一种高精度小模数齿轮视觉测量方法与流程

本发明涉及精密测试技术与仪器领域，具体涉及一种高精度小模数齿轮视觉测量方法。

背景技术：

小模数齿轮由于其传动精度高的特点，广泛应用于航空机械、电子产品、精密机械、仪器仪表和计时结构中。小模数齿轮受其几何尺寸与机械性能的影响，其测量难度远远高于中模数齿轮。随着精密制造业的飞速发展，对小模数齿轮精度的要求越来越高，其尺寸也愈来愈小，尤其是微型齿轮的出现，对小模数齿轮的测量提出了越来越高的挑战。如何提高小模数齿轮的测量精度，已逐渐成为近几年的研究热点。

小模数齿轮齿槽空间小、轮齿刚度差、易变形，中心孔径问题影响定位，在实际齿轮测量过程中，面临装夹困难，很难找到测量基准，在实际装夹工件时，尤其是对一些不带芯轴的齿轮工件回转中心与齿轮测量中心的回转中心往往不重合，安装偏心对齿距误差和齿廓误差等的测量结果均带来直接的影响，其中，偏心对齿距的影响最大，安装偏心以近二倍的关系影响着齿距累积误差，无法测得各项目的准确偏差。

机器视觉(Machine Vision)，是一个能自动获取一幅或多幅目标物体图像，对所获取图像的各种特征量进行处理、分析和测量，并对测量结果做出定性分析和定量解释，从而得到有关目标物体的某种认识并做出相应决策的系统。机器视觉测量系统精度与光学系统精度、相机分辨率、摄像机标定技术、图像处理算法等密切相关。

技术实现要素：

为解决背景技术中提出的技术问题，本发明提出了一种高精度小模数齿轮视觉测量方法，将获取的齿轮图像进行1/8亚像素边缘提取，然后对齿轮的基本参数进行反求，对被测齿轮进行中心定位，得到齿轮的齿距偏差和齿廓偏差。

本发明是采用如下技术手段实现的：

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。

1)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。

2)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；

3)CCD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；

4)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，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。

所述步骤1)，齿轮基本参数、齿距偏差和齿廓偏差的测量要在4)进行1/8亚像素边缘提取后进行。

由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

在一种高精度小模数齿轮视觉测量，为测量结果的准确性提供了有效保证。针对小模数齿轮进行齿距偏差和齿廓偏差测量，能够更精确地对小模数齿轮的传动质量进行评价。

附图说明

图1一种高精度小模数齿轮视觉测量方法的流程。

图2传动误差测量系统框图。

图3小模数齿轮亚像素边缘提取图像。

图4齿廓偏差测量原理图。

图5齿距偏差测量原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清晰，以下结合附图及实施例对本发明做进一步说明。附图说明用于解释本发明方法及实施例。

本发明一种高精度小模数齿轮视觉测量方法的流程如图1所示，本发明的具体实施步骤如下：

首先，参照图2说明本发明的高精度小模数齿轮视觉测量系统结构。该测量系统包括光源(LED红光光源，及光源适配器PD3-3024-3-PI，可以调节光强)、标定板(精度为1μm的光刻标定板)、CCD相机(Basler Ace系列面阵摄像头，型号：acA3800-10gm，1000万像素，分辨率H*V pixels：3856*2764，感光芯片Aptina MT9J003，芯片读出：CMOS,滚动快门，芯片尺寸：1/2.3”(6.44*4.62)，像素尺寸(μm)：1.67*1.67，帧速率(fps)：10，功率：3.5W，重量：90g。)、镜头(MORITEX品牌，MML-5M超高清远心镜头，支持3.34μm/pixel甚至更低，支持2/3″版面，可变光圈，景深可调，型号为MML03-HR110D-5M1，光学放大倍数：0.3)、计算机及halcon开发板，进行测量装置搭建。

本测量系统的视野范围：21.47*15.40(mm)，物理精度：4.65*4.68(μm)，经过1/8亚像素边缘提取比较可靠，可得到理论系统精度4.65/8约达0.6μm，小于10mm视场，亚像素边缘检测精度可达1μm。

第一步，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，通过摄像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。

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；

其中，利用精密光刻标定板对该系统进行了摄像机传统标定，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：

比例因子＝物理尺寸/像素个数；

第二步，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，Basler Ace相机控制软件采集图片；

第三步，图片进行预处理，去除噪声，并通过摄像机标定矫正图像。得到相对精确并具有清晰边缘轮廓的图像。

其中，消除噪声算子：mean_image binomial_filter；平滑图像且又保存边缘：anisotropic_diffusion

第四步，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。

调用算子edges_sub_pix(Image:Edges:Filter,Alpha,Low,High:)精确的亚像素边缘提取。

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阀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。

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。

根据齿轮齿顶圆半径d_a和齿根圆半径d_f，求得模数m，

其中，

由上两式得：z₁表示齿数。

对于模数m<1的齿轮，齿顶高系数顶系系数c^*＝0.35，

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。

第五步，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。

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：

F(x,y)＝0

K(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：

得到，

简化得：

渐开线上任意一点代入，可得：

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：

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。

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，可以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。

通过上述实例分析总结出，本发明方法提供了一种高精度小模数齿轮视觉测量方法，高精度的硬件系统为测量的准确性的前提，采用成熟的精确的摄像机标定技术、1/8亚像素边缘检测技术及图像处理算法为精确测量提供了保证，能够更全面的对齿轮基本参数和质量进行分析和评价。上述对典型实例的说明并不用以限制本发明，在不背离本发明的情况下可以进行修改和改进等，其范围在权利要求书以及等同物中进行了限定。