一种折叠光路的激光跟踪测量机械系统

1.本发明涉及一种激光测量领域，特别涉及一种折叠光路的激光跟踪测量机械系统。


背景技术：

2.激光跟踪测量系统是一种面向现场的便携式三维坐标测量系统，主要用于测量空间大尺寸几何尺寸和动态轨迹，是大型科学工程和高端设备制造迫切需要的测量系统。为了实现空间动态目标跟踪和测量，需要激光跟踪系统精确地实时检测动态目标位置的相对变化。测量光束总是能保证快速瞄准和跟踪空间运动目标中心，从而实现大范围、远距离运动目标的实时跟踪和精确测量。激光跟踪测量系统主要由能够实现自动跟踪的二维回转机构和干涉测长系统组成。由于激光跟踪测量系统跟踪镜机构中的轴未对准和制造误差带来了很大的测量不确定性，因此激光跟踪测量系统的空间坐标的精度一般不高。由于激光跟踪测量系统角度测量的精度有限，且随着测量范围的增加，角度的测量不确定度会更大，限制了激光跟踪测量系统测量精度的进一步提高。
3.为此有必要发明一种折叠光路的激光追踪测量机械系统，避免跟踪镜机构误差对测量精度的影响，提高激光跟踪测量的精度。同时，解决激光跟踪测量机械系统中光学测量系统重量大，导致系统俯仰轴系和回转轴系的电机运动平稳性差、电机输出精度下降的难题。


技术实现要素：

4.2019年5月29日已由北京工业大学提出申请，发布了题为“一种添加了配重平衡的以标准球为反射装置的激光跟踪测量系统申请号/专利号：2019104590072”的发明专利，提出了一种新的激光追踪测量系统设计方案，设计了一种添加了配重平衡的以标准球为反射装置的激光跟踪测量系统，降低了对轴系精度的要求，在同等加工条件和加工成本下，测量精度优于传统的激光跟踪测量设备。
5.本发明在中国发明专利[cn2019104590072]的基础上，改进了精度微调方式、激光头内部光路布局、俯仰平台与整体系统质量平衡等，提出了一种折叠光路的激光追踪测量机械系统设计方案。将平铺的光路结构进行折叠，充分利用空间高度，缩小光学系统空间，有效降低光路搭载平台的质量，缩短激光干涉测量光路系统的质心与机械系统俯仰轴的距离，降低俯仰电机控制难度，使激光追踪测量机械系统俯仰方向获得更大的测量范围。设计了激光追踪测量系统内部三轴的调整方式，保证激光追踪测量机械系统需要系统的光轴、俯仰轴、回转轴三轴交于标准球球心。
[0006]
本发明采用的技术方案为一种折叠光路的激光追踪测量机械系统。该系统包括光路搭载平台1、俯仰运动平台2、回转运动平台3、回转电机模块4、系统底座5。回转电机模块4安装在系统底座5上，回转运动平台3安装在回转电机模块4上，俯仰电机6安装在回转运动平台内部，俯仰运动平台通过螺钉与俯仰电机6固连，光路搭载平台1安装在俯仰运动平台2
上。其中标准球7球心设置于光轴、俯仰轴、回转轴三轴交点处，利用标准球7的螺纹与标准球固定柱8连接后，通过螺钉与系统底座5进行固定。
[0007]
该系统各机械结构的内部安装关系如下：
[0008]
光路搭载平台1由光学平台9、激光架10、波片架11、光学元件底座12、反射镜固定架左13、反射镜固定架右14、光学元件侧顶件15、位置敏感探测器支撑左19、位置敏感探测器支撑右20、位置敏感探测器调节支架下21、位置敏感探测器调节支架上22、位置敏感探测器微调螺钉24、测量光路盒25、透镜架26、激光头俯仰微调架27、光学微调螺纹副28组成。
[0009]
