一種自動安平裝置的製作方法
2023-12-09 23:57:46 1
專利名稱：一種自動安平裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種能自動補償殼體水平傾角的自動安平裝置。
背景技術：
目前在建築、裝璜及設備安裝領域都需要在作業過程中確定水平基準、鉛垂基準或其它的參考基準，因此各種全站儀、水準儀及各種雷射基準工具得以全面應用，但這些傳統的基準工具、測量工具都需要人工調節水準，對操作者有一定的技術要求，而且在使用中不方便。其中也有一些利用重力、液體或光學補償的自動安平儀器，但由於自身結構的原因，只能在一個很小的角度範圍內實現自動安平，在地面有一定坡度存在的情況下，還是必須利用各種水平調節裝置來糾正殼體的水平傾角，使之工作在規定安平角度內，所以使用中還不是很方便，而且稍不注意容易引起誤測。
上述基準工具、測量工具中的傳統水平調節裝置是利用設置在儀器殼體上的水準泡與設置在儀器底部的三個調節旋鈕互相配合來實現的，操作時使用者一邊觀察水準泡中的氣泡位置一邊旋轉相應的調節旋鈕，並最終使氣泡居於兩刻線中間而實現調平，這種調試不僅存在多次反覆而且對氣泡位置的觀察還存在視角與人為誤差，使用者必須非常耐心與熟練才行。中國專利200320103371公開了一種自動安平儀器支架，該專利技術在傳統三角支架的基礎上增加了一個內部為密閉容器的支架底座和三個由控制器控制的可伸縮腳爪，該專利技術用密閉容器液面上的三個液面傳感器來代替實現傳統水平調節裝置中的水準泡功能，用控制器控制的三個可伸縮腳爪來代替實現傳統水平調節裝置中的調節旋鈕功能，再通過兩者的相互反饋來實現自動安平功能。該專利技術所採用的技術方案僅僅實現了對傳統水平調節裝置中水準泡與調節旋鈕的簡單替換，在以下二個方面還可以進一步加以改進1.眾所周知，兩條相交直線所決定的平面是唯一的，所以對於空間內任何角度的平面都可以通過改變兩直線端點的方式來獲得。也就是說，對於傳統水平調節裝置而言，只要將一個調節旋鈕視為固定的參照基準，而只調節其餘的兩個就可以實現調平功能。然而該專利技術卻未能突破傳統思維，仍採用了三組傳感器、可伸縮腳爪、電機及傳動裝置等來實現自動調平功能，由此會帶來以下四個方面的不利因素首先會顯著增加實施產品的製造成本，因為傳感器的市場售價很高，所以傳感器、步進電機、步進電機驅動器、傳動與伸縮機構基本決定了實施產品的製造成本，而每多採用一組必定會造成製造成本的大幅增長；其次會使實施產品的控制系統相對複雜化，因為在實際使用中，三角支架的水平傾斜方向是任意的，當實際傾斜方向不與三個伸縮腳爪的另任何一個重合時，三個液面傳感器都會感知液面的高度變化並通過控制器使相應的伸縮腳爪做伸縮動作，此時控制器就必須對來自三個傳感器的信號做出取捨或分配，以決定三個腳爪各自的伸縮量；再者採用三組執行機構會使實施產品的結構相對複雜化，從而增加裝配與調試程序；此外，採用三組執行機構會增加產品的電池消耗，不利於在野外的長時間作業。
2.該專利技術僅僅是針對傳統三角支架的一種創新與改進，只對傳統三角支架上的儀器託盤實現了自動安平，所以對基準工具、測量工具的自動安平不存在普遍意義，因為三角支架不僅體積大、攜帶不方便，而且在一些三角支架無法使用的場合，儀器還是不能依靠它來實現自動安平，再者也不能因為要實現自動安平功能而為每一個基準工具或測量工具都配售一個這樣的自動安平的三角支架，所以該專利技術的通用性差，僅僅解決了儀器在三角支架上的自動安平。這一缺陷在雷射基準工具中表現得尤為突出，如為了對牆腳線施工，雷射基準工具經常會被直接放在地面或離地面很近的位置使用，而為了獲得屋面吊頂的施工基準線雷射基準工具又會被直接掛在離地面很高的牆面上使用，在這些場合三角支架均無法使用。
