基于齿轮的齿形缺陷检测方法与流程

1.本发明涉及齿轮缺陷检测技术领域，具体涉及一种基于齿轮的齿形缺陷检测方法。


背景技术：

2.在我国，齿轮工业在近年来得到了快速发展,已成为我国机械基础件中规模最大的行业。齿轮是机械装备的重要基础零件，几乎所有的机械装备的主要传动部件都是齿轮传动。齿轮在工业生产中担当着至关重要的角色，其质量好坏决定了机械装备能否正常运转。其中齿形若存在缺陷，齿轮在转动时会出现卡顿的情况，容易对机械设备造成损伤，因此对齿轮的质量检测极其重要，因齿轮的精度要求比较高，现阶段的齿轮检测大多数是通过专门的仪器和量具对齿轮进行检测，效率过于低下且操作繁琐。


技术实现要素：

3.为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于齿轮的齿形缺陷检测方法，所采用的技术方案具体如下：获取齿轮灰度图像，利用边缘检测提取齿轮灰度图像上的边缘信息得到圆形边缘和轮齿边缘；获取圆形边缘的圆心点，计算轮齿边缘上各像素点到所述圆心点的距离得到像素点的指示距离；从轮齿边缘上任一像素点开始按照设定方向依次获取轮齿边缘上各个像素点的指示距离，构成指示距离序列；获取指示距离序列中各元素与其首次相等的元素之间的元素对应的像素点记为轮齿点间隔；并计算在轮齿边缘上各轮齿点间隔中所有像素点的指示距离的均值；根据所述均值与轮齿边缘上所有像素点的指示距离均值的差值，得到齿形缺陷程度；若齿形缺陷程度小于程度阈值，则齿轮的齿形没有缺陷；若齿形缺陷程度大于程度阈值，则齿轮的齿形有缺陷；获取指示距离序列中各元素与其相邻元素的差值，构成距离差值序列；将距离差值序列均分为多个子序列，若每个子序列中元素的和均为第一数值，则齿轮的齿形存在位置缺陷；若存在子序列中元素的和不等于第一数值，则获取指示距离序列中的最小值，并获取与最小值取值相同的元素记为最小值元素，根据指示距离序列中各最小值元素之间的像素点数量，计算齿形评价指标；若齿形评价指标大于评价阈值，则齿轮的齿形具有位置缺陷和形状缺陷，若齿形评价指标小于评价阈值，则齿轮的齿形具有形状缺陷。
4.优选地，所述获取圆形边缘区域的圆心点具体为：计算圆形边缘上任一像素点与圆形边缘上其他像素点的距离，获取距离最长的两个点连接得到的线段为第一线段；选取除所述任一像素点之外的圆形边缘上的一像素点，计算该像素点与圆心边缘上其他像素点的距离，获取距离最长的两个点连接得到的线段为第二线段；所述第一线段和第二线段的交点为圆形边缘区域的圆心点。
5.优选地，所述齿形缺陷程度的获取方法具体为：
其中，表示轮齿点间隔中像素点的数量为时对应的齿形缺陷程度，n为轮齿边缘上像素点的总数量，为轮齿点间隔中像素点的数量，表示第j个轮齿点间隔中像素点的数量，表示轮齿边缘线上第k个像素点的指示距离，表示轮齿边缘线上第o个像素点的指示距离。
6.优选地，所述获取指示距离序列中各元素与其相邻元素的差值具体为：获取指示距离序列中当前元素与下一元素的差值。
7.优选地，所述齿形评价指标的获取方法具体为：获取指示距离序列中的最小值，并获取与最小值取值相同且位置上连续的元素记为最小值元素，将所有最小值元素构成第一序列；获取指示距离序列中第二小的数值，并获取与第二小的数值相同且位置上连续的元素记为第二小值元素，将所有第二小值元素构成第二序列；以此类推，最终得到b个序列；根据所述b个序列中元素数量的均值，得到齿形评价指标。
8.优选地，所述齿形评价指标的计算公式为：其中，x表示齿形评价指标，表示第a序列中元素的数量，b表示序列的数量。
