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Die vorliegende Erfindung betrifft
eine Portable Einrichtung zum Erfassen einer Lage und/oder von Abmessungen
eines Objekts. Die Einrichtung weist ein Trägerelement, eine Sendeeinheit
zum Erzeugen und Aussenden sichtbarer Strahlung in Richtung des
Objekts und eine Empfangseinheit zum Empfangen der auf dem Objekt
abgebildeten Strahlung auf. Die Sendeeinheit und die Empfangseinheit sind
in einer definierten Lage relativ zueinander an dem Trägerelement
befestigt.
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Portabel im Sinne der vorliegenden
Erfindung bedeutet, dass die Einrichtung relativ kleinbauend ist
und entweder manuell, bspw. über
eine Messarm wie er bspw. von der Firma Faro Technologies, Inc.,
Lake Mary, FL, USA vertrieben wird, oder mittels eines Industrieroboters
geführt
werden kann. Die Einrichtung wird an das zu erfassende Objekt herangeführt. Wenn
die absolute oder relative Lage (Position und Ausrichtung) der Einrichtung
bekannt ist, kann mittels der Einrichtung die Lage des Objekts bestimmt
werden. Mit Hilfe der Einrichtung kann das Objekt auch vermessen
werden. Die Abmessungen des Objekts können mit und ohne Kenntnis
der genauen Lage der Einrichtung ermittelt werden. Je nach Ausgestaltung
der Einrichtung kann die Lage des Objekts bzw. können die Abmessungen des Objekts
im eindimensionalen, zweidimensionalen oder dreidimensionalen Raum
erfasst werden.
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Wenn die Lage des zu erfassenden
Objekts im Raum bekannt ist, kann mit der Einrichtung der eingangs
genannten Art sogar die Lage des distalen Endes eines Roboterarms
justiert werden, an dem die Einrichtung befestigt ist. Dazu erfasst
die Einrichtung die Lage des Objekts, und die Lage des distalen Endes
des Roboterarms wird so lange variiert, bis die erfasste Lage des
Objekts mit der tatsächlichen
Lage übereinstimmt.
In Abhängigkeit
von den dann vorliegenden tatsächlichen
Größen des
Roboterarms kann bspw. eine Korrekturmatrix für die Steuerung des Roboterarms
ermittelt werden.
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Die Sendeeinheit ist als eine Lichtquelle, bspw.
als ein Laser und insbesondere als ein in Halbleitertechnologie
ausgeführter
Laser (Diodenlaser), ausgebildet. Die Sendeeinheit kann Licht in
einem für das
menschliche Auge sichtbaren oder unsichtbaren Bereich aussenden.
Die Empfangseinheit ist als eine elektronische Kamera mit einem
matrixartig aufgebauten Halbleiterelement zur Videoerfassung, insbesondere
mit einem CCD (Charged Coupled Device)- oder einem CMOS (Complementary
Metal-Oxide Silicon)-Chip, ausgebildet. Eine Steuereinheit für die Sendeeinheit
und eine Auswerteeinheit für
die Empfangseinheit kann entweder in der Einrichtung integriert
oder aber außerhalb
der Einrichtung angeordnet sein.
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Die Sendeeinheit und die Empfangseinheit sind
jeweils in einer definierten Lage an dem Trägerelement befestigt. Die Erfassung
der Lage oder der Abmessungen des Objekts erfolgt nach dem sog.
Triangulationsverfahren. Das Laser-Triangulationsverfahren wird in der
WO01/69172 unter Bezugnahme auf die 2 dieser
Drucksschrift ausführlich
erläutert.
Auf diese Ausführungen
wird ausdrücklich
Bezug genommen.
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Eine Einrichtung der eingangs genannten
Art wird bspw. von der Firma Perceptron, Inc., 47827 Halyard Drive,
Plymouth, MI 48170, USA vertrieben. Zudem ist eine solche Einrichtung
und der Einsatz einer solchen Einrichtung bspw. aus der
US 4,645,348 und der
US 6,166,811 bekannt. Die
bekannte Einrichtung umfasst ein Trägerelement in Form eines bis
auf Öffnungen
für die
Strahlung der Sendeeinheit und der Empfangseinheit vollständig geschlossenen
Gehäuses.
In dem Gehäuse
ist mindestens eine als Lichtquelle ausgebildete Sendeeinheit, welche
für das menschliche
Auge sichtbare Strahlung auf das zu erfassende Objekt abstrahlt.
