应用于FDM3D打印工件平整度检测的光测量装置和方法与流程

本发明涉及3D打印技术领域，具体地说是一种应用于FDM 3D打印工件平整度检测的光测量方法和装置。

背景技术：

目前国内现有3D打印技术水平发展迅速但是大多处于研发阶段，做出来的成机质量也低于欧美国家。其中，对于熔融沉积成型（FDM）等特定类型的3D打印技术及设备，由于其打印零件的精度受到打印材料、熔融温度、冷却速度等多种因素的综合影响，其工艺技术研究具有显著的现实意义和应用价值。

在3D打印金属工件时，金属粉末在高能激光烧结下会发生膨胀，冷却后会有些收缩，因此在打印过程中工件会产生误差。最常见误差为工件中间部分出现凹陷。目前国内的FDM类型的3D打印设备不具备自动检测以及校正误差的能力。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供应用于FDM 3D打印工件平整度检测的光测量装置和方法，操作方便，对3D打印机的打印误差起到辅助检测作用，提高3D打印机的打印精度。

为了解决上述技术问题，本发明采取以下技术方案：

应用于FDM 3D打印工件平整度检测的光测量装置，包括耐高温的外壳保护罩，所述外壳保护罩内设有线结构光系统，该线结构光系统包括线激光器和工业相机，外壳保护罩底面设有第一通孔和第二通孔，第一通孔和第二通孔内设有玻璃片，工业相机位于第二通孔正上方，线激光器发出的光线从第一通孔穿出投射到被测工件上。

所述外壳保护罩内设有支撑板，线激光器装在该支撑板上。

所述支撑板倾斜设置，线激光器沿着该支撑板倾斜安装，该线激光器发出的光线与水平方向成倾斜夹角射入第一通孔。

所述线激光器朝向第二通孔的方向倾斜安装。

所述外壳保护罩底面导轨槽，外壳保护罩底面设有活动卡装在导轨槽上的滑动挡板。

所述外壳保护罩的侧壁内设有冷却管，该冷却管与冷却源连接。

一种应用于FDM 3D打印工件平整度检测的光测量方法，包括以下步骤：

相机和线结构光系统进行标定；

线激光器发出激光线从投射到被测工件上形成激光条纹，工业相机拍摄获取激光条纹图像；

根据激光条纹图像，进行被测物体表面三维重构，并与理想模型做差，求出被测工件的打印误差参数，该打印误差参数包括误差位置和误差大小；

将打印误差参数发送给3D打印系统，3D打印系统根据打印误差参数进行自动修改，实现打印误差纠正。

所述相机和线结构光系统的标定具体为：

世界坐标系通过外参矩阵转换到相机坐标系

=*=*

=*+*+*+t1；

=*+*+*+t2；

=*+*+*+t3；

其中[Xc,Yc,Zc]^T表示相机坐标，[Xw,Yw,Zw，1]^T表示被测工件所在的世界坐标，R表示旋转矩阵，T表示平移矩阵；

相机坐标系通过内参矩阵转换到图像像素坐标系：

X=；Y=；

矩阵形式为：

=*

其中f表示焦距， [x,y,1]^T表示归一化后的图像物理坐标。

本发明结构简单，装配方便，对3D打印机的打印误差起到辅助检测作用，提高3D打印机的打印精度，避免人工检测带来的误差及安全隐患。

附图说明

附图1为本发明装置的立体结构示意图；

附图2为本发明方法中的工业相机针孔模型示意图；

附图3为本发明方法线结构光系统的标定原理示意图；

附图4为本发明中的流程示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的特征、技术手段以及所达到的具体目的、功能，下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

如附图1所示，本发明揭示了一种应用于FDM 3D打印工件平整度检测的光测量装置，包括耐高温的外壳保护罩1，所述外壳保护罩1内设有线结构光系统，该线结构光系统包括线激光器3和工业相机2，外壳保护罩1底面设有第一通孔6和第二通孔7，第一通孔6和第二通孔7内设有玻璃片8，工业相机位于第二通孔正上方，线激光器发出的光线从第一通孔穿出投射到被测工件上。

所述外壳保护罩1内设有支撑板4，线激光器3装在该支撑板4上。支撑板倾斜设置，线激光器沿着该支撑板倾斜安装，该线激光器发出的光线与水平方向成倾斜夹角射入第一通孔。线激光器朝向第二通孔的方向倾斜安装。支撑板下端延伸至外壳保护罩底面。

所述外壳保护罩底面导轨槽，外壳保护罩1底面设有活动卡装在导轨槽上的滑动挡板5。在不需要发出激光光线时，将滑动挡板滑动直到遮挡住第一通孔和第二通孔。防止高能激光工作时的激光束透过玻璃片直射工业相机镜头而导致工业相机损坏。工作时，将滑动挡板移开，使第一通孔和第二通孔裸露，操作方便，有利于保护外壳保护罩内的部件。

所述外壳保护罩由耐高温材料制成，持久耐用，不易损坏，可采用铝合金材料制备。

此外，所述外壳保护罩1的侧壁内设有冷却管，该冷却管与冷却源连接。冷却源可为冷却水，或者冷却气体。通过向冷却管输入冷却源，实现对外壳保护罩的冷却，防止温度过高。

通过线激光器发出激光光线，光线从第一通孔中射出，投射到目标物体表面形成光条，光条的形状随着被测物体表面的深度变化而变化，线激光器和工业相机之间的相对位置也决定了光条的形变程度。工业相机获取光条的图像。利用图像处理软件对光条纹图像进行一系列处理，从而进行被测物体表面三维重构。然后将重构出的工件三维轮廓与理想模型做差，最后将误差位置以及误差大小反馈给3D打印系统，从而使得系统能够进行自动校正。最终使得整个3D打印过程实现完全自动化。

另外，如附图2-4所示，本发明还揭示了一种应用于FDM 3D打印工件平整度检测的光测量方法，包括以下步骤：

相机和线结构光系统进行标定。

线激光器发出激光线从投射到被测工件上形成激光条纹，工业相机拍摄获取激光条纹图像。高精度线激光发射器，所发射的激光条纹宽度约为1mm，较小的激光条纹宽度决定了物体重构的精度。

根据激光条纹图像，进行被测物体表面三维重构，并与理想模型做差，求出被测工件的打印误差参数，该打印误差参数包括误差位置和误差大小。通过预设一个理想模型，将重构的图形与之对比，可以查看相应的误差，从而为后续打印提供参考信息。

将打印误差参数发送给3D打印系统，3D打印系统根据打印误差参数进行自动修改，实现打印误差纠正。最终使得整个3D打印过程实现完全自动化。

相机标定的实质是获取相机的内参、外参以及畸变系数。其中主要涉及到世界坐标系、相机坐标系以及像素坐标系之间的转换。相机的标定如下：

世界坐标系通过外参矩阵转换到相机坐标系：

=*=*

=*+*+*+t1；

=*+*+*+t2；

=*+*+*+t3；

其中[Xc,Yc,Zc]^T表示相机坐标，[Xw,Yw,Zw，1]^T表示被测工件所在的世界坐标，R表示旋转矩阵，T表示平移矩阵；

相机坐标系通过内参矩阵转换到图像像素坐标系：

X=；Y=；

矩阵形式为：

=*

其中f表示焦距， [x,y,1]^T表示归一化后的图像物理坐标。

需要说明的是，以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。