專利名稱：快速高精度陀螺經緯儀的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種陀螺經緯儀，特別涉及一種能自動尋北的下置式快速高精度陀螺經緯儀。
自1947年以來，德國、蘇聯、英國、匈牙利、瑞士、美國、日本及中國先后開展了陀螺經緯儀的研究，至今已有四十多年的歷史；陀螺經緯儀的發展大體可分為三個階段；①液浮式陀螺羅盤，該類為最早產品，其性能較差、體積大、操作復雜、定向時間長、精度低，目前已被淘汰；②上架式陀螺經緯儀，隨著陀螺技術的不斷發展，精密小型陀螺元件的出現，鑒于某些工程測量要求定向精度不必太高，發展了一種小型陀螺附件，置于經緯儀之上，該類儀器體積小、重量輕、便于操作、攜帶，目前國內這類儀器較多，但儀器總高度較大，使用時易受風力和振動的影響；③下置式陀螺經緯儀，其優點是這類儀器總高度較小，使用時陀螺盤離地面近，且裝在經緯儀剛性最好的軸上，因而受風力、振動、溫度的影響較小，可適應野外惡劣的環境條件，這對軍用儀器尤為重要，這是今后發展的方向。
當前國內用于定向的陀螺經緯儀有手動的，也有自動的；手動的陀螺經緯儀如徐州光學儀器廠的JT15，西安光學測量儀器廠的DJ2-T20，其缺點是定向時間太長，分別為25分鐘和30分鐘，而且手工操作，對操作人員的要求很高；自動的陀螺經緯儀，如航天部15所的TDJ83，其缺點也是定向時間長，定向時間為20分鐘，而且不能自動定北。
本發明的目的是為了提供一種精度高、快速定向、測量自動化、自動尋北并穩定在北向，能適應各種惡劣環境條件的下置式快速高精度陀螺經緯儀。
本發明的目的是按以下技術方案實現的。備好經緯儀、懸絲、懸掛組件、密珠軸系、陀螺馬達、陀螺房、光學傳感器、鎖緊與限幅機構、力矩器組件、磁屏蔽裝置、三角架、輸電裝置、支承殼體、伺服電機與測速電機、傳動機構，由懸絲、懸掛組件、陀螺馬達、陀螺房、力矩器組件、磁屏蔽裝置、輸電裝置組成懸掛機構，陀螺馬達固定在陀螺房上，陀螺房與懸掛組件固連，在懸掛組件的上端由夾緊機構與懸絲相連，輸電裝置一端固定在懸掛組件上，另一端固定在跟蹤裝置上，給陀螺馬達供電，力矩器組件的轉子固定在陀螺房的下端，力矩器組件的定子固定在支承殼體上，磁屏蔽裝置固定在陀螺房周圍，懸掛機構與跟蹤裝置通過懸絲相連；由密珠軸系、光學傳感器、鎖緊與限幅機構、支承殼體、伺服電機與測速電機、傳動機構組成跟蹤裝置，鎖緊與限幅機構固定在支承殼體的下方，用于鎖定懸掛機構，且對懸掛機構的運動進行限幅，光學傳感器用來敏感陀螺擺的運動，陀螺擺的角運動通過光學傳感器變為光信號，光信號通過光學傳感器電路和前置處理電路變為電信號，送入計算機控制電路，該信號經過功率放大分別送入偏置穩定電路，隨動電路和阻尼電路；光學傳感器固定在支承殼體上，以敏感懸掛機構的運動，密珠軸系的軸固定在支承殼體上，軸套固定在三角架上，支承殼體與經緯儀固連，伺服電機與測速電機固定在三角架上，且與傳動機構相連接，傳動機構與密珠軸系通過齒輪連接。
