一种复合材料预制体制造过程中多束纤维张力实时在线检测方法技术

本发明专利技术涉及一种复合材料织造过程中，多束纤维张力的实时在线检测方法，属于复合材料、机械织造和计算机技术的交叉领域。本发明专利技术方法的步骤为：采用工业CCD相机自动采集织造过程中的多束纤维的灰度图像，对灰度图像进行中值滤波处理，采用加阈值的Canny算子边缘提取算法提取图像内纤维和背景间的边缘线，利用B样条曲线自动搜索单根纤维边缘线，通过公式计算纤维的实时张力。本发明专利技术提出的复合材料预制体织造过程中多束纤维张力实时在线检测方法，自动化程度高，可实现多束纤维张力的实时在线检测。相对于传统张力检测的方法，可有效的降低多纤维张力值的检测成本，降低设备控制难度，同时相比于接触式测量，可避免纤维因摩擦产生的磨损。

A Real-time On-line Testing Method of Multi-bundle Fiber Tension in the Manufacturing Process of Composite Prefabrication

【技术实现步骤摘要】
一种复合材料预制体制造过程中多束纤维张力实时在线检测方法
本专利技术涉及一种复合材料预制体织造过程中张力检测的方法，属于复合材料、机械织造与计算机技术的交叉

技术介绍
以连续纤维增强复合材料为代表的先进复合材料具有远高于钢铁材料的比刚度和比强度，此外还具有耐腐蚀、抗疲劳性能好以及可设计性强等优势，被广泛应用于运载火箭、卫星、风力发电、轨道交通等工业领域。长久以来，二维结构复合材料由于制作简单、成形工艺及设备成熟，是复合材料结构中应用最为广泛的结构之一。三维结构复合材料在厚度方向引入增强体，解决了二维复合材料分层阻抗低、易脱层等问题，是目前先进复合材料研究的主要方向，其中针对三维结构复合材料的新工艺和新装备成为研究的热点和难点。现有的三维结构复合材料制备工艺较为繁琐、织造周期长且人工干预较多，造成复合材料的成形性能不稳定；此外，在织造过程中，设备的自动化水平较低，工艺参数检测和调控方法还不成熟。近年来，研究人员对张力的检测方法进行了大量的研究，但大多为采用张力传感器且仅对单根纤维的张力进行检测。本专利技术提出了一种基于机器视觉的多束纤维张力的实时检测方法。可对多束纤维张力进行实时在线检测，该方法能够有效的检测织造过程中各根纤维的实时张力，为后续的张力调控提供反馈信息，以达到复合材料预制体的形性控制，避免复合材料构件的反复试制，缩短复合材料构件的织造周期、降低织造成本，为实现大型、复杂结构高性能复合材料构件的高精高效织造提供了基础。
技术实现思路
本专利技术主要是提供一种复合材料预制体织造过程中纤维多束张力实时在线检测的方法，从而实现了大型、复杂结构高性能复合材料预制体织造过程中的张力的低成本、快速精准检测。1.一种多束纤维张力实时在线检测方法，具体步骤如下：①图像采集；采用工业CCD相机自动采集织造过程中的多束纤维图像，采集的图像为灰度图像，图像尺寸、对比度等固定不变；②图像预处理；对灰度图像进行中值滤波处理，实现图像边缘保真情况下图像的降噪复原。并对图像进行二值化处理。在图像采集过程中有残留噪音的存在，该白色干扰区域均小于纱线区域，设置最小连通区域面积，采用删除最小连通区域面积的方法消除图像残留噪音，完整提取纱线的区域；③纱线边缘线提取；在黑白二值图中的纱线白色区域，由于图像拍摄角度以及材质反光等原因会产生“黑色缺失区域”，为避免将其误判断为纱线边缘，对其进行区域填充处理，采用加阈值的Canny算子边缘提取算法提取图像内纤维和背景间的边缘线；④根据灰度图像，绘制垂直于碳纤维运动路径的截线B样条曲线。其中，截线像素值i为X轴，灰度值ft(j)为Y轴；对B样条曲线进行一阶差分和二阶差分；⑤从左往右搜索一阶差分第一个和第二个由正变负的零点i0和i'0，过零点往左右两侧搜索二阶差分过零点i1、i2、i3及i4。取t1＝1i2+i/2，t2＝i3+i4/2作为碳纤维两端的边缘线；⑥绘制点r1＝t1+t2/2在织造过程中的波动曲线，得到曲线的角频率ω，根据公式获得曲线的频率。根据公式T＝4αf2l2ρ+β得出碳纤维的张力值，其中，f为获得曲线的频率，l为所测段碳纤维的长度，ρ为碳纤维的密度，α和β为修正系数；⑦重复步骤⑤和⑥，实现多束纤维的实时在线检测。2.图像采集系统包括工业CCD相机、条形光源和光源控制器等；3.所述的纤维为碳纤维、芳纶纤维、尼龙纤维、陶瓷纤维、玻璃纤维、碳纳米管纤维中的一种或多种；4.