齿轮啮合面三维微应变场的数字图像测量装置及测量方法

摘要

本发明涉及一种齿轮啮合面三维微应变场的数字图像测量装置及测量方法，其包括齿轮动态加载机构，齿轮动态加载机构与被测齿轮啮合接触形成啮合面，在齿轮动态加载机构和被测齿轮之间设置有图像传递系统，图像传递系统将啮合面的清晰图像传递至成像设备；成像设备通过图像传递系统将采集到的啮合面立体图像输送至数字图像处理系统；齿轮动态加载机构包括模拟齿、L型转动轴、电磁铁、电磁铁控制器和支撑结构；被测齿轮与模拟齿啮合，模拟齿固定在L型传动轴的一端，L型传动轴的另一端设置有电磁铁，电磁铁与电磁铁控制器电连接；L型传动轴中部与支撑结构活动连接。本发明光路简单、对环境要求较低、具有非接触和全场测量等优点，可以广泛应用于机械测试领域。

说明书

技术领域

本发明涉及一种数字图像测量装置及测量方法，特别是关于一种在机械测试领 域中应用的齿轮啮合面三维微应变场的数字图像测量装置及测量方法。

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 影响至关重要。在线状态下对齿轮啮合面进行全场应力、应变的测量相当困难。离 线状态下，将齿轮固定，通过不同频率和强度的力加载于其啮合位置，可模拟实际 工况下的啮合过程，此时再对齿轮啮合面的三维微应变场进行测量则相对容易。齿 轮啮合面三维微应变场的演化规律是齿轮质量评价、寿命预测和设计改进的关键参 数，具有重要的科学意义和应用价值。

目前实验力学中的应变测量方法种类丰富，常见的主要有电测法和光测法。电 测法具有灵敏度高，测量结果稳定等优点，使用应变片测量应变已经被广泛采用和 认可。然而，电测法也存在一些严重不足。首先，应变片只能测量沿一个方向上的 离散应变，难以测量全场应变分布；其次，应变片属于接触式测量，应变片的粘贴 过程较为繁琐，且粘贴质量对测量结果也有重要影响；此外，电测法的测量结果易 受测量环境的影响，通常情况下可采用温度补偿片来减小环境温度变化的影响，但 在极端高温环境下使用应变片测量应变不仅成本昂贵，而且测量结果可信度也较低。 光测法主要包括光纤光栅传感器技术和激光测振技术，光纤光栅传感器虽然较应变 片具有测量多、测量信息量大的优点，但其粘贴带来的缺点与应变片类似；激光测 量具有非接触、不损伤被测物体表面、测量距离大、抗干扰能力强、测量点可达几 十微米、测量准确度高等优点。但由于激光测量的精度容易受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体表面特征的影响，并且不能 同时进行多点测量。同上述方法相比，数字图像相关法是一种基于计算机视觉和图 像识别原理的非干涉、非接触、全场光测技术，具有光路简单、对环境要求较低、 非接触和全场测量等优点，自其被提出以来受到普遍欢迎。目前，数字图像相关技 术的应用主要集中在图像易于获取的材料力学性能检测领域。

对于常见齿轮来说，其两齿之间空间狭小，即使在离线静态情况下也难以采用 通用成像光学系统采集齿根图像；而在实际运行过程中，图像采集则更加困难。若 采用数字图像相关技术对齿轮啮合面进行全场应变的测量，必须根据啮合面的几何 特征解决其图像获取问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种齿轮啮合面三维微应变场的数字图像 测量装置及测量方法，用于实现在齿轮全场动态下，采用图像传递系统和数字图像 相关分析的装置获取齿轮啮合面在不同啮合力作用下的三维微应变场的演变过程。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种齿轮啮合面三维微应变场的 数字图像测量装置，其特征在于：所述装置包括齿轮动态加载机构、被测齿轮、图 像传递系统、成像设备和数字图像处理系统；所述齿轮动态加载机构与所述被测齿 轮啮合接触形成啮合面，在所述齿轮动态加载机构和被测齿轮之间设置有所述图像 传递系统，所述图像传递系统将啮合面的清晰图像传递至所述成像设备；所述成像 设备通过所述图像传递系统将采集到的啮合面立体图像输送至所述数字图像处理系 统；所述齿轮动态加载机构包括模拟齿、L型转动轴、电磁铁、电磁铁控制器和支撑 结构；所述被测齿轮与所述模拟齿啮合，所述模拟齿固定在所述L型传动轴的一端， 所述L型传动轴的另一端设置有所述电磁铁，所述电磁铁与所述电磁铁控制器电连 接；所述L型传动轴中部与所述支撑结构活动连接。

