Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zwangszentriervorrichtung für geodätische Instrumente, insbesondere Theodolite, optische und elektronische Entfernungsmesser, sowie für die zugehörigen Zieltafeln, Latten und Reflektoren.
Geodätische Instrumente bestehen im allgemeinen aus einem um eine lotrecht zu stellende Achse drehbaren Oberteil und aus einem auf einer Auflageplatte befestigten und während dem Messvorgang nicht bewegten Unterteil. Die Auflageplatte kann Bestandteil eines Statives oder einer Pfeilergrundplatte sein, oder auch fest mit einem Pfeiler oder dergleichen verbunden sein. Die lotrecht zu stellende Achse wird als Stehachse bezeichnet. Zum Oberteil gehört eine Visiervorrichtung, die sich um eine senkrecht zur Stehachse liegende Achse, die Kippachse, drehen lässt. Unter den geodätischen Instrumenten liefern Theodolite, optische oder elektronische Entfemungsmesser und Kombinationen davon Messwerte, die sich auf die Stehachse oder auf die Kippachse beziehen.
Die Messwerte von Lotungsinstrumenten beziehen sich auf die Stehachse allein.
Sinngemäss zu den erwähnten geodätischen Instrumenten gehören die damit verwendeten Zielmarken, Distanzlatten und Reflektoren.
Zur Vermeidung von Messfehlern muss die Stehachse lotrecht gestellt werden. Die mechanischen Mittel zum Lotrechtstellen der Stehachse gehören zum Unterteil des geodätischen Instrumentes und werden als Horizontiervorrichtung bezeichnet. Die Horizontiervorrichtung gestattet somit, die Stehachse und damit das Oberteil gegenüber dem Stativ zu kippen. Das Unterteil von geodätischen Instrumenten umfasst im allgemeinen nicht nur die Horizontiervorrichtung, sondern beispielsweise bei Theodoliten auch den Horizontalkreis, der gleichzeitig mit der Stehachse gegenüber der Auflageplatte gekippt werden muss, sich aber nach dem Lotrechtstellen der Stehachse nicht mehr gegenüber der Auflageplatte bewegen darf. Infolgedessen muss die Horizontiervorrichtung genügend verwindungssteif sein, um Verdrehungen zwischen Auflageplatte und Unterteil zu verhindern.
Genügende Sicherheit gegen Verdrehung wird durch Trennung der Horizontiervorrichtung in Teile zur azimutalen Führung des Unterteils und in Teile zur blossen Kippung erreicht. In bekannter Weise kann das Unterteil durch mechanische Abschläge oder eine elastische Metallmembrane azimutal geführt werden. Die Kippung erfolgt durch Bauteile mit horizontaler Drehachse, wie etwa Exzenterbolzen oder Kurvenscheiben, oder durch Schrauben mit vertikaler Achse.
An die Verbindung zwischen Unterteil und Auflageplatte werden bei allen geodätischen Instrumenten, deren Messwerte sich auf die Stehachse beziehen, mehrere Bedingungen gestellt:
1. Die Verbindung zwischen Unterteil des geodätischen Instrumentes und Auflageplatte muss fest, aber bequem lösbar sein.
2. Um alle Mess- und Rechenoperationen, die sich aus ungenauem Auswechseln von verschiedenen geodätischen Instrumenten auf ein und derselben Auflageplatte ergeben, umgehen zu können, ist eine Zwangszentriervorrichtung erforderlich.
3. Die Kippung der Stehachse während des Horizontiervorganges muss um einen Punkt auf der Stehachse erfolgen, damit die Zentrierung gegenüber einem vermarkten Bodenpunkt durch den Horizontiervorgang nicht beeinflusst wird.
4. Der Punkt der Stehachse, um den das Oberteil des geodätischen Instrumentes entsprechend der Bedingung (3) gekippt wird, darf durch den Horizontiervorgang den Abstand gegenüber einem vermarkten Bodenpunkt nicht ändern.
5. Der nicht zum Unterteil des geodätischen Instrumentes gehörende Teil der Zwangszentriervorrichtung muss witterungsbeständig sein und fest mit einem Pfeiler im Freien verbunden werden können.
Die Zwangszentriervorrichtung ist eine mechanische Vorrichtung, welche gestattet, einen Punkt auf der Stehachse von geodätischen Instrumenten auf einer Auflageplatte durch das blosse Aufsetzen mit hoher Genauigkeit lage- und höhenmässig bezüglich der Auflageplatte an eine bestimmte Stelle zu bringen. Die Lage- und Höhenfehler des von der Zwangszentrierung erfassten Punktes der Stehachse sollen beim Auswechseln von geodätischen Geräten keinen Einfluss auf gemessene Richtungen, Höhenwinkel oder Distanzen haben.
Jede Zwangszentriervorrichtung besteht aus zwei Baugruppen. Die eine ist Bestandteil des Unterteils eines geodätischen Instrumentes. Die andere wird lösbar mit der Auflageplatte verbunden, sie kann jedoch auch zusammen mit der Auflageplatte Bestandteil eines Statives sein. Das geodätische Instrument wird somit bei zwangszentriertem Auswechseln je nach der konstruktiv getroffenen Lösung entweder auf eine von der Auflageplatte lösbare Zusatzvorrichtung oder direkt auf die Auflageplatte gesetzt. Dabei wird durch Ineinandergreifen von Teilen beider Baugruppen dafür gesorgt, dass neben der Zentrierung eines Punktes der Stehachse die beiden Baugruppen durch einen bequem lösbaren Verschluss fest miteinander verbunden werden können.
