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Die
Erfindung betrifft ein 3D-Laser-Meßsystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Bei
einem derartigen Meßsystem
wird der von einem optischen Sender abgegebene Laser-Meßstrahl
durch ein mechanisches Strahlablenkungssystem derart abgelenkt,
daß eine
flächendeckende,
dreidimensionale räumliche
Umgebungsvermessung ermöglicht
ist. Die digitalisierten Meßdaten werden
auf einem Rechnersystem abgelegt und stehen dort zur weiteren Bearbeitung
und zur Visualisierung des vermessenen Objektes zur Verfügung.
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Die
3D-Vermessung erfolgt durch Führen des
modulierten Laserlichtes über
die zu vermessende Umgebung, wobei für unterschiedliche Raumrichtungen
sowohl der Entfernungs- als auch der Reflektivitätswert punktuell vermessen
werden kann. Aus der Anordnung aller vermessenen Raumrichtungen resultieren
Entfernungs- und Reflektivitätsbilder.
Die Entfernungsbilder geben die Geometrie der Umgebung wieder und
die Reflektivitätsbilder
deren visuelle Abbildung, analog zu den Grauwertbildern einer Videokamera.
Beide Bilder korrespondieren pixelweise und sind aufgrund der eigenständigen,
aktiven Beleuchtung mit Laserlicht weitgehend unabhängig von Umwelteinflüssen.
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Die
räumliche
Strahlablenkung erfolgt bei einem derartigen Meßsystem durch die genannte
mechanische Ablenkeinheit, wie sie beispielsweise aus der
US 6,034,803 A bekannt
ist. Dieses Strahlablenksystem hat einen Spiegel, über den
der von einem Sender abgegebene Laser-Meßstrahl auf ein Objekt gerichtet
wird. Der Spiegel ist um eine koaxial oder parallel zur Meßstrahl-Achse
des Senders angeordnete Drehachse um 360° drehbar gelagert. Der Austrittswinkel
des Meßstrahls
läßt sich über einen Schwenkmechanismus
verändern,
mit dem der Anstellwinkel des Spiegels mit Bezug zur Meßstrahlachse
veränderbar
ist. Bei der bekannten Lösung
ist die Schwenkachse des Spiegels auf einem Joch gelagert und trägt an einem
Endabschnitt ein Zahnrad, das mit einer Zahnstange kämmt, die über eine
Steuerrolle auf einer Steuerkurve abgestützt ist. Diese Steuerkurve
ist derart ausgebildet, daß bei
der vorgenannten Rotation des Spiegels der Anstellwinkel so verändert wird,
daß der
Umgebungsraum abtastbar ist. Um sicherzustellen, daß die Steuerrolle
der Zahnstange während
der Rotation zuverlässig
auf der Steuerkurve abgestützt
ist, ist die Schwenkachse über
Rückstellgewichte
derart beaufschlagt, daß die Zahnstange
in Richtung auf die Steuerkurve vorgespannt wird.
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Eine
derartige Ablenkeinheit hat aufgrund der Vielzahl von bewegten Elementen
(Steuerrolle, Rückstellgewichte,
Zahnstange, Zahnrad) einen sehr komplexen mechanischen Aufbau mit
einer großen Masse.
Ein weiterer Nachteil besteht in dem in Vertikalrichtung eingeschränkten Sichtbereich.
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Aus
der
EP 1 001 251 A1 ist
ein Laser-Positioniersystem bekannt, bei dem die mechanische Ablenkeinheit
zwei drehbar gelagerte Spiegel aufweist, denen jeweils ein Stellmotor
zugeordnet ist. Durch geeignete Ansteuerung dieser Spiegel läßt sich ebenfalls
eine 3D-Vermessung durchführen.
Auch bei dieser Variante ist ein erheblicher vorrichtungstechnischer
Aufwand zur räumlichen
Ablenkung des Meßstrahls
erforderlich.
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In
der
DE 42 22 659 A1 ist
ein Scanner für
einen Entfernungsmesser offenbart, bei dem ein Spiegelkasten in
einem Gehäuse
angeordnet ist, in dem die gesamte Empfangsoptik angeordnet ist,
die im Wesentlichen aus Empfangslinsen und diesen zugeordneten Empfangsspiegeln
zur Umlenkung der von einem Objekt reflektierten, für den Empfänger bestimmten
Strahlen besteht. Zur Ausrichtung des Messstrahls ist eine Sendespiegelanordnung
vorgesehen. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass ein erheblicher
vorrichtungstechnischer Aufwand zur Ausrichtung des austretenden
Messstrahls und zur Umlenkung der von einem Objekt reflektierten,
für den Empfänger bestimmten
Strahlen erforderlich ist.
