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    重庆时时彩开不出号码: 一种锡膏印刷机相机的标定方法.pdf

    关 键 词:
    一种 印刷机 相机 标定 方法
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    摘要
    申请专利号:

    CN201611235687.2

    申请日:

    2016.12.28

    公开号:

    CN106683138A

    公开日:

    2017.05.17

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G06T 7/80申请日:20161228|||公开
    IPC分类号: G06T7/80(2017.01)I 主分类号: G06T7/80
    申请人: 华中科技大学; 广东思谷智能技术有限公司
    发明人: 杨华; 尹周平; 张新乾; 黄程辉
    地址: 430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号
    优先权:
    专利代理机构: 华中科技大学专利中心 42201 代理人: 梁鹏
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201611235687.2

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2018.01.26|||2017.06.09|||2017.05.17

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明属于图像处理技术领域,具体涉及一种锡膏印刷机相机的标定方法,该方法包括以下步骤,(1)结合锡膏印刷机实际生产情况,在锡膏印刷机上建立4个坐标系;(2)建立锡膏印刷机坐标系系统坐标转化关系;(3)采集图像,对坐标系系统关键参数标定;(4)图像坐标系到世界坐标系的坐标转化误差分析;(5)建立UVW平台的旋转模型;(6)根据计算得到的UVW平台的移动量移动UVW平台,检查对位精度,以验证相机标定的有效性。本发明的标定方法在标定精度方面有大幅提升,且操作简单,降低了运算的复杂度,标定速度快,易于编码实现。

    权利要求书

    1.一种锡膏印刷机相机的标定方法,其特征在于,所述锡膏印刷机的底部为PCB板,所
    述PCB板设置在UVW旋转平台上,所述PCB板的正上方为一钢网,该PCB板和钢网的中间有一
    分光镜,在分光镜的前后分别设置有一相机和一个平面反射镜,该标定方法具体包括以下
    步骤:
    S1.针对上述锡膏印刷机的结构,在该锡膏印刷机上建立四个坐标系,分别是:在相机
    采集的图像上建立的图像坐标系、在相机上建立的相机坐标系、基于相机视野建立的参考
    坐标系和在锡膏印刷机的电机轴挡片处于零位时建立的世界坐标系;
    S2.将锡膏印刷机的上述坐标系之间进行坐标转化:对步骤S1中建立的四个坐标系进
    行分析,依次建立各个坐标系之间的坐标转化关系,包括:图像坐标系到相机坐标系的转
    化、相机坐标系到参考坐标系的转化、参考坐标系到世界坐标系的转化;
    S3.采集图像,对坐标系系统中的关键参数进行标定,得到各个坐标系之间的转化公
    式;
    S4.根据步骤S3中的得到各个坐标系之间的转化公式,对图像坐标系中的坐标转化到
    世界坐标系中的坐标时产生的误差进行分析,并对坐标转化过程中的误差数据进行量化处
    理;
    S5.建立UVW平台的旋转模型,在UVW平台处于零位时,计算UVW平台模型的旋转中心,即
    得到UVW平台的旋转模型;
    S6.基于步骤S5中建立的UVW平台旋转模型,计算UVW平台的移动量,并对UVW平台进行
    对位调整,完成相机标定。
    2.如权利要求1所述的标定方法,其特征在于,步骤S1中,所述图像坐标系是在相机拍
    摄的图像上建立的坐标系,其坐标原点位于图像左上角,坐标单位是pixel;
    所述相机坐标系是建立在相机上的坐标系,坐标单位是pixel;
    所述参考坐标系是以相机视野建立的坐标系,该坐标系是面对PCB板建立的,以相机视
    野下边缘为坐标系X轴,以相机视野右边缘为坐标系Y轴,坐标单位是mm;
    世界坐标系是根据锡膏印刷机的三个电机轴挡片处于零位时建立的坐标系,当电机挡
    片回到零位的时候,视为电机归零;将Y1零位和Y2零位的连线作为X轴,过X零位且垂直于X
    轴的直线作为Y轴,建立世界坐标系,坐标单位是mm。
    3.如权利要求1或2所述的标定方法,其特征在于,步骤S2中,所述坐标系之间进行坐标
    转化包括以下步骤:
    S21.从图像坐标系(U,V)到相机坐标系(Occd,Xccd,Yccd)的坐标转化,其转化公式为:

