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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Ausrichtung eines ausgestrahlten und zu empfangenden Lichtstrahls eines optischen Abstandssensors, insbesondere eines optischen Abstandssensors zur Ermittlung eines Bewegungsfehlers eines Zielobjekts. Ferner betrifft die Erfindung eine optische Sensoranordnung.
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Optische Sensoren zur Abstandsmessung können z.B. einen Abstand zwischen dem Sensor und einem Zielobjekt messen. Solche optischen Sensoren können beispielsweise als sogenannte Sender-Empfänger-Sensoren ausgebildet sein, wobei ein Sender des Sensors einen Lichtstrahl erzeugt und ein Empfänger des Sensors den (reflektierten) Lichtstrahl empfängt und in Abhängigkeit des empfangenen Lichtstrahls den Abstand ermittelt. Es ist auch bekannt, optische Sensoren zur Ermittlung eines Bewegungsfehlers einer Drehvorrichtung zu verwenden. Eine Drehvorrichtung bezeichnet hierbei eine Vorrichtung, wobei mindestens ein drehbarer Teil der Drehvorrichtung um eine Drehachse drehbar ist. Solche Drehvorrichtungen können beispielsweise Drehschwenkgelenke oder Drehtische sein.
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Während einer Drehung des drehbaren Teils der Drehvorrichtung um die Drehachse können Bewegungsfehler auftreten, die aus einer Abweichung von einer idealen, reinen Drehbewegung resultieren. Derartige Abweichungen werden z.B. durch eine Lagerung des drehbaren Teils, einer Bewegungsführung des drehbaren Teils, aufgrund von Fertigungstoleranzen und/oder durch in oder auf die Drehachse wirkende Kräfte oder Momente verursacht. Solche Kräfte und Momente können hierbei statische oder dynamische Kräfte oder Momente sein. Der Begriff Bewegungsfehler umfasst hierbei translatorische und rotatorische Bewegungsfehler. Somit können bei einer Drehung um die Drehachse Abweichungen von der idealen Drehbewegung in sechs voneinander unabhängigen Freiheitsgraden auftreten. Bei mehrstufigen Drehvorrichtungen, die also mehrere Drehachsen aufweisen, sind Bewegungsfehler einer Drehachse gegebenenfalls zusätzlich abhängig von einer Winkelposition der verbleibenden Drehachse(n).
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Aus diesem Grund ist es üblich, Bewegungsfehler einer Drehvorrichtung zu erfassen, um beispielsweise eine Aussage über eine Genauigkeit, insbesondere Drehgenauigkeit, der Drehvorrichtung machen zu können. In Abhängigkeit von ermittelten Bewegungsfehlern der Drehvorrichtung kann auch eine Kalibrierung der Drehvorrichtung erfolgen, wobei z.B. systematische Bewegungsfehler ermittelt und anschließend rechnerisch korrigiert werden können. Insbesondere kann ein Bewegungsfehler zu bestimmten oder allen Winkelpositionen der Drehachse ermittelt werden. Somit kann später, beispielsweise im Betrieb der Drehvorrichtung, dieser Bewegungsfehler berücksichtigt werden. Wird die Drehachse zur Positionierung z.B. eines Werkstückes bei einer Bearbeitung oder Vermessung des Werkstückes genutzt, so kann der vorher ermittelte Bewegungsfehler bei der Bearbeitung oder Vermessung des Werkstückes berücksichtigt werden. Insbesondere kann der Bewegungsfehler bei der Vermessung eines Werkstückes durch ein Koordinatenmessgerät (KMG) berücksichtigt werden, um eine Vermessungsgenauigkeit zu erhöhen.
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Die nachveröffentlichte
WO 2014/108187 A1 offenbart ein Verfahren zur Ermittlung eines oder mehrerer Fehler eines Drehpositionsermittlungssystems. Hierbei wird ein Prüfkörper oder Prüfelement, insbesondere ein rotationssymmetrisches Prüfelement, und eine Sensoranordnung zur Ermittlung des vorhergehend erläuterten Bewegungsfehlers einer Drehvorrichtung beschrieben. In der Druckschrift wird ein Sensorhalter mit drei senkrecht zueinander stehenden Wänden beschrieben. An den Wänden sind Abstandssensoren angebracht, die einen Abstand zwischen den Abstandssensoren und dem vorhergehend erwähnten Prüfelement erfassen. In Abhängigkeit der Ausgangssignale dieser Abstandssensoren können Translationsfehler in drei voneinander unabhängigen Raumrichtungen sowie Rotationsfehler um zwei voneinander unabhängige Raumrichtungen ermittelt werden.
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Die
WO 2013/007285 A1 offenbart eine Korrektur und/oder Vermeidung von Fehlern bei der Messung von Koordinaten eines Werkstückes. Hierin wird ein Messsystem beschrieben, welches einen Stab umfasst, der zwei kugelförmige Messkörper trägt, die in axialer Richtung in einem vorbestimmten Abstand zueinander angeordnet sind. Weiter ist ein Arm offenbart, an dem eine Anordnung von Sensoren befestigt ist. Hierbei ist ein erster Sensor in axialer Richtung auf eine obere Kugel gerichtet, um eine Relativposition in einer axialen Richtung zu messen. Ein zweiter und ein dritter Sensor sind in radialer Richtung auf die obere Kugel ausgerichtet, wobei die Sensoren in verschiedene, z.B. zueinander senkrecht stehenden, Richtungen ausgerichtet sind, um radiale Relativpositionen in zwei verschiedenen Richtungen zu messen. Ein vierter und ein fünfter Sensor sind ebenfalls in zwei zueinander senkrecht stehenden radialen Richtungen ausgerichtet, jedoch auf die untere Kugel, um zwei voneinander unabhängige radiale Relativpositionen an einer anderen axialen Position zu messen. Der Stab kann hierbei konzentrisch oder annähern konzentrisch zu der zu vermessenden Drehachse auf dem drehbaren Teil der Drehvorrichtung angeordnet sein. Weiter beschreibt die Druckschrift, wie Messsignale der Sensoren genutzt werden können, um eine relative Position und/oder Ausrichtung der Kugeln zueinander zu ermitteln und/oder eine Veränderung der relativen Position und/oder Ausrichtung der Kugeln zu ermitteln und/oder zu korrigieren.
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Die beiden Druckschriften beschreiben somit, wie Bewegungsfehler in fünf von sechs Freiheitsgraden durch die Verwendung von Abstandssensoren ermittelt werden können.
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Die nachveröffentlichte
DE 10 2013 205 456 A1 offenbart ein Ausrichtelement für einen optischen Sensor, wobei das Ausrichtelement mindestens eine Einstrahlfläche aufweist oder ausbildet, wobei das Ausrichtelement im Bereich der Einstrahlfläche eine Durchlassöffnung mit einem vorbestimmten Durchmesser aufweist.
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Bei der Verwendung von optischen Abstandssensoren z.B. zur Ermittlung von Abständen zwischen den Sensoren und den Kugeln des vorhergehend erläuterten Doppelkugelnormals kann der Abstand durch Emittierung eines (Laser-)Lichtstrahls und eine Reflexion des Lichtstrahls an dem Prüfelement erfolgen. Hierbei ist die Ausrichtung eines optischen Abstandssensors relativ zu einem Zielobjekt, insbesondere dem vorhergehend erläuterten Prüfelement, wesentlich, da bei einer ungenauen Ausrichtung der reflektierte Lichtstrahl nur zum Teil oder gar nicht in einen Erfassungsbereich des optischen Sensors fällt. In diesem Fall ist keine zuverlässige Abstandsmessung möglich. Insbesondere kann ein Lichtstrahl aufgrund von Bewegungsfehlern nicht mehr orthogonal auf eine Oberfläche eines sphärischen oder zylindrischen Zielobjekts treffen, wodurch Messfehler entstehen können, die abhängig von einem Einfallswinkel des Lichtstrahls auf die Oberfläche und einer Krümmung der Oberfläche sind.
