一种复合材料柔性自动化成型方法

技术领域

本发明涉及纤维复合材料铺放技术领域，具体而言是一种复合材料柔性自动化成型方法。

背景技术

随着航空制造技术的不断进步，复合材料用量不断增加，其应用已从次承力构件逐步扩展到主承力构件，应用部位也从尾翼扩展到机翼，直至机身，其用量成为航空结构先进性的重要标志。复合材料主承力构件以大型加筋壁板整体结构为主，将大量应用复合材料长桁类零件。复合材料长桁具有长径比大、截面形状复杂、加工精度要求高等特点，对成型工艺提出了更高的要求。

热隔膜成型是一种典型的复合材料预成型技术，即将预浸料放置于模具上，通过一种特殊材料的隔膜进行抽真空以及加热等，隔膜通过拉伸变形使得预浸料压向模具，最终得到所需的预制体形状。较传统的铺层方法，成型效率高，制件精度高。目前热隔膜成型技术存在针对不同产品时隔膜拉伸量不足导致成型效果差，以及对成型后的产品没有相应的闭环反馈。

发明内容

根据上述技术问题，而提供一种复合材料柔性自动化成型的制备方法。

本发明采用的技术手段如下：

一种复合材料柔性自动化成型方法，包括如下步骤：

S1、将载有材料的模具置于隔膜装置中；

可采用自动传输装置将载有材料的模具输送至隔膜装置中；

S2、利用热风对隔膜装置中的隔膜进行加热，同时加热模具和模具中的材料；

加热过程中采用温度传感器及时反馈温度，并根据反馈温度准确控制隔膜、模具和材料达到预设的温度值，准确控制其误差范围在0.5℃范围以内。

S3、通过激光测距仪计算模具凹腔形状，并随之调整模具对应的隔膜面积；

调整隔膜面积可以采用对辊机构，对辊机构根据模具凹腔形状调整所述隔膜在隔膜框内的悬垂变形量，使所述隔膜用于压实预浸料的尺寸与预浸料相适配；对辊机构包括两组辊，每组辊中均包括两个辊，其中一个为主动辊，连接有对辊电机，另外一个为从动辊，隔膜位于主动辊和从动辊之间的缝隙处，通过主动辊和从动辊的配合实现运动，进而调整其在所述隔膜框内的悬垂变形量。

S4、模具与隔膜装置的隔膜框合模后，将模具与隔膜框采用夹爪固定；

夹爪可以采用电磁铁夹爪，可以使整体设备更加自动化，设计夹爪时应保证夹爪和夹块之间保证大于莫式锥度，这样可以从结构上保证他们之间的强度。

S5、根据模具的形状对隔膜下面的空间进行分块抽气；

通过分块抽气使需要变形的区域先变形，同时根据隔膜变形难易程度开启或关闭其区域所对应的抽气孔。抽气孔由聚四氟乙烯透气膜覆盖，保证抽气孔在抽气时不会被隔膜所堵死。

S6、在隔膜上方对隔膜施加正压力；

正压力的压强为P，隔膜框的面积为S，夹爪所能承受的最小压力值F1应具备：F1>P×S+E，其中E为安全系数，E的数值由现场实际情况进行确定。

S7、观测模具型腔内的真空度，保持压力3min；

S8、对隔膜成型后的材料进行检测，若材料复合标准，则将隔膜框与模具分离，取出材料；若材料不复合标准则对材料重新进行隔膜成型，直至其复合标准。

步骤S8中，采用机器视觉检测系统对材料进行检测；

进一步地，具体的机器视觉检测系统包括：

(1)灰度化处理，将工业相机拍摄的彩色图像转化成为灰度图像；

(2)将灰度图像进行直方图均衡化以及中值滤波处理；

(3)基于尺度变换的Gabor滤波器对步骤(2)所得到的图像进行滤波处理，并将所得到的滤波后的多个方向图片进行融合，得到纹理更加清晰的图像；

(4)纹理压缩，将纹理更加清晰的图像中的像素点进行压缩；

识别步骤(3)得到的图像中的纤维的横纵根数，并根据横纵根数划分为与其相适配的区域，计算各个区域的像素点的平均像素值，根据阈值进行二值化处理得到纹理压缩后的图像D(x，y)；

