DE4423759C2 - Vorrichtung zur Messung der Schräglage einer Gerätebasis bei einem Gerät mit einem kardanisch horizontierten Meßteil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Schräglage einer Gerätebasis bei einem Gerät mit einem kardanisch horizontierten Meßteil, wobei Kardanrahmen oder Meßteil durch Stellmotoren über Untersetzungs-Getriebe verschwenkbar sind.

Es ist bekannt, Meßgeräte kardanisch zu lagern. Dabei ist das Meßgerät in einem Kardanrahmen um eine innere Achse schwenkbar gelagert. Der Kardanrahmen ist seinerseits in einem Gehäuse um eine äußere, zu der inneren Achse senkrechte Achse schwenkbar gelagert. Es ist dann möglich, durch Verschwenkung des Kardanrahmens relativ zu dem Gehäuse und des Meßgerätes relativ zu dem Kardanrahmen das Meßgerät vertikal auszurichten, auch wenn die Gerätebasis des Gehäuses geneigt zur Vertikalen angeordnet ist. Bei einer typischen Anwendung ist das Meßgerät ein bandaufgehängter Meridiankreisel. Die Einstellung des Kardanrahmens relativ zu dem Gehäuse und des Meßgerätes relativ zu dem Kardanrahmen erfolgt durch Stellmotoren über Untersetzungs-Getriebe. Die Stellmotoren sind von Neigungssensoren, beispielsweise Libellen oder Beschleunigungsmessern, über geeignete Regler gesteuert.

Auf diese Weise ist es möglich, ein Meßgerät genau zur Vertikalen auszurichten. Dabei kann das Gehäuse und die Gerätebasis geneigt angeordnet sein. Das kann z. B. der Fall sein, wenn das Meßgerät mit seinem Gehäuse auf einem Fahrzeug montiert ist, das in unebenem Gelände steht. Die Neigung der Gerätebais ist dabei nach dem Stand der Technik ohne Interesse.

Die Neigung der Gerätebasis kann jedoch durchaus relevant sein. Ein Beispiel ist ein Meridiankreisel, der auf einem Fahrzeug mit einem Geschütz montiert ist. Der Meridiankreisel bestimmt die Nordrichtung in einem horizontierten Koordinatensystem. Die Elevation und der Azimutwinkel des Geschützes werden in einem fahrzeugfesten Koordinatensystem gemessen. Wenn das Fahrzeug und damit die Gerätebasis des Meridiankreisels geneigt ist, dann müssen die Richtkoordinaten des Geschützes in ein erdfestes, horizontiertes Koordinatensystem transformiert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Meßgerät, das kardanisch gelagert und durch Stellmotoren über Untersetzungs-Getriebe relativ zu einem Gehäuse und einer Gerätebasis horizontiert oder zur Vertikalen ausgerichtet wird, auf einfache Weise die Neigung der Gerätebasis zu bestimmen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch

• a) Abgriffmittel zum inkrementalen Abgreifen der Stellbewegung der Stellmotoren,
• b) auf verschieden untersetzten Achsen des Untersetzungs- Getriebes angeordnete Referenzsignalgeber zur Erzeugung von Referenzsignalen bei vorgegebenen Stellungen der betreffenden Achse und
• c) Mittel zum Zählen der Inkremente der Stellbewegung der Stellmotoren von einer Position aus, in welcher alle Referenzsignalgeber gleichzeitig ein Referenzsignal abgeben.

