DE102018204696A1 - Verfahren und Anordnung zum Erfassen eines Objekts mittels eines bewegbaren Sensors - Google Patents

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Günter Grupp
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts mittels eines bewegbaren Sensors (215), umfassend: Bewegen des Sensors (215) relativ zu dem Objekt und wiederholtes Ermitteln einer momentanen Position des Sensors (215) durch ein Positionsmesssystem, wobei die ermittelte Position jeweils zu einem vorgegebenen oder bestimmbaren Zeitpunkt an eine Auswertungseinrichtung ausgegeben wird,wobei der Sensor (215) das Objekt wiederholt während der Dauer eines Erfassungszeitintervalls (18) erfasst und jeweils entsprechend den während eines Erfassungszeitintervalls (18) erfassten Informationen wenigstens ein Signal an die Auswertungseinrichtung ausgibt, und zwar jeweils zu einem vorgegebenen oder bestimmbaren Zeitpunkt, und wobei für wenigstens eines der Erfassungszeitintervalle (18) Folgendes ausgeführt wird: Bestimmen eines Erfassungszeitpunkts, der innerhalb des Erfassungszeitintervalls (18) liegt; Ermitteln von Positionswerten, die zu Zeitpunkten ausgegeben wurden, welche den Erfassungszeitpunkt zwischen sich einschließen; und Ermitteln eines Positionshauptwerts auf Basis der ermittelten Positionswerte, der die von dem Sensor (215) zum Erfassungszeitpunkt eingenommene Position annähert.Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung (100) zum Erfassen eines Objekts mittels eines Sensors (215).

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Erfassen eines Objekts mittels eines bewegbaren optischen Sensors oder mittels eines bewegbaren Sensors anderer Art, der das Objekt wiederholt während der Dauer eines Erfassungszeitintervalls erfasst. Insbesondere betrifft die Erfindung das vorzugsweise berührungslose Erfassen eines Objekts z.B. mit einem Koordinatenmessgerät oder einem Industrieroboter, an dem ein insbesondere optischer, kapazitiver oder induktiver Sensor angebracht ist, um Koordinaten und/oder Abmessungen des Objekts zu bestimmen.
  • Es ist bekannt, Koordinatenmessgeräte (im Folgenden kurz: KMG) zum Messen von Koordinaten eines Objekts zu verwenden. Bei dem Objekt kann es sich zum Beispiel um ein Werkstück, ein industrielles Produkt und/oder eine Baugruppe handeln. Das Objekt wird mit zumindest einem Sensor des KMG abgetastet, und zwar durch taktiles Antasten des Objekts mit einem Taster und/oder berührungslos. Zu den berührungslos abtastenden Sensoren gehören die optischen Sensoren. Optische Sensoren sind zum Beispiel in Form von Laser-Triangulationssensoren oder Kameras bekannt. Eine andere Art optischer Sensoren sind konfokale Weißlichtsensoren. Ihre Verwendung als Sensoren von Koordinatenmessgeräten ist z.B. aus der DE 103 40 803 A1 bekannt.
  • Unter einem Koordinatenmessgerät wird ein Gerät verstanden, das unter Verwendung von zumindest einem Sensor Koordinaten eines Objekts oder, genauer gesagt, einer Objektoberfläche messen kann. Die vorliegende Erfindung bezieht sich speziell auf Koordinatenmessgeräte, die Koordinaten von Oberflächen und/oder Materialgrenzflächen von Objekten messen können. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner speziell Koordinatenmessgeräte, die eine Relativbewegung des Sensors und des Objekts ermöglichen. Darüber hinaus richtet sich die Erfindung aber auch auf anderweitige Bewegungsvorrichtungen, zum Beispiel in Form eines Industrieroboters, um den Sensor relativ zu dem Objekt zu bewegen. Ferner umfasst die Erfindung auch Lösungen, bei denen ein Sensor manuell relativ zu einem Objekt bewegt wird, wobei eine Position des Sensors zum Beispiel mittels einer Kameraüberwachung oder auch einem sogenannten Kameratracking erfasst werden kann.
  • Eine Möglichkeit, den Sensor und das Objekt relativ zueinander zu bewegen, bieten KMG mit einem oder mehreren relativ zu einer ruhenden Basis beweglichen Sensoren.
  • Beispiele dafür sind Koordinatenmessgeräte in Portalbauweise oder Gantrybauweise. Das zu vermessende Objekt wird dabei üblicherweise direkt auf der ruhenden Basis, z.B. einem Messtisch, oder über einen Objekthalter (z.B. einen Drehtisch) auf der Basis platziert.
  • Unter einem konfokalen Weißlichtsensor, der eine Art von optischen Sensoren zur Verwendung in einem KMG gemäß der vorliegenden Erfindung ist, wird ein Sensor verstanden, der das Prinzip der chromatisch-konfokalen Abstandsmessung nutzt. Weißes Licht (d.h. elektromagnetische, nicht notwendiger Weise sichtbare Strahlung mit Strahlungsanteilen mehrerer Wellenlängen) wird von einer Lichtquelle auf eine Fokussieroptik eingestrahlt. Die Fokussieroptik bewirkt eine Dispersion der Strahlung, d.h. es findet eine chromatische Aberration statt. Als Resultat werden die Strahlungsanteile der verschiedenen Wellenlängen in unterschiedlichem Abstand zu der Fokussieroptik fokussiert. Befindet sich im jeweiligen Fokus (Fokus-Punkt oder Fokus-Linie) ein Objekt, das die Strahlung in Richtung des Sensors zurückreflektiert, wird von dem Sensor Strahlung derjenigen Wellenlänge mit maximaler Intensität detektiert, die im Fokus reflektiert wurde.
  • Es ist auch möglich, dass gleichzeitig Strahlung verschiedener Wellenlängen an ihren jeweiligen Fokussen reflektiert wird. Dann detektiert der Sensor jeweils bei diesen Wellenlängen ein (lokales) Intensitätsmaximum. Aus der Wellenlänge des einzigen Intensitätsmaximums oder aus den Wellenlängen der Intensitätsmaxima kann bei Kenntnis des Abstandes des Fokus zum Sensor (z. B. zur Fokussieroptik) der Abstand zwischen Sensor und Objekt ermittelt werden. Diese Kenntnis ist jedoch zunächst nicht vorhanden und wird in der Regel durch eine Referenzmessung gewonnen, bei der der Abstand zwischen Sensor zum Reflexionsort auch auf andere Weise gemessen wird, z. B. durch ein Laserinterferometer.
  • Bei konfokalen Weißlichtsensoren handelt es sich im Vergleich zu anderen Abstandssensoren (wie z. B. kapazitiven Sensoren) um hochauflösende und genaue Abstandssensoren. Auf dem Markt werden Weißlichtsensoren mit einer maximalen Auflösung von z.B. einem Hundertstel Mikrometer und Messbereichen in der Größenordnung von mehreren Zehntel Millimetern bis mehreren Zehn Millimetern angeboten. Ein Beispiel dafür ist der konfokale Weißlichtsensor mit der Typenbezeichnung „confocal IDT IFS 2405“ der Micro-Epsilon Messtechnik GmbH und Co. KG, Ortenburg, Deutschland.
  • Um die Koordinaten des Objekts zu bestimmen, werden mit dem Sensor Sensormesssignale oder auch -werte erzeugt, die zum Beispiel jeweils einen Abstand zwischen dem Sensor und der Objektoberfläche angeben oder aus denen dieser Abstand berechnet werden kann. Bei einer Dickenvermessung von vorzugsweise zumindest teiltransparenten Werkstücken kann sich der Abstand auch auf eine Materialgrenzfläche beziehen, von der Strahlung rückreflektiert wird. Insbesondere können in diesem Fall wenigstens zwei Abstandswerte erhalten werden, wobei sich einer beispielsweise auf einen Abstand zur Objektoberfläche und ein anderer auf einen Abstand zu einer Materialgrenzfläche in einer Tiefendimension des Objekts beziehen kann. Aus der mit den Brechzahlen (bzw. dem jeweiligen Brechungsindex) des vermessenen Materials korrigierten Differenz dieser Abstandswerte kann die Dicke des Objekts bzw. von dessen vermessener Materialschicht bestimmt werden.
  • Ferner wird ein Positionswert des KMG erhalten, welcher sich in der Regel aus einer Position oder einem Stellwert der einzelnen Achsen des KMG zusammensetzt und folglich auch als Achswert bezeichnet werden kann. Die Positionswerte können von einem Positionsmesssystem des Koordinatenmessgeräts ermittelt und/oder ausgelesen werden, wobei das Positionsmesssystem zum Beispiel die einzelnen Achspositionen des KMG erfasst und daraus die Position eines an dem KMG angeordneten Sensors ermittelt. Wird kein KMG verwendet, kann der Positionswert mittels Kameratracking oder von einem Positionsmesssystem der Bewegungsvorrichtung bestimmt werden.
  • Ein einzelner Positionswert enthält Informationen zu einer eingenommenen räumlichen Position des KMG und/oder des Sensors zu einem gegebenen Zeitpunkt. Insbesondere können die Positionswerte zu vorgegebenen, vorher bestimmbaren, nachträglich bestimmbaren und/oder eindeutig bestimmbaren Zeitpunkten ausgegeben werden, wobei die Zeitpunkte einem Positionstakt definieren können. Insbesondere kann der Positionswert die Position eines von dem KMG positionierten Sensors oder einer von dem KMG positionierten Sensorschnittstelle angeben. Ferner kann der Positionswert mehrere Komponenten umfassen, zum Beispiel eine X-, Y- oder Z-Komponente.
  • Der Sensor wird von dem KMG oder auf andere Weise relativ zu sowie entlang des Objekts bewegt, um Sensormesssignale (im Folgenden auch lediglich als Sensorsignal oder Signal bezeichnet) für bzw. an mehrere(n) Mess- oder Abtastpunkte(n) zu erzeugen. Das Erzeugen und Ausgeben der Signale kann nach definierten Intervallen oder gemäß einem definierten Sensortakt erfolgen. Die Intervalle bzw. der Sensortakt können durch vorgegebene, vorher bestimmbare, nachträglich bestimmbare und/oder eindeutig bestimmbare Zeitpunkte definiert sein, an denen die von dem Sensor erfassten Signale an eine Auswertungseinrichtung ausgegeben werden können, welche zum Beispiel in einem etwaigen KMG bereitgestellt sein kann.
  • Die Bewegung des Sensors geht ferner mit sich ändernden Positionswerten des KMG und/oder des Sensors einher, insbesondere wenn der Sensor im Rahmen eines sogenannten Scanbetriebs im Wesentlichen kontinuierlich relativ zu und entlang des Objekts verschoben wird. Im Ergebnis kann jedem Sensormesssignal somit ein Positionswert eindeutig zugeordnet werden, wobei der Positionswert denjenigen Achswerten bzw. -stellungen des KMG oder einer anderweitigen Bewegungsvorrichtung entspricht, die während der Objekterfassung durch den Sensor zum Erzeugen eben dieses Sensormesssignals eingenommen wurden, und/oder wobei der Positionswert direkt anhand des Sensor und zum Beispiel mittels Kameratracking bestimmt wurde.
