一种基于主动视觉的齿轮测量装置及测量方法与流程

本发明涉及齿轮的检测技术领域，尤其涉及一种基于主动视觉的齿轮测量装置及测量方法。

背景技术：

齿轮是机械领域中应用最广泛的传动零件。因其传动平稳，噪声小，形状结构多样，形状大小参数灵活可调，传动比恒定的优良特性，齿轮的应用面涵盖了生活、军事领域的方方面面，小到机械手表、儿童玩具，大到汽车、轮船、航空航天飞行器。

随着科学技术的快速发展，各应用领域对齿轮质量提出了更高的要求，如传动更加平稳、传动噪声更小，而决定这些的是齿轮质量的好坏，生产加工出的齿轮参数是否达到设计要求，特别是齿廓质量的好坏直接影响到齿轮的传动性能。为了保障生产出的齿轮质量，需要对加工的齿轮进行参数测量。

由于齿轮形状复杂，测量参数众多，导致齿轮参数测量一直是一个难点，特别是渐开线齿形的测量。现有的齿轮测量设备价格十分昂贵，测量方法大多是手工测量、接触式测量，这种测量方式对测量人员的要求较高且劳动强度大，有些甚至需要专业的培训，测量效率很低，且测量结果有较大随机性，测量结果较大程度上依赖于测量人员的操作水平和工作状态，而且接触式测量容易造成齿轮表面质量的损坏。

随着信息技术的不断发展，机器视觉技术逐渐进入测量领域。机器视觉测量技术利用工业相机采集被测物的图像，再将图像传送到上位机，上位机再利用测量软件分析测量。机器视觉有很多传统测量方法不能比拟的优良特性。基于机器视觉的齿轮测量系统一般由照明装置，工业相机、镜头、上位机和相应的测量软件组成。它的原理是，由照明系统发出的光凸显齿轮的轮廓，镜头将光线聚集在cmos面阵上，cmos再将采集到的光信号转换成电荷信号，并传输到计算计，相应的测量软件进行测量分析齿轮的各个参数尺寸。

现有的工业相机像素普遍还较低，像素高的相机成本太高；相机镜头都存在一定变形，虽然远心镜头的成像畸变很低，但是视野太小，且价格十分昂贵。以上两个问题严重影响了机器视觉在齿轮测量中的精度。

现有技术1中公开了一种利用机器视觉的方法对齿轮进行测量：系统由相机、镜头、背景光源、齿轮、上位机，相机安装固定支架组成。对齿轮进行全局图像拍摄，利用形态学方法对齿轮进行图像处理，缺陷检测和参数测量,存在以下缺陷：

(1)由于只是对齿轮拍摄了一幅全局图像进行测量，分辨率较低，特别是对于尺寸稍大的齿轮，并且齿轮的各齿的尺寸相对于整个齿轮来说太小。这会严重影响测量的精度。

(2)相机镜头存在畸变，导致齿轮成像变形，即使经过矫正，仍然无法完全消除，对测量精度产生较大影响。

(3)方法中应用的图像形态学方法本身的精度很低。

现有技术2中公开了一种利用远心镜头拍摄全局的齿轮图像进行齿轮参数测量。远心镜头的畸变很小，能很大程度上减小透镜成像畸变对测量精度的影响。远心镜头的视野很小，并且价格十分昂贵。一般只能对直径小于100mm的齿轮进行测量。比如该技术方法中使用的远心镜头视野为56mm*48mm，超过该尺寸的齿轮便无法测量。

现有技术3中该视觉测量系统采用远心镜头，远心镜头的畸变很小，能很大程度上减小透镜成像畸变对测量精度的影响。但是由于远心镜头的视野很小，导致单次图像采集无法采集到齿轮的全局图像，利用二维基座的位置反馈来实现对齿轮类似于扫描仪似的图像采集，对图像实现一行一行的扫描成像。最后再处理分析得到的齿轮全局图像。

