複合材料鋪放質量視頻檢測裝置的製作方法

2023-12-10 21:52:12 1

專利名稱：複合材料鋪放質量視頻檢測裝置的製作方法
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設備，該設備用於複合材料結構件加工過程中的鋪放層表面質量視頻圖像的穩定、可靠採集。
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，能有效提高結構件的性能。大量使用複合材料是航空太空飛行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內容，同時複合材料加工工藝對加工精度的要求較高，相關技術的研究正在展開，有大量問題需要解決。其中鋪放過程中預浸帶間隙的測量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、加工工件表面特性的特殊性鋪疊後的預浸料表面比較粗造。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。
預浸帶是由直徑0.15mm的纖維粘合製成，標準厚度僅為0.15mm，因此預浸帶表面並非嚴格意義上的平面，其表面特性如圖1所示。在複合材料的鋪放過程中，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。由於預侵帶厚度薄，表面呈波浪型，給檢測帶來了一定的困難。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(7171003B2)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
本發明提供了一種基於視頻圖像採集的複合材料鋪放工藝過程中層間相鄰預浸帶間隙表面測量的裝置，一種複合材料鋪放質量視頻檢測裝置，其特點在於包括視頻採集單元、背景光照單元、光源入射距離微調單元、光源入射角調節單元及運動控制單元，所述視頻採集單元連於鋪放點，該視頻採集單元包括CCD攝像機、鏡頭、攝像支架及標準視頻信號輸出接口，其中CCD攝像機與鏡頭相連，CCD攝像機通過攝像支架固定在鋪放頭上；所述背景光照單元與光源入射角調節單元相連，該背景光照單元包括背景光源、光源電源、光源支架，其中光源與光源電源相連，光源裝在光源支架上，光源支架安裝在鋪放頭上；所述光源入射距離微調單元包括步進電機、調節絲槓、運動滑塊及步進電機驅動器，其中步進電機的輸出軸與調節絲槓相連，調節絲槓兩端裝在鋪放頭上，運動滑塊安裝在調節絲槓上，步進電機驅動器與步進電機的輸入端相連；所述光源入射角調節單元包括入射角度調節電機和入射角調節電機驅動器，其中入射角度調節電機的輸出軸通過連杆與上述光源入射距離微調單元中的運動滑塊相連，入射角調節電機驅動器的輸出與入射角度調節電機的輸入相連，入射角調節電機驅動器的輸入連於上述光源入射距離微調單元中的步進電機驅動器的輸出；所述的運動控制單元包括運動控制卡、運動控制計算機，其中運動控制計算機的輸出連於運動控制卡的輸入。該運動控制卡的輸出連於上述光源入射距離微調單元中的步進電機驅動器的輸入端和上述光源入射角調節單元中的入射角調節電機驅動器的輸入端。
本發明能有效地提高圖像對比度，獲得高質量的、穩定的視頻圖像，用於複合材料結構件加工過程中的鋪放間隙檢測。


