旁轴式视觉系统与激光振镜加工系统位置关系的标定方法

摘要

本发明公开了一种旁轴式视觉系统与激光振镜加工系统位置关系的标定方法，本发明将试刻靶标置于振镜视野范围内，获得此时标记点在振镜坐标系下坐标；将试刻靶标置于标定相机视野范围内，获得此时标记点在振镜坐标系下坐标；根据标记点图像，结合相机成像原理获得初始位置标记点在标定相机坐标系下坐标；采用矩阵向量McL＝[RcL,tcL]表示振镜坐标系和标定相机坐标系间的位置关系，基于初始位置标记点在振镜坐标系和标定相机坐标系下的坐标，经LM法优化获得矩阵向量。本发明无需复杂的机械调整，且减少了人为操作导致的标定效率和标定精度不高的问题，即本发明具有便捷、高效和标定精度高的优点。

说明书

技术领域

本发明属于激光加工技术领域，特别涉及一种旁轴式视觉系统与激光振镜加 工系统位置关系的标定方法。

背景技术

高精度激光加工(如刻蚀、焊接等)中，常常采用视觉系统测量被加工件的 位置和角度，然后根据测量结果引导振镜或激光头进行加工。

旁轴式视觉系统由于不需要改变已有激光加工系统的光路与机械结构，其在 高精度激光加工中应用最广泛。但为了提高激光加工精度，激光加工以及视觉系 统的视野范围均较小，两者的视野范围并没有重合之处，即使重合，也只在视野 边缘部分，畸变大，不适合高精度激光加工。所以，实际生产中，视觉系统与激 光加工系统位置关系的确定，变得尤为重要，特别是在高精度激光加工中，位置 关系的精度直接影响加工精度。

旁轴式视觉系统引导激光加工系统的过程为：激光加工系统中二维位移平台 移动到上下料工位，人工将工件摆放至二维位移平台并通过工装夹具固定，完成 机械粗定位。二维位移平台将工件送至相机视野范围，相机拍照，获取工件在相 机坐标系下的位置与角度信息。根据相机坐标系与振镜坐标系之间的位置关系， 将工件的位置与角度信息转换到振镜坐标系中，驱动二维位移平台，使得工件移 动到振镜视野范围，驱动振镜的偏移距离和旋转角，加工工件。相机与振镜间位 置关系的确定是激光加工系统标定的关键。

传统的视觉系统与激光加工系统的位置关系依靠机械结构调整装置来保证， 如将相机固定于平移与旋转组合平台上，通过手动或电动调节平移与旋转台，从 而调整相机，使其与激光头处于预期的位置关系。调整是否到位，往往通过相机 视频观察来确定。调整的过程比较费时，且带入了很多人为因素；同时，机械结 构设计较复杂。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种便捷、高速、适用于高精度激光 加工的旁轴式视觉系统与激光加工系统位置关系的标定方法。

本发明所采用的技术方案是：一种旁轴式视觉系统与激光振镜加工系统位置 关系的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立标定相机坐标系O_c-X_cY_cZ_c和振镜坐标系O_L-X_LY_LZ_L；其中， O_c表示相机光心，O_cZ_c与相机光轴重合，O_cX_c平行于相机像元水平方向，O_cY_c平行于相机像元垂直方向；O_L表示振镜光心，O_LZ_L与振镜光轴重合，O_LX_L沿 振镜系统的X方向，O_LY_L沿振镜系统的Y方向；

步骤2：在振镜下方二维位移平台上放置试刻靶标，且试刻靶标位于振镜视 野范围内；

步骤3：启动激光振镜加工系统，在试刻靶标上刻蚀标记点阵列，标记为圆 形，其圆心即标记点，记下此时标记点i在振镜坐标系下坐标(X_Li,Y_Li,0)；

步骤4：移动二维位移平台使试刻靶标上所有标记点均位于标定相机视野范 围，记下此时标记点在振镜坐标系下坐标(X_Li+t_x,Y_Li+t_y,0)，t_x、t_y分别表示试 刻靶标在振镜坐标系X_L和Y_L方向的位移；

步骤5：标定相机拍摄标记点图像，并在标记点图像中提取标记点的图像坐 标(u_i,v_i)，结合图像坐标(u_i,v_i)和相机成像原理获得标记点在标定相机坐标系下 坐标；