    式中,W为图像宽度,(U,V)为图像坐标系中的点的坐标,(Xccd,Yccd)为相机坐标系中的
    点的坐标;
    S22.从相机坐标系(Occd,Xccd,Yccd)到参考坐标系(OR,XR,YR)的坐标转化,记
    则其转化公式为:
    式中,(XR,YR)为参考坐标系中的点的坐标,(Xccd,Yccd)为相机坐标系中的点的坐标;
    S23.从参考坐标系(OR,XR,YR)到世界坐标系(Ow,Xw,Yw)的坐标转化,其转化公式为:

    式中,(Xw,Yw)为世界坐标系中的点的坐标,(XR,YR)为参考坐标系中的点的坐标,
    S24.联立公式和公式得到:
    <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>X</mi> <mi>W</mi> </msub> <mo>=</mo> <mo>&lsqb;</mo> <msub> <mi>l</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>X</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>cos</mi> <mi>&theta;</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>l</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>sin</mi> <mi>&theta;</mi> <mo>&rsqb;</mo> <mo>+</mo> <mi>a</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>Y</mi> <mi>W</mi> </msub> <mo>=</mo> <mo>&lsqb;</mo> <msub> <mi>l</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>X</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>sin</mi> <mi>&theta;</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>l</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> </mrow> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>cos</mi> <mi>&theta;</mi> <mo>&rsqb;</mo> <mo>+</mo> <mi>b</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
    在以上公式中,参数lx,ly,θ,a,b需要标定获得。
    4.如权利要求3所述的标定方法,其特征在于,对转化公式中lx、ly、θ、a、b这几个关键参
    数进行标定,其具体步骤如下:
    S31.使用锡膏印刷机上的相机拍摄PCB上的Mark点在未移动、沿X轴正方向移动、沿Y轴
    正方向移动的三幅图像,记录下Mark点圆心坐标,使用步骤S2中得到的lx、ly的标定公式计
    算得出lx、ly的值:
    <mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>l</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>A</mi> <mn>1</mn> <mi>A</mi> <mn>2</mn> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>cos</mi> <mi>&theta;</mi> </mrow> <mrow> <mi>A</mi> <msup> <mn>1</mn> <mrow> <mo>&prime;</mo> <mo>&prime;</mo> </mrow> </msup> <mi>A</mi> <msup> <mn>2</mn> <mrow> <mo>&prime;</mo> <mo>&prime;</mo> </mrow> </msup> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>cos</mi> <mi>&theta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>A</mi> <mn>1</mn> <mi>A</mi> <mn>2</mn> </mrow> <mrow> <mi>A</mi> <msup> <mn>1</mn> <mrow> <mo>&prime;</mo> <mo>&prime;</mo> </mrow> </msup> <mi>A</mi> <msup> <mn>2</mn> <mrow> <mo>&prime;</mo> <mo>&prime;</mo> </mrow> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>X</mi> </mrow> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>X</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>X</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>l</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>A</mi> <mn>2</mn> <mi>A</mi> <mn>3</mn> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>cos</mi> <mi>&theta;</mi> </mrow> <mrow> <mi>A</mi> <msup> <mn>2</mn> <mrow> <mo>&prime;</mo> <mo>&prime;</mo> </mrow> </msup> <mi>A</mi> <msup> <mn>3</mn> <mrow> <mo>&prime;</mo> <mo>&prime;</mo> </mrow> </msup> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>cos</mi> <mi>&theta;</mi> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>A</mi> <mn>2</mn> <mi>A</mi> <mn>3</mn> </mrow> <mrow> <mi>A</mi> <msup> <mn>2</mn> <mrow> <mo>&prime;</mo> <mo>&prime;</mo> </mrow> </msup> <mi>A</mi> <msup> <mn>3</mn> <mrow> <mo>&prime;</mo> <mo>&prime;</mo> </mrow> </msup> </mrow> </mfrac> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>d</mi> <mi>Y</mi> </mrow> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>X</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>X</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> <mn>3</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>;</mo> </mrow>
