CN111992911B - 基于旁轴视觉结构振镜拼图加工的视觉定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于旁轴视觉结构振镜拼图加工的视觉定位方法，首先校正振镜精度并生成振镜校正文件，通过振镜校正文件来校正视觉误差；然后进行图档分割，在加工前计算好分割后每个区块需要加工的路径，加工过程中只需要进行方向偏移和角度旋转；接着进行视觉定位，找到基准点坐标，及对应的偏移旋转量；基于所述的基准点及偏移旋转量进行图形变换，将运动平台坐标系上的点转换成振镜坐标系下的坐标值，加工时可将这些坐标值直接发送给振镜系统进行加工；将运动控制平台移动都平台坐标系下的中心点坐标位置，将加工路径线段特征点的坐标值发送给振镜系统，进行加工，并在当前区块加工完成后，依次加工其他区块，直至所有区块加工完成。

Description

基于旁轴视觉结构振镜拼图加工的视觉定位方法

技术领域

本发明涉及高精度大幅面的振镜加工技术领域，如柔性电路板，即FPC材料加工，尤其涉及使用运动平台配合振镜对加工区域进行拼接，以实现对大幅面产品加工的场景，特别是为提高加工精度使用工业相机进行视觉定位时的坐标计算，具体为一种基于旁轴视觉结构振镜拼图加工的视觉定位方法。

背景技术

由于振镜加工幅面的限制，目前激光加工领域对于大幅面图形的加工主要用拼接的方式完成，即：将大幅面的图档分割成若干个方块(每个方块的区域应小于振镜的最大工作幅面以保证每次加工能够正常标刻)，每次用振镜加工一个方块中的内容，然后移动运动平台至下一个方块的中心位置，再用振镜加工该方块中的图形内容，直至整个大幅面的图档标刻完成。

而高精度的激光加工，仅靠机械夹具的定位是无法满足精度要求的，通常会使用工业相机进行视觉定位。视觉定位的最主要目的是计算样品实际的放置情况与理论图纸之间的相对于基准点C的偏移Δγ角度，X方向偏移ΔX，Y方向偏移ΔY。

振镜加工设备依靠振镜进行加工，运动平台仅做搬运和移动的作用，因此，对于这类设备，把需要加工的图形路径坐标直接发送给振镜控制卡即可。但是对于加工幅面较大、加工图形较复杂精细的加工场景，如果是提前计算好每个区块需要标刻的路径坐标，加工前以振镜为中心进行偏移旋转，则会导致图形错位无法拼接的问题。并且，利用现有的视觉定位方法重新计算出实际图档，然后对实际图档进行重新分割需要消耗一定的时间，这在产品量产时会对加工效率产生严重影响。

公开号CN110640303A的中国专利于2020年1月3日公开了一种高精度视觉定位系统及其定位校准方法，该视觉定位系统包括加工平台、振镜系统、计算机控制系统、视觉相机、待测工件；该定位校准方法通过对边缘直线进行拟合，提取边缘直线线段的中点坐标，计算各检测点位所连直线的虚拟交汇点，从而得到工件边缘中点的实际位置坐标。该专利申请通过加工平台搭载视觉相机运行至预先设置好的检测点位，对待测工件进行拍照，然后对照片进行视觉处理，得到工件边缘中点的实际位置坐标，不涉及振镜拼图加工中的坐标系的转换与计算。

公开号CN110706184A的中国专利于2020年1月17日公开了一种激光振镜偏移的校正方法，包括如下步骤：建立以激光切割平台的中心点为原点的x-y坐标系，在x-y坐标系上建立多个呈矩阵排布的理想标记点；在校正纸上打出与理想标记点对应且呈矩阵排布的实体标记点；将相机的准星点正对于激光切割平台的中心点后采集校正纸的校正图像，识别并提取校正图像中的实体标记点并映射在x-y坐标系中以获取实体标记点的坐标点位；对呈矩阵排布的理想标记点和实体标记点进行分区以形成多个理想分区和实体分区；建立每个实体分区到理想分区的分区变换矩阵，遍历每个分区变换矩阵计算获取x-y坐标系中每个坐标点位的激光振镜偏移值以形成校正文件。该专利申请主要用于解决振镜偏移误差的校正效率较低的问题，未考虑振镜拼图加工。

