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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Messvorrichtung.
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Technischer Hintergrund
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In den letzten Jahren ist computergestütztes Bauen im Bauwesen beim Einsatz von Baumaschinen und dergleichen eingeführt worden. Der Begriff ”computergestütztes Bauen” betrifft einen Bauprozess, bei dem ICT (Information and Communication Technology) und RTK-GNSS (Real Time Kinematic-Global Navigation Satellite Systems) bei Bauarbeiten (z. B. im Bauwesen) beim Einsatz von Baumaschinen, wie beispielsweise einem Hydraulikbagger, einer Planierraupe und einem Motorstraßenhobel, eingesetzt werden, um die Position eines Arbeitspunktes von Arbeitsausrüstung zu erfassen, die an den Baumaschinen installiert ist, so dass die Arbeitsausrüstung auf Basis des erfassten Arbeitspunktes automatisch gesteuert werden kann, und/oder Informationen über eine Geometrie der Baustelle und des Arbeitspunktes in der Geometrie an einer Anzeigevorrichtung in einer Kabine angezeigt werden können, um so die Bauarbeiten (im Folgenden mitunter kurz als ”Arbeiten” bezeichnet) durchzuführen und Bauergebnisse mit hoher Genauigkeit zu erzielen.
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Bei diesem computergestützten Bauen ist der Arbeitspunkt der Arbeitsausrüstung, wenn die Baumaschine ein Hydraulikbagger ist, beispielsweise eine Position der Schneidkante eines Löffels. Die Position der Schneidkante wird in Koordinaten der geplanten Position auf Basis von Parametern, wie beispielsweise einer Positionsbeziehung zwischen einer GNS-Antenne und einem Auslegerbolzen, einer Länge eines Auslegers, eines Stiels und eines Löffels sowie einer Hublänge eines Auslegerzylinders, eines Stielzylinders und eines Löffelzylinders, berechnet.
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Wenn die Länge des Auslegers, des Stiels, des Löffels und des Zylinders für den Ausleger, den Stiel und den Löffel jedoch Konstruktionswerte sind, sind, da Abweichungen zwischen der tatsächlichen Länge jeder der Komponenten und den Konstruktionswerten aufgrund einer Maßtoleranz für Herstellungs- und für Montage-Prozesse auftreten, die berechneten Positionskoordinaten und die tatsächlichen Koordinaten der Position der Schneidkante nicht notwendigerweise die gleichen, so dass die Genauigkeit beim Erfassen der Position der Schneidkante verringert wird. Dementsprechend müssen, um die Genauigkeit bei Erfassung der Position der Schneidkante zu verbessern, die für die Berechnung verwendeten Parameter unter Verwendung vorgegebener Kalibrierungswerte auf Basis von Positionskoordinaten kalibriert werden, die über eine Messung tatsächlicher Positionen gewonnen werden, so dass ein Kalibrierungsprozess (z. B. Positionsmessung) erforderlich ist.
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Ein bekanntes Beispiel für einen derartigen Kalibrierungsprozess ist die Bereitstellung einer Totalstation an einer Position, die mehrere Meter von einem Auslegerbolzen entfernt ist, und Messung der Position eines Messpunktes, der nahe an einer Schneidkante eines Löffels definiert ist, unter Verwendung der Totalstation (siehe beispielsweise Patentdokument 1). Bei dem in Patentdokument 1 offenbarten Kalibrierungsprozess wird die Schneidkante des Löffels an einer Vielzahl von Messpositionen einschließlich einer Bodenflächen-Position und einer Position, die um eine vorgegebene Höhe über der Bodenfläche liegt, positioniert, und die Position des Messpunktes wird an jeder der Vielzahl von Messpositionen gemessen. Dann werden die Kalibrierungswerte der Parameter auf Basis der Positionskoordinaten der Vielzahl von Messpunkten berechnet.
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Ein Prismenspiegel (im Folgenden mitunter kurz als ein ”Prisma” bezeichnet) wird in der Nähe einer Schneidkante angebracht, um die Position der Schneidkante zu messen. Das heißt, ein Laserstrahl wird von der Totalstation auf das Prisma gerichtet, und von dem Prisma reflektiertes Licht wird gemessen.
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Der Stand der Technik in der Druckschrift
US 5 311 222 A (Patentdokument 2) offenbart eine Messvorrichtung, die an einem Zielelement angebracht ist, wobei die Messvorrichtung in Kombination mit einer Totalstation einsetzbar ist. Weiterhin umfasst die Messvorrichtung einen Prismenspiegel, der so eingerichtet ist, dass er von einer Totalstation projiziertes Licht reflektiert. Über ein Anbringungselement ist der Prismenspiegels an dem Zielelement angebracht. Schließlich ist der Prismenspiegel über einen Träger an dem Anbringungselement angebracht und wird von dem Träger so getragen, dass er in einer vorgegebenen Richtung gedreht werden kann und lösbar an dem Träger angebracht ist.
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Die Druckschrift
DE 196 02 327 A1 (Patentdokument 3) betrifft einen Meßkugel-Reflektor für Richtungs- und/oder Abstandsmessungen, der sich dadurch auszeichnet, dass in die Meßkugel ein retroreflektierendes Tripelprisma eingesetzt ist, dessen Basisfläche einen Teil der Meßkugel-Oberfläche ausschneidet und dessen Höhe ungefähr gleich dem Radius der Meßkugel ist, wobei das Zentrum der Meßkugel auf der Höhenlinie des Tripelprismas liegt.
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Schließlich geht aus der Druckschrift
US 4 875 291 A (Patentdokument 4) eine Messvorrichtung hervor, bei der ein Prismenspiegel drehbar und abnehmbar an einem Halter angebracht ist.
