DE102013210736A1 - Device for determining the position of mechanical elements - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln der Lage eines ersten mechanischen Elements (10, 110) und eines zweiten mechanischen Elements (14, 110) zueinander, mit einer ersten Messeinheit (18) zum Ansetzen an das erste mechanische Element (10, 110) und einer zweiten Messeinheit (22) zum Ansetzen an das zweite mechanische Element (14, 110) sowie einer Auswerteinheit (24) mittels Laser, Maussensor und gegebenenfalls einem Reflektor.The invention relates to a device for determining the position of a first mechanical element (10, 110) and a second mechanical element (14, 110) relative to one another, with a first measuring unit (18) for attachment to the first mechanical element (10, 110) and a second measuring unit (22) for attachment to the second mechanical element (14, 110) and an evaluation unit (24) by means of a laser, mouse sensor and optionally a reflector.
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ermitteln der Lage eines ersten und eines zweiten mechanischen Elements zueinander, mit einer ersten Messeinheit zum Ansetzen an das erste mechanische Element und einer zweiten Messeinheit zum Ansetzen an das zweite mechanische Element sowie einer Auswerteeinheit.The invention relates to a device for determining the position of a first and a second mechanical element to each other, with a first measuring unit for attachment to the first mechanical element and a second measuring unit for attachment to the second mechanical element and an evaluation unit.
Eine solche Vorrichtung kann beispielsweise zum Ermitteln der Ausrichtung von zwei Wellen zueinander ausgebildet sein.Such a device can be designed, for example, to determine the alignment of two shafts with respect to one another.
Typischerweise weist bei solchen Ausrichtmessvorrichtungen mindestens einer der beiden Messeinheiten eine Lichtquelle zum Erzeugen eines Lichtstrahls auf, dessen Auftreffpunkt auf einem oder mehreren Detektoren an der anderen Messeinheit oder auf einem Detektor an der mit der Lichtquelle versehenen Messeinheit ermittelt wird, wobei im letzteren Fall die andere Messeinheit den Lichtstrahl zurückreflektiert. Typischerweise wird zum Ermitteln der Ausrichtung der Wellen zueinander die Lage des Auftreffpunkts des Lichtstrahls in mehreren Rotationswinkel-Positionen ermittelt, wozu die Messeinheiten entlang der Umfangsfläche verschoben werden oder die Wellen mit den Messeinheiten gedreht werden.Typically, in such Ausrichtmessvorrichtungen at least one of the two measuring units on a light source for generating a light beam whose impact point is determined on one or more detectors on the other measuring unit or on a detector on the measuring unit provided with the light source, in the latter case, the other measuring unit the light beam reflected back. Typically, to determine the orientation of the waves relative to one another, the position of the point of incidence of the light beam is determined in a plurality of rotational angle positions, for which purpose the measuring units are displaced along the circumferential surface or the shafts are rotated by the measuring units.
In der
In der
Aus der
Aus der
Aus der
In der
Als gemeinsames Merkmal der bisher gewürdigten Wellenausrichtungs-Messvorrichtungen ist festzustellen, dass jeweils der Auftreffpunkt eines Lichtstrahls auf einer Detektorfläche ermittelt und ausgewertet wird.As a common feature of the shaft alignment measuring devices appreciated so far, it should be noted that in each case the point of impact of a light beam on a detector surface is determined and evaluated.
Aus der
Aus der
Ferner kann eine Vorrichtung der eingangs genannten Art statt zum Wellenausrichten für die Ermittlung der Geradheit bzw. Ebenheit eines Objekts, z. B. einer Schiene oder einer Bodenfläche verwendet werden. Gemäß einer weiteren Alternative kann eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zur Vermessung der Lage von Körpern bezüglich einer Referenzachse verwendet werden, z. B. zur Vermessung von zylindrischen Hohlkörpern bezüglich einer zentralen Symmetrie-Achse, wie sie beispielsweise in der
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zum Ermitteln der Lage von zwei mechanischen Elementen zueinander zu schaffen, die besonders einfach und kostengünstig ausgebildet ist.It is an object of the present invention to provide a device for determining the position of two mechanical elements to each other, which is particularly simple and inexpensive.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1.This object is achieved by a device according to claim 1.