单独的振镜加工设备，加工过程仅涉及振镜坐标系，不存在振镜坐标系与运动平台坐标系之间切换的问题。而振镜拼图加工既需要使用振镜坐标系，也需要使用平台坐标系，在使用视觉定位的结果进行图形转换时要考虑坐标系切换的问题。同时为了用户使用上位机软件时调试设备时更方便，坐标系的概念应尽量简单直观。且在计算时，不能直接以振镜的中心点对每个区块的图档进行计算，这样会造成错位的问题，计算错误。另一方面，需要使用振镜拼图加工的应用，通常需要加工的图形尺寸大、图形复杂精细，因此计算过程中的数据量较大，使用视觉定位方法时应考虑方法的效率。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本发明提供一种基于旁轴视觉结构振镜拼图加工的视觉定位方法，该方法计算量小，便于理解和调试，可有效提高加工效率及图形拼接精度。

本发明是通过以下技术方案予以实现的：

基于旁轴视觉结构振镜拼图加工的视觉定位方法，包括：

校正振镜精度：生成振镜校正文件；

校正视觉误差：通过振镜校正文件对XY方向进行误差补偿；

分割图档：得到每一区块的中心点坐标{Center1-1，…,Centerm-n}和以区块为单位记录的每一区块的图档路径；

视觉定位：计算出实际基准点的坐标，得到理论基准点与实际基准点的X方向偏移量ΔX、Y方向偏移量ΔY和角度偏移量Δγ；

图形变换：得到针对每一区块运动控制平台需要移动的中心点位置坐标和所述每一区块对应的实际加工路径；

转换坐标系，依次进行加工直至加工完成。

上述技术方案中，首先校正振镜精度并生成振镜校正文件，通过振镜校正文件来校正视觉误差；然后进行图档分割，在加工前计算好分割后每个区块需要加工的路径，加工过程中只需要进行方向偏移和角度旋转，可有效提高加工效率；接着进行视觉定位，找到基准点坐标，及对应的偏移旋转量；基于所述的基准点及偏移旋转量进行图形变换，将运动平台坐标系上的点转换成振镜坐标系下的坐标值，加工时可将这些坐标值直接发送给振镜系统进行加工；将运动控制平台移动到平台坐标系下的中心点坐标位置，将加工路径线段特征点的坐标值发送给振镜系统，进行加工，并在当前区块加工完成后，依次加工其他区块，直至所有区块加工完成。上述方法以统一的坐标系、统一的基准点为基础进行方向偏移和角度旋转，可有效提高图形拼接精度，并且，上述方法所需计算量小，计算过程不易出错。

作为进一步的技术方案，视觉定位步骤中，若视觉定位点为两个，则基准点为两个视觉定位点的中点，ΔX和ΔY分别为理论基准点和实际基准点的XY方向偏移量，Δγ为理论视觉定位点连线与实际视觉定位点连线的夹角。

作为进一步的技术方案，视觉定位步骤中，若视觉定位点为四个，则基准点为四个视觉定位点对角两两相连形成的两条对角线的交点，ΔX和ΔY分别为理论基准点和实际基准点的XY方向偏移量，Δγ为理论视觉定位点的对角线夹角与实际视觉定位点的对角线夹角的差值。两个或四个视觉定位点取决于加工样品，有的产品上有四个定位点，有的产品上有两个定位点。

作为进一步的技术方案，图形变换步骤进一步包括：

以实际基准点为中心，对所有的中心点平移ΔX和ΔY后偏转旋转Δγ，得到新的中心点集合{Center1-1′,…,Centerm-n′}；

同样以实际基准点为中心，依次对每一区块的振镜加工路径进行先偏移后旋转,得到实际需要加工的图形路径并记录；

至此就得到了针对每一区块运动控制平台需要移动的中心点位置坐标，和所述每一区块对应的实际需要加工的路径，二者一一对应。

作为进一步的技术方案，转换坐标系，依次进行加工直至加工完成，进一步包括：

a.将运动控制平台坐标系下的图形路径，以各自对应的区块为原点建立新的坐标系，计算每一区块在新坐标系下的路径集合；

b.运动控制平台移动至需要加工的区块的中心点；

c.将所述中心点对应的路径集合和加工指令发送至振镜控制卡进行加工；

d.当前区块加工完成后，返回b，加工下一区块，直至所有区块加工完成。

新的坐标系即振镜坐标系。振镜加工大幅面图形时，通常振镜无法一次性加工完整个图档，比如振镜幅面50mm*50mm，需要加工的图形200mm*300mm,就需要把图档分割成若干个块，振镜每次就加工一块，然后平台移动到下一个区块的位置，振镜再加工，振镜每一次加工的内容就叫做“每一区块”。

作为进一步的技术方案，校正振镜精度进一步包括：

振镜在初始状态下标刻N*N的网格；

以网格中心为原点，使用运动控制平台移动标刻好的网格，相机测试网格理论值与实际值的误差，生成振镜校正文件。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明在加工前，提前计算好分割后每个区块需要加工的路径，加工过程中只需要进行偏移和旋转，不会占用过长时间，不影响加工效率。