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Liste der Anführungen
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Patentdokumente
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Zusammenfassung der Erfindung
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Mit der Erfindung zu lösendes Problem/zu lösende Probleme
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Ein herkömmliches Prisma ist zur Anbringung an einer Stange (pin pole) vorgesehen, die häufig bei Vermessungsarbeiten eingesetzt wird, wobei eine Spiegelmitte (die Spitze des Prismas), die durch die Totalstation kollimiert wird, von der Position des zu messenden Messpunktes abweicht (d. h., der Messpunkt ist relativ zu der Spiegelmitte versetzt). Dementsprechend muss, um die Kalibrierungswerte genau zu berechnen, die Positionsbeziehung zwischen der Spiegelmitte und dem durch die Totalstation kollimierten Messpunkt (d. h. ein Maß der Versetzung) an jeder der Messpositionen konstant gehalten werden.
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Um jedoch das Maß der Versetzung an jeder der Messpositionen konstant zu halten, muss ein von der Totalstation projiziertes Licht normalerweise auf das Prisma auftreffen. Dementsprechend muss das Prisma so bewegt werden, dass es der Totalstation an jeder der Messpositionen ordnungsgemäß zugewandt ist, so dass viel Sorgfalt und Zeit erforderlich sind, um die Stellung des Prismas anzupassen. Das heißt, wenn sich die Schneidkante des Löffels in einer großen Höhe befindet und sich das Prisma an einer Messposition befindet, die von einer Arbeitskraft nicht erreicht werden kann, muss sich der Arbeiter mittels einer Trittleiter und dergleichen an eine hohe Position begeben, wodurch weiterer Aufwand entsteht.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Messvorrichtung zu schaffen, mit der eine Positionsmessung unter Verwendung einer Totalstation erleichtert werden kann.
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Mittel zum Lösen des Problems/der Probleme
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Eine Messvorrichtung gemäß einem Aspekt der Erfindung ist Gegenstand von Anspruch 1. Eine solche Messvorrichtung ist an einem Ziel-Element angebracht, wobei die Messvorrichtung in Kombination mit einer Totalstation eingesetzt wird, um eine Position eines Ziel-Punktes zu messen, die Messvorrichtung einen Prismenspiegel, der so eingerichtet ist, dass er von der Totalstation projiziertes Licht reflektiert, sowie ein Anbringungselement enthält, das zum Anbringen des Prismenspiegels an dem Zielelement eingerichtet ist, und eine Spiegelmitte des Prismenspiegels auf den Ziel-Punkt ausgerichtet ist.
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Die Formulierung ”Anbringen des Prismenspiegels an dem Ziel-Element” bedeutet, dass der Prismenspiegel an dem Ziel-Element angebracht wird, ohne dass der Prismenspiegel und das Anbringungselement von einer Person (z. B. einer Arbeitskraft), gehalten werden.
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Gemäß dem oben aufgeführten Aspekt der Erfindung liegt, da die Spiegelmitte des Prismenspiegels auf den Ziel-Punkt ausgerichtet ist, keine Versetzung zwischen der Spiegelmitte und dem Ziel-Punkt vor und wird die Position des Ziel-Punktes gegenüber der Spiegelmitte nicht verschoben, wenn der Ziel-Punkt an verschiedenen Positionen zu messen ist. Dementsprechend ist es, sofern die Spiegelmitte durch die Totalstation kollimiert werden kann, nicht erforderlich, die Position des Prismas für jede der Messpositionen anzupassen (z. B. den Prismenspiegel ordnungsgemäß zu der Totalstation zu positionieren), so dass die Positionsmessung erleichtert wird. Des Weiteren ist es, sofern die Spiegelmitte durch die Totalstation kollimiert werden kann, nicht erforderlich, den Prismenspiegel weit oben ordnungsgemäß zu der Totalstation auszurichten, selbst wenn sich der Messpunkt hoch über dem Boden befindet, wodurch die Arbeit erheblich erleichtert wird.
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Bei der Messvorrichtung mit dem oben beschriebenen Aufbau wird der Prismenspiegel über einen Träger an dem Anbringungselement angebracht und wird von dem Träger so getragen, dass er in einer vorgegebenen Richtung gedreht werden kann, und ist ein Drehpunkt des Prismenspiegels auf die Spiegelmitte ausgerichtet.
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Bei dem oben beschriebenen Aufbau ist der Drehpunkt des Prismenspiegels auf die Spiegelmitte und dadurch auf den Ziel-Punkt ausgerichtet. So ändert sich, selbst wenn der Prismenspiegel gedreht wird, die Positionsbeziehung zwischen der Totalstation, der Spiegelmitte und dem Ziel-Punkt nicht. Dementsprechend muss, wenn die Spiegelmitte auf den ersten Blick nicht durch die Totalstation kollimiert werden kann, lediglich der Prismenspiegel in einer vorgegebenen Richtung gedreht werden, um den Prismenspiegel so einzustellen, dass die Totalstation an der Spiegelmitte kollimiert werden kann. Dabei ist, sofern die Spiegelmitte durch die Totalstation kollimiert werden kann, der Prismenspiegel nicht notwendigerweise ordnungsgemäß der Totalstation zugewandt, so dass die Positionsanpassung erleichtert wird. So können, selbst wenn die Messpositionen über einen großen Bereich definiert sind, die Messpunkte durch Drehen des Prismenspiegels zuverlässig gemessen werden.
