本發(fā)明涉及齒輪檢測技術領域，特別是一種齒輪缺陷檢測系統(tǒng)。

背景技術：

齒輪本身具有的形狀幾何性強的特點，需檢測的參數(shù)過多且增加了復雜的過程，齒輪的質(zhì)量又影響著儀器的壽命和性能，所以對其各項參數(shù)的精確測量是生產(chǎn)過程中必不可少的。要想對其進行人工的檢測判定是否達標，但由于執(zhí)行者的視覺疲勞，操作不準確，精度不高等因素的制約，是會產(chǎn)生一定的主觀誤差的，就不能夠很好地完成基本幾何參數(shù)的測量，執(zhí)行者也不適合長時間和量大工作。在生產(chǎn)種類繁多的齒輪中，要提高工作效率和降低人體要求的強度，減小各方面引起的誤差，這就急需軟硬件技術上的支持與改進來操作非接觸式且在線進行測量，從而解決傳統(tǒng)測量所遇到的難題，提高測量效率，生產(chǎn)出合格產(chǎn)品，滿足各個領域的需求，從而進一步提高國民經(jīng)濟效益。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的是，針對上述問題，提供一種齒輪缺陷檢測系統(tǒng)，提出了一種基于LabVIEW虛擬儀器平臺的檢測系統(tǒng)，利用檢測箱、圖像采集卡和PC機LabVIEW編程通過工業(yè)攝像頭采集并保存機械齒輪的圖像，進而對圖像進行分割、形態(tài)學、濾波等方面的處理，然后測量機械齒輪的軸孔尺寸、齒頂齒根圓和分度圓直徑、以及齒數(shù)模數(shù)等參數(shù)，最后根據(jù)數(shù)據(jù)判斷是否合格。

為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術方案是：一種齒輪缺陷檢測系統(tǒng)，包括檢測箱、圖像采集卡和PC機，檢測箱一側設置打開或閉合檢測箱的檢測腔室的翻蓋，所述檢測箱包括箱體、LED燈、工業(yè)攝像機、可調(diào)節(jié)鏡頭和放置臺，箱體內(nèi)層設置白色散光涂層，所述LED燈均布在箱體側壁上，所述放置臺通過十字移動平臺水平設置在箱體底部，所述工業(yè)攝像機位于在放置臺正上方并固定在箱體頂部，工業(yè)攝像機上設置對應可調(diào)節(jié)鏡頭；所述工業(yè)攝像機通過圖像采集卡連接PC機，PC機內(nèi)置有基于LabVIEW的齒輪檢測單元；工業(yè)攝像機采集源圖像并經(jīng)圖像采集卡處理，再發(fā)送到PC機中，齒輪檢測單元對收到的源圖像經(jīng)以下模塊依次處理：

