專利名稱：基于機(jī)器視覺的數(shù)控工作臺誤差自校正系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于機(jī)器視覺的數(shù)控工作臺X-Y平面定位誤差的自校正系統(tǒng)及方法，屬于三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代制造業(yè)普遍采用了三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺作為自動化裝置，其X-Y平面運(yùn)動的定位精度決定了裝置的性能和加工檢測的精度。傳統(tǒng)的保證定位精度的方法是采用旋轉(zhuǎn)編碼器作為定位反饋裝置，但其不能補(bǔ)償由于絲杠導(dǎo)程的不均勻和反向間隙等誤差。采用直線光柵反饋可以從一定程度上彌補(bǔ)這種精度損失，但由于工作臺或光柵受溫度影響發(fā)生膨脹或收縮，或者安裝時X軸和Y軸的垂直度問題等都會將定位誤差引入系統(tǒng)，這靠光柵或編碼器無法進(jìn)行有效補(bǔ)償。校正上述誤差的傳統(tǒng)方法為采用激光干涉儀進(jìn)行修正，修正工作非常繁瑣，且由于系統(tǒng)搬運(yùn)或者其他原因需要重復(fù)校正，精度也難以保證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種能對整個工作臺面的X-Y定位偏差進(jìn)行自標(biāo)定和補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)及方法。為了解決上述第一個技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種基于機(jī)器視覺的數(shù)控工作臺誤差自校正系統(tǒng)，包括X、Y、Z三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺，運(yùn)動體設(shè)于X、Y、Z三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺上，伺服電機(jī)通過運(yùn)動控制卡與X、Y、Z三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺上的X、Y、Z軸連接，運(yùn)動控制卡連接工業(yè)計(jì)算機(jī)，其特征在于:所述運(yùn)動體上設(shè)有圖像采集系統(tǒng)，所述Χ、γ、ζ三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺的載物臺上設(shè)有大小覆蓋X、Y、Z三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺整個工作區(qū)域的標(biāo)定板，所述工業(yè)計(jì)算機(jī)連接圖像采集系統(tǒng)。優(yōu)選地，所述Χ、Υ、Ζ三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺的載物臺兩側(cè)平行設(shè)有Y向滑動導(dǎo)軌，X向滑動導(dǎo)軌垂直設(shè)于Y向滑動導(dǎo)軌上部且與Y向滑動導(dǎo)軌可滑動式連接，Z向滑動導(dǎo)軌垂直設(shè)于X向滑動導(dǎo)軌上且與X向滑動導(dǎo)軌可滑動式連接，所述運(yùn)動體設(shè)于Z向滑動導(dǎo)軌上。優(yōu)選地，所述圖像采集系統(tǒng)包括設(shè)于所述運(yùn)動體上的向下的鏡頭，光源設(shè)于鏡頭下方，高分辨率工業(yè)相機(jī)設(shè)于鏡頭上方，高分辨率工業(yè)相機(jī)連接所述工業(yè)計(jì)算機(jī)。優(yōu)選地，所述光源為均勻分布的LED前環(huán)形光源。為了解決上述第二個技術(shù)問題，本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種基于機(jī)器視覺的數(shù)控工作臺誤差自校正方法，特征在于:該方法由以下4個步驟組成:步驟1:首先使伺服電機(jī)帶動Χ、Υ、Ζ三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺上的Z軸運(yùn)動，使鏡頭對焦以保證高分辨率工業(yè)相機(jī)采集到最清晰的圖像；一旦對焦，Z軸的位置在后面的運(yùn)動中將保持不變；步驟2:通過伺服電機(jī)帶動Χ、Υ軸運(yùn)動，從而使得運(yùn)動體及高分辨率工業(yè)相機(jī)進(jìn)行平面運(yùn)動，采集標(biāo)定板的序列圖像；
