CN112179312A - 适用于建筑3d打印件表面质量的在线检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及适用于建筑3D打印件表面质量的在线检测系统及方法，属于建筑构件在线无损检测领域。该系统包括信号采集单元、缺陷提取单元、缺陷识别单元和缺陷反馈处理单元四个部分，首先通过信号采集单元采集3D打印件中的气孔缺陷、几何尺寸、变形和裂纹等表面质量信息；然后通过缺陷提取单元和缺陷识别单元将其转化为数字化信号，并以此识别构件中是否存在缺陷以及缺陷的类型和程度；若存在缺陷，缺陷反馈处理单元调用相应处理指令对打印过程进行调整控制。本发明能够进行在线无损检测并及时预警干预，最大程度地提升打印成功率、降低建造成本和提高自动化程度，推动3D打印技术在建筑行业中的工程化应用，有利于高端建造业和智能建造的发展。

Description

适用于建筑3D打印件表面质量的在线检测系统及方法

技术领域

本发明属于建筑构件在线无损检测领域，更具体地，涉及一种建筑3D打印件表面质量的在线无损检测系统及方法，适用于建筑3D打印件中气孔缺陷、几何尺寸、变形和裂纹等的检测。

背景技术

3D打印技术，又称增材制造技术(Additive manufacturing)，是一种依据三维CAD模型设计，基于分层制造、层层叠加成形原理而进行的“增材”式的高端数字化快速建造技术。其中，将3D打印技术与混凝土结合的建筑3D打印技术势必将推动建筑界的工业化、信息化、集成化和智能化。

虽然，由于水泥基材料本身独特的流变特性和自凝结特性，使得建筑3D打印技术与传统的高分子、金属、陶瓷和复合材料等的3D打印技术存在显著差异。但是，建筑3D打印技术仍然具有以下显著优势：(1)绿色建造、智能环保安全快捷、节约人力资源、减少建筑废弃副产品；(2)无需模具便可实现复杂建筑形状结构的一体化建造，提高产品的研发水平和设计能力；(3)可就地取材，操作简单，适用于远程和极端恶劣环境下的自动化建造；(4)能实现精细化的建筑建造，提升人类居住环境。目前，根据运动控制系统的不同，建筑3D打印设备可分为基于数控机床的框架式3D打印设备和基于伸缩臂式或智能机器人的臂式3D打印设备。

但是，建筑3D打印技术还存在诸多问题，主要包括(1)打印过程没有对材料振捣夯实，结构密实性差，易产生气孔等缺陷；(2)逐层建造的工艺特点，以及材料收缩和层间“台阶效应”，导致打印件尺寸精度差；(3)混凝土初凝时间长，底部打印层在随后打印堆积过程中易变形、倒塌；(4)混凝土材料很难保持连续、均匀挤出，层间黏度不足时，极易产生裂纹。因此，建筑3D打印中气孔缺陷多、几何尺寸精度差、变形大、开裂等诸多质量问题使得打印件报废率高、建造成本高、稳定性差、可靠性低，这也成为了建筑3D打印技术的“卡脖子”难题。

针对上述问题，专利CN 110243724 A提出了一种在线检测建筑3D打印砂浆挤出性能(包括变形性、流动性和反馈压力)的检测装置及方法；CN 108827768A提出了一种检测3D打印后建筑砂浆力学性能(包括层间衔接强度、抗折强度、挤压强度和各向异性)的方法。但是，针对建筑3D打印过程中打印件表面质量的在线无损检测的系统和方法目前尚属空白。可见，开发一种适用于建筑3D打印件表面质量在线检测的系统和方法，在打印过程中及时检测反馈质量问题，并通过控制系统实时干预打印工艺，是建筑3D打印技术发展刻不容缓的前提和保障。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种适用于建筑3D打印件表面质量在线检测的系统和方法，其目的在于，通过对打印件表面质量信息的自动化检测和反馈干预，保障整个建筑3D打印过程的顺利进行，从而为建筑3D打印件的在线质量监控提供检测手段和方法，推动建筑3D打印技术的发展。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种适用于建筑3D打印件表面质量的在线检测系统，包括信号采集单元、缺陷提取单元、缺陷识别单元和缺陷反馈处理单元；

信号采集单元包括当前层信号采集模块和已打印层信号采集模块；当前层信号采集模块用于收集当前层的质量信息，已打印层信号采集模块用于收集已打印层的质量信息；当前层信号采集模块和已打印层信号采集模块均分别包括至少一个信号采集探头；

