DE102019211063B3 - Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von einer räumlichen Position und Orientierung eines Messobjekts - Google Patents

Messvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von einer räumlichen Position und Orientierung eines Messobjekts Download PDF

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Abstract

Es wird eine Messvorrichtung (110) zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts vorgeschlagen. Die Messvorrichtung (110) weist mindestens eine fasergebundene Beleuchtungsvorrichtung (114) und mindestens eine Lokalisierungseinheit (116) auf. Die Beleuchtungsvorrichtung (114) ist eingerichtet, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und der Lokalisierungseinheit (116) über mindestens eine Lichtleiterfaser (118) zuzuführen. Die Lokalisierungseinheit (116) weist mindestens eine dreipunkt-gelagerte Kugel (122) mit mindestens einer Zylinderlochbohrung (124) auf. Die fasergebundene Beleuchtungsvorrichtung (114) ist eingerichtet, das Messobjekt durch die Zylinderlochbohrung (124) zu beleuchten. Die Lokalisierungseinheit (116) weist mindestens eine Dreipunkt-Drehschwenkeinheit (128) auf, welche eingerichtet ist, die Kugel (122) an drei Punkten (126) bewegbar zu lagern und derart auszurichten, dass der Beleuchtungslichtstrahl das Messobjekt beleuchtet. Die Messvorrichtung (110) weist mindestens eine Distanzmessvorrichtung (150) auf, welche eingerichtet ist, um mindestens einen von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten, reflektierten Lichtstrahl durch die Zylinderlochbohrung (124) hindurch zu empfangen und mindestens ein distanzabhängiges Messsignal zu erzeugen.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere das Gebiet der Koordinatenmesstechnik.
  • Stand der Technik
  • Eine Qualifizierung von Koordinatenmessgeräten und Bearbeitungsmaschinen erfordert aufgrund Genauigkeitsanforderungen von typischerweise einstelligen Mikrometern sehr leistungsfähige Methoden für so genannte Genauigkeitsnachweise. Diese resultieren üblicherweise in einem erheblichem Aufwand, insbesondere maschinenbaulichen Aufwand.
  • Bekannte Verfahren und Vorrichtungen zur Bestimmung von Positionierfehlern eines großen Koordinatenmessgeräts verwenden so genannte Lasertracer. Beispielsweise kann ein Lasertracer mit einem Laserstrahl einen an einem Pinolenende montierten Retroreflektor verfolgen. Der Laserstrahl kann über eine Drehschwenkkinematik bestehend aus zwei gekreuzten Drehachsen nachgeführt werden. Der Abstand zum Retroreflektor kann interferometrisch gemessen werden. Derartige Technologien sind jedoch teuer, klobig und weisen nicht immer eine ausreichende Genauigkeit auf. Insbesondere können die Lasertracer groß, schwer und teuer sein. Weiter kann bei derartigen Aufbauten eine Realisierung von Drehfreiheitsgraden so genannte Singularitäten aufweisen. Ein Drehzentrum kann in Metallkonstruktion vorliegen.
  • DE 10 2017 202 029 A1 beschreibt eine Ermittlung von Komponentenabweichungen und drei Lageabweichungen einer dreiachsigen Maschine mit 14 Sendern, die ein Netz von 14 Strahlen aufspannen. Entlang der Strahlen werden Längenmessungen vorgenommen. Die Ergebnisse dieser Längenmessungen werden mit Positionsinformationen der Maschine verglichen und aus dem Vergleichsergebnis die geometrischen Abweichungen ermittelt.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Messvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts bereitzustellen, welche die Nachteile bekannter Vorrichtungen und Verfahren zumindest weitgehend vermeiden. Insbesondere soll eine Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mit hoher Genauigkeit, geringerer Komplexität und kostengünstiger erfolgen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Messvorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausgestaltungen, welche einzeln oder in Kombination realisierbar sind, sind in den abhängigen Ansprüchen dargestellt.
  • Im Folgenden werden die Begriffe „haben“, „aufweisen“, „umfassen“ oder „einschließen“ oder beliebige grammatikalische Abweichungen davon in nicht-ausschließlicher Weise verwendet. Dementsprechend können sich diese Begriffe sowohl auf Situationen beziehen, in welchen, neben dem durch diese Begriffe eingeführten Merkmal, keine weiteren Merkmale vorhanden sind, oder auf Situationen, in welchen ein oder mehrere weitere Merkmale vorhanden sind. Beispielsweise kann sich der Ausdruck „A hat B“, „A weist B auf“, „A umfasst B“ oder „A schließt B ein“ sowohl auf die Situation beziehen, in welcher, abgesehen von B, kein weiteres Element in A vorhanden ist (d.h. auf eine Situation, in welcher A ausschließlich aus B besteht), als auch auf die Situation, in welcher, zusätzlich zu B, ein oder mehrere weitere Elemente in A vorhanden sind, beispielsweise Element C, Elemente C und D oder sogar weitere Elemente.
  • Weiterhin wird darauf hingewiesen, dass die Begriffe „mindestens ein“ und „ein oder mehrere“ sowie grammatikalische Abwandlungen dieser Begriffe oder ähnliche Begriffe, wenn diese in Zusammenhang mit einem oder mehreren Elementen oder Merkmalen verwendet werden und ausdrücken sollen, dass das Element oder Merkmal einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann, in der Regel lediglich einmalig verwendet werden, beispielsweise bei der erstmaligen Einführung des Merkmals oder Elementes. Bei einer nachfolgenden erneuten Erwähnung des Merkmals oder Elementes wird der entsprechende Begriff „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ in der Regel nicht mehr verwendet, ohne Einschränkung der Möglichkeit, dass das Merkmal oder Element einfach oder mehrfach vorgesehen sein kann.
  • Weiterhin werden im Folgenden die Begriffe „vorzugsweise“, „insbesondere“, „beispielsweise“ oder ähnliche Begriffe in Verbindung mit optionalen Merkmalen verwendet, ohne dass alternative Ausführungsformen hierdurch beschränkt werden. So sind Merkmale, welche durch diese Begriffe eingeleitet werden, optionale Merkmale, und es ist nicht beabsichtigt, durch diese Merkmale den Schutzumfang der Ansprüche und insbesondere der unabhängigen Ansprüche einzuschränken. So kann die Erfindung, wie der Fachmann erkennen wird, auch unter Verwendung anderer Ausgestaltungen durchgeführt werden. In ähnlicher Weise werden Merkmale, welche durch „in einer Ausführungsform der Erfindung“ oder durch „in einem Ausführungsbeispiel der Erfindung“ eingeleitet werden, als optionale Merkmale verstanden, ohne dass hierdurch alternative Ausgestaltungen oder der Schutzumfang der unabhängigen Ansprüche eingeschränkt werden soll. Weiterhin sollen durch diese einleitenden Ausdrücke sämtliche Möglichkeiten, die hierdurch eingeleiteten Merkmale mit anderen Merkmalen zu kombinieren, seien es optionale oder nicht-optionale Merkmale, unangetastet bleiben.
  • In einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Messvorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts vorgeschlagen. Die Messvorrichtung weist mindestens eine fasergebundene Beleuchtungsvorrichtung und mindestens eine Lokalisierungseinheit auf. Die Beleuchtungsvorrichtung ist eingerichtet, um mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und der Lokalisierungseinheit über mindestens eine Lichtleiterfaser zuzuführen. Die Lokalisierungseinheit weist mindestens eine dreipunkt-gelagerte Kugel mit mindestens einer Zylinderlochbohrung auf. Die fasergebundene Beleuchtungsvorrichtung ist eingerichtet, um das Messobjekt durch die Zylinderlochbohrung zu beleuchten. Die Lokalisierungseinheit weist mindestens eine Dreipunkt-Drehschwenkeinheit auf, welche eingerichtet ist, die Kugel an drei Punkten bewegbar zu lagern und derart auszurichten, dass der Beleuchtungslichtstrahl das Messobjekt beleuchtet. Die Messvorrichtung weist mindestens eine Distanzmessvorrichtung auf, welche eingerichtet ist, um mindestens einen von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten, reflektierten Lichtstrahl durch die Zylinderlochbohrung hindurch zu empfangen und mindestens ein distanzabhängiges Messsignal zu erzeugen.
  • Unter einem „Messobjekt“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebig geformtes zu vermessendes Objekt verstanden werden. Beispielsweise kann das Messobjekt ein Messkopf eines Sensors oder ein Werkzeug sein, mit welchem ein Bauteil abgetastet werden kann. Das Messobjekt kann mindestens einen Retroreflektor aufweisen. Am Messobjekt kann der mindestens eine Retroreflektor angeordnet sein. Der Abstand zwischen Retroreflektor und Lokalisierungseinheit kann die Strecke definieren, deren Länge und/oder Längenänderung gemessen werden soll. Unter einem „Retroreflektor“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche einen Lichtstrahl in diejenige Richtung reflektiert, aus der der Lichtstrahl eingetroffen ist. Beispielsweise kann der Retroreflektor ein Marker sein. Beispielsweise kann der Retroreflektor ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Katzenauge; einem Katzenauge mit Reflektionsschicht; einem Marker beschrieben in US 2011/0007326 A1 , US 2013/0050410 A1 oder US 2017/0258531 A1 , deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird; einem Würfelprisma; einem cornercube. Beispielsweise kann das Messobjekt ein Ende einer Pinole eines Koordinatenmessgeräts sein und der Retroreflektor an diesem Ende angeordnet sein.
  • Unter einer „Messvorrichtung“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, die mindestens eine räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen. Die Bestimmung der räumlichen Position und der Orientierung kann in einem Koordinatensystem erfolgen, beispielsweise einem kartesischen Koordinatensystem oder einem Kugelkoordinatensystem. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann in einem Punkt der Vorrichtung sein.
  • Unter einer „räumlichen Position“ kann ein dreidimensionaler Punkt (X, Y, Z) in dem Koordinatensystem verstanden werden, insbesondere eine Lage des Messobjekts. Die räumliche Position kann durch die Ortskoordinaten X, Y und Z definiert sein. Unter einer „Orientierung“ kann eine Lage im Raum, insbesondere eine Rotation, des Messobjekts verstanden werden, insbesondere eine Winkelposition. Die Orientierung kann durch mindestens drei Winkel angegeben werden, beispielsweise Eulerwinkel oder Neigungswinkel, Rollwinkel und Gierwinkel. Die räumliche Position und Orientierung des Messobjektes kann zusammen auch als sechsdimensionale Information oder 6D-Information bezeichnet werden.
