DE112013002511T5

DE112013002511T5 - Vorrichtung und Verfahren zur Kompensation von Lagerunwucht bei einem Lasertracker

Info

Publication number: DE112013002511T5
Application number: DE201311002511
Authority: DE
Inventors: Robert E. Bridges
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2012-05-16
Filing date: 2013-05-07
Publication date: 2015-04-23
Also published as: GB2517624A; US20130308117A1; WO2013173116A1; JP2015524053A; GB2517624B; US9075025B2; CN104321616A

Abstract

Es sind eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Korrektur von Fehlern bei der Messung dreidimensionaler Koordinaten eines Retroreflektors durch ein Koordinatenmessgerät vorgesehen. Das Verfahren umfasst das Messen einer Vielzahl von ersten Winkeln und einer Vielzahl von ersten und zweiten Verschiebungen entlang einer Achslinie, das Senden eines Lichtstrahls zu dem Retroreflektorziel, das Messen von zwei Winkeln und eines Abstands zu dem Retroreflektor sowie das Ermitteln der dreidimensionalen Koordinaten des Retroreflektors.

Description

Hintergrund
Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Koordinatenmessgerät. Ein Satz von Koordinatenmessgeräten gehört zu einer Klasse von Instrumenten, die die dreidimensionalen (3D) Koordinaten eines Punkts durch Senden eines Laserstrahls zu dem Punkt messen. Der Laserstrahl kann direkt auf den Punkt oder auf ein Retroreflektorziel, das sich in Kontakt mit dem Punkt befindet, auftreffen. In jedem der beiden Fälle ermittelt das Instrument die Koordinaten des Punkts, indem es den Abstand und die zwei Winkel zu dem Ziel misst. Der Abstand wird mit einem Distanzmessgerät wie beispielsweise einem Absolutdistanzmesser oder einem Interferometer gemessen. Die Winkel werden mit einem Winkelmessgerät wie beispielsweise einem Winkelkodierer gemessen. Ein kardanisch aufgehängter Strahllenkungsmechanismus in dem Instrument lenkt den Laserstrahl zu dem betreffenden Punkt.
Der Lasertracker ist ein besonderer Typ eines Koordinatenmessgeräts, das das Retroreflektorziel mit einem oder mehreren Laserstrahlen verfolgt, den bzw. die es emittiert. Koordinatenmessgeräte, die nahe mit dem Lasertracker verwandt sind, sind der Laserscanner und die Totalstation. Der Laserscanner sendet schrittweise einen oder mehrere Laserstrahlen zu Punkten auf einer Oberfläche. Er nimmt das von der Oberfläche gestreute Licht auf und ermittelt aus diesem Licht den Abstand und zwei Winkel zu jedem Punkt. Die Totalstation, die am häufigsten bei Vermessungsanwendungen eingesetzt wird, kann zum Messen der Koordinaten von diffus streuenden bzw. retroreflektierenden Zielen verwendet werden. Der Begriff „Lasertracker” wird nachstehend in weitem Sinn so benutzt, dass er Laserscanner und Totalstationen umfasst.
Normalerweise sendet der Lasertracker einen Laserstrahl zu einem Retroreflektorziel. Ein üblicher Typ eines Retroreflektorziels ist der sphärisch montierte Retroreflektor (SMR; spherically mounted retroreflector), der einen in eine Metallkugel eingebetteten Würfelecken-Retroreflektor umfasst. Der Würfelecken-Retroreflektor umfasst drei zueinander senkrechte Spiegel. Der Scheitelpunkt, der der gemeinsame Schnittpunkt der drei Spiegel ist, befindet sich in der Mitte der Kugel. Wegen dieser Anordnung der Würfelecke in der Kugel bleibt der senkrechte Abstand vom Scheitelpunkt zu einer beliebigen Oberfläche, auf welcher der SMR aufliegt, sogar konstant, während der SMR gedreht wird. Demzufolge kann der Lasertracker die 3D-Koordinaten einer Oberfläche messen, indem er der Position eines SMR folgt, während dieser über die Oberfläche bewegt wird. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass der Lasertracker lediglich drei Freiheitsgrade (einen Radialabstand und zwei Winkel) messen muss, um die 3D-Koordinaten einer Oberfläche vollständig zu charakterisieren.
Ein Lasertrackertyp enthält nur ein Interferometer (IFM) ohne einen Absolutdistanzmesser (ADM). Falls ein Objekt den Weg des von einem dieser Tracker ausgehenden Laserstrahls blockiert, verliert das IFM seinen Abstandsbezug. Der Bediener muss dann den Retroreflektor zu einer bekannten Stelle nachführen, um die Rückstellung auf einen Referenzabstand durchzuführen, bevor die Messung fortgesetzt wird. Eine Methode zur Umgehung dieser Einschränkung besteht darin, einen ADM in den Tracker einzubringen. Der ADM kann den Abstand in einer Anvisieren-und-Auslösen-Weise messen, die unten ausführlicher beschrieben wird. Einige Lasertracker enthalten nur einen ADM ohne ein Interferometer. Das an Bridges et al. erteilte US-Patent Nr. 7,352,446 ('446) beschreibt einen Lasertracker, der nur einen ADM (und kein IFM) aufweist, der zur genauen Abtastung eines sich bewegenden Ziels in der Lage ist. Vor dem Patent '446 waren Absolutdistanzmesser für das genaue Auffinden der Position eines sich bewegenden Ziels zu langsam.
Es kann ein Kardanmechanismus in dem Lasertracker verwendet werden, um einen Laserstrahl von dem Tracker auf den SMR zu richten. Ein Teil des von dem SMR retroreflektierten Lichts tritt in den Lasertracker ein und geht anschließend auf einen Positionsdetektor durch. Ein Steuersystem im Lasertracker kann die Position des Lichts auf dem Positionsdetektor nutzen, um die Drehwinkel der mechanischen Achslinien des Lasertrackers derart einzustellen, dass der Laserstrahl auf den SMR zentriert bleibt. Auf diese Weise ist der Tracker in der Lage, einem SMR zu folgen (nachgeführt zu werden), der über die Oberfläche eines betreffenden Objekts bewegt wird.
Winkelmessgeräte wie beispielsweise Winkelkodierer werden an den mechanischen Achslinien des Trackers befestigt. Die eine Abstandsmessung und die zwei Winkelmessungen, die der Lasertracker durchführt, reichen aus, um die dreidimensionale Position des SMR vollständig anzugeben.
Mehrere Lasertracker sind verfügbar oder wurden für die Messung von sechs Freiheitsgraden statt der üblichen drei Freiheitsgrade vorgeschlagen. Beispielhafte Systeme mit sechs Freiheitsgraden (6-DOF-Systeme; im Engl. „six degrees of freedom”) werden in dem an Bridges et al. erteilten US-Patent Nr. 7,800,758 ('758) und der veröffentlichten US-amerikanischen Patentanmeldung, Aktenzeichen 2010/0128259, an Bridges et al. beschrieben.
Kompensationsparameter sind in einer Software oder Firmware gespeicherte Zahlenwerte, auf die der Tracker zugreifen kann. Diese Zahlenwerte werden auf unverarbeitete Trackerdaten angewandt, um die Genauigkeit des Trackers zu verbessern. Der Hersteller und – in manchen Fällen – der Benutzer des Trackers finden die Kompensationsparameter mittels der Durchführung von Messungen, die als „Kompensationsmethoden” bezeichnet werden. Gegenwärtig nutzen Lasertracker Kompensationsparameter, um mechanische Fehler wie beispielsweise einen Achslinien-Rechtwinkligkeitsfehler und einen Achslinienversatz zusammen mit optomechanischen Fehlern wie beispielsweise einem Laserstrahlversatz und einer Strahlwinkelabweichung bezogen auf einen Kardanpunkt des Trackers zu berücksichtigen. Bei heutigen Lasertrackern werden Kompensationsparameter, die die Auswirkungen einer Lagerunwucht berücksichtigen, jedoch nicht einbezogen. Solche Auswirkungen können relativ groß sein. Darüber hinaus kann eine Lagerunwucht die Genauigkeit der Kompensation von Winkelkodierern herabsetzen. Es besteht Bedarf an Verfahren, die das Erfassen und Anwenden von Kompensationsparametern ermöglichen, um die sich aus einer Lagerunwucht ergebenden Fehler zu minimieren.
Zusammenfassung
Gemäß einer Ausgestaltung ist ein Verfahren zur Korrektur von Fehlern bei der Messung dreidimensionaler Koordinaten eines Retroreflektorziels durch ein Koordinatenmessgerät vorgesehen, wobei das Koordinatenmessgerät dafür konfiguriert ist, einen ersten Lichtstrahl zu dem Retroreflektorziel zu senden, wobei das Retroreflektorziel dafür konfiguriert ist, einen Teil des ersten Strahls als zweiten Strahl zurückzuwerfen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen des Koordinatenmessgeräts mit einer ersten Tragachse, einer zweiten Tragachse, einem ersten Motor, einem zweiten Motor, einem ersten Winkelmessgerät, einem zweiten Winkelmessgerät, einem Distanzmesser und einem Prozessor, wobei die erste Tragachse dafür konfiguriert ist, sich um eine erste Achslinie zu drehen, wobei die erste Tragachse durch ein erstes Lager und ein zweites Lager getragen wird, wobei der erste Motor dafür konfiguriert ist, die erste Tragachse um einen ersten Winkel um die erste Achslinie zu drehen, wobei das erste Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, den ersten Winkel zu messen, wobei die zweite Tragachse dafür konfiguriert ist, sich um eine zweite Achslinie zu drehen, wobei die zweite Tragachse durch ein drittes Lager und ein viertes Lager getragen wird, wobei der zweite Motor dafür konfiguriert ist, die zweite Tragachse um einen zweiten Winkel um die zweite Achslinie zu drehen, wobei das zweite Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, den zweiten Winkel zu messen, wobei der Distanzmesser dafür konfiguriert ist, einen ersten Abstand von dem Koordinatenmessgerät zu dem Retroreflektorziel basierend zumindest teilweise auf einem ersten Teil des von einem ersten optischen Detektor aufgefangenen zweiten Strahls zu messen; Messen einer Vielzahl von ersten Winkeln mit dem ersten Winkelmessgerät; Messen einer Vielzahl von ersten Verschiebungen an einer ersten Position entlang der ersten Achslinie, wobei jede der Vielzahl von ersten Verschiebungen einem der Vielzahl von ersten Winkeln zugeordnet wird, wobei die ersten Verschiebungen entlang einer senkrecht zu der ersten Achslinie verlaufenden ersten Linie ermittelt werden; Messen einer Vielzahl von zweiten Verschiebungen an einer zweiten Position entlang der ersten Achslinie, wobei jede der Vielzahl von zweiten Verschiebungen einem der Vielzahl von ersten Winkeln zugeordnet wird, wobei die zweiten Verschiebungen entlang einer senkrecht zu der ersten Achslinie verlaufenden zweiten Linie ermittelt werden, wobei ein erster Trennungsabstand zwischen der ersten Linie und der zweiten Linie vorhanden ist; Ermitteln von Kompensationswerten basierend zumindest teilweise auf der Vielzahl von ersten Winkeln, der Vielzahl von ersten Verschiebungen, der Vielzahl von zweiten Verschiebungen und dem ersten Trennungsabstand; Senden des ersten Strahls zu dem Retroreflektorziel; Messen eines ersten Retroreflektorwinkels mit dem ersten Winkelmessgerät; Messen eines zweiten Retroreflektorwinkels mit dem zweiten Winkelmessgerät; Messen des ersten Abstands mit dem Distanzmesser; Berechnen dreidimensionaler Koordinaten des Retroreflektorziels basierend zumindest teilweise auf dem ersten Retroreflektorwinkel, dem zweiten Retroreflektorwinkel, dem ersten Abstand und den Kompensationswerten; und Speichern der dreidimensionalen Koordinaten des Retroreflektorziels in einem Speicher.
Gemäß einer Ausgestaltung ist ein Koordinatenmessgerät zur Messung dreidimensionaler Koordinaten eines Retroreflektorziels vorgesehen, wobei das Koordinatenmessgerät dafür konfiguriert ist, einen ersten Lichtstrahl zu dem Retroreflektorziel zu senden, wobei das Retroreflektorziel dafür konfiguriert ist, einen Teil des ersten Strahls als zweiten Strahl zurückzuwerfen, wobei das Gerät Folgendes umfasst: eine erste Tragachse, eine zweite Tragachse, einen ersten Motor, einen zweiten Motor, ein erstes Winkelmessgerät, ein zweites Winkelmessgerät, einen Distanzmesser, einen Umdrehungszähler und einen Prozessor, wobei die erste Tragachse dafür konfiguriert ist, sich um eine erste Achslinie zu drehen, wobei die erste Tragachse durch ein erstes Lager und ein zweites Lager getragen wird, wobei der erste Motor dafür konfiguriert ist, die erste Tragachse um einen ersten Winkel um die erste Achslinie zu drehen, wobei das erste Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, den ersten Winkel zu messen, wobei die zweite Tragachse dafür konfiguriert ist, sich um eine zweite Achslinie zu drehen, wobei die zweite Tragachse durch ein drittes Lager und ein viertes Lager getragen wird, wobei der zweite Motor dafür konfiguriert ist, die zweite Tragachse um einen zweiten Winkel um die zweite Achslinie zu drehen, wobei das zweite Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, den zweiten Winkel zu messen, wobei der Distanzmesser dafür konfiguriert ist, einen ersten Abstand von dem Koordinatenmessgerät zu dem Retroreflektorziel basierend zumindest teilweise auf einem ersten Teil des von einem ersten optischen Detektor aufgefangenen zweiten Strahls zu messen, wobei der Umdrehungszähler dafür konfiguriert ist, eine Anzahl von Umdrehungen der ersten Tragachse zu messen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, wobei beispielhafte Ausgestaltungen dargestellt sind, die nicht als den gesamten Schutzbereich der Offenbarung einschränkend aufzufassen sind und wobei die Elemente in mehreren Figuren gleich nummeriert sind. Es zeigen:
1: eine perspektivische Darstellung eines Lasertrackersystems mit einem Retroreflektorziel gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
2: eine perspektivische Darstellung eines Lasertrackersystems mit einem 6-DOF-Ziel gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
3: ein Blockdiagramm, das die Elemente der Optik und Elektronik des Lasertrackers gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung beschreibt;
4: die 4A und 4B umfasst, zwei Typen von afokalen Strahlaufweitern des Stands der Technik;
5: eine faseroptische Strahleinkopplung des Stands der Technik;
6A–D: schematische Figuren, die vier Typen von Positionsdetektorbaugruppen des Stands der Technik darstellen;
6E–F: schematische Figuren, die Positionsdetektorbaugruppen gemäß Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung darstellen;
7: ein Blockdiagramm von elektrischen und elektrooptischen Elementen in einem ADM des Stands der Technik;
8A und 8B: schematische Figuren, die faseroptische Elemente in einem Glasfasernetz des Stands der Technik darstellen;
8C: eine schematische Figur, die faseroptische Elemente in einem Glasfasernetz gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung darstellt;
9: eine Explosionsdarstellung eines Lasertrackers des Stands der Technik;
10: eine Querschnittsdarstellung eines Lasertrackers des Stands der Technik;
11: ein Blockdiagramm der Berechnungs- und Kommunikationselemente eines Lasertrackers gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
12: eine perspektivische Darstellung einiger innerer Elemente in einem Lasertracker, der einen Lichtstrahl mit einem Spiegel gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung lenkt;
13: eine perspektivische Darstellung einiger Elemente in einem Lasertracker gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
14: eine perspektivische Darstellung einiger Elemente in einem Lasertracker gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung;
15A und 15B: perspektivische Darstellungen von Vorrichtungen des Stands der Technik, die Lagerfehler messen;
16A–16C: Diagramme von Daten, die mit einer Messung von Lagerfehlern in einer Drehspindel erhalten wurden;
17: vier aufeinanderfolgende Drehungen einer Spindel, die zwei Lager enthält;
18: eine perspektivische Teilexplosionsdarstellung von Lasertrackerkomponenten und einer Lagerunwucht-Messvorrichtung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung; und
19: eine perspektivische Teilexplosionsdarstellung von Lasertrackerkomponenten und einer Lagerunwucht-Messvorrichtung gemäß einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung.