所以針對現有技術的上述不足之處，有必要加以改進。
發明內容
本實用新型的目的在於提供一種能自動補償殼體水平傾角的自動安平裝置。本實用新型是通過以下技術方案來實現的一種自動安平裝置包括自動安平裝置中設有殼體、驅動電機、控制驅動系統、信號採集系統、支腳、電源；在本實用新型中，所述的支腳包括支撐腳和二個伸縮腳，伸縮腳設有電機驅動的伸縮機構，伸縮腳的伸縮機構是相互獨立的，且各由一個驅動電機驅動，所述信號採集系統是一種採集傾角信息的信號採集系統，其輸出信號輸入控制驅動系統，控制驅動系統分別有一路輸出信號輸入伸縮腳的驅動電機，其中信號採集系統的輸出信號分別與兩個驅動電機的輸入信號一一對應。在本專利技術中，由於支撐腳是相對固定不動的參照基準，所以只要通過改變伸縮腳的伸縮長度就可以補償裝置的水平傾斜角度，這樣本專利技術只需要採用兩組傳感器、驅動電機等執行機構就可以實現自動安平功能，與採用三組傳感器及驅動電機等執行機構的現有技術相比優勢明顯，其不僅可大幅降低實施產品的製造成本，而且使控制系統及產品結構更為簡單可靠、製造與調試更為容易，此外在相同狀況下其電池消耗也更小。在本專利技術中，兩個伸縮腳與支撐腳的連線所形成的夾角應優選90°，因為當夾角為90°時，兩支腳的伸縮運動不會產生相互影響，能簡化運算及安平運動。當裝置採用三個支腳時，兩個伸縮腳與支撐腳的連線所形成的夾角除優選90°外也可以優選60°，因為當夾角為60°時，三個支腳呈中心對稱排列，有支撐穩定及造型美觀的優點。在本專利技術中，由所述的信號採集系統來採集裝置的水平傾角信息，並將裝置在任意方向上的傾斜信息用X、Y的兩個矢量來表示，所以其輸出信號有兩路，該兩路信號被輸入控制驅動系統，經控制驅動系統的處理器處理後產生相應的脈衝信號並經功率放大而輸入伸縮腳的驅動電機，驅動電機又通過傳動裝置使伸縮腳的伸縮機構產生相應的伸縮運動。由於所述信號採集系統的輸出信號分別與兩個驅動電機的輸入信號一一對應，所以信號採集系統只要在X、Y兩個方向的任意一個採集到傾斜信號，都會通過控制驅動系統驅動與之對應的伸縮腳的驅動電機運動，進而使伸縮腳產生相應的伸縮，直至該方向上的傾斜信號消失為止，即實現對裝置的自動安平功能。
採用本專利技術的一種自動安平裝置具有結構簡單、尺寸小的特點，因此該裝置的收藏、攜帶都變得非常方便，可以單獨做為一個自動安平的移動平臺使用，即可以將它放在三角支架上使用也可以直接放在地面上使用，或者配上掛架後掛在牆面上使用。而當將所述裝置的上表面加工成水平臺時，就可為各種基準工具、測量工具提供快捷方便的水平作業平臺，此時如果將雷射水平尺放在該水平臺上，其在全周任何方向所投射的準直雷射束都是水平的。此外，當給殼體再配置一個下文所述的座盤時，裝置就可以連接在各種普通的三角支架上使用，以適合野外的測量作業。此外，由於本專利技術具有很強的通用性，所以可以替代傳統水平調節裝置直接與各種基準工具、測量工具相結合，從而形成各種新的自動安平的基準工具、測量工具，從而使這些工具使用起來更加專業、更為方便。
