專利名稱：用于估計接觸圖形的方法和系統(tǒng)的制作方法
用于估計接觸圖形的方法和系統(tǒng)
背景技術：
齒輪是用于傳遞旋轉(zhuǎn)力的常見機械裝置。齒輪通常是具有與其它齒輪齒嚙合的齒以允許傳遞力的圓形部件。齒輪設計、大小和定向用于以不同的速度、扭矩和方向傳送力。 齒輪通常用于通過利用不同大小的齒輪以允許不同的旋轉(zhuǎn)齒輪速度和扭矩來傳遞機械效
■、Λ
frff. ο作為力傳遞的一部分，一個齒輪的齒與另一個齒輪的齒咬合，從而導致齒輪嚙合。 例如，當較大齒輪與較小齒輪咬合時，較大齒輪以比較小齒輪慢的速度旋轉(zhuǎn)，因為較小齒輪的齒與較大齒輪的一段齒輪咬合。一種類型的齒輪設計是斜齒輪，其中齒的前緣關于旋轉(zhuǎn)軸成一定角度。該齒輪是彎曲的，并且齒的形狀是具有成角度的齒的螺旋線段。斜齒輪往往更平穩(wěn)地運行并產(chǎn)生較少的噪聲。齒輪的一個常見應用與諸如傳輸和齒輪箱中所用的用于轉(zhuǎn)換發(fā)動機軸力的傳動軸有關。例如，風輪機的齒輪箱通常利用斜齒輪來將來自渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)力傳遞到生成電功率的發(fā)動機。齒輪嚙合的問題之一是高效、安靜且持久地操作齒輪組件所需的精密配合。影響不當齒輪嚙合的因素包括齒輪的公差以及齒輪箱外殼內(nèi)的齒輪的裝配。這些因素可造成充滿噪聲的操作，從而由于齒輪箱部件的較大磨損而造成環(huán)境危害、效率低下和增加維護的問題。磨損可導致運轉(zhuǎn)損耗以及部件的突變失效。為了緩解上述問題，開發(fā)了某些檢查技術，其中對由齒輪嚙合引起的接觸圖形 (contact pattern)進行評估。例如，可以用顯示由于齒輪嚙合而導致的磨損的有色顏料來涂覆齒輪齒。在一個實例中，用諸如藍色(普魯士藍)或紅色的有色涂層來將齒輪箱中的齒輪涂色。在負載測試過程中，齒輪在不同負載和不同速度下彼此嚙合，并且由于嚙合過程中的接觸壓力，涂層在齒輪面上逐漸磨損掉。不同負載和速度下的齒輪上的磨損圖形或接觸圖形意味著齒輪箱組件的質(zhì)量。接觸圖形估計用于試驗和確定齒輪的可接受性。在一些常規(guī)系統(tǒng)中，利用相機通過圖像來捕獲接觸圖形并進行手動估計。在這樣的處理中，執(zhí)行圖形估計的操作人員通常不會先驗地知道齒輪的定向和距離。選擇接觸圖形圖像，并手動地將其與可接受的接觸圖形的圖片進行比較。如果捕獲的圖像與標準密切匹配，那么該齒輪箱組件可接受。但是，缺少基于接觸圖形特性來接受/拒絕齒輪的量化方法。與標準照片或圖片對比的操作人員推動的手動過程具有多個限制，例如操作人員的相依性和齒輪圖形質(zhì)量確定的質(zhì)性。本行業(yè)中期望對齒輪檢查和接觸圖形估計系統(tǒng)和過程進行改進。

發(fā)明內(nèi)容
一般來說，本文描述的系統(tǒng)和方法涉及齒輪檢查，更具體來說，涉及半自動和自動接觸圖形檢查。一個實施例是一種齒輪檢查系統(tǒng)，它包括裝配好的齒輪箱，該齒輪箱具有提供對齒輪箱中的齒輪的觀察的檢查端口，其中齒輪箱經(jīng)受速度或負載測試，從而提供齒輪的齒輪齒上的接觸圖形。存在緊鄰檢查端口定向以具有一段齒輪的可接受視場的圖像獲取單元，其中該圖像獲取單元獲得具有接觸圖形圖像的齒輪齒圖像(wherein the image acquisition unit obtains a gear tooth image with a contact pattern image)0 存在具有存儲計算機程序的計算機可讀介質(zhì)的處理單元，其中計算機程序?qū)X輪齒圖像和接觸圖形圖像變換為齒輪齒的模型，并且其中處理單元計算度量以確定齒輪箱是否可接受。該系統(tǒng)一方面是自動或半自動的，并且包括操作人員協(xié)助。該自動化系統(tǒng)利用計算機處理來控制各種系統(tǒng)功能，并且自動地做出齒輪箱的可接受性確定。