DE102020124704B4 - Device and method for detecting a spatial position of a body - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung (10) zur Erfassung einer räumlichen Position eines Körpers (26, 58), aufweisend:- eine erste Lichtquelle (32), die dazu eingerichtet ist, einen ersten Lichtstrahl (36) auszusenden;- eine zweite Lichtquelle (34), die dazu eingerichtet ist, einen zweiten Lichtstrahl (38), der schräg unter einem Winkel ungleich 0° zu dem ersten Lichtstrahl (36) ausgerichtet ist, auszusenden;- ein Targetelement (46) mit mindestens einem Retroreflektor (40), wobei das Targetelement (46) mit dem mindestens einen Retroreflektor (40) dazu eingerichtet ist, den ersten Lichtstrahl (36) als ersten retroreflektierten Lichtstrahl (42) zu reflektieren und den zweiten Lichtstrahl (38) als zweiten retroreflektierten Lichtstrahl (44) zu reflektieren;- eine Empfangseinheit (56) mit mindestens einem ortsauflösenden Sensor (48, 50), wobei die Empfangseinheit mit dem mindestens einen ortsauflösenden Sensor (48, 50) dazu eingerichtet ist, den ersten retroreflektierten Lichtstrahl (42) zu detektieren und basierend darauf ein erstes ortsaufgelöstes Signal zu erzeugen sowie den zweiten retroreflektierten Lichtstrahl (44) zu detektieren und basierend darauf ein zweites ortsaufgelöstes Signal zu erzeugen; und- eine Auswerteeinheit (30), die dazu eingerichtet ist, basierend auf dem ersten und dem zweiten ortsaufgelösten Signal die räumliche Position des Körpers (26, 58) zu berechnen.Device (10) for detecting a spatial position of a body (26, 58), comprising: - a first light source (32) arranged to emit a first light beam (36); - a second light source (34) arranged to is set up to emit a second light beam (38) which is aligned obliquely at an angle other than 0° to the first light beam (36);- a target element (46) with at least one retroreflector (40), the target element (46) with the at least one retroreflector (40) being set up to reflect the first light beam (36) as a first retroreflected light beam (42) and to reflect the second light beam (38) as a second retroreflected light beam (44);- a receiving unit (56) with at least one spatially resolving sensor (48, 50), wherein the receiving unit with the at least one spatially resolving sensor (48, 50) is set up to detect and base the first retroreflected light beam (42). d thereupon to generate a first spatially resolved signal and to detect the second retroreflected light beam (44) and based thereon to generate a second spatially resolved signal; and - an evaluation unit (30) which is set up to calculate the spatial position of the body (26, 58) based on the first and the second spatially resolved signal.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung einer räumlichen Position eines Körpers. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Messgerät mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung auch ein entsprechendes Verfahren zur Erfassung einer räumlichen Position eines Körpers.The present invention relates to a device for detecting a spatial position of a body. Furthermore, the present invention relates to a measuring device with the device according to the invention. Furthermore, the present invention also relates to a corresponding method for detecting a spatial position of a body.

Ein intendierter Anwendungsbereich der vorliegenden Erfindung ist die Anwendung in Messgeräten zur dimensionellen Messung von Messobjekten. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem Koordinatenmessgerät zum Einsatz kommen, um die räumliche Position eines Körpers oder Bauteils des Koordinatenmessgerätes relativ zu einem anderen Körper oder Bauteil des Koordinatenmessgerätes zu erfassen.An intended area of application of the present invention is the use in measuring devices for the dimensional measurement of measuring objects. For example, the device according to the invention can be used in a coordinate measuring machine in order to detect the spatial position of a body or component of the coordinate measuring machine relative to another body or component of the coordinate measuring machine.

Messgeräte, insbesondere Koordinatenmessgeräte mit taktilen und/oder optischen Messsensoren werden in der dimensionellen Messtechnik typischerweise verwendet, um die Form einer Werkstückoberfläche, beispielsweise durch Abtastung, zu bestimmen. Da die dimensionelle Messtechnik im Regelfall in Industriezweigen Anwendung findet, in denen sehr hohe Genauigkeiten, beispielsweise für nachfolgende Bearbeitungsschritte oder zur Qualitätssicherung erforderlich sind, ist eine fehlerfreie Messdurchführung notwendig.Measuring devices, in particular coordinate measuring devices with tactile and/or optical measuring sensors, are typically used in dimensional metrology in order to determine the shape of a workpiece surface, for example by scanning. Since dimensional measurement technology is usually used in branches of industry in which very high levels of accuracy are required, for example for subsequent processing steps or for quality assurance, error-free measurement is necessary.

Koordinatenmessgeräte für den industriellen Einsatz sind im Regelfall recht aufwendig gestaltet, um in zuverlässiger Weise die gewünschten Genauigkeiten bei der Messung zu gewährleisten. Koordinatenmessgeräte weisen üblicherweise eine Mehrzahl angetriebener Achsen mit entsprechenden Führungen auf. Typischerweise sind in Achsen bzw. deren Führungen Maßverkörperungen zugeordnet, welche die Bestimmung absoluter und/oder relativer Positionen und Bewegungen eines bewegten Messkopfes des Koordinatenmessgerätes ermöglichen. Anhand der Maßverkörperungen lässt sich mit anderen Worten also die Position des Messkopfes ermitteln, der mithilfe der Mehrzahl angetriebener Achsen innerhalb des Messvolumens des Koordinatenmessgerätes meist frei bzw. mehrdimensional beweglich ist.Coordinate measuring devices for industrial use are usually designed to be quite complex in order to reliably ensure the desired accuracy during measurement. Coordinate measuring machines usually have a plurality of driven axes with corresponding guides. Typically, axes or their guides are assigned measuring standards that enable the determination of absolute and/or relative positions and movements of a moving measuring head of the coordinate measuring machine. In other words, the measuring standards can be used to determine the position of the measuring head, which is usually freely or multidimensionally movable within the measuring volume of the coordinate measuring machine with the aid of the plurality of driven axes.

Der Messkopf weist einen oder mehrere Sensoren, die beispielsweise als taktile und/oder optische Sensoren ausgestaltet sein können, zur Messung des Messobjektes auf. Häufig befinden sich innerhalb des Messkopfes weitere Kinematiken zur Bewegung eines Teils des Sensors bzw. der Sensoren. Zur Ermittlung des sogenannten Tool Center Points (TCP) ist es daher zusätzlich notwendig die Position eines messenden Sensorelementes des Sensors relativ zu einem Basisteil des Messkopfes zu ermitteln. Bei diesem Basisteil kann es sich beispielsweise um ein Teil des Messkopfes handeln, das seinerseits selbst anhand der angetriebenen Achsen des Koordinatenmessgerätes beweglich ist, das sich jedoch nicht zusätzlich noch mit dem Sensorelement des Sensors mitbewegt. Das genannte Sensorelement kann beispielsweise ein taktiler Taststift oder ein Teil einer Messoptik sein.The measuring head has one or more sensors, which can be designed as tactile and/or optical sensors, for example, for measuring the measurement object. There are often other kinematics within the measuring head for moving part of the sensor or sensors. In order to determine the so-called tool center point (TCP), it is therefore also necessary to determine the position of a measuring sensor element of the sensor relative to a base part of the measuring head. This base part can be a part of the measuring head, for example, which itself can be moved using the driven axes of the coordinate measuring machine, but which does not also move with the sensor element of the sensor. Said sensor element can, for example, be a tactile stylus or a part of a measuring optics.

Aus der Position des Basisteils des Messkopfes, welche beispielsweise über die genannten Maßverkörperungen ermittelbar ist, und der Relativposition des Sensorelements relativ zu dem Basisteil, lässt sich letztendlich also die Position des Tool Center Points in einem beliebigen Koordinatensystem eindeutig ermitteln.From the position of the base part of the measuring head, which can be determined, for example, via the measuring standards mentioned, and the relative position of the sensor element relative to the base part, the position of the tool center point can ultimately be determined unequivocally in any coordinate system.

Aufgrund der Komplexität derartiger Koordinatenmessgeräte lassen sich Messfehler in der zuvor genannten Positionsermittlung allerdings nie gänzlich vermeiden. Durch entsprechende Vorkehrungen lassen sich derartige Messfehler mit den heutigen Koordinatenmessgeräten jedoch auf ein Minimum beschränken (wenige Mikrometer oder sogar Nanometer).However, due to the complexity of such coordinate measuring machines, measurement errors in the aforementioned position determination can never be completely avoided. However, by taking appropriate precautions, such measuring errors can be kept to a minimum with today's coordinate measuring machines (a few micrometers or even nanometers).

Sofern das Sensor- oder Tastelement mit dem Basisteil des Messkopfes über einen oder mehrere seriell hintereinander gestapelte Translations- oder Rotationsachsen verbunden ist, lässt sich der Tool Center Point auf konventionelle Weise relativ einfach ermitteln.If the sensor or probe element is connected to the base part of the measuring head via one or more translation or rotation axes serially stacked one behind the other, the tool center point can be determined relatively easily in a conventional manner.

Aus diversen vorteilhaften Gründen gibt es jedoch Bestrebungen, derartige serielle Kinematiken im Messkopf durch parallele Kinematiken zu ersetzen. Aus der DE 10 2019 115 630 B3 ist beispielsweise ein Schwenktaster mit einer sphärischen Parallelkinematik bekannt.For various advantageous reasons, however, efforts are being made to replace such serial kinematics in the measuring head with parallel kinematics. From the DE 10 2019 115 630 B3 For example, a swivel button with spherical parallel kinematics is known.

Zwar bieten derartige parallele Kinematiken in der Verwendung in einem Messkopf eines Koordinatenmessgerätes einige Vorteile, jedoch wird die Ermittlung der Position des Tool Center Points dadurch um ein Vielfaches schwieriger. Die Position muss durch eine kinematische Transformation der Position der Einzelachsen der Parallelkinematik errechnet werden. Selbst wenn die Kinematik bestmöglich bekannt ist, ist mit einer gewissen Unschärfe bei der Ermittlung des Tool Center Points zu rechnen. Darum empfiehlt es sich in einem solchen Fall, die Position des Tool Center Points direkt über ein alternatives Messverfahren zu bestimmen.Although such parallel kinematics offer some advantages when used in a measuring head of a coordinate measuring machine, this makes determining the position of the tool center point much more difficult. The position must be obtained by a kinematic transformation of the position of the a axis of the parallel kinematics can be calculated. Even if the kinematics are known as well as possible, a certain amount of uncertainty can be expected when determining the tool center point. In such a case, it is therefore advisable to determine the position of the tool center point directly using an alternative measuring method.

Aus der US 9,599,456 B2 sind ein Messverfahren und eine Messvorrichtung bekannt, bei der die Position eines Sensor- bzw. Tastelements in eine Richtung mit einem ersten Sensor unter Verwendung eines optischen Verfahrens und in einer zweiten Richtung unter Verwendung eines Distanzsensors ermittelt wird. Auch dieses Verfahren ist bei dem oben genannten Fall der Verwendung einer Parallelkinematik im Messkopf eines Koordinatenmessgerätes nur begrenzt sinnvoll anwendbar. From the US 9,599,456 B2 a measuring method and a measuring device are known in which the position of a sensor or probe element is determined in one direction with a first sensor using an optical method and in a second direction using a distance sensor. This method can only be used to a limited extent in the above-mentioned case of using parallel kinematics in the measuring head of a coordinate measuring machine.

Aus der EP 0 405 423 A2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Lagebestimmung eines Objektes mittels Triangulation bekannt, bei dem zur Bestimmung des Ortes des Objektes zwei Beleuchtungs-Lichtstrahlen unter unterschiedlichen Richtungen auf zumindest einen an dem Objekt angebrachten Retroreflektor gerichtet und die reflektierten Strahlen mittels ortsempfindlicher Sensoren erfasst werden.From the EP 0 405 423 A2 discloses a method and a device for determining the position of an object by means of triangulation, in which, to determine the location of the object, two illuminating light beams are directed from different directions onto at least one retroreflector attached to the object and the reflected beams are detected using location-sensitive sensors.

Aus der EP 0 236 777 A1 ist eine Vorrichtung zum Vermessen von Werkstücken bekannt. Die Vorrichtung weist einen Tastkopf auf, der keine mechanische Verbindung zu einem Messschlitten hat. Ein Laserstrahl wird auf einen Spiegel am Tastkopf gerichtet und nach Reflexion auf photoelektrische Wandler gelenkt. Bei einer Bewegung des Tastkopfes ändert sich die Position des reflektierten Strahles, was mittels der photoelektrischen Wandler festgestellt wird. Der Schlitten wird entsprechend der Bewegung des Tastkopfes nachgeführt und die vom Schlitten zurückgelegte Wegstrecke kann gemessen werden, woraus sich die Bewegung des Tastkopfes ergibt.From the EP 0 236 777 A1 a device for measuring workpieces is known. The device has a probe that has no mechanical connection to a measuring carriage. A laser beam is directed onto a mirror on the probe and, after reflection, directed onto photoelectric converters. When the probe moves, the position of the reflected beam changes, which is detected by the photoelectric converter. The carriage is tracked according to the movement of the probe and the distance covered by the carriage can be measured, from which the movement of the probe results.

Aus der JP 2007 218 734 A ist eine Kontaktsonde bekannt, die einen Messkopf und einen Sensorkörper zum verschiebbaren Tragen des Messkopfes umfasst. Der Sensorkörper umfasst eine Trägerplatte zum verschiebbaren Tragen eines Messkopfes, zwei Lichtquellen, einen Lichtsensor zum Empfangen von Licht, einen Reflexionsspiegel zum Verschieben der Lichteinfallsposition zum Lichtsensor entsprechend der Verschiebung des Messkopfes und einen Signalverarbeitungsteil zum Berechnen des Messkopfes auf der Grundlage des Lichtempfangssignals. Jede der Lichtquellen emittiert moduliertes Licht, das mit einer anderen Modulation moduliert wird.From the JP 2007 218 734 A a contact probe is known which comprises a measuring head and a sensor body for slidably supporting the measuring head. The sensor body includes a support plate for slidably supporting a measuring head, two light sources, a light sensor for receiving light, a reflecting mirror for shifting the light incidence position to the light sensor according to the displacement of the measuring head, and a signal processing part for calculating the measuring head based on the light reception signal. Each of the light sources emits modulated light that is modulated with a different modulation.

