CN111619118B - 一种应用于3d打印设备的焦平面调节闭环控制系统及控制方法 - Google Patents

一种应用于3d打印设备的焦平面调节闭环控制系统及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种应用于3D打印设备的焦平面调节闭环控制系统及控制方法，通过图像捕获装置、结合像素RGB色与像素位置温度的拟合曲线，通过对光斑大小的测算，实现焦平面的获得，并且精度可以达到1um，同时应用位移传感器实时获得激光打印头与实际焦平面之间的间距，并针对该间距与激光打印头中振镜焦距的差值，结合预设准直镜调节角度与激光打印头、实际焦平面之间间距变化的对应关系，准确得出差值所对应的准直镜调节角度，由PLC电控模块驱动控制激光打印头中的振镜转动，实现激光打印头射出激光在3D打印加工平面的聚焦，相较于传统经验法，该系统不仅节约了人工成本，同时提高了测定精度。

Description

一种应用于3D打印设备的焦平面调节闭环控制系统及控制 方法
技术领域
本发明涉及一种应用于3D打印设备的焦平面调节闭环控制系统及控制方法，属于3D打印技术领域。
背景技术
近年来，社会把人工智能提高到国家战略高度，这些智能化战略的相继实施，也在不断推动相关增材制造产业的智能化发展。
国外增材制造产业经过多年发展，已形成较为成熟的市场环境和运作模式，在增材制造设备、生产工艺、技术标准、销售和售后服务等方面建立了较完善的增材制造体系，主要体现在：一是增材制造设计，即对重要设计要素如拆解性能、零件材料种类、设计结构与紧固方式等进行深入研究；二是增材制造加工，即对于机械产品，主要通过换件修理法和尺寸修理法(将失配的零部件表面尺寸加工修复到可以配合的范围)恢复零部件的性能。
在国内，沈阳自动化研究所快速成形实验室应用金属粉末激光成形技术实现了某主战机的发动机涡轮导向器和舰船螺旋桨叶片的增材制造。装甲兵工程学院装备增材制造技术国防科技重点实验室采用激光、电弧以及等离子弧熔敷等增材制造技术，致力于我军装备零件的增材制造工作，如针对军用履带车辆发动机主要零件失效形式，提出了相应的增材制造效能的初步标准及增材制造发动机性能评估指标和体系。
目前，增材制造在齿科领域亦得到了较快的发展，然而设备前期较正光源所选用的方法仍然比较传统及老旧，实际操作调节中没有科学的计算依据，实际使用效率不高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于3D打印设备的焦平面调节闭环控制系统，能够提高焦平面调节精度，降低设备调节人工成本。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种应用于3D打印设备的焦平面调节闭环控制系统，包括控制模块、图像捕获装置、位移传感器、PLC电控模块；
其中，图像捕获装置设置于3D打印基板的正上方，且图像捕获装置的图像捕获方向竖直向下，用于针对3D打印加工平面实现实时图像捕获，获得捕获图像、并上传至控制模块；
位移传感器设置于激光打印头位置，用于实时获取激光打印头与3D打印加工平面之间的间距，并上传至控制模块；
PLC电控模块与激光打印头中的振镜相连接，PLC电控模块用于接收控制模块的振镜调节指令，驱动控制振镜进行转动；
控制模块用于实时获取来自图像捕获装置的捕获图像，并针对捕获图像，结合像素RGB色与像素位置温度的拟合曲线，获得捕获图像中各像素位置的温度，再根据预设温度阈值，确定激光打印头所射激光在捕获图像中的照射区域；同时，控制模块根据实时获取来自位移传感器的激光打印头与3D打印加工平面之间间距，结合激光打印头中振镜的焦距，向PLC电控模块发送振镜调节指令，控制振镜转动，实现激光打印头射出激光在3D打印加工平面的聚焦。
作为本发明的一种优选技术方案：所述PLC电控模块包括相互连接的PLC控制器和步进电机，步进电机的驱动端与激光打印头中的振镜相连接，PLC控制器用于接收控制模块的振镜调节指令，并根据振镜调节指令针对步进电机进行控制，经步进电机驱动控制振镜进行转动。
作为本发明的一种优选技术方案：所述PLC电控模块还包括伺服电机，PLC控制器经伺服电机与步进电机相连接，PLC控制器根据振镜调节指令经伺服电机、针对步进电机进行控制，经步进电机驱动控制振镜进行转动。
