一种测绘仪器及其制动装置的制作方法

1.本发明涉及测绘仪器领域，尤其涉及一种测绘仪器及其制动装置。


背景技术：

2.在高程测量、工程勘测和施工测量中会广泛地用到测绘仪器，许多测绘仪器中具有可旋转的部件，例如全站仪和经纬仪等都具有能够绕竖直轴旋转的水平度盘、能够绕水平轴旋转的竖直度盘等。对于这些可旋转的部件，测绘仪器中通常配备有旋转驱动装置及旋转制动装置，以实现精准的角度调节。现有技术中，一些电气化的测绘仪器采用蜗轮与蜗杆配合的方式实现旋转驱动与制动：由电机带动蜗杆，蜗杆带动蜗轮连接旋转部件，实现部件旋转；由于蜗轮蜗杆传动中的自锁原理，当蜗杆的导程角小于啮合齿轮间的当量摩擦角时，蜗杆传动便具有自锁性，即蜗杆能带动蜗轮传动，而蜗轮不能带动蜗杆传动，所以在电机停止转动时，和蜗轮连接的旋转部件不能被外力转动。上述传统机械结构的制动装置，装配工艺复杂，需要定期保养，安装及养护成本较高。
3.此外，在测绘仪器的实际使用过程中，经常需要对旋转部件的角度进行微调或连续缓慢的调节，此时往往需要手动操作旋转部件转动，以实现精准测量。如果制动装置将旋转部件完全刹死，旋转部件就无法转动；如果完全不使用制动装置，则由于旋转部件与仪器主体之间的摩擦力较小，旋转部件就容易会受到外部环境影响(如风、气流、斜坡重力等)而转动，无法保持对准测量。因此，测绘仪器中更需要一种能够将旋转部件不完全刹死的制动装置，既能够允许手动转动，又能够提供一定的阻力，使得旋转部件不受外部环境影响而停留在某一转动位置。现有的电力控制的用于测绘仪器的制动装置，只能够将旋转部件完全抱死或完全释放，无法实现上述不完全刹死的功能；而一些传统的手动旋钮式制动装置，虽然能够实现连续缓慢地调节，但调节费力、效率低，且无法解除制动而实现快速大范围旋转，同样不便于使用。


技术实现要素：

4.本发明的一个目的是解决现有技术的不足，提供一种结构简单、成本较低、能够实现不完全刹死的用于测绘仪器的制动装置。
5.为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种用于测绘仪器的制动装置，所述测绘仪器包括基座、绕转动中心线转动地设置在所述基座上的旋转部件，所述制动装置包括固设于所述旋转部件上的电磁铁、活动地设置在所述基座的衔铁，所述制动装置具有制动状态及释放状态，当所述制动装置处于制动状态时，所述电磁铁通电，所述电磁铁产生磁场，所述电磁铁与所述衔铁通过磁吸力吸合在一起；当所述制动装置处于释放状态时，所述电磁铁断电，所述电磁铁与所述衔铁之间有间隙地设置，所述制动装置还包括用于提供所述衔铁远离所述电磁铁运动所需作用力的弹性件，所述弹性件连接在所述衔铁与所述基座之间。
7.优选地，所述弹性件具有分设于沿自身厚度方向相异两侧的第一面及第二面，所
述第一面与所述衔铁固定连接，所述第二面与所述基座固定连接，当所述制动装置处于释放状态时，所述第一面及所述第二面均为平面；当所述制动装置处于制动状态时，所述第一面及所述第二面均为朝向所述电磁铁凸起的弧面。
8.进一步优选地，所述弹性件呈片状，所述弹性件采用65锰钢材料制成。
9.优选地，所述电磁铁与所述衔铁之间的所述磁场沿所述转动中心线的延伸方向延伸，，所述电磁铁、所述衔铁、所述弹性件沿所述转动中心线的延伸方向依次设置。
10.优选地，所述电磁铁包括铁芯及绕设在所述铁芯上的导电线圈，所述导电线圈的两端部分别与直流电源的正极和负极相连接，所述导电线圈的轴心线与所述转动中心线平行或共线。
11.进一步优选地，所述直流电源的正极和负极可切换。
12.进一步优选地，所述制动装置还包括用于控制所述直流电源的电压大小和方向的数字控制系统，所述数字控制系统与所述直流电源电性连接或通讯连接。
13.优选地，所述电磁铁通过第一螺栓固定连接在所述旋转部件上，所述衔铁通过第二螺栓固定连接在所述弹性件上，所述弹性件通过第三螺栓固定连接在所述基座上。
14.本发明的另一目的是提供一种具有上述制动装置的测绘仪器。
15.优选地，所述测绘仪器为全站仪或经纬仪，所述旋转部件为水平度盘，所述水平度盘绕第一转动中心线转动地设置在第一基座上，所述第一转动中心线沿所述测绘仪器的高度方向延伸。
16.优选地，所述旋转部件为竖直度盘，所述竖直度盘绕第二转动中心线转动地设置在第二基座上，所述第二转动中心线沿所述测绘仪器的宽度方向延伸。
