CN102374848A - 复合材料铺放间隙图像的快速检测方法 - Google Patents

Abstract

一种用于复合材料铺放工艺过程中，同一铺放层相邻预浸带间隙测量的视频检测方法。提供了减少视频图像处理数据量、提高间隙测量速度、满足系统实时性要求的采集图像重构方法。同时提出了一种多点行/列扫描的间隙边界提取技术，保证间隙边缘提取的可靠性。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。

Description

复合材料铺放间隙图像的快速检测方法

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技术，该技术涉及复合材料结构件加工过程中的铺放层表面质量实时检测方法。利用视频图像处理技术，实现铺放间隙的高性能、低成本测量。

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，能有效提高飞机性能，大量使用复合材料是航空器发展趋势：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，相关技术的研究正在展开，其中铺放过程中预浸带间间隙的实时监控问题，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。

复合材料铺放的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。复合材料预侵带厚度薄(标准厚度约0.15mm)，且表面呈波浪型，给检测带来了极大的困难。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

本发明提供了一种在复合材料铺放工艺过程中，利用视频技术实现同一铺放层相邻预浸带缝隙(间隙)自动检测中所涉及的技术手段，实现间隙的高精度在线测量。

本发明包括如下技术手段：

(1)对直接采集的图像数据进行重新组合；

(2)利用扫描法逐行/列或隔行/列扫描重新组合后的图像数据，以便进行后续据分析，实现间隙自动检测。

附图说明

图1是本发明中重新组合方法及组合结果示意图；

图2是本发明中列扫描检测方法示意图；

上述图中的标号名称：001-跳变点1，002-跳变点2，003-跳变点3、4。

图3是本发明的间隙检测处理流程示意图；

图4为实际检测结果输出。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。

本发明中的间隙测量及分析采用行抽样扫描测量的方法，具体思想如下：对采集到的视频图像，按照需求选取若干区域重新组合，形成一个新的图像数据集合，该集合可以看作是一幅图像，对重新组合的数据集合做滤波去噪、阈值分割、边缘检测等前处理后，再对分割后的二值化图像进行行/列扫描，测量间隙所占象素个数换算获得的。图像重新组合的目的主要是为了减少计算量，提高图像处理速度，满足检测实时性要求，重新组合方法如图1所示。

基于重组图像的行/列扫描基本思想为：对于重组后的数据二值化处理后，即获得了二值化图像，所谓行/列扫描就是指提取该二值化图像中的某一行/列数据，根据该行/列象素的灰度跳变点，判断间隙起始、结束位置，并以此计算间隙尺寸(每个象素点对应实际的面积已知)。为了获得可靠的间隙检测数据，采取两级判断分析的方法：首先判断间隙跳变点：如果是理想图像，扫描过程中应该有两次灰度跳变，跳变点将即为间隙。但实际情况往往存在噪声等因素，扫描行的灰度跳变点不止两个，可以根据间隙和噪声的特点加以判断。噪声一般两突变点间隔较小(如图2中003所示)，而间隙的跳变点间隔较大(如图2中001和002所示)，因此可以在检测到跳变时，向该点两边再做一次连续多个象素的二次扫描，如果有跳变点判断为噪声，如果没有判断为间隙的边缘。其次判断检测数据的有效性：有时噪声较大，上述方法无法判断。可以在重组数据集合内进行非连续的多行/列扫描，如果数据接近，认为是间隙。相反，则需重新判断。该检测方法原理如图2所示。

如上所述的间隙检测方法，通过下述技术方案予以实现，具体步骤如下：

(1)从CCD摄取目标检测区域视频图像并存储；

(2)重新组合图像数据；

(3)对重新组合图像数据进行预处理，包括滤波去噪、阈值分割、边缘检测；

(4)利用扫描法逐行/列或隔行/列扫描预处理后的图像数据，并通过处理后的数据分析，定量分析间隙尺寸；

(5)若检测间隙大于或等于指定阈值，则确定为缺陷疑似，并对此疑似缺陷作进一步的定量分析，保存结果；

(6)若对连续多帧(本发明中采用连续3帧)图像的检测均有缺陷疑似，则确定为间隙超限，并给出报警信息，按照要求停止铺放过程；

(7)若步骤(4)的检测间隙小于指定阈值，则继续直至整个铺放过程结束。

处理流程图如图3所示。其中滤波去噪、阈值分割和边缘检测均采用现在常用的图像及信号处理技术。

复合材料铺放工艺过程中间隙在线实时提取

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。现代铺放设备基本实现自动化，设备控制精度和铺放速度比较高，可达每秒半米以上，需要实时监控并调整铺放头工作位置。对铺放头水平位置的检测可以借助于间隙检测实现，同时间隙检测也可以测量加工质量，为质量监控及铺放头控制提供必要的检测参数。尤其在铺放头控制过程中，需要了解铺放头的横向位置变化情况以及变化趋势，就必须要实时提取间隙尺寸。

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，光源采用日本CGS公司的工业级LED光源。

检测过程中采用本发明中的间隙检测提取技术，实时提取间隙的宽度大小，显示并反馈给铺放头控制系统。在线提取结果如图4所示。

Claims (2)

1.一种高对比度复合材料铺放间隙图像的重构方法，其特征在于，通过重构采集高对比度复合材料间隙视频图像，大幅减少图像处理数据，实现高速复合材料间隙的实时检测。

2.一种基于行/列扫描的高对比度复合材料铺放间隙信息提取方法，其特征在于，对于高对比度复合材料铺放间隙视频图像，通过多象素点的行/列扫描，有效地提取间隙的边缘点位置，为间隙可靠测量提供了保证。

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