用于估计接触图形的方法和系统的制作方法

专利名称：用于估计接触图形的方法和系统的制作方法
用于估计接触图形的方法和系统
背景技术：
齿轮是用于传递旋转力的常见机械装置。齿轮通常是具有与其它齿轮齿啮合的齿以允许传递力的圆形部件。齿轮设计、大小和定向用于以不同的速度、扭矩和方向传送力。 齿轮通常用于通过利用不同大小的齿轮以允许不同的旋转齿轮速度和扭矩来传递机械效
■、Λ
frff. ο作为力传递的一部分，一个齿轮的齿与另一个齿轮的齿咬合，从而导致齿轮啮合。 例如，当较大齿轮与较小齿轮咬合时，较大齿轮以比较小齿轮慢的速度旋转，因为较小齿轮的齿与较大齿轮的一段齿轮咬合。一种类型的齿轮设计是斜齿轮，其中齿的前缘关于旋转轴成一定角度。该齿轮是弯曲的，并且齿的形状是具有成角度的齿的螺旋线段。斜齿轮往往更平稳地运行并产生较少的噪声。齿轮的一个常见应用与诸如传输和齿轮箱中所用的用于转换发动机轴力的传动轴有关。例如，风轮机的齿轮箱通常利用斜齿轮来将来自涡轮叶片的旋转轴的旋转力传递到生成电功率的发动机。齿轮啮合的问题之一是高效、安静且持久地操作齿轮组件所需的精密配合。影响不当齿轮啮合的因素包括齿轮的公差以及齿轮箱外壳内的齿轮的装配。这些因素可造成充满噪声的操作，从而由于齿轮箱部件的较大磨损而造成环境危害、效率低下和增加维护的问题。磨损可导致运转损耗以及部件的突变失效。为了缓解上述问题，开发了某些检查技术，其中对由齿轮啮合引起的接触图形 (contact pattern)进行评估。例如，可以用显示由于齿轮啮合而导致的磨损的有色颜料来涂覆齿轮齿。在一个实例中，用诸如蓝色(普鲁士蓝)或红色的有色涂层来将齿轮箱中的齿轮涂色。在负载测试过程中，齿轮在不同负载和不同速度下彼此啮合，并且由于啮合过程中的接触压力，涂层在齿轮面上逐渐磨损掉。不同负载和速度下的齿轮上的磨损图形或接触图形意味着齿轮箱组件的质量。接触图形估计用于试验和确定齿轮的可接受性。在一些常规系统中，利用相机通过图像来捕获接触图形并进行手动估计。在这样的处理中，执行图形估计的操作人员通常不会先验地知道齿轮的定向和距离。选择接触图形图像，并手动地将其与可接受的接触图形的图片进行比较。如果捕获的图像与标准密切匹配，那么该齿轮箱组件可接受。但是，缺少基于接触图形特性来接受/拒绝齿轮的量化方法。与标准照片或图片对比的操作人员推动的手动过程具有多个限制，例如操作人员的相依性和齿轮图形质量确定的质性。本行业中期望对齿轮检查和接触图形估计系统和过程进行改进。

发明内容
一般来说，本文描述的系统和方法涉及齿轮检查，更具体来说，涉及半自动和自动接触图形检查。一个实施例是一种齿轮检查系统，它包括装配好的齿轮箱，该齿轮箱具有提供对齿轮箱中的齿轮的观察的检查端口，其中齿轮箱经受速度或负载测试，从而提供齿轮的齿轮齿上的接触图形。存在紧邻检查端口定向以具有一段齿轮的可接受视场的图像获取单元，其中该图像获取单元获得具有接触图形图像的齿轮齿图像(wherein the image acquisition unit obtains a gear tooth image with a contact pattern image)0 存在具有存储计算机程序的计算机可读介质的处理单元，其中计算机程序将齿轮齿图像和接触图形图像变换为齿轮齿的模型，并且其中处理单元计算度量以确定齿轮箱是否可接受。该系统一方面是自动或半自动的，并且包括操作人员协助。该自动化系统利用计算机处理来控制各种系统功能，并且自动地做出齿轮箱的可接受性确定。在半自动操作中， 可利用操作人员来确保诸如检查齿轮齿图像是否足够以及进行调整以实现最佳定向的特征。