一种复合材料生产工艺中工艺参数的自动控制方法及系统与流程

1.本技术涉及智能控制领域，具体涉及复合材料生产工艺中工艺参数的自动控制方法及系统。


背景技术：

2.现代高科技的发展离不开复合材料，复合材料对现代科学技术的发展，有着十分重要的作用。复合材料的研究深度和应用广度及其生产发展的速度和规模，已成为衡量一个国家科学技术先进水平的重要标志之一。
3.高昂的复合材料制造工艺成本已经成为越发突出的技术性问题，自动增强材料铺放的工艺被认为是航空工业实现自动增强复合材料高效低成本的一种有效途径之一，但是对于大型复杂纤维复合材料的预制件，特别是含有热塑性材料的复合材料，在对热塑性材料进行铺放的过程中，由于温度和压力以及铺放速度等因素的影响，极易产生纤维褶皱畸变等粘塑性缺陷。
4.现阶段在复合材料板材制品生产过程中，铺放工艺大多采用人工进行的，占据了大量的人力和工作时间，使用机器进行铺放的技术还不够完善，大多使用统一的经验参数进行铺放，在此过程中可能会使复合材料产生缺陷。


技术实现要素：

5.针对上述技术问题，本发明提供了复合材料生产工艺中工艺参数的自动控制方法及系统。
6.第一方面，本发明实施例提供了复合材料生产工艺中工艺参数的自动控制方法，包括：获取复合材料制品图像的深度图像，根据深度图像中各像素点的像素值得到复合材料制品高度图像；对复合材料制品高度图像铺放方向的高度值进行多阈值分割，得到不同的高度级，根据高度级对复合材料制品高度图像进行区域划分；将复合材料制品高度图像中各区域的分割线作为控制参数的调整节点，所述控制参数包括加工温度、铺放速度；计算各调整节点的梯度值，根据梯度值确定出每个调整节点的弯曲程度值，根据弯曲程度值获取每个调整节点处需要进行调节的所有控制参数候选值集合；计算每个调整节点对应的变形程度的离散系数作为该调整节点的变形程度一致性，根据形变阈值和变形程度一致性的关系，保留每个调整节点处需要进行调节的所有控制参数候选值集合中符合条件的需要在调整节点处进行调节的所有调节控制参数；根据每个调整节点需要在调整节点处进行调节的所有调节控制参数以铺放方向为顺序，利用每个调整节点处需要调节的所有控制参数组合确定出完成铺放对每个调整节点处需要进行调整的所有控制参数组合，根据铺每组控制参数组合中的参数值，计算铺放
过程中采用该控制参数组合的离差和；提取所有控制参数组合中最小离差和对应的控制参数组合作为铺放过程中对每个调整节点处需要进行调整的最佳控制参数组合；根据所有调整节点的位置及对应的最佳控制参数组合对铺放设备进行自动控制。
7.计算铺放过程在每个调整节点处需要调节的所有控制参数组合的离差和的过程如下：获取每个调整节点在调整节点处需要调节的控制参数，按照铺放方向排序得到铺放过程对应的一组控制参数组合，即按照铺放方向排序在每个调整节点处需要调节的控制参数序列；由于每个调整节点对应的控制参数有很多对，因此，根据以上方法得到在铺放过程中每个调整节点处需要调节的所有控制参数组合；提取每组控制参数组合在铺放过程中在每个调整节点出需要调节的控制参数序列中的加工温度序列，将加工温度序列中相邻元素的差值之和作为铺放过程对应的加工温度序列的离差；提取每组控制参数组合在铺放过程对应的控制参数序列中的铺放速度序列，将铺放速度序列中相邻元素的差值之和作为铺放过程对应的铺放速度序列的离差；将每组控制参数组合在铺放过程对应的加工温度序列的离差与铺放过程对应的铺放速度序列的离差之和作为该组控制参数组合在铺放过程对应的离差和；根据上述方法计算每组控制参数组合的离差和。
8.保留每个调整节点处需要进行调节的所有控制参数候选值集合中符合条件的需要在调整节点处进行调节的所有调节控制参数的方法为：预设形变阈值，对变形程度一致性大于预设阈值的控制参数进行保留；其中，形变程度一致性为所有控制参数组合中变形程度的标准差与变形程度的均值的比值。
