（测试计量技术及仪器专业论文）弧齿锥齿轮接触斑点的计算机视觉测量技术研究.pdf

摘要 摘要 弧齿锥齿轮以其突出的传动特性而在机械传动领域得到广泛应用，其啮合质 量对于整个传动系统的性能有着至关重要的影响。反映一对局部共轭齿面实际接 触部分的齿面接触斑点，其状态( 包括位置、形状及大小) 是衡量弧齿锥齿轮副 啮合质量的重要标志之一，因此控制齿面接触斑点的状态是保证弧齿锥齿轮副啮 合质量最直接的方法。对齿面接触斑点状态的修正过程( 即齿轮副的修配过程) 是弧齿锥齿轮副在投入使用之前不可或缺的一步。欲修正接触斑点，必先对其进 行测量。传统的接触斑点测量方法为目测法，只能定性地分析接触斑点，无法给 出定量的测量结果，也因此，基于目测法的弧齿锥齿轮副传统修配方法弊端众多， 无法满足现代化生产的需求。 本文致力于将先进的计算机视觉技术和数据库技术应用于接触斑点的测量， 以实现接触斑点的快速、定量测量。主要内容如下： 分析了计算机视觉技术在接触斑点测量中的应用潜力，并针对接触斑点测量 中的数据管理，明确指出了数据库技术所显示出的优越性。介绍了接触斑点计算 机视觉测量技术的国内外研究现状。进而，提出了论文的主要研究内容弧齿 锥齿轮接触斑点的计算机视觉测量技术研究。 研究了弧齿锥齿轮接触斑点计算机视觉测量的基本理论，这包括：统一接触 斑点的评价基准、建立有映射关系的坐标系、坐标配准、坐标变换、无限细分、 特征值分析等。 细致分析了实际接触斑点图像的特性，根据图像特性指导接触斑点边缘信息 的提取。在真彩色图像灰度化的预处理过程中，提出了转换公式三原色系数的自 适应计算方法，所获得的预处理效果为后续的图像分割提供了完整的图像信息。 进而，应用基于过渡区域的阈值分割算法提取接触斑点的数字边缘，为接触斑点 状态特征值的计算提供了简化但不失充足的信息。 在上述基本理论和图像工程学相关算法的指导下，构建弧齿锥齿轮接触斑点 计算机视觉测量的实验平台，并开发相应的软件系统配合实验平台的使用，以实 现接触斑点的快速、定量测量。 在本文的最后，基于计算机视觉技术和数据库技术，初步构思了一种弧齿锥 齿轮副高效修配系统，将接触斑点的测量、评判和修正三者有机地结合在起， 并论述了系统实现的关键理论，对于从根本上改进基于目测法的传统接触斑点修 配方法，具有一定的参考价值。 北京_ 业大学下学硕十论文 关键词弧齿锥齿轮接触斑点计算机视觉数据库技术 a b s t r a c t a b s tr a c t s p i r a lb e v e lg e a rg e t se x t e n s i v ea p p l i c a t i o ni nm a n ym e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n f i e l d sf o ri t se x c e l l e n tt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s m e s h i n gq u a l i t yo fs p i r a lb e v e l g e a rp m rh a si m p o r t a n ti n f l u e n c ef o rp e r f o r m a n c eo fe n t i r et r a n s m i s s i o n s y s t e m p r a c t i c a lc o n t a c tp a r tf r o map a i ro fl o c a lc o n j u g a t et o o t hs u r f a c ei s c a l l e dt o o t h c o n t a c tz o n e ( t c z ) s t a t u so f t c z ( i n c l u d i n gl o c a t i o n ，s h a p ea n ds i z e ) i so n eo ft h e m o s t1 m p o r t a n tm a r k sw h i c ha r eu s e dt om e a s u r em e s h i n g q u a l i t yo fs p i r a lb e v e lg e a r p a i r s oc o n t r o l l i n gs t a t u so ft c zi st h em o s td i r e c tm e t h o dt om a k es u r em e s l l i n g q u a l i t yo fs p i r a lb e v e lg e a rp a i r m o d i f i c a t i o np r o c e s so fs t a t u so ft c zi so n e i n d i s p e n s a b l es t e pb e f o r es p i r a lb e v e lg e a rp a i rb e i n gu s e d s t a t u so ft c zm u s tb e m e a s