CN112170836B - 一种3d打印设备自动嫁接打印的方法 - Google Patents

一种3d打印设备自动嫁接打印的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种3D打印设备自动嫁接打印的方法，具体为：测量设备焦平面激光光斑所在坐标系和嫁接基材加工坐标系在X方向和Y方向的偏差值以及沿Z轴的旋转偏差，即后期零件摆放的补偿值。通过图像处理算法，计算零件实际摆放位置和标准位置的轮廓提取，得到零件的偏移、旋转值，将零件的偏移、旋转值补偿在待打印零件的数据模型向量中，完成正确无误打印。本发明的一种3D打印设备自动嫁接打印的方法，解决现有技术中存在的嫁接效率低下，难以保证成形零件质量的问题。

Description

一种3D打印设备自动嫁接打印的方法
技术领域
本发明属于增材制造技术领域，涉及一种3D打印设备自动嫁接打印的方法。
背景技术
在工业制造领域，由于传统加工方法对于加工复杂的、不规则的结构有很大的局限性，而3D打印技术可以快速、直接、准确地将此类结构进行成形，而对于加工简单、规则的结构，传统加工方法在成本上具有一定的优势。因此，对于结构特殊的产品，从技术、成本、工期等方面考虑，采用传统加工与增材制造相结合的方式来进行产品的生产，先使用传统加工的方式加工出产品结构简单的一部分，以此作为3D打印的基材，在此基础上进行增材制造，加工出结构复杂的产品。
嫁接打印工作对设备稳定性、精度要求极高，传统的手工嫁接，需要先手工测量嫁接零件基座在基材上的坐标位置，然后和剖分文件中待打印的零件的位置进行比较，若剖分文件中零件位置的误差超出范围，则需要重新对零件模型进行剖分，需要不断调整剖分文件中的向量位置来匹配嫁接零件基座在基材上的位置，并且每次需要扫描轮廓查看精度是否满足要求，直到满足要求后才能打印。调整次数不可预知，效率低下；并且肉眼对接会出现不可预知的误差，嫁接失败率及零件报废率较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种3D打印设备自动嫁接打印的方法，解决现有技术中存在的嫁接效率低下，难以保证成形零件质量的问题。
本发明所采用的技术方案是，一种3D打印设备自动嫁接打印的方法，具体按照如下步骤实施：
步骤1，加载数据模型文件
加载待打印零件的数据模型剖分文件，解析出当前层的所有向量数据，由向量数据生成一张向量图，记为原始向量图；
步骤2，拍摄铺粉图；
步骤3，拍摄基座图；
步骤4，计算机对铺粉图和基座图进行处理得到零件图，对比步骤1的原始向量图得到各零件在X方向和Y方向的偏差值以及沿Z轴的旋转偏差；
步骤5，将零件的偏移、旋转值补偿在当前层的向量中；
步骤6，根据补偿后的向量数据，生成一张补偿后的向量图，记为嫁接图，判断嫁接图与零件图是否完全重合，若否，转至步骤7，若是，转至步骤8；
步骤7：根据嫁接图与零件图位置的偏差，调整对应零件在X方向和Y方向的偏差值以及沿Z轴的旋转偏差值，转至步骤5；
步骤8：零件在X方向和Y方向的偏差值以及沿Z轴的旋转偏差值调整完成后，使用补偿后的向量，根据相关工艺设置速度和功率值，使用能量源模拟打印当前层；
步骤9：模拟打印完毕后，判断精度是否满足打印要求，若否，转至步骤7，若是，转至步骤10；
步骤10：将满足精度要求的各零件在X方向和Y方向的偏差值以及沿Z轴的旋转偏差值应用在零件的成形过程中，即零件的每一层向量数据都按最终获取的对应参数进行补偿，直至零件成形完成。
本发明的特征还在于，