分割模塊，采用LabVIEW中視覺與運動函數(shù)用于采用閾值處理，按像素的差別將源圖像中齒輪與背景分開，得到齒輪圖像；

形態(tài)學模塊，采用LabVIEW中視覺與運動函數(shù)對齒輪圖像中的齒輪邊緣的毛刺以及噪聲點消除；

中值濾波模塊，采用LabVIEW中視覺與運動函數(shù)對齒輪圖像進行濾波除去噪音；

齒輪測量模塊，采用LabVIEW中函數(shù)庫中GetImageSize函數(shù)獲取齒輪圖像中的齒輪的基本參數(shù)；

所述分割模塊、形態(tài)學模塊和中值濾波模塊整體處理步驟為：

設置閾值范圍，調(diào)用LabVIEW中Threshold函數(shù)對所述源圖像進行閾值處理，把齒輪從背景中分離出來，得到齒輪圖像，

調(diào)用LabVIEW中RemoveParticle功能函數(shù)去除齒輪圖像中的較小粒子，

調(diào)用LabVIEW中IVB Adjust Dynamic.vi函數(shù)對齒輪圖像的像素值進行重新分布，

調(diào)用LabVIEW中Morphology函數(shù)去除噪聲點及光滑齒輪邊緣；

將LabVIEW中中值濾波函數(shù)封裝成IVB NthOrder.vi子函數(shù)，再調(diào)用對齒輪圖像進行處理；

所述齒輪測量模塊的處理步驟為：

調(diào)用LabVIEW中IMAQ ReadFile VI函數(shù)讀取中值濾波模塊輸入的齒輪圖像；

調(diào)用打包好的圖像處理子函數(shù)對圖像進行優(yōu)化處理；

對齒輪進行軸孔檢測，輸出軸孔半徑、圖像中心x、圖像中心y；

通過得到的軸孔半徑和校準系數(shù)，在“頂圓計算”子函數(shù)中，對齒輪的軸孔直徑、齒根圓和齒頂圓直徑進行計算并輸出；

輸入齒根圓直徑、齒頂圓直徑、x分辨率和y分辨率到“齒數(shù)計算”子函數(shù)中，對齒輪的齒數(shù)進行計算并輸出；

通過齒根圓和齒頂圓在“模數(shù)計算”子函數(shù)中計算齒輪的模數(shù)；

根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)判斷齒數(shù)是否達標，齒輪是否合格；

輸出顯示圖像，如果接收“停止”指令，則停止程序的運行。

上述方案中，通過設置檢測箱以獲取高分辨率、高成像效果的齒輪源圖像，這里在檢測箱內(nèi)設置白色散光涂層和環(huán)繞的LED燈，減少光線造成的陰影影響；同時通過可調(diào)節(jié)的放置臺方便調(diào)節(jié)齒輪位于工業(yè)攝像機的取像區(qū)域的中間，保證成像效果。其次通過圖像采集卡可以進一步保證圖像質(zhì)量，減少噪音影響。最后通過使用基于LabVIEW的處理模塊，大大簡化系統(tǒng)的設計，減少系統(tǒng)的制造及維護成本；通過LabVIEW成熟的技術設置適合本系統(tǒng)的功能模塊：分割模塊、形態(tài)學模塊、中值濾波模塊和齒輪測量模塊，完成對源圖像的進一步處理并得到齒輪圖像，并依據(jù)齒輪圖像得到齒輪的相關參數(shù)，包括：

齒頂圓：齒輪的頂端所在的圓。

齒根圓：齒槽的底端所在的圓。

分度圓：為了方便計算幾何尺寸而設計的基準圓，其壓力角和模數(shù)都是標準。

齒厚：在分度圓周上一個輪齒的兩側齒廓之間的弧長。

齒距：相鄰的兩個輪齒位于同一側齒廓之間的分度圓弧長。

齒數(shù)：一個齒輪上的輪齒的總數(shù)。

模數(shù)：表示齒輪牙的大小，一對齒輪的模數(shù)規(guī)格一樣則能咬合，可以理解為齒距除以π的商。

根據(jù)檢測到的齒輪相關參數(shù)即可以與標準的齒輪參數(shù)進行對比，從而得到齒輪參數(shù)差別所在，從而判斷該齒輪是否存在缺陷。本方案可以解決小齒輪測量中人工接觸式測量不能解決的難題，為齒輪缺陷檢測提供了便攜、成本低廉、檢測方便的系統(tǒng)。

優(yōu)選的，所述齒輪測量模塊中對軸孔的檢測步驟為：

利用LabVIEW中GetImageSize函數(shù)獲得所述齒輪圖像的大小尺寸；

取所得齒輪圖像大小的1/2做環(huán)形查找區(qū)域，以測量得齒輪圖像的短邊長度的一半做查找區(qū)域的外圓半徑，并根據(jù)齒輪的大小查找區(qū)域設置內(nèi)圓半徑；

調(diào)用LabVIEW中Find Circular Edge函數(shù)，函數(shù)中的一個簇數(shù)組參數(shù)定義齒輪的環(huán)形搜索區(qū)域，并做一系列的徑向檢測線，其與軸孔的交點擬合得到一個圓；該簇的成員從上到下分別是：圓心X坐標、圓心Y坐標、內(nèi)圓半徑、外圓半徑、檢測線開始角度和終止角度；

每隔600旋轉檢測一次軸孔的數(shù)據(jù)，得到六組參數(shù)值；從測得的數(shù)據(jù)中取半徑最小的一組尺寸數(shù)據(jù)，作為實際軸孔直徑的尺寸大小；