u r e db e f o r e b e i n gm o d i f i e d t r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n tm e t h o df o rt c zi s e y e b a s e dm e t h o dw h i c hc a no n l ya n a l y z et c zq u a l i t a t i v e l yb u tc a nn o t g i v e q u a n t i t a t i v em e a s u r e m e n tr e s u l t s f o rt h i sr e a s o n ，t r a d i t i o n a lm o d i f i c a t i o nm e m o do f t c zo fs p i r a lb e v e lg e a rb a s e do n e y e b a s e dm e t h o dh a sm a n yd i s a d v a n t a g e sa n dc a n n o ts a t i s f yd e m a n d so fm o d e m p r o d u c t i o n t h ep a p e ri sd e v o t e dt o a p p l ya d v a n c e dc o m p u t e rv i s i o nt e c h n o l o g ya n d d a t a b a s et e c h n o l o g yt om e a s u r e m e n to ft c z ，i no r d e rt or e a l i z ef a s ta n dq u a n t i t a t i v e m e a s u r e m e n tf o rt c z m a i nc o n t e n ta sf o l l o w ： t h ep a p e ra n a l y z e sa p p l i c a t i o np o t e n t i a lo fc o m p u t e rv i s i o n t e c h n o l o g ya n d c l e a r l ys t a t e st h a td a t a b a s e t e c h n o l o g y h a s s i g n i f i c a n ta d v a n t a g e sf o rd a t a m a n a g e m e n tw h e nm e a s u r i n gt c z r e s e a r c hs t a t u sa th o m ea n da b r o a dd b o u t c o m p u t e rv i s i o nm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yo ft c zi si n t r o d u c e d a n dt h e nam a i n r e s e a r c hc o n t e n to ft h e p a p e r - - - - - - r e s e a r c h o n c o m p u t e r v i s i o nm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g yo f t c zo fs p i r a lb e v e lg e a r , i sp u tf o r w a r d b a s i ct h e o r i e sa b o u tc o m p u t e rv i s i o nm e a s u r e m e n to ft c zo f s p i r a lb e v e lg e a r a r er e s e a r c h e d ，w h i c hi n c l u d eu n i t i n g e v a l u a t i o nb e n c h m a r ko ft c z ，b u i l d i n g c o o r d i n a t es y s t e m sw i t hm a p p i n gr e l a t i o n s h i p ，c o o r d i n a t e r e g i s t r a t i o n ，c o o r d i n a t e t r a n s f o r m a t i o n ，i n f i n i t es u b d i v i s i o n ，e i g e n v a l u ea n a l y s i s ，a n ds oo n p r a c t i c a li m a g ec h a r a c t e r i s t i c so ft c za r ec a r e f u l l ya n a l y z e d ，w h i c ha r eu s