在所述模拟齿上，与所述被测齿轮接触的一侧设置成与所述被测齿轮相同的渐 开线表面，所述模拟齿的另一侧为平面；所述模拟齿的底端为棱形。

所述模拟齿的体积为所述被测齿轮单齿体积的1/3。

所述图像传递系统包括卤素灯、准直透镜、反射棱镜和楔形棱镜；所述卤素灯 提供的照明光经过所述准直透镜准直后到达所述反射棱镜，所述反射棱镜将照明光 反射至所述楔形棱镜；所述楔形棱镜设置在所述被测齿轮与所述模拟齿之间，所述 反射棱镜反射至的照明光经所述楔形棱镜传输至啮合面；所述楔形棱镜将啮合面的 图像经所述反射棱镜透射传输至所述成像设备。

所述楔形棱镜一侧，位于所述模拟齿和被测齿轮的啮合面位置处还设置有标定 模板。

所述成像设备采用远心镜头的双工业CCD相机。

一种如上述装置的齿轮啮合面三维微应变场的数字图像测量方法，其特征在于 包括以下步骤：(1)在被测齿轮的啮合表面喷涂随机散斑或者进行喷丸处理，然后 将被测齿轮和齿轮动态加载机构上的模拟齿啮合；(2)校准图像传递系统；开启卤 素灯，利用标定模板对卤素灯、准直透镜、反射棱镜和楔形棱镜进行标定，使齿轮 啮合面的图像传递至双工业CCD相机，获取双工业CCD相机参数以及楔形棱镜、反 射棱镜对成像影响的标定参数；(3)通过电磁铁控制器启动电磁铁，使L型转动轴 的另一端受力，并将所受的力传递至L型转动轴一端的模拟齿，带动模拟齿与被测 齿轮啮合，使被测齿轮受到恒定啮合力，同时开启双工业CCD照相机采集序列立体 图像，并将序列立体图像传输至数字图像处理系统内进行存储；(4)提取数字图像 处理系统中的序列立体图像的不变特征，采用数字图像相关方法进行数字图像相关 匹配运算，最后结合步骤(2)中获取的标定参数，计算并输出测量结果，得到被测 齿轮啮合面在不同啮合力作用下的三维微应变场的演变过程。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明采用齿轮动态加载 机构，通过电磁铁控制器改变电磁铁的通电电流大小和通断频率来模拟齿轮的实际 工况，以实现模拟齿轮的实际工作状况。2、本发明采用图像传递系统，通过光学元 件的组合使用，非干涉、非接触、全场光测技术，实现了此轮啮合面全场图像的传 递，具有光路简单、对环境要求较低、非接触和全场测量等优点。3、本发明采用的 模拟齿与被测齿轮的接触面一侧为渐开线方式，模拟齿的另外一侧为平面，模拟齿 的底端为棱形，以防遮挡图像传递系统的光路。综上所述，本发明可以广泛应用于 机械测试领域。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的标定模板放置位置示意图；

图3是本发明的齿轮动态加载机构结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。然而应当理解，附图的提供 仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。

如图1～图3所示，本发明提供一种齿轮啮合面三维微应变场的数字图像测量装 置，其包括齿轮动态加载机构1、被测齿轮2、图像传递系统3、成像设备4和数字 图像处理系统5。齿轮动态加载机构1与被测齿轮2啮合接触，形成啮合面；在齿轮 动态加载机构1和被测齿轮2之间设置有图像传递系统3，图像传递系统3用于提供 被测齿轮2与齿轮动态加载机构1啮合面光照条件，将啮合面的清晰图像传递至成 像设备4。成像设备4通过图像传递系统3将采集到的啮合面立体图像输送至数字图 像处理系统5，数字图像处理系统5存储处理接收到的立体图像，并输出齿轮啮合面 三维微应变场的数字图像。

