基于复合位感图栅的大量程视觉位移测量装置及测量方法

本发明涉及机器视觉位移测量，特别是基于复合位感图栅的大量程视觉位移测量装置及测量方法。

背景技术：

1、大量程精密位移测量技术及器件作为高端机床装备和超精密高端装备的核心技术和关键功能部件，是实现精密定位与控制的“眼睛”，直接决定主机的性能。没有超精密测量，就不会有高质量的高端装备制造。如机床加工中刀具进给量的精确测量及位置反馈等对于零件的加工质量至关重要。

2、当前可实现大位移测量的技术主要包括激光干涉法、光栅测量法和时栅测量法等。光学干涉系统复杂、造价昂贵、难以高度集成，限制了其在普通测量场合中的应用。光栅其测量精度依赖于栅距的制造精度，位移分辨力依赖于栅距的细分精度和电子细分技术，对于大量程的光栅制造还存在难度。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于复合位感图栅的大量程视觉位移测量装置及测量方法，该方法是将复合位感图栅预制于基尺上，成像模组对位感图栅尺连续成像，并将获得的图片传输至图像处理模块，通过对图栅图像进行分析、计算、解包裹，建立起成像图栅相位与实际位移之间的映射关系，以实现对待测位移的精密测量。该测量装置结构简单，测量方法易于实现，可在多种复杂环境下精密测量。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：基于复合位感图栅的大量程视觉位移测量装置，包括复合位感图栅尺、位移测量滑动平台、成像模组和图像处理系统；所述成像模组由相机模块、存储模块、图像传输模块和光源组成。

3、在一较佳的实施例中，所述的复合位感图栅尺是由复合位感图栅和基尺组成，基尺表面平整，复合位感图栅预制于基尺表面，用以建立待测位移和位感图栅信息之间的映射关系。

4、在一较佳的实施例中，所述的复合位感图栅尺表面是由两组相位差为的同频正弦条纹复合组成，分别为sin条纹图栅组和cos条纹图栅组，条纹的周期为p周期/cm，采用成像模块对其进行图像采集时可以同时获得两组图栅信息。

5、在一较佳的实施例中，所述相机模块的相机安装于条纹图栅的对称平面内，成像光轴与图栅尺平面垂直；成像模块按预定的帧率采集位感图栅图像并将图栅图像传输至存储模块，图像传输模块将存储模块中采集到的位感图栅图像传输至图像处理模块进行信号处理。

6、在一较佳的实施例中，所述的位移测量滑动平台将位感图栅尺和导轨平行固定在特定位置，并安装光源为成像模组采集位感图栅提供稳定的外部光环境，安装于导轨上的相机模块成像光轴与图栅尺平面垂直且距离固定，保证条纹图像的成像距离固定，使得相机模块更好地采集位感图栅图像。

7、在一较佳的实施例中，所述的位移测量滑动平台与被测对象连接，其位置跟随被测对象的运动在滑轨上滑动。

8、在一较佳的实施例中，所述的光源为成像模组获取位感图栅基尺的图栅图像提供稳定的光环境，强化图栅表面强度信息，避免因光环境的改变对图栅信息采集结果造成影响。

9、本发明还提供了基于复合位感图栅的大量程视觉位移测量装置的测量方法，采用了上述的基于复合位感图栅的大量程视觉位移测量装置，包括如下步骤：

10、步骤s1：将复合位感图栅预制于基尺表面，将位感图栅尺平行于滑动导轨固定在位移测量滑动平台上；调整好相机模块位置，使其成像范围对准位感图栅尺；设定以固定的帧率实现对位感图栅尺的连续成像，并将采集到的位感图栅图像传输至图像处理系统；

11、步骤s2：图像处理系统将成像模块输入的位感图栅图像进行预处理，预处理之后将获取的每一张位感图栅图的函数信息分别与两母波函数进行相关系数计算，获取其相位信息，从而建立相位与位移之间的对应数学关系，进行相关计算后得到所测位移信息。

12、在一较佳的实施例中，所述步骤s2具体步骤为：

13、s21：对每帧成像的位感条纹进行截取有效条纹信息，截取时应该以成像传感器中心为对称点，截取对称相同行数的sin条纹图栅图像和cos条纹图栅图像；

14、s22：通过频谱分析方法计算成像sin和cos条纹图栅的条纹频率f1，通过保留相位信息的带通滤波器对sin和cos条纹图栅进行滤波保留主频成分[0.5f1,1.5f1]；滤波后求sin和cos条纹图的平均条纹强度信号isin和icos，并对平均条纹强度信号isin和icos加汉宁窗；

15、s23：通过频谱分析方法计算首帧平均条纹强度信号isin和icos的条纹频率，计算得到其频率平均值f2，得到条纹强度信号isin的采样点数n；通过程序生成两组初始相位为零，频率为f2，采样点数等于n的sin和cos母波条纹信号imsin和imcos，并对母波条纹进行加汉宁窗；

