本发明涉及3d打印技术故障检测领域，特别是涉及一种熔融沉积3d打印故障无损监测方法和检测装置。
背景技术：
3d打印技术(threedimensionalprinting)也称为增材制造技术(additivemanufacturing)，是一种通过熔融、粘结、烧结或熔化等手段将金属或非金属材料从粉末态、液态或丝状逐层打印形成三维实物的技术。根据工艺原理的不同分为:熔融沉积成型、选择性激光烧结、选择性激光熔化、电子束熔化、光固化成型)等。熔融沉积成型(fuseddepositionmodeling)是指将直径为φ1.75mm/3mm的塑料丝材，经喷头加热熔融后，在送料机构作用下以一定速度从喷嘴中挤出，并按计算机生成的cad模型分层切片信息及扫描路径，随喷头移动完成一层材料的沉积与熔覆，然后喷头上升一个层高(或工作台下降一个层高)再继续完成下一层材料的沉积与熔覆，直至完成最终三维产品的打印。fdm技术具有材料利用率高、工艺清洁、操作简单且成本低廉等优点，现被广泛应用于模具行业、航空航天、汽车、医疗等领域。
目前熔融沉积成型存在的主要问题是：桌面型3d打印机对制件缺陷、打印异常及设备故障等检测能力不足，设备故障或打印异常仅依靠人工直观或凭经验判定，准确率及效率均较低。
技术实现要素：
针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的之一是：提供一种熔融沉积3d打印故障无损检测方法，通过该方法能够自动识别熔融沉积3d打印过程中出现的打印故障模式并自动发布与该打印故障模式对应的报警信息。
本发明的目的之二是：提供一种熔融沉积3d打印故障无损检测装置。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种熔融沉积3d打印故障无损检测方法，包括以下步骤，
获取熔融沉积3d逐层打印过程的声发射原始波形信号以及与声发射原始波形信号同步的同步打印视频；
根据同步打印视频对声发射原始波形信号进行逐层甄别与标定，获取每层熔融沉积3d打印的离散声波信号数据；
从离散声波信号数据中提取时域特征值和频域特征值；
以时域特征值和频域特征值作为输入参数进行机器学习训练；
当对输入参数识别为打印故障模式时，发布与所述打印故障模式对应的报警信息。
进一步，提取离散声波信号的时域特征值和频域特征值的实现方式为，通过快速傅立叶变换和小波变换频谱分析方法，从离散声波信号数据中提取离散声波信号的时域特征值和频域特征值。
进一步，机器学习训练包括打印故障模式的模式分类、识别与学习训练。
进一步，机器学习模块的输入参数为每一层熔融沉积3d打印时间段内离散声波信号的时域特征值的均值和标准差以及频域特征值的均值和标准差。
进一步，时域特征值包括幅值、均方根；频域特征值包括幅值频率、均方根频率、功率谱密度、绝对能量。
进一步，获取熔融沉积3d逐层打印过程的声发射原始波形信号的实现方式为，
数据处理模块接收声音采集装置采集并发送来的熔融沉积3d逐层打印过程中包括熔丝沉积、喷头运动、传动机构动作、热床升降、电机转动、送丝、加热散热发出的声音。
进一步，声音采集装置为非接触式数字录音机，非接触式数字录音机设于熔融沉积3d打印机一侧。
进一步，获取与声发射原始波形信号同步的同步打印视频的实现方式为，
数据处理模块接收视频录制装置录制并发送来的熔融沉积3d逐层打印过程中的工件打印、喷头扫描、热床升降、步进电机转动和传动机构动作的视频，视频录制装置与声音采集装置同步运行。
一种熔融沉积3d打印故障无损检测装置，包括声音采集装置、视频录制装置和数据处理模块，声音采集装置和视频录制装置分别设于熔融沉积3d打印机一侧，数据处理模块分别与声音采集装置和视频录制装置连接；
声音采集装置用于采集熔融沉积3d逐层打印过程的声发射原始波形信号并发送到数据处理模块；
