DE4033630A1 - Erdlot zum bestimmen von senkrechten und waagrechten - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Erdlot zum Bestimmen von vertikalen und horizontalen Richtungen, bei dem eine Richtungsbestimmungseinheit mit einer Lichtquelle an einem Universalgelenk frei beweglich aufgehängt ist, so daß nach Einpendelung in den Gleichgewichtszustand ein gebündelter Lichtstrahl der Lichtquelle die Vertikalrichtung anzeigt.

Ein Lot mit derartigen Merkmalen ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 25 49 218 bekannt. Es besitzt zur Richtungsbestimmung eine frei beweglich aufgehängte Bilderzeugungseinrichtung, deren optische Achse sich bei der Einpendelung vertikal ausrichtet. Das Universalgelenk selbst besteht aus 2 Gelenkteilen, wovon eines mit dem Standgehäuse starr verbundenen ist, während das andere mit der Richtungsbestimmungs­ einheit sich relativ dazu bewegen kann.

Ferner ist in der deutschen Offenlegungsschrift 26 34 456 für die senkrechte Ausrichtung des Lots ein Kugelgelenk gelehrt. Die Lotmasse kann aber auch kardanisch oder, wie in der britischen Patentschrift 13 75 716 beschrieben, frei schwingend an einem Faden aufgehängt sein. Derartige Aufhängungen besitzen jedoch alle gewisse Nachteile.

Das in der deutschen Offenlegungsschrift 26 34 456 beschriebene Kugelgelenk ist wegen seiner inneren Gelenkreibung für Präzisionslote nicht geeignet, da insbesondere bei kleinen Lotvorrichtungen nur geringe Rückstellkräfte für die Ausrichtung zur Verfügung stehen. Ferner müssen die Gelenkteile der Aufhängung exakt herzustellen sein, da nämlich jede Ungenauigkeit die genau vertikale Ausrichtung der Bestimmungseinheit vermindert. Auch das in der deutschen Offenlegungsschrift 25 49 218 beschriebene Universalgelenk besitzt der­ artige Nachteile und selbst kardanische Aufhängungen, wie sie beispielsweise zur Waagrechthaltung der Schiffkompasse verwendet werden, sind nicht präzise genug.

Ferner ist bei den vorgenannten Loten nachteilig, daß sich äußere Schwingungen - beispiels­ weise von einer laufenden Maschine - auf die frei aufgehängte Masse übertragen können. Die Einpendelung des Lotgewichts kann daher oft sehr lange dauern. In der deutschen Offenlegungsschrift 25 49 218 ist deshalb eine Öldämpfung vorgesehen, die aber die Empfindlichkeit vermindert.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein Erdlot zur Verfügung zu stellen, das, obwohl robust und handlich konstruiert, für eine präzise Bestimmung - d. h. mit weniger als 10 µrad Abweichung - der vertikalen und horizontalen Richtungen geeignet ist und keine langen Einpendelzeiten benötigt.

Dieses Problem wird durch eine Vorrichtung nach Patentanspruch 1 sowie durch das Verfahren nach Anspruch 9 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Das erfindungsgemäße Erdlot weist zur Richtungsbestimmung eine an einem Universal­ gelenk zur Einpendelung frei beweglich aufgehängte Lichtquelle auf, so daß im Gleich­ gewichtszustand ein gebündelter Lichtstrahl der Lichtquelle die vertikale Richtung anzeigt, wobei die über das Gehäuse mit der Standeinrichtung starr verbundene Gelenkpfanne mindestens eine Leitung aufweist, durch die zu einer umlaufenden Nut im beweglichen Gelenkkopf, der mit der Richtungsbestimmungseinheit fest verbunden ist, ein Gleitmittel dem Gelenk zuführbar ist.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegen vor allem in der großen Präzision und der leichten Miniaturisierbarkeit - die Gesamthöhe der Vorrichtung kann weniger als 5 cm betragen - und in den kostengünstigen Herstellungsmöglichkeiten.

Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren zum Bestimmen von vertikalen und horizontalen Richtungen zur Verfügung gestellt, bei dem eine Lichtquelle an einem Universalgelenk frei beweglich aufgehängt wird - die Lichtquelle wird an dem Gelenkkopf befestigt und die Gelenkpfanne über das Gehäuse mit der Standeinrichtung starr verbunden -, über eine Leitung in der Gelenkpfanne ein Gleitmittel von unten zu einer Nut im Gelenkkopf zugeführt wird - vorzugsweise unter Druck durch Pumpen -, und nach Einpendelung in die Gleichgewichtslage die vom ausgerichteten Lichtstrahl angezeigte vertikale oder horizontale Richtung abgelesen wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Lichtquelle am Gelenkkopf in starrer Aufhän­ gung befestigt. Die Gelenkpfanne und der Gelenkkopf besitzen dann mittig - d. h. in der Achse der Vorrichtung - einen Durchgang, damit der vertikal ausgerichtete, gebündelte Lichtstrahl das Gelenk brechungsfrei passieren kann.

Besonders bevorzugt ist auch, wenn die Gelenkpfanne und der Gelenkkopf aus Glas oder Glaskeramik hergestellt sind und die Formen einer konkaven und einer konvexen, halbkugel­ förmigen Glaslinse besitzen. Die umlaufende Nut für das Gleitmittel ist dann von oben gesehen kreisförmig. Derartige Glaslinsen lassen sich nämlich durch Schleifen und Polieren besonders präzise herstellen. Dadurch können Gelenklinsen eingesetzt werden, deren Form bis auf wenige Angström bestimmt ist. Die Glaslinsen können ferner durch optische Inter­ ferenz leicht überprüft werden. Das Bewegungszentrum (Radiusmittelpunkt der konvexen oder konkaven Linsenkrümmung) ist in dem erfindungsgemäßen Erdlot daher in einer ansonsten nicht erreichbaren Präzision bestimmt. Die Vertikalausrichtung des Lichtstrahls in der Gleichgewichtslage ist somit durch den Mittelpunkt der Linsenkrümmung, der auch das Bewegungszentrum des Gelenks ist, und dem Schwerpunkt der Richtungsbestimmungs­ einheit definiert. Es versteht sich dabei von selbst, daß bei der Herstellung des Lots der Lichtstrahl zuerst so justiert werden muß, daß er vertikal durch den Krümmungsmittelpunkt, bzw. durch das Bewegungszentrum, geht. Bei vorheriger Umlenkung in die Waagrechte ist der Lichtstrahl dann natürlich nur virtuell auf den Radiusmittelpunkt abbildbar.

Bei der Verwendung von Glas oder Glaskeramik stellt die Reibung an den Kontaktflächen ein gewisses Problem dar, da Glasteile - insbesondere bei hoher Luftfeuchtigkeit - gerne anein­ ander hatten. Dieses Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen den Gelenkteilen bei Inbetriebnahme über eine Zuleitung in der Gelenkpfanne eine vorzugsweise flüchtige Gleitmittelflüssigkeit in die Nut eingebracht wird. Die Flüssigkeit in der Nut bewirkt, daß der bewegliche Gelenkkörper, an dem die Richtungsbestimmungseinheit aufgehängt ist, sich kurzzeitig aufgrund des Dampfdrucks bzw. des Flüssigkeitsdrucks von der Gelenkpfanne abhebt. Das bewegliche Gelenkteil kann sich dann, von einem Gas- oder Flüssigkeitskissen nahezu reibungsfrei getragen, in die energetisch günstigste Position bewegen. Vorzugsweise wird eine Gleitmittelflüssigkeit mit innerer Reibung verwendet, so daß bei raschen Relativ­ bewegungen eine Dämpfung erfolgt. Die erfindungsgemäß in das Gelenk eingebrachte Gleit­ mittelflüssigkeit bewirkt also bei langsamen Relativbewegungen einerseits eine Herabsetzung der Reibung und andererseits eine geschwindigkeits- und beschleunigungsproportionale Dämpfung der Pendelbewegungen. Als Gleitmittelflüssigkeiten werden vorzugsweise Flüssigkeiten mit hohen Dampfdrücken, wie Diethylether, Ethanol, Methanol, Tetrachlor­ ethylen, Tetrafluorethylen, Dichlordifluorethylen, Chloroform, etc., verwendet.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden Gase, wie Luft, Stickstoff, etc., durch die Leitung in die Nut eingepreßt, so daß sich das bewegliche Gelenkteil, an dem die Rich­ tungsbestimmungseinheit aufgehängt ist, reibungsfrei, da von einem Gaskissen getragen, in die energetisch tiefste Lage einpendeln kann.

