一种基于机器视觉的检测圆柱齿轮齿厚和齿距精度新方法

1.本发明属于基于机器视觉的圆柱齿轮齿距和齿厚精度检测技术领域，具体的说是一种基于机器视觉的圆柱齿轮齿厚偏差和齿距偏差检测的同轴多环检测法。


背景技术：

2.齿轮是机械装备中关键的传动部件，其制造精度对机械装备性能会产生重大影响，齿轮检测技术为其加工制造精度提供了可靠保证；随着现代工业的迅猛发展，各行业对齿轮的性能和精度要求越来越高，对齿轮精度测量方法要求呈现出多元化趋势，以满足现代工业中，各行业的齿轮测量要求；但是现在齿轮精度检测方法库不够丰富，无法满足部分测量需求或者导致测量过程繁琐，比如齿厚偏差和齿距偏差的测量。
3.齿厚偏差影响齿轮的齿侧间隙；齿轮侧隙的作用是保证齿轮正常啮合不被卡死，并且储存润滑油；与齿轮的使用寿命息息相关，可以说齿厚偏差是影响齿轮使用寿命长短的关键因素；但是现有的齿厚偏差测量技术多以接触式测量为主，并且很多测量方法不能直接测量弧长；因为齿厚偏差是弧长，而是现有的测量方法主要通过测量弦齿厚来实现对齿厚偏差的测量。
4.齿距偏差是齿轮精度检测的必检项目；因为齿轮作为传动部件，齿距偏差与齿轮的传动性能紧密相连；单个齿距偏差影响着齿轮的传动平稳性；齿距累积偏差影响着齿轮的运动精度；同样现有的齿轮齿距偏差测量方法中，接触测量方法居多，并且大多数无法直观对弧长进行测量，从而导致对齿轮齿距误差测量得方法过于繁琐，并且要求检测人员具有较高的专业知识才可实现对齿轮齿距偏差的测量。
5.由于现有的齿轮产品齿距偏差和齿厚偏差测量方法中，接触式测量居多，虽然测量精度高，但是容易对待测齿轮产品表面造成划伤、破损等影响齿轮产品质量的不良问题；并且存在检测速度慢，无法适应实时在线检测的测量需求。最重要的是现有齿轮齿距偏差和齿厚偏差的测量方法中，大多数只在垂直于齿轮轴线方向的一个二维平面内，对齿轮齿距偏差和齿厚偏差进行测量，导致对该齿轮的每个轮齿只测量一个位置，使得测量结果存在很大的偶然性和较大的误差，测量结果不能够准确的反映出该齿轮的齿距偏差和齿厚偏差。这是现有的齿距误差和齿厚误差测量的方法中存在的最主要的问题。
6.鉴于此，本发明通过提出一种基于机器视觉的圆柱齿轮齿厚偏差和齿距偏差检测的光学同轴多环检测法，以解决上述技术问题。


技术实现要素：

7.为了弥补现有技术的不足，解决现有在二维平面内对齿轮各轮齿进行齿距偏差测量和齿厚偏差测量，导致对该齿轮每个轮齿只测量一个位置，使得测量结果具有很大的偶然性和较大的误差，造成结果不能够准确的反映出该齿轮的齿距偏差和齿厚偏差的技术问题，本发明提出一种基于机器视觉的测量圆柱齿轮齿厚偏差和齿距偏差的光学同轴多环检测法。
8.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
9.本发明的一种基于机器视觉的测量圆柱齿轮齿厚偏差和齿距偏差的光学同轴多环检测法，包括以下步骤：
10.s1：首先对光学测量系统校准和测前标定，并且利用超声波清洗机对齿轮进行测前清洗，然后对待测齿轮表面随机粘贴标志点；
11.s2：其次通过双目视觉高精度光学测量系统对齿轮部分进行高精度数据采集，以此获取齿轮的点云数据，然后根据识别相同的人工公共标识点，对齿轮的点云数据高精度拼接，获得完整的齿轮三维点云数据；
12.s3：然后在s2中获得的齿轮点云数模上，等间距建立平面和检测圆，并且提取检测圆与两侧齿面交点；
13.s4：接着根据s3中提取的交点，对第j个轮齿齿厚偏差进行测量。