Es ist aber auch durchaus möglich,
dass die Sendeeinheit unsichtbare UV (Ultraviolette) oder IR (Infrarote)
Strahlung aussendet. Außerdem
umfasst die bekannte Einrichtung eine Empfangseinheit, welche von
dem Objekt reflektierte Strahlung empfängt und diese in elektrische
Signale umwandelt, die proportional zu der Intensität der reflektierten
Strahlen sind. Die Empfangseinheit umfasst bspw. einen CCD-Chip
oder einen CMOS-Chip. Die Empfangseinheit kann herkömmliche
Kameraoptiken, Spektralfilter, Polarisationsfilter oder andere Filter
umfassen. Die Sendeeinheit und die Empfangseinheit sind an vorgegebenen
Positionen in dem Gehäuse
befestigt. Dann wird das Gehäuse
verschlossen und ein Zugriff auf die Sendeinheit und/oder die Empfangseinheit
von außerhalb
des Gehäuses
ist nicht mehr möglich.
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Die Sendeeinheit und die Empfangseinheit haben
jeweils eine optische Achse, wobei sich die optischen Achsen der
beiden Einheiten in einem Schnittpunkt schneiden, in dem das zu
vermessende Objekt angeordnet ist. Der Messabstand zwischen der
Einrichtung und dem Objekt wird also durch die Neigung der optischen
Achsen relativ zueinander und durch den Abstand zwischen Sendeeinheit
und Empfangseinheit bestimmt. Der Abstand zwischen Sendeeinheit
und Empfangseinheit bestimmt wiederum die Länge der Einrichtung. Die bekannte
Einrichtung gibt es in einer Vielzahl unterschiedlicher Ausführungsformen.
Die Ausführungsformen
sind bspw. für
verschiedene Messabstände ausgelegt
oder umfassen verschiedene Sendeeinheiten (unterschiedliche Frequenz,
Form, Muster des ausgesandten Lichts) und/oder verschiedene Empfangseinheiten (verschiedene
Optiken mit unterschiedlichen Brennweiten, verschiedene Filter).
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Das macht es jedoch erforderlich,
dass für die
verschiedenen Anforderungen die Einrichtung in einer Vielzahl unterschiedlicher
Ausführungsformen hergestellt
wird. Dadurch ist die Herstellung der bekannten Einrichtungen relativ
aufwendig und teuer. Der Endkunde muss für die verschiedenen Anforderungen
eine Vielzahl von unterschiedlichen Ausführungsformen der Einrichtung
kaufen und für
einen Einsatz vorhalten. Dadurch entstehen erhebliche Kosten für Anschaffung,
Lagerung und Verwaltung der bekannten Einrichtungen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt
die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Erfassen eines Objekts
der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden,
dass die Einrichtung eine hohe Variabilität aufweist und für unterschiedliche
Anforderungen flexibel einsetzbar ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ausgehend von
der Einrichtung zum Erfassen eines Objekts der eingangs genannten
Art vorgeschlagen, dass die Sendeeinheit an einem ersten Halteelement
und die Empfangseinheit an einem zweiten Halteelement befestigt
ist, wobei die Halteelemente zusammen mit der Sendeeinheit bzw.
der Empfangseinheit von außerhalb
des Trägerelements
an vorgebbare Befestigungspositionen des Trägerelements einbringbar und
dort mittels von außerhalb
des Trägerelements zugänglicher
Befestigungsmittel befestigbar sind.
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Die wesentliche Idee der vorliegenden
Erfindung ist in der Modularität
und Variabilität
der Einrichtung und der damit verbunden Kosteneinsparung zu sehen.
Es werden verschiedene Halteelemente mit daran befestigten unterschiedlichen
Sendeeinheiten bzw. Empfangseinheiten vorgehalten. Für einen
bestimmten Einsatz werden eine geeignete Sendeeinheit und eine geeignete
Empfangseinheit ausgewählt,
in das Halteelement eingebracht und dort befestigt. Die Sendeeinheiten
und die Empfangseinheiten sind in vorgegebener Weise an den Halteelementen
ausgerichtet. Durch eine Befestigung der Halteelemente in dem Trägerelement
an einer vorgegebenen Befestigungsposition wird das Sendeelement bzw.
das Empfangselement in vorgegebener Weise relativ zu dem Trägerelement
ausgerichtet.
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Die Halteelemente und die Befestigungspositionen
des Trägerelements
sind derart aufeinander abgestimmt ausgeformt, dass sie hochgenau
in den vorgegebenen Befestigungspositionen in dem Trägerelement
positioniert und befestigt werden können. Es können verschiedene Halteelemente
zur Aufnahme unterschiedlicher Sendeelemente bzw. Empfangselemente
vorgesehen werden, wobei die verschiedenen Halteelemente alle derart
ausgebildet sind, dass sie in den vorgegebenen Befestigungspositionen
in dem Trägerelement
positioniert und befestigt werden können.
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Das Trägerelement ist zumindest im
Bereich der Befestigungspositionen derart ausgebildet, dass die
Halteelemente zusammen mit den Sendeelementen bzw. den Empfangselementen
ohne eine aufwendige Öffnung
oder Demontage des Trägerelements
in dieses eingebracht und die Sendeelemente bzw. die Empfangselemente
elektrisch und signaltechnisch kontaktiert werden können. Die
Befestigungsmittel zum Festlegen der Halteelemente in dem Trägerelement
sind von außen
zugänglich,
so dass die Halteelemente schnell und ohne großen Aufwand an dem Trägerelement
befestigt werden können.
