CN109297412A

CN109297412A - 一种花键轴的花键端面的图像采集装置及花键检测方法

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Publication number: CN109297412A
Application number: CN201811377332.6A
Authority: CN
Inventors: 朱华炳; 王烽; 祖磊; 江磊; 毕海军; 余冬财; 高崧
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2018-11-19
Filing date: 2018-11-19
Publication date: 2019-02-01
Anticipated expiration: 2038-11-19
Also published as: CN109297412B

Abstract

本发明一种花键轴的花键端面的图像采集装置及花键检测方法。包括摄像机构、被测物支撑机构和计算机处理机构；摄像机构包括相机和相机位置调节机构，该相机位置调节机构可以实现空间上的Z、Y、X方向的移动，相机拍摄花键端面图像，计算机处理机构实现花键端面图像的处理。图像检测操作包括花键外轮廓提取、确定中心点、测量大径和小径、计算出分度圆，通过分度圆与花键轮廓的腐蚀图像相交，测量出齿厚。本发明设计合理，检测方案简单，使用方便，图像处理及测量可以使用MATLAB软件实现。本发明大大提高了花键轴的检测效率和降低检测人员的劳动强度，实现全齿厚检测；本发明的检测方法是对花键所有齿的检测，提高花键轴的检测精度。

Description

一种花键轴的花键端面的图像采集装置及花键检测方法

技术领域

本发明属于花键检测技术领域，具体涉及花键轴的花键端面的图像采集装置及花键检测方法。

背景技术

花键轴是汽车变速箱后桥等机械的动力传递零件。它的作用是与花键套配合组成花键联接实现传递机械扭矩。作为汽车的传动零件，花键轴的长径比一般在6<L/D<17，花键齿廓为渐开线，齿数多，齿形小，实现全齿检测难度大。传统检测采用的一般方法是由工人根据花键的模数选用特定直径的两个量棒卡在花键的对称齿槽，然后使用千分尺测量两个量棒的间距，既测量跨棒距，进而判断合格品与不合格品,该方法检测效率极低，且检测花键时通常仅仅测量一组跨棒距，所以不能对花键实现全齿检测，同时对于大批量的产品不能进行逐一测量，必将导致部分不合格产品漏检，进而造成产品质量不能准确控制。另一方面手工检测普遍效率较低，检测方法落后，严重浪费了人力资源，并且工人的劳动强度较大。

发明内容

为了提高检测效率和花键轴的检测准确率，同时降低检测人员的劳动强度，本发明提供一种花键轴的花键端面的图像采集装置及花键参数检测方法。

一种花键轴的花键端面的图像采集装置包括摄像机构、被测物支撑机构和计算机处理机构；

所述摄像机构包括相机和相机位置调节机构，相机位置调节机构包括X水平左右方向调节机构、Y水平前后方向调节机构和Z竖直方向调节机构；

所述被测物支撑机构包括一对V型支撑块，用于检测时，被测花键轴位于一对V型支撑块上；

所述摄像机构和被测物支撑机构均对应设于底座上；

所述计算机处理机构包括计算机，计算机通过USB线连接着相机；

用于检测时，所述相机处于Y水平前后方向调节机构的下方，所述Y水平前后方向调节机构用于调节相机与花键端面的垂直距离；所述X水平左右方向机构处于Y水平前后方向调节机构上方，所述X水平左右方向调节机构用于调节相机的纵向位置；所述Z竖直方向调节机构处于X水平左右方向调节机构的左边，Z竖直方向调节机构用于调节相机的高度；根据测量不同的长径比的花键轴，通过调节相机位置调节机构实现相机空间移动，确保相机的镜头和被测花键轴的花键齿廓端面的距离不变。

进一步限定图像采集装置的技术方案如下：

所述X水平左右方向调节机构和Y水平前后方向调节机构结构相同；包括联轴器105、导轨104、滑块103、电机106、滚珠丝杠102、限位块101，所述滚珠丝杠102的一端通过联轴器105连接着电机106的输出轴，滚珠丝杠102的另一端固定设有限位块101；所述滚珠丝杠102平行位于导轨104下方，导轨104的一端固定连接着限位块101，导轨104的另一端固定连接着电机支座107；所述滑块103设于滚珠丝杠102上，通过电机106驱动滚珠丝杠102带动滑块103实现往复移动；

