旋转构造激光器,具体为自补偿的旋转构造激光器以及用于测量构造激光器的旋转轴线的倾斜的方法

摘要

本发明涉及一种旋转构造激光器(1)，具体地为自补偿的构造激光器。该构造激光器(1)包括：基部(2，115)；激光单元(3，114)，所述激光单元(3，114)用于发射绕旋转轴线(18)旋转的激光束(11，83)，使得所述旋转激光束(11，83)限定激光平面。其中，激光单元(3，114)被形成并且被可倾斜地布置到基部(2，115)，以使轴线(18)可沿至少一个方向倾斜。另外，提供倾斜传感器(19，96，109)，该倾斜传感器用于测量轴线(18)的倾斜。根据本发明，倾斜传感器(19，96，109)由传感器平台支撑，传感器平台可相对于激光单元绕轴线(18)在至少两个限定枢转位置(54，55，70-22)之间枢转，使得轴线(18)的倾斜可由倾斜传感器(19，96，109)在至少两个枢转位置(54，55，70-22)测量。

说明书

技术领域

本发明涉及具有权利要求1的前序部分中的特征的旋转构造激光器以及用于测量旋转构造激光器的旋转轴线的倾斜的方法。

背景技术

现有技术中已公知旋转构造激光器。例如，在US 7,370,427中，描述了一种具有限定一平面的至少一个激光束的构造激光器。该构造激光器具有激光单元，该激光单元可相对于壳体绕至少一个转动轴线倾斜。所述构造激光器包括至少一个调平传感器，该调平传感器对旋转轴线灵敏，用于相对于重力场非常精确地取向。该装置还包括一个倾斜传感器，该倾斜传感器对转动轴线灵敏，用于直接测量相对于重力场的倾角。

该示例的缺点在于需要调平传感器和倾斜传感器，从而以可接受的精确度进行倾斜测量。此外，激光束单元需要定期地返回到其水平位置，用于重新校准倾斜传感器。

同样，WO 2008/052590A1涉及例如在构造应用中利用激光束示出坡度。激光束从激光单元射向关于水平角度具有坡度角的期望方向。水平传感器设置为用于调节水平角度，坡度传感器设置为用于基于来自水平传感器的水平角度示出坡度角。

本装置还需要两个传感器来正确地示出坡度。

根据US 5,485,266，在激光投影仪的轴中央的彼此垂直相交的平面中固定有固定的倾斜检测器，并且在相对于激光投影仪的轴中央可倾斜的板上安装有倾斜的倾斜检测器。激光投影仪是水平的，从而固定的倾斜检测器示出水平方向。倾斜的倾斜检测器与固定的倾斜检测器对准，并且示出水平方向。因此，获得水平参考平面。倾斜的倾斜检测器以固定的倾斜检测器为基准倾斜，并且激光投影仪被调平，从而倾斜的倾斜检测器示出水平方向。因此，获得以任意角度倾斜的参考平面。

该装置也需要多个倾斜传感器。

如从现有技术可以看出，两个倾斜传感器通常用于高精度地测量旋转构造激光器的旋转轴线的倾斜。这些传感器中的一种是水平传感器，该水平传感器的精度非常高并且范围非常有限，并且被用于校准坡度传感器或倾斜传感器，所述坡度传感器或倾斜传感器具有较宽的范围但精度较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种构造激光器，具体地为旋转构造激光器，并且提供一种用于测量构造激光器的旋转轴线的倾斜的方法，所述构造激光器仅需要一个用于测量用于产生激光平面的装置的旋转轴线的倾斜的传感器，并且该构造激光器能够使使用者以非常高的精度测量旋转轴线的倾斜。此外，所述构造激光器应该能够连续地产生倾斜的激光平面，而不会定期地返回到水平位置。

该目的通过实现独立权利要求中的特征来实现。在从属专利权利要求中描述了以可选或有利的方式进一步改进本发明的特征。

本发明的旋转构造激光器，具体地为自补偿的旋转构造激光器包括：基部；用于发射绕旋转轴线旋转的激光束的激光单元，从而所述旋转激光束限定激光平面，其中，所述激光单元被形成并且被可倾斜地布置到所述基部，以使所述轴线可沿至少一个方向倾斜；以及倾斜传感器，所述倾斜传感器用于测量所述轴线的倾斜。