在半自動操作中， 可利用操作人員來確保諸如檢查齒輪齒圖像是否足夠以及進行調(diào)整以實現(xiàn)最佳定向的特征。一方面，圖像獲取單元是固定位置相機或可調(diào)位置相機中的至少一種。一個特征包括具有可移動并基于齒輪箱的計算機輔助設計(CAD)模型定位的可調(diào)式圖像獲取單元。齒輪齒圖像的邊界一方面包括上風邊緣、下風邊緣、頂部邊緣和根部邊緣，并且利用梯度方法或最佳邊緣提取方法從多個點獲得。通常在計算機上利用諸如樣條內(nèi)插法、 Canny最佳邊緣提取法或SienCastan最佳邊緣提取法的軟件程序來執(zhí)行該處理。根據(jù)一個方面，通過計算齒輪齒的至少一段上的強度值的密度分布來確定接觸圖形的邊界，其中具有最大梯度的點識別接觸圖形的邊緣。在一個實例中，度量是以下度量中的至少一種接觸圖形的面積與齒輪齒的面積之比，接觸圖形的成橢圓形，接觸圖形的形狀，接觸圖形的上風和下風邊緣的形狀，從接觸圖形的中心到齒輪齒的中心的距離，以及上風和下風接觸圖形邊緣離齒輪邊緣的距離。一個實施例是一種用于確定齒輪箱的可接受性的方法，它包括獲取齒輪箱中的一段齒輪的至少一個圖像，其中這一段齒輪包括具有接觸圖形的齒輪齒；處理該圖像以獲得齒輪齒圖像和接觸圖形圖像；獲得齒輪齒圖像和接觸圖形圖像的邊界；變換齒輪齒圖像和接觸圖形圖像以便與齒輪齒的模型匹配；為變換后的接觸圖形計算度量；以及將度量與預定義的閾值進行比較以確定齒輪箱的可接受性。又一個實施例是一種齒輪檢查系統(tǒng)，它包括具有檢查端口的裝配好的齒輪箱和耦合到齒輪箱的負載測試儀，其中負載測試儀能夠?qū)X輪箱中的一組或多組齒輪提供速度或負載測試。圖像獲取單元緊鄰檢查端口定向以具有一段齒輪的視場，其中圖像獲取單元獲得這段齒輪的齒輪齒上的接觸圖形的圖像。存在具有用于存儲計算機程序的計算機可讀介質(zhì)的處理單元，其中計算機程序處理來自圖像獲取單元的圖像并變換這些圖像以與齒輪齒的模型匹配。計算機程序一方面計算接觸圖形的度量并將其與閾值進行比較以確定齒輪箱的可接受性。本文描述的特征和優(yōu)點并沒有包括一切，特定來說，從附圖、說明書和權利要求， 本領域技術人員將明白許多額外的特征和優(yōu)點。此外，應注意，選擇說明書中所使用的語言主要是為了可讀性和指導的目的，而不是為了限制本發(fā)明主題的范圍。


圖1示出根據(jù)一個實施例的接觸圖形估計系統(tǒng)；圖2示出根據(jù)一個實施例用于估計接觸圖形的頂級方法；
圖3描繪根據(jù)一個實施例的一種用于表征接觸圖形邊界處理的方法；圖4a4c示出根據(jù)一個實施例的長邊處理；圖5a_5c示出根據(jù)一個實施例的短邊處理；以及圖6a和圖6b示出根據(jù)一個實施例在變換之前和之后的齒輪齒圖像。
具體實施例方式本文詳述的系統(tǒng)和方法涉及獲取和表征在齒輪嚙合期間形成的接觸圖形。這包括量化齒輪箱中的齒輪上的接觸圖形。接觸圖形指示齒輪的齒形偏差以及齒輪組件中的任何不對準。不合適的齒輪齒形或齒輪組件中的任何不對準可能會導致一些問題，這些問題可包括齒輪箱噪聲以及可導致齒輪箱最終故障的振動。參考圖1，描繪接觸圖形估計系統(tǒng)5。根據(jù)一個實施例，系統(tǒng)5包括在安裝之前或安裝之后作為齒輪制造過程的一部分采用的負載檢查儀或負載測試單元10。最初的負載測試通常是在制造之后在齒輪箱20上進行的，其中負載檢查儀10在不同的負載和/或在不同的速度下測試齒輪單元20，以便評估接觸圖形并且因此評估齒輪箱20的性能。如果諸如在齒輪嚙合期間形成的齒輪上的接觸圖形的形狀和大小的某些參數(shù)在可接受界限內(nèi)，那么齒輪箱組件20視為符合要求。盡管有各種類型、形狀和大小的齒輪，但齒輪通常具有包括根部觀和頂部沈的齒面22，其中齒輪嚙合在齒上形成接觸圖形。諸如斜齒輪的其它齒輪具有不同的形狀，但具有類似的特征標記。齒輪箱單元20采用從齒輪箱20的檢查窗口中插入的圖像獲取單元30，圖像獲取單元30由一個或多個相機或其它圖像獲取裝置組成。