用于确定两个联接轴的相对位置的装置和方法

摘要

本发明涉及一种用于确定第一轴（10）和借助联接器（14）与第一轴连接的第二轴（12）的相对位置的装置，具有用于放置在第一轴的外表面上的第一测量单元，用于放置在第二轴的外表面上的第二测量单元，其中所述两个测量单元至少之一具有用于产生至少一条光束（22）的部件（20）并且所述两个测量单元至少之一具有检测部件（24，25，26），以获取所述光束在至少一个检测表面（24，25，26）上的照射位置，其中所述两个测量单元至少之一配置有至少一个用于获取所述轴的旋转角的传感器（28），其中在多个测量位置上由所述传感器数据确定所述轴的各自旋转角位置、角速度和角加速度，其中针对每个单个的测量位置借助预定的标准进行附属数据的质量评价，并且其中如果数据的质量评价小于阈值，则在确定轴偏离时从考虑中排除该测量位置的数据或赋予其较低的权重。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于确定第一轴和借助联接器与第一轴连接的第二 轴的相对位置的装置和方法，其中在第一轴的外表面上设置第一测量单 元，在第二轴的外表面上设置第二测量单元。在此所述两个测量单元至少 之一具有用于产生至少一条光束的部件，并且所述两个测量单元至少之一 具有检测部件，以获取涉及所述光束在至少一个检测表面上的照射位置的 数据。此外所述两个测量单元至少之一配置有至少一个用于获取所述轴的 旋转角的传感器。借助分析单元可以由在多个测量位置，即多个旋转角位 置上确定的光束的照射位置确定所述两个轴的平行偏离以及水平及垂直 的角偏离，其中这典型地通过曲线匹配得以实现。

背景技术

关于这种轴对准测量装置的概要例如可以在US6,434,849B1中找到， 其中也描述了一种借助针对椭圆进行的曲线匹配的数据分析。

在DE3320163A1和DE3911307A1中描述了轴对准测量装置，其 中第一测量单元发出一条光束，该光束由第二测量单元的镜像棱镜反射回 第一测量单元的双轴光检测器。

由DE3814466A1公开了一种轴对准测量装置，其中第一测量单元 发出一条光束，该光束照射到第二测量单元的两个在轴向方向上依次光学 设置的双轴光检测器上。

在DE3335336A1中描述了一种轴对准测量装置，其中第一测量单 元和第二测量单元都各自发出一条光束并且具有双轴光检测器，其中所述 光束各自朝向另一测量单元的检测器定向。US6,873,931B1中也描述了一 种按照该原则工作的轴对准测量装置，其中两个测量单元各自配置有两个 用于自动获取轴的旋转角的双轴加速度传感器。

在EP2093537A1中描述了一种测量装置，其中第一测量单元发出一 条扇形光束，该光束照射到第二测量单元的两个在侧端隔离相互平行设置 的光学条纹检测器，其中所述检测器的纵向设置为垂直于所述光束的扇 面，其中不仅描述了轴相互对准的确定而且描述了联接器间隙的确定。

由WO2010/042039A1公开了一种轴对准测量装置，其中两个测量单 元的每一个都配置有设置在外壳中的摄像机，其中面向另一单元的外壳侧 配置有光学标本，该光学标本由相对设置的摄像机成像。配置有所述标本 的外壳侧在此各自配置有一个开口，通过该开口成像相对设置的标本。在 一种可选实施方式中，所述两个单元之一设置有摄像机，而不是设置有标 本，同时另一单元没有摄像机，但是配置有一个三维标本。

在EP1211480A2中描述了一种轴对准测量装置，其中第一测量单元 配置有一个光源，该光源将一条光束朝向配置有调焦屏的第二测量单元定 向；所述调焦屏背向第一测量单元的一侧借助同样构成第二测量单元一部 分的图像检测器上的相应光学装置被成像。

在US6,981,333B2中描述了如何在对轴进行对准测量时借助陀螺仪 传感器在测量期间确定出现的振动，以尽可能避免由于这种振动而导致对 准测量出错。

在US5,980,094中描述了一种轴对准测量方法，其中像DE3335336 A1中一样两个测量单元将一束光线朝向各自另一测量单元的双轴光检测 器定向，其中为了分析用于这两个检测器的每一个的数据，将所述光束的 照射点的径向分量分配为旋转角的函数，并且针对测量数据各自匹配一条 正弦曲线。在此为所确定和分析的数据组基于所述测量点的数量和所述测 量点的角分配确定一个信任因子。此外在此还建议，由所确定的数据组手 动或自动移除可疑的数据点，其中然后基于这样减少的数据组实施新的曲 线匹配并且检查信任因子是否由于数据组的减少而得以提高。但是其没有 提到是否可以识别可疑的数据点，除非通过移除该可疑的数据点提高所述 信任因子。在US5,263,261中描述了一种类似的轴对准方法。

