CN116336940A - 一种靶材尺寸及缺陷的视觉检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种靶材尺寸及缺陷的视觉检测装置，桌面水平设置并由底部的桌腿支撑，所述桌面上设有支撑台，所述支撑台其中一端设有向上竖立设置的端板，所述支撑台上的前部和后部各设有一个用于支撑待测靶材的托架，所述支撑台的上方设有顶梁，所述顶梁两侧对称设有两个侧支架，两个所述侧支架的端部设有斜向下对准支撑台采集图像信息的采集单元。本发明可以对大尺寸产品进行检测，并同时对多个检测需求进行同时检测，提高检测效率，并且装置整体机械结构简单，能降低生产成本，通过激光传感器检测，能够对产品进行尺寸测量、坡度测量、弯曲度测量以及缺陷检测，提高检测精度，并减少检测时发生的误判和漏判。

Description

一种靶材尺寸及缺陷的视觉检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及自动化生产中的靶材尺寸及缺陷检测技术领域，尤其涉及一种靶材尺寸及缺陷视觉检测装置。

背景技术

靶材是通过磁控溅射或其他类型的镀膜系统在适当工艺条件下溅射在基板上形成各种功能薄膜的溅射源。溅镀时正电荷离子撞击原子堆积紧密的靶材，靶材的原子经撞击后散开，随即沉积在基板上，最终形成薄膜。为了判断靶材产品是否合格，需要对产品进行尺寸测量、坡度测量以及弯曲度、平整度等缺陷检测。而现有生产中，一般采用人工对产品进行尺寸测量及检测缺陷，其不仅需要消耗一定的人力物力，效率低，而且容易受检测者等主观因素的影响，容易造成误判或漏判，目前常用的检测装置如下：

例如申请号为202110931371.1，专利名称为《一种溅射靶材检测机构》公开了一种溅射靶材检测机构，包括输料装置以及检测装置；所述检测装置包括机械手、翻转组件、升降旋转组件以及拍摄组件，所述机械手安装于所述升降旋转组件的上方并能够在所述升降旋转组件的上方沿水平方向和纵向移动，所述翻转组件与所述升降旋转组件间隔设置，所述拍摄组件与所述升降旋转组件间隔设置，所述翻转组件翻转所述升降旋转组件上的物料，所述升降旋转组件旋转升降物料，所述拍摄组件拍摄检测物料表面的平整度。该装置通过相机光源拍摄检测物料表面的平整度，检测效果难以保证，利用机械手操作，增加了设备的成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是实现一种检测可靠，机械结构简单的靶材尺寸及缺陷视觉检测的装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种靶材尺寸及缺陷的视觉检测装置，桌面水平设置并由底部的桌腿支撑，所述桌面上设有支撑台，所述支撑台其中一端设有向上竖立设置的端板，所述支撑台上的前部和后部各设有一个用于支撑待测靶材的托架，所述支撑台的上方设有顶梁，所述顶梁两侧对称设有两个侧支架，两个所述侧支架的端部设有斜向下对准支撑台采集图像信息的采集单元。

沿着所述顶梁设有平移滑台，所述平移滑台上设有驱动其沿顶梁滑动的滑行机构，所述侧支架均固定在平移滑台上。

所述顶梁的下表面设有沿着顶梁设置的条形光源。

所述顶梁沿着桌面的轴线设置，所述顶梁通过两端的立柱固定在桌面上。

所述桌面上固定有电动升降机构，所述支撑台固定在电动升降机构上。

所述测量单元为激光传感器，所述激光传感器连接并输出感应信号至电脑，所述电脑连接并输出控制信号至电动升降机构和滑行机构。

两个所述托架形状和尺寸相同，所述托架为竖直设置的板状结构，且上檐由中心向下凹陷呈V形结构。

一种靶材尺寸及缺陷视觉检测方法，包括以下步骤：

步骤1、对测量单元进行标定；

步骤2、将待测靶材放置到托架上，且一端接触端板；

步骤3、电动升降机构上升推举起待测靶材至检测区域；

步骤4、测量单元进行扫描，并在扫描结束后电动升降机构下降回位；

步骤5、取走待测靶材，等待下一次上料检测；

所述步骤1中，标定平移滑台在每一个测量单元初始坐标系下的运动方向，使单个测量单元与平移滑台组成3D测量子系统，，再标定出两个3D测量子系统之间的空间位姿关系，获得最终的3D测量单位。

