CN111168990B - 一种可实现在线检测和实时纠偏的生物3d打印装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可实现在线检测和实时纠偏的生物3D打印装置及其方法，可用于检测生物3D打印的三维实体模型。该装置可在打印过程中对被测模型进行实时检测，实时处理所测数据，并将数据处理结果反馈给控制器，控制器做出快速响应并发出控制命令，从而实现在线纠偏、在线调整参数。本发明的在线检测装置包括：生物3D运动系统、光学扫描探头、数据收集模块、三维建模模块和上位机；所述的生物3D运动系统包括XYZ三轴运动系统、驱动器和主控制器，主控制器与上位机连接。本发明还提供一种基于点坐标数据的三维建模方法。经过实时纠偏，使实际打印出来的三维实体最大程度的接近于设计实体。

Description

一种可实现在线检测和实时纠偏的生物3D打印装置及其方法

技术领域

本发明涉及生物3D打印在线检测技术领域，尤其涉及一种可实现在线检测和实时纠偏的生物3D打印装置及其方法。

背景技术

为了保证产品的质量和经济效益，先进控制和优化控制纷纷被应用于工业过程中。然而，不管是在先进控制策略的应用过程中还是对产品质量的直接控制过程中，一个最棘手的问题就是难以对产品的质量变量进行在线实时测量。受工艺、技术或者经济的限制，一些重要的过程参数和质量指标难以甚至无法通过硬件传感器在线检测。目前，生产过程中通常采用定时离线分析的方法，即每几小时采样一次，送化验室进行人工分析，然后根据分析值来指导生产。由于时间滞后大，因此远远不能满足在线控制的要求。生物3D打印也面对同样的问题，如果在打印的过程中出现了偏差，但由于没有在线检测的功能加入，操作人员及上位机并不知道出现了问题，倘若任其继续打印下去，结果就是最终的产品不合格、达不到精度要求。基于此，在生物3D打印过程中引入在线检测，就显得非常有必要。

此外，在三维打印生物支架或生物组织及器官的三维实体的过程中，其成形过程受到诸多因素的影响，包括环境温度、工艺参数、叠层制造引起的应力累积、打印材料在喷头处的堵塞、打印材料中存在气泡、定位精度的下降等。所以从某种意义上来说，打印实体的成形过程具有一定的不可预知性。因此，如果对打印实体的成形过程进行实时在线检测，并进一步进行在线纠偏、智能控制，将外界干扰控制在一定的范围内，则将对最后的成形结果具有重大的意义。

生物3D打印机所打印的产品具有很高的精度，用肉眼难以分辨样品微小的差别，一般会采用高倍显微镜甚至是电子显微镜来进行观察，但是图像是二维的，没有高度信息。因此根据点坐标数据来进行三维建模的各种方法应运而生，并迅速得到发展。目前用于三维建模的曲面重构算法大致可分为三类：网格类方法、参数类方法和隐式类方法。本发明采用网格类方法，并对其进行了优化与改进。

发明内容

为了实现上述目的，本发明构建了一种可实现在线检测和实时纠偏的生物3D打印装置，该装置可在打印过程中对被测模型进行实时检测，实时处理所测数据，并将数据处理结果反馈给主控制器，由主控制器做出快速响应并发出控制命令，从而实现在线控制、实时校正。结合提出的装置，本发明还提出了一种可实现在线检测和实时纠偏的生物3D打印方法，对被测物体进行三维建模，并显示在上位机的界面上，其中对空间离散点的三维Delaunay三角剖分算法进行了优化和改进，由此提高其网格质量和算法效率。本发明对给定的离散点集，生成邻近点之间具有正确拓扑连接关系的网格，实现空间实体的三维建模及其可视化，从而最大程度地揭示出蕴藏在离散点集中的原始物体表面的形状与拓扑结构。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种可实现在线检测和实时纠偏的生物3D打印装置，包括生物3D运动系统、光学扫描探头、数据收集模块、三维建模模块和上位机；所述的生物3D运动系统包括XYZ三轴运动系统、驱动器和主控制器，主控制器与上位机连接；

