用于对环境进行光学扫描和测量的装置制造方法
【专利摘要】在一种用于对环境进行光学扫描和测量的装置中，该装置构造为激光扫描器（10），激光扫描器（10）具有搁置在激光扫描器（10）的静止参考系中的基座（14）、能够相对于基座（14）绕竖直轴线（Z）旋转的测量头（12）、支撑在测量头（12）中的马达（50），所述马达具有马达轴（50a）以及借助马达轴（50a）由马达（50）驱动的齿轮，所述齿轮相对于基座（14）转动测量头（12），其特征在于，所述齿轮构造为行星齿轮（54）。
【专利说明】用于对环境进行光学扫描和测量的装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有权利要求1的通用术语的特征的装置。
【背景技术】
[0002]借助例如从文献DE 10 2010 032 725 Al中已知并且被设计为激光扫描器的装置，可以对激光扫描器的环境进行光学扫描和测量。激光扫描器具有枢轴模块，该枢轴模块作为预组装组件一方面设置有搁置在激光扫描器的静止参考系中的基座，另一方面设置有要与能够相对于该基座旋转的测量头的支撑结构固定的部件。设置有用于驱动该测量头的马达，所述马达布置在枢轴模块的外侧。借助水平布置的蜗杆，该马达作用于枢轴模块的蜗轮上。
【发明内容】
[0003]本发明基于改善在引言中提及的类型的装置的目的、特别是基于减少所需的安装空间的目的。根据本发明，该目的借助具有权利要求1的特征的装置来实现。从属权利要求涉及有利的构造。
[0004]借助行星齿轮，测量头的驱动器能够以更紧凑的方式构造。尤其是，节省安装空间的构造是可能的，例如，通过竖直的马达轴以及通过行星齿轮的平行于马达轴的旋转轴和/或通过枢轴模块中的马达的集成而实现，如在已知装置中使用的。与蜗轮相比，借助两个不同构造的中空轮获得了更大的传动比。由于该更大的传动比，还能够使用更低功率的马达，这种更低功率的马达减轻重量、节省安装空间、节约能量并且节省成本，并且通过更高的转速来补偿较低的功率。太阳轮、行星轮和中空轮各自可以由塑性材料制成，使得行星齿轮也能够减轻重量和节省成本。
[0005]术语“水平的”、“竖直的”与激光扫描器的几何形状相关地进行使用。假定重量方向对应于“竖直的”方向，即，假定激光扫描器在水平面上。然而，激光扫描器也可以是略微倾斜的，例如，相对于水平方向和/或竖直方向倾斜多达15° (即，测量头的旋转轴以及镜相应地倾斜)而不会在执行扫描或其估算的过程中发生问题。因此，术语“水平的”和“竖直的”意在是广义的。
【专利附图】
【附图说明】
[0006]基于附图中示出的示例性实施方式更详细地说明本发明，附图中:
[0007]图1示出激光扫描器的局部剖视图；
[0008]图2示出处于操作中的激光扫描器的示意图；
[0009]图3示出行星齿轮的示意图；
[0010]图4示出行星齿轮的仰视图；
[0011]图5示出不带有行星架的行星齿轮的立体图；以及
[0012]图6示出带有行星架的行星齿轮的另外的立体图。【具体实施方式】
[0013]激光扫描器10设置为用于对激光扫描器10的环境进行光学扫描和测量的装置。激光扫描器10具有测量头12和基座14。测量头12安装在基座14上作为能够绕竖直轴线Z旋转的单元。测量头12具有镜16，镜16能够绕水平轴线旋转。两个接收槽轴线的交点被指定为激光扫描器10的中心Cltl。
[0014]测量头12还设置有用于射出发射光束18的光发射器17。发射光束18优选为大约300至1600nm波长范围内例如790nm、905nm或小于400nm的激光束，然而原则上也可以使用具有例如更长波长的其他电磁波。发射光束18通过调制信号进行幅值调制。发射光束18由光发射器17发射到旋转镜16上，发射光束18在旋转镜16上偏转并发射到环境中。在环境中被物体O反射的或以别的方式散射的接收光束20被旋转镜16再次捕获、偏转并导向到光接收器21上。发射光束18的方向以及接收光束20的方向由旋转镜16的角位置和测量头12的角位置产生，该角位置取决于与旋转镜16和测量头12对应的旋转驱动器的位置，每个对应的旋转驱动器的位置又是由一个编码器记录的。
[0015]控制和估算单元22具有与测量头12中的光发射器17和光接收器21的数据连接，由此，控制和估算单元22的一部分一例如连接至基座14的计算机一也能够布置在测量头12的外部。控制和估算单元22构造为根据发射光束18和接收光束20的传播时间针对多个测量点X确定激光扫描器10与物体O (处的照射点)之间的距离。出于此目的，可以确定并估算例如两个光束18和20之间的相移。
[0016]扫描借助旋转镜16的(快速)旋转沿着圆周进行。依靠测量头12相对于基座14的(慢速)旋转，通过该圆周逐步扫描整个空间。这种测量的测量点X的实体称为扫描。对于这种扫描，激光扫描器10的中心Cltl限定局部静止参考系的原点。基座14搁置在该局部静止参考系中。
