CN112877863A - 一种复合材料预制体织造过程中边棒自动放置装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复合材料织造过程中边棒自动放置装置及方法，属于复合材料、机械制造和计算机技术的交叉领域。本发明方法的步骤为：通过内窥镜采集纤维成环图像，利用图像处理算法分割出成环纤维的区域，并结合边缘追踪的方法精确提取成环纤维的质心坐标。内窥镜移动一定的距离，再次采集成环纤维图像并计算出质心坐标。根据三角形相似定律求出内窥镜中心到纤维环质心，边棒放置机构所需的移动距离。边棒放置机构移动到纤维环中心处穿过纤维环，并将边棒放置在纤维环中。本发明提出的复合材料预制体织造过程中的边棒自动放置装置及方法，可将边棒快速精准的放入到纤维环中，为复合材料预制体自动化织造提供了保障。

Description

一种复合材料预制体织造过程中边棒自动放置装置及方法

技术领域

本发明涉及一种复合材料预制体织造过程中边棒自动放置装置及方法，属于复合材料、机械制造与计算机技术的交叉技术领域。

背景技术

以连续纤维增强复合材料为代表的先进复合材料具有远高于钢铁材料的比刚度和比强度，此外还具有耐腐蚀、抗疲劳性能好以及可设计性强等优势，被广泛应用于运载火箭、卫星、风力发电、轨道交通等工业领域。长久以来，二维结构复合材料由于制作简单、成形工艺及设备成熟，是复合材料结构中应用最为广泛的结构之一。

三维结构复合材料在厚度方向引入增强体，解决了二维复合材料分层阻抗低、易脱层等问题，是目前先进复合材料研究的主要方向，其中针对三维结构复合材料的新工艺和新装备已成为目前研究的热点和难点。现有的三维结构复合材料制备工艺较为繁琐、织造周期长且人工干预较多，造成复合材料的成形性能不稳定；此外，在织造过程中，设备的自动化水平较低，工艺参数检测和调控方法还不成熟。

近年来，研究人员对碳纤维预制体的织造工艺及设备进行了研究，但在织造过程中存在人为干预多，织造效率低等问题。在织造针运动出导向阵列后，需要通过人工将边棒放置在纤维环内，放置边棒过程效率低，同时在放置边棒过程中由于人为操作失误，易造成纱线的断裂，严重影响织造效率。为了提高织造过程中的自动化水平，减少人工干预对预制体形状精度和成形质量的影响，提出了一种复合材料预制体织造过程中边棒自动放置装置及方法，代替人工将边棒放置在纤维环中，提高了织造过程中的自动化水平，为实现大型、复杂结构高性能复合材料构件的高精高效织造提供了技术支撑。

发明内容

本发明主要目的在于提供一种复合材料预制体织造过程中边棒自动放置装置及方法。通过对纤维环质心坐标的提取，将导向杆的位置移动到纤维环质心处，导向杆穿过纤维环，并将边棒放入到纤维环中，从而实现了大型、复杂结构高性能复合材料预制体织造过程中边棒的自动放置，提高了预制体织造过程中的自动化程度，同时减少了人工干预对预制体形状精度和成形质量的影响，为预制体的高精高效织造奠定了基础。

本发明的技术方法如下：

1.本发明所采用的装置参见图1，包括导向杆顶升机构1、工业内窥镜2、工业内窥镜固定套3、导向杆4、导向杆旋转机构5、导向杆轴向输送机构6、导向杆径向移动机构7、工业平板电脑8和从站10；其中，工业内窥镜2的圆心与导向杆4的圆心在同一轴线；工业内窥镜2与从站10相连，从站10的另一端与工业平板电脑8相连，工业内窥镜2、工业平板电脑8和从站10组成采集与处理单元对纤维环的图像进行采集与处理，边棒自动放置装置控制系统参见图2；工业平板电脑8与导向杆顶升机构1、导向杆旋转机构5、导向杆轴向输送机构6和导向杆径向移动机构7相连，用于控制导向杆4的运动轨迹及旋转运动；导向杆径向移动机构7安装在导向杆顶升机构1上，用于控制导向杆4的径向运动；导向杆轴向输送机构6安装在导向杆径向移动机构7上，用于控制导向杆4的轴向运动；导向杆旋转机构5安装在导向杆轴向输送机构6上，并与导向杆4相连，用于控制导向杆4的旋转；导向杆顶升机构1参见图3，包括固定平台11、移动光杆轴套12、移动光杆13、移动平台14、固定光杆轴套15、固定光杆16、滚珠丝杠17、减速器18、电机19和滚珠丝杠轴套20；固定光杆16和减速器18安装在固定平台11上，同时通过固定光杆轴套15与移动平台14相配合；减速器18与电机19相连；滚珠丝杠17的一端与减速器18连接，另一端与固定平台11连接，并通过滚珠丝杠轴套20与移动平台14相配合；移动光杆13安装在移动平台14上，同时通过移动光杆轴套12与固定平台11相配合；

