[发明专利]基于结构光线性异常点的3D打印熔积缺陷逐层检测方法

权利要求书

1.一种基于结构光线性异常点的3D打印熔积缺陷逐层检测方法，其特征在于：

步骤1)，将数字光栅投影仪、CMOS相机置于3D打印机上方合适位置，采用二维平面靶标标定法，计算相机坐标系和CAD模型坐标系的变换矩阵；

步骤2)，导入打印零件的CAD模型，设置打印参数，打印参数包括喷头温度、压力、送丝速度和打印层厚，3D打印机在打印过程当中每打印完一层通过数字光栅投影仪投影光栅图案、再通过CMOS相机拍摄单层图像生成原始点云，对原始点云进行直通滤波去除无效干扰点得到拍摄点云；

步骤3)，将CAD模型生成的标准点云通过变换矩阵变换到相机坐标系下生成变换点云，根据打印高度和层厚对变换点云进行切片得到切片点云；

步骤4)，设置距离缺陷阈值和角度缺陷阈值并根据距离缺陷阈值和角度缺陷阈值逐层检测缺陷：

4.a)针对切片点云中的每个点作为切片点，从拍摄点云找到距离最近的点作为拍摄点，求取切片点与拍摄点之间的距离，将切片点与拍摄点之间的距离与距离缺陷阈值比较提取外轮廓异常点，对外轮廓异常点进行欧式聚类获取打印物体表面缺陷；

4.b)利用采样一致方法从拍摄点云中提取顶层点云，计算顶层点云每个点的法向量，将顶层点云每个点的法向量的Z方向分量与角度缺陷阈值反余弦函数值比较，提取内部异常点，对内轮廓异常点进行欧式聚类获取打印物体内部缺陷；

所述的步骤4)中利用采样一致方法从拍摄点云提取顶层点云具体为：针对拍摄点云，预设匹配基元为平面，采用随机采样方法拟合匹配基元的平面并进行多次处理获得不同的平面模型，计算平面模型中的点数量，选取点数量最多的平面模型作为最优平面，将最优平面中的点作为顶层点云从拍摄点云中提取出来。

2.根据权利要求1所述的一种基于结构光线性异常点的3D打印熔积缺陷逐层检测方法，其特征在于：所述的步骤3)具体是：

3.1)将CAD模型生成标准点云；

3.2)根据打印高度H设置Z方向的切片范围为(H-iL,H-(i+1)L)并选取切片点云，其中：i表示打印层序数，L为预设打印层高，H表示打印高度；打印高度H计算为：

H＝n×L

其中，n表示打印层总数。

3.根据权利要求1所述的一种基于结构光线性异常点的3D打印熔积缺陷逐层检测方法，其特征在于：所述的步骤4)具体是：

4.1)设置距离缺陷阈值提取表面缺陷：针对切片点云中的每个点，从拍摄点云找到距离最近的点，求取两个点之间的距离并作判断：若距离小于缺陷阈值，则切片点云中的该点为正常打印点；若距离大于等于缺陷阈值，则切片点云中的该点为异常打印点；

4.2)设置角度缺陷阈值提取内部缺陷：针对精配准顶层点云中的每个点的法向量Z轴方向分量，与角度缺陷阈值的反余弦函数值进行比较：若Z轴分量大于反余弦函数值，则顶层点云中的该点为正常顶层点；若Z轴分量小于反余弦函数值，则顶层点云中的该点为异常顶层点；

4.3)对异常打印点和异常顶层点进行欧式聚类，获得聚类结果，每个类代表一个缺陷，计算每个类中所有点的重心坐标作为缺陷的位置，从而获取打印零件表面的各个缺陷位置和缺陷个数。

4.根据权利要求1所述的一种基于结构光线性异常点的3D打印熔积缺陷逐层检测方法，其特征在于：所述的步骤4)中顶层点云每个点的法向量计算具体是：采用基于局部表面拟合的方法，假设顶层点云的采样平面处光滑，对顶层点云中的每个点p获取与其最相近的k个最近相邻点，然后针对顶层点云中的每个点p计算一个最小二乘意义上的局部平面P，局部平面P计算如下：

其中：n表示平面P的法向量，d表示平面P到坐标原点的距离，k表示与顶层点云中的每个点p的最近相邻点的总数，i表示最近相邻点的序号，p_i表示顶层点云中的每个点p的局部平面；

平面P经过k个最近相邻点的质心p′，同时法向量n满足||n||＝1，对顶层点云中的每个点p法向量的求解转化为对半正定协方差矩阵M进行特征值分解，对应于半正定协方差矩阵M最小特征值的特征向量被当做顶层点云中的每个点p的法向量，计算为：

其中，k表示与顶层点云中的每个点p的最近相邻点的总数，i表示最近相邻点的序号，p′表示最近相邻点的质心，T就是矩阵转置。