e dt o g u i d ee d g ei n f o r m a t i o ne x t r a c t i o no ft c z d u r i n gt h ep r e t r e a t r n e n tp r o c e s sf o r c h a n g i n gt r u e c o l o rm a a g et o g r a yi m a g e ，a na d a p t i v ec a l c u l a t i o nm e t h o df o r t r i c h r o i s mc o e f f i c i e n t so fc o n v e r s i o nf o r m u l a i s p r o p o s e d t h e nt h r e s h o l d s e g m e n t a t i o na l g o r i t h mb a s e do nt r a n s i t i o n a lr e g i o ni su s e dt oe x t r a c td i g i t a le d g eo f - i i i 北京丁业大学t 学硕十论文 - -i _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ t c z ，s os i m p l i f i e db u te n o u g hi n f o r m a t i o ni sp r o v i d e df o re i g e n v a l u ec a l c u l a t i o no f s t a t u so ft c z a c c o r d i n gt h ea b o v eb a s i ct h e o r i e sa n dr e l a t e di m a g ee n g i n e e r i n ga l g o r i t h m s ， e x p e r i m e n t a lp l a t f o r mf o rc o m p u t e rv i s i o nm e a s u r e m e n to ft c z o fs p i r a lb e v e lg e a r i sb u i l ta n dc o r r e s p o n d i n gs o f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e dt oc o m b i n ew i t hu s eo f e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m l a s tp a r to ft h i sp a p e r , ap r e l i m i n a r yc o n c e p t i o na b o u te f f i c i e n tm o d i f i c a t i o n s y s t e mf o rt c z o fs p i r a lb e v e lg e a ri sg i v e nb a s e do nc o m p u t e rv i s i o nt e c h n o l o g ya n d d a t a b a s et e c h n o l o g y t h i ss y s t e mp u t sm e a s u r e m e n to ft c z ，e v a l u a t i o no ft c za n d m o d i f i c a t i o no ft c z t o g e t h e r k e yt h e o r i e sf o rr e a l i z i n gt h i ss y s t e ma r es t a t e d f o r f u n d a m e n t a l l yi m p r o v i n gt r a d i t i o n a lm o d i f i c a t i o nm e t h o do ft c zo fs p i r a lb e v e lg e a r , t h i sp r e l i m i n a r yc o n c e p t i o nh a sc e r t a i nr e f e r e n c ev a l u e k e y w o r d ss p i r a lb e v e lg e a r ；t o o t hc o n t a c tz o n e ；c o m p u t e rv i s i o nt e c h n o l o g y ；d a t a b a s e t e c h n o l o g y i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所作的任何贡献均己在论文 中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：囱l 日期：二鲜善：知 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签日期： 第一章绪论 弧齿锥齿轮，因其传动平稳、噪声低、承载能力强等特点，而在航空( 飞机、 宇宙飞船) 、运输( 内燃机车、轮船、汽车) 、机床、仪表、起重、冶金、矿山及 农业机械等众多领域中得到越来越广泛的应用。