CN113137941A - 一种基于点激光测试产品平面度方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及平面度检测技术领域，涉及一种基于点激光测试产品平面度方法。本发明采用点激光、相机获得待测产品移动后的激光坐标数据、图像坐标数据，可以实时获取待测产品表面多点的数据，有效地提高了平面度误差的测量效率；通过平面度误差评定方法对获得数据进行处理计算待测产品的平面度信息，确定待测产品平面度，能够程序化地迅速得到平板的平面度误差，不需要人工过多干预，降低了劳动强度，具有操作过程简单、工作效率高的效果。

Description

一种基于点激光测试产品平面度方法

技术领域

本发明涉及平面度检测技术领域，涉及一种基于点激光测试产品平面度方法。

背景技术

平面度是指基片具有的宏观凹凸高度相对理想平面的偏差。平面度测量是指被测实际表面对其理想平面的变动量。目前平面度的测量方法主要有塞尺测量法、液平面法、打表测量法等。

现有技术中平面度的测量方法都是采用人工进行测量，其检测效率较低、精度较差，结果不够全面，只能检测零件边缘等部分，不适合产线的批量性生产检测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种有效地提高了平面度误差的测量效率，能够程序化地迅速得到平板的平面度误差，不需要人工过多干预的基于点激光测试产品平面度方法。

为了解决上述技术问题，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于点激光测试产品平面度方法，包括：

将待测产品放置在XY运动平台上；

通过相机获得待测产品的图像后点激光照射在待测产品中心点，以此获得图像坐标数据和中心点的激光坐标数据；

将相机获得的图像坐标数据转换为世界坐标系的坐标数据；

待测产品在XY运动平台带动下进行位置移动，通过点激光、相机获得待测产品移动后的激光坐标数据、与图像坐标数据相匹配的坐标数据；

根据激光坐标数据与坐标数据使用平面度误差评定方法计算所述待测产品的平面度信息。

在发明一个较佳实施例中，所述平面度误差评定方法为最小包容区域法、最小二乘法或对角线法。

在发明一个较佳实施例中，待测产品在XY运动平台带动下进行位置移动，包括：

通过相机获得3×3矩阵图像坐标数据，图像坐标数据与世界坐标系的坐标数据转换后，XY运动平台带动待测产品在其平面上沿X轴或者Y轴连续移动多次，即与图像坐标数据相对应的得到9个点的3×3矩阵坐标数据。

在发明一个较佳实施例中，通过点激光、相机获得待测产品移动后的激光坐标数据、图像坐标数据之前，包括：

通过XY运动平台带动待测产品多次移动得到多组测量点的坐标数据和图像坐标数据，通过每组图像坐标数据与坐标数据之间的比例关系以及世界坐标系与相机坐标系夹角，完成相机坐标系中的图像坐标数据与世界坐标系中的坐标数据的转换。

在发明一个较佳实施例中，还包括：

XY运动平台带动待测产品在其平面上沿X轴或者Y轴连续移动多次获得九个测量点的激光坐标数据和坐标数据；

获得世界坐标系X方向连线的两个点的坐标数据以及对应的图像坐标数据，通过两点间图像坐标数据中的像素距离与坐标数据中的坐标距离的比值，即为相机坐标系X方向与世界坐标系X方向的像素比；

同样，获得世界坐标系Y方向连线的两个点的坐标数据以及对应的图像坐标数据，通过两点间图像坐标数据中的像素距离与坐标数据中的坐标距离的比值，即为相机坐标系Y方向与世界坐标系Y方向的像素比。

