DE3833203C1 - Device for the numeric acquisition of coordinates for CAD systems - Google Patents

Device for the numeric acquisition of coordinates for CAD systems

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DE3833203C1
DE3833203C1 DE19883833203 DE3833203A DE3833203C1 DE 3833203 C1 DE3833203 C1 DE 3833203C1 DE 19883833203 DE19883833203 DE 19883833203 DE 3833203 A DE3833203 A DE 3833203A DE 3833203 C1 DE3833203 C1 DE 3833203C1
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    • G01B5/004Measuring arrangements characterised by the use of mechanical means for measuring coordinates of points

Abstract

The device serves for the polar acquisition of object points, especially in surveying, for the purposes of documentation in the field of the preservation of historical monuments, building research, archaeology and architecture, especially in the case of later evaluation and further processing in CAD systems or for archiving in databases. The device works according to the method of polar surveying of points in a plane. In this case, the measuring cord (1) of a measuring cord unit (3) is led through the pivot (8) of an angle measuring unit (2) and deflected into the measuring plane epsilon in a measuring cord guide arm (5) sitting on the pivot. The deviation beta of the measuring cord from the measuring plane epsilon after the exit of the cord from the measuring cord guide arm (5) is recorded by a detector (6). The measuring cord (1), held under tension by the measuring cord unit (3), carries the measuring cord guide arm (5) along with it continuously and thus enables a continuous angle measurement alpha by means of the angle measuring unit (2). The cord extended length SP recorded by the measuring cord unit, the plane deviation beta and the angle data alpha are fed to a control and evaluation computer (7). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, insbesondere bei der computergestützten Vermessung bzw. Baubestandsaufnahme im Bereich von Architektur und Denkmalpflege.The invention relates to a device according to the preamble of claim 1, especially in computer-aided surveying or building inventory in the area of architecture and Preservation of monuments.
Vor jeder Sanierung oder Umplanung eines Gebäudes steht zunächst eine genaue Baubestandaufnahme und Substanzuntersuchung. Dies gilt insbesondere für unter Denkmalschutz stehende Gebäude, aber auch für Gebäude, von denen keine brauchbaren Grundrisse, Schnitte und Detailpläne vorliegen. Dies bedeutet, daß zur Schaffung der Planungsgrundlage die Gebäude exakt vermessen werden müssen. Nicht selten gestalten sich die Vermessungsarbeiten dabei besonders schwierig und aufwendig, weil z. B. Wände stark verformt, oder die Grundrisse von z. B. Kellern und Gewölben labyrinthisch verschachtelt sind.Before any renovation or rescheduling of a building is first an exact building inventory and substance analysis. This applies in particular to listed buildings Buildings, but also for buildings, none of which are usable Floor plans, sections and detailed plans are available. This means that to create the planning basis, the buildings must be measured exactly. Design not infrequently the surveying work is particularly difficult and expensive because z. B. walls strongly deformed, or the floor plans from Z. B. Basements and vaults nested labyrinthine are.
Die zur Lösung derartiger Vermessungsaufgaben verwendeten Methoden und Geräte sind vielfältiger Art. Sie reichen von einfachen manuellen Hilfsmitteln, wie Fluchtstangen, Fluchtschnüre, Maßband, usw. bis hin zum hochpräzisen elektronischen Vermessungsgerät mit Computerunterstützung und/oder CAD-Anbindung, z. B. elektronischer Theodolit mit optischem Entfernungsmesser.The methods used to solve such surveying tasks and devices are diverse. They range from simple manual aids such as escape poles, Escape cords, tape measure, etc. up to high-precision electronic measuring device with computer support and / or CAD connection, e.g. B. electronic theodolite with optical Rangefinder.
So ist z. B. der DE-PS 1 79 531 eine Vorrichtung zur Aufnahme von Terrainprofilen entnehmbar, bei der die Meßspitze eines Meßseils zu einem zu erfassenden Objektpunkt geführt wird und Höhen- und Längenmaße an Einteilungen des Meßseils und einer Meßlatte ablesbar sind.So z. B. DE-PS 1 79 531 a device for receiving Terrain profiles can be removed, in which the measuring tip of a measuring rope is led to an object point to be detected and Height and length measurements on divisions of the measuring rope and one Rulers are readable.
Die DE 88 01 109 U1 beschreibt einen Seillängengeber, bei dem die Länge eines abgewickelten Seiles mit einem Drehgeber gemessen wird und das Seil mit Hilfe einer als Rückstellmittel wirkenden Spiralfeder unter Spannung gehalten wird.DE 88 01 109 U1 describes a rope length sensor in which measured the length of a unwound rope with an encoder and the rope with the help of a reset device acting coil spring is kept under tension.
Des weiteren sind Meßseilprinzip-Meßwertaufnehmer unterschiedlicher Hersteller bekannt (siehe z. B. Prospekt der Fa. Asternetron Systems Meßtechnik GmbH, D-8025 Unterhaching) Auch elektronische Ingenieur- und Bautachymeter sind bekannt (z. B. ELTA 4 der Fa. Carl Zeiss, D-7082 Oberkochen).Furthermore, measuring cable principle sensors are different Manufacturer known (see e.g. brochure of Asternetron Systems Meßtechnik GmbH, D-8025 Unterhaching) Electronic engineering and construction tachymeters are also known (e.g. ELTA 4 from Carl Zeiss, D-7082 Oberkochen).
