CN106442549A - 一种齿轮缺陷检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种齿轮缺陷检测系统，属于齿轮检测技术领域。包括检测箱、图像采集卡和PC机，检测箱一侧设置打开或闭合检测箱的检测腔室的翻盖，检测箱包括箱体、LED灯、工业摄像机、可调节镜头和放置台，箱体内层设置白色散光涂层，LED灯均布在箱体侧壁上，放置台通过十字移动平台水平设置在箱体底部，工业摄像机位于在放置台正上方并固定在箱体顶部，工业摄像机上设置对应可调节镜头；工业摄像机通过图像采集卡连接PC机，PC机内置有基于LabVIEW的齿轮检测单元；工业摄像机采集源图像并经图像采集卡处理，再发送到PC机中，齿轮检测单元对收到的源图像处理。本发明齿轮缺陷检测便携、成本低廉及检测方便。
Description
技术领域
本发明涉及齿轮检测技术领域，特别是一种齿轮缺陷检测系统。
背景技术
齿轮本身具有的形状几何性强的特点，需检测的参数过多且增加了复杂的过程，齿轮的质量又影响着仪器的寿命和性能，所以对其各项参数的精确测量是生产过程中必不可少的。要想对其进行人工的检测判定是否达标，但由于执行者的视觉疲劳，操作不准确，精度不高等因素的制约，是会产生一定的主观误差的，就不能够很好地完成基本几何参数的测量，执行者也不适合长时间和量大工作。在生产种类繁多的齿轮中，要提高工作效率和降低人体要求的强度，减小各方面引起的误差，这就急需软硬件技术上的支持与改进来操作非接触式且在线进行测量，从而解决传统测量所遇到的难题，提高测量效率，生产出合格产品，满足各个领域的需求，从而进一步提高国民经济效益。
发明内容
本发明的发明目的是，针对上述问题，提供一种齿轮缺陷检测系统，提出了一种基于LabVIEW虚拟仪器平台的检测系统，利用检测箱、图像采集卡和PC机LabVIEW编程通过工业摄像头采集并保存机械齿轮的图像，进而对图像进行分割、形态学、滤波等方面的处理，然后测量机械齿轮的轴孔尺寸、齿顶齿根圆和分度圆直径、以及齿数模数等参数，最后根据数据判断是否合格。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种齿轮缺陷检测系统，包括检测箱、图像采集卡和PC机，检测箱一侧设置打开或闭合检测箱的检测腔室的翻盖，所述检测箱包括箱体、LED灯、工业摄像机、可调节镜头和放置台，箱体内层设置白色散光涂层，所述LED灯均布在箱体侧壁上，所述放置台通过十字移动平台水平设置在箱体底部，所述工业摄像机位于在放置台正上方并固定在箱体顶部，工业摄像机上设置对应可调节镜头；所述工业摄像机通过图像采集卡连接PC机，PC机内置有基于LabVIEW的齿轮检测单元；工业摄像机采集源图像并经图像采集卡处理，再发送到PC机中，齿轮检测单元对收到的源图像经以下模块依次处理：
分割模块，采用LabVIEW中视觉与运动函数用于采用阈值处理，按像素的差别将源图像中齿轮与背景分开，得到齿轮图像；
形态学模块，采用LabVIEW中视觉与运动函数对齿轮图像中的齿轮边缘的毛刺以及噪声点消除；
中值滤波模块，采用LabVIEW中视觉与运动函数对齿轮图像进行滤波除去噪音；
齿轮测量模块，采用LabVIEW中函数库中GetImageSize函数获取齿轮图像中的齿轮的基本参数；
所述分割模块、形态学模块和中值滤波模块整体处理步骤为：
设置阈值范围，调用LabVIEW中Threshold函数对所述源图像进行阈值处理，把齿轮从背景中分离出来，得到齿轮图像，
调用LabVIEW中RemoveParticle功能函数去除齿轮图像中的较小粒子，
