DE19527829A1

DE19527829A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Winkeln

Info

Publication number: DE19527829A1
Application number: DE1995127829
Authority: DE
Inventors: Hannes Weigel
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-07-29
Filing date: 1995-07-29
Publication date: 1997-01-30

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen von Winkeln mit einer Strahlquelle, die einen rotierenden sichtbaren Strahl emittiert.

Aus der Praxis ist eine dynamische Methode bekannt, bei der die Richtungsmessung auf eine Zeitmessung zurückgeführt wird. Die Vorrichtung besteht aus einer rotierenden Scheibe mit Spaltblende, einer feststehenden und einer beweglichen Lichtschranke. Gemessen wird hier die Zeit Tphi zwischen den Durchgängen einer gleichförmig rotierenden Spaltblende durch die beiden Lichtschranken A und B. Während die Lichtschranke A fest mit dem Theodolitunterteil verbunden ist, läßt sich die Lichtschranke B zusammen mit der Alhidade an Lichtschranke A vorbei um die Stehachse drehen. Die Lichtschranke A markiert somit die "Teilkreisnullrichtung" und die Lichtschranke B stellt die der Zielrichtung entsprechende Ablesestelle am "Teilkreis" dar. Mit vorgegebener Rotationsgeschwindigkeit 2 mal Pi mal f der Spaltblende läßt sich der gesuchte Winkel phi direkt aus der Zeit Tphi ableiten. Phi = 2_*pi_*f_*Tphi. Die Winkelabnahme stellt ein in sich geschlossenes System dar.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein anderes Verfahren und eine andere Vorrichtung zur Winkelmessung aufzuzeigen.

Bei der vorliegenden Erfindung werden ein Verfahren und eine Vorrichtung gezeigt, die den sich bewegenden (rotierenden) sichtbaren oder am Auftreffort sichtbar gemachten Arbeitsstrahl als wesentlichen Teil der Winkelerfassung nutzen. Es stellt ein offeneres System dar. Dies bedeutet, daß die Winkelerfassung nicht mehr nur an das Muttergerät gebunden ist, sondern, wenn erforderlich, auch zum Teil entfernt davon erfolgen kann. Des weiteren, daß bereits vorhandene Eigenschaften zur Richtungsmessung benutzt werden (rotierender Strahl bei Rotationslasern).

Die dazu notwendigen Sensoren und Vorrichtungen können fest im Muttergerät eingebaut sein. Sie können aber auch in einem Aufsatz installiert sein, welcher nur dann am Muttergerät befestigt wird, wenn eine Winkelmessung benötigt wird.

Die weiteren Erläuterungen werden am Beispiel eines Baurotationslasers geführt, dessen Laser im sichtbaren Bereich arbeitet.

Wenn ein Rotationslaser in einem Raum aufgestellt und in Betrieb genommen wird, erscheint in Höhe der Strahlaustrittsöffnung eine rote Linie an den Wänden, die den ganzen Raum umfaßt. Dies wird ausgenutzt, um Randleisten anzubringen, einen Meterriß anzuzeigen oder z. B. eine Flucht zu markieren. So können z. B. auch die Tragelemente einer Decke in Höhe ausnivelliert werden.

Um jedoch eine bestimmte Wand, Decke oder Bodenkante in vorgegebene Strecken einzuteilen, bedarf es weiterer Informationen. Wenn dies vom Rotationslaser aus geschehen soll, muß dieser in der Lage sein, Winkel zu erfassen. Zusätzlich wird die Entfernung zu den Begrenzungspunkten der zu unterteilenden Strecke benötigt. Bisher versuchte man dies mit einem komplizierten Empfängersystem oder mit einer herkömmlichen Winkelabnahme, bei der die Rotation unterbunden oder nicht mit einbezogen wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Winkelerfassung gleichzeitig mit der Projizierung einer Waagerechten(z. B. Meterriß) oder Senkrechten erfolgen. Der sichtbare Laserstrahl wird bis auf die zu messende Strecke durch eine Blende abgedeckt. Am Beispiel einer Wand bedeutet dies, daß nur die zu vermessende Wand eine rote Linie aufweist, womit diese klar sichtbar markiert ist. Der restliche Strahl wird am Austritt gehindert. Zur Winkelmessung sind wenigstens ein beweglicher und gegebenenfalls zusätzlich ein feststehender Sensor erforderlich.

