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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nivelliereinheit für Kameras oder Sensoren nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1.
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Eine gattungsgemäße Nivelliereinheit weist eine Basis, einen gegenüber der Basis schwenkbaren Neigetisch, und zwei zwischen Basis und Neigetisch angeordnete Keilringe mit jeweils keilförmig zueinander ausgerichteten Stirnseiten auf. Der Neigetisch ist über ein Kardangelenk mit der Basis verbunden, sodass eine relative Drehung des Neigetisches gegenüber der Basis unterbunden wird. Die beiden Keilringe sind durch einen drehbar an der Basis gelagerten ersten Keilring und einen drehbar an dem Neigetisch gelagerten zweiten Keilring gebildet, wobei der zweite Keilring gegenüber dem ersten Keilring ebenfalls drehbar gelagert ist. Für den ersten Keilring ist ein erster Antrieb, und für den zweiten Keilring ein zweiter Antrieb vorgesehen.
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Kameras, Sensoren oder vergleichbare Geräte werden heutzutage auf den verschiedensten Systemen eingesetzt. Zahlreiche Anwendungen erfordern dabei mobile Plattformen. So werden Kameras beispielsweise häufig auf fahrbaren Systemen montiert. In vielen Fällen ist es notwendig, die Plattform, auf der Kamera oder Sensor montiert sind, stets in einer gewissen Weise auszurichten. Häufig ist eine stets horizontale Ausrichtung der Plattform erforderlich. Mobile Systeme, wie erdgebundene Fahrzeuge, Schiffe, Flugzeuge oder dergleichen, sind zu diesem Zweck mit einer Nivelliereinheit ausgerüstet, deren Basis fest mit dem jeweiligen System verbunden ist, und welche einen gegenüber der Basis schwenkbaren Neigetisch aufweist, der mittels einer entsprechenden Mechanik ungeachtet der Lage bzw. Ausrichtung der Basis stets horizontal ausgerichtet werden kann.
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Aus dem Stand der Technik sind mehrere Systeme zur Ausrichtung von Kameras oder Sensoren bekannt. Zu diesem Zweck können beispielsweise Hexapoden eingesetzt werden. Hierbei handelt es sich um Geräte mit mehreren, in der Regel hydraulisch angetriebenen Zylindern zwischen Basis und Neigetisch. Diese Systeme sind jedoch relativ groß, aufwendig zu steuern und schmutzempfindlich. Sie können in der Regel nicht unter Wasser eingesetzt und keinen größeren Temperaturschwankungen ausgesetzt werden.
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Auf Schiffen werden zur horizontalen Ausrichtung diverser Vorrichtungen, beispielsweise in der Schiffsküche, kardanische Aufhängungen verwendet. Diese Geräte bieten jedoch keine stabile Plattform für Kameras oder Sensoren.
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Zudem sind aus dem Stand der Technik auch sogenannte Schwenk-Neige-Einheiten bekannt. Diese sind in der Regel relativ teuer.
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Eine Nivelliereinheit nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1 ist beispielsweise aus
US 4575039 A bekannt. Die Nivelliereinheit kommt zur Ausrichtung einer Radarantenne eines Schiffes zum Einsatz. Zusätzlich zu den zwei gegeneinander verdrehbaren Keilringen weist diese Nivelliereinheit einen sogenannten Zwischenring auf, der in dem ersten Keilring drehbar gelagert ist und mit einer Verzahnung seiner oberen Stirnseite mit einer entsprechenden gegenüberliegenden Verzahnung des zweiten Keilrings in Eingriff steht. Der Aufbau dieser Nivelliereinheit ist relativ aufwendig. Zudem ist der mögliche Schwenkwinkel, den der Neigetisch gegenüber der Basis einnehmen kann, relativ stark beschränkt.
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Eine weitere Nivelliereinheit nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs 1, die für den Einsatz als Sensorplattform in Flugzeugen konzipiert ist, ist aus
WO 2011/020470 A1 bekannt. Diese Vorrichtung weist eine Tragstruktur und drei motorisch drehbare Ringe auf, wobei der letzte der drei Ringe zur Aufnahme des Sensors vorgesehen ist. Alle drei Ringe können über einen eigenen Antrieb verfügen. Alternativ dazu kann auf den Antrieb des letzten Rings, der zur Aufnahme des Sensors dient, verzichtet werden, falls eine mechanische Polarisationskompensation vorgesehen ist. Diese kann durch ein an der Tragstruktur fixiertes Kardangelenk erfolgen.