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Eine Ausrichtung des optischen Sensors relativ zum Zielobjekt derart, dass der emittierte Lichtstrahl in den Erfassungsbereich des optischen Sensors reflektiert wird, ist in der Regel sehr zeitaufwändig. Dies bedeutet, dass vor der eigentlichen Abstandserfassung zur Ermittlung von Bewegungsfehlern der Drehvorrichtung viel Zeit notwendig ist, um die entsprechenden Abstandssensoren auszurichten. Weiter erschwerend kommt hinzu, dass manche optische Abstandssensoren Lichtstrahlen im nicht-sichtbaren Spektralbereich emittieren, was die visuelle gestützte Ausrichtung weiter erschwert.
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Die
DE 10 2009 027 668 A1 offenbart ein Laserentfernungsmessgerät mit einem Spiegel, welcher im Winkel von 45° in den Strahlengang des Laserentfernungsmessgeräts in Eingriff bringbar ist, wobei der Spiegel so in unterschiedliche Richtungen ausrichtbar ist, dass der Strahlengang in entsprechende Richtungen abgelenkt wird.
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Es ergibt sich das technische Problem, eine Vorrichtung und ein Verfahren sowie eine Sensoranordnung zur Ausrichtung eines ausgestrahlten und zu empfangenden Lichtstrahls eines optischen Abstandssensors zu schaffen, insbesondere eines optischen Abstandssensors zur Ermittlung eines Bewegungsfehlers einer Drehvorrichtung, welche eine zeitlich schnelle und genaue Ausrichtung des Lichtstrahls ermöglichen.
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Die Lösung des technischen Problems ergibt sich durch die Gegenstände mit den Merkmalen der Ansprüche 1, 6, 7 und 11. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Es ist eine Grundidee der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung, insbesondere in Form eines Aufsatzes für einen optischen Abstandssensor, zu schaffen, welche ein Mittel umfasst, durch welches eine Strahlrichtung eines vom optischen Sensor ausgestrahlten Lichtstrahls und/oder eines vom optischen Sensor zu empfangenden Lichtstrahls verändert werden kann.
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Vorgeschlagen wird eine Vorrichtung zur Ausrichtung eines ausgestrahlten und zu empfangenden Lichtstrahls eines optischen Abstandssensors. Der optische Abstandssensor kann zur Abstandsmessung verwendet werden, insbesondere bei einer Ermittlung eines Bewegungsfehlers einer Drehvorrichtung. Dies ist insbesondere in den eingangs erläuterten Druckschriften beschrieben. So kann der optische Abstandssensor z.B. einen Abstand zwischen dem Abstandssensor und einem Zielobjekt, beispielsweise einem Prüfelement oder -körper, der z. B. als Kugelnormal oder Doppelkugelnormal ausgebildet sein kann und der z.B. auf einem drehbaren Teil einer Drehvorrichtung angeordnet ist, erfassen. Dies kann beispielsweise durch eine Laufzeiterfassung eines vom optischen Abstandssensor ausgestrahlten und nach Reflexion wieder empfangenen Lichtstrahls erfolgen. Vorzugsweise ist jedoch der optische Abstandssensor ein Laserinterferometrischer Sensor. Hierbei wird ein Abstand zwischen dem Abstandssensor und dem Zielobjekt mittels Interferometrie erfasst. Insbesondere wird hierbei eine Phasenverschiebung eines von dem Zielobjekt reflektierten Lichtstrahls, insbesondere eines reflektierten Laserstrahls, oder dessen Modulation gegenüber einem ausgestrahlten Lichtstrahl bestimmt. Der reflektierte Lichtstrahl bildet hierbei den zu empfangenden Lichtstrahl. Die Phasenverschiebung ist entfernungsabhängig, sodass in Abhängigkeit der Phasenverschiebung der Abstand zwischen dem Abstandssensor und dem Zielobjekt bestimmt werden kann. Selbstverständlich können jedoch auch optische Abstandssensoren mit weiteren Funktionsprinzipien verwendet werden.
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Im Sinne dieser Erfindung bezeichnet ein Lichtstrahl ein beliebiges Lichtsignal, insbesondere ein beliebiges elektromagnetisches Signal, welches zur Erfassung des Abstandes vom optischen Abstandssensor ausgestrahlt und/oder empfangen wird. Ein ausgestrahlter Lichtstrahl bezeichnet hierbei einen Lichtstrahl oder Lichtimpuls, der vom optischen Abstandssensor emittiert wird. Ein zu empfangender Lichtstrahl bezeichnet hierbei einen Lichtstrahl, der zur Abstandserfassung vom optischen Abstandssensor empfangen bzw. detektiert werden muss. Der zu empfangende Lichtstrahl wird ein vom Abstandssensor ausgestrahlter und von einem Zielobjekt reflektierter Lichtstrahl sein. Bevorzugt kann mittels der vorgeschlagenen Vorrichtung sowohl der ausgestrahlte als auch der zu empfangende Lichtstrahl ausgerichtet werden.
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Die Vorrichtung weist mindestens ein Umlenkmittel auf. Mittels des Umlenkmittels ist eine Strahlrichtung des Lichtstrahles veränderbar. Somit kann entlang des Lichtstrahles in Strahlrichtung des Lichtstrahles eine Strahlrichtung vor dem Umlenkmittel verschieden von einer Strahlrichtung hinter dem Umlenkmittel sein. Durch das mindestens eine Umlenkmittel ist also eine Strahlrichtung eines auf das Umlenkmittel einstrahlenden Lichtstrahles veränderbar. Die Strahlrichtung kann hierbei in einem, insbesondere ortsfesten, Referenzkoordinatensystem der Vorrichtung bestimmt werden.
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So ist es vorstellbar, dass mittels des mindestens einen Umlenkmittel ein Winkel zwischen der Strahlrichtung des Lichtstrahles vor dem mindestens einen Umlenkmittel und hinter dem mindestens einen Umlenkmittel einstellbar und veränderbar ist. Dieser Winkel kann beispielsweise in einer Ebene bestimmt werden, in der der Lichtstrahl sowohl vor als auch hinter dem Umlenkmittel verläuft. Der Winkel kann hierbei beispielsweise in einem vorbestimmten Winkelbereich, beispielsweise von 0° (ausschließlich) bis +180° (ausschließlich) und/oder bis -180° (ausschließlich), bevorzugt in einem Winkelbereich von 0° (ausschließlich) bis +10° (einschließlich) und/oder bis -10° (einschließlich), besonders bevorzugt in einem Winkelbereich von +2° (einschließlich) bis -2° (einschließlich), eingestellt werden.
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Auch ist es möglich, dass der vorbestimmte Winkelbereich einen Winkelbereich bezeichnet, wobei der Winkelbereich sich in Abhängigkeit eines Referenzwinkels und einer Winkelabweichung vom Referenzwinkel bestimmt. Der Referenzwinkel kann hierbei ein Winkel aus dem Bereich von 0° bis +180°, insbesondere von 0° (ausschließlich) bis +180° (ausschließlich), oder von 0° bis -180°, insbesondere von 0° (ausschließlich) bis - 180° (ausschließlich), sein. Z.B. kann der Referenzwinkel +90° oder -90° sein. Die Winkelabweichung kann in Abhängigkeit einer Anwendung gewählt werden, besonders in Abhängigkeit einer erwarteten Reflexionsabweichung bei einer Reflexion vom Zielobjekt. Die Winkelabweichung kann in einem Bereich -90° (ausschließlich) bis +90° (ausschließlich), insbesondere in einem Bereich von -10° bis +10° liegen, besonders bevorzugt in einem Bereich von -2° bis +2°. Bei einem Referenzwinkel von +90° kann der vorbestimmte Winkelbereich also z.B. Winkel von 88° bis 92° umfassen.
