CN104567837A - 一种高精度同轴调整装置 - Google Patents

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CN104567837A CN201410817803.6A CN201410817803A CN104567837A CN 104567837 A CN104567837 A CN 104567837A CN 201410817803 A CN201410817803 A CN 201410817803A CN 104567837 A CN104567837 A CN 104567837A
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Abstract

本发明涉及一种高精度同轴调整装置，属于角度计量领域。其包括：同轴调整基准、高精度旋转定位轴系1、五维调整机构2、激光定位器3和精密转台4；精密转台4的中心有中心定位孔。在同轴基准建立阶段，精密转台4固定于水平工作平台上；同轴调整基准安装在精密转台4上。高精度旋转定位轴系1安装于精密转台4中心定位孔上。在同轴调整工作阶段，将高精度旋转定位轴系1拆除，将五维调整机构2安装在精密转台4中心定位孔上；被测物100安装在五维调整机构2上；激光定位器3安装在被测物100上。本发明提出的装置具有原理简单、测量精度高、调整效率高且调整数据能够实时输出等优点，为室内GPS、激光跟踪仪等精密仪器的测角精度的校准提供极大便利。

Description

一种高精度同轴调整装置
技术领域
本发明涉及一种高精度同轴调整装置，属于角度计量领域，适用于室内GPS及跟踪仪等精密仪器的回转轴与转台转轴之间的同轴度调整。
背景技术
随着现代制造业的发展，室内GPS、激光跟踪仪等大尺寸空间坐标测量系统获得了越来越广泛的应用，它具有量程大、精度高、机动灵活、动态测量等优点，对控制产品质量起到了至关重要的作用。为保证被测大型部件在尺寸上满足国际标准的溯源性，并给出测量不确定度的说明，必须建立准确的计量装置，而室内GPS、激光跟踪仪的测角精度直接影响到系统的综合测量能力，为分离出其测角误差，在角度校准中需要预先将室内GPS发射器或跟踪仪旋转头的转动中心准确的调整到测角机构(如标准转台、多齿分度台等)的中心上，为此需要高精度的同轴调整装置。
目前国内天津大学开展了wMPS(室内测量定位系统)测角精度的研究，采用的同轴调整方法如下，利用电子自准直仪及放置在wMPS旋转头上的四面棱体，依次调整发射站的俯仰微调机构和分度台上支撑发射站的俯仰微调机使其在wMPS转台及多齿分度台旋转一周后通过平行光管观察的四面棱体的四个平面读数分别相等来调整wMPS旋转轴与多齿分度台转轴平行，之后利用打表法调整wMPS旋转轴与齿分度台转轴重合，完成同轴调整工作。但该调整方式调整效率低，无数字化输出可视化差且采用打表法时引入了旋转头外部圆柱与转轴的同轴度误差限制了同轴调整的精度。
国外率先开展室内GPS校准研究的英国巴斯大学在进行室内GPS角度校准过程中采用打表法及辅助装置进行室内GPS旋转轴与精密转台转轴同轴间的调整。其在室内GPS旋转头上安装有调整基准板，该调整板底部部分套在室内GPS旋转头上，并能够通过安装在调整板底部的四个调整螺钉进行二维平移，基准板上安装有基准圆柱，整个室内GPS放置在支架板上，支架板固定在转台上，室内GPS能够在支架板上进行平移。调整时首先利用千分表打在基准圆柱上端柱面，旋转室内GPS旋转头，并转动调整板上的螺钉使得千分表读数变化最小为止；之后再利用千分表打在基准圆柱下端柱面，旋转室内GPS旋转头，并转动调整螺钉使得千分表读数变化最小为止，重复以上过程，直到千分表在上端与下端读数在旋转轴旋转一周都变化最小为止，这样便完成基准圆柱与室内GPS轴的同轴调整工作。之后利用同样过程，转动转台将基准圆柱轴线调整到与转台轴线同轴的为止，即室内GPS轴线与转台轴线同轴调整到位。该种方法需要不断迭代重复进行调整，调整效率低，调整需要有经验的人员进行。