Elektronische Tachymeter finden ihren Einsatzbereich vorwiegend bei geodätischen Messungen im freien Gelände, wo bei Wirkungsbeständen von bis zu einigen tausend Metern hohe Genauigkeit im Verhältnis zum zu vermessenden Abstand (10-5) erreicht werden kann.Electronic tachymeters are mainly used for geodetic measurements in open terrain, where a high accuracy in relation to the distance to be measured (10 -5 ) can be achieved with impact stocks of up to a few thousand meters.
Zur Vermessung in Gebäuden, vor allem bei beengtem Raum, eignen sie sich wegen ihres komplizierten Aufbaus und Handhabung und mehreren arbeitsaufwendigen Vorbereitungen zur Erfassung eines Punktes weniger.Suitable for measurements in buildings, especially in confined spaces because of their complicated structure and handling and several laborious preparations for recording one point less.
Beim polaren Vermessungsverfahren von Gebäuden werden mit ihnen von einer vorher festgelegten Nullinie aus (geradlinige Verbindung zweier Polygonpunkte) die Horizontalwinkel, Vertikalwinkel und Strecken zu den anvisierten Gebäudezielpunkten gemessen. In the polar surveying method of buildings with them from a predetermined zero line (straight line Connection of two polygon points) the horizontal angle, vertical angle and routes to the targeted building target points measured.  
Derartige Geräte verwenden zur Streckenmessung mit Laserstrahlen arbeitende Entfernungsmesser, die gewöhnlich auf dem Prinzip der Laufzeitmessung eines die betreffende Entfernungsstrecke durchlaufenden Strahlungsimpulse beruhen.Such devices use for distance measurement with laser beams working rangefinders, usually based on the principle the transit time measurement of the distance in question continuous radiation pulses are based.
Derartige Laufzeitmessungen sind zwar mit großer Genauigkeit durchzuführen, bedürfen aber eines großen meßtechnischen Aufwandes an Elektronik und intensiver Strahlungsquellen. Des weiteren muß am anvisierten Gebäudezielpunkt ein Reflektor bzw. Strahlenwender (z. B. Tripelprisma) angebracht werden, damit der auftreffende Lichtstrahl zum Zwecke der Laufzeitmessung zurückgeworfen wird.Such runtime measurements are true with great accuracy to carry out, however, require a great deal of metrological effort of electronics and intense radiation sources. Furthermore, a reflector must be located at the target building target or beam turner (e.g. triple prism) are attached so that the incident light beam for the purpose of measuring the transit time is thrown back.
Dies bedeutet, daß bei jeder Messung folgende Arbeitsschritte durchzuführen sind:This means that the following steps are carried out for each measurement to be carried out:
  • - Setzen des Reflektors am Gebäudezielpunkt.- Set the reflector at the building target point.
  • - Genaues Anvisieren des Reflektors mit dem Strichkreuzfernrohr des elektronischen Theodoliten.- Precise sighting of the reflector with the line cross telescope of the electronic theodolite.
  • - Gegebenenfalls Anvisieren des Reflektors mit dem Laserentfernungsmesser.- If necessary, aim the reflector with the laser rangefinder.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese zeit- und personalaufwendigen Arbeitsschritte im Bereich der Gebäudevermessung zu reduzieren, und eine vom Prinzip der Laserentfernungsmessung abweichende, technisch leicht realisierbare Einrichtung zur Koordinatenerfassung mittels eines Meßseils anzugeben. Des weiteren soll auch die koordinatenmäßige Erfassung von Details an Bauwerken, z. B. Fenster, Türen, usw. rationell ermöglicht werden.The invention has for its object this time and personnel consuming Steps in the field of building surveying to reduce, and one from the principle of laser distance measurement deviating, technically easy to implement to specify the coordinates using a measuring cable. Furthermore, the coordinate-based recording should also of details on structures, e.g. B. windows, doors, etc. rational be made possible.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung nach den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.This object is achieved according to the invention according to the characterizing Features of claim 1 solved.
Vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung entnimmt man den Unteransprüchen 2 bis 10. Dadurch, daß die Winkel- und Wegmessung, bedingt durch das stetige Mitführen der Winkelmeßeinheit durch das gespannte Meßseil, fortlaufend gleichzeitig erfolgt, entfällt das Anvisieren des Objektpunktes (= Gebäudezielpunkt) zum Zwecke der Winkelmessung (α : β), sowie auch das Plazieren eines Reflektors oder Strahlenwenders zum Zwecke der Streckenmessung .Advantageous embodiments of the invention can be found in subclaims 2 to 10. Because the angle and displacement measurement, due to the constant carrying of the angle measuring unit by the tensioned measuring rope, is carried out continuously at the same time, there is no need to sight the object point (= building target point) for the purpose of angle measurement (α: β) , as well as the placement of a reflector or beam turner for the purpose of distance measurement.
Durch den Wegfall dieser Meßvorbereitungen wird der Einsatz eines Funk- bzw. Infrarot-Senders zur fernbedienten Meßauslösung und Anweisungscodeübertragung zweckmäßig und ermöglicht dadurch den Einsatz des Gerätes zur Gebäudevermessung durch nur eine Person. Des weiteren ist das Gerät bei der Gebäudevermessung unkomplizierter in der Handhabung und erzielt zudem bei einem erreichbaren Meßzyklus von 2 Sek. und weniger einen wesentlich zügigeren Arbeitsfortschritt, bzw. ermöglicht gegenüber anderen Verfahren das Erfassen von mehr Meßpunkten in der selben Zeit und erhöht somit die Genauigkeit der Bestandsaufnahme.By eliminating these measurement preparations, the use a radio or infrared transmitter for remote-controlled measurement triggering and instruction code transfer convenient and enables thereby the use of the device for building measurement by just one person. The device is also used for building measurements easier to use and achieved also with an achievable measuring cycle of 2 seconds and less a much faster work progress, or enables compared to other methods, the acquisition of more measuring points at the same time, increasing the accuracy of the inventory.