所述X水平左右方向调节机构的滑块103固定设于Y水平前后方向调节机构的导轨上；

所述相机固定设于Y水平前后方向调节机构的滑块103上；

所述Z竖直方向调节机构包括Z方向电机301、立柱302、移动支杆303、齿条304和齿轮305；所述齿轮305固定设于Z方向电机301的输出轴上，Z方向电机301固定设于立柱302一侧面下部，所述齿条304与齿轮305啮合，且设于立柱302另一侧面；所述齿条304的上端固定连接着移动支杆303的一端，移动支杆303的另一端固定连接着X水平左右方向调节机构的导轨；通过Z方向电机301的驱动齿轮305带动齿条304上下往复移动，实现X水平左右方向调节机构和Y水平前后方向调节机构的同步上下移动。

所述立柱302为槽钢状，Z方向电机301位于所述槽钢的外部，所述齿条304和齿轮305位于槽钢的槽内。

基于上述花键轴的花键端面的图像采集装置的检测操作步骤如下：

（1）利用花键轴的花键端面的图像采集装置拍摄待检测花键端面，获得原始图像；

（2）在计算机中，使用MATLAB软件的图像处理功能利用加权平均法将原始图像转换成灰度图像；再采用基于图像的灰度值一阶导数的边缘检测算子提取图像轮廓，同时采用八领域法追踪封闭的轮廓边界进而实现去除噪声，获得完整的花键端面轮廓二值图像；

（3）对花键端面轮廓二值图像进行腐蚀，得到腐蚀图像；对腐蚀图像使用MATLAB软件、利用边缘检测算子提取得到花键端面外轮廓图像；将花键端面外轮廓图像和花键端面轮廓二值图像进行减法提取得到花键端面倒角圆轮廓图像；

（4）利用MATLAB软件，将矩阵形式的花键端面倒角圆轮廓图像中值为1的行例值转化为平面直角坐标系中的x轴的数值和y轴的数值；再采用最小二乘法将平面直角坐标系中的坐标数值拟合成完整的精确的倒角圆，并得到倒角圆的圆心坐标数值；

（5）利用MATLAB软件，采用二维欧式距离法计算所述倒角圆的圆心与花键外轮廓上任意点之间的坐标距离，得到一组倒角圆的圆心到花键外轮廓上任意点之间距离的距离数值，根据一组距离数值中的最大值和最小值得出花键的最大半径和最小半径，并根据得到的最大半径和最小半径由花键计算公式得到花键的分度圆的半径数值；

（6）在计算机中，将花键的分度圆与花键端面轮廓腐蚀图像的重合部分的交点坐标转化为极坐标，采用极坐标弧长公式计算得到花键的齿厚；

（7）根据所得花键的最大半径、最小半径、齿厚与标准花键参数对比，与标准花键参数不一致为不合格的产品。

进一步限定检测操作的技术方案如下：

所述步骤（2）中，所述边缘检测算子为ROBERT算子，ROBERT算子的敏感阀值设置为0.4。

所述步骤（2）中，所述八领域法去除噪声原理是提取以需要检测的像素为中心的正四边形，通过判断正方形的像素值是否小于3，如果小于3判定该像素为噪声，并去除。

所述步骤（3）中，所述腐蚀是完全填充轮廓内部黑色区域，选取的结构元素为平面钻石形状的结构化元素，其结构元素参数R的数值为2<R<6。

腐蚀是一种数学形态学处理方法，其效果是消除连通区域的边界点，使边界向内收缩的处理，收缩的多少由选取的结构元素决定。在本发明中，腐蚀处理要达到的腐蚀效果为，完全填充轮廓内部黑色区域。作为本发明的优选方案，选取的结构元素为平面钻石形状的结构化元素，其结构元素参数R的选取和要达到的腐蚀效果有关，通过实验表明，当结构元素参数2<R<6时能达到较好的腐蚀效果，否则轮廓区域内部不能完全实现填充。

