CN110695520B - 基于视觉的全自动振镜视场校准系统及其校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于视觉的全自动振镜视场校准系统及其校准方法，该校准系统包括运动平台、振镜系统、计算机控制系统、工业相机、待测玻璃片；该校准方法将待测玻璃片放置于振镜下方，运动平台引导振镜自动运行网格标记程序，工业相机根据网格标记线寻迹自动遍历所有的网格标记点，并记录校准数据生成新的校准文件。本发明能够免去以往人工干预逐点人工移动待检测位置，并手动输入数据的繁琐流程，减少了人工干预会出现偏差的问题，极大地节约了校准过程中的时间和人工成本，具有明显的效率优势。

Description

基于视觉的全自动振镜视场校准系统及其校准方法
技术领域
本发明涉及激光加工领域，特别是一种基于视觉的全自动振镜视场校准系统及其校准方法。
背景技术
激光振镜扫描方式存在着固有的扫描场的几何畸变，表现为x方向上的枕形失真、y方向上的桶形失真和一般的线性失真。当扫描场较大时，这些失真极大地影响了激光加工的质量；失真效果如图1-图3所示。对映射关系的非线性失真可以采用软件校正，也可以采用硬件校正，硬件校正相对成本较高，采用软件校正则经济、准确，且可灵活调整参数，简单实用。
使用振镜进行精密激光加工的过程中，经常需要对振镜加工提出非常高的精度要求，这就意味着需要对振镜进行高精度的校正。现有的振镜校准技术一般需要人工干预，包括人工移动位置，记录位置信息等，这就导致校准效率较低；且校正精度要求越高，校正所需的点间距就需要越小，导致需要采集的位置点数成倍增加，同时校正次数也需要增多。现有的图像处理程序采用第三方厂商图像处理软件，其处理类型和精度固化，且无法针对特殊情况进行扩展；此外，单个振镜在其整个使用寿命周期中会因为外界环境因素和自身因素的原因需要进行常态化的校准，这对于量产机台批量调试以及项目需要的快速响应也是一个很大的制约条件。以上因素均造成批量设备的校准效率较低，需要耗费大量的时间和人工成本。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种基于视觉的全自动振镜视场校准系统及其校准方法，对校准过程进行自动化处理，从而节约时间和人力成本，提高校准效率。
技术方案：为实现以上目的，本发明所述基于视觉的全自动振镜视场校准系统，包括运动平台、振镜系统、计算机控制系统、工业相机、待测玻璃片；振镜系统安装在运动平台上，并与工业相机固定连接；待测玻璃片放置在振镜下方的工作台面上；计算机控制系统分别与运动平台、振镜系统及工业相机通过电信号连接。振镜可以在玻璃片上打出网格标记，供自动校准检测使用。
进一步地，所述视场校准系统包括两个工业相机，两个待测玻璃片。
进一步地，所述振镜系统包括扫描仪、振镜控制单元及两个振镜，振镜系统通过旁轴安装板与工业相机连接。
本发明所述基于上述校准系统的全自动振镜视场校准方法，包括以下步骤：
(1)调节工业相机的参数至合适的区间；
(2)调节工业相机，使相机坐标系与振镜坐标系对齐；
(3)将初始校准文件导入振镜系统中的扫描仪；
(4)振镜控制单元加载并运行指定N阶的网格标记程序，在待测玻璃片上打出N×N网格，其网格点坐标分别为：(X0，Y0)，(X1，Y1)...(XN，YN)，其中N为网格数；
(5)将待检测点(Xi，Yi)的十字星标记移动到相机坐标系下，检查工业相机是否检测到十字星标记；如果是，转到步骤(7)；否则转至步骤(6)，进行区域检测；
(6)工业相机对待测玻璃片拍照，计算机控制系统进行图像处理，计算网格线与视场实际边界的交点位置坐标，工业相机进行反馈处理，根据计算结果自动寻迹，查找下一个待检测点位，确定运动平台的运动方向和距离，控制运动平台运动；工业相机在运动方向的指定区域范围内检测是否存在十字星标记；如果存在，跳转到步骤(7)；如果仍然不存在，提示用户人工干预，使下一个待检测十字星标记处于工业相机视场范围之内；如果所有待检测点都已遍历完成，则跳转至步骤(11)；
(7)工业相机抓取图像，计算机控制系统计算相机视场中十字星标记的实际位置(Xi，Yi)以及该实际位置与相机视场中心的偏差；
