CN113996757B - 3d打印砂型实时感知与智能监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明为3D打印砂型实时感知与智能监控系统，该实时感知与智能监控系统包括：感知层，所述感知层为3D全过程实时感知模块，对3D打印砂型系统的多参数数据进行离散采集；分析决策层，所述分析决策层包括图形感知数据分析与判断模块、落砂铺砂系统数据分析与判断模块，即对离散数据进行分析与判断；执行层，所述执行层包括渗透误差补偿、图形喷墨修复系统、落砂修复系统、铺砂修复系统、砂箱升降修复系统，对分析决策层判断结果做出响应。该系统对砂型3D打印的全过程进行实时监测，保证砂型的成型质量和精度。

Description

3D打印砂型实时感知与智能监控系统

技术领域

本发明涉及砂型铸造技术，更具体地，涉及一种3D打印砂型实时感知与智能监控系统。

背景技术

在砂型铸造过程中，由于3D打印技术的加入，与传统的制模相比，3D打印砂型技术简化了制作模具的过程，不但节约了生产成本，还提升了模具制作的速度与灵活性，节省了大量资金建设模具储藏间和专业的模具维护人员。

但3D打印砂型的过程中，由于打印喷头、砂床、砂砾及打印环境等因素的影响，存在3D打印砂型过程控制不足，不能在打印过程中进行实时控制，影响砂型成型精度的问题。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种3D打印砂型实时感知与智能监控系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种3D打印砂型实时感知与智能监控系统，其特征在于，该实时感知与智能监控系统包括：

感知层，所述感知层为3D全过程实时感知模块，对3D打印砂型系统的多参数数据进行离散采集；

分析决策层，所述分析决策层包括图形感知数据分析与判断模块、落砂铺砂系统数据分析与判断模块，即对离散数据进行分析与判断；

执行层，所述执行层包括渗透误差补偿、图形喷墨修复系统、落砂修复系统、铺砂修复系统、砂箱升降修复系统，对分析决策层判断结果做出响应。

所述3D打印砂型实时感知与智能控制系统所用设备包括升降平台1、X方向直线导轨2、Y方向直线导轨3、铺砂器4、分砂器5、中控机6、上位机7、伺服控制柜8、打印小车11、若干个安装有编码器10的伺服电机9；打印小车上安装有用于喷墨的喷头12和CMOS相机13，所述分砂器安装在Y方向直线导轨3上，一个Y方向直线导轨3与两个X方向直线导轨2垂直设置，两个X方向直线导轨2平行设置，分砂器能在Y方向直线导轨上前后移动，且能跟随Y方向直线导轨在两个X方向直线导轨上左右移动，实现分砂器在X和Y方向上位置的调整；所述铺砂器安装在两个X方向直线导轨2之间，能沿两个X方向直线导轨2实现在X方向的位置调整；所述中控机和上位机连接，同时中控机连接着控制升降平台、分砂器、铺砂器和打印小车运动的伺服电机，且中控机与控制喷墨的喷头电连接；打印小车的运动导轨位于两个X方向直线导轨2下方，且打印小车能在其运动导轨上左右移动；

在分砂器、铺砂器和打印小车的相应导轨上装配直线位移传感器，直线位移传感器的信号输出端与中控机相连，所述打印小车位置和铺砂位置通过直线位移传感器监测参数获得；

所述分砂器、铺砂器、升降平台和打印小车所安装的导轨分别由相应的伺服电机驱动，每个伺服电机均安装有编码器，伺服电机和编码器均通过伺服控制柜与中控机连接，打印小车运动速度和铺砂运动速度通过伺服电机编码器监测角速度计算获得；

喷头的控制端和CMOS相机的控制端与中控机相连，CMOS相机的图像输出端直接与上位机相连，上位机接收CMOS相机所拍摄的喷墨图像，中控机与上位机连接，通过中控机对喷头施加的电脉冲信号获得打印喷头状态，由CMOS相机扫描获得当前打印层片的喷墨图像特征完成喷墨图形检测；

在分砂器下方装配有称重传感器，称重传感器的信号输出端与中控机相连，通过称重传感器监测参数获得供砂落砂砂量；

通过监测控制铺砂器运动的伺服电机的转速与功率计算获得铺砂运动扭力，所述功率由恒压状态下的电流反馈计算获得；

通过监测控制升降平台升降的伺服电机的参数获得打印工作面在升降平台作用下的砂箱位移量；

通过编码器获得相应伺服电机的线性位移和转动速度，从而得知通过伺服电机控制运动的物体的线性位移。

所述图形感知数据分析与判断模块包括错位校准单元、图像断线单元、图形缺材单元、错层对比单元，

所述错位校准单元用于判断当前层喷墨打印图像是否发生错位，具体过程是：在采集到的喷墨打印图像上提取当前层喷墨打印图像的原点和顶点位置坐标，计算喷墨打印图像和当前切片图像的重心坐标，对喷墨打印图像与切片图像的原点和重心坐标进行位置关系的判断，若二者原点和重心坐标重合，说明喷墨打印图像没有出现错位偏移，若二者两点中只有其中一个点重合，说明喷墨打印图像出现了旋转，若二者两点都不重合，说明喷墨打印图像出现了位移和旋转，后两种情况说明喷墨打印图像出现了错位偏移，需要对下一层需打印的切片图像进行错位校准，根据两点确定一条直线的公理，分别将喷墨打印图像和当前切片图像的原点与重心连接，以喷墨打印图像的原点-重心线段为基准，计算喷墨打印图像与当前切片图像之间的变换矩阵，确定图像的旋转角度和位移量，对下一层需打印的切片图像进行反向偏移校准，将校准后的切片图像传输给中控机，使得中控机控制打印小车进行下一层打印时以校准该错位；

