DE102012217176A1 - Method for aligning a laser sensor to a measured object - Google Patents

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Ulrich Dörr
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Skalieren der Position und der Ausrichtung wenigstens eines Laserabstandssensors zu einem Eichkörper, wobei jeder Laserabstandssensor jeweils einen Laser und einen Sensor aufweist, umfassend die folgenden chronologischen Schritte A) bis C): A) Anordnen eines wohldefinierten Eichkörpers mit einer zumindest bereichsweise genau definierten Geometrie in einen Messaufbau umfassend die Laserabstandssensoren, wobei die Lage des Eichkörpers durch das Anordnen des Eichkörpers im Messaufbau genau definiert wird, und Grobausrichtung zumindest eines Laserabstandssensors zum Eichkörper; B) Abstandsmessungen mehrerer Messpunkte oder eines kontinuierlichen Verlaufs auf der Oberfläche des Eichkörpers durch den Laserabstandssensor oder die Laserabstandssensoren, wobei der Eichkörper im Messaufbau relativ zu dem Laserabstandssensor oder den Laserabstandssensoren bewegt wird, um dem Laser des Laserabstandssensors oder den Lasern der Laserabstandssensoren die Bestrahlung der verschiedenen Messpunkte oder des kontinuierlichen Verlaufs für die Abstandsmessungen zu ermöglichen; und C) Bestimmen der Position und der Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors zum Eichkörper anhand der Abstandsmessungen und der bekannten Geometrie und Lage des Eichkörpers im Messaufbau. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Messung der Dicke eines Körpers oder einer Beschichtung eines beschichteten Körpers in einem Messaufbau, wobei bei der Messung der Dicke der Beschichtung zumindest ein Laserabstandssensor verwendet wird, dessen Position und Ausrichtung zum Eichkörper mit einem solchen Verfahren bestimmt wurde oder der zuvor im Messaufbau mit einem solchen Verfahren gegen einen Eichkörper ausgerichtet wurde Schließlich betrifft die Erfindung noch eine Vorrichtung zum Durchführen solcher Verfahren.The invention relates to a method for scaling the position and the alignment of at least one laser distance sensor to a calibration body, each laser distance sensor each having a laser and a sensor, comprising the following chronological steps A) to C): A) Arranging a well-defined calibration body with at least one Geometry precisely defined in regions in a measurement setup comprising the laser distance sensors, the position of the calibration body being precisely defined by the arrangement of the calibration body in the measurement setup, and rough alignment of at least one laser distance sensor to the calibration body; B) Distance measurements of several measuring points or a continuous course on the surface of the calibration body by the laser distance sensor or the laser distance sensors, wherein the calibration body is moved in the measurement setup relative to the laser distance sensor or the laser distance sensors in order to the laser of the laser distance sensor or the lasers of the laser distance sensors the irradiation of the different To enable measuring points or the continuous course for the distance measurements; and C) determining the position and the alignment of the at least one laser distance sensor to the calibration body on the basis of the distance measurements and the known geometry and position of the calibration body in the measurement setup. The invention also relates to a method for measuring the thickness of a body or a coating of a coated body in a measurement setup, with at least one laser distance sensor being used when measuring the thickness of the coating, the position and alignment of which with respect to the calibration body was determined using such a method was previously aligned in the measurement setup with such a method against a calibration body. Finally, the invention also relates to a device for performing such methods.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Skalieren der Position und der Ausrichtung wenigstens eines Laserabstandssensors. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Messung der Dicke eines Körpers oder die Dicke einer Beschichtung eines beschichteten Körpers in einem Messaufbau, wobei bei der Messung zumindest ein Laserabstandssensor verwendet wird. Schließlich betrifft die Erfindung noch eine Vorrichtung zum Durchführen solcher Verfahren.The invention relates to a method for scaling the position and the orientation of at least one laser distance sensor. The invention also relates to a method for measuring the thickness of a body or the thickness of a coating of a coated body in a measurement setup, wherein at least one laser distance sensor is used in the measurement. Finally, the invention also relates to a device for carrying out such methods.

Laserabstandssensoren finden unter anderem dann Anwendung, wenn die Dicke einer Beschichtung präzise gemessen werden soll. Dabei wird das von der Beschichtung auf einem Objekt reflektierte Licht gemessen und daraus die Dicke der Beschichtung bestimmt.Laser distance sensors are used, inter alia, when the thickness of a coating is to be measured precisely. In this case, the light reflected from the coating on an object is measured and from this the thickness of the coating is determined.

Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der EP 2 031 347 A1 bekannt, bei dem bei der Messung auch die Temperatur des zu beschichtenden Objekts gemessen wird, um bei einer Dickenmessung eine genauere Abschätzung der Dicke einer Beschichtung zu erhalten.Such a method is for example from the EP 2 031 347 A1 In the case of measurement, the temperature of the object to be coated is also measured in order to obtain a more accurate estimate of the thickness of a coating in the case of a thickness measurement.

Ein Verfahren zur Schichtdickenmessung mittels Lasertriangulation ist aus der EP 2 312 267 A1 bekannt. Die Messung wird vor und während oder nach dem Beschichten gemessen und kann dabei punktuell durchgeführt werden. Ein ähnliches Verfahren kommt bei der DE 103 13 888 A1 zum Einsatz. Bei dem Verfahren wird ein Abstand mit einem Lasertriangulationsverfahren bestimmt und mit einem Referenzwert verglichen, um die Dicke einer Beschichtung abschätzen zu können.A method for measuring the coating thickness by means of laser triangulation is known from EP 2 312 267 A1 known. The measurement is measured before and during or after coating and can be carried out selectively. A similar procedure comes with the DE 103 13 888 A1 for use. In the method, a distance is determined by a laser triangulation method and compared with a reference value in order to be able to estimate the thickness of a coating.

Für alle diese Verfahren ist es wichtig die Position der Laser für die Messung genau einzustellen, um eine verlässliche Bestimmung der Schichtdicken zu ermöglichen. Ein Fehler bei der Positionierung wirkt sich auf die Genauigkeit der Schichtdickenmessung aus und führt daher zu Fehlern bei der Bestimmung der Schichtdicke. Ziel ist es die Position und die Ausrichtung des Lasers möglichst genau an dem zu messenden Objekt auszurichten.For all these methods, it is important to precisely set the position of the laser for the measurement in order to allow a reliable determination of the layer thicknesses. An error in the positioning affects the accuracy of the layer thickness measurement and therefore leads to errors in the determination of the layer thickness. The aim is to align the position and the orientation of the laser as closely as possible to the object to be measured.

Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zur Positionierung eines Lasers eines Laserabstandssensors zu einem zu messenden beschichteten Körper bereitzustellen, das möglichst einfach durchführbar ist und zu einer möglichst genauen Justage und Positionierung des Laserabstandssensors zu dem zu messenden Objekt führt.The object of the invention is therefore to provide a method for positioning a laser of a laser distance sensor to a coated body to be measured, which is as simple to carry out and leads to the most accurate adjustment and positioning of the laser distance sensor to the object to be measured.

Weitere nicht explizit genannte Aufgaben ergeben sich aus dem Gesamtzusammenhang der nach folgenden Beschreibung, Beispiele und Ansprüche.Other tasks not explicitly mentioned arise from the overall context of the following description, examples and claims.

Gelöst werden diese sowie weitere nicht explizit genannte Aufgaben, die jedoch aus den hierin einleitend diskutierten Zusammenhängen ohne weiteres ableitbar oder erschließbar sind, durch ein Verfahren mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 16. Zweckmäßige Abwandlungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1 werden in den Unteransprüchen 2 bis 15 unter Schutz gestellt. Ebenso wird eine zweckmäßige Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 16 in Unteranspruch 17 unter Schutz gestellt. Eine Lösung der Aufgaben der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung zur Umsetzung eines solchen Verfahrens nach Anspruch 18 bereitgestellt. Die Unteransprüche 19 und 20 beanspruchen zweckmäßige Abwandlungen der Vorrichtung.These are solved as well as other tasks which are not explicitly mentioned, but which can be readily deduced or deduced from the contexts discussed herein by way of a method having all the features of patent claim 1 and by a method having all the features of claim 16. Advantageous modifications of the method according to the invention according to claim 1 are provided in the dependent claims 2 to 15 under protection. Likewise, a useful modification of the method according to claim 16 is provided in dependent claim 17 under protection. A solution of the objects of the invention is also provided by an apparatus for implementing such a method according to claim 18. The dependent claims 19 and 20 claim appropriate modifications of the device.

Die vorliegende Erfindung wird dementsprechend realisiert durch ein Verfahren zum Skalieren der Position und der Ausrichtung wenigstens eines Laserabstandssensors zu einem Eichkörper, wobei jeder Laserabstandssensor jeweils einen Laser und einen Sensor aufweist, umfassend die folgenden chronologischen Schritte A) bis C):

  • A) Anordnen eines wohldefinierten Eichkörpers mit einer zumindest bereichsweise genau definierten Geometrie in einen Messaufbau umfassend die Laserabstandssensoren, wobei die Lage des Eichkörpers durch das Anordnen des Eichkörpers im Messaufbau genau definiert wird, und Grobausrichtung zumindest eines Laserabstandssensors zum Eichkörper;
  • B) Abstandsmessungen mehrerer Messpunkte oder eines kontinuierlichen Verlaufs auf der Oberfläche des Eichkörpers durch den Laserabstandssensor oder die Laserabstandssensoren, wobei der Eichkörper im Messaufbau relativ zu dem Laserabstandssensor oder den Laserabstandssensoren bewegt wird, um dem Laser des Laserabstandssensors oder den Lasern der Laserabstandssensoren die Bestrahlung der verschiedenen Messpunkte oder des kontinuierlichen Verlaufs für die Abstandsmessungen zu ermöglichen; und
  • C) Bestimmen der Position und der Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors zum Eichkörper anhand der Abstandsmessungen und der bekannten Geometrie und Lage des Eichkörpers im Messaufbau.
Accordingly, the present invention is accomplished by a method of scaling the position and orientation of at least one laser proximity sensor to a calibration body, each laser distance sensor each having a laser and a sensor comprising the following chronological steps A) through C):
  • A) arranging a well-defined calibration body with an at least partially precisely defined geometry in a measurement setup comprising the laser distance sensors, wherein the position of the calibration body is precisely defined by arranging the calibration body in the measurement setup, and coarse alignment of at least one laser distance sensor to the calibration body;
  • B) distance measurements of a plurality of measurement points or a continuous course on the surface of the calibration body by the laser distance sensor or the laser distance sensors, wherein the calibration body is moved in the measurement setup relative to the laser distance sensor or the laser distance sensors to the laser of the laser distance sensor or the lasers of the laser distance sensors, the irradiation of the allow different measurement points or the continuous course for the distance measurements; and
  • C) Determining the position and the orientation of the at least one laser distance sensor to the calibration body based on the distance measurements and the known geometry and position of the calibration body in the measurement setup.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren können des Weiteren unter anderem die folgenden Vorteile erzielt werden:
Das Verfahren ist einfach umsetzbar und daher kostengünstig in der Realisierung. Zudem kann mit dem Verfahren eine hohe Genauigkeit einer anschließenden Messung erzielt werden. Es kann dabei ausreichen, wenn nur die Ausrichtung des Laserabstandssensors eingestellt wird.
By the method according to the invention, among others, the following advantages can be achieved:
The method is simple to implement and therefore inexpensive to implement. In addition, with the method, a high accuracy of a subsequent measurement can be achieved. It may be sufficient if only the orientation of the laser distance sensor is adjusted.

Einem Skalieren der Position und der Ausrichtung wenigstens eines Laserabstandssensors kommt es gleich, wenn nur die Position und die Ausrichtung wenigstens eines Lasers eines Laserabstandssensors skaliert werden, wenn der Laser und der Sensor des Laserabstandssensors nicht zueinander fixiert sind.A scaling of the position and the orientation of at least one laser distance sensor is the same if only the position and the orientation of at least one laser of a laser distance sensor are scaled, if the laser and the sensor of the laser distance sensor are not fixed to one another.

Unter einer genau definierten Geometrie und Lagerung des Eichkörpers wird eine möglichst hohe Genauigkeit verstanden. Bevorzugt können die Abmessungen und die Lagerung des Eichkörpers auf mindestens 0,5 mm, besonders bevorzugt auf mindestens 0,1 mm, ganz besonders bevorzugt auf mindestens 0,01 mm genau gefertigt sein. Die Winkel der Oberflächen zur Drehachse und zueinander können mindestens auf 1° genau gefertigt sein, bevorzugt auf mindestens 0,1° genau, ganz besonders bevorzugt auf mindestens 0,01° genau. Under a well-defined geometry and storage of the calibration body is understood as high accuracy. Preferably, the dimensions and the mounting of the calibration body can be manufactured to at least 0.5 mm, particularly preferably to at least 0.1 mm, very particularly preferably to at least 0.01 mm. The angles of the surfaces to the axis of rotation and to each other can be made at least to 1 °, preferably to at least 0.1 ° accurate, most preferably to at least 0.01 ° accurate.

Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Verfahren einen Schritt D) umfasst, D) Justage des zumindest einen Laserabstandssensors anhand der so bestimmten Position und Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors zum Eichkörper, so dass eine gewünschte Position und eine gewünschte Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors zum Eichkörper angestrebt wird, wobei Schritt D) nach dem Schritt C) erfolgt.It can be inventively provided that the method comprises a step D), D) adjustment of the at least one laser distance sensor based on the thus determined position and orientation of the at least one laser distance sensor to the calibration body, so that a desired position and a desired orientation of the at least one laser distance sensor Calibration body is sought, wherein step D) after step C) takes place.

Durch das Durchführen der Justage direkt nach der Messung oder zwischen verschiedenen Messungen kann erreicht werden, dass die Auswertung einer anschließenden Messung vereinfacht wird, ohne dass die anschließende Messung rechnerisch korrigiert werden müsste.By performing the adjustment directly after the measurement or between different measurements can be achieved that the evaluation of a subsequent measurement is simplified, without the subsequent measurement would have to be corrected computationally.

Eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorsehen, dass die Abstandsmessungen an zumindest fünf Messpunkten auf der Oberfläche des Eichkörpers durch den Laserabstandssensor durchgeführt werden oder die Laserabstandssensoren durchgeführt werden.A further embodiment of a method according to the invention can provide that the distance measurements are performed on at least five measuring points on the surface of the calibration body by the laser distance sensor or the laser distance sensors are performed.

Eine höhere Anzahl von Messpunkten führt zu einem kleineren Fehler bei der anschließenden Auswertung der Resultate. Gleichzeitig führt aber eine geringe Anzahl von Messpunkten zu einer Beschleunigung des gesamten Verfahrens.A higher number of measuring points leads to a smaller error in the subsequent evaluation of the results. At the same time, however, a small number of measuring points accelerate the entire process.

Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Eichkörper drehbar im Messaufbau gelagert wird und die Messpunkte durch Drehen des Eichkörpers im Messaufbau um die Drehachse angesteuert werden oder der kontinuierliche Verlauf durch Drehen des Eichkörpers im Messaufbau um die Drehachse abgefahren wird, wobei bevorzugt der Laserabstandssensor oder die Laserabstandssensoren an der Drehachse als gewünschte Ausrichtung ausgerichtet wird oder werden, besonders bevorzugt, die Ausrichtung des Laserabstandssensors oder der Laserabstandssensoren zur Drehachse mit einem Winkel (Γ) von weniger als 20° erfolgt, ganz besonders bevorzugt mit einem Winkel (Γ) von weniger als 5° erfolgt.According to a further, particularly preferred embodiment of the invention can be provided that the calibration body is rotatably mounted in the measurement setup and the measurement points are driven by rotating the calibration body in the measurement setup about the axis of rotation or the continuous course is driven by rotating the calibration body in the measurement setup about the axis of rotation , wherein preferably the laser distance sensor or the laser distance sensors is aligned at the rotation axis as a desired orientation or, more preferably, the orientation of the laser distance sensor or the laser distance sensors to the rotation axis with an angle (Γ) of less than 20 °, most preferably at an angle (Γ) less than 5 °.

Ein drehbarer Eichkörper, insbesondere eine Drehscheibe als Eichkörper, vereinfacht den gesamten Aufbau. Zudem kann der Aufbau mit einem drehbaren Eichkörper wesentlich kompakter gestaltet werden.A rotatable calibration body, in particular a turntable as calibration body, simplifies the entire structure. In addition, the structure can be made much more compact with a rotating calibration body.

Dabei kann vorgesehen sein, dass die Winkelgeschwindigkeit (ω) des Eichkörpers um die Drehachse beim Bestimmen der Position und der Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors zum drehbaren Eichkörper rechnerisch berücksichtigt wird, insbesondere bei der Abstandsmessung des kontinuierlichen Verlaufs.It can be provided that the angular velocity (ω) of the calibration body about the axis of rotation when determining the position and orientation of the at least one laser distance sensor to the rotatable calibration body is taken into account mathematically, in particular in the distance measurement of the continuous course.

Durch dieses Verfahren ergeben sich Möglichkeiten für eine einfache Auswertung des durch die Drehung periodischen Signals.By this method, there are possibilities for a simple evaluation of the signal periodic by the rotation.

Ferner kann dabei vorgesehen sein, dass der Drehwinkel (φ) des Eichkörpers bestimmt wird, wobei bevorzugt die Zeit (t) bei bekannter Winkelgeschwindigkeit (ω) gemessen wird, um den Drehwinkel (φ) des Eichkörpers zu bestimmen, wobei besonders bevorzugt ein Marker auf dem Eichkörper mit dem zumindest einen Laserabstandssensor gemessen wird, um eine volle Umdrehung zu bestimmen. Furthermore, it can be provided that the angle of rotation (.phi.) Of the calibration body is determined, the time (t) preferably being measured at known angular velocity (.omega.) In order to determine the angle of rotation (.phi.) Of the calibration body, with a marker being particularly preferred the calibration body is measured with the at least one laser distance sensor to determine a full revolution.

Hierdurch kann eine zusätzliche direkte Messung des Drehwinkels (φ) des Eichkörpers vermieden werden.As a result, an additional direct measurement of the rotation angle (φ) of the calibration body can be avoided.

Ganz besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass als Eichkörper eine Drehscheibe verwendet wird, wobei bevorzugt die Drehscheibe gegen die Drehachse geneigt ist, besonders bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 5° und 60°, ganz besonders bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 15° und 30° geneigt ist.Most preferably, it can be provided that a turntable is used as the calibration body, wherein preferably the turntable is inclined against the rotation axis, particularly preferably a tilt angle (δ) between 5 ° and 60 °, very particularly preferably a tilt angle (δ) between 15 ° and 30 ° is inclined.

Durch die Neigung beziehungsweise Verkippung der Drehscheibe erhöht sich bei einer periodischen Messung der überstrichene Wertebereich des Signals der Abstandsmessung. Dies führt zu einem besser auswertbaren Signal und damit zu einer genaueren Skalierung der Ausrichtung und gegebenenfalls auch der Position des zumindest einen Laserabstandssensors gegenüber dem Eichkörper.Due to the inclination or tilting of the turntable increases in a periodic measurement of the swept value range of the signal of the distance measurement. This leads to a better evaluable signal and thus to a more accurate scaling of the orientation and optionally also the position of the at least one laser distance sensor relative to the calibration body.

Dabei kann vorgesehen sein, dass der Verkippungswinkel (δ) der Drehscheibe gegen die Drehachse beim Bestimmen der Position und der Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors zur Drehscheibe rechnerisch berücksichtigt wird. It can be provided that the tilt angle (δ) of the turntable against the axis of rotation in determining the position and the orientation of the at least one laser distance sensor to the turntable is considered mathematically.

Durch diese Maßnahme kann eine weitere Vereinfachung der Berechnung der gesuchten Parameter erzielt werden. Dabei gilt für die Skalierung der Ausrichtung und der Position eines einzelnen Laserabstandssensors, dass der Verkippungswinkel (δ) der Drehscheibe gegen die Drehachse möglichst genau bekannt sein muss.By this measure, a further simplification of the calculation of the sought parameters can be achieved. For the scaling of the orientation and the position of a single laser distance sensor, the tilt angle (δ) of the rotary disk relative to the axis of rotation must be known as precisely as possible.

Auch kann vorgesehen sein, dass der von dem Laser des zumindest einen Laserabstandssensors erzeugte Laserstrahl während der Abstandsmessung immer auf die jeweils gleiche Seite der Drehscheibe trifft. It can also be provided that the laser beam generated by the laser of the at least one laser distance sensor always hits the respectively identical side of the turntable during the distance measurement.

Auch diese Maßnahme dient der Vereinfachung der rechnerischen Auswertung zur Bestimmung der Position und Ausrichtung des Laserabstandssensors.This measure also serves to simplify the arithmetic evaluation for determining the position and orientation of the laser distance sensor.

Eine besonders bevorzugte Ausbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die Position und die Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors zur Drehscheibe durch Parameterfits der Gleichung

Figure DE102012217176A1_0002
bestimmt werden oder mit einer Taylorreihenentwicklung dieser Gleichung bestimmt werden, vorzugsweise mit einer Fourier-Analyse einer Taylorreihenentwicklung dieser Gleichung bestimmt werden, wobei l1 die Messwerte des zumindest einen Laserabstandssensors beim Auftreffen auf die Drehscheibe ist, n der Normalvektor der Drehscheibe, d1 der Positionsvektor des Schnittpunkts einer Oberfläche der Drehscheibe mit der Drehachse, b1 der Positionsvektor des virtuellen Schnittpunkts des Laserstrahls mit der zugehörigen x-y-Ebene E1 durch den Punkt d1, ĉ1 der in der z-Richtung auf den Betrag von 1 normierten Richtungsvektor des auf die Drehscheibe einfallenden Laserstrahls von Laser 1 in Richtung steigender Messwerte und l0,1 der Messwert des Laserabstandssensors, welcher sich beim Vermessen des Punktes b1 ergeben würde..A particularly preferred embodiment of the invention can provide that the position and orientation of the at least one laser distance sensor to the hub by Parameterfits the equation
Figure DE102012217176A1_0002
be determined or determined by a Taylor series expansion of this equation, preferably determined by a Fourier analysis of a Taylor series evolution of this equation, where l 1 is the measurements of the at least one laser distance sensor when hitting the turntable, n is the normal vector of the turntable, d 1 is the position vector the point of intersection of a surface of the turntable with the axis of rotation, b 1 the position vector of the virtual intersection of the laser beam with the associated xy plane E 1 through the point d 1 , ĉ 1 of the directional vector of the normalized in the z direction direction vector of the turntable incident laser beam from laser 1 in the direction of increasing measured values and l 0.1 the measured value of the laser distance sensor, which would result in measuring the point b 1 ..

Eine Auswertung der genannten Formel mit den angegebenen Mitteln ist rechnerisch umsetzbar und daher zur kalkulatorischen Auswertung geeignet.An evaluation of the above formula with the specified means is mathematically feasible and therefore suitable for calculatory evaluation.

Es kann auch vorgesehen sein, dass bei der Berechnung der Daten für die Bestimmung der Position und der Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors zum Eichkörper aus einer periodischen Abstandsmessung die Amplituden einer Grundwelle (F1,1), insbesondere die Amplituden einer Grundwelle (F1,1) und zumindest der ersten Oberwelle (F2,1), verwendet werden, wobei bevorzugt die Grundwelle (F1,1) und/oder zumindest die erste Oberwelle (F2,1) durch eine Fourier-Analyse der periodischen Abstandsmessung berechnet werden, besonders bevorzugt durch eine Taylorreihenentwicklung und eine Fourier-Analyse der periodischen Abstandsmessung berechnet werden.It can also be provided that in calculating the data for determining the position and orientation of the at least one laser distance sensor for the calibration body from a periodic distance measurement, the amplitudes of a fundamental wave (F 1,1 ), in particular the amplitudes of a fundamental wave (F 1, 1 ) and at least the first harmonic (F 2,1 ), wherein preferably the fundamental (F 1,1 ) and / or at least the first harmonic (F 2,1 ) are calculated by a Fourier analysis of the periodic distance measurement , are particularly preferably calculated by a Taylor series development and a Fourier analysis of the periodic distance measurement.

Die Auswertung einer Grundwelle (F1,1) und zumindest der ersten Oberwelle (F2,1) des periodischen Signals führt bei hoher Genauigkeit des Ergebnisses zu einer einfachen Umsetzbarkeit des Verfahrens. Details hierzu finden sich in der mathematischen Herleitung zu den 3 bis 5 im Folgenden. The evaluation of a fundamental wave (F 1,1 ) and at least the first harmonic (F 2,1 ) of the periodic signal results in high accuracy of the result to a simple practicability of the method. Details can be found in the mathematical derivation of the 3 to 5 hereinafter.

Dabei kann vorgesehen sein, dass bei der Berechnung der Grundwelle (F1,1) und/oder zumindest der ersten Oberwelle (F2,1) angenommen wird, dass die Amplituden der Grundwelle (F1,1) und/oder zumindest der ersten Oberwelle (F2,1) größer oder gleich Null ist.It can be provided that in the calculation of the fundamental wave (F 1,1 ) and / or at least the first harmonic (F 2,1 ) is assumed that the amplitudes of the fundamental wave (F 1,1 ) and / or at least the first Harmonic (F 2.1 ) is greater than or equal to zero.

Diese Annahme führt ebenfalls zu einer Vereinfachung der rechnerischen Auswertung der Signale.This assumption also leads to a simplification of the arithmetic evaluation of the signals.

In einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Winkel β1 und γ1 und die Amplituden Ĉ1 und B1 der Darstellung der Vektoren

Figure DE102012217176A1_0003
in Zylinderkoordinaten zur Bestimmung der Position und der Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors mit den Gleichungen
Figure DE102012217176A1_0004
berechnet werden, wobei µ1 die Phasenlage der Grundwelle von l1(φ) und η1 die Phasenlage der 1. Oberwelle von l1(φ) ist, ĉz1 = sign(cz1) die z-Ausrichtung des Lasers zur Drehscheibe angibt, δ der Verkippungswinkel der Drehscheibe gegen die Drehachse ist und F1,1 die gemessene Amplitude der Grundwelle und F2,1 die gemessene Amplitude der ersten Oberwelle ist.In a very particularly preferred embodiment of the method according to the invention, it can be provided that the angles β 1 and γ 1 and the amplitudes Ĉ 1 and B 1 of the representation of the vectors
Figure DE102012217176A1_0003
in cylindrical coordinates for determining the position and orientation of the at least one laser distance sensor with the equations
Figure DE102012217176A1_0004
where μ 1 is the phase position of the fundamental wave of l 1 (φ) and η 1 is the phase position of the first harmonic of l 1 (φ), ĉ z1 = sign (c z1 ) indicates the z-orientation of the laser to the turntable , δ is the tilt angle of the turntable against the axis of rotation and F 1,1 is the measured amplitude of the fundamental and F 2,1 is the measured amplitude of the first harmonic.

Diese Formeln stellen bei hoher Genauigkeit eine starke Vereinfachung der Formeln zur Auswertung eines Signals einer sich drehenden verkippten beziehungsweise geneigten Drehscheibe dar.These formulas, with high accuracy, greatly simplify the formulas for evaluating a signal from a rotating tilted or tilted turntable.

Ferner kann vorgesehen sein, dass die Abstandsmessungen mit einem Lasertriangulationsverfahren durchgeführt werden und/oder dass der zumindest eine Laserabstandssensor im Zuge der Ausrichtung anhand der gemessenen Daten und/oder der daraus berechneten Größen kalibriert wird.Furthermore, provision can be made for the distance measurements to be carried out using a laser triangulation method and / or for the at least one laser distance sensor to be calibrated in the course of alignment on the basis of the measured data and / or the variables calculated therefrom.

Die Kalibrierung erfolgt besonders bevorzugt durch die Berechnung des additiven Anteils l0,1 des jeweiligen Messsignals durch l0,1 = F0,1 – F2,1·cos(γ1 – β1). The calibration is particularly preferably carried out by the calculation of the additive proportion l 0.1 of the respective measurement signal by l 0.1 = F 0.1 - F 2.1 · cos (γ 1 - β 1 ).

Lasertriangulationsverfahren sind einfach und kostengünstig in der Umsetzung und für die Umsetzung erfindungsgemäßer Skalierungsverfahren besonders geeignet.Laser triangulation methods are simple and inexpensive to implement and particularly suitable for the implementation of scaling methods according to the invention.

Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die relative Position und Ausrichtung zumindest zweier Laserabstandssensoren zueinander bestimmt werden und dabei Unsicherheiten durch Fehler bei der Einschätzung der Lage und Geometrie des Eichkörpers ausgeglichen werden.A further development of the invention can provide that the relative position and orientation of at least two laser distance sensors are determined relative to one another, and uncertainties are compensated for by errors in the assessment of the position and geometry of the calibration body.

Durch die Relativbestimmung können Fehler oder Unsicherheiten in der Geometrie und der Lagerung des Eichkörpers ausgeglichen werden.The relative determination can compensate for errors or uncertainties in the geometry and the bearing of the calibration body.

Die Aufgaben der Erfindung werden auch gelöst durch ein Verfahren zur Messung der Dicke eines Körpers oder einer Beschichtung eines beschichteten Körpers in einem Messaufbau, wobei bei der Messung der Dicke zumindest ein Laserabstandssensor verwendet wird, dessen Position und Ausrichtung zum Eichkörper mit einem solchen Verfahren bestimmt wurde oder der zuvor im Messaufbau mit einem solchen Verfahren gegen einen Eichkörper ausgerichtet wurde.The objects of the invention are also achieved by a method for measuring the thickness of a body or a coating of a coated body in a measurement setup, wherein at least one laser distance sensor whose position and orientation to the calibration body has been determined by such a method is used in the measurement of the thickness or which has previously been aligned in the measurement setup with such a method against a calibration body.

Die Vorteile der Skalierung kommen bei einer Messung der Dicke eines Körpers oder einer Beschichtung eines beschichteten Körpers besonders stark zum Tragen.The advantages of scaling are particularly significant in measuring the thickness of a body or coating of a coated body.

Solche Verfahren können bevorzugt auch die folgenden chronologischen Schritte umfassen:

  • E) Entfernen des Eichkörpers aus dem Messaufbau;
  • F) Einsetzen des beschichteten Körpers in eine Lagerung, die eine bekannte Position und Orientierung zu dem zuvor gelagerten Eichkörper im Messaufbau hat; und
  • G) Messen der Dicke eines Körpers oder dessen Beschichtung mit Hilfe des zumindest einen ausgerichteten und positionierten Laserabstandssensors und/oder Messen der Dicke des einen Körpers oder dessen Beschichtung, wobei die Position und die Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors rechnerisch berücksichtigt wird.
Such methods may preferably also include the following chronological steps:
  • E) removing the calibration body from the measurement setup;
  • F) inserting the coated body into a bearing having a known position and orientation to the previously stored calibration body in the measurement setup; and
  • G) measuring the thickness of a body or its coating by means of the at least one aligned and positioned laser distance sensor and / or measuring the thickness of the one body or its coating, wherein the position and orientation of the at least one laser distance sensor is taken into account mathematically.

Wie durch die alphabetische Ordnung der Buchstaben angedeutet, werden die genannten Schritte in chronologischer Reihenfolge und nach den Schritten A) bis G) erfindungsgemäßer Ausrichtungsverfahren durchgeführt.As indicated by the alphabetical order of the letters, said steps are carried out in chronological order and according to steps A) to G) of the alignment methods according to the invention.

Erfindungsgemäß kann ferner ein Schritt H) vorgesehen sein, der nach dem Schritt G) erfolgt, in dem ein Bestimmen der Dicke der Beschichtung aus der Messung der Dicke des beschichteten Körpers durchgeführt wird.Further, according to the invention, a step H) may be provided after step G), in which a determination of the thickness of the coating is carried out from the measurement of the thickness of the coated body.

Die Aufgaben der Erfindung werden auch gelöst durch eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens, bei dem die Vorrichtung zumindest einen Laserabstandssensor und eine Lagerung für einen zu vermessenden Körper umfasst, wobei jeder Laserabstandssensor einen Laser und einen Sensor aufweist, die Lagerung zur Halterung eines Eichkörpers mit zumindest bereichsweiser genau definierter Oberfläche ausgelegt ist und der Eichkörper in der Vorrichtung definiert bewegbar ist.The objects of the invention are also achieved by an apparatus for carrying out such a method, in which the apparatus comprises at least one laser distance sensor and a bearing for a body to be measured, each laser distance sensor having a laser and a sensor, the bearing for supporting a calibration body with at least in areas defined well-defined surface is designed and the calibration body is defined in the device movable.

Dabei kann vorgesehen sein, dass der Eichkörper drehbar in der Vorrichtung gelagert ist oder lagerbar ist und der Eichkörper um definierte Winkel (φ) um eine Drehachse drehbar ist und/oder mit zumindest einer definierten Winkelgeschwindigkeit (ω) drehbar ist.It can be provided that the calibration body is rotatably mounted in the device or is storable and the calibration body is rotatable about a defined angle (φ) about an axis of rotation and / or with at least one defined angular velocity (ω) is rotatable.

Dabei kann wiederum vorgesehen sein, dass der Eichkörper eine Scheibe ist, die gegen die Drehachse geneigt ist, bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 5° und 60° geneigt ist, besonders bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 15° und 30° geneigt ist, ganz besonders bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 20° bis 25° geneigt ist.It can be provided in turn that the calibration body is a disc which is inclined against the axis of rotation, preferably tilted by a Verkippungswinkel (δ) between 5 ° and 60 °, more preferably by a Verkippungswinkel (δ) between 15 ° and 30 ° is inclined, most preferably inclined by a tilt angle (δ) between 20 ° to 25 °.

Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass es durch eine Messung auf der Oberfläche eines definierten Eichkörpers gelingt, die Position und Ausrichtung eines Laserabstandssensors beziehungsweise eines Laser eines solchen Laserabstandssensors so genau zu skalieren, dass bei einer anschließenden Messung eines beschichteten Körpers mit unbekannter Schichtdicke der Beschichtung eine besonders hohe Genauigkeit erreicht werden kann, beziehungsweise eine Verbesserung in der Genauigkeit erreicht werden kann. Das Verfahren ist dabei relativ einfach durchzuführen und mit der Rechenleistung moderner Rechensysteme leicht umsetzbar.The invention is based on the surprising finding that it is possible to scale the position and orientation of a laser distance sensor or a laser of such a laser distance sensor so accurately by measuring on the surface of a defined calibration body that in a subsequent measurement of a coated body with unknown layer thickness Coating a particularly high accuracy can be achieved, or an improvement in the accuracy can be achieved. The method is relatively simple to perform and easy to implement with the computing power of modern computing systems.

Ziel eines erfindungsgemäßen Messaufbaus und einer erfindungsgemäßen Auswerteprozedur beziehungsweise eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, die Lage und Verkippung eines oder mehrerer Laserabstandssensoren relativ zu einer durch den Messaufbau definierten Drehachse zu bestimmen. Der Vorgang ist sehr robust, da er den absoluten Messwert des Laserabstandssensors nicht verwendet. Außerdem zeichnet sich der Messaufbau durch eine geringe Bauhöhe aus.The aim of a measurement setup according to the invention and an evaluation procedure or a method according to the invention is to determine the position and tilt of one or more laser distance sensors relative to a rotation axis defined by the measurement setup. The process is very robust because it does not use the absolute value of the laser distance sensor. In addition, the test setup is characterized by a low height.

Die so bestimmten Lageparameter können insbesondere dazu genutzt werden

  • a) einen oder mehrerer Laserabstandssensoren parallel zu einer durch den Messaufbau definierten Drehachse auszurichten,
  • b) zwei oder mehrere Lasersensoren zueinander parallel auszurichten, und/oder
  • c) die Laserstrahlen von zwei gegenläufigen Laserabstandssensoren exakt aufeinander zu legen.
The position parameters determined in this way can be used in particular for this purpose
  • a) align one or more laser distance sensors parallel to a rotation axis defined by the measurement setup,
  • b) align two or more laser sensors parallel to each other, and / or
  • c) to place the laser beams of two counter-rotating laser distance sensors exactly on each other.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung und Berechnungen zu der Erfindung anhand von fünf schematisch dargestellten Figuren erläutert, ohne jedoch dabei die Erfindung zu beschränken. Dabei zeigt:Exemplary embodiments of the invention and calculations relating to the invention are explained below with reference to five schematically illustrated figures, without, however, limiting the invention. Showing:

1: eine schematische Seitenansicht eines Aufbaus zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer gewünschten Position; 1 a schematic side view of a structure for implementing a method according to the invention in a desired position;

2: eine schematische Seitenansicht eines Aufbaus zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit grober Ausrichtung zu Beginn des Verfahrens; 2 a schematic side view of a structure for implementing a method according to the invention with coarse alignment at the beginning of the process;

3: eine schematische perspektivische Darstellung zur Verdeutlichung der Winkelverhältnisse in einem Aufbau zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Ausgangssituation; 3 : a schematic perspective view to illustrate the angular relationships in a structure for implementing a method according to the invention in an initial situation;

4: zwei schematische Seitenansichten einer Drehscheibe nach der Darstellung in 3; und 4 Two schematic side views of a turntable according to the representation in 3 ; and

5: ein perspektivisches Diagramm zur Verdeutlichung der geometrischen Verhältnisse. 5 : a perspective diagram to illustrate the geometric relationships.

1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Messaufbaus zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer gewünschten Position. Der Messaufbau umfasst einen Laserabstandssensor 2, der einen Laser 8 und einen Sensor 10 aufweist. Der Laser 8 und der Sensor 10 sind in einem festen Winkel zueinander angeordnet. Oberhalb des Laserabstandssensors 2 wird eine Scheibe als Eichkörper 12 angeordnet und drehbar um eine Drehachse z gelagert. Die Drehachse z muss dabei keine materielle Achse sein, wie durch die Zeichnung suggeriert wird, zum Beispiel wenn der Eichkörper 12 in einem drehbaren Rahmen gehalten wird. 1 shows a schematic side view of a measurement setup for implementing a method according to the invention in a desired position. The measurement setup includes a laser distance sensor 2 who has a laser 8th and a sensor 10 having. The laser 8th and the sensor 10 are arranged at a fixed angle to each other. Above the laser distance sensor 2 becomes a disk as a calibration body 12 arranged and rotatably supported about a rotation axis z. The axis of rotation z does not have to be a material axis, as suggested by the drawing, for example if the calibration body 12 is held in a rotatable frame.

Der Laserstrahl aus dem Laser 8 trifft den Eichkörper 12 in der gezeigten Darstellung auf der Unterseite. Ebenso gut könnte der Laserstrahl aber auch auf die Oberseite des Eichkörpers 12 treffen. Als Sensoren 10 können herkömmliche CCD-Chips mit einer vorgeschalteten Linse verwendet werden. Solche Sensoren 10 zur Messung des reflektierten Laserlichts sind aus Lasertriangulationsverfahren zur Bestimmung der Schichtdicke eines beschichteten Körpers bekannt.The laser beam from the laser 8th hits the calibration body 12 in the illustration on the underside. Just as well, the laser beam could also on the top of the calibration body 12 to meet. As sensors 10 For example, conventional CCD chips with an upstream lens can be used. Such sensors 10 for measuring the reflected laser light are known from laser triangulation method for determining the layer thickness of a coated body.

