DE102022108368A1 - Measuring system and measuring methods - Google Patents

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Tobias Held
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Raphael Koch
Matthias Franke
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Abstract

Messsystem (10) zum dimensionellen Messen. Das Messsystem (10) weist eine an einem beweglichen Bauteil anbringbare Target-Vorrichtung (14) auf, die eine Vielzahl von Targets (40) aufweist, wobei die Vielzahl von Targets (40) mindestens zwei Targets (40) umfasst. Zudem weist das Messsystem (10) eine Vielzahl von Sensoren (16) auf, die jeweils dazu eingerichtet sind, eines der Vielzahl von Targets (40) anzuvisieren, diesem während einer Bewegung des beweglichen Bauteils zu folgen und dabei ein Messsignal zu erzeugen, das abhängig von einem Abstand zwischen dem jeweiligen Sensor (16) und dem jeweils anvisierten Target (40) ist, wobei die Vielzahl von Sensoren (16) mindestens drei Sensoren (16) umfasst. Des Weiteren weist das Messsystem (10) eine Auswerte- und Steuereinheit (18) auf, die dazu eingerichtet ist, die Messsignale auszuwerten, basierend auf den Messsignalen mittels Multilateration eine sich während der Bewegung des beweglichen Bauteils verändernde räumliche Position des beweglichen Bauteils zu bestimmen, und die Sensoren (16) derart zu steuern, dass diese in Abhängigkeit eines Qualitätskriteriums das jeweils anvisierte Target (40) dynamisch wechseln, um ein anderes der Vielzahl der Targets (40) anzuvisieren und diesem anschließend zu folgen und dabei das jeweilige Messsignal zu erzeugen.Measuring system (10) for dimensional measuring. The measuring system (10) has a target device (14) that can be attached to a movable component and has a plurality of targets (40), the plurality of targets (40) comprising at least two targets (40). In addition, the measuring system (10) has a plurality of sensors (16), each of which is set up to target one of the plurality of targets (40), to follow it during a movement of the movable component and to generate a measurement signal that is dependent of a distance between the respective sensor (16) and the respectively targeted target (40), the plurality of sensors (16) comprising at least three sensors (16). Furthermore, the measuring system (10) has an evaluation and control unit (18) which is set up to evaluate the measurement signals and, based on the measurement signals, to determine a spatial position of the movable component that changes during the movement of the movable component by means of multilateration, and to control the sensors (16) in such a way that they dynamically change the targeted target (40) depending on a quality criterion in order to target another one of the plurality of targets (40) and then follow it and thereby generate the respective measurement signal.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Messsystem zum dimensionellen Messen. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Messen einer sich verändernden räumlichen Position eines beweglichen Bauteils eines beliebigen Geräts oder einer beliebigen Maschine. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogrammprodukt, das ein Computerprogramm aufweist, das dazu eingerichtet ist, bei Ausführung auf einem Computer das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.The present invention relates to a measuring system for dimensional measuring. The present invention further relates to a method for measuring a changing spatial position of a movable component of any device or machine. Furthermore, the present invention relates to a computer program product that has a computer program that is set up to carry out the method according to the invention when executed on a computer.

Das erfindungsgemäße Messsystem wird zum dimensionellen Messen einer sich verändernden räumlichen Position eines beweglichen Bauteils verwendet. Zu welcher Art von Maschine oder Vorrichtung das zu messende bewegliche Bauteil gehört, spielt grundsätzlich keine Rolle. Bei dem beweglichen Bauteil kann es sich beispielsweise um ein motorisch angetriebenes Bauteil einer Bearbeitungsmaschine handeln. Ebenso kann es sich bei dem beweglichen Bauteil um einen Teil eines Roboters, beispielsweise dessen Endeffektor, handeln. Ferner kann es sich bei dem beweglichen Bauteil, dessen Position mit Hilfe des erfindungsgemäßen Messsystems ermittelt wird, um ein bewegtes Teil eines Koordinatenmessgeräts handeln.The measuring system according to the invention is used for dimensionally measuring a changing spatial position of a movable component. It basically doesn't matter what type of machine or device the moving component to be measured belongs to. The movable component can be, for example, a motor-driven component of a processing machine. Likewise, the movable component can be a part of a robot, for example its end effector. Furthermore, the movable component, the position of which is determined using the measuring system according to the invention, can be a moving part of a coordinate measuring machine.

Koordinatenmessgeräte mit taktilen und/oder optischen Messsensoren werden in der dimensionellen Messtechnik verwendet, um die Form einer Werkstückoberfläche beispielsweise durch Abtastung zu bestimmen. Da die dimensionelle Messtechnik im Regelfall in den Industriezweigen Anwendung findet, in denen sehr hohe Genauigkeiten, beispielsweise für nachfolgende Bearbeitungsschritte oder zur Qualitätssicherung, erforderlich sind, ist eine fehlerfreie Messdurchführung von großer Wichtigkeit.Coordinate measuring machines with tactile and/or optical measuring sensors are used in dimensional measurement technology to determine the shape of a workpiece surface, for example by scanning. Since dimensional measurement technology is generally used in industries in which very high levels of accuracy are required, for example for subsequent processing steps or for quality assurance, error-free measurement execution is of great importance.

Ähnlich hohe Präzisionsanforderungen werden aber auch an Bearbeitungsmaschinen, wie beispielsweise einen Industrieroboter, der im Karosseriebau eingesetzt wird, gestellt. Die bei derlei Geräten eingesetzten Bauteile können so gefertigt werden, dass die geforderte Präzision und Reproduzierbarkeit gegeben ist.Similar high precision requirements are also placed on processing machines, such as an industrial robot used in body construction. The components used in such devices can be manufactured in such a way that the required precision and reproducibility is achieved.

Die Absolutgenauigkeit der Geräte und Maschinen wird in einem Kalibrierschritt typischerweise dadurch gewährleistet, indem die systematischen Restfehler mit einem geeigneten Messsystem erfasst, gespeichert und im Betrieb vorgehalten werden. Das erfindungsgemäße Messsystem lässt sich beispielsweise für eine derartige Überprüfung der systematischen Restfehler bei der Bewegung eines beweglichen Bauteils einer solchen Maschine einsetzen.The absolute accuracy of the devices and machines is typically guaranteed in a calibration step by detecting the systematic residual errors with a suitable measuring system, storing them and keeping them available during operation. The measuring system according to the invention can be used, for example, for such a check of the systematic residual errors in the movement of a movable component of such a machine.

Zur Erfassung der systematischen Fehler von traditionellen Koordinatenmessgeräten, die als kartesische Kinematik ausgeführt sind, werden typischerweise Lasermesssysteme eingesetzt. Diese sind in der Lage, die systematischen Fehlbewegungen einer Achse des Koordinatenmessgeräts in einem oder mehreren Freiheitsgraden zu erfassen.Laser measuring systems are typically used to record the systematic errors of traditional coordinate measuring machines that are designed as Cartesian kinematics. These are able to record the systematic incorrect movements of an axis of the coordinate measuring machine in one or more degrees of freedom.

Bauart- bzw. Messprinzip-bedingt kann mit einem derartigen Messsystem typischerweise jedoch nur die Fehlbewegung entlang einer linearen Trajektorie erfasst werden. Soll mit einem solchen Messsystem die Fehlbewegung eines traditionellen Koordinatenmessgeräts entlang einer nicht-linearen Trajektorie, z.B. einer Kreisfahrt, oder gar eine ToolCen-terPoint(TCP)-Bewegung einer nicht-trivialen Kinematik, wie z.B. eine Bewegung eines Seriell-Roboters oder Parallel-Aktuators, erfasst werden, ist dies mit den gängigen Messsystemen meist nicht mehr möglich.However, due to the design or measuring principle, such a measuring system can typically only detect incorrect movement along a linear trajectory. With such a measuring system, the incorrect movement of a traditional coordinate measuring machine along a non-linear trajectory, e.g. a circular drive, or even a ToolCenterPoint (TCP) movement of non-trivial kinematics, such as a movement of a serial robot or parallel actuator , this is usually no longer possible with standard measuring systems.

Gelöst werden kann dies jedoch durch den Einsatz von aufwendigen 3D- bzw. 6D-Messsystemen wie z.B. Photogrammmetrie-, Multilaterations- oder Multiangulations-Messsystemen.However, this can be solved by using complex 3D or 6D measurement systems such as photogrammetry, multilateration or multiangulation measurement systems.

Egal welches der oben genannten 3D- bzw. 6D-Messsystemen verwendet wird, haben alle diese Messsysteme die Eigenschaft gemein, dass diese eine Vielzahl von Sensoren wie beispielsweise Kameras, Laserinterferometer oder Winkelmessgeräte aufweisen, die auf mehrere Targets, wie z.B. Marken, Retroreflektoren oder Spiegel, gerichtet sind. Die Vielzahl von Targets ist dabei meist in sich unbeweglich an einem Target-Ensemble angeordnet.Regardless of which of the above-mentioned 3D or 6D measuring systems is used, all of these measuring systems have the property in common that they have a large number of sensors such as cameras, laser interferometers or angle measuring devices that point to several targets, such as marks, retroreflectors or mirrors , are directed. The large number of targets are usually arranged in an immovable manner on a target ensemble.

Unabhängig von dem Messprinzip haben diese Targets jeweils einen Akzeptanzwinkel-Bereich, unter dem die Targets anvisiert und dem vom Sensor generierten Messsignal vertraut werden kann bzw. überhaupt ein Messsignal aufgenommen werden kann. Je nach Art des verwendeten Targets ist ein solcher Akzeptanzwinkel-Bereich typischerweise in der Größenordnung +/- 10° bis +/- 80°.Regardless of the measuring principle, these targets each have an acceptance angle range under which the targets can be sighted and the measurement signal generated by the sensor can be trusted or a measurement signal can be recorded at all. Depending on the type of target used, such an acceptance angle range is typically in the order of +/- 10° to +/- 80°.

Das Target-Ensemble wird normalerweise an dem beweglichen Maschinenbauteil angeordnet, dessen Position im Raum mit Hilfe des dimensionellen Messsystems bestimmt werden soll. Wird während einer Messung nun das Target-Ensemble so bewegt, dass einzelne Targets des Target-Ensembles für die Sensoren nicht mehr verwendet werden können, da die Targets bzw. Sensoren aus dem Akzeptanzwinkel-Bereich austreten, kann dies zu Problemen führen.The target ensemble is usually arranged on the movable machine component whose position in space is to be determined using the dimensional measuring system. If, during a measurement, the target ensemble is moved in such a way that individual targets of the target ensemble can no longer be used for the sensors because the targets or sensors leave the acceptance angle range, this can lead to problems.

