CN108225175B - 拖拉机传动系锥齿轮齿面接触印痕数据获取装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种拖拉机传动系锥齿轮齿面接触印痕数据获取装置与方法。包括支持部分、图像采集部分和控制及处理部分；控制及处理部分包括个驱动电机、数据采集卡和计算机，支持部分包括两个半环形的支架，两个支架一端分别固定连接到控制及处理部分的两个驱动电机的输出轴上；图像采集部分包括相机、光源和凹面镜；光源在两个支架的内侧柱面，相机和凹面镜布置在两个支架的侧方且相向布置。本发明结构简单，操作方便可靠，针对拖拉机传动系锥齿轮装配时检查调整实际情况，能满足装配线上锥齿轮凸面和凹面印痕数据的同时获取，实现在线的检测、分析和调整，从而提高传动系装配线检查调整效率和改进减速器质量。

Description

拖拉机传动系锥齿轮齿面接触印痕数据获取装置与方法

技术领域

本发明涉及拖拉机传动系锥齿轮装配质量在线检测领域，特别涉及一种拖拉机传动系锥齿轮齿面接触印痕数据获取装置与方法。

背景介绍

锥齿轮的齿面接触印痕和装配误差是决定拖拉机传动系性能的重要指标。在设计和制造中，对传动误差大小、齿面接触印痕的位置和大小都有严格的规定和要求。在装配车间，对锥齿轮凸凹面的齿面接触印痕进行检查，不符合装配要求，做相应的调整，避免拖拉机质量出现问题。

拖拉机锥齿轮装配时的齿面接触印痕常用检查方法是，由操作人员的经验肉眼判断接触印痕的状况，缺乏标准化自动化印痕检测数据获取装置和方法。专利CN201610835288.3_直升机减速器螺旋锥齿轮齿面接触印痕免调整方法，提供一种用实测值计算锥齿轮安装调整垫厚度的方法；专利CN201210235836.0_高精度中央传动锥齿轮着色检查方法，模拟齿轮真实工作条件进行着色检查，提高修理精度；专利CN107314760 A后桥齿轮配对印痕拍照***，针对齿轮制造质量进行离线检测，将待测齿轮副装在检测平台上利用驱动机构形成印痕后固定齿轮，无法用于装配线上，一次只能获取齿轮一面的图像，同时拍照***无光源，难以保证相机获得效果稳定的图像。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，提高拖拉机动力换挡传动系锥齿轮装配时的齿面接触印痕检测调整的效率和准确性，本发明提供一种拖拉机传动系锥齿轮齿面接触印痕数据获取装置与方法，针对拖拉机传动系锥齿轮装配时检查调整实际情况，能满足在装配线上锥齿轮凸面和凹面印痕数据的同时获取，实现在线的检测、分析和调整，提高传动系装配线检查调整效率和改进减速器质量。

本发明采用的技术方案是：

一、一种拖拉机传动系锥齿轮齿面接触印痕数据获取装置：

包括支持部分、图像采集部分和控制及处理部分。

控制及处理部分用于控制支持和图像采集，并具有图像处理和通信功能，包括安装在外壳内的两个驱动电机、数据采集卡和计算机，两个驱动电机靠近布置，外壳通过固定装置固定。

支持部分用于固定图像采集部分，包括两个半环形的支架，两个支架一端分别固定连接到控制及处理部分的两个驱动电机的输出轴上，两个支架在驱动电机带动下相接形成完整圆环或者呈开口角度的对称布置。

图像采集部分用于采集拖拉机传动系锥齿轮的齿面接触印痕图像，包括相机、光源和凹面镜；光源布置在两个支架的内侧柱面，并且沿周向间隔均布，相机和凹面镜布置在两个支架的侧方且相向布置。

