专利名称：用于实现n步相移法的测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及三维物体测量技术，尤其是在使用N步相移法测量物体的过程中，用于实现N步相移法的测量装置，可以应用于SMT(表面贴装技术)领域中的锡膏印刷检测。
背景技术：
锡膏印刷流程会产生很多缺陷已经是一个不争的事实，一些报道甚至指出这类缺陷数量已占总缺陷数量的80%，另外一个众所周知事实是锡膏量是判断焊点质量及其可靠性的一个重要指标。采用三维锡膏检测(SPI)技术将有助于减少印刷流程中产生焊点缺陷，而且可通过最低返工(如清洗电路板)成本来减少废品带来的损失，另外一个好处是焊点可靠性将得到保证。计算结果表明:回流焊前锡膏印刷缺陷损失比回流焊后印刷缺陷损失小10倍，比在线测试缺陷损失要小70倍，比平面缺陷损失要小700倍。由此可见，随着锡膏检测技术的问世，结合了锡膏印刷和回流焊前三维锡膏检测的流程控制就势在必行，而且，线内流程控制已成为提高可靠性和节省成本一个机会。目前常见的三维测量方法，主要分为接触式和非接触式两大类。对于接触式测量来说，采用类似三坐标测量机这样的设备，使用探针接触测量物体表面来进行物体形状测量，该方法的缺点显而易见，速度慢，且对类似锡膏这样的柔性物体无效。而对于非接触式测量，由于测量速度快，并且不接触测量对象，所以具有明显优势，目前主要基于三大类技术:双目视觉、激光扫描和正弦条纹投影。其中，双目视觉设备成本较高，且整个系统结构和标定都极为复杂，所以在工业检测领域很少采用。激光扫描法，采用的测量原理跟正弦条纹投影是一样的，不同之处在于，前者采用单条激光进行测量，每次只能测量一条光线上的物点，总体速度要慢于 正弦条纹投影。所以，目前业界普遍采用的还是基于正弦条纹的投影算法进行三维物体检测。但是在这种方法中使用的实现装置，容易出现条纹堆积以及反光、阴影等光学问题，给测量带来负面影响，致使测量结果不准确。
实用新型内容为此，本实用新型其针对SMT领域中存在的锡膏印刷检测精度问题，提供一种用于实现N步相移法的测量装置，以获得锡膏的面积、中心、高度、形状、体积等参数，从而确定锡膏印刷是否合格。为实现上述目的，本实用新型采取以下技术方案:一种用于实现N步相移法的测量装置，其特征在于，包括一工作台，在工作台上固定一立柱，在立柱上可变化高度地固定一相机和一光栅安装架，所述光栅安装架上安装有多个光栅组件，所述光栅组件包括一滑动设置在光栅安装架上的光栅片，和位于光栅片上方的平行光源，所述光栅片由陶瓷马达驱动连接，所述相机和陶瓷马达由计算机控制连接，所述相机和光栅片都能对照到下方的待测物上。[0007]所述相机和光栅安装架通过多位螺栓孔安装在立柱上，通过孔位的变化改变其在立柱上的安装高度。所述相机和光栅安装架通过滑块滑动设置在立柱上的滑轨上，所述滑块由马达驱动连接。所述光栅安装架向四周分支出多个光栅框架，在各所述光栅框架上安装光栅组件。所述光栅安装架上设置有滑轨，滑轨上设置有滑块，所述滑块由所述陶瓷马达驱动连接，在所述滑块上安装有所述光栅片。或者所述光栅框架上设置有滑轨，滑轨上设置有滑块，所述滑块由所述陶瓷马达驱动连接，在所述滑块上安装有所述光栅片。所述光栅组件还包括一设置在光栅片下方的光栅投影镜头。所述光栅片为正弦光栅或朗奇光栅。本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点:本实用新型是为实现N步相移测量法而设计，核心包括了采样相机和光栅的一体化装置，结构简单易操作，多个光栅安装在一个相机周围，可以同时拍摄，利于N步测量法的实现。