根据本发明，所述倾斜传感器由传感器平台支撑，所述传感器平台可相对于所述激光单元绕所述轴线在至少两个限定枢转位置之间枢转，使得所述轴线的倾斜可由所述倾斜传感器在所述至少两个枢转位置中测量。

其中，所述传感器平台是承载所述倾斜传感器的结构。

所述装置仅需要一个倾斜传感器来精确地测量所述旋转轴线的倾斜。这通过测量在至少两个不同位置中的倾斜和计算有效的倾斜来实现。由此，消除可能由所述倾斜传感器导致的误差，例如温度漂移或者滞后误差。与现有技术中已知的其它装置相比，根据本发明的旋转构造激光器在其设计方面并不广泛。此外，其不需要构造激光器为了重新校准倾斜传感器而返回到水平位置。

作为示例，所述激光单元被形成为使得所述旋转激光束绕所述轴线以至少120rpm，特别是至少500rpm，尤其至少为1000rpm的转速旋转。

所述传感器平台与所述倾斜传感器一起可在至少两个限定枢转位置之间枢转。限定枢转位置是可由平台占据并且在其中进行倾斜测量的枢转位置。这能够连续测量所述旋转轴线的倾斜。因此，所述激光单元和所述旋转轴线的倾斜可在操作期间调节。此外，至少两个枢转位置中的两个位置可相对于所述轴线径向彼此相对。因此，倾斜传感器相对于所述旋转轴线的对准误差能以计算的方式消除。

因此，所述旋转构造激光器可包括计算单元，该计算单元被设计成使得：通过考虑由所述倾斜传感器在所述至少两个枢转位置中的每个位置中获取的测量值得出所述轴线的倾斜值。所述计算单元还可被设计成使得通过考虑由所述倾斜传感器在所述至少两个枢转位置中的每个位置中获取的测量值校准，特别是重新校准所述倾斜传感器。

在另一个实施方式中，所述传感器平台可相对于所述激光单元绕所述轴线在至少三个限定枢转位置之间枢转，特别是在奇数的限定枢转位置之间枢转。所述平均倾斜可考虑进行测量的位置进行计算。

作为用于产生激光平面的装置的所述激光单元还可包括与所述旋转轴线同心的轴，其中，所述传感器平台可被枢转地安装到所述轴。所述轴提供了可供所述传感器平台绕其枢转或旋转的装置。所述轴还可被用作所述激光单元的另一部分的轴。

在另一个实施方式中，两个轴承位于传感器平台与所述轴之间，其中，所述轴承被布置成彼此相距至少一个轴承宽度的距离。根据该实施方式，所述传感器平台的所述枢转运动相对于所述激光束的所述旋转轴线非常稳定。因此，所述倾斜传感器在所述限定位置以及枢转运动期间始终与所述旋转轴线严密地对准。这有助于降低由所述传感器平台可枢转地安装到所述轴导致的误差。

可在所述倾斜传感器与所述传感器平台之间设置印刷电路板。所述倾斜传感器可连接到所述电路板，并且所述电路板又可连接到控制单元。这代表了用于将所述倾斜传感器的信号输出传递到所述控制单元的有效设计。

在另一个具体实施方式中，所述倾斜传感器通过接合销枢转，所述接合销设置在所述激光单元的旋转部上。因此，仅需要一个电机来旋转所述激光束并且枢转所述倾斜传感器。

根据本发明的另一个实施方式，所述倾斜传感器可选地可通过枢转电机枢转。所述枢转电机可通过位置开关转换。所述位置开关包括发光二极管(LED)和光电检测器，所述发光二极管和光电检测器位于相对于彼此移动的部分上。所述LED被放置在所述倾斜传感器的限定位置处。如果光电检测器检测到光强度改变，则其恰好在限定位置处关闭枢转电机。可选地，所述枢转电机可以是步进电机。所述步进电机被设计成使所述传感器平台旋转与所述限定位置之间的距离对应的预定步进数。通过所述位置开关重设所述步进电机的计数器。