发明内容

本发明的任务在于提供一种轴对准测量装置和轴对准测量方法，由此 可以实现特别简单并可信的测量。

根据本发明，该任务通过根据权利要求1的装置以及根据权利要求28 的方法得以实现。

在根据本发明的解决方案中，具有优点的是针对每个单独的测量位置 借助角速度和角加速度，所述照射位置的切向分量基于与之前的测量位置 的时间距离而与之前的测量位置的照射位置的切向分量之间的差和所述 照射位置与匹配所述确定的照射位置的至少一部分的曲线之间的偏差度 进行附属的数据的质量评价，并且如果数据的质量评价小于阈值，则在确 定轴偏离时从考虑中排除该测量位置的数据，可信的测量数据可以以简单 的方式被确定并且在需要时可以被去除，以提高所确定的轴偏离的可信 度。

本发明的优选实施方式由从属权利要求得出。

附图说明

下面借助附图详细阐述本发明的示例，其中：

图1是根据第一示例的根据本发明的轴对准装置的图示侧视外观图；

图2是具有两个光检测器的测量单元的一个示例的透视示意外观图， 所述光检测器可以在根据图1的装置中使用；

图3A和3B是两条轴平行偏离或垂直轴偏离时根据图1的装置中的光 束的照射位置的图示示意图；

图4是进行相对可信的测量时在该测量期间完全旋转轴时图1的装置 的光束的照射位置的示意图；

图5是如图4的外观图，其中示出信任度较低的测量；

图6是如图4的外观图，其中进行仅关于轴的完全旋转的一部分的测 量；

图7是在根据图4至6进行测量时确定的曲线时分析的示意图；

图8A和8B是图4至7方式的测量点的实例，其中示出具有匹配的曲 线的测量点（图8A）；图8B中示出图8A中匹配的曲线的每个测量点的百 分比偏差作为旋转角的函数；

图9A和9B是如图8A即8B的外观图，其中示出另一示例；

图10是如图1的外观图，其中示意示出一种可选的测量方法；和

图11是如图1的外观图，其中示意示出另一可选的测量方法。

具体实施方式

图1中示意示出一种装置，借助该装置可以确定第一轴10相对于第 二轴12的对准，其中第二轴借助联接器14与第一轴连接。这两条轴10， 12设置为相互对准。该装置包括可以在第一轴10的外表面上固定放置的 第一测量单元16，和可以在第二轴12的外表面上固定放置的第二测量单 元18。第一测量单元16具有用于产生一条或多条光束22的激光光源20， 所述光束被定向为指向第二测量单元18。第二测量单元18具有两个在轴 向上光学相互偏离设置的检测表面24和26，所述检测表面典型地各自由 一个双轴光检测器构成。为了确定所述两条轴10和12相对于彼此的偏离， 所述轴环绕其轴线共同旋转（其中一般仅驱动所述两条轴之一）；在此在 各自对应于一个确定的旋转角位置的多个测量位置上获取所述光束22在 所述两个检测器表面24和26上的照射位置。在示出的示例中，径向分量 以Y或Y′表示，并且切向分量以X或X′表示。

此外，该第二测量单元18还具有至少一个传感器28，该传感器28适 于获取第二测量单元18的旋转角并且由此获取所述轴10和12的旋转角 以及角速度和角加速度。在此优选为至少一个双轴加速计或者是至少一个 陀螺仪，其中在两种情况下所述传感器优选构成为MEMS组件。例如在 US6,873,931B1中描述了借助两个双轴加速计传感器进行精确的旋转角 确定。此外，第二测量单元18还具有被提供以传感器28的数据和光学传 感器24和26的数据的分析单元30，以确定该待分析的、最终的轴偏离。

在图2中示出一个示例用以示出如何借助该示例实现依次设置的光检 测表面，其中该原理具体在DE3814466A1中得到描述。在此第二测量 单元18配置有镜头32，分束器34以及镜面36，其中光束22入射穿过所 述镜头32并且到达分束器34，其中所述光束22的一部分被作为光束22′ 射出并且照射到第一检测器24上，同时所述光束22的一部分22′′由所述 分束器34照射到镜面36上并且由此反射到第二检测器26上。在示出的 示例中在此所述两个检测器表面24和26在空间上不是轴向偏离而是径向 （或切向）偏离，同时第二检测器表面26光学地（或虚拟地）由于所述 分束器34和镜面36的影响而轴向偏离地设置在检测器表面24后面（就 是说，分光束22′，22′′的照射点为仿佛所述两个检测器表面24和26轴向 依次设置一样）。