14.s5：且将s4中计算得到的齿厚偏差与同等级齿轮齿厚偏差允许的阈值进行比较，若计算的齿厚偏差在同等级齿轮齿厚偏差允许的阈值内，则说明该齿轮齿厚偏差是合格，否则不合格；
15.s6：同时根据根据s3中提取的交点，对第j个轮齿齿距偏差进行测量；
16.s7：若s6中计算得到的左侧齿距偏差和右侧齿距偏差均小于同等级齿轮齿距偏差允许的阈值内，则该齿轮齿距偏差合格，否则该齿轮齿距偏差不合格；
17.s8：若s7中测得该齿轮两侧齿距偏差均合格，则进入该齿轮两侧齿距累积偏差测量程序；如果s6中计算得到的左侧齿距累积偏差，和右侧齿距累积偏差分别均小于同等级齿轮齿距累积偏差允许的阈值内，则该齿轮齿距累积偏差合格，否则该齿轮齿距偏差不合格；
18.s9：若s5中测得的该齿轮齿厚偏差、s7中测得的齿距偏差和s8中测得的齿距累积偏差均合格，则说明该齿轮是合格产品，否则其中任何一项不合格，则该齿轮属于不合格产品。
19.优选的，步骤s1中，所述齿轮表面涂抹有显像剂，所述显像剂用以降低齿轮本身的反光对光学测量产生的不利影响。
20.优选的，所述显像剂的材料采用钛粉显像剂，所述钛粉显像剂对光学测量影响最小，且每次喷洒尺寸会增加1-2μm，而由于齿轮整体尺寸较大，因此可忽略显像剂造成的齿轮尺寸影响。
21.优选的，步骤s2中，所述齿轮数据采集过程中，由于无法一次性采集到完整的齿轮三维点云数据，需要对齿轮进行局部分区，并且逐个对分区的齿轮部分进行高精度数据采集。
22.优选的，所述齿轮三维点云数据在使用前需要进行平滑去噪处理，所述平滑去噪处理用以去除掉离散的点云数据点，使得齿轮三维点云数据更好平滑，以提升使齿轮测量精度。
23.优选的，步骤s4中，所述第j个轮齿齿厚偏差测量过程中，需要根据实际齿厚与理论齿厚对应的角度差求平均值，用以消除测量齿厚偏差过程中存在的偶然；
24.优选的，所述齿厚偏差测量过程中，需要利用该齿轮所有齿轮的平均齿厚偏差来描述该齿齿厚偏差，用以消除齿面的复杂性和齿轮齿厚误差测量过程中存在偶然性；
25.由于测量齿厚偏差的过程中存在偶然性，本发明针对第j个轮齿在所有检测圆处，实际齿厚与理论齿厚对应的角度差求平均值，以提升对该轮齿齿厚偏差测量的科学性和精准性。
26.第j个轮齿所有检测圆处实际齿厚与理论齿厚对应的角度差的平均值：
[0027][0028]
其中，表示第j个轮齿所有检测圆处实际齿厚与理论齿厚对应的角度差的平均值。n为检测圆的个数，也是平面的个数，这里n＝10。
[0029]
第j个轮齿的齿厚偏差：
[0030][0031]
其中，π为圆周率，这里取值π＝3.14；r为检测圆半径，这里等于分度圆半径；e
snj
：表示第j个轮齿的齿厚偏差。
[0032]
由于齿面的复杂性和齿轮齿厚误差测量过程中存在偶然性，因此利用该齿轮所有轮齿的平均齿厚偏差来描述该齿轮齿厚偏差。
[0033]
该齿轮的齿厚偏差为e
sn
[0034][0035]
其中，z为齿轮齿数。
[0036]
优选的，步骤s6中，所述齿距偏差测量过程中，分左侧齿距偏差和右侧齿距偏差；
[0037]
优选的，所述左侧齿距偏差测量过程中，需要根据实际齿距与理论齿距对应的角度差求平均值，用以消除测量齿距偏差过程中存在的偶然性；
[0038]
优选的，所述右侧齿距偏差测量过程中，需要根据实际齿距与理论齿距对应的角度差求平均值，用以消除测量齿距偏差过程中存在的偶然性；
[0039]
由于测量左侧齿距偏差的过程中存在偶然性，本发明针对第j个轮齿在所有检测圆处，实际齿距与理论齿距对应的角度差求平均值，以提升对该轮齿齿距偏差测量的科学性和精准性。
