光栅在驱动控制系统运动位移测量中的应用

利用计量光栅的栅距作为基准刻线,对二维精密工作台的运动位移进行测量,提出了一种新的位移测量方法。通过CCD(charge coupled device)获取光栅刻线图像,对图像进行分析处理,计算出栅距与图像像素之间的映射系数,再通过对工作台移动前后光栅图像的对比,采用基于李萨如图的相位差比率算法获取它们的像素位置差,从而计算出工作台的实际运行位移量。     

基于超分辨率重建的亚像素图像配准

针对低分辨率图像在配准过程中精度较低的问题,提出了一种基于超分辨率重建的亚像素图像配准方法。首先,对具有1至9像素位移的图像序列进行10倍降采样,获取具有0.1至0.9亚像素位移的图像序列。然后,根据图像的获取过程建立数学模型,以Bayes理论为基础,使用最大后验概率法(MAP)对亚像素位移低分辨率图像进行超分辨率重建,获取高分辨率图像。最后,使用具有亚像素配准精度的扩展相位相关法对图像进行配准。配准实验与噪声实验表明,所提方法的最大配准误差为0.03pixel,能实现对低分辨率图像的亚像素级配准,具有配准精度高、噪声抗干扰能力强等特点,可同时满足可见光图像与红外图像的高精度配准要求。     

基于单压电执行器的光栅刻线摆角修正

考虑机械刻划光栅刻线摆角对平面光栅衍射波前质量的影响,本文根据光栅机械刻划过程的特点,提出了一种单压电执行器调节方法。该方法可通过不断调节微定位工作台位移,实时修正工作台摆角导致的光栅刻线摆角误差。首先,推导出了微定位工作台位移实时修正公式。接着,采用三路干涉仪实现了微定位工作台摆角测量及其主要成分分析。最后,进行了光栅刻线摆角放大和校正实验。结果显示,摆角放大和摆角校正实验已基本达到了预期的效果,对光栅宽度为10.4mm且刻线密度为600line/mm的光栅进行修正后,光栅刻线摆角比校正前降低了64%以上。这些结果表明:采用单压电执行器方法对光栅刻线摆角进行实时修正可有效降低光栅刻线摆角,提高光栅质量;该方法可应用于大面积机械刻划光栅刻线摆角的修正。     

大行程纳米级二维位移工作台

提出以双衍射光栅位移传感器作二维工作台计量标准器的方法,阐述了双衍射光栅位移传感器的位移传感原理,以及光电信号细分处理方法.结合光栅的实际参数,分析了工作台的有效分辨率.     

基于单目视觉的轴类零件3D重构技术

在结构化环境下,提取轴类零件三维信息是实现机械手自动上下料的重要环节。首先采集放置于特定工作台上的轴类零件图像,其次利用超红特征和Otsu法获取超红特征灰度图并进行动态阈值分割,提取标准圆的像素半径,进而获取每毫米所代表的像素值;利用拟合直线方程可获取摄像机与工作台的距离,同时利用亮度特征,采用相同的方法获取轴类零件的像素尺寸,然后利用每毫米所代表的像素值计算轴类零件的实际尺寸,完成轴类零件的三维重构。该技术降低了软硬件的复杂性,可实现机械手智能抓取轴类零件,为数控机床无人化操作的可行性发展提供了理论基础。     

以正交衍射光栅为计量标准器的二维微位移工作台

提出以正交衍射光栅作为X-Y二维位移工作台计量标准器的思想,阐述了正交衍射光栅作为大量程二维位置检测传感器的工作原理及光路布置方法,推导了光栅运动位移与所产生干涉条纹的相移之间的关系。介绍了工作台粗、细两级定位系统的组成结构:粗定位部分由磁悬浮平面直线电机驱动,细定位部分采用弹性铰支结构并由压电陶瓷驱动;通过分别对电机和压电陶瓷驱动范围与定位精度的分析,提出对工作台精密快速定位的方法。设计了一套对电机与压电陶瓷进行驱动控制和光栅信号进行处理的电路,并结合实际正交衍射光栅的刻线精度,计算了工作台位置检测的有效分辨率。最后,分析了当前几种典型压电陶瓷驱动电路的特点,提出选用直流放大电源的方式作为本系统高压驱动方法,并给出了高压驱动电路图。     