Auf diese Weise werden die Mittel, durch welche das Meßgerät vertikal ausgerichtet wird, gleichzeitig benutzt, um die Neigung der Gerätebasis zu bestimmen. Das geschieht durch einfache, inkrementale Abgriffmittel. Bei solchen inkrementalen Abgriffmitteln muß die Zählung auf eine Referenz bezogen werden. Das ist z. B. die Stellung, in welcher das Meßgerät zur Gerätebasis ausgerichtet ist. Diese Referenz wird durch wenigstens zwei Referenzsignalgeber festgelegt. Dabei werden die Inkremente der Stellbewegung an der schnellen Welle des Stellmotors abgegriffen. Durch das Untersetzungs-Getriebe ergibt sich dabei eine hohe Genauigkeit der Neigungsmessung. Ein mit der Welle des Stellmotors umlaufender Referenzsignalgeber würde aber während der Stellbewegung mehrere Referenzsignale liefern. Daher ist wenigstens ein zweiter Referenzsignalgeber mit einer untersetzten, langsameren Welle des Untersetzungs-Getriebes verbunden. Nur beide Referenssignalgeber zusammen definieren den Ausgangspunkt der Zählung. Damit läßt sich der Ausgangspunkt der Zählung einerseits eindeutig und andererseits mit hoher Genauigkeit definieren. Das ist wie die Anzeige der Uhrzeit mit kleinem und großem Zeiger. Der Neigungswinkel der Gerätebasis wird durch die Untersetzung des - für die Ausrichtung des Meßgerätes sowieso vorhandenen - Untersetzungs- Getriebes mit erhöhter Genauigkeit gemessen.

Die Messung der Neigung der Gerätebasis kann unter weitgehendem Verzicht auf zusätzliche Bauteile in der Weise erfolgen, daß die Stellmotoren von Schrittmotoren gebildet sind und die inkrementalen Abgriffmittel Mittel zum Erfassen der Fortschaltimpulse dieser Schrittmotoren aufweisen. Die Schrittmotore liefern dann unmittelbar Winkelinkrement- Signale, ohne daß dafür etwa eine zusätzliche Strichscheibe erforderlich wäre.

Ein vorteilhafter Geräteaufbau besteht darin, daß ein Kardanrahmen relativ zu der Gerätebasis um eine erste Kardanachse verschwenkbar gelagert ist, an dem Kardanrahmen ein erstes Schneckenrad koaxial zu der ersten Kardanachse angebracht ist, das mit einer an der Gerätebasis gelagerten, von einem ersten Stellmotor angetriebenen ersten Schnecke angetrieben wird, wobei das von der ersten Schnecke und dem ersten Schneckenrad gebildete Schneckengetriebe ein erstes der besagten Untersetzungs-Getriebe bildet, und mit der Schnecke ein erster Referenzsignalgeber und mit dem Schneckenrad ein zweiter Referenzsignalgeber verbunden ist. Das Meßteil ist in ähnlicher Weise relativ zu dem Kardanrahmen um eine zweite Kardanachse verschwenkbar gelagert. An dem Meßteil ist ein zweites Schneckenrad koaxial zu der zweiten Kardanachse angebracht, das mit einer an dem Kardanrahmen gelagerten, von einem zweiten Stellmotor angetriebenen zweiten Schnecke angetrieben wird, wobei das von der zweiten Schnecke und dem zweiten Schneckenrad gebildete Schneckengetriebe ein zweites der besagten Untersetzungs-Getriebe bildet. Mit der zweiten Schnecke ist ein dritter Referenzsignalgeber und mit dem zweiten Schneckenrad ein vierter Referenzsignalgeber verbunden.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematisch-perspektivische Darstellung eines vertikal ausrichtbaren Meßgeräts.

Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung eines Untersetzungs-Getriebes und der Referenzsignalgeber bei der Vorrichtung von Fig. 1.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführung einer Vorrichtung zur Messung der Schräglage einer Gerätebasis bei einem Gerät der vorliegenden Art.

In Fig. 1 ist mit 10 eine Gerätebasis bezeichnet. Auf der Gerätebasis sind gegenüberliegende, Lagerständer 12 und 14 angeordnet. Ein Rahmen 16 ist mit Lagerzapfen 18 in den beiden Lagerständern 12 und 14 um eine Schwenkachse 20 schwenkbar gelagert. In dem Rahmen 16 ist wiederum ein Meßgerät 22 mit Lagerzapfen 24 um eine Schwenkachse 26 schwenkbar gelagert. Die Schwenkachse 26 ist senkrecht zu der Schwenkachse 20. Das Meßgerät 22 ist auf diese Weise kardanisch gelagert und relativ zu der Gerätebasis 10 frei ausrichtbar. Die Schwenkachsen 20 und 26 sind normalerweise annähernd horizontal.