Bei der erfindungsgemäßen Lösung ist vorteilhaft, dass dadurch, dass die Auswertungseinheit ausgebildet ist, um aus einem Vergleich von mindestens einem von dem Detektor aufgenommenen Bild mit der Soll-Helligkeitsverteilung des Strahlenbündels die Position des Detektors bezüglich des Strahlenbündels zu erfassen, wenn der Detektor nur mit einem Teil der Querschnittsfläche des Strahlenbündels an der Position des Detektors beleuchtet wird, um daraus die Lage der beiden Messeinheiten zueinander zu erfassen, ein relativ kleiner Detektor mit einer relativ geringen Zahl von Pixeln verwendet werden kann, wodurch die Detektorkosten reduziert werden können und aufgrund der relativ geringen Pixelanzahl auch die Auswertung vereinfacht werden kann.In the case of the solution according to the invention, it is advantageous that the evaluation unit is designed to detect the position of the detector relative to the beam bundle from a comparison of at least one image recorded by the detector with the desired brightness distribution of the beam bundle, if the detector only uses a portion of the cross-sectional area of the beam is illuminated at the position of the detector to detect the position of the two measuring units to each other, a relatively small detector with a relatively small number of pixels can be used, whereby the detector costs can be reduced and due to the relative small number of pixels, the evaluation can be simplified.
Beispielsweise können dadurch Bildsensoren als Detektor verwendet werden, wie sie bei optischen Computermäusen verwendet werden und entsprechend kostengünstig verfügbar sind.For example, this makes it possible to use image sensors as detectors, as used in optical computer mice, and to be available at relatively low cost.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung zum Ermitteln der Ausrichtung von Wellen zueinander ausgebildet, wobei die erste Messeinheit zum Ansetzen an eine Umfangsfläche der ersten Welle und die zweite Messeinheit zum Ansetzen an eine Umfangsfläche der zweiten Welle ausgebildet ist. Die Vorrichtung kann alternativ jedoch auch zum Ermitteln der Geradheit eines Körpers ausgebildet sein, wobei es sich bei dem ersten und zweiten mechanischen Element dann um Teile eines gemeinsamen Körpers handelt. Gemäß einer weiteren Alternative kann die Vorrichtung zum Ermitteln der Lage eines Körpers bezüglich einer Referenzachse ausgebildet sein; z. B. zur Ermittlung der Lage der Krümmungsmittelachse eines kreiszylindrischen Hohlkörpers bezüglich einer durch die Mittelachse eines anderen Körpers vorgegeben Referenzachse (solche Vermessungen sind beispielsweise bei der Montage von Turbinen erforderlich).Preferably, the device for determining the alignment of shafts to each other is formed, wherein the first measuring unit is designed for attachment to a peripheral surface of the first shaft and the second measuring unit for attachment to a peripheral surface of the second shaft. However, the device may alternatively be designed to determine the straightness of a body, wherein the first and second mechanical elements are then parts of a common body. According to a further alternative, the device may be designed to determine the position of a body relative to a reference axis; z. B. for determining the position of the center axis of curvature of a circular cylindrical hollow body with respect to a predetermined by the central axis of another body reference axis (such surveys are required for example in the assembly of turbines).
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Preferred embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Dabei zeigen:In the following the invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings. Showing:
In
Im Beispiel von
Im Beispiel von
Vorzugsweise weist der Detektor
Der Detektor
Die Auswerteeinheit
Die Position des jeweiligen vom Detektor aufgenommenen Bilds bezüglich des Strahlenbündels
Aus dem Vergleich der Größe einer Struktur in einem Bild mit der Größe der entsprechenden Struktur in der Soll-Helligkeitsverteilung kann der Abstand zwischen der ersten Messeinheit
Ferner kann bei der Auswertung der vom Detektor
Ferner kann bei der Auswertung der Bilder eine Fehlerausgleichsrechnung durchgeführt werden. So ist es typischerweise bekannt, entlang welcher Positionskurve sich die Bilder im Laufe der Messung verlagern sollten, wobei das gewünschte Messergebnis als Parameter der Verlagerungskurve dargestellt werden kann. Beispielsweise ergibt sich bei der Messung der Wellenausrichtung gemäß
Die Auswertung der Bilder kann beispielsweise dadurch vereinfacht werden, dass dem Detektor
Die Auswertung der Bilder kann auch so gestaltet sein, dass die von der Auswerteeinheit
Wie in
Im Beispiel von
Durch das Vorsehen eines zweiten Strahlenbündels
Eine andere Abwandlung des Beispiels von
In
In
Es versteht sich, dass nicht nur die Anordnung gemäß
Vorzugsweise sind die Ausführungsformen mit Stahlumlenkelement, wie sie beispielsweise in
Grundsätzlich kann bei allen Ausführungsformen die Auswertung der Bilder dergestalt erfolgen, dass zusätzlich zu einer Basisauswertung, der jedes einzelne Bild unterzogen wird, ein Teil der Bilder, z. B. jedes zehnte Bild, einer zusätzlichen aufwendigeren Bildverarbeitung unterzogen bzw. zugeführt wird. Dabei kann es sich beispielsweise um das oben bereits erwähnte Zusammensetzen von Bildern zu einem größeren Bild mittels Stitching handeln.In principle, in all embodiments, the evaluation of the images can take place such that, in addition to a basic evaluation, which is subjected to each individual image, a part of the images, for. B. every tenth image, subjected to an additional complex image processing or supplied. This may be, for example, the above-mentioned composition of images to a larger image by stitching.
