垂线坐标仪自动化标定装置的制作方法

本实用新型涉及大坝安全监测技术领域，具体是一种垂线坐标仪自动化标定装置。

背景技术：

垂线坐标仪是一种测量工程结构物水平位移(和垂直位移)的垂线测量装置中的测量仪器，普遍应用在大坝安全监测领域中，用于测量大坝坝体和坝基的水平位移随时间变化的规律。

垂线坐标仪采用正垂或倒垂装置进行辅助测量，有步进式、电感式、电容式、CCD式等类型。在工程安全监测领域中，安全监测仪器在经出厂检验之后，安装埋设到工程之前，施工方需要对监测仪器进行标定和性能测试检验，以确认设备能正常工作，且能达到工程项目的准确度、线性度、不重复度、滞后性等要求。

现阶段，市面上的垂线坐标仪标定装置和标定方法具有以下缺点：

1、标定装置自动化程度低。现市面上大多数的垂线坐标仪标定设备，采用人工手动方式实现标定过程，导致标定过程效率过低，耗时费力，不能满足工程实际需求。

2、标定装置笨重，成本高昂。目前最广泛使用的CCD式垂线坐标仪自身内部光学结构占据了设备体积，使其相较其他类型的安全监测仪器而言，具有笨重的体积和质量。而市面上大多数垂线坐标仪标定装置也因此结构复杂、体积庞大、制作成本高，且不方便便携和搬运。

3、标定过程移动垂线，稳定过程慢。传统的垂线坐标仪标定设备均采用移动垂线的方式来进行数据的多次测量，然而由于重垂线类似于单摆模型，其稳定过程耗时较长，导致整个标定过程效率低下。

4、在进行X轴和Y轴的转换测量时，增加了拆卸和安装步骤。垂线坐标仪在标定过程中，其在X和Y轴坐标的测值均需要进行标定。而传统的垂线坐标仪标定方法，使得其在完成X轴测量后，需要拆卸垂线坐标仪，转为Y轴测量方向，再进行安装和固定，标定过程繁琐。

5、垂线坐标仪的测值有X轴、Y轴位移坐标值。在标定过程中，需保证垂线运行路线与所测轴线方向严格平行，其该轴线方向的夹角应小于±0.02rad。现有的垂线坐标仪标定装置无法解决这一问题，需要在标定前反复修正角度，操作复杂。

技术实现要素：

本实用新型实施的目的在于提供一种垂线坐标仪自动化标定装置，实现了对垂线坐标仪的智能化、轻便化、高效化的标定过程。

一种垂线坐标仪自动化标定装置，用于对待标定的垂线坐标仪进行标定，所述标定装置包括中央控制单元、双伺服电机传动模块、双光栅测量模块、与中央控制单元连接的上位机，垂线坐标仪与上位机通信连接；上位机用于向中央控制单元发送指令，驱动双伺服电机传动模块中的双伺服电机运转，并带动待标定的垂线坐标仪形成X向或Y向水平位移，双光栅测量模块通过实时测量垂线坐标仪的位移，将测得的位移数据发送至中央控制单元，中央控制单元通过闭环的 PID控制算法，决策伺服电机的运转和停止，使垂线坐标仪移动预设的位移量，中央控制单元将双光栅测量模块测量的垂线坐标仪的位移数据传输至上位机，垂线坐标仪将其测得的实时位移数据传输至上位机，所述上位机用于根据垂线坐标仪传送的实时位移数据和双光栅测量模块测量的垂线坐标仪的位移数据对垂线坐标仪进行标定。

进一步的，所述双伺服电机传动模块包括双伺服电机、由双伺服电机驱动的双轴平移台，待测垂线坐标仪固定在所述双轴平移台上。

进一步的，所述双伺服电机包括第一伺服电机和第二伺服电机，第一伺服电机和第二伺服电机分别与中央控制单元连接，第一伺服电机在中央控制单元的控制下，驱动双轴平移台产生X轴方向位移；第二伺服电机在中央控制单元的控制下，驱动双轴平移台和第一伺服电机一起产生Y轴方向位移。

