DE102017001643A1

DE102017001643A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung des Rollwinkels

Info

Publication number: DE102017001643A1
Application number: DE102017001643.7A
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2018-08-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung (1) zur genauen Bestimmung eines Rollwinkels (R_x) eines Körpers durch einen an dem Körper angebrachten Messkopf (2), wobei ein Lasertracker (3) vorgesehen ist, welcher einen Laserstrahl als Einfallstrahl (21) zum Messkopf (2) aussendet, von welchem der Einfallstrahl (21) als Rückstrahl (22) zum Lasertracker (3) zurückgesendet wird, dass der Einfallstrahl (21) derart räumlich moduliert wird, so dass mittels eines resultierenden, räumlich modulierten Strahlversatzes (23) des Einfallstrahls (21) der Rollwinkel (R_x) durch den Messkopf (2) bestimmt wird. Die räumliche Modulation kann derartig realisiert werden, dass ein synthetisches Messsignal (28b) für den Rollwinkel (R_x) abgeleitet wird, welches für eine Fehlerkompensation der Rollwinkelmessung eingesetzt wird und somit eine hochgenaue Messung des Rollwinkels (R_x) ermöglicht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur räumlichen Modulation des Laserstrahls mit dem Ziel einer Genauigkeitssteigerung der Rollwinkelmessung auf Basis einer Strahlversatzmessung eines Messkopfs in Verbindung mit einem Lasertracker.
Zur Messung der Position und Orientierung eines Körpers werden insbesondere Lasertracker zusammen mit Messköpfen eingesetzt. Die Aufgabe des Lasertrackers ist die Messung der Position des Messkopfes und die Aufgabe des Messkopfes ist die Messung der Orientierung.
Das in der Patentschrift DE 10 2011 107 451 B3 beschriebene Verfahren betrifft die Orientierungsmessung eines Körpers mit einem Messkopf, der einen Retroreflektor sowie eine Optik zur Erzeugung von Messstrahlen beinhaltet, welche von Detektoren erfasst werden können. Auf diese Weise lässt sich, ausgehend von einem Lasertracker, der Strahlengang eines Lasers durch den Retroreflektor rekonstruieren und daraus der Einfallswinkel in den Reflektor (Nick- und Gierwinkel) sowie den Rollwinkel (Rotation um den Laserstrahl) berechnen. Eine retroreflektierende Optik wird dazu benötigt, den Einfallstrahl zurück zum Lasertracker zu reflektieren, damit dieser ein Signal erfassen kann, das es ihm erlaubt, den Laserstrahl in das Zentrum des Retroreflektors nachzuführen und so auf Basis einer Winkel- und Entfernungsmessung eine kontinuierliche Positionsmessung des optischen Zentrums des Retroreflektors ermöglicht. Zur Erzeugung von Messstrahlen für die Orientierungsmessung wird ein Strahlteiler beschrieben, der fest mit dem Retroreflektor in Verbindung steht, wodurch der Einfallstrahl in einen Einfallmessstrahl und der Rückstrahl in einen Rückmessstrahl ausgekoppelt werden. Diese Messstrahlen können von zwei Detektoren erfasst und mit der Optik in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht werden. Zur Rollwinkelmessung ist vorgesehen, in den Strahlengang einen vorbestimmten, detektierbaren Versatz einzuprägen. Aufgrund der Retroreflexion verläuft der Laserstrahl parallel zur Hauptachse, welche das Symmetriezentrum des Retroreflektors trifft. Der Abstand zwischen Hauptachse und Laserstrahl entspricht dem Betrag des vorbestimmten, detektierbaren Versatzes. Aus den Detektorsignalen lassen sich die Koordinaten von Schnittpunkten des Laserstrahls im Koordinatensystem des Retroreflektors bestimmen. Anhand dieser Schnittpunkte kann der Strahlengang durch den Reflektor rekonstruiert und daraus der Roll-, Nick- und Gierwinkel relativ zum Laserstrahl bestimmt werden. Die Orientierung des Messkopfs innerhalb des Koordinatensystems des Lasertrackers ergibt sich, indem der Verlauf des Laserstrahls durch den Reflektor mit dem Verlauf des Laserstrahls innerhalb des Koordinatensystems des Lasertrackers verglichen wird.
Da in DE 10 2011 107 451 B3 ein konventioneller Lasertracker als Quelle des vorbestimmten Strahlversatzes genannt wird, welcher mithilfe eines Messkopfs ausgewertet wird, limitieren die Eigenschaften des Lasertrackers die erreichbare Genauigkeit insbesondere im Bereich der Rollwinkelmessung (Rotation um den Laserstrahl), da diese direkt auf der Messung des vorbestimmten statischen Strahlversatzes basiert. Daher ist das geschilderte Verfahren anfällig gegenüber Störeinflüssen wie z.B. einem Schleppfehler bei Nachführung des Laserstrahls in das bewegte Reflektorzentrum, Temperatureffekte sowie Luftfluktuationen oder auch 1/f Rauschen sowie beliebige weitere Rausch- und Störquellen.
