基于數(shù)字圖像處理的齒輪測試儀精度分析

0 引 言
    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、計算參數(shù)算法、計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)其中一個發(fā)生變化時，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，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，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，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，只改變齒數(shù)的時候，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，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，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，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。