豎向校直機構及傳感器的構建法的制作方法

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本發(fā)明涉及一種機械機構的構建法，是一種用于垂直工作或監(jiān)測垂直度的機械機構，尤其是用于數(shù)字化的垂直度傳感器。

技術背景

目前常見的豎向校正設備，仍多為由曲管、液體和氣泡三要素構成的尺桿類測具，已趨不適應精準時代之控制需求；現(xiàn)代化的電子類或數(shù)字類測具雖已逐步興起，但卻又存在著精度低、造價高、環(huán)境誤差大、機電結合難等諸多問題，難以普及，影響了諸如精細生產(chǎn)類的行業(yè)革新，進而制約了智能化社會的實現(xiàn)進程。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的豎向校直機構及傳感器的構建法，是一基于普通物理方法的垂直度校正機構，適宜大型設備等機構就位時的快速豎向校正，操作直觀、迅捷；基于此，再引入電子化或數(shù)字化的測控技術，則本機構可最終升級為智能型的豎向機構或傳感器。

本發(fā)明所謂的普通物理方法，是指以普通的機械構造構成的機構(簡稱基本機構或桿件機構)；所謂電子化，是指在基本機構的基礎上增設電子元件，將偏差數(shù)值和方位直接顯示于機構之外指定位置的方法；所謂數(shù)字化，是指在電子化的基礎上，將機構中的電子元件先定義為數(shù)字編碼中的各位元，再根據(jù)基本機構處某種傾斜狀態(tài)時各位元的開關狀態(tài)形成代表確定含義的二進制數(shù)，最后作為信息送入計算機等智能設備中計算出偏差方位及數(shù)值，同時形成基本機構傾斜狀態(tài)的顯示及校直驅動機構的執(zhí)行邏輯等。

本發(fā)明所謂的豎向校正機構，是指本機構可作為具自行校正垂直度(簡稱較直)能力的一個獨立機構或機械；所謂的豎向校正(或較直)傳感器，是指本機構可作為電子化或數(shù)字化監(jiān)控體系的物理基礎(即機械分部)；所謂自校正，是指機構本身自帶垂直度監(jiān)測機構，借助于動力系統(tǒng)、邏輯控制系統(tǒng)后可自行校正垂直度。

本桿件機構(圖1所示)以桿狀體為理論模型，在其未經(jīng)較直并固定前，可視為下端鉸接(球形鉸)上端懸空的桿件；主要由基座、外筒、芯筒、懸掛機構、光源、反光臺及對中機構、限位板、芯筒保護機構等構成。

基座是整個機構的基底或機架，其中心設一透光孔；反光臺設于基座上，其中心設一過圓臺軸線的小孔，該孔與基座上的透光小孔相對；外筒垂直安裝在基座上，形成一端開口的筒狀空間；懸掛機構設于外筒上端(筒口)，其橫擔管與基底平行；芯筒懸掛于懸掛機構(中心)下方，形成軸心與外筒中心線(或軸心)重合(特指桿件機構垂直時)的復擺；光源設于芯筒上端，其光線(光束)穿過芯筒上的中心孔射向基座上的圓臺。若光線由圓臺反射射向周邊(照亮外筒壁上的透窗)，則說明基本機構處于傾斜狀態(tài)，其上端向著光線射出的方向傾斜；若光線由基座下的小孔向下射出，則說明基本機構垂直(若將光源固定設于外筒上口中心，下端對正基座小孔，當桿件機構傾斜時，垂直的芯筒會擋住光束向小孔的傳播，通過盲調(diào)(無明確方向性)也能最終使光束由基板孔穿出)，此時，該機構可作為一個豎直的獨立機構使用?？赏ㄟ^調(diào)整支撐螺栓高度校本機構的垂直度，在對擬校正的設備或機構的垂直度校正時，將基本機構與之固定連接后，通過調(diào)整被校正設備上的各支點(高度)，能使基本機構垂直，進而證明和實現(xiàn)設備的較直。

將基本機構上的反光臺改換成光敏元件組成的陣列后，對準芯筒中心的元件則會被光束激活或點亮，通過觀察被激活光敏元件的分布位置，即可判定基本機構上端的傾斜方向及數(shù)值，從而形成電子化的豎向校正傳感機構。

若以基座中心為中心，將基座板面(簡稱基板)劃分成四個平面象限，并自中心由里向外按一定規(guī)律排列設置成光敏元件陣列，因各元件所處陣列上的位置不同，故能代表基本機構上端所偏移的數(shù)量和方位；在外筒外壁或其他構件上設與該光敏陣列相對應的映射裝置(例如小燈陣列等)，則可通過外部的映射較直觀的監(jiān)視基本機構的偏斜情況(圖2)，從而做出有效地校正決策。同樣，若用電容、電感類傳感元件按一定規(guī)律在基板(或固定的外筒上)上設成陣列等形式(圖4、圖7)，以芯筒的擺動位移，形成影響陣列元件電量輸出的因素，也能在基本機構外部有效地映射其偏斜狀態(tài)，從而做出有效的較直決策。

以上述的基板象限劃分和電子元件陣列為基礎，將所有元件按一定順序排成陣列(一個或多個陣列)，將一個陣列作為一個二進制數(shù)；根據(jù)機構傾斜狀態(tài)的不同，被激活的元件的位置不同，即各元件輸出的開關量不同，因而形成代表著機構不同傾斜狀態(tài)時的若干個數(shù)字量，即由此形成了桿件傾斜量與陣列輸出的數(shù)字量的對應關系，亦即通過解讀基本機構傳出的數(shù)字量，即可知曉基本機構的傾斜度，由此形成數(shù)字化的豎向校正傳感器。

將陣列元件以一行(或一列)定義成一個數(shù)據(jù)段(圖4)，每個電子元件定義為該段上的不同的數(shù)字位；根據(jù)該段上各元件的通斷(或其他以電量表示的高低定義)狀態(tài)，形成該數(shù)字段的開關量數(shù)據(jù)；將各數(shù)據(jù)段依序排列結合在一起，即形成一個反應本傳感機構傾斜狀態(tài)的數(shù)字量。電子元件陣列和數(shù)字量的建立，允許多個元件被同時激活導通，例如，在光斑同時打在兩個(或多個)元件上(同時被激活)時，不必再為哪那個元件更具代表性而難于取舍，而可通過陣列位置和數(shù)字量的計算，得出更能代表真實傾斜量的數(shù)值，對傾斜狀態(tài)的描述更為精準；同時，也不必再苛求光源的聚焦度(平行光束)，使得選擇范圍更寬泛。

數(shù)字量的建立，可預先在智能機構中(如計算機)建立數(shù)據(jù)庫，預制數(shù)字量與控制邏輯的關系，即以基本機構為智能系統(tǒng)提供垂直度數(shù)值和方位，智能機構給出自動較直指令，執(zhí) 行機構實施較直操作，從而建立數(shù)控自校正體系。

基本機構的構成

基座

基座是一塊剛性平板(圓形或方形等規(guī)則形狀)，它是整個機構的基底，其中心設一透光小孔，周邊設數(shù)個安裝孔，用以固定基本機構。

外筒

外筒是一規(guī)則的剛性方筒(或圓筒)，下端與基座固定連接，兩者垂直，其中心線(或軸心)穿過基座上的小孔(中心)。以外筒中心線(軸)的垂直度，代表基本機構的垂直度。光束越細、基座上的中心孔越小，基本機構的垂直度監(jiān)測精度越高。

