CN1938560A - 用于光束投影装置的双轴单电动机平台调整系统 - Google Patents

Abstract

公开一种在光束投影装置中用于调整投影光束取向的设备。该设备包括：底座，适合于设定投影光束取向的支承平台，和可转动地安装支承平台到底座上的枢轴部件。底座上的倾斜电动机有一对影响支承平台取向的输出轴，因此，输出轴沿第一方向的转动仅仅沿第一轴倾斜该支承平台，而输出轴沿第二方向的转动仅仅沿第二轴倾斜该支承平台。还提供一个用于驱动倾斜电动机的电源。

Description

用于光束投影装置的 双轴单电动机平台调整系统

技术领域

本发明涉及激光束投影装置，具体涉及可以控制转动激光束的取向的设备。

背景技术

在过去的测量和建筑应用中，人们已经利用若干种不同的激光束系统以提供转动的参考激光束。这个参考的光平面可用于迅速测量高度和坡度。此外，每个移动和其他建筑设备可以安装激光束检测装置，通过控制系统与检测装置的耦合以实现该设备的自动或半自动控制。

激光束投影仪通常采用转动反射的组合装置，该装置沿水平面或选取的倾斜面扫描激光束。一些现有技术的投影仪包含视觉可读的倾斜传感器和手动调整螺丝，可以沿所需的空间方位角定向投影仪。这种投影仪的缺点是，它的精确度部分地取决于操作员在初始调整投影仪取向时的技术。此外，随后未被注意的干扰该装置可以造成错误的测量结果。

其他现有技术的投影仪包含用于检测支承平台取向的电传感器并产生用于反馈控制系统的电信号。反馈控制系统激励电动机，它使支承平台运动到与传感器对准的位置。当参考激光平面的取向角是水平时，操作员激励每个指定轴的坡度电动机，从而使传感器相对于支承平台发生倾斜。然后，反馈控制系统重新定向支承平台，可以使该轴的传感器返回到它的对准位置，从而使底座倾斜一定的量。可以理解，这就要求多个电动机完成传感器和支承平台沿多个轴的取向，因此，该系统是相当复杂和昂贵的。

发明内容

所以，我们仍然需要一种用于激光束投影装置的设备，该设备可以按照简单的方式调整支承平台的取向。

在一个实施例中，公开一种在光束投影装置中用于调整投影光束取向的设备。该设备包括：底座，适合于设定投影光束取向的支承平台，和可转动地安装支承平台到底座上的枢轴部件。底座上安装的倾斜电动机有一对影响支承平台取向的输出轴，因此，输出轴沿第一方向的转动仅仅沿第一轴倾斜支承平台，而输出轴沿第二方向的转动仅仅沿第二轴倾斜支承平台。还提供一个用于驱动倾斜电动机的电源。

在另一个实施例中，公开一种在光束投影装置中用于调整投影光束取向的设备。该设备包括：底座，适合于设定投影光束取向的支承平台，和可转动地安装支承平台到底座上的枢轴部件。在底座上安装的倾斜电动机有一对输出轴，该输出轴借助于各自的单向离合器连接到各自的一对凸轮。该凸轮啮合支承平台，因此，输出轴沿第一方向的转动仅仅转动一个凸轮，而输出轴沿第二方向的转动仅仅转动另一个凸轮，该凸轮可以调整支承平台的取向，和投影光束的取向。还提供一个用于驱动倾斜电动机的电源。

在另一个实施例中，公开一种在光束投影装置中用于调整投影光束取向的设备。该设备包括：底座，适合于设定投影光束取向的支承平台，和可转动地安装支承平台到底座上的枢轴部件。在底座上安装的倾斜电动机有一对输出轴，该输出轴借助于各自的单向离合器连接到各自的一对凸轮。该凸轮啮合支承平台，因此，输出轴沿第一方向的转动仅仅转动一个凸轮，而输出轴沿第二方向的转动仅仅转动另一个凸轮，该凸轮可以调整支承平台的取向，和投影光束的取向。控制系统控制倾斜电动机，并至少提供一个倾斜传感器，用于提供代表支承平台检测取向的电信号到控制系统，用于操作倾斜电动机闭环。还提供一个用于驱动倾斜电动机的电源。

