CN101762260A - 大型回转轴垂直度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了大型回转轴垂直度检测装置及方法，在传统的大型回转轴垂直度的检测时，需要工作人员在大型回转轴上完成，这样不仅效率低下，而且工作人员的工作强度和难度都较高。针对这种情况，本发明介绍一种可以实现可以对大型回转轴垂直度进行实时检测的系统。藉由本发明的装置，工作人员可以通过无线图像传输得到水平仪的读数，并使用数据处理软件系统处理数据，得到大型回转轴的倾角，整个过程无需工作人员亲自作业。从而大大降低了工作强度和危险性，增加了工作效率。

Description

大型回转轴垂直度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及大型回转轴检测领域，具体是大型回转轴垂直度检测装置及方法。

背景技术

目前国内外对于大型回转轴垂直度的测量都是由工作人员携带水平仪在大型回转轴上完成的。工作人员将水平仪放置在大型回转轴顶部上，由其他工作人员操纵大型回转轴旋转，大型回转轴的工作人员目测水平仪读数，然后通过经验和计算得出回转轴倾角。这种方法不仅效率低下而且工作难度和危险性都较大。

发明内容

本发明的目的是提供一种大型回转轴垂直度检测装置及方法，能够精确检测大型回转轴的垂直度，降低工作难度和危险性。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

大型回转轴垂直度检测装置，包括电子水平仪，其特征在于：所述二维电子水平仪放置于检测箱中，检测箱内设置有可调节平台，可调节平台上设置有一个或多个气泡水平仪，所述可调节平台左、右两端的底部分别设有支点，有支撑杆下端固定在检测箱底部一端，支撑杆上端与可调节平台底部左端的支点铰接；有竖直安装于检测箱中的步进电机的输出轴端头与可调节平台右端的支点螺纹连接，有水平仪平台位于可调节平台下方且通过连杆与可调节平台刚性连接，所述电子水平仪固定在水平仪平台上，检测箱底部右端的还通过支座转动安装有一水平的手柄轴，所述的手柄轴上固定安装有偏心轮，所述的水平仪平台架在所述的偏心轮轮缘，手柄轴伸出检测箱一端安装有调节手柄；所述检测箱中还设置有彼此电连接的步进电机驱动器和步进电机无线控制模块，以及对水平仪读数进行拍摄的无线摄像头。

2、根据权利要求1所述的大型回转轴垂直度检测装置，其特征在于：所述的可调节平台底部左端的支点为一个，右端的支点为二个，右端支点下方分别竖直安装有一个步进电机，右端二个支点均分别与其下方的步进电机的输出轴端头螺纹连接。

3、根据权利要求1所述的大型回转轴垂直度检测装置，其特征在于：所述检测箱为密封的，检测箱中设置有LED光源。

4、根据权利要求1所述的大型回转轴垂直度检测装置，其特征在于：所述步进电机无线控制模块包括AVR单片机和与AVR单片机电连接的型号为nRF903的芯片。

5、根据权利要求1所述的大型回转轴垂直度检测装置，其特征在于：所述无线摄像头为SONY780线无线摄像头。

6、基于权利要求1所述的大型回转轴垂直度检测装置的大型回转轴垂直度检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将检测箱固定在大型回转轴上，观察气泡水平仪，旋转调节手柄，使气泡水平仪中的气泡处于中心位置，此时电子水平仪相应的处于大致水平的状态，完成对电子水平仪的粗调；

(2)旋转大型回转轴，使大型回转轴围绕自身旋转，通过无线摄像头观察电子水平仪的读数，如果出现角度超出电子水平仪量程的情况，则需对可调节平台调整，并且在进入测量范围后可通过观察电子水平仪读数小数点后尾数来确定电子水平仪是否处于精测状态，并控制步进电机对水平仪平台进行进一步微调，使水平仪平台进一步水平，保证电子水平仪处于精测状态；

(3)继续旋转大型回转轴围绕大型回转轴的轴线自转，以大型回转轴与大型回转轴底座的连接点为坐标原点建立X、Y、Z坐标系，其中XOY平面与水平面重合，当大型回转轴转动一周时，将两次出现大型回转轴、Z轴及电子水平仪测量线处于同一平面的情况，此时水平仪测量值应为最大值θx_max或最小值θx_min，或者是最大值θy_max或最小值θy_min，并且此时由平面几何关系就可以得出大型回转轴与Z轴夹角θ＝(θx_max-θx_min)/2或者θ＝(θy_max-θy_min)/2，式中θx_max、θx_min、θy_max、θy_min分别为当大型回转轴、Z轴及电子水平仪测量线处于同一平面时，电子水平仪在X和Y方向上的读数；θ即为回转轴与垂直轴的夹角。