9.根据梯度值确定出每个调整节点的弯曲程度值的方法为：计算各调整节点的梯度值，将每个调整节点的梯度值作为该调整节点的弯曲程度值。
10.根据深度图像中各像素点的像素值得到复合材料制品高度图像的过程如下：获取深度图像中的最大像素值，将最大像素值与深度图像中每个像素点的像素值做差得到的即为复合材料制品高度图像中对应位置像素点的像素值，得到复合材料制品高度图像。
11.提取复合材料制品的深度图像的获取过程为：提取复合材料制品图像中距离通道的信息，得到复合材料制品图像不同位置的深度信息，构建得到复合材料制品的深度图像。
12.计算各调整节点的梯度值的方法为：根据铺放方向对各调整节点的高度级进行排序得到调整节点的高度级序列，将调整节点的高度级序列中相邻的高度级的差作为对应调整节点的梯度值。
13.第二方面，本发明实施例提供了复合材料生产工艺中工艺参数的自动控制系统，包括：图像处理模块、存储器、数据处理模块和参数调控模块。
14.图像处理模块：用于对获取的复合材料制品图像进行处理得到复合材料制品的高
度图像，进一步的对高度图像进行分割；存储器：用于存储控制参数与弯曲程度以及变形程度对应关系的数据库；数据处理器：根据处理后的图像，根据图像数据获取控制参数，对控制参数进行分析处理得到铺放过程中在每个调整节点处需要调节的所有的控制参数，对控制参数进行筛选得到符合条件的在每个调整节点处需要调节的所有控制参数，进行进一步处理，得到铺放过程中最终的在每个调整节点处需要调节的最佳控制参数组合；参数调控模块：根据得到铺放过程中在每个调整节点处需要调节的最佳控制参数组合对复合材料生产工艺中工艺参数进行调控，实现工艺参数的自动控制。
15.相比于现有技术，本发明实施例的有益效果在于：基于上述技术问题，本发明提出了一种用于复合材料生产的自动铺放工艺的参数控制方法及系统，在更少的参数的控制作用下的同时通过获得连续铺放工艺的最佳加工工艺参数组合，减少计算量的同时，降低了复合材料制品在生产过程中缺陷的产生概率，同时实现了更低成本的制造。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明实施例提供的一种复合材料生产工艺中工艺参数的自动控制方法的方法流程图；图2为本发明实施例提供的一种复合材料生产工艺中工艺参数的自动控制系统的系统框图；图3为本发明实施例提供的一种复合材料生产工艺中工艺参数的自动控制方法的弯曲强度和变形程度曲线示意图。
具体实施方式
18.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
20.术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本实施例的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
21.实施例1本发明实施例提供了一种复合材料生产工艺中工艺参数的自动控制方法，如图1与图2所示，包括：s101、获取复合材料制品图像所述复合材料制品图像为复合材料在铺放前的图像，获取复合材料制品图像进行进一步的图像处理和图像数据分析。
22.s102、获取控制参数的调整节点所述控制参数的调整节点是通过对复合材料制品图像进行处理得到复合材料制品的高度图像，对高度图像进行区域划分，根据各区域获取控制参数的调整节点，根据调整节点的信息得到控制参数。
23.s103、获取所有的控制参数候选值根据高度图像中像素点的梯度值得到调整节点，根据调整节点的弯曲程度值获取每个调整节点对应的所有控制参数，作为控制参数候选值，利用控制参数候选值进行组合得到控制参数组合作为进一步的分析。
24.s104、保留符合条件的控制参数对每个调整节点的控制参数对应的变形程度进行计算，得到不同控制参数对应的变形程度，计算所述变形程度序列的离散系数作为不同控制参数的变形程度一致性，根据变形程度一致性对控制参数进行筛选，保留符合条件的各调整节点的控制参数。
