一种预浸料自动铺放缺陷在线检测系统及方法

技术领域

本申请涉及缺陷检测技术领域，具体而言，涉及一种预浸料自动铺放缺陷在线检测系统及方法。

背景技术

在复合材料结构制造过程中，铺叠作为制造关键工序之一，其质量直接影响最终成型构件的性能。自动铺放技术结合了纤维缠绕技术与自动铺带技术的优点，通过铺放头将多根预浸料丝束或干纤维集束成一条宽度可变的窄带，利用压辊及加热装置将其铺放到模具表面并加热压实定型。尽管自动铺放技术带来了一种更高效、稳定的复合材料成型方法，然而作为一种复杂、高维、非线性的生产技术，其工艺过程涉及多种工艺参数，无缺陷复合材料构件的生产制造仍是瓶颈问题。

行业内通常采用人眼观察预浸料铺放过程中的扭转、搭接、折叠、异物(FOD)、褶皱；利用常规量具如游标卡尺、钢直尺等量取缺陷尺寸，行业内也有通过激光投影仪测量预浸料角度偏差与间隙宽度，但这些方法由于其具有精度差、效率低的缺点并没有被广泛采用，且较难精确记录缺陷存在的位置。

因此，如何在预浸料铺放过程中，对存在的多种缺陷进行高精准的三维检测和定位，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的在于提供一种预浸料自动铺放缺陷在线检测系统，以解决现有技术在预浸料铺放过程中，不能对存在的多种缺陷进行高精准的三维检测和定位的问题。

本申请的另一目的在于提供一种预浸料自动铺放缺陷在线检测方法，以解决现有技术在预浸料铺放过程中，不能对存在的多种缺陷进行高精准的三维检测和定位的问题。

本申请是这样实现的：

一方面，本申请实施例提供了一种预浸料自动铺放缺陷在线检测系统，该系统包括自动铺放设备铺丝头、外接相机支架、双目CCD相机、预浸料和数据处理模块，所述双目CCD相机通过所述外接相机支架，集成于所述自动铺放设备铺丝头上，所述双目CCD相机与所述数据处理模块通信连接；其中,所述双目CCD相机用于在所述预浸料铺放过程中，实时采集所述预浸料的图像；所述数据处理模块用于对实时图像进行三维缺陷检测和缺陷定位。