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Durch das mindestens eine Umlenkmittel kann ein vom optischen Abstandssensor ausgestrahlter Lichtstrahl hin zum Zielobjekt ausgerichtet werden, wobei die Strahlrichtung des ausgestrahlten Lichtstrahls derart verändert wird, dass der Lichtstrahl auf das Zielobjekt umgelenkt wird. Alternativ oder kumulativ kann die Strahlrichtung eines zu empfangenden Lichtstrahls derart verändert werden, dass der zu empfangende Lichtstrahl in einen Erfassungsbereich des optischen Abstandssensors umgelenkt wird.
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Selbstverständlich kann die Vorrichtung mehrere, insbesondere in Strahlrichtung hintereinander angeordnete, Umlenkmittel und/oder weitere optische Elemente, insbesondere zur Strahlführung, umfassen.
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Weiter weist die Vorrichtung mindestens ein Befestigungsmittel zur Befestigung des optischen Abstandssensors auf oder bildet dieses aus. Das Befestigungsmittel dient z.B. zur mechanischen Verbindung des optischen Abstandssensors an der vorgeschlagenen Vorrichtung. Insbesondere ermöglicht das Befestigungsmittel die Herstellung einer lösbaren mechanischen Verbindung, beispielsweise einer formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen, insbesondere reibschlüssigen, mechanischen Verbindung, beispielsweise einer Klemmverbindung.
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Der vorhergehend erläuterte Lichtstrahl wird hierbei von einem mittels des mindestens einen Befestigungsmittels befestigten optischen Abstandssensor ausgestrahlt und empfangen. Das Befestigungsmittel kann hierbei mechanisch lösbar, z.B. anschraubbar, oder unlösbar an der Vorrichtung befestigt sein.
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Durch das mindestens eine Befestigungsmittel ist eine Position und/oder Orientierung des optischen Abstandssensors relativ zu dem mindestens einen Umlenkmittel derart festgelegt, dass ein Umlenkwinkel aus einem vorbestimmten Winkelbereich einstellbar ist.
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Der Umlenkwinkel bezeichnet hierbei einen Winkel, der von einem auf das Umlenkmittel treffenden Lichtstrahl und dem durch das Umlenkmittel umgelenkten Lichtstrahl eingeschlossen wird. Bezüglich des vorbestimmten Winkelbereichs des Umlenkwinkels wird auf die vorhergehenden Ausführungen , insbesondere auf die Ausführungen zum Winkelbereich, der in Abhängigkeit eines Referenzwinkels und einer Winkelabweichung bestimmt wird, verwiesen. So kann der vorbestimmte Winkelbereich beispielsweise Winkel von 0° (ausschließlich) bis 180° (ausschließlich), insbesondere von 45° bis 135°, weiter insbesondere von +80° bis +100° oder weiter insbesondere von 88° bis 92° umfassen. Durch die Einstellung des Umlenkwinkels kann eine Strahlrichtung des auf das Umlenkmittel treffenden Lichtstrahls auf eine gewünschte Strahlrichtung eingestellt werden.
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Der Winkelbereich der Umlenkwinkel kann beispielsweise derart gewählt werden, dass ein vom optischen Abstandssensor ausgestrahlter und auf das mindestens eine Umlenkmittel treffender Lichtstrahl derart umgelenkt wird, dass der umgelenkte Lichtstrahl eine Strahlrichtung aus einem vorbestimmten Bereich von Strahlrichtungen, die relativ zum vorhergehend erläuterten Referenzkoordinantensystem festgelegt sein können, aufweist.
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Alternativ oder kumulativ kann der Winkelbereich der Umlenkwinkel beispielsweise derart gewählt werden, dass ein zu empfangender und auf das mindestens eine Umlenkmittel treffender Lichtstrahl mit einer Strahlrichtung aus einem vorbestimmten Bereich von Strahlrichtungen, die relativ zum vorhergehend erläuterten Referenzkoordinantensystem festgelegt sein können, derart umgelenkt werden kann, dass er von dem optischen Abstandssensor erfasst werden kann, insbesondere mit einer vorbestimmten Signalqualität erfasst werden kann. Beispielsweise kann in der gewünschten Ausrichtung ein Signal-Rauschverhältnis größer als -3 dB sein.
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Insbesondere kann das mindestens eine Befestigungsmittel derart ausgebildet und/oder relativ zu dem mindestens einen Umlenkmittel angeordnet sein, dass der optische Abstandssensor eine gewünschte Ausrichtung relativ zu dem mindestens einen Umlenkmittel aufweist. Somit kann auch eine Strahlrichtung eines von dem optischen Abstandssensor ausgestrahlten Lichtstrahls relativ zu dem mindestens einen Umlenkmittel festgelegt sein. Dies kann bedeuten, dass der von dem optischen Abstandssensor ausgestrahlte Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Strahlrichtung, die zeitlich konstant sein kann, auf das Umlenkmittel trifft, wobei durch das Umlenkmittel dann diese Strahlrichtung veränderbar ist. Die Position und/oder Orientierung des optischen Abstandssensors kann derart festgelegt sein, dass eine gewünschte Ausrichtung eines von dem Aufnahmemittel aufgenommenen optischen Sensors gegeben ist.
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Insbesondere kann die vorgeschlagene Vorrichtung als Aufsatz für einen optischen Abstandssensor ausgebildet sein. Hierbei kann der optische Abstandssensor in die vorgeschlagene Vorrichtung z.B. eingesteckt, eingeschraubt, eingerastet oder in einer sonstigen Weise angeordnet werden.
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Durch die vorgeschlagene Vorrichtung ergibt sich in vorteilhafter Weise, dass ein von einem optischen Abstandssensor ausgestrahlter Lichtstrahl mit einer gewünschten Strahlrichtung auf ein Zielobjekt ausgerichtet werden kann. Somit kann beispielsweise der vom optischen Abstandssensor ausgestrahlte Lichtstrahl derart ausgerichtet werden, dass der ausgestrahlte Lichtstrahl vom Zielobjekt in sich oder nahezu in sich reflektiert wird.
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In diesem Zusammenhang bedeutet in sich reflektiert, dass eine Strahlrichtung des reflektierten Lichtstrahles entgegengesetzt zur Strahlrichtung des ausgestrahlten Lichtstrahles ist, wobei die Lichtstrahlen konzentrisch zueinander verlaufen. Dies wiederum bedeutet, dass sich (theoretische) Mittellinien des ausgestrahlten und des reflektierten Lichtstrahles überlagern. In anderen Worten wird der von dem Zielobjekt reflektierte Lichtstrahl genau auf den ausgestrahlten Lichtstrahl reflektiert.
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Nahezu in sich reflektiert kann bedeuten, dass der reflektierte Lichtstrahl mit einer vorbestimmten geringen Abweichung von dem ausgestrahlten Lichtstrahl reflektiert wird, wobei die Lichtstrahlen nicht mehr ideal konzentrisch zueinander verlaufen. Die vorbestimmte geringe Abweichung kann beispielsweise durch einen Winkel aus einem Winkelbereich von -1° bis 1° charakterisiert sein. Auch kann die vorbestimmte Abweichung in Abhängigkeit einer Apertur des Abstandssensors bestimmt werden. Die Apertur bestimmt hierbei den Erfassungsbereich, in welchem Lichtstrahlen von dem Abstandssensor empfangen werden können. Dies wiederum bedeutet, dass die Abweichung derart gewählt wird, dass der reflektierende Lichtstrahl noch in einen Erfassungsbereich des Abstandssensors gelangt. Die Apertur kann selbstverständlich abhängig von weiteren optischen Elementen entlang des Strahlwegs sein. Somit ist es möglich, dass auch geringfügige Abweichungen der Mittellinien voneinander, beispielsweise Abweichungen kleiner als 1°, auftreten.
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Dies wiederum ermöglicht in vorteilhafter Weise eine zuverlässige Abstandsmessung, dass ein ausgestrahlter Lichtstrahl derart ausgerichtet werden kann, dass er wieder in den Erfassungsbereich des Abstandssensors reflektiert wird. Somit kann der eingangs erläuterte Signalverlust, beispielsweise durch Verdrehung oder Verschiebung des Zielobjektes, verringert oder gar vollständig vermieden werden.
