TWI270659B - Optical device using a reflection principle to measure levelness - Google Patents

Description

1270659 ———— - 九、發明說明：f年狄月 〜曰修(更)正替換頁 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種利用反射之光學式水平量測裝置，特 別指一種以位置感測器、反射鏡配合雷射所建立的一套高猜 度水平量測裝置。 【先前技術】

隨著科技日益發達，產業界對機器精度之需求也越益提 升，對於機器的真直度、平行度、垂直度及平坦度之量測需 求亦愈趨頻繁及嚴苛，因此，對於水平量測裝置的要求也越 嚴格；習用之水平量測裝置可分成兩種，第—種係為利用重 力原理所建立之量測裝置；第二種為非利用重力原理所建立 之量測$置。爿用重力原理所建立之水平量測裝置主要有米 密氣泡式水平儀、電解錢泡水平儀、電μ水平儀、電笔 式水平儀及光電式水平儀等裝置。利用非重力原理的水平量 測裂置主要有雷射干涉儀、自動視準儀、六分儀等裝置。 目前業界最常使用之水平儀為精密氣泡式水平儀，但是 氣:包式水平儀之解析度無法滿足目前精密機械對水平量測 而长現有之间精度水平量測裝置主要以電容式水平儀為 主’ -般簡稱電子式水平儀’此類裝置目前水平解析度可以 : rc sec。然而電子水平儀具有下列缺點··（丨）量 測解析度越高量測鈴衝 “巳圍越小’如量測解析度0.2 Arc-sec的 電子水平儀只可以|、丨 J—4〇〇Arc—sec;(2)單次只能量測單 5 1270659 |?r年/評日修便)正替換頁 ，往往需要量測兩個自由 自由度之水平，但是一般的量測 度的水平（俯仰度及滾動度）。 水平儀除了量測水平傾斜，亦可應用在幾何量測上，士 真直度、平行度及平坦度；習用之幾何誤差量測多使用雷射 干涉儀’但{雷射+涉儀在大型機具上帛設非常困難且耗 時，而且價格昂貴，成本遠高於電子式水平儀。

由此可見，上述習用之水平量測與幾何誤差量測裝置仍 有諸多缺失，亟待加以改良。 本案發明人鑑於上述習用水平與幾何誤差量測裝置所衍 生的各項缺點’乃亟思加以改良創新’並經多年苦心孤詣潛 心研究後’終於成功研發完成本件—種利用反射原理之光學 式水平量測裝置。 【發明内容】 本發明之目㈣在於提供-制用反射，可同時量測俯 仰度及滾動度兩個自由度之傾斜度的光學式水平量測裝置。 本發明之次-目的係在於提供—種利用反射，在相同量 測精度下，具有較大量測範圍之光學式水平量測裝置。 本發明之又—目的係在於提供一種利用反射等光學原 理’不文電磁影響之水平量測裝置。 ^達上述發明目的之—種利用反射原理之光學式水平 量測裝置，包括有：光學式水平儀架構利用光於空間中行走