Dieser Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Messung des Rollwinkels bei dem in der Patentschrift DE 10 2011 107 451 B3 beschriebenen Verfahren zu verbessern.
Hierzu ist ein Lasertracker vorgesehen, welcher einen Laserstrahl als Einfallstrahl zum Messkopf aussendet, von welchem der Einfallstrahl als Rückstrahl zum Lasertracker zurückgesendet wird. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Einfallstrahl derart räumlich moduliert wird, so dass mittels eines resultierenden, räumlich modulierten Strahlversatzes des Einfallstrahls der Rollwinkel (R_x) durch den Messkopf bestimmt wird. Des Weiteren wird die Aufgabe durch unterschiedliche Vorrichtungen zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst.
Zur Reduktion negativer Einflüsse auf ein statisches Messsignal ist es vorteilhaft, das Messsignal in Form des Strahlversatzes z.B. zu Modulieren oder in höhere Frequenzen zu verlagern. Der Vorteil eines modulierten Signals gegenüber einem zeitlich invarianten Signal besteht im Allgemeinen darin, dass Störeinflüsse kompensiert werden können, indem z.B. niederfrequente Störungen vom Messsignal mit einem Hochpass entfernt werden oder das vorbestimmte modulierte Signal gezielt, z.B. mit einem Bandpass, gefiltert wird.
Zweiachsige Systeme zur Strahlnachführung, wie sie z.B. bei einem Lasertracker eingesetzt werden, sind aufgrund ihres mechanischen Aufbaus und Gewichts in der Dynamik begrenzt. Zudem sind sie gezielt für die Anforderungen einer hochgenauen Positionsmessung des Retroreflektors optimiert und beinhalten in der Regel die Mitführung empfindlicher optischer Systemkomponenten, welche nicht ohne weiteres einer Modulation und somit ggf. auch Vibration ausgesetzt werden können. Für die Beseitigung der o.g. Störeinflüsse werden in dieser Erfindung mehrere Vorrichtungen offenbart, welche für die räumliche Modulation des Strahlversatzes optimiert sind und unter Anwendung des in dieser Erfindung offenbarten Verfahrens die Genauigkeit der Rollwinkelmessung mit einem Messkopf aus DE 10 2011 107 451 B3 erheblich erhöhen.
Neben Störeinflüssen, die sich durch eine Modulation beseitigen lassen, existieren weitere Fehlerquellen, die unbeeinflusst bleiben. So bleiben z.B. Nichtlinearitäten des Messsignals des Messkopfs erhalten, welche durch ein geeignetes Kalibrierverfahren berücksichtigt werden müssen. Eine Kalibrierung der Strahlversatzmessung bzw. des Rollwinkels ist jedoch im regulären Betrieb nicht möglich, sondern es ist ein geeigneter Messstand erforderlich. Weitere Fehlerquellen, die das Messergebnis eines Messkopfs verfälschen, sind z.B. Schmutzpartikel im Strahlengang, die sich nach einer Kalibrierung auf den Luft-Glas-Übergängen absetzen können oder auch Temperatureinflüsse.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltungsvariante der Erfindung sieht daher vor, auch im laufenden Betrieb, eine Fehlerkompensation der Strahlversatz- und Rollwinkelmessung zu ermöglichen, indem, zusätzlich zur räumlichen Modulation, auf Seiten des Lasertrackers, ein synthetisches Messsignal für den Rollwinkel eingeprägt wird. Das synthetische Messsignal wird derartig generiert, dass der zeitliche Verlauf der Strahlversatzmessung mit dem Messkopf suggeriert, dass eine Rotation um den Laserstrahl bzw. um die Hauptachse stattgefunden hat. Vorteilhaft ist es, wenn dieser Vorgang auf eine vorbestimmte Art und Weise abläuft, indem der Laserstrahl z.B. parallel zur Hauptachse vorzugsweise periodisch und mit einer konstanten Periodendauer sowie vorzugsweise auf einer Kreisbahn verläuft. Bei einem kreisförmigen Verlauf des Strahlversatzes kommt es zu einer ebenso periodischen Änderung des Messwertes für die Rollwinkelmessung. Da die Vorrichtung nicht tatsächlich rotiert wird, wird dieses Signal als synthetisches Messsignal für den Rollwinkel bezeichnet.
