碳纤维三维机织预制体在线自动检测系统的应用_梁洁洁.pdf

玻璃纤维2023 年 第 2 期 1技术研究中图法分类号：V258 文献标识码：A碳纤维三维机织预制体 在线自动检测系统的应用*梁洁洁，王 克，韩晨晨，周海丽（南京玻璃纤维研究设计院有限公司，南京210012）摘 要：通过设计3种表面纹路相似的不同组织结构、不同纬密的碳纤维三维机织预制体，在其织造过程中应用视觉检测系统对预制体进行在线实时监测，验证图像识别技术在碳纤维三维机织预制体织造过程中纬密检测的精确度及稳定性。关键词：三维机织预制体；在线检测；自动检测；图像识别；纬密ApplicationofOnlineAutomaticDetectionSystemforCarbonFiber3DWovenPreforms*LiangJiejie,WangKe,HanChenchen,ZhouHaili(NanjingFiberglassResearch&DesignInstituteCo,.Ltd.,Nanjing210012)Abstract:Three kinds of carbon fiber three-dimensional woven preforms with similar surface textures,different weave structures and different weft counts were designed.An automatic detection system was used for online real-time monitoring of the preform to verify the accuracy and stability of the weft count detection by the image recognition technology in the weaving process of the carbon fiber three-dimensional woven preforms.Key words:3D woven preform;online detection;automatic detection;image recognition;weft count0 前言碳纤维复合材料具有较高的比强度、比模量、良好的抗疲劳性、优良的耐高温性和吸音、隔音等特性，越来越多地被使用在航空航天、工业和商业领域。碳纤维三维机织预制体作为复合材料增强基体，内部结构复杂，由经纬纱线多层相互交织形成整体的空间网状结构，使其具有极高的外形结构和力学性质可设计性，可织造出连续变厚度复杂曲面的三维异形截面复合材料预制件。在织造过程中，纤维经过庞大而复杂的织造生产路径后，被制备成复合材料预制体。复合材料预制体的均匀性对复合材料的性能有重要影响，如预制体存在不均匀的质量问题，部件受外部冲击载荷时，该处会形成薄弱区或应力集中区，局部发生失效，导致部件的损坏等1。因此，均匀性是预制体的质量关键控制点。在织造时，织物的纱线密度是保证预制体均匀性的重要参数，通过对预制体的密度进行实时监控，以国家科技重大专项（2017-VII-0011-0106）经费资助收稿日期：2022-08-13修回日期：2022-12-19作者简介：梁洁洁（1996），女，助理工程师。主要从事高性能纤维三维纺织结构复合材料预制体质量控制。梁洁洁，等：碳纤维三维机织预制体在线自动检测系统的应用*DOI:10.13354/32-1129/tq.2023.02.004玻璃纤维2023 年 第 2 期 2技术研究保障预制体的成品质量。在传统纺织业中，对纺织品的密度检测主要依靠人工完成，如利用钢直尺、照布镜、密度分析镜等测量工具2。这种人工检测方式检测效率低，劳动强度大，存在人为主观性，无法保证检测精度及质量。目前，图像识别技术在纺织行业快速发展，且广泛应用于二维平面机织物的质量控制和成品检验中。