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Eine weitere Nivelliereinheit mit zwei gegeneinander verdrehbaren Keilringen ist aus
US 5860327 A bekannt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Nivelliereinheit der gattungsgemäßen Art anzugeben, die robust und dabei einfach aufgebaut ist sowie kostengünstig hergestellt werden kann.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1. Demnach liegt bei einer Nivelliereinheit der gattungsgemäßen Art dann eine erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe vor, wenn der erste Antrieb an der Basis und der zweite Antrieb an dem Neigetisch angebracht sind, wobei kein Antrieb vorgesehen ist, der zwischen erstem Keilring und zweitem Keilring wirkt. Dadurch, dass die Basis über ein Kardangelenk mit dem Neigetisch verbunden ist und die einzigen beiden Antriebe der Nivelliereinheit fest mit diesen beiden Bauteilen verbunden sind, können die beiden Keilringe beliebig gegeneinander verdreht werden, ohne dass zur Verkabelung der Antriebe und/oder eines an dem Neigetisch angebrachten Geräts Schleifkontakte oder Ähnliches erforderlich sind. Der konstruktive Aufbau ist daher besonders einfach und erlaubt eine ebenso einfache Montage der erfindungsgemäßen Nivelliereinheit.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die aus Basis und erstem Antrieb bestehende Baugruppe identisch aufgebaut wie die aus Neigetisch und zweitem Antrieb bestehende Baugruppe. Dies betrifft sowohl den konstruktiven Aufbau als auch die geometrischen Abmessungen, so dass die beiden Baugruppen im Wesentlichen baugleich sind. Diese Ausführungsform erlaubt eine besonders kostengünstige Herstellung der erfindungsgemäßen Nivelliereinheit. Weiter vorzugsweise ist der zweite Keilring im wesentlichen baugleich zu dem ersten Keilring ausgeführt. Die Nivelliereinheit kann somit aus zwei baugleichen Baugruppen, jeweils bestehend aus einer Basis, einem daran drehbar gelagerten Keilring und einem an der Basis angebrachten Antrieb des Keilrings, zusammengesetzt werden.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist der erste Antrieb zumindest teilweise in einem Innenraum der Basis aufgenommen, wobei der zweite Antrieb zumindest teilweise in einem Innenraum des Neigetisch aufgenommen ist. Dadurch wird eine robuste Bauweise der erfindungsgemäßen Nivelliereinheit erreicht.
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Weiter ist es von Vorteil, wenn der erste Antrieb und der zweite Antrieb jeweils einen Elektromotor und ein daran angesetztes Getriebe aufweisen, wobei das Getriebe jeweils in dem Innenraum von Basis bzw. Neigetisch angeordnet ist. Vorzugsweise weisen Basis und Neigetisch dabei jeweils einen mit dem Getriebe verbundenen Flansch zur Aufnahme des Elektromotors auf. Bei dieser Ausführungsform können die entsprechenden Elektromotoren bei Bedarf auf einfache Weise ausgetauscht werden. Der Flansch befindet sich dabei vorzugsweise an einer äußeren Seite von Basis bzw. Neigetisch, sodass der Elektromotor jederzeit einfach und schnell ausgetauscht werden kann. Besonders bevorzugt befindet sich der Flansch an einer äußeren Mantelfläche von Basis bzw. Neigetisch.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weisen die Antriebe jeweils eine Abtriebswelle mit Zahnrad auf, wobei das Zahnrad mit einer Verzahnung des jeweils angetriebenen Keilrings kämmt. Auch diese Ausführungsform gewährleistet einen konstruktiv einfachen und robusten Aufbau. Um besonders hohe Drehmomente übertragen zu können, handelt es sich bei der Verzahnung vorzugsweise um eine Innenverzahnung des jeweiligen Keilrings, die koaxial zur Achse des betreffenden Keilrings ausgerichtet ist. Die Innenverzahnung kann sich in radialer Richtung betrachtet relativ weit außen befinden, wodurch die Übertragung des Drehmoments begünstigt wird. Es wird darauf hingewiesen, dass der betreffende Keilring mehrteilig aufgebaut sein kann. So ist es denkbar, dass sich die Verzahnung auf einem separat gefertigten Zahnring befindet.