CN112297435A - 空间差异测量 - Google Patents

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Abstract

一种空间差异测量方法可以包括生成对象的标称3D模型的第一框架的第一关键特征，并且将该第一关键特征外推至标称3D模型上。该方法可以包括在（真实的或模拟的）构建过程期间或之后创建对象的实际3D模型。该方法可以包括生成对象的实际3D模型的第二框架的第二关键特征，并且将该第二关键特征外推至对象的实际3D模型上。该方法可以包括将在标称3D模型上外推的第一关键特征与在实际3D模型上外推的第二关键特征进行比较，以确定第一关键特征与第二关键特征之间的一个或多个距离，从而在构建期间或之后测量标称3D模型与对象之间的空间差异。

Description

空间差异测量
技术领域
本公开涉及例如用于失真补偿目的的增材制造系统和工艺的空间差异测量。
背景技术
由于应力消除等引起的体积收缩、回弹等原因，在增材制造（AM）过程中会发生几何形状的变化。某些增材制造过程中的主要步骤之一是测量成对的3D模型之间的空间差异，例如测量输入标称模型与实际增材制造（模拟或真实的）模型之间的空间差异（例如，用于失真补偿、实验/打印结果评估）。传统方法需要手动选择参考点/表面/边缘，比较这两个模型上表面点之间的距离，并且报告它们在长度、角度、边缘等方面的精度。然而，这些方法严重依赖于参考的选择，使得微小的变化将导致测量结果的显著差异。因此，传统方法可能不可靠和不准确。|
通常认为这种常规方法和系统是符合其预期目的的要求的。然而，本领域中仍然需要改进空间差异测量方法和系统。本公开提供了满足这一需求的解决方案。
发明内容
一种空间差异测量方法可以包括生成对象的标称3D模型的第一框架的第一关键特征，并且将该第一关键特征外推至标称3D模型上。该方法可以包括在（真实的或模拟的）构建过程期间或之后创建对象的实际3D模型。该方法可以包括生成对象的实际3D模型的第二框架的第二关键特征，并且将该第二关键特征外推至对象的实际3D模型上。该方法可以包括将在标称3D模型上外推的第一关键特征与在实际3D模型上外推的第二关键特征进行比较，以确定第一关键特征与第二关键特征之间的一个或多个距离，从而在构建期间或之后测量标称3D模型与对象之间的空间差异。
在某些实施方案中，该方法可以包括接收对象的标称3D模型，并且基于该标称3D模型生成第一框架。该方法可以包括基于实际3D模型生成第二框架。
生成第一框架可以包括例如使用中轴方法将标称3D模型转换成第一有限元网格。在某些实施方案中，生成第二框架可以包括使用中轴方法将实际3D模型转换成第二有限元网格。
在某些实施方案中，生成第一关键特征和生成第二关键特征可以包括分别使用第一框架和第二框架的节点。外推第一关键特征和外推第二关键特征可以包括例如分别将第一关键特征和第二关键特征投射到标称3D模型和实际3D模型的表面。
在某些实施方案中，构建过程可以是增材制造过程，并且该方法可以包括基于标称3D模型对对象进行增材制造。可以实时进行比较，并且该方法可以包括修改增材制造过程的一个或多个特征，以解决测量的空间差异。
根据本公开的至少一个方面，一种非暂时性计算机可读介质可以包括计算机可执行指令，该指令被配置成使计算机执行（例如，如上所述的）本文公开的任何适当的方法和/或其部分。本文预期有任何其它适当的方法和/或其部分。
根据本公开的至少一个方面，一种系统可以包括空间差异测量模块，该空间差异测量模块被配置成执行（例如，如上所述的）本文公开的任何适当的方法和/或其部分。例如，空间差异测量模块可以被配置成输出空间差异值。空间差异测量模块可以被配置成控制增材制造过程，并且根据空间差异值修改增材制造过程的至少一个特性。鉴于本公开，如本领域普通技术人员所理解，空间差异测量模块可以包括任何适当的硬件和/或软件来执行期望的功能。
从下面结合附图的详细描述中，本发明的实施方案的这些和其它特征对于本领域技术人员而言将变得更加显而易见。
附图说明