  • Wie erwähnt, können die Sensormesssignale und die Positionswerte gemäß einem Sensortakt bzw. gemäß einem Positionstakt an eine Auswertungseinrichtung ausgegeben werden, welche schlussendlich eine Auswertung hinsichtlich der Objektkoordinaten vornimmt. Dabei kann jeweils ein Wert nach oder zum Ablauf eines vorbestimmten Taktintervalls ausgegeben werden. Das taktweise erfolgende Auslesen von Sensormesssignalen und Positionswerten wird auch als taktweises Triggern dieser Informationen durch die Auswertungseinrichtung bezeichnet. Insbesondere wenn sich die Sensormesssignale mittelbar oder unmittelbar auf einen Abstand zu dem Objekt beziehen, kann die Auswertungseinrichtung die Sensormesssignale und dazugehörigen Positionswerte in bekannter Weise addieren. Hieraus wird ein Gesamtwert erhalten, aus dem die Koordinaten des Objekts abgeleitet werden können. Die ermittelten Koordinaten können sich folglich auf ein die Basis des KMG enthaltendes Koordinatensystem beziehen. Ebenso kann in der vorstehend geschilderten Weise einer Dickenmessung des Objekts stattfinden.
  • Bezüglich der Sensormesssignale ist zu berücksichtigen, dass die Messsignale des Sensors in der Regel erst verarbeitet werden müssen, um die schlussendlichen Sensormesssignale oder auch Sensormesswerte zu erhalten (zum Beispiel durch Umrechnen und/oder Umwandeln der Messsignale in ein geeignetes Format, durch Anwenden von Kalibrierfaktoren etc.). Dies kann innerhalb einer Sensorsteuerung erfolgen, welche die Sensormesssignale aufgrund der geschilderten Arbeitsschritte erst zeitverzögert oder, anders ausgedrückt, mit einer gewissen Latenz an die Auswertungseinrichtung ausgibt.
  • Zusätzlich oder alternativ können Verzögerungen dadurch entstehen, dass das Ausgeben der Sensormesssignale an die Auswertungseinrichtung über einen Kommunikationsbus erfolgt. Die hierfür erforderliche Übertragungsdauer und/oder eine Wartezeit, bis ein Sensormesssignal gemäß einem Kommunikationstakt des Kommunikationsbusses von diesem übertragen werden kann, können ebenfalls zum Entstehen von Zeitverzögerungen bzw. Latenzen beitragen.
  • Als Resultat kann zwischen dem Erfassungszeitpunkt des Objekts oder, anders ausgedrückt, einem Erfassungszeitpunkt von Messsignalen durch den Sensor, und demjenigen Zeitpunkt, an dem die Auswertungseinrichtung ein damit zusammenhängendes Sensormesssignal schlussendlich erhält, eine gewisse Totzeit liegen. Diese Totzeit kann zum Beispiel eine Dauer von mehreren Sensortakten aufweisen.
  • Um eine ausreichende Genauigkeit der Messergebnisse zu gewährleisten, ist es aber allgemein vorteilhaft, einem ermittelten Sensormesssignal im Rahmen der Auswertung durch die Auswertungseinrichtung jeweils den passenden Positionswert zuzuordnen. Insbesondere sollten sich das Sensormesssignal und der Positionswert auf den gleichen Zeitpunkt beziehen (d. h. zeitlich synchron zueinander betrachtet und/oder einander zugeordnet werden). Bevorzugt sollte derjenige Positionswert berücksichtigt werden, der beim Durchführen der Messung zum Bestimmen des Sensormesssignals (d.h. zu dem Erfassungszeitpunkt des Objekts durch den Sensor) vorlag bzw. dabei von dem KMG und/oder dem Sensor eingenommen wurde.
  • Es sind deshalb Ansätze bekannt, bei denen unter Annahme einer konstanten Totzeit zwischen der Objekterfassung und dem Erhalten des Sensormesssignals durch die Auswertungseinrichtung zeitsynchrone Wertepaare eines Sensormesssignals und eines Positionswerts zumindest angenähert werden. Zum Beispiel wird davon ausgegangen, dass ein Sensormesssignal stets erst mit einer Verzögerung von zwei Sensortakten gegenüber seinem Erfassungszeitpunkt von der Auswertungseinrichtung erhalten wird. Werden die erhaltenen Positionswerte abgespeichert und insbesondere fortlaufend aufgezeichnet, kann deshalb für ein aktuell erhaltenes Sensormesssignal ein gegenüber dem aktuellen Auswertezeitpunkt um zwei Sensortakte verschobener Positionswert ausgelesen werden, um ein zeitsynchrones Wertepaar anzunähern. Genauer gesagt wird bezogen auf den Zeitpunkt des Erhaltens des Sensormesssignals ein um zwei Sensortakte zurückliegender Positionswert betrachtet.
  • Es hat sich jedoch gezeigt, dass ein derartiges Zuordnen von Positionswerten und Sensormesssignalen nicht immer eine gewünschte Messgenauigkeit gewährleistet. Die Annahme einer konstanten Totzeit stellt in der Regel bereits eine unpräzise Vereinfachung dar. Selbst wenn man dies aber in Kauf nimmt, kann ein geeigneter Wert für die als konstant angenommene Totzeit oftmals nur empirisch ermittelt werden. Dies bringt weitere Genauigkeitseinbußen mit sich.
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, die Genauigkeit bei dem Erfassten eines Objekts mittels insbesondere optischer Sensoren zu verbessern.
  • Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung und ein Verfahren gemäß den beigefügten unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Ferner versteht es sich, dass die in der einleitenden Beschreibung erwähnten Merkmale einzeln oder in beliebiger Kombination auch bei der vorliegend offenbarten Lösung vorgesehen sein können, sofern nicht anders angegeben oder ersichtlich.
  • Die Erfinder haben unter anderem erkannt, dass sich mit den bekannten Ansätzen und als Resultat von deren Nachteilen insbesondere keine Fälle mit einer ausreichenden Genauigkeit erfassen lassen, bei denen der Zeitpunkt des Erfassens des Objekts durch den Sensor sowie die damit einhergehende Totzeit nicht eindeutig vorhersehbar ist und/oder variiert. Dies kann insbesondere daraus resultieren, dass der Sensor während dem Erfassen des Objekts eine gewisse Erfassungszeit benötigt, die nur schwer vorhersehbar ist und/oder die bei einem Erfassen mehrerer Abtastpunkte variieren kann.
  • Eine Erfassungszeit kann allgemein dann erforderlich sein, wenn der Sensor zum Ermitteln eines tatsächlichen Messsignals einfallende Strahlung oder vergleichbare vermessene Größen über eine gewisse Zeitdauer aufintegrieren und/oder kumulieren muss. Im Fall eines optischen Sensors kann dies das Aufintegrieren von einfallender Strahlung mittels einer fotosensitiven Erfassungs- oder Detektoreinheit betreffen. Ein typisches Beispiel für die Erfassungszeit ist daher eine erforderliche Belichtungszeit, während der eine fotosensitive Erfassungs- oder Detektoreinheit des Sensors belichtet wird.
  • Die Erfindung ist auch auf andere als optische Sensoren anwendbar, die das Objekt jeweils innerhalb eines Erfassungszeitraums erfassen, um für die Auswertungseinrichtung verwertbare Sensor-Informationen zu erzeugen. Beispiele für derartige Sensoren sind über Zeitintervalle integrierende kapazitive Sensoren und induktive Sensoren.
  • Genauer gesagt dient die Belichtungszeit eines optischen Sensors dazu, eine ausreichende Gesamtintensität der einfallenden Strahlung (d.h. eine ausreichende Strahlungsmenge) sicherzustellen, sodass daraus Messsignale mit einer gewünschten Genauigkeit gebildet werden können. Dies ist insbesondere dann relevant, wenn die Intensität einer von dem Sensor ausgesendeten Strahlung nicht selbst weiter erhöht werden kann oder soll. Um dennoch eine ausreichende auswertbare Strahlungsmenge zu erreichen, kann die Belichtungszeit (oder allgemein auch eine Erfassungszeit) geeignet erhöht werden. Im Fall von CCD- oder CMOS Sensoren ermöglicht dies zum Beispiel, dass die einfallende Strahlung über einen längeren Zeitraum integriert werden kann, um die auswertbare Strahlungsmenge zu erhöhen und ein ausreichend starkes Messsignal zu erzeugen. Die Belichtungszeit kann zum Beispiel durch Schließen und Öffnen eines sogenannten Shutters variiert werden, der ausgehend von dem Objekt betrachtet vor der eigentlichen Erfassungseinheit des Sensors positioniert ist (zum Beispiel vor einer photosensitiven Detektorfläche).
  • Bei einem Vermessen von Objekten ist die Intensität der einfallenden Strahlung insbesondere von dem Reflexionsgrad des Objekts abhängig, der schwer vorhersehbar sein und/oder der lokal variieren kann. Folglich kann es selbst bei einem Vermessen entlang einer zusammenhängenden Objektoberfläche zu schwankenden Intensitäten der von dem Sensor erfassten Strahlung kommen. Dies kann ein fortlaufendes Anpassen der Belichtungszeit erfordern (in der Regel gilt: je schwächer der Reflexionsgrad, desto länger die erforderliche Belichtungszeit). Das Einstellen einer geeigneten Belichtungszeit kann in bekannter Weise automatisch über eine Sensorsteuerung erfolgen und wird nachstehend noch näher erläutert.
  • Variiert die Erfassungszeit des Sensors, variiert auch der Zeitpunkt, an dem das Objekt tatsächlich erfasst wird. Folglich variiert auch die Totzeit, die zwischen den Zeitpunkt der tatsächlichen Objekterfassung und dem schlussendlichen Ausgeben/Erhalten eines Sensormesssignals entsteht. Selbst wenn man aber vereinfacht von einer konstanten Erfassungszeit ausgehen würde, ist es aufgrund der nur schwer vorherzusagen Reflexionseigenschaften des Objekts kaum möglich, die erforderliche Erfassungszeit und somit den tatsächlichen Erfassungszeitpunkt sowie die daraus resultierende Totzeit vorherzusagen. In jedem Fall wären hierfür zumindest zeitintensive Testmessungen für ein zu vermessendes Objekt erforderlich. Die bekannten Lösungen, welche auf der Annahme einer vorab bestimmbaren und vor allem konstanten Totzeiten basieren, sind deshalb nur unter Inkaufnahme hoher Messungenauigkeiten anwendbar.
  • Beispielsweise würde ein Sensormesswert, der aufgrund der erforderlichen Erfassungszeit mittig in einem Sensortaktintervall erfasst wurde und zusätzlich mit zwei Sensortakten Verarbeitungs- und Übertragungstotzeit von der Auswertungseinrichtung erhalten wurde, eine Gesamttotzeit von 2,5 Sensortakten aufweisen. Würde man gemäß dem vorigen Beispiel von einer konstanten Totzeit von zwei Sensortakten ausgehen, würde man diesem Sensormesssignal fälschlicherweise einen Positionswert zuordnen, der zu einem um 0,5 Sensortakte verschobenen und insbesondere späteren Zeitpunkt vorlag. Dies würde in einer zeitlichen Diskrepanz zwischen dem einander zugeordneten Sensormesssignal und dem Positionswert resultieren.
  • Dies ist insbesondere dann kritisch, wenn der Sensor relativ zu dem Objekt bewegt wird und insbesondere im Wesentlichen kontinuierlich oder unterbrechungsfrei bewegt wird (zum Beispiel in einem sogenannten Scanbetreib). Innerhalb der vorstehenden Diskrepanz von 0,5 Sensortakten kann sich das KMG bzw. der Sensor dann nämlich bereits in einer Position befinden, die sich von einer Position während der eigentlichen Objekt- und Sensormesswertfassung unterscheidet. Die basierend auf dem Positionswert und dem Sensormesssignal (und insbesondere einem daraus abgeleiteten Abstandswert) ermittelte Koordinate des Abtastpunkts auf dem Objekt würde daher nur eine geringe Genauigkeit aufweisen.