Bei Photogrammmetrie-Systemen stellt dies meist kein Problem dar, da hier normalerweise das gesamte Target-Ensemble abgebildet wird und nicht mehr erfassbare Targets des Target-Ensembles softwaretechnisch als ungültige Targets einfach verworfen werden können.This is usually not a problem with photogrammetry systems, since the entire target ensemble is normally imaged and targets in the target ensemble that can no longer be detected are soft from a technical point of view, they can simply be discarded as invalid targets.

Bei Multilaterationssystemen, deren Messprinzip auf einer Multilateration beruht, führt die oben genannte Situation eines Austretens einzelner Targets aus dem Sichtbereich der Sensoren allerdings zum Verlust des Signals und damit zum Abbruch der Messung.However, in multilateration systems whose measuring principle is based on multilateration, the above-mentioned situation of individual targets leaving the field of view of the sensors leads to a loss of the signal and thus to the measurement being aborted.

Diese Tatsache schränkt die Bewegungsfreiheit des Target-Ensembles und damit des zu messenden beweglichen Bauteils deutlich ein. Es muss daher für jede anzufahrende Position des zu messenden beweglichen Bauteils sichergestellt werden, dass zu keinem Zeitpunkt der Messung der jeweilige Winkel zwischen den einzelnen Sensoren des Messsystems und dem jeweils anvisierten Target des Target-Ensembles einen kritischen Wert überschreitet, bei dem der Sensor aus dem Akzeptanzwinkel-Bereich des Targets oder das Target aus dem Sichtbereich des Sensors austritt.This fact significantly limits the freedom of movement of the target ensemble and thus the moving component to be measured. It must therefore be ensured for each position of the movable component to be measured that at no time during the measurement does the respective angle between the individual sensors of the measuring system and the targeted target of the target ensemble exceed a critical value at which the sensor comes out of the Acceptance angle range of the target or the target exits the field of view of the sensor.

Komplexe Bewegungen können mit solchen Multilaterationssystemen somit nicht ohne weiteres erfasst werden, was ein Problem darstellt. Multilaterationssysteme sind deshalb nur eingeschränkt geeignet, Positionen von beweglichen Bauteilen von Maschinen wie Robotern oder Koordinatenmessgeräten zu messen, da diese Bauteile typischerweise entlang relativ komplexer Trajektorien bewegt werden.Complex movements cannot therefore be easily recorded with such multilateration systems, which represents a problem. Multilateration systems are therefore only suitable to a limited extent for measuring positions of moving components of machines such as robots or coordinate measuring machines, since these components are typically moved along relatively complex trajectories.

Andererseits sind derartige dimensionelle Messsysteme, die auf dem Messprinzip der Multilateration beruhen, aufgrund der mit diesen Systemen erreichbaren Auflösung und Genauigkeit besonders vorteilhaft. Multilaterationssysteme sind insbesondere für hochgenaue und trotzdem vergleichbar schnelle 3D- oder sogar 6D-Messungen das Mittel der Wahl. Der oben erläuterte Nachteil dieser Multilaterationssysteme stellt deshalb eine reale Einschränkung für den Einsatz derartiger Systeme dar.On the other hand, such dimensional measuring systems, which are based on the measuring principle of multilateration, are particularly advantageous due to the resolution and accuracy that can be achieved with these systems. Multilateration systems are the method of choice, especially for highly accurate yet comparably fast 3D or even 6D measurements. The disadvantage of these multilateration systems explained above therefore represents a real limitation to the use of such systems.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein dimensionelles Messsystem bereitzustellen, das die oben genannten Probleme ausräumt. Dabei ist es insbesondere eine Aufgabe, ein dimensionelles Messsystem und ein entsprechendes Messverfahren bereitzustellen, das trotz Verwendung des Messprinzips der Multilateration nicht die oben genannte Bewegungseinschränkung aufweist.It is therefore an object of the present invention to provide a dimensional measurement system that eliminates the above-mentioned problems. In particular, it is a task to provide a dimensional measuring system and a corresponding measuring method which, despite using the measuring principle of multilateration, does not have the above-mentioned movement restriction.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Messsystem gelöst, das folgende Komponenten aufweist:

  • - eine an einem beweglichen Bauteil anbringbare Target-Vorrichtung, die eine Vielzahl von Targets aufweist, wobei die Vielzahl von Targets mindestens zwei Targets umfasst;
  • - eine Vielzahl von Sensoren, die jeweils dazu eingerichtet sind, eines der Vielzahl von Targets anzuvisieren, diesem während einer Bewegung des beweglichen Bauteils zu folgen und dabei ein Messsignal zu erzeugen, das abhängig von einem Abstand zwischen dem jeweiligen Sensor und dem jeweils anvisierten Target ist, wobei die Vielzahl von Sensoren mindestens drei Sensoren umfasst;
  • - eine Auswerte- und Steuereinheit, die dazu eingerichtet ist, die Messsignale auszuwerten, basierend auf den Messsignalen mittels Multilateration eine sich während der Bewegung des beweglichen Bauteils verändernde räumliche Position des beweglichen Bauteils zu bestimmen, und die Sensoren derart zu steuern, dass diese in Abhängigkeit eines Qualitätskriteriums das jeweils anvisierte Target dynamisch wechseln, um ein anderes der Vielzahl der Targets anzuvisieren und diesem anschließend zu folgen und dabei das jeweilige Messsignal zu erzeugen.
According to a first aspect of the present invention, this object is achieved by a measuring system which has the following components:
  • - a target device attachable to a movable component and having a plurality of targets, the plurality of targets comprising at least two targets;
  • - a plurality of sensors, each of which is set up to target one of the plurality of targets, to follow it during a movement of the movable component and thereby to generate a measurement signal which is dependent on a distance between the respective sensor and the respective targeted target , wherein the plurality of sensors includes at least three sensors;
  • - an evaluation and control unit which is set up to evaluate the measurement signals, to determine a spatial position of the movable component that changes during the movement of the movable component based on the measurement signals by means of multilateration, and to control the sensors in such a way that they depend of a quality criterion, the targeted target can be dynamically changed in order to target another one of the large number of targets and then follow this and thereby generate the respective measurement signal.

Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Verfahren zum Messen einer sich verändernden räumlichen Position eines beweglichen Bauteils gelöst, das die folgenden Schritte aufweist:

  • - Erhalten einer Vielzahl von Messsignalen, die von einer Vielzahl von Sensoren erzeugt werden, indem jeder der Sensoren ein Target einer Vielzahl von Targets, die an einer an dem beweglichen Bauteil angeordneten Target-Vorrichtung angeordnet sind, anvisiert, wobei die Messsignale jeweils abhängig von einem Abstand zwischen dem jeweiligen Sensor und dem jeweils anvisierten Target sind;
  • - Steuern der Sensoren, dass diese in Abhängigkeit eines Qualitätskriteriums das jeweils anvisierte Target dynamisch wechseln, um ein anderes der Vielzahl der Targets anzuvisieren und diesem anschließend zu folgen und dabei das jeweilige Messsignal zu erzeugen; und
  • - Bestimmen der sich während einer Bewegung des beweglichen Bauteils verändernden räumlichen Position des beweglichen Bauteils basierend auf den Messsignalen mittels Multilateration.
According to a second aspect of the present invention, the above-mentioned object is achieved by a method for measuring a changing spatial position of a movable component, comprising the following steps:
  • - Obtaining a plurality of measurement signals that are generated by a plurality of sensors by each of the sensors targeting a target of a plurality of targets that are arranged on a target device arranged on the movable component, the measurement signals each depending on one The distance between the respective sensor and the targeted target is;
  • - Controlling the sensors so that they dynamically change the targeted target depending on a quality criterion in order to target another one of the large number of targets and then follow this and thereby generate the respective measurement signal; and
  • - Determining the spatial position of the movable component that changes during a movement of the movable component based on the measurement signals using multilateration.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die oben genannte Aufgabe durch ein Computerprogrammprodukt gelöst, das ein Computerprogramm aufweist, das dazu eingerichtet ist, bei Ausführung auf einem Computer das zuvor genannte erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.According to a further aspect of the present invention, the above-mentioned object is achieved by a computer program product which has a computer program which, when executed on a computer, is designed to carry out the aforementioned method according to the invention.

Es sei darauf hingewiesen, dass das bewegliche Bauteil zwar ein Teil des erfindungsgemäßen Messsystems sein kann, aber nicht zwangsläufig sein muss. Wie bereits erwähnt, kann dieses bewegliche Bauteil auch Teil einer beliebigen anderen Maschine sein, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Messsystems gemessen wird.It should be noted that although the movable component can be part of the measuring system according to the invention, it does not necessarily have to be. As already mentioned, this movable component can also be part of any other machine that is measured using the measuring system according to the invention.

Bei der an dem beweglichen Bauteil anbringbaren Target-Vorrichtung handelt es sich vorzugsweise um ein Target-Ensemble, wie es eingangs bereits erwähnt wurde. Dieses Target-Ensemble weist eine Vielzahl von Targets (mindestens zwei Targets) auf, deren relative Position und Lage zueinander bekannt bzw. im Voraus ermittelbar ist.The target device that can be attached to the movable component is preferably a target ensemble, as already mentioned at the beginning. This target ensemble has a large number of targets (at least two targets), whose relative position and position to one another is known or can be determined in advance.

Bei der Vielzahl von Sensoren (mindestens drei Sensoren) des erfindungsgemäßen Messsystems handelt es sich jeweils um Abstandssensoren, die dazu eingerichtet sind, einen Abstand zwischen dem jeweiligen Sensor und dem von dem jeweiligen Sensor anvisierten Target der Target-Vorrichtung zu bestimmen. Zumindest sind die von den Sensoren erzeugten Messsignale von dem genannten Abstand zwischen dem jeweiligen Sensor und dem jeweils anvisierten Target abhängig. Das heißt, die Messsignale beinhalten Informationen, aus denen sich der Abstand zwischen dem jeweiligen Sensor und dem von dem Sensor anvisierten Target ermitteln lässt.The plurality of sensors (at least three sensors) of the measuring system according to the invention are each distance sensors which are set up to determine a distance between the respective sensor and the target of the target device aimed at by the respective sensor. At least the measurement signals generated by the sensors depend on the stated distance between the respective sensor and the targeted target. This means that the measurement signals contain information from which the distance between the respective sensor and the target aimed at by the sensor can be determined.

Die Messsignale bzw. die darin enthaltenen Informationen können je nach Messprinzip des verwendeten Sensors in verschiedenster Form vorliegen. Beispielsweise kann es sich bei der von den Sensoren durchgeführten Abstandsmessung um eine Laufzeitmessung oder eine Interferenz-basierte Messung handeln.The measurement signals or the information contained therein can be present in a variety of forms depending on the measuring principle of the sensor used. For example, the distance measurement carried out by the sensors can be a transit time measurement or an interference-based measurement.

