CN109000127A - 一种仪器设备自动调平装置及其方法 - Google Patents

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张辉
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Abstract

本发明公开一种仪器设备自动调平装置及其方法，该装置包括PLC、双轴倾角传感器和工作台，工作台用于支撑需要调平的仪器设备；PLC用于自动调平装置的信号采集、数据运算处理和运动控制；双轴倾角传感器至少包括第一双轴倾角传感器和第二双轴倾角传感器；第一双轴倾角传感器用于测量工作台与水平面之间的夹角；第二双轴倾角传感器用于测量仪器设备与水平面之间的夹角；工作台的台面在其支腿作用下转动，实现仪器设备的调平。本装置既可单独使用以提供水平工作台，也可用于工作台上的仪器设备的自动调平，从而为工业制造、装配和测量等应用领域提供更加丰富灵活的高精度自动调平手段。

Description

一种仪器设备自动调平装置及其方法
技术领域
本发明属于计量测试与自动控制领域，尤其是一种仪器设备自动调平装置及其方法。
背景技术
平面调平技术最初是在军事领域得到普遍应用，例如车载雷达平台、导弹及火炮发射平台、激光武器平台等军用设备，工作任务的特殊性决定了这些设备需要经常变换工作地点，并且要求迅速安装和调平到位，以确保设备的工作性能。随着工业产品质量升级，机械制造领域对调平技术的需求也越来越多，调平技术在钻井勘探平台、高精度加工设备、航空制造、汽车与船舶制造等方面都有着广泛应用。
平面调平技术还有另一个重要的应用就是在计量测试领域，尤其是在角度测量与检定中。对角度测量仪器来说，其基准平面的调平直接关系到角度测量的速度及精度。例如在使用水准仪测量飞机位置点高差、使用经纬仪或全站仪测量水平角和垂直角时，为了提高测量精度，都必须对测量仪器进行反复的粗调和精调以达到水平。
在角度测量仪器的检定中，也需要通过调平技术提供水平面来作为检定基准。例如，在水平仪和倾角仪的零位误差检定时，将被检定的仪器放置在工作台上，仪器测量基准平面与工作台平面重合，通过调平工作台来达到仪器调平的目的。而对于小角度检查仪、水平仪检定器等角度检定设备来说，使用时将这些设备放置在工作台上，检定设备的基准平面与工作台平面并不平行，这时就需要通过调整工作台来间接地将这些检定设备调成水平。
无论是上述哪种应用，传统的调平方式都是通过观察工作台及仪器设备上放置的水平仪水泡位置，人工手动调节千斤顶或丝杆，以达到调平的目的。调平过程繁琐、费时费力，而且调平精度低、抗倾覆能力差。经对自动调平技术的现有专利及文献检索发现，目前还没有用于仪器设备的自动调平装置及调平方法。
发明内容
针对背景技术中仪器设备调平的应用需求以及人工手动调平方法存在的不足，本发明提供一种仪器设备自动调平装置及其方法，使调平功能更丰富、调平精度和效率更高，操作灵活便捷，应用场合更加广泛。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种仪器设备自动调平装置，它包括PLC、双轴倾角传感器和工作台，工作台用于支撑需要调平的仪器设备；PLC用于自动调平装置的信号采集、数据运算处理和运动控制；双轴倾角传感器至少包括第一双轴倾角传感器和第二双轴倾角传感器；第一双轴倾角传感器用于测量工作台与水平面之间的夹角；第二双轴倾角传感器用于测量仪器设备与水平面之间的夹角；工作台的台面在其支腿作用下转动，实现仪器设备的调平。
进一步地，工作台采用四支腿结构；工作台的台面上安装有第一双轴倾角传感器；第一双轴倾角传感器的两个坐标轴方向分别与工作台的相邻两支腿的连线方向平行。
进一步地，工作台的各支腿上安装有压力传感器；PLC根据压力传感器的测量数据控制各支腿升降，使各支腿上所承受的压力均处于设定范围内。
