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    公开号:WO1984003761A1
    申请号:PCT/DE1984/000058
    申请日:1984-03-14
    公开日:1984-09-27
    发明作者:Reinhold Dierking；Roland Felkai；Bernd Hofer；Werner Otto；Heiner Voigt
    申请人:Erno Raumfahrttechnik Gmbh；
    IPC主号:G01B11-00
    专利说明:
    [0001] Vorrichtung zum exakten Positionieren eines Gegenstandes im Raum
    [0002] Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum exakten Po¬ sitionieren eines Gegenstandes im Raum mit einer eine Meßsonde aufweisenden Abtasteinrichtung, die auf einem Gestell im Raum verstellbar ist..
    [0003] Zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Antennen ist es not¬ wendig, das Nahfeld solcher Antennen mit einer Meßsonde abzu¬ tasten und die dabei erfaßten Meßergebnisse zum Auswerten zu re¬ gistrieren. Bei einem solchen Meßverfahren muß die Abtasteinrich« tung mit der Meßsonde zu einer Vielzahl von Raumpositionen eines Gestells gebracht werden, um das Nahfeld aus einer hinreichenden Zahl von Meßpunkten zu erfassen und zusammensetzen zu können. Ob¬ wohl die auf diese Weise erfaßbaren Nahfelder von Antennen (An¬ tennenkeulen) relativ genaue Meßergebnisse darstellen, sind sol- ehe Meßverfahren zur Vermessung von Satellitenantennen zu unge¬ nau.
    [0004] Satellitenantennen müssen beim Einsatz des Satelliten im Welt¬ raum nicht nur ihre Position im Orbit halten, sondern sie müssen auch extremen Leistungsforderungen genügen. Es ist daher not-
    [0005] OMPI wendig, das Nahfeld einer solchen Antenne sehr genau zu erfassen, ψozu die bekannten Vorrichtungen jedoch nicht in der Lage sind.
    [0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich- tung der eingangs genannten Art zur Positionierung eines Ge¬ genstandes, z.B. einer Meßsonde im Raum, vorzusehen, die Messun¬ gen an beliebigen Raumpunkten mit großer Genauigkeit erlaubt. Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Abtasteinrichtungen aus einem die Meßsonde tragenden, in einer Raumkoordinate verstellbaren Präzisionskoordinatentisch besteht, der auf einer in einer zweiten Rau koo.dinate verstellbar an - einem Turm angebrachten Plattform sitzt, und daß der Turm mit seinem Fuß und zwei Stützbeinen aufrecht auf zwei paralle¬ len Führungsschienen einer Bodenführung steht und darauf in einer dritten Raumkoordinate positionierbar ist.
    [0007] Die erfindungsgemäße Maßnahme führt zu einer Vorrichtung, mit welcher.die Meßsonde den als Abtastvorrichtung wirkenden Prä¬ zisionskoordinatentisch in jede beliebige Raumposition inner- halb des von den Abmaßen der Vorrichtung bestimmten Raumes po¬ sitionierbar ist. Es können daher Nahfelderfassungen von belie¬ bigen Positionen bzw. kontinuierliche Abtastvorgänge durch Ver¬ fahren der Meßsonde durchgeführt werden.
    [0008] Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Fuß des als Rohr ausge¬ bildeten Turmes sich mit einer Radialkugelbüchse auf einer Füh¬ rungsschiene und mit den zwei zueinander um 90° versetzten Stütz¬ beinen auf beiden Führungsschienen der Bodenführung abstützt, wobei die einen geschlossenen Querschnitt aufweisenden Stützbeine mit Justiereinrichtungen zum Ausrichten des Turmes versehen sind.
    [0009] OMPI Hierdurch wird ein sicherer Stand ohne Störschwingungen beim Verfah¬ ren gewährleistet, wofür einerseits die Justiereinrichtungen und an¬ dererseits der geschlossene Querschnitt der Stützbeine (Trägheits¬ moment) beiträgt.