17.由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明提供的测绘仪器及其制动装置，通过电磁铁与衔铁的配合来实现对旋转部件的制动，制动稳定可靠，制动装置的结构简化，装配工艺简单，不需要定期保养，从而降低了安装及养护成本，提高了测绘仪器的使用寿命，并且该制动装置完全采用电力控制，精确度高，能够实现制动摩擦力的无极调节，根据不同场合实现完全刹死或不完全刹死的不同需求。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
19.附图1为本发明一具体实施例中测绘仪器的主视示意图；
20.附图2为本实施例中测绘仪器的侧视示意图；
21.附图3为本实施例中制动装置的装配示意图；
22.附图4为本实施例中制动装置的结构分解示意图；
23.附图5为本实施例中电磁铁的内部结构示意图；
24.附图6为本实施例中制动过程中第一直流电的变化趋势示意图；
25.其中：1000、测绘仪器；1100、底座；1200、照准部；1300、目镜；
26.2000、制动装置；1、固定件；2、旋转部件；3、电磁铁；31、铁芯；32、导电线圈；4、衔铁；5、弹性件；5a、第一面；5b、第二面；61、第一螺栓；62、第二螺栓；63、第三螺栓；
27.x、转动中心线；x1、第一转动中心线；x2、第二转动中心线。
具体实施方式
28.本发明旨在提供一种简单可靠、能够实现不完全刹死的用于测绘仪器的新型制动方法，该方法主要通过电磁铁与衔铁的配合吸引来实现对旋转部件的制动，其主要优势如下：
29.1、采用高分辨率的数控系统控制电流变化，并能够根据测绘仪器的实际参数预设算法，自动化程度高，操作简便；
30.2、能够对制动摩擦力进行无极调节，可以满足测绘仪器对完全刹死和不完全刹死的不同需求，有助于提高测绘仪器测量的精准度；
31.3、启动制动的过程中，控制电流随时间呈先增大后减小的抛物线变化趋势，可以最大程度降低电磁铁吸合后的冲击力，对测绘仪器的影响小，有助于保证测量精度；
32.4、解除制动时采用弹性件与反向微电流相配合的方式，可以实现快速释放，提高工作效率，且反向微电流的使用可降低对弹片的弹性需求，进而还能够降低对最高电流的需求，吸合时更易控制，并能够降低设备及控制成本；
33.5、制动装置整体装配工艺简单，基本不存在机械磨损等问题，不需要定期保养，因而可以极大地提高测绘仪器的使用寿命，同时降低安装及养护成本。
34.下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域的技术人员理解。
35.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“左右方向”、“高度方向”、“前后方向”等指示的方位或位置关系为基于附图1，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、仅具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
36.需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。此外，本发明中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本发明各组成部分的相互位置关系来说的。
37.参见图1及图2所示，一种测绘仪器1000，包括基座、绕转动中心线x转动地设置在基座上的旋转部件2，旋转部件2与基座之间设有用于限制所述旋转部件2旋转的制动装置2000。根据本发明，测绘仪器1000可以是全站仪、经纬仪或其他具有可旋转的部件的仪器，本实施例中具体以全站仪为例进行阐述。
38.本实施例中，该全站仪包括底座1100、照准部1200及目镜1300，全站仪中主要的旋转部件2包括水平度盘及竖直度盘(图中均未示出)，其中，水平度盘连接在底座1100与照准部1200之间，竖直度盘连接在照准部1200与目镜1300之间。当旋转部件2为水平度盘时，底
座1100作为旋转部件2的基座，为作区分此处称为第一基座，水平度盘绕第一转动中心线x1转动地设置在第一基座上，第一转动中心线x1沿全站仪的高度方向延伸；当旋转部件2为竖直度盘时，照准部1200作为旋转部件2的第二基座，竖直度盘绕第二转动中心线x2转动地设置在第二基座上，第二转动中心线x2沿全站仪的宽度方向延伸。换言之，当同一台测绘仪器1000中具有多组旋转部件2时，每组旋转部件2与其基座之间均可设置一组本实施例中的制动装置2000。