图1是变形条纹图像；图2是三角测量原理图；图3是测量方法流程图；图4是测量装置正面视图；图5是测量装置侧面视图；图6是测量装置俯视图；图7是测量装置立体图；图8是测量装置局部拆解视图；图9是光栅组件的主要结构剖视图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。在介绍本实用新型之前，先介绍一下N步相移法(也叫做PMP算法)的原理:当正弦光栅模板被投影到三维漫反射物体表面时，会在物体表面形成变形条纹像如图1所示，可用公式表示为:I (x, y) = A (x, y) +B (x, y) *cos [ Φ (x, y) ] (I)上式中，I(x，y)表示平面坐标为(x，y)的物点的光强，A(x，y)是背景强度，B(x，y)/A(x,y)是条纹对比度，位相函数Φ (x,y)表示由于物体表面形状引起的条纹变形，因而包含被测物体高度信息。关于位相函数Φ (x，y)可以这么理解:由于光栅投影后，在物体上获得的条纹是一个正弦条纹，也就是说，沿着垂直于条纹的方向，光强成正弦分布，所谓的条纹周期，就是沿着条纹垂直方向，光强从最亮到下一次最亮的距离。以该垂线上任何一点为参考点，那么其他点相对该参考点的位相就用函数Φ (X，y)来表示。[0029]所谓N步相移法，就是投影光栅每横向移动(即与条纹垂直方向)到第n/N步，就产生一条变形条纹像In(X，y):In(x, y) = An(x, y)+Bn(x, y)*cos[<i)n(x, y)] (2),连续移动并且获取K帧(3 < K < N)变形条纹像，从而可以求得该点的位相分布:Φ (x, y) = arctg{[ Σ In(x, y) *sin (2 π n/N) ] / [ Σ Ιη(χ, y) *cos (2 π n/N) ]}⑶。(2)、(3)式中，η = I…K, 3≤K≤N, _In(x, y)是光栅运动到第η步获得的x, y点的光强，可以拍照后从图像中直接获取到；An(X，y)、Bn(X，y)是常量，所以从以上公式中，可以求得Φ (X，y) °对于N步相移算法，每次必须移动1/N，比如四步相移，那么每次光栅都移动1/4。由上式计算得到的位相分布Φ (x，y)，由于反三角函数的性质，会被截断在其主值范围内，即在±kJi处不连续(K是自然数)，所以必须使用解包裹算法可以恢复Φ (x,y)原有的连续分布形式。所谓包裹，也叫位相卷折，是指当物体相对于基准面的高度超过一个条纹周期时，会出现许多条纹挤在一处无法区分的情况，从而影响位相计算。这时候，就需要通过一定的算法将每个点的位相还原到合理区间。我们采用的解包裹算法就是:假定物体高度引起的条纹位相变化，不会超过一个条纹周期(也就是本实用新型暗含一个限制:不能测量高度超过条纹周期的物体)，所以，我们通过以上公式求得变形位相Φ (x,y)之后，会用Φ (x,y)减去该点的初始位相( 初始位相就是待测物点在基准面上投影点的位相<K(x，y)，相当于该物点高度为零时的位相)，并要求该相位差必须落在-η到+ η范围内。如果一旦发现相位差超出这个范围了，我们就会自动将变形位相Φ (X，y)加上或者减去一个周期π，直到满足限制为止。根据系统本身的结构参数，可以计算在参考平面上空间结构光场的位相分布，建立参考平面坐标R(x，y)与初始位相Φο(χ，y)之间的映射关系，将这一映射关系以数据表的形式存储在计算机中备用即可(映射表的建立，也可以通过对一基准平面进行实际测量来确定)。当得知了某一物点的初始位相<K(x, y)和具有一定高度后的变形位相ΦΗ(χ，y)后，用[ΦΗ(χ，υ)-Φ0(χ.y)]*p/(2n)就可计算得到该物点的平面距离变化。