所述相机和凹面镜固定在支架一侧，支架另一侧放置控制及处理部分的外壳。光源均匀分布在支架内曲面，为相机提供稳定的拍照环境。

所述相机和凹面镜的光轴重合且平行于两个支架构成的平面，相向布置在两个支架之间的两侧，相机镜头朝向凹面镜的镜面。

所述相机的焦距等于相机镜头沿光轴到凹面镜中心距离的二分之一，所述凹面镜焦距等于相机镜头沿光轴到凹面镜中心距离的四分之一。

二、一种拖拉机传动系锥齿轮齿面接触印痕数据判断识别方法，包括以下步骤：

1)通过控制及处理部分控制两个支架形成对称布置，支架相对于所在铰接点的转动，将被测锥齿轮放置在两个支架的侧方且位于相机和凹面镜之间，具体是位于与相机、凹面镜的同一侧，被测锥齿轮的齿顶圆表面与相机或者凹面镜的光轴相切，且切点位于相机镜头沿光轴到凹面镜中心连线的中点位置；

2)通过控制及处理部分控制开启光源，通过相机采集被测锥齿轮的齿面接触印痕图像；

采集时被测锥齿轮最顶部的齿位于相机镜头沿光轴到凹面镜中心连线的中间，被测锥齿轮最顶部的齿所在的径向方向垂直于相机或者凹面镜的光轴。

具体实施中被测锥齿轮的每个齿两侧的齿面分别为凸面和凹面。

所述的齿面接触印痕是指被测锥齿轮的齿面在啮合转动过程中两齿轮轮齿齿面相互接触出现产生的印痕。

3)控制及处理部分对采集到的每个齿面接触印痕图像进行处理提取特征数据，获得被测锥齿轮的识别结果，提取特征数据具体是依次经图像预处理、印痕区域及齿廓区域分割算法和锥齿轮参数标定测量后实时提取齿面接触印痕特征。

所述的相机采集到的齿面接触印痕图像包括齿两侧的齿面。其中一个齿面是直接到相机中成像，另一个相对的齿面经凹面镜反射后到相机中成像。具体实施中需要将齿面接触印痕图像进行灰度化处理。

所述步骤3)中，将齿面接触印痕图像等分为上半部分的子图像和下半部分的子图像，然后：

3.1)图像预处理：两幅子图像分别对应为齿两侧的齿面，首先对子图像G(m,n)进行中值滤波处理、图像锐化、图像二值化，获得处理后图像G₃(m,n)；

相机采集到图像大小为P×Q像素。

3.2)印痕区域和齿廓区域分割：

本发明采用印痕区域及齿廓区域分割算法对预处理后的图像进行齿廓和印痕提取分割，齿廓表示整幅图像中锥齿轮完整齿廓。

将处理后图像G₃(m,n)采用边缘检测算法进行检测获得图像中的齿廓和印痕轮廓，齿廓和印痕轮廓均由一系列轮廓上的像素点构成，齿廓的两侧中一侧齿高小于另一侧的齿高，以齿高小的作为齿廓小端；

计算齿廓总长度a和印痕在齿长方向的长度l3，计算印痕轮廓到齿廓小端的最小距离作为第一距离l1，印痕轮廓到齿廓齿顶的最小距离作为第二距离l2；计算时先用齿廓小端的各个像素点构建齿廓小端线性方程F1，用齿廓的齿顶边沿的各个像素点构建齿廓齿顶面边缘线性方程F2，再利用印痕轮廓的每个像素点坐标位置分别和齿廓小端线性方程F1、齿廓齿顶面边缘线性方程F2进行计算获得，最靠近的像素点位置，并以此计算距离l1、l2。

对于齿两侧的齿面印痕数据均采用相同方式进行处理。

印痕在齿长方向的长度l3采用类椭圆算法计算印痕轮廓的长轴长。

3.3)锥齿轮参数标定测量：

设相机的视场实际长为x，宽为y，子图像的宽为y/2，由工业相机本身属性可知，其拍摄的图像像素横坐标取值范围为[0,P]，由于同时拍摄齿两侧的齿面印痕图像，其拍摄的子图像像素纵坐标取值范围为[0,Q/2]。

