DE10138831A1

DE10138831A1 - Gyroscope application for alignment device for 2 non-horizontal machine shafts providing angle information

Info

Publication number: DE10138831A1
Application number: DE2001138831
Authority: DE
Inventors: Michael Hermann
Original assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Current assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Priority date: 2001-08-14
Filing date: 2001-08-14
Publication date: 2003-02-27

Abstract

The application uses a piezoelectric or micromechanical gyroscope (30) for providing additional angle information for a measuring device (10) used for checking the alignment of 2 vertical or non-horizontal machine shafts. An external gyroscope angle measuring device (40) can be provided in addition to the gyroscope incorporated in the measuring device.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Ausrichten von vertikal angeordneten Maschinenwellen. The invention relates to a device for aligning vertically arranged Machine shafts.

Eine Vorrichtung vergleichbarer Art ist bekannt aus der US 4,463,438, Erfinder Zatezalo. Mit der genannten Vorrichtung können nicht nur horizontal ausgerichtete Maschinenwellen, sonderen auch vertikal ausgerichtete Maschinenwellen ausgerichtet werden. Die genannte Vorrichtung sieht die Verwendung von mechanischen Meßmitteln vor. Dementsprechend ist die erzielbare Genauigkeit beim Ausrichten von Maschinenwellen limitiert und hängt von verschiedenen mechanischen Randbedingungen ab, zum Beispiel vom Durchhang der Meßmittel. Eine ähnliche Vorrichtung mit wesentlich verbesserter Genauigkeit wird in der EP 0145745 beschrieben, Erfinder Lysen. Anstelle mechanischer Meßzeiger sieht die EP 0145745 solche auf Grundlage eines Laserstrahls vor. Dadurch konnte der Gebrauchswert von Wellenausricht-Instrumenten drastisch gesteigert werden. Insgesamt ermöglichte die jeweils vorgesehene Mikroelektronik und Meßmethodik ein rechnergestütztes, genaues und wesentlich komfortableres Ausrichten von Maschinenwellen, als dies vorher möglich war. A device of a comparable type is known from US 4,463,438, inventor Zatezalo. With not only horizontally aligned machine shafts, but also vertically aligned machine shafts. The said The device provides for the use of mechanical measuring means. Is accordingly The achievable accuracy when aligning machine shafts is limited and depends on various mechanical boundary conditions, for example the sag of the Measuring means. A similar device with significantly improved accuracy is described in the EP 0145745, inventor Lysen. Instead of mechanical measuring pointers, the EP sees 0145745 those based on a laser beam. This allowed the utility value of shaft alignment instruments can be increased drastically. Overall, the each provided microelectronics and measurement methodology a computer-aided, accurate and Aligning machine shafts much more comfortably than was previously possible.

In der US 5,026,998 wird beschrieben, wie ein ähnliches Meßproblem gelöst werden kann, sofern die zu verwendenden Sensoren nicht in beliebigen Meßlagen positioniert werden können. In diesem Dokument wird dargestellt, wie unter Verwendung von Inclinometer-Meßwerten die Versatzmaße von horizontal angeordneten Maschinenwellen ermittelt werden können. Weiterhin wird beschrieben, wie ohne Verwendung von Inclinometer-Meßwerten die Versatzmaße von vertikal oder diagonal angeordneten Maschinenwellen ermittelt werden können. US 5,026,998 describes how a similar measurement problem can be solved, provided that the sensors to be used are not positioned in any measuring positions can. This document shows how to use Inclinometer measured values are the offset dimensions of horizontally arranged machine shafts can be determined. It also describes how to use without Inclinometer measured values are the offset dimensions of vertically or diagonally arranged Machine shafts can be determined.

Dazu wird in der genannten US 5,026,998 wird erläutert, wie aus der Kenntnis von 5 und mehr in einem Koordinatensystem plazierten Punkten eine zugehörige Ellipse errechnet werden kann, so daß anhand deren Parameter die betreffenden Maschinenwellen ausgerichtet werden können. Dies gilt auch für den Fall, daß die ermittelten Ellipsen in der speziellen Form einer Gerade oder eines Punktes vorliegen. For this purpose, the above-mentioned US 5,026,998 explains how knowledge of FIGS more points in a coordinate system are calculated an associated ellipse can be aligned so that the relevant machine shafts can be aligned based on their parameters can be. This also applies in the event that the ellipses determined have a special shape a straight line or a point.