根据以下结合附图对本发明各个实施例的描述，可以更充分地理解本发明的这些和其他的特征和优点。应当注意，权利要求书的范围是由以下的描述限定，而不是由以下的描述中对特征和优点的具体讨论限定。

附图说明

参照以下结合附图的描述，可以更好地理解本发明的组织和运行方式，以及本发明的其他目的和优点，其中：

图1是部分的激光束投影装置的透视图，其中为了便于说明而去掉一些部件，并表示按照本发明的双轴单电动机的平台调整系统；

图2是图1所示装置的侧视图，其中为了便于说明而画出部分的支承平台以及去掉其他的部件，并表示按照本发明的离合器设计实施例；

图3A和3B是按照本发明的各种离合器设计实施例的部分分解图；

图4是按照本发明的双轴单电动机平台调整系统的一个控制系统例子方框图；和

图5是按照本发明的双轴单电动机平台调整系统的一个用户接口例子方框图。

具体实施方式

虽然本发明可以有不同形式的实施例，但是在附图中详细地描述特定的实施例，应当明白，此处公开的内容是对本发明原理的说明，而不是对本发明描述的限制。

专业技术人员应当知道，为了简单和清楚地说明附图中的元件，这些元件不必是按比例画出的。例如，附图中某些元件的尺寸相对于其他元件的尺寸是夸大的，这有助于提高对本发明各个实施例的理解。

现在参照图1，图1表示部分的激光束投影装置2，它提供按照本发明构造的双轴单电动机平台调整系统4。调整系统4用于调整和控制支承平台10的取向(俯仰和滚转)，在支承平台10上安装激光束光源12。应当理解，为了便于说明，已去掉放置在激光束投影装置2内和安装在支承平台10附近的许多部件。

如图1所示，激光束光源12引导光束14向上通过透镜16。在一个实施例中，激光束光源12是二极管泵浦的激光器，它产生约635nm至约690nm波长范围内的可见光束。在其他的实施例中，激光束光源12可以是现有技术中已知的任何合适波长400-700nm的第II类或第IIIa类激光源。在所描述的实施例中，光束14是被转动组件18以直角反射，转动组件18是被支撑在支承平台10的上部，为的是确定参考平面20。转动组件18以90°角反射光束14到入射光程，且转动组件18可以是棱镜，例如，五棱镜，平行四边形棱镜，任何其他的反射面，或沿水平方向提供光束14的装置。所以，参考平面20的取向是与支承平台10的取向(俯仰和滚转)直接有关。

底座22是由枢轴部件24可转动地支撑在支承平台10上。在一个实施例中，枢轴部件24是提供在底座22上。在另一个实施例中，枢轴部件24可以是万向支架装置的形式。在这两个实施例中，枢轴部件24是沿图1所示的第一轴Z支撑支承平台10，并允许支承平台10独立地围绕图1所示两个正交轴X和Y转动，X轴和Y轴代表支承平台10在直角坐标系统中俯仰和滚转的轴。

安装在底座22上的倾斜电动机26转动支承平台10。倾斜电动机26是双向电动机，它有两个输出轴32和32′，这两个轴是沿相反的方向从倾斜电动机26向外延伸。一般地说，倾斜电动机26的输出轴32和32′沿第一方向的转动仅仅沿第一轴，例如，沿X轴倾斜支承平台，而输出轴沿第二方向的转动仅仅沿第二轴，例如，沿Y轴倾斜支承平台。

在一个实施例中，倾斜电动机26是步进电动机，它沿每个X轴和Y轴提供的角分辨率约为1弧分。应当理解，提供更精细的角分辨率也是在本发明的精神和范围内。在其他的实施例中，倾斜电动机26可以是脉冲倾斜电动机26是或无电刷直流电动机。