所述步骤（3）中，所述边缘检测算子为ROBERT算子，ROBERT算子的敏感阀值设置为0.8。

所述步骤（3）中，所述减法提取为差分运算，在MATLAB软件中imsubtract函数实现将花键端面外轮廓图像和花键端面轮廓二值图像进行减法运算，消除掉相同位置的像素点，得到花键端面倒角圆轮廓图像。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

1. 本发明的检测方法大大提高了花键轴的检测效率和降低检测人员的劳动强度，本方法检测花键可以实现全齿厚检测，同时对31齿的花键检测时间在1分钟以内完成，如果使用人工的跨棒距检测方法检测31个齿的花键需要测量16组跨棒距，将要花费大概7-8分钟。

2.本发明的检测方法是对花键所有齿的检测，可以提高花键轴的检测精度，实验表明对同一批次的10根半轴进行检测其中一根齿厚不合格，本方法可以检测出其中一根的一个齿的齿厚不标准，而通过跨棒距检测却全部合格。

3.本发明的检测方法在图像处理中使用最小二乘法拟合倒角圆，将大大纠正由于光线原因造成倒角圆畸变的情况，提高后续测量花键大径和小径的精度，进而实现本发明的检测精度与实际工件尺寸相近。

4.本发明一种花键轴的花键齿廓的图像采集装置设计合理，结构简单，检测操作方便可靠。

附图说明

图1为本发明图像采集装置结构示意图；

图2为X水平左右方向调节机构示意图；

图3 为Z竖直方向调节机构示意图；

图4为Z竖直方向调节机构剖视图；

图5为图像检测流程图；

图6为原始图像；

图7为花键端面轮廓二值图像；

图8为花键端面轮廓腐蚀图像；

图9为花键端面外轮廓图像；

图10为倒角圆拟合图像；

图11为花键齿的最大径和最小径拟合图像；

图12为分度圆与花键端面腐蚀图像相交图像。

上图1-图4中的序号：X水平左右方向调节机构1、Y水平前后方向调节机构2、Z竖直方向调节机构3、相机4、底座5、V型支撑块6、限位块101、滚珠丝杠102、滑块103、导轨104、联轴器105、电机106、电机支座107、轴承支座108、Z方向电机301、立柱302、移动支架303、齿条304、齿轮305。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例：

参见图1，一种花键轴的花键端面的图像采集装置包括摄像机构、被测物支撑机构和计算机处理机构。

摄像机构包括相机3和相机位置调节机构，相机位置调节机构包括X水平左右方向调节机构1、Y水平前后方向调节机构2和Z竖直方向调节机构3。

参见图2，X水平左右方向调节机构1和Y水平前后方向调节机构2结构相同。包括联轴器105、导轨104、滑块103、电机106、滚珠丝杠102和限位块101。滚珠丝杠102的一端通过联轴器105连接着电机106的输出轴，滚珠丝杠102的另一端固定安装有限位块101。滚珠丝杠102平行位于导轨104下方，导轨104的一端固定连接着限位块101，导轨104的另一端固定连接着电机支座107。滑块103安装于滚珠丝杠102上，通过电机106驱动滚珠丝杠102带动滑块103实现往复移动。

参见图1，X水平左右方向调节机构1的滑块103固定安装于Y水平前后方向调节机构2的导轨上；相机3固定安装于Y水平前后方向调节机构2的滑块103上。

参见图3和图4，Z竖直方向调节机构包括Z方向电机301、立柱302、移动支杆303、齿条304和齿轮305。立柱302为槽钢状，Z方向电机301固定安装于槽钢的外部，齿条304和齿轮305位于槽钢的槽内，且齿条304与齿轮305啮合；齿轮305固定安装于Z方向电机301的输出轴上。齿条304的上端固定连接着移动支杆303的一端，移动支杆303的另一端固定连接着X水平左右方向调节机构的导轨。通过Z方向电机301的驱动齿轮305带动齿条304上下往复移动，实现X水平左右方向调节机构和Y水平前后方向调节机构的同步上下移动。

