CN106441090B - 一种基于镭射引导式测量的产品测量点位自动计算系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于2D镭射引导式测量的规则产品三维测量点位自动计算系统及方法，本发明能够实现自动计算测量点位，极大减少了测试点位的示教时间。由以前的人为手动示教各测试点位变为软件自动去计算，提高了测量点位的准确性，并通过软件计算消除人为手动示教的误差。本发明的测试位置准确性、重复性能达到0.03mm，同时有效将测量精度从0.03mm提升0.02mm，并能实现设备之间测试点位公用。本发明对三坐标机等三维测试设备具有借鉴意义，在实现定位产品的X、Y、Z三维方向位置的同时也能调整合适的测试角度。
Description
技术领域：
本发明属于生产测量技术领域，具体是涉及一种基于2D镭射引导式测量的规则产品三维测量点位自动计算系统和方法。
背景技术：
随着3C电子行业迅速发展，电子产品得到快速的推广和普及，在追求高性能的同时，人们都越来越关注产品的质量和外观设计，也就要求在设计过程、生产过工艺要求越来越高，产品本身是由多个零部件组装而成，外观各零部件之间的配合公差也控制得越来越小。目前行业内都会采用一些自动化设备去量测部件之间的Gap、Offset和平面度等。但由于被测产品的复杂性、也直接导致了测量点位的复杂性、不规则性，这也就要求设备具有能够适应不同角度、不同位置、不同高度的位置测量。
传统的Gap、Offset等量测设备由于被测产品的测量位置的复杂性，测量点位均调试采用手动示教、目测确认，但是由于测量点数数量多导致设备调试时间很长、人眼目测示教测量位置误差大、重复性差，直接影响到设备的测量结果、精度。
常规的平面测量设备，多采用CCD定位基准点坐标，再根据产品测量点位图纸中测量点位与基准点的相对关系自动计算出相对于设备机械坐标系的位置，实现自动补偿位置误差。但只能适应于定位产品平面X、Y方向的测量，无法考虑到产品Z方向的变化量，以及测量时候的倾斜角度。
发明内容：
为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术中用于电子产品测量的测量设备测量精度低、只能适应于定位产品平面X、Y方向的测量，无法考虑到产品Z方向的变化量，以及测量时候的倾斜角度，从而提出一种基于2D镭射引导式测量的规则产品三维测量点位自动计算系统和方法。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于2D镭射引导式测量的规则产品三维测量点位自动计算系统，包括：
运动控制装置，所述运动控制装置包括运动控制卡、运动机构，所述运动控制卡用于控制所述运动机构在三维方向上进行直线运动，并获取所述运动机构的当前位置信息。
镭射装置，所述镭射装置设置在所述运动控制装置上，所述镭射装置用于检测产品的测量点位，并发送信号给所述运动控制卡。
作为上述技术方案的优选，所述运动控制卡选取IMAX-LX系列的运动控制卡。
作为上述技术方案的优选，所述镭射装置选取LJ-V系列2D激光镭射。
一种基于2D镭射引导式测量的规则产品三维测量点位自动计算方法，包括如下步骤：
S1：自动计算并补正产品放置时相对于镭射装置的测量角度。
S2：自动获取产品X方向的基准位置。
S3：自动获取产品Y方向的基准位置。
S4：自动获取产品Z方向的基准位置。
S5：自动获取产品角度θ测量的基准位置。
S6：根据所述产品X方向的基准位置、所述产品Y方向的基准位置、所述产品Z方向的基准位置、所述产品角度θ测量的基准位置，计算出产品实际测量点位的机械坐标位置。
S7：利用CCD拍照产品标定点，通过标定点在产品图纸的位置将CCD、镭射装置相对关系进行标定、关联，实现产品、CCD、镭射装置全自动点位测量。
作为上述技术方案的优选，步骤S1具体包括如下步骤：
S11：选取产品的一条外边为基准。
S12：运动机构带动镭射装置在所述外边上的多个测量点位进行检测并获取多个测量值。
S13：利用最小二乘法将步骤S12中的多个所述测量值进行拟合，计算出当前产品放置时相对于镭射装置的测量角度。
S14：根据步骤S13中计算得出的测量角度进行调整，使得测量角度接近0°。
