一种对相连的旋转轴进行对中检测和调整的方法及其装置.pdf

本发明公开了一种对相连的旋转轴进行对中检测和调整的方法及其装置。它由两套机械安装卡具、激光发射及反射单元、图像探测单元和数据处理显示单元构成。所述机械安装卡具由卡座、紧固链条、立式固定支架组成；所述激光发射及反射单元由一半导体激光器和一组反射棱镜和倾角计组成；所述图像探测单元由内嵌高速图像处理器的高分辨率摄像系统及其位于其前端的光学成像装置、LED背光灯、蓝牙数据无线发射模块、激光发射器和倾角计组成；所述数据处理显示单元由光斑中心检测和旋转轴对中调整算法处理模块、蓝牙无线接受模块和液晶显示模块组成。本发明具有检测精度高，操作简便的特点，适用于水平或者垂直安装的机械设备可动部件中心的对中检测调整。

1、  一种对相连的旋转轴进行对中检测和调整的方法，其特征是：实施操作步骤如下：
(1)、主动旋转轴所在的主动设备经初步调整至水平后固定，在从动旋转轴所在的从动设备的底部设有可调整的前垫脚和后垫脚，在主动旋转轴上安装一个图像探测单元和一个第一激光发射器，在从动旋转轴上安装一个与图像探测单元对应的第二激光发射器和一个将第一激光发射器反射到图像探测单元的反射单元；在主动旋转轴和从动旋转轴上分别设有倾角计；
(2)、测量出图像探测单元到第二激光发射器及反射单元之间的距离参数F₃，测量出第二激光发射器及反射单元到从动设备的前垫脚的距离参数F₁和到后垫脚的距离参数F₂；
(3)、根据倾角计的指示，调整主动旋转轴和从动旋转轴使之处于相同的任意初始角度位置，启动第一激光发射器和第二激光发射器，第一激光发射器发射的激光经反射单元反射后进入图像探测单元，第二激光发射器直接入射图像探测单元，图像探测单元自动计算并保存所获得的第一激光发射器和第二激光发射器对应激光束的激光光斑坐标参数；
(4)、旋转主动旋转轴，同时从动旋转轴也作旋转并保持旋转相同的角度，或采用两旋转轴不旋转，而是旋转第一激光发射器、第二激光发射器及反射单元、图像探测单元；在旋转过程中，图像探测单元自动不断计算当前的第一激光发射器和第二激光发射器对应激光束的激光光斑参数坐标并作保存；主动旋转轴和从动旋转轴的角度或第一激光发射器、第二激光发射器及反射单元、图像探测单元的旋转角度＞30度；
(5)、在旋转停止后，数据处理显示单元根据从数据处理显示单元输入的距离位置参数F₁、F₂、F₃和所获得的第一激光发射器和第二激光发射器的激光光斑参数，根据对中检测算法获得从动设备的前后垫脚的调整量L₁、L₂和调整倾角θ，将从动设备的从动旋转轴调整到与主动设备的主动旋转轴对中的位置。

2、  实现权利要求1所述的对相连的旋转轴进行对中检测和调整的方法的装置，其特征是：图像探测单元(2)通过第一机械安装卡具(3)安装于主动设备(1)的主动旋转轴(4)上，所述的图像探测单元(2)上安装有第一激光发射器(11)；一组反射棱镜(21)、第二激光发射器(22)集成的激光发射及反射单元(5)通过第二机械安装卡具(10)安装于从动设备(7)的从动旋转轴(6)上；所述的图像探测单元(2)与数据处理显示单元(19)进行数据交换连接，在所述的主动旋转轴(4)和从动旋转轴(6)上分别设有倾角计。

3、  根据权利要求2所述的实现对相连的旋转轴进行对中检测和调整的方法的装置，其特征是：图像探测单元(2)由高分辨率的近焦镜头(17)、CCD(CMOS)图像传感器(16)及其驱动信号处理电路、高速图像处理器13、成像光学器件18组成。

