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Die
Erfindung betrifft eine Hilfsvorrichtung und ein Verfahren zum Einmessen
einer optischen Messanordnung mit einem an einem Abstandshalter befestigten
optischen Sensor, insbesondere einer optischen Messanordnung zur
Verwendung an einem Industrieroboter.
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Aus
der
US 6 321 137 B1 ist
ein robotergeführter
optischer Sensor bekannt, mit Hilfe dessen im Produktionsumfeld
Werkstücke,
beispielsweise Fahrzeugkarosserien, an einem oder mehreren Messbereichen
vermessen werden können.
Der optische Sensor ist an der Roboterhand befestigt und wird mit Hilfe
des Roboters in ausgewählten
Messbereichen gegenüber
dem Werkstück
positioniert. Die Verwendung eines optischen Sensors als Messmittel
hat den Vorteil, dass ein solche Sensor berührungslos misst und sich daher
gegenüber
einem taktilen Sensor durch eine wesentlich höhere Messgeschwindigkeit und
eine geringere Schwingungsempfindlichkeit auszeichnet. Dadurch sind
schnelle und robuste Messungen im Produktionsumfeld möglich. Eine
Positionierung des optischen Sensors mit Hilfe eines Roboters hat
den zusätzlichen
Vorteil einer hohen Flexibilität
und reduzierter Kosten; weiterhin lassen sich mit Hilfe der Roboterpositionierung
eine gute Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Messergebnisse
erreichen.
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Voraussetzung
hierfür
ist allerdings, dass vor dem eigentlichen Messbetrieb eine hochgenaue
Kalibrierung des Gesamtsystems – bestehend
aus Roboter und optischem Sensor – durchgeführt wird. Hierbei wird in der
Regel zunächst
der Roboter kalibriert, indem seine Achsenfehler ermittelt und mit
Hilfe der Steuerung kompensiert werden. Weiterhin wird das optische
Sensorsystem kalibriert, wobei Fehler der Sensoroptik kompensiert
und die Lage des Sensorkoordinatensystems gegenüber einem äußeren Bezugspunkt, beispielsweise
dem Sensorgehäuse, ermittelt
wird. Schließlich
ist es notwendig, den Bezug zwischen der Lage des Sensorkoordinatensystems
und der Lage des Roboterkoordinatensystems herzustellen, um die
Lage von Messpunkten des Sensors im Roboterkoordinatensystem ermitteln
zu können.
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In
der
US 6 321 137 B1 wird
hierzu vorgeschlagen, den optischen Sensor mit Hilfe des Roboters
in unterschiedliche Raumpositionen gegenüber einem Referenzkörper zu
bewegen und aus den in diesen Raumpositionen gewonnenen Sensormessdaten
des Referenzkörpers
eine Kalibration des Gesamtsystems durchzuführen. Erfahrungsgemäß kann jedoch
auf diese Weise eine nur verhältnismäßig geringe
Genauigkeit erzielt, die für
viele Anwendungen im Produktionsfeld, insbesondere für Messungen
an Fahrzeug- Roh-) Karosserien, nicht ausreicht.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Hilfsvorrichtung vorzuschlagen, mit deren Hilfe eine robotergeführte optische
Messanordnung schnell, einfach und mit hoher Genauigkeit eingemessen
werden kann.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Ansprüche
1 und 2 gelöst.
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Danach
wird zum Einmessen der optischen Messanordnung, die einen optischen
Sensor und einen Abstandshalter zur Befestigung an einer Roboterhand
umfasst, eine Hilfsvorrichtung mit einer Grundplatte verwendet,
auf der die optische Messanordnung reproduzierbar befestigt werden
kann. Die Hilfsvorrichtung weist ein Sensortarget auf, das in einer
solchen Weise gegenüber
der Grundplatte angeordnet ist, dass es in Zusammenbaulage der optischen
Messanordnung mit der Hilfsvorrichtung im Messraum des optischen
Sensors liegt. Die auf der Hilfsvorrichtung befestigte optische
Messanordnung wird unter Verwendung eines weiteren (optischen oder
taktilen) Messsystems eingemessen, indem einerseits mit Hilfe dieses
weiteren Messsystems die Raumlage des Sensortargets ermittelt wird,
andererseits mit Hilfe der optischen Messanordnung Messungen des
Sensortargets durchgeführt
werden. Aus diesen Messungen wird die Raumlage des Sensorkoordinatensystems
der optischen Messanordnung berechnet.
