CN109447971B - 一种摆线齿轮型线误差精确提取及关键形位精度快速分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种摆线齿轮型线误差精确提取及关键形位精度快速分析方法，采用变倍率测量手段、全景测量视场和精确测量视场的综合使用，来实现摆线齿轮齿廓和安装孔位置精度检测路径规划，依据检测路径依次完成安装孔轮廓提取、工件坐标系的精确建立、齿廓轮廓提取，并通过图像数据处理获得各项轮廓坐标点，进而得到摆线齿轮齿廓型线误差和安装孔位置误差。

Description

一种摆线齿轮型线误差精确提取及关键形位精度快速分析 方法

技术领域

本发明属于复杂型线类工件的精密测量领域，具体涉及一种摆线齿轮型线误差精确提取及关键形位精度快速分析的方法。

背景技术

摆线针轮减速器具有体积小，传动比大等优势，其在纺织、冶金、机械、矿山、化工等行业有广泛的应用。而摆线齿轮是摆线针轮行星传动装置的关键零件，其生产质量在很大程度上依赖于检测手段。与此同时，摆线齿轮还是影响机器人关节减速器性能的重要部件，在运行过程中，其摆线齿廓与标准针轮处于多齿无隙啮合状态，有一半的针齿同时推动摆线齿轮运动，属于过定位状态。因此，若摆线齿轮齿廓的误差较大，会使得减速器在运行过程中偏离设计轨迹，并产生较大磨损，伴随着高温和更大的噪声，将极大地影响减速器的精度和寿命。摆线齿轮型线误差和关键形位误差的精确测量可以保证其加工精度，从而提高关节臂的运动精度和运行稳定性。

目前的检测方法中有接触式测量和非接触测量，其中接触式测量的精度很高，但是测量设备成本高、检测效率低，有可能会对被测零件造成损伤，并且无法进行快速大批量检测。非接触测量是近几年齿轮检测技术的趋势，其检测效率高，通过使用合理的测量系统和测量方法，可以提高其检测精度，从而使非接触测量的方式成为较为普及的方法。

中国专利“一种微小模数齿轮的测量方法”(201711159876.0)中，测量对象是小模数齿轮，使用的图像采集设备白光干涉仪价格昂贵，但仅用于测量轮廓边缘，没有充分利用设备。在测量精度方面，尽管其测量物体表面的精度达到0.01nm，但测量小模数齿轮的精度仅与CCD摄像机的像素以及CCD的尺寸有关，所以其精度甚至远远达不到1nm。最后测量中仍采用手动对焦。

发明内容

本发明的目的在于提供一种摆线齿轮型线误差精确提取及关键形位精度快速分析方法，可以实现对摆线齿轮的齿廓、关键安装孔位以及其他各单项误差项目的自动检测和评价(评价指的是对通过检测采集的数据进行分析，计算出误差值)。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种摆线齿轮型线误差精确提取及关键形位精度快速分析方法，包括以下步骤：

1)在全景测量视场下规划摆线齿轮齿廓误差和安装孔位置精度检测路径；

2)依据所述检测路径对安装孔轮廓以及齿廓边缘进行图像采集，通过图像数据处理提取获得安装孔轮廓以及齿廓边缘精确位置坐标信息(即齿廓测量曲线)；

3)根据安装孔轮廓精确位置坐标信息计算安装孔位置误差；

4)将齿廓边缘精确位置坐标信息与理论数据进行匹配，然后计算齿廓型线误差。

优选的，所述检测路径的规划包括以下步骤：

1.1)建立图像采集所用光学测头的工件坐标系；

1.2)根据工件坐标系确定各安装孔轮廓以及齿廓边缘全局位置坐标信息；

1.3)根据各安装孔轮廓的全局位置坐标信息制定精确测量过程中各安装孔轮廓的检测顺序；

1.4)根据齿廓边缘全局位置坐标信息，在齿廓的边缘上选取一定位置处的多个精确测量视场下的采样点。

优选的，所述步骤1)还包括以下步骤：对通过图像采集和处理而提取的摆线齿轮轮廓数据进行整圆判断，从而确定安装孔位置。

优选的，所述步骤4)中，匹配包括粗匹配和精匹配两个步骤；

所述粗匹配具体包括以下步骤：以齿廓的内切圆和外切圆的半径和的一半为半径画圆，使其与齿廓测量曲线有两个交点，将圆心和两个交点分别连接，做出两条连线所构成角的角平分线，以圆心为旋转中心旋转齿廓测量曲线，使其角平分线和齿廓理论曲线的角平分线重合，即完成了粗匹配；

