专利名称：用于确定包含至少两个齿轮的齿轮系统的质量的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于确定包含至少两个齿轮的齿轮系统的质量的方法和装置，更具体而言，涉及一种方法和装置，其通过使用第二齿轮的多个测量的输出旋转角度和理论输出旋转角度之间的旋转角度差值，可获取齿轮系统的质量测量。
背景技术：
许多精密仪器包含齿轮机构，特别是构成这些齿轮机构的齿形轮(toothedwheel),以实现仪器的一部分例如头部或臂的旋转或其他移动。例如，简单的显微镜包含由齿形轮实现的齿轮机构，其通过旋转调整轮，实现物镜和载物台之间的距离的极小改变。为了产生一致的移动，在这里重要的是齿形轮被移动而没有任何游隙，其单个齿之间互相啮合。只有在齿形轮之间有最优距离且齿形轮统一时，才能获得最优的操作。·
在测量技术例如勘测技术中，测量仪器特别是勘测仪器例如视距仪、经纬仪或全站仪(total station)中的齿轮机构也有很大作用。这样的仪器用于测量物体的距离和/或角度。这些测量仪器通常包含基础单元，其具有用于将测量仪器稳定定位在地面上的支架，以及头部单元，其可以相对于基础单元移动。头部通常包含光学装置，例如距离测量装置或用于瞄准或聚焦到物体的瞄准装置，例如透镜、望远镜、相机等。特别地，为了被定位从而可以瞄准物体，头部单元必须在空间内可旋转，优选的在垂直和水平的方向上可旋转，这可以通过合适的齿轮机构来实现。可移动或可旋转的头部单元可以包含距离测量仪器或瞄准装置，其用于瞄准远处物体，以确定远处物体的位置。已知不同类型的齿轮机构或驱动器，其用于在水平平面上相对于基础单元来旋转头部单元，而有可能例如提供万向节悬垂支架上的头部的距离测量仪器，从而也可以在垂直方向上移动。在勘测仪器例如大地测量仪器中，头部单元的旋转可以通过使用电机例如直流驱动电机来实现，从而头部单元可以相对于基础单元来适应性调整。当设置特定的角度时，在这里重要的是提供高准确度，角度分辨率的准确性优选地在I”以下。这样的角度设置的高准确性导致对旋转头部单元的齿轮机构的高质量需求。例如,双面哨合(double flank)齿轮测试已知用于测试齿轮机构的齿形轮。双面啮合齿轮测试被用于简单地测试齿轮的齿，即，齿形轮或类似齿轮的齿、点或尖刺。双面啮合齿轮测试的原理是基于几乎无缺陷的主齿形轮和代表工件的测试齿形轮被彼此相对地移动，而没有任何游隙。相应的测试装置被设计，使得一个旋转轴被固定，而另一齿形轮的另一旋转轴被可变地安装。通过齿形轮的有效的尺寸和形状稳定性，轴距在移动期间总是保持相同。因此从齿形轮的理想形状的偏离导致两个齿形轮之间的轴距的波动。尽管双面啮合齿轮测试是已确立的测试方法，它只能在特定条件下被用于齿轮机构，例如，测量仪器的齿轮机构。对测量仪器或某些其他精密仪器例如显微镜的齿轮机构的检验将需要在双面啮合齿轮测试中对齿轮机构的单个齿形轮进行测试。因此单个齿形轮的质量可被测试，但齿轮机构的齿形轮的互相影响，特别是后者之间的距离，不能被检验。此夕卜，齿轮机构的齿形轮之间的距离的自动匹配因此不能通过这样的测试方法而变得可能。因此，需要提供一种用于确定包含至少两个齿轮的齿轮系统的质量的方法和装置，其能够实现齿轮系统的齿形轮的简单匹配以及齿轮系统的质量测量的确定。
发明内容
在独立权利要求中定义了解决至少一个或多个上述问题的方法和装置。在从属权利要求中描述了有利的实施例。根据一个实施例，一种用于确定包含至少两个齿轮的齿轮系统的质量的方法包括在测量间隔内设置第一齿轮的目标旋转角度序列，以及针对每个目标旋转角度来测量第二齿轮的输出旋转角度。该方法还包括使用第一齿轮和第二齿轮的至少一个传动比，基于多个目标旋转角度来计算多个理论输出旋转角度，获取多个输出旋转角度和多个理论输·出旋转角度之间的旋转角度差值，以及形成和旋转角度差值相关的累加值序列，与当前旋转角度差值相关的累加值包括在测量间隔内在当前旋转角度差值之前的旋转角度差值的总和。因此，所述方法包括基于累加值序列来确定第一幅值、第二幅值和第三幅值中的至少一个，第一频率分量的第一幅值由第一齿轮在测量间隔内的旋转产生，第二频率分量的第二幅值由第二齿轮在测量间隔内的旋转产生，且第三频率分量的第三幅值由在测量间隔内第一齿轮和第二齿轮的齿轮齿之间的若干齿轮齿啮合产生，且与第一、第二或第三频率分量相关的至少一个幅值构成对齿轮系统的质量测量。于是，提供了一种简单方法，其能够确定至少两个齿轮的齿轮系统的质量测量，从而，例如，可以选择齿轮之间的最优距离，或者如果不能满足特定的质量需求，齿轮机构或单个齿轮可以被取消。在本发明的另一个实施例中，所述方法还包括实现频率分析，以确定第一、第二或第三频率分量中的至少一个幅值。由此可以提供简单的分析，其也可以在自动系统中被容易地实现。在本发明的另一个实施例中，所述频率分析包括将累加值序列变换到频率范围或在时间范围内的累加值序列的图形分析，以确定至少一个频率分量和后者的相应幅值。因此，基于实现可以使用不同的分析。在本发明的另一个实施例中，所述方法包括将确定的第一频率分量变换回到时间范围，以获取由第一齿轮产生的第一累加旋转角度误差；以及/或将确定的第二频率分量变换回到时间范围，以获取由第二齿轮产生的第二累加旋转角度误差。因此，可以通过第一和/或第二累加旋转角度误差来获取对一个或两个齿轮的质量的测量。在本发明的另一个实施例中，所述方法还包括下列步骤从第一累加旋转角度误差形成针对第一齿轮的导数(derivation)，以及从第二累加旋转角度误差形成针对第二齿轮的导数。因此，可以确定步进角度误差，其特别地指定了每个测量步骤的误差。在本发明的另一个实施例中，所述方法还包括基于针对第一齿轮的导数的最小值和针对第一齿轮的导数的最大值来获取第一齿轮的第一半径变化，以及/或基于针对第二齿轮的导数的最小值和针对第二齿轮的导数的最大值来获取第二齿轮的第二半径变化。因此，可以用所述导数的最小和最大值通过简单的计算来获取第一或第二齿轮的第一和/或第二半径变化。