懸掛機構

懸掛機構是一組合機構，相當于一個約束了水平方向旋轉自由度的球形鉸，能將芯筒的上端點(即芯筒的截面中心)固定在球形鉸的中心上，使剛性的擺桿(即芯筒)相對該中心點做復擺運動。

懸掛機構安裝在外筒的上端，其懸吊中心過外筒中心線和基板孔中心，形成上中下各構件中心軸的重合。

對于后面將要敘述的可伸縮的基本機構及可伸縮的電子機構而言，上述的懸掛機構無法解決芯筒的伸縮問題，不再適應。需將芯筒設成上下套接且可伸縮的兩段，在上芯筒隨外上筒提升時，能使下芯懸停(保持相對基板的距離固定不變)，故此時的懸掛機構(圖9)需具獨立調(diào)節(jié)上芯同步升降的能力。

在芯筒中心軸上設推拉上下兩節(jié)芯筒伸縮的芯絲(相當于基本機構芯筒的光束通道)驅動機構，使下芯懸停上芯抬升(或降低)；上芯的光束孔作為心絲的機架，下芯的光束孔作為心絲螺母，心絲的驅動齒輪設在懸掛機構的中心上(即齒輪中心與懸掛機構的旋轉中心重合在一起)，心絲與齒輪之間以約束了周向(指心絲)旋轉自由度的球形鉸結合傳力，心絲驅動齒輪沿固定軸線位置旋轉，心絲除能沿周向旋轉外，還具繞球形鉸中心旋轉的能力，即復擺的旋擺能力基本不受影響。

心絲在動力驅動下發(fā)生旋轉，能將約束了旋轉自由度的下芯向下推出(或向上拉回)，若以基板做參照物時，下芯則懸停不動。下芯與上芯之間設旋轉約束卡和滑行卡槽，上芯的旋轉自由度被懸掛機構約束，下芯的旋轉自由度被上芯約束。

芯筒

芯筒是一剛性的均質細筒(細桿，用于電子化或數(shù)字化)，以懸吊形式安裝在懸掛機構上，芯筒上端截面中心在外筒的中心線上；芯筒是一擺桿、擺錘合體的復擺，擺線中心位于懸掛機構的中心線上，通過判別芯筒(復擺桿)是否與外筒同軸，即可判定外筒是否傾斜；以芯筒中心線為軸心設一通孔，芯筒上端設置固定光源，光線穿過細孔射向基板；若外筒垂直時，則芯筒中的光線會打在圓臺的中心孔中，若是外筒傾斜時，則芯筒中的光線(束)會打在圓臺的反光面上，同時形成射向外筒底部的光線。

反光圓臺

反光圓臺設于基座中心，在其軸線位置設一細孔，其錐面能產(chǎn)生徑向向外的反光作用，在圓臺設一軸向小孔，當基本機構處于豎直狀態(tài)時，芯筒小孔與圓臺中心孔對正，發(fā)自芯筒上端的光線由基座上的小孔穿出。

反光圓臺上具微調(diào)校準作用，在芯筒安裝及懸吊機構中心不精準時，在能確定芯筒與外筒已同軸的前提下，通過水平移動反光圓臺，能使芯筒光束射入反光圓臺的中心孔，從而起到微調(diào)校正的作用。

限位板

限位板是一設于芯筒下端的水平板(與基板平行)，中間設一圓孔供芯筒穿過，該圓孔即是芯筒擺動的允許范圍(圖2)，該圓與上端的懸掛中心形成一錐區(qū)間，控制芯筒的復擺量，以使芯筒孔射來的光束的落點，控制在圓臺范圍內(nèi)，進而使圓臺面的反射光的徑向射出范圍控制在外筒的觀察窗范圍。

芯筒保護機構

芯筒保護機構(簡稱保護機構)用于鎖死和釋放芯筒的機構(圖5)，避免在運輸過程中芯筒受損變彎，使本豎向校正機構及傳感器喪失工作能力和靈敏度。

保護機構主要由重力筒、約束滑行筒(簡稱約束筒)、環(huán)形環(huán)繞輻條支撐碟片(簡稱碟片)、托環(huán)機構(簡稱托環(huán))等組成。約束筒是一較長的剛性筒，固定安裝在基本上，其軸線與外筒中心重合(或與圓形的外筒同軸)；重力筒是一較短的剛性筒，設于約束筒內(nèi)，沿約束筒內(nèi)壁可相對上下滑行；約束筒用以約束重力筒的軸心位置和軸向滑行長度。

碟片是剛質彈性材料制成的環(huán)狀體，外緣是連續(xù)的圓環(huán)，中部和內(nèi)緣部分被切割成指向內(nèi)圓的若干輻條(徑向輻條或螺旋狀輻條)，形成徑向和軸向的雙重彈性。碟片固定安裝在重力筒的內(nèi)，等間距分布；碟片固隨重力筒向下滑移時，其輻條產(chǎn)生軸向變形，使碟片內(nèi)圓的直徑變大，從而釋放芯筒；在重力筒處于水平狀態(tài)(或大角度傾斜狀態(tài))時，碟片輻條的軸向彈力使重力筒向上滑移，輻條回復原先形狀，內(nèi)圓直徑縮小，從而鎖住芯筒并形成彈性支撐分段架起芯筒，使之免受外部沖擊力作用；在重力筒處于傾斜狀態(tài)時，芯筒內(nèi)切與碟片內(nèi)圓上，仍受彈性保護。

托環(huán)固定安裝在約束筒上的剛性圓環(huán)，圓心位于外筒軸線上，內(nèi)徑大于芯筒外徑，在碟片隨重力筒下滑時，托環(huán)頂住輻條內(nèi)緣部位，使輻條產(chǎn)生軸向的彈性彎曲變形，使碟片內(nèi)圓孔徑變大，從而釋放芯筒。

配重微調(diào)構件

配重微調(diào)構件(簡稱微調(diào))是套結在芯筒下端的配重機構，由套環(huán)和調(diào)節(jié)螺栓構成，消除芯筒等構件質量不均勻帶來的芯筒的下端光孔偏離懸中心造成的系統(tǒng)誤差。以套環(huán)固定調(diào)節(jié)螺栓的位置，將微調(diào)螺桿設于芯筒下端遠離外筒軸線的一側，調(diào)整螺的外露栓長度，使芯筒的質心回歸到芯筒軸線上(亦即回歸到外筒軸線上)，消除系統(tǒng)誤差。

若在芯筒下端設置兩軸線垂直并過芯筒軸心的螺栓，則無需旋轉套環(huán)對正芯筒的下端偏移，而綜合調(diào)節(jié)該兩螺栓的外露長度即可，故此時可省略套環(huán)。

對中構件

對中機構應包括基板及基板螺栓、外筒、懸掛機構、芯筒、點光源、反光臺、外下筒透光窗等構件或構造，其核心是指可擺動的點光源與反光臺、擺動的點光源與光敏陣列、擺動的位移式敏感元件的移動端與固定端的對應關系，再加上通信線路、運算元件、執(zhí)行電路等邏輯構造。

光電顯示的基本機構

上述的基本機構是以直射或反射方式表達外筒(代表整機構)是否傾斜及傾斜方位，但無法較準確且簡捷地定量顯示其傾斜程度。若以光電管之類的光電元件的陣列面取代反光圓臺，并在基本機構外表建立與之對應的顯示元素，形成相對應的映射，即可在簡捷讀取機構傾斜的方位及傾斜量(圖2)，從而使本傳感器脫變成遠程讀取和操控的機構。