[0040]
第j个轮齿所有检测圆处左侧实际齿距与理论齿距对应角度差的平均值：
[0041][0042]
其中，表示第j个轮齿在所有检测圆处实际齿距与理论齿距对应角度差的平均值。n为检测圆的个数，也是平面的个数，这里n＝10。
[0043]
第j个轮齿的左侧齿距偏差为：
[0044][0045]
其中，f
plj
为第j个轮齿的左侧齿距偏差。π为圆周率，这里取3.14。r为检测圆半径，也等于分度圆半径。
[0046]
左侧平均齿距偏差：
[0047][0048]
其中：z为该齿轮齿数。
[0049]
由于测量右侧齿距偏差的过程中存在偶然性，本发明针对第j个轮齿在所有检测圆处，实际齿距与理论齿距对应的角度差求平均值，以提升对该轮齿齿距偏差测量的科学性和精准性。
[0050]
第j个轮齿所有检测圆处右侧实际齿距与理论齿距对应角度差的平均值：
[0051][0052]
其中，表示第j个轮齿在所有检测圆处右侧实际齿距与理论齿距对应角度差的平均值。n为检测圆的个数，也是平面的个数，这里n＝10。
[0053]
第j个轮齿的右侧齿距偏差为：
[0054][0055]
其中，f
prj
为第j个轮齿的右侧齿距偏差。π为圆周率，这里取3.14。r为检测圆半径，也等于分度圆半径。
[0056]
右侧平均齿距偏差：
[0057][0058]
其中：z为该齿轮齿数。
[0059]
本发明的有益效果如下：
[0060]
1.本发明所提供的一种基于机器视觉的测量圆柱齿轮齿厚偏差和齿距偏差的光学同轴多环检测法，通过设置同轴多环检测法，以通过简单直观的算法直接计算出弧长，得到齿厚偏差和齿距偏差；并且还能够实现齿轮齿距误差和齿厚偏差的轴向立体测量，即：沿齿轮轴向范围，可做多个同轴同半径的检测圆，来实现齿轮每个轮齿的多个位置测量齿厚偏差和齿距偏差，使得对齿轮的齿距误差和齿厚误差的测量结果更科学，更客观，更具代表性。
附图说明
[0061]
下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0062]
图1是本发明同轴多环检测法测量齿轮参数的流程图(齿距偏差以左侧齿距计算为例，右侧齿距同理)；
[0063]
图2是本发明同轴多环测量齿轮参数的原理模型；
[0064]
图3为图2中a处位置的局部放大图；
[0065]
图4为图3中b处位置的局部放大图；
[0066]
图5为图2中c处位置的局部放大图；
具体实施方式
[0067]
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上
述技术方案进行详细的说明。
[0068]
如图1至4所示，本发明实施例提供的一种用于测量圆柱齿轮参数误差的光学同轴多环检测法，其中j-1为第j-1个轮齿，j为第j个轮齿，j+1为第j+1个轮齿，且细线为理论齿廓，粗线为实际齿廓，具体实施步骤：
[0069]
第一步：测前准备工作；
[0070]
(1)在测量前，对光学测量系统校准和测前标定，以提升测量精度；
[0071]
(2)利用超声波齿轮清洗机对齿轮进行测前清洗，保证齿轮表面清洁；
[0072]
(3)粘贴标志点，在待测齿轮表面，随机粘贴标志点，以提升齿轮点云数据拼合精度；
[0073]
(4)由于齿轮本身属于高反光零件，因此为了获取更加完整精确的齿轮点云数据，需要在齿轮表面涂一层微薄的显像剂，以降低齿轮本身的反光对光学测量产生的不利影响。由于齿轮测量精度要求较高，因此选用对光学测量影响最小的钛粉显像剂，喷洒一次尺寸会增加1-2μm；由于齿轮整体尺寸较大，因此可忽略显像剂造成的齿轮尺寸影响；
