CN113176265B - 复合材料自动铺丝搭接及缝隙缺陷在机检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了复合材料自动铺丝搭接及缝隙缺陷在机检测系统及方法，将线激光传感器固联到自动铺丝机的末端铺放头上，线激光传感器跟随末端铺放头运动在机采集当前铺放的丝束带的一系列截面线轮廓数据；根据线激光传感器每个采样时刻铺丝头在工件坐标系下的位姿信息以及预先标定的线激光器坐标系与铺丝头坐标系之间的变换关系，将所述线激光器在该时刻采集到的丝束带截面轮廓线上的数据点列变换到工件坐标下，从而在机合成整个丝束带的全三维形貌；针对在机获得的丝束带三维点云的信息特征，设计检测算法自动进行丝束搭接、缝隙等表现为三维形貌异常的铺放缺陷的在机检测。本发明使缺陷检测的数据采集过程与自动铺丝过程同时完成。

Description

复合材料自动铺丝搭接及缝隙缺陷在机检测系统及方法

技术领域

本发明属于在线检测技术领域，具体涉及一种复合材料自动铺丝搭接及缝隙缺陷在机检测系统及方法。

背景技术

碳纤维复合材料具有轻质、高强、可设计性好、抗疲劳、耐腐蚀、便于整体成型等一系列显著优点，是理想的航空结构材料。复合材料构件的用量直接影响飞机综合性能，因此是衡量飞机先进性，乃至衡量一个国家航空制造水平的重要指标。航空复合材料构件通常由碳纤维片层在曲面模具上逐层叠加铺放而成，通常每个铺层具有各自的纤维铺放方向(如0°、±45°、90°)和各自的铺放范围，以满足设计要求的结构性能。自动铺丝是近年来需求最迫切、发展最迅速的一项航空先进制造技术，是大型复杂复合材料构件高效率高质量制造的关键工艺手段。对于每一铺层，自动铺丝装备根据当前层的铺放角度、铺层边界和预先规划的三维轨迹将通常宽度6.35mm或12.7mm的多条碳纤维丝束彼此并排构成丝束带进行铺放，以构成当前完整的铺层。一个铺层铺放完毕以后，再根据下一铺层中各丝束带的三维轨迹等铺放信息，由数控运动系统带动铺丝机末端的铺放头自动将丝束带叠加铺放到前一铺层上面，完成下一铺层。

由于丝束自动铺放系统涉及复杂的机械结构、机电控制、加热加压系统等，铺放工艺稳定性和铺放质量控制难度很大，常常会出现各种铺放缺陷，其中丝束搭接和丝束缝隙是最主要的两种缺陷。一旦铺放过程完成，这些被上面铺层覆盖住的内部质量缺陷就很难发现。目前，对于复合材料构件内部的缺陷一般是整个构件制造完成以后，采用超声检测方法进行检测，但即使这种后续的离线检测方法能够检测出复合材料构件的内部缺陷，但制造工艺已经结束，要消除这些缺陷就很困难，为此，迫切需要在自动铺丝过程中对每一铺层进行在机自动缺陷检测。

复合材料构件自动铺丝在机缺陷检测目前尚没有成熟方法，中国实用新型专利，授权号202020346515.8，公开了一种复合材料用铺丝机的视觉缺陷检测装置，通过2D相机和3D相机进行信息采集，但未涉及复合材料构件自动铺丝在机检测方法，对于复合材料构件自动铺丝缺陷检测面临的三维形貌数据采集与合成、海量数据管理及可视化、搭接和缝隙检测算法等难点问题均未给出解决方法。普通的线激光传感器可以采集激光截面轮廓上的一系列点的二维坐标，但对于如何利用普通的线激光传感器进行任意三维复杂外形的大型复核材料构件的多个复杂铺层的在机缺陷检测尚没有有效方法。特别是，一个复合材料构件通常有几十个铺层，每个铺层的丝束厚度仅有0.15mm左右，线激光传感器在丝束带宽度方向上的点距需要达到0.05mm以内才有可能满足丝束搭接和丝束间缝隙缺陷检测的分辨率需要，对于大型复杂复合材料构件而言这将产生海量的在线检测数据，如何对这样的海量数据进行存储、显示、实时缺陷定位都是尚未解决的具有挑战性的问题。

