CN106323234A - 竖向校直机构及传感器的构建法 - Google Patents

Abstract

一种基于机械机构的竖向较正机构及传感器的构建法，是综合了机械、光、电以及电子和数字化技术的机构，主要由基板、外筒、芯筒、悬挂机构、伸缩机构、对中机构等组成，芯筒做复摆运动，芯筒悬挂在悬挂机构上，悬挂机构设于外筒上，外筒设于基板上；可将外筒设成上下两段，并将伸缩机构设于外筒两侧通过顶丝使外筒的竖向伸缩；通过调节基板的螺栓，可调整基板的水平度，进而带动杆件机构的垂直度变化；通过观察光束打在反光圆台上的位置，判断杆件机构的倾斜方向及倾斜度；借以光、电以及电子和数字化技术组合后，能分别形成机械式、机电式、数字式的机构或传感器。

Description

竖向校直机构及传感器的构建法

技术类型

本发明涉及一种机械机构的构建法，是一种用于垂直工作或监测垂直度的机械机构，尤其是用于数字化的垂直度传感器。

技术背景

目前常见的竖向校正设备，仍多为由曲管、液体和气泡三要素构成的尺杆类测具，已趋不适应精准时代之控制需求；现代化的电子类或数字类测具虽已逐步兴起，但却又存在着精度低、造价高、环境误差大、机电结合难等诸多问题，难以普及，影响了诸如精细生产类的行业革新，进而制约了智能化社会的实现进程。

发明内容

本发明的竖向校直机构及传感器的构建法，是一基于普通物理方法的垂直度校正机构，适宜大型设备等机构就位时的快速竖向校正，操作直观、迅捷；基于此，再引入电子化或数字化的测控技术，则本机构可最终升级为智能型的竖向机构或传感器。

本发明所谓的普通物理方法，是指以普通的机械构造构成的机构(简称基本机构或杆件机构)；所谓电子化，是指在基本机构的基础上增设电子元件，将偏差数值和方位直接显示于机构之外指定位置的方法；所谓数字化，是指在电子化的基础上，将机构中的电子元件先定义为数字编码中的各位元，再根据基本机构处某种倾斜状态时各位元的开关状态形成代表确定含义的二进制数，最后作为信息送入计算机等智能设备中计算出偏差方位及数值，同时形成基本机构倾斜状态的显示及校直驱动机构的执行逻辑等。

本发明所谓的竖向校正机构，是指本机构可作为具自行校正垂直度(简称较直)能力的一个独立机构或机械；所谓的竖向校正(或较直)传感器，是指本机构可作为电子化或数字化监控体系的物理基础(即机械分部)；所谓自校正，是指机构本身自带垂直度监测机构，借助于动力系统、逻辑控制系统后可自行校正垂直度。

本杆件机构(图 1所示)以杆状体为理论模型，在其未经较直并固定前，可视为下端铰接(球形铰)上端悬空的杆件；主要由基座、外筒、芯筒、悬挂机构、光源、反光台及对中机构、限位板、芯筒保护机构等构成。

基座是整个机构的基底或机架，其中心设一透光孔；反光台设于基座上，其中心设一过圆台轴线的小孔，该孔与基座上的透光小孔相对；外筒垂直安装在基座上，形成一端开口的筒状空间；悬挂机构设于外筒上端(筒口)，其横担管与基底平行；芯筒悬挂于悬挂机构(中心)下方，形成轴心与外筒中心线(或轴心)重合(特指杆件机构垂直时)的复摆；光源设 于芯筒上端，其光线(光束)穿过芯筒上的中心孔射向基座上的圆台。若光线由圆台反射射向周边(照亮外筒壁上的透窗)，则说明基本机构处于倾斜状态，其上端向着光线射出的方向倾斜；若光线由基座下的小孔向下射出，则说明基本机构垂直(若将光源固定设于外筒上口中心，下端对正基座小孔，当杆件机构倾斜时，垂直的芯筒会挡住光束向小孔的传播，通过盲调(无明确方向性)也能最终使光束由基板孔穿出)，此时，该机构可作为一个竖直的独立机构使用。可通过调整支撑螺栓高度校本机构的垂直度，在对拟校正的设备或机构的垂直度校正时，将基本机构与之固定连接后，通过调整被校正设备上的各支点(高度)，能使基本机构垂直，进而证明和实现设备的较直。

将基本机构上的反光台改换成光敏元件组成的阵列后，对准芯筒中心的元件则会被光束激活或点亮，通过观察被激活光敏元件的分布位置，即可判定基本机构上端的倾斜方向及数值，从而形成电子化的竖向校正传感机构。

若以基座中心为中心，将基座板面(简称基板)划分成四个平面象限，并自中心由里向外按一定规律排列设置成光敏元件阵列，因各元件所处阵列上的位置不同，故能代表基本机构上端所偏移的数量和方位；在外筒外壁或其他构件上设与该光敏阵列相对应的映射装置(例如小灯阵列等)，则可通过外部的映射较直观的监视基本机构的偏斜情况(图 2)，从而做出有效地校正决策。同样，若用电容、电感类传感元件按一定规律在基板(或固定的外筒上)上设成阵列等形式(图 4、图 7)，以芯筒的摆动位移，形成影响阵列元件电量输出的因素，也能在基本机构外部有效地映射其偏斜状态，从而做出有效的较直决策。

以上述的基板象限划分和电子元件阵列为基础，将所有元件按一定顺序排成阵列(一个或多个阵列)，将一个阵列作为一个二进制数；根据机构倾斜状态的不同，被激活的元件的位置不同，即各元件输出的开关量不同，因而形成代表着机构不同倾斜状态时的若干个数字量，即由此形成了杆件倾斜量与阵列输出的数字量的对应关系，亦即通过解读基本机构传出的数字量，即可知晓基本机构的倾斜度，由此形成数字化的竖向校正传感器。

将阵列元件以一行(或一列)定义成一个数据段(图 4)，每个电子元件定义为该段上的不同的数字位；根据该段上各元件的通断(或其他以电量表示的高低定义)状态，形成该数字段的开关量数据；将各数据段依序排列结合在一起，即形成一个反应本传感机构倾斜状态的数字量。电子元件阵列和数字量的建立，允许多个元件被同时激活导通，例如，在光斑同时打在两个(或多个)元件上(同时被激活)时，不必再为哪那个元件更具代表性而难于取舍，而可通过阵列位置和数字量的计算，得出更能代表真实倾斜量的数值，对倾斜状态的描述更为精准；同时，也不必再苛求光源的聚焦度(平行光束)，使得选择范围更宽泛。

数字量的建立，可预先在智能机构中(如计算机)建立数据库，预制数字量与控制逻辑的关系，即以基本机构为智能系统提供垂直度数值和方位，智能机构给出自动较直指令，执 行机构实施较直操作，从而建立数控自校正体系。

基本机构的构成

基座

基座是一块刚性平板(圆形或方形等规则形状)，它是整个机构的基底，其中心设一透光小孔，周边设数个安装孔，用以固定基本机构。

外筒

外筒是一规则的刚性方筒(或圆筒)，下端与基座固定连接，两者垂直，其中心线(或轴心)穿过基座上的小孔(中心)。以外筒中心线(轴)的垂直度，代表基本机构的垂直度。光束越细、基座上的中心孔越小，基本机构的垂直度监测精度越高。