进一步的，还包括固定所述双伺服电机传动模块的标定装置底座，标定装置底座的一个边角处竖直设有垂线悬架，垂线悬架用于悬挂钢丝垂线。

进一步的，所述双轴平移台包括上层平移台、下层平移台、平移底台、X轴导轨、Y轴导轨、第一滚珠丝杆和第二滚珠丝杆；平移底台安装固定在标定装置底座中央，上层平移台和下层平移台从上至下设于平移底台上方，上层平移台与下层平移台之间、下层平移台和平移底台之间分别通过X轴导轨、Y轴导轨实现相对滑动；上层平移台与下层平移台分别与第一滚珠丝杆和第二滚珠丝杆连接，第一滚珠丝杆和第二滚珠丝杆分别设于上层平移台与下层平移台的侧边，且呈垂直设置。

进一步的，第一伺服电机与第一滚珠丝杆、第二伺服电机与第二滚珠丝杆均通过弹性联轴节相连；上层平移台在第一伺服电机的驱动下，实现第一滚珠丝杆的正反旋转，从而带动上层平移台在X轴导轨上实现X轴方向的往复运行；下层平移台在第二伺服电机的驱动下，实现第二滚珠丝杆的正反旋转，从而带动下层平移台在Y轴导轨上实现Y轴方向的往复运行。

进一步的，所述双光栅测量模块包括第一光栅尺、第一光栅尺位移传感器、第二光栅尺、第二光栅尺位移传感器，第一光栅尺、第二光栅尺的主尺分别安装在安装固定在标定装置底座上；第一光栅尺、第二光栅尺安装在平移底台外侧，分别与上层平移台和下层平移台的边缘平齐，且呈垂直设置；第一光栅尺位移传感器、第二光栅尺位移传感器对应分别安装在上层平移台和下层平移台的侧面，随之活动，在活动过程中实时读取对应光栅尺上的刻度值并回传给中央控制单元。

进一步的，所述中央控制单元包括微处理器、与微处理器连接的伺服电机控制电路、存储单元、输入单元、显示单元、第一串口通信电路、第二串口通信电路、第三串口通信电路。

进一步的，所述微处理器通过第一串口通信电路与上位机连接，实现数据指令的上传和下达；通过伺服电机控制电路实现控制第一伺服电机与第二伺服电机的运转；通过第二串口通信电路、第三串口通信电路分别与光栅测量模块中第一光栅尺的第一光栅尺位移传感器和第二光栅尺的第二光栅尺位移传感器连接，实现光栅测量模块数据的传输；通过输入单元和显示单元实现人机交互，通过存储单元实现数据存储。

本实用新型的有益效果具体如下：

1、本实用新型能能够解决目前工程中垂线坐标仪在标定过程中，具有的复杂繁琐、耗时长、效率低的缺点，填补了国内外垂线坐标仪自动化标定设备的空白；

2、本实用新型提出的采用双轴平移台和双伺服电机的结构，能够在完成X轴测量后，无需拆卸垂线坐标仪，可直接进行Y轴测量，简化了标定过程；

3、本实用新型提出采用双轴平移台和双伺服电机的结构，能够在机械设计过程中就考虑了X轴和Y轴的严格垂直性，同时进一步保证了垂线运行路线与所测轴线方向严格平行，X轴和Y轴测量互不干扰；

4、本实用新型采用了光栅尺设备，形成闭环测量，降低了伺服电机在测量过程中存在的机械误差；

5、本实用新型采用通过平移待标定的垂线坐标仪，使与固定安装的钢丝垂线产生相对运动，从而实现正垂线XY轴位移的测量。改进了在传统标定设备及其标定过程中，通过平移需要较长时间才能静止的正垂线的而获得垂线位移方式，提高标定效率。