  • Ein Ansatz der Erfindung besteht deshalb insbesondere darin, unter Berücksichtigung einer angewandten Erfassungszeitdauer den tatsächlichen Erfassungszeitpunkt des Objekts durch den Sensor zu betrachten. Dies wird dazu genutzt, um einen Positionshauptwert zu ermitteln, der sich ebenfalls auf den tatsächlichen Erfassungszeitpunkt bezieht. Im Ergebnis kann somit mit einer höheren Genauigkeit derjenige Positionswert betrachtet werden, der zum Zeitpunkt der Objekterfassung tatsächlich vorlag. Da dies separat für jedes Sensormesssignal erfolgen kann, können hierdurch auch variierende Belichtungszeiten und damit einhergehende variierende Totzeiten während einer Objekterfassung kompensiert werden.
  • Insbesondere schlägt die Erfindung ein Verfahren zum Erfassen eines Objekts mittels eines bewegbaren insbesondere optischen Sensors vor, umfassend:
    • Bewegen des Sensors relativ zu dem Objekt und wiederholtes Ermitteln einer momentanen Position des Sensors durch ein Positionsmesssystem, wobei die ermittelte Position jeweils zu einem vorgegebenen oder bestimmbaren Zeitpunkt an eine Auswertungseinrichtung ausgegeben wird,
    • wobei der Sensor das Objekt wiederholt während der Dauer eines Erfassungszeitintervalls erfasst und jeweils entsprechend den während eines Erfassungszeitintervalls erfassten Informationen wenigstens ein Signal an die Auswertungseinrichtung ausgibt, und zwar jeweils zu einem vorgegebenen oder bestimmbaren Zeitpunkt,
    • und wobei für wenigstens eines der Erfassungszeitintervalle Folgendes ausgeführt wird:
      • Bestimmen eines mittleren Erfassungszeitpunkts, der innerhalb des Erfassungszeitintervalls liegt;
      • Ermitteln von Positionswerten, die zu Zeitpunkten ausgegeben wurden, welche den Erfassungszeitpunkt zwischen sich einschließen; und
      • Ermitteln eines Positionshauptwerts auf Basis der ermittelten Positionswerte, der die von dem Sensor zum Erfassungszeitpunkt eingenommene Position annähert.
  • Die Erfindung betrifft ferner insbesondere eine Anordnung zum Erfassen eines Objekts mittels eines bewegbaren insbesondere optischen Sensors, mit:
    • einem Sensor, der relativ zu dem Objekt bewegbar ist;
    • einem Positionsmesssystem, das dazu eingerichtet ist, eine momentane Position des Sensors wiederholt zu ermitteln, und
    • einer Auswertungseinrichtung, an die die ermittelte Position jeweils zu einem vorgegebenen oder bestimmbaren Zeitpunkt von dem Positionsmesssystem ausgegeben wird,
    • wobei der Sensor dazu eingerichtet ist, das Objekt wiederholt während der Dauer eines Erfassungszeitintervalls zu erfassen und jeweils entsprechend den während eines Erfassungszeitintervalls erfassten Informationen wenigstens ein Signal an die Auswertungseinrichtung auszugeben, und zwar jeweils zu einem vorgegebenen oder bestimmbaren Zeitpunkt, und wobei die Auswertungseinrichtung dazu eingerichtet ist, für wenigstens eines der Erfassungszeitintervalle Folgendes auszuführen:
      • Bestimmen eines Erfassungszeitpunkts, der innerhalb des Erfassungszeitintervalls liegt;
      • Ermitteln von Positionswerten, die zu Zeitpunkten ausgegeben wurden, die den Erfassungszeitpunkt zwischen sich einschließen; und
      • Ermitteln eines Positionshauptwerts auf Basis der ermittelten Positionswerte, der die von dem Sensor zum Erfassungszeitpunkt eingenommene Position annähert.
  • Die Anordnung kann jeglichen weiteren Schritt, jegliche Weiterbildung und jegliches weitere Merkmal umfassen, um sämtliche der vorstehenden oder nachstehenden Wechselwirkungen, Betriebszustände und Funktionen bereitzustellen. Insbesondere kann die Vorrichtung dazu eingerichtet sein, ein Verfahren gemäß jeglichem der vorstehenden oder nachstehenden Aspekte auszuführen.
  • Die Anordnung kann insbesondere Teil eines Koordinatenmessgeräts sein, d. h. das Koordinatenmessgerät weist die Anordnung auf.
  • Der Sensor kann gemäß jeglicher der vorstehend genannten Varianten ausgebildet sein. Insbesondere kann ein optischer Sensor als ein Weißlichtsensor ausgebildet sein. Die Erfassungszeitdauer kann in Form einer Belichtungszeitdauer vorliegen. Die Erfassungszeitdauer kann von einer Sensorsteuerung oder einer anderen Steuereinrichtung der Anordnung automatisch ermittelt und/oder festgelegt werden, zum Beispiel mithilfe eines Belichtungsmessers. Der Belichtungsmesser kann einen Lichtsensor umfassen, der beispielsweise einen photosensitiven elektrischen Widerstand umfasst (LDR Light Dependant Resistor).
  • Der Sensor kann an einem KMG angeordnet sein und durch dieses bewegt werden. Das KMG kann ferner das Positionsmesssystem und/oder die Auswertungseinrichtung umfassen. Alternativ kann der Sensor an einer anderweitigen Bewegungsvorrichtung zum Beispiel in Form eines Industrieroboters angeordnet sein. Ebenso kann der Sensor manuell bewegt werden. Das Positionsmesssystem kann in beiden vorstehenden Fällen ein Kamerasystem zur Positionsverfolgung des Sensors umfassen, wobei der Sensor zum Beispiel geeignete Markierungen zur Kameraerfassung umfasst. Bei der Auswertungseinrichtung kann es sich um einen herkömmlichen PC handeln.
  • Wie geschildert, können die Zeitpunkte, an denen Positionswerte und Sensormesssignale ausgegeben werden, einen Positionstakt bzw. einen Sensortakt definieren. Diese Takte können eine Frequenz von mehreren Hertz, mehreren 100 Hz oder auch wenigstens 1 kHz umfassen. Als Beispiele seien eine Frequenz von 1 kHz, 500 Hz und 100 Hertz genannt. Die Frequenz des Positionstaktes kann allgemein gleichartig zu derjenigen des Sensortaktes gewählt sein oder auch verschieden hiervon.
  • Der Sensortakt und/oder der Positionstakt kann in einzelne Taktintervalle unterteilt sein, die jeweils durch einen Startzeitpunkt und einen Endzeitpunkt begrenzt sind. Der Startzeitpunkt kann mit einem Endzeitpunkt eines vorangehenden Taktintervalls zusammenfallen und der Endzeitpunkt kann mit einem Startzeitpunkt eines nachfolgenden Taktintervalls zusammenfallen. Der Start- und der Endzeitpunkt können wiederum durch Zeitpunkte definiert sein, an denen Positionswerte bzw. Sensormesssignale ausgegeben werden.
  • Nach Ablauf eines Taktintervalls des Sensortaktes kann jeweils wenigstens ein Sensormesssignal ausgegeben werden, wobei das Sensormesssignal auf einer Objekterfassung durch den Sensor innerhalb des Intervalls basieren kann. In Anbetracht der geschilderten Totzeiten kann das nach Ablauf eines Taktintervalls von einer Auswerteeinrichtung erhaltene Sensormesssignal jedoch auch auf einer Objekterfassung innerhalb eines anderen vorangehenden Taktintervalls basieren. Das Sensormesssignal für das aktuell abgelaufene Taktintervall würde dann ebenfalls mit einer entsprechenden Verzögerung erhalten werden.
  • Nach Ablauf eines Taktintervalls des Positionstaktes kann jeweils wenigstens ein Positionswert ausgegeben, wobei sich der Positionswert auf eine aktuelle Position (oder zumindest eine Position innerhalb des aktuellen Taktintervalls) des KMG und/oder des damit gekoppelten Sensors beziehen kann. In Anbetracht etwaiger Totzeiten kann sich der Positionswert jedoch auch auf eine Position während eines vorangehenden Taktintervalls beziehen. Eine Totzeit kann zum Beispiel daraus resultieren, dass der ausgegebene Positionswert aus einer Mittelung verschiedener Einzelwerte bestimmt wird, um die Messgenauigkeit zu erhöhen.
  • Der Positionswert kann derart definiert sein, dass sich aus diesem die Position des Sensors zumindest mittelbar berechnen lässt. Beispielsweise kann der Positionswert die Position einer Sensorschnittstelle des KMG oder einer anderweitigen Bewegungsvorrichtung betreffen, wobei in Kenntnis der Abmessungen der Sensorschnittstelle und/oder des Sensors auf eine Position eines vorbestimmten Bereichs des Sensors geschlossen werden kann (zum Beispiel auf eine Position des Ursprungs eines Sensorkoordinatensystems).
  • Der Sensortakt und/oder der Positionstakt können allgemein regelmäßig sein (d. h. eine konstante Frequenz aufweisen) und in vorbestimmten Zeitintervallen jeweils wenigstens ein Sensormesssignal bzw. Positionswert ausgeben. Die Regelmäßigkeit kann dadurch erreicht werden, dass die vorgegebenen, vorher bestimmbaren, nachträglich bestimmbaren und/oder eindeutig bestimmbaren Zeitpunkte, an denen Sensormesssignale bzw. Positionswerte ausgegeben werden, in regelmäßiger Weise voneinander beabstandet sind. Allgemein ausgedrückt kann also ein taktweißes Ausgeben der Sensormesswerte bzw. Positionswerte erfolgen, wobei das Ausgeben vorzugsweise regelmäßig nach Maßgabe des Sensortaktes bzw. des Positionstaktes erfolgt.
  • Der Sensor kann während dem Erfassen des Objekts im Wesentlichen kontinuierlich oder, anders ausgedrückt, unterbrechungsfrei bewegt werden. Dies kann ein Bewegen mit einer im Wesentlichen konstanten oder aber variierenden Geschwindigkeit einschließen. Da eine gewisse Erfassungszeitdauer zum Erfassen des Objekts durch den Sensor erforderlich ist, kann dieser während der Belichtung entlang eines Oberflächenbereichs bewegt werden, d. h. entlang mehrerer möglicher Mess- oder Abtastpunkte. Der schlussendlich ermittelte Sensormesswert und/oder -signal, welche sich in vorstehend geschilderten Weise allgemein auf wenigstens einen Abstand des Objekts (zum Beispiel von dessen Oberfläche und/oder einer inneren Materialgrenzfläche) von dem Sensor beziehen können, kann somit einem während der Belichtungszeitdauer vorliegenden mittleren Abstandswert entlang des vorbeibewegten Oberflächenbereichs entsprechen.
  • Der Erfassungszeitpunkt kann denjenigen Zeitpunkt betreffen, der mit der Mitte der Erfassungszeitdauer (bzw. der Dauer des Erfassungszeitintervalls) zusammenfällt (d. h. mit einem Zeitpunkt, bei dem die Hälfte der Belichtungsdauer verstrichen ist). Er kann zum Beispiel dadurch bestimmt werden, dass die Hälfte der Erfassungszeitdauer von einem Endzeitpunkt eines Sensortaktintervalls subtrahiert oder zu einem Startzeitpunkt eines Sensortaktintervalls addiert wird.
