專利名稱：復(fù)合材料鋪放質(zhì)量視頻檢測系統(tǒng)及間隙檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及復(fù)合材料鋪放工藝過程中同一鋪放層相鄰預(yù)浸帶間的縫隙自動檢測技術(shù)，該技術(shù)涉及復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件加工過程中的鋪放層表面質(zhì)量實(shí)時(shí)檢測方法。利用視頻圖像處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)鋪放間隙的高性能、低成本測量。
背景技術(shù)：
先進(jìn)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐疲勞、工藝性好等特點(diǎn)，能有效提高飛機(jī)性能，大量使用復(fù)合材料是航空器發(fā)展趨勢如美國第四代戰(zhàn)斗機(jī)(F22、F35)、大型飛機(jī)(A380、787和A400M等)均大量采用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件提高飛機(jī)性能。作為復(fù)合材料通用制造技術(shù)，復(fù)合材料鋪放可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造技術(shù)的大跨度進(jìn)步，具有重要的應(yīng)用價(jià)值與技術(shù)進(jìn)步意義。復(fù)合材料鋪放技術(shù)是一項(xiàng)新型的加工技術(shù)，涉及復(fù)合材料加工、機(jī)械制造、自動控制技術(shù)以及傳感檢測技術(shù)等相關(guān)領(lǐng)域，相關(guān)技術(shù)的研究正在展開，其中鋪放過程中預(yù)浸帶間間隙的實(shí)時(shí)監(jiān)控問題，是實(shí)現(xiàn)鋪放工藝自動化的前提保障和必要基礎(chǔ)。
與傳統(tǒng)機(jī)械加工工藝相比，復(fù)合材料的鋪放具有以下幾點(diǎn)特殊性1、材料的特殊性采用的預(yù)浸料成型，加工過程中的預(yù)浸料變形難以精確控制；2、加工工藝的特殊性工件的加工通過逐層鋪疊而非切削實(shí)現(xiàn)，容易產(chǎn)生加工形變；3、加工工件表面比較粗造。鑒于上述原因，復(fù)合材料鋪放技術(shù)要求對鋪放工藝過程實(shí)施嚴(yán)格的質(zhì)量控制，確保加工工件的外形尺寸和質(zhì)量符合工藝要求，鋪放工藝過程中的間隙實(shí)時(shí)檢測是解決上述問題的最有效方法之一。
復(fù)合材料鋪放的在線質(zhì)量檢測主要的任務(wù)之一就是檢測同一鋪放層相鄰兩條預(yù)浸帶間的間隙是否滿足工藝要求，屬于表面質(zhì)量檢測問題。復(fù)合材料預(yù)侵帶厚度薄(標(biāo)準(zhǔn)厚度約0.15mm)，且表面呈波浪型，給檢測帶來了極大的困難?；谝曨l圖像處理的檢測技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的測控技術(shù)，相對于傳統(tǒng)檢測方法，設(shè)備簡單，成本低廉，而且包含信息量巨大，非常適合于復(fù)合材料自動鋪放工藝過程中的質(zhì)量檢測。如美國專利(7171003B2)利用背景光源組和CCD組成的視頻圖像采集系統(tǒng)，其中背景光源組中包括紅外光源，提高圖像對比度，采集反射的鋪放表面圖像，檢測表面間隙，該發(fā)明采用光源入射角度為45°。該發(fā)明中利用設(shè)置閾值的方式二值化圖像，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)檢測。

發(fā)明內(nèi)容
