DE102016122482B4

DE102016122482B4 - Messanordnung und Messverfahren zur Ermittlung der Ausrichtung eines Messobjekts

Info

Publication number: DE102016122482B4
Application number: DE102016122482.0A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-11-22
Filing date: 2016-11-22
Publication date: 2018-10-11
Anticipated expiration: 2036-11-23
Also published as: DE102016122482A1

Abstract

Messanordnung (1) zum Ermitteln der Ausrichtung eines Messobjekts (6), Folgendes umfassend:- eine Positionsmessvorrichtung (2), die relativ zum Messobjekt (6) in einer Längsrichtung (A) des Messobjekts (6) verschieblich an dem Messobjekt (6) befestigbar ist und eine optische Positionsmesseinheit (21) aufweist,- eine Abstandsmessvorrichtung (3), die relativ zum Messobjekt (6) fest angeordnet ist und eine optische Abstandsmesseinheit (31) aufweist, die dazu ausgebildet ist, einen Lichtstrahl (5) in Richtung zur Positionsmessvorrichtung (21) hin auszusenden und den Abstand zur Positionsmessvorrichtung (2) zu erfassen, indem die optische Abstandsmesseinheit (31) den Lichtstrahl (5) als einen modulierten Laserstrahl aussendet und die Laufzeit des Lichtstrahls (5) erfasst, wobei die optische Positionsmesseinheit (21) eine zweidimensionale Position eines Lichtpunktes des von der optischen Abstandsmesseinheit (31) ausgesendeten Lichtstrahls (5) in einer Bildebene erfasst, und- eine Datenverarbeitungseinrichtung (4), die mit der Positionsmessvorrichtung (2) und der Abstandsmessvorrichtung (3) verbunden und dazu ausgebildet ist, die erfassten Positions- und Abstandsdaten als dreidimensionale Punktkoordinaten bereitzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Messanordnung zum Ermitteln der Ausrichtung eines Messobjekts, insbesondere eine Führungsschiene, nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zum Ermitteln der Ausrichtung eines Messobjekts nach Anspruch 12.
In der Industrie werden hohe Anforderungen an die Genauigkeit von maschinellen Fertigungsprozessen gestellt. Um Teile innerhalb der vorgegebenen Toleranzen produzieren zu können, muss die Maschinengeometrie der Produktionsmaschinen hohe Genauigkeitsanforderungen im Hinblick auf die Toleranzen von einzelnen Maschinenteilen und deren Ausrichtung zueinander erfüllen. Ein wichtiger Aspekt ist die Geradheit von Maschinenteilen, wie beispielsweise Maschinenfundamenten, Trägern, Walzen, Maschinentischen, Maschinenbetten und Führungsschienen. Die gerade Ausrichtung von Führungen spielt im Bereich der Werkzeugmaschinen insbesondere für Drehmaschinen und Portalfräsmaschinen eine wichtige Rolle, aber auch über längere Distanzen, wie beispielsweise bei Portalkränen oder Verschiebewägen. Auch die gerade Ausrichtung von Förderbändern ist für den störungsfreien Ablauf von automatisierten Fertigungsprozessen wichtig.
Eine korrekte Maschinengeometrie ist auch für einen möglichst geringen Verschleiß, lange Wartungsintervalle und eine hohe Lebensdauer der Maschine selbst von großer Bedeutung. Neben den genannten Beispielen der Werkzeugmaschinen, insbesondere NC-, CNC-, und DNC-Maschinen, ist die gerade Ausrichtung von Führungsschienen für Aufzüge eine Voraussetzung für deren zuverlässigen Betrieb. Mit steigenden Anforderungen an die Arbeitsgeschwindigkeit der Maschinen und gleichzeitig immer geringere Stillstandzeiten nimmt auch die erforderliche Genauigkeit der Maschinengeometrie zu.
Sowohl bei der Herstellung der Maschine als auch bei deren Montage und Wartung ist die Ermittlung der Ausrichtung bzw. der Geradheit von Maschinenteilen die Voraussetzung für die gegebenenfalls notwendige Korrektur der Ausrichtung. Häufig werden Messuhren eingesetzt, die relativ zum Messobjekt verschoben werden, um durch Ablesen von Abweichungen in einer Richtung auf einer Messskala die Ausrichtung des Messobjekts zu bestimmen. Das Bezugsobjekt dient häufig ein Messtisch, vorzugsweise aus Granit, der selbst gewisse Toleranzen hat. Bei der Messung können Ablesefehler passieren. Die Positionierung der Messuhr direkt an der Maschine ist oft schwierig oder nicht möglich, so dass Maschinenteile zur Messung häufig ausgebaut werden müssen. Es sind auch zweidimensionale optische Messverfahren bekannt, bei denen ein von einer Laserlichtquelle ausgesendeter Laserstrahl als gerade Bezugslinie verwendet wird. Allerdings muss die Position eines Messpunktes entlang des Laserstrahls separat bestimmt und den zweidimensionalen Messergebnissen zugeordnet werden.
Die Druckschrift DE 197 47 872 A1 beschreibt ein System zur Vermessung von Schienen. Ein Laserstrahl wird in Schienenlängsrichtung ausgesendet. Das System umfasst eine Empfängereinheit mit einer CCD-Kamera, die einen Fotoempfänger aufweist, und einen Abstandssensor mit einem Reibrad, das auf der Lauffläche der Schiene abrollt.
Die Druckschrift EP 0 951 967 A1 beschreibt eine Messvorrichtung zum Messen der Positionier- und Bahngenauigkeit eines bewegten Maschinenteils, insbesondere der Kalibrierung eines Industrieroboters. Als Längenmesseinrichtung ist ein Laserinterferometer offenbart.
Die Druckschrift US 6 049 378 A betrifft die Ausrichtung von Walzen, Wellen oder ähnlichen rotationssymmetrischen Körpern. Ein Laserstrahl wird parallel zur Rotationsachse ausgesendet. Es ist Empfangseinheit mit einem integrierten Gyroskop vorgesehen. Zusätzlich kann ein System zur Abstandsbestimmung mittels eines Strahlungsfeldes vorgesehen sein.
Die bekannten Messverfahren haben den Nachteil, dass sie in der Vorbereitung und Durchführung aufwendig, wenig bedienerfreundlich und fehleranfällig sind.
Die Erfindung hat deshalb die Aufgabe, ein Messverfahren bereitzustellen, mit dem die Ausrichtung eines Messobjekts möglichst genau ermittelbar ist, insbesondere über lange Distanzen, und dabei einfach und zuverlässig durchführbar ist. Insbesondere soll eine automatische Erfassung von dreidimensionalen Messpunkten möglich sein.
Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch eine Messanordnung zum Ermitteln der Ausrichtung eines Messobjekts, Folgendes umfassend:

- eine Positionsmessvorrichtung, die relativ zum Messobjekt in einer Längsrichtung des Messobjekts verschieblich an dem Messobjekt befestigbar ist und eine optische Positionsmesseinheit aufweist,
- eine Abstandsmessvorrichtung, die relativ zum Messobjekt fest angeordnet ist und eine optische Abstandsmesseinheit aufweist, die dazu ausgebildet ist, einen Lichtstrahl in Richtung zur Positionsmessvorrichtung hin auszusenden und den Abstand zur Positionsmessvorrichtung zu erfassen, indem die optische Abstandsmesseinheit den Lichtstrahl als einen modulierten Laserstrahl aussendet und die Laufzeit des Lichtstrahls erfasst, wobei die optische Positionsmesseinheit eine zweidimensionale Position eines Lichtpunktes des von der optischen Abstandsmesseinheit ausgesendeten Lichtstrahls in einer Bildebene erfasst, und
- eine Datenverarbeitungseinrichtung, die mit der Positionsmessvorrichtung und der Abstandsmessvorrichtung verbunden und dazu ausgebildet ist, die erfassten Positions- und Abstandsdaten als dreidimensionale Punktkoordinaten bereitzustellen.

Ein Messobjekt kann ein beliebiger Gegenstand sein, für den ein Maß der Ausrichtung, insbesondere die Geradheit, ermittelt werden soll, um die Ausrichtung korrigieren zu können, beispielsweise durch Justierung oder Nachbearbeitung des Messobjekts. Als die Längsrichtung des Messobjekts kann eine Richtung im Raum bezeichnet werden, entlang der sich das Messobjekt erstreckt und entlang der die Ausrichtung bestimmt werden soll, also insbesondere eine Messrichtung. Vorzugsweise sind Messobjekte längliche Körper, die entlang ihrer Längsachse eine Längsrichtung definieren. Insbesondere ist die Messanordnung zum Ermitteln der Ausrichtung einer Führungsschiene geeignet.
Eine zweidimensionale Position beschreibt insbesondere die zwei Koordinaten eines Punktes in einer Ebene, beispielsweise eine X- und eine Y-Koordinate in der Bildebene der optischen Positionsmesseinheit. Die Bildebene verläuft vorzugsweise senkrecht zur Längsrichtung des Messobjekts, kann aber im Rahmen von üblichen Montagetoleranzen geringfügig schräg zur Längsrichtung angeordnet sein. Insbesondere wird der von der optischen Abstandsmesseinheit ausgesendete Lichtstrahl in Form eines Lichtflecks oder Lichtpunkts in der Bildebene der optischen Positionsmesseinheit abgebildet, wobei der Lichtstrahl typischerweise reflektiert wird. Der von der optischen Abstandsmesseinheit erfasste Abstand stellt insbesondere eine Z-Koordinate des von der optischen Positionsmesseinheit erfassten Punkts in der Bildebene dar. Die Abstandsmessvorrichtung kann in einem räumlichen Inertialsystem oder in einem bewegten Bezugssystem relativ zum Messobjekt fest angeordnet sein.
Die Datenverarbeitungseinrichtung kann Teil der Positionsmessvorrichtung oder der Abstandsmessvorrichtung sein, insbesondere in eine dieser Vorrichtungen integriert, oder als eine separate Vorrichtung vorgesehen sein, beispielsweise als ein PC, ein tragbarer Computer oder ein Smartphone. Eine drahtlose Verbindung zu der Datenverarbeitungseinrichtung hat neben einer leichteren Handhabung der Messanordnung den Vorteil einer genaueren Messung, da keine störenden elektrischen oder mechanischen Einflüsse, beispielsweise Zugkräfte oder Vibrationen, durch angeschlossene Kabel auf die Messanordnung einwirken, die die Messung beeinträchtigen könnten.
Idee der Erfindung ist es, mit der optischen Positionsmesseinheit der Positionsmessvorrichtung Abweichungen von dem Lichtstrahl als Bezugsachse als erste und zweite Koordinaten eines Messpunkts zu erfassen, mit der optischen Abstandsmesseinheit den Abstand zur Positionsmessvorrichtung als dritte Koordinate des Messpunkts zu erfassen und dreidimensionale Punktkoordinaten dieses Messpunkts bereitzustellen, um die Ausrichtung eines Messobjekts ermitteln zu können. Vorzugsweise wird mit der Messanordnung nacheinander für eine Vielzahl von Messpunkten entlang des Lichtstrahls, also für verschiedene Abstände der Positionsmessvorrichtung, jeweils eine dreidimensionale Positionsbestimmung durchgeführt. Die Positionsmessvorrichtung kann manuell entlang der Längsrichtung des Messobjekts verschoben werden, oder maschinell, insbesondere durch den Antrieb der auszurichtenden Maschine selbst verfahren werden, beispielsweise auf einem Schlitten entlang einer Führungsschiene, deren Ausrichtung ermittelt werden soll. Die Abstandsmessung kann auf den Messprinzipien der Laufzeitmessung, der Phasenlagemessung oder der Triangulation beruhen. Der Lichtstrahl kann ein Laserstrahl oder ein von einer LED emittierter, insbesondere gebündelter, Lichtstrahl sein. Es kann sichtbares oder nicht sichtbares Licht verwendet werden, wobei sichtbares Licht für die Justierung des Lichtstrahls zu bevorzugen ist.
Die erfindungsgemäße Messanordnung hat den Vorteil, dass dreidimensionale Koordinaten eines Messpunkts automatisiert erfasst, zusammengeführt und bereitgestellt werden können. Insbesondere werden die Messdaten als eine Datenstruktur mit drei Komponenten, die eine X-, Y- und Z-Koordinate enthalten, bereitgestellt. Dadurch, dass die Messanordnung eine Positionsmessvorrichtung und eine Abstandsmessvorrichtung umfasst, werden alle drei räumlichen Koordinaten im Wesentlichen gleichzeitig erfasst und es ist keine gesonderte Erfassung der Z-Koordinate und deren nachträgliche Zusammenführung mit gemessenen X-und Y-Koordinaten durch den Benutzer erforderlich. Folglich kann eine Messung schnell und frei von Bedienungs- oder Ablesefehlern durchgeführt werden. Die Messanordnung ist einfach zu installieren und erfordert keine Anpassung der Positionierung der Abstandsmessvorrichtung zwischen mehreren Messungen, wodurch die Genauigkeit der Messergebnisse steigt. Auch die Ausrichtung bzw. die Geradheit großer Messobjekte kann ermittelt werden. Eine Messung ist an Ort und Stelle möglich, ohne dass das Messobjekt ausgebaut und transportiert werden muss.