CN111189408A - 一种投影莫尔齿轮齿面三维测量装置和测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种投影莫尔齿轮齿面三维测量装置和测量方法，该装置包括点光源，点光源光路上依次设置有测量光栅和半反射半透射镜，半反射半透射镜与光路成45°夹角设置，点光源通过半反射半透射镜的反射光路上依次设置有透镜、参考光栅和工业摄像机。上述点光源由光纤支架、光纤和光源组成，光纤的一端接于光源的发射端，另一端架设于光纤支架上。本发明提出通过半反射半透射镜改变光路传播路径，与使用反射镜相比，反射镜须安装在齿槽内，固定复杂，容易与测量装置发生干涉，而半反射半透射镜可安装在被测齿轮齿槽外，结构更简单，易于实现，同时，也可以实现最优投射和数据采集，测量无光线遮挡。

Description

一种投影莫尔齿轮齿面三维测量装置和测量方法

技术领域

本发明涉及光学精密测量技术领域，进一步涉及面结构光测量技术领域，具体涉及一种投影莫尔齿轮齿面三维测量装置和测量方法。

背景技术

齿轮齿面形状误差评定是齿轮制造的一个重要精度指标。齿轮的齿形、齿向误差测量技术是降低传动噪音、提高传动效率和延长寿命等方面的核心工艺保障。当齿轮精度达到了微米级时，国外的新型潜艇运行噪音小，可以对敌方隐藏自身所在位置。再如，日本京都大学的研究表明，将汽车齿轮齿形作2-3 微米的微小修正后，其性能更好，使用寿命更长。

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，为了应对当前工业技术的发展需求，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，对齿轮的参数评估和齿轮行业的发展俞为急切。然而，主流应用的CNC齿轮测量中心，受探针变形、温度和湿度等影响，测量精度和效率已很难再有突破性的提高。更重要的是其测得的各项单项误差，以偏概全，仅有利于指导齿轮的制造，难以指导齿轮的应用。

基于新型原理的齿轮测量机成为齿轮测量技术的研究热点，特别是光电三维测量方法，因其具有非接触、高精度的特点，有望极大地提高测量效率，扩大测量精度提升空间，使齿轮测量技术又一次呈现出里程碑式的跨越。同时，使用其方法获得的稠密齿面点云代替齿形、齿向等特征曲线表征齿轮服役性能，也必将改变齿轮精度评定体系，催生新的齿轮设计理论。

日本首先开展了基于全息术测量齿面形状误差的研究，成为齿轮齿面光学非接触测量的开始。和传统接触式方法相比，该方法单次成像可采集被测面大面积的数据，这在齿轮测量领域内是有重大意义的提高。其后，基于激光三角法的齿轮齿面测量方法得到了发展。至今，国外已经推出了多种光学非接触齿轮测量设备产品，例如，德国克林贝尔格公司的点激光测量设备和以色列的硅光测头。特别是美国S l oneGear公司的线结构光测量机，可以在7秒完成整个齿面轮廓测量，精度可以达到几个微米。

国外也报道了基于计算机立体视觉测量技术的直齿轮参数测量方法和面结构光齿轮齿面三维轮廓测量方法。但提出这些基于面结构光的方法还不成熟，或者只能满足若干单项参数测量，或者局部齿面的形貌测量，因此只是阶段性成果，还有待完善。

在国内，西安交通大学的方素平教授领导的课题组开展了激光干涉法测量齿轮齿面形状误差的研究。该研究是全息术测量齿面形状误差的进一步发展。但在适应快速、在位测量要求及测量精度提高方面，还需进一步研究。例如，应用干涉法测量时，受轮齿遮挡的影响，其测量范围小，需要研究如何采用拼接的方法进行整个齿面测量；另外，干涉法测量结构复杂，对环境要求高，将其直接应用于实际的加工环境中的精度损失问题。

现有的光电三维测量方法主要包括激光干涉法和结构光法。激光干涉法条纹对比度好、测量精度高，但光路复杂、调节困难，易受环境影响。结构光法应用灵活，测量容易，成本低，可靠性高。按照结构光的不同，其技术有点结构光法、线结构光法和面结构光法之分，基本原理是由结构化光源如光点、光刀或光栅投射器等向被测物表面投射激光能量，图像传感器记录光斑的位置，从而利用物像之间的对应关系，得与投射位置对应物体上点的三维坐标。点结构光法逐点地对被测表面采样，测量速度慢。线结构光测量方法为被测面投射一条光刀，可以测量一条线的形貌数据。然而，为了实现整个齿面形貌的测量，需要添加一个一维扫描装置。由于机械扫描运动，其为测量系统引入了新的误差源。面结构光可以快速地对整个被测面进行全场测量，但对于齿轮齿面这种具有遮挡曲面的复杂面形，因齿面遮挡而测量困难，存在着测量精度不高的问题。