所述步骤4中测量单元进行扫描的方法包括：

1)依据步骤1的标定结果，通过点云拟合平面计算出工件的长度、宽度和高度；

2)通过点云拟合出工件侧边平面和工件上表面平面，通过2个拟合面计算出工件侧边坡度值；

3)依据步骤1的标定结果，截取工件两端和中间一段点云数据拟合出3个圆柱面，通过圆柱面中心轴线获取左右两端圆柱面轴线最左端点和最右端点以及中间圆柱面轴线上的凹凸点，进而计算出凹凸点到两端的距离，获得工件弯曲度；

4)分析工件的长度、宽度、高度、侧边坡度值、弯曲度是否在标准范围值内，判断产品表面是否存在缺陷。

本发明可以对大尺寸产品进行检测，并同时对多个检测需求进行同时检测，提高检测效率，并且装置整体机械结构简单，能降低生产成本，通过激光传感器检测，能够对产品进行尺寸测量、坡度测量、弯曲度测量以及缺陷检测，提高检测精度，并减少检测时发生的误判和漏判。

附图说明

下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：

图1、2为靶材尺寸及缺陷的视觉检测装置结构示意图；

图3为坐标系示意图；

图4为弯曲度测量示意图；

上述图中的标记均为：1、桌面；2、顶梁；3、光源；4、侧支架；5、测量单元；6、支撑台；7、托架；8、待测靶材；9、端板。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。

靶材尺寸及缺陷的视觉检测装置的承载结构采用常规的桌子，即桌面1水平设置并由底部的桌腿支撑，桌腿设有四个，分别设置桌面1底部的四角，桌面1上设有支撑台6，支撑台6就是一块长方形平板，其底部优选通过电动升降机构固定在桌面1中心位置，桌面1为长方形，支撑台6也为长方形，两个长方形的轴线平行，任何可以电动控制升降的机构均可以作为电动升降机构，具体结构不再赘述，电动升降机构控制支撑台6维持水平状态并能够相当于桌面1的升降，以适应不同尺寸待测靶材8的扫描工作，调节待测靶材8相对于测量单元5的距离。

支撑台6上的前部和后部各设有一个用于支撑待测靶材8的托架7，托架7就是设置的板状结构，两个托架7平行设置，其结构是上檐由中心向下凹陷呈V形结构，两个托架7形状和尺寸相同，通过托架7支撑圆柱形的待测靶材8，让靶材的轴线能够与支撑台6、桌面1的轴线均在一个平面内且相互平行，支撑台6其中一端设有向上竖立设置的端板9，端板9用于限制待测靶材8的位置，在放置待测靶材8时，将待测靶材8的一端靠在端板9上即可。

支撑台6的上方设有顶梁2，顶梁2的轴线与支撑台6、桌面1的轴线均在一个平面内且相互平行，顶梁2通过两端的立柱固定在桌面1上，顶梁2整体结构为长条形的杆子，在顶梁2的下表面设有沿着顶梁2设置的条形光源3，方便在测量时能够补充照明，沿着顶梁2设有平移滑台，平移滑台上设有驱动其沿顶梁2滑动的滑行机构，滑行机构可以采用任意可以驱动平移滑台沿顶顶梁2滑动的机构，例如滑行机构包括滑套、电机、齿轮和齿条，滑套为套在顶梁2上的中空管状结构，且与顶梁2间隙配合，能够沿着顶梁2滑动，滑套外固定有电机，电机的输出轴上安装有齿轮，沿着顶梁2设置有齿条，滑套在位于齿条的位置开设有驱动窗口，齿轮在驱动窗口位置与齿条啮合，则驱动电机就能控制滑套沿着顶梁2滑动。

顶梁2两侧对称设有两个侧支架4，侧支架4均固定在平移滑台上，两个侧支架4的端部设有斜向下对准支撑台6采集图像信息的采集单元。测量单元5为激光传感器优选激光传感器，通过平移滑台带动激光传感器运动，采集靶材产品表面的点云信息。激光传感器连接并输出感应信号至电脑，将点云信息输送至电脑进行分析，此外，电脑连接并输出控制信号至电动升降机构和滑行机构，可以利用电动对电动升降机构和滑行机构进行自动控制。

靶材尺寸及缺陷视觉检测装置工作流程如下：

1、待测靶材8上料到达3D检测区域，即放置到托架7上；

2、电动升降机构将待测靶材8顶起进行3D视觉扫描和测量检测；

3、启动测量单元5，并驱动滑行机构往返运动一次；

4、测量检测完毕，升降定位机构回位；

5、取走待测靶材8，或者翻转待测靶材8测量待测靶材8的另一面。

该工作台通过机器视觉对靶材进行检测，对产品进行尺寸测量、坡度测量、弯曲度测量以及缺陷检测，可以同时适应不同长度、不同形状的产品，具有检测精度高，检测速度快，稳定性强等特点，保证了自动化装配生产中的产品质量，提高了工作效率。

