[发明专利]一种基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种齿轮测量装置，更进一步，涉及一种基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法。

背景技术

齿轮是机械传动系统中应用最广泛的机构和传动装置，其性能对整个机电系统至关重要。在实际生产中，由于刀具的制造和安装误差，以及机床传动误差等因素的影响，实际加工的齿轮总是存在着误差，齿轮在使用过程中也会因为磨损产生其他误差，这些误差对齿轮的传动会产生很大的影响，直接表现就是在齿轮的传动过程中会产生一定程度的振动和噪声。且齿轮综合测量是齿轮质量评价、寿命预测和设计改进的关键手段，因此，齿轮综合测量就变得尤为重要。结合现代技术的发展，开发高精度非接触的测量技术，对于齿轮测量和齿轮加工的发展具有重要的意义。

齿轮检测目前主要以比较测量为主，测量精度依赖于标准件或展成机构的精度，机械结构复杂，柔性较差，测量效率低，测量误差项目有限。机器视觉及图像处理技术的发展，为高精度快速测量齿轮三维形貌提供了一条有效途径。现有的基于图像处理的齿轮测量技术主要是通过相机采集齿轮的二维信息，远不能满足实际需求。由于电子技术、计算机技术的飞速发展，结构光视觉非接触式测量技术得到了空前的发展、测量速度可超过百分点/秒。结构光视觉测量技术是利用可见光与物体表面发生相互作用来获取物体表面特征点的三维坐标信息，其中以应用光学原理发展起来的激光三角法和结构光法的应用最为广泛。但由于激光三角法测量的精度容易收到光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物表面特征的影响，并且不能同时进行多点测量。与之相比，面结构光具有光路简单、对环境要求较低、非干涉、非接触和全场测量等优点。并且由于结构光视觉测量技术不与被测物体接触，因而该技术还可应用于柔性物体测量。

面结构光的测量原理是将光栅图样投射到被测物体表面，相位和振幅受到物面高度的调制使光栅图像发生变形，通过解调可以得到包含高度信息的相位变化，最后根据三角法原理完成相位到高度的转换，从而得出被测物体的三维信息。

现有检测设备和方法的缺点在于：(1)对齿轮采用接触式测量，对齿轮表面有一定的影响，且对于大型齿轮，测量设备需要很大体积才能满足需求；(2)齿轮形状复杂，测量参数较多，对于齿轮误差等信息的测量，需要特定的方法，复杂度高；(3)测量设备结构复杂，成本较高，不能满足实时检测的要求；(4)对于常见齿轮来说，其齿间空间狭小，使用传统测量仪器难以高效测量；(5)不能实现齿轮的全场测量，测量效率较低。

结构光三维测量技术在齿轮测量领域具有如下优势：(1)测量对象不受限。结构光为非接触式测量，不受测量对象形貌限制，可以实现包括渐开线圆柱齿轮、锥齿轮、弧齿锥齿轮、蜗轮、蜗杆、螺杆、凸轮、滚刀、插齿刀、剃齿刀等各种零件的三维形貌测量，解决了许多用传统仪器无法检测的技术难题。(2)测量尺寸不受限。结构光可以根据测量需要，对观测区域进行放大缩小，观测区域拼接等，可以实现直径几米数十米大型齿轮以及亚毫米的小模数齿轮的测量。(3)测量项目不受限。直接获取齿轮的整体三维形貌，不局限于几条线或者几个面的测量，测量的误差项目不受限制。(4)测量环境不受限。可以在加工现场对齿轮进行测量，完成常规测量仪器难以实现的变温齿轮测量等难题。(5)测量精度高。最高可实现亚微米级测量。(6)测量速度快、操作方便。在数秒内就可以完成对齿轮整体三维形貌的测量，不需进行特殊的安装、定位、找中心等步骤。(7)测量效率与精度高度协调。结构光测量可以根据测量需要，对不同观测区域实现不同精度等级测量，保证测量效率和精度的协调性。(8)动态测量。最终目标可以实现齿轮运行过程中的三维形貌检测。因此，如何利用结构光来测量齿轮，是本发明要研究的重点和方向。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法，该基于结构光的齿轮综合测量系统及其方法用于测量被测齿轮，以建立关于该被测齿轮的三维模型和分析该被测齿轮的综合信息。