CN108072319B - 一种运动平台的快速标定系统及标定方法 - Google Patents

一种运动平台的快速标定系统及标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种系统运动平台的快速标定系统，用于对直写式丝网制版系统的运动平台进行标定以提高运动平台的精度，包括计算机、视觉系统、高精度标定板和待标定的平台系统。本发明还提供一种利用该系统进行平台标定的方法，包括系统误差的测量步骤、获取二维映射数据步骤以及数据导入步骤。本发明的运动平台的快速标定系统及标定方法采用高精度标定板进行误差修正，通过建立原始平台坐标系到理论平台坐标系之间的映射(MAPPING)并将MAPPING数据导入平台控制器，平台控制器依据接收的MAPPING数据直接完成平台标定。本发明的系统结构简单，方法步骤简化，同时也能保证精度达到定位精度要求；本发明的方法进行标定的过程可以自动完成，工作效率高，人力物力成本低。

Description

一种运动平台的快速标定系统及标定方法
技术领域
本发明涉及系统运动平台标定技术领域，具体涉及一种运动平台的快速标定系统及标定方法。
背景技术
运动平台的精度一直是激光直写式丝网印刷系统的关键指标——平台精度关系到图形转移到丝网上的位置的准确性。如果平台误差过大，会影响图像加工精度，甚至可能导致无法曝光出正确的图像。运动平台的定位精度要求一般在1μm到2μm的量级,而现有的激光直写丝网制版系统的运动平台一般都是自主装配，再加上选材等多种原因，运动平台精度往往达不到要求。
运动平台精度达不到要求可以通过误差修正来改善。目前的主要的修正方法是同时使用两支激光干涉器进行二维的标定，将二维的标定结果写入平台控制器中。这种方法精度较高，但设置过程繁琐，且激光干涉仪的成本较高，不适于批量生成过程中的平台标定，也难以用于自动标定。
随着工业相机和图像处理技术的发展，利用图像处理技术和大幅面的标定板进行误差修正，不仅结构简单，操作步骤简化，同时也能保证精度；此外，采用标定板进行标定的过程还可以自动完成，大大提高工作效率，降低了人力物力成本。
发明内容
本发明的目的是针对现有采用激光干涉器进行二维标定从而修正平台误差的方法存在的不足，提供一种运动平台的快速标定系统及标定方法，通过对平台坐标和理想坐标之间建立映射关系，然后将映射数据写入平台控制器进行误差修正，实现较高的平台定位精度。
本发明的技术方案如下：
一种系统运动平台的快速标定系统，用于对直写式丝网制版系统的运动平台进行标定以提高运动平台的精度，包括计算机、视觉系统、高精度标定板和待标定的平台系统；
所述视觉系统包括高精度相机、光源以及镜头；
所述高精度标定板上有均匀分布且图案规则的标记，其中，任意标记与该标记最近邻的相同图案的标记的间距相等，所述高精度标定板为已标定的；
所述待标定的平台系统由X轴、Y轴以及平台控制器，其中，X轴和Y轴的运动方向相互垂直；
所述视觉系统设置在高精度标定板的上方，所述高精度标定板设置在所述待标定的平台系统上；
所述相机、光源和平台控制器受计算机控制。
进一步地，所述计算机是个人计算机、工控机或服务器中的一种。
进一步地，所述视觉系统中是已经校正过镜头畸变的。
进一步地，所述高精度标定板上标记的图案种类是一种或多种。
进一步地，所述待标定的平台系统中所述X轴和所述Y轴可以是联体式的结构关系或分体式的结构关系。
更进一步地，所述联体式的结构关系中，所述Y轴固定在所述X轴上。
更进一步地，所述分体式的结构关系中，所述待标定的平台系统还包括横梁，所述X轴固定在所述横梁上，所述Y轴位于横梁结构下方。
进一步地，所述X轴和所述Y轴上设置有位置编码器。
本发明还提供一种利用所述运动平台的快速标定系统进行平台标定的方法，包括如下步骤：
系统误差的测量步骤，测量高精度标定板上所有的标记在原始平台坐标系中的坐标，结合已知的所述标记在标定板坐标系中的坐标，建立原始平台坐标系与标定板坐标系之间的映射；
获取二维映射数据步骤，建立理想平台坐标系，通过计算获取标定板坐标系和理想平台坐标系间的映射关系，结合所述系统误差的测量步骤中所述的原始平台坐标系与标定板坐标系之间的映射，获取原始平台坐标系到理想平台坐标系之间的映射，得到二维映射数据；
数据导入步骤，将二维映射数据导入平台控制器并储存，平台控制器依据所述的二维映射数据控制X轴和Y轴的移动实现平台标定。
进一步地，所述标定板坐标系和理想平台坐标系之间的关系满足下列公式，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
