CH670907A5 - - Google Patents

Description

BESCHREIBUNG Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Winkelübertragung zwischen zwei Vorrichtungen an verschiedenen Stand2

orten, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Das Verfahren und die Vorrichtung finden beispielsweise Anwendung für die berührungslose Übertragung eines Azimutwinkels, wie dies z. B. im Gebiet der Geodäsie, der s Navigation, für die Koordinatenübertragung an Werkzeugmaschinen und in ähnlichen Anwendungsfällen erforderlich ist.

Bisher bekannte Verfahren und Vorrichtungen zur berührungslosen Winkelübertragung beruhen auf dem Prinzip der io Autoreflexion oder der Autokollimation, bzw. auf dem Prinzip der Kollimation. Bei der Autoreflexion werden ein Beobachtungsfernrohr sowie ein am zweiten Standort angeordnetes Prisma durch Drehen oder Verschieben grob aufeinander vorausgerichtet, bis sich das Fernrohr innerhalb 15 eines parallelen Streifens befindet, welcher rechtwinkling zur Prismendachkante verläuft. Die Breite des genannten parallelen Streifens entspricht dabei der Dachkantenlänge des Prismas. Zur Übertragung eines auf die geographische Nordrichtung bezogenen Azimuts muss die Prismendach-20 kante horizontal sein und sie muss einen festen Bezug zur Gerätereferenz eines mit dem Prisma verbundenen Gerätes haben. Ein vom Fernrohr zum Prisma geleiteter Strahl wird in diesem so reflektiert, dass er in der Ebene, die von diesem Strahl selbst und der Prismenkante aufgespannt wird, wieder 25 austritt, das heisst dass der Strahl azimutal abgelenkt wird und vertikal immer unter demselben Winkel zurück kommt wie er ins Prisma eintritt.

Zum Übertragen des Azimuts vom Prisma auf den Fernrohrstandort wird das fernrohr so lange azimutal verdreht, 30 bis das Bild des Fernrohrs bzw. eines Beobachtungstheodoliten, welches im Prisma sichtbar ist, genau symmetrisch zum vertikalen Strich eines im Fernrohr bzw. im Theodoliten angeordneten Fadenkreuzes liegt. Ist dies der Fall, steht die Zielachse genau senkrecht zur Dachkante des Prismas. 35 Dieses für einen Bediener relativ einfache Verfahren ist jedoch mit dem Nachteil behaftet, dass die Mess- bzw. Übertragungsdistanz von der minimalen Zielweite des auf die doppelte Zieldistanz eingestellten Fernrohrs abhängt. Diese minimale Zielweite reicht für normale Fernrohre nicht bis 40 auf eine Distanz unterhalb von ca. 1 m. Für derartig kurze Distanzen, wie sie beispielsweise bei der Einrichtung bzw. Vermessung von Werkstücken an Werkzeugmaschinen beherrscht werden müssen, ist diese Messmethode daher nur schlecht bzw. nicht geeignet. Ferner ist die Methode wegen 45 des Prinzips der Autoreflexion relativ ungenau, da die Autoreflexionsbedingung aus physikalischen Gründen nicht besonders scharf definiert ist. Obwohl diese Methode für Grobmessungen durchaus ihren Zweck erfüllt, ist sie für Präzisionsmessungen nicht gut geeignet.

so Beim Prinzip der Autokollimation wird ein Fernrohr auf unendlich fokussiert, wobei ein Fadenkreuz über den Kollimator und einen davor stehenden senkrecht zur optischen Achse justierten Planspiegel auf sich selbst abgebildet wird. Zur Übertragung eines Azimutwinkels genügt es, wenn das 55 Bild des Fadenkreuzes mit dem Fadenkreuz selbst nur in einer Achse, zum Beispiel nur in der vertikalen Linie, zur Deckung gebracht wird. Die Autokollimation eignet sich für relativ kurze Zielweiten. Für den Benutzer ist die Bedingung jedoch schwieriger einzustellen als die Autoreflexion. Das fio Prinzip der Autokollination stellt daher höhere Ansprüche an den Bediener.

Bei der Kollimation schliesslich werden zwei Fernrohre zueinander kollimiert, worauf sich der auf eine äussere Referenz, z. B. auf die Nordrichtung bezogene Winkel vom einen 65 Gerät auf das andere übertragen lässt.

