CN105620050B - 基于机器视觉的高精度振镜误差自校正装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于机器视觉的高精度振镜误差自校正装置和方法。该自校正装置包括激光器、打标方头、聚焦镜、XY轴运动平台、相机、X轴运动导轨和安装基台；所述安装基台上安装有X轴运动导轨和立板，X轴运动导轨上安装有XY轴运动平台，激光器和相机分别安装在安装基台侧面上，相机与外部图像处理器连接，打标方头安装在激光器的侧面，聚焦镜安装在打标方头的下端面。本发明中的自校正方法通过视觉的方法即采用相机和镜头得到激光打标实际应用中的二维校正表，运用视觉方法对激光打标装置进行校正，可以使每一个激光打标装置都有一张自己独一无二的校正表，提高了激光打标的精度和可靠性，也能避免在打标过程中存在的线性失真和非线性失真。
Description
技术领域
本发明涉及光机电一体化技术领域，更具体的说，特别涉及一种基于机器视觉的高精度振镜误差自校正装置和方法。
背景技术
现代社会中，激光扫描技术的应用范围越来越广，其应用行业涉及到光电医疗、激光加工、激光切割、激光焊接等。在各种激光扫描技术的应用中，要求激光束能准确聚焦在视场上的任意位置，且光点的移动按照确定的关系进行。各种激光扫描技术中，振镜式扫描是广泛采用的一种扫描方式。它具有速度快、定位精度高等优点。但是在实际使用过程中，存在固有的扫描场几何畸变误差，在精度要求较高的加工场合，这种畸变误差往往是不能接受的，因此必须加以校正。在激光扫描加工中图形几何畸变误差主要来自以下六方面，(1)映射关系非线性；(2)控制模型忽略一些因素，如忽略透镜曲面曲率半径、折射率等；(3)控制模型采用近似计算，如采用tanθ＝θ；(4)扫描反射镜偏置；(5)入瞳漂移；(6)由于机械装置控制器本身带来的误差。再有就是透镜的色差、球差、加工系统热漂移、定义点的变化以及控制系统的噪声等等。激光扫描加工，产生误差的原因都很简单。每一个单项对整个系统误差的影响都比较简单，产生的误差都不大，但是这些同时作用的话，会产生复杂的非线性误差，要实现高精度的加工要求，必须对各个环节进行校正，才能实现高精度的加工。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的技术问题，提供一种基于机器视觉的高精度振镜误差自校正装置和方法，能够解决在打标过程中存在的线性失真和非线性失真带来的打标图形变形的问题。
为了解决以上提出的问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于机器视觉的高精度振镜误差自校正装置，该自校正装置包括激光器、打标方头、聚焦镜、XY轴运动平台、相机、X轴运动导轨和安装基台；其中XY轴运动平台通过电机驱动实现X轴和Y轴的运动；
所述安装基台上安装有X轴运动导轨和立板，X轴运动导轨上安装有XY轴运动平台，激光器和相机分别安装在安装基台侧面的两端并位于X轴运动导轨上方，相机与外部图像处理器连接，打标方头安装在激光器的侧面，聚焦镜安装在打标方头的下端面，聚焦镜和相机的镜头均与X轴运动导轨的位置相对应，打标方头的工作面和相机的镜头均与XY轴运动平台的上端面平行。
所述安装基台包括基座、立板、加强板和支撑架，其中立板竖直安装在基座上，其底部与基座之间设置有加强板，基座的下端面安装有支撑架；所述激光器和相机分别通过激光器安装架和相机安装架安装在立板顶部的两端。
所述自校正装置还包括光源安装板和光源，光源安装板中部加工有矩形开口，其安装在立板的中部并位于相机的下方，光源安装板上矩形开口的四周均安装有光源，光源与X轴运动导轨的位置相对应。
所述基座上端面并与立板平行安装有两条X轴运动导轨，两条X轴运动导轨之间的一端设置有止位块。
所述立板竖直安装在基座上，其底部与基座之间设置有加强板。
所述相机安装架为L形结构，其一端垂直安装在立板上，另一端安装有相机。
所述光源安装板为矩形板，其上加工的矩形开口尺寸比XY轴运动平台大。
一种基于机器视觉的高精度振镜误差的自校正方法，该自校正方法具体步骤如下：