上述实施例中，齿轮动态加载机构1用于提供被测齿轮啮合面的受力，以达到 模拟实际工况的目的。齿轮动态加载机构1包括模拟齿6、L型转动轴7、电磁铁8、 电磁铁控制器9和支撑结构10。被测齿轮2与模拟齿6啮合，模拟齿6固定在L型 传动轴7的A端(即L型传动轴7一端)，L型传动轴7的B端(即L型传动轴7另 一端)设置有电磁铁8，电磁铁8与电磁铁控制器9电连接。L型传动轴7中部与支 撑结构10活动连接，由支撑结构10支撑整个齿轮动态加载机构1。

上述各实施例中，在模拟齿6上，与被测齿轮2接触的一侧设置成与被测齿轮2 相同的渐开线表面，模拟齿6的另一侧为平面，该平面与被测齿轮2不接触；模拟 齿6的底端为棱形，以防止遮挡图像传递系统3的光路。整个模拟齿6的体积为被 测齿轮单齿体积的1/3。

上述各实施例中，L型转动轴7的B端与电磁铁8相对并具有一定的间隙。

上述各实施例中，图像传递系统3包括卤素灯11、准直透镜12、反射棱镜13 和楔形棱镜14。卤素灯11提供的照明光经过准直透镜12准直后到达反射棱镜13， 反射棱镜13将照明光反射至楔形棱镜14。楔形棱镜14设置在被测齿轮2与模拟齿 6之间，反射棱镜13反射至的照明光经楔形棱镜14传输至啮合面；同时，楔形棱镜 14为成像设备4提供拍摄光路，即将啮合面的图像经反射棱镜13透射传输至成像设 备4。

其中，在楔形棱镜14一侧，位于模拟齿6和被测齿轮2的啮合面位置处还设置 有标定模板15，利用标定模板15对图像传递系统3进行标定。

上述各实施例中，成像设备4采用远心镜头的双工业CCD相机，用于采集图像 传递系统3传递出来的啮合面立体图像。

本发明还提供一种齿轮啮合面三维微应变场的数字图像测量方法，该方法采用 齿轮动态加载机构模拟齿轮实际工作情况下的受力过程，通过基于棱镜的图像传递 系统将齿轮啮合面图像传递至成像设备，并经过数字图像处理系统得到齿轮啮合面 在不同啮合力作用下的三维微应变场的演变过程。其包括以下步骤：

(1)在被测齿轮2的啮合表面喷涂随机散斑或者进行喷丸处理，然后将被测齿 轮2和齿轮动态加载机构1上的模拟齿6啮合。

(2)校准图像传递系统3。开启卤素灯11，利用标定模板15对卤素灯11、准 直透镜12、反射棱镜13和楔形棱镜14进行标定，使齿轮啮合面的图像传递至双工 业CCD相机4，从而获取双工业CCD相机4参数以及楔形棱镜14、反射棱镜13对成 像影响的标定参数；

(3)通过齿轮动态加载机构1中的电磁铁控制器9启动电磁铁8，使L型转动 轴7的B端受力，并将所受的力传递至A端的模拟齿6，从而带动模拟齿6与被测齿 轮2啮合，使被测齿轮2受到恒定啮合力，同时开启双工业CCD照相机4采集序列 立体图像，并将序列立体图像传输至数字图像处理系统5内进行存储；

其中，通过齿轮动态加载机构1中的电磁铁控制器9改变电磁铁8的通电电流 大小和通电频率，使传递到模拟齿6的受力发生改变，即通过改变电流大小来模拟 被测齿轮2啮合受力大小，通过改变电流通断频率来模拟被测齿轮2在不同转速下 的啮合受力，以实现模拟被测齿轮2的实际工作状况；

(4)提取数字图像处理系统5中的序列立体图像的不变特征，采用数字图像相 关方法(DIC)进行数字图像相关匹配运算，最后结合步骤(2)中获取的标定参数， 计算并输出测量结果，得到被测齿轮2啮合面在不同啮合力作用下的三维微应变场 的演变过程。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是 可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行 的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。