在发明一个较佳实施例中，所述像素比为单条连线的两个端点的像素距离与坐标距离的比值或者多条连线两个点的像素距离与坐标距离的比值的平均值。

在发明一个较佳实施例中，通过多组测量点的坐标数据和图像坐标数据以及每组坐标数据与图像坐标数据之间的比例关系，得到相机坐标系与世界坐标系的倾斜角度。

在发明一个较佳实施例中，还包括：

当相机坐标X方向两点坐标(X1，Y1)，(X2，Y2)连线后的线Cx与世界坐标系X方向的夹角为：

ΔR_X＝Atan((Y1-Y2)/(X2-X1))×180/π；

当相机坐标Y方向两点坐标(X1，Y1)，(X2，Y2)连线后的线Cy与世界坐标系Y方向的夹角为：

在发明一个较佳的实施例中，还包括：

当所述相机的工作距离为400mm，光源工作距离为300mm，点激光的工作距离为500mm时，则相机的曝光时间为18ms，光源亮度为140-150；

当所述相机的工作距离为350mm，光源工作距离为200mm，点激光的工作距离为350-450mm时，则相机的曝光时间为20ms，光源亮度为150-160；

当所述相机的工作距离为300mm，光源工作距离为250mm，点激光的工作距离为450mm时，则相机的曝光时间为15ms，光源亮度为170-180。

本发明还包括一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的的基于点激光测试产品平面度方法。

本发明的有益效果：

本发明采用点激光、相机获得待测产品移动后的激光坐标数据、图像坐标数据，可以实时获取待测产品表面多点的数据，有效地提高了平面度误差的测量效率；通过平面度误差评定方法对获得数据进行处理计算待测产品的平面度信息，确定待测产品平面度，能够程序化地迅速得到平板的平面度误差，不需要人工过多干预，降低了劳动强度，具有操作过程简单、工作效率高的效果。

附图说明

图1是本发明的一种基于点激光测试产品平面度方法示意图。

图2是本发明的测量点示意图。

图3是本发明的相机与XY运动平台的倾斜角度示意图。

图4是本发明的相机坐标X方向与世界坐标系X方向的夹角示意图。

图5是本发明的相机坐标Y方向与世界坐标系Y方向的夹角示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1-5所示，一种基于点激光测试产品平面度方法，包括：

步骤S10，将待测产品放置在XY运动平台上；

步骤S20，通过相机获得待测产品的图像后点激光照射在待测产品中心点，以此获得图像坐标数据和中心点的激光坐标数据；将相机获得的图像坐标数据转换为世界坐标系的坐标数据；

步骤S30，待测产品在XY运动平台带动下进行位置移动，通过点激光、相机获得待测产品移动后的激光坐标数据、与图像坐标数据相匹配的坐标数据；

步骤S40，根据激光坐标数据与坐标数据使用平面度误差评定方法计算所述待测产品的平面度信息。

本发明采用点激光、相机获得待测产品移动后的激光坐标数据、图像坐标数据，可以实时获取待测产品表面多点的数据，有效地提高了平面度误差的测量效率；通过平面度误差评定方法对获得数据进行处理计算待测产品的平面度信息，确定待测产品平面度，能够程序化地迅速得到平板的平面度误差，不需要人工过多干预，降低了劳动强度，具有操作过程简单、工作效率高的效果。

本发明的点激光以及相机固定在固定的工作位置，待测产品放置在XY运动平台，先将待测产品运动到相机拍照位置，对待测产品进行拍照。相机返回待测产品在XY运动平台上的具***置信息，然后XY运动平台带动待测产品沿着相机返回坐标信息进行点位的运动，每个测量单点触发点激光读取数值，每个测量点的位置信息和当前点位的测量值放入一个数组，通过最小二乘法计算出待测产品的拟合平面和各个点到拟合平面的距离，以此获得所述待测产品的平面度信息。

通过固定位置的点激光传感器以及相机的简单安置，可以同时测量多个产品的平面度，实现全自动测量，不需要人工过多干预，降低了劳动强度；同时点激光传感器帧率高，测量速度快，其测量精度可达到微米级，使得平面度测量精度高。

作为可选的实施方式，在步骤S30，包括：

通过相机获得3×3矩阵图像坐标数据，图像坐标数据与世界坐标系的坐标数据转换后，XY运动平台带动待测产品在其平面上沿X轴或者Y轴连续移动多次，即与图像坐标数据相对应的得到9个点的3×3矩阵坐标数据。