[0074]
(5)通过双目视觉高精度光学测量系统对齿轮进行三维模型数据采集。
[0075]
第二步：点云采集和拼接、预处理；
[0076]
(1)由于无法一次性采集到完整的齿轮三维点云数据，所以对齿轮进行局部分区多次采集的策略；
[0077]
(2)逐个对分区的齿轮部分进行高精度数据采集；
[0078]
(3)对获取各部分齿轮的点云数据，根据识别相同的人工公共标志点，实现对齿轮的点云数据高精度拼接，获得完整的齿轮三维点云数据；
[0079]
(4)对上一步完整的齿轮三维点云数据进行平滑去噪处理，去除掉离散的点云数据点，使得齿轮三维点云数据更好平滑，以提升使齿轮测量精度。
[0080]
第三步：等间距建立平面和检测圆，提取检测圆与两侧齿面交点；
[0081]
在上一步骤获得的齿轮点云数模上，将齿轮按照齿宽方向，平均分割为n份，并标记分割点；在每个分割点处，作垂直于齿轮中心轴线的平面，一共可做n个平面(平面的数量n将根据圆柱齿轮齿宽和精度检测要求确定，本发明以n＝10为例)，即平面a、平面b、平面c、平面d、平面e、平面f、平面g、平面h、平面m、平面n；
[0082]
在做出的每一个平面上，分别以该齿轮的分度圆半径的线长为半径，以齿轮中心轴线与该平面的交点oii∈(a,b,c,d,e,f,g,h,m,n)为圆心，建立属于该平面的检测分度圆c
i i∈(a,b,c,d,e,f,g,h,m,n)，提取检测分度圆c
i i∈(a,b,c,d,e,f,g,h,m,n)与齿轮第j(j∈(1,z)，z为齿轮的齿数)个轮齿的实际左齿面交点p
ij
，齿轮第j+1(j∈(1,z)，z为齿轮的齿数)个轮齿的实际左齿面交点p
ij+1
，与齿轮第j(j∈(1,z)，z为齿轮的齿数)个轮齿的实际右齿面交点q
ij
，与齿轮第j+1(j∈(1,z)，z为齿轮的齿数)个轮齿的实际右齿面交点q
ij+1
；与齿轮第j(j∈(1,z)，z为齿轮的齿数)个轮齿的理论左齿面交点p’ij
，与齿轮第j+1(j∈(1,z)，z为齿轮的齿数)个轮齿的理论左齿面交点p’ij+1
，与齿轮第j(j∈(1,z)，z为齿轮的齿数)个轮齿的理论右齿面交于点q’ij
，与齿轮第j+1(j∈(1,z)，z为齿轮的齿数)个轮齿的理论右齿面交于点q’ij+1
。
[0083]
第四步：第j个轮齿齿厚偏差(e
sn
)测量；
[0084]
连接p
ij
oi、q
ij
oi；线p
ij
oi与线q
ij
oi相交于锐角∠p
ij
oiq
ij
，角度记为θ
ij
。连接p’ij
oi、
q’ij
oi；线p’ij
oi与线q’ij
oi相交于锐角∠p’ij
oiq’ij
，角度记为θ’ij
；
[0085]
第j个轮齿在第i个检测圆处实际齿厚与理论齿厚对应的角度差：
[0086]fθij
＝θ
ij-θ’ij
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0087]
其中，f
θij
：第j个轮齿在第i个检测圆处实际齿厚与理论齿厚对应的角度差，f
θij
》0表示第j个轮齿在第i个检测圆处，实际齿厚大于理论齿厚，该位置齿面存在多余材料，f
θij
《0表示第j个轮齿在第i个检测圆处，实际齿厚小于理论齿厚，该位置齿面存在过度切割；
[0088]
其中，θ
ij
：实际齿厚对应的圆心角度数；θ’ij
：理论齿厚对应的圆心角度数。
[0089]