39.参见图3至图5所示，制动装置2000包括沿转动中心线x的延伸方向依次设置的电磁铁3、衔铁4、弹性件5及固定件1，其中，固定件1固设于基座上，电磁铁3固设于旋转部件2上，弹性件5连接在衔铁4与固定件1之间，用于提供衔铁4远离电磁铁3运动所需的作用力，使得衔铁4能够沿转动中心线x的延伸方向相对运动地设置在固定件1上。由于本实施例中旋转部件2整体呈空心圆柱状，因此电磁铁3、衔铁4及弹性件5也相应配合地呈空心圆柱或圆环片状，且均以转动中心线x为中心线地设置。
40.本实施例中，制动装置2000具有制动状态及释放状态，当制动装置2000处于制动状态时，电磁铁3通电并产生磁场b，衔铁4克服弹性件5的作用力而与电磁铁3吸合在一起；当制动装置2000处于释放状态时，电磁铁3断电而失去磁场b，衔铁4在弹性件5的作用力下与电磁铁3分离，电磁铁3与衔铁4之间有间隙地设置。
41.参见图5所示，电磁铁3具体包括铁芯31及绕设在铁芯31上的导电线圈32，导电线圈32的两端部分别与直流电源(图中未示出)的正极和负极相连接，导电线圈32的轴心线与转动中心线x共线延伸。如此，当导电线圈32通入如图所示的第一直流电i1时，就能够产生图示方向的磁场b，该磁场b在电磁铁3与衔铁4之间的部分大体沿转动中心线x的延伸方向延伸，从而电磁铁3能够将衔铁4沿转动中心线x的延伸方向吸合。
42.参见图4所示，本实施例中，电磁铁3通过第一螺栓61固定连接在旋转部件2上，弹性件5为扁平片状的弹片，采用具有弹性的65锰钢材料制成。弹片具有分设于沿自身厚度方向相异两侧的第一面5a及第二面5b，以图中所示的视角为例，第一面5a位于第二面5b的上方，第一面5a通过第二螺栓62与衔铁4固定连接，第二面5b通过第三螺栓63与固定件1固定连接。当制动装置2000处于释放状态时，即弹片处于释能状态时，第一面5a及第二面5b均为平面；当制动装置2000处于制动状态时，即弹片处于蓄能状态时，第一面5a及第二面5b均为朝向电磁铁3凸起的弧面。
43.在其他实施例中，上述第一螺栓61、第二螺栓62、第三螺栓63也可以采用其他形式的紧固件代替。
44.由上可知，衔铁4沿转动中心线x的延伸方向上具有第一位置及第二位置，第一位置相对于第二位置位于靠近电磁铁3的一侧，当制动装置2000处于制动状态时，衔铁4位于第一位置；当制动装置2000处于释放状态时，衔铁4位于第二位置。
45.此外，本实施例中，全站仪还包括用于驱动旋转部件2绕转动中心线x旋转的驱动机构，具体采用电机(图中未示出)驱动，进一步提高该全站仪的自动化程度，旋转部件2可以完全依靠电力进行旋转驱动和旋转制动。
46.本实施例中，制动装置2000还包括高分辨率的数字控制系统(图中未示出)，该数字控制系统与直流电源电性连接或通讯连接，能够控制直流电源的正极和负极正转与反转，还能够控制电压的大小，从而控制通入导电线圈32中的电流大小和方向，进而控制电磁
铁3所产生的磁场b，进一步控制电磁铁3对衔铁4的磁吸力，最终目的是控制制动状态下电磁铁3与衔铁4之间的制动摩擦力，根据需要实现完全刹死或不完全刹死。该数字控制系统中程序的具体设置可采用现有技术，本发明不作限定。
47.该制动装置2000实现完全刹死或不完全刹死的原理如下：已知电磁铁3与衔铁4之间的静摩擦系数为μ，人力转动旋转部件2所需的较大的力为f0，当电磁铁3与衔铁4吸合在一起时，衔铁4受到的磁吸力为f，则电磁铁3与衔铁4之间对应的最大静摩擦力f
max
＝μf。因此，当f
max
≥f0时，旋转部件2就难以被人力转动，制动装置2000完全刹死；而当f
max
<f0时，旋转部件2能够被一般的人力所转动，制动装置2000不完全刹死。当然，f0的具体大小实际上是因人而异的，在数字控制系统的程序设计过程中，应当以普通健康成年人的体力作为参考，并且该f0应当大于正常的重力、风力等，使得旋转部件2在不施加人力时不会自由转动。基于上述分析，本实施例中调节最大静摩擦力f
max
的方法就是控制通入电磁铁3中的第一直流电i1，当f
max
＝f0时，对应的i1＝i
max
，即，当i1≥i
max
时，制动装置2000完全刹死；当i1<i
max