悬挂机构

悬挂机构是一组合机构，相当于一个约束了水平方向旋转自由度的球形铰，能将芯筒的上端点(即芯筒的截面中心)固定在球形铰的中心上，使刚性的摆杆(即芯筒)相对该中心点做复摆运动。

悬挂机构安装在外筒的上端，其悬吊中心过外筒中心线和基板孔中心，形成上中下各构件中心轴的重合。

对于后面将要叙述的可伸缩的基本机构及可伸缩的电子机构而言，上述的悬挂机构无法解决芯筒的伸缩问题，不再适应。需将芯筒设成上下套接且可伸缩的两段，在上芯筒随外上筒提升时，能使下芯悬停(保持相对基板的距离固定不变)，故此时的悬挂机构(图 9)需具独立调节上芯同步升降的能力。

在芯筒中心轴上设推拉上下两节芯筒伸缩的芯丝(相当于基本机构芯筒的光束通道)驱动机构，使下芯悬停上芯抬升(或降低)；上芯的光束孔作为心丝的机架，下芯的光束孔作为心丝螺母，心丝的驱动齿轮设在悬挂机构的中心上(即齿轮中心与悬挂机构的旋转中心重合在一起)，心丝与齿轮之间以约束了周向(指心丝)旋转自由度的球形铰结合传力，心丝驱动齿轮沿固定轴线位置旋转，心丝除能沿周向旋转外，还具绕球形铰中心旋转的能力，即复摆的旋摆能力基本不受影响。

心丝在动力驱动下发生旋转，能将约束了旋转自由度的下芯向下推出(或向上拉回)，若以基板做参照物时，下芯则悬停不动。下芯与上芯之间设旋转约束卡和滑行卡槽，上芯的旋转自由度被悬挂机构约束，下芯的旋转自由度被上芯约束。

芯筒

芯筒是一刚性的均质细筒(细杆，用于电子化或数字化)，以悬吊形式安装在悬挂机构上，芯筒上端截面中心在外筒的中心线上；芯筒是一摆杆、摆锤合体的复摆，摆线中心位于悬挂机构的中心线上，通过判别芯筒(复摆杆)是否与外筒同轴，即可判定外筒是否倾斜；以芯 筒中心线为轴心设一通孔，芯筒上端设置固定光源，光线穿过细孔射向基板；若外筒垂直时，则芯筒中的光线会打在圆台的中心孔中，若是外筒倾斜时，则芯筒中的光线(束)会打在圆台的反光面上，同时形成射向外筒底部的光线。

反光圆台

反光圆台设于基座中心，在其轴线位置设一细孔，其锥面能产生径向向外的反光作用，在圆台设一轴向小孔，当基本机构处于竖直状态时，芯筒小孔与圆台中心孔对正，发自芯筒上端的光线由基座上的小孔穿出。

反光圆台上具微调校准作用，在芯筒安装及悬吊机构中心不精准时，在能确定芯筒与外筒已同轴的前提下，通过水平移动反光圆台，能使芯筒光束射入反光圆台的中心孔，从而起到微调校正的作用。

限位板

限位板是一设于芯筒下端的水平板(与基板平行)，中间设一圆孔供芯筒穿过，该圆孔即是芯筒摆动的允许范围(图 2)，该圆与上端的悬挂中心形成一锥区间，控制芯筒的复摆量，以使芯筒孔射来的光束的落点，控制在圆台范围内，进而使圆台面的反射光的径向射出范围控制在外筒的观察窗范围。

芯筒保护机构

芯筒保护机构(简称保护机构)用于锁死和释放芯筒的机构(图 5)，避免在运输过程中芯筒受损变弯，使本竖向校正机构及传感器丧失工作能力和灵敏度。

保护机构主要由重力筒、约束滑行筒(简称约束筒)、环形环绕辐条支撑碟片(简称碟片)、托环机构(简称托环)等组成。约束筒是一较长的刚性筒，固定安装在基本上，其轴线与外筒中心重合(或与圆形的外筒同轴)；重力筒是一较短的刚性筒，设于约束筒内，沿约束筒内壁可相对上下滑行；约束筒用以约束重力筒的轴心位置和轴向滑行长度。

碟片是刚质弹性材料制成的环状体，外缘是连续的圆环，中部和內缘部分被切割成指向内圆的若干辐条(径向辐条或螺旋状辐条)，形成径向和轴向的双重弹性。碟片固定安装在重力筒的内，等间距分布；碟片固随重力筒向下滑移时，其辐条产生轴向变形，使碟片内圆的直径变大，从而释放芯筒；在重力筒处于水平状态(或大角度倾斜状态)时，碟片辐条的轴向弹力使重力筒向上滑移，辐条回复原先形状，内圆直径缩小，从而锁住芯筒并形成弹性支撑分段架起芯筒，使之免受外部冲击力作用；在重力筒处于倾斜状态时，芯筒内切与碟片内圆上，仍受弹性保护。

托环固定安装在约束筒上的刚性圆环，圆心位于外筒轴线上，内径大于芯筒外径，在碟片随重力筒下滑时，托环顶住辐条內缘部位，使辐条产生轴向的弹性弯曲变形，使碟片内圆孔径变大，从而释放芯筒。

配重微调构件

配重微调构件(简称微调)是套结在芯筒下端的配重机构，由套环和调节螺栓构成，消除芯筒等构件质量不均匀带来的芯筒的下端光孔偏离悬中心造成的系统误差。以套环固定调节螺栓的位置，将微调螺杆设于芯筒下端远离外筒轴线的一侧，调整螺的外露栓长度，使芯筒的质心回归到芯筒轴线上(亦即回归到外筒轴线上)，消除系统误差。

若在芯筒下端设置两轴线垂直并过芯筒轴心的螺栓，则无需旋转套环对正芯筒的下端偏移，而综合调节该两螺栓的外露长度即可，故此时可省略套环。

对中构件

对中机构应包括基板及基板螺栓、外筒、悬挂机构、芯筒、点光源、反光台、外下筒透光窗等构件或构造，其核心是指可摆动的点光源与反光台、摆动的点光源与光敏阵列、摆动的位移式敏感元件的移动端与固定端的对应关系，再加上通信线路、运算元件、执行电路等逻辑构造。

光电显示的基本机构

上述的基本机构是以直射或反射方式表达外筒(代表整机构)是否倾斜及倾斜方位，但无法较准确且简捷地定量显示其倾斜程度。若以光电管之类的光电元件的阵列面取代反光圆台，并在基本机构外表建立与之对应的显示元素，形成相对应的映射，即可在简捷读取机构倾斜的方位及倾斜量(图 2)，从而使本传感器脱变成远程读取和操控的机构。

可伸缩的基本机构

可伸缩的基本机构

可伸缩的基本机构(图 3、图 5)是在上述基础上将外筒、芯筒分成两段并同时增设伸缩构造和机构而形成的竖向校正机构及传感器，以解决测控高度随机变化的问题。

外筒、芯筒分成同中心(或轴心)且可相对伸缩的上下两部分(段)，下段仍设置在基板上，上段则在伸缩机构的顶升下形成悬置在空中的部分，与之对应的反光圆台位置不变，而悬挂机构则随外筒的上升而同步抬高，同时芯筒的下段仍悬停在原来靠近基板的位置，同样地其上段则随悬挂机构而被抬升。

外筒的伸缩机构

外筒的伸缩机构是用于顶升或下拉外筒上段的机构(图 3、图 5)，主要由固定安装在基板上的下端丝管(简称下丝管)和下端导杆(简称下导杆)、安装于外筒上段的丝杆和驱动构件(或机构)以及下导杆的导杆孔(图 8)，一个外筒应设至少两个相对外筒中心线(或轴线) 对称的伸缩机构和导杆机构。

