專利名稱：自調平激光對準工具及其方法
技術領域：
本發明涉及激光對準工具，具體涉及自調平激光對準工具及其方法，用于補償擺頁系統的材料剛度。
背景技術：
各種測量和木工工具以前采用激光以提高調平的精確度和可靠性。為了進一步提高這種激光對準工具的精確度，有幾種可以自調平在激光對準工具內的激光或反射面的方法。
在一種自調平的類型中，擺頁系統(pendulum suspensionsystem)借助于重力可以調平激光。在一個擺頁系統的例子中，激光或反射面是由在外殼內的滾珠軸承懸掛。然而，在傾斜角接近于水平的情況下，可以克服滾珠軸承中磨擦力的力是很小的，從而導致測量的不精確性。
在另一個擺頁系統的例子中，激光或反射面是由柔性支承構件懸掛，例如，細絲，導線或線圈彈簧。然而，細絲只能提供很小的扭轉阻力，從而導致直線取向的困難。此外，在各種傾斜角下，雖然導線或線圈的材料剛度(即，彎曲，形變，偏轉)很小，但是它不能使擺頁系統完全鉛垂地懸掛，從而也導致測量的不精確性。
因此，我們需要這樣一種調平技術，用于補償激光對準工具中擺頁系統的材料剛度(stiffness)。
發明內容
本發明提供一種分兩個階段激光對準工具的基本上水平和鉛垂的擺平臺。在第一階段，在其自身的重量下，可以在很大的自調平范圍內偏轉擺平臺。在第二階段，借助于磁性吸引力提供最終的傾斜校正。磁鐵與擺平臺之間的磁性吸引力能夠克服擺頁元件的材料剛度，否則，它可能阻止該平臺實現完全水平和鉛垂的狀態。
在一個實施例中，激光源和光學元件安裝在擺平臺上。由于擺頁元件有相對低的材料剛度，擺平臺是非常接近于水平狀態。與誤差有關的相對小剩余傾斜是通過在激光對準工具的外殼上安裝的磁鐵與擺平臺上的鐵磁性材料之間的磁性吸引力被校正的。當平臺因外殼的傾斜而發生傾斜時，由于存在影響鐵磁性材料的磁場，磁鐵可以提供近似徑向區域的線性力，而當鐵磁性材料與磁鐵之間的距離減小時，它可以增大作用到鐵磁性材料上的徑向吸引力。因此，通過拉動平臺到基本上完全水平和鉛垂的位置，鐵磁性材料與磁鐵之間的磁性吸引力可以補償擺頁元件的材料剛度。
在另一個實施例中，我們提供一種自調平的方法，用于補償激光對準工具中擺頁系統的材料剛度。該方法包括利用有預定材料剛度的擺頁元件支承平臺。借助于自身的重量，該平臺有很大的自調平范圍。該方法還包括通過磁鐵與擺平臺之間的磁性吸引力，它提供最終的傾斜校正，磁性吸引力可以克服擺頁元件的預定材料剛度，使平臺的位置是在基本上完全鉛垂和水平的狀態。
在另一個實施例中，我們提供一種自調平的方法，用于補償激光對準工具中擺頁系統的材料剛度。該方法包括提供一個平臺，并利用有預定材料剛度的擺頁元件支承該平臺。借助于其自身的重量，該平臺有很大的自調平范圍。該方法還包括在擺平臺上提供一個磁性吸引材料，把磁性吸引材料放置在磁鐵之上，因此，當平臺因外殼的傾斜而發生傾斜時，該材料與磁鐵之間的徑向吸引力是沿傾斜的方向增大，從而補償擺頁元件的預定材料剛度，并沿基本上完全水平和鉛垂的取向拉動該平臺。
