DE102022108368A1

DE102022108368A1 - Messsystem und Messverfahren

Info

Publication number: DE102022108368A1
Application number: DE102022108368.3A
Authority: DE
Inventors: Dominik Seitz; Tobias Held; Nils Haverkamp; Raphael Koch; Matthias Franke; Jan Nitsche
Original assignee: Bundesrepublik Deutschland Phys Technische Bundesanstalt; Bundesrepublik Deutschland Physikalisch Technische Bundesanstalt; Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Current assignee: Bundesrepublik Deutschland Phys Technische Bundesanstalt; Bundesrepublik Deutschland Physikalisch Technische Bundesanstalt; Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH
Priority date: 2022-04-07
Filing date: 2022-04-07
Publication date: 2023-10-12

Abstract

Messsystem (10) zum dimensionellen Messen. Das Messsystem (10) weist eine an einem beweglichen Bauteil anbringbare Target-Vorrichtung (14) auf, die eine Vielzahl von Targets (40) aufweist, wobei die Vielzahl von Targets (40) mindestens zwei Targets (40) umfasst. Zudem weist das Messsystem (10) eine Vielzahl von Sensoren (16) auf, die jeweils dazu eingerichtet sind, eines der Vielzahl von Targets (40) anzuvisieren, diesem während einer Bewegung des beweglichen Bauteils zu folgen und dabei ein Messsignal zu erzeugen, das abhängig von einem Abstand zwischen dem jeweiligen Sensor (16) und dem jeweils anvisierten Target (40) ist, wobei die Vielzahl von Sensoren (16) mindestens drei Sensoren (16) umfasst. Des Weiteren weist das Messsystem (10) eine Auswerte- und Steuereinheit (18) auf, die dazu eingerichtet ist, die Messsignale auszuwerten, basierend auf den Messsignalen mittels Multilateration eine sich während der Bewegung des beweglichen Bauteils verändernde räumliche Position des beweglichen Bauteils zu bestimmen, und die Sensoren (16) derart zu steuern, dass diese in Abhängigkeit eines Qualitätskriteriums das jeweils anvisierte Target (40) dynamisch wechseln, um ein anderes der Vielzahl der Targets (40) anzuvisieren und diesem anschließend zu folgen und dabei das jeweilige Messsignal zu erzeugen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem zum dimensionellen Messen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Messen einer sich verändernden räumlichen Position eines beweglichen Bauteils eines beliebigen Geräts oder einer beliebigen Maschine. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt, das ein Computerprogramm aufweist, das dazu eingerichtet ist, bei Ausführung auf einem Computer das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Das erfindungsgemäße Messsystem wird zum dimensionellen Messen einer sich verändernden räumlichen Position eines beweglichen Bauteils verwendet. Zu welcher Art von Maschine oder Vorrichtung das zu messende bewegliche Bauteil gehört, spielt grundsätzlich keine Rolle. Bei dem beweglichen Bauteil kann es sich beispielsweise um ein motorisch angetriebenes Bauteil einer Bearbeitungsmaschine handeln. Ebenso kann es sich bei dem beweglichen Bauteil um einen Teil eines Roboters, beispielsweise dessen Endeffektor, handeln. Ferner kann es sich bei dem beweglichen Bauteil, dessen Position mit Hilfe des erfindungsgemäßen Messsystems ermittelt wird, um ein bewegtes Teil eines Koordinatenmessgeräts handeln.
Koordinatenmessgeräte mit taktilen und/oder optischen Messsensoren werden in der dimensionellen Messtechnik verwendet, um die Form einer Werkstückoberfläche beispielsweise durch Abtastung zu bestimmen. Da die dimensionelle Messtechnik im Regelfall in den Industriezweigen Anwendung findet, in denen sehr hohe Genauigkeiten, beispielsweise für nachfolgende Bearbeitungsschritte oder zur Qualitätssicherung, erforderlich sind, ist eine fehlerfreie Messdurchführung von großer Wichtigkeit.
Ähnlich hohe Präzisionsanforderungen werden aber auch an Bearbeitungsmaschinen, wie beispielsweise einen Industrieroboter, der im Karosseriebau eingesetzt wird, gestellt. Die bei derlei Geräten eingesetzten Bauteile können so gefertigt werden, dass die geforderte Präzision und Reproduzierbarkeit gegeben ist.
Die Absolutgenauigkeit der Geräte und Maschinen wird in einem Kalibrierschritt typischerweise dadurch gewährleistet, indem die systematischen Restfehler mit einem geeigneten Messsystem erfasst, gespeichert und im Betrieb vorgehalten werden. Das erfindungsgemäße Messsystem lässt sich beispielsweise für eine derartige Überprüfung der systematischen Restfehler bei der Bewegung eines beweglichen Bauteils einer solchen Maschine einsetzen.
Zur Erfassung der systematischen Fehler von traditionellen Koordinatenmessgeräten, die als kartesische Kinematik ausgeführt sind, werden typischerweise Lasermesssysteme eingesetzt. Diese sind in der Lage, die systematischen Fehlbewegungen einer Achse des Koordinatenmessgeräts in einem oder mehreren Freiheitsgraden zu erfassen.
Bauart- bzw. Messprinzip-bedingt kann mit einem derartigen Messsystem typischerweise jedoch nur die Fehlbewegung entlang einer linearen Trajektorie erfasst werden. Soll mit einem solchen Messsystem die Fehlbewegung eines traditionellen Koordinatenmessgeräts entlang einer nicht-linearen Trajektorie, z.B. einer Kreisfahrt, oder gar eine ToolCen-terPoint(TCP)-Bewegung einer nicht-trivialen Kinematik, wie z.B. eine Bewegung eines Seriell-Roboters oder Parallel-Aktuators, erfasst werden, ist dies mit den gängigen Messsystemen meist nicht mehr möglich.
Gelöst werden kann dies jedoch durch den Einsatz von aufwendigen 3D- bzw. 6D-Messsystemen wie z.B. Photogrammmetrie-, Multilaterations- oder Multiangulations-Messsystemen.
Egal welches der oben genannten 3D- bzw. 6D-Messsystemen verwendet wird, haben alle diese Messsysteme die Eigenschaft gemein, dass diese eine Vielzahl von Sensoren wie beispielsweise Kameras, Laserinterferometer oder Winkelmessgeräte aufweisen, die auf mehrere Targets, wie z.B. Marken, Retroreflektoren oder Spiegel, gerichtet sind. Die Vielzahl von Targets ist dabei meist in sich unbeweglich an einem Target-Ensemble angeordnet.
Unabhängig von dem Messprinzip haben diese Targets jeweils einen Akzeptanzwinkel-Bereich, unter dem die Targets anvisiert und dem vom Sensor generierten Messsignal vertraut werden kann bzw. überhaupt ein Messsignal aufgenommen werden kann. Je nach Art des verwendeten Targets ist ein solcher Akzeptanzwinkel-Bereich typischerweise in der Größenordnung +/- 10° bis +/- 80°.