Aus der NL 1 003 175 C ist ein System bekannt, das drei Lichtquellen und Detektoren umfasst, die auf einem starren Bezugssystem montiert sind. Die Lichtstrahlen werden von Spiegeln reflektiert, die auf einem beweglichen Träger montiert sind, der starr mit einer Sonde verbunden ist. Die Bewegung des Trägers bewirkt, dass sich ein Lichtpunkt über die Oberfläche jedes Detektors bewegt, um zwei unabhängige Translationskomponenten zu messen. Es besteht eine eindeutige Beziehung zwischen der Position der Sonde und der Position und Ausrichtung des Trägers. Aus den Abmessungen der Sonde lässt sich der Messpunkt und damit die Geometrie des Prüflings berechnen.From the NL 1 003 175 C a system is known comprising three light sources and detectors mounted on a rigid reference frame. The light rays are reflected by mirrors mounted on a movable support rigidly connected to a probe. The movement of the carrier causes a spot of light to move across the surface of each detector to measure two independent translational components. There is a unique relationship between the position of the probe and the position and orientation of the carrier. The measuring point and thus the geometry of the test object can be calculated from the dimensions of the probe.

Andere Verfahren, wie z.B. eine optische Navigation oder ein Multilaterationsverfahren, wären generell denkbar. Allerdings sind diese Verfahren sehr rechenintensiv und können (bisher) nicht in Echtzeit ausgewertet werden.Other methods, such as optical navigation or a multilateration method, are generally conceivable. However, these methods are very computationally intensive and (so far) cannot be evaluated in real time.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Erfassung einer räumlichen Position eines Körpers bereitzustellen, das auf möglichst einfache Art und Weise eine genaue und direkte Ermittlung der Position des Körpers ermöglicht. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sollen insbesondere für den Einsatz in den zuvor genannten Anwendungen geeignet sein, jedoch nicht auf diese Anwendungen beschränkt sein, sondern allgemein die Ermittlung der räumlichen Position eines Körpers relativ zu einem anderen oder relativ zu einem feststehenden Bezugspunkt oder -element ermöglichen.It is therefore an object of the present invention to provide a device and a method for detecting a spatial position of a body that enables the position of the body to be determined precisely and directly in the simplest possible manner. The method according to the invention and the device according to the invention should be particularly suitable for use in the above-mentioned applications, but should not be limited to these applications, but generally determine the spatial position of a body relative to another or relative to a fixed reference point or element enable.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst, welche die folgenden Komponenten aufweist:

  • - eine erste Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, einen ersten Lichtstrahl auszusenden;
  • - eine zweite Lichtquelle, die dazu eingerichtet ist, einen zweiten Lichtstrahl, der schräg unter einem Winkel ungleich 0° zu dem ersten Lichtstrahl ausgerichtet ist, auszusenden;
  • - ein Targetelement mit mindestens einem Retroreflektor, wobei das Targetelement mit dem mindestens einen Retroreflektor dazu eingerichtet ist, den ersten Lichtstrahl als ersten retroreflektierten Lichtstrahl zu reflektieren und den zweiten Lichtstrahl als zweiten retroreflektierten Lichtstrahl zu reflektieren;
  • - eine Empfangseinheit mit mindestens einem ortsauflösenden Sensor, wobei die Empfangseinheit mit dem mindestens einen ortsauflösenden Sensor dazu eingerichtet ist, den ersten retroreflektierten Lichtstrahl zu detektieren und basierend darauf ein erstes ortsaufgelöstes Signal zu erzeugen sowie den zweiten retroreflektierten Lichtstrahl zu detektieren und basierend darauf ein zweites ortsaufgelöstes Signal zu erzeugen; und
  • - eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, basierend auf dem ersten und dem zweiten ortsaufgelösten Signal die räumliche Position des Körpers zu berechnen.
This object is achieved by a device according to claim 1, which has the following components:
  • - a first light source arranged to emit a first light beam;
  • - a second light source which is set up to emit a second light beam which is oriented obliquely at an angle other than 0° to the first light beam;
  • - a target element with at least one retroreflector, wherein the target element is configured with the at least one retroreflector to reflect the first light beam as a first retroreflected light beam and to reflect the second light beam as a second retroreflected light beam;
  • - a receiving unit with at least one spatially resolving sensor, wherein the receiving unit with the at least one spatially resolving sensor is set up to detect the first retroreflected light beam and based thereon to generate a first spatially resolved signal and to detect the second retroreflected light beam and based thereon a second spatially resolved signal generate signal; and
  • - an evaluation unit which is set up to calculate the spatial position of the body based on the first and the second spatially resolved signal.

Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren gemäß Anspruch 17 gelöst, mit den Schritten:

  • - Aussenden eines ersten Lichtstrahls;
  • - Aussenden eines zweiten Lichtstrahls, der schräg unter einem Winkel ungleich 0° zu dem ersten Lichtstrahl ausgerichtet ist;
  • - Reflektieren des ersten Lichtstrahls als ersten retroreflektierten Lichtstrahl, der zu dem ersten Lichtstrahl im Wesentlichen raumparallel versetzt ist;
  • - Reflektieren des zweiten Lichtstrahls als zweiten retroreflektierten Lichtstrahl, der zu dem zweiten Lichtstrahl im Wesentlichen raumparallel versetzt ist;
  • - Detektieren des ersten retroreflektierten Lichtstrahls und Erzeugen eines ersten ortsaufgelösten Signals, das Positionsinformationen zu dem ersten retroreflektierten Lichtstrahl aufweist, basierend auf dem ersten retroreflektierten Lichtstrahl;
  • - Detektieren des zweiten retroreflektierten Lichtstrahls und Erzeugen eines zweiten ortsaufgelösten Signals, das Positionsinformationen zu dem zweiten retroreflektierten Lichtstrahl aufweist, basierend auf dem zweiten retroreflektierten Lichtstrahl; und
  • - Berechnen der räumlichen Position des Körpers basierend auf dem ersten und dem zweiten ortsaufgelösten Signal.
The object is also achieved by a method according to claim 17, with the steps:
  • - emitting a first light beam;
  • - emitting a second light beam which is oriented obliquely at an angle other than 0° to the first light beam;
  • - Reflecting the first light beam as a first retroreflected light beam which is space-parallel offset to the first light beam substantially;
  • - Reflecting the second light beam as a second retroreflected light beam which is space-parallel offset to the second light beam substantially;
  • - detecting the first retroreflected light beam and generating a first spatially resolved signal having position information on the first retroreflected light beam based on the first retroreflected light beam;
  • - detecting the second retroreflected light beam and generating a second spatially resolved signal having position information on the second retroreflected light beam based on the second retroreflected light beam; and
  • - calculating the spatial position of the body based on the first and the second spatially resolved signal.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Messgerät, z.B. ein Koordinatenmessgerät, ein Rauheitsmessgerät, ein Mikroskop, etc., wobei das Messgerät eine erfindungsgemäße Vorrichtung der zuvor genannten Art aufweist.A further aspect of the present invention relates to a measuring device, e.g. a coordinate measuring device, a roughness measuring device, a microscope, etc., the measuring device having a device according to the invention of the aforementioned type.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren zeichnen sich insbesondere durch folgende Merkmale aus: Über entsprechende Lichtquellen werden zumindest zwei Lichtstrahlen, die bevorzugt jeweils als gebündelte, geradlinige (kollimierte) Lichtstrahlen ausgestaltet sind, erzeugt. Die beiden Lichtstrahlen sind schräg zueinander ausgerichtet. Vorzugsweise schließen die beiden Lichtstrahlen einen spitzen Winkel untereinander ein. Sie sind auf ein Targetelement mit mindestens einem Retroreflektor ausgerichtet. Dieser Retroreflektor reflektiert die beiden Lichtstrahlen als retroreflektierte Lichtstrahlen, welche dann von einer Empfangseinheit mit mindestens einem ortsauflösenden Sensor detektiert werden. Anhand der Positionen bzw. Stellen, an denen die retroreflektierten Lichtstrahlen auf den mindestens einen ortsauflösenden Sensor treffen, lässt sich durch Auswertung innerhalb der Auswerteeinheit die räumliche Position des Körpers bestimmen.The device according to the invention and the method according to the invention are characterized in particular by the following features: At least two light beams, which are preferably designed as bundled, straight (collimated) light beams, are generated via corresponding light sources. The two light beams are aligned at an angle to each other. The two light beams preferably enclose an acute angle with one another. They are aimed at a target element with at least one retroreflector. This retroreflector reflects the two light beams as retroreflected light beams, which are then detected by a receiving unit with at least one spatially resolving sensor. The spatial position of the body can be determined by evaluation within the evaluation unit on the basis of the positions or points at which the retro-reflected light beams strike the at least one spatially resolving sensor.

Vorzugsweise sind entweder die beiden Lichtquellen oder das Targetelement mit dem mindestens einen Retroreflektor an dem zu messenden Körper angeordnet und der jeweils andere Teil (die beiden Lichtquellen oder das Targetelement) an einem Bezugsteil angeordnet, dessen Position bekannt ist. Beispielsweise können die beiden Lichtquellen an dem Bezugsteil angeordnet sein und das Targetelement mit dem mindestens einen Retroreflektor an dem zu messenden Körper angeordnet sein. Ebenso ist es möglich, dass die beiden Lichtquellen an dem zu messenden Körper angeordnet sind und das Targetelement mit dem mindestens einen Retroreflektor an dem Bezugsteil angeordnet ist.Preferably, either the two light sources or the target element with the at least one retroreflector are arranged on the body to be measured and the other part (the two light sources or the target element) is arranged on a reference part whose position is known. For example, the two light sources can be arranged on the reference part and the target element can be arranged with the at least one retroreflector on the body to be measured. It is also possible for the two light sources to be arranged on the body to be measured and for the target element to be arranged with the at least one retroreflector on the reference part.

Auf diese Weise lässt sich mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren die Relativposition des zu messenden Körpers relativ zu dem Bezugsteil bestimmen. Nachdem die Relativposition des Bezugsteils, welches seinerseits ebenfalls bewegt sein kann oder feststehend ist, bekannt ist, lässt sich somit auch die Absolutposition des zu messenden Körpers bestimmen.In this way, the relative position of the body to be measured relative to the reference part can be determined with the aid of the device according to the invention and the method according to the invention. Once the relative position of the reference part, which for its part can also be moved or is fixed, is known, the absolute position of the body to be measured can also be determined.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die dreidimensionale Position des Körpers vorzugsweise als kartesische oder sphärische Koordinaten innerhalb eines beliebigen Bezugskoordinatensystems bestimmt. Für die Ermittlung der Lage und damit der Pose des Körpers wären mehrere solcher Vorrichtungen oder zumindest mehrere Retroreflektoren nötig.With the device according to the invention and the method according to the invention, the three-dimensional position of the body is preferably determined as Cartesian or spherical coordinates within any reference coordinate system. Several such devices or at least several retroreflectors would be necessary to determine the position and thus the pose of the body.

Das Messprinzip der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens basiert u.a. darauf, dass sich die Stellen, an denen die beiden retroreflektierten Lichtstrahlen auf den zumindest einen ortsauflösenden Sensor treffen, sich sowohl mit einer Veränderung der Relativposition als auch mit einer Veränderung der Relativlage zwischen den beiden Lichtquellen und dem Targetelement ändern. Aus den Positionen der beiden retroreflektierten Lichtstrahlen auf dem zumindest einen ortsauflösenden Sensor lässt sich daher über trigonometrische Beziehungen die Position des mindestens einen Retroreflektors relativ zu den beiden Lichtquellen berechnen.The measuring principle of the device according to the invention and the method according to the invention is based, among other things, on the fact that the points at which the two retro-reflected light beams strike the at least one spatially resolving sensor correspond both to a change in the relative position and to a change in the relative position between the two light sources and change the target element. The position of the at least one retroreflector relative to the two light sources can therefore be calculated from the positions of the two retroreflected light beams on the at least one spatially resolving sensor using trigonometric relationships.

Die Schrägstellung der beiden Lichtstrahlen relativ zueinander ist zur dreidimensionalen Positionsbestimmung notwendig, da zwei parallele Lichtstrahlen die „gleichen Informationen“ liefern würden und damit zu einer Unterbestimmung des zur Berechnung verwendeten Gleichungssystems führen würden.The inclination of the two light beams relative to each other is necessary for the three-dimensional determination of position, since two parallel light beams would supply the "same information" and thus lead to an underdetermination of the system of equations used for the calculation.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich auf vergleichsweise einfache und kostengünstige Art und Weise sehr exakte Messungen durchführen. Prinzip bedingt ist die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren sehr sensitiv in Bezug auf kleinere Verschiebungen oder Verkippungen des mindestens einen Retroreflektors relativ zu den Lichtquellen. Bei größeren Verschiebungen nimmt die Sensitivität der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens jedoch ab. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich daher vorwiegend für sehr exakte Messungen der Position eines Körpers, der sich nur geringfügig bzw. auf relativ kleinem Raum bewegt.With the device according to the invention and the method according to the invention, very precise measurements can be carried out in a comparatively simple and cost-effective manner. Due to the principle, the device according to the invention and the method according to the invention are very sensitive with regard to smaller displacements or tilting of the at least one retroreflector relative to the light sources. With larger displacements, however, the sensitivity of the device according to the invention and the method according to the invention decreases. The method according to the invention is therefore mainly suitable for very precise measurements of the position of a body that moves only slightly or in a relatively small space.

Der mindestens eine Retroreflektor ist dazu eingerichtet, den ersten Lichtstrahl und den zweiten Lichtstrahl, unabhängig von einer Ausrichtung des mindestens einen Retroreflektors relativ zu dem ersten und dem zweiten Lichtstrahl, jeweils derart zu reflektieren, dass der erste retroreflektierten Lichtstrahl im Wesentlichen raumparallel versetzt zu dem ersten Lichtstrahl und der zweite retroreflektierten Lichtstrahl im Wesentlichen raumparallel versetzt zu dem zweiten Lichtstrahl ist.The at least one retroreflector is set up to reflect the first light beam and the second light beam, independently of an alignment of the at least one retroreflector relative to the first and the second light beam, in such a way that the first retroreflected light beam is offset essentially space-parallel to the first Light beam and the second retro-reflected light beam is offset substantially space-parallel to the second light beam.

