CN103363923A - 一种激光视觉测距的非接触式齿轮齿向测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于齿轮非接触式测量领域，涉及一种基于激光视觉传感器的齿轮齿向测量方法。本发明将两个激光视觉传感器作为主要测量工具，光栅尺获取数据，结合精密平移台、旋转台的精确定位运动，与计算机上位机软件控制，完成系统搭建。而后标定系统位置关系，使用相应算法，计算出传感器与齿轮分度圆位置关系。之后利用激光三角法测距原理测出齿轮齿向数据。本发明在低硬件成本的基础上，利用非接触式测量方法减少了被测工件与测量系统间由于接触压力带来的系统误差，随机误差。其他测量方法比较，具有抗干扰能力强，测量速度快，精度高且操作方法简单等优点。本发明也可用于测量表面形状复杂的其他工件。

Description

一种激光视觉测距的非接触式齿轮齿向测量方法

技术领域

本发明涉及一种激光视觉测距的非接触式齿轮齿向测量方法，更具体地说，本发明所提供的齿轮测量方法，是使用两个激光视觉传感器同时获得齿轮左右齿面的齿向数据，并自动根据测得的齿轮齿向数据按照国家标准给齿轮进行等级分类。

背景技术

根据是否接触被测工件表面，齿轮检测方法大致可以分为接触式测量和非接触式测量两大类。一般企业仅依靠人眼在显微镜下逐个分辨，效率、精度极低，测量结果中人为因素影响较大。三坐标测量机的测量多采用接触式测量，存在速度慢、易划伤被测工件表面、有接触压力和半径补偿等缺陷。非接触式测量法中主要包括激光测距法、图像分析法。基于机器视觉测量的并联检测技术，通过图像检测技术进行小型齿轮非接触测量，可测得齿廓误差以及齿轮中心、齿顶圆半径、齿根圆半径、齿数等信息，但难于检测齿轮齿面缺陷。张新华等人设计了基于激光测距的齿轮倒角轮廓测量系统，实现齿轮倒角截面的轮廓测量。但因齿轮成型的复杂性，以及检测项目的繁多，该系统并未能满足齿轮精度的全面检测要求。

本发明提供了一种基于激光视觉测距的非接触式齿轮齿向测量方法，硬件成本低，与现有齿轮测量方法的主要区别是，使用两个激光视觉传感器作为主要测量工具，可为非接触式测量，比接触式测量系统误差小，比图像分析方法抗干扰能力强。测量效率高，节省时间。

发明内容

本发明提供一种基于激光视觉测距的非接触式齿轮齿向测量方法，能够测量齿轮齿向数据，并给测得结果按照国家标准进行定级分类。可弥补现有检测方法的缺陷，提高系统精度。

一种基于激光视觉测距的非接触式齿轮齿向测量方法，硬件系统包括：

用于齿轮表面扫描的激光视觉传感器2个；

用于上位机软件控制，数据处理的计算机；

用于运动定位控制的伺服控制器；

用于X轴往返直线运动的精密电控平移台1台；

用于圆周运动的精密电控旋转台1台；

用于实验测试及固定设备的光学平台；

用于固定激光视觉传感器的万向旋转支架、固定精密电控平移台与精密电控旋转台间的转接板、固定被测工件的工装夹具；

其特征是，包括以下几个步骤：

步骤1：将精密平移台与精密电控旋转台通过一块转接板固定，并安装在光学平台上，再将工装夹具固定在精密电控平台上，形成测量工作台，分别用两个万向旋转支架固定住两个同型号的激光视觉传感器，所述激光视觉传感器安装位置距离工作台55mm～75mm的位置，调整所述激光传感器视角，让被测工件处于可测范围，两个激光视觉传感器分别扫描齿轮同一个齿的左右齿面，各自构成一个独立的测量系统，以下均仅以一个测量系统为例；

