一种基于线激光点云的直齿端面齿轮参数测量方法及装置

本发明属于视觉检测尺寸测量，具体涉及一种基于线激光点云的直齿端面齿轮参数测量方法及装置。

背景技术：

1、直齿端面齿轮是精密传动系统中的关键基础零件，广泛应用于微型减速器、精密仪器、航空航天机构、医疗器械、消费电子等领域，其具有体积小、传动效率高、结构紧凑、可实现轴线正交传动等优势。在微型传动链中，由于端面齿轮的齿形精度、尺寸一致性直接决定整机传动平稳性、噪声水平与使用寿命，因此，对批量、高精度、自动化测量提出了严苛要求。而现有测量手段在精度、效率和自动化程度上难以兼顾，难以满足上述应用场景的批量质检需求。

2、直齿端面齿轮的齿形分布于零件端面，具有齿宽小、齿距密、齿根深、金属材质反光强等特点。端面齿轮的齿顶至齿根高度、分度圆弦齿高、分度圆弦齿厚等关键参数直接决定啮合精度、传动平稳性与使用寿命，因此对其进行高精度、稳定可靠的非接触测量具有重要工程价值。

3、在现有技术中，针对直齿端面齿轮几何参数测量的手段主要有以下三类：

4、第一种为接触式三坐标测量机测量。该方案通过探针逐点触测获取三维坐标，精度高，但逐点扫描效率极低，难以满足批量检测要求；探针与微小齿面存在接触力，尤其对薄壁微型端面齿轮易引起局部变形，引入系统性测量误差，进而不适合工业化快速质检。

5、第二种为端面齿轮三维光学扫描测量。文献中已公开利用结构光或光学扫描仪对端面齿轮进行整体三维重建的研究方案。该类方案面向宏观面齿轮或通用几何重建，测量目的多为获取整齿面拓扑、计算全场偏差或与完整cad模型比对，输出结果常为全场点云、偏差云图或整体面形指标，如rmse、峰值偏差等综合指标。由于其输出语言偏向研发与形貌分析，难以直接用于工艺质检的对标判定。

6、第三种为线激光三维扫描测量，非接触、数据密度高、可获取完整三维形貌，是精密零件主流测量手段。但现有公开文献与专利中，线激光齿轮测量研究均集中于圆柱齿轮、螺旋锥齿轮，均取得了较好的测量效果。未见针对直齿端面齿轮的专用测量方案。造成这一空白的原因可能在于：金属强反光导致的信号饱和与数据缺失问题在端面几何条件下尤为突出，且其环形齿廓需沿基准圆周向展开后才能与分度圆弦齿高、弦齿厚等检验项建立几何对应关系，这一处理链路在现有线激光齿轮测量文献中未被涉及。因此，亟需开发一种适配环形齿廓、抗强反光、适用于直齿端面齿轮线激光精密测量方法具有重要实用价值。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于线激光点云的直齿端面齿轮参数测量方法及装置。通过多角度扫描拼接融合与邻域密度约束预处理解决金属端面强反光导致的数据缺失与飞点干扰问题。

2、一种基于线激光点云的直齿端面齿轮参数测量方法，包括以下步骤：

3、步骤1：搭建线激光端面扫描测量平台；

4、步骤2：所述线激光端面扫描测量平台沿多个预设角度对所述直齿端面齿轮进行扫描，获取多组原始点云；

5、步骤3：对所述多组原始点云融合拼接处理，对融合拼接处理后的完整点云进行预处理，保留齿形有效点；

6、步骤4：提取所述完整点云的端面环形区的径向投影，形成单圈连续环形点云；

7、步骤5：所述单圈连续环形点云经极坐标转换后生成二维轮廓曲线；

8、步骤6：将所述直齿端面齿轮的各齿顶峰按照所述二维轮廓曲线上的圆周角度确定齿序号，计算沿所述二维轮廓曲线的z向坐标值上同一齿序号下各齿顶至齿根之间的差值；

9、步骤7：计算各所述齿序号在每一所述z向坐标值上对应的齿厚宽度值与相邻齿槽的齿间宽度值，通过计算所述二者之差的均方根rms(z)确定分度圆弦的z坐标，在所述分度圆弦的z坐标处计算所述分度圆弦的齿高及齿厚；

10、步骤8：计算各所述齿序号下的输出参数，标记异常齿，完成测量。

11、进一步地，步骤1中所述搭建线激光端面扫描测量平台的具体实现过程为：

12、所述线激光端面扫描测量平台包括线激光轮廓仪和精密运动平台，所述线激光轮廓仪的发射方向垂直于齿轮端面，所述垂直方向记为z轴；所述被测直齿端面齿轮固定于所述精密运动平台上，所述精密运动平台能够驱动所述齿轮端面相对所述线激光轮廓仪实现水平直线移动与周向角度旋转。

13、进一步地，步骤2中所述获取多组原始点云的具体实现过程为：

14、所述预设角度为0°、30°和60°，并按所述预设角度分别沿同一方向执行水平扫描，获取多组原始点云。

15、进一步地，步骤3中所述的获取齿形有效点的具体实现过程为：

16、步骤3.1：将所述0°处的原始点云绕所述齿轮的圆心旋转60°后与所述60°处的原始点云对齐，再将30°处的原始点云沿与所述0°处的原始点云相同方向绕所述齿轮的圆心旋转30°后与所述60°处的原始点云对齐，以将各组点云统一至相同坐标系后进行融合拼接，补全因反光缺失的齿形数据，得到全周完整的端面三维点云；