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Bei der Messvorrichtung mit dem oben beschriebenen Aufbau ist der Prismenspiegel lösbar an dem Träger angebracht und ist der Träger mit einer Öffnung versehen, über die ein Kontaktpunkt zwischen dem Anbringungselement und dem Ziel-Element sichtbar ist, wenn der Prismenspiegel abgenommen ist.
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Bei dem oben beschriebenen Aufbau kann durch die Öffnung hindurch leicht geprüft werden, ob das Anbringungselement und das Ziel-Element sicher in Kontakt miteinander sind oder nicht, und ob der Ziel-Punkt und das Ziel-Element aufeinander ausgerichtet sind oder nicht.
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Bei der Messvorrichtung mit dem oben beschriebenen Aufbau ist das Anbringungselement vorzugsweise mit einem Magneten versehen, der zum magnetischen Anbringen an dem Ziel-Element eingerichtet ist.
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Mit dem oben beschriebenen Aufbau können das Anbringungselement und damit die gesamte Messvorrichtung unter Verwendung des Magneten einfach an dem Ziel-Element angebracht werden, so dass ein Installationsvorgang schnell durchgeführt werden kann.
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Eine Messvorrichtung gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist Gegenstand von Anspruch 3. Eine solche Messvorrichtung ist an einem Ziel-Element angebracht, wobei die Messvorrichtung in Kombination mit einer Totalstation eingesetzt wird, um eine Position eines Ziel-Punktes zu messen, und die Messvorrichtung einen Prismenspiegel, der so eingerichtet ist, dass er von der Totalstation projiziertes Licht reflektiert, einen Träger, der den Prismenspiegel trägt, sowie ein Anbringungselement enthält, das zum Anbringen des Trägers an dem Ziel-Element eingerichtet ist, und der Prismenspiegel so an dem Träger angebracht ist, dass er in einer vorgegebenen Richtung gedreht werden kann, eine Spiegelmitte des Prismenspiegels auf den Ziel-Punkt ausgerichtet ist, ein Drehpunkt des Prismenspiegels auf die Spiegelmitte ausgerichtet ist, und der Träger mit einer Öffnung, über die ein Kontaktpunkt zwischen dem Anbringungselement und dem Ziel-Element sichtbar ist, wenn der Prismenspiegel abgenommen ist, sowie einem Langloch versehen ist, das in einer vertikalen Richtung verlängert ist, und der Träger mit einer über das Langloch eingeführten Schraube an dem Anbringungselement angebracht ist.
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Bei dem oben beschriebenen Aufbau kann zusätzlich zu den bereits beschriebenen Vorteilen die Position des Trägers relativ zu dem Anbringungselement unter Verwendung des Langlochs entsprechend einem Ergebnis der visuellen Prüfung über die Öffnung eingestellt werden.
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Bei der Messvorrichtung mit dem oben beschriebenen Aufbau kann der Träger vorzugsweise aufweisen: einen ersten Drehwinkel umfassend eine Trägereinheit, welche das Prisma so aufnimmt, dass das Prisma von dem ersten Drehwinkel abnehmbar ist, wobei der erste Drehwinkel hin zu der Totalstation TS geöffnet ist; einen zweiten Drehwinkel, an dem der erste Drehwinkel und das durch den ersten Drehwinkel aufgenommene Prisma gelagert ist, so dass der erste Drehwinkel und das Prisma relativ zu dem zweiten Drehwinkel drehbar sind, wobei der zweite Drehwinkel nach unten geöffnet ist; und einen Tragewinkel umfassend eine obere Fläche, an der der zweite Drehwinkel, der erste Drehwinkel und das durch den ersten Drehwinkel aufgenommene Prisma gelagert ist, so dass der zweite Drehwinkel, der erste Drehwinkel und das Prisma relativ zu dem Tragewinkel drehbar sind.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine Perspektivansicht, die einen Kalibrierungsprozess zeigt, der an einem Hydraulikbagger durchgeführt wird, der mit einer Messvorrichtung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung versehen ist.
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2 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht, die die an einer Schneidkante eines Löffels des Hydraulikbaggers angebrachte Messvorrichtung zeigt.
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3 ist eine Vorderansicht, die die Messvorrichtung zeigt.
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4 ist eine Draufsicht, die die Messvorrichtung zeigt.
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5 ist eine Seitenansicht der Messvorrichtung, in einer mit einem Pfeil V in 4 angedeuteten Richtung gesehen.
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6 ist eine Vorderansicht, die die Messvorrichtung zeigt, von der der Prismenspiegel abgenommen ist.
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Beschreibung einer/mehrerer Ausführungsform/en
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Eine/mehrere beispielhafte Ausführungsform/en der Erfindung wird/werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
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1 zeigt einen Hydraulikbagger 100, der mit einer Messvorrichtung 30 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform versehen ist, die in Kombination mit einer Totalstation TS eingesetzt wird, um einen Kalibrierungsvorgang durchzuführen.
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Hydraulikbagger
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Der Hydraulikbagger 100 (Baumaschine) enthält, wie in 1 gezeigt, einen Fahrzeugkörper 1 und Arbeitsausrüstung 2. Der Fahrzeugkörper 1 enthält einen Oberwagen 3, eine Kabine 4 und einen Unterwagen 5. Der Oberwagen 3 ist drehbar an dem Unterwagen 5 installiert. In dem Oberwagen 3 sind verschiedene Komponenten, wie beispielsweise ein Motor und eine Hydraulikpumpe (beide nicht dargestellt), aufgenommen. Zwei Antennen 21, 22 für RTK-GNSS (Real Time Kinematic-Global Navigation Satellite Systems, wobei GNSS für Global Navigation Satellite System steht) befinden sich an einer hinteren Seite des Oberwagens 3. Die Kabine 4 befindet sich an einer vorderen Seite des Oberwagens 3. Der Unterwagen 5 weist eine linke und eine rechte Raupenkette 5A, 5B auf. Bei Drehung der Raupenketten 5A, 5B fährt der Hydraulikbagger 100.
