CN209937740U - 一种主动监控式激光3d打印装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种主动监控式激光3D打印装置，设计引入对密闭舱(10)中铺粉区域实现覆盖式监控的电控结构，针对铺粉操作效果进行实时监控，且在密闭舱内引入智能图像捕获功能，并针对图像捕获装置(3)还设计应用图像捕获架(20)，通过步进电机(6)经皮带(7)对图像捕获装置(3)的转动控制，实现对图像捕获装置(3)图像捕获角度的调整，便于更加清晰检测工件的局部加工状态；并且在实现对铺粉效果进行实时监控的同时，应用图像处理技术对铺粉效果进行智能分析，当出现铺粉不均及工件翘曲变形等问题时，自动触发警报模块，工作人员可进行及时处理，有效保证生产工件质量问题，提高生产效率，降低生产成本。

Description

一种主动监控式激光3D打印装置

技术领域

本实用新型涉及一种主动监控式激光3D打印装置，属于3D打印技术领域。

背景技术

激光3D打印机即快速成形技术的一种机器，集机械工程、材料工程、数控技术、激光技术等多项技术一体，是一种数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术，是一种累积制造技术，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体，其基本原理是通过把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来，而打印出的产品，并可以即时使用。

比较主流的方法包括光固化立体成型(StereoLithographyApparatus，SLA)、选择性激光烧结(SelectiveLaserSintering，SLS)等。相较于传统的制造方法，激光3D打印技术可以忽略产品部件的外形复杂程度；制造快速，可实现产品设计与模具生产的同步进行，提高研发效率，缩短设计周期；原材料利用率极高，接近100％，在航空航天、工业造型和医疗等行业得到日益广泛的应用。

在激光3D打印过程中，加工舱内工件成型过程无法进行实时监测，加工过程中工件出现翘曲变形或基板铺粉不均等问题时，工作人员不能及时处理，影响工件整体成型质量，浪费加工材料，增加生产成本，降低生产效率。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种主动监控式激光3D打印装置，设计引入对密闭舱中铺粉区域实现覆盖式监控的电控结构，有助于提高3D激光打印中材料的利用率，并有效降低激光3D打印成本。

本实用新型为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本实用新型设计了一种主动监控式激光3D打印装置，包括密闭舱式激光3D打印装置、透明玻璃块和控制模块，以及分别与控制模块相连接的图像捕获装置、显示屏；其中，密闭舱式激光3D打印装置中密闭舱的顶部设置形状、内径与透明玻璃块形状、外径相适应的通孔，透明玻璃块固定设置于该通孔中；图像捕获装置设置于密闭舱的顶部，且图像捕获装置的图像捕获区域、包含经透明玻璃块对所述密闭舱中成型缸内基板表面区域的覆盖；控制模块设置于密闭舱上，显示屏设置于控制模块表面。

作为本实用新型的一种优选技术方案：还包括图像捕获架，其中，图像捕获架包括电机架、步进电机、皮带、n形架、两根随动杆；n形架两侧边的端部固定设置于密闭舱上表面、对应所述透明玻璃块的位置，且n形架两侧边呈竖直姿态；各随动杆上的其中一端分别固定对接于所述图像捕获装置上彼此相对的两侧面，各根随动杆所在直线相共线；各随动杆上的另一端分别活动对接于n形架两侧边上的彼此相对面，且随动杆所在直线呈水平姿态，图像捕获装置与两根随动杆的整体结构、以随动杆所在直线为轴转动；电机架固定设置于n形架顶边的上表面，步进电机固定设置于电机架上，且电机上驱动杆位于其中一根随动杆的上方，以及电机上驱动杆所在直线与随动杆所在直线相平行，n形架顶边表面设置通孔，皮带穿过该通孔、分别对接电机上驱动杆与其下方的随动杆，电机上驱动杆转动经皮带带动所连随动杆转动，实现对图像捕获装置转动的控制，且图像捕获装置的图像捕获区域、包含经透明玻璃块对所述成型缸内基板表面区域的覆盖。

作为本实用新型的一种优选技术方案：还包括与所述控制模块相连接的控制按键，控制按键设置于所述控制模块的外表面，控制按键用于经控制模块实现对所述步进电机的正反转动控制。