(5)缺陷区域分析

将纹理压缩后的图像D(x，y)按照模板图像的大小分成几块区域，而后通过下公式将各个区域和目标模板进行比较；

d(x,y)＝|D(x,y)-N|

其中d(x，y)为计算后的图像，N为模板图像，根据计算出各区域缺陷的百分比数值，设定一个认定存在疵点的阈值，将d(x，y)与阈值相比较，若高于阈值则输出该区域编号，进而得到隔膜成型后不符合标准的部位。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明以热隔膜成型机为研究对象，通过激光测距仪等设备针对模具表面进行分析，得到模具的基本形貌，并根据基本形貌调整对辊装置，使隔膜的悬垂量与模具的凹腔相适配，同时通过机器视觉技术对成型后的材料进行相应的质量分析，使机械自动化程度更高，且材料成型更好。

基于上述理由本发明可在热隔膜成型等领域广泛推广。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明具体实施方式中对辊机构结构示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。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讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

一种复合材料柔性自动化成型方法，包括如下步骤：

S1、将载有材料的模具置于隔膜装置中；

可采用自动传输装置将载有材料的模具输送至隔膜装置中；

S2、利用热风对隔膜装置中的隔膜进行加热，同时加热模具和模具中的材料；

加热过程中采用温度传感器及时反馈温度，并根据反馈温度准确控制隔膜、模具和材料达到预设的温度值，准确控制其误差范围在0.5℃范围以内。

S3、通过激光测距仪计算模具凹腔形状，并随之调整模具对应的隔膜面积；

调整隔膜面积可以采用对辊机构(如图1所示)，对辊机构根据模具凹腔形状调整所述隔膜在隔膜框内的悬垂变形量，使所述隔膜用于压实预浸料的尺寸与预浸料相适配；对辊机构包括两组辊，每组辊中均包括两个辊，其中一个为主动辊，连接有对辊电机，另外一个为从动辊，隔膜位于主动辊和从动辊之间的缝隙处，通过主动辊和从动辊的配合实现运动，进而调整其在所述隔膜框内的悬垂变形量。

S4、模具与隔膜装置的隔膜框合模后，将模具与隔膜框采用夹爪固定；

夹爪可以采用电磁铁夹爪，可以使整体设备更加自动化，设计夹爪时应保证夹爪和夹块之间保证大于莫式锥度，这样可以从结构上保证他们之间的强度。

S5、根据模具的形状对隔膜下面的空间进行分块抽气；

通过分块抽气使需要变形的区域先变形，同时根据隔膜变形难易程度开启或关闭其区域所对应的抽气孔。抽气孔由聚四氟乙烯透气膜覆盖，保证抽气孔在抽气时不会被隔膜所堵死。

S6、在隔膜上方对隔膜施加正压力；

正压力的压强为P，隔膜框的面积为S，夹爪所能承受的最小压力值F1应具备：F1>P×S+E，其中E为安全系数，E的数值由现场实际情况进行确定。

S7、观测模具型腔内的真空度，保持压力3min；

S8、对隔膜成型后的材料进行检测，若材料复合标准，则将隔膜框与模具分离，取出材料；若材料不复合标准则对材料重新进行隔膜成型，直至其复合标准。

步骤S8中，采用机器视觉检测系统对材料进行检测；

具体的机器视觉检测系统包括：

(1)灰度化处理，将工业相机拍摄的彩色图像转化成为灰度图像；采取灰度化处理可以有效的减少计算时间，并且可以在一定程度上消除光照对于图像的影响。

(2)将灰度图像进行直方图均衡化以及中值滤波处理得到图像I；中值滤波常用于滤除脉冲噪声，它能在在滤除脉冲噪声的同时，保护信号的边缘信息，使边缘不被模糊。

(3)基于尺度变换的Gabor滤波器对步骤(2)所得到的图像I进行滤波处理，并将所得到的滤波后的多个方向图片进行融合，得到纹理更加清晰的图像；通过一组多通道的Gabor滤波器，可以获得纹理特征。

Gabor滤波器能够很好地兼顾信号在空间域和频率域中的分辨能力.