大行程纳米级共平面二维精密工作台的研究

研究开发了一种大行程纳米级共运动平面二维工作台,该工作台采用宏/微两级驱动,宏驱动由滑动导轨、直流无刷电机、精密丝杠组成,微驱动由平行平板柔性铰链和压电陶瓷组成。对平行平板柔性铰链进行了力学分析,并推导计算了其固有频率。工作台移动范围为50mm×50mm,可实现5nm的运动分辨率。工作台在X、Y方向分别装有衍射光栅计量系统,宏微位移由同一套衍射光栅计量系统进行位移计量,计量系统的有效位移分辨率为2.3nm。该二维工作台具有通用化和小型化特点,可以用于微纳米表面的测量与微机电系统的控制与加工。     

新型二自由度微动工作台的设计和有限元分析

介绍了一种无耦合运动的二自由度微位移工作台,该结构便于微位移工作台尺寸的小型化。文中推导了工作台载荷与位移的关系式;采用有限元的方法对工作台三维模型进行仿真计算,得到该工作台对应于载荷的位移和应力值。有限元计算的结果和推导公式的计算结果相吻合。     

基于E-SPCM的直线电机动子位置高精度测量方法研究

针对直线电机动子位置测量,引入一种基于扩展采样相位相关法(E-SPCM)的亚像素位移图像检测方法,以提高测量精度和抗干扰性。首先建立了直线电机位置检测系统,通过高速相机实时采集条纹图像序列;其次对条纹图像进行边缘特征提取,利用相位相关得到相邻条纹图像的互功率谱,即动子位置的整像素位移;进而对整像素邻域的互功率谱进行上采样相位相关计算,实现高精度的亚像素位移测量,进一步由系统标定得到实际位移值。对比传统相位相关算法,所采用的方法能够提高测量精度且有很好的噪声抑制性能,最后搭建了实验检测平台,验证了算法的有效性。     

纳米级定位精度一维位移工作台

介绍了一种具有纳米级定位精度的一维位移工作台。工作台采用粗精两级定位机构。可以实现0～6mm范围、1nm理论分辨力的快速、高精度定位；固定在工作台上的全息衍射光栅实现了对工作台位移的高精度闭环检测。采用ANSYS有限元分析软件对精定位工作台进行了静态及动态特性分析；采用双频激光干涉测长仪对工作台的定位精度进行了对比测量。位移工作台已用于表面三雏形貌测量中，给出了对标准样板的测试结果。     

集成双光栅干涉微梁位移测量方法

介绍了一种基于集成双光栅干涉和CCD图像测量的微梁位移测量方法,并利用相位差约为π/2的一组光栅实现了扩量程位移检测。利用表面牺牲层工艺制作敏感芯片,在玻璃基底上刻蚀深度约为入射激光波长1/8的凹槽,凹槽上下的两组光栅与正上方对应的梁分别构成两组相位敏感集成光栅单元。利用1级衍射光将集成光栅单元成像在CCD靶面上,梁的位移变化通过CCD图像上对应光斑的灰度值变化来反映。实验结果表明,虽然玻璃凹槽腐蚀深度的误差导致光栅之间的相位差偏离π/2,但所制作的集成双光栅结构实现了多周期的扩量程位移检测,通过接近π/2相位差的两个光栅得到的光强信号的错峰使用,避免了干涉法正弦位移检测信号的峰谷不灵敏位置,实验测得微梁的位移变化为650nm。     

Distance measurement based on pixel variation of CCD images

This paper presents a distance measurement method based on pixel number variation of CCD images by referencing to two arbitrarily designated points in the image frames. By establishing a relationship between the displacement of the camera movement along the photographing direction and the difference in pixel count between reference points in the images, the distance from an object can be calculated via the proposed method. To integrate the measuring functions into digital cameras, a circuit design implementing the proposed measuring system in selecting reference points, measuring distance, and displaying measurement results on CCD panel of the digital camera is proposed in this paper. In comparison to pattern recognition or image analysis methods, the proposed measuring approach is simple and straightforward for practical implementation into digital cameras. To validate the performance of the proposed method, measurement results using the proposed method and ultrasonic rangefinders are also presented in this paper.     

