在用齿轮磨损表面微观形貌原位三维重构方法技术

在用齿轮磨损表面微观形貌原位三维重构方法，采用一套包含8个点光源的嵌入式数字显微图像采集系统，获取不同光照角度下的8幅显微图像，进行环境设置与系统标定后，建立近场点光源光照模型，并对光源的空间位置与衰减模型进行了标定；然后，将从多图像约束估计法向和从法向恢复表面形状两种方法相结合，计算得到初步重构表面；通过使用多项式拟合、颜色还原与投影转换算法对初步重构信息进行处理，得到齿轮表面微观形貌；最后，对高度信息进行统计学计算得到齿轮磨损表面的形貌特征；本发明专利技术携带方便、操作便捷，可获取在用齿轮磨损表面三维形貌与表面特征，对齿轮摩擦副过程性磨损演变的精准分析与机械设备的视情维护和故障预测具有重要意义。

In-situ three-dimensional reconstruction of wear surface micro-morphology of gears in use

A set of embedded digital micro-image acquisition system with eight point light sources was used to acquire eight micro-images under different illumination angles by in-situ three-dimensional reconstruction of the micro-topography of the worn surface of gears. After setting up the environment and calibrating the system, a near-field point light source illumination model was established, and the spatial position and attenuation model of the light source were calibrated. Initial reconstructed surface is obtained by combining the two methods of constrained normal estimation and normal surface shape restoration; the initial reconstructed information is processed by using polynomial fitting, color restoration and projection conversion algorithm to obtain the micro-morphology of gear surface; finally, the morphological characteristics of gear wear surface are obtained by statistical calculation of height information; the present invention is convenient to carry, and can be used as an example. It is easy to operate and can acquire the three-dimensional morphology and surface characteristics of the wear surface of the gear in use. It is of great significance to the accurate analysis of the process wear evolution of the gear friction pair and the visual maintenance and fault prediction of the mechanical equipment.

【技术实现步骤摘要】
在用齿轮磨损表面微观形貌原位三维重构方法
本专利技术属于在用齿轮磨损状况的现场检测
，特别涉及在用齿轮磨损表面微观形貌原位三维重构方法。
技术介绍
齿轮是机械设备中常用的传动零件，在工程机械、发电设备、交通运输等领域应用非常广泛。机械设备在运转过程中，齿轮摩擦副表面相互作用，不可避免地会产生磨损，成为齿轮传动失效的主要原因。根据磨损机理的不同，齿轮磨损可分为粘着磨损、磨粒磨损和疲劳磨损等，不同的磨损类型所对应的磨损表面也具有不同的特征。因此，磨损表面形貌直接反映了齿轮的磨损特征，也是判定磨损机理最直接、最主要的判据。但是传统的齿轮齿面磨损状态检测一般用于故障分析溯源，通过拆解变速箱及肉眼或者切片观察等方式获取齿轮磨损表面形貌，极少见对于在用齿轮的磨损表面形貌检测。已有的齿轮表面检测技术存在两个方面问题：1)拆解后检测结果可用于故障分析，但无法反映故障发展的过程；2)传统的肉眼观察和二维表面检测无法给出量化的体积磨损信息特征。为此，研发一种可用于在用齿轮磨损状态检测的三维形貌获取方法，用于齿轮摩擦副过程性磨损演变的精准分析，对机械设备的视情维护和和故障预测具有重要意义。传统的人工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.在用齿轮磨损表面微观形貌原位三维重构方法，其特征在于，包括以下步骤：一、搭建便携式原位图像采集系统，便携式原位图像采集系统包括采集系统硬件和采集系统软件，采集系统硬件包括微型数字显微摄像头(1)，微型数字显微摄像头(1)上设置有可控光源系统(5)，微型数字显微摄像头(1)通过镜头轴线方向的高精度滑轨(3)固定在万向支架(2)上，显微摄像头(1)的末端设置有保证镜头垂直于待测磨损表面的磁性吸附式触头(4)；采集系统软件的重构环境设置包括图像坐标系与相机坐标系之间的转换，其中相机坐标系以微型数字显微摄像头(1)光心为原点，深度方向为坐标轴垂直于待测表面；二、建立近场点光源光照模型，并标定光源空...

