CN112629467A - 基于双目线结构光的直齿圆锥齿轮的齿轮测量装置及方法 - Google Patents

基于双目线结构光的直齿圆锥齿轮的齿轮测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于双目线结构光的直齿圆锥齿轮的齿轮测量装置及方法，该申请通过两相机采集到结构光投射到所需要测量的被测直齿圆锥齿轮空间表面的包含有空间物体表面信息的光条畸变图像，再对采集到的包含有光条畸变图像进行处理获取各对应的光条空间点的信息，最后结合测量***的两相机内参与系结构参数，恢复结构光所投射的空间物体表面的三维空间信息。本发明的一种基于双目线结构光的直齿圆锥齿轮的测量装置能够有效完成全局测量，是基于直齿圆锥齿轮的结构特点建立的双目线结构光测量***，是一种全新的测量方式，具有结构简单、高效、通用性好、适应性强等特点。

Description

基于双目线结构光的直齿圆锥齿轮的齿轮测量装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于双目线结构光的直齿圆锥齿轮的齿轮测量装置及方法。
背景技术
齿轮是机械工业中一种极其重要的传动零件，齿轮传动也是机械工程领域中应用极为广泛的一种传动形式，其主要特点是：瞬时传动比恒定；传动效率高，可达98％-99％；工作可靠、使用寿命长；结构紧湊，适用范围大；传递功率比较大，圆周速度可以达到300m/s。在齿轮传动中，通常按照齿轮比对其传动方式进行分类，可以分为固定齿数比和可变齿数比的齿轮传动机构形式，机械工程中常见的齿轮传动形式有：直齿轮传动、斜齿轮传动、人字齿轮传动、直齿锥齿轮传动、斜齿锥齿轮传动以及弧齿锥齿轮传动。
其中，直齿圆锥齿轮是用于传递两相交轴之间的回转运动，主要应用于汽车后桥齿轮箱、液力传动内燃机车、风扇轴、车轴齿轮箱、牛头刨床工作台以及进给机构中。与常见的圆柱齿轮相比，圆锥齿轮其制造、装配都比较复杂，所以除布置和其它特殊要求以外尽量少用，相互啮合的两圆锥齿轮轴线间夹角一般为90°，否则箱体加工和安装调整都比较困难。圆锥齿轮传动振动和噪声相比较与圆柱齿轮都比较大,所以通常情况下都应用于速度较低的传动中，V≤5m/s，传动比i<3，但是鼓形齿经研磨可用于高速传动。轮齿分布在截锥体上，垂直于轮齿的各剖面，齿廓大小是变化的，与其到锥顶的距离成正比。大端刚度大，小端刚度小，圆锥齿轮沿齿宽的载荷分布不均匀。为简化计算假定圆锥齿轮的强度与其当量齿轮相等，该当量齿轮是以圆锥齿轮齿宽中点处的参数为参数，这样借助于当量齿轮把圆锥齿轮转化为直齿圆柱齿轮，将当量齿轮参数代入圆柱齿轮强度计算公式。
对直齿圆锥齿轮来说，一般工艺要求包括如下内容：
⑴大端齿形要求准确；
⑵为了保证圆锥齿轮的运动精度，齿圈径向跳动的误差要在一定范围内；
⑶为了保证圆锥齿轮工作的平稳性,齿轮周节误差也要在一定范围内；
⑷为了保证圆锥齿轮侧隙,要求大端和小端齿厚误差在允许范围内；
⑸为了保证齿轮接触精度，要求齿向误差在允许范围内；
⑹齿面的表面粗糙度应达到图纸要求。
直齿圆锥齿轮可以采用铣削、插齿、滚齿和铸造等加工方法，由于加工方法不同，齿轮加工刀具限制，以及加工过程中加工机床的定位精度、刀具磨损和机床震动等因数影响，存在加工制造误差。若该误差较大可能在某些地方出现不标准齿轮轮廓形状的现象，为了得到准确的齿形，需要对齿轮进行测量，然而目前的齿轮测量方法通用性差，测量效率低，不能实现直齿圆锥齿轮快速检测。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于双目线结构光的直齿圆锥齿轮的齿轮测量装置及方法，以解决现有通用性差，测量效率低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于双目线结构光的直齿圆锥齿轮的齿轮测量装置，包括底座、安装在底座上的旋转工作台、对称安装在所述旋转工作台两侧的支承立柱以及连接在两个所述支承立柱之间的桁架；所述旋转工作台上设有用于固定齿轮的齿轮固定器，所述桁架上设有迎向所述被测齿轮的激光器，所述支承立柱上分别设有一组迎向被测齿轮的双目相机，所述激光器设置在所述双目相机的上方。
进一步地，所述支承立柱迎向旋转工作台的一侧设有垂直延伸的第一滑槽，所述第一滑槽内设有可沿所述第一滑槽上下滑动的相机支架。