    S32.使用步骤S2中得到的θ的标定公式计算得到θ的值:
    θ=atan2(Yccd1-Yccd2,Xccd2-Xccd1);
    S33.对参数a、b的标定,每旋转锡膏印刷机UVW平台一次,拍摄一组PCB的Mark点图像,
    这样旋转若干次,获取若干个PCB的Mark点图像,在已建立的坐标系中求得Mark点圆心坐
    标,用最小二乘法进行圆拟合,获得相机坐标系下的旋转中心坐标(Xccdr,Yccdr),在世界坐标
    系中,平台旋转中心(XR,YR)已知,使用步骤S2中得到的a、b的标定公式计算得出a、b的值:
    <mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>a</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>X</mi> <mi>R</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>&lsqb;</mo> <msub> <mi>l</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>X</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&theta;</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>l</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&theta;</mi> <mo>&rsqb;</mo> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>b</mi> <mo>=</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mi>R</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>&lsqb;</mo> <msub> <mi>l</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>X</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&theta;</mi> <mo>+</mo> <msub> <mi>l</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mo>&CenterDot;</mo> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&theta;</mi> <mo>&rsqb;</mo> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>;</mo> </mrow>
    相机移动情况下a、b的标定通过标定公式求得:
    <mrow> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>a</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>X</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>X</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>b</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>b</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>Y</mi> <mrow> <mi>c</mi> <mi>c</mi> <mi>d</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>.</mo> </mrow>
    5.如权利要求4所述的标定方法,其特征在于,步骤S4中,根据求得的转化公式,根据图
    像坐标系坐标(U,V)到世界坐标系坐标(XW,YW)的转化关系式对坐标
    转化过程中的误差数据进行量化处理。
    6.如权利要求5所述的标定方法,其特征在于,步骤S5中,建立UVW平台的旋转模型的步
    骤如下:
    S51.旋转UVW平台,获取若干个PCB板的mark点圆心;
    S52.用最小二乘法进行圆拟合,获得相机坐标系下的圆心坐标(Xccdr,Yccdr);
    S53.将相机坐标系下的圆心坐标转换至世界坐标系,即得到UVW平台的旋转模型。
    7.如权利要求6所述的标定方法,其特征在于,步骤S6中,相机标定的具体步骤如下:
    S61.根据步骤S5中得到的UVW平台的旋转模型,对基于PCB板的平台进行调整,平台调
    整包括UVW平台三个电机轴的平移移动量和旋转移动量;
    S62.根据计算得到的UVW平台的平移移动量和旋转移动量移动UVW平台,验证对位精
    度;
    S63.如果对位精度满足要求,则说明标定有效,相机标定结束;否则,标定失败,此时继
    续重复步骤S3-S6直到标定结果满足要求。

    说明书

    一种锡膏印刷机相机的标定方法

    技术领域

    本发明属于图像处理技术领域,涉及一种锡膏印刷机相机的标定方法,该方法的
    标定结果在标定精度方面有大幅提升。

    背景技术

    在PCB贴装生产中,第一道工序是锡膏印刷,锡膏印刷机作为PCB贴装生产线的关
    键设备之一,其印刷质量的好坏,直接影响到后续工艺流程和产品质量。随着电子产品朝着
    小型化、轻型化和高可靠性方向发展,使得表面贴装电子元器件也不断朝着轻薄微小的高
    集成方向发展,主动元器件的尺寸变得越来越小,被动元件的尺寸也在减小。对锡膏印刷设
    备印刷精度的要求也越来越高。因此,作为印刷前的一个重要环节,精确的对位是提高全自
    动锡膏印刷机质量的关键,而对锡膏印刷机相机进行精确的标定是对位的前提。