所述的多束为2根及以上；5.所述的碳纤型号为1k、3k、6k、12k和24k；6.所述的方法可检测处于同一平面内的多束纤维张力，对于处于不同平面但在空间内平行且无相互遮挡的多束纤维张力也可测量；7.所述的方法图像采集方法可为单目、双目或多目；8.所述的方法相机可为线阵相机，也可为面阵相机等；9.所述的方法光源可为线光源、面光源、圆形光源、激光光源等；10.所述的方法可以检测多向纤维的张力，即为在多束纤维内方向相同，但多束纤维间的方向不同。本专利技术有益的效果是：1.该方法自动化程度高，可实现多束纤维张力的实时在线检测，满足大型、复杂结构复合材料预制体织造过程中对张力检测的需要。2.相比于传统张力传感器的检测张力的方法，该方法可有效的降低多纤维张力值的检测成本，降低设备控制难度。3.该方法属于无接触式测量，相比于接触式测量，可避免纤维因摩擦产生的磨损。附图说明图1为本专利技术复合材料预制体织造过程中多束纤维张力实时在线检测方法的示意图。附图标记1—工业相机2—多束纤维3—线性光源具体实施方式以下结合附图对本专利技术进行详细的说明。本专利技术的多束碳纤维张力检测方法具体步骤如下：A、采用线性CCD相机自动采集织造过程中的多束纤维图像，采集的图像为灰度图像，图像尺寸480×360及对比度-4等固定不变；B、对灰度图像进行中值滤波处理，实现图像边缘保真情况下图像的降噪复原。设置灰度阈值，将灰度图转化为黑白二值图；其中，纱线区域呈白色，背景区域呈黑色；将图像上灰度值小于90的像素点置为0，图像上灰度值大于等于90的像素点置为255，将整个图像呈现出明显的黑白效果；设置最小连通区域面积，采用删除最小连通区域面积的方法消除图像残留噪音，完整提取纱线区域，本例设置小于等于5000的连通区域置为0；C、在黑白二值图中的纱线白色区域，由于图像拍摄角度以及材质反光等原因会产生“黑色缺失区域”，为避免将其误判断为纱线边缘，对其进行区域填充处理，采用加阈值的Canny算子边缘提取算法提取图像内纤维和背景间的边缘线，其中Canny算子的阈值设为[0.1,0.3]；D、根据灰度图像，绘制垂直于碳纤维运动路径的截线B样条曲线。其中，截线像素值i为X轴，灰度值ft(j)为Y轴；对B样条曲线进行一阶差分和二阶差分；E、从左往右搜索一阶差分第一个和第二个由正变负的零点i0和i'0，过零点往左右两侧搜索二阶差分过零点i1、i2、i3及i4。取t1＝i1+i2/2，t2＝i3+i4/2作为碳纤维两端的边缘线；F、绘制点r1＝t1+t2/2在织造过程中的波动曲线，得到曲线的角频率ω，根据公式获得曲线的频率。根据公式T＝4αf2l2ρ+β得出碳纤维的张力值，其中，f为获得曲线的频率，l为所测段碳纤维的长度，ρ为碳纤维的密度，α和β为修正系数；G、重复步骤E和F，分别获取纤维的边缘线并计算出各根碳纤维的张力值，实现多束纤维的实时在线检测。上述实施例是对本专利技术的上述内容作进一步的说明，不应将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于上述实施例。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多束纤维张力实时在线检测方法，具体步骤如下：①图像采集；采用工业CCD相机自动采集织造过程中的多束纤维图像，采集的图像为灰度图像，图像尺寸、对比度等固定不变；②图像预处理；对灰度图像进行中值滤波处理，实现图像边缘保真情况下图像的降噪复原。并对图像进行二值化处理。在图像采集过程中有残留噪音的存在，该白色干扰区域均小于纱线区域，设置最小连通区域面积，采用删除最小连通区域面积的方法消除图像残留噪音，完整提取纱线的区域；③纱线边缘线提取；在黑白二值图中的纱线白色区域，由于图像拍摄角度以及材质反光等原因会产生“黑色缺失区域”，为避免将其误判断为纱线边缘，对其进行区域填充处理，采用加阈值的Canny算子边缘提取算法提取图像内纤维和背景间的边缘线；④根据灰度图像，绘制垂直于碳纤维运动路径的截线B样条曲线。其中，截线像素值i为X轴，灰度值ft(j)为Y轴；对B样条曲线进行一阶差分和二阶差分；⑤从左往右搜索一阶差分第一个和第二个由正变负的零点i0和i'0，过零点往左右两侧搜索二阶差分过零点i1、i2、i3及i4。取t1＝i1+i2/2，t2＝i3+i4/2作为碳纤维两端的边缘线；⑥绘制点r1＝t1+t2/2在织造过程中的波动曲线，得到曲线的角频率ω，根据公式...