一种仪器设备自动调平方法，它包括以下步骤：
步骤1，将需要调平的仪器设备置于工作台上，工作台的台面上安装第一双轴倾角传感器，仪器设备上安装第二双轴倾角传感器；
步骤2，PLC控制工作台的台面转动，根据转动前后第一双轴倾角传感器和第二双轴倾角传感器的测量数据，标定出两者坐标系之间的角度转换关系；
步骤3，根据第二双轴倾角传感器的测量数据，并结合步骤2建立的角度转换关系，PLC控制工作台的各支腿升降到指定位置。
进一步地，步骤2包括以下子步骤：
步骤2.1，根据双轴倾角传感器的坐标轴方向，分别建立第一双轴倾角传感器和第二双轴倾角传感器的坐标系O1X1Y1Z1和O2X2Y2Z2；O2X2轴、O2Y2轴与O1X1Y1平面的夹角分别为γ和η，O2X2轴在O1X1Y1平面内的投影与O1X1轴之间的夹角为θ；
步骤2.2，根据第一双轴倾角传感器的测量数据，PLC控制工作台的各支腿升降，并将工作台调平；
步骤2.3，PLC获取第二双轴倾角传感器的当前测量数据，得到夹角γ和η的值；
步骤2.4，PLC控制工作台的各支腿升降，使工作台的台面绕O1Y1轴转动角度α，α的值通过第一双轴倾角传感器测量得到；
步骤2.5，PLC重新获取第二双轴倾角传感器的测量数据，得到此时O2X2轴与水平面的夹角γ＇，γ＇满足如下公式：
sinγ′＝cosγsinαcosθ+sinγcosα
式中，α、γ、γ＇的值均已通过两支双轴倾角传感器测量得到，根据上式求解出夹角θ的值；θ、γ和η的值确定了两支双轴倾角传感器坐标系之间的角度转换关系。
进一步地，步骤3包括以下子步骤：
步骤3.1，PLC采集第二双轴倾角传感器的信号，得到仪器设备与水平面之间的夹角；
步骤3.2，根据步骤2的两支双轴倾角传感器坐标系之间的角度转换关系，计算仪器设备调平所需工作台的各支腿的位移量；
步骤3.3，根据步骤3.2的计算结果，PLC控制工作台的各支腿升降到指定位置；
步骤3.4，重复步骤3.1至步骤3.3，直至仪器设备与水平面之间的夹角小于预先设定的阈值，完成仪器设备自动调平。
有益效果：
1.本发明的自动调平装置采用至少两支双轴倾角传感器分别测量工作台和仪器设备的水平度，本装置既可以单独使用以提供水平工作台，也可以用于摆放在工作台上的仪器设备的自动调平；相比现有自动调平技术，本装置的调平功能更加丰富，调平系统更柔性化，使用更为灵活便捷。
2.本发明利用调平工作台自身的转动，并将工作台转动前后两支双轴倾角传感器的测量数据融合，建立它们测量坐标系之间的角度转换关系，实现了自动调平装置运动参数的自标定，提高了仪器设备自动调平的精度和效率。
3.本发明采用多传感器信息融合的方式实现仪器设备的自动调平，其中双轴倾角传感器提供平面调平的依据，压力传感器则测量各支腿上的受力情况，防止调平装置产生虚腿现象；当两类传感器的测量结果均满足设定的要求时，完成本装置的调平任务。
附图说明
图1是本发明的仪器设备自动调平装置结构示意图；
图中：101-PLC，102-第一双轴倾角传感器，103-第二双轴倾角传感器，104-仪器设备，105-工作台的台面，106-压力传感器，107-电动缸。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明公开了一种仪器设备自动调平装置，如图1所示，主要由工作台、可编程逻辑控制器(PLC)101和两支双轴倾角传感器组成。
PLC 101用于自动调平装置的信号采集、数据运算处理和运动控制。
两支双轴倾角传感器分别为第一双轴倾角传感器102及第二双轴倾角传感器103，第一双轴倾角传感器102用于测量工作台与水平面之间的夹角，第二双轴倾角传感器103用于测量仪器设备104与水平面之间的夹角。其中，第一双轴倾角传感器102通过螺纹连接固定安装在工作台的台面105上，其坐标轴O1X1、O1Y1的方向分别与工作台的相邻两支腿的连线方向平行。第二双轴倾角传感器103可通过磁吸机构等固定安装在仪器设备104基座上的任意合适位置。