所述图像断线单元用于判断当前层喷墨打印图像是否有断线现象，具体过程是：提取当前层喷墨打印图像的多边形顶点坐标和边缘轮廓信息，当图像中相邻轮廓线间的斜率相同且距离小于喷嘴直径时，说明图像的边缘中存在多余的间距狭小轮廓线，或在连接成图像边缘轮廓的顶点的坐标值中出现大量数值按规律递增或递减的情况时，则说明图像的边缘中出现锯齿状轮廓，出现上述两种情况时说明图像出现断线，则调节喷墨喷头羽化值，使相邻喷嘴喷出墨滴之间在滴落后相连，使打印的图像消除断线；

所述图形缺材单元用于判断当前层喷墨打印图像是否有缺材现象，具体过程是：提取当前层喷墨打印图像的内部填充信息和多边形顶点坐标，计算喷墨打印图像和当前切片图像的多边形面积，当二者面积相差超过面积比例阈值时，说明图像出现缺材；则对喷墨打印图像求反，再与切片图像进行“与”的比较，输出结果为“真”的区域为缺材部分，输出为“假”的区域为切片图像本就是无需打印的部分，将为“真”的区域保存为填补图像，将填补图像加载为下一层打印图像；

所述错层对比单元用于判断当前层喷墨打印图像是否有错层现象，具体过程是：将当前层喷墨打印图像与未打印的下一层切片图像进行对比，将图像不重合的区域进行存储，同时记录不重合区域对应的喷嘴所在位置，当喷头打印下一层时，与上一层图像重合的区域喷头打印设定不变，只需对图像不重合区域的对应喷嘴发出“通”或“断”的命令，节省喷嘴调节时间。

所述铺砂位置和铺砂扭力单元：在感知层中对铺砂器的位置、铺砂运动扭力和铺砂运动速度进行检测，若铺砂器运动异常，即铺砂器出现卡顿或超速，将触动执行层中铺砂修复系统，确保铺砂器的运动匀速进行；

所述层厚数据判断单元：由感知层中对供砂落砂砂量和砂箱位移量的检测数据反馈获得，当落砂量不够，即位于分砂器下方的称重传感器所检测的分砂器中减少的砂量小于初始砂量参数，或砂箱位移量没有达到打印层厚设定值出现偏差时，将触动执行层中落砂修复系统和砂箱升降修复系统。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明3D打印砂型实时感知与智能监控系统，设置感知层，在砂型3D打印的全过程中加入传感器，对砂箱下降时的砂箱高度、分砂器的落砂量、铺砂器的滚动过程、铺砂位置、打印喷头状态、喷头喷墨位置、喷头运动速度和喷墨图形这些中间过程的数据变化进行监测并存储，精准把控打印中每个步骤的具体变化，使打印的变化过程数据化具有可读性。

设置分析决策层，对打印过程中采集到的数据与预期结果进行对比分析，图形感知数据分析与判断模块对喷墨打印的当前层图像进行分析并判断是否对当前层图像进行修复，存储当前层打印图像存在的误差数据，确保每一层打印层的图像打印精度，落砂铺砂系统数据分析与判断模块对当前打印层的铺砂质量做出分析并判断当前层的砂层厚度是否符合打印要求，存储当前层的层厚误差数据，保证每一层切片的打印厚度，将判断结果反馈到中控机，等待对打印误差的修复，保证打印精度，提高3D打印砂型实时感知与智能控制系统的稳定性。

设置执行层，对打印过程中所产生的渗透误差、图形喷墨误差、落砂量误差、铺砂误差、砂箱升降误差进行修复，实现整个砂型3D打印过程的闭环控制，提高砂型的成型精度。

本申请针对砂型3D打印的全过程进行实时监测提高砂型的成型精度，对打印过程中对于砂床高度、砂层厚度、铺砂过程、打印喷头状态、喷头喷墨位置、喷头运动速度和喷墨图形这些中间过程状态进行实时监测，考虑粘结剂滴落后渗透到砂砾中产生的渗透误差，感知层中对打印过程中各状态的实时监测，将监测数据传送到分析决策层中，分析决策层中的图形感知数据分析与判断部分中加入的视觉监测和处理，落砂铺砂系统数据分析与判断部分中加入对铺砂过程的分析与判断，在打印之前对模型的渗透误差进行补偿，提高模型的成型精度，在3D打印控制系统的各过程中加入传感器，对砂型3D打印的全过程进行实时监测，对每层打印图像的结果进行扫描，提取打印图像的特征，将打印图像与预期效果进行对比，修复打印过程中每一层出现的缺陷，为保证每层打印层的层厚和砂层质量，对落砂铺砂过程进行监测和修复，中控机根据全过程的监控与分析判断结果自动做出相应的调整与修复，保证砂型的成型质量和精度。