一方面，图像获取单元是固定位置相机或可调位置相机中的至少一种。一个特征包括具有可移动并基于齿轮箱的计算机辅助设计(CAD)模型定位的可调式图像获取单元。齿轮齿图像的边界一方面包括上风边缘、下风边缘、顶部边缘和根部边缘，并且利用梯度方法或最佳边缘提取方法从多个点获得。通常在计算机上利用诸如样条内插法、 Canny最佳边缘提取法或SienCastan最佳边缘提取法的软件程序来执行该处理。根据一个方面，通过计算齿轮齿的至少一段上的强度值的密度分布来确定接触图形的边界，其中具有最大梯度的点识别接触图形的边缘。在一个实例中，度量是以下度量中的至少一种接触图形的面积与齿轮齿的面积之比，接触图形的成椭圆形，接触图形的形状，接触图形的上风和下风边缘的形状，从接触图形的中心到齿轮齿的中心的距离，以及上风和下风接触图形边缘离齿轮边缘的距离。一个实施例是一种用于确定齿轮箱的可接受性的方法，它包括获取齿轮箱中的一段齿轮的至少一个图像，其中这一段齿轮包括具有接触图形的齿轮齿；处理该图像以获得齿轮齿图像和接触图形图像；获得齿轮齿图像和接触图形图像的边界；变换齿轮齿图像和接触图形图像以便与齿轮齿的模型匹配；为变换后的接触图形计算度量；以及将度量与预定义的阈值进行比较以确定齿轮箱的可接受性。又一个实施例是一种齿轮检查系统，它包括具有检查端口的装配好的齿轮箱和耦合到齿轮箱的负载测试仪，其中负载测试仪能够对齿轮箱中的一组或多组齿轮提供速度或负载测试。图像获取单元紧邻检查端口定向以具有一段齿轮的视场，其中图像获取单元获得这段齿轮的齿轮齿上的接触图形的图像。存在具有用于存储计算机程序的计算机可读介质的处理单元，其中计算机程序处理来自图像获取单元的图像并变换这些图像以与齿轮齿的模型匹配。计算机程序一方面计算接触图形的度量并将其与阈值进行比较以确定齿轮箱的可接受性。本文描述的特征和优点并没有包括一切，特定来说，从附图、说明书和权利要求， 本领域技术人员将明白许多额外的特征和优点。此外，应注意，选择说明书中所使用的语言主要是为了可读性和指导的目的，而不是为了限制本发明主题的范围。


图1示出根据一个实施例的接触图形估计系统；图2示出根据一个实施例用于估计接触图形的顶级方法；
图3描绘根据一个实施例的一种用于表征接触图形边界处理的方法；图4a4c示出根据一个实施例的长边处理；图5a_5c示出根据一个实施例的短边处理；以及图6a和图6b示出根据一个实施例在变换之前和之后的齿轮齿图像。
具体实施例方式本文详述的系统和方法涉及获取和表征在齿轮啮合期间形成的接触图形。这包括量化齿轮箱中的齿轮上的接触图形。接触图形指示齿轮的齿形偏差以及齿轮组件中的任何不对准。不合适的齿轮齿形或齿轮组件中的任何不对准可能会导致一些问题，这些问题可包括齿轮箱噪声以及可导致齿轮箱最终故障的振动。参考图1，描绘接触图形估计系统5。根据一个实施例，系统5包括在安装之前或安装之后作为齿轮制造过程的一部分采用的负载检查仪或负载测试单元10。最初的负载测试通常是在制造之后在齿轮箱20上进行的，其中负载检查仪10在不同的负载和/或在不同的速度下测试齿轮单元20，以便评估接触图形并且因此评估齿轮箱20的性能。如果诸如在齿轮啮合期间形成的齿轮上的接触图形的形状和大小的某些参数在可接受界限内，那么齿轮箱组件20视为符合要求。尽管有各种类型、形状和大小的齿轮，但齿轮通常具有包括根部观和顶部沈的齿面22，其中齿轮啮合在齿上形成接触图形。诸如斜齿轮的其它齿轮具有不同的形状，但具有类似的特征标记。齿轮箱单元20采用从齿轮箱20的检查窗口中插入的图像获取单元30，图像获取单元30由一个或多个相机或其它图像获取装置组成。图像获取单元30通常定向成使得捕获齿轮图形的正确视图。