CN110514171B - 一种双扇形旋转激光自动经纬仪的发射头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种双扇形旋转激光自动经纬仪的发射头，结构简单，设计合理，线激光均匀质量好，线性度高，保证了系统的测量精度。其包括旋转座、激光发射电路、准直透镜组和鲍威尔棱镜；所述的激光发射电路包括激光二极管和设置在旋转座内的激光器二极管驱动电路；所述的旋转座上部沿径向设置两条垂直且中心重合的内螺纹孔，重合的中心位于旋转座的回转中心线上；每个内螺纹孔中依次同光轴安装配重元件、激光二极管、准直透镜组和鲍威尔棱镜；准直透镜组中设置有光阑；通过调节配重元件在对应内螺纹孔中的安装位置，使得发射头的质心经过回转中心线。

Description

一种双扇形旋转激光自动经纬仪的发射头

技术领域

本发明涉及大尺寸空间测量技术领域，特别是涉及一种旋转激光自动经纬仪的发射头。

背景技术

现有的激光经纬仪测量系统在每次测量时都需要人工对准，这样不仅会降低工作效率，而且会人为引入误差。旋转激光自动经纬仪定位系统基于空间交汇原理，是今年来发展起来的新型分布式大尺寸测量系统，包括经纬仪网络、光电探测系统、同步光基站、嵌入式信号处理器和工控机五大部分，广泛应用在航空、航天、船舶和大型电站等大型机械设备的制造装配领域，测量范围大，测量精度高，测量时间短。

在旋转激光自动经纬仪测量系统中，经纬仪发射头的旋转精度和动平衡性，以及扇形激光平面的平面度和均匀性直接决定了大尺寸测量的精度。然而在现有的大尺寸测量技术中，发射头难以保证其结构的质心和回转中心重合，因此动平衡性较差；发射头一般都采用现成的点激光器，缺乏光路的自主性设计；现有点激光器的准直效果较差，而高质量的激光器价格过高；另外线激光发生器一般采用圆柱棱镜，其线激光的直线度和均匀性较差，难以满足高精度测量的要求。例如，中国专利文献“一种双扇形旋转激光自动经纬仪装置”(申请号201710129828.0)，该专利申请公开了一种双扇形旋转激光自动经纬仪装置的发射头结构，但其缺乏具体的光路设计，结构的质心和回转中心不重合，其动平衡性较差。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种双扇形旋转激光自动经纬仪的发射头，结构简单，设计合理，线激光均匀质量好，线性度高，保证了系统的测量精度。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种双扇形旋转激光自动经纬仪的发射头，包括旋转座、激光发射电路、准直透镜组和鲍威尔棱镜；

所述的激光发射电路包括激光二极管和设置在旋转座内的激光器二极管驱动电路；

所述的旋转座上部沿径向设置两条垂直且中心重合的内螺纹孔，重合的中心位于旋转座的回转中心线上；每个内螺纹孔中依次同光轴安装配重元件、激光二极管、准直透镜组和鲍威尔棱镜；准直透镜组中设置有光阑；

通过调节配重元件在对应内螺纹孔中的安装位置，使得发射头的质心经过回转中心线。

优选的，所述的准直透镜组包括四个透镜，分别为由激光二极管向鲍威尔棱镜依次设置的两平凸透镜、一平凹透镜和一双凸透镜，光阑设置在平凹透镜和双凸透镜之间。

进一步，同一个内螺纹孔中激光二极管和两平凸透镜安装在中心一侧，平凹透镜、光阑、双凸透镜和鲍威尔棱镜安装在中心另一侧。

进一步，激光二极管、平凸透镜、平凹透镜、光阑、双凸透镜和鲍威尔棱镜均通过卡环固定在内螺纹孔中。

再进一步，鲍威尔棱镜封装固定在鲍威尔棱镜转接件上，激光二极管固定在激光二极管散热座上；卡环将激光二极管散热座和鲍威尔棱镜转接件分别固定在内螺纹孔中。

优选的，配重元件外圆面为螺纹，螺纹连接在对应的内螺纹孔中。

优选的，所述的旋转座底部与电机输出轴连接。

优选的，还包括固定在旋转座底部的尼龙垫圈，以及用于给激光二极管驱动电路供电的非接触线圈供电装置；非接触线圈供电装置包括无线供电接收模块和发射模块，发射模块包括发射线圈，发射线圈固定在电机的发射线圈座上，无线供电接收模块包括接收线圈，接收线圈以回转中心线为中心固定在尼龙垫圈上。

进一步，激光二极管驱动电路固定在旋转座底面的方形槽中，由尼龙垫圈压紧设置。

优选的，两个鲍威尔棱镜的两激光平面与过各自光路中心线的竖直平面的夹角分别为正负30度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述的发射头，通过设置呈十字型的螺纹孔，将光学组件和激光组件均匀可调的布置在其中，且布置有可调节的配重元件，使得质心与旋转中心重合，旋转动平衡性好；配合设置的光阑可以过滤杂光，使光信号更易处理，提高了嵌入式硬件系统的计算精度；准直透镜组的准直效果很好，经鲍威尔棱镜将点激光展开成线激光，光线均匀，直线度好，得到的激光平面窄而平。通过一体化的加工，无需顶盖，尺寸缩小，结构更简单，充分使用旋转座的空间，且通过一体加工保证了两光路的垂直度，保证了两平面与旋转激光发射头的回转轴交点距离最小，减小了系统误差。

