本發(fā)明涉及輔助制造技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于支持向量機(jī)(Support Vector Machine，SVM)的3D打印模型尺寸誤差預(yù)測(cè)方法。

背景技術(shù)：

3D打印模型尺寸預(yù)測(cè)的目的是將打印模型分為是否滿足尺寸誤差要求的兩大類，輔助打印者在打印前、設(shè)定打印參數(shù)時(shí)考慮打印結(jié)果，提高打印質(zhì)量，降低耗材浪費(fèi)和時(shí)間損失。目前為止，市面上3D打印機(jī)產(chǎn)品層出不窮，培訓(xùn)資料也源源不斷，但3D打印的打印結(jié)果控制依舊需要打印機(jī)操作者的經(jīng)驗(yàn)，采用基于支持向量機(jī)的機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)算法有效降低了對(duì)打印機(jī)操作者的要求，對(duì)于增強(qiáng)3D打印機(jī)本身的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性具有良好的意義。

SVM是一種建立在統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論基礎(chǔ)上的線性分類器，其算法是一個(gè)凸優(yōu)化問(wèn)題，其局部最優(yōu)解即為全局最優(yōu)解。它的特點(diǎn)是根據(jù)結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)最小化原則，在有限的樣本信息在模型的復(fù)雜性和泛化學(xué)習(xí)能力之間尋求最佳這種，能有效避免過(guò)度學(xué)習(xí)或陷入局部最優(yōu)等缺點(diǎn)。以二維數(shù)據(jù)為例，兩類數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在一個(gè)二維平面中，其基本原理是通過(guò)訓(xùn)練找到能夠分開(kāi)著兩類數(shù)據(jù)點(diǎn)的分類縣。雖然這樣的分類線有很多，但有且僅有一條分界線滿足到兩類數(shù)據(jù)點(diǎn)距離最短的一條分類線。對(duì)多維數(shù)據(jù)而言，數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在多維空間內(nèi)，SVM分類器得到的是最優(yōu)分類超平面。

經(jīng)檢索，公開(kāi)號(hào)為CN105643944A、申請(qǐng)?zhí)?01610200113.5的中國(guó)發(fā)明專利申請(qǐng)，該發(fā)明公開(kāi)了一種3D打印機(jī)穩(wěn)定控制方法及控制系統(tǒng)，該發(fā)明的3D打印機(jī)穩(wěn)定控制方法及控制系統(tǒng)通過(guò)構(gòu)造最優(yōu)門限誤差值的模型，通過(guò)推薦控制值的衰減積分平衡點(diǎn)實(shí)時(shí)選取最優(yōu)門限誤差值，可以較好的解決3D打印機(jī)成型過(guò)程的推薦控制值隨著門限值的變化而發(fā)生均衡與非均衡衰減的現(xiàn)象，提高了打印機(jī)的穩(wěn)定性。但是該專利側(cè)重于通過(guò)解決打印機(jī)設(shè)備硬件部分的穩(wěn)定性問(wèn)題改善打印質(zhì)量，無(wú)法綜合考慮整個(gè)打印過(guò)程中各因素的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于支持向量機(jī)的3D打印模型尺寸誤差預(yù)測(cè)方法，所述方法對(duì)打印參數(shù)與模型尺寸誤差的關(guān)系采用支持向量機(jī)建模，對(duì)同一模型在不同參數(shù)設(shè)置下的尺寸誤差情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，給出該參數(shù)設(shè)置中模型尺寸誤差超過(guò)閾值的可能性預(yù)測(cè)結(jié)果，供打印者參考，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化打印質(zhì)量。

為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明提供一種基于支持向量機(jī)的3D打印模型尺寸誤差預(yù)測(cè)方法，所述方法包括如下步驟：

第一步、三維模型設(shè)計(jì)，所述三維模型為成品件的三維模型，用于測(cè)試3D打印機(jī)打印水平；

第二步、將第一步得到的三維模型導(dǎo)入3D打印機(jī)，并在3D打印機(jī)上設(shè)定不同的打印參數(shù)打??；

第三步、三維模型關(guān)鍵點(diǎn)、關(guān)鍵邊位置確定并測(cè)得點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

將第一步得到的三維模型的主要幾何特征進(jìn)行歸納確定，包括圓孔圓心、圓弧弧度、各邊長(zhǎng)及其交點(diǎn)；確定的主要幾何特征在測(cè)量?jī)x器下測(cè)量獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

第四步、通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)模型最小二乘匹配獲得尺寸誤差；

將第三步所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)與第一步得到的三維模型進(jìn)行最小二乘匹配，獲得3D打印機(jī)打印成品件的尺寸誤差；