然后Best Circle參數(shù)輸出的是一個圓，包含給出了圓的半徑與圓心坐標，即齒輪的軸孔位置及大小；

得到齒輪的軸孔中心坐標A后，最后用Shift圖像平移的函數(shù)，將齒輪以坐標A為基準移動到齒輪圖像中心。

優(yōu)選的，所述中值濾波模塊的中值濾波處理步驟：

1)首先設定濾波器的模板大小為3×3模板；

2)模板在所述齒輪圖像中活動時使得中心對齊所述齒輪圖像中的某像素點的位置；

3)獲取模板中各個不同像素的灰度數(shù)值；

4)再將得到的灰度數(shù)值由小到大排成一列；

5)然后找出排在中間的值；

6)最后將得到中值分配到模板相應值的像素位置的中心。

優(yōu)選的，所述LED燈分別通過對應的控制開關連接PC機，PC機能夠通過控制開關控制對應LED燈開關。LED燈可以一一對應開啟或關閉，這樣可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)不同的亮度，保證拍攝時適合光亮，確保成像質(zhì)量。

優(yōu)選的，所述放置臺上端面均布有光度傳感器，所述光度傳感器均連接PC機。光度傳感器可以沿放置臺的周向均勻布置，這樣可以檢測放置齒輪后不同方向上的陰影情況，為消除陰影做好準備。

優(yōu)選的，所述PC機中通過LabVIEW建立光度調(diào)節(jié)模塊，調(diào)節(jié)模塊根據(jù)光度傳感器的數(shù)據(jù)控制位于光度傳感器同一側的LED燈的開關及電流強度。這設置一個功能模塊可以直接通過光度傳感器的數(shù)值調(diào)節(jié)LED

優(yōu)選的，所述箱體的側面設置連接十字移動平臺的調(diào)節(jié)旋鈕。這里調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)旋鈕可以方便調(diào)節(jié)十字移動平臺移動，以確保齒輪在拍攝時位于工業(yè)攝像機的正下方。

優(yōu)選的，所述箱體的頂板通過導軌安裝在箱體內(nèi)，所述導軌安裝在箱體兩對稱的側板上并垂直于箱體底板；所述頂板下端面安裝工業(yè)攝像機和可調(diào)節(jié)鏡頭，所述頂板與導軌之間設置用于調(diào)節(jié)頂板移動的伺服電機，所述司法電機連接PC機；所述PC機中通過LabVIEW建立頂板調(diào)節(jié)模塊，通過頂板的移動距離實現(xiàn)調(diào)節(jié)。通過導軌調(diào)節(jié)可以使得箱體可以滿足不同尺寸規(guī)格的齒輪成像拍攝的需求，其具有較強的適應性。

由于采用上述技術方案，本發(fā)明具有以下有益效果：

1.本發(fā)明本設計的機械齒輪缺陷檢測系統(tǒng)的功能齊全且簡單，可以設計網(wǎng)絡傳輸模塊和網(wǎng)絡實時數(shù)據(jù)存儲等功能，實現(xiàn)遠程監(jiān)控對齒輪進行質(zhì)量分析，大大提高整個檢測系統(tǒng)的智能化程度，進一步增加系統(tǒng)的含金量，因此工作效率也會有所改善。

2.本發(fā)明還可以對基于LabVIEW對機械齒輪的單個齒距偏差、齒距累積偏差、齒距累積總偏差、齒廓偏差、圓度、直線度、雙嚙綜合誤差、螺紋、裂痕等各個參數(shù)進行測量，并對檢測的結果進行誤差分析及系統(tǒng)不確定性評價。

附圖說明

圖1是本發(fā)明功能結構示意圖。

附圖中，1-檢測箱、2-圖像采集卡、3-PC機、11-箱體、12-放置臺、13-十字移動平臺、14-工業(yè)攝像機、15-可調(diào)節(jié)鏡頭、16-LED燈、17-光度傳感器、18-頂板、19-調(diào)節(jié)旋鈕。

具體實施方式

以下結合附圖對發(fā)明的具體實施進一步說明。

如圖1所示，本齒輪缺陷檢測系統(tǒng)包括檢測箱、圖像采集卡和PC機。檢測箱采集源圖像并經(jīng)圖像采集卡處理，再發(fā)送到PC機中，PC機中的齒輪檢測單元對收到的源圖像進行處理，并判斷該齒輪是否存在缺陷。