Eine weitere Abwandlung der Vorrichtung von
Die Vorrichtung ist darüber hinaus durch folgende Punkte gekennzeichnet:
- 1. Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor einen Teil der zweiten Messeinheit bildet und das Strahlenbündel ohne Zwischenschaltung eines strahlablenkenden Elements direkt auf den Detektor fällt.
- 2. Vorrichtung gemäß Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Messeinheit Mittel zum Erzeugen eines zweiten divergenten Strahlenbündels mit einer vorgegebenen Soll-Helligkeitsverteilung aufweist, wobei die erste Messeinheit einen zweiten zweiachsigen optischen Detektor aufweist, und wobei die Auswertungseinheit ausgebildet ist, um bei der Erfassung der Lage der beiden Messeinheiten zueinander aus einem Vergleich von mindestens einem von dem zweiten Detektor aufgenommenen Bild mit der Soll-Helligkeitsverteilung des zweiten Strahlenbündels die Position des zweiten Detektors bezüglich des zweiten Strahlenbündels zu erfassen, wenn der zweite Detektor nur mit einem Teil der Querschnittsfläche des zweiten Strahlenbündels an der Position des zweiten Detektors beleuchtet wird.
- 3. Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor einen Teil der ersten Messeinheit bildet, wobei die zweite Messeinheit ein Strahlumlenkelement aufweist, um das Strahlenbündel auf den Detektor zu richten.
- 4. Vorrichtung gemäß Punkt 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlumlenkelement (
44 ) als Spiegel, als Dachkantprisma oder als Tripelprisma ausgebildet ist. - 5. Vorrichtung gemäß Punkt 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Strahlumlenkelement umgelenkte Strahlenbündel ohne Zwischenschaltung eines Strahlteilers direkt auf den Detektor fällt.
- 6. Vorrichtung gemäß Punkt 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messeinheit einen Strahlteiler aufweist, um das vom Strahlumlenkelement umgelenkte Strahlenbündel auf den Detektor abzulenken.
- 7. Vorrichtung gemäß einem der Punkte 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlumlenkelement so ausgebildet und angeordnet ist, dass die Vorrichtung eine Autokollimatoranordnung bildet.
- 8. Vorrichtung gemäß einem der Punkte 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Messeinheit Mittel zum Erzeugen eines zweiten divergenten Strahlenbündels mit einer vorgegebenen Soll-Helligkeitsverteilung sowie einen zweiten zweiachsigen optischen Detektor aufweist, und die Auswertungseinheit ausgebildet ist, um bei der Erfassung der Lage der beiden Messeinheiten zueinander aus einem Vergleich von mindestens einem von dem zweiten Detektor aufgenommenen Bild mit der Soll-Helligkeitsverteilung des zweiten Strahlenbündels die Position des zweiten Detektors bezüglich des zweiten Strahlenbündels zu erfassen, wenn der zweite Detektor nur mit einem Teil der Querschnittsfläche des zweiten Strahlenbündels an der Position des zweiten Detektors beleuchtet wird, und wobei die zweite Messeinheit ein zweites Strahlumlenkelement aufweist, um das zweite Lichtbündel auf den zweiten Detektor zu richten.
- 9. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass dem Detektor ein optischer Filter vorgeschaltet ist, um die Auswertung der Bilder zu vereinfachen.
- 10. Vorrichtung gemäß Punkt 9, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Filter um einen Graufilter handelt.
