CN112985257A - 一种板状工件的三维坐标校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及检测领域，公开一种板状工件的三维坐标校准方法，包括：自不同起始位置移动具有预定焦距f的相机，在每次移动过程中利用所述相机拍摄板状工件的多张图像；依据所述多张图像的清晰度确定与板状工件距离相同的、不共线的三个参考位置，将所述三个参考位置确定的平面作为参考平面，根据所述参考平面确定Z轴校准方向；在所述参考平面内移动所述相机、以抓取板状工件上的第一预定特征物，获取所述第一预定特征物的偏转角度，根据所述偏转角度确定X轴、Y轴校准方向；确定所述板状工件所处的校准三维坐标系的坐标轴方向。本发明实施方式的板状工件的三维坐标校准方法，为高精度机器视觉测量提供经济的三维坐标校准。

Description

一种板状工件的三维坐标校准方法

技术领域

本发明实施例涉及检测技术领域，特别涉及一种板状工件的三维坐标校准方法。

背景技术

随着电子产品技术的发展，元器件的小型化趋势越来越明显，产品的密度也不断增加，因此，电子产品的制造产业中，采用表面贴装技术(Surface Mount Technology，SMT)进行PCBA(Printed Circuit Board Assembly)的制造和组装、采用自动化机器视觉测量技术进行PCBA产品的视觉检测。

发明人发现现有技术中至少存在如下问题：机器视觉测量技术可以实现高精度的缺陷检测。高精度检测要求被测物在成像时是固定的放大倍率，视觉测量中通常使用定焦镜头实现固定放大倍率，这时就要求被测物用定位夹具做到高精确定位，保证被测物与相机镜头间的工作距离是恒定的，因此，如何为高精度的机器视觉测量提供经济、可靠的三维坐标校准是一个亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种板状工件的三维坐标校准方法，为高精度的机器视觉测量提供经济、可靠的三维坐标校准。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种板状工件的三维坐标校准方法，包括以下步骤：自不同起始位置、沿靠近/远离板状工件的方向移动具有预定焦距f的相机，在每次移动过程中利用所述相机拍摄板状工件的多张图像；依据所述多张图像的清晰度确定与板状工件距离相同的、不共线的三个参考位置，将所述三个参考位置确定的平面作为参考平面，根据所述参考平面确定Z轴校准方向；在所述参考平面内移动所述相机、以抓取板状工件上的第一预定特征物，分析所述第一预定特征物的图像、获取所述第一预定特征物的偏转角度，根据所述偏转角度确定X轴校准方向、Y轴校准方向；根据所述X轴校准方向、所述Y轴校准方向以及所述Z轴校准方向确定所述板状工件所处的校准三维坐标系的坐标轴方向。

本发明实施方式相对于现有技术而言：

1.其利用具有预定焦距的相机对板状工件进行拍照以校正Z轴方向，由于相机与板状工件距离不同时、拍摄到的图像清晰度不同，如此以来，便可以根据图像的清晰度确定出至少三个与板状工件距离相同、且不共线的位置点，而该至少三个不共线的位置点可以确定出与板状工件平行的平面，也即与“以板状工件所处平面为XY平面而构建的三维坐标系”的“XY平面”平行的参考平面，进而确定出与参考平面垂直的Z轴方向；

2.其利用第一预定特征物的偏转角度校正X轴、Y轴方向，由于板状工件上第一预定特征物的理论设计角度是与“以板状工件所处平面为XY平面而构建的三维坐标系”的“X轴、Y轴”具有预定夹角关系的，如此以来，当获取板状工件上第一预定特征物的偏转角度之后，便可以参考第一预定特征物的理论设计角度与预定夹角关系确定出“X轴、Y轴”的扭转角度，从而确定出X轴、Y轴方向；

如此以来，后续视觉测量中，只要确保定焦镜头沿着与Z轴校准方向垂直的平面(也即X轴校准方向和Y轴校准方向共同组成的XY平面)移动，便能保证定焦镜头在移动过程中与被测物之间间隔的工作距离是恒定的，整个校准过程只需要利用具有预定焦距的单目相机即可达成，能够为高精度的机器视觉测量提供经济、可靠的三维坐标校准。

另外，所述在每次移动过程中利用所述相机拍摄板状工件的多张图像，具体为：每移动一预设距离，利用所述相机拍摄一张板状工件的图像。参考相机的预定焦距f适当调整预设距离，可以在确保一定校准精度的前提下，适当减少图像的拍摄数量，降低图像清晰度分析的计算量，并加快校准速度。

另外，所述依据所述多张图像的清晰度确定与板状工件距离相同的、不共线的三个参考位置，具体包括：获取所述相机在每次移动过程中拍摄的多个画面；分析每次移动过程中拍摄的所述多个画面、获取每次移动过程中拍摄的所述多个画面中清晰度最高的画面；确定拍摄出所述清晰度最高的画面时、所述相机所处的位置，作为所述参考位置。