Die durch Meßseil- und Winkelmeßeinheit erfaßten polaren Koordinaten ; α; β) des Objektpunktes P′ bezüglich des Gerätestandortes werden von internen Steuer- und Auswerterechner weiterverarbeitet. The polar coordinates detected by the measuring cable and angle measuring unit; α; β) of the object point P ' with respect to the device location are further processed by internal control and evaluation computers.
Mit Hilfe von entsprechenden mathematischen Verfahren lassen sich hieraus die entsprechenden zweidimensionalen Projektionskoordinaten P(x; y) des Objektpunktes P′(x; y; z) errechnen.The corresponding two-dimensional projection coordinates P (x; y) of the object point P ′ (x; y; z) can be calculated from this with the aid of corresponding mathematical methods.
Es ist klar, daß behindernden physikalischen Einflüssen bei der Meßwerterfassung, wie z. B. durch die Erdschwerkraft bedingter Durchgang des Meßseils, Meßseildehnung durch Zugkraft und gegebenenfalls Luftfeuchtigkeit, bei der Koordinatenerrechnung durch entsprechende ausgleichende Berechnungsmethoden begegnet werden muß.It is clear that physical interference hinders the measured value acquisition, such as. B. caused by gravity Passage of the measuring rope, elongation of the measuring rope by tensile force and possibly humidity, when calculating coordinates through appropriate compensatory calculation methods must be met.
Die erfaßten Objektkoordinaten werden zusammen mit einem Anweisungsbefehl, der zum Beispiel die Verbindungsinformation der Koordinate beinhaltet, abgespeichert.The detected object coordinates are combined with an instruction command, for example the connection information which contains the coordinate.
Dazu können Datenspeicher jeder Art Verwendung finden und dem Gerät zugeordnet werden.All types of data storage can be used for this and the Device.
Anhand der folgenden Zeichnungen soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigtThe invention is intended to be explained in more detail with reference to the following drawings are explained. It shows
Fig. 1 das Prinzip der Koordinatenerfassung in einer räumlichen Darstellung, Fig. 1 illustrates the principle of coordinate detection in a spatial representation,
Fig. 2 einen Beispielaufbau zur Objektvermessung, Fig. 2 shows an example structure for object measurement,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung im Längsschnitt, Fig. 3 shows an embodiment of the device in longitudinal section;
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung im Gegenschnitt. Fig. 4 shows an embodiment of the device in counter section.
Fig. 1 zeigt in einer räumlichen Darstellung das Prinzip der Koordinatenerfassung eines Objektpunktes P′ und das mathematische Verfahren zur Reduktion (Zurückführung; hier Projektion) des Objektpunktes P′ in die Meßebene (ε) auf. Fig. 1 shows a spatial representation of the principle of coordinate detection of an object point P ' and the mathematical method for reducing (return; here projection) of the object point P' in the measuring plane (ε) .
Durch diese rechnerische Reduktion des Objektpunktes P′ zu Pε soll erreicht werden, daß bei der Vermessung geringfügige Abweichungen des Meßseils (1) aus der Meßebene (ε) nicht zu Meßfehlern führen.This mathematical reduction of the object point P ′ to Pε is intended to ensure that slight deviations of the measuring cable ( 1 ) from the measuring plane ( ε) do not lead to measurement errors during the measurement.
Dabei entspricht die Strecke der Länge des Meßseilstückes, das sich im Meßseilführungsarm (5) befindet, also von der Geräteachse (O) (= Achse der Winkelmeßeinheit bzw. Hohlwelle) bis hin zum Punkt S reicht. Diese Strecke ist konstant. Nach dem Punkt S kann das Meßseil in vertikaler Richtung (= Ebenenabweichung β) abgelenkt werden.The distance corresponds to the length of the measuring cable piece, which is located in the measuring cable guide arm ( 5 ), that is, from the device axis (O) (= axis of the angle measuring unit or hollow shaft) to point S. This route is constant. After point S , the measuring cable can be deflected in the vertical direction (= level deviation β) .
Diese Ablenkung (β) wird durch einen Detektor (6), der nach dem Ablenkungspunkt S angeordnet ist, erfaßt.This deflection (β) is detected by a detector ( 6 ) which is arranged after the deflection point S.
Die gemessene Strecke kann in einem ersten Berechnungsschritt, zu dem auch der detektierte Ebenenabweichungswinkel (β) benötigt wird, zur sich auf der Meßebene (ε) befindlichen Strecke (= R₁), zurückgerechnet werden. Da das Meßseil (1) den Meßseilführungsarm (5), der der Strecke (= R₀) entspricht, stetig in Meßrichtung mitführt, ergibt sich, daß die Strecken und parallel zueinander sind und somit addiert werden können (R₀ + R₁). Zusammen mit der horizontalen Ablenkung, dem Winkel α, lassen sich nach dem zweiten und dritten Berechnungsschritt die karthesischen Koordinaten (x₂; y₂) des Punktes P errechnen. In a first calculation step, to which the detected plane deviation angle (β) is also required, the measured distance can be calculated back to the distance (= R ₁) located on the measuring plane ( ε) . Since the measuring cable ( 1 ) constantly carries the measuring cable guide arm ( 5 ), which corresponds to the distance (= R ₀), in the measuring direction, it follows that the distances and are parallel to one another and can therefore be added (R ₀ + R ₁). Together with the horizontal deflection, the angle α , the Cartesian coordinates (x ₂; y ₂) of the point P can be calculated after the second and third calculation steps.