用于顶升或下拉的机构(简称顶丝机构)的顶丝及其对应的下丝管的轴线与外筒中心线平行，通过旋转丝杆(也可采用其他的升降机构，如图 6)获得升(降)力，推动外筒上段(简称外上筒)改变竖向位置，以适应随机的高度需求。同样，导杆机构的轴线(或中心线)也与外筒中心线平行，以保证外上筒与外下筒同轴。

电子型竖直机构及传感器

电子型自较直机构及传感器

在摆锤的旋摆范围(指基板上的投影范围或摆端所处外下筒的水平位置)设置电子信息传感元件，能将杆件机构(指基本机构和伸缩机构)的垂直度在外部指定位置和设备上显示，即组成了电子类传感机构(简称电子传感)。

根据显示设备的显示图案(如按一定规则排列的灯阵)并对照预先制定的显示逻辑，即可判断出杆件机构(基本机构和伸缩机构的统称)的倾斜状态，然后对应已解读出的倾斜方向和大概数值，进行有针对性的人为调节基板(各控制边)高度，达到较直目的。

在竖向机构的摆锤范围设置数字化的电子信息传感机构，并对应元件设置和传感控制要求设计信息输出电路，形成类似数字化的编码信息输出。

将杆件机构固定于拟竖向校正的设备上，通过调整设备各支点的高度，可使杆件机构较直，按杆件机构的垂直度显示，调节设备的对应支点，达到较直设备的目的，此时的杆件机构相当于一个表达设备倾斜状态的传感器。

数字型竖直机构及传感器

将表达上述电子型自较直机构及传感器上的敏感元件的总和看做是一个按某种逻辑排列的二进制数，各种敏感元件相当于对应在该二进制数上的一个固定权位，杆件机构的垂直度用二进制数的数值表示。

各敏感元件在被激活(或点亮)和未被激活时，分别代表开、关两种状态，在某一时刻(即杆件机构处某一倾斜状态时)各元件的开关状态不同，形成不同量值的二进制数。

将该二进制数输出给数字化信息处理及控制系统(如电脑)，形成控制逻辑，然后在由电脑输出执行逻辑，通过动力系统的驱动(执行)，使基板的状态得以调整，进而使芯筒处于垂直状态，实现杆件机构的自动较直。

若将该杆件机构固定设于拟较直的设备上，通过调整设备上的各支撑点，即可调整设备的垂直度，此时的杆件机构即为传感器。

若反用该传感器，则可实现按预定倾斜量定位设备之目的。即将该杆件机构固定设于设备上后，根据需求的倾斜量，可找到对应的二进制数，进而控制设备各支撑点的高度值，实 现控制目的。

附图说明

图1是表示基本结构的示意图；图2是表示由光电元件阵列后形成基本机构的示意图；图3是伸缩机构的示意图；图4是较直码盘的示意图；图5是变长杆的示意图；图6是用齿条与齿轮啮合驱动外筒滑行伸缩的示意图；图6.1是碟簧仰视面的示意图；图7是位移触发式敏感元形成的对中机构；图8是伸缩机构的构造及相对平面位置的示意图；图9是悬挂机构的示意图。

统一代号：1代表外筒，其中1.1代表下外筒，1.2上外筒；2代表竖向基板；3代表外筒升降机构的滑行部件，其中3.1.1(2)代表顶丝轴筒，3.2.1(2)代表固定设于基板上的丝筒，3.3.1(2)滑行拖板；其中尾数1为右、2为左；4代表外筒升降机构的静止轨道部件，其中4.1代表右静止轨道板或导杆孔(筒)，即右静板，4.2代表左静止轨道板或导杆孔(筒)；5代表驱动动力齿轮；6代表轴承，不同构件的轴承标不同尾号区分；7代表齿条；8滚动轮，其中8.1.1(2)为外切滚轮，8.2.1(2)为内切滚轮，8.3.1(2)为定轴轮；其中尾数1为右、2为左；8.4代表齿条升降机构上的滚轮；9代表基板，9.1代表基板上的安装螺栓孔；10代表基板上的中心射光孔；11代表反光圆台；12.1代表右固定螺栓，12.2代表左固定螺栓；13代表芯丝(含有轴心光束孔和实心的丝杆)，13.1代表丝杆轴；14代表悬管；15代表顶丝机构，其中15.1.1(2)代表顶丝轴，15.2.1(2)代表顶丝，其中尾数1为右、2为左；16代表环形碟齿托；17代表吊芯；18代表横担管；19.1代表右轴承座，19.1代表左轴承座；20代表悬吊系统的横轴；21代表位于横担管中心的天窗孔，其中21.1代表向上的天窗孔，21.1代表向下的天窗孔；22代表纵轴；23代表芯齿轮；24代表纵轴与芯筒之间的固定连接件；25代表悬芯；26代表光束调节头安装架；27代表光束调节头；28代表透光材料；29代表透光窗；30代表光敏元件或电磁敏感元件；31代表信号处理器(信号处理电路)；32代表限位板(其上可按象限设定碰触头，传递芯筒接触的方位信息)；33代表约束筒，其中33.1代表筒体，33.2代表轴向约束环；34代表集成光敏阵列模块；35代表重力筒；36代表；37代表碟托固定架；38代表托架窗(穿过重力筒，固定安装在约束筒上)；39代表护芯碟簧盘，其中39.1代表碟簧肋，39.2代表碟簧齿(即由碟簧肋指向芯筒圆周的盘旋状辐条，碟簧齿的齿端形成与芯筒外径相等的内圆)；40代表前后两侧封板，该板固定安装在基本上，两者垂直；侧封板用以安装伸缩系统的静板，以及在本机构用作作业构件时安装其他功能构件或机构的安装位；41代表垂直度调整钮；42代表约束卡翼；43代表约束滑槽；44代表芯杆齿轮，用以驱动芯丝旋转，进而向下推动悬芯段，使之相对基板静止；45代表传感器导线；46代表重力筒上的辐杆窗；47代表安装传感器动端的安装架(即设于芯筒下端的向外辐射的辐杆)；48代表位移触发式传感器的固定端；49代表约束筒上的辐杆窗；50代表移触发式传感器的移动端；51代表数字式立杆的透孔码盘(即通过透孔与光源的对正，使光线射出，激活深藏于孔底的光敏，然后该光敏所控制的电路导通；各光敏形成不同的开关量)，是固定于基板上的码道式码盘，其不同码道上的位元数不同，即各码道上的敏感元件数量及排列方式，其中51.1代表最外圈码道，其上共设32个敏感元件，可形成32位的二进制数；51.2代表最次圈码道，其上共设16个敏感元件，可形成16位的二进制数；51.3代表第三圈码道，其上共设8个敏感元件，可形成8位的二进制数；51.4代表最里圈码道，其上共设4个敏感元件，可形成4位的二进制数；四个码道上的数据可作为4个数据分别输出，也可作为1个数据连续输出；分别输出时，计算机在得到最后一个二进制数之后进行逻辑分析和决策，得出控制逻辑；一次性输出时，计算机得到数据后，直接进行数据比计较(对比数据库)得出控制逻辑；52代表与码盘51对应的点光源盘，随着复摆的摆动，各点光源均有机会射进码盘孔中激活该光敏，因两者的(码道)径向尺寸不等，码盘51上的光敏始终只有部分能被激活，形成不同代表意义的二进制数；摆动的光盘52与固定的码盘51构成数码机构，能随机形成各种二进制数，若将光盘上的光源替换成小孔，而将光源移到位于其上面的与码盘相等的盘上，此时数码机构为三层构造的机构，在芯筒带动中间的孔盘摆动时，上层的光源盘上的电光源也会穿过中间的孔盘打在下面的光敏盘上，激活部分光敏，也能形成二进制的编码数据；52.1、52.2、52.3、52.4分别代表光源盘上的编码点光源；53代表定位台板，分为上下两段，上段安装在外上筒的上部，下段安装在外下筒的下部；54代表导轨(杆)及导杆孔，导杆既可安装在上定位平台上，又可安装在下定位平台上；55代表球形铰(约束了水平方向的旋转自由度)；56代表芯丝从动轮；57代表安装在外筒上的动力源；58代表动力齿轮；59代表悬挂机构的横轴(外轴)；60代表悬挂机构的纵轴(内轴)中心区域形成的圆柱形空间，用以安装芯丝的驱动机构；61代表吊芯与纵轴60的连接件；62代表悬挂机构的纵轴；63代表球形铰与芯筒齿轮的接触面上，设过圆球的轴卡，约束圆球的水平旋转自由度；64代表芯筒顶部各机构的安装台；65代表动力输入时与动力齿轮58对应的平衡齿轮；66代表芯丝的轴杆。