步骤S1：将待打标物体放置在XY轴运动平台上，通过X轴运动导轨移动XY轴运动平台，并通过电机驱动XY轴运动平台调整待打标物体的位置，使其位于打标方头的正下方；
步骤S2：打开激光器并通过打标方头和聚焦镜对待打标物体进行网格打标，所述网格打标在无任何校正的情况下进行；
步骤S3：移动XY轴运动平台将所述打标后带有网格图案的待打标物体移动到相机的正下方，打开光源和相机，通过镜头对带有所述网格图案的待打标物体进行连续拍照，并记录拍摄每一幅图像时XY轴运动平台移动的距离；
步骤S4：通过图像处理器对所拍摄的每幅图片进行图像处理，找到实际打标出来的网格上每一个角点的坐标；
步骤S5：将理论上网格角点的坐标值与打标后找到所述角点的坐标值进行对比分析，建立打标校正表；
步骤S6：根据步骤S5建立的校正表，返回步骤S2重新对其进行网格图案打标；
步骤S7：检测经过校正调整后打标的网格图案。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明的自校正装置采用激光器、打标方头和聚焦镜配合进行网格打标，采用XY轴运动平台和X轴运动导轨移动待打标物体，并通过相机和镜头拍摄网格图案建立校正表从而实现自校正，整个装置结构简单、相互之间可靠配合并无干涉，并能解决在打标过程中存在的线性失真和非线性失真带来的打标图形变形的问题，实现高精度的加工。
2、本发明中的自校正方法通过视觉的方法即采用相机和镜头得到激光打标实际应用中的二维校正表，避免了直接进行打标的图像的畸变，由于在装配过程中每个激光打标装置的误差都是不同的，运用视觉方法对激光打标装置进行校正，可以使每一个激光打标装置都有一张自己独一无二的校正表，提高了激光打标的精度和可靠性，也能避免在打标过程中存在的线性失真和非线性失真带来的打标图形变形的问题。
附图说明
图1为本发明自校正装置的结构示意图。
图2为本发明自校正装置中相机采集图像的原理示意图。
图3为本发明实例中理论上打标出来的网格图案。
图4为本发明的理想角点与实际角点局部对比图。
图5为本发明自校正方法的原理流程图。
附图标记说明：1-激光器、2-打标方头、3-聚焦镜、4-XY轴运动平台、5-相机、6-镜头、7-光源安装板、8-X轴运动导轨、9-基座、10-立板、11-相机安装架、12-光源、13-加强板、14-止位块、15-支撑架、16-激光器安装架
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
参阅图1所示，本发明提供的一种基于机器视觉的高精度振镜误差自校正装置，该自校正装置包括激光器1、打标方头2、聚焦镜3、XY轴运动平台4、相机5、光源安装板7、X轴运动导轨8、安装基台、相机安装架11、光源12、止位块14和激光器安装架16。
本发明中，安装基台包括基座9、立板10、加强板13和支撑架15，立板10竖直安装在基座9上端面的一侧，立板10的底部还通过两块加强板13加强固定，保证立板10在基座9上的稳定可靠，基座9的下端面设置有六个支撑架15也用来保证基座9的稳定性。
基座9上端面的另一侧平行安装有在两道X轴运动导轨8，X轴运动导轨8也与立板10平行，两道X轴运动导轨8之间的一端设置有止位块14。
XY轴运动平台4设置在两道X轴运动导轨8上，并可沿X轴运动导轨8滑动，其滑到X轴运动导轨8的一端时通过止位块14进行限位。
激光器1通过激光器安装架16垂直安装在立板10顶部的一端，打标方头2安装在激光器1的侧面上，其用来完成打标操作并控制激光在打标物上形成图像。聚焦镜3采用f-theta聚焦镜并安装在打标方头2的下端面上，要保证在打标时，打标方头2要位于XY轴运动平台4的上方，即打标方头2的工作面要与XY轴运动平台4的上端面完全平行。
相机安装架11为L形结构，其一端垂直安装在立板10顶部的另一端，相机安装架11的另一端安装有相机5，相机5上的镜头6也要与XY轴运动平台4的上端面完全平行。相机5还与外部的图像处理器连接，对其采集到的图像进行处理。