另外，所述自不同起始位置、沿靠近/远离板状工件的方向移动具有预定焦距f的相机之前，包括：将板状工件固定在固定夹具上，根据固定夹具确定初始三维坐标系；在所述初始初始三维坐标系下确定三个不共线的起始位置，其中，在所述初始三维坐标系的Z轴方向上、每个所述起始位置与所述板状工件之间的距离为f+△E/f-△E，其中，△E为所述板状工件在Z轴方向上的装配公差。如此设置，将板状工件的装配公差考虑在内，确保相机在沿靠近/远离板状工件的方向移动过程中能够经过最佳成像位置，从而每次移动过程中都能拍摄到位于最佳成像位置时的清晰图像，便于后续利用清晰图像确定出与板状工件距离为f的参考位置。

另外，所述自不同起始位置、沿靠近/远离板状工件的方向移动具有预定焦距f的相机，具体为：分别以三个所述起始位置为起点、沿所述初始三维坐标系的Z轴方向朝靠近/远离板状工件的方向移动具有预定焦距f的相机。由于初始三维坐标系的Z轴方向是最接近于“垂直于”板状工件的方向，沿着垂直或近似垂直板状工件的方向移动相机，能够尽快遍历到与板状工件距离为f的参考位置而获取清晰图像，缩短校准时间。

另外，所述在所述参考平面内移动所述相机、以抓取板状工件上的第一预定特征物，具体为：将位于所述参考平面内、且平行于所述初始三维坐标系X轴的方向作为第一方向，将位于所述参考平面内、且平行于所述初始三维坐标系Y轴的方向作为第二方向；在所述参考平面内、分别沿所述第一方向和所述第二方向移动所述相机、并在移动过程中拍摄板状工件的图像，直至所述相机抓取到板状工件上的第一预定特征物。沿着初始三维坐标系X轴方向、Y轴方向依次移动相机，便于相机对板状工件逐步扫描，尽快抓取到第一预定特征物。

另外，所述根据所述偏转角度确定X轴校准方向、Y轴校准方向，具体包括：获取所述第一预定特征物在板状工件上的理论设计角度，其中，所述板状工件实际所处三维坐标系的X轴方向、Y轴方向与所述理论设计角度具有预定关系；获取所述理论设计角度与所述偏转角度之间的角度差异；根据所述角度差异以及所述预定关系，确定X轴校准方向、Y轴校准方向。由于板状工件上第一预定特征物的理论设计角度是与“以板状工件所处平面为XY平面而构建的三维坐标系”的“X轴、Y轴”具有预定夹角关系的，如此以来，当获取板状工件上第一预定特征物的偏转角度之后，便可以参考第一预定特征物的理论设计角度与预定夹角关系确定出“X轴、Y轴”的扭转角度，从而确定出X轴、Y轴方向。

另外，所述根据所述X轴校准方向、所述Y轴校准方向以及所述Z轴校准方向确定所述板状工件所处的校准三维坐标系的坐标轴方向之后，还包括：根据所述第一预定特征物在板状工件上的理论设计位置、所述预定焦距f、以及所述相机抓取到第一预定特征物时所处的位置确定所述校准三维坐标系的原点位置。由于板状工件上第一预定特征物的理论设计位置是与“以板状工件所处平面为XY平面而构建的三维坐标系”的原点具有预定位置关系的，如此以来，根据第一预定特征物的理论设计位置、以及预定焦距f可以确定出原点与“抓取到第一预定特征物时所处的位置”之间的位置关系，从而根据“抓取到第一预定特征物时所处的位置”反推出原点的位置。

另外，所述根据所述第一预定特征物在板状工件上的理论设计位置、所述预定焦距f、以及所述相机抓取到第一预定特征物时所处的位置确定所述校准三维坐标系的原点位置之后，还包括：根据板状工件上第二预定特征物的理论设计位置、计算所述第二预定特征物在所述参考平面上的投影位置；利用所述相机在所述投影位置处拍摄板状工件的图像；若在所述投影位置处拍摄的板状工件的图像包含所述第二预定特征物，则将所述校准三维坐标系作为板状工件的有效三维坐标系。确定校准三维坐标系的各轴方向和原点位置后，依据板状工件上第二预定特征物的理论设计位置确定出“可以拍摄到板状工件上第二预定特征物”的相机位置(即所述投影位置)，再将相机移至所述投影位置、对板状工件进行拍摄，如若拍摄的板状工件的图像包含所述第二预定特征物，则说明校准得到的校准三维坐标系足够准确，可以做为后续机器视觉测量的有效三维坐标系。

另外，所述利用所述相机在所述投影位置处拍摄板状工件的图像之后，还包括：若在所述投影位置处拍摄的板状工件的图像不包含所述第二预定特征物，则重新校准板状工件的三维坐标。如若拍摄的板状工件的图像不包含所述第二预定特征物，则说明校准得到的校准三维坐标系存在误差，如此以来，则重新按照前述的步骤重新校准，以期获得有效的三维坐标系。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是根据本发明第一实施例提供的板状工件的三维坐标校准方法的流程图；

