CN107621235B - 基于光谱共焦技术的手机曲面外壳轮廓测量方法及其测量设备 - Google Patents
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Abstract
基于光谱共焦技术的手机曲面外壳轮廓测量方法及其测量设备，其中测量设备，包括侧角滑台、色散共焦光谱量仪和工业相机，所述侧角滑台包括转动机构，所述转动机构包括驱动装置，上下叠合的上转动件和下转动件，在所述上转动件设有用于固定手机外壳的治具；所述驱动装置通过调节机构带动治具沿z轴旋转；在上转动件和下转动件的接触面外侧标有侧角滑台沿z轴旋转角度值，该旋转角度值由数据传输线传到计算机端；所述色散共焦光谱量仪和工业相机沿x轴垂直设置,并令其沿y轴机构平移。本发明具有能同时进行手机背壳和侧边轮廓精密检测的优点。
Description
技术领域
本发明涉及手机外壳质量检测领域，更具体地，涉及一种基于光谱共焦技术的手机外壳轮廓测量设备。
背景技术
随着人们对手机产品质量要求的不断提高和自动化技术的发展，手机外壳轮廓形状检测也越来越多的要求提高精度和采用自动化测量的方法实现。手机外壳形状精度检测主要包括背壳和侧面弧面轮廓的检测。为了实现这两个部分的检测，现有的技术方法主要包括以下四种：
1)接触式测量：使用该种方法的测量仪器，测脚需要接触测量工件表面，测量用时较长并且可能损伤工件表面。
2)采用工业相机进行视觉检测：该方法采用多目相机从不同角度检测手机外壳，该方法需要经过复杂的图像处理过程，对环境光线的要求严苛，不易实现精密检测；
3)采用激光扫描传感器测量：该方法通过传动装置带动激光扫描传感器相对被测工件旋转或平移，记录下与工件不同位置的距离信息，通过数学转换后获得整体工件的轮廓信息。但是当被测工件外表面为低反射率表面时，会导致反射光强小，测量误差大的问题；
4)采用光谱共焦技术测量：因为通过相同透镜时，不同波长的单色光的焦距不同。该方法可以通过光谱共焦传感器分析反射光中光强的波峰对应的波长值，得到与对应表面的距离值，由于该方法对于反射光强度要求低，所以可应用于反射率低的手机外壳表面轮廓检测。
采用光谱共焦技术检测手机轮廓的精度高，对工件材质要求低，且比激光扫描传感器的测量范围广。由于光谱测距或激光测距的测量范围优先，常见的外轮廓测量设备采用传动机构带动光谱传感器或激光传感器在三维空间中进行平移，从而采样到工件外壳整体轮廓数据。手机外轮廓由背壳和侧边弧面组成。由于反射角过大时传感器接收不了数据，因此固定角度的传感器不能同时测量背壳和侧面轮廓，现有的解决方法是使用不同的仪器将两种轮廓分开测量，再通过数学方法将两种轮廓进行拼接。这种方法较为麻烦，且增加了工件的检测时间，拼接精度也不能保证。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于光谱共焦技术的手机曲面外壳轮廓测量设备，其目的是设计一种包含侧角滑台的检测设备，可以自动调节工件夹具侧角滑台旋转角度，从而采用光谱量仪一次性测量并重建手机外壳截面轮廓模型，由此解决现有测量仪器不能同时进行手机背壳和侧边轮廓精密检测的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于光谱共焦技术的手机曲面外壳轮廓测量设备，包括工业相机，色散共焦光谱量仪，侧角滑台机构。其中工业相机和光谱量仪沿x轴方向布置。侧角滑台由传动机构，侧角滑台，治具，数据传输线组成。治具将手机外壳固定在侧角滑台上。通过手动旋转传动机构上的旋钮，传动机构可以带动侧角滑台沿Z轴方向旋转，从而调整手机外壳的侧面切线与光谱仪之间的角度。使外壳侧面位于光谱量仪的测试范围内。通过旋钮调整的角度值通过数据传输线输出到计算机上用于轮廓数据的修正和拼接。
