CN1026154C - 三维同步测量仪 - Google Patents

Abstract

一种三维同步测量仪，它包括一个基座，其上安装有一个球形外壳，外壳内有一球框，还包括有一个中球壳和一个内球壳，其上分别有互成同步关系的零基准。内球壳在中球壳内绕一作为动态X轴的第一轴转动。中球壳在球框内绕一与第一轴垂直相交作为动态Y轴的第二轴转动。外壳在基座上作为Z轴。外壳上的经纬线刻度与中球壳和内球壳和内球壳上的经纬线刻度配合，成为一个三维全同步测量仪。

Description

本发明涉及一种三维同步测量仪。

传统上之测量仪器和精密仪器通常利用在基座上装设一个或多个长的或短的玻璃管，其内充以留有一空气泡之液体，气泡在管内寻找最高点以作水平测量。然而，由于液体的性质和气泡的灵敏度低，很难得到精确的测量。所用的液体很易受气候的影响，而气候也会使空气泡增大，玻璃管不够精确同样是一个严重的缺点。另一种仪器的应用通常涉及将水灌入塑料管作为工程建筑的参照物。有时因塑料管厚度不均匀而导致水位高低不一的视觉。在传统的测量仪器中，还有用重锤作垂直测量。重锤用手或其他力量拨动，然后放松以决定和得到重锤和目标物处于最短距离。然而，这种测量要花时间等待重锤摆动到静止，而到静止时往往吊线下的重锤达不到与目标物足够紧密的靠合，这时就要重复测量多次，这就使得这种测量十分烦琐，易出现读数错误，浪费时间和不准确。所有上述仪器和公开于美国专利1，298，484;1，345，098;1，381，844;1，399，423;1，652，023;2，384，586;2，385，424;2，677，193;2，681，783号;英国专利136，856号;日本专利155，808号中的仪器都是用一维测量的，而且每种都要求作主观判断。它们利用一个球壳或指示器在X轴或Y轴上旋转以读出通过X轴或Y轴的角度，但它们不能指示出三维旋转的角度以得出真实角度的测量。在一维测量中，总是有一个死角其位置不能准确地读出。

因此，本发明的目的在于提供一种三维同步测量仪，它能用于建筑或其他场合作水平或垂直之测量，还可进一步作三维角度之同步测 量。

根据本发明的三维同步测量仪，其特征在于，它包括：

一个内球壳，在其下部内表面有一个做成一体的圆形凸起部分，该圆形凸起部分有一凹陷用以装置一重锤，该内球壳还包括将该重锤紧固于该圆形凸起部分上的装置，以及两个通过该内球壳径向相对的定位孔，其中该重锤将该内球壳的重心置于下部内表面邻近，该内球壳还包括有在其外表面的经纬线刻度和在其外表面上与重锤径向相对的一点上的零度基准;

一个中球壳，在其下部内表面固定有一个圆形凸起部分，该圆形凸起部分有一个通孔用于插入一螺钉，该螺钉上拧有一螺帽，该螺钉和螺帽使该中球壳的重心位于其下部内表面邻近，该中球壳还包括有在其外壁面上的经纬线刻度和在其外壁面上与螺帽径向相对的一点上的零度基准;

一个球框;

一个外壳，标有零基准，经纬线刻度和角度读数刻度;

一个基座，有一个中心开口用于置放该外壳，以及标于其上的在不同角度上的延伸线以利于测量和绘图;

包括两个位置相对的定位销的装置，用于将该内球壳定位以便在该中球壳内转动并起动态X轴的作用;

包括两个位置相对的定位销的装置;用于将该中球壳定位以便在该球框内绕一个垂直于该内球壳轴线的轴线转动并从而起动态Y轴的作用;

将该球框固定在该外壳内的装置;及

将该外壳定位在该基座的中央开口内以指示出垂直于该X轴和Y轴的Z轴的装置。

以下结合附图对本发明的实施例详细加以说明。

附图说明

图1为本发明的三维同步测量仪的分解透视图;

图2为图1实施例的上视图;

图3为图1实施例的外壳的透视图;

图4为图1实施例的中球壳的透视图;

图5为图1实施例的内球壳的透视图;