    锡膏印刷机相机标定就是指在图像测量过程中,求取几何模型的关键参数,为后
    续确保PCB和钢网上对应孔位对准提供保障,以便后续将PCB上升与钢网贴合,进行锡膏印
    刷。传统的锡膏印刷机相机的标定方法,由于没有考虑到从最初由相机拍摄图像到最终由
    电机驱动UVW平台运动的整个过程,没有建立整个锡膏印刷机的坐标系系统,没有系统的坐
    标转化,所以对印刷平台的对位方法误差较大,对位结果不是很精确,并且效率低下。已经
    不能满足提高电子产品锡膏印刷质量和印刷过程中整个印刷效率的要求。

    由于存在上述缺陷和不足,本领域亟需做出进一步的完善和改进,设计一种锡膏
    印刷机相机的标定方法,使其能够克服锡膏印刷机在使用过程中出现的印刷平台对位结果
    不准确、效率低下等缺点,提高其对位精度,满足使用需求。

    发明内容

    针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种关于锡膏印刷机相机的
    标定方法,通过对钢网和PCB图像的Mark点进行处理,求取几何模型关键参数,建立UVW平台
    旋转模型,根据印刷机平台调整量移动平台,检查对位精度,验证相机标定效果。该方法在
    标定精度方面有大幅提升,且操作简单,降低了运算的复杂度,标定速度快,易于编码实现。

    为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种锡膏印刷机相机的标定方
    法,其特征在于,所述锡膏印刷机的底部为PCB板,所述PCB板设置在UVW平台上,所述PCB板
    的正上方为一钢网,该PCB板和钢网的中间有一分光镜,在分光镜的前后分别设置有一相机
    和一个平面反射镜,该标定方法具体包括以下步骤:

    S1.针对上述锡膏印刷机的结构,在该锡膏印刷机上建立四个坐标系,分别是:在
    相机采集的图像上建立的图像坐标系、在相机上建立的相机坐标系、基于相机视野建立的
    参考坐标系和当锡膏印刷机的电机轴挡片处于零位时建立的世界坐标系;

    S2.将锡膏印刷机的上述坐标系之间进行坐标转化:对步骤S1中建立的四个坐标
    系进行分析,依次建立各个坐标系之间的坐标转化关系,包括:图像坐标系到相机坐标系的
    转化、相机坐标系到参考坐标系的转化、参考坐标系到世界坐标系的转化;

    S3.采集图像,对坐标系系统中的关键参数进行标定,得到各个坐标系之间的转化
    公式;

    S4.根据步骤S3中的得到各个坐标系之间的转化公式,对图像坐标系中的坐标转
    化到世界坐标系的坐标时产生的误差进行分析,并对坐标转化过程中的误差数据进行量化
    处理;

    S5.建立UVW平台的旋转模型,在UVW平台处于零位时,计算UVW平台模型的旋转中
    心,即得到UVW平台的旋转模型;

    S6.基于步骤S5中建立的UVW平台旋转模型,计算UVW平台的移动量,并对UVW平台
    进行对位调整,完成相机标定。

    进一步优选地,步骤S1中,所述图像坐标系是在相机拍摄的图像上建立的坐标系,
    其坐标原点位于图像左上角,坐标单位是pixel;

    所述相机坐标系是建立在相机上的坐标系,坐标单位是pixel;