In der in 1 gezeigten Ansicht ist der Laser 8 in einer gewünschten Ausrichtung zum Eichkörper 12 ausgerichtet, nämlich parallel zur Drehachse z des Eichkörpers 12. Wenn der Laserstrahl als Vektor im Koordinatensystem des Eichkörpers 12 aufgefasst wird, liegt dieser parallel zur z-Achse. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren soll die in 1 gezeigte Ausrichtung und Positionierung des Laserabstandssensors 2 zum Eichkörper 12 erreicht werden oder eine Korrekturformel bestimmt werden, mit der die Messergebnisse des Laserabstandssensors 2 umgerechnet werden können, so dass diese dem Messergebnis eines korrekt ausgerichteten Laserabstandssensors 2 (wie in 1 gezeigt) entsprechen würden.In the in 1 The view shown is the laser 8th in a desired orientation to the calibration body 12 aligned, namely parallel to the axis of rotation z of the calibration body 12 , If the laser beam as a vector in the coordinate system of the calibration body 12 is understood, this is parallel to the z-axis. With the method according to the invention, the in 1 shown alignment and positioning of the laser distance sensor 2 to the calibration body 12 be reached or a correction formula can be determined, with which the measurement results of the laser distance sensor 2 can be converted so that they the measurement result of a correctly aligned laser distance sensor 2 (as in 1 shown) would correspond.

Zunächst ist der Laserabstandssensor 2 in dem Messaufbau nur grob ausgerichtet oder fehlerhaft ausgerichtet. Diese Anordnung ist in 2 als schematische Seitenansicht gezeigt. Der Laserabstandssensor 2 ist dabei nicht genau parallel der Drehachse z des Eichkörpers 12 angeordnet sondern gegen die z-Achse verkippt. Ziel des Verfahrens ist es, den Laserabstandssensor 2 so gegen den Eichkörper 12 auszurichten, dass die Anordnung dem in 1 gezeigten Zustand möglichst nahe kommt. Alternativ kann auch die Korrekturformel bestimmt werden, um die mit dem verkippten Laserabstandssensor 2 aufgenommenen Messdaten so zu korrigieren, dass sie den Messdaten eines gut ausgerichteten Laserabstandssensors 2 (in 1 gezeigt) entsprechen.First, the laser distance sensor 2 only roughly aligned or misaligned in the measurement setup. This arrangement is in 2 shown as a schematic side view. The laser distance sensor 2 is not exactly parallel to the axis of rotation z of the calibration body 12 arranged but tilted against the z-axis. The aim of the method is to use the laser distance sensor 2 so against the calibration body 12 to align that the arrangement in the 1 shown state comes as close as possible. Alternatively, the correction formula may also be determined to match that with the tilted laser distance sensor 2 to correct recorded measurement data in such a way that it matches the measurement data of a well-aligned laser distance sensor 2 (in 1 shown).

Dazu wird der Eichkörper 12 in den Messaufbau eingebracht und dort drehbar gelagert. Mit dem Laserabstandssensor 2 werden mehrere Messpunkte auf der unteren Oberfläche des Eichkörpers 12 aufgenommen. Dazu wird der Eichkörper 12 im Aufbau gedreht. Bevorzugt werden nicht nur diskrete Messpunkte auf der Oberfläche des Eichkörpers 12 aufgenommen, sondern es wird ein kontinuierlicher Verlauf der Abstände des Laserabstandssensors 2 von der Oberfläche des sich drehenden Eichkörpers 12 aufgenommen. Bei bekannter Winkelgeschwindigkeit ω und möglichst genau bekannter Geometrie des Eichkörpers 12 können aus dem periodischen Signal des Laserabstandssensors 2 Informationen gewonnen werden, die präzise Rückschlüsse auf die Anordnung und Ausrichtung des Lasers 8 und dadurch des Laserabstandssensors 2 zum Eichkörper 12 erlauben. Die so gewonnenen Informationen können zur Justage des Laserabstandssensors 2 verwendet werden, um den in 1 gewünschten Zustand zu erreichen oder diesem möglichst nahe zu kommen. Alternativ können die so gewonnenen Informationen zur Berechnung der Korrekturformel verwendet werden, um die mit dem verkippten Laserabstandssensor 2 aufgenommenen Messdaten so zu korrigieren, dass sie den Messdaten eines gut ausgerichteten Laserabstandssensors 2 (in 1 gezeigt) entsprechen.This is the calibration body 12 introduced into the measuring structure and rotatably mounted there. With the laser distance sensor 2 be several measuring points on the lower surface of the calibration body 12 added. This is the calibration body 12 shot in construction. Not only discrete measuring points on the surface of the calibration body are preferred 12 but it is a continuous course of the distances of the laser distance sensor 2 from the surface of the rotating calibration body 12 added. At a known angular velocity ω and as accurately known geometry of the calibration body 12 can from the periodic signal of the laser distance sensor 2 Information can be obtained, the precise conclusions about the arrangement and orientation of the laser 8th and thereby the laser distance sensor 2 to the calibration body 12 allow. The information thus obtained can be used to adjust the laser distance sensor 2 to be used in the 1 to achieve the desired state or to come as close as possible. Alternatively, the information thus obtained may be used to calculate the correction formula to match that with the tilted laser distance sensor 2 to correct recorded measurement data in such a way that it matches the measurement data of a well-aligned laser distance sensor 2 (in 1 shown).

In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Drehscheibe 12 als Eichkörper 12 drehbar im Messaufbau gelagert. Die Drehscheibe 12 ist aus der Drehachse z um einen Winkel δ geneigt. Die Drehscheibe 12 wird in den Laserstrahl des Laserabstandssensors 2 gebracht und die Messwerte der Abstandsmessung des Lasers 8 zum Auftreffpunkt des Laserstrahls auf der Drehscheibe 12 während deren Drehung erfasst.In a preferred embodiment, a turntable 12 as calibration body 12 rotatably mounted in the test setup. The turntable 12 is inclined from the rotation axis z by an angle δ. The turntable 12 gets into the laser beam of the laser distance sensor 2 and the measured values of the distance measurement of the laser 8th to the point of impact of the laser beam on the turntable 12 detected during their rotation.

Optional wird noch der absolute Winkel (oder zumindest dessen Nulldurchgang) der Drehscheibe 12 auf der Drehachse z gemessen. Optionally, the absolute angle (or at least its zero crossing) of the turntable 12 measured on the axis of rotation z.

Aus dem Messsignal werden Verkippung und Positionierung des Lasers 8 und damit des Laserabstandssensors 2 zur Drehscheibe 12 mathematisch bestimmt.The measuring signal causes tilting and positioning of the laser 8th and thus the laser distance sensor 2 to the turntable 12 determined mathematically.

3 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung zur Verdeutlichung der Winkelverhältnisse in einem Aufbau zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Ausgangssituation mit einem grob justierten Laser 28 eines Laserabstandssensors. Bei einem realen Aufbau müssen die Laserstrahlen der Laser 28 selbstverständlich auf die Drehscheibe 32 treffen. Die Versetzung des Lasers 28 in der x-y-Ebene dient hier ausschließlich der deutlicheren Darstellung der Winkelverhältnisse. 3 shows a schematic perspective view to illustrate the angular relationships in a structure for implementing a method according to the invention in an initial situation with a coarse adjusted laser 28 a laser distance sensor. In a real design, the laser beams of the laser 28 of course on the turntable 32 to meet. The displacement of the laser 28 in the xy-plane, only the clearer representation of the angular relationships is used here.

Für die Herleitung der geometrischen Gleichungen und die Beschreibung des Einstellalgorithmus ist die Definition von einem Koordinatensystem und von Variablen nötig.For the derivation of the geometric equations and the description of the setting algorithm, the definition of a coordinate system and of variables is necessary.

Die z-Achse des kartesischen Koordinatensystems wird in die Drehachse einer Drehscheibe 32 gelegt. Die Drehscheibe 32 wird als Eichkörper im Messaufbau verwendet. Die x- und y-Achse ist geometrisch nicht festgelegt, sollte sich aber an den Verstellmöglichkeiten der Lasersensoren orientieren. Der Laser 28 strahlt (in dieser Darstellung von unten) auf die Drehscheibe 32.The z-axis of the Cartesian coordinate system becomes the axis of rotation of a turntable 32 placed. The turntable 32 is used as calibration body in the test setup. The x- and y-axis is not determined geometrically, but should be based on the adjustment possibilities of the laser sensors. The laser 28 radiates (in this representation from below) onto the turntable 32 ,

Die Lage und Orientierung des Lasersensors sind durch den Richtungsvektor ĉ1 des Laserstrahls und den Durchstoßpunkt b1 des Lasers 28 durch eine Ebene E1 festgelegt, wobei die Ebene E1 parallel zur x-y-Ebene verläuft und die Drehachse senkrecht im Punkt d1 schneidet, in dem auch die zum Laser 28 gewandten Seite der Drehscheibe 32 die Drehachse, also die z-Achse, schneidet.The position and orientation of the laser sensor are determined by the direction vector ĉ 1 of the laser beam and the puncture point b 1 of the laser 28 determined by a plane E 1 , wherein the plane E 1 is parallel to the xy plane and the axis of rotation perpendicularly intersects at point d 1 , in which also the laser 28 facing side of the turntable 32 the axis of rotation, ie the z-axis, cuts.

4 zeigt zwei schematische Seitenansichten der Drehscheibe 32 nach der Darstellung nach 3, um die für die mathematische Herleitung einer erfindungsgemäßen Lösung des Problems anschaulich diskutieren zu können. 4 shows two schematic side views of the hub 32 according to the illustration 3 in order to be able to clearly discuss the mathematical derivation of a solution according to the invention of the problem.

Innerhalb des Koordinatensystems ist die Lage der Drehscheibe 32 durch den jeweils relevanten Achsenabschnitt auf der z-Achse (dz1 bzw. dz2) und den Normalvektor n festgelegt. Wegen der Wahl von b1 gilt bz1 = dz1. Der Normalvektor n der Drehscheibe 32 ist von der z-Achse um den Winkel δ verkippt beziehungsweise geneigt, mit 0 < δ < π/2, so dass auch der Winkel zwischen der Oberfläche der Drehscheibe 32 und der x/y-Ebene δ beträgt. Der aktuelle Drehwinkel φ der Drehscheibe 32 ist der Winkel zwischen der x-Achse und der in die x/y-Ebene projizierte negative Gradient der Drehscheibe 32 der Oberfläche mit Fußpunkt in der Drehachse z. Nach dieser Within the coordinate system is the location of the turntable 32 determined by the respective relevant intercept on the z-axis (d z1 or d z2 ) and the normal vector n. Because of the choice of b 1 , b z1 = d z1 . The normal vector n of the turntable 32 is tilted or inclined from the z-axis by the angle δ, with 0 <δ <π / 2, so that also the angle between the surface of the turntable 32 and the x / y plane is δ. The current rotation angle φ of the turntable 32 is the angle between the x-axis and the negative gradient of the turntable projected into the x / y plane 32 the surface with base in the axis of rotation z. After this

Definition ist der Normalvektor durch

Figure DE102012217176A1_0005
parametrisiert.Definition is the normal vector by
Figure DE102012217176A1_0005
parameterized.

5 zeigt ein perspektivisches Diagramm zur Verdeutlichung der geometrischen Verhältnisse. Die Vektoren eines Laserstrahls eines Lasers (beispielsweise des Lasers 28 nach 3) und die zur Berechnung verwendeten Vektoren und Winkel sind dabei in Bezug auf das Koordinatensystem und den Laserstrahl dargestellt. Für einen zweiten Laser oder auch weitere Laser ergeben sich analoge Diagramme, die im Folgenden zu analogen Überlegungen führen. 5 shows a perspective diagram to illustrate the geometric relationships. The vectors of a laser beam of a laser (for example the laser 28 to 3 ) and the vectors and angles used for the calculation are shown in relation to the coordinate system and the laser beam. For a second laser or other lasers, analogous diagrams result, which in the following lead to analogous considerations.

Für die Position b1 werden die folgenden kartesischen Koordinaten bzw. Zylinderkoordinaten verwendet:

Figure DE102012217176A1_0006
For the position b 1 , the following Cartesian coordinates or cylindrical coordinates are used:
Figure DE102012217176A1_0006

Die Richtung des Lasers wird beschrieben durch zwei äquivalente Vektoren: den Einheitsvektor c1, der in die Richtung des ersten Laserstrahl zeigt und zwar in Richtung steigender Messwerte, und

Figure DE102012217176A1_0007
dessen z-Komponente normiert ist. Diese Vektoren sind wie folgt parametrisiert:
Figure DE102012217176A1_0008
The direction of the laser is described by two equivalent vectors: the unit vector c 1 pointing in the direction of the first laser beam, in the direction of increasing measured values, and
Figure DE102012217176A1_0007
whose z-component is normalized. These vectors are parameterized as follows:
Figure DE102012217176A1_0008

Dann ist ĉz1 = cz1/|cz1| = sign(cz1) und

Figure DE102012217176A1_0009
Der Winkel zwischen Laserstrahl und Parallelen zur Drehachse beträgt dann Γ1 = arctan(Ĉ1). Then ĉ z1 = c z1 / | c z1 | = sign (c z1 ) and
Figure DE102012217176A1_0009
The angle between the laser beam and parallels to the axis of rotation is then Γ 1 = arctan (Ĉ 1 ).