Wenn die Auflageplatte Bestandteil eines Statives ist, so genügt die Bedingung des fehlerlosen Auswechselns auf der Auflageplatte nicht, da der Bezugspunkt der Messungen meist kein Punkt des Statives, sondern ein geeignet vermarkter Punkt am Boden ist. Das erste, im Verlaufe einer Messung über einem derartigen Punkt aufzustellende geodätische Instrument muss auf dem Stativ so lange verschoben werden, bis seine lotrecht gestellte Stehachse mit einer der Messung entsprechenden Genauigkeit durch den Punkt am Boden geht.
Durch diesen Zentriervorgang wird die Zwangszentriervorrichtung als ganzes gegenüber dem bereits fest aufgestellten Stativ und damit gegenüber dem Punkt am Boden verschoben.
Da durch das blosse Aufsetzen die Stehachse nicht - wie es für den Messvorgang notwendig ist - zwangsläufig senkrecht gestellt wird, muss mit Hilfe der Horizontiervorrichtung nach dem Aufsetzen die Stehachse um den von der Zwangszentriervorrichtung festgehaltenen Punkt solange gekippt werden, bis sie lotrecht steht.
Lässt sich die Stehachse nicht durch Kippen um einen auf ihr liegenden Punkt lotrecht stellen, so muss nach der Kippung die Zentrierung gegenüber dem am Boden vermarkten Punkt verbessert werden.
Bei allen periodisch zu wiederholenden Messungen können sich trotz Zwangszentriervorrichtung und Kippung beim Horizontieren um einen Punkt der Stehachse wegen ungenauem Zentrieren über den Bodenpunkt noch Messfehler ergeben. Sie lassen sich durch Aufstellen des geodätischen Instrumentes auf Pfeilern, Konsolen oder ähnlichen geeigneten Vorrichtungen vermeiden. Voraussetzung dafür ist, dass die stativfeste Baugruppe der Zwangszentriervorrichtung genügend witterungsbeständig ist, um auf einem Pfeiler im Freien befestigt werden zu können. Sie wird dazu vorteilhafterweise mit der Auflageplatte verbunden. Unterschiede in der Art der Aufstellung auf Stativen oder Pfeilern fallen damit weg, abgesehen von der zusätzlichen Zentrierung gegenüber Bodenpunkten bei Messungen auf Stativen.
Die heute gebräuchlichen Zwangszentriervorrichtungen gehen im Prinzip entweder auf eine Passung zwischen einem Zylinderzapfen - eventuell einer Kugel - und einer Bohrung, oder auf das Andrücken eines Zylinders an zwei vorspringende Innenkanten eines prismatischen Hohlkörpers zurück. Die Dreinutenzwangszentrierung wird kaum mehr angewandt, da wegen herstellungstechnischen Schwierigkeiten die gegenseitige Orientierung der beiden Baugruppen die Lage der Stehachse gegenüber dem Stativ beeinflusst.
Neben den von Passungs- und Anliegefehlern in der Zwangszentriervorrichtung herrührenden Lagefehlern des festgehaltenen Punktes der Stehachse muss noch mit Fehlerbeträgen gerechnet werden, die von der Art der Verbindung zwischen den mechanischen Bestandteilen der Stehachse und der am Unterteil befestigten Baugruppe der Zwangszentriervorrichtung stammen. Da beispielsweise bei einem Theodolit alle gemessenen Horizontalrichtungen sich in der Stehachse schneiden, fallen diese Beträge sicher dann weg, wenn die Stehachse mechanisch so weit über das auf das Stativ gesetzte Unterteil hinaus verlängert wird, bis sie durch das blosse Aufsetzen des Theodolits auf die Auflageplatte in die damit verbundene Baugruppe der Zwangszentriervorrichtung eingreift.
Eine konstante Höhe der Kippachse über der Auflageplatte kann damit jedoch nicht erreicht werden.
Die bekannten Zwangszentriervorrichtungen ergeben Zen triergenauigkeiten, die bei Zielweiten von mehr als 50-100 m keine nachweisbaren Messfehler in Horizontalrichtungen oder Distanzen ergeben. Bei Zielweiten unter dieser Grenze, etwa im Bereich von wenigen Metern, können grundsätzliche Mängel der bekannten Zwangszentriervorrichtungen die Messwerte verfälschen.
Grundsätzliche Mängel sind:
1. Der von der Zwangszentriervorrichtung erfasste Punkt bewegt sich durch den Horizontiervorgang mangels einer mechanischen Führung in dem durch die Horizontiervorrichtung nicht bewegten Teil der stativfesten Baugruppe. Die Verbindung zwischen geodätischem Instrument und Auflageplatte erfüllt Bedingungen (3) und (4) nicht. Soll das geodätische Instrument auf einem Pfeiler aufgestellt werden, so muss zwischen Instrument und Pfeiler eine Platte gelegt werden, die einerseits das Instrument zu befestigen gestattet und andererseits über einem auf dem Pfeiler vermarkten Punkt zentriert werden kann. Da keine mechanische Führung der Stehachse im vermarkten Punkt des Pfeilers vorgesehen ist, ergeben sich Fehler durch wechselnde Orientierung des auf der Platte liegenden Teiles der Zwangszentriervorrichtung.
