CN112697609B - 一种基于dic的rv减速器齿轮啮合过程中齿根弯曲应力检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于DIC的RV减速器齿轮啮合过程中齿根弯曲应力检测系统及方法，本检测系统包括一台磁力矩电机动力装置、两套DIC设备和一台主机；两套DIC设备与一对齿轮一一对应；DIC设备设置在齿轮的侧面，其包括DIC数字相机组件和平面镜组件，DIC数字相机组件通过平面镜组件的反射拍摄到与之对应的齿轮齿根处的散斑图像，DIC数字相机组件与主机通信连接，DIC数字相机组件拍摄到的散斑图像传输至主机进行处理；磁力矩电机动力装置与其中一个齿轮连接，用于向一对齿轮提供负载。本系统及方法是非接触式测量，数据采集过程简单，可以用在难以检测或接触式测量设备无法安装的地方。

Description

一种基于DIC的RV减速器齿轮啮合过程中齿根弯曲应力检测 系统及方法

技术领域

本发明涉及齿轮测量技术领域，具体地讲，涉及一种基于DIC的RV减速器齿轮啮合过程中齿根弯曲应力检测系统及方法。

背景技术

当载荷作用于齿轮时，由于齿轮材料刚度较大，可将轮齿视为悬臂梁，在齿根处引起最大应力，即弯曲应力。齿轮需要校核齿根疲劳弯曲强度，特别是齿面硬度高、齿芯强度低或齿轮材料较脆的齿轮若未经校核，在突然过载、或因为齿根过渡截面突变及加工刀痕引起的应力集中，在反复受载后就会发生轮齿折断。目前常用的齿轮弯曲疲劳试验有两种方法：一种是将试验齿轮副安装在齿轮试验机上进行负荷运转试验；另一种是在脉动疲劳试验机上利用专门的夹具对试验齿轮的齿轮进行脉动加载，直至齿轮出现弯曲疲劳失效。

数字图像相关法(Digital Image Correlation Method，简称DIC)是一种非接触式光学测量方法，用于全场形状、变形、运动测量。DIC检测将物体表面随机分布的斑点或伪随机分布的人为产生的散斑场作为变形信息载体，相比于常规的接触式测量，DIC检测不会因为接触使得测量结果因被测对象的受力与变形状态而受影响，只需要一次图像采集即可通过计算获得位移与应变，而且数据的采集过程更加简单。测量精度高、对检测环境的要求不严格、可以实现自动化、操作简单等特点使得DIC检测成为一种可靠的新型实验力学方法。

目前位移与应变测量主要分为接触式测量测量与非接触式测量。应用于齿轮的接触式测量方式有应变片测量与上文提到的齿轮弯曲疲劳试验。应变片测量主流测量齿轮位移与应变方法主要有两种：一种是在齿轮侧面贴应变片，例如授权公告号为CN104266836B的发明专利：齿轮齿根弯曲疲劳耐久性测试方法及测试装置，该专利中就是采用在齿根处贴应变片来进行弯曲疲劳耐久性测试，由于齿根处应力分布是不均匀的，所以测量结果并不准确；另一种是在齿根面打孔嵌入应变片，该方法虽然可以测到齿根面处的位移与应变，但在齿根面处打孔会降低轮齿结构强度，所以检测结果也不准确。齿轮弯曲疲劳试验操作复杂，负荷运转实验受到传动装置影响检测结果与齿根处弯曲应力应变存在误差，脉动疲劳试验机主要检测齿轮的极限弯曲疲劳数据。