而对于碳纤维三维机织预制体基于图像处理进行自动检测却少有研究。碳纤维三维机织预制体因其特有的空间网状结构，并具有一定的厚度，同时碳纤维由上千根单纤维丝束组合而成，外观呈扁平状，因其抱合力差、抗剪切力差，在织造时极易产生毛头或断纱，这就导致碳纤维三维机织预制体在织造上具有一定难度，因此在连续化生产中保证预制体的表观质量稳定十分重要。当前对于三维机织预制体的表观质量控制主要采用人工目视检测，工作量大、耗时长、检测精度低。在预制体连续化织造时，因预制体尺寸较大，且人工检测存在一定的检测死角，无法更好地满足产品检测的需求。因此，研究在线自动检测系统在碳纤维三维机织预制体织造过程中进行检测，实现实时在线监控对提升三维织造自动化水平具有重要意义。1 视觉检测系统为了实现实时在线监控，引入图像识别系统，架设在碳纤维三维机织预制体连续化生产设备上。在织轴前45方向，位于织造区和卷曲轴过度带，卷绕内外侧均架设横梁，横梁上排布CMOS摄像机与远心光源补光，视觉检测系统示意图如图1所示。视觉检测系统主要由自动检测平台和自动检测系统组成，其中自动检测平台主要通过LED工业光源照亮布面，计码器负责读取织机的速度，采用CMOS摄像机对预制体的表面信息进行图片采集；自动检测平台硬件系统配置PLC电气控制系统及便捷人机交互界面，保证适应不同工艺预制体可进行灵活设置，控制系统操作界面如图2所示。图1 视觉检测系统示意图卷曲辊PLC 控制面板摄像机织口图2 控制系统操作界面视觉检测系统软件部分的核心是图像处理的算法，图像处理算法决定了本检测系统能否实时、准确、高效地完成预制体的检测。软件架构部分则是设计的人机界面，封装图像处理算法。硬件部分最主要的则为光学成像单元，该部分对采集图像的质量起着决定性作用，而质量高的图像可以降低图像算法的难度，提高算法的可行性、效率和准确性，该部分对检测系统的实际应用有重要的作用。系统的光学成像单元主要由工业相机、镜头以及光源组成。相机和镜头用来采集预制体的图像，合适的相机、镜头可以采集到高质量的数字图像。光源为预制体检测系统提高照明，良好的打光可以着重凸显预制体的特征，同时抑制不需要的背景部分的干扰。其工作流程主要是先通过图像采集系统将目标对象转换为数字图像，将数字图像传输给图像处理系统，图像处理系统对这些数字图像经过各种梁洁洁，等：碳纤维三维机织预制体在线自动检测系统的应用*玻璃纤维2023 年 第 2 期 3技术研究梁洁洁，等：碳纤维三维机织预制体在线自动检测系统的应用*运算，分析图像的特征，做出判别结果，最后根据得到的结果来控制机构的下一步动作，其原理如 图3所示3。视觉检测系统硬件采用的CMOS摄像机取向精度高、成像像素清晰，在远心光源补光下，可清晰地分辨预制体表面纱线排列信息。同时预制体表面疵点、组织结构错误等问题也可清晰识别，加以算法代码支撑，依托控制服务平台即可实现表观质量自动识别能力，同时与碳纤维三维机织预制体连续化织造设备主要运动机构建立端口连接，实现表观质量问题检测、识别与控制。图3 视觉检测系统原理图2 实验部分2.1 实验原料CCF800G聚 丙 烯 晴 基 碳 纤 维，CCF800G 2-12K-11-11，威海拓展纤维有限公司。2.2 设备仪器视觉检测系统，非标，上海盎古科技有限公司。2.3 碳纤维三维机织预制体制备三维机织物是由经纬纱相互垂直交织而成，且在厚度方向具有一定的深度，通常以经纱的弯曲状态较为明显，纬纱基本呈现平直状态交织。根据经纬纱线不同的交织规律，在二维平面织物的三原组织平纹、斜纹和缎纹基础上，分别设计浅交弯联+衬经、一三斜纹和缎纹3种不同结构的碳纤维三维机织预制体4，每种结构织物分别设计 2.0根/cm、2.5根/cm、3.0根/cm三种不同纬密，不同组织结构的三维织物工艺参数如表1所示，三种组织基元结构如图4所示，实物效果图如图5、图6、图7所示。