經緯儀為通用的經緯儀；懸絲用鎳42鉻鈦(Ni42CrTi)制成；懸掛組件由夾緊裝置、懸掛柱、光學傳感器的反光鏡、馬達啟動時的旁路機構、鎖定時的固定機構、輸電裝置的固定結構組成，夾緊裝置固定在懸掛柱的上端，光學傳感器的反光鏡固定在懸掛柱的中部，輸電裝置的固定結構固定在懸掛柱的上部，馬達啟動時的旁路機構固定在懸掛柱的下端，鎖定時的固定結構也固定在懸掛柱的下端；密珠軸系由軸、軸套、平行圈、止推板、隔圈及精密滾珠構成；陀螺馬達為高精度陀螺馬達；陀螺房為高精密結構陀螺房；光學傳感器由反光鏡、三個透鏡、直角棱鏡、折射棱鏡、標尺光柵、光源、指示光柵構成；鎖緊與限幅機構由凸輪、彈簧、滾珠、滑動軸、托板、手輪組成，凸輪固定在支承殼體上，凸輪通過滾珠與滑動軸相連，托板與滑動軸相連，手輪與凸輪相連，彈簧與滑動軸和支承殼體相連；力矩器組件由轉子和定子組成，轉子固定在懸掛機構上陀螺房的下端，定子固定在支承殼體上；磁屏蔽裝置為多層磁屏蔽，用以屏蔽外界磁場；三角架為通用三角架；輸電裝置由上輸電盤、下輸電盤、軟導線組成；支承殼體用于支撐跟蹤裝置各個組件；伺服電機與測速電機為通用電機；傳動機構由諧波齒輪減速器和二級傳動構成，其中一級傳動為齒輪傳動，二級傳動為蝸輪蝸桿傳動。懸掛機構用來敏感地球自轉角速率的北向分量；跟蹤裝置用來對懸掛機構中的陀螺儀自轉軸進行伺服跟蹤，達到陀螺儀與經緯儀同步運行的目的，最后用經緯儀的望遠鏡傳遞北向方位。
本發明由于定向采用了懸絲式陀螺、垂直阻尼自動定向，因而實現了大角度快速尋北；由于采用了高精度陀螺馬達及陀螺房、高靈敏度的陀螺懸掛機構、高穩定高分辨率的力矩器、精密穩定的測角系統、低干擾高穩定性的導流系統、精密回轉軸系及其伺服系統、高導磁率的磁屏蔽機構，因而精度高(可達秒級精度)、測量時間短、使用方便、防磁、防振、尋北自動化并自動穩定在北向，不用人工干預，儀器的可靠性高，適應惡劣的環境條件，可廣泛應用于礦山、建筑、鐵路、森林、航天等行業。
下面結合附圖對本發明作進一步詳細說明
圖1為本發明結構示意框2為本發明結構3為本發明的運動軌跡4為本發明電原理框5為本發明電原理6為本發明光學傳感器結構示意7本發明密珠軸系結構示意圖參照圖1至圖7，備好經緯儀1、懸絲2、懸掛組件3、密珠軸系4、陀螺馬達5、陀螺房6、光學傳感器7、鎖緊與限幅機構8、力矩器組件9、磁屏蔽裝置10、三角架11、輸電裝置12、支承殼體13、伺服電機與測速電機14、傳動機構15；由懸絲2、懸掛組件3、陀螺馬達5、陀螺房6、力矩器組件9、磁屏蔽裝置10、輸電裝置12組成懸掛機構，陀螺馬達5固定在陀螺房6上，陀螺房6與懸掛組件3固連，在懸掛組件3的上端由夾緊機構與懸絲2相連，輸電裝置10一端固定在懸掛組件3上，另一端固定在跟蹤裝置上，給陀螺馬達5供電，力矩器組件9的轉子固定在懸掛機構上陀螺房6的下端，力矩器組件9的定子固定在跟蹤裝置的支承殼體13上，磁屏蔽裝置10固定在陀螺房6周圍，懸掛機構與跟蹤裝置通過懸絲2相連；由密珠軸系4、光學傳感器7、鎖緊與限幅機構8、支承殼體13、伺服電機與測速電機14、傳動機構15組成跟蹤裝置，鎖緊與限幅機構8固定在支承殼體13的下方，用于鎖定懸掛機構，且對懸掛機構的運動進行限幅，光學傳感