CN110508930B - Pcb在线打标的定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光标刻领域，公开了一种PCB在线打标的定位方法，包括如下步骤：布置激光器，设定三个坐标系，并计算取得坐标系之间的转换关系，然后通过标准PCB板和待打标PCB板上的定位打标点取得待打标PCB板的转换矩阵和偏移量，进而即可计算待打标PCB板上待打打标点在振镜坐标系中的坐标。本发明PCB在线打标的定位方法，大大减小了由于坐标系转换而存在的误差，提高了打标的精度，且只需要两个点即可获得坐标系之间的转换关系，相较传统方法需要三个点确定一个平面，效率更高。

Description

PCB在线打标的定位方法

技术领域

本发明涉及激光标刻领域，具体涉及一种PCB在线打标的定位方法。

背景技术

激光打标机是利用高能激光束，在不同的物质表面打下永久的标记。主要应用于一些要求更精细、精度更高的场合,应用于电子元器件、集成电路(IC)、电工电器、手机通讯、五金制品、工具配件、精密器械、眼镜钟表、首饰饰品、汽车配件、塑胶按键、建材、PVC管材。其原理是使用具有较高能量密度的激光束(集中的能量流)，照射在被加工材料表面上，材料表面吸收激光能量，在照射区域内产生热激发过程，从而使材料表面(或涂层)温度上升，产生变态、熔融、烧蚀、蒸发等现象。

在PCB激光打标行业中，虽然已有很多视觉定位方法，但是目前大多采用固定相机的方式，通过采集PCB板全局图像来识别标志点进行定位。这种方式由于视野范围过大，分辨率不高，从而导致定位精度不够。另外，还有少数采用相机跟随激光一起移动的方式，这种方式分为同轴视觉和旁轴视觉两类，但前者需要额外的附加光路，但存在成本高和视野过小等问题，后者存在定位精度不高的问题。

发明内容

本发明的目的就是针对上述技术的不足，提供一种PCB在线打标的定位方法，大大减小了由于坐标系转换而存在的误差，提高了打标的精度。

为实现上述目的，本发明所设计的PCB在线打标的定位方法，包括如下步骤：

A)对激光器进行光路布置，使所述激光器发出的激光垂直于工作台，并对所述激光器进行对焦，使所述激光器发出的激光焦点汇聚在所述工作台的台面上；

B)设定移动平台坐标系、振镜坐标系和相机坐标系三个坐标系，给所述激光器的振镜设定振镜打标点，记录所述振镜打标点在振镜坐标系中的坐标为(X_V,Y_V,Z_V)，并记录此时所述振镜打标点在移动平台坐标系中的坐标为(X_M,Y_M,Z_M)，此时所述振镜打标点在相机坐标系中的坐标为(X_C,Y_C，Z_C)，根据刚体变换模型，计算取得振镜坐标系和移动平台坐标系的转换矩阵R_VM和偏移量T_VM，移动平台坐标系和相机坐标系的转换矩阵R_MC和偏移量T_MC，通过转换矩阵R_VM、偏移量T_VM、转换矩阵R_MC和偏移量T_MC，计算取得振镜坐标系与相机坐标系的转换关系；

C)在标准PCB板上设定定位打标点，取得所述定位打标点在相机拍摄取得的图片中的像素坐标为(u_p,v_p)，通过像素坐标与相机坐标系坐标的转换关系：

取得所述定位打标点在相机坐标系中的坐标(X_P，Y_P，Z_P)，式中，M为相机的内参矩阵；

D)在待打标PCB板上设定与所述标准PCB板上相同的定位打标点，将待打标PCB板放置在指定工位后，所述相机取得所述定位打标点在所述相机拍摄取得的图片中的像素坐标(u_d，v_d)，通过所述步骤C)中的像素坐标与相机坐标系坐标的转换关系，取得所述待打标PCB板的定位打标点在相机坐标系中的坐标(X_d，Y_d，Z_d)，进而通过下述公式：

计算取得所述待打标PCB板相对所述标准PCB板的转换矩阵R和偏移量T；

E)取得所述标准PCB板上的待打打标点在相机坐标系中的坐标(X_s，Y_s，Z_s)，通过所述步骤D)中取得的转换矩阵R和偏移量T，计算取得所述待打标PCB板上对应的待打打标点在相机坐标系中的坐标(X_D，Y_D，Z_D)；

