DE4324478A1 - Rotationslaser mit verbesserter Sichtbarkeit - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Bei dieser Erfindung handelt es sich um die Verbesserung der Sichtbarkeit rotierender Laser, wie sie beispielsweise zum Nivellieren und Fluchten eingesetzt werden.

Stand der Technik

Im Baubereich werden Rotationslaser zum Antragen von Meterrissen, vertikalen Ebe­ nen oder Neigungen verwendet. Aus Sicherheitsgründen und wegen technischer Beschränkungen sind die Laser in ihrer Leistung begrenzt. Im Außenbereich oder in hellen Räumen reicht deren Leistung gerade aus, um sie im Stillstand erkennen zu können. Rotiert der Laser, verteilt sich seine zuvor punktförmig konzentrierte Leistung auf eine Linie und wird dabei für den Betrachter entsprechend weniger sichtbar.

Damit auch in heller Umgebung gearbeitet werden kann, benutzt man entsprechende Empfänger, die üblicherweise mit einer Differenzfotodiode die exakte Ausrichtung des über sie hinwegstreichenden Laserstrahls messen und anzeigen. Die Empfänger aber erhöhen als Zusatzteile die Systemkosten oder sind, gerade im Deckenbau, hinderlich bei der Arbeit.

Um diesen Nachteil zu umgehen, sind die Rotationslaser mit einer Geschwindigkeits­ vorwahl ausgestattet, die es erlaubt, den Strahl entsprechend den Sichtverhältnissen langsam oder schnell laufen zu lassen. Eine wirksame Verbesserung findet aber nur dann statt, wenn der Strahl so langsam läuft, daß er sich innerhalb der Integrationszeit des Auges und bezogen auf dessen Auflösung quasi an einer Stelle befindet. Damit benötigt der Strahl aber im Mittel 10 bis 30 Sekunden für eine Umdrehung, so daß das Antragen eines Punktes wegen der geringen Wiederholrate Geduld erfordert, da der Strahl beispielsweise nur alle 20 Sekunden an der zu markierenden Stelle kurz vorbei­ kommt.

Auch gibt es Anwendungen, bei denen nicht unbedingt alle Punkte der angezeigten Linie angetragen werden müssen. Hier genügen in der Regel einzelne Stützpunkte, die dann durch Anlegen einer Setzlatte zum Anreißen dienen.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Sichtbarkeit rotierender Laser, wie sie in Baunivelliergeräten verwendet werden, so zu verbessern, daß die durch sie mar­ kierte Linie auch ohne Empfänger angetragen werden kann.

Diese Aufgabe wurde dadurch gelöst, daß der Laserstrahl nicht gleichförmig mit kon­ stanter Geschwindigkeit rotiert, sondern ruckweise bewegt wird. Dadurch erscheinen manche Bereiche heller als andere. Dies verstärkt sich, wenn die Bewegungsänderun­ gen bei jedem Umlauf an der gleichen Stelle stattfinden. Bei richtiger Wahl der einzel­ nen Bewegungsgeschwindigkeiten und deren Synchronisierung zum Rotationswinkel werden so für einen Betrachter einzelne Punkte anstatt einer durchlaufenden Linie er­ kennbar. Trotzdem ist mit einem elektronischen Empfänger der Laser an jeder Stelle zu detektieren, denn der Laserstrahl selbst bewegt sich natürlich längs einer Linie. Aber mit dem Unterschied, daß manche Bereiche langsamer überstrichen werden als andere und so durch die Integrationswirkung des Auges heller erscheinen.

Die ungleichförmige aber auf den Rotationswinkel über mehrere Umläufe synchroni­ sierte Bewegung kann beispielsweise durch ein entsprechendes Getriebe oder am ein­ fachsten mit einem Schrittmotor als Antrieb erzeugt werden. Wird der Schrittmotor von einem Mikrorechner angesteuert, lassen sich über diesen Rechner die verschiede­ nen Bewegungsgeschwindigkeiten exakt und vor allem auf die Umdrehungsposition synchronisiert steuern. Die Steuerung von Schrittmotoren durch einen Rechner nach entsprechenden Funktionen und synchron zu Bewegungsabläufen ist Stand der Tech­ nik und muß hier nicht dargelegt werden.

Nicht gleichförmig laufende Getriebe werden in Antrieben von Uhren seit langem ver­ wendet und bestehen z. B. aus zwei Zahnrädern die so beschaffen sind, daß das Antriebszahnrad nur während eines bestimmten Umdrehungswinkels das andere Zahn­ rad mitnimmt. Diese Getriebe sind Stand der Technik und müssen deshalb hier nicht dargelegt werden.