弧齿锥齿轮高速、熏载的工作状 况，低重量而高可靠性的工作要求，加之复杂的齿面几何形状，使得对其啮合质 量的控制成为一个既重要又难于解决的课题。目前，国内对于基于摄影的齿轮 参数测量系统的研究较多，为弧齿锥齿轮副啮合质量的控制技术开启了新的发展 方向“1 。 1 1 背景概述 11 1 弧齿锥齿轮副传统修配方法 人们在长时间的研究和实践中，探索h 控制弧齿锥齿轮副啮合质量的一些方 法。其中，最常见也是最直接的方法是控制齿面接触斑点( 即接触区，t o o t h c o n t a c t z o n e ，t c z ) 的状态( 包括位置、形状及大小三方面状态) 。 图1 - i 一对啮台的弧齿锥齿轮副 f i 9 1 - l a p a i ro f s p i r a ib e v e lg e 盯i n m e s hc o n d i t i o n 齿面接触斑点是齿轮副在啮合运转过程中形成的，如图l i 所示为对啮 合的弧齿锥齿轮副。实际中，已作鼓形修正的一对局部共轭齿面，每一瞬间理论 上只有一个点相互接触。因为齿面的弹性变形，瞬时接触点在齿面上便形成了瞬 时接触椭圆。1 。齿面上的接触斑点就是由许多瞬时接触椭圆集合而成的，它反映 了齿轮副在啮合运转过程中一对局部共轭齿面的实际接姓部分，如图1 2 所示 齿面接触斑点示意图。 勉 北京e _ q k 大学 二学硕士论文 大端 齿项 图1 2 接触斑点不意图 f i g 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo ft c z 齿面接触斑点的位置、形状和大小，对于齿轮的平稳运转、使用寿命和噪声 等都有直接影响，因而成为衡量弧齿锥齿轮副啮合质量的重要标志之一n 1 。轮齿 的压力角、螺旋角、齿面节线曲率、齿圈跳动、齿形、齿距乃至表面粗糙度等各 项误差，几乎都可以用检查接触斑点而综合反映出来，因而接触斑点是弧齿锥齿 轮生产和验收时最主要的关注项目。为了保证齿轮副的啮合质量，无论是在生 产设计阶段还是在生产加工后，都需对齿面接触斑点的状态进行有效地控制。 轮齿接触分析( t o o t hc o n t a c ta n a l y s i s ，简称t c a ) ，是一种比较成熟的在生 产设计阶段控制齿面接触斑点状态的方法。t c a 以齿轮啮合理论作为理论基础， 用计算机来模拟分析齿轮副啮合过程及齿面接触斑点的位置、形状和大小，得到 关于接触斑点的合理数据，进而利用这些数据指导加工生产。t c a 在提高齿轮 产品的质量、改善齿轮传动的动态性能、降低企业的研发成本、缩短产品的研发 试验周期等方面发挥了重要的作用。但t c a 是一种基于数学的理论方法，它不 能全面考虑机床误差、加工误差、安装误差以及热处理变形等实际问题，因此， t c a 只给提供了一种分析问题的手段，不能代替生产加工后对实际接触斑点状 态的修正过程。 生产加工后，对弧齿锥齿轮齿面接触斑点状态的修正过程，即为弧齿锥齿轮 副的修配过程，是集接触斑点的测量、评判及修正于一体的重要过程。欲修正接 触斑点，必先对其进行测量。通过分析测量结果，可以评判齿轮副的啮合质量， 进而可以为啮合质量不合格的齿轮副提供接触斑点修正指导，所以测量接触斑点 在整个接触斑点的修正过程中具有非常重要的地位。 目前，我国绝大多数齿轮制造厂采用传统的目测法测量接触斑点。将齿面涂 有着色剂的弧齿锥齿轮副以理论安装距安装于滚动检验机上，在轻的制动载荷的 作用下，使齿轮副进行对滚，齿面上便形成了反映局部共轭齿面实际接触部位的 接触斑点，直观上表示为着色剂被蹭掉的那部份齿面，如图1 3 所示。 蔷，燃器 检验人员目测接触斑点印痕，凭个人经验，只能定性地分析接触斑点的位置、 形状及大小，无法给出定量的测量结果。根据这些定性分析结果，难于准确地评 判齿轮副的啮合质量，更加难于为接触斑点的修正提供准确的指导。也因此，基 于目测法的弧齿锥齿轮副传统修配方法弊端众多，无法满足现代化生产的需求。 随着科学技术的发展，各种先进的计算机技术、激光技术、精密仪器技术、 图像技术、数据库技术等不断地应用 4 齿轮测量中来，并取得了飞速的发展。应 用先进的技术改善传统的接触斑点翘4 量方法，实现对接触斑点的快速、定量测量， 进而改善弧齿锥齿轮副传统修配方法，这已成为齿轮行业众多科研工作者所热衷 研究的新领域。 1 12 计算机视觉 视觉是人类观察世界、认知世界的重要功能手段。人类从外界获得的信息 约有7 5 来自视觉系统，这既说明视觉信息量巨大，也表明人类对视觉信息有较 高的利用率。人类视觉过程可看作一个复杂的从感觉( 感受到的是对3 - d 世界之 2 - d 投影得到的图像) 到知觉( 由2 - d 图像认知3 - d 世界内容和含义) 的过程。 