CN105043288A - 一种基于机器视觉引导的激光齿轮倒角轮廓测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于机器视觉引导的激光齿轮倒角轮廓测量仪，包括机器视觉标定装置、测量工作台、齿轮倒角轮廓测量装置和数据采集处理装置，所述机器视觉标定装置，包括光源组件，所述光源组件设于测量工作台上，测量工作台一侧设有Z轴调节机构，所述Z轴调节机构一端设有工业相机，所述工业相机通过USB数据线接口连接到数据采集处理装置，所述齿轮倒角轮廓采集处理装置，包括设于测量工作台一侧的X-Y移动平台，所述X-Y移动平台上连接有Z轴调节机构，所述Z轴调节机构上设有激光位移传感器，激光位移传感器通过数据线与数据采集处理装置相连。本发明的有益效果是：非接触式测量、测量精确、制造成本低。

Description

一种基于机器视觉引导的激光齿轮倒角轮廓测量仪及其测量方法

技术领域

本发明属于齿轮倒角轮廓测量技术领域，尤其是涉及一种基于机器视觉引导的激光齿轮倒角轮廓测量仪。

背景技术

倒角齿轮是汽车、工程机械等变速箱中必备的核心部件之一，是实现换挡导向和运动传递的元件，起降低冲击振动的作用。目前倒角的形状主要有：平面尖角、弧面倒角、尖拱圆角和非对称倒角等。汽车变速箱根据不同工况需要切换档位实现变速，每次切换就是配对齿轮的脱离和重新啮合的过程，未经倒角的齿轮在切换档位时，配对齿轮之间容易发生冲击和碰撞，而且重新啮合困难。倒角的加工精度直接影响到变速箱的啮合传动性能，对于倒角齿轮而言，待测量的结构主要为齿端上的倒角，由于受到被测倒角所在截面相对位置的限制，目前还没有一种很好的测量方法能够较方便地实现齿端上倒角轮廓的参数测量。

目前各种类型的倒角齿轮件的内、外齿端面倒角轮廓的尺寸和形位公差的测量主要采用轮廓测量仪来进行。轮廓测量仪的测量原理是：传感器的探针与工件的被测轮廓的表面接触，驱动器以恒定的速度带动传感器沿测量方向运动，使探针在工件表面上匀速滑行，驱动器行进一个采样间隔的同时，传感器记录下表面轮廓点纵坐标并将其转换成电信号输入计算机。这类轮廓测量仪的测量方式是接触式测量，在测量过程中传感器探针必须与被测轮廓的表面相接触，由于传感器探针的硬度高，极可能划伤被测工件的表面，长期测量后探针头部也会磨损；此外，由于受到臂长的限制，轮廓测量仪很难获取到完整的轮廓边缘数据，因而使轮廓数据的完整性受到影响。

在评价齿轮倒角质量时，一般需要对每个倒角进行多截面测量。专利号为：2011102364117，名称为：齿轮倒角激光测量仪的专利公开的技术方案可以测量一个齿的多个截面，但必须根据齿轮内孔的直径选配相应的芯轴，并依靠转台和定位夹具才能实现齿轮的定位；在一个齿的多个截面测量完成后，需根据齿轮齿数的奇偶调节卡具，以便被测齿能够定位在测量传感器的下方，才可以进行下一个齿的多个截面的倒角轮廓测量，在工件重新装卡过程中，人为因素会影响测量精度，同时，在重复测量过程中测量数值的稳定性也受到影响。

由于传统轮廓测量仪在齿轮倒角检测时存在的上述问题，倒角齿轮生产厂家对专用型齿轮倒角轮廓测量仪有着迫切的需求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种采用非接触式测量、测量精确、制造成本低的基于机器视觉引导的激光齿轮倒角轮廓测量仪及其测量方法，尤其适合变速箱齿轮的测量。

本发明的技术方案是：一种基于机器视觉引导的激光齿轮倒角轮廓测量仪，包括机器视觉标定装置、测量工作台、齿轮倒角轮廓测量装置和数据采集处理装置，

所述机器视觉标定装置，包括光源组件，所述光源组件设于测量工作台上，测量工作台一侧设有Z轴调节机构，所述Z轴调节机构一端设有工业相机，所述工业相机通过USB数据线接口连接到数据采集处理装置，