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sendet die optische Abstandsmesseinheit den Lichtstrahl als einen gepulsten Laserstrahl aus, insbesondere als einen zweifach modulierten Laserstrahl. Der Laserstrahl kann eine Phasenmodulation oder eine Amplitudenmodulation aufweisen, vorzugsweise in Form eines gepulsten Laserstrahls. Vorzugsweise ist der Laserstrahl doppelt moduliert, weist also zwei verschiedene Modulationen auf. Insbesondere dient eine erste Modulation zur Abstandsmessung, insbesondere zur Laufzeitmessung, durch die optische Abstandsmesseinheit und eine zweite Modulation zur Positionsmessung durch die optische Positionsmesseinheit. Vorzugsweise ist die Frequenz einer zweiten Modulation auf eine Charakteristik der optischen Positionsmesseinheit, insbesondere deren zeitliches Auflösungsvermögen, abgestimmt. Insbesondere weist der Laserstrahl neben einer ersten, hochfrequenten Modulation, beispielsweise mit Pulsen im GHz-Bereich, eine zweite, niederfrequente Modulation auf, beispielsweise mit Pulsen im Bereich von 1 bis 10 kHz, vorzugsweise von 1 bis 1 kHz, weiter vorzugsweise 1 bis 100 Hz, weiter vorzugsweise von 1 bis 50 Hz, weiter vorzugsweise von 1 bis 25 Hz, weiter vorzugsweise von 1 bis 15 Hz, weiter vorzugsweise 5 bis 10 Hz, weiter vorzugsweise von ungefähr 7 oder 8 Hz. Die niederfrequente Modulation kann als eine Hüllkurve der hochfrequenten Modulation verstanden werden. Insbesondere ist die niederfrequente Modulation, insbesondere die Pulslänge und die Länge der Pausen zwischen zwei aufeinanderfolgenden Pulsen, auf die zeitliche Auflösung der optischen Positionsmesseinheit abgestimmt. Die Pulslänge und/oder die Längen der Pausen zwischen zwei Pulsen, insbesondere der niederfrequenten Pulse, sind vorzugsweise regelmäßig, können aber auch unregelmäßig sein und insbesondere zeitlich variieren. Die Abstandsmesseinheit sendet insbesondere Pakete von hochfrequenten Pulsen aus, auf die jeweils eine längere Pause folgt, während der der Laserstrahl aus ist. Eine Vielzahl von aufeinander folgenden Paketen mit zeitlichem Abstand dazwischen können als die niederfrequente Modulation verstanden werden. Der Laserstrahl hat beispielsweise eine Reichweite von mehreren hundert Metern, vorzugsweise von bis zu 200 m, weiter vorzugsweise von bis zu 100 m, weiter vorzugsweise von bis zu 50 m, weiter vorzugsweise von ungefähr 30 m. Mit einem modulierten Laserstrahl ist der Abstand beispielsweise durch Messung der Phasenlage bestimmbar, während mit einem gepulsten Laserstrahl der Abstand durch die Messung der Laufzeit bestimmbar ist. Ein zweifach modulierter Laserstrahl hat den Vorteil, dass eine zweite, niederfrequentere Modulation so gewählt werden kann, dass die Lichtpulse von der optischen Positionsmesseinheit detektiert werden können. Durch unregelmäßige Pulse können längere Pulse und/oder Pausen erzeugt werden, die die Erfassung des Laserstrahls durch die optische Positionsmesseinheit weiter verbessern.
Erfindungsgemäß erfasst die optische Abstandsmesseinheit die Laufzeit des Lichtstrahls. Eine Laufzeitmessung hat den Vorteil einer Erfassbarkeit von großen Abständen, beispielsweise von mehreren hundert Metern, vorzugsweise von bis zu 200 m, weiter vorzugsweise von bis zu 100 m, weiter vorzugsweise von bis zu 50 m, weiter vorzugsweise von ungefähr 30 m. Es ist eine Genauigkeit der Abstandsmessung von einigen Millimetern, vorzugsweise weniger als 5 mm, weiter vorzugsweise von 2 bis 3 mm, weiter vorzugsweise von ungefähr 1 mm erreichbar. Die optische Abstandsmesseinheit umfasst beispielsweise einen PMD-Sensor (PMD: Photonic Mixing Device), einen CMOS-Sensor oder einen anderen Photodetektor und könnte als ein LIDAR-Scanner ausgebildet sein. Die optische Abstandsmesseinheit umfasst vorzugsweise eine TOF-Kamera (TOF: Time-of-Flight). Eine TOF-Kamera hat den Vorteil, dass der gesamte Lichtfleck auf der Positionsmessvorrichtung erfasst werden kann, dadurch kein Scanvorgang nötig ist, und keine Abschattungen auftreten. Insbesondere muss der Laserstrahl nicht notwendigerweise zur optischen Abstandsmesseinheit zurück reflektiert werden. Dadurch ergibt sich eine größere Freiheit in der Anordnung der Abstandsmessvorrichtung, die insbesondere auch so angeordnet sein kann, dass der ausgesendete Lichtstrahl in einem Winkel zur Längsrichtung des Messobjekts verläuft.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die optische Positionsmesseinheit einen optischen Positionssensor, insbesondere einen PSD-Sensor oder einen CCD-Sensor, auf. Ein PSD-Sensor (PSD: Position Sensitive Device) hat den Vorteil, dass er die zweidimensionale Position, insbesondere eine X- und Y-Koordinate, mit einer Genauigkeit von einigen Mikrometer, vorzugsweise von bis zu 1 µm, erfassen kann. Er kann eine Sensorfläche, die insbesondere die Bildebene definiert, von beispielsweise ungefähr 9x9 mm oder 10x10 mm aufweisen. Ein CCD-Sensor, kann die zweidimensionale Position mit einer Genauigkeit von bis zu 10 µm erfassen. Eine Sensorfläche kann beispielsweise einen Durchmesser von ungefähr 50 mm oder 80 mm haben. Je nach gewünschter Reichweite der Messanordnung und tatsächlicher Ausrichtung bzw. Geradheit des Messobjekts kann es notwendig sein, eine Sensorfläche geeigneter Größe zu wählen, um den Lichtstrahl über den gesamten gemessenen Abstandsbereich abbilden zu können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die optische Positionsmesseinheit dazu ausgebildet, von den durch den optischen Positionssensor erfassten Lichtintensitätsmesswerten die Fremdlichtstrahlung zu subtrahieren, und die zweidimensionale Position aufgrund von bereinigten Lichtintensitätswerten des Lichtstrahls, insbesondere der Laserimpulse, zu berechnen. Ein PSD-Sensor umfasst beispielsweise vier paarweise gegenüberliegende Elektroden, an denen ein Spannungssignal abgegriffen wird, das einer Lichtintensität X1, X2, Y1, Y2 entspricht, aus dem mittels eines Mikroprozessors aufgrund der Verhältnisse X1/X2 bzw. Y1/Y2 durch lineare Interpolation jeweils eine Koordinate der zweidimensionalen Position X_position bzw. Y_position als die X- bzw. Y-Koordinate berechnet werden kann. Durch die Trägheit des PSD-Sensors oder einen zusätzlich vorgesehenen Tiefpassfilter erfasst der PSD-Sensor insbesondere die zweite, niederfrequente Modulation des Laserstrahls. Insbesondere im Fall einer unregelmäßigen Pulsfolge wird das Signal digital dekodiert, insbesondere mittels eines schnellen A/D-Wandlers, der beispielsweise im Bereich von einigen 100 MHz arbeitet. Vorzugsweise wird, um Fremdlichtstrahlung, die auf den Positionssensor trifft, aus der Messung zu eliminieren, eine ansteigende oder abfallende Pulsflanke eines Lichtpulses detektiert und daraufhin eine, insbesondere feste, Anzahl n von Lichtintensitätsmesswerten X1_active, X2_active, Y1_active, Y2_active oder X1_passive, X2_passive, Y1_passive, Y2_passive für einen Lichtpuls bei eingeschaltetem bzw. ausgeschaltetem, d.h. aktiven oder passiven, Lichtstrahl gemessen und jeweils aufsummiert. Insbesondere wird eine ansteigende oder abfallende