视场是这样的视场，它便于捕获齿轮箱20的一段齿轮的令人满意的图像，以便齿轮齿和接触图形占据图像中的最大面积。在一个实施例中，可捕获和处理多于一个齿轮齿和接触图形。在另一个实施例中，将齿轮齿的部分和来自不同齿的接触图形进行组合以将它们重构。在一个实施例中，利用计算机或处理器单元来控制图像获取单元30的位置。计算机模拟齿轮箱的计算机辅助设计(CAD)模型以便提供在最佳定向获取齿轮图像的位置。在一个实例中，设计模型包括检查端口的位置和齿轮齿与检查端口的关系，以便知道距离和定向。一方面，计算机或处理器改变成像单元30的焦点方面以便获得最佳视图。另一方面涉及控制成像单元30定向和/或位置，以便可以将成像单元转到或移到最佳位置。成像单元30 —方面可移动并安装有万向接头或在平台上安装有伺服机构或类似的操纵器以控制可调式成像单元的位置和定向。一方面，可利用蛇形物(snake)或机器人将成像单元定位在最佳观察区域。另一方面利用操作人员来帮助识别最佳位置。与获得图像的方式无关，在一个实施例中，使图像经受利用CAD模型来集中研究所关心的区域中的齿轮齿和接触图形的图像处理技术。在齿轮啮合之后，处理来自获取单元30的齿轮齿图像40。齿轮齿图像40具有顶部边缘(tip edge)41、根部(root)边缘42、上风(upwind)边缘44、下风(downwind)边缘 43。齿轮齿40上的接触图形45通常包括定义接触图形45的边界的长边47和短边46。齿轮齿的图像应当具有足够的分辨率，以使得至少一个齿轮齿和接触图形可见，从而使得能够随后处理齿轮边缘和接触图形边缘的边界并评定可接受性。取决于图像的状况，图像处理可增强图像以改善图像用于随后处理，并且这可在图像获取单元30和/或处理单元50 处执行。从图像获取单元30捕获的图像传送到处理单元50。诸如计算机或其它计算装置或微处理器的处理单元50取得所捕获的图像并执行进一步的处理步骤。在一个实例中，图像获取单元包括用于执行所有系统处理中的一些处理的处理单元。所得处理产生关于接触图形45的度量，将这些度量与用于评定齿轮的质量及其可接受性的阈值进行比较。根据一个实施例，系统5提取齿轮的边缘41、42、43、44以及齿轮齿40的接触图形的边缘46、47。在一个实施例中，通过将齿轮边缘图像的点与齿轮模型的点匹配来将齿轮图像与实际齿轮齿配准(register)，其中齿轮模型是关于齿轮的先验信息。计算所得变换，并利用此来关于实际齿轮齿的模型校正接触图形的缩放比例和角度定向或视角差异。根据经过处理的图像，计算各种度量，例如接触图形相对于齿轮齿的面积比、接触图形的成椭圆形、接触图形的形状、接触图形的上风和下风边缘的形状、接触图形的中心离齿轮齿的中心的偏离距离、以及上风和下风接触图形边缘离齿轮边缘的最小距离。成椭圆形(ovalisation)是指与具有尖锐的界定清晰的直边相比接触图形的边缘变圆。它是接近椭圆形的形状特性的量度。参考图2，描绘一种接触图形估计方法。齿轮负载测试210对齿轮箱施加负载和速度动力，而不论其是作为独立的负载检查仪还是部署齿轮箱的实际系统。在一个实例中，一个或多个相机耦合在齿轮箱的检查端口附近并安置成提供齿轮齿的至少一段的足够的视场。如上所述，齿轮箱处于装配好的状态。相机捕获齿轮齿以及齿轮齿上的接触图形的图像020)。在一个实施例中，齿在齿轮齿上采用颜料、染料或有色层以便在颜料因齿轮啮合而逐渐磨损掉时帮助分辨接触图形估计。然后，处理接触图形的图像230，包括提取齿轮齿235 ；表征接触图形MO ；测量齿轮齿上的接触图形250 ；以及确定接触图形的接受性并且从而验证齿轮箱沈0。