专利名称：复合材料铺放质量视频检测系统及间隙检测方法
技术领域：
本发明涉及复合材料铺放工艺过程中同一铺放层相邻预浸带间的缝隙自动检测技术，该技术涉及复合材料结构件加工过程中的铺放层表面质量实时检测方法。利用视频图像处理技术，实现铺放间隙的高性能、低成本测量。
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，能有效提高飞机性能，大量使用复合材料是航空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，相关技术的研究正在展开，其中铺放过程中预浸带间间隙的实时监控问题，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。
复合材料铺放的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。复合材料预侵带厚度薄(标准厚度约0.15mm)，且表面呈波浪型，给检测带来了极大的困难。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CCD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。
发明内容
1、一种复合材料铺放质量视频检测系统，其特征在于包括视频采集系统、背景光源系统、视频图像处理系统以及结果输出系统所述的视频采集系统，用于采集被测区域的视频图像，包括CCD摄像机、镜头、视频信号传输接口，CCD摄像机输入端与镜头相连，CCD摄像机的输出端通过视频信号传输接口与视频图像处理系统相连；所述的背景光源系统，用于提供稳定的检测环境并提高采集图像的对比度，包括光源、光源电源及光源支架，光源电源与光源相连，光源安装在光源支架上，并通过光源支架连于铺放头；所述的视频图像处理系统的输出连于结果输出系统的输入。
2、一种如权利要求1所述的复合材料铺放质量视频间隙检测方法。其特征在于，该间隙检测方法由视频图像处理系统提供，具体步骤包括(9)从视频采集系统中摄取目标检测区域视频图像；(10)将视频图像数据放入系统内存指定存储单元；(11)重新组合图像数据；(12)对重新组合图像数据进行预处理，预处理包括滤波去噪、阈值分割、边缘检测；(13)利用扫描法逐行/列或隔行/列扫描预处理后的图像数据，并通过处理后的数据分析，定量分析间隙尺寸；(14)若检测间隙大于或等于指定阈值，则确定为缺陷疑似，并对此疑似缺陷作进一步的定量分析，保存结果；(15)若对连续3帧图像的检测均有缺陷疑似，则确定为间隙超限，并给出报警信息，按照要求停止铺放过程；(16)若步骤(5)的检测间隙小于指定阈值，则继续直至整个铺放过程结束。
图1是本发明的复合材料铺放质量视频检测系统组成原理示意图；图1中的标号名称001-视频采集系统，002-背景光源系统，003-视频图像处理系统，004-结果输出系统，005-CCD摄像机，006-镜头，007-视频信号传输接口，008-光源，009-光源电源，010-光源支架。
图2是本发明的加工工件表面及图像采集工作区示意图；图3是本发明中重新组合方法及组合结果示意图；图4是本发明中列扫描检测方法示意图；
图5是本发明中间隙检测处理流程图。
具体实施例方式
本发明提供一种在复合材料铺放工艺过程中，同一铺放层相邻预浸带缝隙(间隙)自动检测方法，实现间隙的高精度在线测量。
本发明提供了复合材料铺放工艺过程中层间相邻预浸带间隙表面测量的系统及方法，所述系统如图1所示，包括视频采集系统001、背景光源系统002、视频图像处理系统003以及处理结果输出系统004。系统间隙采集工作区域如图2所示。
如上所述的视频采集系统001用于采集被测区域的视频图像，主要包括一台CCD摄像机005、镜头006及视频信号传输接口007。
如上所述的背景光源系统002用于提供稳定的检测环境并提高采集图像的对比度，主要包括一台光源008、光源电源009及光源支架010。
如上所述的系统，利用工件加工面表面特性，在光源入射角度合理时可以提供对比度高的采集图像。
如上所述的视频图像处理系统003提供了基于视频图像处理的间隙检测方法，其中滤波去噪、阈值分割、边缘检测均采用现在常用的图像及信号处理技术。间隙测量及分析采用行抽样扫描测量的方法，具体思想如下对采集到的视频图像，按照需求选取若干区域重新组合，形成一个新的图像数据集合，该集合可以看作是一幅图像，对重新组合的数据集合做滤波去噪、阈值分割、边缘检测等前处理后，再对分割后的二值化图像进行行/列扫描，测量间隙所占象素个数换算获得的。图像重新组合的目的主要是为了减少计算量，提高图像处理速度，满足检测实时性要求，重新组合方法如图3所示。