缺陷提取单元包括气孔提取模块、几何尺寸提取模块、变形提取模块和裂纹提取模块；

缺陷识别单元包括气孔识别模块、几何尺寸识别模块、变形识别模块和裂纹识别模块；

缺陷反馈处理单元包括气孔反馈处理模块、几何尺寸反馈处理模块、变形反馈处理模块和裂纹反馈处理模块；

信号采集单元将提取的当前层的质量信息和已打印层的质量信息传输至缺陷提取单元；缺陷提取单元从接受到的质量信息中提取出相应的特征信息并传输至缺陷识别单元；缺陷识别单元根据接收到的特征信息识别出缺陷类型及缺陷程度，若存在缺陷，则将识别出的缺陷信息传输至缺陷反馈处理单元；缺陷反馈处理单元根据接收到的缺陷调取预设的相应反馈处理指令，并将调取的相应反馈指令传输至建筑3D打印设备的控制系统，从而实现缺陷反馈处理。

进一步地，信号采集探头独立放置于待检测建筑3D打印件周围，或者嵌入建筑3D打印喷头接口中。

进一步地，信号采集探头包括工业相机、高速相机、三维扫描仪探头、超声探头、激光测距仪探头、激光跟踪仪探头、激光雷达探头、工业CT中的一个或者多个；信号采集单元包括照明光源。

进一步地，缺陷提取单元、缺陷识别单元和缺陷反馈处理单元分别独立或者集成于同一软件平台中放置于现场或者远程区域，或者嵌入建筑3D打印设备的控制系统软件中，从而实现3D打印建筑件建造过程的现场或者远程实时检测。

为了实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种适用于建筑3D打印件表面质量的在线检测方法，采用如前任一项所述的在线检测系统按照如下步骤进行在线检测：

步骤1：将信号采集单元中的信号采集探头放置于待检测构件周围或者安装于建筑3D打印设备的打印喷头预置的相应探头接口内；

步骤2：建筑3D打印设备的控制系统处理构件CAD模型，并依据模型切片信息控制3D打印喷头打印构件的当前层；

步骤3：选取信号采集单元中的信号采集探头，首先当前层信号采集模块中的信号采集探头同步逐点采集当前打印层的质量信息，并设置时间间隔，采集当前打印层质量随时间的变化；随后，当前层打印完毕后，已打印层信号采集模块中的探头采集所有已打印层的质量信息，并设置时间间隔，采集已打印层质量随时间的变化；将所有采集到的信息传输到缺陷提取单元；

步骤4：缺陷提取单元进行气孔缺陷、几何尺寸、变形和裂纹信息的特征提取，获得具有这些特征信息的数字化信号，并传输到缺陷识别单元；缺陷识别单元根据这些数字化信号判断构件中是否存在缺陷，以及缺陷类型和程度，若不存在缺陷，则跳过后面步骤，该打印层检测完成；若存在缺陷，将缺陷信息传输到缺陷反馈处理单元；

步骤5：缺陷反馈处理单元根据各类缺陷信息调用相应反馈处理指令，包括再次打印缺陷部位、末端抹泥刀的动作控制、调整3D打印过程的工艺参数、修正打印件轮廓的路径规划以及终止打印，传输到3D打印设备的控制系统中；

步骤6：重复第2～5步，直至完成整个建筑3D构件的建造和同步质量检测。

进一步地，步骤4中气孔缺陷检测方法如下：气孔提取模块进行信号预处理、信号强化等操作后对气孔缺陷的特征值进行提取，并传输至气孔识别模块；气孔识别模块加载预训练好的分类器，设定相应分类阈值，进行微气孔和大气孔的识别，若识别无异常，跳过后面步骤，该打印层检测完成，若微气孔异常和/或大气孔异常，将信息传输至气孔反馈处理模块。

进一步地，步骤4中几何尺寸检测方法如下：几何尺寸提取模块进行信号预处理、信号强化等操作后对几何尺寸的特征值进行提取，并传输至几何尺寸识别模块；几何尺寸识别模块加载预训练好的分类器，设定相应分类阈值，进行尺寸和形状的识别；若识别无异常，跳过后面步骤，该打印层检测完成，若识别尺寸异常和/或形状异常，将信息传输至几何尺寸反馈处理模块。

进一步地，步骤4中变形检测方法如下：变形提取模块进行信号预处理、信号强化等操作后对变形的特征值进行提取，并传输至变形识别模块；变形识别模块加载预训练好的分类器，设定相应分类阈值，进行位置、位向、粗糙度和高度的识别，若识别无异常，跳过后面步骤，该打印层检测完成，若识别位置异常和/或粗糙度异常和/或高度异常，将信息传输至变形反馈处理模块。

进一步地，步骤4中裂纹检测方法如下：裂纹提取模块进行信号预处理、信号强化等操作后对裂纹的特征值进行提取，并传输至裂纹识别模块；裂纹识别模块加载预训练好的分类器，设定相应分类阈值，进行裂纹尺寸、裂纹密度和裂纹位置的识别，若识别无异常，跳过后面步骤，该打印层检测完成，若识别裂纹尺寸异常和/或裂纹密度异常和/或裂纹位置异常，将信息传输至裂纹反馈处理模块；