步骤1中的向量图具体为：每一个向量数据中包含向量的起点和终点坐标，根据坐标信息可以绘制出一条线段，将零件当前层中的所有向量在同一张图中绘制出来，即可绘制出向量图，即线成面。
步骤2具体为：
3D打印设备的加工平台下降一定高度时，控制刮刀，将供粉系统的粉末铺在成形区域上，将嫁接零件基座表面完全覆盖，多余的粉末进入收粉系统，完成当前层铺粉，铺粉完毕后，使用成形仓顶部的照相机拍摄整个成形区域表面的图像，记为铺粉图。
步骤3具体为：
3D打印设备的加工平台上升一定高度时，控制刮刀，刮过成形区域，清理嫁接零件基座表面的粉末，将嫁接零件基座表面的粉末清理干净，完全显露出基座的轮廓，清理完毕后，使用成形仓顶部的照相机拍摄整个成形区域表面的图像，记为基座图。
步骤4具体为：
步骤4.1，对铺粉图、基座图求差，获取基座图中零件的信息，得到差分图，对差分图求其二值化阈值分割，将检测目标从图中分离出来，得到差分二值化阈值图；
步骤4.2，针对相机畸变误差，对经步骤4.1得到的差分二值化阈值图进行畸变矫正及透视变换得到零件图；
步骤4.3，剖分程序根据不同颜色区分零件图，建立每个零件精细模板图，精细模板图缩小10-30倍后制作粗略匹配图，先将步骤1获取的原始向量图在粗略匹配图上查找，找到其所在位置，记录其偏转、平移位置信息；
步骤4.4，将查找的位置信息更新在精细模板中，然后在粗略匹配基础上查找零件所在精确位置，进行精确匹配；
步骤4.5，将位置信息加上精确匹配位置信息后，就是该零件相对于实际所在位置的旋转、平移偏移量信息。
步骤5具体为：将获取到的零件在X方向和Y方向的偏差值以及沿Z轴的旋转偏差值补偿在当前层对应的向量中。
本发明的有益效果是：
本发明借助相机和计算机的图像处理技术，实现了自动测量嫁接零件基座在基材上的坐标位置与剖分文件中待打印的零件的位置坐标偏差的快速准确测量，更大限度的释放劳动力，嫁接效率高。
附图说明
图1是本发明一种3D打印设备自动嫁接打印的方法的流程图；
图2是本发明一种3D打印设备自动嫁接打印的方法中3D打印设备加工区域结构示意图；
图3是本发明一种3D打印设备自动嫁接打印的方法中零件模型在剖分文件中原始的位置示意图；
图4是本发明一种3D打印设备自动嫁接打印的方法中零件模型在实际基材上的位置图；
图5是本发明一种3D打印设备自动嫁接打印的方法中零件模型经过校正补偿后在剖分文件中的位置示意图。
图中，1.刮刀，2.供粉系统，3.成形区域，4.嫁接零件基座，5.收粉系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种3D打印设备自动嫁接打印的方法，其流程如图1所示，具体按照如下步骤实施：
步骤1，加载数据模型文件
加载待打印零件的数据模型剖分文件，解析出当前层的所有向量数据，由向量数据生成一张向量图，记为原始向量图；向量图具体为：每一个向量数据中包含向量的起点和终点坐标，根据坐标信息可以绘制出一条线段，将零件当前层中的所有向量在同一张图中绘制出来，即可绘制出向量图，即线成面；
步骤2，拍摄铺粉图；
如图2所示，3D打印设备的加工平台下降一定高度时，控制刮刀1，将供粉系统2的粉末铺在成形区域3上，将嫁接零件基座4表面完全覆盖，多余的粉末进入收粉系统5，完成当前层铺粉，铺粉完毕后，使用成形仓顶部的照相机拍摄整个成形区域表面的图像，记为铺粉图；
步骤3，拍摄基座图；
3D打印设备的加工平台上升一定高度时，控制刮刀1，刮过成形区域3，清理嫁接零件基座4表面的粉末，将嫁接零件基座4表面的粉末清理干净，完全显露出基座的轮廓，清理完毕后，使用成形仓顶部的照相机拍摄整个成形区域3表面的图像，记为基座图；