Das Target-Ensemble wird normalerweise an dem beweglichen Maschinenbauteil angeordnet, dessen Position im Raum mit Hilfe des dimensionellen Messsystems bestimmt werden soll. Wird während einer Messung nun das Target-Ensemble so bewegt, dass einzelne Targets des Target-Ensembles für die Sensoren nicht mehr verwendet werden können, da die Targets bzw. Sensoren aus dem Akzeptanzwinkel-Bereich austreten, kann dies zu Problemen führen.
Bei Photogrammmetrie-Systemen stellt dies meist kein Problem dar, da hier normalerweise das gesamte Target-Ensemble abgebildet wird und nicht mehr erfassbare Targets des Target-Ensembles softwaretechnisch als ungültige Targets einfach verworfen werden können.
Bei Multilaterationssystemen, deren Messprinzip auf einer Multilateration beruht, führt die oben genannte Situation eines Austretens einzelner Targets aus dem Sichtbereich der Sensoren allerdings zum Verlust des Signals und damit zum Abbruch der Messung.
Diese Tatsache schränkt die Bewegungsfreiheit des Target-Ensembles und damit des zu messenden beweglichen Bauteils deutlich ein. Es muss daher für jede anzufahrende Position des zu messenden beweglichen Bauteils sichergestellt werden, dass zu keinem Zeitpunkt der Messung der jeweilige Winkel zwischen den einzelnen Sensoren des Messsystems und dem jeweils anvisierten Target des Target-Ensembles einen kritischen Wert überschreitet, bei dem der Sensor aus dem Akzeptanzwinkel-Bereich des Targets oder das Target aus dem Sichtbereich des Sensors austritt.
Komplexe Bewegungen können mit solchen Multilaterationssystemen somit nicht ohne weiteres erfasst werden, was ein Problem darstellt. Multilaterationssysteme sind deshalb nur eingeschränkt geeignet, Positionen von beweglichen Bauteilen von Maschinen wie Robotern oder Koordinatenmessgeräten zu messen, da diese Bauteile typischerweise entlang relativ komplexer Trajektorien bewegt werden.
Andererseits sind derartige dimensionelle Messsysteme, die auf dem Messprinzip der Multilateration beruhen, aufgrund der mit diesen Systemen erreichbaren Auflösung und Genauigkeit besonders vorteilhaft. Multilaterationssysteme sind insbesondere für hochgenaue und trotzdem vergleichbar schnelle 3D- oder sogar 6D-Messungen das Mittel der Wahl. Der oben erläuterte Nachteil dieser Multilaterationssysteme stellt deshalb eine reale Einschränkung für den Einsatz derartiger Systeme dar.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein dimensionelles Messsystem bereitzustellen, das die oben genannten Probleme ausräumt. Dabei ist es insbesondere eine Aufgabe, ein dimensionelles Messsystem und ein entsprechendes Messverfahren bereitzustellen, das trotz Verwendung des Messprinzips der Multilateration nicht die oben genannte Bewegungseinschränkung aufweist.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Messsystem gelöst, das folgende Komponenten aufweist:

- eine an einem beweglichen Bauteil anbringbare Target-Vorrichtung, die eine Vielzahl von Targets aufweist, wobei die Vielzahl von Targets mindestens zwei Targets umfasst;
- eine Vielzahl von Sensoren, die jeweils dazu eingerichtet sind, eines der Vielzahl von Targets anzuvisieren, diesem während einer Bewegung des beweglichen Bauteils zu folgen und dabei ein Messsignal zu erzeugen, das abhängig von einem Abstand zwischen dem jeweiligen Sensor und dem jeweils anvisierten Target ist, wobei die Vielzahl von Sensoren mindestens drei Sensoren umfasst;
- eine Auswerte- und Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, die Messsignale auszuwerten, basierend auf den Messsignalen mittels Multilateration eine sich während der Bewegung des beweglichen Bauteils verändernde räumliche Position des beweglichen Bauteils zu bestimmen, und die Sensoren derart zu steuern, dass diese in Abhängigkeit eines Qualitätskriteriums das jeweils anvisierte Target dynamisch wechseln, um ein anderes der Vielzahl der Targets anzuvisieren und diesem anschließend zu folgen und dabei das jeweilige Messsignal zu erzeugen.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Verfahren zum Messen einer sich verändernden räumlichen Position eines beweglichen Bauteils gelöst, das die folgenden Schritte aufweist:

- Erhalten einer Vielzahl von Messsignalen, die von einer Vielzahl von Sensoren erzeugt werden, indem jeder der Sensoren ein Target einer Vielzahl von Targets, die an einer an dem beweglichen Bauteil angeordneten Target-Vorrichtung angeordnet sind, anvisiert, wobei die Messsignale jeweils abhängig von einem Abstand zwischen dem jeweiligen Sensor und dem jeweils anvisierten Target sind;
- Steuern der Sensoren, dass diese in Abhängigkeit eines Qualitätskriteriums das jeweils anvisierte Target dynamisch wechseln, um ein anderes der Vielzahl der Targets anzuvisieren und diesem anschließend zu folgen und dabei das jeweilige Messsignal zu erzeugen; und
- Bestimmen der sich während einer Bewegung des beweglichen Bauteils verändernden räumlichen Position des beweglichen Bauteils basierend auf den Messsignalen mittels Multilateration.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Computerprogrammprodukt gelöst, das ein Computerprogramm aufweist, das dazu eingerichtet ist, bei Ausführung auf einem Computer das zuvor genannte erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Es sei darauf hingewiesen, dass das bewegliche Bauteil zwar ein Teil des erfindungsgemäßen Messsystems sein kann, aber nicht zwangsläufig sein muss. Wie bereits erwähnt, kann dieses bewegliche Bauteil auch Teil einer beliebigen anderen Maschine sein, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Messsystems gemessen wird.
Bei der an dem beweglichen Bauteil anbringbaren Target-Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um ein Target-Ensemble, wie es eingangs bereits erwähnt wurde. Dieses Target-Ensemble weist eine Vielzahl von Targets (mindestens zwei Targets) auf, deren relative Position und Lage zueinander bekannt bzw. im Voraus ermittelbar ist.
Bei der Vielzahl von Sensoren (mindestens drei Sensoren) des erfindungsgemäßen Messsystems handelt es sich jeweils um Abstandssensoren, die dazu eingerichtet sind, einen Abstand zwischen dem jeweiligen Sensor und dem von dem jeweiligen Sensor anvisierten Target der Target-Vorrichtung zu bestimmen. Zumindest sind die von den Sensoren erzeugten Messsignale von dem genannten Abstand zwischen dem jeweiligen Sensor und dem jeweils anvisierten Target abhängig. Das heißt, die Messsignale beinhalten Informationen, aus denen sich der Abstand zwischen dem jeweiligen Sensor und dem von dem Sensor anvisierten Target ermitteln lässt.