可伸縮的基本機構

可伸縮的基本機構(圖3、圖5)是在上述基礎上將外筒、芯筒分成兩段并同時增設伸縮構造和機構而形成的豎向校正機構及傳感器，以解決測控高度隨機變化的問題。

外筒、芯筒分成同中心(或軸心)且可相對伸縮的上下兩部分(段)，下段仍設置在基板上，上段則在伸縮機構的頂升下形成懸置在空中的部分，與之對應的反光圓臺位置不變，而懸掛機構則隨外筒的上升而同步抬高，同時芯筒的下段仍懸停在原來靠近基板的位置，同樣地其上段則隨懸掛機構而被抬升。

外筒的伸縮機構

外筒的伸縮機構是用于頂升或下拉外筒上段的機構(圖3、圖5)，主要由固定安裝在基板上的下端絲管(簡稱下絲管)和下端導桿(簡稱下導桿)、安裝于外筒上段的絲桿和驅動構件(或機構)以及下導桿的導桿孔(圖8)，一個外筒應設至少兩個相對外筒中心線(或軸線) 對稱的伸縮機構和導桿機構。

用于頂升或下拉的機構(簡稱頂絲機構)的頂絲及其對應的下絲管的軸線與外筒中心線平行，通過旋轉絲桿(也可采用其他的升降機構，如圖6)獲得升(降)力，推動外筒上段(簡稱外上筒)改變豎向位置，以適應隨機的高度需求。同樣，導桿機構的軸線(或中心線)也與外筒中心線平行，以保證外上筒與外下筒同軸。

電子型豎直機構及傳感器

電子型自較直機構及傳感器

在擺錘的旋擺范圍(指基板上的投影范圍或擺端所處外下筒的水平位置)設置電子信息傳感元件，能將桿件機構(指基本機構和伸縮機構)的垂直度在外部指定位置和設備上顯示，即組成了電子類傳感機構(簡稱電子傳感)。

根據(jù)顯示設備的顯示圖案(如按一定規(guī)則排列的燈陣)并對照預先制定的顯示邏輯，即可判斷出桿件機構(基本機構和伸縮機構的統(tǒng)稱)的傾斜狀態(tài)，然后對應已解讀出的傾斜方向和大概數(shù)值，進行有針對性的人為調(diào)節(jié)基板(各控制邊)高度，達到較直目的。

在豎向機構的擺錘范圍設置數(shù)字化的電子信息傳感機構，并對應元件設置和傳感控制要求設計信息輸出電路，形成類似數(shù)字化的編碼信息輸出。

將桿件機構固定于擬豎向校正的設備上，通過調(diào)整設備各支點的高度，可使桿件機構較直，按桿件機構的垂直度顯示，調(diào)節(jié)設備的對應支點，達到較直設備的目的，此時的桿件機構相當于一個表達設備傾斜狀態(tài)的傳感器。

數(shù)字型豎直機構及傳感器

將表達上述電子型自較直機構及傳感器上的敏感元件的總和看做是一個按某種邏輯排列的二進制數(shù)，各種敏感元件相當于對應在該二進制數(shù)上的一個固定權位，桿件機構的垂直度用二進制數(shù)的數(shù)值表示。

各敏感元件在被激活(或點亮)和未被激活時，分別代表開、關兩種狀態(tài)，在某一時刻(即桿件機構處某一傾斜狀態(tài)時)各元件的開關狀態(tài)不同，形成不同量值的二進制數(shù)。

將該二進制數(shù)輸出給數(shù)字化信息處理及控制系統(tǒng)(如電腦)，形成控制邏輯，然后在由電腦輸出執(zhí)行邏輯，通過動力系統(tǒng)的驅動(執(zhí)行)，使基板的狀態(tài)得以調(diào)整，進而使芯筒處于垂直狀態(tài)，實現(xiàn)桿件機構的自動較直。

若將該桿件機構固定設于擬較直的設備上，通過調(diào)整設備上的各支撐點，即可調(diào)整設備的垂直度，此時的桿件機構即為傳感器。

若反用該傳感器，則可實現(xiàn)按預定傾斜量定位設備之目的。即將該桿件機構固定設于設備上后，根據(jù)需求的傾斜量，可找到對應的二進制數(shù)，進而控制設備各支撐點的高度值，實現(xiàn)控制目的。

附圖說明

圖1是表示基本結構的示意圖；圖2是表示由光電元件陣列后形成基本機構的示意圖；圖3是伸縮機構的示意圖；圖4是較直碼盤的示意圖；圖5是變長桿的示意圖；圖6是用齒條與齒輪嚙合驅動外筒滑行伸縮的示意圖；圖6.1是碟簧仰視面的示意圖；圖7是位移觸發(fā)式敏感元形成的對中機構；圖8是伸縮機構的構造及相對平面位置的示意圖；圖9是懸掛機構的示意圖。