提取齿轮齿235涉及根据图像确定齿轮齿的界限，例如上风、下风、根部和顶部边缘。表征接触图形240 —方面是指通过分析其中由于齿轮啮合而去除了颜料的齿轮齿的段来找到关于齿轮齿的接触图形边缘的边界。该表征还可包括利用齿轮的模型(例如，来自CAD文件)来变换或以其它方式操纵齿轮齿及其接触图形的图像以便反映实际齿轮的实际尺寸。然后，可分析接触图形，并计算各种度量以确定齿轮和齿轮组件的可接受性。在操作中，一个实施例关于用于检查和表征齿轮接触图形以用于评定齿轮质量的系统和方法。根据一个方面，在装配齿轮箱之后以及在运送到客户场所之前，执行接触图形估计和分析。在几种不同的负载级和速度(例如，三种不同的负载和速度)下操作装配好的齿轮箱。在啮合期间，在齿轮上形成接触图形。基于接触图形的形状和特性，确定齿轮箱组件的质量，并且如果可接受，那么运送并安装齿轮箱。在图3中，描绘根据一个实施例用于处理接触图形的另一个图示300。该处理以从图像获取单元的图像提取齿轮齿的边界(310)开始。齿轮齿的边界包括上风边缘、下风边缘、顶部边缘和根部边缘，它们可以用各种方法获得。一方面，获取齿轮齿的边界的方法通过利用样条内插法从齿轮边缘上的指定数量的点提取齿轮齿的边界。在另一种方法中，利用梯度方法或诸如Carmy或SienCastan的最佳边缘提取算法从图像中提取齿轮边缘的边界。齿轮齿边界可利用边缘提取技术来自动识别，或者它们可涉及利用操作人员协助边缘确定来半自动地处理。然后，提取接触图形的边界320。一方面，可利用梯度方法。根据一个实施例，梯度方法计算齿轮齿上的强度分布以确定相对于齿轮边缘的接触图形的边界。强度分布涉及在去除了颜料的齿轮齿的区域与保留颜料的齿轮齿的部分之间进行区分，从而指示齿轮啮合接触图形。一个方面利用强度分布的柱状图，其中柱状图是强度值的分布的图形表示。在另一个实施例中，柱状图可用于比较随时间取得的图像，并且一个实例利用柱状图来将值逼近接触图形区域。另一个实例利用柱状图来显示颜料如何快速地从齿轮齿去除以及首先去除的部分。这样的处理也可用于进行关于是否正确识别接触图形的验证以及用于质量保证。接触图形的边界也可利用梯度方法或诸如Carmy或SienCastan的最佳边缘提取算法从图像中提取。在又一个实例中，通过识别接触图形的长边和短边并形成接触图形边界来确定接触图形边界。一个方面处理齿轮齿上的强度值，并评估这些强度值以识别接触图形的长边。 类似地，在齿轮齿的上风和下风边缘附近评估强度值以识别接触图形的短边。在一个实施例中，变换具有接触图形图像的齿轮齿以反映模型化齿330。将齿轮齿图像及其接触图形进行缩放和转一定角度以使得齿轮齿与来自实际齿轮设计的模型化齿轮的大小和形状匹配。模型化齿轮齿可从齿轮齿的CAD文件或其它设计或制造文件中导出。一方面，利用关于实际齿轮齿的先验信息(例如，齿轮齿的中部的位置、齿轮齿的深度以及齿轮齿的齿宽)来将模型化齿轮齿建模。因此，利用模型化齿轮齿来变换齿轮齿图像， 包括其中的接触图形，以便确定齿轮齿和接触图形的大小并将其与实际齿轮齿对准。在一个实施例中，齿轮齿和接触图形的变换是通过线性变换、投影式变换或利用诸如迭代最近点法(ICP)的点变换来实现的。根据一个方面，齿轮是斜齿轮，并且来自齿轮齿图像的边缘的配准参考模型化螺旋线，并产生齿轮齿图像的变换，该图像中的任何偏斜和缩放比例经过校正。该变换还运用于接触图形的缩放比例和视角。变换处理校正成像系统参数，例如视图缩放、视场、旋转和平移。然后，计算变换后的接触图形齿轮齿的度量340。因此，变换后的图像的度量与实际齿轮齿相同，因为其尺寸具有相同的缩放比例。根据此变换后的数据计算接触图形的各种度量。