具体的，得到9个点的3×3矩阵坐标数据即可表示本发明的XY运动平台的X轴与Y轴为正交状态，若9个点构成菱形，则说明XY运动平台的X轴与Y轴为不是正交状态，可对快速对XY运动平台进行校正，同时减少后续的计算量，通过相机的九点校正方法来快速完成相机坐标系和世界坐标系的转换。

具体的，世界坐标系为XY运动平台的坐标系，激光坐标数据为点激光获得的高度坐标，通过世界坐标系平面坐标结合高度坐标形成三维坐标，提高平面度检测精度。

参阅图2，作为可选的实施方式，在步骤S31，包括：

通过XY运动平台带动待测产品多次移动得到多组测量点的坐标数据和图像坐标数据，通过每组图像坐标数据与坐标数据之间的比例关系以及世界坐标系与相机坐标系夹角，完成相机坐标系中的图像坐标数据与世界坐标系中的坐标数据的转换。

作为可选的实施方式，在步骤S31，还包括：

XY运动平台带动待测产品在其平面上沿X轴或者Y轴连续移动多次获得九个测量点的激光坐标数据和坐标数据；

相机坐标系的9个测量点的图像坐标数据：

Cp(X1，Y1)，Cp(X2，Y2)，Cp(X3，Y3)，

Cp(X4，Y4)，Cp(X5，Y5)，Cp(X6，Y6)，

Cp(X7，Y7)，Cp(X8，Y8)，Cp(X9，Y9)，

世界坐标系的9个测量点的坐标数据：

Hp(X1，Y1)，Hp(X2，Y2)，Hp(X3，Y3)，

Hp(X4，Y4)，Hp(X5，Y5)，Hp(X6，Y6)，

Hp(X7，Y7)，Hp(X8，Y8)，Hp(X9，Y9)，

获得世界坐标系X方向连线的两个点的坐标数据以及对应的图像坐标数据，通过两点间图像坐标数据中的像素距离与坐标数据中的坐标距离的比值，即为相机坐标系X方向与世界坐标系X方向的像素比；

具体的，取世界坐标系X方向连线，由图可知，本实施例中X方向有三条线，分别为图2中坐标点5，坐标点4，坐标点3构成一条连线；坐标点6，坐标点1，坐标点2构成一条连线；坐标点7，坐标点8，坐标点9构成一条连线，通过计算连线上任意两点间的像素距离和坐标距离的比即可得到像素比。

同样，获得世界坐标系Y方向连线的两个点的坐标数据以及对应的图像坐标数据，通过两点间图像坐标数据中的像素距离与坐标数据中的坐标距离的比值，即为相机坐标系Y方向与世界坐标系Y方向的像素比。

具体的，取世界坐标系Y方向连线，由图可知，本实施例中Y方向有三条线，分别为图2中坐标点5，坐标点6，坐标点7构成一条连线；坐标点4，坐标点1，坐标点8构成一条连线；坐标点3，坐标点2，坐标点9构成一条连线，通过计算连线上任意两点间的像素距离和坐标距离的比即可得到像素比。

所述像素比为单条连线的两个端点的像素距离与坐标距离的比值或者多条连线两个点的像素距离与坐标距离的比值的平均值。

具体的，可只用连线两点或者三点求像素比，也可求多条连线像素比的平均值用以确定比例关系，也可将上述两种方式组合使用。同时，当同一直线上只有一个点，则应省略该点来求其余连线像素比的求平均值。本发明较优选的方案为求多条连线像素比的平均值用以确定比例关系。

参阅图3所示，作为可选的实施方式，在步骤S32，包括：

通过多组测量点的坐标数据和图像坐标数据以及每组坐标数据与图像坐标数据之间的比例关系，得到相机坐标系与世界坐标系的倾斜角度。

具体的，当将A点移动到B点，线AC为相机坐标系X方向的坐标差，BC为相机坐标系Y方向的坐标差；则∠CAD为相机坐标系X方向坐标与世界坐标系X方向之间的夹角α；∠CBD为相机坐标系Y方向坐标与世界坐标系Y方向之间的夹角β。