所述齿轮倒角轮廓测量装置，包括设于测量工作台一侧的X-Y移动平台，所述X-Y移动平台上连接有Z轴调节机构，所述Z轴调节机构上设有激光位移传感器，激光位移传感器通过数据线与数据采集处理装置相连。

进一步，所述测量工作台相邻的两边设有与之连为一体、且垂直于测量工作台的标定板限位挡块，所述测量工作台上设有与之大小相同的标定板，所述标定板从两个方向靠紧两个标定板限位挡块实现精确定位，所述标定板中间区域设有黑白相间的方格，方格的交点即标定点。

进一步，所述光源组件包括LED光源，测量工作台内设有一个可以放置LED光源的LED光源固定平面，当拍摄齿轮的图像时，根据需要可为系统环境提供光照，所述的LED光源固定平面对边设有开口，所述开口是LED电源线引出孔，所述标定板位于测量工作台上表面。

进一步，所述测量工作台和X-Y移动平台均固定在大理石底座上，所述X-Y移动平台包括X轴导轨和Y轴导轨，所述X轴导轨固定在大理石底座上，且X轴导轨上方接触设有X轴滑块，所述X轴导轨内设有与X轴滑块接触的X轴光栅尺，所述Y轴导轨与X轴滑块固定连接，且Y轴导轨上方接触设有Y轴滑块，所述Y轴导轨内设有与Y轴滑块接触的Y轴光栅尺，且X-Y移动平台与驱动控制器连接。

进一步，X-Y移动平台与伺服驱动电机连接，带动其在X-Y方向上移动，伺服驱动电机通过控制电缆与驱动控制器连接，驱动控制器通过专用数据线和数据采集处理装置连接。

进一步，所述Z轴调节机构，包括立柱，所述立柱上连接有横臂，所述立柱与横臂通过齿轮齿条结构可以上下移动。

进一步，所述数据采集处理装置还与打印输出设备相连。

一种采用上述齿轮倒角轮廓测量仪测量倒角轮廓的方法，包括以下步骤：

(1)使用工业相机对标定板进行图像采集，并对标定板进行标定与视觉定位，即建立齿轮工件在测量工作台上的坐标与图像坐标之间的关系，确定测量的起始点，即初始化零点；

(2)将被测齿轮放置在指定区域(即前述标定板的方格点区域)，并拍摄齿轮的图像；

(3)确定被测齿轮的中心；

(4)选定测量截面的位置并进行路径规划；

(5)驱动控制器带动X-Y移动平台运动，使激光位移传感器定位到被测齿轮倒角的相应截面处；

(6)激光位移传感器沿与齿廓成型面中间交线相垂直的方向，对齿轮倒角进行轮廓测量，同时记录该测量数据；

(7)激光位移传感器沿直线插补方向移动至下一规定截面，再次测量倒角轮廓，并记录数据，重复该动作n次，依次记录数据；

(8)将测量数据传送到数据采集处理装置(即计算机)进行处理，以图形方式加以显示，实现测量数据的可视化，进而完成齿轮倒角轮廓的精密测量。

进一步，步骤(1)中，获取标定板方格点的实际坐标值，解得标定矩阵系数，对于图像上的任意一个像素点，通过转换矩阵输出实际点的坐标。

进一步，步骤(3)中，获取齿轮外轮廓的最左点、最右点、最上点和最下点，通过拟合算法公式得出齿轮的中心。

进一步，步骤(4)中，遍历轮齿边缘点，选取距齿轮中心最远的点，选取这些点中最外侧两个点并画其连接线，取该连线中点，并与齿轮中心点连线，该连线默认为是与待测倒角截面垂直的法线，根据截面距离、截面测量行程确定测量起始点，完成测量路径规划。

进一步，步骤(7)测量次数n至少为3次。

本发明具有的优点和积极效果是：

1、本发明整体结构清晰，制造成本较低，采用机器视觉引导与定位和非接触式的测量方法，具有智能化、可视化和高精度无损检测等优点；

2、本发明采用了工业相机和标定板等视觉组件实现平面标定，对被测齿轮进行准确定位，替代了传统的齿轮卡具，避免了人为操作的误差因素；激光位移传感器的测量值可直接作为被扫描截面上各测量点的Z方向坐标值，避免了系统误差，明显提高了测量精度。

