直齒圓柱齒輪漸開線齒形誤差視覺測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光測量領(lǐng)域，特別涉及一種直齒圓柱齒輪漸開線齒形誤差視覺測量 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，以汽車產(chǎn)業(yè)為代表的制造工業(yè)在我國得到了迅猛的發(fā)展。作為制造業(yè)中 傳動系統(tǒng)的重要零件，齒輪的制造技術(shù)也隨之得到了大幅的提高。我國制造業(yè)的總體發(fā)展 戰(zhàn)略之一就是將中國發(fā)展成為全球工業(yè)用齒輪的制造與供應(yīng)基地，這一點也得到了國內(nèi)多 數(shù)齒輪制造商的認(rèn)可。裝備制造業(yè)的復(fù)蘇、航天航空供應(yīng)的崛起、IT行業(yè)的快速發(fā)展和造船 業(yè)的興盛，對齒輪制造業(yè)提出了更高的要求，同時也提供了前所未有的機遇。
[0003] 現(xiàn)今，無論是國企還是民企，大家一方面在擴(kuò)大所能生產(chǎn)的齒輪的種類和產(chǎn)量，另 一方面更加關(guān)注于提高齒輪的制造質(zhì)量。為此，大量企業(yè)在革新工藝、購置設(shè)備、引進(jìn)技術(shù)、 強化信息管理等技術(shù)的改造和提升方面做了大量的投入；同時，企業(yè)更加重視齒輪制造全 過程的監(jiān)控與檢測技術(shù)，并將其列為確保齒輪生產(chǎn)質(zhì)量的一個重要環(huán)節(jié)。為了提升國產(chǎn)齒 輪質(zhì)量，提高國產(chǎn)齒輪測量儀器的市場占有率，必須研發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的測量測量技 術(shù)。
[0004] 通常，可以將齒輪各項參數(shù)的測量方法分為接觸式測量和非接觸式測量。傳統(tǒng)的 漸開線齒形誤差測量方法大部分屬于接觸式測量，很難實現(xiàn)齒輪的原位測量。
[0005] 如果能將激光視覺測量技術(shù)應(yīng)用到齒輪參數(shù)的測量之中，則會具有很多優(yōu)點：
[0006] (1)易于信息集成和管理，可實現(xiàn)智能檢測；
[0007] (2)速度快，測量過程可以快速掃描，不用逐點測量；
[0008] (3)可用于惡劣條件下的長時間測量，或者無法進(jìn)行接觸測量的情況；
[0009 ] (4)可以直接測量軟性物體、薄壁物體和高精密零件。
[0010] 目前，激光視覺技術(shù)的測量對象大多是大型自由曲面的三維尺寸，這種應(yīng)用對激 光視覺技術(shù)的測量精度要求不高。在機械工業(yè)領(lǐng)域，齒輪是應(yīng)用最多的零件之一，對齒輪表 面的三維實體測量的精度要求更高，以往的方法或者無法達(dá)到較高的測量精度，或者實現(xiàn) 起來成本較高。因此，這些方法在實際應(yīng)用中都受到了或多或少的限制。本發(fā)明的研究工作 正是在這種背景下提出的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011] 本發(fā)明的目的在于提供一種基于激光視覺成像系統(tǒng)的凸輪軸直徑尺寸在線測量 方法，克服了現(xiàn)有非接觸檢測方法的不足，保證了較低的硬件成本、較高的檢測效率和較好 的測量精度。是一種更有效的直齒圓柱齒輪漸開線齒形誤差的在線非接觸檢測方法。
[0012] 本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)：
[0013] -種直齒圓柱齒輪漸開線齒形誤差視覺測量方法，基于一字線激光視覺成像系 統(tǒng)，建立漸開線齒形誤差的測量模型，結(jié)合光條中心線檢測技術(shù)、角點檢測技術(shù)和攝像機標(biāo) 定技術(shù)等實現(xiàn)被測目標(biāo)的測量，其包括以下步驟：
[0014] 1)標(biāo)定激光主動照明下的視覺成像模型；
[0015] 2)標(biāo)定偽光平面方程參數(shù)；
[0016] 3)計算齒廓表面被測點三維坐標(biāo)；
[0017] 4)計算齒廓表面漸開線齒形誤差。
[0018] 在上述技術(shù)方案中，步驟1)中所述的標(biāo)定激光主動照明下的視覺成像模型包括標(biāo) 定CCD攝像機的內(nèi)參和畸變系數(shù)，以及激光光平面的平面參數(shù)，基于張正友提出的攝像機平 面標(biāo)定算法，使用高精度標(biāo)定板在不同姿態(tài)下圖像的角點坐標(biāo)，標(biāo)定出攝像機內(nèi)部參數(shù)和 鏡頭的畸變系數(shù)，具體過程包括下列步驟：
[0019] 1.1)利用C⑶攝像機采集10幅標(biāo)定板在不同姿態(tài)下的圖像；
[0020] 1.2)使用Bouguet工具箱檢測出圖像中角點的亞像素坐標(biāo)；
