齊秉鈞

摘要：齒輪是現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備傳動(dòng)系統(tǒng)中非常重要的零部件之一，齒輪的加工精度會(huì)直接影響整臺(tái)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行效率和工作性能，進(jìn)而影響其使用壽命。齒輪的精度除了與齒輪設(shè)計(jì)和加工有關(guān)，同時(shí)也與加工過(guò)程中精度測(cè)量、分析以及誤差控制等工作有直接關(guān)系。而齒輪形狀非常復(fù)雜，需要測(cè)量的參數(shù)也比較多，因此，齒輪測(cè)量工作一直是齒輪生產(chǎn)制造過(guò)程中的難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：直齒圓柱齒輪；數(shù)字測(cè)量?jī)x；設(shè)計(jì)；分析

引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機(jī)械制造行業(yè)逐漸將計(jì)算機(jī)技術(shù)和一些參數(shù)檢測(cè)理論應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)工作當(dāng)中，進(jìn)而開(kāi)發(fā)出了基于圖像處理的直齒圓柱齒輪數(shù)字測(cè)量?jī)x，大大提高齒輪制造過(guò)程中精度測(cè)量、分析以及控制工作的效率和水平。直齒圓柱齒輪數(shù)字測(cè)量?jī)x具有高精度、高速度、測(cè)量范圍大等諸多優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)將其整合到齒輪加工系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)齒輪加工過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，進(jìn)而提高齒輪加工工作的效率和質(zhì)量。

1測(cè)量原理

數(shù)字測(cè)量?jī)x運(yùn)行原理如圖1所示。

齒輪的實(shí)際位置是由圖像坐標(biāo)系中齒輪圖像的位置和儀器坐標(biāo)系中的視覺(jué)系統(tǒng)位置共同決定的，在測(cè)量時(shí)，需要將直齒圓柱齒輪處理放置在均勻、穩(wěn)定的光源上方，通過(guò)移動(dòng)工作臺(tái)，進(jìn)而找出齒輪的清晰影像，再由CCD相機(jī)在將齒輪的清晰影像拍攝下來(lái)。拍攝下來(lái)的齒輪二維圖像會(huì)通過(guò)光電信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電荷信號(hào)，再利用數(shù)字圖像軟件處理齒輪圖像的電荷信號(hào)，在處理過(guò)程中，應(yīng)該通過(guò)系統(tǒng)標(biāo)定參數(shù)將圖像坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到儀器坐標(biāo)系，再考慮光柵尺的數(shù)值，進(jìn)而得到較為精準(zhǔn)的齒輪參數(shù)，最終將齒輪參數(shù)顯示到屏幕中或儲(chǔ)存在儀器數(shù)據(jù)庫(kù)中。在數(shù)字測(cè)量?jī)x器運(yùn)行過(guò)程中，CCD相機(jī)是通過(guò)兩條數(shù)據(jù)傳輸通道連接的，一條與AV端口相連，進(jìn)而將動(dòng)態(tài)視頻信號(hào)傳輸?shù)綀D像采集卡，尋找齒輪影像；另一條與USB接口相連，用于齒輪影像數(shù)據(jù)傳輸。

2直齒圓柱齒輪幾何參數(shù)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展

齒輪測(cè)量工作是計(jì)量工作中的重點(diǎn)內(nèi)容，齒輪測(cè)量技術(shù)自上個(gè)世紀(jì)發(fā)展至今已有近百年的歷史，就齒輪測(cè)量技術(shù)的發(fā)展情況來(lái)看，其發(fā)展趨勢(shì)主要包括以下三點(diǎn)。

第一，原理方面，從最初的“比較測(cè)量”逐漸發(fā)展為“嚙合運(yùn)動(dòng)測(cè)量”，最終發(fā)展到今天的“模型化測(cè)量”。

第二，在實(shí)現(xiàn)測(cè)量原理的技術(shù)手段上，齒輪測(cè)量技術(shù)先后發(fā)展出了機(jī)械、機(jī)電結(jié)合等手段，如今又研發(fā)出了“光—機(jī)—電”與“信息技術(shù)”相結(jié)合的測(cè)量技術(shù)。

第三，在測(cè)量結(jié)果的表述與利用方面，歷經(jīng)了“指示表加肉眼讀取”到“記錄器記錄加人工研究判斷”，直至“計(jì)算機(jī)自動(dòng)分析并將測(cè)量結(jié)果反饋到制造系統(tǒng)”的飛躍。

3齒輪測(cè)量虛擬儀器結(jié)構(gòu)

3.1機(jī)器視覺(jué)部分

為了使得采集到的齒輪數(shù)字圖像達(dá)到更好的效果，可以選擇目前具有工業(yè)實(shí)用價(jià)值的500萬(wàn)像素的面陣CCD攝像機(jī)——德國(guó)SVS-VISTEK公司的svs282。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上要安裝兩個(gè)攝像頭，其中正面攝像頭用來(lái)拍攝齒輪的正面圖像，而安裝一個(gè)側(cè)面攝像頭主要目的是用來(lái)拍攝齒輪的齒寬方向圖像，進(jìn)而測(cè)量齒輪的齒寬，齒寬雖然不是齒輪測(cè)量的主要參數(shù)，但是為了使得齒輪的測(cè)量形成一個(gè)完整的系統(tǒng)而檢驗(yàn)齒輪，安裝側(cè)面攝像頭測(cè)量齒寬還是必要的。然后通過(guò)安裝在PC機(jī)上的NI公司的NI PCI-1411單色四通道圖像采集卡將采集到的數(shù)字圖像傳入PC機(jī)進(jìn)行下一步的圖像處理與參數(shù)測(cè)量。