所述精匹配具体包括以下步骤：首先找到所述两条连线所构成角的角平分线和齿廓测量曲线的交点，将该交点作为中心特征点，通过平移齿廓测量曲线将中心特征点平移到理论齿廓顶点处，并以该点作为中心，再进行旋转匹配。

优选的，所述精匹配中，求函数

的值，当F取得最小时，即处于最佳旋转角度，i取1到n，n表示选取的特征点个数，齿廓测量曲线和理论曲线对应特征点的坐标分别为(x_i,y_i)和(x′_i,y′_i)。

优选的，所述步骤4)中，齿廓型线误差的计算具体包括以下步骤：将齿廓理论曲线进行密集插值后找到与齿廓测量曲线所对应的各点，然后计算齿廓误差。

一种摆线齿轮型线误差精确提取及关键形位精度快速分析装置，包括三轴测量平台以及计算机，所述三轴测量平台包括在XY二维坐标系下运动的载物台以及与载物台相对设置的基于CCD图像传感器和调焦镜头的Z轴光学测头，所述计算机包括图像处理与分析模块，该模块包括检测路径规划子模块、数据测量子模块、安装孔位置误差计算子模块以及齿廓型线误差计算子模块；

所述检测路径规划子模块用于执行所述步骤1)；

所述数据测量子模块用于执行所述步骤2)；

所述安装孔位置误差计算子模块用于执行所述步骤3)；

所述齿廓型线误差计算子模块用于执行所述步骤4)。

本发明的有益效果体现在：

本发明通过粗定位确定被测要素粗略位置，作为精确图像采集的坐标指示；被测要素的精确基准坐标用于误差分析，对图像要求低，处理方便，快速，适合生产线摆线齿轮工件的快速精密检测与分析，适用性更广，可以满足机器人关节减速器快速精密检测与分析的需求，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为三轴测量平台结构示意图；其中：Z轴滑板1、上光源2、下光源3、Y轴导轨4、X轴滑板5、载物台6、光学镜头7、CCD图像传感器8。

图2为三轴测量平台自动调焦过程；其中：(a)调焦前，(b)求边缘灰度梯度并调焦，(c)调焦后。

图3为低倍(全景视场)下传感器采集并经处理所得的齿轮轮廓图像。

图4为整圆判断确定的安装孔位置。

图5为高倍(精确视场)下传感器的齿廓采样点。

图6为高倍下传感器测量路径。

图7为高倍下传感器测量齿廓时两相邻采样点的图像；其中：(a)在某选定测量点处图像，(b)在下一测量点处图像。

图8为齿廓粗匹配。

图9为齿廓误差的计算算法流程图。

图10为安装孔加工误差的判断。

图11为本发明总体流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

参见图11，本发明在一台光学快速检测三轴测量平台基础上，采用变倍率自动路径规划方法实现摆线齿轮齿廓和安装孔位置精度检测，检测过程依次完成全景测量视场下齿轮图像采集，安装孔轮廓、齿廓轮廓提取，自动路径规划，精确测量视场下采集齿轮图像(按照路径规划采集)，并通过图像数据处理技术获得各项轮廓坐标点，根据提取的安装孔轮廓位置坐标分析计算安装孔位置误差并完成工件坐标系的精确建立，根据提取的齿廓轮廓位置坐标进行特征点粗匹配以及精匹配，利用数据点密集插值求解得到摆线齿轮齿廓型线误差，输出所测加工误差。

参见图1，所述光学快速检测三轴测量平台由光学测头、光源、三直线运动轴结构、运动控制部件以及计算机组成。三直线运动轴结构包括X、Y、Z三个轴，并分别配有高精度光栅尺，用于对应轴直线运动反馈控制。光学测头配备高分辨率CCD图像传感器8以及Z轴可调焦光学镜头7(利用调焦电机调焦)。载物台6采用高强度的平板玻璃，安装于Y轴导轨4上，Y轴导轨4安装于X轴滑板5上，电机驱动丝杠带动载物台6在XY二维坐标系下运动。Z轴导轨安装于测量平台立柱上，光学测头通过Z轴滑板1安装于Z轴导轨上，传感器电机驱动丝杠带动Z轴滑板1运动，可实现光学测头的上、下移动。光源由平行光下光源3、环形照明光上光源2组成。平行光下光源3安装于载物台下方，与Z轴可调焦光学镜头7同轴，提供轮廓提取(精确测量视场)背景光。环形照明光上光源2安装于Z轴可调焦光学镜头7外圈，当拍摄工件整体外形时(全景测量视场)提供照明光，对于工件不透光的局部加工轮廓(精确测量视场)也采用环形照明光上光源2提供照明光。所述摆线齿轮齿廓和安装孔位置精度检测由计算机自动完成。

