专利名称：一种自动安平装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种能自动补偿壳体水平倾角的自动安平装置。
背景技术：
目前在建筑、装璜及设备安装领域都需要在作业过程中确定水平基准、铅垂基准或其它的参考基准，因此各种全站仪、水准仪及各种激光基准工具得以全面应用，但这些传统的基准工具、测量工具都需要人工调节水准，对操作者有一定的技术要求，而且在使用中不方便。其中也有一些利用重力、液体或光学补偿的自动安平仪器，但由于自身结构的原因，只能在一个很小的角度范围内实现自动安平，在地面有一定坡度存在的情况下，还是必须利用各种水平调节装置来纠正壳体的水平倾角，使之工作在规定安平角度内，所以使用中还不是很方便，而且稍不注意容易引起误测。
上述基准工具、测量工具中的传统水平调节装置是利用设置在仪器壳体上的水准泡与设置在仪器底部的三个调节旋钮互相配合来实现的，操作时使用者一边观察水准泡中的气泡位置一边旋转相应的调节旋钮，并最终使气泡居于两刻线中间而实现调平，这种调试不仅存在多次反复而且对气泡位置的观察还存在视角与人为误差，使用者必须非常耐心与熟练才行。中国专利200320103371公开了一种自动安平仪器支架，该专利技术在传统三角支架的基础上增加了一个内部为密闭容器的支架底座和三个由控制器控制的可伸缩脚爪，该专利技术用密闭容器液面上的三个液面传感器来代替实现传统水平调节装置中的水准泡功能，用控制器控制的三个可伸缩脚爪来代替实现传统水平调节装置中的调节旋钮功能，再通过两者的相互反馈来实现自动安平功能。该专利技术所采用的技术方案仅仅实现了对传统水平调节装置中水准泡与调节旋钮的简单替换，在以下二个方面还可以进一步加以改进1.众所周知，两条相交直线所决定的平面是唯一的，所以对于空间内任何角度的平面都可以通过改变两直线端点的方式来获得。也就是说，对于传统水平调节装置而言，只要将一个调节旋钮视为固定的参照基准，而只调节其余的两个就可以实现调平功能。然而该专利技术却未能突破传统思维，仍采用了三组传感器、可伸缩脚爪、电机及传动装置等来实现自动调平功能，由此会带来以下四个方面的不利因素首先会显著增加实施产品的制造成本，因为传感器的市场售价很高，所以传感器、步进电机、步进电机驱动器、传动与伸缩机构基本决定了实施产品的制造成本，而每多采用一组必定会造成制造成本的大幅增长；其次会使实施产品的控制系统相对复杂化，因为在实际使用中，三角支架的水平倾斜方向是任意的，当实际倾斜方向不与三个伸缩脚爪的另任何一个重合时，三个液面传感器都会感知液面的高度变化并通过控制器使相应的伸缩脚爪做伸缩动作，此时控制器就必须对来自三个传感器的信号做出取舍或分配，以决定三个脚爪各自的伸缩量；再者采用三组执行机构会使实施产品的结构相对复杂化，从而增加装配与调试程序；此外，采用三组执行机构会增加产品的电池消耗，不利于在野外的长时间作业。
2.该专利技术仅仅是针对传统三角支架的一种创新与改进，只对传统三角支架上的仪器托盘实现了自动安平，所以对基准工具、测量工具的自动安平不存在普遍意义，因为三角支架不仅体积大、携带不方便，而且在一些三角支架无法使用的场合，仪器还是不能依靠它来实现自动安平，再者也不能因为要实现自动安平功能而为每一个基准工具或测量工具都配售一个这样的自动安平的三角支架，所以该专利技术的通用性差，仅仅解决了仪器在三角支架上的自动安平。这一缺陷在激光基准工具中表现得尤为突出，如为了对墙脚线施工，激光基准工具经常会被直接放在地面或离地面很近的位置使用，而为了获得屋面吊顶的施工基准线激光基准工具又会被直接挂在离地面很高的墙面上使用，在这些场合三角支架均无法使用。