圖像獲取單元30通常定向成使得捕獲齒輪圖形的正確視圖。視場是這樣的視場，它便于捕獲齒輪箱20的一段齒輪的令人滿意的圖像，以便齒輪齒和接觸圖形占據(jù)圖像中的最大面積。在一個實施例中，可捕獲和處理多于一個齒輪齒和接觸圖形。在另一個實施例中，將齒輪齒的部分和來自不同齒的接觸圖形進行組合以將它們重構。在一個實施例中，利用計算機或處理器單元來控制圖像獲取單元30的位置。計算機模擬齒輪箱的計算機輔助設計(CAD)模型以便提供在最佳定向獲取齒輪圖像的位置。在一個實例中，設計模型包括檢查端口的位置和齒輪齒與檢查端口的關系，以便知道距離和定向。一方面，計算機或處理器改變成像單元30的焦點方面以便獲得最佳視圖。另一方面涉及控制成像單元30定向和/或位置，以便可以將成像單元轉(zhuǎn)到或移到最佳位置。成像單元30 —方面可移動并安裝有萬向接頭或在平臺上安裝有伺服機構或類似的操縱器以控制可調(diào)式成像單元的位置和定向。一方面，可利用蛇形物(snake)或機器人將成像單元定位在最佳觀察區(qū)域。另一方面利用操作人員來幫助識別最佳位置。與獲得圖像的方式無關，在一個實施例中，使圖像經(jīng)受利用CAD模型來集中研究所關心的區(qū)域中的齒輪齒和接觸圖形的圖像處理技術。在齒輪嚙合之后，處理來自獲取單元30的齒輪齒圖像40。齒輪齒圖像40具有頂部邊緣(tip edge)41、根部(root)邊緣42、上風(upwind)邊緣44、下風(downwind)邊緣 43。齒輪齒40上的接觸圖形45通常包括定義接觸圖形45的邊界的長邊47和短邊46。齒輪齒的圖像應當具有足夠的分辨率，以使得至少一個齒輪齒和接觸圖形可見，從而使得能夠隨后處理齒輪邊緣和接觸圖形邊緣的邊界并評定可接受性。取決于圖像的狀況，圖像處理可增強圖像以改善圖像用于隨后處理，并且這可在圖像獲取單元30和/或處理單元50 處執(zhí)行。從圖像獲取單元30捕獲的圖像傳送到處理單元50。諸如計算機或其它計算裝置或微處理器的處理單元50取得所捕獲的圖像并執(zhí)行進一步的處理步驟。在一個實例中，圖像獲取單元包括用于執(zhí)行所有系統(tǒng)處理中的一些處理的處理單元。所得處理產(chǎn)生關于接觸圖形45的度量，將這些度量與用于評定齒輪的質(zhì)量及其可接受性的閾值進行比較。根據(jù)一個實施例，系統(tǒng)5提取齒輪的邊緣41、42、43、44以及齒輪齒40的接觸圖形的邊緣46、47。在一個實施例中，通過將齒輪邊緣圖像的點與齒輪模型的點匹配來將齒輪圖像與實際齒輪齒配準(register)，其中齒輪模型是關于齒輪的先驗信息。計算所得變換，并利用此來關于實際齒輪齒的模型校正接觸圖形的縮放比例和角度定向或視角差異。根據(jù)經(jīng)過處理的圖像，計算各種度量，例如接觸圖形相對于齒輪齒的面積比、接觸圖形的成橢圓形、接觸圖形的形狀、接觸圖形的上風和下風邊緣的形狀、接觸圖形的中心離齒輪齒的中心的偏離距離、以及上風和下風接觸圖形邊緣離齒輪邊緣的最小距離。成橢圓形(ovalisation)是指與具有尖銳的界定清晰的直邊相比接觸圖形的邊緣變圓。它是接近橢圓形的形狀特性的量度。參考圖2，描繪一種接觸圖形估計方法。齒輪負載測試210對齒輪箱施加負載和速度動力，而不論其是作為獨立的負載檢查儀還是部署齒輪箱的實際系統(tǒng)。在一個實例中，一個或多個相機耦合在齒輪箱的檢查端口附近并安置成提供齒輪齒的至少一段的足夠的視場。如上所述，齒輪箱處于裝配好的狀態(tài)。相機捕獲齒輪齒以及齒輪齒上的接觸圖形的圖像020)。在一個實施例中，齒在齒輪齒上采用顏料、染料或有色層以便在顏料因齒輪嚙合而逐漸磨損掉時幫助分辨接觸圖形估計。然后，處理接觸圖形的圖像230，包括提取齒輪齒235 ；表征接觸圖形MO ；測量齒輪齒上的接觸圖形250 ；以及確定接觸圖形的接受性并且從而驗證齒輪箱沈0。提取齒輪齒235涉及根據(jù)圖像確定齒輪齒的界限，例如上風、下風、根部和頂部邊緣。