  • Unter einer „Beleuchtungsvorrichtung“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung verstanden werden, welche mindestens eine Lichtquelle aufweist, welche eingerichtet ist, einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen. Die Lichtquelle kann beispielsweise mindestens eine Laserquelle sein. Unter einem „Beleuchtungslichtstrahl“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiger Lichtstrahl verstanden werden, welcher emittiert und/oder ausgesandt wird, um den Retroreflektor zu beleuchten. Insbesondere kann es sich bei dem Beleuchtungslichtstrahl um einen von einer der Lokalisierungseinheiten zur Beleuchtung eines der Retroreflektoren erzeugten Lichtstrahl handein. Unter „Licht“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung elektromagnetische Strahlung in mindestens einem Spektralbereich ausgewählt aus dem sichtbaren Spektralbereich, dem ultravioletten Spektralbereich und dem Infraroten Spektralbereich verstanden werden. Der Begriff sichtbarer Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 380 nm bis 780 nm. Der Begriff Infraroter (IR) Spektralbereich umfasst grundsätzlich einen Bereich von 780 nm bis 1000 µm, wobei der Bereich von 780 nm bis 1.4 µm als nahes Infrarot (NIR), und der Bereich von 15 µm bis 1000 µm als fernes Infrarot (FIR) bezeichnet wird. Der Begriff ultraviolett umfasst grundsätzlich einen Spektralbereich von 100 nm bis 380 nm. Unter einem „Lichtstrahl“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine Lichtmenge verstanden werden, welche in eine bestimmte Richtung emittiert und/oder ausgesandt wird.
  • Unter einer „fasergebundenen Beleuchtungsvorrichtung“ kann eine Beleuchtungsvorrichtung verstanden werden, welche mindestens eine Lichtleiterfaser aufweist. Die Lichtleiterfaser ist eingerichtet, den Beleuchtungslichtstrahl der Lokalisierungseinheit zuzuführen. Die Lichtleiterfaser kann eingerichtet sein, den Beleuchtungslichtstrahl von der Lichtquelle zu der Lokalisierungseinheit zu transportieren. Unter einer „Lichtleiterfaser“ kann ein Lichtleiter umfassend mindestens eine optische Faser verstanden werden. Die Lichtleiterfaser kann mindestens eine Monomodefaser und/oder mindestens eine Multimodefaser aufweisen. Die Messvorrichtung kann eine Mehrzahl von Lokalisierungseinheiten aufweisen. Die Lichtleiterfaser kann austauschbar an die Lokalisierungseinheiten anbringbar sein. Beispielsweise können die Lokalisierungseinheiten jeweils mindestens eine Kopplungsvorrichtung aufweisen, welche eingerichtet ist, die Lichtleiterfaser aufzunehmen, insbesondere die Lichtleiterfaser an die Lokalisierungseinheit einzustöpseln. Die vorgeschlagene Verwendung einer fasergebundenen Beleuchtung ermöglicht so ein einfaches Umverteilen der Beleuchtung und somit eine vereinfachte Vermessung des Messobjekts aus verschiedenen räumlichen Positionen.
  • Unter einer „Lokalisierungseinheit“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, mindestens eine Lokalisierungsinformation zu erzeugen. Die Lokalisierungsinformation kann ausgewählt sein aus mindestens einer Information aus der Gruppe bestehend aus: einem Messsignal in Abhängigkeit vom Ort des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektors; einer Information über einen Abstand des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektors zu der Lokalisierungseinheit; einer Information über eine Entfernung des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektors zu der Lokalisierungseinheit; einer Information über eine relative Lage des von der Lokalisierungseinheit beleuchteten Retroreflektors zu der Lokalisierungseinheit; und einer Information über eine Längenänderung.
  • Die Lokalisierungseinheit weist mindestens eine dreipunkt-gelagerte Kugel mit mindestens einer Zylinderlochbohrung auf. Unter einer „Kugel“ kann ein im Wesentlichen gleichmäßig gerundeter, geometrischer Körper verstanden werden, wobei Abweichungen von weniger als 2% von einer gleichmäßigen Rundung, bevorzugt von weniger als 1% von einer gleichmäßigen Rundung möglich sind. Vorzugsweise können Rundheitsabweichungen der Kugel, insbesondere eine Verlagerung des Kugelmittelpunktes bei Schwenken der Kugel in der Dreipunkt-Lagerung, im Submikrometerbereich liegen und/oder können im Submikrometerbereich kalibrierbar sein. Unter einer „Zylinderlochbohrung“ kann eine Bohrung verstanden werden, welche zylinderförmig durch die Kugel verläuft, insbesondere durch einen Kugelmittelpunkt. Die Zylinderlochbohrung kann eine Höhe h = 2R aufweisen, wobei R der Kugelradius ist. Die Zylinderlochbohrung kann weiter eine kreisförmige Grundfläche mit Radius rLoch aufweisen. Die fasergebundene Beleuchtungsvorrichtung ist eingerichtet, das Messobjekt durch die Zylinderlochbohrung zu beleuchten. Insbesondere kann die Lichtleiterfaser in die Zylinderlochbohrung einbringbar sein.
  • Unter einer „dreipunkt-gelagerten Kugel“ kann eine Kugel verstanden werden, welche an drei verschiedenen Punkten auf einer Oberfläche der Kugel bewegbar gelagert ist. Unter „bewegbar gelagert“ kann eine Lagerung verstanden werden, welche eine Ausrichtung der Kugel, insbesondere der Zylinderlochbohrung, in eine beliebige Translations- und/oder Rotationsposition ermöglicht. Die Kugel kann dabei drei Translationsfreiheitsgrade und drei Rotationsfreiheitsgrade aufweisen, welche mittels der Lagerung einstellbar sind. Die Lokalisierungseinheit weist mindestens eine Dreipunkt-Drehschwenkeinheit auf. Unter einer „Drehschwenkeinheit“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, die Kugel um mindestens eine Rotationsachse zu drehen und entlang mindestens einer Translationsachse zu bewegen. Die Drehschwenkeinheit kann eingerichtet sein, die drei Translationsfreiheitsgrade und drei Rotationsfreiheitsgrade der Kugel einzustellen. Der Beleuchtungslichtstrahl für die Messung der Position und Orientierung des Messobjekts kann über ein Drehen und/oder Schwenken der Kugel auf den Retroreflektor ausgerichtet werden, beispielsweise um eine Bewegung des Retroreflektors nachzuverfolgen, insbesondere zu tracken. Die Dreipunkt-Drehschwenkeinheit kann mindestens drei Halterungen und/oder Anbindungen aufweisen, welche eingerichtet sind, die Kugel an die Dreipunkt-Drehschwenkeinheit anzubinden, insbesondere die Kugel an den drei verschiedenen Punkten auf der Kugeloberfläche zu halten.
  • Die Dreipunkt-Drehschwenkeinheit kann eingerichtet sein, keine Singularitäten aufzuweisen, so dass die Kugel aus einer beliebigen Winkelposition in eine beliebige Richtung schwenkbar ist.
  • Die Dreipunkt-Drehschwenkeinheit kann beispielsweise mindestens eine Parallelkinematik aufweisen, insbesondere einen so genannten Sphärischen Parallelmanipulator. Unter einer „Parallelkinematik“, auch als parallelkinematisches Mehrachssystem bezeichnet, kann eine Vorrichtung verstanden werden, bei welcher alle an der Positionierung der Kugel beteiligten Aktoren auf eine gemeinsame Plattform, hier als Statorplatte bezeichnet, wirken. Die Parallelkinematik kann mindestens eine Statorplatte aufweisen. Die Parallelkinematik kann mindestens drei Antriebsstränge, insbesondere drei parallele und rotationssymmetrische Antriebsstränge aufweisen. Die Antriebsstränge können jeweils mindestens einen Motor, auch Antriebsmotor genannt, und mindestens ein doppeltes Rotationskoppelgelenk aufweisen. Der jeweilige Motor kann eingerichtet sein, das jeweilige doppelte Rotationskoppelgelenk anzutreiben. Unter einem „Rotationskoppelgelenk“ kann ein Rotationsgelenk umfassend zwei Koppelstangen verstanden werden, welche gegeneinander drehbar gelagert sind. Beispielsweise kann eine erste Koppelstange des Rotationskoppelgelenks mit dem Motor verbunden sein und eine zweite Koppelstange des Rotationskoppelgelenks mit der Kugel verbunden sein, wobei die erste Koppelstange und die zweite Koppelstange über ein Rotationsgelenk zueinander drehbar gelagert sind. Unter einem „doppelten“ Rotationskoppelgelenk kann verstanden werden, dass die erste Koppelstange drehbar zu dem Motor und/oder die zweite Koppelstange drehbar an der Kugel gelagert sind. Die Statorplatte und die drei Punkte auf der Kugeloberfläche können über die doppelten Rotationskoppelgelenke und deren jeweiligen Motor miteinander verbunden sein. Insbesondere kann die Statorplatte mit der Kugel nur über die doppelten Rotationskoppelgelenke und deren jeweiligen Motor verbunden sein. Die Parallelkinematik kann eingerichtet sein, dass, ganz gleich um welche kartesische Achse der Motor gedreht wird, die bewegte Masse aufgrund des parallelen Aufbaus der Parallelkinematik immer dieselbe ist. Lediglich die Massenträgheiten können sich leicht unterscheiden, je nachdem um welche kartesische Achse gedreht wird. Der Unterschied der Massenträgheiten kann jedoch bei Weitem geringer sein als bei einem traditionellen, seriellen Aufbau der Kinematik. Die Parallelkinematik kann eingerichtet sein, dass sich alle drei Rotationsachsen der doppelten Rotationskoppelgelenke in einem Punkt, dem Rotationspunkt, schneiden. Eine abtriebsseitige Drehung ganz gleich um welche Raumachse kann als reine Drehbewegung um ein und denselben Punkt beschrieben werden. Die Parallelkinematik kann eingerichtet sein, dass keine zusätzlichen translatorischen Anteile bei einer Drehbewegung auftreten. Der Rotationspunkt kann dabei als der Schnittpunkt der Rotationsachsen der Antriebsmotoren definiert sein. Die Antriebsstränge können derart rotationssymmetrisch zueinander angeordnet sein, dass sich der Rotationspunkt im Zentrum der Statorplatte befindet. Auch andere Anbindungen und Ausrichtungen der Kugel sind denkbar. Beispielsweise kann die Anbindung und Ausrichtung magnetisch erfolgen. Beispielsweise kann die Kugel mindestens drei Permanentmagneten aufweisen. Die Dreipunkt-Drehschwenkeinheit kann beispielsweise mindestens drei Spulen aufweisen, welche eingerichtet sind, ein Spulenfeld zu erzeugen, derart dass die Permanentmagneten in der Kugel von dem Spulenfeld verschoben werden und die Kugel ausrichten. Beispielsweise kann die Anbindung und Ausrichtung mechanisch erfolgen, beispielsweise unter Verwendung von Pleuelstangen und/oder mechanischen Federn und/oder Getrieben. Beispielsweise könnte ein Antrieb der Kugel analog zu Kugel-Computer-Mäusen ausgestaltet sein. Beispielsweise könnte mit Reibrädern, deren Drehachsen schwenkbar gegen die Ebene bzw. in der Ebene der Dreipunkt-Lagerung sind, eine Ausrichtungsänderung der Kugellängsbohrung in beliebige Richtungen möglich sein.