Die Messsignale bzw. die darin enthaltenen Informationen können je nach Messprinzip des verwendeten Sensors in verschiedenster Form vorliegen. Beispielsweise kann es sich bei der von den Sensoren durchgeführten Abstandsmessung um eine Laufzeitmessung oder eine Interferenz-basierte Messung handeln.
Die in dem erfindungsgemäßen Messsystem verwendeten Sensoren haben des Weiteren die Eigenschaft, dass diese dazu eingerichtet sind, dem jeweils anvisierten Target während der Bewegung des beweglichen Bauteils bzw. der Bewegung der Target-Vorrichtung zu folgen. Diese „Verfolgungseigenschaft“ kann auf unterschiedlichste Art und Weise realisiert sein, z.B. optisch, elektro-optisch, elektro-mechanisch oder mechanisch.
Die während der Bewegung des beweglichen Bauteils detektierten Messsignale der Sensoren werden erfindungsgemäß mittels Multilateration ausgewertet, um basierend darauf die Position der Target-Vorrichtung und damit die Position des beweglichen Bauteils zu bestimmen. Dies kann in an sich bekannter Weise geschehen.
Das erfindungsgemäße Messsystem und das erfindungsgemäße Messverfahren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Sensoren derart gesteuert werden, dass diese in Abhängigkeit eines Qualitätskriteriums das jeweils anvisierte Target dynamisch wechseln. Dies bedeutet, dass die Sensoren derart angesteuert werden, dass diese jeweils ein zum jeweiligen Zeitpunkt „günstiges“ Target anvisieren, das zum jeweiligen Zeitpunkt in deren Sichtfeld fällt und dessen Akzeptanzwinkel-Bereich von dem jeweiligen Sensor eingehalten werden kann.
Durch diesen dynamischen Wechsel ist es möglich, dass jeder Sensor der Vielzahl von Sensoren zu jedem Zeitpunkt ein Target anvisiert, auf Basis dessen ein valides und verwertbares Messsignal erzeugt werden kann.
Führt die Bewegung des beweglichen Bauteils und damit die Bewegung der Target-Vorrichtung dazu, dass ein von einem Sensor anvisiertes Target aus dessen Sichtbereich tritt oder dass sich das Target bzw. der Sensor einer Akzeptanzgrenze nähert, so wechselt der jeweilige Sensor das Target und visiert ein anderes der Vielzahl der Targets der Target-Vorrichtung an, um diesem anschließend weiter zu folgen.
Auf diese Weise ist es möglich, auch komplexen Bewegungen der Target-Vorrichtung zu folgen, wobei jeder Sensor jederzeit ein Target anvisieren kann, das sich innerhalb des Akzeptanzbereichs befindet.
Der Begriff „anvisieren“ ist vorliegend allgemein und breit aufzufassen. Gemeint ist damit, dass die Sensoren, unabhängig von deren Messprinzip, auf eines der Targets der Target-Vorrichtung gerichtet oder fokussiert sind. Damit ist beispielsweise gemeint, dass eine von dem Sensor ausgesendete Welle auf das jeweilige Target gerichtet ist.
Ebenso sei angemerkt, dass bei dem beschriebenen Targetwechsel, der von den Sensoren durchgeführt wird, die einzelnen Targets auch „untereinander getauscht“ werden können. Damit ist beispielsweise gemeint, dass zum Zeitpunkt t₀ Sensor A Target 1 und Sensor B Target 2 anvisiert, während zum Zeitpunkt t₁ Sensor A Target 2 und Sensor B Target 1 anvisiert. Ebenso ist es möglich, dass mehrere Sensoren zum gleichen Zeitpunkt das gleiche Target anvisieren. Im Falle von mindestens drei Sensoren und mindestens zwei Targets sind also diverse Permutationen von Sensor-Target-Zuordnungen möglich, die in Abhängigkeit des genannten Qualitätskriteriums automatisiert dynamisch verändert werden.
Bewegungseinschränkungen, wie sie eingangs für gängige Multilaterationssysteme aus dem Stand der Technik erwähnt wurden, bestehen für das erfindungsgemäße Messsystem und das erfindungsgemäße Messverfahren somit nicht mehr.
Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.
Gemäß einer Ausgestaltung sind die Sensoren jeweils dazu eingerichtet, eines der Vielzahl von Targets anzuvisieren, indem sie eine Welle aussenden, eine von dem entsprechenden Target reflektierte Welle detektieren und basierend darauf das Messsignal erzeugen.
Die von den Sensoren ausgesandten und den Targets reflektierten Wellen können elektromagnetische Wellen oder akustische Wellen sein. Beispielsweise können die Sensoren jeweils als Laserinterferometer, Ultraschall-Sensor, Radar-Sensor oder Lidar-Sensor ausgebildet sein. Das Messprinzip, auf Basis dessen die Messsignale der einzelnen Sensoren erzeugt werden, kann eine Laufzeitmessung und/oder eine Interferenzmessung umfassen. Weitere Sensorarten und Messprinzipien, die zu der genannten Abstandsmessung zwischen Sensor und Target einsetzbar sind, sind in dem erfindungsgemäßen Messsystem verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen die Sensoren ein Dreh-Schwenk-Gelenk auf.
Dies erhöht die Beweglichkeit der Sensoren und vereinfacht insbesondere die Nachverfolgung der Targets. Mit Hilfe eines solchen Dreh-Schwenk-Gelenks können die Sensoren nahezu beliebige Positionen/Bereiche im Raum anvisieren. Das Dreh-Schwenk-Gelenk lässt sich dabei sowohl dazu einsetzen, nur ein Teil des Sensors, also beispielsweise eine Optik, oder aber auch den gesamten Sensor zu verschwenken.
Vorzugsweise ist die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet, den dynamischen Wechsel des durch einen der Sensoren jeweils anvisierten Targets mit Hilfe des Dreh-Schwenk-Gelenks des jeweiligen Sensors zu bewirken. Hierzu können beispielsweise motorisch angetriebene Aktuatoren von der Auswerte- und Steuereinheit angesteuert werden.
Dies bedeutet mit anderen Worten, dass das Dreh-Schwenk-Gelenk der Sensoren in diesem Fall nicht nur zur Nachverfolgung der Bewegung eines Targets eingesetzt wird, sondern auch für die Neujustierung eines Sensors verwendet wird, wenn dieser auf ein neues Target „eingeloggt“ wird, also das Target wechselt.