图 1、是表示基本结构的示意图，是构造尺寸(高度)不能该变的基本结构(简称定长干)。表示基本结构主要由基板、外筒、悬挂机构、芯筒、反光圆台等组成，其基板小孔、外筒中心线、悬挂机构中心、芯筒悬挂点、反光圆台轴线孔均在同一条直线(共用线)上；当基本结构垂直时，芯筒轴线也与该‘共用线’重合，表示基本结构处于垂直状态，此时，由芯筒悬挂点射向基板的光束穿过反光圆台和基板的小孔，射向基板下部，在基板下部观察到光束，表明基本结构已较直。

外筒1.1垂直安装在基板9上，悬挂机构设于外筒1.1的上端，芯筒13是设有轴心通孔的均质细杆，芯筒13上端悬挂于悬挂机构的中心点处，下端悬垂于基板9的上表面范围并两者接近，同时，芯筒13下端还设有垂直度调整钮41，用以调整芯筒中心偏差、安装误差等造成的芯筒质心偏离轴线的问题。

基板9的几何中心处设有小圆孔，对应反光圆台11的轴心孔；反光圆台11固定安装在基板9上，可通过圆台孔相对基板孔的微小位移，消除基本结构制作过程中的系统误差。

悬挂机构主要由安装在外筒1.1顶端某一高度平面上的两个中心轴处于同平面上的相互垂直的旋转轴构成(参考图 9)，在安装在外筒1.1的旋转轴(简称轴A)的中心处设一中心线与轴A中心线垂直且相交的圆孔，再在该圆孔的孔壁上设置安装内旋转轴(简称轴B)的轴孔，轴B的轴线垂直于轴A轴线且两者在同一平面上。

再在内旋转轴(轴B)的中心设一中心线与轴B中心线垂直且相交的圆孔，在该圆孔中安装芯筒(本图表示为轴B穿过芯筒上端的安装孔)，光源(光束)安装在芯筒顶部的孔中射向基板9。

轴A(即构件20)安装在固定于外筒1.1上部的横担管18上，横担管18的两端孔设丝牙，用以安装可顺横担管18轴线调整旋入深度的轴承座(参图 3)19.1、19.2，通过调整两端轴承座的旋入深度，可消除在横担管18的轴向上产生的芯筒13偏离外筒1.1中心的系统误差。可采用同样的方法，消除芯筒13沿内轴B的轴向偏离外筒1.1中心的系统误差。

芯筒13的下端相当于复摆的摆锤，可在其下端孔上设调整光束径向尺寸的调节头27，以便聚焦上端射来的光束，使其打在反光圆台上(对图 2而言是光电元件阵列)的光斑的径向尺寸的大小。

设于基板9上的螺栓12.2(12.1)，既可作为调节基板9的倾斜度之用，也可作为安装件将基本结构安装在被较直的设备上。

为简便明了，螺栓12.2(12.1)应与反光圆台11的中心在同一条直线上，且该直线应与横担管18的轴线相平行，在垂直于该直线的方向上设于内轴B轴线平行(即与横担管18垂直)的调节螺栓(本图未显示)，在两个垂直方向上调节基板的水平度，即可实现调整基本结构垂直度的目的。

图 2、是表示将反光圆台替换成光电元件阵列后形成的基本机构，此时成为电子化或数字化的自较直机构或传感器(供人参照的传感器)。

光敏元件阵列面(简称光敏)30替代原来的反光圆台，其中心安装位置不变；使用光敏30后，在外筒1.1表面或其他能与光敏30连接的位置(或构件)上设映射装置(本图外筒下端右侧的小方块表示)对应显示，若将光敏30划分成以基板小孔位置为中心且与的四个象限，然后将各象限所包含的光敏元件排序编号；在基本结构外另设一与光敏30呈相似形状的显示面板，也按同法设置象限及其于光敏元件对应的显示元件，则此时能将基本结构的倾斜状态(或称垂直状态)显示在面板上。

采用光敏阵列和映射显示面板时，两者之间需设信号及显示处理机构，以便形成对光敏阵列和映射显示面板都有效的安全电量。

若将光敏30看做成一个二进制数，各光敏元件看做是该二进制数中的一个位元，则各光敏元件(位元)所处的开关状态形成该二进制数不同的量值，由此形成基本机构的倾斜度与 二进制数数值的对应关系，此时的二进制数代表了某种信息(倾斜信息)，此时的基本机构即是数字化的传感器(含基本机构、光敏阵列和相应的输出电路)；将该二进制数输送至电脑等数值量处理机构，就能形成自动调节基本结构倾斜度的执行逻辑，实现基本机构垂直度的自动控制，此时的基本机构(含基本机构、光敏阵列和相应的输出电路、运算机构、执行电路及动力等机构)是一个具自动调节能力的机器或机构。

限位板32是适用于所有基本机构和伸缩机构的构件，设于芯筒下端，用以限制芯筒的复摆摆动范围，减小敏感元件的使用量；同时，也使摆端(芯筒下端)所携带的光电构件(与基板上的光敏、或外筒下端筒壁上所设的位移式电、磁感应元件等)能在有效对应的距离范围内，提高传感器的灵敏度。

图 3、是伸缩机构的示意图，表示外筒和芯筒能实现等量伸缩，随机变更机构高度，以适应不同的高度需求。

该伸缩式机构(简称变长杆)，设在定长杆的基础上增加外筒、芯筒的伸缩机构和轴向滑行保障措施后形成的高度可变的自较直机构或传感器。

本图所示的变长杆的伸缩机构采用螺栓旋转的方式升降外筒和芯筒的高度(也可采用齿轮旋转啮合固定齿条等可精准计量和控制的构造方式，参图 6)。

外筒的伸缩机构，是在外筒外壁处(筒内也可)设螺母、螺杆轴的安装平台，同一平台上以芯筒中心轴为对称中心对称设置升降螺栓，同时还应对称设置导杆(参图 8)等滑行限制机构，保障变长杆的上下段始终保持沿同轴伸缩。