Fig. 2 zeigt einen Beispielaufbau zur Objektvermessung. Dabei wird die Auszuglänge des Meßseils (1) durch eine z. B. digital-inkrementale Meßseileinheit (3), deren Kernstück ein photoelektrischer Drehgeber ist, registriert, wodurch der angeschlossene Steuer- und Auswerterechner (7) stetig über die aktuellen Wegdaten verfügt. Fig. 2 shows an example configuration for object measurement. The pull-out length of the measuring cable ( 1 ) by a z. B. digital-incremental measuring cable unit ( 3 ), the core of which is a photoelectric rotary encoder, registered, whereby the connected control and evaluation computer ( 7 ) constantly has the current path data.
Des weiteren durchläuft das Meßseil eine Hohlwelle (8) in der Drehachse (0) der Winkelmeßeinheit (2), wird durch einen Meßseilführungsarm (5) in die Meßebene (ε) umgelenkt, verläßt diesen am Punkt S und durchläuft zur Feststellung der ab Punkt S möglichen Ebenenabweichung (β) (siehe auch Fig. 1) einen Detektor (6).Furthermore, the measuring cable passes through a hollow shaft ( 8 ) in the axis of rotation ( 0 ) of the angle measuring unit ( 2 ), is deflected by a measuring cable guide arm ( 5 ) into the measuring plane (ε) , leaves it at point S and passes through to determine from point S possible level deviation (β) (see also Fig. 1) a detector ( 6 ).
Wie dargestellt richtet sich der Meßseilführungsarm (5), der auf der Hohlwelle (8) befestigt ist, welche wiederum die Winkelmeßeinheit (2) mitführt, in die Richtung des Objektpunktes P′ aus und bildet mit den Punkten O, S und P auf der Meßebene (ε) eine Gerade, zu der der Winkel α mit der Winkelmeßeinheit (2) gemessen wird.As shown, the measuring cable guide arm ( 5 ), which is attached to the hollow shaft ( 8 ), which in turn carries the angle measuring unit ( 2 ), in the direction of the object point P ' and forms with the points O, S and P on the measuring plane (ε) a straight line to which the angle α is measured with the angle measuring unit ( 2 ).
Nachdem in Fig. 1 erläuterten mathematischen Verfahren lassen sich die gesuchten Koordinaten P(x₂; y₂) errechnen.After the mathematical method explained in Fig. 1, the searched coordinates P (x ₂; y ₂) can be calculated.
Es ist zweckmäßig zur Verhinderung eines zu schnellen Meßseilrücklaufes zwischen der Meßseileinheit (3) und der Winkelmeßeinheit (2) eine Meßseilrücklaufbremse (4) anzuordnen, die gegebenenfalls durch den Steuer- und Auswerterechner (7) entsprechend geregelt wird.It is useful to prevent a too fast measuring cable return between the measuring cable unit ( 3 ) and the angle measuring unit ( 2 ) to arrange a measuring cable return brake ( 4 ), which may be regulated accordingly by the control and evaluation computer ( 7 ).
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung im Längsschnitt und im Gegenschnitt A-A und werden hier zweckmäßigerweise gemeinsam erläutert. Fig. 3 and Fig. 4 show an embodiment of the device in longitudinal section and in a counter-section AA and are conveniently discussed together here.
Wie bereits beschrieben, wird ein dünnes Meßseil (1) (z. B. aus Kohlefaser), an dem eine Meßspitze (18) mit Haltegriff (19) befestigt ist, an den Objektpunkt P′ geführt. Die Länge des dabei ausgezogenen Meßseils (1) wird durch die Meßseileinheit (3) registriert.As already described, a thin measuring cable ( 1 ) (z. B. carbon fiber), on which a measuring tip ( 18 ) with handle ( 19 ) is attached to the object point P ' . The length of the measuring rope ( 1 ) pulled out is registered by the measuring rope unit ( 3 ).
Diese ist wie folgt aufgebaut. Das Meßseil (1) befindet sich auf einem Zylinder (20) dessen Durchmesser so gewählt wurde, daß der Wirkungsumfang zusammen mit dem Meßseil z. B 500 mm beträgt. Wird nun das Meßseil (1) ausgezogen, so nimmt der Zylinder (20) mit dem Stift (21) eine geschlitzte Hohlwelle (22) mit, die auf der Achse eines inkrementalen, photoelektrischen Drehgebers (17) angebracht ist. Bei einer Teilscheibe von z. B. 500 Strichen kann durch Zweifachausnutzung der um 90° phasenversetzten Gebersignale eine Auflösung von 1000 Inkrementen pro Umdrehung erreicht werden.This is structured as follows. The measuring rope ( 1 ) is located on a cylinder ( 20 ) whose diameter has been chosen so that the scope of action together with the measuring rope z. B is 500 mm. If the measuring cable ( 1 ) is now pulled out, the cylinder ( 20 ) takes with the pin ( 21 ) a slotted hollow shaft ( 22 ) which is attached to the axis of an incremental, photoelectric rotary encoder ( 17 ). With a indexing disc of z. B. 500 lines can be achieved by double use of the 90 ° phase-shifted encoder signals, a resolution of 1000 increments per revolution.
