用于可倾斜激光光学系统的等级机构

摘要

一种具有等级机构（1）的旋转激光水平仪设备（28），包括：透镜筒（21），具有激光光学系统（20）；等级臂（2），在XZ平面中可倾斜地支撑在框架结构（8）上；倾斜传感器（10），设置在等级臂（2）处且构造为检测等级臂（2）的水平位置；倾斜机构（22），设置在框架结构（8）上且设计成相对于XZ平面倾斜等级臂（2）；码元件（12’，12”）和位置检测设备，用于提供和检测反馈位置信息；以及水平化机构（23），可倾斜地支撑透镜筒（21）且设计成倾斜透镜筒（21）以具有倾斜传感器（10）检测的水平位置且因此使等级臂（2）水平，其特征在于，码元件（12’，12”）或位置检测设备直接布置在等级臂（2）上，且反馈位置信息直接依赖于等级臂（2）上的参考点的位置，参考点分别通过码元件（12’，12”）或位置检测设备限定，因而允许直接从反馈位置信息推导出等级臂（2）的位置，和/或直接从反馈位置信息计算等级臂（2）相对于透镜筒（21）的倾斜角度（β，β1）。

说明书

本发明涉及用于可倾斜激光光学系统尤其是可倾斜旋转激光水平仪（construction  laser）的等级机构（grade mechanism）的反馈传感器、尤其是原始位置传感器，且涉 及用于确定该等级机构的等级臂（grade arm）的位置的方法。

具有可旋转激光光束的激光水平仪主要用在建筑工业中，作为用于跟踪地板、屋 顶和墙壁上水平和垂直线或者标记点或对象以固定路径或参考线或确定水平或垂直 平面或墙壁、屋顶和地板上预定倾斜的平面的辅助装置，其帮助取向或沿着对象定位。 例如可以使用旋转激光水平仪来对准墙壁、窗户或门框架和确定铅锤测量或电气装置 的路线。

常规现有技术旋转激光水平仪包含位于外壳中的激光器单元、其发射的激光光束 通过偏转设备偏转约90°。外壳通常包含光学透明窗口或切口，这使得激光能够发 射到外部。偏转设备绕轴旋转，该轴一般与光学轴一致。当偏转设备旋转时，作为其 偏转的结果，激光光束横向传播到偏转设备的旋转轴，以在表面上产生可见或可检测 路径或线的方式描述平面。

为了实现根据预定或给定设置的路径对准，与容纳激光器单元的外壳有关，激光 器单元一般以两个相互垂直的方向可倾斜地安装。从现有技术已知：旋转激光水平仪 可以在参考瓶（reference vial）、尤其是两个正交对准参考瓶的帮助下成水平，该参考 瓶包含用于确定光学核心模块的绝对等级的传感器装置。

常规地，对于控制旋转激光水平仪的等级和其水平对准，使用等级机构，该等级 机构包含安装在可倾斜等级臂上的倾斜传感器（例如参考瓶），相应地两个正交对准 的倾斜传感器在一个等级臂或平台上。备选地，欧洲专利申请EP 09177262.4描述了 在两个正交对准的等级臂上使用两个倾斜传感器。

在现有技术中，存在一般公开旋转激光器的各种可用文档，该旋转激光器的倾斜 可以通过该设计（例如文档US 5,485,266）的等级机构调节。从该文档还已知：等级 臂的倾斜通过马达、尤其是步进马达进行，该马达旋转驱动借助于螺母与等级臂连接 的导螺杆。等级机构在其导螺杆机构中采用编码器以检测导螺杆机构的旋转速度，或 在其旋转驱动导螺杆的驱动马达中采用编码器。在步进马达的情况中，步进马达执行 的步数对应于等级臂的倾斜角度中的某一变化。为了能够使得等级臂返回到原始位 置，步进马达在某一方向中执行的步数被计算且尤其被记忆。

