一种双联齿轮之小齿轮的机器视觉测量方法及测量装置

技术领域

本发明涉及一种基于机器视觉的齿轮测量方法，更具体地是涉及一种测量双联齿轮或多联齿轮的小齿轮的方法，属于测量技术及仪器、机械传动技术及齿轮测量技术领域。

背景技术

齿轮是应用最为广泛的关键基础件，齿轮的质量往往直接决定装备的运行性能、服役寿命、安全性和可靠性。测量是评价齿轮使用性能、发现齿轮误差来源、提升齿轮产品质量的重要手段。双联齿轮是指把两个齿轮做成一体形成的齿轮，主要用于变速机构，可使结构更加紧凑。结构允许时，也可以把两个以上的齿轮做成一体成为多联齿轮。

机器视觉技术可以比较容易地实现对直齿双联齿轮之大齿轮进行测量，但对双联齿轮之小齿轮的机器视觉测量一直是个技术难题。对直齿双联齿轮之大齿轮进行测量时，通常采用背光照明方式。背光照明也称为底光照明或透射照明，是常用于几何尺寸精确测量的照明方式。背光照明方式下，直齿双联齿轮之大齿轮的轮齿部分可以清晰成像，实现齿廓偏差、齿距偏差、公法线长度、齿圈跳动等多个单项误差的分析式测量。但小齿轮的轮齿部分会被大齿轮遮挡，无法通过镜头在工业相机的感光元件上成像，因此难以实现机器视觉测量。如果使用顶光落射照明方式，得到的双联齿轮之小齿轮图像在轮齿边缘处的对比度虽然基本相同，但对比度都不高，因此难以实现精确的轮廓提取和齿轮误差测量。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种基于可控旋转照明的双联齿轮之小齿轮的机器视觉测量方法，以及应用该方法的双联齿轮之小齿轮的机器视觉测量装置，本发明提出的基于可控旋转照明的技术方案可增强被测小齿轮轮齿边缘处图像的对比度，实现对双联齿轮之小齿轮的更加精确的机器视觉测量。本发明通过以下技术方案予以实现：

一种双联齿轮之小齿轮的机器视觉测量方法，该方法由以下步骤组成：

步骤1：选择合适的光源，调整光源的位置、照射方向、亮度参数，使被测小齿轮的端面和齿面受到不均匀的照明，调整至采集的图像中小齿轮轮齿边缘的局部位置的对比度大于其他位置的对比度的状态；

步骤2：使用图像采集装置获取一张或多张当前条件下的小齿轮图像；

步骤3：相对于被测齿轮旋转照明用光源，使照明用光源绕被测齿轮轴线旋转一个0~360°之间的角度；

步骤4：重复上述步骤2和步骤3，直至照明用光源在绕被测小齿轮轴线旋转的方向上已转过足够多的次数，完成被测轮齿的一圈或多圈的完整的图像采集工作为止；

步骤5：利用前面步骤2~4中收集的多张小齿轮图像，挑选出各图像中对比度大的轮齿边缘图像部分，组合出被测齿轮的全部轮齿的对比度更高的图像；有了对比度更高的图像，就可以实现更加精确的轮廓提取和更加精确的齿轮误差测量。

应用上述方法的双联齿轮之小齿轮的机器视觉测量装置，该装置除了具有一般的机器视觉齿轮测量装置的必要组成部分外，至少包括以下组成部分：图像采集装置，照明用光源，以及可实现照明用光源相对于被测齿轮轴线旋转的运动机构。

应用上述方法的双联齿轮之小齿轮的机器视觉测量装置的组成部分中，照明用光源可选择点光源、漫射光面光源、平行光面光源、单色光光源、复合色光光源之中的一种或几种的组合，也可采用条纹、网格、点阵形式的结构光光源或与镜头同轴的平行光照明光源；当采用与镜头同轴的平行光照明光源时，镜头的轴线与被测齿轮轴线不平行，测量过程中镜头和光源一起相对于被测齿轮轴线旋转。

应用上述方法的双联齿轮之小齿轮的基于机器视觉的测量装置的组成部分中，照明用光源如果采用多个可单独控制的发光点组成的光源，可以用不同发光点轮流发光的方式代替照明用光源围绕被测齿轮轴线的旋转运动，同样可实现对被测小齿轮的可控旋转照明。