行/列扫描基本思想为对于重组后的数据二值化处理后，即获得了二值化图像，所谓行/列扫描就是指提取该二值化图像中的某一行/列数据，根据该行/列象素的灰度跳变点，判断间隙起始、结束位置，并以此计算间隙尺寸(每个象素点对应实际的面积已知)。为了获得可靠的间隙检测数据，采取两级判断分析的方法首先判断间隙跳变点如果是理想图像，扫描过程中应该有两次灰度跳变，跳变点将即为间隙。但实际情况往往存在噪声等因素，扫描行的灰度跳变点不止两个，可以根据间隙和噪声的特点加以判断。噪声一般两突变点间隔较小，而间隙的跳变点间隔较大，因此可以在检测到跳变时，向该点两边再做一次连续多个象素的二次扫描，如果有跳变点判断为噪声，如果没有判断为间隙的边缘。
其次判断检测数据的有效性有时噪声较大，上述方法无法判断。可以在重组数据集合内进行非连续的多行/列扫描，如果数据接近，认为是间隙。相反，则需重新判断。该检测方法原理如图4所示。
如上所述的检测系统提供的间隙检测方法，通过下述技术方案予以实现，包括下述步骤(1)从视频采集系统001中摄取目标检测区域视频图像；(2)将视频图像数据放入系统内存指定存储单元；(3)重新组合图像数据；(4)对重新组合图像数据进行预处理，预处理包括滤波去噪、阈值分割、边缘检测等；(5)利用扫描法逐行/列或隔行/列扫描预处理后的图像数据，并通过处理后的数据分析，定量分析间隙尺寸；(6)若检测间隙大于或等于指定阈值，则确定为缺陷疑似，并对此疑似缺陷作进一步的定量分析，保存结果；(7)若对连续多帧(本发明中采用连续3帧)图像的检测均有缺陷疑似，则确定为间隙超限，并给出报警信息，按照要求停止铺放过程；(8)若步骤(5)的检测间隙小于指定阈值，则继续直至整个铺放过程结束。
处理流程如图5所示。
复合材料铺放工艺过程中间隙在线实时提取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。现代铺放设备基本实现自动化，设备控制精度和铺放速度比较高，可达每秒半米以上，需要实时监控并调整铺放头工作位置。对铺放头水平位置的检测可以借助于间隙检测实现，同时间隙检测也可以测量加工质量，为质量监控及铺放头控制提供必要的检测参数。尤其在铺放头控制过程中，需要了解铺放头的横向位置变化情况以及变化趋势，就必须要实时提取间隙尺寸。
本实施例中，CCD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，光源采用日本CGS公司的工业级LED光源。
检测过程中采用本发明中的间隙检测提取方法，实时提取间隙的宽度大小，显示并反馈给铺放头控制系统。
权利要求
1.一种复合材料铺放质量视频检测系统，其特征在于包括视频采集系统(001)、背景光源系统(002)、视频图像处理系统(003)、结果输出系统(004)所述的视频采集系统(001)，用于采集被测区域的视频图像，包括CCD摄像机(005)、镜头(006)、视频信号传输接(007)，CCD摄像机(005)输入端与镜头(006)相连，CCD摄像机(005)的输出端通过视频信号传输接(007)与视频图像处理系统(003)相连；所述的背景光源系统(002)，用于提供稳定的检测环境并提高采集图像的对比度，包括光源(008)、光源电源(009)及光源支架(010)，光源电源(009)与光源(008)相连，光源(008)安装在光源支架(010)上，并通过光源支架(010)连于铺放头；所述的视频图像处理系统(003)的输出连于结果输出系统(004)的输入。
2.一种如权利要求1所述的复合材料铺放质量视频间隙检测方法，其特征在于，该间隙检测方法由视频图像处理系统(003)提供，具体步骤包括(1)从视频采集系统(001)中摄取目标检测区域视频图像；(2)将视频图像数据放入系统内存指定存储单元；(3)重新组合图像数据；(4)对重新组合图像数据进行预处理，预处理包括滤波去噪、阈值分割、边缘检测；(5)利用扫描法逐行/列或隔行/列扫描预处理后的图像数据，并通过处理后的数据分析，定量分析间隙尺寸；(6)若检测间隙大于或等于指定阈值，则确定为缺陷疑似，并对此疑似缺陷作进一步的定量分析，保存结果；(7)若对连续3帧图像的检测均有缺陷疑似，则确定为间隙超限，并给出报警信息，按照要求停止铺放过程；(8)若步骤(5)的检测间隙小于指定阈值，则继续直至整个铺放过程结束。
全文摘要
一种复合材料铺放质量视频检测系统及间隙检测方法，属复合材料铺放质量检测系统及检测方法。该系统包括视频采集系统(001)、背景光源系统(002)、视频图像处理系统(003)以及处理结果输出系统(004)；所述检测方法，包括视频图像的采集，视频图像数据的存储，重新组合图像数据，对重新组合图像数据进行滤波去噪、阈值分割、边缘检测的预处理，利用扫描法逐行/列或隔行/列扫描预处理后的图像数据，通过处理后的数据分析定量分析间隙尺寸。该系统提供了减少视频图像处理数据量、提高间隙测量速度、满足系统实时性要求的采集图像重构方法。该检测方法操作简单、方便，主要用于复合材料结构件加工过程中的铺放间隙检测。
文档编号G01C11/00GK101074877SQ20071002435
公开日2007年11月21日 申请日期2007年6月14日 优先权日2007年6月14日
发明者曹力, 肖军, 陈文 , 郭琪超 申请人:南京航空航天大学