本发明提供了一种在增材制造过程中实时监控零件形状的方法，其包括步骤：提供打印零件的加工区域；在加工区域外部设置三维激光扫描处理系统，包括激光扫描仪、数据处理器、计算机；在加工平台的上表面、防护罩的内侧面上布置反光标记物；逐层打印零件，激光扫描仪实时对已打印零件的各个表面进行扫描并获得已打印零件的各个表面的点云数据以及各反光标记物的空间位置信息；数据处理器对点云数据进行数据处理并在计算机中实时呈现出已打印零件的三维实体模型；观察并分析已打印零件的三维实体模型的当前形状。从而可获得已打印零件的当前形状的变形情况，因此可以用于指导在后续加工过程中如何调整工艺参数，有助于提高零件的尺寸精度。
1.一种在增材制造过程中实时监控零件形状的方法，其特征在于，包括步骤：S1，提供用于打印零件的加工区域(1)，加工区域(1)包括加工平台(11)和套设于加工平台(11)外部的透明防护罩(12)；
S2，在加工区域(1)外部设置三维激光扫描处理系统(2)，其中，三维激光扫描处理系统(2)包括激光扫描仪(21)、通信连接于激光扫描仪(21)的数据处理器以及安装数据处理器的计算机(22)；
S3，在加工平台(11)的上表面以及透明防护罩(12)在周向上相邻的两个内侧面上布置反光标记物(3)并对反光标记物(3)的布置形式进行校准；
S4，采用激光熔敷喷头(5)在加工平台(11)上开始逐层打印零件，在各层零件的打印过程中，采用激光扫描仪(21)实时对已打印零件(4)的各个表面进行扫描并获得已打印零件(4)的各个表面的点云数据以及各反光标记物(3)的空间位置信息；
S5，数据处理器基于对应的反光标记物(3)的空间位置信息对已打印零件(4)的各个表面的点云数据进行坐标归一化和消除冗余数据处理，从而将所有的点云数据拼接到一起并在计算机(22)中实时呈现出已打印零件(4)的三维实体模型；以及S6，观察并分析计算机(22)中实时呈现出的已打印零件(4)的三维实体模型的当前形状。
2.根据权利要求1所述的在增材制造过程中实时监控零件形状的方法，其特征在于，在步骤S3中，包括步骤：S31，在加工平台(11)的上表面以及透明防护罩(12)的内侧面上布置反光标记物(3)并将测试试样置于加工平台(11)上；
S32，采用激光扫描仪(21)对测试试样进行扫描并获得测试试样的各个表面的点云数据以及各反光标记物(3)的空间位置信息；
S34，数据处理器基于对应的反光标记物(3)的空间位置信息对测试试样的各个表面的点云数据进行拼接计算以在计算机(22)中呈现出测试试样的三维实体模型；
S35，基于计算机(22)中呈现出的测试试样的三维实体模型的质量调整反光标记物(3)的布置形式；以及S36，移走测试试样。
3.根据权利要求1所述的在增材制造过程中实时监控零件形状的方法，其特征在于，激光扫描仪(21)包括激光发射器(211)和两个工业相机(212)。
4.根据权利要求3所述的在增材制造过程中实时监控零件形状的方法，其特征在于，各工业相机(212)为CCD相机或CMOS相机。
5.根据权利要求1所述的在增材制造过程中实时监控零件形状的方法，其特征在于，各反光标记物(3)由反光材料制成。
6.根据权利要求1所述的在增材制造过程中实时监控零件形状的方法，其特征在于，反光标记物(3)粘贴于在加工平台(11)的上表面以及透明防护罩(12)的内侧面上。
7.根据权利要求1所述的在增材制造过程中实时监控零件形状的方法，其特征在于，还包括步骤：S7，建立理想的预打印零件(6)的三维实体模型；以及
S8，采用逆向校核软件计算出已打印零件(4)的三维实体模型与预打印零件(6)的三维实体模型之间的尺寸偏差。
8.根据权利要求7所述的在增材制造过程中实时监控零件形状的方法，其特征在于，在步骤S8中，包括步骤：S71，将已打印零件(4)的三维实体模型和预打印零件(6)的三维实体模型导入逆向校核软件中；
S72，在逆向校核软件中，将已打印零件(4)的三维实体模型与预打印零件(6)的三维实体模型在同一坐标系下进行匹配以使已打印零件(4)的三维实体模型与预打印零件(6)的三维实体模型重合；以及S73，逆向校核软件计算并给出已打印零件(4)的三维实体模型与预打印零件(6)的三维实体模型之间的尺寸偏差。