Unter „im Wesentlichen raumparallel“ ist vorliegend eine parallele Ausrichtung zu verstehen, die kleinere Abweichungen um +/- 3° miteinschließen. Das liegt daran, dass Retroreflektor die Lichtstrahlen mathematisch betrachtet exakt raumparallel reflektieren, dies jedoch experimentell fast nicht umsetzbar ist. In der Praxis kommt es konstruktionsbedingt bzw. aufgrund von Fertigungstoleranzen zu kleineren Abweichungen.In the present case, “essentially space-parallel” is to be understood as meaning a parallel alignment that includes smaller deviations of +/-3°. This is due to the fact that, from a mathematical point of view, retroreflectors reflect the light rays exactly parallel to space, but this is almost impossible to implement experimentally. In practice, there are minor deviations due to the design or due to manufacturing tolerances.

Der mindestens eine Retroreflektor hat also die Eigenschaft, Licht parallel, aber nicht in sich selbst zurück zu reflektieren. Der retroreflektierte Strahl ist damit stets raumparallel zu dem einfallenden Strahl und dies unabhängig davon wie der mindestens eine Retroreflektor relativ zu der Lichtquelle geneigt und/oder positioniert ist.The at least one retroreflector thus has the property of reflecting light back in parallel, but not in itself. The retroreflected beam is thus always space-parallel to the incident beam, regardless of how the at least one retroreflector is inclined and/or positioned relative to the light source.

Durch einen solchen Retroreflektor gehen allerdings Rotationsinformationen verloren, da eine reine Rotation des Retroreflektors relativ zu dem Lichtstrahl keine Veränderung des retroreflektierten Lichtstrahls bewirkt.However, rotation information is lost as a result of such a retroreflector, since a mere rotation of the retroreflector relative to the light beam causes no change in the retroreflected light beam.

Der Verlust der Rotationsinformationen wäre zunächst eigentlich als Nachteil anzusehen. De facto hat diese Eigenschaft jedoch den Vorteil, dass die von dem mindestens einen ortsauflösenden Sensor erzeugten Signale nicht durch Rotationen des mindestens einen Retroreflektors oder der Lichtquellen „verfälscht“ werden. Die Auswertung der von dem mindestens einen ortsauflösenden Sensor gelieferten Signale und die Positionsbestimmung des Körpers innerhalb der Auswerteeinheit sind damit einfacher möglich.The loss of the rotation information would initially be seen as a disadvantage. However, this property has the de facto advantage that the signals generated by the at least one spatially resolving sensor are not “falsified” by rotations of the at least one retroreflector or the light sources. The evaluation of the signals supplied by the at least one spatially resolving sensor and the determination of the position of the body within the evaluation unit are therefore easier.

Ein solcher Retroreflektor kann einen Linsenreflektor, ein Katzenauge, eine Lüneburg-Linse, einen Winkelreflektor, einen Trippelspiegel, einen Corner Cube, ein Trippelprisma, eine retroreflektierende Folie oder einen Rückstrahler aufweisen. Beispielsweise kann der Retroreflektor zwei zueinander senkrecht stehende Spiegel aufweisen. Ein Corner Cube umfasst beispielsweise drei flache, zueinander senkrecht stehende Spiegel.Such a retroreflector can have a lens reflector, a cat's eye, a Lüneburg lens, an angle reflector, a triple mirror, a corner cube, a triple prism, a retroreflective foil or a retroreflector. For example, the retroreflector can have two mirrors that are perpendicular to one another. A corner cube, for example, comprises three flat mirrors that are perpendicular to one another.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung schließen der erste und der zweite Lichtstrahl einen Winkel größer 15° untereinander ein. Dies vergrößert die Stabilität und Robustheit der Berechnung der Position des Körpers.According to a preferred embodiment of the present invention, the first and the second light beam enclose an angle greater than 15° with one another. This increases the stability and robustness of the calculation of the body's position.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der mindestens eine ortsauflösende Sensor einen ersten ortsauflösenden Sensor und einen zweiten ortsauflösenden Sensor auf, wobei der erste ortsauflösende Sensor dazu eingerichtet ist, den ersten retroreflektierten Lichtstrahl zu detektieren und basierend darauf das erste ortsaufgelöste Signal zu erzeugen, und wobei der zweite ortsauflösende Sensor dazu eingerichtet ist, den zweiten retroreflektierten Lichtstrahl zu detektieren und basierend darauf das zweite ortsaufgelöste Signal zu erzeugen.According to a further configuration, the at least one spatially resolving sensor has a first spatially resolving sensor and a second spatially resolving sensor, the first spatially resolving sensor being set up to detect the first retroreflected light beam and based thereon to generate the first spatially resolved signal, and the second spatially resolving sensor is set up to detect the second retroreflected light beam and based thereon to generate the second spatially resolved signal.

Zwei ortsauflösende Sensoren, also ein Sensor pro Lichtquelle, haben im Gegensatz zu nur einem ortsauflösenden Sensor, der beide Lichtstrahlen detektiert, mehrere Vorteile. Einerseits bringt dies einen Kostenvorteil, da die beiden ortsauflösenden Sensoren dann kleiner ausgestaltet sein können und mehrere kleine Sensoren günstiger sind als ein großer hochauflösender Sensor. Zudem lässt sich dadurch der Bauraum der erfindungsgemäßen Vorrichtung verkleinern, da die Summe der Flächen der beiden ortsauflösenden Sensoren in diesem Fall kleiner sein kann als die Gesamtfläche eines einzigen ortsauflösenden Sensors.Two position-resolving sensors, i.e. one sensor per light source, have several advantages compared to just one position-resolving sensor that detects both light beams. On the one hand, this brings a cost advantage, since the two spatially resolving sensors can then be made smaller and several small sensors are cheaper than one large, high-resolution sensor. In addition, the installation space of the device according to the invention can be reduced as a result, since the sum of the areas of the two spatially resolving sensors can be smaller in this case than the total area of a single spatially resolving sensor.

Im Falle der Verwendung eines einzigen ortsauflösenden Sensors wird ohnehin ein Großteil der Sensorfläche verschwendet. Ferner besteht ein weiterer Vorteil in der Verwendung mehrerer einzelner Sensoren darin, dass jeder Lichtquelle bzw. jedem Lichtstrahl ein einziger Sensor zugeordnet ist, so dass die Lichtstrahlen bzw. retroreflektierten Lichtstrahlen auf den Sensoren nicht extra unterschieden werden müssen.If a single spatially resolving sensor is used, a large part of the sensor area is wasted anyway. Furthermore, there is a further advantage in using a plurality of individual sensors in that each light source or each light beam is assigned a single sensor, so that the light beams or retro-reflected light beams on the sensors do not have to be differentiated separately.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner eine dritte Lichtquelle auf, die dazu eingerichtet ist, einen dritten Lichtstrahl auszusenden, wobei das Targetelement mit dem mindestens einen Retroreflektor dazu eingerichtet ist, den dritten Lichtstrahl als dritten retroreflektierten Lichtstrahl zu reflektieren, wobei die Empfangseinheit mit dem mindestens einen ortsauflösenden Sensor dazu eingerichtet ist, den dritten retroreflektierten Lichtstrahl zu detektieren und basierend darauf ein drittes ortsaufgelöstes Signal zu erzeugen, und wobei die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, basierend auf dem ersten, dem zweiten und dem dritten ortsaufgelösten Signal die räumliche Position des Körpers zu berechnen.According to a further configuration, the device according to the invention also has a third light source which is set up to emit a third light beam, the target element having the at least one retroreflector being set up to reflect the third light beam as a third retroreflected light beam, the receiving unit having the at least one spatially resolved sensor is set up to detect the third retroreflected light beam and to generate a third spatially resolved signal based thereon, and the evaluation unit is set up to determine the spatial position of the body based on the first, the second and the third spatially resolved signal to calculate.

In dieser Ausgestaltung werden also drei Lichtquellen anstatt der zuvor erwähnten zwei Lichtquellen eingesetzt. Jede weitere Lichtquelle bringt zusätzliche Stabilität in der Berechnung der Position des Körpers, da durch den dritten retroreflektierten Lichtstrahl bzw. das durch diesen erzeugte dritte ortsaufgelöste Signal zusätzliche Positionsinformationen in die Berechnung mit einfließen.In this embodiment, three light sources are used instead of the two light sources mentioned above. Each additional light source provides additional stability in the calculation of the position of the body, since the third retroreflected light beam or the third spatially resolved signal generated by it also includes additional position information in the calculation.

Sofern drei Lichtquellen verwendet werden, ist es bevorzugt, dass der mindestens eine ortsauflösende Sensor einen ersten ortsauflösenden Sensor, einen zweiten ortsauflösenden Sensor und einen dritten ortsauflösenden Sensor aufweist, wobei der erste ortsauflösende Sensor dazu eingerichtet ist, den ersten retroreflektierten Lichtstrahl zu detektieren und basierend darauf das erste ortsaufgelöste Signal zu erzeugen, und wobei der zweite ortsaufgelöste Sensor dazu eingerichtet ist, den zweiten retroreflektierten Lichtstrahl zu detektieren und basierend darauf das zweite ortsaufgelöste Signal zu erzeugen, und wobei der dritte ortsaufgelöste Sensor dazu eingerichtet ist, den dritten retroreflektierten Lichtstrahl zu detektieren und basierend darauf das dritte ortsaufgelöste Signal zu erzeugen.If three light sources are used, it is preferred that the at least one spatially resolving sensor has a first spatially resolving sensor, a second spatially resolving sensor and a third spatially resolving sensor, the first spatially resolving sensor being set up to detect the first retroreflected light beam and based thereon to generate the first spatially resolved signal, and wherein the second spatially resolved sensor is set up to detect the second retroreflected light beam and to generate the second spatially resolved signal based thereon, and wherein the third spatially resolved sensor is set up to detect the third retroreflected light beam and to generate the third spatially resolved signal based thereon.

Dementsprechend ist es auch im Falle von drei Lichtquellen bevorzugt, jeder Lichtquelle bzw. jedem retroreflektierten Lichtstrahl einen ortsauflösenden Sensor zuzuweisen, um wie zuvor erwähnt, Kosten und Bauraum einzusparen und die retroreflektierten Lichtstrahlen leichter voneinander zu differenzieren.Accordingly, it is also preferred in the case of three light sources to assign a spatially resolving sensor to each light source or each retroreflected light beam in order, as previously mentioned, to save costs and installation space and to differentiate the retroreflected light beams more easily from one another.

Unabhängig von der Anzahl der Lichtquellen und der zugehörigen Anzahl der ortsauflösenden Sensoren ist es bevorzugt, dass die ortsauflösenden Sensoren jeweils orthogonal zu den zu detektierenden retroreflektierten Lichtstrahlen ausgerichtet sind. Dies vereinfacht die Detektion und erhöht die Genauigkeit der Berechnung der Position des Körpers.Irrespective of the number of light sources and the associated number of spatially resolving sensors, it is preferred that the spatially resolving sensors are each aligned orthogonally to the retroreflected light beams to be detected. This simplifies the detection and increases the accuracy of the calculation of the body's position.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass der erste ortsauflösende Sensor, der zweite ortsauflösende Sensor und der dritte ortsauflösende Sensor äquidistant zueinander angeordnet sind.According to a further embodiment, it is provided that the first spatially resolving sensor, the second spatially resolving sensor and the third spatially resolving sensor are arranged equidistantly from one another.

Hierdurch wird wiederum die Berechnung der Position des Körpers vereinfacht.This in turn simplifies the calculation of the position of the body.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist es vorgesehen, dass der erste Lichtstrahl unter einem ersten Winkel relativ zu dem zweiten Lichtstrahl und unter einem zweiten Winkel relativ zu dem dritten Lichtstrahl ausgerichtet ist, wobei der erste Winkel gleich groß wie der zweite Winkel ist.According to a further embodiment, it is provided that the first light beam is aligned at a first angle relative to the second light beam and at a second angle relative to the third light beam, the first angle being the same as the second angle.

Beispielsweise können zwei Lichtquellen unter dem gleichen Winkel zueinander ausgerichtet sein und die dritte Lichtquelle (sofern diese vorgesehen ist) unter einem anderen Winkel zu den beiden anderen Lichtquellen ausgerichtet sein. Dies spart Platz in der Anordnung.For example, two light sources can be aligned at the same angle to one another and the third light source (if provided) can be aligned at a different angle to the other two light sources. This saves space in the arrangement.

Besonders bevorzugt ist bei der Verwendung von drei Lichtquellen der zweite Lichtstrahl unter einem dritten Winkel relativ zu dem dritten Lichtstrahl ausgerichtet, wobei der erste Winkel, der zweite Winkel und der dritte Winkel gleich groß sind.When using three light sources, the second light beam is particularly preferably aligned at a third angle relative to the third light beam, with the first angle, the second angle and the third angle being of the same size.

In diesem Fall sind also alle drei Lichtquellen unter einem gleichen Winkel untereinander ausgerichtet. Dies vereinfacht wiederum die Berechnung der Position des Körpers, da sich hierdurch die zur Berechnung verwendeten trigonometrischen Beziehungen vereinfachen lassen.In this case, all three light sources are aligned with one another at the same angle. This, in turn, simplifies the calculation of the body's position, as it simplifies the trigonometric relationships used in the calculation.

Wie eingangs bereits erwähnt ist vorzugsweise entweder der mindestens eine Retroreflektor an dem zu messenden Körper angeordnet oder die Lichtquellen und das jeweils andere Teil (Retroreflektor oder Lichtquellen) an einem Bezugsteil angeordnet, dessen Position bekannt ist. Besonders bevorzugt ist der mindestens eine Retroreflektor an dem Körper angeordnet.As already mentioned, either the at least one retroreflector is preferably arranged on the body to be measured, or the light sources and the respective other part (retroreflector or light sources) are arranged on a reference part whose position is known. The at least one retroreflector is particularly preferably arranged on the body.