【技术特征摘要】
1.一种多束纤维张力实时在线检测方法，具体步骤如下：①图像采集；采用工业CCD相机自动采集织造过程中的多束纤维图像，采集的图像为灰度图像，图像尺寸、对比度等固定不变；②图像预处理；对灰度图像进行中值滤波处理，实现图像边缘保真情况下图像的降噪复原。并对图像进行二值化处理。在图像采集过程中有残留噪音的存在，该白色干扰区域均小于纱线区域，设置最小连通区域面积，采用删除最小连通区域面积的方法消除图像残留噪音，完整提取纱线的区域；③纱线边缘线提取；在黑白二值图中的纱线白色区域，由于图像拍摄角度以及材质反光等原因会产生“黑色缺失区域”，为避免将其误判断为纱线边缘，对其进行区域填充处理，采用加阈值的Canny算子边缘提取算法提取图像内纤维和背景间的边缘线；④根据灰度图像，绘制垂直于碳纤维运动路径的截线B样条曲线。其中，截线像素值i为X轴，灰度值ft(j)为Y轴；对B样条曲线进行一阶差分和二阶差分；⑤从左往右搜索一阶差分第一个和第二个由正变负的零点i0和i'0，过零点往左右两侧搜索二阶差分过零点i1、i2、i3及i4。取t1＝i1+i2/2，t2＝i3+i4/2作为碳纤维两端的边缘线；⑥绘制点r1＝t1+t2/2在织造过程中的波动曲线，得到曲线的角频率ω，根据公式获得曲线的频率。根据公式T＝4αf2l2ρ+β得出碳纤维的张力值，其中，f为获得曲线的频率，l为所测段碳纤维的长度，ρ为碳纤维的密度，α和β为修正系数；⑦重复步骤⑤和⑥，实现多束纤维的实时在线检测。2.根据权利要求1所述的复合材料预制体织造过程中多束纤维...

【专利技术属性】
技术研发人员：单忠德，李思源，战丽，刘丰，
申请(专利权)人：北京机科国创轻量化科学研究院有限公司，机械科学研究总院集团有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11