在另一個實施例中，我們提供一種自調平激光對準工具，可以提供基本上完全水平或鉛垂取向的激光束。該設備包括外殼，和固定到該外殼上的擺平臺，它與外殼內部的擺頁元件有關，當外殼不是完全水平或鉛垂取向時，它實施第一階段的對準，在激光束與完全水平和鉛垂的取向之間有剩余的偏轉角。該設備還包括在擺平臺上放置的磁性吸引材料，和安裝在外殼上并在磁性吸引材料以下的磁鐵，因此，當平臺因外殼的傾斜而發生傾斜時，磁性吸引材料與磁鐵之間的吸引力就增大，從而實施第二階段的對準，其中通過補償擺頁元件的材料剛度并沿基本上完全水平和鉛垂的取向拉動該平臺。
根據以下結合附圖對本發明各個實施例的描述，可以更充分地理解本發明的這些和其他的特征和優點。應當注意，我們申請的范圍是由以下的敘述限定，而不是由對本發明的特征和優點的具體討論限定。
通過參照以下結合附圖的詳細描述，可以更好地理解本發明運行的組織和方式以及本發明的其他目的和優點，其中圖1是按照本發明一個實施例有擺頁元件懸掛的激光源的自調平激光對準工具的部分剖視圖。
具體實施例方式
雖然本發明可能對于不同形式的實施例是敏感的，但是，根據附圖中具體實施例的展示和以下的詳細描述，可以理解，此處公開的內容是本發明原理的例證，而不是限制本發明到此處所展示和描述的內容。
專業人員可以理解，為了簡單明了，在附圖中展示的元件不必是按比例畫出的。例如，附圖中某些元件的尺寸相對于其他的元件是被夸大的，為的是有助于理解本發明的各種實施例。
圖1表示一個自調平激光對準工具10的實施例，用于提供一個沿完全鉛垂或水平狀態的激光束。激光對準工具10有外殼12，它是部分地被剖開的，可以展示在對準工具10內部放置的擺頁系統8。如圖所示，可見的激光源14安裝在擺頁系統8中擺動的擺平臺16上。與透鏡18一起工作的激光源14產生的發散激光束20在預定的距離上形成會聚的焦點。
在所示的實施例中，出射的光束20是被光學元件22部分地反射，把它分割成向上的光束24和向下的光束24′以及一對正交的水平光束24″和24。應當理解，在其他的實施例中，光學元件22也可以是其他的類型，它產生三個正交的水平光束和兩個垂直光束(一個向上光束和一個向下光束)，例如，在Litvin的US Patent No.6,563,646中所公開的類型，它是由Trimble Navigation Limited(Sunnyvale，CA)共同所有，全文合并在此供參考。
在其他的實施例中，出射光束20可以從一個表面上反射，從而形成所需的光束取向，其中包含或不包含分束器。出射窗口26，26′，26″，和26是分別用于水平光束，鉛垂光束和直角光束。應當理解，由于采用以下解釋的本發明補償方法，在最終的傾斜補償時就不需要現有技術裝置中所使用的薄透鏡。
擺平臺16是由擺頁元件30懸掛，例如，單根導線，線圈彈簧，或可以彎曲并有足夠扭轉剛度的任何其他元件，它可以大大減小扭轉運動(即，圍繞擺頁元件30的左右扭轉)，且其材料剛度(即，與彎曲，延伸，偏轉有關的性質)是這樣的，當對準工具10傾斜時，它允許擺平臺16是在非常近似鉛垂的方向上懸掛。在一個例子中，擺平臺16的重量約為26克，而擺頁元件30是長度20.9mm和直徑0.18mm的導線。這種安排是足夠地微弱，它允許擺平臺16在重力作用下懸掛，當外殼的傾斜角是在±5°的范圍內時，擺平臺16在重力作用下近似為完全鉛垂方向的98％。