Wenn der Wirkungsumfang des Zylinders 500 mm beträgt, entspricht dies einer Auflösung von 0,5 mm bei der Längenmessung. Diese Auflösung ließe sich nach derzeitigem Stand der Technik erforderlichenfalls sogar in den µm-Bereich verbessern, was jedoch für den beschriebenen Einsatzbereich keinesfalls erforderlich ist. If the range of action of the cylinder is 500 mm, this corresponds to this is a resolution of 0.5 mm for the length measurement. These If necessary, the current state of the art would allow resolution even improve in the µm range, but what not necessary for the described area of application is.  
Entspricht der Wirkungsumfang nicht einem idealen Wert, wie oben beschrieben, so kann die registrierte Zylinderumdrehung auch mit einem entsprechenden Korrekturfaktor bei der Berechnung der Strecke im Steuer- und Auswerterechner (7) ausgeglichen werden.If the scope of action does not correspond to an ideal value, as described above, the registered cylinder rotation can also be compensated with a corresponding correction factor when calculating the distance in the control and evaluation computer ( 7 ).
Damit das Meßseil (1) nebeneinander auf dem Zylinder (20) aufgewickelt wird, muß sich dieser kontinuierlich bei der Umdrehung horizontal bewegen. Aus diesem Grunde ist der Zylinder (20) auf einem Radialkugellager (23) gelagert, das wiederum auf einer Hülse (24) mit Linearkugellager (25) sitzt, damit die durch die Zylinderumdrehung eingeleitete Horizontalbewegung auf der Welle (26) spielfrei und leicht möglich ist. Die Horizontalbewegung des Zylinders wird dadurch erzielt, daß sich am Ende der Welle (26) ein Gewinde (27) befindet, in welches das Innengewinde (28) des Zylinders (20) eingreift und somit den Zylinder (20) bei jeder Umdrehung um eine Gewindesteigung, die ungefähr dem Meßseildurchmesser entspricht, verschiebt.So that the measuring cable ( 1 ) is wound next to each other on the cylinder ( 20 ), the cylinder must move horizontally during the rotation. For this reason, the cylinder ( 20 ) is mounted on a radial ball bearing ( 23 ), which in turn is seated on a sleeve ( 24 ) with a linear ball bearing ( 25 ) so that the horizontal movement on the shaft ( 26 ) initiated by the cylinder rotation is free of play and easily possible . The horizontal movement of the cylinder is achieved by the fact that at the end of the shaft ( 26 ) there is a thread ( 27 ) into which the internal thread ( 28 ) of the cylinder ( 20 ) engages and thus the cylinder ( 20 ) by one thread pitch with each revolution , which corresponds approximately to the measuring rope diameter.
Damit das Meßseil (1) beim Ausziehen immer gespannt ist befindet sich im Zylinder (20) eine entsprechend dimensionierte Stahlbandfeder (29). Diese ist spiralförmig aufgewickelt und mit den Enden an der Hülse (24) bzw. dem inneren Zylindermantel befestigt (Federmotor). Damit die Anspannung der Stahlbandfeder (29) ermöglicht wird, muß verhindert werden, daß sich das Linearkugellager (25) und auch die Hülse (24) um die Wellenachse verdrehen können. Dies geschieht durch das Abdeckblech (30), das fest mit der Hülse (24) verbunden ist und unten eine Führungsrolle (31) besitzt, die geführt von einem Anschlagwinkel (32) nur horizontale Bewegung ermöglicht (Pfeilrichtung in Fig. 4).So that the measuring cable ( 1 ) is always tensioned when it is pulled out, there is a correspondingly dimensioned steel band spring ( 29 ) in the cylinder ( 20 ). This is wound up in a spiral and fastened with the ends to the sleeve ( 24 ) or the inner cylinder jacket (spring motor). So that the tensioning of the steel band spring ( 29 ) is made possible, it must be prevented that the linear ball bearing ( 25 ) and also the sleeve ( 24 ) can rotate about the shaft axis. This is done by the cover plate ( 30 ), which is firmly connected to the sleeve ( 24 ) and has a guide roller ( 31 ) at the bottom, which, guided by a stop bracket ( 32 ), only allows horizontal movement (arrow direction in FIG. 4).
Das Meßseil wird vom Zylinder (20) mit Hilfe einer Seilführungsrolle (14) in die Achse der Hohlwelle (8) (= Drehachse der Winkelmeßeinheit (2)) umgelenkt und von weiteren Seilführungsrollen (12) im Meßseilführungsarm (5) in die Meßebene (ε) geführt. Nach dem Austrittspunkt S wird das Meßseil in horizontaler Richtung durch zwei gegenüberliegende Kunststoffgleitlager (13) spielfrei geführt, die jedoch die Bewegung des Meßseils (1) in vertikaler Richtung erlauben. Um nun den vertikalen Winkel (= Ebenenabweichungswinkel β) zu erfassen wurde in die Kunststoffgleitlager (13) ein Detektor (6) integriert, der die Meßseilstellung bezüglich der Meßebene detektiert.The measuring cable is deflected by the cylinder ( 20 ) with the aid of a cable guide roller ( 14 ) into the axis of the hollow shaft ( 8 ) (= axis of rotation of the angle measuring unit ( 2 )) and by further cable guide rollers ( 12 ) in the measuring cable guide arm ( 5 ) into the measuring plane (ε ) led. After the exit point S , the measuring cable is guided without play in the horizontal direction through two opposite plastic sliding bearings ( 13 ), which, however, allow the measuring cable ( 1 ) to move in the vertical direction. In order to detect the vertical angle (= plane deviation angle β) , a detector ( 6 ) was integrated into the plastic plain bearing ( 13 ), which detects the measuring cable position with respect to the measuring plane.
