消除激光对中系统的安装误差的激光对中方法与流程

本发明属于测试计量领域，涉及一种激光对中方法，更具体地说，涉及一种消除激光对中系统的安装误差的激光对中方法。

背景技术：

轴传动是机械传动的一种重要方式。轴传动的一个关键问题就是要实现主动轴与从动轴之间的轴对中(即，轴心线对准)。据统计，50％以上的机器故障是由于传动设备联轴器不对中所导致的。机械轴系的良好对中对于防止轴承提前失效、转轴疲劳、密封损伤、振动起着非常重要的作用。此外，良好的轴对中还可以减少过热和额外的能量消耗。因此，机械轴系是否对中对设备正常运行有着至关重要的影响。

技术实现要素：

为克服现有技术的不足，本发明提供一种消除激光对中系统的安装误差的激光对中方法。采用本发明所述的激光对中方法，能够消除激光对中系统自身所引入的误差，从而有效地减少测量误差，以提高激光对中系统的测量精度。

根据本发明的示例性实施例，提供一种消除激光对中系统的安装误差的激光对中方法，激光对中系统的发射器与接收器分别安装在机械传动设备的主动轴与从动轴上，接收器接收发射器发出的激光束，所述激光对中方法包括以下步骤：(a)建立主动轴和从动轴之间的角偏量的测量值与实际值、主动轴和从动轴之间的平偏量的测量值与实际值的数学模型，并得出相应的数学关系式；(b)在发射器与接收器所安装的初始位置处，通过测量计算得到从动轴与主动轴之间的角偏量和平偏量的测量值；(c)将发射器与接收器分别围绕主动轴与从动轴旋转三次，并且分别通过测量得到与每次所旋转的预定角度相对应的从动轴与主动轴之间的角偏量和平偏量的测量值；(d)将步骤(b)和步骤(c)所得到的角偏量与平偏量的测量值以及所述预定角度代入到所述数学关系式中，求解出角偏量与平偏量的实际值；(e)根据所求解的角偏量与平偏量的实际值对从动轴进行调整，从而实现精确的主动轴与从动轴的轴对中。

根据本发明的示例性实施例的激光对中方法，在初始位置处，所述数学关系式为下列等式：

α′＝θ1-θ2-α·cosφ

其中，α′表示角偏量的测量值，L′表示平偏量的测量值，α表示角偏量的实际值，L表示平偏量的实际值，θ1表示发射器的俯仰角，θ2表示接收器的俯仰角，φ表示主动轴的轴心线在从动轴端面的投影与从动轴的初始坐标系O-XYZ的Y轴之间的夹角，表示平偏量的实际值与所述Y轴之间的夹角，lb表示发射器与接收器之间的水平距离，lh表示接收器到从动轴的轴心线距离与发射器到主动轴的轴心线距离的高度差，

其中，基于主动轴和从动轴分别建立初始坐标系o-xyz和O-XYZ，主动轴的轴心线为z轴，x轴和y轴垂直于z轴，从动轴的轴心线为Z轴，X轴和Y轴垂直于Z轴。

根据本发明的示例性实施例的的激光对中方法，在三次旋转过程中，相对于初始位置所旋转的预定角度分别为γ1、γ2、γ3，相应的数学关系式如下列等式所示：

α′γ1＝θ1-θ2-α·cos(φ-γ1)

α′γ2＝θ1-θ2-α·cos(φ-γ2)

α′γ3＝θ1-θ2-α·cos(φ-γ3)

其中，α′γ1、α′γ2和α′γ3表示角偏量的测量值，L′γ1、L′γ2和L′γ3表示平偏量的测量值，γ1、γ2、γ3分别表示所旋转的预定角度。

根据本发明的示例性实施例的激光对中方法，通过激光对中系统中的第一位敏传感器和第二位敏传感器采集关于发射器发出的激光束的数据，并利用下列等式得到角偏量与平偏量的测量值：

L2＝(f′+t)tanα′

其中，α′表示角偏量的测量值，L′表示平偏量的测量值，f′表示激光对中系统的透镜的焦距，L1表示第一位敏传感器所采集到的光斑中心至透镜的主光轴之间的距离，t表示第二位敏传感器与第一位敏传感器之间的等效距离，L2表示与第二位敏传感器所采集的基准光束对应的主光线与透镜的主光轴之间的距离，L3表示第二位敏传感器所采集的光斑中心至透镜的主光轴之间的距离。

