DE112014005649T5

DE112014005649T5 - Verfahren zum Korrigieren einer 3D-Messung eines sphärisch montierten Retroreflektors auf einem Nest

Info

Publication number: DE112014005649T5
Application number: DE112014005649.9T
Authority: DE
Inventors: Robert E. Bridges
Original assignee: Faro Technologies Inc
Current assignee: Faro Technologies Inc
Priority date: 2013-12-11
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2016-09-15
Also published as: US20150308818A1; GB2536173A; WO2015088713A1; GB201611837D0; JP2017503158A; US9239238B2

Abstract

Ein Verfahren zum Messen eines auf einem kinetischen Nest angeordneten sphärisch montierten Retroreflektors (SMR) mit einer 3D-Koordinatenmessvorrichtung, wie einem Lasertracker, wobei das Verfahren den Radius des SMR und die Trägerachsenrichtung des Nestes berücksichtigt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Im Allgemeinen Verfahren zum Messen von sphärisch montierten Retroreflektoren (SMRs) und insbesondere Verfahren zum Messen von dreidimensionalen (3D-)Koordinaten von auf kinematischen Nestern angeordneten SMRs.
HINTERGRUND
Es gibt eine Klasse von Instrumenten, die die Koordinaten eines Punktes messen, indem sie einen Laserstrahl zu einem Retroreflektorziel in Kontakt mit dem Punkt senden. Das Instrument bestimmt die Koordinaten des Punktes durch Messen des Abstands und der zwei Winkel zu dem Ziel. Der Abstand wird mit einer Distanzmessvorrichtung gemessen, wie einem ADM oder einem Interferometer. Die Winkel werden mit einer Winkelmessvorrichtung, wie einem Winkelschrittgeber, gemessen. Ein kardanisch aufgehängter Strahlenbündel-Führungsmechanismus innerhalb des Instruments lenkt den Laserstrahl auf den entsprechenden Punkt.
Der Lasertracker ist eine besondere Art von Koordinatenmessvorrichtung, die das Retroreflektorziel mit einem oder mehreren Laserstrahlenbündeln, die sie ausstrahlt, nachführt. Es gibt eine weitere Kategorie von Instrumenten, die als Totalstationen oder Tachymeter bekannt sind, die einen Retroreflektor oder einen Punkt auf einer diffus streuenden Oberfläche messen können. Lasertracker, die typischerweise Genauigkeiten in der Größenordnung von einem Tausendstel Zoll und unter gewissen Umständen sogar bis zu einem oder zwei Mikrometer haben, sind normalerweise viel genauer als Totalstationen. In dieser Anmeldung wird durchgängig die breite Definition eines Lasertrackers, der Totalstationen umfasst, verwendet.
Normalerweise sendet der Lasertracker ein Laserstrahlenbündel an ein Retroreflektorziel. Eine übliche Art von Retroreflektorziel ist der SMR. In den meisten Fällen wird der Begriff SMR für einen würfeleckigen Retroreflektor verwendet, der innerhalb einer Metallkugel eingebettet ist. Der Begriff SMR kann jedoch auch für einen Katzenauge-Retroreflektor verwendet werden, der mit einem kugelförmigen, metallenen Außenabschnitt eingebettet ist. Ein solcher Katzenauge-Retroreflektor kann in Form einer Kugel oder in Form von zwei zusammengefügten Halbkugeln aufgebaut sein. Ein würfeleckiger Retroreflektor umfasst drei zueinander senkrechte Reflektoren. Der Scheitel, der der übliche Schnittpunkt der drei Reflektoren ist, befindet sich nahe des Zentrums der Kugel. In seinem normalen Trackingmodus sendet der Lasertracker einen Lichtstrahl von dem Tracker zu einer Position nahe des Scheitels des SMR aus. Solange das Lichtstrahlenbündel auf den Scheitel trifft, verfolgt das Lichtstrahlenbündel den Weg des austretenden Lichtstrahlenbündels zurück zum Tracker. Falls das Lichtstrahlenbündel leicht versetzt zum Scheitel auf den SMR trifft, wird das Lichtstrahlenbündel parallel zu, jedoch nicht genau zusammenfallend mit dem austretenden Lichtstrahlenbündel zurückwandern. Ein Servosystem innerhalb des Trackers stellt die Richtung des von dem Tracker ausgesendeten Strahlenbündels ein, um diesen zurück ins Zentrum zu bringen, wodurch das Strahlenbündel einem sich bewegenden Retroreflektor folgen kann. Da der Scheitel nahezu mit dem Kugelzentrum des SMR zusammenfällt, bleibt der senkrechte Abstand von dem Scheitel zu jeder Oberfläche, auf der der SMR ruht, nahezu konstant, auch wenn der SMR gedreht wird. Folglich kann der Lasertracker die 3D-Koordinaten einer Oberfläche bis zu einer relativ hohen Genauigkeit messen, indem er der Position eines SMR folgt, wenn dieser über die Oberfläche bewegt wird. Mit anderen Worten muss der Lasertracker nur drei Freiheitsgrade (einen radialen Abstand und zwei Winkel) messen, um die 3D-Koordinaten einer Oberfläche zu kennzeichnen.