Dies hat den Vorteil, dass der zu messende Körper damit nicht verkabelt werden muss, da es sich bei dem zumindest einen Retroreflektor meist um ein passives Bauteil handelt, das nicht mit Strom versorgt werden muss. Bei den Lichtquellen handelt es sich hingegen um aktive Bauteile, die typischerweise mit Strom versorgt werden müssen.This has the advantage that the body to be measured does not have to be wired, since the at least one retroreflector is usually a passive component that does not have to be supplied with power. The light sources, on the other hand, are active components that typically have to be supplied with electricity.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der erste Lichtstrahl ein erstes Kodierungsmerkmal und der zweite Lichtstrahl ein zweites Kodierungsmerkmal auf, das sich von dem ersten Kodierungsmerkmal unterscheidet.According to a further embodiment, the first light beam has a first coding feature and the second light beam has a second coding feature that differs from the first coding feature.

Bei den genannten Kodierungsmerkmalen kann es sich beispielsweise um unterschiedliche Wellenlängen/Farben der Lichtstrahlen handeln. Ebenso können die Kodierungsmerkmale zeitlich abhängige Merkmale sein, die beispielsweise durch verschiedene Taktungen entstehen.The coding features mentioned can be, for example, different wavelengths/colors of the light beams. The coding features can also be time-dependent features that arise, for example, from different timings.

Unabhängig von der Art und Weise, wie die Kodierungsmerkmale erzeugt werden, haben derartige Kodierungsmerkmale den Vorteil, dass sich die Lichtstrahlen bzw. die retroreflektierten Lichtstrahlen einfacher voneinander unterscheiden lassen. Dies gilt insbesondere für den Fall, in dem nur ein einziger ortsauflösender Sensor vorgesehen ist und nicht jedem einzelnen retroreflektierten Lichtstrahl ein ortsauflösender Sensor zugeordnet wird.Irrespective of the manner in which the coding features are generated, such coding features have the advantage that the light beams or the retro-reflected light beams can be distinguished from one another more easily. This applies in particular to the case in which only a single spatially resolving sensor is provided and a spatially resolving sensor is not assigned to each individual retroreflected light beam.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weisen der erste und der zweite Lichtstrahl jeweils kohärentes und/oder kollimiertes Licht auf. Es versteht sich, dass auch der dritte Lichtstrahl (sofern dieser vorgesehen ist) kohärentes und/oder kollimiertes Licht aufweist. Vorzugsweise handelt es sich bei den Lichtquellen um Laserlichtquellen.According to a further preferred embodiment, the first and the second light beam each have coherent and/or collimated light. It goes without saying that the third light beam (if provided) also has coherent and/or collimated light. The light sources are preferably laser light sources.

Wie eingangs bereits erwähnt, ist die Auswerteeinheit vorzugsweise dazu eingerichtet, basierend auf dem ersten und dem zweiten ortsaufgelösten Signal unter Verwendung trigonometrischer Beziehungen, die einen Winkel des ersten Lichtstrahls relativ zu dem zweiten Lichtstrahl, einen Winkel des ersten Lichtstrahls relativ zu einer Mittelachse und einen Winkel des zweiten Lichtstrahls relativ zu der Mittelachse aufweisen, die räumliche Position des Körpers zu berechnen.As already mentioned, the evaluation unit is preferably set up based on the first and the second spatially resolved signal using trigonometric relationships that define an angle of the first light beam relative to the second light beam, an angle of the first light beam relative to a central axis and an angle of the second light beam relative to the central axis to calculate the spatial position of the body.

Im Falle der Verwendung dreier Lichtquellen bzw. dreier Lichtstrahlen weisen die zur Berechnung verwendeten trigonometrischen Beziehungen vorzugsweise den Winkel des ersten Lichtstrahls relativ zu dem zweiten Lichtstrahl, einen Winkel des ersten Lichtstrahls relativ zu dem dritten Lichtstrahl und die jeweiligen Winkel der Lichtstrahlen zu der Mittelachse auf.If three light sources or three light beams are used, the trigonometric relationships used for the calculation preferably have the angle of the first light beam relative to the second light beam, an angle of the first light beam relative to the third light beam and the respective angles of the light beams to the central axis.

Allein daraus wird ersichtlich, dass sich die trigonometrischen Beziehungen und damit auch die gesamte Berechnung, wie oben erwähnt, dadurch vereinfachen lassen, indem die Lichtquellen äquidistant und unter gleichen Winkeln zueinander angeordnet sind.This alone makes it clear that the trigonometric relationships and thus also the entire calculation, as mentioned above, can be simplified by arranging the light sources equidistantly and at the same angles to one another.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kommt vorzugsweise in einem Messgerät zur Messung eines Messobjekts zum Einsatz. Beispielsweise kann es sich bei dem Messgerät um ein Koordinatenmessgerät, ein Rauheitsmessgerät oder ein Mikroskop handeln. Weitere Messgeräte zum dimensionellen Messen eines Messobjekts sind ebenfalls denkbar.The device according to the invention is preferably used in a measuring device for measuring a measurement object. For example, the measuring device can be a coordinate measuring device, a roughness measuring device or a microscope. Other measuring devices for the dimensional measurement of a measurement object are also conceivable.

Vorzugsweise weist das Messgerät ein Basisteil und ein Messelement zum Messen einer geometrischen Eigenschaft des Messobjekts auf, wobei das Messelement gegenüber dem Basisteil beweglich ist, und wobei die erste und die zweite Lichtquelle an dem Basisteil angeordnet sind und der mindestens eine Retroreflektor derart angeordnet ist, dass dieser sich mit dem Messelement gegenüber dem Basisteil mitbewegt.The measuring device preferably has a base part and a measuring element for measuring a geometric property of the measurement object, the measuring element being movable relative to the base part, and the first and second light sources being arranged on the base part and the at least one retroreflector being arranged in such a way that this moves with the measuring element relative to the base part.

Das genannte Basisteil entspricht also dem zuvor erwähnten Bezugsteil, dessen Position im Raum dauerhaft bekannt ist, so dass sich in diesem Fall mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Relativposition von dem Messelement zu dem Basisteil berechnen lässt und damit die absolute Position des Messelements im Raum bekannt ist. Bei dem Messelement kann es sich beispielsweise um ein taktiles Messelement wie ein Taststift oder um ein optisches Messelement (z.B. eine Kamera) handeln.Said base part thus corresponds to the previously mentioned reference part, the position of which in space is permanently known, so that in this case the device according to the invention can be used to calculate the relative position of the measuring element to the base part and the absolute position of the measuring element in space is therefore known. The measuring element can be, for example, a tactile measuring element such as a stylus or an optical measuring element (e.g. a camera).

Im Falle der Anwendung in einem Koordinatenmessgerät kann die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise in einem Messsensor angeordnet sein, der zum taktilen und/oder optischen Messen eines Messobjekts verwendet wird und an einem freien Ende einer Pinole angeordnet ist. In diesem Fall können die Lichtquellen und die ortsauflösenden Sensoren beispielsweise an dem Basisteil des Messsensors angeordnet sein, das sich mit der Pinole mitbewegt, wohingegen der zumindest eine Retroreflektor fix mit dem taktilen und/oder optischen Messelement verbunden ist.In the case of use in a coordinate measuring machine, the device according to the invention can be arranged, for example, in a measuring sensor that is used for tactile and/or optical measurement of a measurement object and is arranged at a free end of a quill. In this case, the light sources and the position-resolving sensors can be arranged, for example, on the base part of the measuring sensor that moves with the quill, whereas the at least one retroreflector is permanently connected to the tactile and/or optical measuring element.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those still to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Ebenso versteht es sich, dass sich die zuvor erwähnten Merkmale, welche bezüglich der erfindungsgemäßen Vorrichtung erwähnt wurden in äquivalenter Art und Weise auch auf das Messgerät beziehen, das die erfindungsgemäße Vorrichtung aufweist. Die in den abhängigen Ansprüchen zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung definierten Merkmale beziehen sich in äquivalenter Art und Weise auch auf das erfindungsgemäße Verfahren. Das erfindungsgemäße Verfahren weist demnach die nachfolgenden äquivalenten Ausgestaltungsmöglichkeiten auf.Likewise, it goes without saying that the features mentioned above, which were mentioned with regard to the device according to the invention, also relate in an equivalent manner to the measuring device which has the device according to the invention. The features defined in the dependent claims relating to the device according to the invention also relate in an equivalent manner to the method according to the invention. The method according to the invention therefore has the following equivalent configuration options.

Gemäß einer Ausgestaltung schließen der erste und der zweite Lichtstrahl einen Winkel größer 15° untereinander ein.According to one embodiment, the first and second light beams enclose an angle greater than 15° with one another.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird der erste retroreflektierten Lichtstrahl von einem ersten ortsauflösenden Sensor detektiert und der zweite retroreflektierten Lichtstrahl von einem zweiten ortsauflösenden Sensor detektiert.According to a further embodiment, the first retro-reflected light beam is detected by a first spatially resolving sensor and the second retro-reflected light beam is detected by a second spatially resolving sensor.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das Verfahren zusätzlich die Schritte auf:

  • Aussenden eines dritten Lichtstrahls; Reflektieren des dritten Lichtstrahls als dritten reflektierten Lichtstrahl, der zu dem dritten Lichtstrahl im Wesentlichen raumparallel versetzt ist; Detektieren des dritten retroreflektierten Lichtstrahls und Erzeugen eines dritten ortsaufgelösten Signals, das Positionsinformationen zu dem dritten retroreflektierten Lichtstrahl aufweist, basierend auf dem dritten retroreflektierten Lichtstrahl; und Berechnen der räumlichen Position des Körpers basierend auf dem ersten, dem zweiten und dem dritten ortsaufgelösten Signal.
According to a further embodiment, the method additionally has the steps:
  • emitting a third beam of light; reflecting the third beam of light as a third reflected beam of light that is offset substantially space-parallel to the third beam of light; detecting the third retro-reflected light beam and generating a third spatially resolved signal having position information about the third retro-reflected light beam based on the third retro-reflected light beam; and calculating the spatial position of the body based on the first, second and third spatially resolved signals.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung wird der erste retroreflektierten Lichtstrahl von einem ersten ortsauflösenden Sensor detektiert, der zweite retroreflektierten Lichtstrahl wird von einem zweiten ortsauflösenden Sensor detektiert und der dritte retroreflektierte Lichtstrahl wird von einem dritten ortsauflösenden Sensor detektiert.According to a further embodiment, the first retroreflected light beam is detected by a first spatially resolving sensor, the second retroreflected light beam is detected by a second spatially resolving sensor and the third retroreflected light beam is detected by a third spatially resolving sensor.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die drei ortsauflösenden Sensoren äquidistant zueinander angeordnet.According to a further embodiment, the three position-resolving sensors are arranged equidistant from one another.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Lichtquellen, die die Lichtstrahlen aussenden, äquidistant zueinander angeordnet.According to a further embodiment, the light sources that emit the light beams are arranged equidistantly from one another.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der erste Lichtstrahl unter einem ersten Winkel relativ zu dem zweiten Lichtstrahl und unter einem zweiten Winkel relativ zu dem dritten Lichtstrahl ausgerichtet, wobei der erste Winkel gleich groß wie der zweite Winkel ist. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist der zweite Lichtstrahl unter einem dritten Winkel relativ zu dem dritten Lichtstrahl ausgerichtet, wobei der erste Winkel, der zweite Winkel und der dritte Winkel gleich groß sind.According to a further embodiment, the first light beam is oriented at a first angle relative to the second light beam and at a second angle relative to the third light beam, the first angle being the same as the second angle. According to a further embodiment, the second light beam is aligned at a third angle relative to the third light beam, the first angle, the second angle and the third angle being of equal size.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der erste Lichtstrahl ein erstes Kodierungsmerkmal und der zweite Lichtstrahlen ein zweites Kodierungsmerkmal auf, das sich von dem ersten Kodierungsmerkmal unterscheidet.According to a further embodiment, the first light beam has a first coding feature and the second light beam has a second coding feature, which differs from the first coding feature.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen die Lichtstrahlen jeweils kohärentes und/oder kollimiertes Licht auf.According to a further embodiment, the light beams each have coherent and/or collimated light.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung erfolgt das Berechnen der räumlichen Position des Körpers basierend auf dem ersten und dem zweiten ortsaufgelösten Signal unter Verwendung trigonometrischer Beziehungen, die einen Winkel des ersten Lichtstrahls relativ zu dem zweiten Lichtstrahl, einen Winkel des ersten Lichtstrahls relativ zu einer Mittelachse und einen Winkel des zweiten Lichtstrahls relativ zu der Mittelachse aufweisen.According to a further embodiment, the spatial position of the body is calculated based on the first and the second spatially resolved signal using trigonometric relationships that define an angle of the first light beam relative to the second light beam, an angle of the first light beam relative to a central axis and an angle of the second light beam relative to the central axis.

Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden anhand der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines Messgerätes, in dem die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann;
  • 2 eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung angewendet in einem Schwenktaster mit Parallelkinematik;
  • 3 eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung des prinzipiellen Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
  • 4 eine schematische Ansicht zur Verdeutlichung des schematischen Aufbaus der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
  • 5 eine Draufsicht von oben der in 4 dargestellten schematischen Prinzipskizze;
  • 6 eine schematische Darstellung des Wirkprinzips eines in der erfindungsgemäßen Vorrichtung eingesetzten Retroreflektors; und
  • 7 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des Ablaufs des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Exemplary embodiments of the disclosure are shown in the drawings and are explained in more detail using the following description. Show it:
  • 1 a schematic representation of a first exemplary embodiment of a measuring device in which the device according to the present invention can be used;
  • 2 a perspective view of a second embodiment of the device according to the invention used in a rotary probe with parallel kinematics;
  • 3 a schematic view to illustrate the basic structure of the device according to the invention according to an embodiment;
  • 4 a schematic view to illustrate the schematic structure of the device according to the invention according to a further embodiment;
  • 5 a top view of the in 4 shown schematic outline sketch;
  • 6 a schematic representation of the operating principle of a retroreflector used in the device according to the invention; and
  • 7 a block diagram to illustrate the sequence of the method according to the invention.

1 zeigt ein Koordinatenmessgerät als Beispiel eines Messgerätes, bei dem die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Einsatz kommen kann. Das Koordinatenmessgerät ist darin gesamthaft mit der Bezugsziffer 100 gekennzeichnet. Die als Bestandteil dieses Koordinatenmessgerätes 100 fungierende erfindungsgemäße Vorrichtung ist in ihrer Gesamtheit mit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet. 1 shows a coordinate measuring machine as an example of a measuring device in which the device according to the invention can be used. The coordinate measuring machine is identified therein in its entirety with the reference number 100 . The device according to the invention, which functions as a component of this coordinate measuring machine 100, is identified in its entirety with the reference numeral 10.