由于我们获得的条纹像是正弦条纹，也就是说，位相变化一个周期，引起的平面距离变化为2 π，所以实际的平面距离变化公式是AB = [ΦΗ(χ, γ)-Φ0(χ, γ)]*ρ/(2π)，其中ρ为投影得到的条纹周期，也是系统常量，在结构装配完成后标定即可获得。在知道了平面距离变化AB之后，再利用三角测量法就可以进一步求得物点的高度了，原理是:如图2所不，在图2中，设:R为基准面，C为采样相机，P为光栅(所谓光栅，其实就是在一块透明玻璃上刻上许多等距等宽的刻线，使得光线透过该玻璃进行投射时，会在背面形成明暗相间的条纹状投影)；相机C与光栅P处于同一水平面上，且光心之间的水平距离为D，相机C光心在基准面R上的垂直投影点为0，光心与基准面的垂直距离为L ;再设:H为需要测量高度的物点，H在基准面R上的垂直投影点为H'，HH' = h ;光栅P光心与H连线的延长线在基准面R上的交点为A，相机C光心与H连线的延长线在基准面R上的交点为B。[0041 ] 从图2中可以显而易见的看出，两个三角形HBA和HCP是相似三角形，为了求得物点H距基准面R的高度h，我们可以利用两个相似三角形的关系:h/L = AB/ (AB+D)从以上公式进行推导，我们可以获知:h = L*AB/ (AB+D) (4)因为L和D均为硬件系统结构参数，在结构装配完成后即可标定获得。因此，只需要通过某种方法获得AB的长度，就可以求出物点H的高度h 了。上面的N步相移法就是求出了 AB0综合每一个物点的高度数据，就可以进一步获得锡膏的面积、中心、高度、体积、形状等三维数据，根据以上数据，就可以判定锡膏是否合格。综上所述，测量的具体流程是:如图3所示，I)设置包括采杆相机、光源和移动光栅的测量装置，测量装置的各项参数预先已标定，并将采样相机和移动光栅所用的陶瓷马达与计算机连接，准备开始；2)将一测量基准面放置在装置下方，使得基准面上可以获得清晰的条纹像；3)打开光源，控制陶瓷马达使光栅移动到原点位置，相机对原点位置的变形条纹像进行拍照，存储于计算机中；4)控制陶瓷马达带动光栅依次移动到条纹周期的n/N位置，η = 1...(N_l)，每移动一次，相机都对变形条纹像进行拍照存储于计算机中；5)在获得的各幅照片中，至少取连续三次拍摄结果，计算机分别提取同一像素点(X，y)的像素灰度值In(X，y)，即光强值，并利用N步相移法，求得该像素点的初始位相Φο(χ，y);其他像素点的初始位相也用同样方法求得；6)将具有一定高度的待测物放置在基准面上，使得待测物上可以获得清晰的条纹像；7)同样按照上述3) -6)步的操作，利用N步相移法求得待测物与基准面上的对应像素点在高度变化后产生的变形位相Φη(χ，7);8)利用公式AB = [ Φ Η (X，y) - Φ。(X，y) ] *ρ/ (2 π )，求得该像素点的平面距离变化，其中P为投影得到的条纹周期，是系统常量；9)根据三角测量公式:h = L*AB/ (AB+D)，计算出该像素点的高度h，其中L为相机光心到基准面的垂直距离，D为相机与光栅光心之间的水平距离；10)利用7)-9)步的计算方法，求得待测物其他像素点的高度，综合待测物上每个像素点的高度数据，就可以获得待测物的高度、面积、中心、体积、形状等三维-数据；11)根据待测物的高度、面积、中心、体积、形状等三维数据，判定锡膏是否合格。在计算像素点高度的过程中，由于光栅是斜向投射的(本实用新型使用正弦光栅或朗奇光栅都可以)，所以会在物体表面形成类似镜面反射和阴影区域的光学效果，从而影响位相测量的精确度。我们可以结合多组光栅的测量结果，并且根据权重求出加权平均值，将实际测量结果乘以加权平均值，这样可以得到较为科学的结论，有效避免反光、阴影等光学问题。