CN111739269B

CN111739269B - 基于机器视觉的齿轮制造方法与系统

Info

Publication number: CN111739269B
Application number: CN202010867052.4A
Authority: CN
Inventors: 郑李明; 于涛; 崔兵兵; 黄帆
Original assignee: Nanjing Yuanjue Information And Technology Co
Current assignee: Nanjing Yuanjue Information And Technology Co
Priority date: 2020-08-26
Filing date: 2020-08-26
Publication date: 2020-11-13
Anticipated expiration: 2040-08-26
Also published as: CN111739269A

Abstract

本发明公开了一种基于机器视觉的齿轮制造方法，其特征在于，包含：令摄像模块持续拍摄砂轮与齿轮的削切部分的影像；令处理模块利用机器视觉持续侦测砂轮与齿轮的削切部分的影像是否出现火花；令该齿轮绕轴心往第一方向转动，直到该处理模块利用机器视觉侦测到火花；令该齿轮绕轴心往第二方向转动，直到该处理模块利用机器视觉侦测到火花，其中该第二方向为该第一方向的反方向；该处理模块记录上述往该第二方向转动的第二角度；该处理模块令该齿轮绕轴心往该第一方向转动第三角度，其中该第三角度是该第二角度的一半；以及该处理模块令该砂轮相对地往该齿轮削切一预定距离。

Description

基于机器视觉的齿轮制造方法与系统

技术领域

本发明属于机械制造领域，涉及机器视觉控制的齿轮精密制造技术。

背景技术

齿轮是动力机械的基础元器件。在某些应用，例如航空用的电动传动系统、牙科用的工具、雕刻机当中，必须应用到每分钟数万转，甚至数十万转以上的小型高速齿轮。当齿轮高速旋转时，如果某两个轮齿或齿槽之间的齿距不一，超过了设计的公差范围，则齿轮很快地在高速旋转下磨损。轻则损耗机械系统的使用寿命，增加系统摩擦，减少系统的功率。重则齿轮转速下降，甚至卡死。

为了解决上述的问题，工业界通常使用两步骤来制造高精密度的齿轮。第一步骤是先制作一个齿轮粗模。齿轮粗模的每一个轮齿边缘都留有材料余裕，在齿根圆以外的齿槽部分也可能留有材料余裕。上述部分的材料裕度，可能只有几丝米。接着，再放置到砂轮机当中，利用砂轮将齿面与/或齿根圆的多余材料削切或磨掉。

在上述过程当中，削切齿轮粗模的第一个齿槽是最重要的一个步骤。当第一个齿槽切割正确之后，就可以根据径节或齿距来削切后续的齿槽，轻易地将每个齿距控制在设计的误差范围之内。在配置砂轮与齿轮粗模时，可以精确地对正砂轮的转动轴与齿轮粗模的转动轴，让这两个轴呈现正交。但是砂轮盘往齿轮粗模轴心的切线角度就很难拿捏正确。万一切线角度出现偏差，就会出现先前提到的齿距不一的问题。

为了正确削切齿轮粗模的第一个齿槽，工业界目前使用的技术需要花费大量的时间来配置砂轮与齿轮的初始位置。举例来说，德国所使用的某一种激光量测技术，必须花费四五十分钟的配置与计算时间，才能使用砂轮正确地削切第一个齿槽。而且当齿轮的尺寸越来越小，齿数越来越多时，就需要花费越久的时间来配置，失败率也会越来越高。

由于花费大量的时间成本，因此高精密的齿轮生产成本居高不下。据此，需要开发一种成本较低的齿轮精密制造技术，能够正确地进行齿槽首切的工序。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中的不足而提出的一种齿轮精密制造技术，目的是减少工序的时间与设备成本，还能够正确地进行齿槽首切的工序。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