Als Detektor kann z. B. ein lichtempfindlicher Zeilenempfänger eingesetzt werden. Bei einem Zellenabstand von 13 µm bei einer CCD-Zelle und einer Anordnungsentfernung von 15 mm zum Ablenkpunkt S ergibt sich eine maximale Winkelauflösung von 0,05°. Diese entspricht bei einer Meßstrecke von 20 m einer Objektpunktauflösung von ca. 17,5 mm. Diese wäre für eine räumliche Meßpunkterfassung viel zu grob.As a detector z. B. a light-sensitive line receiver can be used. With a cell spacing of 13 µm with a CCD cell and an arrangement distance of 15 mm from the deflection point S , the maximum angular resolution is 0.05 °. With a measuring distance of 20 m, this corresponds to an object point resolution of approx. 17.5 mm. This would be far too rough for a spatial measurement point acquisition.
Da jedoch nur die Projektionspunkte P der Objektpunkte P′ gesucht sind, ergibt sich bei einer hier geforderten Auflösung der Koordinaten von ±5 mm, daß der Ebenenabweichungswinkel (β) auf max. ca. 17° begrenzt ist, d. h. daß Objektpunkte, die außerhalb dieses Winkels liegen, nicht erfaßt werden können, bzw. daß keine Meßauslösung erfolgen kann. However, since only the projection points P of the object points P 'are sought, the resolution of the coordinates of ± 5 mm required here means that the plane deviation angle (β) is limited to max. is limited by approximately 17 °, ie that object points which lie outside this angle cannot be detected, or that no measurement triggering can take place.
Der Horizontalwinkel (α) wird durch die Winkelmeßeinheit (2), ebenfalls einen inkrementalen photoelektrischen Drehgeber, erfaßt. Dabei ist die inkrementale Teilungsscheibe (10) auf der kugelgelagerten Hohlwelle (8) befestigt und wird durch die Abtasteinrichtung (11), die am Grundgestell (9) angeordnet wurde, berührungsfrei optoelektronisch abgetastet.The horizontal angle (α) is detected by the angle measuring unit ( 2 ), also an incremental photoelectric rotary encoder. The incremental graduation disk ( 10 ) is fastened on the ball-bearing hollow shaft ( 8 ) and is scanned optoelectronically without contact by the scanning device ( 11 ) which has been arranged on the base frame ( 9 ).
Bei einer eingesetzten Teilungsscheibe mit z. B. 2500 Inkrementen läßt sich durch 10fach-Unterteilung, der um 90° phasenverschobenen sinusförmigen Ausgangssignale und anschließender 4fach-Auswertung eine Auflösung von ca. 100 000 Inkrementen pro Umdrehung erzielen. Dies bedeutet eine Winkelauflösung von 0,0036°, was bei einer Meßseillänge von 20 m einer maximalen Abweichung von ±0,6 mm entspricht. Dieser Wert erhöht sich jedoch in der Praxis auf ca. ±3 mm, da der Mitführung des Meßseilführungsarmes (5) durch das Meßseil (1) die Reibung der Hohlwellenkugellager (33) entgegenwirkt.When using a dividing disc with z. B. 2500 increments can be achieved by a 10-fold subdivision, the 90 ° phase-shifted sinusoidal output signals and subsequent 4-fold evaluation, a resolution of approximately 100,000 increments per revolution. This means an angular resolution of 0.0036 °, which corresponds to a maximum deviation of ± 0.6 mm with a measuring cable length of 20 m. In practice, however, this value increases to approx. ± 3 mm, since carrying the measuring cable guide arm ( 5 ) through the measuring cable ( 1 ) counteracts the friction of the hollow shaft ball bearings ( 33 ).
Unterhalb der Winkelmeßeinheit (2) kann erforderlichenfalls zur Schwingungsdämpfung des Meßseilführungsarmes (5) ein Flügelrad (34) an der Hohlwelle (8) angeordnet sein.If necessary, an impeller ( 34 ) can be arranged on the hollow shaft ( 8 ) below the angle measuring unit ( 2 ) to dampen vibrations of the measuring cable guide arm ( 5 ).
Damit das Meßseil, das durch den bereits beschriebenen Federmotor gespannt wird, beim Rücklauf auf den Zylinder (20) nicht zu schnell wird, ist es zweckmäßig zwischen Winkelmeßeinheit (2) und Meßseileinheit (3) eine Meßseilrücklaufbremse (4) anzuordnen.So that the measuring cable, which is tensioned by the spring motor already described, does not become too fast when it returns to the cylinder ( 20 ), it is advisable to arrange a measuring cable return brake ( 4 ) between the angle measuring unit ( 2 ) and the measuring cable unit ( 3 ).
Dies kann einfachsterweise eine Hartgummirolle (15) sein, die gegen die Seilführungsrolle (14) gedrückt wird und beim Meßseilrücklauf z. B. durch eine Wirbelstrombremse (16), die am Grundgestell (9) befestigt ist, gebremst wird. Die Bremskraft kann gegebenenfalls durch den Steuer- und Auswerterechner (7) geregelt werden.This can simply be a hard rubber roller ( 15 ), which is pressed against the cable guide roller ( 14 ) and z. B. by an eddy current brake ( 16 ) which is fixed to the base frame ( 9 ), is braked. If necessary, the braking force can be regulated by the control and evaluation computer ( 7 ).