  • Die Kugel kann mindestens eine integrierte Austritts- und Eintrittsoptik aufweisen. Unter einer „Austritts- und Eintrittsoptik“ kann mindestens ein optisches Element verstanden werden, welches eingerichtet ist, den Beleuchtungslichtstrahl aus der Lichtleiterfaser auszukoppeln und/oder auf den Retroreflektor zu fokussieren und/oder den von dem Retroreflektor reflektierten Lichtstrahl in die optische Lichtleiterfaser einzukoppeln. Die Austritts- und Eintrittsoptik kann mindestens ein Linsenelement sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Austritts- und Eintrittsoptik in die Lichtleiterfaser integriert sein.
  • Die Messvorrichtung weist mindestens eine Distanzmessvorrichtung auf, welche eingerichtet ist, um mindestens einen von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten, reflektierten Lichtstrahl durch die Zylinderlochbohrung hindurch zu empfangen und mindestens ein distanzabhängiges Messsignal zu erzeugen. Unter einem „Messsignal“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges, insbesondere ein elektrisches Signal verstanden werden, beispielsweise eine Spannung oder ein Strom, welches gemäß dem reflektierten, empfangenen Lichtstrahl oder unter Verwendung des reflektierten, empfangenen Lichtstrahls von der Distanzvorrichtung erzeugt wurde. Die Lichtleiterfaser kann eingerichtet sein, um den von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten, reflektierten Lichtstrahl durch die Zylinderlochbohrung hindurch zu empfangen und der Distanzmessvorrichtung zuzuführen. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich. Beispielsweise kann die Distanzvorrichtung, bei entsprechend großer Kugel, auch in die Kugel selbst integriert sein.
  • Die Distanzmessvorrichtung kann mindestens eine Vorrichtung aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Interferometer; mindestens einer Lidar-Einheit; und mindestens einem Frequenzkamm-System.
  • Das Interferometer kann beispielsweise mindestens ein Michelson-Interferometer und/oder mindestens ein Weißlichtinterferometer aufweisen. Das Interferometer kann als ein schnelles Interferometer ausgestaltet sein. Insbesondere kann das Interferometer eingerichtet sein mit hoher Rate, vorzugsweise im MHz Bereich, auch Objekte bzw. Retroreflektoren in Bewegung zu messen. Wie oben ausgeführt kann die Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet sein, den mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und den Retroreflektor zu beleuchten. Die Messvorrichtung kann eingerichtet sein, den von dem Retroreflektor reflektierten Lichtstrahl dem Interferometer zuzuführen, beispielsweise unter Verwendung der Lichtleiterfaser. Das Interferometer kann mindestens einen Referenzstrahlengang aufweisen und kann eingerichtet sein, den von dem Retroreflektor reflektierten Lichtstrahl und einen Referenzstrahl zu überlagern. Die Messvorrichtung kann weiterhin eine Auswerteeinheit aufweisen, welche eingerichtet ist, aus den überlagerten Strahlen die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen. Derartige Auswerteverfahren sind dem Fachmann bekannt. Durch Änderung der Ausrichtung der Lokalisierungseinheit entlang mindestens einer weiteren Translations- und/oder Rotationsachse können weitere Koordinaten des Messobjekts auf die beschriebene Weise bestimmt werden.
  • Die Lidar-Einheit kann mindestens einen Lidar-Sensor aufweisen. Unter einem „Lidar-Sensor“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung verstanden werden, welche auf dem LIDAR („light detection and ranging“)-Messprinzip, auch LADAR (laser detection and ranging) genannt, basiert. Insbesondere kann der Lidar-Sensor eingerichtet sein, einen von dem Messobjekt reflektierten Lichtstrahl zu empfangen und daraus einen Abstand zwischen dem Lidar-Sensor und dem Retroreflektor zu bestimmen, beispielsweise unter Ausnutzung von Unterschieden in den Rücklaufzeiten und Wellenlängen. Bevorzugt kann die Distanzmessvorrichtung einen FMCW-Lidar-Sensor aufweisen. Hierbei steht „FMCW“ als Abkürzung für den englischen Ausdruck „Frequency Modulated Continuous Wave“. Die Beleuchtungsvorrichtung kann eingerichtet sein, den Lichtstrahl zu erzeugen, dessen Frequenz nach dem FMCW-Verfahren kontinuierlich durchgestimmt wird. Beispielsweise kann die Frequenz des Lichtstrahls linear mit der Zeit moduliert sein. Eine Kombination von Lidar-Verfahren und FMCW-Verfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus Chip-scale Lidar, Benham Behroozpur Baghmisheh, Technical Report No. UCB/EECS.2017-4. Beispielsweise kann die Lidar-Einheit wie in US 9,559,486 B2 , US 8,913,636 B2 oder US 2016/123718 A1 ausgestaltet sein. FMCW-Lidar-Sensoren sind gegenüber Lasertracern robuster und kostengünstiger. Des Weiteren können die FMCW-Lidar-Sensoren unempfindlich gegen so genannte line-of-sight-Unterbrechungen sein, da es sich um absolute Messsysteme handelt. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, aus den Messsignalen des Lidar-Sensors die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen. Derartige Auswerteverfahren sind dem Fachmann bekannt. Durch Änderung der Ausrichtung der Lokalisierungseinheit entlang mindestens einer weiteren Translations- und/oder Rotationsachse können weitere Koordinaten des Messobjekts auf die beschriebene Weise bestimmt werden.
  • Das Frequenzkamm-System kann mindestens einen Frequenzkammgenerator umfassen. Unter einem „Frequenzkammgenerator“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist zu mindestens einer Frequenzmessung. Die Beleuchtungsvorrichtung kann mindestens eine duale Frequenzkammquelle umfassen. Unter einer „Frequenzkammquelle“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Quelle, insbesondere eine Laserquelle, verstanden werden, welche eingerichtet ist, den mindestens einen Frequenzkamm zu erzeugen. Der Frequenzkamm kann eine Mehrzahl von Moden aufweisen, welche einen im Wesentlichen konstanten Abstand zueinander aufweisen. Beispielsweise kann in den modengekoppelten Lasern der Frequenzabstand der Moden streng konstant sein, wobei Phasenfluktuationen möglich sind. Die Beleuchtungsvorrichtung kann eingerichtet sein, mindestens ein erstes Frequenzkammsignal und mindestens ein zweites Frequenzkammsignal zu erzeugen. Die Ausdrücke „erstes“ und „zweites“ geben hierbei keine Auskunft über eine Reihenfolge oder ob weitere Signale vorgesehen sind. Unter einem „Frequenzkammsignal“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Lichtsignal umfassend einen Pulszug verstanden werden. Der Pulszug kann eine Mehrzahl von Pulswiederholungen des Frequenzkamms aufweisen. Unter einer „duale Frequenzkammquelle“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Quelle verstanden werden, welche eingerichtet ist, um mindestens zwei Frequenzkammsignale zu erzeugen, insbesondere gleichzeitig. Die duale Frequenzkammquelle kann zwei integrierte Continuous wave (CW) LASER-Quellen aufweisen. Das erste Frequenzkammsignal und das zweite Frequenzkammsignal können dissipative Kerr Soliton (DKS) Frequenzkammsignale sein. Die duale Frequenzkammquelle kann mindestens zwei Mikroresonatoren aufweisen, insbesondere Siliziumnitrid (Si3N4) Mikroresonatoren. Die Continuous wave (CW) LASER-Quellen können eingerichtet sein, die Mikroresonatoren zu pumpen. Die Mikroresonatoren können eingerichtet sein, die DKS Frequenzkammsignale zu erzeugen. Die duale Frequenzkammquelle kann weiterhin mindestens einen Verstärker aufweisen, insbesondere einen Erbium-dotierten Faserverstärker. Das erste Frequenzkammsignal und das zweite Frequenzkammsignal können einen gleichen Wellenlängenbereich oder einen unterschiedlichen Wellenlängenbereich aufweisen. Beispielsweise können das erste Frequenzkammsignal und das zweite Frequenzkammsignal Frequenzen im Bereich von 150 bis 500 THz aufweisen. Beispielsweise können das erste Frequenzkammsignal und das zweite Frequenzkammsignal Laserwellenlängen um 1300 nm, oder auch um 1100 nm aufweisen. Das erste Frequenzkammsignal und das zweite Frequenzkammsignal können zumindest teilweise einen spektralen Überlapp aufweisen, so dass eine Schwebung entsteht. Das Frequenzkamm-System kann mindestens einen Messdetektor und mindestens einen Referenzdetektor aufweisen. Unter einem „Messdetektor“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebiger Detektor verstanden werden, welcher eingerichtet ist, ein einfallendes Eingangslichtsignal zu detektieren. Unter einem „Referenzdetektor“ kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein beliebiger Detektor verstanden werden, welcher eingerichtet ist, ein einfallendes Eingangslichtsignal zu detektieren. Das „Eingangslichtsignal“ kann ein einfallender Lichtstrahl verstanden werden. Unter „detektieren“ kann ein Erfassen und/oder Aufzeichnen verstanden werden. Der Messdetektor und der Referenzdetektor können identisch ausgestaltet sein. Der Messdetektor und der Referenzdetektor können beispielsweise jeweils mindestens einen Photodetektor aufweisen. Die Bezeichnung „Messdetektor“ kennzeichnet hierbei den Detektor, welcher eingerichtet ist, einen von dem Messobjekt reflektierten Lichtstrahl zu detektieren. Die Bezeichnung „Referenzdetektor“ kennzeichnet hierbei den Detektor, welcher eingerichtet ist, mindestens einen Referenzstrahl zu detektieren. Die Distanzmessvorrichtung kann mindestens einen photonisch integrierten Schaltkreis aufweisen. Der photonisch integrierte Schaltkreis kann eingerichtet sein, um das erste Frequenzkammsignal in mindestens ein erstes Messsignal und mindestens ein erstes Referenzsignal und das zweite Frequenzkammsignal in mindestens ein zweites Messsignal und mindestens ein zweites Referenzsignal aufzuteilen. Der photonisch integrierte Schaltkreis kann mindestens einen ersten faserbasierten Signalteiler aufweisen, welcher eingerichtet ist, das erste Frequenzkammsignal in das erste Messsignal und das erste Referenzsignal aufzuteilen. Der photonisch integrierte Schaltkreis kann mindestens einen zweiten faserbasierten Signalteiler aufweisen, welcher eingerichtet ist, um das zweite Frequenzkammsignal in das zweite Messsignal und das zweite Referenzsignal aufzuteilen. Der photonisch integrierte Schaltkreis kann eingerichtet sein, das erste Messsignal zu einer Koppelvorrichtung der Distanzmessvorrichtung, insbesondere zu der Austritts- und Eintrittsoptik, zu leiten, um das Messobjekt mit dem ersten Messsignal zu beleuchten. Die Koppelvorrichtung kann eingerichtet sein, das von dem Messobjekt