CN107514979A - 一种基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法，该基于结构光的齿轮综合测量系统包括被测齿轮、齿轮装载平台、伺服电机、投影仪、带运算能力的终端、2台工业相机；被测齿轮装载至齿轮装载平台，伺服电机用于驱动齿轮装载平台和记录旋转角度，投影仪将面结构光栅投影至被测齿轮，第一相机和第二相机对称布置在投影仪左右两侧，与投影仪有一夹角，终端用于采集相机的成像信息，并通过采集的信息建立被测齿轮的三维模型并进行齿轮的综合分析。本发明可以测量齿轮的完整信息，实现了齿轮全场图像的采集，具有光路简单、测量迅速、对环境要求较低、非接触和全场测量等优点，本发明通用于不同尺寸的齿轮，通用性更高，使用更便捷。

Description

一种基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法

技术领域

本发明涉及一种齿轮测量装置，更进一步，涉及一种基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法。

背景技术

齿轮是机械传动系统中应用最广泛的机构和传动装置，其性能对整个机电系统至关重要。在实际生产中，由于刀具的制造和安装误差，以及机床传动误差等因素的影响，实际加工的齿轮总是存在着误差，齿轮在使用过程中也会因为磨损产生其他误差，这些误差对齿轮的传动会产生很大的影响，直接表现就是在齿轮的传动过程中会产生一定程度的振动和噪声。且齿轮综合测量是齿轮质量评价、寿命预测和设计改进的关键手段，因此，齿轮综合测量就变得尤为重要。结合现代技术的发展，开发高精度非接触的测量技术，对于齿轮测量和齿轮加工的发展具有重要的意义。

齿轮检测目前主要以比较测量为主，测量精度依赖于标准件或展成机构的精度，机械结构复杂，柔性较差，测量效率低，测量误差项目有限。机器视觉及图像处理技术的发展，为高精度快速测量齿轮三维形貌提供了一条有效途径。现有的基于图像处理的齿轮测量技术主要是通过相机采集齿轮的二维信息，远不能满足实际需求。由于电子技术、计算机技术的飞速发展，结构光视觉非接触式测量技术得到了空前的发展、测量速度可超过百分点/秒。结构光视觉测量技术是利用可见光与物体表面发生相互作用来获取物体表面特征点的三维坐标信息，其中以应用光学原理发展起来的激光三角法和结构光法的应用最为广泛。但由于激光三角法测量的精度容易收到光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物表面特征的影响，并且不能同时进行多点测量。与之相比，面结构光具有光路简单、对环境要求较低、非干涉、非接触和全场测量等优点。并且由于结构光视觉测量技术不与被测物体接触，因而该技术还可应用于柔性物体测量。

面结构光的测量原理是将光栅图样投射到被测物体表面，相位和振幅受到物面高度的调制使光栅图像发生变形，通过解调可以得到包含高度信息的相位变化，最后根据三角法原理完成相位到高度的转换，从而得出被测物体的三维信息。

现有检测设备和方法的缺点在于：(1)对齿轮采用接触式测量，对齿轮表面有一定的影响，且对于大型齿轮，测量设备需要很大体积才能满足需求；(2)齿轮形状复杂，测量参数较多，对于齿轮误差等信息的测量，需要特定的方法，复杂度高；(3)测量设备结构复杂，成本较高，不能满足实时检测的要求；(4)对于常见齿轮来说，其齿间空间狭小，使用传统测量仪器难以高效测量；(5)不能实现齿轮的全场测量，测量效率较低。

