CN103090821A - 在三个轴的平面内确定通过两个万向节及第三轴相连的两个轴的方位的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测量并或许修正通过万向节和第三轴相互连接的两个轴的角度偏差的方法规定，光电对中仪的多个测量头在正好两个测量位置上被安装在这些轴上。这些测量位置相互错开180°并且设置在这三个轴的平面内。

Description

在三个轴的平面内确定通过两个万向节及第三轴相连的两个轴的方位的方法

技术领域

本发明涉及用于确定并修正机器或机器部件的两个轴的角度偏差的改进简化方法，这两个轴因其平行偏差而通过两个万向节和连接这两个万向节的第三轴相互连接。 

背景技术

过去，通过两个万向节和一个第三轴来补偿将发动机和被驱动装置相互连接起来的两个轴之间的偏差。可是，这种配置只能补偿平行偏差。如果这两个轴没有精确地相互平行对准，则通常因为角度偏差而出现严重损坏。 

这两种偏差，确切的说是平行偏差和角度偏差，可以利用光电对中仪来简单精确地确定。但这只能在这两个相互连接的轴同轴延伸的比较简单的情况下进行。基于激光或其它光源和光敏探测器(PSD、CCD阵列或CMOS阵列)的这些光学对中仪在德国专利DE3911307(对应于美国专利US5,026,998)和德国专利DE3320163(对应于美国专利US4,698,491)中有描述。在这些文献中，一方面描述了这样的对中仪，其在一个测量头内包括光源和在另一个测量头内包括探测器。在该另一个测量头中可以如此测量光束的入射位置和入射方向，即，在测量头的光路中接连设有可两维读取的两个探测器。这样的配置例如可以通过分光器来获得。另一方面，还描述了这样的测量仪，其中一个测量头既含有光源，也含有两维探测器，而另一个测量头含有例如呈屋脊形棱镜形式的反射镜。上述文献所描述的对中仪利用了具有点状横截面的光束和可两维读取的探测器。 

德国专利申请DE102006023926(对应于美国专利US7,672,001)描述了一种对中仪，其中，光束在沿横向于传播方向的多于一个的方向上成扇形展开。一些实施例规定了，每个测量头既包含光源，也包含探测器。上述的光学对中仪假定在这两个轴的多个(至少三个，但通常是四个、甚至五个或更多)回转位置上对一道光束或多道光束在一个探测器或多个探测器上的光照点进行测量。 

德国专利DE3335336(对应于美国专利US4,518,855)描述了一种对中仪，其中，每个测量头既含有光源，也含有可根据入射位置和入射角度被两维读取的探测器。该测量仪能够仅在这两个轴的一个回转位置上从在探测器上的光照点的一次测量中根据角度偏差和平行偏差确定不对中，此时，在轴良好对准情况下的该回转位置的方位和光照点已通过在唯一的笔直轴上的对比测量来获知。然而，在要对中的轴上在不同角位上的测量原则上也是可行的。 

通常，为针对未同轴延伸并因而具有平行偏差的多个轴使用这些光电对中仪，采用特殊的调整装置，这些轴通过两个万向节及第三轴相互连接。该仪器在欧洲专利EP1430995(对应于美国专利US7,242,465)中被示出。使用这些仪器的缺点是第三轴通常必须被取掉。另外，需要复杂地操作该仪器并执行大量步骤，这使得确定角度偏差复杂且易出错。因此，可能出现当重装第三轴时无意中使已正确对中的机器发生偏移。另一个问题是这些仪器是按照很大的容许误差制造的，因此，角度偏差测量因有游隙而变得非常不准确。 

发明内容

本发明的主要目的是提出一种利用光学对中仪确定通过两个万向节及第三轴相互连接的两个轴的角度偏差的方法，该光学对中仪使得使用上述的附加仪器来测量平行错移的两个轴的角度偏差变得多余，但尽管如此，它仍然允许角度偏差测定时的高精度。本发明的另一个目的是提供一种确定角度偏差的简单可靠的方法。 

