[发明专利]一种齿轮齿面三维形貌表征方法

说明书

本发明提出一种实光栅投影齿轮齿面三维形貌表征方法，该方法通过面内移动光栅，为测量视场引入均匀相移，构建随机相移技术，消除相位解调过程中的失调误差，并以相位为测量特征，利用其不变性的特点，构建相位‑高度差找表，快速恢复三维测量表面，最终为构建一种快速、高精的齿轮三维轮廓测量技术提供途径。本发明方法为开展直齿轮、斜齿轮非接触测量提供了有效的途径。

技术领域

本发明涉及光学精密测量技术领域，具体涉及一种对齿轮齿面三维形貌进行采样的方法，具体涉及一种齿轮齿面三维形貌表征方法。

背景技术

齿轮齿面形状误差是评定齿轮制造质量的一个重要精度指标。目前齿轮测量机多采用接触式方法测量齿面形状误差。其方法采用逐点测量方式，测量效率低，可能会损伤被测面，且测量精度已很难再有突破性的提高，因此，为了应对现代工业技术发展的需求，开展齿轮非接触测量方法研究，研制非接触式齿轮快速测量装置，替代现有的接触式测量方法，实现齿面进行三维表征愈发重要。现有的三维表征技术主要是基于光学的三维测量方法，其又可分为干涉法和结构光法。干涉法通过两条相干光获得正弦条纹图，其条纹对比度好、测量精度高，但光路复杂、易受环境影响，难以实现工业现场的实时测量。最近，西安交通大学方素平教授团队以马赫-曾德(Mach-Zehnder)干涉仪为模型，研究了斜齿轮激光干涉测量系统的关键技术。该方法使用了双光楔使光线在被测齿面上大角度入射和反射，试图避免被测齿面相邻齿遮挡光线。然而，从实验上看，该方法不能完全实现齿槽空间光线的顺利传播，仅能对部分齿面进行三维表征。如果采用拼接的方法将测量扩大到整个齿面，其结果受拼接精度影响很大。

相比，基于结构光的线结构和面结构光三维测量方法应用简单、灵活的特点。线结构测量方法为被测面投射一条光刀，然后从另一个角度探测由于面形变化引起的光刀像中心的偏移，利用投射的激光光条具有高斯分布光强的特点，按照三角测量原理解析获得剖面数据。线结构测量方法一次成像可以获得一条线上所有点的高度信息。显然，为了实现整个被测面形状的测量，该方法需要添加一个一维扫描装置。因此存在的问题是：1、由于要进行扫描，所以测量速度慢；2、由于机械扫描运动，为测量系统引入了新的误差源；3、由于齿面为扭曲面，致使线结构光法无法正确提取光条中心，从而产生了测量误差。面结构光法为被测面投射面周期结构光，可以实现全场、快速测量。该方法通常使用数字视频投影仪将计算机产生的正弦条纹图投射至被测物体表面，产生变形条纹图，进而通过软件分享获得测量表面。该方法能精确、灵活地产生和控制条纹图，近年来已发展为三维轮廓测量的主流技术之一。然而目前大多数商业化的3D轮廓测量装置由于使用了投影仪，体积庞大、价格昂贵，同时必须进行复杂的gamma校正，否则会极大地降低的三维测量精度。另外，DLP投影仪由于采用了光学积分原理(整个积分过程持续数毫秒)，难以实现动态测量场合数据快速采集。基于LCD投影仪的条纹投影轮廓术，受LCD投影仪最大投射帧率(120HZ)限制，其测量速度难以进一步提高。

发明内容

本发明要提供可有效解决齿轮齿面光学、全场、非接触三维形貌表征方法，解决现有光学方法在齿轮齿面表征过程中光线传播易受遮挡、测量精度不高的问题。

为了达到本发明的目的，本发明提供的技术解决方案是：

一种面结构光齿轮齿面三维形貌表征方法，包括如下的步骤：设计结构尺寸与齿轮轮齿轴向尺寸相当的测头，将被测齿面移动至测量空间中，在被测齿面对面的齿槽空间放置一个平面镜，调整摄像机光轴与被测齿面在平面镜中像的法线平行；

第一步：将被测齿轮置于测量装置的测量空间内，应用电控装置带动光栅在光栅平面内移动，为测量视场引入均匀相移，并摄取多帧相移条纹图和存储；

第二步：应用多帧随机相移提取算法确定测量过程中引入的相移量；

第三步：结合最小二乘迭代相位解调算法提取测量相位并展开相位包裹；

第四步：在建立的相位-高度查找表的基础上，以相位为特征，实现相位-高度映射，重建齿面三维轮廓。