WO1989000676A1 - Laser leveller with adjustable levelling plane - Google Patents

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WO1989000676A1
WO1989000676A1 PCT/CH1988/000123 CH8800123W WO8900676A1 WO 1989000676 A1 WO1989000676 A1 WO 1989000676A1 CH 8800123 W CH8800123 W CH 8800123W WO 8900676 A1 WO8900676 A1 WO 8900676A1
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head
base
instrument
laser
adapter
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Application number
PCT/CH1988/000123
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English (en)
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Inventor
Heinz Bernhard
Martin Koeppel
Wilfried Piske
Original Assignee
Wild Heerbrugg Ag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C15/00—Surveying instruments or accessories not provided for in groups G01C1/00 - G01C13/00
    • G01C15/002—Active optical surveying means
    • G01C15/004—Reference lines, planes or sectors

Definitions

  • the invention relates to a laser level according to the preamble of claim 1.
  • Laser levels emit a horizontal rotating measuring beam, which is detected by a photoelectric receiver.
  • the rotating laser beam defines a reference plane.
  • the receiver As soon as the receiver is in the reference plane, it indicates this with optical and / or acoustic signals.
  • Approaches to the reference plane are indicated by suitable distant signals, e.g. by changes in tone frequency.
  • Suitable means ensure that the reference plane generated is actually horizontal.
  • Such leveling means can be dragonflies, pendulums or inclination sensors with servo drives.
  • the instrument can open during the measurement process. its base, i.e. on a base or on a tripod, remain unchanged for both horizontal and vertical leveling processes, so that the basic reference is retained throughout these measurements. Since this solution is compatible with all known leveling means, ie also with the simple and reliable pendulum compensation for self-leveling of the instrument, a particularly reliable and easy-to-use instrument results.
  • this device has the considerable advantage that not only exactly horizontal or vertical levels can be marked, but also inclined intermediate levels, for which corresponding adapters are provided, which can be placed on the basic device in a particularly simple and precise manner.
  • FIG. 3 shows a partially sectioned top view according to FIG. 2,
  • Fig. 5 shows the same instrument, with a swiveled head and an adapter used to define an inclined reference plane, the reference plane being inclinable to the horizontal, and
  • Fig. 6 shows an insert with two measurably rotatable wedges.
  • a laser light source with collimator optics for emitting a laser beam running vertically, ie in the Z axis.
  • This laser beam is converted by a motor-driven rotating mirror 2, preferably a pentaprism, into a rotating beam, which thus defines a reference plane.
  • the motor drive 8 for the mirror or the pentaprism is located in head 3 of the device. Batteries 9 are provided for energy supply.
  • the head 3 is connected to the base 1 via a hinge 4, the necessary cable connections for the power supply of the mirror drive running in the head 3 in the hinge area.
  • Fitting elements 5 and 6 are provided for exact centering and leveling of the head 3 on the base 1.
  • the head is preferably locked to the base 1 with a quick-action fastener 7, which e.g. the hinge 4 is attached diametrically opposite.
  • the hinge is designed and arranged so that it does not hinder the centering and locking function when the head is locked.
  • Figure 2 shows the same instrument in which the head 3 is pivoted by 90 degrees around the hinge 4.
  • the axis of rotation for the rotating mirror is no longer in the Z-axis, but is now in the horizontal plane.
  • the laser beam emerging vertically from the base 1 of the device is deflected by an attached adapter 10 onto the rotating mirror 2 in the head 3 of the device.
  • the adapter is equipped with a deflection prism 11 with a defined deflection angle.
  • the device is suitable for marking a vertical or inclined reference plane.
  • the adapter 10 has fitting elements 12 with respect to the head 3 of the device, which are fitted with the previously mentioned fitting elements 6 cooperate on the head of the instrument, the head 3 being able to be locked on the adapter 10 with similar closures 7, with which it can be locked relative to the base 1 in the basic position according to FIG. 1.
  • the adapter 10 In order to facilitate the fine alignment of the vertical reference plane, the adapter 10 according to FIG. 3 is fastened in the base 1 of the instrument so that it can pivot about small angular amounts via its vertical axis 15.
  • An adjusting screw 16 is used to make such pivoting movements, which finely adjusts the angular position between the instrument head 3 and the base 1 and thus the azimuth of the vertical reference plane by pivoting about the axis 15.