附图说明

图1为本发明3D打印砂型实时感知与智能控制系统的整体结构框图。

图2为本发明3D打印砂型实时感知与智能控制系统的硬件设备的连接结构示意图。

图3为本发明3D打印砂型实时感知与智能控制系统的打印过程示意图。

图4为本发明中图形缺材单元确定缺材部分的填补图像的过程示意图。

图中，升降平台1、X方向直线导轨2、Y方向直线导轨3、铺砂器4、分砂器5、中控机6、上位机7、伺服控制柜8、伺服电机9、编码器10、打印小车11、喷头12、CMOS相机13、直线位移传感器14。

具体实施方式

下面结合实施例及附图进一步解释本发明，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

本发明一种3D打印砂型实时感知与智能监控系统，包括：

感知层，所述感知层为3D全过程实时感知模块，对3D打印砂型系统的多参数数据进行离散采集。在砂型打印中对于整个系统的感知。

分析决策层，所述分析决策层包括图形感知数据分析与判断模块、落砂铺砂系统数据分析与判断模块，即对离散数据进行分析与判断。

执行层，所述执行层包括渗透误差补偿、图形喷墨修复系统、落砂修复系统、铺砂修复系统、砂箱升降修复系统，渗透误差补偿在上位机的分层软件中，图形喷墨修复系统在上位机中对图像进行处理，将处理结果反馈至中控机，落砂修复系统、铺砂修复系统和砂箱升降修复系统在中控机中，对分析决策层判断结果做出响应。

所述3D打印砂型实时感知与智能控制系统所用设备包括升降平台1、X方向直线导轨2、Y方向直线导轨3、铺砂器4、分砂器5、中控机6、上位机7、伺服控制柜8、打印小车11、若干个安装有编码器10的伺服电机9；打印小车上安装有用于喷墨的喷头12和CMOS相机13，所述分砂器安装在Y方向直线导轨3上，一个Y方向直线导轨3与两个X方向直线导轨2垂直设置，两个X方向直线导轨2平行设置，分砂器能在Y方向直线导轨上前后移动，且能跟随Y方向直线导轨在两个X方向直线导轨上左右移动，实现分砂器在X和Y方向上位置的调整；所述铺砂器安装在两个X方向直线导轨2之间，能沿两个X方向直线导轨2实现在X方向的位置调整；所述中控机和上位机连接，同时中控机连接着控制升降平台、分砂器、铺砂器和打印小车运动的伺服电机，且中控机与控制喷墨的喷头电连接。打印小车的运动导轨位于两个X方向直线导轨2下方，且打印小车能在其运动导轨上左右移动。

在分砂器、铺砂器和打印小车的相应导轨上装配直线位移传感器，直线位移传感器的信号输出端与中控机相连，所述直线位移传感器为光栅尺或磁栅尺，所述打印小车位置和铺砂位置通过直线位移传感器监测参数获得；

所述分砂器、铺砂器、升降平台和打印小车所安装的导轨分别由相应的伺服电机驱动，每个伺服电机均安装有编码器，伺服电机和编码器均通过伺服控制柜与中控机连接，所述打印小车运动速度和铺砂运动速度通过伺服电机编码器监测角速度计算获得；

在打印小车上装配有喷头和CMOS相机，喷头的控制端和CMOS相机的控制端与中控机相连，CMOS相机的图像输出端直接与上位机相连，上位机接收CMOS相机所拍摄的喷墨图像，中控机与上位机连接，通过中控机对喷头施加的电脉冲信号获得打印喷头状态，由CMOS相机扫描获得当前打印层片的喷墨图像特征完成喷墨图形检测；

在分砂器下方装配有称重传感器，称重传感器的信号输出端与中控机相连，通过称重传感器监测参数获得供砂落砂砂量；

通过监测控制铺砂器运动的伺服电机的转速与功率计算获得铺砂运动扭力，所述功率可由恒压状态下的电流反馈计算获得；

通过监测控制升降平台升降的伺服电机的参数获得打印工作面在升降平台作用下的砂箱位移量。

通过编码器可以得知相应伺服电机的线性位移和转动速度，从而得知通过伺服电机控制运动的物体的线性位移；在分砂器、铺砂器和打印小车的运动路径上装磁栅尺，磁栅尺连接在中控机上。

进一步地，所述3D全过程实时感知模块包括对打印小车位置、打印小车速度、打印喷头状态(喷头的开闭)、喷墨图形检测、供砂落砂砂量、铺砂运动速度、铺砂运动扭力、铺砂位置、砂箱位移量的相关参数或图像的采集。

