一種基於機器視覺的三軸定位裝置及方法與流程
2023-06-09 20:41:51 2
本發明涉及定位技術領域，尤其涉及一種基於機器視覺的三軸定位裝置及方法。
背景技術：
在自動化程度較高的行業，如印製電路板、數控加工、雷射加工等，絕大部分都應用了自動化生產線，在產線關鍵工位或製程上都需要高精度高效的定位對時控制要求。如pcb行業中曝光對位過程控制由hdi板、多層柔性板等高端pcb板的電子線路密度大、線路間距小、並且pcb與曝光菲林都會存在形變，加上推桿機構間存在的隨機誤差，對垂直和水平對位的精度控制造成了很大的阻礙。
技術實現要素：
為了克服現有技術的不足，本發明的目的之一在於提供一種基於機器視覺的三軸定位裝置，其能實現對pcb板生產過程中的精準定位。
本發明的目的之二在於提供一種基於機器視覺的三軸定位方法，其能實現對pcb板生產過程中的精準定位。
本發明的目的之一採用以下技術方案實現：
一種基於機器視覺的三軸定位裝置，包括控制平臺、ccd圖像傳感器、fpga電路、伺服驅動器和i/o接口電路，ccd圖像傳感器和fpga電路均與控制平臺連接，伺服驅動器和i/o接口電路均與fpga電路連接；所述ccd圖像傳感器用於獲取位置圖像信號，並發送至控制平臺，使控制平臺根據該位置圖像信號發送控制信號至fpga電路，fpga電路用於根據控制信號通過i/o接口電路驅動外部的驅動電機工作。
優選的，所述控制平臺包括顯示裝置、cpu，所述fpga電路、ccd圖像傳感器和顯示裝置均與cpu連接。
優選的，所述fpga電路包括fpga晶片、電源電路、數模轉換電路、配置電路、光耦隔離電路、鎖相環電路和存儲電路，電源電路、數模轉換電路、配置電路、光耦隔離電路、鎖相環電路和存儲電路均與fpga晶片連接，fpga晶片連接控制平臺，光耦隔離電路連接i/o接口電路。
優選的，所述i/o接口電路包括輸入信號接口、輸出繼電器和輸出信號接口，輸入信號接口和輸出繼電器均與fpga電路連接，輸出信號接口連接輸出繼電器。
優選的，所述fpga晶片的型號為ep1c3t144。
本發明的目的之二採用以下技術方案實現：
一種基於機器視覺的三軸定位方法，應用於pcb板定位系統，該定位系統包括pcb板以及權利要求1所述的三軸定位裝置，ccd圖像傳感器位於pcb板的外表面，每一個ccd中對應一菲林；包括如下步驟：
s1：根據預設的若干個對位點將pcb板與菲林進行定位；
s2：建立機臺坐標系統和每一個ccd的ccd坐標系統，以菲林的中心點所在位置為第一對位元素中心，以pcb板的中心點所在位置為第二對位元素中心，以第一對位元素中心為坐標原點，以菲林上經過該第一對位元素中心的水平中線為x軸，以菲林上經過該第一對位元素中心的豎直中線為y軸建立第一坐標系，以第二對位元素中心為坐標原點，以pcb板上經過該第二對位元素中心的水平中線為x軸，以pcb板上經過該第二對位元素中心的豎直中線為y軸建立第二坐標系；
s3：通過ccd圖像傳感器獲取第一坐標系的x軸與第二坐標系的x軸之間的夾角，記為對位夾角，並根據第一對位元素中心和第二對位元素中心分別在機臺坐標系統中的位置坐標求取該第一對位元素中心與第二對位元素中心在機臺坐標系統中x軸方向上的差值為第一差值、y軸方向上的差值為第二差值；
s4：fpga電路判斷對位夾角、第一差值和第二差值是否均在預設誤差範圍內，若是，則不作調整，否則，輸出位置補償信號至i/o接口電路以調整pcb板與菲林之間的位置，使對位夾角、第一差值和第二差值均在預設誤差範圍內。
優選的，s3中，根據公式dx＝(dx1+dx2+……+dxi)/i求取第一差值，根據公式dy＝(dy1+dy2+……+dyi)/i求取第二差值；其中，i為第i個對位點，第i個對位點在第一坐標系中的x值與其在第二坐標系中的x值之差的為dxi，第i個對位點在第一坐標系中的y值與其在第二坐標系中的y值之差的為dyi，dx為第一差值，dy為第二差值。