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Die Arbeitsausrüstung 2 ist an einer vorderen Seite des Fahrzeugkörpers 1 angebracht. Die Arbeitsausrüstung 2 enthält einen Ausleger 6, einen Stiel 7, einen Löffel 8, einen Auslegerzylinder 10, einen Stielzylinder 11 und einen Löffelzylinder 12.
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Ein hinteres Ende des Auslegers 6 ist über einen Auslegerbolzen 123 drehbar an der vorderen Seite des Fahrzeugkörpers 1 angebracht. D. h., Auslegerbolzen 13 dient als ein Drehmittelpunkt des Auslegers 6 relativ zu dem Oberwagen 3.
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Ein hinteres Ende des Stiels 7 ist über einen Stielbolzen 14 drehbar an einem Ende des Auslegers 6 angebracht. Das heißt, der Stielbolzen 14 dient als ein Drehmittelpunkt des Stiels 7 relativ zu dem Ausleger 6.
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Der Löffel 8 ist über einen Löffelbolzen 15 drehbar an einem Ende des Stiels 7 angebracht. Das heißt, der Löffelbolzen 15 dient als ein Drehmittelpunkt des Löffels 8 relativ zu dem Stiel 7.
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Der Auslegerzylinder 10, der Stielzylinder 11 und der Löffelzylinder 12 sind jeweils ein Hydraulikzylinder, der mit Hydraulikdruck angetrieben wird. Ein hinteres Ende des Stielzylinders 10 ist über einen Auslegerzylinder-Fußpunktbolzen 10A drehbar an dem Oberwagen 3 angebracht. Des Weiteren ist ein vorderes Ende des Auslegerzylinders 10 über einen Auslegerzylinder-Kopfpunktbolzen 10B drehbar an dem Ausleger 6 angebracht. Der Auslegerzylinder 10 wird hydraulisch ausgefahren und eingefahren, um den Ausleger 6 anzutreiben.
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Ein hinteres Ende des Stielzylinders 11 ist über einen Stielzylinder-Fußpunktbolzen 11A drehbar an dem Ausleger 6 angebracht. Des Weiteren ist ein vorderes Ende des Stielzylinders 11 über einen Stielzylinder-Kopfpunktbolzen 11B drehbar an dem Stiel 7 angebracht. Der Stielzylinder 11 wird hydraulisch ausgefahren und eingefahren, um den Stiel 7 anzutreiben.
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Ein hinteres Ende des Löffelzylinders 12 ist über einen Löffelzylinder-Fußpunktbolzen 12A drehbar an dem Stiel 7 angebracht. Des Weiteren ist ein vorderes Ende des Stielzylinders 12 über einen Löffelzylinder-Kopfpunktbolzen 12B drehbar an einem ersten Ende eines ersten Verbindungselementes 16 und einem ersten Ende eines zweiten Verbindungselementes 17 angebracht. Ein zweites Ende des ersten Verbindungselementes 16 ist über einen ersten Verbindungsbolzen 16A drehbar an dem vorderen Ende des Stiels 7 angebracht. Ein zweites Ende des zweiten Verbindungselementes 17 ist über einen zweiten Verbindungsbolzen 17A drehbar an dem Löffel 8 angebracht. Der Löffelzylinder 12 wird hydraulisch ausgefahren und eingefahren, um den Löffel 8 anzutreiben.
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Ein Proportional-Steuerventil ist zwischen den Hydraulikzylindern angeordnet, die den Auslegerzylinder 10, den Stielzylinder 11 sowie den Löffelzylinder 12 einschließen, und der Hydraulikpumpe (nicht dargestellt) angebracht. Das Proportional-Steuerventil wird von einer Arbeitsausrüstungs-Steuereinrichtung so gesteuert, dass es eine Strömungsmenge des den Hydraulikzylindern 10 bis 12 zugeführten Hydrauliköls steuert, um so die Betätigungsvorgänge der Hydraulikzylinder 10 bis 12 zu steuern.
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Kalibrierungsprozess und Koordinatensystem
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Um computergestütztes Bauen durchzuführen, müssen Koordinaten einer Position einer Schneidkanten-Mitte Q des Löffels 8 des Hydraulikbaggers 100 sequenziell über Berechnungen erfasst werden. Die Position der Schneidkanten-Mitte Q ist eine Position, die durch einen Schnittpunkt a) einer Mittellinie in einer Längsrichtung des Auslegers 6 und des Stiels 7 und b) einer Linie definiert wird, die ein Ende eines Zahns 8A passiert, der sich an dem Löffel 8 befindet, und parallel zu einer Drehachse des Löffels 8 ist. Die für die Berechnungen erforderlichen Parameter schließen eine Länge des Auslegers 6 des Hydraulikbaggers 100 (d. h. eine Länge von dem Auslegerbolzen 13 zu dem Stielbolzen 14), die Länge des Stiels 7 (d. h. eine Länge von dem Stielbolzen 14 zu dem Löffelbolzen 15) sowie eine Länge des Löffels 8 (d. h. eine Länge von dem Löffelbolzen 15 zu dem Schneidkanten-Mittelpunkt Q des Löffels 8 ein. Die für die Berechnungen erforderlichen Parameter können auch eine Hublänge des Auslegerzylinders 10, eine Hublänge des Stielzylinders 11 sowie eine Hublänge des Löffelzylinders 12 einschließen.