[0021] 1.3)基于張正友提出的攝像機平面標(biāo)定算法，利用檢測得到的角點的像素坐標(biāo)和 世界坐標(biāo)求解攝像機內(nèi)參、畸變系數(shù)和外參的初值；
[0022] 1.4)利用CCD攝像機采集6幅共面標(biāo)靶圖像；
[0023] 1 · 5)使用Bouguet工具箱檢測出圖像中角點的亞像素坐標(biāo)，應(yīng)用Steger算法檢測 出圖像中光條中心點的亞像素坐標(biāo)，利用所有不同姿態(tài)的共面標(biāo)靶圖像中提取到的特征點 的像素坐標(biāo)和世界坐標(biāo)，對攝像機內(nèi)參、畸變系數(shù)和光平面參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，此優(yōu)化問題 可米用 Levenberg-Marquardt (L-M)法求解。
[0024] 在上述技術(shù)方案中，步驟2)中所述的標(biāo)定偽光平面方程參數(shù)，是利用齒輪回轉(zhuǎn)軸 線的方向向量和步驟1)所述的激光光平面的平面參數(shù)建立垂直于齒輪回轉(zhuǎn)軸線的偽激光 光平面，并計算該偽光平面方程參數(shù)，具體過程包括以下步驟：
[0025] 2.1)選擇齒輪回轉(zhuǎn)軸線的方向向量作為偽光平面的法線方向向量，將標(biāo)定板固定 在兩頂尖之間，拍攝標(biāo)定板在兩個不同位置處的圖像，通過步驟1.2)和1.3)計算兩幅圖像 中的標(biāo)定板平面在相機坐標(biāo)系下的方程，通過兩個方程確定齒輪回轉(zhuǎn)軸線的方向向量；
[0026] 2.2)選擇齒輪回轉(zhuǎn)軸線和激光光平面的交點作為偽光平面上的一點，將步驟2.1) 的標(biāo)定板在兩個位置處的方程與激光光平面方程聯(lián)立，即可求得該交點坐標(biāo)；
[0027] 2.3)通過步驟2.1)確定的偽光平面法線方向向量和步驟2.2)確定的偽光平面上 的一點確定偽光平面在相機坐標(biāo)系下的方程；
[0028] 2.4)在偽光平面上建立局部坐標(biāo)系，通過偽光平面在相機坐標(biāo)系下的方程計算該 局部坐標(biāo)系與相機坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。
[0029] 在上述技術(shù)方案中，步驟3)中所述的計算齒廓表面被測點三維坐標(biāo)，具體過程包 括以下步驟：
[0030] 3.1)保持(XD攝像機和激光器的相對位置不變，將被測齒輪套在一根芯軸上，芯軸 的兩端用頂尖支撐，用CCD攝像機采集激光投射到被測齒輪表面上的圖像；
[0031] 3.2)將采集到的圖像送到計算機系統(tǒng)里進(jìn)行處理，提取光條中心點的亞像素坐 標(biāo)，計算該點在攝像機坐標(biāo)系下的坐標(biāo)；
[0032] 3.3)通過步驟2.4)確定的局部坐標(biāo)系與相機坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，計算光條中 心點在局部坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(二維坐標(biāo)）。
[0033] 在上述技術(shù)方案中，步驟4)中所述的計算齒廓表面漸開線齒形誤差，具體過程包 括以下步驟：
[0034] 4.1)根據(jù)直齒圓柱齒輪漸開線齒形誤差的定義，建立數(shù)學(xué)模型；
[0035] 4.2)根據(jù)模型所需參數(shù)計算包容實際齒形且距離為最小的兩條設(shè)計齒形間的法 向距離。
[0036] 本發(fā)明的積極效果在于:基于經(jīng)典的平面標(biāo)定法對激光光光平面參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定， 標(biāo)定過程中，有效地修正了由于圖像檢測不準(zhǔn)確、模型建立不確切等因素對標(biāo)定殘差帶來 的影響；通過建立偽激光光平面，消除了激光光平面與齒輪回轉(zhuǎn)軸線不垂直對測量誤差帶 來的影響；在偽激光平面上建立局部世界坐標(biāo)系，將被測點在攝像機坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo) 轉(zhuǎn)化成二維坐標(biāo)，簡化了齒形誤差的計算過程，提高了測量精度;在對激光視覺成像系統(tǒng)完 成標(biāo)定之后，測量時，只需要保證CCD攝像機和激光器的相對位置關(guān)系不變即可，放松了測 量系統(tǒng)與被測零件之間擺放位置的要求，更利于實際應(yīng)用;本發(fā)明采取了視覺測量技術(shù)，因 此能實現(xiàn)在線非接觸檢測，同時采用了精確的激光主動照明技術(shù)，能保證較高的測量精度， 對于IT6-8級精度齒輪，其測量精度小于等于± 0.015mm。