褒置放置於具有傾斜角的水平面上，因為重力的作用，反射 鏡會平行於地球水平面，㈣射及位置相器有相對移動， 經由分析最後落於位置感測器上的光點位置，即可得到平面 之傾斜角。 本發明之反射式光學水平儀係利用光反射之後，可提高 角度靈敏度之原理，經兩次反射以提高量測裝置之角度解析 度0 【實施方式】 () 糸統架構及動作說明 (1)請參閱圖一，本發明所提供之一種利用反射原理之光 學式水平量測裝置，其平面圖如圖一所示，而立體示意 圖如圖二所示，主要包括有： (a)將雷射光源11、反射鏡122及位置感測器13固定 在反射式光學水平儀之夾治具16上，該雷射光源u 可為可見光、微波、紅外光、紫外光以及χ射線，視 里測J哀境所需及精度所需而進行更換且皆可應用於 相對距離量測；該位置感測器13係可以電荷耦合器 件之相機（Charge Coupled Device camera, CCD)或以 127〇659----— f伴v月、日修(更)正替换頁 - ϊ測二維訊號之感測儀器替代；反射鏡121固定於鐘 擺機構14之上，該鐘擺機構14可以是利用點接觸、 萬向關節、雙向軸承或繩索等機構所組成； ⑻將位置感測ϋ 13的訊號線連接至位置感測器訊號 處理器17 ; (c) 將訊號處理器17輸出接到類比/數位轉換卡18，使 _ 訊號處理器的類比訊號轉成數位訊號，以便電腦19 後績的儲存工作； (d) 將反射式光學水平儀放置於待測平面之上。 反射式光學水平儀之平面光路圖如圖三所示，立體光路 圖如圖四所示，雷射光源11從P1點發射雷射光束，打在反 射鏡121上的P2點，接著反射至P3點，最後雷射光束由反 射鏡122反射至位置感測器J 3上。由於反射鏡丄2工是固定 於鐘擺機構14之上，因此與水平面恆為平行，但是當架構 ，放置於非水平之表面時，雷射光源U、反射鏡122、位置感 測器13之位置會對反射鏡121作相對運動，這是因為雷射 光源11、反射鏡122、位置感測器13是固定於夾治具16上， 因此會隨著夾治| 16的偏擺一起連動。圖五（a)(b)分別為 此架構放置於具有傾斜角么及傾斜角么時，夾治具16偏擺的 情形。 反射式光學水平儀操作流程如圖六所示，其操作流程與 1270659 ?]^年/月V日修(更)正替換頁 ( 一般的電子水平儀相同，首先水平儀需進行歸零程序，再將 水平儀置於待測物表面，並啟動量測程式進行取樣，量測結 束後，訊號經訊號處理器17處理，並經類比/數位轉換卡18 轉換’將類比訊號轉成數位訊號，並經電腦1 9輸出量、、則择 果 D /、、、、° 當雷射光源11打在位置感測器13上時，感測器13會 產生對應的X、Y軸訊號，此訊號即為雷射光在位置感測器 13上的位置訊號，由於當本發明位於不同的傾斜程度的待測 平面時，其位置感測器上之雷射光點的位置會隨傾斜程度的 待測平面而有相對應之變化。故，透過分析位置感測器上的 雷射光點位置，即可得到待測平面的傾斜程度；由於類比/數 位Λ旒轉換卡丨8所擷取的訊號為電壓訊號，因此在做量測 别需先進行位置感測器13的校正，以求得電壓與光點位置 的關係式（校正曲線方程式）；校正曲線之求得係將雷射干涉 儀所提供苓考座標以及位置感測器輸出的電壓，利用最小平 方差法計算而求得。 (二）二維位置感測器校正 一維位置感測器用於量測前，必須先經過校正，其校正 木構圖如圖七所示。將位置感測器3放置在微動平台8上， 其上有雷射光1打入，接著架設雷射干涉儀7，使雷射干涉 儀7可以I測微動平台8之移動量。最後將微動平台&每隔 9

1270659 固定距離定點來回G數次，取位置感測器3訊 號與雷射干涉儀7之讀值’將此過程所擷取的資料，經過最 小平方法計算後，即可得到此組位置感測器7的校正曲線。 -維位置感測H 3的校正分成χ軸校正與γ轴校正兩 次，校正流程圖如圖八⑴與圖八⑻所示，先將雷射光點移 至位置感測器之肩點，尤似ν ά ^ ^在做Χ軸校正時，微動平台8之移動 方向與位置感測器軸平行，然後在位置感測器3工作 乾圍内每隔固定距離來回移動數次；而Υ軸的校正則是將位 置感測器3轉9。度後，讓微動平台8之移動方向與位置感 !器…轴平行’接著讓微動平台8在位置感測器3工； 祀圍内每隔以距離來回移動數次，並擁取位置感測器訊號 並紀錄雷射干涉儀所量得的座標位置，將上述兩個動作過程 所擷取的資料經由計管 及丫轴校正曲線。卩了㈣二維位置感· 3的⑼ (三）幾何誤差量測 —本發明可以應用在機具幾何誤差量測上，如真直度 仃度及平坦度之量测。真直度量測一般用於導軌之 是長方形物件，將牲、目f从、二、▲ ’、丨或者 、待測物为成數個量測點（如 P,.,.P3, p2 每一個點的量測处杲敕 ， ）將 之直亩择 整理在一起，即可得到導軌或長形物件 ，、直度。水平儀所能做的平行度量測，通常是指扭轉方向 1270659

ί兮年^月、日修(更)正替換頁 的平行度，若要量行度J 則將兩道待測物分 成數個量測點（如圖+ π α十所不），然後依序量 (Pn-l，Ρη... ρ3 ρ〇 Ρ1 個點的水平 •·Μ P2’ P卜以及 Qn-i，Qn. 將每一個點的量測結果整理在 · 行度 ρ 了侍到兩道導軌之平 *平坦度量測大多應用於大型物件量测，如機具床 機機翼等。對於待測物件可°氣 私一、L 景无規測的點（如圖十一 所不），然後依序量測，最後整 件之平坦度。-般的電子水平·、、、。果，即可得到工 0電子水干儀’單次量測只能量測單一方 向的偏擺，所以每—個量測點必須量測兩次，如此才可以旦 測工件的兩個方向之偏擺，但是本發明可同時量測兩個方向里 的偏擺，因此可以較傳統的水平儀節省一半以上的量測時 間。 本表月亦可以用於量測線軌或硬軌等滑動件的俯仰度 及滾動度，-般的電子水平儀單次只能量測俯仰度或㈣ 度’必須量完其中一種誤差之後，將電子水平儀旋轉90度， 才能量測另—種誤差’但是本發明可以同時量測兩個誤差， 因此可以較一般的電子水平儀省下一半以上的量測時間。 本發明所提供之-種利用光學反射原理之光學式水平 量測裝置’與前述習用技術相互比較時，更具有下列之優點： 1.本發明之水平量測裳置可同時量測兩個自由度之傾 11 1270659 年/月>^修(更)正替換頁 驟 斜，在相同的量測流程下， 』Μ即省一半的量測步 使用於平坦度量测時可以節 喝 半的時間，因此對於 精禮、機具之檢測非常有用； 同4測精度下，具有較大 2 ·本發明之水平量測裝置在相 量測範圍； 測原理，不受電 本發明之水平量測裝置採用光學式量 磁影響； 4.本發明之反射式光學k# 尤予水千儀係利用光反射之後，可以