所述的XYZ三轴运动系统上安装有打印喷头，主控制器通过驱动器控制XYZ三轴运动系统的移动；所述的光学扫描探头通过安装夹具固定在XYZ三轴运动系统的打印喷头上，通过数据传输线与生物3D运动系统的主控制器连接；所述的数据收集模块用于将XYZ三轴运动系统移动的位置坐标和由光学扫描探头获取的高度信息坐标进行整合，生成离散点的三维坐标；三维建模模块通过离散点的三维坐标进行实时建模，将实时构建的模型以及构建模型与期望模型的打印偏差传输到生物3D运动系统的主控制器，实时调整XYZ三轴运动系统上打印喷头的位置。

本发明具备的有益效果是：

本发明对传统的3D打印装置进行了改进，增加了实时检测与反馈，采集离散点数据进行三维建模，根据建模结果与期望模型进行对比，能够用于在线检测生物3D打印实体形貌，根据打印偏差实时纠偏，最终得到打印精度更高的模型。本发明提出的可实现在线检测和实时纠偏的生物3D打印方法，其运算速度更快、更精准，可满足在线检测、在线控制的要求，具体为：

1)根据实际的打印需求，对Delaunay三角剖分法进行了改进，使利用该方法构建的三维模型更精确、更接近于打印实体。

2)在3D打印过程中增设了反馈环节，通过实际三维坐标和期望三维坐标的对比获取打印偏差，对下一个待打印的点进行纠正，实时调整路径，可实现打印智能化，并可达到打印过程无人值守。

综上所述，采用本方法可对打印过程进行实时在线纠偏，是打印过程可控、打印精度更高，从而使打印的成功率更高，提高产品生产效率。

附图说明

图1是系统控制结构框图；

图2是在线打印及实时纠偏流程图；

图3是建模算法流程图；

图4是本发明装置的示意图；

图5是本发明装置采用的XYZ三轴运动系统结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的解释和说明。

如图4所示，一种可实现在线检测和实时纠偏的生物3D打印装置，包括生物3D运动系统、光学扫描探头、数据收集模块、三维建模模块和上位机；所述的生物3D运动系统包括XYZ三轴运动系统、驱动器和主控制器，主控制器与上位机连接；

所述的XYZ三轴运动系统上安装有打印喷头，主控制器通过驱动器控制XYZ三轴运动系统的移动；所述的光学扫描探头通过安装夹具固定在XYZ三轴运动系统的打印喷头上，通过数据传输线与生物3D运动系统的主控制器连接；所述的数据收集模块用于将XYZ三轴运动系统移动的位置坐标和由光学扫描探头获取的高度信息坐标进行整合，生成离散点的三维坐标；三维建模模块通过离散点的三维坐标进行实时建模，将实时构建的模型以及构建模型与期望模型的打印偏差传输到生物3D运动系统的主控制器，实时调整XYZ三轴运动系统上打印喷头的位置。

在本发明的一个具体实施中，所述的生物3D运动系统包括XYZ三轴运动系统、驱动器和主控制器，其中XYZ三轴运动系统和驱动器采用传统的3D打印机结构，如图5所示，能够实现3D打印的基础功能。主控制器中引入了反馈环节，即本发明的装置增设了光学扫描探头、数据收集模块和三维建模模块，其中光学扫描探头用于实时采集打印点的高度信息，当探头接通电源，光点反射接收后将光路信息传输到主控制器，将光路信息转换为测量点的高度信息。数据收集模块用于收集运动平台的XY方向的坐标信息，综合平台XY坐标信息和探头所得Z高度信息可以得到被测物体的某一点空间坐标信息。如图1和图2所示，将离散点的三维坐标实时传输到三维建模模块进行三维模型的构建，将建模结果与期望模型进行对比，实时反馈给主控制器，并将三维模型的构建过程实时显示在上位机界面上。能够用于在线检测生物3D打印实体形貌，根据打印偏差实时纠偏，最终得到打印精度更高的模型。

如图3所示，具体的离散点实时采集与建模流程为：

步骤1：启动装置，进行光学扫描探头的对焦和标定；所述的光学扫描探头发出光线，通过光点反射接收后，由主控制器将光路信息转换为测量点的高度信息；

步骤2：将待打印实体的期望三维坐标通过上位机传输给生物3D运动系统的主控制器，主控制器通过驱动器驱动XYZ三轴运动系统上的打印喷头和光学扫描探头移动，通过数据收集模块实时读取生物3D打印机三轴运动系统的XY坐标数据和由光学扫描探头获取的高度信息Z坐标数据，生成离散点的三维坐标；