2.所述的边棒自动放置装置还可以实现包括但不限于调节纤维环的尺寸及拔出已放置边棒，即当纤维成环较小时，可利用边棒自动放置装置穿过纤维环，并通过导向杆顶升机构及导向杆径向移动机构扩大纤维环的尺寸，在边棒放置位置不准确时，利用轴向输送机构将边棒拔出；

3.所述的工业内窥镜为软管内窥镜、硬杆内窥镜和光纤内窥镜的一种或多种等；

4.所述的带动导向杆径向及轴向直线运动机构可为但不限于滚珠丝杠、线性模组和梯形丝杠等，带动导向杆旋转运动机构可为但不限于气动旋转平台和电动旋转平台等；

5.所述的控制导向杆升降运动的顶升机构可为但不限于液压顶升机构、钢丝滑轮组顶升机构、螺杆顶升机构和齿条顶升机构等；

6.一种复合材料预制体织造过程中边棒自动放置方法，其边缘放置位置识别流程如图4所示，具体步骤如下：

①纤维环的图像采集；待织造过程中纤维成环后，工业平板电脑向从站发送激励信号，从站通过控制工内窥镜业自动采集纤维环的灰度图像，此时，将面光源放置于内窥镜的对侧，提高纤维环与背景间的对比度；图像尺寸、对比度等固定不变；

②纤维环图像的预处理；对灰度图像进行中值滤波处理，实现图像边缘保真情况下图像的降噪复原；采用图像增强的方法提高织造针区域与背景区域的对比度；

③纤维环质心提取；对预处理后的图像进行二值化，由于图像中存在噪音的干扰，较难识别出纤维环的区域，通过观察发现，纤维环区域的几何特征与噪音区域的几何特征不同，因此，利用球状性、矩形度、圆形性、圆形度和形状参数等几何特征作为判断依据将纤维环从背景区域分割，提取出纤维环的感兴趣区域ROI；并将纤维环以外的区域设置为白色，利用canny算子对纤维环的边缘进行提取，并利用边缘粗略计算出纤维环质心在像素坐标系下的坐标；由于在二值化过程中，纤维环边缘信息遗失，造成提取出的质心位置不准确，因此，以粗提取出的质心坐标为中心点，搜索处于纤维环上的像素点，并将该坐标作为起点像素点，以起点像素点为中心，搜索像素点八邻域中的边界点，若搜索到边界点，则记录边界点的位置信息，并结合当前边界点与前一个边界点的位置关系，对下一个边界点进行追踪，当追踪回至边界起点，且下一个边界点与起点后的边界点为同一像素点，则完成边界点的追踪获取纤维环的边缘。并利用该边缘精确计算出纤维环质心的坐标C1；

④边棒自动放置机构运动轨迹计算；待识别出纤维环质心的坐标后，从站向工业平板电脑发送激励信号，工业平板电脑通过控制导向杆径向移动机构运动一定的距离，重复上述①②③步骤，采集并处理纤维环的图像，提取出碳纤维质心在像素坐标系下的坐标C2，利用相机标定方法标定出相机的主点坐标及三角相似定律，可获取将纤维环质心移动到相机主点的边棒自动放置机构运动轨迹；

⑤自动放置边棒；工业平板电脑接收到从站传输的运动轨迹信息控制边棒自动放置装置的运动，导向杆通过径向移动机构及顶升机构运动到指定位置，已放置边棒的导向杆通过轴向输送机构伸出穿过纤维环，并通过旋转机构旋转180°将边棒放置在纤维环中，导向杆按原路径返回，完成边棒的自动放置；

