[发明专利]一种高精度小模数齿轮视觉测量方法

摘要

一种高精度小模数齿轮视觉测量方法，CCD相机标定后进行小模数齿轮坐标的转换，输出小模数齿轮的实际物理坐标，进行相关参数坐标比例因子、旋转矩阵和平移矩阵的计算。反映测量系统中，待测齿轮与测量系统之间的空间位置关系。进行图像处理，处理的对像是从CCD相机3采集得到的来的小模数齿轮边缘轮廓的图像并去噪声，然后利用进行1/8亚像素边缘提取，提取边缘点坐标，进行中心拟合，求得图像的中心坐标，根据边缘点得到齿轮基本参数，基本参数为齿数、模数、分度圆直径、压力角，拟合标准齿轮轮廓曲线，将实际得到的边缘轮廓曲线与理论轮廓曲线对比，得到齿距偏差与齿廓偏差，能够更全面的对齿轮基本参数和质量进行分析和评价。

主权项

1.一种高精度小模数齿轮视觉测量方法，实现该方法的为一种高精度小模数齿轮视觉测量系统；/n该测量系统包括LED光源(1)、标定板(2)、CCD相机(3)、镜头(4)、PC端(5)、相机位置调节支架(6)、转台(7)，按试验要求对试验系统进行搭建；LED光源(1)置于转台(7)上，标定板(2)放置于LED光源(1)上，待测齿轮安装在标定板(2)上，CCD相机(3)的镜头(4)对准待测齿轮；CCD相机(3)安装在相机位置调节支架(6)上，待测齿轮为小模数齿轮；PC端(5)分别与转台(7)及CCD相机(3)连接；/n测量系统通过CCD相机(3)获取小模数齿轮具有边缘轮廓的图像，将采集得到的边缘轮廓的图像至PC端(5)；/nCCD相机(3)标定，进行小模数齿轮坐标的转换，输出小模数齿轮的实际物理坐标，进行相关参数坐标比例因子、旋转矩阵和平移矩阵的计算；反映测量系统中，待测齿轮与测量系统之间的空间位置关系；针对小模数齿轮视觉检测系统中CCD相机(3)与转台(7)之间的倾斜问题，对其倾斜进行测量计算并标定；/n进行图像处理的对像是从CCD相机(3)采集得到的小模数齿轮边缘轮廓的图像，图像预处理去噪声，然后利用halcon开发板进行1/8亚像素边缘提取，提取边缘点坐标，进行中心拟合，求得图像的中心坐标，根据边缘点得到齿轮基本参数，基本参数为齿数、模数、分度圆直径、压力角，拟合标准齿轮轮廓曲线，将实际得到的边缘轮廓曲线与理论轮廓曲线对比，得到齿距偏差与齿廓偏差；/n其特征在于：该方法包括如下步骤，/n步骤1，拍摄标定板上的8个圆孔，记录下彼此之间的物理相对位置关系，通过CCD相机记录下每个位置的图像；针对8个圆孔多次拍摄完成实验数据的采集；利用椭圆拟合代码对采集的图像数据进行处理；记录多次位置各标定孔实验数据；在上述数据的基础之上进行了各孔长轴方差、短轴方差、长轴均值、短轴均值倾斜角均值及倾斜角度均值的计算；/n为了计算标定的外参数，需要在标定块上选择出多个特征点，然后提取特征点图像坐标；由前面的数据分析可知，平台的倾斜角范围，在传统标定基础之上，需要在计算时添加一个倾斜角进行校正；计算出的坐标值需要乘以倾斜角度的余弦值作为修正值；/n其中，利用精密光刻标定板对该系统进行CCD相机传统标定，选用不同的圆孔进行实验，对采集得到的数据进行分析对比，得出比例因子的计算结果，终得到该成像系统的比例因子：/n比例因子＝物理尺寸/像素个数；/n步骤2，拍摄小模数齿轮图片，拍摄过程中调节光源强度及曝光时间，得到具有清晰边缘轮廓的图片，通过USB3.0接口传输到PC端，BaslerAce相机控制软件采集图片；/n步骤3，图片进行预处理，去除噪声，并通过CCD相机标定矫正图像；得到相对精确并具有清晰边缘轮廓的图像；/n其中，消除噪声算子：mean_image binomial_filter；平滑图像且又保存边缘：anisotropic_diffusion/n步骤4，利用halcon开发板进行1/8亚像素边缘提取，分别对轴孔径与齿轮边缘进行亚像素边缘提取；/n调用算子edges_sub_pix(Image：Edges：Filter，Alpha，Low，High：)精确的亚像素边缘提取；/n然后进行齿轮中心提取，采用相对于普通重心法具有高精度的阈值重心法进行齿轮中心提取，齿轮中心(x₀，y₀)；对齿轮边缘进行中心(x₀，y₀)提取，然后对轴孔径进行圆心(x₀₁，y₀₁)拟合，确定齿轮中心位置，并求得齿轮中心与圆心的偏差；/n以齿轮中心坐标为基础，首先通过smallest_circle和inner circle算子获得齿轮齿顶圆半径d_a和齿根圆半径d_f信息；d为齿轮标准圆半径；/n根据齿轮齿顶圆半径d_a和齿根圆半径d_f，求得模数m，/n其中，/n /n /n由上两式得：z₁表示齿数；/n对于模数m＜1的齿轮，齿顶高系数顶系系数c^*＝0.35，/n /n齿轮的模数m是标准值，经上式计算的m值接近标准值；将接近的标准值代入分度圆计算公式，若d≤d_f或d≥d_a，要重新取得近似值；/n步骤5，计算齿廓偏差与齿距偏差，对于非接触式的测量方法，多采用基于直角坐标的渐开线评价模型；/n渐开线看作一条直线沿着某一圆周作纯滚动时，该直线上点的轨迹；数学上任何一点的轨迹方程都用方程式来表示：/nF(x，y)＝0/nK(x_k，y_k)是渐开线上一点，为渐开线起始点与x轴方向的夹角，r_b为基圆半径，为渐开线展开角，α_k为压力角，θ_k为渐开线AK段的展开角，可知：/n /n /n /n /n得到，/n /n简化得：/n /n渐开线上任意一点代入，可得：/n /n基圆半径与渐开线齿廓上每一个点P(x，y)都对应一个采集渐开线上n个点可以得到确定最大和最小齿廓总偏差为：/n依据圆柱齿轮行精度标准ISO 1328-1：2013(E)规定，单个齿距偏差f_pi是指在端平面的齿轮测量圆上度量的实际齿距与对应理论齿距之间的代数差；齿距累计偏差F_pi；齿距累积总偏差F_p：F_p＝maxF_pi-minF_pi；/n通过计算得到分度圆直径可做检测圆，与轮齿轮齿曲线相交，根据已知的分度圆直径，求出分度圆上理论齿距P，然后对相邻同向两齿廓所测数据进行曲线拟合得出其渐开线方程。/n