实现这些目的的方法包括以下步骤： 

a)确定在这三个轴的平面内的第一测量位置， 

b)利用光学对中仪在第一测量位置上测量在这个或这些探测器上的这个或这些光照点， 

c)使这些轴或使对中仪的部件绕该轴转动到第二测量位置即与第一测量位置相差180°的位置，并且将该对中仪的两个测量头中的一个测量头在关于装有该测量头的轴的径向上定位在相应测量头的夹具上，该第二测量位置同样位于这三个轴的平面内， 

d)利用该对中仪在与第一测量位置相差180°的所述位置并因此是第二测量位置上测量在这个或这些探测器上的这个或这些光照点， 

e)从步骤b)和d)中确定这两个轴线之间的角度，并且或许通过改变活动的机器或机器部件的位置来修正角度对准。 

因此，较少的简单步骤就足以高精度地确定角度偏差。角度偏差测定原则上可以利用来自上述现有技术的任何一种所述的对中仪进行。在这里，只须注意如此构成测量仪，即将测量头与轴连接起来的保持机构被设计成能使测量头位置可以在关于轴的径向上改变，如同从以下说明中看到的那样。 

可以从以下参照附图对本发明的说明中得到其它的细节、方案和优点。 

附图说明

图1是包括两个轴和带有两个万向节的连接轴的装置的透视图，以及利用光学对中仪的校准方法的示意图。 

图2a示出垂直于两个机器部件轴线地水平看时的几何条件，图2b示出在沿两个机器部件轴线的观看方向上看时的几何条件，图2c示出从上方看时的几何条件。 

图3a示出垂直于两个机器部件轴线地水平看时的与光学对中仪相关的本发明，图3b示出在沿两个机器部件轴线的观看方向上看时的与光学对中仪相关的本发明，图3c示出从上方看时的与光学对中仪相关的本发明。 

具体实施方式

图1以及图2和图3示出了具有在第一底座32上的轴34的第一机器或第一机器部件30和具有在第二底座33上的轴35的第二机器或第二机器部件31。这两个机器或机器部件的轴就其轴线方位来说是基本上平行的，但在垂直于这两个轴的轴线方向的两个方向中的至少一个方向上相互错移。因此，在轴34、35的端头上分别有一个万向节36、37。这两个万向节36、37利用第三轴38相互连接。 

众所周知，为了实现由与两个万向节36、37相连接的三个轴所构成的单元的正确操作，须满足两个条件，其一，万向节的两个叉在第三轴38上位于一个平面中，其二，在两个万向节36、37上的轴38的角度是相同的。许多作者列明了第三条件，即，所有三个轴34、35和38位于一个平面内。但是，该第三前提条件是前两个条件的必然结果。 

根据本发明，步骤a)-e)的建立基于以下认识，如果对中仪的两个测量头定位在由三个万向轴构成的平面内(见第三条件)，则利用传统的光学对中仪只在两个测量位置上测量角度偏差可能是精确的。在实施这些步骤时，需要在两维上检测光束照中点。因此，必须使用可两维读取的探测器。或者，也 可以当两个探测器在不同的方向上延伸并因此例如相互垂直布置时使用两道光束和两个一维探测器。 

为了完成对两个轴34、35相互对准的测量，与现有技术相比，根据本发明需要一些简单的方法步骤。两个轴相互间的光学对准测量相对于两个轴的轴线在光电对中仪的测量头的两个角位上进行，所述两个角位错开180°。 

测量头40、41可如此布置在其保持机构45、46上，使由测量头发出的一道光束或多道光束43在平面71内延伸，该平面由两个轴34、35和连接用的第三轴38形成。当使用具有在一个平面内成扇形展开的光束的对中仪时，光束平面将垂直于这两个轴的平面。在这里，对于这两个测量头，须总是接近与待测轴线相关的相同的角位。 

