本發(fā)明涉及精密測試技術(shù)與儀器領(lǐng)域，具體涉及一種高精度小模數(shù)齒輪視覺測量方法。

背景技術(shù)：

小模數(shù)齒輪由于其傳動(dòng)精度高的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空機(jī)械、電子產(chǎn)品、精密機(jī)械、儀器儀表和計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)中。小模數(shù)齒輪受其幾何尺寸與機(jī)械性能的影響，其測量難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于中模數(shù)齒輪。隨著精密制造業(yè)的飛速發(fā)展，對小模數(shù)齒輪精度的要求越來越高，其尺寸也愈來愈小，尤其是微型齒輪的出現(xiàn)，對小模數(shù)齒輪的測量提出了越來越高的挑戰(zhàn)。如何提高小模數(shù)齒輪的測量精度，已逐漸成為近幾年的研究熱點(diǎn)。

小模數(shù)齒輪齒槽空間小、輪齒剛度差、易變形，中心孔徑問題影響定位，在實(shí)際齒輪測量過程中，面臨裝夾困難，很難找到測量基準(zhǔn)，在實(shí)際裝夾工件時(shí)，尤其是對一些不帶芯軸的齒輪工件回轉(zhuǎn)中心與齒輪測量中心的回轉(zhuǎn)中心往往不重合，安裝偏心對齒距誤差和齒廓誤差等的測量結(jié)果均帶來直接的影響，其中，偏心對齒距的影響最大，安裝偏心以近二倍的關(guān)系影響著齒距累積誤差，無法測得各項(xiàng)目的準(zhǔn)確偏差。

機(jī)器視覺(Machine Vision)，是一個(gè)能自動(dòng)獲取一幅或多幅目標(biāo)物體圖像，對所獲取圖像的各種特征量進(jìn)行處理、分析和測量，并對測量結(jié)果做出定性分析和定量解釋，從而得到有關(guān)目標(biāo)物體的某種認(rèn)識并做出相應(yīng)決策的系統(tǒng)。機(jī)器視覺測量系統(tǒng)精度與光學(xué)系統(tǒng)精度、相機(jī)分辨率、攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)、圖像處理算法等密切相關(guān)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決背景技術(shù)中提出的技術(shù)問題，本發(fā)明提出了一種高精度小模數(shù)齒輪視覺測量方法，將獲取的齒輪圖像進(jìn)行1/8亞像素邊緣提取，然后對齒輪的基本參數(shù)進(jìn)行反求，對被測齒輪進(jìn)行中心定位，得到齒輪的齒距偏差和齒廓偏差。

本發(fā)明是采用如下技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)的：

一種高精度小模數(shù)齒輪視覺測量方法，實(shí)現(xiàn)該方法的為一種高精度小模數(shù)齒輪視覺測量系統(tǒng)。

1)該測量系統(tǒng)包括LED光源1、標(biāo)定板2、CCD相機(jī)3、鏡頭4、PC端5、相機(jī)位置調(diào)節(jié)支架6、轉(zhuǎn)臺7，按試驗(yàn)要求對試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行搭建；LED光源1置于轉(zhuǎn)臺7上，標(biāo)定板2放置于LED光源1上，待測齒輪安裝在標(biāo)定板2上，CCD相機(jī)3的鏡頭4對準(zhǔn)待測齒輪；CCD相機(jī)3安裝在相機(jī)位置調(diào)節(jié)支架6上，待測齒輪為小模數(shù)齒輪。PC端5分別與轉(zhuǎn)臺7及CCD相機(jī)3連接。

2)測量系統(tǒng)通過CCD相機(jī)3獲取小模數(shù)齒輪具有邊緣輪廓的圖像，將采集得到的邊緣輪廓的圖像至PC端5；

3)CCD相機(jī)3標(biāo)定，進(jìn)行小模數(shù)齒輪坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換，輸出小模數(shù)齒輪的實(shí)際物理坐標(biāo)，進(jìn)行相關(guān)參數(shù)坐標(biāo)比例因子、旋轉(zhuǎn)矩陣和平移矩陣的計(jì)算。反映測量系統(tǒng)中，待測齒輪與測量系統(tǒng)之間的空間位置關(guān)系。針對小模數(shù)齒輪視覺檢測系統(tǒng)中CCD相機(jī)3與轉(zhuǎn)臺7之間的傾斜問題，對其傾斜進(jìn)行測量計(jì)算并標(biāo)定；