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Aus
der
DE 44 45 464 A1 ist
eine Abtastvorrichtung bekannt, bei der ein Drehkopf über zwei
Kugellagerungen in einem Gehäuse
drehbar gelagert ist. Diese Lösung
hat einen komplexen mechanischen Aufbau, da der Messstrahl und die
von einem Objekt reflektierten, für den Empfänger bestimmten Strahlen durch
eine als Hohlwelle ausgebildete Antriebswelle geführt sind.
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Demgegenüber liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein 3D-Laser-Meßsystem
zu schaffen, das eine dreidimensionale Abtastung von zu vermessenden
Objekten mit verringertem vorrichtungstechnischen Aufwand ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein 3D-Laser-Meßsystem mit den Merkmalen nach
Patentanspruch 1 gelöst.
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Das
erfindungsgemäße Meßsystem
hat einen drehbaren Spiegel, dessen Drehachse etwa parallel oder
koaxial zur Strahlachse des auf den Spiegel auftretenden Meßstrahls
angeordnet ist, wobei der Spiegel zur Ausrichtung des austretenden
Meßstrahles
und zur Umlenkung der von einem Objekt reflektierten, für den Empfänger bestimmten
Strahlen Verwendung findet. Erfindungsgemäß hat der Drehkopf einen Gehäusemantel,
der einen etwa zylinderförmigen
Innenraum umgreift, in dem der Spiegel aufgenommen ist, wobei der
Gehäusemantel
eine ein Austrittsfenster bildende entspiegelte Scheibe hat, wobei
der Drehkopf zwischen zwei Stützschenkeln eines
Gehäuses
angeordnet gelagert ist, und wobei der Sender in einem Stützschenkel
aufgenommen ist. Die Lagerung des Spiegels ist so gewählt, daß dieser
umlaufend drehbar ist, so daß bei
einer Rotation des Spiegels um seine Drehachse ein Vollkreis (360°) abgetastet
werden kann. Die Abtastung erfolgt somit spaltenweise- bspw. in
Vertikalrichtung, während
bei der aus der
US 6,034,803
A bekannten Lösung
eine zeilenweise Abtastung erfolgt. Eine umlaufende Drehung des
Spiegels läßt sich
wesentlich einfacher steuern als die Pendelbewegung der aus der
US 6,034,803 A bekannten
Lösung.
Bei aus der
EP 1 001
251 A1 und der
DE
42 22 659 A1 bekannten Lösungen sind mindestens zwei
Spiegel mit jeweils einem Antrieb erforderlich, so daß die Ansteuerung ebenfalls
einen wesentlich höheren
Aufwand erfordert.
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Die
erfindungsgemäße Variante
ermöglicht es
beispielsweise, das Laser-Meßsystem
mit dem drehbar angeordneten Spiegel auf einen Meßwagen aufzusetzen
und das gesamte Profil eines Tunnels (360°) von einem fahrenden Meßzug aus
flächendeckend
zu messen.
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Bei
einer besonders bevorzugten Variante eines Meßsystems zur Vermessung dreidimensionaler Objekte
ist die Winkelposition des Drehkopfes über einen Encoder erfaßbar. Der
den Spiegel aufnehmende Drehkopf ist mittels eines eigenen Drehantriebes
umlaufend antreibbar. Der Antrieb für den Drehkopf und der Antrieb
des Spiegels sind unabhängig voneinander
ansteuerbar, so dass durch geeignete Ansteuerung die Datendichte
in relevanten Bereichen erhöht
und in weniger wichtigen Bereichen verringert werden kann.
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Besonders
vorteilhaft ist es, wenn die Scheibe zur Vermeidung diffuser Reflexionen
mit einem entsprechenden optischen Einsatz versehen ist.
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Der
Drehkopf mit dem Spiegel und dem dazugehörigen Antrieb ist in einem
Meßkopf
gelagert, der seinerseits um eine vorzugsweise senkrecht zur Drehachse
verlaufende Schwenkachse schwenkbar ist. Der Dreh- oder Schwenkwinkel
des Meßkopfes kann dabei
auf 180° begrenzt
werden, so daß durch die
Rotation des Spiegels und die Verschwenkung des Meßkopfes
um 180° eine
vollständige
3D-Abtastung (360°)
möglich
ist. Beim genannten Stand der Technik ist eine 360°-Drehung
des Messkopfs erforderlich, etwa um den gleichen Bereich wie bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
abzutasten.