An dieser Stelle sei angemerkt, dass der genannte Targetwechsel grundsätzlich während der laufenden Bewegung des beweglichen Bauteils bzw. der Target-Vorrichtung möglich ist. In einem solchen Fall wechselt also der jeweilige Sensor das anvisierte Target, ohne dass hierzu das bewegliche Bauteil bzw. die Target-Vorrichtung angehalten wird. Es versteht sich, dass diese Art des Vorgehens nicht nur einen schnellen Targetwechsel, sondern auch ein grundsätzliches Wissen oder Abschätzen der zukünftigen Bewegung des beweglichen Bauteils und der Target-Vorrichtung voraussetzt.
In einer vergleichsweise einfacheren Art der Implementierung kann es auch vorgesehen sein, dass die Auswerte- und Steuereinheit, die Bewegung des beweglichen Bauteils und der Target-Vorrichtung anhält, um den Targetwechsel eines Sensors durchzuführen. In diesem Fall lässt sich das neu anvisierte Target für den Sensor vergleichsweise einfach auffinden.
Gemäß einer Ausgestaltung weisen die Targets jeweils einen Retroreflektor auf. Dieser Retroreflektor ist vorzugsweise als Spiegel-Retroreflektor oder Kugel-Retroreflektor ausgestaltet.
Retroreflektoren sind Vorrichtungen, die einfallende elektromagnetische Wellen weitgehend unabhängig von der Einfallsrichtung sowie der Ausrichtung des Retroreflektors größtenteils in die Richtung reflektierten, aus der sie gekommen sind. Spiegel-Retroreflektoren weisen eine oder mehrere spiegelnde Oberflächen auf, die die einfallenden Wellen zurück zur Quelle der Wellen lenken. Des Weiteren existieren Kugel-Retroreflektoren, die auch als Linsen-Retroreflektoren bezeichnet werden. Diese haben eine Kugel- bzw. Linsenform und besitzen typischerweise größere Akzeptanzwinkel-Bereiche als Spiegel-Retroreflektoren.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Qualitätskriterium von einem Schwellwert einer Signalstärke des jeweiligen Messsignals und/oder einem Schwellwert eines Winkels, der sich durch die relative räumliche Ausrichtung des jeweiligen Sensors zu dem jeweiligen Target ergibt, abhängig.
Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet sein, den Wechsel des durch einen der Sensoren jeweils anvisierten Targets dann vorzunehmen, wenn die Signalstärke des jeweiligen Messsignals unter einen vordefinierten Schwellwert fällt. Ein solches Ereignis kann beispielsweise dadurch verursacht sein, dass zwischen dem jeweiligen Sensor und dem von diesem bisher anvisierten Target eine Störkontur auftaucht, die zu einer Verringerung der Signalstärke führt. Diese Störkontur kann beispielsweise ein Teil der zu messenden Maschine selbst sein. Die Störkontur kann aber auch durch einen der anderen Sensoren bedingt sein.
Die Auswerte- und Steuereinheit kann auch dazu eingerichtet sein, den Wechsel des durch einen der Sensoren jeweils anvisierten Targets (Targetwechsel) vorzunehmen, wenn sich das jeweilige Sensor-Target bzw. -Paar einer Sensitivitätsgrenze nähert, also wenn sich der Einfallswinkel der von dem Sensor erzeugten Welle dem maximalen Akzeptanzwinkel des Targets nähert. Anders ausgedrückt, kann der Targetwechsel dann vorgenommen werden, wenn der Einfallswinkel der von dem Sensor erzeugten Welle auf dem Target ein vordefiniertes Winkelmaß überschreitet.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Targets an der Target-Vorrichtung fixiert und deren relative Position und Lage ist zeitlich invariant. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Targets an der Target-Vorrichtung miteinander starr verbunden sind. Zumindest sollte deren Verbindung derart fix sein, dass sie als mechanisch starr bzw. zeitlich invariant angenommen werden kann.
Dies vereinfacht den Targetwechsel, da hierdurch insbesondere die Berechnung der Position und Lage des „neuen“ Targets, auf das der jeweilige Sensor beim Targetwechsel wechselt, vereinfacht ist.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Targets derart an der Target-Vorrichtung angeordnet, dass deren Mittelpunkte auf einer imaginären Kugeloberfläche verteilt angeordnet sind.
Besonders bevorzugt sind die Targets bzw. deren Mittelpunkte auf der genannten imaginären Kugeloberfläche in einem regelmäßigen Muster angeordnet. Dies steigert die Detektierbarkeit der Targets, da bei einer derartigen Anordnung der Targets aus einer beliebigen Raumrichtung immer zumindest ein Target der Target-Vorrichtung detektierbar bzw. anvisierbar ist.
Vorzugsweise ist die Anzahl der Sensoren größer als die Anzahl der Targets. Dies steigert die Robustheit der Positionsbestimmung auf Basis der von den Sensoren erzeugten Messsignale.
Gemäß einer Ausgestaltung umfasst die Vielzahl von Sensoren mindestens sechs Sensoren und die Vielzahl von Targets mindestens drei Targets. Die Auswerte- und Steuereinheit kann gemäß dieser Ausgestaltung dazu eingerichtet sein, basierend auf den Messsignalen mittels Multilateration eine sich während der Bewegung des beweglichen Bauteils verändernde räumliche Position und Lage (Pose) des beweglichen Bauteils zu bestimmen.
Mit sechs Sensoren und drei Targets kann das erfindungsgemäße Messsystem in oben genannter Art und Weise eine 6D-Messung durchführen, bei der neben der räumlichen Position der Target-Vorrichtung (drei Raumkoordinaten) auch deren räumliche Lage (drei räumliche Achsenorientierungen) ermittelt werden können.
Trotz des erfindungsgemäßen Targetwechsels wird in diesem Fall jedes Target zu jedem Zeitpunkt von mindestens zwei Sensoren anvisiert. Ein dynamischer Wechsel der einzelnen Targets ist bei der genannten Verteilung (sechs Sensoren und drei Targets) dennoch möglich, da die Targets, wie bereits erwähnt, untereinander gewechselt werden können.
Zur weiteren Verbesserung der Bestimmung der Pose des beweglichen Bauteils ist es gemäß einer weiteren Ausgestaltung jedoch bevorzugt, dass die Vielzahl von Sensoren mindestens sieben Sensoren und die Vielzahl von Targets mindestens sechs Targets umfasst. In einem Versuch der Anmelderin hat sich ein Messsystem mit sieben Sensoren und zehn Targets als besonders vorteilhaft herausgestellt, da dies nicht nur eine robuste Berechnung ermöglicht, sondern auch einen relativ einfachen Targetwechsel.
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.