因此，为了实现N步相移法，本实用新型采用的测量装置为:如图4 8所示，一组合工作台1，其上固定有相机支架2和光栅安装架3。在相机支架2和光栅安装架3上分别可变化位置地固定有相机4和光栅组件5。其中相机4有一台足以，光栅组件5则可以设置多组。进一步讲，相机支架2包括一固定于工作台I上的立柱21，在立柱21上纵向设置两排螺栓孔22，两排螺栓孔22上通过螺栓固定有一相机滑块23，所述相机4安装于相机滑块23上。由于螺栓孔22为多个，所以变换相机滑块23在螺栓孔上的位置，就可以变相调节相机4在相机支架2上的高度，即所谓可变化位置地固定。或者，在立柱21上设置两条滑轨，相机滑块23滑设于所述滑轨上，并由固定在立柱上的马达驱动连接。当相机滑块23沿滑轨滑动时，相机4也随之移动，从而变换高度。光栅安装架3可以是包括一固定于工作台I上的立柱,和立柱上安装一光栅框架31，光栅框架上水平安装所述光栅组件5，光栅组件5可在光栅框架31上水平移动。当有多组光栅组件5时，设立多个立柱和多个光栅框架，一个光栅框架对应安装一个光栅组件，光栅框架在立柱上的安装方式可以采取如上所述的两种相机支架2与相机4之间的安装方式，即为可变化高度位置地固定(图4 8中没有视出这种结构)。如图4、7所示，更为优选的是，光栅安装架3可以是借助于立柱21而安装的，此时光栅安装架3与相机滑块23 —样，也是通过螺栓孔22或滑轨在立柱21上可变化位置地固定，相机滑块23与光栅安装架3在立柱上呈上、下位置地设置。在光栅安装架3上分支出多个光栅框架31，每个光栅框架31上用于安装一个光栅组件5。如图8所示，在光栅框架31内部设置有两条光栅滑轨14，沿趋向/远离于装置中心的方向设置；在两条光栅滑轨14的中间位置设置有镜头孔32。光栅滑轨14上设有光栅滑块6，光栅滑块6由固定在马达安装座12上的陶瓷马达13驱动。光栅组件5包括了一固定在光栅滑块6上的光栅安装板7,光栅安装板7上固定有光栅片8,光栅片8覆盖于镜头孔32之上；在镜头孔32以下部分安装的是一光栅投影镜头9。光栅组件5还包括了一光栅保护罩10，罩设在光栅框架31上，将光栅框架31以上的光栅滑轨14、光栅滑块6、光栅安装板7、光栅片8都保护在里面。在光栅保护罩10的中心也有一个光源孔15，在光源孔15的顶部安放平行光源11。关于本装置的使用方法是:1、首先将测量基准面R放置在整个装置下方，使得基准面R上可以获得清晰的条纹像；2、打开平行光源11 ；3、计算机控制软件发出电压0V，驱动陶瓷马达13回到原点位置，从而带动光栅滑块6上的光栅片8回到起始位置；4、同时使用相机4进行拍照，并将拍摄获得的图像传送给计算机中的软件进行存储；5、控制软件再发出适当的电压值，驱动陶瓷马达13向前运动1/5周期(假设此实施例中将周期分为5步)，从而带动光栅滑块6上的光栅片8向前移动1/5周期；6、同时使用相机4进行拍照，并将拍摄获得的图像传送给计算机中的软件进行存储；7、继续控制软件发出适当的电压，驱动陶瓷马达13再向前运动1/5周期，从而带动光栅滑块6上的光栅片8也继续向前移动1/5周期；[0075]8、同时使用相机4进行拍照，并将拍摄获得的图像传送给计算机中的软件进行存储；9、如此按照5-6步(或7-8步的方式循环操作，每次向前移动1/5周期，直至运动到第4/5周期，每次移动都使用相机4进行拍照，并将拍摄获得的图像传送给计算机中的软件进行存储；10、在以上步骤3-10中获得的五幅照片中，计算机分别提取同一点(X，y)的像素灰度值In(x，y)，即光强值；11、将五组光强值In(X，y)代入公式(4)，获得平面处物点H(x，y)的初始位相Φ( (χ，y)，此过程由计算机完成；12、将具有一定高度(高度不能超过待测物变形条纹周期)的待测量物放置在整个装置下方的基准面R上；13、同样按照上述2-11步的操作，计算得到物点H在高度变化前后产生的变形位相ΦΗ(Χ，y),此过程由计算机完成；-14、将13步得到的变形位相ΦΗ(χ, y)与11步得到的初始位相Φ0(χ，y)做减，得到高度变化产生的位相差Φη(Χ，7)-Φο(χ，7)，此过程由计算机完成；15、由于我们获得的条纹像是正弦条纹，也就是说，位相变化一个周期，引起的平面距离变化为2 