在一个实施例中，凸轮28和30安装在输出轴32和32′的两端。该对凸轮28和30沿X轴和Y轴的两点之间各自弦线靠近支承平台10的底面，并作为支承平台10的定位机构。如图所示，每个凸轮28和30在至少部分的外表面上是非圆形，例如，椭圆形，抛物线形，和/或双曲线形表面部分。在一个实施例中，凸轮28和30的形状是相同的，因此，沿X轴和Y轴的±5°倾斜角是可选择的。然而，应当理解，在另一个实施例中，凸轮28和30的形状可以是不同的，以便提供可变的在X轴和Y轴之间的倾斜角范围。此外，在其他的实施例中，输出轴32和32′可以是分别啮合蜗轮的蜗杆。然而，应当理解，可以利用现有技术中知道的任何其他合适的传动装置，其中当倾斜电动机26沿一个方向转动时，该装置仅仅沿一个轴调整支承平台10，而当倾斜电动机26沿另一个方向转动时，该装置仅仅沿另一个轴调整支承平台10。

在一个实施例中，如图2所示，输出轴32的第一端通过单向离合器34与它对应的凸轮28连接，它沿一个方向施加转矩负荷，并沿相反的方向自由地超限运动。例如，在一个实施例中，单向离合器34包括：棘爪36和棘轮38装置。在图3A和3B所示的其他实施例中，单向离合器34包括：安装在输出轴32上的半柔性棘爪36a或弹性棘爪36b，它沿一个转动方向啮合凸轮28a的棘爪部分38a，而在沿相反的转动方向上滑移。

半柔性棘爪36a可以是这样的材料和结构，它在沿滑移方向上让位或压缩，而在相反的方向上是刚性或变硬的。同样地，弹性棘爪36b在滑移方向包含多个折叠的齿，但在弹簧张力下是打开的，并在相反方向的运动范围内受到限制。还应当理解，在不偏离本发明精神和范围的条件下，还可以利用任何已知的单向离合器，例如，在轴与外座圈之间有辊楔的单向离合器。

再参照图1，在凸轮30与输出轴32′之间还安装另一个单向离合器34′，用于沿相反的方向转动它对应的凸轮。例如，在一个实施例中，当棘爪36啮合棘轮38时，输出轴32和32′的逆时钟方向转动使凸轮28转动，而凸轮30上的其他单向离合器34′同时发生滑移。按照这种方式，仅仅调整支承平台10沿Y轴的取向。另一方面，输出轴32和32′的顺时钟方向转动使凸轮30上的单向离合器34′发生滑移，与此同时，它转动在Y轴上放置的凸轮28。按照这种方式，仅仅调整支承平台10沿X轴的取向。

回到图1，在支承平台10与底座22之间安装偏置件40。在所示的实施例中，在偏置件40的影响下，支承平台10和底座22被压在一起，其中偏置件40在所示的实施例中放置在它们的角上。如上所述，凸轮28和30使支承平台10有需要的取向。借助于偏置件40，支承平台10在弹簧张力下仍保持在该需要的取向。合适偏置件40的例子包括：弹簧，松紧带，柔性材料等。

在另一个实施例中，支承平台10还包含单轴倾斜传感器42和44，这两个倾斜传感器分别提供在X轴和Y轴上。倾斜传感器42和44提供用于检测支承平台10倾斜的重力基准，而每个倾斜传感器产生一个电信号，该信号指出支承平台10沿它们的各自轴的取向。借助于凸轮28和30，这可以使倾斜电动机26移动支承平台10到需要的取向，其中利用控制系统控制倾斜电动机26a的运行，例如，在以下讨论的例子中。合适倾斜传感器42和44的例子包括：电解液倾斜传感器，MEMS倾斜传感器，倾斜换能器等。应当理解，如果需要，代替单轴倾斜传感器42和44或添加其他的倾斜传感器，在不偏离本发明精神和范围的条件下，还可以利用单个双轴倾斜传感器，它提供俯仰和滚转测量结构，并放置在沿Z轴的中心位置。

