专利名称：联接对准设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于对准多个联接元件(使多个联接元件排成直线)的方法和设备。 更具体地而非排它地，本发明涉及对准用于形成可旋转联接组件的两个联接元件。
背景技术：
当原动机(如内燃机、涡轮机或电动机)用于为被驱动装置(如发电机、推进器驱动轴、压缩机或变速器)提供动力时，需要某种形式的联接以将原动机的旋转输出连接到被驱动装置的可旋转输入。在理想情况下，当两装置处于它们的正常运转状态下时，原动机的旋转输出的中心线将与被驱动装置的可旋转输入的中心线共轴。对于大多数大型机械的情况，在不利用某种形式的柔性联接的情况下达到足够接近理想情况的状态以防止机器受损是不可能的。即使在使用柔性联接时，也希望接近理想的对准状态以延长联接寿命，防止机械中的扭转或线性振动问题，并减少由因联接弯曲所产生的热引起的能量损耗量。Nower等人的美国专利5，684，578公开了一种激光对准头系统，其具有两个替换了更传统的机械探头的激光头。一个激光头扫描两个被联接轴中的第一个轴，而第二激光头扫描第二个轴。然后，处理数据以确定两轴之间的任何失准(未对准)。但是，这种结构往往昂贵，并且难以在靠近的被联接结构中使用，其中任何径向和轴向的间隙通常都不足以容纳这种繁笨的激光头系统。该问题的传统解决方案是使位于联接两侧的某些非旋转部件对准，并且依靠部件中的紧密制造公差来确保旋转部件的对准。这种方法存在两个固有的问题。第一个问题是， 即使在非旋转部件对准时它也需要多达数十个部件的加工和组装公差都非常紧密，以便它们的总公差加起来不会导致旋转部件失准达到不能接受的量。第二个问题是，它不能提供正确的对准校验。这在两个待联接元件的制造地点与它们的组装地点不同时尤为重要。例如，如果发动机制造商改变了飞轮壳体面上的容许偏移并且未通知发电机组(“genset”) 的组装者，则即使发电机组的组装者继续以先前产生了可接受结果的相同方式执行非旋转部件的对准，在所述改变之后生产的发电机组也可能无法具有适当的旋转部件对准。
发明内容
在第一方面，公开了一种用于使可旋转组件中的第一和第二联接元件轴向对准的方法，包括以第一取向安置可旋转组件，并且从信号发送装置朝第二联接装置引导第一信号部分，使得第一信号部分从第二联接元件被反射。用图像捕获装置捕获第一图像，其中所述第一图像包括第二联接元件的至少一部分和被反射的第一信号部分。然后以第二取向安置可旋转组件，并且从信号发送装置朝第二联接元件引导第二信号部分，使得所述第二信号部分从第二联接元件被反射。用图像捕获装置捕获第二图像，所述第二图像包括第二联接元件的至少一部分和被反射的第二信号部分。生成数据集，其中所述数据集是至少基于所述第一和第二图像表示所述第一和第二联接元件的相对位置的，并且基于所确定的所述被生成的数据中的差异来确定第一和第二联接元件之间的轴线偏移。
在第二方面，公开了一种用于使形成可旋转装置的第一和第二联接元件对准的测量装置，包括信号发送装置和图像捕获装置，所述信号发送装置构造成朝第二联接元件引导多个信号部分以从第二联接元件反射所述多个信号部分，所述图像捕获装置构造成在可旋转联接组件的各个不同的转动取向捕获多个图像。所述多个图像分别包括第二联接元件的至少一部分和所述多个信号部分中的至少一些。所述信号发送装置和图像捕获装置中的至少一者构造成可与所述联接组件一同转动。所述装置还包括控制装置，该控制装置构造成确定所述多个图像之间的任何差异并基于所确定的差异来确定所述第一和第二联接元件之间的轴线偏移。
图1示出联接组件的示意性侧视图，其具有根据本发明的联接对准工具的一个实施例。图2示出图1的联接对准工具的示意图。图3示出图1的联接组件的示意性平面视图。图4A-4C示出具有偏移失准的联接元件的图示。图5A-5C示出具有角度失准的联接元件的图示。
具体实施例方式参见图1，其中示出示意性的联接组件10。联接组件10可包括第一联接元件12 和第二联接元件14。联接组件10可代表任意适当的联接，例如原动机(如内燃机、涡轮机或电机)和被驱动部件(如发电机、泵或变速器)之间的联接。就本发明的目的而言，第一和第二联接元件12、14能以任意适当的布置方式联接，例如插入-承插式联接、花键联接、 法兰联接、螺栓联接等。柔性联接部分16可介于第一和第二联接元件12、14之间以容许第一与第二联接元件12、14之间的失准。所述柔性联接部分可例如包括弹性体部件、机械弹簧或流体联接器。联接组件10可至少部分地由联接支架11包围，以向联接组件提供直接或间接的支撑和/或提供防护联接组件10的安全屏障。