参见图1，被测物支撑机构包括一对V型支撑块6，摄像机构和被测物支撑机构均对应安装在底座5上。用于检测时，被测花键轴位于一对V型支撑块6上。

计算机处理机构包括计算机，计算机通过USB线连接着相机3。

基于上述花键轴的花键端面的图像采集装置的检测操作如下：

本实施例以测量型号为D896-2HRH3F13001的汽车半轴为对象，其花键的标准参数为模数m=1.667mm，齿数31，压力角30^o，变位系数为0.8mm，大径54.667⁰ _-0.19mm，小径为51⁰ _-0.46mm，量棒直径3mm，通过千分尺测量的一组跨棒距为57.902mm。相机的像元尺寸3.2*3.2um。

首先，将待检测汽车花键半轴放置在一对V型支撑块6上。

参见图5，具体检测操作步骤如下：

步骤（1），参见图6花键端面的图像采集装置，当测量同一批次半轴零件时需要调节相机与第一根半轴的相对位置，首先控制X水平左右方向调节机构和Z竖直方向调节机构移动进而实现相机左右上下移动，使相机的镜头中心对准花键端面中心，并通过控制Y水平前后方向调节机构的移动使相机焦距对准花键端面进行拍摄，获得原始图像，如图7所示。

步骤（2），将原始图像导入计算机，利用MATLAB软件图像处理功能将原始图像转换成灰度图像，根据灰度图像的灰度值，利用边缘检测算子——ROBERT算子提取图像轮廓，ROBERT算子的敏感阀值设置为0.4，采用八领域法去除提取图像轮廓中的噪声获得完整的花键端面轮廓二值图像。八领域法去除噪声原理是提取以需要检测的像素为中心的正四边形，通过判断正方形的像素值是否小于3，如果小于3判定该像素为噪声，并去除。如图7所示，花键端面轮廓二值图像。

步骤（3），通过MATLAB软件对上述步骤花键端面轮廓二值图像进行腐蚀处理获得花键端面轮廓腐蚀图像，如图8所示。通过对腐蚀的图像再利用ROBERT算子进行一次轮廓提取，此次ROBERT算子的敏感阀值设置为0.8，获得花键端面外轮廓图像，如图9所示。在MATLAB软件中对步骤（2）得到花键端面轮廓二值图像与花键外轮廓作图像减法运算，消去花键端面轮廓二值图像中的花键外轮廓得到倒角圆图像。本步骤通过一系列的图像运算处理分别得到花键端面外轮廓图像和花键端面倒角圆轮廓图像。

图像减法也称差分运算，可以实现两幅相同像素的图像的对应像素点相消。在MATLAB软件中imsubtract函数可以实现图像减法运算，本发明中将花键端面外轮廓图像和花键端面轮廓二值图像进行减法运算，可以消掉相同位置的像素点得到花键端面倒角圆轮廓图像。

步骤（4），利用MATLAB软件，将矩阵形式的花键端面倒角圆轮廓图像中值为1的行例值转化为平面直角坐标系中的x轴的数值和y轴的数值；再采用最小二乘法将平面直角坐标系中的坐标数值拟合成完整的精确的倒角圆，并得到倒角圆的圆心坐标数值（540,572），此倒角圆的圆心也是花键加工的基准，倒角圆拟合图像，如图10所示。

步骤（5），利用MATLAB软件，采用二维欧式距离法计算所述倒角圆的圆心与花键外轮廓上任意点之间的坐标距离，其中最大值为54.523mm作为大径、最小值作为小径50.815mm，花键齿的最大径和最小径拟合图像，如图11所示；并根据得到的大径和小径由花键计算公式得到花键的分度圆的半径数值51.452mm；

步骤（6），在MATLAB软件中，调运imadd函数将花键的分度圆与花键端面腐蚀图像进行叠加运算，得到花键的分度圆与花键端面腐蚀图像的合成图，将重合部分的交点坐标转化为极坐标，根据极坐标的弧长公式可以计算弧长最大值4.058mm，最小值为3.998，所以得到最大齿厚为4.058mm，最小齿厚3.998mm，分度圆与花键轮廓腐蚀图像，如图12所示。

