本發(fā)明屬于增材制造技術領域，具體涉及一種鋪粉質量監(jiān)控方法，還涉及一種鋪粉成形質量的增材制造設備。

背景技術：

增材制造技術是基于三維CAD模型數(shù)據(jù)，通過增加材料逐層制造的方式，以計算機三維設計模型為藍本，通過軟件分層和數(shù)控成形系統(tǒng)，利用高能束將材料進行逐層堆積，最終疊加成形，制造出有特定幾何形狀零件的一種技術手段。增材制造的工藝方法有很多種，主要分為基于送粉方式和基于鋪粉方式的制造方法。鋪粉裝置循環(huán)往復的鋪設成形粉末，結合成形平臺的不斷下降及高能束的掃描成形，逐漸堆疊成形三維零件。

鋪粉裝置在鋪粉過程中，會因為循環(huán)氣體的不穩(wěn)定性、成形平臺的精度差、成形參數(shù)的不完美、刮刀刮蹭成形零件等原因，造成鋪粉裝置在循環(huán)往復的鋪粉過程中，成形粉末未能完全覆蓋成形區(qū)域，進而造成成形零件的區(qū)域內出現(xiàn)不斷重復成形掃描的情況，從而影響成形零件的質量，情況嚴重時，甚至會造成成形零件的掃描成形的失敗。在現(xiàn)有的掃描成形技術中，增材制造設備無法實時監(jiān)測鋪粉的質量，當上述情況無法得到及時的發(fā)現(xiàn)及處理時，就有可能出現(xiàn)影響成形零件的掃描成形質量的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種鋪粉質量監(jiān)控方法，在每層鋪粉結束后對鋪粉質量進行監(jiān)控，解決了現(xiàn)有鋪粉方法無法實時監(jiān)測鋪粉的過程及鋪粉質量的問題。

本發(fā)明的另一個目的是提供一種用于監(jiān)控鋪粉質量的增材制造設備。

本發(fā)明所采用的一個技術方案是，一種鋪粉質量監(jiān)控方法，在當前層鋪粉完成后，通過設置在成形平臺上方的攝像機拍攝成形區(qū)域的照片，獲取由成形粉末覆蓋的整個成形平臺的整體灰度值信息，若該灰度值和預先設定的灰度閾值的差值在誤差允許的范圍內，則鋪粉成功，若誤差允許的范圍內，增材制造設備停止鋪粉工作。

進一步，該方法包括以下步驟：

步驟1，獲取當前層圖像

在當前層粉末鋪設完成后，通過攝像機拍攝成形平臺區(qū)域的照片；

步驟2、當前層圖像處理

基于遺傳算法的最大類間方差圖像分割算法對拍攝的照片進行圖像分割處理，并取得成形平臺區(qū)域的整體灰度值A；使用同類成形粉末鋪設成形平臺，并進行大量實驗，由攝像機采集粉末鋪設成功時的照片，計算其平均灰度值，定義為平均灰度閾值B；

步驟3、判斷鋪粉是否成功

如果整體灰度值A與平均灰度閾值B的差值在誤差允許的范圍內，判斷鋪粉成功，增材制造設備繼續(xù)執(zhí)行成形掃描的工作；否則，判斷鋪粉失敗，增材制造設備停止相應的成形掃描工作，待人工處理完故障，再開始成形掃描的工作。

為了進一步判斷鋪粉失敗的原因，當整體灰度值A與平均灰度閾值B的差值超出誤差允許的范圍時，提取拍攝照片中成形平臺區(qū)域的灰度值異常區(qū)域，并將該灰度值異常區(qū)域的灰度閾值定義為C，將灰度值異常區(qū)域的灰度閾值C與平均灰度閾值B進行比較，判斷鋪粉失敗的原因：

如果C小于B，鋪粉失敗可能是由于大顆粒附著、刮刀刮蹭零件等原因導致，也可能是粉少導致；

如果C大于B，鋪粉失敗是由于刮刀架落粉槽中積粉過多導致。

上述灰度值異常區(qū)域的提取使用使用灰度閾值分割法。

本發(fā)明所采用的另一個技術方案是，一種用于監(jiān)控鋪粉質量的增材制造設備，包括位于成形平臺區(qū)域上方的拍攝裝置，拍攝裝置與計算機相連。

進一步，拍攝裝置為攝像機。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明的監(jiān)控方法能對鋪粉質量進行實時監(jiān)控，以便操作人員隨時了解鋪粉質量狀況，及時發(fā)現(xiàn)問題，消弱甚至消除了因無法實時監(jiān)測鋪粉的過程及鋪粉的質量，造成的鋪粉質量差、零件的成形失敗等問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明監(jiān)控鋪粉質量的增材制造設備的結構示意圖；

圖2是本發(fā)明鋪粉質量監(jiān)控方法的原理流程圖。

圖中，1.成形室平面，2.攝像機，3.工控機，4.鋪粉平面，5.攝像機采集成形圖像區(qū)域，6.刮刀。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步的詳細說明，但本發(fā)明并不限于這些實施方式。