图6为图1实施例前后倾斜5度时的侧面剖视图;

图7为图1实施例左右倾斜5度时的侧面剖视图;

图8表示图1实施例的基座处于水平状态时的剖视图;

图8-1表示图1实施例的基座处水平状态时的另一剖视图;

图9表示图1实施例的基座处于垂直状态时的剖视图;

图9-1表示图1实施例的基座处于垂直状态时的另一剖视图;

图10为图1实施例的装配透视图;

图11为本发明应用数个定位销和球框时的上视剖视图;

图12为本发明另一实施例的分解透视图;

图13为图12实施例的装配剖视图;

图14为本发明用于墨线盒的示意图;

图15为本发明用于墨线盒的另一示意图。

参见图1至图5，两个半球壳101、102连接在一起形成一个内球壳。下半球壳102包括有一个做成一体的圆形凸起部分1021从球壳102下部内表面竖起，其上有一凹陷1022用以在其中装入一重锤1023。重锤1023靠一个螺丝1024固定在圆形凸起部分1021的凹陷1022中，使内球壳101，102的重心位于其下部中心，螺丝1024通过圆形凸起部分1021中的一个孔1025，该孔与凹陷1022相通。内球壳101，102刻有经纬线1018，在通过重心的垂直轴线的最高点有零基准1019，并具有两个相对的通孔1026和1026。有一双定位销1027和1027分别插入球壳 101，102各端的相对定位孔1026和1026中。二定位销1027和1027的另一端分别插入中球壳的相对二定位孔1047和1047中，中球壳包括有一上半球壳103和一下半球壳104。因此，内球壳101，102位于中球壳103，104内并在其中旋转。中球壳103，104刻有经纬线1038和零度基准1039。下半球104包括一个圆形凸起部分1042从壳104的内底竖起，并在其内有一孔1041用于在其中插入一较重之螺钉1044，该螺钉上拧有一较重之螺帽1043，螺钉1044和螺帽1043使中球壳103，104的重心位于其下部中心。集中中球壳重心的螺钉和螺帽和集中内球壳重心的重锤都是不受磁场影响的。中球壳103，104还具有另外两个相对孔1046和1046供分别插入两定位销1045和1045′，该二定位销1045和1045′的另一端分别插入一环形球框105上的两相对定位孔1051和1052，以允许中球壳103，104相对于环形球框105摆动。环形球框105还包括另外两个相对孔1053和1054供插入两个定位元件1055和1055′，将环形球框105定位在外壳106和基座107上。在本实施例中，通过孔1053和1054的轴线垂直于通过孔1051和1052的轴线。基座107包括有一个位于其中心的开口1071，其上有两个相对的缺口1072。上述两个相对定位元件1055和1055′通过外壳106插入环形球框105后，分别安装在基座107上的两相对缺口1072上，以允许外壳106和环形球框105在其座107上摆动。外壳106上刻有零基准1069、经纬线1068和角度数字。基座107在不同角度上具有延伸线以利测量和绘图，基座上还有一罗盘。

现在请参看图2的上视剖视图。内球壳101，102，中球壳103，104，环形球框105和外壳106分别相互成90°定位，各球的重心分别在其下部中心，各球可分别绕X轴、Y轴和Z轴转动。因此，通过一个经定位销1027和1027′或定位销1045和1045′的轴向轨道可从外壳106和基座107得到三维角度数字。

如上所述，内球壳101，102定位成可在中球壳103，104内转动，中球壳103，104定位成可在环形球框105内转动，球形球框105由两个定位元件1055和1055′支承在外壳106上。这样，就形成了一个可同时通过X轴、Y轴和Z轴作三维测量的陀螺仪式仪器。通过轴向定位，内球壳101，102和中球壳103，104相互成90°配置，即两个球壳都可分别绕X轴和Y轴转动。由于两个球壳都标有经纬线1018和1038，并在各自顶部个有零基准1019和1039，在水平状态上，X轴的零基准与Y轴的零基准同步，经纬线1018与经纬线1038同步。通过零基准的同步效应，内球壳101，102的X轴或Y轴和中球壳103，104的X轴或Y轴保持相同的坐标系统，这个坐标系统含有X，Y和Z的内动态函数。此外，外壳106具有与内球壳101，102和中球壳103，104的X轴或Y轴相同的原点，并标有零基准1069、经纬线1068以及角度数字。这样外壳106调整成可读出通过轴向轨道在360°内的角度数字。因此，外壳106的Z轴含有X，Y和Z的外函数。

