基于图像处理的按需式微熔滴喷射过程的测控装置及其测控方法

摘要

基于图像处理的按需式微熔滴喷射过程的测控装置及其测控方法，属于按需式喷射打印技术领域。为了解决现有靠手动调节金属微熔滴喷射装置逐渐达到稳定状态费时费力，且不能实时保证喷射过程的稳定性，很难达到精确控制要求的问题。本发明采用拍摄装置配合与微熔滴喷射相同步的频闪光源，得到微熔滴喷射过程的实时图像，经图像采集及处处理模块处理后得到微熔滴喷射过程的实时信息，微滴喷射信号控制模块3根据图像提取的特征，判断金属微熔滴的各项指标是否满足设定条件，并通过微滴喷射信号控制模块改变驱动信号的相应参数来调整，直至各项指标达到设定的条件；进行喷射和打印沉积。它用于按需式喷射打印时，调节金属微熔滴喷射装置逐渐达到稳定状态。

说明书

技术领域

本发明属于按需式喷射打印技术领域。

背景技术

在应用按需式喷射打印技术进行金属零件喷射沉积打印成型、微电子封装互联凸点打 印的过程中，需要精确控制金属微熔滴以一定的尺寸、速度沉积在基板上，以保证成型过 程的稳定性及精确性。金属微熔滴通过压电陶瓷换能器的带动振动杆产生轴向振动，将金 属微熔滴从微小喷嘴中挤压出来，金属微熔滴的尺寸大小一股与喷嘴直径有关，但通过控 制驱动压电陶瓷的驱动波形，可以精确控制金属微熔滴的喷射过程，去除卫星液滴13的 产生，精确控制尺寸大小、喷射速度以及喷射微熔滴的形貌，从而影响金属微熔滴的沉积 成型。

现有一种按需式金属微熔滴喷射装置，其工作原理是：振动杆端部与喷嘴及坩埚构成 的腔体容积发生变化，当压电陶瓷驱动振动杆沿轴线方向进行振动时，微量熔融金属被从 喷嘴处挤压出去形成微熔滴。还有一种用于按需式水滴喷射过程中，通过手动调节压电陶 瓷的驱动波形来减少卫星液滴13产生的方法。

对于按需式金属微熔滴喷射实际过程得到的经验，在经过金属熔化保温等准备工作 后，在微熔滴喷射发生装置刚开始工作时，即使使用前次相同的喷射过程控制参数开始喷 射，也经常会得到不同的微熔滴喷射过程参数，即有时液滴会喷射不出来，有时液滴喷射 速度及形成的尺寸大小也会不一致，因此需要开始时通过手动调节波形来调节，并逐渐达 到稳定状态，而手动调节喷射过程费时费力，且不能实时保证喷射过程的稳定性，很难达 到精确控制的要求。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有靠手动调节金属微熔滴喷射装置逐渐达到稳定状态费时 费力，且不能实时保证喷射过程的稳定性，很难达到精确控制要求的问题，本发明提供一 种基于图像处理的按需式微熔滴喷射过程的测控装置及其测控方法。

本发明的基于图像处理的按需式微熔滴喷射过程的测控装置，

所述装置包括拍摄装置1、频闪光源2、微滴喷射信号控制模块3、图像采集及处理 模块4、频闪光源驱动信号发生模块5、压电陶瓷驱动信号发生模块6、压电陶瓷驱动信 号放大电源11和频闪光源驱动信号放大电源12；

拍摄装置1与频闪光源2放置在与金属微熔滴喷射装置9的喷嘴9c同一水平高度上， 通过微滴喷射信号控制模块3控制拍摄装置1拍摄喷嘴9c喷射的金属微熔滴，频闪光源 2用于拍摄时的背景光，拍摄装置1拍摄的图像输入至图像采集及处理模块4，图像采集 及处理模块4输出处理后的信号，并将所述处理后的信号输入至微滴喷射信号控制模块3；