在本发明的另一个实施例中，所述方法还包括确定第三频率分量的谐波；以及获取第三频率分量的谐波的幅值，作为齿轮布置的质量测量。因此，第三频率分量的谐波特别是后者的幅值可以被获取，作为齿轮系统的质量测量，且这带来关于齿对齿轮系统质量的影响的更好估算，并且可以被用于更好地适应性调整齿轮的旋转轴之间的距离。在本发明的另一个实施例中，所述方法包括通过改变第一旋转轴和第二旋转轴之间的距离，来最小化第三频率分量的幅值和第三频率分量的谐波的幅值中的至少一个的幅值。因此，通过测量该一个或多个幅值，可以容易地找到旋转轴之间的最优距离，并带来具有高质量测量的齿轮系统。在本发明的另一个实施例中，所述测量间隔包括齿轮系统中周长较大的一个齿轮的至少一圈旋转。由此可以确保提供足够大的测量间隔，其具有用于齿轮系统的质量测量的分析的相应的测量点。
在本发明的另一个实施例中，所述方法还包括在确定幅值之外确定频率范围中的频率分量的相位，该相位与齿轮中周长较大的一个齿轮关联；以及基于确定的相位来设置测量间隔。由此可以确立何时达到测量间隔的开始和结束，从而可以基于幅值来达到关于齿轮系统质量测量的结论。在另一个实施例中，所述方法包括针对第一齿轮的第一旋转轴和第二齿轮的第二旋转轴之间的不同距离值来获取第三频率分量的幅值；以及迭代改变所述距离值，以最小化第三频率分量，特别是最小化后者的幅度。由此可以通过最小化第三频率分量来找到齿轮的两个旋转轴之间的最优距离，从而获得具有高质量测量的最优齿轮系统。在本发明的另一个实施例中，所述方法还包括使用与第一齿轮的目标旋转角度关联的累加值序列中的累加值来校正第二齿轮的角度误差。因此，第二齿轮的角度误差可以被校正，从而第二齿轮的实际角度位置(其可能从输出旋转角度偏离)可以被确定。根据本发明的另一个实施例，提供了用于确定至少包含两个齿轮的齿轮系统的质量的装置。该装置包括用于在测量间隔内设置第一齿轮的目标旋转角度序列的装置；用于针对每个目标旋转角度来设置第二齿轮的输出旋转角度的装置；用于使用第一齿轮和第二齿轮的至少一个传动比，基于多个目标旋转角度计算多个理论输出旋转角度的装置；用于获取多个输出旋转角度和多个理论输出旋转角度之间的旋转角度差值的装置；用于形成与旋转角度差值相关的累加值序列的装置，与当前旋转角度差值相关的累加值包括在测量间隔内在当前旋转角度差值之前的旋转角度差值的总和；以及用于基于累加值序列确定由第一齿轮在测量间隔内的旋转产生的第一频率分量的幅值、由第二齿轮在测量间隔内的旋转产生的第二频率分量的第二幅值、以及由测量间隔内第一齿轮和第二齿轮的齿轮齿之间的若干齿轮齿啮合产生的第三频率分量的幅值中的至少一个的装置，与第一、第二或第三频率分量关联的至少一个幅值构成对齿轮布置的质量测量。因此，提供了一种装置，其能够确定至少两个齿轮的齿轮系统的质量测量，从而，例如可以选择齿轮之间的最优距离，或者如果不能满足特定的质量需求，齿轮系统或单个齿轮可以被取消。根据本发明的另一个实施例中，提供了一种系统，其包括上述装置以及包含所述齿轮系统的测量仪器。通过这种方式，齿轮系统，特别是齿轮之间的轴距，可以被最优地设置。根据本发明的另一个实施例，提供了一种用于实现上述方法的用于数据处理装置的程序，以及计算机可读介质，程序可以在其中实现，计算机中的程序使得具有上述特征的步骤被实现。根据另一个实施例，提供了一种包含上述程序的计算机程序产品。本发明的更多优势特征将在权利要求书中公开。
图I示出了具有被布置为用于测试齿轮系统的元件的系统。图2示出了根据本发明的实施例的用于确定齿轮系统质量的方法的步骤。图3示出了从单个误差转变为累加误差。图4示出了一时间范围内针对几千个测量点的累加误差的曲线表示。 图5示出了图4中示出的累加误差的变换曲线在频率范围内的频谱。图6示出了图5中的频谱的放大部分。图7示出了一时间范围内的累加误差的七条不同曲线的七次测量，每次测量的轴距已改变。图8示出了图7中的测量1-7的不同幅值。图9a示出了根据本发明的实施例的用于确定齿轮系统质量的装置的元件。图9b示出了根据本发明的另一实施例的用于确定齿轮系统质量的装置的元件。图10示出了具有齿轮系统的电机驱动装置的详细透视图。图11示出了沿着与图10中的仪器轴和电机驱动装置的旋转轴平行的平面的截面图。图12示出了沿着与仪器轴和图10中的电机驱动装置的旋转轴垂直的平面的截面图。
具体实施例方式参考附图描述优选实施例。需要注意的是，下列描述仅包含例子，而不应该被理解为限制本发明。实施例一般地涉及一种用于确定包含至少两个齿轮的齿轮系统的质量的方法和装置。在一个实施例中，设置第一齿轮的目标旋转角度的序列，且针对这些目标旋转角度中的每个，测量第二齿轮的输出旋转角度。之后，使用齿轮系统的传动比，计算理论输出旋转角度，从而可以获取测量到的和理论计算的输出旋转角度之间的旋转角度差值。通过累加旋转角度差值，对于每个测量点，可以从直到该测量点所获取的旋转角度差值来形成累加值，由此，基于累加值序列，产生齿轮和齿轮齿啮合的频率分量的不同幅值，其构成对齿轮系统的质量测量。图I示出了系统100的元件。系统100包括驱动器110、传感器120、传感器170、计算单元190和齿轮系统180例如齿轮布置。