CN109341584A - 一种齿轮齿面三维形貌表征方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种实光栅投影齿轮齿面三维形貌表征方法，该方法通过面内移动光栅，为测量视场引入均匀相移，构建随机相移技术，消除相位解调过程中的失调误差，并以相位为测量特征，利用其不变性的特点，构建相位‑高度差找表，快速恢复三维测量表面，最终为构建一种快速、高精的齿轮三维轮廓测量技术提供途径。本发明方法为开展直齿轮、斜齿轮非接触测量提供了有效的途径。

Description

一种齿轮齿面三维形貌表征方法

技术领域

本发明涉及光学精密测量技术领域，具体涉及一种对齿轮齿面三维形貌进行采样的方法，具体涉及一种齿轮齿面三维形貌表征方法。

背景技术

齿轮齿面形状误差是评定齿轮制造质量的一个重要精度指标。目前齿轮测量机多采用接触式方法测量齿面形状误差。其方法采用逐点测量方式，测量效率低，可能会损伤被测面，且测量精度已很难再有突破性的提高，因此，为了应对现代工业技术发展的需求，开展齿轮非接触测量方法研究，研制非接触式齿轮快速测量装置，替代现有的接触式测量方法，实现齿面进行三维表征愈发重要。现有的三维表征技术主要是基于光学的三维测量方法，其又可分为干涉法和结构光法。干涉法通过两条相干光获得正弦条纹图，其条纹对比度好、测量精度高，但光路复杂、易受环境影响，难以实现工业现场的实时测量。最近，西安交通大学方素平教授团队以马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪为模型，研究了斜齿轮激光干涉测量系统的关键技术。该方法使用了双光楔使光线在被测齿面上大角度入射和反射，试图避免被测齿面相邻齿遮挡光线。然而，从实验上看，该方法不能完全实现齿槽空间光线的顺利传播，仅能对部分齿面进行三维表征。如果采用拼接的方法将测量扩大到整个齿面，其结果受拼接精度影响很大。

相比，基于结构光的线结构和面结构光三维测量方法应用简单、灵活的特点。线结构测量方法为被测面投射一条光刀，然后从另一个角度探测由于面形变化引起的光刀像中心的偏移，利用投射的激光光条具有高斯分布光强的特点，按照三角测量原理解析获得剖面数据。线结构测量方法一次成像可以获得一条线上所有点的高度信息。显然，为了实现整个被测面形状的测量，该方法需要添加一个一维扫描装置。因此存在的问题是：1、由于要进行扫描，所以测量速度慢；2、由于机械扫描运动，为测量系统引入了新的误差源；3、由于齿面为扭曲面，致使线结构光法无法正确提取光条中心，从而产生了测量误差。面结构光法为被测面投射面周期结构光，可以实现全场、快速测量。该方法通常使用数字视频投影仪将计算机产生的正弦条纹图投射至被测物体表面，产生变形条纹图，进而通过软件分享获得测量表面。该方法能精确、灵活地产生和控制条纹图，近年来已发展为三维轮廓测量的主流技术之一。然而目前大多数商业化的3D轮廓测量装置由于使用了投影仪，体积庞大、价格昂贵，同时必须进行复杂的gamma校正，否则会极大地降低的三维测量精度。另外，DLP投影仪由于采用了光学积分原理(整个积分过程持续数毫秒)，难以实现动态测量场合数据快速采集。基于LCD投影仪的条纹投影轮廓术，受LCD投影仪最大投射帧率(120HZ)限制，其测量速度难以进一步提高。

发明内容

本发明要提供可有效解决齿轮齿面光学、全场、非接触三维形貌表征方法，解决现有光学方法在齿轮齿面表征过程中光线传播易受遮挡、测量精度不高的问题。

为了达到本发明的目的，本发明提供的技术解决方案是：

一种面结构光齿轮齿面三维形貌表征方法，包括如下的步骤：设计结构尺寸与齿轮轮齿轴向尺寸相当的测头，将被测齿面移动至测量空间中，在被测齿面对面的齿槽空间放置一个平面镜，调整摄像机光轴与被测齿面在平面镜中像的法线平行；

第一步：将被测齿轮置于测量装置的测量空间内，应用电控装置带动光栅在光栅平面内移动，为测量视场引入均匀相移，并摄取多帧相移条纹图和存储；

第二步：应用多帧随机相移提取算法确定测量过程中引入的相移量；

第三步：结合最小二乘迭代相位解调算法提取测量相位并展开相位包裹；

第四步：在建立的相位-高度查找表的基础上，以相位为特征，实现相位-高度映射，重建齿面三维轮廓。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本专利提出通过平面镜改变光路传播方向，因此可以设计有效位置摄取变形条纹图，避免测量过程中光路遮挡问题，实现结构光正投影和变形光栅正接收。

2、通过按照在空间任意配置测头的位置方式设计测量结构，实现最优位置的数据采集，并简化相位-高度映射标定条件。

3、运用随机相移的思想，简化了苛刻的相移条件，降低了测量成本，通过条纹图数据确定引入的相移，实现了相位解调的自适应解调，并减少失调误差。

4、以测量相位为特征，通过相位高度一一对应关系实现相位-高度快速映射，对测量高度进行校正，保证了测量精度。

5、本测量装置的投影装置使用了实光栅进行投影，其结构可以做的足够小，因此可以设计有效的位置，向整个齿面正投射相移正弦条纹图。

6、本发明与线结构方法比较，提出的方法是一种全场的测量方法，无需扫描装置，且具有更高的测量精度；与干涉法相比，提出的方法结构简单，装调方便，对测量环境要求低。

7、本发明设计结构尺寸与齿轮轮齿轴向尺寸相当的测头，以及保证测量中空间任意布置，解决光学方法在齿轮齿面表征过程中光线传播易受遮挡的问题；通过随机相移的方法解决测量精度不高的问题，通过使用实光栅投影的方法，为测量光场投影高频正弦条纹图，提高测量系统的测量灵敏度。进而实现齿轮齿面轮廓全场、快速、非接触测量，并降低齿轮测量成本。

