专利名称：复合材料铺放质量视频检测装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及复合材料铺放工艺过程中同一铺放层相邻预浸带间的缝隙自动检测设备，该设备用于复合材料结构件加工过程中的铺放层表面质量视频图像的稳定、可靠采集。
背景技术：
先进复合材料结构具有高比强度、高比模量、耐疲劳、工艺性好等特点，能有效提高结构件的性能。大量使用复合材料是航空航天器发展趋势如美国第四代战斗机(F22、F35)、大型飞机(A380、787和A400M等)均大量采用复合材料结构部件提高飞机性能。作为复合材料通用制造技术，复合材料铺放可以实现复合材料设计制造技术的大跨度进步，具有重要的应用价值与技术进步意义。复合材料铺放技术是一项新型的加工技术，涉及复合材料加工、机械制造、自动控制技术以及传感检测技术等相关领域内容，同时复合材料加工工艺对加工精度的要求较高，相关技术的研究正在展开，有大量问题需要解决。其中铺放过程中预浸带间隙的测量是实现铺放工艺自动化的前提保障和必要基础。
与传统机械加工工艺相比，复合材料的铺放具有以下几点特殊性1、材料的特殊性采用的预浸料成型，加工过程中的预浸料变形难以精确控制；2、加工工艺的特殊性工件的加工通过逐层铺叠而非切削实现，容易产生加工形变；3、加工工件表面特性的特殊性铺叠后的预浸料表面比较粗造。鉴于上述原因，复合材料铺放技术要求对铺放工艺过程实施严格的质量控制，确保加工工件的外形尺寸和质量符合工艺要求，铺放工艺过程中的间隙实时检测是解决上述问题的最有效方法之一。
预浸带是由直径0.15mm的纤维粘合制成，标准厚度仅为0.15mm，因此预浸带表面并非严格意义上的平面，其表面特性如图1所示。在复合材料的铺放过程中，在线质量检测主要的任务之一就是检测同一铺放层相邻两条预浸带间的间隙是否满足工艺要求，属于表面质量检测问题。由于预侵带厚度薄，表面呈波浪型，给检测带来了一定的困难。表面检测最典型的测量方法是激光检测技术，激光不断地扫描被检测区域，获得被测工件表面的高度差信息，以此判断检测面的质量缺陷。但由于预浸带表面特性影响反射光的接收效果，使得检测系统的稳定性不理想，同时要求激光检测系统精度高，设备昂贵。采用光学视频的检测方法可以在一定程度上提高检测系统的稳定性，如在美国早期专利(5562788)中，利用激光位移传感器的视觉图像，实现间隙的实时检测，测量精度及实时性可以满足目前工艺要求；但航空复合材料构件形状复杂，表面检测过程中激光反射特性不稳定，给反射光的接收以及后续的检测数据处理带来困难。另一项美国专利(7171003B2)利用由红外光源组成的背景光源组和CCD组成的视频图像采集系统，采集反射的铺放表面图像，检测表面间隙，该发明采用光源入射角度为45°。
发明内容
本发明提供了一种基于视频图像采集的复合材料铺放工艺过程中层间相邻预浸带间隙表面测量的装置，一种复合材料铺放质量视频检测装置，其特点在于包括视频采集单元、背景光照单元、光源入射距离微调单元、光源入射角调节单元及运动控制单元，所述视频采集单元连于铺放点，该视频采集单元包括CCD摄像机、镜头、摄像支架及标准视频信号输出接口，其中CCD摄像机与镜头相连，CCD摄像机通过摄像支架固定在铺放头上；所述背景光照单元与光源入射角调节单元相连，该背景光照单元包括背景光源、光源电源、光源支架，其中光源与光源电源相连，光源装在光源支架上，光源支架安装在铺放头上；所述光源入射距离微调单元包括步进电机、调节丝杠、运动滑块及步进电机驱动器，其中步进电机的输出轴与调节丝杠相连，调节丝杠两端装在铺放头上，运动滑块安装在调节丝杠上，步进电机驱动器与步进电机的输入端相连；所述光源入射角调节单元包括入射角度调节电机和入射角调节电机驱动器，其中入射角度调节电机的输出轴通过连杆与上述光源入射距离微调单元中的运动滑块相连，入射角调节电机驱动器的输出与入射角度调节电机的输入相连，入射角调节电机驱动器的输入连于上述光源入射距离微调单元中的步进电机驱动器的输出；所述的运动控制单元包括运动控制卡、运动控制计算机，其中运动控制计算机的输出连于运动控制卡的输入。该运动控制卡的输出连于上述光源入射距离微调单元中的步进电机驱动器的输入端和上述光源入射角调节单元中的入射角调节电机驱动器的输入端。
