确定通过两个万向节及带有转动接头的第三轴连接的两个轴的方位的装置和方法

摘要

一种用于测量并或许修正通过两个万向节及一个第三轴相互连接的两个轴的角度偏差的装置规定了，光电对中仪的测量头通过在其中一个夹具上的至少一个转动接头有调节能力地可调节安置在这些轴上。相关的方法包括在至少两个测量位置上通过调节该转动接头来调整在该轴上的光电对中仪测量头的方位。

说明书

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装置和改进简化的方法，这两个轴因为其平行偏差而通过两个万向节及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在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，其中的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)回转位置上进行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的测量。 

德国专利DE3335336和对应的美国专利US4,518,855描述一种对中仪，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，在轴良好对中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也是原则上可行的。 

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，使用特殊的调整装置，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且执行大量步骤，这使得确定角偏差复杂且易出错。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来制造的，因此，角度偏差测量因有游隙而变得非常不准确。该文献的现有技术牵涉到转动接头，它必须沿着支座安装就位。该支座安装在两个轴中一个轴上，转动接头和在其上的传感器设置在转动接头轴线在此与待对中的另一轴的轴线重合的位置上。转动接头轴线的位置必须适应于需要被对中的两个轴之间的径向间距。 

US4,708,485描述一种用于对中仪测量头的转动支座。转动支座安装在一个机器部件的壳体上，该机器部件的轴要与另一个机器部件的轴对准。转动支座的轴线与机器壳体同轴安置。因为该机器壳体不一定与该壳体内的轴同轴设置，所以，必须用其它传感器来监视轴位置。 

发明内容

因此，本发明的主要目的是提出一种装置，它允许省掉连接用第三轴的拆卸，而只需要对传统的光电对中仪略做改动。 

另一个目的是提出一种用于利用光学对中仪来确定通过两个万向节及一个第三轴相连接的两个轴的角度偏差的方法，该光学对中仪容许角度偏差的确定具有高精度，此时两个轴的任何角位都是可行的。 

这些目的通过一种用于光电对中仪的测量头的支座来实现，该支座由保持机构和将该支座安装至轴的夹具构成。该保持机构被用来容纳如现有技术所述的光电对中仪的多个测量头。该支座具有转动接头，其固定安置在夹具上并且其转动轴线平行于该轴的轴线延伸。用于测量头的保持机构位于该转动接头的回转部分上。 

这些目的还通过一种利用包括上述支座的光电对中仪测量角度偏差的测量方法来实现，该方法具有以下步骤： 

a)将两个测量头安装在根据本发明的至少一个支座上并且或许是安装在两个轴上的传统支座上，作为相对于相关轴的轴线的转动位置确定该测量头的方位，通过使所述至少一个支座沿保持机构移动且使转动接头转动来定位这两个测量头，从而使这道或这些光束照中这个或这些探测器， 

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

c)使这些轴转动或使对中仪部件绕该轴转动至第二测量位置，再校准该转动接头并在该保持机构上径向移动该对中仪的测量头， 

d)测量这道或这些光束在这个或这些探测器上的光照点，测量该转动接头的回转位置，并且由这些测量结果计算在第二测量位置上的角度偏差， 

e)重复步骤c)和步骤d)，以便在第三测量位置和或许有的其它测量位置上测量，如果需要的话， 

f)从步骤b)、d)和e)的结果确定两个轴线之间的角度，如果执行此步骤的话，并且或许通过改变活动机器或活动机器部件的位置来修正角度对中。 

从以下结合附图对发明的描述中得到其它的细节、方案和优点。 

附图说明

图1a是包括两个轴和连接轴及两个万向节的装置的透视图，以及利用光学对中仪的校准方法的示意图。 

图1b示出处于第二位置的图1a的装置。 

图2是垂直于两个机器部件的轴线竖向看时的几何条件的平面图。 

图3是垂直于两个机器部件的轴线横向看时的几何条件的侧视图。 

图4a和4b是处于两个不同位置的该装置的端视图。 

具体实施方式

图1-图4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并具有在第二底座33上的轴35的第二机器或第二机器部件31。这两个机器30、31的轴34、35就其轴线方位来说基本上是平行的，但在两个空间方向之一上，这两个轴沿垂直于两个轴34、35的纵向轴线的一个方向上彼此相对错移。因此，在每个轴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，为实现由与两个万向节36、37相连接的三个轴34、35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上的角度是相同的。有时，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，第三前提条件是上述前两个条件的必然结果。 