作为由于导螺杆机构的重复使用导致的累计误差或者由于机构部件的重复使用 或劣化导致的机构部件的磨损的结果，误差可能发生且导致角度设置中的一般偏离， 使得不再能够保证倾斜精确度。而且，例如，如果设备未接触地面或通过其他环境接 收震动，步进马达可能失去执行的步的计数。因此，等级机构将不再能够使得等级臂 返回到正确的原始位置。在激光水平仪的下述应用中，这则将导致不正确的倾斜且将 使得重新校正成为必要。

使用测量至少一个位置、优选地原始位置中等级臂的倾斜的反馈传感器，将总是 可以参考回初始位置。上述现有技术文档针对旋转激光器的所有解决方案均不具有允 许确认设置的等级或显示误差或偏离的反馈控制形式。这种类型的反馈传感器从欧洲 专利申请EP 1 901 034 A2已知。该文档公开了一种反馈传感器系统，该反馈传感器 系统具有安装在导螺杆的螺母上的发光二极管（LED）和模板，一同将光图案投射到 安装在透镜筒上的电荷耦合设备（CCD）阵列扫描仪的图像接收表面上。尽管该解决 方案具有一些缺点：首先仍存在螺母且尤其是螺母与等级臂的连接可能变得不精确的 可能性。不幸的是，这减小了反馈传感器的可靠性。另一缺点在于由于设置有模板和 CCD导致的复杂性且因此相对昂贵。

本发明的目的是提供一种用于等级机构的高度精确的原始位置和窄范围等级传 感器系统，该等级机构精确地且可靠地允许返回到原始位置，以这种方式，还校正在 螺母和等级臂之间的连接中出现的偏离。此外，本发明的特定目的是提供使用简单方 式和减小制造成本的解决方案。这些目的其中至少一个通过根据权利要求1所述的原 始位置传感器系统和/或本发明的从属权利要求实现。

根据本发明的一个实施方式的旋转激光水平仪的等级机构包括：透镜筒，其中布 置激光光学系统；水平化机构，其可倾斜地支撑透镜筒；框架结构，固定到透镜筒且 设置有等级臂和倾斜机构，该倾斜机构相对于水平平面倾斜等级臂；倾斜传感器，设 置在等级臂处且构造为检测等级臂的预设参考位置；以及反馈传感器系统，构造为检 测等级臂的位置和/或基于等级臂的位置计算倾斜角度。

可倾斜地支撑透镜筒的水平化机构设计为倾斜透镜筒，从而通过等级臂上的倾斜 传感器检测参考位置且然后通过倾斜透镜筒使等级臂水平。

等级臂在XZ平面和YZ平面其中至少一个中可倾斜，其中XZ平面具有X轴和 Z轴，YZ平面具有Y轴和Z轴，Z轴是激光光学系统的光轴或与之一致，且X轴和 Y轴在垂直于Z轴的平面中彼此垂直。在具有两个等级臂的情况中，一个等级臂在 XZ平面中可倾斜且另一个等级臂在YZ平面中可倾斜。

倾斜机构包含：导螺杆，通过驱动马达可旋转地驱动；以及螺母，通过导螺杆往 复运动，且与等级臂啮合且使等级臂相对于参考位置倾斜。

根据本发明的反馈传感器系统，与EP 1 901 034 A2的解决方案相对照，光源和 阴影投射对象直接安装在等级臂上而不是螺母上，因此根据本发明的反馈传感器系统 还校正由于螺母以及其与等级臂的连接中的误差导致的偏离，这对于整体仪器精确度 而言是重要的。

尽管激光水平仪的倾斜实际可以高达25%，对于正常使用情况，具有在等级设置 的+/-4％范围内的高度精确的反馈精确度就足够。根据本发明的反馈传感器针对该目 的设计。其是高度有效的解决方案，因为仅需要极其简单的组件，这对于成本有效的 制造而言是尤其感兴趣的。