  • the setting is supported by a spring buffer 17 which, on the one hand, ensures that the adapter is supported in the vertical axis 15 without play and, on the other hand, enables the adapter to be pivoted back without play when the adjusting screw 16 is loosened.
  • the fine adjustment is supported by the design of the hinge 4, which on the one hand allows a certain play between the base 1 and the head 3 of the instrument, but on the other hand both parts are captively pivotally attached to one another.
  • This function is made possible, for example, by elongated holes 18 in the hinge base (FIG. 2), so that the hinge with the head 3 attached to it can be rotated by small angular amounts on the base 1.
  • the adapter 10 is not inserted or after the prism 11 has been pivoted out or taken out of the beam path, the laser beam can emerge from the device base 1 upwards without hindrance.
  • the laser beam can also be used as a plumb line for markings in the vertical axis.
  • the vertical plane is determined solely by the mechanical and optical design of the adapter 10.
  • FIG. 6 shows, as an exemplary embodiment, an intermediate piece 30 with a flange 31 which can be placed on the base 1 and with an annular rotary wedge 32 arranged at an oblique angle thereto, on which either the head 3 or the adapter 10 can be placed via contact pieces 39 or 40.
  • optical wedges 33 and 34 Arranged in the optical axis Z are two optical wedges 33 and 34, which can be rotated in opposite directions, so that the rays penetrating them with respect to the optical axis by certain angles amounts are distracted.
  • the degree of deflection is determined by the angle through which the wedges 33, 34 are rotated together with the annular rotary wedge 32.
  • actuating levers 35, 36 can be guided outwards.
  • the degree of rotation, or directly the angle of inclination of the reference plane with respect to the horizontal or vertical, can be displayed on scales 37, 38.
  • the motor drive can be arranged in the base 1 of the device as usual, the drive connection to the rotating mirror 2 being able to be established by a flexible shaft, inclinable gear wheel connections, cardan shafts or similar means.

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Description

Laser-Nivellier mit verstellbarer Nivellierebene
Die Erfindung betrifft ein Lasernivellier nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Lasernivelliere senden einen horizontalen rotierenden Messstrahl aus, der von einem photoelektrischen Empfänger detek- tiert wird. Der rotierende Laserstrahl definiert dabei eine Bezugsebene. Sobald sich der Empfänger in der Bezugsebene befindet, zeigt er dies durch optische und/oder akustische Signale an. Annäherungen an die Bezugsebene werden durch geeignete Vorsignale, z.B. durch Änderungen in der Tonfrequenz, angezeigt.
Durch geeignete Mittel wird gewährleistet, dass die erzeugte Bezugsebene tatsächlich horizontal ist. Solche Horizontiermittel können Libellen, Pendel oder Neigungssensoren mit Servoantrieben sein.
Es gibt darüber hinaus Aufgaben, vor allem bei der Verwendung des Nivelliers im Bauwesen, wo auch andere Bezugsebenen benötigt werden. So ist zum Ausrichten von Wandelementen, Fassa denstrukturen oder dergleichen eine υertikale Bεzugsebene erforderlich. Ferner gibt es Aufgaben, die geneigte Bezugsebenen verlangen, so z.B. zum Herstellen von Gefällen bei Planierungsarbeiten, oder zum Ausrichten von geneigten Baustrukturen. In diesen Fällen sind Bezugsebenen erforderlich, die bis zu einigen W inkelgraden gegen den Horizont oder gegen die Vertikale neigbar sind. Dabei muss bei einer bestimmten Messaufgäbe ein vorgegebener Neigungswert eingestellt werden. Schliesslich gibt es Aufgaben, die zweckmässig gelöst werden können, wenn eine lotrechte Bezugslinie verfügbar ist. Diese Bezugslinie ist mit Vorteil ein vertikaler Laserstrahl.
Für die genannten Aufgabenstellungen gibt es bereits Lösungen, die aber durchwegs Mängel im praktischen Gebrauch aufweisen. So ist es bei bekannt gewordenen Geräten nötig, das Laser- Nivellier υon der stehenden Normalstellung in eine liegende Stellung zu bringen und in der neuen Position auszurichten und zu fixieren, um eine Vertikalebene zu erzeugen. Auch sind dazu noch zusätzliche Horizontierungsmittel nötig, um die Bezugsebene mit der erforderlichen Genauigkeit in die Vertikale auszurichten. Insbesondere ist keines der bekannten Geräte in der Lage, alle erwähnten Aufgaben gleichermassen zu lösen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gerät zu schaffen, welches die erwähnten Nachteile bekannter Instrumente vermeidet. Es sollen neben der Grundaufgabe, eine horizontale Bezugsebene zu erzeugen, mit einfachen Zusatzeinrichtungen vertikale und geneigte Bezugsebenen erzeugt werden kön nen. Ausserdem ist an die Erzeugung einer Lotlinie gedacht. Insbesondere soll ein Ulechsel υon einem Betriebszustand in einen anderen möglich sein, ohne dass die Stellung des Gerätes verändert werden muss.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die in Patentanspruch 1 definierten Merkmale gelöst.