图4表示按照本发明嵌入式控制系统46的示意方框图。如图4所示，该控制系统驱动倾斜电动机26而使支承平台10处在需要的取向。该控制系统包含控制电路48，例如，精简指令集计算机(RISC)控制器，用于计算所需的电动机转动方向和步长数目以实现指定的取向。控制电路48包括：有电子可编程非易失性存储器(例如，EPROM)52的处理器50。处理器50提供各种功能控制，它是借助于随板静态随机存储器(SRAM)54，定时器/计数器56，输入和输出端口(I/O)58，以及图5所示的用户接口60实现的。

用户接口60用于产生控制信号，它可以控制控制电路48的各种操作，如以下详细讨论的。如图所示，用户接口60提供一对倾斜角输入键62和64，分别用于选取沿X轴和Y轴的参考平面20的所需取向。X轴和Y轴的预设所需取向的数字值分别显示在显示器单元66和68上，并可以利用调整键70进行向上调整或向下调整。应当理解，在另一个实施例中，数字小键盘也可以具有输入所需的X-Y取向的相同功能。

在一个实施例中，还提供一个输入键72，因此，可以首先确定所需的X-Y取向并显示在显示器单元66和68上。在选取输入键72之后，控制系统46可以借助于凸轮28和30调整支承平台10，从而使支承平台到达显示器单元66和68中显示的预设所需取向。借助于传感器42和44提供的反馈控制和控制电路48，输入键62和64可以照明不同的颜色，指出支承平台10是在所需的取向(例如，从红色到绿色)。在另一个实施例中，选取手动选择键74，一个角度输入键62或64，和调整键70，就能使用户按照手动方式调整支承平台10的取向。

再回到图4，电源76，例如，电池，它给控制电路48和电动机26提供所需的电流。受控制电路48输出控制的开关电路78用于从电源76切换电流到电动机26的指定电极，用于微步进，方向，和制动控制。在一个实施例中，开关电路可以是H型桥接电路，用于操作电动机沿正向或反向的转动，以及用于电动机的微步进和制动。然而，应当理解，在本发明的范围内可以利用其他类型的桥接电路。

在这个实施例中，激光束14形成的参考平面20可以设置在水平方向或任何的角度。在激光束装置形成水平参考平面的情况下，现在描述上述激光投影装置的水平调整操作。

在借助于on/off开关80(图5)启动装置2时，支承平台10通常不是在水平位置。我们假设，装置2以及倾斜传感器42和44是正确定标的，且“零”坡度(即，水平参考平面)输入到显示器单元66和68，响应于倾斜传感器42和44的控制系统46借助于凸轮28和30使支承平台10发生转动，直至传感器42和44是在它的零位置或参考位置。这可以导致支承平台10以高的精确度相对于重力沿水平方向取向。因此，激光束14提供与重力基本水平对准的水平参考平面20。

其次，我们描述激光束14形成的参考平面20设置成与X轴和Y轴之间有一个任意角度的情况。

利用角度键62，64，调整器70，和输入键72，或在手动方式下，利用手动键74，角度键62，64，和调整器70，参考平面20沿X轴和Y轴的目标倾斜角被输入到控制系统46。处理器48比较倾斜传感器42和44的检测结果与输入的任意角度是否一致。如果不一致，则得到两个倾斜传感器42和44检测的角度与输入的任意X-Y角度之间偏差。

然后，控制系统46沿第一方向驱动倾斜电动机26以转动凸轮28，从而沿第一轴(即，Y轴)调整支承平台10的倾斜角。如上所述，当凸轮28沿第一方向转动时，凸轮30发生滑移，它不影响沿第二轴(即，X轴)的取向。利用倾斜传感器44连续地检测支承平台10的取向，并借助于输入/输出端口58输入到控制处理器50。利用控制处理器50，连续地更新倾斜传感器44的检测角与输入的任意X轴角之间的偏差。所以，在计算的角偏差变成零之前，倾斜电动机26是一直被驱动。

