DE19617212C1 - Lasernivellier mit horizontierbarer Instrumentenbasis und selbsttätiger Feinhorizontierung des Laserstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Lasernivellier mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Lasernivelliere sind in vielfältiger Ausgestaltung bekannt. Sie dienen entweder der Erzeugung eines senkrecht zum Lot ausgerichteten Laserstrahls oder zur Erzeugung einer horizontalen Referenzebene mit Hilfe eines um die Lotrichtung rotierenden Laserstrahls. Als Strahlenplattform soll in diesem Zusammenhang eine Montagefläche des Lasernivelliers verstanden werden, die mit einer begrenzten Genauigkeit manuell horizontierbar ist und auf der die den Laserstrahl in die Horizontale umlenkenden Mittel angeordnet sind.

Üblicherweise wird der Laser so in das Lasernivellier eingebaut, daß seine optische Achse in Lotrichtung verläuft. Die Umlenkung in die Horizontale erfolgt über Spiegel oder Prismen, insbesondere über drehbar gelagerte Pentaprismen. Die Montagefläche für die Umlenkelemente ist entsprechend der vorstehenden Definition die Strahlenplattform.

Bei bekannten Lasernivellieren ist diese Strahlenplattform fest mit dem Gehäuse des Gerätes verbunden. Das Gehäuse weist zur Grobhorizontierung Stellfüße und Blasenlibellen auf.

Es ist auch eine Anordnung zur automatischen Grobhorizontierung bekannt, bei der das Lasernivellier auf einem elektromechanischen Stativ angeordnet wird. Die Stativbeine werden über Spindeln solange in ihrer Höhe verändert, bis durch Quecksilberschalter am Nivelliergehäuse, die als Neigungssensoren fungieren, dieser Vorgang beendet wird. Die Grobhorizontierung erfolgt mit einer Genauigkeit von etwa 50′′ und ist relativ langsam.

Bei höheren Genauigkeitsanforderungen erfolgt eine Feinhorizontierung durch einen Kompensator. Dabei hat sich insbesondere eine optisch­ mechanische Kompensation mit gegeneinander verschiebbaren Linsen durchgesetzt. Eine der Linsen ist in einem zylindrischen Rohr fest im Gerät eingebaut, die andere an Metallfäden pendelnd in dem Rohr aufgehängt. Bei einem justierten Instrument verläuft der vom Laser ausgesandte Strahl in der optischen Achse der fest eingebauten Linse und wird von der pendelnden Linse so abgelenkt, daß er in Lotrichtung auf das Umlenkelement fällt. Bei Verwendung von Halbleiterlasern kommt den Linsen auch die Strahlkollimation zu. Dabei ist es auch möglich, die gesamte Linsenkombination pendelnd aufzuhängen, wie aus der weiter unten noch genannten DE-OS 29 44 408 zu entnehmen ist.

Die pendelnd aufgehängte Linse kann mit drei am Gehäuse angebrachten Lichtschranken zusammenwirken. Die Lichtschrankensignale können Leuchtdioden ansteuern, die sternförmig am Instrumentengehäuse angebracht sind und dem Benutzer damit eine Zuordnung für die Verstellung der Fußschrauben zur Grobhorizontierung geben. Sie ersetzen die sonst üblichen Dosenlibellen. Es ist auch vorgeschlagen worden, die Signale zur Verstellung des bereits genannten elektromechanischen Stativs zu verwenden. Dazu müssen allerdings die Lichtschranken fluchtend zu den Stativbeinen ausgerichtet werden.

Der Kompensationsbereich ist durch den im Kompensatorrohr zur Verfügung stehenden Raum begrenzt. Die pendelnd aufgehängte Linse darf während der Messung die Innenfläche des Rohres nicht berühren. Die vorstehend genannten Lichtschranken dienen daher insbesondere auch der Überwachung der freien Pendelaufhängung. Eine Unterbrechung des Lichtschrankenstrahls mit einem Pegelabfall bis zu einer vorgegebenen Schwelle führt zu einer Abschaltung der Laserdiode. Erst nach erneuter Grobhorizontierung kann das Gerät wieder in Betrieb genommen werden.

Die pendelnde Linse kann auch aufgrund von Erschütterungen so stark schwingen, daß sie die Lichtschranke unterbricht. Um das zu vermeiden, ist eine magnetische Dämpfung vorgesehen, die ein rasches Abklingen der Pendelschwingung erzwingt. Die Dämpfung wirkt nach Art einer Wirbelstrombremse. Dabei ist durch sorgfältige Materialauswahl und Konstruktion darauf zu achten, daß Magnetkräfte die Lotausrichtung des Pendels in der Ruhelage nicht beeinflussen.