如上所述，内球壳101，102定位成可在中球壳103，104内转动，而中球壳103，104定位成可在环形球框105内转动。作为一种替换形式，环形球框105可以做成半球形并定位成可在外壳106内转动。环形球框105或半球形球框的数目和定位销1045的数目可根据需要相对增加。其要求是可让内球壳101，102和中球壳103，104在重力效应下分别转动，以便得到零基准处于同步的情况下X轴和Y轴的动态显示，从而能精确地得出通过外壳的X轴所作的检测和角度测量。

参见图8，此时外壳106，中球壳103，104和内球壳101，102处于水平状态，经纬线1068，1038和1018位于相对位置。基座107因此处于一个多角度垂直和水平同步状态，以在外壳106上的a，b和c点通过X，Y和Z轴读出目标物。由于外壳106的Z轴是在中球壳103，104和内球壳101，102的X轴和Y轴组成的水平面上，如果定位销1027和1045 被偏压，通过外壳106的Z轴的刻度就不能与之对齐，误差就可立即被查出。

标在内球壳101，102，中球壳103，104和外壳106上的经纬线或经纬刻度以及零基准可以用任何记号或图形替代。通过将外壳的记号或图形与内球壳和中球壳对正，可以立即判别出物体是否处于水平状态。

当内球壳101，102，中球壳103，104和外壳106相对于通过两相对定位点的轴向轨道作360°的X，Y，Z轴显示，就可通过枢轴安装在X和Y轴上的中球壳103，104和内球壳101，102从外壳106的Z轴看到通过基准面的X，Y，Z精密角度。

作为一种替换形式，内球壳101，102和中球壳103，104中的任何一个都可做成环形球框或半球壳，只剩下一个有重底心的球壳置于一个或多个环形球框105中与一个外壳106结合，球壳在其中可在多个环形球框105的多个定位销1045上转动，以表示出可在其轴向轨道上旋转360°的外壳106的X，Y和Z轴运动。这样，外壳106在Z轴上的刻度可以和其中的球壳的基准面的刻度对正。此外，外壳106可以是一个线纲制的球，它体现外壳106进行测量，而零基准可以是一个罗盘。总的来说，球壳的零基准或作为球壳零基准的罗盘通过定位变化而运作并包含X和Y轴运动，它和外壳一起，可测出Z，Y和X轴的角度。具体的说，球壳的Z轴可用来检查在各个角度通过其轴向轨道的堆基准，从而使之更容易地得出角度数字。

参看图6，如果基座107的位置从水平线前后倾斜5°，该5°角就显示于通过Z轴的外壳106上，当中球壳103，104和内球壳101，102的X或Y轴零基准线对准时，X，Y和Z轴的角度就可看见。图7表示当基座107的位置从水平线左右倾斜5°时的角度显示。参见图8的ABC方向及图8-1的ADE方向，当内球壳101，102，中球壳103，104和外壳106的标记都对正时，基座107位于X轴，Y轴和Z轴上的水平点。因 此，当本发明用于飞机上，飞机相对于X，Y和Z轴的角度位置可以清楚地查出。图9的ABC方向及图9-1的ADE方向表示本发明用于垂直测量。可以简单地将本发明的仪器附在物体的侧壁上，就可以同时读出X，Y和Z轴上的角度，而不需用传统的悬挂重锤。图10表示将本发明和一个罗盘一起作方位角测量。本发明还可以和一个测远仪或一个电脑软件程序和计算器配合，应用在工程，医疗科学，研究等领域。