3、本发明可检测待测齿轮的中心，实现以该中心为基准的齿轮倒角轮廓的多截面连续测量；驱动方式采用二维运动方式替代传统测量仪的一维运动方式，可以实现齿轮倒角的一次设置-多截面测量，且各截面和测量起始点定位准确，消除了人为操作因素对测量结果的影响。

4、本发明的智能化和自动化程度较高，用一台计算机能同步实现平台控制、倒角轮廓测量、数据采集、数据处理和图形显示等工作；用高精度激光位移传感器采集倒角轮廓数据，有效地提高了测量精度。

附图说明

图1是本发明的结构示意图

图2是本发明的底座和测量工作台结构示意图

图3是本发明的测量工作台俯视图

图4是本发明的标定过程流程图

图5是本发明确定齿轮中心的流程图

图6是本发明的倒角测量路径规划流程图

图7是本发明的选取测量齿的示意图

图8是本发明的齿轮界面路径规划示意图

图中：

1、测量工作台2、立柱3、横臂

4、工业相机5、限位挡块6、激光位移传感器

7、横臂8、固定平面9、手轮调节装置

10、伺服驱动电机11、大理石底座12、Y轴导轨

13、Y轴光栅尺14、X轴光栅尺15、X轴导轨

16、标定板靶标区17、标定板18、数据采集处理装置

19、驱动控制器20、LED电源线引出孔21、打印输出设备

具体实施方式

本发明提供一种基于机器视觉引导的激光齿轮倒角轮廓测量仪及其测量方法，采用工业相机获取齿轮在背光光照下的图像，通过标定算法计算出齿轮中心的位置，并根据齿轮倒角测量的要求，规划出X-Y平台带动激光位移传感器进行测量的路径，最终按照测量路径携带激光传感器完成Z方向的轮廓数值测量，数据上传到计算机，显示出齿轮倒角的表面轮廓形状及相关参数。

可测量的齿轮倒角的表面轮廓相关参数主要参数包括：成型截面的夹角及其对称度、成型截面交线到指定面的距离、圆弧倒角的曲率半径等；具有机器视觉引导与定位、自动搜索齿轮中心、多截面二维轮廓的连续测量功能，可对齿轮倒角参数(如高度、宽度、半径、圆心距、角度等)进行评价。其中，激光位移传感器的测量精度可达0.1μm，满足齿轮倒角轮廓测量的精度要求。

如图1-3所示，本发明的技术方案是：一种基于机器视觉引导的激光齿轮倒角轮廓测量仪，包括机器视觉标定装置、测量工作台1、齿轮倒角轮廓测量装置和数据采集处理装置18，所述测量工作台1相邻的两边设有与之连为一体、且垂直于测量工作台1的限位挡块5，所述测量工作台1上设有与之大小相同的标定板17，所述标定板17从两个方向靠紧两个限位挡块5实现精确定位。所述标定板17中心区域设有黑白相间的方格，方格的交点即为标定点。

所述机器视觉标定装置，包括光源组件，所述光源组件包括LED光源，测量工作台1内设有一个可以放置LED光源的固定平面8，当拍摄齿轮的图像时，根据需要可为系统环境提供光照，所述的固定平面8对边设有LED电源线引出孔20，标定板17放置于测量工作台1上的固定平面8上；测量工作台1一侧设有Z轴调节机构，所述Z轴调节机构，包括立柱2，所述立柱2上连接有横臂3，工业相机4通过螺纹连接固定在立柱2的横臂3上，所述立柱2与横臂3通过齿轮齿条结构上下移动，并且工业相机4通过USB数据线接口连接到数据采集处理装置18，

所述齿轮倒角轮廓测量装置，包括设于测量工作台1一侧的X-Y移动平台，所述测量工作台1和X-Y移动平台均固定在大理石底座11上，所述X-Y移动平台包括X轴导轨15和Y轴导轨12，所述X轴导轨15固定在大理石底座11上，且X轴导轨15上方接触设有X轴滑块，所述X轴导轨15内设有与X轴滑块接触的X轴光栅尺14，所述Y轴导轨12与X轴滑块固定连接，且Y轴导轨12上方接触设有Y轴滑块，所述Y轴导轨12内设有与Y轴滑块接触的Y轴光栅尺13，且X-Y移动平台与驱动控制器19连接，所述Y轴滑块上设有Z轴调节机构，所述Z轴调节机构，包括立柱2，所述立柱2上连接有横臂7，激光位移传感器6固定在立柱2的横臂7上，所述立柱2与横臂7通过齿轮齿条结构即手轮调节装置9上下移动，激光位移传感器6通过数据线与数据采集处理装置18相连，同时数据采集处理装置18还与打印输出设备21相连。所述X-Y移动平台与伺服驱动电机10连接，带动其在X-Y方向上移动，伺服驱动电机10通过控制电缆与驱动控制器19连接，驱动控制器19通过专用数据线和数据采集处理装置18连接。