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Im
folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen 3D-Laser-Meßsystems;
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2 einen
Schnitt durch das in 1 dargestellte 3D-Laser-Meßsystem
und
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3 eine
geschnittene Seitenansicht des 3D-Laser-Meßsystems aus 1.
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1 ist
eine Prinzipdarstellung eines 3D-Laser-Meßsystems mit einem um eine
vertikale Schwenkachse 2 verschwenkbaren Meßkopf 4.
Dieser hat ein Gehäuse 6 mit
zwei Stützschenkeln 8, 10, in
denen ein Drehkopf 12 gelagert ist, der um eine in der
Darstellung gemäß 1 horizontale
Drehachse 14 umlaufend drehbar ist. Der Drehkopf 12 hat
eine im folgenden noch näher
beschriebene Optik, durch die ein Laser-Meßstrahl auf ein Objekt gerichtet
werden kann.
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Durch
die drehbare Lagerung des Drehkopfes
12 läuft dieser
Meßstrahl
16 um
die Drehachse
14 um, so daß praktisch eine vertikale
Ebene abgetastet wird. Das vom Objekt reflektierte Laserlicht wird über den
Drehkopf
12 empfangen, umgelenkt und von einer Auswerteeinheit
mit einem optischen Empfänger ausgewertet,
wobei aus der Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal (Meßstrahl
16)
und dem über
den Empfänger
detektierten Streulicht auf die Laufzeit des Laserlichtes und somit
die Entfernung des Objektes vom Meßkopf
4 zurückgeschlossen werden
kann, während
die Amplitude des detektierten Streulichtes dem Intensitätswert entspricht
und von der Reflektivität
und der Entfernung des vermessenen Objektes abhängt. Es lassen sich somit Entfernungsbilder
als Grauwertbild darstellen, wobei jedem Entfernungswert ein entsprechender
Grauwert zugeordnet ist. Auch die Intensitätsbilder lassen sich als Grauwertbilder
darstellen, wobei dunkle Flächen
(geringe Reflektivität)
schwarz und helle Flächen
(hohe Reflektivität)
weiß erscheinen.
Diese Art der Grauwert-Kodierung ist dem menschlichen Auge sehr
vertraut und macht die Beurteilung von aufgenommenen Laserdaten
vor Ort ohne aufwendige Datenverarbeitung relativ einfach. Im Gegensatz
zu den Entfernungswerten hängt
der Intensitätswert
eines Objektes von zahlreichen Faktoren ab, beispielsweise von der
Reflektivität
der Oberfläche
(Anteil der rückgestreuten
Laserenergie), der Objektentfernung und dem Einfallswinkel des Laserstrahles.
Hinsichtlich der hochkomplexen Verarbeitung des vom Objekt reflektierten
und vom Meßkopf
detektierten Signals sei auf die deutsche Patentanmeldung
DE 198 51 307 A1 der
Anmelderin verwiesen.
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In 2 ist
ein Schnitt durch den Meßkopf 4 dargestellt.
Wie bereits vorstehend erwähnt,
wird durch das Gehäuse 6 ein
Stützschenkel 8 und
ein Stützschenkel 10 gebildet,
in denen der drehbare Drehkopf 12 gelagert ist. Die beiden
Stützschenkel 8, 10 gehen
nach unten (Ansicht nach 2) hin in eine Basis 18 über, die
auf einem Drehflansch 20 befestigt ist. Dieser Drehflansch 20 ist
an einen nicht dargestellten Schwenkantrieb ankoppelbar, so daß der dargestellte
Meßkopf 4 um
die Schwenkachse 2 verschwenkbar ist. Der Drehkopf 12 hat
einen Gehäusemantel 22,
durch den ein etwa zylinderförmiger
Innenraum 24 umgriffen wird, in dem ein schräg angestellter
Spiegel 26 aufgenommen ist.
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Wie
insbesondere aus 3, die eine Seitenansicht von
rechts auf die Darstellung gemäß 2 zeigt,
hervorgeht, hat der Gehäusemantel 22 einen
etwa zylinderförmigen,
den Innenraum 24 umgreifenden Abschnitt 28, auf
den ein Schacht 30 aufgesetzt ist. Dieser stützt eine
entspiegelte Scheibe 32 ab, wobei die Geometrie des Schachtes 30 so
gewählt
ist, daß sich
die Scheibe 32 tangential zum Abschnitt 28 erstreckt.
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Zur
Vermeidung von unerwünschten
diffusen Reflexionen kann an der Scheibe 32 ein derartige Reflexionen
unterbindender Einsatz ausgebildet sein.
