CN106066160B - 具有热中性轴线的扫描测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有热中性轴线的扫描测量装置，尤其是激光扫描器、廓线仪、全站仪或跟踪仪，所述扫描测量装置至少包括：用于放置装置的基座；安装在基座上的壳体；安装在壳体中使之可以围绕旋转轴线旋转并以旋转固定方式承载射束偏转单元的轴；产生由射束偏转单元发送到环境中的发送射束的射束产生单元；接收从环境反射的接收射束的射束接收单元；驱动轴的可控制的定位装置；其中轴由设定为O型布置的至少一对角接触滚动轴承支撑；以及角接触滚动轴承布置在轴上，使得相关联的角接触滚动轴承的滚动接触线基本汇合于旋转轴线上。

Description

具有热中性轴线的扫描测量装置
技术领域
本发明涉及一种扫描测量装置。
背景技术
为了检测物体或表面，经常使用逐步扫描结构(诸如建筑物)的形貌并在此过程中记录所述形貌的方法。在此，这样的形貌构成一系列点，所述一系列点是一致的并描述物体的表面又或者是描述对应的模型或描述表面。熟悉的方法是借助激光扫描器进行扫描，该激光扫描器在每种情况下检测表面点的物理位置：距目标表面点的距离由激光测量，并且该测量结果与关于激光发射的角信息相关联。根据该距离和角信息，可以确定分别检测的点的物理位置，并且可以连续测量表面。在许多情况下，与表面的这种纯粹几何检测并行，还可以借助相机进行图像记录，除了视觉整体图，相机还提供例如参考表面纹理的更多信息。
另外，诸如廓线仪、全站仪或激光跟踪仪的其它测量装置一般同样适合这样的扫描操作，其中这通常经由相应装置中的同轴距离测量元件或扫描元件以及计算、控制和存储单元来实施。取决于测量装置的构造水平，例如除了机动化，瞄准或照准装置在使用后向反射器(例如从全方位棱镜)作为目标物体的情况下可以集成为用于自动目标搜索和跟踪的手段。
根据现有技术的扫描测量装置可以让用户检测较大的表面和物体，相对较小的时间支出(这取决于期望的点对点分辨率)完全并可能具有额外的物体信息。在这种情况下，所述装置通常被构造成使得可以检测具有大量测量点的主点云，并且这种检测以足够的精度进行。
为此，非常快速旋转的激光束被发射到周围环境中，并且反射的光信号以基于适当频率的方式进行评估。通常，这种“扫描”的激光束围绕快的轴线并围绕慢的轴线(正交于第一轴线)旋转，这意味着可以在所有三个空间角中进行扫描。特别是，考虑到高转速，快速旋转的轴线需要坚固耐用的安装件。在这种情况下，精度必须在整个相对较长的时间周期以及宽的温度范围内保持恒定。
以前的全站仪相对于俯仰轴线用滑动轴承进行操作。在以前的激光扫描器中，常常使用常规的固定/浮动式安装件，其能够至多通过额外元件(诸如弹簧、密封环和其它弹性体)来确保恒定的预负荷，还整合为安装件的一体式组成部分。
借助这些额外元件，在轴承系统的热致膨胀的情况下，浮动轴承被保持就位，使得安装件不会变形。这些常规的安装件在规划和构建方面是复杂的，需要更多的部分和整体空间，并且不提供最优的刚性。
在操作温度范围内改变预负荷不是期望的，因为倘若放大轴承游隙，则测量结果变得不准确，并且因为在轴承预负荷太高的情况下，摩擦增加导致电力需求更大，这对具有限电容量的电池操作的移动式测量装置是特别关键的。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种在这方面有所改进的测量装置。
其它目的在于提供一种这样的测量装置，即部件更少且重量更低，因此，现场能力增加，特别是耐用性更好，磨损更小且精度更高。
