直齿圆柱齿轮渐开线齿形误差视觉测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及激光测量领域，特别涉及一种直齿圆柱齿轮渐开线齿形误差视觉测量 方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，以汽车产业为代表的制造工业在我国得到了迅猛的发展。作为制造业中 传动系统的重要零件，齿轮的制造技术也随之得到了大幅的提高。我国制造业的总体发展 战略之一就是将中国发展成为全球工业用齿轮的制造与供应基地，这一点也得到了国内多 数齿轮制造商的认可。装备制造业的复苏、航天航空供应的崛起、IT行业的快速发展和造船 业的兴盛，对齿轮制造业提出了更高的要求，同时也提供了前所未有的机遇。
[0003] 现今，无论是国企还是民企，大家一方面在扩大所能生产的齿轮的种类和产量，另 一方面更加关注于提高齿轮的制造质量。为此，大量企业在革新工艺、购置设备、引进技术、 强化信息管理等技术的改造和提升方面做了大量的投入；同时，企业更加重视齿轮制造全 过程的监控与检测技术，并将其列为确保齿轮生产质量的一个重要环节。为了提升国产齿 轮质量，提高国产齿轮测量仪器的市场占有率，必须研发具有自主知识产权的测量测量技 术。
[0004] 通常，可以将齿轮各项参数的测量方法分为接触式测量和非接触式测量。传统的 渐开线齿形误差测量方法大部分属于接触式测量，很难实现齿轮的原位测量。
[0005] 如果能将激光视觉测量技术应用到齿轮参数的测量之中，则会具有很多优点：
[0006] (1)易于信息集成和管理，可实现智能检测；
[0007] (2)速度快，测量过程可以快速扫描，不用逐点测量；
[0008] (3)可用于恶劣条件下的长时间测量，或者无法进行接触测量的情况；
[0009 ] (4)可以直接测量软性物体、薄壁物体和高精密零件。
[0010] 目前，激光视觉技术的测量对象大多是大型自由曲面的三维尺寸，这种应用对激 光视觉技术的测量精度要求不高。在机械工业领域，齿轮是应用最多的零件之一，对齿轮表 面的三维实体测量的精度要求更高，以往的方法或者无法达到较高的测量精度，或者实现 起来成本较高。因此，这些方法在实际应用中都受到了或多或少的限制。本发明的研究工作 正是在这种背景下提出的。
【发明内容】
[0011] 本发明的目的在于提供一种基于激光视觉成像系统的凸轮轴直径尺寸在线测量 方法，克服了现有非接触检测方法的不足，保证了较低的硬件成本、较高的检测效率和较好 的测量精度。是一种更有效的直齿圆柱齿轮渐开线齿形误差的在线非接触检测方法。
[0012] 本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
[0013] -种直齿圆柱齿轮渐开线齿形误差视觉测量方法，基于一字线激光视觉成像系 统，建立渐开线齿形误差的测量模型，结合光条中心线检测技术、角点检测技术和摄像机标 定技术等实现被测目标的测量，其包括以下步骤：
[0014] 1)标定激光主动照明下的视觉成像模型；
[0015] 2)标定伪光平面方程参数；
[0016] 3)计算齿廓表面被测点三维坐标；
[0017] 4)计算齿廓表面渐开线齿形误差。
[0018] 在上述技术方案中，步骤1)中所述的标定激光主动照明下的视觉成像模型包括标 定CCD摄像机的内参和畸变系数，以及激光光平面的平面参数，基于张正友提出的摄像机平 面标定算法，使用高精度标定板在不同姿态下图像的角点坐标，标定出摄像机内部参数和 镜头的畸变系数，具体过程包括下列步骤：
[0019] 1.1)利用C⑶摄像机采集10幅标定板在不同姿态下的图像；
[0020] 1.2)使用Bouguet工具箱检测出图像中角点的亚像素坐标；
[0021] 1.3)基于张正友提出的摄像机平面标定算法，利用检测得到的角点的像素坐标和 世界坐标求解摄像机内参、畸变系数和外参的初值；
[0022] 1.4)利用CCD摄像机采集6幅共面标靶图像；
[0023] 1 · 5)使用Bouguet工具箱检测出图像中角点的亚像素坐标，应用Steger算法检测 出图像中光条中心点的亚像素坐标，利用所有不同姿态的共面标靶图像中提取到的特征点 的像素坐标和世界坐标，对摄像机内参、畸变系数和光平面参数进行优化求解，此优化问题 可米用 Levenberg-Marquardt (L-M)法求解。
[0024] 在上述技术方案中，步骤2)中所述的标定伪光平面方程参数，是利用齿轮回转轴 线的方向向量和步骤1)所述的激光光平面的平面参数建立垂直于齿轮回转轴线的伪激光 光平面，并计算该伪光平面方程参数，具体过程包括以下步骤：
[0025] 2.1)选择齿轮回转轴线的方向向量作为伪光平面的法线方向向量，将标定板固定 在两顶尖之间，拍摄标定板在两个不同位置处的图像，通过步骤1.2)和1.3)计算两幅图像 中的标定板平面在相机坐标系下的方程，通过两个方程确定齿轮回转轴线的方向向量；
[0026] 2.2)选择齿轮回转轴线和激光光平面的交点作为伪光平面上的一点，将步骤2.1) 的标定板在两个位置处的方程与激光光平面方程联立，即可求得该交点坐标；
[0027] 2.3)通过步骤2.1)确定的伪光平面法线方向向量和步骤2.2)确定的伪光平面上 的一点确定伪光平面在相机坐标系下的方程；
[0028] 2.4)在伪光平面上建立局部坐标系，通过伪光平面在相机坐标系下的方程计算该 局部坐标系与相机坐标系之间的转换关系。