7.图像采集方法可为单目、双目或多目，所述的光源可为但不限于线光源、面光源及环形光源等；

8.所述的纤维环质心提取还可以包括检测并提取出在纤维环上的直线，并利用最小二乘圆拟合的方法对直线上的端点进行拟合，识别出纤维环所在的区域，将纤维环区域进行二值化处理，在二值化过程中会出现噪音，利用最大连通区域的方法消除噪音，提取出纤维环的区域并获取纤维环的质心坐标。

本发明有益的效果是：

1.该方法自动化程度高，降低了织造过程中的人工干预，提高了织造效率，减少人工成本，相比于传统的人工放置边棒，放置效率更高。

2.该方法减少了边棒放置过程中的人工干预，边棒放置精度高，能够有效避免人工放置边棒时，边棒与纤维间的接触，减少织造过程中纤维的损伤，提高预制体的成形性能。

附图说明

图1边棒自动放置装置示意图。

附图标记

1—导向杆顶升机构；2—工业内窥镜；3—工业内窥镜固定套；4—导向杆；5—导向杆旋转机构；6—导向杆轴向输送机构；7—导向杆径向移动机构。

图2边棒自动放置装置控制系统示意图。

附图标记

8—工业平板电脑；9—边棒自动放置装置；10—从站。

图3导向杆顶升机构。

附图标记

11—固定平台；12—移动光杆轴套；13—移动光杆；14—移动平台；15—固定光杆轴套；16—固定光杆；17—滚珠丝杠；18—减速器；19—电机；20—滚珠丝杠轴套。

图4边缘放置位置识别流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的说明。

本发明的典型实施1例如下：

A、纤维环的图像采集；待织造过程中纤维成环后，工业平板电脑向从站发送激励信号，从站通过控制工业内窥镜自动采集纤维环的灰度图像，此时，将面光源放置于内窥镜的对侧，提高纤维环与背景间的对比度；

图像尺寸640×480及对比度-3等固定不变；

B、纤维环图像的预处理；对灰度图像进行中值滤波处理，实现图像边缘保真情况下图像的降噪复原；采用图像增强的方法提高织造针区域与背景区域的对比度；

C、纤维环质心提取；对预处理后的图像进行二值化，由于图像中存在噪音的干扰，较难识别出纤维环的区域，通过观察发现，纤维环区域的几何特征与噪音区域的几何特征不同，因此，统计出纤维环区域及噪声区域几何特征值的范围，将球状性的范围设为[0.8,0.99]、矩形度的范围设为[0.7,0.9]、圆形性的范围设为[0.5,0.8]、圆形度的范围设为[0.6,0.99]

和形状参数的范围设为[0.6,0.8]，将同时满足上述条件的区域分割出来，即分割出纤维环；并将纤维环以外的区域设置为白色，利用canny算子对纤维环的边缘进行提取，并粗提取出纤维环质心在像素坐标系下的坐标(264.87,256.372)；以该坐标为中心点，搜索处于纤维环上的像素坐标，并将该坐标作为第一个像素点，进而搜索识别出纤维环真实边缘，并精确计算出纤维环质心的坐标(263.99,257.964)；

D、边棒自动放置机构运动轨迹计算；待识别出纤维环质心的坐标后，从站向工业平板电脑发送激励信号，工业平板电脑通过控制导向杆径向移动机构向左运动2mm，重复上述步骤，采集并处理纤维环的图像，提取出碳纤维质心在像素坐标系下的坐标(268.641,256.978)，利用相机标定方法标定出相机的主点坐标(264.35，253.44)及三角相似定律，可获取将纤维环质心移动到图像中心的边棒自动放置机构运动轨迹；

E、自动放置边棒；工业平板电脑接收到从站传输的运动轨迹信息控制边棒自动放置装置的运动，导向杆通过径向移动机构向右移1.721mm，顶升机构向上移动2.112mm，运动到指定位置，已放置边棒的导向杆通过轴向输送机构伸出穿过纤维环，并通过旋转机构旋转180°将边棒放置在纤维环中，导向杆按原路径返回，完成边棒的自动放置。