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Abtriebswelle zu einer Antriebswelle des Getriebes einen Winkel auf, wobei dieser Winkel vorzugsweise 90° beträgt. Bei dieser Ausführungsform kann der Großteil des Getriebes platzsparend in der Basis bzw. dem Neigetisch untergebracht werden. Dadurch kann die Nivelliereinheit insgesamt sehr kompakt gehalten werden. Die Abtriebswelle des Getriebes ist vorzugsweise parallel zu einer Achse von Basis bzw. Neigetisch ausgerichtet. Bei der Achse kann es sich vorzugsweise um die Symmetrieachse von Basis bzw. Neigetisch handeln. Zur Umlenkung kommt vorzugsweise ein Kegelradgetriebe zum Einsatz. Weiter vorzugsweise umfasst das Getriebe ein Untersetzungsgetriebe. Dadurch können relativ schwache und kostengünstige Elektromotoren zum Einsatz kommen. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Untersetzungsgetriebe um ein Planetengetriebe. Die Hauptachse des Planetengetriebes ist vorzugsweise parallel zur Haupterstreckung von Basis bzw. Neigetisch ausgerichtet.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind Basis und Neigetisch über einen Faltenbalg miteinander verbunden, der den ersten Keilring und den zweiten Keilring umschließt. Diese Ausführungsform gewährleistet eine besonders robuste und feuchtigkeits- sowie schmutzunempfindliche Bauweise. Bei entsprechender Abdichtung zwischen Faltenbalg und Basis bzw. Neigetisch kann die erfindungsgemäße Nivelliereinheit dadurch auch unter Wasser eingesetzt werden. Bei dieser Ausführungsform ist es von besonderem Vorteil, wenn erster Keilring und zweiter Keilring einen geringeren Außenumfang aufweisen als Basis und Neigetisch, wobei die Keilringe zumindest in einer neutralen Stellung des Neigetisch, in welcher der Neigetisch nicht gegenüber der Basis verschwenkt ist, nicht über den Außenumfang von Basis und Neigetisch hinausragen. Dies ermöglicht eine einfache Montage des Faltenbalgs und gewährleistet gleichzeitig eine hohe Lebensdauer durch geringen Verschleiß des Faltenbalgs.
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In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist an der Basis ein erste Lagesensor angebracht, wobei die Nivelliereinheit eine Steuerung aufweist, die die Ausrichtung des Neigetischs in Abhängigkeit des Signals des ersten Lagesensors automatisch vornimmt. Die Steuerung ist vorzugsweise so programmiert, dass sie die Ausrichtung des Neigetischs auf Basis des Signals des ersten Lagesensors und auf Basis des Drehwinkels von erstem und zweitem Keilring errechnet. Bei dieser Ausführungsform ist es nicht erforderlich, den Neigetisch ebenfalls mit einem Lagesensor auszurüsten, da seine Ausrichtung bzw. Lage rein rechnerisch ermittelt werden kann. Um die relative Verdrehung der Keilringe zu erfassen, müssen entsprechende Sensoren vorgesehen werden. Es ist denkbar, dass diese Sensoren bereits in den Antrieben, insbesondere in den verwendeten Elektromotoren, vorgesehen sind.
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Weiter vorzugsweise ist die Steuerung derart ausgeführt, dass der Neigetisch stets in einer horizontalen Lage gehalten wird. Selbstverständlich kann zur Erfassung der Ausrichtung des Neigetischs zusätzlich ein zweiter Lagesensor an dem Neigetisch angebracht sein.
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Vorzugsweise ist die Achse der Basis in der neutralen Stellung des Neigetischs deckungsgleich mit der Achse des Neigetischs. Dies gewährleistet einen einfachen Aufbau und eine kompakte Bauweise.
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Weiter vorzugsweise ist die elektrische Verkabelung eines an dem Neigetisch angebrachten bzw. anbringbaren Geräts, beispielsweise einer Kamera oder eines Sensors, innerhalb der Nivelliereinheit angeordnet. Sie kann beispielsweise in oder an einer Kardanwelle entlang geführt sein, die sich zwischen Basis und Neigetisch erstreckt.