Das in der US 5,026,998 vorgestellte Verfahren kann als Analyse von Lissajous-Ellipsen bzw. -Geraden aufgefaßt werden. The method presented in US 5,026,998 can be used as an analysis of Lissajous ellipses or - To be understood straight.

Ein noch nicht gelöstes Problem besteht jedoch darin, daß im Falle der Degeneration der beobachteten Ellipsen zu Strecken oder Punkten es unbedingt erforderlich ist, daß das zugehörige limitierende Rechteck der Lissajous-Figur von den Abmessungen und seiner Position her bekannt sein muß. Falls diese Information nicht gegeben ist, kann aus der Kenntnis einer Geraden oder eines einzelnen Punktes nicht auf die tatsächliche Form der zugehörigen Ellipse geschlossen werden. A problem that has not yet been solved, however, is that in the case of degeneration observed ellipses to lines or points it is absolutely necessary that the associated limiting rectangle of the Lissajous figure from the dimensions and its Position must be known. If this information is not available, the Knowing a straight line or a single point does not affect the actual shape of the associated ellipse can be closed.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das genannte Problem zu lösen und ein Meßinstrument zu schaffen, mit dem automatisch, daß heißt ohne Beachtung vordefiniert einzuhaltender Drehlagen oder ohne manuelle Eingabe von Drehwinkelangaben, eine Ausrichtung von vertikal oder diagonal orientierten Maschinenwellen möglich ist, und zwar auch unter der Voraussetzung, daß das Meßinstrument nur über einen begrenzten Schwenkwinkel bewegt werden kann. Ein typischer Schwenkwinkelbereich kann dabei auf ca. 30° bis 60° limitiert werden. In günstig gelagerten Fällen kann er auch weniger betragen. It is an object of the present invention to solve the problem and a To create a measuring instrument with which automatically, that is, predefined without consideration rotational positions to be observed or without manual input of rotation angle information, a Alignment of vertically or diagonally oriented machine shafts is possible also under the condition that the measuring instrument has only a limited Swivel angle can be moved. A typical swivel angle range can be approx. 30 ° to 60 ° can be limited. In low-cost cases, it can also be less.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß anstelle eines Inclinometers zur Angabe von Schwenkwinkeln nunmehr ein mikromechanisch hergestelltes oder piezoelektrisch wirkendes Miniaturgyroskop (MEMS-Gyroskop) verwendet wird, welches unabhängig vom Schwerkraftfeld der Erde funktioniert und trotzdem mit genügend guter Präzision die Winkelwerte liefert, welche zur Bestimmung der Parameter von zwei miteinander gekoppelten Sinusfunktionen erforderlich sind bzw. zur Bestimmung der Parameter einer von diesen Sinusfunktionen gebildeten Lissajous-Figur. MEMS-Gyroskope der genannten Art, und zwar mit einer genügend hohen Genauigkeit, werden seit kurzem von den Firmen BAE Systems bzw. Sumitomo angeboten. This object is achieved in that instead of an inclinometer for specifying Swivel angles now a micromechanically produced or piezoelectrically acting Miniature gyroscope (MEMS gyroscope) is used, which is independent of Earth's gravity field works and yet with sufficient precision Returns angle values, which determine the parameters of two coupled with each other Sine functions are required or to determine the parameters of one of these Sinus functions formed Lissajous figure. MEMS gyroscopes of the type mentioned, namely with a sufficiently high level of accuracy, have recently been launched by BAE Systems or Sumitomo offered.