所述倾斜传感器可以是加速计。所述加速计可以是一体电路的一部分。加速计已示出为提供非常高精度的倾斜测量。

总而言之，根据本发明的构造激光器，具体地为自补偿的旋转构造激光器包括：基部；用于产生激光束平面的装置，其中，所述激光束平面由绕旋转轴线旋转的激光束形成，并且其中，用于产生所述激光束平面的装置可枢转地安装到所述基部，其中，用于产生所述激光束平面的装置可相对于X轴和/或Y轴枢转；以及用于测量所述旋转轴线的倾斜的倾斜传感器。其中，所述倾斜传感器可绕所述旋转轴线枢转，用于测量所述旋转轴线在至少两个位置中的倾斜。

本发明还涉及用于确定旋转构造激光器的旋转轴线的倾斜的方法，以及该旋转构造激光器。

所述旋转构造激光器包括：基部；用于发射绕所述旋转轴线旋转的激光束的激光单元，使得所述旋转激光束限定激光平面，其中，所述激光单元被形成并被可倾斜地布置到所述基部，以使所述轴线可倾斜；以及倾斜传感器，所述倾斜传感用于测量所述轴线的倾斜。

根据本发明，所述倾斜传感器可相对于所述激光单元绕所述轴线在至少两个限定枢转位置之间枢转。此外，通过所述倾斜传感器在所述至少两个枢转位置中的每个位置中获取所述倾斜的测量值，并且通过考虑由所述倾斜传感器在所述至少两个枢转位置中获取的测量值得出用于所述轴线的倾斜值。可选地，还可以通过考虑由所述倾斜传感器在所述至少两个枢转位置中获取的测量值校准，特别是重新校准所述倾斜传感器。

作为示例，所述至少两个枢转位置中的两个位置可相对于所述轴线彼此相对。

此外，所述倾斜传感器可相对于所述激光单元绕所述轴线在至少三个限定枢转位置之间枢转，特别是在奇数个限定枢转位置之间枢转。因此，通过考虑由所述倾斜传感器在所述限定枢转位置中的每个位置中获取的测量值得出用于所述轴线的所述倾斜值。

例如，所述构造激光器的所述激光束绕所述轴线以至少120rpm，特别是至少500rpm，尤其至少为1000rpm的转速旋转。

因此，根据该方法，所述旋转轴线的倾斜可利用倾斜传感器在所述倾斜传感器的主位置处和所述倾斜传感器的至少一个其它位置处测量，其中，可根据在其它位置处的倾斜测量产生补偿值，以调节所述倾斜传感器在所述主位置处的倾斜测量。