Die Befestigungsmittel sind bspw. als Schrauben ausgebildet, welche
durch Öffnungen
in dem Trägerelement
in entsprechende Gewindeöffnungen
des Halteelements eingedreht werden.
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Das Trägerelement kann aus verschiedenen Materialien
gefertigt sein. Bei der Auswahl geeigneter Materialien stehen mechanische
und thermische Stabilität
im Vordergrund. Die Halteelemente können ebenfalls aus unterschiedlichen
Materialien gefertigt werden. Denkbar ist bspw. die Fertigung aus
einem Metallblock, der in einer computergesteuerten CNC (Computer
Numerical Control)-Fräsmaschine
in die gewünschte
Form gebracht wird. Dadurch ist eine besonders maßhaltige
Fertigung der Halteelemente möglich.
Die elektrischen Anschlussleitungen für die Energieversorgung und/oder Signalübertragung
der Sendelemente bzw. Empfangselemente ragen seitlich oder an der
Rückseite
der Halteelemente aus entsprechenden Öffnungen heraus. Durch geeignete Aussparungen
in dem Trägerelement
können
die Anschlussleitungen aus der Einrichtung heraus geführt werden. Über genormte
Steckverbindungen können die
Anschlussleitungen der Sendelemente bzw. Empfangselemente in dem
Trägerelement
oder außerhalb
der Einrichtung an Verbindungsleitungen angeschlossen werden, über welche
eine Verbindung zu einem Steuergerät und/oder einer Energieversorgung
hergestellt wird.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
werden für
einen gegebenen Anwendungsfall (für einen gegebenen Messabstand,
für eine
gegebene Auflösung,
für eine
gegebene Frequenz der ausgesandten Strahlung und/oder für ein gegebenes
Muster der ausgesandten Strahlung auf dem Objekt, etc.) aus einer
gegebenen Auswahl an Halteelementen mit unterschiedlichen Sendeelementen
bzw. Empfangselementen die geeigneten ausgewählt, in eine entsprechende
Befestigungsposition des Trägerelements eingebracht
und dort befestigt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung
der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Haltelemente
und die Befestigungspositionen des Trägerelements einander entsprechende
Auflageflächen
aufweisen, so dass die an die Befestigungspositionen des Trägerelements
eingebrachten Halteelemente vollflächig an dem Trägerelement
anliegen. Durch diese Maßnahme
können
die Halteelemente besonders genau an dem Trägerelement positioniert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Auflageflächen eben ausgebildet sind.
Bei dieser Ausführungsform
können
die Halteelemente zusammen mit dem daran befestigten Sendeelement
bzw. Empfangselement im zweidimensionalen Raum positioniert und
in einer gewünschten
Position relativ zu dem Trägerelement
festgelegt werden. Zum Festlegen des Halteelements an dem Trägerelement
kann bspw. eine Schraube von außen
durch eine Gewindeöffnung
des Trägerelements
eingedreht werden, deren distales Ende auf dem Halteelement aufliegt
und dieses in der gewünschten
Position klemmend hält.
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Alternativ wird vorgeschlagen, dass
die Auflageflächen
der Halteelemente kugelförmig
und die Auflageflächen
der Befestigungspositionen des Trägerelements kalottenförmig ausgebildet
sind. Bei dieser alternativen Ausführungsform können die
Halteelemente zusammen mit dem daran befestigten Sendeelement bzw.
Empfangselement im dreidimensionalen Raum positioniert und in einer
gewünschten Position
relativ zu dem Trägerelement
festgelegt werden.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften
Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass
die Einrichtung modular aufgebaut ist und verschiedene erste Halteelemente
zur Aufnahme unterschiedlicher Sendeeinheiten und verschiedene zweite
Halteelemente zur Aufnahme unterschiedlicher Empfangseinheiten vorgesehen
sind, und wobei ein in Abhängigkeit
von den Anforderungen an das Erfassen der Lage und/oder der Abmessungen
des Objekts ausgewähltes
erstes Halteelement mit einer bestimmten Sendeeinheit und ein in
Abhängigkeit von
den Anforderungen an das Erfassen der Lage und/oder der Abmessungen
des Objekts ausgewähltes
zweites Halteelement mit einer bestimmten Empfangseinheit an dem
Trägerelement
befestigt ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform
der Erfindung wird vorgeschlagen „ dass das Trägerelement
als ein im Querschnitt U-förmiges Profil
ausgebildet ist. Bei einem derart ausgebildeten Trägerelement
können
die Halteelemente von der offenen Seite zwischen die zwei gegenüberliegenden Schenkel
des Profils eingeführt
und dort befestigt werden. Zudem weist ein solches U-Profil eine
besonders hohe Stabilität
auf, so dass die Lage eines in dem Trägerelement befestigten Sendelements
relativ zu einem ebenfalls in dem Trägerelement befestigten Empfangselement
mit hoher Genauigkeit konstant gehalten werden kann. Schließlich ist
ein solches U-Profil relativ einfach und kostengünstig herstellbar. Vorzugsweise
wird das Trägerelement
aus einem flachen Metallblech gefertigt, das zunächst in der gewünschten
Form und Größe geschnitten
und dann gefaltet wird, so dass sich der U-förmige Querschnitt ergibt. Auf
diese Weise können
schnell, flexibel und kostengünstig
verschiedene Trägerelemente
mit unterschiedlichen Dimensionen, insbesondere mit unterschiedlicher
Länge,
Tiefe und Materialstärke, gefertigt
werden.