对此，本发明面向国家战略需求，提出的基于相位的投影莫尔齿轮测量方法，以不同国内现有的思路，开展齿轮非接触测量研究，解决其中的测量原理、装置设计、齿面遮挡等问题。

发明内容

本发明提供了一种投影莫尔齿轮齿面三维测量装置和测量方法，以解决现有技术在齿轮齿面三维形貌表征过程中光路传播易受遮挡和测量精度不高的问题。

为了解决上述问题，本发明提供的技术解决方案是：

一种投影结构光齿轮齿面三维轮廓测量装置，包括点光源，点光源光路上依次设置有测量光栅和半反射半透射镜，半反射半透射镜与光路成45°夹角设置，点光源通过半反射半透射镜的反射光路上依次设置有透镜、参考光栅和工业摄像机。

上述点光源由光纤支架、光纤和光源组成，光纤的一端接于光源的发射端，另一端架设于光纤支架上。

上述投影莫尔齿轮齿面三维测量装置进行测量的方法，包括以下步骤：

首先，将被测齿轮置于测量空间，开启点光源，光线经测量光栅，为齿面投射光栅阴影，工业摄像机在不同于投射方向的角度反射光路上观测变形光栅，工业摄像机记录含有齿面形貌信息莫尔条纹图；

然后，应用数字相移的方法，将采集的条纹图变换成三帧具有90°相移的相移条纹图，从而应用相移算法提取测量相位；

进而采用空域去包裹的方法，对获得的测量相位进行展开，获得去包裹相位；

在上面步骤基础上，通过训练好的生成对抗网络(CGAN)，将相位空间映射至高度空间，建立的相位--高度映射集，实现相位--高度映射，获得重构齿面三维轮廓的点云数据；

最后，将对得到的点云数据进行跨尺度数据分割，形成齿轮的微观信息和三维宏观数据信息，为后续齿轮服役性能表述提供数据；

依次旋转齿轮，重复上述步骤，完成所有齿面三维轮廓测量。

本专利提出结合基于投影莫尔的齿轮齿面三维表征方法及其测量装置，有效的解决了齿轮齿面形状误差非接触测量的遮挡问题。与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明提出通过半反射半透射镜改变光路传播路径，与使用反射镜相比，反射镜须安装在齿槽内，固定复杂，容易与测量装置发生干涉，而半反射半透射镜可安装在被测齿轮齿槽外，结构更简单，易于实现，同时，也可以实现最优投射和数据采集，测量无光线遮挡。

2、直接投射实光栅的方法尽管只使用了一个光栅，结构简单，但其测量的条纹对比度低，采集的栅线图条纹频率高，对摄像机要求高，且测量精度提高困难。与其方法相比，本方法由于投影莫尔法的莫尔云纹对比度高，无畸变地放大测量变形，只需分辨低频莫尔云纹即可获得高的空间分辨力，测量精度更高，该优势特点决定了投影莫尔法更容易满足齿面高精度三维形貌测量要求。

3、本方法提出单帧拍摄，只须一帧条纹图，因此测量速度快；同时提出基于数字相移的解调方法，解调速度快，一次投影即可实现一个齿面三维轮廓的非接触测量。

4、提出采用深度学习非模型的方法实现光电三维传感的相位-高度转换，通过生成对抗网络(CGAN)，将齿面相位矩阵映射至三维高度空间，实现相位--高度映射，齿面三维轮廓重构简单，且没有传统的基于模型的相位-高度映射方法产生的非线性误差。

5、本测量装置省去了整齿面表征过程中的机械运动，避免了由于机械运动引入的误差源，降低了测量成本，同时可快速、高效的实现齿轮轮廓测量数据的正确采集。

6、适用范围广，为开展直齿轮、斜齿轮等各类齿轮全场非接触测量提供了一种高效的途径和手段。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他实施例的附图。

图1是本发明测量装置的测量原理图；

图2是点光源装置示意图；

图3是本发明方法的实现原理图；

图4是条件生成对抗网络(CGAN)的工作原理图。

附图标记说明如下：

1-点光源，2-测量光栅，3-半反射半透射镜，4-透镜，5-参考光栅，6-工业摄像机，7-被测齿面，8-光纤支架，9-光纤，10-光源，11-被测齿轮，12-投影系统，13-成像装置，14-变形光栅。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。

下面将结合附图和实施对本发明进行详细地描述。

参见图1和图2，一种投影结构光齿轮齿面三维轮廓测量装置，包括点光源 1，点光源1光路上依次设置有测量光栅2和半反射半透射镜3，半反射半透射镜3与光路成45°夹角设置，点光源1通过半反射半透射镜3的反射光路上依次设置有透镜4、参考光栅5和工业摄像机6。所说的点光源1由光纤支架8、光纤9和光源10组成，光纤9的一端接于光源10的发射端，另一端架设于光纤支架8上。

参见图3，点光源1、测量光栅2和半反射半透射镜3构成投影系统12，透镜4、参考光栅5和工业摄像机6构成成像装置13。

投影系统12中的点光源1发出的光投射至测量光栅2，经半反射半透射镜 3，在齿面上产生阴影光栅，其受齿面形貌调制，发生变形，形成变形光栅14。在不同于投射方向的角度上，成像装置13中的工业摄像机6透过参考光栅5观测变形光栅14，由于参考光栅5与变形光栅14的交叠作用，从而产生莫尔条纹，该条纹具有齿面高度信息，因此，对其解调可恢复齿面三维高度轮廓。