步驟3:根據(jù)運(yùn)動體在不同位置所采集的序列圖像數(shù)據(jù)，通過圖像處理算法獲取當(dāng)前的絕對坐標(biāo)，并與運(yùn)動指令和伺服電機(jī)的編碼器反饋值進(jìn)行對比，得到定位誤差補(bǔ)償值；步驟4:連續(xù)在X-Y平面的不同位置進(jìn)行定位檢測并將各位置的定位誤差補(bǔ)償值數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，作為工作時定位誤差的修正值。優(yōu)選地，所述步驟3中圖像處理算法為:保持X、Y中某根軸靜止，使所述運(yùn)動體沿另一個軸從位置A運(yùn)動到位置B，運(yùn)動距離需能保證在位置A和位置B處獲取的兩幅圖像Ia和Ib保持30% 40%的重疊，分別記錄運(yùn)動前后的光柵或編碼器的反饋值(Xa，Ya)和(Xb, Yb);在圖像Ib的重疊區(qū)選取一子區(qū)域作為模板，在圖像Ia中進(jìn)行灰度相關(guān)匹配算法求取模板在Ia中的對應(yīng)像素坐標(biāo)，該像素坐標(biāo)映射的空間距離即為所述運(yùn)動體從位置A到位置B運(yùn)動位移的絕對值。優(yōu)選地，所述灰度相關(guān)匹配算法為互信息測度計(jì)算準(zhǔn)則或歸一化互相關(guān)測度計(jì)算準(zhǔn)則。本發(fā)明提供的一種基于機(jī)器視覺的數(shù)控工作臺X-Y平面定位誤差的自校正系統(tǒng)及方法通過在三座標(biāo)工作臺的運(yùn)動體上安裝高分辨率相機(jī)、定倍定焦鏡頭和光源，構(gòu)成一個高質(zhì)量且穩(wěn)定的圖像采集系統(tǒng)；在工作臺放置具有豐富特征的標(biāo)定板或零件，標(biāo)定板或零件的尺寸應(yīng)覆蓋整個臺面；采用傳統(tǒng)定位方法控制相機(jī)運(yùn)動，以獲取序列圖像；通過檢測相鄰圖像之間的像素關(guān)系獲取相機(jī)的相對運(yùn)動量，與編碼器的反饋值作比較獲取其運(yùn)動誤差；把不同位置的運(yùn)動誤差記錄進(jìn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，以作為后續(xù)定位誤差補(bǔ)償用。采用機(jī)器視覺技術(shù)對工作臺不同位置進(jìn)行成像檢測，采用合理的運(yùn)動步長控制和圖像處理方法，可以獲得不同位置的全局補(bǔ)償參數(shù)，以提高系統(tǒng)的定位精度。與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明提供的一種基于機(jī)器視覺的數(shù)控工作臺X-Y平面定位誤差的自校正系統(tǒng)及方法可減小由于系統(tǒng)安裝誤差、光柵和機(jī)臺熱變形系數(shù)不一致、軸間垂直度等帶來的定位誤差。由于各位置的誤差修正值保存在系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，系統(tǒng)僅需一次標(biāo)定，以后就能重復(fù)進(jìn)行定位誤差的自校正，效率很高，特別是對重復(fù)定位精度高的系統(tǒng)能顯著提高其定位精度。本發(fā)明提供的系統(tǒng)和方法克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，采用機(jī)器視覺技術(shù)對工作臺不同位置進(jìn)行成像檢測，能對整個工作臺面的X-Y定位偏差進(jìn)行自標(biāo)定和補(bǔ)償，顯著提高了系統(tǒng)定位精度。


圖1為本發(fā)明提供的一種基于機(jī)器視覺的數(shù)控工作臺誤差自校正系統(tǒng)示意圖；圖2為系統(tǒng)運(yùn)動控制框架；圖3為相機(jī)運(yùn)動路徑示意圖；圖4為基于模板匹配的定位誤差檢測方法示意圖；圖5a為實(shí)驗(yàn)標(biāo)定物示意圖；圖5b為實(shí)驗(yàn)標(biāo)定物位置A成像圖；圖5c為實(shí)驗(yàn)標(biāo)定物位置B成像圖；圖6a為互相關(guān)測度曲線；
圖6b為歸一化互相關(guān)測度曲線；圖7a為試驗(yàn)物體示意圖；圖7b為試驗(yàn)物體各位置成像圖；圖8a沒有進(jìn)行定位誤差校正時橫向部分拼接效果圖；圖Sb沒有進(jìn)行定位誤差校正時縱向部分拼接效果圖；圖9a進(jìn)行定位誤差校正后橫向部分拼接效果圖；圖9b進(jìn)行定位誤差校正后縱向部分拼接效果圖；附圖標(biāo)記說明1-Y向滑動導(dǎo)軌；2_標(biāo)定板；3_載物臺；4_光源；5_鏡頭；6_Z向滑動導(dǎo)軌；7_高分辨率工業(yè)相機(jī)；8-X向滑動導(dǎo)軌；9_工業(yè)計(jì)算機(jī)；10_運(yùn)動體。