作为本实用新型的一种优选技术方案：所述密闭舱式激光3D打印装置中除密闭舱、成型缸、基板以外，还包括激光装置、电控刮刀、料缸、料板，其中，密闭舱的底面设置两个口径分别与成型缸顶部敞开口口径、料缸顶部敞开口口径相适应的通孔，成型缸顶部敞开口、料缸顶部敞开口分别由密闭舱下方、密封对接对应口径的通孔，成型缸与料缸内部分别设置于电控升降装置，基板外径与成型缸所对应密闭舱底面通孔内径相适应，基板置于成型缸中电控升降装置的顶端，并且基板以其所在面与密闭舱底面所在面相平行的姿态、随所连电控升降装置在成型缸中上下移动；料板外径与料缸所对应密闭舱底面通孔内径相适应，料板置于料缸中电控升降装置的顶端，并且料板以其所在面与密闭舱底面所在面相平行的姿态、随所连电控升降装置在料缸中上下移动；密闭舱顶面上与成型缸顶部敞开口位置相对应的位置设置通孔，激光装置由密闭舱上方密封对接该通孔；电控刮刀设置于密闭舱中，电控刮刀的移动路径依次经过料缸、成型缸。

作为本实用新型的一种优选技术方案：还包括与所述控制模块相连接的限位开关，以及所述密闭舱式激光3D打印装置中还包括溢粉舱，所述密闭舱底面设置口径与溢粉舱顶部敞开口口径相适应的通孔，溢粉舱顶部敞开口由密闭舱下方、密封对接对应口径的通孔，限位开关设置于密闭舱内底面上，所述电控刮刀由料缸向成型缸方向移动的路径上，电控刮刀在经过成型缸后、继续移动经过溢粉舱，并与限位开关接触触发，限位开关用于触发控制模块控制图像捕获装置进行拍照。

本实用新型所述一种基于主动监控式激光3D打印装置，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

本实用新型所设计主动监控式激光3D打印装置，解决3D激光打印设备工作时，工件加工过程无法实时监控的问题，设计引入对密闭舱中铺粉区域实现覆盖式监控的电控结构，针对铺粉操作效果进行实时监控，其中，针对图像捕获装置还设计应用图像捕获架，通过步进电机经皮带对图像捕获装置的转动控制，实现对图像捕获装置图像捕获角度的调整，便于更加清晰检测工件的局部加工状态；同时，应用透明玻璃块实现图像捕获装置与密闭舱之间的隔离，使密闭舱内部处于密封状态，保证加工环境不受影响；并且在实现对铺粉效果进行实时监控的同时，应用图像处理技术对铺粉效果进行智能分析，当出现工件翘曲变形或铺粉不均等问题时，自动触发警报模块，工作人员可进行及时处理，有效保证生产工件质量问题，提高生产效率，降低生产成本。

附图说明

图1是本实用新型所设计主动监控式激光3D打印装置中的密闭舱结构示意图；

图2是本实用新型所设计主动监控式激光3D打印装置中图像捕获架(20)与图像捕获装置结构示意图；

图3是本实用新型所设计主动监控式激光3D打印装置的整体示意图；

图4是本实用新型所设计基于主动监控式激光3D打印装置监控方法的流程示意图。

其中，1.透明玻璃块，2.控制模块，3.图像捕获装置，4.显示屏，5.电机架，6.步进电机，7.皮带，8.n形架，9.随动杆，10.密闭舱，11.基板，12.控制按键，13. 激光装置，14.电控刮刀，15.料缸，16.图像处理模块，17.报警装置，18.溢粉舱， 19.限位开关，20.图像捕获架。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