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Diese Längen sind Konstruktionswerte und daher aufgrund von Abweichungen bei der Herstellung und Abweichungen bei der Montage nicht die gleichen wie die tatsächlichen Längen. Dementsprechend wird ein tatsächlicher Ziel-Punkt MP, der in der Nähe einer Schneidkante P definiert ist, an einer Vielzahl von Messpositionen gemessen, während gleichzeitig die Stellung der Arbeitsausrüstung 2 geändert wird, und werden Kalibrierungswerte auf Basis der Positionskoordinaten des tatsächlich gemessenen Ziel-Punktes MP und der auf Basis von Parametern berechneten Positionskoordinaten des Ziel-Punktes MP berechnet, wobei die Kalibirierungswerte zum Kalibrieren der Parameter verwendet werden (Kalibrierungsprozess). Die Totalstation TS und die Messvorrichtung 30 werden für die Messung des tatsächlichen ZielPunktes MP bei dem Kalibrierungsprozess verwendet.
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Es ist anzumerken, dass das Koordinatensystem der Koordinaten der Bau-Position, die bei dem computergestützten Bauen bestimmt wird, ein mittels GNSS gemessenes Weltkoordinatensystem ist, das ein Koordinatensystem ist, das auf einem fest auf der Erde bestimmten Ursprung basiert. Das Koordinatensystem des unter Verwendung der Parameter der Längen der Arbeitsausrüstung 2 berechneten Ziel-Punktes MP (Schneidkante P) hingegen ist ein Fahrzeugkörper-Koordinatensystem, das ein Koordinatensystem ist, dessen Ursprung sich an dem Fahrzeugkörper 1 (d. h. dem Oberwagen 3) befindet. Des Weiteren ist das für die Messung des tatsächlichen Ziel-Punktes MP bei dem Kalibrierungsprozess verwendete Koordinatensystem ein Totalstations-Koordinatensystem, das ein Koordinatensystem ist, das, wie in 1 gezeigt, auf einem Ursprung basiert, der an einer Bodenfläche direkt unter der Totalstation TS definiert ist.
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In dem Totalstations-Koordinatensystem ist eine vordere Seite des Fahrzeugkörpers 1 entsprechend einer X-Achse (Plus-Seite) zugewandt, eine rechte Seite (der vorderen Seite des Fahrzeugkörpers 1 zugewandt) des Fahrzeugkörpers 1 ist entsprechend einer Y-Achse (Plus-Seite) zugewandt, und eine obere Seite des Fahrzeugkörpers 1 ist entsprechend einer Z-Achse (Plus-Seite) zugewandt. Die Totalstation TS befindet sich an einer Position, die von dem Auslegerbolzen 13 um einen vorgegebenen Abstand in der Richtung der X-Achse, der Richtung der Y-Achse und der Richtung der Z-Achse entfernt ist.
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Dementsprechend werden, um die Koordinatensysteme bei der Berechnung der Kalibrierungswerte in dem Kalibrierungsprozess zusammenzuführen, die Koordinaten der Position des Ziel-Punktes MP in dem Totalstations-Koordinatensystem in Koordinaten in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem umgewandelt und mit Koordinaten der berechneten Position des Ziel-Punktes MP verglichen, die in dem gleichen Fahrzeugkörper-Koordinatensystem definiert sind. Weiterhin werden, um das computergestützte Bauen durchzuführen, die Koordinaten der sequenziell berechneten Position des Schneidkanten-Mittelpunktes Q in dem Fahrzeugkörper-Koordinatensystem in die Koordinaten der Position in dem Weltkoordinatensystem zum Identifizieren des Bau-Punktes umgewandelt, und die Arbeitsausrüstung 2 wird auf Basis der Koordinaten in dem gleichen Koordinatensystem gesteuert.
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Im Folgenden wird die Messvorrichtung 30, die bei der Messung in dem Kalibrierungsprozess eingesetzt wird, ausführlich beschrieben.
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Messvorrichtung
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2 ist eine auseinandergezogene Perspektivansicht, die die an der Schneidkante P des Löffels 8 angebrachte Messvorrichtung 30 zeigt. 3 ist eine Vorderansicht, die die Messvorrichtung 30 von der Totalstation TS aus gesehen zeigt. 4 ist eine Draufsicht auf die Messvorrichtung 30. 5 ist eine Seitenansicht der Messvorrichtung 30, in einer mit einem Pfeil V in 4 angedeuteten Richtung gesehen.
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Die Messvorrichtung 30 ist, wie in 2 bis 5 gezeigt, an der Schneidkante (Ziel-Element) P des einen der Zähne 8A des Löffels 8 angebracht, der sich am nächsten an der Totalstation TS (Plus-Seite in der Richtung der Y-Achse) befindet. Ein von der Totalstation TS projiziertes Licht kann so auf einen Prismenspiegel 40 (weiter unten beschrieben) der Messvorrichtung 30 auftreffen, ohne blockiert zu werden. Dementsprechend ist die Schneidkante so definiert, dass sie von dem Schneidkanten-Mittelpunkt Q um einen vorgegebenen Abstand in der Richtung der Y-Achse entfernt ist, wobei die Positionen der Schneidkante P des Schneidkanten-Mittelpunktes Q in der Richtung der X-Achse und der der Z-Achse gleich sind.
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Das heißt, die Messvorrichtung 30 enthält den Prismenspiegel (im Folgenden kurz als ein Prisma bezeichnet) 40, der das projizierte Licht von der Totalstation TS reflektiert, einen Träger in Form einer Winkel-Einstelleinrichtung 50, der das Prisma 40 trägt, sowie ein Anbringungselement 60 zum Anbringen des Prismas 40 an der Schneidkante P über die Winkel-Einstelleinrichtung 50.
