CN107072047A - 一种基于机器视觉的三轴定位装置及方法 - Google Patents

一种基于机器视觉的三轴定位装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的三轴定位装置及方法，方法包括将PCB板与菲林进行定位；建立机台坐标系统，分别以第一对位元素中心和第二对位元素中心为坐标原点建立形成第一坐标系和第二坐标系；获取对位夹角，根据第一对位元素中心和第二对位元素中心分别在机台坐标系统中的位置坐标求取该第一对位元素中心与第二对位元素中心在机台坐标系统中X轴方向上的差值为第一差值、Y轴方向上的差值为第二差值；判断对位夹角、第一差值和第二差值是否在预设误差范围内，若是，不调整，否则，调整位置。本发明基于CCD机器视觉进行定位控制，能快速准确的获取位置信息，解决PCB板在生产制作过程中定位误差的问题，提高对位精度和速度。

Description

一种基于机器视觉的三轴定位装置及方法
技术领域
本发明涉及定位技术领域，尤其涉及一种基于机器视觉的三轴定位装置及方法。
背景技术
在自动化程度较高的行业，如印制电路板、数控加工、激光加工等，绝大部分都应用了自动化生产线，在产线关键工位或制程上都需要高精度高效的定位对时控制要求。如PCB行业中曝光对位过程控制由HDI板、多层柔性板等高端PCB板的电子线路密度大、线路间距小、并且PCB与曝光菲林都会存在形变，加上推杆机构间存在的随机误差，对垂直和水平对位的精度控制造成了很大的阻碍。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种基于机器视觉的三轴定位装置，其能实现对PCB板生产过程中的精准定位。
本发明的目的之二在于提供一种基于机器视觉的三轴定位方法，其能实现对PCB板生产过程中的精准定位。
本发明的目的之一采用以下技术方案实现：
一种基于机器视觉的三轴定位装置，包括控制平台、CCD图像传感器、FPGA电路、伺服驱动器和I/O接口电路，CCD图像传感器和FPGA电路均与控制平台连接，伺服驱动器和I/O接口电路均与FPGA电路连接；所述CCD图像传感器用于获取位置图像信号，并发送至控制平台，使控制平台根据该位置图像信号发送控制信号至FPGA电路，FPGA电路用于根据控制信号通过I/O接口电路驱动外部的驱动电机工作。
优选的，所述控制平台包括显示装置、CPU，所述FPGA电路、CCD图像传感器和显示装置均与CPU连接。
优选的，所述FPGA电路包括FPGA芯片、电源电路、数模转换电路、配置电路、光耦隔离电路、锁相环电路和存储电路，电源电路、数模转换电路、配置电路、光耦隔离电路、锁相环电路和存储电路均与FPGA芯片连接，FPGA芯片连接控制平台，光耦隔离电路连接I/O接口电路。
优选的，所述I/O接口电路包括输入信号接口、输出继电器和输出信号接口，输入信号接口和输出继电器均与FPGA电路连接，输出信号接口连接输出继电器。
优选的，所述FPGA芯片的型号为EP1C3T144。
本发明的目的之二采用以下技术方案实现：
一种基于机器视觉的三轴定位方法，应用于PCB板定位系统，该定位系统包括PCB板以及权利要求1所述的三轴定位装置，CCD图像传感器位于PCB板的外表面，每一个CCD中对应一菲林；包括如下步骤：
S1：根据预设的若干个对位点将PCB板与菲林进行定位；
S2：建立机台坐标系统和每一个CCD的CCD坐标系统，以菲林的中心点所在位置为第一对位元素中心，以PCB板的中心点所在位置为第二对位元素中心，以第一对位元素中心为坐标原点，以菲林上经过该第一对位元素中心的水平中线为X轴，以菲林上经过该第一对位元素中心的竖直中线为Y轴建立第一坐标系，以第二对位元素中心为坐标原点，以PCB板上经过该第二对位元素中心的水平中线为X轴，以PCB板上经过该第二对位元素中心的竖直中线为Y轴建立第二坐标系；