视觉的最终目的从狭义上说是要对场景作出对观察者有意义的解释和描述，从广 义上讲，还有基于这些解释和描述并根据周围环境和观察者的意愿制定出行为规 划。 计算机视觉是指用计算机来实现人类的视觉功能，也就是用计算机来实现对 客观三维世界的识别和理解。计算机视觉是人工智能领域最热门的研究课题之 一，它和专家系统、自然语言理解已经成为人工智能最活跃的三大领域。 计算机视觉的主要研究目标之一是建立计算机视觉系统，完成各种视觉任 务。即，使计算机借助各种视觉传感器( 如c c d 、c m o s 摄像器件等) 获取场景的 北京丁、大学工学硕+ 论文 图像，而感知和恢复3 一d 环境中物体的几何性质、姿态结构、运动情况、相互位 置等，并对客观场景进行识别、描述、解释，进而作出决断。 图像是表达视觉信息的一种物理形式，计算机视觉作为- i - j 学科，与许多以 图像作为主要研究对象的学科，特别是图像工程学，有着非常密切的联系和不同 程度的交叉。图像工程学是将数学、光学等基础学科的原理，结合在图像应用中 积累的技术经验而发展起来的，是一门系统地研究各种图像理论、技术和应用的 新的交叉学科。图像工程内容非常丰富，根据抽象程度和研究方法的不同可分为 三个层次( 如图卜4 所示) ：图像处理、图像分析和图像理解1 。 高小 抽 象 程 度 低 图l - 4 图像工程三层次示意图 f i g 1 4 t h r e el e v e l so fi m a g ee n g i n e e r i n g 大 数 据 量 图像处理着重强调在图像之间进行变换。虽然人们常用图像处理泛指各种图 像技术，但比较狭义的图像处理主要满足对图像进行各种加工以改善图像的视觉 效果并为自动识别打基础，或对图像进行压缩编码以减少所需存储空间或满足传 输时间、传输通路的要求。 图像分析则主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获得他们的客 观信息从而建立对图像的描述。如果说图像处理是一个从图像到图像的过程，则 图像分析是一个从图像到数据的过程。这里数据可以是对目标特征测量的结果， 或是基于测量的符号表示。他们描述了图像中目标的特点和性质。 图像理解的重点是在图像分析的基础上，进一步研究图像中各目标的性质和 它们之间的相互联系，并得出对图像内容含义的理解以及对原来客观场景的解 释，从而指导和规划行动。如果图像分析主要是以观察者为中心研究客观世界( 主 要研究可观察到的事物) ，那么图像理解在一定程度上是以客观世界为中心，借 助知识、经验来把握整个客观世界( 包括没有直接观察到的事物) 。 图像处理、图像分析和图像理解是处在三个抽象程度和数据量各有特点的不 同层次上。图像处理是比较低层的操作，它主要在图像像素级上进行处理，处理 操作对象 、厂j 号 标 素 符 目 像 层 层 高 中 低 厂，j、， 语义 第一章绪论 的数据量非常大，图像分析则进入了中层，分割和特征提取把原来以像素描述的 图像转变成比较简洁的非图形式的描述。图像理解主要是高层操作，基本上是对 从描述抽象出来的符号进行运算，其处理过程和方法与人类的思维推理可以有许 多类似之处。随着抽象程度的提高数据量是逐渐减少的。具体说来，原始图像数 据经过一系列的处理过程逐步转化为更有组织和用途的信息。这个过程中，语义 不断引入，操作对象发生变化，数据量得到了压缩。另一方面，高层操作对低层 操作有指导作用，能提高低层操作的效能。图像工程是这既有联系又有区别的三 个层次的有机结合体，同时，还包括了对这三个层次的工程应用。 作为- - l - j 发展极为迅猛的科学，计算机视觉是实现工业生产高度自动化、机 器人智能化、自主车导航、目标跟踪以及各种工业检测、医疗和军事应用的核心 内容之一。计算机视觉测量技术，具有测量精度高、实现速度快、非接触测量等 特点，为实现接触斑点的快速、定量测量提供了最有力的技术支持盯吲。 1 1 3 数据库技术 数据库技术自2 0 世纪6 0 年代中期产生以来，无论是理论还是应用都已变得 相当成熟和重要，是计算机科学中发展最快的领域之一，也是应用最广的技术之 一，它已成为计算机信息系统与应用系统的核心技术和重要基础。近年来，随着 计算机技术( 特别是计算机网络和多媒体技术) 的飞速发展及其应用领域的不断 扩大，数据库技术的普及得到了突飞猛进的发展。许多领域，如地理信息系统、 事务处理系统、联机分析系统、决策支持系统、企业资源规划、客户关系管理、 数据仓库和数据挖掘等都是以数据库技术作为重要的支撑田1 。 在弧齿锥齿轮副修配过程中，有些重要的过程数据和结果数据需要妥善保 存。目前，我国一些传统的齿轮制造厂仍采用人工的方式进行数据管理。例如， 用拓印的方法获得齿面接触斑点印痕的展开图，人工保留这些纸质图片，以备随 时参考。再如，将接触斑点各种状态情况下的经验修正方案人工地记录在纸质的 工艺卡上，在修正接触斑点时，人工地查询工艺卡以获得合适的修正方案。如此 这般，太多“人工”的引入，势必会严重阻碍企业的现代化进程。将数据库技术 应用于弧齿锥齿轮副的修配过程中，可以使过程中的重要数据得到科学管理。数 据库技术以其众多优秀的数据管理特点，势必会成为我国齿轮制造业现代化进程 中强有力的助推器。 