进一步地，该系统还包括检测光源，所述检测光源位于所述外接支架朝向所述预浸料的一侧。

进一步地，该系统还包括红外传感器，所述红外传感器位于所述外接支架朝向所述预浸料的一侧，所述红外传感器用于检测所述预浸料的表面温度。

进一步地，所述自动铺放设备铺丝头用于置于一成型工装的上方，所述预浸料用于铺放于成型工装上。

另一方面，本申请实施例还提供了一种预浸料自动铺放缺陷在线检测方法，应用于所述预浸料自动铺放缺陷在线检测系统的数据处理模块，该方法包括如下步骤：

接收双目CCD相机在预浸料铺放过程中所采集的预浸料实时图像；

根据实时图像和预设缺陷特征进行对比，并对预浸料进行三维缺陷检测；

根据坐标系转换原理，获取预浸料缺陷的三维位置坐标。

进一步地，在所述接收双目CCD相机在预浸料铺放过程中所采集的预浸料实时图像的步骤之前，所述方法还包括：

获取双目CCD相机接收的不同的缺陷图片；

根据双目CCD相机获取的图，将缺陷特征数值化并建立训练集；

利用训练集进行训练，以确定预设缺陷特征。

进一步地，所述缺陷特征包括凹陷深度、缝隙宽度、凸起高度和颜色差异等信息。

进一步地，接收双目CCD相机在预浸料铺放过程中所采集的预浸料实时图像的步骤包括：

获取双目CCD相机采集的所有基于同一位置的两张预浸料图像，

根据三角测量原理，计算所有的两张图像像素间的位置偏差，以获取预浸料的三维信息。

进一步地，根据实时图像和预设缺陷特征进行比对，并对预浸料进行三维缺陷检测的步骤包括：

将接收到的图片数值化并与预设缺陷特征相比，判断实时图像是否包含预设缺陷特征；

若实时图像包含预设缺陷特征，则预浸料存在缺陷；

若实时图像不包含预设缺陷特征，则预浸料不存在缺陷。

进一步地，根据坐标系转换原理，获取预浸料缺陷的三维位置坐标的步骤包括：

获取缺陷在双目CCD相机坐标系下的三维坐标；

获取双目CCD相机和自动铺放设备铺丝头固定的相对位置关系；

根据坐标系转换，获得缺陷在自动铺放设备铺丝头坐标系下的三维坐标；

获取双目CCD相机拍摄到缺陷时的自动铺放设备铺丝头的三维坐标；

根据坐标系转换，获得缺陷在飞机坐标系或世界坐标系下的三维坐标。

相对现有技术，本申请具有以下有益效果：

本申请提供了一种预浸料自动铺放缺陷在线检测系统及方法，该系统包括自动铺放设备铺丝头、外接相机支架、双目CCD相机、预浸料和数据处理模块，所述双目CCD相机通过所述外接相机支架，集成于所述自动铺放设备铺丝头上，所述双目CCD相机与所述数据处理模块通信连接；其中,所述双目CCD相机用于在所述预浸料铺放过程中，实时采集所述预浸料的图像；所述数据处理模块用于对实时图像进行三维缺陷检测和缺陷定位。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请实施例提供的一种预浸料自动铺放缺陷在线检测系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种预浸料自动铺放缺陷在线检测方法的流程示意图；

图3为图2中步骤S310之前的步骤的流程示意图；

图4为图2中步骤S310包括的子步骤的流程示意图；

图5为图2中步骤S320包括的子步骤的流程示意图；

图6为图2中步骤S330包括的子步骤的流程示意图。

图标：100-预浸料自动铺放缺陷在线检测系统；110-自动铺放设备铺丝头；120-外接相机支架；130-双目CCD相机；140-红外传感器；150-检测光源；160-预浸料。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“平行”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

在现有技术中，人们为了检测在预浸料自动铺放过程中存在的缺陷，多采用目测法、游标卡尺检验法和红外热成像仪检验法。然而，铺层表面缺陷一般只有毫米级，且与预浸料之间的外观辨识度不高，使得表面缺陷难以判别。这些方法由于存在精度差、效率低的缺点并没有被广泛采用。

因此，如何在预浸料铺放过程中，对存在的多种缺陷进行高精准的三维检测和定位，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参阅图1，图1是本申请实施例提供的一种预浸料自动铺放缺陷在线检测系统100的结构示意图。在本申请实施例中，该系统包括自动铺放设备铺丝头110、外接相机支架120、双目CCD(Charge coup led Device，电荷耦合元件)相机130、红外传感器140、检测光源150、预浸料160和数据处理模块。

其中，双目CCD相机130、红外传感器140和检测光源150通过外接相机支架120，集成于自动铺放设备铺丝头110上，双目CCD相机130和自动铺放设备铺丝头110相对位置固定，自动铺放设备铺丝头110用于置于一成型工装的上方。

在本申请实施例中，基于3D测量可见光图像分析技术，通过在自动铺放设备上集成双目CCD相机130，从两个视点观察同一景物，以获取在不同视角下的预浸料160感知图像，然后通过三角测量原理计算出图像像素间的位置偏差，从而获取景物的三维信息，此过程与人眼的立体视觉原理相类似。通过双目CCD相机130在视野内全区域进行高精度的三维检测，从而对预浸料160铺放过程中的扭转、搭接、折叠、异物(FOD)、褶皱等缺陷进行精准识别。

需要说明的是，三角测量是一种借由测量目标点与固定基准线的已知端点的角度，测量目标距离的方法。而不是直接测量特定位置的距离，即三边量测法。当已知一个边长及两个观测角度时，观测目标点可以被标定为一个三角形的第三个点。

同时，为了确保双目CCD相机130能准确清晰的采集预浸料160图像，本申请中的检测光源150可以采用无频闪条形光源。红外传感器140用于实时监测铺丝过程中的预浸料160的表面温度。