进一步地，步骤5中，各反馈指令具体操作如下：

(1)再次打印缺陷部位：根据缺陷信息，对缺陷部位在指定范围内再次打印；该反馈指令的目的在于修复已经存在的内凹类的缺陷；

(2)末端抹泥刀的动作控制：根据缺陷信息，对缺陷部位在指定范围内采用末端抹泥刀抹平处理；该反馈指令的目的在于修复已经存在的外凸类的缺陷；

(3)调整3D打印过程的工艺参数：根据缺陷信息调整3D打印过程中的工艺参数，包括扫描速率、泵送流量、分层厚度、分层方向、偏置间距、偏置次数以及填充间距中的至少一个；该反馈指令的目的在于根据已成形部分的缺陷信息来预防和减少后续打印过程中缺陷形成；

(4)修正打印件轮廓的路径规划：根据缺陷信息修正原始3D打印建筑件中未打印部分的轮廓图形，并重新规划打印路径；该反馈指令的目的在于根据已成形部分的缺陷信息来预防和减少后续打印过程中缺陷形成；

(5)终止打印：该反馈指令的目的在于当已经打印部分的现有缺陷无法弥补并且无法达到最终建筑件的质量要求时，缺陷反馈处理单元控制3D打印设备终止打印。

总体而言，本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1.本发明提供了一套独立于建筑3D打印设备的打印件表面质量的在线无损检测系统及方法，可以实现对不同材质、尺寸和结构的建筑3D打印件表面质量的在线无损检测，为建筑3D打印过程的顺利开展提供质量保障。

2.本发明能在线非接触实时监测3D打印建筑件的质量状况，并及时反馈预警干预，采取相关工艺调整措施，不仅可以最大程度地避免3D打印建筑件因质量不合格而报废，而且可以降低建造成本、提高自动化程度，推动3D打印技术在建筑行业中的工程化应用。

3.本发明能应用于多种建筑3D打印设备，通用性强、拓展性大，精度高，而且高度的智能检测，标准一致，可重复性强，减少人工投入，有利于推动高端建造业和智能建造的发展。

4.本发明能同时适用于框架式和臂式建筑3D打印设备，可实现现场或者远程的建筑3D打印件的气孔缺陷、几何尺寸、变形和裂纹等的在线检测。

附图说明

图1是一种适用于建筑3D打印件表面质量的在线无损检测系统检测过程的流程图；

图2是气孔缺陷在线检测过程的流程图；

图3是几何尺寸在线检测过程的流程图；

图4是变形在线检测过程的流程图；

图5是裂纹在线检测过程的流程图；

图6是一种适用于框架式建筑3D打印件表面质量的在线无损检测装置示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-控制系统，2-3D打印喷头，3-机械运动控制系统，4-3D打印建筑件，5-激光跟踪仪探头，6-激光测距仪探头，7-工业相机，8-工业相机，9、9'-照明光源。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实例提供的一种建筑3D打印件中气孔缺陷、几何尺寸、变形和裂纹的在线无损检测系统及方法，其特征在于，该系统包括信号采集单元、缺陷提取单元、缺陷识别单元和缺陷反馈处理单元。

信号采集单元包括当前层信号采集模块和已打印层信号采集模块；当前层信号采集模块主要用来收集前层的质量信息，已打印层信号采集模块主要用来收集已打印层的质量信息；优选地，当前层信号采集模块和已打印层信号采集模块的信号采集探头包括工业相机、高速相机、三维扫描仪探头、超声探头、激光测距仪探头、激光跟踪仪探头、激光雷达探头、工业CT等中的一个或者多个；工业相机和高速相机可以搭配不同类型的镜头；根据现场的光照情况，信号采集单元中可以增加照明光源等辅助设备；信号采集单元中的探头可以放置于待检测3D打印件周围，也可以嵌入建筑3D打印喷头中；

缺陷提取单元包括气孔提取模块、几何尺寸提取模块、变形提取模块和裂纹提取模块；缺陷识别单元包括气孔识别模块、几何尺寸识别模块、变形识别模块和裂纹识别模块；缺陷反馈处理单元包括气孔反馈处理模块、几何尺寸反馈处理模块、变形反馈处理模块和裂纹反馈处理模块。

缺陷反馈处理单元中包括对3D打印建筑件的缺陷修正装置，比如抹泥刀等。缺陷反馈处理单元与建筑3D打印设备的控制系统连接，可实现缺陷反馈处理单元对建筑3D打印过程的参数控制和过程控制。缺陷提取单元、缺陷识别单元和缺陷反馈处理单元均可以独立或者集成于同一软件平台中放置于现场或者远程区域，也可以嵌入建筑3D打印设备的控制系统软件中，从而实现3D打印建筑构件建造过程的现场或者远程实时检测控制。

