基于啮合-像素图像边缘跟踪法的齿轮齿廓边界提取方法技术

基于啮合‑像素图像边缘跟踪法的齿轮齿廓边界提取方法，涉及齿轮。定义刀具与包络齿廓之间的传动比关系，设定刀具廓形步长和包络步长，获得不同啮合时间下的瞬时接触图像，将每个曲线包络簇图像进行二值化处理；扫略包络曲线簇边界，获取边界像素点，轮齿齿廓均为曲率变化规则的光滑齿廓；采用传统边界跟踪法对齿廓边缘进行初步跟踪，再结合阶梯型的齿廓像素边界特点及相邻齿廓曲率变化小的位置像素缺失这两大特征，对像素点进行二次提取与补偿，提高齿廓精度；刀具齿廓坐标标定；提取瞬时啮合点的像素坐标；不同瞬时啮合图像像素点间的转化；根据坐标变换过程，提取最终的齿廓坐标，提取齿轮的边缘齿廓，并进行齿形误差及接触线误差分析。

【技术实现步骤摘要】
基于啮合-像素图像边缘跟踪法的齿轮齿廓边界提取方法
本专利技术涉及齿轮，尤其是涉及基于啮合-像素图像边缘跟踪法的齿轮齿廓边界提取方法。
技术介绍
随着齿轮的广泛应用，其齿形的复杂程度也随之增加，如变齿厚齿轮、非圆齿轮、压缩机螺杆转子等。如何简单快速地设计并模拟出切削加工后的精确齿形就显得额外的重要。在复杂曲面的齿面设计研究方面，吴序堂归纳并提出解析包络法和齿廓法线法两种计算啮合运动共轭曲面的方法及其推算过程[1]；Spitas通过引入了一种把齿轮齿面离散成数段渐开线段的方法来确定共轭齿形[2]；F.L.Litvin等结合曲面共轭的基本原理对齿轮几何学进行了系统的研究[3-6]。然而，根据曲面共轭理论所建立的模型在求解过程中存在两方面问题：一方面复杂的齿面啮合方程求解复杂，另一方面是在发生根切或者双包络时在奇异点附近会出现数值不稳定的现象。因此，一些不需要借助传统复杂的齿面啮合方程即可获得精确齿形的新方法开始被提出，比如：1)借助CAD/CAE软件中的布尔运算方式，完成复杂曲面的三维造型。付自平等利用VB和AutoCAD二次开发实现正交面齿轮插齿加工运动的计算机仿真[7]。林超等采用虚拟仿真技术和软件技术，分析了加工过程中刀具的走刀轨迹，开发了相交轴间变传动比齿轮副的参数化设计方法和仿真加工系统[8]。由于该方法的准确性和稳定性，具有很大的应用前景。但该技术由于以三维布尔运算为基础，执行计算效率较低；2)通过模拟齿轮副等共轭曲面的成形加工过程，替代传统的共轭原理的计算方式，以一些特殊的方法提取包络边界。沈志煌利用包络原理建立了螺杆转子与成形砂轮之间共轭运动形成的扫掠面模型，利用计算机图形学理论提取图像廓形数据[9]。该方法可以快速的获得图像的廓形数据，但由于图像边界的精度取决于跟踪轨迹的规划、像素点数量及曲线的拟合精度，跟踪到的像素点与理论曲线存在较大的原理误差。参考文献：[1]XutangWu.PrincipleofGearEngagement[M].Xi’an:Xi’anJiaoTongUniversityPress,2nd,2009.[2]SpitasV,CostopoulosT,SpitasC.Fastmodelingofconjugategeartoothprofilesusingdiscretepresentationbyinvolutesegments[J].Mechanismandmachinetheory,2007,42(6):751-762.[3]F.Litvin,Y.Zhang,J.C.Wang.Designandgeometryofface-geardrive[J].ASME,JournalofMechanicalDesign,1992,114:642—647.[4]F.Litvin,A.Fuentes.Geargeometryandappliedtheory[M].Cambridge:CambridgeUniversityPress,2004.[5]D.H.Yang,S.H.Tong,J.Lin.Deviationfunctionbasedpitchcurvesmodificationforconjugatepairdesign[J].ASMEJournalMechanicalDesign,1999,121(4):579-585.[6]Q.Fan.OptimizationofFaceConeElementforSpiralBevelandHypoidGears[C]//ASME2011InternationalDesignEngineeringTechnicalConferencesandComputersandInformationinEngineeringConference.2011:189-195.[7]付自平.正交面齿轮的插齿加工仿真和磨齿原理研究[D].南京：南京航空航天大学,2006.[8]林超,李莎莎,龚海.正交变传动比面齿轮的设计及三维造型[J].湖南大学学报(自科版),2014,41(3):49-55.[9]ShenZ,YaoB,TengW,etal.Generatinggrindingprofilebetweenscrewrotorandformingtoolbydigitalgraphicscanning(DGS)method[J].InternationalJournalofPrecisionEngineering&Manufacturing,2016,17(1):35-41.
技术实现思路
本专利技术的目的是提供可用于简单快速设计并模拟出切削加工后的任意复杂共轭曲面精确廓形的基于啮合-像素图像边缘跟踪法的齿轮齿廓边界提取方法。本专利技术包括以下步骤：1)定义刀具与包络齿廓之间的传动比关系，设定刀具廓形步长和包络步长，获得不同啮合时间下的瞬时接触图像，并将每个曲线包络簇图像进行二值化处理；2)扫略包络曲线簇边界，获取边界像素点，为了保证齿轮传动过程中的平稳性要求，轮齿齿廓均为曲率变化规则的光滑齿廓；采用传统边界跟踪法(爬虫法)对齿廓边缘进行初步跟踪，再结合阶梯型的齿廓像素边界特点及相邻齿廓曲率变化小的位置像素缺失这两大特征，对像素点进行二次提取与补偿，提高齿廓精度；3)刀具齿廓坐标标定；在步骤3)中，所述刀具齿廓坐标标定的具体方法可为：通过模拟齿轮共轭曲面的成形加工过程获得的曲线包络簇图形与通过二值化获得的图像之间的坐标值发生变化，为了满足后续处理的需求，将刀具的理论值转化成像素坐标值。4)提取瞬时啮合点的像素坐标；在步骤4)中，所述提取瞬时啮合点的像素坐标的具体方法可为：以刀具像素坐标为基准，结合每个瞬时啮合过程中刀具与齿廓之间的啮合点，获取所述瞬时啮合的接触点像素坐标。5)不同瞬时啮合图像像素点间的转化；在步骤5)中，所述不同瞬时啮合图像像素点间的转化的具体方法可为：由于每个瞬时对于不同的像素图像，因此将每个瞬时获得的啮合像素点进行相应的坐标变换。6)根据步骤1)～5)的坐标变换过程，提取最终的齿廓坐标，提取齿轮的边缘齿廓，并进行齿形误差及接触线误差分析。在步骤6)中，所述齿轮可为面齿轮。本专利技术通过定义刀具(可以圆柱形齿轮或者滚刀等)及其走刀路径，在数学软件上获得任意齿廓的包络曲线簇，并将包络曲线簇转化成二值图像，根据刀具与齿轮齿廓在每个啮合瞬时有且只有一个啮合点，及图像边界的像素点与标定刀具之间的最小法向位移处即为啮合点这两大原则，最终获得瞬时接触点的精确离散数据点，并生成齿轮精确齿形。本专利技术可用于简单快速地设计并模拟出切削加工后的任意复杂共轭曲面的精确廓形。本专利技术在模拟齿轮副共轭成形加工过程的基础上，结合计算机图形学中的图像边缘像素提取相关理论，提出了一种新的齿轮齿廓边缘提取方法(M&IED法)，以面齿轮这一复杂共轭曲面为例，探讨了面齿轮的齿面生成原理，模拟了成形加工过程。结合M&IED方法，提取了面齿轮的边缘齿廓，并对齿形误差、接触线误差进行了判定，验证了该方法的精确性和稳定性。附图说明图1为面齿轮齿廓边界像素点分布规律。图2为面齿轮齿廓边界像素点补偿。图3为瞬时啮合点和像素点的关系。图4为像素点水平逼近轨迹规划。图5为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于啮合‑像素图像边缘跟踪法的齿轮齿廓边界提取方法，其特征在于包括以下步骤：1)定义刀具与包络齿廓之间的传动比关系，设定刀具廓形步长和包络步长，获得不同啮合时间下的瞬时接触图像，并将每个曲线包络簇图像进行二值化处理；2)扫略包络曲线簇边界，获取边界像素点，为了保证齿轮传动过程中的平稳性要求，轮齿齿廓均为曲率变化规则的光滑齿廓；采用传统边界跟踪法对齿廓边缘进行初步跟踪，再结合阶梯型的齿廓像素边界特点及相邻齿廓曲率变化小的位置像素缺失这两大特征，对像素点进行二次提取与补偿，提高齿廓精度；3)刀具齿廓坐标标定；4)提取瞬时啮合点的像素坐标；5)不同瞬时啮合图像像素点间的转化；6)根据步骤1)～5)的坐标变换过程，提取最终的齿廓坐标，提取齿轮的边缘齿廓，并进行齿形误差及接触线误差分析。