reflektierte erste Messsignal in den photonisch integrierten Schaltkreis einzukoppeln. Unter einer „Koppelvorrichtung“ kann eine Vorrichtung verstanden werden, welche eingerichtet ist, ein Lichtsignal aus dem photonisch integrierten Schaltkreis, insbesondere einen Lichtleiter des photonisch integrierten Schaltkreises, ein- und auszukoppeln. Die Koppelvorrichtung kann mindestens eine Mikrolinse aufweisen. Die Mikrolinse kann eingerichtet sein, das erste Messsignal zu dem Messobjekt zu kollimieren. Der photonisch integrierte Schaltkreis ist eingerichtet, um das reflektierte erste Messsignal zu dem Messdetektor zu leiten. Hierzu können ein oder mehrere Lichtleiter vorgesehen sein, welche eingerichtet sind, das erste Messsignal von der Koppelvorrichtung zu dem Messdetektor zu leiten. Der photonisch integrierte Schaltkreis ist eingerichtet, um das erste Referenzsignal zu dem Referenzdetektor zu leiten. Zwischen dem ersten faserbasierten Signalteiler und dem Referenzdetektor können zu diesem Zweck ein oder mehrere Lichtleiter vorgesehen sein. Der photonisch integrierte Schaltkreis ist eingerichtet, um das zweite Messsignal zu dem Messdetektor zu leiten. Zwischen dem zweiten faserbasierten Signalteiler und dem Messdetektor können zu diesem Zweck ein oder mehrere Lichtleiter vorgesehen sein. Der photonisch integrierte Schaltkreis ist eingerichtet, um das zweite Referenzsignal zu dem Referenzdetektor zu leiten. Zwischen dem zweiten faserbasierten Signalteiler und dem Referenzdetektor können zu diesem Zweck ein oder mehrere Lichtleiter vorgesehen sein. Der Messdetektor und der Referenzdetektor können eingerichtet sein, in Antwort auf die einfallenden Lichtsignale jeweils mindestens ein elektrisches Signal zu erzeugen. Der Messdetektor und der Referenzdetektor können jeweils mindestens einen Verstärker aufweisen, welcher eingerichtet ist, die elektrischen Signale zu verstärken. Der Messdetektor und der Referenzdetektor können eingerichtet sein zu einer multi-heterodynen Detektion. Der Messdetektor kann eingerichtet sein, das erste Messsignal und das zweite Messsignal zu überlagern. So kann ein zu vermessendes Signal, das erste Messsignal, mit einem Signal, dem zweiten Messsignal, mit bekanntem spektralen Intensitätsprofil überlagert werden. Das erste Messsignal und das zweite Messsignal können leicht verschiedene Frequenzen aufweisen, so dass bei einer Überlagerung des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals so genannte „Beats“ erzeugt werden. Der Referenzdetektor kann eingerichtet sein, das erste Referenzsignal und das zweite Referenzsignal zu überlagern. Das erste Referenzsignal und das zweite Referenzsignal können leicht verschiedene Frequenzen aufweisen, so dass bei einer Überlagerung des ersten Referenzsignals und des zweiten Referenzsignals Beats erzeugt werden. Aus einem Vergleich der mit dem Messdetektor und dem Referenzdetektor detektierten Beatspektren kann eine Koordinate des Messobjekts bestimmt werden, insbesondere ein Abstand zu diesem. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, um die jeweils von dem Messdetektor und dem Referenzdetektor detektieren Eingangslichtsignale auszuwerten und mindestens ein Frequenzspektrum der jeweiligen Eingangssignale zu erzeugen. Aus einem Vergleich des mit dem Messdetektor erfassten Frequenzspektrums und des mit dem Referenzdetektor erfassten Frequenzspektrums ist mindestens eine Koordinate des Messobjekts, insbesondere ein Abstand zwischen der Lokalisierungseinheit und dem Messobjekt, bestimmbar. Durch Änderung der Ausrichtung der Lokalisierungseinheit entlang mindestens einer weiteren Translations- und/oder Rotationsachse können weitere Koordinaten des Messobjekts auf die beschriebene Weise bestimmt werden.
  • Wie oben und weiter unten beschrieben kann die Messvorrichtung weiterhin die mindestens eine Auswerteeinheit aufweisen, welche eingerichtet ist, aus den Messsignalen der Distanzmessvorrichtung die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen. Die Auswerteeinheit kann beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller umfassen. Die Auswerteeinheit kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Auswerteeinheit beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um die Distanzmessvorrichtung anzusteuern. Die Auswerteeinheit kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur und/oder ein Bedienpult. Die Auswerteeinheit kann mindestens einen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) aufweisen, welcher eingerichtet ist, um die von der Distanzmessvorrichtung generierten elektrischen Signale aufzunehmen. Die Auswerteeinheit kann mindestens ein Field-Programmable-Gate-Array (FPGA) aufweisen, welches eingerichtet ist, die von dem ADC aufgenommenen Signale auszuwerten.
  • Die Messvorrichtung kann mindestens eine Strahlstabilisierungseinheit aufweisen. Die Messvorrichtung kann mindestens einen Strahlteiler aufweisen, welcher in der Zylinderbohrung angeordnet ist und eingerichtet ist, den von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten, reflektierten Lichtstrahl zumindest teilweise zu der Strahlstabilisierungseinheit zu führen. Die Strahlstabilisierungseinheit kann mindestens eine pixelierte Bilderfassungsvorrichtung aufweisen. Die Strahlstabilisierungseinheit kann mindestens ein Position Sensitive Device (PSD) aufweisen. Das PSD kann mindestens ein Element aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einer Quadrantendiode; mindestens einer abbildenden und/oder beugenden Optik.
  • Die Messvorrichtung kann eine Mehrzahl von Dreipunkt-Drehschwenkeinheiten aufweisen. Beispielsweise kann die Messvorrichtung eine Multilaterationsplattform aufweisen. Diese können eine hohe Genauigkeit erreichen. Die Dreipunkt-Drehschwenkeinheiten können in einer keramischen Platte und/oder keramischen Rahmenkonstruktion angeordnet sein. So kann eine temperaturinvariante und/oder temperaturstabile Implementierung möglich sein. Keramik besitzt zudem günstige Festigkeit zu Gewichtsverhältnisse. Die keramische Platte kann an drei Punkten bewegbar gelagert sein. Insbesondere kann die keramische Platte selbst dreipunkt-gelagert als Gesamtvorrichtung in Maschinen zu deren Vermessung und/oder Regelung eingebracht werden. Eine Nutzung von einer faserbasierter Beleuchtungsvorrichtung erlaubt zudem eine deutlich vereinfachte Umverteilung der Lokalisierungseinheiten. Zudem kann die Drehschwenkeinheit kostengünstig realisiert werden, so dass deutlich mehr Lokalisierungseinheiten vorgesehen werden können, als Interferometer zur Verfügung stehen. So können sich Lokalisierungseinheiten Interferometer, insbesondere Auswerteeinheiten teilen. Abhängig bin einer Größe des zu vermessenden Volumens können die Lichtleiterfasern an unterschiedliche Schwenkpositionen an die Lokalisierungseinheiten angeschlossen werden.
  • In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Vermessung mindestens eines Messobjekts mit einer Messvorrichtung gemäß einer der weiter oben beschriebenen oder gemäß einer der weiter unten noch ausgeführten Ausführungsformen vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
    1. a) Erzeugen mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls mit mindestens einer fasergebundenen Beleuchtungsvorrichtung;
    2. b) Zuführen des Beleuchtungslichtstrahls zu mindestens einer Lokalisierungseinheit über mindestens eine Lichtleiterfaser, wobei die Lokalisierungseinheit mindestens eine dreipunkt-gelagerte Kugel mit mindestens einer Zylinderlochbohrung aufweist,
    3. c) Ausrichten der Kugel mit mindestens einer Dreipunkt-Drehschwenkeinheit, welche eingerichtet ist, die Kugel an drei Punkten bewegbar zu lagern und auszurichten, derart dass der Beleuchtungslichtstrahl das Messobjekt beleuchtet, und Beleuchten des Messobjekts durch die Zylinderlochbohrung;
    4. d) Empfangen mindestens eines von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten, reflektierten Lichtstrahls durch die Zylinderlochbohrung hindurch mit mindestens einer Distanzmessvorrichtung und Erzeugen mindestens eines distanzabhängigen Messsignals.
  • Hinsichtlich Ausführungsformen und Definitionen kann auf obige Beschreibung der Messvorrichtung verwiesen werden. Die Verfahrensschritte können in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden, wobei einer oder mehrere der Schritte zumindest teilweise auch gleichzeitig durchgeführt werden können und wobei einer oder mehrere der Schritte mehrfach wiederholt werden können. Darüber hinaus können weitere Schritte unabhängig davon, ob sie in der vorliegenden Anmeldung erwähnt werden oder nicht, zusätzlich ausgeführt werden.
  • Ferner wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm vorgeschlagen, das bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das erfindungsgemäße Verfahren, insbesondere die Verfahrensschritte c) und d) in einer seiner Ausgestaltungen ausführt.
  • Weiterhin wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird. Insbesondere können die Programmcode-Mittel auf einem computerlesbaren Datenträger und/oder einem computerlesbaren Speichermedium gespeichert sein.
  • Der Begriffe „computerlesbarer Datenträger“ und „computerlesbares Speichermedium“, wie sie hier verwendet werden, können sich insbesondere auf nicht-transitorische Datenspeicher beziehen, beispielsweise ein Hardware-Datenspeichermedium, auf welchem computer-ausführbare Instruktionen gespeichert sind. Der computerlesbare Datenträger oder das computerlesbare Speichermedium können insbesondere ein Speichermedium wie ein Random-Access Memory (RAM) und/oder ein Read-Only Memory (ROM) sein oder umfassen.
  • Außerdem wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Datenträger vorgeschlagen, auf dem eine Datenstruktur gespeichert ist, die nach einem Laden in einen Arbeits- und/oder Hauptspeicher eines Computers oder Computer-Netzwerkes das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen ausführen kann.
  • Auch wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln vorgeschlagen, um das erfindungsgemäße Verfahren in einer seiner Ausgestaltungen durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird.
  • Dabei wird unter einem Computer-Programmprodukt das Programm als handelbares Produkt verstanden. Es kann grundsätzlich in beliebiger Form vorliegen, so zum Beispiel auf Papier oder einem computerlesbaren Datenträger, und kann insbesondere über ein Datenübertragungsnetz verteilt werden.