器7的光學傳感器電路51依次與前置處理電路52、計算機控制電路53、功率驅動電路57、偏置穩定電路54、隨動電路56、阻尼電路55用導線相聯接，光學傳感器7用來敏感陀螺擺的運動，陀螺擺的角運動通過光電傳感器7變為光信號，光信號通過光電傳感器電路51和前置處理電路52變為電信號，送入計算機控制電路53，該信號經過功率驅動電路57分別送入偏置穩定電路54、隨動電路56和阻尼電路55，光電傳感器7固定在支承殼體13上，以敏感懸掛機構的運動，密珠軸系4的軸73固定在支承殼體13上，軸套74固定在三角架11上，支承殼體13與經緯儀1固連，伺服電機與測速電機14固定在三角架11上，且與傳動機構15相連接，傳動機構15與密珠軸系4通過齒輪連接。
經緯儀1為通用的經緯儀；懸絲用鎳42鉻鈦(Ni42CrTi)制成；懸掛組件3由夾緊裝置21、懸掛柱22、光學傳感器7的反光鏡61、馬達啟動時的旁路機構24、鎖定時的固定機構23、輸電裝置12的固定結構25，夾緊裝置21固定在懸掛柱22的上端，光學傳感器7的反光鏡61固定在懸掛柱22的上部，馬達啟動時的旁路機構24固定在懸掛柱22的下端，鎖定時的固定結構23也固定在懸掛柱22的下端；密珠軸系由軸73、軸套74、平行圈76、止推板71、隔圈75及精密滾珠72構成；陀螺馬達5為高精度陀螺馬達；陀螺房6為高精密結構陀螺房；光學傳感器7由反光鏡61、透鏡62、63、67、直角棱鏡64、折射棱鏡65、標尺光柵66、光源68、指示光柵69構成；鎖緊與限幅機構8由凸輪32、彈簧34、滾珠36、滑動軸35、托板31、手輪33組成，凸輪32固定在支承殼體1 3上，凸輪32通過滾珠36與滑動軸35相連，托板31與滑動軸35相連，手輪33與凸輪32相連，彈簧34與滑動軸35和支承殼體1 3相連；力矩器組件9由轉子42和定子41組成，轉子42固定在懸掛機構上的陀螺房6下端，定子41固定在支承殼體13上；磁屏蔽裝置10為多層磁屏蔽，用以屏蔽外界磁場；三角架11為通用三角架；輸電裝置12由上輸電盤82、下輸電盤25、軟導線81組成；支承殼體13用于支承跟蹤裝置各個組件；伺服電機與測速電機14為通用電機；傳動機構15由諧波齒輪減速器和二級傳動構成，其中一級傳動為齒輪傳動，二級傳動為蝸輪蝸桿傳動。
在陀螺經緯儀的運動過程中，對光學傳感器7信號的定時采樣，采樣后的數據處理，對伺服電機死區的補償，指北判別，運行過程的控制和顯示等工作的完成，都是靠計算機控制電路53來實現的；計算機控制電路53采用MCS-51系列單片機系統，以8031芯片為主機，外接EPROM2764和可編程并行接口8255、譯碼器74LS138、地址鎖存器74LS373各一片組成微機系統；懸掛機構用來敏感地球自轉角速率的北向分量，跟蹤裝置用來對懸掛機構中的陀螺儀自轉軸進行伺服跟蹤，達到陀螺儀與經緯儀1(與跟蹤裝置固連)同步運行的目的，最后用經緯儀1的望遠鏡傳遞北向方位；偏置穩定電路54用來消除擺與跟蹤裝置之間的誤差，隨動電路56用來對陀螺擺的運動進行伺服跟蹤，阻尼電路55用來對陀螺擺的運動進行阻尼，使其衰減；具體實現