Detaillierte Beschreibung
Ein in 1 dargestelltes beispielhaftes Lasertrackersystem 5 umfasst einen Lasertracker 10, ein Retroreflektorziel 26, einen optionalen Zusatzgerätprozessor 50 und einen optionalen Zusatzcomputer 60. Ein beispielhafter kardanisch aufgehängter Strahllenkungsmechanismus 12 des Lasertrackers 10 umfasst einen Zenitschlitten 14, der auf einem Azimutsockel 16 angebracht ist und um eine Azimutachse 20 gedreht wird. Eine Nutzlast 15 ist auf dem Zenitschlitten 14 angebracht und wird um eine Zenitachse 18 gedreht. Die Zenitachse 18 und die Azimutachse 20 schneiden sich orthogonal innerhalb des Trackers 10 an einem Kardanpunkt 22, der normalerweise der Ursprung für Abstandsmessungen ist. Ein Laserstrahl 46 geht fast durch den Kardanpunkt 22 und wird orthogonal zu der Zenitachse 18 gerichtet. Mit anderen Worten: der Laserstrahl 46 liegt in einer Ebene, die ungefähr senkrecht zu der Zenitachse 18 ist und durch die Azimutachse 20 durchgeht. Der ausgehende Laserstrahl 46 wird durch die Drehung der Nutzlast 15 um die Zenitachse 18 und durch die Drehung des Zenitschlittens 14 um die Azimutachse 20 in die gewünschte Richtung gerichtet. Ein Zenitwinkelkodierer innen im Tracker ist an einer mechanischen Zenitachse befestigt, die auf die Zenitachse 18 ausgerichtet ist. Ein Azimutwinkelkodierer innen im Tracker ist an einer mechanischen Azimutachse befestigt, die auf die Azimutachse 20 ausgerichtet ist. Die Zenit- und Azimutwinkelkodierer messen die Zenit- und Azimutdrehwinkel mit relativ hoher Genauigkeit. Der ausgehende Laserstrahl 46 bewegt sich zu dem Retroreflektorziel 26, das beispielsweise ein wie oben beschriebener sphärisch montierter Retroreflektor (SMR) sein könnte. Durch Messen des Radialabstands zwischen dem Kardanpunkt 22 und dem Retroreflektor 26, des Drehwinkels um die Zenitachse 18 und des Drehwinkels um die Azimutachse 20 wird die Position des Retroreflektors 26 im Kugelkoordinatensystem des Trackers gefunden.
Der ausgehende Laserstrahl 46 kann eine oder mehrere Laserwellenlängen umfassen, wie nachstehend beschrieben wird. Der Klarheit und Einfachheit halber wird in der folgenden Besprechung ein wie in 1 dargestellter Typ eines Lenkungsmechanismus angenommen. Es sind jedoch andere Arten von Lenkungsmechanismen möglich. Es ist beispielsweise möglich, dass man einen Laserstrahl von einem Spiegel reflektieren lässt, der um die Azimut- und Zenitachse gedreht wird. Die hierin beschriebenen Methoden sind ungeachtet des Typs des Lenkungsmechanismus anwendbar.
Auf dem Lasertracker können magnetische Aufnahmen 17 vorgesehen werden, um den Lasertracker in eine „Ausgangsposition” für unterschiedlich große SMRs – beispielsweise 38,1, 22,2 und 12,7 mm große SMRs (1,5, 7/8 und ½ Zoll) – zurückzustellen. Man kann einen auf dem Tracker befindlichen Retroreflektor 19 benutzen, um den Tracker auf einen Referenzabstand zurückzustellen. Außerdem kann ein auf dem Tracker angeordneter Spiegel, der in der Ansicht von 1 nicht sichtbar ist, in Kombination mit dem auf dem Tracker befindlichen Retroreflektor benutzt werden, um die Durchführung einer Selbstkompensation zu gestatten, die in dem US-Patent Nr. 7,327,446 beschrieben wird.
2 zeigt ein beispielhaftes Lasertrackersystem 7, das wie das Lasertrackersystem 5 von 1 beschaffen ist, außer dass das Retroreflektorziel 26 durch eine 6-DOF-Sonde 1000 ersetzt ist. In 1 können andere Typen von Retroreflektorzielen verwendet werden. Es wird zum Beispiel manchmal ein Katzenaugen-Retroreflektor verwendet, der ein Retroreflektor aus Glas ist, bei dem Licht auf einen kleinen Lichtpunkt auf einer reflektierenden Rückfläche der Glasstruktur gebündelt wird.
3 ist ein Blockdiagramm, das optische und elektrische Elemente in einer Lasertracker-Ausgestaltung darstellt. Es zeigt die Elemente eines Lasertrackers, die zwei Lichtwellenlängen emittieren: eine erste Wellenlänge für einen ADM und eine zweite Wellenlänge für einen sichtbaren Zeiger und für die Verfolgung. Der sichtbare Zeiger verschafft dem Benutzer die Möglichkeit, die Position des von dem Tracker emittierten Laserstrahlpunkts zu sehen. Die zwei verschiedenen Wellenlängen werden mit einem im freien Raum angeordneten Strahlteiler kombiniert. Ein elektrooptisches System (EO-System) 100 umfasst eine Quelle 110 sichtbaren Lichts, einen Isolator 115, eine optionale erste Fasereinkopplung 170, ein optionales Interferometer (IFM) 120, einen Strahlaufweiter 140, einen ersten Strahlteiler 145, eine Positionsdetektorbaugruppe 150, einen zweiten Strahlteiler 155, einen ADM 160 und eine zweite Fasereinkopplung 170.
Die Quelle 110 sichtbaren Lichts kann ein Laser, eine Superlumineszenzdiode oder eine andere Licht emittierende Vorrichtung sein. Der Isolator 115 kann ein Faraday-Isolator, ein Dämpfungsglied oder eine andere Vorrichtung sein, die in der Lage ist, das Licht zu reduzieren, das in die Lichtquelle rückreflektiert wird. Das optionale IFM kann auf unterschiedliche Weise konfiguriert werden. Als spezifisches Beispiel für eine mögliche Implementierung kann das IFM einen Strahlteiler 122, einen Retroreflektor 126, Viertelwellen-Verzögerungsplatten 124, 130 und einen Phasenanalysator 128 umfassen. Die Quelle 110 sichtbaren Lichts kann das Licht in den freien Raum einkoppeln, wobei sich das Licht dann im freien Raum durch den Isolator 115 und das optionale IFM 120 bewegt. Alternativ dazu kann der Isolator 115 durch ein faseroptisches Kabel an die Quelle 110 sichtbaren Lichts gekoppelt werden. In diesem Fall kann das Licht von dem Isolator aus durch die erste faseroptische Einkopplung 170 in den freien Raum eingekoppelt werden, wie hierin unten unter Bezugnahme auf 5 besprochen wird.
Der Strahlaufweiter 140 kann mit einer Vielzahl von Linsenkonfigurationen eingerichtet werden, wobei jedoch zwei normalerweise benutzte Konfigurationen des Stands der Technik in 4A und 4B dargestellt sind. 4A zeigt eine Konfiguration 140A, die auf der Verwendung einer Zerstreuungslinse 141A und einer Sammellinse 142A beruht. Ein auf die Zerstreuungslinse 141A einfallender gebündelter Lichtstrahl 220A tritt aus der Sammellinse 142A als größerer gebündelter Lichtstrahl 230A aus. 4B zeigt eine Konfiguration 140B, die auf der Verwendung von zwei Sammellinsen 141B, 142B beruht. Ein auf eine erste Sammellinse 141B einfallender gebündelter Lichtstrahl 220B tritt aus einer zweiten Sammellinse 142B als größerer gebündelter Lichtstrahl 230B aus. Von dem Licht, das den Strahlaufweiter 140 verlässt, wird ein kleiner Anteil auf dem Weg aus dem Tracker von den Strahlteilern 145, 155 reflektiert und geht verloren. Derjenige Teil des Lichts, der durch den Strahlteiler 155 durchgeht, wird mit dem Licht von dem ADM 160 kombiniert und bildet daher einen zusammengesetzten Lichtstrahl 188, der diesen Lasertracker verlässt und sich zu dem Retroreflektor 90 bewegt.
Der ADM 160 umfasst bei einer Ausgestaltung eine Lichtquelle 162, eine ADM-Elektronik 164, ein Fasernetz 166, ein elektrisches Verbingungskabel 165 und verbindende Lichtwellenleiter 168, 169, 184, 186. Die ADM-Elektronik sendet elektrische Modulations- und Vorspannungen zu der Lichtquelle 162, die beispielsweise ein Laser mit verteilter Rückkopplung sein kann, der bei einer Wellenlänge von ungefähr 1550 nm arbeitet. Das Fasernetz 166 kann bei einer Ausgestaltung das dem Stand der Technik entsprechende Glasfasernetz 420A sein, das in 8A dargestellt ist. Bei dieser Ausgestaltung bewegt sich das Licht von der Lichtquelle 162 in 3 über den Lichtwellenleiter 184, der dem Lichtwellenleiter 432 in 8A entspricht.
Das Fasernetz von 8A umfasst einen ersten Faserkoppler 430, einen zweiten Faserkoppler 436 und Reflektoren 435, 440 mit geringer Transmission. Das Licht verläuft durch den ersten Faserkoppler 430 und wird in zwei Lichtwege geteilt, wobei der erste Lichtweg durch einen Lichtwellenleiter 433 zu dem zweiten Faserkoppler 436 geht und der zweite Lichtweg durch einen Lichtwellenleiter 422 und einen Faserlängenausgleicher 423 geht. Der Faserlängenausgleicher 423 verbindet die Faserlänge 168 in 3, die zu dem Referenzkanal der ADM-Elektronik 164 verläuft. Der Zweck des Faserlängenausgleichers 423 besteht darin, die Länge der Lichtwellenleiter, die von dem Licht in dem Referenzkanal durchquert werden, an die Länge der Lichtwellenleiter, die von dem Licht in dem Messkanal durchquert werden, anzupassen. Die derartige Anpassung der Faserlängen verringert ADM-Fehler, die durch Veränderungen der Umgebungstemperatur verursacht werden. Solche Fehler können entstehen, weil die effektive Lichtweglänge eines Lichtwellenleiters gleich dem durchschnittlichen Brechungsindex des Lichtwellenleiters multipliziert mit der Länge der Faser ist. Da der Brechungsindex der Lichtwellenleiter von der Temperatur der Faser abhängt, führt eine Schwankung der Temperatur der Lichtwellenleiter zu Veränderungen bei den effektiven Lichtweglängen des Mess- und Referenzkanals. Falls sich die effektive Lichtweglänge des Lichtwellenleiters im Messkanal relativ zu der effektiven Lichtweglänge des Lichtwellenleiters im Referenzkanal ändert, ergibt sich daraus sogar dann eine scheinbare Verschiebung der Position des Retroreflektorziels 90, wenn das Retroreflektorziel 90 ortsfest gehalten wird. Zur Umgehung dieses Problems werden zwei Schritte durchgeführt. Erstens wird die Länge der Faser im Referenzkanal so nahe wie möglich an die Länge der Faser im Messkanal angepasst. Zweitens werden die Mess- und Referenzfasern so weit wie möglich nebeneinander geführt, um zu gewährleisten, dass die Lichtwellenleiter in den zwei Kanälen fast den gleichen Temperaturänderungen ausgesetzt sind.
Das Licht bewegt sich durch den zweiten faseroptischen Koppler 436 und wird in zwei Lichtwege geteilt, nämlich den ersten Lichtweg zu dem reflexionsarmen Faserendverschluss 440 und den zweiten Lichtweg zu dem Lichtwellenleiter 438, von wo aus das Licht zu dem Lichtwellenleiter 186 in 3 verläuft. Das Licht in dem Lichtwellenleiter 186 bewegt sich zu der zweiten Fasereinkopplung 170.
Bei einer Ausgestaltung ist die Fasereinkopplung 170 in der dem Stand der Technik entsprechenden 5 dargestellt. Das Licht von dem Lichtwellenleiter 186 von 3 verläuft zu der Faser 172 in 5. Die Fasereinkopplung 170 umfasst einen Lichtwellenleiter 172, eine Ferrule 174 und eine Linse 176. Der Lichtwellenleiter 172 ist an die Ferrule 174 angeschlossen, die fest an einer Struktur innerhalb des Lasertrackers 10 angebracht ist. Gegebenenfalls kann man das Ende des Lichtwellenleiters in einem Winkel glanzschleifen, um Rückreflexionen zu verringern. Das Licht 250 tritt aus dem Kern der Faser aus, die eine Monomodefaser mit einem Durchmesser zwischen 4 und 12 Mikrometern sein kann, was von der Wellenlänge des verwendeten Lichts und dem jeweiligen Typ des Lichtwellenleiters abhängt. Das Licht 250 divergiert in einem Winkel und wird von der Linse 176 aufgefangen, die es bündelt. Das Verfahren zum Einkoppeln und Auffangen eines optischen Signals durch einen einzigen Lichtwellenleiter in einem ADM-System wurde in dem Patent '758 unter Bezugnahme auf 3 beschrieben.
Bezug nehmend auf 3, kann der Strahlteiler 155 ein dichroitischer Strahlteiler sein, der andere Wellenlängen durchlässt, als er reflektiert. Bei einer Ausgestaltung wird das Licht des ADM 160 von dem dichroitischen Strahlteiler 155 reflektiert und mit dem Licht des sichtbaren Lasers 110 kombiniert, welches durch den dichroitischen Strahlteiler 155 durchgelassen wird. Der zusammengesetzte Lichtstrahl 188 bewegt sich als erster Strahl aus dem Lasertracker hinaus zu dem Retroreflektor 90, der einen Teil des Lichts als zweiten Strahl reflektiert. Derjenige Teil des zweiten Strahls, der die Wellenlänge des ADM hat, wird von dem dichroitischen Strahlteiler 155 reflektiert und zu der zweiten Fasereinkopplung 170 zurückgeworfen, die das Licht in den Lichtwellenleiter 186 zurückkoppelt.
Der Lichtwellenleiter 186 entspricht bei einer Ausgestaltung dem Lichtwellenleiter 438 in 8A. Das zurückkehrende Licht bewegt sich von dem Lichtwellenleiter 438 durch den zweiten Faserkoppler 436 und wird in zwei Lichtwege geteilt. Ein erster Lichtweg führt zu dem Lichtwellenleiter 424, der bei einer Ausgestaltung dem Lichtwellenleiter 169 entspricht, der zu dem Messkanal der ADM-Elektronik 164 in 3 führt. Ein zweiter Lichtweg führt zu dem Lichtwellenleiter 433 und dann zu dem ersten Faserkoppler 430. Das Licht, das den ersten Faserkoppler 430 verlässt, wird in zwei Lichtwege geteilt, und zwar einen ersten Lichtweg zu dem Lichtwellenleiter 432 und einen zweiten Lichtweg zu dem reflexionsarmen Endverschluss 435. Bei einer Ausgestaltung entspricht der Lichtwellenleiter 432 dem Lichtwellenleiter 184, der zu der Lichtquelle 162 in 3 führt. In den meisten Fällen enthält die Lichtquelle 162 einen eingebauten Faraday-Isolator, der die Lichtmenge, die von dem Lichtwellenleiter 432 aus in die Lichtquelle eintritt, minimiert. Zu viel Licht, das in umgekehrter Richtung in einen Laser geleitet wird, kann den Laser destabilisieren.
Das Licht von dem Fasernetz 166 tritt durch die Lichtwellenleiter 168, 169 in die ADM-Elektronik 164 ein. In 7 ist eine Ausgestaltung der ADM-Elektronik des Stands der Technik dargestellt. Der Lichtwellenleiter 168 in 3 entspricht dem Lichtwellenleiter 3232 in 7 und der Lichtwellenleiter 169 in 3 entspricht dem Lichtwellenleiter 3230 in 7. Nun Bezug nehmend auf 7, umfasst die ADM-Elektronik 3300 eine Frequenzreferenz 3302, einen Synthesizer 3304, einen Messdetektor 3306, einen Referenzdetektor 3308, einen Messmischer 3310, einen Referenzmischer 3312, Aufbereitungselektroniken 3314, 3316, 3318, 3320, einen Vorteiler 3324 mit dem Teilungsfaktor N und einen Analog-Digital-Wandler (ADW) 3322. Die Frequenzreferenz, die beispielsweise ein beheizter Quarzoszillator (OCXO; oven-controlled crystal oscillator) sein könnte, sendet eine Referenzfrequenz f_REF, die z. B. 10 MHz betragen könnte, zu dem Synthesizer, der zwei elektrische Signale erzeugt: ein Signal mit einer Frequenz f_RF und zwei Signale mit der Frequenz f_LO. Das Signal f_RF geht zu der Lichtquelle 3102, die der Lichtquelle 162 in 3 entspricht. Die zwei Signale mit der Frequenz f_LO gehen zu dem Messmischer 3310 und dem Referenzmischer 3312. Das von den Lichtwellenleitern 168, 169 in 3 kommende Licht verläuft in den Fasern 3232 bzw. 3230 in 7 und tritt in den Referenz- bzw. Messkanal ein. Der Referenzdetektor 3308 und der Messdetektor 3306 wandeln die optischen Signale in elektrische Signale um. Diese Signale werden durch die elektrischen Komponenten 3316 bzw. 3314 aufbereitet und zu den Mischern 3312 bzw. 3310 gesendet. Die Mischer erzeugen eine Frequenz f_IF, die gleich dem Absolutwert f_LO – f_RF ist. Das Signal f_RF kann eine relativ hohe Frequenz wie beispielsweise 2 GHz haben, während das Signal f_IF eine relativ niedrige Frequenz wie beispielsweise 10 kHz aufweisen kann.