发明内容

本发明针对复合材料自动铺丝过程中缺陷检测的迫切需求，提供一种基于跟随式三维激光形貌扫描的丝束搭接和丝束间缝隙缺陷的在机检测系统及检测方法。该方法将线激光传感器固联到复合材料自动铺丝机的末端铺放头上，线激光传感器跟随末端铺放头运动在机采集当前正在铺放的由多条丝束并列组成的丝束带的一系列二维截面线轮廓上的点列数据；根据线激光传感器每个采样时刻ti铺放头在工件坐标系下的位姿信息以及预先标定的线激光器坐标系与铺放头坐标系之间的三维变换关系，将所述线激光器在ti时刻采集到的丝束带二维截面轮廓线上的数据点列变换到统一的工件坐标系，从而在机合成整个丝束带以及整个铺层的全三维形貌；根据跟随式的线激光扫描数据特点及复合材料铺丝结构特点，发明了面向复合材料自动铺丝在机缺陷检测的专用层次化数据结构，可以很好地实现多铺层复杂复材构件在机采集的海量三维形貌数据的高效存储管理与真实感图形化直观显示；针对在机获得的丝束带三维点云的信息特征，发明了丝束搭接、缝隙缺陷的在机实时检测算法，并直观输出缺陷所在的位置信息。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种复合材料自动铺丝搭接及缝隙缺陷在机检测系统，包括自动铺丝机、线激光传感器及计算机，计算机内设有标定模块与信息合成与存储模块；

自动铺丝机的末端铺放头用于将丝束带通过压辊分层叠压到成型模具上；线激光传感器包括单线激光发生器和高速图像传感器；

线激光传感器固定安装在自动铺丝机铺放头的底部、靠近压辊及被压辊经过的成型模具上方；激光束的照射截面与丝束带铺放方向垂直，使线激光传感器可以在机跟随采集当前正在铺放的丝束带的截面线轮廓点列数据；

标定模块用于完成线激光传感器坐标系与铺丝机末端铺放头坐标系之间的坐标变换矩阵以及铺丝机坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵标定；

信息合成与存储模块动态存储当前丝束带上的缺陷检测有效工作区域，动态地记录当前采样获得的截面轮廓Si以及当前截面轮廓之前的n-1个截面轮廓；

线激光传感器与计算机连接，将高速图像传感器采集的截面线轮廓点列数据以及末端铺放头的位姿信息传输给计算机。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，所述在机检测系统还设有信息传输及触发同步模块，用于完成线激光传感器获得的丝束带截面线轮廓点列坐标数据及铺放头末端位姿信息的传输；同时，根据不同的触发方式，针对出现的触发遗失及触发信号与传感器采集信息不匹配现象进行修正。

进一步地，信息合成与存储模块，用于根据线激光传感器在t_i时刻采集的丝束带截面线轮廓点列坐标数据，以及铺丝机在t_i时刻的铺放头位姿信息，并结合线激光传感器坐标系与铺丝机末端铺放头坐标系之间的坐标变换矩阵标定结果、铺丝机坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵标定结果，将线激光传感器在各个采样时刻获得的丝束带截面线轮廓点列坐标数据合成到统一的工件坐标系下，得到复合材料各铺层的全三维形貌信息；根据复合材料构件丝束分层铺设的结构特点及复合材料自动铺丝路径文件，建立复合材料自动铺丝跟随式数据采集的层次化数据结构。

进一步地，信息合成与存储模块中的数据结构包括多个铺层，所述铺层包含一个或者多个不同区域，所述区域包含一个或者多个丝束带，所述丝束带包含线激光器采集的多个截面轮廓Section，每个Section记录丝束带的一个激光截平面轮廓上的数据点列在线激光传感器坐标系下的二维坐标和当前Section对应的采样时刻下线激光传感器坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵。

进一步地，每个Section中记录的数据点通过降采样方法划分为不同层级，具体降采样包括以下两种划分方法：

1)均等分，对每条轮廓线等间隔取点，划分成k份，作为铺层三维形貌海量点云可视化图形显示中不同层级的节点；

2)层次划分，划分成金字塔结构，随着层次上升，包含信息逐层减少。

进一步地，计算机内设有检测模块，针对线激光传感器获得的丝束带截面线轮廓点列坐标数据信息，采用软件算法完成丝束搭接、缝隙等表现为三维形貌异常的铺放缺陷的在机检测。

进一步地，计算机内设有图形输出模块，用于完成铺丝过程中的复合材料当前铺层表面三维形貌的实时可视化、显示缺陷检测结果、铺丝作业停止状态下查看各个不同铺层复合材料表面的三维形貌；

数据采集过程中只有当前铺层为活动铺层，图形输出模块动态增加输出不断采集到的当前铺层的各丝束带截面轮廓数据，下一铺层的铺放作业和检测过程数据采集开始后，前一铺层就自动设置为非活动铺层，并从显示列表中清除；

铺丝作业停止状态下，设置已经铺设完成的任意一个铺层为活动铺层，检测软件自动将当前活动铺层数据从外存的多个文件中依据层次细节顺序读入内存的层次化数据结构中，并进行当前活动铺层三维形貌的真实感图形显示，原活动铺层转为非活动铺层，从内存及显示列表中清除。