S3：通过CCD图像传感器获取第一坐标系的X轴与第二坐标系的X轴之间的夹角，记为对位夹角，并根据第一对位元素中心和第二对位元素中心分别在机台坐标系统中的位置坐标求取该第一对位元素中心与第二对位元素中心在机台坐标系统中X轴方向上的差值为第一差值、Y轴方向上的差值为第二差值；
S4：FPGA电路判断对位夹角、第一差值和第二差值是否均在预设误差范围内，若是，则不作调整，否则，输出位置补偿信号至I/O接口电路以调整PCB板与菲林之间的位置，使对位夹角、第一差值和第二差值均在预设误差范围内。
优选的，S3中，根据公式dX＝(dX1+dX2+……+dXi)/i求取第一差值，根据公式dY＝(dY1+dY2+……+dYi)/i求取第二差值；其中，i为第i个对位点，第i个对位点在第一坐标系中的X值与其在第二坐标系中的X值之差的为dXi，第i个对位点在第一坐标系中的Y值与其在第二坐标系中的Y值之差的为dYi，dX为第一差值，dY为第二差值。
优选的，S4中，当FPGA电路判断到对位夹角、第一差值和第二差值在预设误差范围外时，根据计算得到的第一差值、第二差值和对位夹角对PCB板进行对位补偿计算以根据对位补偿计算结果调整PCB板与菲林之间的位置，判断此时对位夹角、第一差值和第二差值是否均在预设误差范围内，若是，则对位成功，否则，判断是否达到预设最大对位次数，若是，则结束，否则，返回S1。
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明基于CCD的机器视觉对三轴联动进行定位控制，能快速准确的获取位置信息，解决PCB板在生产制作过程中定位误差的问题，提高对位的精度和速度。
附图说明
图1为本发明的一种基于机器视觉的三轴定位装置的模块结构图；
图2为本发明的一种基于机器视觉的三轴定位方法的流程图；
图3为本发明的机台坐标系统和CCD坐标系统示意图；
图4为本发明的对位夹角、第一差值和第二差值的标示示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述：
如图1所示，本发明提供一种基于机器视觉的三轴定位装置，包括控制平台、CCD图像传感器、FPGA电路、伺服驱动器和I/O接口电路，CCD图像传感器和FPGA电路均与控制平台连接，伺服驱动器和I/O接口电路均与FPGA电路连接；所述CCD图像传感器用于获取位置图像信号，并发送至控制平台，使控制平台根据该位置图像信号发送控制信号至FPGA电路，FPGA电路用于根据控制信号通过I/O接口电路驱动外部的驱动电机工作。
FPGA电路接收控制平台的控制信号，根据该控制信号通过I/O接口电路对外围的伺服电机达到运动控制的目的。FPGA电路采样FPGA为主芯片，其内部具有通信控制模块、脉冲发生模块、光电编码器等，FPGA电路还包括外围电路，外围电路包括电源电路、配置电路、锁相环电路、光耦隔离电路、存储电路。FPGA电路是硬件核心，连接上层控制平台和下层执行单元的桥梁。FPGA芯片的型号可以采用为EP1C3T144，其需要两种不同的电源供电，即内核电源(1.5V)和电源(3.3V)，电源电路提供这两种电压，在电路设计中，从直流稳压电源得到的电压通过低通滤波器得到稳定的电压。配置电路具有配置芯片，采用主动串行配置方式作为FPGA的配置方式，是由FPGA器件引导的配置操作过程，由FPGA来主动输出控制和同步信号给FPGA的串行配置芯片，配置芯片收到命令后，把配置数据发给FPGA，完成配置过程。由于控制对象在启动或运行时，常常产生很强的电磁干扰，造成系统异常，光耦隔离电路用于隔离伺服驱动器的脉冲和方向信号，并且隔离I/O接口电路，从而可以减少伺服驱动器和I/O接口电路对系统的干扰。
控制平台具体包括显示装置、CPU，所述FPGA电路、CCD图像传感器和显示装置均与CPU连接。控制平台主要进行CCD图像采集，显示装置提供用户界面，产生对伺服装置控制的控制信号，达到运动控制的目的。
I/O接口电路包括输入信号接口、输出继电器和输出信号接口，输入信号接口和输出继电器均与FPGA电路连接，输出信号接口连接输出继电器。输入信号接口用于供数控机床、产线设备的开关量接入，输出继电器通过输出信号接口对数控机床进行开关量控制，从而对数控机床的位置进行调节。