Im Rahmen der Erfindung erfolgt die räumliche Modulation des Laserstrahls vorzugsweise periodisch. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, wenn die periodische Modulation mit höheren Frequenzen erfolgt, die außerhalb des Dynamikbereichs des Systems zur Strahlnachführung (z.B. Lasertracker) liegen und eine bekannte Signalform aufweist. Für eine effektive Fehlerkompensation der Rollwinkelmessung anhand des synthetischen Rollwinkelsignals erfolgt dies vorzugsweise auch außerhalb des Frequenzbereichs innerhalb dessen tatsächliche Orientierungsänderungen erwartet werden. Vorteilhafterweise kann das Signal beispielsweise sinusförmig mit einer Amplitude von 1 mm und einer Frequenz von 200 Hz auf einer Kreisbahn ausgeprägt sein.
Die Voraussetzung für eine Fehlerkompensation besteht in einer periodischen Bewegung des Einfallstrahls um das Reflektorzentrum. Eine Alternative zu der kreisförmigen oder elliptischen räumlichen Modulation besteht daher auch in einer linearen Form. Bei einer linearen Form wird eine Richtung eingeprägt. Wenn die Richtung der linearen räumlichen Modulation konstant ist, ist es nicht möglich eine Fehlerkompensation der Rollwinkelmessung durchzuführen. Wird die Richtung jedoch über die Zeit auf eine vorbestimmte Art und Weise geändert, indem sie mit einer niederfrequenteren räumlichen Modulation in einer zweiten Richtung überlagert wird, kann auch bei einer überwiegend linearen Modulation eine Fehlerkompensation der Rollwinkelmessung erfolgen.
Generell ist es vorteilhaft den Laserstrahl, ausgehend von dem System zur Strahlnachführung, räumlich so zu modulieren, dass der zu unterschiedlichen Zeitpunkten ausgehende Laserstrahl stets parallel verschoben wird. Dadurch kann der Betrag des Strahlversatzes über die Entfernung konstant gehalten werden. Erfolgt die räumliche Modulation nicht parallel, muss das Signal über die Entfernung angepasst oder der Messbereich eingeschränkt werden.
Zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Fehlerkompensation der Rollwinkelmessung können kommerziell erhältliche Systeme zur Nachführung eines Laserstrahls eingesetzt werden, wenn diese die nachfolgenden Kriterien erfüllen: So muss die Möglichkeit vorhanden sein, hochgenau einen bekannten räumlich modulierten Strahlversatz einzuprägen. Zweiachsige Systeme zur Strahlnachführung, wie z.B. bei einem Lasertracker, sind prinzipiell zur Durchführung des Verfahrens geeignet. D.h. die räumliche Modulation des Laserstrahls wird in diesem Fall mit derselben Mechanik durchgeführt, welche zur Nachführung des Laserstrahls eingesetzt wird.
Es sind Lasertracker bekannt, welche mit mindestens einem dynamischen Spiegelaktor zur Strahlnachführung ausgestattet sind. In diesem Fall ist es zur Durchführung des Verfahrens vorteilhaft, die dynamischere Achse für die räumliche Modulation einzusetzen, da die Gesamtdynamik durch die langsamere Achse limitiert wird und so eine räumliche Modulation mit einer Frequenz oberhalb der Gesamtdynamik erreicht werden kann. In diesem Fall kann die Störanfälligkeit reduziert werden, jedoch keine Fehlerkompensation erfolgen.
Wenn zwei entkoppelte und dynamische Spiegelaktoren, wie z.B. bei Galvanometer Scannern eingesetzt werden, können diese mit vergleichbarer Dynamik und beliebiger Signalform angesteuert werden. Auf diese Weise kann das erfindungsgemäße Verfahren realisiert werden. Es kann also eine störungsresistente Rollwinkelmessung mit Fehlerkompensation erfolgen. Wenn beide Achsen eingesetzt werden können, ergibt sich der resultierende Strahlversatz aus der Überlagerung beider Richtungen und es können beliebige Signalformen erzeugt werden, deren Parameter wie z.B. Frequenz und Amplitude durch die technischen Eigenschaften des Systems zur Strahlnachführung begrenzt werden.
Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens sind dazu optimiert, als Zusatzmodul für einen Lasertracker, in dessen Strahlengang einen räumlich modulierten Strahlversatz einzuprägen. Sie ermöglichen dadurch, dass die Nachführung des Laserstrahls entkoppelt von der räumlichen Modulation des Laserstrahls erfolgt. Somit können die unterschiedlichen Ausgestaltungsformen der Vorrichtungen zur räumlichen Modulation des Laserstrahls gezielt für ihre Aufgabe optimiert werden.