在本實用新型中，所述的伸縮機構是一種螺旋傳動機構。通過螺旋傳動機構可以將來自電機的旋轉運動轉換為直線運動，非常適合在低速輕載的場合使用，而且螺旋傳動機構能輕易實現對伸縮腳的伸縮運動的精細控制。如採用螺距為1mm的傳動螺紋時，螺杆每旋轉3.6°，螺杆與螺母產生的相對移動為0.01mm，假設此時伸縮腳與轉動軸線的距離為60mm，則此時裝置發生的相對轉動角度為0.01°。由此可見，即使採用步距角為1.8°的普通步進電機也能實現對伸縮腳的精細控制，而且即不需要細分器也不需要其它複雜的傳動與執行機構，所以螺旋傳動機構具有結構簡單、尺寸緊湊、製造容易、成本低的優點。
在本實用新型中，所述螺旋傳動機構的螺杆設在伸縮腳上，螺母連接在殼體上，螺母與殼體間只有一個轉動自由度，其迴轉中心與螺母軸線重合，伸縮腳上設有防止與螺母相對轉動的結構，螺母與驅動電機間設有傳動裝置。驅動電機通過傳動裝置帶動螺母旋轉，由於螺母與殼體間只有一個轉動自由度，所以螺母與殼體的軸向位置不變，又因為設在伸縮腳上的螺杆與螺母不發生相對轉動，所以螺母的旋轉運動引起螺杆沿軸向的上下運動，從而能使伸縮腳產生相應的伸縮運動。當然也可以將所述螺旋傳動機構的螺母設在伸縮腳上，螺杆連接在殼體上，其同樣可實現本實用新型的目的。
在本實用新型中，所述的伸縮腳是連接在直線步進電機的輸出軸上或是直線步進電機的輸出軸。由於直線步進電機內設有將旋轉運動轉換為直線運動的機構，所以其輸出軸產生的運動是直線運動，因此當伸縮腳連接在直線步進電機的輸出軸上時伸縮腳就能隨輸出軸做自由伸縮，當然也可以直接將直線步進電機的輸出軸作為伸縮腳，它同樣能實現本實用新型的目的。
在本實用新型中，所述的信號採集系統是兩個一維角度傳感器所構成的角度信號採集系統，兩個一維角度傳感器的信號採集方向相互正交，其中至少有一個角度傳感器的信號採集方向平行與伸縮腳與支撐腳的連線。兩個一維角度傳感器可以完成對裝置在X、Y兩個方向上的傾斜信息採集任務，當兩個一維角度傳感器的信號採集方向相互正交時，其採集的傾斜信號沒有交叉、重疊現象，因此有益於簡化處理運算。由於至少有一個角度傳感器的信號採集方向平行與伸縮腳與支撐腳的連線，所以另一個伸縮腳的伸縮運動與該角度傳感器的信號採集無關，因此有利於在更短的時間內實現安平。
在本實用新型中，所述支撐腳和伸縮腳的一端連接有一座盤。通過座盤可以在一些支腳無法穩定支撐的場合使用，如沙地或一些地面柔軟的場合等。
在本實用新型中，所述座盤的中間設有連接螺孔。通過設在座盤中間的螺孔，可以將座盤固定在通用三角支架的雲臺上或掛架的底座上，這樣可以完全避免裝置在移動或使用過程中從三角支架或掛架上摔下的可能性。
在本實用新型中，所述支撐腳是殼體上的支撐結構或是一可調整高度的螺旋結構。由於支撐腳僅僅起一個三角支撐的作用，因此可以將其承擔支撐的結構直接設在殼體上，有減少零件、降低成本的優點。當支撐腳被設計成一個可調整高度的螺旋結構時，可以增加裝置的自動安平範圍，因此只要通過對支撐腳的簡單調整就可以使裝置能在大坡度的地面使用。
在本實用新型中，所述的支撐腳是伸縮彈簧，座盤的中心與殼體間設有連接裝置，該連接裝置是一種使座盤與殼體至少具有兩個方向的轉動自由度的連接裝置。由於連接裝置是設在座盤中心的，且座盤與殼體間至少有兩個方向的轉動自由度，所以座盤能以其中心為支點相對殼體轉動。當伸縮腳做伸縮運動時，伸縮彈簧會被動的發生相應的伸縮，而座盤中心與殼體的距離卻不會發生變化，即設在裝置上的基準工具或測量工具無論怎麼傾斜其相對座盤中心的高度不會發生變化。