双目CCD结构光三维测量系统中的立体匹配

在立体视觉中,比较了几种常见立体匹配方法,并针对存在的问题,提出了多种方法融于一体的高效立体匹配方法.首先将计算机构造的用于解相的光栅由投影仪投射到物体上,再将计算机构造的一系列黑白相间的编码光栅也由投影仪投射到物体上;然后将畸变栅线图像由摄像机采集到计算机中,用解相光栅进行解相得到折叠在[-π,π]区间内的相主值,用所述结构光编码方法进行相展开得到相位的周期,二者相加得到真实相位值.利用插值算法将具有相同相位的点拟合成连续曲线,从而实现了两幅CCD图像相同相位曲线的匹配,再根据外极约束条件,得到两幅图像点的匹配.在反向工程中,用该方法对电话接线筒进行三维测量,实验验证了该方法进行立体匹配的高效性和准确性.     

基于光栅投影的工件表面缺陷检测方法研究

针对工件厚度与表面缺陷检测精度不足的问题,提出一种基于双投影的光栅投影缺陷检测方法。采用CCD相机采集两个方向上投影到工件表面的云纹图像,利用相移法求解两个方向的云纹图像相位,将两个方向的重建三维轮廓进行融合,实现工件表面缺陷的检测。试验结果证明:工件的厚度测量精度为0.05mm,缺陷测量精度提高到0.1mm。     

一种CCD图像拼接方法

提出了一种CCD图像的拼接方法,解决了CCD多次移动造成的图像缩放、旋转以及图像间整体亮度存在差异的问题。该方法运用直方图找出重叠区域背景光灰度上的差异,对图像进行灰度补偿,采用相关度最值算法找出重叠区域,对图像进行消旋和缩放还原,然后采用渐进渐出的方法进行图像融合,实现了CCD图像的有效拼接。实验证明了该方法的可行性和实用性。     

基于准自然标志的平面位移测量方法

针对三坐标测量机的结构复杂、系统庞大、价格昂贵使得应用面受到限制的特点.因此开发了一种基于虚拟坐标测量概念,采用数字图像处理技术的简化三坐标测量机.在平面位移测量上,用具有不同半径长的圆形图案人造石材板作为工作台面,以圆心坐标与半径长为标志,利用Hough变换计算出圆形的圆心坐标及半径长度,再利用已知的圆心坐标及半径确...     

一种基于灰度向量匹配的平面绝对位移测量方法

对于平面位移的测量,传统方法需要采用特殊机构将其分解为两个线性位移和一个角位移分别测量,因而测量系统复杂。随着数字图像处理技术的不断发展,采用该技术进行位移的测量已经成为现代测量技术发展的新方向。本文提出了一种新的基于图像处理的平面位移测量方法。该方法采用事先通过标定的图像,对自然标志（特征点）的提取和基于灰度向量匹配来完成绝对位移的测量。最后经实验验证了该原理的可行性。     

基于光栅的贴片机对准系统的精度标定

贴片机对准系统的精度标定是视觉定位的关键环节,直接影响贴片精度与贴片质量。传统的标定方法往往需要进行大量的矩阵计算和分析,来确定相机的坐标系与世界坐标系和图像坐标系之间的关系,因此要掌握大量的三维几何知识与投影理论,并且计算繁杂。本文提出的基于光栅的精度标定方法,将光栅图像灰度值之和形成一组周期固定的准正弦信号,通过像元平移把图像条纹灰度值变为李萨如图。通过对李萨如图及其数据进行分析与处理,直接计算出光学系统的分辨率,实现光学系统的精度标定。实验结果表明这种标定方法的精度高,偏差小于0.2微米,精度达到亚微米级,满足贴片机的对准精度要求。     

高分辨率差线栅位移传感器研究

对提出的差线栅位移传感器进行了介绍,其发明思想来源于游标卡尺的细分原理。它利用相对运动的两套标尺刻线数之差,在相同刻线条件下,在栅线之间形成了更多的物理量变化特点,得到更多的原始脉冲信号,等效于脉冲倍频或插值,达到提高分辨率的目的。介绍了这种传感器的设计思想、工作原理、波形分析、精度分析和样机试验效果等。传统的栅线刻制时只要求均匀,而研究结果证明,差线栅刻线的粗细、稀密,差线数大小将直接影响信号的多少、大小、波形和精度,因此将对传统的栅式位移传感器技术产生重要影响。