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Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung mindestens eine Einstrahlfläche auf oder bildet diese aus. Die Einstrahlfläche kann hierbei beispielsweise eine ebene Fläche oder eine sphärische Fläche, insbesondere eine teil- oder halbkugelförmige Fläche, sein. Insbesondere ist die Einstrahlfläche eine Außenfläche oder ein Teilabschnitt einer Außenfläche der vorgeschlagenen Vorrichtung. Die Vorrichtung weist im Bereich der Einstrahlfläche eine Durchlassöffnung mit einem vorbestimmten Durchmesser auf. Der vorbestimmte Durchmesser kann in Abhängigkeit eines Durchmessers eines von dem optischen Abstandssensor ausgestrahlten und gegebenenfalls umgelenkten Lichtstrahls bestimmt werden, insbesondere um ein vorbestimmtes, geringes Maß größer als der Durchmesser des ausgestrahlten Lichtstrahls, z.B. 10 % größer als der Durchmesser des ausgestrahlten Lichtstrahls, sein. Der Durchmesser des Lichtstrahls kann hierbei z.B. einen Lichtfleckdurchmesser bezeichnen, der z.B. von einem Hersteller der Lichtquelle angegeben wird. Der Durchmesser des Lichtstrahls kann insbesondere abhängig von einer verwendeten Optik sein. Soll beispielsweise ein paralleles Lichtbündel austreten, so kann der Durchmesser mehrere Zentimeter betragen. Vorzugsweise liegt der Durchmesser jedoch im Mikrometer- oder Millimeterbereich. Beispielsweise kann der Durchmesser der Durchstrahlöffnung 1 mm betragen.
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In Bezug auf die Einstrahlfläche kann das mindestens eine Umlenkmittel auf einer der Einstrahlfläche abgewandten Seite eines die Einstrahlfläche ausbildenden Teils der vorgeschlagenen Vorrichtung angeordnet sein. Auch der optische Sensor kann auf dieser abgewandten Seite angeordnet sein. Somit bezeichnet die Einstrahlfläche eine äußere Oberfläche der Vorrichtung, auf die Lichtstrahlen, die, z.B. vom Zielobjekt, hin zur Vorrichtung gestrahlt werden, auftreffen können.
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Weiter ist die Durchlassöffnung derart angeordnet, dass ein ausgestrahlter, durch die Durchlassöffnung austretender und von dem Zielobjekt reflektierter und auf die Einstrahlfläche gerichteter Lichtstrahl eine gewünschte Ausrichtung aufweist, wenn er zumindest teilweise von der Seite der Einstrahlfläche durch die Durchlassöffnung tritt. Die Durchlassöffnung kann hierbei an einer vorbestimmten Position und/oder mit einer vorbestimmten Orientierung relativ zu dem mindestens einen Umlenkmittel angeordnet sein. Insbesondere kann die Durchlassöffnung derart angeordnet und/oder ausgebildet sein, dass ausschließlich Lichtstrahlen mit einer vorbestimmten Strahlrichtung oder mit Strahlrichtungen aus einem vorbestimmten Bereich von Strahlrichtungen von der Einstrahlfläche her durch die Durchlassöffnung, z.B. in das vorhergehend erläuterte Innenvolumen, strahlen können. Weiter kann die Durchlassöffnung derart angeordnet und/oder ausgebildet sein, dass zumindest ein Teil der, vorzugsweise jedoch alle, von der Seite der Einstrahlfläche her durch die Durchlassöffnung tretenden Lichtstrahlen durch das mindestens eine Umlenkmittel in den Erfassungsbereich des optischen Abstandssensors umgelenkt werden können. Somit können also, insbesondere ausschließlich, Lichtstrahlen von der Seite der Einstrahlfläche her durch die Durchlassöffnung treten, die dann auch in den Erfassungsbereich umgelenkt werden können.
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Alternativ oder kumulativ kann die Durchlassöffnung derart angeordnet und/oder ausgebildet sein, dass ausschließlich Lichtstrahlen mit einer vorbestimmten Strahlrichtung oder mit Strahlrichtungen aus einem vorbestimmten Bereich von Strahlrichtungen von einer der Einstrahlfläche abgewandten Seite her durch die Durchlassöffnung, also z.B. aus dem Innenvolumen des Gehäuses heraus, treten können.
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Die Durchlassöffnung kann hierbei in Strahlrichtung eines zu empfangenden Lichtstrahles vor oder hinter dem mindestens einen Umlenkmittel angeordnet sein.
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Insbesondere kann die Einstrahlfläche, die die Durchstrahlöffnung aufweist, als Reflexionsfläche ausgebildet sein oder eine Reflexionsfläche aufweisen, wobei die Reflexionsfläche Lichtstrahlen aus einem vorbestimmten Spektralbereich reflektiert oder unter Bestrahlung Strahlung mit einem vorbestimmten Spektralbereich emittiert. Der vorbestimmte Spektralbereich kann beispielsweise eine Wellenlänge in einem Bereich von 1520 nm bis 1610nm umfassen. Selbstverständlich können jedoch auch weitere Wellenlängen im sichtbaren oder nicht sichtbaren Bereich verwendet werden. Auch kann die Reflexionsfläche eine fluoreszierende oder lumineszierende Fläche sein, die unter Bestrahlung mit dem reflektierten Lichtstrahl Strahlung mit dem vorbestimmten Spektralbereich emittiert.
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Alternativ kann die Einstrahlfläche, die die Durchstrahlöffnung aufweist, als Sensorfläche ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Einstrahlfläche als CCD-Array ausgebildet sein oder ein solches CCD-Array umfassen. Selbstverständlich können auch andere, insbesondere flächig ausbildbare, Sensoren zur Erfassung von Strahlung verwendet werden.
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Insbesondere ermöglicht die Sensorfläche eine Erfassung einer Intensität eines auf die Sensorfläche treffenden Lichtstrahls und/oder eine Position des Lichtstrahls relativ zur Durchlassöffnung. In Abhängigkeit der erfassten Intensität und/oder Position kann dann das Umlenkmittel derart gesteuert oder geregelt werden, dass eine gewünschte Ausrichtung eines Lichtstrahls eingestellt wird.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung kann z.B. ein Gehäuse aufweisen, wobei das Gehäuse wiederum die Durchlassöffnung aufweist. Das mindestens eine Umlenkmittel kann in einem Innenvolumen des Gehäuses angeordnet sein kann.
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Die vorgeschlagene Vorrichtung kann weiter ein Ausrichtelement aufweisen. Das Ausrichtelement kann an der Vorrichtung, insbesondere einem Gehäuse der Vorrichtung, befestigt werden oder Teil der Vorrichtung sein. Das Ausrichtelement kann auch an dem optischen Abstandssensor befestigt werden. Es ist möglich, dass das vorhergehend erläuterte Befestigungsmittel auch zur Befestigung zumindest eines Teils des Ausrichtelements ausgebildet ist. Ein solches Ausrichtelement kann entsprechend einer in der eingangs erwähnten ausgebildet sein. Diesbezüglich wird vollumfänglich auf die Offenbarung der
DE 10 2013 205 456 A1 verwiesen.