结构光三维测量技术在齿轮测量领域具有如下优势：(1)测量对象不受限。结构光为非接触式测量，不受测量对象形貌限制，可以实现包括渐开线圆柱齿轮、锥齿轮、弧齿锥齿轮、蜗轮、蜗杆、螺杆、凸轮、滚刀、插齿刀、剃齿刀等各种零件的三维形貌测量，解决了许多用传统仪器无法检测的技术难题。(2)测量尺寸不受限。结构光可以根据测量需要，对观测区域进行放大缩小，观测区域拼接等，可以实现直径几米数十米大型齿轮以及亚毫米的小模数齿轮的测量。(3)测量项目不受限。直接获取齿轮的整体三维形貌，不局限于几条线或者几个面的测量，测量的误差项目不受限制。(4)测量环境不受限。可以在加工现场对齿轮进行测量，完成常规测量仪器难以实现的变温齿轮测量等难题。(5)测量精度高。最高可实现亚微米级测量。(6)测量速度快、操作方便。在数秒内就可以完成对齿轮整体三维形貌的测量，不需进行特殊的安装、定位、找中心等步骤。(7)测量效率与精度高度协调。结构光测量可以根据测量需要，对不同观测区域实现不同精度等级测量，保证测量效率和精度的协调性。(8)动态测量。最终目标可以实现齿轮运行过程中的三维形貌检测。因此，如何利用结构光来测量齿轮，是本发明要研究的重点和方向。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法，该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法用于测量被测齿轮，以建立关于该被测齿轮的三维模型和分析该被测齿轮的综合信息。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案是：一种基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法，该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法包括一个齿轮装载平台、一个驱动电机、一个投影仪、至少一个相机以及一个终端，该齿轮装载平台可驱动地设置于该驱动电机，以使该驱动电机驱动该齿轮装载平台旋转，该投影仪和各个该相机分别相邻地设置于该齿轮装载平台，并且该投影仪和该相机之间具有夹角，该驱动电机、该投影仪和各个该相机分别可通信地连接于该终端，当一个被测齿轮放置在该齿轮装载平台时，该终端能够控制该投影仪向该被测齿轮投射结构光，该相机能够获取该被测齿轮反射的该结构光，并形成关于该被测齿轮的电信号，该终端接收关于该被测齿轮的电信号，以建立关于该被测齿轮的三维轮廓和分析该被测齿轮的综合信息。

作为对本发明的该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法的进一步优选的实施例，该相机的数量是两个。

作为对本发明的该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法的进一步优选的实施例，各个该相机分别位于该投影仪的两侧。

作为对本发明的该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法的进一步优选的实施例，各个该相机分别位于该投影仪的上部和下部。

作为对本发明的该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法的进一步优选的实施例，各个该相机与该投影仪形成的夹角一致。

作为对本发明的该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法的进一步优选的实施例，各个该相机对称地设置于该投影仪的两侧。

作为对本发明的该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法的进一步优选的实施例，各个该相机对称地设置于该投影仪的上部和下部。

作为对本发明的该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法的进一步优选的实施例，该相机为工业相机。

作为对本发明的该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法的进一步优选的实施例，该相机与该投影仪的夹角满足各个该相机同时获得该被测齿轮的相同齿面反射的该结构光。

另外，本发明的该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法用于实现该被测齿轮的多参数综合测量，采用图像传递系统和数字图像相关分析的装置获取该被测齿轮在多角度下的三维尺寸，最终综合形成完整的该被测齿轮三维模型。

本发明还提供了一种基于结构光的齿轮综合测量方法，包括以下步骤：

校准图像传递系统：对该相机进行标定，使该被测齿轮的齿面的图像传递至该相机，获取该相机参数；例如使被被测齿轮的齿面的图像传递到两个该相机，以获取两个该相机的参数；

通过该驱动电机(例如伺服电机)带动该齿轮装载平台旋转，使该被测齿轮与该装载平台同步旋转，同时开启两个该相机采集该被测齿轮的图像，并将该被测齿轮的图像传输至带运算能力的该终端内进行存储；

对两个该相机采集的该被测齿轮的图像进行处理，截取该被测齿轮的齿廓的固定有效区域图像；

提取固定有效区域图像的不变特征，根据光学三角原理得到实际该被测齿轮的齿廓的实际三维点云数据；

获取该被测齿轮各点位置信息对应的该驱动电机(例如伺服电机)编码器中记录的旋转角度信息；

对该被测齿轮的旋转一周的图像数据处理结束后，根据坐标信息和旋转角度信息进行该被测齿轮的三维轮廓重建，根据重建的该被测齿轮的三维轮廓与该被测齿轮的理论轮廓进行对比，得到该被测齿轮的各项基本信息。

本发明还提供了一种基于结构光的齿轮综合测量方法，其特征在于，该基于结构光的齿轮综合测量方法包括步骤：

步骤1：通过一个投影仪向一被测齿轮投射结构光；

步骤2：通过一个驱动电机驱动一个齿轮装载平台转动，以通过该齿轮装载平台带动设置在该齿轮装载平台上的被测齿轮同步地转动；

步骤3：通过两个相机获取该被测齿轮反射的结构光，以获得关于该被测齿轮的齿面的图像；

步骤4：对两个该相机获取的关于该被测齿轮的图像进行处理，截取该被测齿轮的齿廓的固定有效区域图像；

步骤5：提取固定有效区域图像的不变特征，根据光学三角原理得到实际该被测齿轮的齿廓的实际三维点云数据；

步骤6：获取该被测齿轮各点位置信息对应的该驱动电机的编码区中记录的旋转角度信息；以及

步骤7：对该被测齿轮的旋转一周的图像数据处理结束后，根据坐标信息和角度信息进行该被测齿轮的三维轮廓重建，根据重建的该被测齿轮的三维轮廓与该被测齿轮的理论轮廓进行对比，得到该被测齿轮的各项基本信息。

