激光跟踪仪的制作方法

1.本实用新型涉及一种精密测量仪器，尤其是一种激光跟踪仪。


背景技术：

2.在精密工业以及测量领域，人们在对大型机器进行装配的时候，经常需要通过精密仪器对组装的目标物进行测试以提高装配精度，同时在对完成机器的组装后，也需要对机器进行校准，且在装配过程中，除了对目标物或者目标物上的某个目标点进行三维坐标测量时，还需要对目标物品或目标点的运动情况进行测量，也即，对它们的姿态进行测量，因此需要一种可以在三维坐标基础上，还能完成六个自由度测量的仪器。由此，出现了通过激光跟踪仪对目标物或者目标点进行姿态测量的测量方式。
3.在使用激光跟踪仪进行目标相关位置的三维坐标测量，是通过在激光跟踪仪配置绕两个转动轴以及结合激光测距单元测量目标的空间角度，利用姿态相机配合辅助测量装置例如手持式附件进行测距，测出目标的姿态角度，进而能够实现对目标的六自由度的测量。
4.而相机和激光跟踪仪分体式的结构设计，常常需要单独增加一套俯仰轴系结构，这种设计极大地增加了系统设计的复杂度，也提高了激光跟踪仪的整机体积，不利于空间的规划设计，当相机固定在激光跟踪仪上时，可能也会由于结构变形引起测量误差，且相机和激光跟踪仪的旋转的轴系是分别独立的，测量时会增加对相机和激光跟踪仪进行同步控制的难度，也容易引起同步控制误差。


技术实现要素：

5.本实用新型有鉴于上述现有技术的状况而完成，其目的在于提供一种提高空间规划设计、减少误差的激光跟踪仪。
6.为此，本实用新型提供了一种激光跟踪仪，是用于跟踪辅助测量装置并测量所述辅助测量装置的空间坐标和姿态的激光跟踪仪，包括：基座、设置于所述基座之上的光学机构、以及控制所述光学机构的控制机构，所述光学机构包括安装于所述基座并且可相对于所述基座以第一轴线旋转的第一旋转装置、设置在所述第一旋转装置的具有第二轴线的第二旋转装置、以及安装于所述第二旋转装置并相对于所述第一旋转装置可围绕所述第二轴线旋转的光学主体，所述第一轴线与所述第二轴线正交，所述光学主体具有外壳、布置在所述外壳内并发射激光束的激光源、用于捕获被所述辅助测量装置反射的激光束以跟踪激光束的光束跟踪器、以及测量与所述辅助测量装置的距离的光学距离测量器，所述外壳包括第一壳体和第二壳体以及设置在所述第一壳体和所述第二壳体之间的功能壳体，所述光学距离测量器包括绝对测距单元和干涉测距单元，所述第一壳体容纳有姿态相机，所述功能壳体容纳有所述干涉测距单元，所述第二壳体容纳有绝对测距单元，所述姿态相机与所述功能壳体固定连接。
7.在本实用新型所涉及的激光跟踪仪中，在光学主体上设置有姿态相机和光学距离
测量器，在光学主体上的外壳内设置有绝对测距单元和干涉测距单元。由此，能够测量辅助测量装置的距离，进而能够测量辅助装置的坐标和姿态。同时，相比较将姿态相机设置在光学机构外，将姿态相机设置在光学机构内能够充分利用空间，提高规划设计，也能够降低光学机构和姿态相机同步控制的误差。
8.另外，在本实用新型所涉及的激光跟踪仪中，可选地，所述第二旋转装置包括第一支承部、第二支承部、以及可旋转地设置在所述第一支承部与所述第二支承部之间的第二旋转轴，所述光学主体安装于所述第二旋转轴。在这种情况下，光学主体可以跟随第二旋转轴一起旋转。
9.另外，在本实用新型所涉及的激光跟踪仪中，可选地，所述第一支承部具有第一轴承，所述第二支承部具有第二轴承，所述第一轴承的轴线和所述第二轴承的轴线重合，所述第二旋转轴通过所述第一轴承和所述第二轴承安装于所述第一旋转装置。在这种情况下，能够通过第一轴承和第二轴承较好的驱动第二旋转轴的旋转。
10.另外，在本实用新型所涉及的激光跟踪仪中，可选地，所述第二旋转装置包括具有第一端部和第二端部的握持部，所述第一端部连接于所述第一支承部，所述第二端部连接于所述第二支承部。在这种情况下，当需要运输激光跟踪仪时，能够通过握持部提携激光跟踪仪。
11.另外，在本实用新型所涉及的激光跟踪仪中，可选地，所述光学主体包括对所述辅助测量装置的姿态进行拍摄的姿态相机。在这种情况下，能够通过姿态相机拍摄靶标。