视频录制装置用于同步录制熔融沉积3d逐层打印过程的同步打印视频并发送到数据处理模块；
数据处理模块用于接收声音采集装置发送来的声发射原始波形信号与视频录制装置发送来的同步打印视频，根据同步打印视频对声发射原始信号数据进行逐层甄别与标定，获取每层熔融沉积3d打印的离散声波信号数据，从离散声波信号数据中提取离散声波信号的时域特征值和频域特征值并作为输入参数进行机器学习训练；当对输入参数识别为打印故障模式时，发布与所述打印故障模式对应的报警信息。
进一步，声音采集装置为非接触式数字录音机。
总的说来，本发明具有如下优点：
通过同步打印视频对每层熔融沉积3d打印的声发射原始波形信号进行甄别与标定，可采集、分析、识别出熔融沉积3d打印各种故障或异常，具有非接触式无损检测与识别打印异常或设备故障并报警的优点，安装操作简单，无需对打印机设备结构进行改动，检测过程中不影响打印机的正常工作。
附图说明
图1为本发明实施例1的熔融沉积3d打印故障无损检测方法的流程图。
图2为本发明实施例2的熔融沉积3d打印故障无损检测装置的结构示意图。
附图标记说明：
1-便携式数字录音机；2-pc机；3-高清摄像机；4-喷头；5-传动机构；6-步进电机；7-热床；8-打印工件；9-机架。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
如图1所示，一种熔融沉积3d打印故障无损检测方法，包括以下步骤，
s101、获取熔融沉积3d逐层打印过程的声发射原始波形信号以及与声发射原始波形信号同步的同步打印视频；
s102、根据同步打印视频对声发射原始波形信号进行逐层甄别与标定，获取每层熔融沉积3d打印的离散声波信号数据；
s103、从离散声波信号数据中提取时域特征值和频域特征值；
s104、以时域特征值和频域特征值作为输入参数进行机器学习训练；
s105、当对输入参数识别为打印故障模式时，发布与所述打印故障模式对应的报警信息。
熔融沉积3d打印过程中存在制件缺陷、打印异常或设备故障时，其声发射在时域和频域内均有能量突变的特征。由于熔融沉积3d打印过程的声发射原始波形信号为一整段信号，其包含了多层打印的声发射原始波形信号，因此难以对每层熔融沉积3d打印的声发射原始波形信号进行甄别与标定，难以确定所提取到的时域特征值和频域特征值是发生在哪个时间段或执行哪个动作时的，对应的是哪一种打印故障模式。
通过同步录制的同步打印视频，从画面上容易判断每层熔融沉积3d打印的时间段，或者熔融沉积3d打印过程中的某个动作的时间段。比如：打印过程的第1分钟至第2分钟内，同步打印视频上显示为“平台加热”过程，那么，在声发射原始波形信号的第1分钟至第2分钟时间段就可以相应地标定为“平台加热”。同步打印视频为声发射原始波形信号的甄别与标定提供了评定基准和评定方法。因此，通过同步打印视频对声发射原始波形信号进行逐层甄别与标定后，可以获得熔融沉积3d打印的不同时间段或熔融沉积3d打印机执行不同动作时的声发射原始波形信号的时域特征值和频域特征值，能够与更多打印故障模式对应。
以提取到的时域特征值和频域特征值作为输入参数进行充分的机器学习训练后，能够将多种的时域特征值和频域特征值与多种打印故障模式一一对应。当熔融沉积3d打印过程中出现某种打印故障时，与所述打印故障模式相应的时域特征值和频域特征值就会被获取，从而能够自动识别并发布与所述打印故障模式对应的报警信息。
进一步，提取离散声波信号的时域特征值和频域特征值的实现方式为，通过快速傅立叶变换和小波变换频谱分析方法，从离散声波信号数据中提取离散声波信号的时域特征值和频域特征值。
进一步，机器学习训练包括打印故障模式的模式分类、识别与学习训练。
进一步，机器学习模块的输入参数为每一层熔融沉积3d打印时间段内离散声波信号的时域特征值的均值和标准差以及频域特征值的均值和标准差。