本实用新型设计了一种主动监控式激光3D打印装置，实际应用当中，具体包括密闭舱式激光3D打印装置、图像捕获架20、透明玻璃块1和控制模块2，以及分别与控制模块2相连接的图像捕获装置3、显示屏4、控制按键12、图像处理模块16、报警装置17、限位开关19；其中，密闭舱式激光3D打印装置包括密闭舱10、成型缸、基板11、激光装置13、电控刮刀14、料缸15、料板、溢粉舱18，其中，密闭舱10的底面设置两个口径分别与成型缸顶部敞开口口径、料缸15顶部敞开口口径相适应的通孔，成型缸顶部敞开口、料缸15顶部敞开口分别由密闭舱10下方、密封对接对应口径的通孔，成型缸与料缸 15内部分别设置于电控升降装置，基板11外径与成型缸所对应密闭舱10底面通孔内径相适应，基板11置于成型缸中电控升降装置的顶端，并且基板11以其所在面与密闭舱10 底面所在面相平行的姿态、随所连电控升降装置在成型缸中上下移动；料板外径与料缸15 所对应密闭舱10底面通孔内径相适应，料板置于料缸15中电控升降装置的顶端，并且料板以其所在面与密闭舱10底面所在面相平行的姿态、随所连电控升降装置在料缸15中上下移动；密闭舱10顶面上与成型缸顶部敞开口位置相对应的位置设置通孔，激光装置13 由密闭舱10上方密封对接该通孔；电控刮刀14设置于密闭舱10中，电控刮刀14的移动路径依次经过料缸15、成型缸；密闭舱10底面设置口径与溢粉舱18顶部敞开口口径相适应的通孔，溢粉舱18顶部敞开口由密闭舱10下方、密封对接对应口径的通孔，电控刮刀 14由料缸15向成型缸方向移动的路径上，电控刮刀14在经过成型缸后、继续移动经过溢粉舱18。

实际应用中，每次铺粉操作中，基板11表面低于与密闭舱10底面预设高度，料板随所连电控升降装置在料缸15每次向上移动预设高度，将料板上所堆放的粉料抬升至高于密闭舱10底面，电控刮刀14以贴合密闭舱10底面的姿态、由料缸15向成型缸方向进行移动，将料板位置高出密闭舱10底面的粉料推送至基板11表面，并继续推送将多余的粉料推至溢粉舱18中，如此完成一次铺粉，再通过激光装置13对基板11上所铺设的粉料进行选择性烧结，如此反复即实现3D激光打印操作。

控制模块2、图像处理模块16和报警装置17设置于密闭舱10上；显示屏4设置于密闭舱10表面；密闭舱式激光3D打印装置中密闭舱10的顶部设置形状、内径与透明玻璃块1形状、外径相适应的通孔，透明玻璃块1固定设置于该通孔中；图像捕获装置3设置于密闭舱10的顶部，且图像捕获装置3的图像捕获区域、包含经透明玻璃块1对所述密闭舱10中成型缸内基板11表面区域的覆盖。

其中，图像捕获架20包括电机架5、步进电机6、皮带7、n形架8、两根随动杆9； n形架8两侧边的端部固定设置于密闭舱10上表面、对应所述透明玻璃块1的位置，且n 形架8两侧边呈竖直姿态；各随动杆9上的其中一端分别固定对接于所述图像捕获装置3 上彼此相对的两侧面，各根随动杆9所在直线相共线；各随动杆9上的另一端分别活动对接于n形架8两侧边上的彼此相对面，且随动杆9所在直线呈水平姿态，图像捕获装置3 与两根随动杆9的整体结构、以随动杆9所在直线为轴转动；电机架5固定设置于n形架 8顶边的上表面，步进电机6固定设置于电机架5上，且电机6上驱动杆位于其中一根随动杆9的上方，以及电机6上驱动杆所在直线与随动杆9所在直线相平行，n形架8顶边表面设置通孔，皮带7穿过该通孔、分别对接电机6上驱动杆与其下方的随动杆9，电机 6上驱动杆转动经皮带7带动所连随动杆9转动，实现对图像捕获装置3转动的控制，且图像捕获装置3的图像捕获区域、包含经透明玻璃块1对所述成型缸内基板11表面区域的覆盖；控制按键12设置于所述控制模块2的外表面，控制按键12用于经控制模块2实现对所述步进电机6的正反转动控制。

限位开关19设置于密闭舱10内底面上，所述电控刮刀14由料缸15向成型缸方向移动的路径上，电控刮刀14在经过成型缸后、继续移动经过溢粉舱18，并与限位开关19接触触发，限位开关19用于触发控制模块2控制图像捕获装置3进行拍照，

基于图像捕获装置3拍照所获得的图像，即进一步设计了基于此激光3D打印装置的监控方法，用于针对密闭舱10内的铺粉操作实现监控，实际应用中，具体包括如下步骤A至步骤G。

步骤A.在完成针对密闭舱1中成型缸内基板3表面的铺粉操作后，获得仅包含成型缸内基板3表面铺粉区域的图像，作为原始图像，然后进入步骤B。

接下来，图像处理模块16基于步骤A所获原始图像，执行如下步骤B至步骤G。

步骤B.针对原始图像进行灰度处理更新，并获得原始图像中各像素点的灰度值，然后获得其中区域灰度值大于预设灰度阈值的各个图像区域，作为各个待处理图像区域，并进入步骤C。