测量时，将被测齿轮11的被测齿面7移动至测量装置的测量空间，在被测齿面7法线斜45°方向空间放置一个半反射半透射镜3，调整测量光栅2与半反射半透射镜3成45°。调整工业摄像机6的光轴与被测齿面7在半反射半透射镜3中像的法线平行，且透镜4的中心应与工业摄像机6的光轴中心在一条直线上并与半反射半透射镜3成45°角，以减少由于图像畸变产生的测量误差。

然后开启光源，控制工业摄像机6记录齿面透过参考光栅5形成的莫尔条纹并将其保存在计算机硬盘，进行由测量软件对获得莫尔条纹图进行处理，得到测量结果。测量下一齿面时，旋转齿轮至下一齿面测量空间。

一种投影莫尔齿轮齿面三维表征测量方法，具体步骤如下：

第一步：将被测齿面置于测量空间，开启光源，控制工业摄像机6记录齿面形成的莫尔条纹。

此时工业摄像机6观察到的单一条纹图光强可以表述为：

上式a(x,y)，b(x,y)，

分别为背景、振幅、测量相位。

第二步：应用数字相移的方法，将采集的条纹图变换成四帧具有90°相移的相移条纹图，从而应用相移算法提取测量相位。

首先形成一阶、二阶R i esz变换，对(1)式进行变换，具体的Ri esz变换为：沿x向、y向单一条纹的一阶Ri esz内核可定义为：

I(x,y)的一阶R i esz变换可计算为：

式中R¹代表一阶R i esz算子，*代表卷积，I₁，I₂是输入条纹图案的水平和垂直Riesz分量。

输入条纹图案的二阶R i esz变换可计算为：

式中R²代表二阶Riesz算子。I₃，I₄，I₅是输入条纹图案的二阶Riesz分量。

进而处理每阶结果为：

式中u＝I₁,I₂，v＝I₃,I₄,I₅，‘sgn’定义为s i gn(s i gnum)函数：

因此，利用Ri esz变换得到了I(x,y)，I(x,y,π/2)和I(x,y,π)三帧具有90°相移的条纹图。进而得测量相位为：

对测量相位去包裹，可得原理相位。

在此基础上，运用生成对抗网络进一步拓展传统的基于模型的相位-高度转换方法，以上面相位

为输入数据，利用生成模型对实际数据的数据分布规律模仿、建模和学习，实际数据运用模型的方法由计算机仿真生成；然后经判别模型对输入数据的判别，二者之间不断的竞争，对网络进行训练，然后用于相位矩阵于高度矩阵间的映射，即实现相位--高度映射。

参见图4，CGAN在生成器(G)的输入和判别器(D)的输入中都加入了条件y。目的是有条件地监督生成器生成的数据，使得生成器生成结果的方式不是完全自由无监督的。

第三步：将得到的点云数据进行跨尺度数据分割，形成齿轮去除微观信息的三维宏观数据信息。

依次旋转齿轮，重复上述步骤，完成所有齿面三维轮廓测量。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种投影结构光齿轮齿面三维轮廓测量装置，其特征在于：包括点光源(1)，点光源(1)光路上依次设置有测量光栅(2)和半反射半透射镜(3)，半反射半透射镜(3)与光路成45°夹角设置，点光源(1)通过半反射半透射镜(3)的反射光路上依次设置有透镜(4)、参考光栅(5)和工业摄像机(6)。

2.根据权利要求1所述投影结构光齿轮齿面三维轮廓测量装置，其特征在于：所述点光源(1)由光纤支架(8)、光纤(9)和光源(10)组成，光纤(9)的一端接于光源(10)的发射端，另一端架设于光纤支架(8)上。

3.根据权利要求1所述投影结构光齿轮齿面三维轮廓测量装置，其特征在于：通过所述装置进行测量的方法，包括以下步骤：

首先，将被测齿轮置于测量空间，开启点光源(1)，光线经测量光栅(2)，为齿面投射光栅阴影，工业摄像机(6)在不同于投射方向的角度反射光路上观测变形光栅(14)，工业摄像机(6)记录含有齿面形貌信息莫尔条纹图；

然后，应用数字相移的方法，将采集的条纹图变换成三帧具有90°相移的相移条纹图，从而应用相移算法提取测量相位；

进而采用空域去包裹的方法，对获得的测量相位进行展开，获得去包裹相位；

在上面步骤基础上，通过训练好的生成对抗网络(CGAN)，将相位空间映射至高度空间，建立的相位--高度映射集，实现相位--高度映射，获得重构齿面三维轮廓的点云数据；

最后，将对得到的点云数据进行跨尺度数据分割，形成齿轮的微观信息和三维宏观数据信息，为后续齿轮服役性能表述提供数据；

依次旋转齿轮，重复上述步骤，完成所有齿面三维轮廓测量。

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