本图所示的变长杆的滑行限制机构，是左右分设的板式滑行轨道(也可增设前后方向的滑行轨道，实现四面引导和限制)，定轨和螺母安装在前后封板上并与基板固定连接，动轨安装在螺杆安装架(简称螺杆架)上，螺杆架安装在变长杆上段的外筒上；定轨4.1/2上端设定轴滚轮8.3.1/8.3.2，左右两轮形成对动轨3.3.1/3.3.2的左右方向自由度的限制，定轨的中、下段均为直轨，供动轨(拖板)3.3.1/3.3.2上的滚轮8.1.1/2、8.2.1/2滑行，约束其左右运动自由度；由螺母3.2.1/2、螺杆(螺丝)15.2.1/2构成的伸缩机构，螺杆15.1.1/2安装在外上筒1.2上，螺母3.2.1/2安装在外下筒1.1上，在动力驱动下螺杆15.1.1/2带动螺丝15.2.1/2旋转，推动上、下外筒(1.1/1.2)产生相对滑移，实现随机调节变长杆高度之目的。

本图所示的变长杆的伸缩机构的芯筒部分，是以内外两筒相套接滑行的方式进行伸缩的。上芯筒段(简称吊芯)17高度安装在悬挂机构的内轴22上，其沿芯筒轴向的旋转自由度被约束，悬芯25的内径与吊芯17的外径相等，二者内外套接且可沿轴向相对滑行；在吊芯25的心孔上安装芯丝13的轴杆66并上端伸至悬挂机构内轴(纵轴)22中心处，下端丝杆13延伸至接近基板9(指变长杆未伸长之前的状态)的长度；吊芯17上设悬芯25的旋转自由度约束卡42，悬芯25对应的设滑行槽43，使二者间为纯滑行；悬芯25下部设外径与悬芯内 径相等的螺母(悬管)14，二者同轴，同时，悬芯下端安装光束调节透27的安装架26，此二者也与悬芯25同轴；在芯丝轴杆66的上端安装球形铰，然后在球形铰上安装芯丝13的驱动齿轮23，球形铰与动齿轮23的连接，是约束了吊芯17沿水平方向的旋转自由度的连接方式(参图 9)，即齿轮23在水平面上旋转，而芯丝13则可随吊芯17的复摆状态，在一个锥形范围内旋转。

若设变长杆为用光束较直的普通机构，则还需在芯丝13的轴线上设同轴的光孔共光束穿过；若采用电子或数字式较直，则芯丝13可为实心杆件。

悬挂机构的横担管18(两端设带丝口的轴承座的安装位)与基本9平行，设于其两端的轴承座19.1/2使带丝牙的圆筒体，通过相对旋转两端的圆筒体19.1/2可调节悬挂机构之纵轴22沿本图左右方向的位置，以消除加工制作过程所产生的横向系统误差；同样的纵轴22的两端也安装在可沿纵向调节系统误差的轴承座里；由此实现悬挂系统沿水平面微调目的。

本图所示的与光束较直方式的变长杆，其外下筒1.1的下端设光束经圆形反光台11反射穿出所用的窗口29，与该窗口所对应的封板40、定轨板4.1/2等构件也相应的开设小孔，以使光束顺利射出。观察变长杆下端的射光窗口和基本下面的射光孔有无光束射出，即可确定机构的倾斜度，并针对性的调节基本9上的螺丝12.1/2，即可实现变长杆的较直。

图 4、是编码式杆件机构(含定长杆、变长杆)较直码盘的示意图，表示本机构可用电子形式或数码形式表达倾斜状态，并可形成由敏感元件的开关量构成的二进制数信息。

本图用x、g两个盘组成信息感知机构；敏感元件采用光敏，安装于固定于基板9上的x盘上所设的深圆孔里，当g盘上的光源与之对准时，该光敏被激活导通，假设传出高电平‘1’(也可设成传出低电平‘0’，由所选用的输出电路决定)，若g盘上的光源未之对准时，则输出信号‘0’；沿径向看，x盘上的外圈上的圆孔中心、g盘上圆形点光源的中心至各自外缘的距离均为1.5d(d为光敏所处圆孔的直径)，即小圆孔边缘与盘的边缘的距离为d。

x盘上可设若干个相套的同心圆作为不同的码道，每个码道上可设若干个圆孔安装光敏，本图由里向外排列共设4个码道，码道上的光敏数分别为X₁＝4，X₂＝8，X₃＝16，X₄＝32；

各码道上的光敏分别形成不同位数的二进制数，即各码道既可看成是一个二进制数独立输出，也可按由外到里的顺序把各码道连接起来，形成一个较长位数的二进制数；各码道单独输出时，计算机需等4个码道的数据全部输出后再做控制决策，若4个码道连接起来形成一个可串行输出的二进制数时，计算机通过比较，可直接在数据库里找出对应的控制逻辑；此二种方法因输出方式的差异，其各自对应的输出电路及数据库也不同，各有千秋。

g盘上的光源与X盘对应，但光源所在的g盘圆环的直径比x盘的码道小，本图采用4个码道共减小一个光源孔的数量构建g盘上的光源环，即若设光源孔的直径为d时，则有：D_X1＝D_G1，D_X2＝D_G2+d/4，D_X3＝D_G3+d/2，D_X4＝D_G4+3d/4，以此保证X盘上的光敏始终只有一 部分能被点亮激活，使被激活的光敏与休眠的光敏之间形成定性的差别。

设由X盘中心到最外码道上的透光孔中心画出一道射线，以该射线与最外码道上的透光孔相交的外交点距离为半径再另加上一个透光孔的尺寸为半径再作一个与x盘的同心圆m，然后将g盘、X盘共同限制m的面积范围内，则在杆件机构大角度倾斜的情况下，两盘的最外圈的光源与透光孔会有部分重合，即X盘上的光敏会在两盘共同与圆m相内切的地方有若干个被激活点亮，由此形成码道数据；随着杆件机构倾斜角度的减小，g盘会脱离与m圆的切点，逐渐向盘心靠拢，在回拢至孔径的d/4孔径的距离时，本图所示的此外码道(X₃)上的光敏被激活；在回拢至孔径的d/2孔径的距离时，本图所示的此外码道(X₂)上的光敏被激活；在回拢至d3/4孔径的距离时，本图所示的此外码道(X₁)上的右侧x轴上的光敏被激活；此时，杆件悬挂机构中心点对X盘中心的误差为d/4，再继续减小倾斜度，使g盘中心更接近X盘中心，最后可使x1码道上的所有光敏均激活点亮，机构达理论上的垂直状态；若再增加码道，则可继续细分使误差更小。

目前，集成面阵式的光敏类敏感元件已有很多种类，其单位面积上的位元数(光敏数)很大，一个点光源即覆盖很多个光敏，更易找出点光源的中心所在(在面阵上，被激活的光敏所形成的图案相似于电光源，其图案中心可认为与点光源的中心对正)；由此，上述的点光源盘(g盘)可用一个点光源替代，对应的将光敏盘(X盘)替换成集成面阵，则此时的较直码盘的构造更为简单，但因集成面阵精度高，对杆件机构的加工和安装精度要求相应的也高，即系统误差也需很小。

若将前述的集成的敏感元件改用线阵式光敏，则线阵可组成中心与X盘中心重叠的正四边形，相应的将电光源替换成相垂直的十字线式的光源，十字线交点位于芯筒中心轴上，单线的长度需能覆盖两条线阵(即在最大倾斜状态下，单条光带能激活正四边形上相对的两条边上的线阵元素(即一个或多个相邻的像素))。