Pulsflanke der Lichtpulse der niederfrequenten Modulation detektiert, die insbesondere eine Einhüllende der hochfrequenten Modulation darstellen. Je nach Pulslänge bzw. Pausenlänge und Geschwindigkeit des A/D-Wandlers können mehrere 100 oder mehrere 1000 Messungen n für jeden der niederfrequenten Pulse, also jeweils ein Pulspaket von hochfrequenten Pulsen, durchgeführt werden. Durch eine Mittelung bzw. Integration über eine Vielzahl der hochfrequenten Pulse wird die Genauigkeit der Amplitudenerfassung der Lichtintensität erhöht. Die Differenz der aufsummierten aktiven und passiven Lichtintensitätswerte entspricht Amplitudenwerten des Lichtimpulses X1_amplitude, X2_amplitude, Y1_amplitude und Y2_amplitude, die um den Anteil des Fremdlichts bereinigt sind. Aus Differenzen der aufsummierten Lichtintensitätswerte wird für ein Elektrodenpaar die Position X_position bzw. Y_position nach der folgenden Formel berechnet: $\sum_{1}^{n} X 1_{a m p l i t u d e} = \sum_{1}^{n} X 1_{a c t i v e} - \sum_{1}^{n} X 1_{p a s s i v e}$
$\sum_{1}^{n} X 2_{a m p l i t u d e} = \sum_{1}^{n} X 2_{a c t i v e} - \sum_{1}^{n} X 2_{p a s s i v e}$
$X_{p o s i t i o n} = \frac{(\sum_{1}^{n} X 1_{a m p l i t u d e} - \sum_{1}^{n} X 2_{a m p l i t u d e})}{(\sum_{1}^{n} X 1_{a m p l i t u d e} + \sum_{1}^{n} X 2_{a m p l i t u d e})}$
Eine Unterdrückung des Fremdlichteinflusses durch Subtraktion der Fremdlichtintensität hat den Vorteil, dass die Messung der zweidimensionalen Position nicht durch Fremdlicht verfälscht wird. Durch die Berücksichtigung einer Vielzahl von Messwerten, was auch als Oversampling bezeichnet werden kann, wird ein genaueres Ergebnis erreicht. Das Verfahren zur Fremdlichtunterdrückung kann für beliebige Modulationen des Lichtstrahls eingesetzt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Abstandsmessvorrichtung eine Montagevorrichtung auf, die an dem Messobjekt lösbar befestigbar ist. Die Montagevorrichtung ist beispielsweise als eine Trägerplatte ausgeführt, auf der die optische Abstandsmesseinheit montiert ist und weist beispielsweise Magnete, Klemmen, Schrauben oder ein Stativ auf, um die Abstandsmessvorrichtung entweder an dem Messobjekt selbst zu befestigen, oder auf dem Boden ortsfest zu positionieren.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Positionsmessvorrichtung eine Montagevorrichtung auf, mittels der die Positionsmessvorrichtung entlang der Längsrichtung des Messobjekts führbar ist. Die Montagevorrichtung ist beispielsweise als eine Trägerplatte ausgeführt, auf der die Positionsmesseinheit montiert ist und weist beispielsweise Magnete, Klemmen oder Schrauben auf. Die Montagevorrichtung kann unmittelbar verschieblich an dem Messobjekt befestigbar sein, beispielsweise über vorgesehene Führungselemente an der Unterseite einer Trägerplatte. Alternativ ist die Montagevorrichtung fest an einem Adapterelement befestigbar, das auf das Messobjekt angepasst ist und an dem Messobjekt verschieblich befestigt bzw. an diesem gelagert ist. Das Adapterelement ist beispielsweise ein Schlitten, der auf einer Führungsschiene läuft, deren Ausrichtung bestimmt werden soll, z.B. auf einer Prismenführung einer Drehmaschine.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die Abstandsmessvorrichtung eine Justiervorrichtung, um die Lage der optischen Abstandsmesseinheit, insbesondere mittels Mikrometerschrauben, relativ zur Montagevorrichtung einzustellen, insbesondere derart, dass der Lichtstrahl auf den Positionssensor der optischen Positionsmesseinheit gerichtet ist. Insbesondere ermöglicht die Justiervorrichtung eine Verkippung der optischen Abstandsmesseinheit relativ zur Montagevorrichtung in zwei Richtungen, insbesondere in die X- und Y-Richtung. Beispielsweise ist an der Rückseite der optischen Abstandsmesseinheit eine Verstellplatte angebracht, insbesondere an einem Gehäuse der optischen Abstandsmesseinheit, die an drei Punkten an der Montagevorrichtung, insbesondere einer winkelförmigen Trägerplatte, gelagert ist und deren Winkel über Justierschrauben, vorzugsweise Mikrometerschrauben, verstellbar ist. Eine Justiervorrichtung hat den Vorteil, dass die Lage der optischen Abstandsmesseinheit vor einer Messung so justiert werden kann, dass der ausgesendete Lichtstrahl über den gesamten Abstandsbereich der geplanten Messung auf den Positionssensor trifft und von diesem erfassbar ist.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen die Positionsmessvorrichtung und die Abstandsmessvorrichtung jeweils Sendeeinheiten, insbesondere einen Bluetooth-Sender, auf, um erfasste Positions- bzw. Abstandsdaten an eine Empfangseinheit der Datenverarbeitungseinrichtung zu übertragen. Auf diese Weise wird eine automatische Zusammenführung der gemessenen bzw. berechneten X-, Y- und Z-Koordinaten von dreidimensionalen Punktkoordinaten erreicht. Ein Bluetooth-Sender weist beispielsweise eine Reichweite von mehr als hundert Metern, zwischen 50 und 100 m, von ungefähr 60 m, oder von weniger als 60 m auf. Es können aber auch andere, insbesondere standardisierte Schnittstellen zur Datenübertragung verwendet werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist die Positionsmessvorrichtung einen Beschleunigungssensor auf, um durch Erfassung eines Stillstands der Positionsmessvorrichtung das Bereitstellen von dreidimensionalen Punktkoordinaten, insbesondere für deren Abspeicherung, zu bewirken. Beispielsweise überträgt die Positionsmessvorrichtung ein Signal an die Datenverarbeitungseinrichtung, sobald der Beschleunigungssensor einen Stillstand der Positionsmessvorrichtung erfasst. Auf diese Weise werden dreidimensionale Punktkoordinaten in von dem Benutzer gewünschten Abständen, insbesondere Z-Koordinaten, automatisch zur Abspeicherung in einem Speichermedium der Datenverarbeitungseinrichtung bereitgestellt. Der Beschleunigungssensor könnte auch Vibrationen erfassen und durch ein entsprechendes Warnsignal an die Datenverarbeitungseinheit bewirken, dass die Messung als verfälscht erkannt wird und die entsprechenden Punktkoordinaten nicht abgespeichert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Positionsmessvorrichtung und die Abstandsmessvorrichtung jeweils über Batterien, insbesondere Lithium-Batterien, versorgt. Insbesondere weisen die Positionsmessvorrichtung und die Abstandsmessvorrichtung jeweils entsprechende Ladeanschlüsse für die Batterien auf, beispielsweise USB-Anschlüsse. Auf diese Weise ist die Messanordnung einfach zu montieren und zu handhaben, da keine störenden Kabel für die Stromversorgung erforderlich sind.
