阅读说明：本技术 一种基于视觉与条纹编码的轴类部件直线位移检测装置和方法 (Shaft part linear displacement detection device and method based on vision and stripe coding ) 是由 钱光国 胡静 李辉瑛 巢军 黄秀祥 陈柏林 杨旭 彭正兴 江盛华 于 2019-04-26 设计创作，主要内容包括：一种基于视觉与条纹编码的轴类部件直线位移检测装置和方法,包括以下主要部件：工业摄像头；LED环形双色可控光源；嵌入式图像处理控制器；电源；备用电池盒；通讯电缆；轴套和轴等。其特征在于轴上预刻编码条纹,对应位置信息,视觉系统安装于轴套,内置环形双色阵列式可控光源,用于检测轴上的编码条纹,并进行解码,从而获得轴的位移信息。本发明能够替代先用检测方案,而且解决了大型轴类部件的直线位移检测难题,提供了一种高效经济的大型轴类零部件直线位移检测的方法和装置。(A linear displacement detection device and method for shaft parts based on vision and stripe coding comprises the following main parts: an industrial camera; an LED annular double-color controllable light source; an embedded image processing controller; a power source; a spare battery box; a communication cable; a shaft sleeve and a shaft, etc. The device is characterized in that coding stripes are pre-engraved on the shaft and correspond to position information, a vision system is arranged on the shaft sleeve, and an annular two-color array type controllable light source is arranged in the shaft sleeve and used for detecting the coding stripes on the shaft and decoding the coding stripes so as to obtain displacement information of the shaft. The invention can replace the prior detection scheme, solves the problem of linear displacement detection of large shaft parts, and provides a method and a device for detecting the linear displacement of large shaft parts, which are efficient and economical.)

一种基于视觉与条纹编码的轴类部件直线位移检测装置和 方法

技术领域

本发明涉及轴类部件直线位移检测领域，尤其涉及一种采用视觉方式的位移检测装置和方法。

背景技术

长轴类零件在机械装备中非常普遍，其中一类具备运动特征，在工作过程中需要伸缩，从而与轴套或其他部件之间产生相对位移。在需要精确控制的场合，需要对轴的位移进行检测，并将位置反馈信息传送至控制系统。目前有多种方式对其位移进行检测，具体有光栅、磁栅、电阻尺和电容尺等位移检测部件。这些直线位移检测装置能够提供足够的精度和响应速度，但同时存在较大的缺陷，如安装位置要求高、环境适应性差、大位移检测无法实现等，尤其对于几米甚至十几米长的位移。

机器视觉近年发展较快，国内研究人员取得了显著成果，而且大量应用于食品、医疗卫生、包装自动化和机械手等领域，目前已经获得广泛的认同。与本发明相关的属于视觉测量技术，比较成熟的方案是采用工业相机作为检测部件，对目标进行拍照，提取轮廓和几何特征，通过图像处理方法获得尺寸参数。但是该项技术在轴类零件的位移检测仍然具有较大限制，如现场安装空间、光源环境、成本等。尤其对于较大的位移，相机尺寸和光学器件的价格都会较为昂贵。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于视觉和条纹编码技术的位直线位移检测装置及方法，用于轴类部件位移的测量，能够解决背景技术中所介绍的位移传感器及目前视觉检测系统的不足。

本发明采用了高效的条纹编码技术，结合机器视觉，设计一种紧凑型的低成本高效位移检测装置，将微距视觉系统安装于轴套，条纹编码刻蚀于轴上，并且内置光源，通过嵌入式系统进行拍照和解码，能够获得较高的尺寸精度和频响，适合于各种轴类零件的位移检测，在长轴类零件的位移检测具有显著优势。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

本发明包括以下主要部件：工业摄像头；LED环形双色可控光源；嵌入式图像处理控制器；电源；备用电池盒；通讯电缆；轴套和轴等。

上述主要工作部件及装置中，轴作为测量目标，需要刻蚀编码条纹，测量目标为轴的直线位移，考虑到轴在工作过程中除了产生直线位移，还有可能存在旋转运动，预刻的条纹需要沿周边刻蚀一圈，以圆轴为例，条纹绕轴心沿圆周刻蚀，每道条纹均平行，根据条纹的粗细和间距进行直线位移编码，从而获得其绝对位置。