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明更明顯易懂，茲以一優(yōu)選實(shí)施例，并配合附圖作詳細(xì)說明如下。圖1為本發(fā)明提供的一種基于機(jī)器視覺的數(shù)控工作臺誤差自校正系統(tǒng)示意圖，所述的一種基于機(jī)器視覺的數(shù)控工作臺誤差自校正系統(tǒng)包括X、Y、Z三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺，運(yùn)動體10置于X、Y、Z三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺上，運(yùn)動體10上安裝有圖像采集系統(tǒng)，X、Y、Z三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺的載物臺3上放置有具有豐富表面或輪廓特征的標(biāo)定板2，由工業(yè)計(jì)算機(jī)9對圖像采集系統(tǒng)采集到的序列圖像進(jìn)行分析計(jì)算獲得X-Y平面各坐標(biāo)的定位誤差。X、Y、Z三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺包括載物臺3，載物臺3兩側(cè)平行設(shè)有Y向滑動導(dǎo)軌1，X向滑動導(dǎo)軌8垂直設(shè)于Y向滑動導(dǎo)軌I上部且可沿Y向滑動導(dǎo)軌I滑動，Z向滑動導(dǎo)軌6垂直設(shè)于X向滑動導(dǎo)軌8上且可沿X向滑動導(dǎo)軌8滑動。運(yùn)動體10置于Z向滑動導(dǎo)軌6上。圖像采集系統(tǒng)包括設(shè)于運(yùn)動體10上的鏡頭5，光源4設(shè)于鏡頭5下方，高分辨率工業(yè)相機(jī)7設(shè)于鏡頭5上方，高分辨率工業(yè)相機(jī)7連接工業(yè)計(jì)算機(jī)9。圖2是系統(tǒng)運(yùn)動控制框架，由于本發(fā)明只限定于X-Y平面定位誤差校正，故這里只畫出X-Y兩軸運(yùn)動控制示意圖。通常，高精度的定位系統(tǒng)均采用伺服電機(jī)驅(qū)動和在負(fù)載側(cè)安裝光柵尺來反饋運(yùn)動位置，以減小誤差。伺服電機(jī)及其驅(qū)動器通過運(yùn)動控制卡與X、Y、Z三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺連接。但由于光柵本身安裝誤差、變形等均導(dǎo)致定位精度受損，通常用戶會采用激光干涉儀等對運(yùn)動定位誤差進(jìn)行校正，但這種方法十分費(fèi)時費(fèi)力。本發(fā)明的目標(biāo)即在于通過高精度圖像分析法進(jìn)行高效率的定位誤差檢測，提高檢測精度和速度。為了檢測定位誤差，需要在載物臺3上放置具有豐富表面和輪廓特征的標(biāo)定物，通?？芍谱饕粯?biāo)定板2以重復(fù)使用。標(biāo)定板2的大小宜覆蓋整個工作區(qū)域，以一次性對整個工作區(qū)進(jìn)行定位標(biāo)定。特別指出的是所謂標(biāo)定板應(yīng)具有豐富特征，目的是提高光學(xué)檢測精度，通過對相機(jī)當(dāng)前位置的成像區(qū)域進(jìn)行圖像采集后，可以通過計(jì)算圖像的信息熵和灰度梯度來評價特征豐富度。由于信息熵?zé)o法衡量各方向灰度的變化，宜采用灰度梯度法(Prewitt算子或Sobel算子)作為評價因子，以Sobel算子評價為例:
權(quán)利要求
1.一種基于機(jī)器視覺的數(shù)控工作臺誤差自校正系統(tǒng)，包括X、Y、Z三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺，運(yùn)動體(10)設(shè)于X、Y、Z三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺上，伺服電機(jī)通過運(yùn)動控制卡與X、Y、Z三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺上的X、Y、Z軸連接,運(yùn)動控制卡連接工業(yè)計(jì)算機(jī)(9),其特征在于:所述運(yùn)動體(10)上設(shè)有圖像采集系統(tǒng)，所述X、Y、Z三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺的載物臺(3)上設(shè)有大小覆蓋X、Y、Z三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺整個工作區(qū)域的標(biāo)定板(2)，所述工業(yè)計(jì)算機(jī)(9)連接圖像采集系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于機(jī)器視覺的數(shù)控工作臺誤差自校正系統(tǒng)，其特征在于:所述Χ、Υ、Ζ三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺的載物臺(3)兩側(cè)平行設(shè)有Y向滑動導(dǎo)軌(1)，Χ向滑動導(dǎo)軌(8)垂直設(shè)于Y向滑動導(dǎo)軌(I)上部且與Y向滑動導(dǎo)軌(I)可滑動式連接，Z向滑動導(dǎo)軌(6)垂直設(shè)于X向滑動導(dǎo)軌(8)上且與X向滑動導(dǎo)軌(8)可滑動式連接，所述運(yùn)動體(10)設(shè)于Z向滑動導(dǎo)軌(6)上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種基于機(jī)器視覺的數(shù)控工作臺誤差自校正系統(tǒng)，其特征在于:所述圖像采集系統(tǒng)包括設(shè)于所述運(yùn)動體(10)上的向下的鏡頭(5)，光源(4)設(shè)于鏡頭(5)下方，高分辨率工業(yè)相機(jī)(7)設(shè)于鏡頭(5)上方，高分辨率工業(yè)相機(jī)(7)連接所述工業(yè)計(jì)算機(jī)(9)。