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Alternativ wird vorgeschlagen, dass
das Trägerelement
als ein rohrförmiges
Profil ausgebildet ist. Bei einem derart ausgebildeten Trägerelement
sind Öffnungen
im Bereich der Befestigungspositionen zum Einführen der Halteelemente vorgesehen.
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Gemäß noch einer anderen vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Materialien des Trägerelements
und zumindest eines der Halteelemente derart gewählt sind, dass das Material
des Trägerelements
einen kleineren Längenausdehnungskoeffizient
aufweist als das Material des zumindest einen Halteelements. Der Längenausdehnungskoeffizient
ist ein Maß für die lineare
Ausdehnung eines Materials bei Temperaturänderung. Für Messing, Aluminium und Stahl
ergeben sie die folgenden Literaturwerte für den Längenausdehnungskoeffizienten α: αMessing = (18,3 ± 0,4)·10–6K–1
αAluminium = (23,6 ± 0,2 )·10–6K–1
αSthal = (11,3 ± 0,2)·10–6 K–1
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Vorteilhafterweise ist das Trägerelement
aus Stahl gefertigt. Das zumindest eine Halteelement ist vorzugsweise
aus Aluminium gefertigt.
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Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird vorgeschlagen, dass zumindest eines der Halteelemente
mittels Befestigungsmittel, die seitlich versetzt zu einer optischen
Achse der Sendeeinheit bzw. der Empfangseinheit angeordnet sind,
an dem Trägerelement
befestigt ist, wobei die Befestigungsmittel auf einer dem anderen
Halteelement gegenüberliegenden
Seite der optischen Achse angeordnet sind. Das Trägerelement
hat in der Regel eine größere Längserstreckung als
die Halteelemente. Die Längenänderung
des Trägerelements
(größere Längserstreckung,
aber geringerer Längenausdehnungskoeffizient)
aufgrund einer Temperaturänderung
in etwa gleich groß ist
wie die Längenänderung
des Halteelements (kleinere Längserstreckung,
aber größerer Längenausdehnungskoeffizient).
Die seitliche Befestigung des Halteelements mit dem Sendeelement
bzw. Empfangselement versetzt zu der optischen Achse des Sendeelements
bzw. des Empfangselements und zwar auf der dem anderen Halteelement
mit dem Empfangselement bzw. dem Sendelement gegenüberliegenden Seite
der optischen Achse führt
dazu, dass die Längserstreckung
des Trägerelements
und die Längserstreckung
des Haltelements einander entgegen gerichtet sind und sich so zum
größten Teil
kompensieren. Dies Ausführungsform
weist also eine einfache und gleichzeitig besonders wirksame Temperaturkompensation
auf, so dass sich Temperaturänderungen
kaum auf die Messgenauigkeit der Einrichtung auswirken.
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Eine weitgehende Unabhängigkeit
von Temperaturänderungen
auf die Messgenauigkeit der Einrichtung lässt sich dadurch erzielen,
dass das Trägerelement
aus einer Metalllegierung mit einem besonders kleinen Längenausdehnungskoeffizienten
gefertigt ist. Solche Metalllegierungen werden unter der Bezeichnung
INVAR vertrieben.
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Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente die Sendeeinheit
bzw. die Empfangseinheit bis auf Öffnungen in den Halteelementen
zum Hindurchlassen der Strahlung vollständig umgeben. Ein Halteelement
ist also als Würfel
oder als Kugel ausgebildet, in dessen Inneren ein Sendeelement oder
ein Empfangselement angeordnet ist. Über eine Öffnung in dem Halteelement
kann die von dem Sendeelement erzeugte Strahlung in Richtung auf
das Messobjekt ausgesandt werden oder kann die von dem Messobjekt
reflektierte Strahlung in eine Optik des Empfangselement gelangen.
Die Außenflächen des
Halteelements liegen vorzugsweise vollflächig auf den entsprechenden
Auflageflächen
der Befestigungspositionen des Trägerelements auf.
