DE60132651T2

DE60132651T2 - Positionsbestimmungssystem

Info

Publication number: DE60132651T2
Application number: DE60132651T
Authority: DE
Inventors: Fumio Ohtomo; Kunihiro Hayashi; Jun-Ichi Kodaira; Kazuki Osaragi
Original assignee: Topcon Corp
Current assignee: Topcon Corp
Priority date: 2000-07-19
Filing date: 2001-07-16
Publication date: 2009-01-29
Anticipated expiration: 2021-07-17
Also published as: EP1174682B1; JP4416925B2; DE60132651D1; EP1174682A2; EP1174682A3; US6646732B2; US20020057426A1; JP2002039755A

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Positionsbestimmungs- und Einstellungssystem, bei dem eine Laserquelle in Rotation versetzt wird, während sie einen Laserstrahl emittiert, um eine geneigte Ebene zu erzeugen, die einen gewissen Neigungswinkel von einer horizontalen Referenzebene bildet, und sie bezieht sich auf eine Lichtsensoreinrichtung, die für das System verwendet wird. Das Positionsbestimmungs- und Einstellungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung gestattet die Erzeugung eines Referenzpunktes, einer Referenzlinie und einer Referenzebene für Messungen.
Stand der Technik
Optische Niveaumessgeräte nach dem Stand der Technik wurden durch Rotationslaservorrichtungen ersetzt, die verwendet werden, um eine horizontale Referenzebene zu erzeugen, die einen relativ großen Bereich überdeckt.
In den letzten Jahren wurden Rotationslaservorrichtungen populär für die Verwendung bei der Bestimmung vertikaler Ausrichtungen, insbesondere zur Erzeugung von Linien und Ebenen auf der Grundlage von Referenzhöhenlagen. Solch eine Rotationslaservorrichtung führt Drehungen aus, schwenkt hin und her und hält an, um Referenzebenen von Drehungen, teilweise Referenzlinien, Referenzebenen, Referenzsegmente, Referenzpunkte und dergleichen zu erzeugen, während sie einen Laserstrahl in horizontalen Richtungen emittieren.
Die Rotationslaservorrichtungen wurden verwendet, um horizontale Referenzlinien zum Zwecke der Lokalisierung von Fensterrahmen in Innenkonstruktionen für Gebäude und zur Erzeugung von horizontalen Referenzebenen zur Herstellung von Hügeln in Baustellen und zum Simulieren von Schnittflächen nach der Abtragung von Boden verwendet. Die Rotationslaservorrichtungen wurden auch verwendet, um Referenzpunkte bei der Bestimmung von Neigungen von Treppen aufzustellen, und einige dieser Vorrichtungen können Referenzebenen erzeugen, die in einer Weise oder in zweifacher Weise geneigt sind.
Eine dieser Rotationslaservorrichtungen nach dem Stand der Technik, die geneigte Referenzflächen erzeugen kann, ist in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. H6-26861 offenbart, und die Anordnung und die Arbeitsweise der offenbarten Rotationslaservorrichtung werden nun zusammengefasst.
Bezugnehmend auf 24 hat eine Rotationslaservorrichtung 951 ein Gehäuse 901 und einen Laserprojektor 903. Das Gehäuse 901 hat einen oberen mittleren Abschnitt, der in Form eines Kegelstumpfs eines Konus hinterschnitten ist, um einen konkaven Abschnitt 902 zu bilden. Der Laserprojektor 903 erstreckt sich senkrecht durch die Mitte des konkaven Abschnitts 902. Der Laserprojektor 903, der durch den hinterschnittenen Abschnitt 902 gelagert ist, kann auf einem kugelförmigen Montageteil 904 und um diesen herum gekippt werden, der in der Mitte davon ausgebildet ist. Eine Rotationseinheit 905, die an einem Pentaprisma 909 vorgesehen ist, ist in dem oberen Abschnitt des Laserprojektors 903 montiert. Die Rotationseinheit 905 wird durch ein Antriebszahnrad 907 und ein Schwenkzahnrad 908 gedreht, das durch einen Schwenkmotor 906 betrieben wird.
Zwei Paare von Einheiten von Neigungsmechanismen (nur eine des Paares ist gezeigt) sind um den Laserprojektor 903 befestigt. Jede der Einheiten 910 des Neigungsmechanismus umfasst einen Motor 911, eine Schraube 912 und eine Mutter 913, die alle zusammen wirken, um die Neigung herzustellen. Die Schraube 912 wird durch ein Antriebszahnrad 914 und ein Kipp-Zahnrad 915 gedreht, die beide durch den Motor 911 angetrieben werden. Der Laserprojektor 903 ist mit der Mutter 913 durch einen Kipparm 916 gekoppelt, der dazwischen angeordnet ist. Die Drehung der Schraube bewirkt, dass die Mutter 913 sich vertikal bewegt, was wiederum bewirkt, dass der Laserprojektor 903 kippt.
Zwei Sensoren 918 und 919 sind an dem Laserprojektor 903 in der Mitte davon in einer Ebene senkrecht zu der Rotationsachse der Rotationseinheit 904 angeordnet und separat befestigt. Einer der befestigten Sensoren, der Sensor 908, ist parallel zu dem Kipparm 916 positioniert, während der andere, der Sensor 919, senkrecht zu dem Kipparm 916 orientiert ist. Ein Flansch 920 mit einem Drehzapfen 921 ist an einem unteren Ende des Laserprojektors 903 befestigt. Ein oberes Ende des Schwenkzapfens 921 lagert schwenkbar eine L-förmige Kipp-Platte 922 an einem Punkt davon, und ein Winkelbestimmungssensor 929 und ein Winkelbestimmungssensor 930 sind in der L-förmigen Kipp-Platte 922 enthalten. Der Winkelbestimmungssensor 929 ist in derselben Richtung wie der feste Sensor 918 positioniert, während der Winkelbestimmungssensor 930 in derselben Richtung wie der feste Sensor 919 positioniert ist. Die Kipp-Platte 922 ist an beiden Paaren der Einheiten der Neigungsmechanismen befestigt (nur eine Einheit ist gezeigt).
Jede der Einheiten 925 des Neigungsmechanismus umfasst einen Motor 926, eine Schraube 927, die durch den Motor 926 gedreht wird, und eine Sperrmutter 928, durch die die Kippschraube 927 heruntergeschraubt wird, wobei alle diese Komponenten zusammenwirken, um eine Referenz für den Neigungswinkel bereitzustellen. Ein Ende der Kipp-Platte 922 ist auf der Sperrmutter 928 aufgesetzt. Der Motor 926 wird betätigt, um die Schraube 927 zu drehen und die Sperrmutter 928 vertikal zu bewegen, und damit kann die Kipp-Platte 922 geneigt angeordnet werden.
Ein Laserstrahlprojektor (nicht gezeigt) und ein optisches Projektorsystem (nicht gezeigt) mit einem Objektiv, beispielsweise eine Sammellinse, die einfallende Strahlen von dem Laserstrahlprojektor in parallele Strahlen bricht, sind in dem Laserprojektor 903 ausgebildet. Der Laserstrahl, der von dem optischen Projektorsystem emittiert wird, wird durch ein Pentaprisma in horizontale Richtung abgelenkt und aus einem Projektorfenster 931 heraus abgestrahlt.
Die funktionellen Merkmale der Rotationslaservorrichtung werden nun beschrieben. Die Bestimmung eines Neigungswinkels wird durch den Neigungsmechanismus 905 ausgeführt. Als erstes wird der Neigungsmechanismus 910 betätigt, um die Positionen der festen Sensoren 918 und 919 so einzuregeln, dass beide Sensoren horizontal sind. Der Motor 926 wird dann betätigt, um die Schraube 927 zu drehen und die Sperrmutter 928 anzuheben, und folglich wird die Kipp-Platte 922 unter einem Winkel η relativ zu dem Flansch 920 in einer umgekehrten Winkelrichtung zu dem gewünschten, vorgegebenen Winkel η geneigt. Der Neigungswinkel η wird durch eine Komponente, beispielsweise einen Kodierer (nicht gezeigt) erfasst, der an den Motor 926 gekoppelt ist.
Sodann wird der Neigungsmechanismus 910 betätigt, um den Laserprojektor 903 so zu kippen, dass die Kippebene 922 als horizontal detektiert wird. An dieser Position ist die Emissionsrichtung des Lichts von dem Laserprojektor 903 unter dem vorgegebenen Winkel η relativ zu der horizontalen Ebene geneigt. Nachdem der Neigungswinkel in der Emissionsrichtung des Laserlichts bestimmt worden ist, wird der Laserstrahl, der an dem Pentaprisma 909 in einer Richtung senkrecht zu der Rotationsachse abgelenkt wird, durch den Laserprojektor 903 abgestrahlt, während die Rotationseinheit 905 gedreht wird, oder während die Rotationseinheit 905 in einem Bereich hin- und hergeschwenkt wird, der einem vorgegebenen Winkel entspricht, um eine geneigte Referenzebene zu erzeugen.
Die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. H11-94544 offenbart eine Höhenlagenanzeigevorrichtung als Pfostenkonstruktion und eine Höhenlagenbestimmungsvorrichtung in Pfostenkonstruktion, die beide aus eine Laservorrichtung bestehen, die sich simultan mit dem abgestrahlten Laserstrahl drehen, und ein fertiges Höhenlagendisplay. Die Höhenlagenbestimmungsvorrichtung in Pfostenkonstruktion kann eine Pfostenkonstruktions-Höhenlage unter Verwendung des Pfostenkonstruktions-Höhenlagendisplays bestimmen, um einen Laserstrahl zu empfangen, der durch die Laservorrichtung abgestrahlt wird, um einen Abstand von der Laservorrichtung zu der Displayvorrichtung und einer Abweichung zwischen der Displayvorrichtung und der horizontalen Referenzebene zu erfassen, gegen die der Laserstrahl gerichtet ist.
Ferner offenbart die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. H11-118487 eine einen abgestrahlten Referenzstrahl erfassende Vorrichtung, die mit einem Neigungswinkelsensor ausgestattet ist, der in Kombination mit einer Laservorrichtung verwendet wird.
Zusätzlich offenbart die Japanische Patentoffenlegungsschrift Nr. H7-208990 eine Bestimmungsvorrichtung mit dreidimensionalen Koordinaten, die ein Bestrahlungsmittel umfasst, das eine Vielzahl von ebenen Strahlen in Rotation versetzt und abstrahlt, und mehr als ein Reflexionsmittel. Die 3D-Koordinaten-Bestimmungsmittel verwenden eine Vielzahl von Reflexionsmitteln, um Licht, das von den Bestrahlungsmitteln emittiert wird, zu reflektieren, und sie verwendet Bestrahlungsmittel, um die reflektierten Strahlen zu empfangen, um dreidimensionale Koordinaten in Bezug auf die Reflexionsmittel zu bestimmen.
Die Rotationslaservorrichtung nach dem Stand der Technik müssen, wie oben angegeben wurde, zwei Paare von Einheiten einschließlich eines Mechanismus, der den Laserprojektor 903 in einer Weise trägt, dass der Laserprojektor eine volle Freiheit zu zweierlei Neigungen hat, um die Neigungsebenen zu erzeugen. Dieses Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik ist insofern nachteilig, dass es zwei feste Sensoren 918 und 919 und zwei Neigungssensoren 929 und 930 erfordert, und dass es eine komplizierte Anordnung erfordert, das heißt, dass es eine Steuerschaltung benötigt, um die Betätigung von zwei der Paare der Einheiten der Neigungsmechanismen benötigt, was zu erhöhten Herstellungskosten führt. Darüber hinaus erzeugt die Rotationslaservorrichtung nach dem Stand der Technik in nachteiliger Weise nur eine Referenzebene und kann niemals eine horizontale und eine geneigte Referenzebene gleichzeitig erzeugen, was die Bestimmung einer relativen Beziehung zwischen den horizontalen und geneigten Referenzebenen stört oder was die Bestimmung der relativen Lage zwischen zwei geneigten Referenzebenen stört, die zueinander unterschiedliche Neigungswinkel haben.
Die Ausführungsform nach dem Stand der Technik der Bestimmungsvorrichtung mit dreidimensionalen Koordinaten, wie sie in der Japanischen Patentoffenlegungsschrift H7-208990 beschrieben ist, sollte weiter verbessert werden, indem die Winkelposition der Reflexionsmittel, um von den Reflexionsmitteln reflektierte Mittel zu den Bestrahlungsmitteln zurückzuführen, genau zu regeln. Zusätzlich muss das Reflexionsmittel bewegt werden, wenn die vorgegebene Referenzebene erzeugt wird, und ein Messwert muss auch dem Bestrah lungsmittel überwacht werden, was in nachteiliger Weise dazu führt, dass mehr als eine Bedienungsperson erforderlich ist, die sich damit befasst, die Vorrichtung zu bedienen.
Gemäß GB-A-2 090 096 umfasst eine Positionssensorvorrichtung Generatormittel, um einen Lichtstrahl zu erzeugen; Rotationsmittel, um den Strahl um eine vertikale Achse in Rotation zu versetzen, um eine horizontale Referenzebene zu definieren, wobei der Strahl eine Querschnittsform (beispielsweise „V-Form" oder „X-Form") hat, sodass eine führende Kante und eine nachlaufende Kante gerade sind und von der Referenzebene weg divergieren, zwei Strahlungssensoren, die um einen bekannten vertikalen Abstand voneinander beabstandet sind; und Mittel, um die Abstände zwischen den vorlaufenden und nachlaufenden Kanten an den Positionen entlang dieser Kanten zu bestimmen, die über den Sensor verlaufen. Der vertikale Abstand von jedem Sensor von der horizontalen Referenzebene, und der Abstand der Sensoren von der Drehachse kann dann bestimmt werden.
