DE3313932C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Vermessung von Innenprofilen eines Hohlraums nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 4.

Hohlräume, wie Tunnels und Kanäle, bedürfen sowohl bei ihrer Erstellung als auch während ihrer Nutzung einer ständigen Kontrolle ihres lichten Querschnittes. Zur berührungslosen Vermessung des Innenprofils solcher Hohlräume ist aus den Druckschriften DE-OS 24 40 321 und CH-PS 6 31 012 ein gattungsgemäßes Lichtschnittverfahren bekannt, bei dem ein Kurvenerzeugungsgerät eine eine Vertikalebene definierende Kurve auf das Innenprofil der zu vermessenden Tunnelröhre projiziert. Mittels eines Meßgerätes wird der Abstand der Profilpunkte zur Tunnelachse gemessen und aus den ermittelten Meßwerten das Profil berechnet. Zur Durchführung des Verfahrens ist zwingend erforderlich, daß die Horizontalachse des Kurvenerzeugungsgerätes achsgleich mit der Horizontalachse des Meßgerätes liegt. Ferner müssen der Abstand des Kurvenerzeugungsgerätes von der Linse des Meßgerätes sowie die Brennweite der Linse bekannt sein. Um dies zu gewährleisten, sind das Kurvenerzeugungsgerät und das Meßgerät auf gleicher Achse liegend in einem festen Abstand zueinander auf einem zur Tunnelröhre ausrichtbaren Träger befestigt, der auf einem Fahrgestell angeordnet ist. Um ferner zu gewährleisten, daß die Vertikalebene rechtwinklig zur Tunnelröhre liegt, weist der Träger eine seitliche Steuerungseinrichtung auf, um den Träger um eine horizontale Drehachse in eine entsprechende Stellung zur Tunnelröhre auszurichten. Aufgrund der vielen vor der eigentlichen Messung vorzunehmenden Einstellarbeiten ist bei der Bestimmung des Innenprofils der Tunnelröhre eine Vielzahl von Fehlerquellen bereits vor der eigentlichen Messung gegeben, so daß die Genauigkeit der Ergebnisse stark beeinträchtigt sein kann. Auch muß nach jeder einzelnen Messung der Ortspunkt der Gesamtmeßvorrichtung bestimmt werden, um die Koordinaten der Profilpunkte auf die Ausgangskoordinaten zurückrechnen zu können. Weist die Tunnelröhre Krümmungen auf, muß die Lage der beiden Geräte bei einer Vermessung im bzw. hinter dem Krümmungsbereich innerhalb des Hohlraums jeweils neu festgelegt werden. Auch kann die Proportionalität des Meßsystems bzw. der Abbildungsmaßstab nicht ohne weiteres verändert werden, da er durch den festen Abstand zwischen den beiden Geräten vorgegeben ist.

In der aus der DE-OS 18 06 554 bekannten Vorrichtung sind zwei Laserstrahlen vorgesehen, die zur Bildung eines Dreiecks einander zugeordnet sind. Die Spitze des Dreiecks ist gegen das Innenprofil gerichtet. Überschreitet das Profil ein vorgegebenes Sollprofil, vereinigen sich die Seiten des Dreiecks nicht mehr. Man kann dann die Entfernung zwischen den beiden Punkten messen oder die Basis so lange verändern, bis die beiden Seiten des Dreiecks wieder die Spitze auf dem Innenprofil bilden. Ein derartiges Meßsystem ist sehr aufwendig, da ständig überwacht werden muß, ob die beiden Laserstrahlen sich zu einem Dreieck vereinigen. Zur Ermittlung der Abweichungen vom gegebenen Profil muß die Basis mechanisch verschoben werden. Aufgrund des enormen Aufwandes für die Messung nur eines Profilpunktes ist die Anordnung zur Vermessung des Gesamtprofils einer längeren Tunnelröhre nicht anwendbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren derart weiterzubilden, daß ohne große Einstellarbeiten und konstruktiven Aufwand das Innenprofil eines Hohlraums mit hoher Genauigkeit einfach und schnell bestimmt werden kann. Ferner ist eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 4 angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist das Meßgerät für einen zu vermessenden Tunnelabschnitt ortsfest angeordnet. Die Koordinaten des Standpunktes des Meßgerätes bezogen auf das Anschlußsystem sind bekannt. Mit dem Kurvenerzeugungsgerät wird dann auf der Wandung der Tunnelröhre eine Kurve erzeugt, die eine Vertikalebene definiert. Diese Vertikalebene muß dabei weder zur Tunnelachse noch zur Meßgerätachse ausgerichtet sein. Nun werden zunächst zwei in der Vertikalebene liegende Punkte frei gewählt und mittels des Meßgerätes deren Abstand und Winkel zur Lotrechten sowie zur Nordrichtung erfaßt. Anhand dieser vermessenen Punkte wird eine Bezugsgerade berechnet, die die Vertikalebene der Kurve bestimmt. Nunmehr werden die Kurvenpunkte des Innenprofils mittels des Meßgerätes vermessen und deren Koordinaten anhand der Bezugsgeraden berechnet.