本发明核心为一个二维的电子水平仪，能同时测量X和Y两个方向上的倾角，通过无线摄像头将电子水平仪的状态画面实时传给外部的计算机，工作人员将所测得的数据输入编译好的数据处理软件里进行计算，即可得到所需的调整量。

本发明装置部分完全独立，使用前放置在大型回转轴上，工作时没有线缆拖出，也无需人员在场，工作人员只需在外部的计算机终端上操作，可以通过无线图像传输得到水平仪的读数即可，整个过程无需工作人员亲自作业。从而大大降低了工作强度和危险性，增加了工作效率。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图。

图2为本发明结构俯视图。

图3为ZO0′截面内测量线方位示意图。

具体实施方式

如图1、图2所示。大型回转轴垂直度检测装置，包括电子水平仪1，电子水平仪1放置于检测箱2中，检测箱2为密封的，检测箱2中设置有LED光源，检测箱2内设置有可调节平台3，可调节平台3上设置有一个或多个气泡水平仪15，可调节平台3左、右底部分别设有支点4、5，有支撑杆6一端固定在检测箱2底部，另一端与可调节平台3底部一端的支点4铰接(采用万向节结构)，可调节平台3右端底部有二个支点5，支点5下方分别有竖直安装于检测箱中的步进电机7，二个步进电机7的输出轴端头与分别其上方的支点5螺纹连接，有水平仪平台8通过连杆9与可调节平台2刚性连接，电子水平仪1固定在水平仪平台8上，检测箱体2右端底面通过支座转动安装有手柄轴，手柄轴伸出检测箱体外的一端安装有调节手柄10，手柄轴中部安装有偏心轮11，水平仪平台8架在偏心轮11轮缘上，检测箱2中还设置有彼此电连接的步进电机驱动器12和步进电机无线控制模块13，以及对水平仪读数进行拍摄的无线摄像头14，步进电机无线控制模块13包括AVR单片机和与AVR单片机电连接的型号为nRF903的芯片，无线摄像头14为SONY780线无线摄像头。

大型回转轴垂直度检测装置的大型回转轴垂直度检测方法，包括以下步骤：

(1)将检测箱固定在大型回转轴上，观察气泡水平仪，旋转调节手柄，使气泡水平仪中的气泡处于中心位置，此时电子水平仪相应的处于大致水平的状态，完成对电子水平仪的粗调；

(2)旋转大型回转轴，即使大型回转轴围绕自身旋转，通过无线摄像头观察电子水平仪的读数，如果出现角度超出电子水平仪量程的情况，则需对可调节平台调整，并且在进入测量范围后可通过观察水平仪读数小数点后尾数来确定水平仪是否处于精测状态，并控制步进电机对水平仪平台进行进一步微调，使水平仪平台进一步水平，保证电子水平仪处于精测状态；

(3)继续旋转大型回转轴围绕大型回转轴的轴线自转，以大型回转轴与大型回转轴底座的连接点为坐标原点建立X、Y、Z坐标系，其中XOY平面与水平面重合，当大型回转轴转动一周时，将两次出现大型回转轴、Z轴及电子水平仪测量线处于同一平面的情况，此时水平仪测量值应为最大值θx_max或最小值θx_min，或者是最大值θy_max或最小值θy_min，并且此时由平面几何关系可以得出大型回转轴与Z轴夹角θ＝(θx_max-θx_min)/2或者θ＝(θy_max-θy_min)/2，式中θx_max、θx_min、θy_max、θy_min分别为当大型回转轴、Z轴及电子水平仪测量线处于同一平面时，电子水平仪在X和Y方向上的读数；θ即为回转轴与垂直轴的夹角。

本发明通过测量和数据处理得到调整量，根据调整量调整大型回转轴底座，使大型回转轴与垂直轴的夹角在允许的误差范围内。

设被测大型回转轴的轴线为oo’具有图3所示方位。令轴线oo’与Z轴间夹角为θ。工作时大型回转轴绕轴线oo’旋转。测量前，通过电子水平仪调整底座上表面水平，被测量为轴线oo’与z轴的夹角θ。