Die in dem erfindungsgemäßen Messsystem verwendeten Sensoren haben des Weiteren die Eigenschaft, dass diese dazu eingerichtet sind, dem jeweils anvisierten Target während der Bewegung des beweglichen Bauteils bzw. der Bewegung der Target-Vorrichtung zu folgen. Diese „Verfolgungseigenschaft“ kann auf unterschiedlichste Art und Weise realisiert sein, z.B. optisch, elektro-optisch, elektro-mechanisch oder mechanisch.The sensors used in the measuring system according to the invention also have the property that they are set up to follow the targeted target during the movement of the movable component or the movement of the target device. This “tracking property” can be implemented in a variety of ways, e.g. optically, electro-optically, electro-mechanically or mechanically.

Die während der Bewegung des beweglichen Bauteils detektierten Messsignale der Sensoren werden erfindungsgemäß mittels Multilateration ausgewertet, um basierend darauf die Position der Target-Vorrichtung und damit die Position des beweglichen Bauteils zu bestimmen. Dies kann in an sich bekannter Weise geschehen.According to the invention, the measurement signals from the sensors detected during the movement of the movable component are evaluated using multilateration in order to determine the position of the target device and thus the position of the movable component based on this. This can be done in a manner known per se.

Das erfindungsgemäße Messsystem und das erfindungsgemäße Messverfahren zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Sensoren derart gesteuert werden, dass diese in Abhängigkeit eines Qualitätskriteriums das jeweils anvisierte Target dynamisch wechseln. Dies bedeutet, dass die Sensoren derart angesteuert werden, dass diese jeweils ein zum jeweiligen Zeitpunkt „günstiges“ Target anvisieren, das zum jeweiligen Zeitpunkt in deren Sichtfeld fällt und dessen Akzeptanzwinkel-Bereich von dem jeweiligen Sensor eingehalten werden kann.The measuring system according to the invention and the measuring method according to the invention are characterized in particular by the fact that the sensors are controlled in such a way that they dynamically change the targeted target depending on a quality criterion. This means that the sensors are controlled in such a way that they each target a “favorable” target at the respective time, which falls into their field of vision at the respective time and whose acceptance angle range can be maintained by the respective sensor.

Durch diesen dynamischen Wechsel ist es möglich, dass jeder Sensor der Vielzahl von Sensoren zu jedem Zeitpunkt ein Target anvisiert, auf Basis dessen ein valides und verwertbares Messsignal erzeugt werden kann.This dynamic change makes it possible for each sensor of the large number of sensors to target a target at any time, on the basis of which a valid and usable measurement signal can be generated.

Führt die Bewegung des beweglichen Bauteils und damit die Bewegung der Target-Vorrichtung dazu, dass ein von einem Sensor anvisiertes Target aus dessen Sichtbereich tritt oder dass sich das Target bzw. der Sensor einer Akzeptanzgrenze nähert, so wechselt der jeweilige Sensor das Target und visiert ein anderes der Vielzahl der Targets der Target-Vorrichtung an, um diesem anschließend weiter zu folgen.If the movement of the movable component and thus the movement of the target device results in a target aimed at by a sensor moving out of its field of vision or in the target or sensor approaching an acceptance limit, the respective sensor changes the target and takes aim other of the multitude of targets of the target device in order to then follow this further.

Auf diese Weise ist es möglich, auch komplexen Bewegungen der Target-Vorrichtung zu folgen, wobei jeder Sensor jederzeit ein Target anvisieren kann, das sich innerhalb des Akzeptanzbereichs befindet.In this way, it is possible to follow even complex movements of the target device, with each sensor being able to aim at a target that is within the acceptance range at any time.

Der Begriff „anvisieren“ ist vorliegend allgemein und breit aufzufassen. Gemeint ist damit, dass die Sensoren, unabhängig von deren Messprinzip, auf eines der Targets der Target-Vorrichtung gerichtet oder fokussiert sind. Damit ist beispielsweise gemeint, dass eine von dem Sensor ausgesendete Welle auf das jeweilige Target gerichtet ist.The term “target” is to be understood here in a general and broad manner. What this means is that the sensors, regardless of their measuring principle, are directed or focused on one of the targets of the target device. This means, for example, that a wave emitted by the sensor is directed at the respective target.

Ebenso sei angemerkt, dass bei dem beschriebenen Targetwechsel, der von den Sensoren durchgeführt wird, die einzelnen Targets auch „untereinander getauscht“ werden können. Damit ist beispielsweise gemeint, dass zum Zeitpunkt t0 Sensor A Target 1 und Sensor B Target 2 anvisiert, während zum Zeitpunkt t1 Sensor A Target 2 und Sensor B Target 1 anvisiert. Ebenso ist es möglich, dass mehrere Sensoren zum gleichen Zeitpunkt das gleiche Target anvisieren. Im Falle von mindestens drei Sensoren und mindestens zwei Targets sind also diverse Permutationen von Sensor-Target-Zuordnungen möglich, die in Abhängigkeit des genannten Qualitätskriteriums automatisiert dynamisch verändert werden.It should also be noted that during the target change described, which is carried out by the sensors, the individual targets can also be “swapped with each other”. This means, for example, that at time t 0 sensor A is targeting target 1 and sensor B is targeting target 2, while at time t 1 sensor A is targeting target 2 and sensor B is targeting target 1. It is also possible for several sensors to target the same target at the same time. In the case of at least three sensors and at least two targets, various permutations of sensor-target assignments are possible, which are automatically and dynamically changed depending on the quality criterion mentioned.

Bewegungseinschränkungen, wie sie eingangs für gängige Multilaterationssysteme aus dem Stand der Technik erwähnt wurden, bestehen für das erfindungsgemäße Messsystem und das erfindungsgemäße Messverfahren somit nicht mehr.Movement restrictions, as mentioned at the beginning for common multilateration systems from the prior art, no longer exist for the measuring system according to the invention and the measuring method according to the invention.

Die oben genannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.The above task is therefore completely solved.

Gemäß einer Ausgestaltung sind die Sensoren jeweils dazu eingerichtet, eines der Vielzahl von Targets anzuvisieren, indem sie eine Welle aussenden, eine von dem entsprechenden Target reflektierte Welle detektieren und basierend darauf das Messsignal erzeugen.According to one embodiment, the sensors are each set up to target one of the plurality of targets by emitting a wave, detecting a wave reflected by the corresponding target and generating the measurement signal based on this.

Die von den Sensoren ausgesandten und den Targets reflektierten Wellen können elektromagnetische Wellen oder akustische Wellen sein. Beispielsweise können die Sensoren jeweils als Laserinterferometer, Ultraschall-Sensor, Radar-Sensor oder Lidar-Sensor ausgebildet sein. Das Messprinzip, auf Basis dessen die Messsignale der einzelnen Sensoren erzeugt werden, kann eine Laufzeitmessung und/oder eine Interferenzmessung umfassen. Weitere Sensorarten und Messprinzipien, die zu der genannten Abstandsmessung zwischen Sensor und Target einsetzbar sind, sind in dem erfindungsgemäßen Messsystem verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.The waves emitted by the sensors and reflected by the targets can be electromagnetic waves or acoustic waves. For example, the sensors can each be designed as a laser interferometer, ultrasonic sensor, radar sensor or lidar sensor. The measuring principle on the basis of which the measuring signals of the individual sensors are generated can include a transit time measurement and/or an interference measurement. Other types of sensors and measuring principles that can be used for the distance measurement between sensor and target mentioned can be used in the measuring system according to the invention without departing from the scope of the present invention.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weisen die Sensoren ein Dreh-Schwenk-Gelenk auf.According to a further embodiment, the sensors have a rotary-pivot joint.

Dies erhöht die Beweglichkeit der Sensoren und vereinfacht insbesondere die Nachverfolgung der Targets. Mit Hilfe eines solchen Dreh-Schwenk-Gelenks können die Sensoren nahezu beliebige Positionen/Bereiche im Raum anvisieren. Das Dreh-Schwenk-Gelenk lässt sich dabei sowohl dazu einsetzen, nur ein Teil des Sensors, also beispielsweise eine Optik, oder aber auch den gesamten Sensor zu verschwenken.This increases the mobility of the sensors and, in particular, simplifies tracking of the targets. With the help of such a swivel-swivel joint, the sensors can target almost any position/area in space. The swivel-swivel joint can be used to swivel only part of the sensor, for example an optic, or the entire sensor.

Vorzugsweise ist die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet, den dynamischen Wechsel des durch einen der Sensoren jeweils anvisierten Targets mit Hilfe des Dreh-Schwenk-Gelenks des jeweiligen Sensors zu bewirken. Hierzu können beispielsweise motorisch angetriebene Aktuatoren von der Auswerte- und Steuereinheit angesteuert werden.Preferably, the evaluation and control unit is set up to effect the dynamic change of the target targeted by one of the sensors using the rotary-pivot joint of the respective sensor. For this purpose, for example, motor-driven actuators can be controlled by the evaluation and control unit.

Dies bedeutet mit anderen Worten, dass das Dreh-Schwenk-Gelenk der Sensoren in diesem Fall nicht nur zur Nachverfolgung der Bewegung eines Targets eingesetzt wird, sondern auch für die Neujustierung eines Sensors verwendet wird, wenn dieser auf ein neues Target „eingeloggt“ wird, also das Target wechselt.In other words, this means that the swivel-swivel joint of the sensors in this case is not only used to track the movement of a target, but is also used to readjust a sensor when it is “logged in” to a new target. So the target changes.

An dieser Stelle sei angemerkt, dass der genannte Targetwechsel grundsätzlich während der laufenden Bewegung des beweglichen Bauteils bzw. der Target-Vorrichtung möglich ist. In einem solchen Fall wechselt also der jeweilige Sensor das anvisierte Target, ohne dass hierzu das bewegliche Bauteil bzw. die Target-Vorrichtung angehalten wird. Es versteht sich, dass diese Art des Vorgehens nicht nur einen schnellen Targetwechsel, sondern auch ein grundsätzliches Wissen oder Abschätzen der zukünftigen Bewegung des beweglichen Bauteils und der Target-Vorrichtung voraussetzt.It should be noted at this point that the target change mentioned is basically possible during the ongoing movement of the movable component or the target device. In such a case, the respective sensor changes the targeted target without the movable component or the target device being stopped. It is understood that this type of procedure requires not only a quick target change, but also a basic knowledge or estimation of the future movement of the movable component and the target device.

In einer vergleichsweise einfacheren Art der Implementierung kann es auch vorgesehen sein, dass die Auswerte- und Steuereinheit, die Bewegung des beweglichen Bauteils und der Target-Vorrichtung anhält, um den Targetwechsel eines Sensors durchzuführen. In diesem Fall lässt sich das neu anvisierte Target für den Sensor vergleichsweise einfach auffinden.In a comparatively simpler type of implementation, it can also be provided that the evaluation and control unit stops the movement of the movable component and the target device in order to change the target of a sensor. In this case, the newly targeted target can be found comparatively easily for the sensor.