本发明涉及的曲面测量方法是采用工业相机视觉系统定位，调整侧角滑台角度，再由光谱共焦传感器获取外壳轮廓信息后进行拼接计算。
本发明还包括测量方法，主要包括以下步骤：
第一步，将标准手机外壳固定在侧角滑台上；
第二步，将标准手机外壳轮廓数据分为手机背壳，左侧边与右侧边三部分数据，分别通过旋转旋钮调整侧角滑台角度，保证这三个部分的轮廓信息可以被光谱量仪接收，记录对应于三个部分的侧角滑台角度值。设置并记录色散共焦光谱量仪的沿y轴方向的移动速度；
第三步，采用工业相机视觉定位方法建立标定标准手机外壳位置坐标系；根据第二步记录的侧角滑台角度值调整侧角滑台，分别标定标准手机外壳三部分截面曲线的距离数据；根据标定的标准手机外壳上的标志点记录拼接位置；
第四步，采用数学公式将光谱量仪的光学笔与测量点之间的距离转换成标准手机轮廓截面的曲线垂直高度；
第五步，取下标准手机外壳，将待检测手机外壳固定在侧角滑台上，采用视觉定位方法建立待检测手机位置坐标系；
第六步，采用相同的侧角滑台角度值和光谱量仪移动速度；测量待检测手机外壳三部分截面曲线的距离数据；
第七步，利用数学公式和标准手机数据计算待检测手机外壳标准手机轮廓截面的曲线垂直高度；根据标志点位置与侧角滑台角度值对待检测手机侧边截面曲线数据进行拟合后插值，获得沿垂直方向均匀分布的高度数据，将采集到的侧边曲线数据进行拼接获得完整的外壳截面曲线。
标定标准手机外壳侧边截面曲线垂直高度时，需做如下转换
其中d为光谱量仪的光学笔与标定测量点之间的距离，α为侧角滑台角度值，d1为光谱量仪的光学笔与测量点连线的曲线垂直高度。
计算待检测手机外壳侧边截面曲线垂直高度时，需做如下转换
其中d'为光谱量仪的光学笔与待测手机外壳测量点之间的距离，t表示从坐标原点出发光谱量仪沿y轴移动的时间。dy为光谱量仪的光学笔沿y轴的移动距离，h为待测手机外壳测量点相对于标定测量点的相对垂直距离，即截面曲线的高度数据。
计算沿垂直方向均匀分布的高度数据，首先需要将测得的高度数据的沿y轴的分布距离转换为侧角滑台未旋转时光谱量仪沿y轴的分布距离，需做如下转换：
dy'＝dycosα-d'sinα
其中dy'为侧角滑台未旋转且对应相同测量点时，光谱量仪沿y 轴的分布距离。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)通过调节侧角滑台的角度可以测到外壳斜度较大的曲面轮廓的高度数据，从而采用一个设备一次性检测背壳和侧边曲面的形状精度。
(2)采用数学变换将采集的斜面数据进行差值，可以获得等效于正面采集的均衡数据。
(3)本发明适合于对透明材料的厚度测度。
附图说明
图1是手机外壳截面轮廓检测流程图；
图2是计算待测手机外壳测量点相对于标定测量点的相对垂直距离示意图；
图3是将测得高度数据的沿y轴的分布距离转换为侧角滑台未旋转时光谱量仪沿y轴的分布距离的示意图；
图4是实例中所使用的侧角滑台结构示意图；
图5是包含有侧角滑台的测量设备的结构示意图；
图6是图5和图5中下转件的结构示意图；
图7是实例中所使用的另一种侧角滑台结构示意图；
图8是坐标系定位的结构示意图；