齿轮系统180包括第一齿轮130和相应的旋转轴140，以及第二齿轮160和相应的旋转轴150。驱动器110和传感器120也可以被执行两种功能的步进电机替代。当驱动器110旋转第一齿轮130的旋转轴140时，传感器或角度编码器可以测量旋转角度。通过旋转旋转轴140，固定到旋转轴的齿轮130也被旋转，所述齿轮130转而耦合到齿轮160。例如，齿轮是互相啮合的齿形轮。当然，两个齿轮也可以通过链条或皮带互相连接，因此齿轮不限于齿形轮。齿轮160的旋转可以被传感器170测量，因为旋转轴150连接到齿轮160。通过比较传感器120的旋转角度和传感器170的旋转角度，可以得出关于齿轮系统质量的结论，这在下面参考图2来更详细地说明。图2示出了用于确定齿轮系统例如包含两个齿轮130和160的齿轮系统180的质量的方法步骤。为了简化描述，如图I所示，假设齿轮系统包括构成齿形轮的两个齿轮，其齿互相啮合。在第一步骤210中，在对应于例如第一齿轮旋转的测量间隔中，第一齿轮的目标旋转角度序列被设置。这里，例如，驱动器110，例如步进电机，使旋转轴旋转大约特定的角度，该角度可以被传感器120检测到。优选地，在齿轮系统中使用齿形轮时，使用若干测量点，从而为每个齿获取若干测量值。在下面更为详细描述的图3中，例如示出了针对 大约35°旋转的400个测量值，且这对应于具有189个齿的大齿形轮中的大约18个齿。因此，对于每个测量点，不同的目标旋转角度被驱动器110和传感器120设置。在下面的步骤220中，针对每个目标旋转角度来测量第二齿轮的输出旋转角度。如以上参考图I所描述的，第一齿轮130的旋转也带来第二齿轮160的旋转，这两个齿轮互相啮合。在具有相等尺寸和齿数量的齿形轮的理想布置下，目标旋转角度将对应于输出旋转角度。但是，在简单的齿轮系统中，一个齿形轮通常较大并比另一个齿形轮包含更多齿。这导致特定的齿轮系统传动比，因此目标旋转角度和输出旋转角度不相等。通过使用至少第一齿轮和第二齿轮的传动比，根据图2的步骤230，可以基于多个目标旋转角度来计算多个理论输出旋转角度。对于理想的齿轮机构，phiBthra)=phiA*NA/NB在这里适用，phiBtheo是理论输出旋转角度,phiA是目标旋转角度,Na是第一齿形轮或齿轮A的齿数，且Nb是第二齿形轮B的齿数。但是，由于理想的齿轮机构不存在，对于实际的齿轮系统，必须引入在这里由delta表示的误差表达式，这得到下列等式phiB=phiA*NA/NB+delta (I)。delta是理论输出旋转角度和测量到的旋转角度之间的偏差，它是由齿轮的几何不规则性带来的。由于传动比，也就是齿轮的齿数，通常是已知的，在步骤240中可以从delta所表示的旋转角度差值即理论和测量到的输出旋转角度phiB2间的差值来获取几何误差。在图3中示出了 400个单独误差delta(i)，例如，其分别对应于在400个不同测量点上(见图3中横坐标附近的点云)理论计算的输出旋转角度和测量到的输出旋转角度的旋转角度差值。在该例子中，第一齿轮是Na=189的大齿形轮,而第二齿轮是乂=18的小齿形轮。为了更好地评估齿轮中的误差，即，后者从理想齿轮的偏离，以及齿轮的旋转轴之间的最优距离确定，旋转差值角度被累加。具体来说，如步骤250所说明的，形成了累加值的序列deltaAcc，其与旋转角度差值关联。与当前旋转角度差值关联的累加值包括在测量间隔内在当前旋转角度差值之前的旋转角度差值的总和。特别地，为了形成累加值，先前在测量间隔内获取的所有旋转角度差值被累加，包括来自于当前测量的输出旋转角度和理论计算的输出旋转角度之间的差值的当前获取的旋转角度差值。例如，对于第十个累加值deltaAcc (10)，从第一到第十个测量点的旋转角度差值被累加。通常，累加误差作为每个测量点的累加值被获取，并由下列等式产生deltaAcc (i) =sum (delta (n)，n=0…i) (2)大约400个累加值即累积(或累加)误差在图3中示出，并互相连接以形成曲线，该曲线大致对应于小齿形轮(第二齿轮)的旋转。该累加值序列是使用横坐标附近示出的旋转角度差值delta(i)来生成的。理论输出旋转角度、旋转角度差值以及累加值的计算可以通过例如计算单元190来实现。由图3中的累加值序列示出的曲线示出了曲线上的单个峰值，这表示高频率分量并且是由示例中使用的齿形轮中的齿带来的。图3中的曲线示出了来自图4中示出的包含时间范围内的8400个测量点的曲线的一部分。在图4中，用于8400个测量点的8400个累加值一个接一个顺序地绘制。从图4中·示出的用于不同测量点的不同累加值的曲线中，可以取得低频率的余弦和高频率的余弦。较低频率的余弦振荡由大齿轮的偏心率带来，且较高频率的余弦振荡由小齿轮的偏心率带来。在上述余弦振荡上调制的更高频率对应于用作齿轮的齿形轮的齿。这些更高的频率可以最好地在图3中看到。如图4所示，低频率的余弦振荡(aA)和高频率的余弦振荡(aB)的幅值和频率可以直接从图4中取得。此外，由齿带来的更高频率也可以特别地，至少定性地，从图3中取得。因此，简单地通过从图3和图4读取，可以进行对齿轮系统和单独的使用的齿形轮的质量的估算。特别地，在图3和图4中，由齿形轮的偏心率以及齿啮合效应引起的叠加余弦振荡可以被容易地看到，描述齿轮啮合效应的更高频率可以给出关于齿轮的旋转轴之间的最优位置或最优距离的指示。图4中的大约8400个测量点是在包含800百分度的测量间隔内获取的，该800百分度对应于大齿形轮的两圈旋转、小齿形轮的21圈旋转以及378次齿啮合。由此产生了每次齿啮合大约22个测量点的测量分辨率。