9.根据权利要求7所述的在增材制造过程中实时监控零件形状的方法，其特征在于，还包括步骤：S9，调整增材制造技术所使用的工艺参数并继续打印零件。
在增材制造过程中实时监控零件形状的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及增材制造技术领域，尤其涉及一种在增材制造过程中实时监控零件形状的方法。
背景技术
[0002] 增材制造技术作为战略性新兴产业，各国均高度重视并积极推广该技术。当前金属增材制造技术主要用于传统方法难以制备的大型复杂零件。增材制造的原理是在计算机中将预设的三维模型分成若干层，通过3D打印设备在一个平面上按照分层的三维模型，将塑料、金属等材料烧结或者黏合在一起，然后再一层一层的叠加起来，通过每一层不同的图形的累积，最后形成一个三维物体。
[0003] 然而在实际的增材制造加工过程中，通过增材制造直接成形的零件的尺寸形貌很难和预设的三维模型保持一致，两者之间存在较大的偏差。最终成形零件的形状和预先设计的三维模型之间的偏差由两部分组成：一是在加工过程中由于多个工艺参数耦合不匹配造成的零件长度、高度、宽度方向的加工误差；二是由于已成形零件在后续增材过程中剧烈的、循环加热/冷却条件下导致的零件内产生分布及演化极其复杂的内应力，当内应力超过材料的屈服强度时，会造成零件不可恢复的塑性变形。以上两个因素共同影响零件的尺寸精度并会使成形零件发生翘曲，甚至在内应力作用下出现开裂现象，最终导致成形零件无法使用。
[0004] 为了尽可能减小成形零件与预设的三维模型之间的偏差，避免后续机加工及热矫正变形等措施，在增材制造过程中进行实时监控是解决该问题的有效措施，通过实时监控，当出现形状偏差或者前兆情况时，可以及时调整工艺参数。另外，增材制造不同部位、高度时，工艺参数也应该做适当的调整。然而，在成形过程中的实时监控方法目前还比较缺乏，主要有以下两种：(1)普遍采用热电偶在加工过程中实时监测成形过程中的温度场；(2)在增材制造过程中对基板的变形进行实时测量，其采用激光位移传感器并结合自主设计的装置测量悬臂约束下基板在实际增材过程中背面若干点的位移，从而反应基板在整个过程的翘曲变形情况。
[0005] 然而，由于随着加工的进行，熔池不断远离测温点，导致温度监控不准确。而采用位移传感器只能针对某个方向上的有限点进行动态实时变形测量。特别是当前所有实时变形测量方法只能测量基板的变形情况。因此，到目前为止，在增材制造过程中并未有针对零件变形的实时测量及在线监控方法。
发明内容
[0006] 鉴于背景技术中存在的问题，本发明的一个目的在于提供一种在增材制造过程中实时监控零件形状的方法，其能在增材制造过程中直接、实时获得已打印零件的形状，有助于指导在后续加工过程中如何调整工艺参数。
[0007] 本发明的另一个目的在于提供一种在增材制造过程中实时监控零件形状的方法，其能基于在增材制造过程中实时获得的已打印零件的形状给出当前已打印零件形状的具体形状偏差值，有助于快速调整工艺参数，从而减小了在后续加工过程中零件的形状偏差，提高了零件的尺寸精度。
[0008] 为了实现上述目的，本发明提供了一种在增材制造过程中实时监控零件形状的方法，其包括步骤：S1，提供用于打印零件的加工区域，加工区域包括加工平台和套设于加工平台外部的透明防护罩；S2，在加工区域外部设置三维激光扫描处理系统，其中，三维激光扫描处理系统包括激光扫描仪、通信连接于激光扫描仪的数据处理器以及安装数据处理器的计算机；S3，在加工平台的上表面以及透明防护罩的内侧面上布置反光标记物并对反光标记物的布置形式进行校准；S4，采用激光熔敷喷头在加工平台上开始逐层打印零件，在各层零件的打印过程中，采用激光扫描仪实时对已打印零件的各个表面进行扫描并获得已打印零件的各个表面的点云数据，以及各反光标记物的空间位置信息；S5，数据处理器基于对应的反光标记物的空间位置信息对已打印零件的各个表面的点云数据进行数据处理并在计算机中实时呈现出已打印零件的三维实体模型；以及S6，观察并分析计算机中实时呈现出的已打印零件的三维实体模型的当前形状。
[0009] 本发明的有益效果如下：
