CN107687947B - 基于计算机视觉的谐波齿轮传动啮合特性测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于计算机视觉的谐波齿轮传动啮合特性测试系统及方法，基于计算机视觉的谐波齿轮传动啮合特性测试系统主要包括：谐波传动系统，谐波传动系统主要包括：伺服电机；联轴器；谐波减速器；磁粉制动器；图像采集系统，图像采集系统主要包括：光源、光束转折器、高速摄像机、摄像机升降台、镜头。本发明解决了传统测试系统安装和调试过程复杂、无法测试不同载荷工况下谐波齿轮传动的啮合特性等问题，可用于分析负载和驱动转速等参数对谐波齿轮传动啮合特性的影响。同时，本发明适用于不同型号的谐波减速器，具有使用简便、测试准确等优点。

Description

基于计算机视觉的谐波齿轮传动啮合特性测试系统及方法

技术领域

本发明属于谐波齿轮传动技术领域，具体地涉及基于计算机视觉的谐波齿轮传动啮合特性测试系统以及使用该系统进行测试的方法。

背景技术

谐波齿轮传动广泛应用于航天和机器人领域，其传动性能直接影响航天器和机器人的工作精度和可靠性。传统的理论和数值方法均不能准确地预测谐波齿轮传动轮齿啮合的真实运动规律，而本领域缺少相应的实验测试技术，导致谐波齿轮传动的啮合机理尚不明确，从而限制了谐波齿轮传动啮合性能的提升。

现有的谐波齿轮传动啮合特性测试方法不能分析负载对啮合特性的影响，同时实验台的安装和调试过程较为复杂。

因此，急需一种更完善的谐波齿轮传动啮合特性测试技术，来实现谐波齿轮传动真实啮合过程的高精度测试和轮齿啮合真实运动规律的精确表征。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中存在的上述技术问题。为此，本发明提出一种基于计算机视觉的谐波齿轮传动啮合特性测试系统以及使用该系统进行测试的方法，该基于计算机视觉的谐波齿轮传动啮合特性测试系统可以测试不同载荷工况下谐波齿轮传动的啮合特性，且具有安装简便、测试准确等优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于计算机视觉的谐波齿轮传动啮合特性测试系统；其包括设置在光学平台上的谐波传动系统和图像采集系统；

所述谐波传动系统包括：伺服电机、伺服电机支架、第一联轴器、谐波减速器、谐波减速器支架、第二联轴器、磁粉制动器和磁粉制动器支架；所述伺服电机安装在所述伺服电机支架上，所述伺服电机的电机轴的一端与所述第一联轴器的一端连接；所述谐波减速器安装在所述谐波减速器支架上，所述谐波减速器的一端连接所述第一联轴器的另一端，所述谐波减速器的另一端连接所述第二联轴器的一端；所述磁粉制动器安装在所述磁粉制动器支架上，所述磁粉制动器的一端连接所述第二联轴器的另一端；即所述伺服电机通过所述第一联轴器与所述谐波减速器连接，所述谐波减速器通过所述第二联轴器与所述磁粉制动器连接；所述伺服电机支架、谐波减速器支架和磁粉制动器支架设置在所述光学平台上；

所述图像采集系统包括：光源、光束转折器上反射镜、光束转折器上反射镜镜架、光束转折器下反射镜、光束转折器下反射镜镜架、光束转折器立柱、高速摄像机、摄像机升降台、镜头和镜头支架；所述光束转折器上反射镜安装在所述光束转折器上反射镜镜架的下端，所述光束转折器上反射镜镜架通过螺栓固定在光束转折器立柱上；所述光束转折器下反射镜安装在所述光束转折器下反射镜镜架的上端，所述光束转折器下反射镜镜架通过螺栓固定在光束转折器立柱上；所述高速摄像机通过螺栓固定在所述摄像机升降台上，所述镜头固定在所述镜头支架上；所述光束转折器立柱、摄像机升降台和所述镜头支架设置在所述光学平台上。