因此，如图2中的步骤260所述，可以基于累加值序列来确定第一频率分量的第一幅值、第二频率分量的第二幅值和/或第三频率分量的第三幅值。第一频率分量在这里由第一齿轮例如齿轮130在测量间隔内的旋转产生，第二频率分量由第二齿轮例如齿轮160在测量间隔内的旋转产生，且第三频率分量由在测量间隔内第一齿轮和第二齿轮的齿轮齿之间的若干齿轮齿啮合产生。本领域技术人员认识到，幅值的确定不仅可以简单地通过读取来实现，也可以在可在计算单元190中实施的确定单元中实现。例如，图4中示出的曲线还可以使用定量频率分析来更详细地检验。因此，与第一、第二和/或第三频率分量关联的幅值可以被评估，例如，与先前存储的幅值进行比较，以获取对齿轮系统的质量测量。对具有多于两个齿轮的齿轮系统，也可以进行类似的分析，以得出关于齿轮系统质量的结论。如上所述，图4中示出的曲线可以通过定性和定量频率分析来检验。例如，可以进行频率分析，以确定第一、第二或第三频率分量的幅值中的至少一个。如果离散傅里叶变换被应用于图4中的累加值序列deltaAcc (i)，则获得频率范围内的图5中示出的频谱。频率在这里对应于齿轮旋转的次数。在图5示出的频谱中，齿轮机构的不同频率分量可以互相隔离，且从而它们的幅值也可以相互隔离。这样，可以通过将累加值序列变换到频率范围中来进行频率分析，代替前述时间范围内的累加值序列的图形分析。特别地，在图4的变换曲线的图5的频谱中，齿形轮和齿啮合的频率分量的频率和幅度清楚地发生了。如以上所提及的，图4中示出的测量间隔包括大齿形轮的两圈旋转(fA=2)和小齿形轮的21圈旋转(fB=21)。这些频率可以在图5的左侧清楚地看到。378次齿啮合也可以由频率fT=378看到。测量系列的固定分量(f = O)依赖于起始点，并且不会影响评估。对于单个齿形轮的评估，也可以在示出的频谱中设置频率窗口，以过滤掉其他频率。此外，频率匕和4的谐波部分是可见的，但在这里不会被进一步评估。对于f = 4，这是大齿形轮的一阶谐波，且对于f = 42，是小(第二)齿形轮的一阶谐波。此外，源于其他机械部件例如轴承等的频率部分是可见的。齿啮合的谐波部分不会再被看到，因为后者位于图5中示出的范围之外的范围 内。但是，在示出的例子中，具有fT1=756和fT2=1134的fT的谐波可以被获取。
图6示出了图5中示出的频谱的放大部分，其中齿形轮的频率和幅度可以被清楚地看到。在频率范围中的图5和图6的频谱中，幅度可以被隔离，图5和图6中示出的频率分量的幅度与齿形轮的偏心率以及齿形轮啮合的效应相关。在将累加值序列deltaAcc变换到频率范围之后，单个频率分量可以被变换回到时间范围。特别地，先前确定的第一频率分量可以被变换回到时间范围以获取第一齿轮的第一累加或积分旋转角度误差deltalntA(i)。第一齿轮的该累加旋转角度误差deltalntA(i)是通过将第一齿轮从测量点I的初始位置旋转到当前即最后获取的测量点i所产生的。此外，先前确定的第二频率分量可以被变换回到时间范围，以获取第二齿轮的累加或积分旋转角度误差deltalntB(i)，其是通过旋转第二齿轮产生的。通过变换回去，可以得到用于单个齿轮的下列等式(3)和(4)deltaIntA(i) =aA*cos ((2*n*fA) *i/k+pA) (3),deltaIntB (i) =aB*cos ((2*n*fB) *i/k+pB) (4)。这里，k是针对齿轮A或B的旋转的测量值的数量。通过将这些余弦函数中的一个与图4中的曲线进行比较，余弦函数的相位值pA或pB也可以被获取。例如，通过将用于大齿轮的余弦函数与图4中的曲线进行比较，第一测量点处的相位可以被获取。相位值也可以通过傅里叶变换的计算来产生。在图4的本例子中，pA大约是Π/2。此外，由第一齿轮和第二齿轮的齿轮齿之间的若干齿轮齿啮合产生的频率分量也可以用相同的方式变换回到时间范围deltaIntT (i) =aT*cos ((2*n*fT) *i/k+pT) (5)。相位值pT也从上述傅里叶变换产生。因此，通过将频率范围中的隔离的值变换回到时间范围，可以分别获取用于每个频率分量的余弦函数，该每个频率分量描述了单个齿形轮或齿形轮啮合。如以上参考图3所述，图3和图4中的更闻频率部分表不齿轮齿之间的齿轮齿哨合，其不构成整洁的余弦函数。由于齿的效果不能由单个余弦函数来最优地描述，频率&的更高阶谐波优选地被加到等式(5)。相应的级数可以如下所示deltaIntT (i) =aT*cos ((2*n*fT) *i/k+pT)
+aT1*cos ((2* Π *fT) *2*i/k+pT1)+···+aTn*cos ((2*n*fT) *n*i/k+pTn) (6)。因此，可以为每个谐波获取幅值。前两个谐波的幅值也可以通过离散傅里叶变换来容易地获取，有可能在第二个谐波之后，中断等式(6)中示出的级数来获得较好的实际结果O在下面等式(3)到(6)以及后者的结论将被更详细地检验。例如，通过从等式(3)和(4)求导数，可以获取绝对步进角度误差，其表示每个测量位置的一个误差。例如，如果步进电机被用来设置目标旋转角度，绝对步进角度误差指定齿形轮上每一步的误差。
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deltaA(i) =aA* (2*n*fA)/k* (-sine ((2*n*fA) *i/k+pA)) (7)deltaB(i)=aB*(2*n*fB)/k* (-sine ((2*n*fB) *i/k+pB)) (8)。具体来说，等式(7)是通过形成第一累加旋转角度误差deltaIntA(i)的导数得到的，而等式(8)是通过形成第二齿轮的第二累加旋转角度误差deltaIntB(i)的导数得到的。根据等式(7)和(8)，现在可以计算用于大齿形轮A和小齿形轮B的最小和最大步进角度误差，该大齿形轮A和小齿形轮B例如对应于齿轮130和齿轮160。这样，单个齿轮的半径变化(偏心率)可以如下来计算。对于齿轮A，生成下式de I tarA=rnominalB/ph inominalA* (delta