[0010] 在根据本发明的在增材制造过程中实时监控零件形状的方法中，基于三维激光扫描处理系统的激光扫描仪对已打印零件的各个表面的激光扫描以及数据处理器对激光扫描仪获得的已打印零件的各个表面的点云数据的数据处理，从而能够在计算机中实时重构出已打印零件的三维实体模型，之后通过观察和分析已打印零件的三维实体模型，即可获得已打印零件的当前形状的变形情况。针对已打印零件的当前形状的变形情况，可以用于指导在后续加工过程中如何调整工艺参数，从而有助于提高零件的尺寸精度。
附图说明
[0011] 图1是根据本发明的在增材制造过程中实时监控零件形状的方法所采用的监控装置的示意图。
[0012] 图2是在增材制造过程中的某一时刻监控到的已打印零件的当前形状的变形情况。
[0013] 图3是理想的预打印零件的三维实体模型的主视图。
[0014] 图4是某一时刻监控到的已打印零件的当前形状与理想的预打印零件的三维实体模型的对比图。
[0015] 其中，附图标记说明如下：
[0016] 1加工区域 212工业相机
[0017] 11加工平台 22计算机
[0018] 12透明防护罩 3反光标记物
[0019] 2三维激光扫描处理系统 4已打印零件
[0020] 21激光扫描仪 5激光熔敷喷头
[0021] 211激光发射器 6预打印零件
具体实施方式
[0022] 下面参照附图来详细说明根据本发明的在增材制造过程中实时监控零件形状的方法。
[0023] 参照图1，根据本发明的在增材制造过程中实时监控零件形状的方法包括步骤：S1，提供用于打印零件的加工区域1，加工区域1包括加工平台11和套设于加工平台11外部的透明防护罩12；S2，在加工区域1外部设置三维激光扫描处理系统2，其中，三维激光扫描处理系统2包括激光扫描仪21(包括激光发射器211和工业相机212)、通信连接于激光扫描仪21的数据处理器以及安装数据处理器的计算机22；S3，在加工平台11的上表面以及透明防护罩12的内侧面上布置反光标记物3并对反光标记物3的布置形式(包括反光标记物的数量以及相邻两个反光标记物的间距)进行校准；S4，采用激光熔敷喷头5在加工平台11上开始逐层打印零件，在各层零件的打印过程中，采用激光扫描仪21实时对已打印零件4的各个表面进行扫描并获得已打印零件4的各个表面的点云数据，以及各反光标记物3的空间位置信息(即三维坐标)；S5，数据处理器基于对应的反光标记物3的空间位置信息对已打印零件
4的各个表面的点云数据进行数据处理并在计算机22中实时呈现出已打印零件4的三维实体模型；以及S6，观察并分析计算机22中实时呈现出的已打印零件4的三维实体模型的当前形状。
[0024] 其中，三维激光扫描处理系统2在工作时，激光扫描仪21的激光发射器211将激光线(可为红色激光线)照射到已打印零件4上并通过调整激光扫描仪21的位置进行多次扫描以使已打印零件4的各个表面依次被激光线照射，且由于已打印零件4的各个表面的曲率不同，激光线照射在已打印零件4的各个表面上时都会发生反射和折射，而所有激光线照射到已打印零件4上且在已打印零件4的各个表面上发生反射和折射的瞬间均被激光扫描仪21的工业相机212实时捕捉到，从而使得激光扫描仪21能够采集到已打印零件4的各个表面的点云数据。与此同时，由于各反光标记物3在激光线照射时也会反射对应的激光线且会被工业相机212实时捕捉到，从而使得激光扫描仪21同时能够采集到各反光标记物3的空间位置信息。
[0025] 这里补充说明的是，针对激光扫描仪21在某一位置的扫描，激光扫描仪21只能获得某一角度的单块点云数据，而在各层零件的打印过程中，需要通过调整激光扫描仪21的位置以进行多次扫描才能获得已打印零件4的所有表面的点云数据。因而，在各层零件的打印过程中，激光扫描仪21获得的是一系列单块点云数据。
[0026] 数据处理器在对激光扫描仪21所获得的一系列单块点云数据进行数据处理前，需要首先识别出各反光标记物3，然后基于对应的反光标记物3的空间位置信息将所述一系列单块点云数据进行坐标归一化和消除冗余数据处理，从而将所有的点云数据拼接到一起并在计算机22中呈现出已打印零件4的三维实体模型。
