齿轮是机械传动系统中一种重要的零件,其主要功能是用来传递运动和动力,而直齿圆柱齿轮的应用尤为广泛。齿轮的精度直接影响系统的传动质量,因此对齿轮精度的要求日益提高,相应地对齿轮测量的要求也更为严格,测量精度已经成为提高齿轮制造技术至关重要的一个环节。齿廓总偏差是评价齿轮传动平稳性时所需采用的强制性检测精度指标,它直接反映了齿轮工作齿面的瞬时接触情况,因此该项误差在齿轮各项精度的测量中尤为重要。目前的齿轮视觉测量系统要求全齿轮位于视野范围内,且测量精度较低。针对上述制约,本文研制齿轮视觉测量系统,并对齿廓测量技术进行深入研究,以达到快速测量中小模数5级精度标准渐开线直齿圆柱齿轮的目的。论文的主要工作包括:(1)为了实现高精度直齿圆柱齿轮的快速测量,研制一种适用于中小模数5级精度标准渐开线直齿圆柱齿轮的视觉测量系统。对系统的机械运动模块进行设计,搭建背光源视觉测量系统;对系统软件进行模块化设计,完成各子模块的功能开发。(2)通过分析视觉测量系统的成像模型,建立摄像机坐标系、图像坐标系以及测量坐标系,确定测量的基准,并对系统进行标定。通过点阵标定板中标定圆圆心距物理尺寸与像素尺寸的比值,完成系统像素当量的标定;综合考虑各种光学畸变误差,由标定板图像上的理论位置与实际位置,建立系统的误差标定模型;根据不同光源强度下的标定圆实测直径,建立光源强度引起的边缘位置误差补偿模型。采用标定板和量块进行补偿实验,验证标定模型对测量结果的补偿精度。(3)在研究现有图像亚像素边缘定位算法的基础上,根据背光源图像边缘切向平滑和法向陡峭的特征,提出两种亚像素边缘定位算法:基于高斯积分曲线拟合的亚像素边缘定位算法和基于Bertrand曲面模型的亚像素边缘定位算法。采用高斯滤波对获取的图像进行去噪处理,由八邻域边缘追踪算法确定连续的单像素边缘点,并通过对其拟合获得像素级边缘曲线,进而得到边缘切向和法向信息。算法一是通过贝塞尔曲面插值确定像素级边缘曲线法截线上各点的灰度值,对灰度值进行高斯积分曲线拟合,得到其均值点坐标,实现边缘的亚像素定位。算法二是将边缘灰度曲面视为以高斯积分曲线为母线,以待求的亚像素边缘曲线为准线的Bertrand曲面。在像素级边缘邻域内选取拟合区域,将拟合区域内的像素点坐标转化为边缘曲线的标架坐标,并采用Bertrand曲面模型对其进行拟合,得到的曲面准线即为亚像素边缘。这两种算法均将边缘切向和法向分离,可以有效解决边缘切向平滑与法向陡峭不能兼顾的问题。(4)根据渐开线齿轮的几何特征,将同一齿廓上的测量点视为同一基圆不同初始相位角的标准渐开线上的点,建立基于初始相位角的齿廓总偏差测量模型。由于中小模数齿轮的中心不在视觉测量系统视野范围内,利用标定圆盘进行视野外齿轮中心定位,在保证芯轴、镜头和光源相对位置不变的条件下,获取标定圆盘图像,采用半径约束最小二乘圆拟合方法对标定圆盘的外圆边缘进行拟合,获取齿轮中心在图像坐标系中的坐标。为了减小计算误差等因素对边缘定位结果的影响,对齿廓亚像素边缘进行一阶连续分段曲线拟合,获取齿廓测量点。根据齿廓上各测量点的初始相位角,利用基于初始相位角的齿廓总偏差测量模型,计算齿廓总偏差。(5)应用齿轮视觉测量系统对齿廓总偏差进行测量实验,分析系统的测量重复性精度以及光学系统误差、齿轮定位中心误差、系统制造误差、齿轮表面上油渍毛刺等因素对测量精度的影响。将该测量结果与齿轮测量中心的测量结果进行对比,验证该系统能够实现中小模数5级精度标准渐开线直齿圆柱齿轮的测量。