附图说明

图1为双扇形旋转激光发射头的剖面图；

图2为双扇形旋转激光发射头光路示意图；

图3位图2的B向视图中激光平面方向示意图；

图4为图2的C向视图中激光平面方向示意图；

图5为无线供电发射模块的电路图；

图6为无线供电接收模块的电路图。

图中：旋转座101、激光二极管102、激光二极管散热座103、平凸透镜104、平凹透镜105、双凸透镜106、鲍威尔棱镜107、鲍威尔棱镜转接件108、光阑109、卡环110、激光器二极管驱动电路111、配重元件112、尼龙垫圈201、电机输出轴202、紧定螺钉203、无线供电接收模块204、无线供电发射模块205。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明发射头将光学组件和激光组件均匀可调的布置在其中，且布置有可调节的配重元件，保证了发射头质心与回转中心线重合，进而保证了发射头的动平衡性；通过准直透镜组达到良好的准直效果；鲍威尔棱镜保证了扇形激光平面的平面度和光线的均匀性。本发明从装置结构上提高了发射头转动的动平衡性和射出扇形激光平面的平面度，因此在本质上提高了目标点的测量精度。

同时通过将发射头发出激光平面与竖直平面保证正负30度夹角，因此两激光平面同时相交于回转中心线上的点正是两条光路中心线的交点；从而能够采用空间平面的交会原理，通过外置的光电传感器采集经纬仪发射头发出的两个激光平面信号，经过嵌入式信号处理器处理数据，最终传到上位机进行解算，即可得到传感器所在位置的实时水平角和俯仰角。

本发明一种双扇形旋转激光自动经纬仪的发射头，包括旋转座101、激光发射电路、准直透镜组和鲍威尔棱镜107；激光发射电路包括激光二极管102和设置在旋转座101内的激光器二极管驱动电路111；旋转座101上部沿径向设置两条垂直且中心重合的内螺纹孔，重合的中心位于旋转座101的回转中心线上；每个内螺纹孔中依次同光轴安装配重元件112、激光二极管102、准直透镜组和鲍威尔棱镜107；准直透镜组中设置有光阑109；通过调节配重元件112在对应内螺纹孔中的安装位置，使得发射头的质心经过回转中心线。激光二极管驱动电路111固定在旋转座101底面的方形槽中，由尼龙垫圈201压紧设置。

其中，同一个内螺纹孔中激光二极管102和两平凸透镜104通过卡环110安装在中心一侧，平凹透镜105、光阑109、双凸透镜106和鲍威尔棱镜107通过卡环110安装在中心另一侧。配重元件112外圆面为螺纹，螺纹连接在对应的内螺纹孔中；配重元件112设置在激光二极管102的外侧。鲍威尔棱镜107封装固定在鲍威尔棱镜转接件108上，激光二极管102固定在激光二极管散热座103上；卡环110将激光二极管散热座103和鲍威尔棱镜转接件108分别固定在内螺纹孔中。

旋转座101底部与电机输出轴202连接；在旋转座101底部固定尼龙垫圈201，通过非接触线圈供电装置给激光二极管驱动电路111供电的；非接触线圈供电装置包括无线供电接收模块204和发射模块205，发射模块205采用发射线圈，发射线圈固定在电机的发射线圈座上，无线供电接收模块204采用接收线圈，接收线圈以回转中心线为中心固定在尼龙垫圈201上。

具体的，如图1所示，双扇形旋转激光自动经纬仪发射头包括旋转座101、激光二极管102、激光二极管散热座103、激光器二极管驱动电路111、准直透镜组、鲍威尔棱镜107、鲍威尔棱镜转接件108、光阑109和卡环110。其中，旋转座101包括两条垂直且中心重合的内螺纹孔，内螺纹孔均沿径向设置；通过卡环110将激光二极管散热座103、准直透镜组中的透镜、光阑109和鲍威尔棱镜转接件108紧定在旋转座101的十字型螺纹孔的固定位置；激光二极管102固定在激光二极管散热座103上，并将鲍威尔棱镜107和鲍威尔棱镜转接件108封装固定；旋转座101和尼龙垫圈201固定；无线供电接收模块204固定在尼龙垫圈201上；通过紧定螺钉203将旋转座101与电机输出轴202连接。

由激光二极管102射出的高斯分布的椭圆光斑，经过准直透镜组的准直整合之后，形成准直效果好的圆形光斑，在准直镜组中间加上光阑109，利用光阑109孔过滤杂光，最终将圆形光斑缩小为一点，形成点光源，打到鲍威尔棱镜的发散棱上，产生质量均匀且直线度好的线激光。激光二极管驱动电路111固定在旋转座101底面的方形槽中。旋转鲍威尔棱镜转接件108使两个鲍威尔棱镜107的两激光平面与过各自光路中心线的竖直平面的夹角分别为正负30度。