在一个实施例中，联接支架为包围联接组件 10的笼状结构。为清楚起见，在图1中仅示出了联接支架11的某些部分。第一联接元件12可具有第一旋转轴线13，，而第二联接元件可具有第二旋转轴线 15。在图1的示例性图示中，第一和第二旋转轴线并不重合，因而呈现出偏移失准Al，该偏移失准可至少部分地和/或暂时地由柔性联接部分16调节。失准问题将在后面更深入地讨论。图2示出对准工具20的实施例。在一个实施例中，所述对准工具可包括总体用附图标记22表示的测量装置、总体用附图标记M表示的控制装置和动力源40。测量装置22 和控制装置M可以是两个分离的部分，但是它们也可紧密地互联和/或具有共同的部件。 动力源40可以是位于任何适当位置的任何适当的源，并且对于测量装置22和控制装置M 来说可以是共用的或者单独的。在一个实施例中，测量装置22可包括发射装置沈和捕获装置观。发射装置沈可以是一个或多个任意适当种类的信号源，并且可例如发射至少一种光信号、其它电磁信号或音频信号。相干光源如激光或激光二极管是优选地，以获得清晰的信号。捕获装置观可构造成捕获与第二联接元件14的至少一部分相关的图像和/或直接或间接地捕获由发射装置26发出的信号。捕获装置观可包括单个或多个捕获器件。在一个实施例中，捕获装置观包括至少一个照相机。在一个实施例中，发射装置沈和捕获装置观都安装到第一联接元件12上。在一个实施例中，发射装置沈可构造成穿过光学透镜32发送光束30以侧向散开该光束。侧向散开的光束将从这开始被称作光平面34。在一个实施例中，光学透镜32的至少一个表面可具有经蚀刻的交叉影线(网纹， cross-hatching)布置。发射装置沈和/或光学透镜32可如此设置，使得所述光平面大体指向第二联接元件14。在一个实施例中，光平面34指向第二联接元件14，使得如果第一和第二联接元件 12和14之间基本上不存在失准，则光平面34与第二旋转轴线15之间的角度将基本为直角。光平面34的至少一部分可由第二联接部分14反射。捕获装置观如此设置，使得其捕获光平面的从第二联接部分相对于光平面34以角度(α )反射的至少一部分。换句话说， 捕获装置观可捕获被反射信号的相对于其被反射前的信号方向成倾角(α )的至少一部分。捕获装置观可相对于发射装置沈如此设置，使得能实现适当的角度αη。应当理解，较大的角度α可提供更好的清晰度，但是在空间限制成问题时优选较小的角度a。测量装置22还可包括定位装置42，其构造成提供与第二联接元件的至少一部分相对于第一联接元件的转动有关的信息。在一个实施例中，定位装置42可包括两轴或三轴的直流加速度计和/或陀螺仪。控制装置M可包括电子处理单元44和通信结构46。控制装置M的任何部件可如所优选地位于第二联接元件上或是与之分离。通信结构46可包括有线和无线部件两者， 并且可与测量和控制装置22、24的各个部分连接。在一个实施例中，通信结构46可包括 CAN总线。在一个实施例中，通信结构46可包括Zigbee无线通信线路。工业应用性在准备过程中或最初组装联接组件10之后，第一和第二联接部分12、14可不处于优选的对准状态。在一个示例中，两个联接部分12、14可呈现出偏移失准，其中它们的旋转轴线基本上彼此平行地延伸但不重合。在另一个示例中，两个联接部分12、14还可呈现出角度失准，其中两条旋转轴线彼此不平行地延伸。在第三示例中，两个联接部分12、14可同时呈现出偏移和角度失准。下面将更详细地描述对准工具20的一个实施例的示例性的操作方法。将发射装置沈(在该特定示例中为光源)、光学透镜32和捕获装置观附装到第一联接元件12上，使得当发射装置被致动时，光平面34到达第二联接元件14。光平面的未到达第二联接元件14的部分可到达联接组件10的或联接组件10附近的其它部件，例如联接支架10或基底表面。当如图3A中那样从光平面34中的一位置看去时，光线到达其它物体的位置形成一条连续的线(X)。但是，在如同捕获装置观那样从图3B所示的小角度看去时，所述线分裂成一系列的节段(X1, X2, X3，X4, X5, X6, X7)，这些节段基于截断光线路径的物体的距离和形状而具有不同的角度α，例如α 1和α2。按照发射装置沈位于捕获装置观的顶部上方的惯例，在捕获装置的图像中看到线X越靠下，则反射所述线的表面离捕获装置观越远。在所述物体彼此不接触的情况下，各线段并不相连。因此，第二联接元件14上的线段^C1将形成具有明显端点的小曲线，因为截断光平面34的下一个物体到发射装置沈的距离不同。在一种方法中，致动对准工具20，并且使第一和第二联接元件12、14缓慢地转动完整的一圈或一圈的至少一部分。