CN103395301B - 一种激光打标机三维校正方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光打标机三维校正方法和装置，属于激光标记技术领域。该三维校正方法包括确定待标记平面与参考平面的位置关系；根据该位置关系对所需标记图形中每个点的三维坐标进行变换；激光打标机根据变换后点的三维坐标动作。该三维校正装置包括图像采集及处理装置和标定板，标定板用于对图像采集及处理装置进行标定以确定待标记平面与参考平面的位置关系。通过上述方法及装置，无需手动调节待标记物体或激光打标机装置即可实现正常标记，减少传统方式下对人力和时间的需求，提高了生产效率，同时保证了标记的精度。<!--1-->

Description

一种激光打标机三维校正方法和装置

技术领域

本发明涉及激光标记技术领域，尤其涉及一种激光打标机的三维校正。

背景技术

激光打标机对物体进行标记时，需要将该物体待标记的平面置于激光打标机聚焦镜的焦平面，才能保证标记的图形清晰且不发生形变。

如果该物体待标记的平面偏离焦平面但与焦平面平行，则标记出的图形不会发生畸变，只是图形的清晰程度会受到影响，这种情况下，可以通过调整激光打标机与物体之间的距离使待标记平面处于焦平面处即可正常标记。

如果该物体待标记的平面与焦平面不平行，存在一定的角度和平移关系，则标记出的图形就会发生畸变。例如所要标记的图形是一个正方形，而实际标记出的图形可能会畸变成一个长方形、梯形或者其它不规则的多边形等等，同时由于待标记平面偏离了焦平面且其不同位置偏离的程度不同，因此整个图形的清晰程度不一致，偏离太多的位置甚至无法分辨出激光的印记。

对于这种情况，通常采用以下两种方法进行校正：第一种，激光打标机固定不动，通过工装夹具调整物体待标记平面与焦平面平行，再通过调整激光打标机与物体之间的距离使待标记平面位于焦平面处即可进行标记，但是对于不同的物体需要配备不同的工装夹具，每一次夹具的定位都需要消耗很长时间，影响生产效率，而且定位精度低，无法适用于标记精度要求较高的场合；第二种，物体固定不动，调整激光打标机使其聚焦镜的焦平面与待标记平面位于同一平面上，通常是由操作人员对激光打标机的振镜及聚焦镜的安装位置进行机械式的调整，操作复杂、耗时，影响生产效率，同时调节精度低，同样无法适用于标记精度要求较高的场合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是当物体待标记平面与激光打标机聚焦镜的焦平面不平行时，能够更简便、高效地实现校正，同时保证标记的精度。

为解决该问题，本发明提供一种激光打标机的三维校正方法，包括以下步骤：

确定待标记平面与参考平面的位置关系；

根据该位置关系对所需标记图形中每个点的三维坐标进行变换；

激光打标机根据变换后点的三维坐标动作。

进一步地，所述确定待标记平面基准平面的位置关系的步骤具体包括以下步骤：

对位于参考平面与待标记平面上的标定板分别进行图像采集；

获取两图像中标定板上相应角点的三维坐标；

根据两图像中角点的三维坐标确定参考平面与待标记平面的位置关系。

进一步地，所述两平面的位置关系是：x＝RX+T，其中x为标定板位于参考平面上时任一角点的坐标矩阵，X为标定板位于待标记平面上时相应角点的坐标矩阵，R为旋转矩阵，T为平移矩阵。

进一步地，所述参考平面与激光打标机的焦平面平行。

进一步地，所述激光打标机根据变换后点的x、y坐标值控制振镜偏转，根据变换后点的z坐标值调整聚焦镜与被标记物的距离。

进一步地，所述标定板位于参考平面上时，其中心点位于参考平面在激光打标机焦点位置的垂直线上。

进一步地，所述标定板为带有固定间距图案阵列的平板。

进一步地，所述角点的个数不少于4个。

本发明还提供一种激光打标机三维校正装置，包括图像采集及处理装置和标定板，所述标定板用于对图像采集及处理装置进行标定以确定待标记平面与参考平面的位置关系，所述激光打标机根据该位置关系对所需标记图形中每个点的三维坐标进行变换，并根据变换后点的三维坐标动作。

进一步地，所述图像采集及处理装置对位于参考平面及待标记平面上的标定板分别进行图像采集，获取两图像中标定板上相应角点的三维坐标，根据两图像中角点的三维坐标确定参考平面与待标记平面的位置关系。