本发明还提供了一种基于复合材料自动铺丝搭接及缝隙缺陷在机检测系统的在机检测方法，包括如下步骤：

S1、通过线激光传感器扫描测量标定装置，完成线激光传感器坐标系与自动铺丝机坐标系之间的坐标变换矩阵标定；通过线激光传感器扫描测量铺丝成型模具上的定位特征，标定出线激光传感器坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵；这里的标定装置为一种高精度外部装置，仅在标定时起作用，定点放置，传感器通过重复扫描标定装置起到标定效果。

S2、铺丝机根据预先产生的铺丝路径，进行丝束带的自动铺放，同时线激光传感器根据触发信号同步跟随采集当前正在铺放的丝束带的截面轮廓点列信息；根据当前触发采样的丝束带截面线轮廓点列坐标数据和当前铺丝机传回的铺放头位姿信息，并结合线激光传感器坐标系与铺丝机末端铺放头坐标系之间的坐标变换矩阵标定结果、铺丝机坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵标定结果，计算出当前采样时刻线激光传感器坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵，并将当前采集的丝束带截面线轮廓点列坐标数据合成到工件坐标系下；

S3、采集的丝束带截面轮廓点列信息实时传入检测系统软件的当前铺层层次化数据结构中进行高效存储，同时在显示器上对跟随式动态递增采集到的且已合成到工件坐标系下的当前铺层三维形貌数据进行实时更新显示；

S4、检测系统软件对步骤S2中采集的当前丝束带表面的三维形貌数据进行实时检测分析，识别出缺陷类型和缺陷位置；

S5、每一铺层的丝束铺放完成后，检测系统软件根据用户请求输出当前铺层缺陷检测报告，或者在图形界面中对当前铺层检测出的缺陷进行直观的图形显示输出。

进一步地，步骤S4包括，在跟随式数据采集过程中，检测软件实时对当前获得的线激光二维截面轮廓点列进行分析，确定当前丝束带中各相邻丝束对之间是否存在疑似搭接及缝隙缺陷，对于检测出的疑似搭接及缝隙部位的数据点设置疑似搭接和缝隙进行标记；若相邻丝束对之间连续m个截面轮廓具有疑似搭接或疑似缝隙标记，则将相应的疑似搭接或疑似缝隙标记改变为确认搭接或确认缝隙标记。

进一步地，对当前获得的线激光二维截面轮廓点列进行分析，具体包括：

1)运用滑动窗口均值滤波，消除由激光传感器本身产生的高频噪声；

2)轮廓点列进行曲线拟合，将拟合所得曲线作为基础偏置，轮廓点列进行去偏置处理；

3)对去偏置后轮廓点列进行分析，生成两种自适应阈值，当点列中存在一定点数高于上阈值，进行疑似搭接标记；当点列中存在一定点数低于下阈值，进行疑似缝隙标记。

本发明的有益效果是：(1)本发明采用线激光传感器跟随末端铺放头运动，在机采集当前正在铺放的丝束带的一系列二维截面线并进行全三维形貌合成的方法，可以使缺陷检测的数据采集过程与自动铺丝过程同时完成，无需额外的运动机构，也不需要单独进行检测路径规划，可以极大提高检测效率，降低检测成本，而且与检测与铺放过程同步完成可以使采集到的数据自然保留了数据所在的铺层、区域、丝束带、丝束等信息，极大地方便后续数据管理与分析。

(2)本发明的面向复合材料自动铺丝在机缺陷检测的专用层次化数据结构，充分利用了丝束组成丝束带、多个丝束带构成一个区域、多个区域构成当前铺层、多个铺层叠加铺放构成复合材料构件的结构特征，一方面可以使海量数据管理更加高效，满足在线检测实时性以及压缩计算/存储资源占用的需要，另一方面可以使检测出的缺陷直接与复材构件的丝束分层结构相关联，便于缺陷定位和后续工艺改进。

(3)本发明的丝束搭接和丝束间缝隙缺陷检测算法，一方面直接利用每个采样时刻获得的激光截面轮廓的二维点列，通过简便快捷的方差分析方法得到疑似的搭接和缝隙缺陷，另一方面通过动态更新记录当前丝束带上的缺陷检测有效工作区域，利用搭接和缝隙缺陷在铺丝前进方向的延续分布特性，通过归并相邻截面轮廓的疑似搭接和疑似缝隙缺陷，对检测出的缺陷进行确认，从而有效降低由于噪声等因素造成的缺陷虚警率。