信号采集单元、缺陷提取单元、缺陷识别单元和缺陷反馈处理单元之间可以进行数据传输和处理。

优选地，气孔提取、识别和反馈模块进行微气孔和大气孔的在线检测和反馈；几何尺寸提取、识别和反馈模块进行尺寸和形状的在线检测和反馈；变形提取、识别和反馈模块进行位置、位向、粗糙度和高度的在线检测和反馈；裂纹提取、识别和反馈模块进行裂纹尺寸、裂纹密度和裂纹位置的在线检测和反馈。

利用上述检测系统，本发明还提供了一种适用于建筑3D打印件表面质量在线检测的方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：将信号采集单元中的信号采集探头根据需要放置于待检测构件周围或者安装于建筑3D打印设备的打印喷头预置的相应的探头接口内；

步骤2：建筑3D打印设备的控制系统处理构件CAD模型，并依据模型切片信息控制3D打印喷头打印构件的当前层；

步骤3：选取信号采集单元中的信号采集探头，首先当前层信号采集模块中的探头同步逐点采集当前打印层的质量信息，设置时间间隔，采集当前打印层质量随时间的变化；随后，当前层打印完毕后，已打印层信号采集模块中的探头采集所有已打印层的质量信息，设置时间间隔，采集已打印层质量随时间的变化；将所有采集到的信息传输到缺陷提取单元；

步骤4：缺陷提取单元进行缺陷特征值提取，并传输到缺陷识别单元进行缺陷识别，随后将识别后的缺陷信息传输到缺陷反馈处理单元，如图1所示，具体步骤如下：

(1)信号采集单元采集当前层和已打印层建筑3D打印件的气孔缺陷、几何尺寸、变形和裂纹等质量信息，并传输到缺陷提取单元；

(2)缺陷提取单元对气孔缺陷、几何尺寸、变形和裂纹等信息进行处理，提取缺陷特征值，获得具有这些信息的数字化信号，并传输到缺陷识别单元；

(3)缺陷识别单元根据这些数字化信号判断构件中是否存在缺陷，以及缺陷类型和程度；若不存在缺陷，则跳过后面步骤，该打印层检测完成，若存在缺陷，将缺陷信息传输到缺陷反馈处理单元；

(4)缺陷反馈处理单元根据缺陷信息调用相应处理指令传输到3D打印设备的控制系统中。

优选地，本实施例提供的一种适用于建筑3D打印件气孔缺陷的检测流程如图2所示：

(1)选取当前层信号采集模块中的工业相机、高速相机、超声探头等的一个或者多个，对当前层质量进行采集，并传输至气孔提取模块；

(2)气孔提取模块进行信号预处理、信号强化等操作后对气孔缺陷的特征值(包括尺寸、形态、面积、数量、密度等)进行提取，并传输至气孔识别模块；

(3)气孔识别模块加载训练好的分类器，设定相应分类阈值，进行微气孔和大气孔的识别，若识别无异常，跳过后面步骤，该打印层检测完成，若识别微气孔异常和/或大气孔异常，将信息传输至气孔反馈处理模块；

(4)气孔反馈处理模块调用相应处理指令传输到3D打印设备的控制系统中。

优选地，本实施例提供的一种适用于建筑3D打印件几何尺寸的检测流程如图3所示：

(1)选取信号采集单元中当前层信号采集模块和已打印层信号采集模块中工业相机、高速相机、三维扫描仪探头、激光雷达探头、激光测距仪探头和激光跟踪仪探头等中的一个或者多个，对当前层几何尺寸信息进行采集，并传输到几何尺寸提取模块；

(2)几何尺寸提取模块进行信号预处理、信号强化等操作后对几何尺寸的特征值进行提取，并传输至几何尺寸识别模块；

(3)几何尺寸识别模块加载训练好的分类器，设定相应分类阈值，进行尺寸和形状的识别，若识别无异常，跳过后面步骤，该打印层检测完成，若识别尺寸异常和/或形状异常，将信息传输至几何尺寸反馈处理模块；

(4)几何尺寸反馈处理模块调用相应处理指令传输到3D打印设备的控制系统中。

优选地，本实施例提供的一种适用于建筑3D打印件变形的检测流程如图4所示：

(1)选取信号采集单元中当前层信号采集模块和已打印层信号采集模块中工业相机、高速相机、三维扫描仪探头、激光雷达探头、激光测距仪探头、激光跟踪仪探头等中的一个或者多个，对当前层变形信息进行采集，并传输到变形提取模块；