根据本申请的一个方案，提供一种基于机器视觉的齿轮制造方法，其特征在于，包含：令摄像模块持续拍摄砂轮与齿轮的削切部分的影像；令处理模块利用机器视觉持续侦测该影像是否出现火花；令该齿轮绕轴心往第一方向转动，直到该处理模块利用机器视觉侦测到火花；令该齿轮绕轴心往第二方向转动，直到该处理模块利用机器视觉侦测到火花，其中该第二方向为该第一方向的反方向；该处理模块记录上述往该第二方向转动的第二角度；该处理模块令该齿轮绕轴心往该第一方向转动第三角度，其中该第三角度是该第二角度的一半；以及该处理模块令该砂轮相对地往该齿轮削切一预定距离。

进一步的，为了可以不需要在削切之前精密地配置砂轮与齿轮的位置，以便加速工序，在该处理模块利用机器视觉持续侦测该影像是否出现火花步骤之前，该齿轮制造方法还包含：配置该砂轮在该齿轮的齿槽内，使得该砂轮不碰触该齿轮；以及转动该砂轮以达到足以削切该齿轮的转速。

进一步的，为了可以让使用者得知削切时出现问题，该削切步骤还包含：当侦测不到火花时，提出告警。

进一步的，为了利用机器视觉来侦测火花，该处理模块利用机器视觉持续侦测该影像是否出现火花步骤还包含：计算该削切部分的影像的像素的均值；计算该削切部分的影像的像素的标准偏差；计算该标准偏差的倍数值与该均值的和；以及遍历该削切部分的影像的像素，当该像素的像素值大于该和时，判断侦测到火花。

进一步的，为了减少误判火花的机率，该处理模块利用机器视觉持续侦测该影像是否出现火花步骤还包含：当大于该和的像素群的面积大于面积门限值，判断侦测到火花。

根据本申请的一个方案，提供一种基于机器视觉的齿轮制造系统，其特征在于，包含：摄像模块，用于持续拍摄砂轮与齿轮的削切部分的影像；以及处理模块，用于：利用机器视觉持续侦测该影像是否出现火花；令齿轮转动控制模块控制该齿轮绕轴心往第一方向转动，直到利用机器视觉侦测到火花；令齿轮转动控制模块控制该齿轮绕轴心往第二方向转动，直到利用机器视觉侦测到火花，其中该第二方向为该第一方向的反方向；记录上述往该第二方向转动的第二角度；令齿轮转动控制模块控制该齿轮绕轴心往该第一方向转动第三角度，其中该第三角度是该第二角度的一半；以及控制该砂轮相对地往该齿轮移动一预定距离。

进一步的，为了可以不需要在削切之前精密地配置砂轮与齿轮的位置，在该利用机器视觉持续侦测该影像是否出现火花步骤之前，该砂轮被配置在该齿轮的齿槽内而不碰触该齿轮，该处理模块还用于：令砂轮转动控制模块转动该砂轮以达到足以削切该齿轮的转速。

进一步的，为了可以让使用者得知削切时出现问题，当该处理模块在控制该砂轮相对地往该齿轮移动时侦测不到火花，提出告警。

进一步的，为了利用机器视觉来侦测火花，该利用机器视觉持续侦测该影像是否出现火花步骤还包含：计算该削切部分的影像的像素的均值；计算该削切部分的影像的像素的标准偏差；计算该标准偏差的倍数值与该均值的和；以及遍历该削切部分的影像的像素，当该像素的像素值大于该和时，判断侦测到火花。

进一步的，为了减少误判火花的机率，该利用机器视觉持续侦测该影像是否出现火花步骤还包含：当大于该和的像素群的面积大于面积门限值，判断侦测到火花。

由于采用上述方案，本发明的有益效果为：基于机器视觉的火花检测以及反馈系统，实现用机器视觉进行监控替代人工监控，减少进行齿槽首切工序的时间与设备成本，还可以让机械误差达到标准。

附图说明

图1为根据本申请实施例的齿轮制造系统的示意图。

图2为根据本申请实施例的齿轮制造系统的方框示意图。

图3A至图3E为根据本申请实施例的齿轮制造步骤的示意图。

图4为根据本申请实施例的齿轮制造方法的流程示意图。

图5为根据本申请实施例的侦测火花方法的流程示意图。

具体实施方式

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

请参考图1所示，其为根据本申请实施例的齿轮制造系统100的示意图。该齿轮制造系统100包含齿轮或齿轮粗模110、砂轮120与控制模块130。该控制模块130主要是利用机器视觉来控制砂轮120与齿轮粗模110的削切角度与削切量。因此，控制模块130的摄像模块必须对准砂轮120与齿轮粗模110的接触部分。