,
其中，
Figure 780181DEST_PATH_IMAGE002
表示某一点在理想平台坐标系中的坐标，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示该点在标定板坐标系中的坐标，G为一个变换矩阵，G与标定板坐标系和理想平台坐标系间的夹角有关。
本发明具有如下技术效果：
本发明的运动平台的快速标定系统及标定方法采用高精度标定板进行误差修正，通过以标定板坐标系为媒介，建立原始平台坐标系到理论平台坐标系之间的映射(MAPPING)，然后直接将MAPPING数据导入平台控制器作为模板，平台控制器依据接收的MAPPING数据直接完成平台标定。本发明的系统结构简单，方法步骤简化，同时也能保证精度达到定位精度要求；此外，采用本发明的方法进行标定的过程还可以自动完成，大大提高工作效率，降低了人力物力成本。
附图说明
图1是本发明实施例运动平台的快速标定系统的模块组成图；
图2是本发明实施例的高精度标定板的图案结构示意图；
图3是本发明实施例的高精度标定板的另一种图案结构示意图；
图4是本发明实施例的联体式平台的结构示意图；
图5是本发明实施例的分体式平台的结构示意图；
图6是本发明实施例的运动平台的快速标定方法的流程图；
图7是本发明实施例的运动平台的快速标定方法中系统误差的测量的子步骤流程图；
图8是本发明实施例的相机采集的图像中标记与图像中心的相对位置关系示意图；
图9是本发明实施例的各坐标系之间的位置关系示意图；
图10是本发明实施例的标定板坐标系和理想平台坐标系之间映射关系的计算示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案进行清楚完整地描述。
如图1所示，本发明的运动平台的快速标定系统包括计算机1、视觉系统2、高精度标定板3和待标定的平台系统4。
计算机1是个人计算机、工控机或服务器中的一种。计算机用于图像处理过程中的计算、自动标定过程的控制以及最终二维MAPPING数据的计算。
视觉系统2包括高精度工业相机21、光源22以及镜头23；视觉系统2已经校正过镜头畸变，可以计算出像素差与物理长度之间的关系，该计算结果引入的误差约0.1μm，相比于平台精度可以忽略。视觉系统2设置在高精度标定板3的上方，向下观察。
高精度标定板3上有均匀分布且图案规则的标记31。高精度标定板3为已标定的——“已标定的”指的是选定高精度标定板3上任一位置作为起始点，各标记31相对于起始点的坐标是已知的。
高精度标定板3上的标记图案可以是一种或多种，任意标记与该标记最近邻的相同图案的标记的间距相等。如图2所示，该高精度标定板3上有四种图案，分别是空心圆、实心圆、空心正方形和菱形。对于每一种图案，选定其中的任一标记，该标记的上、下、左、右四个方向的标记构成该标记的最近邻标记，且该标记与其上、下、左、右四个方向的标记间距离相等。之所以设计多种图案，是为了满足不同的光刻图形要求，提高标定板的利用率，降低成本。
图3的高精度标定板3上只有实心圆一种图案，其中任一标记31也满足与它上、下、左、右四个方向的标记31间距离相等且最近邻。本发明实施例中对标定方法进行阐述时均基于图3这种结构的高精度标定板。
待标定的平台系统4由X轴41、Y轴42以及平台控制器43组成。其中，X轴41和Y轴42的运动方向相互垂直，平台控制器43受计算机控制驱动X轴41和Y轴42运动。X轴41和Y轴42上设置有位置编码器，位置编码器生成平台脉冲信号并反馈至平台控制器。待标定的平台系统4中平台的机械结构根据X轴和Y轴间的结构关系可以是联体式结构，也可以是分体式结构。
如图4所示，图中平台结构为联体式。这种平台结构中，X轴41和Y轴42是联合结构，X轴41固定在底座上，Y轴42固定在X轴41上。Y轴42上固定有载物台，载物台随着X、Y轴在水平面内移动。载物台上带有吸真空结构，物体放置于载物台，吸真空后不会产生滑动现象。本实施例中高精度标定板3即放置于载物台上。
这种平台结构中标定系统需要增设横梁结构，龙门结构横跨底座，视觉系统2即固定在龙门横梁的中心位置，视觉结构观察方向向下。
如图5所示，图中平台结构为分体式。这种平台结构中平台自身包含横梁44，X轴41固定在横梁44上，视觉系统2固定在X轴41上，随着X轴41沿水平方向移动；Y轴42固定在底座上，Y轴42在横梁44下方；Y轴42上同样固定有载物台，高精度标定板3放置于载物台上，随Y轴42在水平面内移动且运动方向与X轴41运动方向垂直。
对于待标定的平台系统，无论是分体式结构，还是联体式结构，都存在以下特征：