檢測箱一側設置打開或閉合檢測箱的檢測腔室的翻蓋，箱體檢測箱包括箱體、LED燈、工業(yè)攝像機、可調(diào)節(jié)鏡頭和放置臺。箱體內(nèi)層設置白色散光涂層，箱體LED燈均布在箱體側壁上，箱體放置臺通過十字移動平臺水平設置在箱體底部。箱體工業(yè)攝像機位于在放置臺正上方并固定在箱體頂部，工業(yè)攝像機上設置對應可調(diào)節(jié)鏡頭。箱體LED燈分別通過對應的控制開關連接PC機，PC機能夠通過控制開關控制對應LED燈開關。LED燈可以一一對應開啟或關閉，這樣可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)不同的亮度，保證拍攝時適合光亮，確保成像質(zhì)量。箱體放置臺上端面均布有光度傳感器，箱體光度傳感器均連接PC機。光度傳感器可以沿放置臺的周向均勻布置，這樣可以檢測放置齒輪后不同方向上的陰影情況，為消除陰影做好準備。箱體PC機中通過LabVIEW建立光度調(diào)節(jié)模塊，調(diào)節(jié)模塊根據(jù)光度傳感器的數(shù)據(jù)控制位于光度傳感器同一側的LED燈的開關及電流強度。這設置一個功能模塊可以直接通過光度傳感器的數(shù)值調(diào)節(jié)LED箱體箱體的側面設置連接十字移動平臺的調(diào)節(jié)旋鈕。這里調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)旋鈕可以方便調(diào)節(jié)十字移動平臺移動，以確保齒輪在拍攝時位于工業(yè)攝像機的正下方。

其中，箱體箱體的頂板通過導軌安裝在箱體內(nèi)，箱體導軌安裝在箱體兩對稱的側板上并垂直于箱體底板；箱體頂板下端面安裝工業(yè)攝像機和可調(diào)節(jié)鏡頭，箱體頂板與導軌之間設置用于調(diào)節(jié)頂板移動的伺服電機，箱體司法電機連接PC機；箱體PC機中通過LabVIEW建立頂板調(diào)節(jié)模塊，通過頂板的移動距離實現(xiàn)調(diào)節(jié)。通過導軌調(diào)節(jié)可以使得箱體可以滿足不同尺寸規(guī)格的齒輪成像拍攝的需求，其具有較強的適應性。

箱體工業(yè)攝像機通過圖像采集卡連接PC機，PC機內(nèi)置有基于LabVIEW的齒輪檢測模塊；工業(yè)攝像機采集源圖像并經(jīng)圖像采集卡處理，再發(fā)送到PC機中，齒輪檢測模塊對收到的源圖像經(jīng)以下模塊依次處理：