9.本发明实施例至少具有如下有益效果：本发明通过计算轮齿边缘线上各像素点到内部圆形区域中圆心点的距离得到指示距离，基于在同一个轮齿上互相对称的像素点的指示距离相等，获取轮齿点间隔，根据轮齿点间隔中像素点的指示距离均值和轮齿边缘线上所有像素点的指示距离均值计算齿形缺陷程度，进行判断齿轮是否存在缺陷。并且根据齿轮上各轮齿的形状和结构特征进一步判断齿轮的缺陷类型。本发明能够对齿轮的缺陷类型进行精准地分类，能够实现检测全程自动化且效率更高。
附图说明
10.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案和优点，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
11.图1是本发明的一种基于齿轮的齿形缺陷检测方法的方法流程图。
具体实施方式
12.为了更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种基于齿轮的齿形缺陷检测方法，其具体实
施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。在下述说明中，不同的“一个实施例”或“另一个实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
13.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。
14.下面结合附图具体的说明本发明所提供的一种基于齿轮的齿形缺陷检测方法的具体方案。
15.本发明所针对的具体场景为：利用计算机视觉技术把加工好准备封装的齿轮进行其齿形的检测，并根据齿形的缺陷类型对齿轮进行分离，通过不同的传送带进行传输，保证同一封装带里的齿轮为同种状态的齿轮。在齿轮的齿形缺陷检测过程中，齿轮通过传送带传送过来至检测平台，通过检测平台检测之后根据其齿形的缺陷类型送至不同的传送带上从而实现对齿轮的分类处理。
16.实施例1：请参阅图1，其示出了本发明一个实施例提供的一种基于齿轮的齿形缺陷检测方法的方法流程图，该方法包括以下步骤：步骤一，获取齿轮灰度图像，利用边缘检测提取齿轮灰度图像上的边缘信息得到圆形边缘和轮齿边缘；获取圆形边缘的圆心点，计算轮齿边缘上各像素点到所述圆心点的距离得到像素点的指示距离；从轮齿边缘上任一像素点开始按照设定方向依次获取轮齿边缘上各个像素点的指示距离，构成指示距离序列。
17.首先，本发明需要实现对齿轮的齿形缺陷检测以及分类处理，所以需要布置相应的检测平台以及传送装置，包括相机、采样平台、传送带。利用相机采集齿轮图像，对齿轮图像中的轮齿的形状以及位置进行检验并判断是否出现缺陷异常的情况，获得当前齿轮的实际状态，最后根据齿轮状态使其传输至不同的传送带上从而实现对齿轮的分类，将不同缺陷状态的齿轮进行区分，筛选出合格的齿轮进行封装提高产品的合格率。
18.通过相机获取齿轮图像，并将齿轮图像进行灰度化处理得到齿轮灰度图像，利用canny算法对齿轮灰度图像进行边缘检测，得到齿轮边缘图像，所述齿轮边缘图像上包括圆形边缘和轮齿边缘。需要说明的是，标准的齿轮内部为一个圆形区域，外轮廓的四周则均匀分布着一定规格的轮齿。通过形态学闭运算对获得的齿轮边缘图像进行处理，将在进行边缘检测处理后的一些少许边缘未连接的部分进行相连，形成完整的边缘轮廓。