表征接觸圖形240 —方面是指通過分析其中由于齒輪嚙合而去除了顏料的齒輪齒的段來找到關于齒輪齒的接觸圖形邊緣的邊界。該表征還可包括利用齒輪的模型(例如，來自CAD文件)來變換或以其它方式操縱齒輪齒及其接觸圖形的圖像以便反映實際齒輪的實際尺寸。然后，可分析接觸圖形，并計算各種度量以確定齒輪和齒輪組件的可接受性。在操作中，一個實施例關于用于檢查和表征齒輪接觸圖形以用于評定齒輪質(zhì)量的系統(tǒng)和方法。根據(jù)一個方面，在裝配齒輪箱之后以及在運送到客戶場所之前，執(zhí)行接觸圖形估計和分析。在幾種不同的負載級和速度(例如，三種不同的負載和速度)下操作裝配好的齒輪箱。在嚙合期間，在齒輪上形成接觸圖形。基于接觸圖形的形狀和特性，確定齒輪箱組件的質(zhì)量，并且如果可接受，那么運送并安裝齒輪箱。在圖3中，描繪根據(jù)一個實施例用于處理接觸圖形的另一個圖示300。該處理以從圖像獲取單元的圖像提取齒輪齒的邊界(310)開始。齒輪齒的邊界包括上風邊緣、下風邊緣、頂部邊緣和根部邊緣，它們可以用各種方法獲得。一方面，獲取齒輪齒的邊界的方法通過利用樣條內(nèi)插法從齒輪邊緣上的指定數(shù)量的點提取齒輪齒的邊界。在另一種方法中，利用梯度方法或諸如Carmy或SienCastan的最佳邊緣提取算法從圖像中提取齒輪邊緣的邊界。齒輪齒邊界可利用邊緣提取技術來自動識別，或者它們可涉及利用操作人員協(xié)助邊緣確定來半自動地處理。然后，提取接觸圖形的邊界320。一方面，可利用梯度方法。根據(jù)一個實施例，梯度方法計算齒輪齒上的強度分布以確定相對于齒輪邊緣的接觸圖形的邊界。強度分布涉及在去除了顏料的齒輪齒的區(qū)域與保留顏料的齒輪齒的部分之間進行區(qū)分，從而指示齒輪嚙合接觸圖形。一個方面利用強度分布的柱狀圖，其中柱狀圖是強度值的分布的圖形表示。在另一個實施例中，柱狀圖可用于比較隨時間取得的圖像，并且一個實例利用柱狀圖來將值逼近接觸圖形區(qū)域。另一個實例利用柱狀圖來顯示顏料如何快速地從齒輪齒去除以及首先去除的部分。這樣的處理也可用于進行關于是否正確識別接觸圖形的驗證以及用于質(zhì)量保證。接觸圖形的邊界也可利用梯度方法或諸如Carmy或SienCastan的最佳邊緣提取算法從圖像中提取。在又一個實例中，通過識別接觸圖形的長邊和短邊并形成接觸圖形邊界來確定接觸圖形邊界。一個方面處理齒輪齒上的強度值，并評估這些強度值以識別接觸圖形的長邊。 類似地，在齒輪齒的上風和下風邊緣附近評估強度值以識別接觸圖形的短邊。在一個實施例中，變換具有接觸圖形圖像的齒輪齒以反映模型化齒330。將齒輪齒圖像及其接觸圖形進行縮放和轉(zhuǎn)一定角度以使得齒輪齒與來自實際齒輪設計的模型化齒輪的大小和形狀匹配。模型化齒輪齒可從齒輪齒的CAD文件或其它設計或制造文件中導出。一方面，利用關于實際齒輪齒的先驗信息(例如，齒輪齒的中部的位置、齒輪齒的深度以及齒輪齒的齒寬)來將模型化齒輪齒建模。因此，利用模型化齒輪齒來變換齒輪齒圖像， 包括其中的接觸圖形，以便確定齒輪齒和接觸圖形的大小并將其與實際齒輪齒對準。在一個實施例中，齒輪齒和接觸圖形的變換是通過線性變換、投影式變換或利用諸如迭代最近點法(ICP)的點變換來實現(xiàn)的。根據(jù)一個方面，齒輪是斜齒輪，并且來自齒輪齒圖像的邊緣的配準參考模型化螺旋線，并產(chǎn)生齒輪齒圖像的變換，該圖像中的任何偏斜和縮放比例經(jīng)過校正。該變換還運用于接觸圖形的縮放比例和視角。變換處理校正成像系統(tǒng)參數(shù)，例如視圖縮放、視場、旋轉(zhuǎn)和平移。然后，計算變換后的接觸圖形齒輪齒的度量340。因此，變換后的圖像的度量與實際齒輪齒相同，因為其尺寸具有相同的縮放比例。根據(jù)此變換后的數(shù)據(jù)計算接觸圖形的各種度量。度量可包括接觸圖形相對于齒輪齒的面積比、接觸圖形的成橢圓形、接觸圖形的形狀、接觸圖形的上風和下風邊緣的形狀、接觸圖形的中心離齒輪齒的中心的偏離距離、以及上風和下風接觸圖形邊緣離齒輪邊緣的最小距離。