发明方案基于具有至少一个热中性轴线的测量装置的设计。这通过O型布置的刚性预装的支撑安装件来实施。这样的安装件由至少两个角接触滚动轴承(例如角接触球轴承、圆锥滚子轴承或承担滚珠轴承)表征，所述至少两个角接触滚动轴承彼此预装并因此允许没有或仅有轻微的轴向和径向游隙。其总体优点尤其是，径向和轴向负荷下的刚性更高，负荷承载能力更大，角游隙更小且对热膨胀的敏感性降低。另外，轴承对被匹配，使得鉴于操作或鉴于周围环境的温度改变使包含在安装件中的部件热膨胀不会导致预负荷的任何改变，但在这方面表现出补偿行为。
尽管有固定到固定的轴承原则，但是轴承预负荷一旦设定好，就因此在非常宽的温度范围(非常低的零下温度直到非常高的温度之间)上是恒定的，因此是热中性的。转子的旋转角度一旦被实现并保持住，就因此能够确保相对于位置的恒定精度。另外，与常规安装件比较，根据本发明的安装件，转子遵循着能够在宽的温度范围上使动力消耗更恒定并且可以定位得更精确。
旋转轴线的安装件的预负荷由所安装的部件尺寸限定，弹簧预装不是必要的。由此，例如，预负荷可以通过粘接或者通过例如借助联管螺母来夹紧轴承圈被“冻结”。借助这些测量，轴承间距是固定的。
轴线或轴的驱动位置是任意的，可以因此例如放置在彼此预装的角接触滚动轴承之间或放置在轴的一端处。
角接触滚动轴承定位在距彼此的一距离处，使得轴向和径向方向的热膨胀得到补偿，即以对应于其间距及其尺寸的比率膨胀，使得系统的预负荷不会改变。鉴于角接触滚动轴承的O型布置，这变为可能的。接触压力角度在系统的膨胀或收缩期间保持恒定。
在角接触球轴承的情况下，接触压力线(在轴向截面中)以接触压力角度延伸穿过滚动元件与轴承圈(内圈/外圈)的两个接触点。在圆锥滚子轴承的情况下，这些接触压力线垂直于滚动元件(圆锥滚子)的中心轴线。如果这些接触压力线沿旋转轴线的方向延伸，则所述线汇合于所谓的压力中间点处，准确说是旋转轴线上。(两个相关联的O型布置的轴承的)压力中间点的距离限定支撑基座，距离越大，允许的角游隙越小。
以类似的方式，如果例如在圆锥滚子轴承中，外圈滚道沿旋转轴线的方向以图形的方式延伸，则所述线同样汇合于旋转轴线上，但沿相反方向(与接触压力线比较)。另外，源自圆锥滚子的中间轴线的线(还有源自轴承内圈上的圆锥滚子的滚道的线)将汇合于旋转轴线上的该点处。然而，这(循环的圆锥滚子的延伸的中间轴线)正好垂直于相应圆锥滚子轴承的接触压力线。相应轴承的汇合于一点处的这些线应理解为滚动接触线。
如果装设成O型布置并因此彼此相关联的两个圆锥滚子轴承的滚动接触线彼此汇合于旋转轴线上的一点处，则如公知的，径向和轴向游隙彼此补偿(可能在进一步的先决条件下)，使得预负荷得以维持。
以类似的方式，具体当相互关联的角接触球轴承的滚动接触线的汇合点沿径向观察基本位于旋转轴线上时，该效果还可以用角接触球轴承实现。这意味着，滚动接触线的汇合点距旋转轴线的距离对应于轴承间距的至多10％，特别是轴承间距的至多5％。
这些滚动接触线与相应轴承的接触压力线成直角，并且延伸穿过滚动元件(球)，即，例如穿过球心，穿过球在轴承内圈上的接触区域，或穿过球在轴承外圈上的接触区域。
如果角接触球轴承是高度预装好的，则接触压力线(限定为轴承球与轴承圈的两个接触点的连接线)可以不再延伸穿过球心。然而，力流线必须在球心的方向上延伸，这为轴承圈所机械必需的；仅考虑到摩擦来维持力平衡。在这种情况下(预装状态)，与卸载状态相对，接触压力线可以在球心处经历最小弯曲，这意味着在某种程度上以前限定的滚动接触线不再彼此平行。
倘若轴、轴承圈、滚动元件和壳体产生热致膨胀，则轴承彼此远离(轴向观察)且径向膨胀。由于补偿膨胀行为，放置成O型布置的相互关联的角接触球轴承的滚动接触线的汇合点保持在轴上(旋转轴线上)的固定点处。结果，预装力和力流关系保持恒定。
附图说明
纯粹通过举例的方式，通过使用图中示意性图示的实践示例性实施方式，根据本发明的装置将在下面更详细地描述；本发明的其它优点还将基于此而放大。详细地:
图1示出了作为激光扫描器的根据本发明的测量装置的示例性实施方式；
图2示出了根据本发明的激光扫描器的快的旋转轴线的安装件的更详细截面图；
