专利名称：高对比度复合材料铺放间隙图像的采集参数的制作方法
技术领域：
本发明涉及复合材料铺放工艺过程中对同一铺放层相邻预浸带间的缝隙自动检测时的视频图像采集参数，该方法用于复合材料结构件加工过程中的铺放层表面质量视频图像的稳定、可靠采集。
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，能有效提高结构件的性能。大量使用复合材料是航空航天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内容，同时复合材料加工工艺对加工精度的要求较高，相关技术的研究正在展开，有大量问题需要解决。其中铺放过程中预浸带间隙的测量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、加工工件表面特性的特殊性 铺叠后的预浸料表面比较粗造。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。预浸带是由直径0. 15mm的纤维粘合制成，标准厚度仅为0. 15mm,因此预浸带表面并非严格意义上的平面，其表面特性如图1所示。在复合材料的铺放过程中，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。由于预侵带厚度�。砻娉什ɡ诵停觳獯戳艘欢ǖ睦�。基于视频图像处理的检测技术是近几年发展起来的测控技术，相对于传统检测方法，设备简单，成本低廉，而且包含信息量巨大，非常适合于复合材料自动铺放工艺过程中的质量检测。如美国专利(7171003B2)利用背景光源组和CXD组成的视频图像采集系统，其中背景光源组中包括红外光源，提高图像对比度，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°。该发明中利用设置阈值的方式二值化图像，并在此基础上实现检测。但是铺放表面的图像质量取决于很多因素，例如背景光源类型、复合材料表面铺放角度、光源入射位置等等。因此如何获得稳定的、高对比度的铺放间隙图像在基于视频图像的间隙检测过程中是非常重要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一组背景光源入射角度及CXD镜头位置参数，根据该参数可以在复合材料铺放工艺过程中采集到高质量的层间相邻预浸带间隙图像。
利用背景光源所采集的反射铺放表面的图像质量受到许多因素的影响，其中包括铺放表面纹理走向、光源位置、CCD镜头位置和光源强度等。针对铺放角度不同的两种复合材料，在镜头位置，光源类型，光源强度等参数固定的情况下，获得高质量铺放间隙图像所需的最佳光源入射角度和位置参数。
具体参数为铺放角度90° ；预浸带宽度75mm;铺放间隙小于2mm;工件处于垂直位置。C⑶和工件表面夹角为60°，确定光源水平入射角为61° 士5°，俯仰角为0° 士 1°，光源和CXD 的相对高度为4cm士 Icm的范围内，可以获得比较理想的间隙图像。铺放角度52° ；预浸带宽度75mm;铺放间隙小于5mm;工件处于垂直位置。C⑶和工件表面夹角为60°，确定光源水平入射角为56° 士5°，俯仰角为19° 士 1°，光源和CXD 的相对高度为9. 5cm士 Icm的范围内，可以获得比较理想的间隙图像。本发明的有益效果是根据本发明中提供的参数调节背景光源位置和CCD位置， 针对两种不同铺放角度的复合材料可以获得高对比度的间隙图像。
图1是本发明中的加工工件表面及图像采集示意图；上述图中的标号名称001_上层预浸带，002-下层预浸带，003-间隙，004-图像采集区。图2是本发明的检测工件、光源与C⑶相对位置关系示意图，其中图2(a)为正视图，图2(b)为俯视图，图2(c)为侧视图；上述图中的标号名称005_光源，006-工件表面，007-CCD，008-间隙。图3是本发明中不同光源入射角采集视频图像结果示意图，其中图3(a)为非理想入射角采集图1，图3(b)为最佳光源入射角采集图，图3(c)为非理想入射角采集图2，图 3(d)为图3(a)的扫描投影曲线，图3(e)为图3(b)的扫描投影曲线，图3 (f)为图3(c)的扫描投影曲线。