然后，可以对Y轴重复以上描述的相同过程，其中沿相反的方向驱动倾斜电动机26，直至倾斜传感器42的检测角与输入的任意Y轴角之间的计算角偏差变成零。在计算角偏差在沿两个轴方向都变成零时，激光参考平面20就设定在显示器单元66和68所显示的所需取向，其中控制处理器50可以改变X角度键62和Y角度键64的照明颜色(例如，从红色到绿色)，用于提供这个状态下的视觉指示。应当理解，在不偏离本发明精神和范围的条件下，可以提供其他的视觉指示模式。

在另一个实施例中，利用步进电动机作为倾斜电动机26，控制系统40工作在开环模式。在这个实施例中，处理器50完成表的查阅以选取一个运行模式(正向，反向，制动)，和完成的微步进数目，因此，对应的凸轮使支承平台10到达所需的取向。所以，处理器50的功能是作为电子驱动器，它借助于步长，方向，和启动命令运行倾斜电动机26。

在开环控制实施例中，非易失性存储器52存储支承平台10的倾斜角和倾斜电动机26的相关微步长数目，这是在现有X和Y倾斜角的范围内调整支承平台10所必需的。按照这种方式，处理器50可以再调用对应于任意角设定器62和64设定角度的微步长数目，并利用模数学以及以前步骤中X轴和Y轴的存储值，可以导出移动支承平台10到指定取向所需的具体步长数目。在这个实施例中，既不需要倾斜传感器，也不需要轴编码器，因为可以命令步进电动机26移动所导出的具体步长数目，用于调整支承平台10从它以前的取向到新的指定取向并停止。在这个开环位置控制系统中，通过跟踪与支承平台10以前取向有关的最后一次步长数目，以及处理器50给开关电路78提供的输入步长脉冲的数目，例如，借助于定时器/计数器56，就可以知道电动机的位置。

参照优选的实施例，我们已经详细地描述了本发明，显而易见，在不偏离本发明范围的条件下，可以有各种改动和变化。例如，虽然在以上描述的实施例中，激光束光源12安装在支承平台10上并随它一起运动，显而易见，可以按照本发明配置投影装置，其中稳定的激光束光源安装在底座22上的支承平台10以下，并且在支承平台上安装的合适光学元件是在光束路径上，用于转换该光束到所需的取向。

Claims (24)

1.一种在光束投影装置中用于调整投影光束取向的设备，包括：

底座；

适合于设定投影光束取向的支承平台；

相对于所述底座可转动地安装所述支承平台的枢轴部件；

提供在所述底座上的倾斜电动机，该倾斜电动机有一对影响所述支承平台取向的输出轴，因此，所述输出轴沿第一方向的转动仅仅沿第一轴倾斜所述支承平台，而所述输出轴沿第二方向的转动仅仅沿第二轴倾斜所述支承平台；和