F)根据所述步骤B)中取得的振镜坐标系与相机坐标系的转换关系，将所述步骤E)中取得的所述待打标PCB板上对应的待打打标点在相机坐标系中的坐标转换为在振镜坐标系中的坐标。

优选地，所述相机下方安装有环形光源，以取得更好的成像效果。

优选地，所述步骤B)中的移动平台坐标系、振镜坐标系和相机坐标系三个坐标系的计算均采用齐次坐标。

优选地，取得所述待打标PCB板上对应的待打打标点在振镜坐标系中的坐标后，进行如下步骤：

1)在所述待打标PCB板上第一个待打打标点打标，形成第一个已打打标点，然后计算该第一个已打打标点和剩余待打打标点之间的距离；

2)选取所述步骤1)中距离第一个已打打标点最近的剩余待打打标点进行打标，形成已打打标点；

3)以此类推，每次将一个待打打标点打标后，形成一个已打打标点，选取距该已打打标点最近的剩余待打打标点进行打标，直至完成所有待打打标点的打标。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：通过对系统中的坐标系进行了标定，确定了各个坐标系中坐标的转换关系，大大减小了由于坐标系转换而存在的误差，进一步提高了打标的精度，且相对传统方法需要三个点确定一个平面，本发明只需要两个点即可获得三个坐标系之间的转换关系，进一步提高了定位效率。

附图说明

图1为本发明PCB在线打标的定位方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

一种PCB在线打标的定位方法，如图1所示，包括如下步骤：

A)对激光器进行光路布置，使激光器发出的激光垂直于工作台，并对激光器进行对焦，使激光器发出的激光焦点汇聚在工作台的台面上；

B)设定移动平台坐标系、振镜坐标系和相机坐标系三个坐标系，分别记作OmXmYmZm、OvXvYvZv、OcXcYcZc，因为安装时存在误差，坐标系之间存在旋转或者平移，并且在后续打标过程中需要将相机图像中的像素坐标转化到振镜坐标系中去才能进行打标，所以必须对三个坐标系进行标定，以确定坐标系位置的转换关系，并且因为移动平台坐标系的基准面是在工作台上的，所以标定时需要以移动平台坐标系作为中间变量，即转换关系为：OvXvYvZv→OmXmYmZm→OcXcYcZc，具体方式如下：

给激光器的振镜设定振镜打标点，记录振镜打标点在振镜坐标系中的坐标为(X_V，Y_V，Z_V)，并记录此时振镜打标点在移动平台坐标系中的坐标为(X_M，Y_M，Z_M)，在三维空间中，刚体转换矩阵通常以欧拉角表示，它们分别为：绕x轴旋转Ψ角，绕y轴旋转θ角，绕z轴旋转Φ角。而转换矩阵为：

式中：

r₁₁＝cosΦcosθ；r₁₂＝cosΦsinθsinΨ-sinΦ；

r₁₃＝cosΦsinθcosΨ-sinΦsinΨ

r₂₁＝sinΦcosθ；r₂₂＝sinΦsinθsinΨ+cosΦcosΨ

r₂₃＝sinΦsinθcosΨ+cosΦsinΨ

r₃₁＝-sinθ；r₃₂＝cosθsinΨ；r₃₃＝cosθcosΨ

因为从振镜发出的激光是聚焦在工作台上的，并且在实验前对xy轴做了校正，使得Ψ角和θ角都尽可能地小，近似于0，故：

cosΨ≈1，sinΨ≈0，cosθ≈1，sinθ≈0

所以上述转换矩阵近似为：

式中，即为振镜坐标系和移动平台坐标系的转换矩阵R_VM，然后根据公式：

式中，T_VM为振镜坐标系和移动平台坐标系的偏移量，T_VM＝(T_VMX，T_VMY，T_VMZ)^TVM，0＝(0，0,0)^TVM，T_VMX为振镜坐标系和移动平台坐标系x轴的偏移量，T_VMY为振镜坐标系和移动平台坐标系y轴的偏移量，T_VMZ为振镜坐标系和移动平台坐标系z轴的偏移量，将上述公式化为齐次坐标并展开：