2.本发明的视觉定位方法不影响拼接精度，该方法以统一的坐标系，统一的基准点为基础，经过偏移旋转后，图形拼接处不会产生错位，拼接精度高且计算量小，计算过程中不易出错。

3.上位机显示的是运动控制平台的坐标系，图形分割算法也以该坐标系为基础计算，用户可以直观的进行设备调试，实现所见即所得；转换坐标系的过程在后台执行，不影响操作逻辑，便于理解和调试。

附图说明

图1为根据本发明实施例的方法流程示意图；

图2为根据本发明实施例的理论图档示意图；

图3为根据本发明实施例的分割后的图档示意图；

图4为根据本发明实施例的图形变换后的图档示意图。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述发实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

本发明提供一种基于旁轴视觉结构振镜拼图加工的视觉定位方法，包括：

步骤1，基于设备自带的运动控制平台，配合视觉进行振镜校正。

步骤1.1，振镜在初始状态下标刻N*N的网格；

步骤1.2，以网格中心为原点，使用运动平台移动标刻好的网格，相机测试网格理论值与实际值的误差，生成振镜校正文件；

步骤1.3，重复步骤1.1和1.2，以提高振镜校正精度。

振镜校正完成后，振镜坐标系XY方向，与运动平台的XY方向为平行状态，无角度偏差。

步骤2，校正视觉误差，通过振镜校正文件对XY方向进行误差补偿，XY方向的补偿值分别为dboffsetX,dboffsetY。

步骤3，分割图档：得到每一区块的中心点坐标{Center1-1，…,Centerm-n}和以区块为单位记录的每一区块的图档路径。

步骤4，计算出实际基准点的坐标，得到理论基准点与实际基准点的X方向偏移量ΔX、Y方向偏移量ΔY和角度偏移量Δγ。

若视觉定位点为两个，则基准点为两个视觉定位点的中点，ΔX和ΔY分别为理论基准点和实际基准点的XY方向偏移量，Δγ为理论视觉定位点连线与实际视觉定位点连线的夹角。

若视觉定位点为四个，则基准点为四个视觉定位点对角两两相连形成的两条对角线的交点，ΔX和ΔY分别为理论基准点和实际基准点的XY方向偏移量，Δγ为理论视觉定位点的对角线夹角与实际视觉定位点的对角线夹角的差值。

步骤5，图形变换：得到针对每一区块运动控制平台需要移动的中心点位置坐标和所述每一区块对应的实际加工路径。

步骤5.1，以实际基准点为中心，对所有的中心点{Center1-1，…,Centerm-n}旋转Δγ，平移ΔX和ΔY，得到新的中心点集合{Center1-1′,…,Centerm-n′}；

步骤5.2，同样以实际基准点为中心，依次对每一区块的振镜加工路径进行旋转偏移,得到实际需要加工的图形路径并记录。

至此就得到了针对每一区块运动控制平台需要移动的中心点位置坐标，和所述每一区块对应的实际需要加工的路径，二者一一对应。

步骤6，转换坐标系，依次进行加工直至加工完成。

步骤6.1，将运动控制平台坐标系下的图形路径，以各自对应的区块为原点建立新的坐标系，计算每一区块在新坐标系下的路径集合；

步骤6.2，运动控制平台移动至需要加工的区块的中心点；

步骤6.3，将所述中心点对应的路径集合和加工指令发送至振镜控制卡进行加工；

步骤6.4，当前区块加工完成后，返回b，加工下一区块，直至所有区块加工完成。

本发明在加工前提前计算好分割后每个区块需要加工的路径，加工过程中只需要进行方向偏移和角度旋转，有效提高加工效率；本发明方法以统一的坐标系、统一的基准点为基础进行方向偏移和角度旋转，可有效提高图形拼接精度；本发明方法所需计算量小，计算过程不易出错。

实施例

如图2所示，本实施例提供一种基于旁轴视觉结构振镜拼图加工的视觉定位方法。图2为理论图档。所述方法包括以下步骤：

步骤1：在运动控制平台的定位精度<1um，重复精度<0.5um，振镜重复精度<2urad，焦距约160mm的基础下以50mm*50mm的幅面进行矫正，矫正后振镜定位精度<±5um。

步骤2：校正视觉误差，XY方向的补偿值分别为dboffsetX，dboffsetY。

步骤3：如图3所示，得到分割后的结果。

如图3所示，Center1-1,Center1-2,Center1-3,Center2-1,Center2-2,Center2-3为每次要标刻的中心点，L1～L10为需要加工的路径。