度量可包括接触图形相对于齿轮齿的面积比、接触图形的成椭圆形、接触图形的形状、接触图形的上风和下风边缘的形状、接触图形的中心离齿轮齿的中心的偏离距离、以及上风和下风接触图形边缘离齿轮边缘的最小距离。度量可通过几种方法从接触图形计算获得。从接触图形的一些度量计算基于接触图形的总面积、接触图形和齿轮边缘的面积比、接触图形与齿轮边缘中心之间的中心距离、 上风接触边缘图形的前缘和齿轮以及接触图形的下风边缘和齿轮的距离。在处理之后，评定齿轮箱，并基于计算的度量量化齿轮箱的质量350。将度量与阈值和/或已知的标准进行比较以做出接受/拒绝或校正齿轮箱的装配的确定。执行处理以确定是否在齿轮箱中正确制造和装配齿轮。目前公认装配是齿轮箱啮合问题的主要来源，并且可利用早期检测来缓解或消除这些问题。本文描述的方法提供了接触图形的量化测量、标准化接触图形估计、检查过程中生产力的提高以及用于齿轮设计/优化的接触图形分析的准确输入。一方面，对于变换后的数据计算接触图形的面积和齿轮齿的面积，并且该面积比提供对可接受性的客观测量。 例如，在特定时间周期内或特定齿轮转数内至少90%的阈值将指示，齿轮齿均衡地啮合。在另一种测量中，将接触图形边缘和齿轮齿边缘之间的距离与阈值进行比较。如果接触图形不均衡地分布，那么它可指示齿轮或齿轮组件需要调整。该系统涵盖用于从齿轮箱获取接触图形的图像、处理图像并量化接触图形的度量、以及基于接受标准证明接触图形合格的方法。根据一个实施例，处理技术在校正缩放比例和偏斜之后执行接触图形测量。利用该方法获得的定量度量用于多种用途，例如优化制造和振动分析。在图如中，描绘根据一个实施例的接触图形长边处理400。在这方面，该过程生成齿轮齿的上风和下风边缘的密度分布G10)。密度分布是从变换后的图像获得的，它们反映齿轮齿的涂覆面积与其中因齿轮啮合而去除了颜料的部分之间的差异。一方面，密度分布处理用于识别接触图形的长边。通过沿齿轮齿的整个长度取得密度分布，获得多个具有强度值的点。处理沿密度分布的强度值，其中最大梯度或变化定义接触图形的边界，因为它表示齿轮齿涂层与其中去除了涂层的接触区域之间的强度变化。在一个实例中，强度点定义接触图形的长边。找到最大斜率点或最大梯度交接点便定义了紧邻顶部边缘的接触图形的长边G20)。获得紧邻齿轮齿的根部边缘的最小斜率点或最大梯度点交接点便形成了接触图形的长边(430)。图4b示出具有平行于齿轮齿的上风和下风边缘的中心线的齿轮齿480。在一个实例中，在齿轮齿480上平行于齿轮齿的上风和下风边缘生成密度分布450。图如示出该中心线的密度分布450。所示的最大斜率点或最大梯度交接点460定义紧邻顶部边缘的接触图形440的长边。紧邻齿轮齿的根部边缘的最小斜率点或最大梯度点交接点470形成接触图形440的长边。对整个齿轮齿的处理提供密度分布，以使得每个最大和最小斜率点识别接触图形440的对应顶部边缘点和根部边缘点。参考图5a，描绘根据一个实施例的接触图形短边处理。在一个实例中，通过在图 4a4c中提到的处理来识别接触图形长边。在这个实例中，平行于接触图形长边生成多项式曲线510。在接触图形长边之间平移该曲线520。处理长边之间的区域的一系列密度分布，其中导出下风和上风区域处的最大斜率点530，从而识别接触图形的短边点。参考图S3-5c，之前定义了齿轮齿的长边560，并且可将平行于齿轮边缘550的中心线设置在齿轮边缘550之间的中心位置或以其它方式定向在齿轮边缘550之间。在一个实例中，在长边之间生成多项式曲线以便逼近短边的位置，从而简化处理。在长边之间的多项式曲线的宽度上获得密度分布，例如如图5c所示。图5c示出设置在中心的线570的密度分布，并且最大斜率表示交接点580，从而识别短边上的点。 