本发明的典型实施2例如下：

A、纤维环的图像采集；待织造过程中纤维成环后，工业平板电脑向从站发送激励信号，从站通过控制工业内窥镜自动采集纤维环的灰度图像，此时，将面光源放置于内窥镜的对侧，提高纤维环与背景间的对比度；图像尺寸640×480及对比度-5等固定不变；

B、纤维环图像的预处理；对灰度图像进行中值滤波处理，实现图像边缘保真情况下图像的降噪复原；采用图像增强的方法提高织造针区域与背景区域的对比度；

C、纤维环质心提取；检测并提取出在纤维环上的直线，并利用最小二乘圆拟合的方法对直线上的端点进行拟合，识别出纤维环所在的区域，将纤维环区域进行二值化处理，在二值化过程中会出现噪音，利用最大连通区域的方法消除噪音，获取纤维环的质心坐标(255.53，267.128)；

D、边棒自动放置机构运动轨迹计算；工业平板电脑通过控制导向杆径向移动机构向左运动5mm，重复上述步骤，采集并处理纤维环的图像，提取出碳纤维质心在像素坐标系下的坐标(267.014，265.986)，利用相机标定方法标定出相机的主点坐标(264.35，253.44)及三角相似定律，可获取将纤维环质心移动到图像中心的边棒自动放置机构运动轨迹；

E、自动放置边棒；工业平板电脑接收到从站传输的运动轨迹信息控制边棒自动放置装置的运动，导向杆通过径向移动机构向右移1.025mm，顶升机构向上移动5.219mm，运动到指定位置，已放置边棒的导向杆通过轴向输送机构伸出穿过纤维环，并通过旋转机构旋转180°将边棒放置在纤维环中，导向杆按原路径返回，完成边棒的自动放置。

上述实施例是对本发明的上述内容作进一步的说明，不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于上述实施例。

Claims (8)

1.一种复合材料预制体织造过程中边棒自动放置装置及方法，其特征在于，边棒自动放置装置包括：导向杆顶升机构(1)、工业内窥镜(2)、工业内窥镜固定套(3)、导向杆(4)、导向杆旋转机构(5)、导向杆轴向输送机构(6)、导向杆径向移动机构(7)、工业平板电脑(8)和从站(10)；

其中，工业内窥镜(2)的圆心与导向杆(4)的圆心在同一轴线；工业内窥镜(2)与从站(10)相连，从站(10)的另一端与工业平板电脑(8)相连，工业内窥镜(2)、工业平板电脑(8)和从站(10)组成采集与处理单元对纤维环的图像进行采集与处理；工业平板电脑(8)与导向杆顶升机构(1)、导向杆旋转机构(5)、导向杆轴向输送机构(6)和导向杆径向移动机构(7)相连，用于控制导向杆(4)的运动轨迹及旋转运动；导向杆径向移动机构(7)安装在导向杆顶升机构(1)上，用于控制导向杆(4)的径向运动；导向杆轴向输送机构(6)安装在导向杆径向移动机构(7)上，用于控制导向杆(4)的轴向运动；导向杆旋转机构(5)安装在导向杆轴向输送机构(6)上，并与导向杆(4)相连，用于控制导向杆(4)的旋转；

导向杆顶升机构(1)包括固定平台(11)、移动光杆轴套(12)、移动光杆(13)、移动平台(14)、固定光杆轴套(15)、固定光杆(16)、滚珠丝杠(17)、减速器(18)、电机(19)和滚珠丝杠轴套(20)；

固定光杆(16)和减速器(18)安装在固定平台(11)上，同时通过固定光杆轴套(15)与移动平台(14)相配合；减速器(18)与电机(19)相连；滚珠丝杠(17)的一端与减速器(18)连接，另一端与固定平台(11)连接，并通过滚珠丝杠轴套(20)与移动平台(14)相配合；移动光杆(13)安装在移动平台(14)上，同时通过移动光杆轴套(12)与固定平台(11)相配合。

2.根据权利要求1所述的复合材料预制体织造过程中边棒自动放置装置及方法，其特征在于，所述的边棒自动放置装置还可以实现包括但不限于调节纤维环的尺寸及拔出已放置边棒，即当纤维成环较小时，可利用边棒自动放置装置穿过纤维环，并通过导向杆顶升机构及导向杆径向移动机构扩大纤维环的尺寸，在边棒放置位置不准确时，利用轴向输送机构将边棒拔出。