Alle diese geschilderten Verfahren bzw. Vorrichtungen bedingen eine mechanische gegenseitige Ausrichtung und eventuell Verschiebung der beteiligten Instrumente oder

Geräte. Damit besteht eine erhebliche Störungsgefahr bei Verschmutzung mindestens eines der beteiligten Geräte. Ferner sind die Geräte und damit das Messverfahren selber störanfällig gegen mechanische Erschütterungen, weshalb sich derartige Messverfahren im rauhen Einsatz, insbesondere bei bestehender Verschmutzungsgefahr, für schnelle und zuverlässige Präzisionsmessungen wenig eignen. Ferner kann die Genauigkeit der Einstellung über längere Zeit nur ungenügend erhalten bleiben. Schliesslich ist der Messvorgang selbst zeitaufwendig. Eine Automatisierung wäre sehr aufwendig.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit welchen eine rasche und zuverlässige Winkelübertragung der geschilderten Art möglich ist, ohne dass die Gefahr von Störungen oder Ausfällen bzw. Fehlübertragungen besteht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in den Patentansprüchen 1 und 7 definierten Merkmale gelöst.

Der Vorteil der erfinderischen Massnahmen liegt im wesentlichen in der hohen Stabilität der Messgenauigkeit, ohne dass eine Rekalibrierung erforderlich ist, sowie in dem sehr schnellen und automatisch ausführbaren Messvorgang selbst. Die Messung kann in Bruchteilen von Sekunden erfolgen. Ferner ist es nicht mehr erforderlich, irgendwelche Geräteoder Instrumententeile mechanisch zu bewegen, so dass auch keine Verschmutzungs- oder Abnützungseffekte zu befürchten sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Den schematisierten Strahlengang zweier auf das gleiche Azimut auszurichtender Geräte,

Fig. 2 zwei Fernrohre von denen sich die optische Achse des einen im Blickfeld des anderen befindet, zur Übertragung einer ein Azimut definierenden Richtung,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem Reflexionsprisma und einer Mehrfach-Kollimator-Anordnung,

Fig. 4 eine Anordnung nach den Prinzipien gemäss Fig. 3, zur gleichzeitigen Übertragung von zwei Winkeln,

Fig. 5 den Strahlengang eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, zur Erläuterung des Messvorganges,

Fig. 6A-C die in den Strahlengang der Messvorrichtung gezeichneten Codemuster und deren Bilder für verschiedene Messkonfigurationen, und

Fig. 7 eine Auswertevorrichtung zur Verarbeitung der von den Detektorzellen gemäss Fig. 5 gelieferten Signale.

Wie die folgende ausführliche Beschreibung anhand einzelner bevorzugter Vorrichtungen zeigt, beruht das Prinzip der Winkelübertragung von einem ersten Gerät auf ein zweites auf der Messung einer Ablage, die bei der Übertragung eines geometrischen Codemusters zwischen einem ersten und einem zweiten Gerät auftritt. Die in einem der beiden Geräte erfasste Ablage wird von einer Gruppe von Detektorzellen erfasst und einer analytischen Signalverarbeitung unterzogen. Als Ergebnis einer solchen Signalverarbeitung erhält man direkt die vom ersten auf das zweite Gerät übertragene Richtungsinformation, z. B. eine auf eine gemeinsame Referenz bezogene Winkelinformation. Wie sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung ergibt, lässt sich nach den gleichen Prinzipien nicht nur ein einziger Winkel, beispielsweise ein Azimutwinkel, übertragen, sondern bei geringfügiger Anpassung der verwendeten Vorrichtung zusätzlich ein zweiter Winkel, z.B. ausser dem erwähnten Azimut auch ein zugeordneter Elevationswinkel.

Anhand von Figur 1 wird zunächst das Prinzip der verwendeten Winkelübertragung zwischen zwei Geräten erläutert.

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Ein Fernrohr 1 ist gegenüber der Nordrichtung N unter einem Azimut 'phi 1' ausgerichtet. Der gleiche Winkel soll auf ein zweites Gerät 2 übertragen werden, welches jedoch noch unter dem Azimut 'phi 2' gegenüber der Nordrichtung N steht. Das zweite Gerät kann mit einer Richtvorrichtung verbunden sein, z. B. mit einer scharf bündelnden Richtantenne, wie sie für Satellitenfunk eingesetzt wird. Ausser dieser erwähnten Richtvorrichtung könnten auch beliebige andere Elemente, z. B. einstellbare Teile einer Werkzeugmaschine, mit dem zweiten Gerät gekoppelt bzw. verbunden sein. Die Fehlweisung des zweiten Gerätes macht sich gemäss Figur 1 in einer Winkelabweichung 'delta' zwischen den beiden optischen Achsen der Geräte bemerkbar.