Die Referenzfrequenz f_REF wird zu dem Vorteiler 3324 gesendet, der die Frequenz durch eine ganze Zahl dividiert. Eine Frequenz von 10 MHz würde beispielsweise durch 40 dividiert, so dass man eine Ausgangsfrequenz von 250 kHz erhält. In diesem Beispiel würden die 10-kHz-Signale, die in den ADW 3322 eintreten, bei einer Frequenz von 250 kHz abgetastet, wodurch 25 Abtastungen pro Zyklus erzeugt werden. Die Signale des ADW 3322 werden zu einem Datenprozessor 3400 gesendet, der beispielsweise aus einer oder mehreren digitalen Signalprozessor-Einheiten (DSP-Einheiten) bestehen könnte, die in der ADM-Elektronik 164 von 3 angeordnet sind.
Das Verfahren zum Extrahieren eines Abstands beruht auf der Berechnung der Phase der ADW-Signale für den Referenz- und Messkanal. Dieses Verfahren wird ausführlich in dem an Bridges et al. erteilten US-Patent Nr. 7,701,559 ('559) beschrieben. Die Berechnung umfasst die Gleichungen (1)–(8) des Patents '559. Wenn der ADM zuerst mit dem Messen eines Retroreflektors beginnt, werden ferner die von dem Synthesizer erzeugten Frequenzen einige Male (beispielsweise dreimal) verändert und die möglichen ADM-Abstände in jedem Fall berechnet. Durch den Vergleich der möglichen ADM-Abstände bei jeder der ausgewählten Frequenzen wird eine Mehrdeutigkeit bei der ADM-Messung beseitigt. Die Gleichungen (1)–(8) des Patents '559 in Kombination mit den in Bezug auf 5 des Patents '559 beschriebenen Synchronisationsverfahren und den in dem Patent '559 beschriebenen Kalman-Filter-Verfahren geben dem ADM die Möglichkeit, ein sich bewegendes Ziel zu messen. Bei anderen Ausgestaltungen können andere Verfahren zum Erhalten von Absolutdistanzmessungen eingesetzt werden, beispielsweise indem man die Pulslaufzeit statt Phasendifferenzen benutzt.
Derjenige Teil des zurückkehrenden Lichtstrahls 190, der durch den Strahlteiler 155 durchgeht, kommt an dem Strahlteiler 145 an, der einen Teil des Lichts zu dem Strahlaufweiter 140 und einen anderen Teil des Lichts zu der Positionsdetektorbaugruppe 150 sendet. Man kann das aus dem Lasertracker 10 oder EO-System 100 austretende Licht als ersten Strahl und denjenigen Teil des Lichts, der von dem Retroreflektor 90 oder 26 reflektiert wird, als zweiten Strahl auffassen. Teile des reflektierten Strahls werden zu unterschiedlichen Funktionselementen des EO-Systems 100 gesendet. Beispielsweise kann ein erster Teil zu einem Distanzmesser wie dem ADM 160 in 3 gesendet werden. Ein zweiter Teil kann zu einer Positionsdetektorbaugruppe 150 gesendet werden. In einigen Fällen kann ein dritter Teil zu anderen Funktionseinheiten wie beispielsweise einem optionalen Interferometer 120 gesendet werden. Es ist von Bedeutung, dass verstanden wird, dass – obwohl in dem Beispiel von 3 der erste Teil und der zweite Teil des zweiten Strahls zu dem Distanzmesser und dem Positionsdetektor gesendet werden, nachdem sie von den Strahlteilern 155 bzw. 145 reflektiert wurden – es möglich gewesen wäre, das Licht zu einem Distanzmesser oder Positionsdetektor durchzulassen statt reflektieren zu lassen.
In 6A–D sind vier Beispiele von dem Stand der Technik entsprechenden Positionsdetektorbaugruppen 150A–150D dargestellt. 6A zeigt die einfachste Implementierung, wobei die Positionsdetektorbaugruppe einen Positionsensor 151 umfasst, der auf einer Leiterplatte 152 angebracht ist, welche Energie von einer Elektronikbox 350 erhält und der Elektronikbox Signale zurücksendet, die die Kapazität für die elektronische Verarbeitung an einer beliebigen Stelle innerhalb des Lasertrackers 10, Zusatzgeräts 50 oder externen Computers 60 repräsentieren können. 6B umfasst einen Lichtfilter 154, der unerwünschte optische Wellenlängen blockiert, damit sie den Positionssensor 151 nicht erreichen. Die unerwünschten optischen Wellenlängen können beispielsweise auch blockiert werden, indem man den Strahlteiler 145 oder die Oberfläche des Positionssensors 151 mit einem entsprechenden Film beschichtet. 6C enthält eine Linse 153, die die Größe des Lichtstrahls reduziert. 6D enthält einen Lichtfilter 154 und eine Linse 153.
6E zeigt eine Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung gemäße Positionsdetektorbaugruppe, die eine Lichtaufbereitungsvorrichtung 149E umfasst. Die Lichtaufbereitungsvorrichtung enthält eine Linse 153 und kann auch einen optionalen Wellenlängenfilter 154 enthalten. Sie umfasst ferner mindestens einen von einem Diffusor 156 und einem Raumfilter 157. Wie vorstehend erläutert wurde, ist der Würfelecken-Retroreflektor ein beliebter Retroreflektortyp. Ein Typ des Würfelecken-Retroreflektors besteht aus drei Spiegeln, die jeweils im rechten Winkel mit den anderen zwei Spiegeln verbunden sind. Die Schnittlinien, an welchen diese drei Spiegel verbunden sind, können eine endliche Dicke aufweisen, bei welcher Licht nicht vollkommen zu dem Tracker zurückreflektiert wird. Die Linien endlicher Dicke werden gebeugt, während sie sich derart ausbreiten, dass sie nach Erreichen des Positionsdetektors möglicherweise nicht mehr genau die gleichen wie an dem Positionsdetektor zu sein scheinen. Das Muster des gebeugten Lichts weicht jedoch generell von der vollkommenen Symmetrie ab. Demzufolge kann das Licht, das auf den Positionsdetektor 151 auftrifft, beispielsweise Senkungen und Anstiege bei der optischen Energie (Lichtschwerpunkte) in der Nähe der gebeugten Linien haben. Da die Gleichmäßigkeit des vom Retroreflektor kommenden Lichts von Retroreflektor zu Retroreflektor variieren kann und da ferner die Lichtverteilung auf dem Positionsdetektor während des Drehens oder Neigens des Retroreflektors schwanken kann, ist es unter Umständen von Vorteil, wenn man einen Diffusor 156 einbezieht, um die Gleichmäßigkeit des Lichts zu verbessern, das auf den Positionsdetektor 151 auftrifft. Da ein idealer Positionsdetektor auf einen Flächenschwerpunkt ansprechen sollte und ein idealer Diffusor einen Lichtpunkt symmetrisch spreizen sollte, könnte man die Auffassung vertreten, dass keine Wirkung auf die durch den Positionsdetektor angegebene resultierende Position vorliegen sollte. Bei der praktischen Anwendung des Diffusors stellt sich jedoch heraus, dass die Leistung der Positionsdetektorbaugruppe verbessert wird, und zwar wahrscheinlich wegen der Auswirkungen von Nichtlinearitäten (Unvollkommenheiten) bei dem Positionsdetektor 151 und der Linse 153. Würfelecken-Retroreflektoren, die aus Glas bestehen, können ebenfalls ungleichmäßige Lichtpunkte an dem Positionsdetektor 151 erzeugen. Änderungen des Lichtpunkts an einem Positionsdetektor können sich insbesondere von dem Licht abheben, das von den Würfelecken in 6-DOF-Zielen reflektiert wird, wie es klarer aus den US-amerikanischen Patentanmeldungen, Aktenzeichen 13/370,339 ('339) (angemeldet am 10. Februar 2012) und 13/407,983 ('983) (angemeldet am 29. Februar 2012), des gleichen Inhabers hervorgeht. Der Diffusor 156 ist bei einer Ausgestaltung ein holographischer Diffusor. Ein holographischer Diffusor stellt ein geregeltes, homogenes Licht über einen vorgegebenen Streuwinkel bereit. Bei anderen Ausgestaltungen können andere Diffusortypen wie beispielsweise Diffusoren aus geschliffenem Glas oder „matte” Diffusoren verwendet werden.
Der Zweck des Raumfilters 157 der Positionsdetektorbaugruppe 150E besteht darin, Geisterbilder, die beispielsweise aus unerwünschten Reflexionen von optischen Oberflächen resultieren, daran zu hindern, auf den Positionsdetektor 151 aufzutreffen. Ein Raumfilter umfasst eine Platte 157, die eine Apertur aufweist. Dadurch, dass man den Raumfilter 157 in einem Abstand entfernt von der Linse positioniert, der ungefähr gleich der Brennweite der Linse ist, geht das zurückkehrende Licht 243E durch den Raumfilter, wenn es sich nahe bei seiner schmalsten Stelle – der Strahltaille – befindet. Strahlen, die sich in einem unterschiedlichen Winkel bewegen, beispielsweise infolge einer Reflexion eines optischen Elements, treffen auf den Raumfilter entfernt von der Apertur auf und werden am Erreichen des Positionsdetektors 151 gehindert. In 6E ist ein Beispiel dargestellt, bei dem ein unerwünschtes Geisterbild 244E von einer Oberfläche des Strahlteilers 145 reflektiert wird und zu dem Raumfilter 157 verläuft, wo es blockiert wird. Ohne den Raumfilter wäre das Geisterbild 244E vom Positionsdetektor 151 aufgefangen worden, was dazu geführt hätte, dass die Position des Strahls 243E auf dem Positionsdetektor 151 falsch ermittelt worden wäre. Sogar ein schwaches Geisterbild kann die Position des Flächenschwerpunkts auf dem Positionsdetektor 151 signifikant verändern, wenn das Geisterbild in einem relativ großen Abstand von dem Hauptlichtpunkt entfernt ist.
Ein Retroreflektor des hier behandelten Typs wie beispielsweise ein Würfelecken- oder Katzenaugen-Retroreflektor hat die Eigenschaft, einen in ihn eintretenden Lichtstrahl in eine Richtung zu reflektieren, die parallel zu dem einfallenden Strahl ist. Ferner sind der einfallende und der reflektierte Strahl symmetrisch um den Symmetriepunkt des Retroreflektors herum angeordnet. Bei einem luftoffenen Würfelecken-Retroreflektor ist dessen Symmetriepunkt beispielsweise der Scheitelpunkt der Würfelecke. Bei einem Würfelecken-Retroreflektor aus Glas ist der Symmetriepunkt ebenfalls der Scheitelpunkt, wobei in diesem Fall allerdings die Lichtbeugung an der Glas-Luft-Grenzfläche zu berücksichtigen ist. Bei einem Katzenaugen-Retroreflektor mit dem Brechungsindex 2,0 ist der Symmetriepunkt der Mittelpunkt der Kugel. Bei einem Katzenaugen-Retroreflektor aus zwei Halbkugeln aus Glas, die symmetrisch auf einer gemeinsamen Ebene sitzen, ist der Symmetriepunkt ein Punkt, der auf der Ebene und an dem Kugelmittelpunkt jeder Halbkugel liegt. Die Hauptsache ist die, dass bei dem Typ von Retroreflektoren, der gewöhnlich mit Lasertrackern verwendet wird, das von einem Retroreflektor zu dem Tracker zurückgeworfene Licht zu der – bezogen auf den einfallenden Laserstrahl – anderen Seite des Scheitelpunkts verschoben wird.
Dieses Verhalten eines Retroreflektors 90 in 3 ist die Grundlage für die Verfolgung des Retroreflektors durch den Lasertracker. Der Positionssensor hat auf seiner Oberfläche einen idealen Rückverfolgungspunkt. Der ideale Rückverfolgungspunkt ist derjenige Punkt, an welchem ein zu dem Symmetriepunkt eines Retroreflektors (bei einem SMR z. B. dem Scheitelpunkt des Würfelecken-Retroreflektors) gesendeter Laserstrahl zurückkehren wird. Normalerweise befindet sich der Rückverfolgungspunkt nahe dem Mittelpunkt des Positionssensors. Wenn der Laserstrahl zu einer Seite des Retroreflektors gesendet wird, wird er auf der anderen Seite reflektiert und erscheint er versetzt gegenüber dem Rückverfolgungspunkt auf dem Positionssensor. Durch das Registrieren der Position des zurückkehrenden Lichtstrahls auf dem Positionssensor kann das Steuersystem des Lasertrackers 10 veranlassen, dass die Motoren den Lichtstrahl zum Symmetriepunkt des Retroreflektors hin bewegen.
Falls der Retroreflektor mit konstanter Geschwindigkeit quer zu dem Tracker bewegt wird, trifft der Lichtstrahl auf den Retroreflektor in einem festen Versetzungsabstand von dessen Symmetriepunkt auf (nachdem die Einschwingvorgänge beendet sind). Der Lasertracker führt eine Korrektur durch, um diesen Versetzungsabstand an dem Retroreflektor basierend auf einem aus den gesteuerten Messungen erhaltenen Skalenfaktor und basierend auf dem Abstand zwischen dem Lichtstrahl auf dem Positionssensor und dem idealen Rückverfolgungspunkt zu berücksichtigen.
Wie vorstehend erläutert wurde, führt der Positionsdetektor zwei wichtige Funktionen durch, nämlich die Ermöglichung von Verfolgungs- und Korrekturmessungen zur Berücksichtigung der Bewegung des Retroreflektors. Der Positionssensor in dem Positionsdetektor kann ein beliebiger Typ einer Vorrichtung sein, die zur Messung einer Position in der Lage ist. Der Positionssensor könnte beispielsweise ein positionsempfindlicher Detektor oder eine photosensitive Anordnung sein. Der positionsempfindliche Detektor könnte zum Beispiel ein Lateraleffektdetektor oder ein Quadrantendetektor sein. Die photosensitive Anordnung könnte beispielsweise eine CMOS- oder CCD-Anordnung sein.
Bei einer Ausgestaltung geht das zurückkehrende Licht, das nicht vom Strahlteiler 145 reflektiert wird, durch den Strahlaufweiter 140, wodurch es kleiner wird. Bei einer anderen Ausgestaltung sind die Positionen des Positionsdetektors und des Distanzmessers derart umgekehrt, dass das von dem Strahlteiler 145 reflektierte Licht sich zu dem Distanzmesser bewegt und das durch den Strahlteiler durchgelassene Licht zu dem Positionsdetektor verläuft.
Das Licht bewegt sich weiter durch das optionale IFM, durch den Isolator und in die Quelle 110 sichtbaren Lichts. In dieser Phase sollte die optische Energie klein genug sein, damit sie nicht die Quelle 110 sichtbaren Lichts destabilisiert.
Das von der Quelle 110 sichtbaren Lichts stammende Licht wird bei einer Ausgestaltung durch eine Strahleinkopplung 170 von 5 eingekoppelt. Die Fasereinkopplung kann an den Ausgang der Lichtquelle 110 oder einen faseroptischen Ausgang des Isolators 115 angeschlossen sein.
Bei einer Ausgestaltung ist das Fasernetz 166 von 3 das dem Stand der Technik entsprechende Fasernetz 420B von 8B. Hier entsprechen die Lichtwellenleiter 184, 186, 168, 169 von 3 den Lichtwellenleitern 443, 444, 424, 422 von 8B. Das Fasernetz von 8B gleicht dem Fasernetz von 8A, außer dass das Fasernetz von 8B einen einzigen Faserkoppler statt zwei Faserkopplern aufweist. Der Vorteil von 8B gegenüber 8A ist die Einfachheit; allerdings ist bei 8B die Wahrscheinlichkeit größer, dass sich unerwünschte Rückreflexionen von Licht ereignen, die in die Lichtwellenleiter 422 und 424 eintreten.
Bei einer Ausgestaltung ist das Fasernetz 166 von 3 das Fasernetz 420C von 8C. Hier entsprechen die Lichtwellenleiter 184, 186, 168, 169 von 3 den Lichtwellenleitern 447, 455, 423, 424 von 8C. Das Fasernetz 420C umfasst einen ersten Faserkoppler 445 und einen zweiten Faserkoppler 451. Der erste Faserkoppler 445 ist ein 2 × 2-Koppler mit zwei Eingangsanschlüssen und zwei Ausgangsanschlüssen. Koppler dieses Typs werden normalerweise hergestellt, indem man zwei Faserkerne in unmittelbarer Nähe zueinander positioniert und die Fasern anschließend zieht, während sie erwärmt werden. Auf diese Weise kann eine evaneszente Kopplung zwischen den Fasern einen gewünschten Anteil des Lichts zu der benachbarten Faser hin abteilen. Der zweite Faserkoppler 451 ist der Typ, der als „Zirkulator” bezeichnet wird. Er hat drei Anschlüsse, die jeweils in der Lage sind, Licht durchzulassen oder aufzufangen, aber nur in der vorgesehenen Richtung. Das Licht in dem Lichtwellenleiter 448 tritt beispielsweise in den Anschluss 453 ein und wird zum Anschluss 454 transportiert, wie es durch den Pfeil dargestellt ist.