为了更好理解，在此描述这样的装置，也称为支座。支座将如现有技术所述的光电对中仪的测量头40、41与要彼此相对对准的轴34、35连接起来。该支座通常包括夹具47、48，该夹具保证测量头与轴34、35的刚性固定连接。这些夹具包括安放在柱形轴的周面上的主体。该主体通常是具有棱柱形槽的块体。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。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。该锁定通过一般用夹紧螺钉或拧紧螺钉来固定的围绕轴的弹簧片或夹子来实现。呈杆或管45、46形式的保持机构平行于一个方向安装，该方向沿轴34、35的径向在夹具块体上延伸。于是，测量头40、41的壳体具有对应的孔，这些杆在所述孔中延伸。这些测量头40、41则用夹具如紧固螺钉或快速锁合机构固定在这些杆或管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，用于测量头的支座包括用于固定至轴的夹具和用于测量头的保持机构例如德国专利DE3335336和对应的美国专利US4,518,855中的杆、管或板。夹具的主体或块体此时用于轴和保持机构即杆、管45、46或德国专利DE3335336和对应的美国专利US4,518,855的板之间的稳定连接，该夹具的主体或块体例如用链条夹紧在所述轴上。 

图1a和图1b是包括具有布置成有平行偏差的轴34、35的两个机器部件30、31、两个万向节36、37、连接两个万向节的第三轴38、夹具47、48、杆45、46、带有天线60、61的测量头40、41和两个测量头之一发出的光束43的透视图。测量头的电子装置通过天线60、61与计算机63无线通讯，该计算机也具有天线62。在图1a中，夹具、支座和测量头大致定位在由这两个轴形成的平面内。在图1b中，这两个支座如图所示处于竖直向上的位置中。在就两个轴而言被改变的这些位置上的光电对中仪的相应部件的附图标记带有撇号。在此不难发现，转动接头101'必须被调整成使因测量头的方位而平行于相应的轴延伸的光束43'照中另一个测量头。 

图2包含图1a和图1b的装置的平面图，此时测量头如图所示处于图1a的两个位置40、41，处于图1b的两个位置40’、41’。用撇号表示的位置例如40’、41’是竖直取向的。 

图3是侧视图，此时测量头大致布置在包含两个轴34、35的平面内。 

图4a和图4b包含沿两个轴看时的装置的示意图。在这里，图4a只示出处于两个位置40、40’上的安装至机器部件30的轴34上的光电测量仪部分，而图4b示出处于两个位置41、41’上的安装至机器部件31的轴35上的光电测量仪部分。 

当测量只通过一个联轴器相连的两个轴时，即在测量基本同轴的轴时，可以简单地使两个相互连接而共同转动的轴接近多个可选角位。一旦这两个测量头相互对准，则光束即便在其它角位上也将照中传感器。只需要对非常严重的未对中进行修正。 

不过，如果要测量通过两个万向节36、37及一个第三轴38相互连接的两个轴34、35的角度偏差，则如图所示，当测量头随着相互连接的轴转动时或和/者当测量头绕轴转动时，光束一般远离地错过探测器。这是这两个轴具有平行偏差的结果，这种结果只出现在这两个测量头定位在由三个轴形成的平面中的情况下，即在该平面内错开180°的两个测量位置上。 

因为一些几何条件，无法总可以接近这两个测量位置，因为例如被其它机器部件阻止到达这些位置。为了能够在任何测量位置上实现测量，根据本发明，用于测量头的两个支座中的至少一个支座配备有转动接头101。转动接头101有意义地安装在其中一个所述夹具的主体上以便离该轴尽量近地安 放在轴上，即安装在离轴表面的固定距离处。它如此布置，使该接头的转动轴线平行于该轴的轴线延伸。因此，对中仪的这道或这些光束43可以照中这个或这些探测器，即便保持机构45、46上的这两个测量头40、41未设在由三个轴34、35和38形成的平面内。对于只容许与之相连的测量头40或41径向调节的保持机构，只可以将测量头安装在这三个轴的平面内。相反，保持机构45的转动调节有利地实现了由两个测量头之一发出的光束43被另一测量头接收到，即便这三个轴34、35和38的共同转动或夹具的运动如此进行，即，对于直线延伸的保持机构，这些测量头不再位于这三个轴的平面内。 