为了使本主题公开所属领域的技术人员将容易理解如何制造和使用本主题公开的装置和方法，而无需过多的实验，下面将参照某些附图详细描述其实施方案，其中：
图1是根据本公开的方法的实施方案的流程图；
图2是根据本公开的对象的数字标称3D模型的实施方案的透视图；
图3是图1的标称3D模型的第一框架模型的平面图，并且生成该第一框架上的第一关键特征；
图4是图1的标称3D模型的平面图，示出了外推至标称3D模型（例如，投射至外表面）的图2的第一关键特征；并且
图5示出了对标称3D模型与实际3D模型进行比较，以基于标称3D模型的第一关键特征相对于实际3D模型的第二关键特征的相对位置来测量空间差异。
具体实施方式
现将参照附图，其中相同的附图标记指明主题公开的相同结构特征或相同方面。出于解释和说明而非限制的目的，在图1中示出了根据本公开的方法的实施方案的说明性视图，并且通常由附图标记100表示该图。图2-5示出了本公开的其它实施方案和/或方面。
参照图1、图2和图3，空间差异测量方法可以包括（例如，在方框101处）生成对象（例如，任何适当的制品）的标称3D模型200的第一框架300的第一关键特征201。另外参照图4，方法100可以包括（例如，在方框103处）将第一关键特征301外推至标称3D模型200上。如本文所公开，3D模型可以是CAD模型或任何其它适当的计算机生成的模型。
另外参照图5，方法100可以包括（例如，在方框105处）在（真实的或模拟的）构建过程期间或之后创建对象的实际3D模型500。例如，可以在构建过程期间或构建过程之后使用数字图像相关（DIC）来基于数字图像形成实际3D模型500。
例如如图5所示，方法100可以包括（例如，在方框107处）生成对象的实际3D模型的第二框架600的第二关键特征601，并且（例如，在方框109处）将该第二关键特征601外推到对象的实际3D模型500上。方法100可以包括（例如，在方框111处）对在标称3D模型200上外推的第一关键特征301与在实际3D模型500上外推的第二关键特征601进行比较，以确定第一关键特征301和第二关键特征601之间的一个或多个距离，从而在构建期间或之后测量标称3D模型200与对象之间的空间差异（例如，由可以从标称3D模型200变形而成的实际3D模型500表示）。预期对象的构建可以是真实的或模拟的来创建实际3D模型500。
在某些实施方案中，方法100可以包括接收对象的标称3D模型200，并且基于该标称3D模型200生成第一框架300。然而，可以预期，可以提供第一框架300，而非作为方法100的一部分来生成该第一框架300。
在某些实施方案中，方法100可以包括基于实际3D模型500生成第二框架600。这可以（例如，使用DIC）实时完成，或者在对象的（真实的或模拟的）构建完成之后完成。
例如，如图所示，生成第一框架300可以包括例如使用中轴方法将标称3D模型200转换成第一有限元网格。在某些实施方案中，生成第二框架600可以包括使用中轴方法将实际3D模型500转换成第二有限元网格。本文预期有创建第一框架300和/或第二框架600的任何其它适当的方法。
在某些实施方案中，生成第一关键特征301和生成第二关键特征601可以包括分别使用第一框架300和第二框架600的节点。例如，节点可以是相应框架300、600的至少一些（如果不是全部的话）有限元（例如，所示的棒状构件）的连接点。本文预期有关键特征301、601的任何其它适当的点。
如图4和图5所示，外推第一关键特征301和外推第二关键特征601可以包括例如将第一关键特征301和第二关键特征601分别投射到标称3D模型200和实际3D模型500的表面203、503。在某些实施方案中，单个拐角旁的一个或多个关键特征601可以投射到单个拐角（例如，如图4和图5所示）。
