[發(fā)明專利]一種齒輪齒面三維形貌表征方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811300037.0
• 申請日: 2018-11-02
• 公開（公告）號: CN109341584A
• 公開（公告）日: 2019-02-15
• 發(fā)明（設計）人: 杜虎兵;張少鋒;王建華;陳曉東;王曉麗;盧春霞;孫彬
• 申請（專利權）人: 西安工業(yè)大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 西安新思維專利商標事務所有限公司 61114
• 代理人: 黃秦芳

本發(fā)明提出一種實光柵投影齒輪齒面三維形貌表征方法，該方法通過面內移動光柵，為測量視場引入均勻相移，構建隨機相移技術，消除相位解調過程中的失調誤差，并以相位為測量特征，利用其不變性的特點，構建相位?高度差找表，快速恢復三維測量表面，最終為構建一種快速、高精的齒輪三維輪廓測量技術提供途徑。本發(fā)明方法為開展直齒輪、斜齒輪非接觸測量提供了有效的途徑。

技術領域

本發(fā)明涉及光學精密測量技術領域，具體涉及一種對齒輪齒面三維形貌進行采樣的方法，具體涉及一種齒輪齒面三維形貌表征方法。

背景技術

齒輪齒面形狀誤差是評定齒輪制造質量的一個重要精度指標。目前齒輪測量機多采用接觸式方法測量齒面形狀誤差。其方法采用逐點測量方式，測量效率低，可能會損傷被測面，且測量精度已很難再有突破性的提高，因此，為了應對現(xiàn)代工業(yè)技術發(fā)展的需求，開展齒輪非接觸測量方法研究，研制非接觸式齒輪快速測量裝置，替代現(xiàn)有的接觸式測量方法，實現(xiàn)齒面進行三維表征愈發(fā)重要。現(xiàn)有的三維表征技術主要是基于光學的三維測量方法，其又可分為干涉法和結構光法。干涉法通過兩條相干光獲得正弦條紋圖，其條紋對比度好、測量精度高，但光路復雜、易受環(huán)境影響，難以實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場的實時測量。最近，西安交通大學方素平教授團隊以馬赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉儀為模型，研究了斜齒輪激光干涉測量系統(tǒng)的關鍵技術。該方法使用了雙光楔使光線在被測齒面上大角度入射和反射，試圖避免被測齒面相鄰齒遮擋光線。然而，從實驗上看，該方法不能完全實現(xiàn)齒槽空間光線的順利傳播，僅能對部分齒面進行三維表征。如果采用拼接的方法將測量擴大到整個齒面，其結果受拼接精度影響很大。

相比，基于結構光的線結構和面結構光三維測量方法應用簡單、靈活的特點。線結構測量方法為被測面投射一條光刀，然后從另一個角度探測由于面形變化引起的光刀像中心的偏移，利用投射的激光光條具有高斯分布光強的特點，按照三角測量原理解析獲得剖面數(shù)據(jù)。線結構測量方法一次成像可以獲得一條線上所有點的高度信息。顯然，為了實現(xiàn)整個被測面形狀的測量，該方法需要添加一個一維掃描裝置。因此存在的問題是：1、由于要進行掃描，所以測量速度慢；2、由于機械掃描運動，為測量系統(tǒng)引入了新的誤差源；3、由于齒面為扭曲面，致使線結構光法無法正確提取光條中心，從而產生了測量誤差。面結構光法為被測面投射面周期結構光，可以實現(xiàn)全場、快速測量。該方法通常使用數(shù)字視頻投影儀將計算機產生的正弦條紋圖投射至被測物體表面，產生變形條紋圖，進而通過軟件分享獲得測量表面。該方法能精確、靈活地產生和控制條紋圖，近年來已發(fā)展為三維輪廓測量的主流技術之一。然而目前大多數(shù)商業(yè)化的3D輪廓測量裝置由于使用了投影儀，體積龐大、價格昂貴，同時必須進行復雜的gamma校正，否則會極大地降低的三維測量精度。另外，DLP投影儀由于采用了光學積分原理(整個積分過程持續(xù)數(shù)毫秒)，難以實現(xiàn)動態(tài)測量場合數(shù)據(jù)快速采集。基于LCD投影儀的條紋投影輪廓術，受LCD投影儀最大投射幀率(120HZ)限制，其測量速度難以進一步提高。

發(fā)明內容

本發(fā)明要提供可有效解決齒輪齒面光學、全場、非接觸三維形貌表征方法，解決現(xiàn)有光學方法在齒輪齒面表征過程中光線傳播易受遮擋、測量精度不高的問題。

為了達到本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供的技術解決方案是：

一種面結構光齒輪齒面三維形貌表征方法，包括如下的步驟：設計結構尺寸與齒輪輪齒軸向尺寸相當?shù)臏y頭，將被測齒面移動至測量空間中，在被測齒面對面的齒槽空間放置一個平面鏡，調整攝像機光軸與被測齒面在平面鏡中像的法線平行；

第一步：將被測齒輪置于測量裝置的測量空間內，應用電控裝置帶動光柵在光柵平面內移動，為測量視場引入均勻相移，并攝取多幀相移條紋圖和存儲；

第二步：應用多幀隨機相移提取算法確定測量過程中引入的相移量；

第三步：結合最小二乘迭代相位解調算法提取測量相位并展開相位包裹；

第四步：在建立的相位-高度查找表的基礎上，以相位為特征，實現(xiàn)相位-高度映射，重建齒面三維輪廓。