Ebenso versteht es sich, dass die zu dem erfindungsgemäßen Messsystem erwähnten Ausgestaltungen und die in den abhängigen Ansprüchen zu dem Messsystem definierten Merkmale nicht nur das Messsystem an sich betreffen, sondern in gleicher oder äquivalenter Weise auch das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt betreffen. Dementsprechend lassen sich die in den abhängigen Ansprüchen definierten Merkmale in gleicher oder äquivalenter Weise auch zu dem erfindungsgemäßen Verfahren definieren.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Messsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei einem Einsatz in einem Koordinatenmessgerät;
2 eine schematische Darstellung einer Target-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematische Darstellung einer Target-Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 eine erste Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung eines Targetwechselprinzips gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 eine zweite Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung des Targetwechselprinzips; und
6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Messsystems zum dimensionellen Messen. Das Messsystem ist darin in seiner Gesamtheit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet. Das Messsystem 10 dient in dem in 1 schematisch gezeigten Anwendungsfall zur Bestimmung einer Position eines beweglichen Bauteils eines Koordinatenmessgeräts 100. Bei dem bewegten Bauteil des Koordinatenmessgeräts 100, dessen räumliche Position mit Hilfe des erfindungsgemäßen Messsystems 10 gemessen wird, handelt es sich im vorliegenden Fall um das untere Ende einer Pinole 12, das mit Hilfe dreier beweglicher Achsen (x-, y- und z-Achsen) im Raum beweglich ist.
Wird das Koordinatenmessgerät 100 zum Messen eines Messobjekts verwendet, so ist an diesem unteren Ende der Pinole 12 typischerweise ein taktiler und/oder Messsensor angeordnet, mit Hilfe dessen das zu messende Messobjekt abgetastet wird. In dem in 1 gezeigten Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Messsystems 10 ist an diesem unteren Ende der Pinole 12 stattdessen jedoch eine Target-Vorrichtung 14 angeordnet, die mit Hilfe mehrerer Sensoren 16 anvisiert wird.
Im vorliegenden Fall weist das Messsystem 10 drei räumlich verteilt angeordnete Sensoren 16 auf. Diese Sensoren 16 sind dazu eingerichtet, die Target-Vorrichtung 14 anzuvisieren, dieser während der Bewegung der Pinole 12 zu folgen und währenddessen ein Messsignal zu erzeugen, auf Basis dessen sich der jeweilige Abstand zwischen der Target-Vorrichtung 14 und dem jeweiligen Sensor 16 ermitteln lässt.
Wie weiter unten noch im Detail erläutert wird, lässt sich mittels Multilateration basierend auf den Messsignalen der Sensoren 16 die räumliche Position der Target-Vorrichtung 14 berechnen. Zur Auswertung der Messsignale der Sensoren 16 und Berechnung der Position der Target-Vorrichtung 14 weist das Messsystem 10 eine Auswerte- und Steuereinheit 18 auf. Diese Auswerte- und Steuereinheit 18 weist vorzugsweise einen Computer 20 auf, der neben einer Recheneinheit 22 vorzugsweise auch ein Display oder eine sonstige Art von Anzeigevorrichtung 24 umfasst. Ferner kann der Computer 20 selbstverständlich auch eine oder mehrere Eingabeeinrichtungen, wie beispielsweise eine Tastatur, eine Mouse und/oder einen Joystick, aufweisen.
Das erfindungsgemäße Messsystem 10 dient in dem in 1 gezeigten Anwendungsbeispiel zur Bestimmung der Position des unteren Endes der Pinole 12 eines Koordinatenmessgeräts 100. Die durch das Messsystem 10 bestimmte Position kann beispielsweise mit der vom Koordinatenmessgerät 100 intern selbst bestimmten Position der Pinole 12 abgeglichen werden. Beispielsweise kann dies im Rahmen einer Kalibrierung des Koordinatenmessgeräts 100 geschehen, um systematische Restfehler, die von dem internen Positionier- und Messsystem des Koordinatenmessgeräts 100 selbst nicht erfasst werden können.
Wenngleich es sich bei dem Koordinatenmessgerät 100 um einen typischen Anwendungsfall für das erfindungsgemäße Messsystem 10 handelt, sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, dass sich mit dem erfindungsgemäßen Messsystem 10 auch andere Arten von Maschinen oder Vorrichtungen messen lassen. Ebenso kann das erfindungsgemäße Messsystem 10 zur Messung einer Position eines anderen bewegten Bauteils als die Pinole 12 des Koordinatenmessgeräts 100 eingesetzt werden.
Das Koordinatenmessgerät 100 ist in dem vorliegenden Fall also das zu vermessende System, das nicht zwangsläufig zu dem erfindungsgemäßen Messsystem 10 gehören muss. Anders ausgedrückt kann das erfindungsgemäße Messsystem 10 als eine von dem Koordinatenmessgerät 100 separate Baueinheit ausgestaltet sein.
Zu dem Messsystem 10 gehören in diesem Fall die Target-Vorrichtung 14, die Sensoren 16 und die Auswerte- und Steuereinheit 18. Alle übrigen Bauteile des Koordinatenmessgeräts 100 müssen nicht zwangsläufig zu dem Messsystem 10 gehören. Grundsätzlich ist es in dem in 1 gezeigten Anwendungsfall jedoch von Vorteil, wenn beispielsweise die Auswerte- und Steuereinheit 18 nicht nur Teil des erfindungsgemäßen Messsystems 10 ist, sondern auch Teil des Koordinatenmessgeräts 100 ist und somit nicht nur der Auswertung und Steuerung des Messsystems 10 dient, sondern auch der Auswertung und Steuerung des Koordinatenmessgeräts 100.
Bevor weiter unten auf das Funktionsprinzip und die Details des erfindungsgemäßen Messsystems 10 eingegangen wird, wird im Folgenden der Aufbau und die Funktion des Koordinatenmessgeräts 100 erläutert.
Das Koordinatenmessgerät 100 weist eine Basis 26 auf. Bei der Basis 26 handelt es sich vorzugsweise um eine stabile Platte, welche beispielsweise aus Granit gefertigt ist. Auf dieser Basis 26 kann ein Messtisch oder eine andere Art von Werkstückaufnahme angeordnet sein. Im Falle eines Messtisches (vorliegend nicht dargestellt) ist dieser vorzugsweise entlang zweier Achsen (x- und y-Achse) gegenüber der Basis 26 verfahrbar. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass die Basis 26 selbst als Werkstückaufnahme dient, ohne dass darauf ein separater Messtisch angeordnet ist.
Das Koordinatenmessgerät 100 ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in Portalweise ausgeführt. Auf der Basis 26 ist ein Portal 28 in Längsrichtung verschiebbar angeordnet. Diese Längsrichtung entspricht vorliegend der y-Achse. Das Portal 28 dient als bewegliche Trägerstruktur. Das Portal 28 weist zwei von der Basis 26 nach oben abragende Säulen auf, die durch einen Querträger miteinander verbunden sind und gesamthaft eine umgekehrte U-Form haben.