Die Platte zwischen Pfeiler und Zwangszentriervorrichtung ist ein mechanisch empfindliches Teil. Die Verbindung zwischen geodätischem Instrument und Stativ genügt neben den Bedingungen (3) und (4) auch der Bedingung (5) nicht.
2. Zwangszentrierung und Horizontierung beeinflussen sich gegenseitig. Der von der Zwangszentriervorrichtung erfasste Punkt der Stehachse ist mechanisch in der mit der Auflageplatte verbundenen Baugruppe der Zwangszentriervorrichtung geführt. Die durch die Horizontiervorrichtung gekippten Teile des Unterteils sind somit in einem statisch überbestimmten System von vier Punkten gelagert, nämlich im fest mit der Auflageplatte verbundenen Punkt der Stehachse und in den drei Angriffspunkten der Horizontiervorrichtung. Der Grad der Überbestimmung hängt von der konstruktiven Lösung ab.
Eine bekannte Rückführung der statisch überbestimmten Lagerung in eine statisch bestimmte besteht darin, dass das Unterteil nicht fest mit der Auflageplatte verbunden wird.
Die drei festen Angriffspunkte der Horizontiervorrichtung können sich daher gegenüber der Auflageplatte bewegen, wobei der bezüglich der Auflageplatte feste Punkt der Stehachse längs einer Achse geführt wird. Die mechanische korrekte Führung eines Punktes der Stehachse kann nur durch Verzicht auf eine Befestigungsvorrichtung zwischen Unterteil und Auflageplatte erkauft werden, so dass das geodätische Instrument auf Pfeilern aufgestellt werden muss. Die Bedingungen (1) und (4) sind nicht erfüllt. Dies trifft beispielsweise auf die bekannte Freiberger Kugel zu.
Bei kleinem Kippbereich der Horizontiervorrichtung und günstiger Lage des festen Punktes der Stehachse kann durch Spiel in mechanischen Passungen oder durch elastische Elemente auf Kosten der Zentriergenauigkeit auch bei fest mit der Auflage verbundenem Unterteil des geodätischen Instrumentes die Bewegung des geführten Punktes der Stehachse während dem Horizontieren in gewissen Grenzen gehalten werden. Bedingungen (2), (3) und (4) sind nicht genügend genau erfüllt.
Der schwerwiegendste Mangel liegt in der veränderlichen Kippachshöhe. Beispielsweise ist eine unveränderliche Kippachshöhe von Theodoliten bei allen periodisch zu wiederholenden Vermessungen wegen den dadurch wegfallenden Mess- und Rechenoperationen wünschenswert. Keine der bekannten Zwangszentriervorrichtungen genügt der Bedingung (4).
Um obgenannte Nachteile zu beheben, zeichnet sich die vorliegende Erfindung dadurch aus, dass das geodätische In Instrument zum Horizontieren um einen Punkt der Stehachse gekippt wird, der seinerseits in einem gegenüber einer Auflageplatte während dem Horizontiervorgang unbeweglichen Teil geführt ist, wobei die Verbindungslinie zwischen diesem Punkt und dem Zentrum des mit der Auflageplatte verbundenen Teils der Zwangszentriervorrichtung senkrecht auf der Auflagefläche steht, um die Höhe der Kippachse über der Auflageplatte vom Aufsetzen des geodätischen Instrumentes auf der Auflageplatte und vom Horizontiervorgang unabhängig zu machen.
Die Fig. 1 und 2 stellen ein erstes Ausführungsbeispiel dar. Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch das Unterteil eines geodätischen Instrumentes längs seiner Stehachse 1, Fig. 2 einen Schnitt in einer senkrecht zur Achse 1 liegenden, durch den Punkt 8 gehenden Ebene. Zum Oberteil eines geodätischen Instrumentes gehören alle jene Einzelteile, die sich gemeinsam um seine Stehachse drehen lassen. Zum Unterteil gehören einerseits jene Einzelteile, die fest, jedoch lösbar mit der Auflageplatte des geodätischen Instrumentes verbunden werden können, und andererseits jene, welche die Stehachse festlegen und die gestatten, sie lotrecht zu stellen. Die mechanischen Einzelteile der Stehachse in Fig. 1 bestehen im wesentlichen aus dem oberteilfesten Teil 17, dem unterteilfesten Teil 9 und dem Zentrierzylinder 6.
Mit der Auflageplatte 23 wird im wesentlichen die Anzugsplatte 2 des geodätischen Instruments verbunden. Zum Unterteil in Fig. 1 gehören somit alle Einzelteile, die zwischen dem oberteilfesten Teil 17 der Stehachse und der Auflageplatte 23 liegen.
Die Zwangszentriervorrichtung besteht aus einer fest mit dem Unterteil verbundenen Baugruppe, umfassend die Anzugplatte 2 mit dem Zapfen 3 und dem Zentrierkonus 4, sowie einer stativfesten Baugruppe, umfassend die Auflageplatte mit der Bohrung 24.