对于本发明的反馈传感器系统，取代如EP 1 901 034 A2所公开的具有绝对模板 的孔，仅需要简单和低成本的销。取代CCD阵列传感器，单个光学线性传感器就足 够，因为无需评估复杂图案而仅需评估简单阴影，该阴影的位置简单地通过一维传感 器识别。另外，使用销和线性传感器，无需实施复杂计算来评估绝对光图案。因而， 单独的计算单元也是可有可无的。此外，与使用塑料或玻璃盘编码器的其他解决方案 相比，无需用于销的胶合处理。销可以直接作为等级臂组件的部件制造以减小制造成 本，例如，等级臂和销可以制造为单个注模部件或铝铸件。

备选地，取代具有LED、销和光学线性检测器作为反馈传感器装置的机构，可 以想象其他方法：例如，可以使用数字码和编码器传感器，其中之一布置在等级臂上， 且另一个布置在框架结构上，因而检测等级臂的绝对位置。

为了进一步减小制造成本，等级臂的支撑轴承可以是“V接合”的形式。停留在 两个线性支撑件上的轴承衬套的上半部分通过支撑销支撑，且像阴影投射销一样，可 以制造为等级臂的集成部件。这减小了单个组件的制造成本且有利于组装。轴承衬套 的下部附连到等级臂的底部且防止等级臂跳离支撑销。等级臂还可以以这种方式成 形：存在多于一个的这种轴承衬套。具体而言，在支撑销的两端上均具有两个轴承衬 套的版本可能是有用的。下部则必须根据等级臂的形状成形，或针对每一个轴承衬套 存在一个下部。

“V接合”的另一优点是增强的可重复性，因为与球轴承相比，仅两个轴承部件 —一个内部和一个外部轴承部件—保持返回到初始位置。因为两个线性支撑件，和轴 承衬套的情况一样，没有几何形状的过度确定。通过滑动表面的长度的自由定义，可 以控制预载引导的轴。

在本发明的优选实施方式中，等级机构包含两个正交对准的等级传感器设备，该 设备具有根据本发明的原始位置传感器以测量X轴和Y轴中的等级。如欧洲专利申 请EP 09177262.4所述，两个独立等级臂的使用规避了当使用具有两个倾斜传感器的 公共等级臂时与源于滚动误差的不精确性相关的问题。针对该目的，也可以仅使用一 个等级机构。等级机构则必须可枢转地安装在透镜筒上。通过绕Z轴枢转，它可以依 次测量两个方向中的等级。

本发明的等级机构还可以与双等级臂一同使用，该双等级臂上安装同时测量XZ 平面和YZ平面中的倾斜的两个倾斜传感器。在这种情况中，使用光学阵列检测器（例 如CCD阵列传感器）是有利的，用以最小化或排除滚动误差，该滚动误差在双等级 臂通过单个支撑销支撑且通过两个倾斜机构独立倾斜时出现。因而，即使等级臂仅通 过倾斜机构其中一个在XZ平面中倾斜，阴影投射对象的位置和倾斜改变。因为这还 影响阴影投射对象投射的阴影，线性检测器最终将仅检测阴影的一部分或根本检测不 到阴影。阵列检测器可以检测阴影投射对象的二维阴影轮廓。在圆锥或圆柱销的情况 中，矩形阴影将被投射在阵列检测器上。阵列检测器正确地检测阴影的轮廓，即使它 由于等级臂的滚动而倾斜，且可以得出阴影投射对象的位置。

甚至可以仅使用一个阵列检测器来确定两个方向中等级臂的倾斜：阵列检测器不 仅检测阴影的位置，而且检测其倾斜，且从阴影的位置推导出XZ平面中等级臂的倾 斜且从阴影的倾斜推导出YZ平面中等级臂的倾斜。

阵列检测器还对于使用两个独立等级臂的实施方式是有用的。阵列检测器例如可 以用于检测倾斜过程中由于倾斜机构的劣化导致的阴影横向波动—例如抖动。在这种 情况中，可以向操作员提供需要维护服务的警告。