25.s105、得到最佳控制参数组合根据保留的铺放过程中在每个调整节点处需要调整的符合条件的所有控制参数进行计算，得到铺放过程中在每个调整节点处需要调整的最佳控制参数组合，根据铺放过程中在每个调整节点处需要调整的最佳控制参数组合进行控制参数的调控，完成复合材料生产工艺中工艺参数的自动控制。
26.实施例2本发明实施例提供了复合材料生产工艺中工艺参数的自动控制方法，如图1与图2所示，具体内容包括：复合材料制品在加工过程中，加工温度、铺放速度和铺放压力作为控制参数。在本实施例中保持铺放压力不变，对加工温度和铺放速度进行调整，得到不同铺放压力下的使得不同位置的变形程度最相近的参数，进而减少缺陷的产生。
27.s201、获取复合材料制品图像所述复合材料制品图像为复合材料在铺放前的图像，获取复合材料制品图像进行进一步的图像处理和图像数据分析。
28.首先通过深度相机采集得到复合材料制品的深度图像，然后对图像数据进行语义分割，深度图像中可以获得距离信息。
29.本实施例采用dnn语义分割的方式来识别分割图像中的目标，该dnn网络的相关内容如下：1） 使用的数据集为俯视采集的制品图像数据集，制品的样式为多种多样的。
30.2） 需要分割的像素共分为两类，即训练集对应标签标注过程为：单通道的语义标签，对应位置像素属于背景类的标注为0，属于制品的标注为1。
31.3） 网络的任务是分类，所有使用的loss函数为交叉熵损失函数。
32.通过语义分割得到的0-1掩膜图像与原图像相乘，得到的图像中只含有制品的复合材料制品图像，去除了背景的干扰。
33.s202、获取控制参数的调整节点所述控制参数的调整节点是通过对复合材料制品图像进行处理得到复合材料制品的高度图像，对高度图像进行区域划分，根据各区域获取控制参数的调整节点，根据调整节点的信息得到控制参数。
34.1.获取复合材料制品图像的高度图像利用rgb-d设备获取的图像包含四个通道：r数据通道，g数据通道，b数据通道，距离数据通道；提取距离数据通道里的距离信息，得到复合材料制品不同位置的深度信息，即得到复合材料制品的深度图像。
35.通过深度图像计算得到以制品最低点作为零值水平面的复合材料制品的高度图像的过程如下：式中，表示深度图像上每个像素点的像素值，每个像素值表示的是相机光心所在水平面到复合材料制品表面的图像中每个位置的垂直距离。表示深度图像上的最大像素值组成的和复合材料制品相同大小的图像，表示的是以复合材料制品最低点作为零值水平面时制品不同像素点位置的高度图像。
36.2.获取控制参数的调整节点铺放方向通过人工确定，进而可以得到沿着铺放方向的高度序列值（即沿着铺放方向的高度图像中像素点的像素值）。当沿着铺放方向的垂线方向不同位置的高度相近时，计算垂线方向高度均值作为所述高度序列值中的元素，此时采用自动铺带技术；当沿着铺放方向的垂线方向不同位置的高度值相差较大时，采用自动铺丝技术。
37.对所述沿着铺放方向排序的高度值进行多阈值分割（根据费歇尔准则，利用类间方差最大，类内方差最小的原则对高度级序列进行多阈值分割）得到不同的高度级，每个像素点的高度级为原始像素点所在高度级的高度值均值。多阈值分割的目的是使得高度相近的像素值成为同一个高度级。从而得到了高度级序列。得到了高度级序列从而也就实现了区域的分割，选择所述不同区域的分割线作为控制参数调整节点。由于所述控制参数中的加工温度和铺放速度不可能直接从一个大值降低到一个小值，需要一个变化过程，选择所述的调整节点来完成控制参数的调整。
38.s203、获取所有的控制参数候选值根据高度图像中像素点的梯度值得到调整节点，根据调整节点的弯曲程度值获取每个调整节点对应的所有控制参数，作为控制参数候选值，利用控制参数候选值进行进一步的分析。