Aus der Messung werden am Ende die Parameter β1, B1, γ1, Ĉ1, cz1 ermittelt, aus denen sich alle Darstellungen von b1, ĉ1, und damit die Lage und Verkippung, des ersten Lasers ergeben.From the measurement, the parameters β 1 , B 1 , γ 1 , Ĉ 1 , c z1 are determined at the end, from which all representations of b 1 , ĉ 1 , and thus the position and tilt, of the first laser result.

Im Folgenden wird die Geometrie- und Messgleichung hergeleitet:
Die Punkte p1 auf dem Laserstrahl des ersten Lasers werden durch den jeweils dazugehörenden Messwert l1 wie folgt parametrisiert: p1(l1) = b1 + (l1 – l0,1)·c1, wobei l0,1 der Messwert im Punkt p1 = b1 ist.
The following is the geometry and measurement equation derived:
The points p 1 on the laser beam of the first laser are parameterized as follows by the respectively associated measured value l 1 : p 1 (l 1 ) = b 1 + (l 1 -l 0,1 ) · c 1 , where l 0.1 is the measured value at the point p 1 = b 1 .

Außerdem erfüllen alle Punkte auf der zum ersten Laser gewandten Seite der Drehscheibe die Gleichung n ∘ (p1 – d1) = 0, wobei hier das Zeichen „∘“ das Skalarprodukt bezeichnet.In addition, all points on the side of the turntable facing the first laser satisfy the equation n ∘ (p 1 -d 1 ) = 0, where here the sign "∘" denotes the scalar product.

Am Schnittpunkt zwischen dem Strahl des Lasers und der Drehscheibe sind beide Gleichungen erfüllt und man kann die Variable p1 eliminieren und erhält die folgende Bedingung für den Messwert l1 am Schnittpunkt: n ∘ (b1 + (l1 – l0,1)·c1 – d1) = 0 At the point of intersection between the beam of the laser and the turntable both equations are satisfied and one can eliminate the variable p 1 and obtains the following condition for the measured value l 1 at the point of intersection: n ∘ (b 1 + (l 1 -l 0,1 ) · c 1 -d 1 ) = 0

Löst man die Gleichung nach l1 auf, so ergibt sich

Figure DE102012217176A1_0010
If we solve the equation for l 1 , we get
Figure DE102012217176A1_0010

Im Folgenden werden eine Taylorreihenentwicklung und eine Fourier-Analyse des Messsignals durchgeführt, um leicht zugängliche Messgrößen zu erhalten:
Zur Vorbereitung der Taylorentwicklung des Messsignals von l1 wird die Beziehung

Figure DE102012217176A1_0011
in die obige Gleichung für l1 einzusetzen. Man erhält
Figure DE102012217176A1_0012
In the following, a Taylor series development and a Fourier analysis of the measurement signal are carried out in order to obtain easily accessible measurement quantities:
To prepare the Taylor development of the measurement signal of 1 , the relationship becomes
Figure DE102012217176A1_0011
into the above equation for I 1 . You get
Figure DE102012217176A1_0012

Diese Gleichung kann erfindungsgemäß bereits verwendet werden, um die Position und die Ausrichtung der Laser zueinander mit Hilfe der Abstandsmessungen und der bekannten zu berechnen. Dazu kann die Gleichung mit Hilfe von Parameterfits mathematisch gelöst werden. Weitere mathematische Vereinfachungen führen jedoch zu einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit deutlich einfacherer Berechnung.This equation can already be used according to the invention to calculate the position and orientation of the lasers with respect to one another by means of the distance measurements and the known ones. For this purpose, the equation can be solved mathematically using parameter fits. However, further mathematical simplifications lead to a preferred embodiment of the invention with much simpler calculation.

Dazu werden die Definitionen der Vektoren b1, d1, ĉ1 und n eingesetzt und dabei ausgenutzt, dass dz1 = bz1. Das Ergebnis lautet

Figure DE102012217176A1_0013
For this purpose, the definitions of the vectors b 1 , d 1 , ĉ 1 and n are used, taking advantage of the fact that d z1 = b z1 . The result is
Figure DE102012217176A1_0013

Nun erweitert man Zähler und Nenner mit ĉz1/cos(δ) und nutzt, dass ĉ 2 / z1 = 1 ist sowie das Additionstheorem cos(β1)cos(φ) + sin(β1)sin(φ) = cos(φ – β1) und erhält

Figure DE102012217176A1_0014
Now you extend counter and denominator with ĉ z1 / cos (δ) and use that ĉ 2 / z1 = 1 and the addition theorem cos (β 1 ) cos (φ) + sin (β 1 ) sin (φ) = cos (φ - β 1 )
Figure DE102012217176A1_0014

Im Weiteren wird für die Taylorreihenentwicklung angenommen, dass der erste Laser 28 und die Drehachse z schon grob aneinander ausgerichtet wurden, das heißt, dass Ĉ1 << cot(δ), zum Beispiel Ĉ1 << 1 bei δ ≤ π/4. In the following it is assumed for the Taylor series development that the first laser 28 and the rotation axis z have already been coarsely aligned, that is, Ĉ 1 << cot (δ), for example, Ĉ 1 << 1 at δ ≦ π / 4.

Dann ist der Betrag von ε := ĉz1Ĉ1tan(δ)·cos(φ – γ1) im Nenner von l1 für jeden Winkel φ sehr viel kleiner als 1 und eine Taylorentwicklung 1 / ε+1 = 1 – ε + ε2 – ε3 + O(Ĉ1 4) = (1 – ε)·(1 + O(Ĉ1 2)) des Nenners von l1 nach ε gerechtfertigt.Then the amount of ε: = ĉ z1 Ĉ 1 tan (δ) · cos (φ - γ 1 ) in the denominator of l 1 for every angle φ very much smaller than 1 and a Taylor development 1 / ε + 1 = 1 - ε + ε 2 - ε 3 + O (Ĉ 1 4 ) = (1 - ε) · (1 + O (Ĉ 1 2 )) of the denominator from 1 to ε justified.

Mit dieser Taylorentwicklung ergibt sich

Figure DE102012217176A1_0015
und nach Auflösen der Produktterme der Cosinus-Funktionen
Figure DE102012217176A1_0016
With this Taylor development arises
Figure DE102012217176A1_0015
and after resolving the product terms of the cosine functions
Figure DE102012217176A1_0016

Aus dieser Darstellung lässt sich die Fourierentwicklung von l1(φ) in der Form l1(φ) = F0,1 + F1,1cos(φ – μ1) + F2,1cos(2φ – η1) + ... mit F1,1 ≥ 0, F2,1 ≥ 0 ablesen. Um immer positive Amplituden F1,1 ≥ 0 zu erhalten, unabhängig davon, ob der Laserstrahl die Drehscheibe 32 auf der Oberseite oder von der Unterseite scannt, muss das Vorzeichen des Vorfaktors, also – ĉz1, gegebenenfalls durch einen um π verschobenen Winkel im Argument des cos-Terms ausgedrückt werden. So erhält man

Figure DE102012217176A1_0017
wobei die Fourier-Koeffizienten F0,1, F1,1 beziehungsweise F2,1 bis auf Restterme der Ordnung O(Ĉ1 3), O(Ĉ1 2) beziehungsweise O(Cˆ31) stimmen. From this representation the Fourier evolution of l 1 (φ) in the form can be deduced l 1 (φ) = F 0,1 + F 1,1 cos (φ - μ 1 ) + F 2,1 cos (2φ - η 1 ) + ... read off with F 1,1 ≥ 0, F 2,1 ≥ 0. To obtain always positive amplitudes F 1,1 ≥ 0, regardless of whether the laser beam is the turntable 32 On the top side or from the bottom side, the sign of the prefactor, ie - ĉ z1 , may have to be expressed by an angle shifted by π in the argument of the cos term. That's how you get
Figure DE102012217176A1_0017
wherein the Fourier coefficients F 0.1, F 1.1 and F 2.1 to residual terms of order O (C 1 -C 3), O (C 1 2) or O (C 31) agree.

Mit diesen Vorarbeiten lassen sich nun bei Kenntnis des Verkippungswinkels δ der Drehscheibe 32, der z-Ausrichtung des Lasers 28, das heißt ĉz1 = sign(cz1), und der ersten Terme der Fourier-Reihe l1(φ) = F0,1 + F1,1cos(φ – μ1) + F2,1cos(2φ – η1) + ... die fünf (nichtlinearen) Gleichungen nach den fünf Unbekannten β1, γ1, Ĉ1, B1, l0,1 mit dem folgenden Ergebnis auflösen:

Figure DE102012217176A1_0018
With this preliminary work can now be with knowledge of the tilt angle δ of the turntable 32 , the z-orientation of the laser 28 , that is, ĉ z1 = sign (c z1 ), and the first terms of the Fourier series l 1 (φ) = F 0,1 + F 1,1 cos (φ - μ 1 ) + F 2,1 cos (2φ - η 1 ) + ... solve the five (nonlinear) equations for the five unknowns β 1 , γ 1 , Ĉ 1 , B 1 , l 0,1 with the following result:
Figure DE102012217176A1_0018

Aus den ersten vier Größen können einfach die für die Bestimmung der physikalischen Einstellparameter, zum Beispiel ĉx1 = Ĉ1·cos(γ1), ĉy1 = Ĉ1·sin(γ1), bx1 = B1·cos(β1), by1 = B1·sin(β1), berechnet werden, die bei der Verwendung von Lineartischen und Kipptischen in x- und y-Richtung, nötig sind.From the first four sizes can easily be used for the determination of physical adjustment parameters, for example ĉ x1 = Ĉ 1 · cos (γ 1 ), ĉ y1 = Ĉ 1 * sin (γ 1), b x1 = B 1 · cos (β 1 ), b y1 = B 1 · sin (β 1 ), which are necessary when using linear tables and tilting tables in the x and y direction.

Auf den Verkippungswinkel δ der Drehscheibe 32 kann dabei aus der Lagerung der Drehscheibe 32 geschlossen werden, der durch den Messaufbau definiert wird. Die z-Ausrichtung des Lasers 28 bestimmt, ob die Drehscheibe 32 von oben oder unten bestrahlt wird. Zu beachten ist, dass der konstante Term der Fourier-Reihe, also F0,1, für diesen Rechenschritt nicht benötigt wird und somit der Messwert auch Offsetbehaftet sein darf.On the tilt angle δ of the turntable 32 may be from the storage of the turntable 32 closed, which is defined by the measurement setup. The z-orientation of the laser 28 determines if the turntable 32 is irradiated from above or below. It should be noted that the constant term of the Fourier series, ie F 0,1 , is not required for this calculation step and thus the measured value may also be offset.

Bei Kenntnis aller fünf Größen lässt sich jeder Punkt p1 auf dem Laserstrahl des ersten Lasers (im Messbereich) eineindeutig dem Messwert l1 durch p1(l1) = b1 + (l1 – l0,1)·c1 zuordnen, insbesondere auch der Nullpunkt p1(0) = b1 – l0,1·c1 im Raum bestimmen. Für die Nullpunktskalibrierung des Lasers kann wiederum der Offset im Messwert als Differenz zwischen dem derzeitigen Messwert und dem gewünschten Messwert bestimmt werden und der Offset dann in der Auswertung der späteren Messwerte berücksichtigt werden.With knowledge of all five variables, each point p 1 on the laser beam of the first laser (in the measuring range) can be uniquely assigned to the measured value l 1 by p 1 (l 1 ) = b 1 + (l 1 -l 0.1 ) · c 1 , In particular, the zero point p 1 (0) = b 1 - l 0.1 · c 1 determine in space. For the zero point calibration of the laser, in turn, the offset in the measured value can be determined as the difference between the current measured value and the desired measured value, and the offset can then be taken into account in the evaluation of the later measured values.

In der Praxis ist der Verkippungswinkel δ durch den Aufbau der Drehscheibe 32 festgelegt und bekannt. Bei einer zur z-Achse parallelen Ausrichtung des Lasers 28 ist dabei noch nicht einmal der genaue Wert nötig: Der Winkel δ skaliert den Amplitudenwert der normierten Verkippung Ĉ1 und die daraus abgeleiteten Werte ĉx1, ĉy1, C1, cx1, cy1 lediglich. Bei der zur z-Achse parallelen Ausrichtung des Lasers 28 sucht man Nullstellen von derart abgeleiteten Größen, die unabhängig von der skalierenden Wirkung von δ sind. In practice, the tilt angle δ is due to the structure of the turntable 32 set and known. With a parallel to the z-axis alignment of the laser 28 not even the exact value is necessary: The angle δ scales the amplitude value of the normalized tilt Ĉ 1 and the derived values ĉ x1 , ĉ y1 , C 1 , c x1 , c y1 only. For the parallel alignment of the laser with the z-axis 28 one seeks zeros of such derived quantities which are independent of the scaling effect of δ.