图2是根据本发明第一实施例提供的板状工件的三维坐标校准方法的示意图；

图3是根据本发明第二实施例提供的板状工件的三维坐标校准方法的流程图；

图4是根据本发明第二实施例对板状工件进行固定后的固定结构正视图；

图5是根据本发明第二实施例对板状工件进行固定后的固定结构俯视图；

图6是根据本发明第二实施例提供的板状工件的三维坐标校准方法的示意图；

图7是根据本发明第三实施例提供的板状工件的三维坐标校准方法的流程图；

图8是根据本发明第四实施例提供的板状工件的三维坐标校准方法的流程图；

图9是根据本发明第五实施例提供的板状工件的三维坐标校准方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。以下各个实施例的划分是为了描述方便，不应对本发明的具体实现方式构成任何限定，各个实施例在不矛盾的前提下可以相互结合相互引用。

本发明的第一实施方式涉及一种板状工件的三维坐标校准方法，其可应用于PCBA等板状工件的三围坐标校准，本发明的第一实施方式核心在于：自不同起始位置、沿靠近/远离板状工件的方向移动具有预定焦距f的相机，在每次移动过程中利用所述相机拍摄板状工件的多张图像；依据所述多张图像的清晰度确定与板状工件距离相同的、不共线的三个参考位置，将所述三个参考位置确定的平面作为参考平面，根据所述参考平面确定Z轴校准方向；在所述参考平面内移动所述相机、以抓取板状工件上的第一预定特征物，分析所述第一预定特征物的图像、获取所述第一预定特征物的偏转角度，根据所述偏转角度确定X轴校准方向、Y轴校准方向；根据所述X轴校准方向、所述Y轴校准方向以及所述Z轴校准方向确定所述板状工件所处的校准三维坐标系的坐标轴方向。

本发明的第一实施方式通过具有预定焦距的相机对板状工件进行拍照以校正Z轴方向、通过利用第一预定特征物的偏转角度校正X轴、Y轴方向，

1.由于相机与板状工件距离不同时、拍摄到的图像清晰度不同，如此以来，便可以根据图像的清晰度确定出至少三个与板状工件距离相同、且不共线的位置点，而该至少三个不共线的位置点可以确定出与板状工件平行的平面，也即与“以板状工件所处平面为XY平面而构建的三维坐标系”的“XY平面”平行的参考平面，进而确定出与参考平面垂直的Z轴方向；

2.由于板状工件上第一预定特征物的理论设计角度是与“以板状工件所处平面为XY平面而构建的三维坐标系”的“X轴、Y轴”具有预定夹角关系的，如此以来，当获取板状工件上第一预定特征物的偏转角度之后，便可以参考第一预定特征物的理论设计角度与预定夹角关系确定出“X轴、Y轴”的扭转角度，从而确定出X轴、Y轴方向；

如此以来，后续视觉测量中，只要确保定焦镜头沿着与Z轴校准方向垂直的平面(也即X轴校准方向和Y轴校准方向共同组成的XY平面)移动，便能保证定焦镜头在移动过程中与被测物之间间隔的工作距离是恒定的，整个校准过程只需要利用具有预定焦距的单目相机即可达成，能够为高精度的机器视觉测量提供经济、可靠的三维坐标校准。

下面对本实施方式的板状工件的三维坐标校准方法的实现细节进行具体的说明，由于该种方法适用于类似PCBA一类的板状工件，因此，本实施方式中以组装入机箱的PCBA为例，对装配入机箱内的PCBA的三维坐标校准方法进行说明。需要说明的是，以下内容仅为方便理解提供的实现细节，并非实施本方案的必须。参见图1，本发明第一实施方式提供的板状工件的三维坐标校准方法包括以下步骤。

S101.自不同起始位置、沿靠近/远离板状工件的方向移动具有预定焦距f的相机，在每次移动过程中利用所述相机拍摄板状工件的多张图像。

具体的，请一并参见图2，在步骤S101中，可以预先选定距离PCBA2较远、并不共线的三个起始位置A、B、C。分别以三个所述起始位置A、B、C为起点、沿靠近PCBA2的方向(图2所示箭头方向)移动相机4。在从起始位置A朝靠近PCBA的方向移动的过程中、从起始位置B朝靠近PCBA2的方向移动的过程中、以及从起始位置C朝靠近PCBA的方向移动的过程中，分别利用所述相机拍摄板状工件的多张图像。

需要说明的是，本实施方式中，利用所述相机拍摄板状工件的多张图像，可以是“在移动过程中连续不断的拍摄图像”，也可以是“每移动一预设距离，利用所述相机拍摄一张板状工件的图像”。可以理解地，“每移动一预设距离，利用所述相机拍摄一张板状工件的图像”方案中，可以参考相机的预定焦距f适当调整预设距离，从而在确保一定校准精度的前提下，适当减少图像的拍摄数量，降低图像清晰度分析的计算量，并加快校准速度。

