CN116342514B - 增材制造异质材料矩阵式铺砂质量检测与表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种增材制造异质材料矩阵式铺砂质量检测与表征方法，主要为采取异质材料铺砂后打印平台表面的铺砂图像，通过裁剪、透视和再裁剪获取充满图像的铺砂表面图，然后采用中值滤波、灰度处理、轮廓生成以及矩阵拟合轮廓继而获取方格中存在其他型砂的面积；同时移动激光轮廓仪扫描铺砂表面来获取表面不同砂粒的云点，使用python实现不同云点均方差值、平均值以及最高点与最低点的距离差值。通过判断距离差值、所占区域面积比得到不同的铺砂质量影响参数的权重比，继而根据所占区域面积比和平整度拟合对应铺砂质量公式实现对铺砂质量数字化检测。该方法可以实现异质材料铺砂质量自动化、数字化、精准化表征。

Description

增材制造异质材料矩阵式铺砂质量检测与表征方法

技术领域

本发明涉及异质材料多区域砂型3D打印铺砂质量表征领域，尤其涉及增材制造异质材料矩阵式铺砂质量检测与表征方法。

背景技术

铸造业是制造业的基础，随着科学前沿技术不断发展，铸造企业在绿色化、智能化的发展升级中引入增材制造技术，其中砂型3DP打印技术基于微滴喷射的原理可以实现用于铸造的复杂砂型可以单件、小批量生产，显著提高了复杂铸件的制造周期，节约资源，促进了企业现代化绿色化的发展；随着铸件需求量和铸件质量提高，3D砂型打印的研究也在快速的发展。

目前砂型3D打印还未突破单材质型砂3D打印的局限，不能满足一些复杂铸件对不同区域的组织性能、力学性能以及尺寸的调控。在砂型3D打印的快速发展过程中，关于铺砂表面质量的研究目前主要集中在铺砂刮板对硅砂铺砂过程表面质量的影响和实验与离散化数值计算辊子压实对铺砂表面质量的影响。目前异质材料铺砂过程中因为型砂存在流动性以及不同型砂在振动落砂过程中下落速度、下落量等因素导致异质材料网格铺砂存在精准铺砂难，通过调节筛网的网孔大小、型砂固化剂含量以及振动频率及大小等问题可以获得精准铺砂参数。但是通过测量工具测量型砂表面质量存在误差大、耗时耗力、易破坏型砂表面影响后续测量等诸多因素。

因此，提出一种增材制造异质材料矩阵式铺砂质量检测与表征方法是目前亟须解决的新任务。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种增材制造异质材料矩阵式铺砂质量检测与表征方法，通过对铺砂表面图像进行图像处理以及采用激光轮廓仪获取异质材料铺砂表面点云图，采用相应公式对图像处理的所占面积比及点云图中平整度来拟合铺砂质量表征公式。该方法可以实现异质材料铺砂质量快速准确表征，建立了异质材料铺砂质量评定标准，有助于探索与优化更好的铺砂工艺参数，加快砂型3D打印技术向异质材料方向发展。

本发明的技术方案为：

一种增材制造异质材料矩阵式铺砂质量检测与表征方法，包括以下步骤：

步骤1：异质材料铺砂打印平台的表面型砂图案进行图片采集；

步骤2：进行图像处理获取不同型砂接触区域面积；采用激光轮廓仪生成铺砂表面砂粒点云图继而获得相应铺砂表面平整度影响参数，通过以下公式获取异质材料网格铺砂质量：

S＝αG(x)+βP(x)+c(x)+d(x)，

其中S：表示总体铺砂质量，α：表示接触区域面积比占总体铺砂质量权重比，G(x)：表示一种工艺参数下方格内其他型砂面积所占方格总面积比，β：表示铺砂表面平整度占铺砂质量权重比，P(x)：表示特定工艺参数下铺砂表面平整度，c(x)：表示特定工艺参数下平整度值对铺砂质量的影响因素，d(x)：表示特定工艺参数下部分网格内其他型砂所占比大可能存在的铺砂质量影响值，x：表示铺砂工艺的一种参数值；S的值越大表示铺砂表面质量越差。

