一种齿端去模糊成像监测装置及方法

测量装置的制造及其应用技术1.本发明涉及齿轮监测技术领域，尤其是涉及一种齿端去模糊成像监测装置及方法。背景技术：2.齿轮是依靠齿的啮合传递扭矩的轮状机械零件。齿轮通过与其它齿状机械零件(如另一齿轮、齿条、蜗杆)传动，可实现改变转速与扭矩、改变运动方向和改变运动形式等功能。由于传动效率高、传动比准确、功率范围大等优点，齿轮机构在工业产品中广泛应用，其设计与制造水平直接影响到工业产品的质量。3.在现代机械中齿轮在高速、重载等工况下工作,齿轮传动具有高平稳性、高可靠性的高性能要求。如何实时检测齿轮的工作状况,提前预警,防患于未然是现在工业生产中急需解决的问题。齿轮箱故障诊断技术综合运用了机械、自动控制、信息科学、统计数学、计算机科学等多个领域的知识,有很强的工程应用背景。4.目前，监测技术在智能化工业生产领域得到广泛应用。监测水平很大程度上影响着工业生产的生产质量。对于齿轮的监测也在不断发展。常见的齿轮齿面监测技术有以下五种1)齿轮单项几何形状误差测量技术、2)齿轮综合误差测量技术、3)齿轮整体误差测量技术、4)齿轮在机测量技术、5)齿轮激光测量技术。现有的大多数监测装置的安装工作较为繁琐，监测装置结构复杂，因此需要进行改进。5.申请号为cn202011244660.6，申请日为2020年11月10日的发明公开了一种针对高速齿轮监测用安装装置，该方案使用一种齿轮检测防护箱内部连接有齿轮转速检测器用于检测齿轮转速，技术功能单一且结构复杂。6.申请号为cn201910223023.1，申请日为2019年03月22日的发明公开了一种齿轮监测设备，该方案使用纵向滑移与竖直滑移组件对监测测相机成像区域进行调整，该方法需结合激光跟踪仪进行标定。系统繁冗，需采用两套驱动装置分别驱动两套滑移装置实现相机成像范围的调整。7.申请号为cn201820649361.2，申请日为2018年05月03日的发明公开了齿轮轴端面及内孔检测装置，该方案使用底板、立板、固定座、第一百分表和第二百分表，通过观察数显百分表的读数和百分表的指针位置，判断待检齿轮轴的端面和内孔的圆周跳动和同轴度。但其结构复杂，且百分表的触头与待检测齿端和内孔相互接触，无法实现非接触监测，且装置通用型较差。8.申请号为cn201710521489.0，申请日为2017年06月30日的发明公开了一种齿轮运转情况监测设备，该方案使用齿轮、感应端子、感应接收器及信息处理器，感应端子设置在轮齿上。齿轮旋转，每次感应端子经过感应接收器时就会进行计数，从而计算齿轮运转圈数。该装置功能单一仅能实现运转圈数的计算，且无法实现非接触检测。9.因此，目前迫切需要提供一种通用性强，能实现非接触检测，结构简单的齿端检测装置。技术实现要素：10.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种齿端去模糊成像监测装置及方法，实现大范围调整监测和去模糊清晰成像。11.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：12.一种齿端去模糊成像监测装置，包括齿轮、齿轮传感器、光学去模糊组件、相机和上位机，所述齿轮传感器用于获取所述齿轮的旋转速度和旋转方向，所述光学去模糊组件包括相互连接的棱镜和棱镜驱动组件，所述棱镜位于齿轮和相机之间，所述相机的视轴、棱镜的光轴和齿轮的齿轮轴保持同轴，所述上位机分别连接所述齿轮传感器和棱镜驱动组件，所述上位机根据齿轮的旋转速度和旋转方向，控制所述棱镜驱动组件带动所述棱镜转动，进行齿端去模糊。13.进一步地，所述齿端去模糊成像监测装置还包括滑轨，所述光学去模糊组件和相机整体可移动安装在所述滑轨上。14.进一步地，所述滑轨内置驱动电机，该驱动电机用于驱动光学去模糊组件和相机整体在滑轨上移动，调整光学去模糊组件和相机整体在滑轨上位置，所述驱动电机连接上位机。15.进一步地，所述棱镜驱动组件包括电机壳和棱镜电机，所述棱镜电机安装在所述电机壳上，所述棱镜电机的驱动端连接所述棱镜，用于带动棱镜旋转。16.进一步地，所述相机通过相机支架安装在所述电机壳上。