Ein SMR kann auch verwendet werden, um den Abstand zwischen zwei Nestern zu messen. Eine besonders nützliche Art von Nest ist ein kinematisches Nest, welches die Eigenschaft hat, dass ein SMR wiederholt in dem Nest positioniert werden kann. Eine Art von Nest stellt an drei Punkten einen Kontakt mit der SMR-Oberfläche her. Einige Arten von Nestern sind Magnetnester, die den SMR sicher gegen die Nestkontaktpunkte in Position halten.
Manche Lasertracker sind in der Lage, sechs Freiheitsgrade (FG) zu messen, welche drei Verschiebungen, wie x, y und z, und drei Drehungen, wie die Längsneigung, die Querneigung und die Seitenbewegung, einschließen können. Ein beispielhaftes sechs-FG-Lasertrackersystem ist in dem US-Patent Nr. 7,800,758 ('758) von Bridges, et al., beschrieben, welches hier bezugnehmend einbezogen ist. Das Patent '758 offenbart eine Sonde, die einen würfeleckigen Retroreflektor hält, auf welchem Markierungen angebracht worden sind. Der würfeleckige Retroreflektor wird durch ein Laserstrahlbündel von dem Lasertracker beleuchtet, und die Markierungen auf dem würfeleckigen Retroreflektor werden von einer Ausrichtungskamera innerhalb des Lasertrackers eingefangen. Die drei Freiheitsgrade der Ausrichtung, zum Beispiel die Längsneigungs-, die Querneigungs- und die Seitenbewegungswinkel, werden basierend auf dem Bild berechnet, welches von der Ausrichtungskamera erhalten worden ist. Der Lasertracker misst einen Abstand und zwei Winkel zum Scheitel des würfeleckigen Retroreflektors. Wenn der Abstand und zwei Winkel, was drei translatorische Freiheitsgrade des Scheitels ergibt, mit den drei Freiheitsgraden der Ausrichtung kombiniert werden, die von dem Bild der Ausrichtungskamera erhalten werden, kann die Position einer Sondenspitze, die an einer vorgeschriebenen Position relativ zu dem Scheitel des würfeleckigen Retroreflektors angeordnet ist, ermittelt werden. Eine solche Sondenspitze kann zum Beispiel verwendet werden, um die Koordinaten eines "verborgenen" Merkmals zu messen, das sich außerhalb der Sichtlinie des Laserstrahlenbündels von dem Lasertracker befindet.
Wie hier vorstehend erklärt wurde, wird der Scheitel eines würfeleckigen Retroreflektors innerhalb eines SMR idealerweise genau im Zentrum der Kugel platziert, in der das Würfeleck eingebettet ist. In der Praxis liegt die Position des Scheitels um bis zu wenige Tausend Zoll außerhalb des Zentrums der Kugel. In manchen Fällen ist die Differenz zwischen der Position des Scheitels und des Kugelzentrums mit hoher Genauigkeit bekannt, aber diese Daten werden nicht verwendet, um die Trackerauslesungen zu korrigieren. Bei den genauen Messungen, die mit Lasertrackern ausgeführt werden, ist dieser Fehler bei der Zentrierung des würfeleckigen Retroreflektors in der Kugel manchmal größer als die Fehler von den Abstands- und Winkelmessern innerhalb des Lasertrackers. Folglich besteht ein Bedarf an einem Verfahren zum Korrigieren dieses Zentrierungsfehlers.