    所述参考坐标系是以相机视野建立的坐标系,该坐标系面对PCB板建立,以相机视
    野下边缘为坐标系X轴,以相机视野右边缘为坐标系Y轴,坐标单位是mm;

    世界坐标系是根据锡膏印刷机的三个电机轴挡片处于零位时建立的坐标系,当电
    机挡片回到零位的时候,视为电机归零;将Y1零位和Y2零位的连线作为X轴,过X零位且垂直
    于X轴的直线作为Y轴,建立世界坐标系,坐标单位是mm。

    进一步优选地,步骤S2中,所述坐标系之间进行坐标转化包括以下步骤:

    S21.从图像坐标系(U,V)到相机坐标系(Occd,Xccd,Yccd)的坐标转化,其转化公式
    为:

    式中,W为图像宽度,(U,V)为图像坐标系中的点的坐标,(Xccd,Yccd)为相机坐标系
    中相应点的坐标;

    S22.从相机坐标系(OccdXccdYccd)到参考坐标系(OR,XR,YR)的坐标转化,记
    则其转化公式为:

    式中,(XR,YR)为参考坐标系中的点的坐标,(Xccd,Yccd)为相机坐标系中相应点的坐
    标;

    S23.从参考坐标系(OR,XR,YR)到世界坐标系(Ow,Xw,Yw)的坐标转化,其转化公式
    为:

    式中,(XW,YW)为世界坐标系中的点的坐标,(XR,YR)为参考坐标系中相应点的坐
    标,

    S24.联立公式和公式得到:


    在以上公式中,参数lx,ly,θ,a,b需要标定获得。

    进一步优选地,对转化公式中lx、ly、θ、a、b这几个关键参数进行标定,其具体步骤
    如下:

    S31.使用锡膏印刷机上的相机拍摄PCB上的Mark点在未移动、沿X轴正方向移动、
    沿Y轴正方向移动的三幅图像,记录下Mark点圆心坐标,使用步骤S2中得到的lx、ly的标定公
    式计算得出lx、ly的值:


    S32.使用步骤S2中得到的θ的标定公式计算得到θ的值:

    θ=atan2(Yccd1-Yccd2,Xccd2-Xccd1);

    S33.对参数a、b的标定,每旋转锡膏印刷机UVW平台一次,拍摄一组PCB的Mark点图
    像,这样旋转若干次,获取若干个PCB的Mark点图像,在已建立的坐标系中求得Mark点圆心
    坐标,用最小二乘法进行圆拟合,获得相机坐标系下的旋转中心坐标(Xccdr,Yccdr),在世界坐
    标系中,平台旋转中心(XR,YR)已知,使用步骤S2中得到的a、b的标定公式计算得出a、b的值:


    相机移动情况下a、b的标定通过标定公式求得:


    进一步优选地,步骤S4中,根据求得的转化公式,根据图像坐标系坐标(U,V)到世
    界坐标系坐标(XW,YW)的转化关系式对坐标转化过程中的误差数据进
    行量化处理。

    进一步优选地,步骤S5中,建立UVW平台的旋转模型的步骤如下:

    S51.旋转UVW平台,获取若干个PCB板的mark点圆心;

    S52.用最小二乘法进行圆拟合,获得相机坐标系下的圆心坐标(Xccdr,Yccdr);

    S53.将相机坐标系下的圆心坐标转换至世界坐标系,即得到UVW平台的旋转模型。

    进一步优选地,步骤S6中,相机标定的具体步骤如下:

    S61.根据步骤S5中得到的UVW平台的旋转模型,对基于PCB板的平台进行调整,平
    台调整包括UVW平台三个电机轴的平移移动量和旋转移动量;

    S62.根据计算得到的UVW平台的平移移动量和旋转移动量移动UVW平台,验证对位
    精度;

    S63.如果对位精度满足要求,则说明标定有效,相机标定结束;否则,标定失败,此
    时继续重复步骤S3-S6直到标定结果满足要求。

    总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,具有以下优点和
    有益效果:

    (1)本发明提出的锡膏印刷机相机标定方法,考虑到从最初由相机拍摄图像到最
    终由电机驱动UVW平台运动的整个过程,建立整个锡膏印刷机的坐标系系统,本发明在标定
    精度方面有大幅提升,能够克服原有的印刷机的标定结果不精确和效率低下的特点,从而
    满足锡膏印刷机在生产微型电子元器件时的精度要求。

    (2)本发明的标定方法仅仅采用6个步骤即可以实现对相机的标定,且在标定过程
    中,需要采集的图像数据少,操作过程简单易行,且计算过程简单,降低运算的复杂度,速度
    快,并且易于编码实现。

    附图说明

    图1是分光镜结构及光路示意图;

    图2是PCB与钢网对位示意图;

    图3是各个坐标系空间位置示意图;

    图4是相机下视示意图;

    图5是相机上视示意图;

    图6是图像坐标系示意图;

    图7是相机坐标系示意图;

    图8是参考坐标系示意图;

    图9是世界坐标系示意图一;

    图10是世界坐标系示意图二;

    图11是X电机零位示意图;

    图12是Y1电机零位示意图;

    图13是Y2电机零位示意图;

    图14是图像坐标系坐标;

    图15是相机坐标系坐标;

    图16是图像坐标系与相机坐标系对应关系示意图;

    图17是相机坐标系与参考坐标系对应关系示意图;

    图18是参考坐标系与世界坐标系对应关系示意图;

    图19是世界坐标系中PCB上Mark点圆心平移示意图;

    图20是平移过程中相机坐标系中对应mark点示意图;

    图21是世界坐标系中A1到A2示意图;

    图22是相机坐标系中A1到A2示意图;

    图23是世界坐标系中PCB上mark点旋转示意图;

    图24是相机坐标系中mark点旋转示意图;

    图25是相机移动示意图;

    图26是本发明的相机标定方法流程图。

    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。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
    彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

    如图1所示,本发明实施例的锡膏印刷机相机标定的装置包括,钢网、PCB、光源1、
    光源2、采集图像所用的相机、分光镜、平面反射镜。钢网位于相机的正上方,PCB位于相机的
    正下方。采集钢网上的Mark点图像是使用的光源是光源2,采集PCB上的Mark点所用的光源
    是光源1。采集图像时,依次打开光源1和光源2,采集PCB和钢网上的Mark点图像。通过图像
    采集卡将数据传递给计算机,计算机通过基于本发明的算法编写的图像处理软件,对图像
    进行相应的处理,得到需要的处理结果,比如Mark点圆心坐标等。

    (1)锡膏印刷机坐标系系统建立步骤

    如图1、图2、图3所示,结合锡膏印刷机结构以及实际生产情况,在锡膏印刷机上建
    立4个坐标系,分别是图像坐标系、相机坐标系、参考坐标系、世界坐标系。

    相机下视PCB板时的光路如图4所示。其中,OR,XR,YR坐标系中点A、B、C、OR在相机坐
    标系Occd,Xccd,Yccd的对应点为A″、B″、C″、Occd,在图像坐标系(U,V)的对应点为A′、B′、C′、
    O′ccd。在图像坐标系中获取A′、B′、C′的坐标,将其转化到相机坐标系OccdXccdYccd中,再转化
    到参考坐标系ORXRYR中,最后转化到世界坐标系OwXwYw。

    相机上视钢网时的光路如图5所示。其中,钢网上的点A、B、C在相机坐标系
    OccdXccdYccd的对应点为A″、B″、C″,在图像坐标系(U,V)的对应点为A′、B′、C′。同相机下视的
    坐标系转化,将图像坐标系的坐标转化到世界坐标系中,在世界坐标系内对钢网上的点的
    坐标和PCB上点的坐标进行比对。