度量可通過幾種方法從接觸圖形計算獲得。從接觸圖形的一些度量計算基于接觸圖形的總面積、接觸圖形和齒輪邊緣的面積比、接觸圖形與齒輪邊緣中心之間的中心距離、 上風接觸邊緣圖形的前緣和齒輪以及接觸圖形的下風邊緣和齒輪的距離。在處理之后，評定齒輪箱，并基于計算的度量量化齒輪箱的質(zhì)量350。將度量與閾值和/或已知的標準進行比較以做出接受/拒絕或校正齒輪箱的裝配的確定。執(zhí)行處理以確定是否在齒輪箱中正確制造和裝配齒輪。目前公認裝配是齒輪箱嚙合問題的主要來源，并且可利用早期檢測來緩解或消除這些問題。本文描述的方法提供了接觸圖形的量化測量、標準化接觸圖形估計、檢查過程中生產(chǎn)力的提高以及用于齒輪設計/優(yōu)化的接觸圖形分析的準確輸入。一方面，對于變換后的數(shù)據(jù)計算接觸圖形的面積和齒輪齒的面積，并且該面積比提供對可接受性的客觀測量。 例如，在特定時間周期內(nèi)或特定齒輪轉(zhuǎn)數(shù)內(nèi)至少90%的閾值將指示，齒輪齒均衡地嚙合。在另一種測量中，將接觸圖形邊緣和齒輪齒邊緣之間的距離與閾值進行比較。如果接觸圖形不均衡地分布，那么它可指示齒輪或齒輪組件需要調(diào)整。該系統(tǒng)涵蓋用于從齒輪箱獲取接觸圖形的圖像、處理圖像并量化接觸圖形的度量、以及基于接受標準證明接觸圖形合格的方法。根據(jù)一個實施例，處理技術在校正縮放比例和偏斜之后執(zhí)行接觸圖形測量。利用該方法獲得的定量度量用于多種用途，例如優(yōu)化制造和振動分析。在圖如中，描繪根據(jù)一個實施例的接觸圖形長邊處理400。在這方面，該過程生成齒輪齒的上風和下風邊緣的密度分布G10)。密度分布是從變換后的圖像獲得的，它們反映齒輪齒的涂覆面積與其中因齒輪嚙合而去除了顏料的部分之間的差異。一方面，密度分布處理用于識別接觸圖形的長邊。通過沿齒輪齒的整個長度取得密度分布，獲得多個具有強度值的點。處理沿密度分布的強度值，其中最大梯度或變化定義接觸圖形的邊界，因為它表示齒輪齒涂層與其中去除了涂層的接觸區(qū)域之間的強度變化。在一個實例中，強度點定義接觸圖形的長邊。找到最大斜率點或最大梯度交接點便定義了緊鄰頂部邊緣的接觸圖形的長邊G20)。獲得緊鄰齒輪齒的根部邊緣的最小斜率點或最大梯度點交接點便形成了接觸圖形的長邊(430)。圖4b示出具有平行于齒輪齒的上風和下風邊緣的中心線的齒輪齒480。在一個實例中，在齒輪齒480上平行于齒輪齒的上風和下風邊緣生成密度分布450。圖如示出該中心線的密度分布450。所示的最大斜率點或最大梯度交接點460定義緊鄰頂部邊緣的接觸圖形440的長邊。緊鄰齒輪齒的根部邊緣的最小斜率點或最大梯度點交接點470形成接觸圖形440的長邊。對整個齒輪齒的處理提供密度分布，以使得每個最大和最小斜率點識別接觸圖形440的對應頂部邊緣點和根部邊緣點。參考圖5a，描繪根據(jù)一個實施例的接觸圖形短邊處理。在一個實例中，通過在圖 4a4c中提到的處理來識別接觸圖形長邊。在這個實例中，平行于接觸圖形長邊生成多項式曲線510。在接觸圖形長邊之間平移該曲線520。處理長邊之間的區(qū)域的一系列密度分布，其中導出下風和上風區(qū)域處的最大斜率點530，從而識別接觸圖形的短邊點。參考圖S3-5c，之前定義了齒輪齒的長邊560，并且可將平行于齒輪邊緣550的中心線設置在齒輪邊緣550之間的中心位置或以其它方式定向在齒輪邊緣550之間。在一個實例中，在長邊之間生成多項式曲線以便逼近短邊的位置，從而簡化處理。在長邊之間的多項式曲線的寬度上獲得密度分布，例如如圖5c所示。圖5c示出設置在中心的線570的密度分布，并且最大斜率表示交接點580，從而識別短邊上的點。 在長邊560的寬度上獲得密度分布，并且最大斜率沿下風邊緣上的短邊識別每個點。在上風端上執(zhí)行類似過程，以便在長邊的寬度上獲得各點的密度分布，從而定義表示為沿分布方向的像素變化的上風側短邊。一個實施例在長邊上生成單個多項式曲線，并在每一側上處理密度分布。