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In
einer ersten Ausgestaltung der Erfindung wird mit Hilfe des weiteren
Messsystem die Raumlage des Sensortargets gegenüber der Grundplatte ermittelt,
so dass die mit Hilfe der optischen Messanordnung gewonnenen Messdaten
des Sensortargets verwendet werden, um die Raumlage des Sensorkoordinatensystems
relativ zur Grundplatte (und somit relativ zur Roboterhand) zu berechnen.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind auf
dem Abstandshalter und/oder dem Sensorgehäuse der optischen Messanordnung Messmarken
vorgesehen. Mit Hilfe des weiteren Messsystems wird die Raumlage
des Sensortargets gegenüber
diesen Messmarken ermittelt. Die unter Verwendung der optischen
Messanordnung gewonnenen Messdaten des Sensortargets werden dann verwendet,
um die Raumlage des Sensorkoordinatensystems relativ zu den Messmarken
zu berechnen.
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Diese
Messmarken sind beispielsweise durch Stahlkugeln gebildet, deren
Mittelpunkte mit Hilfe eines taktilen Messmittels, insbesondere
durch den Messfühler
einer Koordinatenmessmaschine, mit hoher Genauigkeit ermittelt werden
können.
Alternativ können
die Messmarken durch Retroreflektoren gebildet sein, was eine hochgenaue
Messung der Position dieser Messmarken mit Hilfe eines Lasertrackers
ermöglicht.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind die Messmarken
Retroreflektorkugeln, was sowohl eine taktile als auch eine optische
Messung der Positionen dieser Messmarken gestattet. Zweckmäßigerweise
sind diese Kugeln in einer solchen Weise lösbar an der optischen Messanordnung
befestigt, dass sie (während
des Messbetriebs) entfernt werden können, aber für das Einmessen
bzw. für
Kalibrations- und Überprüfungsmessung in
hochgenau reproduzierbarer Weise an der optischen Messanordnung
angebracht werden können.
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Durch
eine geeignete Anordnung der Messmarken kann die Raumlage des Sensorkoordinatensystems
gegenüber
den Messmarken mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Dies gestattet
eine hochgenaue Kalibrierung des Messbereichs des optischen Sensors
gegenüber
der Roboterhand. Weiterhin können
die Messmarken verwendet werden, um – beispielsweise mit Hilfe
eines Lasertrackers – die Raumlage
der an der Roboterhand befestigten optischen Messanordnung relativ
zum Roboterkoordinatensystem mit hoher Genauigkeit zu ermitteln
und auf diese Weise die Fehler bzw. Ungenauigkeiten bei der Transformation
der Sensormesswerte in das Roboterkoordinatensystem zu detektieren
bzw. zu kompensieren.
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Die
für das
Einmessen verwendete Hilfsvorrichtung kann klein, handlich und robust
gestaltet werden und kann daher einerseits in einem (taktil messenden)
Koordinatenmessgerät
ver wendet werden, um die Lage des Sensorkoordinatensystems relativ
zu den Messmarken zu ermitteln; sie kann andererseits im Fabrikumfeld
eingesetzt werden, um die Kalibration der optischen Messanordnung
turnusmäßig zu überprüfen. Insbesondere
eignet sich die Hilfsvorrichtung für das Einmessen und die Überprüfung unterschiedlicher
optischer Sensoren.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Dabei
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer robotergeführten optischen Messanordnung;
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2 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Hilfsvorrichtung zum Einmessen der
optischen Messanordnung der 1;
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1 zeigt
eine schematische Darstellung einer optischen Messanordnung 1 mit
einem optischen Sensor 2, der an einem Abstandshalter 3 befestigt
ist. Der Abstandshalter 3 weist einen Flansch 4 auf,
mit Hilfe dessen die optische Messanordnung 1 an einer
Roboterhand 5 eines mehrachsigen Manipulators, insbesondere
eines sechsachsigen Industrieroboters 6, montiert ist.
Zur Speicherung und Auswertung der Messdaten des optischen Sensors 2 ist eine
Auswerteeinheit 7 vorgesehen. Der Roboter 6 ist an
eine Robotersteuereinheit 8 zur Bewegungssteuerung der
Roboterhand 5 angeschlossen. Vor dem Messbetrieb wird der
Roboter 6 kalibriert, indem seine Achsenfehler ermittelt
und mit Hilfe der Steuereinheit 8 kompensiert werden.