【技术特征摘要】
1.基于啮合-像素图像边缘跟踪法的齿轮齿廓边界提取方法，其特征在于包括以下步骤：1)定义刀具与包络齿廓之间的传动比关系，设定刀具廓形步长和包络步长，获得不同啮合时间下的瞬时接触图像，并将每个曲线包络簇图像进行二值化处理；2)扫略包络曲线簇边界，获取边界像素点，为了保证齿轮传动过程中的平稳性要求，轮齿齿廓均为曲率变化规则的光滑齿廓；采用传统边界跟踪法对齿廓边缘进行初步跟踪，再结合阶梯型的齿廓像素边界特点及相邻齿廓曲率变化小的位置像素缺失这两大特征，对像素点进行二次提取与补偿，提高齿廓精度；3)刀具齿廓坐标标定；4)提取瞬时啮合点的像素坐标；5)不同瞬时啮合图像像素点间的转化；6)根据步骤1)～5)的坐标变换过程，提取最终的齿廓坐标，提取齿轮的边缘齿廓，并进行齿形误差及接触线误差分析。2.如权利要求1所述基于啮合-像素图像边缘跟踪法的齿轮齿廓边界提取方法，其特征在于在步...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚斌，蔡志钦，王建军，陈彬强，宋世毅，李红建，杨小勇，
申请(专利权)人：中国一拖集团有限公司，厦门大学，
类型：发明
国别省市：河南,41