Die meisten SMRs, die heutzutage verwendet werden, enthalten würfeleckige Freiluft-Retroreflektoren. Es gibt einige SMRs, die würfeleckige Retroreflektoren aus Glas verwenden, aber in den meisten Fällen haben diese eine begrenzte Genauigkeit. Auf Grund der Krümmung des in solche Glas-Würfelecke eintretenden Lichts scheint das Licht in eine Richtung zu wandern, die nicht die wirkliche Richtung innerhalb des Würfelecks ist. Folglich besteht die Tendenz, SMRs, die mit Glas-Würfelecken gefertigt werden, sehr klein zu fertigen, da dadurch Fehler verringert werden, und sie werden tendenziell in Anwendungen verwendet, bei denen keine höchste Genauigkeit erforderlich ist. Ein Verfahren zur Minimierung dieses Fehlers unter Verwendung eines sechs-FG-Lasertrackers ist in dem US-Patent Nr. 8,467,072 angegeben, dessen Inhalt hier bezugnehmend einbezogen ist.
In vielen Fällen ist der SMR von Interesse eher ein Freiluft-Würfeleck als ein Glas-Würfeleck, und der Lasertracker misst nur drei Freiheitsgrade an Stelle von sechs. In vielen Fällen werden SMRs auf kinematischen Nestern angeordnet, die einen wiederholbaren Träger für die SMRs bieten. Ein Messfehler, der einer solchen Kombination aus SMR, Nest und Tracker zugeordnet ist, ergibt sich aus Fehlern beim SMR-Durchmesser und kann auch von der Nestgeometrie abhängen. Diese Fehler können bis zu einem gewissen Grad korrigiert werden, indem ein teurerer SMR mit Radiusfehlern erworben wird, aber die Fehler können nicht ausgeschaltet werden. Es besteht ein Bedarf an einem Verfahren zum Korrigieren dieser Fehler.
KURZFASSUNG
Nach einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Messen eines sphärisch montierten Retroreflektors (SMR) mit einer Vorrichtung bereitgestellt, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines ersten SMR, wobei der erste SMR einen ersten Körper und einen ersten Retroreflektor aufweist, wobei der erste Körper einen ersten sphärischen Außenabschnitt aufweist, der ein erstes Kugelzentrum aufweist, wobei der erste Körper einen ersten Hohlraum enthält, wobei der erste Hohlraum so bemessen ist, dass er den ersten Retroreflektor aufnehmen kann, wobei sich der erste Hohlraum zu einem Bereich außerhalb des ersten Körpers öffnet, wobei der erste Retroreflektor zumindest teilweise in dem ersten Hohlraum angeordnet ist, wobei der erste SMR einen ersten Kugelradius aufweist, wobei der erste Kugelradius ein Radius des ersten sphärischen Außenabschnitts ist, wobei der erste SMR auch mit einem ersten nominalen Kugelradius versehen ist, wobei der erste nominale Kugelradius ein numerischer Wert ist, der für den ersten SMR vorgesehen ist; Bereitstellen der Vorrichtung, wobei die Vorrichtung ein Vorrichtungsbezugssystem aufweist, das in Bezug auf eine Basis der Vorrichtung und eine Lichtquelle fixiert ist, die ein erstes Lichtstrahlenbündel ausgibt, wobei die Vorrichtung dafür ausgelegt ist, einen Zielabstand und zwei Zielwinkel von der Vorrichtung zu einem Zielretroreflektor zu messen, wobei die beiden Zielwinkel in Bezug auf die Basis gegeben sind; Bereitstellen eines ersten Nests, das dafür ausgelegt ist, wiederholt einen sphärischen Außenabschnitt aufzunehmen, wobei das erste Nest eine erste Trägerachse aufweist, wobei die erste Trägerachse mit einer Ortskurve von in dem ersten Nest positionierten Kugelzentren für Kugeln mit verschiedenen Durchmessern zusammenfällt, wobei die erste Trägerachse eine erste Trägerachsenrichtung aufweist, wobei es eine erste ideale Trägerposition an der ersten Trägerachse gibt, wobei die erste ideale Trägerposition eine Position ist, die mit einem Zentrum einer ersten Bezugskugel zusammenfällt, wenn diese von dem ersten Nest aufgenommen ist, wobei die erste Bezugskugel einen