一种快速自动安平激光扫平仪自动安平装置及其方法

摘要

本发明涉及一种快速自动安平激光扫平仪自动安平装置及其方法。包括基座、固定在基座上的工作台（1）、设置在工作台（1）上的双轴平衡器（2）、设置在双轴平衡器（2）上方的正切机构（3）、穿过工作台（1）分别与所述双轴平衡器（2）和正切机构（3）固定连接的主轴（4）、固定在主轴（4）底端的水平传感机构和固定在主轴（4）顶端的激光平面发射装置；工作台（1）上还设置有用于驱动正切机构（3）的伺服系统；正切机构（3）上还设有用于驱动激光平面发射装置的激光平面驱动系统。本发明具有如下优点：仪器在-10°~+10°的误差角度范围内，具有10″的扫平精度，且自动安平时间小于15s，达到了高效率、高精度的设计要求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种自动安平装置及其方法，尤其是涉及一种快速自动安平激光扫平仪自动安平装置及其方法。

背景技术

快速自动安平激光扫平仪是一种利用运动的激光光束，提供水平或者垂直基准的仪器，现被广泛用于大地测量、工程测量以及大型安装与挖掘等方面。自动安平机构的安平精度和安平范围是两个十分重要的指标，这两个指标是相互制约的，很多设计中，不能兼顾这两个方面。目前该类仪器所采用的自动安平机构，一般为重力摆的自动安平机构，该机构安平精度只能达到分级，且安平范围有限。另有一类，采用光学自补偿方式，此种自动安平机构，可以达到秒级精度，但此自动安平机构安平范围十分有限，使用之前，需要人为将仪器调至大致水平状态，无法实现安平的自动化，这给使用带来了一定的不便。

让自动安平机构同时达到安平精度高、安平范围大是该类机构设计中的核心和难点，而目前的传统自动安平机构和国产的自动安平扫平仪难以同时达到上述要求。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种实现激光扫平仪在大的动态范围内，快速自动安平的功能，仪器在-10°~+10°的误差角度范围内，具有10″的扫平精度，且自动安平时间小于15s，达到了高效率、高精度的设计要求的一种快速自动安平激光扫平仪自动安平装置及其方法。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种快速自动安平激光扫平仪自动安平装置，其特征在于，包括基座、固定在基座上的工作台、设置在工作台上的双轴平衡器、设置在双轴平衡器上方的正切机构、穿过工作台分别与所述双轴平衡器和正切机构固定连接的主轴、固定在主轴底端的水平传感机构和固定在主轴顶端的激光平面发射装置；所述工作台上还设置有用于驱动正切机构的伺服系统；所述正切机构上还设有用于驱动激光平面发射装置的激光平面驱动系统。

在上述的一种快速自动安平激光扫平仪自动安平装置，所述双轴平衡器包括一个通过紧固螺钉固定在工作台上的外矩形架以及设置在外矩形架内的内环；所述外矩形架外壁沿水平面上设有两个同轴孔，两铜棒的一端以过盈配合的方式，分别固定在两端的孔上，所述内环通过一对深沟球轴承，固定在伸出的铜棒的另一端并能绕两铜棒所处轴线转动；所述内环内壁设有与所述外矩形架外壁同轴孔正交的两个同轴孔，两铜棒的一端以过盈配合的方式，分别固定在内环内壁的同轴孔上，所述主轴伸出内环的一端通过一对深沟球轴承安置在所述固定在内环内壁上伸出的两铜棒的另一端并能分别绕外矩形架外壁两铜棒所处轴线和内环内壁两铜棒所处轴线转动。

在上述的一种快速自动安平激光扫平仪自动安平装置，所述正切机构包括一个固定环以及两个正交设置并且一端分别固定在固定环外壁的L型驱动臂，所述两个L型驱动臂另一端分别固定有一动力传动杆，所述固定环通过四个对称的螺钉24与主轴伸出内环的一端固定。

