小模数塑料齿轮误差视觉测量技术研究

[摘 要]本文以小模数塑料齿轮的误差检测技术难点作为基础，从机器视觉技术的齿轮误差视觉检测角度出发，提出了相应的观点。搭建了实验检测系统，重点对照明系统、测量基准求解算法、图像处理算法和齿轮误差检测算法等关键技术进行了深入的研究。设计了快速中值滤波、基于 Canny 准则的边缘检测、最小二乘拟合和 Hough 变换等算法。实验测量表明，系统效率较高，可以满足小模数塑料齿轮在线检测的要求，是解决小模数塑料齿轮质量检测这一技术难题的有效途径。

[关键词]机器视觉 齿轮测量 误差 边缘检测

中图分类号：TQ320.77 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）12-0349-02

一、概述

科学技术的发展推动了注塑技术的不断进步，小模数（0.1mm≤m≤1mm）齿轮“以塑代钢”成为潮流，由于其具有成本低、质量轻、传动噪声小、生产批量大等特点，被广泛用于IT、家电、玩具、仪表等领域[1][2]。小齿轮的测量一直是齿轮测量领域技术难题之一，小模数塑料齿轮由于齿槽空间小、轮齿刚度差，使用传统的接触式测量仪器很难进行测量。机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。应用机器视觉的检测技术属于非接触检测技术，被广泛地应用于在线检测和高精度、高速度检测领域[3]。齿轮整体误差测量技术是我国首先提出来的，所谓齿轮整体误差测量法，就是将每一个齿的齿形误差以及所有各个齿的相互（即分度间隔）误差，用整体误差曲线图形反映出来，这样便于分析各个单项误差以及它们之间的相互关系，从而对齿轮的工艺过程进行研究。

二、测量系统组成及工作原理

齿轮视觉检测系统与典型的工业机器视觉系统类似，由成像系统（CCD或CMOS摄像机）、光源系统、计算机、数据采集、传输和处理系统等部分组成，系统结构组成如图1所示。齿轮视觉检测系统工作过程及原理为：将被测齿轮置于检测平台上，使用照明系统进行照明，被测齿轮经过光学系统后成像于CCD或COMS的感光阵面上，面（线）阵CCD或COMS将被测齿轮转换成图像信号，传送给以计算机为核心的图像处理系统。齿轮图像经过二值化、边缘检测等一系列图像处理后，即可获得齿轮齿廓，据此通过计算机分析计算出齿形偏差。最后将检测结果进行反馈，控制分拣装置剔除不合格的齿轮。

三、小模数塑料齿轮视觉检测关键技术

1、照明系统

照明系统是小模数塑料齿轮视觉检测的关键技术之一，为了获得优质的图像，必须选择合适的照明光源，以突出被测部分的对比度。经过对比实验和分析，本课题采用均匀背景光源进行照明，均匀背景光源常被应用于尺寸测量等场合。该照明方式是将被测齿轮置于数字摄像头与光源之间，从背面进行照明。被齿轮遮挡的部分形成阴影，齿轮轮廓特别突出，可方便后续处理，缺点是不能获得表面细节。图2a，b分别为采用普通前光照明和均匀背景光源照明方式采集的齿轮图像。

2、测量基准

3、图像处理算法

4、齿轮误差检测原理

应用机器视觉技术测量齿轮端面误差，属于直角坐标测量系统下的逐点坐标测量法。逐齿坐标点测量是将被测齿轮置于某选定的平面坐标系中，逐齿测出齿轮端面上各采样点的坐标值，顺序排列并绘成误差曲线。如前所述，在测量前首先要确定被测齿轮的几何中心（测量基准），并使其与坐标原点重合。假设第一个齿的渐开线起点为p，直角坐标为（，0），则第N个被测齿面上的某个坐标点为Q（x，y）。逐齿测出各齿端面上的一系列点的直角坐标值，并换算成端面法向值，再与相应齿廓理论位置的坐标点进行比较，求出各点的误差值（f端面法向）为：

由求得各点的f值后，经过转换，便获得端面误差曲线。

四、测量实验及结果分析

由上述实验结果可以得出：采用机器视觉技术对小模数塑料齿轮进行在线检测，效率非常高，可以满足在线检测的要求。但测量结果也受到各种因素的影响，主要有以下两方面的因素：（1）硬件方面：摄像设备的分辨率，照明系统不均的光照，成像系统的光学畸变等。（2）软件方面：边缘检测算法的定位精度，测量基准的计算精度等。

结语：

本文主要探讨了应用机器视觉技术对小模数塑料齿轮进行误差测量的相关技术。虽然存在不能测量多联齿轮和斜齿轮等不足，由于视觉检测技术具有效率高，非接触等特点，综合考虑测量精度、效率和经济性等因素，在软、硬件方面做进一步的研究，则完全可以满足小模数塑料齿轮的在线检测要求，将是解决小模数塑料齿轮质量检测这一技术难题的有效途经。

参考文献

[1]张浩强.参数化标准直齿圆柱齿轮模型的建立及参数修改[J].机械工程与自动化，2014，05：192-193.

[2].“2014齿轮精度国际新标准研讨会”成功举行[J].北京工业大学学报，2014，09：1417.

[3]游彦茹，刘泓滨，高利.基于正交试验法塑料齿轮浇注系统优化及收缩分析[J].工程塑料应用，2014，09：63-67.