激光二极管驱动电路111固定在旋转座101上，用于驱动激光二极管102。本发明的发射头，从结构上提高了旋转动平衡性和射出线激光的直线度，进而提高了旋转激光自动经纬仪系统的测量精度。

非接触线圈供电装置用于给激光二极管驱动电路111供电；非接触线圈供电装置分为无线供电接收模块204和发射模块205两个部分。如图5所示，发射模块205包括发射线圈L1，发射线圈固定在电机的发射线圈座上；如图6所示，无线供电接收模块204包括接收线圈L2，接收线圈固定在尼龙垫圈201上，尼龙垫圈201和旋转座101底部紧固；本发明采用非接触线圈供电装置，可为转动的激光二极管102供电，体积小而且重量轻，免维护成本低，无污染。

电机输出轴202和旋转座101通过紧定螺钉紧固，用于驱动双平面旋转激光发射头旋转。

本发明的准直透镜组包括四个透镜，分别为两平凸透镜104、一平凹透镜105和一双凸透镜106，经过准直透镜组的光束整合，准直效果远好于非球面透镜准直器，可以在长远距离达到很好的准直作用，满足大尺寸测量要求；圆形光斑能量分布均匀，可经光阑109缩小后，形成点光源，直接打到鲍威尔棱镜107的发散棱上。此外，鲍威尔棱镜107发散出的线激光光强均匀，线性度好。

Claims (10)

1.一种双扇形旋转激光自动经纬仪的发射头，其特征在于，包括旋转座(101)、激光发射电路、准直透镜组和鲍威尔棱镜(107)；

所述的激光发射电路包括激光二极管(102)和设置在旋转座(101)内的激光器二极管驱动电路(111)；

所述的旋转座(101)上部沿径向设置两条垂直且中心重合的内螺纹孔，重合的中心位于旋转座(101)的回转中心线上；每个内螺纹孔中依次同光轴安装配重元件(112)、激光二极管(102)、准直透镜组和鲍威尔棱镜(107)；准直透镜组中设置有光阑(109)；

通过调节配重元件(112)在对应内螺纹孔中的安装位置，使得发射头的质心经过回转中心线。

2.根据权利要求1所述的一种双扇形旋转激光自动经纬仪的发射头，其特征在于，所述的准直透镜组包括四个透镜，分别为由激光二极管(102)向鲍威尔棱镜(107)依次设置的两平凸透镜(104)、一平凹透镜(105)和一双凸透镜(106)，光阑(109)设置在平凹透镜(105)和双凸透镜(106)之间。

3.根据权利要求2所述的一种双扇形旋转激光自动经纬仪的发射头，其特征在于，同一个内螺纹孔中激光二极管(102)和两平凸透镜(104)安装在中心一侧，平凹透镜(105)、光阑(109)、双凸透镜(106)和鲍威尔棱镜(107)安装在中心另一侧。

4.根据权利要求2所述的一种双扇形旋转激光自动经纬仪的发射头，其特征在于，激光二极管(102)、平凸透镜(104)、平凹透镜(105)、光阑(109)、双凸透镜(106)和鲍威尔棱镜(107)均通过卡环(110)固定在内螺纹孔中。

5.根据权利要求4所述的一种双扇形旋转激光自动经纬仪的发射头，其特征在于，鲍威尔棱镜(107)封装固定在鲍威尔棱镜转接件(108)上，激光二极管(102)固定在激光二极管散热座(103)上；卡环(110)将激光二极管散热座(103)和鲍威尔棱镜转接件(108)分别固定在内螺纹孔中。

6.根据权利要求1所述的一种双扇形旋转激光自动经纬仪的发射头，其特征在于，配重元件(112)外圆面为螺纹，螺纹连接在对应的内螺纹孔中。

7.根据权利要求1所述的一种双扇形旋转激光自动经纬仪的发射头，其特征在于，所述的旋转座(101)底部与电机输出轴(202)连接。

8.根据权利要求1所述的一种双扇形旋转激光自动经纬仪的发射头，其特征在于，还包括固定在旋转座(101)底部的尼龙垫圈(201)，以及用于给激光二极管驱动电路(111)供电的非接触线圈供电装置；非接触线圈供电装置包括无线供电接收模块(204)和发射模块(205)，发射模块(205)包括发射线圈，发射线圈固定在电机的发射线圈座上，无线供电接收模块(204)包括接收线圈，接收线圈以回转中心线为中心固定在尼龙垫圈(201)上。

9.根据权利要求8所述的一种双扇形旋转激光自动经纬仪的发射头，其特征在于，激光二极管驱动电路(111)固定在旋转座(101)底面的方形槽中，由尼龙垫圈(201)压紧设置。

10.根据权利要求1所述的一种双扇形旋转激光自动经纬仪的发射头，其特征在于，两个鲍威尔棱镜(107)的两激光平面与过各自光路中心线的竖直平面的夹角分别为正负30度。

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