在上述的一种快速自动安平激光扫平仪自动安平装置，所述水平传感机构包括一个外壳以及设置在外壳上的至少三个用于放置水平传感单元的安置槽，分别为第一安置槽、第二安置槽以及第三安置槽；所述第一安置槽和第二安置槽垂直设置并且相互正交；所述第三安置槽水平设置并分别与第一安置槽和第二安置槽相互正交；上述主轴穿过设置在所述外壳上的一安装孔与外壳固定；该安装孔与主轴同轴设置。

在上述的一种快速自动安平激光扫平仪自动安平装置，所述水平传感单元包括一个用于发出红外信号的红外LED管、用于接收红外信号的两个平行设置的红外光敏二极管、设置在红外LED管和红外光敏二极管之间的玻璃水泡、与红外光敏二极管连接的后级放大电路以及与后级放大电路连接的数据采集模块；所述红外光敏二极管反相并联后固定在安置槽上，所述红外LED管固定在安置槽上。

在上述的一种快速自动安平激光扫平仪自动安平装置，所述伺服系统包括包括一个丝杆传动装置以及驱动丝杆传动装置的步进电机以及控制步进电机的控制机构，所述丝杆传动装置固定在一柱形筒内，所述柱形筒能在步进电机的驱动下通过丝杆传动装置做上下垂直运动；所述柱形筒顶端两侧垂直设有固定架，两根上下平行设置的圆杆两端分别与固定架连接，上述动力传动杆一端设置在两根圆杆之间并向外延伸。

在上述的一种快速自动安平激光扫平仪自动安平装置，所述固定环上还是有一圆弧卡件，所述激光平面发射装置包括一个棱镜以及设置在圆弧卡件上的直流电机，所述棱镜底部设有一驱动齿轮，所述直流电机输出轴配接有一传动齿轮，所述传动齿轮与驱动齿轮啮合并能带动驱动齿轮从而带动棱镜旋转。

在上述的一种快速自动安平激光扫平仪自动安平装置，外壳安装孔通过过盈配合固定在主轴上，外壳的底部设有一端盖，所述端盖四周为四个螺孔，通过紧固螺钉将外壳固定在主轴上，所述外壳上还设有一键槽以及与键槽配合的定位销钉；该外壳上还设有用来链接弹簧的两个环扣，弹簧一端连接在环扣上，另一端栓在固定于工作台上伸出的固定杆7上。

一种权利要求1所述的快速自动安平激光扫平仪自动安平方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，红外LED管发出红外信号，经过玻璃水泡后，光敏二极管接收，所述光敏二极管将接收的电信号通过后级放大电路和数据采集模块后，将数据反馈给步进电机的控制机构；

步骤2，步进电机的控制机构接收到步骤1中的反馈数据后，判断主轴是否水平，若没有，则通过调平算法驱动两个步进电机的进行调平，直至水平后结束。

在上述的快速自动安平激光扫平仪自动安平方法，所述的步骤2中，调平算法采用分段P调节法实现系统的安平，该控制系统中，反馈量为传感器的输出信号，控制量为步进电机的运动步数，系统采用的分段P调节，计算公式如下。

     

   其中：代表进给量，为传感器的输出电压值，是调节的目标电压值。和为分段P调节中第i段的计算参数，为了将和量化成具体的数字量，需要将和进行归一化，控制器的输入信号为传感器的输出电压值，经归一化后，电压值为0~1024，当传感器输出的电压信号在512附近时，认为自动安平机构完成安平，所代表的进给量代表的是步进电机走过的步数，由于正切机构运动端移动的距离和机构转过的角度是非线性的，所以当时，也需要采用分段调节。

因此，本发明具有如下优点：实现激光扫平仪在大的动态范围内，快速自动安平的功能，仪器在-10°~+10°的误差角度范围内，具有10″的扫平精度，且自动安平时间小于15s，达到了高效率、高精度的设计要求。

附图说明

图1是本发明的一种立体结构示意图。

图2是本发明的主视结构示意图。

图3是本发明中水平传感机构的结构示意图。

图4是水平传感单元中部件的位置结构示意图。

图5是本发明的装配结构示意图不含激光平面发射装置和激光平面驱动系统

图6是本发明实施例中水平传感单元输出信号的电路调理部分。其中图6a用于产生调理电路的基准电压，图6b、6c、6d为用于输出传感器电压信号的I/V转换电路，图6e为红外LED控制电路，图6f为调理电路接线端口。