Nach einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt die räumliche Modulation des Laserstrahls mit mindestens einem Element, das einen anderen, beispielsweise einen höheren Brechungsindex aufweist, als das umgebende Medium und beispielsweise als Glaskörper ausgeführt ist. Das optische Element kann in mindestens einem Gelenk gelagert und z.B. mit einem Motor angeregt werden, wodurch es kontrolliert in Bewegungen wie z.B. einer Verschiebung, Schwingung, Drehung oder eine Kombination versetzt werden kann. Als Lagerung des optischen Elements können beliebige Lager wie z.B. Drehlager, Linearführungen oder auch Festkörpergelenke in Betracht gezogen werden. Bei senkrechtem Einfall eines Laserstrahls in einen Glaskörper in Ausgestaltungsform als Planplatte, durchläuft dieser die Planplatte weitestgehend unbeeinflusst in seinen optischen Eigenschaften. Optisch relevante Oberflächen von Glaskörpern können mit einer hohen Planheit versehen und entspiegelt werden. Alternativ können beliebige Formen eines optischen Elements in Betracht gezogen werden, welche bei schrägem Einfall durch Brechung des Lichts an Grenzflächen mit unterschiedlichen Brechungsindizes eine gezielte Richtungsänderung des Laserstrahls ermöglichen. Im einfachen Fall einer Planplatte und bei schrägem Einfall des Laserstrahls erfolgen zwei Richtungsänderungen und ein- und ausfallender Laserstrahl verlaufen parallel, d.h. durch Änderung des Einfallswinkels kann gezielt ein Strahlversatz hervorgeführt werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen räumlichen Modulation besteht darin, ein optisches Element, z.B. eine Planplatte, in Rotation zu versetzen. Hierbei ist es vorteilhaft, die Rotationsachse kollinear zur Hauptachse auszurichten und die Planplatte zu kippen, da hiermit erreicht werden kann, dass die Parallelverschiebung und somit der Laserstrahl auf einer Kreisbahn um die Hauptachse verläuft. In diesem Fall erfolgt die räumliche Modulation in Form eines Strahlversatzes, dessen Richtung sich periodisch ändert und dessen Betrag konstant gehalten werden kann. Wenn der Laserstrahl nicht kollinear zur Rotationsachse verläuft, kommt es zu einem elliptischen Bahnverlauf, welcher bei Auswertung des Signals berücksichtigt werden muss. Zur Synchronisation des synthetischen Messsignals für den Rollwinkel mit den Messdaten eines Systems nach DE 10 2011 107 451 B3 kann mindestens eine Referenzmarke angebracht werden, wodurch bei jeder Umdrehung des Glaskörpers mindestens ein Synchronisationssignal mit bekannter Richtung und Amplitude des Strahlversatzes erzeugt wird. Aus der Kombination von Richtungs- und Zeitmessung der räumlichen Modulation in Form einer elliptischen oder vorzugsweise kreisförmigen Bewegung des Laserstrahls um die Hauptachse, bietet eine erfindungsgemäße Vorrichtung somit für ein System nach DE 10 2011 107 451 B3 die Möglichkeit, während des Messvorgangs eine Fehlerkompensation der Rollwinkelmessung durchzuführen und dadurch die Genauigkeit zu steigern.
Damit der Luftwiderstand einer gekippten, sich schnell drehenden Planplatte reduziert wird sowie um die Dreheigenschaften zu verbessern, kann diese mit zwei keilförmigen Glaselementen, welche einen niedrigeren Brechungsindex aufweisen als die Planplatte, verbunden werden, um so den Luftwiderstand zu verringern.
Neben der Verschiebung des Leistungszentrums eines Laserstrahls durch Umlenkung des Laserstrahls mithilfe einer Optik kann das Leistungszentrum des Laserstrahls auch durch eine teilweise Abschattung mit einer Maske verschoben werden. Wenn die Maske in eine Rotation versetzt wird, hat dies eine räumliche Modulation zur Folge, welche im Idealfall periodisch auf einer Kreisbahn verläuft.
Bei polarisierten Laserstrahlen lassen sich Polarisationseffekte ausnutzen und die Verschiebung des Leistungszeitrums mit Polarisationsfiltern durchführen. Da für die Polarisation elektrooptische Effekte ausgenutzt werden können, lassen sich auf diese Weise sehr hohe Frequenzen (>> 100 kHz) realisieren.
Neben den o.g. Möglichkeiten sind sog. räumliche Modulatoren für Licht bekannt (engl. Spatial Light Modulator SLM), welche elektronisch ansteuerbar sind. SLMs erlauben die Modulation der Amplitude, der Phase oder der Polarisation von Lichtwellen. Sie basieren auf transparenten LCDs oder reflektierenden Mikrodisplays. SLMs können in einen Lasertracker integriert werden und im Sinne des offenbarten Messverfahrens derart angesteuert werden, dass eine Messung des Rollwinkels mit Fehlerkompensation ermöglicht wird.