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Im
Messbetrieb werden mit Hilfe des optischen Sensors 2 Messwerte
eines Messobjekts 9 gewonnen, wobei diese Messwerte in
einem (mit der optischen Messanordnung 1 mitbewegten) Sensorkoordinatensystem 10 erzeugt
werden. Um die Messwerte in ein raumfestes Roboterkoordinatensystem 11 oder
ein Koordinatensystem 12 des Messobjekts 9 transformieren
zu können,
muss die Raumlage des Sensorkoordinatensystems 10 im Roboterkoordinatensystem 11 in
Abhängigkeit
von der Bewegung der Roboterhand 5 bekannt sein. Hierzu
ist es notwendig, die optische Messanordnung 1 „einzumessen".
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Hierzu
wird die in 2 gezeigte Hilfsvorrichtung 13 verwendet.
Sie weist eine Grundplatte 14 auf, an der der Flansch 4 der
optischen Messanordnung 1 vorteilhafterweise in einer solchen
Weise befestigt werden kann, dass eine hochgenau reproduzierbare
Lage und Ausrichtung der optischen Messanordnung 1 gegenüber der
Hilfsvorrichtung 13 gewährleistet
ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird
der Flansch 4 mit Hilfe mehrerer Bolzen 15 an der
Grundplatte 14 angeschraubt.
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Auf
der Hilfsvorrichtung 13 ist ein Sensortarget 16 in
einer solchen Weise angeordnet, dass es sich in einem Messvolumen 17 des
optischen Sensors 2 befindet. Das Sensortarget 16 weist
geometrische Merkmale 18, 19 auf, die eine schnelle
und hochgenaue Berechnung der Lage und Ausrichtung des Sensors 2 gegenüber dem
Sensortarget 16 gestatten. Diese geometrischen Merkmale 18, 19 sind auf
das Messprinzip des optischen Sensors 2 abgestimmt. Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist der optische Sensor 2 in der Lage, einerseits (mit
Hilfe des Lichtschnittverfahrens) dreidimensionale Messpunkte zu
erzeugen, andererseits (mit Hilfe einer Graubildauswertung) zweidimensionale
Merkmale zu erkennen. In diesem Fall umfasst das Sensortarget 16 – wie in 2 angedeutet – eine oder
mehrere Höhenstufen 18 (deren
Raumlage mit Hilfe des Lichtschnittverfahrens gemessen werden kann).
Weiterhin umfasst das Sensortarget 16 mehrere kreisförmige Messmarken 19,
insbesondere Bohrungen (deren Mittelpunkte durch Bildverarbeitung
der Graubilder berechnet werden können). Auf diese Weise kann
mit hoher Genauigkeit die Raum- und Winkellage des Sensortargets 16 im
Sensorkoordinatensystem 10 ermittelt werden; daraus kann
die Lage des Sensorkoordinatensystems 10 gegenüber einem
fest mit der Hilfsvorrichtung 13 verbundenen Koordinatensystem 20 berechnet
werden.
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Im
folgenden wird das Einmessen der optischen Messanordnung 1 beschrieben:
Nach
der Befestigung der optische Messanordnung 1 auf der Grundplatte 14 der
Hilfsvorrichtung 13 werden mit Hilfe des Sensors 2 Messungen
des Sensortargets 16 durchgeführt, aus denen die Raumlage des
Sensorkoordinatensystems 10 (auch TCP = Tool Center Point
genannt) gegenüber
dem Sensortarget 16 ermittelt wird.
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Um
aus diesen Messungen die Raumlage des Sensorkoordinatensystems 10 relativ
zur Grundplatte 14 (und somit relativ zur Anflanschstelle
an die Roboterhand 5) bestimmen zu können, muss die Raumlage des
Sensortargets 16 in dem Koordinatensystem 20 der
Hilfsvorrichtung 13 hochgenau bekannt sein. Hierzu wird
die Lage des Sensortargets 16 auf der Hilfsvorrichtung 13 in
einem Koordinatenmessgerät – insbesondere
mit Hilfe eines taktilen Messfühlers 21 – vermessen.