- 11. Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Punkte, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor nur mit einem Teil der Querschnittsfläche des Strahlenbündels an der Position des Detektors beleuchtet wird.
- 12. Verwendung gemäß Punkt 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der von dem Detektor aufgenommenen Bild(er) eine Datenreduktion mittels Vektorbildung und/oder Momentenbildung erfolgt.
- 13. Verwendung gemäß einem der Punkte 11
und 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere von dem Detektor aufgenommene Bilder mittels eines Stitching-Verfahrens zu einem Gesamtbild zusammengesetzt werden, welches mit der Soll-Helligkeitsverteilung verglichen wird, um die Positionen der einzelnen Bilder – und damit die Position des Detektors bei Aufnahme des jeweiligen Bilds – bezüglich des Strahlenbündels zu bestimmen. - 14. Verwendung gemäß einem der Punkte 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrelation zwischen jedem von dem Detektor aufgenommenen Bild mit der Soll-Helligkeitsverteilung ermittelt wird, um die Position des Detektors bezüglich des Strahlenbündels zu ermitteln.
- 15.
Verwendung gemäß Punkt 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Korrelationsermittlung Fourier- oder Laplace-Transformationen verwendet werden. - 16. Verwendung gemäß einem der Punkte 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Größe einer Struktur in dem Bild durch Vergleich mit der Soll-Helligkeitsverteilung der Abstand zwischen der ersten Messeinheit und der zweiten Messeinheit abgeschätzt wird.
- 17. Verwendung gemäß einem der Punkte 11
bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Winkellage einer Struktur in dem Bild durch Vergleich mit der Soll-Helligkeitsverteilung eine Verdrehung zwischen der ersten Messeinheit und der zweiten Messeinheit abgeschätzt wird. - 18. Verwendung gemäß einem der Punkte 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der von dem Detektor aufgenommenen Bilder eine Reihe der von dem Detektor aufgenommenen Bilder gebildet wird, die einer Autokorrelationsanalyse unterzogen wird.
- 19. Verwendung gemäß einem der Punkte 11
bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Auswertung der von dem Detektor aufgenommenen Bilder eine Fehlerausgleichsrechnung bezüglich einer erwarteten Verlagerungskurve der beiden Messeinheiten zueinander durchgeführt wird. - 20. Verwendung gemäß einem der Punkte 11 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass von der Auswerteeinheit verwendete Programme und/oder Daten auf einem externen Internet-Server, vorzugsweise kostenpflichtig, bereitgestellt werden.
- 21. Verwendung gemäß einem der Punkte 11
bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten und/oder zweiten mechanischen Element um ein Maschinenelement handelt. - 22. Verwendung gemäß Punkt 21, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem ersten Maschinenelement um eine erste Welle und bei dem zweiten Maschinenelement um eine zweite Welle handelt, wobei die erste Messeinheit zum Ansetzen an eine Umfangsfläche der ersten Welle und die zweite Messeinheit zum Ansetzen an eine Umfangsfläche der zweiten Welle ausgebildet ist, und wobei die Auswerteeinheit aus mehreren sequentiell in unterschiedlichen Positionen der ersten und zweiten Messeinheit, die unterschiedlichen Rotationswinkelpositionen der Wellen entsprechen, aufgenommenen Bildern des Detektors die Ausrichtung der Wellen zueinander ermittelt.
- 23.
Verwendung gemäß Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Messeinheit entlang der Umfangsrichtung der jeweiligen Welle verschoben wird. - 24. Verwendung gemäß Punkt 21, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei ersten und zweiten mechanischen Element um Teile eines gemeinsamen Körpers handelt.
- 25.
Verwendung gemäß Punkt 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Ermitteln der Geradheit des Körpers verwendet wird. - 26. Verwendung gemäß einem der Punkte 11 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor mit weniger als 50% der Querschnittsfläche des Strahlenbündels an der Position des Detektors beleuchtet wird.
- 1. Device, characterized in that the detector forms part of the second measuring unit and the beam falls directly on the detector without the interposition of a beam deflecting element.
- 2. Device according to item 1, characterized in that the second measuring unit comprises means for generating a second divergent beam having a predetermined target brightness distribution, wherein the first measuring unit comprises a second biaxial optical detector, and wherein the evaluation unit is designed to be in the Detecting the position of the two measuring units to each other from a comparison of at least one recorded by the second detector image with the target brightness distribution of the second beam to detect the position of the second detector with respect to the second beam when the second detector only with a part of the cross-sectional area of the second beam is illuminated at the position of the second detector.