Am Anschluss 454 kann das Licht zu dem Lichtwellenleiter 455 durchgelassen werden. In ähnlicher Weise kann das Licht, das sich in dem Lichtwellenleiter 455 bewegt, in den Anschluss 454 eintreten und sich in der Pfeilrichtung zu dem Anschluss 456 bewegen, wo ein Teil des Lichts zu dem Lichtwellenleiter 424 durchgelassen werden kann. Wenn lediglich drei Anschlüsse benötigt werden, dann wird der Zirkulator 451 möglicherweise weniger durch Verluste bei der optischen Energie als der 2 × 2-Koppler beeinträchtigt. Andererseits kann ein Zirkulator 451 teurer sein als ein 2 × 2-Koppler und einer Polarisationsmodendispersion ausgesetzt sein, die in einigen Situationen problematisch sein kann.
9 und 10 zeigen eine Explosions- bzw. Querschnittsdarstellung eines dem Stand der Technik entsprechenden Lasertrackers 2100, der in 2 und 3 der veröffentlichten US-amerikanischen Patentanmeldung, Aktenzeichen 2010/0128259, an Bridges et al., abgebildet ist. Eine Azimutbaugruppe 2110 umfasst ein Stangengehäuse 2112, eine Azimutkodiererbaugruppe 2120, ein unteres und oberes Azimutlager 2114A, 2114B, eine Azimutmotorbaugruppe 2125, eine Azimutschleifringbaugruppe 2130 und Azimutleiterplatten 2135.
Der Zweck der Azimutkodiererbaugruppe 2120 besteht darin, den Drehwinkel eines Jochs 2142 in Bezug auf das Stangengehäuse 2112 genau zu messen. Die Azimutkodiererbaugruppe 2120 umfasst eine Kodiererscheibe 2121 und eine Lesekopfbaugruppe 2122. Die Kodiererscheibe 2121 ist an dem Schaft des Jochgehäuses 2142 befestigt und die Lesekopfbaugruppe 2122 ist an der Stangenbaugruppe 2110 befestigt. Die Lesekopfbaugruppe 2122 umfasst eine Leiterplatte, auf welcher einer oder mehrere Leseköpfe angeschlossen sind. Das von den Leseköpfen gesendete Laserlicht wird von feinen Gitterlinien auf der Kodiererscheibe 2121 reflektiert. Das von den Detektoren auf einem bzw. mehreren Kodiererleseköpfen aufgenommene reflektierte Licht wird verarbeitet, um den Winkel der sich drehenden Kodiererscheibe in Bezug auf die festen Leseköpfe zu finden.
Die Azimutmotorbaugruppe 2125 umfasst einen Azimutmotorrotor 2126 und einen Azimutmotorstator 2127. Der Azimutmotorrotor umfasst Dauermagneten, die direkt an dem Schaft des Jochgehäuses 2142 befestigt sind. Der Azimutmotorstator 2127 umfasst Feldwicklungen, die ein vorgeschriebenes Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld wirkt mit den Magneten des Azimutmotorrotors 2126 zusammen, um die gewünschte Drehbewegung zu erzeugen. Der Azimutmotorstator 2127 ist an dem Stangenrahmen 2112 befestigt.
Die Azimutleiterplatten 2135 repräsentieren eine oder mehrere Leiterplatten, die die elektrischen Funktionen bereitstellen, die von Azimutkomponenten wie beispielsweise dem Kodierer und dem Motor benötigt werden. Die Azimutschleifringbaugruppe 2130 umfasst einen Außenteil 2131 und einen Innenteil 2132. Bei einer Ausgestaltung tritt ein Drahtbündel 2138 aus dem Zusatzgerätprozessor 50 aus. Das Drahtbündel 2138 kann Energie zu dem Tracker führen oder Signale zu dem Tracker hin und von ihm weg leiten. Einige Drähte des Drahtbündels 2138 können zu Verbindern auf Leiterplatten geführt werden. Bei dem in 10 dargestellten Beispiel führen Drähte zu der Azimutleiterplatte 2135, der Kodiererlesekopfbaugruppe 2122 und der Azimutmotorbaugruppe 2125. Andere Drähte führen zu dem Innenteil 2132 der Schleifringbaugruppe 2130. Der Innenteil 2132 ist an der Stangenbaugruppe 2110 befestigt und bleibt demzufolge unbeweglich. Der Außenteil 2131 ist an der Jochbaugruppe 2140 befestigt und dreht sich demzufolge in Bezug auf den Innenteil 2132. Die Schleifringbaugruppe 2130 ist derart ausgelegt, dass sie einen elektrischen Kontakt mit niedriger Impedanz ermöglicht, während der Außenteil 2131 sich in Bezug auf den Innenteil 2132 dreht.
Die Zenitbaugruppe 2140 umfasst das Jochgehäuse 2142, eine Zenitkodiererbaugruppe 2150, ein linkes und rechtes Zenitlager 2144A, 2144B, eine Zenitmotorbaugruppe 2155, eine Zenitschleifringbaugruppe 2160 und eine Zenitleiterplatte 2165.
Der Zweck der Zenitkodiererbaugruppe 2150 besteht darin, den Drehwinkel eines Nutzlastrahmens 2172 in Bezug auf das Jochgehäuse 2142 genau zu messen. Die Zenitkodiererbaugruppe 2150 umfasst eine Zenitkodiererscheibe 2151 und eine Zenitlesekopfbaugruppe 2152. Die Kodiererscheibe 2151 ist an dem Nutzlastgehäuse 2142 befestigt und die Lesekopfbaugruppe 2152 ist an dem Jochgehäuse 2142 befestigt. Die Zenitlesekopfbaugruppe 2152 umfasst eine Leiterplatte, auf welcher einer oder mehrere Leseköpfe angeschlossen sind. Das von den Leseköpfen gesendete Laserlicht wird von feinen Gitterlinien auf der Kodiererscheibe 2151 reflektiert. Das von den Detektoren auf einem bzw. mehreren Kodiererleseköpfen aufgenommene reflektierte Licht wird verarbeitet, um den Winkel der sich drehenden Kodiererscheibe in Bezug auf die festen Leseköpfe zu finden.
Die Zenitmotorbaugruppe 2155 umfasst einen Zenitmotorrotor 2156 und einen Zenitmotorstator 2157. Der Zenitmotorrotor 2156 umfasst Dauermagneten, die direkt an dem Schaft des Nutzlastrahmens 2172 befestigt sind. Der Zenitmotorstator 2157 umfasst Feldwicklungen, die ein vorgeschriebenes Magnetfeld erzeugen. Dieses Magnetfeld wirkt mit den Rotormagneten zusammen, um die gewünschte Drehbewegung zu erzeugen. Der Zenitmotorstator 2157 ist an dem Jochrahmen 2142 befestigt.
Die Zenitleiterplatte 2165 repräsentiert eine oder mehrere Leiterplatten, die die elektrischen Funktionen bereitstellen, die von Zenitkomponenten wie beispielsweise dem Kodierer und dem Motor benötigt werden. Die Zenitschleifringbaugruppe 2160 umfasst einen Außenteil 2161 und einen Innenteil 2162. Ein Drahtbündel 2168 tritt aus dem Azimutaußenschleifring 2131 aus und kann Energie oder Signale führen. Einige Drähte des Drahtbündels 2168 können zu Verbindern auf einer Leiterplatte geführt werden. Bei dem in 10 dargestellten Beispiel führen Drähte zu der Zenitleiterplatte 2165, der Zenitmotorbaugruppe 2150 und der Kodiererlesekopfbaugruppe 2152. Andere Drähte führen zu dem Innenteil 2162 der Schleifringbaugruppe 2160. Der Innenteil 2162 ist an dem Jochrahmen 2142 befestigt und dreht sich demzufolge nur in einem Azimutwinkel, jedoch nicht in einem Zenitwinkel. Der Außenteil 2161 ist an dem Nutzlastrahmen 2172 befestigt und dreht sich demzufolge sowohl in einem Zenitwinkel als auch in einem Azimutwinkel. Die Schleifringbaugruppe 2160 ist derart ausgelegt, dass sie einen elektrischen Kontakt mit niedriger Impedanz ermöglicht, während der Außenteil 2161 sich in Bezug auf den Innenteil 2162 dreht. Die Nutzlastbaugruppe 2170 umfasst eine optische Hauptbaugruppe 2180 und eine optische Zusatzbaugruppe 2190.
11 ist ein Blockdiagramm, das ein Dimensionsmesselektronik-Verarbeitungssystem 1500 zeigt, das ein Lasertrackerelektronik-Verarbeitungssystem 1510, Verarbeitungssysteme peripherer Elemente 1582, 1584, 1586, einen Computer 1590 und andere vernetzte Komponenten 1600 zeigt, die hier als Wolke dargestellt sind. Das beispielhafte Lasertrackerelektronik-Verarbeitungssystem 1510 umfasst einen Hauptprozessor 1520, eine Nutzlastfunktionselektronik 1530, eine Azimutkodiererelektronik 1540, eine Zenitkodiererelektronik 1550, eine Anzeige- und Benutzerschnittstellenelektronik (Anzeige- und BS-Elektronik) 1560, eine entfernbare Speicherhardware 1565, eine Funkidentifikationselektronik (Funk-ID-Elektronik) und eine Antenne 1572. Die Nutzlastfunktionselektronik 1530 umfasst eine Anzahl von Unterfunktionen, zu denen die 6-DOF-Elektronik 1531, die Kameraelektronik 1532, die ADM-Elektronik 1533, die Positionsdetektorelektronik (PSD-Elektronik) 1534 und die Nivellierelektronik 1535 gehören. Die meisten Unterfunktionen verfügen über mindestens eine Prozessoreinheit, die beispielsweise ein digitaler Signalprozessor (DSP) oder eine feldprogrammierbare Anordnung von Logik-Gattern (FPGA; field programmable gate array) sein könnte. Die Elektronikeinheiten 1530, 1540 und 1550 sind wegen ihrer Lage innerhalb des Lasertrackers wie in der Darstellung voneinander getrennt. Die Nutzlastfunktionen 1530 befinden sich bei einer Ausgestaltung in der Nutzlast 2170 von 9 und 10, wohingegen die Azimutkodiererelektronik 1540 in der Azimutbaugruppe 2110 und die Zenitkodiererelektronik 1550 in der Zenitbaugruppe 2140 angeordnet sind.
Es sind zahlreiche Typen peripherer Geräte möglich, wobei hier jedoch drei derartige Geräte dargestellt sind: ein Temperatursensor 1582, eine 6-DOF-Sonde 1584 und ein Personal Digital Assistant (PDA) 1586, der beispielsweise ein Smartphone sein könnte. Der Lasertracker kann mit peripheren Geräten über verschiedene Mittel kommunizieren, die Folgendes umfassen: eine drahtlose Kommunikation über die Antenne 1572, ein Sichtsystem wie z. B. eine Kamera sowie die Abstands- und Winkelmesswerte des Lasertrackers, die zu einem zusammenwirkenden Ziel wie z. B. der 6-DOF-Sonde 1584 gesendet werden. Periphere Geräte können Prozessoren enthalten. Die 6-DOF-Zusatzteile können 6-DOF-Sondensysteme, 6-DOF-Scanner, 6-DOF-Projektoren, 6-DOF-Sensoren und 6-DOF-Anzeigevorrichtungen umfassen. Die Prozessoren in diesen 6-DOF-Geräten können in Verbindung mit Verarbeitungsgeräten in dem Lasertracker sowie einem externen Computer und Verarbeitungsressourcen der Wolke benutzt werden. Wenn der Begriff „Lasertrackerprozessor” oder „Messgerätprozessor” gebraucht wird, soll er allgemein eine mögliche Unterstützung durch den externen Computer und die Wolke umfassen.
Ein separater Kommunikationsbus verläuft bei einer Ausgestaltung von dem Hauptprozessor 1520 zu jeder der Elektronikeinheiten 1530, 1540, 1550, 1560, 1565 und 1570. Jede Kommunikationsleitung kann beispielsweise drei serielle Leitungen aufweisen, welche die Datenleitung, die Taktleitung und die Rahmenleitung umfassen. Die Rahmenleitung gibt an, ob die Elektronikeinheit auf die Taktleitung achten sollte oder nicht. Falls sie angibt, dass eine Beachtung erfolgen sollte, liest die Elektronikeinheit den aktuellen Wert der Datenleitung bei jedem Taktsignal ab. Das Taktsignal kann beispielsweise einer steigenden Flanke eines Taktimpulses entsprechen. Bei einer Ausgestaltung wird die Information in Form eines Pakets über die Datenleitung übertragen. Bei einer Ausgestaltung umfasst jedes Paket eine Adresse, einen Zahlenwert, eine Datennachricht und eine Prüfsumme. Die Adresse gibt an, wohin die Datennachricht innerhalb der Elektronikeinheit zu leiten ist. Die Stelle kann beispielsweise einer Subroutine des Prozessors in der Elektronikeinheit entsprechen. Der Zahlenwert gibt die Länge der Datennachricht an. Die Datennachricht enthält Daten oder Anweisungen, welche die Elektronikeinheit durchführen muss. Die Prüfsumme ist ein Zahlenwert, der dazu dient, die Möglichkeit zu minimieren, dass Fehler über die Kommunikationsleitung übertragen werden.
Der Hauptprozessor 1520 sendet bei einer Ausgestaltung Informationspakete über den Bus 1610 zu der Nutzlastfunktionselektronik 1530, über den Bus 1611 zu der Azimutkodiererelektronik 1540, über den Bus 1612 zu der Zenitkodiererelektronik 1550, über den Bus 1613 zu der Anzeige- und BS-Elektronik 1560, über den Bus 1614 zu der entfernbaren Speicherhardware 1565 und über den Bus 1616 zu der Funk-ID- und Drahtlos-Elektronik 1570.
Bei einer Ausgestaltung sendet der Hauptprozessor 1520 auch gleichzeitig einen Synchronisationsimpuls (Synch-Impuls) über den Synchronisationsbus 1630 zu jeder der Elektronikeinheiten. Der Synchronisationsimpuls stellt eine Möglichkeit zur Synchronisation von Werten bereit, die von den Messfunktionen des Lasertrackers erfasst wurden. Beispielsweise zwischenspeichern die Azimutkodiererelektronik 1540 und die Zenitelektronik 1550 ihre Kodiererwerte, sobald der Synchronisationsimpuls empfangen wird. In ähnlicher Weise zwischenspeichert die Nutzlastfunktionselektronik 1530 die Daten, die von der in der Nutzlast enthaltenen Elektronik erfasst wurden. Die 6-DOF-, die ADM- und die Positionsdetektor-Elektronik zwischenspeichern alle beim Senden des Synchronisationsimpulses die Daten. In den meisten Fällen erfassen die Kamera und der Neigungsmesser Daten bei einer langsameren Rate als der Synchronisationsimpulsrate, doch sie können Daten bei Vielfachen der Periodendauer des Synchronisationsimpulses zwischenspeichern.
Die Azimutkodiererelektronik 1540 und die Zenitkodiererelektronik 1550 sind durch die in 9 und 10 dargestellten Schleifringe 2130, 2160 voneinander und von der Nutzlastelektronik 1530 getrennt. Aus diesem Grund sind die Busleitungen 1610, 1611 und 1612 in 11 als separate Busleitungen dargestellt.
Das Lasertrackerelektronik-Verarbeitungssystem 1510 kann mit einem externen Computer 1590 kommunizieren oder es kann die Berechnungs-, Anzeige- und Benutzerschnittstellen-Funktionen im Lasertracker bereitstellen. Der Lasertracker kommuniziert über eine Kommunikationsverbindung 1606, die beispielsweise eine Ethernet-Leitung oder eine drahtlose Verbindung sein könnte, mit dem Computer 1590. Der Lasertracker kann auch über eine Kommunikationsverbindung 1602, die ein oder mehrere elektrische Kabel wie beispielsweise Ethernet-Kabel und eine oder mehrere drahtlose Verbindungen umfassen könnte, mit anderen Elementen 1600, die durch die Wolke repräsentiert sind, kommunizieren. Ein Beispiel für ein Element 1600 ist ein anderes dreidimensionales Prüfgerät – z. B. ein Gelenkarm-Koordinatenmessgerät –, das durch den Lasertracker umgesetzt werden kann. Eine Kommunikationsverbindung 1604 zwischen dem Computer 1590 und den Elementen 1600 kann drahtgebunden (z. B. Ethernet) oder drahtlos sein. Ein Bediener, der an einem Ferncomputer 1590 sitzt, kann über eine Ethernet-Leitung oder drahtlose Leitung, die wiederum über eine Ethernet-Leitung oder drahtlose Leitung an den Hauptprozessor 1520 angeschlossen ist, eine Verbindung zum Internet herstellen, das durch die Wolke 1600 repräsentiert ist. Auf diese Weise kann ein Benutzer die Tätigkeit eines entfernten Lasertrackers steuern.