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Insbesondere kann das Ausrichtelement die mindestens eine Einstrahlfläche aufweisen oder ausbilden, wobei das Ausrichtelement im Bereich der Einstrahlfläche die Durchlassöffnung aufweist. Das Ausrichtelement kann auch mindestens ein Befestigungsmittel zur Befestigung des Ausrichtelements an dem optischen Sensor oder der vorgeschlagenen Vorrichtung aufweisen oder ausbilden, wobei das mindestens eine Befestigungsmittel derart ausgebildet und/oder relativ zu der Durchlassöffnung angeordnet ist, dass, wie vorhergehend bereits erläutert, ein auf die Einstrahlfläche gerichteter Lichtstrahl eine gewünschte Ausrichtung aufweist.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das mindestens eine Umlenkmittel rotierbar. Dies bedeutet, dass zumindest eine Orientierung des Umlenkmittels veränderbar ist. Insbesondere kann das Umlenkmittel um mindestens eine Rotationsachse verdrehbar gelagert sein. Das Umlenkmittel kann hierbei aktorgestützt rotierbar sein, beispielsweise mittels eines Hexapoden oder eines weiteren geeigneten Aktors. Der Begriff „verdrehbar“ umfasst hierbei auch, dass das Umlenkmittel um eine oder mehrere Achse(n) schwenkbar oder verkippbar ist. Das Umlenkmittel kann beispielsweise um zwei, insbesondere senkrecht zueinander verlaufenden, Rotationsachsen rotierbar gelagert sein. Es ist jedoch auch möglich, dass das Umlenkmittel ausschließlich um eine Rotationsachse rotierbar gelagert ist. Durch eine Rotation des Umlenkmittel ist hierbei die Strahlrichtung veränderbar. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise eine möglichst einfache mechanische Konstruktion des Umlenkmittels. Diese kann einem planaren Scanner entsprechen.
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In einer weiteren Ausführungsform ist das Umlenkmittel als Spiegel ausgebildet. Ein Spiegel kann hierbei ein Element sein, durch welches ein Lichtstrahl zumindest teilweise reflektiert wird. Somit kann ein Spiegel auch durch ein Element mit einer polierten oder entsprechend bearbeiteten Oberfläche bereitgestellt werden.
Dieser bildet in vorteilhafter Weise ein kostengünstiges und einfaches Umlenkmittel aus.
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In einer weiteren Ausführungsform ist der Spiegel als Piezo-Kippspiegel ausgebildet. Ein Piezo-Kippspiegel bezeichnet hierbei einen Spiegel, der mittels mindestens eines Piezoelements, also piezogetrieben, um mindestens eine Rotationsachse rotierbar ist. Alternativ ist der Spiegel als MEMS-Spiegel (Micro-Electro-Mechanical-System-Spiegel) ausgebildet. Weiter alternativ ist der Spiegel als Galvospiegel ausgebildet.
Ein Galvospiegel bezeichnet hierbei einen Spiegel mit einem hochdynamischen Drehantriebe für optische Anwendungen. Sie können eine Antriebseinrichtung, z.B. basierend auf der Moving-Magnet-Technologie, und einen Positionserfassungseinrichtung umfassen. Mittels der Antriebseinrichtung ist eine schnelle und präzise Positionierung des Spiegels zur Ablenkung von Lichtstrahlen möglich.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung mindestens ein weiteres Umlenkmittel zur Veränderung einer Strahlrichtung eines weiteren Lichtstrahles auf. Weiter weist die Vorrichtung mindestens ein weiteres Befestigungsmittel zur Befestigung eines weiteren optischen Abstandssensors auf oder bildet dieses aus. Der weitere Lichtstrahl bezeichnet hierbei einen von dem weiteren optischen Abstandssensor ausgestrahlten Lichtstrahl und/oder einen von dem weiteren optischen Abstandssensor zu empfangenden Lichtstrahl.
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Weiter ist durch das weitere Befestigungsmittel eine Position und/oder Orientierung des weiteren optischen Abstandssensors relativ zu dem mindestens einen weiteren Umlenkmittel derart festgelegt, dass ein Umlenkwinkel aus einem vorbestimmten Winkelbereich einstellbar ist. Insbesondere kann durch das weitere Befestigungsmittel die Position und/oder Orientierung des weiteren optischen Abstandssensors relativ zu dem mindestens einen weiteren Umlenkmittel derart festgelegt sein, dass mittels des mindestens einen weiteren Umlenkmittels eine Strahlrichtung des von dem weiteren optischen Abstandssensor ausgestrahlten Lichtstrahls auf eine vorbestimmte Strahlrichtung oder auf eine Strahlrichtung aus einem Bereich von vorbestimmten weiteren Strahlrichtungen eingestellt und verändert werden kann. Alternativ oder kumulativ kann die Position und/oder Orientierung derart festgelegt sein, dass durch das mindestens eine weitere Umlenkmittel ein zu empfangender Lichtstrahl mit einer vorbestimmten Strahlrichtung oder mit einer Strahlrichtung aus einem vorbestimmten Bereich von Strahlrichtungen in einen Erfassungsbereich des optischen Abstandssensors gelenkt werden kann, beispielsweise indem die Strahlrichtung des zu empfangenden Lichtstrahls entsprechend geändert wird.
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Insbesondere können die Befestigungsmittel und/oder die Umlenkmittel derart relativ zueinander angeordnet sein, dass die von den optischen Abstandssensoren ausgestrahlten und jeweils durch die Umlenkmittel umgelenkten Lichtstrahlen einen Winkel aus einem vorbestimmten Winkelbereich, beispielsweise aus einem Winkelbereich um einen vorbestimmten zentralen Winkel, insbesondere einen zentralen Winkel von 90°, einschließen. Alternativ können die Befestigungsmittel und/oder die Umlenkmittel derart relativ zueinander angeordnet sein, dass die von den Abstandssensoren ausgestrahlten und durch Umlenkmittel umgelenkten Lichtstrahlen parallel zueinander sind oder einen Winkel aus einem vorbestimmten Winkelbereich, beispielsweise aus einem Winkelbereich um einen vorbestimmten zentralen Winkel, beispielsweise von 0°, einschließen.
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Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise, ein Zielobjekt aus zwei verschiedenen Positionen und/oder mit zwei verschiedenen Orientierungen zu bestrahlen.
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Weiter vorgeschlagen wird eine optische Sensoranordnung, wobei die optische Sensoranordnung mindestens einen optischen Abstandssensor und eine Vorrichtung gemäß einer der vorhergehend erläuterten Ausführungsformen erfasst. Hierbei ist der optische Abstandssensor mittels des mindestens einen Befestigungsmittels an der Vorrichtung befestigt.
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In diesem Fall können der optischer Sensor und Umlenkspiegel auch zusammen in ein Gehäuse integriert sein. Insbesondere können das Gehäuse und das mindestens eine Befestigungsmittel integral ausgebildet sein. Der optische Sensor kann mechanisch lösbar oder unlösbar an der Vorrichtung befestigt sein.
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Die vorgeschlagene Sensoranordnung kann hierbei auch mehrere optische Abstandssensoren umfassen, beispielsweise zwei, vier oder fünf optische Abstandssensoren, wobei jeder der optischen Abstandssensoren mittels eines Befestigungsmittels an der Vorrichtung befestigt ist. In diesem Fall kann die optische Sensoranordnung selbstverständlich mehrere Umlenkmittel umfassen, insbesondere mindestens ein Umlenkmittel pro optischem Abstandssensor.
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Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise, einen Abstand zum Zielobjekt aus verschiedenen Positionen und/oder verschiedenen Orientierungen zu messen. Dies wiederum ist besonders vorteilhaft für die Ermittlung von Bewegungsfehlern bei einer Drehbewegung eines Zielobjektes, beispielsweise eines Kugelnormals.
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Weiter vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ausrichtung eines ausgestrahlten und zu empfangenden Lichtstrahls eines optischen Abstandssensors, insbesondere eines optischen Abstandssensors zur Ermittlung eines Bewegungsfehlers einer Drehvorrichtung. Das vorgeschlagene Verfahren wird mittels einer Vorrichtung gemäß einer der vorhergehend erläuterten Ausführungsformen durchgeführt. Hierbei wird das mindestens eine Umlenkmittel, insbesondere ein Umlenkwinkel aus einem vorbestimmten Winkelbereich, derart eingestellt, eine Strahlrichtung eines Lichtstrahls, der von einem mittels des mindestens einen Befestigungsmittels befestigten optischen Abstandssensors ausgestrahlt wird und zu empfangen ist und der auf das mindestens eine Umlenkmittel trifft, auf eine gewünschte Strahlrichtung eingestellt wird.