Gemäß der Erfindung ist es darüberhinaus möglich, mittels des MEMS_Gyroskops ein Winkelmeßgerät bereitzustellen, welches eine wesentlich bessere Auflösung besitzt als die bislang verwendeten Inclinometer. Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist es möglich, ein Winkelmeßgerät bestehend aus der Kombination eines MEMS-Gyroskops und eines herkömmlichen Inclinometers bereitzustellen, mit dem eine genauere Bestimmung der Relativlage von zwei horizontal ausgerichteten Maschinenwellen möglich ist. According to the invention, it is also possible to use the MEMS_Gyroscope Provide angle measuring device, which has a much better resolution than that Inclinometer previously used. According to another aspect of the invention it is possible, an angle measuring device consisting of the combination of a MEMS gyroscope and to provide a conventional inclinometer with which a more precise determination of the Relative position of two horizontally aligned machine shafts is possible.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. The invention is explained below with reference to the drawing.

Es zeigt It shows

Fig. 1 eine Anordnung zum Ausrichten von zwei vertikal angeordneten Maschinenwellen, nach dem Stand der Technik Fig. 1 shows an arrangement for aligning two vertically arranged machine shafts, according to the prior art

Fig. 2 ein Diagramm mit verschiedenen Ellipsen-Bögen Fig. 2 is a diagram with different ellipse arcs

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Ausführungsform Fig. 3 is a perspective view of an embodiment of the invention

Wie in Fig. 1 (Stand der Technik) gezeigt, kann beim Ausrichten von vertikal angeordneten Maschinenwellen eine Kombination von zwei übereinander angeordneten Meßvorrichtungen verwendet werden, welche mittels geeigneter Spannvorrichtungen an den Wellen befestigt sind. Die gleichen Meßvorrichtungen sind auch zum Ausrichten von horizontal angeordneten Maschinenwellen verwendbar und weisen zu diesem Zweck mindestens ein eingebautes Inclinometer auf. Es ist ersichtlich, daß in der in Fig. 1 gezeigten Verwendung des Meßinstrumentes ein eingebautes Inclinometer nicht mehr ordnungsgemäß funktionieren kann. Aus diesem Grunde sind die Meßgeräte per Hand in unterschiedliche Drehlagen zu bringen, welche vordefiniert sind und in der Zeichnung zum Beispiel mit 0 Uhr, 1:30 Uhr, 3 Uhr, 4:30 Uhr bezeichnet sind, entsprechend Drehwinkellagen von 0°, 45°, 90°, und 135°. Alternativ dazu kann das in der US 5,026,998 genannte Verfahren verwendet werden. As shown in FIG. 1 (prior art), when aligning vertically arranged machine shafts, a combination of two measuring devices arranged one above the other can be used, which are fastened to the shafts by means of suitable clamping devices. The same measuring devices can also be used for aligning horizontally arranged machine shafts and for this purpose have at least one built-in inclinometer. It can be seen that in the use of the measuring instrument shown in FIG. 1, a built-in inclinometer can no longer function properly. For this reason, the measuring devices must be brought into different rotational positions by hand, which are predefined and are indicated in the drawing, for example, at 0:00, 1:30 a.m., 3:00 a.m., 4:30 a.m., corresponding to the rotational angle positions of 0 °, 45 ° , 90 °, and 135 °. Alternatively, the method mentioned in US 5,026,998 can be used.