为了更好理解，在此描述这样的装置，它将现有技术中提到的光电对中仪的测量头与要相对彼此对准的轴连接起来。这类装置通常包括夹具，该夹具保证测量头与轴的刚性固定连接。这些夹具包括贴靠圆柱形轴的周面安放的主体。该主体通常是具有棱柱形槽的块体47、48。这样的具有棱柱形槽的块体可容易地安装在具有不同直径的轴上，从而棱柱形槽的顶点垂线正好平行于该轴的轴线延伸。该主体与轴的固定连接通过将具有棱柱形槽的块体锁定在轴上来产生。该锁定通过通常用夹紧螺钉或拧紧螺钉来固定的弹簧片或链条来实现。平行于一个方向安装的且沿轴34、35的径向延伸的、呈杆或管45、46形式的保持机构被安装在这些夹具的块体上。于是，测量头的壳体具有对应的孔，这些杆在所述孔中延伸。这些测量头随后用夹具如紧固螺钉或快速锁合机构固定在这些杆45、46上。测量头40、41在杆45、46上的这种布置使得可以将测量头安装在距该轴的轴线的不同距离处。于是，光束不会被连接这两个轴的联轴器阻挡。因此，用于测量头的支承体包括用于连接至轴的夹具和用于测量头的保持机构如美国专利US4,518,855中的杆、管或板，该文献兹按照完全理解本发明方案所需要的程度被引用纳入。夹具的主体或块体提供在该主体或块体在其上用链条被夹紧的轴和保持机构即杆、管45、46或美国专利US4,518,855的V形块和箍带机构之间的稳定连接。 

因此，当测量两个通过联轴器相连接的轴时，如果测量基本同轴的轴，则可容易接近这两个轴的几个可选的角位，这两个相互连接的轴共同转动。一旦这两个测量头相互对准，光束甚至在其它角位上可靠照中探测器。只须对非常严重的未对准进行修正。 

但是，当要测量通过万向节及第三轴彼此连接的两个轴的角度偏差时，如图所示，当测量头绕该轴转动或者当测量头连同彼此连接的轴转动时，光束因为这两个轴的平行偏差而偏离较远地未达到该探测器。本发明基于以下认识：只有当这两个测量头40、41位于由三个轴形成的平面内时，因此可以在该平面内的错开180°的两个测量位置上进行测量。在这两个位置上，这两个测量头的已经沿周向被测量的位置(因而在垂直于轴的轴线的方向上和在该轴的周面的切向上)是相同的。当这两个轴被转动180°时，只需要使两个测量头之一沿径向移位，从而测量头的这道或这些光束又照中这个或这些传感器。不需要沿切向的修正。当然，更不需要沿着这些轴的轴线中的一个轴线移动测量头。 

因此，该测量方法按照如上简述且如下详述的多个步骤来执行。 

步骤a)确定这三个轴的平面。 

夹具连同对中仪的测量头40安置在轴34上。测量头40朝向第二机器或第二机器部件31发射光束43。第二机器或第二机器部件31具有第二轴35。万向节36安装在该轴34上。第三轴38将万向节36连接到轴35上的第二万向节37。 

第一测量位置原则上可以通过在垂直于这两个轴的平面71(图2a、2b)的辅助平面72上进行几何形状绘制来确定，其做法是，在光束发射机构的三个角位上标绘出激光束在端盖或另一个合适的平面上的光照点，所述另一个合适的平面如此安置在未安装有该光束光源的轴35上，即该平面的法线沿轴35的轴线方向延伸。已如此确定的三个光照点形成一个圆。该圆的中心点与该轴的轴线穿过该平面的点之间的连线指向一条与该轴的轴线一起形成这三个轴的平面的直线的方向。辅助平面72可以是端盖或机器防护板。如果在机器上无法找到合适表面，则该表面能通过设置一个垂直于该轴的平面(如一块纸板或板)来产生。在此只须注意在该平面上容易看到所用的光源。 