自動指北的過程是在懸絲上吊掛陀螺儀(由陀螺馬達5、陀螺房6組成)，力矩器組件9和測角自準直系統(由光學傳器7等組成)，當陀螺儀由于地球自轉角速度的影響而進動時，測角自準直系統產生光信號并轉變為電信號，經放大、校正后送入伺服電機，伺服電機的角速率由測速電機檢測，經伺服放大送入力矩器產生阻尼力矩，使陀螺自轉軸逐漸靜止在真子午線方向，與此同時，伺服電機驅動經緯儀轉動，使經緯儀也停在真子午線方向，使之實現了自動指北并穩定在北向，不用人工干預。
在擺式陀螺羅盤中，陀螺懸掛在一個非常柔軟的低扭矩金屬懸掛帶上，如果不加阻尼，擺將繞地球子午線作等幅擺動，陀螺自轉軸將在垂直于地球自轉速率北向分量的平面上描繪出一個橢園圖形，利用這個等幅擺動特性，可在精確定時的四分之一擺動周期內將儀器從初始位置(±15°范圍之內)快速粗略定于北向；然后用力矩器給擺施加阻尼力矩，使陀螺擺作衰減運動，同時伺服跟蹤裝置跟蹤陀螺擺的運動，用無阻尼四分之一周期法，過阻尼實現粗定向，用欠阻尼實現儀器的精定向；當擺和跟蹤裝置接近子午線時，測速電機電壓信號的大小就降低，一旦測速電機信號低于規定值時，對準檢測電路接通，在信號不超過規定值并穩定一段時間后，由計算機發出指令，關閉伺服跟蹤裝置，發出對準信號，同時鎖定機構將擺鎖定，真北方位可以通過經緯儀上的望遠鏡傳遞出去。
本發明結構上采用下置式結構，因而穩定性好，并采用了多層磁屏蔽結構以防磁，結構密封以防潮，采用阻尼裝置以防震，可適用于各種惡劣環境條件。
權利要求
1.一種快速高精度陀螺經緯儀，包括經緯儀[1]、懸絲[2]、陀螺馬達[5]、陀螺房[6]、三角架[11]。其特征是所述的快速高精度陀螺經緯儀還包括懸掛組件[3]、密珠軸系[4]、光學傳感器[7]、鎖緊與限幅機構[8]、力矩器組件[9]、磁屏蔽裝置[10]、輸電裝置[12]、支承殼體[13]、伺服電機與測速電機[14]、傳動機構[15]；由懸絲[2]、懸掛組件[3]、陀螺馬達[5]、陀螺房[6]、力矩器組件[9]、磁屏蔽裝置[10]、輸電裝置[12]組成懸掛機構，陀螺馬達[5]固定在陀螺房[6]上，陀螺房[6]與懸掛組件[3]固連，在懸掛組件[3]的上端由夾緊機構與懸絲[2]相連，輸電裝置[10]一端固定在懸掛組件[3]上，另一端固定在跟蹤裝置上，給陀螺馬達[5]供電，力矩器組件[9]的轉子[42]固定在懸掛機構上陀螺房[6]的下端，力矩器組件[9]的定子[41]固定在支承殼體上，磁屏蔽裝置[10]固定在陀螺房[6]周圍，懸掛機構與跟蹤裝置通過懸絲[2]相連；由密珠軸系[4]、光學傳感器[7]、鎖緊與限幅機構[8]、支承殼體[13]、伺服電機與測速電機[14]、傳動機構[15]組成跟蹤裝置，鎖緊與限幅機構[8]固定在支承殼體[13]的下方，用于鎖定懸掛機構，且對懸掛機構的運動進行限幅，光學傳感器[7]用來敏感陀螺擺的運動，陀螺擺的角運動通過光學傳感器[7]變為光信號，光信號通過光學傳感器電路[51]和前置處理電路[52]變為電信號，送入計算機控制電路[53]，該信號經過功率驅動電路[57]分別送入偏置穩定電路[54]、隨動電路[56]和阻尼電路[55]，光學傳感器[7]固定在支承殼體[13]上，以敏感懸掛機構的運動，密珠軸系[4]的軸[73]固定在支承殼體[13]上，軸套[74]固定在三角架[11]上，支承殼體[13]與經緯儀[1]固連，伺服電機與測速電機[14]固定在三角架[11]上，且與傳動機構[15]相連接，傳動機構[15]與密珠軸系[4]通過齒輪連接。