  • Schließlich wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein moduliertes Datensignal vorgeschlagen, welches von einem Computersystem oder Computernetzwerk ausführbare Instruktionen zum Ausführen eines Verfahrens nach einer der beschriebenen Ausführungsformen enthält.
  • Im Hinblick auf die computer-implementierten Aspekte der Erfindung können einer, mehrere oder sogar alle Verfahrensschritte des Verfahrens gemäß einer oder mehreren der hier vorgeschlagenen Ausgestaltungen mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden. Somit können, allgemein, jegliche der Verfahrensschritte, einschließlich der Bereitstellung und/oder Manipulation von Daten mittels eines Computers oder Computer-Netzwerks durchgeführt werden. Allgemein können diese Schritte jegliche der Verfahrensschritte umfassen, ausgenommen der Schritte, welche manuelle Arbeit erfordern, beispielsweise das Bereitstellen von Proben und/oder bestimmte Aspekte der Durchführung tatsächlicher Messungen.
  • Zusammenfassend sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung folgende Ausführungsformen besonders bevorzugt:
    • Ausführungsform 1: Messvorrichtung zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts, wobei die Messvorrichtung mindestens eine fasergebundene Beleuchtungsvorrichtung und mindestens eine Lokalisierungseinheit aufweist, wobei die Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet ist, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und der Lokalisierungseinheit über mindestens eine Lichtleiterfaser zuzuführen, wobei die Lokalisierungseinheit mindestens eine dreipunkt-gelagerte Kugel mit mindestens einer Zylinderlochbohrung aufweist, wobei die fasergebundene Beleuchtungsvorrichtung eingerichtet ist, das Messobjekt durch die Zylinderlochbohrung zu beleuchten, wobei die Lokalisierungseinheit mindestens eine Dreipunkt-Drehschwenkeinheit aufweist, welche eingerichtet ist, die Kugel an drei Punkten bewegbar zu lagern und derart auszurichten, dass der Beleuchtungslichtstrahl das Messobjekt beleuchtet, wobei die Messvorrichtung mindestens eine Distanzmessvorrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, um mindestens einen von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten, reflektierten Lichtstrahl durch die Zylinderlochbohrung hindurch zu empfangen und mindestens ein distanzabhängiges Messsignal zu erzeugen.
    • Ausführungsform 2: Messvorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Distanzmessvorrichtung mindestens eine Vorrichtung aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Interferometer; mindestens einer Lidar-Einheit; und mindestens einen Frequenzkamm-System.
    • Ausführungsform 3: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Dreipunkt-Drehschwenkeinheit eingerichtet sein, keine Singularitäten aufzuweisen, so dass die Kugel aus einer beliebigen Winkelposition in eine beliebige Richtung schwenkbar ist.
    • Ausführungsform 4: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Lichtleiterfaser eingerichtet ist, um den von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten, reflektierten Lichtstrahl durch die Zylinderlochbohrung hindurch zu empfangen und der Distanzmessvorrichtung zuzuführen.
    • Ausführungsform 5: Messvorrichtung nach einer der Ausführungsformen 1 bis 3, wobei die Distanzmessvorrichtung in die Kugel integriert ist.
    • Ausführungsform 6: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messvorrichtung mindestens eine Strahlstabilisierungseinheit aufweist, wobei die Strahlstabilisierungseinheit mindestens eine pixelierte Bilderfassungsvorrichtung aufweist.
    • Ausführungsform 7: Messvorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Strahlstabilisierungseinheit mindestens ein Position Sensitive Device (PSD) aufweist, wobei das PSD mindestens ein Element aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einer Quadrantendiode; mindestens einer abbildenden und/oder beugenden Optik.
    • Ausführungsform 8: Messvorrichtung nach einer der zwei vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messvorrichtung mindestens einen Strahlteiler aufweist, welcher in der Zylinderbohrung angeordnet ist und eingerichtet ist, den von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten, reflektierten Lichtstrahl zumindest teilweise zu der Strahlstabilisierungseinheit zu führen.
    • Ausführungsform 9: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei das Messobjekt mindestens einen Retroreflektor aufweist.
    • Ausführungsform 10: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messvorrichtung weiterhin mindestens eine Auswerteeinheit aufweist, wobei die Auswerteeinheit eingerichtet ist, aus den Messsignalen der Distanzmessvorrichtung die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen.
    • Ausführungsform 11: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messvorrichtung eine Mehrzahl von Dreipunkt-Drehschwenkeinheiten aufweist.
    • Ausführungsform 12: Messvorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die Dreipunkt-Drehschwenkeinheiten in einer keramischen Platte und/oder keramischen Rahmen-Konstruktion angeordnet sind.
    • Ausführungsform 13: Messvorrichtung nach der vorhergehenden Ausführungsform, wobei die keramische Platte an drei Punkten bewegbar gelagert ist.
    • Ausführungsform 14: Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen, wobei die Messvorrichtung eine Mehrzahl von Lokalisierungseinheiten aufweist, wobei die Lichtleiterfaser austauschbar an die Lokalisierungseinheiten anbringbar ist.
    • Ausführungsform 15: Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts, wobei in dem Verfahren mindestens eine Messvorrichtung nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen verwendet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
      1. a) Erzeugen mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls mit mindestens einer fasergebundenen Beleuchtungsvorrichtung;
      2. b) Zuführen des Beleuchtungslichtstrahls zu mindestens einer Lokalisierungseinheit über mindestens eine Lichtleiterfaser, wobei die Lokalisierungseinheit mindestens eine dreipunkt-gelagerte Kugel mit mindestens einer Zylinderlochbohrung aufweist,
      3. c) Ausrichten der Kugel mit mindestens einer Dreipunkt-Drehschwenkeinheit, welche eingerichtet ist, die Kugel an drei Punkten bewegbar zu lagern und auszurichten, derart dass der Beleuchtungslichtstrahl das Messobjekt beleuchtet, und Beleuchten des Messobjekts durch die Zylinderlochbohrung;
      4. d) Empfangen mindestens eines von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten, reflektierten Lichtstrahls durch die Zylinderlochbohrung hindurch mit mindestens einer Distanzmessvorrichtung und Erzeugen mindestens eines distanzabhängigen Messsignals.
    • Ausführungsform 16: Computerprogramm, welches bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das Verfahren nach der vorhergehenden, ein Verfahren betreffenden Ausführungsform, insbesondere die Verfahrensschritte c) und d), in einer seiner Ausgestaltungen ausführt.
    • Ausführungsform 17: Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, um das Verfahren nach Ausführungsform 14 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird.
  • Figurenliste
  • Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen, insbesondere in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Ausführungsbeispiele sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente.
  • Im Einzelnen zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung;
    • 2 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Dreipunkt-Drehschwenkeinheit; und
    • 3 eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Multilaterationsplattform.
  • Ausführungsbeispiele
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung 110 zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts. Die Bestimmung der räumlichen Position und der Orientierung kann in einem Koordinatensystem erfolgen, beispielsweise einem kartesischen Koordinatensystem oder einem Kugelkoordinatensystem. Auch andere Koordinatensysteme sind denkbar. Ein Ursprung oder Nullpunkt des Koordinatensystems kann in einem Punkt der Vorrichtung sein. Die räumliche Position kann ein dreidimensionaler Punkt (X, Y, Z) in dem Koordinatensystem sein, insbesondere eine Lage des Messobjekts.
  • Die räumliche Position kann durch die Ortskoordinaten X, Y und Z definiert sein. Die Orientierung kann eine Lage im Raum, insbesondere eine Rotation, des Messobjekts sein, insbesondere eine Winkelposition. Die Orientierung kann durch mindestens drei Winkel angegeben werden, beispielsweise Eulerwinkel oder Neigungswinkel, Rollwinkel und Gierwinkel. Die räumliche Position und Orientierung des Messobjektes kann zusammen auch als sechsdimensionale Information oder 6D-Information bezeichnet werden.
  • Beispielsweise kann das Messobjekt ein Messkopf eines Sensors oder ein Werkzeug sein, mit welchem ein Bauteil abgetastet werden kann. Das Messobjekt kann mindestens einen Retroreflektor 112 aufweisen. Am Messobjekt kann der mindestens eine Retroreflektor 112 angeordnet sein. Beispielsweise kann der Retroreflektor 112 ein Marker sein. Beispielsweise kann der Retroreflektor 112 ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus: einem Katzenauge; einem Katzenauge mit Reflektionsschicht; einem Marker beschrieben in US 2011/0007326 A1 , US 2013/0050410 A1 oder US 2017/0258531 A1 , deren Inhalt hiermit in diese Anmeldung aufgenommen wird; einem Würfelprisma; einem cornercube. Beispielsweise kann das Messobjekt ein Ende einer Pinole eines Koordinatenmessgeräts sein und der Retroreflektor 112 an diesem Ende angeordnet sein.
  • Die Messvorrichtung 110 weist mindestens eine fasergebundene Beleuchtungsvorrichtung 114 und mindestens eine Lokalisierungseinheit 116 auf. Die Beleuchtungsvorrichtung 114 ist eingerichtet, um mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und der Lokalisierungseinheit 116 über mindestens eine Lichtleiterfaser 118 zuzuführen. Die Beleuchtungsvorrichtung 114 kann mindestens eine Lichtquelle aufweisen, welche eingerichtet ist einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen. Die Lichtquelle kann beispielsweise mindestens eine Laserquelle sein. Die Lichtleiterfaser 118 kann eingerichtet sein, den Beleuchtungslichtstrahl von der Lichtquelle zu der Lokalisierungseinheit 116 zu transportieren. Die Lichtleiterfaser 118 kann mindestens eine Monomodefaser und/oder mindestens eine Multimodefaser aufweisen. Die Messvorrichtung 110 kann eine Mehrzahl von Lokalisierungseinheiten 116 aufweisen. Die Lichtleiterfaser 118 kann austauschbar an die Lokalisierungseinheiten 116 anbringbar sein. Beispielsweise können die Lokalisierungseinheiten 116 jeweils mindestens eine Kopplungsvorrichtung 120 aufweisen, welche eingerichtet ist, die Lichtleiterfaser 118 aufzunehmen, insbesondere die Lichtleiterfaser 118 an die Lokalisierungseinheit 116 einzustöpseln. Die vorgeschlagene Verwendung einer fasergebundenen Beleuchtung ermöglicht so ein einfaches Umverteilen der Beleuchtung und somit eine vereinfachte Vermessung des Messobjekts aus verschiedenen räumlichen Positionen.