然而，第一测量位置或者这些轴所共有的平面可以尤其简单地通过沿驱动轴或从动轴的瞄准线的测向来确定。 

通常，在只有一道光束的光学对中仪中，带有这道光束的光源的测量头被安装在其位置在校准过程中不能改变的机器或机器部件上。如果例如复杂的机器具有带有从动轴的泵、风扇或辊以及驱动该泵、风扇或辊的马达，则泵、风扇或辊的位置通常例如根据管的铺设走向或者在辊上输送的材料的路径来预定。但是，马达的位置可以改变，以根据上述两个条件产生最佳校 准。如果对中仪只在两个测量头中的一个测量头中有光源，则带有光源的测量头一般安装在不运动的机器部件就是说泵、风扇或辊的轴上。这最初被如此固定下来，这是因为在这两个机器之一的位置的修正中，当带光源的测量头被安装在偏移的机器上时，尤其对于大测量距离来说，尤其当测量头之间距离为至少1米时，在带有光源的测量头和探测器之间可能发生过大偏差。 

但是，在只有其中一个测量头装有光源的情况下，光源和探测器的这种在通过两个万向节及第三轴连接的两个轴的测量中也是优选的。在此，不会错移的机器的轴和连接万向节的第三轴确定上述第三“条件”的平面。对于在不同的测量头中有两个光源的对中仪来说，如上所述，为了确定测量头布置在其中的平面，使用安装在将不会移动的机器部件上的光源也是好的想法。在此图中，具有轴34的机器30被选择为是固定不动的，而具有轴35的机器31被选择为是活动的。 

于是，例如在图1中，含有光源的测量头40、40'被安装在固定不动的机器部件30的轴34上。当光源沿径向相对靠近轴34就位时，光束在夹具适当安装时照中第三轴38。现在使该夹具绕轴34转动，直到光束准确照中轴38的中心。轴38的中心正好是沿该轴的切线的点或者是轴38上的线，所述线由光束在其沿装有测量头40'及其光源的轴34的周向(切向)移动时所绘出，该测量头最接近该光源。在测量头40'的另一个(径向)位置上检查该对准情况是有用的。通过在沿轴34的径向延伸的方向上沿着保持机构(在此由两个杆形成)推动的测量头来进行该检查。于是，在轴34上的夹具对准利用已由测量头发出的光束在轴38上的光照点来检查并且或许被修正。 

如果该光源具有微调发出光束的方向的可能性，则通过在测量头40'的沿径向距离轴34的轴线不一样远的多个位置上结合夹具绕轴34的转动并结合光束方向的微调来确定由测量头40'发出的光束的照中位置，可以非常精确地完成测量头40'和由该测量头所发出的光束的、对准这三个轴所共有的平面和一个与其上装有测量头的轴的轴线相平行的方向的校准。另一个检查光源对准的可能性牵涉到在调节发射方向后从杆上卸下测量头并将其反位(可以说头朝前)重装到杆上并且检查对第三轴的对准并或许反复修正。 

随后，测量头40'在径向上沿所述杆被推动离开轴34，直至发自该测量头的光束不再照中第三轴38，而是照中与轴35相连的第二测量头41'。测量头41'因此可与测量头40′对置地设置在其杆上，于是也位于由三个轴34、35和38形成的平面内。 

这种已由三个轴34、35、38形成的平面71的确定可以与将光源安装至无法移动的固定的机器部件30的传统方法相结合，因为这样一来，平面71利用固定不动的机器部件30的轴34和第三连接轴38来确定。活动部件31的位置在校准过程中被改变。如果活动部件31的轴35被用于确定该平面，而这又会造成这三个轴的平面的空间位置的变化。 

同样，可以利用除安装在其中一个测量头内的光源之外的光源来确定这三个轴34、35、38的平面。例如可以使用激光指示器。 

在这三个轴34、35、38的平面的第三种确定方式中，基于几何形状情况来确定。这首先通过测量可确定的万向节之间的距离来进行，例如通过将该轴或其延伸部垂直投影到车间地面上。随后，在垂直投影中进行轴34、35的横向间距的测量。作为替代或补充，根据是否只有横向偏差或竖向偏差或两者都有，进行这两个轴之间的高度差的测量。如果已经利用可以位于其中一个测量头40、41内的倾斜仪如此确定了该平面相对于铅垂面或水平面的角度，则该测量头可安置在该轴上。相对于水平面或铅垂面的该角度当然也可以取自结构数据例如制图。 