(2)变形提取模块进行信号预处理、信号强化等操作后对变形的特征值进行提取，并传输至变形识别模块；

(3)变形识别模块加载训练好的分类器，设定相应分类阈值，进行位置、粗糙度和高度的识别，若识别无异常，跳过后面步骤，该打印层检测完成，若识别位置异常和/或粗糙度异常和/或高度异常，将信息传输至变形反馈处理模块；

(4)变形反馈处理模块调用相应处理指令传输到3D打印设备的控制系统中。

优选地，本实施例提供的一种适用于建筑3D打印件裂纹的检测流程如图5所示：

(1)选取信号采集单元中当前层信号采集模块和已打印层信号采集模块中工业相机和高速相机等中的一个或者多个，对当前层和已打印层的裂纹信息进行采集，并传输到裂纹提取模块；

(2)裂纹提取模块进行信号预处理、信号强化等操作后对裂纹的特征值进行提取，并传输至裂纹识别模块；

(3)裂纹识别模块加载训练好的分类器，设定相应分类阈值，进行裂纹尺寸、裂纹密度和裂纹位置的识别，若识别无异常，跳过后面步骤，该打印层检测完成，若识别裂纹尺寸异常和/或裂纹密度异常和/或裂纹位置异常，将信息传输至裂纹反馈处理模块；

(4)裂纹反馈处理模块调用相应处理指令传输到3D打印设备的控制系统中。

步骤5：缺陷反馈处理单元根据各类缺陷信息调用相应反馈处理指令，主要包括再次打印缺陷部位、末端抹泥刀等的动作控制、调整3D打印过程的工艺参数、修正打印件轮廓的路径规划、终止打印等，传输到3D打印设备的控制系统中。优选地，本实施例提供的各指令具体操作如下：

(1)再次打印缺陷部位：根据缺陷信息，对缺陷部位小范围再次打印；该反馈指令的目的在于修复已经存在的内凹类的缺陷；

(2)末端抹泥刀的动作控制：根据缺陷信息，对缺陷部位小范围采用末端抹泥刀抹平处理；该反馈指令的目的在于修复已经存在的外凸类的缺陷；

(3)调整3D打印过程的工艺参数：根据缺陷信息调整3D打印过程中的工艺参数，主要包括扫描速率、泵送流量、分层厚度、分层方向、偏置间距、偏置次数、填充间距等；该反馈指令的目的在于根据已成形部分的缺陷信息来预防和减少后续打印过程中缺陷形成；

(4)修正打印件轮廓的路径规划：根据缺陷信息修正原始3D打印建筑件中未打印部分的轮廓图形，并重新规划打印路径。该反馈指令的目的在于根据已成形部分的缺陷信息来预防和减少后续打印过程中缺陷形成；

(5)终止打印：该反馈指令的目的在于已经打印部分的现有缺陷已经无法弥补并且无法达到最终建筑件的质量要求，缺陷反馈处理单元控制3D打印设备终止打印。

步骤6：重复第2～5步，直至完成整个建筑构件的建造和同步质量检测。

步骤7：取下放置于待检测构件周围和安装于建筑3D打印喷头内的检测探头。

下面结合一个应用实例，来对本发明进行更为详细的介绍。在本实例提供的一种适用于建筑3D打印件表面质量的在线无损检测系统和方法，包括以下装置及步骤：

如图6所示，在本实例中，作为监测及受控对象的建筑3D打印设备主要包括控制系统1，3D打印喷头2，机械运动控制系统3，物料供给系统，管路清洗系统和3D打印建筑件4。本发明实例包括激光跟踪仪探头5，激光测距仪探头6，工业相机7和三维扫描仪探头8，工业相机根据需要配备相应的镜头。这些探头的数量可以为一个或者多个。激光跟踪仪探头5和激光测距仪探头6安装于机械运动控制系统3的上方，工业相机7和三维扫描仪探头8放置于打印建筑件4的周围。为了提高检测质量，在机械运动控制系统3的上方安装2个照明光源9、9'。所有这些探头与3D打印设备的控制系统1连接。本实施例中的缺陷提取单元、缺陷识别单元和缺陷反馈处理单元均集成于3D打印设备的控制系统1的控制软件中。

利用图6的装置及系统，相应的一种适用于建筑3D打印件表面质量的在线无损检测方法可分为以下步骤：

步骤1：将信号采集单元中的激光跟踪仪探头5，激光测距仪探头6安装于3D打印设备机械运动控制系统3的上方，工业相机7和三维扫描仪探头8安装于待检测3D打印构件周围；

