專利名稱：復合材料鋪放質(zhì)量視頻檢測裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及復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，該設備用于復合材料結(jié)構(gòu)件加工過程中的鋪放層表面質(zhì)量視頻圖像的穩(wěn)定、可靠采集。
背景技術：
先進復合材料結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)件的性能。大量使用復合材料是航空航天器發(fā)展趨勢如美國第四代戰(zhàn)斗機(F22、F35)、大型飛機(A380、787和A400M等)均大量采用復合材料結(jié)構(gòu)部件提高飛機性能。作為復合材料通用制造技術，復合材料鋪放可以實現(xiàn)復合材料設計制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。復合材料鋪放技術是一項新型的加工技術，涉及復合材料加工、機械制造、自動控制技術以及傳感檢測技術等相關領域內(nèi)容，同時復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(xiàn)鋪放工藝自動化的前提保障和必要基礎。
與傳統(tǒng)機械加工工藝相比，復合材料的鋪放具有以下幾點特殊性1、材料的特殊性采用的預浸料成型，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(xiàn)，容易產(chǎn)生加工形變；3、加工工件表面特性的特殊性鋪疊后的預浸料表面比較粗造。鑒于上述原因，復合材料鋪放技術要求對鋪放工藝過程實施嚴格的質(zhì)量控制，確保加工工件的外形尺寸和質(zhì)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的纖維粘合制成，標準厚度僅為0.15mm，因此預浸帶表面并非嚴格意義上的平面，其表面特性如圖1所示。在復合材料的鋪放過程中，在線質(zhì)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，屬于表面質(zhì)量檢測問題。由于預侵帶厚度薄，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激光檢測技術，激光不斷地掃描被檢測區(qū)域，獲得被測工件表面的高度差信息，以此判斷檢測面的質(zhì)量缺陷。但由于預浸帶表面特性影響反射光的接收效果，使得檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性不理想，同時要求激光檢測系統(tǒng)精度高，設備昂貴。采用光學視頻的檢測方法可以在一定程度上提高檢測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如在美國早期專利(5562788)中，利用激光位移傳感器的視覺圖像，實現(xiàn)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；但航空復合材料構(gòu)件形狀復雜，表面檢測過程中激光反射特性不穩(wěn)定，給反射光的接收以及后續(xù)的檢測數(shù)據(jù)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組成的視頻圖像采集系統(tǒng)，采集反射的鋪放表面圖像，檢測表面間隙，該發(fā)明采用光源入射角度為45°。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于視頻圖像采集的復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，一種復合材料鋪放質(zhì)量視頻檢測裝置，其特點在于包括視頻采集單元、背景光照單元、光源入射距離微調(diào)單元、光源入射角調(diào)節(jié)單元及運動控制單元，所述視頻采集單元連于鋪放點，該視頻采集單元包括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(diào)節(jié)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(diào)單元包括步進電機、調(diào)節(jié)絲杠、運動滑塊及步進電機驅(qū)動器，其中步進電機的輸出軸與調(diào)節(jié)絲杠相連，調(diào)節(jié)絲杠兩端裝在鋪放頭上，運動滑塊安裝在調(diào)節(jié)絲杠上，步進電機驅(qū)動器與步進電機的輸入端相連；所述光源入射角調(diào)節(jié)單元包括入射角度調(diào)節(jié)電機和入射角調(diào)節(jié)電機驅(qū)動器，其中入射角度調(diào)節(jié)電機的輸出軸通過連桿與上述光源入射距離微調(diào)單元中的運動滑塊相連，入射角調(diào)節(jié)電機驅(qū)動器的輸出與入射角度調(diào)節(jié)電機的輸入相連，入射角調(diào)節(jié)電機驅(qū)動器的輸入連于上述光源入射距離微調(diào)單元中的步進電機驅(qū)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于運動控制卡的輸入。該運動控制卡的輸出連于上述光源入射距離微調(diào)單元中的步進電機驅(qū)動器的輸入端和上述光源入射角調(diào)節(jié)單元中的入射角調(diào)節(jié)電機驅(qū)動器的輸入端。
本發(fā)明能有效地提高圖像對比度，獲得高質(zhì)量的、穩(wěn)定的視頻圖像，用于復合材料結(jié)構(gòu)件加工過程中的鋪放間隙檢測。


圖1為復合材料鋪放采用的預浸帶表面特性示意圖；圖2是本發(fā)明的復合材料鋪放質(zhì)量視頻檢測裝置的組成原理示意圖；圖3為本發(fā)明中的視頻采集單元組成示意圖；圖4為本發(fā)明中的背景光照單元、光源入射距離微調(diào)單元、光源入射角調(diào)節(jié)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-視頻采集單元，002-背景光照單元，003-光源入射距離微調(diào)單元，004-光源入射角調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)絲杠，016-運動滑塊，017-進步電機驅(qū)動器，018-入射角度調(diào)節(jié)電機，019-入射角調(diào)節(jié)電機驅(qū)動器，020-運動控制卡，021-運動控制計算機。
圖5是本發(fā)明中的加工工件表面及圖像采集示意圖；圖6是本發(fā)明的光反射原理示意圖；圖7是本發(fā)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(jié)果示意圖，圖7(c)為入射角過小的掃描結(jié)果示意圖，圖7(d)為入射角過大的掃描結(jié)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(fā)明的復合材料鋪放質(zhì)量視頻檢測裝置如圖2所示，該裝置包括視頻采集單元001、背景光照單元002、光源入射距離微調(diào)單元003、光源入射角調(diào)節(jié)單元004及運動控制單元005。