[0027] 因此，在根据本发明的在增材制造过程中实时监控零件形状的方法中，基于三维激光扫描处理系统2的激光扫描仪21对已打印零件4的各个表面的激光扫描以及数据处理器对激光扫描仪21获得的已打印零件4的各个表面的点云数据的数据处理，从而能够在计算机22中实时重构出已打印零件4的三维实体模型，之后通过观察和分析已打印零件4的三维实体模型，即可获得已打印零件4的当前形状的变形情况。针对已打印零件4的当前形状的变形情况(参照图2)，可以用于指导在后续加工过程中如何调整工艺参数，从而有助于提高零件的尺寸精度。
[0028] 具体地，在图2中，可以看到已打印零件4的两端位置明显高于中间区域，而产生这种现象的原因可能是工艺参数不匹配或者是由于热变形导致，因此需要及时调整工艺参数以在后续加工过程中对中间区域进行补偿，从而最终获得具有更高尺寸精度的零件。所以，本发明的在增材制造过程中实时监控零件形状的方法在工程上的推广应用具有极其重要的作用。
[0029] 在步骤S3中，当在加工平台11的上表面以及透明防护罩12的内侧面上布置反光标记物3后，为了保证后续在各层零件的打印过程中，三维激光扫描处理系统2能够快速且清晰的在计算机22中重构出已打印零件4的三维实体模型，需要对反光标记物3的布置形式进行校准。
[0030] 因而，在步骤S3中，具体可包括步骤：S31，在加工平台11的上表面以及透明防护罩12的内侧面上布置反光标记物3并将测试试样置于加工平台11上；S32，采用激光扫描仪21对测试试样进行扫描并获得测试试样的各个表面的点云数据以及各反光标记物3的空间位置信息；S34，数据处理器基于对应的反光标记物3的空间位置信息对测试试样的各个表面的点云数据进行数据处理并在计算机22中呈现出测试试样的三维实体模型；S35，基于计算机22中呈现出的测试试样的三维实体模型的质量调整反光标记物3的布置形式；以及S36，移走测试试样。其中，在步骤S35中，如果测试试样的三维实体模型的质量较差(如模型模糊、呈现模型需要的时间长)，则需要调整反光标记物的数量和/或相邻两个反光标记物的间距并重复步骤S31-S35，直至测试试样的三维实体模型的质量符合要求，最后在执行步骤S36。
[0031] 三维激光扫描处理系统2可为HandySCAN700扫描系统，激光扫描仪21包括激光发射器211和两个工业相机212，而数据处理器为HandySCAN700扫描系统的Vxelements软件部分。其中，各工业相机212可为CCD相机或CMOS相机。
[0032] 各反光标记物3由反光材料制成以使对应的激光线照射到反光标记物3时能够反射激光线。反光标记物3可粘贴于加工平台11的上表面以及透明防护罩12的内侧面上。其中，各反光标记物3的形状可为圆形。
[0033] 在根据本发明的在增材制造过程中实时监控零件形状的方法中，当采用步骤S1至步骤S6获得已打印零件4的当前形状的变形情况后，为了进一步给出已打印零件4的当前形状的具体形状偏差值以便于快速调整工艺参数，本发明的在增材制造过程中实时监控零件形状的方法还可包括步骤：S7，建立理想的预打印零件6的三维实体模型(如图3所示)；以及S8，采用逆向校核软件(如Geomagic Qualify)计算出已打印零件4的三维实体模型与预打印零件6的三维实体模型之间的尺寸偏差。因此，基于计算出的已打印零件4的三维实体模型与预打印零件6的三维实体模型之间的尺寸偏差可以推算出在后续加工过程中需要调整的具体的工艺参数以补偿当前存在的形状偏差值，从而提高了零件的尺寸精度。
[0034] 在步骤S8中，具体可包括步骤：S81，将已打印零件4的三维实体模型和预打印零件6的三维实体模型导入逆向校核软件中；S82，在逆向校核软件中，将已打印零件4的三维实体模型与预打印零件6的三维实体模型在同一坐标系下进行匹配以使已打印零件4的三维实体模型与预打印零件6的三维实体模型重合(如图4所示)；以及S83，逆向校核软件计算并给出已打印零件4的三维实体模型与预打印零件6的三维实体模型之间的尺寸偏差。
[0035] 本发明的在增材制造过程中实时监控零件形状的方法还可包括步骤：S9，调整增材制造技术所使用的工艺参数并继续打印零件。