测量时将二维电子水平仪置于大型回转轴的上端面上，随着大型回转轴旋转。在大型回转轴旋转一周的过程中，若θ＝0且大型回转轴上端面水平，则θx＝θy＝0；若θ＝0但大型回转轴上端面不水平，则θx＝常量₁，θy＝常量₂，且一般常量₁≠常量₂；若θ≠0，则θx、θy的幅值会按相同的规律变化，两者变化曲线具有90°的恒定相位差，变化频率为旋转频率的2倍。在大型回转轴旋转一周的过程中，水平仪的测量面(以θx测量面为例，θy分析相同)两次与轴线oo’和z轴共同构建的平面重合(位置间隔180°，如图4所示)，该位置θy(1)＝θy(2)＝0，θx(1)、θx(2)分别等于θx_max和θx_min，则易证：θ＝(θx_max-θx_min)/2。

本发明装置设计方案及器材选用

本发明装置采用的电子水平仪为Techvalley公司的二维电子水平仪，当被测平面的倾斜角在1°到30°之间变化时，电子水平仪处于粗测状态，灵敏度为0.01°，当被测平面倾斜角小于1°时，电子水平仪进入精测状态，灵敏度为0.003°，动态响应时间短，能够满足测量要求，同时采用两个气泡水平仪辅助测量。由于大型回转轴在工作时与水平面夹角并不总为零，当夹角大于30°时，将超出电子水平仪的测量范围，因此系统中放置电子水平仪的平面必须可以调节倾斜角，并且要求在电子水平仪进入精测状态时可以对平面倾角进行微调。因此考虑用三个支点支撑水平仪放置平面，其中两个为可以上下伸缩的支点，这样当改变一个或两个支点高度的时候，平面的倾斜角就改变，从而达到调节平面倾斜角的目的，并且支点的调节机构须分为粗调和细调。粗调有多种机械方法可以实现，如螺纹调节，偏心机构调节等等，本发明装置采用的为偏心轮调整机构，细调则由步进电机完成。在步进电机输出轴上固定一个外螺纹，在支点上固定一个内螺纹，使两者旋合，则当步进电机转动时，支点就会上下运动。步进电机选用42BYG250B型步进电机，驱动电压为12V DC，保持转矩0.43Nm，经过驱动器细分后，最小步距角可达到0.9°，再经螺纹转换后步距可达um级别，完全满足调整要求。

本发明装置在大型回转轴上为无线工作，因此步进电机也必须实现遥控，实际中选用AVR单片机配合nRF903芯片与电机驱动器完成无线遥控功能，当PC机通过串口向上位机发送包括电机转速、步数、转向等命令在内的数据时，上位机会将数据压入nRF903芯片的发送FIFO，并发送给接收方nRF903芯片，接收方nRF903芯片再将数据传送给接收方处理芯片，由处理芯片将数据解码还原成步进电机转动参数，并向步进电机驱动器发送相应参数的脉冲波，从而实现无线控制步进电机。无线摄像头则要求画面质量要高，选用的是SONY780线无线摄像头，2.4GHz基于Zigbee的数据传输。此外由于本发明装置工作在露天环境，必须采用封闭式的结构，所以为使无线摄像头能清晰的反映水平仪读数，本发明装置内还须配备LED光源。步进电机、遥控电路板和LED光源的供电都由系统内铅酸蓄电池提供。此外还有220V AC~12V DC充电器，外壳上留有三项220V AC母口插座供充电用。

计算机软件部分负责接收摄像头画面，控制电机和数据处理。无线摄像头画面可采用接收器自带软件。电机控制和数据处理则使用VC++编译成一个整合的界面。考虑到步进电机输出端螺纹长度有限，软件中还对步进电机步数进行了限制，用户通过界面上的按钮控制步进电机的同时软件也会记录电机步数，当超过步进电机允许范围时弹出提示框。数据处理方面则是将前述计算公式嵌入软件里，在界面并可根据需要对数据做一定得误差修正。用户可在界面内的输入栏内输入计算所需参数，按计算按钮得到可以直接使用的结果。

