DD276730A1 - Neigungsmessanordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Neigungsmessanordnung zur Informationsgewinnung ueber die Neigung einer Linie bzw. Ebene gegenueber einer Bezugslinie oder -ebene. Die Erfindung besteht darin, dass bei einer Neigungsmessanordnung, die zur Ermittlung der Neigung in allen Richtungen aus einem geschlossenen Fluessigkeitsbehaelter in Form einer Dosenlibelle besteht, der Fluessigkeitsbehaelter rotationssymmetrisch ausgefuehrt ist und in einer kardanischen Lagerung gealtert ist, wobei jeder Schwenkachse der kardanischen Lagerung eine eigene Klemmeinrichtung zugeordnet ist, und dass der Fluessigkeitsbehaelter um eine Achse senkrecht zu den Schwenkachsen drehbar gelagert ist, wobei ein Antrieb in der inneren kardanischen Schwenkachse vorgesehen ist. Fig. 1

Description

Hierzu 2 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist im Gerätebau, Vermessungswesen, Anlagenbau, Flugzeugbau, Fahrzeugbau, Prüf- und Justiermittelbau sowie in der Robotertechnik zur Messung der Neigung oines Objektes im Echtzoitregime anwendbar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Zur Erfassung der relativen Lage einer Linie b;.w. Ebene werden Neigungsmeßeinrichtungen eingesetzt, die prinzipiell darauf beruhen, zu einer fest vorhandenen oder definierten Bczugslinie oder -ebene berührend oder berührungslos anzutasten und mit einom geeigneten Winkelmoßprinzip die Neigung auszuwerten.

So ist in dor Patentschrift EP 0109926 A3 ein Mofisystem für oin Winkelmeßgerät mit einem Höhenkreis und digitaler Moßwortausgabe dargestellt, bei dom oin pondolnd aufgohangtes optischos System dio relative Neigung dor Anordnung charakterisiert. Mit de Anordnung können nur goringo Absolutbeträge der Winkelnoigung erfaßt werden. Die Multivalenz des Einsat/os diosor Anordnung ist ebenfalls sehr eingeschränkt und auf einen stationären Einsatzfall beschränkt.

Anordnungen, wio z.B. in dor Patonlschrft DE 3445217A1 beschrieben, bei (Ionon eine vollautomatische Nivellierung von rotationssymmetrischon Werkstücken auf einem Meßtisch ormöglicht wird, sind zur direkten Neigungsmessung, insbesondere fur nichtstotionäro Handhabung ebenfalls nicht gooignet. An dio Moßbcdingungcn wordon solcho Anforderungen gostellt, daß oino Handhabung in sich bowegondor Gogonständo boispiolswoiso nicht gogobon ist. Dies trifft auch für automatische Kompunsationsanordnungon zur oin- bzw. zwoidimonsionalon Kompcnsution von Kollimationsfehlorn zur Bestimmung dor Neigung zu (Patentschrift EP 0185363Λ1).

Noigungsmcßonordnungon, die auf Basis von fluidgofüllton Libollunmoßoinrichtungon beruhon, wio z.B. in EP 0185354A1 migogohon, bositzen oino fjroßom Eiiisat/broito.

So ist hoispiolsweisoindor Lösung nach ΕΡ0185354Λ1 oino Libelle mil einom fluirian, elektrisch leitenden Modium oingosotzt.

woboi dio rolativo Stollung oinor oingoschlossonon Luftblase in Vorbindung mit kapazitiv arbeitenden Sensoren orfaßt und übor oino Kapazitätsmessung dio Noigung ausgewertet wird.

In der Patentschrift DE 3609274Λ1 ist oin Sonsor boschriobon. dor aus kugolkapponförmigon Elektroden bostoht, zwischen (Ionon oin viskoses Fluid eingelullt ist, wolchos sich innerhalb der Elektroden bowogt. Jo nach Winkelnoigung vviui dio