Eine zusammenfassende Darstellung des vorgenannten Standes der Technik findet sich in der Dissertation von H. Wüller, D 82 Diss. TH Aachen, (1988), ISSN 0515-0574, Entwicklung und Untersuchung eines Rotationsnivellierinstruments und einer photoelektrischen Nivellierlatte zur Automatisierung des geometrischen Nivellements.

Aus der DE-OS 29 44 408 ist ein Pendelkompensator bekannt, bei dem ein pendelnd aufgehängter innerer Zylinder mit den Kompensationslinsen in einem äußeren Zylinder schwingt. Die Zylinder sind verhältnismäßig lang und weisen einen geringen Zwischenraum auf. Bei Veränderung des Abstandes der Zylinderflächen wird Luft verdrängt, die aufgrund des Strömungswiderstandes eine Dämpfung der Pendelschwingung erzeugt.

Der äußere Zylinder ist gegenüber dem Gehäuse elektrisch isoliert. Bei Kontakt des inneren Zylinders mit dem äußeren Zylinder wird ein Draht geerdet und dadurch die Laserdiode sofort abgeschaltet. Für die Wiederinbetriebnahme ist eine erneute Grobhorizontierung unter Benutzung von Dosenlibellen erforderlich, die das Pendel wieder in seinen Arbeitsbereich bringt.

Anstelle von Kompensationslinsen ist es auch möglich, die Laserdiode am Pendel anzubringen.

Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, für ein Lasernivellier einen Pendelkompensator zu schaffen, der robust und einfach aufgebaut ist und ein Stellsignal für die Grobhorizontierung auch bei am Außenzylinder anliegendem Innenzylinder erzeugt. Insbesondere sollte der Pendelkompensator so mit der Strahlenplattform verbunden sein, daß eine motorische Horizontierung in Abhängkeit von den Stellsignalen mit hoher Genauigkeit möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einem Lasernivellier der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.

Gemäß der Erfindung wird der an sich bekannte Pendelkompensator mit Außen- und Innenzylinder als Kondensator mit durch die Pendelbewegung lokal veränderlichen Kapazitätswerten ausgebildet. Die geometrischen Verhältnisse des Zylindersystems ändern sich dabei nicht, so daß die Dämpfungseigenschaften erhalten bleiben. Die Segmentierung einer der Elektrodenflächen erlaubt eine eindeutige Richtungszuordnung für den Pendelausschlag. Grundsätzlich sind dazu zwei Kondensatorsegmente ausreichend. Als zweckmäßiger hat sich jedoch eine Aufteilung in drei oder vier Segmente erwiesen.

Das System ist äußerst robust. Wenn eine der Elektrodenflächen mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehen wird, kann es nicht zu einem Kurzschluß zwischen den Elektroden kommen und die Kapazität kann auch bei Anlage des Pendels am Außenzylinder bestimmt werden. Wenn den einzelnen Kondensatorsegmenten oder dem als Gegenpol wirkenden Innenzylinder jeweils eine feste größere Kapazität in Serie zugeschaltet wird, stört sogar ein Kurzschluß zwischen den Elektrodenflächen die Messung nicht. Für die notwendige elektronische Beschaltung der Elektrodensegmente ist es zweckmäßig, wenn diese in dem feststehenden Außenzylinder angeordnet sind.

Die Messung der aktuellen Kapazitätswerte erfolgt mit Vorteil in schneller Folge nacheinander. Es kann dann für alle Messungen dieselbe Meß- und Auswerteelektronik verwendet werden, so daß Driften der Kapazitäten, der Verstärker usw. sich auf alle Meßwerte in gleicher Weise auswirken. Da die Pendelveränderungen im Vergleich zur Meßwertabfrage vergleichsweise träge sind, erfolgt die Meßwertgewinnung praktisch gleichzeitig.