轴套需要专门设计，不仅需要保留原有的机械功能，还需要满足视觉系统的安装要求。

在本装置中，工业摄像头为模组结构，具有微距测试功能，通过USB接口与嵌入式系统的专用通讯端口了解，由嵌入式系统进行图像采集、预处理、位置解码和通讯和光源控制等。

光源为环形双色LED可控光源，支持红色和白色工作模式，LED为环形阵列布置。采用环形光源结构可以避免光照的不均匀，LED的效率较高，能够有效减少发热。双色环形阵列可以提高光源的冗余性能，同时能够根据轴的背景和条纹颜色选择合适的白色或者红色。

在工作过程中，视觉系统安装于轴套内，属于静止部件，轴相对于轴套做伸缩运动，产生相对位移，由于刻有非重复的编码条纹，视觉系统可以检测到条纹的变化，通过嵌入式图像处理系统进行解码，从而获得其位置信息，并由通讯端口传送至其他设备或者控制器。

备用电池盒主要在停电或者电源系统出故障时启用，主要满足嵌入式系统的超低功耗状态，仅用于读取和保存位置信息。

有益效果

采用本发明所设计的方法及装置，能够完全取代传统的位移传感器，同时能够克服通用工业相机视觉测量系统的缺陷，而且大于大尺寸长轴的位移检测不需要增加安装空间和成本，具有显著的经济效益和应用价值。

附图说明

图1是本发明的能够较佳展示其主要结构和工作原理的示意图。

1、工业摄像头

2、嵌入式图像处理控制器

3、环形可控双色LED光源（双色光源，分别为白光和红光）

4、编码轴（预先刻蚀了条纹编码的轴）

5、轴套

6、电源

7、备用电池盒

8、通讯电缆。

图2是本发明的工作流程图。

图3是本发明的系统框架图。

具体实施方式

为了使本发明实现的方法、技术方案、创作特征、达到的应用目标与功效更加清晰和易于理解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明的相关细节。

根据附图1，可以了解本发明的主要装置，为了更好地阐述技术方案和手段，附图1中将测量轴和轴套均列为系统的主要工作部件。本发明提出的基于条纹编码和视觉的轴类部件位移检测方法，具体实施方式如下：

1)在轴上预先刻蚀条纹，采用光刻工艺，对轴的表面光洁度几乎没有影响；

2)根据表面特征控制光源，可选用红色或者白色光源；

3)打开工业摄像头，在内置光源环境下拍摄轴上的条纹；

4)通过嵌入式系统进行数据预处理，数据滤波，剔除干扰之后获取条纹数据，并进行条纹解码，获得位移尺寸；

5)位移参数经过通讯端口传输至控制器；

应用实例

大型液压油缸的位移检测为本发明的一个较佳应用场合，能够较好地描述本发明的技术优势和创新之处。大型液压油缸主要用于工程机械等装备，其尺寸较大，工作环境恶劣，对其工作位移检测难度较大。而且光栅、电阻尺、栅格等受限于工艺和成本，无法满足实际需求。外置的视觉测量系统存在环境适应性差、安装困难、光源环境复杂等不足，同样无法满足应用需求。本发明在应用中，将编码条纹刻蚀于活塞杆上面，光刻工艺经过验证，不影响其密封性和运动性能，视觉系统安装于缸盖上，光源内置，不受外界环境光的干扰，形成一个隔离型的光学视觉环境。在位置编码中，零位为活塞杆收缩于最里面，伸长过程中，其位移随之变大，相应的可以检测到其唯一对应的编码条纹，视觉系统检测到条纹之后，由嵌入式系统进行预处理和解码，获得位置信息，并将其传送至控制系统。

采用本发明，液压缸的尺寸大小及位移不影响其检测，而且对于尺寸的变化，仅需要改变条纹编码和安装结构。

以上描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。传感检测、机械制造及视觉等行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明后续还会有各种变化和改进，这些变化和改进都会列入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。