本发明能有效地提高图像对比度，获得高质量的、稳定的视频图像，用于复合材料结构件加工过程中的铺放间隙检测。
图1为复合材料铺放采用的预浸带表面特性示意图；图2是本发明的复合材料铺放质量视频检测装置的组成原理示意图；图3为本发明中的视频采集单元组成示意图；图4为本发明中的背景光照单元、光源入射距离微调单元、光源入射角调节单元及运动控制单元的组成原理示意图；上述图中的标号名称001-视频采集单元，002-背景光照单元，003-光源入射距离微调单元，004-光源入射角调节单元，005-运动控制单元，006-铺放头，007-CCD摄像机，008-镜头，009-摄像支架，010-标准视频信号输出接口，011-光源，012-光源电源，013-光源支架，014-进步电机，015-调节丝杠，016-运动滑块，017-进步电机驱动器，018-入射角度调节电机，019-入射角调节电机驱动器，020-运动控制卡，021-运动控制计算机。
图5是本发明中的加工工件表面及图像采集示意图；图6是本发明的光反射原理示意图；图7是本发明中不同光源入射角时的扫描灰度示意图，其中图7(a)为扫描方向，图7(b)为理想图像扫描结果示意图，图7(c)为入射角过小的扫描结果示意图，图7(d)为入射角过大的扫描结果示意图；图8实施例中的虚拟检测线扫描技术原理示意。
具体实施例方式
本发明的复合材料铺放质量视频检测装置如图2所示，该装置包括视频采集单元001、背景光照单元002、光源入射距离微调单元003、光源入射角调节单元004及运动控制单元005。
如上所述的视频采集单元001用于采集被测区域的视频图像，包括一台CCD摄像机007、镜头008、摄像支架009及标准视频信号输出接口010，其中的摄像支架009用于固定CCD摄像机到铺放头，如图3所示。
如上所述的背景光照单元002用于提高采集图像的对比度和稳定性，避免因外界工作环境变化而引起的分析误差，包括背景光源011、光源电源012、光源支架013，如图4所示。
如上所述的光源入射距离微调节单元003用来在水平方向的小范围内调节背景光源011位置，为了配合背景光源的入射角调节，提高图像对比度。背景光源的微调节通过一台步进电机014带动调节丝杠015转动，此时连接与该丝杠上的运动滑块016移动，实现背景光源的位置调节。步进电机正反转实现光源的左右运动调节，该步进电机由步进电机驱动器017驱动，驱动器的控制信号由运动控制005单元提供，如图4所示。同时，系统还能提供水平转动。
如上所述的光源入射角调节单元004是根据实际工作需要调节光源入射角度，增强采集获得的视频图像对比度质量。本检测系统考虑到图像处理实时性要求较高，在图像采集过程中考虑到了利用光源获得稳定图像以及加工面由于复合纤维纹理走向差异提高图像中纹理对比度，方便后续图像处理工作，图5为加工工件表面及图像采集示意图。因为表面纹理走向不同，同时预浸带由复合纤维丝粘结而成，因此对于相同入射角度的平行光线，反射面不同；利用光反射原理提高采集图像质量的基本原理如图6所示。该单元包括入射角度调节电机018和入射角调节电机驱动器019。
如上所述的运动控制单元005用于给光源入射距离微调节单元003和光源入射角调节单元004的步进电机驱动器提供运动控制信号，包括运动控制卡020、运动控制计算机021。
本装置提供了一套用于光源入射角和位置调节的策略，其中的关键在于判断光源入射角度是否能够确保采集图像的对比度满足要求。如果背景光入射角度与CCD位置配合合理，采集图像清晰，对比度高；否则，采集图像对比度低。因此需要判断采集图像的质量，确定光源入射角度和位置的调节策略，本发明中的判断采用基于扫描线灰度的统计方法。在采集图像上沿垂直间隙衍生方向随机扫描一条或几条直线，图7所示的是理想图像和不理想图像的扫描灰度图示意，可以看出，理想图像沿扫描方向有灰度对比度较大的区域，非常明显；而不理想图像该区域不明显，由此可以判断需要调节。调节时可先调节入射角度，通常情况下可以解决问题；如果需要再调节光源位置。