本发明使用的五维调整机构为已有装置，其作用是在三维直角坐标系下，对被测物进行X轴、Y轴和Z轴方向位移调整，以及对被测物绕X轴方向俯仰角α、绕Y轴方向俯仰角β的调整，从而实现X、Y、Z、α和β五个维度的位姿调整。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有同轴调整方法效率低、精度不高的问题，提出一种高精度同轴调整装置。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种高精度同轴调整装置，其特征在于：其包括：同轴调整基准、高精度旋转定位轴系(1)、五维调整机构(2)、激光定位器(3)和精密转台(4)；精密转台(4)的中心有中心定位孔。
所述高精度同轴调整装置的工作过程包括2个阶段，分别是：同轴基准建立阶段和同轴调整工作阶段。
在同轴基准建立阶段，精密转台(4)固定于水平工作平台上；同轴调整基准安装在精密转台(4)上。高精度旋转定位轴系(1)安装于精密转台(4)中心定位孔上。
在同轴调整工作阶段，将高精度旋转定位轴系(1)从精密转台(4)上拆除，将五维调整机构(2)安装在精密转台(4)中心定位孔上。被测物(100)安装在五维调整机构(2)上；激光定位器(3)安装在被测物(100)上，并保证精密转台(4)、被测物(100)和激光定位器(3)同轴。
所述同轴调整基准由结构相同的3个定位基准盒(5)组成。
所述定位基准盒(5)包括：基准盒转角支架(8)、第一位置传感器(9)、第二位置传感器(10)、2个位置传感器航空接头(11)和2个位置传感器安装盒(12)。基准盒转角支架(8)的作用是固定位置传感器安装盒(12)，并保证第一位置传感器(9)和第二位置传感器(10)的中心连线与精密转台(4)之间有一定的安装倾角，所述安装倾角的取值范围为[30°,60°]。第一位置传感器(9)和第二位置传感器(10)固定与位置传感器安装盒(12)内部。2个位置传感器航空接头(11)固定在位置传感器安装盒(12)上，2个传感器航空接头(11)分别与第一位置传感器(9)和第二位置传感器(10)连接，其作用是通过传感器航空接头(11)实现第一位置传感器(9)和第二位置传感器(10)与外部设备之间的通信。
所述高精度旋转定位轴系(1)包括：底部定位法兰(13)、精密定位轴(14)、下轴承盖(15)、下端精密轴承(16)、轴承外圈(17)、上端精密轴承(18)、上轴承盖(19)、轴承锁紧螺母(20)、定位轴系激光器安装块(21)、垂直支架(23)和2个定位轴系激光器(22)。
利用底部定位法兰(13)将精密定位轴(14)固定于精密转台(4)的中心定位孔上，下端精密轴承(16)和上端精密轴承(18)组成精密轴承组；精密轴承组安装于精密定位轴(14)和轴承外圈(17)之间，实现轴承外圈(17)与精密定位轴(14)的相对转动；轴承锁紧螺母(20)用于对精密定位轴(14)、下端精密轴承(16)和上端精密轴承(18)施加预紧力。2个定位轴系激光器(22)竖直排列，并分别通过一个通过定位轴系激光器安装块(21)固定在垂直支架(23)上；垂直支架(23)与轴承外圈(17)固定连接。
所述下端精密轴承(16)和上端精密轴承(18)为角接触轴承。
所述五维调整机构(2)为圆台形调整装置，其作用是在三维直角坐标系下，对被测物(100)进行X轴、Y轴和Z轴方向位移调整，以及对被测物(100)绕X轴方向俯仰角α、绕Y轴方向俯仰角β的调整，从而实现X、Y、Z、α和β五个维度的位姿调整，使被测物(100)的轴线调整至与基准轴线同轴。