(8)计算机控制系统判断偏差是否满足精度要求；如果不满足，则使运动平台继续自动移动偏差距离，并重复步骤(7)，直至偏差满足精度要求为止；
(9)记录当前检测十字星标记所在的位置；
(10)重复步骤(6)-(10)，直至所有待检测点都完全遍历，数据都记录完毕；
(11)将得到的数据进行集合统一处理，并保存为特定的校准数据文件；
(12)振镜系统加载新生成的校准数据文件；
(13)选取有代表性的检测点位，检测振镜校准后的实际精度是否满足工作要求；如果满足，自动检测流程结束；如果不满足，重复步骤(1)-(13)，直至满足精度要求。
进一步地，步骤(6)中所述网格线与视场实际边界的交点位置坐标的计算方法为：对工业相机所拍照片进行图像处理，拟合出十字星的南北和东西方向的网格线，网格线与视场实际边界存在若干交点，测量计算该交点的位置坐标。
进一步地，为了便于工业相机在该环境下顺利抓取图像和处理，所述步骤(1)中调节的工业相机参数包括曝光度、亮度。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明的图像处理过程采用自主研发的图像处理程序，可以识别边缘，十字星，圆等多种特征类型，克服了现有的第三方图像处理软件处理类型和精度固化、无法针对特殊情况进行扩展的缺陷；并且本发明中的全自动振镜视场校准方法只需将待玻璃片放置于振镜下方，运动平台会引导振镜自动运行网格标记程序，工业相机则根据网格标记线寻迹自动遍历所有的网格标记点，无需人工干预，记录校准数据生成新的校准文件，能够免去以往人工干预逐点人工移动待检测位置，并手动输入数据的繁琐流程，减少了人工干预会出现偏差的问题；该方法极大地节约了校准过程中的时间和人工成本，具有明显的效率优势。
附图说明
图1为振镜失真效果图一；
图2为振镜失真效果图二；
图3为振镜失真效果图三；
图4为振镜标准精度效果图；
图5为标准检测网格示意图(3x3)；
图6为区域检测示意图；
图7为十字星标记的实际位置与视场中心位置关系示意图；
图8为检测点十字星标记与视场中心重合的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
基于视觉的全自动振镜视场校准系统，包括运动平台、振镜系统、计算机控制系统、两个工业相机、两个待测玻璃片；振镜系统安装在运动平台上，并与工业相机固定连接；待测玻璃片放置在振镜下方的工作台面上；计算机控制系统分别与运动平台、振镜系统及工业相机通过电信号连接。振镜系统包括扫描仪、振镜控制单元及两个振镜，振镜系统通过旁轴安装板与工业相机连接；振镜可以在玻璃片上打出网格标记，供自动校准检测使用。
基于上述全自动振镜视场校准系统的全自动化振镜视场校准方法的具体步骤如下：
步骤(1)：调节好工业相机的参数至合适的区间，包括曝光度、亮度等，可以方便相机在该环境下顺利抓取图像和处理；
步骤(2)：确保相机坐标系和振镜坐标系对齐；
步骤(3)：将初始校准文件用于扫描仪；该初始校准文件可以是供应商提供的，也可以是1：1的虚拟校准；
步骤(4)：振镜加载并运行指定N阶的网格标记程序，在待测玻璃片上打出N×N网格，其网格点坐标分别为：(X0，Y0)，(X1，Y1)...(XN，YN)，如图5所示，其中N为网格数；
步骤(5)：将待检测点(Xi，Yi)的十字星标记移动到相机坐标系下，检查工业相机是否检测到十字星标记；如果是，转到步骤(7)；否则转至步骤(6)，进行区域检测；其中i为整数，N≥i≥0；
步骤(6)：工业相机对待测玻璃片拍照，计算机控制系统进行图像处理，拟合出十字星的南北方向和东西方向的网格线；网格线与视场实际边界(非虚拟延长线)存在交点，交点最多有四个，分别为top、right、bottom和left；分别计算有效交点的位置坐标；自动寻迹需要通过工业相机镜头进行反馈处理，根据检测结果进行智能查找下一个待检测点位，确定运动方向和距离，并控制运动平台运动；工业相机在运动方向的指定区域范围内检测是否存在十字星标记；如果存在，跳转到步骤(7)；如果仍然不存在，提示用户人工干预，使下一个待检测十字星标记处于工业相机视场范围之内；如果所有待检测点都已遍历完成，则跳转至步骤(11)；