39.如图3所示，图3中的（1）表示加工温度对弯曲强度和变形程度的影响，图3中的（2）表示铺放速度对弯曲强度和变形程度的影响。
40.加工温度对弯曲强度的影响曲线可以用函数表示，加工温
度和铺放速度分别对弯曲强度和变形程度的曲线均可以用所述函数来表示。
41.加工温度和铺放速度影响弯曲强度和变形程度，所述（加工温度，铺放速度）用（a,b）二元组表示，所述（弯曲强度，变形程度）用（c,d）二元组表示。所述的（a,b）与c一一对应，即一个（a,b）对应一个c，但一个c可以对应多个（a,b）。
42.一个c可以对应多个（a,b）的证明：曲线a-c可以用所述函数表示，所述曲线a-c是指弯曲强度随加工温度的变化曲线，曲线b-c也可以用所述函数表示，所述曲线b-c是指弯曲强度随铺放速度的变化曲线。一个（a,b）对应一个c值。将a作为横坐标，将b作为纵坐标，得到的c曲线可以用两个所述函数的乘积来表示。所述乘积的形式如下：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（1）公式（1）中，y表示c,x1表示a，x2表示b，相乘可以得到公式（2）。
43.ꢀꢀꢀ
（2）将公式（2）中的x1*x2用x代替得到公式（3）
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（3）对公式（3）进行因式分解可以得到，可见对应曲线与x轴的交点不止一个，同时一个x对应的x1和x2也不止一个，则一个c可以对应多个（a,b）。
44.同理，一个d也可以对应多个（a,b）。
45.根据按照铺放方向排序的高度级计算梯度，得到按照铺放方向排序的梯度值，将梯度值不为零的像素点作为调整节点，将调整节点的梯度值作为对应调整节点的弯曲程度值，通过每个位置的弯曲程度值获取每个调整节点对应的所有控制参数候选值。
46.举例说明：如图3所示，当弯曲程度值为时，对应的加工温度有三个值，对应的铺放速度为三个值，则弯曲程度值为时，控制参数候选值包括（），（），（），（），（），（），（），（），（），加工温度和铺放速度对变形程度的控制参数同理可得。
47.s204、保留符合条件的控制参数对每个调整节点的控制参数对应的变形程度进行计算，得到不同控制参数对应的变形程度，计算所述变形程度序列的离散系数作为不同控制参数的变形程度一致性，根据变形程度一致性对控制参数进行筛选，保留符合条件的各调整节点的控制参数。
48.变形程度是指在控制参数的影响下，预浸带的宽度变化，按gb/t1449-2005测试标准测试弯曲强度，按照jc/t773-2010测试标准进行式样的短梁法层间剪切强度测试。
49.所述每个调整节点都有多个参数候选值，因此铺放过程对应的控制参数组合有多种，通过计算变形程度一致性和最小离差和选择铺放过程的最佳控制参数组合。
50.变形程度一致性是指通过参数调控使得不同调整节点的高度一致，这样在相同的
外界压力作用下不同层之间产生空隙缺陷的概率较小。
51.对所述每个调整节点的控制参数对应的变形程度进行计算，得到每个调整节点的变形程度序列，计算所述变形程度序列的离散系数作为不同控制参数的变形程度一致性，所述变形程度一致性的计算公式如下：式中，表示所述变形程度的标准差，表示所述变形程度的均值，s表示所述变形程度一致性，选择s大于0.8的变形程度对应的控制参数组合进行保留。
52.s205、得到最佳控制参数组合根据保留的铺放过程中在每个调整节点处需要调整的符合条件的所有控制参数进行计算，得到铺放过程中在每个调整节点处需要调整的最佳控制参数组合，根据铺放过程中在每个调整节点处需要调整的最佳控制参数组合进行控制参数的调控，完成复合材料生产工艺中工艺参数的自动控制。
