基于机器视觉的减速机齿轮间隙智能检测方法与流程

本发明涉及机器视觉检测，具体为基于机器视觉的减速机齿轮间隙智能检测方法。

背景技术：

1、减速机齿轮间隙直接影响传动系统的回转精度、冲击噪声和使用寿命，对其进行准确检测是保障设备安全运行的必要条件。现有的齿轮间隙测量手段主要分为机械接触式方法和基于机器视觉的非接触式方法。机械接触式方法通过塞尺、压铅或百分表在停机状态下测量齿侧间隙，操作过程依赖人工判断，效率低且无法实现运转过程中的在线检测。基于机器视觉的方法通过拍摄齿轮啮合区域的图像，从中提取齿廓边缘并计算距离来获取间隙值，具备非接触、可在线部署的优势。然而，此类方法通常聚焦于单帧图像内的齿廓边缘相对位置，或直接统计多帧图像的距离平均值，缺少对啮合过程中齿面接触状态动态演化的时序分析能力。齿轮在连续运转时主动轮齿面与从动轮齿面经历周期性的接触-分离-再接触过程，若无法准确界定齿面脱离接触和重新进入接触的瞬态时刻，便无法在正确的相位节点上捕获用于间隙计算的角位移数据，所得到的间隙值实际上是多个状态混合平均的结果，存在原理性的时刻漂移和测量波动。

2、齿轮在空载状态下的齿侧间隙仅反映制造与装配形成的几何间隙，而实际驱动中，减速机承受额定扭矩会导致齿面发生弹性挤压变形，运行温升还会导致齿轮和箱体产生热膨胀，使得齿侧间隙发生显著改变。目前常见的视觉检测方案多在空载或稳定的轻载条件下执行，缺乏将加载状态下的变形信息纳入间隙模型的融合机制，无法输出真实工况下的动态间隙量。如何利用连续图像序列自动识别齿轮接触状态转换的临界时刻，并综合空载与额定负载两种典型工况下的视觉检测结果，成为实现齿轮间隙高精度智能检测所需克服的技术难题。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种基于机器视觉的减速机齿轮间隙智能检测方法，以解决现有技术难以自动精准捕获齿轮接触状态转换时刻以及无法融合空载与加载工况得到准确动态间隙的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、本发明提供一种基于机器视觉的减速机齿轮间隙智能检测方法，包括：

4、获取目标减速机在空载运转状态下的齿轮啮合区域连续图像序列，并对所述连续图像序列进行齿廓边缘动态追踪处理，生成表征齿轮副相对位移量的图像熵变图谱；

5、根据所述图像熵变图谱中的熵值波动极值点，反向定位所述目标减速机的驱动轴主动轮与从动轮之间的接触状态转换时刻；

6、基于所述接触状态转换时刻提取所述驱动轴主动轮与从动轮之间的角位移差值，并将所述角位移差值映射至齿面法线方向，得到第一啮合间隙基准值；

7、在所述目标减速机加载额定扭矩后，重复所述连续图像序列的采集及所述齿廓边缘动态追踪处理，生成加载状态下的第二啮合间隙基准值；

8、融合所述第一啮合间隙基准值与所述第二啮合间隙基准值，输出所述目标减速机的动态啮合间隙量。

9、其中，对所述连续图像序列进行齿廓边缘动态追踪处理并生成图像熵变图谱的过程包括：将所述连续图像序列按采集时序划分为多个图像子帧集合，每个图像子帧集合对应一个齿廓运动周期；针对每个图像子帧集合中的每帧图像执行边缘增强滤波处理，提取主动轮齿廓边缘点集与从动轮齿廓边缘点集；计算所述主动轮齿廓边缘点集与所述从动轮齿廓边缘点集之间的最小欧氏距离，并将所述最小欧氏距离按照时序排列为距离波动序列；对所述距离波动序列进行滑动窗口熵值计算，得到每个滑动窗口内的图像熵值，将所述图像熵值按时间轴展开为所述图像熵变图谱。由此，通过齿廓边缘的动态追踪和熵值化表征，能够将微小的齿轮副相对位移转换为直观的熵变波动，显著提升间隙变化的检测灵敏度。

10、作为优选的方案，在提取主动轮齿廓边缘点集与从动轮齿廓边缘点集时，对经过所述边缘增强滤波处理后的图像进行二值化分割，分离出主动轮齿廓区域与从动轮齿廓区域；在各自的齿廓区域内沿径向方向扫描灰度梯度变化，记录梯度幅值超过预设阈值的像素点位置，分别组成主动轮齿廓边缘点集和从动轮齿廓边缘点集；再对两组边缘点集分别进行亚像素插值处理，将边缘点的坐标精度提升至亚像素级别，从而保证后续距离计算的精确性。