作为对本发明的该基于结构光的齿轮综合测量方法的进一步优选的实施例，所述步骤2和所述步骤3同步地进行，即，在该驱动电机驱动该齿轮装载平台转动以带动该被测齿轮同步地转动的过程中，通过两个该相机获取该被测齿轮反射的该结构光。

作为对本发明的该基于结构光的齿轮综合测量方法的进一步优选的实施例，所述步骤3中，两个该相机分别在该投影仪上下和左右对称的两侧获取该被测齿轮反射的该结构光。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：(1)测量对象不受限。结构光为非接触式测量，不受测量对象形貌限制，可以实现包括渐开线圆柱齿轮、锥齿轮、弧齿锥齿轮、蜗轮、蜗杆、螺杆、凸轮、滚刀、插齿刀、剃齿刀等各种零件的三维形貌测量，解决了许多用传统仪器无法检测的技术难题。(2)测量尺寸不受限。结构光可以根据测量需要，对观测区域进行放大缩小，观测区域拼接等，可以实现直径几米数十米的大型齿轮以及亚毫米的小模数齿轮的测量。(3)测量项目不受限。直接获取齿轮的整体三维形貌，不局限于几条线或者几个面的测量，测量的误差项目不受限制。(4)测量环境不受限。可以在加工现场对齿轮进行测量，完成常规测量仪器难以实现的变温齿轮测量等难题。(5)测量精度高。最高可实现亚微米级测量。(6)测量速度快、操作方便。在数秒内就可以完成对齿轮整体三维形貌的测量，不需进行特殊的安装、定位、找中心等步骤。(7)测量效率与精度高度协调。结构光测量可以根据测量需要，对不同观测区域实现不同精度等级测量，保证测量效率和精度的协调性。(8)动态测量。最终目标可以实现齿轮运行过程中的三维形貌检测。(9)设备结构简单，且成本较低。

附图说明

为了获得本发明的上述和其他优点和特点，以下将参照附图中所示的本发明的具体实施例对以上概述的本发明进行更具体的说明。应理解的是，这些附图仅示意出了本发明的典型实施例，因此不应被视为对本发明的范围的限制，通过使用附图，将对本发明进行更具体和更详细的说明和阐述。在附图中：

图1是本发明的该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法的整体结构示意图。

图2是本发明的该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法的测量过程示意图。

图3是本发明的该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法的投影条纹(结构光)示意图。

图4是本发明的该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法的投影条纹在被测齿轮上的示意图。

图5是本发明的该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法的原理示意图。

图6是本发明的该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法的测量被测齿轮的流程示意图。

具体实施方式

以下描述用于揭露本发明以使本领域技术人员能够实现本发明。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本发明的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本发明的精神和范围的其他技术方案。

如图1至图6所示是依本发明的发明精神提供的一种基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法，该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法能够利用结构光(例如面结构光)对一个被测齿轮100进行测量，以更好地建立关于该被测齿轮100的三维模型和获取该被测齿轮100的多参数数据。具体地说，该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法包括一个齿轮装载平台1、一个驱动电机2、一个投影仪3、至少一个相机4以及一个终端5。该齿轮装载平台1可驱动地设置于该驱动电机2，以通过该驱动电机2驱动该齿轮装载平台1旋转，从而该齿轮装载平台1带动设置在该齿轮装载平台1上的该被测齿轮100同步地转动，例如，该驱动电机2可以是伺服电机。该投影仪3和各个该相机4分别相邻地设置于该齿轮装载平台1，并且该投影仪3和各个该相机4之间具有夹角，并且该驱动电机2、该投影机3和各个该相机4分别可通信地连接于该终端5，该终端5可以是计算机，例如台式电脑或者笔记本电脑。该相机4可以是工业相机。

在对该被测齿轮100进行测试时，该终端5能够控制该投影仪3向设置在该齿轮装载平台1上的该被测齿轮100投射该结构光，例如条纹状的该结构光，并且在这个过程中，该终端5还能够控制该驱动电机2驱动该齿轮装载平台1带动该被测齿轮100同步地转动，该被测齿轮100的表面能够反射该结构光，各个该相机4能够获取该被测齿轮100反射的该结构光，并得到关于该被测齿轮100的电信号(基于该电信号能够得到关于该被测齿轮100的图像)，该终端5能够从各个该相机4获取关于该被测齿轮100的该电信号，并根据该电信号建立关于该被测齿轮100的三维轮廓和分析该被测齿轮100的综合信息。