Wie in Fig. 2 gezeigt, funktioniert das in der US 5,026,998 genannte Verfahren unter der Voraussetzung, daß entweder ein genügend langer Ellipsen-Bogen (Bezugssymbol P) analysierbar ist, oder daß bei Vorliegen eine Lissajous-Figur in Form einer Geraden (Bezugssymbol Q) deren Begrenzungen bekannt sind, z. B. entweder in x-Richtung (Bezugssymbol y) oder in y-Richtung (Bezugssymbol y), oder beides gleichzeitig. Da diese Information in manchen meßtechnischen Situationen nicht zur Verfügung stehen, ist es gemäß der Erfindung von besonderem Vorteil, zur Spezifikation solcher Lissajous-Figuren bzw. der diesen zugrundeliegenden Sinusfunktionen mittels eines Drehwinkelgebers in Form eines in das Gehäuse der Meßeinrichtung 10 eingebauten MEMS-Gyroskopes 30 die zusätzlichen Winkelinformationen bereitzustellen. Diese Winkelinformationen beziehen sich also auf eine Dreh- bzw. Schwenkachse 32, welche typischerweise parallel zum emittierten Laserstrahl (sofern vorhanden) der Meßvorrichtung orientiert ist. Die Werte dieser Winkelinformationen werden also auf elektronische Weise durch das Gyroskop ermittelt und über ein ohnehin vorhandenes Anschlußkabel 18 an einen übergeordneten Rechner geleitet. As shown in FIG. 2, the method mentioned in US Pat. No. 5,026,998 functions provided that either a sufficiently long ellipse arc (reference symbol P) can be analyzed, or that a Lissajous figure in the form of a straight line (reference symbol Q) is present the limits of which are known, e.g. B. either in the x direction (reference symbol y) or in the y direction (reference symbol y), or both at the same time. Since this information is not available in some metrological situations, it is of particular advantage according to the invention to specify such Lissajous figures or the sine functions on which they are based by means of an angle encoder in the form of a MEMS gyroscope 30 built into the housing of the measuring device 10 to provide the additional angle information. This angle information thus relates to a rotation or swivel axis 32 , which is typically oriented parallel to the emitted laser beam (if present) of the measuring device. The values of this angle information are thus determined electronically by the gyroscope and passed to a higher-level computer via a connection cable 18 which is present in any case.

Die spezifierenden Parameter einer hier interessierenden Lissajous-Figur werden somit nicht nur aus den x- und y-Werten des Bogens P bzw. der Strecke Q (Fig. 2) emittelt, sondern unter Zugrundelegung der Winkelwerte t gemäß eines die entsprechende Lissajous-Figur definierenden Funktionenpaares der Form
y = A sin (t + ps), x = B cos (t + ps). (Hierbei bezeichnet die Größe ps eine Phasenverschiebung). The specifying parameters of a Lissajous figure of interest here are thus not only determined from the x and y values of the arc P or the distance Q ( FIG. 2), but also on the basis of the angle values t according to one defining the corresponding Lissajous figure Function pair of the form
y = A sin (t + ps), x = B cos (t + ps). (Here the quantity ps denotes a phase shift).

Ein Funktionenpaar dieser Art wird z. B. in der US 5,621,652 diskutiert. Wie dem Fachmann aus den genannten Patentschriften geläufig ist, können die interessierenden Parameter unter Verwendung eines Optimierungsverfahrens ermittelt werden, welches den ermittelten Meßwerten eine bestangepaßte Funktion zuweist. A pair of functions of this type is e.g. B. discussed in US 5,621,652. As the professional is known from the mentioned patents, the parameters of interest can be found under Using an optimization method can be determined, which determines the determined Assigns a function that is best suited to the measured values.

Wie aus Fig. 3 weiterhin ersichtlich, kann in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ein Gyroskop-Winkelmeßgerät 40 auch als Zusatz zum Meßsystem angebracht werden, z. B. an die Haltevorrichtung 14 angeschraubt werden. Auch das Gyroskop 40 ist in der Lage, Drehwinkel um eine Achse 32' zu bestimmen, so daß es von der Wirkungsweise praktisch vergleichbar ist mit dem Gyroskop 30. As can also be seen from FIG. 3, in a further embodiment of the invention, a gyroscope angle measuring device 40 can also be attached as an addition to the measuring system, e.g. B. screwed to the holding device 14 . The gyroscope 40 is also able to determine angles of rotation about an axis 32 ′, so that the mode of operation is practically comparable to the gyroscope 30 .

Claims

1. Use of a piezoelectric or micromechanical (MEMS) based manufactured gyroscope for determining the rotational position of a device with which the parallel and angular offset position of two vertically or not horizontally arranged Machine shafts can be checked.

2. Using a combination of a piezoelectric or micromechanical (MEMS) based gyro and an electronic inclinometer for determination the rotational position of a device with which the parallel and angular offset position two horizontally arranged machine shafts can be checked.

3. Use of a gyro system as a rotational position sensor in an instrument with which the parallel and angular misalignment of two machine shafts oriented in any direction is verifiable.