Das Koordinatenmessgerät 100 weist eine Basis 12 auf. Auf der Basis 12 ist ein Portal 14 in Längsrichtung verschiebbar angeordnet. Bei der Basis 12 handelt es sich vorzugsweise um eine stabile Platte, welche beispielsweise aus Granit gefertigt ist. Das Portal 14 dient als bewegliche Trägerstruktur. Das Portal 14 weist zwei von der Basis 12 nach oben abragende Säulen auf, die durch einen Querträger verbunden sind und gesamthaft eine umgekehrte U-Form aufweisen.The coordinate measuring machine 100 has a base 12 . A portal 14 is arranged on the base 12 so that it can be displaced in the longitudinal direction. The base 12 is preferably a stable plate made of granite, for example. The portal 14 serves as a movable support structure. The portal 14 has two columns projecting upwards from the base 12, connected by a cross member and having an overall inverted U-shape.

Die Bewegungsrichtung des Portals 14 relativ zu der Basis 12 wird üblicherweise als Y-Achse bezeichnet. Am oberen Querträger des Portals 14 ist ein Schlitten 16 angeordnet, der in Querrichtung verschiebbar ist. Diese Querrichtung wird üblicherweise als X-Richtung bezeichnet. Der Schlitten 16 trägt eine Pinole 18, die in Z-Richtung, also senkrecht zu der Basis 12 verfahrbar ist.The direction of movement of the gantry 14 relative to the base 12 is commonly referred to as the Y-axis. A carriage 16 which can be displaced in the transverse direction is arranged on the upper crossbeam of the portal 14 . This transverse direction is commonly referred to as the X-direction. The carriage 16 carries a quill 18 which can be moved in the Z direction, ie perpendicular to the base 12 .

Die Bezugsziffern 20, 20', 20" bezeichnen Messeinrichtungen, anhand derer die X-, Y- und Z-Positionen des Portals 14, des Schlittens 16 und der Pinole 18 bestimmt werden können. Typischerweise handelt es sich bei den Messeinrichtungen 20, 20', 20" um Glasmaßstäbe, welche als Messskalen dienen. Diese Messskalen sind in Verbindung mit entsprechenden Leseköpfen (hier nicht dargestellt) dazu ausgebildet, die jeweils aktuelle Position des Portals 14 relativ zu der Basis 12, die Position des Schlittens 16 relativ zu dem oberen Querbalken des Portals 14 und die Position der Pinole 18 relativ zu dem Schlitten 16 zu bestimmen.The reference numerals 20, 20', 20" denote measuring devices, by means of which the X, Y and Z positions of the portal 14, the carriage 16 and the sleeve 18 can be determined. Typically, the measuring devices 20, 20' , 20" around glass rules, which serve as measuring scales. These measuring scales are designed in conjunction with corresponding reading heads (not shown here) to determine the current position of the portal 14 relative to the base 12, the position of the carriage 16 relative to the upper crossbar of the portal 14 and the position of the quill 18 relative to the carriage 16 to determine.

An einem unteren, freien Ende der Pinole 18 befindet sich ein Messkopf 22. Der Messkopf 22 weist einen Messsensor 24 mit einem Messelement 26 zum Abtasten eines zu messenden Messobjekts 28 auf. Bei dem Messsensor 24 handelt es sich in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel um einen taktilen Messsensor 24 mit einem taktilen Taststift 26 als Messelement, an dessen unteren Ende eine Tastkugel 52 angeordnet ist, mit der das Messobjekt 28 abgetastet wird. Die Tastkugel 52 ist beispielsweise aus einer Rubinkugel gefertigt.A measuring head 22 is located at a lower, free end of the quill 18. The measuring head 22 has a measuring sensor 24 with a measuring element 26 for scanning a measurement object 28 to be measured. In the present exemplary embodiment, the measuring sensor 24 is a tactile measuring sensor 24 with a tactile stylus 26 as the measuring element, at the lower end of which a stylus ball 52 is arranged, with which the measuring object 28 is scanned. The feeler ball 52 is made of a ruby ball, for example.

Beim Antasten einer Vielzahl von Messpunkten an dem Messobjekt 28 werden durch den Messkopf 22 Positionsinformationen an eine Steuereinheit 30 des Koordinatenmessgerätes 100 entweder kabellos oder über ein oder mehrere Kabel übermittelt. Die Steuereinheit 30 wird auch als Auswerteeinheit bezeichnet. Sie bestimmt die Raumkoordinaten des jeweiligen Messpunktes, so dass beispielsweise durch die Auswertung einer Vielzahl von Messpunkten die Geometrie des Messobjekts 28 berechnet werden kann.When probing a large number of measurement points on the measurement object 28, the measurement head 22 transmits position information to a control unit 30 of the coordinate measuring machine 100 either wirelessly or via one or more cables. The control unit 30 is also referred to as an evaluation unit. It determines the spatial coordinates of the respective measurement point, so that the geometry of the measurement object 28 can be calculated, for example, by evaluating a large number of measurement points.

In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel dient die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 der Bestimmung der räumlichen Position des Messelementes 26 gegenüber dem Portal 14. Es versteht sich jedoch, dass dies nur ein beliebiger Anwendungsfall von diversen möglichen Anwendungsfällen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 ist.in the in 1 In the exemplary embodiment shown, the device 10 according to the invention is used to determine the spatial position of the measuring element 26 relative to the portal 14. It goes without saying, however, that this is just one of various possible applications of the device 10 according to the invention.

Zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 gehört eine erste Lichtquelle 32 sowie eine zweite Lichtquelle 34. Bei den beiden Lichtquellen 32, 34 kann es sich beispielsweise jeweils um Laserlichtquellen handeln. Sie erzeugen jeweils einen geradlinigen Lichtstrahl 36, 38.The device 10 according to the invention includes a first light source 32 and a second light source 34. The two light sources 32, 34 can each be laser light sources, for example. They each generate a straight light beam 36, 38.

Die beiden Lichtquellen 32, 34 sind derart zueinander ausgerichtet, dass der von der ersten Lichtquelle erzeugte erste Lichtstrahl 36 und der von der zweiten Lichtquelle 34 erzeugte zweite Lichtstrahl schräg (also nicht parallel) zueinander ausgerichtet sind. Die beiden Lichtstrahlen 36, 38 sind auf einen Retroreflektor 40 ausgerichtet, der in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel an dem taktilen Messelement 26 angeordnet und mit diesem fix verbunden ist.The two light sources 32, 34 are aligned with one another in such a way that the first light beam 36 generated by the first light source and the second light beam generated by the second light source 34 are aligned obliquely (ie not parallel) to one another. The two light beams 36, 38 are aimed at a retroreflector 40, which is in the 1 shown embodiment is arranged on the tactile measuring element 26 and is permanently connected to it.

Der Retroreflektor 40 hat die Eigenschaft, dass dieser die einfallenden Lichtstrahlen 36, 38 weitgehend unabhängig von der Einfallsrichtung sowie der Ausrichtung des Retroreflektors 40 im Wesentlichen raumparallel versetzt zurückreflektiert. Der Retroreflektor 40 reflektiert also den ersten Lichtstrahl 36 als ersten retroreflektierten Lichtstrahl 42, welcher im Wesentlichen raumparallel zu dem ersten Lichtstrahl 36 ist. Ebenso wird der zweite Lichtstrahl 38 von dem Retroreflektor 40 als zweiter retroreflektierter Strahl 44 zurückreflektiert, welcher im Wesentlichen raumparallel zu dem zweiten Lichtstrahl 38 ist. Die beiden Lichtstrahlen 36, 38 werden mit anderen Worten von dem Retroreflektor 40 jeweils in die gleiche Richtung, aber nicht in sich selbst zurückreflektiert, sondern jeweils parallel zu den einfallenden Strahlen. Details zum Aufbau und Prinzip des Retroreflektors 40 werden nachfolgend mit Bezug auf 6 erwähnt.The retroreflector 40 has the property that it reflects back the incident light beams 36, 38 largely independently of the direction of incidence and the alignment of the retroreflector 40 in an essentially space-parallel offset manner. The retroreflector 40 therefore reflects the first light beam 36 as a first retroreflected light beam 42 which is essentially space-parallel to the first light beam 36 . Likewise, the second light beam 38 is reflected back from the retroreflector 40 as a second retroreflected beam 44 which is substantially space-parallel to the second light beam 38 . In other words, the two light beams 36, 38 are each reflected back by the retroreflector 40 in the same direction, but not back into themselves, but in each case parallel to the incident beams. Details on the structure and principle of the retroreflector 40 are given below with reference to FIG 6 mentioned.

Der Retroreflektor 40 ist Teil eines Targetelements 46 der Vorrichtung 10. Grundsätzlich kann dieses Targetelement 46 auch mehrere Retroreflektoren 40 aufweisen. In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Targetelement 46 allerdings nur einen Retroreflektor 40 auf. In diesem Fall besteht das Targetelement 46 sogar aus dem Retroreflektor 40. Es versteht sich jedoch, dass zu dem Targetelement 46 auch weitere Anbauteile oder Befestigungsmittel gehören können.The retroreflector 40 is part of a target element 46 of the device 10. In principle, this target element 46 can also have a plurality of retroreflectors 40. in the in 1 However, in the exemplary embodiment shown, the target element 46 has only one retroreflector 40 . In this case, the target element 46 even consists of the retroreflector 40. It goes without saying, however, that the target element 46 can also include other add-on parts or fastening means.

Die von dem Retroreflektor 40 reflektierten Lichtstrahlen 42, 44, welche als erster und zweiter retroreflektierter Lichtstrahl 42, 44 bezeichnet werden, treffen jeweils auf einen ortsauflösenden Sensor 48, 50. Bei den ortsauflösenden Sensoren 48, 50 handelt es sich vorzugsweise jeweils um einen Fotodetektor, der beispielsweise einen oder mehrere CMOS-Sensoren aufweisen kann. Es handelt sich mit anderen Worten also um einen zweidimensionalen Flächen-Detektor (beispielsweise einen Kamerachip), der es ermöglicht, die jeweilige Position auf der der retroreflektierte Lichtstrahl 42 bzw. 44 auf dem Sensor 48, 50 auftrifft, genau zu bestimmen. Die beiden retroreflektierten Lichtstrahlen 42, 44 erzeugen auf den ortsauflösenden Sensoren 48, 50 also jeweils ein ortsaufgelöstes Signal.The light beams 42, 44 reflected by the retroreflector 40, which are referred to as the first and second retroreflected light beams 42, 44, each impinge on a spatially resolving sensor 48, 50. The spatially resolving sensors 48, 50 are preferably each a photodetector, which can have, for example, one or more CMOS sensors. In other words, it is a two-dimensional surface detector (for example a camera chip) which makes it possible to precisely determine the respective position on which the retro-reflected light beam 42 or 44 impinges on the sensor 48, 50. The two retro-reflected light beams 42, 44 thus each generate a spatially resolved signal on the spatially resolving sensors 48, 50.

Diese ortsaufgelösten Signale werden drahtlos oder über eines oder mehrere Kabel an die Auswerteeinheit 30 übermittelt. Die Auswerteeinheit 30 ist dazu eingerichtet, basierend auf diesen ortsaufgelösten Signalen die räumliche Position des Targetelements 46 und damit des Messelements 26 relativ zu dem Portal 14 zu bestimmen. Bei dem Messelement 26 handelt sich in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel also um den Körper, dessen Position mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 bestimmt wird.These spatially resolved signals are transmitted to evaluation unit 30 wirelessly or via one or more cables. The evaluation unit 30 is set up to determine the spatial position of the target element 46 and thus of the measuring element 26 relative to the portal 14 based on these spatially resolved signals. The measuring element 26 is in the 1 shown embodiment so around the body, the position of which is determined using the device 10 according to the invention.

Diese Positionsbestimmung kann beispielsweise als Ersatz oder zusätzlich zu der Positionsbestimmung, welche mithilfe der Messeinrichtungen 20, 20', 20" durchgeführt wird, erfolgen. Beispielsweise lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 die mithilfe der Messeinrichtungen 20, 20', 20" gemessenen Koordinaten korrigieren oder überprüfen. Ebenso ist es denkbar, dass es sich bei dem Messelement 26 um einen Schwenktaster handelt, der um einen oder mehrere weitere Freiheitsgrade gegenüber der Pinole schwenkbar ist. In einem solchen Fall lässt sich die Absolutposition der Messkugel 52 mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung bestimmen.This position determination can take place, for example, as a substitute for or in addition to the position determination that is carried out using the measuring devices 20, 20', 20". For example, the device 10 according to the invention can be used to correct the coordinates measured using the measuring devices 20, 20', 20". or check. It is also conceivable that the measuring element 26 is a pivoting probe which can be pivoted by one or more further degrees of freedom in relation to the quill. In such a case, the absolute position of the measuring ball 52 can be determined using the device according to the invention.

Von besonderem Vorteil ist die erfindungsgemäße Vorrichtung 10, wenn in dem Messkopf 22 ein Schwenktaster mit Parallelkinematik eingesetzt wird. Ein solches Ausführungsbeispiel ist schematisch in 2 gezeigt. Hier wird die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 dazu verwendet, um die Position des Messelementes 26, oder genauer gesagt, der Messkugel 52 relativ zu dem an der Pinole 18 befestigten Basisteil 54 des Messsensors 24 zu bestimmen.The device 10 according to the invention is of particular advantage if a swivel probe with parallel kinematics is used in the measuring head 22 . Such an embodiment is shown schematically in 2 shown. Here, the device 10 according to the invention is used to determine the position of the measuring element 26, or more precisely, the measuring ball 52 relative to the base part 54 of the measuring sensor 24 fastened to the quill 18.