在某些实施方案中，（真实的或模拟的）构建过程可以是（例如，激光粉床熔融、塑料沉积等）增材制造过程，并且方法100可以包括基于标称3D模型200来增材制造对象。在这点上，例如，如本领域普通技术人员所理解，可以将标称3D模型200分割成层以用于分层制造。可以（例如，通过增材制造机器的机器控制器）实时地进行比较111（例如与每一层进行比较），以实时监控构建过程（例如，以预测最终构建的对象的最终结果）。在这点上，可以预期方法100可以逐层执行，使得随着构建过程的进行，对实际3D模型的每一层进行建模并将其与标称3D模型200的相应层进行比较。在某些实施方案中，例如，可以基于少于所有的层和/或与标称3D模型200进行比较来创建预测的最终模型。
使用上述一个或多个实施方案，方法100可以包括（例如，通过机器控制器）修改增材制造过程的一个或多个特征，以解决测量的空间差异。例如，如果每个模型的层之间（或预测的最终模型与标称模型之间）的空间差异高于阈值，那么可以至少针对下一层修改激光功率和/或扫描速度，以修改热梯度，从而使其回归到标称模型（以减小空间差异）。例如，可以采取任何适当的过程步骤来使其回归到标称模型。
框架设置方法的某些实施方案可以包括中轴方法（例如，参见本文以引用的方式并入的Tam、Roger和Wolfgang Heidrich的“Shape simplification based on the medialaxis transform）”，Visualization, 2003. VIS 2003. IEEE. IEEE, 2003）来建立3D模型的框架。图2示出了7支撑桥模型的框架检测结果的示例。如图3所示，结果是由连接点和部件的集合组成。在所示的示例中，7支撑桥产生13个部件和14个连接点。
关键特征生成方法的某些实施方案可以包括利用连接点来识别用于空间差异测量的关键特征。通常在表面上进行3D部件的测量，因此，如图4和5所示，可以将连接点投射回3D模型的表面上，然后将关键特征外推至3D模型上以进行比较。
根据本公开的至少一个方面，非暂时性计算机可读介质可以包括计算机可执行指令，该指令被配置成使计算机执行（例如，如上所述的）本文公开的任何适当的方法和/或其部分。本文预期了任何其它适当的方法和/或其部分。例如，增材制造机器的机器控制器可以包括非暂时性计算机可读介质，并且被配置成执行例如如上所述的本文公开的任何适当的方法的任何适当的部分。例如，机器控制器可以执行例如如上所述的本文公开的一种或多种方法的所有部分。
根据本公开的至少一个方面，系统可以包括空间差异测量模块，该空间差异测量模块被配置成执行（例如，如上所述的）本文公开的任何适当的方法和/或其部分。例如，空间差异测量模块可以被配置成输出空间差异值。空间差异测量模块可以被配置成控制增材制造过程，并且根据空间差异值修改增材制造过程的至少一个特性。鉴于本公开，如本领域普通技术人员所理解的，空间差异测量模块可以包括任何适当的硬件和/或软件来执行期望的功能。
实施方案包括空间差异测量方法，以有效且高效地评估对象相对于其预期形状的形状变化。实施方案利用3D模型的框架、一类3D对象的拓扑结构和几何形状来进行形状对准以及定义空间剩余量。使用本公开的实施方案，空间差异是基于结构的，这表示测量结果是视点和仿射不变量。以前的方法通常需要通过软件提取和扫描表面点，以i）构建网格，ii）选择参考，以及iii）计算它们之间的“L2”距离。相反，某些实施方案仅计算标称和检测到的关键特征之间的空间差异。
某些实施方案可以包括基于框架的3D模型差异测量方法，该方法包括：i）框架设置以捕捉成对给定的3D模型（例如，标称模型和实际/变形模型）的3D结构；ii）关键特征检测，例如将框架与3D模型（即，网格/有限元节点的顶点）对准；iii）在实验中，使用诸如DIC的实时工具来跟踪最终形状；以及iv）确定空间差异为：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中，X和X'分别是标称模型和实际（例如，变形的）模型的对准关键特征。
使用本文公开的实施方案，可以从3D模型框架中捕获空间差异，该3D模型框架反映作为尺度和仿射不变两者的3D形状轮廓。关键特征可以是3D模型的节点的子集，因此，可以避免在仿真期间由扫描和形状变化所引入的许多异常值。例如在打印实验期间，使用诸如能够跟踪应变的DIC类工具，可以实时使用某些实施方案。实施方案可用于例如在零件制造期间的增材制造中的潜在失真补偿。‎