AErrMax Cl I(9)。对于齿轮B，生成下式de I tarB-rnominalA*ph inominalA* ((I / (phinominalB+deltaBErrMax))-(l/(phinominalB+delta
BErrMin ))(10)。用语言来表达，等式(9)意味着，第一齿轮的第一半径变化deltaM是基于针对第一齿轮的导数的最小值和针对第一齿轮的导数的最大值来获取的，有可能计算最小值和最大值，且rMinal和phiMinal是名义半径(平均半径)和名义旋转角度。特别地，Phinominau是设直的目标旋转角度，且phimminalB是理论输出旋转角度。类似地，等式(10)意味着，第二齿轮的第二半径变化deltart是基于针对第二齿轮的导数的最小值和针对第二齿轮的导数的最大值来获取的。因此，齿轮的误差不仅可以定性地也可以定量地确定。因此，如下所详述的，可以通过例如替换缺陷很大的齿轮或优化齿轮之间的距离来优化齿轮系统。如上所述，第三频率分量即在测量间隔内由齿轮齿之间的齿轮齿啮合所产生的频率分量的谐波可以简单地通过频率分析的方式来确定。特别地，可以获取第三频率分量的谐波的幅值，在本例子中，频率分量的第一和第二谐波的频率fT1=756和fT2=1134。这些谐波构成对齿轮系统的质量测量。如以下参考图7所述的，第三频率分量的基波和谐波的幅值可以被最小化，以获取第一齿轮的第一旋转轴与第二齿轮的第二旋转轴之间的最优距离。在图7中示出了针对齿轮系统的第二较小齿形轮的约I. 2次旋转的七种不同轴距下的七种不同累加值序列deltaAcc。这样的测量可以在齿轮系统生产的调整期间进行，以发现齿轮的最优距离。简单地通过考虑不同的测量，本领域技术人员可以看到，曲线上的较高干扰频率(见余弦振荡的高频率分量)在第四和第六次测量之间最低。该结果也可以定量地获取。例如，第三频率分量的幅值，特别是基波以及第一和第二谐波，可以针对第一齿轮的第一旋转轴和第二齿轮的第二旋转轴之间的不同距离值优选地通过频率分析的方式来获取，所述距离值被迭代地改变，以最小化第三频率分量。该类型的量化分析在图8中示出，其中，与图5和图6中一样，幅度以自由选择的单位来示出。图8示出了针对不同旋转轴距值的基波、第一谐波和第二谐波的幅度的总和，从图中可以看到，三个幅度的总和的最小值在距离值5处。在图8中，基波以及前两个谐波的幅度的总和已被最小化。但是，也可以通过改变第一旋转轴和第二旋转轴之间的距离，来最小化第三频率分量(基波)的幅值和第三频率分量的第一或第二谐波的幅值中的至少一个幅值，以得出关于优选旋转轴距的结论。除了确定幅值，频率范围内的频率分量的相位也可以被确定，如以上参考图4和 等式(6) IlJ(S)所述。特别地，有利的是确定第一测量点和测量点i之间的相位差，其与齿轮中周长大于另一齿轮周长的齿轮关联。可以通过考虑相位来最优地设置测量间隔。例如，如上所述，测量间隔可以被设置为使它对应于大齿形轮的两圈旋转。如上所示，通过考虑所述旋转角度差值，可以得出关于齿轮系统质量的结论。齿轮机构或齿轮的质量参数例如是齿质量或形状，以及别的受生产类型、灰尘或接合点影响的因素，以及圆度、直径和轴距。但是，获取的旋转角度误差也可以被立即使用，以校正角度误差。更准确地说，特定测量位置例如200处的累加值序列中的累加值指定了相对于第二齿轮的理想角度的偏离，该理想角度将用理想齿轮系统通过第一齿轮对应于测量位置200的目标旋转角度的设置来获取。因此，第二齿轮的角度误差可以使用与第一齿轮的目标旋转角度关联的累加值序列中的累加值来校正。下面，在图9a和9b中描述了用于确定齿轮系统质量的装置。该装置被设计为例如实现上述方法的步骤。图9a示出了用于确定齿轮系统质量的装置900的框图。该装置可以例如连接到如图I所示的齿轮系统，以检查该齿轮系统。装置900包括用于设置的装置910、用于测量的装置920、用于计算的装置932、用于获取的装置934、用于形成的装置936、以及用于确定的装置938。特别地，提供了用于在测量间隔内设置第一齿轮的目标旋转角度序列的装置910。该装置例如可以是第一传感器或角度编码器的形式，驱动器移动旋转轴，其旋转被第一传感器或角度编码器测量。通过使用步进电机作为用于设置的装置，驱动和测量的功能可以被实现，因为步进电机可以以精确确定的步骤来实现旋转。如图I所示，装置10可以通过第一齿轮130的第一旋转轴140直接连接到齿轮系统，以构建测试系统。装置920例如是第二传感器或角度编码器的形式，其用于针对每个目标旋转角度来测量第二齿轮例如齿轮160的输出旋转角度。类似于装置910，装置920连接到齿轮160的旋转轴150，从而由齿轮系统180所显示的旋转角度被测量。