根据本发明的示例性实施例的激光对中方法，在解析出角偏量与平偏量的实际值之后，利用下列等式计算主动轴与从动轴在主动轴的X方向上的角偏量分量与平偏量分量以及主动轴与从动轴在主动轴的Y轴方向上的角偏量分量与平偏量分量：

αx＝α·sinφ

αy＝α·cosφ

其中，αx和Lx分别表示主动轴与从动轴在主动轴的X方向上的角偏量分量与平偏量分量，αy和Ly分别表示主动轴与从动轴在主动轴的Y轴方向上的角偏量分量与平偏量分量。

根据本发明的示例性实施例的激光对中方法，根据所计算的X方向与Y轴方向上的角偏量分量和平偏量分量的数值，按照与所述数值等幅值且方向相反的方式对从动轴进行调整，从而使主动轴与从动轴实现轴对中。

根据本发明的示例性实施例的激光对中方法，所述预定角度γ1、γ2、γ3为彼此不同的任意角度。

根据本发明的示例性实施例的激光对中方法，所述预定角度γ1、γ2、γ3分别为90度、180度和270度。

由于本发明所述的激光对中方法计算中考虑了激光对中系统的安装参数，所以所述激光对中方法可消除激光对中系统自身所引入的误差，从而有效地减少测量误差，以提高激光对中系统的测量精度。

附图说明

图1是一种激光对中系统的原理图。

图2是图1中所示的激光对中系统的等效光路图。

图3是根据本发明的示例性实施例的消除激光对中系统的安装误差的激光对中方法的流程图。

图4是机械传动设备中的主动轴与从动轴的坐标示意图。

图5是图4中所示的从动轴旋转之后的坐标示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对根据本发明的示例性实施例的消除激光对中系统的安装误差的激光对中方法进行详细的描述。

在本示例性实施例中，所使用的激光对中系统的原理图与等效光路图分别如图1和图2所示。然而，需要说明的是，所述激光对中方法也可适用于其他激光对中系统。

参照图1与图2，所述激光对中系统主要包括透镜10、分光棱镜20及两个位敏探测器(PSD1和PSD2)，透镜10的主平面用11来表示。在该激光对中系统中，激光器发出的平行光通过透镜10进行偏转，被偏转的光经过分光棱镜20，并被分光棱镜20分成两束独立的光束(透射光束与反射光束)。其中，第一位敏探测器(PSD1)位于焦面上，用于接收反射光束，并采集与反射光束相关的数据。第二位敏探测器(PSD2)位于焦面后预定距离t处，用于接收透射光束，并采集与投射光束相关的数据。预定距离t表示第二位敏传感器与第一位敏传感器之间的等效距离。本示例性实施例中所使用的激光对中系统每进行一次测量，就相当于普通的激光对中系统移动透镜10进行两次测量，即，通过棱镜形成的这样的两路独立光路(反射和透射)可以一次性完成普通的激光对中系统两次测量的工作量。

在没有实现轴对中的机械传动设备中，主动轴与从动轴之间存在的偏差量是二维空间矢量。在这里，所述偏差量包括角偏量和平偏量，其中，角偏量是指主动轴的轴心线与从动轴的轴心线之间的夹角，平偏量是指在透镜的主平面上从动轴的轴心线到主动轴的轴心线的垂直距离。在激光对中方法中，将激光对中系统的发射器与接收器分别安装在机械传动设备的主动轴与从动轴上，利用激光束来展现主动轴与从动轴之间的偏差量，并通过接收器中的位敏传感器采集的数据进行计算，从而间接测量出角偏量和平偏量。激光光束在二维空间的偏差量可以通过两个平偏量和两个角偏量来表示，而二维空间矢量可以分解为两个一维矢量。下面结合图2具体描述一维角偏量与平偏量的测量原理。

利用焦面位置处的PSD1采集数据，然后利用下面所示的等式(1)计算与基准光束对应的主光线与透镜10的主光轴之间的夹角α′：

其中，α′表示角偏量的测量值，f′表示透镜10的焦距，L1是PSD1所采集到的光斑中心至透镜10的主光轴之间的距离。在本说明书中，α′的正负规定如下：由光线以锐角转至与主光轴平行，如果旋转方向为顺时针方向，则α′为正值；如果旋转方向为逆时针方向，则α′为负值。L1的正负规定如下：以主光轴为基准，如果在主光轴以上，则L1为正值；如果在主光轴以下，则L1为负值。