在上位机内加载有图形感知数据分析与判断模块、分层软件，并确认好待打印对象的各切片图像的坐标及位置，所述图形感知数据分析与判断模块的数据来源为感知层中对于喷墨图形检测数据的采集，将感知层中通过打印小车上装配的CMOS相机扫描获得的喷墨打印图像传输到上位机；

图形感知数据分析与判断模块用于对CMOS相机采集的喷墨打印图像进行图像特征识别，并提取喷墨打印图像的位置坐标、边缘轮廓和内部填充信息，判断当前打印层是否存在错位、断线、缺材、错层问题；

图形感知数据分析与判断模块包括错位校准单元、图像断线单元、图形缺材单元、错层对比单元，

所述错位校准单元用于判断当前层喷墨打印图像是否发生错位，具体过程是：在采集到的喷墨打印图像上提取当前层喷墨打印图像的原点和顶点位置坐标，计算喷墨打印图像和当前切片图像的重心坐标，对喷墨打印图像与切片图像的原点和重心坐标进行位置关系的判断，若二者原点和重心坐标重合，说明喷墨打印图像没有出现错位偏移，若二者两点中只有其中一个点重合，说明喷墨打印图像出现了旋转，若二者两点都不重合，说明喷墨打印图像出现了位移和旋转，后两种情况说明喷墨打印图像出现了错位偏移，需要对下一层需打印的切片图像进行错位校准，根据两点确定一条直线的公理，分别将喷墨打印图像和当前切片图像的原点与重心连接，以喷墨打印图像的原点-重心线段为基准，计算喷墨打印图像与当前切片图像之间的变换矩阵，确定图像的旋转角度和位移量，对下一层需打印的切片图像进行反向偏移校准，如当前层喷墨打印图像偏上，则下一层的切片图像反向向下偏移同等距离，将该校准后的切片图像传输给中控机，使得中控机控制打印小车进行下一层打印时以校准该错位。

三角形重心坐标：

式中(x_c,y_c)为三角形的重心坐标，(x₁,y₁),(x₂,y₂),(x₃,y₃)为三角形三个顶点的坐标。

三角形面积公式：

多边形面积公式：

式中(x₁,y₁),(x₂,y₂)，……，(x_n,y_n)为n多边形的顶点坐标。

多边形重心坐标：

将n多边形划分为n-2个三角形，式中(x_cp,y_cp)(p＝1,2,……,n-2)为每个三角形的重心坐标，S_p为每个三角形的面积，S多为多边形的面积。

将三角形重心坐标公式和面积公式带入多边重心坐标公式，得：

二维图形的旋转和平移的复合几何变换：

式中(x_o,y_o),(x_g,y_g)为喷墨打印图像的原点和重心坐标，(x′_o,y′_o),(x′_g,y′_g)为当前层切片的原点和重心坐标。

则下一层需打印的切片图像的n多边形的各顶点为：

式中(x″_j,y″_j)(j＝1,2,……,n)为下一层需打印的切片图像的n多边形的各顶点，(x_j,y_j)(j＝1,2,……,n)为n多边形的顶点校准后的坐标。

所述图像断线单元用于判断当前层喷墨打印图像是否有断线现象，具体过程是：提取当前层喷墨打印图像的多边形顶点坐标和边缘轮廓信息，当图像中相邻轮廓线间的斜率相同且距离过小(设定距离阈值，小于距离阈值，一般设置距离阈值小于喷嘴直径)时，说明图像的边缘中存在多余的间距狭小轮廓线，或在连接成图像边缘轮廓的顶点的坐标值(包括x、y方向任一坐标值)出现大量数值(至少3个)按规律递增或递减的情况时，则说明图像的边缘中出现锯齿状轮廓，出现上两种情况时说明图像出现断线，说明喷墨喷头喷嘴喷出墨滴滴落后的墨点过小，则调节喷墨喷头羽化值，使墨滴扩散墨点放大，让相邻喷嘴喷出墨滴之间在滴落后相连，使打印的图像消除断线。

所述图形缺材单元用于判断当前层喷墨打印图像是否有缺材现象，具体过程是：提取当前层喷墨打印图像的内部填充信息和多边形顶点坐标，计算喷墨打印图像和当前切片图像的多边形面积，当二者面积相差超过面积比例阈值(如面积比例阈值设置为百分之五)时，说明图像出现缺材，则对喷墨打印图像求反，再与切片图像进行“与”的比较，输出结果为“真”的区域为缺材部分，输出为“假”的区域为切片图像本就是无需打印的部分，将为“真”的区域保存为填补图像，将填补图像加载为下一层打印图像，若下一层喷墨打印图像仍未将缺材部分进行修补，则需要人为检查墨盒中有无墨水和气泡或间喷墨喷头是否发生堵塞，及时给墨盒供墨和排气或清洗喷头。

所述错层对比单元用于判断当前层喷墨打印图像是否有错层现象，具体过程是：将当前层喷墨打印图像与未打印的下一层切片图像进行对比，将图像不重合的区域进行存储，同时记录不重合区域对应的喷嘴所在位置，当喷头打印下一层时，与上一层图像重合的区域喷头打印设定不变，只需对图像不重合区域的对应喷嘴发出“通”或“断”的命令，节省喷嘴调节时间(一个喷头具有多个喷嘴)。