受温度、安装应力、加工刻度不均匀以及细分电路引入的周期性测量误差的影响，平台的每两个相邻的脉冲信号间的物理长度并非完全均匀的，而是存在一定程度的误差——一般地，在不经过修正的情况下，每1000mm可以产生20μm或以上的误差。对于有高精度定位要求(如定位精度要求控制在2μm以内)的激光直写丝网制版系统来说，这个误差是无法接受的，因此需要进行平台标定以修正误差。
本实施例的运动平台的快速标定系统中，高精度工业相机21、光源22和平台控制器43均受计算机控制。
以下是应用本实施例的运动平台的快速标定系统进行平台标定的方法，方法流程如图6所示。
在系统误差的测量步骤S1中，测量高精度标定板3上所有的标记31在原始平台坐标系中的坐标，结合已知的所述标记31在标定板坐标系中的坐标，建立原始平台坐标系与标定板坐标系之间的映射。
如图7所示，系统误差的测量又包括如下子步骤。
在步骤S11中，通过平台控制器43中的误差修正过程禁用或清空平台控制器43中MAPPING数据，使得运动系统处于未修正的状态。之所以需要禁用误差修正过程或清空MAPPING数据，因为在平台控制中，需要通过平台控制器43获取位置编码器的数据，而如果平台控制器43中已有MAPPING数据，则平台控制器43输出的数据是经过修正的数据，而不是真正的位置编码器的原始数据。
在步骤S12中，将已标定过的高精度标定板3放置在视觉系统2下方的平台上。
在步骤S13中，移动平台到绝对零点位置(0,0)，打开光源22和相机21。
在步骤S14中，相机21采集图像并传输至计算机1，人工在计算机1上查看相机21采集到的图像——如果相机采集的图像内没有标记31，说明相机视野内没有标记31，则移动高精度标定板3使标记31落到相机21的视野内。如图8所示，相机21采集到带有标记31的图像，该标记表示为
Figure 892363DEST_PATH_IMAGE004
(图8中圆形区域表示该标记点)，其中心点(图8中圆形区域的圆心)在标定板坐标系中的坐标为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，使用图像处理的方法计算出
Figure 241304DEST_PATH_IMAGE004
中心点到图像中心的距离
Figure 240484DEST_PATH_IMAGE006
。
在步骤S15中，移动X轴41和Y轴42,使
Figure 714716DEST_PATH_IMAGE004
标记的中心点落到图像中心的位置，记录此时平台坐标的读数
Figure DEST_PATH_IMAGE007
。
在步骤S16中，设标定板加工时的标记间隔为
Figure 64925DEST_PATH_IMAGE008
，则将平台横向或纵向移动
Figure 279875DEST_PATH_IMAGE008
的整数倍，会有新的标记
Figure DEST_PATH_IMAGE009
会落入相机的视野中，
Figure 399141DEST_PATH_IMAGE009
在标定板坐标系中的坐标表示为
Figure 775764DEST_PATH_IMAGE010
；对每个标记
Figure 613270DEST_PATH_IMAGE009
，均通过移动平台将其中心点移动到图像中心，并记录该标记的平台坐标读数
Figure DEST_PATH_IMAGE011
。
重复步骤S15和S16的过程，直至获得高精度标定板3上所有标记31的在标定板坐标系中的坐标和平台坐标。
上述步骤中所获取的平台坐标即标记在原始平台坐标系中的坐标。通过步骤S1，建立了原始平台坐标系与标定板坐标系之间的映射。
在获取二维映射数据步骤S2中，建立理想平台坐标系，通过计算获取标定板坐标系和理想平台坐标系间的映射关系，结合所述系统误差的测量步骤中所述的原始平台坐标系与标定板坐标系之间的映射，获取原始平台坐标系到理想平台坐标系之间的映射，得到二维映射数据。具体的计算过程如下：
由于平台自身的安装问题，平台的X轴和Y轴方向往往存在夹角，计算过程中，令原始平台坐标系的Y轴与理想平台坐标系(即直角坐标系)的Y轴对齐，则原始平台坐标系的X轴与理想平台坐标系的X轴间存在一个夹角。
高精度标定板的精度很高，因此标定板坐标系的X轴和Y轴方向是垂直的。
由于放置的原因，标定板和平台之间存在偏角，因此，标定板坐标系和理想坐标系间也存在偏角。
图9是各坐标系之间的位置关系示意图。为了便于计算，令原始平台坐标系与理想平台坐标系的原点完全重合，原始平台坐标系的Y轴与理想平台坐标系的Y轴重合，原始平台坐标系的X轴与理想平台坐标系的X轴之间存在夹角