Zur Bewegung des Portals 28 wird üblicherweise ein motorischer Antrieb (z.B. ein Stellmotor) verwendet. Der Antrieb 20 ist in einem zu der Basis 26 weisenden Endbereich einer der abragenden Säulen angeordnet und dazu eingerichtet, das Portal 28 entlang der y-Achse zu verfahren.
An dem oberen Querträger des Portals 28 ist ein Schlitten 30 angeordnet, der in Querrichtung über einen zweiten motorischen Antrieb verfahrbar ist. Diese Querrichtung entspricht der x-Achse. Der zweite Antrieb ist vorzugsweise in dem Schlitten 30 verbaut.
Der Schlitten 30 trägt die Pinole 12, die entlang der z-Achse, also senkrecht zu der Basis 26, über einen dritten motorischen Antrieb verfahrbar ist.
Die Bezugsziffern 32, 34, 36 bezeichnen Messeinrichtungen, anhand derer die x-, y- und z-Positionen des Portals 28, des Schlittens 30 und der Pinole 12 bestimmt werden können. Typischerweise handelt es sich bei den Messeinrichtungen 32, 34, 36 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 28 relativ zu der Basis 26, die Position des Schlittens 30 relativ zu dem oberen Querbalken des Portals 28 und die Position der Pinole 12 relativ zu dem Schlitten 30 zu bestimmen.
An dem unteren freien Ende der Pinole 12 ist, wie bereits erwähnt, die zu dem Messsystem 10 gehörige Target-Vorrichtung 14 angeordnet. Beispielsweise kann die Target-Vorrichtung 14 über einen Adapter 38 an dem unteren Ende der Pinole 12 lösbar angeordnet sein.
Während einer Messung wird die Target-Vorrichtung 14 entlang einer vorgegebenen Trajektorie bewegt. Hierzu erhalten die einzelnen zuvor erwähnten Antriebe des Koordinatenmessgeräts 100 von der Auswerte- und Steuereinheit 18 Steuerbefehle, auf Basis derer die Antriebe jeweils einzeln oder gesamthaft beispielsweise über eine CNC-Ansteuerung angesteuert werden. Während dieser Bewegung lässt sich die Position der Target-Vorrichtung 14 mit Hilfe der zu dem Koordinatenmessgerät 100 gehörigen Messeinrichtungen 32, 34, 36 bestimmen.
Diese durch die Messeinrichtungen 32, 34, 36 erfolgte Positionsbestimmung wird in dem vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiel mit Hilfe des erfindungsgemäßen Messsystems 10 über- bzw. gegengeprüft. Dies geschieht, wie oben bereits erwähnt, indem die Sensoren 16 die Target-Vorrichtung anvisieren, dieser bei ihrer Bewegung folgen und währenddessen Messsignale erzeugen, anhand derer in der Auswerte- und Steuereinheit 18 mittels Multilateration die räumliche Position der Target-Vorrichtung 14 bestimmbar ist. Die Multilateration kann beispielsweise wie in der DE 199 47 374 A1 beschrieben erfolgen. 2 zeigt eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Target-Vorrichtung 14. Die Target-Vorrichtung 14 weist darin drei Targets 40 auf, die an einem Grundkörper 42 verteilt angeordnet sind. Bei den Targets 40 handelt es sich vorzugsweise um Retroreflektoren, die beispielsweise als Spiegel-Retroreflektoren oder Kugel-Retroreflektoren ausgestaltet sein können.
Die Targets 40 sind an dem Grundkörper 42 vorzugsweise fixiert, so dass deren relative Position und Lage zeitlich invariant ist. Diese relative Position und Lage der einzelnen Targets 40 zueinander wird als bekannt vorausgesetzt. Zumindest lässt diese sich einfach im Vorfeld der Verwendung des Messsystems 10 bestimmen.
Um die zeitliche Invarianz der relativen Position und Lage der einzelnen Targets 40 zueinander zu gewährleisten, ist es von Vorteil, wenn es sich bei dem Grundkörper 42 um einen starren Körper handelt, dessen temperaturabhängige Ausdehnung vergleichsweise gering ist. Der Grundkörper 42 der Target-Vorrichtung 14 ist daher vorzugsweise aus einem Material mit vergleichsweise geringem Wärmeausdehnungskoeffizient gefertigt. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper 42 kugelförmig ausgestaltet. Wenngleich dies von Vorteil ist, kann der Grundkörper 42 jedoch auch jede andere beliebige Form aufweisen, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ferner ist in 2 zu jedem Target 40 ein kegelförmiger Trichter 44 dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine schematische Darstellung des Akzeptanzwinkel-Bereichs der Targets 40. Je nach Ausführungsform der Targets 40 kann der Öffnungswinkel dieses Akzeptanzwinkel-Bereichs 44 unterschiedlich groß sein. Bei Spiegel-Retroreflektoren beträgt dieser Akzeptanzwinkel-Bereich typischerweise ca. +/- 15°. Bei Kugel-Retroreflektoren beträgt der Akzeptanzwinkel-Bereich 44 typischerweise +/- 80°.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Target-Vorrichtung 14', die in dem erfindungsgemäßen Messsystem 10 einsetzbar ist. Diese Target-Vorrichtung 14' ist dem Grunde nach ähnlich aufgebaut wie die in 2 gezeigte Target-Vorrichtung 14. Sie weist im Gegensatz zu dieser allerdings nicht nur drei, sondern sieben am Grundkörper 42 verteilt angeordnete Targets 40 auf. Die einzelnen Targets 40 sind auch hier vorzugsweise in einem regelmäßigen Muster auf einer physischen oder gedachten Kugeloberfläche angeordnet. Im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Target-Vorrichtung 14 ist die in 3 gezeigte Target-Vorrichtung 14' nahezu aus jeder Raumrichtung für Wellen erreichbar und kann diese Wellen in nahezu jede Raumrichtung reflektieren.
Als Wellen, die an den Targets 40 reflektiert werden, werden im vorliegenden Fall vorzugsweise elektromagnetische Wellen (Licht) verwendet. Die Sensoren 16 weisen dazu jeweils ein Laserinterferometer 46 auf, dessen Strahlrichtung mit Hilfe eines Dreh-Schwenk-Gelenks 48 veränderbar ist.
Alternativ zu Laserinterferometern 46 ließen sich in den Sensoren 16 jedoch beispielsweise auch Ultraschall-Sensoren, Radar-Sensoren oder Lidar-Sensoren verwenden. Anstelle von motorisch verstellbaren Dreh-Schwenk-Gelenken 48 ließe sich die Wirkrichtung der Sensoren 16 auch mittels alternativer Aktuatoriken verändern.
Das erfinderische Prinzip wird im Folgenden anhand der 4-6 verdeutlicht.