仪器设备104包括经纬仪、全站仪等测量设备以及小角度检查仪、水平仪检定器等检定设备。
工作台采用四支腿结构，用于支撑需要调平的仪器设备104。工作台的台面105在其各支腿的作用下转动，以达到将仪器设备104调平的目的。工作台的台面105采用大理石材料，其抗变形能力强，并能够达到很高的平面度精度要求。
工作台的各支腿用于支撑和带动工作台的台面105旋转，工作台的各支腿由电动缸107、机械安装与传动机构以及压力传感器106组成。电动缸107是工作台的各支腿的驱动部件，它在电机驱动下产生直线位移，用于顶升工作台的台面105并使其产生相对转动。压力传感器106实时检测各支腿的受力情况，用于判断调平过程中工作台是否存在虚腿现象。机械安装与传动机构则用于电动缸107、压力传感器106和工作台的台面105三者之间的机械连接和运动传递。
本发明还公开了一种仪器设备自动调平方法，包括以下步骤：
步骤1，将仪器设备104置于自动调平装置的工作台上，第一双轴倾角传感器102安装在工作台的台面105上，第二双轴倾角传感器103安装在仪器设备104基座上；
步骤2，PLC 101控制工作台的台面105转动，根据转动前后第一双轴倾角传感器102和第二双轴倾角传感器103的测量数据，标定出两支倾角传感器坐标系之间的角度转换关系；
步骤3，根据第二双轴倾角传感器103的测量数据，并结合步骤2建立的角度转换关系，PLC 101控制工作台的各支腿升降到指定位置。
作为一种仪器设备自动调平方法进一步的优化方案，上述步骤2包括以下子步骤：
步骤2.1，根据双轴倾角传感器的坐标轴方向，分别建立第一双轴倾角传感器102和第二双轴倾角传感器103的坐标系O1X1Y1Z1和O2X2Y2Z2。O2X2轴、O2Y2轴与O1X1Y1平面的夹角分别为γ和η，O2X2轴在O1X1Y1平面内的投影与O1X1轴之间的夹角为θ；
步骤2.2，根据第一双轴倾角传感器102的测量数据，PLC 101控制工作台的各支腿升降，并将工作台调平；
步骤2.3，PLC 101获取第二双轴倾角传感器103的当前测量数据，得到夹角γ和η的值；
步骤2.4，PLC 101控制各支腿升降使工作台105绕O1Y1轴转动角度α，α的值通过第一双轴倾角传感器102测量得到；
步骤2.5，PLC 101重新获取第二双轴倾角传感器103的测量数据，得到此时O2X2轴与水平面的夹角γ＇，γ＇满足如下公式：
sinγ′＝cosγsinαcosθ+sinγcosα
式中，α、γ、γ＇的值均已通过两支双轴倾角传感器测量得到，因此根据上式可以求解出夹角θ的值；
步骤2.6，重复步骤2.2至步骤2.5 10次，分别取10次测量的平均值作为θ、γ和η的最终测量结果。θ、γ和η的值确定了两支双轴倾角传感器坐标系之间的角度转换关系。
作为一种仪器设备自动调平方法进一步的优化方案，上述步骤3包括以下子步骤：
步骤3.1，PLC 101采集第二双轴倾角传感器103的信号，得到仪器设备104与水平面之间的夹角；
步骤3.2，根据步骤2建立的两支双轴倾角传感器坐标系之间的角度转换关系，计算仪器设备104调平所需的工作台的各支腿的位移量；
步骤3.3，根据步骤3.2的计算结果，PLC 101控制工作台的各支腿升降到指定位置；
步骤3.4，重复步骤3.1至步骤3.3，直至仪器设备104与水平面之间的夹角小于预先设定的阈值，完成仪器设备自动调平。