作为一种实现方式，数据处理模块和双目CCD相机130通信连接。其中，数据处理模块接收双目CCD相机130拍摄的所有图像，并将每一个拍摄点处的两张图片合成一张立体的图像，从而获得预浸料160在铺放过程中的三维图像，通过预设缺陷特征相比较以及坐标系转换，最终实现在预浸料160铺放过程中，对存在的多种缺陷进行高精准的三维检测和定位。

请参阅图2，图2是本申请实施例提供的一种预浸料自动铺放缺陷在线检测方法的流程示意图。该方法应用于预浸料自动铺放缺陷在线检测系统100的数据处理模块，其具体步骤如下。

步骤S310，获取双目CCD相机130在预浸料160铺放过程中所采集的预浸料160图像，并对其进行预处理。

在本申请实施例中，计算机控制自动铺放设备铺丝头110开始铺放作业，双目CCD相机130对预浸料160自动铺放过程中的预浸料160表面进行视觉扫查，获得铺放过程中的图像。其中，双目CCD相机130是含有两个摄像头的立体视觉相机，通过双目CCD相机130从两个视点观察同一景物，以获取在不同视角下的预浸料160图像。

接着，双目CCD相机130通过IO总线将捕获的图像传输到数据处理模块中，数据处理模块接收双目CCD相机130传送的实时图像，并对其进行预处理，最后获得在铺放过程中预浸料160的三维立体图像。

步骤S320，将预处理完后的图像和预设缺陷特征进行比对，并对预浸料160进行三维缺陷检测。

具体的，数据处理模块将预处理完后得到的预浸料160三维图像与事先在计算机中设置好的预设缺陷特征进行比对，从而判断在铺放过程中预浸料160是否存在缺陷，实现对预浸料160缺陷的高精准三维检测。

步骤S330，根据坐标系转换原理，获取预浸料160缺陷的三维位置坐标。

在本申请实施例中，数据处理模块需要获取三个坐标系，第一个坐标系是缺陷在双目CCD相机130中的坐标系，第二个坐标系是双目CCD相机130相对于自动铺放设备铺丝头110的坐标系，第三个坐标系是自动铺放设备铺丝头110相对于飞机坐标系或世界坐标系下的坐标系。经过两次坐标系转换，最终得到预浸料160缺陷的三维位置坐标。

需要说明的是，坐标系转换是空间实体的位置描述，是从一种坐标系统变换到另一种坐标系统的过程，通过建立两个坐标系统之间一一对应的关系来实现。

请参阅图3，图3是图2中步骤S310之前的步骤的流程示意图。

步骤S210，获取双目CCD相机130接收的不同的缺陷图像。

具体的，双目CCD相机130获取人为设置的各类自动铺放过程中预浸料160缺陷的图像。数据处理模块获取双目CCD相机130接收的不同类型的缺陷图像。

步骤S220，根据获取的缺陷图像，将缺陷特征数值化并建立训练集。

在本申请实施例中，计算机对双目CCD相机130获取的缺陷图像进行预处理，特征提取，立体匹配，从而将缺陷特征数值化并建立训练集。

其中，缺陷特征包括凹陷深度、缝隙宽度、凸起高度和颜色差异等信息。

步骤S230，利用训练集进行训练，以确定预设缺陷特征。

具体的，训练集对数据处理模块进行训练，使数据处理模块可以自动对双目CCD相机130捕获的三维图像通过与预设缺陷特征相对比，从而判断预浸料160是否存在缺陷。

请参阅图4，图4是图2中步骤S310包括的子步骤的流程示意图。步骤S310包括子步骤S311和S312。

步骤S311，获取双目CCD相机130采集的所有基于同一位置的两张预浸料160图像。

步骤S312，根据三角测量原理，计算所有的两张图像像素间的位置偏差，以获取预浸料160的三维图像。

在本申请实施例中，通过在自动铺放设备上集成双目CCD相机130，从两个视点观察同一景物，以获取在不同视角下的预浸料160图像，然后通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差来获取预浸料160的三维信息。