上述的光盘和集成元件形成的对中机构，若配以对应的显示面板等显示机构，通过对中机构的象限和显示机构对照，即可明确杆件机构的倾斜方向和量值，在不使用电脑等智能设备的情况下，也可人工调节安装螺丝的高度，实现半智能化对中作业。

图 5、是变长杆的示意图。意在阐述芯杆的保护机构——重力筒-碟簧机构，简称重力机构。

本图所示的变长杆机构，是建立在图 3的基础上，外筒、芯筒、重力机构筒均采用圆筒，各筒由外向内逐层相套(间轴)构成，其‘对中机构’采用在芯筒下端(中心)设点光源(即光束)和在基板上设集成面阵(也可反设)；面阵的(指有像素的部分)中心与外筒的轴心对准，并以该点为原点，作平面坐标系，通过坐标系与面阵形成的对应关系，感知并决策变长杆的垂直度控制方案。

重力机构的重力筒35套接在约束筒33内且相对稍短，重力筒35的外径与约束筒33的 筒身部分33.1的内径相等，两者能相对同轴短距离滑移；约束筒33固定垂直安装在基板9上，约束筒33与外筒1.1同轴；重力筒35按一定长度分成若干段，在每段的顶部固定安装圆环状碟簧39径向支撑芯筒25(悬芯)，约束其旋转自由度；在碟簧39的下部穿过重力筒35开设窗口38供碟簧39的支撑架37穿过；支撑架37上的支撑环16的环面高度位置与碟簧39的下表面平齐(指重力筒35的上端顶住约束筒33上端的轴向约束环的时刻)且与基板9平行，支撑架37安装在约束筒33上；支撑架37中间部位开圆孔(中心过外筒轴线)，供芯筒25穿过且留有一定间隙宽度，保障芯筒25的自由摆动空间；支撑环16安装在支撑架37的中间圆孔上(中心过外筒轴线)，支撑环16的支撑面(上表面)与碟簧39贴紧；碟簧39是用刚质弹性材料制成的辐条向内盘旋悬挑的环(图 6.1)，其辐条39.2具有一定的刚度，在杆件机构水平放置或大倾斜角状态下辐条39.2基本不变形，重力筒35不向基板9方向滑动，即此时芯筒25被碟簧径向约束并提供具一定弹性的竖向支撑；在杆件机构接近竖直的状态时，重力筒35下滑到基板9上，辐条39.2因支撑架37向上的顶压作用产生向上的挠曲变形，使在先包裹着芯筒25的辐条39.2的悬挑端形成的内圆的直径扩大，芯筒25被碟簧释放而获得摆动空间，即此时的对中机构开始正常工作。

图 6、是指将外筒的伸缩机构不用螺栓式，而选用齿条与齿轮啮合驱动外筒滑行伸缩的方式。

将齿条7垂直固定安装在基本9上，在安装板67上安装动力齿轮5和滑行滚轮8.4，当动力齿轮5转动时将带动安装板67上下运动，将安装板67与外筒1.2固定连接后，动力齿轮5的转动将驱动外筒1.2的上下移动。

图 6.1、是碟簧仰视面的示意图。

表示碟簧由碟簧肋39.1与碟簧齿39.2两部分构成，碟簧安装在重力筒35上；支撑环16安装在约束筒33.1的水平架32上，支撑环16在下部抵紧碟簧齿39.2；芯筒25位于碟簧的中心区域。

在重力的作用下碟簧肋39.1随重力筒35下滑，碟簧齿39.2被水平架32抵住无法下滑，使碟簧齿39.2产生向上的弯曲变形，由此扩大了由所有碟簧齿39.2的悬臂端共同形成的内圆的径向尺寸，使芯筒25与碟簧之间产生间隙而获得悬摆自由度。

图 7、是将前述的构成对中机构的光敏元件，改换成(类如电感元件等)位移触发式敏感元件后，形成的对中机构的构建方案。

在约束筒33和重力筒35的下端开设窗口49和46，在芯筒25的下端安装辐杆47，使其轴心线与芯筒25的轴心线垂直相交，在辐杆47的两悬挑端分别安装位移触发式敏感元件的移动部件50，两端的移动部件50相对芯筒25的轴心点对称，敏感元件的固定部分(部件)48安装在外筒1.1上与移动部件50相对。

当芯筒左右悬摆时，两组两端对应设置的移动部件50与固定部件48中，会有一组逐渐靠近缩短间距，而另一组则会逐渐远离拉开距离，由此会引发两组敏感元件的电量的变化，反映出杆件机构的上端向间隙逐渐缩小的敏感元件的方向倾斜，并可通过敏感元件输出(输出导线45)电量的变化，推算出倾斜角的大小。

在辐杆47的悬挑端设于芯筒25同轴的圆环，再将多个位移式敏感元件均匀的设于圆环上，并在外筒1.1上对应的设置敏感元件的固定部件48，形成以芯筒为中心向外辐射的多个敏感元件构成的环形对中机构，则可对杆件机构形成满圆周方向的多点监控，监控点越密，则监控精度越高。

图 8、是对外筒、芯筒的伸缩机构的构造及相对平面位置的描述示意图。表示芯筒机构位于外筒机构的中心，两者同轴；外筒伸缩机构由螺栓伸缩机构和导杆机构及安装板组成，芯筒的伸缩机构由吊芯、悬芯、芯丝、约束卡及相对应的滑槽构成。

安装定位台板53设于外筒1.1的两侧，顶丝机构的螺母孔和螺栓15.2.1与导杆机构的导杆孔和导杆54分置于台板53的上下两端并距外筒壁的间隙相等，外筒两边的顶丝机构的螺栓相对外筒中心呈轴对称，同样，外筒两边的导杆机构也呈轴对称。

芯筒机构位于外筒中间部位，吊芯17套接在悬芯25之外，悬芯25上设过轴心的约束卡44，对应的在吊芯17上设有约束卡44滑行的滑槽；芯丝13.1设于悬芯25的轴心上，以吊芯17为支点通过旋转对悬芯25实施推拉。

图 9、是描述变长杆上的悬挂机构的示意图。表示在杆件机构拉伸变长时，为使悬芯距基板的距离不变，通过外动力旋转芯丝推动芯筒伸长，以保持悬芯的悬吊位置不变。

芯筒的伸长动作，既可与外筒的升高动作同步进行，也可等待外筒伸长至所需高度后在行单独伸长(与外筒的伸长长度相等)。采用单独伸长芯筒的方案时，若采用光敏式的对中机构时，可在外筒完成伸长时，进行一次初步对中较直，再在芯筒等距离伸长后进行精细对中较直。

本图所示的悬挂机构中，外部的横轴和内部的纵轴均变形为圆环(简称外轴环)，并过圆环中心向两端悬挑出端轴(两个端轴同轴、同规格)，在内部的(纵轴)圆环(简称内轴环)的下部设一安装板，用以安装芯丝轴上的驱动齿轮。

