複合材料鋪放間隙圖像的快速檢測方法
2023-12-10 21:51:57 4
專利名稱：複合材料鋪放間隙圖像的快速檢測方法
技術領域：
本發明涉及複合材料鋪放工藝過程中同一鋪放層相鄰預浸帶間的縫隙自動檢測技術，該技術涉及複合材料結構件加工過程中的鋪放層表面質量實時檢測方法。利用視頻圖像處理技術，實現鋪放間隙的高性能、低成本測量。
背景技術：
先進複合材料結構具有高比強度、高比模量、耐疲勞、工藝性好等特點，能有效提高飛機性能，大量使用複合材料是航空器發展趨勢如美國第四代戰鬥機(F22、F35)、大型飛機(A380、787和A400M等)均大量採用複合材料結構部件提高飛機性能。作為複合材料通用製造技術，複合材料鋪放可以實現複合材料設計製造技術的大跨度進步，具有重要的應用價值與技術進步意義。複合材料鋪放技術是一項新型的加工技術，涉及複合材料加工、 機械製造、自動控制技術以及傳感檢測技術等相關領域，相關技術的研究正在展開，其中鋪放過程中預浸帶間間隙的實時監控問題，是實現鋪放工藝自動化的前提保障和必要基礎。與傳統機械加工工藝相比，複合材料的鋪放具有以下幾點特殊性1、材料的特殊性採用的預浸料成型，加工過程中的預浸料變形難以精確控制；2、加工工藝的特殊性工件的加工通過逐層鋪疊而非切削實現，容易產生加工形變；3、加工工件表面比較粗造。鑑於上述原因，複合材料鋪放技術要求對鋪放工藝過程實施嚴格的質量控制，確保加工工件的外形尺寸和質量符合工藝要求，鋪放工藝過程中的間隙實時檢測是解決上述問題的最有效方法之一。複合材料鋪放的在線質量檢測主要的任務之一就是檢測同一鋪放層相鄰兩條預浸帶間的間隙是否滿足工藝要求，屬於表面質量檢測問題。複合材料預侵帶厚度薄(標準厚度約0. 15mm)，且表面呈波浪型，給檢測帶來了極大的困難。表面檢測最典型的測量方法是雷射檢測技術，雷射不斷地掃描被檢測區域，獲得被測工件表面的高度差信息，以此判斷檢測面的質量缺陷。但由於預浸帶表面特性影響反射光的接收效果，使得檢測系統的穩定性不理想，同時要求雷射檢測系統精度高，設備昂貴。採用光學視頻的檢測方法可以在一定程度上提高檢測系統的穩定性，如在美國早期專利(5562788)中，利用雷射位移傳感器的視覺圖像，實現間隙的實時檢測，測量精度及實時性可以滿足目前工藝要求；但航空複合材料構件形狀複雜，表面檢測過程中雷射反射特性不穩定，給反射光的接收以及後續的檢測數據處理帶來困難。另一項美國專利(717100 利用由紅外光源組成的背景光源組和 CCD組成的視頻圖像採集系統，採集反射的鋪放表面圖像，檢測表面間隙，該發明採用光源入射角度為45°。
發明內容
本發明提供了一種在複合材料鋪放工藝過程中，利用視頻技術實現同一鋪放層相鄰預浸帶縫隙(間隙)自動檢測中所涉及的技術手段，實現間隙的高精度在線測量。本發明包括如下技術手段
(1)對直接採集的圖像數據進行重新組合；(2)利用掃描法逐行/列或隔行/列掃描重新組合後的圖像數據，以便進行後續據分析，實現間隙自動檢測。
圖1是本發明中重新組合方法及組合結果示意圖；圖2是本發明中列掃描檢測方法示意圖；上述圖中的標號名稱001-跳變點1,002-跳變點2，003-跳變點3、4。圖3是本發明的間隙檢測處理流程示意圖；圖4為實際檢測結果輸出。
具體實施例方式下面結合附圖對技術方案的實施作進一步的詳細描述。本發明中的間隙測量及分析採用行抽樣掃描測量的方法，具體思想如下對採集到的視頻圖像，按照需求選取若干區域重新組合，形成一個新的圖像數據集合，該集合可以看作是一幅圖像，對重新組合的數據集合做濾波去噪、閾值分割、邊緣檢測等前處理後，再對分割後的二值化圖像進行行/列掃描，測量間隙所佔象素個數換算獲得的。圖像重新組合的目的主要是為了減少計算量，提高圖像處理速度，滿足檢測實時性要求，重新組合方法如圖1所示。