作为上述技术方案的优选，步骤S2具体包括如下步骤：
S21：运动机构带动镭射装置在产品X方向进行移动。
S22：镭射装置实时获取镭射装置与产品的位置，当移动到镭射装置与产品之间的距离为镭射装置的正中工作距离时，镭射装置输出一个脉冲信号到运动控制卡。
S23：运动控制卡接收步骤S22中镭射装置输出的脉冲信号，并记录当前运动轴的编码器位置作为产品X方向的基准位置。
作为上述技术方案的优选，步骤S3具体包括如下步骤：
S31：运动机构带动镭射装置在产品Y方向进行移动。
S32：镭射装置实时获取产品的曲线，当搜索到产品边缘后，镭射装置输出一个脉冲信号到运动控制卡。
S33：运动控制卡接收步骤S32中镭射装置输出的脉冲信号，记录当前运动轴的编码器位置作为产品Y方向的基准位置。
作为上述技术方案的优选，步骤S4具体包括如下步骤：
S41：运动机构带动镭射装置在产品Z方向进行移动。
S42：镭射装置实时获取镭射装置与产品的位置，当移动到镭射装置与产品之间的距离为镭射装置的正中工作距离时，镭射装置输出一个脉冲信号到运动控制卡。
S43：运动控制卡接收步骤S42中镭射装置输出的脉冲信号，记录当前运动轴的编码器位置作为产品Z方向的基准位置。
作为上述技术方案的优选，步骤S5具体包括如下步骤：
S51：运动机构带动镭射装置在垂直产品方向进行摆动。
S52：实时获取镭射装置两端的高度差来计算镭射装置与产品之间的角度。
S53：不断调整镭射装置的摆动轴的角度至镭射装置两端的高度小于设定阈值。
S54：运动控制卡记录当前运动轴的编码器位置作为产品角度θ测量的基准位置。
作为上述技术方案的优选，步骤S53中：
所述设定阈值为2um。
本发明的有益效果在于：本发明能够实现自动计算测量点位，极大减少了测试点位的示教时间。由以前的人为手动示教各测试点位变为软件自动去计算，提高了测量点位的准确性，并通过软件计算消除人为手动示教的误差。本发明的测试位置准确性、重复性能达到0.03mm，同时有效将测量精度从0.03mm提升0.02mm，并能实现设备之间测试点位公用。本发明对三坐标机等三维测试设备具有借鉴意义，在实现定位产品的X、Y、Z三维方向位置的同时也能调整合适的测试角度。
附图说明：
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1为本发明一个实施例的硬件控制流程图；
图2为本发明一个实施例的产品与三维坐标系示意图；
图3为本发明一个实施例的基于2D镭射引导式测量的规则产品三维测量点位自动计算方法流程图；
图4为本发明一个实施例的最小二乘法进行拟合时的产品与坐标示意图；
图5为本发明一个实施例的软件原理实现流程图。
具体实施方式：
如图1所示，本发明的基于2D镭射引导式测量的规则产品三维测量点位自动计算系统，包括：
运动控制装置，所述运动控制装置包括运动控制卡、运动机构，所述运动控制卡用于控制所述运动机构在三维方向上进行直线运动，并获取所述运动机构的当前位置信息。本实施例中，所述运动控制卡选取IMAX-LX系列的运动控制卡，IMAX-LX系列的运动控制卡具有高达1MHZ的脉冲信号捕捉通道，高精度的PID控制功能。
镭射装置，所述镭射装置设置在所述运动控制装置上，所述镭射装置用于检测产品的测量点位，并发送信号给所述运动控制卡。本实施例中，所述镭射装置选取LJ-V系列2D激光镭射，LJ-V系列2D激光镭射，具有高精度、高响应频率。
如图2所示，镭射装置检测到产品时发送脉冲信号给运动控制卡时需要处理时间为0.3ms，运动控制卡中位置锁存脉冲捕获频率1MHZ，运动控制卡控制直线运动机构带动镭射装置进行检测，运动控制卡通过获取直线运动机构当前实际位置作为参考点。
本发明是基于2D镭射引导式测量实现对产品的的测量点位自动计算系统，在一台设备上通过自动校准流程去找出产品X、Y、Z、θ方向相对于各运动轴测量的基准参考点，在基准参考点的基础上根据实际测量图纸坐标自动计算出实际的机械测量坐标并建立一套标准的点位表。
本实施例的硬件原理实现如图1所示，镭射根据产品边缘等特征点进行移动识别，当镭射检测到产品边缘等特征点的时候输出一个脉冲信号到运动控制器高速位置捕获接口，运动控制卡位置捕获接口捕获到脉冲信号的同时纪录直线运动机构当前实际位置。并作为当前镭射测量时相对于产品在此方向的基准位置。将镭射(Laser)测量值、IO信号与运动控制卡实现闭环的运动反馈系统，具有高效、高重复性等特点。同时也以镭射的引导式测量、反馈实现整个过程的全自动化。