北京工业大学丁学硕+ 论文 1 2 相关领域研究现状及发展趋势 九十年代，一批科研工作者开始尝试将计算机视觉技术应用于接触斑点的测 量。他们利用c c d 光电接收器作为测量传感器进行图像采集，并利用计算机进行 数据或图像的处理。他们的努力翻开了齿轮接触斑点测量领域的新篇章n 州甜。 值得注意的是，他们所开发的基于计算机视觉技术的接触斑点测量系统无疑 例外的是针对于直齿渐开线圆柱齿轮设计的。在接触斑点图像采集方面，他们的 总体思路是：光学照明成像系统提供平行的照明光束，沿齿面的法线方向垂直照 射齿面，再沿齿高方向按渐开线齿形扫描( 即被测齿轮与光学成像系统始终保持 渐开线相对运动关系) ，如图i - 5 所示。从而使齿面展开图上的接触斑点成像于 线阵c c d 光电接收器。对于性能优越且用途广泛的弧齿锥齿轮，由于它的齿面几 何形状复杂，上面所述的由以往科研工作者提出的接触斑点采集方法便显得有些 无能为力i 可见，以往科研工作者所开发的基于计算机视觉技术的接触斑点测量 系统具有极大的局限性。 彳 图1 5 针对直齿渐开线圆柱齿轮的接触斑点视觉测量系统的图像采集原理 f i g 1 - 5i m a g eg a t h e r i n gp r i n c i p l eo fc o m p u t e rv i s i o nm e a s u r e m e n ts y s t e m o f t c zf o rs p u rg e a r 九十年代所开发的基于计算机视觉技术的接触斑点测量系统均采用线阵c c d 光电接收器，线阵c c d 光电接收器的工作原理是：线性移动每增加一个单位输出 一个图像行。可见应用线阵c c d 光电接收器进行接触斑点图像采集时，采集速度 较慢，影响对接触斑点测量的效率，不能满足齿轮副快速修配的需要。 九十年代的这些工作将主要精力集中在利用计算机视觉技术对接触斑点的 图像进行采集的工作上，但是，对于如何利用图像工程学的相关理论提取接触斑 点轮廓以及如何选择恰当的特征值表征接触斑点的位置、形状及大小，没有给予 进一步分析。更没有涉及到如何利用这些特征值来定量、精确地指导研齿修正的 问题。 几年来，对于齿面几何形状复杂的弧齿锥齿轮，我国已有研究者对其齿面接 触斑点的计算机视觉测量方法进行了探索。有研究者应用立体视觉技术恢复齿面 第章绪论 接触斑点的三维信息，进而应用图形变换和曲线拟合技术，生成齿面接触斑点轴 截面图形u 卜1 4 。其研究为评定接触斑点的位置、形状及大小提供了一个统一的参 考基面齿面在齿轮轴截面上的旋转投影面，这是很具有启发性的研究。但是， 在设计接触斑点轮廓提取方案时，其选择以色差为依据进行接触斑点的轮廓提 取，虽然提取效果尚好，但是在方案实施过程中需采用“交互”的方法来确定图 像处理范围，所以基于这种算法的测量系统，不便于生产现场的工人使用。 对于基于计算机视觉技术的接触斑点测量方法，国外学者也进行了不同程度 的研究，其中以美国格里森公司的技术最为成熟。 美国格里森公司提出了一种轮齿接触斑点的数字成像方法。图1 - 6 示出了该 发明的成像数据流程，其中由大齿轮和小齿轮组成的齿轮副布置成啮合的位置。 两台c c d 摄像机分别拍摄大齿轮驱动侧和惯性侧的齿面接触斑点，拍摄图像传入 计算机，通过图像处理器使图像数字化，然后图像数据计算装置确定接触斑点位 置和形状并且在显示器上显示出实际的接触斑点n 副。 图1 - 6 成像数据流程 f i g 1 6i m a g i n gd a t ap r o c e s s 该方法提供两幅数字化图像，第一幅图像包括多个连续轮齿驱动侧和惯性侧 的实际齿面，齿面上有接触斑点，如图1 - 7 ；第二幅图像包括相同的连续轮齿其 驱动侧或惯性侧的理论齿面，理论齿面由具有多个网格单元的矩阵网格表示，如 图1 - 8 所示。测试过程中，在显示器上显示理论齿段，调整摄像机使理论齿段与 视频图像中的实际齿段等同地相配。这样实际接触斑点的像素就分配到相应的理 论齿面的网格中，如图1 - 9 所示。 北京工业大学 二学硕十论文 图1 7 实际齿段 f i g 1 - 7 as e c t i o no fr e a lt e e t h 、 图1 8 理论齿段 f i g 1 - 8 as e c t i o n o ft h e o r e t i c a lt e e t h 图1 - 9 同等相配 f i g 1 - 9r e 百s t r a t i o n 最后，将网格齿面上的接触斑点转换为齿面在齿轮轴截面上的旋转投影中的 接触斑点，如图1 - 9 所示，其转换关系为 其中 l 尺= ( p + p ) 互 l = z r 轴平面中的网格单元的径向位置： x 轮齿表面网格单元的x 轴坐标； 卜轮齿表面网格单元的y 轴坐标； l 轴平面中的网格单元的轴向位置； z 轮齿表面网格单元的z 轴坐标。 由于理论齿段轮齿齿面是精确可知的，现在视频图像与理论齿段具有相同的 坐标系，所以各个轮齿齿面接触斑点的位置和尺寸同样也精确可知。并且，得到 第一章绪论 齿面在齿轮轴截面上的旋转投影面，可与轮齿接触分析( t c a ) 所获得的理论接触 进行比较，t c a 接触斑点表现为一个适当轮齿齿面上接触斑点的轴截面旋转投影。 