在得到角偏量的测量值α′后，利用PSD2采集到的相关数据，通过三角关系可得出如下等式(2)至等式(3)：

L2＝(f′+t)tanα′ (2)

其中，L′表示平偏量的测量值，t表示PSD2与PSD1之间的等效距离，L2表示与PSD2所采集的基准光束对应的主光线与透镜10的主光轴之间的距离，L3表示PSD2所采集的光斑中心至透镜10的主光轴之间的距离。在本说明说中，L′、L2和L3正负规定如下：以主光轴为基准，如果在主光轴以上，则L′、L2和L3为正值；如果在主光轴以下，则L′、L2和L3为负值。

实际上，如等式(1)所示的角偏量的测量值α′以及如等式(3)中所示的平偏量的测量值包含激光对中系统本身引入的安装误差，因此，所述角偏量和平偏量的测量值并不能真实地反映出主动轴与从动轴之间的偏差量。如果想要得到主动轴与从动轴之间的真实的偏差量，则必须消除激光对中系统的安装误差。因此，根据本发明的示例性实施例的激光对中方法进一步考虑了激光对中系统本身引入的安装误差，从而通过建立数学模型，导出测量值与实际值之间的数学关系式，通过测量与计算将激光对中系统的安装误差消除，以得到真实的偏差量(即，角偏量与平偏量的实际值)。

下面结合图3至图5对根据本发明的示例性实施例的消除激光对中系统的安装误差的激光对中方法进行详细地描述。

图3是根据本发明的示例性实施例的消除激光对中系统的安装误差的激光对中方法的流程图。图4是机械传动设备中的主动轴与从动轴的坐标示意图，图5是图4中所示的从动轴旋转之后的坐标示意图。

参照图3，在步骤100中，建立角偏量的测量值与实际值、平偏量的测量值与实际值的数学模型，并得出相应的数学关系式。

激光对中用于轴对中的精细调整，因此，在采用激光对中方法之前，可以借助直尺，利用肉眼来观察机器的主动轴和从动轴的轴对中情况并进行粗调，从而避免发射器发出的激光束偏离出接收器中的位敏探测器的探测范围。在本示例性实施例所使用的激光对中系统中，发射器与接收器分别安装在主动轴和从动轴上，接收器接收发射器发出的激光束。在本示例性实施例中，发射器与接收器所安装的位置被设定为初始位置。此外，在测量过程中，所有的测量值都是从安装在从动轴上的接收器获得的。然而，在根据本发明的其他实施例中，只要能实现激光束在主动轴与从动轴之间发射与接收，也可将发射器安装在从动轴上，将接收器安装在主动轴上。

如图4和图5所示，基于主动轴和从动轴分别建立初始坐标系o-xyz和O-XYZ(主动轴的轴心线为z轴，x轴和y轴垂直于z轴，从动轴的轴心线为Z轴，X轴和Y轴垂直于Z轴)。主动轴上的发射器(未示出)相对于主动轴的轴心线的俯仰角设为θ1，接收器相对于从动轴的轴心线的俯仰角设为θ2。在这里，关于θ1、θ2的正负规定如下：当θ1为仰角时为正值，当θ1为俯角时为负值；当θ2为仰角时为负值，当θ2为俯角时为正值。主动轴的轴心线在从动轴端面的投影与Y轴之间的夹角设为φ，接收器到从动轴的轴心线距离与发射器到主动轴的轴心线距离的高度差设为lh，关于lh的正负规定如下：如果接收器到从动轴轴心线比发射器到主动轴轴心线的高度高，则lh为正值。发射器与接收器之间的水平距离设为lb。在这里，将主动轴与从动轴之间的角偏量的实际值以及平偏量的实际值分别设为α与L。实际的平偏量L与Y轴的夹角设为关于的正负规定如下：当实际的平偏量L是从Y轴正方向逆时针旋转得到时，为正值。

在初始位置处，在Y方向上的角偏量的测量值α′与角偏量的实际值α之间的数学关系式如等式(4)所示，在Y方向上的平偏量的测量值L′与平偏量的实际值L之间的数学关系如等式(5)所示：

α′＝θ1-θ2-α·cosφ (4)

返回参照图3，在步骤200中，在发射器与接收器所安装的初始位置处，通过测量间接得到从动轴与主动轴之间的角偏量的测量值和平偏量的测量值(具体参照如上所述的等式(1)至等式(3))。