【附圖說明】
[0037] 此處所說明的附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請的一部分，本發(fā) 明的示意性實例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。
[0038] 圖1為本發(fā)明的激光主動照明下的直齒圓柱齒輪漸開線齒形誤差視覺測量模型；
[0039] 圖2為本發(fā)明的激光主動照明下的視覺成像模型標(biāo)定時所用的標(biāo)定板圖像；
[0040] 圖3為本發(fā)明的偽激光光平面標(biāo)定時所用的共面標(biāo)靶圖像；
[0041 ]圖4為本發(fā)明的激光主動照明下的視覺成像模型；
[0042]圖5為本發(fā)明的標(biāo)定直齒圓柱齒輪回轉(zhuǎn)軸線時標(biāo)定板的擺放位置；
[0043]圖6為本發(fā)明的被測齒廓的漸開線圖像；
[0044]圖7為本發(fā)明的漸開線齒形測量模型。
【具體實施方式】
[0045]本發(fā)明的發(fā)明思想為：
[0046]本發(fā)明采用激光主動照明下的視覺成像原理，考慮到CCD攝像機、線激光和被測齒 輪之間的位置關(guān)系，綜合使用攝像機標(biāo)定、光條中心線檢測和角點檢測等方法實現(xiàn)測量。這 種方法利用CCD攝像機檢測一字線激光器照射到物體上的光點位置變化，按照系統(tǒng)的標(biāo)定 模型計算漸開線齒形誤差。在標(biāo)定過程中，本方法考慮了光條圖像的畸變，可有效的提高標(biāo) 定精度。測量過程中，不要求被測齒輪與測量系統(tǒng)有特定的位置關(guān)系，放松了對測量系統(tǒng)的 擺放要求，更有利于實際應(yīng)用。
[0047] 下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其【具體實施方式】。
[0048] 參見圖1，本發(fā)明的激光主動照明下的直齒圓柱齒輪漸開線齒形誤差視覺測量方 法，基于線激光視覺成像系統(tǒng)，建立直齒圓柱齒輪漸開線齒形誤差的測量模型，結(jié)合光條中 心線檢測技術(shù)、角點檢測技術(shù)和攝像機標(biāo)定技術(shù)等實現(xiàn)被測尺寸的測量，其包括以下步驟： [0049] 1、標(biāo)定CCD攝像機的內(nèi)參和畸變系數(shù)，以及激光光平面的平面參數(shù)。本步驟基于張 正友提出的攝像機平面標(biāo)定算法，使用高精度標(biāo)定板在不同姿態(tài)下圖像的角點坐標(biāo)，標(biāo)定 出攝像機內(nèi)部參數(shù)和鏡頭的畸變系數(shù)，具體過程包括下列步驟：
[0050] 1.1)利用CCD攝像機采集10幅標(biāo)定板在不同姿態(tài)下的圖像，采集圖像時，將標(biāo)定板 置于背景光源和CCD攝像機之間，采集得到的10幅標(biāo)定板圖像如圖2所示。
[0051 ] 1.2)使用Bouguet工具箱檢測出圖像中角點的亞像素坐標(biāo)；
[0052] 1.3)基于張正友提出的攝像機平面標(biāo)定算法，利用檢測得到的角點的像素坐標(biāo)和 世界坐標(biāo)求解攝像機內(nèi)參、畸變系數(shù)和外參的初值；
[0053] 1.4)利用CCD攝像機采集6幅共面標(biāo)靶圖像，采集圖像時，CCD攝像機與鏡頭的組 合、一字線激光器和共面標(biāo)靶裝置呈三角形分布擺放，該三角形滿足三個內(nèi)角在30°~150° 之間。沿CCD攝像機的攝影方向，背光源置于共面裝置的后側(cè)，采集得到的6幅共面標(biāo)靶圖像 如圖3所示。
[0054] 1 · 5)使用Bouguet工具箱檢測出圖像中角點的亞像素坐標(biāo)，應(yīng)用Steger算法檢測 出圖像中光條中心點的亞像素坐標(biāo)，利用所有不同姿態(tài)的共面標(biāo)靶圖像中提取到的特征點 的像素坐標(biāo)和世界坐標(biāo)，對攝像機內(nèi)參、畸變系數(shù)和光平面參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，此優(yōu)化問題 可米用 Levenberg-Marquardt (L-M)法求解。
[0055] 在標(biāo)定攝像機內(nèi)參及畸變系數(shù)的過程中，涉及的坐標(biāo)系如下：
[0056] OwXwYwZw--世界坐標(biāo)系；OcXcYcZc--攝像機坐標(biāo)系；
[0057] Oxy--圖像坐標(biāo)系， Oquv--像素為坐標(biāo)系。
[0058]攝像機的成像過程即是空間物點在這四個坐標(biāo)系中的一系列變換過程，如圖4所 示，本發(fā)明采用的標(biāo)定模型如下：
[0063]
, (Xw，Yw，Zw)為世界坐標(biāo)