请参阅图5，图5是图2中步骤S320包括的子步骤的流程示意图。步骤S320包括子步骤S321、S322、S323和S324。

步骤S321，对三维图像进行特征提取。

例如，数据处理模块可以对经过预处理后得到的三维立体图像上的凹凸不平点或者其他的角度偏差等特征进行提取。

步骤S322，将提取出来的特征与预设缺陷特征进行立体匹配，判断三维图像是否包含预设缺陷特征。

具体的，数据处理模块将提取出来的特征与事先设置好的预设缺陷特征相比对，判断在铺放过程中的预浸料160三维图像是否包含预设缺陷特征。

步骤S323，若三维图像包含预设缺陷特征，则预浸料160存在缺陷。

步骤S324，若三维图像不包含预设缺陷特征，则预浸料160不存在缺陷。

请参阅图6，图6是图2中步骤S330包括的子步骤的流程示意图。步骤S330包括子步骤S331、S332、S333、S334和S335。

步骤S331，获取缺陷在双目CCD相机130坐标系下的三维坐标。

具体的，数据处理模块通过三角测量原理，将双目CCD相机130拍摄的每两张图像合成一张立体图像，通过对双目CCD相机130采集的预浸料160图像进行三维尺寸重建，获得缺陷在双目CCD相机130坐标系下的三维坐标。

步骤S332，获取双目CCD相机130和自动铺放设备铺丝头110固定的相对位置关系。

在本申请实施例中，由于双目CCD相机130和自动铺放设备铺丝头110由外接相机支架120连接，两者的相对位置是固定的，不会随着检测的变化而变化。因此，可以把双目CCD相机130和自动铺放设备铺丝头110之间的相对位置关系预先设置在数据处理模块中。

步骤S333，根据坐标系转换，获得缺陷在自动铺放设备铺丝头110坐标系下的三维坐标。

此时，由于已知缺陷在双目CCD相机130坐标系下的三维坐标，并且还知道双目CCD相机130和自动铺放设备铺丝头110之间固定的相对位置关系，因此，经过第一次坐标系转换后，数据处理模块可以获得缺陷在自动铺放设备铺丝头110坐标系下的三维坐标。

步骤S334，获取双目CCD相机130拍摄到缺陷时的自动铺放设备铺丝头110的三维坐标。

具体的，针对含有缺陷的三维图像，数据处理模块自动获取此时自动铺放设备铺丝头110的三维坐标。

步骤S335，根据坐标系转换，获得缺陷在飞机坐标系或世界坐标系下的三维坐标。

此时，由于已知缺陷在自动铺放设备铺丝头110坐标系下的三维坐标，并且还知道自动铺放设备铺丝头110的三维坐标，因此，经过第二次坐标系转换后，数据处理模块可以获得缺陷在飞机坐标系或世界坐标系下的三维坐标。

在本申请实施例中，经过两次坐标系转换即可获得缺陷在飞机坐标系或世界坐标系下的三维坐标。将缺陷和三维坐标结合，获取附带位置坐标的缺陷详细信息，从而实时、定性、定量地表征预浸料160铺放过程中的扭转、搭接、折叠、异物(FOD)、褶皱等缺陷，及其位置、尺寸、数量等信息。

本申请实施例所提供的一种预浸料自动铺放缺陷在线检测方法相较于目测法和游标卡尺检验法，本方法可以快速测量，并可实现铺层整体成像；相较于行业内比较常用的红外热成像仪，由于红外成像受到到环境温度影响较大，识别精度上存在严重不足，本方法可实现自动检测、自动识别、快速准确识别定位。

综上所述，本申请实施例提供了一种预浸料自动铺放缺陷在线检测系统及方法。通过在自动铺放设备上集成双目立体视觉CCD相机，从两个视点观察同一景物，以获取在不同视角下的预浸料图像，然后通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差来获取预浸料的三维信息，从而在视野内全区域进行高精度的三维检测。

通过数据处理模块将预浸料三维信息与预设缺陷特征进行比较判断，从而对预浸料铺放过程中的扭转、搭接、折叠、异物(FOD)、褶皱等缺陷进行三维检测和定位。本申请能够对复合材料纤维自动铺放过程存在的多种缺陷进行精准识别和定位，具有高度集成和模块化的特点，可实现高精度、高效率、无损伤和非接触的三维检测。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

对于本领域技术人员而言，显然本申请不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本申请的精神或基本特征的情况下，能够以其它的具体形式实现本申请。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本申请的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本申请内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。