Auch eine elektrische oder mechanische Beeinträchtigung der Messergebnisse durch Stromkabel ist ausgeschlossen.
Die Aufgabe wird außerdem insbesondere gelöst durch ein Verfahren zum Ermitteln der Ausrichtung eines Messobjekts, das folgende Schritte umfasst:

- Befestigen einer Positionsmessvorrichtung, die eine optische Positionsmesseinheit aufweist, an einem Messobjekt, derart, dass die Positionsmessvorrichtung in einer Längsrichtung des Messobjekts relativ zum Messobjekt verschieblich ist;
- Anordnen einer Abstandsmessvorrichtung, die eine optische Abstandsmesseinheit aufweist, relativ zum Messobjekt fest;
- Aussenden eines Lichtstrahls als einen modulierten Laserstrahl von der optischen Abstandsmesseinheit in Richtung zur Positionsmessvorrichtung hin;
- Erfassen einer zweidimensionalen Position eines Lichtpunktes des von der optischen Abstandsmesseinheit ausgesendeten Lichtstrahls in einer Bildebene mit der optischen Positionsmesseinheit;
- Erfassen des Abstands zur Positionsmessvorrichtung durch die optische Abstandsmesseinheit durch Laufzeitmessung des Lichtstrahls;
- Übertragen der erfassten Positions- und/oder Abstandsdaten an eine Datenverarbeitungseinrichtung;
- Bereitstellen der Positions- und Abstandsdaten als dreidimensionale Punktkoordinaten durch die Datenverarbeitungseinrichtung.

Insbesondere ist das Verfahren zum Ermitteln der Ausrichtung einer Führungsschiene geeignet, insbesondere mit einer zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Messanordnung. Insbesondere wird die zweidimensionale Position des Lichtpunktes mit der optischen Positionsmesseinheit in einer Bildebene senkrecht zur Längsrichtung erfasst.
Die Idee der Erfindung ist es, ein Messverfahren bereitzustellen, das zum Erfassen von Abweichungen von einem Lichtstrahl als gerade Bezugsachse in Form von ersten und zweiten Koordinaten eines Messpunkts, zum Erfassen eines Abstands des Messpunks von einem Bezugspunkt in Form einer dritten Koordinate des Messpunkts und zum Zusammenführen dieser Koordinaten zu dreidimensionale Punktkoordinaten dieses Messpunkts geeignet ist. Diese werden einem Benutzer bereitstellt, um daraus die Ausrichtung eines Messobjekts ermitteln zu können und das Messobjekt gegebenenfalls justieren oder nachbearbeiten zu können. Insbesondere wird das Verfahren nacheinander für eine Vielzahl von Messpunkten entlang des Lichtstrahls durchgeführt, um Messpunkte in verschiedenen Abständen zu erfassen. Aus diesen Messpunkten kann insbesondere die Geradheit des Messobjekts bestimmt werden. Die Positionsmessvorrichtung kann von dem Benutzer manuell entlang der Längsrichtung des Messobjekts verschoben werden, oder maschinell, insbesondere durch den Antrieb der auszurichtenden Maschine bzw. des Maschinenteils selbst verfahren werden, beispielsweise auf einem Schlitten entlang einer Führungsschiene, deren Ausrichtung ermittelt werden soll. Die Abstandsmessung kann von der optischen Abstandsmesseinheit basierend auf den Messprinzipien der Laufzeitmessung, der Phasenlagemessung oder der Triangulation durchgeführt werden. Vorzugsweise wird die Laufzeit eines modulierten Laserstrahls mittels einer TOF-Kamera gemessen, um den Abstand zu erfassen. Insbesondere wird ein gepulster Laserstrahl, vorzugsweise ein zweifach modulierter Laserstrahl mit vorzugsweise unregelmäßigen Pulsen von einem optischen Positionssensor erfasst und dessen Ausgangssignal digital dekodiert.
Das Verfahren hat den Vorteil, dass alle drei räumlichen Koordinaten eines Messpunktes im Wesentlichen gleichzeitig erfasst werden und keine gesonderte Erfassung der Z-Koordinate und deren nachträgliche Zusammenführung mit gemessenen X- und Y-Koordinaten durch den Benutzer erforderlich sind. Die Vorbereitungszeit für das Messverfahren ist kurz, insbesondere da eine entsprechende Messanordnung mit einer Positionsmessvorrichtung und einer Abstandsmessvorrichtung einfach zu installieren ist. Das Verfahren ist durch die Automatisierung für den Benutzer schnell, einfach und frei von Bedienungs- oder Ablesefehlern durchführbar und erzielt dadurch genaue Messergebnisse. Insbesondere wird die X- und Y-Koordinate mit einer Genauigkeit von bis zu 1 µm und die Z-Koordinate mit einer Genauigkeit von bis zu 1 mm aufgelöst.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird beim Erfassen der zweidimensionalen Position von der durch die optische Positionsmesseinheit erfassten Lichtintensität die Fremdlichtstrahlung subtrahiert, um eine bereinigte Lichtintensität des Lichtstrahls, insbesondere der Laserpulse, zu berechnen. Dies hat den Vorteil, dass die Messung nicht durch den Einfluss von Fremdlicht verfälscht wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden Pulsflanken der Laserpulse von der Positionsmesseinheit detektiert, daraufhin eine, insbesondere feste, Anzahl von Lichtintensitätsmesswerten gemessen, diese Lichtintensitätsmesswerte zu Lichtintensitätssummenwerten aufsummiert, und zwei Lichtintensitätssummenwerte voneinander subtrahiert, um einen bereinigten Lichtintensitätswert zu erhalten. Insbesondere wird ein numerisches Mittelungsverfahren bzw. Integrationsverfahren über eine feste Anzahl gemessener Lichtintensitätsmesswerte jeweils für eine ansteigende und abfallende Pulsflanke durchgeführt, um einen bereinigten Mittelwert der Lichtintensitätsamplitude zu erhalten. Auf diese Weise kann auf den Positionssensor auftreffendes Fremdlicht aus der Messung der zweidimensionalen Position eliminiert werden. Durch die Mittelung bzw. Integration wird die Genauigkeit des Verfahrens gesteigert.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Positionsmessvorrichtung entlang der Längsrichtung des Messobjekts verschoben und werden bei Erreichen eines vorgegebenen Abstandswerts, insbesondere jeweils bei Erreichen von vorgegebenen Abstandsintervallen, oder bei einem Stillstand der Positionsmessvorrichtung die dreidimensionalen Punktkoordinaten auf einem Speichermedium abgespeichert. Ein Stillstand der Positionsmessvorrichtung kann insbesondere durch einen integrierten Beschleunigungssensor erfasst werden. Ein Abspeichern der bereitgestellten dreidimensionalen Punktkoordinaten für eine Auswertung kann beispielsweise durch den Benutzer per Tastendruck, beispielsweise an einem PC, tragbarem, Computer oder Smartphone, an den die Punktkoordinaten übertragen werden, vorgenommen werden. Alternativ kann das Abspeichern automatisch durch die Datenverarbeitungseinrichtung geschehen, beispielsweise jedes Mal wenn anhand der gemessenen Z-Koordinate ermittelt wird, dass ein zuvor eingestelltes Abstandsintervall erreicht oder überschritten wurde. Das Verfahren kann das automatische Speichern von Punktkoordinaten vorsehen sobald die Positionsmessvorrichtung stillsteht, also nicht mehr weiter verschoben wird, weil z.B. eine gewünschte Messposition entlang des Lichtstrahls erreicht wurde.