  • Sämtliche der vorstehend oder nachstehend angegebenen Zeitpunkte können, sofern nicht anders angegeben oder ersichtlich, als absolute Zeitpunkte definiert sein. Alternativ können sie relativ zu einem gegebenen und insbesondere relativ zu einem aktuellen Zeitpunkt definiert sein (zum Beispiel relativ zu einem Auswertezeitpunkt). Beispielsweise können sich die Zeitpunkte auf eine negative Zeitachse beziehen, die sich ausgehend von dem Auswertezeitpunkt erstreckt. In diesem Fall können die Zeitpunkte den zeitlichen Abstand zu dem Auswertezeitpunkt angeben (zum Beispiel als ein Wert von -4 ms).
  • Die Zeitpunkte, welche den Erfassungszeitpunkt zwischen sich einschließen, können Letzteren insbesondere unmittelbar zwischen sich einschließen. Beispielsweise kann es sich um die zu dem Erfassungszeitpunkt jeweils unmittelbar benachbarten Zeitpunkte handeln, an denen eine Positionswertausgabe erfolgt. Insbesondere kann es sich um Zeitpunkte halten, die ein Positionstaktintervall begrenzen, das den Erfassungszeitpunkt enthält. Dasjenige Intervall des Positionstaktes, das den Belichtungszeitpunkt enthält, kann auf Basis der in der Regel bekannten Positionstaktfrequenz und/oder in Kenntnis eines Relativverhältnisses von dem Erfassungszeitpunkt zu einem gegebenen Zeitpunkt ermittelt werden (zum Beispiel zu einem Auswertezeitpunkt). Liegt der mittlere Belichtungszeitpunkt (d. h. der in der Mitte des Belichtungszeitintervalls bzw. Erfassungszeitintervalls liegende Zeitpunkt) zum Beispiel 3,5 ms vor dem Auswertezeitpunkt und beträgt die Positionstaktfrequenz 1000 Hz, so ist dasjenige Intervall des Positionstaktes relevant (d. h. ist das Erfassungszeitintervall), welches 4 ms vor dem Auswertezeitpunkt beginnt und 3 ms vor dem Auswertezeitpunkt endet. Die zu diesen Zeitpunkten 4 ms vor dem Auswertezeitpunkt und 3 ms vor dem Auswertezeitpunkt ausgegebenen Positionswerte, welche zum Beispiel gemäß einer der nachstehenden Varianten abgespeichert und/oder aufgezeichnet wurden, können dann als die den Erfassungszeitpunkt einschließenden Positionswerte ermittelt werden.
  • Wie geschildert, kann es sich bei dem Erfassungszeitpunkt um einen mittleren Zeitpunkt des Erfassungszeitintervalls handeln. Insbesondere, wenn sich die Sensor- und/oder Positionsmesswerte durch eine beschleunigte Bewegung innerhalb eines Erfassungsintervalls verändern, sollten sich die Positions- und Sensorerfassung auf denselben (Erfassungs-) Zeitpunkt beziehen. Vorzugsweise sollte in diesem Fall auch die Dauer eines jeweiligen Erfassungsintervalls gleich lang sein, welches zum Beispiel eine Integrationszeit definiert, über die die jeweiligen Werte aufintegriert werden. Im Fall der beschleunigten Bewegung kann der mittlere Zeitpunkt anders festgelegt sein/werden als in der Mitte des Erfassungszeitintervalls liegend: zum Beispiel kann der mittlere Zeitpunkt derjenige Zeitpunkt sein, zu dem der Sensor die Hälfte des während des Erfassungszeitintervalls insgesamt zurückgelegten Weges zurückgelegt hat.
  • Bei dem Positionshauptwert handelt es sich bevorzugt um einen rein rechnerisch auf Basis von anderen Positionswerten ermittelten Wert und nicht um einen tatsächlich gemessenen und/oder gemäß dem Positionstakt ausgegebenen Positionswert. Der Positionshauptwert kann erfindungsgemäß demjenigen Sensormesssignal zugeordnet werden, für den der Erfassungszeitpunkt bestimmt wurde. Zusätzlich oder alternativ kann der Positionshauptwert mit eben diesem Sensormesssignal (und insbesondere einem daraus abgeleiteten Sensormesswert oder Abstandswert) verrechnet, um einen Koordinatenwert des Objekts zu bestimmen. Dies kann durch eine bereits beschriebene Addition dieser Werte erfolgen. Alternativ kann eine Dickenmessung dadurch stattfinden, dass zwei Abstandswerte an unterschiedlichen Materialgrenzflächen des Objekts (zum Beispiel an einer Oberfläche und einer Rückseite und/oder an einer inneren Materialgrenzfläche) ermittelt und eine Differenz hieraus gebildet wird. Der Erfassungszeitpunkt kann in diesem Fall für beide Abstandswerte als identisch angenommen werden. Eine exakte Zuordnung zu dem während der Dickenmessung eingenommenen Positionswert (bzw. Positionshauptwert) kann zum Beispiel deshalb erforderlich sein, um einen exakten Dickenverlauf entlang bzw. innerhalb des Objekts bestimmen zu können. Anders ausgedrückt kann hierdurch dem erhaltenen Dickenwert ein genauer Positionswert im Raum und/oder auf dem Objekt zugeordnet werden. Der Positionswert im Raum kann auch aus dem Positionshauptwert, einem zweiten Sensormesssignal bzw. Abstandswert und der Ausrichtung im Raum bestimmt werden, wobei Letztere z.B. aus der den Sensor bewegenden Vorrichtung und/oder deren Gelenkwinkeln bestimmt werden kann.
  • Wie erwähnt, kann der Erfassungszeitpunkt dem mittleren Zeitpunkt des Erfassungszeitintervalls entsprechen, d.h. mit diesem Zeitpunkt zusammenfallen. Insbesondere kann der Erfassungszeitpunkt, der im Allgemeinen ein konkreter Zeitpunkt entlang einer definierten Zeitachse sein kann, anhand dieses Mittelwerts berechnet oder bestimmt werden, wobei der Mittelwert mit dem Zeitpunkt des Erfassungs- bzw. Belichtungszeitintervalls zusammenfallen kann, der das Zeitintervall in zwei gleich große Hälften teilt.
  • Ferner kann das Erfassungszeitintervall einem Belichtungsintervall entsprechen, in dem der als optischer Sensor ausgestaltete Sensor belichtet wird. Alternativ hierzu kann das Erfassungszeitintervall einem Intervall entsprechen, in dem auf das Erhalten rückreflektierter optischer Signale gewartet wird, beispielsweise im Fall eines optischen Sensors in Form einer Time-of-Flight-Kamera. Wenn in dieser Beschreibung davon die Rede ist, dass ein Zeitintervall einem anderen Zeitintervall entspricht, dann sind insbesondere die Zeitpunkte zu Beginn und Ende der Zeitintervalle gleich.
  • In einer Weiterbildung des Verfahrens und der Anordnung ist vorgesehen, dass das Erfassungszeitintervall ein vorbestimmtes Relativverhältnis zu einem Ausgabezeitpunkt des Sensormesssignals und/oder eines Positionswerts an die Auswertungseinrichtung aufweist und/oder zu einem zumindest teilweise parallel liegenden Intervall des Sensortaktes. Das Relativverhältnis kann sich auf ein zeitliches Relativverhältnis oder, anders ausgedrückt, auf eine Relativposition entlang einer gemeinsamen Zeitachse des Erfassungszeitintervalls und des Sensortaktes beziehen.
  • Allgemein kann das Relativverhältnis derart gewählt sein, dass das Erfassungszeitintervall zu einem Endzeitpunkt des Sensortaktintervalls endet und/oder mit einem Startzeitpunkt des Sensortaktintervalls beginnt. Insbesondere kann das Erfassungszeitintervall zu einem Zeitpunkt enden, der mit wenigstens einem der Ausgabezeitpunkte zusammenfällt. Alternativ kann ein Ausgabezeitpunkt das Erfassungszeitintervall gemäß dem vorbestimmten Relativverhältnis in zwei Teil-Zeitintervalle unterteilen und/oder kann das Erfassungszeitintervall einen vorbestimmten zeitlichen Abstand zu den End-, Startzeitpunkt und/oder Ausgabezeitpunkten aufweisen.
  • In Kenntnis des Relativverhältnisses kann insbesondere der mittlere Belichtungszeitpunkt ermittelt werden, beispielsweise wenn die Hälfte der Belichtungszeitdauer von dem Endzeitpunkt oder Ausgabezeitpunkt subtrahiert oder zu dem Startzeitpunkt hinzu addiert wird.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Anordnung und des Verfahrens wird eine Mehrzahl der ausgegebenen Positionswerte abgespeichert. Das Abspeichern kann mittels einer Speichereinheit erfolgen, bei der die Positionswerte gemäß ihrem Eingangszeitpunkt sortiert werden oder sind. Die Speichereinheit kann zum Beispiel als ein rollierender Speicher oder als FIFO-Speicher (First-In-First-Out-Speicher) ausgebildet sein. Der rollierende Speicher kann auch als Ringspeicher oder Ringpuffer bezeichnet werden. Allgemein kann in diesem Fall eine Speicheradresse taktweise erhöht werden wobei dann, wenn ein Ende des Speicherbereichs erreicht ist, wieder ab Beginn des Speicherbereichs geschrieben und die dort abgelegten Daten überschrieben werden. Folglich kann der Speicherbereich quasi endlos beschrieben werden.
  • Insbesondere kann das Abspeichern der Positionswerte unter Berücksichtigung eines jeweils dazugehörigen Positionstaktintervalls und/oder eines jeweiligen Ausgabezeitpunkts erfolgen. Anders ausgedrückt können die Positionswerte derart abgespeichert werden, dass sich ihre Ausgabezeitpunkte, dazugehörigen Positionstakte und/oder eine zeitliche Reihenfolge der Positionswerte, welche durch den Ausgabezeitpunkt und/oder den Positionstakt bestimmt wird, auslesen oder rekonstruieren lässt. Hierfür können die Positionswerte mit einem digitalen Zeitstempel versehen und abgespeichert werden.
  • Bei einer Weiterbildung des Verfahrens und der Anordnung wird der Positionshauptwert aus einer Mittelung der ermittelten Positionswerte gebildet, d.h. es wird ein Mittelwert der ermittelten Positionswerte gebildet. Insbesondere kann das arithmetische Mittel der ermittelten Positionswerte gebildet werden, die dem den mittleren Belichtungszeitpunkt enthaltenden Intervall zugeordnet sind, um den Positionshauptwert zu ermitteln. Alternativ kann zwischen den ermittelten Positionswerten interpoliert werden und insbesondere linear interpoliert werden. Sämtliche der geschilderten Berechnungsverfahren können auch angewandt werden, wenn mehr als zwei ermittelte Positionswerte vorliegen. Dies kann insbesondere das nachstehend erläuterte Berücksichtigen von zusätzlichen angrenzenden Positionstaktintervallen betreffen, wobei der Positionshauptwert aus einer Mittelung sämtlicher Positionswerte der einzelnen Intervalle oder einer Interpolation auf Basis dieser Werte gebildet werden kann.