优选地，所述伺服电机支架通过螺栓与所述光学平台固定；所述谐波减速器支架通过螺栓与所述光学平台固定；所述磁粉制动器支架通过螺栓与所述光学平台固定；所述光束转折器立柱通过螺栓与所述光学平台固定；所述摄像机升降台通过螺栓与所述光学平台固定；所述镜头支架通过螺栓与所述光学平台固定。

优选地，所述伺服电机、第一联轴器、谐波减速器、第二联轴器和磁粉制动器的轴线相互重合。

优选地，所述光束转折器上反射镜镜架和所述光束转折器下反射镜镜架均可以绕所述光束转折器立柱转动，从而带动安装在其中的所述光束转折器上反射镜和所述光束转折器下反射镜绕所述光束转折器立柱转动；所述光束转折器上反射镜还可绕所述光束转折器上反射镜镜架转动，所述光束转折器下反射镜还可绕所述光束转折器下反射镜镜架转动；通过调整所述光束转折器上反射镜镜架和所述光束转折器下反射镜镜架的紧固螺栓，改变所述光束转折器上反射镜镜架和所述光束转折器下反射镜镜架在所述光束转折器立柱上的位置，保证从所述光束转折器下反射镜中观察到谐波减速器局部的啮合齿对。

优选地，调整所述摄像机升降台的高度和位置，使所述高速摄像机与所述镜头的光轴重合；调整所述光束转折器上反射镜镜架的位置，使所述高速摄像机和所述光束转折器上反射镜的光轴重合。

优选地，保证所述高速摄像机的光轴与所述谐波传动系统的轴线垂直；调整所述光源的两个激光头的位置，使其平行于所述光学平台，并分别从所述光束转折器立柱的两侧照射到所述谐波减速器局部的啮合区域，使所述光束转折器下反射镜中呈现清晰的啮合图像。

应用上述基于计算机视觉的谐波齿轮传动啮合特性测试系统的测试方法，所述测试方法包括准备阶段和测试阶段；

所述准备阶段具体包括以下步骤：

1)调整谐波传动系统中的所述伺服电机、谐波减速器和磁粉制动器的位置，使其轴线重合；

2)调整图像采集系统中的所述光束转折器上反射镜、光束转折器下反射镜、高速摄像机和镜头的位置，通过旋转所述光束转折器下反射镜镜架和所述光束转折器下反射镜，调整所述光束转折器下反射镜镜架的高度，使所述光束转折器下反射镜对准所述谐波减速器的某一个轮齿啮合区域；调整所述光束转折器上反射镜镜架的位置，使所述光束转折器上反射镜与所述光束转折器下反射镜的光轴重合；调整所述摄像机升降台和所述镜头支架的高度，使所述高速摄像机与镜头的光轴重合，并通过所述光束转折器上反射镜的圆心；

3)调整图像采集系统中所述光源的位置，使所述光源的两个激光头平行于所述光学平台，并分别从所述光束转折器立柱的两侧照射到所述谐波减速器局部的啮合区域，使所述光束转折器下反射镜中呈现清晰的啮合图像；

所述测试阶段具体包括以下步骤：

1)设置所述伺服电机和磁粉制动器的参数，使所述谐波减速器正常工作；

2)开启所述高速摄像机，并在计算机上打开配套的软件，保证两者的连接；

3)打开所述光源，调节至合适光强并照射在所述谐波减速器的轮齿啮合区域，经所述光束转折器下反射镜和所述光束转折器上反射镜的反射以及所述镜头的放大作用后，通过所述高速摄像机录制该工况下谐波减速器的完整啮合过程，录制完毕后关闭所述高速摄像机；

4)改变所述磁粉制动器和所述伺服电机的参数，重复上述工作。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过光束转换器来改变测试系统的光路，有效地解决了现有技术无法测试不同载荷工况下谐波齿轮传动啮合特性的问题；

2、本发明通过光束转折器立柱、摄像机升降台和镜头支架来调整各个光学元器件的位置，使光路系统的安装和调试过程更为方便和准确；

3、本发明通过更换谐波减速器支架并调整其他支架的位置，可以适用于不同型号的谐波减速器；

4、本发明通过调节磁粉制动器和伺服电机的参数，可以分析负载和驱动转速等参数对谐波齿轮传动啮合特性的影响。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为谐波传动系统的结构示意图；