擺頁元件30的頂部是通過夾子32固定到外殼12和它的底部是通過夾子34固定到擺平臺。調整螺絲36和38用于校準擺平臺16，它可以使光束24，24′，24″，和24呈水平和鉛垂的取向。眾所周知，旋轉螺絲36和38可以精細地調整擺頁系統8的重心位置，因此，重新調整光束24，24′，24″，和24的取向。其他的熟知方法可以是移動擺重心的位置，例如，有選擇地增加或減少重量。
擺平臺16的最終傾斜補償是利用環形永久磁鐵40，它可以校正由于擺頁元件30的材料剛度造成與完全鉛垂和水平取向的略微偏離。在一個實施例中，這個最終傾斜補償足以校正擺頁元件30的材料剛度造成的約2％的誤差。當對準工具10傾斜時，通過拉動擺平臺16到基本上鉛垂和/或水平的取向，環形磁鐵40可以補償擺頁元件30的材料剛度。利用這種方法得到的擺平臺16的最終取向是精確的，它是在完全鉛垂和水平取向的約±30弧秒內。
磁性吸引材料，例如，鐵磁性構件44，用于把平臺16拉動成基本上完全鉛垂和水平取向。如圖所示，鐵磁性構件44是被中央對準在環形磁鐵40之上。當磁鐵是在鐵磁性構件以下時，環形磁鐵40產生的磁場可以提供大致徑向的區域性線性力。因此，當外殼12傾斜時，磁性吸引材料44與磁鐵40之間的吸引力是沿傾斜的方向增大，從而實施最終或第二階段的調整，其中通過補償補償擺頁元件30的材料剛度，并沿基本上完全水平和鉛垂的取向拉動平臺16。
在一個實驗性實施例中，在表1(沒有磁性輔助補償)和表2(有磁性輔助補償)中公開和比較本發明的最終傾斜補償數值。在用于編輯表1和表2中數據的實驗性實施例中，0.821英寸(20.85mm)長和0.007英寸(0.18mm)直徑的琴用鋼絲可以支承在支架以下的擺平臺，從而形成支架約束的擺頁系統。擺平臺的重量是25.7856克。直徑為0.13英寸(3.30mm)鐵磁性構件被懸掛在擺平臺的底面，而它的中心位置是在環形磁鐵之上的0.298英寸(7.57mm)。環形磁鐵形成的磁場約為3.8kG的殘余B磁場值。環形磁鐵是在這樣的位置，它可以提供用于補償沿N-S軸(俯仰)和E-W軸(滾轉)傾斜的徑向磁場。阻尼池是在環形磁鐵以下，可以影響部分的擺平臺和阻止任何的擺動振蕩。
在表1和表2中，俯仰(分)和滾轉(分)是框架相對于完全水平方向的俯仰和滾轉，而總量Δ(弧秒)是相對于水平或鉛垂方向的全部垂直對準。
表1(沒有磁性輔助補償)
表2(有磁性輔助補償)
如在表1和表2中所公開的，在徑向磁鐵補償擺頁系統的實驗性實施例中，俯仰的范圍是從-2.27°至5.1 °，其中俯仰誤差是-11至12弧秒，而在相同的俯仰范圍內，無補償的擺頁系統中的俯仰誤差是-275至120弧秒。
應當理解，改變支承導線的材料剛度，即，改變它的直徑，幾何形狀，和長度可以導致不同程度的最終誤差校正，當然也可以改變擺頁系統的質量，環形磁鐵的磁矩，和磁性吸引構件相對于環形磁鐵的位置。具體地說，利用以下的微分方程，可以確定用于特定范圍的最終誤差校正的參數和它們的選擇rf·β=∂U∂Qy=K1+K2+K3+K4+K5+K6,where:]]>K1=1EI∫A1B2Ms1∂Ms1∂Qy·rcos(ψ)dθ+1EI∫A2B2MsM∂MsM∂Qy·r0cos(ψ0)dθ+1EI∫A3B3Ms2∂Ms2∂Qy·rcos(ψ)dθ]]>K2=1EI∫A1B1Mn1∂Mn1∂Qy·rcos(ψ)dθ+1EI∫A2B2MnM∂MnM∂Qy·r0cos(ψ0)dθ+1EI∫A3B3Mn2∂Mn2∂Qy·rcos(ψ)dθ]]>K3=1GJ∫A1B1Mr1∂Mt1∂Qy·rcos(ψ)dθ+1GJ∫A2B2MtM∂MtM∂Qy·r0cos(ψ0)dθ+1GJ∫A3B3Mt2∂Mt2∂Qy·rcos(ψ)dθ]]>K4=1EA∫A1B2Ft1∂Ft1∂Qyrcos(ψ)dθ+1EA∫A2B2FtM∂FtM∂Qy·r0cos(ψ0)dθ+1EA∫A3B3Ft2∂Ft2∂Qyrcos(ψ)dθ]]>K5=1GA∫A1B1Fn1∂Fn1∂Qy·rcos(ψ)dθ+1GA∫A2B2FnM∂FnM∂Qy·r0cos(ψ0)dθ+1GA∫A3B3Fn2∂Fn2∂Qy·rcos(ψ)dθ]]>K6=1GA∫B1B1Fn1∂Fn1∂Qy·rcps(ψ)dθ+1GA∫A2B2FnM∂FnM∂Qy·r0cos(ψ0)dθ+1GA∫A3B3Fn2∂Fn2∂Qy·rcos(ψ)dθ]]>其中rf是Qy傳輸通過弧的曲率半徑。Qy是當外殼傾斜時，由于擺平臺的質量而作用到擺頁元件末端上的橫向力。U是與該系統相關的應變能量。變量n，s，和t代表與彈簧幾何形狀相關的局部坐標系統。Mi和Fi代表在局部坐標系統中作用到彈簧上的力矩和力。變量r和Ψ代表彈簧的幾何形狀。
在一個實施例中，為了阻止擺頁系統8的振蕩，在外殼內的擺平臺16以下安裝一個阻尼池46。在阻尼池46內含有粘滯液體，例如，礦物油，它與在擺平臺16下懸掛的阻尼片48相互作用。在由剖開剖面2-2所示的另一個實施例中，眾所周知，可以利用渦流制動，它也能阻止擺平臺16的擺動振蕩。為此目的，磁鐵50可以放置在由擺平臺16支承的阻尼構件52附近。
可以安裝機械擋塊54和54′以限制擺頁系統8的運動并保護擺頁元件30以及夾子32和34免遭機械震動造成的損壞，與此同時，允許一定范圍的傾斜補償，例如，在每個方向上±5°。擋塊54和54′放置在擺平臺16的重心附近，用于減小震動誘發的旋轉。擋塊54和54′還可以抑制擺平臺16的上/下運動，從而防止由于擺平臺產生多余的向上/向下運動而損壞擺頁元件30。
電池盒56借助于外殼12中的后端彈簧和前端彈簧固定電池58。開關60可以控制給電路板64供電的電流流入到導線62。為了減小附圖的復雜性，我們省略了電路板64上的元件。電路板64安裝在外殼上，并利用電導線66驅動激光源14，例如，二極管。擺頁元件30可以用作這些導線中的一條導線，通過它連接到電路板。電導線66是傳送功率到激光源14的細銅線或金線。電導線66的直徑小于25微米，用于防止可能影響擺頁系統8的任何機械力。此外，電導線66的長度是相對地長，可以減小確實存在的任何機械力效應。
雖然附圖中的電路板64是安裝在外殼上，但是在其他的實施例中，電路板64可以安裝在擺平臺16上。此外，在其他的實施例中，還應當理解，激光源14或光學元件18和20(一起或分開地)可以懸掛在擺平臺16上，而其余的光學元件安裝在外殼上。