2.如權利要求1所述的快速高精度陀螺經緯儀，其特征是所述的懸掛組件[3]由夾緊裝置[21]、懸掛柱[22]、光學傳感器[7]的反光鏡[61]、馬達啟動時的旁路機構[24]、鎖定時的固定機構[23]、輸電裝置[12]的固定結構[25]、夾緊裝置[21]固定在懸掛柱[22]的上端，光學傳感器[7]的反光鏡[61]固定在懸掛柱[22]的上部，馬達啟動時的旁路機構[24]固定在懸掛柱[22]的下端。
3.如權利要求1所述的快速高精度陀螺經緯儀，其特征是所述的密珠軸系[4]由軸[73]、軸套[74]、平行圈[76]、止推板[71]、隔圈[75]及精密滾珠[72]構成。
4.如權利要求1所述的快速高精度陀螺經緯儀，其特征是所述的光學傳感器[7]由反光鏡[61]，透鏡[62]、[63]、[67]，直角棱鏡[64]、折射棱鏡[65]，標尺光柵[66]，光源[68]，指示光柵[69]構成。
5.如權利要求1所述的快速高精度陀螺經緯儀，其特征是所述的鎖緊與限幅機構[8]由凸輪[32]、彈簧[34]、滾珠[36]、滑動軸[35]、托板[31]、手輪[33]組成，凸輪[32]固定在支承殼體[13]上，凸輪[32]通過滾珠[36]與滑動軸[35]相連，托板[31]與滑動軸[35]相連，手輪[33]與凸輪[32]相連，彈簧[34]與滑動軸[35]和支承殼體[13]相連。
6.如權利要求1所述的快速高精度陀螺經緯儀，其特征是所述的力矩器組件[9]由轉子[42]和定子[41]組成，轉子[42]固定在懸掛機構上的陀螺房[6]下端，定子[41]固定在支承殼體[13]上。
7.如權利要求1所述的快速高精度陀螺經緯儀，其特征是所述的輸電裝置[12]由上輸電盤[82]、下輸電盤[25]、軟導線[81]組成。
8.如權利要求1所述的快速高精度陀螺經緯儀，其特征是所述的傳動機構[15]由諧波齒輪減速器和二級傳動構成，其中一級傳動為齒輪傳動，二級傳動為蝸輪蝸桿傳動。
全文摘要
本發明涉及一種陀螺經緯儀，特別涉及一種能自動尋北的快速高精度陀螺經緯儀；本發明由經緯儀、懸絲、懸掛組件、密珠軸系、陀螺馬達、陀螺房、光學傳感器、鎖緊與限幅機構、力矩器組件、磁屏蔽裝置、三角架、輸電裝置、支承殼體、伺服電機與測速電機、傳動機構等構成；本發明實現了大角度快速尋北、尋北自動化并自動穩定在北向，且精度高、防磁防振，可廣泛應用于礦山、建筑、鐵路、森林及航天等行業。
文檔編號G01C19/00GK1126310SQ9510156
公開日1996年7月10日 申請日期1995年2月28日 優先權日1995年2月28日
發明者王軻, 周吉人, 萬強, 孫方金 申請人:中國航天工業總公司第一研究院第十三研究所