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Weiter vorzugsweise ist eine erste Stirnseite des Keilrings, die eine Grundfläche des Keilrings definiert, senkrecht zur Achse des betreffenden Keilrings ausgerichtet. Die Achse wird dabei durch die Mantelfläche des Keilrings definiert. Bei dem ersten Keilring ist die Grundfläche der Basis zugewandt, bei dem zweiten Keilring ist die Grundfläche dem Neigetisch zugewandt. Weiter vorzugsweise haben Basis sowie Neigetisch parallel zueinander ausgerichtete Stirnseiten. Ferner ist es von Vorteil, wenn Basis und Neigetisch jeweils zylindrische Mantelflächen aufweisen. In einer neutralen Stellung des Neigetischs weist die erfindungsgemäße Nivelliereinheit dadurch eine im wesentlichen zylindrische Gestalt auf. Dies gewährleistet eine kompakte Bauweise.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Nivelliereinheit in Schrägansicht,
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2 die erfindungsgemäße Nivelliereinheit aus 1 ohne Faltenbalg und Elektromotor,
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3 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Nivelliereinheit aus den 1 und 2 entlang der in 2 eingezeichneten Schnittlinie III in Schrägansicht, und
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4 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Nivelliereinheit aus den 1 bis 3 entlang der in 2 eingezeichneten Schnittlinie IV, ebenfalls in Schrägansicht.
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Für die folgenden Ausführungen gilt, dass gleiche Teile durch gleiche Bezugszeichen bezeichnet werden. Sofern in einer Figur Bezugszeichen enthalten sind, auf die in der zugehörigen Figurenbeschreibung nicht näher eingegangen wird, so wird auf vorangehende oder nachfolgende Figurenbeschreibungen Bezug genommen.
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1 zeigt eine Schrägansicht einer erfindungsgemäßen Nivelliereinheit 1. Die Nivelliereinheit weist eine Basis 2 sowie einen gegenüber der Basis 2 schwenkbaren Neigetisch 3 auf. Sowohl die Basis 2 als auch der Neigetisch 3 haben im Wesentlichen zylindrische Gestalt. In der neutralen Stellung des Neigetischs 3, die in 1 dargestellt ist, sind Basis und Neigetisch parallel zueinander ausgerichtet. In dieser neutralen Stellung decken sich die Achsen von Basis 2 und Neigetisch 3. Die beiden Achsen fallen mit der in 1 eingezeichneten Hauptachse 7 der Nivelliereinheit zusammen. 1 zeigt, dass der Neigetisch 3 über mehrere Befestigungsbohrungen bzw. Gewindebohrungen 19 verfügt. Diese dienen dazu, eine Kamera oder einen Sensor an dem Neigetisch 3 zu befestigen. Je nach Bedarf kann zwischen Neigetisch 3 und Kamera bzw. Sensor zusätzlich ein Drehtisch vorgesehen sein. Die Basis 2 ist ebenfalls mit Gewindebohrungen 19 ausgestattet. Diese sind beispielsweise in 3 zu erkennen.
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Basis 2 und Neigetisch 3 sind am Außenumfang über einen Faltenbalg 18 miteinander verbunden. Dieser umschließt die Mechanik, die zum Verschwenken des Neigetischs 3 gegenüber der Basis 2 vorgesehen ist. In 2 ist die erfindungsgemäße Nivelliereinheit aus 1 ohne den Faltenbalg 18 dargestellt. Sie zeigt, dass zwischen Basis 2 und Neigetisch 3 zwei gegeneinander verdrehbare Keilringe 4 und 5 angeordnet sind. Die Lagerung der beiden Keilringe ist in den beiden Längsschnitten der 3 und 4 näher dargestellt. Der erste Keilring 4 ist gegenüber der Basis 2 durch ein erstes Kugellager 20 drehbar gelagert. Der zweite Keilring 5 ist in gleicher Weise durch ein zweites Kugellager 21 gegenüber dem Neigetisch 3 drehbar gelagert. Zur axialen Abstützung bzw. Lagerung können zusätzliche Lager vorgesehen sein. Die beiden Keileringe 4 und 5 sind durch ein drittes Kugellager 22 ebenfalls drehbar aneinander gelagert.
