一种汽车后桥差速器中螺旋锥齿轮齿面接触区的检测方法

摘要

本发明公开了一种汽车后桥差速器中螺旋锥齿轮齿面接触区的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：a、相机的标定：采用CCD相机以固定角度对螺旋锥齿轮的齿面接触区进行拍照，拍照时，利用标定板对相机进行标定，b、检测图像的拍摄：采用上述CCD相机以相同角度对涂有着色剂的螺旋锥齿轮的齿面接触区进行拍照，划定ROI区域；c、对ROI区域的图像利用灰度差值进行接触区边缘拾取，确定接触区在齿面上的实际位置和边缘，并计算出接触区的面积。本发明具有能够检测出螺旋锥齿轮接触时的接触区面积和接触区所处相对位置，检测精度高等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及齿轮检测技术领域，特别的涉及一种汽车后桥差速器中螺旋锥齿轮齿面接触区的检测方法。

背景技术

目前，螺旋锥齿轮齿面接触区检测方法主要有目测法和数字图像检测法。目测法是普遍采用的检测方法之一，其检测原理是将汽车后桥差速器安装在滚动检验机上，在螺旋锥齿轮的齿面上涂上着色剂，齿轮运转致着色剂脱落后所得齿面接触区。此检测方法主要依赖观察者的经验，观察者视角的相对位置相对于各个齿面都是不断变化的，容易导致人工检测产品出现合格率和效率低下，受人为经验限制致使精确度不高且无法满足实时在线检测，并且目测法只能进行定性的分析，无法定量检测。

而数字图像检测法主要有两种，一种是利用双目视觉检测技轮齿接触区。根据大齿轮的转动摄录连续轮齿的各接触区，图像数字化处理后存储以备分析，可独显或若干交互重合以显示接触区变化。但是，该方法的缺点是双目CCD摄像机易受视场限制，测量范围小、标定复杂且价格昂贵。另一种是将轮齿表面进行着色处理并用CCD摄像机拍摄轮齿表面图像存储。随后齿轮对接触啮合并用照相机看轮齿表面以获得另一组成像。然后将接触后各轮齿成像减去未接触的相应成像，所得成像差值就是接触区。但是，该方法的缺点是接触成像不能分配到具体的坐标系中，不能得到接触区在轮齿上的相对位置和真实面积。

因此亟需一种螺旋锥齿轮接触区的检测方法，经济有效的检测出螺旋锥齿轮接触时的接触区面积和接触区所处相对位置，这对增加齿轮的装配精度和使用寿命具有重要意义。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种能够检测出螺旋锥齿轮接触时的接触区面积和接触区所处相对位置的汽车后桥差速器中螺旋锥齿轮齿面接触区的检测方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种汽车后桥差速器中螺旋锥齿轮齿面接触区的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

a、相机的标定：采用CCD相机以固定角度对螺旋锥齿轮的齿面接触区进行拍照，拍照时，利用标定板对相机进行标定，确定齿面上任意两点的实际距离与相机中对应两点的像素距离之间的转换比例，找出转换比例最小的两点，并选取两点的中点为相机的坐标原点；

b、检测图像的拍摄：采用上述CCD相机以相同角度对涂有着色剂的螺旋锥齿轮的齿面接触区进行拍照，划定ROI区域；

c、对ROI区域的图像利用灰度差值进行接触区边缘拾取，获取接触区边缘上的各点到相机的坐标原点之间的像素值，并将该像素值与对应的转换比例相乘，从而确定接触区在齿面上的实际位置和边缘，并计算出接触区的面积。

作为优化，所述步骤a中，利用标定板对相机进行标定，具体还包括如下步骤：

a1、将标定板平铺在齿轮的齿顶，调整标定板的位置，使CCD相机视窗中的标定板图像边缘与视窗边缘平行，拍摄第一张照片，然后将标定板在齿轮的齿顶上沿齿轮的顺时针或逆时针移动，并拍摄图像，确保标定板覆盖过视窗中的齿轮的所有区域；根据标定板上图案的实际间距与相机中相应图案的像素距离，即可确定各点之间的转换比例，确定相机在齿顶面上各点的畸变系数；

a2、将标定板依次放在视窗内的每一个齿槽内，并靠在正对相机的齿面上，沿齿槽方向移动标定板，拍摄每次移动后的图像；根据标定板上图案的实际间距与相机中相应图案的像素距离，即可确定各点之间的转换比例，确定相机在每个齿槽深度方向上各点的畸变系数。