为了方便解释砂轮120与齿轮粗模110之间的对位关系，在图1所示的齿轮制造系统100当中，并未示出控制砂轮120转动的机制，也没有示出固接齿轮粗模110的机具。本领域普通技术人员可以理解到，砂轮120必须要高速转动，才能对齿轮粗模110进行削切。因此，砂轮120的转动轴与齿轮粗模110的轴线呈现正交。

齿轮粗模110具有轴心，该齿轮制造系统100可以控制该齿轮粗模110的轴心进行转动。虽然在图1所示的齿轮粗模110的轴是个凹孔，但只要能令齿轮粗模110绕着轴心转动，齿轮粗模110的轴未必是个凹孔。如前所述，齿轮粗模的每一个轮齿边缘都留有材料余裕，在齿根圆以外的齿槽部分也可能留有材料余裕。砂轮120在高速转动后，可以用于将多余的材料削切掉。

在进行削切时，高速转动的砂轮120与齿轮粗模110的摩擦会产生火花。因此，当控制模块130侦测到火花时，必然表示高速转动的砂轮120与齿轮粗模110有了接触。本申请即利用火花即代表接触的原则，来控制砂轮120对齿轮粗模110的削切。

在一实施例当中，对齿轮粗模110的削切可以由砂轮120与齿轮粗模110的相对运动来达成。意思是，砂轮120的转动轴线与齿轮粗模110的转动轴线互相靠近，缩短两条轴线之间的最短距离。可以是砂轮120移动，也可以是齿轮粗模110移动，或者是两者皆向对方移动。本申请并不限定削切时是何者进行移动。

请参考图2所示，其为根据本申请实施例的齿轮制造系统200的示意图。该齿轮制造系统200包含摄像模块210、处理模块220、连接到齿轮110的齿轮转动控制模块230、连接到砂轮120的砂轮转动控制模块240。该摄像模块210可以包含镜头组与电子感光组件，用于拍摄砂轮120与齿轮粗模110的接触部分。拍摄的结果可以传送至处理模块220进行处理，判断是否具有火花。

在一实施例当中，为了避免光线的干扰，该砂轮120与齿轮粗模110可以放置在暗处，以利该摄像模块210拍摄火花。在另一实施例当中，由于火花会发出波长较短的紫外线，该摄像模块210的电子感光组件可以涵盖到紫外线波段。在更一实施例当中，为了过滤掉其他光线，该摄像模块210可以包含一或多个偏光镜。

当齿轮粗模110的材料余裕很少，该摄像模块210的帧速率就要增加，否则砂轮120将可能削切掉过多的材料。当齿轮粗模110的材料余裕较多时，可以不需要对该摄像模块210的帧速率要求太多，以减少成本。

该处理模块220可以使用硬件或软件来处理摄像模块210所摄得的影像，并且判断在影像当中是否具有火花。举例来说，为了加速图像处理，该处理模块220可以包含现场可编程逻辑门阵列(FPGA, field programmable gate array)电路。在另一例当中，该处理模块220可以包含特别设计的硬件电路来执行特定的滤波功能，以便判断在影像当中是否具有火花。上述的硬件电路可以如能够执行向量处理(scalar)指令或多媒体指令的硬件电路，甚至是完全为此目的客制化的硬件电路。在其他例子当中，该处理模块220可以包含微处理器或嵌入式处理器，用于执行软件来进行图像处理的工作。在一实施例当中，该处理模块220可以是常见的工业级控制主机。