在开始测量前，应用精确刻蚀样板对全景测量视场和精确测量视场进行测头标定，并统一两个测量视场的坐标系。然后将摆线齿轮放置在载物台6上，打开光源和Z轴可调焦光学镜头7，通过粗调和细调两步调整好镜头焦距，粗调作用是为细调确定调节区间，最终目的是获得摆线齿轮全貌以及局部的清晰成像，即两个视场下的测量前Z轴可调焦光学镜头7都需要利用粗调和细调进行调焦。

参见图2，首先进行粗调(传感器电机)，将镜头调至最低点，然后以较快速度上移，取样间隔较大，得到最佳物距所在的范围。然后进行细调(调焦电机)，在最佳物距范围之内减小取样间隔，继续采样。在每个取样点处采集一次图像并进行灰度梯度计算和边缘检测(首先计算灰度梯度，将图像中灰度梯度最大的地方当作边缘，即完成边缘检测)，对于采样结果取灰度梯度的导数值最大时的镜头位置为最终调焦位置，当取到最大导数值时，就是图像最清晰的时候，即焦距调整完毕(对焦完毕)。

开始测量时，首先打开环形照明光上光源2，在全景测量视场中拍摄摆线齿轮工件的全貌，对所采集的图像进行灰度和二值化处理，得到如图3所示的摆线齿轮轮廓。在图3基础上，通过群圆特征提取分析，获得安装孔中心点坐标位置，通过各安装孔(除安装孔外，摆线齿轮上还存在减重工艺孔，但工艺孔的尺寸不需要进行检测)的相对位置关系，即可在光学测头视场中建立工件坐标，从而完成被测关键要素(指各安装孔)位置坐标的粗定位。根据各要素的位置规划出安装孔精度的测量路经，随后在精确测量视场下依照该测量路径规划展开测量操作。

参见图4，在轮廓提取过程中，需对提取数据进行整圆判断，即提取轮廓与拟合圆在某一段圆弧的偏差大于阈值的情况下，判断该轮廓要素不是安装孔。这样可以有效预防减重工艺孔的误检测。

参见图6，根据规划出的安装孔测量路经，安装孔精确视场下的检测顺序是：从中心安装孔开始测量，然后沿逆时针方向依次检测其他安装孔。以中心安装孔为例，根据粗测(粗定位)得到中心安装孔位置坐标，利用X、Y轴运动使该孔边缘进入光学测头视场内，镜头经过粗调和细调后采集中心安装孔轮廓局部清晰图像，并提取安装孔对应轮廓位置坐标。轮廓位置坐标提取后即可对中心安装孔进行分析计算，获得其直径、圆度、位置度等相关精度信息。

如图10所示，将除中心安装孔外其余四个安装孔中相对的两孔的圆心相连，计算安装孔位垂直度误差。具体步骤为：为求上、下两安装孔圆心间的连线和左、右两安装孔圆心间的连线存在的相位关系，首先需要确定圆心的坐标点，使用最小二乘法圆拟合求出四个安装孔的圆心坐标，再通过一系列坐标转换，将四个安装孔的圆心坐标转换到工件坐标系下。令四个安装孔以上下左右的顺序，圆心坐标依次为S(x_cs,y_cs),X(x_cx,y_cx),Z(x_cz,y_cz),Y(x_cy,y_cy)。上下两孔与左右两孔，其圆心的连线交点存在一个相位关系，在实际测量(精确视场)，圆心位置和所取坐标系有偏差，即圆心不在坐标轴上，依次为S’、X’、Z’、Y’，其相位关系即为图10中所示的β值，求解其误差，即计算孔组连线间的角度值与90度垂直关系的误差。同时，根据拟合得到的各圆心，可以完成工件坐标系的精确建立。