Radius gleich dem ersten nominalen Kugelradius aufweist; Bereitstellen eines Prozessors und eines Speichers; Bereitstellen von maschinenlesbaren Medien mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, dreidimensionale (3D-)Koordinaten einer idealen Trägerposition berechnen; Messen des ersten Kugelradius; Subtrahieren des ersten nominalen Kugelradius von dem ersten Kugelradius, um ein erstes Radiusdelta zu erhalten; Speichern des ersten Radiusdeltas; Lesen des ersten Radiusdeltas durch den Prozessor; Anordnen des ersten sphärischen Außenabschnitts in dem ersten Nest; Senden des ersten Lichtstrahlenbündels von der Lichtquelle zum ersten Retroreflektor und in Reaktion darauf Empfangen eines ersten reflektierten Lichts an der Vorrichtung; Messen eines ersten Zielabstands und einer ersten Gruppe der beiden Zielwinkel von der Vorrichtung zum ersten Retroreflektor zumindest teilweise basierend auf dem ersten reflektierten Licht, wobei der erste Zielabstand ferner zumindest teilweise auf einer Lichtgeschwindigkeit über einen von dem ersten Lichtstrahlenbündel zurückgelegten Weg basiert; Bestimmen der ersten Trägerachsenrichtung; Ausführen der maschinenlesbaren Anweisungen durch den Prozessor, wobei die maschinenlesbaren Anweisungen 3D-Koordinaten der ersten idealen Trägerposition im Vorrichtungsbezugssystem zumindest teilweise basierend auf dem ersten Zielabstand, der ersten Gruppe der beiden Zielwinkel, der ersten Trägerachsenrichtung und dem ersten Radiusdelta berechnen; und Speichern der 3D-Koordinaten der ersten idealen Trägerposition.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es werden nun nur beispielhaft Ausführungsformen anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, die beispielhaft und nicht einschränkend sein sollen, und wobei in mehreren Figuren gleiche Elemente mit den gleichen Nummerierungen versehen sind, wobei:
1 eine Perspektivansicht eines Lasertrackers und eines SMR gemäß einer Ausführungsform ist;
2 eine Veranschaulichung eines Lasertrackers, einer Hilfseinheit und eines externen Computers gemäß einer Ausführungsform ist;
3 ein Blockdiagramm ist, welches Elemente in der Nutzmasse eines Lasertrackers gemäß einer Ausführungsform zeigt;
4 eine Perspektivansicht von Elementen ist, die bei der Nachstellung eines würfeleckigen Retroreflektors verwendet werden;
5A–C eine perspektivische, eine Querschnitts- bzw. eine Stirnansicht eines SMR sind, welcher eine würfeleckige Freiluft-Metallstück umfasst, das in einer Kugel gemäß Ausführungsformen eingebettet ist;
6A–C Perspektivansichten des SMR sind, welchem ein Reflexionsbereich, ein Strichcodemuster oder eine Seriennummer bzw. ein RF-Kennungstag gemäß Ausführungsformen zugefügt wurde;
7A–B eine Stirn- bzw. eine seitliche Schnittansicht eines SMR mit einem würfeleckigen Retroreflektor sind, der nicht ganz genau innerhalb einer Kugel zentriert ist;
8A eine Perspektivansicht eines Abschnitts eines würfeleckigen Retroreflektors mit seiner Symmetrieachse ist und 8B eine vergrößerte Ansicht des SMR-Scheitelpunktes und -Kugelzentrums mit Fehlervektor und Fehlervektorkomponenten gemäß einer Ausführungsform ist;
9A eine Perspektivansicht eines Abschnitts eines würfeleckigen Retroreflektors einschließlich einer Bezugsmarkierung und einer SMR-Rundlaufbezugsebene ist und 9B eine vergrößerte Ansicht des SMR-Scheitelpunktes und -Kugelzentrums ist, die den SMR-Rundlaufbezugsstrahl und den SMR-Rundlaufbezugswinkel gemäß einer Ausführungsform zeigt;
9C eine Perspektivansicht eines Abschnitts eines würfeleckigen Retroreflektors einschließlich einer Bezugsmarkierung und einer Strahlenbündel-Rundlaufbezugsebene ist und 9D eine vergrößerte Ansicht des SMR-Scheitelpunktes und -Kugelzentrums ist, die den Strahlenbündel-Rundlaufbezugsstrahl und den Strahlenbündel-Rundlaufbezugswinkel gemäß einer Ausführungsform zeigt;
