JP2004511793A - シリンダ状部材の基準方向に対する整列を判定するための方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、特にシャフトまたはローラ等のシリンダ形状の部材の、特に別のローラまたはシャフト等によって予め与えられている基準方向に対しての整列を判定する方法に関する。
【0002】
ドイツ国特許出願公開第19546405号明細書(特許文献1)により、少なくとも1つの光ジャイロを含むとともに整列させる部材に対して所定に着合するための広角を挟んだ2つの平面部からなる接触面を備えた位置測定プローブを使用するシャフトまたはローラの平行整列方法が知られている。さらに、この位置測定プローブは、垂線に対するこの位置測定プローブの角度位置を判定するための複動式傾斜計を備えている。2つの部材の相互間の整列を判定する際、まず第1の部材に対して所与の第1の計測面内において位置測定プローブを着合させることによって基準位置が判定され、この基準位置判定から所与の時間間隔以内に位置測定プローブを第2の部材に着合させることによって第1の測定面と一致するかあるいはこれと平行な面内において第2の部材の位置が判定される。必要に応じて、後続する位置測定を行うことができ、すなわち第1の部材上の基準位置判定に続いて第2の部材上において第1の測定面に対して一定角度、例えば90°をなす第2の測定面内において第2の部材の位置測定を行うことができる。それぞれの測定は、整列させる部材がシャフトあるいはローラである限り、位置測定プローブをその周囲面に手動で着合させることによって実施される。
【0003】
ドイツ国特許第3911307号明細書(特許文献2)により、前後に配置された2つのシャフトがその中央軸の観点において整列しているかあるいはずれているかを判定する方法が知られており、この際測定する2つのシャフト上においてその中央軸に対して平行に固定して1つのシャフト上に測定ポインタを他方のシャフト上には基準要素を取り付け、これらが組み合わされて光電位置検出器が構成され、これは1つの平面内における2つの要素間において反射される光線の位置を測定値として判定するものである。これらのシャフトは、自由に選択可能な少なくとも5つの測定角度位置に回転されてそこで測定が実施され、測定信号は同じ起点を有するベクトルまたは数値ペアとして平面座標システム内において処理され、さらに特に最小二乗法等の最適化法を使用してコンピュータによりシャフトを360°回転することによって得られる幾何的な位置および測定値の特性データが計算され、このようにして測定された曲線の特性データを使用しまた判定された角度位置ならびに各測定角度位置まで回転する際のシャフトの回転方向に留意しながら各シャフトの空間的な位置がコンピュータによって判定される。
【0004】
大きな直径を有するシリンダ状部材においては着合させる位置測定プローブの実用上の寸法の制限ならびにその結果生じる位置測定プローブの着合または接触面の大きさの制限から、シリンダ状部材の縦軸に対して垂直であるとともに周囲面に対して垂直な軸周りにおける回転に対しての位置測定プローブの方向付けは周囲面および接触面の幾何形状によって正確に判定することができないという問題が生じ、すなわち水平に横たわっているローラにおいて例えば位置測定プローブの仰角は機械的接触によって比較的正確に判定されるが、方位角は正確に判定されない。この場合の位置測定プローブの方位角の精度を高めるため、接触面の両方の着合縁部の間隔および/またはそれらの長さを拡大する必要があり、これはコストならびに操作性の理由から実用性が限られたものとなる。
【0005】
【特許文献1】
ドイツ国特許出願公開第19546405号明細書
【特許文献2】
ドイツ国特許第3911307号明細書
【0006】
従って、本発明の目的は、簡便かつ低コストに実施し得るにもかかわらず極めて大きな直径からなる部材についても充分な精度を達成することができる、シリンダ状部材の基準方向に対する整合を判定するための方法を提供することである。
【0007】
前記の課題は、本発明に従って請求項1に記載の方法によって解決される。この本発明の解決方式において、部材の周囲面上において別の回転角を有する少なくとも1つの第2の測定位置を考慮することによって簡便な方式で測定精度を改善し得ることが好適である。