调用LabVIEW中IVB Adjust Dynamic.vi函数对齿轮图像的像素值进行重新分布，
调用LabVIEW中Morphology函数去除噪声点及光滑齿轮边缘；
将LabVIEW中中值滤波函数封装成IVB NthOrder.vi子函数，再调用对齿轮图像进行处理；
所述齿轮测量模块的处理步骤为：
调用LabVIEW中IMAQ ReadFile VI函数读取中值滤波模块输入的齿轮图像；
调用打包好的图像处理子函数对图像进行优化处理；
对齿轮进行轴孔检测，输出轴孔半径、图像中心x、图像中心y；
通过得到的轴孔半径和校准系数，在“顶圆计算”子函数中，对齿轮的轴孔直径、齿根圆和齿顶圆直径进行计算并输出；
输入齿根圆直径、齿顶圆直径、x分辨率和y分辨率到“齿数计算”子函数中，对齿轮的齿数进行计算并输出；
通过齿根圆和齿顶圆在“模数计算”子函数中计算齿轮的模数；
根据测量得到的数据判断齿数是否达标，齿轮是否合格；
输出显示图像，如果接收“停止”指令，则停止程序的运行。
上述方案中，通过设置检测箱以获取高分辨率、高成像效果的齿轮源图像，这里在检测箱内设置白色散光涂层和环绕的LED灯，减少光线造成的阴影影响；同时通过可调节的放置台方便调节齿轮位于工业摄像机的取像区域的中间，保证成像效果。其次通过图像采集卡可以进一步保证图像质量，减少噪音影响。最后通过使用基于LabVIEW的处理模块，大大简化系统的设计，减少系统的制造及维护成本；通过LabVIEW成熟的技术设置适合本系统的功能模块：分割模块、形态学模块、中值滤波模块和齿轮测量模块，完成对源图像的进一步处理并得到齿轮图像，并依据齿轮图像得到齿轮的相关参数，包括：
齿顶圆：齿轮的顶端所在的圆。
齿根圆：齿槽的底端所在的圆。
分度圆：为了方便计算几何尺寸而设计的基准圆，其压力角和模数都是标准。
齿厚：在分度圆周上一个轮齿的两侧齿廓之间的弧长。
齿距：相邻的两个轮齿位于同一侧齿廓之间的分度圆弧长。
齿数：一个齿轮上的轮齿的总数。
模数：表示齿轮牙的大小，一对齿轮的模数规格一样则能咬合，可以理解为齿距除以π的商。
根据检测到的齿轮相关参数即可以与标准的齿轮参数进行对比，从而得到齿轮参数差别所在，从而判断该齿轮是否存在缺陷。本方案可以解决小齿轮测量中人工接触式测量不能解决的难题，为齿轮缺陷检测提供了便携、成本低廉、检测方便的系统。
优选的，所述齿轮测量模块中对轴孔的检测步骤为：
利用LabVIEW中GetImageSize函数获得所述齿轮图像的大小尺寸；
取所得齿轮图像大小的1/2做环形查找区域，以测量得齿轮图像的短边长度的一半做查找区域的外圆半径，并根据齿轮的大小查找区域设置内圆半径；
调用LabVIEW中Find Circular Edge函数，函数中的一个簇数组参数定义齿轮的环形搜索区域，并做一系列的径向检测线，其与轴孔的交点拟合得到一个圆；该簇的成员从上到下分别是：圆心X坐标、圆心Y坐标、内圆半径、外圆半径、检测线开始角度和终止角度；
每隔600旋转检测一次轴孔的数据，得到六组参数值；从测得的数据中取半径最小的一组尺寸数据，作为实际轴孔直径的尺寸大小；
然后Best Circle参数输出的是一个圆，包含给出了圆的半径与圆心坐标，即齿轮的轴孔位置及大小；
得到齿轮的轴孔中心坐标A后，最后用Shift图像平移的函数，将齿轮以坐标A为基准移动到齿轮图像中心。
优选的，所述中值滤波模块的中值滤波处理步骤：
1)首先设定滤波器的模板大小为3×3模板；
2)模板在所述齿轮图像中活动时使得中心对齐所述齿轮图像中的某像素点的位置；