在长边560的宽度上获得密度分布，并且最大斜率沿下风边缘上的短边识别每个点。在上风端上执行类似过程，以便在长边的宽度上获得各点的密度分布，从而定义表示为沿分布方向的像素变化的上风侧短边。一个实施例在长边上生成单个多项式曲线，并在每一侧上处理密度分布。另一个实施例在上风和下风侧中的每一侧上采用多项式曲线，并且相应地处理密度分布。又一个实施例不利用多项式曲线，而是与图如中所详述的长边类似地处理短边。平行于长边部署一条线，并将这条线设置在长边之间的中心。在齿轮边缘的宽度上获得密度分布，并处理最大梯度点以定位上风和下风侧上的短边。在处理长边和/或短边的一个实施例中，根据期望的状况设置用于识别接触图形的长边和短边的点数。通过处理更多点而获得更精确的结果，但是所有点的处理可能在计算上困难。如本文所述，行星齿轮、斜齿轮和高速小齿轮的螺旋齿形(helix profile)是与齿轮箱配合使用的一些齿轮。齿轮齿形的螺旋线可从诸如计算机辅助设计(CAD)的电子数据取得，从而具有对齿轮的螺旋角、齿宽和模块的先验了解以能够生成齿轮的螺旋齿形，并且将轴数据与螺旋齿形配准。在一个实施例中，螺旋齿形可用于建模，其中通过如下的参数等式来将螺旋齿形建模χ = (D/2) · cos O . Z/D. tan β ‘)y = (D/2). sin (π . z/D. tan β ')Z = 0=>F其中，D是节距圆直径，β ’是在该特定直径处的螺旋角，而F是齿宽，并且tan、 =(Dl/D2)tani32。在一个实施例中，利用螺旋齿形来变换齿轮齿和接触图形的图像以生成经过变换的图像。作为进一步说明，实际齿轮齿具有尺寸齿宽，其中图像具有多个像素，以使得图像与实际齿轮齿之间存在尺寸差异。该变换运用于图像，并且改变缩放比例和视角， 以使得图像与实际齿轮匹配。参考图6a和6b，对图像进行缩放比例和视角校正，并且图中示出变换前和变换后的图像。在这个实施例中，对于斜齿轮，基于螺旋齿形，生成齿轮齿的理想模型。图6a中示出变换之前的具有接触图形620的齿轮齿图像610，该图像没有相对于实际齿轮进行缩放或转角度。然后，通过螺旋模型变换齿轮齿图像以便校正缩放比例和视角，其中变换齿轮齿图像610和接触图形图像620以便与模型化齿轮齿匹配。如图6b所示，校正缩放比例和角度，并且从变换后的齿轮齿图像630和变换后的接触图形图像640提取的所有度量和尺寸对应于模型化齿轮齿的尺寸。在一个说明性实施例中，在制造完齿轮之后通过负载测试系统以施加的负载和速度进行检查过程。在该过程中，齿轮彼此啮合，从而在齿轮齿上形成接触图形。通常用染料涂覆齿轮，以使得随着齿轮彼此啮合，染料逐渐磨损掉。通过相机捕获视场中的齿轮段的图像，以显示齿轮上的接触图形。本发明在不进行拆卸的情况下测量齿轮上的磨损。齿轮一次只在某些段上啮合， 并且相机捕获当前没有啮合的齿轮。图像描画了未啮合齿轮段处的染料图形变化。在一个实施例中，相机的视场捕获表示齿轮的顶部和齿轮的根部的齿轮的上风侧和齿轮的下风侧。系统处理识别接触图形的边缘以及齿轮边缘。在常规处理中，齿轮边缘的识别是手动过程。相比之下，本系统采用自动或半自动处理来识别齿轮边缘。一个实施例利用交互式工具来标记齿轮的绘画点的边缘并自动识别齿轮边缘。一旦识别了齿轮边缘，便提取接触图形边缘。一个实施例利用梯度方法来处理接触边缘。在一个实例中，该系统处理沿齿轮宽度的不同线处的梯度，并识别接触图形。在一个实施例中，处理涉及相对于实际齿轮进行缩放，并相对于实际齿轮尺寸计算所有尺寸和度量。利用配准来使图像上的尺寸与实际尺寸匹配。在一个实施例中，利用投影式变换进行配准。