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Am
Gehäusemantel 22 des
Drehkopfes 12 sind zwei flanschartige Vorsprünge 34, 36 ausgebildet,
zwischen denen sich die Scheibe 32 und der Schacht 30 erstrecken.
An der außen
liegenden Stirnfläche
des linken Vorsprunges 34 (2) ist eine
Antriebswelle 38 ausgebildet, die über eine Lagerung 40 in
dem Stützschenkel 8 gelagert
ist. Diese Lagerung 40 kann als Radial- und Axiallager
ausgeführt
sein. Prinzipiell könnte
die Axialführung
auch durch die Abstützung
der Vorsprünge 34, 36 an
den benachbarten Seitenwandungen der Stützschenkel 8, 10 erfolgen.
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An
dem von der Antriebswelle 38 entfernten Vorsprung 36 ist
eine Nabe 42 ausgebildet, die über ein Lager 44 in
dem Stützschenkel 10 des
Gehäuses 6 gelagert
ist.
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An
dem frei auskragenden Endabschnitt der Antriebswelle 38 ist
ein Antriebsritzel 46 befestigt, das über einen Riemen mit einem
Ausgangsritzel 50 eines Drehantriebes 52 verbunden
ist. Dieser hat eine das Ausgangsritzel tragende Ausgangswelle 54, die über Lager 56 in
der Basis 18 des Gehäuses 6 gelagert
ist. Die Drehwinkelposition des Drehkopfes 12 wird über einen
auf die Antriebswelle 38 aufgesetzten Drehgeber 54 erfaßt. Die
Ansteuerung des Drehantriebes 52 erfolgt über eine
Steuerung 66, die in der Basis 18 des Gehäuses 6 aufgenommen
ist. Wie aus der Darstellung gemäß 2 hervorgeht,
ist der vergleichsweise schwere Drehantrieb 52 mit seinem
Antriebsmotor etwa in der Schwenkachse 2 angeordnet, so
daß das
Massenträgheitsmoment
und eventuelle Unwuchten des gesamten Meßkopfes 4 mit Bezug zur
Schwenkachse 2 minimal sind. Der Schwenkantrieb des Meßkopfs 4 und
der Drehantrieb 52 des Drehkopfs 12 sind unabhängig voneinander
ansteuerbar.
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In
dem in 2 rechts dargestellten Stützschenkel 10 ist
ein optischer Sender 58 aufgenommen, über den Laserlicht mit einer
vergleichsweise geringen Leistung von einigen Milliwatt abgegeben wird.
Der vom Sender 58 abgegebene Laserstrahl ist im wesentlichen
koaxial zur Drehachse 14 ausgerichtet und tritt durch ein
lediglich für
das detektierte Streulicht wirksames Ablenkmittel 60 in
den einseitig offenen Innenraum 24 des Drehkopfes 12 ein,
trifft auf den Spiegel 26 und wird von diesem zur Scheibe 32 hin
reflektiert, so daß ein
Meßstrahl
aus dem Drehkopf 12 austritt. Der Austrittswinkel dieses
Meßstrahles
mit Bezug zur Schwenkachse 2 ist durch die Drehwinkelposition
des Spiegels 26 vorgegeben.
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Bei
dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist
das feststehende Ablenkmitel 60 durch einen Spiegel mit
einer Bohrung gebildet, die den von dem optischen Sender emittierten
Meßstrahl
in Richtung auf den drehbar gelagerten Spiegel 26 durchläßt.
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Der
vom Objekt reflektierte Strahl tritt durch die Scheibe 32 hindurch
in den Innenraum 24 ein, wird vom Spiegel 26 um
90° umgelenkt
und auf das Ablenkmittel 60 gerichtet. Der vom Ablenkmittel 60 reflektierte
Strahl 62 wird dann mit einem optischen Empfänger (APD) 64 erfaßt, über die
elektronische Steuerung und Auswerteeinheit 66 ausgewertet
und die eingangs beschriebenen Entfernungs- und Intensitätswerte
ermittelt und zur Visualisierung der Intensitätsbilder verarbeitet. Bei einer
Umdrehung des Drehkopfes 12 wird durch den umlaufenden
Laserstrahl eine in Vertikalrichtung (Ansicht nach 2) liegende
Ebene des zu vermessenden Objektes abgetastet. Die vollständige 3D-Abtastung
erfolgt dann durch Schwenken des gesamten Meßkopfes um die Schwenkachse 2,
so daß nach
einer Verschwenkung des Meßkopfes
um 180° ein
nahezu vollständiges Abbild
des Objektes, beispielsweise eines Tunnels oder eines Raumes, in
dem das 3D-Laser-Meßsystem
positioniert ist, vorliegt. Nicht abtastbar bei dem vorbeschriebenen
System ist der vom Meßkopf 4 abgedeckte
Bereich, der in 3 mit dem Winkel α angedeutet
ist.