综上所述，因此有必要设计一种操作简单、测量精度高的基于DIC技术的齿轮啮合过程中齿根弯曲应力检测系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，而提供一种结构设计合理，操作简单、测量精度高的基于DIC技术的齿轮啮合过程中齿根弯曲应力检测系统，并给出其检测方法。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：一种基于DIC的RV减速器齿轮啮合过程中齿根弯曲应力检测系统，用于对一对齿轮啮合过程中齿根处的弯曲应力进行实时检测，一对相互啮合的齿轮由电机进行驱动，齿轮的齿根处喷涂散斑，其特征在于：本检测系统包括一台磁力矩电机动力装置、两套DIC设备和一台主机；所述两套DIC设备与一对齿轮一一对应；所述DIC设备设置在齿轮的侧面，其包括DIC数字相机组件和平面镜组件，所述DIC数字相机组件通过平面镜组件的反射拍摄到与之对应的齿轮齿根处的散斑图像，所述DIC数字相机组件与主机通信连接，DIC数字相机组件拍摄到的散斑图像传输至主机进行处理；所述磁力矩电机动力装置与其中一个齿轮连接，用于向一对齿轮提供负载。

优选的，一对齿轮分别安装在两根平行布置的齿轮轴上，其中一根齿轮轴通过联轴器与电机连接，另一根齿轮轴与磁力矩电机动力装置连接。

优选的，本检测系统还包括两个光电编码器，两个光电编码器分别安装在两根齿轮轴上；光电编码器与主机通信连接。

优选的，在每套DIC设备中，DIC数字相机组件安装在一个一号夹板组件的端部，平面镜组件安装在一个二号夹板组件的端部，DIC数字相机组件和平面镜组件位于相同端；所述一号夹板组件和二号夹板组件均夹持式地安装在齿轮轴上，与齿轮轴同步转动。

优选的，所述DIC数字相机组件包括DIC数字相机、相机安装平台、相机平移用伸缩杆和一号基座；所述一号基座固定安装在一号夹板组件的端部，所述相机平移用伸缩杆在动力驱动下能绕其自身轴线进行旋转地安装在一号基座上，所述相机安装平台固定在相机平移用伸缩杆的端部，所述DIC数字相机通过一根竖向布置的转轴从而设置在相机安装平台上。

优选的，所述平面镜组件包括平面镜、平面镜平移用伸缩杆和二号基座，所述二号基座固定安装在二号夹板组件的端部，所述平面镜平移用伸缩杆的一端与二号基座连接，平面镜平移用伸缩杆的另一端通过球头连接结构与平面镜连接。

优选的，所述一号夹板组件的另一端部安装有配重块，所述配重块与DIC数字相机组件使一号夹板组件两端保持平衡地安装在齿轮轴上；所述二号夹板组件的另一端部安装有仅起配重作用的平面镜组件，两个平面镜组件使二号夹板组件两端保持平衡地安装在齿轮轴上。

优选的，所述磁力矩电机动力装置包括磁力矩电机、单向轴承和磁力矩电机固定基座，所述磁力矩电机安装在磁力矩电机固定基座上，所述齿轮轴通过单向轴承与磁力矩电机的输出轴连接。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种基于DIC的齿轮啮合过程中齿根弯曲应力检测方法，采用上述的系统进行实施，其特征在于：步骤如下：

1)在两个齿轮的齿根处喷涂散斑，将两个齿轮分别装配到齿轮轴上，然后安装DIC设备、光电编码器，最后将磁力矩电机动力装置与一根齿轮轴连接，将电机与另一根齿轮轴连接，调节DIC数字相机与平面镜角度，使DIC数字相机可以拍摄到标记一侧的全部齿根面，调整配重块使系统平衡；

2)齿轮啮合过程中，DIC数字相机对与之对应的齿轮的齿根位置的散斑图像进行拍照记录，在不同载荷下重复散斑图像的采集过程，直至试验结束；

3)使用主机进行散斑图像计算，在图像中建立OXY坐标系，以像素点为坐标，运用迭代算法得到齿根处的节点信息(x_i,y_j)和位移(u_x,u_y)，齿根危险截面位置基于30°切线法获得；

