直齒圓柱齒輪漸開線齒形誤差視覺測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光測(cè)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(cè)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(guó)得到了迅猛的發(fā)展。作為制造業(yè)中 傳動(dòng)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(guó)制造業(yè)的總體發(fā)展 戰(zhàn)略之一就是將中國(guó)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(diǎn)也得到了國(guó)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(duì)齒輪制造業(yè)提出了更高的要求，同時(shí)也提供了前所未有的機(jī)遇。
[0003] 現(xiàn)今，無論是國(guó)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(gòu)置設(shè)備、引進(jìn)技術(shù)、 強(qiáng)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(shí)，企業(yè)更加重視齒輪制造全 過程的監(jiān)控與檢測(cè)技術(shù)，并將其列為確保齒輪生產(chǎn)質(zhì)量的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。為了提升國(guó)產(chǎn)齒 輪質(zhì)量，提高國(guó)產(chǎn)齒輪測(cè)量?jī)x器的市場(chǎng)占有率，必須研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的測(cè)量測(cè)量技 術(shù)。
[0004] 通常，可以將齒輪各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)量方法分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。傳統(tǒng)的 漸開線齒形誤差測(cè)量方法大部分屬于接觸式測(cè)量，很難實(shí)現(xiàn)齒輪的原位測(cè)量。
[0005] 如果能將激光視覺測(cè)量技術(shù)應(yīng)用到齒輪參數(shù)的測(cè)量之中，則會(huì)具有很多優(yōu)點(diǎn)：
[0006] (1)易于信息集成和管理，可實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)；
[0007] (2)速度快，測(cè)量過程可以快速掃描，不用逐點(diǎn)測(cè)量；
[0008] (3)可用于惡劣條件下的長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，或者無法進(jìn)行接觸測(cè)量的情況；
[0009 ] (4)可以直接測(cè)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(cè)量對(duì)象大多是大型自由曲面的三維尺寸，這種應(yīng)用對(duì)激 光視覺技術(shù)的測(cè)量精度要求不高。在機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域，齒輪是應(yīng)用最多的零件之一，對(duì)齒輪表 面的三維實(shí)體測(cè)量的精度要求更高，以往的方法或者無法達(dá)到較高的測(cè)量精度，或者實(shí)現(xiàn) 起來成本較高。因此，這些方法在實(shí)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(cè)量 方法，克服了現(xiàn)有非接觸檢測(cè)方法的不足，保證了較低的硬件成本、較高的檢測(cè)效率和較好 的測(cè)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(cè)方法。
[0012] 本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0013] -種直齒圓柱齒輪漸開線齒形誤差視覺測(cè)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(cè)量模型，結(jié)合光條中心線檢測(cè)技術(shù)、角點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)和攝像機(jī)標(biāo) 定技術(shù)等實(shí)現(xiàn)被測(cè)目標(biāo)的測(cè)量，其包括以下步驟：
[0014] 1)標(biāo)定激光主動(dòng)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(jì)算齒廓表面被測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)；
[0017] 4)計(jì)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(dòng)照明下的視覺成像模型包括標(biāo) 定CCD攝像機(jī)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(jī)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(diǎn)坐標(biāo)，標(biāo)定出攝像機(jī)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(jī)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(cè)出圖像中角點(diǎn)的亞像素坐標(biāo)；
[0021] 1.3)基于張正友提出的攝像機(jī)平面標(biāo)定算法，利用檢測(cè)得到的角點(diǎn)的像素坐標(biāo)和 世界坐標(biāo)求解攝像機(jī)內(nèi)參、畸變系數(shù)和外參的初值；
[0022] 1.4)利用CCD攝像機(jī)采集6幅共面標(biāo)靶圖像；
[0023] 1 · 5)使用Bouguet工具箱檢測(cè)出圖像中角點(diǎn)的亞像素坐標(biāo)，應(yīng)用Steger算法檢測(cè) 出圖像中光條中心點(diǎn)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(diǎn) 的像素坐標(biāo)和世界坐標(biāo)，對(duì)攝像機(jī)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(jì)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(gè)不同位置處的圖像，通過步驟1.2)和1.3)計(jì)算兩幅圖像 中的標(biāo)定板平面在相機(jī)坐標(biāo)系下的方程，通過兩個(gè)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(diǎn)作為偽光平面上的一點(diǎn)，將步驟2.1) 的標(biāo)定板在兩個(gè)位置處的方程與激光光平面方程聯(lián)立，即可求得該交點(diǎn)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(diǎn)確定偽光平面在相機(jī)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(jī)坐標(biāo)系下的方程計(jì)算該 局部坐標(biāo)系與相機(jī)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(jì)算齒廓表面被測(cè)點(diǎn)三維坐標(biāo)，具體過程包 括以下步驟：