3)获取模板中各个不同像素的灰度数值；
4)再将得到的灰度数值由小到大排成一列；
5)然后找出排在中间的值；
6)最后将得到中值分配到模板相应值的像素位置的中心。
优选的，所述LED灯分别通过对应的控制开关连接PC机，PC机能够通过控制开关控制对应LED灯开关。LED灯可以一一对应开启或关闭，这样可以根据需要调节不同的亮度，保证拍摄时适合光亮，确保成像质量。
优选的，所述放置台上端面均布有光度传感器，所述光度传感器均连接PC机。光度传感器可以沿放置台的周向均匀布置，这样可以检测放置齿轮后不同方向上的阴影情况，为消除阴影做好准备。
优选的，所述PC机中通过LabVIEW建立光度调节模块，调节模块根据光度传感器的数据控制位于光度传感器同一侧的LED灯的开关及电流强度。这设置一个功能模块可以直接通过光度传感器的数值调节LED
优选的，所述箱体的侧面设置连接十字移动平台的调节旋钮。这里调节调节旋钮可以方便调节十字移动平台移动，以确保齿轮在拍摄时位于工业摄像机的正下方。
优选的，所述箱体的顶板通过导轨安装在箱体内，所述导轨安装在箱体两对称的侧板上并垂直于箱体底板；所述顶板下端面安装工业摄像机和可调节镜头，所述顶板与导轨之间设置用于调节顶板移动的伺服电机，所述司法电机连接PC机；所述PC机中通过LabVIEW建立顶板调节模块，通过顶板的移动距离实现调节。通过导轨调节可以使得箱体可以满足不同尺寸规格的齿轮成像拍摄的需求，其具有较强的适应性。
由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
1.本发明本设计的机械齿轮缺陷检测系统的功能齐全且简单，可以设计网络传输模块和网络实时数据存储等功能，实现远程监控对齿轮进行质量分析，大大提高整个检测系统的智能化程度，进一步增加系统的含金量，因此工作效率也会有所改善。
2.本发明还可以对基于LabVIEW对机械齿轮的单个齿距偏差、齿距累积偏差、齿距累积总偏差、齿廓偏差、圆度、直线度、双啮综合误差、螺纹、裂痕等各个参数进行测量，并对检测的结果进行误差分析及系统不确定性评价。
附图说明
图1是本发明功能结构示意图。
附图中，1-检测箱、2-图像采集卡、3-PC机、11-箱体、12-放置台、13-十字移动平台、14-工业摄像机、15-可调节镜头、16-LED灯、17-光度传感器、18-顶板、19-调节旋钮。
具体实施方式
以下结合附图对发明的具体实施进一步说明。
如图1所示，本齿轮缺陷检测系统包括检测箱、图像采集卡和PC机。检测箱采集源图像并经图像采集卡处理，再发送到PC机中，PC机中的齿轮检测单元对收到的源图像进行处理，并判断该齿轮是否存在缺陷。
检测箱一侧设置打开或闭合检测箱的检测腔室的翻盖，箱体检测箱包括箱体、LED灯、工业摄像机、可调节镜头和放置台。箱体内层设置白色散光涂层，箱体LED灯均布在箱体侧壁上，箱体放置台通过十字移动平台水平设置在箱体底部。箱体工业摄像机位于在放置台正上方并固定在箱体顶部，工业摄像机上设置对应可调节镜头。箱体LED灯分别通过对应的控制开关连接PC机，PC机能够通过控制开关控制对应LED灯开关。LED灯可以一一对应开启或关闭，这样可以根据需要调节不同的亮度，保证拍摄时适合光亮，确保成像质量。箱体放置台上端面均布有光度传感器，箱体光度传感器均连接PC机。光度传感器可以沿放置台的周向均匀布置，这样可以检测放置齿轮后不同方向上的阴影情况，为消除阴影做好准备。箱体PC机中通过LabVIEW建立光度调节模块，调节模块根据光度传感器的数据控制位于光度传感器同一侧的LED灯的开关及电流强度。这设置一个功能模块可以直接通过光度传感器的数值调节LED箱体箱体的侧面设置连接十字移动平台的调节旋钮。这里调节调节旋钮可以方便调节十字移动平台移动，以确保齿轮在拍摄时位于工业摄像机的正下方。