如图3所示，本发明的基于2D镭射引导式测量的规则产品三维测量点位自动计算方法，包括如下步骤：
S1：自动计算并补正产品放置时相对于镭射装置的测量角度。步骤S1具体包括如下步骤：
S11：选取产品的一条外边为基准。
S12：运动机构带动镭射装置在所述外边上的多个测量点位进行检测并获取多个测量值。
S13：利用最小二乘法将步骤S12中的多个所述测量值进行拟合，计算出当前产品放置时相对于镭射装置的测量角度。
S14：根据步骤S13中计算得出的测量角度进行调整，使得测量角度接近0°(+/-0.005°)。
采用最小二乘法拟合产品相对于镭射的测量时的放置角度来进行角度补偿。由于产品本身加工工艺的问题，产品加工出来也存在不可避免的误差。传统计算产品的放置角度采用两点计算角度的算法，但由于产品加工的问题这将会给该算法计算角度带来不少的误差。采用最小二乘法进行多点拟合能有效将计算角度误差最小化。对类似产品放置角度的定位和产品对位角度补偿具有借鉴意义。
本实施例给出一个具体测量过程，如图4所示：
运动执行机构带动镭射在Y方向进行移动，在Y1～Yi共i个位置进行测量得出镭射到产品的距离X1～Xi。采用最小二乘法进行直线拟合：
y＝a+bx，
斜率k＝b；
θ＝Atan(K)*(360/2π)；
调整θ接近0°(+/-0.005°)。
S2：自动获取产品X方向的基准位置。步骤S2具体包括如下步骤：
S21：运动机构带动镭射装置在产品X方向进行移动。
S22：镭射装置实时获取镭射装置与产品的位置，当移动到镭射装置与产品之间的距离为镭射装置的正中工作距离(+/-2um)时，镭射装置输出一个脉冲信号到运动控制卡。
S23：运动控制卡接收步骤S22中镭射装置输出的脉冲信号，并记录当前运动轴的编码器位置作为产品X方向的基准位置。
S3：自动获取产品Y方向的基准位置。步骤S3具体包括如下步骤：
S31：运动机构带动镭射装置在产品Y方向进行移动。
S32：镭射装置实时获取产品的曲线，当搜索到产品边缘后，镭射装置输出一个脉冲信号到运动控制卡。
S33：运动控制卡接收步骤S32中镭射装置输出的脉冲信号，记录当前运动轴的编码器位置作为产品Y方向的基准位置。
S4：自动获取产品Z方向的基准位置。步骤S4具体包括如下步骤：
S41：运动机构带动镭射装置在产品Z方向进行移动。
S42：镭射装置实时获取镭射装置与产品的位置，当移动到镭射装置与产品之间的距离为镭射装置的正中工作距离(+/-2um)时，镭射装置输出一个脉冲信号到运动控制卡。
S43：运动控制卡接收步骤S42中镭射装置输出的脉冲信号，记录当前运动轴的编码器位置作为产品Z方向的基准位置。
S5：自动获取产品角度θ测量的基准位置。步骤S5具体包括如下步骤：
S51：运动机构带动镭射装置在垂直产品方向进行摆动。
S52：实时获取镭射装置两端的高度差来计算镭射装置与产品之间的角度。
S53：不断调整镭射装置的摆动轴的角度至镭射装置两端的高度小于设定阈值。本实施例中，所述设定阈值为2um。
S54：运动控制卡记录当前运动轴的编码器位置作为产品角度θ测量的基准位置。
S6：根据所述产品X方向的基准位置、所述产品Y方向的基准位置、所述产品Z方向的基准位置、所述产品角度θ测量的基准位置，计算出产品实际测量点位的机械坐标位置。
S7：利用CCD拍照产品标定点，通过标定点在产品图纸的位置将CCD、镭射装置相对关系进行标定、关联，实现产品、CCD、镭射装置全自动点位测量。通过已知标定点在机械坐标系位置，将CCD、镭射装置有效关联到同一个测量坐标系下面，有效提高了测试精度、测试效率。
图5是本实施例的软件原理实现流程图。
本实施例所述的一种基于2D镭射引导式测量的规则产品三维测量点位自动计算系统及方法，本发明能够实现自动计算测量点位，极大减少了测试点位的示教时间。由以前的人为手动示教各测试点位变为软件自动去计算，提高了测量点位的准确性，并通过软件计算消除人为手动示教的误差。本发明的测试位置准确性、重复性能达到0.03mm，同时有效将测量精度从0.03mm提升0.02mm，并能实现设备之间测试点位公用。本发明对三坐标机等三维测试设备具有借鉴意义，在实现定位产品的X、Y、Z三维方向位置的同时也能调整合适的测试角度。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (6)