12 zeigt eine Ausgestaltung eines Lasertrackers 1250, bei der ein Spiegel 1252 zum Lenken eines Lichtstrahls 1251, 1255 des Lasertrackers verwendet wird. Die Baugruppe 1256 kann eine Vielfalt an optischen, elektrischen und mechanischen Komponenten enthalten, die dafür konstruiert sind, einen oder mehrere Lichtstrahlen zu erzeugen, die Richtung des Lichtstrahls zur Ermöglichung der Verfolgung eines Retroreflektors zu steuern und den Abstand zum Ziel zu messen. Ferner umfassen die in dem Lasertracker 1250 vorgesehenen Funktionen die Benutzung von Motoren zum Drehen der Tragachsen 1260, 1258 um eine erste Achslinie 1253 bzw. zweite Achslinie 1254 sowie die Benutzung von Winkelkodierern zum Messen der Drehwinkel um die erste und zweite Achslinie. Der Lasertracker 1250 von 12 ist dem in 9 und 10 beschriebenen Lasertracker dahingehend ähnlich, dass er einen Kardanpunkt 1261 aufweist, welcher der Punkt ist, an dem sich die mechanischen Achslinien 1253 und 1254 im Wesentlichen schneiden. Ferner geht bei beiden Trackertypen der Laserstrahl zumindest so gut wie durch den Kardanpunkt.
Man kann andere mechanische Anordnungen verwenden, die einen Kardanpunkt aufweisen, aber etwas anders konfiguriert sind. Es ist beispielsweise möglich, einen Lichtstrahl in der horizontalen Richtung entlang einer der Achslinie 1254 äquivalenten Achslinie zu emittieren und den Spiegel um 45 Grad bezogen auf den Lichtstrahl derart abzuwinkeln, dass der Spiegel das Licht in der gleichen Richtung wie der des Strahls bei 1255 reflektiert. Die Drehung um jede der zwei Achslinien wird bei der vorliegenden Anmeldung durch die Drehung einer auf jede Achslinie ausgerichteten Tragachse ermöglicht, wobei jede der zwei Tragachsen auf einem Paar beabstandeter Lager angebracht ist.
Es wurde bei der vorstehenden Erörterung erklärt, dass die mechanischen Achslinien sich im Wesentlichen an einem als „Kardanpunkt” bezeichneten Punkt schneiden. Die zwei mechanischen Achslinien schneiden sich nicht genau in einem Punkt; es ist vielmehr eine geringe Trennung zwischen den zwei mechanischen Achslinien vorhanden, die am Punkt der größten Annäherung der zwei Achslinien als „Achslinienversatz” bezeichnet wird. Zur Korrektur des durch den Achslinienversatz verursachten kleinen Fehlers kann ein Kompensationsparameter für den Achslinienversatz gespeichert werden. Die Software eines Trackerprozessors oder eines externen Computers kann dann die vom Tracker erfassten Daten korrigieren, um den durch den Achslinienversatz hervorgerufenen Fehler zu beseitigen. In der Tat erstellt der Tracker ein Modell eines einwandfreien Trackers, bei dem sich die zwei Achslinien an einem idealen Kardanpunkt schneiden.
Es wurde bei der vorstehenden Erörterung erklärt, dass der Lichtstrahl des Trackers zumindest so gut wie durch den Kardanpunkt durchgeht. In der Praxis kann der Lichtstrahl etwas in Bezug auf den Kardanpunkt versetzt sein. Dieser Versatz wird bei einer Ausgestaltung berücksichtigt, indem zwei Kompensationsparameter TX und TY verwendet werden. Bei einem idealen Tracker liegt der Laserstrahl in einer Ebene, die die vertikale Achslinie (Azimutachse) enthält und senkrecht zu der horizontalen Achslinie (Zenitachse) ist. Der Laserstrahl kann bei einem realen Tracker etwas in Bezug auf diese Ebene abgewinkelt sein. Dieser Versatz kann mit zwei Kompensationsparametern RX und RY berücksichtigt werden. Es sind viele andere Kompensationsparameter möglich und es können verschiedene Bezeichnungen verwendet werden, um diese Parameter zu beschreiben. Beispielsweise könnte ein Parameter für einen Achslinien-Rechtwinkligkeitsfehler (AXNS; axis non-squareness) vorgesehen werden, der die Abweichung der nominell senkrechten Achslinien von 90 Grad bezeichnet. Parameter können einem Spiegel zugeordnet werden, also beispielsweise einer Position der Spiegeloberfläche relativ zu der horizontalen Achslinie. Parameter, die Lasertrackern zugeordnet werden, können diejenigen umfassen, die in dem Dokument von Muralikrishnan et al., „ASME B89.4.19 Performance Evaluation Tests and Geometric Misalignments in Laser Trackers”, J. Res. Natl. Inst. Stand. Technol. 114, 21–35 (2009), beschrieben werden.
13 ist eine perspektivische Darstellung von ausgewählten Elementen 1300 in einem Lasertracker gemäß einer Ausgestaltung. Eine Azimut-Sockel-Baugruppe 1310 umfasst eine Azimutachse 1312, ein erstes Lager 1314A, ein zweites Lager 1314B, einen Winkelkodierer 1316 und einen Sockelrahmen 1318. Der Sockelrahmen 1318 verkörpert denjenigen Teil des Lasertrackers, der in Bezug auf die Umgebung feststehend ist, in welcher sich der Tracker befindet. Beim Betrieb kann der Lasertracker beispielsweise auf einem Geräteständer angebracht sein, wobei der Sockelrahmen 1318 in Bezug auf den Geräteständer feststehend ist. Die Tragachse 1312 dreht sich in einer kreisförmigen Bewegung 1351 um eine Azimutachse 1350. Der Winkelkodierer 1316 umfasst eine Scheibe 1321 und eine Lesekopfbaugruppe 1322. Die Scheibe 1321 umfasst Markierungen, die bei einer Ausgestaltung gleichmäßig beabstandete Linien umfassen, die vom Mittelpunkt der Scheibe fortweisen. Die Lesekopfbaugruppe 1322 umfasst eine oder mehrere Lichtquellen. Das Licht der Lichtquellen wird entweder von der Oberfläche der Scheibe 1321 reflektiert oder durch die Scheibe durchgelassen. Die Lesekopfbaugruppe umfasst auch einen oder mehrere optische Detektoren, die erfassen, wenn Licht eine Markierung auf der Scheibe passiert hat. Bei einer Ausgestaltung ist die Scheibe auf der Tragachse 1312 angebracht und die Lesekopfbaugruppe auf einem festen Abschnitt der Azimut-Sockel-Baugruppe angebracht. Dies heißt mit anderen Worten, dass die Lesekopfbaugruppe feststehend in Bezug auf den Sockelrahmen 1318 befestigt ist. Bei einer alternativen Ausgestaltung ist die Scheibe feststehend und die Lesekopfbaugruppe an der Tragachse befestigt. Der Kodierer und die zugeordnete Elektronik können den Drehwinkel der Tragachse 1312 mit relativ hoher Genauigkeit ermitteln, indem sie die Linien zählen, die den einen oder die mehreren optischen Detektoren auf der Lesekopfbaugruppe 1322 passiert haben, und indem sie eine Interpolationselektronik verwenden. Elektrische Signale bewegen sich von der Lesekopfbaugruppe 1322 über eine elektrische Leitung 1324 zu einer Elektronikplatte 1325, die das Signal verarbeitet, um den Drehwinkel der Tragachse 1312 zu ermitteln. Die Elektronikplatte 1325 kann einen wie in 11 dargestellten Prozessor 1540 enthalten.
Die Azimutlager 1314A, 1314B sind bei einer Ausgestaltung Schrägkugellager. Die Lager können einen inneren Laufring und einen äußeren Laufring aufweisen, die als getrennte Elemente vorhanden sind. Bei einer Ausgestaltung ist jedes Lager mit einem Unwucht-Hochpunkt markiert. Die Lager 1314A, 1314B werden derart gedreht, dass sich die Unwucht-Hochpunkte in der gleichen Winkelstellung auf der Azimutachse 1312 befinden. Die Azimut-Sockel-Baugruppe ist bei einer Ausgestaltung dafür konfiguriert, die Aufbringung einer geregelten Vorspannkraft auf die Lager 1314A, 1314B zu gestatten.
Eine Zenit-Joch-Baugruppe 1330 umfasst eine Zenitachse 1332A, 1332B, ein erstes Lager 1334A, ein zweites Lager 1334B, einen Winkelkodierer 1336 und einen Jochrahmen 1338. Der Jochrahmen 1338 verkörpert denjenigen Teil des Lasertrackers, der sich zusammen mit der Azimutachse 1312 dreht. Der Jochrahmen ist ein Teil der vorstehend behandelten Zenitschlittenbaugruppe. Die Tragachse 1332A, 1332B dreht sich in einer kreisförmigen Bewegung 1353 um eine Azimutachse 1354. Der Winkelkodierer 1336 umfasst eine Scheibe 1341 und eine Lesekopfbaugruppe 1342. Die Scheibe 1341 umfasst Markierungen, die bei einer Ausgestaltung gleichmäßig beabstandete Linien umfassen, die vom Mittelpunkt der Scheibe fortweisen. Die Lesekopfbaugruppe 1342 umfasst eine oder mehrere Lichtquellen. Das Licht der Lichtquellen wird entweder von der Oberfläche der Scheibe 1341 reflektiert oder durch die Scheibe durchgelassen. Die Lesekopfbaugruppe umfasst auch einen oder mehrere optische Detektoren, die erfassen, wenn Licht eine Markierung auf der Scheibe passiert hat. Bei einer Ausgestaltung ist die Scheibe auf der Zenitachse 1342 angebracht und die Lesekopfbaugruppe auf einem Teil der Zenitbaugruppe angebracht, der sich mit der Azimutachse 1312 dreht. Dies heißt mit anderen Worten, dass die Lesekopfbaugruppe 1342 in Bezug auf den Jochrahmen 1338 feststehend ist. Bei einer alternativen Ausgestaltung ist die Scheibe feststehend und die Lesekopfbaugruppe an der Zenitachse befestigt. Der Kodierer und die zugeordnete Elektronik können den Drehwinkel der Tragachse 1332 mit relativ hoher Genauigkeit ermitteln, indem sie die Linien zählen, die den einen oder die mehreren optischen Detektoren auf der Lesekopfbaugruppe 1342 passiert haben, und indem sie eine Interpolationselektronik verwenden. Elektrische Signale bewegen sich von der Lesekopfbaugruppe 1342 über eine elektrische Leitung 1326 zu der Elektronikplatte 1325, die das Signal verarbeitet, um den Drehwinkel der Tragachse 1332 zu ermitteln. Die Elektronikplatte 1325 kann einen wie in 11 dargestellten Prozessor 1550 enthalten. Die Zenit-Joch-Baugruppe 1330 kann eine oder mehrere Lichtquellen (nicht dargestellt) enthalten, die einen Lichtstrahl 1360 erzeugen. Wie vorstehend erläutert wurde, kann der Lichtstrahl 1360 so gut wie (oder tatsächlich) durch einen Kardanpunkt 1362 durchgehen. Die Tragachse kann zwei Teile (1332A, 1332B) enthalten, die kollinear sind, aber in der Mitte durch eine Nutzlaststruktur 1364 getragen werden, von welcher ein Teil in 13 dargestellt ist. Die Nutzlaststruktur kann die Lichtquelle, optische Elemente wie beispielsweise Linsen und Strahlteiler, einen Positionsdetektor, ein Steuersystem, Distanzmesser, eine Elektronik und Zusatzkomponenten wie beispielsweise Neigungsmesser und Temperatursensoren tragen. Alternativ dazu kann Laserlicht durch außerhalb der Nutzlast angeordnete Lichtwellenleiter oder durch andere Mittel zum Nutzlastbereich geführt werden.
Die Zenitlager 1334A, 1334B sind bei einer Ausgestaltung Schrägkugellager. Die Lager können einen inneren Laufring und einen äußeren Laufring aufweisen, die als getrennte Elemente vorhanden sind. Die Lager 1334A, 1334B werden bei einer Ausgestaltung derart gedreht, dass sich die Unwucht-Hochpunkte in der gleichen Winkelstellung auf der Azimutachse 1312 befinden, um die durch die Lagerunwucht verursachte Taumelbewegung in Schrägrichtung zu minimieren. Die Azimut-Sockel-Baugruppe ist bei einer Ausgestaltung dafür konfiguriert, die Aufbringung einer geregelten Vorspannkraft auf die Lager 1334A, 1334B zu gestatten.
14 ist eine perspektivische Darstellung von ausgewählten Elementen 1400 in einem Lasertracker gemäß einer Ausgestaltung. Der Lasertracker von 14 ist dem Lasertracker von 13 ähnlich, außer dass er einen Lichtstrahl teilweise durch Reflektierenlassen des Lichtstrahls von einem Spiegel 1462 führt, wohingegen der Lasertracker von 13 den Strahl direkt aus einer Nutzlaststruktur 1364 herausführt. Eine Azimut-Sockel-Baugruppe 1410 umfasst eine Azimutachse 1412, ein erstes Lager 1414A, ein zweites Lager 1414B, einen Winkelkodierer 1416 und einen Sockelrahmen 1418. Der Sockelrahmen 1418 verkörpert denjenigen Teil des Lasertrackers, der in Bezug auf die Umgebung feststehend ist, in welcher sich der Tracker befindet. Beim Betrieb kann der Lasertracker beispielsweise auf einem Geräteständer angebracht sein, wobei der Sockelrahmen 1418 in Bezug auf den Geräteständer feststehend ist. Die Tragachse 1412 dreht sich in einer kreisförmigen Bewegung 1451 um eine Azimutachse 1450. Der Winkelkodierer 1416 umfasst eine Scheibe 1421 und eine Lesekopfbaugruppe 1422. Die Scheibe 1421 umfasst Markierungen, die bei einer Ausgestaltung gleichmäßig beabstandete Linien umfassen, die vom Mittelpunkt der Scheibe fortweisen. Die Lesekopfbaugruppe 1422 umfasst eine oder mehrere Lichtquellen. Das Licht der Lichtquellen wird entweder von der Oberfläche der Scheibe 1421 reflektiert oder durch die Scheibe durchgelassen. Die Lesekopfbaugruppe umfasst auch einen oder mehrere optische Detektoren, die erfassen, wenn Licht eine Markierung auf der Scheibe passiert hat. Bei einer Ausgestaltung ist die Scheibe auf der Tragachse 1412 angebracht und die Lesekopfbaugruppe auf einem festen Abschnitt der Azimut-Sockel-Baugruppe angebracht. Dies heißt mit anderen Worten, dass die Lesekopfbaugruppe feststehend in Bezug auf den Sockelrahmen 1418 befestigt ist. Bei einer alternativen Ausgestaltung ist die Scheibe feststehend und die Lesekopfbaugruppe an der Tragachse befestigt. Der Kodierer und die zugeordnete Elektronik können den Drehwinkel der Tragachse 1412 mit relativ hoher Genauigkeit ermitteln, indem sie die Linien zählen, die den einen oder die mehreren optischen Detektoren auf der Lesekopfbaugruppe 1422 passiert haben, und indem sie eine Interpolationselektronik verwenden. Elektrische Signale bewegen sich von der Lesekopfbaugruppe 1422 über eine elektrische Leitung 1424 zu einer Elektronikplatte 1425, die das Signal verarbeitet, um den Drehwinkel der Tragachse 1412 zu ermitteln. Die Elektronikplatte 1425 kann einen wie in 11 dargestellten Prozessor 1540 enthalten.
Die Azimutlager 1414A, 1414B sind bei einer Ausgestaltung Schrägkugellager. Die Lager können einen inneren Laufring und einen äußeren Laufring aufweisen, die als getrennte Elemente vorhanden sind. Die Lager 1414A, 1414B werden bei einer Ausgestaltung derart gedreht, dass sich die Unwucht-Hochpunkte in der gleichen Winkelstellung auf der Azimutachse 1412 befinden, um die durch die Lagerunwucht verursachte Taumelbewegung in Schrägrichtung zu minimieren. Die Azimut-Sockel-Baugruppe ist bei einer Ausgestaltung dafür konfiguriert, die Aufbringung einer geregelten Vorspannkraft auf die Lager 1414A, 1414B zu gestatten.