Nachfolgend werden das erfindungsgemäße Verfahren sowie mehrere Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Vorrichtungen zur Einprägung eines räumlich modulierten Strahlversatzes dargestellt, wobei die zweite und dritte Variante neben der räumlichen Modulation eine Fehlerkompensation der Rollwinkelmessung ermöglichen. Es zeigt:

1a einen Lasertracker, der seinen Laserstrahl mit Hilfe der eigenen Mechanik in einer Achse räumlich moduliert. Dabei wird der Laserstrahl einem Messkopf nachgeführt. Dieser misst den Strahlversatz und reflektiert den Laserstrahl;
1b eine Aufsicht auf die virtuelle Messebene mit eingezeichneter Richtung, welche aus dem Verlauf der Strahlversatzmessung des Laserstrahls aus 1a abgeleitet werden kann;
1c den zeitlichen Verlauf der Strahlversatzmessung in x- und y-Richtung aus 1b;
2a einen Lasertracker wie in Fig. 1a, welcher mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einprägung eines räumlich modulierten Strahlversatzes ausgestattet ist. In diesem Fall bewirkt diese mit einer schwingenden Planplatte eine Parallelverschiebung des Laserstrahls, welche aus Sicht des Detektors des Messkopfs auf einer Geraden verläuft;
2b eine Aufsicht auf die virtuelle Messebene des Messkopfs mit einer Richtung, welche aus dem Verlauf der Strahlversatzmessung des Laserstrahls aus 2a abgeleitet werden kann;
2c den zeitlichen Verlauf der Strahlversatzmessung mithilfe des Messkopfs in x- und y-Richtung aus 2b;
3a einen Lasertracker (wie in 1a bzw. 2a), welcher mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Einprägung eines räumlich modulierten Strahlversatzes ausgestattet ist. In diesem Fall bewirkt diese mit einer drehenden Planplatte eine Parallelverschiebung des Laserstrahls, welche auf einer Kreisbahn verläuft. Dieses synthetische Messsignal ermöglicht eine Fehlerkompensation der Rollwinkelmessung;
3b eine Aufsicht auf die virtuelle Messebene des Messkopfs mit kreisförmig, räumlich moduliertem, synthetischem Messsignal für eine Fehlerkompensation der Rollwinkelmessung;
3c den zeitlichen Verlauf des synthetischen Messsignals in x- und y-Richtung aus 3b mit einem Synchronisationssignal;
Fig. 4a - 4e den zeitlichen Verlauf der Strahlversatzmessung bei räumlicher Modulation wie in 1 oder 2 bei einer Änderung des Rollwinkels in einer Schrittweite von 45°. 4a: R_x = 0°, 4b: R_x = 45°, 4c: R_x = 90°, 4d: R_x = 135°, 4e: R_x = 180°;
Fig. 5a - 5e den zeitlichen Verlauf der Strahlversatzmessung bei räumlicher Modulation wie in 3 mit Synchronisationssignal bei einer Änderung des Rollwinkels in einer Schrittweite von 45°. 5a: R_x = 0°, 5b: R_x = 45°, 5c: R_x = 90°, 5d: R_x = 135°, 5e: R_x = 180°;
6 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erzeugung eines räumlich modulierten Laserstrahls durch teilweise Abschattung des Laserstrahls;
7 ein mit einer Vorrichtung zur Strahlversatzmessung (Messkopf) erfasstes beispielhaftes Messsignal vor und nach Fehlerkompensation.

1a zeigt einen Lasertracker 3, der sich in einer Entfernung E zu einem frei beweglichen Messkopf 2 befindet. Den Lasertracker 3 verlässt ein Ausgangsstrahl 31 unter einem Winkel α, der den Messkopf 2 als Einfallstrahl 21 trifft. Der Messkopf 2 beinhaltet eine retroreflektierende Optik 27 (Retroreflektor), wodurch der Einfallstrahl 21 in einen Rückstrahl 22 reflektiert wird und von dem Lasertracker 3 als Rückstrahl 32 empfangen werden kann. Auf diese Weise wird der Lasertracker 3 in die Lage versetzt, dem Messkopf 2 zu folgen. Aufgrund der Retroreflexion des Retroreflektors 27 verlaufen der Ausgangsstrahl 31 und der Rückstrahl 32 bzw. (21 und 22) stets parallel zueinander.