Bei vielen Anwendungen wird die vom Laser beschriebene Ebene nicht im gesamten Winkelbereich einer Umdrehung benötigt, sondern beispielsweise genügt die Markie­ rung des waagrechten Verlauf an einer einzigen Wand. Auch beim Antragen senkrech­ ter Linien an eine Wand reicht üblicherweise eine 20 bis 45 Grad Drehung des Lasers aus. Deshalb läßt sich die Sichtbarkeit bzw. Wiederholrate der einzelnen Markierungs­ punkte weiter verbessern, wenn der Laser nicht um 360 Grad rotiert, sondern nur den tatsächlich notwendigen Winkel überstreicht und dadurch die Markierungspunkte öfter "anfährt". Die üblichsten Linienlängen bzw. zugehörigen Drehwinkel lassen sich im Rechner speichern und mittels eines Betriebsartenwahlschalters anwählen.

Die Ausrichtung des durch den Laser beschriebenen Winkelbereichs im Raum kann auf verschiedene Arten erfolgen. Beispielsweise durch entsprechende Steuertasten, die durch die Steuer- und Auswerteeinheit interpretiert, das Verschieben des überstriche­ nen Winkelbereichs bewirken. Eine einfache Möglichkeit besteht auch darin, daß das üblicherweise verwendete Umlenkprisma am Laserstrahlaustritt mit einer Kuppung, beispielsweise magnetisch, versehen wird, und so per Hand an die zu überstreichende Stelle gedreht werden kann.

Wird eine Fernsteuerung hinzugefügt, die die Betriebsartenwahl und Positionierung des vom Laser überstrichenen Winkels erlaubt, kann der Handwerker die gewünschte Funktion vom Arbeitsort wählen bzw. den Laser nachführen.

Die Wahl der Verweildauer an einem Punkt wird aus der Integrationszeit des Auges und der gewünschten sichtbaren Punktintensität bestimmt. Unter Integrationszeit des Auges wird diejenige Zeitspanne verstanden, die ein Lichtpunkt andauern muß, damit er gleichhell wie ein konstant leuchtender Lichtpunkt erscheint. Üblicherweise liegt diese Zeitspanne bei 40 bis 50 Millisekunden. Damit können etwa 20 verschiedene Punkte durch den Laserstrahl in jeder Sekunde ohne sichtbaren Helligkeitsverlust mar­ kiert werden. Bei Überstreichen einer Wand von 5 Meter Länge, kann somit alle 0,25 m ein Lichtpunkt mit einer Wiederholrate von 1 Sekunde bzw. bei einem Abstand von 0,5 m mit einer Rate von 0.5 sec erzeugt werden. In der Praxis ist dabei noch zu berücksichtigen, daß für die Bewegung von einem zum nächsten Punkt eine endliche Zeitspanne benötigt wird und somit die Punktrate entsprechend vermindert wird.

Eine weitere Verbesserung der Sichtbarkeit am jeweils gewünschten Ort kann dadurch erreicht werden, daß dem Gerät der Markierungsort signalisiert wird und dann nur ein ganz enger Bereich überstrichen wird. Dies läßt sich prinzipiell mit einem passiven und aktiven Verfahren lösen.

Beim aktiven Verfahren wird ein Fotoempfänger mit einer drahtlosen Sendeeinrich­ tung zum Lasergerät, bspw. einer Infrarotstrecke, benötigt, der beim Überstreichen des Lasers ein Signal an das Gerät abgibt. Dieses Signal wird dann als Trigger zur Spei­ cherung der aktuellen Winkelstellung des Lasers verwendet. Durch hin- und her­ schwenken des Laserstrahls über die Position, an der das Signal empfangen wurde, lassen sich langsame Positionsveränderungen des Empfängers in der Laserebene detektieren, so daß die Steuer- und Auswerteeinheit dem Empfänger mit dem Laser folgen kann.

Beim passiven Verfahren detektiert das sendende Gerät selbst die Position, in dem am gewünschten Markierungsort eine sogenannte Reflextafel in die Laserebene gehalten wird. Aufgrund der speziellen Beschichtung wirft die Tafel das einfallende Laserlicht unabhängig von ihrer Lage überwiegend in die Einfallsrichtung des Lasers zurück. Diese Beschichtungen werden auch bei Autonummernschildern oder Verkehrsschildern verwendet und ähneln in der Funktion Tripelspiegeln. Ein am Gerät montierter Rund­ umempfänger erhält so beim Überstreichen des Lasers über die Tafel ein viel stärkeres Signal als von der normalen Wand. Erkennt der Rechner ein solches Signal, hält er die Rotation an und bewegt den Laser entsprechend zurück. Durch ständiges Hin- und Herpendeln über die Reflextafelränder ist der Rechner auch in der Lage Veränderun­ gen der Tafel zu erkennen und ihr damit zu folgen. Mit der vorgestellten Technik bestreicht der Laserstrahl nur sehr kleine Winkel und besitzt somit eine hohe Wieder­ holrate bzw. wirkt viel heller. Zusätzlich kann der rotierende Strahl durch Einbringen der Reflextafel in die Strahlebene an jeder gewünschten Stelle "angehalten" werden. Dies geht schneller und ist kostengünstiger als ein Fotoempfänger mit Anzeige.