Verlagerung des Fluides durch elektrostatische Kapazitätsmessung erfaßt. Diese Anordnungen sind für genaue Neigungsmessungen mit geringem Arbeits- bzw. Neigungshereich vorgesehen, ein multivalenter Einsatz ist nicht gegeben. In der Patentschrift DE 31 25 51GC1 ist weiterhin eine Nivelliereinrichtung auf Basis einer Dosenlibelle angegeben. Diese besitzt eine Kopplung verschiedener fluider bzw. gasförmiger Medien mit voneinander sich unterscheidender Dichte, wobei anstelle eines fluiden Mediums auch ein festes Medium, z. B. eine Stahlkugel, verwendet werden kann. Die Winkelerfassung beim Nivellieren geschieht auf Basis optischer visueüei Et fassung der relativen Lage der Gasblase. Eine ähnliche Anordnung ist in der Patentschrift DE 3238915A1 angegeben. Eine elektrooptische Libelle besteht aus einer konkav ausgebildeten Führung, die elektrisch leitend auegebildet ist, einem konzentrisch angeordneten kontaktierten Ring und einer elektrisch leitenden Kugel. Die Kugel stellt den Kontakt zwischen dem Ring und der Führung her, so daß beim Kontaktieren eine bestimmte Neigung ermittelt wird. Die relative Position der Kugel kann visuell erfaßt werden. Nachteilig bei den angegebenen Anordnungen ist die Tatsache, daß eine ambulante Messung von schnell wechselnden Neigungen, die größere Beträge und Azimute aufweisen und mit einer hohen Auflösung erfaßt werden müssen, nicht erreichbar ist. Ebenso ist eine Neigungserfassung unter extremen Bedingungen, wie z. B. hohe mechanische Belastungen durch Schwingungen, Stöße, Beschleunigung kompliziert bzw. unmöglich. Anordnungen, wie z. B. in der Patentschrift DD 245045 A1 angegeben, bei der ein optoelektronischer Neigungswinkelmesser beschrieben ist, realisieren ein Meßprinzip, bei dem ein Pendelkörper in einer Kugel bewegt wird und die Strahlungsfläche einer optischen Strahlung, die sich auf dem Pendelkörper befindet, eine Fotodiodenanordnung aktivieren und somit die relative Position des rotationssymmetrischen Körpers erfassen. Diese Anordnungen sind für genaue Neigungsmessungen mit geringem Arbeitsbereich bzw. nur für relativ ungenaue Messungen mit größerem Arbeitsbereich geeignet. Die Realisierungsmöglichkeit eines Neigungsmessers auf Basis eines Pendelsensors mit fotoelektrischer Detektion der Auslenkung ist weiterhin in der Patentschrift WO 04784A1 angegeben. Dieser Pendelsensor ermöglicht hochgenaue Neigungsmessungen, ist aber in seiner Anwendung auf solche Meßbedingungen abgestimmt, die einen geringen Arbeitsbereich mit hoher Auflösung beinhalten, beschränkt. Dies trifft auch für Pendelanordnungen zu, wie sie in der Patentschrift DD 253080 B1 beschrieben sind, bei der eine pendelnde lichtaussendende Anordnung über einer konkaven Kalotte so positioniert ist, daß der Lichtsonder über eine Empfängeranordnung, die innerhalb der Kalotte integriert isi, in zwei Koordinaten eine Winkeldetektion bewirkt. Nachteilig ist ebenfalls, daß das Ansprechen der Empfängeranordnung bei geringsten Erschütterungen eine Interpolation der Meßergebnisse zwischen den Empfängerelementen erschwert bzw. nicht genau realisiert und aufwendige Dämpfungseinrichtungen erfordert.

In der Patentschrift DD 247063B1 ist eine Anordnung zum Kräfteausgleich für Präzisionsnivelliere beschrieben, bei dem zwei exzentrisch gelagerte und um einen Exzenterpunkt drehbare Scheiben mit einem Meßband verbunden sind und in der Patentschrift EP 201089 A1 ist eine vibrierende Aufhängung für ein Ringlaserwinkelgeschwindigkeitsmesser anc,«geben. Weiterhin ist in der Patentschrift DE 3438728C1 eine Vorrichtung zum reproduzierbaren Aufsetzen von mobilen Neigungsmeßgeräten angegeben, bei der Anlagepunkte auf einer Basisplatte mittels dreier Präzisionskugellagur realisiert sind. Nachteilig bei diesen Anordni ngen ist der Umstand, daß diese Anordnungsmerkmale einen entsprechenden Aufwand, Präziüionsfertigung und damit relativ hohe Kosten verursachen, lliro Anwendung ist daher nur für empfindliche hechgenaue Gerätekonfigurationen gegeben.