(1)该技术方法适用于尺寸较小的齿轮。扫描得到的全局图像数据量太大，对这么大的数据量进行图像处理和分析测量，计算量太大，效率低。

(2)对齿轮进行逐行扫描来得到齿轮的全局图像，效率太低。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于主动视觉的齿轮测量装置及测量方法，能有效对尺寸范围为50mm-500mm内的齿轮实现高精度的非接触式测量，提高齿轮视觉测量系统的测量分辨率，减少透镜畸变对齿轮视觉测量的影响，达到提高测量精度、降低成本的效果。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种基于主动视觉的齿轮测量装置，包括基座和三维移动平台，所述三维移动平台包括相互垂直的x轴导轨、y轴导轨和z轴导轨，所述y轴导轨与所述基座水平固定，所述y轴导轨上设有沿所述y轴导轨滑动的第一支撑架，所述x轴导轨设置在所述第一支撑架上，所述z轴导轨设置在所述x轴导轨上并沿所述x轴导轨滑动，所述x轴导轨、y轴导轨和z轴导轨上均设置有位移传感器，所述z轴导轨上设置有沿所述z轴导轨滑动的滑架，所述滑架上设有视觉系统；

所述视觉系统包括相连接的工业相机和镜头，所述工业相机连接上位机，所述上位机实时控制镜头调焦和工业相机采集图像，以及对采集的图像进行处理，所述工业相机的光轴和所述基座垂直；

所述三维移动平台通过控制器驱动伺服电机使所述视觉系统沿x轴导轨或y轴导轨或z轴导轨移动；每个所述位移传感器均连接所述控制器，用于计算三维移动平台的定位信息；所述控制器连接上位机，所述上位机通过给所述控制器发送命令实现对所述三维平台的运动控制和获取定位信息。

本发明的有益效果是：相机固定在三维移动平台上，随着三轴的运动而运动，能实现齿轮不同局部图像的采集，同时上位机通过调节相机镜头的焦距能够实时对齿轮局部放大成像，提高测量系统的分辨率。

在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，在所述基座上设置有高亮led灯背景光源。

采用上述进一步方案的有益效果是：凸显被测齿轮的轮廓以及减少外界环境的干扰。

进一步，在远离所述y轴导轨的基座的一端与所述x轴导轨之间设置有随所述第一支撑架移动的第二支撑架,所述第二支撑架与所述x轴导轨固定连接，所述第二支撑架与所述基座滑动连接。

采用上述进一步方案的有益效果是：支撑三维移动平台的x轴导轨和z轴导轨。

进一步，所述工业相机采用的是工业ccd相机，所述工业ccd相机的分辨率是2448×2050。

采用上述进一步方案的有益效果是：采集图像更清晰。

进一步，所述镜头通过软件方法调节焦距。

采用上述进一步方案的有益效果是：通过调节焦距能够对齿轮放大或者缩小拍照，对齿轮拍摄全局和局部图像。

另外，本发明还提供了一种基于主动视觉的齿轮测量方法，该测量方法基于上述齿轮测量装置，将工业相机固定在三维移动平台上，实现齿轮不同局部图像的采集，上位机对采集的图像进行处理以及调节相机镜头的焦距实时对齿轮局部放大成像，所述齿轮测量方法包括全局粗略测量和局部精确测量，具体包括以下步骤：

(1)标定工业相机各焦距对应的透镜畸变参数并存储；以及对各焦距进行系统标定，得到像素当量表；

(2)使用工业相机采集齿轮的全局图像；读取当前焦距对应的透镜畸变参数，并根据所述透镜畸变参数对所述全局图像进行图像变形矫正；

(3)上位机提取所述全局图像的齿轮轮廓，以一最小圆包围齿轮轮廓，该圆为齿顶圆，得到齿顶圆直径da及齿轮中心；计算齿轮轮廓上的点到齿轮中心的最短距离，该最短距离的两倍为齿根圆直径df；

(4)上位机根据所述齿顶圆直径和齿根圆直径和的一半dm＝(da+df)/2，作一分割圆把各齿分为齿顶部分和齿根部分，分割出的齿顶轮廓数为齿数z，模数m＝(da-df)/4.5,分度圆直径d＝m×z；

(5)上位机将所述分割圆和各齿的两个交点连线的中点，确定为齿轮各齿的中心；

(6)控制器通过三维移动平台将工业相机移动到步骤(3)所确定的齿轮中心，采集齿轮内孔图像，提取内孔轮廓，采用最小二乘法对所述内孔轮廓进行圆拟合，得到精确的内孔直径和齿轮中心；