附图说明

图1是本实用新型垂线坐标仪自动化标定装置的立体结构示意图；

图2是本实用新型垂线坐标仪自动化标定装置的俯视图；

图3是本实用新型垂线坐标仪自动化标定装置使用时的结构示意图；

图4是本实用新型垂线坐标仪自动化标定装置中的电路原理框图；

图5是本实用新型垂线坐标仪自动化标定装置中的中央控制单元的电路框图；

图6是利用本实用新型垂线坐标仪自动化标定装置对垂线坐标仪进行标定的流程示意图。

图中：1—中央控制单元，2—双伺服电机传动模块，3—双光栅测量模块，4—垂线坐标仪，5—上位机，11—微处理器，12—伺服电机控制电路，13—存储单元，14—输入单元，15—显示单元，16—第一串口通信电路，17—第二串口通信电路，18—第三串口通信电路， 21—双伺服电机，22—双轴平移台，211—第一伺服电机，212—第二伺服电机，31—第一光栅尺，32—第一光栅尺位移传感器，33—第二光栅尺，34—第二光栅尺位移传感器，221—上层平移台，222—下层平移台，223—平移底台，224—X轴导轨，225—第一滚珠丝杆，226—第二滚珠丝杆，227—Y轴导轨，231—标定装置底座，232—垂线悬架，233—钢丝垂线。

具体实施方式

下面将结合本实用新型中的附图，对本实用新型中的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1-4，本实用新型垂线坐标仪自动化标定装置用于对待测垂线坐标仪4进行标定，所述标定装置的其中一个实施例包括中央控制单元1、双伺服电机传动模块2、双光栅测量模块3、与中央控制单元1连接的上位机5。

所述上位机5(例如计算机)用于向中央控制单元1发送指令，驱动双伺服电机传动模块2中的双伺服电机运转，并带动待标定的垂线坐标仪4形成X向或Y向水平位移，双光栅测量模块3通过实时测量垂线坐标仪4的位移，将测量数据发送至中央控制单元1，中央控制单元1通过闭环的PID控制算法，决策伺服电机的运转和停止，中央控制单元1将最终测量结果传输至上位机5中。

如图1所示，所述双伺服电机传动模块2包括双伺服电机21、由双伺服电机21驱动的双轴平移台22。待测垂线坐标仪4通过螺丝螺母固定在所述双轴平移台22上。

所述双伺服电机21包括第一伺服电机211和第二伺服电机212，第一伺服电机211和第二伺服电机212分别与中央控制单元1连接。第一伺服电机211在中央控制单元1的控制下，驱动双轴平移台22 产生X轴方向位移；第二伺服电机212在中央控制单元1的控制下，驱动双轴平移台22和第一伺服电机211一起产生Y轴方向位移。

本实施例还包括固定所述双伺服电机传动模块2的标定装置底座231，标定装置底座231的一个边角处竖直设有垂线悬架232，垂线悬架232用于悬挂钢丝垂线233。

所述双轴平移台22包括上层平移台221、下层平移台222、平移底台223、X轴导轨224、Y轴导轨227、第一滚珠丝杆225和第二滚珠丝杆226。平移底台223安装固定在标定装置底座231中央，上层平移台221和下层平移台222从上至下设于平移底台223上方，上层平移台221与下层平移台222之间、下层平移台222和平移底台 223之间分别通过X轴导轨224、Y轴导轨227实现相对滑动。上层平移台221与下层平移台222分别与第一滚珠丝杆225和第二滚珠丝杆226连接，第一滚珠丝杆225和第二滚珠丝杆226分别设于上层平移台221与下层平移台222的侧边，且呈垂直设置。

第一伺服电机211与第一滚珠丝杆225、第二伺服电机212与第二滚珠丝杆226均通过弹性联轴节相连；上层平移台221可以在第一伺服电机211的驱动下，实现第一滚珠丝杆225的正反旋转，从而带动上层平移台221在X轴导轨224上实现X轴方向的往复运行；下层平移台222可以在第二伺服电机212的驱动下，实现第二滚珠丝杆 226的正反旋转，从而带动下层平移台222在Y轴导轨227上实现Y 轴方向的往复运行。

所述双光栅测量模块3包括第一光栅尺31、第一光栅尺位移传感器32、第二光栅尺33、第二光栅尺位移传感器34，第一光栅尺31、第二光栅尺33的主尺分别安装在安装固定在标定装置底座231上，且固定不动。具体的，第一光栅尺31、第二光栅尺33安装在平移底台223外侧，分别与上层平移台221和下层平移台222的边缘平齐，且呈垂直设置；第一光栅尺位移传感器32、第二光栅尺位移传感器 34对应分别安装在上层平移台221和下层平移台222的侧面，随之活动，在活动过程中实时读取对应光栅尺上的刻度值并回传给中央控制单元1。