保存下列数据：

①{Center1-1,Center1-2,Center1-3,Center2-1,Center2-2,Center2-3}在XY坐标系下的坐标值；

②记录每个中心点和需要加工的路径的对应关系:

Center1-1：L1+L2

Center1-2：L3

Center1-3：L4+L5

Center2-1：L9+L10

Center2-2：L8

Center2-3：L7+L8

③记录L1～L10的特征点(即线段端点)在XY坐标系下的坐标值。如果是曲线，则按解析精度解析为若干由点连成的小线段，记录这些点的坐标值。

步骤4：视觉定位，计算出基准点C点的坐标和旋转Δγ角度，X方向偏移ΔX，Y方向偏移ΔY。

以某一个视觉定位点为例，该视觉定位点的在相机下的坐标位置为(x,y)，定位结果为(x’,y’)，则该视觉定位点的实际位置X＝x+x’+dboffsetx，Y＝y+y’+dboffsety。

基准点C为几个(一般为两个或四个)视觉定位点的实际中心点坐标。

步骤5：以基准点C为中心，对所有的中心点和振镜加工路径进行旋转偏移，如图4所示。

步骤6：转换振镜加工路径的坐标值，各区块依次加工。

步骤6.1，以Center1-1为例

XY坐标系为平台坐标系，X'Y'坐标系为振镜在Center1-1对应区块中的坐标系，Center1-1为X'Y'坐标系原点，需要加工的图形为实线部分图形，经过步骤1的校正，XY坐标系与X'Y'坐标系平行无角度。通过平移，可以将实线部分的点转换成X'Y'坐标系下的坐标值，其他区块的转换过程同理。记录并保存步骤3中①～③中的变换后的数据：

①{Center1-1′,Center1-2′,Center1-3′,Center2-1′,Center2-2′,Center2-3′}在XY坐标系下的坐标值；

②记录每个中心点和需要加工的路径的对应关系:

Center1-1′：L1′+L2′

Center1-2′：L3′

Center1-3′：L4′+L5′

Center2-1′：L9′+L10′

Center2-2′：L8′

Center2-3′：L7+L8′

③记录L1′～L10′的特征点(即线段端点)在X'Y'坐标系下的坐标值，这些特征点在加工时可以直接发送给振镜控制卡进行加工。

步骤6.2，平台移动至Center1-1′。

步骤6.3，将L1′+L2′在步骤6.1③中的数据发给振镜控制卡，进行加工。

步骤6.4，以此类推，加工剩余区块，直至加工完成。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施方式”、“某些实施方式”、“示意性实施方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合所述实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。

Claims (3)

1.基于旁轴视觉结构振镜拼图加工的视觉定位方法，其特征在于，包括：

校正振镜精度：生成振镜校正文件；

校正视觉误差：通过振镜校正文件对XY方向进行误差补偿；

分割图档：得到每一区块的中心点坐标{Center1-1，…,Centerm-n}和以区块为单位记录的每一区块的图档路径；

视觉定位：计算出实际基准点的坐标，得到理论基准点与实际基准点的X方向偏移量ΔX、Y方向偏移量ΔY和角度偏移量Δγ；

图形变换：以实际基准点为中心，对所有的中心点平移ΔX和ΔY后偏转旋转Δγ，得到新的中心点集合{Center1-1′,…,Centerm-n′}；

同样以实际基准点为中心，依次对每一区块的加工路径进行先偏移后旋转,得到实际需要加工的图形路径并记录；至此就得到了针对每一区块运动控制平台需要移动的中心点位置坐标和所述每一区块对应的实际加工路径，二者一一对应；

转换坐标系，依次进行加工直至加工完成，进一步包括：

a.将运动控制平台坐标系下的图形路径，以各自对应的区块为原点建立新的坐标系，计算每一区块在新坐标系下的路径集合；

b.运动控制平台移动至需要加工的区块的中心点；

c.将所述中心点对应的路径集合和加工指令发送至振镜控制卡进行加工；

d.当前区块加工完成后，返回b，加工下一区块，直至所有区块加工完成。

2.根据权利要求1所述的基于旁轴视觉结构振镜拼图加工的视觉定位方法，其特征在于，视觉定位步骤中，若视觉定位点为两个，则基准点为两个视觉定位点的中点，ΔX和ΔY分别为理论基准点和实际基准点的XY方向偏移量，Δγ为理论视觉定位点连线与实际视觉定位点连线的夹角。

3.根据权利要求1所述的基于旁轴视觉结构振镜拼图加工的视觉定位方法，其特征在于，校正振镜精度进一步包括：

振镜在初始状态下标刻N*N的网格；

以网格中心为原点，使用运动控制平台移动标刻好的网格，相机测试网格理论值与实际值的误差，生成振镜校正文件。

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