外轴环通过端轴59安装在外筒顶端的安装板64上，端轴59与基板平行，内轴环通过端轴62安装在外轴环上，端轴59和62处于同一个平面上且垂直相交；外轴环可相对安装板64旋转，内轴环可相对外轴环旋转；吊芯通过连接件61与内轴环链接，吊芯与内轴环的端轴62垂直；芯丝轴13.1安装在内轴环下连带的安装板60上，该安装板60与吊芯25垂直，芯丝轴13.1露出的轴端悬挑至端轴59和62的中心位置，其上安装球形铰，球形铰上设过球心且与吊芯25垂直的约束卡63，在球形铰上安装吊芯25的驱动齿轮56，驱动齿轮56的轴 孔为球形孔与芯丝轴13.1上的球形铰头对应，同时驱动齿轮56上再增设约束卡63沿垂直于齿轮板面方向旋转的卡槽，使球形头和齿轮上的球形孔组成的球形铰除约束了吊芯13.1对齿轮56的旋转自由度之外，其他方向的旋转自由度均得以保留，其目的在于通过外力的齿轮58啮合齿轮56时，消除外力通过齿轮接触进行力的传导，不对芯筒的悬摆造成干扰；外动力轴57、65是相对内外轴的交叉点对称设置的，其目的在于使芯筒伸缩的驱动齿轮56处于受力平衡状态，消除其受力不均带来的对芯筒自由悬摆的影响。

具体实施方式

选择图 5中所示的悬挂机构、芯筒、外筒、基板等构建变长杆，按图 8所示选择变长杆的伸缩机构(螺栓式)和滑行保障机构(导杆式)。

一、外筒及基板的建立

1、基板材料及加工

a.选择一块较厚(约10)的长方形钢板作基板，铣平铣正；

b.在基板上确定基线，并以此上数控机床钻出伸缩机构的顶丝螺母、导杆、集成光敏面阵的中心控制位(孔)；同时，按拟采用的外筒(方筒)的截面规格，洗出外筒的安装位；

c.校验各孔、位的规格尺寸及相互关联尺寸，无误后，进行下一步：

d.按顶丝螺母安装端的径向尺寸、导杆安装端的径向尺寸(本例选择图 8中的定位台板53)，将顶丝螺母、导杆各种对应的中心控制孔扩大，形成安装孔；同时附加基板与定位台板之间的固定连接的螺栓孔位。

2、外筒材料及加工

a.选较厚(约5)均质方正的方管作外筒材料，按拟建造变长杆的长度截取毛坯料；

b.将作为变长杆机构基准面的方管面(即图 8中的左右两个侧面)铣平，并保证该两平面相互平行；

c.扣减基板厚度后得出变长杆外筒的总长，截取总长的2/3作为外下筒，截取总长的1/3作为外上筒，铣平上下截面；

d.根据伸缩机构安装定位台(上、下段)的高宽尺寸，在外下筒下部、外上筒上部设两者固定连接的螺栓孔位；

二、伸缩及滑动机构的建立

a.拟定顶丝轴及安装轴承、导杆的直径尺寸，以及变长杆的伸缩量；

b.选取一块较厚钢板(大于顶丝轴安装轴承和导杆的直径尺寸，保留足够余量)做安装定位台的毛坯料；

c.根据拟定的变长杆的伸缩量值、顶丝轴的安装长度决定上下安装定位台的竖向理论长度尺寸，在根据构造要求、道口消耗等因素算出毛料长度并下料；

d.按图 8所示，拟出定位台成品的截面尺寸，将毛坯四面铣平、铣正；

e.根据理论长度，截取安装定位台的上下段，同时将两端面铣平并与侧面垂直；并按图 8所示在横截面上设置螺栓、导杆的定位孔位，并在定位台侧立面设置其与外筒(上、下筒)的螺栓固定连接位；

f.按图 5所示，将螺栓轴安装位、导杆安装位设在上定位台上，并依其定位孔铣车出螺栓轴及轴承、导杆的安装孔位；

g.按图 5所示，将顶丝螺母孔、导杆滑行孔设在下定位台上，并依其定位孔铣车出螺母丝牙、导杆孔；

h.在螺栓轴上制作轴承位，并留出下一步安装驱动齿轮所需的悬挑长度；精铣导杆，并车出安装轴；

i.将上述各构件试组装，并与外筒连接；找出并修正加工及安装的系统误差；

k.制作驱动螺栓轴的齿轮，并安装到已试组装成型的螺栓轴上。

按图 8所示，若不考虑露出外筒的前后侧面(作为他用)时，将外筒左右两侧的下定位台合为一体，在中间割出外筒的孔位，做法更简单精准。

三、伸缩芯筒的建立

a.选择两种直径的均质圆钢管作为伸缩芯筒的吊芯和悬芯，两管相套，两管均选择接近外筒总长度的毛料(因本例选择不设重力筒机构，故悬芯的管径越大其抗弯能力越强，且不设重力筒时空间足够大，故悬芯的管径可相对吊芯成大比例)；

b.精车或精铣吊芯和悬芯的内外孔壁，使各管的质心落在轴心(以外管径定性)上；

c.选一中号管，精铣成介于吊芯和悬芯之间的中间管层，并截取适当长度(大于变长杆的伸缩量)，然后平行于该中号管且过轴心铣以纵向长条形开口作为约束卡的滑槽；

d.选一细孔钢管作为芯丝的螺母，该管的成品外径等于悬芯的内径；同时找出其轴心孔，以便对应芯丝规格攻刻螺母丝口，其长度应大于芯丝的数个丝距和安装稳定性要求；

e.选一细孔钢管作为悬芯的下端堵头和安装点光源的安装架，制作如上；

f.在吊芯轴向中部，沿过轴线且垂直吊芯轴的方向打一贯穿孔，作为安装约束卡之用；用两小钢柱分别安装在吊芯上，作为约束卡；小钢柱直径等于c中所说的滑槽宽度；

g.在变长杆未伸缩之前，约束卡应位于滑槽的下端，以此确定吊芯、悬芯的具体长度；吊芯的下端应在约束卡之下结束，以便对应此位置安装d中所说的螺母，并使形式的推移量足够大。

h.选择作为芯丝所用的螺栓，并在螺杆部位制作轴承位，以及上挑出吊芯上端的球形头 的安装位；

i.对应h中所说的螺杆、轴承位及其外径尺寸，在吊芯孔中车制螺杆孔、轴承位；

j.制作h中所说的球形头，过球心钻出纵向的螺杆安装孔，并再沿横向过球心钻出球形头约束卡的安装孔，选一适当钢柱安装其中；

k.制作芯丝的驱动齿轮，其轴孔代之为球形空间，与j中所说的球形头对应吻合，同时，沿齿轮轴向和球形空间面制作出球形头约束卡的滑槽；

l.预装上述各构件，以芯筒过轴心的吊线悬挂芯筒机构，测试其机械加工、安装造成的系统误差；

m.若在悬吊时芯筒的上下端面的中心不在一条竖直线上，则说明存在系统误差，需加设微调螺栓补救；即在芯筒倾斜的反向设螺丝孔，加设横向悬挑的螺栓配重，调节芯筒机构的质心偏离轴心的缺陷。

