[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

说明书

本发明申请了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。所述方法通过对自动化设备上工业相机、光栅导轨运动系统有效调校，保证相机光轴和移动测量平台的高垂直精度；通过对所述工业相机进行高精度多项式标定和运动测量，得到光栅导轨和选定的世界坐标系之间的夹角；将高精度标准检测物回形板放在测量平台不同位置取图，移动特定距离采集对应图像，由光栅尺记录测量平台每一位置坐标；通过标定好的相机参数进行测距计算，得到一系列移动特定距离下的平台不同位置上多个距离的测量误差，结合拟合技术，得到所述测量误差与光栅位置之间的误差补偿模型，达到跨视野高精度测量的效果。本发明用于机器视觉领域。

技术领域

本发明主要涉及机器视觉技术领域，尤其是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。

背景技术

现有一些大尺寸工件的测量，无论是通过移动测头（工业相机），还是移动测量平台，通常都依赖于移动导轨的直线度、平面度和定位精度，如利用滚珠丝杠或直线电机来移动测头或工件来进行取图计算。

这种方法对导轨的定位精度、直线度、平面度和垂直度都提出了很高要求，对存在公差较大的导轨机构不适合，要想对工件尺寸进行10微米以内的检测精度，尤其是跨视野的尺寸测量基本是达不到的，对工作台的设计、加工和安装调试、误差补偿等提出了很高的要求，时间和成本都很高。

另一方面，还有一些采用拼图的方法，但由于没有考虑相机与机构夹角带入的误差，拼接重叠部分的阈值处理导致图像丢失了真实的特征，拼接后的图像再进行测量时，准确性无法保证，达不到对尺寸精度的要求。

发明内容

为了克服上述现有导轨移动平台系统在设计和安装调试上对测距精度的影响，本发明提出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。

本发明采用的技术方案是，本发明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。该方法包括以下步骤：

(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。

实际标定时，标定板的放置很难保证与光栅导轨方向完全一致，即使很微小的角度也会对测距精度有影响，有必要考虑到位置坐标计算中来，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进一步描述如下：

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轴电机组沿导轨运动，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。