Die Auflageplatte 23 wird als angenähert waagrecht vorausgesetzt, was durch bekannte Mittel am Stativ erreicht werden kann. Damit kann der zur Horizontierung notwendige Kippbereich eingeschränkt werden. Durch das Aufsetzen des geodätischen Instrumentes auf die Auflageplatte 23 wird der Zapfen 3 in der Bohrung 24 mit der durch mechanische Passung gegebenen Genauigkeit zentriert. Der Zapfen 3 und der Zentrierkonus 4 sind Bestandteile der Anzugsplatte 2, deren gemeinsame Achse senkrecht auf der Auflagefläche der Anzugplatte 2 steht. Der durch den Horizontiervorgang bewegte Teil des geodätischen Instrumentes stützt sich im wesentlichen über die Kugel 7 auf den Zentrierkonus 4 ab.
Während des Horizontiervorganges werden alle oberhalb der Anzugsplatte 2 liegenden Teile um das Zentrum 8 der Kugel 7 gekippt. Die Kugel 7 ist Bestandteil des Zentrierzylinders 6, der seinerseits mit seiner Mantelfläche 18 das oberteilfeste Teil 17 der Stehachse zentriert.
Anhand der Anzeige einer in der Figur nicht dargestellten Libelle oder eines andern geeigneten Hilfsmittels wird durch Betätigen derHorizontierschrauben 12 die Grundplatte 5, und damit die Stehachse, horizontiert. Gleichzeitig wird der Zentrierzylinder 6 lotrecht gestellt. Da die Zentrierung des oberteilfesten Teiles 17 durch die Zylinderfläche 18 gegeben ist, kommt der Scheitel aller gemessenen Horizontalrichtungen in die Lotrichtung durch das Zentrum 8 der Kugel 7 zu liegen.
Die Kippung um den gegenüber der Auflagefläche 23 unver änderlichen und in der Stehachse 1 liegenden Punkt 8 hat zur Folge, dass nach dem Horizontiervorgang die Höhe des Oberteils, und damit beispielsweise der Kippachse als Bezugsachse für die Höhenwinkelmessungen, über der Auflageplatte 23 immer gleich ist.
Nach der Horizontierung steht die Stehachse 1 senkrecht und der Bezugspunkt der Messungen liegt auf der Lotlinie durch das Zentrum 8 der Kugel 7. Da die Auflageplatte 23 nur angenähert waagrecht vorausgesetzt ist, steht die gemeinsame Achse des Zentrierkonus 4 und des Zapfens 3 nicht genau lotrecht. Beim Auswechseln der geodätischen Instrumente auf der Auflageplatte 23 wird jedoch die Lage des Punktes 8 in verschiedenen Instrumenten gegenüber der Bohrung 24 auf ein und denselben Pfeiler oder Stativ mit einer der Fabrikationsgenauigkeit der Anzugplatte 3 entsprechenden Genauigkeit wieder hergestellt.
Damit wird die Neigung der Auflageplatte 23 gegenüber einer waagrechten Ebene bedeutungslos, da die Auflageplatte 23 auf einem Pfeiler ihre Neigung dauernd behält, und sie auf einem Stativ solange nicht ver ändert wird, als verschiedene geodätische Instrumente auf einem feststehenden Stativ ausgewechselt werden. Durch ein in bekannter Weise im Oberteil des geodätischen Instrumentes eingebautes optisches Lot kann das Zentrum 8 im Falle von Messungen auf einem Stativ in die Lotlinie durch den vermarkten Bodenpunkt gebracht werden.
Die Kippung des unterteilfesten Teiles 9 der Stehachse um das Zentrum 8 erfolgt mit Hilfe von zwei Horizontierschrauben, von denen in der Fig. 1 nur die eine, die Horizontierschraube 12, dargestellt ist. Fest mit der Anzugplatte 2 ist die Gewindehülse 13 verbunden. Die Grundplatte 5 liegt auf einer buckelförmigen Ausbuchtung oben auf der Fussschraube 12 auf. Um zu verhindern, dass das geodätische Instrument aus seiner Auflage auf der Horizontierschraube 12 durch Drehung um das Zentrum 8 wegkippen kann, ist an der Grundplatte 3 die Blattfeder 15 angebracht. Diese greift, durch eine geeignete Aussparung in der Gewindehülse hindurch, am unteren Ende der Spindel der Horizontierschraube 12 an. Den zum einwandfreien Arbeiten der Horizontierschrauben 12 notwendigen Auflagedruck der Grundplatte 5 wird durch die Druckfeder 14 erzeugt, die gleichzeitig die Kugel 7 entlastet.
Das Herausgleiten der Kugel 7 aus dem Zentrierkonus 4 beim Abheben des geodätischen Instrumentes von der Auflagefläche 23 wird durch den Niederhaltering 10 mit den eingelegten Segmenten 11 verhindert.
Die durch die Horizontierung gekippten Teile des Unterteils müssen wegen dem darin gelagerten Horizontalkreis 16 azimutal geführt werden. Obwohl grundsätzlich die Möglichkeit einer Führung durch die Spindel einer Horizontierschraube, die in einer Nut in der Grundplatte 5 anstatt auf der ebenen Fläche laufen würde, besteht, wird eine bessere Führung durch mechanische Anschläge erreicht. Zudem gestattet diese Lösung, die Teile zur Kippung des geodätischen Instruments von denjenigen zur azimutalen Führung zu trennen.