优选地，如图1和图2所示，该相机4的数量是两个。在一个实施例中，两个该相机4分别位于该投影仪3的两侧。优选地，各个该相机4与该投影仪3形成的该夹角一致。更优选地，各个该相机4对称地设置在该投影仪3的两侧。在另一个实施例中，两个该相机4分别位于该投影仪3的上部和下部。优选地，两个该相机4对称地设置于该投影仪3的上部和下部。

在接下来的描述中，两个该相机4分别为第一相机41和第二相机42。也就是说，该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法包括该投影仪3、该第一相机41、该第二相机42、该终端5、该驱动电机2以及该齿轮装载平台1，该第一相机41和该第二相机42与该终端5相连，并且该终端5控制该第一相机41和该第二相机42，该驱动电机2与该终端5相连，并且该终端5控制该驱动电机2的启停和运动，该驱动电机2和该齿轮装载平台1相连，并且该驱动电机2驱动该齿轮装载平台1转动，该投影仪3与该终端5相连，并且该终端5驱动该投影仪3投射该结构光。也就是说，该终端5控制数据的输入和输出，以实现对放置在该齿轮装载平台1上的该被测齿轮100的综合信息的测量。

该第一相机41和该第二相机42对称地放置在该投影仪3的左右和上下对称的两侧，并且该第一相机41和该第二相机42与该投影仪3的夹角选择恰当，其位置能够使该第一相机41和该第二相机42至少各接收到该结构光螺在该被测齿轮100的相邻两齿的相邻齿廓。

该终端5能够控制该第一相机41和该第二相机42同时采集图像，获取该结构光在该被测齿轮100上的图像，以使该终端5对该被测齿轮100的图像进行处理，得到该被测齿轮100的图像中的位置信息。

该终端5控制该驱动电机2运动，并接收该驱动电机2的编码器反馈，用于控制并记录该被测齿轮100的旋转角度信息。

该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法的结构简单稳定、设备精度搞、该第一相机41和该第二相机42能够同步地成像，可快速地实现测量，使用方便。上述各个实施例中，该第一相机41和该第二相机42均可以采用远心镜头的工业相机，用于采集该结构光在该被测齿轮100上的图像。上述各个实施例中，该第一相机41与该投影仪3之间形成的该夹角和该第二相机42与该投影机3之间形成的该夹角满足各个该相机同时获得该被测齿轮100的相同齿面反射的该结构光。

在图1的实施例中，该投影仪3位于该被测齿轮100的正前方，该第一相机41和该第二相机42分别放置在该投影仪3的左右与上下对称的位置，并与该投影仪3的夹角适当，以使该第一相机41和该第二相机42至少接收该结构光落在该被测齿轮100的相邻两齿的相邻齿廓。该被测齿轮100放置在该齿轮装载平台1上，由该驱动电机2控制旋转，并由该终端5控制该驱动电机2和该驱动电机2的编码器。

附图6为本发明的该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法所设计的流程示意图，结构光在该被测齿轮100上的图像作为系统输入；对两个该相机4采集的图像进行处理，截取该被测齿轮100的齿廓的固定有效区域图像；提取固定有效区域图像的不变特征，根据光学三角原理得到实际该被测齿轮100的齿廓的实际三维点云数据，并记录此时的旋转角度信息；同理进行下一幅图像的处理；对该被测齿轮100旋转一周的图像进行综合处理，根据位置信息和角度信息进行该被测齿轮100的三维轮廓重建；最后根据重建的该被测齿轮100的三维轮廓与该被测齿轮100的理论轮廓进行对比，得到该被测齿轮100的各项基本信息。

本发明还提供了一种基于结构光的齿轮综合测量方法，其特征在于，该基于结构光的齿轮综合测量方法包括步骤：

步骤1：通过一个投影仪3向一被测齿轮100投射结构光；

步骤2：通过一个驱动电机2驱动一个齿轮装载平台1转动，以通过该齿轮装载平台1带动设置在该齿轮装载平台1上的被测齿轮100同步地转动；

步骤3：通过两个相机4获取该被测齿轮100反射的结构光，以获得关于该被测齿轮100的齿面的图像；

步骤4：对两个该相机4获取的关于该被测齿轮100的图像进行处理，截取该被测齿轮100的齿廓的固定有效区域图像；

步骤5：提取固定有效区域图像的不变特征，根据光学三角原理得到实际该被测齿轮100的齿廓的实际三维点云数据；

步骤6：获取该被测齿轮100各点位置信息对应的该驱动电机2的编码区中记录的旋转角度信息；以及

步骤7：对该被测齿轮100的旋转一周的图像数据处理结束后，根据坐标信息和旋转角度信息进行该被测齿轮100的三维轮廓重建，根据重建的该被测齿轮100的三维轮廓与该被测齿轮100的理论轮廓进行对比，得到该被测齿轮100的各项基本信息。