4、  根据权利要求3所述的实现对相连的旋转轴进行对中检测和调整的方法的装置，其特征是：在所述的高分辨率镜头(17)周围装有一组LED背光灯(15)。

5、  根据权利要求3或4所述的实现对相连的旋转轴进行对中检测和调整的方法的装置，其特征是：所述的图像探测单元(2)内的高速图像处理器(13)与数据处理显示单元(19)通过蓝牙技术进行数据传输。

一种对相连的旋转轴进行对中检测和调整的方法及其装置
技术领域
本发明涉及一种对机械设备中心进行对中检测及调整的方法，适用于多组水平安装机械设备的中心对中调整，特别是对两台相互以联轴器或其它方式相连的水平安装的旋转机械设备的旋转轴旋转中心的对中检测及调整的方法。本发明还涉及实现该方法的装置。
背景技术
机械设备的对中是指用仪器或其它检测工具对两个相连设备安装时的相对位置精度进行检测和调整，或者是对机械设备的多组可动部件的中心进行调整，以保证其中心线位于同一条直线上。以大旋转类机械设备为例，如果设备对中不良，会造成轴承过早损坏、联轴节或法兰盘的摩擦增大、转轴发生往复移动等问题，降低设备的能源使用效率，提高设备运行成本，大大缩短设备的使用寿命甚至发生恶性事故。此外，对中不良会对转轴密封性产生严重影响，而更换密封件的费用有时可达到购买设备价格的20％。而对于生产性设备，若设备的不对中，则会造成产品的不合格，给企业造成巨大的经济损失。
目前，国外在两回转机械轴中心线的对中测量领域，目前有多种高技术、高精度的测量仪器，如德国普鲁夫激光对中仪、瑞典Damalini激光对中仪等。国内厂家一般使用传统的千分表找正方法：用钢尺、卡尺、百分表等工具进行接触式测量，要作图计算，十分费时费力，因而测量精度低，工作效率低下，而且测量人员本身技术经验直接影响到测量结果。
国外的手持式激光对中仪以PSD作为位置探测单元，具有响应速度快，检测精度高的特点，在国外已得到了广泛的应用。但由于涉及商业和技术机密，国内还没有生产该类产品的厂家。国内非手持的激光对中仪一般是采用转动轴的测量方法，即通分别测量0度90度180度270度四个值，记录值后采用个人计算机进行计算，得出旋转轴移动量后进行对中，仅将激光对中仪作为对准工具，没有体现激光对中仪高效的优势。而进口的激光对中仪存在价格昂贵，缠线，检测时对旋转轴的旋转轴角度有要求等操作不方便问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种操作简易，检测精度高的对相连的旋转轴进行对中检测和调整的方法。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供实现该方法的装置。
为了解决上述技术问题，本发明提供的对相连的旋转轴进行对中检测和调整的方法，实施操作步骤如下：
(1)、主动旋转轴所在的主动设备经初步调整至水平后固定，在从动旋转轴所在的从动设备的底部设有可调整的前垫脚和后垫脚，在主动旋转轴上安装一个图像探测单元和一个第一激光发射器，在从动旋转轴上安装一个与图像探测单元对应的第二激光发射器和一个将第一激光发射器反射到图像探测单元的反射单元；在主动旋转轴和从动旋转轴上分别设有倾角计；
(2)、测量出图像探测单元到第二激光发射器及反射单元之间的距离参数F₃，测量出第二激光发射器及反射单元到从动设备的前垫脚的距离参数F₁和到后垫脚的距离参数F₂；
(3)、根据倾角计的指示，调整主动旋转轴和从动旋转轴使之处于相同的任意初始角度位置，启动第一激光发射器和第二激光发射器，第一激光发射器发射的激光经反射单元反射后进入图像探测单元，第二激光发射器直接入射图像探测单元，图像探测单元自动计算并保存所获得的第一激光发射器和第二激光发射器对应激光束的激光光斑坐标参数；