所以针对现有技术的上述不足之处，有必要加以改进。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种能自动补偿壳体水平倾角的自动安平装置。本实用新型是通过以下技术方案来实现的一种自动安平装置包括自动安平装置中设有壳体、驱动电机、控制驱动系统、信号采集系统、支脚、电源；在本实用新型中，所述的支脚包括支撑脚和二个伸缩脚，伸缩脚设有电机驱动的伸缩机构，伸缩脚的伸缩机构是相互独立的，且各由一个驱动电机驱动，所述信号采集系统是一种采集倾角信息的信号采集系统，其输出信号输入控制驱动系统，控制驱动系统分别有一路输出信号输入伸缩脚的驱动电机，其中信号采集系统的输出信号分别与两个驱动电机的输入信号一一对应。在本专利技术中，由于支撑脚是相对固定不动的参照基准，所以只要通过改变伸缩脚的伸缩长度就可以补偿装置的水平倾斜角度，这样本专利技术只需要采用两组传感器、驱动电机等执行机构就可以实现自动安平功能，与采用三组传感器及驱动电机等执行机构的现有技术相比优势明显，其不仅可大幅降低实施产品的制造成本，而且使控制系统及产品结构更为简单可靠、制造与调试更为容易，此外在相同状况下其电池消耗也更小。在本专利技术中，两个伸缩脚与支撑脚的连线所形成的夹角应优选90°，因为当夹角为90°时，两支脚的伸缩运动不会产生相互影响，能简化运算及安平运动。当装置采用三个支脚时，两个伸缩脚与支撑脚的连线所形成的夹角除优选90°外也可以优选60°，因为当夹角为60°时，三个支脚呈中心对称排列，有支撑稳定及造型美观的优点。在本专利技术中，由所述的信号采集系统来采集装置的水平倾角信息，并将装置在任意方向上的倾斜信息用X、Y的两个矢量来表示，所以其输出信号有两路，该两路信号被输入控制驱动系统，经控制驱动系统的处理器处理后产生相应的脉冲信号并经功率放大而输入伸缩脚的驱动电机，驱动电机又通过传动装置使伸缩脚的伸缩机构产生相应的伸缩运动。由于所述信号采集系统的输出信号分别与两个驱动电机的输入信号一一对应，所以信号采集系统只要在X、Y两个方向的任意一个采集到倾斜信号，都会通过控制驱动系统驱动与之对应的伸缩脚的驱动电机运动，进而使伸缩脚产生相应的伸缩，直至该方向上的倾斜信号消失为止，即实现对装置的自动安平功能。
采用本专利技术的一种自动安平装置具有结构简单、尺寸小的特点，因此该装置的收藏、携带都变得非常方便，可以单独做为一个自动安平的移动平台使用，即可以将它放在三角支架上使用也可以直接放在地面上使用，或者配上挂架后挂在墙面上使用。而当将所述装置的上表面加工成水平台时，就可为各种基准工具、测量工具提供快捷方便的水平作业平台，此时如果将激光水平尺放在该水平台上，其在全周任何方向所投射的准直激光束都是水平的。此外，当给壳体再配置一个下文所述的座盘时，装置就可以连接在各种普通的三角支架上使用，以适合野外的测量作业。此外，由于本专利技术具有很强的通用性，所以可以替代传统水平调节装置直接与各种基准工具、测量工具相结合，从而形成各种新的自动安平的基准工具、测量工具，从而使这些工具使用起来更加专业、更为方便。