4)基于步骤3)的节点信息建立计算模型，将位移场输入计算模型中，基于Galerkin法计算获得齿轮弯曲应变与应力。

优选的，步骤3)中，迭代算法包括整像素搜索与亚像素搜索。

优选的，步骤2)中DIC数字相机对齿轮齿根位置的散斑图像进行拍照记录的步骤为：

首先，通过光电编码器获得齿轮转动角度信息，反馈并处理得到轮齿接触点在齿廓公法线上的位置信息，根据主机读取的接触点位置信息，当两个齿轮旋转啮合至喷涂散斑的齿根处前一对齿廓啮合至渐开线齿廓公法线上的C点时，DIC数字相机开始拍照，此时等待喷涂散斑的齿根前一对轮齿啮合；然后，根据主机读取的接触点位置信息，当两个齿轮啮合至喷涂散斑的齿根后一对轮齿即待测轮齿的齿廓啮合至渐开线齿廓公法线上的K时，DIC数字相机停止拍照，此时待测轮齿齿面分离。

本发明与现有技术相比，具有以下优点和效果：

1、本发明提出的一种基于DIC检测获得齿轮啮合过程中齿根处的弯曲应力的检测系统及方法是非接触式测量，数据采集过程简单，可以用在难以检测或接触式测量设备无法安装的地方，随着计算机与数字摄像技术的发展，图像采集速度与精度得到极大提高，信息处理的准确性也足以满足结构动态位移检测和实时化的要求，相比于接触式测量，本系统操作简单、成本低而且装置结构简单可靠性强；

2、本发明提出的基于DIC的RV减速器齿轮啮合过程中齿根弯曲应力检测系统将DIC数字相机与转动啮合时的齿轮同步，即相机与正在运动的待测对象相对位置固定，使DIC数字相机能够准确捕捉到齿根面受应力后的变形结果，解决了运动对象不方便检测装置进行检测的问题；同时利用平面镜成像规律，使检测系统可以收集到到相机难以拍照的齿根处的数据，即齿根面通过平面镜的光线反射可以被DIC数字相机拍摄到，解决了DIC检测在特殊情况难以应用的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，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的附图。

图1是本发明实施例检测系统的立体结构示意图。

图2是本发明实施例检测系统的平面布置结构示意图。

图3和图4是示意主动齿轮与之对应的DIC设备的半剖俯视图及轴测图。

图5是本发明实施例中散斑喷涂区域根据30°切线法确定的结构示意图。

图6是示意平面镜成像规律。

附图标记说明：

平面镜组件1、7；

DIC数字相机组件2、8；

磁力矩电机动力装置3；

一号光电编码器4；二号光电编码器12；

主动齿轮轴5；从动齿轮轴13；

主动齿轮61；从动齿轮62；

联轴器9；电机10；主机11；

一号夹板组件23；二号夹板组件27；

平面镜14；球头连接结构15；二号基座16；平面镜平移用伸缩杆17；

DIC数字相机18；相机安装平台19；相机平移用伸缩杆20；一号基座22；

配重块平移用伸缩杆结构25；配重块26。

具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本发明作进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

实施例。

参见图1至图6。

本实施例公开了一种基于DIC的RV减速器齿轮啮合过程中齿根弯曲应力检测系统，用于对一对齿轮啮合过程中齿根处的弯曲应力进行实时检测。在本实施例中，一对相互啮合的齿轮由电机10进行驱动，在每个齿轮的指定齿根处喷涂散斑，散斑喷涂区域根据30°切线法确定，参考图5所示。

本检测系统包括一台磁力矩电机动力装置3、两套DIC设备、两个光电编码器和一台主机11。两套DIC设备与一对齿轮一一对应，实现对两个齿轮齿根弯曲应力进行同时检测。DIC设备设置在齿轮的侧面，其包括DIC数字相机组件和平面镜组件，DIC数字相机组件通过平面镜组件的反射拍摄到与之对应的齿轮齿根处的散斑图像，DIC数字相机组件与主机通信连接，DIC数字相机组件拍摄到的散斑图像传输至主机进行处理。磁力矩电机动力装置与其中一个齿轮连接，用于向一对齿轮提供负载。