步骤6：结合t_x、t_y及标记点在标定相机坐标系下坐标，获得二维位移平台 前标记点在标定相机坐标系下坐标(X_ci,Y_ci,Z_ci)；

步骤7：采用矩阵向量M_cL＝[R_cL,t_cL]表示振镜坐标系和标定相机坐标系间 的位置关系$\left(\begin{array}{c}{X}_{Li}\\ Y_{Li}\\ 0\\ 1\end{array}\right)=[R_{cL},t_{cL}]\left(\begin{array}{c}{X}_{ci}\\ Y_{ci}\\ Z_{ci}\\ 1\end{array}\right),$基于二维位移平台移动前标记点在振镜坐标 系和标定相机坐标系下的坐标，经LM法优化获得矩阵向量M_cL，其中，R_cL表 示旋转向量，t_cL表示平移向量，$[R_{cL},t_{cL}]=\left(\begin{array}{cccc}{r}_1& r_2& r_3& t_x\\ r_4& r_5& r_6& t_y\\ r_7& r_8& r_9& t_z\end{array}\right).$

作为优选，步骤2中所述试刻靶标为试刻纸或金属板。

作为优选，执行步骤5之前，首先将标定相机坐标系原点O_c沿O_cZ_c方向平移 到试刻靶标平面，此时标记点在标定相机坐标系中Z_c坐标为0，然后在新标定相 机坐标系下执行步骤5～7。

和现有技术相比，本发明具有如下优点和有益效果：本发明无需复杂的机械 调整，且减少了人为操作导致的标定效率和标定精度不高的问题，即本发明具有 便捷、高效和标定精度高的优点。

附图说明

图1为本发明实施例的原理示意图；

图2为本发明实施例的试刻靶标上刻蚀标记点阵列示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施 例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用 以解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1和图2，本发明提供的一种旁轴式视觉系统与激光振镜加工系统位 置关系的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立标定相机坐标系O_c-X_cY_cZ_c和振镜坐标系O_L-X_LY_LZ_L；其中， O_c表示相机光心，O_cZ_c与相机光轴重合，O_cX_c平行于相机像元水平方向，O_cY_c平行于相机像元垂直方向；O_L表示振镜光心，O_LZ_L与振镜光轴重合，O_LX_L沿 振镜系统的X方向，O_LY_L沿振镜系统的Y方向；

步骤2：在振镜下方二维位移平台的视野范围内放置试刻靶标，试刻靶标一 般可采用试刻纸或金属板。通过真空吸附或重物压制等方式使试刻靶标固定于二 维位移平台上。

步骤3：启动激光振镜加工系统，在试刻靶标上刻蚀标记点阵列，标记为圆 形，其圆心即标记点；标记点在振镜坐标系中坐标已知，将标记点i在振镜坐标 系下坐标记为P_Li(X_Li,Y_Li,Z_Li)。由于选用的试刻靶标为平面靶标，所以Z_Li＝0。

步骤4：移动二维位移平台使试刻靶标上所有标记点均位于标定相机视野范 围，此时标记点i在振镜坐标系中坐标P_Li′(X_Li+t_x,Y_Li+t_y,0)，其中，t_x、t_y分别 表示试刻靶标在振镜坐标系X_L和Y_L方向的位移。

步骤5：标定相机拍摄标记点图像，通过已有边缘提取方法与圆拟合方法， 在标记点图像中提取标记点i的图像坐标，记为(u_i,v_i)。根据已有的相机标定方 法得到标定相机的内外参数矩阵，由于激光加工的对象主要为平面，所以在标定 相机坐标系中，标记点的Z_c坐标为定值。为方便计算，将标定相机坐标系原点O_c沿O_cZ_c方向平移到试刻靶标平面，即加工平面，这样，标记点在标定相机坐标 系中Z_c坐标均为0。结合标记点图像坐标(u_i,v_i)，带入相机成像公式，即可获得 标记点在标定相机坐标系下坐标。同样，根据试刻靶标在振镜坐标系X_L和Y_L方 向的位移，求得标记点位于初始位置时，其在相机坐标系下的坐标，记为 P_ci(X_ci,Y_ci,Z_ci)，这里Z_ci＝0。初始位置即二维位移平台移动前标记点位置。

假设相机坐标系与振镜坐标系间的位置关系向量M_cL＝[R_cL,t_cL]，其中，R_cL表示旋转向量，t_cL表示平移向量。有

$\left(\begin{array}{c}{X}_{Li}\\ Y_{Li}\\ 0\\ 1\end{array}\right)=[R_{cL},t_{cL}]\left(\begin{array}{c}{X}_{ci}\\ Y_{ci}\\ Z_{ci}\\ 1\end{array}\right)---\left(1\right)$

式(1)中，$[R_{cL},t_{cL}]=\left(\begin{array}{cccc}{r}_1& r_2& r_3& t_x\\ r_4& r_5& r_6& t_y\\ r_7& r_8& r_9& t_z\end{array}\right).$

将初始位置标记点在相机坐标系和振镜坐标系下的坐标带入式(1)，采用传 统的Levenberg-Marquard(LM)法通过优化求得M_cL矩阵，从而获得标定相机 坐标系和振镜坐标系间的位置关系。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是 对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不 脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发 明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。