微滴喷射信号控制模块3根据处理后的信号控制压电陶瓷驱动信号发生模块6和频闪 光源驱动信号发生模块5分别输出压电陶瓷驱动信号和频闪光源驱动信号，所述压电陶瓷 驱动信号和频闪光源驱动信号分别输入至压电陶瓷驱动信号放大电源11和频闪光源驱动 信号放大电源12，压电陶瓷驱动信号放大电源11输出的放大信号输入至金属微熔滴喷射 装置9的压电陶瓷换能器9a，频闪光源驱动信号放大电源12输出的放大信号输入至金属 微熔滴喷射装置9的频闪光源。

所述拍摄装置1为CCD或CMOS相机。

频闪光源2为LED频闪光源，由LED阵列组成。

所述装置包括熔融金属回收装置7，所述熔融金属回收装置7设置在所述喷嘴9c的 下方。

基于图像处理的按需式微熔滴喷射过程的测控装置的测控方法，所述方法包括如下步 骤：

步骤一：微滴喷射信号控制模块3控制压电陶瓷驱动信号发生模块6以设定的初始压 电陶瓷驱动信号驱动压电陶瓷换能器9a产生轴向伸缩振动；同时控制频闪光源驱动信号 发生模块5发出频闪光源驱动信号驱动频闪光源2，所述频闪光源驱动信号与驱压电陶瓷 驱动信号同步；

步骤二：微滴喷射信号控制模块3控制拍摄装置1拍摄图像，图像采集及处理模块4 对金属微熔滴10的图像进行实时处理，微滴喷射信号控制模块3对处理后的图像进行分 析，判断喷嘴9c是否喷出熔融金属，若是，则转入步骤四，若否，转入步骤三；

步骤三：微滴喷射信号控制模块3通过改变压电陶瓷驱动信号发生模块6发出的压电 陶瓷驱动信号的参数，来使压电陶瓷换能器9a的振动增强，拍摄装置1在频闪光源2发 出频闪光源下拍摄图像，转入步骤二，所述频闪光源2的频闪光源驱动信号与所述压电陶 瓷驱动信号同步；

步骤四：微滴喷射信号控制模块3对处理后的图像的特征进行提取，根据相应特征判 断金属微熔滴10的各项指标是否满足设定条件，若不满足，则转入步骤五；，直至拍摄装 置1拍摄的图像的特征满足设定条件，转入步骤五；若满足，则转入步骤六；

步骤五：根据提取的相应特征及各项指标的设定条件，改变变压电陶瓷驱动信号发生 模块6发出的压电陶瓷驱动信号的相应参数，转入步骤二；

步骤六：微滴喷射信号控制模块3控制压电陶瓷驱动信号发生模块6停止发出压电陶 瓷驱动信号，保持频闪光源驱动信号发生模块5输出频闪光源驱动信号，转入步骤七；

步骤七：移除熔融金属回收装置7，按照沉积需要，微滴喷射信号控制模块3控制压 电陶瓷驱动信号发生模块6输出压电陶瓷驱动信号，进行金属微熔滴10的喷射和打印沉 积。

步骤五中：根据提取的相应特征及各项指标的设定条件，改变变压电陶瓷驱动信号发 生模块6发出的压电陶瓷驱动信号的相应参数包括：

当处理后的图像产生卫星液滴13，微滴喷射信号控制模块3通过改变压电陶瓷驱动 信号发生模块6发出的压电陶瓷驱动信号的相应参数来减少金属微熔滴10的尾部长度， 从而去除卫星液滴；

当处理后的图像中金属微熔滴10的直径尺寸不在设定尺寸之内，微滴喷射信号控制 模块3通过改变压电陶瓷驱动信号发生模块6发出的压电陶瓷驱动信号的相应参数来调节 金属微熔滴10的直径尺寸，满足设定尺寸；

当处理后的图像中金属微熔滴10的喷射速度不在设定值内，微滴喷射信号控制模块 3通过改变压电陶瓷驱动信号发生模块6发出的压电陶瓷驱动信号的参数来调节金属微熔 滴12的喷射速度，满足设定值。