Anders als in dem in 1 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel befindet sich dann sowohl das Targetelement 46, das den Retroreflektor 40 aufweist als auch die Lichtquellen 32, 34 als auch die Empfangseinheit 56, welche die beiden ortsauflösenden Sensoren 48, 50 aufweist, an dem Messkopf 22. Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ist in diesem Ausführungsbeispiel also vollständig in den Messkopf 22 integriert. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass hierbei wesentlich kleinere Auslenkungen und Positionsverschiebungen gemessen werden müssen als dies im Vergleich zu dem ersten Ausführungsbeispiel der Fall ist. Dies wiederum ist besonders vorteilhaft, da sich die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 insbesondere für eine exakte Messung vergleichsweise geringerer Positionsänderungen eignet.Unlike in the in 1 In the first exemplary embodiment shown, both the target element 46, which has the retroreflector 40, the light sources 32, 34 and the receiving unit 56, which has the two spatially resolving sensors 48, 50, are then located on the measuring head 22. The device 10 according to the invention is in In this exemplary embodiment, it is therefore completely integrated into the measuring head 22 . This has the advantage, in particular, that significantly smaller deflections and position shifts have to be measured here than is the case in comparison to the first exemplary embodiment. This in turn is particularly advantageous since the device 10 according to the invention is particularly suitable for an exact measurement of comparatively small changes in position.

Der in 2 gezeigte Taster ist als Schwenktaster 25 ausgestaltet. Dieser Schwenktaster 25 ermöglicht eine zusätzliche Bewegung des Taststiftes 26 bzw. der Tastkugel 52 relativ zu dem Basisteil 54. Diese zusätzliche Bewegung der Tastkugel 52, welche zusätzlich zu den Bewegungen des Portals 14, des Schlittens 16 und der Pinole 18 erfolgt, wird mithilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 bestimmt. Die dazu verwendeten Bauteile der Vorrichtung 10 sind die gleichen wie die zuvor bezüglich dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel erläuterten Bauteile.the inside 2 button shown is designed as a swivel button 25. This swivel button 25 enables an additional movement of the stylus 26 or the feeler ball 52 relative to the base part 54. This additional movement of the feeler ball 52, which takes place in addition to the movements of the portal 14, the carriage 16 and the quill 18, is carried out using the inventive Device 10 determined. The components of the device 10 used for this purpose are the same as those previously referred to in 1 shown embodiment explained components.

Der Schwenktaster 25 weist ein gegenüber dem Basisteil 54 bewegliches Rotorteil 58 auf. Das Tastelement 26 ist an dem Rotorteil 58 befestigt oder integral mit diesem verbunden. Das Rotorteil 58 ist über eine sphärische Parallelkinematik 60 mit dem Basisteil 54 gekoppelt. Mithilfe dieser sphärischen Parallelkinematik lässt sich das Rotorteil 58 und damit das Tastelement 26 nahezu beliebig gegenüber dem Basisteil 54 dreidimensional im Raum verschwenken.The swivel button 25 has a rotor part 58 that can be moved relative to the base part 54 . The feeler element 26 is attached to the rotor part 58 or connected integrally with it. The rotor part 58 is coupled to the base part 54 via spherical parallel kinematics 60 . With the help of these spherical parallel kinematics, the rotor part 58 and thus the feeler element 26 can be pivoted three-dimensionally in space in relation to the base part 54 in almost any way.

Anders als bei sequenziell aufgebauten, linearen Kinematiken ist eine Positionsbestimmung des Tastelements 26 bzw. der Tastkugel 52 bei derartigen sphärischen Parallelkinematiken, aber auch bei anderen Parallelkinematiken nur sehr eingeschränkt bzw. schwierig möglich. Typischerweise wird hier versucht, die Position der Tastkugel 52 anhand der Signale der Positionsgeber, welche in die Antriebe der Parallelkinematik integriert sind, zu bestimmen. Hierzu bedarf es jedoch eines exakten kinematischen Modells und einer entsprechenden Kalibrierung der sphärischen Parallelkinematik. Nichtsdestotrotz sind derartige herkömmliche Positionsmessungen nur sehr eingeschränkt genau und für die Anwendung in hochpräzisen Koordinatenmessgeräten meist kaum geeignet.In contrast to sequentially constructed, linear kinematics, determining the position of the probe element 26 or the probe ball 52 is only possible to a very limited extent or with difficulty in the case of such spherical parallel kinematics, but also in the case of other parallel kinematics. Typically, an attempt is made here to determine the position of the feeler ball 52 using the signals from the position sensors, which are integrated into the drives of the parallel kinematics. However, this requires an exact kinematic model and a corresponding calibration of the spherical parallel kinematics. Nonetheless, conventional position measurements of this type are only accurate to a very limited extent and are usually hardly suitable for use in high-precision coordinate measuring devices.

Der Vorteil der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 besteht nun darin, dass sich damit die Position des Rotorteils 58 relativ zu dem Basisteil 54 „direkt“ und damit sehr genau messen lässt. Der Körper, dessen Position mithilfe der Vorrichtung 10 in diesem Ausführungsbeispiel gemessen wird, ist also das Rotorteil 58 mit dem daran angeordneten Tastelement 26.The advantage of using the device 10 according to the invention is that the position of the rotor part 58 relative to the base part 54 can be measured “directly” and therefore very precisely. The body whose position is measured using device 10 in this exemplary embodiment is therefore rotor part 58 with probe element 26 arranged on it.

Die beiden Lichtquellen 32, 34 sind hierzu an dem Basisteil 54 angeordnet. Ebenso ist auch die Empfangseinheit 50 mit den beiden ortsauflösenden Sensoren 48, 50 an dem Basisteil 54 angeordnet. Das Targetelement 46 mit dem Retroreflektor 40 ist hingegen fix mit dem Rotorteil 58 bzw. dem Tastelement 26 verbunden.The two light sources 32, 34 are arranged on the base part 54 for this purpose. The receiving unit 50 with the two position-resolving sensors 48, 50 is also arranged on the base part 54. In contrast, the target element 46 with the retroreflector 40 is fixedly connected to the rotor part 58 or the feeler element 26 .

Das Messprinzip bleibt unverändert. Wie in dem Blockschaltbild aus 7 zusammengefasst, werden die beiden Lichtstrahlen 36, 38 von den Lichtquellen 32, 34 ausgesendet und auf den Retroreflektor 40 gerichtet (Schritte S1 und S2). Diese Lichtstrahlen 36, 38 werden dann als retroreflektierten Lichtstrahlen 42, 44 im Wesentlichen raumparallel zurückreflektiert (Schritte S3 und S4). Die retroreflektierten Lichtstrahlen 42, 44 werden von den ortsauflösenden Sensoren 48, 50 detektiert, wobei die Sensoren 48, 50 entsprechende ortsaufgelöste Signale erzeugen (Schritte S5 und S6). Diese ortsaufgelösten Signale sind abhängig von der Position des Retroreflektors 40. Die Positionen, an denen die retroreflektierten Strahlen 42, 44 auf die Sensoren 48, 50 auftreffen, verändern sich also mit anderen Worten mit der Position und Lage des Retroreflektors 40. Über trigonometrische Beziehungen lassen sich somit aus den von den Sensoren 48, 50 erzeugten ortsaufgelösten Signalen in Schritt S7 die räumliche Position des Retroreflektors 40 und damit auch des Rotorteils 58 bzw. des Tastelementes 26 inklusive Tastkugel 52 bestimmen.The measuring principle remains unchanged. As shown in the block diagram 7 summarized, the two light beams 36, 38 are emitted from the light sources 32, 34 and directed onto the retroreflector 40 (steps S1 and S2). These light beams 36, 38 are then reflected back as retro-reflected light beams 42, 44, essentially space-parallel (steps S3 and S4). The retro-reflected light beams 42, 44 are detected by the position-resolving sensors 48, 50, the sensors 48, 50 corresponding generate spatially resolved signals (steps S5 and S6). These spatially resolved signals are dependent on the position of the retroreflector 40. In other words, the positions at which the retroreflected beams 42, 44 impinge on the sensors 48, 50 change with the position and location of the retroreflector 40. About trigonometric relationships the spatial position of the retroreflector 40 and thus also of the rotor part 58 or the scanning element 26 including the scanning ball 52 can thus be determined from the spatially resolved signals generated by the sensors 48, 50 in step S7.

3 zeigt den Messaufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 nochmals in einer schematischen Darstellung. Wie daraus ersichtlich ist, sind die beiden ortsauflösenden Sensoren 48, 50 vorzugsweise orthogonal zu der jeweiligen Richtung der retroreflektierten Lichtstrahlen 42, 44 ausgerichtet. Die auf den Sensoren 48, 50 angedeuteten Sterne 60 deuten jeweils den Auftreffpunkt des jeweiligen retroreflektierten Lichtstrahls 42, 44 auf dem jeweiligen Sensor 48, 50 an. Diese Auftreffpunkte 60 verändern sich, sobald sich die Position des Retroreflektors 40 ändert. Bei einer Rotation des Retroreflektors 40 um dessen Mittelachse 62 verändern sich die Auftreffpunkte 60 hingegen nicht. Änderungen ergeben sich also nur bei Verkippungen oder translatorischen Verschiebungen des Retroreflektors. Reine Rotationsinformationen des Retroreflektors 40 gehen somit verloren, was grundsätzlich jedoch ein Vorteil ist, da die erzeugten ortsaufgelösten Signale nicht durch die Rotation des Retroreflektors 40 verfälscht werden und die Positionsauswertung somit einfacher ist. 3 shows the measurement setup of the device 10 according to the invention again in a schematic representation. As can be seen from this, the two position-resolving sensors 48, 50 are preferably aligned orthogonally to the respective direction of the retro-reflected light beams 42, 44. The stars 60 indicated on the sensors 48, 50 each indicate the impact point of the respective retro-reflected light beam 42, 44 on the respective sensor 48, 50. These impact points 60 change as soon as the position of the retroreflector 40 changes. In contrast, when the retroreflector 40 rotates about its central axis 62, the impact points 60 do not change. Changes therefore only arise in the event of tilting or translational displacements of the retroreflector. Pure rotation information of the retroreflector 40 is thus lost, which is fundamentally an advantage, however, since the spatially resolved signals generated are not corrupted by the rotation of the retroreflector 40 and the position evaluation is therefore simpler.

6 zeigt eine Prinzipdarstellung, aus der ersichtlich wird, wie sich die Position des Auftreffpunkts des ersten retroreflektierten Lichtstrahls 42 auf dem ersten ortsauflösenden Sensor 48 ändert, wenn sich die Position des Retroreflektors 40 ändert. Der Retroreflektor 40 ist in 6 in zwei unterschiedlichen Positionen dargestellt, wobei er in seiner zweiten Position mit der Bezugsziffer 40' gekennzeichnet ist. Die zweite Position des Retroreflektors 40' unterscheidet sich von der ersten Position des Retroreflektors 40 u.a. durch einen translatorischen Versatz, der mit dem Abstand d gekennzeichnet ist. Aufgrund der Eigenschaften des Retroreflektors 40, 40' führt eine translatorische Positionsänderung um den Abstand d des Retroreflektors 40, 40' zu einer Positionsänderung des Auftreffpunktes 60 auf dem ortsauflösenden Sensor 48, die doppelt so groß ist. Verschiebt sich der Retroreflektor 40, 40' entlang einer Achse translatorisch, so verschiebt sich der retroreflektierten Lichtstrahl 42, 42' bzw. der Auftreffpunkt auf dem ortsauflösenden Sensor 60, 60' also um die doppelte Entfernung. Diese Eigenschaft muss bei der erfindungsgemäßen Positionsberechnung entsprechend berücksichtigt werden. 6 FIG. 12 shows a schematic representation of how the position of the point of incidence of the first retroreflected light beam 42 on the first spatially resolving sensor 48 changes when the position of the retroreflector 40 changes. The retroreflector 40 is in 6 shown in two different positions, being denoted by the reference numeral 40' in its second position. The second position of the retroreflector 40' differs from the first position of the retroreflector 40, inter alia, by a translatory offset, which is characterized by the distance d. Because of the properties of the retroreflector 40, 40', a translational change in position by the distance d of the retroreflector 40, 40' leads to a change in position of the impact point 60 on the spatially resolving sensor 48 that is twice as large. If the retroreflector 40, 40' translates along an axis, the retroreflected light beam 42, 42' or the point of impact on the spatially resolving sensor 60, 60' is displaced by twice the distance. This property must be taken into account accordingly in the position calculation according to the invention.

Im Folgenden wird ein Berechnungsbeispiel zur Berechnung der Position anhand eines dritten Ausführungsbeispiels erläutert, das schematisch in 4 und 5 gezeigt ist. Im Gegensatz zu dem zuvor erwähnten Ausführungsbeispiel ist hier noch eine dritte Lichtquelle 64 vorgesehen, die einen dritten Lichtstrahl 66 aussendet, der von dem Retroreflektor 40 als dritter retroreflektierten Lichtstrahl 68 reflektiert wird. Die Position des dritten retroreflektierten Lichtstrahls 68 wird von einem dritten ortsauflösenden Sensor 70 detektiert. Alle drei ortsauflösenden Sensoren 48, 50, 70 sind, wie zuvor, vorzugsweise senkrecht zu den jeweiligen retroreflektierten Lichtstrahlen 42, 44, 68 ausgerichtet. Die Lichtquellen 32, 34, 64 sind vorzugsweise äquidistant zueinander angeordnet. Die Lichtquellen 32, 34, 64 sind vorzugsweise derart angeordnet, dass die Lichtstrahlen 36, 38, 66 unter gleichen Winkeln untereinander ausgerichtet sind. Alle drei Lichtstrahlen sind in diesem Ausführungsbeispiel unter einem Winkel β = 22,5° bezüglich der Mittelachse bzw. Senkrechten 62 geneigt (siehe 3). Wie aus der in 5 gezeigten Draufsicht erkennbar ist, sind die drei Lichtstrahlen 36, 38, 66 in der Draufsicht um jeweils 120° zueinander versetzt. Der Winkel zwischen dem ersten Lichtstrahl 36 und dem zweiten Lichtstrahl 38 wird nachfolgend als φ2 bezeichnet und der Winkel zwischen dem ersten Lichtstrahl 36 und dem dritten Lichtstrahl 66 wird nachfolgend als φ3 bezeichnet. Ein weiterer Winkel, der sich als Drehwinkel für den ersten Lichtstrahl 36 um die Mittelachse 62 ergibt, ist der Winkel φ1, welcher in 5 jedoch nicht eingezeichnet ist, da die Richtung des ersten Lichtstrahls 36 in diesem Rechenbeispiel als Referenzrichtung verwendet wird und der Winkel φ1 somit 0° ist.A calculation example for calculating the position is explained below using a third exemplary embodiment, which is shown schematically in 4 and 5 is shown. In contrast to the exemplary embodiment mentioned above, a third light source 64 is also provided here, which emits a third light beam 66 which is reflected by the retroreflector 40 as a third retroreflected light beam 68 . The position of the third retroreflected light beam 68 is detected by a third position-resolving sensor 70 . All three position-resolving sensors 48, 50, 70 are, as before, preferably aligned perpendicular to the respective retro-reflected light beams 42, 44, 68. The light sources 32, 34, 64 are preferably arranged equidistant from one another. The light sources 32, 34, 64 are preferably arranged in such a way that the light beams 36, 38, 66 are aligned with one another at the same angles. In this exemplary embodiment, all three light beams are inclined at an angle β=22.5° with respect to the central axis or perpendicular 62 (see FIG 3 ). How from the in 5 As can be seen from the plan view shown, the three light beams 36, 38, 66 are offset from one another by 120° in each case in the plan view. The angle between the first light beam 36 and the second light beam 38 is referred to below as φ 2 and the angle between the first light beam 36 and the third light beam 66 is referred to below as φ 3 . Another angle that results as the angle of rotation for the first light beam 36 about the central axis 62 is the angle φ 1 , which is 5 is not shown, however, since the direction of the first light beam 36 is used as the reference direction in this calculation example and the angle φ 1 is therefore 0°.