本发明基于机器视觉引导的激光齿轮倒角轮廓测量仪采用CCD/CMOS传感器获取齿轮在背光光照下的图像，通过标定单元计算出齿轮中心的位置，并根据齿轮倒角测量的要求，规划出X-Y平台带动激光位移传感器进行测量的路径，最终按照测量路径携带激光传感器完成Z方向的轮廓数值测量，数据上传到计算机，显示出齿轮倒角的表面轮廓形状及相关参数。

本实例的工作过程：所述标定板17设有黑白相间的方格的中心区域即为标定板靶标区16，将测试齿轮放于标定板靶标区16，机器视觉标定装置通过工业相机获取标定图片，建立坐标关系，标定出起点，通过引导、控制X-Y移动平台带动激光位移传感器对不同的倒角齿廓进行测量。同时，工业相机和激光位移传感器可通过Z轴调节装置调节其高度，即通过齿轮、齿条配合带动其上下移动，。

一种采用上述齿轮倒角轮廓测量仪测量倒角轮廓的方法，包括以下步骤：

(1)使用工业相机对标定板进行图像采集，并对标定板进行标定与视觉定位，即建立齿轮工件在测量工作台上的坐标与图像坐标之间的关系，确定测量的起始点，即初始化零点；

(2)将被测齿轮放置在指定区域，并拍摄齿轮的图像；

(3)确定被测齿轮的中心；

(4)选定测量截面的位置并进行路径规划；

(5)驱动控制器19带动X-Y移动平台运动，使激光位移传感器定位到被测齿轮倒角的相应截面处；

(6)激光位移传感器沿与倒角齿廓成型面中间交线相垂直的方向对齿轮倒角进行轮廓测量，同时记录该测量数据；

(7)激光位移传感器沿直线插补方向移动至下一规定截面，再次测量倒角轮廓，并记录数据，重复该动作n次，依次记录数据，n至少为3；

(8)计算机对测量数据进行处理，得到该齿轮倒角的轮廓，并以图形方式加以显示，完成齿轮倒角轮廓的精密测量。

其中，步骤1建立齿轮工件在工作台上的世界坐标与计算机图像坐标之间的关系，称之为标定。标定理论在单目视觉应用中，物平面上的任意一点坐标与像平面中的像素坐标之间存在一个矩阵关系。得到这个转换矩阵后，获取图像上像素点的坐标就可以通过标定矩阵反求其在世界坐标系中的位置。

拍摄标定板的图像，获取每个方格交点的图像坐标，方格点赋予实际坐标值，解方程获取每个方格的标定矩阵系数，点选图像的一个坐标点，与相对应的方格转换矩阵运算，输出实际点的坐标，如图4所示。

物平面上的任意一点坐标W(x，o，y)与像平面中的像素坐标O(u，o，v)之间存在一个矩阵关系：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ w\end{array}\right]=M\×\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]$ 式(2-1)

式中w为系数，M为3X3的变换矩阵，其表示如下：

$M=\left[\begin{array}{ccc}{M}_{11}& M_{12}& M_{13}\\ M_{21}& M_{22}& M_{23}\\ M_{31}& M_{32}& M_{33}\end{array}\right]$ 式(2-2)

且已知M₃₃＝1，结合式(2-1)，由此可推得：

$\left\{\begin{array}{c}x=M_{11}u+M_{12}v+M_{13}-x{M}_{31}u-x{M}_{32}v\\ y=M_{21}u+M_{22}v+M_{23}-y{M}_{31}u-y{M}_{32}v\end{array}\right.$ 式(2-3)

根据式(2-3)进一步计算可得到下式：

$\left.\begin{array}{c}x=\frac{M_{11}\×u+M_{12}\×v+M_{13}}{M_{31}\×u+M_{32}\×v+M_{33}}\\ y=\frac{M_{21}\×u+M_{22}\×v+M_{23}}{M_{31}\×u+M_{32}\×v+M_{33}}\end{array}\right\}$ 式(2-4)