采用以下公式计算出距离L1、距离L2和比值B：

其中，L1表示实际啮合印痕到锥齿轮的齿廓小端的距离，L2表示实际啮合印痕到锥齿轮的齿顶面的距离，B表示印痕总长度与齿廓总长度的比值；x、y分别表示相机视场的长和宽；

3.4)对于与齿两侧的齿面对应的两幅子图像，均采用上述步骤3.1)～3.3)获得距离L1、距离L2和比值B，取两幅子图像的同一参数平均值为L1′，L2′，B′，然后采用以下方式判断获得被测锥齿轮是否合格的结果：

若同时满足2mm≤L1′≤4mm、0.8mm≤L2′≤1.6mm和B′≥2/3，则被测锥齿轮的齿面啮合符合要求，产品合格。否则，若任意一面的三个参数中，有一个参数不符合上述要求，被测锥齿轮的齿面啮合不符合要求，需要调整。

所述步骤3.1)图像预处理中，进行中值滤波处理、图像锐化、图像二值化具体为：

3.1.1)中值滤波处理：具体是针对子图像G(m,n)中的每个像素点用3×3窗口滤波，以3×3窗口中所有像素点的灰度中值代替覆盖3×3窗口内的中心像素点的原灰度值，具体公式为：

G₁(m,n)＝Med{G(m,n)},(m,n＝0,1,2,…N-1)

其中，Med{G(m,n)}表示中值函数，G(m,n)表示子图像中像素点(m,n)的灰度值；G₁(m,n)表示中值滤波后的子图像像素点(m,n)的灰度值；

3.1.2)图像锐化：针对中值滤波后的图像像素，首先计算利用Roberts算法计算梯度算子，然后获取锐化后的图像像素值，公式为：

G′₂(m,n)＝{[G₁(m,n)-G₁(m+1,n)]²+[G₁(m,n)-G₁(m,n+1)]²}1/2

G₂(m,n)＝G′₂(m,n) G′₂(m,n)≥T

G₂(m,n)＝G₁(m,n) 其他

其中，G′₂(m,n)表示Roberts算法的梯度算子，G₁(m,n)表示中值滤波处理后的图像像素点(m,n)的灰度值；G₂(m,n)表示图像锐化后的图像像素点(m,n)的灰度值，T是一个非负的阈值；

3.1.3)图像二值化：针对锐化后的图像，利用Otsu算法计算二值化阈值，然后获取二值化后的图像像素值，对每个像素点进行二值化处理：

G₃(m,n)＝1 G₂(m,n)>T′

G₃(m,n)＝0 G₂(m,n)≤T′

其中，T′表示Otsu算法计算二值化阈值，G₂(m,n)表示锐化处理后的图像像素点(m,n)的灰度值；G₃(m,n)表示图像二值化后的图像像素。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

使用单个相机实现一次拍照同时获取拖拉机传动系锥齿轮的双面齿面接触印痕数据，提高了传动系装配线检查调整效率，有利于改进减速器质量。

针对拖拉机传动系锥齿轮装配时检查调整实际情况，能满足装配线上锥齿轮凸面和凹面印痕数据的同时获取，实现在线的检测和数据分析，从而提高传动系装配线检查调整效率和改进减速器质量。

附图说明

图1为拖拉机传动系锥齿轮齿面接触印痕数据获取装置示意图。

图2为单个相机获取锥齿轮凸凹面接触印痕数据原理图。

图3为本发明方法实施中所使用的中间数据在图像中的示意图。

图1中：1相机、2固定装置、3控制及处理部分、4凹面镜、5支架、6光源。

图3中：齿廓小端的各个像素点构建齿廓小端线性方程F1、齿廓的齿顶边沿的各个像素点构建齿廓齿顶面边缘线性方程F2、齿廓总长度a、印痕在齿长方向的长度l3、印痕轮廓到齿廓小端的最小距离l1、印痕轮廓到齿廓齿顶的最小距离l2。

