CN108680292B - 光纤智能碳纤维传感带的制作方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤智能碳纤维传感带的制作方法及装置，装置包括机架、工作台、光纤滚筒、铺放头组件、伺服装置、图像采集装置以及处理器，铺放头组件包括重送模块、压紧模块、夹紧模块以及剪切模块；该装置和方法能够按照预设路径将光纤埋入碳纤维预浸料中，通过重送模块、压紧模块、夹紧模块和剪切模块的配合，实现了光纤铺放的预应力均匀，提高成品监测的准确性，采用机器视觉代替人工采集光纤分布图，特别适合大型传感带的制作。

Description

光纤智能碳纤维传感带的制作方法及装置

技术领域

本发明涉及一种光纤智能碳纤维传感带的制作方法及装置。

背景技术

树脂基碳纤维增强复合材料具有强度高、弹性模量低、重量轻等优点，使得碳纤维材料在飞机、风能叶片和汽车零部件的应用日益广泛。而光纤具有宽频宽、低损耗、屏蔽电磁辐射、重量轻、安全性隐密性好等优点，其光纤传感技术则适合高电压场所、能远距离传输信号、有利于微型化以及适合大型工程长期安全监测等。因此，光纤传感技术得到了高度重视和快速发展，成为国家重大工程、重大装备、武器系统等国民经济诸多领域急需的关键技术之一。碳纤维复合材料和光纤的有机结合，可以同时保留碳纤维复合材料与光纤的优点。通过碳纤维复合材料把光纤在复合材料内，可用于使结构件具有复合材料优良性能的同时也能够实现在线检测温度与应变技术。

目前光纤植入碳纤维主要依赖人工植入，植入时的预应力不均，会造成智能传感器带在热压罐固化产生不均匀残余应力，进而使光纤的反射谱出现劣化，对光纤的传感特性造成一定影响。

专利号为CN107503525A所描述制备方法能够简单将光纤植入，所述的传感光纤轴向与纤维方向呈任意方向铺设,没有涉及路径规划；专利号为CN103792033A所描述基于纤维铺放的光纤自动植入复合材料的方法及装置提出了采用机械手自动将光纤植入碳纤维的方法及装置，但是同样没有涉及光纤路径的规划。

对于小型传感器带，光纤植入后的光纤路径可以通过人工记录，但对于大型传感器带的制作，光纤植入的长度也随之增大，难以用手工记录。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术中的光纤植入方法没有路径规划、人工记录光纤路径准确性低的问题，提出一种光纤智能碳纤维传感带的制作方法及装置，能够对光纤路径进行有效规划和记录。

一种光纤智能碳纤维传感带的制作装置，包括机架、工作台、光纤滚筒、铺放头组件、伺服装置、图像采集装置以及处理器；

所述工作台固定在所述机架上，用于铺放碳纤维预浸料；

所述光纤滚筒上缠绕有光纤，所述伺服装置用于驱动所述铺放头组件运动，将光纤按照预设路径铺放至所述碳纤维预浸料上；

所述铺放头组件包括重送模块、压紧模块、夹紧模块以及剪切模块，所述重送模块用于输送光纤，所述压紧模块用于将光纤按照预设路径压制到所述碳纤维预浸料上，所述夹紧模块用于当铺放完成时夹紧所述光纤，所述剪切模块用于将所述光纤剪断；

所述图像采集装置用于采集完成光纤铺放的碳纤维预浸料的图像，所述处理器用于对所述图像进行识别，获得光纤分布图并存储。

进一步地，所述重送模块包括主动轮、从动轮、第一驱动装置以及第二驱动装置；

所述第一驱动装置和第二驱动装置分别用于驱动所述主动轮和从动轮转动，所述光纤位于所述主动轮和从动轮之间，所述主动轮和从动轮转动时实现所述光纤的输送。

进一步地，所述压紧模块包括第一压紧轮和第二压紧轮；所述光纤铺放的预设路径包括直线路径和曲线路径；

在所述直线路径上所述第一压紧轮和第二压紧轮相互配合将光纤压紧至所述碳纤维预浸料上，在所述曲线路径上第一压紧轮和第二压紧轮悬空使得所述光纤自然铺放到所述碳纤维预浸料上。

进一步地，所述夹紧模块包括动夹紧块、静夹紧块、枕块以及枕块弹簧，所述静夹紧块安装于所述枕块上，所述光纤位于所述动夹紧块和静夹紧块之间，所述动夹紧块通过所述第二驱动装置驱动向静夹紧块运动以夹紧所述光纤；所述枕块弹簧位于所述枕块的凹槽内。