图11为本发明的多数环形球框或半球壳或球形壳与多数定位销的配置，从而使之X轴球壳和Y轴球壳可以行走多向轴向轨道。

图12和13表示本发明另一个实施例的测量仪。一个外壳6置于基座3上，其中置有一半球4和一半球壳5。在半球4的表面上标有经线41和纬线42。在量仪基座上的空心半球4的塔尖43上做有一个顶点431。在空心半球4的弧形表面之下设有一个轴向套筒44，它通过一个圆的中心。轴向套筒44上有一个孔441，其中有一个轴向杆45通过。轴向杆45的两锥头451和451′分别插入引半球壳5内的孔51和51′上，从而轴向杆45通过球壳5的中心。这样，半球壳5与另一半球壳5′相连接形成一个球。前述两锥头451和451′与半球壳5和5′的孔51和51′之间的接触面抗力愈小，精密度就愈高。一个支杆442置于轴向套筒44之中心，它可以用螺纹拧入重锤46的孔461中。在半球壳5和5′的表面上分别设有刻度线53和53′以及孔52和52′。孔52和52′必须垂直于孔51和51′并通过半球壳5和5′的中心，从而分别将锥头451和451′分别与支撑架54和54′固定。支撑架54和54′为L形。支撑架54和54′的下端542和542′分别插入基座3上的缺口32和32′的孔321和321′，从而半球4可以作360°内任何角度之显示。在基座3上做有圆形凹槽31为半球壳5和5′提供活动空间。在基座3上还做出各个角度的延伸线34以便于测量和绘图。在外壳6的表面上也做有刻度线61。该刻度线61与半球壳5和5′上的刻度线以及半球4上的经纬线41， 42相对应，这样当外壳6固定在基座3上时，重锤46由于重力的作用可以立即表示出待测物之垂直或水平倾斜角。如前所述，半球4含有三维基准线。通过重锥受重力作用之效应，半球4可以在球壳5，5′内相对于基座3以在360°内之任何角度转动，而球壳5，5′可相对于基座3的另一轴向作360°的旋转，即半球4在X轴上旋转而球壳在Y轴上旋转。因此，可以通过外壳6看到X轴和Y轴的垂直和水平状态。由于外壳6上刻有经纬线，故本仪器可同时作X，Y，Z轴之三维测量。

图14和图15表示本发明用于墨线盒进行测量。在传统墨斗外壳2上有一个把手21。一个本发明的测量仪装在墨斗上的适当处，将三维刻度22暴露于外以利显示角度。在墨斗外壳2上刻上一垂直线221和一水平线222以配合三维刻度线22。做有一个凸块24对准水平线222。设有一个转盘25把手23以收缩卷线27，卷线27与另一墨斗壳体2′相连。在每一墨斗上设有一控制钮26以自动收缩卷线27。在测量时，卷线27精确地对着水平线222，当三维量仪的刻度22为零读数时，墨斗2和2′向外移动，同进墨斗壳2和2′上的两凸块24对准。这样，就可通过卷线27打出一个精确的基准线。

Claims (11)

1、一种三维同步测量仪，其特征在于，它包括：

一个内球壳，在其下部内表面有一个做成一体的圆形凸起部分，该圆形凸起部分有一凹陷用以装置一重锤，该内球壳还包括将该重锤紧固于该圆形凸起部分上的装置，以及两个通过该内球壳径向相对的定位孔，其中该重锤将该内球壳的重心置于下部内表面邻近，该内球壳还包括有在其外表面的经纬线刻度和在其外表面上与重锤径向相对的一点上的零度基准；

一个中球壳，在其下部内表面固定有一个圆形凸起部分，该圆形凸起部分有一个通孔用于插入一螺钉，该螺钉上拧有一螺帽，该螺钉和螺帽使该中球壳的重心位于其下部内表面邻近，该中球壳还包括在其外壁面上的经纬线刻度和在其外壁面上与螺帽径向相对的一点上的零度基准；

一个球框；

一个外壳，标有零基准，经纬线刻度和角度读数刻度；

一个基座，有一个中心开口用于置放该外壳，以及标于其上的在不同角度上的延伸线以利于测量和绘图；

包括两个位置相对的定位销的装置，用于将该内球壳定位以便在该中球壳内转动并起动态X轴的作用；

包括两个位置相对的定位销的装置；用于将该中球壳定位以便在该球框内绕一个垂直于该内球壳轴线的轴线转动并从而起动态Y轴的作用；

将该球框固定在该外壳内的装置；及

将该外壳定位在该基座的中央开口内以指示出垂直于该X轴和Y轴的Z轴的装置。

2、如权利要求1所述的三维同步测量仪，其特征在于，该球框至少是球形的一部分，并且还可包括另外的球框和另外的定位销，该外壳的Z轴的定位独立于X，Y和Z基准面以及角度读数。