11、在获取连续图像序列时，本发明的一个技术方案为：在目标减速机的壳体上安装工业相机，使工业相机的光轴垂直于齿轮啮合区域的齿面法线方向；同步采集驱动轴旋转编码器脉冲信号，并将工业相机的曝光触发时刻与旋转编码器脉冲信号的上升沿对齐；设置工业相机的采集帧率为驱动轴旋转频率的整数倍，在每个齿廓运动周期内采集等间隔的多个图像帧，形成所述连续图像序列。该方法消除了运动模糊和时序不同步引入的测量误差。

12、根据图像熵变图谱中的熵值波动极值点反向定位接触状态转换时刻的具体实现为：扫描所述图像熵变图谱，提取所有局部极大值点与局部极小值点的时序位置；将相邻的局部极大值点与局部极小值点的时序位置配对，形成多个熵值波动区间；计算每个熵值波动区间内熵值的变化率，定位所述变化率过零点的时刻为候选转换时刻；从所述候选转换时刻中筛选出变化率从正值跳变为负值的时刻，作为主动轮齿面与从动轮齿面由接触状态切换至分离状态的第一转换时刻，筛选出变化率从负值跳变为正值的时刻，作为由分离状态切换至接触状态的第二转换时刻。该方式通过熵值变化率的符号跳变准确捕获齿面接触与分离的瞬时时刻，避免了传统阈值判断的滞后性。

13、对于局部极值点的提取，可以在图像熵变图谱上定义一个滑动检测窗口，滑动检测窗口的宽度设为齿廓运动周期的四分之一；在每个滑动检测窗口内比较中心点熵值与左侧相邻点熵值、右侧相邻点熵值的关系，若中心点熵值同时大于左侧相邻点熵值和右侧相邻点熵值，则标记为局部极大值点；若中心点熵值同时小于左侧相邻点熵值和右侧相邻点熵值，则标记为局部极小值点；记录每个极值点在时间轴上的坐标值，形成所述时序位置。

14、优选的，所述变化率过零点的时刻通过拟合每个熵值波动区间内熵值随时间的三次样条曲线，并求解该三次样条曲线导数为零的点来定位，以此获得亚采样间隔的高时间分辨率转换时刻。

15、基于所述接触状态转换时刻提取角位移差值并得到第一啮合间隙基准值的过程包括：在所述第一转换时刻采集主动轮的第一转角编码值，在所述第二转换时刻采集主动轮的第二转角编码值，计算二者的差值得到驱动轴主动轮的角位移变化量；从连续图像序列中提取第一转换时刻对应的从动轮第一齿位图像以及第二转换时刻对应的从动轮第二齿位图像，通过相位相关算法计算从动轮的角位移变化量；计算主动轮的角位移变化量与从动轮的角位移变化量的差值，得到所述角位移差值；获取齿面法线方向与节圆切线方向之间的夹角，将所述角位移差值乘以主动轮的基圆半径后再乘以所述夹角的余弦值，得到所述第一啮合间隙基准值。借助转角编码与图像相位相关算法的融合，实现了对主、从动轮角位移的同步精密测算，且直接映射至齿面法线方向，使间隙基准值更贴近实际啮合间隙的几何定义。

16、其中，相位相关算法在频域中计算从动轮第一齿位图像与从动轮第二齿位图像的互功率谱，并对互功率谱进行逆傅里叶变换后提取峰值坐标作为从动轮的角位移变化量，该方法对图像亮度和对比度变化不敏感，鲁棒性强。

17、在目标减速机加载额定扭矩后生成第二啮合间隙基准值的步骤包括：向目标减速机的输出轴施加额定扭矩负载，并维持额定扭矩负载的时间超过一个齿廓运动周期；在额定扭矩负载维持期间，重新采集齿轮啮合区域的加载状态连续图像序列；对加载状态连续图像序列执行所述边缘增强滤波处理及最小欧氏距离计算，生成加载状态距离波动序列；对加载状态距离波动序列进行所述滑动窗口熵值计算，生成加载状态图像熵变图谱；根据加载状态图像熵变图谱重新定位加载状态下的接触状态转换时刻，并重新提取加载状态下的角位移差值，映射得到所述第二啮合间隙基准值。空载与加载两种状态的分别检测，能够反映间隙在不同扭矩下的变化特性，使得后续融合结果更能代表实际动态工况。

