專利名稱:高對(duì)比度復(fù)合材料鋪放間隙圖像的采集參數(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及復(fù)合材料鋪放工藝過(guò)程中對(duì)同一鋪放層相鄰預(yù)浸帶間的縫隙自動(dòng)檢測(cè)時(shí)的視頻圖像采集參數(shù),該方法用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件加工過(guò)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(shù):
先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐疲勞、工藝性好等特點(diǎn),能有效提高結(jié)構(gòu)件的性能。大量使用復(fù)合材料是航空航天器發(fā)展趨勢(shì)如美國(guó)第四代戰(zhàn)斗機(jī)(F22、 F35)、大型飛機(jī)(A380、787和A400M等)均大量采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件提高飛機(jī)性能。作為復(fù)合材料通用制造技術(shù),復(fù)合材料鋪放可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造技術(shù)的大跨度進(jìn)步, 具有重要的應(yīng)用價(jià)值與技術(shù)進(jìn)步意義。復(fù)合材料鋪放技術(shù)是一項(xiàng)新型的加工技術(shù),涉及復(fù)合材料加工、機(jī)械制造、自動(dòng)控制技術(shù)以及傳感檢測(cè)技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)容,同時(shí)復(fù)合材料加工工藝對(duì)加工精度的要求較高,相關(guān)技術(shù)的研究正在展開(kāi),有大量問(wèn)題需要解決。其中鋪放過(guò)程中預(yù)浸帶間隙的測(cè)量是實(shí)現(xiàn)鋪放工藝自動(dòng)化的前提保障和必要基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝相比,復(fù)合材料的鋪放具有以下幾點(diǎn)特殊性1、材料的特殊性采用的預(yù)浸料成型,加工過(guò)程中的預(yù)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(guò)逐層鋪疊而非切削實(shí)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(yù)浸料表面比較粗造。鑒于上述原因,復(fù)合材料鋪放技術(shù)要求對(duì)鋪放工藝過(guò)程實(shí)施嚴(yán)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(guò)程中的間隙實(shí)時(shí)檢測(cè)是解決上述問(wèn)題的最有效方法之一。預(yù)浸帶是由直徑0. 15mm的纖維粘合制成,標(biāo)準(zhǔn)厚度僅為0. 15mm,因此預(yù)浸帶表面并非嚴(yán)格意義上的平面,其表面特性如圖1所示。在復(fù)合材料的鋪放過(guò)程中,在線質(zhì)量檢測(cè)主要的任務(wù)之一就是檢測(cè)同一鋪放層相鄰兩條預(yù)浸帶間的間隙是否滿足工藝要求,屬于表面質(zhì)量檢測(cè)問(wèn)題。由于預(yù)侵帶厚度薄,表面呈波浪型,給檢測(cè)帶來(lái)了一定的困難。基于視頻圖像處理的檢測(cè)技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的測(cè)控技術(shù),相對(duì)于傳統(tǒng)檢測(cè)方法,設(shè)備簡(jiǎn)單,成本低廉,而且包含信息量巨大,非常適合于復(fù)合材料自動(dòng)鋪放工藝過(guò)程中的質(zhì)量檢測(cè)。如美國(guó)專利(7171003B2)利用背景光源組和CXD組成的視頻圖像采集系統(tǒng),其中背景光源組中包括紅外光源,提高圖像對(duì)比度,采集反射的鋪放表面圖像,檢測(cè)表面間隙,該發(fā)明采用光源入射角度為45°。該發(fā)明中利用設(shè)置閾值的方式二值化圖像,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。但是鋪放表面的圖像質(zhì)量取決于很多因素,例如背景光源類(lèi)型、復(fù)合材料表面鋪放角度、光源入射位置等等。因此如何獲得穩(wěn)定的、高對(duì)比度的鋪放間隙圖像在基于視頻圖像的間隙檢測(cè)過(guò)程中是非常重要的。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一組背景光源入射角度及CXD鏡頭位置參數(shù),根據(jù)該參數(shù)可以在復(fù)合材料鋪放工藝過(guò)程中采集到高質(zhì)量的層間相鄰預(yù)浸帶間隙圖像。