另一個實施例在上風和下風側中的每一側上采用多項式曲線，并且相應地處理密度分布。又一個實施例不利用多項式曲線，而是與圖如中所詳述的長邊類似地處理短邊。平行于長邊部署一條線，并將這條線設置在長邊之間的中心。在齒輪邊緣的寬度上獲得密度分布，并處理最大梯度點以定位上風和下風側上的短邊。在處理長邊和/或短邊的一個實施例中，根據(jù)期望的狀況設置用于識別接觸圖形的長邊和短邊的點數(shù)。通過處理更多點而獲得更精確的結果，但是所有點的處理可能在計算上困難。如本文所述，行星齒輪、斜齒輪和高速小齒輪的螺旋齒形(helix profile)是與齒輪箱配合使用的一些齒輪。齒輪齒形的螺旋線可從諸如計算機輔助設計(CAD)的電子數(shù)據(jù)取得，從而具有對齒輪的螺旋角、齒寬和模塊的先驗了解以能夠生成齒輪的螺旋齒形，并且將軸數(shù)據(jù)與螺旋齒形配準。在一個實施例中，螺旋齒形可用于建模，其中通過如下的參數(shù)等式來將螺旋齒形建模χ = (D/2) · cos O . Z/D. tan β ‘)y = (D/2). sin (π . z/D. tan β ')Z = 0=>F其中，D是節(jié)距圓直徑，β ’是在該特定直徑處的螺旋角，而F是齒寬，并且tan、 =(Dl/D2)tani32。在一個實施例中，利用螺旋齒形來變換齒輪齒和接觸圖形的圖像以生成經(jīng)過變換的圖像。作為進一步說明，實際齒輪齒具有尺寸齒寬，其中圖像具有多個像素，以使得圖像與實際齒輪齒之間存在尺寸差異。該變換運用于圖像，并且改變縮放比例和視角， 以使得圖像與實際齒輪匹配。參考圖6a和6b，對圖像進行縮放比例和視角校正，并且圖中示出變換前和變換后的圖像。在這個實施例中，對于斜齒輪，基于螺旋齒形，生成齒輪齒的理想模型。圖6a中示出變換之前的具有接觸圖形620的齒輪齒圖像610，該圖像沒有相對于實際齒輪進行縮放或轉(zhuǎn)角度。然后，通過螺旋模型變換齒輪齒圖像以便校正縮放比例和視角，其中變換齒輪齒圖像610和接觸圖形圖像620以便與模型化齒輪齒匹配。如圖6b所示，校正縮放比例和角度，并且從變換后的齒輪齒圖像630和變換后的接觸圖形圖像640提取的所有度量和尺寸對應于模型化齒輪齒的尺寸。在一個說明性實施例中，在制造完齒輪之后通過負載測試系統(tǒng)以施加的負載和速度進行檢查過程。在該過程中，齒輪彼此嚙合，從而在齒輪齒上形成接觸圖形。通常用染料涂覆齒輪，以使得隨著齒輪彼此嚙合，染料逐漸磨損掉。通過相機捕獲視場中的齒輪段的圖像，以顯示齒輪上的接觸圖形。本發(fā)明在不進行拆卸的情況下測量齒輪上的磨損。齒輪一次只在某些段上嚙合， 并且相機捕獲當前沒有嚙合的齒輪。圖像描畫了未嚙合齒輪段處的染料圖形變化。在一個實施例中，相機的視場捕獲表示齒輪的頂部和齒輪的根部的齒輪的上風側和齒輪的下風側。系統(tǒng)處理識別接觸圖形的邊緣以及齒輪邊緣。在常規(guī)處理中，齒輪邊緣的識別是手動過程。相比之下，本系統(tǒng)采用自動或半自動處理來識別齒輪邊緣。一個實施例利用交互式工具來標記齒輪的繪畫點的邊緣并自動識別齒輪邊緣。一旦識別了齒輪邊緣，便提取接觸圖形邊緣。一個實施例利用梯度方法來處理接觸邊緣。在一個實例中，該系統(tǒng)處理沿齒輪寬度的不同線處的梯度，并識別接觸圖形。在一個實施例中，處理涉及相對于實際齒輪進行縮放，并相對于實際齒輪尺寸計算所有尺寸和度量。利用配準來使圖像上的尺寸與實際尺寸匹配。在一個實施例中，利用投影式變換進行配準。在另一個實施例中，利用雙線性變換、仿射或其它類似變換。配準提供了變換，并且它運用于齒輪齒和接觸圖形。因此，將接觸圖形和齒輪縮放至齒輪的實際大小。如上所述，一個實施例在安裝在齒輪箱中時取得圖像以用于接觸圖形檢查。執(zhí)行到齒輪的實際大小的圖像的配準處理和縮放以及對齒輪的實際大小的度量的計算，例如太陽行星齒輪以及多個齒輪級。相機可定位成取得行星齒輪、高速齒輪和高速小齒輪的圖像。一方面手動地定向相機，而另一個實施例將相機部署在蛇形物上，再將蛇形物推到正確位置。