图3示出了作为扫描全站仪的根据本发明的测量装置的另一示例性实施方式；
图4a至图4c示出了角接触球轴承上的接触压力角度及与之有关的滚动接触线；
图5a至图5b示出了布置在O位置中的相关联的角接触球轴承的滚动接触线的汇合点，及其相对于旋转轴线的间距；
图6a至图6b示出了轴承系统的热致膨胀行为以及恒定和改变的质量；
图7示出了根据本发明的安装件的另一示例性实施方式；以及
图8示出了根据本发明的安装件的另一示例性实施方式。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的测量装置1的实施方式，即这样的激光扫描器：其具有用于发射激光束的快速旋转的水平轴线H，并具有用于环境的方位360°可旋转性的慢的竖直轴线V。测量装置1还具有：壳体2，壳体2安装在基座3上，使得壳体2可以围绕基座轴线V旋转；和射束偏转单元11，射束偏转单元11借助轴4安装在壳体2中，使得射束偏转单元11可以围绕旋转轴线H旋转。定位在壳体2中的是射束发送和射束接收单元，其在示出的实例中组合为一个单元5。在此，发送射束9被发射到射束偏转单元11上并经由射束偏转单元11发送出去进入环境中。被反射的接收射束10以相同的方式偏转回到射束接收单元5上。为了使发送射束9离开壳体2发射到射束偏转单元11上，光学打光通道面积设置在壳体2中，特别是采取窗口的形式。轴4的径向和轴向安装件经由两个轴承6和8来实施，并且由定位装置7驱动轴4。
扫描测量装置1因此至少具有：用于放置装置1的基座3、安装在基座3上的壳体2、安装在壳体2中使之可以围绕旋转轴线H旋转并以旋转固定的方式承载射束偏转单元11的轴4、产生发送射束9(经由射束偏转单元11发送到环境中)的射束产生单元5、接收从环境反射的接收射束10的射束接收单元5、驱动轴4的可控制的定位装置7，其中轴4由设定成O型布置的至少一对角接触滚动轴承6和8支撑，并且角接触滚动轴承6和8布置在轴4上，使得相关联的角接触轴承6和8的滚动接触线基本汇合于旋转轴线H上。
此外，滚动接触线的汇合点相对于旋转轴线H具有至多对应于轴承间距的10％、特别是至多对应于5％的间距。
例如，轴4可以安装在壳体2的一侧上；射束偏转单元11布置在轴4的一端处。另一方面，轴4还可以安装在壳体2的两侧上，射束偏转单元11然后布置在轴上或布置在轴中，以相对于安装件插置。
滚动接触线垂直于接触压力线并且延伸穿过滚动元件，特别是穿过滚动元件中心、滚动元件与轴承外圈的接触区域或滚动元件与轴承内圈的接触区域。
在这种情况下，角接触滚动轴承可以是角接触球轴承，特别是主轴轴承和/或圆锥滚子轴承。角接触滚动轴承还可以具有相同或不同的轴承滚动圆直径。此外，角接触滚动轴承或者可以具有相同或者具有不同的接触压力角度。这些接触压力角度介于15°和30°之间，特别是25°。
角接触滚动轴承的轴承内圈可以粘接、焊接或夹紧到轴4，和/或角接触滚动轴承的轴承外圈可以粘接、焊接或夹紧到与壳体2组合的部件或壳体2本身。
射束偏转单元11具有射束光学单元(特别是反射镜)，用于使来自射束产生单元5的发送射束9偏转离开壳体2，并且使来自环境的接收射束10偏转到射束接收单元5。
图2示出了射束偏转单元11及其安装件(经由轴4)的截面图。射束偏转单元11实质上包括固定到保持器13的射束光学单元15，其中射束偏转单元11可以具有其它未示出的元件进行质量补偿。经由射束光学单元15(特别是反射镜)，发送射束9和接收射束10两者均被偏转。发送射束9可以由此出现自测量装置1，并且接收射束10同样可以进入测量装置1。保持器13又连接到轴4，轴4由驱动单元7机动。轴4经由角接触球轴承6、8安装，角接触球轴承6、8布置在O位置中并且其外圈装配到轴承座16中。轴承座16又固定到壳体主体14。该固定到固定的安装件由以下事实区分：其滚动接触线基本汇合在旋转轴线H上的一点处。轴承的支撑可以例如借助套筒、螺母和/或粘合剂或焊接材料被固定或“冻结”。