Die Aufgabe des Lasertrackers 3 ist die Messung der Position des Messkopfs 2. Die Aufgabe des Messkopfs 2 ist die Messung der Orientierung relativ zum Laserstrahl 31. Die Orientierungsmessung beinhaltet den Einfallswinkel des Laserstrahls in den Messkopf sowie die Rotation um die Hauptachse 20, welche als Rollwinkel R_x 24 bezeichnet wird. Die Hauptachse 20 verläuft durch das Symmetriezentrum 26 des Retroreflektors 27 und parallel zum Laserstrahl. Der Lasertracker 3 versucht stets, den Strahlversatz 23 zu minimieren, indem der Laserstrahl 31 dem Symmetriezentrum 26 des Retroreflektors 27 nachgeführt wird. Erfindungsgemäß wird die Mechanik des Lasertrackers 3, zusätzlich zur Nachführung dafür eingesetzt, den Laserstrahl 31 räumlich zu modulieren, indem in den Verlauf des Laserstrahls eine Richtung 28a eingeprägt wird. In dieser Darstellung wird eine Achse des Lasertrackers 3 z.B. sinusförmig angeregt und um einen maximalen Winkel α ausgelenkt. Die räumliche Modulation erfolgt vorzugsweise auf eine vorbestimmte Art und Weise mit bekannter Frequenz und Amplitude. Der resultierende Strahlversatz Δ 23 kann bei räumlicher Modulation in einer Achse des Lasertrackers 3 näherungsweise mit der Gleichung $Δ = E \cdot sin (α)$
berechnet werden. Hierbei ist E die Entfernung zwischen Aktor bzw. dem System zur Strahlnachführung und dem Strahlversatzmesssystem und α der Winkel, um welchen die Achse gedreht wird. Damit der Einfallstrahl 21 stets den Retroreflektor 27 trifft, muss der maximale Winkel α über die Entfernung E angepasst werden.
In 2a wird die Aufgabe der räumlichen Modulation von einer dafür optimierten, erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 übernommen, mit welcher ein konventioneller Lasertracker 3 erweitert wurde. Die gezeigte Variante beinhaltet eine in einer Achse schwingende Planplatte 11 und erzeugt so eine Parallelverschiebung des Ausgangsstrahls des Lasertrackers 31 um einen Strahlversatz 23. Dieser räumlich modulierte Laserstrahl trifft (vgl. auch 1a) als Einfallstrahl 21 den Messkopf 2, der den Strahlversatz 23 misst. Der Strahlversatz Δ 23 eines Laserstrahls nach Durchlaufen einer Planplatte mit Luft (n_Luft ≈ 1) als umgebendem Medium kann mit der Gleichung $Δ = d \cdot sin (θ) \cdot (1 - \frac{cos (θ)}{\sqrt{n^{2} - {sin}^{2} (θ)}})$
berechnet werden. Hierbei ist d die Dicke der Planplatte, 9 der Einfallswinkel und n der Brechungsindex der Planplatte.
Der Messkopf 2 ermöglicht eine Messung des Strahlversatzes 23 in seinem eigenen Koordinatensystem, welcher relativ zur Hauptachse 20 definiert ist. Diese verläuft durch das Symmetriezentrum 26 des Retroreflektors 27. Das Messsignal für den Strahlversatz 23 entspricht einer Koordinate in der Ebene. Diese ist als virtuelle Messebene 25 (Aufsicht in Fig. 1b und 2b) dargestellt und schneidet den Retroreflektor 27 in seinem Symmetriezentrum 26. Die virtuelle Messebene 25 beinhaltet die Daten der Strahlversatzmessung nach der Signalverarbeitung der Rohdaten, welche mithilfe von positionsempfindlichen Detektoren erfasst werden. Da die Messebene 25 physisch nicht vorhanden ist, sondern Teil eines mathematischen Modells ist, wird sie als „virtuell“ bezeichnet.
1b zeigt die Aufsicht auf die virtuelle Messebene 25 mit eingezeichneter Richtung 28a, in der die lineare räumliche Modulation verläuft. Diese wird in 1a mithilfe der Mechanik eines kommerziellen Lasertrackers 3 erzeugt, indem eine Achse z.B. mit einer sinusförmigen Schwingung angeregt wird. In 2b wird die Aufsicht auf die virtuelle Messebene 25 mit vergleichbarer linearer Modulation gezeigt, welche jedoch mithilfe einer erfindungsgemäßen und dafür optimierten Vorrichtung 1 erzeugt wird, indem die Planplatte in der z-Achse als Rotationsachse in eine Schwingung 12a versetzt wird. In 1c ist der zeitliche Verlauf des Strahlversatzes 23 aufgetragen. Dieser ist mit dem Verlauf in 2c vergleichbar, hat aber bei Erzeugung mithilfe der erfindungsgemäßen und optimierten Vorrichtung 1 den entscheidenden Vorteil, dass keine Anpassung des Strahlversatzes 23 über die Entfernung E erforderlich ist, da der Strahlversatz 23 mit Vorrichtung 1 parallel räumlich moduliert werden kann und durch die kleinere Masse der Planplatte 11, welche bewegt wird, genauer und mit einer höheren Frequenz durchgeführt werden kann.
In Fig. 4a bis 4e ist der zeitliche Verlauf der Strahlversatzmessung mithilfe des Messkopfs 2 bei Drehung um die Hauptachse 20 mit einer Schrittweite von 45° skizziert, wenn die räumliche Modulation linear erfolgt (vgl. 1 oder 2). Die Amplitude der räumlichen Modulation wird vektoriell auf zwei Richtungen aufgeteilt. Unter Berücksichtigung der Phase kann so der Wert des Rollwinkels (0° bis 360°) relativ zu einer Bezugsrichtung, z.B. der y-Achse, berechnet werden.
