一种基于机器视觉的3D打印件坍塌监测装置及方法

一种基于机器视觉的3d打印件坍塌监测装置及方法
技术领域
1.本发明属于3d打印技术领域，具体而言涉及一种基于机器视觉的3d打印件坍塌监测装置及方法。


背景技术：

2.现如今，3d打印技术已成为先进制造技术中备受瞩目的一种，也被称为增材制造技术。这项技术主要基于三维cad模型数据，并采用材料逐层累加的方法来制造实体零件，相比传统的减材制造和等材制造技术，3d打印技术在快速成型领域中应用极为广泛，有着极大的发展潜力。近年来，3d打印技术不断迎来新的突破，比如说，该技术已经可以使用多种材料进行打印，包括金属、陶瓷、塑料等。此外，3d打印技术也可以制造出极其复杂的结构和形状，这是传统制造技术无法达到的。目前，它已经在航空航天、汽车制造、建筑和生物医疗等多个领域得到了广泛的应用。随着传统制造业的转型升级，3d打印技术对于制造高精度、高强度及高度定制化的零件变得越来越重要。因此，提高3d打印件的质量已经成为该领域的一个研究热点。然而，由于多种不可控因素，在3d打印过程中，打印件坍塌的情况时常发生，造成打印耗材的浪费。由于3d打印件的成型过程通过十分漫长，若采用人工对打印过程进行监测成本过高。