【技术特征摘要】
1.在用齿轮磨损表面微观形貌原位三维重构方法，其特征在于，包括以下步骤：一、搭建便携式原位图像采集系统，便携式原位图像采集系统包括采集系统硬件和采集系统软件，采集系统硬件包括微型数字显微摄像头(1)，微型数字显微摄像头(1)上设置有可控光源系统(5)，微型数字显微摄像头(1)通过镜头轴线方向的高精度滑轨(3)固定在万向支架(2)上，显微摄像头(1)的末端设置有保证镜头垂直于待测磨损表面的磁性吸附式触头(4)；采集系统软件的重构环境设置包括图像坐标系与相机坐标系之间的转换，其中相机坐标系以微型数字显微摄像头(1)光心为原点，深度方向为坐标轴垂直于待测表面；二、建立近场点光源光照模型，并标定光源空间坐标以及光照信息，基于高光球标定法与平面的主光轴标定法，计算光源的位置、最亮光线、平面主光轴的方向；三、根据标定的光源方向和获取的图像信息计算齿轮表面法向量；由表面恢复算法得到初步深度信息，由多项式拟合初步信息得到微观重构表面及其高度信息，由以像素点为单位的颜色还原方法恢复表面的真实颜色；四、对获取的高度信息进行统计学计算、截面点计算得到齿轮表面上的特征参数信息。2.根据权利要求1所述的在用齿轮磨损表面微观形貌原位三维重构方法，其特征在于，所述步骤一包括如下步骤：步骤1.1：微型数字显微摄像头(1)为采集装置，获取的齿轮表面区域为1mm2，工作距离为9mm，图像序列亮处、阴影变化明显，符合光度立体视觉技术的要求；步骤1.2：环状分布的可控光源系统(5)由八个呈环形均布光源组成，并由微型数字显微摄像头(1)笔体上触碰式转换开关控制；步骤1.3：固定支架(2)为万向支架，可保证微型数字显微摄像头(1)置于齿轮装置上时进行万向旋转观察不同角度磨损表面，高精度滑轨(3)保证微型数字显微摄像头(1)在镜头轴线方向进行0.1毫米细微调节，磁性吸附式触头(4)保证镜头轴线与被测表面垂直，进而保证重构精度；步骤1.4：采集系统软件中的图像坐标系与相机坐标系之间的转换，通过公式(1)建立图像像素坐标系与相机坐标系之间的矩阵关系；公式(1)：式中：u、v分别对应图像的列坐标和行坐标，Xc、Yc、Zc分别对应相机笛卡尔坐标系中三个方向的坐标；ax为x轴尺度因子；ay为y轴上的尺度因子；(u0,v0)为摄像机光轴和像平面的交点坐标；M为相机内部参数矩阵。3.根据权利要求1所述的在用齿轮磨损表面微观形貌原位三维重构方法，其特征在于，所述步骤二包括如下步骤：步骤2.1：近场点光源的角度衰减模型符合g-cosine定律，距离衰减模型符合平方反比律，结合两种光照衰减模型，得到表面某点R的照度为公式(2)所表示的近场点光源模型：公式(2):式中E0为主光轴方向的发光强度，g是一个与光源发光均匀度相关的角度衰减因子，θ为入射光线与主光轴之间的夹角；步骤2.2：标定采集图像时光源的空间坐标，使用高光球法，利用镜头观察到高光时高光点处入射角等于出射角的原理进行标定，由公式(3)表示的关系与已知的高光点处法向视角方向对光源方向进行求解；公式(3):步骤2.3：最亮光线主光强及主光轴的标定，当...

【专利技术属性】
技术研发人员：武通海，霍彦文，朱可，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61