Die Fourier-Koeffizienten F0,1, F1,1, F2,1 und die Phasen μ1, η1 von l1(φ) können in der Praxis auf verschiedenen Arten gewonnen werden, wie die nachfolgenden Fälle zeigen:

  • 1) Das Messsignal wird an vorher definierten, diskreten Winkelpositionen (Ortsdiskret auf der Drehscheibe 32) gemessen und die Parameter von l1(φ), zum Beispiel durch eine diskrete Fourier-Transformation, bestimmt. Erfindungsgemäß werden kontinuierliche Messungen wegen der einfacheren Handhabung bevorzugt.
  • 2) Statt des winkelabhängigen Messsignals l1(φ) wird das Zeitsignal l1(t) und der dazu passende Winkel φ(t) gemessen und daraus l1(φ) und seine Parameter bestimmt.
  • 3) Bei möglicherweise unbekannter, aber konstanter Drehgeschwindigkeit ω der Drehscheibe 32 wird ein Zeitsignal l1(t) gemessen und die Zeitpunkte, t0 und t1, zweier aufeinanderfolgender Nulldurchgänge φ(t1) = φ(t0) = 0. Dann kann mit der Winkelgeschwindigkeit
    Figure DE102012217176A1_0019
    das Winkelsignal
    Figure DE102012217176A1_0020
    rekonstruiert werden. Zusammen mit dem Zeitsignal l1(t) können wiederum l1(φ) und seine Parameter bestimmt werden. Eine konstante Winkelgeschwindigkeit ω führt also zu einer Vereinfachung der Berechnung der Parameter und ist daher erfindungsgemäß besonders bevorzugt.
  • 4) Es ist auch möglich, ohne direkte Winkelmessung auszukommen. Angenommen der Winkel β1 zwischen dem Laser 28 und der Drehscheibe 32 ist, zum Beispiel aufgrund eines vorgefertigten Messaufsatzes, näherungsweise bekannt. Somit ist auch μ1 bekannt. Es wird ein Zeitsignal l1(t) bei einer konstanter Drehgeschwindigkeit ω der Drehscheibe 32 aufgenommen. Wenn dann noch der eine Laser 8, 28 schon recht gut ausgerichtet ist, das heißt, wenn Ĉ1 << cot(δ) gilt, so dominiert die Grundwelle die Oberwelle, das heißt F 1,1>> 2·F2,1, und es können sehr einfach aufeinanderfolgende Zeitpunkte tm0 und tm1 gefunden werden, in dem das Signal das Maximum annimmt. Dann ist
    Figure DE102012217176A1_0021
    Mit der Kenntnis der Drehgeschwindigkeit ω können die Fourier-Koeffizienten F0,1, F1,1, F2,1 aus dem Zeitsignal l1(t) bestimmt werden. Um die fehlende Phasenlage η1 zu erhalten, bestimmt man zuerst Zeitpunkte tμ1 und tη1 zu denen die Maxima der Grundwelle und der Oberwelle zu erwarten sind, für die also μ1 = ω·tμ1 und η1 = 2ω·tη1 gilt. Dann ist
    Figure DE102012217176A1_0022
    und somit
    Figure DE102012217176A1_0023
    Dann sind alle Parameter von l1(φ) für die Auswertung bekannt.
The Fourier coefficients F 0,1 , F 1,1 , F 2,1 and the phases μ 1 , η 1 of l 1 (φ) can be obtained in practice in various ways, as the following cases show:
  • 1) The measurement signal is at previously defined, discrete angular positions (discrete location on the turntable 32 ) and the parameters of l 1 (φ) are determined, for example by a discrete Fourier transform. According to the invention, continuous measurements are preferred for ease of handling.
  • 2) Instead of the angle-dependent measurement signal l 1 (φ), the time signal l 1 (t) and the matching angle φ (t) is measured and from this l 1 (φ) and its parameters are determined.
  • 3) At possibly unknown, but constant rotational speed ω of the turntable 32 is a time signal l 1 (t) measured and the times, t 0 and t 1 , two consecutive zero crossings φ (t 1 ) = φ (t 0 ) = 0. Then can with the angular velocity
    Figure DE102012217176A1_0019
    the angle signal
    Figure DE102012217176A1_0020
    be reconstructed. In turn, l 1 (φ) and its parameters can be determined together with the time signal l 1 (t). A constant angular velocity ω thus leads to a simplification of the calculation of the parameters and is therefore particularly preferred according to the invention.
  • 4) It is also possible to do without direct angle measurement. Suppose the angle β 1 between the laser 28 and the turntable 32 is approximately known, for example due to a prefabricated measuring attachment. Thus μ 1 is also known. There is a time signal l 1 (t) at a constant rotational speed ω of the turntable 32 added. If then the one laser 8th . 28 is already quite well aligned, that is, if Ĉ 1 << cot (δ) holds, then the fundamental wave dominates the harmonic, that is F 1,1 >> 2 · F 2,1 , and it can very simply successive times t m0 and t m1 are found, in which the signal assumes the maximum. Then
    Figure DE102012217176A1_0021
    With the knowledge of the rotational speed ω, the Fourier coefficients F 0,1 , F 1,1 , F 2,1 can be determined from the time signal l 1 (t). In order to obtain the missing phase position η 1 , one first determines times t μ1 and t η1 at which the maxima of the fundamental wave and the harmonic wave are to be expected, for which μ 1 = ω · t μ1 and η 1 = 2ω · t η1 , Then
    Figure DE102012217176A1_0022
    and thus
    Figure DE102012217176A1_0023
    Then all the parameters of l 1 (φ) are known for the evaluation.

Für eine Abschätzung der Einstellgenauigkeit wird im Folgenden beispielhaft ein Aufbau mit den folgenden Parametern betrachtet: δ = π/6 (= 30°) ⇒ tan(δ) = 0,58; F1,1 = 2,5mm; ΔF1,1 = 1µm; ΔF2,1 = 1µm. For an estimation of the setting accuracy, a construction with the following parameters is considered below by way of example: δ = π / 6 (= 30 °) ⇒ tan (δ) = 0.58; F 1,1 = 2.5mm; ΔF 1,1 = 1 μm; ΔF 2,1 = 1 μm.

Bezüglich F1,1 bedeutet dies, dass bei annähernd parallel zu Drehachse der Drehscheibe 12, 32 ausgerichtetem Laser 8, 28 die Amplitude der dann annähernd sinusförmigen Abstandsmessungen 2,5mm beträgt und die Fourier-Koeffizienten F1,1, F2,1 mit einer Unsicherheit von 1µm bestimmt wurden. With respect to F 1,1 , this means that at approximately parallel to the axis of rotation of the turntable 12 . 32 aligned laser 8th . 28 the amplitude of the then approximately sinusoidal distance measurements is 2.5 mm and the Fourier coefficients F 1,1 , F 2,1 were determined with an uncertainty of 1 μm.

Es gilt für die normierte Verkippung

Figure DE102012217176A1_0024
eine Einstellgenauigkeit von
Figure DE102012217176A1_0025
It applies to the normalized tilt
Figure DE102012217176A1_0024
an adjustment accuracy of
Figure DE102012217176A1_0025

Die Unsicherheit im Winkel Γ1 = arctan(Ĉ1) zwischen einem Laser 8, 28 und einer Parallelen zur Drehachse z beträgt bei diesen kleinen Werten von Ĉ1 dann ΔΓ1 = 1/(1 + Ĉ1 2)·ΔĈ1 = 1,3mrad(= 0,079°). The uncertainty in the angle Γ 1 = arctan (Ĉ 1 ) between a laser 8th . 28 and a parallel to the rotation axis z is then at these small values of Ĉ 1 ΔΓ 1 = 1 / (1 + Ĉ 1 2 ) · ΔĈ 1 = 1.3 mrad (= 0.079 °).

Für den Abstand B1 des Laserpunkts von der Drehachse z auf z-Höhe dz1 gilt

Figure DE102012217176A1_0026
und damit eine Einstellungenauigkeit von ΔB1 ≈ cot(δ)·ΔF1,1 = 1,72µm. For the distance B 1 of the laser point from the rotation axis z to z height d z1 applies
Figure DE102012217176A1_0026
and thus an inaccuracy of ΔB 1 ≈ cot (δ) · ΔF 1,1 = 1.72μm.

Im Folgenden werden nun die Auswirkungen auf Unsicherheit einer Dickenmessung aufgezeigt.In the following, the effects on the uncertainty of a thickness measurement are shown.

Die Einstellgenauigkeit des Lasers 8, 28 bestimmt direkt die Unsicherheit einer Dickenmessung.The setting accuracy of the laser 8th . 28 directly determines the uncertainty of a thickness measurement.

Für eine Abschätzung legen wir die obigen Zahlenwerte zu Grunde.For an estimation we use the above numerical values.

Die Unsicherheit Δd des Messwertes bei der Dickenbestimmung einer um maximal δ' = 5° verkippten Platte in einem Messspalt bei einer Positioniergenauigkeit in Richtung der z-Achse von h = 2,5mm durch die beiden Einstellungsfehler ΔĈ1 und ΔB1 des Lasers 8, 28 ist dann

Figure DE102012217176A1_0027
The uncertainty Δd of the measured value in determining the thickness of a plate tilted by a maximum of δ '= 5 ° in a measuring gap with a positioning accuracy in the z-axis direction of h = 2.5 mm by the two setting errors ΔĈ 1 and ΔB 1 of the laser 8th . 28 is then
Figure DE102012217176A1_0027

Ein zweiter Laser (nicht gezeigt) könnte einen analogen Beitrag liefern, um die Messung zu verfeinern. Dabei kann auch eine Ausrichtung dieses zweiten Lasers zu dem Laser 8, 28 erfolgen, um anschließend beide zur Bestimmung der Dicke der Drehscheibe und/oder deren Beschichtung zu nutzen.A second laser (not shown) could provide an analog contribution to refine the measurement. In this case, an alignment of this second laser to the laser 8th . 28 be done to then use both to determine the thickness of the hub and / or their coating.

Um die Unsicherheit gering zu halten, sind folgende Punkte zu beachten:

  • 1) Bei der Einstellung von Position und Verkippung der Sensoren 10 ist ein möglichst großer Winkel δ zu wählen und der volle Messbereich möglichst auszunutzen, damit F1,1 möglichst groß ausfallen kann. Dieser ist jedoch durch die realen Abmessungen des Messaufbaus, wie beispielsweise der Abmessungen der Laserabstandssensoren 2, gegebenenfalls die Dicke der Drehscheibe und der Drehachse oder des Durchmessers des Laserstrahls beschränkt. Für reale Aufbauten mit handelsüblichen Laserabstandssensoren 2 wird ein Winkel δ zwischen 15° und 35° besonders bevorzugt, da er mit diesen Bauteilen gut realisierbar ist.
  • 2) Die Auflösung der Laserabstandssensoren 2 sollte möglichst hoch sein, damit ΔF1,1 und ΔF2,1 möglichst klein sind. Die Auflösung der Laserabstandssensoren 2 kann beispielsweise durch ein Messrauschen auf 1 µm begrenzt sein.
  • 3) Bei der eigentlichen Vermessung des zu messenden Objekts sollte dieses möglichst wenig verkippt sein, das heißt der Winkel δ' möglichst klein sein, und in Richtung der z-Achse möglichst ruhig liegen, das heißt h möglichst gering sein. Eine Neigung des zu messenden Objekts von 0° kann dabei bevorzugt vorgesehen sein.
In order to keep the uncertainty low, the following points should be noted:
  • 1) When adjusting the position and tilt of the sensors 10 If possible, choose the largest possible angle δ and use the full measuring range as far as possible so that F 1,1 can be as large as possible. However, this is due to the real dimensions of the measurement setup, such as the dimensions of the laser distance sensors 2 , Where appropriate, the thickness of the hub and the axis of rotation or the diameter of the laser beam limited. For real structures with standard laser distance sensors 2 If an angle δ between 15 ° and 35 ° is particularly preferred because it is well feasible with these components.
  • 2) The resolution of the laser distance sensors 2 should be as high as possible so that ΔF 1,1 and ΔF 2,1 are as small as possible. The resolution of the laser distance sensors 2 may for example be limited by a measurement noise to 1 micron.
  • 3) In the actual measurement of the object to be measured this should be as little as possible tilted, that is, the angle δ 'be as small as possible, and lie as quiet as possible in the direction of the z-axis, that is h should be as low as possible. An inclination of the object to be measured of 0 ° can preferably be provided.

Im Folgenden werden zwei beispielhafte Einstellalgorithmen für erfindungsgemäße Verfahren vorgestellt.Two exemplary setting algorithms for methods according to the invention are presented below.

Beim Bau einer geeigneten Messeinrichtung sind die Einschränkungen für dessen Einsatz zu berücksichtigen. Insbesondere ist darauf zu achten, dass der Messbereich der Laserabstandssensoren 2 während der Messung sowohl eingehalten, also auch sehr gut ausgeschöpft wird.When constructing a suitable measuring device, the restrictions for its use must be taken into account. In particular, it must be ensured that the measuring range of the laser distance sensors 2 During the measurement both adhered to, and also very well used.