第五步、將第四步得到的成品件尺寸誤差及第二步得到的與之對(duì)應(yīng)的打印參數(shù)形成數(shù)據(jù)庫(kù)，并將數(shù)據(jù)庫(kù)按成品件隨機(jī)分組分為兩類：訓(xùn)練組及預(yù)測(cè)組；

第六步、采用訓(xùn)練組對(duì)SVM模型進(jìn)行訓(xùn)練，并采用預(yù)測(cè)組對(duì)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的SVM模型的預(yù)測(cè)正確率進(jìn)行驗(yàn)證，篩選出符合要求的SVM模型即預(yù)測(cè)模型；

第七步、將新的打印參數(shù)作為輸入預(yù)測(cè)模型的尺寸誤差。

優(yōu)選地，第一步中，所述的三維模型的幾何特征包含常用模型的點(diǎn)、線、面、孔，且便于采用光學(xué)測(cè)量?jī)x或者三維探針測(cè)量。

優(yōu)選地，第四步中，所述的通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)模型最小二乘匹配獲得尺寸誤差，是指：將第三步得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與第一步所設(shè)計(jì)的成品件的三維模型相匹配，以獲得最小二乘誤差值。

優(yōu)選地，第五步中，所述的隨機(jī)分組為多次分組，分組依據(jù)數(shù)據(jù)組總數(shù)而定。

優(yōu)選地，第五步中，所述的數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)多維數(shù)組，其由兩部分組成：打印參數(shù)和標(biāo)簽值。

優(yōu)選地，所述的預(yù)測(cè)模型作為軟件系統(tǒng)獨(dú)立于3D打印機(jī)存在，或者作為算法模塊內(nèi)置到3D打印參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)中，作為參數(shù)設(shè)置后的打印效果反饋，輔助指導(dǎo)打印者設(shè)定參數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：

本發(fā)明的尺寸誤差預(yù)測(cè)是建立在整個(gè)打印過(guò)程之上，是綜合考慮打印過(guò)程中各個(gè)可能影響打印成品件尺寸誤差的因子，在此基礎(chǔ)上建立支持向量機(jī)模型，并基于歷史打印數(shù)據(jù)之上的尺寸誤差預(yù)測(cè)。

本發(fā)明所述方法能夠通過(guò)打印參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)該參數(shù)系列下三維模型打印出的成品件的尺寸誤差范圍，有利于提高打印效率，降低不必要的材料損耗。

附圖說(shuō)明

通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯：

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的流程圖；

圖2為本發(fā)明一實(shí)施例的三維模型結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

如圖1所示，一種基于支持向量機(jī)的3D打印模型尺寸誤差預(yù)測(cè)方法，所述方法包括以下步驟：

步驟1、設(shè)計(jì)三維模型

所述三維模型為成品件的三維模型，用于測(cè)試3D打印機(jī)打印水平；

三維模型需要具備慣用工件的幾何特征，包括但不限于點(diǎn)：線(直線、曲線、弧)，面(曲面、平面)，孔(通孔、臺(tái)階孔)等，如圖2所示。

步驟2、將步驟1得到的三維模型導(dǎo)入3D打印機(jī)，并在3D打印機(jī)上設(shè)定不同的打印參數(shù)打印；所述的打印參數(shù)為三維模型的打印參數(shù)，包括：打印層厚，模型在打印過(guò)程中的擺放角度，模型打印過(guò)程中支撐的參數(shù)如支撐高度、支撐傾斜度、支撐結(jié)構(gòu)與模型的接觸面積、支撐結(jié)構(gòu)的密度，環(huán)境參數(shù)如溫度、濕度，材料屬性代號(hào)。

通常情況下，以SLA打印機(jī)為例，涉及到的需要設(shè)置的打印參數(shù)超過(guò)十種，打印者可通過(guò)自身判斷決定關(guān)鍵的參數(shù)設(shè)置，其中包括但不僅限于：打印層厚、模型擺放角度、支撐結(jié)構(gòu)的接觸點(diǎn)大小、結(jié)構(gòu)角度等，環(huán)境條件如溫度、濕度等，打印材料如型號(hào)1、型號(hào)2等。

步驟3、三維模型關(guān)鍵點(diǎn)、關(guān)鍵邊位置確定并測(cè)得點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

將步驟1得到的三維模型的主要幾何特征進(jìn)行歸納確定，包括圓孔圓心、圓弧弧度、各邊長(zhǎng)及其交點(diǎn)；確定的主要幾何特征在測(cè)量?jī)x器下測(cè)量獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)；

所述的三維關(guān)鍵點(diǎn)，包括：線的起點(diǎn)及終點(diǎn)、圓弧的圓心、孔及突出柱的幾何特征，以及模型的輪廓信息，具體取點(diǎn)中影像測(cè)量通過(guò)圖像處理獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，接觸式測(cè)量通過(guò)設(shè)定單位面積cm²或單位長(zhǎng)度cm內(nèi)的取點(diǎn)數(shù)量獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，一般設(shè)定單位面積cm²按矩陣方式取點(diǎn)五個(gè)或者單位長(zhǎng)度cm等距取點(diǎn)十個(gè)。