Zur Übertragung von Winkeln, welche auf eine gemeinsame Referenz bezogen sind, z. B. von Azimutwinkeln, genügt es, die Richtungsinformation des ersten Gerätes auf das zweite zu übertragen, also den Winkel 'delta' als Messkriterium für die Winkelübertragung zu verwenden. Zur Erfassung dieser Winkelabweichung 'delta' werden, wie in Fig. 2 gezeigt, zwei Fernrohre 1 und 2 zunächst grob aufeinander ausgerichtet. Zur Erleichterung der Ausrichtung ist das Fernrohr 1 mit einem Öffnungswinkel '2 alpha' versehen, während ein zum zweiten Gerät gehörendes zweites Fernrohr einen zweiten Öffnungswinkel '2 beta' aufweist.

Dann wird erfindungsgemäss vom ersten Fernrohr i ein lineares Codemuster 3, z. B. ein Strichcode, in die Bildebene des zweiten Fernrohrs 2 übertragen. Befinden sich die Fernrohre nicht in Flucht, d. h. stehen ihre optischen Achsen unter einem Winkel 'delta' zueinander versetzt, wird im zweiten Fernrohr das Bild des Codemusters um einen bestimmten Betrag seitlich verschoben abgebildet. Diese Verschiebung wird durch eine Gruppe von Detektorzellen 3 A, 3B, 3C... erfasst und in einer Signalverarbeitungseinrichtung aufbereitet. Aus der Signalverarbeitung ergibt sich das Mass der Abweichung des Codemuster-Bildes in der Bildebene des zweiten Fernrohres gegenüber einem vorgegebenen Referenzwert, bei welchem die Geräte aufeinander ausgerichtet sind. Das erhaltene Detektor-Signal zeigt also Übereinstimmung bzw. das Mass der Abweichung von einer zu übertragenden Richtung bzw. von einem zu übertragenden Winkel an.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Winkelübertragung mit einer Sendeoptik 10, einem drehbaren Dachkantprisma 11 und einem oder mehreren Empfangs-Kollimatoren 12A, 12B, 12C, wobei jeder der Kollimatoren mit einer Gruppe von Detektorzellen 13, 14,15 versehen ist. Von der Sendeoptik 10 wird ein linearer Code 16, z. B. ein Strichcode, mit Hilfe einer Lichtquelle 17 auf das Dachkantprisma 11 übertragen und von diesen in die EmpfangsKollimatorvorrichtung 12 reflektiert. Abhängig von der Drehposition, also der Winkelorientierung des Dachkantprismas 11 erscheint das Bild des von der Sendeoptik 10 gesendeten Codemusters im Empfangskollimator 12 als unterschiedliches Bild, und zwar unter einer seitlichen Verschiebung, die der Änderung der Drehposition des Dachkantprismas gegenüber einer Referenzposition entspricht.

Die von der Kollimatorenvorrichtung 12 und den Detektorgruppen 13,14,15 erfassten Signale werden einer Signalverarbeitungsvorrichtung zugeführt, auf welche an späterer Stelle eingegangen wird. Von dieser Signalverarbeitungsvorrichtung wird die Ablage des empfangenen Strichcode-Bildes von einer Referenzposition automatisch erfasst und als Winkelablage des Prismas 11 erkannt, bzw. als Korrektursignal zum Nachführen einer mit dem Prisma 11 verbundenen Vorrichtung abgegeben.

In Abwandlung dieses Ausführungsbeispiels ist gemäss Figur 4 eine Vorrichtung, deren Winkelposition übertragen bzw. erfasst werden soll, mit einem Spiegel 20 versehen. Der

3

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

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Spiegel 20 wird von einer Sendeoptik 21 angestrahlt, welche den Code eines zweidimensionalen Codeträgers 16 überträgt. Von mindestens einer Kollimatoreinrichtung 22 wird das vom Spiegel 20 reflektierte Bild des Codemusters empfangen. Der Kollimatoreinrichtung 22 ist eine zweidimensional angeordnete Gruppe von Detektorzellen Array 23 nachgeordnet. Diese einzeln abtastbaren Detektorzellen dienen zum Erfassen einer zweidimensionalen Verschiebung des Codemusterbildes von einer Referenzposition. Mit dieser zweidimensionalen Verschiebung werden Positionsänderungen des Spiegels 20 sowohl in azimutaler als auch in einer zweiten Winkeldimension erfasst. Es ist also die kombinierte Erfassung der Azimut- und Elévation eines mit dem Spiegel 20 verbundenen Gegenstandes bzw. dessen gezielte Nachführung aufgrund gemessener Abweichungen möglich.