在另一个实施例中，利用双线性变换、仿射或其它类似变换。配准提供了变换，并且它运用于齿轮齿和接触图形。因此，将接触图形和齿轮缩放至齿轮的实际大小。如上所述，一个实施例在安装在齿轮箱中时取得图像以用于接触图形检查。执行到齿轮的实际大小的图像的配准处理和缩放以及对齿轮的实际大小的度量的计算，例如太阳行星齿轮以及多个齿轮级。相机可定位成取得行星齿轮、高速齿轮和高速小齿轮的图像。一方面手动地定向相机，而另一个实施例将相机部署在蛇形物上，再将蛇形物推到正确位置。在另一个实施例中，相机是无线的，它利用无线通信之一来传递图像。诸如相机的图像获取单元可定位在紧邻齿轮箱的检查端口的位置，并且一方面， 检查端口为约25厘米。在一个实例中，可以或者可以不将光引入到齿轮箱中，但也可使用相机的闪光灯。与一些现有实现相比，本文详述的系统不使用单独的检查固定物。本文详述的系统的一个方面是，在负载测试之后在齿轮箱中估计接触图形，而不从齿轮箱中拆卸齿轮。经由检查端口通过图像获取来执行接触图形的检查，从而消除从齿轮箱中拆卸齿轮的需要。 在一个实例性实施例中，接触图形估计允许高精度，并且处理时间少于五(5)秒。此系统的一个实施例是为了证明齿轮箱是合格的，它用于诸如飞机制造业和能源的各种行业，其中利用齿轮作为传输装置。该系统可作为服务提供来提供，或者可开发整个系统并作为检查设备提供。根据一个实施例，该系统和方法用于表征风轮机的齿轮的接触图形。风轮机的齿轮箱通常具有三级太阳和行星齿轮。这三个齿轮包括要进行接触图形检查的高速小齿轮、 斜齿轮和行星齿轮。但是，本文的方法和系统也可适用于任何齿轮箱接触图形检查。根据一个实施例，该系统执行齿轮接触图形的自动或半自动分析。通过在齿轮箱的检查窗口中插入一个或多个相机来取得可视图像，而无需拆卸。相机定向成使得为一段齿轮捕获接触图形的期望视场。对图像的处理定量地评估接触图形并确定齿轮组件中的齿轮的可接受性。在又一个实施例中，利用来自接触图形估计的数据以及关于齿轮齿和接触图形的对应信息来优化齿轮设计和齿轮装配。在一个实例中，存储该数据，并且该数据为齿轮设计者和装配人员提供有助于质量保证程序的信息。例如，如果接触图形开始向边缘之一偏离， 那么它可指示齿轮制造或装配中的问题。可利用对度量的进一步分析来查看齿轮齿的尺寸以确定齿轮齿的特性是否随时间发生了改变。作为另一个实例，如果测试数据显示一贯小的接触图形，那么可能有设计问题需要研究。可利用测试来基于度量的质量分数来评定最佳设计。以上对本发明的实施例的描述是为了说明和描述的目的而给出的。它不是要排他或将本发明限制在所公开的精确形式。按照本公开，许多修改和改变都是可能的。本发明的范围不是由该详细描述限制，而是由随附权利要求限制。
权利要求
1.一种齿轮检查系统，包括装配好的齿轮箱，其具有用于提供对所述齿轮箱中的齿轮的观察的检查端口，其中所述齿轮箱经受速度或负载测试以提供齿轮齿上的接触图形；紧邻所述检查端口定向以具有所述齿轮的一段的可接受视场的图像获取单元，其中所述图像获取单元获得具有接触图形图像的齿轮齿图像；以及具有用于存储计算机程序的计算机可读介质的处理单元，其中所述计算机程序将所述齿轮齿图像和接触图形图像变换为所述齿轮齿的模型，并且其中所述处理单元计算度量以确定所述齿轮箱是否可接受。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述系统是自动的或是半自动的，并且包括操作人员协助。
3.如权利要求1所述的系统，其中所述图像获取单元是固定位置相机或可调位置相机中的至少一种。
4.如权利要求1所述的系统，其中所述图像获取单元可移动，并基于所述齿轮箱的计算机辅助设计(CAD)模型定位。