12.另外，在本实用新型所涉及的激光跟踪仪中，可选地，所述激光源经过姿态相机的镜头发射激光束，所述第一旋转装置具有凹槽。在这种情况下，能够增加第二旋转装置的活动范围，进而能够增大镜头的测量角度。
13.另外，在本实用新型所涉及的激光跟踪仪中，可选地，所述控制机构配置成根据所述光束跟踪器控制驱动所述光学主体运动以使所述姿态相机与所述光学距离测量器跟踪所述辅助测量装置。在这种情况下，能够使姿态相机与光学距离测量器一起跟踪所述辅助测量装置。
14.另外，在本实用新型所涉及的激光跟踪仪中，可选地，所述激光源发射的激光束经过所述外壳的窗口，所述第一壳体设置有与所述姿态相机的镜头相匹配的开口。
15.另外，在本实用新型所涉及的激光跟踪仪中，可选地，所述绝对测距单元和所述干涉测距单元通过所述窗口进行距离的测量。在这种情况下，绝对测距单元和干涉测距单元可以同时指向辅助测量装置，从而能够进行高精度的距离测量。
16.另外，在本实用新型所涉及的激光跟踪仪中，可选地，所述第一旋转装置具有能够沿着所述第一轴线旋转的第一旋转轴以及通过所述第一旋转轴安装于所述基座的旋转主体，所述第一轴线沿着竖直方向布置。由此，能够基于旋转主体使得激光跟踪仪整体旋转。
17.根据本实用新型，能够提供一种姿态相机与光学距离测量器相互配合以跟踪辅助测量装置的激光跟踪仪。
附图说明
18.现在将仅通过参考附图的例子进一步详细地解释本实用新型的实施例，其中：
19.图1是示出了本实用新型的实施方式所涉及的激光跟踪仪的应用示意图。
20.图2是示出了本实用新型的实施方式所涉及的激光跟踪仪的整体结构图。
21.图3是示出了本实用新型的实施方式所涉及的光学主体的示意图。
22.图4是示出了本实用新型的实施方式所涉及的光学主体的内部结构图。
23.图5a和图5b是示出了本实用新型的实施方式所涉及的姿态相机和光学距离测量器的相互配合的示意图。
24.附图标记：
[0025]1…
激光跟踪仪，2
…
靶标，
[0026]
11
…
基座，12
…
光学机构，
[0027]
121
…
第一旋转装置，123
…
光学主体，
[0028]
1221
…
第一支承部，1222
…
第二支承部，
[0029]
1231
…
外壳，1231a
…
第一壳体，1231b
…
第二壳体，1231c
…
功能壳体，1223
…
第二旋转轴，
[0030]
1232
…
干涉测距单元，1233
…
姿态相机，1234
…
绝对测距单元，1235
…
握持部，
[0031]
a
…
第一轴线，b
…
第二轴线。
具体实施方式
[0032]
以下，参考附图，详细地说明本实用新型的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。
[0033]
需要说明的是，本实用新型中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，例如所包括或所具有的一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可以包括或具有没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0034]
另外，在本实用新型的下面描述中涉及的小标题等并不是为了限制本实用新型的内容或范围，其仅仅是作为阅读的提示作用。这样的小标题既不能理解为用于分割文章的内容，也不应将小标题下的内容仅仅限制在小标题的范围内。
[0035]
本实施方式涉及一种激光跟踪仪，一种用于跟踪辅助测量装置并测量辅助测量装置的空间坐标和姿态的激光跟踪仪。“辅助测量装置”也可以称为“姿态靶标”、“姿态靶球”、“靶标”或“靶球”，“激光跟踪仪”也可以称为“坐标测量仪器”。通过本实施方式所涉及的激光跟踪仪，能够跟踪测量辅助测量装置的空间坐标和姿态。
[0036]
以下，结合附图，对本实施方式所涉及的激光跟踪仪进行详细说明。