所述激光定位器(3)包括：2个竖直安装板(28)、旋转头安装法兰(29)、连接盘(30)、2个激光器安装块(25)、2个激光器(24)和2个配重块(26)。
2个竖直安装板(28)分别安装在旋转头安装法兰(29)下底面的两端；连接盘(30)安装在旋转头安装法兰(29)上表面，并且旋转头安装法兰(29)与连接盘(30)同轴。2个激光器(24)竖直排列，并分别通过1个激光器安装块(25)固定在一个竖直安装板(28)上。零一个竖直安装板(28)上安装有2个配重块(26)，其作用是配重。
所述同轴基准建立阶段的工作过程为：
利用底部定位法兰(13)将精密定位轴(14)固定于精密转台(4)中心定位孔上；高精度旋转定位轴系(1)通过精密定位轴(14)的底端与精密转台(4)中间定位孔的精密配合将精密转台(4)转轴中心引出，并通过对精密定位轴(14)、下端精密轴承(16)和上端精密轴承(18)施加预紧力来保证轴承外圈(17)的旋转轴与精密定位轴(14)轴线重合。2个定位轴系激光器(22)分别通过一个通过定位轴系激光器安装块(21)固定在垂直支架(23)上；垂直支架(23)与轴承外圈(17)固定连接。当轴承外圈(17)旋转时定位轴系激光器(22)扫描出锥面，锥面的轴线与精密转台(4)中心轴线重合，从而以定位轴系激光器(22)扫描出的激光为基准调整3个定位基准盒(5)的径向位置。3个定位基准盒(5)经调整后，3个定位基准盒(5)内部的6个位置传感器分两层分布，每层的3个位置传感器中心位置确定一个圆心，2个圆心的连线确定一条轴线，该轴线称为基准轴线；调整所述基准轴线的位置，使其与精密转台(4)轴线重合。
经过上述步骤的操作，完成同轴基准建立过程。
所述同轴调整工作阶段的工作过程为：
将激光定位器(3)固定安装到被测物(100)的旋转头上；然后将被测物(100)安装在五维调整机构(2)上，并保证精密转台(4)、被测物(100)和激光定位器(3)同轴。当被测物(100)旋转时，激光定位器(3)上的2个激光器(24)扫出以被测物(100)的转轴为轴线的两个锥面，此时如果被测物(100)转轴与精密转台(4)转轴不重合，激光不会同时打在6个位置传感器的零位上；通过调整五维调整机构，使得6个位置传感器数据输出为零，实现被测物(100)的转轴与精密转台(4)的转轴重合。
通过上述步骤的操作，完成同轴调整工作。
有益效果
本发明提出的一种高精度同轴调整装置与已有技术相比较，具有原理简单、测量精度高、调整效率高且调整数据能够实时输出等优点，为室内GPS、激光跟踪仪等精密仪器的测角精度的校准提供极大便利。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中高精度同轴调整装置同轴基准建立阶段的安装示意图；
图2是本发明具体实施方式中高精度同轴调整装置同轴调整工作阶段的安装示意图；
图3是本发明具体实施方式中高精度同轴调整装置的定位基准盒(5)的组成结构爆炸图；
图4是本发明具体实施方式中高精度同轴调整装置的高精度旋转定位轴系(1)的主视图；
图5是本发明具体实施方式中高精度同轴调整装置的高精度旋转定位轴系(1)左视图；
图6是本发明具体实施方式中高精度同轴调整装置的激光定位器(3)的结构示意图；
其中，1-高精度旋转定位轴系、2-五维调整机构、3-激光定位器、4-精密转台、5-定位基准盒、8-基准盒转角支架，9-第一位置传感器、10-第二位置传感器、11-位置传感器航空接头、12-位置传感器安装盒、13-底部定位法兰、14-精密定位轴、15-下轴承盖、16-下端精密轴承、17-轴承外圈、18-上端精密轴承、19-上轴承盖、20-轴承锁紧螺母、21-定位轴系激光器安装块、22-定位轴系激光器、23-垂直支架、24-激光器、25-激光器安装块、26-配重块、28-竖直安装板、29-旋转头安装法兰、30-连接盘、41-上盖板、42-左侧板、44-后板、45-前板、46-底板、48-右侧板、100-被测物。
