基于机器视觉的3D打印成型质量检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于机器视觉的3D打印成型质量检测系统及方法。工件放置平台上装有旋转平台，旋转平台上放3D打印产品，图像采集装置通过通信设备连接上位机，工件放置平台下方设有背光源；旋转平台包括上下平行布置的上板和下板，中心轴底端固定连接在下板的中心，中心轴外套设有平面轴承，平面轴承夹设在上板和下板之间，在上板和下板的边缘之间沿圆周间隔均布安装有若干滚动部件；方法包括用面阵相机采集3D打印成品的表面图像，经图像采集卡输入至上位机进行图像预处理；经图像进行分析，通过图像分析进行轮廓缺陷检测或者表面缺陷检测。本发明专利技术能够实现对3D打印产品质量的快速检测，检测精度高，提高了工件的合格率。

【技术实现步骤摘要】
基于机器视觉的3D打印成型质量检测系统及方法
本专利技术涉及信息图像处理领域，尤其是一种3D打印成型质量检测系统及检测方法。
技术介绍
3D打印即快速成型技术的一种，它是一种以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。该技术在珠宝、鞋类、工业设计、建筑、工程和施工(AEC)、航空航天、牙科和医疗产业、教育、地理信息系统、土木工程以及其他领域都有所应用。3D打印机打印出的产品需要进行质量检测，目前市面上缺少能够有效地对3D打印产品进行质量检测的装置和方法，由于3D打印产品具有很强的个性化特征，以前用于流水线产品检测方案不适用于个性化的3D打印产品检测，现有技术中的质量检测装置结构复杂、操作繁琐，检测效率低、精度低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于机器视觉的3D打印成型质量检测系统及方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一、一种基于机器视觉的3D打印成型质量检测系统：系统包括工件放置平台、图像采集装置和上位机，工件放置平台上安装有旋转平台，旋转平台上放置3D打印产品，图像采集装置置于3D打印产品的正上方，图像采集装置通过通信设备连接上位机，工件放置平台下方设有背光源。所述图像采集装置包括相机固定台、工业相机和图像采集卡，工业相机和图像采集卡均安装在相机固定台上，工业相机固定安装在相机固定台底面并朝向旋转平台上的3D打印产品，工业相机经图像采集卡连接到通信设备；所述图像采集卡上设有信号输入接口、信号处理模块、CPU和信号输出接口，信号输入接口一端连接工业相机，信号输入接口另一端依次经信号处理模块、CPU连接信号输出接口，信号处理模块上设有图像解码芯片；所述旋转平台包括上下平行布置的上板和下板，上板的中心和下板的中心同轴对齐且通过中心轴连接，中心轴底端固定连接在下板的中心，中心轴顶端与上板中心沉孔之间通过深沟轴承铰接，中心轴外套设有平面轴承，平面轴承夹设在所述上板和下板之间以轴向辅助支撑上板和下板，在上板和下板的边缘之间沿圆周间隔均布安装有若干滚动部件，每个滚动部件接触到上板底面，滚动部件底部通过固定件固定在下板上。所述背光源包括有两条条形光源，两条形光源平行放置，两者之间距离为10-15cm，距离工件放置平台5-8cm；两条条形光源均电连接标准线性光源模拟电流控制器，通过标准线性光源模拟电流控制器调节条形光源的亮度。二、一种基于机器视觉的3D打印成型质量检测方法，其特征在于方法的步骤是：步骤1)用面阵相机采集3D打印成品的表面图像，经图像采集卡输入至上位机，使用图像处理模块进行图像预处理；步骤2)经预处理后的图像进入分析及数据库匹配模块进行分析，通过图像分析进行轮廓缺陷检测或者表面缺陷检测；表面缺陷检测是判断3D打印成品表面是否存在表面缺陷包括竖纹缺陷和横纹缺陷。轮廓缺陷检测是将成品轮廓与数据库中打印件的设定轮廓进行匹配，得到两者的匹配程度。步骤3)多次转动旋转平台，采集3D打印成品多方位的图像，重复步骤2)，对3D打印成品所有表面进行检测。具体实施若存在表面缺陷或轮廓缺陷之一，则通过显示器显示“成品不合格”，上位机发出报警信号；若无缺陷，则显示“成品合格”。