在本實用新型中，所述的殼體連接有一旋轉盤，兩者間設有一個轉動自由度，迴轉中心與旋轉盤中心基本重合。因為在實際使用過程中，水準工具往往需要在多個角度轉動使用，在殼體上連接有一旋轉盤後能使這種旋轉作業更加方便。
在本實用新型中，可以在所述的殼體上設置準直雷射投射裝置，由於伸縮腳的伸縮運動對殼體有水平傾斜補償作用，因此準直雷射投射裝置所投射的準直雷射束的投射方向與殼體的傾斜無關，所以本裝置可直接作為自動安平的雷射基準工具使用；在本實用新型中，也可以在所述的座盤上設置準直雷射投射裝置，因為座盤與殼體的轉動是相對的，因此當殼體被固定並發生傾斜時，伸縮腳的伸縮運動通過對殼體水平傾斜的補償而使座盤恢復原狀態，即可對座盤實現自動安平，由於準直雷射投射裝置被固定在座盤上，因此其投射的準直雷射束的投射方向仍與殼體的傾斜無關，本裝置同樣可以直接作為自動安平的雷射基準工具使用；在本實用新型中，還可以在所述的旋轉盤上設置準直雷射投射裝置，同上所述，通過伸縮腳對殼體及旋轉盤的水平傾斜補償，能使準直雷射投射裝置所投射的準直雷射束的投射方向與殼體的傾斜無關，裝置可以作為自動安平的雷射基準工具使用，而且由於旋轉盤可相對殼體旋轉，因此可以非常方便的在多個方向完成雷射基準投射。在本實用新型所述的自動安平裝置上加裝準直雷射投射裝置後，就成為各種新的雷射基準工具，如成為自動安平的雷射水平尺、自動安平的雷射鉛直儀等，當本實用新型加裝多個準直雷射投射裝置時，其就可沿+X、+Y、+Z、-X、-Y、-Z軸方向同時投射準直雷射束，從而在空間形成完整的雷射座標系。
在本實用新型中，可以在上述準直雷射投射裝置的投射路徑上設置將準直雷射束轉換為雷射平面的光學裝置，所述光學裝置可以是柱面透鏡也可以是錐角為90°的錐面反射鏡，所述準直雷射束垂直柱面透鏡軸線或與錐面反射鏡同軸。由於準直雷射束只能在目標物上投射出雷射點，使用中還不是很方便，而通過柱面透鏡折射或錐面反射鏡後所形成的雷射平面能在目標物上形成雷射線，可一次完成對多個目標的基準作業，所以本裝置可以直接作為各種雷射安平儀來使用。當本實用新型加裝多個光學裝置及準直雷射投射裝置時，就可以同時在XY、YZ、XZ三個座標平面投射基準雷射。
在本實用新型中，可以將上述的準直雷射投射裝置連接在迴轉軸上，其投射的準直雷射束垂直與迴轉軸，且所述迴轉軸通過傳動裝置與電機的輸出軸相連。因為準直雷射投射裝置連接在迴轉軸上，所以通過傳動裝置，電機能帶動迴轉軸與準直雷射投射裝置一起作擺動或迴轉運動，又因為準直雷射束垂直與迴轉軸，所以通過所述的擺動或迴轉運動能將準直雷射束掃描成一垂直迴轉軸的雷射面，從而在目標物上形成雷射線，所以本裝置可直接作為自動安平的雷射掃平儀使用，而且與重力安平的自動安平雷射掃平儀相比具有自安平角度大的顯著優點；在本實用新型中，還可以在上述準直雷射投射裝置的投射路徑上設置反射裝置，所述反射裝置連接在迴轉軸上，其向外投射的反射準直雷射束垂直於迴轉軸，所述迴轉軸通過傳動裝置與電機的輸出軸相連，所述反射裝置包括反射鏡、分光鏡、五稜鏡或其它能實現反射作用的裝置。因為反射裝置連接在迴轉軸上，所以通過傳動裝置，電機能帶動迴轉軸與反射裝置一起作擺動或迴轉運動，又因為反射裝置向外投射的準直雷射束垂直於迴轉軸，所以通過所述的擺動或迴轉運動能將準直雷射束掃描成一垂直迴轉軸的雷射面，從而在目標物上形成雷射線，因此採用此技術方案同樣可實現自動安平雷射掃平儀的使用功能。當本實用新型在X、Y、Z三個正交方向設置三組雷射掃描系統後，就可以在空間掃描出XY、YZ、XZ三個雷射座標平面。