    如图6所示,为相机拍摄的图像,建立图像坐标系(U,V),坐标原点OI在图像的左上
    角。坐标单位:pixel。

    如图7所示建立相机坐标系,相机坐标系单位仍为pixel。

    如图8所示建立参考坐标系,参考坐标系是以相机视野建立的坐标系,坐标单位为
    mm。面对PCB板,以视野下边缘为X轴,右边缘为Y轴,右下角交点为原点。

    如图11、12、13所示,当电机挡片回到零位的时候,视为电机归零。当挡片的右边缘
    碰触到X零位时,视为X电机归零。当挡片的下边缘碰触到Y1零位时,视为电机Y1归零。当挡
    片的下边缘碰触到Y2零位时,视为电机Y2归零。Y1零位和Y2零位的连线作为X轴,过X零位且
    垂直于X轴的直线作为Y轴,如图9、10建立世界坐标系OWXWYW。

    (2)锡膏印刷机坐标系系统坐标转化步骤

    对步骤(1)中建立的4个坐标系进行分析,依次建立坐标系之间的坐标转化关系,
    共包括3个坐标系转化:图像坐标系到相机坐标系转化、相机坐标系到参考坐标系转化、参
    考坐标系到世界坐标系转化。由图14、15、16可知,图像坐标系与相机坐标系的转化公式为:


    式中,W为图像宽度。(U,V)为图像坐标系中的点的坐标,(Xccd,Yccd)为相机坐标系
    中的点的坐标。

    如图17所示,在各个坐标系空间位置示意图中,去掉分光镜,相机坐标系与参考坐
    标系的关系可看做上图。记则相机坐标系到参考坐标系的转化公式为:


    其中,(XR,YR)为参考坐标系中的点的坐标,(Xccd,Yccd)为相机坐标系中的点的坐
    标。

    规定由Xw转向Yw为θ的正方向。如图18所示,参考坐标系OR,XR,YR到世界坐标系OW,
    XW,YW的转化公式为:


    其中,(XW,YW)为世界坐标系中的点的坐标,(XR,YR)为参考坐标系中的点的坐标。

    联立公式和公式可得:


    在以上公式中,有参数lx,ly,θ,a,b需要标定获得。

    (3)坐标系系统关键参数标定

    根据步骤(2)的坐标转化,需要求解的坐标系统几何模型参数有5个,需要拍摄PCB
    上Mark点在电机未移动、沿X轴正方向移动、沿Y轴正方向移动时的图片,计算图片Mark点圆
    心坐标,根据附图所示的几何模型,建立求解公式,能够得到其中3个关键参数;每旋转锡膏
    印刷机UVW平台一次,拍摄一组PCB的Mark点图像,这样旋转若干次,获取若干组PCB的Mark
    点图像,在已建立的坐标系中处理图片求得Mark点圆心坐标,用最小二乘法进行圆拟合,获
    得相机坐标系下的旋转中心坐标,在世界坐标系中,印刷平台旋转中心已知,通过求解公式
    可以求得其余2个关键参数a、b的值。在移动情况下a、b的标定,在坐标系中,根据相机移动
    的坐标值,可以求得在移动情况下a、b的值。

    1.关键参数lx,ly的标定

    如图19、20所示,记A1、A2、A3为PCB板上Mark点在未移动、沿X正方向移动、沿Y正方
    向移动时的圆心位置。

    A1点朝X正方向移动至A2,移动距离为dX=X2-X1;

    A2点朝Y正方向移动至A3,移动距离为dY=Y13-Y12=Y23-Y22。

    (Xi、Y1i、Y2i分别为UVW平台电机X、Y1和Y2的读数)


    2.关键参数θ的标定

    θ的计算说明:

    如图21、22所示

    α=atan2(Yccd2-Yccd1,Xccd2-Xccd1)

    ∵α=-θ

    ∴θ=-α=atan2(Yccd1-Yccd2,Xccd2-Xccd1)