1.一种基于2D镭射引导式测量的规则产品三维测量点位自动计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：自动计算并补正产品放置时相对于镭射装置的测量角度；
S2：自动获取产品X方向的基准位置；
S3：自动获取产品Y方向的基准位置；
S4：自动获取产品Z方向的基准位置；
S5：自动获取产品角度θ测量的基准位置，所述产品角度θ是指产品放置时相对于镭射装置的测量角度；
S6：根据所述产品X方向的基准位置、所述产品Y方向的基准位置、所述产品Z方向的基准位置、所述产品角度θ测量的基准位置，计算出产品实际测量点位的机械坐标位置；
S7：利用CCD拍照产品标定点，通过标定点在产品图纸的位置将CCD、镭射装置相对关系进行标定、关联，实现产品、CCD、镭射装置全自动点位测量；
步骤S2具体包括如下步骤：
S21：运动机构带动镭射装置在产品X方向进行移动；
S22：镭射装置实时获取镭射装置与产品的位置，当移动到镭射装置与产品之间的距离为镭射装置的正中工作距离时，镭射装置输出一个脉冲信号到运动控制卡；
S23：运动控制卡接收步骤S22中镭射装置输出的脉冲信号，并记录当前运动轴的编码器位置作为产品X方向的基准位置；
步骤S3具体包括如下步骤：
S31：运动机构带动镭射装置在产品Y方向进行移动；
S32：镭射装置实时获取产品的曲线，当搜索到产品边缘后，镭射装置输出一个脉冲信号到运动控制卡；
S33：运动控制卡接收步骤S32中镭射装置输出的脉冲信号，记录当前运动轴的编码器位置作为产品Y方向的基准位置；
步骤S4具体包括如下步骤：
S41：运动机构带动镭射装置在产品Z方向进行移动；
S42：镭射装置实时获取镭射装置与产品的位置，当移动到镭射装置与产品之间的距离为镭射装置的正中工作距离时，镭射装置输出一个脉冲信号到运动控制卡；
S43：运动控制卡接收步骤S42中镭射装置输出的脉冲信号，记录当前运动轴的编码器位置作为产品Z方向的基准位置；
步骤S5具体包括如下步骤：
S51：运动机构带动镭射装置在垂直产品方向进行摆动；
S52：实时获取镭射装置两端的高度差来计算镭射装置与产品之间的角度；
S53：不断调整镭射装置的摆动轴的角度至镭射装置两端的高度小于设定阈值；
S54：运动控制卡记录当前运动轴的编码器位置作为产品角度θ测量的基准位置。
2.根据权利要求1所述的基于2D镭射引导式测量的规则产品三维测量点位自动计算方法，其特征在于，步骤S1具体包括如下步骤：
S11：选取产品的一条外边为基准；
S12：运动机构带动镭射装置在所述外边上的多个测量点位进行检测并获取多个测量值；
S13：利用最小二乘法将步骤S12中的多个所述测量值进行拟合，计算出当前产品放置时相对于镭射装置的测量角度；
S14：根据步骤S13中计算得出的测量角度进行调整，使得测量角度接近0°。
3.根据权利要求1所述的基于2D镭射引导式测量的规则产品三维测量点位自动计算方法，其特征在于，步骤S53中：
所述设定阈值为2um。
4.一种根据权利要求1-3任一所述的基于2D镭射引导式测量的规则产品三维测量点位自动计算方法的系统，其特征在于，包括：
运动控制装置，所述运动控制装置包括运动控制卡、运动机构，所述运动控制卡用于控制所述运动机构在三维方向上进行直线运动，并获取所述运动机构的当前位置信息；
镭射装置，所述镭射装置设置在所述运动控制装置上，所述镭射装置用于检测产品的测量点位，并发送信号给所述运动控制卡。
5.根据权利要求4所述的基于2D镭射引导式测量的规则产品三维测量点位自动计算方法的系统，其特征在于：
所述运动控制卡选取IMAX-LX系列的运动控制卡。
6.根据权利要求4所述的基于2D镭射引导式测量的规则产品三维测量点位自动计算方法的系统，其特征在于：
所述镭射装置选取LJ-V系列2D激光镭射。
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