19.需要说明的是，齿轮轮廓由多个轮齿构成，每个轮齿的形状一致且间隔相同的距离呈现出一种周期性的分布，即每个轮齿绕齿轮的中心点旋转一定角度能够与另一个轮齿完全重合，因此可根据齿轮的这一特性来进行分析齿轮的缺陷情况。
20.然后，获取齿轮边缘图像上的两条边缘线，一条即为齿轮内部的圆形边缘，另一条为齿轮外轮廓的轮齿边缘。获取边缘线上的像素点数量，具体地分别获取两条边缘线上的任意一个边缘像素点，使其通过自身邻域进行延伸，最终回到起始点。其中，像素点数量较少的边缘线为齿轮的内部圆形边缘，像素点数量较多的边缘线为齿轮的轮齿边缘。同时，实施者也可根据实际情况选择其他更为合适的方法获取边缘线上的像素点数量。
21.最后，计算圆形边缘上任一像素点与圆形边缘上其他像素点的距离，获取距离最长的两个点连接得到的线段为第一线段；选取除所述任一像素点之外的圆形边缘上的一个
像素点，计算该像素点与圆心边缘上其他像素点的距离，获取距离最长的两个点连接得到的线段为第二线段；所述第一线段和第二线段的交点为圆形边缘的圆心点。
22.具体地，选取内部圆形边缘上的任意一个像素点，计算该点与圆形边缘上其他像素点的距离，即，其中为圆形边缘上其他像素点坐标。获取其中距离最大的两个点，并将其连接起来得到第一线段，则第一线段为圆形边缘最长的一条线段即为圆形边缘区域的直径。选取除像素点之外任意一个像素点，并按照上述方法获取最长的一条线段为第二线段，则第二线段也是圆形边缘区域的直径，获取第一线段与第二线段的交点为圆形边缘构成的区域的圆心点。其中，实施者也可根据实际情况选择更加合适的方法获取圆心边缘构成的区域的圆心点。
23.计算轮齿边缘上各像素点到圆心点的距离得到像素点的指示距离；从轮齿边缘上任一像素点开始按照设定方向依次获取轮齿边缘上各个像素点的指示距离，构成指示距离序列。其中，在本实施例中选取轮齿边缘上任意一个像素点，从该像素点开始顺时针方向依次获取轮齿边缘上各个像素点的指示距离构成指示距离序列。
24.步骤二，获取指示距离序列中各元素与其首次相同的元素之间的元素对应的像素点记为轮齿点间隔；并计算在轮齿边缘上各轮齿点间隔中所有像素点的指示距离的均值；根据所述均值与轮齿边缘上所有像素点的指示距离均值的差值，得到齿形缺陷程度；若齿形缺陷程度小于程度阈值，则齿轮的齿形没有缺陷；若齿形缺陷程度大于程度阈值，则齿轮的齿形有缺陷。
25.首先，获取指示距离序列中各元素与其首次相同的元素之间的元素对应的像素点记为轮齿点间隔。具体地，在本实施例中从指示距离序列中第一个元素开始，将与其自身取值相同的元素进行标记。
26.例如，将指示距离序列记为，其中，表示第o个元素，即第o个像素点的指示距离，n表示轮齿边缘上像素点的总数量。从第一个元素开始进行遍历，获取首次与第一个元素相等的元素记为，则第一个像素点对应的轮齿点间隔为第一个元素与第m个元素之间的元素对应的像素点，即第一个指示距离对应的像素点与第m个指示距离对应的像素点之间的像素点，并获取第一个像素点的轮齿点间隔中像素点的数量，用公式表示为：量，用公式表示为：其中，表示第一个元素的位置，表示第二个元素的位置，即首次与元素取值相同的元素也即元素的位置，表示第i+1个元素的位置，即第i个与元素取值相同的元素的位置，表示第一个元素与第二个元素之间的位置间距，即像素点的数量；表示第一个元素与第i+1个元素之间的位置间距，即像素点的
数量。