图3为图像采集系统的结构示意图；

图中编号：

11-伺服电机，12-伺服电机支架，13-第一联轴器，14-谐波减速器，15-谐波减速器支架，16-第二联轴器，17-磁粉制动器，18-磁粉制动器支架，19-光学平台，21-光源，22-光束转折器上反射镜，23-光束转折器上反射镜镜架，24-光束转折器下反射镜，25-光束转折器下反射镜镜架，26-光束转折器立柱、27-高速摄像机、28-摄像机升降台，29-镜头、210-镜头支架。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例以及方位性的词语均是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

根据说明书附图1-3对本发明进行详细的描述。

基于计算机视觉的谐波齿轮传动啮合特性测试系统；其包括设置在光学平台19上的谐波传动系统和图像采集系统；

所述谐波传动系统包括：伺服电机11、伺服电机支架12、第一联轴器13、谐波减速器14、谐波减速器支架15、第二联轴器16、磁粉制动器17和磁粉制动器支架18；所述伺服电机11安装在所述伺服电机支架12上，所述伺服电机11的电机轴的一端与所述第一联轴器13的一端连接；所述谐波减速器14安装在所述谐波减速器支架15上，所述谐波减速器14的一端连接所述第一联轴器13的另一端，所述谐波减速器14的另一端连接所述第二联轴器16的一端；所述磁粉制动器17安装在所述磁粉制动器支架18上，所述磁粉制动器17的一端连接所述第二联轴器16的另一端；即所述伺服电机11通过所述第一联轴器13与所述谐波减速器14连接，所述谐波减速器14通过所述第二联轴器16与所述磁粉制动器17连接；所述伺服电机支架12、谐波减速器支架15和磁粉制动器支架18设置在所述光学平台19上；

所述图像采集系统包括：光源21、光束转折器上反射镜22、光束转折器上反射镜镜架23、光束转折器下反射镜24、光束转折器下反射镜镜架25、光束转折器立柱26、高速摄像机27、摄像机升降台28、镜头29和210镜头支架；所述光束转折器上反射镜22安装在所述光束转折器上反射镜镜架23的下端，所述光束转折器的上反射镜镜架23通过螺栓固定在光束转折器立柱26上；所述光束转折器下反射镜24安装在所述光束转折器下反射镜镜架25的上端，所述光束转折器下反射镜镜架25通过螺栓固定在光束转折器立柱26上；所述高速摄像机27通过螺栓固定在所述摄像机升降台28上，所述镜头29固定在所述镜头支架210上；所述光束转折器立柱26、摄像机升降台28和所述镜头支架210设置在所述光学平台19上。

所述伺服电机支架12通过螺栓与所述光学平台19固定；所述谐波减速器支架15通过螺栓与所述光学平台19固定；所述磁粉制动器支架18通过螺栓与所述光学平台19固定；所述光束转折器立柱26通过螺栓与所述光学平台19固定；所述摄像机升降台28通过螺栓与所述光学平台19固定；所述镜头支架210通过螺栓与所述光学平台19固定。

所述伺服电机11、第一联轴器13、谐波减速器14、第二联轴器16和磁粉制动器17的轴线相互重合。

所述光束转折器上反射镜镜架23和所述光束转折器下反射镜镜架25均可以绕所述光束转折器立柱26转动，从而带动安装在其中的所述光束转折器上反射镜22和所述光束转折器下反射镜24绕所述光束转折器立柱26转动；所述光束转折器上反射镜22还可绕所述光束转折器上反射镜镜架23转动，所述光束转折器下反射镜24还可绕所述光束转折器下反射镜镜架25转动；通过调整所述光束转折器上反射镜镜架23和所述光束转折器下反射镜镜架25的紧固螺栓，改变所述光束转折器上反射镜镜架23和所述光束转折器下反射镜镜架25在所述光束转折器立柱26上的位置，保证从所述光束转折器下反射镜24中观察到谐波减速器14局部的啮合齿对。

调整所述摄像机升降台28的高度和位置，使所述高速摄像机27与所述镜头29的光轴重合；调整所述光束转折器上反射镜镜架23的位置，使所述高速摄像机27和所述光束转折器上反射镜22的光轴重合。