在本实用新型中，所述的伸缩机构是一种螺旋传动机构。通过螺旋传动机构可以将来自电机的旋转运动转换为直线运动，非常适合在低速轻载的场合使用，而且螺旋传动机构能轻易实现对伸缩脚的伸缩运动的精细控制。如采用螺距为1mm的传动螺纹时，螺杆每旋转3.6°，螺杆与螺母产生的相对移动为0.01mm，假设此时伸缩脚与转动轴线的距离为60mm，则此时装置发生的相对转动角度为0.01°。由此可见，即使采用步距角为1.8°的普通步进电机也能实现对伸缩脚的精细控制，而且即不需要细分器也不需要其它复杂的传动与执行机构，所以螺旋传动机构具有结构简单、尺寸紧凑、制造容易、成本低的优点。
在本实用新型中，所述螺旋传动机构的螺杆设在伸缩脚上，螺母连接在壳体上，螺母与壳体间只有一个转动自由度，其回转中心与螺母轴线重合，伸缩脚上设有防止与螺母相对转动的结构，螺母与驱动电机间设有传动装置。驱动电机通过传动装置带动螺母旋转，由于螺母与壳体间只有一个转动自由度，所以螺母与壳体的轴向位置不变，又因为设在伸缩脚上的螺杆与螺母不发生相对转动，所以螺母的旋转运动引起螺杆沿轴向的上下运动，从而能使伸缩脚产生相应的伸缩运动。当然也可以将所述螺旋传动机构的螺母设在伸缩脚上，螺杆连接在壳体上，其同样可实现本实用新型的目的。
在本实用新型中，所述的伸缩脚是连接在直线步进电机的输出轴上或是直线步进电机的输出轴。由于直线步进电机内设有将旋转运动转换为直线运动的机构，所以其输出轴产生的运动是直线运动，因此当伸缩脚连接在直线步进电机的输出轴上时伸缩脚就能随输出轴做自由伸缩，当然也可以直接将直线步进电机的输出轴作为伸缩脚，它同样能实现本实用新型的目的。
在本实用新型中，所述的信号采集系统是两个一维角度传感器所构成的角度信号采集系统，两个一维角度传感器的信号采集方向相互正交，其中至少有一个角度传感器的信号采集方向平行与伸缩脚与支撑脚的连线。两个一维角度传感器可以完成对装置在X、Y两个方向上的倾斜信息采集任务，当两个一维角度传感器的信号采集方向相互正交时，其采集的倾斜信号没有交叉、重叠现象，因此有益于简化处理运算。由于至少有一个角度传感器的信号采集方向平行与伸缩脚与支撑脚的连线，所以另一个伸缩脚的伸缩运动与该角度传感器的信号采集无关，因此有利于在更短的时间内实现安平。
在本实用新型中，所述支撑脚和伸缩脚的一端连接有一座盘。通过座盘可以在一些支脚无法稳定支撑的场合使用，如沙地或一些地面柔软的场合等。
在本实用新型中，所述座盘的中间设有连接螺孔。通过设在座盘中间的螺孔，可以将座盘固定在通用三角支架的云台上或挂架的底座上，这样可以完全避免装置在移动或使用过程中从三角支架或挂架上摔下的可能性。
在本实用新型中，所述支撑脚是壳体上的支撑结构或是一可调整高度的螺旋结构。由于支撑脚仅仅起一个三角支撑的作用，因此可以将其承担支撑的结构直接设在壳体上，有减少零件、降低成本的优点。当支撑脚被设计成一个可调整高度的螺旋结构时，可以增加装置的自动安平范围，因此只要通过对支撑脚的简单调整就可以使装置能在大坡度的地面使用。
在本实用新型中，所述的支撑脚是伸缩弹簧，座盘的中心与壳体间设有连接装置，该连接装置是一种使座盘与壳体至少具有两个方向的转动自由度的连接装置。由于连接装置是设在座盘中心的，且座盘与壳体间至少有两个方向的转动自由度，所以座盘能以其中心为支点相对壳体转动。当伸缩脚做伸缩运动时，伸缩弹簧会被动的发生相应的伸缩，而座盘中心与壳体的距离却不会发生变化，即设在装置上的基准工具或测量工具无论怎么倾斜其相对座盘中心的高度不会发生变化。