8、适用范围广：为开展直齿轮、斜齿轮非接触测量提供途径。

附图说明

图1是测量装置原理示意图；

图2是电控装置运动示意图；

图3是本发明测量装置实施的示意图；

图4是构建查找表坐标系统；

图5是相位高度一一对应关系示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明进行详细地描述。

本发明提出一种实光栅投影齿轮齿面三维形貌表征方法，该方法通过面内移动光栅，为测量视场引入均匀相移，构建随机相移技术，消除相位解调过程中的失调误差，并以相位为测量特征，利用其不变性的特点，构建相位-高度差找表，快速恢复三维测量表面，最终为构建一种快速、高精的齿轮三维轮廓测量技术提供途径。

参见图1和图2，这是公知的面结构光测量方法所用装置。其中包括：(1)一个点光源，(2)一个CCD摄像机，(3)一个置于测量面上方并能通过压电陶瓷微位移带动做面内运动的罗奇光栅。为解决齿轮齿面表征过程中光线传播易受遮挡的问题，本发明要设计结构尺寸与齿轮轮齿轴向尺寸相当(优选小于或等于)的测头。

图中：P为光栅周期，L1，L2为凸透镜，x，y面为参考面。

参见图2，齿轮设置于电控装置上，电控装置用于调整齿轮的位置。齿轮的轴向方向为坐标系Z轴，X向平行水平面，Y向垂直水平面。

测量时，参见图3，将被测齿面移动至该装置的测量空间中，在被测齿面对面的齿槽空间放置一个平面镜，调整摄像机光轴与被测齿面在平面镜中像的法线平行，以减少由于齿面面形扭曲产生的测量误差，同时调整投影装置，对被测齿面投射正弦条纹图。

一种面结构光齿轮齿面三维表征技术具体步骤如下：

第一步：运用电控装置(压电陶瓷)控制光栅在平面按照预定义的相移量产生相移运动，为测量光场引入均匀相移，并通过摄像机摄取多帧相移条纹图和存储。

此时相机观察到的条纹图光强可以表述为：

I_n(x,y)＝a(x,y)+b(x,y)cos[φ(x,y)+△_n],(n＝0,1,...,n) (1)

上式中a(x,y)，b(x,y)，φ(x,y)和△_n分别为背景、振幅、测量相位和引入的相移。

第二步：应用多帧随机相移提取算法确定测量过程中引入的相移量：

下面推导过程将省去坐标(x,y)，本实施例中以三帧条纹图为例，通过条纹图相减得：

注意到上式次级条纹图振幅不同，对其正则化得：

式中为矩阵范数运算，[X,Y]为条纹图大小。因此进行变量代换可得：

式中

对上式进一步处理得：

进而得：

因此确定的相移为：

第三步：根据上面确定的相移，运用最小二乘法相位解调算法提取测量相移，并应用典型的相移去包裹方法对其展开，获得齿面采样点的相位。该步骤可进一步简化测量过程，降低相移的使用要求。

第四步：运用查找表，以相位为特征，利用其与高度一一对应关系，结合高度插值，进行相位-高度映射，重建齿面三维轮廓，实现齿轮齿面的光学三维表征。

上述第四步中，查找表构建方法为：参见图4，图4为查找表构建的坐标系统。图中参考面安装在沿z向运动的精密位移台上。控制位移台带动参考面以预定义的位移坐步进运动，从而可建立一系列高度场；同时，在每一个高度位置，通过移动光栅依次向参考面投射相移条纹图，并采用上面第二步和第三步的方法解算该位置的相位，因此可建立相位-高度一一对应查找表。

本发明针对齿轮齿廓在其轴向尺寸小的特点，将测量结构做的足够小，以避免测量过程中齿轮轮齿对光路的遮挡。与投影数字条纹法不同，投射实光栅获得正弦条纹图的方法，虽然存在着栅距固定的缺点，但是其光栅的栅距能做的更小，可获得更高的测量灵敏度，能有效克服上述数字条纹投影方法测量精度地的缺点，实现结构紧凑化、低廉化要求。因此其原理具有发展成为齿轮齿面三维轮廓快速、高精、高分辨率测量装置的潜力。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (1)

1.一种面结构光齿轮齿面三维形貌表征方法，其特征在于，包括如下的步骤：设计结构尺寸与齿轮轮齿轴向尺寸相当的测头，将被测齿面移动至测量空间中，在被测齿面对面的齿槽空间放置一个平面镜，调整摄像机光轴与被测齿面在平面镜中像的法线平行；

第一步：将被测齿轮置于测量装置的测量空间内，应用电控装置带动光栅在光栅平面内移动，为测量视场引入均匀相移，并摄取多帧相移条纹图和存储；

第二步：应用多帧随机相移提取算法确定测量过程中引入的相移量；

第三步：结合最小二乘迭代相位解调算法提取测量相位并展开相位包裹；

第四步：在建立的相位-高度查找表的基础上，以相位为特征，实现相位-高度映射，重建齿面三维轮廓。