Durch diese Massnahmen kann das Instrument während des Messvorgangs auf. seiner Basis, also auf einem Sockel oder auf einem Stativ, unverändert sowohl für horizontale als auch für vertikale Nivelliervorgänge stehen bleiben, so dass die Grundreferenz während dieser ganzen Messungen erhalten bleibt. Da diese Lösung mit allen bekannten Horizontiermitteln, also auch mit der einfachen und zuverlässigen Pendelkompeπsation zur Selbsthorizontierung des Instrumentes verträglich ist, ergibt sich ein besonders zuverlässiges und einfach zu bedienendes Instrument. Zusätzlich weist dieses Gerät den erheblichen Vorteil auf, dass nicht nur exakt horizontale oder vertikale Ebenen markiert werden können, sondern beliebig geneigte Zwischenebenen, für welche entsprechende Adapter vorgesehen sind, die sich besonders einfach und trotzdem präzis auf das Grundgerät aufsetzen lassen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele mit Hilfe der Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 das Nivellier zum Horizontalnivellieren,
Fig. 2 das gleiche Instrument mit um 90 Grad geschwenktem Kopf und eingesetztem Adapter zum Vertlkalnivellieren,
Fig. 3 eine teilweise geschnittene Aufsicht gemäss Fig. 2,
Fig. 4 das gleiche Instrument mit geschwenktem Kopf und eingesetztem Adapter zur Definition einer schiefen Bezugsebene, wobei die Bezugsebene gegen die Vertikale neigbar ist,
Fig. 5 das gleiche Instrument, mit geschwenktem Kopf und eingesetztem Adapter zur Definition einer schiefen Bezugsebene, wobei die Bezugsebene gegen die Horizontale neigbar ist, und
Fig. 6 ein Einsatzteil mit zwei messbar verdrehbaren Keilen.
In der Basis 1 des Instrumentes befindet sich eine Laserlichtquelle mit einer Kollimatoroptik, zur Aussendung eines vertikal, also in der Z-Achse verlaufenden Laserstrahls. Dieser Laserstrahl wird von einem Motor-getriebenen rotierenden Spiegel 2, vorzugsweise einem Pentaprisma, in einen rotierenden Strahl umgesetzt, welcher somit eine Bezugsebene definiert. Der Motorantrieb 8 für den Spiegel bzw. das Pentaprisma befindet sich im Kopf 3 des Gerätes. Zur Energieversorgung sind Batterien 9 vorgesehen. Der Kopf 3 ist mit der Basis 1 über ein Scharnier 4 verbunden, wobei im Scharnierbereich die erforderlichen Kabelverbindungen für die Stromversorgung des Spiegelantriebs im Kopf 3 verlaufen.
Zur exakten Zentrierung und Horizontierung des Kopfes 3 auf der Basis 1 sind Passelemente 5 bzw. 6 vorgesehen. Die Arretierung des Kopfes an der Basis 1 erfolgt vorzugsweise mit einem Schnellspannverschluss 7, der z.B. dem Scharnier 4 diametral gegenüber angebracht ist. Das Scharnier ist so ausgebildet und angeordnet, dass es im arretierten Zustand des Kopfes die Zentrier- und Arretierfunktion nicht behindert.
Figur 2 zeigt das gleiche Instrument, bei welchem der Kopf 3 um 90 Grad um das Scharnier 4 geschwenkt ist. Damit befindet sich die Drehachse für den rotierenden Spiegel nicht mehr in der Z-Achse, sondern sie liegt nun in der horizontalen Ebene. Der vertikal aus der Basis 1 des Gerätes austretende Laserstrahl wird durch einen aufgesetzten Adapter 10 auf den rotierenden Spiegel 2 im Kopf 3 des Gerätes umgelenkt. Dazu ist der Adapter mit einem Umlenkprisma 11 mit definiertem Umlenkwinkel ausgestattet. In dieser Konfiguration eignet sich das Gerät zur Markierung einer vertikalen oder schiefen Bezugsebene.