Auch kann es vorteilhaft sein, die Oberflächen der Gelenkteile zur Herabsetzung der Reibung zu härten. Ferner ist es vorteilhaft, die Oberflächen der Gelenkteile chemisch so zu modifi­ zieren, daß sich Verunreinigung nicht festsetzen können, beispielsweise durch eine Silikoni­ sierung der Glasteile.

Als Lichtquelle in der Richtungsbestimmungseinheit wird vorzugsweise ein Laser verwendet, obwohl prinzipiell auch eine konventionelle Lichtquelle geeignet wäre. Unter den verschie­ denen Lasern sind Halbleiterlaser wegen des geringen Energiebedarfs bevorzugt. Es können aber auch gewöhnliche Laser, wie He-Ne-Laser, Argon-Laser oder Rubin-Laser, verwendet werden. Der Laserstrahl wird im übrigen durch an sich bekannte optische Elemente gebün­ delt. Bei der geforderten Genauigkeit empfiehlt es sich jedoch, den Lichtstrahl zur Vermei­ dung von Beugungserscheinungen nicht zu stark zu bündeln. Daher wird zur Anzeige vorzugsweise ein Lichtstrahl mit 2-10 mm Durchmesser verwendet. Die geforderte Ablese­ genauigkeit wird dann dadurch erzielt, daß der Schwerpunkt des Lichtstrahls elektronisch, beispielsweise durch Photozellen, mit Hilfe eines Positionsdetektors ermittelt wird.

Ferner bietet es sich an, Bilderzeugungseinrichtungen in den Laserstrahl einzubringen, so daß nicht nur die vertikale oder horizontale Richtung abgelesen werden kann, sondern auch Abweichungen davon. Besonders bevorzugt sind dabei Einrichtungen, die den Lichtstrahl gradieren.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung befindet sich auf dem beweglichen, oberen Gelenkteil - der konvexen, halbkugelförmigen Linse - eine Masse, die über Einstellschrauben und Federn verschiebbar angeordnet ist. Diese Masse dient zur erstmaligen Einstellung des Schwerpunkts der Richtungsbestimmungseinheit und somit zur Justierung des Lots.

Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im vertikalen Lichtstrahl der Richtungsbestimmungseinheit ein Pentaprisma angeordnet, das den Lichtstrahl 90° umlenkt und dieser nunmehr die horizontale Achse anzeigt. Das Pentaprisma ist vorzugs­ weise in einem Modul integriert, das auf das Erdlot aufgesteckt werden kann. Das Bewe­ gungszentrum des Gelenks liegt dabei vorzugsweise außerhalb des Prismas, d. h. in Strahlrichtung gesehen hinter der ersten geneigten Prismafläche, so daß sich Fehler in der senkrechten Positionierung des Lotgehäuses ausgleichen. Mit Hilfe dieses Modus kann das Erdlot sowohl für die vertikale als auch für horizontale Richtungsbestimmung verwendet werden.

In einer weiteren Ausgestaltung dieser Ausführungsform ist das Modul, bzw. das Penta­ prisma, um die Achse des Erdlots drehbar, so daß der umlaufende Lichtstrahl eine zur Gravitationskraft senkrecht stehende horizontale Ebene beschreibt.

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung und den Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung.

Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Erdlot im Längsschnitt sowie das Modul mit dem pentagonalen Prisma.