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Insbesondere kann das mindestens eine Umlenkmittel derart eingestellt werden, dass ein Lichtstrahl, der von dem optischen Abstandssensor ausgestrahlt wird, eine Ausrichtung derart aufweist, dass der umgelenkte Lichtstrahl von einem Zielobjekt in sich oder nahezu in sich reflektiert wird. Auch kann das mindestens eine Umlenkmittel derart eingestellt werden, dass ein Lichtstrahl, der von dem optischen Abstandssensor zu empfangen ist, insbesondere ein von einem Zielobjekt reflektierter Lichtstrahl, derart umgelenkt wird, dass der zu empfangende Lichtstrahl in einen Erfassungsbereich des optischen Abstandssensors einstrahlt. Vorzugsweise wird somit das mindestens eine Umlenkmittel des Lichtstrahls derart eingestellt, dass ein von dem optischen Abstandssensor ausgestrahlter Lichtstrahl derart in Richtung des Zielobjekts umgelenkt wird, dass der vom Zielobjekt reflektierte Lichtstrahl, der wiederum von dem mindestens einen Umlenkmittel oder mindestens einem weiteren Umlenkmittel umgelenkt werden kann, in den Erfassungsbereich des optischen Abstandssensors gelangt.
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Das Umlenkmittel kann hierbei derart eingestellt werden, dass die vorhergehend erläuterten Kriterien für verschiedene Bewegungszustände des Zielobjektes, insbesondere für verschiedene Positionen und/oder Orientierungen des Zielobjektes während einer Bewegung, erfüllt sind. Insbesondere kann in diesem Fall das Umlenkmittel derart eingestellt werden, dass eine Erfassung des reflektierten Lichtstrahls mit einer Mindestintensität gewährleistet wird.
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Durch das vorgeschlagene Verfahren kann in vorteilhafter Weise ein von einem optischen Abstandssensor ausgestrahlter und/oder zu empfangender Lichtstrahl derart relativ zu einem Zielobjekt ausgerichtet werden, dass ein zuverlässiger Empfang eines reflektierten Lichtstrahles ermöglicht wird, wodurch wiederum eine zuverlässigere Abstandsmessung erfolgen kann. Hierdurch ergibt sich in vorteilhafter Weise ein Verfahren, welches mittels einer der vorhergehend erläuterten Vorrichtung ausführbar ist. Die Vorrichtung ist somit derart ausgebildet, dass eines der vorgeschlagenen Verfahren mittels der Vorrichtung ausführbar ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Lichtstrahl, der von einem mittels des mindestens einen Befestigungsmittel befestigten optischen Abstandssensors ausgestrahlt und mittels des mindestens einen Umlenkmittels umgelenkt wird, von einem Zielobjekt reflektiert, wobei die Strahlrichtung des umgelenkten, ausgestrahlten Lichtstrahles durch das mindestens eine Umlenkmittel in Abhängigkeit einer Intensität des empfangenen reflektierten Lichtstrahls und/oder in Abhängigkeit eines erfassten Abstands eingestellt, insbesondere verändert, wird. Die eingestellte Strahlrichtung entspricht somit der Strahlrichtung des durch das mindestens eine Umlenkmittel umgelenkten ausgestrahlten Lichtstrahls, der von dem Umlenkmittel hin zum Zielobjekt gestrahlt wird.
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Insbesondere kann die Strahlrichtung des ausgestrahlten Lichtstrahls derart eingestellt werden, dass mindestens ein vorbestimmter Anteil des empfangenen, reflektierten Lichtstrahles detektiert wird. Hierbei kann der vorbestimmte Anteil intensitätsabhängig bestimmt werden. Beispielsweise kann der vorbestimmte Anteil größer als 50 %, größer als 75 % oder größer als 90 % einer Intensität des ausgestrahlten Lichtstrahls sein. Alternativ oder kumulativ kann die Strahlrichtung des ausgestrahlten Lichtstrahls derart eingestellt werden, dass ein vorbestimmter Abstand detektiert wird.
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Beispielsweise kann die Strahlrichtung des ausgestrahlten Lichtstrahls derart eingestellt werden, dass eine Intensität des empfangenen, reflektierten Lichtstrahles maximal ist und/oder der detektierte Abstand minimal ist. Hierfür können z.B. eine Vielzahl von Strahlrichtungen, beispielsweise sequenziell, eingestellt werden, wobei für jede eingestellte Strahlrichtung die Intensität des empfangenen, reflektierten Lichtstrahles erfasst und/oder der Abstand detektiert wird. Diese Informationen können gespeichert und ausgewertet werden, wobei dann die Strahlrichtung bestimmt wird, für die die Intensität maximal und/oder der Abstand minimal ist. Selbstverständlich können auch Optimierungsverfahren zur beschleunigten Bestimmung der gesuchten Strahlrichtung angewendet werden. Werden, wie nachfolgend näher erläutert, mehrere optische Erfassungseinrichtungen verwendet, so können die Strahlrichtungen der ausgestrahlten Lichtstrahlen jeweils derart eingestellt werden, dass der detektierte Abstand jeweils minimal oder dass der detektierte Abstand im Mittel minimal ist.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform wird eine Relativbewegung zwischen der Vorrichtung und dem Zielobjekt ausgeführt. Die Relativbewegung kann hierbei insbesondere eine periodische Relativbewegung, weitere insbesondere eine Rotationsbewegung, sein. Die Relativbewegung umfasst eine zeitliche Abfolge von mehreren Relativpositionen und/oder Relativorientierungen zwischen der Vorrichtung und dem Zielobjekt. Weiter wird die Strahlrichtung des von dem optischen Abstandssensor ausgestrahlten und umgelenkten Lichtstrahls auf eine, insbesondere konstante, Referenzstrahlrichtung eingestellt. Die Strahlrichtung des ausgestrahlten, umgelenkten Lichtstrahls kann somit, insbesondere für alle Relativpositionen und/oder Relativorientierung während einer Periode der Relativbewegung, konstant sein. Hierbei ist für eine vorbestimmte Anzahl von, insbesondere jedoch für alle, Relativpositionen und/oder Relativorientierungen, insbesondere während einer Periode der Relativbewegung, mindestens ein vorbestimmtes Intensitätskriterium und/oder ein vorbestimmtes Abstandskriterium erfüllt, wenn die Strahlrichtung des ausgestrahlten, umgelenkten Lichtstrahls konstant der Referenzstrahlrichtung entspricht.
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Die Relativbewegung kann insbesondere eine Rotationsbewegung sein. Allerdings ist nicht ausgeschlossen, dass die Relativbewegung zusätzlich zu rotatorischen Anteilen auch translatorische Anteile enthält. Insbesondere in dieser Ausführungsform kann das Zielobjekt eine Kugel eines Kugelnormals sein. Selbstverständlich kann das Zielobjekt auch eine andere geometrische Ausbildung aufweisen, beispielsweise ein zylindrisches Zielobjekt oder sphärisches Zielobjekt sein. Ein derart ausgebildetes Zielobjekt kann bei der Relativbewegung insbesondere um eine zentrale Symmetrieachse des Zielobjektes rotiert werden.
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Das vorbestimmte Intensitätskriterium kann beispielsweise erfüllt sein, falls eine Intensität des von dem Zielobjekt reflektierten und durch den optischen Abstandssensor empfangenen Lichtstrahls größer als ein vorbestimmter Schwellwert, insbesondere größer als ein vorbestimmter Anteil der Intensität des ausgestrahlten Lichtstrahls, ist. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise sichergestellt, dass auch bei einer konstant eingestellten Umlenkung des von dem optischen Abstandssensor erzeugten Lichtstrahls während der Relativbewegung eine zuverlässige Abstandsmessung möglich ist. Ein vorbestimmtes Abstandskriterium kann beispielsweise erfüllt sein, falls der detektierte Abstand kleiner als ein vorbestimmter Maximalabstand ist oder in einem vorbestimmten Abstandsintervall liegt.