附图说明

图1为本发明的复合材料自动铺丝搭接及缝隙缺陷在机检测系统结构示意图。

图2为本发明中多个铺层、区域、丝束带示意图。

图3为本发明的丝束搭接、缝隙缺陷示意图。

图4a为本发明实施例存在缝隙缺陷的丝束带的截面线轮廓点列数据示意图。

图4b为本发明实施例存在搭接缺陷的丝束带的截面线轮廓点列数据示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

本发明公开了一种基于跟随式三维形貌扫描的复合材料自动铺丝搭接及缝隙缺陷在机检测系统及在机检测方法。在机检测系统的硬件平台包括：自动铺丝机、线激光传感器及检测系统软件所在的计算机。其中计算机与线激光传感器通过网线建立TCP/IP连接，铺丝机与计算机建立连接。

自动铺丝机一般由多自由度运动平台、运动控制器、末端铺放头组成，运动中的末端铺放头将多条丝束并列组成的丝束带通过压辊分层叠压到成型模具上；

线激光传感器由单线激光发生器和高速图像传感器构成，可以根据触发信号实时采集单线激光发生器投射到物体表面的激光截面轮廓上的一系列点在所述线激光传感器坐标下的坐标。所述线激光传感器与铺丝机的末端铺放头固联安装，安装在自动铺丝机铺放头的底部、靠近压辊及被压辊经过的成型模具上表面处；线激光传感器工作参数及安装位姿保证所述线激光传感器激光束的照射截面与当前丝束带铺放方向垂直，可以在机跟随采集当前正在铺放的丝束带的截面线轮廓点列数据。

本发明的在机检测系统还包括信息传输及触发同步模块，图形输出模块，标定模块，信息合成与存储模块，检测模块。

信息传输及触发同步模块，用于完成线激光传感器获得的丝束带截面线轮廓点列坐标数据及铺放头末端位姿信息的传输；同时，根据不同的触发方式，针对出现的触发遗失及触发信号与传感器采集信息不匹配现象进行修正。在本发明的一个实施例中可以采用软件触发和硬件触发方法中的任何一种实现铺放头位姿与线激光传感器采集的截面轮廓信息之间的同步。

(1)使用软件触发的方法，软件触发信号可由铺放机给出，铺丝过程中铺放机产生一定频率的触发信号及相同频率的铺放头实时位姿信息，通过TCP/IP传输，激光传感器软件主动查询信号，当触发信号传入，发送一组当前二维轮廓数据至检测系统软件所在计算机，并根据同时传回的铺放头位姿信息和系统标定结果将当前二维轮廓数据变换到工件坐标系下；对于触发频率过高可能引起的少量触发遗失现象，即线激光传感器检测到触发信号，但未能成功传回轮廓数据，而铺放头位姿信息已被正常接收，因而造成铺放位姿与轮廓信息不匹配的问题，通过软件判别同一触发信号下的轮廓数据与位姿信息是否同时成功获取，当两者同时获取时，按正常情况处理，即根据同时传回的铺放头位姿信息和系统标定结果将当前二维轮廓数据变换到工件坐标系下，而当只接收到铺放头位姿信息，未接收到激光截面轮廓数据时，则将此次传回的铺放头位姿信息丢弃，以免出现累积误差；

(2)使用硬件触发方法，硬件触发信号由信号发生器发出，当线激光传感器接收到触发信号时，进行截面轮廓的采集；铺丝过程中由铺丝机每隔固定时间间隔对信号发生器传递指令，信号发生器接受指令之后，将触发信号重置，两次指令之间，运用插值法计算与传感器采集次数相同的位姿信息，实现时间戳的实时对齐，使得传感器采集轮廓点列信息与铺丝机传递位姿信息一一对应。

信息合成与存储模块，根据线激光传感器在t_i时刻采集的丝束带截面线轮廓点列坐标数据，以及铺丝机在t_i时刻的铺放头位姿信息，并结合线激光传感器坐标系与铺丝机末端铺放头坐标系之间的坐标变换矩阵标定结果、铺丝机坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵标定结果，将线激光传感器在各个采样时刻获得的丝束带截面线轮廓点列坐标数据合成到统一的工件坐标系下，得到复合材料各铺层的全三维形貌信息；根据复合材料构件丝束分层铺设的结构特点及复合材料自动铺丝路径文件，建立复合材料自动铺丝跟随式数据采集的层次化数据结构。

复合材料自动铺丝跟随式数据采集的层次化数据结构中包含多个铺层Layer，所述铺层Layer包含一个或者多个不同区域Region，所述Region包含一个或者多个丝束带Tape，所述丝束带Tape包含线激光器采集的多个截面轮廓Section，每个Section记录丝束带的一个激光截平面轮廓上的数据点列在所述线激光传感器坐标系下的二维坐标和该Section对应的采样时刻下线激光传感器坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵；所述铺层Layer、区域Region、丝束带Tape、截面轮廓Section构成树形数据结构。