In 3a wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur räumlichen Modulation des Laserstrahls auf einer kreisförmigen Bahn gezeigt. Der Unterschied der Vorrichtung 1 in 3a im Vergleich zu 2a besteht darin, dass die Planplatte nicht in eine Schwingung 12a, sondern in eine Rotation 12b um die x-Achse versetzt wird. In 3b wird die Aufsicht auf die virtuelle Messebene 25 des Messkopfs 2 gezeigt. Die kreisförmige räumliche Modulation des Einfallstrahls 21 erzeugt ein kreisförmiges, synthetisches Messsignal 28b für den Strahlversatz 23. In 3c ist der Verlauf der Strahlversatzmessung mithilfe des Messkopfs 2 sowie ein Synchronisationssignal 15 über der Zeit aufgetragen. Das Synchronisationssignal 15 ist erforderlich, um für den Messkopf 2 eine Richtung kenntlich zu machen, bei der der Rollwinkel R_x einen definierten Wert im Koordinatensystem des Lasertrackers 1 hat.
In Fig. 5a bis 5e ist der zeitliche Verlauf der Strahlversatzmessung mithilfe des Messkopfs 2 bei Drehung mit einer Schrittweite von 45° um die Hauptachse 20 skizziert, wenn die räumliche Modulation auf einer Kreisbahn erfolgt (vgl. 3). Eine Periode des synthetischen Messsignals für den Rollwinkel 28b umfasst eine Drehung von 360° um die Hauptachse 20. Der Betrag der Änderung des synthetischen Messsignals für den Rollwinkel 28b zwischen zwei Zeitpunkten t_n und t_n+1 kann unter Berücksichtigung der Drehrate bzw. der Periodendauer berechnet werden. So entspricht z.B. eine viertel Periodendauer einer Drehung um 90° und somit eine halbe Periodendauer einer Drehung um 180°. Die Synchronisation ist erforderlich, um den Wert des Rollwinkels im Koordinatensystem des Lasertrackers zu berechnen. Die Rollwinkelmessung wird somit anteilig auch zu einer Zeitmessung, da innerhalb einer bestimmten Zeit ein bestimme Rotation erfolgt. Für die Bestimmung des tatsächlichen Rollwinkels 24 muss die Richtung bzw. die „Uhrzeit“ des Strahlversatzes 23 im Koordinatensystem des Lasertrackers 1 bekannt sein. So kann die „Uhrzeit“ im Koordinatensystem des Lasertrackers 1 mit der „Uhrzeit“ im Koordinatensystem des Reflektors verglichen werden und aus der Differenz der tatsächliche, vorhandene Wert für den Rollwinkel abgeleitet werden. Wenn die Periodendauer z.B. 1 ms beträgt und die Zeitdifferenz 0,5 ms, so beträgt der tatsächliche Rollwinkel 180°.
In 6 wird eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur kreisförmigen räumlichen Modulation des Strahlversatzes auf Basis einer Abschattungsmaske 13 gezeigt. Die Abschattungsmaske 13 wird senkrecht zum Laserstrahl 31 in Rotation versetzt. Aufgrund der Abschattung durch den abschattenden Teil 14 der Maske und der Rotation verläuft der Leistungsschwerpunkt des Laserstrahls 31 auf einer Kreisbahn um die Hauptachse 20 verläuft. Eine Auswertung des Verlaufs des Leistungsschwerpunktes mithilfe eines Messkopfes 2 generiert äquivalente Messsignale zu denen in Fig. 5a bis 5e. Das erhaltene Messsignal erlaubt somit bei hoher Rotationsgeschwindigkeit eine störungsresistente Strahlversatzmessung sowie mithilfe des vorgestellten erfindungsgemäßen Verfahrens eine Fehlerkompensation der Rollwinkelmessung.
In 7 wird der Vorteil der erfindungsgemäßen Fehlerkompensation der Rollwinkelmessung bei kreisförmiger räumlicher Modulation gezeigt. Das beispielhafte Messsignal ohne Fehlerkompensation verfügt über einen Offset und ist verzerrt. Es weicht signifikant von einem idealen Kreis ab. Bei bekannter Signalform, z.B. bei einem kreisförmigen Verlauf und vorzugsweise mit bekannter Rotationsgeschwindigkeit, können die fehlerbehafteten Messpunkte auf einen Kreis projiziert werden. Wird nun zusätzlich ein Synchronisationssignal 15 erfasst, kann der Rollwinkel R_x zu jedem beliebigen Zeitpunkt berechnet werden.
Bezugszeichenliste

Nr.	Beschreibung.
1	Mit einem Lasertracker 3 in Verbindung stehende Vorrichtung zur Einprägung eines räumlich modulierten Strahlversatzes 23.