所述步骤二中：图像采集及处理模块对金属微熔滴10的图像进行实时处理包括：图 像采集及处理模块4对金属微熔滴10的图像进行二值化、滤波、轮廓提取和质心提取处 理。

本发明的有益效果在于，采用拍摄装置1配合与微熔滴喷射相同步的频闪光源2，可 以得到微熔滴喷射过程的实时图像，经图像处理后得到微熔滴喷射过程的实时信息，判断 是否有卫星液滴产生，并通过微滴喷射信号控制模块3改变驱动信号的波形的相应参数来 去除卫星液滴；通过图像处理可以得到微熔滴的尺寸及沉积时的圆度，并可以通过改变频 闪光源2的相位来获得不同相位差时的微熔滴喷射图像，从而可以得到微熔滴喷射速度， 与预设值比较可以通过按需式微熔滴喷射测控系统改变驱动信号的波形参数来调节沉积 时微熔滴的速度、尺寸，以及监测微熔滴沉积时的圆度指标。本发明通过对喷射过程中的 过程参数的实时检测及调控，避免手动调试驱动波形费时费力且准确性低的缺点，实现微 熔滴打印沉积的精确可控。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的基于图像处理的按需式微熔滴喷射过程的测控装置的 原理示意图。

图2为具体实施方式二中，喷嘴9c喷出金属微熔滴10中含有卫星液滴的原理示意图。

图3为具体实施方式的实施例中压电陶瓷驱动信号的波形示意图，其中A表示幅值， T表示周期。

图4为具体实施方式的实施例中频闪光源驱动信号波形示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于图像处理的按需 式微熔滴喷射过程的测控装置，所述装置包括拍摄装置1、频闪光源2、微滴喷射信号控 制模块3、图像采集及处理模块4、频闪光源驱动信号发生模块5、压电陶瓷驱动信号发 生模块6、压电陶瓷驱动信号放大电源11和频闪光源驱动信号放大电源12；

拍摄装置1与频闪光源2放置在与金属微熔滴喷射装置9的喷嘴9c同一水平高度上， 通过微滴喷射信号控制模块3控制拍摄装置1拍摄喷嘴9c喷射的金属微熔滴，频闪光源 2用于拍摄时的背景光，拍摄装置1拍摄的图像输入至图像采集及处理模块4，图像采集 及处理模块4输出处理后的信号，并将所述处理后的信号输入至微滴喷射信号控制模块3；

微滴喷射信号控制模块3根据处理后的信号控制压电陶瓷驱动信号发生模块6和频闪 光源驱动信号发生模块5分别输出压电陶瓷驱动信号和频闪光源驱动信号，所述压电陶瓷 驱动信号和频闪光源驱动信号分别输入至压电陶瓷驱动信号放大电源11和频闪光源驱动 信号放大电源12，压电陶瓷驱动信号放大电源11输出的放大信号输入至金属微熔滴喷射 装置9的压电陶瓷换能器9a，频闪光源驱动信号放大电源12输出的放大信号输入至金属 微熔滴喷射装置9的频闪光源。

本实施方式中，所述拍摄装置1为CCD或CMOS相机，频闪光源2为LED频闪光源， 由LED阵列组成。

拍摄装置1放置在与金属微熔滴喷射装置喷嘴9c同一水平高度上，拍摄装置1镜头 正对频闪光源2，这样频闪光源2作为背景光源使用，频闪光源2由LED阵列组成，以保 证能够覆盖足够大的区域，以供图像采集使用，当金属微熔滴10通过拍摄装置1与LED 频闪光源2之间时，会得到背景为光源的微熔滴图像。