53.最小离差和是指加工温度和铺放速度的相邻值变化最小的和值，根据每个调整节点对应的控制参数的参数值确定铺放过程的控制参数组合的过程如下：获取每个调整节点处需要调整的控制参数中的一对（加工温度，铺放速度），按照铺放方向排序得到铺放过程中每个控制节点处需要调整的一组控制参数组合，即按照铺放方向排序的（加工温度，铺放速度）序列；由于每个调整节点处需要调节的控制参数有很多对，因此，根据以上方法得到每个调整节点在铺放过程中需要调节的所有控制参数组合；提取铺放过程中在每个调整节点处需要调节的每组控制参数组合对应的（加工温度，铺放速度）序列中的加工温度序列，将加工温度序列中相邻元素的差值之和作为该组控制参数组合在铺放过程中对应的加工温度序列的离差；提取每组控制参数组合在铺放过程对应的（加工温度，铺放速度）序列中的铺放速度序列，将铺放速度序列中相邻元素的差值之和作为铺放过程对应的铺放速度序列的离差；将每组控制参数组合在铺放过程对应的加工温度序列的离差与铺放过程对应的铺放速度序列的离差之和作为该组控制参数组合在铺放过程对应的离差和；选择最小离差和对应的在每个控制节点处需要调整的控制参数组合作为铺放过程中的最佳控制参数组合。
54.举例说明：根据铺放方向得到铺放过程中的控制参数组合为：一下组合中，表示加工温度，表示铺放速度。
55.控制参数组合1：[（），（），（），（）
……
]控制参数组合2：[（），（），（），（）
……
]控制参数组合3：[（），（），（），（）
……
]
控制参数组合4：[（），（），（），（）
……
]提取控制参数组合1的加工温度与铺放速度得到加工温度序列与铺放速度序列，计算控制参数组合1中的加工温度序列{，，，
……
}中相邻元素的差值之和作为控制参数组合1在铺放过程中对应的加工温度序列的离差，计算控制参数组合1中的铺放速度序列{，，，
……
}中相邻元素的差值之和作为控制参数组合1在铺放过程中对应的铺放速度序列的离差，将控制参数组合1中加工温度序列的离差与铺放速度序列中的离差相加作为控制参数组合1的离差和；根据上述方法计算得到每组控制参数组合的离差和，选择离差和最小的控制参数组合作为铺放过程中的最佳控制参数组合。
[0056]
根据得到的最佳控制参数组合对复合材料生产工艺中工艺参数的调控，实现复合材料生产工艺中工艺参数的自动控制，达到减少缺陷产生的概率，降低制造成本的目的。
[0057]
基于与上述方法相同的发明构思，本实施例还提供了一种复合材料生产工艺中工艺参数的自动控制系统，本实施例中一种复合材料生产工艺中工艺参数的自动控制系统，包括图像处理模块、存储器、数据处理器和参数调控模块；利用获取的复合材料制品图像进行处理得到复合材料制品的高度图像，进一步的对高度图像进行分割；并利用存储器存储控制参数与弯曲程度以及变形程度对应关系的数据库；根据处理后的图像数据获取控制参数，对控制参数进行分析处理得到每个调整节点对应的所有的控制参数，对控制参数进行筛选得到符合条件的调整节点的所有控制参数，进行进一步处理，得到铺放过程中最终的最佳控制参数组合；根据得到铺放过程的最佳控制参数组合对复合材料生产工艺中工艺参数进行调控，实现工艺参数的自动控制。
[0058]
由于复合材料生产工艺中工艺参数的自动控制方法及系统实施例中已经对利用获取的复合材料制品图像进行处理得到复合材料制品的高度图像，进一步的对高度图像进行分割；并利用存储器存储控制参数与弯曲程度以及变形程度对应关系的数据库；根据处理后的图像数据获取控制参数，对控制参数进行分析处理得到每个调整节点对应的所有的控制参数，对控制参数进行筛选得到符合条件的调整节点的所有控制参数，进行进一步处理，得到铺放过程中最终的最佳控制参数组合；根据得到铺放过程的最佳控制参数组合对复合材料生产工艺中工艺参数进行调控，实现工艺参数的自动控制的方法进行了说明，此处不再赘述。
[0059]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。