四、悬挂机构的建立(参图 9)

a.选一厚壁钢板，切割并铣成与外筒孔径等大的方块，用垂直割线将方钢板中间割去，得到一较大圆孔，并将圆孔壁车铣光洁；

b.选一大直径(小于外筒孔)厚壁均质钢管，车铣该钢管内外壁并使钢管外径小于方板圆孔(二者间存有一定间隙)，然后截取一个高度约等于a中所说的方板厚度的环；过环的中心径向钻一贯穿圆环的孔(该孔用以安装两个外挑的短轴)，并按该孔选取两端小短轴作为该环的外挑旋转轴；该两短轴同轴线且过圆环的中心；

c.沿着过a中所说的方板中的圆孔中心的直线方向，在方板厚度方向居中钻出一条孔作为外轴架上悬挑轴的定位孔，然后根据外轴架拟用悬挑轴的直径尺寸，镗铣成轴孔；

d.选一直径小于b中所说的圆环内径的厚壁均质钢管，并按b中所说的方法进行初加工，然后截取一定的长度，形成短管，在其上端制作轴孔并选取小短轴作为外挑轴；

在此短管的下部设安装(芯丝)螺栓轴孔位的安装板(圆板)，安装板与短管固定连接，其上面低于外挑轴中心约一个齿轮的厚度，能使安装在安装板上竖向挑出的螺栓轴上的齿轮的质心落在短管的轴线与横向外挑轴的轴线的交点上；

e.将上述各构件依序组装在一起，形成悬吊机构；

f.制作连接板，将芯筒与悬吊机构中心的安装板连接起来，形成悬摆功能。

将前述的外筒及基板、伸缩机构、芯筒、悬挂机构以及其他必要的构造、构件及措施组合在一起，即形成变长杆的物理机构部分。

五、数字化监控体系的建立

a.选择ccd面阵做接收元件，选择普通激光头做光束发射元件(即点光源)；

b.选89c52单片机作为运算元件和逻辑控制中心；同时购置相应的其他元件构建数据库；

c.选择数控无刷电机作为驱动动力；

d.购置或制作ccd面阵与单片机、单片机与数据库、单片机与动力元件之间的接口电路、转换电路、电源等各环节所需的元器件；

e.要求将面阵安装在基板的中心位置，像素阵列的行和列分别于外筒的两个相邻边平行；

f.在悬芯下端安装细直径光束的激光源作为点光源，光束与芯筒轴线重叠；

g.借助一个标准的垂直度仪，作为参考标准；在外筒的相邻两侧面较直变长杆；

(若无可做标准参照的仪器设备，可采用验证直角尺两临边是否垂直的办法，即在一块竖直板两侧分别用本变长杆作两条垂线，查看两线是否平行等类似方法)

h.连接ccd面阵、单片机与数据库，建立标志点数据；即此时ccd面阵的读数，代表着变长杆竖直时的数据；

i.以该数据所对应的像素元件为中心，建立与外筒两相邻边平行的平面坐标系，划分和标记各象限；若光斑能同时覆盖多个像素时，需确定光斑压在坐标轴上时，光斑中心的象限的归属问题，因其映射到变长杆顶端的倾斜方向及倾斜量，由此最终涉及到相垂直的两个方向上的驱动电机的运转方向的问题；

j.根据标志点数据及象限划分，算出光斑在各象限范围内的所有数据，导入数据库中作为后续对照的依据；

k.拟定几种测试个例，同时用标志设备进行同等测试，比较两者误差，然后进行系统修改并定型。

Claims (7)

1.一种基于机械机构的竖向较直机构及传感器的构建法，是综合了机械、光、电以及电子和数字化技术的机构，其特征在于：其机械机构主要由基板、外筒、芯筒、悬挂机构、伸缩机构组成，由此再经与光、电以及电子和数字化技术组合后，能分别形成机械式、机电式、数字式的机构或传感器；基板是一刚性方形底板，设有中心孔，四角设有固定安装孔或高度调节孔与螺栓配合固定底板或调节各角高度，进而调节底板的水平度；外筒由一段或两端同轴的刚性筒组成，下端与基板固定连接且两者相垂直，上端安装悬挂机构，前后两侧面设与基本垂直且固定连接的封板加强外筒与基板的连接，并以封板边作为机构竖直的标志线或作为其他外加机构的滑行轨道；在由上下两段组成的变长杆机构中，外筒左右两个侧面上固定安装伸缩机构的定位平台，以上部定位平台的升降带动外筒的伸缩；芯筒设于外筒中央，能做复摆运动，从摆杆下端射出光束或带动位移触发式传感器的移动补移动，摆杆下端还设有配重微调机构，以消除机械加工和安装构成的系统误差；伸缩式芯筒主要由吊芯、悬芯、芯丝等构成，吊芯安装在悬挂机构上的摆心出，悬芯安装在悬芯上；吊芯和悬芯两者间套接滑行并设有旋转约束卡和滑行槽，约束两之间的旋转；芯丝设于芯筒中心，上端的螺栓轴安装在吊芯中，螺栓轴伸出吊芯的上端面，悬挑至摆心处并在其上安装驱动齿轮；摆心驱动齿轮与芯丝螺栓轴的通过球形铰连接，通过约束卡约束了球头沿齿轮平面的旋转自由度；芯丝的下端安装在悬芯中，通过固定安装在悬芯中的悬管形成推拉关系，使悬芯在吊芯升降的过程中保持高度位置不变；悬挂机构主要由处于同一平面上的轴线相互垂直的两条旋转轴或机构和安装平板架构成，外旋转机构安装在安装平板架上割出的圆孔中，内旋转机构安装在外旋转机构构成的圆孔中，外旋转机构轴线、内旋转机构轴线均处于平板架的中间平面上，内、外旋转机构的轴线的交点是复摆的摆心，芯丝的驱动齿轮的质心设于此点上；悬挂机构的安装平板架的板面与基板平行，固定安装在外筒上端；伸缩机构主要由上下两个定位平台、顶丝机构、导杆机构组成，下定位平台固定安装在基板上台面与基板平行，上定位平台固定安装在外上筒上部且台面与基板平行，上定位平台上安装顶丝机构的螺栓轴和导杆机构的导杆，下定位平台上安装顶丝机构的螺螺母和导杆机构的导杆孔；在顶丝机构的螺栓轴上悬挑出的轴头上安装驱动齿轮，接通动力源后形成定位平台升降的驱动机制；将点光源的光束经由带有中心孔的芯筒或芯丝由上向下射出，若杆件机构倾斜则光束会打在安装在基板中心的反光圆台上，形成射向外下筒下端的光线，若杆件机构垂直则光束会在基板中心的小孔向下穿出，形成杆件垂直信息的显示和输出；据此信息对杆件机构进行纠偏或位置固定，即实现了本机构构建法的意义。

2.如权利要求1中所述的竖直较正机构或传感器的构建法，其特征在于：将对中机构中的反光圆台置换成了分立元件构成的阵列式光敏盘或集成的阵列式光敏元件。

3.如权利要求1中所述的竖直较正机构或传感器的构建法，其特征在于：将对中机构中的反光圆台和点光源置换成了悬芯带动的位移式的电、磁敏感元件的移动部分和沿外下筒下端设置固定部分构成的环形阵列或由悬芯带动的位移式的电、磁敏感元件的移动部分与设在基板上的固定部分形成的传感阵列，形成的非光电形式的机构。

4.如权利要求1和权利要求3中所述的竖直较正机构或传感器的构建法，其特征在于：将对中机构中所获得的信息通过转换在机构外以光电显示元件或数码显示器件映射显示。

5.如权利要求1和权利要求3中所述的竖直较正机构或传感器的构建法，其特征在于：将对中机构中所获得的信息作为使用智能设备控制的杆件机构的信息来源。

6.如权利要求1和权利要求3中所述的竖直较正机构或传感器的构建法，其特征在于：通过重力筒约束大倾斜角状态下的摆动自由度。

7.如权利要求1和权利要求3中所述的竖直较正机构或传感器的构建法，其特征在于：通过限位板限制芯筒在芯筒的摆动范围。