根据上述方式确定的相机坐标系X方向与世界坐标系X方向的像素比Ratio_X,相机坐标系Y方向与世界坐标系Y方向的像素比Ratio_Y。

线AD为X轴坐标差：

过C点做AD的垂线，垂足为E；过C点做BD的垂线，垂足为F。

得出四边形CFDE为矩形，则DE＝FC，FD＝CE

AD＝AE-DE

＝AE-CE

＝(AC*Cosα-BC*Sinβ)*Ratio_X

BD为Y轴坐标差：

BD＝BF+FD

＝BF+FD

＝(BC*Cosβ+AC*Sinα)*Ratio_Y

参阅图2所示，世界坐标系X方向从相机轴(相机坐标系X方向)到机械轴(世界坐标系X方向)是顺时针旋转的，所以世界坐标系X方向夹角从相机轴到机械轴顺时针为正。同理，世界坐标系Y方向从相机轴(相机坐标系Y方向)到机械轴(世界坐标系Y方向)是顺时针旋转的，所以世界坐标系Y方向夹角从相机轴到机械轴顺时针为正，以此推断出计算结果的正负值。

参阅图5、4所示，作为可选的实施方式，在步骤S32，还包括：

当世界坐标系X方向的点顺序(由左至右)为坐标点6，坐标点1，坐标点2构成一条连线，Y方向的点顺序(由上至下)为坐标点5，坐标点6，坐标点7构成一条连线。

由于相机坐标系的X轴与Y轴为为默认垂直状态，则：

当相机坐标X方向两点坐标(X1，Y1)，(X2，Y2)连线后的线Cx与世界坐标系X方向的夹角为：

ΔR_X＝Atan((Y1-Y2)/(X2-X1))×180/π；

由图4可知，相机坐标系X方向到世界坐标系X方向为逆时针，所以计算的夹角为负值。

相机坐标Y方向两点坐标(X1，Y1)，(X2，Y2)连线后的线Cy与世界坐标系Y方向的夹角为：

由图5可知，相机坐标系Y方向到世界坐标系Y方向为逆时针，所以计算的夹角为负值。

所述平面度误差评定方法为最小包容区域法、最小二乘法或对角线法。

本发明较优选的方案为所述平面度误差评定方法为最小二乘法，通过相机坐标系与世界坐标系的比例关系以及相机坐标系和世界坐标系的夹角，实现两坐标系的坐标转换。

在我们研究两个变量(x,y)之间的相互关系时，通常可以得到一系列成对的数据(x1,y1.x2,y2...xm,ym)；将这些数据描绘在x-y直角坐标系中，若发现这些点在一条直线附近，可以令这条直线方程如(式1-1)。

Yj＝a0+a1X (式1-1)

其中：a0、a1是任意实数

为建立这直线方程就要确定a0和a1，应用《最小二乘法原理》，将实测值Yi与利用(式1-1)计算值(Yj＝a0+a1X)的离差(Yi-Yj)的平方和〔∑(Yi-Yj)2〕最小为“优化判据”。

在(式1-1)中，m为样本容量，即实验次数；Xi、Yi分别任意一组实验X、Y的数值。

对给定数据点{(Xi，Yi)}(i＝0,1，…，m)，在取定的函数类Φ中，求p(x)∈Φ，使误差的平方和E^2最小，E^2＝∑[p(Xi)-Yi]^2。从几何意义上讲，就是寻求与给定点{(Xi，Yi)}(i＝0,1，…，m)的距离平方和为最小的曲线y＝p(x)。函数p(x)称为拟合函数或最小二乘解，求拟合函数p(x)的方法称为曲线拟合的最小二乘法，上述步骤为部分方法用以显示本发明的应用，同时本发明采用的最小二乘法为现有技术中的最小二乘法。