Weitnrhin sind Neigungsmeßanordnungen bekannt, wie z. B. in der Patentschrift DE 32 25839 A1 angegeben, die darauf beruhen, daß ein zu messender Gegenstand mit einem mechanischen Anlageelement berührend angetastet wird und die Ne.gung des Anlageelemen'.es relativ zu ?iner Bezugsachse mit optischen, mechanischen oder elektromagnetischen MiUoIn, wie z. B. Ultraschallsensoren erfaßt und ausgewertet wird. Nachteilig bei diesen Anordnungen ist die Tatsache, daß eine aufwendige Meßsignalverarbeitung und Auswertung notwendig ist und die Genauigkeit auf Grund des Meßverfahrens eingesch -änki ist. Für hochgenaue Neigungsmessungen bzw. Winkelmossungen sino weiterhin auch elektronische Libellen bekannt, die auf Basis von Differenzfotoelementen die Auslenkung der Aufhängung eines Pendels erfassen. Nachteilig ist der geringe Arbei'.sbereich solcher Anordnungen und die Anforderungen an die Meßbodingungen - es dürfen z. B. keine Erschütterungen auftreten. Ein anderes bekanntes Prinzip stellt die Schlauchwaage dar, bei der die Meßwerterfassung mit Schwimmern erfolgt, c'ie induktive Feinzeiger antreiben (DE 3706638A1). Damit können Höhenunterschiede an optisch in einer direkt erfaßbamn Richtung, einer kritischen Umgebung oder schwer zugänglichen Stelle ermittelt werden, tine direkte Neigungsmessung ist nicht möglich bzw. nur über rechnerische Auswertung dor gleichzeitigen Abstandsmessung.

Nachteilig ist dio Tatsache, daß zur Beibehaltung einer vorgegebenen Viskosität des fluiden Mediums, in welchem die Schwimmer sich buwegen, entsprechende Forderungen an das Medium gestellt werden bzw. das umgebende Medium, das Einschwingvorhalten schnelle Moßwertorfar.sung bzw. Steuerung nicht gestattet und dio gesamte Anordnung aufwendig ist. Es ist nur eine Vergloichsmossung sich in einer Ebene bafindlichor Meßpunkto möglich. Eine direkte Neigungsmessung gestatten solche Anordnungen nicht.

Ziel der Erfindung

Ziol dor Erfindung ist es, oino Ncigungsineßanordnung zu schaffen, dio oino hoho Floxiöilität aufweist und dio unter extremen Umweltbedingung;!!! oinsotzbar ist.

Darlegung dtts Wesen» der Erfindung

Dur F.ilinilu.'n; lieyl diu Aufgabo zugrundo, oino Noigungsmoßanordnung zu ontwkkuln, dio auf dor Wirkbasis oinos sich ö'tlich I)Ot Noigungsandorung voriagorndon fluidon Modiums, v/ulchos untor oinor dynamischen Beeinflussung steht, die Initiieriing von gostollfoston Sonsoron ormöglicht, woboi dio Roaktionsträghoit uinstollbnr sein soll und in dor Umgobung oinos Noigunijsnul'nivoaus oino hoho Empfindlichkeit und fur cino größoro Noigungsändorung eino vorringarto Empfindlichkeit vorhanden soin soll.

Dio Aufgabo wird orfindungsgomaß durlurch (lolöst, daß boi oinnr Noigungsmoßanordnung, dio zur Ermittlung der Neigung in allen Richtungen aus einom goschlossonon Flüssigkoitsbohältor in Form einer Dosenlibelle besteht, dor Flüssigkeitsbehälter

rotationssymmetrisch ausgeführt ist und in einer kardanischen Lagerung gehaltert ist, wobei jeder Schwenkachse der kardanisohen Lagerung eine eigene Klemmeinrichtung zugeordnet ist, und daß der Flüssigkeitsbehälter um eine Achse senkrecht zu den Schwenkachsan drehbar gelagert ist, wobei ein Antrieb in der inneren kardanischen Schwenkachse vorgesehen

Aus Stabilitätsgründen ist es vorteilhaft, wenn das Eigengewicht des Flüssigkeitsbehälters mit dem Schwerpunkt unterhalb der Schwenkachse verlagert ist.