Die Winkelmeßeinheit (2), die Meßseilrücklaufbremse (4), der Drehgeber (17), die Welle (26), der Anschlagwinkel (32) und die Steuer- und Auswerteelektronik (7) sind auf dem Grundgestell (9) befestigt.The angle measuring unit ( 2 ), the measuring cable return brake ( 4 ), the rotary encoder ( 17 ), the shaft ( 26 ), the stop bracket ( 32 ) and the control and evaluation electronics ( 7 ) are attached to the base frame ( 9 ).
Dieses Grundgestell (9) wird mit einer Grundplatte (35) verbunden, in welcher sich zentrisch (= Geräteachse O) eine Justierbohrung (36) befindet. Sie dient der Zentrierung des Gerätes auf einer horizontal ausgerichteten Stativplatte. Am Gehäuse des Gerätes befinden sich das Bedienfeld und entsprechende Schnittstellenanschlüsse.This base frame ( 9 ) is connected to a base plate ( 35 ), in which there is an adjustment hole ( 36 ) centrally (= device axis O) . It is used to center the device on a horizontally aligned tripod plate. The control panel and corresponding interface connections are located on the housing of the device.
Zu erwähnen ist noch, daß durch den Einsatz höher auflösender Drehgeber die Meßauflösung des Gerätes noch wesentlich erhöht werden könnte, was jedoch zur Lösung der Aufgabe nicht erforderlich ist. Die erzielbare Meßgenauigkeit liegt bei der beschriebenen Einrichtung bei einer MeßstreckeIt should also be mentioned that the use of higher resolution Encoder significantly increases the measurement resolution of the device could be, but this is not necessary to solve the task is. The achievable measurement accuracy is the one described Establishment at a Measuring section
von 20 m bei ca. ±5,0 mm,
von 10 m bei ca. ±2,3 mm,
von  5 m bei ca. ±1,5 mm,
from 20 m at approx. ± 5.0 mm,
from 10 m at approx. ± 2.3 mm,
from 5 m at approx. ± 1.5 mm,
wobei die Auflösung quadratisch mit der Entfernung abnimmt. Die beschriebene Einrichtung kann auch der Erfassung von Koordinaten im Raum mit hoher Auflösung dienen, wenn die Winkelauflösung des Detektors (6) diesen Erfordernissen entsprechend erhöht wird, z. B. durch Vergrößerung des Abstandes zu Punkt S.where the resolution decreases quadratically with distance. The device described can also be used to detect coordinates in space with high resolution if the angular resolution of the detector ( 6 ) is increased accordingly, z. B. by increasing the distance to point S.

Claims (10)

1. Einrichtung zur numerischen Koordinatenerfassung für CAD-Systeme, basierend auf der polaren Vermessung von Objekten in einer Ebene mit Reduktion der Ebenenabweichung, zur zweidimensionalen koordinatenmäßigen Erfassung von Grundrissen, Schnitten und Details mit hoher Auflösung, die einen Steuer- und Auswerterechner aufweist, gekennzeichnet durch
  • - ein unter Spannung gehaltenes Meßseil (1) mit einer Meßspitze (18), die zu dem koordinatenmäßig zu erfassenden Objektpunkt P′ geführt wird,
  • - eine Winkelmeßeinheit (2) zur Erfassung des Horizontalwinkels (α), die durch das gespannte Meßseil (1) stetig mitgeführt wird,
  • - eine Meßseileinheit (3), welche die Auszuglänge des gespannten Meßseils (1) registriert,
  • - einen Detektor (6) zur Erfassung des Ebenenabweichungswinkels (β) des gespannten Meßseils (1) von der Meßebene (ε) und
  • - einen Sender zur fernbedienten Meßauslösung, durch die die gemessenen polaren Objektpunktparameter, Strecke , Horizontalwinkel (α), und Ebenenabweichungswinkel (β), an den Steuer- und Auswerterechner (7) weitergegeben werden, der mit Hilfe entsprechender mathematischer Verfahren und unter Berücksichtigung der physikalischen Einflüsse wie Meßseildehnung und Meßseildurchhang, die entsprechenden zweidimensionalen Projektionskoordinaten P(x; y) des Objektpunktes P′(x; y; z) errechnet und zusammen mit einem Anweisungscode, welcher gleichzeitig mit der fernbedienten Meßauslösung gesendet wird, abspeichert.
1.Device for numerical coordinate acquisition for CAD systems, based on the polar measurement of objects in one plane with reduction of the plane deviation, for the two-dimensional coordinate-based acquisition of floor plans, sections and details with high resolution, which has a control and evaluation computer, characterized by
  • - A tensioned measuring rope ( 1 ) with a measuring tip ( 18 ) which is guided to the coordinate point P ' to be detected,
  • an angle measuring unit ( 2 ) for detecting the horizontal angle ( α) , which is constantly carried along by the tensioned measuring cable ( 1 ),
  • a measuring cable unit ( 3 ) which registers the pull-out length of the tensioned measuring cable ( 1 ),
  • - A detector ( 6 ) for detecting the plane deviation angle (β) of the tensioned measuring cable ( 1 ) from the measuring plane (ε) and
  • - A transmitter for remote-controlled measurement triggering, through which the measured polar object point parameters, distance, horizontal angle (α) , and plane deviation angle (β) are passed on to the control and evaluation computer ( 7 ), which is carried out with the aid of appropriate mathematical methods and taking into account the physical ones Influences such as measuring rope stretching and measuring rope sag, the corresponding two-dimensional projection coordinates P (x; y) of the object point P ′ (x; y; z) are calculated and stored together with an instruction code which is sent simultaneously with the remote-controlled measurement triggering.
2. Einrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelmeßeinheit (2) durch das gespannte Meßseil (1) über einen Meßseilführungsarm (5) mitgeführt wird, eine Meßseilrücklaufbremse (4) vorgesehen ist, und daß die Winkelmeßeinheit (2) und die Meßseileinheit (3) jeweils einen digital-inkrementalen Drehgeber aufweisen.2. Device according to claim 1, characterized in that the angle measuring unit ( 2 ) is carried by the tensioned measuring cable ( 1 ) via a measuring cable guide arm ( 5 ), a measuring cable return brake ( 4 ) is provided, and in that the angle measuring unit ( 2 ) and the measuring cable unit ( 3 ) each have a digital incremental encoder.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßseil in der Achse der Winkelmeßeinheit (2) durch eine Hohlwelle (8) geführt wird, welche kugelgelagert an einem Grundgestell (9) in vertikaler Lage zur Meßebene (ε) befestigt ist.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the measuring cable in the axis of the angle measuring unit ( 2 ) is guided by a hollow shaft ( 8 ) which is ball-bearing mounted on a base frame ( 9 ) in a vertical position to the measuring plane (ε) .
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Hohlwelle (8) eine inkrementale Teilungsscheibe (10) der Winkelmeßeinheit (2) befestigt ist. 4. Device according to claim 3, characterized in that on the hollow shaft ( 8 ) an incremental graduation disc ( 10 ) of the angle measuring unit ( 2 ) is attached.
5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Grundgestell (9) eine optische Abtasteinrichtung (11) für die Teilungsscheibe (10) der Winkelmeßeinheit (2) befestigt ist, die fortlaufend die Winkeländerung erfaßt und an den Steuer- und Auswerterechner (7) weiterleitet.5. Device according to claim 4, characterized in that on the base frame ( 9 ) an optical scanning device ( 11 ) for the graduation disc ( 10 ) of the angle measuring unit ( 2 ) is attached, which continuously detects the change in angle and to the control and evaluation computer ( 7 ) forwards.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Hohlwelle (8) oberhalb des Grundgestells (9) ein Meßseilführungsarm (5) befestigt ist, in dem Rollen so angeordnet sind, daß das vertikal zur Meßebene (ε) austretende Meßseil (1) in die Meßebene (ε) umgelenkt und am Austritt aus dem Meßseilführungsarm (5) in vertikaler Richtung zur Meßebene (ε) durch Kugellager (12) und in horizontaler Richtung durch Kunststoffgleitlager (13) spielfrei geführt wird.6. Device according to one of claims 3 to 5, characterized in that on the hollow shaft ( 8 ) above the base frame ( 9 ) a measuring cable guide arm ( 5 ) is fixed, are arranged in the rollers so that the vertical to the measuring plane (ε) emerging measuring cable ( 1 ) is deflected into the measuring plane (ε) and is guided free of play at the exit from the measuring cable guide arm ( 5 ) in the vertical direction to the measuring plane (ε) by ball bearings ( 12 ) and in the horizontal direction by plastic plain bearings ( 13 ).
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den Kunststoffgleitlagern (13) der Detektor (6) zur Erfassung des Ebenenabweichungswinkels (β) integriert ist und daß der Steuer- und Auswerterechner (7) den Ebenenabweichungswinkel (β) errechnet und diesen zusammen mit der Strecke zur Berechnung des Projektionspunktes P auf der Meßebene (ε), oder zur Verhinderung der Koordinatenerfassung bei Verlassen der Meßebene (ε) heranzieht.7. Device according to claim 6, characterized in that the detector ( 6 ) for detecting the plane deviation angle (β) is integrated in the plastic plain bearings ( 13 ) and that the control and evaluation computer ( 7 ) calculates the plane deviation angle (β) and this together with the route for calculating the projection point P on the measuring plane (ε) , or for preventing coordinate detection when leaving the measuring plane (ε) .
8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßseil (1) durch einen Federmotor unter Spannung gehalten wird und den auf der Hohlwelle (8) befestigten Meßseilführungsarm (5) stetig in die jeweilige Meßrichtung mitführt.8. Device according to claim 6 or 7, characterized in that the measuring cable ( 1 ) is held under tension by a spring motor and carries the measuring cable guide arm ( 5 ) fastened on the hollow shaft ( 8 ) continuously in the respective measuring direction.
9. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßseilrücklaufbremse (4) zur Verhinderung eines plötzlichen Meßseilrückschlages eines Seilführungsrolle (14) und eine Hartgummigegendruckrolle (15) aufweist, welche beim Meßseilrücklauf durch eine Wirbelstrombremse (16) gebremst wird.9. Device according to claim 2, characterized in that the measuring cable return brake ( 4 ) for preventing a sudden measuring cable kickback of a cable guide roller ( 14 ) and a hard rubber counter pressure roller ( 15 ) which is braked during the measuring cable return by an eddy current brake ( 16 ).
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Dämpfung von Schwingungen des Meßseilführungsarmes (5) auf der Hohlwelle (8) ein Flügelrad (34) befestigt ist.10. Device according to one of claims 6 to 8, characterized in that for damping vibrations of the measuring cable guide arm ( 5 ) on the hollow shaft ( 8 ), an impeller ( 34 ) is attached.
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