步骤b)在第一测量位置测量这道或这些光束的照中位置。 

如果现在将夹具和测量头40'对准第三轴38的中心，则此时在轴35上第二测量头41'连同其夹具被安装在杆上，从而当杆在轴35上时的夹具角位对应于在以上步骤a)中针对安装在轴34上的夹具连同杆所确定的位置。这意味着两个测量头40'、41'的杆45'、46'可以平行对准。于是，这道光束在这个探测器上的光照点的位置或这些光束在这些探测器上的光照点的位置被测量并被传输给计算机63，该计算机被用来评估已测定的数据。例如通过设于测量头中的倾斜仪，在已知测量头45'和46'的方位的情况下，所述方位数据也可以被传输给该计算机和可由使用者输入该计算机。 

步骤c)接近第二测量位置，即与第一测量位置相差180°的位置。 

为此，使这三个轴34、35、38转动180°，或者使两个夹具绕所述轴移位180°。如果在这两个测量头40、41中的至少一个测量头中设有倾斜仪，则这可以非常容易地实现。倾斜仪的测量值被显示在用来显示该对中仪的测量值的计算机63上。也可以利用在以上步骤b)中发现的测量值计算该测量值，并且在计算机63的显示器上显示这些测量头此时是否在要接近的给定角度范围内。其它合适的倾斜仪在测量头本身上被显示或者读取。这些其它合适的倾斜仪可以是具有角度标尺的简单的指示器。也可使用在两个轴 34、35中的至少一个轴上的转角传感器，如果设有这样的转角传感器，则其测量值可被用于校准确定。因为有尚未知道的失准，所以，也可以(但不是如此精确地)将光源或带有光源的测量头在从通过以上步骤a)所发现的位置起移动了大概180°后安装在在活动机器的轴上并将其对准第三轴的中心。如果轴34、35不是水平布置的，则代替倾斜仪或除倾斜仪外，还优选使用指南针，尤其是陀螺指南针或其它陀螺仪。 

在被如此发现的该位置上，这个测量头或这些测量头的这道或这些光束将又在已由三个轴形成的平面内延伸，但与步骤a)中的测量头位置相比是在轴34、35的另一侧。 

显然，这些杆45、46或保持机构必须沿径向延伸至少这样的程度，即它们能跨过从两个轴线中心测量的这两个轴的平行偏差。如果使这两个测量头在其保持机构上绕这两个轴移位，只建议在使用精确加工的保持机构和正圆柱形光滑轴表面时这样做，则保持机构/杆45、46的径向延伸尺寸为平行偏差和测量头可据此距离相应轴的轴线来安装的最小间距之和原则上就够了。如果只有两个测量头中的一个测量头要在其保持机构上移位，则位移量应该增加1倍。在此情况下，径向延伸尺寸因而是两倍的平行偏差加上两倍的测量头可距相应轴的轴线来安装的最小间距。 

步骤d)在第二测量位置测量这道光束或这些光束的照中位置。 

在转动了180°后，这两个测量头40、41处于这样的位置，在此位置上，只需要测量头40、41沿轴34、35的径向移位，从而这道或这些激光束又照中这个或这些探测器。接着，可以确定这道光束照中这个探测器的位置或者些光束照中这些探测器的位置。或者，只有两个测量头45、46中的一个测量头可以在该保持机构像在先前段落中那样足够长时被移动。 

步骤e)计算并或许修正轴34、35之间的角度偏差。 

在最初提到的现有技术中描述了当这些测量头安装在彼此相对错开180°的两个位置上时可如何确定角度偏差。为了确定在三个轴34、35、38的平面内的角度偏差，利用在垂直于光束传播方向的方向上和沿各自轴的径向的方向上的这道或这些光束的光照点的坐标。为了确定在垂直于三个轴34、35、38的平面的方向上的角度偏差，利用在垂直于光束传播方向的方向上和沿各自轴的径向的方向上的这道或这些光束的光照点的坐标。为此，须知道这两个测量头40、41在光束传播方向上的距离。该距离例如可以用带尺来确定。 