进一步的，由于工艺中由对铺砂表面压实的工艺，因此在砂型表面距离差值小于0.3mm情况下α设定为0.8，β设定为0.2，c(x)设定为0；在砂型表面距离差值在0.3mm到0.42mm之间的情况下α设定为0.5，β设定为0.5，c(x)设定为0.1；

在砂型表面距离差值在高于0.42mm的情况下α、β设定为0，c(x)设定为1，即型砂表面平整度难以满足砂型打印要求；当存在某个网格内其他型砂所占面积小于0.1时，α设定为0.2，β设定为0.8，d(x)设定为0；当所占面积比在0.1和0.35时，α设定为0.5，β设定为0.5，d(x)设定为0；所占面积比在高于0.35时，α设定为0，β设定为0，d(x)设定为1，即方格内不同型砂混合较多难以满足砂型打印要求。

进一步的，所述距离差值是采用激光轮廓仪扫描铺砂表面生成的点云图中点云几何坐标中Z值的最大值与最小值的差值。

进一步的，铺砂平整度的影响较大的主要因素有网格铺砂中存在的部分网格未铺砂、不同材料型砂受振落砂落砂量相差较大或整体落砂量少于0.3mm；

所述G(x)的表达式如下所示：

G(x)＝S₁(x)/S(x)

其中S₁(x)：表示不同网格区域内其他型砂矩形面积累加之和；S(x)：

表示打印平台表面方格内有其他型砂的方格总面积；

所述P(x)表达式如下所示：

P＝γRe(x)/10*Ave(x)+δT(x)/0.5＝0.21；

其中Re(x)：表示特种工艺参数下铺砂表面轮廓点云图中Z值的均方差值，Ave(x)：表示特种工艺参数下点云图中Z值的平均值，T(x)：表示特种工艺参数下点云图中Z值的最大值与最小值的距离差值，单位为：mm，0.5表示特种工艺参数下当前铺砂层厚；γ、δ分别表示特种工艺参数下均方差值和间距值所占比重；其中当距离差值小于0.3mm时，γ为0.8，δ为0.2，当在在0.3mm到0.4mm之间时，γ为0.5，δ为0.5；

所述S1(x)表达式如下所示：

其中，n：表示网格总数，x_i表示第i个网格内a种型砂所占矩形面积，a型砂属于该网格内的其他型砂，y_i表示第i个网格内b型砂所占矩形面积，b型砂属于该网格内的其他型砂，不同材质型砂颜色需有区分。

进一步的，其中所述(x_i+y_i+…)通过以下步骤获得：

步骤A：对异质材料铺砂表面进行图像采集，获取未铺砂时打印表面图像，进而确定铺砂区域在图像上的四个角像素点位置。通过对图像进行处理，处理后的图像铺砂表面图像填充满正方形，即图像垂直和水平方向上像素个数相等；

步骤B：将正方形铺砂表面图像于网格图像进行融合，对融合后的图像进行图像处理获得硅砂图像、铬铁矿砂和锆英砂等图像，将不同网格中不同型砂进行轮廓绘制，通过轮廓拟合建立矩形，并获取每个方框内矩形面积x_i、y_i。

进一步的，步骤A中图像的剪辑分为裁剪以及透视，其中以上操作需要提前通过未铺砂打印表面图像进行确定裁剪大小、倾斜移动图像左上角及右上角的像素值再进行裁剪；

步骤B中的图像处理为通过中值滤波去除部分干扰砂粒，通过二值化处理获取硅砂所占区域，反向二值化获取铬铁矿砂所占区域，在通过绘制轮廓，对轮廓进行矩阵拟合获取每个方格的矩形区域。

本发明的有益效果是：

1、通过采用图像处理、激光轮廓仪等技术实现异质材料网格铺砂质量表征，铺砂质量检测与表征实现自动化、数字化、精确化有效发展。

2、本方法提出了异质材料表征思路，建立了异质材料铺砂质量表征公式，有助于开展异质材料铺砂实验种获取铺砂工艺参数对铺砂质量的影响继而得到较好的铺砂工艺参数，实现异质材料高精、高效、高质量打印。