另外，可以理解地，移动相机4的过程，并不局限于自起点沿靠近PCBA2的方向移动，也可以预先选定距离PCBA2较近、并不共线的三个起始位置A、B、C，然后分别以三个所述起始位置A、B、C为起点、沿远离PCBA2的方向(图2所示箭头方向的反方向)移动相机4。

S102.依据所述多张图像的清晰度确定与板状工件距离相同的、不共线的三个参考位置，将所述三个参考位置确定的平面作为参考平面，根据所述参考平面确定Z轴校准方向。

由于相机4与PCBA2距离不同时、拍摄到的图像清晰度不同，如此以来，每次靠近PCBA2的移动过程中，相机4拍摄到最清晰的图像时所处的位置，必定是与PCBA2的相距f的位置。因此，在步骤S102中，可以先获取相机4在每次移动过程中拍摄的多个画面；然后分析每次移动过程中拍摄的多个画面、获取每次移动过程中拍摄的多个画面中清晰度最高的画面；确定拍摄出清晰度最高的画面时、相机4所处的位置A’、B’、C’，作为所述参考位置。接着，可以将三个参考位置A’、B’、C’确定的平面作为参考平面100，将垂直于所述参考平面100的方向，确定为Z轴校准方向(图2点划线所示)。

S103.在所述参考平面内移动所述相机、以抓取板状工件上的第一预定特征物，分析所述第一预定特征物的图像、获取所述第一预定特征物的偏转角度，根据所述偏转角度确定X轴校准方向、Y轴校准方向。

具体的，可以在所述参考平面100内沿着粗定的XY平面往返移动相机4，使得相机4的视角扫过PCBA2的各个区域，并在相机4的移动过程中拍摄PCBA2的多个图像，并在抓取到PCBA2上的第一预定特征物201的图像时，分析第一预定特征物201的图像，以获取第一预定特征物201的偏转角度。由于PCBA2上第一预定特征物201的理论设计角度是与“以PCBA所处平面为XY平面而构建的三维坐标系”的“X轴、Y轴”具有预定夹角关系的，如此以来，当获取PCBA2上第一预定特征物201的偏转角度之后，便可以参考第一预定特征物201的理论设计角度与预定夹角关系确定出“X轴、Y轴”的扭转角度，从而确定出X轴、Y轴方向。

例如，当第一预定特征物201为矩形、且其理论设计角度为“矩形长边与X轴平行(也即与Y轴垂直)”时，

a.如若检测到第一预定特征物201的长边在粗定的XY平面中的偏转角度为0度，由于“矩形长边与X轴平行(也即与Y轴垂直)”，那么说明当前粗定的XY平面中X轴方向是与X轴校准方向平行的，便可以确定X轴校准方向与当前粗定的XY平面中X轴方向平行、Y轴校准方向与当前粗定的XY平面中X轴方向垂直；

b.如若检测到第一预定特征物201的长边在粗定的XY平面中的偏转角度为顺时针方向上偏转5度，由于“矩形长边与X轴平行(也即与Y轴垂直)”，那么说明当前粗定的XY平面中X轴方向相较于X轴校准方向、在逆时针方向上偏转5度，如此，便可以确定定X轴校准方向为当前粗定的XY平面中X轴方向沿顺时针方向偏转5度后的方向、Y轴校准方向则为当前粗定的XY平面中X轴方向沿顺时针方向偏转95度后的方向。

S104.根据所述X轴校准方向、所述Y轴校准方向以及所述Z轴校准方向确定所述板状工件所处的校准三维坐标系的坐标轴方向。

具体的，在获取X轴校准方向、Y轴校准方向以及Z轴校准方向后，便可以获悉PCBA在当前固定位置下、“以PCBA2所处平面为XY平面而确立的三维坐标系”相较于“以粗定的XY平面建立的粗定三维坐标系”的偏转角度，从而对PCBA达成三维坐标的各轴方向校准，便于后续使用机器视觉测量时，参考校准三围坐标系的XY平面移动相机镜头，确保被测PCBA与相机镜头间的工作距离是恒定的。

本发明第二实施方式提供一种板状工件的三维坐标校准方法，其与第一实施方式提供的板状工件的三维坐标校准方法大体相同，不同之处在于，本发明第二实施方式提供的板状工件的三维坐标校准方法，额外包括固定板状工件和选定起始位置的准备步骤。具体的，参见图3，本发明第二实施方式提供的板状工件的三维坐标校准方法包括步骤：

S201.将板状工件固定在固定夹具上，根据固定夹具确定初始三维坐标系；

S202.在所述初始初始三维坐标系下确定三个不共线的起始位置，其中，在所述初始三维坐标系的Z轴方向上、每个所述起始位置与所述板状工件之间的距离为f+△E/f-△E，其中，△E为所述板状工件在Z轴方向上的装配公差；