    [0010] In Weiterbildung der Erfindung ist es zweckmäßig, den Turm mit zwei diagonal gegenüberliegenden Führungsschienen zu versehen, an welchen insgesamt drei Führungsrollen der Plattform anliegen, wobei eine zwischen Auslegern des Turmfußes und der Turmspitze angeordnete Spindel mit einer in der Plattform gelagerten und durch einen Elek¬ tromotor antreibbaren Kugelgewindemutter zum Positionieren der Plattform im Eingriff steht. Die Plattform kann dabei als mit einem Turmdurchgang versehenes flaches Bauteil - hergestellt in Sandwichbauweise - bestehen und auf einer Seite des Turmdurchganges die Kugelgewindemutter, den Elektromotor sowie Baugruppen zur elek¬ tronischen Steuerung und auf der anderen Seite den Präzisionskoordi¬ natentisch tragen. Ein solcher Aufbau unterstützt einen schwingungs¬ freien Betrieb, weil die Spindel feststeht und die Plattform über die antreibbare Gewindemutter positioniert wird. Die Plattform kann darüber hinaus durch Ballastgewichte gewichtsmäßig ausgeglichen sein, wofür auch die Baugruppen zur elektronischen Steuerung, ein¬ schließlich des Präzisionskoordinatentisches und seines elektro¬ nisch steuerbaren Antriebes, herangezogen werden.
    [0011] Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist am Turmfuß ein Elektro¬ motor vorgesehen, der über ein Abtriebsritzel und Zwischenräder mit einer parallel zu einer Führungsschiene liegenden Zahnstange zum Positionieren des Turmes auf der Bodenführung im Eingriff steht. Diese Maßnahme sichert eine genaue Positionierung des Turmes und damit auch eine Nachführung der Meßsonde zu jedem durch die Abmaße der Vorrichtung begrenzten Raumpunkt. - . -
    [0012] Am Turmfuß ist darüber hinaus eine Meßplatte vorgesehen, welche eine auf den Präzisionskoordinatentisch der Plattform gerichtete Lasermeßeinrichtung zur Abstandiπessung und zur Erzeugung von Posi¬ tionssignalen für eine über ein Rechnersystem vornehmbare Nach- führung der Meßsonde im Raum trägt. Außerdem ist an einer Seite der Bodenführung eine ortsfeste Meßplatte mit einer auf die Meßplatte des Turmfußes gerichteten Lasermeßeinrichtung vorge¬ sehen, die ebenfalls zur Abstandmessung und zur Erzeugung von Positionssignalen für eine über ein Rechnersystem vornehmbare Nachführung der Meßsonde im Raum dient. Beide Maßnahmen gewähr¬ leisten in horizontaler bzw. vertikaler Richtung exakte Raum— Positionen für die Meßsonde, die sich bei entsprechend großer Raum¬ abmessung aufgrund unvermeidlicher thermischer Verformung des Turmes sonst nicht einhalten lassen.
    [0013] In den Lasermeßeinrichtungen zur Erzeugung der Positionssignale können dabei von den zugeordneten Lasern beaufschlagte Dioden¬ anordnungen vorgesehen sein, deren Ausgangssignale über die Motor¬ steuerung zugeordnete Elektromotore zur Nachführung der Meßsonde ansteuern. Für Elektromotore können dabei Schrittmotore mit hin¬ reichend kleinen Schritten eingesetzt werden.
    [0014] Die Erfindung wird anhand der beiliegenden Zeichnung näher er¬ läutert. Es zeigen:
    [0015] Fig. 1 eine Vorrichtung zum Positionieren einer Meßson¬ de im Raum,
    [0016] Fig. 2 einen Kugelgewindetrieb,
    [0017] Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Positionssteuerung der Meßsonde auf dem Koordinatentisch, Fig. 4 ein Blockschaltbild zur Erzeugung und Verwertung von Positionssteuersignalen.