  • Die Lokalisierungseinheit 116 kann eingerichtet sein mindestens eine Lokalisierungsinformation zu erzeugen. Die Lokalisierungsinformation kann ausgewählt sein aus mindestens einer Information aus der Gruppe bestehend aus: einem Messsignal in Abhängigkeit vom Ort des von der Lokalisierungseinheit 116 beleuchteten Retroreflektors 112; einer Information über einen Abstand des von der Lokalisierungseinheit 116 beleuchteten Retroreflektors 112 zu der Lokalisierungseinheit 116; einer Information über eine Entfernung des von der Lokalisierungseinheit 116 beleuchteten Retroreflektors 112 zu der Lokalisierungseinheit 116; einer Information über eine relative Lage des von der Lokalisierungseinheit 116 beleuchteten Retroreflektors 112 zu der Lokalisierungseinheit 116; und einer Information über eine Längenänderung.
  • Die Lokalisierungseinheit 116 weist mindestens eine dreipunkt-gelagerte Kugel 122 mit mindestens einer Zylinderlochbohrung 124 auf. Die Zylinderlochbohrung 124 kann eine Höhe h = 2R aufweisen, wobei R der Kugelradius ist. Die Zylinderlochbohrung 124 kann weiter eine kreisförmige Grundfläche mit Radius rLoch aufweisen. Die fasergebundene Beleuchtungsvorrichtung 114 ist eingerichtet, das Messobjekt durch die Zylinderlochbohrung 124 zu beleuchten. Insbesondere kann die Lichtleiterfaser 118 in die Zylinderlochbohrung 124 einbringbar sein.
  • Die dreipunkt-gelagerte Kugel 122 kann an drei verschiedenen Punkten 126 auf einer Oberfläche der Kugel 122 bewegbar gelagert sein. Die Kugel 122 kann dabei drei Translationsfreiheitsgrade und drei Rotationsfreiheitsgrade aufweisen, welche mittels der Lagerung einstellbar sind. Die Lokalisierungseinheit 116 weist mindestens eine Dreipunkt-Drehschwenkeinheit 128 auf. Die Dreipunkt-Drehschwenkeinheit 128 kann eingerichtet sein, die drei Translationsfreiheitsgrade und drei Rotationsfreiheitsgrade der Kugel 122 einzustellen. Der Beleuchtungslichtstrahl für die Messung der Position und Orientierung des Messobjekts kann über ein Drehen und/oder Schwenken der Kugel 122 auf den Retroreflektor 112 ausgerichtet werden, beispielsweise um eine Bewegung des Retroreflektors 112 nachzuverfolgen, insbesondere zu tracken. Die Dreipunkt-Drehschwenkeinheit 128 kann mindestens drei Halterungen und/oder Anbindungen aufweisen, welche eingerichtet sind, die Kugel 122 an die Dreipunkt-Drehschwenkeinheit 128 anzubinden, insbesondere die Kugel 122 an den drei verschiedenen Punkten 126 auf der Kugeloberfläche zu halten.
  • 2 zeigt eine Ausführungsform der Dreipunkt-Drehschwenkeinheit 128. Die Dreipunkt-Drehschwenkeinheit 128 kann eingerichtet sein, keine Singularitäten aufzuweisen, so dass die Kugel 122 aus einer beliebigen Winkelposition in eine beliebige Richtung schwenkbar ist. Die Dreipunkt-Drehschwenkeinheit 128 kann beispielsweise mindestens eine Parallelkinematik 130 aufweisen, insbesondere einen so genannten Sphärischen Parallelmanipulator. Die Parallelkinematik 130 kann mindestens eine Statorplatte 132 aufweisen. Die Parallelkinematik 130 kann mindestens drei Antriebsstränge 134, insbesondere drei parallele und rotationssymmetrische Antriebsstränge aufweisen. Die Antriebsstränge 134 können jeweils mindestens einen Motor 136, auch Antriebsmotor genannt, und mindestens ein doppeltes Rotationskoppelgelenk 138 aufweisen. Der jeweilige Motor 136 kann eingerichtet sein, das jeweilige doppelte Rotationskoppelgelenk 138 anzutreiben. Das doppelte Rotationskoppelgelenk 138 kann jeweils zwei Koppelstangen 140 aufweisen, welche gegeneinander drehbar gelagert sind. Beispielsweise kann eine erste Koppelstange des Rotationskoppelgelenks 138 mit dem Motor 136 verbunden sein und eine zweite Koppelstange des Rotationskoppelgelenks 138 mit der Kugel 122 verbunden sein, wobei die erste Koppelstange und die zweite Koppelstange über ein Rotationsgelenk 142 zueinander drehbar gelagert sind. Die erste Koppelstange kann drehbar zu dem Motor 136 und/oder die zweite Koppelstange drehbar an der Kugel 122 gelagert sein. Die Statorplatte 132 und die drei Punkte 126 auf der Kugeloberfläche können über die doppelten Rotationskoppelgelenke 138 und deren jeweiligen Motor 136 miteinander verbunden sein. Insbesondere kann die Statorplatte 132 mit der Kugel 122 nur über die doppelten Rotationskoppelgelenke 138 und deren jeweiligen Motor 136 verbunden sein. Die Parallelkinematik 130 kann eingerichtet sein, dass, ganz gleich um welche kartesische Achse der Motor 136 gedreht wird, die bewegte Masse aufgrund des parallelen Aufbaus der Parallelkinematik 130 immer dieselbe ist. Lediglich die Massenträgheiten können sich leicht unterscheiden, je nach dem um welche kartesische Achse gedreht wird. Der Unterschied der Massenträgheiten kann jedoch bei Weitem geringer sein als bei einem traditionellen, seriellen Aufbau der Kinematik. Die Parallelkinematik 130 kann eingerichtet sein, dass sich alle drei Rotationsachsen 144 der doppelten Rotationskoppelgelenke 138 in einem Punkt, dem Rotationspunkt 146, schneiden. Eine abtriebsseitige Drehung ganz gleich um welche Raumachse kann als reine Drehbewegung um ein und denselben Punkt 146 beschrieben werden. Die Parallelkinematik 130 kann eingerichtet sein, dass keine zusätzlichen translatorischen Anteile bei einer Drehbewegung auftreten. Der Rotationspunkt 146 kann dabei als der Schnittpunkt der Rotationsachsen 144 der Antriebsmotoren 136 definiert sein. Die Antriebsstränge 134 können derart rotationssymmetrisch zueinander angeordnet sein, dass sich der Rotationspunkt 146 im Zentrum der Statorplatte 132 befindet. Auch andere Anbindungen und Ausrichtungen der Kugel 122 sind denkbar. Beispielsweise kann die Anbindung und Ausrichtung magnetisch erfolgen. Beispielsweise kann die Kugel 122 mindestens drei Permanentmagneten aufweisen. Die Dreipunkt-Drehschwenkeinheit 128 kann beispielsweise mindestens drei Spulen aufweisen, welche eingerichtet sind, ein Spulenfeld zu erzeugen, derart dass die Permanentmagneten in der Kugel 122 von dem Spulenfeld verschoben werden und die Kugel 122 ausrichten. Beispielsweise kann die Anbindung und Ausrichtung mechanisch erfolgen, beispielsweise unter Verwendung von Pleuelstangen und/oder mechanischen Federn und/oder Getrieben. Beispielsweise könnte ein Antrieb der Kugel analog zu Kugel-Computer-Mäusen ausgestaltet sein. Beispielsweise könnte mit Reibrädern, deren Drehachsen schwenkbar gegen die Ebene bzw. in der Ebene der Dreipunkt-Lagerung sind, eine Ausrichtungsänderung der Kugellängsbohrung in beliebige Richtungen möglich sein.
  • Die Kugel 122 kann, wie in 1 dargestellt, mindestens eine integrierte Austritts- und Eintrittsoptik 148 aufweisen, welche eingerichtet ist, den Beleuchtungslichtstrahl aus der Lichtleiterfaser 118 auszukoppeln und/oder auf den Retroreflektor 112 zu fokussieren und/oder den von dem Retroreflektor 112 reflektierten Lichtstrahl in die optische Lichtleiterfaser 118 einzukoppeln. Die Austritts- und Eintrittsoptik 148 kann mindestens ein Linsenelement sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Austritts- und Eintrittsoptik 148 in die Lichtleiterfaser 118 integriert sein.
  • Die Messvorrichtung 110 weist mindestens eine Distanzmessvorrichtung 150 auf, welche eingerichtet ist, um mindestens einen von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten, reflektierten Lichtstrahl durch die Zylinderlochbohrung 124 hindurch zu empfangen und mindestens ein distanzabhängiges Messsignal zu erzeugen. Das Messsignal kann ein beliebiges, insbesondere ein elektrisches Signal sein, beispielsweise eine Spannung oder ein Strom, welches gemäß dem reflektierten, empfangenen Lichtstrahl oder unter Verwendung des reflektierten, empfangenen Lichtstrahls von der Distanzvorrichtung 150 erzeugt wurde. Die Lichtleiterfaser 118 kann eingerichtet sein, um den von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten, reflektierten Lichtstrahl durch die Zylinderlochbohrung 124 hindurch zu empfangen und der Distanzmessvorrichtung 150 zuzuführen. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich. Beispielsweise kann die Distanzvorrichtung 150, bei entsprechend großer Kugel 122, auch in die Kugel 122 selbst integriert sein. Die Distanzmessvorrichtung 150 kann mindestens eine Vorrichtung 152 aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Interferometer; mindestens einer Lidar-Einheit; und mindestens einem Frequenzkamm-System.
  • Das Interferometer kann beispielsweise mindestens ein Michelson-Interferometer und/oder mindestens ein Weißlichtinterferometer aufweisen. Das Interferometer kann als ein schnelles Interferometer ausgestaltet sein. Insbesondere kann das Interferometer eingerichtet sein mit hoher Rate, vorzugsweise im MHz Bereich, auch Objekte bzw. Retroreflektoren in Bewegung zu messen. Die Beleuchtungsvorrichtung 114 kann eingerichtet sein, den mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und den Retroreflektor 112 zu beleuchten. Die Messvorrichtung 110 kann eingerichtet sein, den von dem Retroreflektor 112 reflektierten Lichtstrahl dem Interferometer zuzuführen, beispielsweise unter Verwendung der Lichtleiterfaser 118. Das Interferometer kann mindestens einen Referenzstrahlengang aufweisen und kann eingerichtet sein, den von dem Retroreflektor reflektierten Lichtstrahl und einen Referenzstrahl zu überlagern. Die Messvorrichtung 110 kann weiterhin eine Auswerteeinheit 154 aufweisen, welche eingerichtet ist, aus den überlagerten Strahlen die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen. Derartige Auswerteverfahren sind dem Fachmann bekannt. Durch Änderung der Ausrichtung der Lokalisierungseinheit 116 entlang mindestens einer weiteren Translations- und/oder Rotationsachse können weitere Koordinaten des Messobjekts auf die beschriebene Weise bestimmt werden.