解以上方程，可知只要求得变换矩阵M，即可根据图像上的坐标点通过矩阵得到世界坐标系的坐标点。其求解方法如下，变换矩阵M含有8个未知系数，只要有8个方程即可求得矩阵解，而每个方格有四个角点可以分别提供2个等式，根据已知方格四个角点的实际坐标值，即可联立8个等式，求得转换矩阵M，根据式(2-3)矩阵方程表示如下：

$\left[\begin{array}{c}{X}_A\\ Y_A\\ X_B\\ Y_B\\ X_C\\ Y_C\\ X_D\\ Y_D\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccccccc}{u}_A& v_A& 1& 0& 0& 0& -X_A{u}_A& -X_A{v}_A\\ 0& 0& 0& u_A& v_A& 1& -Y_A{u}_A& -Y_A{v}_A\\ u_B& v_B& 1& 0& 0& 0& -X_B{u}_B& -X_B{v}_B\\ 0& 0& 0& u_B& v_B& 1& -X_B{u}_B& -Y_b{v}_B\\ u_C& v_C& 1& 0& 0& 0& -X_C{u}_C& -X_C{v}_C\\ 0& 0& 0& u_C& v_C& 1& -Y_C{u}_C& -Y_C{v}_C\\ u_D& v_D& 1& 0& 0& 0& -X_D{u}_D& -X_D{v}_D\\ 0& 0& 0& u_D& v_D& 1& -Y_D{u}_D& -Y_D{v}_D\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{M}_{11}\\ M_{12}\\ M_{13}\\ M_{21}\\ M_{22}\\ M_{23}\\ M_{31}\\ M_{32}\end{array}\right]$ 式(2-5)

式中等号左边分别为世界坐标系坐标点A、B、C、D四点的X、Y坐标值，等号右边为A、B、C、D四点在图像坐标系中的像素点的坐标值与转换矩阵的乘积。得到转换矩阵M后，获取图像上像素点的坐标就可以通过标定矩阵反求其在世界坐标系中的位置。

齿轮倒角测量就是要获取齿轮的某个齿宽截面的轮廓，为此，就必须精确地确定齿轮中心的位置坐标，齿轮中心对测量定位和扫描数据点等后续步骤有决定性的影响。步骤3中，齿轮中心的确定包括以下步骤：

首先获取齿轮外轮廓上的点，对图像区域列遍历，以获取齿轮外廓的最左点和最右点，通过公式计算拟合圆的圆心，然后再计算轮廓点到拟合圆心的距离，获取上述距离的最小值，设为阈值，从而剔除超出阈值的个别点，最后使用最小二乘法进行圆拟合，如图5所示。

求取齿轮的拟合中心时，选取齿轮外轮廓齿根圆上的点作为拟合算法的数据点，齿轮中心定位拟合算法是采用最小二乘圆拟合，其原理是使得以边缘上任何一点到理想圆心的距离为半径的圆与理想圆的面积差的平方和最小。其数学表达式如式(2-6)、(2-7)所示：

$\mathrm{Min}{\mathrm{\ϵ}}_j=s_j-s=\mathrm{\π}{r}_j^2-\mathrm{\π}{r}^2=\mathrm{\π}[{(x_j-x_o)}^2+{(y_j-y_o)}^2-r^2]$ 式(2-6)

式中(x_o，y_o)为理想圆心的坐标值，(x_j，y_j)为齿轮边缘上任意一点(x，y)的坐标。r为理想圆半径，r_j为边缘上任意点到理想圆心的半径，s为理想圆面积，s_j为以r_j为半径的圆的面积，ε_j为拟合圆与理想圆面积的差值。

$F(x_o,y_o,r)={\mathrm{\π}}^2\underset{j=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{[{(x_j-x_o)}^2+{(y_j-y_o)}^2-r^2]}^2$ 式(2-7)

式中F(x_o，y_o，r)即为边缘上任何一点到理想圆心的距离为半径的圆与理想圆的面积差的平方和。

根据最小二乘法原理，求取F(x_o，y_o，r)的最小值即是求F(x_o，y_o，r)对未知参数的偏导都等于零，即如式2-8所示：

$\frac{\∂F}{\∂x_o}=\frac{\∂F}{\∂y_o}=\frac{\∂F}{\∂r}=0$ 式(2-8)