17、步骤3.2：采用高斯滤波对点云进行空间平扫，消除扫描随机噪声；结合邻域密度约束，剔除邻域点数极少的离散反光飞点；保留高密度、连续的齿形有效点。

18、进一步地，步骤4中所述形成单圈连续环形点云的具体实现过程为：

19、步骤4.1：将预处理后的三维点云投影至所述齿轮端面的二维平面，以点云坐标的中位数或几何中位数确定初值圆心，采用最小二乘圆拟合或代数圆拟合并结合残差剔除迭代，确定所述基准圆心与所述基准圆半径；

20、步骤4.2：以所述基准圆心为原点、以所述基准圆半径为中心，在预设径向宽度范围内筛选落入的所述点云，得到齿廓环形点云带；

21、步骤4.3：将所述齿廓环形点云带中各点的径向距离归一化至所述基准圆半径处，使各点映射至所述基准圆的圆周上，得到沿所述基准圆展开的单圈连续环形点云。

22、进一步地，步骤5中所述生成二维轮廓曲线的具体实现过程为：

23、步骤5.1：计算所述齿廓环形点云带中各点相对所述基准圆心的圆周角度，将所述圆周角度映射至区间；

24、步骤5.2：以所述圆周角度或对应的归一化弧长为横坐标，以对应点的z向坐标值为纵坐标，将沿径向投影至基准圆周向单圈环形点云展开为连续的二维轮廓曲线。

25、进一步地，步骤6中所述同一齿序号下各齿顶至齿根之间的差值的计算方式为：

26、步骤6.1：对所述二维轮廓曲线分别作上包络与下包络；

27、步骤6.2：在所述上包络中检测局部极大值作为齿顶峰，在所述下包络中检测局部极小值作为齿根谷；

28、步骤6.3：按各所述齿顶峰在所述二维轮廓曲线上对应的圆周角度由小到大排序确定齿序号，所述齿顶至齿根高度为同一齿序号下齿顶峰的z向坐标高度与左右相邻齿根谷z向坐标高度平均值之差。

29、进一步地，步骤7中所述分度圆弦的齿高和齿厚的计算方式为：

30、步骤7.1：所述公共分度圆半径由图纸给定的法向模数和齿数计算得出；

31、步骤7.2：遍历所述二维轮廓曲线的z向高度值，在每一z向高度值处统计各齿序号对应的齿厚宽度值与相邻齿槽的齿间宽度值；其中，所述齿厚宽度值为当前z向高度值处左右齿廓在周向弧长方向上的投影宽度，所述齿间宽度值为相邻齿同侧齿廓在周向弧长方向上的投影宽度；

32、步骤7.3：计算每一z向高度值下所有齿序号对应的齿厚宽度值与齿间宽度值之差的均方根rms(z)，搜索均方根rms(z)最小对应的z向高度值坐标，作为所述直齿端面齿轮共用的公共分度圆z向坐标；

33、步骤7.4：在所述公共分度圆z向坐标的高度处的取值，提取该处各齿序号对应的左右齿廓交点；所述分度圆弦齿高为对应齿顶峰z向坐标与所述公共分度圆z向坐标的差值，所述分度圆弦齿厚为该高度下左右齿廓交点之间弧长对应的弦长。

34、进一步地，步骤8中所述输出参数及异常齿标记包括：

35、步骤8.1：计算各齿序号下所述齿顶至齿根高度、所述分度圆弦齿高及所述分度圆弦齿厚的最大值、最小值、极差及标准差；

36、步骤8.2：根据图纸要求，设定分度圆弦齿高及齿厚的公差带，将上述测量数据与所述设定公差带依次比对，将超出图纸公差带的测量值对应的齿序号标记为异常齿，完成直齿端面齿轮参数测量。

37、一种基于线激光点云的直齿端面齿轮参数测量装置，包括多角度点云获取与融合模块、点云预处理模块、端面投影与基准圆拟合模块、齿廓环形点云带提取模块、极坐标轮廓生成模块、齿顶峰齿根谷识别模块、分度圆弦参数计算模块和异常齿标记与结果输出模块，所述多角度点云获取与融合模块、点云预处理模块、端面投影与基准圆拟合模块、齿廓环形点云带提取模块、极坐标轮廓生成模块、齿顶峰齿根谷识别模块、分度圆弦参数计算模块和异常齿标记与结果输出模块执行时实现基于线激光点云的直齿端面齿轮参数测量方法的步骤。

38、本发明的有益效果在于：

39、本发明通过多角度扫描拼接融合与邻域密度约束预处理解决金属端面强反光导致的数据缺失与飞点干扰问题，通过点云投影、基准圆拟合、齿廓环形区域提取与径向投影实现三维到二维的精准降维，通过环形点云周向展开生成连续二维轮廓曲线，进而逐齿识别齿顶齿根并计算分度圆弦参数，实现与图纸检验项严格对应的参数输出，有效解决了传统测量方法在直齿端面齿轮测量中精度不足与效率低下的问题，具有抗反光干扰强、数据完整性好、参数测量精准等优点。