基於重組圖像的行/列掃描基本思想為對於重組後的數據二值化處理後，即獲得了二值化圖像，所謂行/列掃描就是指提取該二值化圖像中的某一行/列數據，根據該行 /列象素的灰度跳變點，判斷間隙起始、結束位置，並以此計算間隙尺寸(每個象素點對應實際的面積已知)。為了獲得可靠的間隙檢測數據，採取兩級判斷分析的方法首先判斷間隙跳變點如果是理想圖像，掃描過程中應該有兩次灰度跳變，跳變點將即為間隙。但實際情況往往存在噪聲等因素，掃描行的灰度跳變點不止兩個，可以根據間隙和噪聲的特點加以判斷。噪聲一般兩突變點間隔較小(如圖2中003所示)，而間隙的跳變點間隔較大(如圖2中001和002所示)，因此可以在檢測到跳變時，向該點兩邊再做一次連續多個象素的二次掃描，如果有跳變點判斷為噪聲，如果沒有判斷為間隙的邊緣。其次判斷檢測數據的有效性有時噪聲較大，上述方法無法判斷。可以在重組數據集合內進行非連續的多行/列掃描，如果數據接近，認為是間隙。相反，則需重新判斷。該檢測方法原理如圖2所示。如上所述的間隙檢測方法，通過下述技術方案予以實現，具體步驟如下(1)從CXD攝取目標檢測區域視頻圖像並存儲；(2)重新組合圖像數據；(3)對重新組合圖像數據進行預處理，包括濾波去噪、閾值分割、邊緣檢測；(4)利用掃描法逐行/列或隔行/列掃描預處理後的圖像數據，並通過處理後的數據分析，定量分析間隙尺寸；(5)若檢測間隙大於或等於指定閾值，則確定為缺陷疑似，並對此疑似缺陷作進一步的定量分析，保存結果；(6)若對連續多幀(本發明中採用連續3幀)圖像的檢測均有缺陷疑似，則確定為間隙超限，並給出報警信息，按照要求停止鋪放過程；(7)若步驟(4)的檢測間隙小於指定閾值，則繼續直至整個鋪放過程結束。處理流程圖如圖3所示。其中濾波去噪、閾值分割和邊緣檢測均採用現在常用的圖像及信號處理技術。複合材料鋪放工藝過程中間隙在線實時提取大型複合材料結構件的鋪放過程中，需要鋪放間隙一般要求必須小於給定的範圍，同時不允許出現重疊。現代鋪放設備基本實現自動化，設備控制精度和鋪放速度比較高，可達每秒半米以上，需要實時監控並調整鋪放頭工作位置。對鋪放頭水平位置的檢測可以藉助於間隙檢測實現，同時間隙檢測也可以測量加工質量，為質量監控及鋪放頭控制提供必要的檢測參數。尤其在鋪放頭控制過程中，需要了解鋪放頭的橫向位置變化情況以及變化趨勢，就必須要實時提取間隙尺寸。本實施例中，CXD採用德國Basler公司的A312f型號工業攝像機，該攝像機採用標準1394接口，視頻圖像採集速率可達30幀/秒以上，能夠滿足要求；鏡頭採用日本Tokina 的10倍手動變焦鏡頭，確保採集圖像精度和質量，光源採用日本CGS公司的工業級LED光源。檢測過程中採用本發明中的間隙檢測提取技術，實時提取間隙的寬度大小，顯示並反饋給鋪放頭控制系統。在線提取結果如圖4所示。
權利要求
1.一種高對比度複合材料鋪放間隙圖像的重構方法，其特徵在於，通過重構採集高對比度複合材料間隙視頻圖像，大幅減少圖像處理數據，實現高速複合材料間隙的實時檢測。
2.一種基於行/列掃描的高對比度複合材料鋪放間隙信息提取方法，其特徵在於，對於高對比度複合材料鋪放間隙視頻圖像，通過多象素點的行/列掃描，有效地提取間隙的邊緣點位置，為間隙可靠測量提供了保證。
全文摘要
一種用於複合材料鋪放工藝過程中，同一鋪放層相鄰預浸帶間隙測量的視頻檢測方法。提供了減少視頻圖像處理數據量、提高間隙測量速度、滿足系統實時性要求的採集圖像重構方法。同時提出了一種多點行/列掃描的間隙邊界提取技術，保證間隙邊緣提取的可靠性。操作簡單、方便，主要用於複合材料結構件加工過程中的鋪放間隙檢測。
文檔編號G01C11/36GK102374848SQ20111027032
公開日2012年3月14日 申請日期2011年9月14日 優先權日2011年9月14日
發明者曹力, 肖軍, 陳文 申請人:南京航空航天大學