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Die einzustellende Strahlrichtung kann beispielsweise ermittelt werden, indem für eine Vielzahl von verschiedenen Strahlrichtungen jeweils eine Relativbewegung durchgeführt wird, wobei während der Relativbewegung für verschiedene Bewegungszustände jeweils Intensitäten und/oder Abstände erfasst werden. Diese Intensitäten und/oder Abstände können dann gespeichert werden. Nachfolgend kann dann die Ausrichtung gewählt werden, bei der für die höchste Anzahl von, vorzugsweise für alle, Relativpositionen und/oder Relativorientierungen das mindestens eine vorbestimmte Intensitätskriterium und/oder das mindestens eine vorbestimmte Abstandskriterium erfüllt war. Existieren mehrere solcher Ausrichtungen, so kann die Ausrichtung gewählt werden, für die z.B. ein Mittelwert der Intensitäten während einer Relativbewegung maximal ist und/oder für die ein Mittelwert der erfassten Abstände minimal ist.
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In einer alternativen Ausführungsform wird eine Relativbewegung zwischen der Vorrichtung und dem Zielobjekt ausgeführt. Hierbei kann die Relativbewegung wie vorhergehend erläutert ausgeführt werden. Weiter wird die Strahlrichtung des ausgestrahlten, umgelenkten Lichtstrahls für jede Relativposition und/oder Relativorientierung einer Anzahl von Relativpositionen und/oder Relativorientierungen während der Relativbewegung derart eingestellt, dass mindestens ein vorbestimmtes Intensitätskriterium und/oder ein vorbestimmtes Abstandskriterium erfüllt ist. Insbesondere kann für jede Relativposition und/oder Relativorientierung während der Relativbewegung die Strahlrichtung mittels des Umlenkmittels derart eingestellt werden, dass mindestens eines der vorhergehend erläuterten Kriterien erfüllt ist. Mit anderen Worten wird in diesem Fall die Strahlrichtung während der Relativbewegung verändert. Somit kann ein Lichtstrahl einem sich bewegenden Zielobjekt nachgeführt werden. Beispielsweise kann die Strahlrichtung derart eingestellt werden, dass der ausgestrahlte Lichtstrahl vom Zielobjekt während der Relativbewegung in jedem Bewegungszustand in sich oder nahezu in sich reflektiert wird. Eine Nachführgeschwindigkeit, also eine Geschwindigkeit einer Veränderung der Strahlrichtung, kann hierbei abhängig von einer Bewegungsgeschwindigkeit während der Relativbewegung sein, insbesondere synchron zur Bewegungsgeschwindigkeit.
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Ein zeitlicher Verlauf von einzustellenden Strahlrichtungen während der Relativbewegung kann beispielsweise durch Vorversuche ermittelt werden.
Ist das Zielobjekt beispielsweise eine Kugel eines Kugelnormals, beispielsweise eines Einfach-Kugelnormals oder eines Doppel-Kugelnormals, so kann die Strahlrichtung derart eingestellt und verändert werden, dass der Lichtstrahl in jedem Bewegungszustand orthogonal auf eine Kugeloberfläche der Kugel trifft. Dies bedeutet, dass eine Verlängerung des Lichtstrahls theoretisch einen Kugelmittelpunkt schneidet. In diesem Fall ist für jeden Bewegungszustand der erfasste Abstand am geringsten und die Intensität des reflektierten Lichtstrahls am größten.
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In Abhängigkeit der derart erfassten Abstände können Translationsfehler und/oder Rotationsfehler des Zielobjektes während einer Bewegung des Zielobjektes, insbesondere einer Rotationsbewegung um eine zentrale Drehachse, ermittelt werden. Insbesondere können Translationsfehler in drei voneinander unabhängigen Raumrichtungen sowie Rotationsfehler um zwei voneinander unabhängige Raumrichtungen ermittelt werden. Dies ist beispielsweise in der eingangs erwähnten
WO 2014/108187 A1 offenbart.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer ersten Strahlrichtung eines ausgestrahlten Lichtstrahls,
- 2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer zweiten Strahlrichtung eines ausgestrahlten Lichtstrahls und
- 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer dritten Strahlrichtung eines ausgestrahlten Lichtstrahls.
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 1 umfasst ein Gehäuse 2. Das Gehäuse 2 weist ein Befestigungsmittel für einen optischen Abstandssensor 4 in Form einer Vertiefung 3 auf, in welcher der optische Abstandssensor 4, insbesondere ein Gehäuse des optischen Abstandssensors 4, form- und kraftschlüssig, insbesondere reibschlüssig, angeordnet werden kann.
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Weiter dargestellt sind zwei Achsen eines Referenzkoordinatensystems. Eine vertikale Achse z ist parallel zu einer Richtung eines von dem optischen Abstandssensor 4 ausgestrahlten Lichtstrahls aL orientiert, wobei der ausgestrahlte Lichtstrahl aL (noch) nicht umgelenkt ist. Die vertikale Achse z kann insbesondere parallel zu einer zentralen Längsachse oder Symmetrieachse des Gehäuses 2 verlaufen. Eine longitudinale Achse x ist orthogonal zu der vertikalen Achse z angeordnet und verläuft ebenfalls in der Zeichenebene. Eine nicht dargestellte laterale Achse ist orthogonal zur Zeichenebene orientiert, also orthogonal zur longitudinalen Achse x und vertikalen Achse z.
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Die Vorrichtung 1 umfasst weiter einen schwenkbaren Spiegel 5, der um eine nicht dargestellte Rotationsachse, die parallel zur vorhergehend erläuterten lateralen Achse orientiert ist, rotierbar ist. Der schwenkbare Spiegel 5 ist hierbei an dem Gehäuse 2 befestigt und in einem Innenvolumen 6 des Gehäuses 2 angeordnet. In 1 ist dargestellt, dass der verschwenkbare Spiegel mit der longitudinalen Achse x einen Winkel α von z.B. 45° einnimmt.
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Durch den verschwenkbaren Spiegel 5 wird der von dem optischen Abstandssensor 4 ausgestrahlte Lichtstrahl aL mit einem Umlenkwinkel von 90° umgelenkt und somit dessen Strahlrichtung verändert. Der umgelenkte, ausgestrahlte Lichtstrahl uaL ist hierbei auf eine Kugel 7 eines Kugelnormals gerichtet, wobei das Kugelnormal die Kugel 7 und eine, insbesondere zylindrische, Stange 8 umfasst und auf drehbaren Teil eines Drehtischs 9 angeordnet ist. Dargestellt ist eine Mittellinie 10 des Kugelnormals. Das Kugelnormal wird möglichst konzentrisch zur Drehachse des drehbaren Teils des Drehtisches 9 angeordnet. Konzentrisch bedeutet hierbei, dass die Mittellinie 10 des Kugelnormals möglichst auf der nicht dargestellten Drehachse angeordnet ist.
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Der optische Abstandssensor 4 umfasst eine nicht dargestellte Lichtquelle und einen nicht dargestellten Lichtempfänger, die in einem Gehäuse 11 des optischen Sensors 4 angeordnet sein können. Weiter dargestellt ist, dass in einem Sensorkopf 12 eine Linse 8 angeordnet ist. Durch diese Linse 8 wird ein von der Lichtquelle des optischen Abstandssensors 4 erzeugter Lichtstrahl, nämlich der ausgestrahlte Lichtstrahl aL, emittiert. Der von dem schwenkbaren Spiegel 5 umgelenkte, ausgestrahlte Lichtstrahl uaL trifft in einem Punkt P auf eine Oberfläche 13 der Kugel 7. In 1 ist dargestellt, dass der umgelenkte, ausgestrahlte Lichtstrahl uaL im Punkt P nicht orthogonal zur Oberfläche 13 orientiert ist. Insbesondere verläuft eine Verlängerung des umgelenkten, ausgestrahlten Lichtstrahls uaL nicht durch einen Mittelpunkt M der Kugel 7. Im Punkt P wird der Lichtstrahl uaL reflektiert, wobei der reflektierte Lichtstrahl rL wieder in Richtung Gehäuse 2 gestrahlt wird. Hierbei ist dargestellt, dass der reflektierte Lichtstrahl rL in einem Punkt Q in einem Bereich einer Einstrahlfläche 14 auf das Gehäuse 2 auftritt. In 1 ist dargestellt, dass die Einstrahlfläche 14 als Oberfläche einer Leuchtschicht 15, die in 1 schraffiert dargestellt ist, ausgebildet ist. Trifft ein Lichtstrahl, beispielsweise der reflektierte Lichtstrahl rL, auf die Leuchtschicht 15, so fluoresziert die Leuchtschicht 15 und erzeugt eine Strahlung, insbesondere eine Strahlung in einem Spektralbereich von sichtbarem Licht. Die Leuchtschicht 15 kann aber auch als reflektierende Schicht oder als sensorische Schicht ausgebildet sein.