为了确定所述光束22在第一检测器表面24或第二检测器表面26上 的照射位置，如果光斑延伸越过多个检测器像素，例如可以进行重心计算。 这样确定所述照射位置的方式可以已经在检测器本身中实现或者在分析 单元30中实现。

在图3A和3B中示意示出所述轴10和12相互关于第一检测器24和 第二检测器26上的照射位置的垂直平行偏离或垂直角偏离的影响，其中 分别示出所述照射位置在轴10、12旋转期间的偏移。

图4中示出的是通常情况下轴旋转期间，即或者存在平行偏离或者存 在垂直和水平角偏离时照射位置的偏移。在此在所述两个检测器表面上各 自得到一个圆。为了确定所述轴偏离，通常这样分配关于照射位置的数据， 即使得照射位置在邻近所述光源的检测器表面24上的径向分量（例如以 Y1表示）被分配为一个方向，同时照射位置在第一传感器表面24和第二 传感器表面26上的径向分量的差（例如以“Y1-Y2”表示）被分配为另一 个方向。在通常和理想状况下，这样分配的测量点位于一个椭圆上，该椭 圆以轴旋转角为参数。在图4示出的示例中所述椭圆的顶点在此对应于轴 旋转运行中测量单元的零点，六点，三点或九点位置（但是在通常状况下 这些位置并不是与所述椭圆的顶点一致）。所寻求的椭圆的参数通常借助 于与测量点的曲线匹配得以确定。由这样确定的椭圆的形式然后可以确定 所述轴的平行偏离，垂直的角偏离和水平的角偏离，如其在图7中所示一 样。在这种关联中例如可以参考DE3911307A1。

但是在实践中所述测量点并不会精确地位于椭圆曲线上，因为不同的 测量误差可能导致相应的偏差。在这种关联中所出现的问题的原因例如在 于联接器14基本总是或多或少地存在间隙，这导致两个轴10，12在旋转 时不是刚性联接，从而例如当轴10被驱动时，轴12在开始旋转运动时完 全没有旋转或者旋转得比所述轴10慢。然后这将导致测量单元16，18在 切向方向上彼此相对发生位移，这也影响了光束22在检测器表面24，26 上的照射位置的径向分量。剧烈的角加速度例如也可以由于测量单元16， 18的弹性和惯性而导致轴和附属的测量单元之间发生切向位移以及导致 这两条轴之间的相对旋转。相应的测量单元和所述轴之间的非最佳，即非 完全刚性的连接也会导致照射位置的偏差。

在图5中示出的是非理想测量的示例，其中单独的测量点部分显著地 偏离于与测量位置匹配的椭圆。

一般而言，所述测量点的标准偏差与所匹配的椭圆之间的标准偏差越 大，则曲线匹配的结果和由此确定的轴偏离越不可信。

可以提高所述曲线匹配的可信度，其方法在于根据预定的标准对单独 的测量点进行质量评价并且在进行分析，即进行所述曲线匹配时完全不考 虑具有较差质量评价的测量点或仅给与其较小的权重。在对单独的测量点 进行质量评价时（所述测量点各自对应于特定的测量位置），可以采用下 列标准：角速度和角加速度，所述一个或多个照射位置的切向分量基于与 之前的测量位置的时间距离而与之前的一个或多个测量位置的照射位置 的切向分量之间的差；所述照射位置或测量点与匹配所确定的照射位置的 至少一部分的曲线之间的偏差度、测量期间的振动强度、角加速度的变化， 测量位置与旋转运动的参考时刻之间的时间距离，其中参考时刻例如可以 是旋转运动的开始；为了获取振动强度，优选相应构成设置用于获取旋转 角的传感器28；尤其是在此特别适用加速计传感器。测量点的振动强度越 大，则其评价越差。

此外，越接近旋转运动的开始，则测量点的评价越差，因为在运行所 述轴10，12时，所述联接器间隙例如起了很大的作用，并且由此会相应 地损害测量结果。

角加速度或角加速度的变化越大，则测量点评价越差，因为在较大的 角加速度或该加速度剧烈变化的情况下由于惯性影响而存在测量值出现 误差的危险。

较高的角速度也会导致测量位置的较差评价。

优选所述照射位置的切向分量基于与之前的测量位置的时间距离而 与之前的测量位置的照射位置的切向分量之间的差越大，则测量点评价越 差，因为其暗示了所述两条轴在测量时刻不同的角速度，这随后会严重损 害测量结果。

虽然这一般而言会提高轴偏离确定的可信度，但是基本上不需要所述 测量位置遍历所述轴10，12的完全旋转。取而代之的是，其也足以仅通 过所述轴10，12的部分旋转进行测量，因为可以借助曲线匹配即所谓通 过剩余的旋转角度范围外推。其示例在图6中示出，其中旋转角度范围仅 为100°。