Gemäß einer Ausgestaltung weisen die Targets jeweils einen Retroreflektor auf. Dieser Retroreflektor ist vorzugsweise als Spiegel-Retroreflektor oder Kugel-Retroreflektor ausgestaltet.According to one embodiment, the targets each have a retroreflector. This retroreflector is preferably designed as a mirror retroreflector or spherical retroreflector.

Retroreflektoren sind Vorrichtungen, die einfallende elektromagnetische Wellen weitgehend unabhängig von der Einfallsrichtung sowie der Ausrichtung des Retroreflektors größtenteils in die Richtung reflektierten, aus der sie gekommen sind. Spiegel-Retroreflektoren weisen eine oder mehrere spiegelnde Oberflächen auf, die die einfallenden Wellen zurück zur Quelle der Wellen lenken. Des Weiteren existieren Kugel-Retroreflektoren, die auch als Linsen-Retroreflektoren bezeichnet werden. Diese haben eine Kugel- bzw. Linsenform und besitzen typischerweise größere Akzeptanzwinkel-Bereiche als Spiegel-Retroreflektoren.Retroreflectors are devices that reflect incident electromagnetic waves largely in the direction from which they came, largely independent of the direction of incidence and the orientation of the retroreflector. Mirror retroreflectors have one or more reflective surfaces that direct the incident waves back toward the source of the waves. There are also spherical retroreflectors, which are also known as lens retroreflectors. These have a spherical or lens shape and typically have larger acceptance angle ranges than mirror retroreflectors.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist das Qualitätskriterium von einem Schwellwert einer Signalstärke des jeweiligen Messsignals und/oder einem Schwellwert eines Winkels, der sich durch die relative räumliche Ausrichtung des jeweiligen Sensors zu dem jeweiligen Target ergibt, abhängig.According to a further embodiment, the quality criterion is dependent on a threshold value of a signal strength of the respective measurement signal and/or a threshold value of an angle which results from the relative spatial orientation of the respective sensor to the respective target.

Beispielsweise kann die Auswerte- und Steuereinheit dazu eingerichtet sein, den Wechsel des durch einen der Sensoren jeweils anvisierten Targets dann vorzunehmen, wenn die Signalstärke des jeweiligen Messsignals unter einen vordefinierten Schwellwert fällt. Ein solches Ereignis kann beispielsweise dadurch verursacht sein, dass zwischen dem jeweiligen Sensor und dem von diesem bisher anvisierten Target eine Störkontur auftaucht, die zu einer Verringerung der Signalstärke führt. Diese Störkontur kann beispielsweise ein Teil der zu messenden Maschine selbst sein. Die Störkontur kann aber auch durch einen der anderen Sensoren bedingt sein.For example, the evaluation and control unit can be set up to change the target targeted by one of the sensors when the signal strength of the respective measurement signal falls below a predefined threshold value. Such an event can be caused, for example, by the fact that an interfering contour appears between the respective sensor and the target previously targeted by it, which leads to a reduction in the signal strength. This interference contour can, for example, be part of the machine itself to be measured. The interference contour can also be caused by one of the other sensors.

Die Auswerte- und Steuereinheit kann auch dazu eingerichtet sein, den Wechsel des durch einen der Sensoren jeweils anvisierten Targets (Targetwechsel) vorzunehmen, wenn sich das jeweilige Sensor-Target bzw. -Paar einer Sensitivitätsgrenze nähert, also wenn sich der Einfallswinkel der von dem Sensor erzeugten Welle dem maximalen Akzeptanzwinkel des Targets nähert. Anders ausgedrückt, kann der Targetwechsel dann vorgenommen werden, wenn der Einfallswinkel der von dem Sensor erzeugten Welle auf dem Target ein vordefiniertes Winkelmaß überschreitet.The evaluation and control unit can also be set up to change the to carry out one of the sensors targeted targets (target change) when the respective sensor target or pair approaches a sensitivity limit, i.e. when the angle of incidence of the wave generated by the sensor approaches the maximum acceptance angle of the target. In other words, the target change can be carried out when the angle of incidence of the wave generated by the sensor on the target exceeds a predefined angular dimension.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Targets an der Target-Vorrichtung fixiert und deren relative Position und Lage ist zeitlich invariant. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Targets an der Target-Vorrichtung miteinander starr verbunden sind. Zumindest sollte deren Verbindung derart fix sein, dass sie als mechanisch starr bzw. zeitlich invariant angenommen werden kann.According to a further embodiment, the targets are fixed to the target device and their relative position and position is time-invariant. In other words, this means that the targets on the target device are rigidly connected to one another. At least their connection should be so fixed that it can be assumed to be mechanically rigid or time-invariant.

Dies vereinfacht den Targetwechsel, da hierdurch insbesondere die Berechnung der Position und Lage des „neuen“ Targets, auf das der jeweilige Sensor beim Targetwechsel wechselt, vereinfacht ist.This simplifies the target change, as it particularly simplifies the calculation of the position and position of the “new” target to which the respective sensor changes when changing the target.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Targets derart an der Target-Vorrichtung angeordnet, dass deren Mittelpunkte auf einer imaginären Kugeloberfläche verteilt angeordnet sind.According to a further embodiment, the targets are arranged on the target device in such a way that their center points are distributed on an imaginary spherical surface.

Besonders bevorzugt sind die Targets bzw. deren Mittelpunkte auf der genannten imaginären Kugeloberfläche in einem regelmäßigen Muster angeordnet. Dies steigert die Detektierbarkeit der Targets, da bei einer derartigen Anordnung der Targets aus einer beliebigen Raumrichtung immer zumindest ein Target der Target-Vorrichtung detektierbar bzw. anvisierbar ist.The targets or their centers are particularly preferably arranged in a regular pattern on the imaginary spherical surface mentioned. This increases the detectability of the targets, since with such an arrangement of the targets from any spatial direction at least one target of the target device can always be detected or targeted.

Vorzugsweise ist die Anzahl der Sensoren größer als die Anzahl der Targets. Dies steigert die Robustheit der Positionsbestimmung auf Basis der von den Sensoren erzeugten Messsignale.Preferably the number of sensors is greater than the number of targets. This increases the robustness of the position determination based on the measurement signals generated by the sensors.

Gemäß einer Ausgestaltung umfasst die Vielzahl von Sensoren mindestens sechs Sensoren und die Vielzahl von Targets mindestens drei Targets. Die Auswerte- und Steuereinheit kann gemäß dieser Ausgestaltung dazu eingerichtet sein, basierend auf den Messsignalen mittels Multilateration eine sich während der Bewegung des beweglichen Bauteils verändernde räumliche Position und Lage (Pose) des beweglichen Bauteils zu bestimmen.According to one embodiment, the plurality of sensors comprises at least six sensors and the plurality of targets comprises at least three targets. According to this embodiment, the evaluation and control unit can be set up to determine a spatial position and position (pose) of the movable component that changes during the movement of the movable component based on the measurement signals by means of multilateration.

Mit sechs Sensoren und drei Targets kann das erfindungsgemäße Messsystem in oben genannter Art und Weise eine 6D-Messung durchführen, bei der neben der räumlichen Position der Target-Vorrichtung (drei Raumkoordinaten) auch deren räumliche Lage (drei räumliche Achsenorientierungen) ermittelt werden können.With six sensors and three targets, the measuring system according to the invention can carry out a 6D measurement in the manner mentioned above, in which not only the spatial position of the target device (three spatial coordinates) but also its spatial position (three spatial axis orientations) can be determined.

Trotz des erfindungsgemäßen Targetwechsels wird in diesem Fall jedes Target zu jedem Zeitpunkt von mindestens zwei Sensoren anvisiert. Ein dynamischer Wechsel der einzelnen Targets ist bei der genannten Verteilung (sechs Sensoren und drei Targets) dennoch möglich, da die Targets, wie bereits erwähnt, untereinander gewechselt werden können.Despite the target change according to the invention, in this case each target is targeted by at least two sensors at any time. A dynamic change of the individual targets is still possible with the distribution mentioned (six sensors and three targets) because, as already mentioned, the targets can be changed among each other.

Zur weiteren Verbesserung der Bestimmung der Pose des beweglichen Bauteils ist es gemäß einer weiteren Ausgestaltung jedoch bevorzugt, dass die Vielzahl von Sensoren mindestens sieben Sensoren und die Vielzahl von Targets mindestens sechs Targets umfasst. In einem Versuch der Anmelderin hat sich ein Messsystem mit sieben Sensoren und zehn Targets als besonders vorteilhaft herausgestellt, da dies nicht nur eine robuste Berechnung ermöglicht, sondern auch einen relativ einfachen Targetwechsel.In order to further improve the determination of the pose of the movable component, according to a further embodiment, it is preferred that the plurality of sensors comprises at least seven sensors and the plurality of targets comprises at least six targets. In an experiment by the applicant, a measuring system with seven sensors and ten targets turned out to be particularly advantageous, as this not only enables a robust calculation, but also a relatively simple target change.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.

Ebenso versteht es sich, dass die zu dem erfindungsgemäßen Messsystem erwähnten Ausgestaltungen und die in den abhängigen Ansprüchen zu dem Messsystem definierten Merkmale nicht nur das Messsystem an sich betreffen, sondern in gleicher oder äquivalenter Weise auch das erfindungsgemäße Verfahren und das erfindungsgemäße Computerprogrammprodukt betreffen. Dementsprechend lassen sich die in den abhängigen Ansprüchen definierten Merkmale in gleicher oder äquivalenter Weise auch zu dem erfindungsgemäßen Verfahren definieren.It is also understood that the configurations mentioned for the measuring system according to the invention and the features defined in the dependent claims for the measuring system not only relate to the measuring system itself, but also relate in the same or equivalent manner to the method according to the invention and the computer program product according to the invention. Accordingly, the features defined in the dependent claims can also be defined in the same or equivalent manner to the method according to the invention.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 eine schematische Darstellung eines Messsystems gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei einem Einsatz in einem Koordinatenmessgerät;
  • 2 eine schematische Darstellung einer Target-Vorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 3 eine schematische Darstellung einer Target-Vorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine erste Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung eines Targetwechselprinzips gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
  • 5 eine zweite Prinzipdarstellung zur Veranschaulichung des Targetwechselprinzips; und
  • 6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Exemplary embodiments of the invention are shown in the drawings and are explained in more detail in the following description. Show it:
  • 1 a schematic representation of a measuring system according to an embodiment of the present invention, when used in a coordinate measuring machine;
  • 2 a schematic representation of a target device according to a first embodiment of the present invention;
  • 3 a schematic representation of a target device according to a second embodiment of the present invention;
  • 4 a first schematic diagram to illustrate a target change principle according to an exemplary embodiment of the present invention;
  • 5 a second schematic representation to illustrate the target change principle; and
  • 6 a flowchart of a method according to an exemplary embodiment of the present invention.

