的位置。
4.根据权利要求1所述的一种拼接式3D打印装置，其特征在于：所述DLP光机移动装置包括电机、联轴器、丝杠、滑块、导轨以及移动平台，丝杠通过联轴器与电机输出轴连接，且丝杠与电机输出轴同步转动，丝杠转动时带动滑块沿着导轨平移，移动平台与滑块相对固定，所述若干DLP光机和若干监测相机均固定在移动平台。
5.根据权利要求4所述的一种拼接式3D打印装置，其特征在于：所述DLP光机角度调节装置包括带螺纹的导柱和调节螺母，四个调节螺母和导柱配合将DLP光机的四个角固定在所述移动平台。
6.根据权利要求4所述的一种拼接式3D打印装置，其特征在于：所述DLP光机角度调节装置包括导柱、限位块和动力件，导柱竖直固定在移动平台，限位块和动力件将DLP光机四个角固定在导柱上，动力件输出沿导柱方向的力拉动限位块和DLP光机沿着导柱上下往复运动。
7.根据权利要求1所述的一种拼接式3D打印装置，其特征在于：所述图像处理系统是OpenCV。
8.一种拼接式3D打印方法，其特征在于：使用权利要求1-7任一所述的一种拼接式3D打印装置，包括以下几个阶段：
1)准备阶段：若干DLP光机均将图像投影在树脂池，调整图像拼接处的图像精度，并计算DLP光机的曝光宽度；
2)图像分割阶段：将三维模型转化为二维图像，再将二维图像分割成m*n个子图像，其中m是DLP光机的数量，n是每层二维图像在DLP光机移动方向的数量，n等于二维图像总宽度除以DLP光机曝光宽度，若此公式得出的n有小数点，则n取整数部分加1；
3)二维图像打印阶段：将第一列的图像通过DLP光机投影在树脂池，调整DLP光机的功率使一个薄层光敏树脂固化，每打印完一列移动DLP光机至下一打印位置并调整两列图像拼接处的精度，打印下一列图像直至打印完一层二维图像；
4)三维模型打印阶段：树脂池向下移动一个薄层距离，重复二维图像打印阶段直至三维模型打印完。
9.根据权利要求8所述的一种拼接式3D打印方法，其特征在于：准备阶段包括步骤1、每台DLP光机以小功率分别投射出不足以让光敏树脂固化的图像，图像稳定后开启设置DLP光机之间的监测相机；步骤2、监测相机采集DLP光机所投影图像的拼接处图像信息并反馈至图像处理系统，图像处理系统将采集到的图像与投影的原图像比较判断拼接处是否存在图像倾斜问题；步骤3、若图像倾斜，则操作DLP光机角度调节装置从而调整DLP光机的投影角度直至图像拼接处的精度达标；步骤4、监测相机采集所有DLP光机所投影的拼接图像的四个顶点处图像信息，传输至图像处理系统，图像处理系统根据四个顶点处的图像信息计算拼接后的长条形图像的宽度。
10.根据权利要求8所述的一种拼接式3D打印方法，其特征在于：二维图像打印阶段包括以下步骤：步骤1、DLP光机移动至首列打印位置，将第一列图像投影在树脂池中进行打印；步骤2、移动DLP光机，移动距离为DLP光机的曝光宽度，采集DLP光机所投影的拼接图像的四个顶点处及拼接处的图像信息，传输至图像处理系统判断两列打印图像拼接处以及DLP光机所投影的拼接图像的拼接处是否达到精度要求；步骤3、若达到精度要求，则执行步骤4，若不符合精度要求，调整DLP光机移动装置和DLP光机角度调节装置直至图像拼接精度达标；步骤4、打印图像并重复步骤1至4直至当前二维图像打印完成。
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