Zur Vermessung einer weiteren Kurve des Innenprofils ist lediglich das Kurvenerzeugungsgerät in Axialrichtung um den gewünschten Betrag zu verfahren und die zu vermessende Kurve zu projizieren. Diese Kurve kann dann sofort - nach Bestimmung der Bezugsgeraden - vom Meßgerät erfaßt und entsprechend berechnet werden. Dabei bleibt der Standpunkt des Meßgerätes innerhalb der Tunnelröhre unverändert, so daß auch keine erneute Bestimmung der Standpunktkoordinaten bezogen auf das Anschlußsystem notwendig ist. Das ansonsten notwendige Ausrichten des Kurvenerzeugungsgerätes und des Meßgerätes zur Tunnelachse und zueinander kann entfallen.

So kann von einem beliebigen Standpunkt aus eine Vielzahl von Innenprofilen mit beliebiger Orientierung der Hohlraumachse vermessen werden. Infolge der jeweils bestimmten Bezugsgerade ist es nicht erforderlich, einen vorgegebenen Abstand zwischen dem die Kurve an der Wandung des Hohlraums erzeugenden Gerät und dem Strecken- und Winkelmeßgerät einzuhalten, sondern das Kurvenerzeugungsgerät kann in jeder beliebigen Lage zum Strecken- und Winkelmeßgerät aufgestellt werden. Dadurch ist auch eine einfache Vermessung des Hohlraums in einem gekrümmten Bereich möglich, da lediglich das Kurvenerzeugungsgerät verstellt werden muß, das Strecken- und Meßgerät hingegen seine Ausgangslage innerhalb des Hohlraumes beibehalten kann. Die Bezugsgerade und die die Kurve definierende Ebene können in beliebiger Lage zur Achse des Hohlraumes liegen, so daß das Innenprofil in beliebiger Orientierung vermessen werden kann. Sämtliche Punkte der Kurve lassen sich mit zwei Freiheitsgeraden bestimmen. Der dritte Freiheitsgrad wird durch Vertikal- und Horizontalwinkelmessung festgelegt.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen, in der ein nachstehend im einzelnen beschriebenes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt ist. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung eine Tunnelröhre mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Vermessung des Innenprofiles der Tunnelröhre,

Fig. 2 eine Draufsicht auf die Vermessungsvorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Seitenansicht der Vermessungsvorrichtung gemäß Fig. 1,

Fig. 4 in schematischer Ansicht eine Tunnelröhre mit Angabe der trigonometrischen Bestimmungsgrößen zur Vermessung des Innenprofils.

Fig. 1 zeigt die grundsätzliche Anordnung einer Vermessungsvorrichtung innerhalb des zu vermessenden Hohlraumes 1, der im Ausführungsbeispiel eine Tunnelröhre ist. Die Vorrichtung hat ein Strecken- und Winkelmeßgerät 4, das vorzugsweise ein elektronischer Tachymeter ist, aber auch ein Theodolit und dergleichen sein kann. Dem Meßgerät 4 steht mit Abstand ein Kurvenerzeugungsgerät 3 gegenüber, das vorzugsweise ein Lasergerät ist. Sein Laser rotiert beispielsweise in einer vertikalen Ebene und erzeugt an der Wandung der Tunnelröhre 1 eine Schnittkurve 2, die zur Vermessung des Innenprofiles der Tunnelröhre herangezogen wird. Das Kurvenerzeugungsgerät 3 ist vorzugsweise mit einer Horizontierautomatik versehen, so daß es genau horizontal eingestellt werden kann und die vom Laserstrahl erzeugte Schnittkurve 2 in einer Vertikalebene liegt. Das Gerät 3 ist vorzugsweise auf einem Fahrgestell 5 montiert, mit dem das Gerät längs der Tunnelröhre 1 verfahren werden kann, so daß in einfacher Weise längs der Tunnelröhre verschiedene Innenprofile vermessen werden können. Das Meßgerät 4 bleibt dabei in seiner Lage, muß also nicht zusammen mit dem Gerät 3 innerhalb der Tunnelröhre 1 verstellt werden.

Das Kurvenerzeugungsgerät 3 kann auch mit einer Vertikalautomatik versehen sein. Arbeitet das Gerät ganz ohne Automatik muß die vom Laserstrahl definierte Ebene nachträglich bestimmt werden. Die Automatik hat den Vorteil, daß die Bestimmung der ebenen Lage sehr einfach ist, da durch diese Automatik die Vertikale bzw. Horizontale vorgegeben ist bzw. der Neigungswinkel δ zur Vertikalen eingestellt werden kann.