保证所述高速摄像机27的光轴与所述谐波传动系统的轴线垂直；调整所述光源21的两个激光头的位置，使其平行于所述光学平台19，并分别从所述光束转折器立柱26的两侧照射到所述谐波减速器14局部的啮合区域，使所述光束转折器下反射镜24中呈现清晰的啮合图像。

本测试装置的工作过程如下；

测试前需要完成以下准备工作。首先调整谐波传动系统中伺服电机11、谐波减速器14和磁粉制动器17的位置，使它们的轴线重合；

然后调整图像采集系统中光束转折器上反射镜22、下反射镜24、高速摄像机27和镜头29的位置。通过旋转光束转折器下反射镜镜架25和下反射镜24，以及调整光束转折器下反射镜镜架25的高度，使光束转折器下反射镜24对准谐波减速器14的某一个轮齿啮合区域；再通过调整光束转折器上反射镜镜架23的位置，使光束转折器上反射镜22与下反射镜24的光轴重合；调整摄像机升降台28和镜头支架210的高度，使高速摄像机27与镜头29的光轴重合，并通过光束转折器上反射镜22的圆心。

最后调整图像采集系统中光源21的位置，使光源21的两个激光头平行于光学平台19，并分别从光束转折器立柱26的两侧照射到谐波减速器14局部的啮合区域，使光束转折器下反射镜24中呈现清晰的啮合图像；

完成上述准备工作后，开始进行测试。首先设置伺服电机11和磁粉制动器17的参数，伺服电机11通过第一联轴器13带动谐波减速器14旋转，谐波减速器14通过第二联轴器16带动磁粉制动器17旋转，此时谐波减速器14在给定的驱动转速和外部载荷下正常工作；

然后开启高速摄像机27，并在计算机上打开配套的软件，保证两者的连接；

接着打开光源21，调节光源21的光强并使其照射在谐波减速器14的轮齿啮合区域，经光束转折器下反射镜24和上反射镜22的反射以及镜头29的放大作用后，通过高速摄像机27录制该工况下谐波减速器14的完整啮合过程，录制完毕后关闭高速摄像机27；

最后改变磁粉制动器17和伺服电机11的参数，重复上述工作，可以得到谐波减速器14在任意工况下的啮合过程。

这里需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (7)

1.基于计算机视觉的谐波齿轮传动啮合特性测试系统，其特征在于包括：设置在光学平台上的谐波传动系统和图像采集系统；

所述谐波传动系统包括：伺服电机、伺服电机支架、第一联轴器、谐波减速器、谐波减速器支架、第二联轴器、磁粉制动器和磁粉制动器支架；所述伺服电机安装在所述伺服电机支架的一端，所述伺服电机的电机轴的一端与所述第一联轴器的一端连接；所述谐波减速器安装在所述谐波减速器支架上，所述谐波减速器的一端连接所述第一联轴器的另一端，所述谐波减速器的另一端连接所述第二联轴器的一端；所述磁粉制动器安装在所述磁粉制动器支架上，所述磁粉制动器的一端连接所述第二联轴器的另一端；即所述伺服电机通过所述第一联轴器与所述谐波减速器连接，所述谐波减速器通过所述第二联轴器与所述磁粉制动器连接；所述伺服电机支架、谐波减速器支架和磁粉制动器支架设置在所述光学平台上；

所述图像采集系统包括：光源、光束转折器上反射镜、光束转折器上反射镜镜架、光束转折器下反射镜、光束转折器下反射镜镜架、光束转折器立柱、高速摄像机、摄像机升降台、镜头和镜头支架；所述光束转折器上反射镜安装在所述光束转折器上反射镜镜架的下端，所述光束转折器上反射镜镜架通过螺栓固定在光束转折器立柱上；所述光束转折器下反射镜安装在所述光束转折器下反射镜镜架的上端，所述光束转折器下反射镜镜架通过螺栓固定在光束转折器立柱上；所述光束转折器上反射镜镜架和所述光束转折器下反射镜镜架均可绕所述光束转折器立柱转动，从而带动安装在其中的所述光束转折器上反射镜和所述光束转折器下反射镜绕所述光束转折器立柱转动；所述高速摄像机通过螺栓固定在所述摄像机升降台上，所述镜头固定在所述镜头支架上；所述光束转折器立柱、摄像机升降台和所述镜头支架设置在所述光学平台上。