Zur Meßsignalgewinnung kann eine elektrisch leitende Flüssigkeit vorgesehen sein, wobei an der Innenwandung des Flüssigkeitsbehälters um die Rotationsachse konzentrisch angeordnete Ringelektroden vorgesehen sein sollten, die voneinander elektrisch isoliert sind. Die Ringelektroden können auf ihrem Umfang segmentiert sein, wobei die einzelnen Elektrodensegmente durch Kontaktierungen sensibilisierbar ausgeführt sind.

Eine weitere Möglichkeit zur Meßsignalgewinnung besteht darin, daß am Flüssigkeitsbehälter von außen wirkende optische Sende- und Empfangselemente vorgesehen sind, daß der Flüssigkeitsbehälter an mindestens einer Ringzone optisch transparent ausgebildet ist, wodurch das Licht des Sendeelementes durch den Flüssigkeitsbehälter auf das Empfangselement trifft, wobei die flüssigkeit .nichttransparent ist.

Zum Zweck der Dämpfungsbeeinflussung ist es vorteilhaft., wenn in dem Flüssigkeitsbehälter zusätzlich eine Gasfüllung eingebracht ist, deren Druck von außen steuerbar ist. Dem gleichen Zweck kann eine im Inneren dos Flüssigkeitsbehälters an einorn Blattfcdorgelenk pendelnd aufgehängte Scheibe dienen.

Ausführungsbeisplel

Die erfindungsgemi'ße Anordnung ist auf den Fig. 1 und 2 näher erläutert.

Auf Fig. 1 ist die Gesumtanordnung prinzipiell dargestellt.

Fig. 2 zeigt das zusätzliche optische Sensorprinzip.

Auf einer zu erfassenden Basis 1, die durch die Punktauflagen 2 gosteüfest einen Lagerring 3 positionier; befindet sich din Meßanordnung. Dieso besteht aus einem ersten kardanischen Lagerring 4, der über einen klemmbaren Schwenkbolzen 5 mit dem lagerring 3 verbunden ist, wobei die Klemmung nicht dargestellt ist, undoinem zweiten kardanischen Lagerring 6, der mit dem ersten kardanischen Lagerring 4 durch einen nicht dargestellten Schwenkbolzen schwenkbar gelagert ist. Der Schwenkbolzen besitzt eine ansteuerbare Klemmung, so daß zu wählbaren Momenten eine Klemmung und damit oine Verhinderung der Schwenkbewegung realisiert werden kann.

Die kardanischen Lagerringe4,6 besten sphärische Innenkonturen 7,8. De^- ';drdanische Lagerring 6 besitzt eine Innenkalotte 9, in der über Kugeln 10 ein Positionierung 11 drehbar gelagert ist. Der Positionierring 11 ist fest verbunden mit dem Rotationskörper 12, der als Kugelelement ausgebildet ist. Der Rotationskörper 12 ist geteilt montiert.

Auf dem Lagerring 6 befindet sich gestellfest eine Haltevorrichtung 13, die dun Stator eines elektromotorischen Antriebes 14 trägt.

Der Rotationskörper 12 besitzt in der oberen Hälfte eine zonenhaft ausgebildete Weicheisonkonfiguration 15.

Die untere Hälfte besteht aus einem Werkstoff einer solchen Dichte, daß das Gewicht der unteren Häl''e größer als das der oberen Hälfte ist und der Massenschwerpunkt 16 weit unterhalb des Mittelpunktes des Rotationskörpers 12 sich befindet.

Im Rotationskörper 12 sind an der Innenseite elektrisch leitfähigo Ringzonen 17, die voneinander isoliert sind, angebracht. Die Ringzonen 17 besitzen, nicht dargestellt, Kontakte und elektrische Zuleitungen, die in dem Rotationskörper 12 verlegt sind und am äußeren Umfang über geeignete Schleifkontakte aktiviert werden können.

Der Rotationskörper 12 ist optisch transparent, zumindestens in einer Ringzone 18.

In dem Rotationskörper 12 befindet sich eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit 19, die etwa bis zur Hälfte reicht.

Im Rotationskörper ist an der Innenwandung über ein Federbandgelenk 20 und einen Drahtadapter 21 eine Planscheibe 22 befestigt.