4)進(jìn)行圖像處理，處理的對像是從CCD相機(jī)3采集得到的來的小模數(shù)齒輪邊緣輪廓的圖像，圖像預(yù)處理去噪聲，然后利用halcon開發(fā)板進(jìn)行1/8亞像素邊緣提取，提取邊緣點(diǎn)坐標(biāo)，進(jìn)行中心擬合，求得圖像的中心坐標(biāo)，根據(jù)邊緣點(diǎn)得到齒輪基本參數(shù)，基本參數(shù)為齒數(shù)、模數(shù)、分度圓直徑、壓力角，擬合標(biāo)準(zhǔn)齒輪輪廓曲線，將實(shí)際得到的邊緣輪廓曲線與理論輪廓曲線對比，得到齒距偏差與齒廓偏差。

所述步驟1)，齒輪基本參數(shù)、齒距偏差和齒廓偏差的測量要在4)進(jìn)行1/8亞像素邊緣提取后進(jìn)行。

由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

在一種高精度小模數(shù)齒輪視覺測量，為測量結(jié)果的準(zhǔn)確性提供了有效保證。針對小模數(shù)齒輪進(jìn)行齒距偏差和齒廓偏差測量，能夠更精確地對小模數(shù)齒輪的傳動(dòng)質(zhì)量進(jìn)行評價(jià)。

附圖說明

圖1一種高精度小模數(shù)齒輪視覺測量方法的流程。

圖2傳動(dòng)誤差測量系統(tǒng)框圖。

圖3小模數(shù)齒輪亞像素邊緣提取圖像。

圖4齒廓偏差測量原理圖。

圖5齒距偏差測量原理圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清晰，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。附圖說明用于解釋本發(fā)明方法及實(shí)施例。

本發(fā)明一種高精度小模數(shù)齒輪視覺測量方法的流程如圖1所示，本發(fā)明的具體實(shí)施步驟如下：

首先，參照圖2說明本發(fā)明的高精度小模數(shù)齒輪視覺測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該測量系統(tǒng)包括光源(LED紅光光源，及光源適配器PD3-3024-3-PI，可以調(diào)節(jié)光強(qiáng))、標(biāo)定板(精度為1μm的光刻標(biāo)定板)、CCD相機(jī)(Basler Ace系列面陣攝像頭，型號：acA3800-10gm，1000萬像素，分辨率H*V pixels：3856*2764，感光芯片Aptina MT9J003，芯片讀出：CMOS,滾動(dòng)快門，芯片尺寸：1/2.3”(6.44*4.62)，像素尺寸(μm)：1.67*1.67，幀速率(fps)：10，功率：3.5W，重量：90g。)、鏡頭(MORITEX品牌，MML-5M超高清遠(yuǎn)心鏡頭，支持3.34μm/pixel甚至更低，支持2/3″版面，可變光圈，景深可調(diào)，型號為MML03-HR110D-5M1，光學(xué)放大倍數(shù)：0.3)、計(jì)算機(jī)及halcon開發(fā)板，進(jìn)行測量裝置搭建。

本測量系統(tǒng)的視野范圍：21.47*15.40(mm)，物理精度：4.65*4.68(μm)，經(jīng)過1/8亞像素邊緣提取比較可靠，可得到理論系統(tǒng)精度4.65/8約達(dá)0.6μm，小于10mm視場，亞像素邊緣檢測精度可達(dá)1μm。

第一步，拍攝標(biāo)定板上的8個(gè)圓孔，記錄下彼此之間的物理相對位置關(guān)系，通過攝像機(jī)記錄下每個(gè)位置的圖像。針對8個(gè)圓孔多次拍攝完成實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集。利用橢圓擬合代碼對采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。記錄多次位置各標(biāo)定孔實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。在上述數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)之上進(jìn)行了各孔長軸方差、短軸方差、長軸均值、短軸均值傾斜角均值及傾斜角度均值的計(jì)算。

為了計(jì)算標(biāo)定的外參數(shù)，需要在標(biāo)定塊上選擇出多個(gè)特征點(diǎn)，然后提取特征點(diǎn)圖像坐標(biāo)。由前面的數(shù)據(jù)分析可知，平臺的傾斜角范圍，在傳統(tǒng)標(biāo)定基礎(chǔ)之上，需要在計(jì)算時(shí)添加一個(gè)傾斜角進(jìn)行校正。計(jì)算出的坐標(biāo)值需要乘以傾斜角度的余弦值作為修正值；

其中，利用精密光刻標(biāo)定板對該系統(tǒng)進(jìn)行了攝像機(jī)傳統(tǒng)標(biāo)定，選用不同的圓孔進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對采集得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，得出比例因子的計(jì)算結(jié)果，終得到該成像系統(tǒng)的比例因子：