步骤2：建筑3D打印设备的控制系统1处理构件CAD模型，并依据模型切片信息控制3D打印喷头2打印构件的当前层；

步骤3：当前层打印完成后，首先当前层信号采集模块中的激光跟踪仪探头5，工业相机7和三维扫描仪探头8采集当前打印层的质量信息；随后，已打印层信号采集模块中的激光跟踪仪探头5，激光测距仪探头6，工业相机7和三维扫描仪探头8采集已打印层的质量信息；

步骤4：将信号采集单元收集的信息实时传输到缺陷提取单元对气孔缺陷、几何尺寸、变形和裂纹等信息进行特征提取，获得具有这些信息的数字化信号，并传输到缺陷识别单元；缺陷识别单元根据这些数字化信号判断构件中是否存在缺陷，以及缺陷类型和程度，若不存在缺陷，则跳过后面步骤，该打印层检测完成，若存在缺陷，将缺陷信息传输到缺陷反馈处理单元。

具体来说，本实例采用的适用于建筑3D打印件气孔缺陷的检测步骤如下：

(1)选取当前层信号采集模块中的工业相机7对当前层进行拍摄；

(2)将工业相机7拍摄的照片传输至控制系统1中的气孔提取模块进行信号预处理、信号强化等操作，比如图像矫正(消除由于探头非同轴放置而产生的图形畸变)、图像分割(消除光照不均的影响)、图像二值化处理、图像去噪等；然后对气孔缺陷的特征值(包括尺寸、形态、面积、数量、密度等)进行提取，并传输至气孔识别模块；

(3)气孔识别模块加载训练好的分类器，设定相应分类阈值，进行微气孔和大气孔的识别，若无异常，跳过后面步骤，该打印层检测完成，若识别微气孔异常和/或大气孔异常，将信息传输至气孔反馈处理模块；

(4)气孔反馈处理模块调用相应处理指令传输到3D打印设备的控制系统1中。

本实例采用的适用于建筑3D打印件几何尺寸的检测流程如下：

(1)采用信号采集单元中当前层信号采集模块和已打印层信号采集模块中激光跟踪仪探头5采集打印件的直线度信息，激光测距仪探头6采集打印件的高度信息，工业相机7和三维扫描仪探头8对当前层和已打印层进行拍照扫描，并将信息传输到控制系统1中的几何尺寸提取模块；

(2)几何尺寸提取模块进行信号预处理、信号强化等操作后对几何尺寸和形状的特征值进行提取，并与原始CAD数据模型对比差值后将结果传输到几何尺寸识别模块；

(3)几何尺寸识别模块加载训练好的分类器，设定相应分类阈值，进行尺寸和形状的识别，若识别无异常，跳过后面步骤，该打印层检测完成，若识别尺寸异常和/或形状异常，将识别后的缺陷信息传输至几何尺寸反馈处理模块；

(4)几何尺寸反馈处理模块调用相应处理指令传输到3D打印设备的控制系统1中。

本实例采用的适用于建筑3D打印件变形的检测步骤如下：

(1)选取信号采集单元中当前层信号采集模块和已打印层信号采集模块中的激光跟踪仪探头5采集打印件的直线度，激光测距仪探头6采集打印件的高度，工业相机7和三维扫描仪探头8对当前层和已打印层进行拍照扫描，并将信息传输到控制系统1中的变形提取模块；

(2)变形提取模块进行信号预处理、信号强化等操作后对变形的特征值进行提取，并与原始CAD数据模型对比差值后将结果传输到变形识别模块；

(3)变形识别模块加载训练好的分类器，设定相应分类阈值，进行位置、粗糙度和高度的识别；若识别无异常，跳过后面步骤，该打印层检测完成，若识别位置异常和/或粗糙度异常和/或高度异常，将识别后的信息传输至变形反馈处理模块；

(4)变形反馈处理模块选择相应处理指令传输到3D打印设备的控制系统1中。

本实例采用的适用于建筑3D打印件裂纹的检测步骤如下：

(1)选取信号采集单元中当前层信号采集模块和已打印层信号采集模块中的工业相机7对打印件表面进行拍摄；

(2)将工业相机7拍摄的照片传输至控制系统1中的裂纹提取模块进行信号预处理、信号强化等操作，比如图像矫正(消除由于探头非同轴放置而产生的图形畸变)、图像分割(消除光照不均的影响)、图像二值化处理、图像去噪等；然后对裂纹缺陷的特征值(包括尺寸、密度和位置等)进行提取，并传输至裂纹识别模块；

(3)裂纹识别模块加载训练好的分类器，设定相应分类阈值，进行裂纹尺寸、裂纹密度和裂纹位置的识别，若识别无异常，跳过后面步骤，该打印层检测完成，若识别裂纹尺寸异常和/或裂纹密度异常和/或裂纹位置异常，将识别后的信息传输至裂纹反馈处理模块；