其中，箱体箱体的顶板通过导轨安装在箱体内，箱体导轨安装在箱体两对称的侧板上并垂直于箱体底板；箱体顶板下端面安装工业摄像机和可调节镜头，箱体顶板与导轨之间设置用于调节顶板移动的伺服电机，箱体司法电机连接PC机；箱体PC机中通过LabVIEW建立顶板调节模块，通过顶板的移动距离实现调节。通过导轨调节可以使得箱体可以满足不同尺寸规格的齿轮成像拍摄的需求，其具有较强的适应性。
箱体工业摄像机通过图像采集卡连接PC机，PC机内置有基于LabVIEW的齿轮检测模块；工业摄像机采集源图像并经图像采集卡处理，再发送到PC机中，齿轮检测模块对收到的源图像经以下模块依次处理：
分割模块，采用LabVIEW中视觉与运动函数用于采用阈值处理，按像素的差别将源图像中齿轮与背景分开，得到齿轮图像；
形态学模块，采用LabVIEW中视觉与运动函数对齿轮图像中的齿轮边缘的毛刺以及噪声点消除；
中值滤波模块，采用LabVIEW中视觉与运动函数对齿轮图像进行滤波除去噪音；
齿轮测量模块，采用LabVIEW中函数库中GetImageSize函数获取齿轮图像中的齿轮的基本参数；
箱体分割模块、形态学模块和中值滤波模块整体处理步骤为：
设置阈值范围，调用LabVIEW中Threshold函数对箱体源图像进行阈值处理，把齿轮从背景中分离出来，得到齿轮图像，
调用LabVIEW中RemoveParticle功能函数去除齿轮图像中的较小粒子，
调用LabVIEW中IVB Adjust Dynamic.vi函数对齿轮图像的像素值进行重新分布，
调用LabVIEW中Morphology函数去除噪声点及光滑齿轮边缘；
将LabVIEW中中值滤波函数封装成IVB NthOrder.vi子函数，再调用对齿轮图像进行处理。
这里，箱体齿轮测量模块的处理步骤为：
调用LabVIEW中IMAQ ReadFile VI函数读取中值滤波模块输入的齿轮图像；
调用打包好的图像处理子函数对图像进行优化处理；
对齿轮进行轴孔检测，输出轴孔半径、图像中心x、图像中心y；
通过得到的轴孔半径和校准系数，在“顶圆计算”子函数中，对齿轮的轴孔直径、齿根圆和齿顶圆直径进行计算并输出；
输入齿根圆直径、齿顶圆直径、x分辨率和y分辨率到“齿数计算”子函数中，对齿轮的齿数进行计算并输出；
通过齿根圆和齿顶圆在“模数计算”子函数中计算齿轮的模数；
根据测量得到的数据判断齿数是否达标，齿轮是否合格；
输出显示图像，如果接收“停止”指令，则停止程序的运行。
这里，箱体齿轮测量模块中对轴孔的检测步骤为：
利用LabVIEW中GetImageSize函数获得箱体齿轮图像的大小尺寸；
取所得齿轮图像大小的1/2做环形查找区域，以测量得齿轮图像的短边长度的一半做查找区域的外圆半径，并根据齿轮的大小查找区域设置内圆半径；
调用LabVIEW中Find Circular Edge函数，函数中的一个簇数组参数定义齿轮的环形搜索区域，并做一系列的径向检测线，其与轴孔的交点拟合得到一个圆；该簇的成员从上到下分别是：圆心X坐标、圆心Y坐标、内圆半径、外圆半径、检测线开始角度和终止角度；
每隔600旋转检测一次轴孔的数据，得到六组参数值；从测得的数据中取半径最小的一组尺寸数据，作为实际轴孔直径的尺寸大小；
然后Best Circle参数输出的是一个圆，包含给出了圆的半径与圆心坐标，即齿轮的轴孔位置及大小；