3、如权利要求1所述的三维同步测量仪，其特征在于，该球框，中球壳和内球壳的相对位置由该重锤的重力作用而作相对变化，允许在任何方向作三维测量。

4、如权利要求1，2和3所述的三维同步测量仪，其特征在于，该球框和该定位销固定成允许在该重锤和螺帽的重力作用下该内球壳在该中球壳中转动，以及允许该中球壳，该球框和该外壳的转动从而三维测量的X轴、Y轴和Z轴位置数据可通过该外壳读出。

5、如权利要求1所述的三维同步测量仪，其特征在于，它还包括在该外壳上的经纬线刻度，这些刻度对应于该中球壳上的经纬线刻度和该内球壳上的经纬线刻度，从而该内球壳的X，Y和Z轴与该中球壳和该外壳上X，Y和Z轴同步，而该测量仪的位置可以从对通过该外壳刻度上任意两点的检查而得出。

6、如权利要求1所述的三维同步测量仪，其特征在于，其结构安排成当该内球壳或中球壳的经纬线刻度与该外壳不能对准时可以测出该内球壳或中球壳的偏斜。

7、一种三维同步测量仪，其特征在于，它包括：

一个内球壳，在其下部内表面有一个做成一体的圆形凸起部分，该圆形凸起部分有一凹陷用以装置一重锤，该内球壳还包括将该重锤紧固于该圆形凸起部分上的装置，以及两个通过该内球壳径向相对的定位孔，其中该重锤将该内球壳的重心置于下部内表面邻近，该内球壳还包括有在其外表面的图形刻度和在其外表面上与重锤径向相对的一点上的零度基准;

一个中球壳，在其下部内表面固定有一个圆形凸起部分，该圆形凸起部分有一个通孔用于插入一螺钉，该螺钉上拧有一螺帽，该螺钉和螺帽使该中球壳的重心位于其下部内表面邻近，该中球壳还包括在其外壁面上的图形刻度和在其外壁面上与螺帽径向相对的一点上的零度基准;

一个球框;

一个外壳，标有零基准，图形刻度和角度读数刻度;

一个基座，有一个中心开口用于置放该外壳，以及标于其上的在不同角度的延伸线以利于测量和绘图;

包括两个位置相对的定位销的装置，用于将该内球壳定位以便在该中球壳内转动并起动态X轴的作用;

包括两个位置相对的定位销的装置;用于将该中球壳定位以便在该球框内绕一个垂直于该内球壳轴线的轴线转动并从而起动态Y轴的作用。

将该球框固定在该外壳内的装置;及

将该外壳定位在该基座的中央开口内以指示出垂直于该X轴和Y轴的Z轴的装置。

8、如权利要求7所述的三维同步测量仪，其特征在于，它还包括一个安装在该基座上的罗盘，其罗盘面恒定向上放置作方位角测量。

9、一种三维同步测量仪，其特征在于，它包括一个球壳，在其下部内表面上固定安装着一个重锤，将该球壳定位使其在一球框内转动以便盘示动态X和Y轴的装置，以及当该X和Y轴处于静态时验明一个包括该X和Y轴的平面的零基准的装置，该球框置于一个安装在一基座上的外壳内，该外壳起着Z轴的作用进行角度位置测量，其中该零基准是一个罗盘。

10、如权利要求1所述的三维同步测量仪，其特征在于，它还包括一个位于该外壳内的固定球壳，其上标有经纬线刻度以供检查在多个角度下该内球壳的经纬线与该中球壳和该外壳是否对正。

11、如权利要求1所述的三维同步测量仪，其特征在于，其中的环形球框或半球壳或球形壳为多数个，定位销亦为多数个，其配置使X轴球壳和Y轴球壳可以行走多向轴向轨道。

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