Die im vorliegenden Fall als Laserinterferometer 46 ausgestalteten Sensoren 16 richten jeweils einen Laserstrahl auf die Target-Vorrichtung 14. Genauer gesagt richtet jedes Laserinterferometer einen Laserstrahl auf jeweils ein Target 40 der Target-Vorrichtung 14. Die Laserstrahlen werden dann von dem jeweiligen Target 40 retroreflektiert und der reflektierte Strahl von den Laserinterferometern 46 wieder detektiert. Auf diese Weise wird eine Vielzahl von Messsignalen erhalten, was dem in 6 dargestellten ersten Verfahrensschritt S101 entspricht.
4 zeigt schematisch eine erste Situation, in der sechs verschiedene Sensoren 16 eine Target-Vorrichtung 14' mit sieben Targets 40 anvisieren. Zur besseren Differenzierung sind die einzelnen Sensoren mit römischen Ziffern I-VI durchnummeriert. Die Targets sind hingegen mit arabischen Ziffern 1-7 durchnummeriert.
4 stellt eine Situation zu einem beliebigen Zeitpunkt t₀ dar. Zu diesem Zeitpunkt t₀ visiert der Sensor 16-1 das Target 40-2 an. Der Sensor 16-II visiert das Target 40-1 an. Der Sensor 16-III visiert das Target 40-3 an. Der Sensor 16-IV visiert das Target 40-4 an. Der Sensor 16-V visiert das Target 40-3 an. Der Sensor 16-VI visiert das Target 40-1 an. Das Target 40-I wird also zum Zeitpunkt t₀ sowohl von dem Sensor 16-II als auch von dem Sensor 16-VI anvisiert. Das Target 40-3 wird zu dem Zeitpunkt t₀ sowohl von dem Sensor 16-III als auch von dem Sensor 16-V anvisiert.
Wie aus 4 erkennbar ist, sind zu diesem Zeitpunkt die Laserstrahlen aller Sensoren 16-1 bis 16-VI innerhalb der Akzeptanzwinkel-Bereiche 44 der von ihnen anvisierten Targets 40. Ebenso zu erkennen ist, dass der Laserstrahl, der von dem Sensor 16-1 ausgesandt wird, relativ nah an der Grenze des Akzeptanzwinkel-Bereichs 44 des Sensors 40-2 ist. Eine Bewegung der Target-Vorrichtung 14' aus der in 4 gezeigten Position heraus könnte also zu einem Signalverlust führen, sofern der Sensor 16-1 trotz der Positionsänderung der Target-Vorrichtung 14' weiterhin das Target 40-2 anvisiert.
Erfindungsgemäß steuert die Auswerte- und Steuereinheit 18 die Sensoren 16 derart, dass diese die von ihnen jeweils anvisierten Targets 40 dynamisch wechseln (siehe Schritt S102 in 6). Dieser Targetwechsel erfolgt in Abhängigkeit eines Qualitätskriteriums.
Dieses Qualitätskriterium kann einen Schwellwert einer Signalstärke des Messsignals des jeweiligen Sensors 16 und/oder einen Schwellwert des Einfallswinkels des Laserstrahls des Sensors 16 auf dem jeweiligen Target 40 umfassen. Anders ausgedrückt, sollte ein Targetwechsel stattfinden, wenn aufgrund einer Störkontur oder Abschattung eine Verminderung der Signalstärke auftritt und/oder bevor eine Akzeptanz-Winkelgrenze eines Targets 40 erreicht wird. Ein weiterer Grund für einen Targetwechsel wäre auch der Fall, wenn sich eine der Verstellmimiken der Sensoren 16 in der Nähe einer Singularitäts-Position befinden würde. Dies tritt beispielsweise ein, wenn die Richtung des von den Sensoren ausgestrahlten Laserstrahls parallel zu einer der Rotationsachsen des Dreh-Schwenk-Gelenks 46 ist. Da hier die Bewegungs-Dynamik deutlich eingeschränkt ist bzw. es gar zum Aufschwingen des Systems und somit zum Strahlverlust kommen kann, kann es von Vorteil sein, den Laser auf ein anderes, geeigneteres Target umzuorientieren.
Bei der in 5 dargestellten Situation, die beispielsweise eine Situation zum Zeitpunkt t₁ > t₀ zeigt, wurde der Sensor 16-II von dem Target 40-1 auf das Target 40-2 umorientiert. Der Sensor 16-III wurde von dem Target 40-3 auf das Target 40-1 umorientiert. Der Sensor 16-IV wurde von dem Target 40-4 auf das Target 40-3 umorientiert. Die Sensoren 16-I, 16-V und 16-VI visieren zum Zeitpunkt t₁ (5) jedoch nach wie vor das jeweils gleiche Target 40 an, das sie bereits zum Zeitpunkt t₀ (4) anvisiert haben.
Durch den beschriebenen Targetwechsel wird es möglich, dass jeder Sensor 16 zu jedem Zeitpunkt ein geeignetes Target 40 anvisiert und es zu keinem Zeitpunkt und keiner Position und Lage der Target-Vorrichtung 14 zu einem Signalverlust kommt.
Um einen Targetwechsel ausreichend genau gewährleisten zu können, wird die Target-Vorrichtung 14 vorzugsweise vor Verwendung des Messsystems 10 derart vermessen, dass für jedes an der Target-Vorrichtung angeordnete Target 40 neben seiner Position auch seine räumliche Lage/Orientierung bekannt ist und dessen zugehöriger Akzeptanzwinkel-Bereich bestimmt und abgespeichert wird. Somit ist es möglich, eine Annäherung an die Akzeptanzgrenze eines Targets während der Messung zu berechnen und zu berechnen, welches Target 40 bei der weiteren Bewegung der Target-Vorrichtung 14 geeigneter ist, um von dem jeweiligen Sensor 16 anvisiert zu werden.
Der Targetwechsel wird vorzugsweise nicht primär auf das Target 40 geschehen, bei dem der Abstand zu der Akzeptanz-Winkelgrenze am größten ist. Dies birgt nämlich die Gefahr, dass z.B. weniger als drei Targets insgesamt anvisiert werden, obwohl auch drei Targets im Sichtbarkeitsbereich der Sensoren 16 wären. Ein Anvisieren von mindestens drei verschiedenen Targets 40 ist insbesondere für eine 6D-Lokalisierung vonnöten. Somit beinhaltet das Qualitätskriterium vorzugsweise auch eine Mindestanzahl von anvisierten Targets.
Es ist leicht zu verstehen, dass für eine 3D-Messung mindestens zwei Targets und drei Sensoren verwendet werden müssen. Für eine 6D-Messung sind mindestens drei Targets und sechs Sensoren notwendig.
