[實用新型]一種齒輪嚙合面三維微應變場的數字圖像測量裝置

有效

• 申請號: 201620017509.1
• 申請日: 2016-01-11
• 公開（公告）號: CN205333023U
• 公開（公告）日: 2016-06-22
• 發明（設計）人: 任彬;王偉明;馬增強;楊紹普;歐陽慧泉;沈曉彥
• 申請（專利權）人: 石家莊鐵道大學
• 主分類號: G01B11/16
• 分類號: G01B11/16
• 代理公司: 北京遠創理想知識產權代理事務所(普通合伙) 11513
• 代理人: 李蔚君

技術領域

本實用新型涉及一種數字圖像測量裝置及測量方法，特別是關于一種在機械測 試領域中應用的齒輪嚙合面三維微應變場的數字圖像測量裝置及測量方法。

背景技術

齒輪是機械傳動系統中應用最廣泛的機構和傳動裝置，其性能對整個機電系統 影響至關重要。在線狀態下對齒輪嚙合面進行全場應力、應變的測量相當困難。離 線狀態下，將齒輪固定，通過不同頻率和強度的力加載于其嚙合位置，可模擬實際 工況下的嚙合過程，此時再對齒輪嚙合面的三維微應變場進行測量則相對容易。齒 輪嚙合面三維微應變場的演化規律是齒輪質量評價、壽命預測和設計改進的關鍵參 數，具有重要的科學意義和應用價值。

目前實驗力學中的應變測量方法種類豐富，常見的主要有電測法和光測法。電 測法具有靈敏度高，測量結果穩定等優點，使用應變片測量應變已經被廣泛采用和 認可。然而，電測法也存在一些嚴重不足。首先，應變片只能測量沿一個方向上的 離散應變，難以測量全場應變分布；其次，應變片屬于接觸式測量，應變片的粘貼 過程較為繁瑣，且粘貼質量對測量結果也有重要影響；此外，電測法的測量結果易 受測量環境的影響，通常情況下可采用溫度補償片來減小環境溫度變化的影響，但 在極端高溫環境下使用應變片測量應變不僅成本昂貴，而且測量結果可信度也較低。 光測法主要包括光纖光柵傳感器技術和激光測振技術，光纖光柵傳感器雖然較應變 片具有測量多、測量信息量大的優點，但其粘貼帶來的缺點與應變片類似；激光測 量具有非接觸、不損傷被測物體表面、測量距離大、抗干擾能力強、測量點可達幾 十微米、測量準確度高等優點。但由于激光測量的精度容易受到光學元件本身的精 度、環境溫度、激光束的光強和直徑大小以及被測物體表面特征的影響，并且不能 同時進行多點測量。同上述方法相比，數字圖像相關法是一種基于計算機視覺和圖 像識別原理的非干涉、非接觸、全場光測技術，具有光路簡單、對環境要求較低、 非接觸和全場測量等優點，自其被提出以來受到普遍歡迎。目前，數字圖像相關技 術的應用主要集中在圖像易于獲取的材料力學性能檢測領域。

對于常見齒輪來說，其兩齒之間空間狹小，即使在離線靜態情況下也難以采用 通用成像光學系統采集齒根圖像；而在實際運行過程中，圖像采集則更加困難。若 采用數字圖像相關技術對齒輪嚙合面進行全場應變的測量，必須根據嚙合面的幾何 特征解決其圖像獲取問題。

發明內容

針對上述問題，本實用新型的目的是提供一種齒輪嚙合面三維微應變場的數字 圖像測量裝置及測量方法，用于實現在齒輪全場動態下，采用圖像傳遞系統和數字 圖像相關分析的裝置獲取齒輪嚙合面在不同嚙合力作用下的三維微應變場的演變過 程。

為實現上述目的，本實用新型采取以下技術方案：一種齒輪嚙合面三維微應變 場的數字圖像測量裝置，其特征在于：所述裝置包括齒輪動態加載機構、被測齒輪、 圖像傳遞系統、成像設備和數字圖像處理系統；所述齒輪動態加載機構與所述被測 齒輪嚙合接觸形成嚙合面，在所述齒輪動態加載機構和被測齒輪之間設置有所述圖 像傳遞系統，所述圖像傳遞系統將嚙合面的清晰圖像傳遞至所述成像設備；所述成 像設備通過所述圖像傳遞系統將采集到的嚙合面立體圖像輸送至所述數字圖像處理 系統；所述齒輪動態加載機構包括模擬齒、L型轉動軸、電磁鐵、電磁鐵控制器和支 撐結構；所述被測齒輪與所述模擬齒嚙合，所述模擬齒固定在所述L型傳動軸的一 端，所述L型傳動軸的另一端設置有所述電磁鐵，所述電磁鐵與所述電磁鐵控制器 電連接；所述L型傳動軸中部與所述支撐結構活動連接。

在所述模擬齒上，與所述被測齒輪接觸的一側設置成與所述被測齒輪相同的漸 開線表面，所述模擬齒的另一側為平面；所述模擬齒的底端為棱形。

所述模擬齒的體積為所述被測齒輪單齒體積的1/3。

所述圖像傳遞系統包括鹵素燈、準直透鏡、反射棱鏡和楔形棱鏡；所述鹵素燈 提供的照明光經過所述準直透鏡準直后到達所述反射棱鏡，所述反射棱鏡將照明光 反射至所述楔形棱鏡；所述楔形棱鏡設置在所述被測齒輪與所述模擬齒之間，所述 反射棱鏡反射至的照明光經所述楔形棱鏡傳輸至嚙合面；所述楔形棱鏡將嚙合面的 圖像經所述反射棱鏡透射傳輸至所述成像設備。

所述楔形棱鏡一側，位于所述模擬齒和被測齒輪的嚙合面位置處還設置有標定 模板。

所述成像設備采用遠心鏡頭的雙工業CCD相機。