In EP-A-0 854 351 ist ein Laserüberwachungsinstrument gezeigt, das eine Haupteinheit mit Rotationsstrahlungssystem und einen Objektreflektor umfasst. Der Objektreflektor hat zwei oder mehrere Reflektorabschnitte, von denen wenigstens einer eine Reflexionsoberfläche mit einer sich allmählich ändernden Form hat. Die Haupteinheit mit Rotationsbestrahlungssystem umfasst eine Lichtquelle, um einen polarisierten Lichtstrahl zu emittieren, einen Rotor, um den polarisierten Lichtstrahl in Rotation zu versetzen und zu dem Objektreflektor abzustrahlen, und um eine Strahlungsrichtung zu erfassen, eine Neigungs-Stelleinheit, um die Rotationsbestrahlungsebene des polarisierten Lichtstrahls zu kippen, ein Detektormittel, um einen polarisierten Reflexionslichtstrahl zu detektieren, der von dem Objektreflektor reflektiert wird und in die Haupteinheit mit Rotationsbestrahlungssystem über die Rotationseinrichtung eintritt, eine Reflexionslicht-Detektorschaltung, um den Objektreflektor aus dem Ausgang der Detektormittel zu identifizieren, und eine Steuereinheit, um den Objektreflektor dadurch zu verfolgen, dass die Kipp-Stelleinheit auf der Grundlage der Erfassung einer Bedingung der Reflexionslicht-Detektorschaltung betrieben wird, und um die Rotationsebene des polarisierten Lichtstrahls zu kippen.
Die in der DE 196 51 251 A offenbarte Vorrichtung hat eine Anordnung zur Erzeugung eines Laserstrahls. Sie hat auch einen rotierenden Kopf der den Strahl überträgt. Der Laserstrahl kann durch den rotierenden Kopf in eine Rotationsbewegung versetzt werden. Dies bildet eine horizontale oder geneigte Laserebene, die für die Messung verwendet wird. Ein Rotationsrahmen ist um eine näherungsweise senkrechte Achse drehbar oder schwenkbar. Wenigstens eine Neigungsvorrichtung ist mit dem Rotationsrahmen verbunden und um eine näherungsweise horizontale Achse schwenkbar. Der drehbare Kopf kann sowohl um die senk rechte als auch um die waagerechte Achse geschwenkt oder ausgerichtet werden. Sowohl der Rotationsrahmen als auch die Neigungsvorrichtung haben eine Antriebsanordnung und eine Anordnung, um den Schwenkpunkt oder Rotationspunkt zu bestimmen. Die Antriebsanordnung und die Anordnung zur Bestimmung des Schwenkpunktes sind mit wenigstens einem Controller verbunden, um den jeweiligen Rotations- oder Schwenkpunkt zu überwachen. Flüssigkeits-Libellen werden verwendet.
Der Laserniveausensor der DE 195 40 590 A erfasst und liefert eine numerische Anzeige einer Höhenveränderung relativ zu einer Referenz, die durch einen rotierenden Laserstrahl horizontal erzeugt wird. Der Sensor bestimmt die Höhendifferenz zwischen dem Zentrum des Sensors oder einem von Benutzer definierten Nullpunkt und dem Referenzhorizont über eine Zeitmessung. Vorzugsweise wird das einfallende Laserlicht nacheinander zu wenigstens zwei linearen, optischen Empfängern geführt und wird dann in eine Analysatorstufe eingespeist, nachdem es in elektrische Signale umgesetzt ist. Wenigstens einer dieser Empfänger ist unter einem konstanten Winkel zu den anderen angeordnet. Die Empfänger sind nicht positionsempfindlich und dienen nur dazu, elektronische Impulse zu erzeugen, mit den Zykluszeitmessungen der Strahlen zwischen den Empfängern gestartet und gestoppt werden. Die Messungen werden verwendet, um den einfallenden Lichtstrahl zu bestimmen und elektronisch anzuzeigen.
Um den oben erwähnten Nachteil zu überwinden, liefert die vorliegende Erfindung eine Verbesserung eines Positionsbestimmungssystems dadurch, dass sowohl eine Ebene mit einer beliebigen Neigung und eine horizontale Referenzebene mit beliebiger Höhenlage gleichzeitig bestimmt werden können, ohne einen Laserprojektor zu verkippen und ohne ein Lichtempfangselement genau zu lokalisieren.
Folglich ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Positionsbestimmungssystem mit einem vereinfachten Mechanismus bereitzustellen, das in der Lage ist, eine horizontale Bezugsebene und eine Vielzahl von geneigten Ebenen gleichzeitig zu erzeugen.
Diese Aufgabe wird durch das Positionsbestimmungssystem nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen charakterisiert. Das Positionsbestimmungssystem der Erfindung liefert eine vereinfachte Betätigung, die es gestattet, dass eine einzige Bedienungsperson ausreichend arbeitet. Ferner liefert das Positionsbestimmungssystem der Erfindung eine Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung mit einem vereinfachten Mechanismus, die in der Lage ist, eine horizontale Bezugsebene und eine geneigte Bezugsebene gleichzeitig zu erzeugen.
Die vorliegende Erfindung ist ein verbessertes System, das aus einer Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung besteht, die einen Körper umfasst, der Mittel hat, um Daten über vertikale Winkel und horizontale Winkel zu senden, und eine Phantomebenen-Bestimmungsfunktion, um Phantomebenen zu bestimmen, um vertikale Differenzwinkel in Bezug auf die Phantomoberflächen, die aus von dem Körper empfangenen Daten erzeugt werden, anzuzeigen oder auszugeben.
Das Mittel zum Senden von Daten über vertikale Winkel ist vorzugsweise ein Laserlicht, das fächerförmig geschwenkt wird und die divergent ist, und das Mittel zum Senden von Daten über horizontale Winkel ist vorzugsweise mit einem Kodierer konfiguriert, der in einem Rotationselement vorgesehen ist, und eine Datenübertragungsroute, die durch ein Kommunikationsmittel unterstützt wird, das die von dem Kodierer erfassten Daten zu der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung weitergibt.
Das Kommunikationsmittel ist vorzugsweise eine optische Kommunikation oder eine Wellenkommunikation.
Ein Lichtempfangsabschnitt der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung kann eine Vielseitigkeit aufweisen, indem sie entweder als vertikales Detektorelement oder als Lichtempfangselement für eine optische Kommunikation dient, und der Lichtempfangsabschnitt kann ein Kondensatormittel haben.
Es ist auch bevorzugt, dass das divergierende Laserlicht im Wesentlichen aus drei oder mehr divergierenden Strahlen besteht, und dass das schwenkbare, divergierende Laserlicht der Mittel zum Aussenden von Daten über vertikale Winkel mit den Daten in Korrelation steht, die von dem Kodierer an die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung zwecks nachfolgender Datenübertragung gesendet werden.
Wenn das System derart konfiguriert ist, werden die divergierenden Strahlen, die von der Rotationslaservorrichtung emittiert werden, von dem Lichtempfangsabschnitt in der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung empfangen, und vertikale Winkel eines Ortes, wo die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung platziert ist, wird aus den Verzögerungen zwischen den Zeitpunkten berechnet, wenn die divergierenden Strahlen detektiert werden. Darüber hinaus überträgt ein Rotationswinkelpositions-Übertragungsmittel, das in der Rotationslaservorrichtung vorgesehen ist, Daten über Rotationswinkelpositionen an ein Empfangselement der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung, und dann berechnet die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung den Ort der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung aus den Rotationswinkelpositionen.
Die beste Ausführung der vorliegenden Erfindung wird im Einzelnen im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche alphanumerische Symbole entsprechende Elemente und Teile in den Zeichnungen bezeichnen:
1 ist eine schematische, perspektivische Darstellung, die ein Ausführungsbeispiel eines Positionsbestimmungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Darstellung, die Strahlen darstellt, die in einem dreidimensionalen Raum divergieren, nachdem sie von einer Rotationslaservorrichtung emittiert worden sind, in dem beispielhaften Positionsbestimmungssystem nach einem Beispiel nach dem Stand der Technik und nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 ist eine Schnittdarstellung, die das beispielhafte Positionsbestimmungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
4 ist ein Diagramm, das ein anderes Ausführungsbeispiel der Rotationslaservorrichtung in dem Positionsbestimmungssystem nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
5 ist ein Diagramm, das ein noch weiteres Ausführungsbeispiel der Rotationslaservorrichtung des Positionsbestimmungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
6 ist ein Diagramm, das eine Art und Weise zeigt, in der ein Laserstrahl, der durch ein Beugungsgitter übertragen wird, in divergierende Strahlen umgesetzt wird;
7 ist eine perspektivische Darstellung, die ein Ausführungsbeispiel der Rotationslaservorrichtung zeigt, die divergierende Strahlen abstrahlt, die in ihrer Polarisation variiert sind;
8 ist eine Schnittdarstellung, die die Rotationslaservorrichtung zeigt, die divergierende Strahlen emittiert, die in Ihrer Polarisation variiert sind:
9 ist eine Explosionsdarstellung, die einen Laserprojektor und einen Rotationsabschnitt der Rotationslaservorrichtung zeigt, die divergierende Strahlen abstrahlt, die in ihrer Polarisation variiert sind;
10 ist eine Schnittdarstellung, die ein Ausführungsbeispiel einer Rotationslaservorrichtung zeigt, die einen Laserstrahl verwendet, um Daten über Rotationswinkelpositionen zu übertragen;
11 ist eine Darstellung, die eine Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung in einem Ausführungsbeispiel des Positionsbestimmungssystems nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
12 ist ein Diagramm, das das Innere der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung zeigt;
13 ist eine graphische Darstellung, die Signale zeigt, die von der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung detektiert wurden;
14 ist eine graphische Darstellung, die Signale zeigt, die durch die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung an kurzen Signaldetektionsintervallen detektiert werden;
15 ist ein Diagramm, das eine Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung zum Empfangen divergierender Strahlen zeigt, die sich in ihrer Polarisation voneinander unterscheiden;
16 ist eine graphische Darstellung, die Beispiele eines Laserlichts zeigt, das Rotationswinkelpositionssignale trägt;
17 ist ein Diagramm, das eine Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung zeigt, die einen Lichtempfangsabschnitt, an dem Rotationswinkelsignale empfangen werden;
18 ist eine perspektivische Darstellung, die die Richtungen von emittierten, divergierenden Laserstrahlen und Laserlicht zeigt, das das Rotationswinkelsignal trägt;
19 ist ein Diagramm, das ein Ausführungsbeispiel der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung zeigt, die einen Lichtempfang aus allen Richtungen hat;
20 ist ein Diagramm, das einen Lichtempfangs- und Sensorcontroller zeigt, der in der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung in 19 eingebunden ist;
21 ist ein Flussdiagramm, das die Verfahrensschritte eines Ausführungsbeispiels eines Positionsbestimmungssystems nach der vorliegenden Erfindung zeigt;
22 ist ein Diagramm, das eine Beziehung von simulierten, geneigten Ebenen mit Koordinatenachsen zeigt;
23 ist ein Diagramm, das verschiedene, beispielhafte Muster von emittierten, divergierenden Strahlen zeigt; und
24 ist eine Schnittdarstellung, die ein Beispiel für die Rotationslaservorrichtung nach dem Stand der Technik zeigt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Ein Positionsbestimmungssystem nach der vorliegenden Erfindung wird nun in mehr Detail unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
(1) Bevorzugtes Ausführungsbeispiel 1
(1.1) Allgemeine Konfiguration des Positionsbestimmungssystems