Ein besonders vorteilhafter Einsatz des erfindungsgemäßen Pendelkompensators ergibt sich, wenn die Strahlenplattform innerhalb des Lasernivelliers horizontierbar gelagert und über Stellmotoren in Abhängigkeit von den Signalen des Kondensatorsystems solange verstellbar ist, bis das Pendel frei schwingt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch das Kondensatorsystem

Fig. 2 einen Längsschnitt durch den Pendelkompensator

Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Gewinnung der Stellsignale

Fig. 4 eine Darstellung des zeitlichen Ablaufs der Kapazitätsmessung

Fig. 1 zeigt im Querschnitt einen Außenzylinder 1, auf dessen Innenfläche drei Elektrodensegmente 2, 3, 4 angebracht sind. Die Elektrodensegmente sind durch senkrecht zur Zeichenebene verlaufende Stege 2′, 3′, 4′ voneinander getrennt. Die Stege und die Haftbrücke zum Außenzylinder 1 sind mit einem elektrisch isolierenden, aushärtbaren Kleber ausgefüllt. Ein Innenzylinder 5 liegt den Elektrodensegmenten mit einem geringen Abstand gegenüber. Der Innenzylinder ist aus elektrisch leitendem Material gefertigt und bildet die Gegenelektrode zu den Elektrodensegmenten 2, 3, 4. Der Spalt 6 zwischen Innenzylinder 5 und Elektrodensegmenten 2, 3, 4 stellt den maximalen Pendelweg des Innenzylinders dar. Weitere Elemente in Fig. 1 werden im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben.

Aus dem Längsschnitt der Fig. 2 ist die Funktion des Pendelkompensators ersichtlich. Der Außenzylinder 1 ist lotrecht an einer Strahlenplattform 7 befestigt. In diese ist eine Linse 8 eingesetzt. Im Brennpunkt der Linse 8 ist eine Laserdiode 9 angeordnet, so daß das aus der Strahlenplattform austretende Laserstrahlenbündel 10 parallel ist. Die Strahlachse ist mit 11 bezeichnet. Die das Laserstrahlenbündel 10 senkrecht zur Strahlachse 11 umlenkenden Mittel sind nicht dargestellt. Sie sind in an sich bekannter Weise auf der Strahlenplattform 7 befestigt.

Die Linse 8 und der Diodenlaser 9 sind so angeordnet, daß die Strahlachse 11 die Symmetrieachse für das Kondensatorsystem 1 bis 5 bildet. Der Innenzylinder 5 ist an drei symmetrisch an der Strahlenplattform 7 befestigten Drähten 12 aufgehängt. Dazu befindet sich am unteren Ende des Innenzylinders 5 eine Montageplatte 13, auf der auch der Diodenlaser 9 befestigt ist. Er kann mit Hilfe nicht dargestellter Justiermittel so ausgerichtet werden, daß er bei horizontierter Ausrichtung der Strahlenplattform 7 genau im Brennpunkt der Linse 8 liegt. Die Drähte 12 sind so zu befestigen, daß ebenfalls bei horizontierter Ausrichtung der Strahlenplattform 7 der Innenzylinder 5 konzentrisch zum Außenzylinder 1 hängt.

Bei einer geringen Neigung der Strahlenplattform 7 können die am Innenzylinder 5 befestigte Montageplatte 13 und damit auch die Laserdiode 9 in dem durch den Spalt 6 vorgegebenen geringen freien Pendelweg quer zur Strahlachse 11 auswandern. Dabei befindet sich die Laserdiode 9 aber weiterhin im Brennpunkt der Linse 11, so daß sich die Strahlrichtung des aus der Strahlenplattform austretenden Strahlenbündels 10 nicht ändert.

Bei größerer Neigung der Strahlenplattform 7 schlägt der Innenzylinder 5 an die Elektrodensegmente 2, 3, 4 an. Die vorgenannte Richtungskompensation ist dann nicht mehr gegeben. Um einen elektrischen Kurzschluß des Innenzylinders mit den Elektrodensegmenten zu vermeiden, sind entweder mindestens eine der Elektrodenflächen mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung zu versehen oder die weiter unten beschriebenen schaltungstechnischen Maßnahmen zu ergreifen, damit die erfindungsgemäße Kapazitätsmessung in allen Pendellagen wirksam bleibt.

Die Strahlenplattform 7 mit dem Pendelkondensator befindet sich in einem Gehäuse 14 des Lasernivelliers. Üblicherweise besitzt dieses an seiner Grundfläche nicht dargestellte Stellfüße. In dem Gehäuse 14 ist auch die Elektronik 15 mit Spannungsversorgung und Auswerteschaltung enthalten. Diese wird weiter unten im Detail beschrieben. Die dargestellten Anschlußleitungen mit den Bezugsziffern 16 für den Betrieb der Laserdiode 9, Bezugsziffer 17 für die Beschaltung der Elektrodensegmente 2, 3, 4, Bezugsziffer 18 für die Beschaltung des als Gegenelektrode wirkenden Innenzylinders 5, und Bezugsziffer 19 für die Versorgung und Steuerung von Stellmotoren 20, 20′ sind lediglich schematisch zu verstehen.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Strahlenplattform 7 verstellbar in dem Gehäuse 14 gelagert. Sie liegt dazu zunächst auf einer Kugel 21 auf einem Gehäusevorsprung auf und wird zusätzlich von Spindeln 22, 22′ der Stellmotoren 20, 20′ getragen. Die Anordnung der Stellmotoren 20, 20′ und der Kugel 21 sind in der Draufsicht der Fig. 1 mit dargestellt.