格里森公司已为该技术申请了专利，并将其应用于凤凰系列齿轮检测机上， 如5 0 0 h c t 、6 0 0 h c t 等n 制，这些设备都需进口，价格昂贵。所以研发我国自主知 识产权的基于计算机视觉技术的接触斑点测量系统是非常有必要的。本课题的部 分灵感来源于格里森公司的此项技术。 展观未来，为了克服传统弧齿锥齿轮接触斑点测量方法的缺陷，使对接触斑 点的测量从测量精度和效率方面都比传统的目测法有显著的提高，对于几何形状 复杂的齿面，探索其接触斑点的计算机视觉测量技术，实现对接触斑点的快速、 定量测量，这将成为未来的研究热点。 一 以往的研究主要集中在接触斑点的计算机视觉测量技术，其实，测量接触斑 点的实质目的是可以根据测量结果判断齿轮副的啮合质量，进而对于啮合质量不 合格的齿轮副，可以根据测量结果指导接触斑点的修正，以实现对齿轮副的快速 修配。基于先进的科学技术，研究弧齿锥齿轮副高效修配方法，将接触斑点的测 量、评判及修正统一起来，这也势必将成为未来的研究重点。 1 3 论文的提出、主要研究内容及意义 1 3 1 项目来源 根据以上分析，提出本论文“弧齿锥齿轮接触斑点的计算机视觉测量技术研 究”。研究目的旨在将先进的计算机视觉技术及数据库技术应用于弧齿锥齿轮接 触斑点的测量中，以实现对齿面接触斑点的快速、定量测量。本课题来源于国家 自然科学基金资助项目( 5 0 6 2 7 5 0 1 ) ；北京市自然科学基金资助项目( 3 0 5 2 0 0 3 ) 的 支持。 1 3 2 主要研究内容 本文对基于计算机视觉技术的接触斑点测量系统进行初步实现，构建实验平 台并开发相应的软件系统，并且应用数据库技术管理测量过程中的重要数据。开 发基于计算机视觉技术的接触斑点测量系统是实现弧齿锥齿轮副高效修配系统 的前提，本文将弧齿锥齿轮接触斑点的测量、评判及修正三者有机的结合起来， 从原理上对弧齿锥齿轮副高效修配系统进行了初步构思。 北京工业大学工学硕十论文 全文结构如图1 1 0 所示 谭题背景田内外研究现状和发展趋势论文的提出， 意义和主要研究内窖 粼糕翼蓑麓瓣潞瓣摊蕞曩h 第- - i t 方法 像预处理方案井选择合适的图像分割算法，有效地提取接卜- - 刊第弧齿锥齿轮接触斑点数字边缘提取方法 触斑点的边缘信息 构建弧齿锥齿轮接触斑点的计算机视觉测量系统实验平i1 第四章弧齿碓齿轮接触斑点的计算机视觉铡量 台，介绍实验平台的组成成员论述实验思路广- i系统实验平台 软件系统功能模块及架构软件开发工具软件操作说明1i 第五章弧齿锥齿轮接触斑点的计算机视觉滔量 及特征值分析实验广。r 1系统软件i 殳计 对比基于目测法的弧齿锥齿轮副传统修配方法，初步构思 了基于计算机视觉技术的弧齿锥齿轮副高教修配方法 研究结论，刨新说明以及进一步研，工作展望 角六章矗齿锥齿轮副高教修配系统 韧步构思 结论 1 3 3 研究意义 图1 一l o 全文结构 f i g 1 一l o f r a m e w o r ko f t h ep a p e r 伴随着我国航空航天工业的崛起、造船业的兴盛、机械装备制造业和i t 行 业的快速发展，齿轮制造业迎来了前所未有的发展机遇n7 1 。机遇伴随着挑战，挑 战来自于对齿轮质量的高标准要求。齿轮制造企业在注重提高产品产量的同时， 更加应该注重提高产品质量，产品质量问题一直是关系到企业生死存亡的重中之 重。弧齿锥齿轮作为齿轮家族的重要一员，由于其性能突出，在众多领域倍受青 睐，得到广泛的应用。在传动过程中，弧齿锥齿轮副的啮合质量一直是齿轮制造 企业关注的热点。齿面接触斑点是衡量弧齿锥齿轮副啮合质量的重要指标之一。 目测法作为我国齿轮制造厂目前所普遍采用的一种齿面接触斑点测量方 法，其对于齿面接触斑点的位置、形状及大小只能进行定性的分析，测量精度不 高，受主观因素影响较大，这种齿面接触斑点测量方法己不能满足对齿轮质量的 要求。例如，航空齿轮，由于航空齿轮箱体的灵活性，要求航空齿轮能承受大的 垂直、水平和角度位移量，所以需严格要求齿面接触斑点位置、接触长度和对角 接触方向。这就要求必须检测出齿面接触斑点的确切位置、形状及大小，而目前 国内生产的检验机都不具备该功能。具有此功能的弧齿锥齿轮检验机床主要依赖 进口，而进i s l 设备价格昂贵u 驯。 弧齿锥齿轮接蚀斑点的计算机视觉耐量技术研究 第一章绪论 本文对于弧齿锥齿轮接触斑点的计算机视觉测量系统进行了探索性研究，具 体实施了其中的几个关键技术，初步实现了对于齿面接触斑点的快速、定量测量， 为实现弧齿锥齿轮副高效修配系统，提供了前瞻性基础研究。通过对本课题的深 入研究，有利于提高企业的产品质量，从而有利于提高企业的核心竞争力，进而 有利于提高我国齿轮制造业的整体水平，在科研及应用领域，都有重要且深远的 意义。 第二章弧齿锥齿轮接触斑点计算机视觉测量的基本理论 第二章弧齿锥齿轮接触斑点计算机视觉测量的 基本理论 用c c d 成像系统代替人眼，对待测轮齿实现接触斑点图像信息的快速采集， 应用基于图像工程学相关原理所开发的应用软件代替人的主观定性分析，对接触 斑点实现快速、客观、定量的测量，测量结果可以给出接触斑点位置、形状及大 小的特征值量值。 