An dem Meßgerät 22 sind Neigungsmesser 28 und 30 vorgesehen. Das können Libellen oder Beschleunigungsmesser sein. Die Neigungsmesser 28 und 30 sind in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet. Der Neigungsmesser 28 spricht auf eine Neigung des Meßgerätes 22 um die Schwenkachse 20 an. Der Neigungsmesser 30 spricht auf eine Neigung des Meßgerätes 22 um die Schwenkachse 26 an. Der Neigungsmesser 28 steuert über einen Regler 32 einen Stellmotor 34. Der Stellmotor 34 verschwenkt über ein Untersetzungs-Getriebe 36 den Rahmen 16 um die Schwenkachse 20. Der Stellmotor 34 sitzt auf der Gerätebasis 10. Das Untersetzungs-Getriebe 36 ist ein Schneckentrieb mit einer Schnecke 38 und einem Schneckenrad 40. In entsprechender Weise steuert der Neigungsmesser 30 über einen Regler 42 einen Stellmotor 44. Der Stellmotor 44 verschwenkt über ein Untersetzungs-Getriebe 46 das Meßgerät 22 um die Schwenkachse 26. Der Stellmotor 44 sitzt auf dem Rahmen 16. Das Untersetzungs-Getriebe 46 ist ein Schneckentrieb mit einer Schnecke 48 und einem Schneckenrad 50. Der Stellmotor 44 und die Schnecke 48 sind zwischen Lagerständern 52 und 54 gelagert, die an dem Rahmen 16 vorgesehen sind.

Wenn sich die Gerätebasis 10 um die Schwenkachse 20 (oder eine dazu parallele Achse) neigt, dann liefert der Neigungsmesser 28 ein Signal. Über den Regler 32 wird der Stellmotor 34 angesteuert. Der Stellmotor 34 verdreht über das Untersetzungs-Getriebe 36 den Rahmen 16, so daß das Meßgerät 22 in seiner horizontalen Lage verbleibt. In entsprechender Weise liefert bei einer Neigung der Gerätebasis 10 um die Schwenkachse 26 oder eine dazu parallele Achse der Neigungsmesser 30 ein Signal. Das Signal des Neigungsmessers 30 steuert über den Regler 42 den Stellmotor 44 an. Der Stellmotor 44 verschwenkt das Meßgerät 22 über das Untersetzungs-Getriebe 46 relativ zu dem Rahmen 16 so, daß das Meßgerät wieder in seiner horizontalen Lage verbleibt. Eine Hochachse des Meßgeräts 22 fällt dann mit der Vertikalen zusammen.

Bei Neigung der Gerätebasis 10 gleichzeitig um beide Achsen 20 und 26 überlagern sich die beschriebenen Stellbewegungen. Auf diese Weise wird das Meßgerät 22 unabhängig von der Neigung der Gerätebasis 10 in seiner horizontalen Lage gehalten. Die Gerätebasis 10 kann dabei auf einem Fahrzeug montiert sein.