Als erstes wird eine Konfiguration des Positionsbestimmungssystems nach der vorliegenden Erfindung umrissen. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst ein Positionsbestimmungssystem 100 der vorliegenden Erfindung eine Rotationslaservorrichtung 151 und eine Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154. Die Rotationslaservorrichtung 151 emittiert drei divergierende Laserstrahlen 152a, 152b und 153, während die divergierenden Strahlen um einen Punkt C in Rotation versetzt werden. Wie aus 2 zu ersehen ist, werden die divergierenden Strahlen 152a und 152b in einer senkrechten Richtung zu der horizontalen Ebene emittiert, während der divergierende Strahl 153 unter einem Winkel θ mit der Horizontalfläche emittiert wird. Eine Kreuzungslinie des divergierenden Strahles 153 mit der horizontalen Ebene schneidet einen Winkel, unter dem die divergierenden Strahlen 152a und 152b sich treffen. Mit anderen Worten ist der Winkel, der zwischen der Kreuzungslinie und dem divergierenden Strahl 152 verwirklicht ist, äquivalent zu dem Winkel, der zwischen der Kreuzungslinie und dem divergierenden Strahl 152b verwirklicht wird, der als δ als Bezugnahme ausgedrückt wird. Die drei Strahlen 152a, 152b und 153 drehen sich, wobei sie diese Beziehungen miteinander beibehalten, und daher kreuzen die divergierenden Strahlen 152a, 152b und 153 eine Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung einer nach dem anderen mit einer Zeitverzögerung. Das Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet die Zeitverzögerung, um eine gerade Linie sowohl auf der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung und dem Punkt C als auch einen Winkel γ zu bestimmen, der zwischen der geraden Linie und der horizontalen Ebene verwirklicht ist. Der Winkel γ wird hier als „vertikaler Winkel" bezeichnet.
(1.1) Rotationslaservorrichtung
(1.2.1) Rotationslaservorrichtung, die drei divergierende Laserlichtstrahlen emittiert
Eine Rotationslaservorrichtung wird nun beschrieben, die um eine vertikale Achse rotiert, während sie drei divergierende Laserstrahlen emittiert.
Bezug nehmend auf 3 hat eine Rotationslaservorrichtung 151 gemäß der vorliegenden Erfindung ein Gehäuse 101 und einen Laserprojektor 103. Das Gehäuse 101 ist in einer Form eines Kegelstumpfes an der Mitte seiner oberen Oberfläche hinterschnitten, um einen konkaven Abschnitt 102 zu bilden. Der Laserprojektor 103 erstreckt sich senkrecht durch die Mitte des konkaven Abschnitts 102. Der Laserprojektor 103, der durch den hinterschnittenen Abschnitt 102 getragen wird, kann auf einem kugelförmigen Montageteil 104 auf und um diesen gekippt werden. Eine Rotationseinheit 105, die mit einem Pentaprisma 109 versehen ist, ist auf einem oberen Abschnitt des Laserprojektors 103 montiert. Die Rotationseinheit 105 wird durch ein Antriebszahnrad 107 und ein Schwenkzahnrad 108 angetrieben, das durch einen Schwenkmotor 106 angetrieben wird.
Die Rotationslaservorrichtung 151 hat zwei Paare von Einheiten von Neigungsmechanismen (nur eine des Paares ist gezeigt), die um den Laserprojektor 103 herum befestigt sind. Jede der Einheiten 110 des Neigungsmechanismus umfasst einen Motor 111, eine Schraube 112 und eine Mutter 113, die alle zusammen wirken, um eine Neigung zu verwirklichen. Die Schraube 112 wird durch ein Antriebszahnrad 114 und ein Kippzahnrad 115 angetrieben, das durch den Motor 111 angetrieben wird. Die Mutter 113 ist mit dem Laserprojektor 103 durch einen Kipparm 116, der sich dazwischen erstreckt, gekoppelt. Eine Drehung der Schraube bewirkt, dass die Mutter 113 sich vertikal bewegt, was wiederum bewirkt, dass der Laserprojektor 103 kippt. Die andere des Paares, die in der Zeichnung nicht gezeigt ist, verwendet eine ähnliche Art wie die oben erwähnte der Einheiten 110 und kippt den Projektor 103 in einer Richtung senkrecht zu der Neigungsrichtung der oben erwähnten Einheit.
Ein fester Sensor 118 parallel zu dem Kipparm 116 und ein fester Sensor 119 senkrecht zu dem Kipparm 116 sind in der Mitte des Laserprojektors 103 angeordnet. Eine der Einheiten 110 des Neigungsmechanismus steuert die Kipplage des Kipparmes 116, um den festen Sensor 118 immer in einer horizontalen Orientierung zu halten. Auf ähnliche Weise kann gleichzeitig die andere der Einheiten 110 den festen Sensor 119 so steuern, dass er permanent seine horizontale Ausrichtung einhält.
Der Laserprojektor 103 und die Rotationseinheit 105 werden nun beschrieben. Wie in 4 zu erkennen ist, sind ein Laserstrahlprojektor 132 und ein optisches Projektorsystem mit einem Objektiv, beispielsweise einer Sammellinse 133, die einfallende Strahlen von dem Laserstrahlprojektor 132 in parallele Strahlen bricht, sind in dem Laserprojektor 103 eingebaut. Der Laserstrahl, der von dem optischen Projektorsystem emittiert wird, wird in drei divergente Strahlen 152a, 152b und 153 durch ein Beugungsgitter (BOE) 134 in der Rotationseinheit 105 aufgeteilt. Die divergierenden Strahlen 152a, 152b und 153 werden respektive in der horizontalen Richtung durch ein Pentaprisma abgelenkt und aus dem Projektorfenster 131 abgestrahlt.
Wie in 5 gezeigt ist, kann ein Beugungsgitter (BOE) 134a in einer Position platziert werden, an der der Laserstrahl übertragen wird, nachdem er von dem Pentaprisma 109 abgelenkt worden ist. Solch eine Anordnung, wie sie in 5 gezeigt ist, ist identisch mit der, die in 4 gezeigt ist, mit der Ausnahme eines Ortes des Beugungsgitters 134a.
Wie in 6 zu sehen ist, wird der Laserstrahl, nachdem er durch das Beugungsgitter (BOE) 134 übertragen worden ist, in drei divergierende Strahlen 152a, 152b und 153 aufgeteilt.
Wie gesagt wurde, strahlt der Laserprojektor 103 Laserstrahlen ab, die ursprünglich von dem Laserlichtprojektor 132 emittiert und dann in drei divergierende Strahlen 152a, 152b und 153 durch das Beugungsgitter (BOE) 134 aufgeteilt werden. Die Laserstrahlen werden respektive in einer horizontalen Richtung durch das Pentaprisma 109 abgelenkt, während die Rotationseinheit 105 gedreht wird, um eine Referenzebene zu erzeugen.
(1.2.2) Rotationslaservorrichtung, die drei divergierende Laserstrahlen emittiert, die in ihrer Polarisation unterschiedlich sind
Eine alternative Rotationslaservorrichtung wird nun beschrieben, die drei divergierende Laserstrahlen emittiert, die in ihrer Polarisation unterschiedlich zueinander sind.
Wie im Detail nachfolgend beschrieben wird, ist es, um eine Positionsbestimmung mit hoher Genauigkeit zu erhalten vorteilhaft, eine Rotationslaservorrichtung zu verwenden, die drei divergierende Laserstrahlen emittiert, die respektive Polarisationsmuster haben, die sich voneinander unterscheiden. Wie in 7 gezeigt ist, emittiert eine Rotationslaservorrichtung 15la drei divergierende Strahlen 152c, 152d und 153a. Drei der divergierenden Strahlen 152c, 152d und 153a sind in einer Weise polarisiert, die in Bezug aufeinander variiert ist, und damit kann der Lichtempfangsabschnitt der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154a diese drei divergierenden Strahlen 152c, 152d und 153a voneinander unterscheiden.
Wie in 8 gezeigt ist, ist der Mechanismus, der zum Kippen der Laserprojektorkomponenten verwendet wird, für alle identisch mit demjenigen, der in 3 gezeigt ist, mit der Ausnahme, dass ein Laserprojektor 103a und eine Rotationseinheit 105a daran befestigt sind, wobei beide in der Rotationslaservorrichtung 151a eingebaut sind. Zur Einfachheit der Beschreibung werden der Laserprojektor 103a und die Rotationseinheit 105a alleine unten beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 9 umfasst die Rotationslaservorrichtung 151a, die die divergierenden Strahlen 152c, 152d und 153a mit unterschiedlichen Polarisationen emittieren, den Laserprojektor 103a und die Rotationseinheit 105a. Die Richtungen der Laserstrahlen, die durch jedes optische Element in der Zeichnung hindurchtreten, sind durch Pfeile mit ausgezogenen Linien gezeigt, während die Polarisationsrichtungen der Laserstrahlen durch Pfeile mit unterbrochenen Linien gezeigt sind.
Wenn eine Laserdiode für den Laserstrahlprojektor 132a in dem Laserprojektor 103a verwendet wird, ist der resultierende Laserstrahl linear polarisiert. Es sei angenommen, dass der Laserstrahl in der X-Richtung polarisiert ist und in der Z-Richtung emittiert wird, und dass eine Richtung senkrecht zu der X-Z-Ebene die Y-Richtung ist. Der von dem Laserstrahlprojektor 132a emittierte Laserstrahl wird durch eine Sammellinse 133a gebündelt, sodass er auf eine Viertelwellenplatte 140 gerichtet wird. Die Viertelwellenplatte 140 ist so orientiert, dass der Laserstrahl, der von dem Laserstrahlprojektor 132a emittiert wird und in der X-Richtung linear polarisiert ist, zirkular polarisiert wird. Nach dem Durchtritt durch die Viertelwellenplatte 140 wird der Laserstrahl durch eine weitere Viertelwellenplatte 139 geleitet und linear in eine Richtung abgelenkt, die sich unter einem Winkel von 45° mit der X-Richtung trifft, wie in 9 gezeigt ist. Da die Rotationseinheit 105a drehbar gelagert ist, ändern sich die Viertelwellenplatten 140 und 139 in ihren relativen Positionen. Da das Laserlicht, das durch die Viertelwellenplatte 140 hindurchtritt, jedoch ein zirkular abgelenkter Strahl ist, wird dieser Strahl nach dem Durchtritt durch eine andere Viertelwellenplatte 139 nicht durch Veränderungen in den relativen Positionen der Viertelwellenplatten beeinflusst, sondern eine Richtung der linearen Ablenkung des Strahls wird nur durch die Viertelwellenplatte 139 bestimmt. Dann wird der Laserstrahl durch einen Strahlteiler 141 für einen polarisierten Strahl geschickt. Der Strahlteiler 141 für den polarisierten Strahl ist so konfiguriert, dass er Komponenten, die in der Y-Richtung abgelenkt sind, reflektiert, während er Komponenten durchlässt, die in der X-Richtung abgelenkt sind. Daher wird der Laserstrahl, der durch die Viertelwellenplatte 139 in der Richtung, die den Winkel von 45° in Bezug auf die X-Richtung darstellt, in Bezug auf seine Y-Richtungskomponenten durch den Strahlteiler 141 den polarisierten Strahl reflektiert und um einen Winkel von 90° abgelenkt, und er wird in Bezug auf seine X-Richtungskomponenten durch den Strahlteiler 141 für den polarisierten Strahl durchgelassen.
Der Laserstrahl, der durch den Polarisationsstrahlteiler 141 reflektiert wurde, fällt auf noch eine weitere Viertelwellenplatte 148 ein und wird zirkular abgelenkt, und danach wird er durch einen Zylinderspiegel 136 reflektiert. Der Zylinderspiegel 136 ist in einer solchen Weise orientiert, dass der Laserstrahl senkrecht zu der horizontalen Ebene ist, wenn er von der Rotationseinheit 105a emittiert wird. Ferner ist ein Neigungsprisma 136a zwischen der Viertelwellenplatte 138 und dem Zylinderspiegel 136 platziert. Das Neigungsprisma 136a ist an seiner Mine in zwei Teile unterteilt und hat ein Transmissions-Neigungsprisma, das einen Winkel von 2δ zwischen den divergierenden Strahlen 152c und 152d erzeugt, die von der Rotationseinheit 105a emittiert werden. Der von dem Zylinderspiegel 136 reflektierte Laser strahl wird durch das Neigungsprisma 136 und die Viertelwellenplatte 138 übertragen, sodass es in der Z-Richtung linear polarisiert wird, und folglich kann dieses Mal der Strahl durch den Polarisationsstrahlteiler 141 übertragen werden, sodass es aus der Rotationseinheit 105 emittiert wird.
Andererseits fällt der Laserstrahl, der durch den Polarisationsstrahlteiler 141 übertragen wird, weiterhin auf einen anderen Viertelstrahlteiler 137 ein, sodass er zirkular polarisiert wird, und dann wird er durch einen Zylinderspiegel 135 reflektiert. Der Zylinderspiegel 135 ist in einer solchen Weise orientiert, dass der Laserstrahl die horizontale Ebene unter einem Winkel θ trifft, wenn er von der Rotationseinheit 105a emittiert wird. Da der von dem Zylinderspiegel 135 reflektierte Laserstrahl wiederum durch die Viertelwellenplatte 137 übertragen wird, um in der Y-Richtung linear polarisiert zu werden, wird der polarisierte Strahl durch den Polarisationsstrahlteiler 141 reflektiert, der ihn beim Eintritt in den Weg zu der Rotationseinheit übertragen hat, und der reflektierte Strahl wird aus der Rotationseinheit 105a emittiert.
(1.2.3) Einheit zur Bestimmung einer Rotationswinkelposition der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung relativ zu der Rotationslaservorrichtung
Nun wird unten eine Rotationswinkel-Positionsbestimmungseinheit beschrieben, die verwendet wird, um eine Rotationswinkelposition der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154a relativ zu der Rotationslaservorrichtung 151a zu bestimmen, oder um zu bestimmen, an welcher Rotationswinkelposition die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154a in kreisförmigen Spuren positioniert ist, zu denen die Rotationslaservorrichtung 151a Laserlicht richtet bzw. abstrahlt. Die Rotationswinkel-Positionsbestimmungseinheit, die hier beschrieben wird, kann auch mit der oben erwähnten Rotationslaservorrichtung 151 in ähnlicher Weise kombiniert werden.