所述装置包括熔融金属回收装置7，所述熔融金属回收装置7设置在所述喷嘴9c的 下方。

在进行金属微熔滴10喷射之前，熔融金属回收装置7被放置于喷嘴9c的下方，以保 证喷射出的金属微熔滴不会沉积到沉积基板8上造成错误的打印沉积。

本实施方式的压电陶瓷驱动信号采用基于计算机和AD/DA卡编程的虚拟仪器-微滴 喷射信号控制模块3控制产生梯形波驱动信号，驱动信号的波形及其频率、幅值等参数可 针对不同物性的熔体在微滴喷射信号控制模块3中进行任意可调，信号经压电陶瓷驱动信 号放大电源11放大后驱动压电陶瓷带动振动杆产生轴向振动；同时微滴喷射信号控制模 块3控制产生另一路LED频闪光源驱动信号，一股为方波信号，此驱动信号的频率与压电 陶瓷驱动波形同步，波形的幅值和脉宽以及其与压电陶瓷驱动信号的相位可以调节，信号 经频闪光源驱动信号放大电源12放大后驱动LED频闪光源；采用CCD或CMOS相机来拍摄 微熔滴喷射过程的图像，经图像采集及处理模块4得到微熔滴的特征，微滴喷射信号控制 模块3判断在喷射过程中是否有卫星液滴13的产生及微熔滴喷射速度、尺寸等信息，然 后与预定值相比较，微滴喷射信号控制模块3自动改变驱动波形参数来驱动压电陶瓷的振 动，从而调节熔融金属从喷嘴被挤压而出形成微熔滴的喷射过程，达到去除卫星液滴13、 调整微熔滴喷射速度及尺寸的要求，并通过按需式微熔滴喷射测控系统返回喷射过程的关 键参数信息如微滴喷射速度、尺寸、微滴球形度等。

具体实施方式二：本实施方式是具体实施方式一所述的基于图像处理的按需式微熔滴 喷射过程的测控装置的测控方法，在金属微熔滴喷射装置9开始进行微滴喷射之前，将 熔融金属回收装置移至喷嘴9c正下方；待打印金属材料在按需式金属微熔滴喷射装置9 内被加热到设定温度并保温后，开始如下方法；

所述方法包括如下步骤：

步骤一：微滴喷射信号控制模块3控制压电陶瓷驱动信号发生模块6以设定的初始压 电陶瓷驱动信号驱动压电陶瓷换能器9a产生轴向伸缩振动；同时控制频闪光源驱动信号 发生模块5发出频闪光源驱动信号驱动频闪光源2，所述频闪光源驱动信号与驱压电陶瓷 驱动信号同步；

步骤二：微滴喷射信号控制模块3控制拍摄装置1拍摄图像，图像采集及处理模块4 对金属微熔滴10的图像进行实时处理，微滴喷射信号控制模块3对处理后的图像进行分 析，判断喷嘴9c是否喷出熔融金属，若是，则转入步骤四，若否，转入步骤三；

步骤三：微滴喷射信号控制模块3通过改变压电陶瓷驱动信号发生模块6发出的压电 陶瓷驱动信号的参数，来使压电陶瓷换能器9a的振动增强，拍摄装置1在频闪光源2发 出频闪光源下拍摄图像，转入步骤二，所述频闪光源2的频闪光源驱动信号与所述压电陶 瓷驱动信号同步；

步骤四：微滴喷射信号控制模块3对处理后的图像的特征进行提取，根据相应特征判 断金属微熔滴10的各项指标是否满足设定条件，若不满足，则转入步骤五；，直至拍摄装 置1拍摄的图像的特征满足设定条件，转入步骤五；若满足，则转入步骤六；

步骤五：根据提取的相应特征及各项指标的设定条件，改变变压电陶瓷驱动信号发生 模块6发出的压电陶瓷驱动信号的相应参数，转入步骤二；

步骤六：微滴喷射信号控制模块3控制压电陶瓷驱动信号发生模块6停止发出压电陶 瓷驱动信号，保持频闪光源驱动信号发生模块5输出频闪光源驱动信号，转入步骤七；

步骤七：移除熔融金属回收装置7，按照沉积需要，微滴喷射信号控制模块3控制压 电陶瓷驱动信号发生模块6输出压电陶瓷驱动信号，进行金属微熔滴10的喷射和打印沉 积。

步骤五中：根据提取的相应特征及各项指标的设定条件，改变变压电陶瓷驱动信号发 生模块6发出的压电陶瓷驱动信号的相应参数包括：

如图2所示，当处理后的图像产生卫星液滴13，微滴喷射信号控制模块3通过改变 压电陶瓷驱动信号发生模块6发出的压电陶瓷驱动信号的相应参数来减少金属微熔滴10 的尾部长度，从而去除卫星液滴13；