得到齿轮的轴孔中心坐标A后，最后用Shift图像平移的函数，将齿轮以坐标A为基准移动到齿轮图像中心。
这里，箱体中值滤波模块的中值滤波处理步骤：
1)首先设定滤波器的模板大小为3×3模板；
2)模板在箱体齿轮图像中活动时使得中心对齐箱体齿轮图像中的某像素点的位置；
3)获取模板中各个不同像素的灰度数值；
4)再将得到的灰度数值由小到大排成一列；
5)然后找出排在中间的值；
6)最后将得到中值分配到模板相应值的像素位置的中心。
上述方案中，通过设置检测箱以获取高分辨率、高成像效果的齿轮源图像，这里在检测箱内设置白色散光涂层和环绕的LED灯，减少光线造成的阴影影响；同时通过可调节的放置台方便调节齿轮位于工业摄像机的取像区域的中间，保证成像效果。其次通过图像采集卡可以进一步保证图像质量，减少噪音影响。最后通过使用基于LabVIEW的处理模块，大大简化系统的设计，减少系统的制造及维护成本；通过LabVIEW成熟的技术设置适合本系统的功能模块：分割模块、形态学模块、中值滤波模块和齿轮测量模块，完成对源图像的进一步处理并得到齿轮图像，并依据齿轮图像得到齿轮的相关参数，包括：
齿顶圆：齿轮的顶端所在的圆。
齿根圆：齿槽的底端所在的圆。
分度圆：为了方便计算几何尺寸而设计的基准圆，其压力角和模数都是标准。
齿厚：在分度圆周上一个轮齿的两侧齿廓之间的弧长。
齿距：相邻的两个轮齿位于同一侧齿廓之间的分度圆弧长。
齿数：一个齿轮上的轮齿的总数。
模数：表示齿轮牙的大小，一对齿轮的模数规格一样则能咬合，可以理解为齿距除以π的商。
根据检测到的齿轮相关参数即可以与标准的齿轮参数进行对比，从而得到齿轮参数差别所在，从而判断该齿轮是否存在缺陷。本方案可以解决小齿轮测量中人工接触式测量不能解决的难题，为齿轮缺陷检测提供了便携、成本低廉、检测方便的系统。
上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。
Claims (8)
1.一种齿轮缺陷检测系统，包括检测箱、图像采集卡和PC机，检测箱一侧设置打开或闭合检测箱的检测腔室的翻盖，其特征在于：所述检测箱包括箱体、LED灯、工业摄像机、可调节镜头和放置台，箱体内层设置白色散光涂层，所述LED灯均布在箱体侧壁上，所述放置台通过十字移动平台水平设置在箱体底部，所述工业摄像机位于在放置台正上方并固定在箱体顶部，工业摄像机上设置对应可调节镜头；所述工业摄像机通过图像采集卡连接PC机，PC机内置有基于LabVIEW的齿轮检测单元；工业摄像机采集源图像并经图像采集卡处理，再发送到PC机中，齿轮检测单元对收到的源图像经以下模块依次处理：
分割模块，采用LabVIEW中视觉与运动函数用于采用阈值处理，按像素的差别将源图像中齿轮与背景分开，得到齿轮图像；
形态学模块，采用LabVIEW中视觉与运动函数对齿轮图像中的齿轮边缘的毛刺以及噪声点消除；
中值滤波模块，采用LabVIEW中视觉与运动函数对齿轮图像进行滤波除去噪音；
齿轮测量模块，采用LabVIEW中函数库中GetImageSize函数获取齿轮图像中的齿轮的基本参数；
所述分割模块、形态学模块和中值滤波模块整体处理步骤为：
设置阈值范围，调用LabVIEW中Threshold函数对所述源图像进行阈值处理，把齿轮从背景中分离出来，得到齿轮图像，
调用LabVIEW中RemoveParticle功能函数去除齿轮图像中的较小粒子，
调用LabVIEW中IVB Adjust Dynamic.vi函数对齿轮图像的像素值进行重新分布，