在步骤300中，将发射器与接收器分别围绕主动轴与从动轴旋转三次，并且分别通过测量得到与每次所旋转的预定角度相对应的从动轴与主动轴之间的角偏量和平偏量。由于从动轴旋转，会导致接收器的坐标系与初始坐标系不同，每次的测量值都是以接收器的实时坐标系得到的结果，因此每次旋转都需要将各种影响量转化到实时坐标系上。

具体地，将主动轴与从动轴旋转相同的第一预定角度γ1(相当于发射器与接收器分别绕主动轴与从动轴各自旋转相同的第一预定角度γ1)。参照图4，从动轴初始的坐标系为O-XYZ，从动轴旋转之后的坐标系是O-X’Y’Z’，OZ’与主动轴坐标系o-xyz中的oz的方向一致。

主动轴与从动轴旋转第一预定角度γ1后，测量角偏量α′γ1与平偏量L′γ1。角偏量的测量值α′γ1与角偏量的实际值α之间关系如等式(6)所示，平偏量的测量值L′γ1与平偏量的实际值L之间的数学关系如等式(7)所示：

α′γ1＝θ1-θ2-α·cos(φ-γ1) (6)

然后，将旋转主动轴与从动轴旋转第二预定角度γ2，测量角偏量α′γ2与平偏量L′γ2。角偏量的测量值α′γ2与角偏量的实际值α之间的关系如等式(8)所示，平偏量的测量值L′γ2与平偏量的实际值L之间的数学关系如等式(9)所示：

α′γ2＝θ1-θ2-α·cos(φ-γ2) (8)

接着，将旋转主动轴与从动轴旋转第三预定角度γ3，测量角偏量α′γ3与平偏量L′γ3。角偏量的测量值α′γ3与角偏量的实际值α之间的关系如等式(10)所示，平偏量的测量值L′γ3与平偏量的实际值L之间的数学关系如等式(11)所示：

α′γ3＝θ1-θ2-α·cos(φ-γ3) (10)

在本示例性实施例中，优选地，将相对于初始位置旋转的预定角度γ1、γ2、γ3分别设置为90度、180度和270度。然而，本发明不限于此，所述预定角度γ1、γ2、γ3可以设置为彼此不同的任意角度。

在上述等式(4)至等式(11)这8个等式中，存在8个未知量α、L、φ、lh、lb、θ1、θ2。由于未知量的数量等于等式的数量，因此可求解出这8个未知量。因此，在步骤400中，将等式(4)至等式(11)联立为方程组，并将已知或测量得到的量α′、L′、γ1、α′γ1、L′γ1、γ2、α′γ2、L′γ2、γ3、α′γ3、L′γ3的数值代入各等式中，那么便可以解出角偏量的实际值α和平偏量的实际值L。

具体地，角偏量的实际值α和平偏量的实际值L在Y方向上的角偏量分量与平偏量分量分别如下面的等式(12)与(13)所示：

αy＝α·cosφ (12)

角偏量的实际值α和平偏量的实际值L在X方向上的角偏量分量与平偏量分量分别如下面的等式(14)与(15)所示：

αx＝α·sinφ (14)

在步骤500中，根据等式(12)至(15)所计算出的数值，对从动轴进行相应数值的调整(具体地，按照与等式(12)至(15)所计算出的数值等幅值且方向相反的方式对从动轴进行调整，使得αx、Lx、αy和Ly趋于零)，从而实现主动轴和从动轴之间的轴对中。当主动轴和从动轴完全对中时，如图3中所示的初始坐标系o-xyz中的z轴将会分别与O-XYZ中Z轴重合。

综上所述，根据本发明的激光对中方法将激光对中系统的安装误差考虑入内，通过建立数学模型并得出测量值与实际值之间的数学关系式，在初始位置处测量角偏量与平偏量，三次旋转主动轴与从动轴，并在各个旋转位置处测量角偏量与平偏量，从而利用这些测量值与数学关系式解出角偏量的实际值与平偏量的实际值。最后，根据所述实际值调整主动轴或从动轴，以实现精确的轴对中。由于根据本发明的激光对中方法在计算中考虑了激光对中系统的安装误差，所以采用所述激光对中方法能够消除激光对中系统自身所引入的误差，从而有效地减少测量误差，以提高激光对中系统的测量精度。

虽然已示出并描述了本发明的示例性实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改。