利用轴的回转位置来进行从测量头的坐标系至机器部件的坐标系的转换，该回转位置已用倾斜仪、指南针或陀螺仪确定。在此，利用如此获得的角度偏差，要移动的机器的位置现在或许可以根据位移并利用垫片来修正，从而使这两个轴34、35平行对准。 

在这里，“或许”意味着两维测量的角度偏差超出规定误差。在或许需要的修正中，在测量头和活动机器的底座之间的间距须被考虑用于计算所需要的位移量(例如通过在下面安置所谓的垫片或根据横向位移)。这可以利用简单的几何条件来实现。相应机器底座所需要的修正值计算在这个测量头/这些测量头本身上进行，测量头内的探测器的测量值被传输到配属于测量仪的计算机63，或者另一个计算机。可设于测量头40、41本身中的计算机通常通过连线接收探测器的测量值。尤其是，对于未设于测量头内的计算机63，来自测量头内的探测电子装置的测量值的传输可无线进行。为了表示无线数据传输，附图示出了以下的天线，即在计算机63上的天线62，在测量头40、40’上的天线60、60’，和在测量头41、41’上的天线61、61’。 

当测量头40、41保持在第二测量位置上时，可以直接在计算机63的显示器上看到在机器底座上的修正效果 

在以上说明中描述本发明方法利用了安装的第三轴38，它将待校准的两个轴34、35连接在一起。这是工作状态。当然，该方法可以在第三轴已被拆下以便维修时按照此方式来运用。在这里只须注意，当执行所有方法步骤时，两个轴的相对角位对应于工作状态的相对角位。 

Claims (5)

1.一种用于利用光电对中仪相对于第二轴校准第一轴的方法，其中该第一轴和该第二轴通过两个万向节及一个第三轴相互连接或者可通过两个万向节及一个第三轴相互连接，该光电对中仪在第一测量头和第二测量头中装有用于发出直线光束或扇形光束的至少一个光源和用于接收该光束的可两维读取的至少一个探测器，该第一测量头利用夹具安装在该第一轴上，该第二测量头利用夹具安装在该第二轴上，该方法包括以下步骤：

a)确定该第一轴、该第二轴和该第三轴所处的一个平面并确定在这三个轴的该平面内的第一测量位置，

b)从所述至少一个光源发出直线光束或扇形光束，并利用该光电对中仪的所述测量头在第一测量位置测量这道光束或这些光束在所述至少一个探测器上的光照点，

c)使该第一轴、该第二轴和该第三轴以及使该夹具绕该第一轴、该第二轴和该第三轴转动至与第一测量位置相差180°的第二测量位置中，并且使位于相应夹具上的第一测量头和第二测量头中的至少一个测量头沿着关于相应的轴的径向移动，从而至少一道光束照中至少一个探测器，

d)利用该激光对中仪的所述测量头在第二测量位置测量这道光束或这些光束的这个或这些光照点，

e)从所述光照点的测定值中确定在该第一轴和该第二轴之间的角度偏差。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，包括修正该第一轴和该第二轴的角度对中的另一步骤。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，利用在至少其中一个所述测量头中的至少一个倾斜仪和陀螺仪中的至少一个来确定该第一测量位置和该第二测量位置的相对三维方位。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，利用在该第一轴和该第二轴之一中的至少一个转角传感器来确定该第一测量位置和该第二测量位置的相对三维方位。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，确定该第一轴、该第二轴和该第三轴所处的平面的步骤包括从安装在该第一轴和该第二轴之一上的光源发出光束，从而该光束平行于该第一轴和该第二轴中的相应轴延伸，以照中第三轴，并且随后如此使该光源移动至所确定的该平面，即该光源在保持与相应的轴平行对准的同时在该轴上移动，从而该光束在该第三轴上的光照点被移动至沿第三轴的切线最接近该光源的一点。

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