Mit der Anzugplatte 2 sind die zwei in Fig. 2 dargestellten Lappen 35 und 36 verbunden. Zwischen diese Lappen hinein ragt ein Teil der Grundplatte 5. Indem dieser Teil einerseits über den Bolzen 19 gegen den Lappen 35 gedrückt wird, und andererseits durch die Kugel 7 im Zentrierkonus 4 festgehalten ist, wird die Grundplatte 5 azimutal geführt. Der Druck auf den Bolzen 19 wird durch den sich auf den Lappen 36 abstützenden, durch die Druckfeder 21 gespannten Druckbolzen 20 erzeugt.
Das Unterteil muss wegen den darin enthaltenen empfindlichen Teilen durch die Dichtungen 22 gegen die Anzugplatte 2 und gegen das drehbare Oberteil abgedichtet werden. Die lösbare Verbindung zwischen geodätischem Instrument und Auflageplatte 23 kann beispielsweise in bekannter Art aus dem Bajonettverschluss 34 bestehen.
Da die Auflageplatte 23 witterungsbeständig ausgebildet werden kann und sie damit zu dauerndem Versatz auf Pfeilern geeignet ist. genügt die beschriebene Vorrichtung den aufgestellten Bedingungen an die Verbindung zwischen dem Unterteil eines geodätischen Instrumentes und einem Pfeiler.
Zur statisch bestimmten Lagerung des durch den Horizontiervorgang bewegten Unterteils sind wegen seinen 6 Freiheitsgraden 6 bekannte Elemente notwendig. Eine der Fig. 1 entsprechende Lagerung erfüllt diese Bedingung, da drei Elemente von der Lagerung der Kugelfläche 7 im Zentrierkonus 4 geliefert werden, eines durch den Anschlag des Bolzens 19 auf dem Lappen 35 und die beiden letzten durch die zwei Horizontierschrauben. Durch die statisch bestimmte Lagerung werden mechanische Spannungen vermieden.
Die beiden Horizontierschrauben werden vorteilhafterweise unter einem Winkel von 900 gegenüber dem Zentrum 8 angeordnet. Dadurch wird die Stehachsenschiefe in zwei voneinander unabhängige Komponenten aufgeteilt, was den Horizontiervorgang wesentlich vereinfacht.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel zeigt die Fig. 3. Es zeigt gegenüber dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 im wesentlichen nur einen andern Antrieb für die Kippbewegung um das Zentrum 8 während des Horizontiervorganges.
An der Grundplatte 5 ist der Bolzen 27 befestigt, dessen herausragendes Ende in einem entsprechenden Einschnitt des Hebels 25 gehalten ist. Der Hebel 25 ist um die Achse 26 drehbar gelagert, die Achse 26 selbst ist von den beiden, an der Grundplatte 2 befestigten Wangen 31 gehalten. Am Hebel 25 greift ausserdem der Druckbolzen 28 über den vom Hebel 25 gehaltenen Stift 29 an. Das kugelförmige Ende des Druckbolzens 28 ist in einem Konus der Horizontierschraube 32 gelagert und durch die Deckplatte 30 im Konus gehalten. Die Horizontierschraube 32 kann mit Hilfe eines Gewindes gegenüber der an den Wangen 31 befestigten Gewindehülse 33 achsial verstellt werden. Durch diese Verstellung wird über den Druckbolzen 28 der Hebel 25 gekippt und damit der Bolzen 27 mitgenommen. Da die Drehachse 26 parallel zur Auflagefläche 23 liegt, wird somit der Bolzen 27 gehoben oder gesenkt.
Wegen der Führung des Druckbolzens 28 durch den Konus in der Horizontierschraube 32 und durch die Deckplatte 30 wird das Oberteil des geodätischen Instrumentes in beiden Verstellungsrichtungen der Horizontierschraube 32 zwangsläufig geführt. Das Spiel in der Übertragung des Spindelvorschubes zwischen der Horizontierschraube 32 und dem Bolzen 29 wird durch die Druckfeder 14 aufgehoben. Der Hebel 25 gestattet zudem eine Untersetzung der Bewegung zwischen der Horizontierschraube 32 und dem Bolzen 27. Damit wird die Feineinstellung erleichtert.
Die azimutale Führung und die Zentrierung gegenüber der Auflageplatte 23 sind gleich wie im Ausführungsbeispiel der Fig. 1.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 hat gegenüber demjenigen von Fig. 1 den Vorteil eines abgedichteten Antriebes der Horizontierbewegung.
The present invention relates to a forced centering device for geodetic instruments, in particular theodolites, optical and electronic range finders, as well as for the associated target boards, staffs and reflectors.
Geodetic instruments generally consist of an upper part that can be rotated about a perpendicular axis and a lower part that is fastened to a support plate and is not moved during the measuring process. The support plate can be part of a stand or a pillar base plate, or it can also be firmly connected to a pillar or the like. The axis to be set perpendicular is called the standing axis. The upper part includes a sighting device that can be rotated around an axis perpendicular to the standing axis, the tilt axis. Among the geodetic instruments, theodolites, optical or electronic distance meters and combinations thereof provide measured values that relate to the vertical axis or the tilt axis.