时，制动装置2000不完全刹死。
48.当然，f0的取值还与测绘仪器1000本身的部件参数有关，对于不同的测绘仪器1000、不同的旋转部件2，f0的取值应当对应确定。
49.下面具体阐述本实施例中制动装置2000的使用方法：
50.当制动装置2000处于释放状态时，旋转部件2与基座之间的摩擦力较小，旋转部件2可以绕转动中心线x自由转动，旋转部件2在斜坡重力、风力等外力影响下也容易相对转动，无法保持稳定。
51.一般地，当该全站仪正常测绘使用时，均需要使制动装置2000维持在制动状态，对旋转部件2进行不完全刹死。
52.参见图6所示，将制动装置2000切换为制动状态时，首先接通电源。电源刚接通时，电磁铁3中通入第一直流电i1，数字控制系统控制第一直流电i1随通电时间t呈先增大后减小再稳定的变化趋势，其中：
53.当t＝0时，i1＝0，衔铁4与电磁铁3之间有间隙地设置；
54.当t>0时，i1>0，电磁铁3产生磁场b并对衔铁4产生磁吸力；
55.当t＝t
m
时，i1达到极值且i1＝i
a
，电磁铁3与衔铁4吸合在一起；
56.当t≥t
n
时，i1保持恒定且i1＝i
b
，电磁铁3与衔铁4保持吸合，实现不完全刹死的制动。
57.其中，t
n
>t
m
，i
max
>i
a
>i
b
。本实施例中，i
max
＝100～250ma，i
a
＝20～100ma，当0<t<t
n
时，i1随t呈抛物线的变化趋势。在其他实施例中，数字控制系统也可以将该段变化曲线设计为其他形式的平滑过渡的曲线，例如三角函数、多段抛物线等。
58.设计上述变化的主要原因如下：
59.1、如果一开始就通入较大的电流(如i
b
)，则电磁铁3与衔铁4会快速吸合，产生较大的冲击力，导致全站仪震动，甚至有可能破坏全站仪的平衡，降低全站仪的测量精度，因此控制i1由0开始逐渐增强，最大程度降低对全站仪的影响；
60.2、如果将i1设计为由0直接逐渐增强为最终所需的电流i
a
，并不经过i
b
这一极值，则i
a
往往是较小的，并不足以使得衔铁4克服弹性件5的作用力而与电磁铁3吸合，导致制动根本无法实现，因此需要借助较大的电流i
b
首先将衔铁4吸起；
61.3、如果i
b
≥i
max
，则会使得电磁铁3中存储过多的能量，一方面造成能量浪费，另一方面电磁铁3的磁性不易消退，即使后续i1减小，电磁铁3可能还是具有较强的磁性而保持在完全刹死的状态，违背了电流控制的目的，且不利于制动装置2000的释放。
62.如此，当t≥t
n
以后，电磁铁3与衔铁4就以预设的磁吸力f吸合在一起，当两者之间具有相对运动的趋势时，该磁吸力f便能够产生静摩擦力或滑动摩擦力，限制旋转部件2的相对转动。
63.进一步地，本实施例中的制动装置2000还具有解除制动的步骤，以切换为释放状态。具体采用弹性件5与反向微电流i2相配合的方式：断开第一直流电i1，并对电磁铁3通入第二直流电i2，该i2与i1的方向相反，且i2<i1，通入第二直流电i2的持续时间t2<通入第一直流电i1的持续时间t1，实际上t2仅为约2ms，从而能够使得电磁铁3快速失去磁场，进而衔铁4在弹性件5的作用力下与电磁铁3脱离接触，解除制动。
64.制动装置2000的释放状态主要应用于以下场景：1、全站仪停止使用；2、全站仪正常使用时，需要将照准部1200或目镜1300快速旋转较大角度(例如180
°
)。
65.本实施例中采用第二直流电i2的优势在于，由于全站仪在使用过程中需要长时间保持在制动状态，也就意味着电磁铁3中长时间通电，因此导电线圈32中难免会存储一些能量，当第一直流电i1断开时，电磁铁3也不一定能够迅速消磁，因此借助反向微电流i2就能够使得电磁铁3迅速消磁，衔铁4更容易被弹性件5拉回，并且i2的设置也能够降低对弹性件5的拉力要求，反过来使得电磁铁3与衔铁4的制动吸合过程更易控制。
66.本实施例中，上述i1及i2的大小和方向均采用数字控制系统进行控制。
67.此外，当需要将旋转部件2完全刹死时，制动装置2000的制动方法与上述步骤基本相同，只需要控制i
a
≥i
max
即可。
68.综上所述，本发明提供的测绘仪器及其制动装置，结构简单、操作灵活、安装及养护成本低、使用寿命长，能够实现完全刹死和不完全刹死的不同需求。
69.上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。