具体实施方式

下面结合附图对拖拉机传动系锥齿轮齿面接触印痕数据获取装置作详细描述。

如图1所示，拖拉机传动系锥齿轮齿面接触印痕数据获取装置包括：1相机、2固定装置、3控制及处理部分、4凹面镜、5支架、6光源。

如图2所示，单个相机获取锥齿轮凸凹面接触印痕数据原理图：相机1与凹面镜4轴线对齐，镜头与镜面相向排列；两者之间的距离等于相机1焦距的两倍，等于凹面镜4焦距的四倍；被测齿轮位于两者连线的中点位置，其到镜面的最小距离d小于凹面镜4的焦距f。根据凹面镜的成像原理，被测齿轮B面的像经过凹面镜4反射后呈现等比例的B’像，此时相机1便可采集到包含被测齿轮A面和B面的图像。

本发明的实施例及其实施过程如下：固定拖拉机传动系锥齿轮齿面接触印痕数据获取装置于装配线。然后通过动力结构使两个环型支架5与控制及处理部分3配合，两支架呈一定角度，使相机1与凹面镜4轴线对齐，相向排列，相机1镜头朝向凹面镜4镜面，相机1焦距等于相机镜头到凹面镜4距离的二分之一，凹面镜4的焦距等于相机1的镜头到凹面镜距离的四分之一。

控制及处理部分3控制图像采集部分工作，开启光源6，相机1同时采集到锥齿轮凸凹面接触印痕图像。

控制及处理部分接收到锥齿轮凸凹面接触印痕图，对图像预处理、印痕区域及齿廓区域分割算法和锥齿轮参数标定测量方法，实时处理提取印痕特征数据。

将齿面接触印痕图像等分为上半部分的子图像和下半部分的子图像。

图像预处理：两幅子图像分别对应为齿两侧的齿面，首先对子图像G(m,n)进行中值滤波处理、图像锐化、图像二值化，获得处理后图像G₃(m,n)；

相机采集到图像大小为P×Q像素。

中值滤波处理：具体是针对子图像G(m,n)中的每个像素点，用3×3窗口中的像素点的灰度中值代替覆盖3×3窗口内的中心像素点的原灰度值，具体公式为：

G₁(m,n)＝Med{G(m,n)},(m,n＝0,1,2,…N-1)

其中，Med{G(m,n)}表示中值函数，G(m,n)表示子图像中像素点(m,n)的灰度值；G₁(m,n)表示中值滤波后的子图像像素点(m,n)的灰度值；

图像锐化：具体是针对中值滤波后的图像像素，首先计算利用Roberts计算梯度算子，然后获取锐化后的图像像素值。

G′₂(m,n)＝{[G₁(m,n)-G₁(m+1,n)]²+[G₁(m,n)-G₁(m,n+1)]²}1/2

G₂(m,n)＝G′₂(m,n) G′₂(m,n)≥T

G₂(m,n)＝G₁(m,n) 其他

其中，G′₂(m,n)表示Roberts算法的梯度算子，G₁(m,n)表示中值滤波处理后的图像像素点(m,n)的灰度值；G₂(m,n)表示图像锐化后的图像像素点(m,n)的灰度值；T是一个非负的阈值。

图像二值化：具体是针对锐化图像，利用Otsu算法计算二值化阈值，然后获取二值化后的图像像素值。

G₃(m,n)＝1 G₂(m,n)>T′

G₃(m,n)＝0 G₂(m,n)≤T′

其中，T′表示Otsu算法计算二值化阈值，G₂(m,n)表示锐化处理后的图像像素点(m,n)的灰度值；G₃(m,n)表示图像二值化后的图像像素。

印痕区域和齿廓区域分割：采用印痕区域及齿廓区域分割算法对预处理后的图像进行齿廓和印痕提取分割，齿廓表示整幅图像中锥齿轮完整齿廓。

将处理后图像G采用边缘检测算法进行检测获得图像中的齿廓和印痕轮廓，齿廓和印痕轮廓均由一系列像素点构成；

本实施例相机1采用Image Source公司DMK23G618黑白相机，图像像素为640(H)*480(V)。

DMK23G618黑白相机CCD芯片尺寸为1/4英寸，芯片所对应长为3.2和宽为2.4mm。选择35mm焦距的VL-LEM3520-MP5镜头，加入长度为5mm的近视截圈缩短，提高***分辨率。