Es besteht nun die Aufgabe, die Neigung der Gerätebasis 10 gegen die Horizontale (oder der Hochachse der Gerätebasis 10 gegen das Lot) zu bestimmen. Durch die vorstehend beschriebene Ausrichtung ist das Meßgerät 22 anhand der Neigungsmesser 28 und 30 horizontal ausgerichtet. Um die Neigung der Gerätebasis zu bestimmen, werden bei der vorliegenden Vorrichtung die für diese Ausrichtung erforderlichen Stellbewegungen bestimmt. Es sind somit keine gesonderten Einrichtungen für die Bestimmung der Neigung der Gerätebasis erforderlich. Als Referenz dient jetzt das Meßgerät 22, das durch die Neigungsmesser 28 und 30 horizontal gehalten wird. Die direkte Messung der Stellbewegung mittels eines auf die Bewegung des Rahmens 16 oder des Meßgerätes 22 ansprechenden Winkelgebers ist praktisch nicht zu realisieren, da relativ kleine Stellbewegungen mit sehr hoher Genauigkeit bestimmt werden müssem. Die geforderte Auflösung eines inkrementalen Winkelgebers läge bei 64000 Winkelinkrementen pro 360°. Aus diesem Grunde wird die Bewegung der Stellmotoren 34 und 44 inkremental abgegriffen. Jedes Winkelelement der Drehbewegung des Stellmotors 34 oder 44 liefert ein Inkrement-Signal. Diese Inkrement-Signale und damit Winkelinkremente werden gezählt. Zu diesem Zweck sind die Stellmotoren 34 und 44 Schrittmotoren. Gezählt werden dann die Ansteuersignale dieser Schrittmotoren 34 und 44. Jedes dieser Ansteuersignale entspricht einem Winkelinkrement. Es brauchen daher keine Codier- oder Strichscheiben auf den Wellen der Stellmotoren 34 und 44 vorgesehen zu werden. Die Drehbewegung der Stellmotoren 34 und 44 wird durch die Untersetzungs-Getriebe 36 und 46 untersetzt.

Die Zählung der Ansteuersignale oder Winkelinkremente muß von einer entsprechend genau bestimmten Referenzposition aus erfolgen. Diese Referenzposition kann nicht einfach nur zwischen Rahmen und Gehäuse bzw. zwischen Rahmen und Meßgerät abgegriffen werden. Das wäre wieder zu ungenau. Eine nur an dem Stellmotor abgegriffene Referenzposition wäre nicht eindeutig, da der Stellmotor während der Stellbewegung eine Mehrzahl von Umdrehungen ausführt. Daher wird jeweils ein erster Referenzsignalgeber an der Welle des Stellmotors und ein zweiter Referenzsignalgeber an der Abtriebswelle des Untersetzungs-Getriebes angebracht. Die Referenzposition ist dann dadurch definiert, daß beide Referenzsignalgeber ein Referenzsignal liefern.

Das ist in Fig. 2 dargestellt. Fig. 2 zeigt für ein Untersetzungs-Getriebe, z. B. das Untersetzungsgetriebe 36 von Fig. 1, schematisch die Anordnung der Referenzsignalgeber. Die Anordnung der Referenzsignalgeber bei dem anderen Untersetzungs-Getriebe 46 ist ähnlich.

In Fig. 2 ist mit 34 der als Schrittmotor ausgebildete Stellmotor bezeichnet. Der Stellmotor 34 hat eine Welle 56. Auf der Welle 56 sitzt eine Schnecke 38 des Untersetzungs- Getriebes 36. Die Welle 56 ist in Lagerständern 58, 60 gelagert, die auf der Gerätebasis 10 sitzen (Fig. 1). Die Lagerständer 58, 60 sind in Fig. 2 nicht gezeigt. Auf der Welle 56 sitzt eine Scheibe 62. Die Scheibe 62 weist in der Nähe ihres Umfanges ein Loch 64 auf. Die Scheibe 62 taucht in eine Lichtschranke 66 in Form einer Gabellichtschranke ein und unterbricht normalerweise das Lichtbündel der Lichtschranke 66. Beim Durchgang des Loches 64 durch die Lichtschranke 66 wird das Lichtbündel der Lichtschranke 66 freigegeben. Die Lichtschranke 66 liefert einen ersten Referenzimpuls. Da der Stellmotor 34 während seiner Stellbewegung mehrere Umdrehungen ausführt, erscheinen auch mehrere Referenzimpulse an der Lichtschranke 66.