中控机中加载有落砂铺砂系统数据分析与判断模块，并对初始参数每层所需砂量、打印层厚即砂箱每层下降高度、铺砂器初始速度进行设置，通过初始速度计算转速扭矩设定值，所述落砂铺砂系统数据分析与判断模块的数据来源为感知层中对于供砂落砂砂量、铺砂运动速度、铺砂运动扭力、铺砂位置和砂箱位移量数据的采集，落砂铺砂系统数据分析与判断模块包括铺砂位置和铺砂扭力单元、层厚数据判断单元。

所述铺砂位置和铺砂扭力单元：为确保铺砂器的运动是否匀速，所以在感知层中对铺砂器的位置、铺砂运动扭力和铺砂运动速度进行检测，如铺砂器运动异常，即铺砂器出现卡顿或超速，将触动执行层中铺砂修复系统。

所述层厚数据：由感知层中对供砂落砂砂量和砂箱位移量的检测数据反馈获得，当落砂量不够，即位于分砂器下方的称重传感器所检测的分砂器中减少的砂量小于初始砂量参数，或砂箱位移量没有达到设定值(打印层厚)出现偏差时，将触动执行层中落砂修复系统和砂箱升降修复系统。

进一步地，所述渗透误差补偿通过分层软件中对每一层切片的外围轮廓进行补偿，减小砂型渗透误差，所述图形喷墨修复系统通过分析决策层中利用图形感知数据分析与判断模块对CMOS相机扫描获得喷墨打印图像进行图像识别提取特征，对图像进行错位校准、图像断线、图形缺材和错层对比，当图像的位置出现偏差、图像轮廓出现断线和图像内部出现孔洞时，将控制喷头对图像进行修复，所述落砂修复系统通过称重传感器对落砂量的检测结果做出响应，若落砂量小于初始设定的相应层砂量参数，则增加落砂量至初始设定值。

所述铺砂修复系统通过分析决策层中落砂铺砂系统数据分析与判断模块的铺砂位置和铺砂扭力单元的分析结果进行响应，对铺砂器伺服电机的转速扭矩修复至设定值，稳定铺砂，所述砂箱升降修复系统通过分析决策层中落砂铺砂系统数据分析与判断中的层厚数据判断单元的结果进行响应，若砂箱位移量与设定的砂箱每层下降高度不同，则将砂箱升降位置修复至设定值，修复切片层厚度。

本发明一种3D打印砂型实时感知与智能监控系统的打印方法，包括以下步骤：

步骤一：砂箱升降台调整高度进行下降，下降高度为模型切片层厚，层厚数据由砂箱位移量负反馈和中控机设定的砂箱每层下降高度进行对比，反馈的中控机，控制打印工作平面稳定下降，保证切片厚度；如果不对砂层厚度进行把控，砂型的每一层的厚度不是设定值，喷墨的墨滴可能会浸透过度产生更大的渗透误差使模型变形，或不能完全浸透让砂砾不能完全粘结模型不成形。

步骤二：分砂器移动到打印工作面进行落砂，称重传感器将落砂量反馈到中控机与给定所需砂量参数对比，控制落砂量；落砂量的把控，让落砂过程中不会出现砂量不够的情况。

步骤三：铺砂器将打印工作面上的砂砾铺平，直线位移传感器实时检测铺砂器的位置，铺砂器的速度可通过直线位移传感器检测得到的位置与运动时间计算获得，或通过控制铺砂器运动的伺服电机编码器获得，根据扭力公式可以获得铺砂器运动扭力，T＝9550*P/n，其中P为功率，n为伺服电机额定转速，T为扭力，P由恒压状态下电流反馈计算获得，通过铺砂位置、铺砂运动速度和铺砂运动扭力的反馈控制铺砂器稳定铺砂；让铺砂过程稳定，使砂层铺设紧密。

步骤四：使用分层软件将3D模型进行分层，对切片进行渗透误差补偿，生成切片图像，将切片软件生成的切片图像像素阵列与喷嘴一一对应，中控机根据喷嘴位置对喷头发出信号，相应位置的喷嘴接收脉冲信号进行喷墨；渗透误差的补偿让砂型减小渗透误差，提高砂型精度。

步骤五：打印小车装配喷头和CMOS扫描相机向X、Y方向移动，将图像打印到打印工作面，同时，相机扫描已打印的喷墨图像，将喷墨打印图像进行图像识别，提取图像的位置坐标、边缘轮廓和内部填充信息，对喷墨打印图像进行错位校准、图像断线、图形缺材和错层对比，确保打印图像的完整，如果当前层喷墨打印图像出现错位，将对下一层切片图像进行校准，如果当前层喷墨打印图像出现图像断线，则调整喷头羽化值，如果当前层图像出现图形缺材，则对图像求反，获得孔洞图像，并将孔洞图像作为下一层打印图像，同时跳过砂箱下降和落砂铺砂的步骤一到三，直接执行步骤四，将当前层喷墨打印图像与未打印的下一层切片图像进行错层对比，直接调整两层间不重合区域对应的喷头，节省喷头调节时间，通过直线位移传感器实时检测打印小车的X方向和Y方向的位置，打印小车的速度可通过直线位移传感器检测得到的位置与运动时间计算获得，或通过控制打印小车X方向和Y方向运动的伺服电机编码器获得，打印机喷头状态通过中控机对喷头施加的电脉冲信号获得，通过打印小车位置、打印小车速度和打印喷头状态的反馈，控制喷头稳定喷墨；加入对打印图像的扫描，将打印图像和喷墨图像对比，当打印层出现问题时可以及时做出修复，防止砂型变形。