Bei einer Verstellung der Spindel 22 kippt die Strahlenplattform 7 um die Achse 23. Bei einer Verstellung der Spindel 22′ erfolgt die Kippung um die Achse 24 und bei Verstellung beider Spindeln 22, 22′ kippt die Strahlenplattform 7 um die Achse 25. Die Spindeln können über die Motoren solange verstellt werden, bis der Innenzylinder 5 frei schwingt.

In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild der Meß- und Steuerelektronik angegeben. Die von der Pendellage abhängigen Kapazitäten zwischen den Elektrodensegmenten 2, 3, 4 und dem Innenzylinder 5 sind als veränderliche Kapazitäten C₁, C₂, C₃ dargestellt. Wie bereits weiter oben erwähnt, sind den Elektrodensegmenten Grundkapazitäten C₁′, C₂′, C₃′ in Serie zugeschaltet, um auch bei Anlage des Innenzylinders an den Elektrodensegmenten eine meßbare Kapazität zu gewährleisten. Die Grundkapazitäten sind in ihren Werten etwa 100-fach größer als die Meßkapazitäten C₁, C₂, C₃.

Über steuerbare Schalter S₁, S₂, S₃ und einen Widerstand R1 sind die Kapazitäten mit einer Ladespannung und einem Operationsverstärker OP1 verbindbar. Über einen weiteren steuerbaren Schalter S₄ kann das Kondensatorsystem auf ein gemeinsames Spannungspotential U₁ gelegt werden. Zweckmäßigerweise wird diese Spannung an den Innenzylinder 5 gelegt. Da dieser über seine Pendeldrähte 12 elektrisch mit dem Gehäuse 14 verbunden ist, wird als gemeinsames Potential die Gehäusemasse gewählt.

Dem als hochohmiger Impedanzwandler wirkenden Operationsverstärker OPI sind ein AD-Wandler und ein Mikroprozessor µP nachgeschaltet. Letzterer steuert sowohl die Schalter S₁ bis S₄, als auch Servoantriebe für die Motoren 20, 20′ und den Meßablauf.

Der zeitliche Ablauf der Messung ist in Fig. 4 dargestellt. Bei einem Signal auf Logikpegel "High" ist jeweils ein Schalter geschlossen und bei einem Signal auf Logikpegel "Low" ist ein Schalter offen. Vor jeder Messung werden die Kompensatorkapazitäten entladen. Dazu werden die Schalter S₁ bis S₄ für die Dauer von ca. 200 µs geschlossen. Während dieser Zeit entladen sich die Kondensatoren C₁, C₂, C₃. Danach liegen alle Kondensatoranschlüsse auf dem Spannungswert U₁, der üblicherweise gleich 0 ist.

Danach werden die Schalter S₂, S₃, S₄ geöffnet und nur der Schalter S₁ bleibt geschlossen. Über den Widerstand R1 wird ein Ladepuls von etwa 2 µs (Low-Pegel) generiert. In diesen 2 µs sinkt in Abhängigkeit von der Kapazität C₁ und dem Widerstand R1 die Ladespannung am Kondensator C₁ gegenüber U₁ nach einer e-Funktion stetig gegen ein negatives Potential. Sobald jedoch der Ladepuls beendet wird, bleibt die Spannung über C₁ auf einem stabilen Wert. Über die hochohmige Impedanzwandlerschaltung OP1 wird die Spannung von C₁ dem AD-Wandler zugeführt.

Die AD-Wandlung wird nach Beendigung des Ladepulses gestartet und dauert etwa 100 µs. Der Mikroprozessor µP ruft die AD-gewandelten Spannungswerte in digitaler Form ab und speichert sie. Nun wird die Entladung des Kondensator-Systems durch Schließen der Schalter S₁ bis S₄ wiederholt. Danach startet er durch Öffnen der Schalter S₁, S₃, S₄ die Messung der Kapazität C₂ und entsprechend für C₃. Der gesamte Meßzyklus dauert etwa 1 ms. In dieser Zeit kann die Pendellage des Innenzylinders wegen der gedämpften Aufhängung als stabil angenommen werden.