然后式(2-7)分别求导代入式(2-8)，最后得式(2-9)：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_o=\frac{\mathrm{hq}-\mathrm{tc}}{2(\mathrm{pq}-c^2)}\\ y_o=\frac{\mathrm{tp}-\mathrm{hc}}{2(\mathrm{pq}-c^2)}\end{array}\right.$ 式(2-9)

其中：

$\left\{\begin{array}{c}p=\mathrm{m\Σ}{x}_j^2-{\left(\mathrm{\Σ}{x}_j\right)}^2\\ q=\mathrm{m\Σ}{y}_j^2-{\left(\mathrm{\Σ}{y}_j\right)}^2\\ h=\mathrm{m\Σ}{x}_j^3+\mathrm{n\Σ}{x}_j{y}_j^2-\mathrm{\Σ}(x_j^2+y_j^2)\mathrm{\Σ}{x}_j\\ t=\mathrm{m\Σ}{y}_j^3+\mathrm{m\Σ}{x}_j^2{y}_j-\mathrm{\Σ}(x_j^2+y_j^2)\mathrm{\Σ}{y}_j\\ c=\mathrm{m\Σ}{x}_j{y}_j-\mathrm{\Σ}\left(x_j\right)\mathrm{\Σ}{y}_j\end{array}\right.$ 式(2-10)

联立求解上述方程，即可得到齿轮中心坐标点(x_o，y_o)。

步骤4齿轮倒角测量路径规划，主要内容有：(a)通过计算机输入设备，选取想要测量的齿廓，在图像中分析判断出是齿轮上哪个齿；(b)判断出要测的那个齿廓后，规划该齿倒角轮廓的测量路径。其中，轮齿的分辨是通过选齿点与上述得到的齿轮中心点的连线，通过判断该线与水平线的夹角来确定轮齿的位置，然后该连线以齿轮中心为轴线左右旋转一定角度(π/齿数)，选取旋转后左右两线间的部分作为当前轮齿，如图7所示。

测量路径规划的主要方法是：根据齿轮选取的截面到齿轮中心的距离。

在经过搜索的轮齿边缘点中选取距齿轮中心最远的那些点，对所选取这些最远的点中最外侧两个点进行连线，取其中点并与中心点连线，该连线默认为是与待测倒角的截面相垂直的法线。然后，便可根据截面距离、截面测量行程来确定测量起始点，测量路径规划的流程如图6所示。

采集齿轮图像，在显示图像上单击待测齿，连接单击点与齿轮中心成直线，令该连线向顺时针方向和逆时针方向各旋转适当的角度，获取旋转后两直线间的齿轮的轮廓点，选择轮廓点中距齿轮中心最远的点，选取截面法线两侧的最远点并计算它们的中点，该点与齿轮中心的连线即为所选齿的法线，如图7、图8所示。

通过圆弧CD间齿轮轮廓点求取距齿轮中心最远的点，设C点在像素坐标系下的坐标值为C(u_c，v_c)，D点在像素坐标系下的坐标值为D(u_d，v_d)，通过前述标定方法的转换矩阵M，可分别得到C、D点在世界坐标系中的坐标点分别为C(x_c，y_c)和D(x_d，y_d)。设P为弦CD的中点，则可计算出P点坐标P(x_P，y_P)，如式(2-11)：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_P=(x_c+x_d)/2\\ y_P=(y_c+y_d)/2\end{array}\right.$ 式(2-11)

求得坐标点P值后，根据已经求得齿轮中心坐标O(x_o，y_o)，连接两点，由式(2-12)可得OP直线斜率k：

$k=\frac{(y_{P_2}-y_o)}{(x_{P_2}-x_o)}$ 式(2-12)

在已知OP直线斜率的情况下，已知截面1-AB到齿轮中心的距离，即OP1＝L是已知的，可以求得P1点坐标值，如式(2-13)所示：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_{P_1}=x_o-L\×\cos (\mathrm{\π}-\arctan \left(k\right))\\ y_{P_1}=y_o-L\×\sin (\mathrm{\π}-\arctan \left(k\right))\end{array}\right.$ 式(2-13)

P1点为截面测量的中点，求解P1点坐标值后，设定截面测量的行程为L₁，则可以求得测量截面1-AB起始测量点A、B的坐标值A(x_A，y_A)和B(x_B，y_B)，计算式如式(2-14)、(2-15)所示：