步骤六：判断打印是否完成，未完成则重复步骤一到五，若完成则砂型打印结束。

本发明通过对3D打印砂型全过程加入传感器，监测感知落砂、铺砂和喷头打印图像的过程，实时反馈各步骤的数据，从而对下一层的打印进行调整，对每个控制过程的运动节点的精准把控，对每一步中产生的偏差进行及时修复和补偿，解决了3D打印砂型过程控制不足影响砂型成型精度的问题，避免出现砂型变形精度不够的问题，实现了3D打印砂型技术的闭环控制。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (9)

1.一种3D打印砂型实时感知与智能监控系统，其特征在于，该实时感知与智能监控系统包括：

感知层，所述感知层为3D全过程实时感知模块，对3D打印砂型系统的多参数数据进行离散采集；

分析决策层，所述分析决策层包括图形感知数据分析与判断模块、落砂铺砂系统数据分析与判断模块，即对离散数据进行分析与判断；

执行层，所述执行层包括渗透误差补偿、图形喷墨修复系统、落砂修复系统、铺砂修复系统、砂箱升降修复系统，对分析决策层判断结果做出响应；

所述3D打印砂型实施感知与智能控制系统所用设备包括升降平台、X方向直线导轨、Y方向直线导轨、铺砂器、分砂器、中控机、上位机、伺服控制柜、打印小车、若干个安装有编码器的伺服电机；打印小车上安装有用于喷墨的喷头和CMOS相机，所述分砂器安装在Y方向直线导轨上，一个Y方向直线导轨与两个X方向直线导轨垂直设置，两个X方向直线导轨平行设置，分砂器能在Y方向直线导轨上前后移动，且能跟随Y方向直线导轨在两个X方向直线导轨上左右移动，实现分砂器在X和Y方向上位置的调整；所述铺砂器安装在两个X方向直线导轨之间，能沿两个X方向直线导轨实现在X方向的位置调整；所述中控机和上位机连接，同时中控机连接着控制升降平台、分砂器、铺砂器和打印小车运动的伺服电机，且中控机与控制喷墨的喷头电连接；打印小车的运动导轨位于两个X方向直线导轨下方，且打印小车能在其运动导轨上左右移动；

在分砂器、铺砂器和打印小车的相应导轨上装配直线位移传感器，直线位移传感器的信号输出端与中控机相连，所述打印小车位置和铺砂位置通过直线位移传感器监测参数获得；

所述分砂器、铺砂器、升降平台和打印小车所安装的导轨分别由相应的伺服电机驱动，每个伺服电机均安装有编码器，伺服电机和编码器均通过伺服控制柜与中控机连接，打印小车运动速度和铺砂运动速度通过伺服电机编码器监测角速度计算获得；

喷头的控制端和CMOS相机的控制端与中控机相连，CMOS相机的图像输出端直接与上位机相连，上位机接收CMOS相机所拍摄的喷墨图像，中控机与上位机连接，通过中控机对喷头施加的电脉冲信号获得打印喷头状态，由CMOS相机扫描获得当前打印层片的喷墨图像特征完成喷墨图形检测；

在分砂器下方装配有称重传感器，称重传感器的信号输出端与中控机相连，通过称重传感器监测参数获得供砂落砂砂量；

通过监测控制铺砂器运动的伺服电机的转速与功率计算获得铺砂运动扭力，所述功率由恒压状态下的电流反馈计算获得；

通过监测控制升降平台升降的伺服电机的参数获得打印工作面在升降平台作用下的砂箱位移量；

通过编码器获得相应伺服电机的线性位移和转动速度，从而得知通过伺服电机控制运动的物体的线性位移。

2.根据权利要求1所述的实时感知与智能监控系统，其特征在于，所述直线位移传感器为光栅尺或磁栅尺，在分砂器、铺砂器和打印小车的运动路径上装磁栅尺，磁栅尺与中控机连接。

3.根据权利要求1所述的实时感知与智能监控系统，其特征在于，在上位机内加载有图形感知数据分析与判断模块、分层软件，确认好待打印对象的各切片图像的坐标及位置，所述图形感知数据分析与判断模块的数据来源为感知层中对于喷墨图形检测数据的采集，将感知层中通过打印小车上装配的CMOS相机扫描获得的喷墨打印图像传输到上位机；