所述步骤1)中的预处理，具体包括以下步骤：步骤1.1)：图像灰度化，把RGB三通道数据的彩色图像变为单通道数据的灰度图像，根据加权平均值法得到灰度图像；步骤1.2)：图像增强，对原图像变换数据突出图像中轮廓特征，去除图像中不需要的纹理特征；步骤1.3)：图像滤波，用序贯滤波对图像进行处理，然后进行融合处理，具体公式如下：t(x,y)＝max(ga(x,y),gb(x,y),gc(x,y),gd(x,y))其中，t(x,y)为融合后的图像在坐标点(x,y)处的灰度值，ga(x,y)、gb(x,y)、gc(x,y)、gd(x,y)分别为水平、45度、垂直、135度方向的序贯滤波结果图在坐标点(x,y)处的灰度值(k＝0.5,k的值控制着滤波的程度，k取得过小，则去噪不完全，取得过大又会导致图像模糊，k值在实验中反复比较确定)；本专利技术采用了序贯滤波方法，能融合各个方向的图像信息，对采集到的成品表面图像进行处理时，在抑制噪声的同时能保持缺陷的边缘信息。步骤1.4)：图像二值化，把256个亮度等级的灰度图像通过阈值选取而获得反映图像整体和局部特征的二值化图像，使用基于直方图的自适应阈值分割来获得二值图像。所述步骤2)中的轮廓缺陷检测，具体包括以下几个步骤：步骤2.1)对待测3D打印成品的图像和3D标准模型的模型图像进行预处理，从背景中分割出目标区域，将灰度图像转换为二值图像；步骤2.2)提取目标的轮廓边缘，计算轮廓边缘的中心矩mst；步骤2.3)对两幅图像的中心矩归一化处理得到s+t阶归一化中心矩ust，然后计算出三个Hu不变矩N1～N3，构成成品图像和标准模型图像中轮廓的特征向量，对于大小为A×B的数字图像，计算公式为：ust＝mst/(m00q)，q＝(s+t)/2+1，s+t＝2,3,4…N1＝u20+u02,N2＝(u20-u02)2+4*u112,N3＝(u30-3*u12)2+(u03-3*u21)2其中，A表示图像的横向尺寸长度，B表示图像的纵向尺寸长度，mst为s+t阶中心距，ust为s+t阶归一化中心矩，s和t分别为第一、第二中心矩计数，s和t均为非负整数，q为非负常数，u02、u20、u11分别为第一、第二、第三二阶中心矩，u03、u30、u12、u21分别为第一、第二、第三、第四三阶中心矩；f(x,y)表示图像在像素点(x,y)处的灰度值，(x,y)为图像像素点的坐标，为图像的质心坐标，N1,N2,N3为第一、第二、第三Hu不变矩；步骤2.4)计算成品图像和标准模型图像之间三个Hu不变矩N1-N3各自之间的欧式距离M，共计三个欧式距离M，即为成品图像和标准模型图像的Hu不变矩N1之间的欧式距离、成品图像和标准模型图像的Hu不变矩N2之间的欧式距离、成品图像和标准模型图像的Hu不变矩N3之间的欧式距离，再做以下判断：若三个欧式距离M均小于距离阈值F，具体实施中距离阈值设为F＝1.1，则认为无轮廓缺陷，否则有轮廓缺陷。所述步骤2)中表面缺陷检测，包括以下几个步骤：步骤2.1)：对滤波后的成品图像沿图像的纵向方向投影得到一个一维的第一数组A，第一数组A的大小等于图像的宽度；步骤2.2)：对数组A进行轻度滤波，得到一维的第二数组B1，第二数组B1的大小等于图像的宽度，目的是去除一些毛刺，避免出现误判；步骤2.3)：对数组A进行重度滤波，得到一维的第三数组B2，第二数组B2的大小等于图像的宽度，以第三数组B2的每一个值表示该值在第一数组A中对应相同位置的数值为中心的一个邻域内的均值；所述的步骤2.2和步骤2.3里的轻度滤波和重度滤波，采用一维均值滤波，本检测系统轻度滤波中的滤波模板核T的大小设为9，重度滤波中的滤波模板核T的大小设为21。步骤2.4)：对第二数组B1与第三数组B2作差处理，得到一维的第四数组C，第四数组C的大小等于图像的宽度，第四数组C中的数值有正有负，正值表示第四数组C的数值在第一数组A中对应相同位置的数值比第一数组A中邻域内的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于机器视觉的3D打印成型质量检测系统，其特征在于：包括工件放置平台(1)、图像采集装置和上位机(2)，工件放置平台(1)上安装有旋转平台(26)，旋转平台(26)上放置3D打印产品(3)，图像采集装置置于3D打印产品(3)的正上方，图像采集装置通过通信设备(4)连接上位机(2)，工件放置平台(1)下方设有背光源(5)。