1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Messsystems zum dimensionellen Messen. Das Messsystem ist darin in seiner Gesamtheit der Bezugsziffer 10 gekennzeichnet. Das Messsystem 10 dient in dem in 1 schematisch gezeigten Anwendungsfall zur Bestimmung einer Position eines beweglichen Bauteils eines Koordinatenmessgeräts 100. Bei dem bewegten Bauteil des Koordinatenmessgeräts 100, dessen räumliche Position mit Hilfe des erfindungsgemäßen Messsystems 10 gemessen wird, handelt es sich im vorliegenden Fall um das untere Ende einer Pinole 12, das mit Hilfe dreier beweglicher Achsen (x-, y- und z-Achsen) im Raum beweglich ist. 1 shows a schematic representation of the measuring system according to the invention for dimensional measuring. The measuring system is identified in its entirety by reference number 10. The measuring system 10 is used in the in 1 schematically shown application for determining a position of a movable component of a coordinate measuring machine 100. The moving component of the coordinate measuring machine 100, the spatial position of which is measured using the measuring system 10 according to the invention, is in the present case the lower end of a quill 12, which with Can be moved in space using three movable axes (x, y and z axes).

Wird das Koordinatenmessgerät 100 zum Messen eines Messobjekts verwendet, so ist an diesem unteren Ende der Pinole 12 typischerweise ein taktiler und/oder Messsensor angeordnet, mit Hilfe dessen das zu messende Messobjekt abgetastet wird. In dem in 1 gezeigten Anwendungsfall des erfindungsgemäßen Messsystems 10 ist an diesem unteren Ende der Pinole 12 stattdessen jedoch eine Target-Vorrichtung 14 angeordnet, die mit Hilfe mehrerer Sensoren 16 anvisiert wird.If the coordinate measuring machine 100 is used to measure a measurement object, a tactile and/or measuring sensor is typically arranged at this lower end of the quill 12, with the aid of which the measurement object to be measured is scanned. In the in 1 However, in the application of the measuring system 10 according to the invention shown, a target device 14 is instead arranged at this lower end of the quill 12, which is targeted with the help of several sensors 16.

Im vorliegenden Fall weist das Messsystem 10 drei räumlich verteilt angeordnete Sensoren 16 auf. Diese Sensoren 16 sind dazu eingerichtet, die Target-Vorrichtung 14 anzuvisieren, dieser während der Bewegung der Pinole 12 zu folgen und währenddessen ein Messsignal zu erzeugen, auf Basis dessen sich der jeweilige Abstand zwischen der Target-Vorrichtung 14 und dem jeweiligen Sensor 16 ermitteln lässt.In the present case, the measuring system 10 has three spatially distributed sensors 16. These sensors 16 are set up to target the target device 14, to follow it during the movement of the quill 12 and, in the meantime, to generate a measurement signal, on the basis of which the respective distance between the target device 14 and the respective sensor 16 can be determined .

Wie weiter unten noch im Detail erläutert wird, lässt sich mittels Multilateration basierend auf den Messsignalen der Sensoren 16 die räumliche Position der Target-Vorrichtung 14 berechnen. Zur Auswertung der Messsignale der Sensoren 16 und Berechnung der Position der Target-Vorrichtung 14 weist das Messsystem 10 eine Auswerte- und Steuereinheit 18 auf. Diese Auswerte- und Steuereinheit 18 weist vorzugsweise einen Computer 20 auf, der neben einer Recheneinheit 22 vorzugsweise auch ein Display oder eine sonstige Art von Anzeigevorrichtung 24 umfasst. Ferner kann der Computer 20 selbstverständlich auch eine oder mehrere Eingabeeinrichtungen, wie beispielsweise eine Tastatur, eine Mouse und/oder einen Joystick, aufweisen.As will be explained in detail below, the spatial position of the target device 14 can be calculated using multilateration based on the measurement signals from the sensors 16. To evaluate the measurement signals from the sensors 16 and calculate the position of the target device 14, the measuring system 10 has an evaluation and control unit 18. This evaluation and control unit 18 preferably has a computer 20, which, in addition to a computing unit 22, preferably also includes a display or another type of display device 24. Furthermore, the computer 20 can of course also have one or more input devices, such as a keyboard, a mouse and/or a joystick.

Das erfindungsgemäße Messsystem 10 dient in dem in 1 gezeigten Anwendungsbeispiel zur Bestimmung der Position des unteren Endes der Pinole 12 eines Koordinatenmessgeräts 100. Die durch das Messsystem 10 bestimmte Position kann beispielsweise mit der vom Koordinatenmessgerät 100 intern selbst bestimmten Position der Pinole 12 abgeglichen werden. Beispielsweise kann dies im Rahmen einer Kalibrierung des Koordinatenmessgeräts 100 geschehen, um systematische Restfehler, die von dem internen Positionier- und Messsystem des Koordinatenmessgeräts 100 selbst nicht erfasst werden können.The measuring system 10 according to the invention is used in the in 1 Example of application shown for determining the position of the lower end of the quill 12 of a coordinate measuring machine 100. The position determined by the measuring system 10 can, for example, be compared with the position of the quill 12 determined internally by the coordinate measuring machine 100. For example, this can be done as part of a calibration of the coordinate measuring machine 100 in order to eliminate systematic residual errors that cannot be detected by the internal positioning and measuring system of the coordinate measuring machine 100 itself.

Wenngleich es sich bei dem Koordinatenmessgerät 100 um einen typischen Anwendungsfall für das erfindungsgemäße Messsystem 10 handelt, sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, dass sich mit dem erfindungsgemäßen Messsystem 10 auch andere Arten von Maschinen oder Vorrichtungen messen lassen. Ebenso kann das erfindungsgemäße Messsystem 10 zur Messung einer Position eines anderen bewegten Bauteils als die Pinole 12 des Koordinatenmessgeräts 100 eingesetzt werden.Although the coordinate measuring machine 100 is a typical application for the measuring system 10 according to the invention, it should be pointed out again at this point that other types of machines or devices can also be measured with the measuring system 10 according to the invention. Likewise, the measuring system 10 according to the invention can be used to measure a position of a moving component other than the quill 12 of the coordinate measuring machine 100.

Das Koordinatenmessgerät 100 ist in dem vorliegenden Fall also das zu vermessende System, das nicht zwangsläufig zu dem erfindungsgemäßen Messsystem 10 gehören muss. Anders ausgedrückt kann das erfindungsgemäße Messsystem 10 als eine von dem Koordinatenmessgerät 100 separate Baueinheit ausgestaltet sein.In the present case, the coordinate measuring machine 100 is the system to be measured, which does not necessarily have to belong to the measuring system 10 according to the invention. In other words, the measuring system 10 according to the invention can be designed as a separate structural unit from the coordinate measuring machine 100.

Zu dem Messsystem 10 gehören in diesem Fall die Target-Vorrichtung 14, die Sensoren 16 und die Auswerte- und Steuereinheit 18. Alle übrigen Bauteile des Koordinatenmessgeräts 100 müssen nicht zwangsläufig zu dem Messsystem 10 gehören. Grundsätzlich ist es in dem in 1 gezeigten Anwendungsfall jedoch von Vorteil, wenn beispielsweise die Auswerte- und Steuereinheit 18 nicht nur Teil des erfindungsgemäßen Messsystems 10 ist, sondern auch Teil des Koordinatenmessgeräts 100 ist und somit nicht nur der Auswertung und Steuerung des Messsystems 10 dient, sondern auch der Auswertung und Steuerung des Koordinatenmessgeräts 100.In this case, the measuring system 10 includes the target device 14, the sensors 16 and the evaluation and control unit 18. All other components of the coordinate measuring machine 100 do not necessarily have to belong to the measuring system 10. Basically it is in the in 1 However, the application shown is advantageous if, for example, the evaluation and control unit 18 is not only part of the measuring system 10 according to the invention, but is also part of the coordinate measuring machine 100 and is therefore not only used to evaluate and control the measuring system 10, but also to evaluate and control the Coordinate measuring machine 100.

Bevor weiter unten auf das Funktionsprinzip und die Details des erfindungsgemäßen Messsystems 10 eingegangen wird, wird im Folgenden der Aufbau und die Funktion des Koordinatenmessgeräts 100 erläutert.Before the functional principle and the details of the measuring system 10 according to the invention are discussed further below, the structure and function of the coordinate measuring machine 100 will be explained below.

Das Koordinatenmessgerät 100 weist eine Basis 26 auf. Bei der Basis 26 handelt es sich vorzugsweise um eine stabile Platte, welche beispielsweise aus Granit gefertigt ist. Auf dieser Basis 26 kann ein Messtisch oder eine andere Art von Werkstückaufnahme angeordnet sein. Im Falle eines Messtisches (vorliegend nicht dargestellt) ist dieser vorzugsweise entlang zweier Achsen (x- und y-Achse) gegenüber der Basis 26 verfahrbar. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass die Basis 26 selbst als Werkstückaufnahme dient, ohne dass darauf ein separater Messtisch angeordnet ist.The coordinate measuring machine 100 has a base 26. The base is 26 preferably a stable plate, which is made of granite, for example. A measuring table or another type of workpiece holder can be arranged on this base 26. In the case of a measuring table (not shown here), it can preferably be moved along two axes (x and y axes) relative to the base 26. In principle, however, it is also possible for the base 26 itself to serve as a workpiece holder without a separate measuring table being arranged on it.

Das Koordinatenmessgerät 100 ist in dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel in Portalweise ausgeführt. Auf der Basis 26 ist ein Portal 28 in Längsrichtung verschiebbar angeordnet. Diese Längsrichtung entspricht vorliegend der y-Achse. Das Portal 28 dient als bewegliche Trägerstruktur. Das Portal 28 weist zwei von der Basis 26 nach oben abragende Säulen auf, die durch einen Querträger miteinander verbunden sind und gesamthaft eine umgekehrte U-Form haben.The coordinate measuring machine 100 is in the in 1 illustrated embodiment executed in a portal manner. A portal 28 is arranged on the base 26 so that it can be moved in the longitudinal direction. In this case, this longitudinal direction corresponds to the y-axis. The portal 28 serves as a movable support structure. The portal 28 has two columns projecting upwards from the base 26, which are connected to one another by a cross member and have an overall inverted U-shape.

Zur Bewegung des Portals 28 wird üblicherweise ein motorischer Antrieb (z.B. ein Stellmotor) verwendet. Der Antrieb 20 ist in einem zu der Basis 26 weisenden Endbereich einer der abragenden Säulen angeordnet und dazu eingerichtet, das Portal 28 entlang der y-Achse zu verfahren.A motor drive (e.g. a servomotor) is usually used to move the portal 28. The drive 20 is arranged in an end region of one of the projecting columns facing the base 26 and is set up to move the portal 28 along the y-axis.