In Figur 5 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand des Strahlengangs im einzelnen dargestellt. Die Optik 40 des Sendefernrohrs definiert die Sendeachse A, in deren Verlängerung sich in der Bildebene ein Codeträger 41 befindet, welcher mit einem Strichcode 42 versehen ist.

Der Strichcode besteht beispielsweise aus einer nebeneinander angeordeten Folge vertikal verlaufender Balken, wobei die Balkenbreite und der seitliche Abstand der Balken als richtungsspezifische Codierungsparameter dienen. Die Balken des Codes, die wie auf einer Skala angeordnet sind, enthalten eine Information über die genaue Position längs der «Skala». Jeder willkürlich aus der «Skala» herausgegriffene Bereich erlaubt bei Kenntnis des Codes die genaue Bestimmung der Bereichsposition auf der «Skala». Im geschilderten Beispiel ist der Code auf einem transparenten Codeträger 41 aufgebracht. Der Codeträger 41 wird durch eine dahinter befindliche Lampe 43 ausgeleuchtet. Je höher die Anforderungen an die Messgenauigkeit der Einrichtung sind, desto feiner ist die Unterteilung des Codes auf dem Codeträger 41 zu wählen und desto kürzer auch die Wellenlänge der zur Ausleuchtung verwendeten Lichtquelle 43. Zur weiteren Verbesserung der Messgenauigkeit trägt die Güte der verwendeten Sendeoptik sowie deren grosse Apertur bei.

Auf der Empfängerseite befindet sich die Empfangsoptik

45, deren Achse B um den Winkel Delta gegenüber der Sendeachse A winkelversetzt ist. In einer Detektorvorrichtung

46, welche in der Bildebene der Empfängeroptik 45 angeordnet ist, wird der von der Sendeoptik 40 ausgesendete Code der Codescheibe 42 abgebildet. Entsprechend dem Winkelversatz 'delta' ist auch der Code auf der Detektorvorrichtung 46 winkelversetzt, was durch die einzelnen zur Detektorgruppe gehörenden Detektorzellen erfasst wird. Die von den Detektorzellen gelieferten Signale werden an eine Signalverarbeitungsvorrichtung 50 weitergegeben.

Die Lage bzw. die Abweichungen des Codemusters auf der Senderseite sowie des Codemuster-Bildes auf der Empfängerseite ist für die verschiedenen praktisch auftretenden Fälle in den Figuren 6A bis 6C dargestellt. In Fig. 6A befinden sich Sende- und Empfängerseite in perfekter Ausrichtung. Das von der Auswerteeinrichtung erfasste Codemuster-Bild liegt symmetrisch zur Mittellinie Y und lässt durch Zusammenfallen der Nullinie des Code-Bildes mit der als Referenz benutzten Mittellinie Y diesen Zustand erkennen.

In Fig. 6B befindet sich die Achse der Sendeoptik um den Betrag 'delta' winkelversetzt zur Achse der Empfangsoptik. Dieser Zustand wird dadurch angezeigt, dass die Licht-Intensitätsverteilung des Codemusters in der Bildebene der Empfangsoptik symmetrisch um die Mittellinie Y verteilt ist, dass jedoch der Code selber seitlich versetzt erscheint. Der seitliche Versatz des Codes ist gegeben durch den Winkelversatz 'delta' multipliziert mit der Brennweite der Empfangsoptik.

In Fig. 6C schliesslich verläuft die Achse der Sendeoptik zwar parallel zu derjenigen der Empfängeroptik, ist jedoch seitlich um einen gewissen Betrag versetzt. Dieser Zustand wird im Empfänger daran erkannt, dass die Intensitätsverteilung des Codemusters seitlich versetzt ist, aber der Code selber keinen Versatz erfährt.