  • Gemäß einer weiteren Variante des Verfahrens und der Anordnung wird für das Ermitteln des Positionshauptwerts zusätzlich ein weiterer Positionswert ermittelt, der zu einem Zeitpunkt ausgegeben wird oder wurde, der denjenigen Positionswertausgabezeitpunkten vorausgeht oder nachfolgt, die den Erfassungszeitpunkt zwischen sich einschließen. Insbesondere kann dieser Positionswert zu einem Zeitpunkt ausgegeben worden sein, der ein Intervall des Positionstaktes begrenzt, welches demjenigen Intervall vorausgeht oder nachfolgt, das den mittleren Belichtungszeitpunkt enthält. Vorzugsweise geht dieses weitere Intervall dem Positionstaktintervall mit dem mittleren Belichtungszeitpunkt unmittelbar voraus oder folgt diesem unmittelbar nach, sodass keine anderweitigen Intervalle hierzwischen vorliegen sind. Anders ausgedrückt können zusätzlich Positionswerte eines Positionstaktintervalls berücksichtigt werden, welches an das den mittleren Belichtungszeitpunkt enthaltenden Positionstaktintervall angrenzt.
  • Hierdurch können zum Beispiel unterschiedliche Positionstakt- und Sensortaktfrequenzen ausgeglichen werden. Insbesondere können zumindest so viele Positionstaktintervalle und dazugehörige Positionswerte betrachtet werden, dass die Gesamtdauer dieser Positionstaktintervalle wenigstens der Dauer eines Sensortaktintervalls entspricht.
  • Wie erwähnt, können die Anordnung und das Verfahren ferner vorsehen, dass der ermittelte Positionshauptwert und das Sensorsignal, für den der Erfassungszeitpunkt bestimmt wurde, einander zugeordnet werden. Alternativ oder zusätzlich kann ein Ermitteln wenigstens einer Eigenschaft (zum Beispiel eines Koordinatenwerts oder eines Dickenwerts) des Objekts auf Basis des Positionshauptwerts und des Sensorsignals erfolgen. Beispielsweise kann eine Koordinate von wenigstens einem Messpunkt oder, anders ausgedrückt, Abtastpunkt auf des Objekts bestimmt werden, der während der Belichtungszeitdauer von dem optischen Sensor erfasst wurde.
  • Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens und der Anordnung sieht vor, dass das Ermitteln des Positionshauptwerts von einer gemäß einem Systemtakt betriebenen Auswertungseinrichtung wie folgt ausgeführt wird:
    • Definieren eines den Erfassungszeitpunkt enthaltenden Ermittlungsintervalls, welches die Dauer eines einzelnen Systemtaktintervalls oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon aufweist;
    • Ermitteln von Positionswerten, die zu Zeitpunkten ausgeben wurden, welche wenigstens ein Zeitintervall (und insbesondere in Form eines Intervalls des Positionstaktes) begrenzen, das sich mit dem Ermittlungsintervall zumindest teilweise überschneidet;
    • Ermitteln des Positionshauptwerts auf Basis der ermittelten Positionswerte.
  • Durch Ermitteln von Positionswerten innerhalb des Ermittlungsintervalls bzw. zu den vorstehend genannten Zeitpunkten, wird die Auswertung zum Bestimmen von 3D-Objektkoordinaten (oder allgemeinen Positionshauptwerten) vereinfacht und insbesondere die erforderliche Rechenleistung reduziert. Um eine hohe Genauigkeit zu erzielen, können insbesondere sämtliche Positionswerte ermittelt werden, die innerhalb des Ermittlungsintervalls bzw. zu den genannten Zeitpunkten ausgegeben wurden. Beispielsweise können sämtliche Intervalle des Positionstakts samt dazugehöriger Positionswerte betrachtet werden, die sich mit dem Ermittlungsintervall überschneiden. Das Ermitteln des Positionshauptwerts kann wiederum anhand sämtlicher der vorstehend diskutierten Varianten erfolgen, zum Beispiel durch Bilden eines Mittelwertes oder durch eine Interpolation.
  • Das Ermittlungsintervall kann sich auf ein Zeitintervall beziehen oder ein solches definieren. Bevorzugt ist es derart definiert, dass es den Erfassungszeitpunkt mittig enthält oder, anders ausgedrückt, dass der Erfassungszeitpunkt einen zeitlichen Mittelpunkt des Ermittlungsintervalls bildet. Bei dem Systemtakt kann es sich z. B. um einen CPU-Takt, einen Prozessortakt oder einen allgemeinen Rechentakt der Auswertungseinrichtung handeln. Der Systemtakt kann wiederum mehrere 100 Hz oder wenigstens 1 kHz betragen und zum Beispiel auch gleichartig zu dem Sensortakt und/oder dem Positionstakt gewählt sein oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon umfassen.
  • Schließlich kann allgemein vorgesehen sein, dass auf Basis des oder der Sensorsignale eine Koordinatenbestimmung und/oder eine Dickenmessung erfolgt.
  • Im Folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten schematischen Figuren erläutert. In Ihrer Art und/oder Funktion übereinstimmende Merkmale können dabei ausführungsformübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Es stellen dar:
    • 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung, die ein erfindungsgemäßes Verfahren ausführt;
    • 2 eine Darstellung zum Erläutern des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform;
    • 3 eine Darstellung zum Erläutern des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
    • 4 eine Darstellung zum Erläutern des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer dritten Ausführungsform.
  • In 1 ist eine Anordnung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, wobei die Anordnung 100 sämtliche der nachstehend erläuterten Varianten erfindungsgemäßer Verfahren ausführen kann.
  • Die Anordnung 100 umfasst ein Koordinatenmessgerät (KMG) 211, das in Portalbauweise ausgebildet ist und einen Messtisch 201 aufweist, über dem Säulen 202, 203 in Y-Richtung eines kartesischen Koordinatensystems beweglich angeordnet sind. Die Säulen 202, 203 bilden zusammen mit einem Querträger 204 ein Portal des KMG 211. Der Querträger 204 ist an seinen gegenüberliegenden Enden mit den Säulen 202 bzw. 203 verbunden. Nicht näher dargestellte Elektromotoren verursachen die Linearbewegung der Säulen 202, 203 in Y-Richtung, entlang der Bewegungs-Achse, die in Y-Richtung verläuft. Dabei ist z. B. jeder der beiden Säulen 202, 203 oder auch nur einer hiervon (zum Beispiel der Säule 202) ein Elektromotor zugeordnet.
  • Der Querträger 204 ist mit einem Querschlitten 207 kombiniert, welcher z. B. luftgelagert entlang dem Querträger 204 in X-Richtung des kartesischen Koordinatensystems beweglich ist. Die Bewegung des Querschlittens 207 entlang der Bewegungs-Achse in X-Richtung wird durch zumindest einen weiteren Elektromotor (nicht dargestellt) angetrieben. An dem Querschlitten 207 ist eine in vertikaler Richtung bewegliche Pinole 208 gelagert. Diese ist an ihrem unteren Ende über eine Montageeinrichtung 210 und eine Drehvorrichtung 205 mit einer Wechselschnittstelle 209 verbunden ist, an die ein Weißlichtsensor 215 über eine abgewinkelte Halterung angekoppelt ist. Die Wechselschnittstelle 209 kann auch als Sensorschnittstelle bezeichnet werden.
  • Die Messrichtung des Weißlichtsensors 215 verläuft aufgrund der Abwinkelung etwa parallel zur X-Y-Ebene. Die Wechselschnittstelle 209 kann, angetrieben durch einen weiteren Elektromotor, relativ zu dem Querschlitten 207 in Z-Richtung, entlang der Z-Bewegungs-Achse, des kartesischen Koordinatensystems bewegt werden. Durch die Elektromotoren des KMG kann der an die Wechselschnittstelle 209 angekoppelte Weißlichtsensor 215 in dem Bereich unterhalb des Querträgers 204 in nahezu beliebige Positionen bewegt werden. Ferner kann die Drehvorrichtung 205 den Weißlichtsensor 215 um die Z-Achse drehen, sodass der Weißlichtsensor 215 in unterschiedliche Richtungen ausgerichtet werden kann. Alternativ kann eine Drehschwenkvorrichtung anstelle der Drehvorrichtung 205 verwendet werden, die andere Freiheitsgrade der Bewegung ermöglicht, z.B. eine zusätzliche Drehbeweglichkeit um eine Drehachse, die senkrecht zu der Vertikalen (Z-Richtung) verläuft.
  • Dargestellt ist ferner eine Auswertungseinrichtung 220, die die Messsignale des Weißlichtsensors 215 über eine schematisch dargestellte Verbindung 230 empfängt. Bei der Verbindung 230 kann es sich z.B. um eine Lichtleitung wie ein Glasfaserkabel handeln. Die Verbindung 230 kann anders als in 1 dargestellt unmittelbar an dem Weißlichtsensor 215 angeschlossen sein.
  • Ferner ist in 1 schematisch eine Steuerung 222 des KMG 211 dargestellt, die insbesondere die Antriebe (z.B. die o.g. Elektromotoren) steuert. Insbesondere ist die Steuerung 222 dazu in der Lage, durch Steuerung der Antriebe den Weißlichtsensor 215 in eine gewünschte Position zu verfahren und auch die Drehvorrichtung 205 anzusteuern, um den Weißlichtsensor 215 in eine gewünschte Messrichtung auszurichten.
  • Die Steuerung 222 ist mit einem Datenspeicher 221 kombiniert, in dem Informationen über einen Zusammenhang zwischen Messsignalen des konfokalen Weißlichtsensors und einem tatsächlichen Abstand des Weißlichtsensors zu der Oberfläche eines Messobjekts 235 abgespeichert sind. Um derartige Zusammenhänge zu ermitteln, ist ferner ein Referenzkörper 231 gezeigt, der über eine Stütze 232 mit dem Messtisch 201 verbunden ist. Zweck und Verwendung des Referenzkörpers 231 sind zum Beispiel aus der DE 10 2015 217 637 A1 bekannt, weshalb an dieser Stelle auf eine nähere Erläuterung verzichtet wird. Der Datenspeicher 221 kann auch nachfolgend erläuterte Positionswerte und/oder Sensormesswerte abspeichern und allgemein als ein rollierender Speicher ausgebildet sein. Ebenfalls in dem Datenspeicher 221 hinterlegt ist die räumliche Lage der einzelnen Achsen zueinander, insbesondere die Lage des Weißlichtsensors 215 zu den KMG-Achsen und/oder die Winkel zu derjenigen Achse (z.B. in Form eines Roboterarms oder -glieds), an der der Sensor 215 befestigt ist.
  • Im Betrieb bewegt das KMG 211 über seine einzelnen Achsen und Elektromotoren den Weißlichtsensor 215 relativ zu dem zu vermessenden Messobjekt 235. Genauer gesagt wird der Weißlichtsensor 215 derart bewegt, dass er die Oberfläche des Messobjekts 235 berührungslos abtastet und dabei für mehrere einzelne Abtast- oder, mit anderen Worten, Messpunkte Abstandswerte zwischen sich und der Objektoberfläche ermittelt. Da der Weißlichtsensor 215 jedoch auch während dem Vermessen relativ zu dem Messobjekt 235 bewegt werden kann und für das Vermessen aufgrund der nachfolgend erläuterten Belichtungszeitdauer eine gewisse Erfassungszeit benötigt, kann es sich bei dem schlussendlich ausgegebenen Abstandswert auch um einen mittleren Abstandswert von Punkten auf der Objektoberfläche handeln, die während dem Vermessen durch den Erfassungsbereich des Weißlichtsensors 215 bewegt werden.
  • Die schlussendlich ermittelten Abstandswerte bilden Sensormesswerte des Weißlichtsensors 215 (ein Abstandswert entspricht einem Sensormesswert). Sie werden auf Basis von Sensormesssignalen ermittelt, welche über die Verbindung 230 an die Auswertungseinrichtung 220 ausgegeben und dort in entsprechende Messwerte umgerechnet werden. Zu beachten ist, dass die von der Auswertungseinrichtung 220 erhaltenen Sensormesssignale auch bereits fertige Abstandswerte respektive Dickenwerte und/oder Sensormesswerte darstellen oder enthalten können. Hierfür können von dem Sensor 215 erfasste Signale in einer Sensorsteuerung unmittelbar ausgewertet und/oder umgerechnet werden.