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Wie 3 zeigt, sind die Basis 2 und der Neigetisch 3 über eine Kardanwelle 6, die sich entlang der in 1 gezeigten Hauptachse 7 der Nivelliereinheit erstreckt, verbunden, sodass eine Verdrehung des Neigetischs 3 gegenüber der Basis 2 unterbunden wird. Dies gewährleistet, dass beispielsweise eine elektrische Verkabelung des Sensors bzw. der Kamera durch den Innenraum der Nivelliereinheit hindurchgeführt werden kann, ohne dass hierfür Schleifkontakte oder dergleichen erforderlich sind.
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Wie aus den Abbildungen deutlich wird, ist die untere Hälfte der Nivelliereinheit im Wesentlichen baugleich zur oberen Hälfte ausgeführt. Dies bedeutet, der Neigetisch 3 ist im Wesentlichen baugleich zur Basis 2. Auch die Keilringe 4 und 5 sind baugleich ausgeführt.
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Der Winkel, den der Neigetisch 3 gegenüber der Basis 2 einnimmt, wird durch Verdrehen der beiden Keilringe 4 und 5 gegenüber Basis 2 bzw. Neigetisch 3 eingestellt. Hierzu sind die beiden Antriebe 8 und 9 vorgesehen. Sie bestehen jeweils aus einem Elektromotor und einem daran angesetzten Getriebe. Das Getriebe ist vollständig in einem Innenraum der Basis 2 bzw. des Neigetisch 3 angeordnet. Wie in 1 gezeigt ist, verfügen Basis 2 und Neigetisch 3 jeweils über einen Flansch 11, der sich am Außenumfang des betreffenden Bauteils befindet. An dem Flansch 11 ist der jeweilige Elektromotor 10 des Antriebs angebracht.
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Das Getriebe besteht im Wesentlichen aus einem Planetengetriebe 15, dessen Hauptachse parallel zur Haupterstreckung von Basis 2 bzw. Neigetisch 3 ausgerichtet ist. Das Planetengetriebe ist somit platzsparend im Inneren des betreffenden Bauteils aufgenommen. Ein Kegelrad 16 des Planetengetriebes kämmt mit einem weiteren Kegelrad 17 einer senkrecht zur Hauptachse des Planetengetriebes und parallel zur Achse von Basis 2 bzw. Neigetisch 3 ausgerichteten Abtriebswelle 12. Die Abtriebswelle 12 ist drehbar im Inneren von Basis 2 bzw. Neigetisch 3 gelagert. Sie weist an einem, dem Kegelrad 17 gegenüberliegenden Ende ein Ritzel 13 auf, welches mit einer Innenverzahnung 14 des betreffenden Keilrings 4 bzw. 5 kämmt.
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An der Basis 2 ist ein nicht dargestellter Lagesensor angebracht, der die Ausrichtung der Basis erfassbar macht. Die Nivelliereinheit weist eine ebenfalls nicht dargestellte Steuerung auf, die die Ausrichtung des Neigetischs 3 in Abhängigkeit des Signals des Lagesensors automatisch vornimmt. Die tatsächliche Ausrichtung des Neigetischs kann dabei auf Basis des Signals des Lagesensors und anhand der Verdrehung der Keilringe gegenüber Basis bzw. Neigetisch errechnet werden. Die Verdrehung der Keilringe wird über ebenfalls nicht dargestellte Sensoren erfasst. Zusätzlich zu dem Lagesensor der Basis kann auch der Neigetisch mit einem Lagesensor ausgerüstet sein. Dieser dient zur Erfassung der Ausrichtung des Neigetischs. Er ist hingegen nicht zwingend erforderlich.
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3 zeigt, dass der Durchmesser der beiden Keilringe 4 und 5 etwas kleiner bemessen ist als der Außenumfang von Basis 2 bzw. Neigetisch 3. Zwischen dem Faltenbalg 18 und den beiden sich drehenden Keilringen besteht daher ein ausreichend großer Spalt, um zumindest in der gezeigten neutralen Stellung des Neigetischs einen Kontakt zwischen dem Faltenbalg und den beiden Keilringen zu vermeiden. Die erfindungsgemäße Nivelliereinheit ist dadurch besonders robust und verschleißarm.