基于上述靶材尺寸及缺陷视觉检测装置的工作流程如下：

步骤1、检测装置安装完成后进行传感器标定。

步骤2、产品上料到达3D检测区域。

步骤3、升降定位机构将工件顶起进行。

步骤4、测量检测完毕，升降定位机构回位。

步骤5、取走产品，等待下一次上料检测。

步骤1中，为了使对称安装的激光轮廓仪与平移滑台组成3D测量单元5，需对两个激光轮廓仪与平移滑台之间的关系进行标定，具体地，需要标定平移滑台在每一个测量单元5初始坐标系下的运动方向，从而使单个激光轮廓仪与平移滑台组成3D测量子系统，再标定出两个3D测量子系统之间的空间位姿关系，从而获得最终的3D测量单位，本发明提出的标定方法在硬件上仅需要借助一个半径为R的校准标准球(校准标准球具备较高的球面度)。

标定平移滑台在激光轮廓仪初始坐标系下的运动方向，其原理和方法如下：

1)如图3所示，在平移滑台处于自身移动零位(d＝0)时，建立3D测量子系统坐标系{S}(也即激光轮廓仪初始坐标系)，其中坐标系{S}中的X轴和Z轴为激光轮廓仪自身坐标系的X轴和Z轴，同时将坐标系{S}和3D测量子系统固连，将坐标系{S}视为3D测量子系统坐标系；

2)设平移滑台实际移动方向为V(即为需要标定的方向，单位向量，具有两个自由度)，V在坐标系{S}下的描述(球坐标参数)为：

V＝[sin(α)cos(β)，cos(α)，sin(α)sin(β)]^T

3)设当激光轮廓仪沿平移滑台运动方向V平移距离d(该距离值通过平移滑台直接获取)时，正好扫描到空间一点P，将扫描测量子系统坐标系{S}同样沿运动方向V平移距离d得到临时坐标系{S1}，此时点P在临时坐标系{S1}下的坐标(该坐标通过激光轮廓仪直接获取)为：

P^S1＝[x，0，z]^T

此时坐标系{S1}相对于3D测量子坐标系{S}的转换矩阵为：

其中I为3*3单位矩阵；

4)因此，可计算得到点P在坐标系{S}下的位置坐标为：

其中P＝[x，y，z]^T，y＝d，V′＝[sin(α)cos(β)，cos(α)-1，sin(α)sin(β)]^T；

5)将半径为R的标准球放置在合适位置，使3D测量子系统可扫描到标准球的上半球面；

6)运行3D测量子系统，记录激光轮廓仪数据(x，z)和平移滑台数据d，得到球面点集：

P_i＝[x_i，y_i，z_i]^T，y_i＝di，i＝1，2，...，N

7)设球心在坐标系{S}下的坐标为：

P₀＝[x₀，y₀，z₀]^T

8)对球面点，根据球方程有：

||(P_i+y_iV′)-P₀|||²-R²＝0

其中

V′＝[sin(α)cos(β)，cos(α)-1，sin(α)sin(β)]^T

在球面方程中，未知量为：

Ω＝[α，β，x₀，y₀，z₀]^T

9)建立非线性最小二乘问题，进行优化求解：

求解获得Ω；

10)在优化求解出(α，β)后，对于给定的激光轮廓仪数据(x，z)和平移滑台数据d，可根据下式计算获得点在测量子系统下的坐标：

11)另一个测量子系统按照相同的方法优化求解(α，β)。

标定两个测量子系统的原理和方法如下：

1)在空间合适位置放置标准球，通过测量子系统1扫描球面，拟合球心坐标为P，保持标准球不动，通过测量子系统2扫描球面，拟合球心坐标为Q；

2)在空间不同位置放置标准球n次，分别通过测量子系统1和测量子系统2扫描球面并拟合球心，分别获得球心点集A＝{P₁，P₂，P₃，...，P_n}和B＝{Q₁，Q₂，Q₃，...，Q_n}，其中球心点集A表述在测量子系统1的坐标系{S1}下，球心点集B描述在测量子系统2的坐标系{S2}下；

3)设两个测量子系统坐标系之间的位姿关系为：

其中，R为旋转矩阵，表达坐标系{S2}的坐标轴在坐标系{S1}下的描述，t为平移向量，表达坐标系{S2}的坐标原点在坐标系{S1}下的描述；

4)因为每一次分别通过测量子系统1和测量子系统2扫描标准球时均保持标准球固定不动，因此点集A和点集B具有相同的空间分布，也即

P_i＝RQ_i+t，i＝1，2，3，...，n

5)建立非线性最小二乘问题，进行优化求解：

6)在优化求解出(R，t)后，对于测量子系统2测量的任何点，都可以转换到测量子系统1的坐标系下，将测量子系统1的坐标系视为整个3D测量系统的坐标系，即实现双激光轮廓仪与平移滑台配合的目标物体点云数据采集功能。