3.2工作臺(tái)控制

數(shù)字測(cè)量?jī)x器的工作臺(tái)是由NI公司的NI PCI-7344運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的X、Y方向移動(dòng)和是在水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。這樣一來(lái)，能夠使齒輪始終位于光源的中心區(qū)域，同時(shí)也能使齒輪正面和側(cè)面的攝像頭的中心與齒輪中心交叉到一點(diǎn)，以保證圖像清晰可見(jiàn)。

3.3軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

該測(cè)量?jī)x器的軟件系統(tǒng)應(yīng)該具備如下功能：第一，工作人員能夠通過(guò)人機(jī)界面和軟件控制以期對(duì)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行操作并下達(dá)指令；第二，軟件與測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)該能通過(guò)軟件控制儀器讀取相應(yīng)的測(cè)量數(shù)據(jù)并自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量處理工作。另外，由于在測(cè)量?jī)x器的硬件設(shè)計(jì)中已經(jīng)選擇了NI公司的圖像采集卡和運(yùn)動(dòng)控制卡，因此開(kāi)發(fā)平臺(tái)也應(yīng)選擇NI公司的軟件，以保證測(cè)量?jī)x器軟件和硬件的完美配合。

4齒輪測(cè)量軟件設(shè)計(jì)

齒輪測(cè)量?jī)x器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)，整個(gè)測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精準(zhǔn)度和優(yōu)劣性能也主要是有軟件設(shè)計(jì)工作的質(zhì)量決定的。在軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)該盡量減少人為干涉，同時(shí)在設(shè)計(jì)操作界面時(shí)應(yīng)該注意界面簡(jiǎn)單、易于操作，同時(shí)也要注意與硬件結(jié)構(gòu)的配合，充分發(fā)揮軟硬件的價(jià)值。直齒圓柱齒輪數(shù)字測(cè)量?jī)x的軟件模塊如圖2所示。

圖中分成五大模塊，圖像采集模塊、圖像處理模塊、齒輪的內(nèi)徑測(cè)量圖像定位模塊、齒輪外形幾何參數(shù)測(cè)量模塊及公法線測(cè)量模塊。在這五大模塊中還包含若干個(gè)小模塊。

圖像采集及系統(tǒng)校準(zhǔn)模塊。該模塊主要是將CCD采集的圖像信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存格式進(jìn)行儲(chǔ)存，之后在對(duì)圖像進(jìn)行校準(zhǔn)處理。在采集圖像的過(guò)程中，由于一些不可避免因素的影響，會(huì)使拍攝的圖像產(chǎn)生透視幾何畸變，進(jìn)而影響圖像的精度，系統(tǒng)校準(zhǔn)工作能夠改善圖像的清晰度，進(jìn)而得到無(wú)透視畸變的齒輪圖像。

圖像處理模塊主要是由數(shù)學(xué)形態(tài)學(xué)處理、二值化處理、圖像LUT處理和濾波處理等幾個(gè)功能部分，由于齒輪圖像采集過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些噪音，同時(shí)齒輪加工完成之后也會(huì)遺留一些毛刺，這些都會(huì)對(duì)齒輪圖像采集工作造成影響。因此，在采集齒輪圖像過(guò)程中，應(yīng)該充分抑制噪音并清理毛刺，進(jìn)而使圖像更加清晰，所以需要對(duì)圖像進(jìn)行分析和處理。

內(nèi)徑測(cè)量圖像定位模塊主要是對(duì)齒輪上的軸孔進(jìn)行檢測(cè)，以保證齒輪移到鏡頭中心，使齒輪的軸孔中心坐標(biāo)與圖像中心坐標(biāo)重合，以提高幾何參數(shù)測(cè)量精度。外形幾何參數(shù)測(cè)量模塊包含齒頂圓、齒根圓、齒數(shù)測(cè)量和齒距測(cè)量等，然后通過(guò)這些測(cè)量結(jié)果計(jì)算出齒輪的模數(shù)。

最后是公法線的測(cè)量，公法線是齒輪加工和檢驗(yàn)中經(jīng)常測(cè)量的參數(shù)之一，根據(jù)傳統(tǒng)的公法線測(cè)量原理，用上述設(shè)計(jì)的機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)在LabVIEW環(huán)境下進(jìn)行實(shí)際的齒輪公法線測(cè)量，然后根據(jù)公法線的實(shí)際測(cè)量結(jié)果的平均值與公法線公稱長(zhǎng)度之間的偏差，算出公法線平均長(zhǎng)度偏差，檢驗(yàn)測(cè)量結(jié)果是否在合格范圍之內(nèi)。

結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)代化直齒圓柱齒輪數(shù)字測(cè)量?jī)x是結(jié)合圖像處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)的測(cè)量工具。該儀器能夠快速、精準(zhǔn)的對(duì)齒輪參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)也可應(yīng)用于實(shí)時(shí)在線精密測(cè)量工作。該設(shè)備具有良好的靈活性和額拓展性，如果將該儀器整合到齒輪加工系統(tǒng)中，將會(huì)大大提高齒輪生產(chǎn)過(guò)程的智能化和自動(dòng)化程度。

參考文獻(xiàn)：

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