计算机图形图像技术在航空弧齿锥齿轮检测中的应用研究
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摘要
作为一种有效的帮助手段，计算机图形图像技术已逐步渗入到其他学科的研究与发展中。弧齿锥齿轮广泛用于肮空传动，作为直升机的关键零件，其啮合质量的控制是一个既重要又困难的课题。本文以十五国防预研课题为背景，以齿轮接触印痕为研究对象，对计算机图形图像技术进行了有针对性的研究，并将其应用于弧齿锥齿轮的检测和评估工作中。
本文首先介绍了计算机图形图像技术的发展与应用情况，对计算机图形学和数字图像处理的一些基本理论和方法如图形变换矩阵、齐次坐标系、图像采样和量化、图像文件格式、模板操作等内容进行了讨论：然后对图像增强处理的目的和方法进行了介绍，对诸如阀值变换、平滑处理、锐化处理等方法的应用场合进行了说明，并对实物图像的处理结果进行了分析与比较；接下来介绍了数学形态学方法、对增强后的图像进行边缘检测的方法和图像的特征描述方法，并获取轮廓的特征点：随后对获取的特征点进行坐标变换，并进行B样条曲线拟合，引入相关条件生成齿轮副的啮合线及啮合轨迹：最后引入等值线和区域填充表示方法，并以等值线和区域填充的形式对弧齿锥齿轮啮合仿真的载荷分布情况进行了直观的表示。通过对齿轮接触印痕图像进行多种方法处理后结果的比较，总结出了较好的处理方法和步骤。
本文对航空弧齿锥齿轮副啮合质量的检测与评估提供了一种可行的方法，并能为齿面的修形提供参考依据，在实际设计和制造过程中有重要的科学与实用价值。在准备论文的过程中编制的软件程序已并入航空齿轮设计与分析软件系统，完善了软件系统的功能，
As an effective assistant means, the computer graphics & image technique has infiltered the research and development of other subjects step by step. Spiral bevel gears are widely used in aviation transmission. As key components of helicopter, controlling their meshing quality is an important and difficult problem. The paper's background is a task of national defence advance research, and the paper regards contact trace of gears as research object. The paper has studied selectively the technique of computer graphic and image, and applied it in the detection and evaluation of spiral bevel gears.
Firstly, the paper introduces the development and application of computer graphics & image technique, discusses the principle and method of CG and digital image processing, such as matrix of the graphic transformation, homogeneous reference frame, sampling and quantization of the image, file format of the image, template operation, etc. Secondly the paper introduces the purpose and method of image enhancement processing, explains the each occasion of those methods such as threshold transformation, smoothing processing, sharpening processing, analyzes and contrasts the processing results of object image. Thirdly, the paper introduces the method of mathematics morphologic, edge detection and thinning processing, attains character description of image and character dots of the contour. Fourthly, the paper processes the coordinate transformation to character dots and basic splines fitting, imports correlative condition to devise meshing line and meshing track. At last the paper imports the methods of isoline and area filling, and shows the load layout of spiral bevel gears by isoline and area filling. The paper sums up the better method and process by contrasting to results from several process methods to contact trace of gears.
The paper offers a viable method for the detection and evaluation of spiral bevel gears. This method can offer reference for amending of the gear tooth surface, and possesses important scientific and applied value for actual design and
manufacture. The software program designed in the course of preparing for the paper has been merged into the system of aviation gear design and analysis, and perfects the function of system software.