进一步地，所述剪切模块包括相互配合的刀片和顶杆，所述刀片用于通过所述第二驱动装置驱动切断所述光纤，所述顶杆用于在剪切时先于刀片顶开所述枕块弹簧。

进一步地，所述制作装置还包括碳纤维固定装置和设置在所述工作台背面的加热装置，所述碳纤维固定装置用于将碳纤维预浸料固定在所述工作台上，所述加热装置用于将所述碳纤维预浸料加热至预设温度。

进一步地，所述制作装置还包括方形无影光源，用于为所述图像采集装置提供光源。

一种光纤智能碳纤维传感带的制作方法，采用上述的光纤智能碳纤维传感带的制作装置进行制作，所述方法包括：

将碳纤维预浸料固定在所述工作台上；

将缠绕在所述光纤滚筒上的光纤经过所述重送模块输送至所述碳纤维预浸料上；

通过所述伺服装置驱动所述铺放头组件沿预设路径运动；

通过所述重送模块和压紧模块将所述光纤按照预设路径压制到所述碳纤维预浸料上；

光纤铺放完成后夹紧模块夹紧所述光纤，剪切模块将所述光纤剪断；

图像采集装置采集完成光纤铺放的碳纤维预浸料的图像，并将所述图像发送至所述处理器，所述处理器对所述图像进行识别，获得光纤分布图并进行存储。

进一步地，所述压紧模块包括第一压紧轮和第二压紧轮；所述光纤铺放的预设路径包括直线路径和曲线路径；

通过所述压紧模块将所述光纤按照预设路径压制到所述碳纤维预浸料上，包括：

在所述直线路径的正方向上，第一压紧轮工作，第二压紧轮悬空，在所述第一压紧轮的作用下将光纤压制在所述碳纤维预浸料上；

在所述直线路径的反方向上，第一压紧轮悬空，第二压紧轮工作，在第二压紧轮的作用下将所述光纤压制在所述碳纤维预浸料上；

在所述曲线路径上，第一压紧轮和第二压紧轮悬空，在重送模块作用下将所述光纤自然铺放至所述碳纤维预浸料上。

进一步地，处理器对所述图像进行识别，获得光纤分布图，包括：

获取N张图像，相邻两张图像有超过30％的重合部分；

对所述图像采用最大类间法进行自动阈值；

合并联通区域，并选取其中面积最大对象；

获取所述面积最大联通区域的最小外接矩形，以0.9倍的最小外接矩形作为检测ROI，去除无关区域；

依次对相邻的两张图片进行特征点提取；

将提取特征点后的图像进行合并；

对合并后的图像进行中值滤波；

提取所需轮廓，并对边缘对象进行直线拟合，获得光纤分布图。

本发明提供的光纤智能碳纤维传感带的制作方法及装置，至少包括如下有益效果：

(1)能够按照预设路径将光纤埋入碳纤维预浸料中，通过重送模块、压紧模块、夹紧模块和剪切模块的配合，实现了光纤铺放的预应力均匀，提高成品监测的准确性，采用机器视觉代替人工采集光纤分布图，特别适合大型传感带的制作；

(2)通过压紧模块和重送模块的配合，完成光纤铺放的同时，省去铺放头组件的转向，降低装置的复杂度；

(3)通过机器视觉代替人眼进行图像拼接与光纤路径提取，路径提取算法提取效果良好，鲁棒性强，可得到智能传感器带的光纤路径分布，降低制作过程中的产生的工作量。

附图说明

图1为本发明提供的光纤智能碳纤维传感带的制作装置一种实施例的结构示意图。

图2为本发明提供的光纤智能碳纤维传感带的制作装置中铺放头组件的外观结构示意图。

图3为本发明提供的光纤智能碳纤维传感带的制作装置中铺放头组件内部结构示意图。

图4为本发明提供的光纤智能碳纤维传感带的制作装置中工作台一种实施例的结构示意图。

图5为本发明提供的光纤智能碳纤维传感带的制作装置中光纤的预设路径一种实施例的示意图。

图6为本发明提供的光纤智能碳纤维传感带的制作装置中光纤铺放一种实施例的示意图。

图7a-图7g为本发明提供的光纤智能碳纤维传感带的制作方法中图像识别的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。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。

实施例一

参考图1-图3，本实施例提供一种光纤智能碳纤维传感带的制作装置，包括机架101、工作台102、光纤滚筒103、铺放头组件104、伺服装置、图像采集装置106以及处理器；