光源安装板7安装在立板10的中部并位于相机5的下方，其中心加工有比XY轴运动平台4尺寸大的矩形开口并与镜头6的位置相对应，四个角上均加工有倒角为了美观，矩形开口的四周并位于光源安装板7的下端面上均设置有光源12，即光源12与X轴运动导轨8位置相对应；光源安装板7也为矩形板，方便将其安装在立板10上，也方便四个光源12的布置。
上述中，相机5是用来对产生畸变的打标图形进行图像采集，然后通过图像处理器对图像进行分析，找到理论点与实际打标点之间的偏差，并生成一个理论点与实际打标点之间偏差的校正表，打标方头2根据这个校正表进行激光打标，便可对打标图形进行校正，使打标的图形没有畸变产生。
上述中，XY轴运动平台4是用来移动待打标物体的，并通过电机来驱动，本发明采用精度为0.005毫米的直线电机作为校正测量工件，保证系统的测量精度。
上述中，立板10上平行加工有三道长条形的开口，开口的两端均为圆弧过渡，与基座9配合的侧面上及另一侧面上均加工有矩形凹槽，矩形凹槽的底面与侧面之间均为圆弧过渡，均是为了美观也为了减轻重量。
本发明自校正装置的工作原理如下：
需要打标时，通过XY轴运动平台4在X轴运动导轨8上的运动，并通过电机驱动XY轴运动平台4运动调整待打标物体的位置，使其位于打标方头2的下方，打开激光器1对XY轴运动平台4上的待打标物体进行网格打标；在待打标物体上打标网格图案后，通过X轴运动导轨8的运动和XY轴运动平台4将待打标物体移动到相机5的正下方(图2所示)，相机5的镜头6对所述网格图案进行拍照，得到每个角点的坐标，通过图像处理器将其与理论上的坐标进行比对建立校正表，根据校正表调整待打标物体的位置，重新对其进行打标，得到网格图案并对其进行检测。
如附图5所示，本发明还提供一种基于机器视觉的高精度振镜误差的自校正方法，该方法具体步骤如下：
步骤S1：将待打标物体放置在XY轴运动平台4上，通过X轴运动导轨8移动XY轴运动平台4，并通过电机驱动XY轴运动平台4调整待打标物体，使其位于打标方头2的正下方。
步骤S2：打开激光器1并通过打标方头2和聚焦镜3对待打标物体进行网格打标，所述打标在无任何校正的情况下进行。
步骤S3：移动XY轴运动平台4将打标后带有网格图案的待打标物体移动到相机5的正下方，打开光源12和相机5，通过镜头6对所述带有网格图案的待打标物体进行连续拍照，并记录拍摄每一幅图像时XY轴运动平台4移动的距离；
本步骤中，由于相机5每次只能够拍摄1.5mm*1.5mm的图像，所以假设打标范围是100mm*100mm，每个网格的大小是1mm*1mm，那么需要通过移动XY轴运动平台4并拍摄100*100幅图像。
步骤S4：通过图像处理器对所拍摄的每幅图片进行图像处理，找到实际打标出来的网格上每一个角点的坐标。
本步骤中，网格中横向和纵向的交叉点称为角点。
步骤S5：将理论上网格角点的坐标值与经过打标后找到所述角点的坐标值进行对比分析，建立打标校正表；
本步骤中，假设图像上找到网格角点的坐标是(x,y)，XY轴运动平台4在X方向移动的距离是x1,在Y方向移动的距离是y1，则实际角点的坐标是(x+x1,y+y1)，即可找到理论网格角点与实际打标出来的网格角点之间的偏差，从而建立打标校正表。
步骤S6：根据步骤S5建立的校正表，返回步骤S2重新对其进行网格图案打标；
步骤S7：检测经过校正后打标的网格图案。
下面采用上述自校正方法通过实例进行阐述：
假设打标的范围是xmm*ymm，不加入任何坐标校正算法，由激光打标方头进行网格的二维平面打标，设定网格的尺寸为1mm*1mm，理论上需要打标出来的网格图案如图3所示，记录下网格中每一个角点的坐标值，如下表1所示。
表1
通过XY轴运动平台4的运动，由相机5对打标后变形了的网格图形中每一个角点进行图像采集，找到变形后每幅图像中角点的坐标，将x*y幅图像的角点坐标汇总如下表2所示。
表2
由图像处理器对实际打标出来的网格图像找到的角点坐标与理论要打出来的网格图像找到的角点坐标值进行对比分析(图4所示)和处理，最后得到一个校正表,如下表3所示。
表3
根据上述建立的校正表，通过X轴运动导轨8移动XY轴运动平台4调整待打标物体的位置，重新对待打标物体进行网格图案打标，得到经过校正调整后打标的网格图案，并对其进行检测，从而对打标后的图案进行校正，使打标后的图案没有畸变产生。