所述的關(guān)鍵邊是對(duì)三維模型零件外形及功能起決定性作用的邊,包括組成三維模型輪廓外形的邊如直線,圓弧,組成三維模型關(guān)鍵孔、柱的在某一投影面形成的輪廓圓弧或直線、曲線邊。

對(duì)于關(guān)鍵點(diǎn)、關(guān)鍵邊，采用接觸式影像儀測(cè)量可獲得關(guān)鍵點(diǎn)、關(guān)鍵邊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采用接觸式測(cè)量如探針測(cè)量可獲得關(guān)鍵點(diǎn)、關(guān)鍵邊的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；其中接觸式測(cè)量需要確定單位面積或者單位長(zhǎng)度的測(cè)量點(diǎn)數(shù)量。

步驟4、通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)模型進(jìn)行最小二乘匹配獲得尺寸誤差；

將步驟3所得點(diǎn)云數(shù)據(jù)與步驟1的三維模型的實(shí)際點(diǎn)、線、面進(jìn)行最小二乘匹配，獲得3D打印機(jī)打印成品件的尺寸誤差結(jié)果。

步驟5、將步驟4得到的成品件尺寸誤差及步驟2得到的與之對(duì)應(yīng)的打印參數(shù)形成數(shù)據(jù)庫(kù)，并將數(shù)據(jù)庫(kù)按成品件隨機(jī)分組分為兩類：訓(xùn)練組及預(yù)測(cè)組；

所述的數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)多維數(shù)組，其由兩部分組成：打印參數(shù)和標(biāo)簽值。所述的標(biāo)簽值由每一組打印參數(shù)對(duì)應(yīng)成品件測(cè)量匹配后得到的的尺寸誤差轉(zhuǎn)換而來(lái)，設(shè)定一定的尺寸誤差閾值，將大于該閾值的尺寸誤差值設(shè)定為-1、小于等于該閾值的尺寸誤差值設(shè)定為+1，假設(shè)有n個(gè)打印參數(shù)，并打印了m個(gè)模型，則該數(shù)據(jù)組為m×(n+1)的矩陣。

隨機(jī)分組要多次隨機(jī)分組，分組依數(shù)據(jù)組總數(shù)情況而定，一般選擇三組、五組等；且將步驟4中的誤差結(jié)果按一定的閾值設(shè)定為+1(尺寸誤差小于該閾值)，-1(尺寸誤差大于等于該閾值)。

步驟6、采用訓(xùn)練組對(duì)SVM模型進(jìn)行訓(xùn)練，并采用預(yù)測(cè)組對(duì)經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的SVM模型的預(yù)測(cè)正確率進(jìn)行驗(yàn)證、篩選出符合要求的SVM模型即預(yù)測(cè)模型；

不同的隨機(jī)分組結(jié)果訓(xùn)練出不同的SVM模型，使用對(duì)應(yīng)的測(cè)試組對(duì)SVM模型進(jìn)行測(cè)試，選擇預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率高的SVM模型，一般準(zhǔn)確率大于、等于85％為宜。

步驟7、將新的打印參數(shù)作為輸入預(yù)測(cè)模型的尺寸誤差；

將步驟6中高預(yù)測(cè)正確率的模型確定為預(yù)測(cè)模型，并對(duì)新的打印參數(shù)下模型的尺寸誤差進(jìn)行預(yù)測(cè)，確定是否超過(guò)特定的尺寸誤差(根據(jù)實(shí)際成品質(zhì)量要求情況設(shè)置的尺寸誤差閾值)限制。

本發(fā)明上述方法，分析了打印過(guò)程中可能對(duì)成品件質(zhì)量起影響作用的因子(包括環(huán)境參數(shù)、模型參數(shù)、及設(shè)備參數(shù)：打印機(jī)打印前的設(shè)定參數(shù))，提出了綜合考慮整個(gè)打印過(guò)程并采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法建立了影響因子與成品件尺寸誤差的預(yù)測(cè)模型，可以作為設(shè)備內(nèi)置軟件，也可作為外設(shè)程序預(yù)先預(yù)測(cè)某種打印參數(shù)設(shè)置下的成品件尺寸誤差情況，對(duì)打印質(zhì)量進(jìn)行基于歷史經(jīng)驗(yàn)的預(yù)判，提高打印成品件的成功率。

本發(fā)明能夠通過(guò)打印參數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)該參數(shù)系列下模型的尺寸誤差范圍，有利于提高打印效率，降低不必要的材料損耗。

以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。