在下文中将通过参考结合附图的示例性实施方式详细地描述本发明，附图中：

图1示出根据本发明包含等级机构的可倾斜旋转激光水平仪的示意性表达；

图2a示出根据本发明具有传感器系统的等级机构的第一实施方式的示意性表 达；

图2b示出倾斜状态中图2a的实施方式的示意性表达；

图3示出根据本发明具有传感器系统的等级机构的第二实施方式的示意性表达；

图4示出通过光学线性传感器接收的示例性光强和从这些值得出的相应角度的 图示；

图5a示出根据本发明具有传感器系统的等级机构的第三实施方式的示意性表 达，其中使用数字码和编码传感器；

图5b示出根据本发明具有传感器系统的等级机构的第四实施方式的示意性表 达，其中使用数字码和编码传感器；

图6示出根据本发明的传感器系统的第五实施方式的示意性表达；

图7示出框架结构上用于可倾斜支撑等级臂的V接合的示意性表达；

图8示出图1的旋转激光水平仪无框架结构的示意性表达，等级机构的组件直接 安装在透镜筒上；

图9示出根据本发明使用具有双等级臂的传感器系统的等级机构的第六实施方 式的示意性表达；

图10a-c示出具有阴影的阵列传感器的三个示例性表达；

图11示出示意性说明倾斜传感器、水平化机构、等级机构和原始位置传感器系 统之间的协作的工作原理的流程图。

图1是示出根据本发明包含等级机构1的可倾斜旋转激光水平仪设备28的示意 性表达。等级机构1安装在透镜筒21上，该透镜筒21包含激光光学系统20且通过 水平化机构23可倾斜地支撑。激光光学系统20在光轴25的方向中发射激光光束24。 激光光束24通过偏转设备26偏转约90°，该偏转设备26绕光轴25旋转。当偏转设 备26旋转时，作为其偏转结果，激光光束24横向传播到偏转设备的旋转轴，且描述 平面27。

图2a示出根据本发明具有原始位置传感器系统的等级机构1，其包含：框架结 构8，固定到激光光学系统20（未示出）的透镜筒21上；以及倾斜机构22，设置在 框架结构8且包含导螺杆5、借助于齿轮链6驱动导螺杆5的步进马达9以及通过导 螺杆5往复运动的螺母7。等级机构1还包含等级臂2，其可倾斜地支撑在框架结构 8上且通过螺母7的啮合装置17与倾斜机构22的螺母7啮合。倾斜传感器10固定 在等级臂2上。在原始位置，等级臂2相对于框架结构8以输出角度β对准。在该示 例性表达中，示出90°的示例性输出角度β。

根据本发明的原始位置传感器系统是用于该等级机构1的反馈传感器，以实现从 仪器的真实水平即等级臂2的原始位置开始+/-4％内的可接受的可重复性。原始位置 传感器系统包含LED11（或备选的发光器）和销12’，它们安装在等级臂上且以这种 方式对准：当LED11朝向销12’发射光时，阴影14被从销投射向原始位置传感器13。 原始位置传感器13包含光学线性检测器且安装在框架结构8上。

销12’以这种方式安装在可移动等级臂2的参考点上：在等级臂2的原始位置中， 它刚好位于原始位置传感器13中心的前方。LED11照射销12’，这因而将阴影14 投射到光学线性检测器的光敏表面上。从阴影14在线性检测器的表面上的位置，可 以计算销12’相对于原始位置传感器13的纵轴的垂直位置。可以从销的垂直位置通过 原始位置传感器13确定等级机构的绝对位置，且相应地确定等级臂2和框架结构8 之间的角度β₁。备选地，作为针对此目的的附加特征，可以提供单独的计算单元15。

而且可以取代销12’使用多个销或诸如简单孔的其他对象，只要该对象投射阴影 14即可，该阴影14可以被原始位置传感器13的光学线性检测器识别，且可以从该 阴影14推导出该对象的垂直位置。