Figure 366332DEST_PATH_IMAGE012
，标定板坐板与理想坐标系间的夹角为
Figure DEST_PATH_IMAGE013
。图中示意的
Figure 733247DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 218454DEST_PATH_IMAGE013
都较大，实际上这两个角度是非常小的，不超过0.02度。
根据步骤S1中的测量方法，已知标记
Figure 792524DEST_PATH_IMAGE004
在原始平台坐标系中的坐标为
Figure 100009DEST_PATH_IMAGE007
。此时，标记
Figure 177555DEST_PATH_IMAGE004
在理想平台坐标系中的坐标为
Figure 912293DEST_PATH_IMAGE014
。由于平台在绝对零点位置时，理想平台坐标系也处于绝对零点位置，且此时原始平台坐标系的零点、理想平台坐标系的零点均与图像中心重合。因此，
Figure 722728DEST_PATH_IMAGE014
的坐标值等于
Figure 833903DEST_PATH_IMAGE006
。
对任意
Figure 844585DEST_PATH_IMAGE009
标记，
Figure 937174DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 220257DEST_PATH_IMAGE009
在标定板坐标系中
Figure DEST_PATH_IMAGE015
方向的间距分别为：
Figure 56495DEST_PATH_IMAGE016
,
Figure DEST_PATH_IMAGE017
。
对任意
Figure 173880DEST_PATH_IMAGE018
标记，
Figure 250420DEST_PATH_IMAGE004
和
Figure 833849DEST_PATH_IMAGE009
在原始平台坐标系中
Figure DEST_PATH_IMAGE019
方向的间距分别为：
Figure 208198DEST_PATH_IMAGE020
,
Figure DEST_PATH_IMAGE021
。
通过上述测量数据，可以计算出
Figure 318105DEST_PATH_IMAGE022
。图10是
Figure 817744DEST_PATH_IMAGE022
的计算示意图。
令
Figure DEST_PATH_IMAGE023
，则
Figure 13102DEST_PATH_IMAGE024
。
Figure DEST_PATH_IMAGE025
,
Figure 128826DEST_PATH_IMAGE026
,
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，
由余弦定理可得
Figure 93240DEST_PATH_IMAGE028
,
Figure DEST_PATH_IMAGE029
,
Figure 826097DEST_PATH_IMAGE030
。
由上述所得角度
Figure 305489DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 100269DEST_PATH_IMAGE006
，得到一个旋转矩阵G，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
，
通过该矩阵，可以得到标定板坐标系和理想平台坐标系之间的关系，二者间关系满足下列公式，
Figure 981507DEST_PATH_IMAGE001
，
其中，
Figure 570751DEST_PATH_IMAGE002
表示标记
Figure 794229DEST_PATH_IMAGE009
在理想平台坐标系中的坐标，
Figure 189438DEST_PATH_IMAGE003
表示标记
Figure 675914DEST_PATH_IMAGE009
在标定板坐标系中的坐标，
根据步骤S1中的测量方法，已经得到标记
Figure 950907DEST_PATH_IMAGE009
在标定板坐标系中的坐标
Figure 155623DEST_PATH_IMAGE010
到原始平台坐标系中的坐标
Figure 541474DEST_PATH_IMAGE011
之间的一一映射关系。
至此，可以建立
Figure 944773DEST_PATH_IMAGE032