[0037]
图1是示出了本实用新型的实施方式所涉及的激光跟踪仪1的应用示意图。如图1所示，在本实施方式中，可以通过激光跟踪仪1对靶球2进行跟踪，当靶球2移动的时候，激光跟踪仪1能够通过相机旋转转动跟随靶球2，从而捕捉靶球2的空间坐标和姿态。
[0038]
图2是示出了本实用新型的实施方式所涉及的激光跟踪仪1的整体结构图。如图2所示，在本实施方式中，激光跟踪仪1可以包括基座11、设置于所述基座11之上的光学机构12、以及控制所述光学机构12的控制机构。
[0039]
在一些示例中，基座11可以呈圆柱体形。在这种情况下，基座11能够具有较好的稳定性。在一些示例中，光学机构12可以包括第一旋转装置121、第二旋转装置(未图示)、以及
光学主体123。
[0040]
在一些示例中，第一旋转装置121可以具有第一旋转轴(未图示)。在一些示例中，第一旋转装置121可以围绕第一轴线a进行旋转。
[0041]
在一些示例中，第一旋转装置121可以具有旋转主体。在一些示例中，旋转主体可以通过第一旋转轴安装于基座11。
[0042]
在一些示例中，第一轴线a的延伸方向可以为光学主体123水平放置时候的垂直方向。具体的，当激光跟踪仪1水平放置时，第一轴线a的延伸方向可以和激光跟踪仪1的重力方向或重力的相反方向相同。在这种情况下，通过第一旋转装置121旋转可以带动光学主体123运动，能够使得光学主体123在水平方向跟踪靶球2。
[0043]
在一些示例中，第二旋转装置具有第二轴线b。在一些示例中，第二轴线b的延伸方向可以为水平方向。具体的，当激光跟踪仪1放置于水平面时，第二轴线b的延伸方向可以和水平面平行。
[0044]
在一些示例中，光学主体123可以安装于第二旋转装置。在这种情况下，第二旋转装置旋转时能够带动光学主体123围绕第二轴线b进行旋转，由此能够使光学主体123在竖直方向跟踪靶球2。
[0045]
如上所述，通过第一旋转装置121旋转可以带动光学主体123运动，能够使得光学主体123在水平方向跟踪靶球2。通过第二旋转装置旋转时带动光学主体123围绕第二轴线b进行旋转，能够使光学主体123在竖直方向跟踪靶球2。在这种情况下，光学主体123可以对靶球2实现在水平方向和竖直方向上的跟踪。
[0046]
在一些示例中，第一轴线a可以和第二轴线b正交。在这种情况下，能够减少降低跟踪仪轴系几何关系的难度，便于计算。
[0047]
在一些示例中，第二旋转装置可以包括第一支承部1221和第二支承部1222。在一些示例中，第二旋转装置还可以包括第二旋转轴1223。在一些示例中，第二旋转轴1223可旋转地设置在第一支承部1221与第二支承部1222之间。在一些示例中，光学主体123可以安装于第二旋转轴1223。由此，光学主体123可以基于第二旋转轴围绕第二轴线b进行旋转。
[0048]
在一些示例中，第一支承部1221可以具有第一轴承。在一些示例中，第二支承部1222可以具有第二轴承。在一些示例中，第一轴承的轴线可以和第二轴承的轴线重合。在一些示例中，第二旋转轴1223可以通过第一轴承和第二轴承安装于第一旋转装置121。由此，能够通过轴承将将第二旋转轴1223固定于第一旋转装置121。另外，在旋转轴上安装轴承，能够减少旋转摩擦力对旋转轴造成的磨损。
[0049]
在一些示例中，第二旋转装置还可以包括握持部1235。在一些示例中，握持部1235可以具有第一端部和第二端部。在一些示例中，握持部1235可以通过第一端部连接第一支承部1221，通过第二端部连接第二支承部1222。在这种情况下，激光跟踪仪1能够便于运输携带。另外，也能够增加激光跟踪仪1的刚性。
[0050]
在一些示例中，握持部1235可以具有纹路。由此，能够增加握持部1235表面的摩擦力，便于提携。在一些示例中，握持部1235可以呈桥型。在这种情况下，比较符合手部提携物品例如激光跟踪仪1的构造，由此能够方便运输。
[0051]