具体实施方式
下面通过附图和具体实施例对本发明技术方案做详细描述。
本实施例中的高精度同轴调整装置，包括：同轴调整基准、高精度旋转定位轴系1、五维调整机构2、激光定位器3和精密转台4；精密转台4的中心有中心定位孔。
高精度同轴调整装置的工作过程包括2个阶段，分别是：同轴基准建立阶段和同轴调整工作阶段。
在同轴基准建立阶段，精密转台4固定于水平工作平台上；同轴调整基准安装在精密转台4上。高精度旋转定位轴系1安装于精密转台4中心定位孔上，如图1所示。
在同轴调整工作阶段，将高精度旋转定位轴系1从精密转台4上拆除，将五维调整机构2安装在精密转台4中心定位孔上。被测物100安装在五维调整机构2上；激光定位器3安装在被测物100上，并保证精密转台4、被测物100和激光定位器3同轴，如图2所示。
同轴调整基准由结构相同的3个定位基准盒5组成。定位基准盒5，其结构如图3所示，包括：基准盒转角支架8、第一位置传感器9、第二位置传感器10、2个位置传感器航空接头11和2个位置传感器安装盒12。基准盒转角支架8的作用是固定位置传感器安装盒12，并保证第一位置传感器9和第二位置传感器10的中心连线与精密转台4之间30度的安装倾角。第一位置传感器9和第二位置传感器10固定与位置传感器安装盒12内部。位置传感器安装盒12由上盖板41、左侧板42、底板46、前板45、后板44和右侧板48组成。2个位置传感器航空接头11固定在右侧板48上，2个传感器航空接头11分别与第一位置传感器9和第二位置传感器10连接，其作用是通过传感器航空接头11实现第一位置传感器9和第二位置传感器10与外部设备之间的通信。
高精度旋转定位轴系1，其主视图如图4所示，左视图如图5所示，其包括：底部定位法兰13、精密定位轴14、下轴承盖15、下端精密轴承16、轴承外圈17、上端精密轴承18、上轴承盖19、轴承锁紧螺母20、定位轴系激光器安装块21、垂直支架23和2个定位轴系激光器22。
利用底部定位法兰13将精密定位轴14固定于精密转台4的中心定位孔上，下端精密轴承16和上端精密轴承18组成精密轴承组；精密轴承组安装于精密定位轴14和轴承外圈17之间，实现轴承外圈17与精密定位轴14的相对转动；轴承锁紧螺母20用于对精密定位轴14、下端精密轴承16和上端精密轴承18施加预紧力。2个定位轴系激光器22竖直排列，并分别通过一个通过定位轴系激光器安装块21固定在垂直支架23上；垂直支架23与轴承外圈17固定连接。下端精密轴承16和上端精密轴承18为角接触轴承。
五维调整机构2为圆台形调整装置，其作用是在三维直角坐标系下，对被测物100进行X轴、Y轴和Z轴方向位移调整，以及对被测物100绕X轴方向俯仰角α、绕Y轴方向俯仰角β的调整，从而实现X、Y、Z、α和β五个维度的位姿调整，使被测物100的轴线调整至与基准轴线同轴。
激光定位器3的结构如图6所示，其包括：2个竖直安装板28、旋转头安装法兰29、连接盘30、2个激光器安装块25、2个激光器24和2个配重块26。
2个竖直安装板28分别安装在旋转头安装法兰29下底面的两端；连接盘30安装在旋转头安装法兰29上表面，并且旋转头安装法兰29与连接盘30同轴。2个激光器24竖直排列，并分别通过1个激光器安装块25固定在一个竖直安装板28上。零一个竖直安装板28上安装有2个配重块26，其作用是配重。
使用所述高精度同轴调整装置对被测物100进行同同轴调整，被测物100为室内被测物100，则同轴基准建立阶段的工作过程为：