10A, 10C eine Perspektivansicht bzw. Stirnansicht von einem SMR sind, der eine Anschlusssteckdose bereitstellt, und 10B eine Querschnittsansicht eines SMR ist, die einen Temperatursensor zeigt, der zum elektrischen Anschluss mit einem auch gezeigten Verbindungskabel gemäß einer Ausführungsform konfiguriert ist;
10D die Elemente von 10C mit einer hinzugefügten unabhängigen Temperaturmess- und -Kommunikationseinheit zeigt, 10E eine schematische Ansicht von elektrischen Komponenten innerhalb der Temperaturmess- und -Kommunikationseinheit ist, und 10F eine bildliche Darstellung einer Hand ist, die einen SMR hält, wobei eine Temperaturmess- und -Kommunikationseinheit an der Hand angebracht ist;
11 ein SMR ist, an dem eine Schnittstelleneinheit angebracht ist, die eine Batterie und eine Antenne zur Verwendung mit einem Temperatursensor umfasst;
12A–E schematische Veranschaulichungen der Fehler sind, die sich aus der Fehlausfluchtung der Symmetrieachse eines SMR mit dem Lichtstrahlenbündel von einer 3D-Messvorrichtung ergeben;
13A–13F perspektivische und schematische Darstellungen von alternativen Verfahren zur Ausfluchtung einer Symmetrieachse eines SMR mit einem Lichtstrahlenbündel von einer 3D-Messvorrichtung gemäß einer Ausführungsform sind;
14A ein kinematisches Nest und eine Trägerachse zeigt und 14B ein kinematisches Nest zeigt, das einen SMR aufnimmt;
15 ein mathematisches Modell des kinematischen Nests von 14A zeigt;
16A, 16B eine Stirn- bzw. eine Seitenansicht von SMRs zeigen, die von den kinematischen Nestern gehalten werden, und 16C zeigt, dass Fehler in dem SMR-Radius eine gemessene Länge nicht wesentlich beeinträchtigen;
17A Seitenansichten von SMRs zeigt, die von kinematischen Nestern gehalten werden, wobei eines der Nester senkrecht zu einer gewünschten Messrichtung ist, und 17B zeigt, dass Fehler für diesen Fall wesentlich sein können;
18 ein Verfahren zum Erhalten von genauen 3D-Messungen eines SMR-Kugelzentrums für eine Vorrichtung veranschaulicht, die sich an zwei Stationen befindet, während eine SMR-Ausfluchtung an einer einzelnen Station vorgenommen wird;
19A, 19B veranschaulichen, dass die Richtung der maximalen Rundlauffehler-Vektorkomponente, die in einer Ausführungsform mit einem Bezugspunkt auf dem SMR fluchten kann, eine wesentliche Auswirkung auf einen Messfehler haben kann;
19C, 19D einen allgemeinen Ansatz der Ausfluchtung einer Rundlauffehler-Vektorkomponente veranschaulichen, um einen Messfehler zu minimieren;
20A, 20B eine Abstandsmessung an einem SMR in einem Vorderseiten- bzw. Rückseitenmodus zeigen und 20C eine Abstandsmessung an einer Ausgangsposition zeigt;
21A ein Verfahren zum Messen eines Abstands zwischen zwei sphärisch montierten Retroreflektoren zeigt, 21B ein Verfahren zum Bestimmen des Ermittelns eines Versatzfehlers in dem gemessenen Abstand zeigt und 21C ein Verfahren zum Ermitteln des Achsenversatzwertes für eine Koordinatenmessvorrichtung zeigt;
22 ein Verfahren zum Einstellen eines Abstands zum Scheitel eines SMR in einer Ausgangsposition zeigt; und
23 eine Elektronik und einen Prozessor innerhalb eines Lasertrackers gemäß einer Ausführungsform zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