Auf Fig. 2 ist auf dom Positicnierring 11 über einen Adapter 23 zumindestens ein Ringelement 24 befestigt, welches an azimutal verteilten Stellen Lichtsendeelemente 25 und jeweils gegenliegende Empfänger 26 mit nicht dargestellter Signalzu- bzw. -ableitung beinhaltet. Der durch die Drehung des Rotationskörpers 12 sich ausbildende Flüssigkeitsspiegel mit Randerhöhung 27 kontaktiert Ringzonen 17 und gibt ein entsprechendes Signal in Verbindung mit den Ringzonen 28 sowie ein optisches Signal durch die Sende/Empfängerelemente 25, 26, so daß gleichzeitig eine Grob- bzw. Feinablesung oder Signalgewinnung realisiert wird odor aber eine Arbeitsboreichsfixierung mit entsprechend variiorbaror Empfindlichkeit und Erfassung von diskreten Momentanwerten bzw. relativen Änderungen erreicht wird.

Mit der Planscheibe 22 wird eine Dämpfung dor Flüssigkeit erreicht. Je nach auszuwertender Koordinate erfolgt eine Klommung dor Schwenkachse!! und Signalauswcrtung. Dabei ist dio Anordnung so ausgeführt, daß eine Erfassung vorzugsweise einer Koordinato vorgenommon wird. Dio Erfassung der anderen Koordinaiu wird dadurch roalisiert, daß ausgehend von oinem Ausgangszustand, zuorst die oino Koordinato bzgl. Neigung mit goklommtor Schwonkachso oines Lagerringos dotektiert wird, anschließend dio Klommung gelöst wird und dio andoro Koordinato orfaßt wird. Dio Anordnung ist daboi so ausgeführt, daß die Schwonkachson in dor Ausgangsposition oino dofiniorto azimutalo Stellung oinnohmon bzw. daß dioso Stellung jedorzeit wieder oingonommen worden kann. Hierfür ist oin nicht dargestellter Antrieb verantwortlich.

Claims (8)

Patentansprüche:

1. Neigungsmeßanordnung, bestehend aus einem geschlossenen Flüssigkeitsbehälter in Form einer Dosenlibelle zur Ermittlung der Neigung in allen Richtungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsbehälter (12) rotationssymmetrisch ausgeführt isi und in einer kardanischen Lagerung gehaltert ist, wobei jeder Schwenkachse der kardanischen Lagerung eine eigene Klemmeinrichtung zugeordnet ist, und daß der Flüssigkeitsbehälter (12) um eine Achse senkrecht zu den Schwenkachsen drehbar gelagert ist, wobei ein Antrieb in der inneren kardanischen Schwenkachse vorgesehen ist.

2. Neigungsmeßanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Eigengewicht des Flüssigkeitsbehälters (12) mit dem Schwerpunkt unterhalb der Schwenkachse verlagert ist.

3. Neigungsmeßanordnung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit (19) elektrisch leitend ist.

4 Neigungssensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß an der Innenwandung des Flüssigkeitsbehälters (12) um die Rotationsachse konzentrisch angeordnete Ringelektroden (17) vorgesehen sind, die voneinander elektrisch isoliert sind.

5. Neigungssensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringelektroden (17) auf ihrem Umfang segmentiert sind, wobei die einzelnen Elektrodensegmente durch Kontaktierungen sensibilisierbar ausgeführt sind.

6. Neigungssensor nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß am Flüssigkeitsbehälter (12) von außen wirkende optische Sende- (25) und Empfangselemente (26) vorgesehen sind, daß der Flüssigkeitsbehälter (12) an mindestens einer Ringzone (17), (18) optisch transparent ausgebildet ist, wodurch das Licht des Sendeelementes (25) durch den Flüssigkeitsbehälter (12) auf das Empfangselement (26) trifft, wobei die Flüssigkeit (19) nichttransparent ist.

7. Neigungssensor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Flüssigkeitsbehälter (12) zusätzlich eine Gasfüllung eingebracht ist, deren Druck von außen steuerbar ist.

8. Neigungssensor nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Inneren des Flüssigkeitsbehälters (12) eine an einem Blattfedergelenk (20) pendelnd aufgehängte Scheibe vorgesehen ist.