Die Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Erdlot mit einer Richtungsbestimmungseinheit 10, die im wesentlichen aus einem handelsüblichen Halbleiterlaser mit einer Lichtleistung von ca. 1 mW, einer Energieversorgungseinheit (Akkumulator, Batterien), mehreren optischen Elementen zur Bündelung des Lichtstrahls auf einen Durchmesser von 0,7 cm und einer Ausrichtvorrichtung 8 zur Einstellung des Lichtstrahls in der Richtungsbestimmungseinheit besteht. Die Position des Lichtstrahl wird nach Einpendelung in die vertikale bzw. horizontale Lage elektronisch mit Hilfe eines Positionsdetektors (nicht gezeigt) bestimmt. Die frei beweg­ liche Richtungsbestimmungseinheit 10 ist durch ein rohrförmiges Verbindungsteil 12 mit dem beweglichen Teil 104 des Universalgelenks - der konvexen, halbkugelförmigen Gelenklinse 104 - starr verbunden. Das rohrförmige Verbindungsteil 12 und die konvexe Gelenklinse 104 besitzen mittig, entlang der Vorrichtungsachse 30, einen Durchgang 28, so daß der Licht­ strahl 32 (der Lichtstrahl 32 liegt teilweise auf der Vorrichtungsachse 30) nach der Einpende­ lung brechungsfrei das Gelenk passieren kann. Auf dem konvexen, halbkugelförmigen oberen Gelenkteil 104 ist ein ringförmiges Ausgleichsgewicht 14, das durch 90° versetzt angeordnete Federn 16 und Justierschrauben 18 auf dem oberen Gelenkteil 104 in allen Richtungen verschiebbar ist, angeordnet, so daß der Schwerpunkt der Richtungs­ bestimmungseinheit 10 justiert werden kann. Letztere Justiereinrichtung dient zur erstmaligen vertikalen Justierung des Lichtstrahls 32 durch das Bewegungszentrum 110 (Radiusmittel­ punkt der Linsenkrümmung) des Gelenks.

Die konvexe Gelenklinse 104 besteht aus einem Glaskeramikkörper mit einem geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten. Die Oberfläche der konvexen Gelenklinse weicht weniger als 1 µm von der berechneten Krümmung ab.

Der Gelenklinsenkörper 104 weist in der konvex gekrümmten Oberfläche eine kreisförmige, umlaufende Nut 60 auf, die zur konkav gekrümmten Gelenkpfanne 102 hinzeigt. Diese Nut 60 wird über eine, im unteren konkaven Gelenkkörper 102 befindliche Zuführleitung 62 mit Hilfe einer Pumpe 68 aus einem, auf ähnlichem Niveau angeordneten Vorratsbehälter 66 mit einem flüchtigen Gleitmittel 64 - Ether - versorgt. Das Gleitmittel 64 dringt dabei in die Grenz­ schicht zwischen dem oberen und dem unteren Gelenkteil 102,104 ein und vermindert so die Reibung an den Kontaktflächen; bei raschen Relativbewegungen werden diese aber aufgrund der inneren Reibung in der Gleitmittelflüssigkeit gedämpft. Der untere konkave Gelenklinsen­ körper 102 besteht gleichfalls aus Glaskeramik. Er weist entlang seiner Mittelachse eine Bohrung auf. Unter der konkav gekrümmten Gelenkpfanne ist ein Linsenboden 100 mit einem kleinen ringförmigen Vorsprung nahe der Vorrichtungsachse 30 angeordnet, um einerseits das untere Kugelgelenkteil 102 besser abzustützen und andererseits, um die Bewegungsfrei­ heit der Richtungsbestimmungseinheit im Freiraum 26 so weit einzugrenzen, daß keine Beschädigung des Gelenks auftreten kann. Das untere konkave Kugelgelenkteil 102 ist durch den Linsenboden 100 starr mit dem Gehäuse 80 verbunden. Das Gehäuse 80 wiederum ist mit dem Gehäuseboden 56 und in Folge mit einer Standeinrichtung zur Positionierung auf dem Standort verbunden. Der Standort für das Erdlot kann beispielweise ein Podest, ein Bauwerk, eine Anlage oder ein metallisches Maschinenteil sein. Deshalb weist die Standein­ richtung neben der Standplatte 52, in der sich zur Ausrichtung verstellbare Standschrauben 50, 50′ befinden, auch Magneten 54, 54′ auf, damit das Erdlot direkt an dem metallischen Körper befestigt werden kann.