Gerätebeschreibung

Fig. 1 Rotationslaser horizontaler Strahlenaustritt,

Fig. 2 Rotationslaser gekippt zur vertikalen Markierung,

Fig. 3 Winkelaufsatz mit integrierter Rechner und Auswerteeinheit,

Fig. 4 Aufsetzen des Winkelaufsatzes auf Rotationslaser,

Fig. 5 Schnittzeichnung mit Sensoranordnung.

Fig. 1 zeigt eine Strahlquelle (10), die einen rotierenden Strahl (5) emittiert. Der Strahl (5) ist für das menschliche Auge sichtbar oder läßt sich am Auftreffort durch geeignete Maßnahmen sichtbar machen. Die Strahlquelle (10) ist vorzugsweise ein auf dem Markt befindlichen Rotationslaser. Er besitzt eine Nivelliereinrichtung.

Der austretende Laserstrahl (5) ist sinnbildlich eingezeichnet. In dieser Position wird ein horizontaler Laserstrich (7) an den Auftreffflächen (6) sichtbar. Dies geschieht z. B. an allen umgrenzenden Wänden. In dieser Stellung wird ein z. B. Meterriß angezeigt oder eine Decke in der Höhe ausgerichtet.

Fig. 2 zeigt den Laser (10) in einer um 90 Grad gekippten Lage. Hier können Wände ausgerichtet oder Fluchtlinien angezeigt werden. Auch zeigt sich ein Laserstrich (7), diesmal vertikal, an allen umgrenzenden Auftreffflächen.

Fig. 3 bis 5 zeigen die Vorrichtung zur Winkelmessung, die z. B. als Winkelmeßaufsatz für den Rotationslaser (10) ausgebildet ist. Sie besteht im Wesentlichen aus einem haubenförmigen Gehäuse (1), einer drehbaren Blende (2), beweglichen Sensoren (3), relativ zum Strahl (5) ortsfest angeordneten Sensoren (4), einer beweglichen im Rotationslaser befindlichen Lichtquelle (5), dem Aufsatzadapterteil (8) und einer elektronischen Rechen- und Auswerteeinheit (9) besteht.

Die Blende (2) ist ringförmig und rotationssymmetrisch zur Rotationsachse des Laserstrahls (5) ausgebildet. Sie befindet sich in der Drehebene des Strahls (5) und läßt ein oder mehrere in Position und Größe verstellbare Blendenöffnungen frei, durch die der Strahl (5) austreten kann. Die Blende (2) kann relativ zueinander verschiebbare Jalousien oder dgl. aufweisen, die zwischen sich die Blendenöffnung freilassen.

Der austretende Strahl (5) wird auf eine Auftrefffläche (6), z. B. eine Wand, geworfen und bildet dort je nach Blendenöffnungsweite eine längere oder kürzere Strecke (7) ab. Bei der Winkelmessung wird der Strahlwinkel zwischen den Streckenendpunkten bezogen auf die Rotationsachse des Strahls (5) erfaßt. Dementsprechend werden die an der Auftrefffläche (6) gesuchten Punkte mit der verstellbaren Blende (2) bzw. der Blendenöffnung optisch anvisiert.