进一步地，所述支承立柱迎向旋转工作台的一侧设有垂直延伸的第二滑槽，所述桁架的两端安装在所述第二滑槽，且和沿第二滑槽上下滑动。
进一步地，所述齿轮固定器为内三角卡盘。
此外，本发明还提供了一种基于双目线结构光的直齿圆锥齿轮的齿轮测量方法，该方法利用权利要求1-3任一所述的测量***进行齿轮测量，具体包括步骤：
S1：利用激光器向被测齿轮的表面发射激光束，同时通过两组双目工业相机分别在左右两边采集被测齿轮齿廓上的光条图像，然后对采集到的光条图像进行处理得到光条图像的光条结构中心点集合；
S2：利用Hessian矩阵确定图像中光条中心的法线方向，再通过求解法线方向上的极值点得到线条边缘的子像素级位置，最后采用链接约束方法去除错误光条中心点，将正确的光条中心链接在一起形成多个光条线段；
S3：获得光条线段的图像坐标，再将相机对应坐标系下的点云数据转换到世界坐标系下，然后通过旋转工作台匀速持续的转动180°，不断获得被测直齿圆锥齿轮的齿廓坐标信息，完成被测齿轮的全局测量。
进一步地，步骤S1中所述的对采集到的光条图像进行处理得到光条图像的光条结构中心点集合具体包括：
S11：采用图像差影法和阈值分割法结合处理将左右工业相机采集到的光条图像从背景图像中分割出来；
S12：将分割出来的光条图像进行灰度化处理，
S13：然后对经灰度化处理的光条图像沿着Y轴进行扫描得到每一行的光条像素点，对每一行像素点集合采用高斯曲线拟合法拟合，得到每一行曲线峰值位置即为每一行光条图像的光条中心位置，沿Y轴扫描每一行即可获得整个光条的结构中心点集合。
进一步地，所述步骤S2具体包括：
S21：根据图像光条的宽度信息，选取适用于大部分宽度的均方差σ0值，求取光条中心及其法线方向
Figure BDA0002783133500000041
其中，smm，smn，snn为图像R(m，n)的二阶偏导数，由图像与高斯卷积核的二阶导数卷积核Tmm，Tmn，Tnn卷积得到；W(m,n)的最大绝对特征值的特征向量为光条的法线方向，记为r(t)＝(rm,rn)T；
S22：对图像点(mi,ni)其邻域范围的灰度分布函数进行二阶泰勒展开，光条图像中心的亚像素坐标为
Figure BDA0002783133500000042
其中，
满足
Figure BDA0002783133500000043
的亚像素点作为光条图像中心点；
S23：根据线条方向和距离约束完成光条图像中心链接，形成多个光条线段，以用于匹配；同时，光条链接可以去除提取出的错误光条中心点，选取与当前光条方向相容的三邻域像素内的光条点作为候选点；若存在多个候选点，则选取候选点与当前光条中心点的距离最小的中心点为链接点；
S24：遍历所有光条中心点，完成所有光条线段的链接。
本发明的有益效果为：将结构光和双目测量技术进行结合，通过两相机采集到结构光投射到所需要测量的被测直齿圆锥齿轮空间表面的包含有空间物体表面信息的光条畸变图像，再对采集到的包含有光条畸变图像进行处理获取各对应的光条空间点的信息，最后结合测量***的两相机内参与系结构参数，恢复结构光所投射的空间物体表面的三维空间信息。本发明的一种基于双目线结构光的直齿圆锥齿轮的测量装置能够有效完成全局测量，是基于直齿圆锥齿轮的结构特点建立的双目线结构光测量***，是一种全新的测量方式，具有结构简单、高效、通用性好、适应性强等特点。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明一个实施例的测量装置的整体结构示意图；
图2为本发明一个实施例的正视图激光器和工业相机轴向移动示意图；
图3为本发明一个实施例的俯视图。
图4为本发明一个实施例的测量装置的线结构光双目视觉测量模型。
其中：1、底座；2、旋转工作台；3、内三角卡盘；4、支承立柱；41、第一滑槽；42、第二滑槽；5、相机支架；6、双目相机；7、桁架；8、激光器；A、被测齿轮。
具体实施方式
如图1至图3所示的基于双目线结构光的直齿圆锥齿轮的齿轮测量装置，包括底座1、安装在底座1上的旋转工作台2、对称安装在所述旋转工作台2两侧的支承立柱4以及连接在两个所述支承立柱4之间的桁架7；所述旋转工作台2上设有用于固定齿轮的齿轮固定器，所述桁架7上设有迎向所述被测齿轮A的激光器8，所述支承立柱4上分别设有一组迎向被测齿轮A的双目相机6(一组包括两个CCD工业相机)，所述激光器8设置在所述双目相机6的上方。测量时，激光器8垂直投射激光束到被测齿轮A表面，两组双目工业相机分别在左右两边对被测齿轮A齿廓上的光条图像进行接收处理，两组同时测量并通过工作台旋转180°完成全局测量。