統(tǒng)一代號：1代表外筒，其中1.1代表下外筒，1.2上外筒；2代表豎向基板；3代表外筒升降機構的滑行部件，其中3.1.1(2)代表頂絲軸筒，3.2.1(2)代表固定設于基板上的絲筒，3.3.1(2)滑行拖板；其中尾數(shù)1為右、2為左；4代表外筒升降機構的靜止軌道部件，其中4.1代表右靜止軌道板或導桿孔(筒)，即右靜板，4.2代表左靜止軌道板或導桿孔(筒)；5代表驅動動力齒輪；6代表軸承，不同構件的軸承標不同尾號區(qū)分；7代表齒條；8滾動輪，其中8.1.1(2)為外切滾輪，8.2.1(2)為內(nèi)切滾輪，8.3.1(2)為定軸輪；其中尾數(shù)1為右、2為左；8.4代表齒條升降機構上的滾輪；9代表基板，9.1代表基板上的安裝螺栓孔；10代表基板上的中心射光孔；11代表反光圓臺；12.1代表右固定螺栓，12.2代表左固定螺栓；13代表芯絲(含有軸心光束孔和實心的絲桿)，13.1代表絲桿軸；14代表懸管；15代表頂絲機構，其中15.1.1(2)代表頂絲軸，15.2.1(2)代表頂絲，其中尾數(shù)1為右、2為左；16代表環(huán)形碟齒托；17代表吊芯；18代表橫擔管；19.1代表右軸承座，19.1代表左軸承座；20代表懸吊系統(tǒng)的橫軸；21代表位于橫擔管中心的天窗孔，其中21.1代表向上的天窗孔，21.1代表向下的天窗孔；22代表縱軸；23代表芯齒輪；24代表縱軸與芯筒之間的固定連接件；25代表懸芯；26代表光束調(diào)節(jié)頭安裝架；27代表光束調(diào)節(jié)頭；28代表透光材料；29代表透光窗；30代表光敏元件或電磁敏感元件；31代表信號處理器(信號處理電路)；32代表限位板(其上可按象限設定碰觸頭，傳遞芯筒接觸的方位信息)；33代表約束筒，其中33.1代表筒體，33.2代表軸向約束環(huán)；34代表集成光敏陣列模塊；35代表重力筒；36代表；37代表碟托固定架；38代表托架窗(穿過重力筒，固定安裝在約束筒上)；39代表護芯碟簧盤，其中39.1代表碟簧肋，39.2代表碟簧齒(即由碟簧肋指向芯筒圓周的盤旋狀輻條，碟簧齒的齒端形成與芯筒外徑相等的內(nèi)圓)；40代表前后兩側封板，該板固定安裝在基本上，兩者垂直；側封板用以安裝伸縮系統(tǒng)的靜板，以及在本機構用作作業(yè)構件時安裝其他功能構件或機構的安裝位；41代表垂直度調(diào)整鈕；42代表約束卡翼；43代表約束滑槽；44代表芯桿齒輪，用以驅動芯絲旋轉，進而向下推動懸芯段，使之相對基板靜止；45代表傳感器導線；46代表重力筒上的輻桿窗；47代表安裝傳感器動端的安裝架(即設于芯筒下端的向外輻射的輻桿)；48代表位移觸發(fā)式傳感器的固定端；49代表約束筒上的輻桿窗；50代表移觸發(fā)式傳感器的移動端；51代表數(shù)字式立桿的透孔碼盤(即通過透孔與光源的對正，使光線射出，激活深藏于孔底的光敏，然后該光敏所控制的電路導通；各光敏形成不同的開關量)，是固定于基板上的碼道式碼盤，其不同碼道上的位元數(shù)不同，即各碼道上的敏感元件數(shù)量及排列方式，其中51.1代表最外圈碼道，其上共設32個敏感元件，可形成32位的二進制數(shù)；51.2代表最次圈碼道，其上共設16個敏感元件，可形成16位的二進制數(shù)；51.3代表第三圈碼道，其上共設8個敏感元件，可形成8位的二進制數(shù)；51.4代表最里圈碼道，其上共設4個敏感元件，可形成4位的二進制數(shù)；四個碼道上的數(shù)據(jù)可作為4個數(shù)據(jù)分別輸出，也可作為1個數(shù)據(jù)連續(xù)輸出；分別輸出時，計算機在得到最后一個二進制數(shù)之后進行邏輯分析和決策，得出控制邏輯；一次性輸出時，計算機得到數(shù)據(jù)后，直接進行數(shù)據(jù)比計較(對比數(shù)據(jù)庫)得出控制邏輯；52代表與碼盤51對應的點光源盤，隨著復擺的擺動，各點光源均有機會射進碼盤孔中激活該光敏，因兩者的(碼道)徑向尺寸不等，碼盤51上的光敏始終只有部分能被激活，形成不同代表意義的二進制數(shù)；擺動的光盤52與固定的碼盤51構成數(shù)碼機構，能隨機形成各種二進制數(shù)，若將光盤上的光源替換成小孔，而將光源移到位于其上面的與碼盤相等的盤上，此時數(shù)碼機構為三層構造的機構，在芯筒帶動中間的孔盤擺動時，上層的光源盤上的電光源也會穿過中間的孔盤打在下面的光敏盤上，激活部分光敏，也能形成二進制的編碼數(shù)據(jù)；52.1、52.2、52.3、52.4分別代表光源盤上的編碼點光源；53代表定位臺板，分為上下兩段，上段安裝在外上筒的上部，下段安裝在外下筒的下部；54代表導軌(桿)及導桿孔，導桿既可安裝在上定位平臺上，又可安裝在下定位平臺上；55代表球形鉸(約束了水平方向的旋轉自由度)；56代表芯絲從動輪；57代表安裝在外筒上的動力源；58代表動力齒輪；59代表懸掛機構的橫軸(外軸)；60代表懸掛機構的縱軸(內(nèi)軸)中心區(qū)域形成的圓柱形空間，用以安裝芯絲的驅動機構；61代表吊芯與縱軸60的連接件；62代表懸掛機構的縱軸；63代表球形鉸與芯筒齒輪的接觸面上，設過圓球的軸卡，約束圓球的水平旋轉自由度；64代表芯筒頂部各機構的安裝臺；65代表動力輸入時與動力齒輪58對應的平衡齒輪；66代表芯絲的軸桿。

圖1、是表示基本結構的示意圖，是構造尺寸(高度)不能該變的基本結構(簡稱定長干)。表示基本結構主要由基板、外筒、懸掛機構、芯筒、反光圓臺等組成，其基板小孔、外筒中心線、懸掛機構中心、芯筒懸掛點、反光圓臺軸線孔均在同一條直線(共用線)上；當基本結構垂直時，芯筒軸線也與該‘共用線’重合，表示基本結構處于垂直狀態(tài)，此時，由芯筒懸掛點射向基板的光束穿過反光圓臺和基板的小孔，射向基板下部，在基板下部觀察到光束，表明基本結構已較直。

外筒1.1垂直安裝在基板9上，懸掛機構設于外筒1.1的上端，芯筒13是設有軸心通孔的均質細桿，芯筒13上端懸掛于懸掛機構的中心點處，下端懸垂于基板9的上表面范圍并兩者接近，同時，芯筒13下端還設有垂直度調(diào)整鈕41，用以調(diào)整芯筒中心偏差、安裝誤差等造成的芯筒質心偏離軸線的問題。

基板9的幾何中心處設有小圓孔，對應反光圓臺11的軸心孔；反光圓臺11固定安裝在基板9上，可通過圓臺孔相對基板孔的微小位移，消除基本結構制作過程中的系統(tǒng)誤差。

懸掛機構主要由安裝在外筒1.1頂端某一高度平面上的兩個中心軸處于同平面上的相互垂直的旋轉軸構成(參考圖9)，在安裝在外筒1.1的旋轉軸(簡稱軸A)的中心處設一中心線與軸A中心線垂直且相交的圓孔，再在該圓孔的孔壁上設置安裝內(nèi)旋轉軸(簡稱軸B)的軸孔，軸B的軸線垂直于軸A軸線且兩者在同一平面上。

再在內(nèi)旋轉軸(軸B)的中心設一中心線與軸B中心線垂直且相交的圓孔，在該圓孔中安裝芯筒(本圖表示為軸B穿過芯筒上端的安裝孔)，光源(光束)安裝在芯筒頂部的孔中射向基板9。

軸A(即構件20)安裝在固定于外筒1.1上部的橫擔管18上，橫擔管18的兩端孔設絲牙，用以安裝可順橫擔管18軸線調(diào)整旋入深度的軸承座(參圖3)19.1、19.2，通過調(diào)整兩端軸承座的旋入深度，可消除在橫擔管18的軸向上產(chǎn)生的芯筒13偏離外筒1.1中心的系統(tǒng)誤差。可采用同樣的方法，消除芯筒13沿內(nèi)軸B的軸向偏離外筒1.1中心的系統(tǒng)誤差。

芯筒13的下端相當于復擺的擺錘，可在其下端孔上設調(diào)整光束徑向尺寸的調(diào)節(jié)頭27，以便聚焦上端射來的光束，使其打在反光圓臺上(對圖2而言是光電元件陣列)的光斑的徑向尺寸的大小。

設于基板9上的螺栓12.2(12.1)，既可作為調(diào)節(jié)基板9的傾斜度之用，也可作為安裝件將基本結構安裝在被較直的設備上。

為簡便明了，螺栓12.2(12.1)應與反光圓臺11的中心在同一條直線上，且該直線應與橫擔管18的軸線相平行，在垂直于該直線的方向上設于內(nèi)軸B軸線平行(即與橫擔管18垂直)的調(diào)節(jié)螺栓(本圖未顯示)，在兩個垂直方向上調(diào)節(jié)基板的水平度，即可實現(xiàn)調(diào)整基本結構垂直度的目的。