An dem oberen Querträger des Portals 28 ist ein Schlitten 30 angeordnet, der in Querrichtung über einen zweiten motorischen Antrieb verfahrbar ist. Diese Querrichtung entspricht der x-Achse. Der zweite Antrieb ist vorzugsweise in dem Schlitten 30 verbaut.A carriage 30 is arranged on the upper cross member of the portal 28 and can be moved in the transverse direction via a second motor drive. This transverse direction corresponds to the x-axis. The second drive is preferably installed in the carriage 30.

Der Schlitten 30 trägt die Pinole 12, die entlang der z-Achse, also senkrecht zu der Basis 26, über einen dritten motorischen Antrieb verfahrbar ist.The carriage 30 carries the quill 12, which can be moved along the z-axis, i.e. perpendicular to the base 26, via a third motor drive.

Die Bezugsziffern 32, 34, 36 bezeichnen Messeinrichtungen, anhand derer die x-, y- und z-Positionen des Portals 28, des Schlittens 30 und der Pinole 12 bestimmt werden können. Typischerweise handelt es sich bei den Messeinrichtungen 32, 34, 36 um Glasmaßstäbe, welche als Messskalen dienen. Diese Messskalen sind in Verbindung mit entsprechenden Leseköpfen (hier nicht dargestellt) dazu ausgebildet, die jeweils aktuelle Position des Portals 28 relativ zu der Basis 26, die Position des Schlittens 30 relativ zu dem oberen Querbalken des Portals 28 und die Position der Pinole 12 relativ zu dem Schlitten 30 zu bestimmen.The reference numbers 32, 34, 36 designate measuring devices by means of which the x, y and z positions of the portal 28, the carriage 30 and the quill 12 can be determined. Typically, the measuring devices 32, 34, 36 are glass scales which serve as measuring scales. These measuring scales are designed in conjunction with corresponding reading heads (not shown here) to measure the current position of the portal 28 relative to the base 26, the position of the carriage 30 relative to the upper crossbar of the portal 28 and the position of the quill 12 relative to the carriage 30 to determine.

An dem unteren freien Ende der Pinole 12 ist, wie bereits erwähnt, die zu dem Messsystem 10 gehörige Target-Vorrichtung 14 angeordnet. Beispielsweise kann die Target-Vorrichtung 14 über einen Adapter 38 an dem unteren Ende der Pinole 12 lösbar angeordnet sein.As already mentioned, the target device 14 belonging to the measuring system 10 is arranged at the lower free end of the quill 12. For example, the target device 14 can be detachably arranged at the lower end of the quill 12 via an adapter 38.

Während einer Messung wird die Target-Vorrichtung 14 entlang einer vorgegebenen Trajektorie bewegt. Hierzu erhalten die einzelnen zuvor erwähnten Antriebe des Koordinatenmessgeräts 100 von der Auswerte- und Steuereinheit 18 Steuerbefehle, auf Basis derer die Antriebe jeweils einzeln oder gesamthaft beispielsweise über eine CNC-Ansteuerung angesteuert werden. Während dieser Bewegung lässt sich die Position der Target-Vorrichtung 14 mit Hilfe der zu dem Koordinatenmessgerät 100 gehörigen Messeinrichtungen 32, 34, 36 bestimmen.During a measurement, the target device 14 is moved along a predetermined trajectory. For this purpose, the individual previously mentioned drives of the coordinate measuring machine 100 receive control commands from the evaluation and control unit 18, on the basis of which the drives are controlled individually or as a whole, for example via a CNC control. During this movement, the position of the target device 14 can be determined using the measuring devices 32, 34, 36 belonging to the coordinate measuring machine 100.

Diese durch die Messeinrichtungen 32, 34, 36 erfolgte Positionsbestimmung wird in dem vorliegend gezeigten Ausführungsbeispiel mit Hilfe des erfindungsgemäßen Messsystems 10 über- bzw. gegengeprüft. Dies geschieht, wie oben bereits erwähnt, indem die Sensoren 16 die Target-Vorrichtung anvisieren, dieser bei ihrer Bewegung folgen und währenddessen Messsignale erzeugen, anhand derer in der Auswerte- und Steuereinheit 18 mittels Multilateration die räumliche Position der Target-Vorrichtung 14 bestimmbar ist. Die Multilateration kann beispielsweise wie in der DE 199 47 374 A1 beschrieben erfolgen. 2 zeigt eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Target-Vorrichtung 14. Die Target-Vorrichtung 14 weist darin drei Targets 40 auf, die an einem Grundkörper 42 verteilt angeordnet sind. Bei den Targets 40 handelt es sich vorzugsweise um Retroreflektoren, die beispielsweise als Spiegel-Retroreflektoren oder Kugel-Retroreflektoren ausgestaltet sein können.This position determination carried out by the measuring devices 32, 34, 36 is checked or counter-checked in the exemplary embodiment shown here with the aid of the measuring system 10 according to the invention. This is done, as already mentioned above, by the sensors 16 targeting the target device, following it as it moves and, in the process, generating measurement signals, based on which the spatial position of the target device 14 can be determined in the evaluation and control unit 18 by means of multilateration. The multilateration can, for example, as in the DE 199 47 374 A1 described. 2 shows a schematic view of a first exemplary embodiment of the target device 14. The target device 14 has three targets 40 therein, which are arranged distributed on a base body 42. The targets 40 are preferably retroreflectors, which can be designed, for example, as mirror retroreflectors or spherical retroreflectors.

Die Targets 40 sind an dem Grundkörper 42 vorzugsweise fixiert, so dass deren relative Position und Lage zeitlich invariant ist. Diese relative Position und Lage der einzelnen Targets 40 zueinander wird als bekannt vorausgesetzt. Zumindest lässt diese sich einfach im Vorfeld der Verwendung des Messsystems 10 bestimmen.The targets 40 are preferably fixed to the base body 42 so that their relative position and position is invariant over time. This relative position and position of the individual targets 40 to one another is assumed to be known. At least this can be easily determined in advance of using the measuring system 10.

Um die zeitliche Invarianz der relativen Position und Lage der einzelnen Targets 40 zueinander zu gewährleisten, ist es von Vorteil, wenn es sich bei dem Grundkörper 42 um einen starren Körper handelt, dessen temperaturabhängige Ausdehnung vergleichsweise gering ist. Der Grundkörper 42 der Target-Vorrichtung 14 ist daher vorzugsweise aus einem Material mit vergleichsweise geringem Wärmeausdehnungskoeffizient gefertigt. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Grundkörper 42 kugelförmig ausgestaltet. Wenngleich dies von Vorteil ist, kann der Grundkörper 42 jedoch auch jede andere beliebige Form aufweisen, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.In order to ensure the temporal invariance of the relative position and orientation of the individual targets 40 to one another, it is advantageous if the base body 42 is a rigid body whose temperature-dependent expansion is comparatively small. The base body 42 of the target device 14 is therefore preferably made of a material with a comparatively low coefficient of thermal expansion. In the in 2 In the exemplary embodiment shown, the base body 42 is spherical. Although this is advantageous, the base body 42 can also have any other shape without departing from the scope of the present invention.

Ferner ist in 2 zu jedem Target 40 ein kegelförmiger Trichter 44 dargestellt. Hierbei handelt es sich um eine schematische Darstellung des Akzeptanzwinkel-Bereichs der Targets 40. Je nach Ausführungsform der Targets 40 kann der Öffnungswinkel dieses Akzeptanzwinkel-Bereichs 44 unterschiedlich groß sein. Bei Spiegel-Retroreflektoren beträgt dieser Akzeptanzwinkel-Bereich typischerweise ca. +/- 15°. Bei Kugel-Retroreflektoren beträgt der Akzeptanzwinkel-Bereich 44 typischerweise +/- 80°.Furthermore, in 2 A cone-shaped funnel 44 is shown for each target 40. This is a schematic representation of the acceptance angle range of the targets 40. Depending on Embodiment of the targets 40, the opening angle of this acceptance angle range 44 can be of different sizes. For mirror retroreflectors, this acceptance angle range is typically approx. +/- 15°. For spherical retroreflectors, the acceptance angle range 44 is typically +/- 80°.

3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer Target-Vorrichtung 14', die in dem erfindungsgemäßen Messsystem 10 einsetzbar ist. Diese Target-Vorrichtung 14' ist dem Grunde nach ähnlich aufgebaut wie die in 2 gezeigte Target-Vorrichtung 14. Sie weist im Gegensatz zu dieser allerdings nicht nur drei, sondern sieben am Grundkörper 42 verteilt angeordnete Targets 40 auf. Die einzelnen Targets 40 sind auch hier vorzugsweise in einem regelmäßigen Muster auf einer physischen oder gedachten Kugeloberfläche angeordnet. Im Gegensatz zu der in 2 gezeigten Target-Vorrichtung 14 ist die in 3 gezeigte Target-Vorrichtung 14' nahezu aus jeder Raumrichtung für Wellen erreichbar und kann diese Wellen in nahezu jede Raumrichtung reflektieren. 3 shows a second exemplary embodiment of a target device 14 'that can be used in the measuring system 10 according to the invention. This target device 14 'is basically constructed similarly to that in 2 Target device 14 shown. In contrast to this, however, it has not only three, but seven targets 40 arranged distributed on the base body 42. Here too, the individual targets 40 are preferably arranged in a regular pattern on a physical or imaginary spherical surface. In contrast to that in 2 Target device 14 shown is the one in 3 Target device 14 ' shown can be reached by waves from almost any spatial direction and can reflect these waves in almost any spatial direction.

Als Wellen, die an den Targets 40 reflektiert werden, werden im vorliegenden Fall vorzugsweise elektromagnetische Wellen (Licht) verwendet. Die Sensoren 16 weisen dazu jeweils ein Laserinterferometer 46 auf, dessen Strahlrichtung mit Hilfe eines Dreh-Schwenk-Gelenks 48 veränderbar ist.In the present case, electromagnetic waves (light) are preferably used as waves that are reflected at the targets 40. For this purpose, the sensors 16 each have a laser interferometer 46, the beam direction of which can be changed using a rotary-pivot joint 48.

Alternativ zu Laserinterferometern 46 ließen sich in den Sensoren 16 jedoch beispielsweise auch Ultraschall-Sensoren, Radar-Sensoren oder Lidar-Sensoren verwenden. Anstelle von motorisch verstellbaren Dreh-Schwenk-Gelenken 48 ließe sich die Wirkrichtung der Sensoren 16 auch mittels alternativer Aktuatoriken verändern.As an alternative to laser interferometers 46, ultrasonic sensors, radar sensors or lidar sensors could also be used in the sensors 16, for example. Instead of motor-adjustable rotary-pivot joints 48, the direction of action of the sensors 16 could also be changed using alternative actuators.

Das erfinderische Prinzip wird im Folgenden anhand der 4-6 verdeutlicht.The inventive principle is explained below using the 4-6 clarified.