表1 工艺参数设计织物结构层数厚度/mm经密/根cm-1纬密/根cm-1长度/cm幅宽/cm浅交弯联+衬经7610.02.025502.53.0一三斜纹7610.02.025502.53.0缎纹7610.02.025502.53.0 a.浅交弯联 b.一三斜纹 c.缎纹图4 三维机织结构 a.纬密2.0根/cm b.纬密2.5根/cm c.纬密3.0根/cm图5 浅交弯联+衬经结构玻璃纤维2023 年 第 2 期 4技术研究3 纬密检测及计算方法3.1 人工检测人工纬密检测以GB/T 7689.2-2013增强材料 机织物试验方法第2部分：经、纬密度的测定内容中测量位置选择与数据测量操作方法为根本，结合，“定数读长”经纬纱密度检测方法，即读取连续若干数量纱线间长度计算得到纱线纬密。纬密度测量采用钢板尺人工测量，以其中一根纬纱起始记录连续10根纬纱的长度，每个测定值按公式（1）计算纱线纬密值。Pw=N L （1）式中：PW纬纱密度，根/10 cm；N测试的纱线总根数，根；L测试长度，cm。3.2 视觉在线检测视觉检测系统在线检测纬密采用的是在相机采集一帧图像的宽度内（10 cm），测量纬数，即定长度、数纬数计算纬密5。视觉检测系统能够实时计算、显示某一区域内的纬向密度值，检测到区域内的纬密出现异常，与标准值的误差大于规定的数值，输出报警信号，机器停车，等待人工处理。视觉检测系统采集图像如图8所示。a.纬密2.0根/cm b.纬密2.5根/cm c.纬密3.0根/cm图6 一三斜纹结构 a.纬密2.0根/cm b.纬密2.5根/cm c.纬密3.0根/cm图7 缎纹结构 a.浅交弯联+衬经 b.一三斜纹 c.缎纹图8 不同结构图像采集效果图梁洁洁，等：碳纤维三维机织预制体在线自动检测系统的应用*玻璃纤维2023 年 第 2 期 5技术研究梁洁洁，等：碳纤维三维机织预制体在线自动检测系统的应用*4 实验结果对比通过织机织造不同结构、不同纬密的预制体，在视觉检测系统的视野范围内，人工和系统对这一区域进行检测。人工检测按照3.1的方法进行取样和检测，将最终计算结果乘以10换算成每10 cm内的纱线根数，视觉在线检测系统按照3.2的方法进行检测。将人工检测的数值与系统检测的数值进行比较，以人工检测为标准，判断系统检测结果的精准度6。每种结构织物不同纬密分别测量5次，按公式（2）计算人工测量结果与视觉检测系统检测结果间的误差，检测结果对比如表2、表3、表4所示。误差=(X-R )100%R（2）式中：X 视 觉 检 测 系 统 测 量 纬 密 值，根/10 cm；R人工测量纬密值，根/10 cm。表2 浅交弯联+衬经结构纬密实测结果设计纬密20/根10 cm-125/根10 cm-130/根10 cm-1测量结果人工测量自动测量测量误差/%人工测量自动测量测量误差/%人工测量自动测量测量误差/%No.120.4 19.92-2.3925.3 25.12-0.7830.3 29.78-1.73No.220.2 19.85-1.7425.325.16-0.6230.329.89-1.36No.320.219.79-2.0425.325.13-0.7429.9 29.92 0.23No.420.4 19.83-2.8325.025.06 0.2430.3 30.28-0.08No.520.2 19.79-2.0425.3 25.04-1.0930.3 30.30-0.01均值20.3 19.84-2.2125.3 25.10-0.6030.0 0.24-0.59CV 值/%0.560.270.560.200.670.80 表3 一三斜纹结构纬密实测结果设计纬密20/根10 cm-125/根10 cm-130/根10 cm-1测量结果人工测量自动测量测量误差/%人工测量自动测量测量误差人工测量自动测量测量误差/%No.120.0 19.96-0.2025.6 24.96-2.66%30.3 29.91-1.30No.220.2 19.97-1.1525.6 25.35-1.14%30.3 