通过最小二乘法求得产品平面度后，根据产品设定的公差阈值对产品进行结果的判定输出。

具体的，还包括：

当所述相机的工作距离为400mm，光源工作距离为300mm，点激光的工作距离为500mm时，则相机的曝光时间为18ms，光源亮度为140-150；

当所述相机的工作距离为350mm，光源工作距离为200mm，点激光的工作距离为350-450mm时，则相机的曝光时间为20ms，光源亮度为150-160；

当所述相机的工作距离为300mm，光源工作距离为250mm，点激光的工作距离为450mm时，则相机的曝光时间为15ms，光源亮度为170-180。

在本实施例中，通过设定相机的工作距离为300mm，光源工作距离为250mm，点激光的工作距离为450mm时，则相机的曝光时间为15ms，光源亮度为170-180，其可减少获得的图像噪声方面有较大的效果，增加图像边缘的对比度，使得获得图像灰度化黑白分明，保证获得图像的位置度，保证两个坐标系转换的稳定性，不会降低图像特征的质量。

本发明还包括一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现上述的的基于点激光测试产品平面度方法。

本实施例提供的计算机可读存储介质存储的计算机程序，除了被处理器执行时实现本发明任意实施例中所述的基于点激光测试产品平面度方法，还可以包括其他程序，以实现具体的业务需求。

通过以上关于实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到，本发明可借助软件及必需的通用硬件来实现，当然也可以通过硬件实现，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如计算机的软盘、只读存储器(Read-Only Memory，ROM)、随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)、闪存(FLASH)、硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

最小二乘法拟合平面需要用到测量点的空间坐标，包括X、Y、Z坐标信息。其中Z点坐标用点激光测量所得的激光坐标数据，X坐标、Y坐标即当前点激光测量点的XY运动平台(世界坐标系)的坐标数据。

由于XY运动平台的X轴和Y轴存在一定的公差间隙，同时人工放置产品时会出现产品在载具上会有一定的移位，参阅步骤S30中，若9个点构成菱形，则说明XY运动平台的X轴与Y轴为不是正交状态，则所得到的测量点就不是本发明需要测量的XY运动平台坐标数据。

本发明通过相机对待测产品进行拍照，获取到待测产品在相机坐标系中的预设的测量点位X、Y坐标信息，即预设的图像坐标数据，由于具体的运动机构是在世界坐标系，需要将相机坐标系与世界坐标系进行转换。

通过相机的一个九点校正方法，得到图像坐标数据与坐标数据之间的比例关系以及世界坐标系与相机坐标系夹角，通过相机对待测产品进行拍照获取到待测产品在相机坐标系中预设的X、Y坐标信息，通过比例关系以及坐标系夹角计算出在世界坐标系中的实际X、Y坐标信息。点激光测量点的实际X、Y坐标信息作为计算平面度的原始数据，配合获取的点激光获得的Z轴坐标(激光坐标数据)，使用最小二乘法计算出产品的平面度。

通过相机拍照返回坐标信息计算世界坐标公式如下：

由于相机坐标系的X轴与Y轴为为默认垂直状态，则则只需要获得相机坐标系X轴与世界坐标系X轴的夹角，相机坐标系Y轴与世界坐标系Y轴的夹角，即：

世界坐标系X坐标＝(相机坐标系X坐标*Cos(XY运动平台的X轴与相机X轴夹角)-相机坐标系Y坐标*Sin(XY运动平台的X轴与相机X轴夹角))/相机坐标系X方向与世界坐标系X方向的像素比；

世界坐标系Y坐标＝((相机坐标系Y坐标*Cos(XY运动平台的Y轴与相机Y轴夹角)+(相机坐标系X坐标*Sin(XY运动平台的Y轴与相机Y轴夹角))/相机坐标系Y方向与世界坐标系Y方向的像素比。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种基于点激光测试产品平面度方法，其特征在于，包括：