本实施方式采用的二维Gabor滤波函数数学表达式为：

复数表达：

复数表达中实数部分：

复数表达中虚数部分：

其中：

x′＝xcosθ+ysinθ

y′＝-xsinθ+ycosθ

其中x,y分别表示像素坐标位置,λ表示滤波的波长；(波长越大，黑白相间的间隔越大,θ表示Gabor核函数图像的倾斜角度；ψ表示相位偏移量，范围是-180～180；(ψ＝0时白条为中心，ψ＝180时，黑条为中心),σ表示高斯函数的标准差；(σ增大，条纹数量越多),γ表示长宽比，决定这Gabor核函数图像的椭圆率。(γ越小，核函数图像会越高)

Gabor滤波器的实现

对于碳纤维预浸料的疵点图像，经过一组不同径向中心频率和不同方向的Gabor滤波器处理后，疵点在不同滤波器作用下会有不同的表现形式.最后通过将不同径向中心频率和不同方向下的滤波结果融合成最终的处理结果，可以明显地将疵点突出出来。针对Gabor滤波器所获取的碳纤维预浸料疵点图像，采用3个中心频率(64、32、16)和4个方向(0、45、90、135)的Gabor滤波器组(共12个滤波器)来处理碳纤维预浸料疵点图像，过程如下：

将图像和Gabor滤波器分别利用傅里叶变换转换到频率域，将图像的离散傅里叶变换与Gabor滤波器的频率响应相乘，再将其进行离散傅立叶反变换后取模，得到滤波结果图像G，其中G为图像I和滤波器g(λ,θ)的卷积。

2)根据所得的标准碳纤维预浸料图像和样本碳纤维预浸料图像的滤波结果图像之差，取其绝对值得到偏差图像；再将偏差图像与阈值比较，小于阈值时偏差图像赋值为0，大予阈值时偏差图像值不变，其中m

将4个方向上的偏差图像进行融合，对融合后的图像二值化，得到碳纤维预浸料疵点检测结果图像，其中Ki(i＝1,2,3,4)(x,y)为处理后的4个方向图像，H(x,y)为融合后的图像。

H(x,y)＝(K

(4)纹理压缩，将纹理更加清晰的图像中的像素点进行压缩；碳纤维编织预浸料的组织结构图案中横纵纤维中均包括了特别多的像素点，如果直接计算的话计算量太大，本发明将横纵纤维中的每束中的像素点计算平均值，以平均值代替此束中的众多像素点，能够大大的减少计算量，方式如下：

根据识别步骤(3)得到的图像中的纤维的横纵根数，并根据横纵根数划分为与其相适配的区域，计算各个区域的像素点的平均像素值，P(x,y)为对H(x，y)求取平均像素值后的图像,根据阈值进行二值化处理得到纹理压缩后的图像D(x，y)；

阈值进行二值化处理方式如下：

D(x,y)为二值化处理后所得到的像素点，其中m为各区域像素值的平均值，τ是调节参数，n为预设的阈值；

(5)缺陷区域分析

将图像按照模板图像的大小分成几块区域，而后通过下公式将各个区域和目标模板进行比较；如本实施方式中图像模板为10*10，则将步骤(4)得到的D(x，y)也分为10*10，每区域与目标模板进行比较，计算出缺陷百分比数值，并将此数值与设定的疵点的阈值相比较，进而能够输出疵点区域，方式如下：

d(x,y)＝|D(x,y)-N|

其中d(x，y)为计算后的图像，N为模板图像，根据计算出各区域缺陷的百分比数值，设定一个认定存在疵点的阈值，将d(x，y)的各像素点进行求和后与图像模板中像素点之和作比，得出的结果与阈值相比较，若高于阈值则输出该区域编号。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。