[0017]除了到激光扫描器10的中心Cltl的距离d之外，每个测量点X包括同样由控制和估算单元22确定的亮度信息。亮度值为例如由光接收器21的经带通滤波并放大的信号在分配给测量点X的测量期间的积分而确定的灰色调值。借助彩色照相机，可以可选地生成图像，色彩(R，G，B)能够借助该图像作为值分配到测量点。
[0018]激光扫描器10具有支撑结构30，支撑结构30用作测量头12的“骨架”并且激光扫描器10的不同部件固定至该支撑结构30。在本情形中，金属支撑结构30构造为单件并且由铝制成。支撑结构30具有底部敞开的接收槽，枢轴模块40插入到该接收槽中。枢轴模块40为预组装组件，其一方面包括要被固定至支撑结构30且能够相对于所述基座14绕竖直轴线Z旋转的部件，另一方面包括基座14和固定至基座14的零件。枢轴模块40内的方向指示指的是该竖直轴线A，S卩，指的是支撑结构30 (以及因此测量头12)和基座14之间的旋转轴线。
[0019]基座14在其上端具有碗形区域。中空枢转销41从基座14向上伸出。在本情形中，枢转销41具有比基座14小的直径，枢转销41设置有凸缘，枢转销41借助该凸缘固定至基座14的碗形区域的壁。出于制造原因，基座14和枢转销41因此为分开构造的部件。对于另一几何形状，枢转销41和基座14可以一起构造为单件。枢轴模块49具有向底部敞开的杯形壳体42。壳体42将基座14连同枢转销41径向地围住并且绕竖直轴线Z可旋转地安装在基座14和枢转销41上，并且更准确地，壳体42借助分别位于枢转销41上的一个滚子轴承43和位于基座14上的一个滚子轴承43 (优选地为交叉滚子轴承)支撑在顶部和底部上。在基座14的碗形区域的壁与下部滚子轴承42之间围绕基座14卷绕有压缩弹簧44，并且压缩弹簧44消除基座14和壳体42之间的轴向间隙。
[0020]水平布置的编码器盘45固定至枢转销41的上端，壳体42在编码器盘45的上方设置有读取头。此外，用于电源能量和数据的内部(即，发生在枢轴模块40内部)输送的集电环47设置在枢转轴41的凸缘与壳体42的肩部之间。枢轴模块40的用于从测量头12输送数据和能量以及向测量头12输送数据和能量的电插头设置在壳体42的上端以及基座14的下端上。当枢轴模块40被引入支撑结构30的定位槽中时，上部电插头闭合。
[0021]在中空枢转销41的内部，以径向间隙布置有具有马达保持器52的马达50。在底部处敞开的杯形马达保持器52牢固地接收马达50并且在其上端处固定至壳体42。马达50借助与竖直轴线Z同轴的马达轴50a驱动双级行星齿轮54。在空间方面，马达50和行星齿轮54完全地容纳在枢轴模块40中。
[0022]行星齿轮54具有外齿中心太阳齿轮55 (作为用于行星齿轮54的驱动器)，中心太阳齿轮55牢固地安置在马达轴50a上。三个行星轮56以规则的间隔围绕太阳齿轮55布置在圆周方向上(即，以120°偏移)。三个外齿行星轮56各自借助第一齿56a与太阳齿轮55啮合，其中，三个外齿行星轮56绕其平行于竖直轴线Z的行星轮旋转轴56d旋转。三个行星轮旋转轴56由行星架58引导，由此，它们能够在径向方向上平行于竖直轴线Z移位，行星架58设置有用于该目的的三个径向槽或凹口。在行星轮旋转轴56d的两端上，即，在行星架58的两前端上，设置有例如保持环的偏压的弹簧卡圈59。这两个弹簧卡圈59对三个行星轮旋转轴56d加载并且因此对三个行星轮56径向向外加载。
[0023]行星轮56借助它们的第一齿56a还与具有内齿的第一中空轮61啮合。第一中空轮61与竖直轴线Z同心地布置。借助形成在第一中空轮61上的凸缘61a (或者构造为分开的中空轮支撑件)，第一中空轮61与马达保持器52连接，即，相对于该马达50进行固定。如果太阳齿轮55因此驱动三个行星轮56，则行星轮56绕太阳齿轮55旋转，并且行星架58绕竖直轴线Z旋转，并且沿着圆周(B卩，在圆柱形表面上)引导行星轮旋转轴56d。
[0024]第二中空轮62 (作为行星齿轮54的输出)与第一中空轮61轴向偏移地布置，也布置为与竖直轴线Z同心。第二中空轮62形成在基座14的碗形区域的壁上或固定至该碗形区域的壁上，即，第二中空轮62能够相对于马达50旋转。第一中空轮61与第二中空轮62构造不同，例如，第一中空轮62在节圆直径(或关于另一直径)方面具有不同尺寸和/或设置有另一齿数。
[0025]行星轮56借助第二齿56b与具有内齿的第二中空轮62啮合。第二齿56b在最简单的情形下为第一齿56a的轴向延伸部，但其也可以以不同的方式进行构造(例如，在直径和/或齿数方面)。由于两个中空轮61和62的不同构造，行星轮56绕太阳齿轮55的旋转导致产生两个中空轮61和62的相对旋转。
[0026]弹簧卡圈59消除行星轮56与中空轮61和62之间的齿隙。与太阳齿轮55的(SP，马达轴50a的)旋转相比这种相对旋转的传动比取决于两个中空轮61和62的构造的差异程度，例如，取决于相对的节圆直径的差异程度(以及取决于行星轮56的两个齿56a和56b的构造的差异程度)。[0027]在枢轴模块40中，枢转销41、第二中空轮62以及编码器盘45分配给基座14并固定至基座14，同时能够相对于基座14旋转，壳体42、第一中空轮61、支承马达50的马达保持器52以及编码器读取头46分配给测量头12并固定至测量头12的支撑结构30。如果马达50驱动行星齿轮54，则因此产生测量头12相对于基座14绕竖直轴线Z的旋转。