優選的，s4中，當fpga電路判斷到對位夾角、第一差值和第二差值在預設誤差範圍外時，根據計算得到的第一差值、第二差值和對位夾角對pcb板進行對位補償計算以根據對位補償計算結果調整pcb板與菲林之間的位置，判斷此時對位夾角、第一差值和第二差值是否均在預設誤差範圍內，若是，則對位成功，否則，判斷是否達到預設最大對位次數，若是，則結束，否則，返回s1。
相比現有技術，本發明的有益效果在於：
本發明基於ccd的機器視覺對三軸聯動進行定位控制，能快速準確的獲取位置信息，解決pcb板在生產製作過程中定位誤差的問題，提高對位的精度和速度。
附圖說明
圖1為本發明的一種基於機器視覺的三軸定位裝置的模塊結構圖；
圖2為本發明的一種基於機器視覺的三軸定位方法的流程圖；
圖3為本發明的機臺坐標系統和ccd坐標系統示意圖；
圖4為本發明的對位夾角、第一差值和第二差值的標示示意圖。
具體實施方式
下面，結合附圖以及具體實施方式，對本發明做進一步描述：
如圖1所示，本發明提供一種基於機器視覺的三軸定位裝置，包括控制平臺、ccd圖像傳感器、fpga電路、伺服驅動器和i/o接口電路，ccd圖像傳感器和fpga電路均與控制平臺連接，伺服驅動器和i/o接口電路均與fpga電路連接；所述ccd圖像傳感器用於獲取位置圖像信號，並發送至控制平臺，使控制平臺根據該位置圖像信號發送控制信號至fpga電路，fpga電路用於根據控制信號通過i/o接口電路驅動外部的驅動電機工作。
fpga電路接收控制平臺的控制信號，根據該控制信號通過i/o接口電路對外圍的伺服電機達到運動控制的目的。fpga電路採樣fpga為主晶片，其內部具有通信控制模塊、脈衝發生模塊、光電編碼器等，fpga電路還包括外圍電路，外圍電路包括電源電路、配置電路、鎖相環電路、光耦隔離電路、存儲電路。fpga電路是硬體核心，連接上層控制平臺和下層執行單元的橋梁。fpga晶片的型號可以採用為ep1c3t144，其需要兩種不同的電源供電，即內核電源(1.5v)和電源(3.3v)，電源電路提供這兩種電壓，在電路設計中，從直流穩壓電源得到的電壓通過低通濾波器得到穩定的電壓。配置電路具有配置晶片，採用主動串行配置方式作為fpga的配置方式，是由fpga器件引導的配置操作過程，由fpga來主動輸出控制和同步信號給fpga的串行配置晶片，配置晶片收到命令後，把配置數據發給fpga，完成配置過程。由於控制對象在啟動或運行時，常常產生很強的電磁幹擾，造成系統異常，光耦隔離電路用於隔離伺服驅動器的脈衝和方向信號，並且隔離i/o接口電路，從而可以減少伺服驅動器和i/o接口電路對系統的幹擾。
控制平臺具體包括顯示裝置、cpu，所述fpga電路、ccd圖像傳感器和顯示裝置均與cpu連接。控制平臺主要進行ccd圖像採集，顯示裝置提供用戶界面，產生對伺服裝置控制的控制信號，達到運動控制的目的。
i/o接口電路包括輸入信號接口、輸出繼電器和輸出信號接口，輸入信號接口和輸出繼電器均與fpga電路連接，輸出信號接口連接輸出繼電器。輸入信號接口用於供數控工具機、產線設備的開關量接入，輸出繼電器通過輸出信號接口對數控工具機進行開關量控制，從而對數控工具機的位置進行調節。
參見圖2，本發明提供一種基於機器視覺的三軸定位方法，其應用於pcb板定位系統，對pcb板在自動化生產線中進行定位、對位，該pcb定位系統包括本發明提供的三軸定位裝置以及pcb板，每個pcb板的外表面設有ccd(charge-coupleddevice)圖像傳感器，ccd圖像傳感器的數量為若干個，每一個ccd都對應一個菲林。本發明具體包括如下步驟：
s1：根據預設的若干個對位點將pcb板與菲林進行定位；