步骤2：齿轮测量系统进行的标定，所述激光视觉传感器的重复性误差用标准量块来校核，若激光视觉传感器的重复性误差不超过2μm，则此激光视觉传感器符合实验测量要求，给所述工作台发出直线运动命令，所述激光视觉传感器在工装夹具上往返扫描一次，观察所述激光视觉传感器所得的位移读数变化，若在5μm范围之内，则工作台的直线度符合实验要求，给所述工作台发出旋转工作命令，此时所述激光视觉传感器在所述工装夹具上扫描一周，分析所述激光视觉传感器所得的位移读数变化，在5μm范围内认为同轴度合格，若超出，则作调整；

步骤3：所述激光视觉传感器与被测齿轮之间的位置标定，将一个以所述被测齿轮齿顶圆尺寸设计的精磨圆柱1安装到工装夹具上，此时将激光视觉传感器的视角扫描到所述精磨圆柱1上B点，激光射出点为A，测得位移读数d₁，卸下所述精磨圆柱1，换上一个以所述被测齿轮齿根圆尺寸设计的精磨圆柱2，所述激光视觉传感器在所述精密圆柱2的上扫描点为C，测得位移读数d₂，测出所述被测齿轮中心点O与所述激光视觉传感器二者之间距离OA，AB、AC在一条直线上，连接BC两点，得到直线BC，从O点作AC延长线的垂线，交于点D，连接OC、OB，齿轮中心和传感器连间的连线OA与激光射线AB间存在一定夹角，记为α，

设OA＝S，AB＝d₁，AC＝d₂，BC＝l，DC＝p，OD＝q，OB＝r₁，OC＝r₂，

q²+p²＝r₂ ²    (1)

r₁ ²＝q²+(p+(d₂-d₁))²    (2)

由(1)，(2)可得：

$q=\sqrt{r_2^2-p^2}---\left(3\right)$

$p=\frac{r_2^2-{r_1}^2-{(d_2-d_1)}^2}{2(d_2-d_1)}---\left(4\right)$

由上述可知：

$S=\sqrt{q^2+{(p+d_2)}^2}---\left(5\right)$

由三角形关系可知：

α＝arcsin(q/S)    (6)

已知传感器在检测过程中位置不变，故传感器到齿轮的中心的距离S为定值，α也为定值，因此传感器检测到的任意位置距离d与此处齿轮的半径R的关系可由余弦定理得出：

$R=\sqrt{S^2+d^2-2\mathrm{Sd}\cos \mathrm{\α}}---\left(7\right)$

通过式(7)可找准测量齿向线所需的分度圆位置；

步骤4：将需要测量的齿轮安装到工装夹具上，找准分度圆之后开始测量，在测量同一型号齿轮的情况下，系统位置无需再做调整，所述的两个激光视觉传感器分别扫描齿轮同一个齿的左右齿面，所述工作台平移，激光扫面得到一条齿向线数据，等时间间隔读出25个齿向数据，扫描同一条齿向线3次，得出3组数据，所述齿轮共需测出4个齿的8条齿向线数据，便可以对该齿轮进行精度评估以及分类；

至此测量结束。

本发明的有益效果是：本发明涉及的基于激光视觉传感器的非接触式齿轮齿向检测方法，用两个同型号的激光视觉传感器作为主要测量工具，在低硬件成本的基础上，能改善接触式测量存在接触压力，系统误差大的弊端；亦可改善视觉测量中只能检测齿轮边缘的局限。通过本发明所介绍的基于激光视觉传感器的非接触式齿轮齿向测量方法，可同时测得齿轮左右齿面的齿向数据，有抗干扰能力强、重复性好、测量效率高等优点。

附图说明：

图1：基于激光视觉测距的非接触式齿轮齿向在线检测系统；

图2：激光视觉传感器与齿轮之间位置关系模拟图；

图3：基于激光视觉测距的齿轮齿向检测方法测量流程图；

具体实施方式

基于激光视觉测距的非接触式齿轮齿向测量系统如图1所示。精密电控平移台与旋转台通过一块转接板连接，被测齿轮用一个工装夹具与精密电控旋转台固定，形成测量工作台。分别将两个同型号的激光视觉传感器安装到两个万向旋转支架上，并固定到工作台一侧，距离被测工件55mm～75mm的位置。两个激光视觉传感器分别构成独立的齿轮测量系统。