(7)根据步骤(5)所确定的齿轮各齿的中心，工业相机采集齿轮局部放大图像；

(8)上位机根据采集的局部放大图像，提取齿轮轮廓，根据像素当量表将每张局部放大图像中轮廓的图像坐标转换成基座坐标；计算齿轮轮廓上的点到齿轮中心的距离，根据距离分割出每张局部放大图像中的各齿的轮廓，去掉重复的齿，得到各齿的轮廓；

(9)上位机根据提取的局部放大图像中各齿的轮廓和齿轮中心，精确测量齿顶圆直径、齿根圆直径、齿距偏差以及齿廓偏差。

上述方法的有益效果为：

(1)相比于只是对齿轮进行全局拍摄，本发明技术对齿轮局部进行放大拍摄能提高视觉测量的分辨率；

(2)由于相机的镜头存在成像畸变，即使经过相机标定和图像矫正，图像的变形仍然无法完全消除，严重影响测量的精度，对齿轮的局部进行放大拍照，再利用三维移动平台的定位信息将局部图像中的齿轮轮廓转换成平台坐标，这样可以减少相机透镜畸变对测量的影响；

(3)先拍摄齿轮的全局图像，再根据计算出的各齿的中心进行齿轮局部图像采集，而不是盲目的拍摄齿轮局部图像；只是提取每幅局部图像中需要的轮廓，根据平台的定位信息将这些局部轮廓数据综合起来分析，而不是将所有的局部图像通过图像拼接方法拼接成一幅完整的图像后再进行图像分析处理，这将极大的减少计算量。

(4)将齿轮放到测量平台上后，测量系统自动完成齿轮所有参数的精确测量，不需要人工干预。

因此，该方法能大大提高齿轮参数的测量精度。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明的矫正后的齿轮图像；

图3为本发明的齿顶圆；

图4为本发明的齿根圆；

图5为本发明的分割圆；

图6为本发明的分割的齿顶部分；

图7为本发明的确定的各齿中心；

图8为本发明的精确定位齿轮中心内孔图像；

图9为本发明的精确定位齿轮中心内孔图像的最小二乘法拟合圆；

图10为本发明采集的齿轮局部图像；

图11为本发明提取的齿轮廓。

附图中，各标号代表的部件如下：

1-y轴导轨；2-第一支撑架；3-x轴导轨；4-z轴导轨；5-基座；6-led灯背景光源；7-第二支撑架7；8-滑架；9-视觉系统。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，为了解决现有技术测量齿轮精度不高、成本高的问题，本发明提供了一种基于主动视觉的齿轮测量装置，包括基座5，三维移动平台，三维移动平台包括相互垂直的x轴导轨3、y轴导轨1和z轴导轨4，y轴导轨1与基座5水平固定，y轴导轨1上设有沿y轴导轨1滑动的第一支撑架2，x轴导轨3设置在第一支撑架2上，z轴导轨4设置在x轴导轨3上并沿x轴导轨3滑动，x轴导轨3、y轴导轨1和z轴导轨4上均设置有位移传感器，z轴导轨4上设置有沿z轴导轨4滑动的滑架8，滑架8上设有视觉系统9；视觉系统9包括相连接的工业相机和镜头，工业相机连接上位机，上位机实时控制镜头的调焦和工业相机采集图像，以及对采集的图像进行处理，工业相机光轴和所述基座5垂直，三维移动平台通过控制器驱动伺服电机使所述视觉系统9沿x轴导轨3或y轴导轨1或z轴导轨4移动；每个位移传感器均连接控制器，用于计算三维移动平台的定位信息；控制器连接上位机，上位机通过给所述控制器发送命令实现对所述三维平台的运动控制和获取定位信息。

为了凸显被检齿轮的轮廓及减少外界环境干扰，在基座5上设置有高亮led灯背景光源6，被检齿轮测量时置于背景光源上。

在远离所述y轴导轨1的基座5的一端与所述x轴导轨3之间设置有随第一支撑架2移动的第二支撑架7,第二支撑架7与x轴导轨3固定连接，第二支撑架7与基座5滑动连接，这里的滑动连接可在第二支撑架7和基座5接触的端采用滚珠滑动，以便支撑三维移动平台的x轴导轨3和z轴导轨4。