视场＝(镜头焦距*CCD芯片尺寸)/近视截圈长度。

***分辨率是视场实际大小与CCD相机图像像素数之比。

计算知：水平和竖直方向的相机分辨率是相同的，均是0.035mm/pixel。

如图3所示，计算齿廓总长度a和印痕在齿长方向的长度l3，计算印痕轮廓到齿廓小端的最小距离作为第一距离l1，印痕轮廓到齿廓齿顶的最小距离作为第二距离l2；计算时先用齿廓小端的各个像素点构建齿廓小端线性方程F1，用齿廓的齿顶边沿的各个像素点构建齿廓齿顶面边缘线性方程F2，再利用印痕轮廓的每个像素点坐标位置分别和齿廓小端线性方程F1、齿廓齿顶面边缘线性方程F2进行计算获得，最靠近的像素点位置，并以此计算距离l1、l2。

对于齿两侧的齿面印痕数据均采用相同方式进行处理。

印痕在齿长方向的长度l3采用类椭圆算法计算计算印痕轮廓的长轴长。

锥齿轮参数标定测量：设相机的视场实际长为x，宽为y，子图像的宽为y/2，由DMK23G618工业相机本身属性可知，其拍摄的图像像素横坐标取值范围为[0,640]，同时拍摄齿两侧的齿面印痕图像，其拍摄的图像像素纵坐标取值范围为[0,480]。

采用以下公式计算出距离L1、距离L2和比值B：

其中，L1表示实际啮合印痕到锥齿轮的齿廓小端的距离，L2表示实际啮合印痕到锥齿轮的齿顶面的距离，B表示印痕总长度与齿廓总长度的比值；x、y分别表示相机视场的实际长和宽；

对于与齿两侧的齿面对应的两幅子图像，均采用上述步骤获得距离L1、距离L2和比值B，取两幅子图像的同一参数平均值为L1′，L2′，B′，然后采用以下方式判断获得被测锥齿轮是否合格的结果：

若同时满足2mm≤L1′≤4mm、0.8mm≤L2′≤1.6mm和B′≥2/3；2mm≤L1≤4mm、0.8mm≤L2≤1.6mm和B≥2/3，则被测锥齿轮的齿面啮合符合要求，产品合格。如任意一面的三个参数中，有一个参数不符合上述要求，被测锥齿轮的齿面啮合不符合要求，需要调整。

若印痕不符合上述要求，计算机根据存储的图像数据对图像进行分析，当接触印痕靠从动锥齿轮轮齿的大端时，根据印痕靠近大端的距离，给出从动锥齿轮向主动锥齿轮移动距离，和主动锥齿轮外移距离。

当接触印痕在从动锥齿轮轮齿的小端时，根据印痕靠近小端的距离，给出从动锥齿轮移离主动锥齿轮的距离，和主动轮内移距离。

当接触印痕在从动锥齿轮轮齿顶端时，给出主动锥齿轮向从动锥齿轮靠拢距离和从动锥齿轮移开距离。

当接触印痕在从动锥齿轮轮齿的根部时，给出主动锥齿轮移离从动锥齿轮的距离和从动锥齿轮靠拢距离。

最后控制及处理部分将处理结果上传至云端的信息管理***。

Claims (4)

1.一种拖拉机传动系锥齿轮齿面接触印痕数据获取装置，其特征在于：包括支持部分、图像采集部分和控制及处理部分；

控制及处理部分包括安装在外壳内的两个驱动电机、数据采集卡和计算机，两个驱动电机靠近布置；

支持部分包括两个半环形的支架(5)，两个支架(5)一端分别固定连接到控制及处理部分的两个驱动电机的输出轴上，两个支架(5)在驱动电机带动下相接形成完整圆环或者呈开口角度的对称布置；