【0008】
図1には実質的に水平に横たわっている周囲面12を備えたローラ10が示されており、その上側に位置測定プローブ14が着合されており、これはその下側に接触面あるいは着合面を備えていて、これは概略的に示された図1において所定の距離をおいて互いに平行に縦方向に延在するように配置された2つのシリンダ16から形成されており、従ってプローブ14は実質的に2つの平行な線を介してローラ周囲面12と機械的に接触している。プローブ14はそれぞれ光リングを形成する例えば光ファイバジャイロ等の3つの光ジャイロを備えることが好適であり、各光ジャイロがそのリング面に垂直な軸周りの回転を検出する。3つのリング面は互いに垂直に配置することが好適である。
【0009】
図1において参照符号18は基準方向を示しており、これに対してローラ10の整列が判定され、この際整列判定の結果として基準方向18に対するローラ軸20の水平傾倒角度Δhと垂直傾倒角度Δvが得られる。基準方向18は例えば第2のローラまたはシャフトの軸方向性として与えられる。
【0010】
測定開始前にプローブ14が基準方向18に合わせられ、この際プローブ14の光ジャイロのうちの1つが基準方向に対してのプローブ14の第1の傾倒角度を検出し別の光ジャイロが基準方向に対してのプローブ14の第2の傾倒角度を検出し、この第1の傾倒角度は基準方向18に対して垂直に延在する第1の方向24(図2参照)の周りのプローブの回転角を示し、第2の傾倒角度は基準方向18および第1の傾倒角度24に対して垂直に延在する第2の方向26の周りのプローブの回転角を示している(第1および第2の傾倒角度の起点として基準方向が機能する)。プローブ14の第1の傾倒角度は以下において“放射角”と呼称し、プローブ14の第2の傾倒角度は以下において“接線角”と呼称する。さらにプローブ14の第3の光ジャイロは基準方向18の周りのプローブ14の回転角を検出する。その際の起点としては基準方向18に対して垂直に延在している方向22が機能し、図1および図2においてはこの方向が垂線となるように示されている。プローブが基準方向18の周りにおいてこの方向すなわち垂線の方向に従って回転する角度は、以下において“ロール角”と呼称される。従って、以下においては、放射、接線、ならびにロール角が位置測定プローブ14の座標システム内における固定された相互に垂直な3本の軸の周りの位置測定プローブの瞬間的もしくは現時点の回転を示すものとなる。
【0011】
図1に示された実施形態においてプローブ14は接触面シリンダ16のためにローラ10の周囲面12上においてスライドのみが可能であるがこの周囲面12に対して回転させるかあるいは傾倒させることは不可能であり、すなわちプローブ14はローラ10に着合させた後はローラ10の縦方向および周囲方向のみにおいてスライドさせることができそれ以外はローラ10に対する方位が固定されている。前記の幾何的固定性は表面の凹凸、汚れ、機械的弾力性等のため近似的なものでしかなく、これによって生じる誤差はローラ直径が小さい場合は実質的にプローブの放射角のみに該当し、ローラ直径が大きい場合は実質的にプローブの接線角のみに該当する。
【0012】
この接触誤差を除いてシャフト10に対するプローブ14の位置は実質的にシャフト軸20に対する周囲12上の角度によって確定する(シャフト軸20の方向に沿ったスライドは本発明の目的上無視することができる)。この角度は以下において“回転角φ”として示される。
【0013】
図1においてプローブ14は、基準方向18に対するローラ10の方位差ΔvおよびΔhが比較的小さい場合(実用上重要なケース)にロール角が実質的に回転角φに相当する(同じキャリブレーションにおいて)ようにローラ10に着合し、すなわちロール角はローラ軸20に略平行な軸18の周りのプローブ14の回転を示しており、他方放射角は実質的にローラ軸20に対して垂直であるとともに周囲面12に対して接線方向に延在する軸24の周りのプローブ14の回転を示し、また接線角は実質的にローラ軸20に対して垂直であるとともに周囲面12に対しても垂直に延在する軸24の周りのプローブ14の回転を示している。放射角および接線角はプローブの座標システム内において固定された軸の周りの回転として定義されているため、これらの両方の軸も回転角φ(すなわちプローブのロール角)で回転する。従って基準方向18に対するローラ10の整列誤差が存在する限り、放射角および接線角はプローブ14のロール角に従って変化する。