  • Zusätzlich zu den Sensormesssignalen erhält die Auswertungseinheit 220 auch Positionswerte des KMG 211, welche eine eingenommene Position des KMG 211 bzw. seiner einzelnen Achsen beschreiben. Insbesondere kann es sich bei den Positionswerten um Werte handeln, die eine eingenommene Position des Weißlichtsensors 215 in einem Basiskoordinatensystem des KMG 211 beschreiben oder aus denen sich diese Position ermitteln lässt. Beispielsweise können die Positionswerte eine Position der Wechselschnittstelle 209 angeben. Das Ausgeben der Sensormesssignale und der Positionswerte erfolgt dabei taktweise nach Maßgabe eines Sensor- bzw. Positionstaktes, wie nachstehend anhand der weiteren Figuren erläutert.
  • Die Positionswerte werden in dem Datenspeicher 221 oder einer anderweitigen Speichereinrichtung, die z.B. in die Auswertungseinrichtung 220 integriert sein kann, abgespeichert. Insbesondere werden sie derart abgespeichert, dass sich ihre zeitliche Reihenfolge und vorzugsweise auch ihre konkreten Ausgabe- und/oder Eingangszeitpunkte rekonstruieren lässt. Dies kann über das Verwenden eines rollierenden Speichers oder eines FIFO-Speichers realisiert sein und/oder durch das Versehen der Positionswerte mit einem digitalen Zeitstempel.
  • Aus einem Positionswert und Sensormesssignal (das im Rahmen des gezeigten Beispiels allgemein n Abstands- und/oder Dickenwerte angeben kann, wobei n einer natürlichen Zahl von 1 oder mehr entspricht) kann allgemein ein Wertepaar gebildet werden. Wenn sich dieses auf einen gemeinsamen Zeitpunkt bezieht und insbesondere den Zeitpunkt des Erfassens des Messobjekts 235 durch den Weißlichtsensor 215, können die Werte dieses Paares miteinander verrechnet und/oder einander zugeordnet werden. Insbesondere können die Werte addiert werden, um eine Koordinate der Objektoberfläche des Messobjekts 235 in dem Basiskoordinatensystem des KMG 211 zu bestimmen (d. h. eine Koordinate des Abtastpunkts oder des Abtastbereichs im Falle eines kontinuierlich bewegten Vermessens). Alternativ kann einem Dickenwert mithilfe des entsprechend zugeordneten Positionswerts der genaue vermessene Objektort oder eine anderweitige Raumkoordinate zugeordnet werden.
  • Eine Vielzahl entsprechender Koordinaten kann verwendet werden, um Eigenschaften des Messobjekts 235 zu überprüfen. Diese Eigenschaften können z.B. Qualitätsparameter wie eine Maßhaltigkeit oder eine Oberflächengüte sein.
  • Wie geschildert, setzt das Ermitteln aussagekräftiger Messergebnisse aber voraus, dass die Positionswerte des KMG 211 und die Sensormesssignale bzw. Sensormesswerte des Weißlichtsensors 215 in sinnvoller Weise einander zugeordnet werden. Insbesondere sollten hierfür möglichst zeitsynchrone Wertepaare gebildet werden, welche sich auf einen gemeinsamen Erfassungszeitpunkt des Messobjekts 235 durch den Weißlichtsensor 215 beziehen.
  • Im Folgenden bezugnehmend auf 2 wird zunächst auf mögliche von den Erfindern identifizierte Fehlerpotentiale eingegangen, welche eine entsprechende zeitsynchrone Zuordnung der genannten Werte bisher erschweren.
  • In 2 ist ein einzelner Auswertezyklus der Auswertungseinrichtung 220 gezeigt, bei der die Koordinaten für einen einzelnen Abtastpunkt oder Abtastbereich ermittelt werden. Mit anderen Worten bezieht sich der gezeigte Auswertungszyklus auf einen einzelnen Messzyklus und kann für jeden der insgesamt vermessenen Abtastpunkte bzw. Abtastbereiche wiederholt werden.
  • Im Detail werden im Rahmen eines Auswertezyklus Koordinaten für einen einzelnen Abtastpunkt bzw. Abtastbereich auf der Objektoberfläche durch Betrachten von jeweils wenigstens einem Positionstakt- und einem Sensortaktintervall 16, 14 ermittelt, welche einander zugeordnet sind und zeitgleich oder zumindest zeitlich überlappend ablaufen. Das nachstehend anhand von 2 erläuterte Vorgehen kann demnach für jeden einzelnen Abtastpunkt bzw. Abtastbereich wiederholt werden, wobei jedoch jeweils individuelle Sensortaktintervalle bzw. Positionstaktintervalle betrachtet werden, welche den dazugehörigen Messvorgang des konkreten Abtastpunkts betreffen.
  • In 2 sind zwei Zeitachsen 10, 12 gezeigt. Die obere Zeitachse 10 stellt einen Positionstakt dar, nach dessen Maßgabe Positionswerte des KMG 211 an die Auswertungseinrichtung 220 ausgegeben werden können. Der Positionstakt wird durch einzelne vorgegebene Zeitpunkte definiert, an denen prinzipiell Positionswerte ausgegeben werden oder ausgegeben werden könnten. Diese Zeitpunkte sind durch Punkte entlang der Zeitachse 10 markiert.
  • Die untere Zeitachse 12 stellt einen Sensortakt dar, nach dessen Maßgabe Sensormesssignale von dem Weißlichtsensor 215 an die Auswertungseinrichtung 220 ausgegeben werden. Der Sensortakt wird durch einzelne vorgegebene Zeitpunkte definiert, an denen prinzipiell Sensormesssignale ausgegeben werden oder ausgegeben werden könnten. Diese Zeitpunkte sind durch Punkte entlang der Zeitachse 12 markiert.
  • Bei beiden Zeitachsen 10, 12 handelt es sich um negative Zeitachsen, die von einem aktuellen Auswertezeitpunkt von 0 ms ausgehen und sich in negativer Richtung erstrecken. Dargestellt ist jeweils eine Zeitdauer von 0 ms bis -4 ms. Mit anderen Worten handelt es sich um eine Darstellung einzelner Taktintervalle, die vor dem aktuellen Auswertezeitpunkt von 0 ms liegen und sich somit auf eine bereits abgeschlossene Objekterfassung beziehen, für die die Auswertung (d. h. Koordinatenermittlung) allerdings erst noch erfolgen muss.
  • Man erkennt, dass der Positionstakt und der Sensortakt eine identische Frequenz von 1.000 Hz aufweisen. Entsprechend beträgt die Dauer eines einzelnen Positionstaktintervalls 16 bzw. eines einzelnen Sensortaktintervalls 14 1 ms, wie in 2 beispielhaft für jeweils ein Sensortakt- und Positionstaktintervall 14, 16 angedeutet. Für die beispielhaft hervorgehobenen Intervalle 14, 16 in 2 liegt der Startzeitpunkt jeweils bei -4 ms und der Endzeitpunkt bei -3 ms.
  • Im Folgenden wird zunächst auf die untere Zeitachse 12 des Sensortaktes näher eingegangen, um die damit einhergehenden Totzeiten zu erläutern. Wenn der Weißlichtsensor 215 einen Abstandswert oder Abstandssignal ermittelt, muss diese Information zunächst innerhalb der Sensorsteuerung verarbeitet werden. Dies kann z.B. das Auswerten der Messsignale unter Berücksichtigung etwaiger Kalibrierfaktoren einschließen und/oder das Umrechnen in ein geeignetes digitales Format.
  • Weiterhin entsteht eine Zeitverzögerung dadurch, dass das Sensormesssignal über die Verbindung 230 an die Auswertungseinrichtung 220 übermittelt werden muss. Falls die Verbindung 230 als eine Busverbindung ausgebildet ist, kann es z.B. erforderlich sein, vorgegebene Zeitfenster abzuwarten, die nach Maßgabe eines Kommunikationstaktes der Busverbindung 230 definiert sind. In dem gezeigten Fall trägt dies dazu bei, dass ein aktuell erfasster Sensormesswert erst mit einer Zeitverzögerung von wenigstens 1 ms die Auswertungseinrichtung 220 erreicht. Um eine zusätzliche Sicherheit zu erlangen und gegebenenfalls auch längere Totzeiten kompensieren zu können, geht die Auswertungseinrichtung 220 von einer systeminhärenten Totzeit von 2 ms aus. Mit anderen Worten wird für einen gegebenen Auswertezeitpunkt stets dasjenige Sensormesssignal als aktuell und für die Auswertung heranzuziehend betrachtet, das um zwei Sensormesstakte gegenüber dem Auswertezeitpunkt verschoben ist und zeitlich vor diesem liegt. Dies entspricht in dem gezeigten Beispiel einer Verschiebung von -2 ms.
  • In 2 bedeutet dies, dass aus Sicht des Auswertezeitpunkts von 0 ms dasjenige vorangehende Sensortaktintervall 14 betrachtet wird, das von -3 ms bis -2 ms andauert. Der genaue Erfassungszeitpunkt innerhalb dieses Sensortaktintervalls 14 ist aber nach wie vor unbekannt. Dies liegt insbesondere darin begründet, dass der Weißlichtsensor 215 eine bereits erwähnte Belichtungszeitdauer benötigt, um die Objektoberfläche in einem gegebenen Abtastpunkt oder Abtastbereich tatsächlich vermessen zu können.
  • Genauer gesagt wird nach Maßgabe des Sensortaktes zu jedem einzelnen Taktzeitpunkt bzw. nach jedem Ablauf eines Sensortaktintervalls 14 ein Sensormesssignal ausgegeben, d.h. z.B. auch bei -2 ms. Dieses Sensormesssignal wurde aber nicht zu diesem Zeitpunkt von -2 ms erfasst, sondern innerhalb eines Erfassungs- bzw. Belichtungszeitintervalls 18, das von -2,6 ms bis -2 ms andauert (d.h. eine Belichtungszeitdauer von 0,6 ms aufweist). Würde man deshalb, wie im eingangs geschilderten Stand der Technik üblich, eine konstante Totzeit von z.B. -2 ms zugrunde legen, würde man von einem unzutreffenden Erfassungszeitpunkt des Sensormesssignals ausgehen.
  • Dies ist dahingehend problematisch, als dass daraufhin auch ein unzutreffendes, da nicht zeitsynchrones Wertepaar aus Sensormesssignal (bzw. daraus abgeleitetem Abstandswert) und Positionswert gebildet werden würde. Genauer gesagt werden die Positionswerte gemäß der in 2 oberen Zeitachse 10 ebenfalls taktweise und gemäß dem Positionstakt mit der identischen Frequenz wie der Sensortakt ausgegeben. D.h., zu jedem der gezeigten Zeitpunkte und insbesondere bei -2 ms wird ein Positionswert ausgegeben, der auch mit einer ausreichenden Genauigkeit die tatsächlich zu diesem Zeitpunkt eingenommene Position des KMG 211 beschreibt. Wie beschrieben, kann dieser Positionswert zunächst in der Speichereinheit 221 hinterlegt und bei Bedarf aus dieser ausgelesen werden.