S203.自不同起始位置、沿靠近/远离板状工件的方向移动具有预定焦距f的相机，在每次移动过程中利用所述相机拍摄板状工件的多张图像；

S204.依据所述多张图像的清晰度确定与板状工件距离相同的、不共线的三个参考位置，将所述三个参考位置确定的平面作为参考平面，根据所述参考平面确定Z轴校准方向；

S205.在所述参考平面内移动所述相机、以抓取板状工件上的第一预定特征物，分析所述第一预定特征物的图像、获取所述第一预定特征物的偏转角度，根据所述偏转角度确定X轴校准方向、Y轴校准方向；

S206.根据所述X轴校准方向、所述Y轴校准方向以及所述Z轴校准方向确定所述板状工件所处的校准三维坐标系的坐标轴方向。

关于步骤S201，参见图4及图5，具体的，先将装配有PCBA2的机箱1固定在固定夹具3上。由于待校准的PCBA2装配在机箱1之内，所以PCBA2被间接地固定在固定夹具3上，如图4、图5所示。

在理想状态下，设计制作良好的固定夹具3可以将PCBA2精准地固持在与图4所示图面垂直(也与图5所示图面垂直)的XY平面内，但是，在实际情况下，当PCBA2装配到机箱1中完成其他测试后，再进行视觉检测时不能将PCBA2拆卸后再做检测，这时需要对机箱1进行精确定位。但是，当机箱1尺寸大、重量大时，通过定位机箱1本身的实现方式会更加困难，实现成本更高。另外，当PCBA2装配到机箱1中，机箱1内部装配公差的存在导致即便能够精准定位机箱1，仍无法实现对PCBA2的精确定位，所以需要一种方法实现对机箱1内部的PCBA2单独进行精确定位。在将PCBA2固定在固定夹具3上之后，根据固定夹具3确定初始三维坐标系XYZ，如图6所示。所谓“初始三维坐标系”是指在PCBA2与机箱1不存在装配公差的理想状态下、以PCBA2所处的平面为XY平面而确定的理想三维坐标系。但实际上，以装配后的PCBA2所处的平面而确定的三维坐标系，其X轴、Y轴、Z轴方向均会受到PCBA2与机箱1之间的装配公差影响，而与前述初始三维坐标系(也即理想三维坐标系)的X轴、Y轴、Z轴方向存在差异。

关于步骤S202，在所述初始三维坐标系下确定三个不共线的起始位置A、B、C，如图6所示。本实施方式中，在所述初始三维坐标系的Z轴方向上、每个所述起始位置与所述板状工件之间的距离为f+△E/f-△E，其中，△E为所述板状工件在Z轴方向上的装配公差。如此设置，将板状工件的装配公差△E考虑在内，

a.如果以“与所述板状工件之间的距离为f+△E”的位置为移动的起点，那么可以将移动方向上“与所述板状工件之间的距离为f-△E”的位置作为移动的终点；

b.如果以“与所述板状工件之间的距离为f-△E”的位置为移动的起点，那么可以将移动方向上“与所述板状工件之间的距离为f+△E”的位置作为移动的终点，

确保相机在沿靠近/远离板状工件的方向移动过程中能够经过最佳成像位置，从而每次移动过程中都能拍摄到位于最佳成像位置时的清晰图像，便于后续利用清晰图像确定出与板状工件距离为f的参考位置。

需要补充的是，如图4、图5所示，在固定夹具3的一侧还设置有机械臂5，机械臂5的末端固定有相机4，相机4为具有预定焦距f的单目相机，在机械臂5的带动下，相机4可以在初始三维坐标系的X轴方向、Y轴方向、Z轴方向自由移动。

关于步骤S203，具体的，分别以三个所述起始位置A、B、C为起点、沿所述初始三维坐标系的Z轴方向朝靠近/远离板状工件的方向移动具有预定焦距f的相机。

关于步骤204，由于相机4与PCBA2距离不同时、拍摄到的图像清晰度不同，如此以来，每次靠近PCBA2的移动过程中，相机4拍摄到最清晰的图像时所处的位置，必定是与PCBA2的相距f的位置。因此，在步骤S102中，可以先获取相机4在每次移动过程中拍摄的多个画面；然后分析每次移动过程中拍摄的多个画面、获取每次移动过程中拍摄的多个画面中清晰度最高的画面；确定拍摄出清晰度最高的画面时、相机4所处的位置A’、B’、C’，作为所述参考位置。接着，可以将三个参考位置A’、B’、C’确定的平面作为参考平面100，将垂直于所述参考平面100的方向，确定为Z轴校准方向(图6点划线所示)。