图3是示出了本实用新型的实施方式所涉及的光学主体123的示意图。图4是示出了本实用新型的实施方式所涉及的光学主体123的内部结构图。
[0052]
如图4所示，在本实施方式中，光学主体123可以包括外壳1231和激光源。在这种情况下，通过从激光源发射激光，然后激光经过靶球2反射回到光学主体123。反射回来的激光束经过信息处理，通过计算机对有关信息进行计算例如光束的变化，进而能够测量出距离。
[0053]
在一些示例中，光学主体123的外壳1231可以为密封结构。在这种情况下，通过密封结构能够较好的保护外壳1231里面的器件例如光学器件，减少空气中的尘埃对光学器件的光学性能造成的不良影响。
[0054]
在一些示例中，外壳1231可以为低强度软性材料。但本实施方式不限于此，在另外一些示例中，光学主体123的外壳1231可以为低硬度塑料。
[0055]
在一些示例中，外壳1231还可以包括第一壳体1231a、第二壳体1231b以及功能壳体1231c。在一些示例中，功能壳体1231c可以设置第一壳体1231a和第二壳体1231b之间。
[0056]
在一些示例中，光学主体123的外壳1231和功能壳体1231c可以通过连接柱连接。在一些示例中，连接柱的连接可以为柔性连接。在一些示例中，连接柱的数量可以为4。在这种情况下，能够减少光学主体123受力形变对光路器件产生的不良影响。
[0057]
在一些示例中，第一壳体1231a可以设置有开口。在一些示例中，开口可以和姿态相机1233的镜头相匹配。由此，可以利用开口拍摄靶球2的姿态。
[0058]
在一些示例中，外壳1231还设置有窗口。在一些示例中，激光源发射激光的激光束可以经过窗口。由此，能够利用窗口测试激光跟踪仪1与靶球2的距离。
[0059]
在一些示例中，激光源可以布置在外壳1231内并发射激光。在一些示例中，由于激光发散性小而且测距精度高，利用激光源发射激光然后进行测量，能够获得较高的测量精度。
[0060]
在一些示例中，光学主体123还可以包括光束跟踪器和光学距离测量器。由此，通过光束跟踪器和光学距离测量器能够实现对激光的实时跟踪。
[0061]
在一些示例中，光束跟踪器可以捕获被靶球2反射的激光束以跟踪激光束。在一些示例中，具体而言，光束跟踪器可以为位置敏感探测器(psd)。在这种情况下，通过位置敏感探测器可以接收目标反射的光束，进而能够判断光束偏离目标靶心的位置。
[0062]
在一些示例中，光学距离测量器可以测量与靶球2的距离。在一些示例中，光学距离测量器可以包含绝对测距单元1234和干涉测距单元1232。在这种情况下，当使用光学距离测量器测量时，通过绝对测距单元1234和干涉测距单元1232测距能够得到高精度的数据。
[0063]
在一些示例中，干涉测距单元1232可以容纳于第一壳体1231a。绝对测距单元1234可以容纳于第二壳体1231b。在一些示例中，绝对测距单元1234和干涉测距单元1232可以通过窗口进行距离的测量。由此，绝对测距单元1234和干涉测距单元1232能够同时指向靶球2进行距离测量。
[0064]
在一些示例中，光学主体123还可以包括姿态相机1233。在一些示例中，姿态相机1233可以容纳于第一壳体1231a。在一些示例中，姿态相机1233可以与功能壳体1231c固定连接。
[0065]
在一些示例中，姿态相机1233可以为广角相机。在这种情况下，通过广角摄像获得的画面能够具有较强的空间感。在一些示例中，由于广角镜头拍摄时画面的四周会有轻度的变形，通过这种变形可以更好的突出拍摄主体。由此，能够较好地突出需要拍摄的目标
物。
[0066]
在一些示例中，光学主体123还可以包括角度编码器(未图示)。通过第一旋转装置121旋转使得光学主体123在水平方向跟踪靶球2，通过第二旋转装置旋转使光学主体123在竖直方向跟踪靶球2。在这种情况下，通过角度编码器测量经靶球2返回的光束角度的变化，结合光学距离测量器测距能够计算目标的空间位置坐标。由此，激光跟踪仪1能够完成对靶球2的六自由度的测量。
[0067]