在另一個實施例中，相機是無線的，它利用無線通信之一來傳遞圖像。諸如相機的圖像獲取單元可定位在緊鄰齒輪箱的檢查端口的位置，并且一方面， 檢查端口為約25厘米。在一個實例中，可以或者可以不將光引入到齒輪箱中，但也可使用相機的閃光燈。與一些現(xiàn)有實現(xiàn)相比，本文詳述的系統(tǒng)不使用單獨的檢查固定物。本文詳述的系統(tǒng)的一個方面是，在負載測試之后在齒輪箱中估計接觸圖形，而不從齒輪箱中拆卸齒輪。經(jīng)由檢查端口通過圖像獲取來執(zhí)行接觸圖形的檢查，從而消除從齒輪箱中拆卸齒輪的需要。 在一個實例性實施例中，接觸圖形估計允許高精度，并且處理時間少于五(5)秒。此系統(tǒng)的一個實施例是為了證明齒輪箱是合格的，它用于諸如飛機制造業(yè)和能源的各種行業(yè)，其中利用齒輪作為傳輸裝置。該系統(tǒng)可作為服務提供來提供，或者可開發(fā)整個系統(tǒng)并作為檢查設備提供。根據(jù)一個實施例，該系統(tǒng)和方法用于表征風輪機的齒輪的接觸圖形。風輪機的齒輪箱通常具有三級太陽和行星齒輪。這三個齒輪包括要進行接觸圖形檢查的高速小齒輪、 斜齒輪和行星齒輪。但是，本文的方法和系統(tǒng)也可適用于任何齒輪箱接觸圖形檢查。根據(jù)一個實施例，該系統(tǒng)執(zhí)行齒輪接觸圖形的自動或半自動分析。通過在齒輪箱的檢查窗口中插入一個或多個相機來取得可視圖像，而無需拆卸。相機定向成使得為一段齒輪捕獲接觸圖形的期望視場。對圖像的處理定量地評估接觸圖形并確定齒輪組件中的齒輪的可接受性。在又一個實施例中，利用來自接觸圖形估計的數(shù)據(jù)以及關于齒輪齒和接觸圖形的對應信息來優(yōu)化齒輪設計和齒輪裝配。在一個實例中，存儲該數(shù)據(jù)，并且該數(shù)據(jù)為齒輪設計者和裝配人員提供有助于質(zhì)量保證程序的信息。例如，如果接觸圖形開始向邊緣之一偏離， 那么它可指示齒輪制造或裝配中的問題。可利用對度量的進一步分析來查看齒輪齒的尺寸以確定齒輪齒的特性是否隨時間發(fā)生了改變。作為另一個實例，如果測試數(shù)據(jù)顯示一貫小的接觸圖形，那么可能有設計問題需要研究?？衫脺y試來基于度量的質(zhì)量分數(shù)來評定最佳設計。以上對本發(fā)明的實施例的描述是為了說明和描述的目的而給出的。它不是要排他或?qū)⒈景l(fā)明限制在所公開的精確形式。按照本公開，許多修改和改變都是可能的。本發(fā)明的范圍不是由該詳細描述限制，而是由隨附權利要求限制。
權利要求
1.一種齒輪檢查系統(tǒng)，包括裝配好的齒輪箱，其具有用于提供對所述齒輪箱中的齒輪的觀察的檢查端口，其中所述齒輪箱經(jīng)受速度或負載測試以提供齒輪齒上的接觸圖形；緊鄰所述檢查端口定向以具有所述齒輪的一段的可接受視場的圖像獲取單元，其中所述圖像獲取單元獲得具有接觸圖形圖像的齒輪齒圖像；以及具有用于存儲計算機程序的計算機可讀介質(zhì)的處理單元，其中所述計算機程序?qū)⑺鳊X輪齒圖像和接觸圖形圖像變換為所述齒輪齒的模型，并且其中所述處理單元計算度量以確定所述齒輪箱是否可接受。
2.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)是自動的或是半自動的，并且包括操作人員協(xié)助。
3.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述圖像獲取單元是固定位置相機或可調(diào)位置相機中的至少一種。
4.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述圖像獲取單元可移動，并基于所述齒輪箱的計算機輔助設計(CAD)模型定位。
5.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述齒輪齒圖像的邊界包括上風邊緣、下風邊緣、頂部邊緣和根部邊緣，并且是利用樣條內(nèi)插法、Canny最佳邊緣提取法或SienCastan最佳邊緣提取法從多個點獲得的。