3.根据权利要求1所述的复合材料预制体织造过程中边棒自动放置装置及方法，其特征在于，所述的工业内窥镜为软管内窥镜、硬杆内窥镜或光纤内窥镜的一种或多种等。

4.根据权利要求1所述的复合材料预制体织造过程中边棒自动放置装置及方法，其特征在于，所述的带动导向杆径向及轴向直线运动机构可为但不限于滚珠丝杠、线性模组和梯形丝杠等，带动导向杆旋转运动机构可为但不限于气动旋转平台或电动旋转平台等。

5.根据权利要求1所述的复合材料预制体织造过程中边棒自动放置装置及方法，其特征在于，所述的控制导向杆升降运动的顶升机构可为但不限于液压顶升机构、钢丝滑轮组顶升机构、螺杆顶升机构或齿条顶升机构等。

6.一种复合材料预制体织造过程中边棒自动放置装置及方法，其特征在于，本方法的具体步骤如下：

①纤维环的图像采集；待织造过程中纤维成环后，工业平板电脑向从站发送激励信号，从站通过控制工业内窥镜自动采集纤维环的灰度图像，此时，将面光源放置于内窥镜的对侧，提高纤维环与背景间的对比度；图像尺寸、对比度等固定不变；

②纤维环图像的预处理；对灰度图像进行中值滤波处理，实现图像边缘保真情况下图像的降噪复原；采用图像增强的方法提高织造针区域与背景区域的对比度；

③纤维环质心提取；对预处理后的图像进行二值化，由于图像中存在噪音的干扰，较难识别出纤维环的区域，通过观察发现，纤维环区域的几何特征与噪音区域的几何特征不同，因此，利用球状性、矩形度、圆形性、圆形度和形状参数等几何特征作为判断依据将纤维环从背景区域分割；并将纤维环以外的区域设置为白色，利用Canny算子对纤维环的边缘进行提取，并利用边缘粗略计算出纤维环质心在像素坐标系下的坐标；由于在二值化过程中，纤维环边缘信息遗失，造成提取出的质心位置不准确，因此，以粗提取出的质心坐标为中心点，搜索处于纤维环上的像素点，并将该坐标作为起点像素点，以起点像素点为中心，搜索像素点八邻域中的边界点，若搜索到边界点，则记录边界点的位置信息，并结合当前边界点与前一个边界点的位置关系，对下一个边界点进行追踪，当追踪回至边界起点，且下一个边界点与起点后的边界点为同一像素点，则完成边界点的追踪获取纤维环的边缘，并利用该边缘精确计算出纤维环质心的坐标；

④边棒自动放置机构运动轨迹计算；待识别出纤维环质心的坐标后，从站向工业平板电脑发送激励信号，工业平板电脑通过控制导向杆径向移动机构运动一定的距离，重复上述①②③步骤，采集并处理纤维环的图像，提取出碳纤维质心在像素坐标系下的坐标，利用相机标定方法标定出相机的主点坐标及三角相似定律，可获取将纤维环质心移动到相机主点的边棒自动放置机构运动轨迹；

⑤自动放置边棒；工业平板电脑接收到从站传输的运动轨迹信息控制边棒自动放置装置的运动，导向杆通过径向移动机构及顶升机构运动到指定位置，已放置边棒的导向杆通过轴向输送机构伸出穿过纤维环，并通过旋转机构旋转180°将边棒放置在纤维环中，导向杆按原路径返回，完成边棒的自动放置。

7.根据权利要求6所述的复合材料预制体织造过程中边棒自动放置装置及方法，其特征在于，图像采集方法可为单目、双目或多目；所述的光源可为但不限于线光源、面光源或环形光源等。

8.根据权利要求6所述的复合材料预制体织造过程中边棒自动放置装置及方法，其特征在于，所述的纤维环质心提取还可以包括检测并提取出在纤维环上的直线，并利用最小二乘圆拟合的方法对直线上的端点进行拟合，识别出纤维环所在的区域，将纤维环区域进行二值化处理，在二值化过程中会出现噪音，利用最大连通区域的方法消除噪音，提取出纤维环的区域并获取其质心坐标。

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