提高角度靈敏度之®理，叙Λ A 摩理經兩次反射達到將本發明之 角度解析度提升四倍； 上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說 明，惟該實施例並_以限制本發明之專利範圍，凡未脫離 本發明技藝精神所為之等效會絲$ # $ ^心寻政貫施或變更，均應包含於本案之 專利範圍中。 綜上所述，本案不但在架構上確屬創新，並能較習用水 平量測裝置增進上述多項功效，應已充分符合新穎性及進步 性之法^發明專利要件，爰依法提出巾請，懇_貴局核准 本件發明專利申請案，以勵發明，至感德便。 【圖式簡單說明】 圖一反射式光學水平儀平面圖； 圖一反射式光學水平儀立體圖； 12 1270659 y年^月^^修(更)正替換頁 圖二反射式光學水平儀平面光路圖； 圖四反射式光學水平儀立體光路圖； 圖五水平儀偏擺示意圖； 圖六光學水平儀動作流程圖； 圖七二維位置感測器校正架構圖；

圖八（A)位置感測器校正X軸之流程圖； 圖八（B)位置感測器校正Y轴之流程圖； 圖九真直度及傾斜度量測路徑圖； 圖十平行度量測路徑圖； 圖十一平坦度量測路徑圖。 【主要元件符號說明】 11 雷射光源 121 反射鏡 122 反射鏡

13 位置感測器 14 鐘擺機構 16 夾治具 17 位置感測器訊號處理器 18 類比/數位轉換卡 19 電腦 1 雷射光源 13 1270659 书年Γ月I Q日修(更)正替換頁 2 反射鏡 3 二維位置感測器 6 位置感測器夾治具 7 雷射干涉儀 8 線性微動平台

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Claims (1)

1270659 申請專利範園： — 一丨 ^「_ _ ,,.尸私月，修(^£替換弓 種利用反射原理之光學式水平量測裝置，包括 一雷射光源； 二反射鏡， 一鐘擺機構； 一二維位置感測器； 一訊號處理器；

一類比/數位訊號轉換卡； 一電腦； 將該雷射光源、一反射鏡及該位置感測器固定在架構 上，另一反射鏡固定於該鐘擺機構上，使該反射鏡恆平 行水平面，該雷射光源發射雷射光束，打在該固定於鐘 擺機構之反射鏡上，並反射至該固定在架構上之反射 鏡，該雷射光束再反射至該位置感測器上，該位置感測 器所產生之訊號傳輸至該訊號處理器，將該訊號轉為電 壓汛號，再將該訊號傳輸到該類比/數位轉換卡，以將 4 Λ號轉成數位訊號，並連接至該電腦以儲存該數位訊 號。 2·:申請專利範圍第"員所述之一種利用反射原理之光 學式水平量測裝置，纟中該位置感測器係架設於不同傾 斜程度的待測平面，以測量待測平面兩個互相垂直的水 平面傾斜程度。 風申明專利範圍第1項所述之一種利用反射原理之光 學式水平量測裝置，纟中該4測裝置係利用《學的反射 15 1270659 一-~______ " 丫伴7月V0修(更)正替換頁 ’ * 原理增加系統量測精度。 如申清專利範圍第1項所述之一種利用反射原理之光 予式水平量測裝置，其中該雷射光源係選自下列任一光 源·可見光、微波、紅外光、紫外光以及X射線，視量 • /則％境所需及精度所需而進行更換，且皆可應用於相對 距離量測。 5·如申請專利範圍第1項所述之一種利用反射原理之光 學式水平量測裝置，其中該位置感測器係為二維位置感 _ 測器。 6·如申請專利範圍第1項所述之一種利用反射原理之光 學式水平量測裝置，其中該位置感測器係可以CCD相機 (Charge Coupled Device camera)或以量測二維訊號之 感測儀器替代。 7.如申請專利範圍第1項所述之一種利用反射原理之光 學式水平量測裝置，其中該鐘擺機構係以點接觸、萬向 φ 關節、雙向軸承或繩索等機構所組成。 16