直齿圆柱齿轮数字测量仪的设计分析

齐秉钧

摘要：齿轮是现代机械设备传动系统中非常重要的零部件之一，齿轮的加工精度会直接影响整台机械设备的运行效率和工作性能，进而影響其使用寿命。齿轮的精度除了与齿轮设计和加工有关，同时也与加工过程中精度测量、分析以及误差控制等工作有直接关系。而齿轮形状非常复杂，需要测量的参数也比较多，因此，齿轮测量工作一直是齿轮生产制造过程中的难点。

关键词：直齿圆柱齿轮；数字测量仪；设计；分析

引言

随着现代科技的发展，机械制造行业逐渐将计算机技术和一些参数检测理论应用到实际生产工作当中，进而开发出了基于图像处理的直齿圆柱齿轮数字测量仪，大大提高齿轮制造过程中精度测量、分析以及控制工作的效率和水平。直齿圆柱齿轮数字测量仪具有高精度、高速度、测量范围大等诸多优点，通过将其整合到齿轮加工系统中，能够实现对齿轮加工过程的实时监控，进而提高齿轮加工工作的效率和质量。

1测量原理

数字测量仪运行原理如图1所示。

齿轮的实际位置是由图像坐标系中齿轮图像的位置和仪器坐标系中的视觉系统位置共同决定的，在测量时，需要将直齿圆柱齿轮处理放置在均匀、稳定的光源上方，通过移动工作台，进而找出齿轮的清晰影像，再由CCD相机在将齿轮的清晰影像拍摄下来。拍摄下来的齿轮二维图像会通过光电信号转换成为电荷信号，再利用数字图像软件处理齿轮图像的电荷信号，在处理过程中，应该通过系统标定参数将图像坐标系转换到仪器坐标系，再考虑光栅尺的数值，进而得到较为精准的齿轮参数，最终将齿轮参数显示到屏幕中或储存在仪器数据库中。在数字测量仪器运行过程中，CCD相机是通过两条数据传输通道连接的，一条与AV端口相连，进而将动态视频信号传输到图像采集卡，寻找齿轮影像；另一条与USB接口相连，用于齿轮影像数据传输。

2直齿圆柱齿轮几何参数测量技术的发展

齿轮测量工作是计量工作中的重点内容，齿轮测量技术自上个世纪发展至今已有近百年的历史，就齿轮测量技术的发展情况来看，其发展趋势主要包括以下三点。

第一，原理方面，从最初的“比较测量”逐渐发展为“啮合运动测量”，最终发展到今天的“模型化测量”。

第二，在实现测量原理的技术手段上，齿轮测量技术先后发展出了机械、机电结合等手段，如今又研发出了“光—机—电”与“信息技术”相结合的测量技术。

第三，在测量结果的表述与利用方面，历经了“指示表加肉眼读取”到“记录器记录加人工研究判断”，直至“计算机自动分析并将测量结果反馈到制造系统”的飞跃。

3齿轮测量虚拟仪器结构

3.1机器视觉部分

为了使得采集到的齿轮数字图像达到更好的效果，可以选择目前具有工业实用价值的500万像素的面阵CCD摄像机——德国SVS-VISTEK公司的svs282。在结构设计上要安装两个摄像头，其中正面摄像头用来拍摄齿轮的正面图像，而安装一个侧面摄像头主要目的是用来拍摄齿轮的齿宽方向图像，进而测量齿轮的齿宽，齿宽虽然不是齿轮测量的主要参数，但是为了使得齿轮的测量形成一个完整的系统而检验齿轮，安装侧面摄像头测量齿宽还是必要的。然后通过安装在PC机上的NI公司的NI PCI-1411单色四通道图像采集卡将采集到的数字图像传入PC机进行下一步的图像处理与参数测量。

3.2工作台控制

数字测量仪器的工作台是由NI公司的NI PCI-7344运动控制卡对步进电机进行控制，进而实现工作台的X、Y方向移动和是在水平面内的转动。这样一来，能够使齿轮始终位于光源的中心区域，同时也能使齿轮正面和侧面的摄像头的中心与齿轮中心交叉到一点，以保证图像清晰可见。

3.3软件开发平台

该测量仪器的软件系统应该具备如下功能：第一，工作人员能够通过人机界面和软件控制以期对测量仪器进行操作并下达指令；第二，软件与测量系统应该能通过软件控制仪器读取相应的测量数据并自动进行相应的测量处理工作。另外，由于在测量仪器的硬件设计中已经选择了NI公司的图像采集卡和运动控制卡，因此开发平台也应选择NI公司的软件，以保证测量仪器软件和硬件的完美配合。

4齿轮测量软件设计

齿轮测量仪器系统的设计的关键在于软件设计，同时，整个测量仪器的测量精准度和优劣性能也主要是有软件设计工作的质量决定的。在软件设计过程中，应该尽量减少人为干涉，同时在设计操作界面时应该注意界面简单、易于操作，同时也要注意与硬件结构的配合，充分发挥软硬件的价值。直齿圆柱齿轮数字测量仪的软件模块如图2所示。

图中分成五大模块，图像采集模块、图像处理模块、齿轮的内径测量图像定位模块、齿轮外形几何参数测量模块及公法线测量模块。在这五大模块中还包含若干个小模块。

图像采集及系统校准模块。该模块主要是将CCD采集的图像信号转化为计算机储存格式进行储存，之后在对图像进行校准处理。在采集图像的过程中，由于一些不可避免因素的影响，会使拍摄的图像产生透视几何畸变，进而影响图像的精度，系统校准工作能够改善图像的清晰度，进而得到无透视畸变的齿轮图像。

图像处理模块主要是由数学形态学处理、二值化处理、图像LUT处理和滤波处理等几个功能部分，由于齿轮图像采集过程中会出现一些噪音，同时齿轮加工完成之后也会遗留一些毛刺，这些都会对齿轮图像采集工作造成影响。因此，在采集齿轮图像过程中，应该充分抑制噪音并清理毛刺，进而使图像更加清晰，所以需要对图像进行分析和处理。

内径测量图像定位模块主要是对齿轮上的轴孔进行检测，以保证齿轮移到镜头中心，使齿轮的轴孔中心坐标与图像中心坐标重合，以提高几何参数测量精度。外形几何参数测量模块包含齿顶圆、齿根圆、齿数测量和齿距测量等，然后通过这些测量结果计算出齿轮的模数。

最后是公法线的测量，公法线是齿轮加工和检验中经常测量的参数之一，根据传统的公法线测量原理，用上述设计的机器视觉系统在LabVIEW环境下进行实际的齿轮公法线测量，然后根据公法线的实际测量结果的平均值与公法线公称长度之间的偏差，算出公法线平均长度偏差，检验测量结果是否在合格范围之内。

结语

现代化直齿圆柱齿轮数字测量仪是结合图像处理技术和计算机视觉检测技术的测量工具。该仪器能够快速、精准的对齿轮参数进行测量，同时也可应用于实时在线精密测量工作。该设备具有良好的灵活性和额拓展性，如果将该仪器整合到齿轮加工系统中，将会大大提高齿轮生产过程的智能化和自动化程度。

参考文献：

[1]高峰，刘欢，田国富.直齿圆柱齿轮数字测量仪的设计与研究[J].微型机与应用，2015，34（24）：94-97.