Eine Zenit-Joch-Baugruppe 1430 umfasst eine Zenitachse 1432A, 1432B, ein erstes Lager 1434A, ein zweites Lager 1434B, einen Winkelkodierer 1436 und einen Jochrahmen 1438. Der Jochrahmen 1438 verkörpert denjenigen Teil des Lasertrackers, der sich zusammen mit der Azimutachse 1412 dreht. Der Jochrahmen ist ein Teil der vorstehend behandelten Zenitschlittenbaugruppe. Die Tragachse 1432A, 1432B dreht sich in einer kreisförmigen Bewegung 1453 um eine Azimutachse 1454. Der Winkelkodierer 1436 umfasst eine Scheibe 1441 und eine Lesekopfbaugruppe 1442. Die Scheibe 1441 umfasst Markierungen, die bei einer Ausgestaltung gleichmäßig beabstandete Linien umfassen, die vom Mittelpunkt der Scheibe fortweisen. Die Lesekopfbaugruppe 1442 umfasst eine oder mehrere Lichtquellen. Das Licht der Lichtquellen wird entweder von der Oberfläche der Scheibe 1441 reflektiert oder durch die Scheibe durchgelassen. Die Lesekopfbaugruppe umfasst auch einen oder mehrere optische Detektoren, die erfassen, wenn Licht eine Markierung auf der Scheibe passiert hat. Bei einer Ausgestaltung ist die Scheibe auf der Zenitachse 1442 angebracht und die Lesekopfbaugruppe auf einem Teil der Zenitbaugruppe angebracht, der sich mit der Azimutachse 1412 dreht. Dies heißt mit anderen Worten, dass die Lesekopfbaugruppe 1442 in Bezug auf den Jochrahmen 1438 feststehend ist. Bei einer alternativen Ausgestaltung ist die Scheibe feststehend und die Lesekopfbaugruppe an der Zenitachse befestigt. Der Kodierer und die zugeordnete Elektronik können den Drehwinkel der Tragachse 1432 mit relativ hoher Genauigkeit ermitteln, indem sie die Linien zählen, die den einen oder die mehreren optischen Detektoren auf der Lesekopfbaugruppe 1442 passiert haben, und indem sie eine Interpolationselektronik verwenden. Elektrische Signale bewegen sich von der Lesekopfbaugruppe 1442 über eine elektrische Leitung 1426 zu der Elektronikplatte 1425, die das Signal verarbeitet, um den Drehwinkel der Tragachse 1432 zu ermitteln. Die Elektronikplatte 1425 kann einen wie in 11 dargestellten Prozessor 1550 enthalten. Die Azimut-Sockel-Baugruppe 1410 kann eine oder mehrere Lichtquellen (nicht dargestellt) enthalten, die einen Lichtstrahl 1460 erzeugen, der von einem Spiegel 1464 reflektiert wird. Wie vorstehend erläutert wurde, kann der Lichtstrahl 1461 an einem Kardanpunkt 1462 reflektiert werden. Die Tragachse kann zwei Teile (1432A, 1432B) enthalten, die kollinear sind und den Spiegel 1464 tragen. Lichtquellen, Optik und Elektronik können sich in einer hohlen Tragachse 1412 befinden oder von Strahlteilern und Spiegeln reflektiert werden, um den Strahl 1460 zu erzeugen und das zurückkehrende Licht zu verarbeiten. Die Optik und die Elektronik können auch Linsen, einen Positionsdetektor, ein Steuersystem, Distanzmesser, eine Elektronik und Zusatzkomponenten wie beispielsweise Neigungsmesser und Temperatursensoren umfassen.
Die Zenitlager 1434A, 1434B sind bei einer Ausgestaltung Schrägkugellager. Die Lager können einen inneren Laufring und einen äußeren Laufring aufweisen, die als getrennte Elemente vorhanden sind. Bei einer Ausgestaltung ist jedes Lager mit einem Unwucht-Hochpunkt markiert. Die Lager 1434A, 1434B werden derart gedreht, dass sich die Unwucht-Hochpunkte in der gleichen Winkelstellung auf der Azimutachse 1412 befinden. Die Azimut-Sockel-Baugruppe ist bei einer Ausgestaltung dafür konfiguriert, die Aufbringung einer geregelten Vorspannkraft auf die Lager 1434A, 1434B zu gestatten.
15A und 15B sind perspektivische Darstellungen einer Vorrichtung 3500 des Stands der Technik, die an einem Lasertracker befestigt werden kann, um Lagerfehler eines Lasertrackers zu messen, an dem sie befestigt ist. Die Vorrichtung umfasst eine sich drehende Baugruppe 3510 und eine feste Baugruppe 3540. Die sich drehende Baugruppe 3510 umfasst einen ersten Schaftabschnitt 3512, einen zweiten Schaftabschnitt 3513, einen ersten Kugelabschnitt 3514 und einen zweiten Kugelabschnitt 3516. Der erste Schaftabschnitt hat eine Oberfläche 3511, die an einer Drehstruktur befestigt ist. Die Oberfläche 3511 ist bei einer Ausgestaltung an einem Übertragungselement (nicht dargestellt) befestigt, das dann an einer zu prüfenden Drehstruktur befestigt ist. Die Kugeln sind bei einer Ausgestaltung bis auf einen Formfehler von 50 Nanometern genau oder weniger geläppt. Der erste Kugelabschnitt 3514 hat einen ersten Äquator 3515, der ein Großkreis der Kugel ist und senkrecht zum ersten und zweiten Schaftabschnitt ausgerichtet ist. Der zweite Kugelabschnitt 3516 hat einen ersten Äquator 3517, der ein Großkreis der Kugel ist und senkrecht zu dem ersten und zweiten Schaftabschnitt angeordnet ist. Die feste Baugruppe 3540 umfasst einen Rahmen 3542 und eine Vielzahl von kapazitiven Sensoren 3544, 3545, 3546, 3547, 3548, die starr an dem Rahmen 3542 befestigt sind. Elektrische Verbindungen 3534, 3535, 3536, 3537, 3538 führen von den Sensoren 3544, 3545, 3546, 3547 bzw. 3548 zu einer elektrischen Schaltung (nicht dargestellt) für die Verarbeitung. Bei einer Ausgestaltung sind die kapazitiven Sensoren 3544, 3545 an der Höhe des ersten Äquators senkrecht zum ersten Kugelabschnitt angeordnet. Die kapazitiven Sensoren 3544, 3545 werden etwas von der Kugel fortbewegt, um während der Drehung eine Kollision mit den Sensoren zu verhindern. Der kapazitive Sensor 3544 wird um 90 Grad gegenüber dem kapazitiven Sensor 3555 gedreht. Die feste Baugruppe 3540 ist an einer sich nicht drehenden Struktur befestigt. Der Rahmen 3542 ist bei einer Ausgestaltung an der festen Struktur befestigt, die das sich drehende Objekt (die Spindel oder Tragachse) hält.
Bei einer Ausgestaltung sind kapazitive Sensoren 3546, 3547 an der Höhe des ersten Äquators 3517 senkrecht zum zweiten Kugelabschnitt 3516 ausgerichtet. Die kapazitiven Sensoren 3546, 3547 werden etwas entfernt von der Kugel bewegt, um während der Drehung eine Kollision mit den Sensoren zu verhindern. Der kapazitive Sensor 3546 wird um 90 Grad gegenüber dem kapazitiven Sensor 3547 gedreht. Der kapazitive Sensor 3548 ist bei einer Ausgestaltung entlang der Achslinie des zweiten Kugelabschnitts 3516 und des zweiten Schaftabschnitts 3512 ausgerichtet. Bei einer alternativen Ausgestaltung ist der kapazitive Sensor 3548 nicht in der Vorrichtung 3500 enthalten. Bei anderen Ausgestaltungen sind die kapazitiven Sensoren statt auf kugelförmige Gegenstände 3514, 3516 auf einen oder mehrere zylindrische Gegenstände ausgerichtet.
15B zeigt eine Drehachse z und einen Drehwinkel θ. Der Winkel θ bezieht sich auf eine Achslinie x, die senkrecht zur z-Achslinie verläuft. Der erste Kugelabschnitt 3514 hat ein erstes Bezugssystem 3570, das einen Ursprung 3571 in der Mitte der Kugeloberfläche des ersten Kugelabschnitts umfasst. Das erste Bezugssystem 3570 hat eine Achslinie z₁, die auf die Achslinie des ersten und zweiten Schaftabschnitts und auf die Achslinie z ausgerichtet ist. Die Achslinie x₁ ist auf den kapazitiven Sensor 3544 ausgerichtet und die Achslinie y₁ ist auf den kapazitiven Sensor 3545 ausgerichtet. Die Achslinien x₁, y₁ und z₁ sind senkrecht zueinander.
Der zweite Kugelabschnitt 3516 hat ein zweites Bezugssystem 3580, das einen Ursprung 3581 in der Mitte der Kugeloberfläche des zweiten Kugelabschnitts umfasst. Das zweite Bezugssystem 3580 hat eine Achslinie z₁, die auf die Achslinie des ersten und zweiten Schaftabschnitts und auf die Achslinie z ausgerichtet ist. Die Achslinie x₂ ist auf den kapazitiven Sensor 3546 ausgerichtet und die Achslinie y₂ ist auf den kapazitiven Sensor 3547 ausgerichtet. Die Achslinien x₂, y₂ und z₂ sind zueinander senkrecht. Der kapazitive Sensor 3548 ist auf die z-Achslinie nahe am Boden des zweiten Kugelabschnitts 3516 ausgerichtet. Der Abstand zwischen dem ersten Ursprung 3571 und dem zweiten Ursprung 3581 entlang der z-Richtung ist L.
Die Vorrichtung 3500 misst für jeden Winkel θ fünf Verschiebungen, die für jeden der fünf kapazitiven Sensoren 3544, 3545, 3546, 3547, 3548 gemessen werden. Diese Verschiebungen sind Δx₁, Δy₁, Δx₂, Δx₂ bzw. Δz₂. Aus diesen Verschiebungen kann man die Neigungswinkel α_x und α_y erhalten, die sich aus den Lagerfehlern ergeben: α_x = (Δx₁ – Δx₂)/L, (1) α_y = (Δy₁ – Δy₂)/L. (2)
In der Vergangenheit wurden Lagerkalibrierverfahren meist zur Messung sehr schneller Spindeln von Präzisions-Bearbeitungswerkzeugen, insbesondere Diamantdrehmaschinen, aber auch einer Vielfalt an Drehbänken, Fräsmaschinen, Schleifmaschinen und dergleichen, eingesetzt. Lagerkalibrierungen werden üblicherweise durchgeführt, um erstens zu gewährleisten, dass ein Bearbeitungswerkzeug seine Spezifikationen erfüllt, und um zweitens Möglichleiten zur Veränderung einer Konstruktion eines Bearbeitungswerkzeugs zu finden, um die Leistung des Werkzeugs zu verbessern. Da Bearbeitungswerkzeuge nicht während Verarbeitungsvorgängen eingestellt werden können, ist es normalerweise nicht möglich, das Verhalten der Bearbeitungswerkzeuge zu korrigieren, während Bearbeitungsvorgänge laufen.
Bei jedweder 360-Grad-Drehung eines Qualitätslagers ist es in der Regel der Fall, dass sich ein Lagerfehler in Abhängigkeit vom Drehwinkel θ fast genau wiederholt. Mit anderen Worten: wenn das Lager über das gleiche 360-Grad-Fenster vor- und zurückgewegt wird, ist das Muster der von den kapazitiven Sensoren aufgezeichneten Fehler nahezu das gleiche bei jedem beliebigen Winkel θ. Größtenteils wiederholen sich Lagerfehler jedoch nicht über verschiedene 360-Grad-Zyklen. Dieses Verhalten wird in einem Tutorium über „Precision Spindle Technology” erklärt, das Eric B. Marsh bei einer Jahrestagung der American Society of Precision Engineering vortrug und auf das am 2. Mai 2013 auf der Internetseite http://www.scribd.com/doc/132020851/Spindle-Tutorial zugegriffen wurde. Die 16A, 16B, 16C und 17 des Stands der Technik sind aus diesem Dokument entnommen und angepasst.
16A ist ein Diagramm 3600 von Daten 3602, die aus einer Messung von Lagerfehlern bei einer Drehspindel erhalten wurden. Das Diagramm zeigt Daten, die von einem einzigen kapazitiven Sensor bei einer der von 15A und 15B ähnlichen Anordnung, aber mit einer einzigen Kugel statt fünf Kugeln erhalten wurden. Man sieht, dass die bei den 32 Umdrehungen der Welle beobachteten Maximalwerte im Bereich von +/–600 nm liegen. Aus dem Diagramm lässt sich sofort feststellen, dass die Messwerte bei jeder der 32 Umdrehungen der Welle unterschiedlich sind.
16B ist ein Diagramm 3610 von Daten 3612 für drei Zyklen in dem Kasten 3604 von 16A. Eine Sinuskurve 3614 wird an die Daten 3612 angepasst und der Mittelwert der Sinuskurve wird als Linie 3615 extrahiert. Die Sinuskurve ergibt sich größtenteils aus der Schwierigkeit, den ersten Kugelabschnitt 3514 und den zweiten Kugelabschnitt 3516 perfekt auf die Drehachse zu zentrieren. Die sinusförmige Grundkomponente wird während der Verarbeitung der erfassten Daten entfernt, weil es im Allgemeinen nicht möglich ist, diese Kugeln perfekt auf die Drehachse zu zentrieren. 16C ist ein Diagramm 3620 des Lagerfehlers 3622, der durch Subtrahieren der Werte der Sinuskurve 3614 von den Messdaten 3612 erhalten wurde. Das Subtrahieren der sinusförmigen Grundkomponente von den erfassten Daten erfolgt nur bei den kapazitiven Sensoren 3544, 3545, 3546, 3547, welche radiale (von Seite zu Seite verlaufende) Verschiebungen messen, und nicht bei dem kapazitiven Sensor 3548, welcher die axiale Verschiebung misst. Die sinusförmige Grundabweichung ist bei der axialen Verschiebung von Bedeutung und wird nicht von den erfassten Daten subtrahiert.
Im Allgemeinen kehren Lager nicht nach einer 360-Grad-Drehung zu ihrer Anfangsverschiebung zurück. Dieser Effekt ist in 17 veranschaulicht, die vier aufeinanderfolgende Umdrehungen einer Spindel zeigt, die zwei Lager enthält. Die Umdrehung 1 beginnt an der ganz rechts gelegenen Richtung bei 0 Grad mit einem Fehler zwischen 0 und –1 Mikrometer. Die Spindel dreht sich gegen den Uhrzeigersinn und hat nach 360 Grad einen Fehler zwischen 0 und +1 Mikrometer. Der Fehler bei einem Winkel von 0 Grad bei der zweiten Umdrehung ist der gleiche wie der Fehler bei 360 Grad bei der ersten Umdrehung. Anhand der Untersuchung der vier Umdrehungen geht hervor, dass keine zwei der Umdrehungen die gleichen Fehler aufweisen. Diese Ergebnisse räumen die oft vertretene Vorstellung aus, dass sich Muster von Lagerfehlern alle 720 Grad wiederholen.
18 ist eine perspektivische Darstellung ausgewählter Lasertrackerkomponenten, die derart angeordnet sind, dass sie Lagermessvorrichtungen 3500A und 3500B so aufnehmen, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 15A und 15B beschrieben wurde. Die Lagermessvorrichtungen 3500A, 3500B sind an eine elektrische Schaltung 3590 angeschlossen. Die Vorrichtung 3500A ist dafür konfiguriert, an einer Azimut-Sockel-Baugruppe 1310 befestigt zu werden. Der in 15A dargestellte erste Schaftabschnitt 3512 ist dafür konfiguriert, an der in 13 dargestellten Azimutachse 1312 befestigt zu werden. Der Pfeil 1842 zeigt eine Befestigungsstelle an. Es kann ein Adapterelement (nicht dargestellt) hinzugefügt werden, um den ersten Schaftabschnitt 3512 mit der Azimutachse 1312 zu verbinden. Der Rahmen 3542 wird mit dem Sockelrahmen 1318 verbunden, wie es durch die Pfeile 1844, 1846 angezeigt ist.
Die Vorrichtung 3500B kann eine separate Lagermessvorrichtung sein oder es kann die Vorrichtung 3500A sein, die zu einem anderen Zeitpunkt befestigt wird, um die Lagermessung durchzuführen. Alternativ dazu kann ein Verfahren durchgeführt werden, um die Lagerfehler für eine einzige Achslinie statt für beide Achslinien zu messen. Die Pfeile 1832, 1834 und 1836 zeigen die Befestigungspositionen an.
Lagerfehler sind über jedwedes 360-Grad-Intervall generell sehr wiederholgenau. Es gibt eventuell aber signifikante Abweichungen über verschiedene 360-Grad-Intervalle. Um Lagerfehler im Wesentlichen zu beseitigen, ist es von Nutzen, den Umdrehungsbereich der Tragachsen 1312, 1332A, 1332B auf diejenigen Winkelbereiche zu begrenzen, für welche Lagerkalibrierungsdaten erfasst wurden, und den Drehwinkel der Tragachsen während des Betriebs des Trackers zu verfolgen. Die Verfolgung des momentanen 360-Grad-Umdrehungsintervalls sollte selbst dann durchgeführt werden, wenn die Trackerenergie abgeschaltet ist. Dies erfolgt bei einer Ausgestaltung dadurch, dass man jeder Achslinie ein nichtflüchtiges Umdrehungsüberwachungsgerät zuordnet. Ein Azimut-Drehzahlüberwachungsgerät 1810 umfasst eine Azimutachsenbefestigung 1812 und einen festen Rahmensensor 1814. Jedes Mal, wenn der Sensor die Befestigung passiert, erzeugt er ein Signal, das die Bewegungsrichtung angibt. Ein elektrischer Zähler verfolgt die Anzahl der Umdrehungen. Von den Sensoren 1814 können viele unterschiedliche physikalische Größen gemessen werden – beispielsweise Kapazität, Induktivität, Magnetismus und Licht. Falls sich die Umdrehung außerhalb des Bereichs befindet, über den Lagerkalibrierungsdaten erfasst wurden, kann dem Benutzer eine Warnmeldung ausgegeben werden. Ein Zenit-Drehzahlüberwachungsgerät 1820 umfasst eine Zenitachsenbefestigung 1822 und einen Jochrahmensensor 1824. Es arbeitet in einer Weise, die der des Azimut-Drehzahlüberwachungsgeräts analog ist. Elektrische Signale der Sensoren werden zur Verarbeitung über Verbindungen 1816, 1826 zu der Leiterplatte 1325 gesendet. Die Leiterplatte 1325 kann eine Batterie enthalten, um den Überwachungsgeräten einen nichtflüchtigen Betrieb zur Verfügung zu stellen.