在本实用新型中，所述的壳体连接有一旋转盘，两者间设有一个转动自由度，回转中心与旋转盘中心基本重合。因为在实际使用过程中，水准工具往往需要在多个角度转动使用，在壳体上连接有一旋转盘后能使这种旋转作业更加方便。
在本实用新型中，可以在所述的壳体上设置准直激光投射装置，由于伸缩脚的伸缩运动对壳体有水平倾斜补偿作用，因此准直激光投射装置所投射的准直激光束的投射方向与壳体的倾斜无关，所以本装置可直接作为自动安平的激光基准工具使用；在本实用新型中，也可以在所述的座盘上设置准直激光投射装置，因为座盘与壳体的转动是相对的，因此当壳体被固定并发生倾斜时，伸缩脚的伸缩运动通过对壳体水平倾斜的补偿而使座盘恢复原状态，即可对座盘实现自动安平，由于准直激光投射装置被固定在座盘上，因此其投射的准直激光束的投射方向仍与壳体的倾斜无关，本装置同样可以直接作为自动安平的激光基准工具使用；在本实用新型中，还可以在所述的旋转盘上设置准直激光投射装置，同上所述，通过伸缩脚对壳体及旋转盘的水平倾斜补偿，能使准直激光投射装置所投射的准直激光束的投射方向与壳体的倾斜无关，装置可以作为自动安平的激光基准工具使用，而且由于旋转盘可相对壳体旋转，因此可以非常方便的在多个方向完成激光基准投射。在本实用新型所述的自动安平装置上加装准直激光投射装置后，就成为各种新的激光基准工具，如成为自动安平的激光水平尺、自动安平的激光铅直仪等，当本实用新型加装多个准直激光投射装置时，其就可沿+X、+Y、+Z、-X、-Y、-Z轴方向同时投射准直激光束，从而在空间形成完整的激光座标系。
在本实用新型中，可以在上述准直激光投射装置的投射路径上设置将准直激光束转换为激光平面的光学装置，所述光学装置可以是柱面透镜也可以是锥角为90°的锥面反射镜，所述准直激光束垂直柱面透镜轴线或与锥面反射镜同轴。由于准直激光束只能在目标物上投射出激光点，使用中还不是很方便，而通过柱面透镜折射或锥面反射镜后所形成的激光平面能在目标物上形成激光线，可一次完成对多个目标的基准作业，所以本装置可以直接作为各种激光安平仪来使用。当本实用新型加装多个光学装置及准直激光投射装置时，就可以同时在XY、YZ、XZ三个座标平面投射基准激光。
在本实用新型中，可以将上述的准直激光投射装置连接在回转轴上，其投射的准直激光束垂直与回转轴，且所述回转轴通过传动装置与电机的输出轴相连。因为准直激光投射装置连接在回转轴上，所以通过传动装置，电机能带动回转轴与准直激光投射装置一起作摆动或回转运动，又因为准直激光束垂直与回转轴，所以通过所述的摆动或回转运动能将准直激光束扫描成一垂直回转轴的激光面，从而在目标物上形成激光线，所以本装置可直接作为自动安平的激光扫平仪使用，而且与重力安平的自动安平激光扫平仪相比具有自安平角度大的显著优点；在本实用新型中，还可以在上述准直激光投射装置的投射路径上设置反射装置，所述反射装置连接在回转轴上，其向外投射的反射准直激光束垂直于回转轴，所述回转轴通过传动装置与电机的输出轴相连，所述反射装置包括反射镜、分光镜、五棱镜或其它能实现反射作用的装置。因为反射装置连接在回转轴上，所以通过传动装置，电机能带动回转轴与反射装置一起作摆动或回转运动，又因为反射装置向外投射的准直激光束垂直于回转轴，所以通过所述的摆动或回转运动能将准直激光束扫描成一垂直回转轴的激光面，从而在目标物上形成激光线，因此采用此技术方案同样可实现自动安平激光扫平仪的使用功能。当本实用新型在X、Y、Z三个正交方向设置三组激光扫描系统后，就可以在空间扫描出XY、YZ、XZ三个激光座标平面。