实施例复合材料铺放过程中的间隙检测大型复合材料结构件的铺放过程中，需要铺放间隙一般要求必须小于给定的范围，同时不允许出现重叠。在这种情况下，铺放机的铺放速度比较高，可以达到每秒半米以上，对检测的实时性要求也比较高。采用本发明装置，实现铺放工艺的实时监测。
本实施例中，CCD采用德国Basler公司的A312f型号工业摄像机，该摄像机采用标准1394接口，视频图像采集速率可达30帧/秒以上，能够满足要求；镜头采用日本Tokina的10倍手动变焦镜头，确保采集图像精度和质量，背景光源采用日本CGS公司的工业级LED光源。
检测过程中采用虚拟检测线扫描技术，判断间隙的合理性。即在实时检测的图像窗口上设置一条虚拟的扫描线，统计该线上采集图像的灰度变化，并提取出间隙宽度。该间隙宽度与给定宽度比对，即可完成监测。当出现异常时，装置发出报警，以便操作人员及时处理。虚拟检测线扫描技术如图8所示。
权利要求
1.一种复合材料铺放质量视频检测装置，其特点在于包括视频采集单元(001)、背景光照单元(002)、光源入射距离微调单元(003)、光源入射角调节单元(004)及运动控制单元(005)，所述视频采集单元(001)连于铺放头，该视频采集单元(001)包括CCD摄像机(007)、镜头(008)、摄像支架(009)及标准视频信号输出接(010)，其中CCD摄像机(007)与镜头(008)相连，CCD摄像机(007)通过摄像支架(009)固定在铺放头上；所述背景光照单元(002)与光源入射角调节单元(004)相连，该背景光照单元(002)包括背景光源(011)、光源电源(012)、光源支架(013)，其中光源(011)与光源电源(012)相连，光源(011)装在光源支架(013)上，光源支架(013)安装在铺放头上；所述光源入射距离微调单元(003)包括步进电机(014)、调节丝杠(015)、运动滑块(016)及步进电机驱动器(017)，其中步进电机(014)的输出轴与调节丝杠(015)相连，调节丝杠(015)两端装在铺放头上，运动滑块(016)安装在调节丝杠(015)上，步进电机驱动器(017)与步进电机(014)的输入端相连；所述光源入射角调节单元(004)包括入射角度调节电机(018)和入射角调节电机驱动器(019)，其中入射角度调节电机(018)的输出轴通过连杆与上述光源入射距离微调单元(003)中的运动滑块(016)相连，入射角调节电机驱动器(019)的输出与入射角度调节电机(018)的输入相连，入射角调节电机驱动器(019)的输入连于上述光源入射距离微调单元(003)中的步进电机驱动器(017)的输出；所述的运动控制单元(005)包括运动控制卡(020)、运动控制计算机(021)，其中运动控制计算机(021)的输出连于运动控制卡(020)的输入，该运动控制卡(020)的输出连于上述光源入射距离微调单元(003)中的步进电机驱动器(017)的输入端和上述光源入射角调节单元(004)中的入射角调节电机驱动器(019)的输入端。
全文摘要
一种复合材料铺放质量视频检测装置，属复合材料铺放质量检测装置。该装置包括视频采集单元(001)、背景光照单元(002)、光源入射距离微调单元(003)、光源入射角调节单元(004)及运动控制单元(005)。同时为了获得质量稳定的视频图像，该装置还提供了光源入射角度和位置的微调节功能。系统还提供了一套自动判别采集图像质量的方法，操作简单、方便，主要用于复合材料结构件加工过程中的铺放间隙检测。
文档编号G01C11/00GK101074878SQ200710024358
公开日2007年11月21日 申请日期2007年6月14日 优先权日2007年6月14日
发明者曹力, 肖军, 郭琪超, 陈文 申请人:南京航空航天大学