步骤(7)：工业相机抓取图像，计算机控制系统计算相机视场中十字星标记的实际位置(Xi，Yi)以及该实际位置与相机视场中心的偏差Offset；
步骤(8)：计算机控制系统判断偏差Offset是否满足精度要求；如果不满足，则使运动平台继续自动移动偏差Offset距离，并重复步骤(7)，直至偏差Offset满足精度要求为止；
步骤(9)：记录当前检测十字星标记所在的位置；
步骤(10)：重复步骤(6)-(10)，直至所有待检测点都完全遍历，数据都记录完毕；
步骤(11)：将得到的数据进行集合统一处理，并保存为特定的校准数据文件；
步骤(12)：振镜系统加载新生成的校准数据文件；
步骤(13)：选取有代表性的检测点位(如长方形对角线上的点位)，检测振镜校准后的实际精度是否满足工作要求；如果满足，自动检测流程结束；如果不满足，重复步骤(1)-(13)，直至满足精度要求。
其中，步骤(6)中自动寻迹所依据的原则为：a、第一个检测点方向永远是选择事先确定的方向；b、不走回头路；c、如果某一方向若干步后无法继续检测到十字星，则退回到上一次有效检测点位，重新确定方向。

Claims (3)

1.一种基于视觉的全自动振镜视场校准系统，其特征在于：包括运动平台、振镜系统、计算机控制系统、两个工业相机、两个待测玻璃片；振镜系统包括扫描仪、振镜控制单元及两个振镜，安装在运动平台上，并通过旁轴安装板与工业相机固定连接；待测玻璃片放置在振镜下方的工作台面上；计算机控制系统分别与运动平台、振镜系统及工业相机通过电信号连接；
全自动振镜视场校准方法，包括以下步骤：
(1)调节工业相机的参数至合适的区间；
(2)调节工业相机，使相机坐标系与振镜坐标系对齐；
(3)将初始校准文件导入振镜系统中的扫描仪；
(4)振镜控制单元加载并运行指定N阶的网格标记程序，在待测玻璃片上打出N×N网格，其网格点坐标分别为：(X0，Y0)，(X1，Y1)...(XN，YN)，其中N为网格数；
(5)将待检测点(Xi，Yi)的十字星标记移动到相机坐标系下，检查工业相机是否检测到十字星标记；如果是，转到步骤(7)；否则转至步骤(6)，进行区域检测；
(6)工业相机对待测玻璃片拍照，计算机控制系统进行图像处理，计算网格线与视场实际边界的交点位置坐标，工业相机进行反馈处理，根据计算结果自动寻迹，查找下一个待检测点位，确定运动平台的运动方向和距离，控制运动平台运动；工业相机在运动方向的指定区域范围内检测是否存在十字星标记；如果存在，跳转到步骤(7)；如果仍然不存在，提示用户人工干预，使下一个待检测十字星标记处于工业相机视场范围之内；如果所有待检测点都已遍历完成，则跳转至步骤(11)；
(7)工业相机抓取图像，计算机控制系统计算相机视场中十字星标记的实际位置(Xi，Yi)以及该实际位置与相机视场中心的偏差；
(8)计算机控制系统判断偏差是否满足精度要求；如果不满足，则使运动平台继续自动移动偏差距离，并重复步骤(7)，直至偏差满足精度要求为止；
(9)记录当前检测十字星标记所在的位置；
(10)重复步骤(6)-(10)，直至所有待检测点都完全遍历，数据都记录完毕；
(11)将得到的数据进行集合统一处理，并保存为特定的校准数据文件；
(12)振镜系统加载新生成的校准数据文件；
(13)选取有代表性的检测点位，检测振镜校准后的实际精度是否满足工作要求；如果满足，自动检测流程结束；如果不满足，重复步骤(1)-(13)，直至满足精度要求。
2.根据权利要求1所述的基于视觉的全自动振镜视场校准系统，其特征在于：步骤(6)中所述网格线与视场实际边界的交点位置坐标的计算方法为：对工业相机所拍照片进行图像处理，拟合出十字星的南北和东西方向的网格线，网格线与视场实际边界存在若干交点，测量计算该交点的位置坐标。
3.根据权利要求1所述的基于视觉的全自动振镜视场校准系统，其特征在于：所述步骤(1)中调节的工业相机参数包括曝光度、亮度。
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