可以想见，当齿轮粗模110的材料余裕很少，该处理模块220的处理速度就要增快，否则砂轮120将可能削切掉过多的材料。当齿轮粗模110的材料余裕较多时，该处理模块220可以不需要较快的处理速度。本领域普通技术人员应当具有计算器结构与计算器组织的知识，可以理解到有多种计算器能用于实施上述的处理模块220。本申请并不限定该处理模块220所使用的计算器的指令集，也不限定计算核心数量，只要该处理模块220的处理速度能够跟上该摄像模块210所传回的帧速率。

该齿轮转动控制模块230用于控制该齿轮110绕着其轴心进行顺时针或逆时针旋转。该齿轮转动控制模块230可以包含精密的步进马达。从理论上来说，该步进马达的最小旋转角度，可以让齿面旋转的距离比材料余裕更小，避免砂轮120削切掉比裕度更多的材料。在一实施例当中，该齿轮转动控制模块230可以记录旋转的角度，并且回报至该处理模块220。在另一实施例当中，该处理模块220可以自行控制该齿轮转动控制模块230的转动角度。

同样地，该砂轮转动控制模块240用于控制该砂轮120绕着其轴心高速旋转。由于砂轮120具有惯性，在一实施例当中，该砂轮转动控制模块240可以回报砂轮120的转速。在另一实施例当中，该处理模块220可以根据事先计算好的数据，得知砂轮120的转速是否达到了适用削切的速度。

该齿轮转动控制模块230与/或该砂轮转动控制模块240可以用于缩短砂轮120的转动轴线与齿轮粗模110的转动轴线之间的最短距离。可以移动砂轮120与移动齿轮粗模110两者之一，也可以同时移动两者，以便控制两条轴线之间的最短距离。

请参考图3A至图3E所示，其为根据本申请实施例的齿轮制造步骤的示意图。该齿轮制造步骤可以利用图2所示的齿轮制造系统200加以实现。为了方便说明之故，在图3A至图3E当中，并没有示出上述齿轮制造系统200的各个模块，只示出砂轮120与移动齿轮粗模110的相对位置与角度。

在图3A当中，可以将砂轮120配置到齿轮粗模110的第一齿槽内的初始相对位置。在两者处于该初始相对位置时，砂轮120的转动轴线与齿轮粗模110的转动轴线之间有最短距离310，而且砂轮120并未触碰到该第一齿槽的两个齿面与齿根圆。砂轮120的中间面与该第一齿槽的左齿面的第一间隙角记为α，砂轮120的中间面与该第一齿槽的右齿面的第二间隙角记为β。在先前技术所提到的问题就是，当第一间隙角α不等于第二间隙角β时进行削切，将会让齿轮110报废。

根据最短距离310将配置完砂轮120与齿轮粗模110的初始相对位置之后，该砂轮转动控制模块240可以令该砂轮120进行转动，令该摄像模块210开始摄像，并且令该处理模块220利用机器视觉开始侦测影像当中最新一帧是否出现火花。

接着，请参考图3B，令齿轮粗模110往第一方向转动，直到该处理模块220利用机器视觉侦测到火花为止，代表砂轮120已经接触到第一齿槽的左齿面的余裕材料。此时，记录往第一方向转动的第一角度θ₁。虽然在图3B当中，是以顺时针的方向转动，但可以逆时针的方向转动。这时候，可以得知第一角度θ₁就是第一间隙角α。

请参考图3C，可以令齿轮粗模110往第二方向转动，直到该处理模块220利用机器视觉侦测到火花为止，代表砂轮120已经接触到第一齿槽的右齿面的余裕材料。第二方向为第一方向的反方向。此时，记录往第二方向转动的第二角度θ₂。这时候，可以得知第一角度θ₂就是第一间隙角α与第二间隙角β的和。

然后，请参考图3D，可以令齿轮粗模110往第一方向转动第三角度θ₃。这个第三角度θ₃就是第一间隙角α与第二间隙角β的和的一半值，也就是第二角度θ₂的一半值。当转动了第三角度θ₃之后，砂轮120的中间面与左右齿面的两个间隙角就相等了。换言之，砂轮120已经对齐了第一齿槽。