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Weiter dargestellt ist, dass die Vorrichtung 1, insbesondere das Gehäuse 2, eine Durchlassöffnung 16 aufweist. Der schwenkbare Spiegel 5 und die Durchlassöffnung 16 sind hierbei derart zueinander angeordnet, dass der umgelenkte, ausgestrahlte Lichtstrahl uaL durch die Öffnung 16 aus dem Gehäuse 2 austritt. Die Durchlassöffnung 16 wird hierbei von der Einstrahlfläche 14, insbesondere auch von der Leuchtschicht 15, umgeben. Insbesondere kann die Einstrahlfläche 14 einen Durchmesser aufweisen, der um ein vorbestimmtes Maß größer als ein Durchmesser der Durchlassöffnung 16 ist.
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In 1 ist dargestellt, dass der umgelenkte, ausgestrahlte Lichtstrahl uaL nicht optimal zur Kugel 7 ausgerichtet ist, da der reflektierte Lichtstrahl nicht in einen Erfassungsbereich (nicht dargestellt) des optischen Abstandssensors 4 gelangt. Insbesondere trifft der reflektierte Lichtstrahl rL aufgrund der nicht optimalen Ausrichtung nicht auf den verschwenkbaren Spiegel 5 und kann somit nicht in den Erfassungsbereich umgelenkt werden. Die nicht optimale Ausrichtung kann aber, insbesondere visuell, detektiert werden, da der reflektierte Lichtstrahl rL auf die Einstrahlfläche 14 auftrifft.
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In 2 ist die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 ebenfalls schematisch dargestellt, wobei jedoch ein Winkel β des verschwenkbaren Spiegels 5 größer als der in 1 dargestellte Winkel α eingestellt ist. Insbesondere ist der Winkel β des verschwenkbaren Spiegels 5 derart eingestellt, dass der von dem optischen Abstandssensor 4 ausgestrahlte Lichtstrahl aL mit einem Umlenkwinkel größer als 90° derart umgelenkt wird, dass der umgelenkte, ausgestrahlte Lichtstrahl uaL im Punkt P auf der Oberfläche 13 der Kugel 7 in sich reflektiert wird. Somit sind der reflektierte Lichtstrahl rL und der umgelenkte, ausgestrahlte Lichtstrahl uaL konzentrisch zueinander angeordnet, weisen jedoch verschiedene, insbesondere entgegengesetzte, Strahlrichtungen auf. Der reflektierte Lichtstrahl rL tritt somit, genau wie der umgelenkte, ausgestrahlte Lichtstrahl uaL, durch die Durchlassöffnung 16, allerdings in ein Innenvolumen 6 des Gehäuses 2 ein und wird von dem verschwenkbaren Spiegel 5 umgelenkt, wobei der umgelenkte reflektierte Lichtstrahl urL in den nicht dargestellten Erfassungsbereich des optischen Abstandssensors 4 gelangt. Hierdurch erfolgt, im Unterschied zu der in 1 dargestellten Einstellung des verschwenkbaren Spiegels 5, eine zuverlässige Abstandsmessung, da der ausgestrahlte Lichtstrahl aL nicht aufgrund einer ungewünschten Ablenkung bei der Reflexion aus dem Erfassungsbereich heraus reflektiert wird. Insbesondere ist in 2 dargestellt, dass der umgelenkte, ausgestrahlte Lichtstrahl uaL durch den verschwenkbaren Spiegel 5 derart ausgerichtet wird, dass er orthogonal auf die Kugeloberfläche 13 trifft. Dies bedeutet, dass eine nicht dargestellte Verlängerung des umgelenkten, ausgestrahlten Lichtstrahls uaL durch den Kugelmittelpunkt M verläuft.
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Es ist möglich, dass die Kugel 7 eine Rotationsbewegung ausführt, wenn der drehbare Teil des Drehtisches 9 rotiert wird. Wie vorhergehend erläutert, können bei dieser Drehbewegung aufgrund von Lagerungenauigkeiten, Unwuchten oder anderen unerwünschten Rahmenbedingungen Bewegungsfehler bei der Drehbewegung auftreten, wobei Drehbewegungsfehler z.B. eine Abweichung in Position und/oder Orientierung der zentralen Mittellinie 10 des Kugelnormals von der idealen Drehachse (nicht dargestellt) sind. Während dieser Drehbewegung kann auch der verschwenkbare Spiegel 5, insbesondere der Winkel β, verändert werden. Insbesondere kann der Winkel β derart verändert werden, dass der umgelenkte, ausgestrahlte Lichtstrahl uaL zu jedem Zeitpunkt der Drehbewegung, also in jedem Bewegungszustand, orthogonal auf die Oberfläche 13 trifft.
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Der jeweils erfasste Abstand kann in Abhängigkeit des Winkels β bestimmt werden, wobei die vorhergehend erläuterten Bewegungsfehler in Abhängigkeit des erfassten Abstands bestimmt werden.
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Es ist jedoch auch möglich, dass ein konstanter Winkel β eingestellt wird, der für eine vollständige Umdrehung des drehbaren Teils des Drehtisches 10 konstant eingestellt bleibt. Der Winkel β ist in diesem Fall derart zu wählen, dass in jedem Zeitpunkt der Drehbewegung, also für jeden Bewegungszeitpunkt, der reflektierte Lichtstrahl rL durch die Durchlassöffnung 16 reflektiert wird und durch den verschwenkbaren Spiegel 5 als umgelenkter reflektierter Lichtstrahl urL in den Erfassungsbereich des optischen Abstandssensors 4 umgelenkt wird.
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In 3 ist die in 1 dargestellte Vorrichtung 1 dargestellt, wobei ein Winkel γ des verschwenkbaren Spiegels 5 größer als der Winkel α (siehe 1), jedoch kleiner als der Winkel β (siehe 2) eingestellt wird. In diesem Fall trifft der umgelenkte, ausgestrahlte Lichtstrahl uaL im Punkt P nicht, aber nahezu, orthogonal auf die Oberfläche 13 der Kugel 7 des Kugelnormals. Somit erfolgt keine In-Sich-Reflexion des umgelenkten, ausgestrahlten Lichtstrahls uaL. Allerdings wird der umgelenkte, ausgestrahlte Lichtstrahl uaL nahezu in sich reflektiert. Der derart reflektierte Lichtstrahl rL tritt durch die Durchlassöffnung 16 in das Innenvolumen 6 des Gehäuses 2 ein und trifft auf den verschwenkbaren Spiegel 5. Durch den verschwenkbaren Spiegel 5 und aufgrund des eingestellten Winkels γ wird der reflektierte Lichtstrahl rL als umgelenkter, reflektierter Lichtstrahl urL zwar nicht direkt auf den ausgestrahlten Lichtstrahl aL, jedoch trotzdem in den nicht dargestellten Erfassungsbereich des optischen Sensors 8 umgelenkt. Somit kann, trotz einer nicht gegebenen In-Sich-Reflexion, eine Abstandserfassung erfolgen.