【0014】
本発明に係る方法は、異なった回転角φを有する各測定位置について、基準方向18に対するローラ10の垂直および水平方位差ΔvまたはΔhに関しての測定精度がそれぞれ異なったものとなると言う原理に基づいている。従って、原則的には例えば図1に示されている位置における唯1回の測定によって水平および垂直方位差ΔvおよびΔhの両方を判定することができるが、プローブ14が正確にローラ10の上方に位置しており、すなわち水平線22に対するロール角が正確に0°であると仮定すると、測定された垂直方位差Δvの放射角は水平方位差Δhの接線角に相当する。プローブ14の寸法に対してローラ直径が比較的大きい場合、表面の凹凸等のために接線角とローラの方位との間の相関性が比較的不良なものとなり、他方放射角はローラの方位と比較的良好に相関する。そのため図1に示された測定位置において接線角を介した水平方位差Δhの直接的な測定は比較的大きな測定誤差を伴っており、他方垂直方位差Δvは比較的正確に測定することができる。
【0015】
プローブ14が周囲方向において下方に例えば90°回転する場合(図2参照)、この位置において水平方位差Δhは放射角を介して極めて正確に測定することができ、他方で垂直方位差Δvは接線角を介して直接的には比較的不正確にしか測定できず、これはこの位置において測定された(前述したようにローラ方位と良好に相関する)放射角が水平方位差に相当する一方で、垂直方位差Δvには不良に相関する接線角が相当するためである。この方式によって、少なくとも接線角が比較的小さい限り原則的に接線角の判定を省略することができ、これは異なった回転角φにおいて測定された放射角が垂直方位差Δvならびに水平方位差Δhの両方の測定に適用され得るからである。
【0016】
しかしながら、ここで回転角差は必ず90°とする必要はない。それどころか、途中位置における測定を実施することもできる。特に図2に示されているように、測定位置は予め与えられた回転角の領域の範囲内において均等に配分することができる。この際測定プローブ14はそれぞれ手動で異なった測定位置に着合させるか、または最初の着合の後にローラ10の周囲方向に沿った手動のスライドによって個々の測定位置に移動させることができる。しかしながら、これに代えて測定の開始前にプローブ14をローラ周囲面12上に固定的に取り付け、その後ローラ10をその軸20の周りで回転させることによって異なった測定位置に移動させることもできる。
【0017】
各測定位置においてプローブ14によって少なくともロール角および放射角が検出され、ここでロール角は最も単純な場合回転角と等しくされ従って個々の測定位置についての回転角への放射角の依存性を判定することができる。このプローブ14の座標システムに関する測定値から、ローラ10の座標システムすなわち例えば工場ビルディングの座標システムへの適宜な座標変換によって所要のローラ10の垂直および水平方位差ΔvおよびΔhを判定することができる。最も単純な場合においてこのことは測定されたロール角を回転角とする二次元の回転マトリクスによって実施することができる。
【0018】
radi=cos(roll)Δv+sin(roll)Δh (1)
tang=−sin(roll)Δv+cos(roll)Δh (2)
ここで、
radiは放射角
tangは接線角
rollはロール角
【0019】
等式(1)は特定のΔvおよびΔhに対する放射角とロール角の関係を示している。従って、基本的に2つの異なったロール角(すなわち回転角)に対する2回の放射角測定から所要のΔvおよびΔhを判定することができる。2回の測定のみが実施された場合、両方の測定位置が90°離間している場合に最大の精度をもってΔvおよびΔhを判定することができる。基本的にΔvとΔhの精度は異なった測定位置の数に従って上昇する。この場合、ΔvおよびΔhを曲線近似または最小二乗法等の比較計算からなる最適化法を使用して判定することが好適である。接線角についての測定値は前述した理由から一般的に精度が低いため、通常ΔvとΔhの判定には使用されない。