17.进一步地，所述棱镜电机的驱动端设有安装孔，所述棱镜安装在该安装孔内。18.本发明还提供一种如上所述的一种齿端去模糊成像监测装置的监测方法，包括以下步骤：19.1)根据视场角和分辨率要求，确定齿轮、光学去模糊组件和相机的相对位置关系；20.2)通过齿轮传感器获取所述齿轮的旋转速度和旋转方向，并传输至上位机中，通过上位机计算齿端去模糊所需的棱镜转速；21.3)通过上位机控制棱镜驱动组件带动棱镜按照步骤2)获取的棱镜转速旋转。22.进一步地，步骤1)具体包括以下子步骤：23.11)根据相机水平视场角、垂直视场角、相机焦距、以及相机与棱镜平面间距离，推导出相机成像视场四个顶点在相机坐标系下的入射向量及入射点；24.12)根据棱镜的棱镜折射率与棱镜楔角，利用折射定律，根据相机成像视场四个顶点在相机坐标系下的入射向量及入射点，确定相机成像视场四个顶点的出射向量与出射点。25.进一步地，所述齿端去模糊成像监测装置还包括滑轨，所述光学去模糊组件和相机整体可移动安装在所述滑轨上；26.步骤2)执行前还包括通过在滑轨上移动光学去模糊组件和相机，调整棱镜到齿轮的距离，根据相机成像视场四个顶点的出射向量与出射点，使得相机和棱镜构成的成像视场完全覆盖齿轮。27.进一步地，在每段相机曝光时长内，通过旋转所述棱镜，由棱镜不同厚度的边缘对齿轮端面的光束进行折射，使得齿轮端面在相机成像平面上的成像位置保持不变。28.与现有技术相比，本发明具有以下优点：29.(1)本发明通过在单台相机前方引入光学去模糊组件，在保证总体结构紧凑性和运动部件灵巧性的基础上，实现大范围、高效率、去模糊成像。这是一种非接触式监测装置及方法，可避免接触造成的对齿轮使用寿命工作稳定性造成的损害。30.(2)本发明使用棱镜扩大相机成像视场，同时随着齿轮参数变化可移动滑轨实现实时调整。31.(3)本发明相机成像视场范围随着棱镜旋转绕光轴旋转，使相机成像视场齿端位置稳定，从而消除齿轮旋转时呈现的模糊效果。32.(4)本发明齿端去模糊成像监测的装置及方法使用便捷，结构紧凑，成本较低。附图说明33.图1为本发明实施例中提供的一种齿端去模糊成像监测装置的结构示意图；34.图2为本发明实施例中提供的一种齿端去模糊成像监测装置的成像组件的结构示意图；35.图3为本发明实施例中提供的第一去模糊成像原理图；36.图4为本发明实施例中提供的第二去模糊成像原理图；37.图中，1、电机壳，2、相机，3、电机，4、棱镜，5、齿轮，6、齿轮传感器，7、上位机，8、相机支架，9、滑轨。具体实施方式38.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。39.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。40.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。41.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。42.实施例143.本实施例提供一种齿端去模糊成像监测装置，包括齿轮5、齿轮传感器6、光学去模糊组件、相机2和上位机7，齿轮传感器6用于获取齿轮5的旋转速度和旋转方向，光学去模糊组件包括相互连接的棱镜4和棱镜驱动组件，棱镜4位于齿轮5和相机2之间，相机2的视轴、棱镜4的光轴和齿轮5的齿轮轴保持同轴，上位机7分别连接齿轮传感器6和棱镜驱动组件，上位机7根据齿轮5的旋转速度和旋转方向，控制棱镜驱动组件带动棱镜4转动，进行齿端去模糊。44.相机的成像靶面与两块消色差棱镜的平面侧相互平行，相机的焦距、分辨率等内部参数和探测波段可依据具体应用场合的变化进行调整。45.光学去模糊组件扩大成像视场范围，消除齿轮旋转造成的成像模糊；上位机用于接收齿轮旋转数据并控制电机的运动；齿轮传感器用于拍摄齿轮端面图像，测量齿轮转速并可用于调整装置相对于待测齿轮位置。46.作为一种优选的实施方式，齿端去模糊成像监测装置还包括滑轨9，光学去模糊组件和相机2整体可移动安装在滑轨9上。