作为对本发明的该基于结构光的齿轮综合测量方法的进一步优选的实施例，所述步骤2和所述步骤3同步地进行，即，在该驱动电机2驱动该齿轮装载平台1转动以带动该被测齿轮100同步地转动的过程中，通过两个该相机4获取该被测齿轮100反射的该结构光。

作为对本发明的该基于结构光的齿轮综合测量方法的进一步优选的实施例，所述步骤3中，两个该相机4分别在该投影仪3的两侧获取该被测齿轮100反射的该结构光。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。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)

1.一种基于结构光的齿轮综合测量系统，其特征在于，该基于结构光的齿轮综合测量系统包括一个齿轮装载平台、一个驱动电机、一个投影仪、至少一个相机以及一个终端，该齿轮装载平台可驱动地设置于该驱动电机，以使该驱动电机驱动该齿轮装载平台旋转，该投影仪和各个该相机分别相邻地设置于该齿轮装载平台，并且该投影仪和该相机之间具有夹角，该驱动电机、该投影仪和各个该相机分别可通信地连接于该终端，当一个被测齿轮放置在该齿轮装载平台时，该终端能够控制该投影仪向该被测齿轮投射结构光，该相机能够获取该被测齿轮反射的该结构光，并形成关于该被测齿轮的电信号，该终端接收关于该被测齿轮的电信号，以建立关于该被测齿轮的三维轮廓和分析该被测齿轮的综合信息。

2.如权利要求1所述的一种基于结构光的齿轮综合测量系统，其特征在于，该相机的数量是两个。

3.如权利要求2所述的一种基于结构光的齿轮综合测量系统，其特征在于，各个该相机分别位于该投影仪的两侧。

4.如权利要求2所述的一种基于结构光的齿轮综合测量系统，其特征在于，各个该相机分别位于该投影仪的上部和下部。

5.如权利要求3或4所述的一种基于结构光的齿轮综合测量系统，其特征在于，各个该相机与该投影仪形成的夹角一致。

6.如权利要求1-4中的任意一个所述的一种基于结构光的齿轮综合测量系统，其特征在于，该相机为工业相机。

7.如权利要求5所述的一种基于结构光的齿轮综合测量系统，其特征在于，该相机与该投影仪的夹角满足各个该相机同时获得该被测齿轮的相同齿面反射的该结构光。

8.一种基于结构光的齿轮综合测量方法，其特征在于，该基于结构光的齿轮综合测量方法包括步骤：

步骤1：通过一个投影仪向一被测齿轮投射结构光；

步骤2：通过一个驱动电机驱动一个齿轮装载平台转动，以通过该齿轮装载平台带动设置在该齿轮装载平台上的被测齿轮同步地转动；

步骤3：通过两个相机获取该被测齿轮反射的结构光，以获得关于该被测齿轮的齿面的图像；

步骤4：对两个该相机获取的关于该被测齿轮的图像进行处理，截取该被测齿轮的齿廓的固定有效区域图像；

步骤5：提取固定有效区域图像的不变特征，根据光学三角原理得到实际该被测齿轮的齿廓的实际三维点云数据；

步骤6：获取该被测齿轮各点位置信息对应的该驱动电机的编码区中记录的旋转角度信息；以及

步骤7：对该被测齿轮的旋转一周的图像数据处理结束后，根据坐标信息和旋转角度信息进行该被测齿轮的三维轮廓重建，根据重建的该被测齿轮的三维轮廓与该被测齿轮的理论轮廓进行对比，得到该被测齿轮的各项基本信息。

9.根据权利要求8所述的一种基于结构光的齿轮综合测量方法，其特征在于，所述步骤2和所述步骤3同步地进行，即，在该驱动电机驱动该齿轮装载平台转动以带动该被测齿轮同步地转动的过程中，同时通过两个该相机获取该被测齿轮反射的该结构光。

10.根据权利要求8所述的一种基于结构光的齿轮综合测量方法，其特征在于，所述步骤3中，两个该相机分别在该投影仪的上下和左右对称的两侧获取该被测齿轮反射的该结构光。