对于上述步骤B，实际应用中，具体首先针对原始图像进行灰度处理更新，然后针对原始图像进行二值化处理，并获得两灰度值中、大灰度值所对应的各个图像区域，作为各个待处理图像区域。

步骤C.分别获得各个待处理图像区域中的质心像素点，并获得各质心像素点在原始图像所对应坐标系下的坐标，然后进入步骤D。

步骤D.分别针对各个图像区域，执行步骤E，同时分别针对各个图像区域，执行步骤F，完成各个图像区域分别对步骤E和步骤F的操作之后，然后进入步骤G。

步骤E.以图像区域中质心像素点的横坐标为基准横坐标，依次遍历该图像区域中、对应于基准横坐标的各个像素点，分别执行如下步骤E1至步骤E3，分别判断所遍历像素点是否为突变像素点。

步骤E1.选取以所遍历像素点为中心、对应于基准横坐标下预设像素距离半径内的各个像素点作为待比较像素点，然后进入步骤E2；

步骤E2.获得该遍历像素点分别与各待比较像素点之间的灰度差值，并分别针对各灰度差值，若灰度差值大于预设灰度差值阈值，则判定该灰度差值所对应的待比较像素点存在灰度突变，反之判定该灰度差值所对应的待比较像素点不存在灰度突变，然后进入步骤 E3；

步骤E3.统计该遍历像素点所对应各待比较像素点中、存在灰度突变的待比较像素点的个数是否达到突变数量阈值，是则判定该遍历像素点为突变像素点，否则判定该遍历像素点不为突变像素点。

步骤F.以图像区域中质心像素点的纵坐标为基准纵坐标，依次遍历该图像区域中、对应于基准纵坐标的各个像素点，分别执行如下步骤F1至步骤F3，分别判断所遍历像素点是否为突变像素点。

步骤F1.选取以所遍历像素点为中心、对应于基准纵坐标下预设像素距离半径内的各个像素点作为待比较像素点，然后进入步骤F2；

步骤F2.获得该遍历像素点分别与各待比较像素点之间的灰度差值，并分别针对各灰度差值，若灰度差值大于预设灰度差值阈值，则判定该灰度差值所对应的待比较像素点存在灰度突变，反之判定该灰度差值所对应的待比较像素点不存在灰度突变，然后进入步骤 F3；

步骤F3.统计该遍历像素点所对应各待比较像素点中、存在灰度突变的待比较像素点的个数是否达到突变数量阈值，是则判定该遍历像素点为突变像素点，否则判定该遍历像素点不为突变像素点。

步骤G.统计原始图像中突变像素点个数是否达到预设突变报警数阈值，是则表示铺粉不均，通过报警装置17则实现成型过程异常报警，否则表示成型过程正常。

上述技术方案所设计主动监控式激光3D打印装置及监控方法，解决3D激光打印设备工作时，工件加工过程无法实时监控的问题，设计引入对密闭舱10中铺粉区域实现覆盖式监控的电控结构，针对铺粉操作效果进行实时监控，其中，针对图像捕获装置3还设计应用图像捕获架20，通过步进电机6经皮带7对图像捕获装置3的转动控制，实现对图像捕获装置3图像捕获角度的调整，便于更加清晰检测工件的局部加工状态；同时，应用透明玻璃块1实现图像捕获装置3与密闭舱10之间的隔离，使密闭舱10内部处于密封状态，保证加工环境不受影响；并且在实现对铺粉效果进行实时监控的同时，应用图像处理技术对铺粉效果进行智能分析，加工过程中若工件出现翘曲变形或基板铺粉不均等问题时，自动触发警报模块，工作人员可进行及时处理，有效保证生产工件质量问题，提高生产效率，降低生产成本。

上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但是本实用新型并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。

Claims (5)

1.一种主动监控式激光3D打印装置，其特征在于：包括密闭舱式激光3D打印装置、透明玻璃块(1)和控制模块(2)，以及分别与控制模块(2)相连接的图像捕获装置(3)、显示屏(4)；其中，密闭舱式激光3D打印装置中密闭舱(10)的顶部设置形状、内径与透明玻璃块(1)形状、外径相适应的通孔，透明玻璃块(1)固定设置于该通孔中；图像捕获装置(3)设置于密闭舱(10)的顶部，且图像捕获装置(3)的图像捕获区域、包含经透明玻璃块(1)对所述密闭舱(10)中成型缸内基板(11)表面区域的覆盖；控制模块(2)设置于密闭舱(10)上，显示屏(4)设置于控制模块(2)表面。