通过一个内存中的动态存储结构ActiveTapeSegment记录当前丝束带上的缺陷检测有效工作区域，具体地是在对每一个丝束带进行跟随式线激光扫描时，ActiveTapeSegment存储结构不断追加记录当前采样获得的截面轮廓，当ActiveTapeSegment存储结构中存满n个截面轮廓后，采用先进先出的方法对ActiveTapeSegment存储结构中的截面轮廓进行更新，使ActiveTapeSegment存储结构中一直动态地记录当前采样获得的截面轮廓Si以及当前截面轮廓之前的n-1个截面轮廓，n是一个可以设定的固定值，一般10≤n≤30。

在每个Section中记录的数据点通过降采样方法划分为不同层级，具体降采样可以使用以下任一种划分方法：

1)均等分，对每条轮廓线等间隔取点，划分成k份，作为铺层三维形貌海量点云可视化图形显示中不同层级的节点；

2)层次划分，划分成金字塔结构，随着层次上升，包含信息逐层减少。

检测模块，针对线激光传感器获得的丝束带截面线轮廓点列坐标数据信息，采用软件算法完成丝束搭接、缝隙等表现为三维形貌异常的铺放缺陷的在机检测。

图形输出模块，用于完成铺丝过程中的复合材料当前铺层表面三维形貌的实时可视化、显示缺陷检测结果、铺丝作业停止状态下查看各个不同铺层复合材料表面的三维形貌。

标定模块，用于完成线激光传感器坐标系与铺丝机末端铺放头坐标系之间的坐标变换矩阵以及铺丝机坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵标定，通过传感器多次扫描标定装置的数据，得到标定结果。

本发明公开的基于跟随式三维形貌扫描的复合材料自动铺丝搭接和缝隙缺陷在机检测方法，包括以下步骤：

S1.如图1所示，将线激光传感器与铺丝机的末端铺放头固联安装，安装位姿保证所述线激光传感器可以在机跟随采集当前正在铺放的丝束带的截面线轮廓点列数据；连接并设置好铺丝机、线激光传感器与所述计算机之间的网络通讯；通过线激光传感器扫描测量专门的标定装置，完成线激光传感器坐标系与铺丝机坐标系之间的坐标变换矩阵标定；通过线激光传感器扫描测量铺丝成型工装上的定位特征，标定出线激光传感器坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵。

S2.铺丝机根据预先产生的铺丝路径，开始进行复合材料构件各个铺层中各丝束带的自动铺放，同时线激光传感器根据触发信号同步跟随采集当前正在铺放的丝束带的截面轮廓点列信息；根据当前触发采样的丝束带截面线轮廓点列坐标数据和当前铺丝机传回的铺放头位姿信息，并结合线激光传感器坐标系与铺丝机末端铺放头坐标系之间的坐标变换矩阵标定结果、铺丝机坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵标定结果，检测系统软件自动计算出当前采样时刻线激光传感器坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵，并将当前采集的丝束带截面线轮廓点列坐标数据合成到工件坐标系下。

S3.采集的丝束带截面轮廓点列信息实时传入检测系统软件的当前铺层层次化数据结构中进行存储，同时在显示器上对跟随式动态递增采集到的且已合成到工件坐标系下的当前铺层三维形貌数据进行实时更新显示。

S4.检测系统软件对步骤S2中采集的当前丝束带表面的三维形貌数据进行实时检测分析，识别出缺陷类型和缺陷位置。

S5.每一铺层的丝束铺放完成后，检测系统软件可以根据用户请求输出当前铺层缺陷检测报告，或者在图形界面中对当前铺层检测出的缺陷进行直观的图形显示输出。

检测模块，在跟随式数据采集过程中，针对线激光传感器当前获得的丝束带二维截面线轮廓点列坐标数据信息进行分析，采用软件算法完成丝束搭接、缝隙等表现为三维形貌异常的铺放缺陷的在机检测，确定当前丝束带中各相邻丝束对之间是否存在疑似搭接及缝隙缺陷，对于检测出的疑似搭接及缝隙部位的数据点设置疑似搭接和缝隙标记。检测软件的内存中只存储活动铺层的所有信息，已经采集的其他非活动铺层的各截面轮廓按照划分的层级以多个文件的形式存储在外存中。

检测模块对ActiveTapeSegment存储结构中的n个二维截面轮廓点列中的疑似搭接和疑似缝隙标记进行归并，若相邻丝束对之间连续m个截面轮廓具有疑似搭接或疑似缝隙标记，则将相应的疑似搭接或疑似缝隙标记改变为确认搭接或确认缝隙标记，阈值m一般设为m≥3。