    [0018] In der Darstellung nach Fig. 1 ist ein Turm 10 zu sehen, der mit seinem Turmfuß 11 und zwei Stützschienen 12, 13 auf zwei Führungs¬ schienen 14, 15 einer Bodenführung steht. Die einen I-Querschnitt aufweisenden Stützbeine 12, 13 sind um 90°zueinander versetzt und besitzen an ihren Enden Justiereinrichtungenlβ sowie Stützfüße 17 mit Radial-Kugelbüchsen-Führungen 18, in welche jeweils eine der Füh- rungsschienen 14, 15 eingreift. Ebenso wie die Stützbeine 12, 13 ist am Turmfuß 11 ein Stützfuß vorgesehen, welcher mit einer Radial¬ kugelbüchse zum Eingriff der Führungsschiene 14 der Bodenführung ver¬ sehen ist. Der Turm 10, der je nach abzutastendem Raum bis zu 12 m betragen kann, besteht aus einem Rohr mit diagonal gegenüber!iegen- den Führungsschienen 19, 20 und zwei Auslegern 21, 22, die am Turm¬ fuß 11 bzw. an der Turmspitze vorgesehen sind. Zwischen beiden Aus¬ legern 21, 22 ist eine parallel zum Turm 10 stehende Spindel 23 unverdrehbar befestigt. Auf diese Spindel 23 ist eine Kugelgewinde¬ mutter 24 aufgeschraubt, die den in Fig. 2 dargestellten Kugelge- windetrieb bilden. Die Kugelgewindemutter 24 ist in einer Platt¬ form 25 drehbar gelagert, welche einen Turmdurchgang 25 für den Turm 10 aufweist. An der Plattform 25 sind drei Führungsrollen 27 angebracht, welche jeweils die Führungsschienen 19, 20 zwischen sich aufnehmen und die Plattform 25 in der Hochachse (Z-Koordinate) führen.
    [0019] Die Plattform 25 besteht aus einem flachen Bauteil - hergestellt z.B. in sogenannter Sandwichbauweise (Schichtbauweise)-und trägt auf ihrem Vorderteil einen Präzisionskoordinatentisch 30 und auf ihrem Hinterteil die Kugelgewindemutter 24 sowie einen damit gekoppel¬ ten Elektromotor 31. Außerdem sind auf dem Hinterteil der Plattform
    [0020] -gJREAζ/"
    [0021] OMPI ^ • 25 Baugruppen 32 zur elektronischen Steuerung angebracht, welche gleichzeitig für einen gewichtsmäßigen Ausgleich ge¬ genüber dem Vorderteil herangezogen werden. Auf dem Präzi¬ sionskoordinatentisch 30 ist eine nach vorn gerichtete (X-Ko- Ordinate) Meßsonde 33 angebracht, welche durch Verstellung des Präzisionskoordinatentisches 30 in der X- und Y-Koordi- nate positionierbar ist.. Die Verstellung kann über einen elektronisch steuerbaren Antrieb, z.B. einen Schrittmotor 67, erfolgen. Zum Positionieren des Turmes in der dritten Raumko- ordinate (Y-Koordinate) dient eine neben der Führungsschiene 14 angeordnete Zahnstange 35, in welche ein Abtriebsritzel eines Elektromotors 36, z.B. ein Schrittmotor, eingreift. Dieser Elektromotor 36 ist am Turmfuß 11 i*> entsprechender Position befestigt.
    [0022] Am Turmfuß 11 ist weiterhin eine Meßplatte 40 vorgesehen, auf welcher ein Laser 41 einer Lasermeßeinrichtung angeordnet ist. Der Laserstrahl 42 des Lasers 41 wird zunächst mit eine Strahl¬ teiler in einen Leitstrahl 43 und in einen Meßstrahl 44 aufge- teilt und beide Strahlen werden auf die an der Plattform 25 angebrachten Präzisionskoordinatentische 30 gerichtet. Der Referenzstrahl trifft dort auf eine Quadrantendiode 45, wäh¬ rend der Meßstrahl von einem Reflektor 46 zu einem Laserent¬ fernungsmesser 47 zurückgelenkt wird. Auf diese Weise werden in der Z-Koordinate sowohl die Entfernung als auch die Posi¬ tion zur Sollage mit Hilfe der Quadrantendiode 45 erfaßt, deren Positionssignale einer im Zusammenhang mit Fig. 3 und Fig. 4 noch zu erläuternden Motorsteuerung zugeführt werden.
    [0023] Neben diesem für die Z-Koordinate benutzten Laser 41 ist ein weiterer Laser 51 vorgesehen, der auf einer ortsfesten Me߬ platte 50 sitzt. Diese ortsfeste Meßplatte 50 ist an einem Ende der die Bodenführung bildenden Führungsschienen 14, 15 zugeord-
    [0024] - lTREXcr
    [0025] OMPI net, und sein Laserstrahl 52 wird mittels eines Strahlteilers ebenfalls in einen Leitstrahl 53 und einen Meßstrahl 54 aufge¬ teilt. Beide Strahlen 53, 54 werden auf eine Meßplatte 48 am Turmfuß 11 gerichtet, wo der Leitstrahl 53 auf eine Quadran¬ tendiode 55 trifft, während der Meßstrahl 54 von einem Reflek¬ tor 56 zu einem Laserentfernungsmesser 57 auf der Meßplatte 50 reflektiert wird. Die hierbei gewinnbaren Signale werden als Signale in der Y-Koordinate ebenso wie die der Z-Koordinate einer Rechnersteuerung zugeführt.