进一步地，所述图像采集及处理装置是CCD图像采集及处理装置。

与现有技术相比，本发明通过图像采集及处理装置分别对位于参考平面及待标记平面上的标定板进行图像采集，得到待标记平面与参考平面的位置关系，根据该位置关系对所需标记图形中每个点的三维坐标进行变换，激光打标机根据变换后点的三维坐标动作。针对与激光打标机聚焦镜的焦平面不平行的平面，无需人工通过工装夹具定位待标记物体，或手动调整激光打标机部件即可实现正常标记，从而减少了传统校正方法对人力和时间的需求，提高了生产效率，同时保证了标记的精度。

附图说明

图1为激光打标机三维校正装置示意图；

图2为标定板示意图；

图3为标定过程示意图；

图4为标定过程示意图；

图5为激光打标机三维校正方法流程图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和替换，都应该视为属于本发明的保护范围。

本发明的激光打标机三维校正装置包括：图像采集及处理装置11和标定板12。

图像采集及处理装置11安装在与激光打标机的聚焦镜14并列或与聚焦镜14同轴的位置。如图1所示，本发明图像采集及处理装置11与激光打标机的聚焦镜13并列设置。图像采集及处理装置可以是CCD图像采集及处理装置或CMOS图像采集及处理装置，本发明所采用的是CCD图像采集及处理装置，其所采集的图像更清晰。

标定板12为具有固定间距图案阵列的平板，用于对图像采集及处理装置11进行标定。如图2所示，本发明采用的是棋盘格形的标定板。也可以采用其它类型的标定板，其与棋盘格形标定板的区别仅在于角点选择的方式不同。

参考图1，激光打标机方头13内部安装有激光打标机的振镜，下部安装聚焦镜14，参考平面15与激光打标机聚焦镜14的焦平面平行，放置在参考平面15上的标定板12的中心点即标定板所在坐标系的原点位于参考平面15在激光打标机聚焦镜焦点位置的垂直线上，图像采集及处理装置对此时的标定板进行图像采集；取下标定板，将其放置在待标记物体16的待标记平面上，并将待标记物体16放置在参考平面15上，图像采集及处理装置再对此时的标定板进行图像采集。图像采集及处理装置对两图像进行处理，得到标定板上角点的位置坐标，然后通过相机标定的方式，得到待标记平面与参考平面的位置关系，激光打标机根据该位置关系对所需标记图形中每个点的三维坐标进行变换，并根据变换后点的三维坐标进行标记。

参考图3，标定板31和标定板32分别代表放置在参考平面15和待标记平面上的标定板，标定板31中标号为1、2、3、4、5、6、7、8、9的这九个点就是标定板的角点，角点并不只是局限于这九个点，标定板上符合角点要求的点都是角点，对于棋盘格形标定板，棋盘格上每一个小正方形的顶点都可以作为标定板的角点，因此标定板上的角点数量有很多。相应的，标定板32中的标号为1'、2'、3'、4'、5'、6'、7'、8'、9'的点也是角点，与标定板31中的1-9各个角点一一对应。

参考图4，在标定板31上选定P1、P2、P3、P4任意四个角点，标定板32上的Q1、Q2、Q3、Q4四个角点与P1、P2、P3、P4一一对应。标定板31所在的坐标系即参考坐标系，标定板31的中心点即参考坐标系的原点。

图像采集及处理装置对标定板31与标定板32分别进行图像采集，经图像处理得到P1、P2、P3、P4四个点的坐标分别为P1(x1,y1,z1)、P2(x2,y2,z3)P3(x3,y3,z3)P4(x4,y4,z4)，Q1、Q2、Q3、Q4四个点的坐标分别为Q1(X1,Y1,Z1)、Q2(X2,Y2,Z2)、Q3(X3,Y3,Z3)、Q4(X4,Y4,Z4)。

将上述坐标值代入关系式

${\left[\begin{array}{c}x1\\ y1\\ z1\end{array}\right]}^T=\left[\begin{array}{ccc}R1& R2& R3\\ R4& R5& R6\\ R7& R8& R9\end{array}\right]{\left[\begin{array}{c}X1\\ Y1\\ 21\end{array}\right]}^T+\left[\begin{array}{c}Tx\\ Ty\\ Tz\end{array}\right]$