(4)、旋转主动旋转轴，同时从动旋转轴也作旋转并保持旋转相同的角度，或采用两旋转轴不旋转，而是旋转第一激光发射器、第二激光发射器及反射单元、图像探测单元；在旋转过程中，图像探测单元自动不断计算当前的第一激光发射器和第二激光发射器对应激光束的激光光斑参数坐标并作保存；主动旋转轴和从动旋转轴的角度或第一激光发射器、第二激光发射器及反射单元、图像探测单元的旋转角度＞30度；
(5)、在旋转停止后，数据处理显示单元根据从数据处理显示单元输入的距离位置参数F₁、F₂、F₃和所获得的第一激光发射器和第二激光发射器的激光光斑参数，根据对中检测算法获得从动设备的前后垫脚的调整量L₁、L₂和调整倾角θ，将从动设备的从动旋转轴调整到与主动设备的主动旋转轴对中的位置。
本发明提供的实现对相连的旋转轴进行对中检测和调整的方法的装置，图像探测单元通过第一机械安装卡具安装于主动设备的主动旋转轴上，所述的图像探测单元上安装有第一激光发射器；一组反射棱镜、第二激光发射器集成的激光发射及反射单元通过第二机械安装卡具安装于从动设备的从动旋转轴上；所述的图像探测单元与数据处理显示单元进行数据交换连接，在所述的主动旋转轴和从动旋转轴上分别设有倾角计。
图像探测单元由高分辨率的近焦镜头、CCD(CMOS)图像传感器及其驱动信号处理电路、高速图像处理器、成像光学器件组成。
在所述的高分辨率镜头周围装有一组LED背光灯。
所述的图像探测单元内的高速图像处理器与数据处理显示单元通过蓝牙技术进行数据传输。
本发明的工作原理简述如下：
通过机械安装卡具分别将激光发射及反射单元、图像探测单元安装在主动旋转轴的主动设备和从动设备的从动旋转轴上。根据倾角计的角度指示，调整使两旋转轴旋转处在相同的角度位置，一束激光直接从第二激光发射器及反射单元所在位置入射到图像探测单元的成像装置上，被图像探测单元所接受，在其内部根据算法模型得到光斑坐标参数，同时安装在摄像机探测单元上的第一激光发射器发射的激光束入射到反射单元的反射棱镜上，经反射棱镜后入射到图像探测探测单元的成像装置上，经处理后获得另外一组激光光斑坐标参数。完成上述步骤后，根据倾角计的角度指示，将旋转轴旋转任意角度，图像探测单元又得到两组光斑坐标参数。摄图像探测单元的高速处理器根据得到的四组激光光斑坐标就可以得到两旋转轴的偏移角度。从动设备的底座安装有四个垫脚，根据所获得的坐标参数和测量显示单元输入的距离参数F₁、F₂、F₃，经过高速处理器处理后在数据处理显示单元显示从动设备的前后垫脚量L₁、L₂和调整偏转角度θ，从而实现两旋转轴的对中调整。按照该方法，该技术同样适合于水平安装的多组机械设备固定部件或者活动部件的中心对中调整。
本发明的这种利用激光束和机器视觉技术的机械设备对中检测及调整技术应用到旋转轴的旋转中心对中调整，与国外的旋转类机械的旋转轴中心激光对中仪检测方法比较，不再局限于采用PSD作为位置探测器件，由于采用高分辨率的图像传感器和高倍镜头，采用机器视觉技术，同样获得高精度的检测结果。还具有任意时刻检测(旋转角度＞30度)，无需采用常规的类似时钟的9点钟、12点钟和3点钟的三点测量方法。另外采用蓝牙无线数据传输技术，检测过程中无线缠绕问题，操作更加简单人性化。
附图说明
图1为本发明的器件安装分布示意图；
图2为本发明的摄像机探测单元内部结构示意图；
图3为本发明的激光发射及反射单元内部结构示意图；
图4为本发明的对中检测数学模型示意图；