图2b示出对于旋转激光水平仪产生的激光平面与水平轴齐平的情况的同一等级 机构1。在倾斜机构22将等级臂2向上倾斜到角度β₁时，等级臂2上的倾斜传感器 10报告倾斜，该倾斜随后通过透镜筒21（未示出）（框架结构8固定到该透镜筒21） 和光学轴25的倾斜补偿，直到倾斜传感器再次报告水平对准。

在图3中说明的本发明的第二实施方式中，LED11不在平行于等级臂2的方向 中而是在与之正交的方向中发射光。阴影投射销12’以这种方式安装在等级臂2的横 向延伸2a上：阴影14被投射到安装在框架结构8上的原始位置传感器13的光学线 性检测器的表面上。理论上，光可以在等级臂2通过倾斜机构22倾斜的平面内的任 意方向中发射。在图3中，示出在等级臂2通过倾斜机构22倾斜之后但在水平化机 构23随后倾斜透镜筒21以水平化等级臂2之前的情形。

图4是说明原始位置传感器13的光学线性检测器的工作原理的图示。检测器以 一个维度的线性分辨率测量其表面上的光强。销12’的阴影14导致检测器的光敏表面 的某一区域中的光强的突降。光强的局部最小值对应于销12’的垂直位置和等级臂2 的角度β₁。当等级臂2通过倾斜机构22返回到其原始位置时，角度β₁应当等于预定 输出角度β。此处，示出测量角度β₁和输出角度β之间约0.3°的差异。如果步进马达 9失去执行的步的数目，或倾斜机构22的一部分，例如齿轮链6或螺母7或啮合装 置17由于劣化变得不精确，则可能出现该差异。等级臂2的倾斜然后可以通过倾斜 机构22校正，直到等级臂2在输出角度β到达其真实原始位置。

如图5a所示，原始位置传感器系统还可以由具有编码器传感器16的线性或旋转 编码器组成或包含后者，该编码器传感器16安装在框架结构8上且设计为扫描安装 在等级臂2上的角度或线性标尺的表面上的数字码12”。数字码12”包含等级臂2的 编码的绝对位置且可以通过例如，光学、磁性、电感性或电容性装置之类的各种装置 提供。编码器传感器16检测编码12”的一部分，且从该部分得出等级臂2的绝对位 置。如图5b所示，编码器还可以布置在等级臂2的横向延伸2a上。

在图6中说明等级机构1的另一示例性实施方式，其具有某一独立特征设计但是 一般具有与上述实施方式相同的工作原理。如此处所示，还可以提供单独的计算单元 15，马达9可以驱动导螺杆5而无需通过齿轮链6的传动比调节，LED11和阴影投 射销12’的位置以及框架结构8上的可倾斜支撑件4的设计也可以变化。而且，可设 想用于啮合螺母7和等级臂2的啮合装置17的不同设计。

图7示出使用V形接合可倾斜地支撑在框架结构8上的等级臂2的端部的实施 方式。保持等级臂2的端部的可倾斜支撑件4此处是尤其由钢制成的简单销。在该端 部，等级臂2具有附连到等级臂的下部件3。等级臂2和下部件3均具有V形槽口。 当等级臂2和下部件3被放置在一起时，这些V形槽口形成公共开口。因而，等级 臂2且相应地轴承衬套的上半部分通过两个线性支撑件19停留在支撑销4上。下部 件3且相应地轴承衬套的下半部分防止等级臂2跳离支撑销4。此处，示出使用两个 轴承衬套和一个支撑销4的实施方式，但是还可以设想使用一个或多于两个的轴承衬 套和多于一个的支撑销4的各种备选实施方式。