圖1為本實用新型一實施例的結構示意圖。
圖2為對圖1實施例的E-E剖視圖。
圖3為對圖1實施例的F-F剖視圖。
具體實施方式
結合圖1、2、3所示本實用新型的一實施例的結構包括殼體1、旋轉盤2、控制驅動系統3、壓片4、螺釘5、驅動電機6、大齒輪7、旋轉螺母8、卡簧9、小軸承10、大軸承11、伸縮腳12、座盤13、萬向節14、電池蓋15、電池16、支撐腳17、支撐腳18、驅動電機19、大齒輪20、旋轉螺母21、卡簧22、小軸承23、大軸承24、伸縮腳25、X角度傳感器26、Y角度傳感器27、小齒輪28、小齒輪29。
以下結合附圖對該實施的構造作進一步的說明如圖1所示，旋轉螺母8通過小軸承10、大軸承11連接在殼體1相應的軸孔內，其上端壓裝有一大齒輪7，卡簧9位於旋轉螺母8的卡簧槽內，卡簧9的下端面緊貼小軸承10的上端面，以防止旋轉螺母8、小軸承10沿軸向竄動。伸縮腳12的上部被加成螺杆，下部的底端有一部分被削扁，伸縮腳12上部的螺杆旋入旋轉螺母8，下部底端被削扁的一部分插入座盤13沿徑向開設的凹槽內，因此當旋轉螺母8轉動時，伸縮腳12不會跟隨轉動，而只能將旋轉螺母8的旋轉運動轉變為上、下伸縮運動。殼體1與座盤13通過萬向節14相互連接，兩者能在任何方向發生傾斜，其中座盤13的底部還加工有連接螺孔。支撐腳17是一壓縮彈簧，其上端套在殼體1相應的凸臺上，下端套在座盤13相應的凸臺上，支撐腳17與伸縮腳12對稱布置，當伸縮腳12伸出旋轉螺母8的長度發生變化時，支撐腳17由於槓桿原理會產生相應的伸長或縮短，所述槓桿的支點是萬向節14的轉動軸。座盤13的底部設有電池腔，電池腔內設有電池16，電池16的下部設有一電池蓋15，電池蓋15能防止電池16從電池腔中掉出。旋轉盤2的中心孔套在殼體1上端的凸臺上，兩者能相互轉動，壓片4通過螺釘5固定在殼體1上端凸臺的端面上，壓片4可防止旋轉盤2的軸向竄動。控制驅動系統3固定在殼體1上，且位於殼體1和旋轉盤2所形成的空腔內，控制驅動系統3包括信號處理電路、脈衝發生電路、信號分配電路、功率放大電路等。
如圖2所示，旋轉螺母21通過小軸承23、大軸承24連接在殼體1相應的另一軸孔內，其上端壓裝有一大齒輪20，卡簧22位於旋轉螺母21的卡簧槽內，卡簧22的下端面緊貼小軸承23的上端面，以防止旋轉螺母21、小軸承23沿軸向竄動。伸縮腳25的上部被加成螺杆，下部的底端有一部分被削扁，伸縮腳25上部的螺杆旋入旋轉螺母21，下部底端被削扁的一部分插入座盤13沿徑向開設的另一凹槽內，因此當旋轉螺母21轉動時，伸縮腳25不會跟隨轉動，而只能將旋轉螺母21的旋轉運動轉變為上、下伸縮運動。支撐腳18是一壓縮彈簧，其上端套在殼體1相應的另一凸臺上，下端套在座盤13相應的另一凸臺上，支撐腳18與伸縮腳25對稱布置，當伸縮腳25伸出旋轉螺母21的長度發生變化時，支撐腳18由於槓桿原理會產生相應的伸長或縮短，所述槓桿的支點是萬向節14的另一轉動軸。
如圖3所示，X角度傳感器26固定在支撐腳17與伸縮腳12的連線上，Y角度傳感器27固定在支撐腳18與伸縮腳25的連線上，因為兩連線相互垂直，所以X角度傳感器26與Y角度傳感器27相互正交，其採集的傾斜信號沒有交叉、重疊。小齒輪28固定在驅動電機6的輸出軸上，驅動電機6通過螺釘固定在殼體1的相應位置上，小齒輪28與大齒輪7相互嚙合。小齒輪29固定在驅動電機19的輸出軸上，驅動電機19通過螺釘固定在殼體1的另一相應位置上，小齒輪29與大齒輪21相互嚙合。