图5为本发明的对中检测垫脚计算数学模型示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的说明，以助于理解本发明的内容。
参见图1、图2和图3，以旋转机械设备的旋转轴旋转中心检测为例，将被检测旋转轴所在机械设备分为从动设备和主动设备。主要包括以下内容：
图像探测单元2通过第一机械安装卡具3即卡座和紧固链条和立式固定支架安装于主动设备1的主动旋转轴4上，图像探测单元2上安装有第一激光发射器11和第一倾角计12；一组反射棱镜21、第二激光发射器22集成的激光发射及反射单元5通过第二机械安装卡具10安装于从动设备7的从动旋转轴6上，激光发射及反射单元5上装有第二倾角计20；图像探测单元2由高分辨率的近焦镜头17、CCD(CMOS)图像传感器16及其驱动信号处理电路、高速图像处理器13、成像光学器件18组成，将上述器件封装，即为一图像采集系统。图像探测单元2的高速图像处理器13分析处理接收到的激光光斑图像，获得激光光斑坐标参数信息，经蓝牙无线模块14发送到数据处理显示单元19。在从动旋转轴6所在的从动设备7的底部设有可调整的前垫脚9和后垫脚8。
位于从动设备7的从动旋转轴6上的第二激光发射器20的激光是直接入射到位于图像探测单元2镜头前端的光学成像器件18上。而置于主动设备1的主动旋转轴4上的图像探测单元2顶部的第一激光发射器11发出的激光入射到从动设备7的从动旋转轴6上的一组反射棱镜21后，最后入射到主动设备1的主动旋转轴4的光学成像器件18上。为增强激光光斑的成像效果，在镜头周围布置有一组LED背光灯15。激光发射及反射单元5与前述的图像探测单元2构成机器视觉检测系统。
数据处理显示单元19由蓝牙无线模块、微处理器和人机显示单元构成。通过数据处理显示单元19上的键盘输入从动设备7的垫脚参数F₁、F₂、F₃，其中F₁表示激光发射及反射单元5中心距从动设备7的前垫脚9的距离；F₂表示激光发射及反射单元5中心距从动设备7的后垫脚8的距离；F₃表示图像探测单元2中心距激光发射及反射单元5中心的距离。微处理器根据接收到的激光光斑坐标参数，求出从动设备7和主动设备1与理论理想的水平线的偏角α、β，最后给出从动设备7的调整角度θ。获得从动设备7的前后垫脚8、9的垫脚量L₁、L₂。
以对两旋转轴的旋转中心进行对中检测为例，两待对中的从动设备和主动设备的旋转轴分别对应从动旋转轴和主动旋转轴。
对中检测的实施操作步骤如下：
a)主动设备1的主动旋转轴4经初步调整至水平后，就不再作调整。参见图1，通过机械安装卡具分别将激光发射及反射单元、图像探测单元安装在从动设备7和主动设备1上。
b)用专用米尺测量出图像探测单元、激光发射及反射单元和从动设备7的前后垫脚三者之间的距离关系参数F₁、F₂、F₃。
c)根据第一倾角计12和第二倾角计20的指示，调整两检测单元使处于相同的初始角度位置，启动第一激光发射器11和第二激光发射器22，图像探测单元2此时自动计算并保存所获得的激光光斑坐标参数。
d)旋转主动旋转轴4，同时从动旋转轴6也作旋转并保持旋转相同的角度，也可以采用两旋转轴不旋转，而是旋转激光发射及反射单元5、图像探测单元2的方式进行。为保证测量精度，旋转角度＞30度。在旋转过程中，图像探测单元2自动不断计算当前的激光光斑参数坐标并作保存。
e)在旋转停止后，数据处理显示单元19根据输入的距离位置参数F₁、F₂、F₃和所获得的坐标参数信息和对中检测算法获得从动设备7的前后垫脚8、9的垫脚量L₁、L₂和调整倾角θ。