这样，有利于获取更加准确的畸变系数，在对图像进行校正时更加准确，有利于提高检测的精度。

作为优化，所述步骤a中，标定板在CCD相机视窗中的图像小于视窗的四分之一。这样，可以保证拍摄过程中，尽量多的图片能够包含完整的标定板图像，有利于提高CCD相机的标定精度。

作为优化，所述步骤a中，在CCD相机视窗中的标定板图像上的黑白阵列灰度的差值大于100。这样，当黑白阵列灰度的差值大于100，能够提高接触区边缘拾取准确性，有利于提高检测的精度。

作为优化，所述步骤c中计算出接触区的面积，还包括如下步骤：

c1、对ROI区域的图像进行接触区边缘拾取后，将图像转化成二值图，设图像中的物体对应的像素位置坐标为(x_i，y_j)，其中，i＝0,1,…,n-1；j＝0,1,…,m-1；m，n为自然数，则所有接触区的面心位置坐标为：

$>\bar{x}=\frac{1}{mn}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{m-1}{\Sigma }}{x}_i$>

$>\bar{y}=\frac{1}{mn}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{m-1}{\Sigma }}{y}_j$>

从而确定接触区的中心相对于齿面的角点和边缘的相对位置。

进一步优化，通过CCD相机所获取的图像读取其中接触区及边缘的像素数目，确定接触区图像的面积，接触区面积公式为：

$>A=\underset{x=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{y=1}{\overset{M}{\Sigma }}f(x,y)$>

式中，M为y方向像素个数,，N为x方向像素个数。

这样，通过统计接触区边缘内部和接触区边缘上的像素数目就确定可以确定接触区的实际面积，对于二值图，若1表示接触区域图像，用0表示未接触区域图像，其像素个数即为f(x,y)＝1的统计个数，通过像素个数即可得出接触区的实际面积。

综上所述，本发明具有能够检测出螺旋锥齿轮接触时的接触区面积和接触区所处相对位置，检测精度高等优点。

附图说明

图1为一种实施本方法所采用的检测装置的结构示意图。

图2为汽车后桥差速器中螺旋锥齿轮接触区示意图。

具体实施方式

下面结合一种实施本方法所采用的汽车后桥差速器中螺旋锥齿轮齿面接触区的检测装置及其附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时，如图1～图2所示，一种汽车后桥差速器中螺旋锥齿轮齿面接触区的检测装置，包括：

一个汽车后桥差速器驱动装置，包括底板11、安装在底板11上用于支撑汽车后桥差速器的差速器支撑座12，以及用于驱动汽车后桥差速器旋转的电机13；

一个机器视觉系统，包括工业计算机21,以及以固定的角度朝向待检测螺旋锥齿轮齿面设置的CCD相机22；所述工业计算机21内设置有图像采集卡，所述CCD相机22的数据传输端连接到所述图像采集卡。

一个测控系统，包括PLC控制器，以及用于驱动所述电机13的电机控制器，所述电机控制器和所述工业计算机21均电连接至所述PLC控制器。

检测前，先将待检测汽车后桥差速器中螺旋锥齿轮进行清洗，然后将清洗后的汽车后桥差速器安装在差速器支撑座上，并用联轴器将汽车后桥差速器的主传动轴与电机的输出轴相连；使用着色剂对汽车后桥差速器中螺旋锥齿轮的轮齿进行定量着色；检测时，由PLC控制器通过电机控制器驱动电机旋转，带动汽车后桥差速器转动，同时采用CCD相机对螺旋锥齿轮齿面接触区进行拍照，并将照片通过数据传输端输送到图像采集卡中，完成图像的采集。上述装置能够方便地实现对汽车后桥差速器中螺旋锥齿轮齿面接触区的信息采集，结构简单，制造成本较低，操作方便。

实施时，所述机器视觉系统还包括用于增强待检测螺旋锥齿轮齿面区域的光照效果的补光灯，所述补光灯通过补光灯支架安装在所述底板11上。这样，通过补光灯增强待检测螺旋锥齿轮齿面区域的光照效果，能够使CCD相机拍摄的照片更加清晰，有利于提高信息采集的准确性。

实施时，所述补光灯支架包括由下向上依次嵌套设置的若干个伸缩杆，最里层的伸缩杆的顶部设置有能够绕顶点旋转的补光灯安装座，所述补光灯固定设置在所述补光灯安装座上。

使用时，可以通过伸缩杆调整补光灯支架的高度，然后将补光灯安装座绕最里层的伸缩杆的顶部旋转，调整补光灯的补光角度。这样，能够进一步提高照片的清晰度，提高信号采集的准确性。