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An dem zweiten Halteelement ist vorzugsweise
ein rohrförmiges
Schutzelement befestigbar, welches in radialer Richtung eine Optik
der Empfangseinheit umgibt und in axialer Richtung eine Öffnung für die von
dem Objekt reflektierte Strahlung aufweist, wobei das an dem zweiten
Halteelement befestigte Schutzelement in axialer Richtung mindestens
so lang ist wie die Optik der Empfangseinheit. Durch dieses Schutzelement
kann ein Schutz der Optik des Empfangselement vor mechanischen Belastungen
und vor Schmutz und Feuchtigkeit in radialer Richtung erzielt werden.
Das Schutzelement kann bspw. mittels eines Gewindes auf das zweite Halteelement
aufgeschraubt werden. Alternativ kann es auch mittels geeigneter
Schrauben an dem Halteelement festgeschraubt werden.
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Um das Sendeelement bzw. das Empfangselement
in dem Halteelement auch in axialer Richtung vor mechanischer Belastung
und insbesondere vor Schmutz und Feuchtigkeit zu schützen, wird
vorgeschlagen, dass die Öffnungen
der Halteelemente bzw. des rohrförmigen
Schutzelements durch bewegbare Abdeckkappen abdeckbar sind. Insbesondere kann
die Optik des Sendeelements bzw. des Empfangselements vor Schweißspritzern
geschützt
werden. Zum Schweißen
von Bauteilen werden die Abdeckkappen vor die Öffnungen der Halteelemente bzw.
des rohrförmigen
Schutzelements bewegt und anschließend zum Vermessen der geschweißten Bauteile
von den Öffnungen
entfernt.
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Vorteilhafterweise sind die Abdeckkappen
in den Strahlengang hinein und aus diesem wieder heraus schwenkbar.
Eine Schwenkachse der Schwenkbewegung der Abdeckkappen verläuft vorzugsweise parallel
zu einer optischen Achse der Sendeeinheit bzw. der Empfangseinheit.
Zur Bewegung der Abdeckkappen sind vorzugsweise Elektromotoren vorgesehen.
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Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten
und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung, die in der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden
alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination
den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung
in den Patentansprüchen
oder deren Rückbeziehung
sowie unabhängig von
ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in
der Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine
erfindungsgemäße Einrichtung zum
Erfassen einer Lage und/oder von Abmessungen eines Objekts gemäß einer
ersten bevorzugten Ausführungsform
in perspektivischer Ansicht;
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2 die
erfindungsgemäße Einrichtung
gemäß 1 in einer Ansicht von oben;
und
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3 eine
erfindungsgemäße Einrichtung zum
Erfassen einer Lage und/oder von Abmessungen eines Objekts gemäß einer
zweiten bevorzugten Ausführungsform
in einer Ansicht von oben.
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In 1 ist
eine erfindungsgemäße portable Einrichtung
zum Erfassen einer Lage und/oder von Abmessungen eines Objekts in
ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Die
Einrichtung 1 umfasst ein Trägerelement 2 sowie
ein erstes Halteelement 3 für eine Sendeeinheit und ein
zweites Halteelement 4 für eine Empfangseinheit. Portabel
im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeutet, dass die Einrichtung 1 relativ
kleinbauend ist und entweder manuell, bspw. über eine Messarm wie er von
der Firma Faro Technologies, Inc., Lake Mary, FL, USA vertrieben
wird, oder mittels eines Industrieroboters geführt werden kann. Dazu wird
die Einrichtung 1 über geeignete Öffnungen 18 in
dem Trägerelement 2 an dem
distalen Ende des Messarms oder eines Roboterarms des Industrieroboters
befestigt.
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Weder die Sendeeinheit noch die Empfangseinheit
ist in den Figuren explizit dargestellt. Die Sendeeinheit dient
zum Erzeugen und Aussenden sichtbarer Strahlung in Richtung des
zu vermessenden Objekts. Die Empfangseinheit dient zum Empfangen der
auf dem Objekt abgebildeten Strahlung. Die zum Erfassen des Objekts
eingesetzte Strahlung kann für das
menschliche Auge sichtbar sein. Es ist aber auch denkbar, für das menschliche
Auge unsichtbare Strahlung (Ultraviolett (UV)- oder Infrarot (IR)-Strahlung) einzusetzen
, welche jedoch von der Empfangseinheit erkannt wird. Die Sendeeinheit
ist bspw. als ein Laser ausgebildet. Die Empfangseinheit ist bspw. als
eine digitale Kamera ausgebildet und umfasst vorzugsweise einen
CCD (Charged Coupled Device)- oder einen CMOS (Complementary Metal-Oxide
Silicon)-Chip.
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Die Sendeeinheit und die Empfangseinheit werden über die
Halteelemente 3, 4 in einer definierten Lage relativ
zueinander an dem Trägerelement 2 befestigt
(vgl. 2). Die erfindungsgemäße Einrichtung 1 arbeitet
nach dem sog. Triangulationsverfahren. Das Laser-Triangulationsverfahren
wird in der WO01/69172 unter Bezugnahme auf die 2 dieser Drucksschrift ausführlich erläutert. Auf
diese Ausführungen
wird ausdrücklich
Bezug genommen.