所述倾斜传感器可设置在至少两个限定位置处。优选地，所述两个位置相对于所述旋转轴线彼此相对。

根据另一个具体的实施方式，所述倾斜传感器在奇数个限定位置之间枢转。在所述限定位置处的倾斜测量的结果可被有利地用于校准所述倾斜传感器的灵敏度。

附图说明

现在将结合附图参照示例性实施方式详细地说明本发明，附图中：

图1和2是构造激光器的两个图；

图3是用于限定传感器平台的枢转运动的止动盘；

图4是具有步进电机和位置转换系统的构造激光器的实施方式；

图5a至5d是限定位置的各种位置；

图6示出其中枢转电机安装到轴的构造激光器；以及

图7示出其中传感器平台通过设置在头部组件上的接合销枢转的构造激光器。

具体实施方式

在图1和2中，在两个图中示出构造激光器1，一个从前视图示出，一个从右视图示出。构造激光器1包括呈壳体形式的基部2。作为用于产生激光平面的装置的激光单元3利用枢转系统4被可枢转地安装到基部2，枢转系统4可以是球形接头或万向节。枢转系统4允许激光单元3绕X轴和Y轴旋转，因此沿两个方向倾斜。激光单元3包括中空轴5。枢转系统4附连到轴5的近似中部。轴5具有下端6和上端7。激光准直仪单元8位于中空轴5的内部中的下端6处。激光准直仪单元8包括激光二极管9和准直仪10。激光准直仪单元8产生准直激光束11，该准直激光束沿轴5的中心线12指向头部组件13。头部组件13包括透光罩14，透光罩14利用两个轴承15、16可旋转地安装到轴5。呈棱柱形式的激光束转向器17一体形成在罩14中。激光束转向器17将激光束11的方向改变90°角。由于激光束转向器17随罩14一起旋转，因此，产生激光平面，在该激光平面中，激光束11绕旋转轴线18旋转。所述旋转轴线18与轴5的中心线12同心。头部组件13还包括旋转电机，该旋转电机经由线带使罩旋转(参见图6)。罩14以每分钟几千转(rpm)的速度旋转。

在轴5的下端6处，设置倾斜传感器19。倾斜传感器19利用印刷电路板21安装到传感器平台20。传感器平台20利用两个轴承22、23可枢转地安装到轴5。轴承22、23间隔开一个轴承宽度的距离D。因此，传感器平台20和倾斜传感器19可绕旋转轴线18枢转。轴承22、23之间的距离D使倾斜传感器19的枢转运动稳定。倾斜传感器19与旋转轴线18对准。为了实现该对准，传感器平台20的内表面24优选与旋转轴线18优选平行，并且还与附连有印刷电路板21的安装表面25垂直。为了进一步稳定倾斜传感器19的枢转运动，在印刷电路板21上直接设置与倾斜传感器19相对的配重26。在具体的实施方式中，配重26可由第二倾斜传感器取代。该第二倾斜传感器可与前述的倾斜传感器19平行地使用，或者可被用作备用物。倾斜传感器19被构造成测量旋转轴线18相对于X轴和Y轴的倾斜。在具体的实施方式中，可在传感器平台20上设置两个倾斜传感器，其中，一个倾斜传感器测量旋转轴线18绕X轴的倾斜，另一个倾斜传感器测量旋转轴线3绕Y轴的倾斜。这两个倾斜传感器可相对于旋转轴线18被布置成彼此呈直角。

传感器平台20通过枢转电机27枢转。枢转电机27为直流(DC)电机。小齿轮28安装到枢转电机27的驱动轴29，并且与传感器平台20上的外齿系统30啮合。在传感器平台20的底侧31上，设置销32来限制传感器平台20的枢转运动。销32与止动件33接合，止动件33设置在止动盘34上的两个径向限定的相对位置54、55上(参见图3)。在该图中，止动盘示出为与轴5分离。在具体实施方式中，止动盘34可被设置成轴5的一体部。这些限定位置54、55与激光单元3可绕其旋转的X轴和Y轴对准。在操作时，枢转电机27始终被供以最小的电流，以产生推动销32抵靠其中一个止动件33的机械转矩。

主印刷电路板35安装到轴5的下端6。控制单元36、激光二极管9、枢转电机27和倾斜传感器19(经由电线37和另外的印刷电路板21)与该主印刷电路板35附连和/或连接。

两个相互垂直的调平臂38、39附连到止动盘34。调平臂38、39设置有调平销40、41，调平销40、41与调平驱动装置接合，用于使激光单元3相对于X轴和Y轴倾斜。调平驱动装置未在图中示出。

在启动阶段，倾斜传感器19枢转至作为主位置54的一个限定位置中(参见图3)。激光单元3根据倾斜传感器19在主位置54中的测量结果而枢转。为了在激光单元3运转的同时校准倾斜传感器19，倾斜传感器19根据触发信号枢转到另一限定位置55中，以在该位置处测量旋转轴线18的倾斜，该倾斜用作对倾斜传感器19在主位置54中的倾斜测量的补偿值。之后，倾斜传感器19向后枢转至其主位置54。触发信号可以是温度变化、定时器的周期信号和/或在构造激光器的启动阶段产生的信号。