Die Schnecke 38 treibt das Schneckenrad 40. Mit dem Schneckenrad 40 ist eine sektorförmige Blende 68 verbunden. Die Blende dreht sich mit dem Schneckenrad 40 um die Schwenkachse 20. Die sektorförmige Blende 68 taucht in eine als Gabellichtschranke ausgebildete Lichtschranke 70 ein.

Wenn der Stellmotor 34 den Rahmen 16 in seine Ausgangsstellung dreht, dann ist zunächst die Lichtschranke 70 unterbrochen. Impulse von der Lichtschranke 66 bleiben unberücksichtigt. In der Referenzstellung, wenn der Rahmen 16 parallel zu der Gerätebasis 10 angeordnet ist, wird die Lichtschranke 70 durch die Kante 72 der sektorförmigen Blende 68 freigegeben. Der nächste Impuls von der Lichtschranke 66 bestimmt dann die Referenzposition. Die Referenzposition ist dabei sehr genau definiert, da sie durch die Position des Stellmotors auf der Antriebseite des Untersetzungs-Getriebes bestimmt ist. Von dieser Referenzposition aus werden die Ansteuersignale des Stellmotors gezählt. Für die genaue und eindeutige Festlegung der Referenzpositionen werden die selben Untersetzungs- Getriebe 36 und 46 benutzt, über die auch die Einstellung des Rahmens 16 bzw. des Meßgerätes 22 erfolgt. Der zusätzliche Aufwand für die Bestimmung der Neigung der Gerätebasis 10 ist daher minimiert.

Fig. 3 zeigt schematisch eine Anordnung mit einem mehrstufigen Zahnradgetriebe. Sowohl der Stellmotor 72 als auch ein Zwischenzahnrad 76 machen während der Stellbewegung mehrere Umdrehungen. Mit der Welle des Stellmotors 74 ist eine Scheibe 78 mit einem peripher angeordneten Loch 80 verbunden. Die Scheibe 78 unterbricht das Lichtbündel 82 einer ersten Lichtschranke. Das Loch 80 gibt das Lichtbündel 82 bei einer bestimmten Winkelstellung des Stellmotors 74 frei. Der von Scheibe 78 und Lichtschranke gebildete Referenzsignalgeber liefert einen Impuls.

Auf der Welle des Stellmotors 74 sitzt ein Ritzel 84. Das Ritzel 84 ist in Eingriff mit dem Zwischenzahnrad 76. Der Durchmesser des Zwischenzahnrades 76 ist wesentlich größer als der Durchmesser des Ritzels 84. Das Zwischenzahnrad 76 ist daher gegenüber dem Stellmotor 74 untersetzt. Das Zwischenzahnrad 76 weist ein peripher angeordnetes Loch 86 auf. Das Zwischenzahnrad 76 unterbricht normalerweise das Lichtbündel 88 einer zweiten Lichtschranke. Durch das Loch 86 wird das Lichtbündel 88 freigegeben. Der von dem Zwischenzahnrad 76 und der zweiten Lichtschranke gebildete Referenzsignalgeber liefert dann ein Signal.

Mit dem Zwischenzahnrad 76 ist ein zweites Ritzel 90 von kleinem Durchmesser verbunden. Das Ritzel 90 ist in Eingriff mit einem abtriebseitigen Zahnrad 92 von gegenüber dem Ritzel größerem Durchmesser. Auch das abtriebseitige Zahnrad 92 weist ein peripheres Loch 94 auf. Das abtriebseitige Zahnrad 92 unterbricht normalerweise das Lichtbündel 96 einer dritten Lichtschranke. Das Loch 94 gibt das Lichtbündel 96 bei einer bestimmten Stellung des abtriebseitigen Zahnrades 92 frei. Der von dem abtriebseitigen Zahnrad 92 und der dritten Lichtschranke gebildete Referenzsignalgeber liefert dann ein Signal.