3、本方法填补了异质材料铺砂质量表征的空白，有助于后续异质材料铺砂质量实验的开展，推动砂型打印向异质材料方向发展。

附图说明

图1、为一种增材制造异质材料矩阵式铺砂质量检测与表征方法对铺砂表面进行图像处理的流程图((a)拍摄图像转换成铺砂表面图像填充整个图像过程；(b)对铺砂表面图像方格内异质型砂矩形拟合过程)。

图2、为砂型3D打印异质材料网格铺砂质量表征方法铺砂表面型砂分布图；

图3、为通过激光轮廓仪获取铺砂表面颗粒点坐标生成的点云图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1-3所示，在完成异质材料铺砂后，通过对铺砂表面进行图像拍摄以及使用激光轮廓仪对铺砂表面扫描获取三维点云图，如图2所示为获取铺砂表面图像以及图3的铺砂表面型砂颗云点生成的三维表面云点图。

如图1(a)所示，对异质材料铺砂表面进行图像采集，获取未铺砂时打印表面图像，进而确定铺砂区域在图像上的四个角像素点位置。通过对采集的图像进行裁剪、透视和再裁剪获得充满图像的铺砂表面图，且图像垂直和水平方向上像素个数相等。如图1(b)对处理后的图像进行灰度处理以及中值过滤处理，过滤部分不影响铺砂质量的铬铁矿砂或者锆英砂颗粒，通过建立与图像像素个数垂直与水平方向相等的网格并与过滤后的图像进行融合，将融合后的图像进行轮廓识别，通过用矩形对轮廓进行拟合得到每个网格内的矩形面积。

通过使用python对点云图进行处理，获取点云图种各个点的Z坐标值，经计算均方差值Re为(0.22)0.5、平均值0.2、以及最高点与最低点的差值0.1。

通过计算获取工艺参数下不同型砂接触区域面积所占总面积比G，因为铬铁矿砂固化剂含量较少导致落砂量多于硅砂落砂量，因此y_i的值为0：

通过计算该工艺参数下砂型表面平整度P，因为距离差值小于0.3mm，因此γ值设定为0.8，δ值设定为0.2：

P＝γRe(x)/10*Ave(x)+δT(x)/0.5＝0.21；

因为在工艺下满足距离差值小于0.3mm、所占面积比为0.04，因此，α值设定为0.8，β值设定为0.2，同时c＝0、d＝0，因此S：

S＝αG(x)+βP(x)＝0.8*0.04+0.2*0.21＝0.074，

因此在该工艺参数下铺砂质量为0.074，依次步骤，分别获得其他参数下铺砂质量。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (5)

1.一种增材制造异质材料矩阵式铺砂质量检测与表征方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：异质材料铺砂打印平台的表面型砂图案进行图片采集，进行图像处理获取不同型砂接触区域面积；通过裁剪、透视和再裁剪获取充满图像的铺砂表面图，然后采用中值滤波、灰度处理、轮廓生成以及矩阵拟合轮廓继而获取方格中存在其他型砂的面积；

步骤2：采用激光轮廓仪生成铺砂表面砂粒点云图继而获得相应铺砂表面平整度影响参数，通过以下公式获取异质材料网格铺砂质量：

S＝αG(x)+βP(x)+c(x)+d(x)，

其中S：表示总体铺砂质量，α：表示接触区域面积比占总体铺砂质量权重比，G(x)：表示一种工艺参数下方格内其他型砂面积所占方格总面积比，β：表示铺砂表面平整度占铺砂质量权重比，P(x)：表示特定工艺参数下铺砂表面平整度，c(x)：表示特定工艺参数下平整度值对铺砂质量的影响因素，d(x)：表示特定工艺参数下部分网格内其他型砂所占比大可能存在的铺砂质量影响值，x：表示铺砂工艺的一种参数值；S的值越大表示铺砂表面质量越差；