【0020】
このケースの概略的な例が図3に示されており、これにおいて測定される放射角のロール角あるいは回転角φとの相関性がローラの特定の垂直および水平方位差ΔvおよびΔhについて極座標内に示されている。ここで、デカルト座標においてはx=cos(roll)・radi、そしてy=sin(roll)・radiとされる。比較的小さな方位差については、ΔvあるいはΔhを360°の回転角で連続的に測定した際に、これらの数値が略楕円状の幾何的位置を形成する。異なったロール角における実際の放射角の測定値は、測定誤差の枠内において特定のΔvおよび特定のΔhによって定義される曲線(ここでは楕円)上に分布する。従って、判定された測定値から、特に曲線近似または最小二乗法等の比較計算からなる最適化方法を使用することによって、360°のロール角または回転角にわたって連続的に測定した際の測定値が分布する幾何的位置を判定することができ、すなわち、この測定に最も良く適合する楕円形のパラメータを結果として得ることができる。ここで、このようにして得られた曲線パラメータから、この得られた曲線上に存在している方位差ΔvおよびΔhを決定することができる(図3においてはΔvおよびΔhが0°または90°における数値として得られている)。図4には図3に対して別の表示がなされており、これにおいては放射角×cos(φ)および放射角×sin(φ)がロール角に対してのデカルト座標系に示されている。
【0021】
等式(1)を、
radi=A・sin(roll+Δφ) (3)
ここで:tan(Δφ)=Δv/Δh
ならびに
【数1】
と変換することによって別の方式の判定がなされる。
【0022】
ここにおいても、ΑおよびΔφを決定するために原則的に放射角とロール角の2つの数値ペアを求めれば充分であり、これによっても所要のΔvおよびΔhを判定することができる。可能な限り大きなロール角あるいは回転角φ範囲にわたって複数の測定を実施して評価することによってΑおよびΔφを決定するための正確な結果を得ることができ、これは等式計算によって実施することが好適である。
【0023】
前述した単純なモデルは接線角が比較的小さい限りにおいて有効であり、すなわち、プローブ14をローラ周囲12に着合させた際に適宜に形成されたプローブ14の接触面を介してこの接線角が比較的正確にローラ方位により固定される限り有効である。しかしながら、このことにより、特にローラ直径が大きい場合等の事情によって、前述したように高コストあるいは取り扱い難いプローブ14の構造が必要となる。しかしながら、前述した測定方法は原則的にプローブ14をローラ10に着合させた後も接線角がある程度不明確なものであり従って比較的大きな値となり得る場合にも使用され得る。しかしながら、この場合測定ごとに放射角およびロール角に加えて接線角も検出する必要がある。各回に測定された接線角は、必要に応じて測定された放射角および測定されたロール角を測定された接線角に相関して修正された放射角ならびに修正されたロール角に適宜に変換するために使用され、これらの修正値を測定値に代えて前述した評価に使用することができる。これらの修正値は適宜な座標変換から求めることができる。
【0024】
その結果プローブ14によって測定される限り接線角はプローブ14をローラ周囲12上に着合させることによって決定する必要がないため、プローブ14の着合面は極端な場合単なる平面として形成することができ、従ってプローブ14とローラ周囲面12との間の接触領域は唯の直線を形成するものとなり、これは周囲面12上に存在するとともにローラ軸20に対して平行に方向付けられている。この場合プローブ14の方向性はローラ周囲12への着合によって1つの空間方向すなわちローラ軸20に沿った方向のみに固定される。この測定プローブ14の実施形態は図2に概略的に示されており、ここで点線はローラ10の周囲12上におけるプローブ14のローリングを示しており、これは変更された回転角φに通じるものである。
【0025】