图形输出模块，具体地，根据采集的三维点云中每个点的邻近点计算该点处的法矢量，并直接对具有法矢的点云进行真实感光照显示；数据采集过程中只有当前铺层为活动铺层，图形输出模块动态增加输出不断采集到的当前铺层的各丝束带截面轮廓数据，下一铺层的铺放作业和检测过程数据采集开始后，前一铺层就自动设置为非活动铺层，并从显示列表中清除。对于标记为确认搭接和确认缝隙的数据点通过颜色区分进行直观显示；

铺丝作业停止状态下，可以设置已经铺设完成的任意一个铺层为活动铺层，检测软件自动将该铺层数据从外存的多个文件中依据层次细节顺序读入内存的层次化数据结构中，并进行该铺层三维形貌的真实感图形显示，原活动铺层转为非活动铺层，从内存及显示列表中清除。

步骤S1具体步骤包括：

通过线激光传感器多次扫描测量位于空间中固定点位置的半径已知的标准球，利用定点位姿变换法求解线激光传感器坐标系Q与铺丝机坐标系P之间的旋转变换矩阵R及平移变换向量T，满足下式的最小二乘解：

式中，B₁，B₂，...，B_n为铺放头在不同测量点的位姿信息，P₁，P₂，...，P_n为标准球心在激光器坐标下的坐标；

通过线激光传感器扫描测量铺丝成型工装上的定位特征，标定出线激光传感器坐标系Q与工件坐标系L之间的旋转变换矩阵

及平移变换向量/>

满足下式的最小二乘解：

式中，P_l为空间中点在激光器坐标系下坐标，P_e为点在工件坐标系下坐标。

需要说明的是，本实施实例中使用的线激光传感器，在平行于测量激光线X方向上分辨率为37-57μm，最大测量范围85mm；在垂直于测量激光线Z方向上分辨率为6-14μm，最大测量范围80mm。

步骤S2具体步骤包括：

S2.1由t_i时刻截面轮廓信息，以及铺丝机在t_i时刻的铺放头位姿信息，结合步骤一得出线激光传感器坐标系与铺丝机坐标系，线激光传感器坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵将三维轮廓数据合成到工件坐标系下；

S2.2根据复合材料构件丝束分层铺设的结构特点及复合材料自动铺丝路径文件，在外存中建立层次化数据结构；数据结构中包含多个铺层Layer，所述铺层Layer包含一个或者多个不同区域Region，所述Region包含一个或者多个丝束带Tape，所述丝束带Tape包含线激光器采集的多个截面轮廓Section，每个Section记录丝束带的一个激光截平面轮廓上的数据点列在所述线激光传感器坐标系下的二维坐标和该Section对应的采样时刻下线激光传感器坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵；所述铺层Layer、区域Region、丝束带Tape、截面轮廓Section构成树形数据结构；多铺层、区域示意图如图2所示；

S2.3在内存中构建态存储结构ActiveTapeSegment记录当前丝束带上的缺陷检测有效工作区域，不断追加记录当前采样获得的截面轮廓，存满n个截面轮廓后，采用先进先出的方法对截面轮廓数据进行更新，在可视化界面进行显示丝束带上的缺陷检测有效工作区域；本实施实例中n设为30。

步骤S3检测模块对当前获得的线激光二维截面轮廓点列进行分析，具体包括：

S3.1运用滑动窗口均值滤波，消除由激光传感器本身产生的高频噪声，滑动窗口大小w一般取0.4mm-0.6mm；

S3.2轮廓点列进行曲线拟合，将拟合所得曲线作为基础偏置，轮廓点列进行去偏置处理；

S3.3对去偏置后轮廓点列进行分析，生成两种自适应阈值，当点列中存在一定点数高于上阈值，进行疑似搭接标记；当点列中存在一定点数低于下阈值，进行疑似缝隙标记；

S3.4利用搭接和缝隙缺陷在铺丝前进方向的延续分布特性，通过归并相邻截面轮廓的疑似搭接和疑似缝隙缺陷，当连续数个截面轮廓上出现相同缺陷时，认定为缺陷；若只是单独不连续某一截面检测认为缺陷，记录下相应截面数据的编号信息等待后续识别，从而有效降低由于噪声等因素造成的缺陷虚警率，搭接、缝隙缺陷如图3所示。