11	Optisches Element zur Parallelverschiebung des Laserstrahls 31 in Abhängigkeit zum Einfallswinkel.
12a	Schwingung des optischen Elements 11 um die z-Achse mit der Folge eines sich über die Zeit periodisch ändernden Einfallwinkels θ in den Glaskörper.
12b	Rotation des optischen Elements 11 um die x-Achse mit konstantem Einfallswinkel θ in den Glaskörper zur Einprägung eines räumlich modulierten Strahlversatzes 23 mit einem Synthetischen Messsignal 28b für den Rollwinkel 24.
13	Abschattungsmaske, die rotiert wird.
14	Den Laserstrahl abschattende Teil der Maske.
15	Synchronisationssignal

2	Messkopf zur Strahlversatzmessung mit Retroreflektor 27.
20	Hauptachse, welche durch das Symmetriezentrum 26 des Retroreflektors 27 verläuft.
21	Einfallstrahl in den Messkopf 2.
22	Durch den Retroreflektor 27 des Messkopfs 2 reflektierter Rückstrahl.
23	Strahlversatz
24	Rollwinkel, berechnet aus dem Strahlversatz 23.
25	Messebene mit Messsignal des Strahlversatzes 23.
26	Symmetriezentrum des Retroreflektors 27.
27	Retroreflektor des Messkopfs 2.
28a	Richtung, entlang derer die räumliche Modulation des Laserstrahls 21 bzw. 31 eingeprägt wird.
28b	In den Laserstrahl eingeprägtes synthetisches Messsignal für den Rollwinkel.

3	Lasertracker
31	Ausgangsstrahl des Lasertrackers 3.
32	Empfangener Rückstrahl.

	Symbole:
E	Entfernung zwischen Lasertracker und Messkopf.
Δ	Strahlversatz
α	Winkel, um welcher der Laserstrahl mithilfe der Mechanik des Lasertrackers ausgelenkt wird.
R_x	Rollwinkel
θ	Einfallswinkel in die Planplatte.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011107451 B3 [0003, 0004, 0005, 0008, 0019]

Claims

Verfahren zur genauen Bestimmung eines Rollwinkels (R_x) eines Körpers durch einen an dem Körper angebrachten Messkopf (2), wobei ein Lasertracker (3) vorgesehen ist, welcher einen Laserstrahl als Einfallstrahl (21) zum Messkopf (2) aussendet, von welchem der Einfallstrahl (21) als Rückstrahl (22) zum Lasertracker (3) zurückgesendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallstrahl (21) derart räumlich moduliert wird, so dass mittels eines resultierenden, räumlich modulierten Strahlversatzes (23) des Einfallstrahls (21) der Rollwinkel (R_x) durch den Messkopf (2) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Modulation des Einfallstrahls (21) periodisch wiederholt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Verlauf der räumlichen Modulation ein synthetisches Messsignal für den Rollwinkel 28b abgeleitet wird, welches für eine Fehlerkompensation der Rollwinkelmessung eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Modulation zumindest entlang einer ersten Richtung (28a) erfolgt, wobei die erste Richtung (28a), welche orthogonal zur Hauptachse (20) verläuft, durch den Messkopf (2) detektiert wird, und wobei der Rollwinkel (R_x) anhand der ersten Richtung (28a) berechnet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Modulation in x- und y-Richtung erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die räumliche Modulation näherungsweise auf einer Kreisbahn verläuft, aus der ein synthetisches Messsignal für den Rollwinkel 28b abgeleitet wird.
System zur Durchführung des Verfahrens nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend: - einen an einem Körper angebrachten Messkopf (2), - einen Lasertracker (3), welcher einen Laserstrahl als Einfallstrahl (21) zum Messkopf (2) aussendet, von welchem der Einfallstrahl (21) als Rückstrahl (22) zum Lasertracker (3) zurückgesendet wird, - eine Vorrichtung (1) zur Einprägung eines räumlich modulierten Strahlversatzes (23) in den Einfallsstrahl (21).
System nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung (1) derart ausgestaltet und am Lasertracker (3) angeordnet ist, dass eine Verschiebung des Ausgangsstrahls (31) des Lasertrackers (3) auf einer Bahn bewirkt wird, aus welcher ein synthetisches Messsignal für den Rollwinkel 28b abgeleitet wird.
System nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung (1) derart mit einem optischen Element (11) ausgestaltet und am Lasertracker (3) angeordnet ist, dass eine Parallelverschiebung des Ausgangsstrahls (31) des Lasertrackers (3) bewirkt wird.
System nach Anspruch 7, wobei die Vorrichtung (1) derart eine rotierbare Maske (13) beinhaltet und am Lasertracker (3) angeordnet ist, dass eine partielle Abschattung des Ausgangsstrahls (31) des Lasertrackers (3) und somit eine Verschiebung des Leistungszentrums des Ausgangsstrahls (31) bewirkt wird.