Diese Messung kann zu einem Zeitpunkt durchgeführt werden, bevor die optische
Messanordnung 1 an der Hilfsvorrichtung 13 befestigt
wird; dies hat den Vorteil einer optimalen Zugänglichkeit. Durch taktile Messung
des Sensortargets 16 und (beispielsweise) der Lage und
Ausrichtung der Grundplatte 14 wird dabei die Lage des Sensortargets 16 gegenüber dem
in der Grundplatte 14 der Hilfsvorrichtung 13 verankerten
Koordinatensystem 20 ermittelt. Wenn die Grundplatte 14 identisch
zur Roboterhand 5 gestaltet ist, kann aus einer Kombination
der (durch die optische Messung des Sensors 2 gewonnenen)
Raumlage des Sensor targets 16 im Sensorkoordinatensystem 10 und
der (durch die taktile Messung des Messfühlers 21 gewonnenen)
Raumlage des Sensortargets 16 im Koordinatensystem 20 der
Grundplatte 14 eine Transformation berechnet werden, durch
die – nach
einem Anflanschen der optischen Messanordnung 1 an die Roboterhand 5 des
kalibrierten Industrieroboters 6 – die mit Hilfe des optischen
Sensors 2 gewonnenen Messdaten in das Roboterkoordinatensystem 11 überführt werden.
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Anstelle
des soeben beschriebenen Verfahrens, bei dem die Raumlage des Sensortargets 16 gegenüber der
Grundplatte 14 ermittelt wird, kann die Raumlage des Sensortargets 16 gegenüber Messmarken 22 ermittelt
werden, die auf der (während
des Einmessens auf der Halterung 13 fixierten) optischen Messanordnung 1 vorgesehen
sind. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind diese Messmarken 22 durch Stahlkugeln 23 gebildet,
die auf dem Abstandshalter 3 und dem Gehäuse 2' des optischen
Sensors 2 befestigt sind. Zur Befestigung der Metallkugeln 23 sind
am Abstandshalter 3 und am Sensorgehäuse 2' Gewindebohrungen 24 vorgesehen,
in die sogenannte „Nester" 25 eingeschraubt
werden. Die „Nester" 25 sind
als Ringscheiben ausgestaltet, in die die Stahlkugeln 23 in
einer hochgenau definierten Lage reproduzierbar eingelegt werden
können.
Die „Nester" 25 sind
mit Magnetelementen versehen, so dass die Stahlkugeln 23 – unabhängig von
der räumlichen Ausrichtung
der „Nester" 25 – sicher
in den „Nestern" 25 fixiert
und gehalten werden. In der Darstellung der 2 sind nur
einige Gewindebohrungen 24 mit „Nestern" 25 bestückt, und nur einige dieser „Nester" 25 sind
mit darin fixierten Stahlkugeln 23 dargestellt. Wie der
Fachmann weiß,
hat die Zahl und Lage der Messmarken 22 einen großen Einfluss
auf die Genauigkeit, mit der die räumliche Lage des Sensortargets 16 gegenüber der
Hilfsvorrichtung 13 (bzw. der auf der Hilfsvorrichtung 23 fixierten
optischen Messanordnung 1) bestimmt werden kann. Eine sorgfältige Wahl
der Messmarken 22 ist daher entscheidend für die Qualität des Einmessergebnisses.
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Das
Einmessen der auf der Hilfsvorrichtung 13 fixierten optischen
Messanordnung 1 umfasst nun – zusätzlich zu der oben beschriebenen
optischen Messung des Sensortargets 16 durch den Sensor 2 – eine taktile
Messung des Sensortargets 16 und der Messmarken 22 auf
Abstandshalter 3 und Sensorgehäuse 2' durch das Koordinatenmessgerät, dessen Messfühler 21 die
Stahlkugeln 23 von unterschiedlichen Seiten antastet und
aus den dabei gewonnenen Messdaten die Lage der Kugelmittelpunkte 26 berechnet.
Aus einer Kombination der optischen Messungen des Sensortargets 16 durch
den Sensor 2 und der taktilen Messungen des Sensortargets 16 und
der Stahlkugeln 23 durch den Messfühler 21 kann die Lage
des Sensorkoordinatensystems 10 relativ zu den Kugelmittelpunkten 26 hochgenau
bestimmt werden. Wird die optische Messanordnung 1 nun
an die Roboterhand 5 angeflanscht, so kann aus einer Messung
der Raumlagen der Stahlkugeln 23 im Roboterkoordinatensystem 11 hochgenau
auf die Lage des Sensorkoordinatensystems 10 relativ zum Roboterkoordinatensystem 11 rückgeschlossen
werden.