利用背景光源所采集的反射鋪放表面的圖像質(zhì)量受到許多因素的影響,其中包括鋪放表面紋理走向、光源位置、CCD鏡頭位置和光源強(qiáng)度等。針對(duì)鋪放角度不同的兩種復(fù)合材料,在鏡頭位置,光源類(lèi)型,光源強(qiáng)度等參數(shù)固定的情況下,獲得高質(zhì)量鋪放間隙圖像所需的最佳光源入射角度和位置參數(shù)。
具體參數(shù)為鋪放角度90° ;預(yù)浸帶寬度75mm;鋪放間隙小于2mm;工件處于垂直位置。C⑶和工件表面夾角為60°,確定光源水平入射角為61° 士5°,俯仰角為0° 士 1°,光源和CXD 的相對(duì)高度為4cm士 Icm的范圍內(nèi),可以獲得比較理想的間隙圖像。鋪放角度52° ;預(yù)浸帶寬度75mm;鋪放間隙小于5mm;工件處于垂直位置。C⑶和工件表面夾角為60°,確定光源水平入射角為56° 士5°,俯仰角為19° 士 1°,光源和CXD 的相對(duì)高度為9. 5cm士 Icm的范圍內(nèi),可以獲得比較理想的間隙圖像。本發(fā)明的有益效果是根據(jù)本發(fā)明中提供的參數(shù)調(diào)節(jié)背景光源位置和CCD位置, 針對(duì)兩種不同鋪放角度的復(fù)合材料可以獲得高對(duì)比度的間隙圖像。
圖1是本發(fā)明中的加工工件表面及圖像采集示意圖;上述圖中的標(biāo)號(hào)名稱001_上層預(yù)浸帶,002-下層預(yù)浸帶,003-間隙,004-圖像采集區(qū)。圖2是本發(fā)明的檢測(cè)工件、光源與C⑶相對(duì)位置關(guān)系示意圖,其中圖2(a)為正視圖,圖2(b)為俯視圖,圖2(c)為側(cè)視圖;上述圖中的標(biāo)號(hào)名稱005_光源,006-工件表面,007-CCD,008-間隙。圖3是本發(fā)明中不同光源入射角采集視頻圖像結(jié)果示意圖,其中圖3(a)為非理想入射角采集圖1,圖3(b)為最佳光源入射角采集圖,圖3(c)為非理想入射角采集圖2,圖 3(d)為圖3(a)的掃描投影曲線,圖3(e)為圖3(b)的掃描投影曲線,圖3 (f)為圖3(c)的掃描投影曲線。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)技術(shù)方案的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。事實(shí)上,為了保證構(gòu)件的力學(xué)性能,復(fù)合材料構(gòu)件鋪放工藝要求兩相鄰鋪放層間的預(yù)浸帶保持一定夾角(如圖1所示)。這種復(fù)合材料構(gòu)件表面有規(guī)律的纖維排列特點(diǎn),使得表面纖維紋理非常規(guī)律。當(dāng)有一束平行光線照射時(shí),工件表面的反射特性也將呈現(xiàn)規(guī)律性。一旦入射光線的角度和C⑶位置被合理確定后,就能獲得高對(duì)比度的間隙圖像。根據(jù)上述分析,構(gòu)建如圖2所示的間隙圖像采集系統(tǒng),其中待檢工件垂直于水平面。圖中參數(shù)包括CCD和待檢工件表面的夾角α、光源的水平入射角度β、光源的俯仰角 Y以及光源和CCD的相對(duì)高度d。這些參數(shù)都是在采集間隙圖像需要重點(diǎn)考慮的因素。此夕卜,間隙圖像的質(zhì)量與上下層預(yù)浸帶紋理走向的夾角(即鋪放角度)θ相關(guān)。根據(jù)圖2進(jìn)行光源-鏡頭優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)是通過(guò)固定CXD位置,調(diào)整光源位置尋找最佳的角度參數(shù),因此只需考慮β、Υ、(1和θ這四個(gè)參數(shù)。將CXD及鏡頭固定在可調(diào)節(jié)高度的支架上,通過(guò)支架的高度調(diào)節(jié)裝置調(diào)整鏡頭和光源的相對(duì)高度。將光源置于三軸轉(zhuǎn)臺(tái)上,通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)定其水平轉(zhuǎn)角β及俯仰角Y,且光源垂直軸線始終平行于工件表面。這樣可以簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn),僅需要調(diào)節(jié)光源的水平入射角度和相對(duì)位置。由于涉及到光源的俯仰角, 在本系統(tǒng)中規(guī)定俯角為負(fù),仰角為正(-10°表示光源向下傾斜10° )。實(shí)驗(yàn)結(jié)果以線掃描判斷采集圖像質(zhì)量作為依據(jù)。不同光源位置參數(shù)下對(duì)θ為90°的復(fù)合材料進(jìn)行視頻采集所得圖像及線掃描原理示意圖如圖3所示。