1、一種復(fù)合材料鋪放質(zhì)量視頻檢測系統(tǒng)，其特征在于包括視頻采集系統(tǒng)、背景光源系統(tǒng)、視頻圖像處理系統(tǒng)以及結(jié)果輸出系統(tǒng)所述的視頻采集系統(tǒng)，用于采集被測區(qū)域的視頻圖像，包括CCD攝像機(jī)、鏡頭、視頻信號傳輸接口，CCD攝像機(jī)輸入端與鏡頭相連，CCD攝像機(jī)的輸出端通過視頻信號傳輸接口與視頻圖像處理系統(tǒng)相連；所述的背景光源系統(tǒng)，用于提供穩(wěn)定的檢測環(huán)境并提高采集圖像的對比度，包括光源、光源電源及光源支架，光源電源與光源相連，光源安裝在光源支架上，并通過光源支架連于鋪放頭；所述的視頻圖像處理系統(tǒng)的輸出連于結(jié)果輸出系統(tǒng)的輸入。
2、一種如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料鋪放質(zhì)量視頻間隙檢測方法。其特征在于，該間隙檢測方法由視頻圖像處理系統(tǒng)提供，具體步驟包括(9)從視頻采集系統(tǒng)中攝取目標(biāo)檢測區(qū)域視頻圖像；(10)將視頻圖像數(shù)據(jù)放入系統(tǒng)內(nèi)存指定存儲單元；(11)重新組合圖像數(shù)據(jù)；(12)對重新組合圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括濾波去噪、閾值分割、邊緣檢測；(13)利用掃描法逐行/列或隔行/列掃描預(yù)處理后的圖像數(shù)據(jù)，并通過處理后的數(shù)據(jù)分析，定量分析間隙尺寸；(14)若檢測間隙大于或等于指定閾值，則確定為缺陷疑似，并對此疑似缺陷作進(jìn)一步的定量分析，保存結(jié)果；(15)若對連續(xù)3幀圖像的檢測均有缺陷疑似，則確定為間隙超限，并給出報(bào)警信息，按照要求停止鋪放過程；(16)若步驟(5)的檢測間隙小于指定閾值，則繼續(xù)直至整個(gè)鋪放過程結(jié)束。


圖1是本發(fā)明的復(fù)合材料鋪放質(zhì)量視頻檢測系統(tǒng)組成原理示意圖；圖1中的標(biāo)號名稱001-視頻采集系統(tǒng)，002-背景光源系統(tǒng)，003-視頻圖像處理系統(tǒng)，004-結(jié)果輸出系統(tǒng)，005-CCD攝像機(jī)，006-鏡頭，007-視頻信號傳輸接口，008-光源，009-光源電源，010-光源支架。
圖2是本發(fā)明的加工工件表面及圖像采集工作區(qū)示意圖；圖3是本發(fā)明中重新組合方法及組合結(jié)果示意圖；圖4是本發(fā)明中列掃描檢測方法示意圖；
圖5是本發(fā)明中間隙檢測處理流程圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提供一種在復(fù)合材料鋪放工藝過程中，同一鋪放層相鄰預(yù)浸帶縫隙(間隙)自動檢測方法，實(shí)現(xiàn)間隙的高精度在線測量。
本發(fā)明提供了復(fù)合材料鋪放工藝過程中層間相鄰預(yù)浸帶間隙表面測量的系統(tǒng)及方法，所述系統(tǒng)如圖1所示，包括視頻采集系統(tǒng)001、背景光源系統(tǒng)002、視頻圖像處理系統(tǒng)003以及處理結(jié)果輸出系統(tǒng)004。系統(tǒng)間隙采集工作區(qū)域如圖2所示。
如上所述的視頻采集系統(tǒng)001用于采集被測區(qū)域的視頻圖像，主要包括一臺CCD攝像機(jī)005、鏡頭006及視頻信號傳輸接口007。
如上所述的背景光源系統(tǒng)002用于提供穩(wěn)定的檢測環(huán)境并提高采集圖像的對比度，主要包括一臺光源008、光源電源009及光源支架010。
如上所述的系統(tǒng)，利用工件加工面表面特性，在光源入射角度合理時(shí)可以提供對比度高的采集圖像。
如上所述的視頻圖像處理系統(tǒng)003提供了基于視頻圖像處理的間隙檢測方法，其中濾波去噪、閾值分割、邊緣檢測均采用現(xiàn)在常用的圖像及信號處理技術(shù)。間隙測量及分析采用行抽樣掃描測量的方法，具體思想如下對采集到的視頻圖像，按照需求選取若干區(qū)域重新組合，形成一個(gè)新的圖像數(shù)據(jù)集合，該集合可以看作是一幅圖像，對重新組合的數(shù)據(jù)集合做濾波去噪、閾值分割、邊緣檢測等前處理后，再對分割后的二值化圖像進(jìn)行行/列掃描，測量間隙所占象素個(gè)數(shù)換算獲得的。圖像重新組合的目的主要是為了減少計(jì)算量，提高圖像處理速度，滿足檢測實(shí)時(shí)性要求，重新組合方法如圖3所示。