因此，一方面，附图示出测量头在此位于三个轴的平面内的测量位置。在此所用的保持机构的杆沿轴的径向延伸。另外，支座如图所示处于第二测量位置，在第二测量位置上需要将转动接头的姿态改变为远离径向，从而光束能照中相关的探测器。在第二测量位置上，对中仪部件的附图标记加撇号表示。 

于是，可在多个测量位置上记录下光束的光照点，并且每次除了移动该测量头外，还可改变转动接头的位置。在这里，测量头相对于装有测量头的轴的轴线的角方位可例如利用倾斜仪记录下来，倾斜仪安装在该测量头之内或之上。或者，也可以记录以下信息：1.测量头的角方位，2.与轴相连的主体和轴本身的角方位，3.与这些轴相连的主体的角方位和转动接头的位置，或者4.这些轴本身的角方位和转动接头的位置。 

因而，按照如以上简述和如现在将详述的步骤来执行利用根据本发明的装置的测量方法。 

a)将两个测量头安装在根据本发明的至少一个装置上，并且或许安装在两个轴上的传统装置上，作为相对于相关轴的轴线的转动位置确定测量头的方位，并通过沿保持机构移动且校准该转动接头方向来定位这两个测量头，从而使这道或这些光束照中这个或这些探测器。 

带有对中仪测量头40的夹具被安置在轴36上。测量头40朝向第二机器或第二机器部件31发出光束43。原则上可任意选择第一测量位置，并且可以考虑由其它机器部件带来的限制条件。 

为了确定作为相对于相关轴或带有夹具的支座的轴线的转动位置的测量头方位，可采用设于测量头之上或之内的倾斜仪。也可使用指南针尤其是陀螺指南针或陀螺仪。在这些轴未水平延伸时使用陀螺仪是很有利的。在转动接头101上的、在保持机构上的测量头的位移方向沿直线和轴的径向所经过的零点位置有利地由使用者通过转动接头上的标记或锁止位置来发现。这种容易识别的零点位置容许本发明的装置也被用在未以平行偏差来布置的轴上，而无需通过接近该零点位置做进一步改动。不过，原则上也可以在夹具或牢固连接至夹具的转动接头部分上使用附加的倾斜仪或指南针或陀螺仪。 

为了能以电子方式确定根据本发明的支座的方位，可以在支座本身上设有倾斜仪或陀螺仪。或者，在根据本发明的转动装置中，可利用在测量头中的倾斜仪，并且可以例如利用电子角度传感器附加探测转动接头101的转动位置。利用传统的支座，在测量头内的倾斜仪也有助于确定两个支座的相对方位。将支座和测量头的方位以及转动接头的位置传输给计算机63是有意义的，该计算机被用于对中校准和在显示器上显示这些信息。在这里，也可以显示这两个支座的方位是否在所创建的误差范围内。该角度值可从支座或测量头通过连线或以无线方式被传输给该计算机，并且为了表示该无线传输，图1a和图1b示出了在测量头40、41上的天线60、61和在计算机63上的天线62。 

当测量头沿保持机构移动的方向不是在这三个轴的平面内延伸时，现在可以不仅调节测量头的径向位置，而且可以调节该转动接头至这样的程度，即，由其中一个测量头发出的光束可被另一个测量头记录下来。 

对测量来说，不一定需要支座和杆相对于其相应的轴定向在相同的方位上，只须确定测量头相对于相应轴的转动轴线的方位。一方面，这可以在本身设有倾斜仪的测量头内进行，但也通过在支座内的倾斜仪与用于可能有的转动接头的转动位置的角度传感器的组合或者通过用于转动接头的位置和轴的位置的角度传感器的组合来进行。将测量头坐标转换到机器坐标系中就需要掌握该方位。 

b)在第一测量位置上测量这道或这些光束的照中位置。 

如果由一个测量头发出的光束能被另一个测量头记录到，则测量这道或这些光束在这个或这些探测器上的光照点的位置。也可以再次记录下测量头关于相应轴的方位。这些值被校准确定用的计算机获取，如在a)项所述。 

c)接近第二测量位置。 

为此目的，使这三个轴共同转动一段距离，或者使两个夹具分别绕轴被推移一定角度。在此须注意这两个测量位置尽量彼此远离。两个测量位置相互间距越大，这两个轴之间角度的确定变得越精确。如果这两个轴被转动这样的程度，即这些支座从“12点钟”位置被转动到“2点钟”位置或“10点钟”位置即转动60°，则角度偏差确定精度高。当转动至“1点钟”或“11点钟”位置即转动30°，则看来可以有足够高的精度。但是，当仅使这些轴转动一“分”或两“分”即6°或12°时，通常无法获得所需要的角度偏差确定精度。 