为提高测量结果的准确性，需要对系统进行位置标定。会对测量结果造成影响的有传感器的重复性误差、精密电控平移台的直线度以及工装夹具与精密电控旋转台之间的同轴度。用标准量块校核激光视觉传感器的重复性，如所述激光视觉传感器重复性误差在2μm之内，则此激光视觉传感器符合实验要求。检测精密电控平移台直线度以及工装夹具与精密电控旋转台之间的同轴度，直线度误差、同轴度误差均要求在5μm之内。调节激光视觉传感器，使被测处于可测范围，齿向测量要求在齿轮分度圆位置上，为此需对激光视觉传感器与齿轮间空间位置进行标定以找准分度圆。标定方法如下：

将一个以被测齿轮齿顶圆尺寸设计的精磨圆1柱安装到工装夹具上，此时将传感器的激光扫描到精磨圆柱1上B点，如图2所示，激光射出点为A，记下此读数d₁。卸下精磨圆柱1，此时换上一个以被测齿轮齿根圆尺寸设计的精磨圆柱2上C点，记下传感器读数d₂。测出齿轮中心点O与传感器二者之间距离OA。AB、AC在一条直线上，连接BC两点，得到直线BC。从O点作AC延长线的垂线，交于点D。连接OB、OC。齿轮中心和传感器连间的连线OA与激光射线AB间存在一定夹角，记为α。

设OA＝S，AB＝d₁，AC＝d₂，BC＝l.DC＝p，OD＝q，OB＝r₁.OC＝r₂。则有：

q²+p²＝r₂ ²    (1)

r₁ ²＝q²+(p+(d₂-d₁))²    (2)

由(1)，(2)可得：

$q=\sqrt{r_2^2-p^2}---\left(3\right)$

$p=\frac{r_2^2-{r_1}^2-{(d_2-d_1)}^2}{2(d_2-d_1)}---\left(4\right)$

由上述可知

$S=\sqrt{q^2+{(p+d_2)}^2}---\left(5\right)$

由三角形关系可知

α＝arcsin(q/S)    (6)

已知激光视觉传感器在检测过程中位置不变，故传感器到齿轮的中心的距离S为定值，α也为定值。因此传感器检测到的任意位置距离d与此处齿轮的半径R的关系可由余弦定理得出：

$R=\sqrt{S^2+d^2-2\mathrm{Sd}\cos \mathrm{\α}}---\left(7\right)$

从通过式(7)可找准测量齿向线所需的分度圆位置；

将需要测量的齿轮安装到工装夹具上，找准分度圆之后开始测量，在测量同一型号齿轮的情况下，系统位置无需再做调整，所述的两个激光视觉传感器分别扫描齿轮同一个齿的左右齿面，所述工作台平移，激光扫面得到一条齿向线数据，等时间间隔读出25个齿向数据，扫描同一条齿向线3次，得出3组数据，所述齿轮共需测出4个齿的8条齿向线数据，便可以对该齿轮进行精度评估以及分类。

至此测量结束。

本发明所涉及的一种基于激光视觉测距的齿轮齿向检测方法测量流程图如图3所示；

本发明与现有齿轮检测方法的最大区别在于：较三坐标测量机，本发明为非接触式测量，无需半径补偿，无接触压力，减少了系统误差；视觉图像分析检测方法只能检测齿轮边缘信息，而本发明能应用到齿轮齿面的测量。且本发明应用了两个激光视觉传感器，测量时间比单个激光视觉传感器的测量减少一倍。生产中批量测量时，测量效率高。

综上所述，本发明所述齿向测量方法的优点是：

(1)系统使用非接触式激光三角法测距原理，较接触式测量减少了测量过程中接触压力带来的系统误差、随机误差。具有刚抗干扰能力强，精度高等优点。

(2)系统使用两个同型号的激光视觉传感器，齿轮左右两个齿面同时测量，整个测量过程中有很好的连贯性和完整性。比单个传感器测量缩减了至少一半以上的时间。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有局限性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，采用其它形式的同类部件或其它形式的各部件布局方式，不经创造性的设计出与该技术方案相似的技术方案与实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于激光视觉测距的非接触式齿轮齿向测量方法，该方法可以应用到如下的硬件系统中：