实时检测

本发明装置在使用前先充电，打开无线摄像头画面和电子水平仪，然后将本发明装置放置于大型回转轴上，将其与大型回转轴固定，观察气泡水平仪，通过调整偏心轮机构将水平仪平台调整至大致水平，然后升起大型回转轴。若电子水平仪未进入精测状态，再通过步进电机对水平仪平台行微调，然后操作人员转动天线转轴，此时即可观察电子水平仪变化，根据测量原理，需找出变化过程中的最大值和最小值，分别填入软件输入栏的对应项，即可计算得出大型回转轴的倾角。工作人员根据倾角对大型回转轴进行调整以后，继续转动转轴，观察电子水平仪变化，如果在转动过程中水平仪读数基本不变，或变化极小，则表明调整正确，大型回转轴可以正常工作了。

此后在大型回转轴工作中，系统一直保持开启状态，工作人员可以在任意时间观察水平仪，以防止大型回转轴在运行过程中由于某些原因造成的转轴偏斜。

Claims (6)

1.大型回转轴垂直度检测装置，包括二维电子水平仪，其特征在于：所述电子水平仪放置于检测箱中，检测箱内设置有可调节平台，可调节平台上设置有一个或多个气泡水平仪，所述可调节平台左、右两端的底部分别设有支点，有支撑杆下端固定在检测箱底部一端，支撑杆上端与可调节平台底部左端的支点铰接；有竖直安装于检测箱中的步进电机的输出轴端头与可调节平台右端的支点螺纹连接，有水平仪平台位于可调节平台下方且通过连杆与可调节平台刚性连接，所述电子水平仪固定在水平仪平台上，检测箱底部右端的还通过支座转动安装有一水平的手柄轴，所述的手柄轴上固定安装有偏心轮，所述的水平仪平台架在所述的偏心轮轮缘，手柄轴伸出检测箱一端安装有调节手柄；所述检测箱中还设置有彼此电连接的步进电机驱动器和步进电机无线控制模块，以及对水平仪读数进行拍摄的无线摄像头。

2.根据权利要求1所述的大型回转轴垂直度检测装置，其特征在于：所述的可调节平台底部左端的支点为一个，右端的支点为二个，右端支点下方分别竖直安装有一个步进电机，右端二个支点均分别与其下方的步进电机的输出轴端头螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的大型回转轴垂直度检测装置，其特征在于：所述检测箱为密封的，检测箱中设置有LED光源。

4.根据权利要求1所述的大型回转轴垂直度检测装置，其特征在于：所述步进电机无线控制模块包括AVR单片机和与AVR单片机电连接的型号为nRF903的芯片。

5.根据权利要求1所述的大型回转轴垂直度检测装置，其特征在于：所述无线摄像头为SONY780线无线摄像头。

6.基于权利要求1所述的大型回转轴垂直度检测装置的大型回转轴垂直度检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)将检测箱固定在大型回转轴上，观察气泡水平仪，旋转调节手柄，使气泡水平仪中的气泡处于中心位置，此时电子水平仪相应的处于大致水平的状态，完成对电子水平仪的粗调；

(2)旋转大型回转轴，使大型回转轴围绕自身旋转，通过无线摄像头观察电子水平仪的读数，如果出现角度超出电子水平仪量程的情况，则需对可调节平台调整，并且在进入测量范围后可通过观察电子水平仪读数小数点后尾数来确定电子水平仪是否处于精测状态，并控制步进电机对水平仪平台进行进一步微调，使水平仪平台进一步水平，保证电子水平仪处于精测状态；

(3)继续旋转大型回转轴围绕大型回转轴的轴线自转，以大型回转轴与大型回转轴底座的连接点为坐标原点建立X、Y、Z坐标系，其中XOY平面与水平面重合，当大型回转轴转动一周时，将两次出现大型回转轴、Z轴及电子水平仪测量线处于同一平面的情况，此时水平仪测量值应为最大值θx_max或最小值θx_min，或者是最大值θy_max或最小值θy_min，并且此时由平面几何关系就可以得出大型回转轴与Z轴夹角θ＝(θx_max-θx_min)/2或者θ＝(θy_max-θy_min)/2，式中θx_max、θx_min、θy_max、θy_min分别为当大型回转轴、Z轴及电子水平仪测量线处于同一平面时，电子水平仪在X和Y方向上的读数；θ即为回转轴与垂直轴的夹角。

Images