图3示出了本发明的另一示例性实施方式，扫描全站仪1。射束偏转单元11借助轴4安装在壳体2的翼肢之间。轴4由此可以围绕水平旋转轴线H迅速旋转。根据本发明的安装件在此实施为壳体2的至少一个翼肢。
图4a示出了穿过角接触球轴承8的截面(“左上”)。在此示出的是接触压力角度α，其指示了轴承的力作用方向。接触压力角度α由接触压力线19和轴承的中心线包夹，该中心线延伸穿过球心并与旋转轴线H成直角。接触压力线19被限定为使之延伸穿过球与两个轴承圈(外圈和内圈)的两个接触点。相对于接触压力线19以90°角度旋转的是滚动接触线20，滚动接触线20延伸穿过轴承球26和轴承外圈之间的接触区域28。反过来，可以在该滚动接触线20和旋转轴线H之间测量角度α。
图4b示出了图4a的截面，区别在于，滚动接触线20延伸穿过轴承球26的中心27。
图4c示出了图4a的截面，区别在于，滚动接触线20延伸穿过轴承球26和轴承内圈29之间的接触区域29。
图5a以部分缩短的尺寸(线上有锯齿形符号)示出了两个相关联的角接触球轴承的接触压力线和滚动接触线，仅示出相对于旋转轴线H对称的“上”半部分。在此，可以看到滚动接触线20和17的汇合点18a，考虑到两个轴承8和6的间距23a太近，汇合点18a仍位于对称轴线(旋转轴线H)上方。因此结果是一方面滚动接触线20和17的汇合点18a与另一方面旋转轴线H之间存在间距24a。
图5b示出了图5a的构造，区别在于，轴承间距23b现在如此大以致于滚动接触线20和17的汇合点18b位于旋转轴线H下方。结果是汇合点18b与旋转轴线H之间存在间距24b。
根据本发明，间距24a和24b的尺寸小于或等于相应轴承间距23a或23b的10％，并且优选地接近零，这意味着汇合点18a和18b位于旋转轴线H上。图6a和图6b示意性地图示了倘若温度增加轴承系统是如何拓宽的。轴承6和8沿轴向彼此远离(轴承间距从23拓宽到23')，还沿径向拓宽(轴承滚动圆直径从25拓宽到25')。鉴于根据本发明的轴承布置，这发生在这样的比率下，即，使得滚动接触线的汇合点18在轴的固定位置中保持相同。
图7示出了根据本发明彼此以不同直径和不同接触压力角度组合的轴承的可能性。轴承6a具有比轴承8更大的轴承滚动圆直径25a和更大的接触压力角度αa。
图8示出了根据本发明彼此具有不同设计的角接触轴承组合的可能性。轴承8a是角接触滚子轴承，位于根据本发明相对于轴承6的布置中。
不言而喻，上面示出并解释的附图仅仅示意性地图示可能的示例性实施方式。热中性安装件的使用同样可以发生在测量装置(特别是激光扫描器、廓线仪、经纬仪、旋转激光器、整平装置)中的不同点处，其中特别是反射镜、棱镜、相机、光源或模块轴承，这样的部件可以支撑。还指出，明确地图示并解释的实例可以毫无例外地既彼此分离地使用又彼此以任何期望的组合使用，并且还可以与现有技术的适当的装置和方法组合。

Claims (18)

1.一种扫描测量装置(1)，所述扫描测量装置(1)至少包括：
·基座(3)，所述基座(3)用于放置所述扫描测量装置(1)；
·壳体(2)，所述壳体(2)安装在所述基座(3)上；
·轴(4)，所述轴(4)安装在所述壳体(2)中，使得所述轴(4)能围绕旋转轴线(H)旋转并且以旋转固定的方式承载射束偏转单元(11)；
·射束产生单元(5)，所述射束产生单元(5)产生由所述射束偏转单元(11)发送到环境中的发送射束(9)；
·射束接收单元(5)，所述射束接收单元(5)接收从环境反射的接收射束(10)；
·可控制的定位装置(7)，所述可控制的定位装置(7)驱动所述轴(4)；
其特征在于，
所述轴(4)由设定为O型布置的至少一对角接触滚动轴承(6，6a，8，8a)支撑；以及