用于齿轮表面扫描的激光视觉传感器2个；

用于上位机软件控制，数据处理的计算机；

用于运动定位控制的伺服控制器；

用于X轴往返直线运动的精密电控平移台1台；

用于圆周运动的精密电控旋转台1台；

用于实验测试及固定设备的光学平台；

用于固定激光视觉传感器的万向旋转支架、固定精密电控平移台与精密电控旋转台间的转接板、固定被测工件的工装夹具；

所述的一种基于激光视觉测距的非接触式齿轮齿向测量方法，其特征是，包括以下几个步骤：

步骤1：将精密平移台与精密电控旋转台通过一块转接板固定，并安装在光学平台上，再将工装夹具固定在精密电控平台上，形成测量工作台，分别用两个万向旋转支架固定住两个同型号的激光视觉传感器，所述激光视觉传感器安装位置距离工作台55mm～75mm的位置，调整所述激光传感器视角，让被测工件处于可测范围，两个激光视觉传感器分别扫描齿轮同一个齿的左右齿面，各自构成一个独立的测量系统，以下均仅以一个测量系统为例；

步骤2：齿轮测量系统进行的标定，所述激光视觉传感器的重复性误差用标准量块来校核，若激光视觉传感器的重复性误差不超过2μm，则此激光视觉传感器符合实验测量要求，给所述工作台发出直线运动命令，所述激光视觉传感器在工装夹具上往返扫描一次，观察所述激光视觉传感器所得的位移读数变化，若在5μm范围之内，则工作台的直线度符合实验要求，给所述工作台发出旋转工作命令，此时所述激光视觉传感器在所述工装夹具上扫描一周，分析所述激光视觉传感器所得的位移读数变化，在5μm范围内认为同轴度合格，若超出，则作调整；

步骤3：所述激光视觉传感器与被测齿轮之间的位置标定，将一个以所述被测齿轮齿顶圆尺寸设计的精磨圆柱1安装到工装夹具上，此时将激光视觉传感器的视角扫描到所述精磨圆柱1上B点，激光射出点为A，测得位移读数d₁，卸下所述精磨圆柱1，换上一个以所述被测齿轮齿根圆尺寸设计的精磨圆柱2，所述激光视觉传感器在所述精密圆柱2的上扫描点为C，测得位移读数d₂，测出所述被测齿轮中心点O与所述激光视觉传感器二者之间距离OA，AB、AC在一条直线上，连接BC两点，得到直线BC，从O点作AC延长线的垂线，交于点D，连接OC、OB，齿轮中心和传感器连间的连线OA与激光射线AB间存在一定夹角，记为α，

设OA＝S，AB＝d₁，AC＝d₂，BC＝l，DC＝p，OD＝q，OB＝r₁，OC＝r₂，

q²+p²＝r₂ ²    (1)

r₁ ²＝q²+(p+(d₂-d₁))²    (2)

由(1)，(2)可得：

$q=\sqrt{r_2^2-p^2}---\left(3\right)$

$p=\frac{r_2^2-{r_1}^2-{(d_2-d_1)}^2}{2(d_2-d_1)}---\left(4\right)$

由上述公式可知：

$S=\sqrt{q^2+{(p+d_2)}^2}---\left(5\right)$

由三角形关系可知：

α＝arcsin(q/S)    (6)

已知传感器在检测过程中位置不变，故传感器到齿轮的中心的距离S为定值，α也为定值，因此传感器检测到的任意位置距离d与此处齿轮的半径R的关系可由余弦定理得出：

$R=\sqrt{S^2+d^2-2\mathrm{sd}\cos \mathrm{\α}}---\left(7\right)$

通过式(7)可找准齿轮分度圆位置；

步骤4：将需要测量的齿轮安装到工装夹具上，找准分度圆位置后开始测量，在测量同型号齿轮的情况下，系统位置无需再做调整，所述的两个激光视觉传感器分别扫描齿轮同一个齿的左右齿面，所述工作台平移，激光扫面得到一条齿向线数据，等时间间隔读出25个齿向数据，扫描同一条齿向线3次，得出3组数据，所述齿轮共需测出4个齿的8条齿向线数据，便可以对该齿轮进行精度评估以及分类；

至此测量结束。

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