利用底部定位法兰13将精密定位轴14固定于精密转台4中心定位孔上；高精度旋转定位轴系1通过精密定位轴14的底端与精密转台4中间定位孔的精密配合将精密转台4转轴中心引出，并通过对精密定位轴14、下端精密轴承16和上端精密轴承18施加预紧力来保证轴承外圈17的旋转轴与精密定位轴14轴线重合。2个定位轴系激光器22分别通过一个通过定位轴系激光器安装块21固定在垂直支架23上；垂直支架23与轴承外圈17固定连接。当轴承外圈17旋转时定位轴系激光器22扫描出锥面，锥面的轴线与精密转台4中心轴线重合，从而以定位轴系激光器22扫描出的激光为基准调整3个定位基准盒5的径向位置。3个定位基准盒5经调整后，3个定位基准盒5内部的6个位置传感器分两层分布，每层的3个位置传感器中心位置确定一个圆心，2个圆心的连线确定一条轴线，该轴线称为基准轴线；调整所述基准轴线的位置，使其与精密转台4轴线重合。
经过上述步骤的操作，完成同轴基准建立过程。
同轴调整工作阶段的工作过程为：
将激光定位器3固定安装到被测物100的旋转头上；然后将被测物100安装在五维调整机构2上，并保证精密转台4、被测物100和激光定位器3同轴。当被测物100旋转时，激光定位器3上的2个激光器24扫出以被测物100的转轴为轴线的两个锥面，此时如果被测物100转轴与精密转台4转轴不重合，激光不会同时打在6个位置传感器的零位上；通过调整五维调整机构，使得6个位置传感器数据输出为零，实现被测物100的转轴与精密转台4的转轴重合。
通过上述步骤的操作，完成同轴调整工作。

Claims (8)

1.一种高精度同轴调整装置，其特征在于：其包括：同轴调整基准、高精度旋转定位轴系(1)、五维调整机构(2)、激光定位器(3)和精密转台(4)；精密转台(4)的中心有中心定位孔；
所述高精度同轴调整装置的工作过程包括2个阶段，分别是：同轴基准建立阶段和同轴调整工作阶段；
在同轴基准建立阶段，精密转台(4)固定于水平工作平台上；同轴调整基准安装在精密转台(4)上；高精度旋转定位轴系(1)安装于精密转台(4)中心定位孔上；
在同轴调整工作阶段，将高精度旋转定位轴系(1)从精密转台(4)上拆除，将五维调整机构(2)安装在精密转台(4)中心定位孔上；被测物(100)安装在五维调整机构(2)上；激光定位器(3)安装在被测物(100)上，并保证精密转台(4)、被测物(100)和激光定位器(3)同轴。
2.如权利要求1所述的一种高精度同轴调整装置，其特征在于：所述同轴调整基准由结构相同的3个定位基准盒(5)组成；
所述定位基准盒(5)包括：基准盒转角支架(8)、第一位置传感器(9)、第二位置传感器(10)、2个位置传感器航空接头(11)和2个位置传感器安装盒(12)；基准盒转角支架(8)的作用是固定位置传感器安装盒(12)，并保证第一位置传感器(9)和第二位置传感器(10)的中心连线与精密转台(4)之间有一定的安装倾角，所述安装倾角的取值范围为[30°,60°]；第一位置传感器(9)和第二位置传感器(10)固定与位置传感器安装盒(12)内部；2个位置传感器航空接头(11)固定在位置传感器安装盒(12)上，2个传感器航空接头(11)分别与第一位置传感器(9)和第二位置传感器(10)连接，其作用是通过传感器航空接头(11)实现第一位置传感器(9)和第二位置传感器(10)与外部设备之间的通信。
3.如权利要求1或2所述的一种高精度同轴调整装置，其特征在于：所述高精度旋转定位轴系(1)包括：底部定位法兰(13)、精密定位轴(14)、下轴承盖(15)、下端精密轴承(16)、轴承外圈(17)、上端精密轴承(18)、上轴承盖(19)、轴承锁紧螺母(20)、定位轴系激光器安装块(21)、垂直支架(23)和2个定位轴系激光器(22)；