Im Strahlweg ist fakultativ ein auf ein Drehlager 24 aufsteckbares Modul mit einem Penta­ prisma 34 angeordnet, das den Lichtstrahl 32 in die horizontale Richtung umlenkt. Der Drehmittelpunkt 110 des Gelenks liegt dabei - in vertikaler Strahlrichtung gesehen - eine definierte Strecke hinter dem Prisma, so daß bei einer geringfügig schiefen Positionierung des Gehäuses 80, bzw. des Prismas 34, ein Höhenschlag des waagrecht austretenden Lichtstrahls vermieden ist. Das Pentaprisma 34 befindet sich in einem drehbaren Gehäuse 36, das durch ein Zahnrad 20 und ein Antriebsritzel 22 auf einem Elektromotor 86 in eine Drehung um die Vorrichtungsachse 30 versetzt werden kann. Auf dem Gehäuse des Moduls befindet sich eine Wasserwaage 38 mit einer Luftblase 40, die zur groben Ausrichtung des Erdlots dient. Der Motor 86 befindet sich zusammen mit der Energieversorgung 84, 84′, Batterien oder Akkumulatoren, in einem separaten Antriebseinheitsgehäuse 82, damit die Richtungsbestimmungseinheit 10 abgeschirmt ist.

Am Gehäuseboden 56 des Erdlots befindet sich eine automatische Transportsicherung, die verhindert, daß bei einem Transport das Universalgelenk bzw. die Richtungsbestimmungs­ einheit durch Erschütterungen beschädigt werden. Die automatische Transportsicherung besteht aus einem federvorgespannten Scharniergelenk 120a, zwei weiteren Scharnier­ gelenken 120b, 120c, einer Sicherungsklappe 122, einem Sicherungskonus 126 und einer Gegenhalterung 128. Wird das Erdlot vom Boden gehoben, so wird eine vorgespannte Transportsicherungsklappe 122 freigegeben und ein Klemmstift 124 drückt den Sicherungs­ konus 126 der Richtungsbestimmungseinheit 10 auf eine Gegenhalterung 128. Der Sicherungskonus 126 ist somit festgeklemmt und mit ihm die Richtungsbestimmungseinheit 10.

Claims (10)

1. Erdlot zum Bestimmen der Vertikal- und Horizontalrichtung, wobei eine Richtungs­ bestimmungseinheit (10) an einem Universalgelenk (102, 104) frei beweglich zur Einpendelung aufgehängt ist und im Gleichgewichtszustand ein Lichtstrahl (32) das Vertikallot anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß das über das Gehäuse mit der Standeinrichtung starr verbundene Gelenkteil (102) mindestens eine Leitung (62) aufweist, durch die zu einer Nut (60) am beweglichen Gelenkteil (104), das mit der Richtungsbestimmungseinheit verbunden ist, ein Gleitmittel (64) zwischen die Gelenkteile (102,104) zuführbar ist.

2. Erdlot nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtungsbestimmungseinheit (10) am oberen beweglichen Gelenkteil (104) befestigt ist und die Gelenkpfanne (102) und der Gelenkkopf (104) mittig eine Öffnung (28) für einen brechungsfreien Durchgang des vertikalen Lichtstrahls (32) aufweisen.

3. Erdlot nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Gelenkpfanne (102) und der konvexe Gelenkkopf (104) aus Glas oder Glaskeramik hergestellt sind.

4. Erdlot nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) ein Laser ist.

5. Erdlot nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Gelenkkopf (104) eine ringförmige, verschiebliche Masse (14) zur Justierung des Schwerpunkts der Richtungsbestimmungseinheit (10) angeordnet ist.

6. Erdlot nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlweg (30, 32) ein optisches Element (34) angeordnet ist, das den Lichtstrahl (32)90° umlenkt.

7. Erdlot nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (34) um eine Achse (30) drehbar ist.

8. Erdlot nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gleitmittel (64) eine Flüssigkeit mit hohem Dampfdruck oder ein Gas ist.

9. Verfahren zum Bestimmen von vertikalen und horizontalen Achsen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle (10) an einem Universalgelenk (102, 104) frei beweglich aufgehängt wird, wobei die Lichtquelle an dem beweglichen Gelenkteil (104) befestigt ist und das feststehende Gelenkteil (102) über das Gehäuse mit der Standeinrichtung starr verbundenen ist; daß über eine Leitung (62) im feststehenden Gelenkteil (102) ein Gleitmittel (64) von unten zu einer Nut (60) im beweglichen Gelenkteil (104) zugeführt wird, und daß nach Einstellung der Gleichgewichtslage die Vertikale oder Horizontale anhand des Lichtstrahls (32) abgelesen wird.

10. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zum senkrechten oder waagrechten Anordnen von Gegenständen.