Die im vorliegenden Fall als Laserinterferometer 46 ausgestalteten Sensoren 16 richten jeweils einen Laserstrahl auf die Target-Vorrichtung 14. Genauer gesagt richtet jedes Laserinterferometer einen Laserstrahl auf jeweils ein Target 40 der Target-Vorrichtung 14. Die Laserstrahlen werden dann von dem jeweiligen Target 40 retroreflektiert und der reflektierte Strahl von den Laserinterferometern 46 wieder detektiert. Auf diese Weise wird eine Vielzahl von Messsignalen erhalten, was dem in 6 dargestellten ersten Verfahrensschritt S101 entspricht.The sensors 16, which in the present case are designed as laser interferometers 46, each direct a laser beam onto the target device 14. More precisely, each laser interferometer directs a laser beam onto a respective target 40 of the target device 14. The laser beams are then retroreflected by the respective target 40 and the reflected beam is detected again by the laser interferometers 46. In this way, a large number of measurement signals are obtained, which is similar to that in 6 corresponds to the first method step S101 shown.

4 zeigt schematisch eine erste Situation, in der sechs verschiedene Sensoren 16 eine Target-Vorrichtung 14' mit sieben Targets 40 anvisieren. Zur besseren Differenzierung sind die einzelnen Sensoren mit römischen Ziffern I-VI durchnummeriert. Die Targets sind hingegen mit arabischen Ziffern 1-7 durchnummeriert. 4 shows schematically a first situation in which six different sensors 16 target a target device 14 'with seven targets 40. For better differentiation, the individual sensors are numbered with Roman numerals I-VI. The targets, however, are numbered with Arabic numerals 1-7.

4 stellt eine Situation zu einem beliebigen Zeitpunkt t0 dar. Zu diesem Zeitpunkt t0 visiert der Sensor 16-1 das Target 40-2 an. Der Sensor 16-II visiert das Target 40-1 an. Der Sensor 16-III visiert das Target 40-3 an. Der Sensor 16-IV visiert das Target 40-4 an. Der Sensor 16-V visiert das Target 40-3 an. Der Sensor 16-VI visiert das Target 40-1 an. Das Target 40-I wird also zum Zeitpunkt t0 sowohl von dem Sensor 16-II als auch von dem Sensor 16-VI anvisiert. Das Target 40-3 wird zu dem Zeitpunkt t0 sowohl von dem Sensor 16-III als auch von dem Sensor 16-V anvisiert. 4 represents a situation at any time t 0. At this time t 0 , the sensor 16-1 aims at the target 40-2. The sensor 16-II aims at the target 40-1. The sensor 16-III aims at the target 40-3. The sensor 16-IV aims at the target 40-4. The sensor 16-V aims at the target 40-3. The sensor 16-VI aims at the target 40-1. The target 40-I is therefore targeted at time t 0 by both the sensor 16-II and the sensor 16-VI. The target 40-3 is targeted at time t 0 by both the sensor 16-III and the sensor 16-V.

Wie aus 4 erkennbar ist, sind zu diesem Zeitpunkt die Laserstrahlen aller Sensoren 16-1 bis 16-VI innerhalb der Akzeptanzwinkel-Bereiche 44 der von ihnen anvisierten Targets 40. Ebenso zu erkennen ist, dass der Laserstrahl, der von dem Sensor 16-1 ausgesandt wird, relativ nah an der Grenze des Akzeptanzwinkel-Bereichs 44 des Sensors 40-2 ist. Eine Bewegung der Target-Vorrichtung 14' aus der in 4 gezeigten Position heraus könnte also zu einem Signalverlust führen, sofern der Sensor 16-1 trotz der Positionsänderung der Target-Vorrichtung 14' weiterhin das Target 40-2 anvisiert.How out 4 can be seen, at this point in time the laser beams of all sensors 16-1 to 16-VI are within the acceptance angle ranges 44 of the targets 40 they are aiming at. It can also be seen that the laser beam that is emitted by the sensor 16-1 is relatively close to the limit of the acceptance angle range 44 of the sensor 40-2. A movement of the target device 14 'from the in 4 The position shown could therefore lead to a signal loss if the sensor 16-1 continues to target the target 40-2 despite the change in position of the target device 14 '.

Erfindungsgemäß steuert die Auswerte- und Steuereinheit 18 die Sensoren 16 derart, dass diese die von ihnen jeweils anvisierten Targets 40 dynamisch wechseln (siehe Schritt S102 in 6). Dieser Targetwechsel erfolgt in Abhängigkeit eines Qualitätskriteriums.According to the invention, the evaluation and control unit 18 controls the sensors 16 in such a way that they dynamically change the targets 40 they are aiming at (see step S102 in 6 ). This target change takes place depending on a quality criterion.

Dieses Qualitätskriterium kann einen Schwellwert einer Signalstärke des Messsignals des jeweiligen Sensors 16 und/oder einen Schwellwert des Einfallswinkels des Laserstrahls des Sensors 16 auf dem jeweiligen Target 40 umfassen. Anders ausgedrückt, sollte ein Targetwechsel stattfinden, wenn aufgrund einer Störkontur oder Abschattung eine Verminderung der Signalstärke auftritt und/oder bevor eine Akzeptanz-Winkelgrenze eines Targets 40 erreicht wird. Ein weiterer Grund für einen Targetwechsel wäre auch der Fall, wenn sich eine der Verstellmimiken der Sensoren 16 in der Nähe einer Singularitäts-Position befinden würde. Dies tritt beispielsweise ein, wenn die Richtung des von den Sensoren ausgestrahlten Laserstrahls parallel zu einer der Rotationsachsen des Dreh-Schwenk-Gelenks 46 ist. Da hier die Bewegungs-Dynamik deutlich eingeschränkt ist bzw. es gar zum Aufschwingen des Systems und somit zum Strahlverlust kommen kann, kann es von Vorteil sein, den Laser auf ein anderes, geeigneteres Target umzuorientieren.This quality criterion can include a threshold value of a signal strength of the measurement signal of the respective sensor 16 and/or a threshold value of the angle of incidence of the laser beam of the sensor 16 on the respective target 40. In other words, a target change should take place when a reduction in signal strength occurs due to an interfering contour or shadowing and/or before an acceptance angle limit of a target 40 is reached. Another reason for a target change would also be the case if one of the adjustment mimics of the sensors 16 were located near a singularity position. This occurs, for example, when the direction of the laser beam emitted by the sensors is parallel to one of the rotation axes of the rotary-pivot joint 46. Since the movement dynamics are significantly restricted here and the system can even swing and thus lose the beam, it can be advantageous to reorient the laser to another, more suitable target.

Bei der in 5 dargestellten Situation, die beispielsweise eine Situation zum Zeitpunkt t1 > t0 zeigt, wurde der Sensor 16-II von dem Target 40-1 auf das Target 40-2 umorientiert. Der Sensor 16-III wurde von dem Target 40-3 auf das Target 40-1 umorientiert. Der Sensor 16-IV wurde von dem Target 40-4 auf das Target 40-3 umorientiert. Die Sensoren 16-I, 16-V und 16-VI visieren zum Zeitpunkt t1 (5) jedoch nach wie vor das jeweils gleiche Target 40 an, das sie bereits zum Zeitpunkt t0 (4) anvisiert haben.At the in 5 In the situation shown, which shows, for example, a situation at time t 1 > t 0 , the sensor 16-II was reoriented from the target 40-1 to the target 40-2. The sensor 16-III was reoriented from the target 40-3 to the target 40-1. The sensor 16-IV was reoriented from the target 40-4 to the target 40-3. The sensors 16-I, 16-V and 16-VI focus at time t 1 ( 5 ) but still has the same target 40, which they already have at time t 0 ( 4 ) have targeted.

Durch den beschriebenen Targetwechsel wird es möglich, dass jeder Sensor 16 zu jedem Zeitpunkt ein geeignetes Target 40 anvisiert und es zu keinem Zeitpunkt und keiner Position und Lage der Target-Vorrichtung 14 zu einem Signalverlust kommt.The target change described makes it possible for each sensor 16 to target a suitable target 40 at any time and for no signal loss to occur at any time or position of the target device 14.

Um einen Targetwechsel ausreichend genau gewährleisten zu können, wird die Target-Vorrichtung 14 vorzugsweise vor Verwendung des Messsystems 10 derart vermessen, dass für jedes an der Target-Vorrichtung angeordnete Target 40 neben seiner Position auch seine räumliche Lage/Orientierung bekannt ist und dessen zugehöriger Akzeptanzwinkel-Bereich bestimmt und abgespeichert wird. Somit ist es möglich, eine Annäherung an die Akzeptanzgrenze eines Targets während der Messung zu berechnen und zu berechnen, welches Target 40 bei der weiteren Bewegung der Target-Vorrichtung 14 geeigneter ist, um von dem jeweiligen Sensor 16 anvisiert zu werden.In order to be able to ensure a target change with sufficient accuracy, the target device 14 is preferably measured before using the measuring system 10 in such a way that for each target 40 arranged on the target device, not only its position but also its spatial position/orientation and its associated acceptance angle are known -Area is determined and saved. It is therefore possible to calculate an approach to the acceptance limit of a target during the measurement and to calculate which target 40 is more suitable to be targeted by the respective sensor 16 during the further movement of the target device 14.

Der Targetwechsel wird vorzugsweise nicht primär auf das Target 40 geschehen, bei dem der Abstand zu der Akzeptanz-Winkelgrenze am größten ist. Dies birgt nämlich die Gefahr, dass z.B. weniger als drei Targets insgesamt anvisiert werden, obwohl auch drei Targets im Sichtbarkeitsbereich der Sensoren 16 wären. Ein Anvisieren von mindestens drei verschiedenen Targets 40 ist insbesondere für eine 6D-Lokalisierung vonnöten. Somit beinhaltet das Qualitätskriterium vorzugsweise auch eine Mindestanzahl von anvisierten Targets.The target change will preferably not occur primarily on the target 40 at which the distance to the acceptance angle limit is greatest. This poses the risk that, for example, fewer than three targets in total will be targeted, even though three targets would also be in the visibility range of the sensors 16. Aiming at at least three different targets 40 is particularly necessary for 6D localization. The quality criterion therefore preferably also includes a minimum number of targeted targets.

Es ist leicht zu verstehen, dass für eine 3D-Messung mindestens zwei Targets und drei Sensoren verwendet werden müssen. Für eine 6D-Messung sind mindestens drei Targets und sechs Sensoren notwendig.It is easy to understand that for a 3D measurement, at least two targets and three sensors must be used. At least three targets and six sensors are necessary for a 6D measurement.