Die Rotationslaservorrichtung 151a umfasst, wie in 8 gezeigt ist, ein Emissionsrichtungs-Detektormittel, beispielsweise einen Kodierer 117, der einen Winkel des emittierten Laserstrahls detektiert, und einen Winkelsignalsender 123, der den erfassten Emissionswinkel an die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154a überträgt. Der Kodierer 117 erfasst einen Winkel der Strahlemission von der Rotationseinheit 105a. Daten über den erfassten Emissionswinkel werden nacheinander zu der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154a durch den Winkelsignalsender 123 übertragen.
In Kombination mit der Rotationslaservorrichtung 151, die in 3 für den Laserprojektor 103 (siehe 5) gezeigt ist, kann ein Ausführungsbeispiel, das in 10(a) gezeigt ist, eine Rotationswinkelposition der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 bestimmen. In solch einem Ausführungsbeispiel wird ein Winkelsignalprojektor 172 verwendet, der eine Licht emittierende Diode (LED) oder eine Laserdiode mit variierter Wellenlänge (Farbe) von den divergierenden Strahlen 152a, 152b und 153a moduliert, um Licht, das die Winkeldaten darstellt, auf die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 zu projizieren.
Bezug nehmend auf 10(a) wird der Laserstrahl, der von dem Winkelsignalprojektor 172 emittiert wird, an einem Doppelprisma 171 reflektiert und dann durch die Sammellinse 133 kollimiert, um die Strahlwinkel so einzustellen, dass der resultierende Strahl den gesamten Bereich der Streuung, die durch die divergierenden Strahlen 152a, 152b und 153 verwirklicht wird, abdeckt. Der durch die Sammellinse 133 übertragene Strahl wird durch das Pentaprisma 104 übertragen und dann an einem Spiegel 148 reflektiert, sodass aus der Rotationseinheit 105 in eine Richtung senkrecht zu der Drehachse derselben emittiert wird. Der Laserstrahl 135e (siehe 10(b)) wird in Bezug auf seine Rotationswinkelposition bestimmt, indem der Strahl zu der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung gerichtet wird. Ein Verfahren zum Empfangen des Laserstrahls 153e, um die Rotationswinkelpositionen zu bestimmen, wird später erläutert.
Der von dem Laserstrahlprojektor 132 emittierte Strahl wird durch das Doppelprisma 171 übertragen und durch die Sammellinse 133 gebündelt. Der gebündelte Strahl wird durch den Doppelspiegel 149 reflektiert und durch das Pentaprisma 109 abgelenkt. Das abgelenkte Licht wird durch das Beugungsgitter 134 geschickt und in drei divergierende Strahlen 152a, 152b und 153 aufgeteilt.
(1.3) Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung
(1.3.1) Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung für die Rotationslaservorrichtung, die drei divergierende Laserstrahlen emittiert.
Die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 wird nun beschrieben, die die divergierenden Strahlen 152a, 152b und 153 empfängt, die von der Rotationslaservorrichtung 151 emittiert werden. Wie in den 11 und 12 gezeigt ist, ist ein kastenförmiges Gehäuse 163 der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 mit einem Lichtempfangsabschnitt 156 ausgestattet, der verwendet wird, um die divergierenden Strahlen 152a, 152b und 153 zu detek tieren. Das kastenförmige Gehäuse 164 umfasst eine Anzeige 157, eine Warneinheit 161, beispielsweise einen Summer, Eingabetasten 162, eine Niveaustange 159. Das kastenförmige Gehäuse 164 ist mit einem Speicher 165, einer Recheneinheit 166, einem Skalalaser 167 für die Niveaustange und einen Winkelsignalempfänger 170 ausgerüstet. Die Anzeige 156 zeigt Informationen an einschließlich einen Winkel zwischen einer geraden Linie, die ein Rotationszentrum C des Laserstrahls und den Lichtempfangsabschnitt 156 verbindet, und einer Rotationswinkelposition der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 relativ zu der Rotationslaservorrichtung 151.
(1.3.1.1) Prinzip der Winkelbestimmung durch die Laserempfangs- und Sensoreinrichtung
Wie oben erwähnt wurde, emittiert die Rotationslaservorrichtung 151 die divergierenden Strahlen 152a, 152b und 153 in einem Schwenk. Wie in 2 gezeigt ist, wird der divergierende Strahl 153 so emittiert, dass er sich unter einem Winkel θ mit der horizontalen Ebene trifft. Eine Kreuzungslinie des divergierenden Strahls 152a mit der horizontalen Ebene und eine Kreuzungslinie des divergierenden Strahls 152b mit der horizontalen Ebene treffen sich unter einem Winkel von 2δ. Drei der divergierenden Strahlen 152a, 152b und 153 drehen sich, wobei sie ihre Beziehungen untereinander beibehalten, und daher kreuzen diese Strahlen den Lichtempfangsabschnitt 156 der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 mit einer Zeitverzögerung einer nach dem anderen in der Reihenfolge der divergierenden Strahlen 152a, 153 und 152b.
Wenn der Lichtempfangsabschnitt 156 der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 in einer Position A in der horizontalen Ebene ist, wird das Licht, das durch die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 erfasst wird, so wie in 13(a) angezeigt. Wenn der Lichtempfangsabschnitt 156 in einer Position B senkrecht genau oberhalb der Position A ist, wird der detektierte divergierende Strahl wie in 13(b) angezeigt. Wie in 13(a) zu sehen ist, werden zwei der divergierenden Strahlen 152a und 152b mit einem Zeitintervall von t₀ detektiert. Es sei nun angenommen, dass eine Zeitverzögerung zwischen der Erfassung des divergierenden Strahls 152 und der des divergierenden Strahls 153 gleich t ist. Wenn der Lichtempfangsabschnitt 156 in der Position A in der horizontalen Ebene ist, ist das Zeitintervall t gleich der Hälfte des Zeitintervalls t₀. Somit wird eine derartige Beziehung wie in Gleichung 1 ausgedrückt. Ein Rotationszyklus, in dem die Rotationslaservorrichtung 151 die divergierenden Strahlen dreht, ist T. T0 = 2t (1)
Wenn der Lichtempfangsabschnitt 156 in der Position B oberhalb der horizontalen Ebene ist, ist die Zeitverzögerung zwischen den zwei Detektionsvorgängen kürzer als die Hälfte von t₀, wie in 13(b) gezeigt ist. Das Zeitintervall t wird kürzer, wenn der Lichtempfangsabschnitt 156 höher über die horizontale Ebene angehoben wird, und er kann aus einem Winkel BCA = γ zwischen der geraden Linie, die die Position B und den Lichtempfangsabschnitt 156 verbindet, und dem Emissionspunkt C der divergierenden Strahlen und der horizontalen Ebene erhalten werden, insbesondere kann der vertikale Höhenlagen- oder Absenkungswinkel aus dem Zeitintervall zwischen den Detektionsvorgängen durch eine Gleichung 2 wie folgt erhalten werden.
Wenn der Lichtempfangsabschnitt 156 unterhalb der horizontalen Ebene ist, ist das Zeitintervall t langer als die Hälfte des Zeitintervalls t₀. Auf diese Weise kann unterschieden werden, ob der Lichtempfangsabschnitt 156 oberhalb oder unterhalb der horizontalen Ebene ist. Ferner kann die Gleichung 2 auf einen Fall angewendet werden, wo der Lichtempfangsabschnitt 156 unterhalb der horizontalen Ebene ist.
(1.3.1.4) Prinzip der Bestimmung während eines kurzen Zeitintervalls zwischen den Detektionsvorgängen
Wie beschrieben worden ist, misst die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 die Verzögerungszeit t₀ und t entsprechend der drei der divergierenden Strahlen den Lichtempfangsabschnitt 156 in der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung respektive überqueren, und sie rechnet dann, um einen Winkel zu erzeugen, an dem die gerade Linie, die den Lichtempfangsabschnitt 156 und den Emissionspunkt C der divergierenden Laserstrahlen verbindet, die horizontale Ebene trifft. Wenn das Zeitintervall zwischen den Detektionsvorgangen, wo zwei der divergierenden Strahlen 152a und 152b an dem Lichtempfangsabschnitt empfangen werden, kann die genaue Zeitverzögerung t bestimmt werden. Wie in den 14(b) und 14(c) gezeigt ist, kann jedoch, wenn das Zeitintervall zwischen den Detektionsvorgängen von zwei der divergierenden Strahlen 152a und 153 kurz ist und wenn Signale bei dem Lichtempfang miteinander interferieren, das Zeitintervall t nicht genau festgestellt werden. Wenn die Signale, die von zwei der divergierenden Strahlen 152a und 153 erzeugt werden, aufgrund der Polarisationsmuster voneinander unterschieden werden können, können diese Signale unterscheidbar und separat detektiert werden, und folglich kann, selbst wenn das Zeitintervall t zwischen zwei Lichtempfangsereignissen kurz ist, die Zeitverzögerung t genau bestimmt werden.
(1.3.2) Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung für die Rotationslaservorrichtung, die divergierende Laserstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationen emittiert
Die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154a wird nun beschrieben, die divergierende Laserstrahlen 152c, 152d, 153a empfängt, die durch die Rotationslaservorrichtung 151a emittiert werden und in ihrer Polarisation voneinander variiert sind. Insbesondere wird die Anordnung des Teils, der zum Unterscheiden der Laserstrahlen mit unterschiedlichen Polarisationen vorgesehen ist, hier erläutert. Die Anordnungen und Messprinzipien des restlichen Teils sind die gleichen wie die in der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154.
Wie in den 15(a) und 15(b) gezeigt ist, die eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 15(a) enthalten, hat der Lichtempfangsabschnitt 156a der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154a Lichtempfangselemente 156b und 156c und einen Polarisationsstrahlteiler 169, der genau vor jedem der Lichtempfangselemente vorgesehen ist. Der Polarisationsstrahlteiler 169 überträgt oder reflektiert den Laserstrahl in Abhängigkeit von einer Polarisationsrichtung beim Eintritt des Laserstrahls. Das Lichtempfangselement 156b ist für den reflektierten Strahl vorgesehen, während das Lichtempfangselement 156c für durchgelassene Strahlen vorgesehen ist, und auf diese Weise kann die Richtung der Polarisation des einfallenden Laserstrahls unterschieden werden. Wenn zwei der divergierenden Strahlen 152c und 153a auf den Lichtempfangsabschnitt 156a mit einer kurzen Zeitverzögerung einfallen, detektiert das Lichtempfangselement 156b den divergierenden Strahl 152c, während das Lichtempfangselement 156c den divergierenden Strahl 153a detektiert, und damit kann die Zeitverzögerung oder das Intervall genau detektiert werden. Auf ähnliche Weise kann der Lichtempfangsabschnitt 156a den divergierenden Strahl 153a von dem divergierenden Strahl 152d unterscheiden.
(1.3.3) Bestimmung der Rotationswinkelposition der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung relativ zu der Rotationslesevorrichtung.
Die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 hat eine Winkelsignal-Empfangseinheit 170 (siehe 12), die nacheinander Daten über Emissionswinkel empfängt, die durch den Winkelsignalsender 123 (siehe 3) weitergegeben werden, der in der Rotationslesevorrichtung 151 vorgesehen ist. Die Emissionswinkeldaten, die an jedem Zeitpunkt, wenn die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 den divergierenden Strahl 153 empfangen hat, empfangen werden, werden dazu verwendet, die Rotationswinkelposition der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 relativ zu der Rotationslesevorrichtung 151 zu bestimmen. Solch eine Art und Weise der Bestimmung der Rotationswinkelposition durch die Winkelsignal-Empfangseinheit 170 kann in vollständig ähnlicher Weise auf die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154a (siehe 15) angewendet werden, die zwei der divergierenden Strahlen empfängt, die in ihrer Polarisation voneinander variiert sind.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel, das in 10 gezeigt ist, wird beschrieben, welches Laserlicht überträgt, das ein Rotationswinkelsignal darstellt. Der Winkelsignalprojektor 172 emittiert Laserlicht, das sich in der Farbe (Wellenlänge) von den divergierenden Strahlen 152a, 152b und 153 unterscheidet, und danach wird bewirkt, dass das Laserlicht aufkommt und in einem Muster austritt, wie es beispielsweise in 16(a) gezeigt ist, um die Rotationswinkelposition zu übertragen. Ein Signal, das in 16(a) gezeigt ist, ist aus einem Referenzsignal S1 und einem digitalisierten Signal S2 zusammengesetzt, das in einem digital kodierten Muster für die Rotationswinkelposition aufkommt und austritt. Das Referenzsignal S1 wird mit derselben Zeitverzögerung emittiert, während das digitalisierte Signal S2 in dem digital kodierten Muster zwischen zwei der Referenzsignale aufkommt und austritt. Die digitalisierten Codes des Musters sind digitale Codes der Rotationswinkelposition, die von dem Kodierer 117 bestimmt wird (siehe 3).