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Die Halteelemente 3, 4 sind
zusammen mit der Sendeeinheit bzw. der Empfangseinheit von außerhalb
des Trägerelements 2 an
vorgebbare Befestigungspositionen 5, 6 des Trägerelements 2 einbringbar.
In den Befestigungspositionen 5, 6 werden die
Halteelemente 3, 4 mittels von außerhalb
des Trägerelements 2 zugänglicher
Befestigungsmittel 7, 8 befestigt. Die Befestigungsmittel 7, 8 sind
bspw. als Schrauben ausgebildet, welche durch Öffnungen 9, 10 in
dem Trägerelement 2 hindurchgeführt und
in entsprechende Gewindeöffnungen 11, 12 in
den Halteelementen 3, 4 eingedreht werden. Dabei
treten die Außengewinde
der Schrauben 7, 8 mit den Innengewinden der Gewindeöffnungen 11, 12 in
Eingriff. In 1 sind
die Schrauben 7, 8 als Schlitzkopfschrauben ausgebildet.
Selbstverständlich
können
die Schrauben 7, 8 auch als Kreuzschlitz-, Innensechskant-
oder Außensechskantschrauben
ausgebildet sein. Die Öffnungen 9, 10 können auch
als Gewindeöffnungen
mit einem Innengewinde ausgebildet sein, mit dem die Schrauben 7, 8 in
Eingriff treten, wobei dann auf die Gewindeöffnungen 11, 12 verzichtet werden
kann, so dass die distalen Enden der Schrauben 7, 8 die
Halteelemente 3, 4 an den Befestigungspositionen 5, 6 in
dem Trägerelement 2 klemmend festlegen.
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Die Haltelemente 3, 4 und
die Befestigungspositionen 5, 6 des Trägerelements 2 weisen
einander entsprechende Auflageflächen 13, 14, 15, 16 auf, so
dass die an die Befestigungspositionen 5, 6 des Trägerelements 2 eingebrachten
Halteelemente 3, 4 vollflächig an dem Trägerelement 2 anliegen.
Dadurch können
die Halteelemente hochgenau relativ zu dem Trägerelement 2 positioniert
werden. In 1 sind die
Auflageflächen 13, 14, 15, 16 eben ausgebildet.
Das erlaubt eine Bewegung der Halteelemente 3, 4 in
den Befestigungspositionen 5, 6 relativ zu dem
Trägerelement 2 im
zweidimensionalen Raum. Alternativ können die Auflageflächen 13, 14 der
Halteelemente 3, 4 kugelförmig und die Auflageflächen 15, 16 der
Befestigungspositionen 5, 6 des Trägerelements 2 kalottenförmig ausgebildet
sein. Das würde
eine Bewegung der Halteelemente 3, 4 in den Befestigungspositionen 5, 6 relativ
zu dem Trägerelement 2 im
dreidimensionalen Raum erlauben. In einer gewünschten Position könnten die
Haltelemente 3, 4 dann in den Befestigungspositionen 5, 6 festgelegt
werden.
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Ein besonderer Vorteil der vorliegenden
Erfindung ist darin zu sehen, dass die Einrichtung 1 modular
aufgebaut und variabel einsetzbar ist. Insbesondere sind verschiedene
erste Halteelemente 3 zur Aufnahme unterschiedlicher Sendeeinheiten
und verschiedene zweite Halteelemente 4 zur Aufnahme unterschiedlicher
Empfangseinheiten vorgesehen. Die Außenabmessungen der Halteelemente 3, 4 sind gleich,
so dass beliebige Halteelemente 3, 4 mit unterschiedlichen
Sendeeinheiten bzw. Empfangseinheiten in die Befestigungspositionen 5, 6 eingesetzt und
dort festgelegt werden können.
In Abhängigkeit von
den Anforderungen an das Erfassen der Lage und/oder der Abmessungen
des Objekts wird ein erstes Halteelement 3 mit einer bestimmten
Sendeeinheit und ein zweites Halteelement 4 mit einer bestimmten
Empfangseinheit ausgewählt.
Die ausgewählten
Halteelemente 3, 4 können schnell und ohne großen Aufwand
an dem Trägerelement 2 befestigt werden.
Dadurch kann die erfindungsgemäße Einrichtung
problemlos unterschiedlichen Anforderungen angepasst werden.
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Das Trägerelement 2 ist als
ein im Querschnitt U-förmiges
Profil ausgebildet. Das Profil wird aus einer entsprechend geformten
Metallbahn gebogen. Alternativ kann das Trägerelement 2 auch
als ein rohrförmiges
Profil ausgebildet sein. Die Materialien des Trägerelements 2 und
der Halteelemente 3, 4 sind derart gewählt, dass
das Material des Trägerelements 2 einen
kleineren Längenausdehnungskoeffizient
aufweist als das Material der Halteelemente 3, 4.