参见图2，本发明提供一种基于机器视觉的三轴定位方法，其应用于PCB板定位系统，对PCB板在自动化生产线中进行定位、对位，该PCB定位系统包括本发明提供的三轴定位装置以及PCB板，每个PCB板的外表面设有CCD(Charge-coupled Device)图像传感器，CCD图像传感器的数量为若干个，每一个CCD都对应一个菲林。本发明具体包括如下步骤：
S1：根据预设的若干个对位点将PCB板与菲林进行定位；
本发明是基于CCD视觉进行自动定位，菲林是摄像用的感光片和胶卷。本发明通过CCD图像传感器对PCB板的位置信息进行获取，从而进行定位。首先找出PCB板与菲林的最佳对位点，尽量均分由于PCB板或者菲林带入的偏差。对位点的数量可以选择为四个，分别位于PCB板的四角。
S2：建立机台坐标系统和每一个CCD的CCD坐标系统，以菲林的中心点所在位置为第一对位元素中心，以PCB板的中心点所在位置为第二对位元素中心，以第一对位元素中心为坐标原点，以菲林上经过该第一对位元素中心的水平中线为X轴，以菲林上经过该第一对位元素中心的竖直中线为Y轴建立第一坐标系，以第二对位元素中心为坐标原点，以PCB板上经过该第二对位元素中心的水平中线为X轴，以PCB板上经过该第二对位元素中心的竖直中线为Y轴建立第二坐标系；
机台坐标系统也就是以机器的角度建立的一个坐标系统，如图3所示，(O，X，Y)为机台坐标系统，(Oi，Xi，Yi)为第i个CCD的坐标系统。如图4所示，当PCB板与菲林的位置对准时，PCB板的中心点所在位置为O1点，也就是菲林的中心点与PCB板的中心点重合，当PCB板与菲林的位置有偏差时，PCB板的中心点所在位置为O2点，分别以O1点和O2点作为坐标原点建立坐标系，O1点对应第一坐标系，O2点对应第二坐标系。实际上本发明的定位主要是对PCB板的中心点与菲林的中心点对位，以及预设的对位点进行对位。
S3：通过CCD图像传感器获取第一坐标系的X轴与第二坐标系的X轴之间的夹角，记为对位夹角，并根据第一对位元素中心和第二对位元素中心分别在机台坐标系统中的位置坐标求取该第一对位元素中心与第二对位元素中心在机台坐标系统中X轴方向上的差值为第一差值、Y轴方向上的差值为第二差值；
通过上面建立坐标系的过程，可以获取到第一坐标系和第二坐标系两者的X轴之间的夹角，如图3所示，该对位夹角为dT，第一差值为dX，第二差值为dY。获取这三个因素后可以对PCB板的位置进行调整。最理想对位为：dX＝0，dY＝0，dT＝0。
S4：FPGA电路判断对位夹角、第一差值和第二差值是否均在预设误差范围内，若是，则不作调整，否则，输出位置补偿信号至I/O接口电路以调整PCB板与菲林之间的位置，使对位夹角、第一差值和第二差值均在预设误差范围内。
PCB板的对位往往存在一点偏差，很难调整到最理想的对位，因此当PCB板定位在合理位置不影响生产时，则可以认为已经对准。因此需要根据对位夹角、第一差值和第二差值判断是否在预设误差范围之内，当在预设误差范围内，则不调整PCB板的位置，如果在误差范围外，再进行调整。
具体调整方式为，根据计算得到的第一差值、第二差值和对位夹角对PCB板进行对位补偿计算以根据对位补偿计算结果调整PCB板与菲林之间的位置，例如第一差值为5cm，第二差值为6cm，对位夹角为30度，第一差值的误差范围是0-3cm，第二差值的误差范围是0-3cm，对位夹角的误差范围是0-10度，则对位补偿计算为需要将第一差值调整到0-3cm内，以此类推。之后判断此时对位夹角、第一差值和第二差值是否均在预设误差范围内，若是，则对位成功，否则，判断是否达到预设最大对位次数，若是，则结束，否则，返回S1。