图形感知数据分析与判断模块用于对CMOS相机采集的喷墨打印图像进行图像特征识别，并提取喷墨打印图像的位置坐标、边缘轮廓和内部填充信息，判断当前打印层是否存在错位、断线、缺材、错层问题；

中控机中加载有落砂铺砂系统数据分析与判断模块，并对初始参数每层所需砂量、打印层厚即砂箱每层下降高度、铺砂器初始速度进行设置，通过初始速度计算转速扭矩设定值，所述落砂铺砂系统数据分析与判断模块的数据来源为感知层中对于供砂落砂砂量、铺砂运动速度、铺砂运动扭力、铺砂位置和砂箱位移量数据的采集，

落砂铺砂系统数据分析与判断模块包括铺砂位置和铺砂扭力单元、层厚数据判断单元。

4.根据权利要求3所述的实时感知与智能监控系统，其特征在于，所述图形感知数据分析与判断模块包括错位校准单元、图像断线单元、图形缺材单元、错层对比单元，

所述错位校准单元用于判断当前层喷墨打印图像是否发生错位，具体过程是：在采集到的喷墨打印图像上提取当前层喷墨打印图像的原点和顶点位置坐标，计算喷墨打印图像和当前切片图像的重心坐标，对喷墨打印图像与切片图像的原点和重心坐标进行位置关系的判断，若二者原点和重心坐标重合，说明喷墨打印图像没有出现错位偏移，若二者两点中只有其中一个点重合，说明喷墨打印图像出现了旋转，若二者两点都不重合，说明喷墨打印图像出现了位移和旋转，后两种情况说明喷墨打印图像出现了错位偏移，需要对下一层需打印的切片图像进行错位校准，根据两点确定一条直线的公理，分别将喷墨打印图像和当前切片图像的原点与重心连接，以喷墨打印图像的原点-重心线段为基准，计算喷墨打印图像与当前切片图像之间的变换矩阵，确定图像的旋转角度和位移量，对下一层需打印的切片图像进行反向偏移校准，将校准后的切片图像传输给中控机，使得中控机控制打印小车进行下一层打印时以校准该错位；

所述图像断线单元用于判断当前层喷墨打印图像是否有断线现象，具体过程是：提取当前层喷墨打印图像的多边形顶点坐标和边缘轮廓信息，当图像中相邻轮廓线间的斜率相同且距离小于喷嘴直径时，说明图像的边缘中存在多余的间距狭小轮廓线，或在连接成图像边缘轮廓的顶点的坐标值中出现大量数值按规律递增或递减的情况时，则说明图像的边缘中出现锯齿状轮廓，出现上述两种情况时说明图像出现断线，则调节喷墨喷头羽化值，使相邻喷嘴喷出墨滴之间在滴落后相连，使打印的图像消除断线；

所述图形缺材单元用于判断当前层喷墨打印图像是否有缺材现象，具体过程是：提取当前层喷墨打印图像的内部填充信息和多边形顶点坐标，计算喷墨打印图像和当前切片图像的多边形面积，当二者面积相差超过面积比例阈值时，说明图像出现缺材；则对喷墨打印图像求反，再与切片图像进行“与”的比较，输出结果为“真”的区域为缺材部分，输出为“假”的区域为切片图像本就是无需打印的部分，将为“真”的区域保存为填补图像，将填补图像加载为下一层打印图像；

所述错层对比单元用于判断当前层喷墨打印图像是否有错层现象，具体过程是：将当前层喷墨打印图像与未打印的下一层切片图像进行对比，将图像不重合的区域进行存储，同时记录不重合区域对应的喷嘴所在位置，当喷头打印下一层时，与上一层图像重合的区域喷头打印设定不变，只需对图像不重合区域的对应喷嘴发出“通”或“断”的命令，节省喷嘴调节时间。

5.根据权利要求3所述的实时感知与智能监控系统，其特征在于，所述铺砂位置和铺砂扭力单元：在感知层中对铺砂器的位置、铺砂运动扭力和铺砂运动速度进行检测，若铺砂器运动异常，即铺砂器出现卡顿或超速，将触动执行层中铺砂修复系统，确保铺砂器的运动匀速进行；

所述层厚数据判断单元：由感知层中对供砂落砂砂量和砂箱位移量的检测数据反馈获得，当落砂量不够，即位于分砂器下方的称重传感器所检测的分砂器中减少的砂量小于初始砂量参数，或砂箱位移量没有达到打印层厚设定值出现偏差时，将触动执行层中落砂修复系统和砂箱升降修复系统。

6.根据权利要求3所述的实时感知与智能监控系统，其特征在于，所述图形喷墨修复系统通过分析决策层中利用图形感知数据分析与判断模块对CMOS相机扫描获得喷墨打印图像进行图像识别提取特征，对图像进行错位校准、图像断线、图形缺材和错层对比后所记录的错位情况、断线情况、缺材位置，错层时的不重合区域对应的喷嘴所在位置的图像喷墨误差反馈至中控机，中控机控制喷头对图像进行相应修复；