在另一個實施例中，環形永久磁鐵40可以用螺線管型線圈代替，該線圈連接到電路板64并由電池58供電。在一個這樣的實施例中，對準工具10還包含傾斜傳感器68，用于給電路板64提供傳感器數據。這可以使磁場作為電流的函數而發生變化，所以，可以改變來自螺線管磁鐵的補償。因此，利用傾斜傳感器68檢測的傾斜角作為輸入，電路板64適合于完全補償的調整，可以調整來自電池58的電流通過螺線管磁鐵上多個線圈中至少一個線圈。在另一個實施例中，它包含一個連接到電路板64的熱敏電阻70，因此，可以調整螺線管線圈中的電流，從而校正溫度變化而產生的任何誤差。
以上描述的實施例是為了說明本發明的原理，而不是限制本發明的范圍。專業人員知道，在不偏離以下權利要求書限定的本發明精神和范圍的條件下，還可以有對這些優選實施例進行變化的其他實施例。
權利要求
1.一種用于補償激光對準工具中擺頁系統的材料剛度的自調平方法，所述方法包括利用有預定材料剛度的擺頁元件支承一個平臺，借助于其自身的重量，所述平臺有大的自調平范圍；通過磁鐵與擺平臺上的鐵磁性材料之間的磁性吸引力，提供最終的傾斜校正，它可以克服擺頁元件的所述預定材料剛度，把所述平臺定位在基本上鉛垂的狀態。
2.按照權利要求1的方法，其中所述磁鐵提供大致徑向的區域性線性力，這是由于在擺平臺上所述鐵磁性材料以下的磁場。
3.按照權利要求1的方法，其中所述擺平臺提供被定位吸引到所述磁鐵的磁性吸引材料。
4.按照權利要求1的方法，其中所述擺頁元件是選自導線，彈簧，及其組合構成的組中的材料。
5.按照權利要求1的方法，其中所述磁鐵是位于所述擺平臺以下并提供由磁場產生的大致徑向的區域性線性的環形永久磁鐵，所述磁鐵吸引被所述擺頁元件支承的磁性吸引材料。
6.按照權利要求1的方法，還包括利用所述平臺支承激光源。
7.按照權利要求1的方法，還包括利用所述平臺支承光學元件。
8.按照權利要求1的方法，還包括利用所述平臺至少支承一個反射面。
9.按照權利要求1的方法，還包括阻止所述平臺的擺振蕩。
10.按照權利要求1的方法，其中當傾斜角是在偏離完全水平方向約±5°的范圍內時，所述自調平的范圍約為完全鉛垂方向的98％。
11.按照權利要求1的方法，其中所述最終的傾斜校正可以校正偏離完全鉛垂方向高達約2％的鉛垂誤差。
12.按照權利要求1的方法，其中所述磁鐵是螺線管型磁鐵。
13.一種用于補償提供激光束的激光對準工具中擺頁系統的材料剛度的自調平方法，所述方法包括提供一個平臺；利用有預定材料剛度的擺頁元件支承所述平臺，借助于其自身的重量，所述平臺有大的自調平范圍；在所述擺平臺上提供磁性吸引材料；把所述磁性吸引材料放置在磁鐵鄰近，因此，當所述平臺傾斜時，所述材料與所述磁鐵之間的吸引力就增大，從而補償所述擺頁元件的所述材料剛度，并沿基本上完全水平和鉛垂的取向拉動所述平臺。
14.按照權利要求13的方法，其中所述磁鐵提供大致徑向的區域性線性力，這是由于在所述擺平臺以下的磁場。
15.按照權利要求13的方法，其中所述擺頁元件是選自導線，彈簧，及其組合構成的組中的材料。
16.按照權利要求13的方法，還包括利用所述平臺支承激光源，所述激光源產生激光束。
17.按照權利要求13的方法，還包括利用在激光束路徑上的所述平臺支承光學元件。
18.按照權利要求13的方法，還包括利用所述平臺至少支承一個反射面。
19.按照權利要求13的方法，其中所述磁鐵是位于所述擺平臺以下并提供由磁場產生的大致徑向的區域性線性力的環形永久磁鐵，所述磁鐵吸引被所述擺頁元件支承的磁性吸引材料。