工作台102固定在机架101上，用于铺放碳纤维预浸料；

光纤滚筒103上缠绕有光纤，伺服装置用于驱动铺放头组件104运动，将光纤按照预设路径铺放至碳纤维预浸料上；

铺放头组件包括重送模块1041、压紧模块1042、夹紧模块1043以及剪切模块1044，重送模块1041用于输送光纤，压紧模块1042用于将光纤按照预设路径压制到碳纤维预浸料上，夹紧模块1043用于当铺放完成时夹紧光纤，剪切模块1044用于将光纤剪断；

图像采集装置106用于采集完成光纤铺放的碳纤维预浸料的图像，处理器用于对所述图像进行识别，获得光纤分布图并存储。

具体地，重送模块1041包括主动轮1041a、从动轮1041b、第一驱动装置(图中未示出)以及第二驱动装置(图中未示出)；

第一驱动装置用于驱动主动轮1041a转动，第二驱动装置用于驱动从动轮1041b转动，光纤位于主动轮1041a和从动轮1041b之间，主动轮和从动轮转动时实现光纤的输送。

进一步地，压紧模块1042包括第一压紧轮1042a和第二压紧轮1042b；光纤铺放的预设路径包括直线路径和曲线路径；

在直线路径上第一压紧轮1042a和第二压紧轮1042b相互配合将光纤压紧至碳纤维预浸料上，在曲线路径上第一压紧轮1042a和第二压紧轮1042b悬空使得光纤自然铺放到所述碳纤维预浸料上。

参考图5和图6，本实施例中，光纤铺放的预设路径为“S”形，包括直线路径和曲线路径，要求在直线路径部分将光纤埋入碳纤维预浸料中并要有均匀的预应力，曲线路径部分要求不要埋入碳纤维预浸料中，不需要有预应力，且保持自然弯曲状态。伺服装置105驱动整个铺放头组件104运动，重送模块1041铺放光纤，在直线路径的正方向上，光纤在第一压紧轮1042a之下，第一压紧轮1042a压紧光纤，第二压紧轮1042b悬空，当铺放头组件运动至曲线段时，第一压紧轮1042a和第二压紧轮1042b均悬空，重送模块1041继续工作，使光纤继续输出，使得光纤自然铺放，在直线路径的反方向上，光纤在第二压紧轮1042b下，第二压紧轮1042b压紧光纤，第一压紧轮1041a悬空，如此反复即可完成“S”型路径的光纤铺放。

通过压紧模块和重送模块的配合，完成光纤铺放的同时，省去铺放头组件的转向，降低装置的复杂度。

进一步地，夹紧模块1043包括动夹紧块1043a、静夹紧块1043b、枕块1043c以及枕块弹簧1043d，静夹紧块1043b安装于枕块1043c上，光纤位于动夹紧块1043a和静夹紧块1043b之间，动夹紧块1043a通过第二驱动装置驱动向静夹紧块1043b运动以夹紧光纤；枕块弹簧1043d位于枕块的凹槽内。

进一步地，剪切模块1044包括相互配合的刀片1044a和顶杆1044b，刀片1044a用于通过第二驱动装置驱动切断光纤，顶杆1044b用于在剪切时先于刀片顶开枕块弹簧，防止刀刃因直接撞向枕块弹簧而损坏。

第二驱动装置用于驱动从动轮、动夹紧块和刀片运动。

由于光纤在铺放时存在张力，将光纤剪断时，光纤由于张力的作用会产生回弹，因此需要在剪切之间将光纤夹紧，防止光纤回弹，当光纤被剪断时，容易将光纤带入枕块的凹槽内，因此在凹槽内安装枕块弹簧，防止光纤被带入凹槽内。

进一步地，参考图4，本实施例提供的制作装置还包括碳纤维固定装置108和设置在工作台102背面的加热装置，碳纤维固定装置108用于将碳纤维预浸料固定在工作台102上，加热装置用于将碳纤维预浸料加热至预设温度。