图9是实例中进行拼接后的手机外壳截面曲线模型。
具体实施方式
下面结合具体案例对本发明进行说明。
图1为本发明中实施例的检测流程图，该方法包括：
S1：将标准手机外壳固定在侧角滑台上；
S2:将手机外壳轮廓数据分为手机背壳，左侧边与右侧边三部分数据，分别通过旋转旋钮调整侧角滑台角度，保证这三个部分的轮廓信息可以被光谱量仪接收，记录测量背壳，左侧边与右侧边时的侧角滑台角度值分别为α1，α2，α3。设置并记录色散共焦光谱量仪的沿y 轴方向的移动速度vy；
S3:采用工业相机视觉定位方法建立标定手机位置坐标系；根据 S2记录的侧角滑台角度值调整侧角滑台，分别标定标准手机外壳三部分截面曲线的高度数据；根据标定手机外壳上的标志点记录拼接位置；如采用工业相机视觉定位方法对产品进行定位，通过a、b、c、d、e、f(根据需要设置点数量及位置)位置建立X，Y坐标系及原点坐标，通过①、②、③、④(根据需要设置点数量及位置)建立Z坐标原点(见图8)；
S4:为了统一为一套坐标系中的数据，要将光谱量仪的光学笔与测量点之间的距离转换成标准手机轮廓截面的曲线垂直高度；
所述垂直高度的转换公式为
其中d为光谱量仪的光学笔与标定测量点之间的距离，α为侧角滑台角度值，在测量背壳，左侧边和右侧边数据时，α分别等于α1，α2，α3。d1为光谱量仪的光学笔与测量点连线的曲线垂直高度。根据产品的曲度及高度差，在固定的坐标位置(即标志点位置)，让产品运动到不同的状态，使整个产品轮廓都能扫描到，因此，角度α1，α2，α3也可以分别取多个不同的值；
S5:取下标准手机外壳，将待检测手机外壳固定在侧角滑台上，采用视觉定位方法建立待检测手机位置坐标系；
S6:采用与标定时相同的侧角滑台角度值和光谱量仪移动速度；测量待检测手机外壳三部分截面曲线的高度数据；
S7:根据标准手机数据计算待检测手机外壳标准手机轮廓截面的曲线垂直高度；获得沿垂直方向均匀分布的高度数据，根据标志点位置与侧角滑台角度值对待检测手机侧边截面曲线数据进行拟合后插值，将采集到的侧边曲线数据进行拼接获得完整的外壳截面曲线。
如图2所示，计算待检测手机外壳侧边截面曲线垂直高度时，需做如下转换
其中d'为光谱量仪的光学笔与待测手机外壳测量点之间的距离，t表示从坐标原点出发光谱量仪沿y轴移动的时间；dy为光谱量仪的光学笔沿y轴的移动距离，h为待测手机外壳测量点相对于标定测量点的相对垂直距离，即截面曲线的高度数据。
计算沿垂直方向均匀分布的高度数据，如图3所示，首先需要将测得的高度数据的沿y轴的分布距离转换为侧角滑台未旋转时光谱量仪沿y轴的分布距离，需做如下转换：
dy'＝dycosα-d'sinα其中dy'为侧角滑台未旋转且对应相同测量点时，光谱量仪沿y轴的分布距离。
当采用折线连接数据点作为最终拟合曲线时，需要通过插值得到沿y轴任意相同距离Δdy对应的高度数据，对应的转换公式为：
其中hi-1，表示前一测量点的垂直高度和沿y轴移动距离， hi，/>表示后一测量点的垂直高度和沿y轴移动距离，h'，dy'表示插值得到的垂直高度和沿y轴移动距离。
请参见图4至图6，图4至图6揭示一种侧角滑台10，包括转动机构1，所述转动机构1包括驱动装置11，上下叠合的上转动件12 和下转动件13，在所述上转动件12设有用于固定手机外壳5的治具 2；
所述驱动装置11通过调节机构111带动治具2沿z轴旋转；在上转动件12和下转动件13的接触面处设有用于测量侧角滑台沿z轴旋转角度值14的测量器具16，该旋转角度值14由数据传输线15传到计算机端。