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Prisma
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Das Prisma 40 enthält einen Prismenkörper 41, der durch drei Prismen gebildet wird, die zu einer dreiseitigen Pyramide zusammengesetzt sind und eine Reflexionsfläche bilden, sowie ein äußeres Element 42, das den Prismenkörper 41 abdeckt.
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Eine Spitze der dreiseitigen Pyramide des Prismenkörpers 41 bildet eine Spiegelmitte MC, an der sich die Totalstation TS befinden soll. Die Spiegelmitte MC befindet sich an der gleichen Position wie der Ziel-Punkt MP der beispielhaften Ausführungsform. Die Spiegelmitte MC ist ein Punkt, an dem die Totalstation TS während der Messung bei dem Kalibrierungsprozess kollimiert werden soll. Der Ziel-Punkt MP ist ein Punkt, der unter Verwendung der Totalstation TS gemessen wird.
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Da sich die Spiegelmitte MC und der Ziel-Punkt MP des Prismas 40 an der gleichen Position befinden und im Unterschied zu einer üblichen Anordnung zwischen ihnen kein Versatz vorhanden ist, wird die Position des Ziel-Punktes MP gegenüber der Spiegelmitte MC selbst dann nicht verschoben, wenn der Ziel-Punkt an unterschiedlichen Positionen gemessen wird.
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Eine kreisförmige Vorderseite des äußeren Elementes 42 wird durch eine transparente Glasfläche 42A gebildet. Das projizierte Licht von der Totalstation TS tritt in den Prismenkörper 41 in dem äußeren Element 42 über die Glasfläche 42A ein, wird an den Reflexionsflächen des Prismenkörpers 41 reflektiert und tritt anschließend in Form eines Reflexionslichtes über die Glasfläche 42A zu der Totalstation TS hin aus. Ein Außengewinde 42B (4 und 5) befindet sich an einer Seite des äußeren Elementes 42, die der Glasfläche 42A gegenüberliegt.
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Winkel-Einstelleinrichtung
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Die Winkel-Einstelleinrichtung 50 enthält einen ersten Drehwinkel 51, an dem das Prisma 40 gelagert ist, einen zweiten Drehwinkel 52, an dem der erste Drehwinkel 51 gelagert ist, und einen Tragewinkel 53, an dem der zweite Drehwinkel 52 gelagert ist. Die Winkel-Einstelleinrichtung 50 bildet als Ganzes eine Universalgelenkstruktur.
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Der erste Drehwinkel 51 hat die Form eines U-Profils, das sich in Draufsicht zu der Totalstation TS hin öffnet. Ein blockförmiger Träger 51A ist im Inneren des ersten Drehwinkels 51 vorhanden. Eine Aufnahmeöffnung 51B, die durch den Träger 51A in einer Längsrichtung (Richtung der Y-Achse) hindurch verläuft, ist für den Träger 51A vorhanden. Ein Innengewinde 51C befindet sich an der Innenumfangsfläche der Trageöffnung 51B. Das Außengewinde 42B wird in das Innengewinde 51C eingeschraubt, um das Prisma 50 abnehmbar an dem ersten Drehwinkel 51 aufzunehmen.
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Erste Wellenelemente 54, 54, die sich durch den zweiten Drehwinkel 52 hindurch erstrecken, sind über seitliche Abschnitte 51D, 51D des ersten Drehwinkels 51 eingeführt. Das Prisma 40 ist zusammen mit dem ersten Drehwinkel 51 von den ersten Wellenelementen 54 an dem zweiten Drehwinkel 52 so gelagert, dass es um eine erste Drehachse R1 herum gedreht werden kann. Es ist anzumerken, dass, obwohl ein Ende jedes der ersten Wellenelemente 54 die Form eines Kegels (d. h. eine zapfenartige Form) hat, die Form des ersten Wellenelementes 54, wenn gewünscht, anders gestaltet sein kann.
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Der zweite Drehwinkel 52 hat die Form eines U-Profils, das sich in Vorderansicht nach unten öffnet. Seitliche Abschnitte 51D, 51D des ersten Drehwinkels 51 sind an einer Innenseite seitlicher Abschnitte 52A, 52A des zweiten Drehwinkels 52 gelagert.
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Ein zweites Wellenelement 55, das sich durch den Tragewinkel 53 hindurch erstreckt, ist in den oberen Abschnitt 52B des zweiten Drehwinkels 52 eingeführt.
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Das Prisma 40 wird zusammen mit dem ersten und dem zweiten Drehwinkel 51, 52 über das zweite Wellenelement 55 so an dem Tragewinkel 53 gelagert, dass es um eine zweite Drehachse R2 herum gedreht werden kann.
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Die erste Drehachse R1 des ersten Drehwinkels 51 ist, wie in 3 bis 5 gezeigt, parallel zu der X-Achse des in 1 gezeigten Koordinatensystems, und die zweite Drehachse R2 des zweiten Drehwinkels 52 ist parallel zu der Z-Achse. Dementsprechend dreht sich das Prisma 40 vertikal um die erste Drehachse R1 herum und dreht sich horizontal um die zweite Drehachse R2 herum. Da sich jedoch die Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Drehachse R1, R2 sowie X und Y entsprechend einer Stellung der Arbeitsausrüstung 2 ändert, gilt das oben Beschriebene nicht.