6.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述接觸圖形圖像的邊界是通過計算所述齒輪齒圖像的至少一段上的強度值的密度分布而確定的，其中具有最大梯度的點識別所述接觸圖形的邊緣。
7.如權利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述度量是以下度量中的至少一種所述接觸圖形的面積與所述齒輪齒的面積之比，所述接觸圖形的成橢圓形，所述接觸圖形的形狀，所述接觸圖形的所述上風和下風邊緣的形狀，從所述接觸圖形的中心到所述齒輪齒的中心的距離，以及上風和下風接觸圖形邊緣離相應齒輪邊緣的距離。
8.如權利要求1所述的系統(tǒng)，還包括用于照明所述視場的光源，其中所述光源是外部光或與所述圖像獲取單元集成在一起。
9.一種用于確定齒輪箱的可接受性的方法，包括獲取所述齒輪箱中的一段齒輪的至少一個圖像，其中所述段包括具有接觸圖形的齒輪齒；處理所述圖像以獲得齒輪齒圖像和接觸圖形圖像；獲得所述齒輪齒圖像和所述接觸圖形圖像的邊界；變換所述齒輪齒圖像和所述接觸圖形圖像以與所述齒輪齒的模型匹配；計算所述變換后的接觸圖形的度量；以及將所述度量與預定義的閾值進行比較以確定所述齒輪箱的所述可接受性。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述變換利用螺旋齒形。
11.如權利要求9所述的方法，其中所述獲取還包括利用所述齒輪箱的計算機輔助設計(CAD)模型定位所述圖像獲取單元以獲得所述齒輪齒的最佳視圖。
12.如權利要求9所述的方法，其中獲得所述接觸圖形的所述邊界是通過計算所述齒輪齒圖像的至少一段上的強度值的密度分布而確定的，其中具有最大梯度的點識別所述接觸圖形的邊緣。
13.如權利要求12所述的方法，還包括計算所述密度分布的柱狀圖。
14.如權利要求9所述的方法，其中所述變換利用投影式變換、雙線性變換或仿射變換中的至少一種來執(zhí)行。
15.如權利要求9所述的方法，還包括利用所述度量來優(yōu)化所述齒輪設計和齒輪裝配。
16.一種齒輪檢查系統(tǒng)，包括 具有檢查端口的裝配好的齒輪箱；耦合到所述齒輪箱的負載測試儀，其中所述負載測試儀能夠?qū)λ鳊X輪箱中的一組或多組齒輪提供速度或負載測試；緊鄰所述檢查端口定向以具有所述齒輪的一段的視場的圖像獲取單元，其中所述圖像獲取單元獲得所述齒輪的所述段的齒輪齒上的接觸圖形的圖像；以及具有用于存儲計算機程序的計算機可讀介質(zhì)的處理單元，其中所述計算機程序處理來自所述圖像獲取單元的所述圖像并變換所述圖像以與所述齒輪齒的模型匹配。
17.如權利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述計算機程序計算所述接觸圖形的度量并與閾值進行比較以確定所述齒輪箱的可接受性。
18.如權利要求16所述的系統(tǒng)，其中所述處理單元模擬所述齒輪箱的計算機輔助設計 (CAD)模型以提供用于獲取所述齒輪齒圖像的最佳定向。
19.如權利要求18所述的系統(tǒng)，其中所述圖像獲取單元可移動并安置在所述最佳定向處。
全文摘要
一種用于齒輪箱的齒輪檢查系統(tǒng)和方法，其中圖像獲取單元緊鄰齒輪箱定向以具有一段齒輪的視場。圖像獲取單元獲得齒輪齒和對應接觸圖形的圖像。在一個實施例中，處理單元將圖像變換為齒輪齒模型，以使得齒輪齒圖像和接觸圖形圖像與模型齒輪齒匹配。為接觸圖形計算度量，并基于閾值，做出關于齒輪箱是否可接受的確定。
文檔編號G01M13/02GK102265131SQ200980152919
公開日2011年11月30日 申請日期2009年11月24日 優(yōu)先權日2008年12月23日
發(fā)明者A·R·巴佩, S·喬治, S·拉馬斯瓦米 申請人:通用電氣公司