基于數(shù)字圖像處理的齒輪測試儀精度分析
基于視覺技術(shù)的齒輪測試儀是一種新型的齒輪測量工具，是隨著計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理能力的大幅度提高和CCD測量設(shè)備的不斷發(fā)展而逐漸得到研究和發(fā)展的。目前該項(xiàng)目在我國的還處于研究階段。該設(shè)備影響測量精度的因素非常多，首先圖像采集是系統(tǒng)的輸入環(huán)節(jié)，它是一個(gè)很重要的組成部分。圖像采集的質(zhì)量直接影響到后續(xù)的處理和測量，一個(gè)質(zhì)量好的圖片可以簡化處理環(huán)節(jié)，提高效率和可靠性。在圖像輸入階段，鏡頭中心和齒輪中心偏離、鏡頭的質(zhì)量、圖像采集卡的精度、光源都會影響到采集的圖像質(zhì)量；在圖像處理階段，要經(jīng)過圖像除噪、閾值分割、中值濾波、邊界提取等過程，在該階段圖像處理算法的選擇至關(guān)重要，好的算法在很大程度上會提高圖像處理的精度；在參數(shù)測量階段，量塊的選取、確定的齒輪圓心、建立的參數(shù)測量模型、計(jì)算參數(shù)算法、計(jì)算精度等都會對最終結(jié)果產(chǎn)生直接影響?？紤]到有些誤差無法避免，在下面的實(shí)驗(yàn)中，主要從量塊的選取、采集圖像的分辨率、模數(shù)三個(gè)方面對測量誤差的影響趨勢進(jìn)行研究。
從定性分析上不難發(fā)現(xiàn)，當(dāng)只有定標(biāo)值、圖像分辨率、模數(shù)其中一個(gè)發(fā)生變化時(shí)，它對精度的影響是：標(biāo)定值越小，精度越高；圖像的分辨率越高，精度越高；模數(shù)越大，精度越高。為了方便驗(yàn)證，這里主要通過測量齒頂圓直徑來考查上述三個(gè)因素對測量誤差的影響，從而為后面更多參數(shù)和齒形誤差的測量提供參考，提高測量精度。
1 測量系統(tǒng)組成
測量系統(tǒng)由工作臺、CCD攝像頭、圖像采集卡和計(jì)算機(jī)組成。工作臺完成齒輪的位置位移、放置量塊，CCD攝像頭用于攝取齒輪圖像，圖像采集卡將攝取的圖像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后送入計(jì)算機(jī)。系統(tǒng)利用VC++6．0對所采集圖像進(jìn)行包括二值化、邊緣提取、亞像素邊緣擬合等預(yù)處理；其次確定齒輪圓心、定標(biāo)；然后測量齒輪相關(guān)參數(shù)：模數(shù)、齒頂圓、齒根圓、公法線長度及漸開線齒型等數(shù)據(jù)；最后進(jìn)行誤差分析。
在實(shí)驗(yàn)中，選用模數(shù)較小(m≤2)的高精度標(biāo)準(zhǔn)齒輪為研究對象，量塊放在齒輪的左邊與齒輪一并被攝入CCD。這里旨在探討只改變模數(shù)、分辨率、量塊三者中某一因素的情況下，對測量誤差的影響，并分別提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和對數(shù)據(jù)的定性分析。
2 模數(shù)大小對測量誤差的影響
在采集圖像時(shí)，選用量塊的高度為20 mm，齒數(shù)為20，壓力角為α=20°，采集圖像分辨率800×600，在這些條件不變，而不斷改變齒輪的模數(shù)的情況下，從采集的圖像中選取4組不同的數(shù)據(jù)，并將計(jì)算的數(shù)據(jù)取絕對值，得到的結(jié)果如表1和圖2所示。
從上述的結(jié)果中可以看出，當(dāng)只改變模數(shù)，而標(biāo)定值、齒數(shù)不變時(shí)，齒輪圖像隨著模數(shù)的增大而增大，齒頂圓差值的變化不明顯，齒頂圓誤差隨著模數(shù)的變大而減小。從而得到結(jié)論：測量參數(shù)中只有模數(shù)增大時(shí)，在一定的條件下，測量誤差的值減小。類似的也可以得到這樣的結(jié)論：當(dāng)模數(shù)、標(biāo)定值、圖像的分辨率等情況不變時(shí)，只改變齒數(shù)的時(shí)候，測量參數(shù)的差值變化不明顯，由于齒輪圖像隨著齒數(shù)的增加而變大，使得齒頂圓相應(yīng)的測量誤差逐漸減小。
3 分辨率大小對測量誤差的影響
系統(tǒng)測量時(shí)，如量塊大小、齒數(shù)、模數(shù)等條件不變只改變CCD攝像頭的分辨率，在分辨率不同的情況下采集5組圖像。在齒輪測量程序中進(jìn)行圖像處理和參數(shù)測量，得到測量結(jié)果如表2和圖3所示。
從上述的結(jié)果中可以看出，當(dāng)只改變圖像分辨率的情況下，分辨率越高，測量參數(shù)差值越小，測量誤差也越小，測量精度就越高；從測量數(shù)據(jù)上來看，采集圖像的分辨率對于測量誤差的影響較大。
4 量塊大小對測量誤差的影響
圖像采集時(shí)，在圖像的分辨率、齒數(shù)、模數(shù)等條件不變的情況下只改變量塊大小，也就是只改變標(biāo)定值時(shí)，采集7組不同的圖像。測量結(jié)果如表3和圖4所示。
從上述的結(jié)果可以看出，隨著量塊值的增加，齒頂圓差值和測量誤差越來越小，精度越來越高，析其原因主要是由于量塊值的增加，使得標(biāo)定值精度提高，從而提高測量參數(shù)的精度。
5 結(jié) 語
從上面的實(shí)驗(yàn)可以看出，分辨率和量塊的選取對于測量精度的影響非常明顯，分辨率越高，量塊的值越大，齒輪的測量精度越高。模數(shù)的變化，對測量精度的變化不太明顯。主要影響相對誤差的精度，對絕對誤差影響不大。同時(shí)應(yīng)盡量選用分辨率高的CCD攝像機(jī)，提高采集圖像的分辨率來提高測量精度。要根據(jù)模數(shù)和齒數(shù)的具體情況安排測量方案。
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