Die 17(a) und die 17(b), die entlang der Linie A-A in 17(a) geschnitten ist, zeigen die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154b, die in Kombination mit diesem Ausführungsbeispiel der Rotationslesevorrichtung verwendet wird. Danach wird die Bestimmung der Rotationswinkelposition durch die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154b erläutert. Die Konfigurationen der restlichen Teile sind die gleichen wie die in der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154.
Die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154b hat eine Winkeldaten-Empfangseinheit 155, die verwendet wird, um ein Signal zu empfangen, das die Rotations winkelposition darstellt und das von der Rotationslaservorrichtung emittiert wird. Die Winkeldaten-Empfangseinheit 155 hat einen Farbfilter 155a und ein Lichtempfangselement 155b. Der Farbfilter 155a ist unmittelbar vor dem Lichtempfangselement 155b positioniert, und das Lichtempfangselement 155b empfangt nur Laserlicht, das die Winkeldaten darstellt, um nicht durch die divergierenden Strahlen 152a, 152b und 153 beeinflusst zu werden. Der Lichtempfangsabschnitt 155d, der zum Empfang der divergierenden Strahlen verwendet wird, hat einen Farbfilter 156e unmittelbar vor dem Lichtempfangselement 156f positioniert, um nur die divergierenden Strahlen 152a, 152b und 153 ohne Einfluss durch das Laserlicht, das Winkeldaten darstellt, zu empfangen.
Nach dem Empfang des Signals, das die Rotationswinkelposition darstellt, berechnet die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154b die Rotationswinkelposition auf der Grundlage seines digitalisierten Signals. Die Rotationswinkelposition zeigt lediglich einen groben Wert, da das digitalisierte Signal S2 an bestimmten Intervallen übertragen wird. Somit wird, wie in 16(b) gezeigt ist, eine Zeitdifferenz zwischen einem Zeitpunkt des Empfangs des divergierenden Strahls 153 und einem Zeitpunkt des Empfangs des Referenzsignals S1 dazu verwendet, die Rotationswinkelpositionen an Intervallen zu interpolieren und einen genaueren Winkel zu bestimmen.
Drei der divergierenden Strahlen und das Laserlicht, das von dem Winkelsignalprojektor 172 emittiert wird, müssen nicht immer zum gleichen Zeitpunkt empfangen werden. So können, wie in 18 gezeigt ist, alternative Konfigurationen verwendet werden, um zu bewirken, dass die Rotationslaservorrichtung die divergierenden Strahlen 152a, 152b und 153 und das Laserlicht von dem Winkelsignalprojektor 172 in zueinander variierten Richtungen emittiert. In solchem Fall wird die Zeitdifferenz zwischen einem Zeitpunkt des Empfangs des divergierenden Strahls 153 und einem Zeitpunkt des Empfangs der Winkeldaten verwendet, um einen Winkel zu berechnen. Mit solch einer Konfiguration können die divergierenden Strahlen 152a, 152b und 153 und das Laserlicht, das von dem Winkelsignalprojektor 172 emittiert wird, die gleiche Farbe (Wellenlänge) haben, und somit kann der Lichtempfangsabschnitt für die divergierenden Strahlen auch anstelle des Lichtempfangselements für die Winkeldaten eingesetzt werden oder umgekehrt.
Darüber hinaus muss das Laserlicht, das die Winkeldaten trägt, divergent oder konvergent gemacht werden, um den gesamten Bereich abzudecken, an dem eine Positionsbestimmung unter Verwendung der divergierenden Strahlen 152a, 152b und 153 zugelassen werden kann.
(1.3.4) Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung mit einem Lichtempfangsabschnitt, der Licht mit einer kugelförmigen Richtcharakteristik empfangen kann.
19 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154c, die in der Lage ist, Licht mit einer kugelförmigen Richtcharakteristik zu empfangen. Wie in 19 gezeigt ist, hat die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154c mit kugelförmiger Richtcharakteristik eine Lagerstange 180, einen Lichtempfangsabschnitt 156g und einen Sensorkontroller 177. Der Lichtempfangsabschnitt 156g ist auf der Oberseite der Lagerstange 180 montiert, während der Sensorkontroller 177 an einem unteren Abschnitt der Lagerstange befestigt ist. Der Lichtempfangsabschnitt 156g hat eine ringförmige, zylindrische Fresnel-Linse 176, eine ringförmige Faserbahn 175 und eine Vielzahl von Lichtempfangselementen 173, die in einer Ringform angeordnet sind, und diese Komponenten sind in einer konzentrischen Form angeordnet. Zusätzlich dazu ist ein Lichtempfangselement-Kontroller 174 durch die Lichtempfangselemente 173 umgeben, die ringförmig angeordnet sind. Wie in der 20(a) und der 20(b), die eine Schnittdarstellung der 20(a) ist, gezeigt ist, umfasst der Sensorkontroller 177 eine Anzeige 157, ein Warnelement 161, beispielsweise einen Summer, Eingabetasten 162, einen Speicher 165, eine Recheneinheit 166, einen Winkelsignalempfänger 179 und eine externe Kommunikationseinheit 178. Ferner kann der Sensorkontroller 177 mit einem externen Rechner 179 durch die externe Kommunikationseinheit 178 verbunden werden. Der externe Rechner 179 kann verwendet werden, um die Dateneingabe zu verarbeiten, die Messresultate anzuzeigen und für die nachfolgende Verarbeitung der Messresultate verwendet werden.
Wenn der Lichtempfangsabschnitt 156g mit den divergierenden Strahlen bestrahlt wird, wird das Laserlicht zu den Lichtempfangselementen 173 konvergent gemacht, wobei die zylindrische Fresnel-Linse 176 eine Richtungscharakteristik zu der Höhenlagen- und Absenkungsrichtungen hat, wobei die Faserbahn 175 dazwischen angeordnet ist. Die Faserbahn 175 macht die divergierenden Strahlen, die durch die zylindrische Fresnel-Linse 176 konvergent gemacht worden sind, in der horizontalen Richtung diffus, und folglich fallen die empfangenen, divergierenden Strahlen gleichförmig auf die Lichtempfangselemente 173 ein. In solch einer Konfiguration fallen jegliche Strahlen, die über die Richtcharakteristik der zylindrischen Fresnel-Linse 176 hinausgestreut werden, nicht auf die Lichtempfangselemente 173 ein, und daher wird ein Signal/Rausch-Verhältnis eines Empfangssignals durch die einfallenden, divergierenden Strahlen erzeugt. Die Lichtempfangselemente 173 beurteilen einen Zustand von empfangenem Licht und unterbrechen eine Schaltung des Lichtempfangselements 173, auf das die divergierenden Strahlen gerichtet werden, um das Signal/Rausch-Verhältnis des einfallenden Signals weiter zu verbessern.
Wenn das Lichtempfangselement 173 Laserlicht empfängt, wird das Lichtempfangssignal an den Lichtempfangselement-Kontroller 174 gesendet. Der Lichtempfangselement-Kontroller 174 der in dem Lichtempfangsabschnitt 156g eingebaut ist, sendet das Lichtempfangssignal an den Lichtempfangs- und Sensorkontroller 177. Die Signalverarbeitung in dem Lichtempfangs- und Sensorkontroller 177 ist ähnlich zu der in der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154.
(1.4) Arbeitsweise des Positionsbestimmungssystems
(1.4.1) Eine beispielhafte Arbeitsweise des Positionsbestimmungssystems in Kombination mit der Rotationslaservorrichtung 151 und der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 wird nun beschrieben. 21 ist ein Flussdiagramm einer Betriebsablaufprozedur gemäß der das Positionsbestimmungssystem Phantomebenen oder geneigte Ebenen erzeugt. 22 ist ein Diagram, das die Positionsbeziehungen der horizontalen Ebene, der geneigten Ebenen, die erzeugt werden sollen, und den Koordinatenachsen zeigt. Es wird ein Fall erläutert, in dem eine geneigte Ebene (in zwei Achsen geneigte Ebene) erzeugt werden soll, so dass sie einen Referenzpunkt C unter einer Neigung bei einen Winkel α in einer X-Achsenrichtung und mit einer Neigung unter einem Winkel β in einer Y-Achsenrichtung schneidet. Die Neigung (Neigungswinkel) der geneigten Ebene ist ein Maximum, wenn er in einer Richtung der geraden Linie CD gemessen wird, und der Winkel ist mit λ bezeichnet.
An dem Schritt F1 wird die Rotationslaservorrichtung 151 so platziert, dass die divergierenden Strahlen 152a, 152b und 153 um eine vertikale Achse rotieren, die den Punkt C einnimmt. Sodann wird an dem Schritt F2 eine Referenzrichtung der Rotationslaservorrichtung 151 aufgestellt, die identisch mit einer Referenzrichtung (hier der X-Achsenrichtung) der geneigten Ebene, die erzeugt werden soll, ist. Die „Referenzrichtung" der Rotationslaservorrichtung 151 ist eine Richtung, in der der Kodierer, der in der Rotationslaservorrichtung 151 enthalten ist, einen Winkel von 0° für eine Richtung des emittierten, divergierenden Strahls erzeugt. Die Referenzrichtung der geneigten Ebene wird optisch bei Bedarf durch eine Bedienungsperson bestimmt.
In einer alternativen Weise von Schritt F2 wird die Rotationslaservorrichtung 151 in eine beliebige Richtung gebracht, während die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 entlang einer Verlängerung in der Referenzrichtung der geneigten Ebene (auf der X-Achse) platziert wird, um die Rotationswinkelposition der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 zu bestimmen. Sodann kann der festgestellte Winkel als Versatzwinkel verwendet werden, um ihn numerisch von dem Winkel der Laseremission der Rotationslaservorrichtung 151 zu subtrahieren, um den Winkel des divergierenden Strahls einzustellen, wenn der divergierende Strahl entlang der X-Achse emittiert wird.
An dem Schritt F3 werden ein gewünschter Neigungswinkel α der geneigten, zu erzeugenden Ebene in der Referenzrichtung (X-Achsenrichtung) und ein gewünschter Neigungswinkel β in einer Richtung senkrecht zu der Referenzrichtung (Y-Achsenrichtung) an den Eingabetasten 162 in die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 eingegeben. Der Referenzpunkt C und die Neigungswinkel α und β, die auf diese Weise eingegeben wurden, ermöglichen eine vollständige Definition der geneigten Ebene. Im Allgemeinen variiert der Neigungswinkel der geneigten Ebene in Abhängigkeit davon, in welcher Richtung der Neigungswinkel von dem Referenzpunkt C aus oder einem Ursprungspunkt aus bestimmt wird. Unter der Annahme, dass der Neigungswinkel der geneigten Ebene durch eine beliebige Richtung, beispielsweise eine Richtung, mit der sich die X-Achse unter einem Winkel Φ trifft, bestimmt wird, kann der Neigungswinkel γ₀ (Höhenlagen- oder Absenkungswinkel) auf der Grundlage der Gleichung 3 wie folgt berechnet werden. γ0 = tan–1(tan λ cos(ϕ – ε)) (3)wobei β = 0 und
wenn α > 0 und β. 0, ε = tan^–1(β/α),
wenn α = 0 und β. 0, ε = π/2,
wenn α < 0 und β. 0, ε = tan^–1(β/α) + π,
wenn α < 0 und β. 0, ε = tan^–1(β/α) – π,
wenn α = 0 und β < 0, ε = π/2,
wenn α > 0 und β. 0, ε = tan^–1(β/α)
An dem Schritt F4 empfängt der Winkelsignalempfänger 170 in der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 ein Signal, das von dem Winkelsignalsender 123 in der Rotationslaservorrichtung 151 emittiert wird, um zu bestimmen, unter welcher Rotations- und Winkelposition relativ zu dem Referenzpunkt C die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 positioniert ist. Sodann berechnet die Recheneinheit 166 der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 den Neigungswinkel γ0 der geneigten Ebene, der in einer Richtung entsprechend der erhaltenen Rotationswinkelposition bestimmt wird. Wenn beispielsweise die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 an einem Punkt A in einer Rotationswinkelposition platziert wird, die einen Winkel φ relativ zu dem Referenzpunkt C einschließt (der Punkt A in der horizontalen Ebene), ist der Neigungswinkel γ₀ der geneigten Ebene, der in einer Richtung, die einen Winkel φ einschließt, ein Winkel < BCA, unter dem die horizontale Ebene auf eine gerade Linie trifft, die einen Punkt B senkrecht oberhalb des Punktes A in der geneigten Ebene und den Referenzpunkt C verbindet, und der Neigungswinkel γ₀ kann auf der Grundlage der Gleichung 3 erhalten werden. Der Winkel φ wird in dieser Beschreibung als Rotationswinkelposition bezeichnet.
An dem Schritt F verwendet die Recheneinheit 166 der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 die Gleichung 2 zusammen mit den Zeitverzögerungen t und t₀ zwischen den Detektionsvorgängen der 3 divergierenden Strahlen 152a, 152b und 153, die von der Rotationslaservorrichtung 151 emittiert werden, um den Höhenlagen- oder Absenkungswinkel γ für die Position zu berechnen, an der die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung gegenwärtig liegt, und der resultierende Wert wird auf der Anzeige 157 angezeigt. Die Rotationswinkelposition φ der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 erscheint auch auf der Anzeige 157. Danach wird der Höhenlagen- oder Absenkungswinkel γ mit dem Neigungswinkel γ₀ verglichen, um eine Winkeldifferenz Δγ zwischen ihnen zu berechnen. Die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 kann so konfiguriert sein, dass die Winkel, beispielsweise der Höhenlagen- oder Absenkungswinkel γ, umgesetzt und in den erwünschten Einheiten, beispielsweise „rad (Radian)", „deg (Grad)", „% (Neigungswinkel)" usw. angezeigt werden können.