参见图5，在粗测(粗定位)的图像上找到齿廓边缘之后，在齿廓边缘上选取高倍(精确视场)采样点，采样点的间隔小于高倍视场的大小，该间隔的设定需保证高倍下采集的数据图像可以进行拼接，确定高倍采样点后即完成了齿廓测量路径的自动规划(在高倍视场下，至少应包括两个采样点，以保证可以进行后续图像拼接)。在高倍下，运动控制部件驱动电机带动光学测头按照所规划的测量路径在所选的高倍采样点处进行采样，采集得到如图7所示的高倍下齿轮边缘图像，经过图像处理提取得到更为精确的边缘坐标信息，拼接后即得到完整的精确齿廓边缘(一个齿廓)，对边缘进行插值得到亚像素精度边缘。

对获得的齿廓测量数据，通过特征匹配算法获得齿廓加工误差。该特征匹配算法包括粗匹配和精确匹配以及计算误差三步。

进行粗匹配时，以齿廓的内切圆和外切圆的半径和的一半为半径画圆，使其与齿廓有两个交点，圆心(中心安装孔的圆心)和两个交点分别连接，并计算所得两条连线所构成角的角平分线。以圆心(中心安装孔的圆心)为旋转中心旋转齿廓测量曲线，使其角平分线和理论曲线的角平分线重合，即完成了粗匹配，参见图8。

进行精匹配时，首先找到角平分线和齿廓的交点，将其作为中心特征点，通过平移齿廓将该中心特征点平移到理论齿廓顶点处。以该中心特征点为中心，向齿廓两侧延伸，每隔相同的距离取一个特征点，测量和理论曲线取相同的特征点数，这些特征点的坐标分别为(x_i,y_i)和(x_i',y_i')，其中i取1到n。以中心特征点为旋转中心，将测量曲线进行旋转，求函数

的值，当F最小时，即处于最佳旋转角度，该角度即为计算齿廓误差的最终角度。

参见图9，将理论数据进行密集插值，找到与测量数据所对应的各点，计算其齿廓误差。具体为：取第1个测量点的对应点时，将插值后的理论曲线的第1个点和第1个测量点连接，并将理论曲线的第2个点和第1个点连接，若这两条直线垂直，则其斜率乘积k₁×k₂＝-1，若刚好满足，则开始寻找下一个测量点的对应点，否则，将第2个理论点和第1个测量点连接，并将第3个理论点和第2个理论点连接，其斜率分别为k′₁和k′₂，若[k₁k₂-(-1)]·[k′₁k′₂-(-1)]<0(即发生了变号)，则说明和第1个测量点对应的理论点在第1个理论点和第2个理论点之间(由于密集插值时所取间隔很小，因此可以近似认为第2个理论点即为第1个测量点的对应点)，否则继续向下寻找，直至找到所有测量点的对应理论点。

当寻找到测量点(x_chi,y_chi)的对应理论点(x_kj′,y_kj′)之后，求出法向距离的绝对值为：

鉴于轮廓度的误差存在正负号，因此需要进行判断，若测量点的纵坐标与对应点的纵坐标之差为负，则p(i)亦为负，反之，p(i)为正。

随后利用比大小的算法，若p(i)大于最大值，则将当前p(i)赋予最大值Pmax；若p(i)小于最小值，则将当前p(i)赋予最小值Pmin。当第一次找到对应点时，将此时的p(i)同时赋予最大值与最小值完成初始化。

最终，齿廓的轮廓度误差P为：

P＝Pmax-Pmin

本发明具有以下优点：

1)本发明使用的图像采集设备是光学测量镜头，价格便宜。

2)本发明使用CCD图像传感器(例如，500w像素)，可取得高精度检测结果。

3)本发明采用自动对焦，对焦速度更快且更加准确。

4)本发明也适用于如小模数直齿轮，钣金等其他工件的精密检测。

5)本发明采用计算机自动控制测量过程，测量精度高、测量速度快，并且操作简单，对操作人员的专业要求低。

Claims (6)

1.一种摆线齿轮型线误差精确提取及关键形位精度快速分析方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)在全景测量视场下规划摆线齿轮齿廓误差和安装孔位置精度检测路径；

2)依据所述检测路径对安装孔轮廓以及齿廓边缘进行图像采集，通过图像数据处理提取获得安装孔轮廓以及齿廓边缘精确位置坐标信息，齿廓边缘精确位置坐标信息即为齿廓测量曲线；