本实施例中，一对齿轮(主动齿轮61和从动齿轮62)分别安装在两根平行布置的齿轮轴(主动齿轮轴5和从动齿轮轴13)上，其中主动齿轮轴5通过联轴器9与电机10连接，从动齿轮轴13与磁力矩电机动力装置3连接。具体地讲，磁力矩电机动力装置3为检测系统提供不同负载并实现适用于各种尺寸的齿轮，其包括磁力矩电机、单向轴承和磁力矩电机固定基座，磁力矩电机安装在磁力矩电机固定基座上，从动齿轮轴13通过单向轴承与磁力矩电机的输出轴连接。

本实施例中，两个光电编码器(一号光电编码器4和二号光电编码器12)分别安装在两根齿轮轴上，具体地讲，一号光电编码器4安装在主动齿轮轴5上，二号光电编码器12安装在从动齿轮轴13上。两个光电编码器与主机11通信连接，用于收集齿轮转动角度，决定DIC数字相机组件的拍照时间，减少信息处理量以提高信息处理效率。

参考图2，在本实施例中，对主动齿轮61齿根弯曲应力进行检测的DIC设备包括DIC数字相机组件8和平面镜组件7，对从动齿轮62齿根弯曲应力进行检测的DIC设备包括DIC数字相机组件2和平面镜组件1。

在每套DIC设备中，DIC数字相机组件安装在一个一号夹板组件的端部，平面镜组件安装在一个二号夹板组件的端部，DIC数字相机组件和平面镜组件位于相同端；一号夹板组件和二号夹板组件均夹持式地安装在齿轮轴上，与齿轮轴同步转动。

参考图3和4，图3和4所示的为主动齿轮61与之对应的DIC设备的半剖俯视图及轴测图，图中，DIC数字相机组件8安装在一号夹板组件23的端部，平面镜组件7安装在二号夹板组件27的端部，DIC数字相机组件8和平面镜组件7位于相同端。

DIC数字相机组件8包括DIC数字相机18、相机安装平台19、相机平移用伸缩杆20和一号基座22；一号基座22固定安装在一号夹板组件23的端部，相机平移用伸缩杆20在动力驱动下能绕其自身轴线进行旋转地安装在一号基座22上，相机安装平台19固定在相机平移用伸缩杆20的端部，DIC数字相机18通过一根竖向布置的转轴从而设置在相机安装平台19上。通过相机平移用伸缩杆20实现DIC数字相机18沿齿轮径向方向的平动，当对象是不同分度圆直径的齿轮时，方便DIC数字相机18沿齿轮径向的位置调整。此外，相机平移用伸缩杆20的转动设置以及DIC数字相机18本身的转动设置实现了DIC数字相机18相对齿根面转动，当对齿轮齿面不同检测位置的DIC数字相机18检测方向调整的同时不必改变一号夹板组件23的安装位置。

平面镜组件7包括平面镜14、平面镜平移用伸缩杆17和二号基座16，二号基座16固定安装在二号夹板组件27的端部，平面镜平移用伸缩杆17的一端与二号基座16连接，平面镜平移用伸缩杆17的另一端通过球头连接结构15与平面镜14连接。平面镜平移用伸缩杆17实现平面镜14沿齿轮径向方向的平动，而且平面镜14通过球头连接结构15与平面镜平移用伸缩杆17转动连接，方便了平面镜14调节角度，使之更好地反射齿根处的散斑图像。

本实施例中，为了保证一号夹板组件23和二号夹板组件27的转动平衡，故在一号夹板组件23的另一端部安装有配重块26，并且配重块26与一号夹板组件23是通过配重块平移用伸缩杆结构25连接的，配重块26与DIC数字相机组件使一号夹板组件23两端保持平衡地安装在齿轮轴上；二号夹板组件27的另一端部安装有仅起配重作用的平面镜组件，两个平面镜组件使二号夹板组件27两端保持平衡地安装在齿轮轴上。