止动盘34在图3中以俯视图示出。止动盘34在中间具有孔，用于将其安装到轴5。设置用于销32的间隙51，销32安装到传感器平台20的底侧31。间隙51的形状为环形盘的一部分。为了将传感器平台20的枢转运动限定在两个限定位置54、55，设置可供销32抵靠的两个止动件33、52。

在具体的实施方式中，在其中一个止动件33中结合磁体53，以吸引销32。一旦销32被吸引，则销32被保持在止动件33处。不再需要利用枢转电机27产生转矩。当传感器平台20被枢转时，电机力克服磁力，并使传感器平台20移动到另一个限定位置55。通过枢转电机27施加恒定力，以将传感器平台20保持在该限定位置55，直到倾斜测量完成为止。然后枢转电机27使传感器平台20枢转回其主位置54，销32在主位置54处抵靠磁体53。

在图4中，以侧视图示出构造激光器60的另一个实施方式。在该实施方式中，枢转电机27是步进电机。步进数与下一个期望限定位置54、55中的倾斜传感器19的旋转对应。为了能够重设步进电机27的计数器，使用电气位置转换系统61。位置转换系统61包括发光二极管(LED)62和光电检测器63。LED 62位于传感器平台19的底侧31，并且与传感器平台20上的印刷电路板21连接。光电检测器63设置在主印刷电路板35上。在操作期间，传感器平台21枢转，直到光电检测器63接收来自LED 62的光为止。这将促使控制单元36重设枢转电机27的计数器。倾斜传感器19然后枢转到限定位置54、55的其中一个中。达到限定位置54、55所需要的步进数存储在控制单元36中，然后用于将倾斜传感器19精确地枢转到限定位置54、55。

在这些实施方式中，步进电机27和位置转换系统61取代前述的图1和2的销32和止动盘34。

如图3所示，倾斜传感器19可枢转到其中的限定位置54、55可相对于旋转轴线18彼此完全相反，但限定位置70、71还可彼此成直角(参见图5a)。此外，可设置两个以上的限定位置72，如图5b至5d所示。如上所述，为了非常精确地对旋转轴线18进行倾斜测量，限定位置72优选为三以上的奇数。这些限定位置72均匀地分布在与旋转轴线18同心的基准圆73上。

在图6的实施方式中，具有头部组件81的构造激光器80设置有用于改变激光束83的方向的五棱镜82。五棱镜82安装在罩84的顶部上。激光束83由激光准直仪单元85产生，并且通过罩84中的孔99被直接引导到五棱镜82。

传感器平台86通过安装到臂88的枢转电机87枢转，臂88设置在轴89的中部一侧上。

传感器平台86经由两个径向轴承22、23安装到轴89，两个径向轴承22、23通过两个轴衬90、91保持分开，两个轴衬90、91与轴承22、23的内圈和外圈接触。轴衬90、91的长度略有不同。轴承22、23通过波形弹簧94和放置在槽中的保持环95保持在轴89的上端92处和下端93处。波形弹簧94偏压抵靠外轴承16、23的内圈，以在轴承15、16、22、23上产生预载荷。

倾斜传感器96与旋转轴线18对准。传感器平台86的内表面97有利地布置成与旋转轴线18平行，并且被加工成与倾斜传感器安装表面98垂直。

现在参照图7，示出了构造激光器100的另一个实施方式，在该实施方式中，罩101利用带轮104经由线带103或带通过旋转电机102旋转。在罩101的底侧105，设置接合销106，该接合销与固定到传感器平台108的机械致动器107接合，以使倾斜传感器109枢转。机械致动器107可配置有计数器，以使倾斜传感器109仅在接合销106经过某次数之后才枢转。

在另一个实施方式中，控制单元10被构造成将机械致动器107锁定在接合销106中。旋转电机102的转动方向可以被反向，以将倾斜传感器109枢转到限定位置54、55，并且转回。在每次枢转运动之后，机械致动器107通过控制单元110与接合销106分离。之后，旋转电机102的速度回复到每分钟几千转的正常运转水平，以产生激光平面。

在轴112的下端，设置球接头113，用于将激光单元114可枢转地安装到基部115。