An dem Schritt F6 zeigt die Anzeige 157 in der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 auf der Grundlage des Winkels Δγ, der an dem Schritt F5 berechnet wurde, die Simulationsergebnisse an, gemäß denen die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 nach oben oder nach unten bewegt werden muss, um in einer dichteren Position zu der gewünschten, geneigten Ebene zu sein. Eine Bedienungsperson oder ein Benutzer bewegt die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 nach oben oder nach unten, wobei er/sie sich auf den Anzeigeinhalt auf der Anzeige 157 bezieht. Eine Lageänderung der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 kann mit der Skala 163 und der Niveaustange 159, die an der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung befestigt ist, abgelesen werden. Alternativ kann die Lageänderung durch eine Niveaustangen-Skalenleseeinrichtung 167 abgelesen werden, um die Ableseresultate an die Recheneinheit 166 zu senden.
Die Vorgänge der Schritte F4 und F6 werden automatisch wiederholt, bis die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 auf der zu erzeugenden, geneigten Ebene platziert ist.
Vorzugsweise hat die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 den Summer 161, der anschlägt, wenn die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung auf der erwünschten, geneigten, zu erzeugenden Ebene angeordnet ist.
(1.4.2) Andere Funktionsmerkmale des Positionsbestimmungssystems werden beschrieben.
Die oben erwähnte Arbeitsweise wird dadurch erreicht, dass die gewünschte, geneigte Ebene durch die Bedienungsperson eingestellt wird, und dass dann das Positionsbestimmungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird, um die geneigte Ebene zu erzeugen. Im Gegensatz dazu verwendet eines der Funktionsmerkmale, die im Folgenden beschrieben werden, das Positionsbestimmungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung, um einen Neigungswinkel an einer beliebigen Position zu bestimmen, wo die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 angeordnet ist. Insbesondere wird die Rotationslaservorrichtung 151 in dem Referenzpunkt C platziert, und die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 wird in eine Position angeordnet, die bestimmt werden soll. Sodann wird die Rotationslaservorrichtung 151 betätigt, um die divergierenden Strahlen 152a, 152b und 153 zu emittieren, so dass die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 die divergierenden Strahlen empfangt, und auf diese Weise kann ein Höhenlagen- oder Absenkungswinkel in Bezug auf die Position bestimmt werden, in der die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 angeordnet ist.
Wenn erwünscht, kann eine geneigte Ebene automatisch erzeugt werden, wo eine gerade Linie den Referenzpunkt C trifft, und wo die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154, die beliebig angeordnet ist, einen maximalen Neigungswinkel bildet. Insbesondere wird, Bezug nehmend auf 22, die Rotationslaservorrichtung 151 so platziert, dass die Referenzrichtung über die X-Achse gelegt wird, und danach wird die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 an einem beliebigen Punkt D platziert. Die Rotationslaservorrichtung 151 wird betätigt, um einen Höhenlagen- oder Absenkungswinkel λ an dem Punkt D zu bestimmen. Die Recheneinheit 166 der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 berechnet die Neigungswinkel α und β in den X- und Y-Achsenrichtungen der geneigten Ebene, die einen maximalen Neigungswinkel identisch mit einer geraden Linie CD hat. Die Berechnungsergebnisse der Neigungswinkel α und β werden auf der Anzeige 157 in der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 angezeigt, um eine geneigte Ebene zu bestimmen, die durch die Neigungswinkel α und β definiert ist. Somit kann die geneigte Ebene, die auf diese Weise bestimmt worden ist, in einer beliebigen Position erzeugt werden. Die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 kann einen Summer haben, der anschlägt, wenn die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung auf der geneigten Ebene angeordnet ist.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel des Positionsbestimmungssystems der vorliegenden Erfindung kann eine einzige Einheit der Rotationslaservorrichtung 151 mit einer Vielzahl von Lichtempfangs- und Sensoreinrichtungen 154 kombiniert werden, um jede Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 unabhängig zu verwenden. In Systemen zur Bestimmung einer geneigten Ebene nach dem Stand der Technik sind zwei der Rotationslaservorrichtungen erforderlich, um zwei Typen unterschiedlicher, geneigter Ebenen zu erzeugen, und es ergibt sich dann ein Problem, dass die Laserstrahlen, die von den Rotationslaservorrichtungen jeweils emittiert werden, miteinander interferieren, um eine Fehlfunktion zu bewirken. In dem alternativen Ausführungsbeispiel des Positionsbestimmungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung können jedoch die Vielzahl der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtungen 154 auf einer einzigen Rotationslaservorrichtung 151 arbeiten, und die resultierenden, geneigten Ebenen sind voneinander unterschiedlich und jeweils einzigartig für diese Lichtempfangs- und Sensoreinrichtungen 154.
Mit solch einer Verbesserung, wenn die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtungen 154 an Baumaschinen zum Ebnen eines Geländes befestigt sind, kann eine Vielzahl Baumaschinen mit nur einer Rotationslaservorrichtung 151 gleichzeitig miteinander arbeiten, und darüber hinaus können die Baumaschinen sich jeweils mit geneigten Oberflächen befassen, die sich voneinander unterscheiden. Wenn die geneigte Ebene, die nach dem Verfahren, wie es oben erwähnt wurde, bestimmt wurde, geändert werden soll, können diese vorgegebenen Einstellungen für jede Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung variiert werden. Daher gibt es keine Notwendigkeit, den Betrieb der Rotationslaservorrichtung zum Zweck einer Einstellungsänderung zu unterbrechen, und es gibt auch keine Notwendigkeit dafür, den Betrieb der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung zu unterbrechen, die keine Einstellungsänderung erfährt.
(2) Andere bevorzugte Ausführungsbeispiele
(2.1) Andere Ausführungsbeispiele der divergierenden Strahlen.
Obwohl die Ausführungsbeispiele, die oben erwähnt wurden, so konfiguriert sind, dass die Rotationslaservorrichtung 151 drei der divergierenden Laserstrahlen 152a, 152b und 153 emittieren, die zusammen ein im Allgemeinen N-förmiges Strahlungsmuster machen, wie in 2 gezeigt ist, kann die Anzahl der emittierten Laserstrahlen mehr als 3 betragen, und das Strahlungsmuster der Laserstrahlen kann nach Wunsch geändert werden. Beispiele der Strahlungsmuster der divergierenden Laserstrahlen sind in den 23(a) bis 23(r) ge zeigt. Diese Muster der divergierenden Laserstrahlen können leicht umgesetzt werden, in dem das Beugungsgitter in 5 in geeigneter Weise geändert wird.
Wie bei den Strahlenmustern der divergierenden Laserstrahlen, wie sie in den 23(g) bis 23(p) gezeigt sind, erfasst der Lichtempfangsabschnitt 156 der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 die divergierenden Laserstrahlen dreimal während der Dauer einer Umdrehungsbewegung der Rotationslaservorrichtung 151. Somit kann der Höhenlagen- oder Absenkungswinkel γ in einer ähnlichen Weise wie in dem oben erwähnten Ausführungsbeispiel 1 berechnet werden.
Was die Strahlenmuster der divergierenden Laserstrahlen, wie sie in den 23(q) bis 23(r) gezeigt sind, betrifft, werden die divergierenden Laserstrahlen viermal während der Dauer einer Umdrehungsbewegung der Rotationslaservorrichtung 151 erfasst. Damit können durch beliebige Auswahl von drei aus den erfassen vier divergierenden Strahlen und durch eine Berechnung, um den Höhenlagen- oder Absenkungswinkel γ zu erhalten, dass vier Variationen von γ erzeugt werden. Durch Mittelwertbildung dieser Resultate des Höhenlagen- oder Absenkungswinkels kann der Höhenlagen- oder Absenkungswinkel γ mit einer verbesserten Genauigkeit bestimmt werden. Die Anzahl der divergierenden Laserstrahlen kann erhöht werden, um die Anzahl der Messwerte zu erhöhen, die der Mittelwertbildung unterworfen werden, um die Messgenauigkeit weiter zu erhöhen.
Was die Strahlenmuster der divergierenden Laserstrahlen als Beispiele des Standes der Technik betrifft, wie in den 23(a) bis 23(f) gezeigt ist, werden die divergierenden Laserstrahlen nur zweimal während einer Dauer von einer Umdrehungsbewegung der Rotationslaservorrichtung 151 erfasst, und daher kann der Höhenlagen- oder Absenkungswinkel γ nicht der oben erwähnten Weise berechnet werden. Beispielsweise kann bei Verwendung des Strahlenmusters der divergierenden Laserstrahlen in 23(b) der Höhenlagen- oder Absenkungswinkel γ unter Verwendung einer Gleichung 4 wie folgt berechnet werden.
wobei T ein Rotationszyklus der Rotationslaservorrichtung ist, ξ ein Neigungswinkel der divergierenden Laserstrahlen in Bezug auf die horizontale Ebene ist, t_p eine Zeitverzögerung zwischen den Empfangsereignissen der divergierenden Laserstrahlen ist, wenn die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 auf der horizontalen Ebene platziert ist, und t eine Zeitverzögerung zwischen den Empfangsereignissen der divergierenden Laserstrahlen ist, wenn die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung 154 in einer Position für die Bestimmung angeordnet ist.
Da die Gleichung 4 einen Term des Rotationszyklus T der Rotationslaservorrichtung enthält, beeinflusst eine Unregelmäßigkeit der Drehbewegungen der divergierenden Laserstrahlen die Genauigkeit, mit der der Höhenlagen- oder Absenkungswinkel γ bestimmt wird. In diesen Beispielen nach dem Stand der Technik wird für den Motor, der bewirkt, dass die divergierenden Laserstrahlen rotieren, ein Motor mit hoher Drehgeschwindigkeits-Genauigkeit, beispielsweise vorzugsweise eine Spindelmotor verwendet. Im Gegensatz dazu wird, da die Gleichung 2 keinen Term für den Rotationszyklus T enthält, die Messgenauigkeit nicht verändert, außer, wenn eine Unregelmäßigkeit der Drehbewegung der divergierenden Laserstrahlen während einer kurzen Zeitperiode von der Empfang des divergierenden Strahls 152a bis zu einem Empfang des divergierenden Strahls 152b existiert. Daher ist zu erkennen, dass ein verminderter Einfluss von Fehlern, die durch eine Unregelmäßigkeit der Strahldrehbewegung in dem Ausführungsbeispiel vorhanden ist, wo die divergierenden Strahlen dreimal während einer Umdrehungsbewegung der Rotationslaservorrichtung 151 erfasst werden im Vergleich zu dem Beispiel, wo die divergierenden Strahlen zweimal während der selben Zeitdauer erfasst werden.
Die divergierenden Laserstrahlen der Muster in den 23(c), 23(d), 23(j) und 23(k) nehmen eine moderate Neigung in der Nachbarschaft der horizontalen Ebene an, während eine scharfe Neigung in dem Abschnitt außerhalb der horizontalen Ebene angenommen wird, und daher variiert eine Rate einer Variation des Höhenlagen- oder Absenkungswinkels γ zu einer Variation in der Zeitverzögerung zwischen den Lichtempfangsereignissen von einem Abschnitt nahe bei der horizontalen Ebene zu einem Abschnitt weg von der horizontalen Ebene. Auf diese Weise kann die Empfindlichkeit in der Bestimmung des Höhenlagen- oder Absenkungswinkels in der Nachbarschaft der horizontalen Ebene verbessert werden.
(2.2) Andere Verwendungen der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung.
Wie beschrieben worden ist, kann die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung, die in den bevorzugten Ausführungsbeispielen des Positionsbestimmungssystems nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird, nicht nur mit einer Rotationslaservorrichtung sondern auch mit einer beliebigen anderen Laserstrahl-Emissionsvorrichtung kombiniert werden.
Die vorliegende Erfindung kann in verschiedenen Arten und Weisen angewendet werden, wie unten erwähnt wird.