技术实现要素：

3.本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于机器视觉的3d打印件坍塌监测装置及方法，解决3d打印件坍塌易造成耗材浪费，监测需要高昂人工成本的问题。
4.本发明是这样实现的，一种基于机器视觉的3d打印件坍塌监测装置，该装置包括：第一相机和第二相机，设置在3d打印机两侧，调整第一相机和第二相机的焦距和位置，使得两个相机在打印过程中始终能在不同的方向获取完整清晰的打印件图像；上位机，与第一相机和第二相机连接；微控制器，连接至上位机，将继电器与被监测的3d打印机和打印机供电电源连接。
5.进一步地，所述第一相机和第二相机进行图像采集，每隔时间t，控制第一相机拍摄一帧图像rfa(x,y)，同时控制第二相机拍摄一帧图像rba(x,y)，像素大小均为m
×
n；所述上位机，对图像相关性进行计算，当a＞1时，计算第一相机拍摄第a帧图像rfa(x,y)和第a-1帧图像rf
a-1
(x,y)的互相关系数ρ1(x,y)，计算过程遵循：其中，rfa(x,y)代表第一相机拍摄图像的像素灰度，代表第一相机拍摄图像的像素灰度的均值；
计算第一相机拍摄第a帧图像rba(x,y)和第a-1帧图像rb
a-1
(x,y)的互相关系数ρ2(x,y)，计算过程遵循：其中，rba(x,y)代表第二相机拍摄图像的像素灰度，代表第二相机拍摄图像的像素灰度的均值。
6.进一步地，所述上位机还用于将计算得到的图像相关性系数ρ1(x,y)和ρ2(x,y)，分别与图像相关性阈值m1和m2进行对比，当ρ1(x,y)＞m1或ρ2(x,y)＞m2时，认为打印件发生了坍塌，打印件的形态发生了剧烈变化，上位机向微控制器发送停机指令，微控制器控制继电器断开，3d打印机断电停机。
7.一种基于机器视觉的3d打印件坍塌监测方法，该方法包括：在3d打印机两侧分别设置第一相机和第二相机，并调整第一相机和第二相机的焦距和位置，使得两个相机在打印过程中始终能在不同的方向获取完整清晰的打印件图像；通过第一相机和第二相机进行图像采集，每隔时间t，控制第一相机拍摄一帧图像rfa(x,y)，同时控制第二相机拍摄一帧图像rba(x,y)，像素大小均为m
×
n；对图像相关性进行计算，当a＞1时，计算第一相机拍摄第a帧图像rfa(x,y)和第a-1帧图像rf
a-1
(x,y)的互相关系数ρ1(x,y)，计算过程遵循：其中，rfa(x,y)代表第一相机拍摄图像的像素灰度，代表第一相机拍摄图像的像素灰度的均值；计算第一相机拍摄第a帧图像rba(x,y)和第a-1帧图像rb
a-1
(x,y)的互相关系数ρ2(x,y)，计算过程遵循：其中，rba(x,y)代表第二相机拍摄图像的像素灰度，代表第二相机拍摄图像的像素灰度的均值；将计算得到的图像相关性系数ρ1(x,y)和ρ2(x,y)，分别与图像相关性阈值m1和m2进行对比，当ρ1(x,y)＞m1或ρ2(x,y)＞m2时，认为打印件发生了坍塌，打印件的形态发生了剧烈变化，控制3d打印机断电停机。
8.本发明与现有技术相比，有益效果在于：（1）本发明提采用工业相机自动监测3d打印过程，使打印件坍塌情况能尽早被发现，并自动采取停机操作，有效解决了3d打印可能出现的材料浪费问题；（2）本发明通过双相机同时监测打印件在不同位置的状态，检测装置简单，可较好
地适配市面上的3d打印机产品；（3）本发明通过相机相邻两帧图像的相关性来判断打印件是否出现坍塌，解决了传统人工监测成本高的问题。
附图说明
9.图1示出了本发明实施例提供的基于机器视觉的3d打印件坍塌监测装置的结构示意图；图2示出了本发明实施例提供的基于机器视觉的3d打印件坍塌监测方法工作流程图；图3示出了本发明实施例提供的工作流程中相机布置和模型准备过程示意图；图4示出了本发明实施例提供的工作流程中模型生成和3d打印启动过程示意图；图5示出了本发明实施例提供的工作流程中图像采集和坍塌监测过程示意图。
具体实施方式
10.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
11.一种基于机器视觉的3d打印件坍塌监测装置，由第一相机1与上位机3连接，第二相机2与上位机3连接，上位机3与微控制器4连接，微控制器4与继电器5连接构成。