Die Positionen der Auftreffpunkte 60 der retroreflektierten Lichtstrahlen 42, 44, 68 auf den Sensoren 48, 50, 70 werden in dem nachfolgenden Rechenbeispiel jeweils mit zweidimensionalen x-, y-Koordinaten angegeben und mit xs,n und ys,n bezeichnet, wobei „n“ die jeweilige Sensornummer ist. Der Sensor 48 erhält die Sensornummer n = 1; der Sensor 50 erhält die Sensornummer n = 2; und der Sensor 70 erhält die Sensornummer n = 3. Der Ursprung des Sensorkoordinatensystems wird dabei jeweils in der Sensormitte gewählt. Der Ursprung des Sensorkoordinatensystems ist dabei für jeden der Sensoren 48, 50, 70 vorzugsweise derart gewählt, dass bei einer Retroreflektor-Position x = 0, y = 0, z = 0 des Retroreflektors 40 die retroreflektierten Lichtstrahlen 42, 44, 68 in den jeweiligen Ursprüngen des Sensorkoordinatensystems auf den Sensoren 48, 50, 70 auftreffen.The positions of the points of impact 60 of the retroreflected light beams 42, 44, 68 on the sensors 48, 50, 70 are given in the following calculation example with two-dimensional x, y coordinates and denoted by x s,n and y s,n , where "n" is the respective sensor number. The sensor 48 receives the sensor number n=1; the sensor 50 receives the sensor number n=2; and the sensor 70 receives the sensor number n=3. The origin of the sensor coordinate system is selected in each case in the center of the sensor. The origin of the sensor coordinate system is preferably chosen for each of the sensors 48, 50, 70 such that with a retroreflector position x=0, y=0, z=0 of the retroreflector 40, the retroreflected light beams 42, 44, 68 in the respective Origins of the sensor coordinate system on the sensors 48, 50, 70 impinge.

In dem nachfolgenden Rechenbeispiel bewegt sich der Retroreflektor 40 in einem Koordinatensystem, in dem die Sensoren 48, 50, 70 als „fest“ betrachtet werden. Das Koordinatensystem des Retroreflektors 40 bewegt sich also nicht gegenüber den Sensoren 48, 50, 60. Die Bewegung des Retroreflektors 40 in dem Retroreflektor-Koordinatensystem wird mit xp, yp und zp entlang der jeweiligen Achsen des Koordinatensystems angegeben.In the calculation example below, the retroreflector 40 moves in a coordinate system in which the sensors 48, 50, 70 are regarded as “fixed”. Thus, the retroreflector 40 coordinate system does not move with respect to the sensors 48, 50, 60. The movement of the retroreflector 40 in the retroreflector coordinate system is indicated by x p , y p and z p along the respective axes of the coordinate system.

Zur Definition des zu lösenden Gleichungssystems wird zunächst beschrieben, wie der auf dem jeweiligen Sensor 48, 50, 70 detektierte reflektierte Strahl 42, 44, 68 mathematisch zustande kommt. Aus den geometrischen Zusammenhängen lässt sich der auf dem jeweiligen Sensor detektierte, reflektierte Strahl 42, 44, 48 aus den folgenden Zusammenhängen berechnen. x s , n = 2 ⋅ ( x p ⋅ c o s ( φ n ) + y p ⋅ sin ( φ n ) ) , und y s , n = 2 ⋅ ( ( − x p ⋅ sin ( φ n ) + y p ⋅ cos ( φ n ) ) ⋅ cos ( β ) + z p ⋅ sin ( β ) )

Figure DE102020124704B4_0001
In order to define the system of equations to be solved, it is first described how the reflected beam 42, 44, 68 detected on the respective sensor 48, 50, 70 comes about mathematically. From the geometric relationships, the reflected beam 42, 44, 48 detected on the respective sensor can be calculated from the following relationships. x s , n = 2 ⋅ ( x p ⋅ c O s ( φ n ) + y p ⋅ sin ( φ n ) ) , and y s , n = 2 ⋅ ( ( − x p ⋅ sin ( φ n ) + y p ⋅ cos ( φ n ) ) ⋅ cos ( β ) + e.g p ⋅ sin ( β ) )
Figure DE102020124704B4_0001

Der Faktor 2 in obigen Zusammenhängen kommt von der Tatsache, dass die jeweiligen retroreflektierten Strahlen 42, 44, 68, wie unter Bezugnahme auf 6 zuvor erwähnt, um das Doppelte des Versatzes d des Retroreflektors 40 verschoben werden.The factor of 2 in the above contexts comes from the fact that the respective retroreflected beams 42, 44, 68, as referred to in FIG 6 previously mentioned, can be shifted by twice the offset d of the retroreflector 40.

Umformuliert ergeben o.g. Gleichungen folgendes Gleichungssystem: ( 2 ⋅ cos ( φ n ) 2 ⋅ sin ( φ n ) 0 − 2 ⋅ sin ( φ n ) ⋅ cos ( β ) 2 ⋅ cos ( φ n ) ⋅ cos ( β ) sin ( β ) ) ⋅ ( x p y p z p ) = ( x s , n y s , n )

Figure DE102020124704B4_0002
Reformulated, the above equations result in the following system of equations: ( 2 ⋅ cos ( φ n ) 2 ⋅ sin ( φ n ) 0 − 2 ⋅ sin ( φ n ) ⋅ cos ( β ) 2 ⋅ cos ( φ n ) ⋅ cos ( β ) sin ( β ) ) ⋅ ( x p y p e.g p ) = ( x s , n y s , n )
Figure DE102020124704B4_0002

Die zu ermittelnden Unbekannten sind dabei also xp, yp und zp. Bei der oben erwähnten Anordnung mit φ1 = 0°, φ2 = 120° und φ3 = 240° sowie mit β = 22,5° ergeben sich bei einer Position des Retroreflektors 40 [0.2, -0.3, 0.5] folgende Sensorsignale xs,1= 0.4, Ys,1 = -0.937, xs,2 = -0.7196, ys,2 = -0.4256, xs,3 = 0.3196, ys,3 = 0.2145, so dass das zu lösende Gleichungssystem wie folgt lautet: ( 2 0 0 0 1.8478 − 0.7654 − 1 1.7321 0 − 1,6 − 0.9239 − 0.7654 − 1 − 1.7321 0 1.6 − 0.9239 − 0.7654 ) ⋅ ( x p y p z p ) = ( 0.4000 − 0.9370 − 0.7196 − 0.4256 0.3196 0.2145 )

Figure DE102020124704B4_0003
The unknowns to be determined are thus x p , y p and z p . In the arrangement mentioned above with φ 1 =0°, φ 2 =120° and φ 3 =240° and with β=22.5°, the following sensor signals x result with a position of the retroreflector 40 [0.2, −0.3, 0.5]. s,1 = 0.4, Y s,1 = -0.937, x s,2 = -0.7196, y s,2 = -0.4256, x s,3 = 0.3196, y s,3 = 0.2145, so that the system of equations to be solved is as follows: ( 2 0 0 0 1.8478 − 0.7654 − 1 1.7321 0 − 1.6 − 0.9239 − 0.7654 − 1 − 1.7321 0 1.6 − 0.9239 − 0.7654 ) ⋅ ( x p y p e.g p ) = ( 0.4000 − 0.9370 − 0.7196 − 0.4256 0.3196 0.2145 )
Figure DE102020124704B4_0003

Wird dieses Gleichungssystem gelöst, so ergibt sich die zuvor erwähnte Position des Retroreflektors 40 von [0.2, -0.3, 0.5]. Wie ersichtlich ist, ist das Gleichungssystem überbestimmt. Selbiges Gleichungssystem bzw. Berechnungsprinzip lässt sich daher auch mit nur zwei Lichtquellen und zwei Lichtstrahlen, wie sie in 1-3 gezeigt sind, verwenden. Zur Lösung des o.g., überbestimmten Gleichungssystems empfiehlt sich der Einsatz von bekannten Strategien zur Lösung überbestimmter Gleichungssysteme wie Newton-Gauss, Levenberg-Marquardt oder Householder, auf die hier nicht näher eingegangen wird.If this system of equations is solved, the previously mentioned position of the retroreflector 40 of [0.2, -0.3, 0.5] results. As can be seen, the system of equations is overdetermined. The same system of equations or calculation principle can therefore also be used with only two light sources and two light beams, as shown in 1-3 are shown. To solve the above-mentioned overdetermined system of equations, it is advisable to use well-known strategies for solving overdetermined systems of equations such as Newton-Gauss, Levenberg-Marquardt or Householder, which will not be discussed in detail here.

In dem o.g. Berechnungsbeispiel wird davon ausgegangen, dass die Neigungswinkel β jedes Lichtstrahls 36, 38, 66 sowie die Drehwinkel φn und natürlich die Sensorsignale der ortsauflösenden Sensoren 48, 50, 70 bekannt sind. Neigungs- und Drehwinkel β, φn können in der Praxis z.B. durch eine vorgelagerte Kalibration der Vorrichtung 10 ermittelt werden. Die Sensorsignale werden aktiv gemessen.In the above calculation example, it is assumed that the angle of inclination β of each light beam 36, 38, 66 and the angle of rotation φ n and of course the sensor signals of the position-resolving sensors 48, 50, 70 are known. Angles of inclination and rotation β, φ n can be determined in practice, for example, by calibrating the device 10 beforehand. The sensor signals are actively measured.

In dem oben genannten Berechnungsbeispiel wurde davon ausgegangen, dass die ortsauflösenden Sensoren 48, 50, 70 unbewegt sind. Dies muss jedoch nicht zwangsläufig der Fall sein. Die Variation der Sensor-Position und die Variation der Sensor/Lichtstrahl-Blickrichtung kann ebenfalls mit in die Berechnung mit eingebunden werden, sofern dies notwendig ist. Dies ist lediglich ein weiterer bekannter Faktor, der durch Kalibration ermittelt werden kann.In the calculation example mentioned above, it was assumed that the position-resolving sensors 48, 50, 70 are stationary. However, this does not necessarily have to be the case. The variation of the sensor position and the variation of the sensor/light beam line of sight can also be included in the calculation if this is necessary. This is just another known factor that can be determined by calibration.

Ebenso sei darauf hingewiesen, dass in der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 nicht zwangsläufig jedem retroreflektierten Lichtstrahl ein dedizierter ortsauflösender Sensor zugeordnet werden muss. Grundsätzlich kann auch ein einziger ortsauflösender Sensor alle retroreflektierten Lichtstrahlen detektieren. Das o.g. Gleichungssystem ändert sich dadurch nicht. Lediglich der Ursprung des Sensor-Koordinatensystems wird dann etwas anders gewählt. Vorzugsweise wird dieser Ursprung dann im Durchstoßpunkt der Mittelachse 62 mit dem Sensor gewählt. In einem solchen Fall der Verwendung lediglich eines einzigen Sensors ist es ferner von Vorteil, die einzelnen Lichtstrahlen entweder farblich oder auf andere Art und Weise zu kodieren, um diese auf dem Sensor eindeutig differenzieren zu können.It should also be pointed out that in the device 10 according to the invention, a dedicated spatially resolving sensor does not necessarily have to be assigned to each retroreflected light beam. In principle, a single spatially resolving sensor can also detect all retro-reflected light beams. That The above system of equations does not change as a result. Only the origin of the sensor coordinate system is then selected somewhat differently. This origin is then preferably selected at the point at which the central axis 62 intersects with the sensor. In such a case of using only a single sensor, it is also advantageous to code the individual light beams either in color or in some other way in order to be able to clearly differentiate them on the sensor.

Zudem sei noch erwähnt, dass die Ausrichtung der ortsauflösenden Sensoren orthogonal zu den jeweils zu detektierenden retroreflektierten Lichtstrahlen bei der Verwendung mehrerer Sensoren nicht zwangsläufig orthogonal sein muss. Eine Schrägstellung dieser Sensoren lässt sich ohne weiteres in o.g. Berechnung mitberücksichtigen.It should also be mentioned that the orientation of the spatially resolving sensors orthogonal to the retroreflected light beams to be detected in each case does not necessarily have to be orthogonal when using a plurality of sensors. An inclined position of these sensors can easily be taken into account in the above calculation.

Abschließend sei erwähnt, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung in diversen weiteren Anwendungsbeispielen zum Einsatz kommen kann. Sie ist nicht auf den Einsatz in Koordinatenmessgeräten beschränkt. Auch der Einsatzzweck innerhalb eines Koordinatenmessgerätes kann ein anderer sein, als er in o.g. Ausführungsbeispielen angegeben wurde.Finally, it should be mentioned that the device according to the invention can be used in various other application examples. It is not limited to use in coordinate measuring machines. The purpose of use within a coordinate measuring machine can also be different from that specified in the above-mentioned exemplary embodiments.