步骤4，计算机对铺粉图和基座图进行处理得到零件图，对比步骤1的原始向量图得到各零件在X方向和Y方向的偏差值以及沿Z轴的旋转偏差；具体为：
步骤4.1，对铺粉图、基座图求差，获取基座图中零件的信息，得到差分图，对差分图求其二值化阈值分割，将检测目标从图中分离出来，得到差分二值化阈值图步骤4.2，针对相机畸变误差，对经步骤4.1得到的差分二值化阈值图进行畸变矫正及透视变换得到零件图；
步骤4.3，剖分程序根据不同颜色区分零件图，建立每个零件精细模板图，精细模板图缩小10-30倍后制作粗略匹配图，先将步骤1获取的原始向量图在粗略匹配图上查找，找到其所在位置，记录其偏转、平移位置信息；
步骤4.4，将查找的位置信息更新在精细模板中，然后在粗略匹配基础上查找零件所在精确位置，进行精确匹配；
步骤4.5，将位置信息加上精确匹配位置信息后，就是该零件相对于实际所在位置的旋转、平移偏移量信息；
步骤5，将零件的偏移、旋转值补偿在当前层的向量中；
将获取到的零件在X方向和Y方向的偏差值以及沿Z轴的旋转偏差值补偿在当前层对应的向量中；
步骤6，根据补偿后的向量数据，生成一张补偿后的向量图，记为嫁接图，判断嫁接图与零件图是否完全重合，若否，转至步骤7，若是，转至步骤8；
步骤7：根据嫁接图中零件与基座图中零件位置的偏差，调整对应零件在X方向和Y方向的偏差值以及沿Z轴的旋转偏差值，转至步骤5；
其中，根据嫁接图中零件与基座图中零件位置的偏差，调整对应零件在X方向和Y方向的偏差值以及沿Z轴的旋转偏差值具体为：
计算X为正值时，说明剖分文件中向量的理论位置相对于实际基座位置偏左，需要将剖分文件中向量的位置向右移动；X为负值时，说明剖分文件中向量的理论位置相对于实际基座位置偏右，需要将剖分文件中向量的位置向左移动。
计算Y为正值时，说明剖分文件中向量的理论位置相对于实际基座位置偏下，需要将剖分文件中向量的位置向上移动；Y为负值时，说明剖分文件中向量的理论位置相对于实际基座位置偏上，需要将剖分文件中向量的位置向下移动。
计算Z轴旋转偏差为正值时，说明剖分文件中向量的理论角度相对于实际基座角度偏小，需要将剖分文件中向量的角度进行逆时针旋转；Z轴旋转偏差为负值时，说明剖分文件中向量的理论角度相对于实际基座角度偏大，需要将剖分文件中向量的角度进行顺时针旋转。
步骤8：零件在X方向和Y方向的偏差值以及沿Z轴的旋转偏差值调整完成后，使用补偿后的向量，根据相关工艺设置速度和功率值，使用红光、离子束或激光模拟打印当前层；
步骤9：模拟打印完毕后，判断精度是否满足打印要求，若否，转至步骤7，若是，转至步骤10；
步骤10：将满足精度要求的各零件在X方向和Y方向的偏差值以及沿Z轴的旋转偏差值应用在零件的成形过程中，即零件的每一层向量数据都按最终获取的对应参数进行补偿，直至零件成形完成。
如图3所示，为零件模型在剖分文件中原始的位置示意图，图中，点A(x1,y1)为零件模型中心点在剖分文件中坐标位置；图4为零件模型在实际基材上的位置图，零件模型经过校正补偿后在剖分文件中的位置如图5所示，图中点A(x1,y1)为零件模型中心点在剖分文件中原始坐标位置，点B(x2,y2)为零件模型中心点经过补偿校正后在剖分文件中的坐标位置，△x为x方向平移偏差值，△y为y方向平移偏差值，△θ为z方向旋转偏差值。