Insbesondere umfasst das Verfahren einen Kalibrierungsschritt, der anhand von zwei zuvor ausgewählten Messpunkten eine nachfolgende gerichtete Messung ermöglicht. Dadurch wird eine mögliche Schrägstellung des Lichtstrahls zur Längsrichtung des Messobjekts, also ein Winkel zwischen der Achse des Lichtstrahls und der Längsrichtung des Messobjekts, in die die Positionsmessvorrichtung verschoben wird, ausgeglichen. Insbesondere werden erfasste X- und Y-Koordinaten von der Datenverarbeitungseinrichtung derart automatisch umgerechnet, dass sie eine tatsächliche Abweichung des Messobjekts von einem theoretisch in Längsrichtung des Messobjekts verlaufenden Lichtstrahl wiedergeben.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit einem Messobjekt in einer Seitenansicht;
2 eine schematische Darstellung der Abstandsmessvorrichtung gemäß der Ausführungsform nach 1 in einer Draufsicht;
3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung in einer perspektivischen Ansicht;
4a eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit einer Abstandsmessvorrichtung, die auf einem Messobjekt befestigt ist, in einer Draufsicht;
4b eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Messanordnung mit einer Abstandsmessvorrichtung, die frei im Raum angeordnet ist, in einer Draufsicht;
5 eine schematische Darstellung eines PSD-Sensors der optischen Positionsmesseinheit der erfindungsgemäßen Messanordnung;
6a eine Prinzipdarstellung des Signals eines Positionssensors für einen zweifach modulierten Laserstrahl mit Fremdlichtstrahlung als Verlauf der Lichtintensität über die Zeit;
6b eine Prinzipdarstellung des Signals eines Positionssensors für einen zweifach modulierten Laserstrahl ohne Fremdlichtstrahlung als Verlauf der Lichtintensität über die Zeit.

In dem nachfolgenden Teil der Beschreibung der Erfindung werden für gleiche und gleich wirkende Elemente dieselben Bezugsziffern verwendet.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Messanordnung 1 mit einer Positionsmessvorrichtung 2, einer Abstandsmessvorrichtung 3 und einer Datenverarbeitungseinrichtung 4, die beispielsweise ein PC, ein tragbarer Computer oder ein Smartphone ist. Die Messanordnung 1 dient dazu, die Ausrichtung, insbesondere die Geradheit, des Messobjekts 6 zu ermitteln, das sich entlang der Längsrichtung A erstreckt. Bei dem Messobjekt 6 handelt es sich beispielsweise um eine Führungsschiene einer Werkzeugmaschine, z.B. einer Dreh- oder Fräsmaschine, eine Führungsschiene eines Aufzugs, oder eines Portalkrans. Die Orientierung des Messobjekts 6 kann horizontal, vertikal, oder beliebig schräg im Raum sein. Auf dem Messobjekt 6 ist ein Schlitten 7 in Längsrichtung A verschieblich gelagert. Auf dem Schlitten 7 ist die Positionsmessvorrichtung 2 mittels einer Montagevorrichtung 23 lösbar befestigt, beispielsweise über Magnete, Klemmen oder Schrauben. Die Montagevorrichtung 23 ist hier als eine flache Trägerplatte ausgeführt, könnte aber auch Führungselemente an der Unterseite aufweisen, um unmittelbar auf dem Messobjekt 6 verschieblich lagerbar und führbar zu sein. Die Positionsmessvorrichtung 2 kann entlang der Längsrichtung A zu der Abstandsmessvorrichtung 3 hin und davon weg verschoben werden, beispielsweise manuell oder mittels eines Antriebs des Schlittens 7, dessen Bewegung mit dem Doppelpfeil angedeutet ist.
Die Abstandsmessvorrichtung 3 umfasst eine optische Abstandsmesseinheit 31, eine Lichtquelle 36, einen Bildsensor 37, einen Mikroprozessor 38 und eine Sendeeinheit 35 in einem Gehäuse 39. Die Lichtquelle 36 ist hier ein Laser, der einen Lichtstrahl 5 in Form eines zweifach modulierten Laserstahls, vorzugsweise mit unregelmäßigen Laserpulsen, zu der Positionsmessvorrichtung 2 hin aussendet, könnte aber auch eine LED sein. Der Bildsensor 37 ist vorzugsweise ein PMD-Sensor in einer TOF-Kamera, der mittels Laufzeitmessung den Abstand zwischen der Abstandsmessvorrichtung 3 und der Positionsmessvorrichtung 2 als eine Z-Koordinate erfasst. Die Abstandsmessvorrichtung 3 ist mittels einer Montagevorrichtung 32, insbesondere einem Sockel, Stativ oder einer Halterung, fest im Raum installiert. Die Justiervorrichtung 33 umfasst eine winkelförmige Trägerplatte 30, die sich über zwei verstellbare Mikrometerschrauben 34 gegen die Verstellplatte 40 abstützt, die mit dem Gehäuse 39 verbunden ist, und auf einer Lagespitze 44 als drittem Lagerpunkt einer Dreipunktlagerung aufliegt. Zwischen der Trägerplatte 30 und der Verstellplatte 40 ist eine Feder 43 angebracht. Mittels der Justiervorrichtung 33 kann die optische Abstandsmesseinheit 31 gegenüber der Positionsmessvorrichtung 2 um zwei Achsen derart verkippt werden, dass der Lichtstrahl 5 so justiert ist, dass er auf den Positionssensor 22 der Positionsmessvorrichtung 2 trifft. In 2 ist eine Draufsicht auf die Abstandsmessvorrichtung 3 dargestellt, in der die zwei Mikrometerschrauben 34 der Justiervorrichtung 33 gezeigt sind.
Positionsmessvorrichtung 2 umfasst eine optische Positionsmesseinheit 21, einen Positionssensor 22, einen A/D-Wandler 26 mit einem Verstärker, einen Mikroprozessor 28 und eine Sendeeinheit 25 in dem Gehäuse 27. Der Positionssensor 22 ist vorzugsweise ein PSD-Sensor, auf dem ein Lichtpunkt, bzw. ein Lichtfleck, des Lichtstrahls 5 abgebildet wird, insbesondere in einer Bildebene senkrecht zur Längsrichtung A durch ein Sichtfenster in einer Frontseite des Gehäuses 27 hindurch. Der Positionssensor 22 erfasst eine zweidimensionale Position des Lichtstrahls 5 auf der Bildebene als eine X-und Y Koordinate.