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Aufgrund
des Meßprinzips
mit einer Verschwenkung des Meßkopfes 4 um
die Schwenkachse 2 und einer Rotation des Drehkopfes 12 mit
dem Spiegel 26 um die Drehachse 14 wird im Schnittpunkt der
durch die Drehung des Spiegels 26 abgetasteten Ebenen,
d.h. im Bereich des Schnittpunkts der Schwenkachse 2 mit
dem zu vermessenden Objekt die höchste
Datendichte vorliegen. Da die Antriebe für den Meßkopf und den Drehkopf unabhängig voneinander
ansteuerbar sind, können
mit dem erfindungsgemäßen System
bestimmte Fenster abgetastet werden, wobei die entkoppelten Antriebe
auch eine Steuerung der Datendichte in dem relevanten Bereich ermöglichen.
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Die
in den 2 und 3 dargestellte Variante kann
zur Vermessung von Körpern,
Freiformen, Gebäuden,
Denkmälern,
Kanälen
oder zur Führung
fahrerloser Transportsysteme in unzugänglichen Bereichen (Atomkraftwerk,
etc.) verwendet werden. Bei einer vereinfachten Version kann die Schwenkachse 2 entfallen
und der Meßkopf 4 auf
einem parallel zur Drehachse 14 verschiebbaren Schlitten
oder Wagen angeordnet werden. Eine derartige Lösung mit einem ohne Schwenkachse 2 ausgeführten Drehkopf 4 kann
beispielsweise zur Vermessung von Tunnelröhren verwendet werden, wobei
der Meßkopf 4 auf
einem den Tunnel durchfahrenden Meßwagen befestigt ist. In diesem
Fall würde sich
in Abhängigkeit
von der Fahrgeschwindigkeit des Meßwagens eine etwa spiralförmige Abtastung des
Tunnelinnenraumes ergeben.
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Die
erfindungsgemäße Lösung zeichnet
sich durch eine äußerst kompakte
Form mit einem sehr einfachen Aufbau aus, wobei die umlaufende Drehung
des den Spiegel 26 aufnehmenden Drehkopfes 12 durch
einen geeigneten Stellmotor äußerst präzise und
unabhängig
von der Ansteuerung des Meßkopfs
gesteuert werden kann, so daß auch
höchsten Anforderungen
an die Meßgenauigkeit
entsprochen werden kann.
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Offenbart
ist ein 3D-Laser-Meßsystem,
mit einem Spiegel, der um eine Drehachse umlaufend drehbar ist,
die parallel oder koaxial zu einem von einem optischen Sender abgegebenen,
auf den Spiegel auftreffenden Meßstrahl verläuft, wobei
der Spiegel zur Ausrichtung des austretenden Meßstrahles und zur Umlenkung
der von einem Objekt reflektierten, für den Empfänger bestimmten Strahlen Verwendung
findet. Erfindungsgemäß hat der
Drehkopf einen Gehäusemantel,
der einen etwa zylinderförmigen
Innenraum umgreift, in dem der Spiegel aufgenommen ist, wobei der
Gehäusemantel
eine ein Austrittsfenster bildende entspiegelte Scheibe hat, wobei der
Drehkopf zwischen zwei Stützschenkeln
eines Gehäuses
angeordnet gelagert ist, und wobei der Sender in einem Stützschenkel
aufgenommen ist.
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- 1
- 3D-Laser-Meßsystem
- 2
- Schwenkachse
- 4
- Meßkopf
- 6
- Gehäuse
- 8
- Stützschenkel
- 10
- Stützschenkel
- 12
- Drehkopf
- 14
- Drehachse
- 16
- Meßstrahl
- 18
- Basis
- 20
- Drehflansch
- 22
- Gehäusemantel
- 24
- Innenraum
- 26
- Spiegel
- 28
- Abschnitt
- 30
- Schacht
- 32
- Scheibe
- 34
- Vorsprung
- 36
- Vosprung
- 38
- Antriebswelle
- 40
- Lagerung
- 42
- Nabe
- 44
- Lager
- 46
- Antriebsritzel
- 48
- Riemen
- 50
- Ausgangsritzel
- 52
- Drehantrieb
- 54
- Ausgangswelle
- 56
- Lager
- 58
- Sender
- 60
- Ablenkmittel
- 62
- reflektierter
Strahl
- 64
- Empfänger
- 66
- Steuerung