12.如图1所示，由第一相机1与上位机3连接，第二相机2与上位机3连接，第一相机1：用于拍摄3d打印过程中的打印件图像；第二相机2：用于与第一相机1同步拍摄3d打印过程中的打印件图像；上位机3：用于控制第一相机1和第二相机2拍照，获取打印件图像，利用进行打印件坍塌情况的识别；如图1所示，上位机3与微控制器4连接，微控制器4与继电器5连接构成，继电器5与3d打印机相连，控制3d打印机。
13.上位机3：用于向微控制器4发送停机指令；微控制器4：用于接收上位机3发送的停机指令；微控制器4：用于控制继电器5的吸合和断开，进而控制3d打印机的停机；继电器5：用于切断3d打印机的供电，使3d打印机在出现打印件坍塌时断电。
14.第一相机和第二相机进行图像采集，每隔时间t，控制第一相机拍摄一帧图像rfa(x,y)，同时控制第二相机拍摄一帧图像rba(x,y)，像素大小均为m
×
n；上位机对图像相关性进行计算，当a＞1时，计算第一相机拍摄第a帧图像rfa(x,y)和第a-1帧图像rf
a-1
(x,y)的互相关系数ρ1(x,y)，计算过程遵循：其中，rfa(x,
y)代表第一相机拍摄图像的像素灰度，代表第一相机拍摄图像的像素灰度的均值；计算第一相机拍摄第a帧图像rba(x,y)和第a-1帧图像rb
a-1
(x,y)的互相关系数ρ2(x,y)，计算过程遵循：其中，rba(x,y)代表第二相机拍摄图像的像素灰度，代表第二相机拍摄图像的像素灰度的均值。
15.上位机将计算得到的图像相关性系数ρ1(x,y)和ρ2(x,y)，分别与图像相关性阈值m1和m2进行对比，当ρ1(x,y)＞m1或ρ2(x,y)＞m2时，认为打印件发生了坍塌，打印件的形态发生了剧烈变化，上位机向微控制器发送停机指令，微控制器控制继电器断开，3d打印机断电停机。
16.一种基于机器视觉的3d打印件坍塌监测方法，包括以下步骤：在3d打印机两侧分别设置第一相机和第二相机，并调整第一相机和第二相机的焦距和位置，使得两个相机在打印过程中始终能在不同的方向获取完整清晰的打印件图像；通过第一相机和第二相机进行图像采集，每隔时间t，控制第一相机拍摄一帧图像rfa(x,y)，同时控制第二相机拍摄一帧图像rba(x,y)，像素大小均为m
×
n；对图像相关性进行计算，当a＞1时，计算第一相机拍摄第a帧图像rfa(x,y)和第a-1帧图像rf
a-1
(x,y)的互相关系数ρ1(x,y)，计算过程遵循：其中，rfa(x,y)代表第一相机拍摄图像的像素灰度，代表第一相机拍摄图像的像素灰度的均值；计算第一相机拍摄第a帧图像rba(x,y)和第a-1帧图像rb
a-1
(x,y)的互相关系数ρ2(x,y)，计算过程遵循：
17.其中，rba(x,y)代表第二相机拍摄图像的像素灰度，代表第二相机拍摄图像的像素灰度的均值；将计算得到的图像相关性系数ρ1(x,y)和ρ2(x,y)，分别与图像相关性阈值m1和m2进行对比，当ρ1(x,y)＞m1或ρ2(x,y)＞m2时，认为打印件发生了坍塌，打印件的形态发生了剧烈变化，控制3d打印机断电停机。
18.参见图2所示，具体的操作过程包括：（1）相机布置和模型准备，参见图3所示，a、相机安装固定：操作人员将第一相机1和第二相机2分别固定在3d打印机两侧，
分别调整第一相机1和第二相机2的焦距和位置，保证两个相机在打印过程中始终能在不同的方向获取完整清晰的打印件图像。
19.b、相机数据线连接：操作人员将第一相机1和第二相机2分别连接到上位机3上。
20.c、停机装置连接：操作人员将微控制器4和继电器5相连接，将微控制器4连接至上位机3，将继电器5与被监测的3d打印机和打印机供电电源连接。
21.（2）模型生成和3d打印启动，参见图4，a、生成模型并切片：利用零件3d打印件模型数据生成stl模型文件，利用切片软件将数字模型进行切片.b、生成gcode代码：利用切片文件生成3d打印机能够识别的gcode代码。
22.c、设定图像相关性阈值：操作人员通过上位机3设定图像相关性阈值m1和m2。，设定拍照时间间隔t，单位为秒。
23.d、上传gcode代码并启动打印：操作人员将gcode代码上传到3d打印机。
24.（3）图像采集和坍塌监测a、图像采集：每隔时间t，控制第一相机1拍摄一帧图像rfa (x, y)，同时控制第二相机2拍摄一帧图像rba (x, y)，像素大小均为m
ꢀ×ꢀ
n。