所述落砂修复系统通过称重传感器对落砂量的检测结果做出响应，若落砂量小于初始设定的相应层砂量参数，则增加落砂量至初始设定值；

所述铺砂修复系统通过分析决策层中落砂铺砂系统数据分析与判断模块的铺砂位置和铺砂扭力单元的分析结果进行响应，对铺砂器伺服电机的转速扭矩修复至设定值，稳定铺砂；

所述砂箱升降修复系统通过分析决策层中落砂铺砂系统数据分析与判断中的层厚数据判断单元的结果进行响应，若砂箱位移量与设定的砂箱每层下降高度不同，则将砂箱升降位置修复至设定值，修复切片层厚度。

7.根据权利要求1所述的实时感知与智能监控系统，其特征在于，设置感知层，在砂型3D打印的全过程中加入传感器，对砂箱下降时的砂箱高度、分砂器的落砂量、铺砂器的滚动过程、铺砂位置、打印喷头状态、喷头喷墨位置、喷头运动速度和喷墨图形这些中间过程的数据变化进行监测并存储，精准把控打印中每个步骤的具体变化，使打印的变化过程数据化具有可读性；

设置分析决策层，对打印过程中采集到的数据与预期结果进行对比分析，图形感知数据分析与判断模块对喷墨打印的当前层图像进行分析并判断是否对当前层图像进行修复，存储当前层打印图像存在的误差数据，确保每一层打印层的图像打印精度；落砂铺砂系统数据分析与判断模块对当前打印层的铺砂质量做出分析并判断当前层的砂层厚度是否符合打印要求，存储当前层的层厚误差数据，保证每一层切片的打印厚度，将判断结果反馈到中控机，等待对打印误差的修复，保证打印精度，提高3D打印砂型实时感知与智能控制系统的稳定性；

设置执行层，对打印过程中所产生的渗透误差、图形喷墨误差、落砂量误差、铺砂误差、砂箱升降误差进行修复，实现整个砂型3D打印过程的闭环控制，提高砂型的成型精度。

8.根据权利要求1所述的实时感知与智能监控系统，其特征在于，所述3D全过程实时感知模块包括对打印小车位置、打印小车速度、打印喷头状态、喷墨图形检测、供砂落砂砂量、铺砂运动速度、铺砂运动扭力、铺砂位置、砂箱位移量的相关参数或图像的采集。

9.一种权利要求1所述的3D打印砂型实时感知与智能监控系统的打印方法，包括以下步骤：

步骤一：砂箱升降台调整高度进行下降，下降高度为模型切片层厚，层厚数据由砂箱位移量反馈至中控机，并和中控机设定的砂箱每层下降高度进行对比，控制打印工作平面稳定下降，保证切片厚度；

步骤二：分砂器移动到打印工作面进行落砂，称重传感器将落砂量反馈到中控机与给定所需砂量参数对比，控制落砂量；落砂量的把控，让落砂过程中不会出现砂量不够的情况；

步骤三：铺砂器将打印工作面上的砂砾铺平，直线位移传感器实时检测铺砂器的位置，铺砂器的速度通过直线位移传感器检测得到的位置与运动时间计算获得，或通过控制铺砂器运动的伺服电机编码器获得，根据扭力公式获得铺砂器运动扭力，通过铺砂位置、铺砂运动速度和铺砂运动扭力的反馈控制铺砂器稳定铺砂；

步骤四：使用分层软件将3D模型进行分层，对切片进行渗透误差补偿，生成切片图像，将切片软件生成的切片图像像素阵列与喷嘴一一对应，中控机根据喷嘴位置对喷头发出信号，相应位置的喷嘴接收脉冲信号进行喷墨；

步骤五：打印小车装配喷头和CMOS扫描相机向X、Y方向移动，将图像打印到打印工作面，同时，相机扫描已打印的喷墨图像，将喷墨打印图像进行图像识别，提取图像的位置坐标、边缘轮廓和内部填充信息，对喷墨打印图像进行错位校准、图像断线、图形缺材和错层对比，确保打印图像的完整，如果当前层喷墨打印图像出现错位，将对下一层切片图像进行校准，如果当前层喷墨打印图像出现图像断线，则调整喷头羽化值，如果当前层图像出现图形缺材，则对图像求反，获得孔洞图像，并将孔洞图像作为下一层打印图像，同时跳过砂箱下降和落砂铺砂的步骤一到三，直接执行步骤四，将当前层喷墨打印图像与未打印的下一层切片图像进行错层对比，直接调整两层间不重合区域对应的喷头，节省喷头调节时间，通过直线位移传感器实时检测打印小车的X方向和Y方向的位置，打印小车的速度通过直线位移传感器检测得到的位置与运动时间计算获得，或通过控制打印小车X方向和Y方向运动的伺服电机编码器获得，打印机喷头状态通过中控机对喷头施加的电脉冲信号获得，通过打印小车位置、打印小车速度和打印喷头状态的反馈，控制喷头稳定喷墨；

将打印图像和喷墨图像对比，当打印层出现问题时能及时做出修复，防止砂型变形；

步骤六：判断打印是否完成，未完成则重复步骤一到五，若完成则砂型打印结束。

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