圖1為複合材料鋪放採用的預浸帶表面特性示意圖；圖2是本發明的複合材料鋪放質量視頻檢測裝置的組成原理示意圖；圖3為本發明中的視頻採集單元組成示意圖；圖4為本發明中的背景光照單元、光源入射距離微調單元、光源入射角調節單元及運動控制單元的組成原理示意圖；上述圖中的標號名稱001-視頻採集單元，002-背景光照單元，003-光源入射距離微調單元，004-光源入射角調節單元，005-運動控制單元，006-鋪放頭，007-CCD攝像機，008-鏡頭，009-攝像支架，010-標準視頻信號輸出接口，011-光源，012-光源電源，013-光源支架，014-進步電機，015-調節絲槓，016-運動滑塊，017-進步電機驅動器，018-入射角度調節電機，019-入射角調節電機驅動器，020-運動控制卡，021-運動控制計算機。
圖5是本發明中的加工工件表面及圖像採集示意圖；圖6是本發明的光反射原理示意圖；圖7是本發明中不同光源入射角時的掃描灰度示意圖，其中圖7(a)為掃描方向，圖7(b)為理想圖像掃描結果示意圖，圖7(c)為入射角過小的掃描結果示意圖，圖7(d)為入射角過大的掃描結果示意圖；圖8實施例中的虛擬檢測線掃描技術原理示意。
具體實施例方式
本發明的複合材料鋪放質量視頻檢測裝置如圖2所示，該裝置包括視頻採集單元001、背景光照單元002、光源入射距離微調單元003、光源入射角調節單元004及運動控制單元005。
如上所述的視頻採集單元001用於採集被測區域的視頻圖像，包括一臺CCD攝像機007、鏡頭008、攝像支架009及標準視頻信號輸出接口010，其中的攝像支架009用於固定CCD攝像機到鋪放頭，如圖3所示。
如上所述的背景光照單元002用於提高採集圖像的對比度和穩定性，避免因外界工作環境變化而引起的分析誤差，包括背景光源011、光源電源012、光源支架013，如圖4所示。
如上所述的光源入射距離微調節單元003用來在水平方向的小範圍內調節背景光源011位置，為了配合背景光源的入射角調節，提高圖像對比度。背景光源的微調節通過一臺步進電機014帶動調節絲槓015轉動，此時連接與該絲槓上的運動滑塊016移動，實現背景光源的位置調節。步進電機正反轉實現光源的左右運動調節，該步進電機由步進電機驅動器017驅動，驅動器的控制信號由運動控制005單元提供，如圖4所示。同時，系統還能提供水平轉動。
如上所述的光源入射角調節單元004是根據實際工作需要調節光源入射角度，增強採集獲得的視頻圖像對比度質量。本檢測系統考慮到圖像處理實時性要求較高，在圖像採集過程中考慮到了利用光源獲得穩定圖像以及加工面由於複合纖維紋理走向差異提高圖像中紋理對比度，方便後續圖像處理工作，圖5為加工工件表面及圖像採集示意圖。因為表面紋理走向不同，同時預浸帶由複合纖維絲粘結而成，因此對於相同入射角度的平行光線，反射面不同；利用光反射原理提高採集圖像質量的基本原理如圖6所示。該單元包括入射角度調節電機018和入射角調節電機驅動器019。
如上所述的運動控制單元005用於給光源入射距離微調節單元003和光源入射角調節單元004的步進電機驅動器提供運動控制信號，包括運動控制卡020、運動控制計算機021。
本裝置提供了一套用於光源入射角和位置調節的策略，其中的關鍵在於判斷光源入射角度是否能夠確保採集圖像的對比度滿足要求。如果背景光入射角度與CCD位置配合合理，採集圖像清晰，對比度高；否則，採集圖像對比度低。因此需要判斷採集圖像的質量，確定光源入射角度和位置的調節策略，本發明中的判斷採用基於掃描線灰度的統計方法。在採集圖像上沿垂直間隙衍生方向隨機掃描一條或幾條直線，圖7所示的是理想圖像和不理想圖像的掃描灰度圖示意，可以看出，理想圖像沿掃描方向有灰度對比度較大的區域，非常明顯；而不理想圖像該區域不明顯，由此可以判斷需要調節。調節時可先調節入射角度，通常情況下可以解決問題；如果需要再調節光源位置。
實施例複合材料鋪放過程中的間隙檢測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。在這種情況下，鋪放機的鋪放速度比較高，可以達到每秒半米以上，對檢測的實時性要求也比較高。採用本發明裝置，實現鋪放工藝的實時監測。
本實施例中，CCD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，背景光源採用日本CGS公司的工業級LED光源。
檢測過程中採用虛擬檢測線掃描技術，判斷間隙的合理性。即在實時檢測的圖像窗口上設置一條虛擬的掃描線，統計該線上採集圖像的灰度變化，並提取出間隙寬度。該間隙寬度與給定寬度比對，即可完成監測。當出現異常時，裝置發出報警，以便操作人員及時處理。虛擬檢測線掃描技術如圖8所示。
權利要求
1.一種複合材料鋪放質量視頻檢測裝置，其特點在於包括視頻採集單元(001)、背景光照單元(002)、光源入射距離微調單元(003)、光源入射角調節單元(004)及運動控制單元(005)，所述視頻採集單元(001)連於鋪放頭，該視頻採集單元(001)包括CCD攝像機(007)、鏡頭(008)、攝像支架(009)及標準視頻信號輸出接(010)，其中CCD攝像機(007)與鏡頭(008)相連，CCD攝像機(007)通過攝像支架(009)固定在鋪放頭上；所述背景光照單元(002)與光源入射角調節單元(004)相連，該背景光照單元(002)包括背景光源(011)、光源電源(012)、光源支架(013)，其中光源(011)與光源電源(012)相連，光源(011)裝在光源支架(013)上，光源支架(013)安裝在鋪放頭上；所述光源入射距離微調單元(003)包括步進電機(014)、調節絲槓(015)、運動滑塊(016)及步進電機驅動器(017)，其中步進電機(014)的輸出軸與調節絲槓(015)相連，調節絲槓(015)兩端裝在鋪放頭上，運動滑塊(016)安裝在調節絲槓(015)上，步進電機驅動器(017)與步進電機(014)的輸入端相連；所述光源入射角調節單元(004)包括入射角度調節電機(018)和入射角調節電機驅動器(019)，其中入射角度調節電機(018)的輸出軸通過連杆與上述光源入射距離微調單元(003)中的運動滑塊(016)相連，入射角調節電機驅動器(019)的輸出與入射角度調節電機(018)的輸入相連，入射角調節電機驅動器(019)的輸入連於上述光源入射距離微調單元(003)中的步進電機驅動器(017)的輸出；所述的運動控制單元(005)包括運動控制卡(020)、運動控制計算機(021)，其中運動控制計算機(021)的輸出連於運動控制卡(020)的輸入，該運動控制卡(020)的輸出連於上述光源入射距離微調單元(003)中的步進電機驅動器(017)的輸入端和上述光源入射角調節單元(004)中的入射角調節電機驅動器(019)的輸入端。
全文摘要
一種複合材料鋪放質量視頻檢測裝置，屬複合材料鋪放質量檢測裝置。該裝置包括視頻採集單元(001)、背景光照單元(002)、光源入射距離微調單元(003)、光源入射角調節單元(004)及運動控制單元(005)。同時為了獲得質量穩定的視頻圖像，該裝置還提供了光源入射角度和位置的微調節功能。系統還提供了一套自動判別採集圖像質量的方法，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G01C11/00GK101074878SQ200710024358
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月14日 優先權日2007年6月14日
發明者曹力, 肖軍, 郭琪超, 陳文 申請人:南京航空航天大學