Die aufgebaute Messeinrichtung wird in den Strahlengang des Lasers 8, 28 eingesetzt.The built-up measuring device is in the beam path of the laser 8th . 28 used.

Um einen Laser 8, 28 bezüglich der Drehachse z auszurichten, geht man wie folgt vor:

  • 1) Achsen von Laser 8, 28 und Drehachse z grob parallel ausrichten (⇒ Ĉ1 << cot(δ));
  • 2) Signal l1 messen;
  • 3) Fourier-Koeffizienten F1,1, F2,1 und die Phasen μ1, η1 von l1(φ) bestimmen;
  • 4) Position und Verkippung des Lasers 8, 28 durch β1, γ1, Ĉ1, B1 bestimmen;
  • 5) Verstellparameter von Laser 8, 28 bestimmen;
  • 6) Verkippung nachjustieren, bis sie gut (in der Regel nahe Null gegen die z-Achse) ist; und
  • 7) Position nachjustieren, bis sie gut ist (bis die Position der gewünschten Position entspricht).
To a laser 8th . 28 to align with respect to the axis of rotation z, proceed as follows:
  • 1) axes of laser 8th . 28 and align the axis of rotation z roughly parallel (⇒ Ĉ 1 << cot (δ));
  • 2) Measure signal l 1 ;
  • 3) determine Fourier coefficients F 1,1 , F 2,1 and the phases μ 1 , η 1 of l 1 (φ);
  • 4) Position and tilt of the laser 8th . 28 by β 1 , γ 1 , Ĉ 1 , B 1 determine;
  • 5) Adjustment parameters of laser 8th . 28 determine;
  • 6) readjust tilt until it is good (usually close to zero against the z axis); and
  • 7) Adjust the position until it is good (until the position corresponds to the desired position).

Die in der voranstehenden Beschreibung, sowie den Ansprüchen, Figuren und Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln, als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. The features of the invention disclosed in the foregoing description, as well as the claims, figures and embodiments may be essential both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

22
Laserabstandssensor Laser distance sensor
8, 288, 28
Laser laser
1010
Sensor sensor
12, 3212, 32
Eichkörper calibration body

Geometrische Variablen δ Verkippungswinkel zwischen Drehscheibe (12, 32) und Drehachse (z) φ Winkel zwischen Projektion des Gradienten der Drehscheibe (12, 32) in x-y-Ebene und x-Achse n Normalvektor der Drehscheibe (12, 32) (mit positiver z-Komponente) d1 Positionsvektor des Schnittpunktes der zum ersten Laser gewandten Oberfläche der Drehscheibe (12, 32) mit der Drehachse (z) dz1 z-Komponente des Positionsvektors d1 E1 virtuelle Ebene senkrecht zur Drehachse auf z-Höhe von dz1 b1 Positionsvektor des virtuellen Schnittpunktes des Laserstrahls (8, 28) mit Ebene E1 bx1, by1, bz1 x-, y-, z-Komponente des Positionsvektors b1 B1 Abstand des Positionsvektors b1 von Drehachse (z) β1 Winkel zwischen Projektion des Positionsvektors b1 in x-y-Ebene und x-Achse (= Richtung des virtuellen Schnittpunktes b1) c1 Richtungsvektor des ersten Laserstrahls (8, 28) in Richtung steigender Messwerte cx1, cy1, cz1 x-, y-, z-Komponente des Richtungsvektors c1 ĉ1 auf |cz1| normierter Richtungsvektor c1, d. h. ĉ1 = 1/|cz1|·c1 ĉx1, ĉy1, ĉz1 x-, y-, z-Komponente des normierten Richtungsvektors ĉ1 mit ĉz1 = sign(cz1) Ĉ1 Amplitude der normierten Verkippung ĉ1 projiziert in x-y-Ebene γ1 Winkel zwischen Projektion des Richtungsvektors c1 in x-y-Ebene und x-Achse (= Richtung der Verkippung) Γ1 = arctan(Ĉ1) Winkel zwischen erstem Laserstrahl (8, 28) und Parallele zur Drehachse (z) x x-Achse senkrecht zur z-Achse des kartesischen Koordinatensystems y y-Achse senkrecht zur z-Achse und x-Achse des kartesischen Koordinatensystems z Drehachse des Eichkörpers und z-Achse des kartesischen Koordinatensystems Messwerte und -parameter l1 Messwert des ersten Lasersensors beim Auftreffen auf die Drehscheibe (12, 32) l0,1 Messwert des ersten Lasersensors beim Vermessen des Punktes b1 F0,1 konstanter Term in Fourierentwicklung von l1(φ) F1,1 Amplitude der Grundwelle von l1(φ) F2,1 Amplitude der 1. Oberwelle von l1(φ) μ1 Phasenlage der der Grundwelle von l1(φ) η1 Phasenlage der 1. Oberwelle von l1(φ) ω (konstante) Winkelgeschwindigkeit dφ/dt der Drehscheibe (12, 32) Geometric variables δ Tilt angle between turntable ( 12 . 32 ) and axis of rotation (z) φ Angle between projection of the gradient of the turntable ( 12 . 32 ) in xy plane and x axis n Normal vector of the turntable ( 12 . 32 ) (with positive z-component) d 1 Position vector of the point of intersection of the surface of the turntable facing the first laser ( 12 . 32 ) with the rotation axis (z) d z1 z-component of the position vector d 1 E 1 virtual plane perpendicular to the axis of rotation at z-height of d z1 b 1 Position vector of the virtual intersection of the laser beam ( 8th . 28 ) with level E 1 b x1 , b y1 , b z1 x, y, z component of the position vector b 1 B 1 Distance of the position vector b 1 of rotation axis (z) β 1 Angle between projection of the position vector b 1 in xy-plane and x-axis (= direction of the virtual intersection b 1 ) c 1 Direction vector of the first laser beam ( 8th . 28 ) in the direction of increasing measured values c x1 , c y1 , c z1 x, y, z component of the direction vector c 1 ĉ 1 on | c z1 | normalized direction vector c 1 , ie ĉ 1 = 1 / | c z1 | · c 1 ĉ x1 , ĉ y1 , ĉ z1 x, y, z component of the normalized direction vector ĉ 1 with ĉ z1 = sign (c z1 ) Ĉ 1 Amplitude of normalized tilt ĉ 1 projected in xy plane γ 1 Angle between projection of the direction vector c 1 in xy-plane and x-axis (= direction of tilting) Γ 1 = arctane (Ĉ 1 ) Angle between the first laser beam ( 8th . 28 ) and parallel to the axis of rotation (z) x x-axis perpendicular to the z-axis of the Cartesian coordinate system y y-axis perpendicular to the z-axis and x-axis of the Cartesian coordinate system z Rotational axis of the calibration body and z-axis of the Cartesian coordinate system Measured values and parameters 1 Measured value of the first laser sensor when hitting the turntable ( 12 . 32 ) 0.1 Measured value of the first laser sensor when measuring the point b 1 F 0.1 constant term in Fourier evolution of l 1 (φ) F 1,1 Amplitude of the fundamental wave of l 1 (φ) F 2.1 Amplitude of the 1st harmonic of l 1 (φ) μ 1 Phase position of the fundamental wave of l 1 (φ) η 1 Phase angle of the 1st harmonic of l 1 (φ) ω (constant) angular velocity dφ / dt of the turntable ( 12 . 32 )

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • EP 2031347 A1 [0003] EP 2031347 A1 [0003]
  • EP 2312267 A1 [0004] EP 2312267 A1 [0004]
  • DE 10313888 A1 [0004] DE 10313888 A1 [0004]

Claims (20)