在转圈期间的多个时刻，电子处理单元44经通信结构46 向捕获装置观发送信号。捕获装置观可在第一和第二联接元件12和14的第一相对位置捕获第一图像Pla，并且在稍后阶段可在第一和第二联接元件12和14的第二相对位置捕获第二图像P2a。所述图像连同来自定位装置42的转动位置信息一起经通信结构46发送到电子处理单元44。在其中捕获装置28具有多个捕获器件的一个实施例中，可致动对准工具20并且经通信结构46向捕获装置观发送信号。捕获装置观可从相对于第二联接元件14的不同位置捕获第一和第二图像Pla和P2a。所述图像经通信结构46发送到电子处理单元44。在一个实施例中，当第一和第二联接元件12和14相对于彼此处于同一取向时，可获取两个图像Pia和Pli。在捕获第一图像Pia期间发射装置沈可以是致动的，而在捕获第二图像Pii期间发射装置可以是不致动的，或者反过来也行。第一和第二图像Pia和Pii之间的逐像素相减(pixel by pixel subtraction)、如从第二图像Plb逐像素减去第一图像 Pla(或者反过来)可从结果中移除除了被反射的光(线段以外的至少一部分或基本上所有内容。可针对每对图像计算表示第二联接元件14上的线段相对于固定的竖直和水平基准的位置的参数。在一个实施例中，所述参数可以例如基于线段&的端点的位置。通过观察这些值的变化，可确定第一联接元件12相对于第二联接元件14的线性和角度偏移。在一个实施例中，所述方法包括基于给定纵列中相邻像素的光线量来确定线段上的点的竖直位置和/或使所述竖直位置更精确，并且利用其改善线性偏移计算。由到达物体的光束形成的线将比具有垂直于所述线的正常能量分布的一个像素更宽。通过测量纵列中最亮像素的光亮水平以及同一纵列中位于其上方和下方的数个相邻像素的光亮水平，并使结果与正常分布曲线匹配，可进行线段该部分的竖直位置的亚像素估算。第二联接元件 14的反射率的变化将导致任意给定纵列的结果偏离实际位置。但是，反射率的变化也可被认为是随机和正常分布的，从而通过最大亮度的点将线段X1向椭圆(即二次多项式)进行最小二乘法曲线拟合将会导致对线段&端点的竖直位置的高度精确的估算。利用上述测量中的这些点可提高对在每个测量点处从第一联接元件12的表面上的发射装置沈和/或捕获装置观到第二联接元件14的中心的距离的测量精度。已知所述距离(d)随着测量点转动必须正弦式地变化，因此可进行所有的距离(d)值的最小二乘法拟合，这为估算提供了额外改善。指定任意0和90度的转动位置，可提供竖直和水平的线性偏移。可使用任意适当的点作为基准点以用于任何计算观测、判定等。在下面的示例性方法中，基准点可被认为是基准线队和/或&。图4A-4C示出第二联接元件14相对于第一联接元件12的线性偏移的结果。图4A 示出在从第二联接元件14与第一联接元件12的附装有捕获装置观的部分的外侧最接近的侧部看去时将会看到的第二联接元件14。图4B示出在从图4A转90度地看去时将会看到的第二联接元件14，图4C示出在从图4A转180度地看去时将会看到的第二联接元件14。 在所有三个图4A-4C中，基准线R1处在捕获装置观的视野中的相同位置。为了简单起见， 假定基准线队代表视野的底部。应注意，从基准线到线段&端点的距离在图4A中最大，其中第二联接元件14在附装有捕获装置观的侧部最接近第一联接元件12的外侧。相反，所述距离在图4C中最小，其中第二联接元件14离第一联接元件12的附装有捕获装置观的侧部最远。另外应注意，线段&端点之间的水平距离在图4A中最大，在图4B中最小。图5A-5C示出第二联接元件14相对于第一联接元件12的角度偏移的结果。图5A 示出在从第二联接元件14看上去相对于竖直基准线&具有最大正角度的侧部看去时将会看到的第二联接元件14。为简单起见，假定基准线民处在捕获装置观的视野的正中。图 5B示出在从图5A转90度地看去时将会看到的第二联接元件14，图5C示出在从图5A转180 度地看去时将会看到的第二联接元件14。应注意，从线段&的左端点到基准线&的距离在图5A中最大，在图5C中最小，而从线段&的右端点到基准线&的距离在图5A中最小， 在图5C中最大。在一个实施例中，基准线礼、R2与线段&的端点之间的距离可通过分别数出这些点竖直地距图像底部和水平地距图像中心线的像素数量来计算。在一个实施例中，可使用贝叶斯(Bayesian)方法而考虑从在第一联接元件12和第二联接元件14的完整转动期间获取的全部图像可获得的所有信息，以改善对线性和角度偏移的估算。在一个实施例中，所述方法包括基于几何形状和曲线拟合来确定轴的角度和/或使该角度更精确。