31 ,所以当位相变化为ΦΗ(χ, γ)-φ0(χ, y)时,所产生的平面距离变化就是[φΗ(χ,γ)-φ0 (X，y) ] *p/ (2 π )，也就是平面距离ΑΒ，其中P为投影得到的条纹周期，也是系统常量，此过程由计算机完成；16、获得AB后 ，即可根据公式⑴求得物点H的高度h，此过程由计算机完成。
权利要求1.一种用于实现N步相移法的测量装置，其特征在于，包括一工作台，在工作台上固定一立柱，在立柱上可变化高度地固定一相机和一光栅安装架，所述光栅安装架上安装有多个光栅组件，所述光栅组件包括一滑动设置在光栅安装架上的光栅片，和位于光栅片上方的平行光源，所述光栅片由陶瓷马达驱动连接，所述相机和陶瓷马达由计算机控制连接，所述相机和光栅片都能对照到下方的待测物上。
2.根据权利要求1所述的用于实现N步相移法的测量装置，其特征在于，所述相机和光栅安装架通过多位螺栓孔安装在立柱上，通过孔位的变化改变其在立柱上的安装高度。
3.根据权利要求1所述的用于实现N步相移法的测量装置，其特征在于，所述相机和光栅安装架通过滑块滑动设置在立柱上的滑轨上，所述滑块由马达驱动连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的用于实现N步相移法的测量装置，其特征在于，所述光栅安装架向四周分支出多个光栅框架，在各所述光栅框架上安装光栅组件。
5.根据权利要求1或2或3所述的用于实现N步相移法的测量装置，其特征在于，所述光栅安装架上设置有滑轨，滑轨上设置有滑块，所述滑块由所述陶瓷马达驱动连接，在所述滑块上安装有所述光栅片。
6.根据权利要求4所述的用于实现N步相移法的测量装置，其特征在于，每一所述光栅框架上设置有滑轨，滑轨上设置有滑块，所述滑块由所述陶瓷马达驱动连接，在所述滑块上安装有所述光栅片。
7.根据权利要求1或2或3所述的用于实现N步相移法的测量装置，其特征在于，所述光栅组件还包括一设置在光栅片下方的光栅投影镜头。
8.根据权利要求1或2或3或6所述的用于实现N步相移法的测量装置，其特征在于，所述光栅片为正弦光栅或朗奇光栅。
9.根据权利要求5所述的用于实现N步相移法的测量装置，其特征在于，所述光栅片为正弦光栅或朗奇光栅。
10.根据权利要求7所述的用于实现N步相移法的测量装置，其特征在于，所述光栅片为正弦光栅或朗奇光栅。
专利摘要本实用新型公开一种用于实现N步相移法的测量装置，用于锡膏印刷检测，其特征是包括一工作台，在工作台上固定一立柱，在立柱上可变化高度地固定一相机和一光栅安装架，所述光栅安装架上安装有多个光栅组件，所述光栅组件包括一滑动设置在光栅安装架上的光栅片，和位于光栅片上方的平行光源，所述光栅片由陶瓷马达驱动连接，所述相机和陶瓷马达由计算机控制连接，所述相机和光栅片都能对照到下方的待测物上。本实用新型为实现N步相移测量法而设计，核心包括了采样相机和光栅的一体化装置，结构简单易操作，多个光栅安装在一个相机周围，可以同时拍摄，利于N步测量法的实现。
文档编号G01B11/24GK203037221SQ201320036128
公开日2013年7月3日 申请日期2013年1月22日 优先权日2013年1月22日
发明者廖怀宝 申请人:廖怀宝