作为本发明的一种优选技术方案：所述图像捕获装置为高速CCD摄像机。
与上述相对应，本发明还要解决的技术问题是提供一种针对应用于3D打印设备的焦平面调节闭环控制系统的控制方法，能够提高焦平面调节精度，降低设备调节人工成本。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种针对应用于3D打印设备的焦平面调节闭环控制系统的控制方法，包括如下步骤：
步骤A.图像捕获装置针对3D打印加工平面进行图像捕获，获得捕获图像，并上传至控制模块，然后进入步骤B；
步骤B.控制模块针对捕获图像，结合像素RGB色与像素位置温度的拟合曲线，获得捕获图像中各像素位置的温度，并进入步骤C；
步骤C.控制模块根据捕获图像中各像素位置的温度，结合预设温度阈值，确定激光打印头所射激光在捕获图像中的照射区域，并进入步骤D；
步骤D.控制模块判断激光打印头射出激光对应捕获图像中的照射区域是否为激光聚焦形态，是则此时3D打印加工平面即为实际焦平面，并进入步骤E；否则控制模块按预设规则经PLC电控模块驱动控制激光打印头中的振镜转动，调节激光打印头与3D打印加工平面之间的间距，并返回步骤A；
步骤E.位移传感器获取激光打印头与实际焦平面之间的间距，并上传至控制模块,然后进入步骤F；
步骤F.控制模块获得激光打印头、实际焦平面之间间距，与激光打印头中振镜焦距的差值，并判断该差值是否小于预设差值阈值，是则实现激光打印头射出激光在3D打印加工平面的聚焦；否则进入步骤G；
步骤G.控制模块根据预设准直镜调节角度与激光打印头、实际焦平面之间间距变化的对应关系，获得该差值所对应的准直镜调节角度，构成振镜调节指令，并发送给PLC电控模块，由PLC电控模块驱动控制激光打印头中的振镜转动，调节激光打印头与3D打印基板之间的间距，此时3D打印加工平面同为实际焦平面，并返回步骤E。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤B中的像素RGB色与像素位置温度的拟合曲线，按如下方法获得；
分别针对激光打印头射出激光在3D打印加工平面的各个状态，获取状态下3D打印加工平面的RGB颜色像素图像、以及3D打印加工平面的测温图像，由此获得此状态3D打印加工平面的RGB颜色像素图像中各像素位置RGB颜色与对应位置温度的对应关系；进一步针对各状态3D打印加工平面的RGB颜色像素图像中、各像素位置RGB颜色与对应位置温度的对应关系进行拟合，即获得像素RGB色与像素位置温度的拟合曲线。
本发明所述一种应用于3D打印设备的焦平面调节闭环控制系统及控制方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明所设计应用于3D打印设备的焦平面调节闭环控制系统及控制方法，通过图像捕获装置、结合像素RGB色与像素位置温度的拟合曲线，通过对光斑大小的测算，实现焦平面的获得，并且精度可以达到1um，同时应用位移传感器实时获得激光打印头与实际焦平面之间的间距，并针对该间距与激光打印头中振镜焦距的差值，结合预设准直镜调节角度与激光打印头、实际焦平面之间间距变化的对应关系，准确得出差值所对应的准直镜调节角度，由PLC电控模块驱动控制激光打印头中的振镜转动，实现激光打印头射出激光在3D打印加工平面的聚焦，相较于传统经验法，该系统不仅节约了人工成本，同时提高了测定精度。
附图说明
图1是本发明设计针对应用于3D打印设备的焦平面调节闭环控制系统的控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
本发明设计了一种应用于3D打印设备的焦平面调节闭环控制系统，实际应用当中，具体包括控制模块、图像捕获装置、位移传感器、PLC电控模块。
其中，图像捕获装置设置于3D打印基板的正上方，且图像捕获装置的图像捕获方向竖直向下，用于针对3D打印加工平面实现实时图像捕获，获得捕获图像、并上传至控制模块；实际应用当中，图像捕获装置设计采用高速CCD摄像机。
位移传感器设置于激光打印头位置，用于实时获取激光打印头与3D打印加工平面之间的间距，并上传至控制模块；实际应用当中，位移传感器设计采用高精度位移传感器。