d)在第二测量位置测量这道或这些光束的照中位置。 

随后，这两个测量头40、41处于这样的位置，在该位置上，不仅需要测量头40、41沿该轴34、35的径向位移，从而这道或这些光束再次照中这个或这些探测器。另外，需要调节转动接头101，这使得由一个测量头发出的光束可以被另一测量头记录下。现在，可以关于相应的轴记录下测量头的方位并将其传输给校准用计算机，如a)项所述的那样。在这个/这些测量头径向移动且转动接头调节之后，也可在此确定这道或这些光束在这个或这些探测器上的光照点的位置。 

e)或许，重复步骤c)和d)以便在第三测量位置和可能有的其它测量位置测量。如果三个或更多的测量点被用来确定角度偏差，则测量精度可通过对若干测量值得出的平均值进一步提高。即便执行一次或多次步骤e)，当若干测量位置尽量相互远离时或者当若干测量位置分散于关于该轴的轴线尽量大的角度范围内时，精度仍然非常高。 

f)计算轴34、35之间的角度偏差，并且或许加以修正。在前面提到的现有技术中描述了当这些测量头安装在相互连接的轴的多个不同转动位置上时如何可以确定角度偏差。为了确定在这三个轴34、35和38的平面内的角度偏差，采用了这道或这些光束的这个或这些光照点的、在一个垂直于光束传播方向的方向上和一个沿相应轴的径向的方向上的坐标。为了确定在垂直于 这三个轴34、35和38的平面的方向上的角度偏差，采用了这道或这些光束的这个或这些光照点的、在一个垂直于光束传播方向且垂直于沿相应轴的径向的方向上的坐标。在第一步骤中，光照点坐标结合关于相应轴同样确定的测量头角方位被转换至用于相应轴的机器坐标系中；这一般通过使坐标系简单地转动相应角度来进行。因而，确定在机器系统中的两个测量位置之间的坐标差。随后，在考虑这些测量位置之间的转动角度和测量头之间的距离的情况下，从这些差值中计算出这两个轴34、35之间的角度偏差。可以利用带尺确定测量头之间的距离。 

从测量头坐标系转换至机器部件坐标系是结合对于各自轴的测量头转动位置或者这些轴的转动位置和通过倾斜仪、指南针或陀螺仪确定的转动接头方位来进行的。现在，利用如此获得的角度偏差，可以通过位移和加垫片来或许修正要移动的机器的位置，从而使这两个轴34、35被平行对中。在这里，“或许修正”是指当两维测量的角度偏差超出预定误差时的修正。在或许所需要的修正中，须考虑测量头和活动机器的底座之间的距离以便计算所需要的运动(例如下面加入所谓的垫片或除去垫片或横向位移)。这可以基于简单几何条件来实现。相应机器底座所需要的修正值的计算在这个/这些测量头本身、配属于测量仪的计算机或者接收在测量头内的探测器的测量值的其它计算机中进行。可定位在测量头本身内的计算机通常通过连线接收探测器的测量值。尤其是，对于未位于测量头内的计算机，来自测量头内的探测电子装置的测量值的传输能以无线方式进行。如果这些测量头保持在最后的测量位置上，在对机器底座的修正作用可直接在计算机的显示器上看到。这意味着在探测器上的光照点的测量值被连续电子探测。紧接在探测之后或在继续探测过程中，随后计算角度偏差。接着，利用角度偏差的结果，计算出机器底座运动的新定位点并显示在计算机显示器上。于是，可以直接在显示器上密切关注例如像安放垫片或横向位移这样的措施的效果。 

因此，几个简单的步骤就足以高度精确地确定角度偏差。角度偏差的确定原则上可以用从上述现有技术中指出的每个对中仪来进行。在此只须注意如此制造测量仪，将测量头连接至轴的保持机构被制造成允许测量头位置在该轴的径向上变化，并且本发明的转动接头定位在支座上。 

在以上说明中描述了本发明方法，此时安装的第三轴将待对中校准的两个轴连接在一起。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，当执行所有的方法步骤时，这两个轴的相对角位对应于工作状态的相对角位。