如本领域技术人员将理解，可以将本公开的各方面实现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本公开的各方面可以采取全硬件实施方案、全软件实施方案（包括固件、常驻软件、微代码等）或组合软件和硬件方面的实施方案的形式，所有这些形式的可行性在本文中都可以称为“电路”、“模块”或“系统”。“电路”、“模块”或“系统”可以包括一个或多个单独的物理硬件和/或软件组件的一个或多个部分，这些部分可以一起执行所公开的“电路”、“模块”或“系统”的功能，或者“电路”、“模块”或“系统”可以是（例如，硬件和/或软件的）单个独立的单元。此外，本公开的各方面可以采取计算机程序产品的形式，该计算机程序产品被实现在具有计算机可读程序代码的一个或多个计算机可读介质中。
可以利用一个或多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是例如（但不限于）电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置或设备，或前述的任何适当的组合。计算机可读存储介质的更具体的示例（非穷举列表）将包括以下项：具有一个或多个导线的电连接装置、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除可编程只读存储器（EPROM或闪速存储器）、光纤、便携式光盘只读存储器（CD-ROM）、光存储装置、磁存储装置或上述任何适当的组合。在本文件的上下文中，计算机可读存储介质可以是能够包含或存储供指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的指令的任何有形介质。
计算机可读信号介质可以包括传播的数据信号，该传播的数据信号具有例如在基带中或作为载波的一部分的、在其中实现的计算机可读程序代码。这种传播的信号可以采取多种形式中的任何一种，包括（但不限于）电磁、光学或其任何适当的组合。计算机可读信号介质可以是除计算机可读存储介质之外的任何计算机可读介质，并且可以对由指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的程序进行通信、传播或传输。
在计算机可读介质上实现的程序代码可以使用任何适当的介质进行传输，包括（但不限于）无线、有线、光缆、RF等或前述的任何适当的组合。
用于实施本公开的各方面的操作的计算机程序代码可以用一种或多种编程语言的任意组合来进行编写，编程语言包括诸如Java、Smalltalk、C++等面向对象的编程语言，以及诸如“C”编程语言或类似编程语言的常规过程式编程语言。程序代码可以完全在用户的计算机上执行，部分地在用户的计算机上执行，作为独立的软件包执行，部分地在用户的计算机上且部分地在远程计算机上执行，或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情形中，远程计算机可以通过任何类型的网络连接到用户的计算机，该网络包括局域网（LAN）或广域网（WAN），或者可以连接到外部计算机的连接（例如，通过使用互联网服务提供商的互联网进行的连接）。
以上可以参考根据本公开的实施方案的方法、设备（系统）和计算机程序产品的流程图图示和/或框图来描述本公开的各方面。将会理解，流程图图示和/或框图的每个方框、以及在流程图图示和/或框图中的方框的组合可以由计算机程序指令来实施。可以将这些计算机程序指令提供到通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理设备的处理器以产生机器，使得经由计算机或其它可编程数据处理设备的处理器执行的指令创建用于实施任何流程图和/或框图的一个或多个方框中指定的功能/动作的装置。