装置932例如是计算单元的形式，例如计算单元190，其用于基于多个目标旋转角度，使用第一齿轮和第二齿轮的至少一个传动比来计算多个理论输出旋转角度。如图9a所示，目标旋转角度从装置910传递到装置932，以支持对理论输出旋转角度的计算。装置934被用来获取多个输出旋转角度与多个理论输出旋转角度之间的旋转角度差值。装置934例如是计算单元的形式，并可以被集成到计算单元190中。特别地，装置934使用装置920所测量的输出旋转角度和装置932所计算的理论输出旋转角度来计算旋转角度差值。装置936被用来形成与旋转角度差值关联的累加值序列，与当前旋转角度差值关联的累加值包括在测量间隔内在当前旋转角度差值之前的、即在时间间隔内已经获取的旋转角度差值的总和。换句话说，在形成序列时，使用了用于在该累加值的测量点之前的测量点的旋转角度差值以及用于相应的测量点自身的旋转角度差值。累加值序列的形成已经参考图3和图4详细地说明，因此在这里引用上述说明。
装置938用于基于累加值序列来确定至少一个幅值，并且也可以例如以计算单元的形式来提供，特别地可被包含在计算单元190中。装置938可以确定第一频率分量的第一幅值、第二频率分量的第二幅值以及/或第三频率分量的第三幅值。如已提及的，第一频率分量的第一幅值由第一齿轮在测量间隔内的旋转产生，第二频率分量的第二幅值由第二齿轮在测量间隔内的旋转产生，且第三频率分量的第三幅值由测量间隔内第一齿轮和第二齿轮的齿轮齿之间的若干齿轮齿啮合产生。通过使用与第一、第二或第三频率分量关联的至少一个幅值，可以获取齿轮系统的质量测量。参考图9b说明的在另一个实施例中，装置932、934、936和938的功能由控制器930来执行，该控制器具有处理器933和存储器935。存储器935被设计为存储具有指令的程序，所述指令例如为起码包含图2中的步骤230-260的指令，从而处理器933执行装置932、934、936和938的上述步骤或功能。与图9a中的装置900 —样，在图9b的装置900’中提供了装置910和920，其可以将目标旋转角度和输出旋转角度传递给控制器930。下面说明了装置例如装置900或900’如何可被用来确定测量仪器的齿轮系统的质量。在图10、11和12中示出了测量仪器特别是勘测仪器的具有齿轮系统的电机驱动
>J-U ρ α装直。图10是电机驱动装置1400的详细透视图。在德国专利DE 10 2009 000 350 Β3和美国专利申请2010 018 0456 Al中详细描述了电机驱动装置的单个元件、其相互位置、其功能以及其相互作用。因此，下面仅给出了对电机驱动装置的结构以及后者中包含的齿轮系统的简要说明。在图10的电机驱动装置的描述中，同时引用示出图10的电机驱动装置1400的截面图的图11和12，从而单个元件可以从不同方向观看，以更好地理解其位置和功能。特别地，图11示出了沿着与仪器轴A3和旋转轴Al平行的平面的截面图，且图12示出了沿着与仪器轴A3和图10中的电机驱动装置的旋转轴Al垂直的平面的截面图。图10中具有齿轮系统的电机驱动装置包括具有旋转轴Al的第一电机1210、第二电机1220、杠杆臂1250和具有基本位于中心的仪器轴A3的正齿轮机构270。第二电机1220基本上使得杠杆臂1250移动到图中的左侧(或右侧)，如下面的箭头所指示的。当杠杆臂1250的较低部分被向外(向内)即向图中左侧按压时，杠杆臂1250绕着旋转轴Al (以图中的顺时针方向)旋转。由于杠杆臂附着到第一电机的定子(见图10中的螺栓1415)，第一电机1210的定子也绕着旋转轴Al旋转。更准确地说，杠杆臂1250可以被耦合到第一电机1210的定子，从而杠杆臂的移动被转换为定子的旋转。杠杆臂也可以被可旋转地安装，从而其可以相对于旋转轴Al旋转一小角度，例如杠杆臂的旋转轴可以与第一电机的旋转轴一致，并且这带来了高传动比，以用于通过杠杆臂进行的第一电机的定子的精细和精确的旋转。提供转子和定子之间的保持转矩的步进电机被提供，作为电机1210。因此，第一电机1210的定子的旋转被转换为正齿轮机构1270的旋转，该正齿轮机构直接或者通过中间的正齿轮或另一齿轮系统稱合到第一电机1210的转子，以用于通过使第一电机绕旋转轴旋转来旋转仪器轴。图10中的仪器轴A3原则上被示出为水平轴，用于在垂直方向上向上或向下旋转附着到后者的部件，例如测量仪器的头部单元1111。但是，本领域技术人员可以看到，示出的电机驱动装置1400可以被简单地旋转大约90°，从而它也可以涵盖与此垂直的方向。示出的电机驱动装置可以被用于测量仪器的仪器轴A3的粗略或精细的设置。该装置的单个元件附着到图10中的框架1411。要被旋转的仪器轴A3以及作为第一电机1210的旋转轴Al的转子轴是平行的，并被定位分开预定的距离。第一电机1210和第二电机1220包括定子和转子，该转子固定地连接到旋转轴。如所述的,一旦杠杆臂1250被移动,第一电机1210的定子以顺时针/逆时针方向旋转。特别地，仪器轴A3被稱合到第一电机1210的转子的正齿轮机构1270驱动。第一电机1210可旋转地位于框架1410内，从而其可以绕着其自己的旋转轴Al旋转。优选地为步进电机的第一电机1210的旋转轴附着到小齿轮1510 (见图11)。小齿轮1510可以将第一电机1210的转子的移动传递到正齿轮机构1270，且旋转运动可以通过正齿轮机构1270传递到仪器轴A3。杠杆臂1250通过螺钉或螺栓1415固定到第一电机1210的定子1516。杠杆臂1250的另一端耦合到第二电机1220，该第二电机也附着到框架1411，并且被定位从而其定子1422关于绕第二电机1220的旋转轴A2的旋转是固定的。第二电机和杠杆臂之间的耦合在图10-12的例子中通过包含螺纹主轴1430和主轴电机1440的主轴驱动器来实现。螺纹主轴1430固定到第二电机1220的转子轴，该第二电机优选为步进电机或可等价于它，即，该电机可以以主轴的形式示出。通过螺纹主轴1430和主轴螺母1440，第二电机1220的旋转被转换为杠杆臂的端的线性移动，即依赖于旋转方向，转换为图10中的向左或向右的移动。弹簧1413被提供以降低游隙，该弹簧对着杠杆臂1250施加弹力，以对着杠杆臂来按压主轴螺母1440。在该电机驱动装置1400中，第一电机1210可以被用于粗略驱动模式，其中，仪器轴A3以高角速度旋转。另一方面，仪器轴A3的定位准确性，即，仪器轴精确旋转特定的角度，被第一电机1210的步进位置的尺寸以及由围绕小齿轮1510的正齿轮机构提供的齿轮传动比所限制。为了改进测量仪器的设置准确性，电机驱动装置1400包含第一电机1210的附着定子，其可以被第二电机1220旋转。