ローラ軸20の周りにおけるプローブ14の傾倒すなわちローラ周囲12上におけるプローブ14のローリングは、実質的に別の回転角φを有する新しい測定位置への移行距離に相当し、他方、接触位置上におけるプローブ14の接触線に交差するとともにローラ軸20に対して垂直な軸周りでの回転すなわち接線角の変化は接線角を測定しまた修正されたロール角および修正された放射角の計算によってローラ10の方位に関しての放射角およびロール角の意義に対する接線角の影響を考慮することによって補償することができる。従って、この実施形態においては顕著に簡略化されたプローブ14の接触面を使用することができる。
【0026】
このプローブ14の実施形態は、プローブ14の座標系内における基準方向18および22に対するプローブ14の立体的位置の完全な認識(放射、接線、ならびにロール角の測定による)と、測定する部材の形状(例えばシリンダ面)の認識と、ならびにプローブ14が各測定位置においてこのシリンダ面12に着合するという知識から、接線角が“不明確”である場合においても適宜な座標系を使用してローラ10の垂直および水平方位差ΔvならびにΔhを判定することができるという概念に基づくものである。ここで測定データの評価は適宜に選択された座標システム内で実施することが重要であり、そうでない場合これは前述したように曲線近似または理論的に得られた曲線との比較計算を行うことによって実施することが好適である。従って、第1の実施形態とは異なり、必要に応じて測定された放射、接線、ならびにロール角を評価の前に前述した幾何学的境界条件に従って適宜に変換することが必要となる。
【0027】
ここまではプローブが評価に必要な放射角(必要に応じて接線角)の測定値を直接提供する場合について記述した。しかしながら、このことは市販の位置測定プローブにはしばしば該当しない。それどころか、標準的には位置測定プローブはしばしば放射角および接線角に対する実際の測定値ではなく、測定されたロール角を使用してプローブの座標システムから作業室座標システムへの測定結果の変換を既に実行して変換値を出力し、これは通常“ピッチ角”ならびに“偏揺れ角”と呼ばれるとともにこの場合ΔvおよびΔhに相当する(しかしながらロール角は変換されずこれまで引用してきたロール角と一致する)。このプローブによって提供されたピッチ角ならびに偏揺れ角は異なったロール角または回転角φにおける測定に対して測定誤差の枠内でのみ変化し、他方前述した放射角または接線角は式(1)または式(2)に従ってロール角あるいは回転角φに対して系統的に依存する。
【0028】
従って、前述した方式によって所要の方位差ΔvおよびΔhを判定するために、プローブによる不要な座標変換を消去する必要があり、これによって測定ごとにプローブで得られたピッチ角、偏揺れ角、およびロール角の数値について少なくとも対応する放射角(この接線角は通常さらに大幅に不正確であり従って殆ど必要とされない)を判定する。ここで:
radi=cos(roll)×ピッチ角+sin(roll)×偏揺れ角 (4)
tang=−sin(roll)×ピッチ角+cos(roll)×偏揺れ角 (5)
radiは放射角
tangは接線角
rollはロール角
が成立する。
【0029】
測定ごとに等式(4)を使用して計算された放射角は、等式(1)によって方位差ΔvおよびΔhを判定するために前述した方式によって評価することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
位置測定プローブが着合されたローラを概略的に示した透視図である。
【図2】
異なった測定位置に位置測定プローブが着合されたローラを概略的に示した断面図である。
【図3】
測定結果の例を極座標内において示した説明図である。
【図4】
測定結果の例を別の表示方式で示した説明図である。
Claims (18)
- シリンダ形状の部材(10)を基準方向(18)に対して整列する方法であり、この基準方向に照応する位置測定プローブ(14)を使用して部材の周囲面(12)上の第1の測定位置において第1の位置測定を実行し、この第1の測定位置から部材軸に関して回転角(φ)をもって周囲方向にずれた部材の周囲面上の少なくとも1つの第2の測定位置において第2の位置測定を実行し、得られた測定データから基準方向に対する部材の整列を算定する方法。
- 第1および第2の測定位置の間の回転角差は90°であることを特徴とする請求項1記載の方法。