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Die erste und die zweite Drehachse R1, R2 schneiden einander an der Position der Spiegelmitte MC. Dementsprechend dreht sich das Prisma 40 um die Spiegelmitte MC (d. h. den Ziel-Punkt) als einem Drehpunkt RP. Dadurch ändert sich, selbst wenn das Prisma 40 gedreht wird, die Positionsbeziehung zwischen der Totalstation TS, der Spiegelmitte MC und dem Ziel-Punkt MP nicht.
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Der Tragewinkel 53 ist ein in Seitenansicht umgekehrt L-förmiges Element und hat eine obere Fläche 53A, an der der obere Abschnitt 52B des zweiten Drehwinkels 52 gelagert ist.
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Der Tragewinkel 53 weist des Weiteren einen vertikalen Abschnitt 53B auf, an dem ein Paar Langlöcher 53C vorhanden sind, die in einer vertikalen Richtung (Richtung der Z-Achse) verlängert sind. Eine Schraube 56 ist in jedes der Langlöcher 53C eingeführt. Mittels der Schraube 56 ist das Prisma 40 so an dem Anbringungselement 60 angebracht, dass eine vertikale Position desselben zusammen mit dem ersten und dem zweiten Drehwinkel 51, 52 sowie dem Tragewinkel 53 eingestellt werden kann.
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Der vertikale Abschnitt 536 enthält eine Öffnung 53D, die durch den vertikalen Abschnitt 53B in einer Längsrichtung (Richtung der Y-Achse) hindurch verläuft. Ein Mittelpunkt der Öffnung 53D, der Ziel-Punkt MP und die Schneidkante P sind entlang der Y-Achse ausgerichtet.
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Wenn in die Öffnung 53D geblickt wird und das Prisma 40 von der Messvorrichtung 60 abgenommen ist, kann, wie in 6 gezeigt, geprüft werden, ob das Anbringungselement 60 in der Mitte der Öffnung 53D in Kontakt mit einem Ende des einen der Zähne 8A ist. Der Kontakt des Anbringungselementes 60 und des Endes des einen der Zähne 8A in der Mitte der Öffnung 53D deutet darauf hin, dass die Schneidkante P nicht in der Richtung der X-Achse oder der Z-Achse relativ zu dem Ziel-Punkt MP verschoben ist. Es ist anzumerken, dass, da der Ziel-Punkt relativ zu der Schneidkante P nur auf der Y-Achse verschoben ist (siehe 4), die Koordinaten der Position der Schneidkante P jedes beliebigen Typs der Zähne 8A und damit der Position des Schneidkanten-Mittelpunktes P berechnet werden können, indem lediglich der Wert der Y-Koordinate der Position des Ziel-Punktes MP verändert wird.
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Anbringungselement
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Das Anbringungselement 60 ist in Vorderansicht ein L-förmiges Element und weist einen unteren Abschnitt 61 sowie einen vertikalen Flächenabschnitt 62 auf. Ein Schraubenloch 63 zum Befestigen des Tragewinkels 53 der Winkel-Einstelleinrichtung 50 unter Verwendung einer Schraube ist an einer Endfläche des Anbringungselementes 60 vorhanden, die der Winkel-Einstelleinrichtung 50 zugewandt ist. Eine Vielzahl von Magneten 64 sind unter Verwendung von Schrauben 66 an einer oberen Fläche (d. h. einer Fläche, die einer unteren Fläche des einen der Zähne 8A zugewandt ist) des unteren Abschnitts 61 des Anbringungselementes 60 angebracht. Das Anbringungselement 60 und damit die gesamte Messvorrichtung 30 können mit der Magnetkraft dieser Magneten 64 leicht an den Zähnen 8A aus Eisen angebracht werden.
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Eine der vertikalen Flächen des vertikalen Flächenabschnitts 62 des Anbringungselementes 60 bildet einen Anliegefläche 65, die in Kontakt mit der Schneidkante P des einen der Zähne 8A ist. Der Kontaktzustand an der Anliegefläche 65 ist über die Öffnung 53D zu sehen.
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Prozess zum Messen eines tatsächlichen Ziel-Punktes
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Ein Prozess zum Messen des Ziel-Punktes MP unter Verwendung der Totalstation TS und der Messvorrichtung 30 gemäß der beispielhaften Ausführungsform wird im Folgenden kurz beschrieben.
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Zunächst wird die Totalstation TS an einer Position angeordnet, die um einen vorgegebenen Abstand von dem Hydraulikbagger 100 entfernt ist, und wird die Messvorrichtung 30, von der das Prisma 40 abgenommen ist, an der Schneidkante P angebracht. Der oben erwähnte vorgegebene Abstand ist nicht notwendigerweise genau festgelegt, sondern kann ungefähr festgelegt werden. Dann wird geprüft, ob die Schneidkante P des einen der Zähne 8A in der Mitte der Öffnung 53D in Kontakt mit dem Anbringungselement 60 ist oder nicht, indem durch die Öffnung 53D der Messvorrichtung 30 geblickt wird. Wenn der eine der Zähne 8A in der Mitte der Öffnung 53D nicht in Kontakt mit dem Anbringungselement 60 ist, wird die vertikale Position des Tragewinkels 53 relativ zu dem Anbringungselement 60 unter Verwendung des Langlochs 53C eingestellt, oder der eine der Zähne 8A wird sicher in Kontakt mit der Anliegefläche 65 des Anbringungselementes 60 gebracht, um den Kontaktzustand zu gewährleisten.