Zur präzisen gegenseitigen Ausrichtung zwischen der Basis 1, dem Kopf 3 und dem Adapter 10 weist der Adapter 10 gegenüber dem Kopf 3 des Gerätes Passelemente 12 auf, welche mit den zuvor erwähnten Passelementen 6 am Kopf des Instrumentes zusammenwirken, wobei sich der Kopf 3 am Adapter 10 mit gleichartigen Verschlüssen 7 arretieren lässt, mit welchem er in der Grundstellung gemäss Figur 1 gegenüber der Basis 1 arretierbar ist.
Zur Erleichterung der Feinausrichtung der vertikalen Bezugsebene ist der Adapter 10 gemäss Fig. 3 über seine vertikale Achse 15 um kleine Winkelbetrage schwenkbar in der Basis 1 des Instrumentes befestigt. Zur Vornahme solcher Schwenkbewegungen dient eine Versteilschraube 16, welche die Winkelposition zwischen dem Instrumentenkopf 3 und der Basis 1 und damit das Azimut der vertikalen Bezugsebene, durch Schwenken um die Achse 15 fein verstellt. Unterstützt wird die Einstellung durch einen Federpuffer 17, welcher einerseits für eine spielfreie Lagerung des Adapters in der vertikalen Achse 15 sorgt und andererseits das spielfreie Rückschwenken des Adapters beim Lösen der Verstellschraube 16 ermöglicht.
Dabei wird die FeinJustierung durch die Auslegung des Scharniers 4 unterstützt, welches einerseits ein gewisses Spiel zwischen der Basis 1 und dem Kopf 3 des Instrumentes erlaubt, andererseits aber beide Teile unverlierbar aneinander schwenkbar befestigt. Diese Funktion wird z.B. durch Langlöcher 18 in der Scharnierbasis (Fig. 2) ermöglicht, so dass sich das Scharnier mit daran angebrachtem Kopf 3 um kleine Winkelbetrage auf der Basis 1 verdrehen lässt. Bei nicht eingesetztem Adapter 10 oder nach Herausschwenken oder Herausnehmen des Prismas 11 aus dem Strahlengang kann der Laserstrahl ungehindert aus der Gerätebasis 1 nach oben austreten. Der Laserstrahl kann damit auch als Lot für Markierungen in der vertikalen Achse eingesetzt werden.
Ein in Fig. 1 angedeutetes Kompensationspendel 20 oder ähnliche Kompensationsmittel, welche sich in der Basis 1 des Instrumentes befinden, wird in seiner Funktion durch das Schwenken des Instrumentenkopfes in keiner Weise beeinflusst. Es ist bezüglich der Feinausrichtung des Instrumentes unverändert funktionsfähig. Die vertikale Ebene ist allein durch die mechanische und optische Auslegung des Adapters 10 bestimmt.
Durch Änderung des Umlenkwinkels für den Laserstrahl zwischen der Basis 1 und dem Kopf 3 bzw. dem Adapter 10 sowie durch entsprechende mechanische Auslegung an den Verbindungsstellen zwischen diesen Teilen lassen sich bestimmte Neigungswinkel für die Bezugsebene definieren , wie dies anhand der Figuren 4 bis 6 beispielsweise dargestellt ist. Figur 6 zeigt zu diesem Zweck als Ausführungsbeispiel ein Zwischenstück 30 mit einem auf die Basis 1 aufsetzbaren Flansch 31 und mit einem schiefwinklig dazu angeordneten ringförmigen Drehkeil 32, auf welchen sich entweder der Kopf 3 oder der Adapter 10 über Kontaktstücke 39 bzw. 40 aufsetzen lassen. In der optischen Achse Z sind zwei optische Keile 33 und 34 angeordnet, die sich gegensinnnig verdrehen lassen, so dass die sie durchdringenden Strahlen bezüglich der optischen Achse um bestimmte Winkel beträge abgelenkt werden. Das Mass der Ablenkung wird durch den Winkel bestimmt, um welchen die Keile 33, 34 zusammen mit dem ringförmigen Drehkeil 32 verdreht werden. Zur Betätigung der Keile können z.B. Betätigungshebel 35, 36 nach aussen geführt sein. Auf Skalen 37, 38 kann das Mass der Verdrehung, bzw. direkt der Neigungswinkel der Bezugsebene gegenüber der Horizontalen bzw. der Vertikalen angezeigt werden.