5.如权利要求1所述的系统，其中所述齿轮齿图像的边界包括上风边缘、下风边缘、顶部边缘和根部边缘，并且是利用样条内插法、Canny最佳边缘提取法或SienCastan最佳边缘提取法从多个点获得的。
6.如权利要求1所述的系统，其中所述接触图形图像的边界是通过计算所述齿轮齿图像的至少一段上的强度值的密度分布而确定的，其中具有最大梯度的点识别所述接触图形的边缘。
7.如权利要求1所述的系统，其中所述度量是以下度量中的至少一种所述接触图形的面积与所述齿轮齿的面积之比，所述接触图形的成椭圆形，所述接触图形的形状，所述接触图形的所述上风和下风边缘的形状，从所述接触图形的中心到所述齿轮齿的中心的距离，以及上风和下风接触图形边缘离相应齿轮边缘的距离。
8.如权利要求1所述的系统，还包括用于照明所述视场的光源，其中所述光源是外部光或与所述图像获取单元集成在一起。
9.一种用于确定齿轮箱的可接受性的方法，包括获取所述齿轮箱中的一段齿轮的至少一个图像，其中所述段包括具有接触图形的齿轮齿；处理所述图像以获得齿轮齿图像和接触图形图像；获得所述齿轮齿图像和所述接触图形图像的边界；变换所述齿轮齿图像和所述接触图形图像以与所述齿轮齿的模型匹配；计算所述变换后的接触图形的度量；以及将所述度量与预定义的阈值进行比较以确定所述齿轮箱的所述可接受性。
10.如权利要求9所述的方法，其中所述变换利用螺旋齿形。
11.如权利要求9所述的方法，其中所述获取还包括利用所述齿轮箱的计算机辅助设计(CAD)模型定位所述图像获取单元以获得所述齿轮齿的最佳视图。
12.如权利要求9所述的方法，其中获得所述接触图形的所述边界是通过计算所述齿轮齿图像的至少一段上的强度值的密度分布而确定的，其中具有最大梯度的点识别所述接触图形的边缘。
13.如权利要求12所述的方法，还包括计算所述密度分布的柱状图。
14.如权利要求9所述的方法，其中所述变换利用投影式变换、双线性变换或仿射变换中的至少一种来执行。
15.如权利要求9所述的方法，还包括利用所述度量来优化所述齿轮设计和齿轮装配。
16.一种齿轮检查系统，包括 具有检查端口的装配好的齿轮箱；耦合到所述齿轮箱的负载测试仪，其中所述负载测试仪能够对所述齿轮箱中的一组或多组齿轮提供速度或负载测试；紧邻所述检查端口定向以具有所述齿轮的一段的视场的图像获取单元，其中所述图像获取单元获得所述齿轮的所述段的齿轮齿上的接触图形的图像；以及具有用于存储计算机程序的计算机可读介质的处理单元，其中所述计算机程序处理来自所述图像获取单元的所述图像并变换所述图像以与所述齿轮齿的模型匹配。
17.如权利要求16所述的系统，其中所述计算机程序计算所述接触图形的度量并与阈值进行比较以确定所述齿轮箱的可接受性。
18.如权利要求16所述的系统，其中所述处理单元模拟所述齿轮箱的计算机辅助设计 (CAD)模型以提供用于获取所述齿轮齿图像的最佳定向。
19.如权利要求18所述的系统，其中所述图像获取单元可移动并安置在所述最佳定向处。
全文摘要
一种用于齿轮箱的齿轮检查系统和方法，其中图像获取单元紧邻齿轮箱定向以具有一段齿轮的视场。图像获取单元获得齿轮齿和对应接触图形的图像。在一个实施例中，处理单元将图像变换为齿轮齿模型，以使得齿轮齿图像和接触图形图像与模型齿轮齿匹配。为接触图形计算度量，并基于阈值，做出关于齿轮箱是否可接受的确定。
文档编号G01M13/02GK102265131SQ200980152919
公开日2011年11月30日 申请日期2009年11月24日 优先权日2008年12月23日
发明者A·R·巴佩, S·乔治, S·拉马斯瓦米 申请人:通用电气公司