激光架10与反射镜固定架左13通过螺钉固定在光学平台9的左斜边上，测量光路盒25与反射镜固定架右14通过螺钉固定在光学平台9的右斜边上，激光架10通过螺钉对称安装在光学平台9的左右斜边上。反射镜放置于反射镜固定架左13和反射镜固定架右14上，光学元件侧顶件15v形开口处顶于反射镜的直角处，至将光学元件侧顶件15通过螺钉与反射镜固定架左13和反射镜固定架右14固定。波片架11、光学元件底座12与透镜架26通过螺钉固定与光学平台9的水平面上，偏振分光镜安装于靠近透镜架26的光学元件底座12上，分光镜安装于另一个光学元件底座12上。位置敏感探测器支撑左19与位置敏感探测器支撑右20分别通过螺钉固定于光学平台9水平面伸出端两侧。位置敏感探测器微调螺钉24安装于位置敏感探测器支撑左19短边侧面，将位置敏感探测器调节支架下21架于位置敏感探测器支撑左19与位置敏感探测器支撑右20上方；另一个位置敏感探测器微调螺钉24旋进位置敏感探测器调节支架下21的细牙螺纹中，将位置敏感探测器调节支架上22上架于位置敏感探测器调节支架下21上方，并将位置敏感探测器用螺钉与位置敏感探测器调节支架上22固定；通过旋转两个位置敏感探测器微调螺钉24调整位置敏感探测器光学接收面中点的水平位置，完成调整后，通过螺钉固定位置敏感探测器调节支架下21与位置敏感探测器调节支架上22、位置敏感探测器调节支架上22与位置敏感探测器支撑左19和位置敏感探测器支撑右20的相对位置。激光头俯仰微调架27固定于光学平台9尾部，光学微调螺纹副28安装于激光头俯仰微调架27中。
[0010]
俯仰运动平台2由球心支撑29、俯仰平台左右位移柱30、俯仰平台左右微调旋钮31、球心支撑电机连接32、俯仰微调固定板33、外壳架连接34组成。俯仰平台左右微调旋钮31安装于俯仰平台左右位移柱30侧面螺纹孔中，俯仰平台左右位移柱30通过螺栓与球心支撑29固连，球心支撑29与球心支撑电机连接32共同通过螺钉与俯仰电机6固定。俯仰微调固定板33夹在外壳架连接34与球心支撑29中，利用螺钉将球心支撑29、俯仰微调固定板33、外壳架连接34三件固定。将安装好的光路搭载平台1置于俯仰运动平台2上，并将俯仰微调固定板33伸出部分与光路搭载平台1中激光头俯仰微调架27通过螺钉连接。
[0011]
回转运动平台3由回转法兰35、俯仰电机安装架36、塑料弹性支撑37、电机线固定架38组成。俯仰电机安装架36通过螺钉与回转法兰35固连，塑料弹性支撑37固定于俯仰电机安装架36之上，并将俯仰电机6固定于俯仰电机安装架36上，并令塑料弹性支撑37托在俯仰电机6的轴肩处。电机线固定架38安装在回转法兰35上，用以整理固定系统上半部分引出的线缆。
[0012]
回转电机模块4由回转电机39、回转电机固定上板40、回转电机固定侧板41、回转电机固定底板42、限位触发模块43组成。回转电机39通过螺钉与回转电机固定上板40固连，回转电机固定侧板41通过螺钉与回转电机固定上板40和回转电机固定底板42固连。限位触
发模块43固定在其中一块回转电机固定侧板41上。
[0013]
折叠光路的激光追踪测量机械系统的光轴、俯仰轴、回转轴三轴交于标准球球心的调整方法如下所述：
[0014]
设计了一种电机轴辅助微调装置44，辅助俯仰轴与回转轴的调整。
[0015]
回转轴调整方式如下：
[0016]
在系统底座5上周向均布4个电机轴辅助微调装置44。电机轴辅助微调装置44螺钉的端面与回转电机模块4接触，通过旋转4个电机轴辅助微调装置44实现系统回转轴的双向微调。确定回转轴位置后，通过螺钉固定回转电机模块4与系统底座5的相对位置。
[0017]
俯仰轴调整相关结构位于回转运动平台中。通过在俯仰电机安装架35外圆周安装3个电机轴辅助微调装置44。三个电机轴辅助微调装置44螺钉的端面与俯仰电机6接触。其中
①
和
③
号辅助微调装置可以实现俯仰轴水平方向的微调。
②
电机轴辅助微调装置44和塑料弹性支撑36共同实现俯仰电机垂直方向的微调。确定俯仰轴位置后，通过螺钉固定俯仰电机6与俯仰电机安装架35的相对位置。
[0018]