当处理后的图像中金属微熔滴10的直径尺寸不在设定尺寸之内，微滴喷射信号控制 模块3通过改变压电陶瓷驱动信号发生模块6发出的压电陶瓷驱动信号的相应参数来调节 金属微熔滴10的直径尺寸，满足设定尺寸；

当处理后的图像中金属微熔滴10的喷射速度不在设定值内，微滴喷射信号控制模块 3通过改变压电陶瓷驱动信号发生模块6发出的压电陶瓷驱动信号的参数来调节金属微熔 滴12的喷射速度，满足设定值。

所述步骤二中：图像采集及处理模块对金属微熔滴10的图像进行实时处理包括：图 像采集及处理模块4对金属微熔滴10的图像进行二值化、滤波、轮廓提取和质心提取处 理。

本实施方式中对图像处理后提取特征，并计算得出微熔滴喷射过程是否含有卫星液滴 13产生，并计算出微熔滴的尺寸；通过改变驱动频闪光源驱动信号与压电陶瓷驱动信号 的相位，得到微熔滴在相位差后的位置图像，从而计算出微熔滴的喷射速度；

本实施方式中，需要时将拍摄装置1至于沉积位置所在平面的位置，可以实时监测沉 积时微熔滴的速度、尺寸和圆度指标。

金属微熔滴10喷出后的图像经图像处理模块处理后，如果产生如图2卫星液滴13， 微熔滴喷射处理系统通过改变压电陶瓷换能器驱动波形信号的参数来调节喷出喷嘴的熔 融金属体积，减少金属微熔滴10的尾部长度，从而去除卫星液滴13。

将拍摄装置1与频闪光源2放置在与沉积基底8同一水平高度上，采集金属微熔滴 10在沉积到基底瞬间的图像，经图像处理模块处理后可以计算出金属微熔滴10在沉积时 的圆度，并实时给出圆度误差，以控制微电子封装凸点的形貌。

实施例：

为获得稳定而符合沉积要求的微熔滴喷射过程，在驱动波形信号作用下的压电陶瓷换 能器9a产生的机械振动过程至关重要。本发明采用梯形波作为压电陶瓷换能器驱动信号 波形，如图3。驱动梯形波按驱动作用分为三部分：Ts阶段为压电陶瓷换能器在信号作用 下变形带动振子推出阶段，此阶段为微熔滴受迫从喷嘴喷出阶段，波形的幅值A与Ts时 间长短影响喷射速度；Tb为波形信号达到幅值并保持静止，因而振子也随之保持在伸出 一定时间的静止，此时熔融金属随惯性继续喷出，此阶段会影响金属微熔滴10的尺寸； Tx为压电陶瓷换能器在信号作用下变形带动振子回收阶段，熔融金属从喷出的液流上断 裂形成金属微熔滴10，此阶段会对影响卫星液滴13的产生。

当微滴喷射信号控制模块3检测到无微熔滴产生时，自动逐步调节增大压电陶瓷换能 器驱动信号波形的幅值和减小Ts值，直至熔融金属从喷嘴9c喷出。当检测到微熔滴10 的喷射速度小于设定范围时，自动逐步调节增大压电陶瓷换能器驱动信号波形的幅值和减 小Ts值，当检测到微熔滴10的喷射速度达于设定范围时，自动逐步调节减小压电陶瓷换 能器驱动信号波形的幅值和增加Ts值；当检测到微熔滴10的直径小于设定范围时，自动 逐步调节增大Tb值，当检测到微熔滴10的直径大于设定范围时，自动逐步调节减小Tb 值；当检测到随微熔滴10的产生有卫星液滴13产生时，自动逐步调节减小Tb值，同时 减小Tx值。

频闪光源驱动信号采用的是矩形波，如图4所示。

综上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但是本发明并不局限于上述的保护范围， 例如压电陶瓷换能器驱动信号波形为梯形波，也可使用三角波、正弦波、指数形波等波形 及其组合方式，可通过改变波形上升下降的变化来控制微熔滴喷射过程，任何熟悉本技术 领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或 等效替换均落入本发明的保护范围内。