Ein beispielhafter Lasertracker 10 ist in 1 veranschaulicht. Ein beispielhafter kardanisch aufgehängter Strahlenbündel-Führungsmechanismus 12 des Lasertrackers 10 umfasst einen Zenitwagen 14, der auf einer Azimutbasis 16 montiert ist und um die Azimutachse 20 gedreht wird. Eine Nutzmasse 15 ist auf dem Zenitwagen 14 angebracht und wird um die Zenitachse 18 gedreht. Die mechanische Zenitrotationsachse (nicht gezeigt) und die mechanische Azimutrotationsachse (nicht gezeigt) schneiden sich orthogonal innerhalb des Trackers 10 an einem Kardanpunkt 22, der typischerweise der Ursprung für Distanzmessungen ist. Ein Laserstrahlenbündel 46 geht virtuell durch den Kardanpunkt 22 hindurch und wird orthogonal auf die Zenitachse 18 gerichtet. Mit anderen Worten befindet sich das Laserstrahlenbündel 46 in einer Ebene, die zu der Zenitachse 18 senkrecht ist. Das Laserstrahlenbündel 46 wird durch Motoren innerhalb des Trackers (nicht gezeigt) in die gewünschte Richtung gerichtet, wobei die Motoren die Nutzmasse 15 um die Zenitachse 18 und die Azimutachse 20 drehen. Ein Zenit- und ein Azimut-Winkelschrittgeber, die in dem Tracker enthalten sind (nicht gezeigt), sind an der mechanischen Zenitachse (nicht gezeigt) und der mechanischen Azimutachse (nicht gezeigt) angebracht und zeigen mit einer hohen Genauigkeit die Drehwinkel an. Das Laserstrahlenbündel 46 wandert zu einem externen Retroreflektor 26, wie dem vorstehend beschriebenen SMR. Durch Messen des radialen Abstands zwischen dem Kardanpunkt 22 und dem Retroreflektor 26 und den Drehwinkeln um die Zenit- und die Azimutachse 18, 20 findet sich die Position des Retroreflektors 26 innerhalb des sphärischen Koordinatensystems des Trackers.
Das Vorrichtungsbezugssystem 30 des Lasertrackers 10 ist mit Bezug auf die Azimutbasis 16 fixiert, die typischerweise in Bezug auf die Umgebung des Trackers feststehend ist. Das Vorrichtungsbezugssystem 30 kann in einer Vielfalt von Koordinatensystemen dargestellt werden. Es kann in einem kartesischen Koordinatensystem mit drei senkrechten Achsen x', y' und z' dargestellt werden. Es kann in einem Kugelkoordinatensystem dargestellt werden, wobei ein Punkt 74 durch einen radialen Abstand 73 (r), einen ersten (Zenit-)Winkel 72 (θ) und einen zweiten (Azimut-)Winkel 71 (φ) dargestellt wird. Der Winkel θ wird durch Verwendung der Projektion des Punktes 74 auf der z-Achse erhalten. Der Winkel φ wird durch Verwendung der Projektion des Punktes 74 auf der x'-y'-Ebene erhalten. Der Lasertracker 10 misst grundsätzlich in einem Kugelkoordinatensystem unter Verwendung eines Distanzmessers, um r zu messen, und unter Verwendung von zwei Winkelschrittgebern, um θ und φ zu messen. Ein in Kugelkoordinatensystemen gemessener Punkt kann jedoch ohne Weiteres in kartesische Koordinaten umgewandelt werden. In einer Ausführungsform ist der Kardanpunkt 22 als Ursprung ausgewählt. Es sind andere Koordinatensysteme möglich und können verwendet werden.
Der Lasertracker 10 umfasst auch rotierende Bezugssysteme. Eines der rotierenden Bezugssysteme ist das Nutzmasse-Bezugssystem 35, das das Lichtstrahlenbündel 46 zum SMR 26 richtet. Das Nutzmasse-Bezugssystem dreht sich um die Achse 20 und die Achse 18. Es sollte selbstverständlich sein, dass sich der Begriff Nutzmasse-Bezugssystem auf den letzten Strahlenbündel-Abgabeabschnitt jeder Art von Strahlenbündel-Abgabesystem beziehen kann, und nicht nur auf die Nutzmasse 15 aus 1. Zum Beispiel kann die Nutzmasse 15 durch einen Spiegel ersetzt werden, der das Lichtstrahlenbündel 46 zum SMR 26 reflektiert. Das Nutzmasse-Bezugssystem 35 kann in einem kartesischen Koordinatensystem mit drei senkrechten Achsen x'', y'' und z'', wie in 1 gezeigt, dargestellt werden. In einem beispielhaften Nutzmasse-Bezugssystem weist die x''-Achse in die Richtung des austretenden Laserstrahlenbündels 46, die y"-Achse weist in die Richtung der Zenitachse 18 und die z"-Achse weist in eine Richtung senkrecht zu der x"- und der y''-Achse. Die y''-z''-Ebene ist senkrecht zur Richtung x'' des Laserstrahlenbündels. In einer Ausführungsform ist der Kardanpunkt 22 der Ursprung des Nutzmasse-Bezugssystems 35.
