一种塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置及控制方法制造方法及图纸

塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置及方法，装置中三级动臂通过转接机构与夹具连接，二级动臂通过一个X轴转动关节与三级动臂连接、X轴伺服电机内置于该X轴转动关节，一级动臂通过Z轴转动关节与二级动臂连接、Z轴伺服电机内置于该Z轴转动关节，手持握杆通过另一个X轴转动关节与一级动臂连接，传感器安装在夹具上。方法包括S1：采样T(i)时刻的姿态倾角θx(i)、θz(i)；S2：计算姿态偏差Ex(i)、Ez(i)；S3：进行PID计算；得出补偿角度信号Ox(i)、Oz(i)。S4：X轴伺服电机和Z轴伺服电机执行补偿动作。具有结构简单可靠、响应速度快、执行效率高、自动化程度高、可减轻人工扶尺的劳动强度的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置及控制方法
本专利技术主要涉及工程测量中塔尺及棱镜杆垂直度调整技术，尤其涉及一种塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置及控制方法。
技术介绍
在工程测量过程中，需要确保塔尺及棱镜杆处于垂直状态，往往需要人工扶正且保持其稳定，长时间的立尺作业较为费力且立尺的垂度因人而异。本方法及装置在立尺随意或晃动较大的情况下依旧能确保尺身的垂度，其作为立尺作业的辅助系统能大大降低人工作业强度，确保测量精度。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单可靠、响应速度快、执行效率高、自动化程度高、可减轻人工扶尺的劳动强度的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置及控制方法。为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：一种塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，定义塔尺/棱镜杆垂直状态的轴向为Z轴，与Z轴垂直的水平面定义X轴和Z轴，包括手持握杆、一级动臂、二级动臂、三级动臂、两个X轴转动关节、一个Z轴转动关节、X轴伺服电机、Z轴伺服电机、转接机构、夹具和传感器，所述夹具夹持在塔尺/棱镜杆上，所述三级动臂通过转接机构与夹具连接，所述二级动臂通过一个X轴转动关节与三级动臂连接、所述X轴伺服电机内置于该X轴转动关节内，所述一级动臂通过Z轴转动关节与二级动臂连接、Z轴伺服电机内置于该Z轴转动关节内，所述手持握杆通过另一个X轴转动关节与一级动臂连接，所述传感器安装在夹具上。作为上述技术方案的进一步改进：所述转接机构包括固定台、X向铰接件、Y向铰接件和Z向铰接件，所述固定台与夹具固接，所述Z向铰接件与固定台活动套接并能绕Z向转动，所述Y向铰接件与Z向铰接件活动铰接并能绕Y向转动，所述X向铰接件与Y向铰接件活动铰接并能绕X向转动，所述X向铰接件连接所述三级动臂。固定台包括U型台和滑杆，所述U型台的背板与夹具固接，所述滑杆固装在U型台的顶底板之间，所述Z向铰接件滑套在滑杆上。所述Z向铰接件包括竖管和连接于竖管侧部的横管，所述竖管滑套在滑杆上，所述Y向铰接件与横管活动铰接。所述Y向铰接件包括Y向铰接座和固装在Y向铰接座上的Y向铰轴，所述Y向铰轴与横管活动铰接，所述X向铰接件与Y向铰接座活动铰接。所述X向铰接件包括X向铰接座和X向铰轴，所述X向铰接座通过X向铰轴与Y向铰接座活动铰接，所述X向铰接座与所述三级动臂固接。所述夹具包括U型夹台和固装在U型夹台上的安装板，所述U型夹台的开口夹持在塔尺/棱镜杆上，所述传感器固装在安装板上，所述U型夹台的背板与固定台固接。所述U型夹台包括L型外套板和L型内插板，所述L型内插板的背板插配于所述L型外套板的背板内，所述安装板固装在L型外套板上。所述L型外套板于其背板的内壁安装有呈上下布置的活动夹杆。所述L型内插板、L型外套板以及活动夹杆上设有用于和棱镜杆表面配合夹持的弧形夹持面，L型内插板和L型外套板上还设有用于和塔尺表面配合夹持的夹持平面。还包括用于固定塔尺/棱镜杆底部并防止其绕Z轴转动的定向底座。所述定向底座包括外壳体、用于固定塔尺的底座球台以及用于固定棱镜杆的固定块，所述底座球台位于外壳体内并与外壳体形成球面活动连接，所述固定块与底座球台顶面可拆卸式连接。所述外壳体包括盆形底壳和设置在盆形底壳上部的环形顶壳，所述底座球台于外侧壁均匀间隔布置有多条定向母槽，各定向母槽内设置有传动滚珠，所述盆形底壳和环形顶壳于内侧壁布置有多条与各定向母槽位置相对应定向子槽，所述底座球台承载在盆形底壳内、且各传动滚珠与相应位置的定向子槽配合。所述盆形底壳于其底板上穿设有多组垫针组件，其中一组垫针组件穿设在盆形底壳的底板的中心位置，另外的各组组垫针组件沿底板均匀间隔布置并位于同一圆形线上，所述底座球台承载在各垫针组件上。