利用底部定位法兰(13)将精密定位轴(14)固定于精密转台(4)的中心定位孔上，下端精密轴承(16)和上端精密轴承(18)组成精密轴承组；精密轴承组安装于精密定位轴(14)和轴承外圈(17)之间，实现轴承外圈(17)与精密定位轴(14)的相对转动；轴承锁紧螺母(20)用于对精密定位轴(14)、下端精密轴承(16)和上端精密轴承(18)施加预紧力；2个定位轴系激光器(22)竖直排列，并分别通过一个通过定位轴系激光器安装块(21)固定在垂直支架(23)上；垂直支架(23)与轴承外圈(17)固定连接。
4.如权利要求3所述的一种高精度同轴调整装置，其特征在于：所述下端精密轴承(16)和上端精密轴承(18)为角接触轴承。
5.如权利要求1或2所述的一种高精度同轴调整装置，其特征在于：所述五维调整机构(2)为圆台形调整装置，其作用是在三维直角坐标系下，对被测物(100)进行X轴、Y轴和Z轴方向位移调整，以及对被测物(100)绕X轴方向俯仰角α、绕Y轴方向俯仰角β的调整，从而实现X、Y、Z、α和β五个维度的位姿调整，使被测物(100)的轴线调整至与基准轴线同轴。
6.如权利要求1或2所述的一种高精度同轴调整装置，其特征在于：所述激光定位器(3)包括：2个竖直安装板(28)、旋转头安装法兰(29)、连接盘(30)、2个激光器安装块(25)、2个激光器(24)和2个配重块(26)；
2个竖直安装板(28)分别安装在旋转头安装法兰(29)下底面的两端；连接盘(30)安装在旋转头安装法兰(29)上表面，并且旋转头安装法兰(29)与连接盘(30)同轴；2个激光器(24)竖直排列，并分别通过1个激光器安装块(25)固定在一个竖直安装板(28)上；零一个竖直安装板(28)上安装有2个配重块(26)，其作用是配重。
7.如权利要求1或2所述的一种高精度同轴调整装置，其特征在于：所述同轴基准建立阶段的工作过程为：
利用底部定位法兰(13)将精密定位轴(14)固定于精密转台(4)中心定位孔上；高精度旋转定位轴系(1)通过精密定位轴(14)的底端与精密转台(4)中间定位孔的精密配合将精密转台(4)转轴中心引出，并通过对精密定位轴(14)、下端精密轴承(16)和上端精密轴承(18)施加预紧力来保证轴承外圈(17)的旋转轴与精密定位轴(14)轴线重合；2个定位轴系激光器(22)分别通过一个通过定位轴系激光器安装块(21)固定在垂直支架(23)上；垂直支架(23)与轴承外圈(17)固定连接；当轴承外圈(17)旋转时定位轴系激光器(22)扫描出锥面，锥面的轴线与精密转台(4)中心轴线重合，从而以定位轴系激光器(22)扫描出的激光为基准调整3个定位基准盒(5)的径向位置；3个定位基准盒(5)经调整后，3个定位基准盒(5)内部的6个位置传感器分两层分布，每层的3个位置传感器中心位置确定一个圆心，2个圆心的连线确定一条轴线，该轴线称为基准轴线；调整所述基准轴线的位置，使其与精密转台(4)轴线重合；
经过上述步骤的操作，完成同轴基准建立过程。
8.如权利要求1或2所述的一种高精度同轴调整装置，其特征在于：所述同轴调整工作阶段的工作过程为：
将激光定位器(3)固定安装到被测物(100)的旋转头上；然后将被测物(100)安装在五维调整机构(2)上，并保证精密转台(4)、被测物(100)和激光定位器(3)同轴；当被测物(100)旋转时，激光定位器(3)上的2个激光器(24)扫出以被测物(100)的转轴为轴线的两个锥面，此时如果被测物(100)转轴与精密转台(4)转轴不重合，激光不会同时打在6个位置传感器的零位上；通过调整五维调整机构，使得6个位置传感器数据输出为零，实现被测物(100)的转轴与精密转台(4)的转轴重合；
通过上述步骤的操作，完成同轴调整工作。
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