A点在世界坐标系中的坐标值为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_A=x_{P_1}-\frac{L_1}{2}\×\cos (\mathrm{\π}-\arctan \left(k_1\right))\\ y_A=y_{P_1}+\frac{L_1}{2}\×\sin (\mathrm{\π}-\arctan \left(k_1\right))\\ k_1=\frac{-1}{k}\end{array}\right.$ 式(2-14)

B点在世界坐标系中的坐标值为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_B=x_{P_1}+\frac{L_1}{2}\×\cos (\mathrm{\π}-\arctan \left(k_1\right))\\ y_B=y_{P_1}-\frac{L_1}{2}\×\sin (\mathrm{\π}-\arctan \left(k_1\right))\\ k_1=\frac{-1}{k}\end{array}\right.$ 式(2-15)

同理，可以求出截面2的测量路径的起始点和终止点；截面3的测量点C，D和P点的坐标。

完成路径规划以后，计算机向X-Y移动平台发出运动指令，使激光位移传感器定位到被测齿轮倒角的相应截面处；激光位移传感器沿上述规划的测量路径对齿轮倒角进行轮廓测量，同时记录该测量数据；完成一次测量后，激光位移传感器沿直线插补方向移动至下一规定截面，再次测量倒角轮廓，并记录数据，重复该动作n次，依次记录数据，其中n至少为3；最后，将数据传送到计算机进行处理，得到该齿轮倒角的轮廓，并以图形的方式显示在计算机屏幕上，完成齿轮倒角轮廓的精密测量。

本发明一是可以根据齿轮倒角轮廓的数据判定倒角的参数是否合格，二是通过检测结果为齿轮倒角的制造设备提供校正依据。整个过程自动化程度高，大大节约了人力；同时采用非接触式测量，使得测量更加准确。并且克服了传统检测中通过卡具定位的弊端，可以对不同大小的齿轮进行中心位置的确定，节约成本的同时，也提高了测量精度；再者，本发明可以对以该中心为基准的齿轮倒角轮廓进行多截面连续测量；驱动方式采用二维运动方式替代传统测量仪的一维运动方式，可以实现齿轮倒角的一次设置-多截面测量，且各截面和测量起始点的定位准确，消除了人为操作因素对测量结果的影响。智能化和自动化程度较高，用一台计算机能同步实现平台控制、轮廓测量、数据采集和数据处理等工作；用高精度激光位移传感器采集数据，有效地提高了仪器检测精度。

以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (10)

1.一种基于机器视觉引导的激光齿轮倒角轮廓测量仪，其特征在于：包括机器视觉标定装置、测量工作台、齿轮倒角轮廓测量装置和数据采集处理装置，

所述机器视觉标定装置，包括光源组件，所述光源组件设于测量工作台上，测量工作台一侧设有Z轴调节机构，所述Z轴调节机构一端设有工业相机，所述工业相机通过USB数据线接口连接到数据采集处理装置，

所述齿轮倒角轮廓测量装置，包括设于测量工作台一侧的X-Y移动平台，所述X-Y移动平台上也连接有Z轴调节机构，所述Z轴调节机构上设有激光位移传感器，激光位移传感器通过数据线与数据采集处理装置相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉引导的激光齿轮倒角轮廓测量仪，其特征在于：所述测量工作台相邻的两边设有与之连为一体、且垂直于测量工作台的限位挡块，所述测量工作台上设有与之大小相同的标定板，所述标定板从两个方向靠紧两个限位挡块实现精确定位，所述标定板中心区域设有黑白相间方格，方格的角点即为标定点。

3.根据权利要求2所述的一种基于机器视觉引导的激光齿轮倒角轮廓测量仪，其特征在于：所述光源组件包括LED光源，测量工作台上设有一个可以放置LED光源的固定平面，当拍摄齿轮的图像时，根据需要可为系统环境提供光照，所述的固定平面对边设有LED电源线引出孔，所述标定板位于LED光源固定平面上。