PLC电控模块与激光打印头中的振镜相连接，PLC电控模块用于接收控制模块的振镜调节指令，驱动控制振镜进行转动。
控制模块用于实时获取来自图像捕获装置的捕获图像，并针对捕获图像，结合像素RGB色与像素位置温度的拟合曲线，获得捕获图像中各像素位置的温度，再根据预设温度阈值，确定激光打印头所射激光在捕获图像中的照射区域；同时，控制模块根据实时获取来自位移传感器的激光打印头与3D打印加工平面之间间距，结合激光打印头中振镜的焦距，向PLC电控模块发送振镜调节指令，控制振镜转动，实现激光打印头射出激光在3D打印加工平面的聚焦。
实际应用当中，针对PLC电控模块进一步设计，包括PLC控制器、伺服电机、步进电机，PLC控制器经伺服电机与步进电机相连接，步进电机的驱动端与激光打印头中的振镜相连接，PLC控制器用于接收控制模块的振镜调节指令，并根据振镜调节指令经伺服电机、针对步进电机进行控制，进而经步进电机驱动控制振镜进行转动。
针对上述技术方案所设计应用于3D打印设备的焦平面调节闭环控制系统，本发明进一步设计了针对此系统的控制方法，包括如下步骤A至步骤G。
步骤A.高速CCD摄像机针对3D打印加工平面进行图像捕获，获得捕获图像，并上传至控制模块，然后进入步骤B。
步骤B.控制模块针对捕获图像，结合像素RGB色与像素位置温度的拟合曲线，获得捕获图像中各像素位置的温度，并进入步骤C。
实际应用中，上述步骤中像素RGB色与像素位置温度的拟合曲线，按如下方法获得；
分别针对激光打印头射出激光在3D打印加工平面的各个状态，获取状态下3D打印加工平面的RGB颜色像素图像、以及3D打印加工平面的测温图像，由此获得此状态3D打印加工平面的RGB颜色像素图像中各像素位置RGB颜色与对应位置温度的对应关系；进一步针对各状态3D打印加工平面的RGB颜色像素图像中、各像素位置RGB颜色与对应位置温度的对应关系进行拟合，即获得像素RGB色与像素位置温度的拟合曲线。
步骤C.控制模块根据捕获图像中各像素位置的温度，结合预设温度阈值，确定激光打印头所射激光在捕获图像中的照射区域，并进入步骤D。
步骤D.控制模块判断激光打印头射出激光对应捕获图像中的照射区域是否为激光聚焦形态，是则此时3D打印加工平面即为实际焦平面，并进入步骤E；否则控制模块按预设规则经PLC电控模块驱动控制激光打印头中的振镜转动，调节激光打印头与3D打印加工平面之间的间距，并返回步骤A。
步骤E.位移传感器获取激光打印头与实际焦平面之间的间距，并上传至控制模块,然后进入步骤F。
步骤F.控制模块获得激光打印头、实际焦平面之间间距，与激光打印头中振镜焦距的差值，并判断该差值是否小于预设差值阈值，是则实现激光打印头射出激光在3D打印加工平面的聚焦；否则进入步骤G。
步骤G.控制模块根据预设准直镜调节角度与激光打印头、实际焦平面之间间距变化的对应关系，获得该差值所对应的准直镜调节角度，构成振镜调节指令，并发送给PLC电控模块，由PLC电控模块驱动控制激光打印头中的振镜转动，调节激光打印头与3D打印基板之间的间距，此时3D打印加工平面同为实际焦平面，并返回步骤E。
上述技术方案所设计应用于3D打印设备的焦平面调节闭环控制系统及控制方法，通过图像捕获装置、结合像素RGB色与像素位置温度的拟合曲线，通过对光斑大小的测算，实现焦平面的获得，并且精度可以达到1um，同时应用位移传感器实时获得激光打印头与实际焦平面之间的间距，并针对该间距与激光打印头中振镜焦距的差值，结合预设准直镜调节角度与激光打印头、实际焦平面之间间距变化的对应关系，准确得出差值所对应的准直镜调节角度，由PLC电控模块驱动控制激光打印头中的振镜转动，实现激光打印头射出激光在3D打印加工平面的聚焦，相较于传统经验法，该系统不仅节约了人工成本，同时提高了测定精度。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并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。

Claims (6)

1.一种应用于3D打印设备的焦平面调节闭环控制系统，其特征在于：包括控制模块、图像捕获装置、位移传感器、PLC电控模块；