  • Die Lidar-Einheit kann mindestens einen Lidar-Sensor aufweisen. Insbesondere kann der Lidar-Sensor eingerichtet sein, einen von dem Messobjekt reflektierten Lichtstrahl zu empfangen und daraus einen Abstand zwischen dem Lidar-Sensor und dem Retroreflektor 112 zu bestimmen, beispielsweise unter Ausnutzung von Unterschieden in den Rücklaufzeiten und Wellenlängen. Bevorzugt kann die Distanzmessvorrichtung 150 einen FMCW-Lidar-Sensor aufweisen. Die Beleuchtungsvorrichtung 114 kann eingerichtet sein, den Lichtstrahl zu erzeugen, dessen Frequenz nach dem FMCW-Verfahren kontinuierlich durchgestimmt wird. Beispielsweise kann die Frequenz des Lichtstrahls linear mit der Zeit moduliert sein. Eine Kombination von Lidar-Verfahren und FMCW-Verfahren sind dem Fachmann grundsätzlich bekannt, beispielsweise aus Chip-scale Lidar, Benham Behroozpur Baghmisheh, Technical Report No. UCB/EECS.2017-4. Beispielsweise kann die Lidar-Einheit wie in US 9,559,486 B2 , US 8,913,636 B2 oder US 2016/123718 A1 ausgestaltet sein. FMCW-Lidar-Sensoren sind gegenüber Lasertracern robuster und kostengünstiger. Des Weiteren können die FMCW-Lidar-Sensoren unempfindlich gegen so genannte line-of-sight-Unterbrechungen sein, da es sich um absolute Messsysteme handelt. Die Auswerteeinheit 154 kann eingerichtet sein, aus den Messsignalen des Lidar-Sensors die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen. Derartige Auswerteverfahren sind dem Fachmann bekannt. Durch Änderung der Ausrichtung der Lokalisierungseinheit 116 entlang mindestens einer weiteren Translations- und/oder Rotationsachse können weitere Koordinaten des Messobjekts auf die beschriebene Weise bestimmt werden.
  • Das Frequenzkamm-System kann mindestens einen Frequenzkammgenerator umfassen. Die Beleuchtungsvorrichtung 114 kann mindestens eine duale Frequenzkammquelle umfassen, welche eingerichtet ist, den mindestens einen Frequenzkamm zu erzeugen. Der Frequenzkamm kann eine Mehrzahl von Moden aufweisen, welche einen im Wesentlichen konstanten Abstand zueinander aufweisen. Beispielsweise kann in den modengekoppelten Lasern der Frequenzabstand der Moden streng konstant sein, wobei Phasenfluktuationen möglich sind. Die Beleuchtungsvorrichtung 114 kann eingerichtet sein, mindestens ein erstes Frequenzkammsignal und mindestens ein zweites Frequenzkammsignal zu erzeugen. Die duale Frequenzkammquelle kann zwei integrierte Continuous wave (CW) LASER-Quellen aufweisen. Das erste Frequenzkammsignal und das zweite Frequenzkammsignal können dissipative Kerr Soliton (DKS) Frequenzkammsignale sein. Die duale Frequenzkammquelle kann mindestens zwei Mikroresonatoren aufweisen, insbesondere Siliziumnitrid (Si3N4) Mikroresonatoren. Die Continuous wave (CW) LASER-Quellen können eingerichtet sein, die Mikroresonatoren zu pumpen. Die Mikroresonatoren können eingerichtet sein, die DKS Frequenzkammsignale zu erzeugen. Die duale Frequenzkammquelle kann weiterhin mindestens einen Verstärker aufweisen, insbesondere einen Erbium-dotierten Faserverstärker. Das erste Frequenzkammsignal und das zweite Frequenzkammsignal können einen gleichen Wellenlängenbereich oder einen unterschiedlichen Wellenlängenbereich aufweisen. Beispielsweise können das erste Frequenzkammsignal und das zweite Frequenzkammsignal Frequenzen im Bereich von 150 bis 500 THz aufweisen. Beispielsweise können das erste Frequenzkammsignal und das zweite Frequenzkammsignal Laserwellenlängen um 1300 nm, oder auch um 1100 nm aufweisen. Das erste Frequenzkammsignal und das zweite Frequenzkammsignal können zumindest teilweise einen spektralen Überlapp aufweisen, so dass keine Schwebung entsteht. Das Frequenzkamm-System kann mindestens einen Messdetektor und mindestens einen Referenzdetektor aufweisen. Der Messdetektor und der Referenzdetektor können identisch ausgestaltet sein. Der Messdetektor und der Referenzdetektor können beispielsweise jeweils mindestens einen Photodetektor aufweisen. Die Distanzmessvorrichtung 150 kann mindestens einen photonisch integrierten Schaltkreis aufweisen. Der photonisch integrierte Schaltkreis kann eingerichtet sein, um das erste Frequenzkammsignal in mindestens ein erstes Messsignal und mindestens ein erstes Referenzsignal und das zweite Frequenzkammsignal in mindestens ein zweites Messsignal und mindestens ein zweites Referenzsignal aufzuteilen. Der photonisch integrierte Schaltkreis kann mindestens einen ersten faserbasierten Signalteiler aufweisen, welcher eingerichtet ist, das erste Frequenzkammsignal in das erste Messsignal und das erste Referenzsignal aufzuteilen. Der photonisch integrierte Schaltkreis kann mindestens einen zweiten faserbasierten Signalteiler aufweisen, welcher eingerichtet ist, um das zweite Frequenzkammsignal in das zweite Messsignal und das zweite Referenzsignal aufzuteilen. Der photonisch integrierte Schaltkreis kann eingerichtet sein, das erste Messsignal zu einer Koppelvorrichtung der Distanzmessvorrichtung 150, insbesondere zu der Austritts- und Eintrittsoptik 120, zu leiten, um das Messobjekt mit dem ersten Messsignal zu beleuchten. Die Koppelvorrichtung kann eingerichtet sein, das von dem Messobjekt reflektierte erste Messsignal in den photonisch integrierten Schaltkreis einzukoppeln. Die Koppelvorrichtung kann mindestens eine Mikrolinse aufweisen. Die Mikrolinse kann eingerichtet sein, das erste Messsignal zu dem Messobjekt zu kollimieren. Der photonisch integrierte Schaltkreis ist eingerichtet, um das reflektierte erste Messsignal zu dem Messdetektor zu leiten. Hierzu können ein oder mehrere Lichtleiter vorgesehen sein, welche eingerichtet sind, das erste Messsignal von der Koppelvorrichtung zu dem Messdetektor zu leiten. Der photonisch integrierte Schaltkreis ist eingerichtet, um das erste Referenzsignal zu dem Referenzdetektor zu leiten. Zwischen dem ersten faserbasierten Signalteiler und dem Referenzdetektor können zu diesem Zweck ein oder mehrere Lichtleiter vorgesehen sein. Der photonisch integrierte Schaltkreis ist eingerichtet, um das zweite Messsignal zu dem Messdetektor zu leiten. Zwischen dem zweiten faserbasierten Signalteiler und dem Messdetektor können zu diesem Zweck ein oder mehrere Lichtleiter vorgesehen sein. Der photonisch integrierte Schaltkreis ist eingerichtet, um das zweite Referenzsignal zu dem Referenzdetektor zu leiten. Zwischen dem zweiten faserbasierten Signalteiler und dem Referenzdetektor können zu diesem Zweck ein oder mehrere Lichtleiter vorgesehen sein. Der Messdetektor und der Referenzdetektor können eingerichtet sein, in Antwort auf die einfallenden Lichtsignale jeweils mindestens ein elektrisches Signal zu erzeugen. Der Messdetektor und der Referenzdetektor können jeweils mindestens einen Verstärker aufweisen, welcher eingerichtet ist, die elektrischen Signale zu verstärken. Der Messdetektor und der Referenzdetektor können eingerichtet sein zu einer multi-heterodynen Detektion. Der Messdetektor kann eingerichtet sein, das erste Messsignal und das zweite Messsignal zu überlagern. So kann ein zu vermessendes Signal, das erste Messsignal, mit einem Signal, dem zweiten Messsignal, mit bekanntem spektralen Intensitätsprofil überlagert werden. Das erste Messsignal und das zweite Messsignal können leicht verschiedene Frequenzen aufweisen, so dass bei einer Überlagerung des ersten Messsignals und des zweiten Messsignals so genannte „Beats“ erzeugt werden. Der Referenzdetektor kann eingerichtet sein, das erste Referenzsignal und das zweite Referenzsignal zu überlagern. Das erste Referenzsignal und das zweite Referenzsignal können leicht verschiedene Frequenzen aufweisen, so dass bei einer Überlagerung des ersten Referenzsignals und des zweiten Referenzsignals Beats erzeugt werden. Aus einem Vergleich der mit dem Messdetektor und dem Referenzdetektor detektierten Beatspektren kann eine Koordinate des Messobjekts bestimmt werden, insbesondere ein Abstand zu diesem. Die Auswerteeinheit 154 kann eingerichtet sein, um die jeweils von dem Messdetektor und dem Referenzdetektor detektieren Eingangslichtsignale auszuwerten und mindestens ein Frequenzspektrum der jeweiligen Eingangssignale zu erzeugen. Aus einem Vergleich des mit dem Messdetektor erfassten Frequenzspektrums und des mit dem Referenzdetektor erfassten Frequenzspektrums ist mindestens eine Koordinate des Messobjekts, insbesondere ein Abstand zwischen der Lokalisierungseinheit und dem Messobjekt, bestimmbar. Durch Änderung der Ausrichtung der Lokalisierungseinheit entlang mindestens einer weiteren Translations- und/oder Rotationsachse können weitere Koordinaten des Messobjekts auf die beschriebene Weise bestimmt werden.
  • Die Messvorrichtung 110 kann weiterhin die mindestens eine Auswerteeinheit 154 aufweisen, welche eingerichtet ist, aus den Messsignalen der Distanzmessvorrichtung 150 die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen. Die Auswerteeinheit 154 kann beispielsweise mindestens einen Computer oder Mikrocontroller umfassen. Die Auswerteeinheit 154 kann einen oder mehrere flüchtige und/oder nicht flüchtige Datenspeicher aufweisen, wobei die Auswerteeinheit beispielsweise programmtechnisch eingerichtet sein kann, um die Distanzmessvorrichtung 150 anzusteuern. Die Auswerteeinheit 154 kann weiterhin mindestens eine Schnittstelle umfassen, beispielsweise eine elektronische Schnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle wie beispielsweise eine Eingabe-/Ausgabe-Vorrichtung wie ein Display und/oder eine Tastatur und/oder ein Bedienpult. Die Auswerteeinheit 154 kann mindestens einen Analog-zu-Digital-Wandler (ADC) aufweisen, welcher eingerichtet ist, um die von der Distanzmessvorrichtung generierten elektrischen Signale aufzunehmen. Die Auswerteeinheit 154 kann mindestens ein Field-Programmable-Gate-Array (FPGA) aufweisen, welches eingerichtet ist, die von dem ADC aufgenommenen Signale auszuwerten
  • Die Messvorrichtung 110 kann mindestens eine Strahlstabilisierungseinheit 156 aufweisen. Die Messvorrichtung 110 kann mindestens einen Strahlteiler 158 aufweisen, welcher in der Zylinderbohrung 124 angeordnet ist und eingerichtet ist, den von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten, reflektierten Lichtstrahl zumindest teilweise zu der Strahlstabilisierungseinheit 156 zu führen. Die Strahlstabilisierungseinheit 156 kann mindestens eine pixelierte Bilderfassungsvorrichtung aufweisen. Die Strahlstabilisierungseinheit 156 kann mindestens ein Position Sensitive Device (PSD) aufweisen. Das PSD kann mindestens ein Element aufweisen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einer Quadrantendiode; mindestens einer abbildenden und/oder beugenden Optik.