最后，请参考图3E，可以令砂轮120向齿轮粗模110进行移动削切，缩短上述图3A所示的最短距离310。由于可以在事先计算出这两个轴线的最终距离，因此削切量或相对移动距离，就是最终距离与最短距离310的差值，是事先已知的。

当进行削切时，必然会出现火花。如果砂轮120相对地向齿轮粗模110移动了上述的削切量，利用机器视觉还没有侦测到火花，则可以判断上述的过程出了问题。很可能是装错了齿轮粗模110，或是装错了砂轮120，又或者是砂轮120已经磨耗太过严重。这时候，可以发出报警信号。

图3A至3E所示的步骤，可以适用于削切第一齿槽，但本领域普通技术人员可以理解到，也可以用于削切其他齿槽。

请参考图4所示，其为根据本申请实施例的齿轮制造方法400的流程示意图。该齿轮制造方法400可以适用于图1的控制模块130，也可以适用于图2的齿轮制造系统200。在一实施例当中，该齿轮制造方法400可以是该处理模块220所执行的程序或多个指令所组合而成的软件。

步骤410：初始配置。如图3A所示，可以根据最短距离310配置完砂轮120与齿轮粗模110的初始相对位置。之后，可以令该砂轮120进行转动，令该摄像模块210开始摄像，并且开始持续性利用机器视觉侦测影像当中最新一帧是否出现火花。在一实施例当中，可以使用图5所示的算法或其衍生的算法来侦测火花。

步骤420：令齿轮往第一方向转动，直到利用机器视觉侦测到火花。

步骤430：令齿轮往第二方向转动，直到利用机器视觉侦测到火花。第一方向与第二方向是反方向。

步骤440：记录往第二方向转动的第二角度。

步骤450：令齿轮往第一方向转动第三角度，该第三角度是第二角度的一半。

步骤460：令砂轮相对地向齿轮削切一预设距离。接着，流程可以进到可选的步骤470，或是直接结束。

可选的步骤470：判断在执行步骤460时，是否侦测到火花。当侦测到火花时，流程进到步骤480，否则流程进到步骤490。

步骤480：认为削切正确。

步骤490：认为削切失败，提示报警。

请参考图5所示，其为根据本申请实施例的侦测火花方法500的流程示意图。该侦测火花方法500可以适用于图1的控制模块，也可以适用于图2的齿轮制造系统200。在一实施例当中，该侦测火花方法500可以是该处理模块220所执行的程序或多个指令所组合而成的软件。

步骤510：计算多个像素的均值。

步骤520：计算该多个像素的标准偏差。

步骤530：计算该标准偏差的倍数值与该均值的和。

步骤540：判断至少一个像素的像素值是否大于该和，当有像素的像素值大于该和时，流程进到步骤550，否则流程进到步骤560。在一变形当中，本步骤还可以还包含在有像素的像素值大于该和时，当大于该和的像素群的面积是否大于面积门限值，流程进到步骤550，否则流程进到步骤560。

步骤550：侦测到火花。

步骤560：侦测不到火花。

在另一实施例当中，由于砂轮120与齿轮110的制造环境是可控的。因此，可以无需动态地在步骤510和520中计算均值与标准偏差s，也不须在步骤530当中计算和值。只要利用事先测定好的门限值，就可以取代原步骤540当中的和值。

在更一实施例当中，由于火花可以照亮整个影像，可以只计算该影像某一区域的像素的均值u，接着和特定门限值相比。当均值大于特定门限值时，则可以判断影像出现火花。

在其他利用机器视觉的实施例当中，可以比较该影像与前一张影像的差，当火花出现之后，两者不同的像素若达到一定数量，则可以判断影像出现火花。在本实施例的变化当中，可以比较该影像与事先设定好的基底影像的差。两者不同的像素若达到一定数量，则可以判断影像出现火花。

本领域普通技术人员可以理解到，有多种图像处理方法可以用于利用机器视觉判断影像帧当中是否出现火花，本申请并不限定是哪一种方法。

进一步的，为了可以不需要在削切之前精密地配置砂轮与齿轮的位置，在该处理模块利用机器视觉持续侦测该影像是否出现火花步骤之前，该齿轮制造方法还包含：配置该砂轮在该齿轮的齿槽内，使得该砂轮不碰触该齿轮；以及转动该砂轮以达到足以削切该齿轮的转速。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于机器视觉的齿轮制造方法，其特征在于，包含：