本文首先介绍了计算机图形图像技术的发展与应用情况，对计算机图形学和数字图像处理的一些基本理论和方法如图形变换矩阵、齐次坐标系、图像采样和量化、图像文件格式、模板操作等内容进行了讨论：然后对图像增强处理的目的和方法进行了介绍，对诸如阀值变换、平滑处理、锐化处理等方法的应用场合进行了说明，并对实物图像的处理结果进行了分析与比较；接下来介绍了数学形态学方法、对增强后的图像进行边缘检测的方法和图像的特征描述方法，并获取轮廓的特征点：随后对获取的特征点进行坐标变换，并进行B样条曲线拟合，引入相关条件生成齿轮副的啮合线及啮合轨迹：最后引入等值线和区域填充表示方法，并以等值线和区域填充的形式对弧齿锥齿轮啮合仿真的载荷分布情况进行了直观的表示。通过对齿轮接触印痕图像进行多种方法处理后结果的比较，总结出了较好的处理方法和步骤。
本文对航空弧齿锥齿轮副啮合质量的检测与评估提供了一种可行的方法，并能为齿面的修形提供参考依据，在实际设计和制造过程中有重要的科学与实用价值。在准备论文的过程中编制的软件程序已并入航空齿轮设计与分析软件系统，完善了软件系统的功能，
As an effective assistant means, the computer graphics & image technique has infiltered the research and development of other subjects step by step. Spiral bevel gears are widely used in aviation transmission. As key components of helicopter, controlling their meshing quality is an important and difficult problem. The paper's background is a task of national defence advance research, and the paper regards contact trace of gears as research object. The paper has studied selectively the technique of computer graphic and image, and applied it in the detection and evaluation of spiral bevel gears.
Firstly, the paper introduces the development and application of computer graphics & image technique, discusses the principle and method of CG and digital image processing, such as matrix of the graphic transformation, homogeneous reference frame, sampling and quantization of the image, file format of the image, template operation, etc. Secondly the paper introduces the purpose and method of image enhancement processing, explains the each occasion of those methods such as threshold transformation, smoothing processing, sharpening processing, analyzes and contrasts the processing results of object image. Thirdly, the paper introduces the method of mathematics morphologic, edge detection and thinning processing, attains character description of image and character dots of the contour. Fourthly, the paper processes the coordinate transformation to character dots and basic splines fitting, imports correlative condition to devise meshing line and meshing track. At last the paper imports the methods of isoline and area filling, and shows the load layout of spiral bevel gears by isoline and area filling. The paper sums up the better method and process by contrasting to results from several process methods to contact trace of gears.
The paper offers a viable method for the detection and evaluation of spiral bevel gears. This method can offer reference for amending of the gear tooth surface, and possesses important scientific and applied value for actual design and