Durch die erwähnte Anordnung des Motorantriebs 8 für den rotierenden Spiegel 2 im Kopf 3 des Gerätes und damit seiner Verlagerung aus der Basis des Gerätes, in welcher der Motor üblicherweise angeordnet ist, ergibt sich die Möglichkeit, den damit relativ autonomen Kopf 3 in praktisch beliebige geneigte Positionen zu bringen, wobei der von der Gerätebasis ausgehende Laserlichtstrahl durch Adapter und eventuell zusätzliche einstellbare Zwischenstücke auf den rotierenden Spiegel 2 im Kopf 3 umgelenkt werden. Dabei kann ein um geringe Neigungswinkel verstellbares Zwischenstück auch direkt im Adapter 10 integriert sein.
In Abwandlung dieser aus praktischen Gründen zweckmässigsten Lösung kann auch der Motorantrieb wie üblich in der Basis 1 des Gerätes angeordnet sein, wobei die Antriebsverbindung zum rotierenden Spiegel 2 durch eine flexible Welle, neigbare Zahnradverbindungen, Gelenkwellen oder ähnliche Mittel hergestellt werden kann.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
1. Laser-Nivellier mit einer Instrumentenbasis, einer darin angeordneten Laserlichtquelle mit Kollimatoroptik und ferner mit einem Instrumentenkopf und darin angeordnetem angetriebenen Rotationselement zur Rotation des von der Laserlichtquelle ausgehenden Laserstrahls in einer Bezugsebene, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (3) mit dem darin enthaltenen Rotationselement (2) gegenüber der Instrumentenbasis (1) schwenkbar ist und über ein Scharnier (4) mit der Instrumentenbasis (1) verbunden ist, und dass zwischen der Basis (1) und dem schwenkbaren Kopf (3) des Instrumentes ein Adapter (10) einsetzbar ist, welcher Strahlumlenkmittel (11) zum Umlenken des kollimierten Laserstrahls aus der Basis (1) auf das Rotationselement (2) im Kopf (3) des Instrumentes aufweist.
2. Laser-Nivellier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Instrumentenbasis (1) und dem Instrumentenkopf (3) einander entsprechende Passelemente (5, 6) vorgesehen sind und dass an der Seitenfläche des Adapters (10) gegenüber dem Instrumentenkopf entsprechende zweite Passelemente (12) vorgesehen sind.
3. Laser-Nivellier nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlumlenkmittel (11) im Adapter (10) zur Umlenkung des Laserlichtstrahls um 90 Grad ausgebildet sind.
4. Laser-Nivellier nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass einstellbare strahlablenkende Zusatzmittel (30) vorgesehen sind, welche sich im Strahlengang zwischen der Basis (1) und dem Kopf (3) des Gerätes einsetzen lassen und welche zur Feineinstellung der Neigung für die Bezugsebene bzw. der Strahlablenkung zwischen Basis (1) und Kopf (3) des Gerätes dienen.
5. Laser-Nivellier nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzmittel (30) im Strahlengang liegende gegensinnig verdrehbare optische Keile (33, 34) zur einstellbaren Strahlablenkung aufweisen.
6. Laser-Nivellier nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die verdrehbaren optischen Keile (33, 34) mit einem mechanischen ringförmigen Drehkeil (32) verbunden sind, welcher zur koordinierten Einstellung der Neigung des Gerätekopfes (3) bzw. des mit dem Gerätekopf (3) verbundenen Adapters (10) gegenüber der Gerätebasis (1) ausgebildet ist.
7. Laser-Nivellier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (3) über das Scharnier (4) um eine horizontale Achse um ca. 90 Grad schwenkbar und zusätzlich um einen wesentlich kleineren Winkelbetrag um eine vertikale Drehachse (15) drehbar ist.
8. Laser-Nivellier nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (10) gegenüber der Basis um eine vertikale Achse (15) um kleine Winkelbeträge fein verdrehbar ist, dass zur Feinverstellung eine zwischen dem Adapter (10) und der Basis (1) Stellschraube (16) vorgesehen ist, welche gegen die Kraft eines Federpuffers (17) wirkt, um den Gerätekopf (3) spielfrei zu verstellen.
9. Laser-Nivellier nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsmittel (8) für das Rotationselement (2) im Instrumenten-Kopf (3) angeordnet sind.
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CH2654/87-1 1987-07-13
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