所述垫针组件包括针杆、复位弹簧、顶盖和杆套，所述杆套与盆形底壳底板相应位置的穿孔对应并与底板固接，所述针杆活动套设在杆套内并穿过底板，所述复位弹簧固装在针杆顶部，所述顶盖固装在复位弹簧顶部，所述底座球台承载在顶盖上。所述固定块于中心位置开设有棱镜杆插孔，固定块底部设有插接块，所述底座球台于顶部开设有与所述插接块配合的插槽。所述底座球台的顶部中心位置还开设有塔尺定位槽，所述塔尺定位槽于中心位置还开设有中心定位孔。一种塔尺/棱镜杆竖向自稳控制方法，用上述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置进行，包括以下步骤：S1：通过传感器(11)采样塔尺/棱镜杆T(i)时刻的姿态倾角θx(i)、θz(i)；S2：根据传感器(11)反馈的姿态倾角θx(i)、θz(i)，计算T(i)时刻的姿态偏差Ex(i)、Ez(i)；S3：姿态偏差Ex(i)、Ez(i)作为PID控制程序的输入值进行PID计算；得出T(i)时刻的补偿角度信号Ox(i)、Oz(i)。S4：X轴伺服电机和Z轴伺服电机根据输出信号Ox(i)、Oz(i)执行补偿动作；S5：保持步骤S1至S4循环进行。在步骤S3中，分别计算比例控制输出值KPx·Px(i)、KPz·Pz(i)、积分控制输出值KIx·Ix(i)、KIz·Iz(i)、微分控制输出值KDx·Dx(i)、KDz·Dz(i)得出T(i)时刻的补偿角度信号Ox(i)、Oz(i)，其中，KP为比例控制系数；KI为积分控制时间；KD为微分控制系数。由于系统具备2台伺服电机，程序对其单独控制，每台伺服电机具备一组控制系数，用下标x、z进行区分。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：本专利技术的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，当手持握杆发生抖动时，塔尺/棱镜杆在手持握杆的三个线位移作用下仅产生两类位移响应，姿态由正垂转变为倾斜；在手持抖动的瞬间，系统程序采样到姿态变位瞬间的传感器信号之前，X轴伺服电机和Z轴伺服电机会保持当前姿态，手持握杆的抖动会整体改变一级动臂、二级动臂和三级动臂的空间位置，但三个动臂之间相对位置不会发生改变，在本次手持抖动瞬间之后，下一次抖动开始之前，系统程序采样到姿态变位瞬间的传感器信号后，X轴伺服电机和Z轴伺服电机开始矫正塔尺/棱镜杆姿态，由于传感器对姿态变位的采样频率远高于握杆的抖动频率，程序的PID控制器执行补偿的周期亦远低于手持握杆抖动的周期，因此在机构执行补偿的过程中，手持握杆的空间位置可认为是保持不变的，程序的PID控制器不断比对采样数据同正垂状态的偏差，并发出脉冲信号驱动X轴伺服电机和Z轴伺服电机执行步进补偿动作。比例积分控制器PI把积累的偏差作为输出对伺服机构进行控制，用以减少稳态误差，提高控制精度；比例微分控制器PD根据偏差的变化速度对伺服机构进行控制，用以提高补偿响应速度和动态性能，塔尺/棱镜杆在两处伺服电机的两个角位移作用下产生两类位移响应，姿态由倾斜转变为正垂。较传统方式而言，该装置可大大减轻人工扶尺的劳动强度，实时、自动、快速、准确的调整尺身垂直度，使塔尺/棱镜杆垂直度不受手持端晃动等因素干扰而始终保持正垂状态，且能始终保持尺身朝向观测者；其结构简单可靠。本专利技术的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制方法，用上述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置进行，因此具备上述塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置相应的技术效果。附图说明图1是本专利技术塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置的结构示意图。图2是图1的A处放大结构示意图。图3是本专利技术塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置中转接机构的局部放大结构示意图。图4是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，定义塔尺/棱镜杆垂直状态的轴向为Z轴，与Z轴垂直的水平面定义X轴和Z轴，其特征在于：包括手持握杆(1)、一级动臂(2)、二级动臂(3)、三级动臂(4)、两个X轴转动关节(5)、一个Z轴转动关节(6)、X轴伺服电机(7)、Z轴伺服电机(8)、转接机构(9)、夹具(10)和传感器(11)，所述夹具(10)夹持在塔尺/棱镜杆上，所述三级动臂(4)通过转接机构(9)与夹具(10)连接，所述二级动臂(3)通过一个X轴转动关节(5)与三级动臂(4)连接、所述X轴伺服电机(7)内置于该X轴转动关节(5)内，所述一级动臂(2)通过Z轴转动关节(6)与二级动臂(3)连接、Z轴伺服电机(8)内置于该Z轴转动关节(6)内，所述手持握杆(1)通过另一个X轴转动关节(5)与一级动臂(2)连接，所述传感器(11)安装在夹具(10)上。