实施时，所述测控系统还包括用于检测轮齿位置的光电传感器，所述光电传感器与所述PLC控制器相连；所述PLC控制器具有用于控制CCD相机的快门工作的快门输出端，所述快门输出端电连接至所述CCD相机。

检测时，光电传感器一旦检测到设定的轮齿位置，并将检测信号输入到PLC控制器中，PLC控制器根据该信号通过快门输出端控制CCD相机的快门工作，对螺旋锥齿轮齿面接触区进行拍照，有利于提高拍照区域的一致性，进而提高信号采集的准确性。

实施时，所述CCD相机22上安装有远心镜头，所述远心镜头内具有带通滤光片。

这样，采用远心镜头可以实现焦距的调节、视场的调节以及放大倍率的调节，避免采集的图像失真，有利于提高图像采集精度。带通滤光片可以实现光谱的过滤，避免其他波长的光线对图像采集的干扰，提高图像采集精度。

具体检测时，采用如下步骤完成检测；

a、相机的标定：采用CCD相机以固定角度对螺旋锥齿轮的齿面接触区进行拍照，拍照时，利用标定板对相机进行标定，确定齿面上任意两点的实际距离与相机中对应两点的像素距离之间的转换比例，找出转换比例最小的两点，并选取两点的中点为相机的坐标原点；

b、检测图像的拍摄：采用上述CCD相机以相同角度对涂有着色剂的螺旋锥齿轮的齿面接触区进行拍照，划定ROI区域；

c、对ROI区域的图像利用灰度差值进行接触区边缘拾取，获取接触区边缘上的各点到相机的坐标原点之间的像素值，并将该像素值与对应的转换比例相乘，从而确定接触区在齿面上的实际位置和边缘，并计算出接触区的面积。

具体的，所述步骤a中，利用标定板对相机进行标定，具体还包括如下步骤：

a1、将标定板平铺在齿轮的齿顶，调整标定板的位置，使CCD相机视窗中的标定板图像边缘与视窗边缘平行，拍摄第一张照片，然后将标定板在齿轮的齿顶上沿齿轮的顺时针或逆时针移动，并拍摄图像，确保标定板覆盖过视窗中的齿轮的所有区域；根据标定板上图案的实际间距与相机中相应图案的像素距离，即可确定各点之间的转换比例，确定相机在齿顶面上各点的畸变系数；

a2、将标定板依次放在视窗内的每一个齿槽内，并靠在正对相机的齿面上，沿齿槽方向移动标定板，拍摄每次移动后的图像；根据标定板上图案的实际间距与相机中相应图案的像素距离，即可确定各点之间的转换比例，确定相机在每个齿槽深度方向上各点的畸变系数。

这样，有利于获取更加准确的畸变系数，在对图像进行校正时更加准确，有利于提高检测的精度。

具体地，所述步骤a中，标定板在CCD相机视窗中的图像小于视窗的四分之一。这样，可以保证拍摄过程中，尽量多的图片能够包含完整的标定板图像，有利于提高CCD相机的标定精度。

具体地，所述步骤a中，在CCD相机视窗中的标定板图像上的黑白阵列灰度的差值大于100。这样，当黑白阵列灰度的差值大于100，能够提高接触区边缘拾取准确性，有利于提高检测的精度。

具体地，所述步骤c中计算出接触区的面积，还包括如下步骤：

c1、对ROI区域的图像进行接触区边缘拾取后，将图像转化成二值图，设图像中的物体对应的像素位置坐标为(x_i，y_j)，其中，i＝0,1,…,n-1；j＝0,1,…,m-1；m，n为自然数，则所有接触区的面心位置坐标为：

$>\bar{x}\frac{1}{mn}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{m-1}{\Sigma }}{x}_i$>

$>\bar{y}=\frac{1}{mn}\underset{i=0}{\overset{n-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{m-1}{\Sigma }}{y}_j$>

从而确定接触区的中心相对于齿面的角点和边缘的相对位置。

具体地，通过CCD相机所获取的图像读取其中接触区及边缘的像素数目，确定接触区图像的面积，接触区面积公式为：

$>A=\underset{x=1}{\overset{N}{\Sigma }}\underset{y=1}{\overset{M}{\Sigma }}f(x,y)$>

式中，M为y方向像素个数,，N为x方向像素个数。

这样，通过统计接触区边缘内部和接触区边缘上的像素数目就确定可以确定接触区的实际面积，对于二值图，若1表示接触区域图像，用0表示未接触区域图像，其像素个数即为f(x,y)＝1的统计个数，通过像素个数即可得出接触区的实际面积。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。