本發(fā)明所使用的裝置如圖1所示，在成形室平面1上方正中央位置設置有一個攝像機2，攝像機2通過與控制成形的工控機3連接。攝像機2能夠采集到的成形圖像區(qū)域5包含整個鋪粉平面4。

在當前層鋪粉完成后，通過攝像機拍攝成形區(qū)域的照片，獲取由成形粉末覆蓋的整個成形平臺的整體灰度值信息，若該灰度值和灰度閾值的差值在誤差允許的Δ范圍內，則鋪粉成功，若否，增材制造設備停止鋪粉工作。

該方法如圖2所示，具體按照以下步驟實施：

步驟1，獲取當前層圖像

在成形掃描完一層以后，刮刀6開始鋪設下一層成形粉末，待鋪粉完成后，通過攝像機拍攝成形平臺區(qū)域的照片。

步驟2、當前層圖像處理

將其通過預先安裝在工控機上的相應的圖像信息處理軟件進行圖像分割處理，并取得灰度值信息。該圖像分割技術使用的是基于遺傳算法的最大類間方差圖像分割算法。其分割速度快，輪廓區(qū)域分割明顯，分割質量高，能更好的達到預期的圖像分割目的。

假設由攝像機所拍攝的照片的成形平臺區(qū)域的整體灰度值為A，并將其傳送至計算機中。使用同類成形粉末鋪設成形平臺，并進行大量實驗，由攝像機采集粉末鋪設成功時的照片，計算其平均灰度值，定義為平均灰度閾值B，并儲存在計算機中。

最大類間方差(OTSU)的公式推導如下：

記t為前景與背景的分割閾值，前景點數(shù)占圖像比例為w0，平均灰度為u0；背景點數(shù)占圖像比例為w1，平均灰度為u1。

則圖像的總平均灰度為：u＝w0*u0+w1*u1

前景和背景圖像的方差：g＝w0*(u0-u)*(u0-u)+w1*(u1-u)(u1-u),此公式為方差公式。

當方差g最大時，可以認為此時前景和背景差異最大，此時的灰度t是最佳閾值為w1*w2*(u1-u0)*(u0-u1)。

步驟3、判斷鋪粉是否成功

如果由攝像機所拍攝的照片中成形平臺區(qū)域的整體灰度值A與平均灰度閾值B的差值在誤差允許的Δ范圍內，判斷鋪粉成功，增材制造設備則繼續(xù)執(zhí)行成形掃描的工作。否則，判斷鋪粉失敗，增材制造設備就會發(fā)出相應的警報，暫定或停止相應的成形掃描工作，待人工處理完故障，消除警報之后，才可以再次開始成形掃描的工作。

為了進一步判斷鋪粉失敗的原因，當出現(xiàn)整體灰度值A與平均灰度閾值B的差值不在誤差允許的Δ范圍內時，可以使用灰度閾值分割算法，提取拍攝照片中成形平臺區(qū)域的灰度值異常區(qū)域，并將該灰度值異常區(qū)域的灰度閾值定義為C，傳送至計算機中。

將灰度值異常區(qū)域的灰度閾值C與平均灰度閾值B進行比較：

(1)如果C小于B。

a)此灰度異常區(qū)域可能為或連續(xù)或間斷的帶狀區(qū)域，由此可判斷，此種情況是大顆粒附著、刮刀刮蹭零件等原因導致。當出現(xiàn)這種情況時，必須人為干預，待問題解決后才能再次進行成形掃描的工作。

b)此灰度異常區(qū)域也可能為連續(xù)或間斷的片狀區(qū)域，由此可判斷，此種情況是粉少導致。當出現(xiàn)這種情況時，上位機軟件需及時對落粉桶里成形粉末的儲備進行判斷，進一步確認成形粉末的儲備是否充足，如果儲備充足，那就應該是送粉裝置異常。如果成形粉末的儲備已經(jīng)不足以支撐接下來的成形掃描工作，增材制造設備的成形掃描工作同樣會終止。

無論出現(xiàn)以上兩種情況的哪種問題，PLC均會將錯誤信息傳送至上位機軟件，上位機軟件會進一步彈出錯誤窗口，提示有可能的錯誤原因及相應的處理建議，以幫助增材制造設備操作人員排查問題，解決故障。

(2)如果C大于B。

此種原因是刮刀架落粉槽中積粉過多，導致成形掃描當前層鋪設的成形粉末超過了預設的成形層厚。當出現(xiàn)此種情況時，PLC會將報警信息傳送至上位機軟件，上位機軟件同樣會彈出警報窗口，以提示當前的警報情況，待當前層成形掃描完成后，上位機軟件會自動由工作狀態(tài)進入到暫停狀態(tài)，此時，需要人為干預，即由增材制造設備操作人員手動清粉及重新落粉，并調整自動工作狀態(tài)的落粉量，以便增材制造設備能夠更好的將成形掃描工作進行下去。

待處理完故障、消除報警信息后，重新鋪粉并再次采用本發(fā)明方法對鋪粉質量進行監(jiān)控，直到鋪粉成功，再進行下一層的成形掃描工作。