2.根据权利要求1所述一种主动监控式激光3D打印装置，其特征在于：还包括图像捕获架(20)，其中，图像捕获架(20)包括电机架(5)、步进电机(6)、皮带(7)、n形架(8)、两根随动杆(9)；n形架(8)两侧边的端部固定设置于密闭舱(10)上表面、对应所述透明玻璃块(1)的位置，且n形架(8)两侧边呈竖直姿态；各随动杆(9)上的其中一端分别固定对接于所述图像捕获装置(3)上彼此相对的两侧面，各根随动杆(9)所在直线相共线；各随动杆(9)上的另一端分别活动对接于n形架(8)两侧边上的彼此相对面，且随动杆(9)所在直线呈水平姿态，图像捕获装置(3)与两根随动杆(9)的整体结构、以随动杆(9)所在直线为轴转动；电机架(5)固定设置于n形架(8)顶边的上表面，步进电机(6)固定设置于电机架(5)上，且电机(6)上驱动杆位于其中一根随动杆(9)的上方，以及电机(6)上驱动杆所在直线与随动杆(9)所在直线相平行，n形架(8)顶边表面设置通孔，皮带(7)穿过该通孔、分别对接步进电机(6)上驱动杆与其下方的随动杆(9)，电机(6)上驱动杆转动经皮带(7)带动所连随动杆(9)转动，实现对图像捕获装置(3)转动的控制，且图像捕获装置(3)的图像捕获区域包含经透明玻璃块(1)对所述成型缸内基板(11)表面区域的覆盖。

3.根据权利要求2所述一种主动监控式激光3D打印装置，其特征在于：还包括与所述控制模块(2)相连接的控制按键(12)，控制按键(12)设置于所述控制模块(2)的外表面，控制按键(12)用于经控制模块(2)实现对所述步进电机(6)的正反转动控制。

4.根据权利要求1所述一种主动监控式激光3D打印装置，其特征在于：所述密闭舱式激光3D打印装置中除密闭舱(10)、成型缸、基板(11)以外，还包括激光装置(13)、电控刮刀(14)、料缸(15)、料板，其中，密闭舱(10)的底面设置两个口径分别与成型缸顶部敞开口口径、料缸(15)顶部敞开口口径相适应的通孔，成型缸顶部敞开口、料缸(15)顶部敞开口分别由密闭舱(10)下方密封对应口径的通孔，成型缸与料缸(15)内部分别设置于电控升降装置，基板(11)外径与成型缸所对应密闭舱(10)底面通孔内径相适应，基板(11)置于成型缸中电控升降装置的顶端，并且基板(11)以其所在面与密闭舱(10)底面所在面相平行的姿态、随所连电控升降装置在成型缸中上下移动；料板外径与料缸(15)所对应密闭舱(10)底面通孔内径相适应，料板置于料缸(15)中电控升降装置的顶端，并且料板以其所在面与密闭舱(10)底面所在面相平行的姿态、随所连电控升降装置在料缸(15)中上下移动；密闭舱(10)顶面上与成型缸顶部敞开口位置相对应的位置设置通孔，激光装置(13)由密闭舱(10)上方密封对接该通孔；电控刮刀(14)设置于密闭舱(10)中，电控刮刀(14)的移动路径依次经过料缸(15)、成型缸。

5.根据权利要求4所述一种主动监控式激光3D打印装置，其特征在于：还包括与所述控制模块(2)相连接的限位开关(19)，以及所述密闭舱式激光3D打印装置中还包括溢粉舱(18)，所述密闭舱(10)底面设置口径与溢粉舱(18)顶部敞开口口径相适应的通孔，溢粉舱(18)顶部敞开口由密闭舱(10)下方、密封对接对应口径的通孔，限位开关(19)设置于密闭舱(10)内底面上，所述电控刮刀(14)由料缸(15)向成型缸方向移动的路径上，电控刮刀(14)在经过成型缸后、继续移动经过溢粉舱(18)，并与限位开关(19)接触触发，限位开关(19)用于触发控制模块(2)控制图像捕获装置(3)进行拍照。

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