展开后取得一个二元一次方程组：

cosΦX_M-sinΦY_M+T_X＝X_V

sinΦX_M+cosΦY_M+T_Y＝Y_V

其中只有cosΦ、sinΦ、T_X、T_Y为未知量，四个未知数两个方程是有无穷多解的，不能确定唯一姿态(Φ、T_VMX、T_VMY)的，故还需要给振镜一个打标点，利用同样的方法得到了另外两个方程，就可以解得cosΦ、sinΦ、T_VMX、T_VMY的值，进而得到R_VM与T_VM，即振镜坐标系与移动平台坐标系的转换关系；

同样地，此时振镜打标点在相机坐标系中的坐标为(X_C,Y_C，Z_C)，同上，计算出移动平台坐标系和相机坐标系的转换矩阵R_MC和偏移量T_MC，继而得到移动平台坐标系与相机坐标系的转换关系，从而取得振镜坐标系与相机坐标系的转换关系：

同样的，下式也成立：

C)在标准PCB板上设定定位打标点，取得定位打标点在相机拍摄取得的图片中的像素坐标为(u_p，v_p)，通过像素坐标与相机坐标系坐标的转换关系：

取得定位打标点在相机坐标系中的坐标(X_P，Y_P，Z_P)，式中，M为相机的内参矩阵，将相机内参矩阵M代入后可得公式：

式中，f为相机焦距，单位是mm，dx和dy为像元尺寸，u₀和v₀为图像中心，均为相机内部参数，为已知量；

D)在待打标PCB板上设定与标准PCB板上相同的定位打标点，将待打标PCB板放置在指定工位后，由于夹具从两侧将待打标PCB板夹紧，且流水线呈水平状态，故绕x、y方向的旋转都可忽略不计，相机取得定位打标点在相机拍摄取得的图片中的像素坐标(u_d，v_d)，通过步骤C)中的像素坐标与相机坐标系坐标的转换关系，取得待打标PCB板的定位打标点在相机坐标系中的坐标(X_d,Y_d,Z_d)，进而通过下述公式：

计算取得待打标PCB板相对标准PCB板的转换矩阵R和偏移量T；

T＝(T_X,T_Y,T_Z)^T

T_X为待打标PCB板相对标准PCB板x轴的偏移量，T_Y为待打标PCB板相对标准PCB板y轴的偏移量，T_Z为待打标PCB板相对标准PCB板z轴的偏移量，

取标准PCB板上两个定位打标点坐标(X₁,Y₁，Z₁)和(X₂,Y₂，Z₂)，其在待打标PCB板上对应的定位打标点坐标位(X′₁,Y′₁,Z′₁)和(X′₂,Y′₂,Z′₂)，

将公式

化为齐次坐标计算为：

进而取得：

由于两个定位打标点坐标(X₁,Y₁,Z₁)和(X₂,Y₂,Z₂)不重合，故上式是可逆的，即可以解得四个未知数，取得待打标PCB板相对标准PCB板的转换矩阵R和偏移量T；

E)取得标准PCB板上的待打打标点在相机坐标系中的坐标(X_s,Y_s，Z_s)，通过步骤D)中取得的转换矩阵R和偏移量T，计算取得待打标PCB板上对应的待打打标点在相机坐标系中的坐标(X_D,Y_D,Z_D)：