考虑到测量齿厚偏差的过程中存在偶然性，本发明针对第j个轮齿在所有检测圆处，实际齿厚与理论齿厚对应的角度差求平均值，以提升对该轮齿齿厚偏差测量的科学性和精准性。
[0090]
第j个轮齿所有检测圆处实际齿厚与理论齿厚对应的角度差的平均值：
[0091][0092]
其中，表示第j个轮齿所有检测圆处实际齿厚与理论齿厚对应的角度差的平均值；n为检测圆的个数，也是平面的个数，这里n＝10；
[0093]
第j个轮齿的齿厚偏差：
[0094][0095]
其中，π为圆周率，这里取值π＝3.14；r：检测圆半径，这里等于分度圆半径；e
snj
：表示第j个轮齿的齿厚偏差。
[0096]
考虑到齿面的复杂性和齿轮齿厚误差测量过程中存在偶然性，因此利用该齿轮所有轮齿的平均齿厚偏差来描述该齿轮齿厚偏差；
[0097]
该齿轮所有轮齿的齿厚偏差为e
sn
[0098][0099]
其中，z为齿轮齿数。
[0100]
第五步：将第四步计算到齿厚偏差在同等级齿轮齿厚偏差允许的阈值τ内，说明该齿轮齿厚偏差是合格，否则不合格。
[0101]esn
《τ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0102]
第六步：齿距偏差检测；
[0103]
①
左侧齿距偏差：
[0104]
连接p
ij
oi，p
ij+1
oi，线p
ij
oi与线p
ij+1
oi相交于交锐角p
ij
oip
ij+1
,角度记为ω
ij
；连接p’ij
oi，p’ij+1
oi，线p’ij
oi与线p’ij+1
oi相交于交锐角p’ij
oip’ij+1
,角度记为ω’ij
；
[0105]
第j个轮齿在第i个检测圆上左侧齿距对应的角度差为：
[0106]fωij
＝ω
ij-ω’ij
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(6)
[0107]
其中，f
ωij
：表示第j个轮齿在第i个检测圆处左侧齿距对应的角度差，f
ωij
》0：表示第j个轮齿在第i个检测圆处左侧实际齿距大于理论齿距，f
ωij
《0：表示第j个轮齿在第i个检测圆处左侧实际齿距小于理论齿距；
[0108]
其中，ω
ij
：实际齿距对应的角度；ω’ij
：理论齿距对应的角度。
[0109]
考虑到测量齿距偏差的过程中存在偶然性，本发明针对第j个轮齿在所有检测圆处，实际齿距与理论齿距对应的角度差求平均值，以提升对该轮齿齿距偏差测量的科学性和精准性。
[0110]
第j个轮齿所有检测圆处左侧实际齿距与理论齿距对应角度差的平均值：
[0111][0112]
其中，表示第j个轮齿在所有检测圆处实际齿距与理论齿距对应角度差的平均值。n为检测圆的个数，也是平面的个数，这里n＝10。
[0113]
第j个轮齿的左侧齿距偏差为：
[0114][0115]
其中，f
plj
为第j个轮齿的左侧齿距偏差。π为圆周率，这里取3.14。r为检测圆半径，也等于分度圆半径。
[0116]
左侧平均齿距偏差：
[0117][0118]
其中：z为该齿轮齿数。
[0119]
单个左侧齿距偏差：
[0120]fpl
＝max|f
pj
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(10)
[0121]
左侧齿距累积总偏差：
[0122]fpl
＝max(f
pj
)-min(f
pj
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(11)