Bei einer Verschiebung der Positionsmessvorrichtung 2 entlang der Längsrichtung A, also in 1 von links nach rechts oder umgekehrt, bewegt sich die Positionsmessvorrichtung 2 durch die Lagerung auf dem Messobjekt 6 entsprechend der geometrischen Ausrichtung des Messobjekts 6, also entsprechend seiner tatsächlichen geometrischen Form, mit. Wenn das Messobjekt 6 perfekt gerade ist und der Lichtstrahl 5 genau entlang der Längsrichtung A verläuft, ändert sich die Position des auf dem Positionssensor 22 abgebildeten Lichtpunkts zeitlich nicht. Wenn das Messobjekt aber nicht perfekt gerade ausgerichtet ist, sondern Abweichungen in der X- und/oder Y-Richtung aufweist, also senkrecht zur Längsrichtung A, wandert der Lichtpunkt auf dem Positionssensor 22 während der Verschiebung der Positionsmessvorrichtung 2 (siehe 4a und 4b). Diese wechselnden Positionen des Lichtpunkts werden als X- und Y-Koordinaten als Maß der geometrischen Abweichungen in der Bildebene des Positionssensors 22 erfasst. Für verschiedene Abstände der Positionsvorrichtung 2 von der Abstandsmessvorrichtung 3, die als Z-Koordinate erfasst werden, werden zeitgleich die zugehörigen X- und Y-Koordinaten für diesen Messpunkt erfasst und bereitgestellt. Insbesondere durch Auftragen der X-und Y-Koordinaten über die Z-Koordinate lässt sich aus den Messergebnissen die tatsächliche Ausrichtung des Messobjekts 6, insbesondere seine Geradheit als Maß der Ausrichtung, ablesen.
Die Datenverarbeitungseinrichtung 4 ist drahtlos, insbesondere über eine Bluetooth-Schnittstelle, mit der Positionsmessvorrichtung 2 und der Abstandsmessvorrichtung 3 verbunden. Die erfassten X- und Y-Koordinaten können durch die Sendeeinheit 25 und die erfasste Z-Koordinate durch die Sendeeinheit 35 an die Empfangseinheit 41 übertragen und in dem Speichermedium 42 abgespeichert werden. Dadurch stehen die erfassten Koordinaten für einen Benutzer als dreidimensionale Punktkoordinaten zur Ermittlung der Ausrichtung des Messobjekts 6 zur Verfügung. Während einer Verschiebung der Positionsmessvorrichtung 2 werden laufend, im Wesentlichen gleichzeitig, für einen Messpunkt sowohl die X-und Y-Koordinaten durch die optische Positionsmesseinheit 21 als auch die Z-Koordinate durch die optische Abstandsmesseinheit 31 erfasst und automatisch, insbesondere ohne Verzögerung, an die Datenverarbeitungseinrichtung 4 übertragen, wo sie als dreidimensionale Koordinaten des momentanen Messpunkts zusammengeführt werden. Eine aufwendige separate Erfassung der Position der Abstandsmessvorrichtung 2 entlang der Längsrichtung A und deren Zusammenführen mit den für diese Z-Koordinate erfassten X-und Y-Koordinaten, beispielsweise durch Ablesen oder manuelles Zwischenspeichern, entfällt.
3 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Messanordnung 1, in der die räumlichen Richtungen der X-, Y- und Z-Koordinate beispielhaft illustriert sind.
4a und 4b zeigen eine Messanordnung 1 mit einem nicht gerade ausgerichteten Messobjekt 6 in einer Draufsicht, wobei die Abstandsmessvorrichtung 3 in 4a auf dem Messobjekt 6 selbst befestigt ist und in 4b frei im Raum relativ zum Messobjekt 6 fest angeordnet ist. Insbesondere die Messanordnung 1 in 4a macht deutlich, dass vor Durchführung des Messverfahrens zur Ermittlung der Ausrichtung des Messobjekts 6 ein Kalibrierungsschritt notwendig ist, um eine gerichtete Messung ausführen zu können, bei der der Winkel zwischen dem Lichtstrahl 5 und der Längsrichtung A ausgeglichen wird. Eine TOF-Kamera der optischen Abstandsmesseinheit 31 erfasst mit ihrem Bildsensor 37 den gesamten abgebildeten Lichtfleck auf dem Positionssensor 22 bzw. dem Sichtfenster der Positionsmessvorrichtung 20 und berechnet über eine Laufzeitmessung den Abstand.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Positionssensors 22 in Form eines PSD-Sensors mit vier paarweise gegenüberliegend angeordneten Elektroden, an denen Spannungssignale abgegriffen werden können, die erfassten Lichtintensitätswerten X1, X2, Y1, Y2 entsprechen. Aus den Verhältnissen der Lichtintensitätswerte lassen sich die X- und Y-Koordinaten des Lichtpunkts auf dem Positionssensor 22 durch Interpolation ermitteln.
Die 6a und 6b zeigen eine Prinzipdarstellung eines Signals, wie es von dem optischen Positionssensor 22, beispielsweise an einer Elektrode des PSD-Sensors nach 5, abgegriffen wird. Es entspricht der gemessenen Lichtintensität und ist hier beispielsweise als Verlauf der Lichtintensität X1 über die Zeit t dargestellt. Die Signale für X2, Y1 oder Y2 verlaufen entsprechend. Es ist jeweils das Signal eines zweifach modulierten Laserstrahls dargestellt, der von der Lichtquelle 36 ausgesendet wird. Der Laserstrahl weist eine erste, hochfrequente Modulation 53, die in einer vergrößerten Detailansicht dargestellt ist, und eine zweite, niederfrequente Modulation 52 auf, die auch als eine Hüllkurze der hochfrequenten Modulation 53 verstanden werden kann. Die hochfrequente Modulation 53 ist vorzugsweise im GHz-Bereich und damit zu schnell, um von einem Positionssensor 22 aufgelöst werden zu können. Die hochfrequente Modulation 53 ist für die Laufzeitmessung der optischen Abstandsmesseinheit 31, die insbesondere eine TOF Kamera umfasst, erforderlich. Der Positionssensor 22 erfasst aufgrund seiner Trägheit oder eines zusätzlich vorgesehenen Tiefpassfilters die niederfrequente Modulation 52, die beispielsweise eine Frequenz von 7-8 Hz hat. In 6A ist das Signal des Laserstrahls mit einer Fremdlichtstrahlung überlagert. In 6b ist ein von der Fremdlichtstrahlung bereinigtes Signal des Laserstrahls dargestellt. Um eine Fremdlichtunterdrückung durchzuführen, wird eine aufsteigende oder abfallende Pulsflanke 50 detektiert und daraufhin eine, vorzugsweise feste, Anzahl von n Messungen von Lichtintensitätswerten 51 durchgeführt, die aufsummiert werden. Es können mehrere 100 oder mehrere 1000 Messungen pro Pulsflanke durchgeführt und aufsummiert werden. Durch ein solches Mittelungs- bzw. Integrationsverfahren wird die Messgenauigkeit erhöht. Durch die Bildung der Differenz zweier einem Lichtpuls zugeordneten Lichtintensitätssummen werden, insbesondere nach der zuvor in der Beschreibung angegebenen Formel, ein um das Fremdlicht bereinigter Amplitudenwert des Laserstrahls erhalten, wie in 6B dargestellt.