本发明自校正装置及方法的测量精度为0.01毫米的定位精度，能够满足客户对激光打标精度的需求，同时也减少了传统方法下的对人力、时间的需求，其适用性广。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于机器视觉的高精度振镜误差自校正装置，其特征在于：该自校正装置包括激光器(1)、打标方头(2)、聚焦镜(3)、XY轴运动平台(4)、相机(5)、两条X轴运动导轨(8)和安装基台；其中XY轴运动平台(4)通过电机驱动实现X轴和Y轴的运动；
所述安装基台上安装有两条X轴运动导轨(8)，两条X轴运动导轨(8)之间的一端设置有止位块(14)，两条X轴运动导轨(8)上安装有XY轴运动平台(4)，激光器(1)和相机(5)分别安装在安装基台侧面的两端并位于两条X轴运动导轨(8)上方，相机(5)与外部图像处理器连接，打标方头(2)安装在激光器(1)的侧面，聚焦镜(3)安装在打标方头(2)的下端面，聚焦镜(3)和相机(5)的镜头(6)均与两条X轴运动导轨(8)的位置相对应，打标方头(2)的工作面和相机(5)的镜头(6)均与XY轴运动平台(4)的上端面平行。
2.根据权利要求1所述的基于机器视觉的高精度振镜误差自校正装置，其特征在于：所述安装基台包括基座(9)、立板(10)、加强板(13)和支撑架(15)，其中立板(10)竖直安装在基座(9)上，所述立板(10)的底部与基座(9)之间设置有加强板(13)，基座(9)的下端面安装有支撑架(15)；所述激光器(1)和相机(5)分别通过激光器安装架(16)和相机安装架(11)安装在立板(10)顶部的两端。
3.根据权利要求2所述的基于机器视觉的高精度振镜误差自校正装置，其特征在于：所述自校正装置还包括光源安装板(7)和光源(12)，光源安装板(7)中部加工有矩形开口，光源安装板(7)安装在立板(10)的中部并位于相机(5)的下方，光源安装板(7)上矩形开口的四周均安装有光源(12)，光源(12)与两条X轴运动导轨(8)的位置相对应。
4.根据权利要求2所述的基于机器视觉的高精度振镜误差自校正装置，其特征在于：两条X轴运动导轨(8)安装在所述基座(9)的上端面，两条X轴运动导轨(8)分别与立板(10)平行设置。
5.根据权利要求2所述的基于机器视觉的高精度振镜误差自校正装置，其特征在于：所述相机安装架(11)为L形结构，其一端垂直安装在立板(10)上，另一端安装有相机(5)。
6.根据权利要求3所述的基于机器视觉的高精度振镜误差自校正装置，其特征在于：所述光源安装板(7)为矩形板，所述光源安装板(7)上加工的矩形开口尺寸比XY轴运动平台(4)尺寸大。
7.一种根据权利要求1-6任何一项所述基于机器视觉的高精度振镜误差自校正装置的自校正方法，其特征在于：该自校正方法具体步骤如下：
步骤S1：将待打标物体放置在XY轴运动平台(4)上，通过X轴运动导轨(8)移动XY轴运动平台(4)，并通过电机驱动XY轴运动平台(4)调整待打标物体的位置，使待打标物体位于打标方头(2)的正下方；
步骤S2：打开激光器(1)并通过打标方头(2)和聚焦镜(3)对待打标物体进行网格图案打标，所述网格图案打标在无任何校正的情况下进行；
步骤S3：移动XY轴运动平台(4)将打标后带有网格图案的待打标物体移动到相机(5)的正下方，打开光源(12)和相机(5)，通过镜头(6)对带有所述网格图案的待打标物体进行连续拍照，并记录拍摄每一幅图像时XY轴运动平台(4)移动的距离；
步骤S4：通过图像处理器对所拍摄的每幅图像进行图像处理，找到实际打标出来的网格上每一个角点的坐标；
步骤S5：将理论上网格角点的坐标值与打标后找到所述角点的坐标值进行对比分析，建立打标校正表；
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步骤S7：检测经过校正调整后打标的网格图案。
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