【技术特征摘要】
1.一种塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，定义塔尺/棱镜杆垂直状态的轴向为Z轴，与Z轴垂直的水平面定义X轴和Z轴，其特征在于：包括手持握杆(1)、一级动臂(2)、二级动臂(3)、三级动臂(4)、两个X轴转动关节(5)、一个Z轴转动关节(6)、X轴伺服电机(7)、Z轴伺服电机(8)、转接机构(9)、夹具(10)和传感器(11)，所述夹具(10)夹持在塔尺/棱镜杆上，所述三级动臂(4)通过转接机构(9)与夹具(10)连接，所述二级动臂(3)通过一个X轴转动关节(5)与三级动臂(4)连接、所述X轴伺服电机(7)内置于该X轴转动关节(5)内，所述一级动臂(2)通过Z轴转动关节(6)与二级动臂(3)连接、Z轴伺服电机(8)内置于该Z轴转动关节(6)内，所述手持握杆(1)通过另一个X轴转动关节(5)与一级动臂(2)连接，所述传感器(11)安装在夹具(10)上。2.根据权利要求1所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述转接机构(9)包括固定台(91)、X向铰接件(92)、Y向铰接件(93)和Z向铰接件(94)，所述固定台(91)与夹具(10)固接，所述Z向铰接件(94)与固定台(91)活动套接并能绕Z向转动，所述Y向铰接件(93)与Z向铰接件(94)活动铰接并能绕Y向转动，所述X向铰接件(92)与Y向铰接件(93)活动铰接并能绕X向转动，所述X向铰接件(92)连接所述三级动臂(4)。3.根据权利要求2所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：固定台(91)包括U型台(911)和滑杆(912)，所述U型台(911)的背板与夹具(10)固接，所述滑杆(912)固装在U型台(911)的顶底板之间，所述Z向铰接件(94)滑套在滑杆(912)上。4.根据权利要求3所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述Z向铰接件(94)包括竖管(941)和连接于竖管(941)侧部的横管(942)，所述竖管(941)滑套在滑杆(912)上，所述Y向铰接件(93)与横管(942)活动铰接。5.根据权利要求4所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述Y向铰接件(93)包括Y向铰接座(931)和固装在Y向铰接座(931)上的Y向铰轴(932)，所述Y向铰轴(932)与横管(942)活动铰接，所述X向铰接件(92)与Y向铰接座(931)活动铰接。6.根据权利要求5所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述X向铰接件(92)包括X向铰接座(921)和X向铰轴(922)，所述X向铰接座(921)通过X向铰轴(922)与Y向铰接座(931)活动铰接，所述X向铰接座(921)与所述三级动臂(4)固接。7.根据权利要求2至6中任一项所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述夹具(10)包括U型夹台(101)和固装在U型夹台(101)上的安装板(102)，所述U型夹台(101)的开口夹持在塔尺/棱镜杆上，所述传感器(11)固装在安装板(102)上，所述U型夹台(101)的背板与固定台(91)固接。8.根据权利要求7所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述U型夹台(101)包括L型外套板(1011)和L型内插板(1012)，所述L型内插板(1012)的背板插配于所述L型外套板(1011)的背板内，所述安装板(102)固装在L型外套板(1011)上。9.根据权利要求8所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述L型外套板(1011)于其背板的内壁安装有呈上下布置的活动夹杆(1013)。10.根据权利要求9所述的塔尺/棱镜杆竖向自稳控制装置，其特征在于：所述L型内插板(1012)、L型外套板(1011)以及活动夹杆(1013)上设有用于和棱镜杆表面配合夹持的弧形夹持面(1014)，L型内插板(1012)和L型外套板(1011)上还设有用于和塔尺表面配合夹持的夹持平面(1015)。11.根据权利要求2至6中任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：张逆进，丁昱铭，刘元杰，张建军，肖乾珍，
申请(专利权)人：中铁十二局集团第七工程有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43