如上所述的視頻采集單元001用于采集被測區(qū)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用于固定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用于提高采集圖像的對比度和穩(wěn)定性，避免因外界工作環(huán)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(diào)節(jié)單元003用來在水平方向的小范圍內(nèi)調(diào)節(jié)背景光源011位置，為了配合背景光源的入射角調(diào)節(jié)，提高圖像對比度。背景光源的微調(diào)節(jié)通過一臺步進電機014帶動調(diào)節(jié)絲杠015轉(zhuǎn)動，此時連接與該絲杠上的運動滑塊016移動，實現(xiàn)背景光源的位置調(diào)節(jié)。步進電機正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)光源的左右運動調(diào)節(jié)，該步進電機由步進電機驅(qū)動器017驅(qū)動，驅(qū)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(tǒng)還能提供水平轉(zhuǎn)動。
如上所述的光源入射角調(diào)節(jié)單元004是根據(jù)實際工作需要調(diào)節(jié)光源入射角度，增強采集獲得的視頻圖像對比度質(zhì)量。本檢測系統(tǒng)考慮到圖像處理實時性要求較高，在圖像采集過程中考慮到了利用光源獲得穩(wěn)定圖像以及加工面由于復合纖維紋理走向差異提高圖像中紋理對比度，方便后續(xù)圖像處理工作，圖5為加工工件表面及圖像采集示意圖。因為表面紋理走向不同，同時預浸帶由復合纖維絲粘結(jié)而成，因此對于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采集圖像質(zhì)量的基本原理如圖6所示。該單元包括入射角度調(diào)節(jié)電機018和入射角調(diào)節(jié)電機驅(qū)動器019。
如上所述的運動控制單元005用于給光源入射距離微調(diào)節(jié)單元003和光源入射角調(diào)節(jié)單元004的步進電機驅(qū)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于光源入射角和位置調(diào)節(jié)的策略，其中的關鍵在于判斷光源入射角度是否能夠確保采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，采集圖像清晰，對比度高；否則，采集圖像對比度低。因此需要判斷采集圖像的質(zhì)量，確定光源入射角度和位置的調(diào)節(jié)策略，本發(fā)明中的判斷采用基于掃描線灰度的統(tǒng)計方法。在采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(qū)域，非常明顯；而不理想圖像該區(qū)域不明顯，由此可以判斷需要調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)時可先調(diào)節(jié)入射角度，通常情況下可以解決問題；如果需要再調(diào)節(jié)光源位置。
實施例復合材料鋪放過程中的間隙檢測大型復合材料結(jié)構(gòu)件的鋪放過程中，需要鋪放間隙一般要求必須小于給定的范圍，同時不允許出現(xiàn)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。采用本發(fā)明裝置，實現(xiàn)鋪放工藝的實時監(jiān)測。
本實施例中，CCD采用德國Basler公司的A312f型號工業(yè)攝像機，該攝像機采用標準1394接口，視頻圖像采集速率可達30幀/秒以上，能夠滿足要求；鏡頭采用日本Tokina的10倍手動變焦鏡頭，確保采集圖像精度和質(zhì)量，背景光源采用日本CGS公司的工業(yè)級LED光源。
檢測過程中采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(tǒng)計該線上采集圖像的灰度變化，并提取出間隙寬度。該間隙寬度與給定寬度比對，即可完成監(jiān)測。當出現(xiàn)異常時，裝置發(fā)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
1.一種復合材料鋪放質(zhì)量視頻檢測裝置，其特點在于包括視頻采集單元(001)、背景光照單元(002)、光源入射距離微調(diào)單元(003)、光源入射角調(diào)節(jié)單元(004)及運動控制單元(005)，所述視頻采集單元(001)連于鋪放頭，該視頻采集單元(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(diào)節(jié)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(diào)單元(003)包括步進電機(014)、調(diào)節(jié)絲杠(015)、運動滑塊(016)及步進電機驅(qū)動器(017)，其中步進電機(014)的輸出軸與調(diào)節(jié)絲杠(015)相連，調(diào)節(jié)絲杠(015)兩端裝在鋪放頭上，運動滑塊(016)安裝在調(diào)節(jié)絲杠(015)上，步進電機驅(qū)動器(017)與步進電機(014)的輸入端相連；所述光源入射角調(diào)節(jié)單元(004)包括入射角度調(diào)節(jié)電機(018)和入射角調(diào)節(jié)電機驅(qū)動器(019)，其中入射角度調(diào)節(jié)電機(018)的輸出軸通過連桿與上述光源入射距離微調(diào)單元(003)中的運動滑塊(016)相連，入射角調(diào)節(jié)電機驅(qū)動器(019)的輸出與入射角度調(diào)節(jié)電機(018)的輸入相連，入射角調(diào)節(jié)電機驅(qū)動器(019)的輸入連于上述光源入射距離微調(diào)單元(003)中的步進電機驅(qū)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)的輸出連于運動控制卡(020)的輸入，該運動控制卡(020)的輸出連于上述光源入射距離微調(diào)單元(003)中的步進電機驅(qū)動器(017)的輸入端和上述光源入射角調(diào)節(jié)單元(004)中的入射角調(diào)節(jié)電機驅(qū)動器(019)的輸入端。
全文摘要
一種復合材料鋪放質(zhì)量視頻檢測裝置，屬復合材料鋪放質(zhì)量檢測裝置。該裝置包括視頻采集單元(001)、背景光照單元(002)、光源入射距離微調(diào)單元(003)、光源入射角調(diào)節(jié)單元(004)及運動控制單元(005)。同時為了獲得質(zhì)量穩(wěn)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(diào)節(jié)功能。系統(tǒng)還提供了一套自動判別采集圖像質(zhì)量的方法，操作簡單、方便，主要用于復合材料結(jié)構(gòu)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(yōu)先權日2007年6月14日
發(fā)明者曹力, 肖軍, 郭琪超, 陳文 申請人:南京航空航天大學