18、融合所述第一啮合间隙基准值与第二啮合间隙基准值并输出动态啮合间隙量的过程包括：将第一啮合间隙基准值乘以空载权重系数，得到空载贡献分量，将第二啮合间隙基准值乘以加载权重系数，得到加载贡献分量，空载权重系数与加载权重系数的和为数值一；将空载贡献分量与加载贡献分量相加，得到加权融合间隙量；获取目标减速机在当前运行周期内的温度检测值，根据温度检测值查表得到热膨胀补偿因子；将加权融合间隙量乘以热膨胀补偿因子，得到所述动态啮合间隙量。通过加权融合与热膨胀补偿，避免单一状态检测带来的片面性，消除温度变化引起结构变形对间隙测量的干扰，最终输出准确可靠的动态啮合间隙量。

19、其中，空载权重系数与加载权重系数可根据目标减速机的额定负载率和运行工况动态调整，且空载权重系数与加载权重系数的比值与当前扭矩负载值成反比，负载越大则加载状态权重越高。

20、温度检测值的获取方式优选为：在目标减速机的轴承座及壳体上分别布置温度传感器，实时采集轴承座温度值与壳体温度值；计算轴承座温度值与壳体温度值的平均值，作为所述温度检测值；预先建立温度区间与热膨胀补偿因子的对应关系表，每个温度区间对应一个预先标定的热膨胀补偿因子；根据温度检测值所在的目标温度区间，从对应关系表中读取对应的热膨胀补偿因子，若温度检测值恰好落在两个温度区间的边界上，则采用线性插值法计算热膨胀补偿因子，从而保证补偿的连续性和精度。

21、本发明的有益效果：

22、通过齿廓边缘动态追踪生成图像熵变图谱，并依据熵值波动极值点反向定位接触状态转换时刻，再基于该时刻提取角位移差并映射得到啮合间隙基准值。处理过程中，将连续图像序列按齿廓运动周期划分为多个子帧集合，对每帧图像执行边缘增强滤波后提取主动轮与从动轮齿廓边缘点集，计算两点集之间的最小欧氏距离并按时序排列为距离波动序列；对该序列进行滑动窗口熵值计算，得到随时间变化的图像熵变图谱。齿轮齿面处于稳定接触状态时，齿廓间距离维持极小值，熵值变化平缓；在齿面分离瞬间和重新接触瞬间，距离发生不连续跳变，熵值出现急剧的局部极值。扫描熵变图谱提取所有局部极大值点与极小值点，配对形成熵值波动区间，计算区间内熵值变化率并定位其过零点，从中筛选出变化率由正跳变为负的时刻作为接触切换至分离的第一转换时刻，以及由负跳变为正的时刻作为分离切换至接触的第二转换时刻。这一方式将接触状态转换的判定从距离数值本身转移至其统计混乱度的突变上，利用熵对微小波动的放大效应，使转换时刻的捕捉不再受图像噪声和齿廓边缘微动干扰。在精确获得的转换时刻，同步读取主动轮编码器转角变化量，并利用相位相关算法在频域中计算从动轮的角位移变化量，求得两者差值后，乘以主动轮基圆半径与齿面法线夹角余弦值，将角位移差从节圆切线方向投影至齿面法线方向。由此得到的啮合间隙基准值直接对应于齿侧法向间隙，跳过了传统方法中因无法界定分离起点而引入的平均化误差，实现了对空载几何间隙的精密表征。

23、分别获取空载状态和额定扭矩加载状态下的啮合间隙基准值，形成第一基准值与第二基准值，并对其进行动态加权融合与热膨胀补偿。在加载额定扭矩后，维持负载超过一个齿廓运动周期，重新采集加载状态下的连续图像序列并执行相同的齿廓边缘动态追踪流程，生成加载状态图像熵变图谱，定位加载时的接触状态转换时刻，提取得到反映负载变形的第二啮合间隙基准值。融合时，将空载基准值乘以空载权重系数、加载基准值乘以加载权重系数，两系数之和为一且比值与当前扭矩负载值成反比；当扭矩较低时，输出结果侧重空载几何间隙，当接近额定扭矩时，输出结果侧重加载变形间隙，使融合间隙量平滑跟随实际负载状态变化。在此基础上，获取轴承座与壳体温度的平均值作为温度检测值，查表或线性插值确定热膨胀补偿因子，对加权融合间隙量进行修正，抵消因温度变化引起的齿轮副与壳体尺寸变化。这一融合补偿机制将理想几何间隙、承载弹性变形和热效应统一于同一量值输出，使最终得到的动态啮合间隙量能够准确反映减速机在不同运行工况下的实时齿侧间隙，克服了单一状态测量结果偏离真实服役状态的缺陷，提升了间隙检测的工况适应性和工程实用价值。