所述角接触滚动轴承(6，6a，8，8a)布置在所述轴(4)上，使得布置在所述轴(4)上的相关联的所述角接触滚动轴承(6，8)的滚动接触线(20，17)基本汇合于所述旋转轴线(H)上，所述滚动接触线(20)垂直于接触压力线(19)并且延伸穿过滚动元件(26)，所述接触压力线(19)延伸穿过所述滚动元件(26)与轴承外圈和轴承内圈的两个接触点。
2.根据权利要求1所述的扫描测量装置(1)，
其特征在于，
所述滚动接触线(20，17)的汇合点(18，18a，18b)相对于所述旋转轴线(H)具有间距(24，24a，24b)，所述间距(24，24a，24b)至多对应于轴承间距(23，23a，23b，23')的10％。
3.根据权利要求1或2所述的扫描测量装置(1)，
其特征在于，
所述轴(4)安装在所述壳体(2)的一侧上，其中所述射束偏转单元(11)布置在所述轴(4)的一端处。
4.根据权利要求1或2所述的扫描测量装置(1)，
其特征在于，
所述轴(4)安装在所述壳体(2)的两侧上，其中所述射束偏转单元(11)布置在所述轴上或布置在所述轴中，以就所述安装而言插设。
5.根据权利要求1所述的扫描测量装置(1)，
其特征在于，
所述滚动接触线(20)延伸穿过
·滚动元件中心(27)；
·所述滚动元件与轴承外圈的接触区域(28)；或
·所述滚动元件与轴承内圈的接触区域(29)。
6.根据权利要求1所述的扫描测量装置(1)，
其特征在于，
所述角接触滚动轴承(6，6a，8，8a)是：
·角接触球轴承；和/或
·圆锥滚子轴承。
7.根据权利要求1所述的扫描测量装置(1)，
其特征在于，
所述角接触滚动轴承(6，8)具有相同的轴承滚动圆直径(25)。
8.根据权利要求1所述的扫描测量装置(1)，
其特征在于，
所述角接触滚动轴承(6，6a，8，8a)具有不同的轴承滚动圆直径(25，25a)。
9.根据权利要求1所述的扫描测量装置(1)，
其特征在于，
所述角接触滚动轴承(6，6a，8，8a)具有相同的接触压力角度(α)。
10.根据权利要求1所述的扫描测量装置(1)，
其特征在于，
所述角接触滚动轴承(6，6a，8，8a)具有不同的接触压力角度(α，αa)。
11.根据权利要求1所述的扫描测量装置(1)，
其特征在于，
所述角接触滚动轴承(6，6a，8，8a)具有介于15°到30°之间的接触压力角度(α，αa)。
12.根据权利要求1所述的扫描测量装置(1)，
其特征在于，
所述角接触滚动轴承(6，6a，8，8a)的轴承内圈被粘接、焊接或夹紧到所述轴(4)；和/或
所述角接触滚动轴承(6，6a，8，8a)的轴承外圈被粘接、焊接或夹紧到与所述壳体(2)组合的部件(16)，或被粘接、焊接或夹紧到所述壳体(2)本身。
13.根据权利要求1所述的扫描测量装置(1)，
其特征在于，
所述射束偏转单元(11)具有射束光学单元(15)，用于：
·使来自所述射束产生单元(5)的所述发送射束(9)偏转离开所述壳体(2)；以及
·使来自环境的所述接收射束(10)偏转至所述射束接收单元(5)。
14.根据权利要求1所述的扫描测量装置(1)，
其特征在于，
所述扫描测量装置(1)是激光扫描器、廓线仪、全站仪或跟踪仪。
15.根据权利要求2所述的扫描测量装置(1)，
其特征在于，
所述间距(24，24a，24b)至多对应于轴承间距(23，23a，23b，23')的5％。
16.根据权利要求6所述的扫描测量装置(1)，
其特征在于，
所述角接触球轴承是主轴轴承。
17.根据权利要求11所述的扫描测量装置(1)，
其特征在于，
所述角接触滚动轴承(6，6a，8，8a)具有25°的接触压力角度(α，αa)。
18.根据权利要求13所述的扫描测量装置(1)，
其特征在于，
所述射束光学单元(15)是反射镜。
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