还可以将这些计算机程序指令存储在计算机可读介质中，该计算机可读介质可以引导计算机、其它可编程数据处理设备或其它装置以特定方式运行，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括实施流程图和/或框图的一个或多个方框中指定的功能/动作的指令的制品。
还可以将计算机程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理设备或其它装置上，以使得在计算机、其它可编程设备或其它装置上执行一系列的操作步骤，从而产生计算机实施的过程，使得在计算机或其它可编程设备上执行的指令提供用于实施本文指定的功能/动作的过程。
本领域普通技术人员应理解，本文公开的任何数值都可以是精确值，或者可以是一定范围内的值。此外，在本公开中使用的任何近似术语（例如，“大约”、“近似”、“约”）可以表示在一定范围内的所述值。例如，在某些实施方案中，（例如，对于已知的容限或误差范围）该范围可以处于（正或负）20%内，或处于10%内，或处于5%内，或处于2%内，或者处于本领域普通技术人员所理解的任何其它适当的百分比或数量内。
除非上下文另有明确指示，否则本文和所附权利要求中使用的冠词“一个（a/an）”和“该”在本文中用于指代该冠词的一个或一个以上（即，至少一个）语法对象。作为示例，“一个元件”表示一个或多个元件。
应当将本文在说明书和权利要求中使用的短语“和/或”理解为表示如此结合的元件中的“任何一个或两者”，即在一些情况下结合存在而在其它情况下分离存在的元件。应以相同的方式解释利用“和/或”列出的多个元件，即“一个或多个”这样结合的元件。除了由“和/或”字句具体指明的元件之外，无论与具体指明的那些元件相关还是无关，可以可选地存在其它元件。因此，作为非限制性示例，当与诸如“包括”的开放式语言结合使用时，对“A和/或B”的参考，在一个实施方案中，仅表示A（可选地包括除了B之外的元件）；在另一实施方案中，仅表示B（可选地包括除了A之外的元件）；在又一实施方案中，表示A和B两者（可选地包括其它元件）等。
如本文在说明书和权利要求中所使用，应当将“或”理解为与上面定义的“和/或”具有相同的含义。例如，当在列表中分离项时，应当将“或”或“和/或”解释为包括性的，即包括多个元件或列表元件中的至少一个，但也包括一个以上的元件，以及可选的其它未列出的项。只有明确表示相反的术语，如“仅一个”或“恰好一个”，或当在权利要求中使用时，“由……组成”将表示包括多个元件或列表元件中的恰好一个元件。一般而言，当带有诸如“……的任一个”、“……的其中一个”、“仅……中的一个”或“……中的恰好一个”的排他性的术语时，应当将如本文使用的术语“或”解释为指示排他性的可选方案（即，“一个或另一个，但不是两者”）。
如本领域普通技术人员所理解，本文预期了任何公开的实施方案和/或其任何适当的部分的任何适当的组合。
如上文所述并在附图中示出，本公开的实施方案对其所属的领域提供了改进。虽然本主题公开包括对某些实施方案的参考，但本领域技术人员将容易理解，在不脱离本主题公开的实质和范围的情况下，可以对实施方案进行改变和/或修改。

Claims (20)

1.一种空间差异测量方法，其包括：
生成对象的标称3D模型的第一框架的第一关键特征；
将所述第一关键特征外推至所述标称3D模型上；
在构建过程期间或之后创建所述对象的实际3D模型；
生成所述对象的所述实际3D模型的第二框架的第二关键特征；
将所述第二关键特征外推至所述对象的所述实际3D模型上；以及
将在所述标称3D模型上外推的所述第一关键特征与在所述实际3D模型上外推的所述第二关键特征进行比较，以确定所述第一关键特征与所述第二关键特征之间的一个或多个距离，从而在构建期间或之后测量所述标称3D模型与所述对象之间的空间差异。
2.根据权利要求1所述的方法，其还包括接收对象的所述标称3D模型，并且基于所述标称3D模型生成所述第一框架。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述方法包括基于所述实际3D模型生成所述第二框架。
4.根据权利要求3所述的方法，其中生成所述第一框架包括使用中轴方法将所述标称3D模型转换成第一有限元网格。