令摄像模块持续拍摄砂轮与齿轮的削切部分的影像；

令处理模块利用机器视觉持续侦测该影像是否出现火花；

令该齿轮绕轴心往第一方向转动，直到该处理模块利用机器视觉侦测到火花；

令该齿轮绕轴心往第二方向转动，直到该处理模块利用机器视觉侦测到火花，其中该第二方向为该第一方向的反方向；

该处理模块记录上述往该第二方向转动的第二角度；

该处理模块令该齿轮绕轴心往该第一方向转动第三角度，其中该第三角度是该第二角度的一半；以及

该处理模块令该砂轮相对地往该齿轮削切一预定距离。

2.如权利要求1所述的基于机器视觉的齿轮制造方法，其特征在于，其中在该处理模块利用机器视觉持续侦测该影像是否出现火花步骤之前，该齿轮制造方法还包含：

配置该砂轮在该齿轮的齿槽内，使得该砂轮不碰触该齿轮；以及

转动该砂轮以达到足以削切该齿轮的转速。

3.如权利要求1所述的基于机器视觉的齿轮制造方法，其特征在于，其中，当该处理模块令该砂轮相对地往该齿轮削切一预定距离时，处理模块侦测不到火花时，提出告警。

4.如权利要求1所述的基于机器视觉的齿轮制造方法，其特征在于，其中该处理模块利用机器视觉持续侦测该影像是否出现火花步骤还包含：

计算该削切部分的影像的像素的均值；

计算该削切部分的影像的像素的标准偏差；

计算该标准偏差的倍数值与该均值的和；以及

遍历该削切部分的影像的像素，当该像素的像素值大于该和时，判断侦测到火花。

5.如权利要求4所述的基于机器视觉的齿轮制造方法，其特征在于，其中该处理模块利用机器视觉持续侦测该影像是否出现火花步骤还包含：

当大于该和的像素群的面积大于面积门限值，该处理模块判断侦测到火花。

6.一种基于机器视觉的齿轮制造系统，其特征在于，包含：

摄像模块，用于持续拍摄砂轮与齿轮的削切部分的影像；以及

处理模块，用于：

利用机器视觉持续侦测该影像是否出现火花；

令齿轮转动控制模块控制该齿轮绕轴心往第一方向转动，直到利用机器视觉侦测到火花；

令齿轮转动控制模块控制该齿轮绕轴心往第二方向转动，直到利用机器视觉侦测到火花，其中该第二方向为该第一方向的反方向；

记录上述往该第二方向转动的第二角度；

令齿轮转动控制模块控制该齿轮绕轴心往该第一方向转动第三角度，其中该第三角度是该第二角度的一半；以及

控制该砂轮相对地往该齿轮移动一预定距离。

7.如权利要求6所述的基于机器视觉的齿轮制造系统，其特征在于，其中在该利用机器视觉持续侦测该影像是否出现火花步骤之前，该砂轮被配置在该齿轮的齿槽内而不碰触该齿轮，该处理模块还用于：令砂轮转动控制模块转动该砂轮以达到足以削切该齿轮的转速。

8.如权利要求6所述的基于机器视觉的齿轮制造系统，其特征在于，其中当该处理模块在控制该砂轮相对地往该齿轮移动时侦测不到火花，提出告警。

9.如权利要求6所述的基于机器视觉的齿轮制造系统，其特征在于，其中该利用机器视觉持续侦测该影像是否出现火花步骤还包含：

计算该削切部分的影像的像素的均值；

计算该削切部分的影像的像素的标准偏差；

计算该标准偏差的倍数值与该均值的和；以及

10.如权利要求9所述的基于机器视觉的齿轮制造系统，其特征在于，其中该利用机器视觉持续侦测该影像是否出现火花步骤还包含：

当大于该和的像素群的面积大于面积门限值，判断侦测到火花。