步骤3：由三维建模模块构建一个初始的四面体网格；

步骤4：由数据收集模块采集一个新的插入点，并把该点插入到当前的网格中，利用Delaunay三角剖分法的外接球准则，确定外接球包含该插入点的非Delaunay四面体集合，得到Delaunay腔；

步骤5：提取Delaunay腔的边界面，并将Delaunay腔内的四面体删除；将Delaunay腔的各边界面与插入点相连生成新的四面体，并对新的四面体进行拓扑更新，生成新的Delaunay四面体网格；

重复步骤4至步骤6，直到所有离散点均插入到Delaunay四面体网格中为止，生成最终的Delaunay四面体网格，删除最终的Delaunay四面体网格的外部无效部分，得到最终的构建模型。

本发明在上述离散点实时采集与建模流程中增设了反馈环节，实现在线控制和实时纠偏：每增加三个插入点，通过数据收集模块收集打印点的实际三维坐标，并与期望三维坐标进行对比获取打印偏差，并将打印偏差反馈给生物3D运动系统的主控制器，通过主控制器对即将打印的第四个点进行位置调整，如果前三次的位置均低于期望值，则提高第四次打印点的位置，如果前三次的位置均高于期望值，则降低第四次打印点的位置，否则保持目前的位置；使得打印过程可控、打印精度更高，成功率更高，能够大大提高产品生产效率。

以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种采用可实现在线检测和实时纠偏的生物3D打印装置的打印方法，所述的打印装置包括：生物3D运动系统、光学扫描探头、数据收集模块、三维建模模块和上位机；所述的生物3D运动系统包括XYZ三轴运动系统、驱动器和主控制器，主控制器与上位机连接；

所述的XYZ三轴运动系统上安装有打印喷头，主控制器通过驱动器控制XYZ三轴运动系统的移动；所述的光学扫描探头通过安装夹具固定在XYZ三轴运动系统的打印喷头上，通过数据传输线与生物3D运动系统的主控制器连接；所述的数据收集模块用于将XYZ三轴运动系统移动的位置坐标和由光学扫描探头获取的高度信息坐标进行整合，生成离散点的三维坐标；三维建模模块通过离散点的三维坐标进行实时建模，将实时构建的模型以及构建模型与期望模型的打印偏差传输到生物3D运动系统的主控制器，实时调整XYZ三轴运动系统上打印喷头的位置；

其特征在于，所述的打印方法包括以下步骤：

（1）启动装置，进行光学扫描探头的对焦和标定；所述的光学扫描探头发出光线，通过光点反射接收后，由主控制器将光路信息转换为测量点的高度信息；

（2）将待打印实体的期望三维坐标通过上位机传输给生物3D运动系统的主控制器，主控制器通过驱动器驱动XYZ三轴运动系统上的打印喷头和光学扫描探头移动，通过数据收集模块实时读取生物3D打印机三轴运动系统的XY坐标数据和由光学扫描探头获取的高度信息Z坐标数据，生成离散点的三维坐标；

（3）将离散点的三维坐标实时传输到三维建模模块进行三维模型的构建，三维模型的构建过程实时显示在上位机界面上，具体步骤为：

（3.1）构建初始四面体网格；

（3.2）采集一个新的插入点，并把该点插入到当前的网格中，利用Delaunay三角剖分法的外接球准则，确定外接球包含该插入点的非Delaunay四面体集合，得到Delaunay腔；

（3.3）提取Delaunay腔的边界面，并将Delaunay腔内的四面体删除；

（3.4）将Delaunay腔的各边界面与插入点相连生成新的四面体，并对新的四面体进行拓扑更新，生成新的Delaunay四面体网格；

（3.5）每增加三个插入点，通过数据收集模块收集打印点的实际三维坐标，并与期望三维坐标进行对比获取打印偏差，并将打印偏差反馈给生物3D运动系统的主控制器，通过主控制器对即将打印的第四个点进行位置调整，如果前三次的位置均低于期望值，则提高第四次打印点的位置，如果前三次的位置均高于期望值，则降低第四次打印点的位置，否则保持目前的位置；

（3.6）重复步骤（3.2）~（3.5），直到所有离散点均插入到Delaunay四面体网格中为止，生成最终的Delaunay四面体网格；

（3.7）删除最终的Delaunay四面体网格的外部无效部分，得到最终的构建模型。

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