所述支承立柱4迎向旋转工作台2的一侧设有垂直延伸的第一滑槽41，所述第一滑槽41内设有可沿所述第一滑槽41上下滑动的相机支架5。所述支承立柱4迎向旋转工作台2的一侧设有垂直延伸的第二滑槽42，所述桁架7的两端安装在所述第二滑槽42，且和沿第二滑槽42上下滑动。将被测齿轮A装载至旋转工作台2上，并由三角卡盘将其固定，工业相机和在桁架7搭载下的激光器8可在两个支承立柱4的垂直方向上下移动，以此来调整由激光器8和工业相机组成的线结构光传感器与被测齿轮A之间的距离和角度。
所述齿轮固定器为内三角卡盘3，通过内三角卡盘3固定被测齿轮A，减小对被测齿轮A的齿面损伤。安装时，首先把被测直齿圆锥齿轮安装在旋转工作台2上，用工作台上的内三角卡盘3钳住被测直齿圆锥齿轮的内孔，以限制被测齿轮A的全部六个自由度，实现与旋转工作台2的同步转动。
此外，本发明还提供了一种基于双目线结构光的直齿圆锥齿轮的齿轮测量方法，该方法利用权利要求1-3任一所述的测量***进行齿轮测量，具体包括步骤：
S1：利用激光器8向被测齿轮A的表面发射激光束，同时通过两组双目工业相机分别在左右两边采集被测齿轮A齿廓上的光条图像，然后对采集到的光条图像进行处理得到光条图像的光条结构中心点集合；
S2：利用Hessian矩阵确定图像中光条中心的法线方向，再通过求解法线方向上的极值点得到线条边缘的子像素级位置，最后采用链接约束方法去除错误光条中心点，将正确的光条中心链接在一起形成多个光条线段；
S3：获得光条线段的图像坐标，再将相机对应坐标系下的点云数据转换到世界坐标系下，然后通过旋转工作台2匀速持续的转动180°，不断获得被测直齿圆锥齿轮的齿廓坐标信息，完成被测齿轮A的全局测量。
上述步骤S1中所述的对采集到的光条图像进行处理得到光条图像的光条结构中心点集合具体包括：
S11：采用图像差影法和阈值分割法结合处理将左右工业相机采集到的光条图像从背景图像中分割出来；
S12：将分割出来的光条图像进行灰度化处理，
S13：然后对经灰度化处理的光条图像沿着Y轴进行扫描得到每一行的光条像素点，对每一行像素点集合采用高斯曲线拟合法拟合，得到每一行曲线峰值位置即为每一行光条图像的光条中心位置，沿Y轴扫描每一行即可获得整个光条的结构中心点集合。
上述步骤S2具体包括：
S21：根据图像光条的宽度信息，选取适用于大部分宽度的均方差σ0值，求取光条中心及其法线方向
Figure BDA0002783133500000071
式(1)中，smm，smn，snn为图像R(m，n)的二阶偏导数，由图像与高斯卷积核的二阶导数卷积核Tmm，Tmn，Tnn卷积得到；W(m,n)的最大绝对特征值的特征向量为光条的法线方向，记为r(t)＝(rm,rn)T；
S22：对图像点(mi,ni)其邻域范围的灰度分布函数进行二阶泰勒展开，光条图像中心的亚像素坐标为
Figure BDA0002783133500000072
其中，
满足
Figure BDA0002783133500000073
的亚像素点作为光条图像中心点；
S23：根据线条方向和距离约束完成光条图像中心链接，形成多个光条线段，以用于匹配；同时，光条链接可以去除提取出的错误光条中心点，选取与当前光条方向相容的三邻域像素内的光条点作为候选点；若存在多个候选点，则选取候选点与当前光条中心点的距离最小的中心点为链接点；
S24：遍历所有光条中心点，完成所有光条线段的链接。
线结构光双目视觉测量模型如图4所示，假定左CCD工业相机p-xyz处在世界坐标系的中心原点没有旋转变换和平移变换，与左CCD工业相机相对应的图像坐标系是p1-x1y1，左CCD工业相机的实际有效焦距是f1；右CCD工业相机所对应的右CCD工业相机坐标系是pa-xayaza，与右CCD工业相机所对应图像坐标系用pa-xaya表示，其有效焦距为fa，由工业相机透视变换模型可以知道，2台工业相机所对应的坐标系之间的关系变换用Qmn表示，如式(4)。其中U与V分别为p-xyz和pa-xayaza坐标系之间的旋转矩阵和平移矩阵。由式(4)-式(6)可知，对于p-xyz坐标系中的空间点，两个工业相机像面点的对应关系如式(6)。
Figure BDA0002783133500000081