27.需要说明的是，对于质量检测合格的齿轮，其每个轮齿应当是相同的结构，每个轮齿绕齿轮的中心点旋转一定角度能够与另一个轮齿完全重合，且每个轮齿都是轴对称图形。因此，在一个完整的轮齿上，互相对称的像素点到圆心点的距离应当是相等的，即指示距离相等。同时，在轮齿边缘上像素点的指示距离是呈周期性分布的，且每个轮齿上像素点的指示距离之和是相等的。故可根据这一特性，通过寻找指示距离序列中相等的元素之间的间隔，近似的表征一个轮齿的边缘线上所包含的像素点的数量。
28.然后，计算齿形缺陷程度，用公式表示为：其中，表示轮齿点间隔中像素点的数量为时对应的齿形缺陷程度，n为轮齿边缘上像素点的总数量，为轮齿点间隔中像素点的数量，表示第j个轮齿点间隔中像素点的数量，表示轮齿边缘线上第k个像素点的指示距离，表示轮齿边缘线上第o个像素点的指示距离，表示轮齿边缘上轮齿点间隔的数量。
29.需要说明的是，由于在同一个轮齿上，互相对称的像素点的指示距离是相等的，故获取指示距离序列中取值相同的元素之间的像素点，可以得到轮齿点间隔，在本实施例中，可以将轮齿点间隔看作是一个轮齿上的像素点集合。进而计算一个轮齿上所有像素点的指示距离的均值，同时计算轮齿边缘上所有像素点的指示距离的均值，若齿轮没有缺陷，则这两个均值之间的差异应当是很小的，或者这两个均值之间不存在差异，基于此，计算得到了齿形缺陷程度，齿形缺陷程度的取值越接近于0说明该齿轮越没有缺陷，齿形缺陷程度的取值越大，说明该齿轮存在缺陷的可能性越大。
30.同时，在本实施例中，根据指示距离序列中不同的元素获取的轮齿点间隔不同，说明获取的一个轮齿上的像素点的数量不同，进而计算得到的齿形缺陷程度的取值也不同，但对于一个齿轮来时，其轮齿上的像素点数量是一定的，则需要遍历不同的轮齿点间隔进行判断。
31.最后，设置程度阈值，在本实施例中程度阈值的取值为，程度阈值的取值实施者也可根据实际情况进行设置，则齿轮符合标准的条件为。由于轮齿点间隔中像素点的数量不同，齿形缺陷程度的取值不同，故遍历的取值进行相应的判断。
32.使i从1开始取值，即i=1时，根据对应的的取值计算此时的齿形缺陷程度，若齿形缺陷程度小于程度阈值，则符合标准，此时齿轮的质量合格，且每个轮齿上像素点的数量为。使i=2时获得，以此类推，直到i的取值为n-1之前获取的齿形缺陷程度都未能小于程度阈值，则说明齿轮存在缺陷，具体存在哪种缺陷还需进一步的分析。
33.步骤三，获取指示距离序列中各元素与其相邻元素的差值，构成距离差值序列；将距离差值序列均分为多个子序列，若每个子序列中元素的和均为第一数值，则齿轮的齿形
存在位置缺陷。若存在子序列中元素的和不等于第一数值，则获取指示距离序列中的最小值，并获取与最小值取值相同的元素记为最小值元素，根据指示距离序列中各最小值元素之间的像素点数量，计算齿形评价指标；若齿形评价指标大于评价阈值，则齿轮的齿形具有位置缺陷和形状缺陷，若齿形评价指标小于评价阈值，则齿轮的齿形具有形状缺陷。
34.首先，需要说明的是，对于存在缺陷的齿轮，需要进一步的判断为哪一种缺陷，以便根据缺陷类型对其进行分类传送。在本实施例中，齿轮的缺陷主要有三种，具体为：齿轮的齿形仅存在位置缺陷，说明此时齿轮上各个轮齿的形状均是相同的，所以每个轮齿都是对称图形，但存在轮齿的位置发生了偏移；齿轮的齿形仅存在形状缺陷，说明此时齿轮上各个轮齿的位置均未发生偏移的现象，但存在轮齿的形状发生了改变，例如轮齿缺了一个小的角等；齿轮的齿形存在位置缺陷和形状缺陷，说明此时同时出现了轮齿的位置发生偏移的现象和轮齿的形状发生了改变。