Verfahren zum Skalieren der Position und der Ausrichtung wenigstens eines Laserabstandssensors (2) zu einem Eichkörper (12, 32), wobei jeder Laserabstandssensor (2) jeweils einen Laser (8, 28) und einen Sensor (10) aufweist, umfassend die folgenden chronologischen Schritte A) bis C): A) Anordnen eines wohldefinierten Eichkörpers (12, 32) mit einer zumindest bereichsweise genau definierten Geometrie in einen Messaufbau umfassend die Laserabstandssensoren (2), wobei die Lage des Eichkörpers (12, 32) durch das Anordnen des Eichkörpers (12, 32) im Messaufbau genau definiert wird, und Grobausrichtung zumindest eines Laserabstandssensors (2) zum Eichkörper (12, 32); B) Abstandsmessungen mehrerer Messpunkte oder eines kontinuierlichen Verlaufs auf der Oberfläche des Eichkörpers (12, 32) durch den Laserabstandssensor (2) oder die Laserabstandssensoren (2), wobei der Eichkörper (12, 32) im Messaufbau relativ zu dem Laserabstandssensor (2) oder den Laserabstandssensoren (2) bewegt wird, um dem Laser (8, 28) des Laserabstandssensors (2) oder den Lasern (8, 28) der Laserabstandssensoren (2) die Bestrahlung der verschiedenen Messpunkte oder des kontinuierlichen Verlaufs für die Abstandsmessungen zu ermöglichen; und C) Bestimmen der Position und der Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors (2) zum Eichkörper (12, 32) anhand der Abstandsmessungen und der bekannten Geometrie und Lage des Eichkörpers (12, 32) im Messaufbau.Method for scaling the position and the orientation of at least one laser distance sensor ( 2 ) to a calibration body ( 12 . 32 ), each laser distance sensor ( 2 ) each have a laser ( 8th . 28 ) and a sensor ( 10 comprising the following chronological steps A) to C): A) arranging a well-defined calibration body ( 12 . 32 ) with an at least partially exactly defined geometry in a measurement setup comprising the laser distance sensors ( 2 ), wherein the position of the calibration body ( 12 . 32 ) by arranging the calibration body ( 12 . 32 ) is precisely defined in the measurement setup, and coarse alignment of at least one laser distance sensor ( 2 ) to the calibration body ( 12 . 32 ); B) distance measurements of several measuring points or of a continuous course on the surface of the calibration body ( 12 . 32 ) by the laser distance sensor ( 2 ) or the laser distance sensors ( 2 ), wherein the calibration body ( 12 . 32 ) in the measurement setup relative to the laser distance sensor ( 2 ) or the laser distance sensors ( 2 ) is moved to the laser ( 8th . 28 ) of the laser distance sensor ( 2 ) or the lasers ( 8th . 28 ) of the laser distance sensors ( 2 ) to allow the irradiation of the different measuring points or of the continuous course for the distance measurements; and C) determining the position and the orientation of the at least one laser distance sensor ( 2 ) to the calibration body ( 12 . 32 ) based on the distance measurements and the known geometry and position of the calibration body ( 12 . 32 ) in the test setup. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend Schritt D), D) Justage des zumindest einen Laserabstandssensors (2) anhand der so bestimmten Position und Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors (2) zum Eichkörper (12, 32), so dass eine gewünschte Position und eine gewünschte Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors (2) zum Eichkörper (12, 32) angestrebt wird, wobei Schritt D) nach dem Schritt C) erfolgt.Method according to claim 1 comprising step D), D) adjusting the at least one laser distance sensor ( 2 ) based on the thus determined position and orientation of the at least one laser distance sensor ( 2 ) to the calibration body ( 12 . 32 ), so that a desired position and a desired orientation of the at least one laser distance sensor ( 2 ) to the calibration body ( 12 . 32 ), wherein step D) takes place after step C). Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsmessungen an zumindest fünf Messpunkten auf der Oberfläche des Eichkörpers (12, 32) durch den Laserabstandssensor (2) durchgeführt wird oder die Laserabstandssensoren (2) durchgeführt werden.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the distance measurements at at least five measuring points on the surface of the calibration body ( 12 . 32 ) by the laser distance sensor ( 2 ) or the laser distance sensors ( 2 ) be performed. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Eichkörper (12, 32) drehbar im Messaufbau gelagert wird und die Messpunkte durch Drehen des Eichkörpers (12, 32) im Messaufbau um die Drehachse (z) angesteuert werden oder der kontinuierliche Verlauf durch Drehen des Eichkörpers (12, 32) im Messaufbau um die Drehachse (z) abgefahren wird, wobei bevorzugt der Laserabstandssensor (2) oder die Laserabstandssensoren (2) an der Drehachse (z) als gewünschte Ausrichtung ausgerichtet wird oder werden, besonders bevorzugt, die Ausrichtung des Laserabstandssensors (2) oder der Laserabstandssensoren (2) zur Drehachse (z) mit einem Winkel (Γ) von weniger als 20° erfolgt, ganz besonders bevorzugt mit einem Winkel (Γ) von weniger als 5° erfolgt.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the calibration body ( 12 . 32 ) is rotatably mounted in the measuring structure and the measuring points by turning the calibration body ( 12 . 32 ) in the measurement setup about the axis of rotation (z) are controlled or the continuous course by turning the calibration body ( 12 . 32 ) is traveled in the measurement setup about the axis of rotation (z), wherein preferably the laser distance sensor ( 2 ) or the laser distance sensors ( 2 ) is aligned at the rotational axis (z) as a desired orientation or, particularly preferably, the orientation of the laser distance sensor ( 2 ) or the laser distance sensors ( 2 ) to the axis of rotation (z) with an angle (Γ) of less than 20 °, very particularly preferably with an angle (Γ) of less than 5 °. Verfahren nach Anspruche 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit (ω) des Eichkörpers (12, 32) um die Drehachse (z) beim Bestimmen der Position und der Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors (2) zum drehbaren Eichkörper (12, 32) rechnerisch berücksichtigt wird, insbesondere bei der Abstandsmessung des kontinuierlichen Verlaufs.Method according to Claim 4, characterized in that the angular velocity (ω) of the calibration body ( 12 . 32 ) about the axis of rotation (z) in determining the position and the orientation of the at least one laser distance sensor ( 2 ) to the rotatable calibration body ( 12 . 32 ) is mathematically taken into account, especially in the distance measurement of the continuous course. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkel (φ) des Eichkörpers (12, 32) bestimmt wird, wobei bevorzugt die Zeit (t) bei bekannter Winkelgeschwindigkeit (ω) gemessen wird, um den Drehwinkel (φ) des Eichkörpers (12, 32) zu bestimmen, wobei besonders bevorzugt ein Marker auf dem Eichkörper (12, 32) mit dem zumindest einen Laserabstandssensor (2) gemessen wird, um eine volle Umdrehung zu bestimmen.Method according to one of claims 4 or 5, characterized in that the angle of rotation (φ) of the calibration body ( 12 . 32 ), wherein preferably the time (t) at a known angular velocity (ω) is measured to the rotation angle (φ) of the calibration body ( 12 . 32 ), wherein particularly preferably a marker on the calibration body ( 12 . 32 ) with the at least one laser distance sensor ( 2 ) is measured to determine a full revolution. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Eichkörper (12, 32) eine Drehscheibe verwendet wird, wobei bevorzugt die Drehscheibe gegen die Drehachse (z) geneigt ist, besonders bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 5° und 60°, ganz besonders bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 15° und 30° geneigt ist.Method according to one of claims 4 to 6, characterized in that as calibration body ( 12 . 32 ) a turntable is used, wherein preferably the turntable is inclined relative to the rotation axis (z), more preferably tilted by a tilt angle (δ) between 5 ° and 60 °, most preferably by a tilt angle (δ) between 15 ° and 30 ° is. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verkippungswinkel (δ) der Drehscheibe gegen die Drehachse (z) beim Bestimmen der Position und der Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors (2) zur Drehscheibe rechnerisch berücksichtigt wird. A method according to claim 7, characterized in that the tilt angle (δ) of the turntable against the axis of rotation (z) in determining the position and orientation of the at least one laser distance sensor ( 2 ) is considered mathematically to the hub. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der von dem Laser (8, 28) des zumindest einen Laserabstandssensors (2) erzeugte Laserstrahl während der Abstandsmessung immer auf die jeweils gleiche Seite der Drehscheibe trifft. Method according to claim 7 or 8, characterized in that that of the laser ( 8th . 28 ) of the at least one laser distance sensor ( 2 ) laser beam always hits the same side of the turntable during the distance measurement. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Position und die Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors (2) zur Drehscheibe durch Parameterfits der Gleichung
Figure DE102012217176A1_0028
bestimmt werden oder mit einer Taylorreihenentwicklung dieser Gleichung bestimmt werden, vorzugsweise mit einer Fourier-Analyse einer Taylorreihenentwicklung dieser Gleichung bestimmt werden, wobei l1 der Messwert des einen Laserabstandssensors beim Auftreffen auf die Drehscheibe (12, 32) ist, n der Normalvektor der Drehscheibe (12, 32), d1 der Positionsvektor des Schnittpunktes der zum Laser gewandten Oberfläche der Drehscheibe mit der Drehachse, b1 der Positionsvektoren des virtuellen Schnittpunkts des ersten Laserstrahls mit den zugehörigen x-y-Ebenen E1 durch den Punkt d1, ĉ1 der in der z-Richtung auf den Betrag von 1 normierten Richtungsvektor der auf die Drehscheibe (12, 32) einfallenden Laserstrahls von Laser (8, 28) in Richtung steigender Messwerte und l0,1 der Messwert des ersten Laserabstandssensors, welcher sich beim Vermessen des Punkts b1 ergeben würden.
Method according to one of claims 7 to 9, characterized in that the position and the orientation of the at least one laser distance sensor ( 2 ) to the turntable through parameter fits of the equation
Figure DE102012217176A1_0028
be determined or are determined by a Taylor series expansion of this equation, preferably determined by a Fourier analysis of a Taylor series development of this equation, where l 1 is the measured value of the one laser distance sensor when hitting the turntable ( 12 . 32 ), n is the normal vector of the turntable ( 12 . 32 ), d 1 is the position vector of the intersection of the laser-facing surface of the turntable with the axis of rotation, b 1 of the position vectors of the virtual intersection of the first laser beam with the associated xy planes E 1 through the point d 1 , ĉ 1 of the z in the z Direction to the amount of 1 normalized direction vector of the turntable ( 12 . 32 ) incident laser beam from laser ( 8th . 28 ) in the direction of increasing measured values and l 0.1 the measured value of the first laser distance sensor, which would result when measuring the point b 1 .
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Daten für die Bestimmung der Position und der Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors (2) zum Eichkörper (12, 32) aus einer periodischen Abstandsmessung die Amplituden einer Grundwelle (F1,1), insbesondere die Amplituden einer Grundwelle (F1,1) und zumindest der ersten Oberwelle (F2,1), verwendet werden, wobei bevorzugt die Grundwelle (F1,1) und/oder zumindest die erste Oberwelle (F2,1) durch eine Fourier-Analyse der periodischen Abstandsmessung berechnet werden, besonders bevorzugt durch eine Taylorreihenentwicklung und eine Fourier-Analyse der periodischen Abstandsmessung berechnet werden.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in the calculation of the data for the determination of the position and the orientation of the at least one laser distance sensor ( 2 ) to the calibration body ( 12 . 32 ) from a periodic distance measurement, the amplitudes of a fundamental wave (F 1,1 ), in particular the amplitudes of a fundamental wave (F 1,1 ) and at least the first harmonic wave (F 2,1 ) are used, wherein preferably the fundamental wave (F 1, 1 ) and / or at least the first harmonic (F 2,1 ) are calculated by a Fourier analysis of the periodic distance measurement, particularly preferably calculated by a Taylor series development and a Fourier analysis of the periodic distance measurement. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Berechnung der Grundwelle (F1,1) und/oder zumindest der ersten Oberwelle (F2,1) angenommen wird, dass die Amplituden der Grundwelle (F1,1) und/oder zumindest der ersten Oberwelle (F2,1) größer oder gleich Null ist.A method according to claim 11, characterized in that in the calculation of the fundamental wave (F 1,1 ) and / or at least the first harmonic wave (F 2,1 ) is assumed that the amplitudes of the fundamental wave (F 1,1 ) and / or at least the first harmonic (F 2.1 ) is greater than or equal to zero. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel β1 und γ1 und die Amplituden Ĉ1 und B1 zur Bestimmung der Position
Figure DE102012217176A1_0029
und der Ausrichtung, beschrieben durch den Vektor
Figure DE102012217176A1_0030
des zumindest einen Laserabstandssensors (2) mit den Gleichungen
Figure DE102012217176A1_0031
berechnet werden, wobei µ1 die Phasenlage der Grundwelle von l1(φ) und η1 die Phasenlage der 1. Oberwelle von l1(φ) ist, ĉz1 = sign(cz1) die z-Ausrichtung des Lasers (8, 28) zur Drehscheibe angibt, δ der Verkippungswinkel der Drehscheibe gegen die Drehachse (z) ist und F1,1 die gemessene Amplitude der Grundwelle und F2,1 die gemessene Amplitude der ersten Oberwelle ist.
Method according to one of claims 7 to 12, characterized in that the angles β 1 and γ 1 and the amplitudes Ĉ 1 and B 1 for determining the position
Figure DE102012217176A1_0029
and the orientation described by the vector
Figure DE102012217176A1_0030
the at least one laser distance sensor ( 2 ) with the equations
Figure DE102012217176A1_0031
where μ 1 is the phase of the fundamental wave of l 1 (φ) and η 1 is the phase of the first harmonic of l 1 (φ), ĉ z1 = sign (c z1 ) the z-orientation of the laser ( 8th . 28 ) indicates to the turntable, δ is the tilt angle of the turntable against the rotation axis (z), and F 1,1 is the measured amplitude of the fundamental and F 2,1 is the measured amplitude of the first harmonic.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsmessungen mit einem Lasertriangulationsverfahren durchgeführt werden und/oder dass der zumindest eine Laserabstandssensor (2) im Zuge der Ausrichtung anhand der gemessenen Daten und/oder der daraus berechneten Größen kalibriert wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the distance measurements are carried out with a laser triangulation method and / or that the at least one laser distance sensor ( 2 ) is calibrated in the course of alignment based on the measured data and / or the quantities calculated therefrom. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Position und Ausrichtung zumindest zweier Laserabstandssensoren (2) zueinander bestimmt werden und dabei Unsicherheiten durch Fehler bei der Einschätzung der Lage und Geometrie des Eichkörpers (12, 32) ausgeglichen werden. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the relative position and orientation of at least two laser distance sensors ( 2 ) and thereby uncertainties due to errors in the assessment of the position and geometry of the calibration body ( 12 . 32 ). Verfahren zur Messung der Dicke eines Körpers oder einer Beschichtung eines beschichteten Körpers in einem Messaufbau, wobei bei der Messung der Dicke zumindest ein Laserabstandssensor (2) verwendet wird, dessen Position und Ausrichtung zum Eichkörper (12, 32) mit einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche bestimmt wurde oder der zuvor im Messaufbau mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 15 gegen einen Eichkörper (12, 32) ausgerichtet wurde.Method for measuring the thickness of a body or a coating of a coated body in a measuring setup, wherein at least one laser distance sensor ( 2 ) whose position and orientation to the calibration body ( 12 . 32 ) was determined by a method according to one of the preceding claims or which was previously determined in the measurement setup with a method according to one of claims 2 to 15 against a calibration body ( 12 . 32 ) was aligned. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch die chronologischen Schritte E) Entfernen des Eichkörpers (12, 32) aus dem Messaufbau; F) Einsetzen des zu vermessenden Körpers in eine Lagerung, die eine bekannte Position und Orientierung zu dem zuvor gelagerten Eichkörper (12, 32) im Messaufbau hat; und G) Messen der Dicke des Körpers oder dessen Beschichtung mit Hilfe des zumindest einen ausgerichteten und positionierten Laserabstandssensors (2) und/oder Messen der Dicke des Körpers oder dessen Beschichtung, wobei die Position und die Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors (2) rechnerisch berücksichtigt wird.Method according to claim 16, characterized by the chronological steps E) removal of the calibration body ( 12 . 32 ) from the measurement setup; F) inserting the body to be measured in a storage, which has a known position and orientation to the previously stored calibration body ( 12 . 32 ) in the measurement setup; and G) measuring the thickness of the body or its coating by means of the at least one aligned and positioned laser distance sensor (US Pat. 2 ) and / or measuring the thickness of the body or its coating, wherein the position and the orientation of the at least one laser distance sensor ( 2 ) is mathematically taken into account. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung zumindest einen Laserabstandssensor (2) und eine Lagerung für einen zu vermessenden Körper umfasst, wobei der Laserabstandssensor (2) einen Laser (8, 28) und einen Sensor (10) aufweist, die Lagerung zur Halterung eines Eichkörpers (12, 32) mit zumindest bereichsweiser genau definierter Oberfläche ausgelegt ist und der Eichkörper (12, 32) in der Vorrichtung definiert bewegbar ist.Device for carrying out a method according to one of the preceding claims, in which the device comprises at least one laser distance sensor ( 2 ) and a bearing for a body to be measured, wherein the laser distance sensor ( 2 ) a laser ( 8th . 28 ) and a sensor ( 10 ), the storage for holding a calibration body ( 12 . 32 ) is designed with at least regionally well-defined surface and the calibration body ( 12 . 32 ) is defined in the device movable. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Eichkörper (12, 32) drehbar in der Vorrichtung gelagert ist oder lagerbar ist und der Eichkörper (12, 32) um definierte Winkel (φ) um eine Drehachse (z) drehbar ist und/oder mit zumindest einer definierten Winkelgeschwindigkeit (ω) drehbar ist.Device according to claim 18, characterized in that the calibration body ( 12 . 32 ) is rotatably mounted in the device or is storable and the calibration body ( 12 . 32 ) is rotatable about defined angles (φ) about a rotation axis (z) and / or is rotatable with at least one defined angular velocity (ω). Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Eichkörper (12, 32) eine Scheibe ist, die gegen die Drehachse (z) geneigt ist, bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 5° und 60° geneigt ist, besonders bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 15° und 30° geneigt ist, ganz besonders bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 20° bis 25° geneigt ist.Device according to claim 19, characterized in that the calibration body ( 12 . 32 ) is a disc which is inclined relative to the axis of rotation (z), preferably tilted by a tilt angle (δ) between 5 ° and 60 °, particularly preferably tilted by a tilt angle (δ) between 15 ° and 30 °, especially preferably tilted by a tilt angle (δ) between 20 ° to 25 °.
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