圖2、是表示將反光圓臺替換成光電元件陣列后形成的基本機構，此時成為電子化或數(shù)字化的自較直機構或傳感器(供人參照的傳感器)。

光敏元件陣列面(簡稱光敏)30替代原來的反光圓臺，其中心安裝位置不變；使用光敏30后，在外筒1.1表面或其他能與光敏30連接的位置(或構件)上設映射裝置(本圖外筒下端右側的小方塊表示)對應顯示，若將光敏30劃分成以基板小孔位置為中心且與的四個象限，然后將各象限所包含的光敏元件排序編號；在基本結構外另設一與光敏30呈相似形狀的顯示面板，也按同法設置象限及其于光敏元件對應的顯示元件，則此時能將基本結構的傾斜狀態(tài)(或稱垂直狀態(tài))顯示在面板上。

采用光敏陣列和映射顯示面板時，兩者之間需設信號及顯示處理機構，以便形成對光敏陣列和映射顯示面板都有效的安全電量。

若將光敏30看做成一個二進制數(shù)，各光敏元件看做是該二進制數(shù)中的一個位元，則各光敏元件(位元)所處的開關狀態(tài)形成該二進制數(shù)不同的量值，由此形成基本機構的傾斜度與二進制數(shù)數(shù)值的對應關系，此時的二進制數(shù)代表了某種信息(傾斜信息)，此時的基本機構即是數(shù)字化的傳感器(含基本機構、光敏陣列和相應的輸出電路)；將該二進制數(shù)輸送至電腦等數(shù)值量處理機構，就能形成自動調(diào)節(jié)基本結構傾斜度的執(zhí)行邏輯，實現(xiàn)基本機構垂直度的自動控制，此時的基本機構(含基本機構、光敏陣列和相應的輸出電路、運算機構、執(zhí)行電路及動力等機構)是一個具自動調(diào)節(jié)能力的機器或機構。

限位板32是適用于所有基本機構和伸縮機構的構件，設于芯筒下端，用以限制芯筒的復擺擺動范圍，減小敏感元件的使用量；同時，也使擺端(芯筒下端)所攜帶的光電構件(與基板上的光敏、或外筒下端筒壁上所設的位移式電、磁感應元件等)能在有效對應的距離范圍內(nèi)，提高傳感器的靈敏度。

圖3、是伸縮機構的示意圖，表示外筒和芯筒能實現(xiàn)等量伸縮，隨機變更機構高度，以適應不同的高度需求。

該伸縮式機構(簡稱變長桿)，設在定長桿的基礎上增加外筒、芯筒的伸縮機構和軸向滑行保障措施后形成的高度可變的自較直機構或傳感器。

本圖所示的變長桿的伸縮機構采用螺栓旋轉的方式升降外筒和芯筒的高度(也可采用齒輪旋轉嚙合固定齒條等可精準計量和控制的構造方式，參圖6)。

外筒的伸縮機構，是在外筒外壁處(筒內(nèi)也可)設螺母、螺桿軸的安裝平臺，同一平臺上以芯筒中心軸為對稱中心對稱設置升降螺栓，同時還應對稱設置導桿(參圖8)等滑行限制機構，保障變長桿的上下段始終保持沿同軸伸縮。

本圖所示的變長桿的滑行限制機構，是左右分設的板式滑行軌道(也可增設前后方向的滑行軌道，實現(xiàn)四面引導和限制)，定軌和螺母安裝在前后封板上并與基板固定連接，動軌安裝在螺桿安裝架(簡稱螺桿架)上，螺桿架安裝在變長桿上段的外筒上；定軌4.1/2上端設定軸滾輪8.3.1/8.3.2，左右兩輪形成對動軌3.3.1/3.3.2的左右方向自由度的限制，定軌的中、下段均為直軌，供動軌(拖板)3.3.1/3.3.2上的滾輪8.1.1/2、8.2.1/2滑行，約束其左右運動自由度；由螺母3.2.1/2、螺桿(螺絲)15.2.1/2構成的伸縮機構，螺桿15.1.1/2安裝在外上筒1.2上，螺母3.2.1/2安裝在外下筒1.1上，在動力驅動下螺桿15.1.1/2帶動螺絲15.2.1/2旋轉，推動上、下外筒(1.1/1.2)產(chǎn)生相對滑移，實現(xiàn)隨機調(diào)節(jié)變長桿高度之目的。

本圖所示的變長桿的伸縮機構的芯筒部分，是以內(nèi)外兩筒相套接滑行的方式進行伸縮的。上芯筒段(簡稱吊芯)17高度安裝在懸掛機構的內(nèi)軸22上，其沿芯筒軸向的旋轉自由度被約束，懸芯25的內(nèi)徑與吊芯17的外徑相等，二者內(nèi)外套接且可沿軸向相對滑行；在吊芯25的心孔上安裝芯絲13的軸桿66并上端伸至懸掛機構內(nèi)軸(縱軸)22中心處，下端絲桿13延伸至接近基板9(指變長桿未伸長之前的狀態(tài))的長度；吊芯17上設懸芯25的旋轉自由度約束卡42，懸芯25對應的設滑行槽43，使二者間為純滑行；懸芯25下部設外徑與懸芯內(nèi) 徑相等的螺母(懸管)14，二者同軸，同時，懸芯下端安裝光束調(diào)節(jié)透27的安裝架26，此二者也與懸芯25同軸；在芯絲軸桿66的上端安裝球形鉸，然后在球形鉸上安裝芯絲13的驅動齒輪23，球形鉸與動齒輪23的連接，是約束了吊芯17沿水平方向的旋轉自由度的連接方式(參圖9)，即齒輪23在水平面上旋轉，而芯絲13則可隨吊芯17的復擺狀態(tài)，在一個錐形范圍內(nèi)旋轉。

若設變長桿為用光束較直的普通機構，則還需在芯絲13的軸線上設同軸的光孔共光束穿過；若采用電子或數(shù)字式較直，則芯絲13可為實心桿件。

懸掛機構的橫擔管18(兩端設帶絲口的軸承座的安裝位)與基本9平行，設于其兩端的軸承座19.1/2使帶絲牙的圓筒體，通過相對旋轉兩端的圓筒體19.1/2可調(diào)節(jié)懸掛機構之縱軸22沿本圖左右方向的位置，以消除加工制作過程所產(chǎn)生的橫向系統(tǒng)誤差；同樣的縱軸22的兩端也安裝在可沿縱向調(diào)節(jié)系統(tǒng)誤差的軸承座里；由此實現(xiàn)懸掛系統(tǒng)沿水平面微調(diào)目的。

本圖所示的與光束較直方式的變長桿，其外下筒1.1的下端設光束經(jīng)圓形反光臺11反射穿出所用的窗口29，與該窗口所對應的封板40、定軌板4.1/2等構件也相應的開設小孔，以使光束順利射出。觀察變長桿下端的射光窗口和基本下面的射光孔有無光束射出，即可確定機構的傾斜度，并針對性的調(diào)節(jié)基本9上的螺絲12.1/2，即可實現(xiàn)變長桿的較直。

圖4、是編碼式桿件機構(含定長桿、變長桿)較直碼盤的示意圖，表示本機構可用電子形式或數(shù)碼形式表達傾斜狀態(tài)，并可形成由敏感元件的開關量構成的二進制數(shù)信息。