2 1 图像特性指导接触斑点边缘信息提取 欲计算接触斑点的大小、探究它的形状以及评价它在齿面上所处的位置，需 应用图像工程学的相关原理，通过有效的图像预处理和图像分割，确定接触斑点 与其齿面背景之间的分界线，即提取接触斑点的边缘信息。 现场采集到的弧齿锥齿轮接触斑点的图像有其独特的图像性质，在确定接触 斑点边缘提取方案时，应该根据客观实际的接触斑点图像特性，确定有针对性的 图像预处理算法和图像分割算法，为后续计算接触斑点特征值量值提供简化但不 失充足的信息。 2 2 统一的评价基准 欲对接触斑点的位置、形状及大小进行客观定量的测量以及评定，需要选 定一个评价基准。通过坐标变换，将经图像分割后提取的接触斑点边缘信息投影 至此基准中，进而可以在此基准中定量地评价接触斑点的位置、形状及大小。 本文在论述弧齿锥齿轮接触斑点计算机视觉测量系统的基本理论时，为了 可与轮齿接触分析( t c a ) 所获得的理论接触进行比较，选择齿面的拓扑平面为接 触斑点的评价基准。所谓拓扑平面是指齿面在齿轮轴截面上的旋转投影面，如图 2 - 1 所示n 射。对于同一规格的弧齿锥齿轮，其拓扑平面是相同的，由此，同一规 格的齿轮其接触斑点便具有了统一的评价基准。 北京工业大学工学硕十论文 图2 1 齿面的拓扑平面 f i g 2 1t o p o l o g i c a lp l a n eo ft o o t hs u r f a c e 2 3 基于旋转投影映射关系和微分思想的坐标变换 为了在齿面的拓扑平面上评价接触斑点，需要将齿面上的接触斑点旋转投影 到拓扑平面上。实现思路：建立齿面与其拓扑平面的旋转投影映射关系，如图 2 2 所示。 逊膨 图2 2 齿面与其拓扑平面的旋转投影映射关系 f i g 2 2m a p p i n gr e l a t i o nb e t w e e nt o o t hs u f a c ea n d t o p o l o g i c a lp l a n et h r o u g hr o t a t i n gp r o j e c t i o n 第一：章弧齿锥齿轮接触斑点计算机视觉测冕的荩本理论 由此，对于同一规格的弧齿锥齿轮，便建立起两个坐标系：齿面空间坐标系 和齿面拓扑平面坐标系，如图2 - 3 ，2 - 4 所示，两个坐标系的细分坐标格始终满 足旋转投影的映射关系，且一一对应。 图2 - 3 齿面空间坐标系 f 喀一23t o o t hs u r f a c es p a c ec o o r d i n a t es y s t e m f 8i765 4 3 2 1 i 16 l15l 24 l 23 22 2l20 191817 图2 - 4 拓扑平面图坐标系 f i g 2 - 4t o p o l o g i c a t p l a n ec o o r d i n a t es y s t e m 将齿面空间坐标系( 如图2 - 3 所示) 与接触斑点边缘提取结果进行坐标配准( 图 2 5 为边缘提取结果示意图) ，得到空间配准结果图，如图2 6 所示。 图2 5 边缘提取结果示意 f i g 2 5s c h e m a t i cd i a g r a mo f e d g ee x t r a c t i o nr e s u l t 图2 - 6 空间配准结果 f i g 2 6s p a c er e g i s t r a t i o nr e s u l t 从空间配准结果图中可以清楚地看到，接触斑点的边缘在齿面空间坐标系 上，过坐标格2 、3 、4 、5 、6 、1 0 、1 1 、1 2 、1 3 、1 4 格，由于两个坐标系的坐标 格是始终保持旋转投影的一一映射关系，所以当接触斑点边缘旋转投影到拓扑平 面上时，在齿面拓扑平面坐标系中必定也会过相应的坐标格，取这些坐标格的中 点为样点，应用数值分析理论，可以拟合出一条封闭的曲线，如图2 - 7 所示。根 据微分思想，当两个坐标系的坐标格无限细分且始终保持旋转投影的一一映射关 系时，如此细分便会使得有更多的坐标格参与到接触斑点边缘的定位过程，则拟 合得到的封闭曲线将越来越接近接触斑点边缘轮廓在拓扑平面上投影的真实情 况，由此便实现了坐标变换。 e ， 87一惫一，一 一j 卜1 兰 1 l6 15 商一1 母 仑廿1 9 2423 22 2120 191817 2 4 坐标系的建立 图2 7 投影结果 f i g 2 7p r o j e c t o nr e s u l t 在建立坐标系的具体操作过程中，可以应用功能全面的三维绘图软件( 比 如p r o e ) u 峭。，针对一种规格的弧齿锥齿轮，绘制满足此规格参数要求的齿轮 的一个轮齿，将此轮齿命名为坐标轮齿，在此轮齿的凹齿面上绘制出尽可能细分 的坐标格，利用三维绘图软件优秀且全面的视角选择、精确定位以及缩放功能， 调整坐标轮齿的视角、定位以及大小，使坐标轮齿的凹齿面信息能够充分地显示 出来，由此便形成了齿面空间坐标系，如图2 3 所示。在空间绘图的过程中，利 用空间几何关系，绘制出此坐标轮齿的一个拓扑平面，进而绘制辅助线模仿两个 坐标系间的旋转投影的映射过程，辅助线是一束束彼此平行的圆弧，圆弧所在圆 的圆心均在锥齿轮的轴线上，且锥齿轮的轴线垂直圆弧所在