行/列掃描基本思想為對于重組后的數(shù)據(jù)二值化處理后，即獲得了二值化圖像，所謂行/列掃描就是指提取該二值化圖像中的某一行/列數(shù)據(jù)，根據(jù)該行/列象素的灰度跳變點(diǎn)，判斷間隙起始、結(jié)束位置，并以此計(jì)算間隙尺寸(每個(gè)象素點(diǎn)對應(yīng)實(shí)際的面積已知)。為了獲得可靠的間隙檢測數(shù)據(jù)，采取兩級判斷分析的方法首先判斷間隙跳變點(diǎn)如果是理想圖像，掃描過程中應(yīng)該有兩次灰度跳變，跳變點(diǎn)將即為間隙。但實(shí)際情況往往存在噪聲等因素，掃描行的灰度跳變點(diǎn)不止兩個(gè)，可以根據(jù)間隙和噪聲的特點(diǎn)加以判斷。噪聲一般兩突變點(diǎn)間隔較小，而間隙的跳變點(diǎn)間隔較大，因此可以在檢測到跳變時(shí)，向該點(diǎn)兩邊再做一次連續(xù)多個(gè)象素的二次掃描，如果有跳變點(diǎn)判斷為噪聲，如果沒有判斷為間隙的邊緣。
其次判斷檢測數(shù)據(jù)的有效性有時(shí)噪聲較大，上述方法無法判斷?？梢栽谥亟M數(shù)據(jù)集合內(nèi)進(jìn)行非連續(xù)的多行/列掃描，如果數(shù)據(jù)接近，認(rèn)為是間隙。相反，則需重新判斷。該檢測方法原理如圖4所示。
如上所述的檢測系統(tǒng)提供的間隙檢測方法，通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)，包括下述步驟(1)從視頻采集系統(tǒng)001中攝取目標(biāo)檢測區(qū)域視頻圖像；(2)將視頻圖像數(shù)據(jù)放入系統(tǒng)內(nèi)存指定存儲單元；(3)重新組合圖像數(shù)據(jù)；(4)對重新組合圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括濾波去噪、閾值分割、邊緣檢測等；(5)利用掃描法逐行/列或隔行/列掃描預(yù)處理后的圖像數(shù)據(jù)，并通過處理后的數(shù)據(jù)分析，定量分析間隙尺寸；(6)若檢測間隙大于或等于指定閾值，則確定為缺陷疑似，并對此疑似缺陷作進(jìn)一步的定量分析，保存結(jié)果；(7)若對連續(xù)多幀(本發(fā)明中采用連續(xù)3幀)圖像的檢測均有缺陷疑似，則確定為間隙超限，并給出報(bào)警信息，按照要求停止鋪放過程；(8)若步驟(5)的檢測間隙小于指定閾值，則繼續(xù)直至整個(gè)鋪放過程結(jié)束。
處理流程如圖5所示。
復(fù)合材料鋪放工藝過程中間隙在線實(shí)時(shí)提取大型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的鋪放過程中，需要鋪放間隙一般要求必須小于給定的范圍，同時(shí)不允許出現(xiàn)重疊?，F(xiàn)代鋪放設(shè)備基本實(shí)現(xiàn)自動化，設(shè)備控制精度和鋪放速度比較高，可達(dá)每秒半米以上，需要實(shí)時(shí)監(jiān)控并調(diào)整鋪放頭工作位置。對鋪放頭水平位置的檢測可以借助于間隙檢測實(shí)現(xiàn)，同時(shí)間隙檢測也可以測量加工質(zhì)量，為質(zhì)量監(jiān)控及鋪放頭控制提供必要的檢測參數(shù)。尤其在鋪放頭控制過程中，需要了解鋪放頭的橫向位置變化情況以及變化趨勢，就必須要實(shí)時(shí)提取間隙尺寸。
本實(shí)施例中，CCD采用德國Basler公司的A312f型號工業(yè)攝像機(jī)，該攝像機(jī)采用標(biāo)準(zhǔn)1394接口，視頻圖像采集速率可達(dá)30幀/秒以上，能夠滿足要求；鏡頭采用日本Tokina的10倍手動變焦鏡頭，確保采集圖像精度和質(zhì)量，光源采用日本CGS公司的工業(yè)級LED光源。