本圖用x、g兩個盤組成信息感知機構；敏感元件采用光敏，安裝于固定于基板9上的x盤上所設的深圓孔里，當g盤上的光源與之對準時，該光敏被激活導通，假設傳出高電平‘1’(也可設成傳出低電平‘0’，由所選用的輸出電路決定)，若g盤上的光源未之對準時，則輸出信號‘0’；沿徑向看，x盤上的外圈上的圓孔中心、g盤上圓形點光源的中心至各自外緣的距離均為1.5d(d為光敏所處圓孔的直徑)，即小圓孔邊緣與盤的邊緣的距離為d。

x盤上可設若干個相套的同心圓作為不同的碼道，每個碼道上可設若干個圓孔安裝光敏，本圖由里向外排列共設4個碼道，碼道上的光敏數(shù)分別為X₁＝4，X₂＝8，X₃＝16，X₄＝32；

各碼道上的光敏分別形成不同位數(shù)的二進制數(shù)，即各碼道既可看成是一個二進制數(shù)獨立輸出，也可按由外到里的順序把各碼道連接起來，形成一個較長位數(shù)的二進制數(shù)；各碼道單獨輸出時，計算機需等4個碼道的數(shù)據(jù)全部輸出后再做控制決策，若4個碼道連接起來形成一個可串行輸出的二進制數(shù)時，計算機通過比較，可直接在數(shù)據(jù)庫里找出對應的控制邏輯；此二種方法因輸出方式的差異，其各自對應的輸出電路及數(shù)據(jù)庫也不同，各有千秋。

g盤上的光源與X盤對應，但光源所在的g盤圓環(huán)的直徑比x盤的碼道小，本圖采用4個碼道共減小一個光源孔的數(shù)量構建g盤上的光源環(huán)，即若設光源孔的直徑為d時，則有：D_X1＝D_G1，D_X2＝D_G2+d/4，D_X3＝D_G3+d/2，D_X4＝D_G4+3d/4，以此保證X盤上的光敏始終只有一部分能被點亮激活，使被激活的光敏與休眠的光敏之間形成定性的差別。

設由X盤中心到最外碼道上的透光孔中心畫出一道射線，以該射線與最外碼道上的透光孔相交的外交點距離為半徑再另加上一個透光孔的尺寸為半徑再作一個與x盤的同心圓m，然后將g盤、X盤共同限制m的面積范圍內(nèi)，則在桿件機構大角度傾斜的情況下，兩盤的最外圈的光源與透光孔會有部分重合，即X盤上的光敏會在兩盤共同與圓m相內(nèi)切的地方有若干個被激活點亮，由此形成碼道數(shù)據(jù)；隨著桿件機構傾斜角度的減小，g盤會脫離與m圓的切點，逐漸向盤心靠攏，在回攏至孔徑的d/4孔徑的距離時，本圖所示的此外碼道(X₃)上的光敏被激活；在回攏至孔徑的d/2孔徑的距離時，本圖所示的此外碼道(X₂)上的光敏被激活；在回攏至d3/4孔徑的距離時，本圖所示的此外碼道(X₁)上的右側x軸上的光敏被激活；此時，桿件懸掛機構中心點對X盤中心的誤差為d/4，再繼續(xù)減小傾斜度，使g盤中心更接近X盤中心，最后可使x1碼道上的所有光敏均激活點亮，機構達理論上的垂直狀態(tài)；若再增加碼道，則可繼續(xù)細分使誤差更小。

目前，集成面陣式的光敏類敏感元件已有很多種類，其單位面積上的位元數(shù)(光敏數(shù))很大，一個點光源即覆蓋很多個光敏，更易找出點光源的中心所在(在面陣上，被激活的光敏所形成的圖案相似于電光源，其圖案中心可認為與點光源的中心對正)；由此，上述的點光源盤(g盤)可用一個點光源替代，對應的將光敏盤(X盤)替換成集成面陣，則此時的較直碼盤的構造更為簡單，但因集成面陣精度高，對桿件機構的加工和安裝精度要求相應的也高，即系統(tǒng)誤差也需很小。

若將前述的集成的敏感元件改用線陣式光敏，則線陣可組成中心與X盤中心重疊的正四邊形，相應的將電光源替換成相垂直的十字線式的光源，十字線交點位于芯筒中心軸上，單線的長度需能覆蓋兩條線陣(即在最大傾斜狀態(tài)下，單條光帶能激活正四邊形上相對的兩條邊上的線陣元素(即一個或多個相鄰的像素))。

上述的光盤和集成元件形成的對中機構，若配以對應的顯示面板等顯示機構，通過對中機構的象限和顯示機構對照，即可明確桿件機構的傾斜方向和量值，在不使用電腦等智能設備的情況下，也可人工調(diào)節(jié)安裝螺絲的高度，實現(xiàn)半智能化對中作業(yè)。

圖5、是變長桿的示意圖。意在闡述芯桿的保護機構——重力筒-碟簧機構，簡稱重力機構。

本圖所示的變長桿機構，是建立在圖3的基礎上，外筒、芯筒、重力機構筒均采用圓筒，各筒由外向內(nèi)逐層相套(間軸)構成，其‘對中機構’采用在芯筒下端(中心)設點光源(即光束)和在基板上設集成面陣(也可反設)；面陣的(指有像素的部分)中心與外筒的軸心對準，并以該點為原點，作平面坐標系，通過坐標系與面陣形成的對應關系，感知并決策變長桿的垂直度控制方案。

重力機構的重力筒35套接在約束筒33內(nèi)且相對稍短，重力筒35的外徑與約束筒33的筒身部分33.1的內(nèi)徑相等，兩者能相對同軸短距離滑移；約束筒33固定垂直安裝在基板9上，約束筒33與外筒1.1同軸；重力筒35按一定長度分成若干段，在每段的頂部固定安裝圓環(huán)狀碟簧39徑向支撐芯筒25(懸芯)，約束其旋轉自由度；在碟簧39的下部穿過重力筒35開設窗口38供碟簧39的支撐架37穿過；支撐架37上的支撐環(huán)16的環(huán)面高度位置與碟簧39的下表面平齊(指重力筒35的上端頂住約束筒33上端的軸向約束環(huán)的時刻)且與基板9平行，支撐架37安裝在約束筒33上；支撐架37中間部位開圓孔(中心過外筒軸線)，供芯筒25穿過且留有一定間隙寬度，保障芯筒25的自由擺動空間；支撐環(huán)16安裝在支撐架37的中間圓孔上(中心過外筒軸線)，支撐環(huán)16的支撐面(上表面)與碟簧39貼緊；碟簧39是用剛質彈性材料制成的輻條向內(nèi)盤旋懸挑的環(huán)(圖6.1)，其輻條39.2具有一定的剛度，在桿件機構水平放置或大傾斜角狀態(tài)下輻條39.2基本不變形，重力筒35不向基板9方向滑動，即此時芯筒25被碟簧徑向約束并提供具一定彈性的豎向支撐；在桿件機構接近豎直的狀態(tài)時，重力筒35下滑到基板9上，輻條39.2因支撐架37向上的頂壓作用產(chǎn)生向上的撓曲變形，使在先包裹著芯筒25的輻條39.2的懸挑端形成的內(nèi)圓的直徑擴大，芯筒25被碟簧釋放而獲得擺動空間，即此時的對中機構開始正常工作。

圖6、是指將外筒的伸縮機構不用螺栓式，而選用齒條與齒輪嚙合驅動外筒滑行伸縮的方式。

將齒條7垂直固定安裝在基本9上，在安裝板67上安裝動力齒輪5和滑行滾輪8.4，當動力齒輪5轉動時將帶動安裝板67上下運動，將安裝板67與外筒1.2固定連接后，動力齒輪5的轉動將驅動外筒1.2的上下移動。