4.根据权利要求1所述的一种基于机器视觉引导的激光齿轮倒角轮廓测量仪，其特征在于：X-Y移动平台通过控制电缆与驱动控制器连接，驱动控制器通过数据线和数据采集处理装置连接，数据采集处理装置还与打印输出设备相连，所述测量工作台和X-Y移动平台均固定在大理石底座上，所述X-Y移动平台包括X轴导轨和Y轴导轨，所述X轴导轨固定在大理石底座上，且X轴导轨上方接触设有X轴滑块，所述X轴导轨内设有与X轴滑块接触的X轴光栅尺，所述Y轴导轨与X轴滑块固定连接，且Y轴导轨上方接触设有Y轴滑块，所述Y轴导轨内设有与Y轴滑块接触的Y轴光栅尺，且X-Y移动平台与驱动控制器连接。

5.根据权利要求所述的一种基于机器视觉引导的激光齿轮倒角轮廓测量仪，其特征在于：所述Z轴调节机构，包括立柱，所述立柱上连接有横臂，所述立柱与横臂通过齿轮齿条结构可实现上下移动。

6.一种采用权利要求1-5任一项所述的基于机器视觉引导的激光齿轮倒角轮廓测量仪测量齿轮倒角轮廓的方法，其特征在于：一种采用上述齿轮倒角轮廓测量仪测量齿轮倒角轮廓的方法，包括以下步骤：

(1)使用工业相机对标定板进行图像采集，并对标定板进行标定与视觉定位，即建立齿轮工件在测量工作台上的坐标与图像坐标之间的关系，确定测量的起始点，即初始化零点；

(2)将被测齿轮放置在指定区域，并拍摄齿轮的图像；

(3)确定被测齿轮的中心；

(4)选定测量截面的位置并规划测量路径；

(5)驱动控制器控制X-Y移动平台按规划的测量路径运动，使激光位移传感器定位到被测齿轮倒角的相应截面处；

(6)激光位移传感器沿与倒角齿廓成型面中间交线相垂直的方向对齿轮倒角进行轮廓测量，同时记录该测量数据；

(7)激光位移传感器沿直线插补方向移动至下一个测量截面，再次测量倒角轮廓，并记录数据，重复该动作n次，依次记录数据；

(8)将测量数据传送到数据采集处理装置(即计算机)进行处理，得到该齿轮倒角的轮廓，以图形形式予以显示，完成齿轮倒角轮廓的精密测量。

7.根据权利要求6所述的齿轮倒角轮廓测量方法，其特征在于：步骤(1)中，依据标定板方格交点的实际坐标值，解得标定矩阵；选定图像的一个坐标点，通过转换矩阵M便可以得到实际点的坐标，即：物平面上的任意一点坐标W(x，o，y)与像平面中的像素坐标O(u，o，v)之间存在一个矩阵关系：

$\left[\begin{array}{c}x\\ y\\ w\end{array}\right]=M\×\left[\begin{array}{c}u\\ v\\ 1\end{array}\right]$

8.根据权利要求6所述的齿轮倒角轮廓测量方法，其特征在于：步骤(3)中，获取齿轮外轮廓的最左点、最右点、最上点和最下点，通过拟合公式得出齿轮的中心，求取齿轮拟合的中心时，选取齿轮外轮廓齿根圆上的点作为拟合算法的数据点，齿轮中心定位采用最小二乘圆拟合，使得以边缘上任何一点到理想圆心的距离为半径的圆与理想圆的面积差的平方和最小，其数学表达式如下所示：

$\mathrm{Min}{\mathrm{\ϵ}}_j=s_j-s=\mathrm{\π}{r}_j^2-\mathrm{\π}{r}^2=\mathrm{\π}[{(x_j-x_o)}^2+{(y_j-y_o)}^2-r^2]$

式中(x_o，y_o)为理想圆心(x，y)的坐标值，(x_j，y_j)为齿轮边缘上任意一点(x，y)的坐标。r为理想圆半径，r_j为边缘上任意点到理想圆心的半径，s为理想圆面积，s_j为以r_j为半径的圆的面积，ε_j为拟合圆与理想圆面积的差值。

9.根据权利要求6所述的齿轮倒角轮廓测量方法，其特征在于：步骤(4)中，遍历轮齿边缘点，选取距齿轮中心最远的点，选取这些点中最外侧两个点并画其连接线，取该连线中点，并与齿轮中心点连线，该连线默认为是与待测倒角截面垂直的法线，根据截面距离、截面测量行程确定测量起始点，完成测量路径规划。

10.根据权利要求6所述的齿轮倒角轮廓测量方法，其特征在于：步骤(7)测量次数n至少为3次。