Zur Verfolgung des momentanen 360-Grad-Bereichs der Tragachsen können andere Vorrichtungen verwendet werden. Beispielsweise kann man Federn benutzen, um eine messbare Größe der mechanischen Spannung bereitzustellen, die mit der Anzahl der Umdrehungen jeder Tragachse korreliert. Es können auch Anschläge verwendet werden, um die Anzahl der Umdrehungen bis zu einem begrenzten Bereich zu steuern.
Einige Winkelmessgeräte wie beispielsweise Winkelkodierer sind derart ausgelegt, dass sie zwischen 0 und 360 Grad messen. In Bezug auf die Verfolgung des Gesamtdrehwinkels ist üblicherweise von „entfalteten Winkeln” die Rede. Beispielsweise hat ein Winkel, der unter 0 Grad auf z. B. –10 Grad absinkt, einen gefalteten Winkelmesswert (z. B. von einem Winkelkodierer) von 350 Grad, aber einen entfalteten Wert von –10 Grad. Ähnlich hätte ein Winkel, der 360 Grad um 10 Grad übertrifft, einen gefalteten Winkelmesswert von 10 Grad sowie einen entfalteten Wert von 370 Grad.
Ein Drehzahlüberwachungsgerät wie beispielsweise 1810 ist ein bidirektionaler Zähler; dies bedeutet, dass er die Anzahl von Vor- und Rückwärtszählimpulsen verfolgt. Eine Tragachse, die fünf Umdrehungen in Vorwärtsrichtungen und zwei Umdrehungen in Rückwärtsrichtung vollzieht, hat 5 – 2 = 3 Umdrehungen in Vorwärtsrichtung vollendet. Die (Netto)anzahl von Umdrehungen kann mit dem Winkel zwischen 0 und 360 Grad kombiniert werden, der von einem Winkelmessgerät wie beispielsweise einem Winkelkodierer gemessen wurde, um einen entfalteten Winkel zu erhalten: entfalteter Winkel = gefalteter Winkel + (Netto-Umdrehungen)(360), wobei es sich versteht, dass Netto-Umdrehungen positiv oder negativ sein können.
19 ist eine perspektivische Darstellung ausgewählter Lasertrackerkomponenten, die derart angeordnet sind, dass sie Lagermessvorrichtungen 3500A und 3500B so aufnehmen, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 15A und 15B beschrieben wurde. Die Lagermessvorrichtungen 3500A, 3500B sind an eine elektrische Schaltung 3590 angeschlossen. Die Vorrichtung 3500A ist dafür konfiguriert, an einer Azimut-Sockel-Baugruppe 1410 befestigt zu werden. Der in 15A dargestellte erste Schaftabschnitt 3512 ist dafür konfiguriert, an der in 14 dargestellten Azimutachse 1412 befestigt zu werden. Der Pfeil 1942 zeigt eine Befestigungsstelle an. Es kann ein Adapterelement (nicht dargestellt) hinzugefügt werden, um den ersten Schaftabschnitt 3512 mit der Azimutachse 1412 zu verbinden. Der Rahmen 3542 wird mit dem Sockelrahmen 1418 verbunden, wie es durch die Pfeile 1944, 1946 angezeigt ist.
Die Vorrichtung 3500B kann eine separate Lagermessvorrichtung sein oder es kann die Vorrichtung 3500A sein, die zu einem anderen Zeitpunkt befestigt wird, um die Lagerfehler für eine einzige Achslinie statt für beide Achslinien zu messen. Die Pfeile 1932, 1934 und 1936 zeigen die Befestigungspositionen an.
Lagerfehler sind über jedwedes 360-Grad-Intervall generell sehr wiederholgenau. Es gibt eventuell aber signifikante Abweichungen über verschiedene 360-Grad-Intervalle. Um Lagerfehler vollständiger zu beseitigen, ist es von Nutzen, den Umdrehungsbereich der Tragachsen 1412, 1432A, 1432B auf diejenigen Winkelbereiche zu begrenzen, für welche Lagerkalibrierungsdaten erfasst wurden, und den Drehwinkel der Tragachsen während des Betriebs des Trackers zu verfolgen. Die Verfolgung des momentanen 360-Grad-Umdrehungsintervalls sollte selbst dann durchgeführt werden, wenn die Trackerenergie abgeschaltet ist. Dies erfolgt bei einer Ausgestaltung dadurch, dass man jeder Achslinie ein nichtflüchtiges Umdrehungsüberwachungsgerät zuordnet. Ein Azimut-Drehzahlüberwachungsgerät 1910 umfasst eine Azimutachsenbefestigung 1912 und einen festen Rahmensensor 1914. Jedes Mal, wenn der Sensor die Befestigung passiert, erzeugt er ein Signal, das die Bewegungsrichtung angibt. Ein elektrischer Zähler verfolgt die Anzahl der Umdrehungen. Von den Sensoren 1914 können viele unterschiedliche physikalische Größen gemessen werden – beispielsweise Kapazität, Induktivität, Magnetismus und Licht. Falls sich die Umdrehung außerhalb des Bereichs befindet, über den Lagerkalibrierungsdaten erfasst wurden, kann dem Benutzer eine Warnmeldung ausgegeben werden. Ein Zenit-Drehzahlüberwachungsgerät 1920 umfasst eine Zenitachsenbefestigung 1922 und einen Jochrahmensensor 1924. Es arbeitet in einer Weise, die der des Azimut-Drehzahlüberwachungsgeräts analog ist. Elektrische Signale der Sensoren werden zur Verarbeitung über Verbindungen 1916, 1926 zu der Leiterplatte 1425 gesendet. Die Leiterplatte 1425 kann eine Batterie enthalten, um den Überwachungsgeräten einen nichtflüchtigen Betrieb zur Verfügung zu stellen.
Zur Verfolgung des momentanen 360-Grad-Bereichs der Tragachsen können andere Vorrichtungen verwendet werden. Beispielsweise kann man Federn benutzen, um eine messbare Größe der mechanischen Spannung bereitzustellen, die mit der Anzahl der Umdrehungen jeder Tragachse korreliert. Es können auch Anschläge verwendet werden, um die Anzahl der Umdrehungen bis zu einem begrenzten Bereich zu steuern.
Bei einer Ausgestaltung werden die Azimutachse und die Zenitachse durch Motoren im Lasertracker gedreht. Die Motoren könnten zum Beispiel – wie in 9 und 10 dargestellt – einen Azimutmotor, der den Rotor 2126 und den Stator 2127 umfasst, und einen Zenitmotor, der den Rotor 2156 und den Stator 2157 umfasst, umfassen. Die Drehwinkel werden bei einer Ausgestaltung durch Winkelkodierer wie beispielsweise den Azimutwinkelkodierer 1316, 1416 und den Zenitwinkelkodierer 1336, 1436 ermittelt, die in 13 und 14 dargestellt sind. Bei einer Ausgestaltung werden Daten für jeden der Leseköpfe in jedem der Winkelkodierer aufgezeichnet. Wie vorstehend erörtert wurde, können die Messungen der Lager für die Azimut- und Zenitachse gleichzeitig oder nacheinander erfolgen. In einigen Fällen können die Daten unverarbeitete Lesekopfdaten sein, die nachträglich verarbeitet werden können. Gleichzeitig werden Daten durch ein oder mehrere Lagermesssysteme erfasst.
Die Lagerfehler können als Abbildungen oder als Gleichungen gespeichert werden, die man zur Wiedergabe der Lagerfehler benutzen kann. Um Verwechslungen zu vermeiden, werden die Begriffe „Lagerfehler” nachstehend als „Unwuchtfehler” bezeichnet. Dies kann dabei helfen, Verwechslungen mit Fehlern zu beseitigen, die mit einzelnen Lagern zusammenhängen, die im Allgemeinen aus der Messung nicht bekannt sind, die mit den vorstehend beschriebenen Verfahren erfasst wurde. Es versteht sich, dass sich der hierin benutzte Begriff „Unwucht” auf die allgemeine Kategorie von Fehlern, die durch Lager hervorgerufen werden, und nicht auf die „angezeigte Gesamtunrundheit” bezieht, die ein spezifischer Begriff zur Darstellung des Gesamtbereichs von Fehlerwerten ist, die beobachtet werden können. Die erfassten Unwuchtwerte können von einem im Lasertracker enthaltenen Prozessor oder von einem externen Rechner verwendet werden. Im Wesentlichen kann man ein beliebiges der in 11 dargestellten Elemente bei Berechnungen benutzen, die die Lagerunwucht betreffen.
Es gibt zwei Methoden, bei denen die Lagerunwucht verwendet werden kann: erstens zur Korrektur des Bezugssystems des Lasertrackers, wodurch die Genauigkeit von Trackermessungen verbessert wird; zweitens zur Verbesserung der Genauigkeit der Messwerte der Winkelkodierer. Zum Verständnis der ersten dieser Verwendungen der Lagerunwucht kann man in Betracht ziehen, was mit einem Lichtstrahl des Trackers passiert, wenn die Azimutlager fehlerhaft sind. Es wird angenommen, dass das untere Lager perfekt rund ist und keinen Lagerfehler aufweist. Es wird angenommen, dass das obere Lager einen maximalen Unwuchtfehler von 2 Mikrometern derart aufweist, dass, wenn der Lichtstrahl des Lasertrackers in einem Azimutwinkel von 0 Grad (im Bezugssystem des Trackers) gerichtet wird, die Azimutachse um 2 Mikrometer weiter vorwärts geneigt wird, als wenn der Azimutwinkel um 180 Grad geneigt wird. Es wird ferner angenommen, dass der Abstand zwischen den Lagern auf der Azimutachse 0,5 Meter beträgt. Dies bedeutet, dass der Neigungsbetrag der Achslinie mit dem in der Vorwärtsrichtung gerichteten Strahl im Vergleich zu dem Neigungsbetrag mit dem in der Rückwärtsrichtung gerichteten Strahl 2 Mikrometer/0,5 Meter = 4 Mikroradianten ausmacht. Ein übliches Verfahren zur Auswertung der Winkelgenauigkeit von Lasertrackern besteht darin, ein Verfahren durchzuführen, das als „Zwei-Stirnflächen-Prüfung” bezeichnet wird. Eine Zwei-Stirnflächen-Prüfung wird durchgeführt, indem zuerst der Lasertracker auf einen Retroreflektor zeigt, der in einem Vorblickmodus in einer bestimmten Richtung angeordnet ist. Der Vorblickmodus ist definitionsgemäß der normale Betriebsmodus des Trackers. Als Nächstes wird der Tracker in einen Rückblickmodus gebracht, indem zuerst der Azimut des Trackers um 180 Grad gedreht wird und dann der Zenitwinkel des Trackers derart eingestellt wird, dass er zum Ziel zurückzeigt. Der Unterschied bei den Querkoordinaten (von Seite zu Seite) des Retroreflektors ist ein Abstand, der einen Fehler bei der Trackermessung wiedergibt. Dieser Fehler wird als „Zwei-Stirnflächen-Fehler” bezeichnet. Der Zwei-Stirnflächen-Fehler gilt als empfindliche Messung eines Trackerfehlers. Es wird angenommen, dass die Zenitlager und das Winkelmesssystem in diesem Beispiel einwandfrei sind. Es wird ferner angenommen, dass die Messung in einem Abstand von 6 Metern erfolgt. Der Zwei-Stirnflächen-Fehler beträgt in diesem Beispiel 6 Meter × 4 Mikroradianten = 24 Mikrometer. Wenn die Lagerunwucht korrigiert wurde, wäre dieser 24-Mikrometer-Fehler im Wesentlichen behoben worden. Es ist in diesem Fall anzumerken, dass der Fehler in vertikaler Richtung beobachtet wurde, was gewöhnlich der Zenitbewegung des Laserstrahls zugeordnet wird. Mit anderen Worten: ein Fehler, der oberflächlich betrachtet anscheinend durch einen Fehler bei einer Messung eines Zenitkodierers verursacht worden sein könnte, könnte durch Fehler in den Azimutlagern verursacht worden sein.
Als weiteres Beispiel für einen ähnlichen Effekt wird der Fall angenommen, bei dem ein Fehler in den Lagern auf der Zenitachse vorliegt. Es wird der Fall angenommen, bei dem der Lichtstrahl im Vorblickmodus in einem Zenitwinkel von 45 Grad mit einem Azimutwinkel von 0 Grad aufwärts gerichtet ist. Im Rückblickmodus wird dann der Azimutwinkel auf 180 Grad und der Zenitwinkel auf –45 Grad gedreht. Es wird angenommen, dass ein Unwuchtfehler derart in den Zenitlagern vorliegt, dass das linke Lager im Vorblickmodus die Tragachse in einem Zenitwinkel von +45 Grad aufwärts schiebt. Die Tragachse zeigt abwärts nach rechts und der Laserstrahl zeigt nach rechts (unter der Voraussetzung, dass die Azimutlager einwandfrei sind). Im Rückblickmodus dreht sich das Lager um 180 Grad im Azimutwinkel und fährt dann den Zenitwinkel zurück. Die Tragachse zeigt abwärts nach links und der Lichtstrahl des Trackers zeigt nach links. Der Zwei-Stirnflächen-Fehler ist in diesem Fall größtenteils entlang der horizontalen Richtung vorhanden. Wie im vorangehenden Fall könnte bei diesem Fehler fälschlicherweise vermutet werden, dass er das Ergebnis fehlerhafter Azimutwinkelkodierer ist.
Es gibt mehrere mathematische Verfahren, die zur Korrektur der Fehler eingesetzt werden können, die durch die Neigung des Lichtstrahls infolge der Neigung der Azimut- und Zenitachse hervorgerufen werden. Es versteht sich, dass etwaige solche Verfahren eingesetzt werden können, die dem durchschnittlichen Fachmann weithin bekannt sind. Ein einsetzbares Verfahren besteht darin, zuerst den Neigungswinkel der Azimutachse zu berücksichtigen. Dabei können die Gleichungen (1) und (2) verwendet werden. Es gibt drei Koordinaten x, y und z, die für die Berücksichtigung der Lagerunwucht in der Zenit- und Azimutachse benutzt werden. Beispielsweise könnten die zur Berücksichtigung von Lagerfehlern in der Azimutachse verwendeten Koordinaten in der x- und z-Richtung in einem Bezugssystem vorhanden sein, das sich mit der Azimutachse dreht. Die zur Berücksichtigung einer Lagerunwucht in der Zenitachse verwendeten Koordinaten könnten in der y- und z-Richtung in einem Bezugssystem vorhanden sein, das sich mit der Jochachse (Azimutschlittenachse) dreht. Bedingt durch die Lagerfehler können Rotationsmatrizes verwendet werden, um die Gesamtneigung des Lichtstrahls 1360, 1461 für bestimmte Azimut- und Zenitwinkel zu ermitteln, wobei die Neigung relativ zu einem idealen Strahl ermittelt wird, bei dem die Lagerfehler gleich null sind. Der Betrag des Versatzes des Lichtstrahls als Ergebnis der Lagerunwucht kann berechnet werden, indem man standardmäßige 4×4-Transformationsmatrizes benutzt, die die Effekte der Rotation und Translation berücksichtigen, wie es in der Technik weithin bekannt ist. Die Azimut- und Zenit-Transformationsmatrizes können multipliziert werden, um eine System-Transformationsmatrix zu erhalten. Es können weitere Berechnungen durchgeführt werden, um Effekte wie beispielsweise Achslinienversatz, Achslinien-Rechtwinkligkeitsfehler und andere vorstehend behandelte Parameter zu berücksichtigen.
Eine zweite Methode zur Benutzung von Lagerunwuchtdaten besteht darin, Fehler bei den Messwerten der Winkelkodierer zu korrigieren. Es wird zuerst der Fall angenommen, bei dem eine einwandfreie Kodiererscheibe auf einer Achslinie angeordnet ist und eine einwandfreie Lesekopfbaugruppe auf einem Rahmen, der relativ zu der Scheibendrehung feststehend ist, angeordnet ist. Falls keine Lagerunwucht vorliegt, sind die Messwerte der Winkelkodierer einwandfrei. Als Nächstes wird angenommen, dass eine geringfügige Lagerunwucht vorhanden ist. In diesem Fall bewegt sich die Kodiererscheibe relativ zu dem Lesekopf. Bei einer System-Lesekopfbaugruppe mit einem einzigen Lesekopf werden jedes Mal Fehler beobachtet, wenn sich die Kodiererscheibe an der Position des Lesekopfs in der senkrecht zu den Linien verlaufenden Richtung verschiebt. Wenn eine Vielzahl von Leseköpfen symmetrisch rings um die Drehachse angeordnet ist, werden die durch die Scheibenbewegung verursachten Fehler reduziert, aber nicht generell beseitigt. Kennt man die Werte der Lagerunwucht, können die Kodierermesswerte korrigiert werden, damit diese berücksichtigt werden.