进一步，时域特征值包括幅值、均方根；频域特征值包括幅值频率、均方根频率、功率谱密度、绝对能量。
进一步，获取熔融沉积3d逐层打印过程的声发射原始波形信号的实现方式为，
数据处理模块接收声音采集装置采集并发送来的熔融沉积3d逐层打印过程中包括熔丝沉积、喷头4运动、传动机构5动作、热床7升降、电机转动、送丝、加热散热发出的声音。
进一步，声音采集装置为非接触式数字录音机，非接触式数字录音机设于熔融沉积3d打印机一侧。
非接触式数字录音机采集熔融沉积3d打印的声发射原始波形信号过程中，不与熔融沉积3d打印机接触，不会影响熔融沉积3d打印机的正常打印过程。
本发明实施例的非接触式数字录音机为便携式数字录音机1，采用的是tascam公司生产的dr-100mkiii线性pcm录音机，支持高达96khz/24bit和192khz/24bit高清录制，具有双akmak4558转换器和velvetsound结构，低功耗和可达102db的信噪比，定向立体声麦克风的集成防震结构可以抑制不必要的震动和噪声。
进一步，获取与声发射原始波形信号同步的同步打印视频的实现方式为，
数据处理模块接收视频录制装置录制并发送来的熔融沉积3d逐层打印过程中的工件打印、喷头4扫描、热床7升降、步进电机6转动和传动机构5动作的视频，视频录制装置与声音采集装置同步运行。
本发明实施例的视频录制装置为高清摄像机3。
通过高采样响应频率的数字录音方式采集熔融沉积3d打印的声发射原始波形信号，利用高清的同步打印视频对每层熔融沉积3d打印的声发射原始波形信号进行甄别与标定，可采集、分析、识别出熔融沉积3d打印各种故障或异常，具有非接触式无损检测与识别打印异常或设备故障并报警的优点，安装操作简单，无需对打印机设备结构进行改动，检测过程中不影响打印机的正常工作。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于计算机可读存储介质中。
实施例2
如图2所示，一种熔融沉积3d打印故障无损检测装置，包括声音采集装置、视频录制装置和数据处理模块，声音采集装置和视频录制装置分别设于熔融沉积3d打印机一侧，数据处理模块分别与声音采集装置和视频录制装置连接；
声音采集装置用于采集熔融沉积3d逐层打印过程的声发射原始波形信号并发送到数据处理模块；
视频录制装置用于同步录制熔融沉积3d逐层打印过程的同步打印视频并发送到数据处理模块；
数据处理模块用于接收声音采集装置发送来的声发射原始波形信号与视频录制装置发送来的同步打印视频，根据同步打印视频对声发射原始信号数据进行逐层甄别与标定，获取每层熔融沉积3d打印的离散声波信号数据，从离散声波信号数据中提取离散声波信号的时域特征值和频域特征值并作为输入参数进行机器学习训练；当对输入参数识别为打印故障模式时，发布与所述打印故障模式对应的报警信息。
进一步，声音采集装置为非接触式数字录音机，采用立体声高清音频录制格式，采样频率响应范围为20khz-80khz。
具体地，熔融沉积3d打印故障无损检测装置包括便携式数字录音机1、高清摄像机3与pc机2，数据处理模块设于pc机2内。便携式数字录音机1放置在熔融沉积3d打印机的机架9内采集得到熔融沉积3d打印过程的声发射原始波形信号，期间不与任何运动部件接触，不影响打印机正常工作。高清摄像机3架设在熔融沉积3d打印机的机架9旁侧，镜头对准包括打印工件8的整个打印区域，将工件打印、喷头4扫描、热床7升降、步进电机6转动、传动机构5动作等全过程同步录制下来得到同步打印视频。便携式数字录音机1和高清摄像机3分别通过usb数据线与pc机2连接，将采集得到的熔融沉积3d打印过程的声发射原始波形信号与同步录制的同步打印视频发送到pc机2。