5.根据权利要求4所述的方法，其中生成所述第二框架包括使用中轴方法将所述实际3D模型转换成第二有限元网格。
6.根据权利要求1所述的方法，其中生成所述第一关键特征和生成所述第二关键特征包括分别使用所述第一框架和所述第二框架的节点。
7.根据权利要求6所述的方法，其中外推所述第一关键特征和外推所述第二关键特征包括分别将所述第一关键特征和所述第二关键特征投射到所述标称3D模型和所述实际3D模型的表面。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述构建过程是增材制造过程，并且所述方法包括基于标称3D模型对所述对象进行增材制造。
9.根据权利要求8所述的方法，其中实时进行比较，并且所述方法包括修改所述增材制造过程的一个或多个特征，以解决所测量的空间差异。
10.一种包括被配置成使计算机执行方法的计算机可执行指令的非暂时性计算机可读介质，所述方法包括：
生成对象的标称3D模型的第一框架的第一关键特征；
将所述第一关键特征外推至所述标称3D模型上；
在构建过程期间或之后创建所述对象的实际3D模型；
生成所述对象的所述实际3D模型的第二框架的第二关键特征；
将所述第二关键特征外推至所述对象的所述实际3D模型上；以及
将在所述标称3D模型上外推的所述第一关键特征与在所述实际3D模型上外推的所述第二关键特征进行比较，以确定所述第一关键特征与所述第二关键特征之间的一个或多个距离，从而在构建期间或之后测量所述标称3D模型与所述对象之间的空间差异。
11.根据权利要求10所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述方法包括接收对象的所述标称3D模型，并且基于所述标称3D模型生成所述第一框架。
12.根据权利要求11所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述方法包括基于所述实际3D模型生成所述第二框架。
13.根据权利要求12所述的非暂时性计算机可读介质，其中生成所述第一框架包括使用中轴方法将所述标称3D模型转换成第一有限元网格。
14.根据权利要求13所述的非暂时性计算机可读介质，其中生成所述第二框架包括使用中轴方法将所述实际3D模型转换成第二有限元网格。
15.根据权利要求10所述的非暂时性计算机可读介质，其中生成所述第一关键特征和生成所述第二关键特征包括分别使用所述第一框架和所述第二框架的节点。
16.根据权利要求15所述的非暂时性计算机可读介质，其中外推所述第一关键特征和外推所述第二关键特征包括分别将所述第一关键特征和所述第二关键特征投射到所述标称3D模型和所述实际3D模型的表面。
17.根据权利要求16所述的非暂时性计算机可读介质，其中所述构建过程是增材制造过程，并且所述方法包括基于标称3D模型对所述对象进行增材制造。
18.根据权利要求17所述的非暂时性计算机可读介质，其中实时进行比较，并且所述方法包括修改所述增材制造过程的一个或多个特征，以解决所测量的空间差异。
19.一种系统，其包括：
空间差异测量模块，其被配置成：
生成对象的标称3D模型的第一框架的第一关键特征；
将所述第一关键特征外推至所述标称3D模型上；
在构建过程期间或之后创建所述对象的实际3D模型；
生成所述对象的所述实际3D模型的第二框架的第二关键特征；
将所述第二关键特征外推至所述对象的所述实际3D模型上；
将在所述标称3D模型上外推的所述第一关键特征与在所述实际3D模型上外推的所述第二关键特征进行比较，以确定所述第一关键特征与所述第二关键特征之间的一个或多个距离，从而在构建期间或之后测量所述标称3D模型与所述对象之间的空间差异；并且
输出空间差值。
20.根据权利要求19所述的设备，其中所述空间差异测量模块被配置成控制增材制造过程，其中所述空间差异测量模块被配置成根据所述空间差异值来修改所述增材制造过程的至少一个特性。
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