專利名稱：復(fù)合材料鋪放質(zhì)量視頻檢測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料鋪放工藝過程中同一鋪放層相鄰預(yù)浸帶間的縫隙自動檢測設(shè)備，該設(shè)備用于復(fù)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(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)展趨勢如美國第四代戰(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、自動控制技術(shù)以及傳感檢測技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)容，同時(shí)復(fù)合材料加工工藝對加工精度的要求較高，相關(guān)技術(shù)的研究正在展開，有大量問題需要解決。其中鋪放過程中預(yù)浸帶間隙的測量是實(shí)現(xiàn)鋪放工藝自動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)要求對鋪放工藝過程實(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，鋪放工藝過程中的間隙實(shí)時(shí)檢測是解決上述問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)合材料的鋪放過程中，在線質(zhì)量檢測主要的任務(wù)之一就是檢測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)量檢測問題。由于預(yù)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(shù)，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(yù)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(shí)要求激光檢測系統(tǒng)精度高，設(shè)備昂貴。采用光學(xué)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(shí)現(xiàn)間隙的實(shí)時(shí)檢測，測量精度及實(shí)時(shí)性可以滿足目前工藝要求；但航空復(fù)合材料構(gòu)件形狀復(fù)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(xiàng)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(fù)合材料鋪放工藝過程中層間相鄰預(yù)浸帶間隙表面測量的裝置，一種復(fù)合材料鋪放質(zhì)量視頻檢測裝置，其特點(diǎn)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(yùn)動控制單元，所述視頻采集單元連于鋪放點(diǎn)，該視頻采集單元包括CCD攝像機(jī)、鏡頭、攝像支架及標(biāo)準(zhǔn)視頻信號輸出接口，其中CCD攝像機(jī)與鏡頭相連，CCD攝像機(jī)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(jìn)電機(jī)、調(diào)節(jié)絲杠、運(yùn)動滑塊及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器，其中步進(jìn)電機(jī)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(yùn)動滑塊安裝在調(diào)節(jié)絲杠上，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器與步進(jìn)電機(jī)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(jī)和入射角調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動器，其中入射角度調(diào)節(jié)電機(jī)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(yùn)動滑塊相連，入射角調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動器的輸出與入射角度調(diào)節(jié)電機(jī)的輸入相連，入射角調(diào)節(jié)電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的輸出；所述的運(yùn)動控制單元包括運(yùn)動控制卡、運(yùn)動控制計(jì)算機(jī)，其中運(yùn)動控制計(jì)算機(jī)的輸出連于運(yùn)動控制卡的輸入。該運(yùn)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(jìn)電機(jī)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(jī)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(fù)合材料結(jié)構(gòu)件加工過程中的鋪放間隙檢測。


圖1為復(fù)合材料鋪放采用的預(yù)浸帶表面特性示意圖；圖2是本發(fā)明的復(fù)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(yùn)動控制單元的組成原理示意圖；上述圖中的標(biāo)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(yùn)動控制單元，006-鋪放頭，007-CCD攝像機(jī)，008-鏡頭，009-攝像支架，010-標(biāo)準(zhǔn)視頻信號輸出接口，011-光源，012-光源電源，013-光源支架，014-進(jìn)步電機(jī)，015-調(diào)節(jié)絲杠，016-運(yùn)動滑塊，017-進(jìn)步電機(jī)驅(qū)動器，018-入射角度調(diào)節(jié)電機(jī)，019-入射角調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動器，020-運(yùn)動控制卡，021-運(yùn)動控制計(jì)算機(jī)。
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(shí)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(shí)施例中的虛擬檢測線掃描技術(shù)原理示意。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的復(fù)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(yùn)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(jī)007、鏡頭008、攝像支架009及標(biāo)準(zhǔn)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(jī)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(jìn)電機(jī)014帶動調(diào)節(jié)絲杠015轉(zhuǎn)動，此時(shí)連接與該絲杠上的運(yùn)動滑塊016移動，實(shí)現(xiàn)背景光源的位置調(diào)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)光源的左右運(yùn)動調(diào)節(jié)，該步進(jìn)電機(jī)由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器017驅(qū)動，驅(qū)動器的控制信號由運(yùn)動控制005單元提供，如圖4所示。同時(shí)，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(shí)際工作需要調(diào)節(jié)光源入射角度，增強(qiáng)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(shí)時(shí)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(fù)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?yàn)楸砻婕y理走向不同，同時(shí)預(yù)浸帶由復(fù)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(jī)018和入射角調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動器019。
如上所述的運(yùn)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動器提供運(yùn)動控制信號，包括運(yùn)動控制卡020、運(yùn)動控制計(jì)算機(jī)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(guān)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(jì)方法。在采集圖像上沿垂直間隙衍生方向隨機(jī)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(shí)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(shí)施例復(fù)合材料鋪放過程中的間隙檢測大型復(fù)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(shí)不允許出現(xiàn)重疊。在這種情況下，鋪放機(jī)的鋪放速度比較高，可以達(dá)到每秒半米以上，對檢測的實(shí)時(shí)性要求也比較高。采用本發(fā)明裝置，實(shí)現(xiàn)鋪放工藝的實(shí)時(shí)監(jiān)測。
本實(shí)施例中，CCD采用德國Basler公司的A312f型號工業(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(shù)，判斷間隙的合理性。即在實(shí)時(shí)檢測的圖像窗口上設(shè)置一條虛擬的掃描線，統(tǒng)計(jì)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(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，裝置發(fā)出報(bào)警，以便操作人員及時(shí)處理。虛擬檢測線掃描技術(shù)如圖8所示。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合材料鋪放質(zhì)量視頻檢測裝置，其特點(diǎn)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(yùn)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(jī)(007)、鏡頭(008)、攝像支架(009)及標(biāo)準(zhǔn)視頻信號輸出接(010)，其中CCD攝像機(jī)(007)與鏡頭(008)相連，CCD攝像機(jī)(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(jìn)電機(jī)(014)、調(diào)節(jié)絲杠(015)、運(yùn)動滑塊(016)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器(017)，其中步進(jìn)電機(jī)(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(yùn)動滑塊(016)安裝在調(diào)節(jié)絲杠(015)上，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器(017)與步進(jìn)電機(jī)(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(jī)(018)和入射角調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動器(019)，其中入射角度調(diào)節(jié)電機(jī)(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(yùn)動滑塊(016)相連，入射角調(diào)節(jié)電機(jī)驅(qū)動器(019)的輸出與入射角度調(diào)節(jié)電機(jī)(018)的輸入相連，入射角調(diào)節(jié)電機(jī)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動器(017)的輸出；所述的運(yùn)動控制單元(005)包括運(yùn)動控制卡(020)、運(yùn)動控制計(jì)算機(jī)(021)，其中運(yùn)動控制計(jì)算機(jī)(021)的輸出連于運(yùn)動控制卡(020)的輸入，該運(yùn)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(jìn)電機(jī)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(jī)驅(qū)動器(019)的輸入端。
全文摘要
一種復(fù)合材料鋪放質(zhì)量視頻檢測裝置，屬復(fù)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(yùn)動控制單元(005)。同時(shí)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(fù)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(quán)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(xué)