其中，图像捕获装置设置于3D打印基板的正上方，且图像捕获装置的图像捕获方向竖直向下，用于针对3D打印加工平面实现实时图像捕获，获得捕获图像、并上传至控制模块；位移传感器设置于激光打印头位置，用于实时获取激光打印头与3D打印加工平面之间的间距，并上传至控制模块；
PLC电控模块与激光打印头中的振镜相连接，PLC电控模块用于接收控制模块的振镜调节指令，驱动控制振镜进行转动；
控制模块用于实时获取来自图像捕获装置的捕获图像，并针对捕获图像，结合像素RGB色与像素位置温度的拟合曲线，获得捕获图像中各像素位置的温度，再根据预设温度阈值，确定激光打印头所射激光在捕获图像中的照射区域；同时，控制模块根据实时获取来自位移传感器的激光打印头与3D打印加工平面之间间距，结合激光打印头中振镜的焦距，向PLC电控模块发送振镜调节指令，控制振镜转动，实现激光打印头射出激光在3D打印加工平面的聚焦。
2.根据权利要求1所述一种应用于3D打印设备的焦平面调节闭环控制系统，其特征在于：所述PLC电控模块包括相互连接的PLC控制器和步进电机，步进电机的驱动端与激光打印头中的振镜相连接，PLC控制器用于接收控制模块的振镜调节指令，并根据振镜调节指令针对步进电机进行控制，经步进电机驱动控制振镜进行转动。
3.根据权利要求2所述一种应用于3D打印设备的焦平面调节闭环控制系统，其特征在于：所述PLC电控模块还包括伺服电机，PLC控制器经伺服电机与步进电机相连接，PLC控制器根据振镜调节指令经伺服电机、针对步进电机进行控制，经步进电机驱动控制振镜进行转动。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述一种应用于3D打印设备的焦平面调节闭环控制系统，其特征在于：所述图像捕获装置为高速CCD摄像机。
5.一种针对权利要求1至4中任意一项所述应用于3D打印设备的焦平面调节闭环控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A.图像捕获装置针对3D打印加工平面进行图像捕获，获得捕获图像，并上传至控制模块，然后进入步骤B；
步骤B.控制模块针对捕获图像，结合像素RGB色与像素位置温度的拟合曲线，获得捕获图像中各像素位置的温度，并进入步骤C；
步骤C.控制模块根据捕获图像中各像素位置的温度，结合预设温度阈值，确定激光打印头所射激光在捕获图像中的照射区域，并进入步骤D；
步骤D.控制模块判断激光打印头射出激光对应捕获图像中的照射区域是否为激光聚焦形态，是则此时3D打印加工平面即为实际焦平面，并进入步骤E；否则控制模块按预设规则经PLC电控模块驱动控制激光打印头中的振镜转动，调节激光打印头与3D打印加工平面之间的间距，并返回步骤A；
步骤E.位移传感器获取激光打印头与实际焦平面之间的间距，并上传至控制模块,然后进入步骤F；
步骤F.控制模块获得激光打印头、实际焦平面之间间距，与激光打印头中振镜焦距的差值，并判断该差值是否小于预设差值阈值，是则实现激光打印头射出激光在3D打印加工平面的聚焦；否则进入步骤G；
步骤G.控制模块根据预设准直镜调节角度与激光打印头、实际焦平面之间间距变化的对应关系，获得该差值所对应的准直镜调节角度，构成振镜调节指令，并发送给PLC电控模块，由PLC电控模块驱动控制激光打印头中的振镜转动，调节激光打印头与3D打印基板之间的间距，此时3D打印加工平面同为实际焦平面，并返回步骤E。
6.根据权利要求5所述一种针对应用于3D打印设备的焦平面调节闭环控制系统的控制方法，其特征在于：所述步骤B中的像素RGB色与像素位置温度的拟合曲线，按如下方法获得；
分别针对激光打印头射出激光在3D打印加工平面的各个状态，获取状态下3D打印加工平面的RGB颜色像素图像、以及3D打印加工平面的测温图像，由此获得此状态3D打印加工平面的RGB颜色像素图像中各像素位置RGB颜色与对应位置温度的对应关系；进一步针对各状态3D打印加工平面的RGB颜色像素图像中、各像素位置RGB颜色与对应位置温度的对应关系进行拟合，即获得像素RGB色与像素位置温度的拟合曲线。
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