图像采集部分包括相机(1)、光源(6)和凹面镜(4)；光源(6)布置在两个支架(5)的内侧柱面，并且沿周向间隔均布，相机(1)和凹面镜(4)布置在两个支架(5)的侧方且相向布置，相机(1)经数据采集卡和计算机连接；

所述相机(1)和凹面镜(4)的光轴重合且平行于两个支架(5)构成的平面，相向布置在两个支架(5)之间的两侧，相机(1)镜头朝向凹面镜(4)的镜面；

所述相机(1)的焦距等于相机镜头沿光轴到凹面镜中心距离的二分之一，所述凹面镜(4)焦距等于相机镜头沿光轴到凹面镜中心距离的四分之一；

两个支架(5)形成对称布置，将被测锥齿轮放置在两个支架(5)的侧方且位于相机(1)和凹面镜(4)之间，被测锥齿轮的齿顶圆表面与相机(1)或者凹面镜(4)的光轴相切，且切点位于相机镜头沿光轴到凹面镜中心连线的中点位置。

2.一种拖拉机传动系锥齿轮齿面接触印痕数据判断识别方法，所述方法依托于权利要求1所述装置，其特征在于包括以下步骤：

1)通过控制及处理部分控制两个支架(5)形成对称布置，将被测锥齿轮放置在两个支架(5)的侧方且位于相机(1)和凹面镜(4)之间，被测锥齿轮的齿顶圆表面与相机(1)或者凹面镜(4)的光轴相切，且切点位于相机镜头沿光轴到凹面镜中心连线的中点位置；

2)通过控制及处理部分控制开启光源(6)，通过相机(1)采集被测锥齿轮的齿面接触印痕图像；

3)控制及处理部分对采集到的每个齿面接触印痕图像进行处理提取特征数据，获得被测锥齿轮的识别结果。

3.根据权利要求2述的一种拖拉机传动系锥齿轮齿面接触印痕数据获取方法，其特征在于：所述的相机(1)采集到的齿面接触印痕图像包括齿两侧的齿面。

4.根据权利要求2所述的一种拖拉机传动系锥齿轮齿面接触印痕数据获取方法，其特征在于：所述步骤3)中，将齿面接触印痕图像等分为上半部分的子图像和下半部分的子图像，然后：

3.1)图像预处理：首先对子图像G(m,n)依次进行中值滤波处理、图像锐化和图像二值化后，获得处理后图像G₃(m,n)；

3.2)印痕区域和齿廓区域分割：

将处理后图像G₃(m,n)采用边缘检测算法进行检测获得图像中的齿廓和印痕轮廓，齿廓和印痕轮廓均由一系列轮廓上的像素点构成，齿廓的两侧中一侧齿高小于另一侧的齿高，以齿高小的作为齿廓小端；计算齿廓总长度a和印痕在齿长方向的长度l3，计算印痕轮廓到齿廓小端的最小距离作为第一距离l1，印痕轮廓到齿廓齿顶的最小距离作为第二距离l2；

3.3)锥齿轮参数标定测量：

采用以下公式计算出距离L1、距离L2和比值B：

其中，L1表示实际啮合印痕到锥齿轮的齿廓小端的距离，L2表示实际啮合印痕到锥齿轮的齿顶面的距离，B表示印痕总长度与齿廓总长度的比值；x、y分别表示相机视场的长和宽，P、Q分别表示相机所采集到的图像的横向、纵向长度；

3.4)对于与齿两侧的齿面对应的两幅子图像，均采用上述步骤3.1)～3.3)获得距离L1、距离L2和比值B，取两幅子图像的同一参数平均值为L1′，L2′，B′，然后采用以下方式判断获得被测锥齿轮是否合格的结果：

若同时满足2mm≤L1′≤4mm、0.8mm≤L2′≤1.6mm和B′≥2/3，则被测锥齿轮的齿面啮合符合要求，产品合格。

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