光轴调整相关结构位于光路搭载平台1与俯仰运动平台2中。通过旋转俯仰运动平台2中俯仰平台左右微调旋钮31调整光轴水平方向的距离。通过旋转光路搭载平台1中光学微调螺纹副28调整光轴垂直方向的距离。确定光轴位置后，通过激光头俯仰微调架27与俯仰微调固定板33处固定光路搭载平台1与俯仰运动平台2的相对位置。
附图说明
[0019]
图1为一种激光追踪测量机械系统示意图
[0020]
图2为光路搭载平台示意图
[0021]
图3为俯仰运动平台、回转运动平台、俯仰轴调节示意图
[0022]
图4为回转电机模块、回转轴调节平台示意图
[0023]
图5为光轴调节示意图
[0024]
图中：1-光路搭载平台、2-俯仰运动平台、3-回转运动平台、4-回转电机模块、5-系统底座、6-俯仰电机、7-标准球、8-标准球固定柱、9-光学平台、10-激光架、11-波片架、12-光学元件底座、13-反射镜固定架左、14-反射镜固定架右、15-光学元件侧顶件、19-位置敏感探测器支撑左、20-位置敏感探测器支撑右、21-位置敏感探测器调节支架下、22-位置敏感探测器调节支架上、24-位置敏感探测器微调螺钉、25-测量光路盒、26-透镜架、27-激光头俯仰微调架、28-光学微调螺纹副、29-球心支撑、30-俯仰平台左右位移柱、31俯仰平台左右微调螺母、32-求新支撑电机连接、33-俯仰微调固定板、34-外壳架连接、35-回转法兰、36-俯仰电机安装架、37-塑料弹性支撑、38-电机线固定架、39-回转电机、40-回转电机固定上板、41-回转电机固定侧板、42-回转电机固定底板、43-限位触发模块、44-电机轴辅助微调装置。
具体实施方式
[0025]
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施方式，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
[0026]
如图1所示，本发明由光路搭载平台1、俯仰运动平台2、回转运动平台3、回转电机模块4、系统底座5、俯仰电机6、标准球7构成。
[0027]
如图2所示，光路搭载平台1由光学平台9、激光架10、波片架11、光学元件底座12、反射镜固定架左13、反射镜固定架右14、光学元件侧顶件15、位置敏感探测器支撑左19、位置敏感探测器支撑右20、位置敏感探测器调节支架下21、位置敏感探测器调节支架上22、位置敏感探测器微调螺钉24、测量光路盒25、透镜架26、激光头俯仰微调架27、光学微调螺纹副28组成。激光架10与反射镜固定架左13通过螺钉固定在光学平台9的左斜边上，测量光路盒25与反射镜固定架右14通过螺钉固定在光学平台9的右斜边上，激光架10通过螺钉对称安装在光学平台9的左右斜边上。反射镜放置于反射镜固定架左13和反射镜固定架右14上，光学元件侧顶件15v形开口处顶于反射镜的直角处，至将光学元件侧顶件15通过螺钉与反射镜固定架左13和反射镜固定架右14固定。波片架11、光学元件底座12与透镜架26通过螺钉固定与光学平台9的水平面上，偏振分光镜安装于靠近透镜架26的光学元件底座12上，分光镜安装于另一个光学元件底座12上。位置敏感探测器支撑左19与位置敏感探测器支撑右20分别通过螺钉固定于光学平台9水平面伸出端两侧。位置敏感探测器微调螺钉24安装于位置敏感探测器支撑左19短边侧面，将位置敏感探测器调节支架下21架于位置敏感探测器支撑左19与位置敏感探测器支撑右20上方；另一个位置敏感探测器微调螺钉24旋进位置敏感探测器调节支架下21的细牙螺纹中，将位置敏感探测器调节支架上22上架于位置敏感探测器调节支架下21上方，并将位置敏感探测器用螺钉与位置敏感探测器调节支架上22固定；通过旋转两个位置敏感探测器微调螺钉24调整位置敏感探测器光学接收面中点的水平位置，完成调整后，通过螺钉固定位置敏感探测器调节支架下21与位置敏感探测器调节支架上22、位置敏感探测器调节支架上22与位置敏感探测器支撑左19和位置敏感探测器支撑右20的相对位置。激光头俯仰微调架27固定于光学平台9尾部，光学微调螺纹副28安装于激光头俯仰微调架27中。