具体而言，第二电机1220经由主轴驱动1430、1440、杠杆臂1250和定子1516的旋转运动可以基于第一电机1210的定子和转子之间的保持转矩被传送到第一电机1210的转子，且仪器轴A3因此可以被精细和精确地转动。因此，可以实现仪器轴A3的精细设置。精细设置基本上由主轴驱动1430、1440的设置范围来定义，且主轴螺母1440或杠杆臂1250的位置被位置检测器1414和指示器1480不断地监视。 如上所述，图11示出了电机驱动装置400的横截面。横截面A-A包括旋转轴Al和仪器轴A3，其也可以在图12中看到。第一电机1210通过合适的轴承1509，例如围绕着框架1411的旋转轴Al的球轴承或滑动轴承，可旋转地附着。小齿轮1510与正齿轮机构1270啮合，并固定地连接到第一电机的旋转轴Al。正齿轮机构1270固定地连接到仪器轴(旋转轴)A3。此外，正齿轮机构1517可以耦合到正齿轮机构1270，从而通过在相对方向上与正齿轮上的切线啮合的弹力，可以使正齿轮机构免于游隙。仪器轴A3的旋转使得望远镜主体(头部单兀)1111旋转。另一方面，图12示出了电机驱动装置400沿着与旋转轴Al成直角并且与旋转轴A2平行的B-B的截面图。这里，第二电机1220通过螺栓包括螺栓1618附着到框架1411，从而定子422不能绕着转子轴A2相对于框架1411旋转。如参考图10-12所述的，若干齿形轮在电机驱动装置1400中被用作齿轮元件，以旋转电机驱动装置的不同部件。例如，装置900或900’可以附着到旋转轴Al和仪器轴A3，以确定由小齿轮1510和正齿轮机构1270构成的齿轮系统的质量。具体来说，装置910在这里连接到旋转轴Al且装置920连接到旋转轴A3。通过参考图2所描述的步骤，因此可以确定是否齿轮中的一个例如小齿轮或正齿轮机构具有高度的偏心率，或者可以通过考虑由齿轮系统的齿轮的齿轮齿之间的若干齿轮齿啮合所产生的频率分量来确定这些齿轮之间的最优距离。因此，目标旋转角度在旋转轴Al上被设置，且输出旋转角度在A3轴上被测量。类似地，齿轮也可以在旋转轴A2和旋转轴Al之间被检验，即，特别是包含螺纹主轴1430和主轴螺母1440的主轴轮驱动器的齿轮系统。此外，整个齿轮机构的质量也可以在图10中通过与旋转轴A2连接的装置910和与旋转轴A3连接的装置920、以及在旋转轴A2上设置的目标旋转角度和在旋转轴A3上测量的输出旋转角度来确定。例如，如果图10中的第一齿轮对应于小齿轮510且第二齿轮对应于正齿轮机构1270，可以获得如图7和图8示出的图。如上所述具有齿轮系统的电机驱动装置可以被集成到测量仪器中，以绕该测量仪器的仪器轴旋转。此外，如果想要在两个方向即在水平和垂直方向上旋转测量仪器的头部，两个电机驱动装置可以被集成到测量仪器中，从而第一电机驱动装置可以绕水平仪器轴旋转，且第二电机驱动装置可以绕垂直仪器轴旋转。通过使用用于确定齿轮系统质量的方法和装置，可以提高测量仪器的电机驱动装置的角度设置的准确性。特别地，可以找到齿轮的最优距离或确定有缺陷的齿轮。因此，如上所述的发明性概念可以在测量仪器的生产或维护时的调整期间简化并提升质量管理。如上所述，计算单元190或控制器930可以在控制以及/或计算并确定质量时被使用。处理器，例如处理器933，其在测量间隔内发出指令来设置目标旋转角度并接受测量到的输出旋转角度，被用作计算单元或控制器。此外，处理器可以执行对应于上述过程步骤的功能。特别地，控制器930或计算单元190可以通过PC或某些其他类型的计算机来实现。或者，控制器或计算单元可以通过现场可编程门阵列(FPGA)或集成电路例如ASIC (专用集成电路)或软件或上述的合适组合来实现，但不限于此。此外，如参考图％所提及的，控制器或计算单元包括存储器，其可以运行以与处理器进行信号通信。控制器或计算单元的功能可以被实现为软件程序，且可以由处理器和存储器例如RAM、R0M、硬盘驱动器、EEPR0M、闪存等来实现。在存储器中存储的程序代码可以是具有指令的程序，所述指令被设计为使得控制器中的处理器执行上述步骤和功能。在存储器中存储的程序代码可以是具有指令的程序，所述指令被设计为使得控制器中的处理器执行所述方法/装置的上述步骤和功能。 换句话说，可以提供具有指令的程序，所述指令其被设计为使得处理器，例如控制器的处理器，执行上述步骤和功能的组合。此外，可提供程序在其中体现的计算机可读介质。计算机可读介质可以是具体的，例如磁盘或数据载体，或可以是无形的，由适于电子、光或其他类型传输的信号来显示。计算机程序产品可以包括计算机可读介质，且如果被载入到计算机的程序存储器中，可以使处理器或微处理器执行上述步骤和方法。如上所述，上述实施例和例子使得可能确定齿轮系统的质量，以用于质量保证、最终生产和维护中的调整和测试、以及误差分析。可以认识到，可以对描述的方法和装置进行各种修改和改变，而不偏离本发明的范围和精神。本发明已参考描述性而非限制性地提供的特定实施例和例子来描述。本领域技术人员将理解，硬件、软件和固件的多种不同组合可以被使用，以实现本发明。此外，在考虑这里公开的本发明的描述和实施例时，本发明的其他实现对于本领域技术人员来说是明显的。示例的描述旨在仅被认为是例子。因此，可以理解，发明性方面还在于少于上述实现或配置的所有特征。因此，本发明的真实范围和精神将在所附权利要求书中阐述。