Fig. 4 zeigt das Aufsetzen des Winkelmeßaufsatzes auf einen Rotationslaser. Fig. 5 stellt eine Schnittzeichnung dar, auf der die Anordnung der Sensoren (3, 4) gezeigt wird. Mit (3) werden die beweglichen Sensoren abgebildet, die an den Rändern der Blende (2) bzw. der Blendenöffnung angebracht sind. Mit (4) werden die relativ zum Strahl (5) ortsfest mit dem Gehäuse (1) verbundenen Sensoren gezeigt. Vorzugsweise sind vier Sensoren (4) gleichmäßig im Kreis um die Rotationsachse verteilt angeordnet. Alle Sensoren (3, 4) werden vom rotierenden Strahl (5) erfaßt und geben bei Auftreffen des Strahls (5) ein Signal ab. Sie sind mit einer elektronischen Recheneinheit (9) verbunden, die die Signale auswertet. Die Recheneinheit (9) beinhaltet eine Zeitmeßeinrichtung und einen Zeitgeber, z. B. einen Taktgeber, Oszillator oder dgl.

Beschreibung der einzelnen Funktionen

Die bewegliche Spaltblende (2) dient zum einen dazu, den rotierenden Strahl bis auf die gewünschte Austrittsbreite zu begrenzen, zum andern sind an den beweglichen Enden die Sensoren (3), vgl. Fig. 5, befestigt. Der Winkel, der gemessen werden soll, wird an der Strecke (7), die an der Auftrefffläche (6) sichtbar ist, deutlich. Sie kann so lange bewegt werden, bis tatsächlich der sichtbare Riß die gewünschte Strecke erreicht hat. Die Sensoren (3) leiten den Zeitmeßvorgang ein, wenn der sich bewegende Strahl (5) auf den ersten Sensor trifft und beenden den Meßvorgang, wenn der letzte erreicht wird.

Die Sensoren (4) stellen die "Teilkreisnullrichtung" dar. Durch sie können die Rotationsgeschwindigkeit, der Nullpunkt, die Richtung und Auflösung festgestellt werden. Sie dienen auch der Festlegung, ob eine Korrekur erforderlich ist oder nicht. Das Gehäuse (1) besitzt ein auf dem Rotationslaser (10) zu befestigendes Adapterteil (8). Dieses ist der Teil des Winkelaufsatzes, der den exakten Sitz auf dem Rotationslaser herstellen muß. Dieser Winkelaufsatz kann bereits auf einen festen Rotationslasertyp hin gefertigt sein oder eine Justiervorrichtung enthalten, welche eine vom Lasertyp unabhängige Verwendung ermöglicht. Die Recheneinheit (9) ist auf dem Gehäuse (1) außen zugänglich angeordnet. Sie besteht aus einer Tastatur, einem Display, einer CPU mit Auswerte-, Speicher- und Recheneinheit sowie den erforderlichen Zeitgebern, Taktgeneratoren usw . . Des weiteren dient sie als Schnittstelle, welche die ermittelten Daten externen Rechnern zur Verfügung stellen kann.

Bei der hier bevorzugten Vorrichtung werden zwei bewegliche (3) und vier feststehende Sensoren (4) ausgewertet. Der rotierende Strahl wird am Beginn und am Ende der zu vermessenden Strecke erfaßt. Die feststehenden Sensoren stellen die "Teilkreisnullrichtung" dar und dienen auch zur Feststellung der tatsächlichen Rotationsgeschwindigkeit. Sie können zur Korrektur der Winkelgeschwindigkeitswerte ausgewertet werden oder, wenn erwünscht, der Rotationsregelung dienen. Die Auswertung und Regelung kann über eine volle Umdrehung oder sektorweise zwischen den Sensoren (4) erfolgen.

Die angeschlossene elektronische Auswerteeinheit bestimmt im "Zeitmeßverfahren" die Blendenzeit, die der Strahl (5) zum Überstreichen der Blendenöffnung zwischen den Sensoren (3) benötigt und speichert diese ab. Zusätzlich können zu Korrekturzwecken auch die verschiedenen Zeiten gemessen werden, die der Strahl zwischen den Blendensensoren (3) und den benachbarten ortsfesten Sensoren (4) braucht. Zur Ermittlung des Winkels wird die gemessene Blendenzeit in Relation zur Zeit für eine volle oder sektorweise Strahlumdrehung gesetzt.