圖6.1、是碟簧仰視面的示意圖。

表示碟簧由碟簧肋39.1與碟簧齒39.2兩部分構成，碟簧安裝在重力筒35上；支撐環(huán)16安裝在約束筒33.1的水平架32上，支撐環(huán)16在下部抵緊碟簧齒39.2；芯筒25位于碟簧的中心區(qū)域。

在重力的作用下碟簧肋39.1隨重力筒35下滑，碟簧齒39.2被水平架32抵住無法下滑，使碟簧齒39.2產(chǎn)生向上的彎曲變形，由此擴大了由所有碟簧齒39.2的懸臂端共同形成的內(nèi)圓的徑向尺寸，使芯筒25與碟簧之間產(chǎn)生間隙而獲得懸擺自由度。

圖7、是將前述的構成對中機構的光敏元件，改換成(類如電感元件等)位移觸發(fā)式敏感元件后，形成的對中機構的構建方案。

在約束筒33和重力筒35的下端開設窗口49和46，在芯筒25的下端安裝輻桿47，使其軸心線與芯筒25的軸心線垂直相交，在輻桿47的兩懸挑端分別安裝位移觸發(fā)式敏感元件的移動部件50，兩端的移動部件50相對芯筒25的軸心點對稱，敏感元件的固定部分(部件)48安裝在外筒1.1上與移動部件50相對。

當芯筒左右懸擺時，兩組兩端對應設置的移動部件50與固定部件48中，會有一組逐漸靠近縮短間距，而另一組則會逐漸遠離拉開距離，由此會引發(fā)兩組敏感元件的電量的變化，反映出桿件機構的上端向間隙逐漸縮小的敏感元件的方向傾斜，并可通過敏感元件輸出(輸出導線45)電量的變化，推算出傾斜角的大小。

在輻桿47的懸挑端設于芯筒25同軸的圓環(huán)，再將多個位移式敏感元件均勻的設于圓環(huán)上，并在外筒1.1上對應的設置敏感元件的固定部件48，形成以芯筒為中心向外輻射的多個敏感元件構成的環(huán)形對中機構，則可對桿件機構形成滿圓周方向的多點監(jiān)控，監(jiān)控點越密，則監(jiān)控精度越高。

圖8、是對外筒、芯筒的伸縮機構的構造及相對平面位置的描述示意圖。表示芯筒機構位于外筒機構的中心，兩者同軸；外筒伸縮機構由螺栓伸縮機構和導桿機構及安裝板組成，芯筒的伸縮機構由吊芯、懸芯、芯絲、約束卡及相對應的滑槽構成。

安裝定位臺板53設于外筒1.1的兩側，頂絲機構的螺母孔和螺栓15.2.1與導桿機構的導桿孔和導桿54分置于臺板53的上下兩端并距外筒壁的間隙相等，外筒兩邊的頂絲機構的螺栓相對外筒中心呈軸對稱，同樣，外筒兩邊的導桿機構也呈軸對稱。

芯筒機構位于外筒中間部位，吊芯17套接在懸芯25之外，懸芯25上設過軸心的約束卡44，對應的在吊芯17上設有約束卡44滑行的滑槽；芯絲13.1設于懸芯25的軸心上，以吊芯17為支點通過旋轉對懸芯25實施推拉。

圖9、是描述變長桿上的懸掛機構的示意圖。表示在桿件機構拉伸變長時，為使懸芯距基板的距離不變，通過外動力旋轉芯絲推動芯筒伸長，以保持懸芯的懸吊位置不變。

芯筒的伸長動作，既可與外筒的升高動作同步進行，也可等待外筒伸長至所需高度后在行單獨伸長(與外筒的伸長長度相等)。采用單獨伸長芯筒的方案時，若采用光敏式的對中機構時，可在外筒完成伸長時，進行一次初步對中較直，再在芯筒等距離伸長后進行精細對中較直。

本圖所示的懸掛機構中，外部的橫軸和內(nèi)部的縱軸均變形為圓環(huán)(簡稱外軸環(huán))，并過圓環(huán)中心向兩端懸挑出端軸(兩個端軸同軸、同規(guī)格)，在內(nèi)部的(縱軸)圓環(huán)(簡稱內(nèi)軸環(huán))的下部設一安裝板，用以安裝芯絲軸上的驅動齒輪。

外軸環(huán)通過端軸59安裝在外筒頂端的安裝板64上，端軸59與基板平行，內(nèi)軸環(huán)通過端軸62安裝在外軸環(huán)上，端軸59和62處于同一個平面上且垂直相交；外軸環(huán)可相對安裝板64旋轉，內(nèi)軸環(huán)可相對外軸環(huán)旋轉；吊芯通過連接件61與內(nèi)軸環(huán)鏈接，吊芯與內(nèi)軸環(huán)的端軸62垂直；芯絲軸13.1安裝在內(nèi)軸環(huán)下連帶的安裝板60上，該安裝板60與吊芯25垂直，芯絲軸13.1露出的軸端懸挑至端軸59和62的中心位置，其上安裝球形鉸，球形鉸上設過球心且與吊芯25垂直的約束卡63，在球形鉸上安裝吊芯25的驅動齒輪56，驅動齒輪56的軸孔為球形孔與芯絲軸13.1上的球形鉸頭對應，同時驅動齒輪56上再增設約束卡63沿垂直于齒輪板面方向旋轉的卡槽，使球形頭和齒輪上的球形孔組成的球形鉸除約束了吊芯13.1對齒輪56的旋轉自由度之外，其他方向的旋轉自由度均得以保留，其目的在于通過外力的齒輪58嚙合齒輪56時，消除外力通過齒輪接觸進行力的傳導，不對芯筒的懸擺造成干擾；外動力軸57、65是相對內(nèi)外軸的交叉點對稱設置的，其目的在于使芯筒伸縮的驅動齒輪56處于受力平衡狀態(tài)，消除其受力不均帶來的對芯筒自由懸擺的影響。

具體實施方式

選擇圖5中所示的懸掛機構、芯筒、外筒、基板等構建變長桿，按圖8所示選擇變長桿的伸縮機構(螺栓式)和滑行保障機構(導桿式)。

一、外筒及基板的建立

1、基板材料及加工

a.選擇一塊較厚(約10)的長方形鋼板作基板，銑平銑正；

b.在基板上確定基線，并以此上數(shù)控機床鉆出伸縮機構的頂絲螺母、導桿、集成光敏面陣的中心控制位(孔)；同時，按擬采用的外筒(方筒)的截面規(guī)格，洗出外筒的安裝位；

c.校驗各孔、位的規(guī)格尺寸及相互關聯(lián)尺寸，無誤后，進行下一步：

d.按頂絲螺母安裝端的徑向尺寸、導桿安裝端的徑向尺寸(本例選擇圖8中的定位臺板53)，將頂絲螺母、導桿各種對應的中心控制孔擴大，形成安裝孔；同時附加基板與定位臺板之間的固定連接的螺栓孔位。