Bei einer Verwendung von inkrementellen Laserinterferometern 46 als Sensoren 16 ist es bevorzugt, dass das System prinzipiell überbestimmt betrieben wird. Dementsprechend ist es besonders bevorzugt, mindestens sieben Sensoren 16 einzusetzen. Dies ist von Vorteil, da nach einem Targetwechsel die Totstrecke des Lasers nur grob bekannt ist und über eine gewisse Anzahl an Messwerten erst neu kalibriert werden muss. Werden jedoch absolut-messende Interferometer eingesetzt, so ist dieser Schritt nicht zwingend notwendig.
Wie beschrieben, folgen somit alle Sensoren 16 der Target-Vorrichtung 14 und visieren zu jedem Zeitpunkt (außer den Wechselzeitpunkten) ein eindeutiges Target 40 an. Außer zu den Wechselzeitpunkten liefert somit jeder Sensor 16 nahezu dauerhaft ein valides Messsignal.
Anhand der Messsignale wird im letzten Schritt S103 (siehe 6) mittels bekannter Multilaterations-Technik die räumliche Position des beweglichen Bauteils, im vorliegenden Fall die Position des unteren Teils der Pinole 12 bestimmt. Bei einer 6D-Messung wird nicht nur die Position, sondern die Pose (Position und Lage) des bewegten Bauteils bestimmt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19947374 A1 [0077]

Claims

Messsystem (10) zum dimensionellen Messen, mit: - einer an einem beweglichen Bauteil anbringbaren Target-Vorrichtung (14), die eine Vielzahl von Targets (40) aufweist, wobei die Vielzahl von Targets (40) mindestens zwei Targets (40) umfasst; - einer Vielzahl von Sensoren (16), die jeweils dazu eingerichtet sind, eines der Vielzahl von Targets (40) anzuvisieren, diesem während einer Bewegung des beweglichen Bauteils zu folgen und dabei ein Messsignal zu erzeugen, das abhängig von einem Abstand zwischen dem jeweiligen Sensor (16) und dem jeweils anvisierten Target (40) ist, wobei die Vielzahl von Sensoren (16) mindestens drei Sensoren (16) umfasst; - einer Auswerte- und Steuereinheit (18), die dazu eingerichtet ist, die Messsignale auszuwerten, basierend auf den Messsignalen mittels Multilateration eine sich während der Bewegung des beweglichen Bauteils verändernde räumliche Position des beweglichen Bauteils zu bestimmen, und die Sensoren (16) derart zu steuern, dass diese in Abhängigkeit eines Qualitätskriteriums das jeweils anvisierte Target (40) dynamisch wechseln, um ein anderes der Vielzahl der Targets (40) anzuvisieren und diesem anschließend zu folgen und dabei das jeweilige Messsignal zu erzeugen.
Messsystem gemäß Anspruch 1, wobei die Sensoren (16) jeweils dazu eingerichtet sind, eines der Vielzahl von Targets (40) anzuvisieren, indem sie eine Welle aussenden, eine von dem entsprechenden Target (40) reflektierte Welle detektieren und basierend darauf das Messsignal erzeugen.
Messsystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensoren (16) jeweils ein Laserinterferometer (46), ein Ultraschall-Sensor, ein Radar-Sensor oder ein Lidar-Sensor aufweisen.
Messsystem gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei die Sensoren (16) jeweils ein Dreh-Schwenk-Gelenk (48) aufweisen.
Messsystem gemäß Anspruch 4, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (18) dazu eingerichtet ist, den dynamischen Wechsel des durch einen der Sensoren (16) jeweils anvisierten Targets (40) mithilfe des Dreh-Schwenk-Gelenks (48) des jeweiligen Sensors (16) zu bewirken.
Messsystem gemäß einem der Ansprüche 1-5, wobei die Targets (40) jeweils einen Retroreflektor aufweisen.
Messsystem gemäß Anspruch 6, wobei der Retroreflektor als Spiegel-Retroreflektor oder Kugel-Retroreflektor ausgestaltet ist.
Messsystem gemäß einem der Ansprüche 1-7, wobei das Qualitätskriterium von einem Schwellwert einer Signalstärke des jeweiligen Messsignals und/oder von einem Schwellwert eines Winkels, der sich durch die relative räumliche Ausrichtung des jeweiligen Sensors (16) zu dem jeweiligen Target (40) ergibt, abhängig ist.
Messsystem gemäß einem der Ansprüche 1-8, wobei die Targets (40) an der Target-Vorrichtung (14) fixiert sind und deren relative Position und Lage zeitlich invariant ist.
Messsystem gemäß einem der Ansprüche 1-9, wobei Targets (40) derart an der Target-Vorrichtung (14) angeordnet sind, dass deren Mittelpunkte auf einer imaginären Kugeloberfläche verteilt angeordnet sind.
Messsystem gemäß einem der Ansprüche 1-10, wobei die Anzahl der Sensoren (16) größer als die Anzahl der Targets ist.
Messsystem gemäß einem der Ansprüche 1-11, wobei die Vielzahl von Sensoren (16) mindestens sechs Sensoren (16) und die Vielzahl von Targets (40) mindestens drei Targets (40) umfasst, und wobei die Auswerte- und Steuereinheit (18) dazu eingerichtet ist, basierend auf den Messsignalen mittels Multilateration eine sich während der Bewegung des beweglichen Bauteils verändernde räumliche Position und Lage des beweglichen Bauteils zu bestimmen.
Messsystem gemäß einem der Ansprüche 1-12, wobei die Vielzahl von Sensoren (16) mindestens sieben Sensoren (16) und die Vielzahl von Targets (40) mindestens sechs Targets (40) umfasst.
Verfahren zum Messen einer sich verändernden räumlichen Position eines beweglichen Bauteils, mit den Schritten: - Erhalten einer Vielzahl von Messsignalen, die von einer Vielzahl von Sensoren (16) erzeugt werden, indem jeder der Sensoren (16) ein Target (40) einer Vielzahl von Targets (40), die an einer an dem beweglichen Bauteil angeordneten Target-Vorrichtung (14) angeordnet sind, anvisiert, wobei die Messsignale jeweils abhängig von einem Abstand zwischen dem jeweiligen Sensor (16) und dem jeweils anvisierten Target (40) sind; - Steuern der Sensoren (16), dass diese in Abhängigkeit eines Qualitätskriteriums das jeweils anvisierte Target (40) dynamisch wechseln, um ein anderes der Vielzahl der Targets (40) anzuvisieren und diesem anschließend zu folgen und dabei das jeweilige Messsignal zu erzeugen; und - Bestimmen der sich während einer Bewegung des beweglichen Bauteils verändernden räumlichen Position des beweglichen Bauteils basierend auf den Messsignalen mittels Multilateration.
Computerprogrammprodukt, das ein Computerprogramm aufweist, das dazu eingerichtet ist, bei Ausführung auf einem Computer das Verfahren nach Anspruch 14 auszuführen.