分割模塊，采用LabVIEW中視覺與運動函數(shù)用于采用閾值處理，按像素的差別將源圖像中齒輪與背景分開，得到齒輪圖像；

形態(tài)學模塊，采用LabVIEW中視覺與運動函數(shù)對齒輪圖像中的齒輪邊緣的毛刺以及噪聲點消除；

中值濾波模塊，采用LabVIEW中視覺與運動函數(shù)對齒輪圖像進行濾波除去噪音；

齒輪測量模塊，采用LabVIEW中函數(shù)庫中GetImageSize函數(shù)獲取齒輪圖像中的齒輪的基本參數(shù)；

箱體分割模塊、形態(tài)學模塊和中值濾波模塊整體處理步驟為：

設置閾值范圍，調(diào)用LabVIEW中Threshold函數(shù)對箱體源圖像進行閾值處理，把齒輪從背景中分離出來，得到齒輪圖像，

調(diào)用LabVIEW中RemoveParticle功能函數(shù)去除齒輪圖像中的較小粒子，

調(diào)用LabVIEW中IVB Adjust Dynamic.vi函數(shù)對齒輪圖像的像素值進行重新分布，

調(diào)用LabVIEW中Morphology函數(shù)去除噪聲點及光滑齒輪邊緣；

將LabVIEW中中值濾波函數(shù)封裝成IVB NthOrder.vi子函數(shù)，再調(diào)用對齒輪圖像進行處理。

這里，箱體齒輪測量模塊的處理步驟為：

調(diào)用LabVIEW中IMAQ ReadFile VI函數(shù)讀取中值濾波模塊輸入的齒輪圖像；

調(diào)用打包好的圖像處理子函數(shù)對圖像進行優(yōu)化處理；

對齒輪進行軸孔檢測，輸出軸孔半徑、圖像中心x、圖像中心y；

通過得到的軸孔半徑和校準系數(shù)，在“頂圓計算”子函數(shù)中，對齒輪的軸孔直徑、齒根圓和齒頂圓直徑進行計算并輸出；

輸入齒根圓直徑、齒頂圓直徑、x分辨率和y分辨率到“齒數(shù)計算”子函數(shù)中，對齒輪的齒數(shù)進行計算并輸出；

通過齒根圓和齒頂圓在“模數(shù)計算”子函數(shù)中計算齒輪的模數(shù)；

根據(jù)測量得到的數(shù)據(jù)判斷齒數(shù)是否達標，齒輪是否合格；

輸出顯示圖像，如果接收“停止”指令，則停止程序的運行。

這里，箱體齒輪測量模塊中對軸孔的檢測步驟為：

利用LabVIEW中GetImageSize函數(shù)獲得箱體齒輪圖像的大小尺寸；

取所得齒輪圖像大小的1/2做環(huán)形查找區(qū)域，以測量得齒輪圖像的短邊長度的一半做查找區(qū)域的外圓半徑，并根據(jù)齒輪的大小查找區(qū)域設置內(nèi)圓半徑；

調(diào)用LabVIEW中Find Circular Edge函數(shù)，函數(shù)中的一個簇數(shù)組參數(shù)定義齒輪的環(huán)形搜索區(qū)域，并做一系列的徑向檢測線，其與軸孔的交點擬合得到一個圓；該簇的成員從上到下分別是：圓心X坐標、圓心Y坐標、內(nèi)圓半徑、外圓半徑、檢測線開始角度和終止角度；

每隔600旋轉檢測一次軸孔的數(shù)據(jù)，得到六組參數(shù)值；從測得的數(shù)據(jù)中取半徑最小的一組尺寸數(shù)據(jù)，作為實際軸孔直徑的尺寸大?。?/p>

然后Best Circle參數(shù)輸出的是一個圓，包含給出了圓的半徑與圓心坐標，即齒輪的軸孔位置及大??；

得到齒輪的軸孔中心坐標A后，最后用Shift圖像平移的函數(shù)，將齒輪以坐標A為基準移動到齒輪圖像中心。

這里，箱體中值濾波模塊的中值濾波處理步驟：

1)首先設定濾波器的模板大小為3×3模板；

2)模板在箱體齒輪圖像中活動時使得中心對齊箱體齒輪圖像中的某像素點的位置；

3)獲取模板中各個不同像素的灰度數(shù)值；

4)再將得到的灰度數(shù)值由小到大排成一列；

5)然后找出排在中間的值；

6)最后將得到中值分配到模板相應值的像素位置的中心。

上述方案中，通過設置檢測箱以獲取高分辨率、高成像效果的齒輪源圖像，這里在檢測箱內(nèi)設置白色散光涂層和環(huán)繞的LED燈，減少光線造成的陰影影響；同時通過可調(diào)節(jié)的放置臺方便調(diào)節(jié)齒輪位于工業(yè)攝像機的取像區(qū)域的中間，保證成像效果。其次通過圖像采集卡可以進一步保證圖像質(zhì)量，減少噪音影響。最后通過使用基于LabVIEW的處理模塊，大大簡化系統(tǒng)的設計，減少系統(tǒng)的制造及維護成本；通過LabVIEW成熟的技術設置適合本系統(tǒng)的功能模塊：分割模塊、形態(tài)學模塊、中值濾波模塊和齒輪測量模塊，完成對源圖像的進一步處理并得到齒輪圖像，并依據(jù)齒輪圖像得到齒輪的相關參數(shù)，包括：

齒頂圓：齒輪的頂端所在的圓。

齒根圓：齒槽的底端所在的圓。

分度圓：為了方便計算幾何尺寸而設計的基準圓，其壓力角和模數(shù)都是標準。

齒厚：在分度圓周上一個輪齒的兩側齒廓之間的弧長。

齒距：相鄰的兩個輪齒位于同一側齒廓之間的分度圓弧長。

齒數(shù)：一個齒輪上的輪齒的總數(shù)。

模數(shù)：表示齒輪牙的大小，一對齒輪的模數(shù)規(guī)格一樣則能咬合，可以理解為齒距除以π的商。

根據(jù)檢測到的齒輪相關參數(shù)即可以與標準的齒輪參數(shù)進行對比，從而得到齒輪參數(shù)差別所在，從而判斷該齒輪是否存在缺陷。本方案可以解決小齒輪測量中人工接觸式測量不能解決的難題，為齒輪缺陷檢測提供了便攜、成本低廉、檢測方便的系統(tǒng)。

上述說明是針對本發(fā)明較佳可行實施例的詳細說明，但實施例并非用以限定本發(fā)明的專利申請范圍，凡本發(fā)明所提示的技術精神下所完成的同等變化或修飾變更，均應屬于本發(fā)明所涵蓋專利范圍。