The measured values from sounding instruments relate to the vertical axis alone.
The target marks, distance staffs and reflectors used with them belong analogously to the geodetic instruments mentioned.
To avoid measurement errors, the vertical axis must be set perpendicular. The mechanical means for setting the vertical axis perpendicular belong to the lower part of the geodetic instrument and are referred to as a leveling device. The leveling device thus allows the vertical axis and thus the upper part to be tilted relative to the stand. The lower part of geodetic instruments generally includes not only the leveling device, but also the horizontal circle, for example with theodolites, which must be tilted at the same time as the standing axis relative to the support plate, but after the vertical axis is set perpendicular, it must no longer move relative to the support plate. As a result, the leveling device must be sufficiently torsion-resistant to prevent twisting between the support plate and the lower part.
Sufficient security against rotation is achieved by separating the leveling device into parts for azimuthal guidance of the lower part and parts for simple tilting. In a known manner, the lower part can be guided azimuthally by mechanical cuts or an elastic metal membrane. The tilting is done by components with a horizontal axis of rotation, such as eccentric bolts or cam disks, or by screws with a vertical axis.
For all geodetic instruments whose measured values relate to the vertical axis, several conditions are placed on the connection between the lower part and the support plate:
1. The connection between the lower part of the geodetic instrument and the support plate must be firm but easily detachable.
2. In order to be able to bypass all measurement and arithmetic operations that result from inaccurate replacement of different geodetic instruments on one and the same support plate, a forced centering device is required.
3. The tilting of the standing axis during the leveling process must take place around a point on the standing axis so that the centering with respect to a marked point on the ground is not influenced by the leveling process.
4. The point of the vertical axis around which the upper part of the geodetic instrument is tilted according to condition (3) must not change the distance from a marketed point on the ground due to the leveling process.
5. The part of the forced centering device that does not belong to the lower part of the geodetic instrument must be weatherproof and capable of being firmly connected to a pillar outdoors.
The forced centering device is a mechanical device which allows a point on the vertical axis of geodetic instruments on a support plate to be brought to a specific location with high accuracy in terms of position and height with respect to the support plate by simply placing it on. The position and height errors of the point of the standing axis detected by the forced centering should not have any influence on measured directions, elevation angles or distances when replacing geodetic devices.
Each forced centering device consists of two assemblies. One is part of the lower part of a geodetic instrument. The other is detachably connected to the support plate, but it can also be part of a tripod together with the support plate. In the case of forced-centered replacement, the geodetic instrument is thus placed either on an additional device that can be detached from the support plate or directly on the support plate, depending on the structural solution. The interlocking of parts of both assemblies ensures that, in addition to centering a point on the vertical axis, the two assemblies can be firmly connected to one another by a conveniently detachable lock.
If the support plate is part of a tripod, the condition of faultless replacement on the support plate is not sufficient, since the reference point for the measurements is usually not a point on the tripod but a suitably marketed point on the ground. The first geodetic instrument to be set up over such a point in the course of a measurement must be shifted on the tripod until its vertically positioned vertical axis passes through the point on the ground with an accuracy corresponding to the measurement.
As a result of this centering process, the forced centering device is shifted as a whole in relation to the tripod that has already been set up and thus in relation to the point on the ground.
Since the standing axis is not inevitably set vertically by simply placing it on - as is necessary for the measurement process - after placing the leveling device, the standing axis must be tilted around the point held by the forced centering device until it is perpendicular.
If the vertical axis cannot be set vertically by tilting around a point lying on it, the centering must be improved after the tilting compared to the point marked on the floor.
In all measurements to be repeated periodically, despite the forced centering device and tilting when leveling around a point on the standing axis, measurement errors can still occur due to inaccurate centering over the ground point. They can be avoided by setting up the geodetic instrument on pillars, consoles or similar suitable devices. The prerequisite for this is that the tripod-mounted assembly of the forced centering device is sufficiently weatherproof to be able to be attached to an outdoor pillar. For this purpose, it is advantageously connected to the support plate. Differences in the type of setup on tripods or pillars are therefore eliminated, apart from the additional centering in relation to ground points when measuring on tripods.
The forced centering devices commonly used today are based in principle either on a fit between a cylinder pin - possibly a ball - and a bore, or on the pressing of a cylinder against two protruding inner edges of a prismatic hollow body. The three-digit centering is hardly used any more, because the mutual orientation of the two assemblies influences the position of the vertical axis in relation to the stand due to manufacturing difficulties.
In addition to the positional errors of the fixed point of the standing axis caused by errors in the fit and contact in the centering device, error amounts must also be expected which originate from the type of connection between the mechanical components of the standing axis and the assembly of the force centering device attached to the lower part. Since, for example, in the case of a theodolite, all measured horizontal directions intersect in the standing axis, these amounts are no longer applicable if the standing axis is mechanically extended beyond the lower part placed on the stand until it is simply placed on the support plate by the theodolite the associated assembly of the forced centering device engages.
However, a constant height of the tilt axis above the support plate cannot be achieved with this.