和
Figure 328350DEST_PATH_IMAGE011
的映射关系，即原始平台坐标系到理想平台坐标系之间的映射关系。该映射关系是非线性的二维映射关系。
在数据导入步骤S3中，将步骤S2中获取的二维映射(MAPPING)数据按平台控制器43的需求格式整理后，导入平台控制器43并储存，完成平台二维MAPPING的标定过程。在使用时，对于需要移动的目标距离，在理想平台坐标系中确认相应坐标后，再向原始平台坐标系中映射，映射结果即平台控制器需要控制平台移动的距离。
实际应用中，可根据高精度标定板上标记的分布特点，编写自动执行的程序，并自动计算，自动将结果写入控制器。
以上应用具体实施例对本发明的技术方案进行了详细阐述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。同时，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。因此，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (9)

1.一种运动平台的快速标定方法，用于对直写式丝网制版系统的运动平台进行标定以提高运动平台的精度，其特征在于：包括计算机(1)、视觉系统(2)、高精度标定板(3)和待标定的平台系统(4)；
所述视觉系统(2)包括高精度工业相机(21)、光源(22)以及镜头(23)；
所述高精度标定板(3)上有均匀分布且图案规则的标记(31)，其中，任意标记(31)与该标记(31)最近邻的相同图案的标记(31)的间距相等，所述高精度标定板(3)为已标定的；
所述待标定的平台系统(4)由X轴(41)、Y轴(42)以及平台控制器(43)，其中，X轴(41)和Y轴(42)的运动方向相互垂直；
所述视觉系统(2)设置在高精度标定板(3)的上方，所述高精度标定板(3)设置在所述待标定的平台系统(4)上；
所述高精度工业相机(21)、光源(22)和平台控制器(43)受计算机控制；
所述的运动平台的快速标定系统进行平台标定的方法，包括如下步骤：
系统误差的测量步骤，测量高精度标定板(3)上所有的标记(31)在原始平台坐标系中的坐标，结合已知的所述标记(31)在标定板坐标系中的坐标，建立原始平台坐标系与标定板坐标系之间的映射；
获取二维映射数据步骤，建立理想平台坐标系，通过计算获取标定板坐标系和理想平台坐标系间的映射关系，结合所述系统误差的测量步骤中所述的原始平台坐标系与标定板坐标系之间的映射，获取原始平台坐标系到理想平台坐标系之间的映射，得到二维映射数据；
数据导入步骤，将二维映射数据导入平台控制器(43)并储存，平台控制器(43)依据所述的二维映射数据控制X轴(41)和Y轴(42)的移动实现平台标定。
2.根据权利要求1所述的一种运动平台的快速标定方法，其特征在于：所述计算机(1)是个人计算机、工控机或服务器中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种运动平台的快速标定方法，其特征在于：所述视觉系统(2)是已经校正过镜头畸变的。
4.根据权利要求1所述的一种运动平台的快速标定方法，其特征在于，所述高精度标定板(3)上标记(31)的图案种类是一种或多种。
5.根据权利要求1所述的一种运动平台的快速标定方法，其特征在于：所述待标定的平台系统(4)中所述X轴(41)和所述Y轴(42)可以是联体式的结构关系或分体式的结构关系。
6.根据权利要求5所述的一种运动平台的快速标定方法，其特征在于：所述联体式的结构关系中，所述Y轴(42)固定在所述X轴(41)上。
7.根据权利要求5所述的一种运动平台的快速标定方法，其特征在于：所述分体式的结构关系中，所述待标定的平台系统(4)还包括横梁(44)，所述X轴(41)固定在所述横梁(44)上，所述Y轴(42)位于横梁结构下方。
8.根据权利要求1所述的一种运动平台的快速标定方法，其特征在于：所述X轴(41)和所述Y轴(42)上设置有位置编码器。
9.根据权利要求1所述的一种运动平台的快速标定方法，其特征在于，所述标定板坐标系和理想平台坐标系之间的映射关系满足下列公式，
(x′i，y′j，1)T＝G·(ui，vj，1)r，
其中，(x′i，y′j，1)表示某一点在理想平台坐标系中的坐标，(ui，vj，1)表示该点在标定板坐标系中的坐标，G为一个变换矩阵，G与标定板坐标系和理想平台坐标系间的夹角有关。
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