35.在本实施例中指示距离序列为，n为轮齿边缘上像素点的总数量，获取指示距离序列中各元素与其相邻元素的差值，得到新的序列为，其中，即通过当前像素点与后一个像素点的指示距离之差获得新的序列，筛选出中数值为0的数据，得到距离差值序列，记为，其中。
36.然后，当齿轮的齿形不存在形状缺陷时，每个轮齿均属于合格的形状，则各轮齿为对称图形。按照设定方向获取当前像素点的指示距离与下一像素点的指示距离的差值，在每个轮齿上，获取的所有指示距离的差值之和应当为0。在本实施例中，设定方向为顺时针方向。
37.对于判断轮齿的齿形是否存在形状缺陷的方法有两种实施方式，其中一种实施方式为：将距离差值序列分为多个子序列，若多个子序列中元素的和均为第一数值，则齿轮的齿形不存在形状缺陷，仅存在位置缺陷。若存在一个子序列中元素的和不等于第一数值，则齿轮的齿形缺陷类型为仅存在形状缺陷或者两种缺陷都存在，需要后续进一步分析进行判断。
38.其中，第一数值的取值为0。子序列可以通过对距离差值序列进行均匀分割获取得到。也可以从距离差值序列中任意一个元素开始进行求和操作，获取求和为0时距离差值序列中的所有元素记为子序列，以该子序列中元素数量对距离差值序列进行分割，得到多个子序列。
39.若齿轮的齿形存在位置缺陷，此时距离差值序列应当满足：
其中，为每个子序列中元素的数量，l表示距离差值序列中第l个元素的下标，即距离差值序列中第l个像素点的指示距离的位置序号，表示第o个像素点的指示距离。
40.判断轮齿的齿形是否存在形状缺陷的方法的另一种实施方式具体为：对距离差值序列中所有元素进行求和操作，若求和结果为0时，则齿轮的齿形不存在形状缺陷，仅存在位置缺陷，若求和结果不为0时，则齿轮的齿形缺陷类型为仅存在形状缺陷或者两种缺陷都存在，需要后续进一步分析进行判断。
41.需要说明的是，当齿轮的齿形不存在形状缺陷时，每个轮齿是对称图形，在每个轮齿上，获取的所有指示距离的差值之和应当为0。相应的，在整个轮齿边缘上，所有的像素点的指示距离与下一像素点的指示距离的差值之和应当为0，即距离差值序列中所有的元素之和为0。
42.最后，需对齿轮的齿形是否存在位置缺陷进行判断。将指示距离序列中元素首尾相连，获取指示距离序列中的最小值，并获取与最小值取值相同的位置上连续的元素记为最小值元素，根据指示距离序列中各最小值元素之间的像素点数量，计算齿形评价指标。
43.具体地，在本实施例中，获取指示距离序列中的最小值，并获取与最小值取值相同且位置上连续的元素记为最小值元素，将所有最小值元素构成第一序列；获取指示距离序列中第二小的数值，并获取与第二小的数值相同且位置上连续的元素记为第二小值元素，将所有第二小值元素构成第二序列；以此类推，最终得到b个序列；根据所述b个序列中元素数量的均值，得到齿形评价指标。其中，由于指示距离序列中元素是按一定顺序进行获取的，故需要按照同样的顺序获取最小值元素、第二小值元素等。位置上连续的含义为：获取的两个最小值元素之间不能含有最小值元素，否则会导致获取的最小值元素的总数量变小。
44.计算齿形评价指标，用公式表示为：其中，x表示齿形评价指标，表示第a序列中元素的数量，b表示序列的数量。齿形评价指标x的取值越大，说明齿轮的轮齿偏移程度越大。
45.设置评价阈值，在本实施例中评价阈值的取值为10，评价阈值的取值需要根据实施者对齿轮的精度需求进行设置。若齿形评价指标大于评价阈值，则齿轮的齿形存在位置缺陷和形状缺陷，若齿形评价指标小于评价阈值，则齿轮的齿形不存在位置缺陷，仅存在形状缺陷。