图7是本发明实施例中控制机构主控芯片对伺服机构的控制框图。

图8是本发明实施例中用于分段P调节输入输出控制曲线。

图9是本发明实施例的自动安平过程中，水平传感单元输出电压随时间的变化曲线。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，图中，工作台1、双轴平衡器2、正切机构3、主轴4、外矩形架5、内环6、固定环7、L型驱动臂8、动力传动杆9、外壳10、第一安置槽11、第二安置槽12、第三安置槽13、红外光敏二极管14、红外LED管15、玻璃水泡16、丝杆传动装置17、柱形筒18、圆杆19、螺孔20、键槽21、固定杆23、螺钉24、模块27、运放271、电阻272、电阻273、电容274、电容275、模块28、运放281、红外光敏二极管14、电阻284、电阻285、电阻286、模块29、模块30、模块31、电阻311、电阻312、电阻313、滑动变阻器314、滑动变阻器315、滑动变阻器316、三极管317、红外LED管318红外、LED管319、红外LED管320、接线端口321、接线端口322、接线端口323、接线端口324。

实施例：

本发明的一种快速自动安平激光扫平仪自动安平装置，包括基座、固定在基座上的工作台1、设置在工作台1上的双轴平衡器2、设置在双轴平衡器2上方的正切机构3、穿过工作台1分别与所述双轴平衡器2和正切机构3固定连接的主轴4、固定在主轴4底端的水平传感机构和固定在主轴4顶端的激光平面发射装置；工作台1上还设置有用于驱动正切机构3的伺服系统；正切机构3上还设有用于驱动激光平面发射装置的激光平面驱动系统。

1水平传感机构的结构组成：

该部分具体设计参见图1，所述水平传感机构包括一个外壳10以及设置在外壳10上的三个用于放置水平传感单元的安置槽，分别为第一安置槽11、第二安置槽12以及第三安置槽13；外壳10通过模具铸造而成，采用的材料为铸铁，第一安置槽11和第二安置槽12垂直设置并且相互正交；第三安置槽13水平设置并分别与第一安置槽11和第二安置槽12相互正交；上述主轴4穿过设置在外壳10上的一安装孔与外壳10固定；该安装孔与主轴4同轴设置，水平传感单元包括一个用于发出红外信号的红外LED管15、用于接收红外信号的两个平行设置的红外光敏二极管14、设置在红外LED管15和红外光敏二极管14之间的玻璃水泡16、与红外光敏二极管14连接的后级放大电路以及与后级放大电路连接的数据采集模块；所述红外光敏二极管14反相并联后固定在安置槽上，安置槽底部均开有小孔用于安放红外LED管15，安装有红外光敏二极管14的电路板，粘在凹槽上方，用于接收信号。当仪器水平放置时，两个水平方向的水泡可以反映仪器水平放置的角度。具体操作时，红外LED管15发出红外信号，经过安放在红外LED管15上方的玻璃水泡16后，被顶部的红外光敏二极管14接收。由于红外光敏二极管14的输出信号形式为电流，故两枚反相的红外光敏二极管14构成电流源，输出电流大小由两光敏二极管输出电流之差决定。当仪器处于水平状态时，玻璃水泡16中的气泡位于中间位置，此时接收端的两个红外光敏二极管14接收的强度相等的红外信号，电流源输出的电流信号为零。当仪器偏向一边时，气泡向另一个方向移动。由于空气和填充液对红外信号的吸收不一致，导致两个红外光敏二极管14输出电流不相等，电流源输出电流不为零。电流源输出电流的大小，可以反映仪器的倾角大小。一个玻璃水泡16不足以反映仪器与水平面的夹角，故在水平方向上设计有两个凹槽，用于放置两个玻璃水泡16。两个玻璃水泡16中气泡运动方向相互垂直。垂直方向的玻璃水泡工作原理与水平方向一致，用于仪器垂直放置时，调节出射平面和水平面的垂直度。