4.如權(quán)利要求3所述的一種基于機(jī)器視覺的數(shù)控工作臺誤差自校正系統(tǒng)，其特征在于:所述光源(4)為均勻分布的LED前環(huán)形光源。
5.一種基于機(jī)器視覺的數(shù)控工作臺誤差自校正方法，其特征在于:該方法由以下3個步驟組成: 步驟1:首先使伺服電機(jī)帶動Χ、Υ、Ζ三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺上的Z軸運(yùn)動，使鏡頭(5)對焦以保證高分辨率工業(yè)相機(jī)(7)采集到最清晰的圖像；一旦對焦，Z軸的位置在后面的運(yùn)動中將保持不變； 步驟2:通過伺服電機(jī)帶動Χ、Υ軸運(yùn)動，從而使得運(yùn)動體(10)及高分辨率工業(yè)相機(jī)(7)進(jìn)行平面運(yùn)動，采集標(biāo)定板(2)的序列圖像； 步驟3:根據(jù)運(yùn)動體(10)在不同位置所采集的序列圖像數(shù)據(jù)，通過圖像處理算法獲取當(dāng)前的絕對坐標(biāo)，并與運(yùn)動指令和伺服電機(jī)的編碼器反饋值進(jìn)行對比，得到定位誤差補(bǔ)償值； 步驟4:連續(xù)在X-Y平面的不同位置進(jìn)行定位檢測并將各位置的定位誤差補(bǔ)償值數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫，作為工作時定位誤差的修正值。
6.如權(quán)利要求5所述的一種基于機(jī)器視覺的數(shù)控工作臺誤差自校正方法，其特征在于:所述步驟3中圖像處理算法為:保持X、Y、Z中某根軸靜止，使所述運(yùn)動體(10)沿另一個軸從位置A運(yùn)動到位置B，運(yùn)動距離需能保證在位置A和位置B處獲取的兩幅圖像Ia和Ib保持30% 40%的重疊，分別記錄運(yùn)動前后的光柵或編碼器的反饋值(Xa，Ya)和(Xb，Yb);在圖像Ib的重疊區(qū)選取一子區(qū)域作為模板，在圖像Ia中進(jìn)行灰度相關(guān)匹配算法求取模板在Ia中的對應(yīng)像素坐標(biāo)，該像素坐標(biāo)映射的空間距離即為所述運(yùn)動體(10)從位置A到位置B運(yùn)動位移的絕對值。
7.如權(quán)利要求6所述的一種基于機(jī)器視覺的數(shù)控工作臺誤差自校正方法，其特征在于:所述灰度相關(guān)匹配算法為互信息測度計(jì)算準(zhǔn)則或歸一化互相關(guān)測度計(jì)算準(zhǔn)則。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于機(jī)器視覺的數(shù)控工作臺誤差自校正系統(tǒng)，包括X、Y、Z三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺，三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺上的運(yùn)動體上設(shè)有圖像采集系統(tǒng)，三坐標(biāo)運(yùn)動工作臺的載物臺上設(shè)有標(biāo)定板，工業(yè)計(jì)算機(jī)連接圖像采集系統(tǒng)。本發(fā)明還提供了一種基于機(jī)器視覺的數(shù)控工作臺誤差自校正方法，控制運(yùn)動體及高分辨率工業(yè)相機(jī)運(yùn)動，采集序列圖像；根據(jù)運(yùn)動體在不同位置的成像數(shù)據(jù)獲取當(dāng)前的絕對坐標(biāo)，并與運(yùn)動指令和伺服電機(jī)的編碼器反饋值對比，得到定位誤差補(bǔ)償值；連續(xù)在不同位置進(jìn)行定位檢測并將各位置的定位誤差補(bǔ)償值存入數(shù)據(jù)庫。本發(fā)明提供的系統(tǒng)和方法克服了現(xiàn)有技術(shù)的不足，能對整個工作臺面的X-Y定位偏差進(jìn)行自標(biāo)定和補(bǔ)償，顯著提高了定位精度。
文檔編號G05B19/19GK103197599SQ20131009635
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月25日
發(fā)明者周虎, 談高超, 李月, 林夕騰 申請人:東華大學(xué)