对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种仪器设备自动调平装置，其特征在于，它包括PLC(101)、双轴倾角传感器和工作台，所述工作台用于支撑需要调平的仪器设备(104)；所述PLC(101)用于自动调平装置的信号采集、数据运算处理和运动控制；所述双轴倾角传感器至少包括第一双轴倾角传感器(102)和第二双轴倾角传感器(103)；所述第一双轴倾角传感器(102)用于测量所述工作台与水平面之间的夹角；所述第二双轴倾角传感器(103)用于测量所述仪器设备(104)与水平面之间的夹角；所述工作台的台面(105)在其支腿作用下转动，实现所述仪器设备(104)的调平。
2.根据权利要求1所述的仪器设备自动调平装置，其特征在于，所述工作台采用四支腿结构；所述工作台的台面(105)上安装有所述第一双轴倾角传感器(102)；所述第一双轴倾角传感器(102)的两个坐标轴方向分别与所述工作台的相邻两支腿的连线方向平行。
3.根据权利要求1所述的仪器设备自动调平装置，其特征在于，所述工作台的各支腿上安装有压力传感器(106)；所述PLC(101)根据所述压力传感器(106)的测量数据控制各支腿升降，使各支腿上所承受的压力均处于设定范围内。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的仪器设备自动调平方法，其特征在于，它包括以下步骤：
步骤1，将需要调平的所述仪器设备(104)置于所述工作台上，所述工作台的台面(105)上安装所述第一双轴倾角传感器(102)，所述仪器设备(104)上安装所述第二双轴倾角传感器(103)；
步骤2，所述PLC(101)控制所述工作台的台面(105)转动，根据转动前后所述第一双轴倾角传感器(102)和所述第二双轴倾角传感器(103)的测量数据，标定出两者坐标系之间的角度转换关系；
步骤3，根据所述第二双轴倾角传感器(103)的测量数据，并结合步骤2建立的角度转换关系，所述PLC(101)控制所述工作台的各支腿升降到指定位置。
5.根据权利要求4所述的仪器设备自动调平方法，其特征在于，所述步骤2包括以下子步骤：
步骤2.1，根据双轴倾角传感器的坐标轴方向，分别建立所述第一双轴倾角传感器(102)和所述第二双轴倾角传感器(103)的坐标系O1X1Y1Z1和O2X2Y2Z2；O2X2轴、O2Y2轴与O1X1Y1平面的夹角分别为γ和η，O2X2轴在O1X1Y1平面内的投影与O1X1轴之间的夹角为θ；
步骤2.2，根据所述第一双轴倾角传感器(102)的测量数据，所述PLC(101)控制所述工作台的各支腿升降，并将所述工作台调平；
步骤2.3，所述PLC(101)获取所述第二双轴倾角传感器(103)的当前测量数据，得到夹角γ和η的值；
步骤2.4，所述PLC(101)控制所述工作台的各支腿升降，使所述工作台的台面(105)绕O1Y1轴转动角度α，α的值通过所述第一双轴倾角传感器(102)测量得到；
步骤2.5，所述PLC(101)重新获取所述第二双轴倾角传感器(103)的测量数据，得到此时O2X2轴与水平面的夹角γ＇，γ＇满足如下公式：
sinγ′＝cosγsinαcosθ+sinγcosα
式中，α、γ、γ＇的值均已通过两支双轴倾角传感器测量得到，根据上式求解出夹角θ的值；θ、γ和η的值确定了两支双轴倾角传感器坐标系之间的角度转换关系。
6.根据权利要求4所述的仪器设备自动调平方法，其特征在于，所述步骤3包括以下子步骤：
步骤3.1，所述PLC(101)采集所述第二双轴倾角传感器(103)的信号，得到所述仪器设备(104)与水平面之间的夹角；
步骤3.2，根据步骤2的两支双轴倾角传感器坐标系之间的角度转换关系，计算所述仪器设备(104)调平所需所述工作台的各支腿的位移量；
步骤3.3，根据步骤3.2的计算结果，所述PLC(101)控制所述工作台的各支腿升降到指定位置；
步骤3.4，重复步骤3.1至步骤3.3，直至所述仪器设备(104)与水平面之间的夹角小于预先设定的阈值，完成仪器设备自动调平。
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