水平传感器安装在主轴4底部，当主轴4转动时，传感器可以随主轴一同运动。电子水泡放置在传感器外壳的三个凹槽内，如图1所示，上方的两个方向相互正交凹槽，放置的水泡分别对应于水平面的两个正交方向。两个玻璃水泡中气泡的移动方向，分别对应于上述两对轴承在水平面上的径向。故水平放置时，当这两个方向上的水泡处于平衡位置，可认为仪器实现了调平。当仪器垂直放置时，视图前方凹槽放置的电子水泡可用于判断仪器是否与水平面垂直。传感器外壳上的两环扣用来链接弹簧22。弹簧22一段连接在环扣上，另一端栓在固定的工作台上伸出的固定杆23上。弹簧22的拉力可以保证主轴处于静止状态，当主轴上的轮系结构运动时，减小主轴的震动，并且消除伺服机构通过丝杆传递运动时引入的空回误差。外壳10通过过盈配合固定在主轴上。外壳10的底部，有一个端盖，端盖四周为四个M2的螺孔20，通过紧固螺钉将传感器外壳固定在主轴上。传感器外壳在主轴4上的位置，由一枚定位销钉进行确定，外壳上设计的键槽21见图1中的结构5。该销钉保证了两个水平方向上的电子水泡分别对应于仪器水平放置时，主轴两个转动方向。

后级放大电路参见图6，用于放大接收单元的输出信号的电流信号，在后级调理电路中，使用到了带基准的I-V转换电路。模块27其功能为产生电压值为的基准电压。运放11为TLC2274内置的一路运放， 其接成电压跟随器的形式，电阻272和电阻273阻值相等，运放的输出等于即为正向输入端电压值，故基准电压等于。电容274和电容275起到了滤波作用，减小了输出基准电压上的噪声。之前电子水泡的描述中，一个电子水泡传感器包括三个方向的角度信号输出，模块28、模块29、模块30均为光敏二极管输出信号调理电路，三个模块接法一致。在模块28中，两个红外光敏二极管14反向并联，输出电流信号，运放281设计成为I-V转换电路，用于将电流信号转换为电压信号输出。当两个红外光敏二极管14组成的电流源输出电流为零时，运放281输出的电压为。当仪器不处在平衡位置时，两个红外光敏二极管14组成的电流源输出电流不为零，输出电压为：

电阻284、滑动变阻器285、电阻286构成的电流的调零端。当仪器处于平衡位置时，若两个红外光敏二极管14构成的电流源输出电流不为零，则电路此时输出电压不为，需要调节滑动变阻器285，改变输出电压，使输出电压变为。模块31为红外LED的供电部分，一个电子水泡需要三个红外LED。每个LED正端接至VCC，负端分别接至电阻311、电阻312、电阻313。三极管317用于控制LED是否工作，而滑动变阻器314、滑动变阻器315、滑动变阻器316，可以调节红外LED管318、 红外LED管319 、红外LED管320的发光强度。红外LED发光强度，和电子水泡的灵敏度有直接的联系。

   模块32为调理电路的接线端口，图中接线端口322、323、324分别将输出电流加至3路对应的红外LED上，使其正常工作。接线端口321用于连接输出的信号电压，以及引入电源，给整个电路供电。

2正切机构3、双轴平衡器2以及伺服系统的结构组成：

上述三个部件的目的是将主轴1的轴线方向调节至与水平面垂直。图示的工作台2固定在仪器基座上，其自由度为零。

双轴平衡器2包括一个通过紧固螺钉固定在工作台1上的外矩形架5以及设置在外矩形架5内的内环6；外矩形架5外壁沿水平面上设有两个同轴孔，两铜棒的一端以过盈配合的方式，分别固定在两端的孔上，内环6通过一对深沟球轴承，固定在伸出的铜棒的另一端并能绕两铜棒所处轴线转动，故内环的自由度为1；内环6内壁设有与所述外矩形架5外壁同轴孔正交的两个同轴孔，两铜棒的一端以过盈配合的方式，分别固定在内环6内壁的同轴孔上，所述主轴4伸出内环6的一端通过一对深沟球轴承安置在所述固定在内环6内壁上伸出的两铜棒的另一端并能分别绕外矩形架5外壁两铜棒所处轴线和内环6内壁两铜棒所处轴线转动，具备的自由度为2。