即x＝RX+T，即可得到R与T。其中，x为放置在参考平面上的标定板的任意角点的坐标矩阵，X为放置在待标记平面上的标定板的相应角点的坐标矩阵，R为旋转矩阵，代表待标记平面相对于参考平面的x，y和z三个方向的旋转角度；T为平移矩阵，代表待标记平面相对于参考平面的平移量。

求解上述关系式所需角点数量不少于4个，角点数量越多得到的解越精确。

求解出该旋转矩阵和平移矩阵，即可获得参考平面与待标记平面之间的位置关系。根据该位置关系对待标记图形中各个点的坐标值进行变换，就可以计算出实际的标记位置在参考坐标系中的坐标。激光打标机根据变换后坐标的x、y两个分量控制振镜的偏转角度，根据z分量控制聚焦镜与待标记物体的距离，从而实现正常标记。

对于不同的待标记物体，其所对应的旋转矩阵和平移矩阵是不一样的，此时只需按照上述方法重新确定该物体待标记平面与参考平面的位置关系，即可进行标记，而无需进行复杂的人工校正，提高了生产效率及标记精度。

参考图5，本发明的激光打标机三维校正方法包括以下步骤：

步骤51：由CCD图像采集及处理装置对位于参考平面与待标记平面上的标定板分别进行图像采集；

步骤52：获取两图像中标定板上相应角点的三维坐标；

步骤53：根据两图像中相应角点的三维坐标确定参考平面与待标记平面的位置关系：

将步骤52中得到的角点的三维坐标作为关系式x＝RX+T的已知参数，计算得出旋转矩阵R和平移矩阵T，从而确定两平面的位置关系；

步骤54：根据该位置关系对所需标记图形中每个点的三维坐标进行变换；

步骤55：激光打标机根据变换后点的三维坐标进行标记：

激光打标机根据变换后点的x、y坐标值控制振镜偏转，根据变换后点的z坐标值调整聚焦镜与被标记物的距离，由此实现对激光打标机的三维校正。

Claims (6)

1.一种激光打标机三维校正方法，其特征在于，本方法用于当物体待标记平面与激光打标机聚焦镜的焦平面不平行时，该方法包括以下步骤：

确定待标记平面与参考平面的位置关系，所述参考平面与激光打标机的焦平面平行，标定板位于参考平面上时，其中心点位于参考平面在激光打标机焦点位置的垂直线上，具体包括以下步骤：对位于参考平面与待标记平面上的标定板分别进行图像采集；获取两图像中标定板上相应角点的三维坐标；根据两图像中角点的三维坐标确定参考平面与待标记平面的位置关系；

根据该位置关系对所需标记图形中每个点的三维坐标进行变换；

激光打标机根据变换后点的三维坐标动作。

2.根据权利要求1所述的激光打标机三维校正方法，其特征在于：所述两平面的位置关系是：x＝RX+T，其中x为标定板位于参考平面上时任一角点的坐标矩阵，X为标定板位于待标记平面上时相应角点的坐标矩阵，R为旋转矩阵，T为平移矩阵。

3.根据权利要求1或2所述的激光打标机三维校正方法，其特征在于：所述激光打标机根据变换后点的x、y坐标矩阵值控制振镜偏转，根据变换后点的z坐标矩阵值调整聚焦镜与被标记物的距离。

4.根据权利要求2所述的激光打标机三维校正方法，其特征在于：所述角点的个数不少于4个。

5.一种激光打标机三维校正装置，其特征在于：该装置用于当物体待标记平面与激光打标机聚焦镜的焦平面不平行时，该装置包括标定板和图像采集及处理装置，所述标定板用于对图像采集及处理装置进行标定以确定待标记平面与参考平面的位置关系，所述激光打标机根据该位置关系对所需标记图形中每个点的三维坐标进行变换，并根据变换后点的三维坐标动作，其中，所述图像采集及处理装置对位于参考平面及待标记平面上的标定板分别进行图像采集，获取两图像中标定板上相应角点的三维坐标，根据两图像中角点的三维坐标确定参考平面与待标记平面的位置关系；所述激光打标机根据变换后点的x、y坐标值控制振镜偏转，根据变换后点的z坐标值调整聚焦镜与被标记物的距离。

6.根据权利要求5所述的激光打标机三维校正装置，其特征在于：所述参考平面与激光打标机的焦平面平行。