Zur automatisierten Signalauswertung enthält die Signalverarbeitungsvorrichtung 50 einen Verstärker 51, eine Sample- and Hold-Schaltung 52 und einen nachgeschalteten Analog/Digital-Wandler, dessen Ausgang auf einen Rechner 53 geführt ist. Der Rechner vergleicht die vom Analog/ Digital-Wandler erhaltenen Werte mit den in eine Referenzspeicher 54 abgespeicherten Werten und zeigt das Ergebnis auf einer Anzeigevorrichtung 55 an. Die Anzeige auf der Anzeigevorrichtung 55 kann direkt in Winkelwerten erfolgen, also den Winkel 'delta' in Grad oder Neugrad angeben. Die Anzeige kann aber auch in codierter oder beliebiger anderer Form erfolgen. Ferner kann das codierte Signal als Nachführsignal für eine der beiden Fernrohreinrichtungen dienen, um diese auf eine vorgegebene Winkelposition einzustellen.

Auf nähere Einzelheiten der Signalverarbeitungsvorrichtung 50 sei an dieser Stelle nicht eingegangen, da sie Gegenstand eines anderen Vorschlags der gleichen Anmelderin bilden.

Soll ausser einem ersten Winkel, z. B. einem Azimutwinkel, ein weiterer Winkel, z. B. ein zugehöriger Elevations-winkel, übertragen bzw. vermessen werden, kann anstelle eines eindimensionalen Codemusters, wie es oben beschrieben wurde, ein zweidimensionales Codemuster verwendet werden. Dieses wird von der Empfangseinrichtung nach den gleichen Prizipien ausgewertet, wie dies für den eindimensionalen Code beschrieben wurde.

Als Code-Muster wurden ein- oder zweidimensionale räumliche Muster beschrieben. Statt dessen lassen sich auch zeitlich codierte Muster verwenden, wobei die Sende- und Empfangseinrichtungen mit entsprechenden Mitteln zur Verarbeitung der zeitlich gestaffelten Signale auszurüsten sind. Alle solche Codes werden im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff «richtungsspezifische Code-Musterverstanden» .

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2 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

670907 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Übertragung eines Winkels zwischen zwei Vorrichtungen an verschiedenen Standorten unter Einsatz optischer Instrumente, dadurch gekennzeichnet, dass ein richtungsspezifisches Code-Muster von einer Vorrichtung am ersten Standort an die zweite Vorrichtung am zweiten Standort gesendet wird, wobei dem Code die Winkelinformation der ersten Vorrichtung aufgeprägt ist, dass in der Empfangsvorrichtung das Bild des empfangenen Code-Musters abgetastet und einer Signalauswert-Einrichtung zur Auswertung weitergeleitet wird, dass in der Signalauswert-Einrich-tung durch Vergleich mit vorgegebenen bzw. abgespeicherten Code-Referenzwerten Verschiebungen des Code-Muster-Bildes von diesen Referenzwerten erkannt werden und dass aus dem Mass solcher Verschiebungen der zu übertragende Winkelwert durch Rechenoperationen abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorrichtung ein von einer dritten Vorrichtung empfangenes Code-Signal in die zweite Vorrichtung reflektiert und dabei ihre Winkelinformation dem Codesignal aufprägt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Code-Muster ein eindimensionaler räumlicher Code verwendet wird, aus dessen Verschiebung längs der Code-Achse und/oder seiner Intensitätsverteilung auf der Empfängerseite die gewünschte Winkelinformation gewonnen wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur gleichzeitigen Übetragung von zwei Winkelinformationen ein zweidimensionales Code-Muster verwendet wird, wobei je einer Dimension eine Winkelinformation zugeordnet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung der empfangenen Code-Muster über eine der Dimension des verwendeten Code-Musters angepasste Sensoranordnung in Parallelverarbeitung vorgenommen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung der empfangenen Code-Muster in einem seriell betriebenen Abtaster vorgenommen wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Vorrichtung (2) mit einem Reflektor (11 ; 20) versehen ist, welcher mit denjenigen Teilen der Vorrichtung verbunden ist, deren Winkelposition an die zweite Vorrichtung (1) zu übertragen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Vorrichtung zur Aussendung eines Code-Musters auf den Reflektor der ersten Vorrichtung (2) vorgesehen ist und dass die zweite Vorrichtung mindestens näherungsweise im Reflexionswinkel des Strahlengangs zur Übertragung des Code-Musters liegt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite und die dritte Vorrichtung zu einer Baueinheit zusammengefasst sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bildebene der zweiten Vorrichtung ein Detektor Array angeordnet ist, dessen Ausgänge mit einer Signalverarbeitungseinrichtung (50) zur Ableitung der übertragenen Winkelwerte verbunden sind.