The known forced centering devices result in centering accuracies that result in no detectable measurement errors in horizontal directions or distances at target ranges of more than 50-100 m. With target ranges below this limit, for example in the range of a few meters, fundamental defects of the known forced centering devices can falsify the measured values.
Basic defects are:
1. The point detected by the forced centering device moves due to the leveling process in the absence of mechanical guidance in the part of the tripod-fixed assembly that is not moved by the leveling device. The connection between the geodetic instrument and the support plate does not meet conditions (3) and (4). If the geodetic instrument is to be set up on a pillar, a plate must be placed between the instrument and the pillar, which on the one hand allows the instrument to be fastened and on the other hand can be centered over a point marked on the pillar. Since no mechanical guidance of the vertical axis is provided in the marketed point of the pillar, errors result from the changing orientation of the part of the forced centering device lying on the plate.
The plate between the pillar and the centering device is a mechanically sensitive part. The connection between the geodetic instrument and the tripod does not satisfy the conditions (3) and (4) or the condition (5).
2. Forced centering and leveling influence each other. The point of the vertical axis detected by the forced centering device is guided mechanically in the assembly of the forced centering device connected to the support plate. The parts of the lower part tilted by the leveling device are thus supported in a statically overdetermined system of four points, namely in the point of the standing axis firmly connected to the support plate and in the three points of application of the leveling device. The degree of overdetermination depends on the design solution.
A known return of the statically overdetermined storage to a statically determined one consists in the fact that the lower part is not firmly connected to the support plate.
The three fixed points of application of the leveling device can therefore move with respect to the support plate, the point of the standing axis that is fixed with respect to the support plate being guided along an axis. The mechanical correct guidance of a point of the vertical axis can only be bought by doing without a fastening device between the lower part and the support plate, so that the geodetic instrument must be set up on pillars. Conditions (1) and (4) are not met. This applies, for example, to the well-known Freiberg ball.
With a small tilting range of the leveling device and a favorable position of the fixed point of the standing axis, play in mechanical fits or elastic elements at the expense of centering accuracy, even with the lower part of the geodetic instrument firmly connected to the support, can cause movement of the guided point of the standing axis during leveling to a certain extent Limits are kept. Conditions (2), (3) and (4) are not met with sufficient accuracy.
The most serious deficiency lies in the variable tilting axis height. For example, an unchangeable tilting axis height of theodolites is desirable for all measurements that are to be repeated periodically because of the need for measuring and arithmetic operations that are no longer necessary. None of the known forced centering devices satisfies condition (4).
In order to remedy the above-mentioned disadvantages, the present invention is characterized in that the geodetic In instrument is tilted around a point of the standing axis for leveling, which in turn is guided in a part that is immovable with respect to a support plate during the leveling process, the connecting line between this point and the center of the part of the forced centering device connected to the support plate is perpendicular to the support surface in order to make the height of the tilt axis above the support plate independent of the placement of the geodetic instrument on the support plate and of the leveling process.
1 and 2 illustrate a first embodiment. FIG. 1 shows a section through the lower part of a geodetic instrument along its standing axis 1, FIG. 2 shows a section in a plane perpendicular to axis 1 and passing through point 8. The upper part of a geodetic instrument includes all those individual parts that can be rotated together around its vertical axis. The lower part includes, on the one hand, those individual parts that can be firmly but detachably connected to the support plate of the geodetic instrument and, on the other hand, those that define the vertical axis and allow it to be set perpendicular. The mechanical individual parts of the vertical axis in FIG. 1 essentially consist of the part 17 fixed to the upper part, the part 9 fixed to the lower part and the centering cylinder 6.
The tightening plate 2 of the geodetic instrument is essentially connected to the support plate 23. The lower part in FIG. 1 thus includes all of the individual parts that lie between the part 17 of the standing axis that is fixed to the upper part and the support plate 23.
The forced centering device consists of an assembly firmly connected to the lower part, comprising the tightening plate 2 with the pin 3 and the centering cone 4, as well as a tripod-fixed assembly, comprising the support plate with the bore 24.
The support plate 23 is assumed to be approximately horizontal, which can be achieved by known means on the stand. The tilting range required for leveling can thus be restricted. By placing the geodetic instrument on the support plate 23, the pin 3 is centered in the bore 24 with the accuracy given by mechanical fit. The pin 3 and the centering cone 4 are components of the tightening plate 2, the common axis of which is perpendicular to the support surface of the tightening plate 2. The part of the geodetic instrument that is moved by the leveling process is supported by the ball 7 on the centering cone 4.
During the leveling process, all parts lying above the tightening plate 2 are tilted around the center 8 of the ball 7. The ball 7 is part of the centering cylinder 6, which in turn centers the part 17 of the standing axis fixed to the upper part with its outer surface 18.
On the basis of the display of a spirit level (not shown in the figure) or some other suitable aid, the base plate 5, and thus the vertical axis, is leveled by actuating the leveling screws 12. At the same time, the centering cylinder 6 is placed vertically. Since the centering of the part 17 fixed to the upper part is given by the cylindrical surface 18, the apex of all measured horizontal directions comes to lie in the perpendicular direction through the center 8 of the ball 7.
Tilting around the point 8, which cannot be changed with respect to the support surface 23 and lies in the vertical axis 1, means that after the leveling process, the height of the upper part, and thus, for example, the tilt axis as the reference axis for the height angle measurements, is always the same above the support plate 23.