具体实施例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。事实上，为了保证构件的力学性能，复合材料构件铺放工艺要求两相邻铺放层间的预浸带保持一定夹角(如图1所示)。这种复合材料构件表面有规律的纤维排列特点，使得表面纤维纹理非常规律。当有一束平行光线照射时，工件表面的反射特性也将呈现规律性。一旦入射光线的角度和C⑶位置被合理确定后，就能获得高对比度的间隙图像。根据上述分析，构建如图2所示的间隙图像采集系统，其中待检工件垂直于水平面。图中参数包括CCD和待检工件表面的夹角α、光源的水平入射角度β、光源的俯仰角 Y以及光源和CCD的相对高度d。这些参数都是在采集间隙图像需要重点考虑的因素。此夕卜，间隙图像的质量与上下层预浸带纹理走向的夹角(即铺放角度)θ相关。根据图2进行光源-镜头优化实验。本实验是通过固定CXD位置，调整光源位置寻找最佳的角度参数，因此只需考虑β、Υ、(1和θ这四个参数。将CXD及镜头固定在可调节高度的支架上，通过支架的高度调节装置调整镜头和光源的相对高度。将光源置于三轴转台上，通过转台测定其水平转角β及俯仰角Y，且光源垂直轴线始终平行于工件表面。这样可以简化实验，仅需要调节光源的水平入射角度和相对位置。由于涉及到光源的俯仰角， 在本系统中规定俯角为负，仰角为正(-10°表示光源向下倾斜10° )。实验结果以线扫描判断采集图像质量作为依据。不同光源位置参数下对θ为90°的复合材料进行视频采集所得图像及线扫描原理示意图如图3所示。其中图3(a)、(b)和(c)中的AB线段表示扫描线，该线与间隙中轴线基本垂直，其中C、D两点正好对应的是间隙起始和结束的位置，则C、D间的像素就是间隙像素。图3(d)、(e)和(f)分别是上述实验条件下，沿AB线扫描获得的灰度投影曲线。经过一系列试验，结果如下铺放角度θ为90°，预浸带宽度75mm;铺放间隙小于2mm;工件处于垂直位置，取 α为60°，确定β=61° 士 5°，γ=0° 士 1°，d = 4cm 士 Icm的范围内，可以获得比较理想的间隙图像(如图3(b)所示)。铺放角度θ为52° ；预浸带宽度75mm;铺放间隙小于5mm;工件处于垂直位置。 取 α 为 60°，确定 β = 56° 士5°，γ = 19° 士 1°，d = 9. 5cm士 Icm 的范围内，可以获得比较理想的间隙图像。实施例复合材料铺放过程中的间隙检测 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。在这种情况下，铺放机的铺放速度可高达30m/min，对检测的实时性要求也比较高。采用本发明中的参数，采集高对比度的间隙图像，实现铺放工艺的实时监测。本实施例中，CXD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，背景光源为自行设计的LED白光源。放置背景光源的三轴转台可以精确调节平行光线的入射角度。不同光源位置参数下对θ为90°的复合材料进行视频采集所得图像及线扫描原理示意图如图3所示。为了保证间隙检测的稳定性，在实际检测计算时，仅取采集图像的中间270个像素的区域，因为实验过程中发现，这部分图像质量非常稳定。图3(a)、(b)和(c) 是上述实验条件下，不同光源位置时的采集图像；图3(d)、(e)和(f)分别是对图3(a)、(b) 和(c)沿AB线扫描获得的灰度投影曲线。其中图3(b)是光源位置最佳时获得的图像，间隙清晰可见。间隙处的灰度投影呈现出明显的峰值，且边缘梯度变化明显，有利于后续间隙检测(如图(3(e))。3(a)、3(c)分别是非理想光源位置下采集的两幅图像，图中间隙与背景的对比度差异不明显。间隙的灰度投影峰值不明显(如图3(d))，或者容易与周围噪声混淆(如图(3(f))，不建议采用。
权利要求
1.一组用于复合材料铺放工艺过程中，为获得检测同一铺放层相邻预浸带间隙所需的高质量间隙视频图像，所确定的铺放工件表面、背景光源以及CCD的相对空间几何位置参数。
2.如权利要求1所述的空间几何位置参数，其特征在于，利用光学反射原理和铺放角度有效提高图像对比度的方法。
全文摘要
本发明提供了一组获得高对比度复合材料铺放间隙图像所需的采集参数，包括光源最佳入射角度和位置参数。在复合材料铺放工艺过程中，对同一铺放层相邻预浸带间隙进行视频检测时，根据该参数可以提高铺放间隙与背景区域的对比度，获得铺放间隙突出的稳定图像。
文档编号G01N21/84GK102353677SQ201110270340
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月14日 优先权日2011年9月14日
发明者曹力, 肖军, 陈文 申请人:南京航空航天大学
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