Claims (17)

Vorrichtung (10) zur Erfassung einer räumlichen Position eines Körpers (26, 58), aufweisend: - eine erste Lichtquelle (32), die dazu eingerichtet ist, einen ersten Lichtstrahl (36) auszusenden; - eine zweite Lichtquelle (34), die dazu eingerichtet ist, einen zweiten Lichtstrahl (38), der schräg unter einem Winkel ungleich 0° zu dem ersten Lichtstrahl (36) ausgerichtet ist, auszusenden; - ein Targetelement (46) mit mindestens einem Retroreflektor (40), wobei das Targetelement (46) mit dem mindestens einen Retroreflektor (40) dazu eingerichtet ist, den ersten Lichtstrahl (36) als ersten retroreflektierten Lichtstrahl (42) zu reflektieren und den zweiten Lichtstrahl (38) als zweiten retroreflektierten Lichtstrahl (44) zu reflektieren; - eine Empfangseinheit (56) mit mindestens einem ortsauflösenden Sensor (48, 50), wobei die Empfangseinheit mit dem mindestens einen ortsauflösenden Sensor (48, 50) dazu eingerichtet ist, den ersten retroreflektierten Lichtstrahl (42) zu detektieren und basierend darauf ein erstes ortsaufgelöstes Signal zu erzeugen sowie den zweiten retroreflektierten Lichtstrahl (44) zu detektieren und basierend darauf ein zweites ortsaufgelöstes Signal zu erzeugen; und - eine Auswerteeinheit (30), die dazu eingerichtet ist, basierend auf dem ersten und dem zweiten ortsaufgelösten Signal die räumliche Position des Körpers (26, 58) zu berechnen.Device (10) for detecting a spatial position of a body (26, 58), comprising: - a first light source (32) arranged to emit a first light beam (36); - A second light source (34) which is set up to emit a second light beam (38) which is oriented obliquely at an angle other than 0° to the first light beam (36); - a target element (46) with at least one retroreflector (40), wherein the target element (46) with the at least one retroreflector (40) is set up to reflect the first light beam (36) as the first retroreflected light beam (42) and the second reflecting the light beam (38) as a second retroreflected light beam (44); - a receiving unit (56) with at least one spatially resolving sensor (48, 50), wherein the receiving unit with the at least one spatially resolving sensor (48, 50) is set up to detect the first retroreflected light beam (42) and based thereon a first spatially resolved light beam generating signal and detecting the second retroreflected light beam (44) and generating a second spatially resolved signal based thereon; and - An evaluation unit (30) which is set up to calculate the spatial position of the body (26, 58) based on the first and the second spatially resolved signal. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der mindestens eine Retroreflektor (40) dazu eingerichtet ist, den ersten Lichtstrahl (36) und den zweiten Lichtstrahl (38), unabhängig von einer Ausrichtung des mindestens einen Retroreflektors (40) relativ zu dem ersten Lichtstrahl (36) und dem zweiten Lichtstrahl (38), jeweils derart zu reflektieren, dass der erste retroreflektierte Lichtstrahl (42) im Wesentlichen raumparallel versetzt zu dem ersten Lichtstrahl (36) und der zweite retroreflektierte Lichtstrahl (44) im Wesentlichen raumparallel versetzt zu dem zweiten Lichtstrahl (38) ist.device after claim 1 , wherein the at least one retroreflector (40) is set up to the first light beam (36) and the second light beam (38), regardless of an orientation of the at least one retroreflector (40) relative to the first light beam (36) and the second light beam (38) in each case such that the first retro-reflected light beam (42) is offset substantially space-parallel to the first light beam (36) and the second retro-reflected light beam (44) is offset substantially space-parallel to the second light beam (38). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste und der zweite Lichtstrahl (36, 38) einen Winkel größer 15° untereinander einschließen.device after claim 1 or 2 , wherein the first and second light beams (36, 38) enclose an angle greater than 15° with one another. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, wobei der mindestens eine ortsauflösende Sensor einen ersten ortsauflösenden Sensor (48) und einen zweiten ortsauflösenden Sensor (50) aufweist, wobei der erste ortsauflösende Sensor (48) dazu eingerichtet ist, den ersten retroreflektierten Lichtstrahl (42) zu detektieren und basierend darauf das erste ortsaufgelöste Signal zu erzeugen, und wobei der zweite ortsauflösende Sensor (50) dazu eingerichtet ist, den zweiten retroreflektierten Lichtstrahl (44) zu detektieren und basierend darauf das zweite ortsaufgelöste Signal zu erzeugen.Device according to one of Claims 1 - 3 , wherein the at least one spatially resolving sensor has a first spatially resolving sensor (48) and a second spatially resolving sensor (50), wherein the first spatially resolving sensor (48) is set up to detect the first retroreflected light beam (42) and based thereon the first to generate a spatially resolved signal, and wherein the second spatially resolved sensor (50) is set up to detect the second retroreflected light beam (44) and to generate the second spatially resolved signal based thereon. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, die ferner eine dritte Lichtquelle (64) aufweist, die dazu eingerichtet ist, einen dritten Lichtstrahl (66) auszusenden, wobei das Targetelement (46) mit dem mindestens einen Retroreflektor (40) dazu eingerichtet ist, den dritten Lichtstrahl (66) als dritten retroreflektierten Lichtstrahl (68) zu reflektieren, wobei die Empfangseinheit (56) mit dem mindestens einen ortsauflösenden Sensor (48, 50, 70) dazu eingerichtet ist, den dritten retroreflektierten Lichtstrahl (68) zu detektieren und basierend darauf ein drittes ortsaufgelöstes Signal zu erzeugen, und wobei die Auswerteeinheit (30) dazu eingerichtet ist, basierend auf dem ersten, dem zweiten und dem dritten ortsaufgelösten Signal die räumliche Position des Körpers (26, 58) zu berechnen.Device according to one of Claims 1 - 3 further comprising a third light source (64) configured to emit a third light beam (66), wherein the target element (46) having the at least one retroreflector (40) is configured to emit the third light beam (66) as the third to reflect the retroreflected light beam (68), the receiving unit (56) having the at least one spatially resolving sensor (48, 50, 70) being set up to detect the third retroreflected light beam (68) and to generate a third spatially resolved signal based thereon, and wherein the evaluation unit (30) is set up to calculate the spatial position of the body (26, 58) based on the first, the second and the third spatially resolved signal. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der mindestens eine ortsauflösende Sensor einen ersten ortsauflösenden Sensor (48), einen zweiten ortsauflösenden Sensor (50) und einen dritten ortsauflösenden Sensor (70) aufweist, wobei der erste ortsauflösende Sensor (48) dazu eingerichtet ist, den ersten retroreflektierten Lichtstrahl (42) zu detektieren und basierend darauf das erste ortsaufgelöste Signal zu erzeugen, und wobei der zweite ortsauflösende Sensor (50) dazu eingerichtet ist, den zweiten retroreflektierten Lichtstrahl (44) zu detektieren und basierend darauf das zweite ortsaufgelöste Signal zu erzeugen, und wobei der dritte ortsauflösende Sensor (70) dazu eingerichtet ist, den dritten retroreflektierten Lichtstrahl (68) zu detektieren und basierend darauf das dritte ortsaufgelöste Signal zu erzeugen.device after claim 5 , wherein the at least one spatially resolving sensor has a first spatially resolving sensor (48), a second spatially resolving sensor (50) and a third spatially resolving sensor (70), wherein the first spatially resolving sensor (48) is set up to transmit the first retroreflected light beam (42 ) and to generate the first spatially resolved signal based thereon, and wherein the second spatially resolved sensor (50) is set up to detect the second retroreflected light beam (44) and based thereon to generate the second spatially resolved signal, and wherein the third spatially resolved Sensor (70) is set up to detect the third retro-reflected light beam (68) and based thereon to generate the third spatially resolved signal. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei der erste ortsauflösende Sensor (48), der zweite ortsauflösende Sensor (50) und der dritte ortsauflösende Sensor (70) äquidistant zueinander angeordnet sind.device after claim 6 , wherein the first position-resolving sensor (48), the second position-resolving sensor (50) and the third position-resolving sensor (70) are arranged equidistantly from one another. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-7, wobei die erste Lichtquelle (32), die zweite Lichtquelle (34) und die dritte Lichtquelle (64) äquidistant zueinander angeordnet sind.Device according to one of Claims 5 - 7 , wherein the first light source (32), the second light source (34) and the third light source (64) are arranged equidistant from one another. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5-8, wobei der erste Lichtstrahl (36) unter einem ersten Winkel relativ zu dem zweiten Lichtstrahl (38) und unter einem zweiten Winkel relativ zu dem dritten Lichtstrahl (66) ausgerichtet ist, und wobei der erste Winkel gleich groß wie der zweite Winkel ist.Device according to one of Claims 5 - 8th wherein the first light beam (36) is oriented at a first angle relative to the second light beam (38) and at a second angle relative to the third light beam (66), and wherein the first angle is equal to the second angle. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der zweite Lichtstrahl (38) unter einem dritten Winkel relativ zu dem dritten Lichtstrahl (66) ausgerichtet ist, und wobei der erste Winkel, der zweite Winkel und der dritte Winkel gleich groß sind.device after claim 9 wherein the second light beam (38) is oriented at a third angle relative to the third light beam (66), and wherein the first angle, the second angle and the third angle are equal. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, wobei der mindestens eine Retroreflektor (40) an dem Körper (26, 58) angeordnet ist.Device according to one of Claims 1 - 10 wherein the at least one retroreflector (40) is disposed on the body (26, 58). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11, wobei der erste Lichtstrahl (36) ein erstes Kodierungsmerkmal und der zweite Lichtstrahl (38) ein zweites Kodierungsmerkmal, das sich von dem ersten Kodierungsmerkmal unterscheidet, aufweist.Device according to one of Claims 1 - 11 , wherein the first light beam (36) has a first coding feature and the second light beam (38) has a second coding feature different from the first coding feature. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-12, wobei der erste und der zweite Lichtstrahl (36, 38) jeweils kohärentes und/oder kollimiertes Licht aufweisen.Device according to one of Claims 1 - 12 wherein the first and second light beams (36, 38) each comprise coherent and/or collimated light. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-13, wobei die Auswerteeinheit (30) dazu eingerichtet ist, basierend auf dem ersten und dem zweiten ortsaufgelösten Signal unter Verwendung trigonometrischer Beziehungen, die einen Winkel des ersten Lichtstrahls (36) relativ zu dem zweiten Lichtstrahl (38), einen Winkel des ersten Lichtstrahls (36) relativ zu einer Mittelachse (62) und einen Winkel des zweiten Lichtstrahls (38) relativ zu der Mittelachse (62) aufweisen, die räumliche Position des Körpers (26, 58) zu berechnen.Device according to one of Claims 1 - 13 , wherein the evaluation unit (30) is set up to, based on the first and the second spatially resolved signal using trigonometric relationships that determine an angle of the first light beam (36) relative to the second light beam (38), an angle of the first light beam (36 ) relative to a central axis (62) and an angle of the second light beam (38) relative to the central axis (62) to calculate the spatial position of the body (26, 58). Messgerät (100) zur Messung eines Messobjekts (28), wobei das Messgerät (100) eine Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 14 aufweist.Measuring device (100) for measuring a measurement object (28), the measuring device (100) having a device (10) according to one of Claims 1 until 14 having. Messgerät nach Anspruch 15, das ferner ein Basisteil (54) und ein Messelement (26) zum Messen einer geometrischen Eigenschaft des Messobjekts (28) aufweist, wobei das Messelement (26) gegenüber dem Basisteil (54) beweglich ist, und wobei die erste und die zweite Lichtquelle (32, 34) an dem Basisteil (54) angeordnet sind und der mindestens eine Retroreflektor (40) derart angeordnet ist, dass dieser sich mit dem Messelement (26) gegenüber dem Basisteil (54) mitbewegt.measuring device claim 15 , which further comprises a base part (54) and a measuring element (26) for measuring a geometric property of the measurement object (28), wherein the measuring element (26) is movable relative to the base part (54), and wherein the first and the second light source ( 32, 34) are arranged on the base part (54) and the at least one retroreflector (40) is arranged in such a way that it moves with the measuring element (26) relative to the base part (54). Verfahren zur Erfassung einer räumlichen Position eines Körpers (26, 58), mit den Schritten: - Aussenden (S1) eines ersten Lichtstrahls (36); - Aussenden (S2) eines zweiten Lichtstrahls (38), der schräg unter einem Winkel ungleich 0° zu dem ersten Lichtstrahl (36) ausgerichtet ist; - Reflektieren (S3) des ersten Lichtstrahls (36) als ersten retroreflektierten Lichtstrahl (42), der zu dem ersten Lichtstrahl (36) im Wesentlichen raumparallel versetzt ist; - Reflektieren (S4) des zweiten Lichtstrahls (38) als zweiten retroreflektierten Lichtstrahl (44) der zu dem zweiten Lichtstrahl (36) im Wesentlichen raumparallel versetzt ist; - Detektieren (S5) des ersten retroreflektierten Lichtstrahls (42) und Erzeugen eines ersten ortsaufgelösten Signals, das Positionsinformationen zu dem ersten retroreflektierten Lichtstrahl (42) aufweist, basierend auf dem ersten retroreflektierten Lichtstrahl (42); - Detektieren (S6) des zweiten retroreflektierten Lichtstrahls (44) und Erzeugen eines zweiten ortsaufgelösten Signals, das Positionsinformationen zu dem zweiten retroreflektierten Lichtstrahl (44) aufweist, basierend auf dem zweiten retroreflektierten Lichtstrahl (44); und - Berechnen (S7) der räumlichen Position des Körpers (26, 58) basierend auf dem ersten und dem zweiten ortsaufgelösten Signal.Method for detecting a spatial position of a body (26, 58), with the steps: - emitting (S1) a first light beam (36); - Emission (S2) of a second light beam (38) which is aligned obliquely at an angle other than 0° to the first light beam (36); - Reflecting (S3) the first light beam (36) as a first retro-reflected light beam (42) which is space-parallel offset to the first light beam (36) substantially; - Reflecting (S4) the second light beam (38) as a second retro-reflected light beam (44) which is space-parallel offset to the second light beam (36) substantially; - Detecting (S5) the first retroreflected light beam (42) and generating a first spatially resolved signal having position information on the first retroreflected light beam (42), based on the first retroreflected light beam (42); - Detecting (S6) the second retroreflected light beam (44) and generating a second spatially resolved signal having position information on the second retroreflected light beam (44), based on the second retroreflected light beam (44); and - calculating (S7) the spatial position of the body (26, 58) based on the first and the second spatially resolved signal.
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