After leveling, the standing axis 1 is vertical and the reference point of the measurements lies on the plumb line through the center 8 of the ball 7. Since the support plate 23 is only assumed to be approximately horizontal, the common axis of the centering cone 4 and the pin 3 is not exactly perpendicular. When changing the geodetic instruments on the support plate 23, however, the position of the point 8 in different instruments opposite the bore 24 on one and the same pillar or tripod is restored with an accuracy corresponding to the manufacturing accuracy of the tightening plate 3.
Thus, the inclination of the platen 23 relative to a horizontal plane is meaningless, since the platen 23 permanently retains its inclination on a pillar, and it is not changed on a tripod as long as different geodetic instruments are replaced on a stationary tripod. By means of an optical plummet built into the upper part of the geodetic instrument in a known manner, the center 8 can be brought into the plumb line through the marketed ground point in the case of measurements on a tripod.
The tilting of the fixed part 9 of the standing axis about the center 8 is carried out with the aid of two leveling screws, of which only one, the leveling screw 12, is shown in FIG. The threaded sleeve 13 is firmly connected to the tightening plate 2. The base plate 5 rests on a hump-shaped bulge on top of the foot screw 12. In order to prevent the geodetic instrument from tilting away from its support on the leveling screw 12 by rotating around the center 8, the leaf spring 15 is attached to the base plate 3. This engages, through a suitable recess in the threaded sleeve, on the lower end of the spindle of the leveling screw 12. The contact pressure of the base plate 5 necessary for the leveling screws 12 to work properly is generated by the compression spring 14, which at the same time relieves the ball 7.
The sliding out of the ball 7 from the centering cone 4 when the geodetic instrument is lifted off the support surface 23 is prevented by the hold-down ring 10 with the inserted segments 11.
The parts of the lower part tilted by the leveling must be guided azimuthally because of the horizontal circle 16 stored therein. Although there is basically the possibility of guidance through the spindle of a leveling screw, which would run in a groove in the base plate 5 instead of on the flat surface, better guidance is achieved through mechanical stops. In addition, this solution allows the parts for tilting the geodetic instrument to be separated from those for azimuthal guidance.
The two tabs 35 and 36 shown in FIG. 2 are connected to the tightening plate 2. A part of the base plate 5 protrudes between these tabs. As this part is pressed against the tab 35 via the bolt 19 and is held in place by the ball 7 in the centering cone 4, the base plate 5 is guided azimuthally. The pressure on the bolt 19 is generated by the pressure bolt 20, which is supported on the tab 36 and is tensioned by the compression spring 21.
Because of the sensitive parts contained therein, the lower part must be sealed against the tightening plate 2 and against the rotatable upper part by the seals 22. The releasable connection between the geodetic instrument and the support plate 23 can for example consist of the bayonet lock 34 in a known manner.
Since the support plate 23 can be made weatherproof and it is therefore suitable for permanent offset on pillars. the described device satisfies the established conditions for the connection between the lower part of a geodetic instrument and a pillar.
For the statically determined mounting of the lower part moved by the leveling process, 6 known elements are necessary because of its 6 degrees of freedom. A mounting corresponding to FIG. 1 fulfills this condition, since three elements are supplied by the mounting of the spherical surface 7 in the centering cone 4, one by the stop of the bolt 19 on the tab 35 and the last two by the two leveling screws. The statically determined bearing avoids mechanical stresses.
The two leveling screws are advantageously arranged at an angle of 900 with respect to the center 8. This divides the vertical axis skew into two independent components, which considerably simplifies the leveling process.
A further embodiment is shown in FIG. 3. Compared to the embodiment in FIG. 1, it shows essentially only one other drive for the tilting movement about the center 8 during the leveling process.
The bolt 27, the protruding end of which is held in a corresponding recess of the lever 25, is fastened to the base plate 5. The lever 25 is rotatably mounted about the axis 26, the axis 26 itself is held by the two cheeks 31 attached to the base plate 2. The pressure bolt 28 also engages the lever 25 via the pin 29 held by the lever 25. The spherical end of the pressure bolt 28 is mounted in a cone of the leveling screw 32 and held in the cone by the cover plate 30. The leveling screw 32 can be adjusted axially with the aid of a thread relative to the threaded sleeve 33 attached to the cheeks 31. As a result of this adjustment, the lever 25 is tilted via the pressure bolt 28 and the bolt 27 is thus carried along. Since the axis of rotation 26 lies parallel to the bearing surface 23, the bolt 27 is raised or lowered.
Because the pressure pin 28 is guided by the cone in the leveling screw 32 and by the cover plate 30, the upper part of the geodetic instrument is inevitably guided in both directions of adjustment of the leveling screw 32. The play in the transmission of the spindle feed between the leveling screw 32 and the bolt 29 is canceled by the compression spring 14. The lever 25 also allows the movement between the leveling screw 32 and the bolt 27 to be reduced. This facilitates the fine adjustment.
The azimuthal guidance and the centering with respect to the support plate 23 are the same as in the exemplary embodiment in FIG. 1.
The embodiment of FIG. 3 has the advantage over that of FIG. 1 of a sealed drive for the leveling movement.