(4)裂纹反馈处理模块调用相应处理指令传输到3D打印设备的控制系统1中。

步骤5：缺陷反馈处理单元根据缺陷信息调用相应处理指令，包括再次打印缺陷部位、末端抹泥刀等工具的动作控制、调整3D打印过程的工艺参数、修正打印件轮廓的路径规划、终止打印等，传输到3D打印设备的控制系统1中。本实例采用的各指令具体操作如下：

(1)再次打印缺陷部位：根据缺陷信息，对缺陷部位小范围再次打印；该反馈指令的目的在于修复已经存在的内凹类的缺陷；

(2)末端抹泥刀的动作控制：根据缺陷信息，对缺陷部位小范围采用末端抹泥刀抹平处理；该反馈指令的目的在于修复已经存在的外凸类的缺陷；

(3)调整3D打印过程的工艺参数：根据缺陷信息调整3D打印过程中的工艺参数，主要包括扫描速率、泵送流量、分层厚度、分层方向、偏置间距、偏置次数、填充间距等，这些工艺参数的调整按照经验设置即可；该反馈指令的目的在于根据已成形部分的缺陷信息来预防和减少后续打印过程中缺陷形成；

(4)修正打印件轮廓的路径规划：根据缺陷信息修正原始3D打印建筑件中未打印部分的轮廓图形，并重新规划打印路径。该反馈指令的目的在于根据已成形部分的缺陷信息来预防和减少后续打印过程中缺陷形成；

(5)终止打印：该反馈指令的目的在于已经打印部分的现有缺陷已经无法弥补并且无法达到最终建筑件的质量要求，缺陷反馈处理单元控制3D打印设备终止打印；

步骤6：重复第2～5步，直至完成整个建筑构件的建造和同步质量检测；

步骤7：取下所有检测探头。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种适用于建筑3D打印件表面质量的在线检测系统，其特征在于，包括信号采集单元、缺陷提取单元、缺陷识别单元和缺陷反馈处理单元；

信号采集单元包括当前层信号采集模块和已打印层信号采集模块；当前层信号采集模块用于收集当前层的质量信息，已打印层信号采集模块用于收集已打印层的质量信息；当前层信号采集模块和已打印层信号采集模块均分别包括至少一个信号采集探头；

缺陷提取单元包括气孔提取模块、几何尺寸提取模块、变形提取模块和裂纹提取模块；

缺陷识别单元包括气孔识别模块、几何尺寸识别模块、变形识别模块和裂纹识别模块；

缺陷反馈处理单元包括气孔反馈处理模块、几何尺寸反馈处理模块、变形反馈处理模块和裂纹反馈处理模块；

信号采集单元将提取的当前层的质量信息和已打印层的质量信息传输至缺陷提取单元；缺陷提取单元从接受到的质量信息中提取出相应的特征信息并传输至缺陷识别单元；缺陷识别单元根据接收到的特征信息识别出缺陷类型及缺陷程度，若存在缺陷，则将识别出的缺陷信息传输至缺陷反馈处理单元；缺陷反馈处理单元根据接收到的缺陷调取预设的相应反馈处理指令，并将调取的相应反馈指令传输至建筑3D打印设备的控制系统，从而实现缺陷反馈处理。

2.如权利要求1所述的一种适用于建筑3D打印件表面质量的在线检测系统，其特征在于，信号采集探头独立放置于待检测建筑3D打印件周围，或者嵌入建筑3D打印喷头接口中。

3.如权利要求1所述的一种适用于建筑3D打印件表面质量的在线检测系统，其特征在于，信号采集探头包括工业相机、高速相机、三维扫描仪探头、超声探头、激光测距仪探头、激光跟踪仪探头、激光雷达探头、工业CT中的一个或者多个；信号采集单元包括照明光源。

4.如权利要求1～3任一项所述的一种适用于建筑3D打印件表面质量的在线检测系统，其特征在于，缺陷提取单元、缺陷识别单元和缺陷反馈处理单元分别独立或者集成于同一软件平台中放置于现场或者远程区域，或者嵌入建筑3D打印设备的控制系统软件中，从而实现3D打印建筑件建造过程的现场或者远程实时检测。

5.一种适用于建筑3D打印件表面质量的在线检测方法，其特征在于，采用权利要求1～3任一项所述的在线检测系统按照如下步骤进行在线检测：

步骤1：将信号采集单元中的信号采集探头放置于待检测构件周围或者安装于建筑3D打印设备的打印喷头预置的相应探头接口内；

步骤2：建筑3D打印设备的控制系统处理构件CAD模型，并依据模型切片信息控制3D打印喷头打印构件的当前层；

步骤3：选取信号采集单元中的信号采集探头，首先当前层信号采集模块中的信号采集探头同步逐点采集当前打印层的质量信息，并设置时间间隔，采集当前打印层质量随时间的变化；随后，当前层打印完毕后，已打印层信号采集模块中的探头采集所有已打印层的质量信息，并设置时间间隔，采集已打印层质量随时间的变化；将所有采集到的信息传输到缺陷提取单元；