16、s24：计算每帧图栅条纹加窗平均条纹强度信号isin与加窗母波条纹信号imsin和imcos的相关系数ρ11sin和ρ12sin，计算ρ11sin和ρ12sin的比值ψsin，ψsin的值位于-1和1之间，通过计算ψsin的反正切值得到相位值

17、s25：计算每帧图栅条纹加窗平均条纹强度信号icos与加窗母波条纹信号imsin和imcos的相关系数ρ21cos和ρ22cos，计算ρ21cos和ρ22cos的比值ψcos，ψcos的值位于-1和1之间，通过计算ψcos的反正切值得到相位值

18、s26：重复s21至s25计算得到每帧图栅条纹的相位值，得到sin条纹图栅图像和cos条纹图栅图像的包裹相位序列和通过解包裹方法得到解包裹相位和

19、s27：通过公式(1)计算解包裹相位和的位移序列dsin(i)和dcos(i)

20、

21、s28：计算位移序列dsin(i)和dcos(i)的平均值即可得到每帧图栅条纹对应的实际位移。

22、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明设计出一种基于复合位感图栅尺的大量程、高精度位移测量装置和方法，通过复合位感图栅尺实现位移信息的编码，采用成像模块对位感图栅尺表面图栅条纹进行成像，并通过提出的位移解码算法即可实现直线位移的高精度测量，相比于现有的测量装置和方法，该方法不仅极大的降低了制造成本和更换成本，也使得位移精密测量更加高效、便捷。

技术特征：

1.基于复合位感图栅的大量程视觉位移测量装置，其特征在于包括复合位感图栅尺、位移测量滑动平台、成像模组和图像处理系统；所述成像模组由相机模块、存储模块、图像传输模块和光源组成。

2.根据权利要求1所述的基于复合位感图栅的大量程视觉位移测量装置，其特征在于，所述的复合位感图栅尺是由复合位感图栅和基尺组成，基尺表面平整，复合位感图栅预制于基尺表面，用以建立待测位移和位感图栅信息之间的映射关系。

3.根据权利要求1所述的基于复合位感图栅的大量程视觉位移测量装置，其特征在于，所述的复合位感图栅尺表面是由两组相位差为的同频正弦条纹复合组成，分别为sin条纹图栅组和cos条纹图栅组，条纹的周期为p周期/cm，采用成像模块对其进行图像采集时可以同时获得两组图栅信息。

4.根据权利要求1所述的基于复合位感图栅的大量程视觉位移测量装置，其特征在于，所述相机模块的相机安装于条纹图栅的对称平面内，成像光轴与图栅尺平面垂直；成像模块按预定的帧率采集位感图栅图像并将图栅图像传输至存储模块，图像传输模块将存储模块中采集到的位感图栅图像传输至图像处理模块进行信号处理。

5.根据权利要求1所述的基于复合位感图栅的大量程视觉位移测量装置，其特征在于，所述的位移测量滑动平台将位感图栅尺和导轨平行固定在特定位置，并安装光源为成像模组采集位感图栅提供稳定的外部光环境，安装于导轨上的相机模块成像光轴与图栅尺平面垂直且距离固定，保证条纹图像的成像距离固定，使得相机模块更好地采集位感图栅图像。

6.根据权利要求1所述的基于复合位感图栅的大量程视觉位移测量装置，其特征在于，所述的位移测量滑动平台与被测对象连接，其位置跟随被测对象的运动在滑轨上滑动。

7.根据权利要求1所述的基于复合位感图栅的大量程视觉位移测量装置，其特征在于，所述的光源为成像模组获取位感图栅基尺的图栅图像提供稳定的光环境，强化图栅表面强度信息，避免因光环境的改变对图栅信息采集结果造成影响。

8.基于复合位感图栅的大量程视觉位移测量装置的测量方法，其特征在于采用了上述权利要求1-7中任意一项所述的基于复合位感图栅的大量程视觉位移测量装置，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的基于复合位感图栅的大量程视觉位移测量装置的测量方法，其特征在于所述步骤s2具体步骤为：

技术总结
本发明提供了复合位感图栅的大量程视觉位移测量装置及测量方法，测量装置包括位感图栅尺、位移测量滑动平台、成像模组、光源和图像处理系统；所述位感图栅预制于基尺表面；所述成像模组固定在滑块上沿滑轨可以进行直线往复运动；所述位移测量滑动平台安装于滑轨上；所述光源为相机模块提供可靠稳定的外部光环境；所述图像处理系统为处理相机模块采集通过图像传输模块传输至图像处理系统的位感图栅图像。本发明通过图栅条纹实现大直线位移的测量，可以低成本高效率地实现图栅尺制制作，可实现直线位移高效率、高精度的测量。

技术研发人员：钟剑锋,卢飞鸿,涂增仁,冯斌,陈钰龙,钟舜聪
受保护的技术使用者：福州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/19