本实施例还公开了一种基于DIC的RV减速器齿轮啮合过程中齿根弯曲应力检测方法，采用上述的检测系统进行实施，其步骤如下：

1)在两个齿轮的齿根处喷涂散斑，将两个齿轮分别装配到齿轮轴上，然后安装DIC设备、光电编码器，最后将磁力矩电机动力装置与一根齿轮轴连接，将电机与另一根齿轮轴连接，调节DIC数字相机与平面镜角度，使DIC数字相机可以拍摄到标记一侧的全部齿根面，调整配重块使系统平衡；

2)齿轮啮合过程中，DIC数字相机对与之对应的齿轮的齿根位置的散斑图像进行拍照记录，在不同载荷下重复散斑图像的采集过程，直至试验结束；

3)使用主机进行散斑图像计算，在图像中建立OXY坐标系，以像素点为坐标，运用迭代算法得到齿根处的节点信息(x_i,y_j)和位移(u_x,u_y)，其中齿根危险截面位置基于30°切线法获得，迭代算法包括整像素搜索与亚像素搜索；

散斑图像计算所采用的公式为：

其中：f(x_i,y_j)——子区A中点(x_i,y_j)处的灰度值；

——子区B中点

处的灰度值；

——子区A的平均灰度；

——子区B的平均灰度；

其中：p_i(x)——任意阶的基函数；M——基函数的项数；a(x)——一个特定的稀疏矩阵，与空间坐标x有关；

4)基于步骤3)的节点信息建立计算模型，将位移场输入计算模型中，基于Galerkin法计算获得齿轮弯曲应变与应力：

其中L——微分算子。

本实施例中，在步骤2)中DIC数字相机对齿轮齿根位置的散斑图像进行拍照记录的步骤为：

首先，通过光电编码器获得齿轮转动角度信息，反馈并处理得到轮齿接触点在齿廓公法线上的位置信息，根据主机读取的接触点位置信息，当两个齿轮旋转啮合至喷涂散斑的齿根处前一对齿廓啮合至渐开线齿廓公法线上的C点时，DIC数字相机开始拍照，此时等待喷涂散斑的齿根前一对轮齿啮合；然后，根据主机读取的接触点位置信息，当两个齿轮啮合至喷涂散斑的齿根后一对轮齿即待测轮齿的齿廓啮合至渐开线齿廓公法线上的K时，DIC数字相机停止拍照，此时待测轮齿齿面分离。

虽然本发明已以实施例公开如上，但其并非用以限定本发明的保护范围，任何熟悉该项技术的技术人员，在不脱离本发明的构思和范围内所作的更动与润饰，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于DIC的RV减速器齿轮啮合过程中齿根弯曲应力检测系统，用于对一对齿轮啮合过程中齿根处的弯曲应力进行实时检测，一对相互啮合的齿轮由电机进行驱动，齿轮的齿根处喷涂散斑，其特征在于：本检测系统包括一台磁力矩电机动力装置、两套DIC设备和一台主机；所述两套DIC设备与一对齿轮一一对应； 所述DIC设备设置在齿轮的侧面，其包括DIC数字相机组件和平面镜组件，所述DIC数字相机组件通过平面镜组件的反射拍摄到与之对应的齿轮齿根处的散斑图像，所述DIC数字相机组件与主机通信连接，DIC数字相机组件拍摄到的散斑图像传输至主机进行处理；所述磁力矩电机动力装置与其中一个齿轮连接，用于向一对齿轮提供负载；一对齿轮分别安装在两根平行布置的齿轮轴上，其中一根齿轮轴通过联轴器与电机连接，另一根齿轮轴与磁力矩电机动力装置连接；在每套DIC设备中，DIC数字相机组件安装在一个一号夹板组件的端部，平面镜组件安装在一个二号夹板组件的端部，DIC数字相机组件和平面镜组件位于相同端；所述一号夹板组件和二号夹板组件均夹持式地安装在齿轮轴上，与齿轮轴同步转动。

2.根据权利要求1所述的基于DIC的RV减速器齿轮啮合过程中齿根弯曲应力检测系统，其特征在于：本检测系统还包括两个光电编码器，两个光电编码器分别安装在两根齿轮轴上；光电编码器与主机通信连接。