靶材尺寸及缺陷的视觉检测方法包括：

1)尺寸测量：3D测量单元5通过外部传感器标定，得到传感器坐标系下平面型工件的左右两端所需点云数据，通过点云拟合平面计算出工件两端长度，工件宽度和高度测量原理相同。

2)坡度测量：3D测量单元5通过外部传感器标定，得到传感器坐标系下平面型工件表面所有点云数据，通过点云拟合出工件侧边平面和工件上表面平面，通过2个拟合面计算出工件侧边坡度值。

3)弯曲度测量：如图4所示，3D测量单元5通过外部传感器标定，得到传感器坐标系下圆柱型工件表面点云数据，截取工件两端和中间一段点云数据拟合出3个圆柱面，通过圆柱面中心轴线获取左右两端圆柱面轴线最左端点A和最右端点B以及中间圆柱面轴线上的凹凸点C，进而计算出凹凸点C到AB的距离即为工件弯曲度。

4)缺陷检测：通过采集表面点云数据，通过算法分析产品表面缺陷。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种靶材尺寸及缺陷的视觉检测装置，桌面水平设置并由底部的桌腿支撑，其特征在于：所述桌面上设有支撑台，所述支撑台其中一端设有向上竖立设置的端板，所述支撑台上的前部和后部各设有一个用于支撑待测靶材的托架，所述支撑台的上方设有顶梁，所述顶梁两侧对称设有两个侧支架，两个所述侧支架的端部设有斜向下对准支撑台采集图像信息的采集单元。

2.根据权利要求1所述靶材尺寸及缺陷的视觉检测装置，其特征在于：沿着所述顶梁设有平移滑台，所述平移滑台上设有驱动其沿顶梁滑动的滑行机构，所述侧支架均固定在平移滑台上。

3.根据权利要求2所述靶材尺寸及缺陷的视觉检测装置，其特征在于：所述顶梁的下表面设有沿着顶梁设置的条形光源。

4.根据权利要求3所述靶材尺寸及缺陷的视觉检测装置，其特征在于：所述顶梁沿着桌面的轴线设置，所述顶梁通过两端的立柱固定在桌面上。

5.根据权利要求2、3或4所述靶材尺寸及缺陷的视觉检测装置，其特征在于：所述桌面上固定有电动升降机构，所述支撑台固定在电动升降机构上。

6.根据权利要求5所述靶材尺寸及缺陷的视觉检测装置，其特征在于：所述测量单元为激光传感器，所述激光传感器连接并输出感应信号至电脑，所述电脑连接并输出控制信号至电动升降机构和滑行机构。

7.根据权利要求6所述靶材尺寸及缺陷的视觉检测装置，其特征在于：两个所述托架形状和尺寸相同，所述托架为竖直设置的板状结构，且上檐由中心向下凹陷呈V形结构。

8.一种靶材尺寸及缺陷视觉检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、对测量单元进行标定；

步骤2、将待测靶材放置到托架上，且一端接触端板；

步骤3、电动升降机构上升推举起待测靶材至检测区域；

步骤4、测量单元进行扫描，并在扫描结束后电动升降机构下降回位；

步骤5、取走待测靶材，等待下一次上料检测。

9.根据权利要求8所述靶材尺寸及缺陷的视觉检测方法，其特征在于：所述步骤1中，标定平移滑台在每一个测量单元初始坐标系下的运动方向，使单个测量单元与平移滑台组成3D测量子系统，，再标定出两个3D测量子系统之间的空间位姿关系，获得最终的3D测量单位。

10.根据权利要求8或9所述靶材尺寸及缺陷的视觉检测方法，其特征在于，所述步骤4中测量单元进行扫描的方法包括：

1)依据步骤1的标定结果，通过点云拟合平面计算出工件的长度、宽度和高度；

2)通过点云拟合出工件侧边平面和工件上表面平面，通过2个拟合面计算出工件侧边坡度值；

3)依据步骤1的标定结果，截取工件两端和中间一段点云数据拟合出3个圆柱面，通过圆柱面中心轴线获取左右两端圆柱面轴线最左端点和最右端点以及中间圆柱面轴线上的凹凸点，进而计算出凹凸点到两端的距离，获得工件弯曲度；

4)分析工件的长度、宽度、高度、侧边坡度值、弯曲度是否在标准范围值内，判断产品表面是否存在缺陷。

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