步骤S204～步骤S206与第一实施方式的步骤S102～步骤S104大体相同，在此不再赘述。

本发明第二实施方式提供的板状工件的三维坐标校准方法，在获取X轴校准方向、Y轴校准方向以及Z轴校准方向后，便可以获悉PCBA在当前固定位置下、“以PCBA2所处平面为XY平面而确立的三维坐标系”相较于“以粗定的XY平面建立的粗定三维坐标系”的偏转角度，从而对PCBA达成三维坐标校准。

本发明第三实施方式提供一种板状工件的三维坐标校准方法，其与第二实施方式提供的板状工件的三维坐标校准方法大体相同，不同之处在于，本发明第三实施方式提供的板状工件的三维坐标校准方法，对第二实施方式的步骤S205进行了进一步的具体细化.。具体的，参见图7，本发明第三实施方式提供的板状工件的三维坐标校准方法包括步骤：

S301.将板状工件固定在固定夹具上，根据固定夹具确定初始三维坐标系；

S302.在所述初始初始三维坐标系下确定三个不共线的起始位置，其中，在所述初始三维坐标系的Z轴方向上、每个所述起始位置与所述板状工件之间的距离为f+△E/f-△E，其中，△E为所述板状工件在Z轴方向上的装配公差；

S303.自不同起始位置、沿靠近/远离板状工件的方向移动具有预定焦距f的相机，在每次移动过程中利用所述相机拍摄板状工件的多张图像；

S304.依据所述多张图像的清晰度确定与板状工件距离相同的、不共线的三个参考位置，将所述三个参考位置确定的平面作为参考平面，根据所述参考平面确定Z轴校准方向；

S305.将位于所述参考平面内、且平行于所述初始三维坐标系X轴的方向作为第一方向，将位于所述参考平面内、且平行于所述初始三维坐标系Y轴的方向作为第二方向；在所述参考平面内、分别沿所述第一方向和所述第二方向移动所述相机、并在移动过程中拍摄板状工件的图像，直至所述相机抓取到板状工件上的第一预定特征物；

S306.获取所述第一预定特征物在板状工件上的理论设计角度，其中，所述板状工件实际所处三维坐标系的X轴方向、Y轴方向与所述理论设计角度具有预定关系；获取所述理论设计角度与所述偏转角度之间的角度差异；根据所述角度差异以及所述预定关系，确定X轴校准方向、Y轴校准方向；

S307.根据所述X轴校准方向、所述Y轴校准方向以及所述Z轴校准方向确定所述板状工件所处的校准三维坐标系的坐标轴方向。

步骤S301～步骤S304与第二实施方式的步骤S201～步骤S204大体相同，步骤S307与第二实施方式的步骤S206大体相同，在此不再赘述。

本发明第三实施方式提供的板状工件的三维坐标校准方法，沿着初始三维坐标系X轴方向、Y轴方向依次移动相机，其在第二实施方式的优点基础上，还具有能够便于相机对板状工件逐步扫描、尽快抓取到第一预定特征物的优点。

本发明第四实施方式提供一种板状工件的三维坐标校准方法，其与第三实施方式提供的板状工件的三维坐标校准方法大体相同，不同之处在于，本发明第四实施方式提供的板状工件的三维坐标校准方法，额外确定了校准三维坐标系的原点位置。具体的，参见图8，本发明第四实施方式提供的板状工件的三维坐标校准方法包括步骤。

S401.将板状工件固定在固定夹具上，根据固定夹具确定初始三维坐标系；

S402.在所述初始初始三维坐标系下确定三个不共线的起始位置，其中，在所述初始三维坐标系的Z轴方向上、每个所述起始位置与所述板状工件之间的距离为f+△E/f-△E，其中，△E为所述板状工件在Z轴方向上的装配公差；

S403.自不同起始位置、沿靠近/远离板状工件的方向移动具有预定焦距f的相机，在每次移动过程中利用所述相机拍摄板状工件的多张图像；

S404.依据所述多张图像的清晰度确定与板状工件距离相同的、不共线的三个参考位置，将所述三个参考位置确定的平面作为参考平面，根据所述参考平面确定Z轴校准方向；

S405.将位于所述参考平面内、且平行于所述初始三维坐标系X轴的方向作为第一方向，将位于所述参考平面内、且平行于所述初始三维坐标系Y轴的方向作为第二方向；在所述参考平面内、分别沿所述第一方向和所述第二方向移动所述相机、并在移动过程中拍摄板状工件的图像，直至所述相机抓取到板状工件上的第一预定特征物；

S406.获取所述第一预定特征物在板状工件上的理论设计角度，其中，所述板状工件实际所处三维坐标系的X轴方向、Y轴方向与所述理论设计角度具有预定关系；获取所述理论设计角度与所述偏转角度之间的角度差异；根据所述角度差异以及所述预定关系，确定X轴校准方向、Y轴校准方向；