调用LabVIEW中Morphology函数去除噪声点及光滑齿轮边缘；
将LabVIEW中中值滤波函数封装成IVB NthOrder.vi子函数，再调用对齿轮图像进行处理；
所述齿轮测量模块的处理步骤为：
调用LabVIEW中IMAQ ReadFile VI函数读取中值滤波模块输入的齿轮图像；
调用打包好的图像处理子函数对图像进行优化处理；
对齿轮进行轴孔检测，输出轴孔半径、图像中心x、图像中心y；
通过得到的轴孔半径和校准系数，在“顶圆计算”子函数中，对齿轮的轴孔直径、齿根圆和齿顶圆直径进行计算并输出；
输入齿根圆直径、齿顶圆直径、x分辨率和y分辨率到“齿数计算”子函数中，对齿轮的齿数进行计算并输出；
通过齿根圆和齿顶圆在“模数计算”子函数中计算齿轮的模数；
根据测量得到的数据判断齿数是否达标，齿轮是否合格；
输出显示图像，如果接收“停止”指令，则停止程序的运行。
2.根据权利要求1所述的一种齿轮缺陷检测系统,其特征在于：所述齿轮测量模块中对轴孔的检测步骤为：
利用LabVIEW中GetImageSize函数获得所述齿轮图像的大小尺寸；
取所得齿轮图像大小的1/2做环形查找区域，以测量得齿轮图像的短边长度的一半做查找区域的外圆半径，并根据齿轮的大小查找区域设置内圆半径；
调用LabVIEW中Find Circular Edge函数，函数中的一个簇数组参数定义齿轮的环形搜索区域，并做一系列的径向检测线，其与轴孔的交点拟合得到一个圆；该簇的成员从上到下分别是：圆心X坐标、圆心Y坐标、内圆半径、外圆半径、检测线开始角度和终止角度；
每隔600旋转检测一次轴孔的数据，得到六组参数值；从测得的数据中取半径最小的一组尺寸数据，作为实际轴孔直径的尺寸大小；
然后Best Circle参数输出的是一个圆，包含给出了圆的半径与圆心坐标，即齿轮的轴孔位置及大小；
得到齿轮的轴孔中心坐标A后，最后用Shift图像平移的函数，将齿轮以坐标A为基准移动到齿轮图像中心。
3.根据权利要求1所述的一种齿轮缺陷检测系统,其特征在于：所述中值滤波模块的中值滤波处理步骤：
1)首先设定滤波器的模板大小为3×3模板；
2)模板在所述齿轮图像中活动时使得中心对齐所述齿轮图像中的某像素点的位置；
3)获取模板中各个不同像素的灰度数值；
4)再将得到的灰度数值由小到大排成一列；
5)然后找出排在中间的值；
6)最后将得到中值分配到模板相应值的像素位置的中心。
4.根据权利要求1所述的一种齿轮缺陷检测系统,其特征在于：所述LED灯分别通过对应的控制开关连接PC机，PC机能够通过控制开关控制对应LED灯开关。
5.根据权利要求4所述的一种齿轮缺陷检测系统,其特征在于：所述放置台上端面均布有光度传感器，所述光度传感器均连接PC机。
6.根据权利要求5所述的一种齿轮缺陷检测系统,其特征在于：所述PC机中通过LabVIEW建立光度调节模块，调节模块根据光度传感器的数据控制位于光度传感器同一侧的LED灯的开关及电流强度。
7.根据权利要求1所述的一种齿轮缺陷检测系统,其特征在于：所述箱体的侧面设置连接十字移动平台的调节旋钮。
8.根据权利要求1所述的一种齿轮缺陷检测系统,其特征在于：所述箱体的顶板通过导轨安装在箱体内，所述导轨安装在箱体两对称的侧板上并垂直于箱体底板；所述顶板下端面安装工业摄像机和可调节镜头，所述顶板与导轨之间设置用于调节顶板移动的伺服电机，所述司法电机连接PC机；所述PC机中通过LabVIEW建立顶板调节模块，通过顶板的移动距离实现调节。
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