权利要求
1.一种用于确定包含至少两个齿轮(130、160)的齿轮系统的质量的方法,包括 在测量间隔内设置第一齿轮(130)的目标旋转角度(phiA)序列； 针对每个目标旋转角度(phiA)，测量第二齿轮(160)的输出旋转角度(phiB)； 使用第一齿轮和第二齿轮的至少一个传动比，基于多个目标旋转角度计算多个理论输出旋转角度； 获取多个输出旋转角度(phiB)和多个理论输出旋转角度之间的旋转角度差值(delta)； 形成与旋转角度差值(delta)关联的累加值序列(deltaAcc)，与当前旋转角度差值相关的累加值包括在测量间隔内在当前旋转角度差值之前的旋转角度差值的总和； 基于累加值序列来确定下列各项中的至少一个 由第一齿轮在测量间隔内的旋转产生的第一频率分量的第一幅值(aA)； 由第二齿轮在测量间隔内的旋转产生的第二频率分量的第二幅值(aB);以及由测量间隔内第一齿轮和第二齿轮的齿轮齿之间的若干齿轮齿啮合所产生的第三频率分量的第三幅值(aT)； 与所述第一、第二或第三频率分量关联的至少一个幅值构成对齿轮布置的质量测量。
2.如权利要求I所述的方法，还包括 实现频率分析，以确定所述第一、第二或第三频率分量的至少一个幅值。
3.如权利要求2所述的方法，所述频率分析包括将累加值序列变换到频率范围或者在时间范围内的累加值序列的图形分析，以确定所述频率分量的至少一个以及后者的相应幅值。
4.如权利要求3所述的方法，还包括 将确定的第一频率分量变换回到时间范围，以获取由第一齿轮产生的第一累加旋转角度误差(deltaIntA);和/或 将确定的第二频率分量变换回到时间范围，以获取由第二齿轮产生的第二累加旋转角度误差(deltaIntB)。
5.如权利要求4所述的方法，还包括 从所述第一累加旋转角度误差形成针对第一齿轮的导数(deltaA);以及 从所述第二累加旋转角度误差形成针对第二齿轮的导数(deltaB)。
6.如权利要求5所述的方法，还包括 基于针对第一齿轮的导数的最小值和针对第一齿轮的导数的最大值来获取第一齿轮的第一半径变化(deltart);和/或 基于针对第二齿轮的导数的最小值和针对第二齿轮的导数的最大值来获取第二齿轮的第二半径变化(deltas)。
7.如权利要求1-6中的任一个所述的方法，还包括 确定所述第三频率分量的谐波，以及 获取该第三频率分量的谐波的幅值，作为齿轮布置的质量测量。
8.如权利要求1-7中的任一个所述的方法，还包括 通过改变第一旋转轴和第二旋转轴之间的距离，来最小化第三频率分量的幅值和第三频率分量的谐波的幅值中的至少一个。
9.如权利要求1-8中的任一个所述的方法，所述测量间隔包括齿轮中周长较大的一个齿轮的至少一圈旋转。
10.如权利要求1-9中的任一个所述的方法，包括 在确定幅值之外，确定频率分量在频率范围中的相位，该相位与齿轮中周长较大的一个齿轮关联；以及 基于该确定的相位来设置测量间隔。
11.如前述权利要求中的任一个所述的方法，还包括 针对第一齿轮的第一旋转轴和第二齿轮的第二旋转轴之间的不同距离值来获取第三频率分量的幅值，以及迭代地改变所述距离值以最小化第三频率分量。
12.如前述权利要求中的任一个所述的方法，还包括 使用所述累加值序列中的累加值来校正第二齿轮的角度误差，该累加值与第一齿轮的目标旋转角度关联。
13.一种用于确定包含至少两个齿轮的齿轮系统的质量的装置，包括 用于在测量间隔内设置第一齿轮的目标旋转角度序列的装置(910)； 用于针对每个目标旋转角度来测量第二齿轮的输出旋转角度的装置(920); 用于使用第一齿轮和第二齿轮的至少一个传动比，基于多个目标旋转角度计算多个理论输出旋转角度的装置(932)； 用于获取多个输出旋转角度与多个理论输出旋转角度之间的旋转角度差值的装置(934)； 用于形成与旋转角度差值关联的累加值序列的装置(936)，与当前旋转角度差值相关的累加值包括在测量间隔内在当前旋转角度差值之前的旋转角度差值的总和； 用于基于累加值序列来确定下列各项中的至少一个的装置(938): 由第一齿轮在测量间隔内的旋转产生的第一频率分量的第一幅值(aA)； 由第二齿轮在第二测量间隔内的旋转产生的第二频率分量的第二幅值(aB);以及由测量间隔内第一齿轮和第二齿轮的齿轮齿之间的若干齿轮齿啮合所产生的第三频率分量的第三幅值(aT); 与所述第一、第二或第三频率分量关联的至少一个幅值构成对齿轮布置的质量测量。
14.一种系统，包括如权利要求13所述的装置和包含所述齿轮布置的勘测仪器。
15.一种用于数据处理装置的程序，用于实现如权利要求1-12中的至少一个所述的方法。
16.一种计算机程序产品，其包含如权利要求15所述的程序。
全文摘要
本发明涉及一种用于确定包含至少两个齿轮的齿轮系统的质量的方法和装置。该方法包括下列步骤设置第一齿轮的目标旋转角度序列；针对每个目标旋转角度来测量第二齿轮的输出旋转角度；计算多个理论输出旋转角度；获取多个输出旋转角度和多个理论输出旋转角度之间的旋转角度差值；形成累加值序列；以及基于该序列来确定第一幅值、第二幅值或第三幅值。
文档编号G01M13/02GK102889985SQ201210245940
公开日2013年1月23日 申请日期2012年7月16日 优先权日2011年7月19日
发明者M·菲舍尔 申请人:特里伯耶拿有限公司