S407.根据所述X轴校准方向、所述Y轴校准方向以及所述Z轴校准方向确定所述板状工件所处的校准三维坐标系的坐标轴方向；

S408.根据所述第一预定特征物在板状工件上的理论设计位置、所述预定焦距f、以及所述相机抓取到第一预定特征物时所处的位置确定所述校准三维坐标系的原点位置。

步骤S401～步骤S407与第三实施方式的步骤S301～步骤S307大体相同，在此不再赘述。

关于步骤S408，由于板状工件上第一预定特征物的理论设计位置是与“以板状工件所处平面为XY平面而构建的三维坐标系”的原点具有预定位置关系的，如此以来，根据第一预定特征物的理论设计位置、以及预定焦距f可以确定出原点与“抓取到第一预定特征物时所处的位置”之间的位置关系，从而根据“抓取到第一预定特征物时所处的位置”反推出原点的位置。

本发明第四实施方式提供的板状工件的三维坐标校准方法，根据第一预定特征物在板状工件上的理论设计位置、预定焦距f、以及相机抓取到第一预定特征物时所处的位置确定校准三维坐标系的原点位置，其在第三实施方式的优点基础上，还能够额外确定出校准三维坐标系的原点位置。

本发明第五实施方式提供一种板状工件的三维坐标校准方法，其与第四实施方式提供的板状工件的三维坐标校准方法大体相同，不同之处在于，本发明第五实施方式提供的板状工件的三维坐标校准方法，额外提供了校准三维坐标系的验证手段。具体的，参见图9，本发明第五实施方式提供的板状工件的三维坐标校准方法包括步骤。

S501.将板状工件固定在固定夹具上，根据固定夹具确定初始三维坐标系；

S502.在所述初始初始三维坐标系下确定三个不共线的起始位置，其中，在所述初始三维坐标系的Z轴方向上、每个所述起始位置与所述板状工件之间的距离为f+△E/f-△E，其中，△E为所述板状工件在Z轴方向上的装配公差；

S503.自不同起始位置、沿靠近/远离板状工件的方向移动具有预定焦距f的相机，在每次移动过程中利用所述相机拍摄板状工件的多张图像。

S504.依据所述多张图像的清晰度确定与板状工件距离相同的、不共线的三个参考位置，将所述三个参考位置确定的平面作为参考平面，根据所述参考平面确定Z轴校准方向。

S505.将位于所述参考平面内、且平行于所述初始三维坐标系X轴的方向作为第一方向，将位于所述参考平面内、且平行于所述初始三维坐标系Y轴的方向作为第二方向；在所述参考平面内、分别沿所述第一方向和所述第二方向移动所述相机、并在移动过程中拍摄板状工件的图像，直至所述相机抓取到板状工件上的第一预定特征物。

S506.获取所述第一预定特征物在板状工件上的理论设计角度，其中，所述板状工件实际所处三维坐标系的X轴方向、Y轴方向与所述理论设计角度具有预定关系；获取所述理论设计角度与所述偏转角度之间的角度差异；根据所述角度差异以及所述预定关系，确定X轴校准方向、Y轴校准方向。

S507.根据所述X轴校准方向、所述Y轴校准方向以及所述Z轴校准方向确定所述板状工件所处的校准三维坐标系的坐标轴方向。

S508.根据所述第一预定特征物在板状工件上的理论设计位置、所述预定焦距f、以及所述相机抓取到第一预定特征物时所处的位置确定所述校准三维坐标系的原点位置。

S509.根据板状工件上第二预定特征物的理论设计位置、计算所述第二预定特征物在所述参考平面上的投影位置，利用所述相机在所述投影位置处拍摄板状工件的图像；

若在所述投影位置处拍摄的板状工件的图像包含所述第二预定特征物，则将所述校准三维坐标系作为板状工件的有效三维坐标系；

若在所述投影位置处拍摄的板状工件的图像不包含所述第二预定特征物，则重新校准板状工件的三维坐标。

步骤S501～步骤S508与第四实施方式的步骤S501～步骤S508大体相同，在此不再赘述。

具体的，关于步骤S509，其在确定校准三维坐标系的各轴方向和原点位置后，依据板状工件上第二预定特征物的理论设计位置确定出“可以拍摄到板状工件上第二预定特征物”的相机位置(即所述投影位置)，再将相机移至所述投影位置、对板状工件进行拍摄，如若拍摄的板状工件的图像包含所述第二预定特征物，则说明校准得到的校准三维坐标系足够准确，可以做为后续机器视觉测量的有效三维坐标系；如若拍摄的板状工件的图像不包含所述第二预定特征物，则说明校准得到的校准三维坐标系存在误差，如此以来，则可重新按照前述的步骤S501～S508重新校准，以期获得有效的三维坐标系。

本发明第五实施方式提供的板状工件的三维坐标校准方法，其在第四实施方式的优点基础上，还能额外验证校准三维坐标系的准确度，如果不准确则重新校准，提升了板状工件的三维坐标校准的可靠性。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内。

Claims (10)