- 予め設定された回転角(φ)の範囲にわたって均等に分布した複数の測定位置を有することを特徴とする請求項1または2記載の方法。
- 部材(10)の整列は特に曲線近似または比較演算等の最適化法を使用して測定データから判定することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の方法。
- 特に曲線近似または比較演算等の最適化法を使用して、測定データから360°の回転角(φ)にわたった連続的な測定に際して測定データが分布する幾何学的位置を求め、このようにして求めた幾何学的位置のパラメータから部材(10)の整列を判定することを特徴とする請求項4記載の方法。
- 位置測定プローブ(14)はこの位置測定プローブの座標システム内において実質的に互いに垂直に固定的に延在する3本の軸(24,26,18)の周りの回転を放射、接線、およびロール角として検出し、ここでロール角は実質的に部材軸(20)に略垂直な軸(18)の周りのプローブの回転を示し、放射角は実質的に部材軸に対して垂直であるとともに周囲面(12)に対して接線方向に延在している軸(24)の周りのプローブの回転を示し、接線角は実質的に部材軸および周囲面に対して垂直に延在する軸(26)の周りのプローブの回転を示すように位置測定プローブを測定位置において部材(10)に着合させ、放射角および接線角に対する軸の方位がロール角で回転することを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の方法。
- 位置測定プローブは各測定に際して測定された放射、接線、およびロール角から基準方向の座標システムへの座標変換によって垂直方向および水平方向のプローブの傾倒に相当するピッチ角ならびに偏揺れ角を算出して放射角および接線角の測定結果の代わりにこれらを出力し、少なくとも放射角を逆変換によって導出することを特徴とする請求項6記載の方法。
- 各測定位置において放射角が測定されこのようにして判定された放射角の回転角(φ)に対しての相関性から部材(10)の整列を判定することを特徴とする請求項6または7記載の方法。
- 各測定位置において該当する回転角(φ)を位置測定プローブ(14)によって検出されたロール角として取り入れることを特徴とする請求項8記載の方法。
- 各測定位置においてロール角、放射角、および接線角を測定し、これによって修正された放射角と回転角(φ)に相当する修正されたロール角とを算出し、これらを測定値に代えて部材(10)の整列の算定に使用することを特徴とする請求項6または7記載の方法。
- 測定された放射角から修正された放射角を算出するとともに測定されたロール角から修正されたロール角を算出するために接線角を使用することを特徴とする請求項10記載の方法。
- 個々の測定位置について位置測定プローブ(14)に部材(10)の周囲面(12)に対しての有意な大きさの回転または傾倒が生じないことを特徴とする請求項8または9記載の方法。
- 位置測定プローブ(14)は測定の前に部材(10)上に固定的に取り付けられ、部材軸(20)の周りの部材の回転によって各測定位置に移動させられることを特徴とする請求項12記載の方法。
- 位置測定プローブ(14)は手操作の取り付け、特に部材(10)の周囲方向のスライドによって個々の測定位置に移動させられることを特徴とする請求項12記載の方法。
- 位置測定プローブの取り付け側面はこの位置測定プローブが部材(10)の周囲(12)上に取り付けられた後部材の縦方向および周囲方向にのみスライド可能でありそれ以外は部材に対する方位が固定されるように形成されることを特徴とする請求項14記載の方法。
- 位置測定プローブ(14)の取り付け側面は互いに平行であるとともに離間して配置された2つの取り付け側面(16)を備えることを特徴とする請求項15記載の方法。
- 位置測定プローブ(14)の取り付け側面は実質的に平らな面として形成されることを特徴とする請求項10または11記載の方法。
- 位置測定プローブ(14)は少なくとも1つの光ジャイロを備えることを特徴とする請求項1ないし17のいずれかに記載の方法。
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