pc机2通过同步打印视频对声发射原始波形信号进行甄别与标定后，得到每一层打印的离散声波数据，并通过快速傅立叶变换、小波变换等频谱分析方法，分别提取各层离散声波信号的时域特征值和频域特征值；利用pc机2编制机器学习训练，将各层离散声波信号的时域特征值和频域特征值作为机器学习训练的输入参数；根据输入参数的突变及其对应的打印故障模式进行对比分类、识别与学习训练；充分训练后，可应用于各种熔融沉积3d打印故障的检测。若对输入参数的突变识别为某一种打印故障模式时，则显示相应的报警信息。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
1.一种熔融沉积3d打印故障无损检测方法，应用于熔融沉积3d打印机，其特征在于：包括以下步骤，
获取熔融沉积3d打印机逐层打印过程的声发射原始波形信号以及与声发射原始波形信号同步的同步打印视频；
根据同步打印视频对声发射原始波形信号进行逐层甄别与标定，获取每层熔融沉积3d打印的离散声波信号数据；
从离散声波信号数据中提取时域特征值和频域特征值；
以时域特征值和频域特征值作为输入参数进行机器学习训练；
当对输入参数识别为打印故障模式时，发布与所述打印故障模式对应的报警信息。
2.按照权利要求1所述的一种熔融沉积3d打印故障无损检测方法，其特征在于：提取离散声波信号的时域特征值和频域特征值的实现方式为，通过快速傅立叶变换和小波变换频谱分析方法，从离散声波信号数据中提取离散声波信号的时域特征值和频域特征值。
3.按照权利要求1所述的一种熔融沉积3d打印故障无损检测方法，其特征在于：机器学习训练包括打印故障模式的模式分类、识别与学习训练。
4.按照权利要求1所述的一种熔融沉积3d打印故障无损检测方法，其特征在于：机器学习模块的输入参数为每一层熔融沉积3d打印时间段内离散声波信号的时域特征值的均值和标准差以及频域特征值的均值和标准差。
5.按照权利要求4所述的一种熔融沉积3d打印故障无损检测方法，其特征在于：时域特征值包括幅值、均方根；频域特征值包括幅值频率、均方根频率、功率谱密度、绝对能量。
6.按照权利要求1所述的一种熔融沉积3d打印故障无损检测方法，其特征在于：获取熔融沉积3d逐层打印过程的声发射原始波形信号的实现方式为，
数据处理模块接收声音采集装置采集并发送来的熔融沉积3d逐层打印过程中包括熔丝沉积、喷头运动、传动机构动作、热床升降、电机转动、送丝、加热散热发出的声音。
7.按照权利要求6所述的一种熔融沉积3d打印故障无损检测方法，其特征在于：声音采集装置为非接触式数字录音机，非接触式数字录音机设于熔融沉积3d打印机一侧。
8.按照权利要求6所述的一种熔融沉积3d打印故障无损检测方法，其特征在于：获取与声发射原始波形信号同步的同步打印视频的实现方式为，
数据处理模块接收视频录制装置录制并发送来的熔融沉积3d逐层打印过程中的工件打印、喷头扫描、热床升降、步进电机转动和传动机构动作的视频，视频录制装置与声音采集装置同步运行。
9.一种熔融沉积3d打印故障无损检测装置，应用于熔融沉积3d打印机，其特征在于：包括声音采集装置、视频录制装置和数据处理模块，声音采集装置和视频录制装置分别设于熔融沉积3d打印机一侧，数据处理模块分别与声音采集装置和视频录制装置连接；
声音采集装置用于采集熔融沉积3d逐层打印过程的声发射原始波形信号并发送到数据处理模块；
视频录制装置用于同步录制熔融沉积3d逐层打印过程的同步打印视频并发送到数据处理模块；
数据处理模块用于接收声音采集装置发送来的声发射原始波形信号与视频录制装置发送来的同步打印视频，根据同步打印视频对声发射原始信号数据进行逐层甄别与标定，获取每层熔融沉积3d打印的离散声波信号数据，从离散声波信号数据中提取离散声波信号的时域特征值和频域特征值并作为输入参数进行机器学习训练；当对输入参数识别为打印故障模式时，发布与所述打印故障模式对应的报警信息。
10.按照权利要求9所述的一种熔融沉积3d打印故障无损检测装置，其特征在于：声音采集装置为非接触式数字录音机。
技术总结