Bezugszeichenliste

1: Messanordnung
2: Positionsmessvorrichtung
3: Abstandsmessvorrichtung
4: Datenverarbeitungseinrichtung
5: Lichtstrahl
6: Messobjekts
7: Schlitten
21: optische Positionsmesseinheit
22: Positionssensor
23: Montagevorrichtung
24: Beschleunigungssensor
25: Sendeeinheit
26: A/D-Wandler
27: Gehäuse
28: Mikroprozessor
30: Trägerplatte
31: optische Abstandsmesseinheit
32: Montagevorrichtung
33: Justiervorrichtung
34: Mikrometerschraube
35: Sendeeinheit
36: Lichtquelle
37: Bildsensor
38: Mikroprozessor
39: Gehäuse
40: Verstellplatte
41: Empfangseinheit
42: Speichermedium
43: Feder
44: Lagerspitze
50: Pulsflanke
51: Lichtintensitätsmesswert
52: niederfrequente Modulation
53: hochfrequente Modulation
A: Längsrichtung

Claims

Messanordnung (1) zum Ermitteln der Ausrichtung eines Messobjekts (6), Folgendes umfassend: - eine Positionsmessvorrichtung (2), die relativ zum Messobjekt (6) in einer Längsrichtung (A) des Messobjekts (6) verschieblich an dem Messobjekt (6) befestigbar ist und eine optische Positionsmesseinheit (21) aufweist, - eine Abstandsmessvorrichtung (3), die relativ zum Messobjekt (6) fest angeordnet ist und eine optische Abstandsmesseinheit (31) aufweist, die dazu ausgebildet ist, einen Lichtstrahl (5) in Richtung zur Positionsmessvorrichtung (21) hin auszusenden und den Abstand zur Positionsmessvorrichtung (2) zu erfassen, indem die optische Abstandsmesseinheit (31) den Lichtstrahl (5) als einen modulierten Laserstrahl aussendet und die Laufzeit des Lichtstrahls (5) erfasst, wobei die optische Positionsmesseinheit (21) eine zweidimensionale Position eines Lichtpunktes des von der optischen Abstandsmesseinheit (31) ausgesendeten Lichtstrahls (5) in einer Bildebene erfasst, und - eine Datenverarbeitungseinrichtung (4), die mit der Positionsmessvorrichtung (2) und der Abstandsmessvorrichtung (3) verbunden und dazu ausgebildet ist, die erfassten Positions- und Abstandsdaten als dreidimensionale Punktkoordinaten bereitzustellen.
Messanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Abstandsmesseinheit (31) den Lichtstrahl (5) als einen gepulsten Laserstrahl aussendet, insbesondere als einen zweifach modulierten Laserstrahl.
Messanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Abstandsmesseinheit (31) eine TOF-Kamera umfasst.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Positionsmesseinheit (21) einen optischen Positionssensor (22), insbesondere einen PSD-Sensor oder einen CCD-Sensor, aufweist.
Messanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Positionsmesseinheit (21) dazu ausgebildet ist, von durch den optischen Positionssensor (22) erfassten Lichtintensitätsmesswerten (51) eine Fremdlichtstrahlung zu subtrahieren, und die zweidimensionale Position aufgrund von bereinigten Lichtintensitätswerten (53) des Lichtstrahls (5), insbesondere der Laserimpulse, zu berechnen.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsmessvorrichtung (3) eine Montagevorrichtung (32) aufweist, die an dem Messobjekt (6) lösbar befestigbar ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmessvorrichtung (2) eine Montagevorrichtung (23) aufweist, mittels der die Positionsmessvorrichtung (2) entlang der Längsrichtung des Messobjekts (6) führbar ist.
Messanordnung nach den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstandsmessvorrichtung (3) eine Justiervorrichtung (33) umfasst, um die Lage der optischen Abstandsmesseinheit (31), insbesondere mittels Mikrometerschrauben (34), relativ zur Montagevorrichtung (32) einzustellen, insbesondere derart, dass der Lichtstrahl (5) auf den Positionssensor (22) der optischen Positionsmesseinheit (21) gerichtet ist.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmessvorrichtung (2) und die Abstandsmessvorrichtung (3) jeweils Sendeeinheiten (25, 35), insbesondere einen Bluetooth-Sender, aufweisen, um erfasste Positions- bzw. Abstandsdaten an eine Empfangseinheit (41) der Datenverarbeitungseinrichtung (4) zu übertragen.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmessvorrichtung (2) einen Beschleunigungssensor (24) aufweist, um durch Erfassung eines Stillstands der Positionsmessvorrichtung (2) das Bereitstellen von dreidimensionalen Punktkoordinaten, insbesondere für deren Abspeicherung, zu bewirken.
Messanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmessvorrichtung (2) und die Abstandsmessvorrichtung (3) jeweils über Batterien, insbesondere Lithium-Batterien, versorgt sind.
Verfahren zum Ermitteln der Ausrichtung eines Messobjekts, das folgende Schritte umfasst: - Befestigen einer Positionsmessvorrichtung (2), die eine optische Positionsmesseinheit (21) aufweist, an einem Messobjekt (6), derart, dass die Positionsmessvorrichtung (2) in einer Längsrichtung (A) des Messobjekts (6) relativ zum Messobjekt (6) verschieblich ist; - Anordnen einer Abstandsmessvorrichtung (3), die eine optische Abstandsmesseinheit (31) aufweist, relativ zum Messobjekt (6) fest; - Aussenden eines Lichtstrahls (5) als einen modulierten Laserstrahl von der optischen Abstandsmesseinheit (31) in Richtung zur Positionsmessvorrichtung (2) hin; - Erfassen einer zweidimensionalen Position eines Lichtpunktes des von der optischen Abstandsmesseinheit (31) ausgesendeten Lichtstrahls (5) in einer Bildebene mit der optischen Positionsmesseinheit (21); - Erfassen des Abstands zur Positionsmessvorrichtung (2) durch die optische Abstandsmesseinheit (31) durch Laufzeitmessung des Lichtstrahls (5); - Übertragen der erfassten Positions- und/oder Abstandsdaten an eine Datenverarbeitungseinrichtung (4); - Bereitstellen der Positions- und Abstandsdaten als dreidimensionale Punktkoordinaten durch die Datenverarbeitungseinrichtung (4).
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erfassen der zweidimensionalen Position von der durch die optische Positionsmesseinheit (21) erfassten Lichtintensität eine Fremdlichtstrahlung subtrahiert wird, um eine bereinigte Lichtintensität des Lichtstrahls (5), welcher insbesondere als gepulster Laserstrahl ausgesandt wird, zu berechnen.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass - Pulsflanken (50) der Laserpulse von der Positionsmesseinheit (21) detektiert werden, - daraufhin eine, insbesondere feste, Anzahl von Lichtintensitätsmesswerten (51) gemessen werden, - diese Lichtintensitätsmesswerte (51) zu Lichtintensitätssummenwerten aufsummiert werden, und - zwei Lichtintensitätssummenwerte voneinander subtrahiert werden, um einen bereinigten Lichtintensitätswert zu erhalten.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionsmessvorrichtung (2) entlang der Längsrichtung des Messobjekts (6) verschoben wird und bei Erreichen eines vorgegebenen Abstandswerts, insbesondere jeweils bei Erreichen von vorgegebenen Abstandsintervallen, oder bei einem durch einen integrierten Beschleunigungssensor (24) erfassten Stillstand der Positionsmessvorrichtung (2) die dreidimensionalen Punktkoordinaten auf einem Speichermedium (42) abgespeichert werden.