工业相机采用的是工业ccd相机，所述工业ccd相机的分辨率是2448×2050。采用可软件设置焦距的相机镜头，实现齿轮测量过程中的对齿轮以及齿轮局部的放大和缩小。

本发明的一个实施例中，工业相机安装固定在三维移动平台上，随着三维移动平台的移动而移动。上位机是整个系统的控制中心，通过总线和控制器通信，实时控制三维移动平台的移动；通过图像采集总线和工业相机相连实时控制相机拍照。这样可以实现对齿轮不同局部的实时拍照。

上位机上的齿轮测量软件自动控制三维移动平台的移动和图像采集，根据采集的齿轮全局和局部图像，自动测量齿轮的内孔直径、齿顶圆直径、齿根圆直径、齿数、模数、分度圆直径，齿距偏差和齿廓偏差。

另外，本发明的一个实施例中，基于上述齿轮测量装置还提供了一种基于主动视觉的齿轮测量方法，齿轮测量方法包括全局粗略测量和局部精确测量，具体包括以下步骤：

(1)相机安装垂直矫正：在齿轮测量时需要保证相机和齿轮上表面垂直，所以在相机安装固定时要保证相机的光轴和三维移动平台的xy平面垂直。方法是用一矫正板来矫正使相机垂直安装。矫正板上有一正方形，提取正方形的四个角点，并精确到亚像素。计算正方形四条边的图像长度，在相机安装时尽量使正方形对边的图像长度相等，这样能尽量保证相机光轴和xy平面垂直；

(2)相机透镜畸变参数标定：由于在齿轮的测量过程中会通过软件调节相机的焦距，而相机焦距的改变，需要重新标定相机的畸变参数。所以应该为相机可能会用到的每个焦距对应的相机参数进行标定，并存储；

(3)系统标定:在将图像坐标转换成基座5坐标时，需要用到像素当量，利用像素当量可以将图像坐标转换成基座5坐标，相机每个焦距对应的像素当量不同，所以需要对可能用到的每个焦距进行系统标定，具体使用时，系统根据当前的焦距，查询像素当量表即可得到当前应该使用的像素当量；

(4)系统根据齿轮的尺寸大小自动调节相机的焦距和z轴高度，让齿轮在相机中完整清晰成像，并且充满整个视野。调节相机焦距能对齿轮进行放大缩小成像，调节z轴高度的作用相当于调节相机的物距，能使齿轮在相机中清晰成像；

(5)采集齿轮的全局图像，根据当前的焦距，查表取出标定好的畸变参数，对其进行图像变形矫正；

(6)提取齿轮的轮廓，用一个大的圆来包围齿轮的轮廓，当这个圆最小时确定的圆即为粗略计算的齿顶圆，圆心即为齿轮中心；计算轮廓上的点到齿轮中心的距离，计算出的最短距离的两倍为齿根圆直径；

(7)根据齿顶圆直径和齿根圆直径和的一半dm＝(da+df)/2，作一分割圆把各齿分为齿顶部分和齿根部分，分割出的齿顶轮廓数即为齿数z，模数m＝(da-df)/4.5分度圆直径d＝m×z；

(8)将分割圆和各齿的两个交点连线的中点，确定为齿轮各齿的中心；

(9)将相机移动到前面确定的齿轮中心，对齿轮内孔进行对中放大拍照，提取内孔的轮廓，用最小二乘法对内孔轮廓进行圆拟合，得到精确的内孔直径和齿轮中心；

(10)根据前面确定的齿轮各齿的中心对齿轮的局部进行放大拍照，根据精度需要，设置相机的焦距，由于焦距不同，局部图像中的齿数也会不同。有必要时可以对各齿进行对中放大拍照；

(11)提取拍摄的局部图像中齿轮的轮廓，根据拍摄每张局部图像时相机在三维移动平台中的坐标，将轮廓的图像坐标转换成基座5坐标，计算轮廓上的点到齿轮中心的距离，根据距离分割出每张局部图像中的各齿的轮廓，去掉存在的重复的齿，最终得到z个齿的轮廓，z为齿数；