Durch Anbringen von Markierungen auf der Reflextafel, ähnlich einem Barcode, kann die Störsicherheit erhöht werden. Denn dann wird der reflektierte Laserstrahl beim Überstreichen der Tafel durch die Markierungen, bspw. schwarze Streifen verschiede­ ner Breite, amplitudenmoduliert, so daß der Rechner, der dieses Signal über den Emp­ fänger erhält, dieses von anderen Reflektionen unterscheiden kann. Bei bekanntem Drehwinkel des Lasers und bekannter Reflexplattenbreite oder Markierungsbreite bzw. Abstand der Markierungsstreifen untereinander ist die Frequenz des gemessenen Reflektionssignals aufgrund der Hell-Dunkel-Übergänge direkt proportional zur Ent­ fernung der Reflextafel. Durch Anpassung der Winkelgeschwindigkeit kann dann erreicht werden, daß die erzeugten Laserpunkte, unabhängig von der Entfernung zum Gerät, den gleichen Abstand zueinander haben bzw. die erzeugte Linie immer die glei­ che Breite und damit Helligkeit besitzt.

Generell kann im Zusammenhang mit einem Entfernungsmeßverfahren der Abstand des Geräts zum jeweiligen Objekt gemessen und dieser Abstand zur Steuerung der aktuellen Winkelgeschwindigkeit verwendet werden. Dadurch kann bspw. erreicht werden, daß sich der Laserstrahl mit konstanter Geschwindigkeit über die Objektober­ fläche bewegt, und so überall der gleiche Punktabstand entsteht bzw. der Laser annä­ hernd gleich hell erscheint. Entsprechende Laserabstandsverfahren, wie Laufzeitver­ fahren, Phasenmeßverfahren oder Triangulation sind Stand der Technik und müssen hier nicht beschrieben werden.

Wird die Lage des Lasers mit einem Lagesensor überwacht, kann bei Abweichungen des rotierenden Laserstrahls von der gewünschten Sollebene dem Benutzer dieser Zustand signalisiert werden. Dazu könnte z. B. der Motor angehalten oder der Laser abgeschaltet werden. Die mögliche automatische Nachstellung der Lage mittels Stell­ motoren ist Stand der Technik und muß hier nicht beschrieben werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt

Fig. 1 beispielhaft ein mögliches Schema der Vorrichtung, und

Fig. 2 beispielhaft den Zusammenhang von Laserwinkelgeschwindigkeit und Rotationswinkel, sowie

Fig. 3 einen möglichen zeitlichen Verlauf des Rotationswinkels.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen schematischen Aufbau einer möglichen Ausführung. Der Laser (1), der achsenparallel zur Rotationsachse (11) angeordnet ist, wird von der Umlenkeinheit (8) um 90 Grad umgelenkt und verläßt die Anordnung im 90 Grad­ winkel zur Rotationsachse (11) als umgelenkter Strahl (2). Durch Drehen der Umlenkeinheit (8) kann der Laserstrahl (2) um die Rotationsachse (11) geschwenkt werden. Die Umlenkeinheit (8) wird mittels einer Magnetkupplung (7) vom Drehrohr (5) mitgenommen, das seinerseits durch den Antriebsriemen (4) vom Schrittmotor (3) gedreht wird. Gesteuert wird der Schrittmotor über die Steuer- und Auswerteelektro­ nik (9), die beispielsweise aus einem Mikrorechner besteht. Anhand der bekannten Schrittzahl pro Umdrehung des Schrittmotors und der bekannten Übersetzung des Antriebsriemens (4) zum Drehrohr (5) sind die für eine Umdrehung der Umlenkeinheit (8) notwendigen Schritte des Motors (3) und damit die Zyklusschrittzahl festgelegt. Anhand der über die Bedien- und Anzeigeeinheit (12) erfolgten Betriebsartwahl bestimmt die Steuereinheit (9) die notwendigen Winkelgeschwindigkeiten und steuert den Schrittmotor (3) mit den entsprechenden Schrittlängen und Schrittfolgen an. Über den Lagesensor (10), der mit dem Laser (1) gekoppelt ist und dessen Lage anzeigt, überwacht die Steuer- und Auswerteeinheit (9) Lageveränderungen des Geräts. Bei Abweichungen von der Lage und damit bei Verlassen des Laserstrahls (2) aus der gewünschten Ebene, kann die Steuer- und Auswerteeinheit (9) den Motor beispiels­ weise ausschalten und so dem Benutzer diesen Zustand signalisieren.