Der Standpunkt 14 (Fig. 2) des Gerätes 4 kann frei gewählt sein. Von dem Standpunkt aus werden dann ausgewählte Punkte vermessen, deren Lage genau bekannt ist. Aus diesen Messungen läßt sich dann die Lage des Standpunktes 14 des Gerätes 4 bestimmen. Es ist aber auch möglich, von einem Standpunkt 14 auszugehen, dessen Koordinaten bekannt sind.

Zur Vermessung des Innenprofiles der Tunnelröhre 1 wird mit dem Gerät 3 durch den rotierenden Laserstrahl die Schnittkurve 2 an der Wandung der Tunnelröhre erzeugt. Die Schnittkurve 2 definiert eine Vertikalebene, deren horizontale Bezugsgerade 12 (Fig. 2) zunächst mit dem Meßgerät 4 bestimmt wird. Hierzu werden in der Vertikalebene wenigstens zwei beliebige Punkte 6 und 7 gewählt, deren Koordinaten x₆, y₆ und x₇, y₇ durch Strecken- und Winkelmessungen bestimmt werden. Zur Festlegung der Meßpunkte 6 und 7 werden beispielsweise Reflektoren in der durch die Schnittkurve 2 bestimmten Ebene angeordnet, mit denen beispielsweise durch Reflexion des vom Meßgerät 4 ausgesandten Meßstrahles die Abstände S₁ und S₂ vom Meßgerät zu den Punkten 6 und 7 bestimmt werden. Um die genaue Lage der Meßpunkte 6 und 7 im Raum zu bestimmen, müssen dann noch Horizontal- und Vertikalwinkelmessungen durchgeführt werden. Hierfür wird ein Bezugspunkt 11 mit den Koordinaten x_a, y_a gewählt (Fig. 2 und 4), der durch eine gedachte Verbindungslinie 15 mit dem Standpunkt 14 des Gerätes 4 verbunden ist (Fig. 2). Diese Verbindungslinie 15 liegt unter einem Horizontalwinkel T in bezug auf die Gitternordrichtung 16, bezogen auf den Standpunkt 14 des Meßgerätes 4. Die Horizontalwinkel α₁ und α₂ der Meßpunkte 6 und 7 (Fig. 2) werden zwischen der Verbindungslinie 15 und den Strecken S₁ und S₂ gemessen. Die Vertikalwinkel Z₁ und Z₂ (Fig. 3) werden zwischen der durch den Standpunkt 14 gehenden Vertikalen 17 und den Strecken S₁ und S₂ bestimmt. Aus den Strecken S₁ und S₂, aus den Horizontalwinkeln α₁ und α₂ sowie aus den Vertikalwinkeln Z₁ und Z₂ wird die durch die Schnittkurve 2 gegebene Vertikalebene bestimmt.

Die horizontale Bezugsgerade 12 dieser Vertikalebene (Fig. 2 und 4) ergibt sich somit durch die polare Bestimmung der Meßpunkte 6 und 7. Der Winkel T und damit die Lage der Verbindungslinie 15 ergibt sich aus folgender Beziehung:

Der Winkel T läßt sich also aus den Koordinaten der Punkte 11 und 14 berechnen, wobei der Standpunkt 14 die Koordinaten x_s, y_s hat. Somit können die Koordinaten x₆, y₆ und x₇, y₇ der Meßpunkte 6 und 7 nach folgenden Gleichungen bestimmt werden:

x₆ = S₁ · sin Z₁ · cos (T + α₁) + x_s

y₆ = S₁ · sin Z₁ · sin (T + α₁) + y_s

x₇ = S₂ · sin Z₂ · cos (T + α₂) + x_s

y₇ = S₂ · sin Z₂ · sin (T + α₂) + y_s

Die horizontale Bezugsgerade 12 der Vertikalebene errechnet sich aus

T_s ergibt sich hierbei als der Horizontalwinkel, den die Bezugsgerade 12 zu der durch den Meßpunkt 7 gehenden Gitternordrichtung 18 einnimmt (Fig. 2).