步骤4：缺陷提取单元进行气孔缺陷、几何尺寸、变形和裂纹信息的特征提取，获得具有这些特征信息的数字化信号，并传输到缺陷识别单元；缺陷识别单元根据这些数字化信号判断构件中是否存在缺陷，以及缺陷类型和程度，若不存在缺陷，则跳过后面步骤，该打印层检测完成；若存在缺陷，将缺陷信息传输到缺陷反馈处理单元；

步骤5：缺陷反馈处理单元根据各类缺陷信息调用相应反馈处理指令，包括再次打印缺陷部位、末端抹泥刀的动作控制、调整3D打印过程的工艺参数、修正打印件轮廓的路径规划以及终止打印，传输到3D打印设备的控制系统中；

步骤6：重复第2～5步，直至完成整个建筑3D构件的建造和同步质量检测。

6.如权利要求5所述的一种适用于建筑3D打印件表面质量的在线检测方法，其特征在于，步骤4中气孔缺陷检测方法如下：气孔提取模块进行信号预处理、信号强化等操作后对气孔缺陷的特征值进行提取，并传输至气孔识别模块；气孔识别模块加载预训练好的分类器，设定相应分类阈值，进行微气孔和大气孔的识别，若识别无异常，跳过后面步骤，该打印层检测完成，若微气孔异常和/或大气孔异常，将信息传输至气孔反馈处理模块。

7.如权利要求5所述的一种适用于建筑3D打印件表面质量的在线检测方法，其特征在于，步骤4中几何尺寸检测方法如下：几何尺寸提取模块进行信号预处理、信号强化等操作后对几何尺寸的特征值进行提取，并传输至几何尺寸识别模块；几何尺寸识别模块加载预训练好的分类器，设定相应分类阈值，进行尺寸和形状的识别；若识别无异常，跳过后面步骤，该打印层检测完成，若识别尺寸异常和/或形状异常，将信息传输至几何尺寸反馈处理模块。

8.如权利要求5所述的一种适用于建筑3D打印件表面质量的在线检测方法，其特征在于，步骤4中变形检测方法如下：变形提取模块进行信号预处理、信号强化等操作后对变形的特征值进行提取，并传输至变形识别模块；变形识别模块加载预训练好的分类器，设定相应分类阈值，进行位置、位向、粗糙度和高度的识别，若识别无异常，跳过后面步骤，该打印层检测完成，若识别位置异常和/或粗糙度异常和/或高度异常，将信息传输至变形反馈处理模块。

9.如权利要求5所述的一种适用于建筑3D打印件表面质量的在线检测方法，其特征在于，步骤4中裂纹检测方法如下：裂纹提取模块进行信号预处理、信号强化等操作后对裂纹的特征值进行提取，并传输至裂纹识别模块；裂纹识别模块加载预训练好的分类器，设定相应分类阈值，进行裂纹尺寸、裂纹密度和裂纹位置的识别，若识别无异常，跳过后面步骤，该打印层检测完成，若识别裂纹尺寸异常和/或裂纹密度异常和/或裂纹位置异常，将信息传输至裂纹反馈处理模块。

10.如权利要求5～9所述的一种适用于建筑3D打印件表面质量的在线检测方法，其特征在于，步骤5中，各反馈指令具体操作如下：

(1)再次打印缺陷部位：根据缺陷信息，对缺陷部位在指定范围内再次打印；该反馈指令的目的在于修复已经存在的内凹类的缺陷；

(2)末端抹泥刀的动作控制：根据缺陷信息，对缺陷部位在指定范围内采用末端抹泥刀抹平处理；该反馈指令的目的在于修复已经存在的外凸类的缺陷；

(3)调整3D打印过程的工艺参数：根据缺陷信息调整3D打印过程中的工艺参数，包括扫描速率、泵送流量、分层厚度、分层方向、偏置间距、偏置次数以及填充间距中的至少一个；该反馈指令的目的在于根据已成形部分的缺陷信息来预防和减少后续打印过程中缺陷形成；

(4)修正打印件轮廓的路径规划：根据缺陷信息修正原始3D打印建筑件中未打印部分的轮廓图形，并重新规划打印路径；该反馈指令的目的在于根据已成形部分的缺陷信息来预防和减少后续打印过程中缺陷形成；

(5)终止打印：该反馈指令的目的在于当已经打印部分的现有缺陷无法弥补并且无法达到最终建筑件的质量要求时，缺陷反馈处理单元控制3D打印设备终止打印。

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