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Anschließend wird die Arbeitsausrüstung 2 angetrieben, um die Schneidkante P an jede einer Vielzahl vorgegebener Messpositionen zu bringen. Dann wird die Position des Ziel-Punktes MP mit der Totalstation TS an jeder der Messpositionen gemessen. Da sich die Spiegelmitte MP des Prismas 40 an der gleichen Position wie der Ziel-Punkt MP in der Messvorrichtung 30 befindet und sich damit die Positionsbeziehung zwischen der Spiegelmitte MC und dem Ziel-Punkt MP auch dann nicht ändert, wenn die Schneidkante P an jede der Messpositionen bewegt wird, kann die Messung ohne Unterbrechung durchgeführt werden, ohne die Position der Messposition 30 zu verstellen, sofern die Spiegelmitte MC über die Totalstation TS sichtbar ist. Die Schneidkante P kann, nur wenn die Spiegelmitte MC aufgrund der Bewegung der Schneidkante P an jede der Messpositionen durch die Totalstation TS nicht kollimiert werden kann, vorübergehend an eine Position bewegt werden, an der eine Arbeitskraft an der Schneidkante P arbeiten kann. Dann kann, nachdem das Prisma 40 entsprechend gedreht worden ist, um die Stellung des Prismas 40 so einzustellen, dass die Spiegelmitte MC durch die Totalstation kollimiert werden kann, die Schneidkante P wieder an die Messposition zurückgeführt werden, um die Messung durchzuführen.
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Die Daten der Positionskoordinaten des Ziel-Punktes MP, die mit der Messung gewonnen werden, werden an eine Steuereinrichtung (nicht dargestellt) ausgegeben, und die Kalibrierungswerte werden von der Steuereinrichtung auf Basis der ausgegebenen Daten automatisch berechnet.
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Bei der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform muss, da die Spiegelmitte MC an der gleichen Position definiert ist wie der Ziel-Punkt MP und damit selbst an verschiedenen Messpositionen keine Positionsverschiebung des Ziel-Punktes MP relativ zu der Spiegelmitte MC stattfindet, das Prisma 40 der Totalstation TS nicht ordnungsgemäß zugewandt sein, sofern die Spiegelmitte MC durch die Totalstation TS kollimiert werden kann. Dementsprechend muss die Position des Prismas 40 nicht jedes Mal verstellt werden, wenn der Messpunkt geändert wird, so dass die Positionsmessung erleichtert wird.
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Abwandlungen
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Es sollte dabei klar sein, dass der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung nicht auf die oben beschriebene/n beispielhafte/n Ausführungsform/en beschränkt ist, sondern Abwandlungen und Verbesserungen einschließt, sofern die Abwandlungen und Verbesserungen mit der Erfindung vereinbar sind.
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Beispielsweise können, obwohl die Positionen des Ziel-Punktes MP und der Schneidkante P bei der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform entlang der Y-Achse verschoben werden, die Positionen des Ziel-Punktes MP und der Schneidkante P als Alternative dazu entlang der X-Achse oder der Z-Achse verschoben werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass, da sich die Positionsbeziehung zwischen dem Ziel-Punkt MP und der Schneidkante P auch bei unterschiedlichen Messpositionen nicht ändert, die Richtung der Positionsverschiebung des Ziel-Punktes MP und der Schneidkante P keine nachteilige Auswirkung auf das Berechnen des Kalibrierungswertes hat. Es sollte klar sein, dass der Ziel-Punkt MP identisch mit der Schneidkante P sein kann.
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Obwohl die Winkel-Einstelleinrichtung 50 in der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsform den ersten und den zweiten Drehwinkel 51, 52 sowie den Tragewinkel 53 enthält, kann die Winkel-Einstelleinrichtung 50 als Alternative dazu beispielsweise einen Kugelgelenkaufbau haben.
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Des Weiteren wird das Prisma 40 nicht notwendigerweise von einem Mechanismus, wie beispielsweise der Winkel-Einstelleinrichtung 50, getragen, sondern kann starr an dem Anbringungselement 60 angebracht sein, so dass es nicht aus einem Zustand gedreht wird, in dem eine vordere Fläche (Glasfläche 42A) des Prismas 40 in Richtung der Y-Achse gewandt ist. Mit einer derartigen Anordnung kann, da die Spiegelmitte MC und der Ziel-Punkt MP ausgerichtet sind, eine Aufgabe der Erfindung erfüllt werden. Vorzugsweise sollte das Prisma 40 jedoch über eine Winkel-Einstelleinrichtung so gelagert sein, dass der Drehpunkt RP, die Spiegelmitte MC und der Zielpunkt MP so ausgerichtet sind, dass der Ziel-Punkt MP unabhängig von einer Positionsverschiebung der Messpositionen über einen großen Bereich, wie sie in der beispielhaften Ausführungsform beschrieben ist, zuverlässig gemessen werden kann.
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Die Erfindung kann nicht nur bei einem Hydraulikbagger, der, wie in der beispielhaften Ausführungsform beschrieben, mit einem normalen Löffel versehen ist, sondern auch bei einem Hydraulikbagger, der mit einem Böschungslöffel zum Pressen und Verdichten einer Böschung versehen ist, sowie einem Hydraulikbagger eingesetzt werden, der mit einer anderen Komponente als einem Löffel versehen ist. Des Weiteren kann die Erfindung auch bei einer Baumaschine, wie beispielsweise einer Planierraupe und einem Motorstraßenhobel, eingesetzt werden, die mit einem Schild versehen ist.
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Erläuterung von Bezugszeichen
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- 30...Messvorrichtung, 40...Prismenspiegel, 50...Winkel-Einstelleinrichtung (Träger), 53D...Öffnung, 60...Anbringungselement, 64...Magnet, MC...Spiegelmitte, MP...Ziel-Punkt, P...Schneidkante (Ziel-Element), RP...Drehpunkt, TS...Totalstation