在一些示例中，绝对测距单元1234、干涉测距单元1232和姿态相机1233可以位于同一个基底上。在这种情况下，能够较好的控制器件的定位精度，减少测量误差。
[0068]
在一些示例中，如上所述，绝对测距单元1234、干涉测距单元1232和姿态相机1233可以共用一个基底。在一些示例中，基底的使用材料可以为铝合金a7075。在一些示例中，经过热处理后且经过人工时效去除内应力的铝合金a7075可以达到钢的强度。在这种情况下，使用铝合金a7075作为基底能够提高系统结构的刚性，使其不容易变形。
[0069]
在一些示例中，激光跟踪仪1还可以包括控制机构。通过控制机构可以根据光束跟踪器控制驱动第一旋转装置121运动，使得姿态相机1233与光学距离测量器可以相互配合追踪靶球2。在这种情况下，当姿态相机1233围绕第二旋转轴1223旋转时，由于姿态相机1233和光学距离测量器可以拥有一致的旋转方向，能够保证较高的精确度，进而比较准确的测量目标的空间位置坐标和姿态。
[0070]
图5a和图5b是示出了本实用新型的实施方式所涉及的姿态相机1233和光学距离测量器的相互配合的示意图。如图5a和图5b所示，当激光跟踪仪的光学主体123检测到靶球2在位于上方的时候，控制机构可以驱动姿态相机1233和光学距离测量器朝着靶球2的位置转动，以使激光跟踪仪跟踪靶球2。
[0071]
在一些示例中，第一旋转装置121还可以包括第一支承部1221和第二支承部1222。在一些示例中，可以在第一支承部1221与第二支承部1222之间设置第二旋转轴1223。在这种情况下，能够提高第一旋转轴的稳定性。另外，在这种情况下，还可以提高第一旋转装置的刚性。
[0072]
在一些示例中，在第一支承部1221内可以设置有第一载荷单元，在第二支承部1222内可以设置有第二载荷单元。在这种情况下，当第一支承部1221或第二支承部1222受力不均匀时，通过配重提高光学主体123的力学稳定，进而能够提高激光跟踪仪1的稳定性以保证测量精度。
[0073]
在一些示例中，激光源可以经过设置在外壳1231的镜头发射激光束。在一些示例中，第一旋转装置121具有凹槽，在这种情况下，能够增加第二旋转装置的活动范围，进而能够扩大镜头的测量角度。
[0074]
在一些示例中，开口和窗口的开孔方向可以相同。在一些示例中，开口和窗口可以经过精度研磨加工。由此，能够保证光学主体123和第二旋转轴1223的精密定位。由此，能够提高定位精度，减少测量误差。
[0075]
在一些示例中，第二旋转轴1223可以设定有精密侧挡面。在一些示例中，精密侧挡面可以相对于第二旋转轴1223跳动。在一些示例中，精密侧挡面的平面度小于2μm。在这种情况下，能够使光学主体123和第二旋转轴1223形成的轴系具有高精度定位。由此，提高激光跟踪仪1的精度，进而减少误差。
[0076]
在一些示例中，激光跟踪仪1还可以包括支架。在一些示例中，基座11设置于支架上。在一些示例中，支架可以为重型三角架。由此，能够比较好的稳定基座11。
[0077]
但本实施方式不限于此，在另外一些示例中，支架还可以为轻型三脚架或便携式固定底座。由此，根据不同的使用场景能够选择不同的支架放置激光跟踪仪1。具体地，当激光跟踪仪1携带不便时，可以选择轻型三脚架作为底座。
[0078]
在一些示例中，优选的，支架可以配置为具有沿着重力方向上自动校正系统水平状态的功能。在一些示例中，支架还可以配置有移动电源。在这种情况下，当激光跟踪仪1电力供应不足时，移动电源能够为激光跟踪仪1充电。
[0079]
虽然以上结合附图和示例对本实用新型进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本实用新型。本领域技术人员在不偏离本实用新型的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本实用新型进行变形和变化，这些变形和变化均落入本实用新型的范围内。