将待测产品放置在XY运动平台上；

通过相机获得待测产品的图像后点激光照射在待测产品中心点，以此获得图像坐标数据和中心点的激光坐标数据；

将相机获得的图像坐标数据转换为世界坐标系的坐标数据；

待测产品在XY运动平台带动下进行位置移动，通过点激光、相机获得待测产品移动后的激光坐标数据、坐标数据；

根据激光坐标数据与坐标数据使用平面度误差评定方法计算所述待测产品的平面度信息。

2.如权利要求1所述的基于点激光测试产品平面度方法，其特征在于，所述平面度误差评定方法为最小包容区域法、最小二乘法或对角线法。

3.如权利要求1所述的基于点激光测试产品平面度方法，其特征在于，待测产品在XY运动平台带动下进行位置移动，包括：

通过相机获得3×3矩阵图像坐标数据，图像坐标数据与世界坐标系的坐标数据转换后，XY运动平台带动待测产品在其平面上沿X轴或者Y轴连续移动多次，即与图像坐标数据相对应的得到9个点的3×3矩阵坐标数据。

4.如权利要求1所述的基于点激光测试产品平面度方法，其特征在于，通过点激光、相机获得待测产品移动后的激光坐标数据、图像坐标数据之前，包括：

通过XY运动平台带动待测产品多次移动得到多组测量点的坐标数据和图像坐标数据，通过每组图像坐标数据与坐标数据之间的比例关系以及世界坐标系与相机坐标系夹角，完成相机坐标系中的图像坐标数据与世界坐标系中的坐标数据的转换。

5.如权利要求4所述的基于点激光测试产品平面度方法，其特征在于，还包括：

XY运动平台带动待测产品在其平面上沿X轴或者Y轴连续移动多次获得九个测量点的激光坐标数据和坐标数据；

获得世界坐标系X方向连线的两个点的坐标数据以及对应的图像坐标数据，通过两点间图像坐标数据中的像素距离与坐标数据中的坐标距离的比值，即为相机坐标系X方向与世界坐标系X方向的像素比；

同样，获得世界坐标系Y方向连线的两个点的坐标数据以及对应的图像坐标数据，通过两点间图像坐标数据中的像素距离与坐标数据中的坐标距离的比值，即为相机坐标系Y方向与世界坐标系Y方向的像素比。

6.如权利要求5所述的基于点激光测试产品平面度方法，其特征在于，所述像素比为单条连线的两个端点的像素距离与坐标距离的比值或者多条连线两个点的像素距离与坐标距离的比值的平均值。

7.如权利要求5所述的基于点激光测试产品平面度方法，其特征在于，通过多组测量点的坐标数据和图像坐标数据以及每组坐标数据与图像坐标数据之间的比例关系，得到相机坐标系与世界坐标系的倾斜角度。

8.如权利要求7所述的基于点激光测试产品平面度方法，其特征在于，还包括：

当相机坐标X方向两点坐标(X1，Y1)，(X2，Y2)连线后的线Cx与世界坐标系X方向的夹角为：

ΔR_X＝Atan((Y1-Y2)/(X2-X1))×180/π；

当相机坐标Y方向两点坐标(X1，Y1)，(X2，Y2)连线后的线Cy与世界坐标系Y方向的夹角为：

9.如权利要求1所述的基于点激光测试产品平面度方法，其特征在于，还包括：

当所述相机的工作距离为400mm，光源工作距离为300mm，点激光的工作距离为500mm时，则相机的曝光时间为18ms，光源亮度为140-150；

当所述相机的工作距离为350mm，光源工作距离为200mm，点激光的工作距离为350-450mm时，则相机的曝光时间为20ms，光源亮度为150-160；

当所述相机的工作距离为300mm，光源工作距离为250mm，点激光的工作距离为450mm时，则相机的曝光时间为15ms，光源亮度为170-180。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-8中任一所述的基于点激光测试产品平面度方法。

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