2.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的谐波齿轮传动啮合特性测试系统，其特征在于：所述光束转折器立柱通过螺栓与所述光学平台固定；所述摄像机升降台通过螺栓与所述光学平台固定；所述镜头支架通过螺栓与所述光学平台固定。

3.根据权利要求2所述的基于计算机视觉的谐波齿轮传动啮合特性测试系统，其特征在于：所述伺服电机、第一联轴器、谐波减速器、第二联轴器和磁粉制动器的轴线相互重合。

4.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的谐波齿轮传动啮合特性测试系统，其特征在于：所述光束转折器上反射镜还可绕所述光束转折器上反射镜镜架转动，所述光束转折器下反射镜还可绕所述光束转折器下反射镜镜架转动；通过调整所述光束转折器上反射镜镜架和所述光束转折器下反射镜镜架的紧固螺栓，改变所述光束转折器上反射镜镜架和所述光束转折器下反射镜镜架在所述光束转折器立柱上的位置，保证从所述光束转折器下反射镜中观察到谐波减速器局部的啮合齿对。

5.根据权利要求4所述的基于计算机视觉的谐波齿轮传动啮合特性测试系统，其特征在于：调整所述摄像机升降台的高度和位置，使所述高速摄像机与所述镜头的光轴重合；调整所述光束转折器上反射镜镜架的位置，使所述高速摄像机和所述光束转折器上反射镜的光轴重合。

6.根据权利要求1所述的基于计算机视觉的谐波齿轮传动啮合特性测试系统，其特征在于：保证所述高速摄像机的光轴与所述谐波传动系统的轴线垂直；调整所述光源的两个激光头的位置，使其平行于所述光学平台，并分别从所述光束转折器立柱的两侧照射到所述谐波减速器局部的啮合区域，使所述光束转折器下反射镜中呈现清晰的啮合图像。

7.应用权利要求1所述的基于计算机视觉的谐波齿轮传动啮合特性测试系统的测试方法，所述测试方法包括准备阶段和测试阶段；

所述准备阶段具体包括以下步骤：

1)调整谐波传动系统中的所述伺服电机、谐波减速器和磁粉制动器的位置，使其轴线重合；

2)调整图像采集系统中的所述光束转折器上反射镜、光束转折器下反射镜、高速摄像机和镜头的位置，通过旋转所述光束转折器下反射镜镜架和所述光束转折器下反射镜，调整所述光束转折器下反射镜镜架的高度，使所述光束转折器下反射镜对准所述谐波减速器的某一个轮齿啮合区域；调整所述光束转折器上反射镜镜架的位置，使所述光束转折器上反射镜与所述光束转折器下反射镜的光轴重合；调整所述摄像机升降台和所述镜头支架的高度，使所述高速摄像机与镜头的光轴重合，并通过所述光束转折器上反射镜的圆心；

3)调整图像采集系统中所述光源的位置，使所述光源的两个激光头平行于所述光学平台，并分别从所述光束转折器立柱的两侧照射到所述谐波减速器局部的啮合区域，使所述光束转折器下反射镜中呈现清晰的啮合图像；

所述测试阶段具体包括以下步骤：

1)设置所述伺服电机和磁粉制动器的参数，使所述谐波减速器正常工作；

2)开启所述高速摄像机，并在计算机上打开配套的软件，保证两者的连接；

3)打开所述光源，调节至合适光强并照射在所述谐波减速器的轮齿啮合区域，经所述光束转折器下反射镜和所述光束转折器上反射镜的反射以及所述镜头的放大作用后，通过所述高速摄像机录制该工况下谐波减速器的完整啮合过程，录制完毕后关闭所述高速摄像机；

4)改变所述磁粉制动器和所述伺服电机的参数，重复上述测试阶段步骤2)和步骤3)。