正切机构3包括一个固定环7以及两个正交设置并且一端分别固定在固定环7外壁的L型驱动臂8，两个L型驱动臂8另一端分别固定有一动力传动杆9，固定环7通过四个对称的螺钉24与主轴4伸出内环6的一端固定。

伺服系统包括包括一个丝杆传动装置17以及驱动丝杆传动装置17的步进电机以及控制步进电机的控制机构，丝杆传动装置17固定在一柱形筒18内，柱形筒18能在步进电机的驱动下通过丝杆传动装置17做上下垂直运动；柱形筒18顶端两侧垂直设有固定架，两根上下平行设置的圆杆19两端分别与固定架连接，动力传动杆9一端设置在两根圆杆之间并向外延伸。

仪器的伺服系统用于提供自动安平机构安平的动力来源。步进电机在控制机构的单片机的控制下，做圆周运动，通过丝杆传动装置17转化为直线运动。为了保证运动的平稳选用三角形螺纹。螺纹的螺距和螺纹的长度，分别影响着仪器调平的精度和仪器调平的范围。仪器主轴4和一正切机构3通过四个对称的螺钉25固定，两者的配合方式为间隙配合。正切机构的两个L型驱动臂8处，安装有动力传动杆9，丝杆的直线运动由该动力传动杆传递至正切机构。由于正切机构3和主轴4相对固定，所以主轴4可以绕在水平面上相互正交的两个方向转动。正切机构3上的圆弧卡件26用于安装直流电机，直流电机的转动通过齿轮传动，将圆周运动传递至图1和图2所示的顶部棱镜上，形成激光平面。

3调平算法设计：下面介绍一下本实施例中用到的调平算法。

   扫平仪有两种放置方式：水平和垂直，设计中通过一个光耦对仪器的放置方式进行判断。光耦放置在电路板上，电路板和仪器基座是相对固定的。当水平和垂直放置时，光耦输出高电平或者低电平，供单片机查询。仪器的调平机构包括了两个步进电机，当仪器水平放置时，使用到的是顶部两个传感器，每个步进电机的运动所对应的电子水泡是不一致的，故两个步进电机的控制是独立的。当水平方向上两个电子水泡传感器输出信号达到一定的范围内时，认为仪器完成调平。两步进电机的控制方法是一致的，采用的均是采用分段P调节法。

调节方法的控制框图见图7，采用的分段P调节法的计算公式见下式：

     

分段P调节法的输入输出函数关系见图8。其中：代表进给量，为传感器的输出电压值。是调节的目标电压值。和为分段P调节中第i段的计算参数。为了将和量化成具体的数字量，需要将和进行归一化。控制器的输入信号为传感器的输出电压值，经归一化后，电压值为0~1024，当传感器输出的电压信号的512附近时，认为自动安平机构完成安平。所代表的进给量代表的是步进电机走过的步数。由于正切机构运动端移动的距离和机构转过的角度是非线性的，所以程序设计时，当时，也需要采用分段调节。

本实验例电子水泡电压输出和时间关系如图9所示，曲线1和曲线2表示起始时刻，仪器水平传感器输出误差电压值超出了分段P调节的调节范围。曲线3表示起始时刻，仪器水平传感器输出误差电压值在分段P调节范围之内。从图中可以看出，当仪器水平位置处于分段P调节之外时，经过26个调节周期，仪器实现了自动安平，安平的时间为13s。之后，通过扫平仪的精度测试，发现仪器的安平误差小于10″。 

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了工作台1、双轴平衡器2、正切机构3、主轴4、外矩形架5、内环6、固定环7、L型驱动臂8、动力传动杆9、外壳10、第一安置槽11、第二安置槽12、第三安置槽13、红外光敏二极管14、红外LED管15、玻璃水泡16、丝杆传动装置17、柱形筒18、圆杆19、螺孔20、键槽21、固定杆23、螺钉24、螺钉25、圆弧卡件26、模块27、运放271、电阻272、电阻273、电容274、电容275、模块28、运放281、红外光敏二极管14、电阻284、电阻285、电阻286、模块29、模块30、模块31、电阻311、电阻312、电阻313、滑动变阻器314、滑动变阻器315、滑动变阻器316、三极管317等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。