F)根据步骤B)中取得的振镜坐标系与相机坐标系的转换关系，将步骤E)中取得的待打标PCB板上对应的待打打标点在相机坐标系中的坐标转换为在振镜坐标系中的坐标。

在本实施例中，相机下方安装有环形光源，以取得更好的成像效果，且移动平台坐标系、振镜坐标系和相机坐标系三个坐标系的计算均采用齐次坐标。

在本实施例中，取得待打标PCB板上对应的待打打标点在振镜坐标系中的坐标后，进行如下步骤：

1)在待打标PCB板上第一个待打打标点打标，形成第一个已打打标点，然后计算该第一个已打打标点和剩余待打打标点之间的距离；

2)选取步骤1)中距离第一个已打打标点最近的剩余待打打标点进行打标，形成已打打标点；

3)以此类推，每次将一个待打打标点打标后，形成一个已打打标点，选取距该已打打标点最近的剩余待打打标点进行打标，直至完成所有待打打标点的打标。

上述步骤，对打标路径进行优化，节约了时间，提升了打标效率。

本发明PCB在线打标的定位方法，通过对系统中的坐标系进行了标定，确定了各个坐标系中坐标的转换关系，大大减小了由于坐标系转换而存在的误差，进一步提高了打标的精度，且相对传统方法需要三个点确定一个平面，本发明只需要两个点即可获得三个坐标系之间的转换关系，进一步提高了定位效率。

Claims (4)

1.一种PCB在线打标的定位方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

A)对激光器进行光路布置，使所述激光器发出的激光垂直于工作台，并对所述激光器进行对焦，使所述激光器发出的激光焦点汇聚在所述工作台的台面上；

B)设定移动平台坐标系、振镜坐标系和相机坐标系三个坐标系，给所述激光器的振镜设定振镜打标点，记录所述振镜打标点在振镜坐标系中的坐标为(X_V，Y_V，Z_V)，并记录此时所述振镜打标点在移动平台坐标系中的坐标为(X_M，Y_M，Z_M)，此时所述振镜打标点在相机坐标系中的坐标为(X_C，Y_C，Z_C)，根据刚体变换模型，计算取得振镜坐标系和移动平台坐标系的转换矩阵R_VM和偏移量T_VM，移动平台坐标系和相机坐标系的转换矩阵R_MC和偏移量T_MC，通过转换矩阵R_VM、偏移量T_VM、转换矩阵R_MC和偏移量T_MC，计算取得振镜坐标系与相机坐标系的转换关系；

C)在标准PCB板上设定定位打标点，取得所述定位打标点在相机拍摄取得的图片中的像素坐标为(u_p，v_p)，通过像素坐标与相机坐标系坐标的转换关系：

取得所述定位打标点在相机坐标系中的坐标(X_P，Y_P，Z_P)，式中，M为相机的内参矩阵；

D)在待打标PCB板上设定与所述标准PCB板上相同的定位打标点，将待打标PCB板放置在指定工位后，所述相机取得所述定位打标点在所述相机拍摄取得的图片中的像素坐标(u_d，v_d)，通过所述步骤C)中的像素坐标与相机坐标系坐标的转换关系，取得所述待打标PCB板的定位打标点在相机坐标系中的坐标(X_d，Y_d，Z_d)，进而通过下述公式：

计算取得所述待打标PCB板相对所述标准PCB板的转换矩阵R和偏移量T；

E)取得所述标准PCB板上的待打打标点在相机坐标系中的坐标(X_s，Y_s，Z_s)，通过所述步骤D)中取得的转换矩阵R和偏移量T，计算取得所述待打标PCB板上对应的待打打标点在相机坐标系中的坐标(X_D，Y_D，Z_D)；

F)根据所述步骤B)中取得的振镜坐标系与相机坐标系的转换关系，将所述步骤E)中取得的所述待打标PCB板上对应的待打打标点在相机坐标系中的坐标转换为在振镜坐标系中的坐标。

2.根据权利要求1所述PCB在线打标的定位方法，其特征在于：所述相机下方安装有环形光源。

3.根据权利要求1所述PCB在线打标的定位方法，其特征在于：所述步骤B)中的移动平台坐标系、振镜坐标系和相机坐标系三个坐标系的计算均采用齐次坐标。

4.根据权利要求1所述PCB在线打标的定位方法，其特征在于：取得所述待打标PCB板上对应的待打打标点在振镜坐标系中的坐标后，进行如下步骤：

1)在所述待打标PCB板上第一个待打打标点打标，形成第一个已打打标点，然后计算该第一个已打打标点和剩余待打打标点之间的距离；

2)选取所述步骤1)中距离第一个已打打标点最近的剩余待打打标点进行打标，形成已打打标点；

3)以此类推，每次将一个待打打标点打标后，形成一个已打打标点，选取距该已打打标点最近的剩余待打打标点进行打标，直至完成所有待打打标点的打标。

Images