上述检测过程中涉及的对中检测算法原理及计算过程阐述如下：
将图像探测单元2置于主动旋转轴4上，激光发射及反射单元5安装于从动旋转轴6上。过主动旋转轴4作直角坐标系，o为原点，建立x，y，z坐标系，主动旋转轴4中心线与z轴重合。图像探测单元2可绕o在xoy平面内旋转。同样，过从动旋转轴6建立坐标系XYZ，O为坐标原点。激光发射和反射单元5可在XOY平面内旋转。图像探测单元2所拍摄的图像格式设定为800×600。以图像的中心建立二维图像坐标系x_co_cy_c(单位为pixel)。从动旋转轴6的Z轴与xoy平面的交点为g₁(x_j1.y_j1，0)。主动旋转轴4的z轴与XOY平面的交点为g₂(x_j2，y_j2，0)。参见图4，当主动旋转轴4与从动旋转轴6完全对中时，z轴与Z轴相互重合，且有g₁点与o点重合，g₂点与O点重合。在不对中的情况下，若获得了点g₁，g₂的坐标参数，即可通过在水平方向和竖直方向改变从动旋转轴6的前垫脚9和后垫脚8的垫脚量以完成对中。
根据第一倾角计12和第二倾角计20指示的角度，以任意角度作为起始角度，使图像探测单元2和激光发射及反射单元5处于同一位置角度。并作测量，在图像坐标系x_co_cy_c下获得两点p₁(x₁，y₁)，p₃(x₃，y₃)。然后旋转一定角度后，又获得两点p₂(x₂，y₂)，p₄(x₄，y₄)。其中第一激光发射器11所发激光束对应的光斑坐标对应于点p₁，p₂，第二激光发射器22对应的光斑坐标对应于点p₃，p₄。由于以轴心o，O作了轴旋转，因此p₁，p₂点关于g₁点对称，p₃，p₄关于g₂点对称。可以得到：
g₁点坐标为：
xj1=y2-y12]]>yj1=x2-x12]]>
p₁，p₂连线与理想对中状态下的理想连线的夹角：
α=arcsiny2-y12D]]>
式中D为p₁，p₂间的距离。
g₂点坐标为：
xj2=y4-y32]]>yj2=x4-x32]]>
p₃，p₄连线与理想对中状态下的理想连线的夹角：
β=arcsiny4-y32d]]>
式中d 为p₃，p₄间的距离。
下面求从动设备7的垫脚量：
先以调整水平方向上的垫脚量为例。将从动旋转轴6的Z轴投影到xoz平面上，M、N分别对应前垫脚9和后垫脚8，o_c^/为激光发射与反射单元5所在位置。投影后的坐标位置关系参见附图5。g点为g₁点在x轴上的投影。o_c^/，M，N在z轴上的投影分别为j，m，n。过g点作z平行线，根据坐标关系，则有J/oc/=x3-x1.]]>两旋转轴中心线夹角较小，有gJ^/＝F₃，J^/M^/＝F₁，J^/N^/＝F₂。因为则有水平方向：
前垫脚量L1x=M/m-M/M=y4-y32-y4+y1-y3+y22F3(F1+F3)---(1)]]>
后垫脚量L2x=N/n-N/N=y4-y32-y4+y1-y3+y2)2F3(F2+F3)---(2)]]>
水平方向从动设备7应调整倾角：
θ＝|α-β|    (3)
同样，将从动旋转轴6的Z轴投影到xoy平面上。可推出垂直方向：
前垫脚量L1y=M/m-M/M=x4-x32-x4+x1-x3+x22F3(F1+F3)---(4)]]>
前垫脚量L2y=N/n-N/N=x4-x32-x4+x1-x3+x22F3(F2+F3)---(5)]]>
从数据处理显示单元19输入垫脚距离参数F₁、F₂、F₃，经蓝牙无线模块14送至高速图像处理模块13，该模块根据上述的算法模型处理后即可得到从动设备7的调整偏转角度θ和前后垫脚调整量L₁，L₂。并将调整结果返回至数据处理显示单元19人机界面显示。