图1为本实用新型一实施例的结构示意图。
图2为对图1实施例的E-E剖视图。
图3为对图1实施例的F-F剖视图。
具体实施方式
结合图1、2、3所示本实用新型的一实施例的结构包括壳体1、旋转盘2、控制驱动系统3、压片4、螺钉5、驱动电机6、大齿轮7、旋转螺母8、卡簧9、小轴承10、大轴承11、伸缩脚12、座盘13、万向节14、电池盖15、电池16、支撑脚17、支撑脚18、驱动电机19、大齿轮20、旋转螺母21、卡簧22、小轴承23、大轴承24、伸缩脚25、X角度传感器26、Y角度传感器27、小齿轮28、小齿轮29。
以下结合附图对该实施的构造作进一步的说明如图1所示，旋转螺母8通过小轴承10、大轴承11连接在壳体1相应的轴孔内，其上端压装有一大齿轮7，卡簧9位于旋转螺母8的卡簧槽内，卡簧9的下端面紧贴小轴承10的上端面，以防止旋转螺母8、小轴承10沿轴向窜动。伸缩脚12的上部被加成螺杆，下部的底端有一部分被削扁，伸缩脚12上部的螺杆旋入旋转螺母8，下部底端被削扁的一部分插入座盘13沿径向开设的凹槽内，因此当旋转螺母8转动时，伸缩脚12不会跟随转动，而只能将旋转螺母8的旋转运动转变为上、下伸缩运动。壳体1与座盘13通过万向节14相互连接，两者能在任何方向发生倾斜，其中座盘13的底部还加工有连接螺孔。支撑脚17是一压缩弹簧，其上端套在壳体1相应的凸台上，下端套在座盘13相应的凸台上，支撑脚17与伸缩脚12对称布置，当伸缩脚12伸出旋转螺母8的长度发生变化时，支撑脚17由于杠杆原理会产生相应的伸长或缩短，所述杠杆的支点是万向节14的转动轴。座盘13的底部设有电池腔，电池腔内设有电池16，电池16的下部设有一电池盖15，电池盖15能防止电池16从电池腔中掉出。旋转盘2的中心孔套在壳体1上端的凸台上，两者能相互转动，压片4通过螺钉5固定在壳体1上端凸台的端面上，压片4可防止旋转盘2的轴向窜动。控制驱动系统3固定在壳体1上，且位于壳体1和旋转盘2所形成的空腔内，控制驱动系统3包括信号处理电路、脉冲发生电路、信号分配电路、功率放大电路等。
如图2所示，旋转螺母21通过小轴承23、大轴承24连接在壳体1相应的另一轴孔内，其上端压装有一大齿轮20，卡簧22位于旋转螺母21的卡簧槽内，卡簧22的下端面紧贴小轴承23的上端面，以防止旋转螺母21、小轴承23沿轴向窜动。伸缩脚25的上部被加成螺杆，下部的底端有一部分被削扁，伸缩脚25上部的螺杆旋入旋转螺母21，下部底端被削扁的一部分插入座盘13沿径向开设的另一凹槽内，因此当旋转螺母21转动时，伸缩脚25不会跟随转动，而只能将旋转螺母21的旋转运动转变为上、下伸缩运动。支撑脚18是一压缩弹簧，其上端套在壳体1相应的另一凸台上，下端套在座盘13相应的另一凸台上，支撑脚18与伸缩脚25对称布置，当伸缩脚25伸出旋转螺母21的长度发生变化时，支撑脚18由于杠杆原理会产生相应的伸长或缩短，所述杠杆的支点是万向节14的另一转动轴。
如图3所示，X角度传感器26固定在支撑脚17与伸缩脚12的连线上，Y角度传感器27固定在支撑脚18与伸缩脚25的连线上，因为两连线相互垂直，所以X角度传感器26与Y角度传感器27相互正交，其采集的倾斜信号没有交叉、重叠。小齿轮28固定在驱动电机6的输出轴上，驱动电机6通过螺钉固定在壳体1的相应位置上，小齿轮28与大齿轮7相互啮合。小齿轮29固定在驱动电机19的输出轴上，驱动电机19通过螺钉固定在壳体1的另一相应位置上，小齿轮29与大齿轮21相互啮合。