在此也可以在遍历特定数量的测量位置之后，即遍历特定的角范围之 后借助单个的测量位置实施迄今遍历过的测量位置的数据的整体质量评 价。在此也可以基于迄今遍历过的测量位置进行曲线匹配，并且可以输出 所确定的整体质量的报告。

例如可以通过单个质量评价的适当方式实现整体质量评价。在此也可 以确定所述测量的整体质量的阈值，其中然后根据确定的整体质量是否已 经超过所述阈值或未超过，输出如下消息，即该测量已经可以结束或者该 测量还必须继续进行，以获得足够的质量。因此当例如在测量超过90°时 （例如由于联接器间隙较大和/或忽然发生的旋转运动）仅存在相对较差的 测量位置时，分析单元30决定该测量是否必须继续进行。与此相反，如 果已经存在非常好的测量点，则可以结束该测量。

除了单独的测量位置的质量评价之外还可以在评价整体质量时也采 用横跨旋转角的测量位置的分布和测量位置的数量。在此横跨旋转角的均 匀分布以及大量的测量位置会导致较高的质量评价。

所匹配的曲线的单独的测量点的平均偏差，即所述匹配的标准偏离可 以在确定整体质量时予以考虑。

在图8A和8B中示出用于具有故障测量点的测量值分析的另一示例， 其中在遍历的椭圆中为了进行曲线匹配而仅考虑测量值，其与匹配所有测 量点的椭圆的偏差最大为5%（黑色圆圈），同时在进行匹配时不考虑具有 较大偏差的测量值（空白圆圈）（其在匹配所有测量点时得到的椭圆在图 8A中以虚线示出）。

图9A和9B中示出了类似的示例。

如上所述，用于所述旋转角的传感器28可以是一个至少双轴的加速 计传感器。但是为了提高角获取的精度，也可以设置两个这样的加速计传 感器。

在迄今描述的实施例中仅为第二测量单元配置用于旋转角确定的传 感器的同时，也可以根据可选的实施方式为两个测量单元都配置至少一个 旋转角传感器（在图1中第一测量单元16的这样一个附加旋转角传感器 表示为38）。在这种情况下，必须在第一和第二测量单元16，18之间设置 数据连接，由此分析单元30可以考虑所有现有旋转角传感器的数据。然 后在此确定借助第一测量单元16确定的旋转角位置和利用第二测量单元 18的数据确定的旋转角位置之间的差，以由此确定联接器间隙并且在进行 单独的测量位置的质量评价时和/或进行整体质量评价时考虑该联接器间 隙。

如上所述，光束22的照射位置的确定各自借助一个双轴光检测器实 现。但是可选的是基本也可以将所述检测表面，即所述光束照射其上的表 面，构成为散射表面或调焦屏，其中所述检测表面则由摄像机构成，所述 摄像机在散射表面的情况下定向到所述散射表面的朝向光束的入射方向 的一侧并且在调焦屏的情况下定向到所述调焦屏的背向光束的入射方向 的一侧。随后借助图像处理确定所述照射位置。

基本上所建议类型的借助单独的测量位置的质量评价进行的测量数 据预处理也可以用于其它光学轴对准测量方法。

因此例如在图10中示出一种用于一种方法的示例，在该方法中第一 测量单元18既具有光源20也具有一个双轴光检测器25，同时第二测量单 元18具有反射器装置40，以将由第一测量单元20输出的光束反射到检测 器表面25上。在这种情况下，为了进行曲线匹配而采用所述反射的光束 22′在所述检测器表面25上的照射位置的径向分量Y和切向分量X，其中 在检测器表面25上再次产生一个椭圆。

典型的是，所述反射器装置40具有两个相互成直角设置的反射表面 42，44，所述表面各自依次反射入射的光束22，以将该光束回转到所述检 测器表面25上；这两个表面42，44在此设置为与垂线之间的角度小于大 约45°并且在切线方向上延伸。所述反射器装置40可以在此如图10所示 根据镜面的类型而构成，或者其可以构成为棱镜，特别是构成为普罗棱镜 或构成为三棱镜。这样一种系统例如在DE3911307A1中得到了描述。

另一可选的测量方法在图11中示出，其中两个测量单元16、18中的 每一个都分别配置有光源20和一个双轴光检测器25。第一测量单元16的 光源20在此定向为朝向第二测量单元18的检测器25，并且第二测量单元 18的光源20定向为朝向第一测量单元16的检测器25。测量点的分析在 此以与根据图1至7的测量原则类似的方式实现，就是说，分配为在这两 个检测器之一上的照射点的径向分量相对于这两个检测器上的照射点的 径向分量的差；然后将这样指定的点与一个椭圆进行匹配。