[发明专利]基于光栅尺定位的运动位置误差补偿技术实现跨视野高精度测量的方法

权利要求书

1.一种基于光栅尺定位的运动位置误差补偿技术实现跨视野高精度测量的方法，该方法在自动化设备上进行，其中，自动化设备上设置有相机以及带动测量平台运动的XY轴电机组，在自动化设备上还设置有光栅尺，所述XY轴电机组带动所述测量平台沿光栅导轨运动，运动到相机固定位置的视野内暂停，由所述相机对工件进行拍图，然后再移动到下一位置进行拍图，所述光栅尺记录所述测量平台的移动取图位置;

其特征在于，它包括以下步骤：

(1)在自动化设备上，对所述相机、带光栅导轨的测量平台进行正确安装、充分调校来保证相机光轴和测量平台的高垂直度关系；

(2)在所述测量平台上，借助标定板对所述相机进行高精度多项式标定以及对所述标定板的运动测量，得到测量平台沿光栅导轨的运动方向和选定的世界坐标系之间的夹角；

(3)在所述光栅导轨运动到不同的位置，在所述测量平台上拍摄出成对的组图，然后对所有的组图进行跨视野尺寸计算，将未加误差补偿的光栅导轨系统的运动通过类标定的误差补偿技术来弥补所述测量平台运动产生的位置误差引起的测量尺寸偏差，达到跨视野高精度测量的效果。

2.根据权利要求1所述的一种基于光栅尺定位的运动位置误差补偿技术实现跨视野高精度测量的方法，其特征在于，所述步骤(2)中高精度多项式标定以及运动测量夹角的过程如下：

a）根据视野大小，选择1/4到1/3视野尺寸的标定板，调整相机有效拍摄参数，得到较好的灰度值;

然后在一个视野内上下左右和中间位置，多角度采集多张标定板图像，选取一张作为参考位姿，标定计算得到所述相机的内参矩阵和外参矩阵，小于等于0.1像素左右的平均误差为宜；

b）从所述a）中拍摄的多张标定图中，选取作为参考位姿来计算外参矩阵的标定板图像上7 ×7中心圆的圆心作为世界坐标原点，通过自动化设备控制所述XY轴电机组沿导轨移动，带动其上的测量平台移动到新的位置，不超出一个相机视野，分别沿四个边移动最大距离，保证中心圆在每张图像上都完整显示；

c）根据边缘提取找圆心方法得到每张图上中心圆的圆心亚像素坐标，并转换到世界坐标，由不同图上所述中心圆圆心坐标，分别计算出口字形相邻两个边与世界坐标系、轴的夹角α和β。

3.根据权利要求1所述的一种基于光栅尺的运动位置误差补偿技术实现跨视野高精度测量的方法，其特征在于，所述步骤(3)中类标定和位置误差补偿技术过程如下：

1）将具有1um尺寸精度的回形板待测尺寸的角点放在测量平台上相机位置，拍摄一张具有待测轮廓线的左图，然后沿导轨X向或Y向移动测量平台接近待测尺寸距离d（单位mm）到新的位置，拍摄一张具有另一条待测轮廓线的右图；

2）由线轮廓提取方法得到左图待测轮廓线起止点图像亚像素坐标(xls, yls)和(xle,yle), 再找到对应测量的右图并提取待测轮廓线起止点图像亚像素坐标(xrs, yrs)和(xre, yre)；计算出右侧线段中点图像亚像素坐标(,)，并将导轨的双向移动距离投影到世界坐标系的轴和轴，得到相对于左图的右图的线段中点在Z = 0平面内的世界坐标（,）：

式中， Xg,Yg分别是光栅导轨移动后，两次取图位置之间的XY轴光栅坐标相对差值,然后由点到直线的距离计算出所要测量的线线距离；

3）通过不断重复1）2）的步骤，保证取图几乎覆盖所述测量平台上相对移动距离为d的全部位置，计算出所有的待测量跨视野尺寸，得到大量的线线距离误差和对应的对图的光栅位置坐标；

4）通过对3）中数据进行预处理，然后进行交叉多项式拟合，以误差残差平方和最小为优化目标，得到一组或多组方程系数（,, …，），所述实例中以90mm的尺寸测量为例，拟合方程为2阶交叉多项式；

式中，为误差矩阵，,, …，为多项式各阶系数,(x1y1)(x2y2)为所述任意对图的光栅位置坐标；

5）将待测尺寸的工件放在所述测量平台上任意位置，保证移动测量距离d（mm）后可以拍到另一侧的检测线，应用2）中的方法进行划线，提取边界进行计算，应用4）中的方法对测量结果进行补偿，可以达到10um之内的测量精度，实现了跨视野大尺寸高精度测量。

4.根据权利要求1所述的一种基于光栅尺定位的运动位置误差补偿技术实现跨视野高精度测量的方法，其特征在于，所述XY轴电机组为机械丝杠螺母XY轴电机驱动模组。