从光学透镜32投射的光线形成平面楔，因此，第二联接元件14的柱体对光束的截取形成一椭圆，其短半轴等于第二联接元件14的半径(r)，长半轴等于所述半径除以光平面和第二联接元件14的截面之间的角度(alpha)的余弦。利用投影几何学，能精确地确定从任何有利位置看去时给定的椭圆是怎样的。应注意，椭圆的任意投影仍是椭圆。 这就是为什么能独立于在本段落中描述的计算进行在先前段落中描述的曲线拟合的原因。 所述计算所需的变量为观察点和包含已知线段的平面之间的角度(beta)，从观察点到椭圆中心的距离(d)，该距离由系统的物理结构所界定，并且被提供为来自先前计算的高度精确的估算值。因此，能利用最小二乘法在任意测量点对线段X1上的被观察点进行曲线拟合。 已知所述测量是从精确圆上的位置进行的，故而能在所有测量中对各个变量进行最小二乘法拟合，以用高精度求出角度alpha及其相对于任意0度点的转动。因此，可提供对竖直和水平的角度偏移的精确估算。在一个实施例中，光学透镜32可被更改以增加加入到贝叶斯计算中的数据量。通过光学透镜32的表面中的蚀刻线，所投射的光线可从简单的线段X变成以规则间隔具有交叉影线的线段。这可提供两种改善。首先，捕获了来自交叉影线的被反射光的像素纵列将具有更多的数据可用于进行确定所述线的中心的曲线拟合。其次，任意两个交叉影线之间的距离可用于限定椭圆线段的端点。由于在光线被投射到与捕获装置观的表面平行的平表面上时任何两个线段之间的距离被已知为光线所被投射到的第二联接元件14的半径(r)， 所以对水平距离的测量可被用于计算离第二联接元件14的距离(d)及其在特定视野中向左或向右的偏移。在一个实施例中，控制装置M可提供用于校正动作的指示，以至少部分地补偿任何轴线偏移。例如，控制装置M可提供与校正动作有关的信息或建议校正动作，例如第一和第二联接元件12、14中至少一者的角度的或线性的位置变化。 尽管在此已描述了本发明的优选实施例，但是可在不脱离所附权利要求的范围的情况下加入改进和修改。
权利要求
1.一种用于使可旋转组件(10)中的第一和第二联接元件(12，14)轴向对准的方法，包括以第一取向安置所述可旋转组件(10)；从信号发送装置06)朝所述第二联接元件(14)引导第一信号部分，使得所述第一信号部分从所述第二联接元件(14)被反射；用图像捕获装置08)捕获第一图像，所述第一图像包括所述第二联接元件(14)的至少一部分和被反射的第一信号部分；以第二取向安置所述可旋转组件(10)；从所述信号发送装置06)朝所述第二联接元件(14)引导第二信号部分，使得所述第二信号部分从所述第二联接元件(14)被反射；用所述图像捕获装置08)捕获第二图像，所述第二图像包括所述第二联接元件(14) 的至少一部分和被反射的第二信号部分；至少基于所述第一和第二图像生成表示所述第一和第二联接元件(12，14)的相对位置的数据集；基于所确定的所述被生成的数据中的差异来确定所述第一和第二联接元件(12，14) 之间的轴线偏移。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括以与所述可旋转组件(10)的第一和第二取向对应的第一和第二取向安置所述信号发送装置06)和所述捕获装置08)中的至少一者。
3.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还包括以与所述可旋转组件 (10)的第一和第二取向对应的第一和第二取向安置所述信号发送装置06)和所述捕获装置(28)两者。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还包括捕获包括所述第二联接元件(14)的至少一部分的第三图像，所述第三图像是在所述可旋转组件(10)基本上处于所述第一取向而所述信号发送装置06)基本上未致动的情况下被捕获的。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括捕获包括所述第二联接元件(14) 的至少一部分的第四图像，所述第四图像是在所述可旋转组件(10)基本上处于所述第二取向而所述信号发送装置06)基本上未致动的情况下被捕获的。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，至少基于所述第一和第二图像生成表示所述第一和第二联接元件(12，14)的相对位置的数据集还包括基于所述第一、第二、第三和第四图像生成所述数据集。