Bei einer Verwendung von inkrementellen Laserinterferometern 46 als Sensoren 16 ist es bevorzugt, dass das System prinzipiell überbestimmt betrieben wird. Dementsprechend ist es besonders bevorzugt, mindestens sieben Sensoren 16 einzusetzen. Dies ist von Vorteil, da nach einem Targetwechsel die Totstrecke des Lasers nur grob bekannt ist und über eine gewisse Anzahl an Messwerten erst neu kalibriert werden muss. Werden jedoch absolut-messende Interferometer eingesetzt, so ist dieser Schritt nicht zwingend notwendig.When using incremental laser interferometers 46 as sensors 16, it is preferred that the system is in principle operated in an overdetermined manner. Accordingly, it is particularly preferred to use at least seven sensors 16. This is an advantage because after a target change, the dead distance of the laser is only roughly known and must first be recalibrated using a certain number of measured values. However, if absolute-measuring interferometers are used, this step is not absolutely necessary.

Wie beschrieben, folgen somit alle Sensoren 16 der Target-Vorrichtung 14 und visieren zu jedem Zeitpunkt (außer den Wechselzeitpunkten) ein eindeutiges Target 40 an. Außer zu den Wechselzeitpunkten liefert somit jeder Sensor 16 nahezu dauerhaft ein valides Messsignal.As described, all sensors 16 follow the target device 14 and aim at a unique target 40 at all times (except for the change times). With the exception of the change times, each sensor 16 delivers a valid measurement signal almost permanently.

Anhand der Messsignale wird im letzten Schritt S103 (siehe 6) mittels bekannter Multilaterations-Technik die räumliche Position des beweglichen Bauteils, im vorliegenden Fall die Position des unteren Teils der Pinole 12 bestimmt. Bei einer 6D-Messung wird nicht nur die Position, sondern die Pose (Position und Lage) des bewegten Bauteils bestimmt.The measurement signals are used in the last step S103 (see 6 ) the spatial position of the movable component, in the present case the position of the lower part of the quill 12, is determined using a known multilateration technique. With a 6D measurement, not only the position but also the pose (position and position) of the moving component is determined.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 19947374 A1 [0077]DE 19947374 A1 [0077]

Claims (15)

Messsystem (10) zum dimensionellen Messen, mit: - einer an einem beweglichen Bauteil anbringbaren Target-Vorrichtung (14), die eine Vielzahl von Targets (40) aufweist, wobei die Vielzahl von Targets (40) mindestens zwei Targets (40) umfasst; - einer Vielzahl von Sensoren (16), die jeweils dazu eingerichtet sind, eines der Vielzahl von Targets (40) anzuvisieren, diesem während einer Bewegung des beweglichen Bauteils zu folgen und dabei ein Messsignal zu erzeugen, das abhängig von einem Abstand zwischen dem jeweiligen Sensor (16) und dem jeweils anvisierten Target (40) ist, wobei die Vielzahl von Sensoren (16) mindestens drei Sensoren (16) umfasst; - einer Auswerte- und Steuereinheit (18), die dazu eingerichtet ist, die Messsignale auszuwerten, basierend auf den Messsignalen mittels Multilateration eine sich während der Bewegung des beweglichen Bauteils verändernde räumliche Position des beweglichen Bauteils zu bestimmen, und die Sensoren (16) derart zu steuern, dass diese in Abhängigkeit eines Qualitätskriteriums das jeweils anvisierte Target (40) dynamisch wechseln, um ein anderes der Vielzahl der Targets (40) anzuvisieren und diesem anschließend zu folgen und dabei das jeweilige Messsignal zu erzeugen.Measuring system (10) for dimensional measuring, with: - a target device (14) which can be attached to a movable component and which has a plurality of targets (40), the plurality of targets (40) comprising at least two targets (40); - a plurality of sensors (16), each of which is designed to target one of the plurality of targets (40), to follow it during a movement of the movable component and to generate a measurement signal that depends on a distance between the respective sensor (16) and the respectively targeted target (40), the plurality of sensors (16) comprising at least three sensors (16); - an evaluation and control unit (18), which is set up to evaluate the measurement signals, to determine a spatial position of the movable component that changes during the movement of the movable component based on the measurement signals by means of multilateration, and the sensors (16) in this way control that, depending on a quality criterion, they dynamically change the targeted target (40) in order to target another one of the plurality of targets (40) and then follow it and thereby generate the respective measurement signal. Messsystem gemäß Anspruch 1, wobei die Sensoren (16) jeweils dazu eingerichtet sind, eines der Vielzahl von Targets (40) anzuvisieren, indem sie eine Welle aussenden, eine von dem entsprechenden Target (40) reflektierte Welle detektieren und basierend darauf das Messsignal erzeugen.Measuring system according to Claim 1 , wherein the sensors (16) are each set up to target one of the plurality of targets (40) by emitting a wave, detecting a wave reflected by the corresponding target (40) and generating the measurement signal based on this. Messsystem gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Sensoren (16) jeweils ein Laserinterferometer (46), ein Ultraschall-Sensor, ein Radar-Sensor oder ein Lidar-Sensor aufweisen.Measuring system according to Claim 1 or 2 , wherein the sensors (16) each have a laser interferometer (46), an ultrasonic sensor, a radar sensor or a lidar sensor. Messsystem gemäß einem der Ansprüche 1-3, wobei die Sensoren (16) jeweils ein Dreh-Schwenk-Gelenk (48) aufweisen.Measuring system according to one of the Claims 1 - 3 , wherein the sensors (16) each have a rotary-pivot joint (48). Messsystem gemäß Anspruch 4, wobei die Auswerte- und Steuereinheit (18) dazu eingerichtet ist, den dynamischen Wechsel des durch einen der Sensoren (16) jeweils anvisierten Targets (40) mithilfe des Dreh-Schwenk-Gelenks (48) des jeweiligen Sensors (16) zu bewirken.Measuring system according to Claim 4 , wherein the evaluation and control unit (18) is set up to effect the dynamic change of the target (40) targeted by one of the sensors (16) using the rotary-pivot joint (48) of the respective sensor (16). Messsystem gemäß einem der Ansprüche 1-5, wobei die Targets (40) jeweils einen Retroreflektor aufweisen.Measuring system according to one of the Claims 1 - 5 , wherein the targets (40) each have a retroreflector. Messsystem gemäß Anspruch 6, wobei der Retroreflektor als Spiegel-Retroreflektor oder Kugel-Retroreflektor ausgestaltet ist.Measuring system according to Claim 6 , wherein the retroreflector is designed as a mirror retroreflector or spherical retroreflector. Messsystem gemäß einem der Ansprüche 1-7, wobei das Qualitätskriterium von einem Schwellwert einer Signalstärke des jeweiligen Messsignals und/oder von einem Schwellwert eines Winkels, der sich durch die relative räumliche Ausrichtung des jeweiligen Sensors (16) zu dem jeweiligen Target (40) ergibt, abhängig ist.Measuring system according to one of the Claims 1 - 7 , wherein the quality criterion is dependent on a threshold value of a signal strength of the respective measurement signal and / or on a threshold value of an angle which results from the relative spatial orientation of the respective sensor (16) to the respective target (40). Messsystem gemäß einem der Ansprüche 1-8, wobei die Targets (40) an der Target-Vorrichtung (14) fixiert sind und deren relative Position und Lage zeitlich invariant ist.Measuring system according to one of the Claims 1 - 8th , wherein the targets (40) are fixed to the target device (14) and their relative position and position is time-invariant. Messsystem gemäß einem der Ansprüche 1-9, wobei Targets (40) derart an der Target-Vorrichtung (14) angeordnet sind, dass deren Mittelpunkte auf einer imaginären Kugeloberfläche verteilt angeordnet sind.Measuring system according to one of the Claims 1 - 9 , wherein targets (40) are arranged on the target device (14) in such a way that their centers are distributed on an imaginary spherical surface. Messsystem gemäß einem der Ansprüche 1-10, wobei die Anzahl der Sensoren (16) größer als die Anzahl der Targets ist.Measuring system according to one of the Claims 1 - 10 , where the number of sensors (16) is greater than the number of targets. Messsystem gemäß einem der Ansprüche 1-11, wobei die Vielzahl von Sensoren (16) mindestens sechs Sensoren (16) und die Vielzahl von Targets (40) mindestens drei Targets (40) umfasst, und wobei die Auswerte- und Steuereinheit (18) dazu eingerichtet ist, basierend auf den Messsignalen mittels Multilateration eine sich während der Bewegung des beweglichen Bauteils verändernde räumliche Position und Lage des beweglichen Bauteils zu bestimmen.Measuring system according to one of the Claims 1 - 11 , wherein the plurality of sensors (16) comprises at least six sensors (16) and the plurality of targets (40) at least three targets (40), and wherein the evaluation and control unit (18) is set up based on the measurement signals by means of Multilateration is used to determine a spatial position and position of the movable component that changes during the movement of the movable component. Messsystem gemäß einem der Ansprüche 1-12, wobei die Vielzahl von Sensoren (16) mindestens sieben Sensoren (16) und die Vielzahl von Targets (40) mindestens sechs Targets (40) umfasst.Measuring system according to one of the Claims 1 - 12 , wherein the plurality of sensors (16) comprises at least seven sensors (16) and the plurality of targets (40) comprises at least six targets (40). Verfahren zum Messen einer sich verändernden räumlichen Position eines beweglichen Bauteils, mit den Schritten: - Erhalten einer Vielzahl von Messsignalen, die von einer Vielzahl von Sensoren (16) erzeugt werden, indem jeder der Sensoren (16) ein Target (40) einer Vielzahl von Targets (40), die an einer an dem beweglichen Bauteil angeordneten Target-Vorrichtung (14) angeordnet sind, anvisiert, wobei die Messsignale jeweils abhängig von einem Abstand zwischen dem jeweiligen Sensor (16) und dem jeweils anvisierten Target (40) sind; - Steuern der Sensoren (16), dass diese in Abhängigkeit eines Qualitätskriteriums das jeweils anvisierte Target (40) dynamisch wechseln, um ein anderes der Vielzahl der Targets (40) anzuvisieren und diesem anschließend zu folgen und dabei das jeweilige Messsignal zu erzeugen; und - Bestimmen der sich während einer Bewegung des beweglichen Bauteils verändernden räumlichen Position des beweglichen Bauteils basierend auf den Messsignalen mittels Multilateration.Method for measuring a changing spatial position of a movable component, with the steps: - Obtaining a plurality of measurement signals that are generated by a plurality of sensors (16) by each of the sensors (16) having a target (40) of a plurality of Targets (40), which are arranged on a target device (14) arranged on the movable component, are sighted, the measurement signals each depending on a distance between the respective sensor (16) and the respective targeted target (40); - Controlling the sensors (16) so that they dynamically change the targeted target (40) depending on a quality criterion in order to target another one of the plurality of targets (40) and then follow it and thereby generate the respective measurement signal; and - determining the spatial changes that occur during a movement of the movable component Position of the moving component based on the measurement signals using multilateration. Computerprogrammprodukt, das ein Computerprogramm aufweist, das dazu eingerichtet ist, bei Ausführung auf einem Computer das Verfahren nach Anspruch 14 auszuführen.Computer program product that has a computer program that is set up to follow the method when executed on a computer Claim 14 to carry out.
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