齒輪嚙合面三維微應變場的數(shù)字圖像測量裝置及測量方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種數(shù)字圖像測量裝置及測量方法，特別是關于一種在機械測試領域中應用的齒輪嚙合面三維微應變場的數(shù)字圖像測量裝置及測量方法。
【背景技術】
[0002]齒輪是機械傳動系統(tǒng)中應用最廣泛的機構和傳動裝置，其性能對整個機電系統(tǒng)影響至關重要。在線狀態(tài)下對齒輪嚙合面進行全場應力、應變的測量相當困難。離線狀態(tài)下，將齒輪固定，通過不同頻率和強度的力加載于其嚙合位置，可模擬實際工況下的嚙合過程，此時再對齒輪嚙合面的三維微應變場進行測量則相對容易。齒輪嚙合面三維微應變場的演化規(guī)律是齒輪質(zhì)量評價、壽命預測和設計改進的關鍵參數(shù)，具有重要的科學意義和應用價值。
[0003]目前實驗力學中的應變測量方法種類豐富，常見的主要有電測法和光測法。電測法具有靈敏度高，測量結果穩(wěn)定等優(yōu)點，使用應變片測量應變已經(jīng)被廣泛采用和認可。然而，電測法也存在一些嚴重不足。首先，應變片只能測量沿一個方向上的離散應變，難以測量全場應變分布;其次，應變片屬于接觸式測量，應變片的粘貼過程較為繁瑣，且粘貼質(zhì)量對測量結果也有重要影響;此外，電測法的測量結果易受測量環(huán)境的影響，通常情況下可采用溫度補償片來減小環(huán)境溫度變化的影響，但在極端高溫環(huán)境下使用應變片測量應變不僅成本昂貴，而且測量結果可信度也較低。光測法主要包括光纖光柵傳感器技術和激光測振技術，光纖光柵傳感器雖然較應變片具有測量多、測量信息量大的優(yōu)點，但其粘貼帶來的缺點與應變片類似;激光測量具有非接觸、不損傷被測物體表面、測量距離大、抗干擾能力強、測量點可達幾十微米、測量準確度高等優(yōu)點。但由于激光測量的精度容易受到光學元件本身的精度、環(huán)境溫度、激光束的光強和直徑大小以及被測物體表面特征的影響，并且不能同時進行多點測量。同上述方法相比，數(shù)字圖像相關法是一種基于計算機視覺和圖像識別原理的非干涉、非接觸、全場光測技術，具有光路簡單、對環(huán)境要求較低、非接觸和全場測量等優(yōu)點，自其被提出以來受到普遍歡迎。目前，數(shù)字圖像相關技術的應用主要集中在圖像易于獲取的材料力學性能檢測領域。
[0004]對于常見齒輪來說，其兩齒之間空間狹小，即使在離線靜態(tài)情況下也難以采用通用成像光學系統(tǒng)采集齒根圖像;而在實際運行過程中，圖像采集則更加困難。若采用數(shù)字圖像相關技術對齒輪嚙合面進行全場應變的測量，必須根據(jù)嚙合面的幾何特征解決其圖像獲取問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種齒輪嚙合面三維微應變場的數(shù)字圖像測量裝置及測量方法，用于實現(xiàn)在齒輪全場動態(tài)下，采用圖像傳遞系統(tǒng)和數(shù)字圖像相關分析的裝置獲取齒輪嚙合面在不同嚙合力作用下的三維微應變場的演變過程。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術方案:一種齒輪嚙合面三維微應變場的數(shù)字圖像測量裝置，其特征在于:所述裝置包括齒輪動態(tài)加載機構、被測齒輪、圖像傳遞系統(tǒng)、成像設備和數(shù)字圖像處理系統(tǒng);所述齒輪動態(tài)加載機構與所述被測齒輪嚙合接觸形成嚙合面，在所述齒輪動態(tài)加載機構和被測齒輪之間設置有所述圖像傳遞系統(tǒng)，所述圖像傳遞系統(tǒng)將嚙合面的清晰圖像傳遞至所述成像設備;所述成像設備通過所述圖像傳遞系統(tǒng)將采集到的嚙合面立體圖像輸送至所述數(shù)字圖像處理系統(tǒng);所述齒輪動態(tài)加載機構包括模擬齒、L型轉(zhuǎn)動軸、電磁鐵、電磁鐵控制器和支撐結構;所述被測齒輪與所述模擬齒嚙合，所述模擬齒固定在所述L型傳動軸的一端，所述L型傳動軸的另一端設置有所述電磁鐵，所述電磁鐵與所述電磁鐵控制器電連接;所述L型傳動軸中部與所述支撐結構活動連接。
[0007]在所述模擬齒上，與所述被測齒輪接觸的一側(cè)設置成與所述被測齒輪相同的漸開線表面，所述模擬齒的另一側(cè)為平面;所述模擬齒的底端為棱形。
[0008]所述模擬齒的體積為所述被測齒輪單齒體積的1/3。