46.实施例2：本实施例提供了一种基于齿轮的齿形缺陷检测方法，本实施例的具体实施方式与实施例1的区别仅在于步骤二的实施方式不同，则步骤二的实施方式具体为：首先，获取指示距离序列中各元素与其首次相等的元素之间的元素对应的像素点记为轮齿点间隔。具体地，在本实施例中从指示距离序列中第一个元素开始，将与其自身取值相同的元素进行标记。
47.例如，将指示距离序列记为，其中，表示第o个元素，即第o个像素点的指示距离，n表示轮齿边缘上像素点的总数量。从第一个元素开始进行遍历，获取首次与第一个元素取值相等的元素记为，获取首次与第二个元素取值相同的元素记为，以此类推，按照顺序能够获取序列中首次与各元素取值相等的元素。则元素与元素之间的元素对应的像素点为元素对应的轮齿点间隔，元素与元素之间的获取为元素对应的轮齿点间隔，并获取各元素对应的轮齿点间隔中像素点的数量，用公式表示为：式表示为：式表示为：其中，表示元素对应的轮齿点间隔中像素点的数量，表示元素的位置顺序编号，即为m；表示元素的位置顺序编号，即为1。表示元素对应的轮齿点间隔中像素点的数量，表示元素的位置顺序编号，即为s；表示元素的位置顺序编号，即为2。表示元素对应的轮齿点间隔中像素点的数量，表示元素的位置顺序编号，即为v；表示元素的位置顺序编号，即为u；和分别表示指示距离序列中第u个元素和第v个元素。
48.然后，需要说明的是，对于一个合格的齿轮，其轮齿的形状和结构都是相同的，且每个轮齿都是对称图形，因此在一个轮齿上，互相对称的像素点到圆心点的距离是相等的，即互相对称的像素点的指示距离相等。由于指示距离序列中元素对应的轮齿点间隔有多种不同的取值，指示距离序列中第一个元素对应的像素点是任意选取的，且其他元素对应的像素点是按照一定顺序选取的，因此无法确定一个完整的轮齿对应的轮齿点间隔，可以根据齿轮上各轮齿的形状和结构特征确定哪一元素对应的轮齿点间隔能够表征一个完整的轮齿。
49.获取指示距离序列中元素对应的轮齿点间隔中像素点数量取值的最大值，且有大于预设数量的元素对应的轮齿点间隔中像素点数量与所述最大值相等，则该轮齿点间隔中像素点的数量与一个完整的轮齿上像素点的数量相等，并将该轮齿点间隔记为全局轮齿点间隔。其中，预设数量的取值实施者根据齿轮的轮齿规格等实际情况进行设置。
50.计算齿形缺陷程度，用公式表示为：其中，表示全局轮齿点间隔中像素点的数量为时对应的齿形缺陷程度，n为轮
齿边缘上像素点的总数量，为全局轮齿点间隔中像素点的数量，表示第j个全局轮齿点间隔中像素点的数量，表示轮齿边缘线上第k个像素点的指示距离，表示轮齿边缘线上第o个像素点的指示距离，表示轮齿边缘上轮齿点间隔的数量。
51.最后，需要说明的是，本实施例首先确定一个完整的轮齿对应的轮齿点间隔，进而计算一个轮齿上像素点的指示距离的均值，同时计算轮齿边缘上所有像素点的指示距离的均值，若齿轮没有缺陷，则这两个均值之间的差异应当是很小的，或者这两个均值之间是没有差异，基于此，计算得到了齿形缺陷程度，齿形缺陷程度的取值越接近于0说明该齿轮越没有缺陷，齿形缺陷程度的取值越大，说明该齿轮存在缺陷的可能性越大。
52.设置程度阈值，若齿形缺陷程度小于程度阈值，则齿轮的齿形没有缺陷，若齿形缺陷程度大于程度阈值，则齿轮的齿形存在缺陷，具体存在哪种类型的缺陷还需进一步的分析。其中，程度阈值的取值实施者可根据实际情况进行设置。
53.以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。