[0030] 3.1)保持(XD攝像機(jī)和激光器的相對(duì)位置不變，將被測(cè)齒輪套在一根芯軸上，芯軸 的兩端用頂尖支撐，用CCD攝像機(jī)采集激光投射到被測(cè)齒輪表面上的圖像；
[0031] 3.2)將采集到的圖像送到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)里進(jìn)行處理，提取光條中心點(diǎn)的亞像素坐 標(biāo)，計(jì)算該點(diǎn)在攝像機(jī)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(jī)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，計(jì)算光條中 心點(diǎn)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(jì)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(jì)算包容實(shí)際齒形且距離為最小的兩條設(shè)計(jì)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(duì)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(cè)不準(zhǔn)確、模型建立不確切等因素對(duì)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(duì)測(cè)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(cè)點(diǎn)在攝像機(jī)坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo) 轉(zhuǎn)化成二維坐標(biāo)，簡(jiǎn)化了齒形誤差的計(jì)算過程，提高了測(cè)量精度;在對(duì)激光視覺成像系統(tǒng)完 成標(biāo)定之后，測(cè)量時(shí)，只需要保證CCD攝像機(jī)和激光器的相對(duì)位置關(guān)系不變即可，放松了測(cè) 量系統(tǒng)與被測(cè)零件之間擺放位置的要求，更利于實(shí)際應(yīng)用;本發(fā)明采取了視覺測(cè)量技術(shù)，因 此能實(shí)現(xiàn)在線非接觸檢測(cè)，同時(shí)采用了精確的激光主動(dòng)照明技術(shù)，能保證較高的測(cè)量精度， 對(duì)于IT6-8級(jí)精度齒輪，其測(cè)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(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā) 明的示意性實(shí)例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。
[0038] 圖1為本發(fā)明的激光主動(dòng)照明下的直齒圓柱齒輪漸開線齒形誤差視覺測(cè)量模型；
[0039] 圖2為本發(fā)明的激光主動(dòng)照明下的視覺成像模型標(biāo)定時(shí)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(shí)所用的共面標(biāo)靶圖像；
[0041 ]圖4為本發(fā)明的激光主動(dòng)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(shí)標(biāo)定板的擺放位置；
[0043]圖6為本發(fā)明的被測(cè)齒廓的漸開線圖像；
[0044]圖7為本發(fā)明的漸開線齒形測(cè)量模型。
【具體實(shí)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(dòng)照明下的視覺成像原理，考慮到CCD攝像機(jī)、線激光和被測(cè)齒 輪之間的位置關(guān)系，綜合使用攝像機(jī)標(biāo)定、光條中心線檢測(cè)和角點(diǎn)檢測(cè)等方法實(shí)現(xiàn)測(cè)量。這 種方法利用CCD攝像機(jī)檢測(cè)一字線激光器照射到物體上的光點(diǎn)位置變化，按照系統(tǒng)的標(biāo)定 模型計(jì)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(cè)量過程中，不要求被測(cè)齒輪與測(cè)量系統(tǒng)有特定的位置關(guān)系，放松了對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的 擺放要求，更有利于實(shí)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(shí)施方式】。
[0048] 參見圖1，本發(fā)明的激光主動(dòng)照明下的直齒圓柱齒輪漸開線齒形誤差視覺測(cè)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(cè)量模型，結(jié)合光條中 心線檢測(cè)技術(shù)、角點(diǎn)檢測(cè)技術(shù)和攝像機(jī)標(biāo)定技術(shù)等實(shí)現(xiàn)被測(cè)尺寸的測(cè)量，其包括以下步驟： [0049] 1、標(biāo)定CCD攝像機(jī)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(jī)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(diǎn)坐標(biāo)，標(biāo)定 出攝像機(jī)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(jī)采集10幅標(biāo)定板在不同姿態(tài)下的圖像，采集圖像時(shí)，將標(biāo)定板 置于背景光源和CCD攝像機(jī)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(cè)出圖像中角點(diǎn)的亞像素坐標(biāo)；
[0052] 1.3)基于張正友提出的攝像機(jī)平面標(biāo)定算法，利用檢測(cè)得到的角點(diǎn)的像素坐標(biāo)和 世界坐標(biāo)求解攝像機(jī)內(nèi)參、畸變系數(shù)和外參的初值；
[0053] 1.4)利用CCD攝像機(jī)采集6幅共面標(biāo)靶圖像，采集圖像時(shí)，CCD攝像機(jī)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(gè)內(nèi)角在30°~150° 之間。沿CCD攝像機(jī)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(cè)出圖像中角點(diǎn)的亞像素坐標(biāo)，應(yīng)用Steger算法檢測(cè) 出圖像中光條中心點(diǎn)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(diǎn) 的像素坐標(biāo)和世界坐標(biāo)，對(duì)攝像機(jī)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(jī)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(jī)坐標(biāo)系；
[0057] Oxy--圖像坐標(biāo)系， Oquv--像素為坐標(biāo)系。
[0058]攝像機(jī)的成像過程即是空間物點(diǎn)在這四個(gè)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)