所述调节机构111包括丝杆112，所述丝杆112驱动上转动件12 的弧形螺纹63，从而带动上转动件12转动。
所述测量器具16可以是标度刻尺或光栅尺。
本发还揭示一种测量设备，包括侧角滑台10、色散共焦光谱量仪8和工业相机9，所述侧角滑台10包括转动机构1，所述转动机构 1包括驱动装置11，上下叠合的上转动件12和下转动件13，在所述上转动件12设有用于固定手机外壳5的治具2；
所述驱动装置11通过调节机构111带动治具2沿z轴旋转；在上转动件12和下转动件13的接触面处设有用于测量侧角滑台沿z轴旋转角度值14的测量器具16，该旋转角度值14由数据传输线15传到计算机端；所述色散共焦光谱量仪8和工业相机9沿x轴垂直设置,并令其沿y轴机构平移。
所述调节机构111包括丝杆112，所述丝杆112驱动上转动件12 的弧形螺纹113，从而带动上转动件12转动。
所述测量器具16可以是标度刻尺或光栅尺。
请参见图7，图7与图4所示实施例相比，其大体结构相同，所不同的是图7所示侧角滑台10中的测量器具16是光栅尺，所述光栅尺为弧形光栅尺，其光栅尺的弧形标尺光栅161设在下转动件13上，光栅读数头162设有上转动件12上，光栅尺读出的旋转角度值14由数据传输线15传到计算机端。
如图9所示为将左侧边，背壳和右侧边进行拼接后的曲线示意图。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于光谱共焦技术的手机曲面外壳轮廓测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：将标准手机外壳固定在侧角滑台上；
S2:将标准手机外壳轮廓数据分为背壳，左侧边与右侧边三部分数据，通过调整侧角滑台角度，保证这三个部分的轮廓信息可以被光谱量仪接收；记录测量背壳，左侧边与右侧边时的侧角滑台角度值分别为α1，α2，α3；设置并记录光谱量仪的沿y轴方向的移动速度vy；
S3:采用工业相机视觉定位方法建立标定标准手机外壳位置坐标系；根据S2步记录的侧角滑台角度值调整侧角滑台，分别标定标准手机外壳三部分截面曲线的高度数据；根据标定标准手机外壳上的标志点记录拼接位置；
S4:将光谱量仪的光学笔与测量点之间的距离转换成标准手机外壳轮廓截面的曲线垂直高度；
所述垂直高度的转换公式为
其中d为光谱量仪的光学笔与标定测量点之间的距离，α为侧角滑台角度值，在测量背壳，左侧边和右侧边数据时，α分别等于α1，α2，α3；d1为光谱量仪的光学笔与测量点连线的曲线垂直高度；
S5:取下标准手机外壳，将待检测手机外壳固定在侧角滑台上，采用视觉定位方法建立待检测手机位置坐标系；
S6:采用与标定标准手机外壳时相同的侧角滑台角度值和光谱量仪移动速度；测量待检测手机外壳三部分截面曲线的高度数据；
S7:根据标准手机数据计算待检测手机外壳轮廓截面的曲线垂直高度；获得沿垂直方向均匀分布的高度数据，根据标志点位置与侧角滑台角度值对待检测手机侧边截面曲线数据进行拟合后插值，将采集到的侧边曲线数据进行拼接获得完整的待检测手机外壳的截面曲线。
2.根据权利要求1所述的一种基于光谱共焦技术的手机曲面外壳轮廓测量方法，其特征在于，所述计算待检测手机外壳侧边截面曲线垂直高度时，按如下公式转换：