  • Unter der Annahme konstanter Totzeiten aus dem Stand der Technik würde man daher den Positionswert, der sich auf den Ausgabezeitpunkt von -2 ms bezieht, und den Sensormesswert, der vermeintlich zum Zeitpunkt von -2 ms in Form des Sensormesssignals erfasst wurde, miteinander addieren, um eine Koordinate der Objektoberfläche zu ermitteln. Da, wie von den Erfindern erkannt, diese Zuordnung aufgrund des Belichtungszeitintervalls 18 nur im Rahmen einer unpräzisen Vereinfachung möglich ist, kann hierdurch aber kein genaues Messergebnis erlangt werden. Dies betrifft insbesondere Fälle, in denen der Weißlichtsensor 215 kontinuierlich im Sinne eines Scanbetriebs bewegt wird. In diesem Fall kann nämlich auch innerhalb eines einzelnen Sensortaktintervalls 14 eine kontinuierliche Veränderung der Positionswerte vorliegen. D.h., der Positionswert für den tatsächlichen Erfassungszeitpunkt innerhalb eines Sensortaktintervalls 14 kann signifikant von dem Positionswert zum Endzeitpunkt von -2 ms abweichen.
  • Zusammengefasst führt die bisher gemäß Stand der Technik getroffene Annahme konstanter Totzeiten zwischen einer Objekterfassung und dem schlussendlichen Erhalten des Sensormesssignals oder -werts durch die Auswertungseinrichtung 220 dazu, dass unter Umständen Positionswerte betrachtet werden, die sich auf Zeitpunkte beziehen, bei der die Objekterfassung durch den Weißlichtsensor 215 nicht oder zumindest nicht schwerpunktmäßig stattgefunden hat.
  • Deshalb ist vorgesehen, den eigentlichen Erfassungszeitpunkt des Weißlichtsensors 215 abzuschätzen, wobei dieser in dem gezeigten Beispiel als ein mittlerer Erfassungszeitpunkt gewählt ist. Hierzu wird die Belichtungszeitdauer von 0,6 ms, die durch die Sensorsteuerung auf Basis einer an sich bekannten Belichtungsmessung festgelegt wurde und daher bekannt ist, gemittelt bzw. halbiert. Dies entspricht einem Wert von 0,3 ms. Dieser wird von einem Endzeitpunkt des Erfassungsintervalls 18 abgezogen oder zu einem Anfangszeitpunkt (hier -2,6 ms) des Erfassungsintervalls 18 hinzuaddiert.
  • In dem gezeigten Fall macht man sich dabei zunutze, dass das Erfassungsintervall 18 derart gewählt ist, dass es ein stets vorgegebenes Relativverhältnis zu dem Sensortaktintervall 14 aufweist. Genauer gesagt wird die Belichtung durch eine Sensorsteuerung des Weißlichtsensors 215 derart ausgeführt, dass das Belichtungszeitintervall 18 zu einem Endzeitpunkt eines Sensortaktintervalls 14 endet, also im gezeigten Fall zum Zeitpunkt von -2 ms abgeschlossen ist. Dies setzt lediglich voraus, dass zunächst die erforderliche Belichtungszeitdauer ermittelt wird, woraufhin die Sensorsteuerung den Auslösezeitpunkt der Belichtung geeignet festlegt, sodass das Belichtungsintervall 18 zu einem entsprechenden Endzeitpunkt des Sensortaktintervalls endet.
  • Im Ergebnis bedeutet dies, dass der mittlere Belichtungszeitpunkt in dem gezeigten Beispiel -2,3 ms beträgt. Dieser Zeitpunkt wird als eigentlicher Erfassungszeitpunkt des Messobjekts 235 durch den Weißlichtsensor 215 für dasjenige Sensormesssignal betrachtet, der anschließend bei -2 ms ausgegeben wurde.
  • Da der eigentliche Erfassungszeitpunkt somit bekannt oder zumindest angenähert ist, sieht das Ausführungsbeispiel ferner vor, auch einen Positionswert zu ermitteln, der zu diesem eigentlichen Erfassungszeitpunkt vorlag. Genauer gesagt soll derjenige Positionswert ermittelt oder zumindest angenähert werden, der zu dem mittleren Belichtungszeitpunkt von -2,3 ms vorlag. Hierzu werden diejenigen Positionsmesswerte betrachtet, die zu den Zeitpunkten von -3 ms und -2 ms ausgegeben wurden und folglich dasjenige Positionstaktintervall begrenzen, in dem der mittlere Erfassungszeitpunkt von -2,3 ms liegt. Insbesondere schließen diese Zeitpunkte den Erfassungszeitpunkt zwischen sich ein und in dem gezeigten Fall auch unmittelbar zwischen sich ein (d. h. ohne weitere dazwischen positionierte Ausgabezeitpunkte). Um dies zu verdeutlichen, ist auch bei der oberen Zeitachse 10 in 2 (d. h. bei dem Positionstakt) das entsprechende Belichtungsintervall 18 eingetragen.
  • Um den bei -2,3 ms (d.h. bei dem mittleren Belichtungszeitpunkt) vorliegenden eigentlich relevanten Positionswert zu ermitteln, der im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auch als Positionshauptwert bezeichnet wird, werden die bei -3 ms und -2 ms ausgegebenen Positionswerte von der Auswertungseinrichtung 220 miteinander verrechnet. Dies kann insbesondere eine Mittelung der entsprechenden Positionswerte umfassen.
  • Beispielsweise kann in dem gezeigten Fall eine derartige Mittelung erfolgen, dass der bei -2 ms ausgegebene Positionswert mal 0,7 und der bei -3 ms ausgegebene Positionswert mal 0,3 genommen wird, um daraufhin die Summe aus den entsprechend gewichteten Positionswerten zu bilden. Das Ergebnis bildet den Positionshauptwert für den Zeitpunkt von -2,3 ms.
  • Im Ergebnis liegt der Auswertungseinrichtung 220 somit ein Sensormesssignal oder auch daraus abgeleitete Abstandswert vor, der sich auf den Zeitpunkt von -2 ms bezieht, aber tatsächlich, wie erfindungsgemäß rechnerisch ermittelt oder zumindest abgeschätzt, zu dem tatsächlichen Erfassungszeitpunkt von -2,3 ms erfasst wurde. Weiterhin liegt der Positionshauptwert vor, der sich auf den Zeitpunkt von -2,3 ms bezieht und in der vorstehend erläuterten Weise berechnet wurde (z. B. durch die Auswertungseinrichtung 220 selbst). Somit kann dem Abstandswert ein Positionswert in Form des Positionshauptwertes zugeordnet werden, der den Positionswert zum eigentlichen Erfassungszeitpunkt von -2,3 ms deutlich präziser abbildet. Durch Addieren des Positionshauptwertes mit dem Abstandswert kann somit die Genauigkeit beim Ermitteln der Koordinate des in diesem Messzyklus vermessenen Abtastpunktes oder Abtastbereiches erheblich verbessert werden. Das Addieren kann z.B. in der Form erfolgen, dass zu dem Positionshauptwert der skalierte Richtungsvektor der (bekannten) Strahlrichtung des Sensors addiert wird, wobei die Länge des Vektors durch den Abstandswert des Sensors definiert ist.
  • Für das Ermitteln eines nachfolgenden Abtastpunktes bzw. Abtastbereiches können analoge Zeitachsen, wie in 2 dargestellt, betrachtet werden. Insbesondere kann der Auswertezeitpunkt erneut als ein Zeitpunkt von 0 ms festgelegt werden. Ein in diesem Auswertezyklus erhaltener Sensormesswert kann in Kenntnis der Mindesttotzeit von -2 ms, die aufgrund der geschilderten Auswerte- und Kommunikationsvorgänge als systeminhärent angenommen wird, einem Sensortaktintervall 14 zugeordnet werden, das wiederum von -2 ms bis -3 ms reicht. Entsprechend können aus der Speichereinheit 221 auch diejenigen Positionswerte ausgelesen werden, die zu diesen Zeitpunkten vorlagen (d.h. zu -2 ms und -3 ms).
  • Trotz gleichlaufender Zeitangaben (siehe -2 ms und -3 ms) versteht es sich, dass die Positionswerte und Sensormesswerte in diesem nachfolgenden Auswertezyklus verschieden von dem vorangehenden Zyklus sind. Genauer gesagt wird ein aktuell verfügbarer Sensormesswert (oder, anders ausgedrückt, der zuletzt ausgegebene Sensormesswert) betrachtet und nicht derjenige, der im vorangehenden Auswertezyklus bereits zum Ermitteln einer Koordinate verwendet wurde. Ebenso werden abweichende Positionswerte betrachtet. Insbesondere in letzterem Fall kann das Betrachten aktueller Werte (bzw. Positionswerte) dadurch erreicht werden, dass die Positionswerte ihrer Reihenfolge nach ausgelesen werden (zum Beispiel aus der Speichereinheit 221). Falls diese bereits für eine Koordinatenauswertung verwendet wurden, werden sie daher nicht erneut ausgelesen und können stattdessen sogar gelöscht werden.
  • In Kenntnis der Belichtungszeitdauer, die für das Erfassen des in dem nachfolgenden Zyklus betrachteten Sensormesssignals verwendet wurde, kann wiederum der mittlere Erfassungszeitpunkt ermittelt werden. Dieser mittlere Erfassungszeitpunkt kann analog zu den vorstehenden Berechnungsvarianten verwendet werden, um einen Positionshauptwert aus den dazugehörigen Positionswerten zu berechnen (insbesondere aus den zu den Zeitpunkten von -3 ms und -2 ms ausgegebenen Positionswerten). Anschließend können der Positionshauptwert und das Sensormesssignal bzw. ein daraus abgeleitete Abstandswert addiert werden, um die Koordinate des in diesem Messzyklus vermessenen Abtastpunktes bzw. Abtastbereiches zu ermitteln.
  • In 3 ist ein weiteres Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens gezeigt, das mit der Anordnung 10 aus 1 ausführbar ist. Da dieses Ausführungsbeispiel im Wesentlichen auf den vorstehend in Zusammenhang mit 2 erläuterten Prinzipien beruht, wird nachstehend lediglich auf die wesentlichen Unterschiede zu der Variante aus 2 eingegangen.
  • Man erkennt wiederum eine obere Zeitachse 10, welche den Positionstakt abbildet, nach dessen Maßgabe einzelne Positionswerte ausgegeben werden (ein Positionswert nach Ablauf eines jeden Positionstaktintervalls). Ferner ist erneut eine untere Zeitachse 12 gezeigt, die den Sensortakt abbildet, nach dessen Maßgabe Sensormesssignale ausgegeben werden (ein Sensormesssignal nach Ablauf eines jeden Sensortaktintervalls). Beide Zeitachsen gehen dabei von einem aktuellen Auswertezeitpunkt aus, der erneut einem Zeitpunkt von 0 ms entspricht. In analoger Weise zu dem vorstehenden Beispiel wird zunächst erneut ein Erfassungs- bzw. Belichtungsintervall 18 betrachtet und darauf basierend ein mittlerer Erfassungszeitpunkt ermittelt, der einem eigentlichen Erfassungszeitpunkt des in diesem Zyklus betrachteten Sensormesssignals entspricht (oder ihn zumindest annähert). In dem gezeigten Fall liegt der mittlere Belichtungszeitpunkt erneut bei -2,3 ms.