应用上述方法的双联齿轮之小齿轮的基于机器视觉的测量装置的组成部分中，可实现照明用光源相对于被测齿轮轴线旋转的运动机构的一种实现方式为：齿轮是固定的，而照明用光源是可旋转的。

应用上述方法的双联齿轮之小齿轮的基于机器视觉的测量装置的组成部分中，可实现照明用光源相对于被测齿轮轴线旋转的运动机构的一种实现方式为：照明用光源是固定的，而齿轮是可旋转的。

应用上述方法的双联齿轮之小齿轮的基于机器视觉的测量装置的组成部分中，可实现照明用光源相对于被测齿轮轴线旋转的运动机构的一种实现方式为：照明用光源是可旋转的，而齿轮也是可旋转的。

有益效果

使用本发明提出的技术方案可实现对双联齿轮之小齿轮的基于机器视觉的更加精确的测量，结合现有其他技术，还可以实现双联齿轮的大齿轮和小齿轮在同一台仪器上的同时测量，从而达到更好的评价齿轮使用性能、分析齿轮工艺误差来源的效果。

附图说明

图1是底光透射照明双联齿轮图像示例；

图2是底光透射照明双联齿轮之大齿轮的机器视觉测量结果示例；

图3是顶光落射照明双联齿轮图像示例；

图4是侧光非均匀照明双联齿轮图像示例；

图5是可控旋转照明双联齿轮图像拼接示例；

图6是一种双联齿轮之小齿轮的机器视觉测量方法的流程图；

图7是应用一种双联齿轮之小齿轮的机器视觉测量方法的测量装置示意图；

图8是使用由多个发光点组成的光源的测量装置示意图。

附图标记：1图像采集装置，2照明用光源，3被测双联齿轮，4齿轮底座，5光源底座，6图像采集装置底座，7仪器基座，8照明用光源(由多个发光点组成)。

具体实施方式

下面结合附图和对本发明的优点、特点及具体实施方式作进一步说明。这些实施例是参照附图仅作为例子给出的，是对本发明的非限制性的说明、图示和解释。

机器视觉技术可以比较容易地实现对直齿双联齿轮之大齿轮进行测量，但对双联齿轮之小齿轮的机器视觉测量一直是个技术难题。对直齿双联齿轮之大齿轮进行测量时，通常采用背光照明方式。背光照明也称为底光透射照明，是常用于几何尺寸精确测量的照明方式。如图1所示，背光照明方式下，直齿双联齿轮之大齿轮的轮齿部分可以清晰成像。利用边缘清晰、对比度强的图像可以实现双联齿轮之大齿轮的齿廓偏差、齿距偏差、公法线长度、齿圈跳动等多个单项误差的分析式测量。图2所示为底光透射照明双联齿轮之大齿轮的机器视觉测量结果示例；但双联齿轮中的小齿轮的轮齿部分会被大齿轮遮挡，无法通过镜头在工业相机的感光元件上成像，因此难以实现双联齿轮之小齿轮的机器视觉测量。

如果使用顶光落射照明方式，如图3所示，得到的双联齿轮之小齿轮图像在轮齿边缘处的对比度较低，因此难以实现精确的轮廓提取和齿轮误差测量。

本发明提出的基于可控旋转照明的技术方案采用侧光照明方式，对小齿轮的端面和齿面进行非均匀的照明，以牺牲图像的局部清晰度的方式去增强被测小齿轮轮齿边缘处图像其他局部的对比度，如图4所示。通过多张类似图4的非均匀照明图像的数据拼接，可获得被测双联齿轮之小齿轮的所以被测轮齿边缘图像对比度都较高的图像，如图5所示。采用与图2中相同或相似的软件处理方法，可实现对双联齿轮之小齿轮的更加精确的机器视觉测量。需要说明，图5为手工拼接的图像，在本实施示例中仅用于说明拼接后的图像中被测小齿轮各处轮齿边缘处的对比度均得到增强，图5中的手工拼接错误在使用软件进行自动拼接时是不会出现的。