Fig. 2 zeigt eine mögliche Steuersequenz. Angetragen ist in Fig. 2 die Winkelge­ schwindigkeit (w) des Laserstrahls (2) in Abhängigkeit von seinem aktuellen Rota­ tionswinkel (phi). An den Stellen mit der langsamen Geschwindigkeit (w0) streicht der Laserstrahl (2) sehr langsam über die angestrahlten Objekte, so daß für das betrachtende Auge genügend Zeit zur Integration des re- bzw. deflektierten Lichtes bleibt und der erzeugte Laserpunkt heller erscheint, als wenn sich der Laserstrahl (2) mit der Winkelgeschwindigkeit (w1) über das Objekt bewegt. In dem Beispieldia­ gramm werden so in jeder Umdrehung (2π) 16 helle Bereiche sichtbar, die sich bei jeder Umdrehung wiederholen. Wird (w0)=0 gewählt, sind diese Bereiche punktför­ mig.

Fig. 3 zeigt einen möglichen Verlauf des Drehwinkels über die Zeit (T) einer Umdrehung. Charakteristisch ist dabei die stufenförmige Funktion, wobei im Beispiel 19 Winkel angefahren werden.

Gewerbliche Verwertbarkeit

Die Erfindung betrifft lediglich die Verbesserung einer bekannten und gewerblich bereits verwendeten Technik, so daß auf die Schilderung des Nutzens verzichtet wer­ den kann.

Bezugszeichenliste

(1) Laser
(2) umgelenkter Laserstrahl
(3) Schrittmotor
(4) Antriebsriemen
(5) Drehrohr
(6) Lager
(7) Magnetkupplung
(8) 90°-Umlenkeinheit
(9) Steuer- und Auswerteeinheit
(10) Lagesensor
(11) Rotationsachse
(12) Bedieneinheit

Claims (11)

1. Verfahren und Vorrichtung mit einem Laser, einer Antriebseinheit zur Rotation des Laserstrahls senkrecht zu seiner Achse und einer Steuer- und Auswerteelektronik, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Laser innerhalb einer Periode mit unterschied­ lichen Winkelgeschwindigkeiten bewegt und diese Bewegung in jeder Periode syn­ chron zur Winkelposition erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit aus einem positionssteuerbaren Motor, beispielsweise einem Schrittmotor, besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Winkelgeschwindigkeiten des Lasers durch einen gleichförmig laufenden Antriebs­ motor mittels eines nicht gleichförmig übertragenden Getriebes zwischen Antriebs­ motor und Laser erzeugt werden.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und einer Bedieneinheit, dadurch gekennzeichnet, daß Verteilung und Anzahl der verschiedenen Winkelgeschwindig­ keiten des Laserstrahls in einer Periode eingestellt und damit Position, Lage und Ver­ hältnis der vom Laser erzeugten dunklen und hellen Bereiche gewählt werden kann.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedieneinheit fernsteuerbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einem lichtempfindlichen Emp­ fänger, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Empfänger der Messung der Reflektions­ stärke des Lasers auf dem Objekts dient, das gerade vom sich bewegenden Laserstrahl angestrahlt wird, und diese gemessene Reflektionsstärke der Steuer- und Auswertee­ lektronik zuführt wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die detektierte Posi­ tion eines durch seine Reflektionseigenschaften gekennzeichneten Körpers, wie bspw. eine mit einem Barcode versehene Reflexplatte, durch die Steuer- und Auswerte­ einheit dazu verwendet wird, den Laserstrahl zyklisch über diesen Körper hin und her zubewegen und gegebenenfalls Positionsänderungen des Körpers zu folgen.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des detektierten Reflexionssignals, das durch die Breite der Reflexplatte bzw. der auf sie aufgebrachten Markierungsstreifen hervorgerufen wird, zur Steuerung der Winkelgeschwindigkeit des Laserstrahls verwendet wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und einem Entfernungsmeßsystem zum vom Laser angestrahlten Objekt, dadurch gekennzeichnet, daß der jeweils gemes­ sene Objektabstand zur Steuerung der Laserwinkelgeschwindigkeit verwendet wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und einer Umlenkeinheit zur Strah­ lablenkung des Lasers, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkeinheit mittels einer magnetischen Kupplung am Gerät gehalten wird.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 und einem Lagesensor, der von der Auswerte- und Steuereinheit abgefragt wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei Abweichung der Rotationsachse von der gewählten Soll-Lage, die Antriebseinheit angehalten und/oder der Laser abweichend vom Normalbetrieb moduliert, bzpw. auch abgeschaltet, wird.