Figure BDA0002783133500000082
Figure BDA0002783133500000083
Figure BDA0002783133500000084
在标定好的双目结构光测量***中，即在已知焦距f1、fa和旋转矩阵U、平移矢量V的情况下，只要知道空间一点在两图像坐标下的坐标点位置即可以求得空间点坐标。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于双目线结构光的直齿圆锥齿轮的测量装置，其特征在于，包括底座、安装在底座上的旋转工作台、对称安装在所述旋转工作台两侧的支承立柱以及连接在两个所述支承立柱之间的桁架；所述旋转工作台上设有用于固定齿轮的齿轮固定器，所述桁架上设有迎向所述被测齿轮的激光器，所述支承立柱上分别设有一组迎向被测齿轮的双目相机，所述激光器设置在所述双目相机的上方。
2.根据权利要求1所述的基于双目线结构光的直齿圆锥齿轮的测量装置，其特征在于，所述支承立柱迎向旋转工作台的一侧设有垂直延伸的第一滑槽，所述第一滑槽内设有可沿所述第一滑槽上下滑动的相机支架。
3.根据权利要求2所述的基于双目线结构光的直齿圆锥齿轮的测量装置，其特征在于，所述支承立柱迎向旋转工作台的一侧设有垂直延伸的第二滑槽，所述桁架的两端安装在所述第二滑槽，且和沿第二滑槽上下滑动。
4.根据权利要求1所述的基于双目线结构光的直齿圆锥齿轮的测量装置，其特征在于，所述齿轮固定器为内三角卡盘。
5.一种基于双目线结构光的直齿圆锥齿轮的齿轮测量方法，其特征在于，该方法利用权利要求1-3任一所述的测量***进行齿轮测量，具体包括步骤：
S1：利用激光器向被测齿轮的表面发射激光束，同时通过两组双目工业相机分别在左右两边采集被测齿轮齿廓上的光条图像，然后对采集到的光条图像进行处理得到光条图像的光条结构中心点集合；
S2：利用Hessian矩阵确定图像中光条中心的法线方向，再通过求解法线方向上的极值点得到线条边缘的子像素级位置，最后采用链接约束方法去除错误光条中心点，将正确的光条中心链接在一起形成多个光条线段；
S3：获得光条线段的图像坐标，再将相机对应坐标系下的点云数据转换到世界坐标系下，然后通过旋转工作台匀速持续的转动180°，不断获得被测直齿圆锥齿轮的齿廓坐标信息，完成被测齿轮的全局测量。
6.根据权利要求5所述的基于双目线结构光的直齿圆锥齿轮的齿轮测量方法，其特征在于，步骤S1中所述的对采集到的光条图像进行处理得到光条图像的光条结构中心点集合具体包括：
S11：采用图像差影法和阈值分割法结合处理将左右工业相机采集到的光条图像从背景图像中分割出来；
S12：将分割出来的光条图像进行灰度化处理，
S13：然后对经灰度化处理的光条图像沿着Y轴进行扫描得到每一行的光条像素点，对每一行像素点集合采用高斯曲线拟合法拟合，得到每一行曲线峰值位置即为每一行光条图像的光条中心位置，沿Y轴扫描每一行即可获得整个光条的结构中心点集合。
7.根据权利要求6所述的基于双目线结构光的直齿圆锥齿轮的齿轮测量方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：
S21：根据图像光条的宽度信息，选取适用于大部分宽度的均方差σ0值，求取光条中心及其法线方向
Figure FDA0002783133490000021
其中，smm，smn，snn为图像R(m，n)的二阶偏导数，由图像与高斯卷积核的二阶导数卷积核Tmm，Tmn，Tnn卷积得到；W(m,n)的最大绝对特征值的特征向量为光条的法线方向，记为r(t)＝(rm,rn)T；
S22：对图像点(mi,ni)其邻域范围的灰度分布函数进行二阶泰勒展开，光条图像中心的亚像素坐标为
Figure FDA0002783133490000022
其中，
满足
Figure FDA0002783133490000031
的亚像素点作为光条图像中心点；
S23：根据线条方向和距离约束完成光条图像中心链接，形成多个光条线段，以用于匹配；同时，光条链接可以去除提取出的错误光条中心点，选取与当前光条方向相容的三邻域像素内的光条点作为候选点；若存在多个候选点，则选取候选点与当前光条中心点的距离最小的中心点为链接点；
S24：遍历所有光条中心点，完成所有光条线段的链接。
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