等级机构1的框架结构8可以以各种方式安装到透镜筒21，例如，它可以胶合 或螺栓连接到透镜筒21的表面。它还可以作为其集成部件制造。在另一备选实施方 式中，等级机构1的框架结构8完全可以是不必要的。这在图8中示出。上述实施方 式中安装到框架结构8的等级机构1的所有组件也可以直接安装到透镜筒21。还可 以以这种方式制造透镜筒21：其表面包含用于这些组件的必要安装件。

图9以顶视图示意性示出根据本发明的第六实施方式。在该实施方式中，使用具 有双等级臂2XY的等级机构1”。在等级臂2XY中，一个部件在X轴27的方向中对 准且另一个部件在Y轴29的方向中对准。等级臂2XY的两个部件均具有第一实施 方式的特征：发光器11X/11Y、阴影投射对象12X/12Y和倾斜传感器10X/10Y（未示 出）。双等级臂2XY通过销4”支撑且可以通过第一倾斜机构22X在XZ平面中倾斜 且通过第二倾斜机构22Y在YZ平面中倾斜。

使用这种等级机构1”，可以同时测量等级臂2XY相对于X轴27和Y轴29的 倾斜。在图9中，通过阴影投射对象12X/12Y接收和检测阴影14X/14Y投射的传感 器装置是二维地检测阴影14X/14Y的区域阵列检测器13X/13Y。

图10a、10b和10c示意性示出阵列检测器13X的表面，其中示出规则阴影14X 的表达。在图10a中，阴影14X的位置代表XZ平面中等级臂2XY的原始位置，即 0°倾斜角度β。当阴影14X竖直站立时，在YZ平面中没有倾斜。在图10b中，阴影 14X的位置被抬高。该位置代表等级臂2XY在XZ平面中的向上倾斜。而且，在该 附图中，阴影14X竖直站立，示出在YZ平面中没有相对于Y轴29的倾斜。在图10c 中，阴影14X向左倾斜，这指示由于YZ平面中的向下倾斜导致的等级臂2XY的转 动。

因为阴影14X的垂直位置代表等级臂在XZ平面中的倾斜且可以从阴影14X的 倾斜推导出等级臂2XY在YZ平面中的倾斜，还可以仅使用单个阵列检测器13X来 检测两个方向中的原始位置。

图11中，示出示意性说明倾斜传感器10、水平化机构23、倾斜机构22和原始 位置传感器系统之间的协作的工作原理的流程图：当旋转激光水平仪设备被设立并且 开启以及操作员输入水平平面将被投影时，原始位置传感器验证等级臂2的位置是否 是原始位置。如果存在偏离，则倾斜机构22重新调节等级臂2的倾斜，直到原始位 置传感器验证等级臂2已经到达其原始位置。如果等级臂2处于其原始位置，则水平 化机构23根据等级臂2上的倾斜传感器10提供的信息使透镜筒21水平。

当设备的操作员选择倾斜等级时，倾斜机构22相应地例如通过计算步进马达9 的步数而倾斜等级臂2。因为倾斜传感器10安装在等级臂2上，其不再水平。因而， 水平化机构23倾斜透镜筒21，直到等级臂2和倾斜传感器10再次水平。透镜筒21 和由旋转激光水平仪产生的激光平面则具有所需的倾斜。只要操作员选择不同的倾 斜，该过程就一直重复，且一直到设备关闭。

可选地，在使用设备之后，倾斜机构22使得等级臂2返回到（假设的）的原始 位置，且原始位置传感器验证等级臂2的位置是否处于原始位置。图9中该选项通过 虚线表示。在等级臂2的倾斜超过原始位置传感器的感知角度的情况中这是尤其有利 的。

原始位置传感器的可选附加功能是验证传感器装置可感知的范围内等级臂2的 任意倾斜角度β₁的可能性。该范围依赖于线性或阵列检测器的尺寸且应当在两个方 向中至少达到4°，尤其至少达到10°。

尽管上文部分地参考一些优选实施方式描述了本发明，但是必须理解的是，可以 做出实施方式的不同特征的各种修改和组合。所有这些修改在随附权利要求书的范围 内。