  • Die Messvorrichtung 110 kann eine Mehrzahl von Dreipunkt-Drehschwenkeinheiten 128 aufweisen. Beispielsweise kann die Messvorrichtung eine Multilaterationsplattform 160 zur Bestimmung von der mindestens einer räumlichen Position und Orientierung des mindestens einen Messobjekts 162 aufweisen. In der Ausführungsform der 3 weist das Messobjekt 162 drei Retroreflektoren 112 auf. 3 zeigt eine Ausführungsform einer Multilaterationsplattform 160, in welcher die Messvorrichtung 110 sieben Lokalisierungseinheiten 116 und jeweils eine Dreipunkt-Drehschwenkeinheit 128 aufweist. In dieser Ausführungsform kann die Messvorrichtung 110 die fasergebundene Beleuchtungsvorrichtung 114 aufweisen, welche eingerichtet ist, um den mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und der jeweiligen Lokalisierungseinheit 116 über mindestens eine Lichtleiterfaser 118 zuzuführen. Beleuchtungslichtstrahl und von den Retroreflektoren 112 reflektierte Lichtstrahlen sind in 3 mit Bezugsziffer 164 bezeichnet. Beispielsweise kann von der Beleuchtungsvorrichtung 114 zu jeder der Lokalisierungseinheiten 116 eine Lichtleiterfaser 118 vorgesehen sein, wie in 3 gezeigt. Alternativ können weniger Lichtleiterfasern 118 als Lokalisierungseinheiten 118 vorgesehen sein, beispielsweise eine einzige, wobei die Lichtleiterfaser 118 austauschbar an die Lokalisierungseinheiten 116 anbringbar ist. Beispielsweise können die Lokalisierungseinheiten 116 jeweils mindestens eine Kopplungsvorrichtung 120 aufweisen, welche eingerichtet ist, die Lichtleiterfaser 118 aufzunehmen, insbesondere die Lichtleiterfaser 118 an die Lokalisierungseinheit 116 einzustöpseln. Die vorgeschlagene Verwendung einer fasergebundenen Beleuchtung ermöglicht so ein einfaches Umverteilen der Beleuchtung und somit eine vereinfachte Vermessung des Messobjekts 162 aus verschiedenen räumlichen Positionen.
  • Die Dreipunkt-Drehschwenkeinheiten 128 können in einer keramischen Platte 166 und/oder keramischen Rahmenkonstruktion angeordnet sein. So kann eine temperaturinvariante und/oder temperaturstabile Implementierung möglich sein. Keramik besitzt zudem günstige Festigkeit zu Gewichtsverhältnisse. Die keramische Platte 166 kann an drei Punkten bewegbar gelagert sein. Insbesondere kann die keramische Platte selbst dreipunkt-gelagert als Gesamtvorrichtung in Maschinen zu deren Vermessung und/oder Regelung eingebracht werden.
  • Eine Nutzung von einer faserbasierter Beleuchtungsvorrichtung erlaubt zudem eine deutlich vereinfachte Umverteilung der Lokalisierungseinheiten 116. Zudem kann die Drehschwenkeinheit 128 kostengünstig realisiert werden, so dass deutlich mehr Lokalisierungseinheiten 116 vorgesehen werden können, als Interferometer zur Verfügung stehen. So können sich Lokalisierungseinheiten 116 Interferometer, insbesondere Auswerteeinheiten 154, teilen. Abhängig bin einer Größe des zu vermessenden Volumens können die Lichtleiterfasern 118 an unterschiedliche Schwenkpositionen an die Lokalisierungseinheiten 116 angeschlossen werden.
  • Bezugszeichenliste
    • 110
    Messvorrichtung
    112
    Retroreflektor
    114
    Beleuchtungsvorrichtung
    116
    Lokalisierungseinheit
    118
    Lichtleiterfaser
    120
    Kopplungsvorrichtung
    122
    Kugel
    124
    Zylinderlochbohrung
    126
    Punkte
    128
    Dreipunkt-Drehschwenkeinheit
    130
    Parallelkinematik
    132
    Statorplatte
    134
    Antriebsstränge
    136
    Motor
    138
    Rotationskoppelgelenk
    140
    Koppel stangen
    142
    Rotationsgelenk
    144
    Rotationsachsen
    146
    Rotationspunkt
    148
    Austritts- und Eintrittsoptik
    150
    Distanzmessvorrichtung
    152
    Vorrichtung
    154
    Auswerteeinheit
    156
    Strahlstabilisierungseinheit
    158
    Strahlteiler
    160
    Multilaterationsplattform
    162
    Messobjekt
    164
    Lichtstrahl
    166
    Keramische Platte

Claims (10)

  1. Messvorrichtung (110) zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts, wobei die Messvorrichtung (110) mindestens eine fasergebundene Beleuchtungsvorrichtung (114) und mindestens eine Lokalisierungseinheit (116) aufweist, wobei die Beleuchtungsvorrichtung (114) eingerichtet ist, mindestens einen Beleuchtungslichtstrahl zu erzeugen und der Lokalisierungseinheit (116) über mindestens eine Lichtleiterfaser (118) zuzuführen, wobei die Lokalisierungseinheit (116) mindestens eine dreipunkt-gelagerte Kugel (122) mit mindestens einer Zylinderlochbohrung (124) aufweist, wobei die fasergebundene Beleuchtungsvorrichtung (114) eingerichtet ist, das Messobjekt durch die Zylinderlochbohrung (124) zu beleuchten, wobei die Lokalisierungseinheit (116) mindestens eine Dreipunkt-Drehschwenkeinheit (128) aufweist, welche eingerichtet ist, die Kugel (122) an drei Punkten (126) bewegbar zu lagern und derart auszurichten, dass der Beleuchtungslichtstrahl das Messobjekt beleuchtet, wobei die Messvorrichtung (110) mindestens eine Distanzmessvorrichtung (150) aufweist, welche eingerichtet ist, um mindestens einen von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten, reflektierten Lichtstrahl durch die Zylinderlochbohrung (124) hindurch zu empfangen und mindestens ein distanzabhängiges Messsignal zu erzeugen.
  2. Messvorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Distanzmessvorrichtung (150) mindestens eine Vorrichtung (152) aufweist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: mindestens einem Interferometer; mindestens einer Lidar-Einheit; und mindestens einem Frequenzkamm-System.
  3. Messvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Lichtleiterfaser eingerichtet ist, um den von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten, reflektierten Lichtstrahl durch die Zylinderlochbohrung (124) hindurch zu empfangen und der Distanzmessvorrichtung (150) zuzuführen.
  4. Messvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (110) mindestens eine Strahlstabilisierungseinheit (156) aufweist, wobei die Strahlstabilisierungseinheit (156) mindestens eine pixelierte Bilderfassungsvorrichtung aufweist.
  5. Messvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (110) weiterhin mindestens eine Auswerteeinheit (154) aufweist, wobei die Auswerteeinheit (154) eingerichtet ist, aus den Messsignalen der Distanzmessvorrichtung (150) die räumliche Position und Orientierung des Messobjekts zu bestimmen.
  6. Messvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (110) eine Mehrzahl von Dreipunkt-Drehschwenkeinheiten (128) aufweist, wobei die Dreipunkt-Drehschwenkeinheiten (128) in einer keramischen Platte und/oder keramischen Rahmenkonstruktion angeordnet sind, wobei die keramische Platte an drei Punkten bewegbar gelagert ist.
  7. Messvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Messvorrichtung (110) eine Mehrzahl von Lokalisierungseinheiten (116) aufweist, wobei die Lichtleiterfaser (118) austauschbar an die Lokalisierungseinheiten (116) anbringbar ist.
  8. Verfahren zur Bestimmung von mindestens einer räumlichen Position und Orientierung mindestens eines Messobjekts, wobei in dem Verfahren mindestens eine Messvorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche verwendet wird, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: a) Erzeugen mindestens eines Beleuchtungslichtstrahls mit mindestens einer fasergebundenen Beleuchtungsvorrichtung (114); b) Zuführen des Beleuchtungslichtstrahls zu mindestens einer Lokalisierungseinheit (116) über mindestens eine Lichtleiterfaser (118), wobei die Lokalisierungseinheit (116) mindestens eine dreipunkt-gelagerte Kugel (122) mit mindestens einer Zylinderlochbohrung (124) aufweist, c) Ausrichten der Kugel (122) mit mindestens einer Dreipunkt-Drehschwenkeinheit (128), welche eingerichtet ist, die Kugel (122) an drei Punkten (126) bewegbar zu lagern und auszurichten, derart dass der Beleuchtungslichtstrahl das Messobjekt beleuchtet, und Beleuchten des Messobjekts durch die Zylinderlochbohrung (124); d) Empfangen mindestens eines von dem Messobjekt in Antwort auf den Beleuchtungslichtstrahl erzeugten, reflektierten Lichtstrahls durch die Zylinderlochbohrung (124) hindurch mit mindestens einer Distanzmessvorrichtung (150) und Erzeugen mindestens eines distanzabhängigen Messsignals.
  9. Computerprogramm, welches bei Ablauf auf einem Computer oder Computer-Netzwerk das Verfahren nach dem vorhergehenden, ein Verfahren betreffenden Anspruch, insbesondere die Verfahrensschritte c) und d), in einer seiner Ausgestaltungen ausführt, welcher Computer oder welches Computer-Netzwerk eine Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden, eine Messvorrichtung betreffenden, Ansprüche ansteuert.
  10. Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Träger gespeicherten Programmcode-Mitteln, um das Verfahren nach Anspruch 8 durchzuführen, wenn das Programm auf einem Computer oder Computer-Netzwerk ausgeführt wird, welcher Computer oder welches Computer-Netzwerk eine Messvorrichtung nach einem der vorhergehenden, eine Messvorrichtung betreffenden, Ansprüche ansteuert.
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