进一步地，本实施例提供的制作装置还包括方形无影光源107，用于为图像采集装置提供光源。

该装置的具体工作过程为：将工作台102抽出，将碳纤维预浸料通过碳纤维固定装置108固定在工作台102上，启动加热装置，保持工作台上的碳纤维预浸料表面温度为80℃，将光纤滚筒103上的光纤的一端通过重送模块1041输送到碳纤维预浸料上，启动伺服装置，带动整个铺放头组件沿预设路径运动，光纤通过重送模块输送到碳纤维预浸料上，再通过压紧模块1042在直线路径部分将光纤热压到碳纤维预浸料上，曲线路径部分压紧模块停止工作，重送模块将光纤自然铺放到碳纤维预浸料上，当运行到预设路径终点时，夹紧模块将光纤夹紧后，剪切模块将光纤剪断，启动图像采集装置采集图像，并发送至处理器进行识别和处理，获得光纤分布图并存储，之后将工作台抽出，再放一层碳纤维预浸料继续铺放光纤，多层铺放完成后得到光纤智能传感带。

本实施例提供的光纤智能碳纤维传感带的制作装置，能够按照预设路径将光纤埋入碳纤维预浸料中，通过重送模块、压紧模块、夹紧模块和剪切模块的配合，实现了光纤铺放的预应力均匀，提高成品监测的准确性，采用机器视觉代替人工采集光纤分布图，特别适合大型传感带的制作。

实施例二

本实施例提供一种光纤智能碳纤维传感带的制作方法，参考图1-图6，采用实施例一提供的光纤智能碳纤维传感带的制作装置进行制作，所述方法包括：

步骤S101，将碳纤维预浸料固定在所述工作台上；

步骤S102，将缠绕在所述光纤滚筒上的光纤经过所述重送模块输送至所述碳纤维预浸料上；

步骤S103，通过所述伺服装置驱动所述铺放头组件沿预设路径运动；

步骤S104，通过重送模块和压紧模块将所述光纤按照预设路径压制到所述碳纤维预浸料上；

步骤S105，光纤铺放完成后夹紧模块夹紧所述光纤，剪切模块将所述光纤剪断；

步骤S106，图像采集装置采集完成光纤铺放的碳纤维预浸料的图像，并将所述图像发送至所述处理器，所述处理器对所述图像进行识别，获得光纤分布图并进行存储。

具体地，步骤S101中，将工作台102抽出，将碳纤维预浸料通过碳纤维固定装置108固定在工作台102上，启动加热装置，保持工作台上的碳纤维预浸料表面温度为80℃。

步骤S104中，通过所述重送模块和压紧模块将所述光纤按照预设路径压制到所述碳纤维预浸料上，包括：

在所述直线路径的正方向上，第一压紧轮工作，第二压紧轮悬空，在所述第一压紧轮的作用下将光纤压制在所述碳纤维预浸料上；

在所述直线路径的反方向上，第一压紧轮悬空，第二压紧轮工作，在第二压紧轮的作用下将所述光纤压制在所述碳纤维预浸料上；

在所述曲线路径上，第一压紧轮和第二压紧轮悬空，在重送模块作用下将所述光纤自然铺放至所述碳纤维预浸料上。

进一步地，步骤S106中，处理器对所述图像进行识别，获得光纤分布图，包括：

获取N张图像，相邻两张图像有超过30％的重合部分，如图7a所示；

对所述图像采用最大类间法进行自动阈值，如图7b所示；

合并联通区域，并选取其中面积最大对象，如图7c所示；

获取所述面积最大联通区域的最小外接矩形，以0.9倍的最小外接矩形作为检测ROI，去除无关区域，如图7d所示；

依次对相邻的两张图片进行特征点提取，如图7e所示；

将提取特征点后的图像进行合并，如图7f所示；

对合并后的图像进行中值滤波；

提取所需轮廓，并对边缘对象进行直线拟合，获得光纤分布图，如图7g所示。

本实施例提供的光纤智能碳纤维传感带的制作方法，通过机器视觉代替人眼进行图像拼接与光纤路径提取，路径提取算法提取效果良好，鲁棒性强，可得到智能传感器带的光纤路径分布，降低制作过程中的产生的工作量。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种光纤智能碳纤维传感带的制作装置，其特征在于，包括机架、工作台、光纤滚筒、铺放头组件、伺服装置、图像采集装置以及处理器；

所述工作台固定在所述机架上，用于铺放碳纤维预浸料；

所述光纤滚筒上缠绕有光纤，所述伺服装置用于驱动所述铺放头组件运动，将光纤按照预设路径铺放至所述碳纤维预浸料上；

所述铺放头组件包括重送模块、压紧模块、夹紧模块以及剪切模块，所述重送模块用于输送光纤，所述压紧模块用于将光纤按照预设路径压制到所述碳纤维预浸料上，所述夹紧模块用于当铺放完成时夹紧所述光纤，所述剪切模块用于将所述光纤剪断；