Aus den drei Spannungswerten von C₁, C₂, C₃ ermittelt der pP die Signalaufbereitung für die Servoeinheit der Stellmotoren. Die Signalaufbereitung erfordert keinen elektrischen Abgleich der Meßelemente, sondern besteht im wesentlichen in einem relativen Vergleich der gemessenen Kapazitätswerte nach folgender Vorgehensweise.

Der µP stellt fest, an welchem Elektrodensegment des Außenzylinders der Innenzylinder an liegt (maximale Kapazität) und welches den größten Abstand hat (minimale Kapazität). Bei den drei Elektrodensegmenten wird im Ausgangszustand der Innenzylinder immer mindestens an einem Segment anliegen und zu einem wird er einen maximalen Luftabstand haben. Die Motoren 20, 20′ werden nacheinander oder gemeinsam so angesteuert, daß eine Kippung der Strahlenplattform erzeugt wird, die das Elektrodensegment mit der größten gemessenen Kapazität jeweils von dem pendelnden Innenzylinder wegbewegt. Je nachdem, wie weit der Pendelkompensator von der optimalen, frei schwingenden Lage entfernt ist, kann die Stellgeschwindigkeit der Motoren geregelt werden.

Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Meßzyklus in festen Zeitabständen von etwa 200 ms jeweils wiederholt wird. In der Zeit dazwischen können die Motoren an der Horizontierung der Strahlenplattform arbeiten. Ein typischer Horizontierungsvorgang dauert etwa 30 s, so daß durch mehrere Messungen der Stellvorgang überprüft und korrigiert werden kann. Die ideale Horizontierungslage ist erreicht, wenn alle drei Kondensatoren innerhalb eines gewünschten Toleranzbereichs den gleichen Kapazitätswert haben.

Abweichend von dem dargestellten Ausführungsbeispiel können die vom Kondensatorsystem abgeleiteten Stellsignale natürlich auch optisch angezeigt werden und zur manuellen Horizontierung über Fußstellschrauben genutzt werden. Ebenso können in die Fußstellschrauben Servomotoren eingebaut werden, die von den Stellsignalen gesteuert werden.

Nach erreichter Horizontierung kann das in dem Ausführungsbeispiel beschriebene System auch zur permanenten Überwachung der Horizontierung eingesetzt werden. Im allgemeinen reichen für die Überwachung längere Zeitabstände für den Meßzyklus aus. Nur signifikante Änderungen der Kapazitätswerte müssen zu einer Nachstellung der Strahlenplattform führen.

Claims (7)

1. Lasernivellier mit horizontierbarer Strahlenplattform (7) und selbsttätiger Feinhorizontierung des Laserstrahls (10) mit einem in einem Außenzylinder (1) pendelnd aufgehängten, Ausrichtelemente tragenden Innenzylinder (5), dadurch gekennzeichnet, daß

• - der Außenzylinder (1) und der Innenzylinder (5) ein Kondensatorsystem mit einander gegenüberliegenden Elektrodenflächen bilden,
• - eine der Elektrodenflächen segmentiert ist, wobei die Trennung (2′, 3′, 4′) der Segmente (2, 3, 4) in Richtung der Strahlachse (11) verläuft,
• - der Außenzylinder (1) mit der Strahlenplattform (7) zentrisch zur Strahlachse (11) lotrecht verbunden ist und
• - von dem Kondensatorsystem Signale zur Detektion der Pendellage des Innenzylinders (5) ableitbar sind.

2. Lasernivellier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehr als zwei gleiche Segmente (2, 3, 4) vorgesehen sind.

3. Lasernivellier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenfläche des Außenzylinders (1) segmentiert ist.

4. Lasernivellier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenflächen zumindest eines der Zylinder mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung versehen sind.

5. Lasernivellier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Elektrodensegmente (2, 3, 4) eine feste Grundkapazität (C₁′, C₂′, C₃′) in Serie zugeschaltet ist.

6. Lasernivellier nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziger Meßkanal für eine serielle Messung der Kapazitäten (C₁, C₂, C₃) vorgesehen ist.

7. Lasernivellier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenplattform (7) innerhalb des Lasernivellier-Gehäuses (14) horizontierbar gelagert (21) und über Stellmotore (20, 20′) in Abhängigkeit von den Signalen des Kondensatorsystems verstellbar ist.