比例因子＝物理尺寸/像素個(gè)數(shù)；

第二步，拍攝小模數(shù)齒輪圖片，拍攝過程中調(diào)節(jié)光源強(qiáng)度及曝光時(shí)間，得到具有清晰邊緣輪廓的圖片，通過USB3.0接口傳輸?shù)絇C端，Basler Ace相機(jī)控制軟件采集圖片；

第三步，圖片進(jìn)行預(yù)處理，去除噪聲，并通過攝像機(jī)標(biāo)定矯正圖像。得到相對精確并具有清晰邊緣輪廓的圖像。

其中，消除噪聲算子：mean_image binomial_filter；平滑圖像且又保存邊緣：anisotropic_diffusion

第四步，利用halcon開發(fā)板進(jìn)行1/8亞像素邊緣提取，分別對軸孔徑與齒輪邊緣進(jìn)行亞像素邊緣提取。

調(diào)用算子edges_sub_pix(Image:Edges:Filter,Alpha,Low,High:)精確的亞像素邊緣提取。

然后進(jìn)行齒輪中心提取，采用相對于普通重心法具有高精度的閥值重心法進(jìn)行齒輪中心提取，齒輪中心(x₀，y₀)。對齒輪邊緣進(jìn)行中心(x₀，y₀)提取，然后對軸孔徑進(jìn)行圓心(x₀₁，y₀₁)擬合，確定齒輪中心位置，并求得齒輪中心與圓心的偏差。

以齒輪中心坐標(biāo)為基礎(chǔ)，首先通過smallest_circle和inner circle算子獲得齒輪齒頂圓半徑d_a和齒根圓半徑d_f信息。

根據(jù)齒輪齒頂圓半徑d_a和齒根圓半徑d_f，求得模數(shù)m，

其中，

由上兩式得：z₁表示齒數(shù)。

對于模數(shù)m<1的齒輪，齒頂高系數(shù)頂系系數(shù)c^*＝0.35，

齒輪的模數(shù)m是標(biāo)準(zhǔn)值，經(jīng)上式計(jì)算的m值接近標(biāo)準(zhǔn)值。將接近的標(biāo)準(zhǔn)值代入分度圓計(jì)算公式，若d≤d_f或d≥d_a，要重新取得近似值。

第五步，計(jì)算齒廓偏差與齒距偏差，對于非接觸式的測量方法，多采用基于直角坐標(biāo)的漸開線評價(jià)模型。

漸開線看作一條直線沿著某一圓周作純滾動(dòng)時(shí)，該直線上點(diǎn)的軌跡。數(shù)學(xué)上任何一點(diǎn)的軌跡方程都用方程式來表示：

F(x,y)＝0

K(x_k，y_k)是漸開線上一點(diǎn)，為漸開線起始點(diǎn)與x軸方向的夾角，r_b為基圓半徑，為漸開線展開角，α_k為壓力角，θ_k為漸開線AK段的展開角，可知：

得到，

簡化得：

漸開線上任意一點(diǎn)代入，可得：

基圓半徑與漸開線齒廓上每一個(gè)點(diǎn)P(x,y)都對應(yīng)一個(gè)采集漸開線上n個(gè)點(diǎn)可以得到確定最大和最小齒廓總偏差為：

依據(jù)圓柱齒輪行精度標(biāo)準(zhǔn)ISO 1328-1:2013(E)規(guī)定，單個(gè)齒距偏差f_pi是指在端平面的齒輪測量圓上度量的實(shí)際齒距與對應(yīng)理論齒距之間的代數(shù)差；齒距累計(jì)偏差F_pi；齒距累積總偏差F_p:F_p＝maxF_pi-minF_pi。

通過計(jì)算得到分度圓直徑可做檢測圓，與輪齒輪齒曲線相交，根據(jù)已知的分度圓直徑，可以求出分度圓上理論齒距P，然后對相鄰?fù)騼升X廓所測數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合得出其漸開線方程。

通過上述實(shí)例分析總結(jié)出，本發(fā)明方法提供了一種高精度小模數(shù)齒輪視覺測量方法，高精度的硬件系統(tǒng)為測量的準(zhǔn)確性的前提，采用成熟的精確的攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)、1/8亞像素邊緣檢測技術(shù)及圖像處理算法為精確測量提供了保證，能夠更全面的對齒輪基本參數(shù)和質(zhì)量進(jìn)行分析和評價(jià)。上述對典型實(shí)例的說明并不用以限制本發(fā)明，在不背離本發(fā)明的情況下可以進(jìn)行修改和改進(jìn)等，其范圍在權(quán)利要求書以及等同物中進(jìn)行了限定。