[0009]所述圖像傳遞系統(tǒng)包括鹵素燈、準直透鏡、反射棱鏡和楔形棱鏡;所述鹵素燈提供的照明光經(jīng)過所述準直透鏡準直后到達所述反射棱鏡，所述反射棱鏡將照明光反射至所述楔形棱鏡;所述楔形棱鏡設置在所述被測齒輪與所述模擬齒之間，所述反射棱鏡反射至的照明光經(jīng)所述楔形棱鏡傳輸至嚙合面;所述楔形棱鏡將嚙合面的圖像經(jīng)所述反射棱鏡透射傳輸至所述成像設備。
[0010]所述楔形棱鏡一側(cè)，位于所述模擬齒和被測齒輪的嚙合面位置處還設置有標定模板。
[0011 ]所述成像設備采用遠心鏡頭的雙工業(yè)CXD相機。
[0012]一種如上述裝置的齒輪嚙合面三維微應變場的數(shù)字圖像測量方法，其特征在于包括以下步驟:(I)在被測齒輪的嚙合表面噴涂隨機散斑或者進行噴丸處理，然后將被測齒輪和齒輪動態(tài)加載機構上的模擬齒嚙合；(2)校準圖像傳遞系統(tǒng);開啟鹵素燈，利用標定模板對鹵素燈、準直透鏡、反射棱鏡和楔形棱鏡進行標定，使齒輪嚙合面的圖像傳遞至雙工業(yè)CCD相機，獲取雙工業(yè)CCD相機參數(shù)以及楔形棱鏡、反射棱鏡對成像影響的標定參數(shù)；(3)通過電磁鐵控制器啟動電磁鐵，使L型轉(zhuǎn)動軸的另一端受力，并將所受的力傳遞至L型轉(zhuǎn)動軸一端的模擬齒，帶動模擬齒與被測齒輪嚙合，使被測齒輪受到恒定嚙合力，同時開啟雙工業(yè)CCD照相機采集序列立體圖像，并將序列立體圖像傳輸至數(shù)字圖像處理系統(tǒng)內(nèi)進行存儲；
(4)提取數(shù)字圖像處理系統(tǒng)中的序列立體圖像的不變特征，采用數(shù)字圖像相關方法進行數(shù)字圖像相關匹配運算，最后結合步驟(2)中獲取的標定參數(shù)，計算并輸出測量結果，得到被測齒輪嚙合面在不同嚙合力作用下的三維微應變場的演變過程。
[0013]本發(fā)明由于采取以上技術方案，其具有以下優(yōu)點:1、本發(fā)明采用齒輪動態(tài)加載機構，通過電磁鐵控制器改變電磁鐵的通電電流大小和通斷頻率來模擬齒輪的實際工況，以實現(xiàn)模擬齒輪的實際工作狀況。2、本發(fā)明采用圖像傳遞系統(tǒng)，通過光學元件的組合使用，非干涉、非接觸、全場光測技術，實現(xiàn)了此輪嚙合面全場圖像的傳遞，具有光路簡單、對環(huán)境要求較低、非接觸和全場測量等優(yōu)點。3、本發(fā)明采用的模擬齒與被測齒輪的接觸面一側(cè)為漸開線方式，模擬齒的另外一側(cè)為平面，模擬齒的底端為棱形，以防遮擋圖像傳遞系統(tǒng)的光路。綜上所述，本發(fā)明可以廣泛應用于機械測試領域。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的整體結構示意圖；
[0015]圖2是本發(fā)明的標定模板放置位置示意圖；
[0016]圖3是本發(fā)明的齒輪動態(tài)加載機構結構示意圖。
【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細的描述。然而應當理解，附圖的提供僅為了更好地理解本發(fā)明，它們不應該理解成對本發(fā)明的限制。
[0018]如圖1?圖3所示，本發(fā)明提供一種齒輪嚙合面三維微應變場的數(shù)字圖像測量裝置，其包括齒輪動態(tài)加載機構1、被測齒輪2、圖像傳遞系統(tǒng)3、成像設備4和數(shù)字圖像處理系統(tǒng)5。齒輪動態(tài)加載機構I與被測齒輪2嚙合接觸，形成嚙合面;在齒輪動態(tài)加載機構I和被測齒輪2之間設置有圖像傳遞系統(tǒng)3，圖像傳遞系統(tǒng)3用于提供被測齒輪2與齒輪動態(tài)加載機構I嚙合面光照條件，將嚙合面的清晰圖像傳遞至成像設備4。成像設備4通過圖像傳遞系統(tǒng)3將采集到的嚙合面立體圖像輸送至數(shù)字圖像處理系統(tǒng)5，數(shù)字圖像處理系統(tǒng)5存儲處理接收到的立體圖像，并輸出齒輪嚙合面三維微應變場的數(shù)字圖像。
[0019]上述實施例中，齒輪動態(tài)加載機構I用于提供被測齒輪嚙合面的受力，以達到模擬實際工況的目的。齒輪動態(tài)加載機構I包括模擬齒6、L型轉(zhuǎn)動軸7、電磁鐵8、電磁鐵控制器9和支撐結構10。被測齒輪2與模擬齒6嚙合，模擬齒6固定在L型傳動軸7的A端(S卩L型傳動軸7一端)，L型傳動軸7的B端(S卩L型傳動軸7另一端)設置有電磁鐵8，電磁鐵8與電磁鐵控制器9電連接。L型傳動軸7中部與支撐結構10活動連接，由支撐結構10支撐整個齒輪動態(tài)加載機構I O<