20.按照權利要求13的方法，還包括阻止所述平臺的擺振蕩。
21.按照權利要求13的方法，其中當傾斜角是在偏離完全水平方向約±5°的范圍內時，所述自調平的范圍約為完全鉛垂方向的98％。
22.按照權利要求13的方法，其中所述最終的傾斜校正可以校正偏離完全鉛垂方向高達約2％的鉛垂誤差。
23.按照權利要求13的方法，其中所述磁鐵是螺線管型磁鐵，和所述方法還包括在沿所述傾斜的方向，增大/減小所述磁鐵的磁場強度。
24.按照權利要求13的方法，還包括檢測所述傾斜，并基于所述檢測的傾斜，增大/減小所述磁鐵的磁場強度。
25.按照權利要求13的方法，還包括檢測所述傾斜，檢測溫度，并基于所述檢測的傾斜和溫度，增大/減小所述磁鐵的磁場強度。
26.一種用于提供基本上完全水平或鉛垂取向的激光束的自調平激光對準工具，所述設備包括外殼；擺平臺，固定到外殼上并與外殼內的擺頁元件有關，當外殼沒有完全水平或鉛垂的取向時，可以實施第一階段的對準，留下激光束與完全水平或鉛垂取向的剩余角偏差；在所述擺平臺上放置的磁性吸引材料；和安裝到所述外殼上并在所述材料以下的磁鐵，因此，當所述平臺傾斜時，所述材料與所述磁鐵之間的吸引力就增大，從而實施第二階段的對準，其中通過補償所述擺頁元件的材料剛度，并沿基本上完全水平或鉛垂的取向拉動所述平臺。
27.按照權利要求26的設備，其中所述磁鐵提供大致徑向的區域性線性力，這是由于在所述擺支承元件以下的磁場。
28.按照權利要求26的設備，其中所述擺頁元件是選自導線，彈簧，及其組合構成的組中的材料。
29.按照權利要求26的設備，其中所述平臺包含產生激光束的激光源。
30.按照權利要求26的設備，其中所述平臺包含在激光束路徑上的光學元件。
31.按照權利要求26的設備，其中所述平臺包含位于激光束路徑上的至少一個反射面。
32.按照權利要求26的設備，其中所述磁鐵是選自永久磁鐵和螺線管型磁鐵構成的組。
33.按照權利要求26的設備，還包括用于影響所述擺平臺的阻尼構件，它阻止所述平臺的擺動振蕩。
34.按照權利要求26的設備，其中當傾斜角是在偏離完全水平方向約±5°的范圍內時，所述自調平的范圍約為完全鉛垂方向的98％。
35.按照權利要求26的設備，其中所述最終的傾斜校正可以校正偏離完全鉛垂方向高達約2％的鉛垂誤差。
36.按照權利要求26的設備，其中所述磁鐵包括多個螺線管線圈，和所述設備還包括傾斜傳感器，電路連接到所述多個螺線管線圈和所述傾斜傳感器的電路板，和給所述傾斜傳感器，所述電路板和所述多個螺線管線圈供電的電源，其中基于所述傾斜傳感器檢測的傾斜角，所述電路板適合于調整從所述電池流動通過所述多個螺線管線圈中至少一個線圈的電流量。
全文摘要
一種自調平激光對準工具及其方法，用于提供基本上完全水平或鉛垂取向的激光束。磁性吸引力用于補償近似或部分地水平擺平臺的水平誤差，該平臺懸掛在有預定材料剛度的柔性擺頁元件上。擺頁元件的材料剛度是利用磁鐵補償的，該磁鐵可以把擺平臺拉動成基本上完全水平和鉛垂的取向。
文檔編號G01C15/10GK101044373SQ200580035815
公開日2007年9月26日 申請日期2005年8月18日 優先權日2004年10月19日
發明者羅賓·麥卡蒂 申請人:天寶導航有限公司