本发明采用线激光传感器跟随末端铺放头运动，在机采集当前正在铺放的丝束带的一系列二维截面线并进行全三维形貌合成的方法，可以使缺陷检测的数据采集过程与自动铺丝过程同时完成，无需额外的运动机构，也不需要单独进行检测路径规划，可以极大提高检测效率，降低检测成本，而且与检测与铺放过程同步完成可以使采集到的数据自然保留了数据所在的铺层、区域、丝束带、丝束等信息，极大地方便后续数据管理与分析。

本发明的面向复合材料自动铺丝在机缺陷检测的专用层次化数据结构，充分利用了丝束组成丝束带、多个丝束带构成一个区域、多个区域构成当前铺层、多个铺层叠加铺放构成复合材料构件的结构特征，一方面可以使海量数据管理更加高效，满足在线检测实时性以及压缩计算/存储资源占用的需要，另一方面可以使检测出的缺陷直接与复材构件的丝束分层结构相关联，便于缺陷定位和后续工艺改进。

本发明的丝束搭接和丝束间缝隙缺陷检测算法，一方面直接利用每个采样时刻获得的激光截面轮廓的二维点列，通过简便快捷的方差分析方法得到疑似的搭接和缝隙缺陷，另一方面通过动态更新记录当前丝束带上的缺陷检测有效工作区域，利用搭接和缝隙缺陷在铺丝前进方向的延续分布特性，通过归并相邻截面轮廓的疑似搭接和疑似缝隙缺陷，对检测出的缺陷进行确认，从而有效降低由于噪声等因素造成的缺陷虚警率。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种复合材料自动铺丝搭接及缝隙缺陷在机检测系统，其特征在于，包括自动铺丝机、线激光传感器及计算机，计算机内设有标定模块与信息合成与存储模块；

自动铺丝机的末端铺放头用于将丝束带通过压辊分层叠压到成型模具上；线激光传感器包括单线激光发生器和高速图像传感器；

线激光传感器固定安装在自动铺丝机铺放头的底部、靠近压辊及被压辊经过的成型模具上方；激光束的照射截面与丝束带铺放方向垂直，使线激光传感器可以在机跟随采集当前正在铺放的丝束带的截面线轮廓点列数据；

标定模块用于完成线激光传感器坐标系与铺丝机末端铺放头坐标系之间的坐标变换矩阵以及铺丝机坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵标定；

信息合成与存储模块动态存储当前丝束带上的缺陷检测有效工作区域，动态地记录当前采样获得的截面轮廓以及当前截面轮廓之前的n-1个截面轮廓；

线激光传感器与计算机连接，将高速图像传感器采集的截面线轮廓点列数据以及末端铺放头的位姿信息传输给计算机；

其中，信息合成与存储模块，用于根据线激光传感器在t_i时刻采集的丝束带截面线轮廓点列坐标数据，以及铺丝机在t_i时刻的铺放头位姿信息，并结合线激光传感器坐标系与铺丝机末端铺放头坐标系之间的坐标变换矩阵标定结果、铺丝机坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵标定结果，将线激光传感器在各个采样时刻获得的丝束带截面线轮廓点列坐标数据合成到统一的工件坐标系下，得到复合材料各铺层的全三维形貌数据；根据复合材料构件丝束分层铺设的结构特点及复合材料自动铺丝路径文件，建立复合材料自动铺丝跟随式数据采集的层次化数据结构；

信息合成与存储模块中的数据结构包括多个铺层，所述铺层包含一个或者多个不同区域，所述区域包含一个或者多个丝束带，所述丝束带包含线激光器采集的多个截面轮廓，每个截面轮廓记录丝束带的一个激光截平面轮廓上的数据点列在线激光传感器坐标系下的二维坐标和当前截面轮廓对应的采样时刻下线激光传感器坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵；

每个截面轮廓中记录的数据点通过降采样方法划分为不同层级，降采样包括以下两种划分方法：

1)均等分，对每条轮廓线等间隔取点，划分成k份，作为铺层三维形貌海量点云可视化图形显示中不同层级的节点；

2)层次划分，将数据点划分成金字塔结构，随着层次上升，包含信息逐层减少。

2.根据权利要求1所述的复合材料自动铺丝搭接及缝隙缺陷在机检测系统，其特征在于，所述在机检测系统还设有信息传输及触发同步模块，用于完成线激光传感器获得的丝束带截面线轮廓点列坐标数据及铺放头末端位姿信息的传输；同时，根据不同的触发方式，针对出现的触发遗失及触发信号与传感器采集信息不匹配现象进行修正。

3.根据权利要求1所述的复合材料自动铺丝搭接及缝隙缺陷在机检测系统，其特征在于，计算机内设有检测模块，针对线激光传感器获得的丝束带截面线轮廓点列坐标数据信息，采用软件算法完成丝束搭接、缝隙表现为三维形貌异常的铺放缺陷的在机检测。