其中圖3(a)、(b)和(c)中的AB線段表示掃描線,該線與間隙中軸線基本垂直,其中C、D兩點(diǎn)正好對(duì)應(yīng)的是間隙起始和結(jié)束的位置,則C、D間的像素就是間隙像素。圖3(d)、(e)和(f)分別是上述實(shí)驗(yàn)條件下,沿AB線掃描獲得的灰度投影曲線。經(jīng)過(guò)一系列試驗(yàn),結(jié)果如下鋪放角度θ為90°,預(yù)浸帶寬度75mm;鋪放間隙小于2mm;工件處于垂直位置,取 α為60°,確定β=61° 士 5°,γ=0° 士 1°,d = 4cm 士 Icm的范圍內(nèi),可以獲得比較理想的間隙圖像(如圖3(b)所示)。鋪放角度θ為52° ;預(yù)浸帶寬度75mm;鋪放間隙小于5mm;工件處于垂直位置。 取 α 為 60°,確定 β = 56° 士5°,γ = 19° 士 1°,d = 9. 5cm士 Icm 的范圍內(nèi),可以獲得比較理想的間隙圖像。實(shí)施例復(fù)合材料鋪放過(guò)程中的間隙檢測(cè) 大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的鋪放過(guò)程中,需要鋪放間隙一般要求必須小于給定的范圍,同時(shí)不允許出現(xiàn)重疊。在這種情況下,鋪放機(jī)的鋪放速度可高達(dá)30m/min,對(duì)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性要求也比較高。采用本發(fā)明中的參數(shù),采集高對(duì)比度的間隙圖像,實(shí)現(xiàn)鋪放工藝的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。本實(shí)施例中,CXD采用德國(guó)Basler公司的A312f型號(hào)工業(yè)攝像機(jī),該攝像機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)1394接口,視頻圖像采集速率可達(dá)30幀/秒以上,能夠滿足要求;鏡頭采用日本Tokina 的10倍手動(dòng)變焦鏡頭,確保采集圖像精度和質(zhì)量,背景光源為自行設(shè)計(jì)的LED白光源。放置背景光源的三軸轉(zhuǎn)臺(tái)可以精確調(diào)節(jié)平行光線的入射角度。不同光源位置參數(shù)下對(duì)θ為90°的復(fù)合材料進(jìn)行視頻采集所得圖像及線掃描原理示意圖如圖3所示。為了保證間隙檢測(cè)的穩(wěn)定性,在實(shí)際檢測(cè)計(jì)算時(shí),僅取采集圖像的中間270個(gè)像素的區(qū)域,因?yàn)閷?shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),這部分圖像質(zhì)量非常穩(wěn)定。圖3(a)、(b)和(c) 是上述實(shí)驗(yàn)條件下,不同光源位置時(shí)的采集圖像;圖3(d)、(e)和(f)分別是對(duì)圖3(a)、(b) 和(c)沿AB線掃描獲得的灰度投影曲線。其中圖3(b)是光源位置最佳時(shí)獲得的圖像,間隙清晰可見(jiàn)。間隙處的灰度投影呈現(xiàn)出明顯的峰值,且邊緣梯度變化明顯,有利于后續(xù)間隙檢測(cè)(如圖(3(e))。3(a)、3(c)分別是非理想光源位置下采集的兩幅圖像,圖中間隙與背景的對(duì)比度差異不明顯。間隙的灰度投影峰值不明顯(如圖3(d)),或者容易與周?chē)肼暬煜?如圖(3(f)),不建議采用。
權(quán)利要求
1.一組用于復(fù)合材料鋪放工藝過(guò)程中,為獲得檢測(cè)同一鋪放層相鄰預(yù)浸帶間隙所需的高質(zhì)量間隙視頻圖像,所確定的鋪放工件表面、背景光源以及CCD的相對(duì)空間幾何位置參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的空間幾何位置參數(shù),其特征在于,利用光學(xué)反射原理和鋪放角度有效提高圖像對(duì)比度的方法。
全文摘要
本發(fā)明提供了一組獲得高對(duì)比度復(fù)合材料鋪放間隙圖像所需的采集參數(shù),包括光源最佳入射角度和位置參數(shù)。在復(fù)合材料鋪放工藝過(guò)程中,對(duì)同一鋪放層相鄰預(yù)浸帶間隙進(jìn)行視頻檢測(cè)時(shí),根據(jù)該參數(shù)可以提高鋪放間隙與背景區(qū)域的對(duì)比度,獲得鋪放間隙突出的穩(wěn)定圖像。
文檔編號(hào)G01N21/84GK102353677SQ201110270340
公開(kāi)日2012年2月15日 申請(qǐng)日期2011年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月14日
發(fā)明者曹力, 肖軍, 陳文 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)