一个用于驱动所述倾斜电动机的电源。

2.按照权利要求1的设备，其中所述取向是相对于重力的俯仰和滚转。

3.按照权利要求1的设备，还包括：安装在所述支承平台与所述底座之间的偏置元件。

4.按照权利要求1的设备，其中所述枢轴部件是万向支架装置。

5.按照权利要求1的设备，其中所述枢轴部件安装在所述底座上。

6.按照权利要求1的设备，其中所述倾斜电动机是选自下列一组的电动机，包括：步进电动机，脉冲电动机，和无电刷直流电动机。

7.按照权利要求1的设备，还包括：凸轮和一对单向离合器，该离合器连接所述输出轴到各自的所述凸轮。

8.按照权利要求1的设备，还包括：可操作地连接到各自所述输出轴的凸轮，所述凸轮啮合所述支承平台的底面，其中每个所述凸轮在其至少部分的外表面上是非圆形。

9.按照权利要求1的设备，还包括：可操作地连接到各自一个所述输出轴的一对凸轮，其中所述凸轮分别沿X和Y直角坐标轴啮合所述支承平台。

10.按照权利要求1的设备，还包括：控制系统，用于控制所述倾斜电动机闭环。

11.按照权利要求1的设备，还包括：控制系统，用于控制所述倾斜电动机开环。

12.按照权利要求1的设备，其中所述输出轴可操作地连接到各自的一对凸轮，所述凸轮啮合所述支承平台，因此，所述输出轴沿第一方向的转动仅仅转动一个所述凸轮，而所述输出轴沿第二方向的转动仅仅转动另一个所述凸轮。

13.按照权利要求1的设备，其中所述输出轴是可操作地连接到一对蜗轮中的各自蜗轮的蜗杆。

14.一种在光束投影装置中用于调整投影光束取向的设备，包括：

底座；

适合于设定投影光束取向的支承平台；

相对于所述底座可转动地安装所述支承平台的枢轴部件；

安装在所述底座上的倾斜电动机，该倾斜电动机有一对输出轴，该输出轴借助于各自的单向离合器可操作地连接到的一对凸轮中的各自凸轮，所述凸轮啮合所述支承平台，因此，所述输出轴沿第一方向的转动仅仅转动一个所述凸轮，而所述输出轴沿第二方向的转动仅仅转动另一个所述凸轮，所述凸轮调整所述支承平台的取向，和投影光束的取向；和

一个用于驱动所述倾斜电动机的电源。

15.按照权利要求14的设备，其中每个所述凸轮在其至少部分的外表面上是非圆形，所述非圆形是选自下列一组的形状，包括：椭圆形，抛物线形，双曲线形，以及它们的组合。

16.按照权利要求14的设备，其中所述取向是俯仰和滚转，和所述一对凸轮分别沿X和Y直角坐标轴啮合所述支承平台，用于调整所述俯仰和所述滚转。

17.按照权利要求14的设备，还包括：安装在所述支承平台与所述底座之间的偏置元件，其中所述枢轴部件是万向支架装置。

18.按照权利要求14的设备，还包括：安装在所述支承平台与所述底座之间的偏置元件，其中所述枢轴部件安装在所述底座上。

19.按照权利要求14的设备，其中所述单向离合器包括：棘爪和棘轮装置。

20.按照权利要求14的设备，还包括：控制系统，借助于检测支承平台取向的至少一个传感器，用于控制所述倾斜电动机闭环。

21.按照权利要求14的设备，还包括：用于控制所述倾斜电动机开环的控制系统，其中所述倾斜电动机是由多个脉冲步长驱动的步进电动机，和所述控制系统跟踪所述多个脉冲步长。

22.一种在光束投影装置中用于调整投影光束取向的设备，包括：

底座；

适合于设定投影光束取向的支承平台；

相对于所述底座可转动地安装所述支承平台的枢轴部件；

安装在所述底座上的倾斜电动机，该倾斜电动机有一对输出轴，该输出轴借助于各自的单向离合器可操作地连接到一对凸轮中的各自凸轮，所述凸轮啮合所述支承平台，因此，所述输出轴沿第一方向的转动仅仅转动一个所述凸轮，而所述输出轴沿第二方向的转动仅仅转动另一个所述凸轮，所述凸轮调整所述支承平台的取向，和投影光束的取向；

用于控制所述倾斜电动机的控制系统；

至少一个倾斜传感器，用于提供代表所述支承平台的检测取向的电信号到操作所述倾斜电动机闭环的所述控制系统；和

一个用于驱动所述倾斜电动机的电源。

23.按照权利要求22的设备，其中所述至少一个倾斜传感器是第一倾斜传感器和第二倾斜传感器，所述第一倾斜传感器检测所述支承平台的俯仰，而所述第二倾斜传感器检测所述支承平台的滚转。

24.按照权利要求22的设备，其中所述至少一个倾斜传感器是用于检测支承平台俯仰和滚转的双轴倾斜传感器。

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