Zusätzlich können automatisch oder manuell die Werte eines Entfernungsmessers, der ggf. in den Rotationslaser (10) integriert ist, eingelesen und verrechnet werden. Die Ergebnisse können über eine Schnittstelle von einem externen Rechner abgefragt werden.

Die Auflösung und Genauigkeit der Winkelerfassung ergibt sich aus dem Referenztakt, der Konstanz der Laserrotation sowie der Meßhäufigkeit einer Winkelmessung. Bei Mehrfachmessungen können Fehlerbestimmungen durchgeführt und Korrekturen am Meßergebnis vorgenommen werden. Durch eine größere Anzahl von Sensoren läßt sich die Genauigkeit weiter steigern. Auch sind zusätzliche Korrekturerfassungen außerhalb durch weitere Sensoreinheiten denkbar, ändern aber nichts an dem vorgestellten Verfahren.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
2 Blende (beweglich)
3 Sensoren (an Blende angebracht)
4 Sensoren (fest am Gehäuse angebracht)
5 Strahl
6 Auftrefffläche, Auftreffobjekt (z. B. Wand)
7 Laserstrich (an Auftreffobjekt)
8 Adapterteil (auf Rotationslaser)
9 elektronische Recheneinheit
10 Strahlquelle, Rotationslaser

Claims

1. Verfahren zum Messen von Winkeln mit einer Strahlquelle, die einen sichtbaren rotierenden Strahl durch mindestens eine verstellbare Blendenöffnung auf eine Auftrefffläche wirft, wobei mit der Blendenöffnung der zu messende Bereich anvisiert wird und die Blendenzeit gemessen wird, in der der Strahl die Blendenöffnung überstreicht und aus der Blendenzeit unter Berücksichtigung der Strahlrotation der Winkel ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitmessung durch Sensoren an den Rändern der Blendenöffnung geschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsgeschwindigkeit des Strahls gemessen wird, wobei der Winkel aus der Blendenzeit und der Rotationsgeschwindigkeit berechnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsgeschwindigkeit von ein oder mehreren, vorzugsweise mindestens vier, stationären Sensoren im Bewegungsbereich des Strahls gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsgeschwindigkeit konstant gehalten wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsgeschwindigkeit auf Gleichlauf überwacht und bei Abweichungen die Winkelberechnung korrigiert wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsgeschwindigkeit zwischen den ortsfesten Sensoren sektorweise auf Gleichlauf überwacht wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelmessung mehrmals wiederholt und das Ergebnis fehlerbereinigt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Winkelmessung auch die Entfernung zur Auftrefffläche aufgenommen wird.

10. Vorrichtung zum Messen von Winkeln mit einer Strahlquelle, die einen rotierenden sichtbaren Strahl (5) emittiert, wobei die Vorrichtung eine Blende (2) mit mindestens einer verstellbaren Blendenöffnung sowie eine Einrichtung zur Erfassung der Strahlrotation und zum Messen der Blendenzeit, in der der Strahl die Blendenöffnung überstreicht, aufweist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (2) als verstellbare Ringblende ausgebildet und rotationssymmetrisch in der Drehebene des Strahls (5) angeordnete ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenöffnung nach Position und Größe veränderlich ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß an den Rändern der Blendenöffnung ein oder mehrere Sensoren (3) angeordnet und mit der Zeitmeßeinrichtung verbunden sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere stationäre Sensoren (4) im Strahlbereich angeordnet und mit der Zeitmeßeinrichtung verbunden sind.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren (4) im Kreis um die Rotationsachse gleichmäßig verteilt angeordnet sind.

16. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Recheneinheit (9) mit Taktgeber für die Zeitmessung und die Winkelermittlung vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlquelle als Rotationslaser ausgebildet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (2) mit den Sensoren (3, 4) und der Recheneinheit (9) in einem Gehäuse (1) auf der Strahlquelle angeordnet ist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) ein Adapterteil (8) zum lösbaren Anbau an eine Strahlquelle aufweist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlquelle eine Nivelliereinrichtung aufweist.