[0028]
如图3所示，俯仰运动平台2由球心支撑29、俯仰平台左右位移柱30、俯仰平台左右微调旋钮31、球心支撑电机连接32、俯仰微调固定板33、外壳架连接34组成。俯仰平台左右微调旋钮31安装于俯仰平台左右位移柱30侧面螺纹孔中，俯仰平台左右位移柱30通过螺栓与球心支撑29固连，球心支撑29与球心支撑电机连接32共同通过螺钉与俯仰电机6固定。俯仰微调固定板33夹在外壳架连接34与球心支撑29中，利用螺钉将球心支撑29、俯仰微调固定板33、外壳架连接34三件固定。将安装好的光路搭载平台1置于俯仰运动平台2上，并将俯仰微调固定板33伸出部分与光路搭载平台1中激光头俯仰微调架27通过螺钉连接。
[0029]
如图3所示，回转运动平台3由回转法兰35、俯仰电机安装架36、塑料弹性支撑37、电机线固定架38组成。俯仰电机安装架36通过螺钉与回转法兰35固连，塑料弹性支撑37固定于俯仰电机安装架36之上，并将俯仰电机6固定于俯仰电机安装架36上，并令塑料弹性支撑37托在俯仰电机6的轴肩处。电机线固定架38安装在回转法兰35上，用以整理固定系统上半部分引出的线缆。
[0030]
如图4所示，回转电机模块4由回转电机39、回转电机固定上板40、回转电机固定侧板41、回转电机固定底板42、限位触发模块43组成。回转电机39通过螺钉与回转电机固定上板40固连，回转电机固定侧板41通过螺钉与回转电机固定上板40和回转电机固定底板42固连。限位触发模块43固定在其中一块回转电机固定侧板41上。
[0031]
俯仰轴调节方法如图3所示。通过在俯仰电机安装架35外圆周安装3个电机轴辅助微调装置44。三个电机轴辅助微调装置44螺钉的端面与俯仰电机6接触。其中
①
和
③
号辅助微调装置可以实现俯仰轴水平方向的微调。
②
电机轴辅助微调装置44和塑料弹性支撑36共同实现俯仰电机垂直方向的微调。确定俯仰轴位置后，通过螺钉固定俯仰电机6与俯仰电机安装架35的相对位置。
[0032]
回转轴调节方法如图4所示。回转轴调整方式如下。在系统底座5上周向均布4个电机轴辅助微调装置44。电机轴辅助微调装置44螺钉的端面与回转电机模块4接触，通过旋转4个电机轴辅助微调装置44实现系统回转轴的双向微调。确定回转轴位置后，通过螺钉固定回转电机模块4与系统底座5的相对位置。
[0033]
光轴调节方法如图5所示。通过旋转俯仰运动平台2中俯仰平台左右微调旋钮31调整光轴水平方向的距离。通过旋转光路搭载平台1中光学微调螺纹副28调整光轴垂直方向的距离。确定光轴位置后，通过激光头俯仰微调架27与俯仰微调固定板33处固定光路搭载平台1与俯仰运动平台2的相对位置。
[0034]
本专利中激光追踪测量机械系统的运动方式为：俯仰运动平台2的俯仰运动由俯仰电机6驱动，光路搭载平台1、俯仰运动驱动平台3、回转运动平台3的水平回转运动由回转电机驱动。
[0035]
对所公开实施案例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明，对本实施案例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施案例中体现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施案例，而是要求符合本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。