Wenn sich die Tragachsen in beliebigen Winkeln drehen dürfen (sie sind nicht auf bestimmte 360-Grad-Bereiche beschränkt), kann lediglich der synchrone Teil der Lagerunwucht korrigiert werden. In zahlreichen Fällen ist die asynchrone Unwucht größer als die synchrone Unwucht – in einigen Fällen viel größer – und so empfiehlt es sich, zu ermitteln, welcher der 360-Grad-Bereich der Drehung für die Azimut- und Zenitachse.
Es gibt verschiedene Anwendungen, für welche die hierin beschriebene Erfindung von Vorteil ist. Bei einer ersten Anwendung wird der Tracker dazu benutzt, dreidimensionale Messungen mit höherer Genauigkeit durchzuführen, als es sonst möglich wäre. Diese Messungen basieren auf den Messwerten eines Distanzmessers (ADM oder Interferometer) und von zwei Winkelkodierern. Bei einer zweiten Anwendung wird der Tracker dazu benutzt, Abstandsmessungen nur in einem als „sequentielle Multilateration” bezeichneten Verfahren durchzuführen. Entfernungsmessungen erfolgen mit dem an mindestens drei Stellen und vorzugsweise vier Stellen angeordneten Tracker. Die Eliminierung der Lagerunwucht ermöglicht hohe Messgenauigkeiten. Die Ergebnisse werden verwendet, um dreidimensionale Koordinaten eines Retroreflektorziels mit besseren Genauigkeiten zu ermitteln, als es durch die Einbeziehung von Messwerten von Winkelkodierern sonst möglich wäre. Ein verwandtes Verfahren ist die simultane Multilateration, bei welcher mehrfache Messungen simultan zu einem Weitwinkel-Retroreflektor von drei oder vier Lasertrackern aus durchgeführt werden. Ein weiterer potentieller Vorteil der Kompensation der Lagerunwucht besteht darin, dass die Verwendung von relativ kostengünstigeren Lagern gestattet wird, weil die sich ergebende Genauigkeit der Lager durch das Verfahren der Lagerkompensation verbessert wird.
Obwohl die vorstehende Erörterung größtenteils die Bedeutung der Korrektur der Lagerunwucht für den Fall von Multilaterationsmessungen hervorhob, kann die Korrektur von Winkelmessungen in vielen Fällen wichtiger sein. Korrekt kompensierte Winkelkodierer ergeben gegenwärtig oft Fehler von unter einer Bogensekunde beim Messen der Winkeldrehung von Zenit- und Azimutachsen. In zahlreichen Fällen können die Lager mehr zu einer Messung dreidimensionaler Koordinaten eines Retroreflektorziels beitragen als die Winkelkodierer. Die Ermittlung der Winkelbewegungen der Winkelkodierer in Abhängigkeit von der Winkeldrehung (die größer als 360 Grad sein kann) für beide Tragachsen kann eine Methode mit signifikanter Verbesserung der Winkelgenauigkeit von Lasertrackern zur Verfügung stellen. Dies heißt mit anderen Worten, dass die in den vorstehend beschriebenen Verfahren erfassten Daten in einem kinematischen Modell des Trackers benutzt werden können, um folgende vier Messwerte zu verbessern: die zwei Winkel (beispielsweise vertikaler und horizontaler Winkel) zum Retroreflektor, den Abstand zum Retroreflektor und die Position des Trackerursprungs (der Schein-Kardanpunkt).
Obwohl die Erfindung anhand von Beispielausgestaltungen beschrieben wurde, versteht sich für den Fachmann, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und Äquivalente an Stelle von Merkmalen davon eingesetzt werden können, ohne von dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Ferner können zahlreiche Modifikationen erfolgen, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren der Erfindung anzupassen, ohne von deren wesentlichem Schutzbereich abzuweichen. Es ist demzufolge beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die bestimmte Ausgestaltung beschränkt ist, die als die zur Durchführung dieser Erfindung beste Ausführungsform erachtete offenbart wurde, sondern dass die Erfindung alle Ausgestaltungen umfasst, die im Schutzbereich der beigefügten Ansprüche liegen. Ferner bedeutet die Verwendung der Begriffe „erster”, „zweiter” usw. nicht irgendeine Reihenfolge oder Bedeutsamkeit, sondern werden die Begriffe „erster”, „zweiter” usw. vielmehr zur Unterscheidung eines Merkmals von einem anderen verwendet. Darüber hinaus bedeutet die Verwendung der Begriffe „ein”, „eine” usw. nicht eine Beschränkung der Menge, sondern vielmehr das Vorhandensein von mindestens einem des Gegenstands, auf den Bezug genommen wird.

Claims

Verfahren zur Korrektur von Fehlern bei der Messung dreidimensionaler Koordinaten eines Retroreflektorziels durch ein Koordinatenmessgerät, wobei das Koordinatenmessgerät dafür konfiguriert ist, einen ersten Lichtstrahl zu dem Retroreflektorziel zu senden, wobei das Retroreflektorziel dafür konfiguriert ist, einen Teil des ersten Strahls als zweiten Strahl zurückzuwerfen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen des Koordinatenmessgeräts mit einer ersten Tragachse, einer zweiten Tragachse, einem ersten Motor, einem zweiten Motor, einem ersten Winkelmessgerät, einem zweiten Winkelmessgerät, einem Distanzmesser und einem Prozessor, wobei die erste Tragachse dafür konfiguriert ist, sich um eine erste Achslinie zu drehen, wobei die erste Tragachse durch ein erstes Lager und ein zweites Lager getragen wird, wobei der erste Motor dafür konfiguriert ist, die erste Tragachse um einen ersten Winkel um die erste Achslinie zu drehen, wobei das erste Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, den ersten Winkel zu messen, wobei die zweite Tragachse dafür konfiguriert ist, sich um eine zweite Achslinie zu drehen, wobei die zweite Tragachse durch ein drittes Lager und ein viertes Lager getragen wird, wobei der zweite Motor dafür konfiguriert ist, die zweite Tragachse um einen zweiten Winkel um die zweite Achslinie zu drehen, wobei das zweite Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, den zweiten Winkel zu messen, wobei der Distanzmesser dafür konfiguriert ist, einen ersten Abstand von dem Koordinatenmessgerät zu dem Retroreflektorziel basierend zumindest teilweise auf einem ersten Teil des von einem ersten optischen Detektor aufgefangenen zweiten Strahls zu messen; Messen einer Vielzahl von ersten Winkeln mit dem ersten Winkelmessgerät; Messen einer Vielzahl von ersten Verschiebungen an einer ersten Position entlang der ersten Achslinie, wobei jede der Vielzahl von ersten Verschiebungen einem der Vielzahl von ersten Winkeln zugeordnet wird, wobei die ersten Verschiebungen entlang einer senkrecht zu der ersten Achslinie verlaufenden ersten Linie ermittelt werden; Messen einer Vielzahl von zweiten Verschiebungen an einer zweiten Position entlang der ersten Achslinie, wobei jede der Vielzahl von zweiten Verschiebungen einem der Vielzahl von ersten Winkeln zugeordnet wird, wobei die zweiten Verschiebungen entlang einer senkrecht zu der ersten Achslinie verlaufenden zweiten Linie ermittelt werden, wobei ein erster Trennungsabstand zwischen der ersten Linie und der zweiten Linie vorhanden ist; Ermitteln von Kompensationswerten basierend zumindest teilweise auf der Vielzahl von ersten Winkeln, der Vielzahl von ersten Verschiebungen, der Vielzahl von zweiten Verschiebungen und dem ersten Trennungsabstand; Senden des ersten Strahls zu dem Retroreflektorziel; Messen eines ersten Retroreflektorwinkels mit dem ersten Winkelmessgerät; Messen eines zweiten Retroreflektorwinkels mit dem zweiten Winkelmessgerät; Messen des ersten Abstands mit dem Distanzmesser; Berechnen dreidimensionaler Koordinaten des Retroreflektorziels basierend zumindest teilweise auf dem ersten Retroreflektorwinkel, dem zweiten Retroreflektorwinkel, dem ersten Abstand und den Kompensationswerten; und Speichern der dreidimensionalen Koordinaten des Retroreflektorziels in einem Speicher.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend folgende Schritte: Messen einer Vielzahl von dritten Verschiebungen an einer dritten Position entlang der ersten Achslinie, wobei jede der Vielzahl von dritten Verschiebungen einem der Vielzahl von ersten Winkeln zugeordnet wird, wobei die dritten Verschiebungen entlang einer senkrecht zu der ersten Achslinie verlaufenden dritten Linie ermittelt werden; Messen einer Vielzahl von vierten Verschiebungen an einer vierten Position entlang der ersten Achslinie, wobei jede der Vielzahl von vierten Verschiebungen einem der Vielzahl von ersten Winkeln zugeordnet wird, wobei die vierten Verschiebungen entlang einer senkrecht zu der ersten Achslinie verlaufenden vierten Linie ermittelt werden, wobei ein zweiter Trennungsabstand zwischen der dritten Linie und der vierten Linie vorhanden ist; und wobei in dem Schritt zum Ermitteln von Kompensationswerten die Kompensationswerte ferner zumindest teilweise auf der Vielzahl von dritten Verschiebungen, der Vielzahl von vierten Verschiebungen und dem zweiten Trennungsabstand basieren.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Schritt zum Ermitteln von Kompensationswerten die Kompensationswerte eine Vielzahl von Neigungswinkeln der ersten Achslinie umfassen, wobei jeder der Vielzahl von Neigungswinkeln einem der ersten Winkel unter der Vielzahl von ersten Winkeln zugeordnet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Prüfvorrichtung, die dafür konfiguriert ist, entfernbar an der ersten Tragachse befestigt zu werden, wobei die Prüfvorrichtung einen ersten Sensor und einen zweiten Sensor umfasst; Befestigen der Prüfvorrichtung an der ersten Tragachse derart, dass der erste Sensor an der ersten Position und der zweite Sensor an der zweiten Position angeordnet werden; und wobei in dem Schritt zum Messen einer Vielzahl von ersten Verschiebungen die ersten Verschiebungen mit dem ersten Sensor gemessen werden und in dem Schritt zum Messen einer Vielzahl von zweiten Verschiebungen die zweiten Verschiebungen mit dem zweiten Sensor gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei in dem Schritt zum Bereitstellen einer Prüfvorrichtung der erste Sensor und der zweite Sensor Kapazitätssensoren sind.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei in dem Schritt zum Bereitstellen einer Prüfvorrichtung der erste Sensor sich in der Nähe einer ersten kugelförmigen Oberfläche befindet und der zweite Sensor sich in der Nähe einer zweiten kugelförmigen Oberfläche befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend folgende Schritte: Bereitstellen eines ersten Sensors und eines zweiten Sensors, wobei der erste Sensor an der ersten Position angeordnet wird und der zweite Sensor an der zweiten Position angeordnet wird; und wobei in dem Schritt zum Messen einer Vielzahl von ersten Verschiebungen die ersten Verschiebungen mit dem ersten Sensor gemessen werden und in dem Schritt zum Messen einer Vielzahl von zweiten Verschiebungen die zweiten Verschiebungen mit dem zweiten Sensor gemessen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Schritt zum Messen einer Vielzahl von ersten Winkeln jeder der ersten Winkel unter der Vielzahl von ersten Winkeln entfaltet wird, um eine Vielzahl von ersten entfalteten Winkeln bereitzustellen, wobei jeder der ersten entfalteten Winkel ohne zyklische Diskontinuitäten variiert.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt zum Ermitteln von Kompensationswerten ferner das Berechnen einer sinusförmigen Grundkomponente umfasst.
Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend einen Schritt zum Messen einer Anzahl von Umdrehungen der ersten Tragachse um die erste Achslinie.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend folgende Schritte: Bereitstellen eines Umdrehungszählers; und Messen einer Anzahl von Umdrehungen der ersten Tragachse mit dem Umdrehungszähler.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei in dem Schritt zum Messen einer Anzahl von Umdrehungen der Umdrehungszähler einen ersten Zählerabschnitt und einen zweiten Zählerabschnitt umfasst, wobei der erste Zählerabschnitt an der ersten Tragachse befestigt wird, wobei der zweite Zählerabschnitt an einem Gehäuse befestigt wird, das in Bezug auf die Umdrehung der ersten Tragachse feststehend ist, wobei der erste Zählerabschnitt und der zweite Zählerabschnitt dafür konfiguriert sind, ein Signal für jede der Umdrehungen der ersten Tragachse zu erzeugen, wobei der Umdrehungszähler ferner dafür konfiguriert ist, auf eine Richtung der Umdrehung der ersten Tragachse derart anzusprechen, dass er eine Anzahl von Zählimpulsen für die Umdrehungen in einer ersten Drehrichtung erhöht und die Anzahl von Zählimpulsen für die Umdrehungen in einer der ersten Drehrichtung entgegengesetzten Richtung verringert.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei in dem Schritt zum Messen einer Anzahl von Umdrehungen der Umdrehungszähler dafür konfiguriert ist, die Anzahl von Umdrehungen zu messen, wenn das erste Winkelmessgerät nicht betriebsbereit ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei in dem Schritt zum Messen einer Anzahl von Umdrehungen der Umdrehungszähler von einer Batterie mit Energie versorgt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, ferner umfassend folgende Schritte: Messen einer Vielzahl von zweiten Winkeln mit dem zweiten Winkelmessgerät; Messen einer Vielzahl von fünften Verschiebungen an einer fünften Position entlang der zweiten Achslinie, wobei jede der Vielzahl der fünften Verschiebungen einem der Vielzahl von zweiten Winkeln zugeordnet wird, wobei die fünften Verschiebungen entlang einer senkrecht zu der zweiten Achslinie verlaufenden fünften Linie ermittelt werden; Messen einer Vielzahl von sechsten Verschiebungen an einer sechsten Position entlang der zweiten Achslinie, wobei jede der Vielzahl der sechsten Verschiebungen einem der Vielzahl von zweiten Winkeln zugeordnet wird, wobei die sechsten Verschiebungen entlang einer senkrecht zu der zweiten Achslinie verlaufenden sechsten Linie ermittelt werden, wobei ein dritter Trennungsabstand zwischen der fünften Linie und der sechsten Linie vorhanden ist; Messen einer Vielzahl von siebten Verschiebungen an einer siebten Position entlang der zweiten Achslinie, wobei jede der Vielzahl der siebten Verschiebungen einem der Vielzahl von zweiten Winkeln zugeordnet wird, wobei die siebten Verschiebungen entlang einer senkrecht zu der zweiten Achslinie verlaufenden siebten Linie ermittelt werden; Messen einer Vielzahl von achten Verschiebungen an einer achten Position entlang der zweiten Achslinie, wobei jede der Vielzahl der achten Verschiebungen einem der Vielzahl von zweiten Winkeln zugeordnet wird, wobei die achten Verschiebungen entlang einer senkrecht zu der zweiten Achslinie verlaufenden achten Linie ermittelt werden, wobei ein vierter Trennungsabstand zwischen der siebten Linie und der achten Linie vorhanden ist; und in dem Schritt zum Ermitteln von Kompensationswerten, ferner Ermitteln der Kompensationswerte basierend zumindest teilweise auf der Vielzahl von zweiten Winkeln, der Vielzahl von fünften Verschiebungen, der Vielzahl von sechsten Verschiebungen, der Vielzahl von siebten Verschiebungen und der Vielzahl von achten Verschiebungen, dem dritten Trennungsabstand und dem vierten Trennungsabstand.
Koordinatenmessgerät zur Messung dreidimensionaler Koordinaten eines Retroreflektorziels, wobei das Koordinatenmessgerät dafür konfiguriert ist, einen ersten Lichtstrahl zu dem Retroreflektorziel zu senden, wobei das Retroreflektorziel dafür konfiguriert ist, einen Teil des ersten Strahls als zweiten Strahl zurückzuwerfen, wobei das Gerät Folgendes umfasst: eine erste Tragachse, eine zweite Tragachse, einen ersten Motor, einen zweiten Motor, ein erstes Winkelmessgerät, ein zweites Winkelmessgerät, einen Distanzmesser, einen Umdrehungszähler und einen Prozessor, wobei die erste Tragachse dafür konfiguriert ist, sich um eine erste Achslinie zu drehen, wobei die erste Tragachse durch ein erstes Lager und ein zweites Lager getragen wird, wobei der erste Motor dafür konfiguriert ist, die erste Tragachse um einen ersten Winkel um die erste Achslinie zu drehen, wobei das erste Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, den ersten Winkel zu messen, wobei die zweite Tragachse dafür konfiguriert ist, sich um eine zweite Achslinie zu drehen, wobei die zweite Tragachse durch ein drittes Lager und ein viertes Lager getragen wird, wobei der zweite Motor dafür konfiguriert ist, die zweite Tragachse um einen zweiten Winkel um die zweite Achslinie zu drehen, wobei das zweite Winkelmessgerät dafür konfiguriert ist, den zweiten Winkel zu messen, wobei der Distanzmesser dafür konfiguriert ist, einen ersten Abstand von dem Koordinatenmessgerät zu dem Retroreflektorziel basierend zumindest teilweise auf einem ersten Teil des von einem ersten optischen Detektor aufgefangenen zweiten Strahls zu messen, wobei der Umdrehungszähler dafür konfiguriert ist, eine Anzahl von Umdrehungen der ersten Tragachse zu messen.