2、外筒材料及加工

a.選較厚(約5)均質方正的方管作外筒材料，按擬建造變長桿的長度截取毛坯料；

b.將作為變長桿機構基準面的方管面(即圖8中的左右兩個側面)銑平，并保證該兩平面相互平行；

c.扣減基板厚度后得出變長桿外筒的總長，截取總長的2/3作為外下筒，截取總長的1/3作為外上筒，銑平上下截面；

d.根據(jù)伸縮機構安裝定位臺(上、下段)的高寬尺寸，在外下筒下部、外上筒上部設兩者固定連接的螺栓孔位；

二、伸縮及滑動機構的建立

a.擬定頂絲軸及安裝軸承、導桿的直徑尺寸，以及變長桿的伸縮量；

b.選取一塊較厚鋼板(大于頂絲軸安裝軸承和導桿的直徑尺寸，保留足夠余量)做安裝定位臺的毛坯料；

c.根據(jù)擬定的變長桿的伸縮量值、頂絲軸的安裝長度決定上下安裝定位臺的豎向理論長度尺寸，在根據(jù)構造要求、道口消耗等因素算出毛料長度并下料；

d.按圖8所示，擬出定位臺成品的截面尺寸，將毛坯四面銑平、銑正；

e.根據(jù)理論長度，截取安裝定位臺的上下段，同時將兩端面銑平并與側面垂直；并按圖8所示在橫截面上設置螺栓、導桿的定位孔位，并在定位臺側立面設置其與外筒(上、下筒)的螺栓固定連接位；

f.按圖5所示，將螺栓軸安裝位、導桿安裝位設在上定位臺上，并依其定位孔銑車出螺栓軸及軸承、導桿的安裝孔位；

g.按圖5所示，將頂絲螺母孔、導桿滑行孔設在下定位臺上，并依其定位孔銑車出螺母絲牙、導桿孔；

h.在螺栓軸上制作軸承位，并留出下一步安裝驅動齒輪所需的懸挑長度；精銑導桿，并車出安裝軸；

i.將上述各構件試組裝，并與外筒連接；找出并修正加工及安裝的系統(tǒng)誤差；

k.制作驅動螺栓軸的齒輪，并安裝到已試組裝成型的螺栓軸上。

按圖8所示，若不考慮露出外筒的前后側面(作為他用)時，將外筒左右兩側的下定位臺合為一體，在中間割出外筒的孔位，做法更簡單精準。

三、伸縮芯筒的建立

a.選擇兩種直徑的均質圓鋼管作為伸縮芯筒的吊芯和懸芯，兩管相套，兩管均選擇接近外筒總長度的毛料(因本例選擇不設重力筒機構，故懸芯的管徑越大其抗彎能力越強，且不設重力筒時空間足夠大，故懸芯的管徑可相對吊芯成大比例)；

b.精車或精銑吊芯和懸芯的內(nèi)外孔壁，使各管的質心落在軸心(以外管徑定性)上；

c.選一中號管，精銑成介于吊芯和懸芯之間的中間管層，并截取適當長度(大于變長桿的伸縮量)，然后平行于該中號管且過軸心銑以縱向長條形開口作為約束卡的滑槽；

d.選一細孔鋼管作為芯絲的螺母，該管的成品外徑等于懸芯的內(nèi)徑；同時找出其軸心孔，以便對應芯絲規(guī)格攻刻螺母絲口，其長度應大于芯絲的數(shù)個絲距和安裝穩(wěn)定性要求；

e.選一細孔鋼管作為懸芯的下端堵頭和安裝點光源的安裝架，制作如上；

f.在吊芯軸向中部，沿過軸線且垂直吊芯軸的方向打一貫穿孔，作為安裝約束卡之用；用兩小鋼柱分別安裝在吊芯上，作為約束卡；小鋼柱直徑等于c中所說的滑槽寬度；

g.在變長桿未伸縮之前，約束卡應位于滑槽的下端，以此確定吊芯、懸芯的具體長度；吊芯的下端應在約束卡之下結束，以便對應此位置安裝d中所說的螺母，并使形式的推移量足夠大。

h.選擇作為芯絲所用的螺栓，并在螺桿部位制作軸承位，以及上挑出吊芯上端的球形頭的安裝位；

i.對應h中所說的螺桿、軸承位及其外徑尺寸，在吊芯孔中車制螺桿孔、軸承位；

j.制作h中所說的球形頭，過球心鉆出縱向的螺桿安裝孔，并再沿橫向過球心鉆出球形頭約束卡的安裝孔，選一適當鋼柱安裝其中；

k.制作芯絲的驅動齒輪，其軸孔代之為球形空間，與j中所說的球形頭對應吻合，同時，沿齒輪軸向和球形空間面制作出球形頭約束卡的滑槽；

l.預裝上述各構件，以芯筒過軸心的吊線懸掛芯筒機構，測試其機械加工、安裝造成的系統(tǒng)誤差；

m.若在懸吊時芯筒的上下端面的中心不在一條豎直線上，則說明存在系統(tǒng)誤差，需加設微調(diào)螺栓補救；即在芯筒傾斜的反向設螺絲孔，加設橫向懸挑的螺栓配重，調(diào)節(jié)芯筒機構的質心偏離軸心的缺陷。

四、懸掛機構的建立(參圖9)

a.選一厚壁鋼板，切割并銑成與外筒孔徑等大的方塊，用垂直割線將方鋼板中間割去，得到一較大圓孔，并將圓孔壁車銑光潔；

b.選一大直徑(小于外筒孔)厚壁均質鋼管，車銑該鋼管內(nèi)外壁并使鋼管外徑小于方板圓孔(二者間存有一定間隙)，然后截取一個高度約等于a中所說的方板厚度的環(huán)；過環(huán)的中心徑向鉆一貫穿圓環(huán)的孔(該孔用以安裝兩個外挑的短軸)，并按該孔選取兩端小短軸作為該環(huán)的外挑旋轉軸；該兩短軸同軸線且過圓環(huán)的中心；

c.沿著過a中所說的方板中的圓孔中心的直線方向，在方板厚度方向居中鉆出一條孔作為外軸架上懸挑軸的定位孔，然后根據(jù)外軸架擬用懸挑軸的直徑尺寸，鏜銑成軸孔；

d.選一直徑小于b中所說的圓環(huán)內(nèi)徑的厚壁均質鋼管，并按b中所說的方法進行初加工，然后截取一定的長度，形成短管，在其上端制作軸孔并選取小短軸作為外挑軸；

在此短管的下部設安裝(芯絲)螺栓軸孔位的安裝板(圓板)，安裝板與短管固定連接，其上面低于外挑軸中心約一個齒輪的厚度，能使安裝在安裝板上豎向挑出的螺栓軸上的齒輪的質心落在短管的軸線與橫向外挑軸的軸線的交點上；

e.將上述各構件依序組裝在一起，形成懸吊機構；

f.制作連接板，將芯筒與懸吊機構中心的安裝板連接起來，形成懸擺功能。

將前述的外筒及基板、伸縮機構、芯筒、懸掛機構以及其他必要的構造、構件及措施組合在一起，即形成變長桿的物理機構部分。

五、數(shù)字化監(jiān)控體系的建立

a.選擇ccd面陣做接收元件，選擇普通激光頭做光束發(fā)射元件(即點光源)；

b.選89c52單片機作為運算元件和邏輯控制中心；同時購置相應的其他元件構建數(shù)據(jù)庫；

c.選擇數(shù)控無刷電機作為驅動動力；

d.購置或制作ccd面陣與單片機、單片機與數(shù)據(jù)庫、單片機與動力元件之間的接口電路、轉換電路、電源等各環(huán)節(jié)所需的元器件；

e.要求將面陣安裝在基板的中心位置，像素陣列的行和列分別于外筒的兩個相鄰邊平行；