本发明主要测量设备焦平面激光光斑所在坐标系和嫁接基材加工坐标系在X方向和Y方向的偏差值以及沿Z轴的旋转偏差，即后期零件摆放的补偿值，通过图像处理算法，计算零件实际摆放位置和标准位置的轮廓提取，得到零件的偏移、旋转值，将零件的偏移、旋转值补偿在待打印零件的数据模型向量中，完成正确无误打印。

Claims (3)

1.一种3D打印设备自动嫁接打印的方法，其特征在于，具体按照如下步骤实施：
步骤1，加载数据模型文件
加载待打印零件的数据模型剖分文件，解析出当前层的所有向量数据，由向量数据生成一张向量图，记为原始向量图；所述向量图具体为：每一个向量数据中包含向量的起点和终点坐标，根据坐标信息绘制出一条线段，将零件当前层中的所有向量在同一张图中绘制出来，即可绘制出向量图，即线成面；
步骤2，拍摄铺粉图；具体为：
3D打印设备的加工平台下降一定高度时，控制刮刀（1），将供粉系统（2）的粉末铺在成形区域（3）上，将嫁接零件基座（4）表面完全覆盖，多余的粉末进入收粉系统（5），完成当前层铺粉，铺粉完毕后，使用成形仓顶部的照相机拍摄整个成形区域表面的图像，记为铺粉图；
步骤3，拍摄基座图；具体为：
3D打印设备的加工平台上升一定高度时，控制刮刀（1），刮过成形区域（3），清理嫁接零件基座（4）表面的粉末，将嫁接零件基座（4）表面的粉末清理干净，完全显露出基座的轮廓，清理完毕后，使用成形仓顶部的照相机拍摄整个成形区域（3）表面的图像，记为基座图；
步骤4，计算机对铺粉图和基座图进行处理得到零件图，对比步骤1的原始向量图得到各零件在X方向和Y方向的偏差值以及沿Z轴的旋转偏差；
步骤5，将零件的偏移、旋转值补偿在当前层的向量中；
步骤6，根据补偿后的向量数据，生成一张补偿后的向量图，记为嫁接图，判断嫁接图与零件图是否完全重合，若否，转至步骤7，若是，转至步骤8；
步骤7：根据嫁接图中零件与基座图中零件位置的偏差，调整对应零件在X方向和Y方向的偏差值以及沿Z轴的旋转偏差值，转至步骤5；
步骤8：零件在X方向和Y方向的偏差值以及沿Z轴的旋转偏差值调整完成后，使用补偿后的向量，根据相关工艺设置速度和功率值，使用能量源模拟打印当前层；
步骤9：模拟打印完毕后，判断精度是否满足打印要求，若否，转至步骤7，若是，转至步骤10；
步骤10：将满足精度要求的各零件在X方向和Y方向的偏差值以及沿Z轴的旋转偏差值应用在零件的成形过程中，即零件的每一层向量数据都按最终获取的对应参数进行补偿，直至零件成形完成。
2.根据权利要求1所述的一种3D打印设备自动嫁接打印的方法，其特征在于，所述步骤4具体为：
步骤4.1，对铺粉图、基座图求差，获取基座图中零件的信息，得到差分图，对差分图求其二值化阈值分割，将检测目标从图中分离出来，得到差分二值化阈值图；步骤4.2，针对相机畸变误差，对经步骤4.1得到的差分二值化阈值图进行畸变矫正及透视变换得到零件图；
步骤4.3，剖分程序根据不同颜色区分零件图，建立每个零件精细模板图，精细模板图缩小10-30倍后制作粗略匹配图，先将步骤1获取的原始向量图在粗略匹配图上查找，找到其所在位置，记录其偏转、平移位置信息；
步骤4.4，将查找的位置信息更新在精细模板中，然后在粗略匹配基础上查找零件所在精确位置，进行精确匹配；
步骤4.5，将位置信息加上精确匹配位置信息后，就是该零件相对于实际所在位置的旋转、平移偏移量信息。
3.根据权利要求1所述的一种3D打印设备自动嫁接打印的方法，其特征在于，所述步骤5具体为：将获取到的零件在X方向和Y方向的偏差值以及沿Z轴的旋转偏差值补偿在当前层对应的向量中。
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