Vorzugsweise ist das Trägerelement 2 aus
Stahl gefertigt und sind die Halteelemente 3, 4 aus
Aluminium gefertigt. Alternativ kann das Trägerelement 2 aus einer
Metalllegierung mit einem besonders kleinen Längenausdehnungskoeffizienten,
welche bspw. unter der Bezeichnung INVAR vertrieben wird, gefertigt
sein.
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Das zweite Halteelemente 4 ist
mittels der Befestigungsmittel 8, die von oben betrachtet
seitlich versetzt zu einer optischen Achse 17 der Empfangseinheit
angeordnet sind, an dem Trägerelement 2 befestigt.
Die Befestigungsmittel 8 sind auf einer dem ersten Halteelement 3 gegenüberliegenden
Seite der optischen Achse 17 angeordnet. Eine Temperaturänderung
führt zu
einer Längenausdehnung
des Trägerelements 2 (kleiner
Längenausdehnungskoeffizient, aber
große
Längserstreckung)
und zu einer in etwa gleich großen
Längenausdehnung
des Halteelements 4 (größerer Längenausdehnungskoeffizient, aber
kleinere Längserstreckung).
Die Längenausdehnung
des Halteelements 4 ist der Längenausdehnung des Trägerelements 2 entgegengerichtet,
so dass sich die beiden Längenausdehnungen
in etwa kompensieren.
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Die Halteelemente 3, 4 umgeben
die Sendeeinheit bzw. die Empfangseinheit bis auf Öffnungen 19, 20 in
den Halteelementen 3, 4 zum Hindurchlassen der
Strahlung vollständig.
Die in den Figuren dargestellten Halteelemente 3, 4 sind
quaderförmig
oder würfelförmig ausgebildet.
Alternativ können
die Halteelemente 3, 4 auch als Rotationskörper, bspw.
zylinderförmig
oder kugelförmig,
ausgebildet sind.
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An dem zweiten Halteelement 4 kann
ein rohrförmiges
Schutzelement 21 befestigt werden, welches in radialer
Richtung eine Optik der Empfangseinheit umgibt und in axialer Richtung
eine Öffnung 22 für die von
dem Objekt reflektierte Strahlung aufweist. Das an dem zweiten Halteelement 4 befestigte
Schutzelement 21 ist in axialer Richtung mindestens so
lang wie die Optik der Empfangseinheit. Das Schutzelement 21 ist
im wesentlichen hohlzylinderförmig
ausgebildet und umfasst an dem dem Halteelement 4 zugewandten
Ende einen Kragen 23 mit Öffnungen 24. Das Schutzelement 21 wird über die Öffnungen 24 und über Gewindeöffnungen 25 in
dem Halteelement 4 mittels Schrauben an dem zweiten Halteelement 4 befestigt.
An der Innenwandung des Schutzelements 21 im Bereich der Öffnung 22 ist
ein Innengewinde 26 ausgebildet. In das Innengewinde 26 können herkömmliche
optische Filter 27 mit ihrem Außengewinde 28 eingedreht
werden.
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Die Öffnung 19 des ersten
Halteelements 3 ist durch eine bewegbare Abdeckkappe 29 abdeckbar.
Alternativ oder zusätzlich
kann auch die Öffnung 20 des
zweiten Halteelements 4 und/oder die Öffnung 22 des Schutzelements 21 durch
eine Abdeckkappe abgedeckt werden. Die Abdeckkappe 29 kann um
eine Schwenkachse 30 in den Strahlengang hinein und aus
diesem wieder heraus geschwenkt werden. Die Schwenkachse 30 der
Schwenkbewegung der Abdeckkappe 29 verläuft parallel zu einer optischen
Achse 31 der Sendeeinheit. Zur Bewegung der Abdeckkappe 29 ist
ein Elektromotor (nicht dargestellt) vorgesehen, der in dem Halteelement 3 angeordnet
ist und dessen Motorachse durch eine Öffnung 32 im Bereich
der Schwenkachse 30 aus dem Halteelement 3 herausragt
und an der Abdeckkappe 29 befestigt ist. Alternativ können zum
Verschwenken der Abdeckkappe 29 auch Elektromagneten oder Piezosteller
eingesetzt werden.
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Durch das Schutzelement 21 kann
die Empfangseinheit vor mechanischen Belastungen und vor Schmutz
oder Feuchtigkeit aus radialer Richtung geschützt werden. Durch die Abdeckkappe 29 kann
die Sendeeinheit vor Schmutz oder Feuchtigkeit aus axialer Richtung,
bspw. vor Schweißspritzern,
wenn zwischen den Messungen durch die Einrichtung 1 an dem
zu erfassenden Objekt geschweißt
wird, geschützt
werden.