所述G(x)的表达式如下所示：

G(x)＝S₁(x)/S(x)

其中S₁(x)：表示不同网格区域内其他型砂矩形面积累加之和；S(x)：表示打印平台表面方格内有其他型砂的方格总面积；

所述P(x)表达式如下所示：

P(x)＝γRe(x)/10*Ave(x)+δT(x)/0.5

其中Re(x)：表示特种工艺参数下铺砂表面轮廓点云图中Z值的均方差值，Ave(x)：表示特种工艺参数下点云图中Z值的平均值，T(x)：表示特种工艺参数下点云图中Z值的最大值与最小值的距离差值，单位为：mm，0.5表示特种工艺参数下当前铺砂层厚；γ、δ分别表示特种工艺参数下均方差值和间距值所占比重；其中当距离差值小于0.3mm时，γ为0.8，δ为0.2，当在0.3mm到0.4mm之间时，γ为0.5，δ为0.5；

所述S₁(x)表达式如下所示：

其中，n：表示网格总数，x_i表示第i个网格内a种型砂所占矩形面积，a型砂属于该网格内的其他型砂，y_i表示第i个网格内b型砂所占矩形面积，b型砂属于该网格内的其他型砂，不同材质型砂颜色需有区分；

其中所述(x_i+y_i+…)通过以下步骤获得：

步骤A：对异质材料铺砂表面进行图像采集，获取未铺砂时打印表面图像，进而确定铺砂区域在图像上的四个角像素点位置；通过对图像进行处理，处理后的图像铺砂表面图像填充满正方形，即图像垂直和水平方向上像素个数相等；

步骤B：将正方形铺砂表面图像于网格图像进行融合，对融合后的图像进行图像处理获得硅砂图像、铬铁矿砂和锆英砂图像，将不同网格中不同型砂进行轮廓绘制，通过轮廓拟合建立矩形，并获取每个方框内矩形面积x_i、y_i。

2.根据权利要求1所述的一种增材制造异质材料矩阵式铺砂质量检测与表征方法，其特征在于，由于工艺中由对铺砂表面压实的工艺，因此在砂型表面距离差值小于0.3mm情况下α设定为0.8，β设定为0.2，c(x)设定为0；在砂型表面距离差值在0.3mm到0.42mm之间的情况下α设定为0.5，β设定为0.5，c(x)设定为0.1；

在砂型表面距离差值在高于0.42mm的情况下α、β设定为0，c(x)设定为1，即型砂表面平整度难以满足砂型打印要求；当存在某个网格内其他型砂所占面积小于0.1时，α设定为0.2，β设定为0.8，d(x)设定为0；当所占面积比在0.1和0.35时，α设定为0.5，β设定为0.5，d(x)设定为0；所占面积比在高于0.35时，α设定为0，β设定为0，d(x)设定为1，即方格内不同型砂混合较多难以满足砂型打印要求。

3.根据权利要求2所述的一种增材制造异质材料矩阵式铺砂质量检测与表征方法，其特征在于，所述距离差值是采用激光轮廓仪扫描铺砂表面生成的点云图中点云几何坐标中Z值的最大值与最小值的差值。

4.根据权利要求1所述的一种增材制造异质材料矩阵式铺砂质量检测与表征方法，其特征在于，铺砂平整度的影响较大的主要因素有网格铺砂中存在的部分网格未铺砂、不同材料型砂受振落砂落砂量相差较大或整体落砂量少于0.3mm。

5.根据权利要求书1所述的一种增材制造异质材料矩阵式铺砂质量检测与表征方法，其特征在于，步骤A中图像的剪辑分为裁剪以及透视，其中裁剪以及透视的操作需要提前通过未铺砂打印表面图像进行确定裁剪大小、倾斜移动图像左上角及右上角的像素值再进行裁剪；

步骤B中的图像处理为通过中值滤波去除部分干扰砂粒，通过二值化处理获取硅砂所占区域，反向二值化获取铬铁矿砂所占区域，在通过绘制轮廓，对轮廓进行矩阵拟合获取每个方格的矩形区域。