【技术特征摘要】
1.一种基于机器视觉的3D打印成型质量检测系统，其特征在于：包括工件放置平台(1)、图像采集装置和上位机(2)，工件放置平台(1)上安装有旋转平台(26)，旋转平台(26)上放置3D打印产品(3)，图像采集装置置于3D打印产品(3)的正上方，图像采集装置通过通信设备(4)连接上位机(2)，工件放置平台(1)下方设有背光源(5)。2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的3D打印成型质量检测系统，其特征在于：所述图像采集装置包括相机固定台(6)、工业相机(7)和图像采集卡(8)，工业相机(7)和图像采集卡(8)均安装在相机固定台(6)上，工业相机(7)固定安装在相机固定台(6)底面并朝向旋转平台(26)上的3D打印产品(3)，工业相机(7)经图像采集卡(8)连接到通信设备(4)；所述图像采集卡(8)上设有信号输入接口(9)、信号处理模块(10)、CPU(11)和信号输出接口(12)，信号输入接口(9)一端连接工业相机(7)，信号输入接口(9)另一端依次经信号处理模块(10)、CPU(11)连接信号输出接口(12)，信号处理模块(10)上设有图像解码芯片。3.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的3D打印成型质量检测系统，其特征在于：所述旋转平台(26)包括上下平行布置的上板(19)和下板(20)，上板(19)的中心和下板(20)的中心同轴对齐且通过中心轴(21)连接，中心轴(21)底端固定连接在下板(20)的中心，中心轴(21)顶端与上板(19)中心沉孔之间通过深沟轴承(22)铰接，中心轴(21)外套设有平面轴承(23)，平面轴承(23)夹设在所述上板(19)和下板(20)之间以轴向辅助支撑上板(19)和下板(20)，在上板(19)和下板(20)的边缘之间沿圆周间隔均布安装有若干滚动部件(24)，每个滚动部件(24)接触到上板(19)底面，滚动部件(24)底部通过固定件(25)固定在下板(20)上。4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉的3D打印成型质量检测系统，其特征在于：所述背光源(5)包括有两条条形光源(13)，两条形光源平行放置，两者之间距离为10-15cm，距离工件放置平台(1)5-8cm；两条条形光源(13)均电连接标准线性光源模拟电流控制器(14)，通过标准线性光源模拟电流控制器(14)调节条形光源(13)的亮度。5.应用于权利要求1所述系统的一种基于机器视觉的3D打印成型质量检测方法，其特征在于方法的步骤是：步骤1)用面阵相机(7)采集3D打印成品的表面图像，经图像采集卡(8)输入至上位机(2)进行图像预处理；步骤2)经预处理后的图像进行分析，通过图像分析进行轮廓缺陷检测或者表面缺陷检测；步骤3)多次转动旋转平台(26)，采集3D打印成品多方位的图像，重复步骤2)，对3D打印成品所有表面进行检测。6.根据权利要求5所述的一种基于机器视觉的3D打印成型质量检测方法，其特征在于：所述步骤1)中的预处理，具体包括以下步骤：步骤1.1)：图像灰度化，把RGB三通道数据的彩色图像变为单通道数据的灰度图像，根据加权平均值法得到灰度图像；步骤1.2)：图像增强，对原图像变换数据突出图像中轮廓特征，去除图像中不需要的纹理特征；步骤1.3)：图像滤波，用序贯滤波对图像进行处理，然后进行融合处理，具体公式如下：t(x,y)＝max(ga(x,y),gb(x,y),gc(x,y),gd(x,y))其中，t(x,y)为融合后的图像在坐标点(x,y)处的灰度值...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙坚，邹睿，徐红伟，钟邵俊，陆城炜，王凯，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33