[1] Ein alternatives Ausführungsbeispiel des Positionsbestimmungssystems umfasst eine erste Vorrichtung, die ein Mittel zur Übertragung von Daten über vertikale Winkel und ein Mittel zur Übertragung von Daten über Rotationswinkelpositionen hat, und eine zweite Vorrichtung, die Mittel zur Bestimmung von geneigten Ebenen, ein Mittel zur Bestimmung der vertikalen Winkel aus den Daten, die von der ersten Vorrichtung übertragen werden, und ein Mittel zum Anzeigen einer Winkeldifferenz zwischen den vertikalen Winkeln, die von den Bestimmungsmitteln für die vertikalen Winkel bestimmt wurden, und die Höhenlagen- und Absenkungswinkel der geneigten Ebenen, die durch die Mittel zur Bestimmung der geneigten Ebenen bestimmt wurden.
[2] In dem Positionsbestimmungssystem, wie es in [1] definiert ist, ist die erste Vorrichtung eine Rotationslaservorrichtung, die ein Mittel zur Bestimmung der Rotationswinkelpositionen umfasst, und ein Mittel zur Übertragung der Rotationswinkelpositionen, die von der Bestimmungseinrichtung bestimmt wurden, wobei die Rotationslaservorrichtung wenigstens zwei divergierende Strahlen aus Laserlicht mit einer Divergenz in den Ebenen außer der horizontalen Ebene emittiert, während die divergierenden Laserstrahlen um eine vorgegebene Achse in Rotation versetzt werden, die zweite Vorrichtung hat ein Mittel zum Empfang der Rotationswinkelpositionen, die von den Mitteln zur Übertragung der Rotationswinkelposition übertragen werden, und ein Mittel zum Empfang der divergierenden Laserstrahlen, und wobei wenigstens einer der Neigungswinkel der divergierenden Laserstrahlen sich von den restlichen Neigungswinkeln der divergierenden Laserstrahlen unterscheiden, wobei die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung die vertikalen Winkel der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung relativ zu der Rotationslaservorrichtung auf der Grundlage eines Zustands der Lichtempfangsereignisse in dem Lichtempfangsabschnitt bestimmt, der den divergierenden Laserstrahl empfangen hat, und wobei die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung die Rotationswinkelpositionen der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung relativ zu der Rotationslaservorrichtung auf der Grundlage der Rotationswinkelpositionen bestimmt, die von der Rotationslaservorrichtung empfangen werden.
[3] In dem Positionsbestimmungssystem, wie es in [2] definiert ist, hat die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung ferner eine Funktion, um die zu erzeugenden, geneigten Ebenen zu bestimmen, wobei die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung eine Abweichung seiner Position von der geneigten Ebene anzeigt und/oder die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung eine Warnanzeige abgibt, um anzukündigen, dass die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung auf der geneigten Ebene platziert ist.
[4] In dem Positionsbestimmungssystem, wie es in [2] oder [3] definiert ist, ist das Mittel zur Bestimmung der Rotationswinkelposition ein Kodierer.
[5] In dem Rotationsbestimmungssystem, wie es in einem der Fälle [2] bis [4] definiert ist, ist das Mittel zur Übertragung der Rotationswinkelposition Licht oder Laserlicht.
[6] In dem Positionsbestimmungssystem, wie es in einem der Fälle [2] bis [4] definiert ist, ist das Mittel zur Übertragung der Rotationsmittelpositionen eine Welle.
[7] In dem Positionsbestimmungssystem, wie es in [5] definiert ist, werden sowohl die divergierenden Strahlen des Laserlichts und des Lichts oder Laserlichts, das Daten über die Rotationswinkelpositionen trägt, an dem selben Lichtempfangsabschnitt in der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung empfangen.
[8] In dem Positionsbestimmungssystem, wie es in einem der Fälle [2] bis [7] definiert ist, ist der Lichtempfangsabschnitt in der Lichtempfangs- Sensoreinrichtung mit einem Komprimierungs- oder Bündelungs-(Sammel-)Mittel versehen.
[9] In dem Positionsbestimmungssystem, wie es in [8] definiert ist, ist das Komprimierungs- oder Bündelungsmittel eine Linse.
[10] In dem Positionsbestimmungssystem, wie es in einem der Fälle [2] bis [9] definiert ist, emittiert die Rotationslaservorrichtung drei divergierende Strahlen aus Laserlicht in einem N-förmigen Strahlungsmuster.
[11] In dem Positionsbestimmungssystem, wie es in einem der Fälle [2] bis [9] definiert ist, erfasst der Lichtempfangsabschnitt in der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung die divergierenden Laserstrahlen dreimal oder mehr während einer Dauer einer Umdrehungsbewegung der Rotationslaservorrichtung.
[12] Eine Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung umfasst Mittel zum Empfangen von Daten über Rotationswinkelpositionen, die von der Rotationslaservorrichtung übertragen werden, und einen Lichtempfangsabschnitt, der divergierende Strahlen aus Laserlicht empfängt, die von der Rotationslaservorrichtung emittiert werden, die Rotationslaservorrichtung bestimmt vertikale Winkel im Bezug auf die Rotationslaservorrichtung auf der Grundlage eines Zustands der Lichtempfangsvorgänge an dem Lichtempfangsabschnitt, der die divergierenden Strahlen empfangen hat.
[13] In der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung, wie sie in [12] definiert ist und die ferner funktioniert, um zu erzeugende, geneigte Ebenen zu bestimmen, zeigt die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung eine Abweichung ihrer Position von der geneigten Ebene an und/oder die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung gibt eine Warnungsanzeige, um anzu kündigen, dass die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung auf der geneigten Ebene platziert ist.
[14] In der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung, wie sie in [12] oder [13] definiert ist, werden sowohl die divergierenden Strahlen des Laserlichts als auch das Licht, das Daten über die Rotationswinkelpositionen trägt, an dem gleichen Lichtempfangselement empfangen.
[15] In der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung, wie sie in einem der Fälle [12] bis [14] definiert ist, ist der Lichtempfangsabschnitt mit Kondensator- oder Bündelungsmitteln versehen.
[16] In der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung, wie sie in [15] definiert ist, ist das Kondensator- oder Bündelungsmittel eine Linse.