本實施例的自動安平過程描述如下當裝置由於地面不平而發生傾斜時，X角度傳感器26和Y角度傳感器27會各自採集到相應的傾斜信號，傾斜信號被輸入控制驅動系統3，經信號處理後產生相應的脈衝信號，再經信號分配電路及功率放大電路的處理後將脈衝信號輸入驅動電機6及驅動電機19，兩個驅動電機通過大、小齒輪的嚙合將各自的旋轉運動傳遞給旋轉螺母，經旋轉螺母與伸縮腳的螺旋傳動後使伸縮腳12與伸縮腳25產生相應的伸縮運動，並迫使殼體1繞萬向節14發生一定傾斜，最終實現對裝置傾斜的補償。
權利要求1.一種自動安平裝置包括自動安平裝置中設有殼體、驅動電機、控制驅動系統、信號採集系統、支腳、電源；其特徵在於所述的支腳包括支撐腳和二個伸縮腳，伸縮腳設有電機驅動的伸縮機構，伸縮腳的伸縮機構是相互獨立的，且各由一個驅動電機驅動，所述信號採集系統是一種採集傾角信息的信號採集系統，其輸出信號輸入控制驅動系統，控制驅動系統分別有一路輸出信號輸入伸縮腳的驅動電機，其中信號採集系統的輸出信號分別與兩個驅動電機的輸入信號一一對應。
2.根據權利要求1所述的一種自動安平裝置，其特徵在於所述的伸縮機構是螺旋傳動機構。
3.根據權利要求2所述的一種自動安平裝置，其特徵在於所述螺旋傳動機構的螺杆設在伸縮腳上，螺母連接在殼體上，螺母與殼體間只有一個轉動自由度，其迴轉中心與螺母軸線重合，伸縮腳上設有防止與螺母相對轉動的結構，螺母與驅動電機間設有傳動裝置。
4.根據權利要求1所述的一種自動安平裝置，其特徵在於所述的伸縮腳是連接在直線步進電機的輸出軸上或是直線步進電機的輸出軸。
5.據權利要求1所述的一種自動安平裝置，其特徵在於所述的信號採集系統是兩個一維角度傳感器所構成的角度信號採集系統，兩個一維角度傳感器的信號採集方向相互正交，其中至少有一個角度傳感器的信號採集方向平行與伸縮腳與支撐腳的連線。
6.根據權利要求1所述的一種自動安平裝置，其特徵在於所述支撐腳和伸縮腳的一端連接有一座盤。
7.根據權利要求6所述的一種自動安平裝置，其特徵在於所述座盤的中間設有連接螺孔。
8.根據權利要求1或6所述的一種自動安平裝置，其特徵在於所述支撐腳是殼體上的支撐結構或是一可調整高度的螺旋結構。
9.根據權利要求1或6所述的一種自動安平裝置，其特徵在於所述的支撐腳是伸縮彈簧，座盤的中心與殼體間設有連接裝置，該連接裝置是一種使座盤與殼體至少具有兩個方向的轉動自由度的連接裝置。
10.根據權利要求1所述的一種自動安平裝置，其特徵在於所述的殼體連接有一旋轉盤，兩者間設有一個轉動自由度，迴轉中心與旋轉盤中心基本重合。
專利摘要一種自動安平裝置包括自動安平裝置中設有殼體、驅動電機、控制驅動系統、信號採集系統、支腳、電源。支腳包括支撐腳和二個伸縮腳，伸縮腳設有電機驅動的伸縮機構，伸縮腳的伸縮機構是相互獨立的，且各由一個驅動電機驅動，所述信號採集系統是一種採集傾角信息的信號採集系統，其輸出信號輸入控制驅動系統，控制驅動系統分別有一路輸出信號輸入伸縮腳的驅動電機，其中信號採集系統的輸出信號分別與兩個驅動電機的輸入信號一一對應。由於支撐腳是相對固定不動的參照基準，所以只要通過改變伸縮腳的伸縮長度就可以補償裝置的水平傾斜角度。本實用新型只需要採用兩組傳感器、驅動電機等執行機構就可以實現自動安平功能。
文檔編號G01C15/00GK2884145SQ20062010025
公開日2007年3月28日 申請日期2006年1月8日 優先權日2006年1月8日
發明者周培銀 申請人:周培銀