Aus den angegebenen Gleichungen läßt sich somit aus den Meßpunkten 6 und 7 in der Vertikalebene die Bezugsgerade 12, welche die horizontale Spur dieser Vertikalebene bildet, sehr einfach bestimmen. Anhand dieser Bezugsgerade lassen sich nun in einfacher Weise sämtliche erforderlichen Punkte auf der Schnittkurve 2 bestimmen. In den Figuren ist einer dieser Profilpunkte 8 angegeben. Sie können nach berührungsloser Messung der Horizontalwinkel β_i und der Vertikalwinkel V_i nach den Regeln der ebenen Trigonometrie bestimmt werden. Hierzu werden die Profilpunkte 8 auf die horizontale Bezugsgerade 12 der Vertikalebene projiziert, wodurch sich der Projektionspunkt 8′ auf der Bezugsgeraden 12 ergibt. Der Projektionspunkt 8′ wird bestimmt durch den Schnitt der Bezugsgeraden 12 mit einer durch den Standpunkt 14 gehenden horizontalen Geraden 19, die unter dem Winkel T_i (Fig. 2) zur Gitternordrichtung 16 liegt. Gemäß Fig. 2 ergibt sich der Winkel T_i aus der Beziehung T_i = T + β_i.

Die Winkel T, T_i und T_s sowie α₁, α₂ und β_i werden in Horizontalebenen gemessen, wobei als Bezugsebene die durch die horizontale Bezugsgerade 12 gehende Ebene herangezogen wird, die in Fig. 4 durch eine punktierte Ebene dargestellt ist.

Die Lagen der Profilpunkte 8 lassen sich nunmehr in einfacher Weise durch folgende Beziehungen bestimmen:

Hierbei ist

M = y_s - y₇ + tan T_i · (x₇ - x_s)

x_s, y_s, z_s sind die Koordinaten des Standpunktes 14.

Mit den oben angegebenen Beziehungen lassen sich somit in einfacher Weise sämtliche Profilpunkte 8 der Schnittkurve 2 und damit das Innenprofil der Tunnelröhre 1 bestimmen. Da die Bezugsgerade 12 in der Vertikalebene 2 als Bezugsgröße verwendet wird, kann der Abstand zwischen dem Meßgerät 4 und dem Gerät 3 in einem fehlertheoretisch vertretbaren Bereich beliebig gewählt werden.

Wie Fig. 3 zeigt, kann die die Schnittkurve 2 bestimmende Ebene 13 auch um den Winkel δ gegenüber der Vertikalen geneigt sein. Die Verwendung einer solchen geneigten Ebene 13 ist dann von Vorteil, wenn die Tunnelröhrenachse unter dem Winkel δ zur Horizontalen geneigt ist. Dann kann dieser Winkel durch die Schräglage der Ebene 13 bereits vor der Messung kompensiert werden, so daß dieser Neigungswinkel δ bei der Berechnung nicht berücksichtigt werden muß.

Das Kurvenerzeugungsgerät 3 kann so ausgebildet sein, daß es den Laserstrahl nicht kontinuierlich aussendet, sondern nur in vorgegebenen Winkelabständen oder in vorgegebenen Zeitabständen. Mit der Wahl dieser sogenannten Radial- oder Zeitsprungstände des rotierenden Lasers kann eine gleichmäßige Verteilung der Profilpunkte und ein gleichmäßiges Arbeiten des Beobachters erzielt werden. Die Bestimmung der Schnittkurve 2 kann vorteilhafterweise mit einem optischen Zielverfolgungssystem erfolgen, welches nach einmaliger Ausrichtung die Schnittkurve automatisch abfährt und die Meßwerte automatisch registriert.

Claims (9)

1. Verfahren zur berührungslosen Vermessung von Innenprofilen eines Hohlraums, wie eines Tunnels, eines Kanals oder dgl., bei dem an der Wandung des Hohlraums eine eine Vertikalebene definierende Kurve erzeugt wird, längs der durch Bestimmung von Kurvenpunkten das Innenprofil vermessen wird, dadurch gekennzeichnet, daß in der Vertikalebene wenigstens zwei frei wählbare Punkte (6 und 7) vermessen werden, daß anhand der Punkte eine die Vertikalebene bestimmende Bezugsgerade (12) berechnet wird, wonach die Kurvenpunkte (8) des Innenprofils längs der Kurve (2) durch Strecken- und Winkelmessungen vermessen werden und deren Koordinaten (x_i, y_i) anhand der Bezugsgeraden (12) berechnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vertikalebene unter einem wählbaren Neigungswinkel (δ) zur Vertikalen eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsgerade (12) horizontal gelegt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem die Kurve an der Wandung des Hohlraums erzeugenden Gerät und einem Strecken- und Winkelmeßgerät, das dem Kurvenerzeugungsgerät mit Abstand gegenüberliegt, dadurch gekennzeichnet, daß das Strecken- und Winkelmeßgerät (4) ortsfest und das Kurvenerzeugungsgerät (3) verfahrbar angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kurvenerzeugungsgerät (3) ein Lasergerät mit einem vorzugsweise rotierenden Laserstrahl ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl in Radial- und/oder Zeitsprungständen rotierbar ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kurvenerzeugungsgerät (3) auf einem Fahrgestell (5) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät (4) ein optisches Zielverfolgungsgerät ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät (4) ein elektronischer Tachymeter ist.