所述重送模块包括主动轮、从动轮、第一驱动装置以及第二驱动装置；

所述第一驱动装置和第二驱动装置分别用于驱动所述主动轮和从动轮转动，所述光纤位于所述主动轮和从动轮之间，所述主动轮和从动轮转动时实现所述光纤的输送；

所述压紧模块包括第一压紧轮和第二压紧轮；所述光纤铺放的预设路径包括直线路径和曲线路径；

在所述直线路径上所述第一压紧轮和第二压紧轮相互配合将光纤压紧至所述碳纤维预浸料上，在所述曲线路径上第一压紧轮和第二压紧轮悬空使得所述光纤自然铺放到所述碳纤维预浸料上；

所述图像采集装置用于采集完成光纤铺放的碳纤维预浸料的图像，所述处理器用于对所述图像进行识别，获得光纤分布图并存储。

2.根据权利要求1所述的光纤智能碳纤维传感带的制作装置，其特征在于，所述夹紧模块包括动夹紧块、静夹紧块、枕块以及枕块弹簧，所述静夹紧块安装于所述枕块上，所述光纤位于所述动夹紧块和静夹紧块之间，所述动夹紧块通过所述第二驱动装置驱动向静夹紧块运动以夹紧所述光纤；所述枕块弹簧位于所述枕块的凹槽内。

3.根据权利要求2所述的光纤智能碳纤维传感带的制作装置，其特征在于，所述剪切模块包括相互配合的刀片和顶杆，所述刀片用于通过所述第二驱动装置驱动切断所述光纤，所述顶杆用于在剪切时先于刀片顶开所述枕块弹簧。

4.根据权利要求1所述的光纤智能碳纤维传感带的制作装置，其特征在于，所述制作装置还包括碳纤维固定装置和设置在所述工作台背面的加热装置，所述碳纤维固定装置用于将碳纤维预浸料固定在所述工作台上，所述加热装置用于将所述碳纤维预浸料加热至预设温度。

5.根据权利要求1所述的光纤智能碳纤维传感带的制作装置，其特征在于，所述制作装置还包括方形无影光源，用于为所述图像采集装置提供光源。

6.一种光纤智能碳纤维传感带的制作方法，其特征在于，采用如权利要求1-5任一所述的光纤智能碳纤维传感带的制作装置进行制作，所述方法包括：

将碳纤维预浸料固定在所述工作台上；

将缠绕在所述光纤滚筒上的光纤经过所述重送模块输送至所述碳纤维预浸料上；

通过所述伺服装置驱动所述铺放头组件沿预设路径运动；

通过所述重送模块和压紧模块将所述光纤按照预设路径压制到所述碳纤维预浸料上；

光纤铺放完成后夹紧模块夹紧所述光纤，剪切模块将所述光纤剪断；

图像采集装置采集完成光纤铺放的碳纤维预浸料的图像，并将所述图像发送至所述处理器，所述处理器对所述图像进行识别，获得光纤分布图并进行存储。

7.根据权利要求6所述的光纤智能碳纤维传感带的制作方法，其特征在于，所述压紧模块包括第一压紧轮和第二压紧轮；所述光纤铺放的预设路径包括直线路径和曲线路径；

通过所述重送模块和压紧模块将所述光纤按照预设路径压制到所述碳纤维预浸料上，包括：

在所述直线路径的正方向上，第一压紧轮工作，第二压紧轮悬空，在所述第一压紧轮的作用下将光纤压制在所述碳纤维预浸料上；

在所述直线路径的反方向上，第一压紧轮悬空，第二压紧轮工作，在第二压紧轮的作用下将所述光纤压制在所述碳纤维预浸料上；

在所述曲线路径上，第一压紧轮和第二压紧轮悬空，在重送模块作用下将所述光纤自然铺放至所述碳纤维预浸料上。

8.根据权利要求6所述的光纤智能碳纤维传感带的制作方法，其特征在于，处理器对所述图像进行识别，获得光纤分布图，包括：

获取N张图像，相邻两张图像有超过30％的重合部分；

对所述图像采用最大类间法进行自动阈值；

合并联通区域，并选取其中面积最大对象；

获取所述面积最大联通区域的最小外接矩形，以0.9倍的最小外接矩形作为检测ROI，去除无关区域；

依次对相邻的两张图片进行特征点提取；

将提取特征点后的图像进行合并；

对合并后的图像进行中值滤波；

提取所需轮廓，并对边缘对象进行直线拟合，获得光纤分布图。

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