Obwohl bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind, kann die Offenbarung in verschiedener Art und Weise modifiziert werden, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die beigefügten Ansprüche definiert ist, abzuweichen.
Zeichnungsbeschriftung
11

0,014 deg = 0,014 Grad
shift = Umschalttaste
power = Strom
ENT = Eingabetaste

12

0,014 deg = 0,014 Grad

15

0,014 deg = 0,014 Grad
shift = Umschalttaste
power = Strom
ENT = Eingabetaste

16

Reference signal = Referenzsignal
Digitized Angle Data = Digitalisierte Winkeldaten
Angle Signal = Winkelsignal
Time Difference = Zeitdifferenz
Light Sensing Signal Produced From Light Sensing Device = Lichtsensorsignal erzeugt von Lichtsensoreinrichtung

17

0,014 deg = 0,014 Grad
shift = Umschalttaste
power = Strom
ENT = Eingabetaste

20

0,014 deg = 0,014 Grad
shift = Umschalttaste
power = Strom
ENT = Eingabetaste

21

F1 = Baue Rotationslaservorrichtung in Referenzpunkt C auf
F2 = Bringe Referenzrichtung der Rotationslaservorrichtung mit Referenzrichtung (X-Achse) der erwünschten, geneigten Ebene in Übereinstimmung
F3 = Gebe Daten der Neigungswinkel α und β auf X- und Y-Achsen in die Lichtsensoreinrichtung ein
F4 = Verwende Gleichung 3, um eine Höhenlage γ₀ auf der Grundlage der Rotationswinkelposition φ und den Neigungswinkeln α und β zu berechnen
F5 = Erhalte einen Differenzwinkel Δγ, der eine Differenz zwischen dem Winkel γ₀ und dem Winkel γ zeigt, der auf der Grundlage der abgetasteten, fächerförmigen Strahlen berechnet worden ist, um eine Position darzustellen, wo die Lichtsensoreinrichtung positioniert ist
F6 = Zeige eine Simulation, die auf Δγ bezogen ist, als Anleitung zu einer optimiert geneigten Ebene an.

22

Inclined Plane = geneigte Ebene
Horizontal Plane = horizontale Ebene

24

(Prior Art) = (Stand der Technik)

Claims

Positionsbestimmungssystem umfassend: eine Rotationslaservorrichtung (151) mit einem Strahlprojektor (132) zum Emittieren von wenigstens drei fächerförmigen Strahlen in radialen Richtungen von einem Referenzpunkt, während die fächerförmigen Strahlen um den Referenzpunkt gedreht werden, eine Emissionsrichtungs-Detektoreinrichtung (117) zum Detektieren der Richtung, in der die fächerförmigen Strahlen emittiert werden, und eine Kommunikationseinrichtung (123) zum Übermitteln von Daten, die von der Emissionsrichtungs-Detektoreinrichtung umfasst wurden; und eine Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung (154) mit einer Empfangseinrichtung (156) zum Empfangen der fächerförmigen Strahlen, die von dem Strahlprojektor emittiert wurden, eine Einrichtung zum Empfangen der übertragenen Daten (170) von der Kommunikationseinrichtung (123), eine Recheneinheit (166) zur Bestimmung einer geneigten Ebene und eine Anzeigeeinrichtung (157) zum Ausgeben der Höhenlagen- oder Absenkungs-Differenzwinkel der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung (154) relativ zu der geneigten Ebene auf der Grundlage der empfangenen fächerförmigen Strahlen und der empfangenen Daten.
System nach Anspruch 1, worin die Emissionsrichtungs-Detektoreinrichtung (117) ein Rotationskodierer ist, und worin die von dem Rotationskodierer detektieren Daten von der Kommunikationseinrichtung zu der Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung (154) übertragen werden.
System nach Anspruch 1, worin die Kommunikationseinrichtung (123) die Daten über die Richtung der fächerförmigen Strahlen unter Verwendung eines Laserstrahls, der eine unterschiedliche Längenwelle zu den fächerförmigen Strahlen hat, überträgt, und worin der Laserstrahl in einem digital kodierten Muster blinkt.
System nach Anspruch 1, worin die Kommunikationseinrichtung (123) die Daten über die Richtung der fächerförmigen Strahlen unter Verwendung einer Wellenkommunikation überträgt.
System nach Anspruch 3, worin die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung einen Lichtempfangsabschnitt (155, 156) aufweist, der sowohl die fächerförmigen Strahlen als auch den Laserstrahl detektiert, die von der Kommunikationseinrichtung verwendet werden.
System nach Anspruch 1, worin der Strahlprojektor erste, zweite und dritte, fächerförmige Strahlen emittiert, wobei die ersten und zweiten fächerförmigen Strahlen senkrecht zu der Ebene gerichtet sind, in der die fächerförmigen Strahlen gedreht werden, wobei der dritte fächerförmige Strahl in Bezug auf einen der ersten und zweiten fächerförmigen Strahlen geneigt ist, und wobei die Kommunikationseinheit (166) einen Höhenlagen- oder Absenkungswinkel auf der Basis der drei fächerförmigen Strahlen bestimmt und eine Richtung relativ zu einer vorgegebenen Referenzrichtung bestimmt, um wenigstens eine geneigte Ebene zu bestimmen.
System nach Anspruch 1, worin die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung eine Eingabeeinrichtung umfasst, um einen gewünschten ersten Höhenlagen- oder Absenkungswinkel und einen erwünschten zweiten Höhenlagen- oder Absenkungswinkel einzugeben, die in einer gewünschten ersten Richtung bzw. einer gewünschten zweiten Richtung bestimmt werden, und worin die Recheneinheit (166) eine zugeordnete, geneigte Ebene bestimmt, die unter dem ersten Höhenlagen- oder Absenkungswinkel in der ersten Richtung geneigt ist und unter dem zweiten Höhenlagen- oder Absenkungswinkel in der zweiten Richtung geneigt ist.
System nach Anspruch 1, worin die Lichtempfangs- und Sensoreinrichtung eine Eingabeeinrichtung umfasst, um einen gewünschten Höhenlagen- oder Absenkungswinkel, der in einer erwünschten Richtung bestimmt wird, einzugeben, und worin die Bestimmungseinrichtung eine geneigte Ebene bestimmt, die den gewünschten Höhenlagen- oder Absenkungswinkel in der gewünschten Richtung als maximalen Höhenlagen- oder Absenkungswinkel hat.