25.b、图像相关性计算，参见图5；c、塌陷判断：将计算得到的图像相关性系数ρ1 (x, y)和ρ2 (x, y)，分别与图像相关性阈值m1和m2进行对比。当ρ1 (x, y)＞m1或ρ2 (x, y)＞m2时，认为打印件发生了坍塌，打印件的形态发生了剧烈变化，上位机3向微控制器4发送停机指令，微控制器4控制继电器5断开，3d打印机断电停机，达到防止打印材料浪费的目的。
26.d、重复上述步骤直至打印结束。
27.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于机器视觉的3d打印件坍塌监测装置，其特征在于，该装置包括：第一相机和第二相机，设置在3d打印机两侧，调整第一相机和第二相机的焦距和位置，使得两个相机在打印过程中始终能在不同的方向获取完整清晰的打印件图像；上位机，与第一相机和第二相机连接；微控制器，连接至上位机，将继电器与被监测的3d打印机和打印机供电电源连接。2.按照权利要求1所述的基于机器视觉的3d打印件坍塌监测装置，其特征在于，所述第一相机和第二相机进行图像采集，每隔时间t，控制第一相机拍摄一帧图像rf
a
(x, y)，同时控制第二相机拍摄一帧图像rb
a
(x, y)，像素大小均为m
ꢀ×ꢀ
n；所述上位机，对图像相关性进行计算，当a＞1时，计算第一相机拍摄第a帧图像rf
a
(x, y)和第a-1帧图像rf
a-1 (x, y)的互相关系数ρ
1 (x, y)，计算过程遵循：其中，rf
a (x, y)代表第一相机拍摄图像的像素灰度，代表第一相机拍摄图像的像素灰度的均值；计算第一相机拍摄第a帧图像rb
a
(x, y)和第a-1帧图像rb
a-1 (x, y)的互相关系数ρ2(x, y)，计算过程遵循：其中，rb
a (x, y)代表第二相机拍摄图像的像素灰度，代表第二相机拍摄图像的像素灰度的均值。3.按照权利要求2所述的基于机器视觉的3d打印件坍塌监测装置，其特征在于，所述上位机还用于将计算得到的图像相关性系数ρ
1 (x, y)和ρ
2 (x, y)，分别与图像相关性阈值m1和m2进行对比，当ρ
1 (x, y)＞m1或ρ
2 (x, y)＞m2时，认为打印件发生了坍塌，打印件的形态发生了剧烈变化，上位机向微控制器发送停机指令，微控制器控制继电器断开，3d打印机断电停机。4.一种基于机器视觉的3d打印件坍塌监测方法，其特征在于，该方法包括：在3d打印机两侧分别设置第一相机和第二相机，并调整第一相机和第二相机的焦距和位置，使得两个相机在打印过程中始终能在不同的方向获取完整清晰的打印件图像；通过第一相机和第二相机进行图像采集，每隔时间t，控制第一相机拍摄一帧图像rf
a
(x, y)，同时控制第二相机拍摄一帧图像rb
a
(x, y)，像素大小均为m
ꢀ×ꢀ
n；对图像相关性进行计算，当a＞1时，计算第一相机拍摄第a帧图像rf
a
(x, y)和第a-1帧图像rf
a-1 (x, y)的互相关系数ρ
1 (x, y)，计算过程遵循：
其中，rf
a (x, y)代表第一相机拍摄图像的像素灰度，代表第一相机拍摄图像的像素灰度的均值；计算第一相机拍摄第a帧图像rb
a
(x, y)和第a-1帧图像rb
a-1 (x, y)的互相关系数ρ2(x, y)，计算过程遵循：其中，rb
a (x, y)代表第二相机拍摄图像的像素灰度，代表第二相机拍摄图像的像素灰度的均值；将计算得到的图像相关性系数ρ
1 (x, y)和ρ
2 (x, y)，分别与图像相关性阈值m1和m2进行对比，当ρ
1 (x, y)＞m1或ρ
2 (x, y)＞m2时，认为打印件发生了坍塌，打印件的形态发生了剧烈变化，控制3d打印机断电停机。

技术总结
本发明属于3D打印技术领域，具体而言涉及一种基于机器视觉的3D打印件坍塌监测装置及方法，该装置包括：第一相机和第二相机，设置在3D打印机两侧，调整第一相机和第二相机的焦距和位置，使得两个相机在打印过程中始终能在不同的方向获取完整清晰的打印件图像；上位机，与第一相机和第二相机连接；微控制器，连接至上位机，将继电器与被监测的3D打印机和打印机供电电源连接。使打印件坍塌情况能尽早被发现，并自动采取停机操作，有效解决了3D打印可能出现的材料浪费问题。能出现的材料浪费问题。能出现的材料浪费问题。


技术研发人员：闫钰锋 闫镜伊 白素平 于信 才存良
受保护的技术使用者：长春理工大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/10/6