其中，d'为光谱量仪的光学笔与待测手机外壳测量点之间的距离，t表示从坐标原点出发光谱量仪沿y轴移动的时间；dy为光谱量仪的光学笔沿y轴的移动距离，h为待测手机外壳测量点相对于标定测量点的相对垂直距离。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于光谱共焦技术的手机曲面外壳轮廓测量方法，其特征在于，所述计算沿垂直方向均匀分布的高度数据，首先需要将测得的高度数据的沿y轴的分布距离转换为侧角滑台未旋转时光谱量仪沿y轴的分布距离，按如下公式转换：
dy'＝dycosα-d'sinα，其中，dy'为侧角滑台未旋转且对应相同测量点时，光谱量仪沿y轴的分布距离。
4.根据权利要求1或2所述的基于光谱共焦技术的手机曲面外壳轮廓测量方法，其特征在于，当采用折线连接数据点作为最终拟合曲线时，需要通过插值得到沿y轴任意相同距离Δdy对应的高度数据，对应的转换公式为：
其中hi-1，表示前一测量点的垂直高度和沿y轴移动距离，hi，/>表示后一测量点的垂直高度和沿y轴移动距离，h'，dy'表示插值得到的垂直高度和沿y轴移动距离。
5.一种侧角滑台(10)，其特征在于：包括转动机构(1)，所述转动机构(1)包括驱动装置(11)，上下叠合的上转动件(12)和下转动件(13)，在所述上转动件(12)设有用于固定手机外壳(5)的治具(2)；所述驱动装置(11)通过调节机构(111)带动治具(2)沿z轴旋转；在上转动件(12)和下转动件(13)的接触面处设有用于测量侧角滑台沿z轴旋转角度值(14)的测量器具(16)，该旋转角度值(14)由数据传输线(15)传到计算机端；所述侧角滑台(10)按如下工作流程工作：
S1：将标准手机外壳固定在侧角滑台上；
S2:将标准手机外壳轮廓数据分为背壳，左侧边与右侧边三部分数据，通过调整侧角滑台角度，保证这三个部分的轮廓信息可以被光谱量仪接收；记录测量背壳，左侧边与右侧边时的侧角滑台角度值分别为α1，α2，α3；设置并记录光谱量仪的沿y轴方向的移动速度vy；
S3:采用工业相机视觉定位方法建立标定标准手机外壳位置坐标系；根据S2步记录的侧角滑台角度值调整侧角滑台，分别标定标准手机外壳三部分截面曲线的高度数据；根据标定标准手机外壳上的标志点记录拼接位置；
S4:将光谱量仪的光学笔与测量点之间的距离转换成标准手机外壳轮廓截面的曲线垂直高度；
所述垂直高度的转换公式为
其中d为光谱量仪的光学笔与标定测量点之间的距离，α为侧角滑台角度值，在测量背壳，左侧边和右侧边数据时，α分别等于α1，α2，α3；d1为光谱量仪的光学笔与测量点连线的曲线垂直高度；
S5:取下标准手机外壳，将待检测手机外壳固定在侧角滑台上，采用视觉定位方法建立待检测手机位置坐标系；
S6:采用与标定标准手机外壳时相同的侧角滑台角度值和光谱量仪移动速度；测量待检测手机外壳三部分截面曲线的高度数据；
S7:根据标准手机数据计算待检测手机外壳轮廓截面的曲线垂直高度；获得沿垂直方向均匀分布的高度数据，根据标志点位置与侧角滑台角度值对待检测手机侧边截面曲线数据进行拟合后插值，将采集到的侧边曲线数据进行拼接获得完整的待检测手机外壳的截面曲线。
6.根据权利要求5所述的侧角滑台(10)，其特征在于：所述调节机构(111)包括丝杆(112)，所述丝杆(112)驱动上转动件(12)的弧形螺纹(113)，从而带动上转动件(12)转动。
7.一种测量设备，其特征在于：包括侧角滑台(10)、色散共焦光谱量仪(8)和工业相机(9)，所述侧角滑台(10)是权利要求5或6所述的侧角滑台。
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