    3.关键参数a、b的标定

    旋转UVW平台,用获取若干个PCB板的mark点圆心,用最小二乘法进行圆拟合,获得
    相机坐标系下的圆心坐标(Xccdr,Yccdr)。如图23所示,在世界坐标系中,平台旋转中心(XR,
    YR)已知,则根据图24所示,a,b可通过下面的公式求得:


    如图25所示,相机移动情况下a、b的标定:


    注:(Xccd1,Yccd1)(Xccd2,Yccd2)分别为相机在拍摄左上Mark孔(标定基准位)和右下
    Mark孔时的位置坐标。

    (4)图像坐标系到世界坐标系的坐标转化误差分析

    图像坐标系坐标(U,V)到世界坐标系坐标(XW,YW)的转化关系式如下:

    XW=(lx·Xccd·cosθ-ly·Yccd·sinθ)+a0+Δa

    =[lx·(W-U)·cosθ-ly·V·sinθ]+XR-lx·Xccdr·cosθ+ly·Yccdr·sinθ

    =lx·cosθ·(W-U-Xccdr)+ly·sinθ·(-V+Yccdr)+XR+Δa

    即:

    XW=f(U,V,Xccdr,Yccdr,XR,Δa)=lx·cosθ·(W-U-Xccdr)+ly·sinθ·(-V+Yccdr)+XR
    +Δa

    =gx(U,V,Xccdr,Yccdr)+XR+Δa

    其中,

    CCDX0表示相机标定位的位置坐标X(相机位置坐标系),CCDX表示相机测试位的坐
    标X。此处,相机位置坐标不同于相机坐标系和世界坐标系。

    YW=f(U,V,Xccdr,Yccdr,YR,Δb)=lx·sinθ·(W-U-Xccdr)+ly·cosθ·(V-Yccdr)+YR+
    Δb

    =gy(U,V,Xccdr,Yccdr)+YR+Δb

    其中,

    CCDY0表示相机标定位的位置坐标Y(相机位置坐标系),CCDY表示相机测试位的坐
    标Y。

    其中,W为图像宽度,(Xccdr,Yccdr)为在相机坐标系下拟合的圆心坐标,(XR,YR)为在
    世界坐标系下UVW平台的旋转中心坐标。

    另外,lx,ly,θ表达式如下:



    θ=atan2(Yccd1-Yccd2,Xccd2-Xccd1)

    =atan2(V1-V2,U1-U2)

    (5)UVW平台旋转模型建立,在UVW平台处于零位时,计算与旋转模型有关的参数,
    得到UVW旋转平台模型。

    (6)锡膏印刷机印刷平台调整量计算

    在步骤(5)之后,整个锡膏印刷机系统模型基本建立完成。计算基于PCB模板的平
    台调整和基于钢网模板和PCB模板的平台调整,平台调整包括UVW平台3个电机轴的平移移
    动量和旋转移动量。如果根据计算得到的UVW平台的移动量移动UVW平台,验证对位精度,如
    果精度满足要求,则说明相机标定有效,对位结束。否则,相机标定失败,此时继续重复(3)、
    (4)、(5)、(6)直到满足对位结果满足要求为止。

    本发明实施例的锡膏印刷机相机的标定方法的具体实施步骤说明如下:

    通过本发明所提出的方法,可以对锡膏印刷机相机进行标定,提升锡膏印刷机印
    刷平台对位精度,求出关键几何模型参数。通过对钢网和PCB的实时图像与模板图像的Mark
    点进行处理,进行位置误差补偿,实现对位。相比与传统的锡膏印刷机相机的标定方法,本
    发明在标定精度和标定效率方面有大幅提升。同时,本发明的算法复杂度不高,易于编程实
    现。

    本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以
    限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含
    在本发明的?;し段е?。

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    本文标题:一种锡膏印刷机相机的标定方法.pdf
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