manufacture. The software program designed in the course of preparing for the paper has been merged into the system of aviation gear design and analysis, and perfects the function of system software.
引文
[1] 《航空制造工程手册》总编委会，航空制造工程手册·齿轮工艺，北京：航空工业出版社，1995
[2] 罗笑南，王若梅编著，计算机图形学，广州：中山大学出版社，1999
[3] 关履泰等，计算机辅助几何图形设计，北京：高等教育出版社，1999
[4] (美)Donald Heam,(美)M. Pauline Baker，计算机图形学，北京：电子工业出版社，2002
[5] 吕志民，翟绪圣，刘桂林，冉多刚，齿轮副接触斑点的高准确度测量，计量技术，1995，No．12
[6] 张远鹏，董海，周文灵编著，计算机图象处理技术基础，北京：北京大学出版社，1996
[7] 章毓晋，图象工程，北京：清华大学出版社，2000
[8] 何斌，马天予，王运坚，朱红莲，Visual C++数字图像处理(第二版)，北京：人民邮电出版社，2002
[9] 崔屹，图象处理与分析，科学出版社，2000
[10] 施法中，计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条(CAGD & NUNS)，北京：北京航空航天大学出版社，1994
[11] 何东健，数字图像处理，西安：西安电子科技大学出版社，2003
[12] 王强，马利庄，图像二值化时图像特征的保留，北京：计算机辅助设计与图形学学报，2000，Vol．12，No．10
[13] 赵雪松，陈淑珍，综合全局二值化与边缘检测的图像分割方法，北京：计算机辅助设计与图形学学报，2001，Vol．13，No．2
[14] 侯俊杰，深入浅出MFC，武汉：华中科技大学出版社，2001
[15] David J. Kruglinski，潘爱民，王国印译，Visual C++技术内幕(第四版)，北京：清华大学出版社，1999
[16] 《齿轮手册》编委会，齿轮手册(第2版)下册，北京：机械工业出版社，2001
[17] 方宗德，杨宏斌，邓效忠，弧齿锥齿轮齿面优化修正及计算机仿真，
北京：航空动力学报，2002，Vol．17，No．1，
[18] 田行斌，弧齿锥齿轮啮合质量的计算机仿真和控制，西安：西北工业大学博士学位论文，2000
[19] Zhang Y. Computerized Analysis of Meshing and Contact of Gear Real Tooth Surfaces[J]. ASME. J. of Mechanical design, 1994, (3): 677-628
[20] 付忠良，图象阀值选取方法的构造，北京：中国图象图形学报，Vol．5(A)，No．6，2000
[21] 周德龙，潘泉，张洪才，图象模糊边缘检测的改进算法，北京：中国图象图形学报，Vol．6(A)，No．4，2001
[22] 孙家广，计算机图形学，北京：清华大学出版社，1998
[23] 张登荣，刘绍华，毛天露，王超，等值线自动建立拓扑关系算法与快速填充应用，北京：中国图象图形学报，Vol．6(A)，No．3，2001
[2] 罗笑南，王若梅编著，计算机图形学，广州：中山大学出版社，1999
[3] 关履泰等，计算机辅助几何图形设计，北京：高等教育出版社，1999
[4] (美)Donald Heam,(美)M. Pauline Baker，计算机图形学，北京：电子工业出版社，2002
[5] 吕志民，翟绪圣，刘桂林，冉多刚，齿轮副接触斑点的高准确度测量，计量技术，1995，No．12
[6] 张远鹏，董海，周文灵编著，计算机图象处理技术基础，北京：北京大学出版社，1996
[7] 章毓晋，图象工程，北京：清华大学出版社，2000
[8] 何斌，马天予，王运坚，朱红莲，Visual C++数字图像处理(第二版)，北京：人民邮电出版社，2002
[9] 崔屹，图象处理与分析，科学出版社，2000
[10] 施法中，计算机辅助几何设计与非均匀有理B样条(CAGD & NUNS)，北京：北京航空航天大学出版社，1994
[11] 何东健，数字图像处理，西安：西安电子科技大学出版社，2003
[12] 王强，马利庄，图像二值化时图像特征的保留，北京：计算机辅助设计与图形学学报，2000，Vol．12，No．10
[13] 赵雪松，陈淑珍，综合全局二值化与边缘检测的图像分割方法，北京：计算机辅助设计与图形学学报，2001，Vol．13，No．2
[14] 侯俊杰，深入浅出MFC，武汉：华中科技大学出版社，2001
[15] David J. Kruglinski，潘爱民，王国印译，Visual C++技术内幕(第四版)，北京：清华大学出版社，1999
[16] 《齿轮手册》编委会，齿轮手册(第2版)下册，北京：机械工业出版社，2001
[17] 方宗德，杨宏斌，邓效忠，弧齿锥齿轮齿面优化修正及计算机仿真，
北京：航空动力学报，2002，Vol．17，No．1，
[18] 田行斌，弧齿锥齿轮啮合质量的计算机仿真和控制，西安：西北工业大学博士学位论文，2000
[19] Zhang Y. Computerized Analysis of Meshing and Contact of Gear Real Tooth Surfaces[J]. ASME. J. of Mechanical design, 1994, (3): 677-628
[20] 付忠良，图象阀值选取方法的构造，北京：中国图象图形学报，Vol．5(A)，No．6，2000
[21] 周德龙，潘泉，张洪才，图象模糊边缘检测的改进算法，北京：中国图象图形学报，Vol．6(A)，No．4，2001
[22] 孙家广，计算机图形学，北京：清华大学出版社，1998
[23] 张登荣，刘绍华，毛天露，王超，等值线自动建立拓扑关系算法与快速填充应用，北京：中国图象图形学报，Vol．6(A)，No．3，2001