Die Referenzposition ist dadurch bestimmt, daß alle drei Referenzsignalgeber gleichzeitig ein Signal liefern, die Lichtbündel 82, 88 und 96 also durch die jeweiligen Löcher 80, 86 bzw. 94 hindurchtreten. Auch hier kann der Stellmotor 74 von einem Schrittmotor gebildet sein.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Messung der Schräglage einer Gerätebasis bei einem Gerät mit einem kardanisch horizontierten Meßteil (22), wobei Kardanrahmen (16) oder Meßteil (22) durch Stellmotoren (34, 44) über Untersetzungs-Getriebe (36, 46) verschwenkbar sind, gekennzeichnet durch

• a) Abgriffmittel zum inkrementalen Abgreifen der Stellbewegung der Stellmotoren (34, 44),
• b) auf verschieden untersetzten Achsen des Untersetzungs- Getriebes (36, 46) angeordnete Referenzsignalgeber (62, 66; 68, 70) zur Erzeugung von Referenzsignalen bei vorgegebenen Stellungen der betreffenden Achse und
• c) Mittel zum Zählen der Inkremente der Stellbewegung der Stellmotoren (34, 44) von einer Position aus, in welcher alle Referenzsignalgeber gleichzeitig ein Referenzsignal abgeben.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Stellmotoren (34, 44) von Schrittmotoren gebildet sind und
• b) die inkrementalen Abgriffmittel Mittel zum Erfassen der Fortschaltimpulse dieser Schrittmotoren (34, 44) aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) ein Kardanrahmen (16) relativ zu der Gerätebasis (10) um eine erste Kardanachse (20) verschwenkbar gelagert ist,
• b) an dem Kardanrahmen (16) ein erstes Schneckenrad koaxial zu der ersten Kardanachse (20) angebracht ist, das mit einer an der Gerätebasis (10) gelagerten, von einem ersten Stellmotor (34) angetriebenen ersten Schnecke angetrieben wird, wobei das von der ersten Schnecke (38) und dem ersten Schneckenrad (40) gebildete Schneckengetriebe ein erstes der besagten Untersetzungs-Getriebe (36) bildet, und
• c) mit der Schnecke (38) ein erster Referenzsignalgeber (62, 66) und mit dem Schneckenrad (40) ein zweiter Referenzsignalgeber (68, 70) verbunden ist,
• d) das Meßteil (22) relativ zu dem Kardanrahmen (16) um eine zweite Kardanachse (26) verschwenkbar gelagert ist,
• e) an dem Meßteil (22) ein zweites Schneckenrad (50) koaxial zu der zweiten Kardanachse (26) angebracht ist, das mit einer an dem Kardanrahmen (16) gelagerten, von einem zweiten Stellmotor (44) angetriebenen zweiten Schnecke (48) angetrieben wird, wobei das von der zweiten Schnecke (48) und dem zweiten Schneckenrad (50) gebildete Schneckengetriebe ein zweites der besagten Untersetzungs-Getriebe (46) bildet, und
• f) mit der zweiten Schnecke (48) ein dritter Referenzsignalgeber und mit dem zweiten Schneckenrad ein vierter Referenzsignalgeber verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzsignalgeber von Lichtschranken (66, 70) gebildet sind, die mit Blenden (62, 68) auf den Achsen des Untersetzungs-Getriebes (36, 46) zusammenwirken.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Achsen der ersten und der zweiten Schnecke (38, 48) jeweils eine mit einem Loch (64) an der Peripherie versehene Scheibe (62) sitzt, die in eine Lichtschranke (66) eintaucht, wobei das Loch (64) das Lichtbündel der Lichtschranke (66) freigibt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit den Schneckenrädern (40, 50) sektorförmige Blenden (68) verbunden sind, die mit je einer Lichtschranke (70) zusammenwirken, wobei das Referenzsignal jeweils durch die Freigabe oder die Unterbrechung der Lichtschranke (70) erzeugt wird.