在S3中，根据公式dX＝(dX1+dX2+……+dXi)/i求取第一差值，根据公式dY＝(dY1+dY2+……+dYi)/i求取第二差值；其中，i为第i个对位点，第i个对位点在第一坐标系中的X值与其在第二坐标系中的X值之差的为dXi，第i个对位点在第一坐标系中的Y值与其在第二坐标系中的Y值之差的为dYi，dX为第一差值，dY为第二差值。对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于机器视觉的三轴定位装置，其特征在于，包括控制平台、CCD图像传感器、FPGA电路、伺服驱动器和I/O接口电路，CCD图像传感器和FPGA电路均与控制平台连接，伺服驱动器和I/O接口电路均与FPGA电路连接；所述CCD图像传感器用于获取位置图像信号，并发送至控制平台，使控制平台根据该位置图像信号发送控制信号至FPGA电路，FPGA电路用于根据控制信号通过I/O接口电路驱动外部的驱动电机工作。
2.如权利要求1所述的三轴定位装置，其特征在于，所述控制平台包括显示装置、CPU，所述FPGA电路、CCD图像传感器和显示装置均与CPU连接。
3.如权利要求1所述的三轴定位装置，其特征在于，所述FPGA电路包括FPGA芯片、电源电路、数模转换电路、配置电路、光耦隔离电路、锁相环电路和存储电路，电源电路、数模转换电路、配置电路、光耦隔离电路、锁相环电路和存储电路均与FPGA芯片连接，FPGA芯片连接控制平台，光耦隔离电路连接I/O接口电路。
4.如权利要求3所述的三轴定位装置，其特征在于，所述I/O接口电路包括输入信号接口、输出继电器和输出信号接口，输入信号接口和输出继电器均与FPGA电路连接，输出信号接口连接输出继电器。
5.如权利要求3所述的三轴定位装置，其特征在于，所述FPGA芯片的型号为EP1C3T144。
6.一种基于机器视觉的三轴定位方法，其特征在于，应用于PCB板定位系统，该定位系统包括PCB板以及权利要求1所述的三轴定位装置，CCD图像传感器位于PCB板的外表面，每一个CCD中对应一菲林；包括如下步骤：
S1：根据预设的若干个对位点将PCB板与菲林进行定位；
S2：建立机台坐标系统和每一个CCD的CCD坐标系统，以菲林的中心点所在位置为第一对位元素中心，以PCB板的中心点所在位置为第二对位元素中心，以第一对位元素中心为坐标原点，以菲林上经过该第一对位元素中心的水平中线为X轴，以菲林上经过该第一对位元素中心的竖直中线为Y轴建立第一坐标系，以第二对位元素中心为坐标原点，以PCB板上经过该第二对位元素中心的水平中线为X轴，以PCB板上经过该第二对位元素中心的竖直中线为Y轴建立第二坐标系；
S3：通过CCD图像传感器获取第一坐标系的X轴与第二坐标系的X轴之间的夹角，记为对位夹角，并根据第一对位元素中心和第二对位元素中心分别在机台坐标系统中的位置坐标求取该第一对位元素中心与第二对位元素中心在机台坐标系统中X轴方向上的差值为第一差值、Y轴方向上的差值为第二差值；
S4：FPGA电路判断对位夹角、第一差值和第二差值是否均在预设误差范围内，若是，则不作调整，否则，输出位置补偿信号至I/O接口电路以调整PCB板与菲林之间的位置，使对位夹角、第一差值和第二差值均在预设误差范围内。
7.如权利要求6所述的基于机器视觉的三轴定位方法，其特征在于，S3中，根据公式dX＝(dX1+dX2+……+dXi)/i求取第一差值，根据公式dY＝(dY1+dY2+……+dYi)/i求取第二差值；其中，i为第i个对位点，第i个对位点在第一坐标系中的X值与其在第二坐标系中的X值之差的为dXi，第i个对位点在第一坐标系中的Y值与其在第二坐标系中的Y值之差的为dYi，dX为第一差值，dY为第二差值。
8.如权利要求7所述的基于机器视觉的三轴定位方法，其特征在于，S4中，当FPGA电路判断到对位夹角、第一差值和第二差值在预设误差范围外时，根据计算得到的第一差值、第二差值和对位夹角对PCB板进行对位补偿计算以根据对位补偿计算结果调整PCB板与菲林之间的位置，判断此时对位夹角、第一差值和第二差值是否均在预设误差范围内，若是，则对位成功，否则，判断是否达到预设最大对位次数，若是，则结束，否则，返回S1。
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