如图5所示，所述中央控制单元1包括微处理器11、与微处理器11连接的伺服电机控制电路12、存储单元13、输入单元14(例如键盘吧)、显示单元15、第一串口通信电路16、第二串口通信电路 17、第三串口通信电路18。所述微处理器11通过第一串口通信电路 16与上位机5连接，实现数据指令的上传和下达；通过伺服电机控制电路12实现控制伺服电机(第一伺服电机211与第二伺服电机212) 的运转；通过第二串口通信电路17、第三串口通信电路18分别与光栅测量模块3中第一光栅尺31的第一光栅尺位移传感器32和第二光栅尺33的第二光栅尺位移传感器34连接，实现光栅测量模块数据的传输；通过输入单元14和显示单元15实现人机交互，通过存储单元 13实现数据存储。

如图6所示，利用本实用新型对垂线坐标仪进行自动化标定，包括如下步骤：

在进行标定程序之前，将垂线坐标仪4安装到双轴平移台22上，钢丝垂线233保持正垂线的形态静挂在垂线悬架232上，并调整正垂线静挂位置，然后开始进行标定程序。标定程序的流程参照图。

第一步，上位机5(例如计算机)根据垂线坐标仪4的量程，等间隔地预置一组位移值，S1，S2,...Sn，S1<Sn，间隔距离△S＝(Sn-S1) /(n-1)，设置垂线坐标仪4的行进方向为X轴方向，并将这些信息和指令写入中央控制单元1。第一光栅尺31将S1预置为其输出的初始位移；

第二步，上位机5通过垂线坐标仪4的通讯接口获取垂线坐标仪 4X轴方向初始位移值L1；

第三步，中央控制单元1驱动第一伺服电机211，使待测垂线坐标仪4产生X轴正向方向位移。第一光栅尺31监测实时位移量，并传输至中央控制单元1，当测得的位移量达到S2时，中央控制单元1 控制暂停第一伺服电机211的运转，垂线坐标仪4将其测得的第2个位移值实时数据L2传输至上位机5中；

第四步，中央控制单元1继续驱动第一伺服电机211，使待测垂线坐标仪4继续产生X轴正向方向位移，重复第三步程序，直至测得的位移量达到Sn时，中央控制单元1控制停止第一伺服电机211 的运转，垂线坐标仪4将其测得的第n个位移值实时数据Ln传输至上位机5中，在此步骤下，垂线坐标仪4已完成X轴的一次正向测程；

第五步，中央控制单元1重新驱动第一伺服电机211，使待测垂线坐标仪4产生X轴反向位移，参照第三步和第四步，第一光栅尺 31在测得的位移量依次达到Sn,S(n-1)...S1时,中央控制单元1控制暂停第一伺服电机211的运转，垂线坐标仪4将其测得的实时数据 Ln,L(n-1),..L1传输至上位机5中。在此步骤下，垂线坐标仪4已完成 X轴一次反向测程。这样，垂线坐标仪4在该装置上，完成了在X 轴上一次完整的循环往复直线运动，获得了2组测值；

第六步，按照以上步骤，垂线坐标仪4在中央控制单元1的控制下，在X轴行进方向上，完成3次完整的循环往复直线运动，获得6 组测值；

第七步，将垂线坐标仪4设置为Y轴行进方向，调整正垂线静挂位置，上位机5通过垂线坐标仪4的通讯接口获取垂线坐标仪4在 Y轴方向初始位移值L1。中央控制单元1驱动第二伺服电机212，使待测垂线坐标仪4产生Y轴方向位移。重复第三、第四、第五、第六步程序，垂线坐标仪4在第二伺服电机212传动模块的控制下，在 Y轴行进方向上，完成3次完整的循环往复直线运动，获得6组测值；

第八步，X轴和Y轴行进方向的循环测试结束后，上位机5根据分别获得的X轴6组测值和Y轴6组测值，进行数据整理和运算 (例如依据算法计算非线性度、不重复度和综合误差等)，并对待测垂线坐标仪4的质量进行结果输出和结论评判。

本实用新型通过对垂线坐标仪自动化标定装置进行机械设计和电路设计，采用自动化手段，将安装埋设前的垂线坐标仪进行性能测试和质量评判，提高了标定效率。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。