- 3. Device, characterized in that the detector forms part of the first measuring unit, wherein the second measuring unit comprises a beam deflection element for directing the beam onto the detector.
- 4. Device according to item 3, characterized in that the Strahlumlenkelement (
44 ) is designed as a mirror, as a roof prism or as a triple prism. - 5. The device according to item 3 or 4, characterized in that the deflected by Strahlumlenkelement beam without the interposition of a beam splitter falls directly on the detector.
- 6. The device according to item 3 or 4, characterized in that the first measuring unit comprises a beam splitter to deflect the deflected by Strahlumlenkelement beam to the detector.
- 7. Device according to one of the points 3 to 6, characterized in that the Strahlumlenkelement is formed and arranged so that the device forms an autocollimator assembly.
- 8. Device according to one of the points 3 to 7, characterized in that the first measuring unit comprises means for generating a second divergent beam having a predetermined target brightness distribution and a second biaxial optical detector, and the evaluation unit is adapted to the detection of the Position of the two measuring units to each other from a comparison of at least one recorded by the second detector image with the target brightness distribution of the second beam to detect the position of the second detector with respect to the second beam, when the second detector only with a part of the cross-sectional area of the second beam is illuminated at the position of the second detector, and wherein the second measuring unit has a second Strahlumlenkelement to direct the second light beam to the second detector.
- 9. Device according to one of the preceding points, characterized in that the detector is preceded by an optical filter in order to simplify the evaluation of the images.
- 10. The device according to item 9, characterized in that it is the filter is a gray filter.
- 11. Use of a device according to one of the preceding points, characterized in that the detector is illuminated only with a part of the cross-sectional area of the beam at the position of the detector.
- 12. Use according to item 11, characterized in that in the evaluation of the image taken by the detector (s), a data reduction takes place by means of vector formation and / or torque formation.
- 13. Use according to any one of
items 11 and 12, characterized in that a plurality of images taken by the detector are stitched together to form an overall image which is compared with the desired brightness distribution to the positions of the individual images - and thus the position of the detector when taking the respective image - to determine the beam. - 14. Use according to any one of items 11 to 13, characterized in that a correlation between each recorded by the detector image with the target brightness distribution is determined to determine the position of the detector with respect to the radiation beam.
- 15. Use according to
item 14, characterized in that Fourier or Laplace transformations are used in the correlation determination. - 16. Use according to any one of items 11 to 15, characterized in that from the size of a structure in the image by comparison with the target brightness distribution, the distance between the first measuring unit and the second measuring unit is estimated.
- 17. Use according to any one of items 11 to 16, characterized in that from the angular position of a structure in the image by comparison with the desired brightness distribution, a rotation between the first measuring unit and the second measuring unit is estimated.
- 18. Use according to any one of items 11 to 17, characterized in that, in the evaluation of the images taken by the detector, a series of the images taken by the detector is formed, which is subjected to an autocorrelation analysis.
- 19. Use according to any one of items 11 to 18, characterized in that in the evaluation of the images taken by the detector an error compensation calculation with respect to an expected displacement curve of the two measuring units is performed to each other.
- 20. Use according to any one of items 11 to 19, characterized in that programs and / or data used by the evaluation unit are provided on an external Internet server, preferably at a charge.
- 21. Use according to any one of items 11 to 20, characterized in that it is the first and / or second mechanical element is a machine element.
- 22. Use according to item 21, characterized in that it is the first machine element is a first shaft and the second machine element is a second shaft, wherein the first measuring unit for attachment to a peripheral surface of the first shaft and the second measuring unit for attachment to one Peripheral surface of the second shaft is formed, and wherein the evaluation of a plurality of sequentially recorded in different positions of the first and second measuring unit, the different rotational angular positions of the waves, taken pictures of the detector determines the alignment of the waves to each other.
- 23. Use according to
claim 22, characterized in that the first and second measuring unit is displaced along the circumferential direction of the respective shaft. - 24. Use according to item 21, characterized in that the first and second mechanical elements are parts of a common body.
- 25. Use according to
item 24, characterized in that the device is used to determine the straightness of the body. - 26. Use according to any one of items 11 to 25, characterized in that the detector is illuminated with less than 50% of the cross-sectional area of the beam at the position of the detector.
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