滑轨用于调整整体装置与齿轮的相对位置，待测齿轮规格参数发生变化时，去模糊成像监测装置可与滑轨上滑动，使成像视场覆盖齿轮。47.本实施例中，滑轨9内置驱动电机，该驱动电机用于驱动光学去模糊组件和相机2整体在滑轨9上移动，调整光学去模糊组件和相机2整体在滑轨9上位置，驱动电机连接上位机7。48.作为一种可选的实施方式，棱镜驱动组件包括电机壳1和棱镜电机3，棱镜电机3安装在电机壳1上，棱镜电机3的驱动端连接棱镜4，用于带动棱镜4旋转。49.本实施例中，相机2通过相机支架8安装在电机壳1上。棱镜电机3的驱动端设有安装孔，棱镜4安装在该安装孔内。50.将上述各实施方式进行任意组合可以得到更优的实施方式，下面对一种最优的实施方式进行具体描述。51.如图1和图2所示，本实施例的监测装置包括电机壳1、相机2、棱镜电机3、棱镜4、齿轮5、齿轮传感器6、上位机7、相机支架8与滑轨9。52.相机2包括图像传感器和镜头，图像传感器的靶面尺寸和像素尺寸、镜头的焦距和景深等参数由目标场景的范围决定，图像传感器的探测波段由目标场景的属性决定，为可见光波段或红外光波段。53.相机2为工业相机，电机壳1右端面设有安装孔，通过相机支架8竖直固定于电机壳1右端面。齿轮传感器6位于齿轮5端面处，由齿轮传感器6获取齿轮5旋转速度与方向。54.电机3设有安装孔，棱镜4置于其中。棱镜4设置在待检测齿轮5和相机2之间，且相机2的视轴、棱镜4的光轴和齿轮5的齿轮轴保持同轴通过控制棱镜4转角改变相机2的成像视轴。55.滑轨9内侧布置有用于驱动电机壳的驱动电机，其受上位机7控制。当待测齿轮结构参数发生变化时，驱动电机控制电机壳在滑轨内侧滑动，以改变棱镜与待测齿轮间距离，保持成像视场完全覆盖齿轮。56.本实施例在相机前方引入光学去模糊组件和控制处理组件，控制处理组件包括齿轮传感器6和上位机7，能先通过光学去模糊组件的视场扩展和一次成像作用，捕获大范围的目标场景信息。再通过控制处理组件获取齿轮旋转参数控制棱镜旋转达到端面去模糊成像。相比于已有的齿轮端面监测装置，本实施例的去模糊成像系统无须相机本体进行任何形式的运动，也未引入对误差扰动较为敏感的反射元件，可同时满足结构紧凑性、成像视场范围、图像分辨率、成像效率和灵活性等性能要求。57.实施例258.本实施例提供上述实施例1的齿端去模糊成像监测装置的监测方法，包括以下步骤：59.s1、结合成像系统的视场角、分辨率等要求，确定监测相机、监测成像组件及去模糊成像组件的的相对位置关系；60.s2、调整齿轮尺寸，通过移动滑轨调整棱镜距齿轮距离z2，使成像视场始终完全覆盖齿轮。61.s3、齿轮传感器测得的待测齿轮运动参数ω_1输入上位机由迭代算法计算旋转棱镜跟踪成像所需要的棱镜转速ω_2。62.s4、由上位机下达指令控制电机旋转，电机的旋转带动棱镜旋转。63.进一步地，步骤s1具体包括：64.s11、根据相机水平视场角为φh,垂直视场角为φv，相机焦距为f及相机与棱镜平面间距离z1，推导出相机成像视场四个顶点在相机坐标系下的入射向量及入射点。65.s12、根据棱镜折射率与棱镜楔角，利用折射定律确定相机成像视场四个顶点的出射向量与出射点。66.s13、调整棱镜距齿轮距离z2，根据出射点及出射向量使成像视场完全覆盖齿轮。67.进一步地，步骤s3具体包括：68.s31、如图3所示，假设相机曝光时长为t时，齿轮端面上一点p在开始时刻位于p1处，当曝光结束时齿轮旋转至p2位置处，其在相机成像平面上分别位于p1,p2处。即偏转了ω_1t距离造成端面在相机成像视图中位置发生偏移会造成成像模糊，检测效果不佳。69.s32，加入棱镜装置后如图4所示，当齿轮在曝光结束时旋转至p2位置处，根据迭代算法棱镜相对应的反向旋转，保证端面在相机成像平面上成像点位不变，保持固定。实现去模糊成像的效果。70.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。









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