    [0026] Die Darstellung nach Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines Zwei- Koordinaten-Regelsystems zur Nachführung der Meßsonde 33. Ein Laser¬ strahl, z.B. der in Z-Richtung auf die Diodenanordnung 45 auf¬ treffende Referenzstrahl 43, beleuchtet in der dargestellten Soll- position bei allen Quadranten der Quadrantendiode 45 eine gleich große Fläche, so daß die erzeugten vier Ausgangssignale gleich große Werte haben. Bei Abweichungen von der Sollage erzeugt die Diodenanordnung 45 unterschiedliche Stromwerte, und die Signale jeweils zweier gegenüberliegender Quadranten werden über Verstär- ker 60, 61 auf Regler 62, 63 aufgeschaltet. Die.Ausgangs¬ signale der Regler 62, 63 werden über die Motorsteuerungen 64, 65 Stellmotoren, z.B. elektrischen Schrittmotoren 66, 67, zugeleitet, welche den Präzisionskoordinatentisch 30 verstellen. Es ist somit eine exakte Ausrichtung des die Meßsonde 33 tragenden Präzisions- koordinatentisches 30 aufgrund dieser Nachführung möglich. Die
    [0027] Verstärker 64, 65 können aber auch, wie angedeutet, manuell durch entsprechende Betätigung von Schaltern 68, 69, 70, 71 angesteuert und damit der Präzisionskoordinatentisch 30 positioniert werden. Die in Fig. 3 als Blockschaltbild dargestellte Nachführschaltung kann aber auch zur Nachfphrung des Turmes 10 und der darauf ange¬ ordneten Plattform 25 benutzt werden. In der Darstellung nach Fig. 4, wo die Rechnersteuerung mit der ledig¬ lich im Prinzip dargestellten Vorrichtung abgebildet ist, ist zu sehen, daß ein Zentralrechner 75 im Datenaustausch mit einem Steuer¬ rechner 76 steht, welcher eine Motorsteuerung 77, 78 für den Motor 31 (Z-Koordinate) sowie für den Motor 36 (Y-Koordinate) ansteuert. Außerdem erhält dieser Steuerrechner über Aufbereitungsstufen 79, 80 Posttiαnssigna.e .von den Quadrantendiαden und Entf.ernungs- sig_ale von den Laserentfernungsmessern 47, 57, und zwar für die Y- Koordinate und die Z-Koordinate. Es ist auch angedeutet, daß der Steuerrechner durch manuell eingebbare Befehle 81 ansteuerbar ist.
    [0028] Die erfindungsgemäße Vorrichtung gestattet es, mit großer Genauig¬ keit einen Gegenstand, z.B. die Meßsonde zur Erfassung von Nah¬ feldern in allen drei Dimensionen im Raum zu positionieren. Dabei sichern die Lasermeßeinrichtungen die Sollpositionen durch Nach¬ führen der Meßsonde auch dann, wenn z.B. thermische Spannungen zu einem Verbiegen des Turmes, insbesondere bei großen Turmlängen, führen. Außerdem bietet diese Art der Ausrichtung die Möglichkeit, die Meßsonde im Raum zu verfahren und das Nahfeld einer Antenne dabei zu erfassen. Die Geschwindigkeiten und der mechanische Aufbau der Vorrichtung sind dabei so gewählt, daß Störschwin¬ gungen beim Nachführen nicht auftreten.
