自动检测系统可检测粗纱中跑出的细丝、线头和类似异物，并识别出碳纤维中的缺陷类型。从粗纱的初级生产到各种中间生产步骤，再到生产出最终尺寸的碳纤维，OptiMa III检测系统能够对碳纤维的整个生产过程，进行连续的自动化监控。在碳纤维的生产过程中对其进行检测，通常是手动完成的。由于纤维太细，人眼很难看到，因此手动检测是一个低效且不够准确的过程。此外，由于碳纤维的制造过程复杂且连续进行，这也使得在线手动检测不切实际。

为此，德国弗劳恩霍夫铸造、合成和加工技术研究所（Fraunhofer IGCV）于2016年开发了一套名为OptiMa II的自动化碳纤维检测系统，最近他们又将这套系统升级为OptiMa III。工业碳纤维制造商SGL Carbon公司是这个项目的合作者，帮助Fraunhofer IGCV在SGL Carbon的生产线上实施了这套自动化检测系统。除了碳纤维外，SGL Carbon还利用特种石墨、碳纤维和复合材料生产碳基解决方案。

碳纤维很细。参与该项目的Fraunhofer IGCV经理Steffen Geinitz和Andreas Margraf表示，单根碳纤维细丝的直径为7~12μm，约为0.0003英寸。

数千根纤维被合并到一根所谓的粗纱中，在一个包含三个阶段的连续生产过程中，数根粗纱被生产出来，同时碳纤维也从光亮的白色变为漆黑色。粗纱生产出来后，将树脂添加到粗纱中，随后它们被固化成需要的形状。

Fraunhofer IGCV表示，这些碳纤维会用于碳增强塑料中，而碳增强塑料广泛应用于飞机、汽车、运动设备或医疗领域，如假肢等。

人工检测粗纱会涉及通过人工观察检测生产线上的毛球，或称重检测是否有断裂的细丝，以检测出聚合松散的粗纱。此外，单批次纤维的性能可以借助机械测试，但这个测试是在制造过程完成后进行的。

自动化检测系统是如何工作的？

OptiMa III检测系统，能在粗纱生产过程中对其进行检测。

自动检测系统可检测粗纱中跑出的细丝、线头和类似异物，并识别出碳纤维中的缺陷类型。从粗纱的初级生产到各种中间生产步骤，再到生产出最终尺寸的碳纤维，OptiMa III检测系统能够对碳纤维的整个生产过程，进行连续的自动化监控。这个连续过程的监控目标，不仅包括航空航天级碳纤维的生产过程，还包括PAN拉丝过程——这是用聚丙烯腈生产碳纤维的上游生产过程。OptiMa III系统还对一种被称为铺网（spreading）的过程进行检测，在该过程中，多条粗纱会形成一个连续、平坦的纤维网。

检测过程的第一步，使用chromasens配置了CMOS图像传感器的allPIXA彩色线扫相机来拍摄图像，该相机能以高达1Gbps的速率捕获图像数据。该相机能生成分辨率高达15360像素×4线的彩色图像，像素大小5.6μm×5.6μm。

相机拍摄完图像后，来自Basler公司的图像采集卡microEnable 5 VD8 PoCL ironman，会将相机捕获的图像数据传输到板载FPGA。检测的目标是“实时地将发现并分离有异常的粗纱”。接下来，图像采集卡中的图像会被读取，并被存储到本地交换目录中。随后，基于PC的应用程序扫描交换目录，对新存储进来的图像进行处理。如果有新图像存储进来，深度学习模型会对图像进行处理，并扫描寻求异常特征。单个缺陷的数学描述被写入本地数据库，并传输给基于Web的应用程序，从而更新和显示过程状态。

检测系统使用了Basler公司的Visual Applets、chromasens公司的商业化通信和成像软件，以及MVTec software公司的HALCON软件。

为了扩展传感器的测量宽度，Fraunhofer IGCV设计了一种光学软件解决方案，该方案可以将相机的视野（FoV）增加到原来的三倍，同时保持相同的数据量。该系统设计的初衷主要是面向85mm的大尺寸线扫传感器。当然，它也适用于较小的线扫传感器或面阵传感器。

为了快速方便地将这套检测系统集成到生产过程中，该方案还提供了自动聚焦镜头，以补偿在生产过程中物体表面发生的波动。

Fraunhofer IGCV还部署了chromasens公司的Corona II照明系统，以确保漆黑的光纤会吸收大量光线的情况下，图像仍具有高对比度。Geinitz和Margraf表示：“由于生产过程的速度，是根据碳纤维制造过程已经预先定义好的，所以我们只有提高照明亮度来满足要求。”

制造商获得的好处

对于碳纤维制造商来说，在生产过程中能直接从纤维中获取检测信息，是该系统的主要优势。目前，通过该系统可以检测的异常和缺陷类型包括：从粗纱中逸出的单根长丝、小到几微米大小的碎屑，以及仅包含少数纤维的毛球。

Geinitz和Margraf总结说：“总之，各种异常都可以实时检测和分析。更深入的过程理解、持续的高分辨率图像监测，使制造商能够发现哪怕是最细微的缺陷，从而帮助制造商提高生产质量和生产效率。”

图1：OptiMa III系统的检测流程。（图片来源：Fraunhofer IGCV）

图字：

Mounting——安装  

Camera——相机 

Optics——光学部件 

Autofocus Mechanics——自动聚焦镜头

Illumination——照明

Housing of the optics——光学部件外壳 

Autofocus electrics——自动对焦电子器件

Water cooling——水冷

Frame grabber——图像采集卡

Autofocus uC——自动聚焦芯片 

Illumination controller——照明控制器

Mobile control cabinet——移动控制柜

图2：OptiMa III系统在碳纤维的整个制造过程中，检测缺陷。（图片来源：chromasens）

（文章转载自网络，如有侵权，请联系删除）