4.根据权利要求1所述的复合材料自动铺丝搭接及缝隙缺陷在机检测系统，其特征在于，计算机内设有图形输出模块，用于完成铺丝过程中的复合材料当前铺层表面三维形貌的实时可视化、显示缺陷检测结果、铺丝作业停止状态下查看各个不同铺层复合材料表面的三维形貌；

数据采集过程中只有当前铺层为活动铺层，图形输出模块动态增加输出不断采集到的当前铺层的各丝束带截面轮廓数据，下一铺层的铺放作业和检测过程数据采集开始后，前一铺层就自动设置为非活动铺层，并从显示列表中清除；

铺丝作业停止状态下，设置已经铺设完成的任意一个铺层为活动铺层，检测软件自动将当前活动铺层数据从外存的多个文件中依据层次细节顺序读入内存的层次化数据结构中，并进行当前活动铺层三维形貌的真实感图形显示，原活动铺层转为非活动铺层，从内存及显示列表中清除。

5.一种复合材料自动铺丝搭接及缝隙缺陷在机检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、通过线激光传感器扫描测量标定装置，完成线激光传感器坐标系与自动铺丝机坐标系之间的坐标变换矩阵标定；通过线激光传感器扫描测量铺丝成型模具上的定位特征，标定出线激光传感器坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵；

S2、铺丝机根据预先产生的铺丝路径，进行丝束带的自动铺放，同时根据线激光传感器在t_i时刻采集的丝束带截面线轮廓点列坐标数据，以及铺丝机在t_i时刻的铺放头位姿信息，并结合线激光传感器坐标系与铺丝机末端铺放头坐标系之间的坐标变换矩阵标定结果、铺丝机坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵标定结果，将线激光传感器在各个采样时刻获得的丝束带截面线轮廓点列坐标数据合成到统一的工件坐标系下，得到复合材料各铺层的全三维形貌信息；根据复合材料构件丝束分层铺设的结构特点及复合材料自动铺丝路径文件，建立复合材料自动铺丝跟随式数据采集的层次化数据结构；其中，数据结构包括多个铺层，所述铺层包含一个或者多个不同区域，所述区域包含一个或者多个丝束带，所述丝束带包含线激光器采集的多个截面轮廓，每个截面轮廓记录丝束带的一个激光截平面轮廓上的数据点列在线激光传感器坐标系下的二维坐标和当前截面轮廓对应的采样时刻下线激光传感器坐标系与工件坐标系之间的坐标变换矩阵；每个截面轮廓中记录的数据点通过降采样方法划分为不同层级，其中降采样包括：均等分，对每条轮廓线等间隔取点，划分成k份，作为铺层三维形貌海量点云可视化图形显示中不同层级的节点；层次划分，将数据点划分成金字塔结构，随着层次上升，包含信息逐层减少；

S3、采集的丝束带截面轮廓点列信息实时传入检测系统软件的当前铺层层次化数据结构中进行高效存储，同时在显示器上对跟随式动态递增采集到的且已合成到工件坐标系下的当前铺层三维形貌数据进行实时更新显示；

S4、检测系统软件对步骤S2中采集的当前丝束带表面的三维形貌数据进行实时检测分析，识别出缺陷类型和缺陷位置；

S5、每一铺层的丝束铺放完成后，检测系统软件根据用户请求输出当前铺层缺陷检测报告，或者在图形界面中对当前铺层检测出的缺陷进行直观的图形显示输出。

6.根据权利要求5所述的复合材料自动铺丝搭接及缝隙缺陷在机检测方法，其特征在于，步骤S4包括，在跟随式数据采集过程中，检测软件实时对当前获得的线激光二维截面轮廓点列进行分析，确定当前丝束带中各相邻丝束对之间是否存在疑似搭接及缝隙缺陷，对于检测出的疑似搭接及缝隙部位的数据点设置疑似搭接和缝隙进行标记；若相邻丝束对之间连续m个截面轮廓具有疑似搭接或疑似缝隙标记，则将相应的疑似搭接或疑似缝隙标记改变为确认搭接或确认缝隙标记。

7.根据权利要求6所述的复合材料自动铺丝搭接及缝隙缺陷在机检测方法，其特征在于，对当前获得的线激光二维截面轮廓点列进行分析，具体包括：

1)运用滑动窗口均值滤波，消除由激光传感器本身产生的高频噪声；

2)轮廓点列进行曲线拟合，将拟合所得曲线作为基础偏置，轮廓点列进行去偏置处理；

3)对去偏置后轮廓点列进行分析，生成两种自适应阈值，当点列中存在一定点数高于上阈值，进行疑似搭接标记；当点列中存在一定点数低于下阈值，进行疑似缝隙标记。

Images