按照以上思路，本发明提出一种基于可控旋转照明的双联齿轮之小齿轮的机器视觉测量方法，该方法由以下步骤组成：

步骤1：选择合适的光源，调整光源的位置、照射方向、亮度参数，使被测小齿轮的端面和齿面受到不均匀的照明，调整至采集的图像中小齿轮轮齿边缘的局部位置的对比度大于其他位置的对比度的状态（如图4所示）；

步骤2：使用图像采集装置获取一张或多张当前条件下的小齿轮图像（如图4所示）；

步骤3：相对于被测齿轮旋转照明用光源，使照明用光源绕被测齿轮轴线旋转一个0~360°之间的角度；为得到如图5所示的图像，每次光源旋转的角度为约360°/5=72°；

步骤4：重复上述步骤2和步骤3，直至照明用光源在绕被测小齿轮轴线旋转的方向上已转过足够多的次数，完成被测轮齿的一圈或多圈的完整的图像采集工作为止；为得到如图5所示的图像，光源至少要在5个方向照明，至少采集5张图像；

步骤5：利用前面步骤2~4中收集的多张小齿轮图像，挑选出各图像中对比度大的轮齿边缘图像部分，组合出被测齿轮的全部轮齿的对比度更高的图像（如图5所示）；有了对比度更高的图像，就可以实现更加精确的轮廓提取和更加精确的齿轮误差测量（如图2所示）。

图6所示为上述方法的流程图。

需要说明，步骤1中，通过调整光源的位置、照射方向、亮度等参数，可以使图像中小齿轮轮齿边缘的局部位置的对比度大于其他位置的对比度，此时就可以施行上述方法；但如果调整到局部的对比度明显优于其他位置的对比度，或调整到某处的对比度最大或接近最大的情况，就可以得到更好的测量效果，这些是本发明方法的简单推理，其他人不应再以此申请其他专利。

步骤2中，使用图像采集装置获取一张图像就可以实现本发明提出的方法，但如果获取多张图像并对多张图像进行平均，通过图像平均消除随机误差，可以获得比仅获取一张图像更好的测量效果，这些是本发明方法的简单推理，其他人不应再以此申请其他专利。

步骤3中，照明用光源绕被测齿轮轴线旋转一个0~360°之间的角度时，按顺时针或逆时针中的其中任何一个方向都是可以的，旋转角度超过360°的效果和0~360°之间是等效的，旋转角度每次都相等或每次不相等都是可以的，旋转角度按照360°/齿数或360°/齿数的整数倍数选取是优选的方案（但不是必须的）；这些是本发明方法的简单推理，其他人不应再以此申请其他专利。

步骤4中，照明用光源绕被测齿轮轴线旋转拍照的位置越多，测量结果可能越精确；旋转拍照的位置不一定是均匀的，如果在轮齿关键部位拍照位置密集，在其他部位拍照位置稀疏就可以在不降低精度的前提下提高测量效率；如果被测轮齿不是全部轮齿，或者被测齿轮是扇形齿轮、部分齿齿轮，测量可以不按照齿轮的整圈进行；这些是本发明方法的简单推理，其他人不应再以此申请其他专利。

步骤5中，在挑选各图像中对比度大的轮齿边缘图像部分，类似图4中所示的光源所在的部位（大齿轮端面有反光处）、光源所在部位的相对部位（即阴影处）、小齿轮左侧轮齿的右齿面处或小齿轮右侧轮齿的左齿面处，或者其他的部位，都有可能是对比度最大的地方，应根据实际测量时获得的图像的实际情况进行手动或自动的挑选；在组合出被测齿轮的全部轮齿的对比度更高的图像时，图像裁剪拼接只是其中一种组合方法，更为普遍使用的方法是将齿轮上各个位置的各图像中的数据组成数据的列表或矩阵，再对列表或矩阵中的数据按照取极值法、加权平均法、去掉异常值的加权平均法、函数拟合法等方法进行处理，进而得到组合后的图像数据；这些是本发明方法的简单推理，其他人不应再以此申请其他专利。

为应用上述方法，本发明提出应用上述方法的双联齿轮之小齿轮的机器视觉测量装置，该装置除了具有一般的机器视觉齿轮测量装置的组成部分外，其特征在于：至少包括以下组成部分：图像采集装置，照明用光源，以及可实现照明用光源相对于被测齿轮轴线旋转的运动机构。