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Auf der dem Halteelement 3 zugewandten Seite
der Abdeckkappe 29 sind zwei kreisabschnittsförmige Führungsnuten
vorgesehen, die mit zwei zylinderförmigen Führungsstiften 33 auf
der der Abdeckkappe 29 zugewandten Seite des Halteelements 3 in
Eingriff treten. Durch das Zusammenwirken der Führungsnuten mit den Führungsstiften
kann die Schwenkbewegung der Abdeckkappe auf einen vorgegebenen
Bereich beschränkt
werden.
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In 2 ist
eine Draufsicht auf die Einrichtung 1 gemäß 1 dargestellt. Gleiche Bauteile sind
mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Das zu vermessende Objekt
ist in einem Schnittpunkt P der optischen Achse 31 der
Sendeeinheit und der optischen Achse 17 der Empfangseinheit
angeordnet. Die beiden optischen Achsen 17, 31 schneiden
sich in einem Winkel α =
45°. Die
Vorderseite des zweiten Halteelements 4 ist in einem Winkel
von β =
180°–α = 135° relativ
zu einer Längserstreckung
des Trägerelements 2 angeordnet.
Mit L ist die Länge
des Trägerelements 2 in
Längsrichtung
bezeichnet. Der Abstand zwischen der Vorderseite des ersten Halteelements 3 und
dem zu vermessenden Objekt ist mit X bezeichnet. Mit B ist ein Abstand
von dem dem ersten Halteelement 3 zugeordneten Ende des
Trägerelements 2 und
dem Mittelpunkt zwischen den beiden Öffnungen 18 bezeichnet,
an denen ein Messarm oder ein Roboterarm an dem Trägerelement 2 befestigt
ist.
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Vor der Öffnung 19 des ersten
Halteelements 3 ist ein Schutzfilter 34 angeordnet.
Dieses weist nach Art des Filters 27 ein Außengewinde
auf, über das
das Filter 34 an einem in der Öffnung 19 ausgebildeten
Innengewinde befestigt ist.
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In 2 ist
die Sendeeinheit im Inneren des ersten Halteelements 3 gestrichelt
dargestellt und in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 35 bezeichnet.
Aus Platzgründen
ist die Sendeinheit 35 zweiteilig ausgebildet, wobei die
beiden Teile 35a, 35b über ein Verbindungskabel 35c miteinander
verbunden sind. Der Elektromotor im Inneren des ersten Halteelements
3 zum Antrieb der Abdeckkappe 29 ist in 2 gestrichelt dargestellt und in seiner
Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 36 bezeichnet. Die Motorachse 36a des
Elektromotors 36 ist im Bereich der Schwenkachse 30 an
der Abdeckkappe 29 befestigt.
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In 3 ist
eine zweite Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Einrichtung 1 in
Draufsicht dargestellt. Die Einrichtung 1 aus 3 unterscheidet sich von
der Einrichtung 1 gemäß 1 und 2 insbesondere dadurch, dass nicht nur
vor der Öffnung 19 des
ersten Halteelements 3, sondern zusätzlich auch vor der Öffnung 20 des
zweiten Halteelements 4, genauer gesagt vor der Öffnung 22 des
zylinderförmigen
Schutzelements 21, eine weitere Abdeckkappe 37 angeordnet
ist. Die Abdeckkappe 37 ist um eine Schwenkachse
38 schwenkbar
ausgebildet. Die Schwenkbewegung wird durch einen Elektromotor 39 erzeugt,
welcher über
eine Motorwelle 39a an der Abdeckkappe 37 befestigt
ist. Der Aufsatz umfassend die Abdeckkappe 37 und den Elektromotor 39 kann
mittels Befestigungsmittel, die bspw. als Schrauben ausgebildet
sind, an dem Schutzelement 21 befestigt werden.
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Insgesamt schlägt die Erfindung eine Einrichtung 1 vor,
die aufgrund ihres modularen Aufbaus ein Höchstmaß an Variabilität realisiert.
Ohne großen Aufwand
kann die erfindungsgemäße Einrichtung 1 den
unterschiedlichsten Anforderungen angepasst werden. Sendeelemente
und Empfangselemente können
auf einfache Weise und innerhalb kurzer Zeit ausgewechselt werden.
Trotz dieses modularen Aufbaus kann die erfindungsgemäße Einrichtung 1 höchste Anforderungen
an die Messgenauigkeit erfüllen,
was insbesondere durch die besondere Ausgestaltung der Befestigungspositionen 5, 6 des
Trägerelements 2 und
der Auflageflächen 13, 14 der
Halteelemente 3, 4 ermöglicht wird. Bei der erfindungsgemäßen Einrichtung 1 werden
so weit wie möglich Standardkomponenten
verwendet, die in besonders vorteilhafter Weise miteinander kombiniert
und aufeinander abgestimmt wurden. So können bei der in den Figuren
dargestellten Ausführungsform
bspw. herkömmliche
optische Komponenten der sog. C-mount-Kategorie eingesetzt werden.