直齒圓柱齒輪數(shù)字測量儀的設(shè)計分析

齊秉鈞

摘要：齒輪是現(xiàn)代機械設(shè)備傳動系統(tǒng)中非常重要的零部件之一，齒輪的加工精度會直接影響整臺機械設(shè)備的運行效率和工作性能，進而影響其使用壽命。齒輪的精度除了與齒輪設(shè)計和加工有關(guān)，同時也與加工過程中精度測量、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，需要測量的參數(shù)也比較多，因此，齒輪測量工作一直是齒輪生產(chǎn)制造過程中的難點。

關(guān)鍵詞：直齒圓柱齒輪；數(shù)字測量儀；設(shè)計；分析

引言

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，機械制造行業(yè)逐漸將計算機技術(shù)和一些參數(shù)檢測理論應(yīng)用到實際生產(chǎn)工作當(dāng)中，進而開發(fā)出了基于圖像處理的直齒圓柱齒輪數(shù)字測量儀，大大提高齒輪制造過程中精度測量、分析以及控制工作的效率和水平。直齒圓柱齒輪數(shù)字測量儀具有高精度、高速度、測量范圍大等諸多優(yōu)點，通過將其整合到齒輪加工系統(tǒng)中，能夠?qū)崿F(xiàn)對齒輪加工過程的實時監(jiān)控，進而提高齒輪加工工作的效率和質(zhì)量。

1測量原理

數(shù)字測量儀運行原理如圖1所示。

齒輪的實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)系中的視覺系統(tǒng)位置共同決定的，在測量時，需要將直齒圓柱齒輪處理放置在均勻、穩(wěn)定的光源上方，通過移動工作臺，進而找出齒輪的清晰影像，再由CCD相機在將齒輪的清晰影像拍攝下來。拍攝下來的齒輪二維圖像會通過光電信號轉(zhuǎn)換成為電荷信號，再利用數(shù)字圖像軟件處理齒輪圖像的電荷信號，在處理過程中，應(yīng)該通過系統(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)顯示到屏幕中或儲存在儀器數(shù)據(jù)庫中。在數(shù)字測量儀器運行過程中，CCD相機是通過兩條數(shù)據(jù)傳輸通道連接的，一條與AV端口相連，進而將動態(tài)視頻信號傳輸?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)測量技術(shù)的發(fā)展

齒輪測量工作是計量工作中的重點內(nèi)容，齒輪測量技術(shù)自上個世紀(jì)發(fā)展至今已有近百年的歷史，就齒輪測量技術(shù)的發(fā)展情況來看，其發(fā)展趨勢主要包括以下三點。

第一，原理方面，從最初的“比較測量”逐漸發(fā)展為“嚙合運動測量”，最終發(fā)展到今天的“模型化測量”。

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

第三，在測量結(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“計算機自動分析并將測量結(jié)果反饋到制造系統(tǒng)”的飛躍。

3齒輪測量虛擬儀器結(jié)構(gòu)

3.1機器視覺部分

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)實用價值的500萬像素的面陣CCD攝像機——德國SVS-VISTEK公司的svs282。在結(jié)構(gòu)設(shè)計上要安裝兩個攝像頭，其中正面攝像頭用來拍攝齒輪的正面圖像，而安裝一個側(cè)面攝像頭主要目的是用來拍攝齒輪的齒寬方向圖像，進而測量齒輪的齒寬，齒寬雖然不是齒輪測量的主要參數(shù)，但是為了使得齒輪的測量形成一個完整的系統(tǒng)而檢驗齒輪，安裝側(cè)面攝像頭測量齒寬還是必要的。然后通過安裝在PC機上的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機進行下一步的圖像處理與參數(shù)測量。

3.2工作臺控制

數(shù)字測量儀器的工作臺是由NI公司的NI PCI-7344運動控制卡對步進電機進行控制，進而實現(xiàn)工作臺的X、Y方向移動和是在水平面內(nèi)的轉(zhuǎn)動。這樣一來，能夠使齒輪始終位于光源的中心區(qū)域，同時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，以保證圖像清晰可見。

3.3軟件開發(fā)平臺

該測量儀器的軟件系統(tǒng)應(yīng)該具備如下功能：第一，工作人員能夠通過人機界面和軟件控制以期對測量儀器進行操作并下達(dá)指令；第二，軟件與測量系統(tǒng)應(yīng)該能通過軟件控制儀器讀取相應(yīng)的測量數(shù)據(jù)并自動進行相應(yīng)的測量處理工作。另外，由于在測量儀器的硬件設(shè)計中已經(jīng)選擇了NI公司的圖像采集卡和運動控制卡，因此開發(fā)平臺也應(yīng)選擇NI公司的軟件，以保證測量儀器軟件和硬件的完美配合。

4齒輪測量軟件設(shè)計

齒輪測量儀器系統(tǒng)的設(shè)計的關(guān)鍵在于軟件設(shè)計，同時，整個測量儀器的測量精準(zhǔn)度和優(yōu)劣性能也主要是有軟件設(shè)計工作的質(zhì)量決定的。在軟件設(shè)計過程中，應(yīng)該盡量減少人為干涉，同時在設(shè)計操作界面時應(yīng)該注意界面簡單、易于操作，同時也要注意與硬件結(jié)構(gòu)的配合，充分發(fā)揮軟硬件的價值。直齒圓柱齒輪數(shù)字測量儀的軟件模塊如圖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)徑測量圖像定位模塊、齒輪外形幾何參數(shù)測量模塊及公法線測量模塊。在這五大模塊中還包含若干個小模塊。

圖像采集及系統(tǒng)校準(zhǔn)模塊。該模塊主要是將CCD采集的圖像信號轉(zhuǎn)化為計算機儲存格式進行儲存，之后在對圖像進行校準(zhǔn)處理。在采集圖像的過程中，由于一些不可避免因素的影響，會使拍攝的圖像產(chǎn)生透視幾何畸變，進而影響圖像的精度，系統(tǒng)校準(zhǔn)工作能夠改善圖像的清晰度，進而得到無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功能部分，由于齒輪圖像采集過程中會出現(xiàn)一些噪音，同時齒輪加工完成之后也會遺留一些毛刺，這些都會對齒輪圖像采集工作造成影響。因此，在采集齒輪圖像過程中，應(yīng)該充分抑制噪音并清理毛刺，進而使圖像更加清晰，所以需要對圖像進行分析和處理。

內(nèi)徑測量圖像定位模塊主要是對齒輪上的軸孔進行檢測，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)測量精度。外形幾何參數(shù)測量模塊包含齒頂圓、齒根圓、齒數(shù)測量和齒距測量等，然后通過這些測量結(jié)果計算出齒輪的模數(shù)。

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

結(jié)語

現(xiàn)代化直齒圓柱齒輪數(shù)字測量儀是結(jié)合圖像處理技術(shù)和計算機視覺檢測技術(shù)的測量工具。該儀器能夠快速、精準(zhǔn)的對齒輪參數(shù)進行測量，同時也可應(yīng)用于實時在線精密測量工作。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，將會大大提高齒輪生產(chǎn)過程的智能化和自動化程度。

參考文獻：

[1]高峰，劉歡，田國富.直齒圓柱齒輪數(shù)字測量儀的設(shè)計與研究[J].微型機與應(yīng)用，2015，34（24）：94-97.