30.24-0.21No.320.019.97-0.1525.3 25.18-0.54%30.3 30.13-0.57No.420.219.91-1.4525.6 25.35-1.14%30.3 29.96-1.13No.520.0 19.94-0.3025.3 25.38 0.25%30.3 30.05-0.84均值20.1 19.95-0.6525.5 25.24-1.04%30.3 30.06-0.81CV 值/%0.550.130.700.700.000.44 表4 缎纹结构纬密实测结果设计纬密20/根10 cm-125/根10 cm-130/根10 cm-1测量结果人工测量自动测量测量误差/%人工测量自动测量测量误差人工测量自动测量测量误差/%No.120.4 20.13-1.3625.0 24.93-0.28%30.3 29.92-1.26No.220.4 20.10-1.5125.0 24.95-0.20%29.9 29.92 0.23No.320.4 20.20-1.0225.3 25.08-0.93%29.9 30.03 0.60No.420.0 20.15 0.7525.0 24.94-0.24%29.9 29.96 0.37No.520.2 20.15-0.2625.0 25.03 0.12%30.3 30.05-0.84均值20.320.15-0.68%25.1 24.99-0.31%30.0 29.98-0.18CV 值/%0.900.180.560.260.820.20分析上表可知，浅交弯联+衬经结构纬密检测人工测量结果与视觉在线检测结果误差较大，最大误差达2.83%；而一三斜纹和缎纹结构最大误差在1%左右，其中缎纹结构相对误差最小。导致这一现玻璃纤维2023 年 第 2 期 6技术研究象产生的原因是浅交弯联+衬经结构预制体经纬纱交织密集，织物紧度大，且碳纤维三维机织预制体具有一定厚度，在连续化织机织造过程中存在一定难度，导致预制体质量不稳定。一三斜纹和缎纹组织结构纱线排列相对松散，便于碳纤维三维机织预制体连续化织造，因此一三斜纹和缎纹在生产过程中预制体质量较为稳定。分析人工测量结果和自动测量结果可知，人工测量读数精度仅可保留1位小数，而自动检测系统的测量结果可精确保留2位小数，且自动检测系统测量的CV值普遍低于人工测量结果，基本保持在0.50%范围内，说明在线自动检测系统检测性能较为稳定；人工和自动测量误差均值在1%以内，自动检测结果与人工检测结果相差不大，说明利用在线自动检测系统对碳纤维三维机织预制体进行实时监测可行性较好且检测数据可靠，检测精度更高，提升检测效率。5 结论本文介绍了在碳纤维三维机织预制体织造时，为了实现实时在线监控，引入在线自动检测系统对碳纤维三维机织预制体进行检测。通过设计3种不同结构、不同纬密的预制体对在线自动检测系统进行验证，以人工测量和系统测量结果相比较，判断系统检测结果的精准度及稳定性。经对比验证表明，在线自动检测系统的检测精度高于人工检测。但在织造试验中发现，因碳纤维丝束本身抱合力差，在织造时易产生毛丝，导致织物表面产生疵点，从而影响系统对预制体质量的最终检测结果判定，检测结果存在一定的误差。后续可对如何减小预制体表观疵点对检测结果的影响展开进一步研究。参考文献：1杨涛.碳纤维三维机织复合材料及其性能研究 D.武汉纺织大学，2013.2勇金华，谢莉青，王秋美.机织物经纬密度的图像测量-I测量方法 J.纺织标准与质量，2008（5）：36-37.3勇金华.机织物结构参数的图像测量的研究 D.青岛大学，2009.4罗春.基于机器视觉的织物纬密度测量方法研究 D.江苏大学，2013.5李丽丽.织物经纬密度的数字化分析系统 J.纺织科学研究，2008（03）：38-44.6高卫东，刘基宏，徐伯俊，等.织物中纬纱排列参数的自动识别 J.棉纺织技术，2002（01）：28-31.梁洁洁，等：碳纤维三维机织预制体在线自动检测系统的应用*