图7所示为一种应用上述方法的双联齿轮之小齿轮的机器视觉测量装置的示意图。图7中，图像采集装置1安装在图像采集装置底座6上，照明用光源2安装在光源底座5上，被测双联齿轮3放置在齿轮底座4上，照明用光源2可实现相对于被测齿轮轴线旋转，整个测量装置放置在仪器基座7上。

应用上述方法的双联齿轮之小齿轮的机器视觉测量装置的组成部分中，图像采集装置1通常情况下由工业相机、镜头及相机的支架等构成，特殊情况下，也可以使用普通照相机、手机照相机、电脑摄像头、录像机、摄影机等作为图像采集装置1。

应用上述方法的双联齿轮之小齿轮的机器视觉测量装置的组成部分中，照明用光源2可选择点光源、漫射光面光源、平行光面光源、单色光光源、复合色光光源之中的一种或几种的组合，也可采用条纹、网格、点阵形式的结构光光源或与镜头同轴的平行光照明光源；当采用与镜头同轴的平行光照明光源时，镜头的轴线与被测齿轮轴线不平行，测量过程中镜头和光源一起相对于被测齿轮轴线旋转。

实际使用中，通常使用一种光源即可完成本发明的方法的功能，但如果多种光源联合使用，有可能得到更加优质的图像，进而获得更加精确的测量结果。当镜头的轴线与被测齿轮轴线不平行时，采集到的图像中被测齿轮的轮齿是倾斜放置的，利用计算机图形学和机器视觉测量中的通用公式，通过进行坐标系的标定和坐标变换可以获得被测齿轮的测量结果。

应用上述方法的双联齿轮之小齿轮的基于机器视觉的测量装置的组成部分中，照明用光源有一种特殊的实现形式：如果采用多个可单独控制的发光点组成的光源，就可以用不同发光点轮流发光的方式代替照明用光源围绕被测齿轮轴线的旋转运动，同样可实现对被测小齿轮的可控旋转照明。这种方式的优点是没有机械运动，机械结构简单，缺点是电控系统较为复杂。图8所示为使用由多个发光点组成的光源的测量装置示意图，其中可以用不同发光点轮流发光的方式代替照明用光源围绕被测齿轮轴线的旋转运动。

在应用上述方法进行测量时，需要实现步骤3中提到的“相对于被测齿轮旋转照明用光源”。本领域技术人员熟知“运动是相对的”。照明用光源相对于被测齿轮轴线的旋转有多种实现方式，参考图7所示，齿轮固定而照明用光源随其底座旋转、照明用光源固定而齿轮随其底座旋转、照明用光源与齿轮分别随其底座旋转这三种方式都可以实现照明用光源相对于被测齿轮轴线的旋转。相关领域技术人员均可设计出手动驱动或电机驱动的旋转驱动结构和旋转导向结构，这些是本发明方法的简单推理，其他人不应再以此申请其他专利。

如前所述，可应用上述方法的双联齿轮之小齿轮的基于机器视觉的测量装置的组成部分中，可实现照明用光源相对于被测齿轮轴线旋转的运动机构的一种实现方式为：齿轮是固定的，而照明用光源2是可旋转的。

应用上述方法的双联齿轮之小齿轮的基于机器视觉的测量装置的组成部分中，可实现照明用光源相对于被测齿轮轴线旋转的运动机构的一种实现方式为：照明用光源2是固定的，而齿轮是可旋转的。

应用上述方法的双联齿轮之小齿轮的基于机器视觉的测量装置的组成部分中，可实现照明用光源相对于被测齿轮轴线旋转的运动机构的一种实现方式为：照明用光源2是可旋转的，而齿轮也是可旋转的。

需要说明，图7所示的结构仅是可应用上述方法的双联齿轮之小齿轮的基于机器视觉的测量装置的一种示意，在实际仪器设计中，并不是图7中的所有运动机构都需要设计出来，也不是必须按照图7所示的外形和装配关系进行设计。这些是本发明方法的简单推理，其他人不应再以此申请其他专利。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。