[0028]附图标记列表
[0029]10激光扫描器
[0030]12测量头
[0031]14 基座
[0032]16 镜
[0033]17光发射器
[0034]18发射光束
[0035]20接收光束
[0036]21光接收器
[0037]22控制和估算单元
[0038]30支撑结构
[0039]40枢轴模块
[0040]41枢转销
[0041]42 壳体
[0042]43滚子轴承
[0043]44弹簧卡圈
[0044]45编码器盘
[0045]46编码器读取头
[0046]47集电环
[0047]50 马达
[0048]50a马达轴
[0049]52马达保持器
[0050]54行星齿轮
[0051]55太阳轮
[0052]56行星轮
[0053]56a 第一齿
[0054]56b 第二齿
[0055]56d行星轮旋转轴线
[0056]58行星架
[0057]59弹簧卡圈
[0058]61第一中空轮
[0059]61a 凸缘
[0060]62第二中空轮
[0061]C10激光扫描器的中心
[0062]d 距离[0063]O 物体
[0064]X测量点
[0065]Z竖直轴线
【权利要求】
1.一种用于对环境进行光学扫描和测量的装置，所述装置构造为激光扫描器(10)，所述激光扫描器(10)具有:基座(14)，所述基座(14)搁置在所述激光扫描器(10)的静止参考系中；测量头(12)，所述测量头(12)能够相对于所述基座(14)绕竖直轴线(Z)旋转；马达(50)，所述马达(50)支撑在所述测量头(12)中，所述马达具有马达轴(50a)以及借助所述马达轴(50a)由所述马达(50)驱动的齿轮，所述齿轮相对于所述基座(14)转动所述测量头(12)，其特征在于，所述齿轮构造为行星齿轮(54)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述马达轴(50a)与所述竖直轴线(Z)对准。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述激光扫描器(10)具有枢轴模块(40)，所述枢轴模块(40)作为预组装组件一方面设置有所述基座(14)，另一方面设置有要与所述测量头(12)的支撑结构(30)固定的部件。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述马达(50)和所述行星齿轮(54)完全地容纳在所述枢轴模块(54)中。
5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，所述枢轴模块(40)被引入所述支撑结构(30)的接收槽中。
6.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其特征在于，所述行星齿轮(54)设置有太阳轮(55)和数个行星轮(56)，所述太阳轮(55)借助所述马达轴(50a)由所述马达(50)驱动，所述数个行星轮(56 )与所述太阳轮(55 )啮合并且围绕行星轮旋转轴(56d)可旋转地安装在行星架(58)上。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述行星轮(56)借助第一齿(56a)与第一中空轮(61)啮合，并且借助第二齿(56b)与第二中空轮(62)啮合，其中，两个所述中空轮(61,62)以不同的方式构造。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述第一中空轮(61)分配给所述测量头(12)、尤其是固定至所述测量头(12)的支撑结构(30)，而所述第二中空轮(62)分配给所述基座(14)、尤其是固定至所述基座(14)。
9.根据权利要求6至8中的一项所述的装置，其特征在于，所述行星轮旋转轴(56d)能够相对于所述行星架(58)移位并且径向向外加载、尤其是借助至少一个弹簧卡圈(59)径向向外加载。
10.根据前述权利要求中的一项所述的装置，其特征在于，所述装置包括光发射器(17)、光接收器(21)以及控制和估算单元(22)，所述光发射器(17)射出发射光束(18)，所述光接收器(21)接收由所述激光扫描器(10)的环境中的物体(O)反射的或以别的方式散射的接收光束(20)，所述控制和估算单元(22)针对多个测量点(X)至少确定到所述物体(O)的距离。
【文档编号】G01S7/481GK103592644SQ201310359334
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年8月16日 优先权日:2012年8月17日
【发明者】安德烈亚斯·沃洛许恩 申请人:法罗技术股份有限公司