1.一种板状工件的三维坐标校准方法，其特征在于，包括：

自不同起始位置、沿靠近/远离板状工件的方向移动具有预定焦距f的相机，在每次移动过程中利用所述相机拍摄板状工件的多张图像；

依据所述多张图像的清晰度确定与板状工件距离相同的、不共线的三个参考位置，将所述三个参考位置确定的平面作为参考平面，根据所述参考平面确定Z轴校准方向；

在所述参考平面内移动所述相机、以抓取板状工件上的第一预定特征物，分析所述第一预定特征物的图像、获取所述第一预定特征物的偏转角度，根据所述偏转角度确定X轴校准方向、Y轴校准方向；

根据所述X轴校准方向、所述Y轴校准方向以及所述Z轴校准方向确定所述板状工件所处的校准三维坐标系的坐标轴方向。

2.根据权利要求1所述的板状工件的三维坐标校准方法，其特征在于，所述在每次移动过程中利用所述相机拍摄板状工件的多张图像，具体为：

每移动一预设距离，利用所述相机拍摄一张板状工件的图像。

3.根据权利要求1所述的板状工件的三维坐标校准方法，其特征在于，所述依据所述多张图像的清晰度确定与板状工件距离相同的、不共线的三个参考位置，具体包括：

获取所述相机在每次移动过程中拍摄的多个画面；

分析每次移动过程中拍摄的所述多个画面、获取每次移动过程中拍摄的所述多个画面中清晰度最高的画面；

确定拍摄出所述清晰度最高的画面时、所述相机所处的位置，作为所述参考位置。

4.根据权利要求3所述的板状工件的三维坐标校准方法，其特征在于，所述自不同起始位置、沿靠近/远离板状工件的方向移动具有预定焦距f的相机之前，包括：

将板状工件固定在固定夹具上，根据固定夹具确定初始三维坐标系；

在所述初始初始三维坐标系下确定三个不共线的起始位置，其中，在所述初始三维坐标系的Z轴方向上、每个所述起始位置与所述板状工件之间的距离为f+△E/f-△E，其中，△E为所述板状工件在Z轴方向上的装配公差。

5.根据权利要求4所述的板状工件的三维坐标校准方法，其特征在于，所述自不同起始位置、沿靠近/远离板状工件的方向移动具有预定焦距f的相机，具体为：

分别以三个所述起始位置为起点、沿所述初始三维坐标系的Z轴方向朝靠近/远离板状工件的方向移动具有预定焦距f的相机。

6.根据权利要求4所述的板状工件的三维坐标校准方法，其特征在于，所述在所述参考平面内移动所述相机、以抓取板状工件上的第一预定特征物，具体为：

将位于所述参考平面内、且平行于所述初始三维坐标系X轴的方向作为第一方向，将位于所述参考平面内、且平行于所述初始三维坐标系Y轴的方向作为第二方向；

在所述参考平面内、分别沿所述第一方向和所述第二方向移动所述相机、并在移动过程中拍摄板状工件的图像，直至所述相机抓取到板状工件上的第一预定特征物。

7.根据权利要求4所述的板状工件的三维坐标校准方法，其特征在于，所述根据所述偏转角度确定X轴校准方向、Y轴校准方向，具体包括：

获取所述第一预定特征物在板状工件上的理论设计角度，其中，所述板状工件实际所处三维坐标系的X轴方向、Y轴方向与所述理论设计角度具有预定关系；

获取所述理论设计角度与所述偏转角度之间的角度差异；

根据所述角度差异以及所述预定关系，确定X轴校准方向、Y轴校准方向。

8.根据权利要求7所述的板状工件的三维坐标校准方法，其特征在于，所述根据所述X轴校准方向、所述Y轴校准方向以及所述Z轴校准方向确定所述板状工件所处的校准三维坐标系的坐标轴方向之后，还包括：

根据所述第一预定特征物在板状工件上的理论设计位置、所述预定焦距f、以及所述相机抓取到第一预定特征物时所处的位置确定所述校准三维坐标系的原点位置。

9.根据权利要求8所述的板状工件的三维坐标校准方法，其特征在于，所述根据所述第一预定特征物在板状工件上的理论设计位置、所述预定焦距f、以及所述相机抓取到第一预定特征物时所处的位置确定所述校准三维坐标系的原点位置之后，还包括：

根据板状工件上第二预定特征物的理论设计位置、计算所述第二预定特征物在所述参考平面上的投影位置；

利用所述相机在所述投影位置处拍摄板状工件的图像；

若在所述投影位置处拍摄的板状工件的图像包含所述第二预定特征物，则将所述校准三维坐标系作为板状工件的有效三维坐标系。

10.根据权利要求9所述的板状工件的三维坐标校准方法，其特征在于，所述利用所述相机在所述投影位置处拍摄板状工件的图像之后，还包括：

若在所述投影位置处拍摄的板状工件的图像不包含所述第二预定特征物，则重新校准板状工件的三维坐标。

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