本發明是基於ccd視覺進行自動定位，菲林是攝像用的感光片和膠捲。本發明通過ccd圖像傳感器對pcb板的位置信息進行獲取，從而進行定位。首先找出pcb板與菲林的最佳對位點，儘量均分由於pcb板或者菲林帶入的偏差。對位點的數量可以選擇為四個，分別位於pcb板的四角。
s2：建立機臺坐標系統和每一個ccd的ccd坐標系統，以菲林的中心點所在位置為第一對位元素中心，以pcb板的中心點所在位置為第二對位元素中心，以第一對位元素中心為坐標原點，以菲林上經過該第一對位元素中心的水平中線為x軸，以菲林上經過該第一對位元素中心的豎直中線為y軸建立第一坐標系，以第二對位元素中心為坐標原點，以pcb板上經過該第二對位元素中心的水平中線為x軸，以pcb板上經過該第二對位元素中心的豎直中線為y軸建立第二坐標系；
機臺坐標系統也就是以機器的角度建立的一個坐標系統，如圖3所示，(o，x，y)為機臺坐標系統，(oi，xi，yi)為第i個ccd的坐標系統。如圖4所示，當pcb板與菲林的位置對準時，pcb板的中心點所在位置為o1點，也就是菲林的中心點與pcb板的中心點重合，當pcb板與菲林的位置有偏差時，pcb板的中心點所在位置為o2點，分別以o1點和o2點作為坐標原點建立坐標系，o1點對應第一坐標系，o2點對應第二坐標系。實際上本發明的定位主要是對pcb板的中心點與菲林的中心點對位，以及預設的對位點進行對位。
s3：通過ccd圖像傳感器獲取第一坐標系的x軸與第二坐標系的x軸之間的夾角，記為對位夾角，並根據第一對位元素中心和第二對位元素中心分別在機臺坐標系統中的位置坐標求取該第一對位元素中心與第二對位元素中心在機臺坐標系統中x軸方向上的差值為第一差值、y軸方向上的差值為第二差值；
通過上面建立坐標系的過程，可以獲取到第一坐標系和第二坐標系兩者的x軸之間的夾角，如圖3所示，該對位夾角為dt，第一差值為dx，第二差值為dy。獲取這三個因素後可以對pcb板的位置進行調整。最理想對位為：dx＝0，dy＝0，dt＝0。
s4：fpga電路判斷對位夾角、第一差值和第二差值是否均在預設誤差範圍內，若是，則不作調整，否則，輸出位置補償信號至i/o接口電路以調整pcb板與菲林之間的位置，使對位夾角、第一差值和第二差值均在預設誤差範圍內。
pcb板的對位往往存在一點偏差，很難調整到最理想的對位，因此當pcb板定位在合理位置不影響生產時，則可以認為已經對準。因此需要根據對位夾角、第一差值和第二差值判斷是否在預設誤差範圍之內，當在預設誤差範圍內，則不調整pcb板的位置，如果在誤差範圍外，再進行調整。
具體調整方式為，根據計算得到的第一差值、第二差值和對位夾角對pcb板進行對位補償計算以根據對位補償計算結果調整pcb板與菲林之間的位置，例如第一差值為5cm，第二差值為6cm，對位夾角為30度，第一差值的誤差範圍是0-3cm，第二差值的誤差範圍是0-3cm，對位夾角的誤差範圍是0-10度，則對位補償計算為需要將第一差值調整到0-3cm內，以此類推。之後判斷此時對位夾角、第一差值和第二差值是否均在預設誤差範圍內，若是，則對位成功，否則，判斷是否達到預設最大對位次數，若是，則結束，否則，返回s1。
在s3中，根據公式dx＝(dx1+dx2+……+dxi)/i求取第一差值，根據公式dy＝(dy1+dy2+……+dyi)/i求取第二差值；其中，i為第i個對位點，第i個對位點在第一坐標系中的x值與其在第二坐標系中的x值之差的為dxi，第i個對位點在第一坐標系中的y值與其在第二坐標系中的y值之差的為dyi，dx為第一差值，dy為第二差值。對本領域的技術人員來說，可根據以上描述的技術方案以及構思，做出其它各種相應的改變以及形變，而所有的這些改變以及形變都應該屬於本發明權利要求的保護範圍之內。