3)根据安装孔轮廓精确位置坐标信息计算安装孔位置误差；

4)将齿廓边缘精确位置坐标信息与理论数据进行匹配，然后计算齿廓型线误差；

所述步骤4)中，匹配包括粗匹配和精匹配两个步骤；

所述粗匹配具体包括以下步骤：以中心安装孔的圆心为圆心，以齿廓的内切圆和外切圆的半径和的一半为半径画圆，使其与齿廓测量曲线有两个交点，将圆心和两个交点分别连接，做出两条连线所构成角的角平分线，以圆心为旋转中心旋转齿廓测量曲线，使其角平分线和齿廓理论曲线的角平分线重合，即完成了粗匹配；

所述精匹配具体包括以下步骤：首先找到所述两条连线所构成角的角平分线和齿廓测量曲线的交点，将该交点作为中心特征点，通过平移齿廓测量曲线将中心特征点平移到理论齿廓顶点处，并以该点作为中心，再进行旋转匹配。

2.根据权利要求1所述一种摆线齿轮型线误差精确提取及关键形位精度快速分析方法，其特征在于：所述检测路径的规划包括以下步骤：

1.1)建立图像采集所用光学测头的工件坐标系；

1.2)根据工件坐标系确定各安装孔轮廓以及齿廓边缘全局位置坐标信息；

1.3)根据各安装孔轮廓的全局位置坐标信息制定精确测量过程中各安装孔轮廓的检测顺序；

1.4)根据齿廓边缘全局位置坐标信息，在齿廓的边缘上选取一定位置处的多个精确测量视场下的采样点。

3.根据权利要求1所述一种摆线齿轮型线误差精确提取及关键形位精度快速分析方法，其特征在于：所述步骤1)还包括以下步骤：对通过图像采集和处理而提取的摆线齿轮轮廓数据进行整圆判断，从而确定安装孔位置。

4.根据权利要求1所述一种摆线齿轮型线误差精确提取及关键形位精度快速分析方法，其特征在于：所述精匹配中，求函数

的值，当F取得最小时，即处于最佳旋转角度，i取1到n，n表示选取的特征点个数，齿廓测量曲线和理论曲线对应特征点的坐标分别为(x_i,y_i)和(x'_i,y'_i)。

5.根据权利要求1所述一种摆线齿轮型线误差精确提取及关键形位精度快速分析方法，其特征在于：所述步骤4)中，齿廓型线误差的计算具体包括以下步骤：将齿廓理论曲线进行密集插值后找到与齿廓测量曲线所对应的各点，然后计算齿廓误差。

6.一种摆线齿轮型线误差精确提取及关键形位精度快速分析装置，其特征在于：包括三轴测量平台以及计算机，所述三轴测量平台包括在XY二维坐标系下运动的载物台(6)以及基于CCD图像传感器(8)和调焦镜头的Z轴光学测头，调焦镜头与载物台(6)相对设置，所述计算机包括图像处理与分析模块，该模块包括检测路径规划子模块、数据测量子模块、安装孔位置误差计算子模块以及齿廓型线误差计算子模块；

所述检测路径规划子模块用于在全景测量视场下规划摆线齿轮齿廓误差和安装孔位置精度检测路径；

所述数据测量子模块用于依据所述检测路径对安装孔轮廓以及齿廓边缘进行图像采集，通过图像数据处理提取获得安装孔轮廓以及齿廓边缘精确位置坐标信息，齿廓边缘精确位置坐标信息即为齿廓测量曲线；

所述安装孔位置误差计算子模块用于根据安装孔轮廓精确位置坐标信息计算安装孔位置误差；

所述齿廓型线误差计算子模块用于将齿廓边缘精确位置坐标信息与理论数据进行匹配，然后计算齿廓型线误差；

匹配包括粗匹配和精匹配两个步骤；

所述粗匹配具体包括以下步骤：以中心安装孔的圆心为圆心，以齿廓的内切圆和外切圆的半径和的一半为半径画圆，使其与齿廓测量曲线有两个交点，将圆心和两个交点分别连接，做出两条连线所构成角的角平分线，以圆心为旋转中心旋转齿廓测量曲线，使其角平分线和齿廓理论曲线的角平分线重合，即完成了粗匹配；

所述精匹配具体包括以下步骤：首先找到所述两条连线所构成角的角平分线和齿廓测量曲线的交点，将该交点作为中心特征点，通过平移齿廓测量曲线将中心特征点平移到理论齿廓顶点处，并以该点作为中心，再进行旋转匹配。

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