  • Zum Ermitteln des Positionshauptwertes wird in diesem Fall aber nicht lediglich dasjenige Positionstaktintervall 16 betrachtet, das den entsprechenden mittleren Belichtungszeitpunkt enthält. Stattdessen wird in diesem Fall zusätzlich ein Systemtakt der Auswerteeinrichtung 220 berücksichtigt. Um die erforderliche Rechenleistung und insbesondere Rechenzeit zu begrenzen, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, für das Ermitteln des Positionshauptwertes basierend auf dem mittleren Erfassungszeitpunkt ganze Systemtakte zugrunde zu legen oder ganzzahlige Vielfache hiervon.
  • In dem gezeigten Beispiel beträgt die Taktdauer eines einzelnen Systemtaktintervalls 20 1 ms (d.h. der Systemtakt weist eine Frequenz von 1.000 Hz auf). Zum Bestimmen des Positionshauptwertes wird in dem gezeigten Fall ein Ermittlungsintervall 22 definiert, das einem einzelnen Systemtaktintervall 20 entspricht und somit ebenfalls eine Taktdauer von 1 ms aufweist. Ferner wird das Ermittlungsintervall 22 derart definiert, dass es den mittleren Erfassungszeitpunkt -2,3 ms mittig enthält. Folglich dauert es von -2,8 ms bis - 1,8 ms an. Wie aus 3 ersichtlich, überschneidet es sich dabei mit zwei benachbarten Positionstaktintervallen 16, wobei ein erstes Positionstaktintervall 16 von -3 ms bis -2 ms andauert und ein zweites von -2 ms bis -1 ms. Es existieren somit drei Zeitpunkte, die die jeweiligen Positionstaktintervalle 16 begrenzen, welche sich mit dem Ermittlungsintervall 22 überschneiden. Die zu den entsprechenden Zeitpunkten (-1 ms, -2 ms und -3 ms) ausgegebenen Positionswerte werden von der Auswertungseinrichtung 220 aus der Speichereinheit 221 ausgelesen und einer Ermittlung des Positionshauptwerts zugrunde gelegt. Genauer gesagt erfolgt eine Gewichtung der einzelnen Positionswerte erneut in Form einer Mittelung und unter Berücksichtigung des zeitlichen Relativverhältnisses des Ermittlungsintervalls 22 zu den entsprechenden Zeitpunkten.
  • Im Detail ist in dem gezeigten Beispiel ist die folgende Gewichtung gewählt: Der Positionswert, der bei -1 ms ausgegeben wurde, wird mit 0,2 multipliziert, der Positionswert, der bei -2 ms ausgegeben wurde, wird mit dem Faktor 1 multipliziert, der Positionswert, der bei -3 ms ausgegeben wurde, wird mit 0,8 multipliziert. Anschließend wird die Summe aus den entsprechend gewichteten Einzelwerten gebildet und durch zwei geteilt. Das Ergebnis bildet den Positionshauptwert, der in der vorstehend erläuterten Weise mit dem Sensormesssignal und/oder den daraus abgeleiteten Abstandswert addiert werden kann, um einen Koordinatenwert der Objektoberfläche bzw. des Objekts zu ermitteln.
  • In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Verfahren gezeigt, das erneut auf den vorstehend erläuterten Prinzipien aufbaut und mittels einer Anordnung 100, wie in 1 gezeigt, ausführbar ist. Es werden erneut die von einem aktuellen Auswertezeitpunkt von 0 ms ausgehenden negativen Zeitachsen betrachtet, wobei die obere Zeitachse 10 den Positionstakt darstellt und die untere Zeitachse 12 den Sensortakt. Man erkennt unmittelbar, dass in diesem Fall der Sensortakt von dem Positionstakt abweicht. Genauer gesagt beträgt die Frequenz des Sensortakts 333 Hz, während diejenige des Positionstakts 1.000 Hz beträgt. Dies ermöglicht längere Belichtungszeiten innerhalb eines Sensortaktintervalls 14, um z.B. nur schwach reflektierende Oberflächen mit einer ausreichenden Genauigkeit erfassen zu können.
  • Erneut wird dabei von einem konstanten Totzeitanteil von 2 Sensortakten ausgegangen, weshalb ein Sensormesssignal betrachtet wird, der zum Zeitpunkt von -6 ms ausgegeben wurde und in dem Intervall zwischen -9 ms und -6 ms erfasst wurde. Der genaue Erfassungszeitpunkt wird wiederum identisch zu der vorstehenden Weise aus einer gegebenen Belichtungszeitdauer ermittelt. Diese beträgt im gezeigten Fall 2,4 ms. Der mittlere Erfassungszeitpunkt liegt deshalb bei -7,2 ms.
  • Um einen Positionswert zum Zeitpunkt von -7,2 ms zu berechnen oder zumindest abzuschätzen, wird erneut ein Positionshauptwert gebildet. Hierzu wird analog zu dem Beispiel aus 3 ein Ermittlungsintervall 22 definiert, das in diesem Fall ein ganzzahliges Vielfaches des Systemtaktes von 1 ms beträgt und daher zwei Systemtaktintervalle 20 umfasst. Genauer gesagt beträgt die Dauer des Ermittlungsintervalls 22 2 ms.
  • Analog wie im Zusammenhang mit 3 erläutert, werden sämtliche Positionstaktintervalle 16 zum Ermitteln des Positionshauptwertes betrachtet, die sich mit dem Ermittlungsintervall 22 überschneiden. Dies betrifft das Intervall, das von -9 ms bis -8 ms andauert, das Intervall, das von -8 ms bis -7 ms andauert, und das Intervall, das von - 7 ms bis -6 ms andauert. Zum Ermitteln des Positionshauptwertes werden deshalb die Positionswerte betrachtet, die bei -9 ms, bei -8 ms, bei -7 ms und bei -6 ms ausgegeben werden. Diese können wiederum gemittelt werden, insbesondere mittels einer Gewichtung, die auf einem zeitlichen Relativverhältnis des Ermittlungsintervalls 22 zu den einzelnen Positionstaktintervallen beruht.
  • Für das gezeigte Beispiel können die Positionswerte, die bei -8 ms und -7 ms ausgegeben werden, beispielsweise mit dem Faktor 1 multipliziert werden. Der Positionswert, der bei -6 ms ausgegeben wird, kann mit dem Faktor 0,8 multipliziert werden und der Positionswert, der bei -9 ms ausgegeben wird, mit dem Faktor 0,2. Die gewichteten Werte können addiert und anschließend durch drei geteilt werden. Aus dem auf diese Weise ermittelten Positionshauptwert kann identisch zu den vorstehenden Varianten wiederum ein Koordinatenwert der Objektoberfläche bzw. des Objekts ermittelt werden.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 10340803 A1 [0002]
    • DE 102015217637 A1 [0072]

Claims (11)

  1. Verfahren zum Erfassen eines Objekts mittels eines bewegbaren Sensors (215), umfassend: Bewegen des Sensors (215) relativ zu dem Objekt und wiederholtes Ermitteln einer momentanen Position des Sensors (215) durch ein Positionsmesssystem, wobei die ermittelte Position jeweils zu einem vorgegebenen oder bestimmbaren Zeitpunkt an eine Auswertungseinrichtung ausgegeben wird, wobei der Sensor (215) das Objekt wiederholt während der Dauer eines Erfassungszeitintervalls (18) erfasst und jeweils entsprechend den während des Erfassungszeitintervalls (18) erfassten Informationen wenigstens ein Signal an die Auswertungseinrichtung ausgibt, und zwar jeweils zu einem vorgegebenen oder bestimmbaren Zeitpunkt, und wobei für wenigstens eines der Erfassungszeitintervalle (18) Folgendes ausgeführt wird: Bestimmen eines Erfassungszeitpunkts, der innerhalb des Erfassungszeitintervalls (18) liegt; Ermitteln von Positionswerten, die zu Zeitpunkten ausgegeben wurden, welche den Erfassungszeitpunkt zwischen sich einschließen; und Ermitteln eines Positionshauptwerts auf Basis der ermittelten Positionswerte, der die von dem Sensor (215) zum Erfassungszeitpunkt eingenommene Position annähert.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Erfassungszeitpunkt dem mittleren Zeitpunkt des Erfassungszeitintervalls (18) entspricht.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Erfassungszeitintervall (18) einem Belichtungsintervall entspricht, in dem der als optischer Sensor ausgestaltete Sensor (215) belichtet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Erfassungszeitintervall (18) ein vorbestimmtes Relativverhältnis zu einem Ausgabezeitpunkt des Sensormesssignals und/oder eines Positionswerts an die Auswertungseinrichtung aufweist.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Mehrzahl der ausgegebenen Positionswerte abgespeichert wird, insbesondere unter Berücksichtigung eines jeweils dazugehörigen Ausgabezeitpunkts.
  6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Positionshauptwert aus einer Mittelung der ermittelten Positionswerte gebildet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei für das Ermitteln des Positionshauptwerts zusätzlich ein weiterer Positionswert ermittelt wird, der zu einem Zeitpunkt ausgegeben wurde, der denjenigen Positionswertausgabezeitpunkten vorausgeht oder nachfolgt, die den Erfassungszeitpunkt zwischen sich einschließen.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend: Zuordnen des Positionshauptwerts zu dem Sensorsignal, für das der Erfassungszeitpunkt bestimmt wurde; und/oder Ermitteln wenigstens einer Eigenschaft des Objekts auf Basis des Positionshauptwerts und des Sensorsignals, für das der Erfassungszeitpunkt bestimmt wurde.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln des Positionshauptwerts von einer gemäß einem Systemtakt betriebenen Auswertungseinrichtung (220) wie folgt ausgeführt wird: Definieren eines den Erfassungszeitpunkt enthaltenden Ermittlungsintervalls (22), welches die Dauer eines einzelnen Systemtaktintervalls oder ein ganzzahliges Vielfaches hiervon aufweist; Ermitteln von Positionswerten, die zu Zeitpunkten ausgeben wurden, welche wenigstens ein Zeitintervall (16) begrenzen, das sich mit dem Ermittlungsintervall (22) zumindest teilweise überschneidet; Ermitteln des Positionshauptwerts auf Basis der ermittelten Positionswerte.
  10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf Basis des oder der Sensorsignale eine Koordinatenbestimmung und/oder eine Dickenmessung erfolgt.
  11. Anordnung (100) zum Erfassen eines Objekts mittels eines bewegbaren Sensors (215), mit: einem Sensor (215), der relativ zu dem Objekt bewegbar ist; einem Positionsmesssystem, das dazu eingerichtet ist, eine momentane Position des Sensors (215) wiederholt zu ermitteln, und einer Auswertungseinrichtung (220), an die die ermittelte Position jeweils zu einem vorgegebenen oder bestimmbaren Zeitpunkt von dem Positionsmesssystem ausgegeben wird, wobei der Sensor (215) dazu eingerichtet ist, das Objekt wiederholt während der Dauer eines Erfassungszeitintervalls (18) zu erfassen und jeweils entsprechend den während des Erfassungszeitintervalls (18) erfassten Informationen wenigstens ein Signal an die Auswertungseinrichtung (220) auszugeben, und zwar jeweils zu einem vorgegebenen oder bestimmbaren Zeitpunkt, und wobei die Auswertungseinrichtung (220) dazu eingerichtet ist, für wenigstens eines der Erfassungszeitintervalle (18) folgendes auszuführen: Bestimmen eines Erfassungszeitpunkts, der innerhalb des Erfassungszeitintervalls (18) liegt; Ermitteln von Positionswerten, die zu Zeitpunkten ausgegeben wurden, welche den Erfassungszeitpunkt zwischen sich einschließen; und Ermitteln eines Positionshauptwerts auf Basis der ermittelten Positionswerte, der die von dem Sensor (215) zum Erfassungszeitpunkt eingenommene Position annähert.
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