3.根据权利要求1所述的基于DIC的RV减速器齿轮啮合过程中齿根弯曲应力检测系统，其特征在于：所述DIC数字相机组件包括DIC数字相机、相机安装平台、相机平移用伸缩杆和一号基座；所述一号基座固定安装在一号夹板组件的端部，所述相机平移用伸缩杆在动力驱动下能绕其自身轴线进行旋转地安装在一号基座上，所述相机安装平台固定在相机平移用伸缩杆的端部，所述DIC数字相机通过一根竖向布置的转轴从而设置在相机安装平台上。

4.根据权利要求1所述的基于DIC的RV减速器齿轮啮合过程中齿根弯曲应力检测系统，其特征在于：所述平面镜组件包括平面镜、平面镜平移用伸缩杆和二号基座，所述二号基座固定安装在二号夹板组件的端部，所述平面镜平移用伸缩杆的一端与二号基座连接，平面镜平移用伸缩杆的另一端通过球头连接结构与平面镜连接。

5.根据权利要求1所述的基于DIC的RV减速器齿轮啮合过程中齿根弯曲应力检测系统，其特征在于：所述一号夹板组件的另一端部安装有配重块，所述配重块与DIC数字相机组件使一号夹板组件两端保持平衡地安装在齿轮轴上；所述二号夹板组件的另一端部安装有仅起配重作用的平面镜组件，两个平面镜组件使二号夹板组件两端保持平衡地安装在齿轮轴上。

6.根据权利要求1所述的基于DIC的RV减速器齿轮啮合过程中齿根弯曲应力检测系统，其特征在于：所述磁力矩电机动力装置包括磁力矩电机、单向轴承和磁力矩电机固定基座，所述磁力矩电机安装在磁力矩电机固定基座上，所述齿轮轴通过单向轴承与磁力矩电机的输出轴连接。

7.一种基于DIC的RV减速器齿轮啮合过程中齿根弯曲应力检测方法，采用权利要求1-6任一项权利要求所述的系统进行实施，其特征在于：步骤如下：

1）在两个齿轮的齿根处喷涂散斑，将两个齿轮分别装配到齿轮轴上，然后安装DIC设备、光电编码器，最后将磁力矩电机动力装置与一根齿轮轴连接，将电机与另一根齿轮轴连接，调节DIC数字相机与平面镜角度，使DIC数字相机可以拍摄到标记一侧的全部齿根面，调整配重块使系统平衡；

2）齿轮啮合过程中，DIC数字相机对与之对应的齿轮的齿根位置的散斑图像进行拍照记录，在不同载荷下重复散斑图像的采集过程，直至试验结束；

3）使用主机进行散斑图像计算，在图像中建立OXY坐标系，以像素点为坐标，运用迭代算法得到齿根处的节点信息

和位移

，齿根危险截面位置基于30°切线法获得；

4）基于步骤3）的节点信息建立计算模型，将位移场输入计算模型中，基于Galerkin法计算获得齿轮弯曲应变与应力。

8.根据权利要求7所述的基于DIC的RV减速器齿轮啮合过程中齿根弯曲应力检测方法，其特征在于：

步骤3）中，迭代算法包括整像素搜索与亚像素搜索；

步骤2）中DIC数字相机对齿轮齿根位置的散斑图像进行拍照记录的步骤为：

首先，通过光电编码器获得齿轮转动角度信息，反馈并处理得到轮齿接触点在齿廓公法线上的位置信息，根据主机读取的接触点位置信息，当两个齿轮旋转啮合至喷涂散斑的齿根处前一对齿廓啮合至渐开线齿廓公法线上的C点时，DIC数字相机开始拍照，此时等待喷涂散斑的齿根前一对轮齿啮合；然后，根据主机读取的接触点位置信息，当两个齿轮啮合至喷涂散斑的齿根后一对轮齿即待测轮齿的齿廓啮合至渐开线齿廓公法线上的K时，DIC数字相机停止拍照，此时待测轮齿齿面分离。

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