(12)根据分割出的各齿的轮廓，精确测量齿轮的齿顶圆直径、齿根圆直径、单个齿距偏差、齿距累积偏差、齿距累积总偏差以及齿廓偏差。

本发明技术方案带来的有益效果：

(1)相比于只是对齿轮进行全局拍摄，本发明技术对齿轮局部进行放大拍摄能提高视觉测量的分辨率；

(2)由于相机的镜头存在成像畸变，即使经过相机标定和图像矫正，图像的变形仍然无法完全消除，严重影响测量的精度，对齿轮的局部进行放大拍照，再利用三维移动平台的定位信息将局部图像中的齿轮轮廓转换成基座5坐标可以减少相机透镜畸变对测量的影响；

(3)先拍摄齿轮的全局图像，再根据计算出的各齿的中心进行齿轮局部图像采集，而不是盲目的拍摄齿轮局部图像；只是提取每幅局部图像中需要的轮廓，根据基座5的定位信息将这些局部轮廓数据综合起来分析，而不是将所有的局部图像通过图像拼接方法拼接成一幅完整的图像后再进行图像分析处理，这将极大的减少计算量。

(4)将齿轮放到测量基座5上后，测量系统自动完成齿轮所有参数的精确测量，不需要人工干预。

综上所述，该发明技术能大大提高齿轮参数的测量精度。

实施例1

一种基于主动视觉的齿轮测量方法，该测量方法基于本发明具体实施方式的齿轮测量装置，将工业相机固定在三维移动平台上，实现齿轮不同局部图像的采集，上位机对采集的图像进行处理以及调节相机镜头的焦距实时对齿轮局部放大成像，所述齿轮测量方法包括全局粗略测量和局部精确测量，具体包括以下步骤：

(1)标定工业相机各焦距对应的透镜畸变参数并存储；以及对每个焦距进行系统标定，得到像素当量表；

根据被测齿轮的尺寸选择合适的焦距使相机能拍摄齿轮的全局图像，调整相机和齿轮的距离(物距)使被检齿轮清晰成像；

(2)使用工业相机采集被检齿轮的全局图像。选取当前焦距对应的透镜畸变参数，对其进行图像变形矫正，如图2所示为变形矫正过后的齿轮图像；

(3)粗略测量齿顶圆直径da和齿根圆直径df。提取采集的图像中的齿轮轮廓，如图3中的黑色轮廓为提取到的齿轮轮廓。作一圆包围齿轮的轮廓，当这个圆最小时，该圆为齿顶圆，得到齿顶圆直径da及齿轮中心；计算轮廓上的点到齿轮中心的最短距离，最短距离的两倍为齿根圆直径df；图3中的圆为计算得到的齿顶圆，图4中的圆为计算得到的齿根圆；

(4)作一分割圆，直径记为dm，分割圆的直径为前面确定的齿顶圆直径和齿根圆直径和的一半，分度圆直径dm＝(da+df)/2，如图5中的和轮廓相交的圆为分割圆。分割圆把各齿分为两部分，分别是齿顶部分和齿根部分，分割出的齿顶轮廓数即为齿数z，如图6所示为分割出的齿顶轮廓,模数m＝(da-df)/4.5，分度圆直径d＝m×z；

(5)确定被检齿轮各齿的中心。分割圆和各齿有两个交点，令两个交点连线的中点为各齿的中心,如图7中的黑点为确定的各齿中心；

(6)将工业相机移动到步骤(3)所确定的齿轮中心，对齿轮内孔放大对中拍照，如图8所示为采集的齿轮内孔图像。提取内孔的轮廓，采用最小二乘法对内孔轮廓进行圆拟合，得到精确的内孔直径和齿轮中心，如图9所示为拟合的圆和圆心；

(7)根据步骤(5)所确定的被检齿轮各齿的中心，对齿轮局部进行放大拍照，采集被检齿轮局部放大图像，如图10所示为采集的局部放大图像。

(8)提取采集的局部图像中的齿轮轮廓，图11中的黑色轮廓为提取出的齿轮轮廓，根据像素当量表将每张局部图像中轮廓的图像坐标转换成工作台坐标；计算被检齿轮轮廓上的点到齿轮中心的距离，根据距离分割出每张局部图像中的各齿的轮廓，去掉重复的齿，得到各齿的轮廓；每幅局部图像中的两个黑色圆点之间的轮廓即为分割出的各齿的轮廓。

(9)根据提取的局部图像中的齿的轮廓和齿轮中心，精确测量齿顶圆直径、齿根圆直径、齿距偏差以及齿廓偏差。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。