[0123]
②
右侧齿距偏差
[0124]
连接q
ij
oi，q
ij+1
oi，线q
ij
oi与线q
ij+1
oi相交于交锐角q
ij
oiq
ij+1
,角度记为α
ij
；连接q’ij
oi，q’ij+1
oi，线q’ij
oi与线q’ij+1
oi相交于交锐角q’ij
oiq’ij+1
,角度记为α’ij
。
[0125]
第j个轮齿在第i个检测圆处右侧齿距对应的角度差为：
[0126]fαij
＝α
ij-α’ij
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(12)
[0127]
其中，f
αij
：表示第j个轮齿在第i个检测圆处右侧齿距对应的角度差，f
αij
》0：表示第j个轮齿在第i个检测圆处右侧实际齿距大于理论齿距，f
αij
《0：表示第j个轮齿在第i个检测圆处右侧实际齿距小于理论齿距；
[0128]
其中，α
ij
：实际齿距对应的角度。α’ij
：理论齿距对应的角度。
[0129]
考虑到测量齿距偏差的过程中存在偶然性，本发明针对第j个轮齿在所有检测圆处，实际齿距与理论齿距对应的角度差求平均值，以提升对该轮齿齿距偏差测量的科学性和精准性。
[0130]
第j个轮齿所有检测圆处右侧实际齿距与理论齿距对应角度差的平均值：
[0131][0132]
其中，表示第j个轮齿在所有检测圆处右侧实际齿距与理论齿距对应角度差的平均值。n为检测圆的个数，也是平面的个数，这里n＝10。
[0133]
第j个轮齿的右侧齿距偏差为：
[0134][0135]
其中，f
prj
为第j个轮齿的右侧齿距偏差。π为圆周率，这里取3.14。r为检测圆半径，也等于分度圆半径。
[0136]
右侧平均齿距偏差：
[0137][0138]
其中：z为该齿轮齿数。
[0139]
单个右侧齿距偏差：
[0140]fpr
＝max|f
prj
|
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(16)
[0141]
右侧齿距累积总偏差：
[0142]fpr
＝max(f
prj
)-min(f
prj
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0143]
第七步：若第六步计算得到的左侧齿距偏差(f
pl
)和右侧齿距偏差(f
pr
)均小于同等级齿轮齿距偏差允许的阈值κ内，则该齿轮齿距偏差合格，否则该齿轮齿距偏差不合格。
[0144][0145]
第八步：若第七步测得该齿轮两侧齿距偏差均合格，则进入该齿轮两侧齿距累积偏差测量程序。如果第六步计算得到的左侧齿距累积偏差(f
pl
)，和右侧齿距累积偏差分别(f
pr
)均小于同等级齿轮齿距累积偏差允许的阈值γ内，则该齿轮齿距累积偏差合格，否则该齿轮齿距偏差不合格。
[0146][0147]
第九步：若第五步测得的该齿轮齿厚偏差，第七步测得的齿距偏差和第八步测得的齿距累积偏差均合格，则说明该齿轮是合格产品，否则其中任何一项不合格，则该齿轮属于不合格产品。
[0148]
综上所述，本发明通过同轴多环检测法测量圆柱齿轮齿厚偏差和齿距偏差，不仅能简单直观的计算出弧长，以此得到齿厚偏差和齿距偏差，而且还能测量出齿轮齿厚偏差和齿距偏差的沿齿轮轴向范围，因此，可做多个同轴同半径的检测圆，来实现齿轮每个轮齿的多个位置测量齿厚偏差和齿距偏差，从而使得对齿轮的齿距偏差和齿厚偏差的测量结果更准确、更具有权威性。