本实施例的自动安平过程描述如下当装置由于地面不平而发生倾斜时，X角度传感器26和Y角度传感器27会各自采集到相应的倾斜信号，倾斜信号被输入控制驱动系统3，经信号处理后产生相应的脉冲信号，再经信号分配电路及功率放大电路的处理后将脉冲信号输入驱动电机6及驱动电机19，两个驱动电机通过大、小齿轮的啮合将各自的旋转运动传递给旋转螺母，经旋转螺母与伸缩脚的螺旋传动后使伸缩脚12与伸缩脚25产生相应的伸缩运动，并迫使壳体1绕万向节14发生一定倾斜，最终实现对装置倾斜的补偿。
权利要求1.一种自动安平装置包括自动安平装置中设有壳体、驱动电机、控制驱动系统、信号采集系统、支脚、电源；其特征在于所述的支脚包括支撑脚和二个伸缩脚，伸缩脚设有电机驱动的伸缩机构，伸缩脚的伸缩机构是相互独立的，且各由一个驱动电机驱动，所述信号采集系统是一种采集倾角信息的信号采集系统，其输出信号输入控制驱动系统，控制驱动系统分别有一路输出信号输入伸缩脚的驱动电机，其中信号采集系统的输出信号分别与两个驱动电机的输入信号一一对应。
2.根据权利要求1所述的一种自动安平装置，其特征在于所述的伸缩机构是螺旋传动机构。
3.根据权利要求2所述的一种自动安平装置，其特征在于所述螺旋传动机构的螺杆设在伸缩脚上，螺母连接在壳体上，螺母与壳体间只有一个转动自由度，其回转中心与螺母轴线重合，伸缩脚上设有防止与螺母相对转动的结构，螺母与驱动电机间设有传动装置。
4.根据权利要求1所述的一种自动安平装置，其特征在于所述的伸缩脚是连接在直线步进电机的输出轴上或是直线步进电机的输出轴。
5.据权利要求1所述的一种自动安平装置，其特征在于所述的信号采集系统是两个一维角度传感器所构成的角度信号采集系统，两个一维角度传感器的信号采集方向相互正交，其中至少有一个角度传感器的信号采集方向平行与伸缩脚与支撑脚的连线。
6.根据权利要求1所述的一种自动安平装置，其特征在于所述支撑脚和伸缩脚的一端连接有一座盘。
7.根据权利要求6所述的一种自动安平装置，其特征在于所述座盘的中间设有连接螺孔。
8.根据权利要求1或6所述的一种自动安平装置，其特征在于所述支撑脚是壳体上的支撑结构或是一可调整高度的螺旋结构。
9.根据权利要求1或6所述的一种自动安平装置，其特征在于所述的支撑脚是伸缩弹簧，座盘的中心与壳体间设有连接装置，该连接装置是一种使座盘与壳体至少具有两个方向的转动自由度的连接装置。
10.根据权利要求1所述的一种自动安平装置，其特征在于所述的壳体连接有一旋转盘，两者间设有一个转动自由度，回转中心与旋转盘中心基本重合。
专利摘要一种自动安平装置包括自动安平装置中设有壳体、驱动电机、控制驱动系统、信号采集系统、支脚、电源。支脚包括支撑脚和二个伸缩脚，伸缩脚设有电机驱动的伸缩机构，伸缩脚的伸缩机构是相互独立的，且各由一个驱动电机驱动，所述信号采集系统是一种采集倾角信息的信号采集系统，其输出信号输入控制驱动系统，控制驱动系统分别有一路输出信号输入伸缩脚的驱动电机，其中信号采集系统的输出信号分别与两个驱动电机的输入信号一一对应。由于支撑脚是相对固定不动的参照基准，所以只要通过改变伸缩脚的伸缩长度就可以补偿装置的水平倾斜角度。本实用新型只需要采用两组传感器、驱动电机等执行机构就可以实现自动安平功能。
文档编号G01C15/00GK2884145SQ20062010025
公开日2007年3月28日 申请日期2006年1月8日 优先权日2006年1月8日
发明者周培银 申请人:周培银