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Um
eine solche Messung der Raumlagen der Stahlkugeln 23 im
Fabrikumfeld durchführen
zu können,
ist es vorteilhaft, die Stahlkugeln 26 mit Retroreflektoren 27 zu
versehen; solche Retroreflektoren 27 gestatten eine hochgenaue
Positionsbestimmung mit Hilfe eines in 1 angedeuteten
Lasertrackers 28. Zweckmäßigerweise sind die Stahlkugeln 23 als
Retroreflektorkugeln ausgestaltet, so dass eine taktile und eine
optische Messung dasselbe Ergebnis für die Lage des Kugelmittelpunktes 26 liefert.
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Wie
oben beschrieben, wird die erfindungsgemäße Hilfsvorrichtung 13 genutzt,
um die optische Messanordnung 1 in einer Ko ordinatenmessmaschine
mit Hilfe eines taktilen Messfühlers 21 hochgenau einzumessen.
Daneben gestattet die Hilfsvorrichtung 13 im Produktionsumfeld
eine schnelle Überprüfung der
optischen Messanordnung 1, beispielsweise nach einem Crash:
Hierzu wird die optische Messanordnung 1 auf der Grundplatte 14 der
Hilfsvorrichtung 13 befestigt, und es wird mit Hilfe des
Sensors 2 eine Messung des Sensortargets 16 durchgeführt. Die
bei dieser Messung gewonnenen Ergebnisse werden mit den Ergebnissen
der während
des (oben beschriebenen) Einmessens durchgeführten Messung verglichen. Stimmen
die Ergebnisse überein,
so ist die optische Messanordnung 1 intakt; weichen die
Ergebnisse voneinander ab, so ist dies ein Indiz für eine Lageveränderung
des Sensors 2 gegenüber
dem Flansch 4 des Abstandshalters 3; in diesem
Fall muss die optische Messanordnung 1 erneut einem Einmessvorgang
unterzogen werden, bei dem die (veränderte) Raumlage des Sensorkoordinatensystems 10 gegenüber dem
Koordinatensystem 20 der Hilfsvorrichtung 13 bestimmt
wird.
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Sollen
mit Hilfe der auf dem Messroboter 6 montierten optischen
Messanordnung 1 reproduzierbar hochgenaue optische Messungen
durchgeführt werden,
so ist es vorteilhaft, in regelmäßigen zeitlichen
Abständen
die Lage des Sensorkoordinatensystems 10 relativ zum Roboterkoordinatensystem 11 zu überprüfen. Hierzu
wird die Roboterhand 5 mit Hilfe der Robotersteuerung 8 in
unterschiedliche Raum- und Winkellagen positioniert, in denen jeweils die
Raumlagen der Stahlkugeln 23 auf Abstandshalter 3 und
Sensorgehäuse 2' gemessen werden.
Aus den jeweiligen Lagen der Kugelmittelpunkte 26 der an
der Roboterhand 5 angeflanschten optischen Messanordnung 1 kann
auf die Roboterkalibrierung, d.h. die Transformation zwischen dem
(raumfesten) Roboterkoordinatensystem 11 und dem (bewegten) Koordinatensystem
der Roboterhand 5, rückgeschlossen
werden.
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Die
Lagerung der Stahlkugeln 23 bzw. der Retroreflektorkugeln
in magnetischen „Nestern" 25 hat
den Vorteil, dass die Stahlkugeln 23 während des Messbetriebs entfernt
werden können;
dadurch wird im Messbetrieb das Gewicht der optischen Messanordnung 1 und
somit die Belastung der Roboterhand 5 verringert; weiterhin
wird der Raumbedarf der optischen Messanordnung 1 reduziert.
Falls im Zuge des Messbetriebs (z.B. aufgrund eines Crashs des Messroboters 6)
eine weitere Kalibration der optischen Messanordnung 1 bzw.
des Messroboters 6 notwendig wird, können die Kugeln 23 jederzeit
in reproduzierbarer Weise in die „Nester" 25 eingelegt werden.
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Neben
der oben beschriebenen Ausgestaltung der Messmarken 22 als
Stahlkugeln 23 bzw. Retroreflektorkugeln sind beliebige
andere Formen von Messmarken möglich.
Weiterhin kann die während des
Einmessens stattfindende taktile Messung der Messmarken 22 (mit
Hilfe des Messfühlers 21)
durch eine optische Messung (z.B. mit Hilfe eines Lasertrackers
oder eines anderen optischen Messmittels) ersetzt werden.
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Die
Hilfsvorrichtung 13 kann für optische Messanordnungen 1 mit
unterschiedlichen Messprinzipien eingesetzt werden, insbesondere
für Lichtschnittsensoren,
CCD-Kameras mit Graubildverarbeitung, Streifenprojektionssensoren
etc.