[0029] 在上述技术方案中，步骤3)中所述的计算齿廓表面被测点三维坐标，具体过程包 括以下步骤：
[0030] 3.1)保持(XD摄像机和激光器的相对位置不变，将被测齿轮套在一根芯轴上，芯轴 的两端用顶尖支撑，用CCD摄像机采集激光投射到被测齿轮表面上的图像；
[0031] 3.2)将采集到的图像送到计算机系统里进行处理，提取光条中心点的亚像素坐 标，计算该点在摄像机坐标系下的坐标；
[0032] 3.3)通过步骤2.4)确定的局部坐标系与相机坐标系之间的转换关系，计算光条中 心点在局部坐标系下的坐标(二维坐标）。
[0033] 在上述技术方案中，步骤4)中所述的计算齿廓表面渐开线齿形误差，具体过程包 括以下步骤：
[0034] 4.1)根据直齿圆柱齿轮渐开线齿形误差的定义，建立数学模型；
[0035] 4.2)根据模型所需参数计算包容实际齿形且距离为最小的两条设计齿形间的法 向距离。
[0036] 本发明的积极效果在于:基于经典的平面标定法对激光光光平面参数进行标定， 标定过程中，有效地修正了由于图像检测不准确、模型建立不确切等因素对标定残差带来 的影响；通过建立伪激光光平面，消除了激光光平面与齿轮回转轴线不垂直对测量误差带 来的影响；在伪激光平面上建立局部世界坐标系，将被测点在摄像机坐标系下的三维坐标 转化成二维坐标，简化了齿形误差的计算过程，提高了测量精度;在对激光视觉成像系统完 成标定之后，测量时，只需要保证CCD摄像机和激光器的相对位置关系不变即可，放松了测 量系统与被测零件之间摆放位置的要求，更利于实际应用;本发明采取了视觉测量技术，因 此能实现在线非接触检测，同时采用了精确的激光主动照明技术，能保证较高的测量精度， 对于IT6-8级精度齿轮，其测量精度小于等于± 0.015mm。
【附图说明】
[0037] 此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发 明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0038] 图1为本发明的激光主动照明下的直齿圆柱齿轮渐开线齿形误差视觉测量模型；
[0039] 图2为本发明的激光主动照明下的视觉成像模型标定时所用的标定板图像；
[0040] 图3为本发明的伪激光光平面标定时所用的共面标靶图像；
[0041 ]图4为本发明的激光主动照明下的视觉成像模型；
[0042]图5为本发明的标定直齿圆柱齿轮回转轴线时标定板的摆放位置；
[0043]图6为本发明的被测齿廓的渐开线图像；
[0044]图7为本发明的渐开线齿形测量模型。
【具体实施方式】
[0045]本发明的发明思想为：
[0046]本发明采用激光主动照明下的视觉成像原理，考虑到CCD摄像机、线激光和被测齿 轮之间的位置关系，综合使用摄像机标定、光条中心线检测和角点检测等方法实现测量。这 种方法利用CCD摄像机检测一字线激光器照射到物体上的光点位置变化，按照系统的标定 模型计算渐开线齿形误差。在标定过程中，本方法考虑了光条图像的畸变，可有效的提高标 定精度。测量过程中，不要求被测齿轮与测量系统有特定的位置关系，放松了对测量系统的 摆放要求，更有利于实际应用。
[0047] 下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其【具体实施方式】。
[0048] 参见图1，本发明的激光主动照明下的直齿圆柱齿轮渐开线齿形误差视觉测量方 法，基于线激光视觉成像系统，建立直齿圆柱齿轮渐开线齿形误差的测量模型，结合光条中 心线检测技术、角点检测技术和摄像机标定技术等实现被测尺寸的测量，其包括以下步骤： [0049] 1、标定CCD摄像机的内参和畸变系数，以及激光光平面的平面参数。本步骤基于张 正友提出的摄像机平面标定算法，使用高精度标定板在不同姿态下图像的角点坐标，标定 出摄像机内部参数和镜头的畸变系数，具体过程包括下列步骤：
[0050] 1.1)利用CCD摄像机采集10幅标定板在不同姿态下的图像，采集图像时，将标定板 置于背景光源和CCD摄像机之间，采集得到的10幅标定板图像如图2所示。
[0051 ] 1.2)使用Bouguet工具箱检测出图像中角点的亚像素坐标；
[0052] 1.3)基于张正友提出的摄像机平面标定算法，利用检测得到的角点的像素坐标和 世界坐标求解摄像机内参、畸变系数和外参的初值；
[0053] 1.4)利用CCD摄像机采集6幅共面标靶图像，采集图像时，CCD摄像机与镜头的组 合、一字线激光器和共面标靶装置呈三角形分布摆放，该三角形满足三个内角在30°~150° 之间。沿CCD摄像机的摄影方向，背光源置于共面装置的后侧，采集得到的6幅共面标靶图像 如图3所示。
[0054] 1 · 5)使用Bouguet工具箱检测出图像中角点的亚像素坐标，应用Steger算法检测 出图像中光条中心点的亚像素坐标，利用所有不同姿态的共面标靶图像中提取到的特征点 的像素坐标和世界坐标，对摄像机内参、畸变系数和光平面参数进行优化求解，此优化问题 可米用 Levenberg-Marquardt (L-M)法求解。
[0055] 在标定摄像机内参及畸变系数的过程中，涉及的坐标系如下：
[0056] OwXwYwZw--世界坐标系；OcXcYcZc--摄像机坐标系；
[0057] Oxy--图像坐标系， Oquv--像素为坐标系。
[0058]摄像机的成像过程即是空间物点在这四个坐标系中的一系列变换过程，如图4所 示，本发明采用的标定模型如下：
[0063]
, (Xw，Yw，Zw)为世界坐标