    权利要求:
    ClaimsPatentansprüche
    1. Vorrichtung zum exakten Positionieren eines Gegen¬ standes im Raum mit einer eine Meßsonde aufweisenden Abtast¬ einrichtung, die auf einem Gestell im Raum verstellbar ist, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Abtasteinrichtung aus einem die Meßsonde (33) tragenden, in einer Raumkoordinate verstellbaren Präzisionskoordinatentisch (30) besteht, der auf einer in einer zweiten Raumkoordinate verstellbar an einem Turm (10) angebrachten Plattform (25) sitzt, und daß der Turm (10) mit seinem Fuß (11. und zwt_. Stützbein-**.. (12..13) aufrecht auf
    OMPI zwei parallelen Führungsschienen (14, 15) einer Bodenführung steht und darauf in einer dritten Raumkoordinate positionier- . bar ist.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß der Fuß (11) des als Rohr ausge¬ bildeten Turmes (10) sich mit einer Radialkugelbüchse (17) auf einer Führungsschiene (14) und mit den zwei in etwa senkrecht zueinander versetzten Stützbeinen (12, 13) auf beiden Führungs- schienen (14, 15) der Bodenführung abstützt, und daß die einen I -Querschnitt aufweisenden Stützbeine (12, 13) Justiereinrich¬ tungen (16) zum' automatischen Ausrichten des Turmes (10) mit Hilfe elektronischer Neigungsmeßgeräte aufweisen.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß der Turm (10) zwei diagonal ge¬ genüber liegende Führungsschienen (19, 20) aufweist, an welchen jeweils eine Führungsrolle (27) der Plattform (25) anliegen und daß eine zwischen Auslegern (21, 22) des Turmfußes (11) und der Turmspitze angeordnete Spindel (23) mit einer in der Plattform (25) gelagerten und durch einen Elektromotor (31) antreibbaren Kugelgewindemutter (24) zum Positionieren der Plattform (25) in Eingriff steht.
    4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Plattform (25) als mit einem Turmdurchgang (26) versehenes flaches soge¬ nanntes Sandwichbauteil ausgebildet ist, und daß die Plattform (25) auf einer Seite des Turmdurchganges (26) die Kugelgewinde- demutter (24) den Elektromotor (31) und Baugruppen (32) zur elektronischen Steuerung und auf der anderen Seite den Präzi¬ sionskoordinatentisch (30) mit der Meßsonde (33) trägt.
    OMPI IPO Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da¬ durch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Plattform (25) durch Aufsetzen von Ballastgewichten gewichtsmäßig ausge¬ glichen ist.
    Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß dem auf der Plattform (25) angebrachten Präzisionskoordinatentisch (30) ein elektronisch steuerbarer Antrieb (66, 67) zugeordnet ist.
    7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß am Turmfluß (11) ein Elektromotor (36) vorgesehen ist, der über ein Ab¬ triebsritzel mit einer parallel zu einer Führungsschiene (14) liegenden Zahnstange (35) zum Positionieren des Tur¬ mes (10) auf der Bodenführung im Eingriff steht.
    8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Turmfuß (11) eine Meßplatte (40) aufweist mit einer auf den Präzi¬ sionskoordinatentisch (30) der Plattform (25) gerichteten Lasermeßeinrichtung zur Abstandsmessung und zur Erzeugung von Positionssignalen für eine über ein Rechnersystem (75, 76) vornehmbare Nachführung der Meßsonde (33) im Raum.
    9. • Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß an einer Seite der Bodenführung eine ortsfeste Meßplatte (50) mit einer auf eine Meßplatte (48) am Turmfuß (11) gerichteten Laser- meßeinrichtung vorgesehen ist, zur Abstandsmessung und zur Erzeugung von Positionssignalen für eine über ein Rechner¬ system (75, 76) vornehmbare Nachführung der Meßsonde (33) im Raum.
    OMPI
    10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Laserme߬ einrichtungen zur Erzeugung von Positionssignalen aus einer vom zugeordneten Laserstrahl beaufschlagten Quadrantendiode (45, 55) besteht, deren Ausgangssignale über die Motorsteu¬ erung (32) die zugeordneten Elektromotore- (66, 67) zur Nach¬ führung der Meßsonde (33) ansteuern.
    11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden An- sprüche, dadurch' g e k e n n z e i c h n e t , daß für die Elektromotore zum Positionieren der Meßsonde in den drei Raumkoordinaten Schrittmotore eingesetzt sind.
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    1984-09-27| AL| Designated countries for regional patents|Designated state(s): FR GB NL SE |
    1984-10-16| WWE| Wipo information: entry into national phase|Ref document number: 1984901063 Country of ref document: EP |
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    优先权:
    申请号 | 申请日 | 专利标题
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