步骤（7），本方法检测得到的花键参数为大径54.523mm、小径50.815mm、齿厚4.058mm-3.998mm，与标准花键参数对比，满足标准参数范围因此为合格产品。

根据实际跨棒距测量法测得跨棒距为57.902mm为合格，与本方法测量结果相同。

Claims

1.一种花键轴的花键端面的图像采集装置，其特征在于：包括摄像机构、被测物支撑机构和计算机处理机构；

所述摄像机构和被测物支撑机构均对应设于底座上；

2.根据权利要求1所述的一种花键轴的花键端面的图像采集装置，其特征在于：所述X水平左右方向调节机构和Y水平前后方向调节机构结构相同；包括联轴器（105）、导轨（104）、滑块（103）、电机（106）、滚珠丝杠（102）、限位块（101），所述滚珠丝杠（102）的一端通过联轴器（105）连接着电机（106）的输出轴，滚珠丝杠（102）的另一端固定设有限位块（101）；所述滚珠丝杠（102）平行位于导轨（104）下方，导轨（104）的一端固定连接着限位块（101），导轨（104）的另一端固定连接着电机支座（107）；所述滑块（103）设于滚珠丝杠（102）上，通过电机（106）驱动滚珠丝杠（102）带动滑块（103）实现往复移动；

所述X水平左右方向调节机构的滑块（103）固定设于Y水平前后方向调节机构的导轨上；

所述相机固定设于Y水平前后方向调节机构的滑块（103）上；

所述Z竖直方向调节机构包括Z方向电机（301）、立柱（302）、移动支杆（303）、齿条（304）和齿轮（305）；所述齿轮（305）固定设于Z方向电机（301）的输出轴上，Z方向电机（301）固定设于立柱（302）一侧面下部，所述齿条（304）与齿轮（305）啮合，且设于立柱（302）另一侧面；所述齿条（304）的上端固定连接着移动支杆（303）的一端，移动支杆（303）的另一端固定连接着X水平左右方向调节机构的导轨；通过Z方向电机（301）的驱动齿轮（305）带动齿条（304）上下往复移动，实现X水平左右方向调节机构和Y水平前后方向调节机构的同步上下移动。

3.根据权利要求1所述的一种花键轴的花键端面的图像采集装置，其特征在于：所述立柱（302）为槽钢状，Z方向电机（301）位于所述槽钢的外部，所述齿条（304）和齿轮（305）位于槽钢的槽内。

4.基于权利要求1-3所述一种花键轴的花键端面的图像采集装置的检测方法，其特征在于检测操作步骤如下：

（6）在计算机中，将花键的分度圆与花键端面外轮廓的重合部分的交点坐标转化为极坐标，采用极坐标弧长公式计算得到花键的齿厚；

5.根据权利要求4所述的的检测方法，其特征在于：所述步骤（2）中，所述边缘检测算子为ROBERT算子，ROBERT算子的敏感阀值设置为0.4。

6.根据权利要求4所述的的检测方法，其特征在于：所述步骤（2）中，所述八领域法去除噪声原理是提取以需要检测的像素为中心的正四边形，通过判断正方形的像素值是否小于3，如果小于3判定该像素为噪声，并去除。

7.根据权利要求4所述的的检测方法，其特征在于：所述步骤（3）中，所述腐蚀是完全填充轮廓内部黑色区域，选取的结构元素为平面钻石形状的结构化元素，其结构元素参数R的数值为2<R<6。

8.根据权利要求4所述的的检测方法，其特征在于：所述步骤（3）中，所述边缘检测算子为ROBERT算子，ROBERT算子的敏感阀值设置为0.8。

9.根据权利要求4所述的的检测方法，其特征在于：所述步骤（3）中，所述减法提取为差分运算，在MATLAB软件中imsubtract函数实现将花键端面外轮廓图像和花键端面轮廓二值图像进行减法运算，消除掉相同位置的像素点，得到花键端面倒角圆轮廓图像。