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，生成表示所述第一和第二联接元件(12， 14)的相对位置的数据集还包括在所述第一和第三图像之间以及所述第二和第四图像之间执行逐像素相减。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还包括确定表示第一和第二线段中至少一者的位置的至少一个参数，观察所述第一和第二线段之间所计算位置的任何变化，并基于观察结果确定所述第一和第二联接元件(12，14)之间的任何线性偏移和/或轴线偏移。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，确定表示所述第一和第二线段中至少一者的位置的至少一个参数包括对所述线段上的点和至少一个基准点之间的水平和/或竖直像素的数量进行计数。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，确定表示所述第一和第二线段中至少一者的位置的至少一个参数包括确定至少一个像素的光亮水平。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还包括使用贝叶斯方法来改善对所述第一和第二联接元件(12，14)之间的任何线性偏移和/或轴线偏移的确定。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，朝所述第二联接元件(14) 发送第一和第二信号包括生成第一和第二光学椭圆并对所述第一和第二椭圆的形状上的任何差异进行比较。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，还包括指示校正动作以至少部分地补偿轴线偏移。
14.一种用于使形成可旋转装置(10)的第一和第二联接元件(12，14)对准的测量装置 0 ，包括信号发送装置( )，其构造成朝所述第二联接元件(14)引导多个信号部分以从所述第二联接元件(14)反射所述多个信号部分；图像捕获装置( )，其构造成在所述可旋转联接组件(10)的各个不同的转动取向捕获多个图像，所述多个图像分别包括所述第二联接元件(14)的至少一部分和所述多个信号部分中的至少一些；所述信号发生装置06)和图像捕获装置08)中的至少一者构造成可与所述联接组件 (10) 一同转动；控制装置，其构造成确定所述多个图像之间的任何差异；并且基于所确定的差异来确定所述第一和第二联接元件(12，14)之间的轴线偏移。
15.根据权利要求14所述的测量装置(22)，其特征在于，所述信号发送装置06)和所述捕获装置08)中的至少一者被安装在所述第一联接元件(1 上，使得所述第一联接元件(1 与所述信号发送装置06)和所述捕获装置08)中的所述至少一者可一起转动。
16.根据权利要求14和15中任一项所述的测量装置(22)，其特征在于，所述捕获装置 (28)捕获被反射信号的相对于信号被反射前的信号方向成倾角(α)的至少一部分。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的测量装置(22)，其特征在于，所述信号发送装置06)构造成发送至少一个光学信号，所述捕获装置08)为照相机。
18.根据权利要求14-17中任一项所述的测量装置(22)，其特征在于，还包括光学透镜 (32)，其构造成捕获光学信号并将光学信号散开成光平面。
19.根据权利要求18所述的测量装置(22)，其特征在于，所述光学透镜(3 的表面具有经蚀刻的交叉影线布置。
20.根据权利要求14-19中任一项所述的测量装置(22)，其特征在于，所述测量装置 (22)还包括能够传送与所述可旋转联接组件(10)的转动取向有关的数据的加速度计G2) 和陀螺仪G2)中的至少一种。
全文摘要
一种用于使可连接形成旋转组件的第一联接元件和第二联接元件轴向对准的设备。所述设备包括构造成安装在第一联接元件上并与其一同转动的测量装置。所述测量装置包括构造成朝第二联接元件的方向发射第一和第二信号以使所述第一和第二信号的至少一部分由第二联接元件反射的发射装置。所述测量装置还具有捕获装置，该捕获装置构造成捕获第一和第二被反射信号的至少一部分。所述设备包括控制装置，该控制装置构造成至少基于第一和第二被反射信号来确定第一和第二联接元件之间的轴向对准上的偏移。
文档编号G01B11/27GK102326050SQ200980157208
公开日2012年1月18日 申请日期2009年12月18日 优先权日2008年12月23日
发明者N·W·科塔米, P·C·帕维尔斯基 申请人:卡特彼勒公司