檢測過程中采用本發(fā)明中的間隙檢測提取方法，實(shí)時(shí)提取間隙的寬度大小，顯示并反饋給鋪放頭控制系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合材料鋪放質(zhì)量視頻檢測系統(tǒng)，其特征在于包括視頻采集系統(tǒng)(001)、背景光源系統(tǒng)(002)、視頻圖像處理系統(tǒng)(003)、結(jié)果輸出系統(tǒng)(004)所述的視頻采集系統(tǒng)(001)，用于采集被測區(qū)域的視頻圖像，包括CCD攝像機(jī)(005)、鏡頭(006)、視頻信號傳輸接(007)，CCD攝像機(jī)(005)輸入端與鏡頭(006)相連，CCD攝像機(jī)(005)的輸出端通過視頻信號傳輸接(007)與視頻圖像處理系統(tǒng)(003)相連；所述的背景光源系統(tǒng)(002)，用于提供穩(wěn)定的檢測環(huán)境并提高采集圖像的對比度，包括光源(008)、光源電源(009)及光源支架(010)，光源電源(009)與光源(008)相連，光源(008)安裝在光源支架(010)上，并通過光源支架(010)連于鋪放頭；所述的視頻圖像處理系統(tǒng)(003)的輸出連于結(jié)果輸出系統(tǒng)(004)的輸入。
2.一種如權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料鋪放質(zhì)量視頻間隙檢測方法，其特征在于，該間隙檢測方法由視頻圖像處理系統(tǒng)(003)提供，具體步驟包括(1)從視頻采集系統(tǒng)(001)中攝取目標(biāo)檢測區(qū)域視頻圖像；(2)將視頻圖像數(shù)據(jù)放入系統(tǒng)內(nèi)存指定存儲單元；(3)重新組合圖像數(shù)據(jù)；(4)對重新組合圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理包括濾波去噪、閾值分割、邊緣檢測；(5)利用掃描法逐行/列或隔行/列掃描預(yù)處理后的圖像數(shù)據(jù)，并通過處理后的數(shù)據(jù)分析，定量分析間隙尺寸；(6)若檢測間隙大于或等于指定閾值，則確定為缺陷疑似，并對此疑似缺陷作進(jìn)一步的定量分析，保存結(jié)果；(7)若對連續(xù)3幀圖像的檢測均有缺陷疑似，則確定為間隙超限，并給出報(bào)警信息，按照要求停止鋪放過程；(8)若步驟(5)的檢測間隙小于指定閾值，則繼續(xù)直至整個(gè)鋪放過程結(jié)束。
全文摘要
一種復(fù)合材料鋪放質(zhì)量視頻檢測系統(tǒng)及間隙檢測方法，屬復(fù)合材料鋪放質(zhì)量檢測系統(tǒng)及檢測方法。該系統(tǒng)包括視頻采集系統(tǒng)(001)、背景光源系統(tǒng)(002)、視頻圖像處理系統(tǒng)(003)以及處理結(jié)果輸出系統(tǒng)(004)；所述檢測方法，包括視頻圖像的采集，視頻圖像數(shù)據(jù)的存儲，重新組合圖像數(shù)據(jù)，對重新組合圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波去噪、閾值分割、邊緣檢測的預(yù)處理，利用掃描法逐行/列或隔行/列掃描預(yù)處理后的圖像數(shù)據(jù)，通過處理后的數(shù)據(jù)分析定量分析間隙尺寸。該系統(tǒng)提供了減少視頻圖像處理數(shù)據(jù)量、提高間隙測量速度、滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性要求的采集圖像重構(gòu)方法。該檢測方法操作簡單、方便，主要用于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件加工過程中的鋪放間隙檢測。
文檔編號G01C11/00GK101074877SQ20071002435
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月14日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月14日
發(fā)明者曹力, 肖軍, 陳文 , 郭琪超 申請人:南京航空航天大學(xué)