Der SMR 26 hat ein SMR-Bezugssystem 40. Das SMR-Bezugssystem kann zum Beispiel in einem kartesischen Koordinatensystem mit drei senkrechten Achsen x, y und z dargestellt werden. Die x-, y- und die z-Achse des SMR-Bezugssystems 40 bewegen sich mit dem SMR 26 und sind im Allgemeinen nicht parallel zu den entsprechenden x''-, y''- und z''-Achsen des Nutzmasse-Bezugssystems 35. In einer Ausführungsform ist ein Scheitel eines würfeleckigen Retroreflektors innerhalb des SMR der Ursprung des SMR-Bezugssystems. Der SMR 26 kann in Kontakt mit der Werkstückoberfläche 61 an einem Punkt 63 platziert werden. Um die dreidimensionalen (3D-)Koordinaten des Punktes 63 zu ermitteln, bestimmt der Tracker zunächst die 3D-Koordinaten des Scheitels des SMR 26 unter Verwendung des Abstands und zweier Winkel, die er gemessen hat. Dann verschiebt er die 3D-Koordinaten des SMR-Scheitels um einen Betrag gleich dem Kugelradius des SMR in Richtung Oberfläche. Der SMR 26 kann auch verwendet werden, um 3D-Koordinaten zu messen, wenn er auf einem kinematischen Nest platziert ist, wie weiter unten erklärt wird.
Das Laserstrahlenbündel 46 kann eine oder mehrere Laserwellenlängen umfassen, oder das Strahlenbündel 46 kann ein anderes Lichtstrahlenbündel als Laserlicht sein. Zur Verdeutlichung und Vereinfachung wird in der folgenden Besprechung von einem Führungsmechanismus der in 1 gezeigten Art ausgegangen. Andere Arten von Führungsmechanismen sind jedoch auch möglich. Zum Beispiel wäre es möglich, ein Laserstrahlenbündel von einem Spiegel zu reflektieren, der um die Azimut- und die Zenitachse gedreht wird. Die hier beschriebenen Techniken sind unabhängig von der Art von Führungsmechanismus anwendbar.
In einem beispielhaften Lasertracker 10 befinden sich Positionsgeberkameras 52, 56 und Lichtquellen 54 auf der Nutzmasse 15. Lichtquellen 54 beleuchten ein oder mehrere Retroreflektorziele 26. In einer Ausführungsform sind Lichtquellen 54 LEDs, die elektrisch betrieben sind, um wiederholt gepulstes Licht auszustrahlen. Jede Positionsgeberkamera 52 und 56 umfasst eine lichtempfindliche Matrix und eine vor der lichtempfindlichen Matrix angeordnete Linse. Die lichtempfindliche Matrix kann zum Beispiel eine CMOS- oder CCD-Matrix sein. In einer Ausführungsform hat die Linse der Positionsgeberkamera 52 ein relativ breites Gesichtsfeld, zum Beispiel von 30 oder 40 Grad. Im Gegensatz dazu kann die Linse der Positionsgeberkamera 56 ein relativ enges Gesichtsfeld haben, zum Beispiel, um eine deutliche Ablesung eines Strichcodes oder einer Seriennummer eines SMR 26 zu ermöglichen, der in einem Ausgangsnest 17 gehalten wird, wie weiter unten besprochen wird. Der Zweck der Linse in einer Kamera 52, 56 besteht darin, ein Bild auf der lichtempfindlichen Matrix von Gegenständen innerhalb des Gesichtsfelds der Linse zu bilden. Das Bild auf der lichtempfindlichen Matrix wird an eine Elektronik gesendet, die sich innerhalb oder außerhalb der lichtempfindlichen Matrix befinden kann, um einem Prozessor ein elektrisches Signal zu senden. Das elektrische Signal wird von dem Prozessor ausgewertet, um relevante Informationen zu extrahieren, wie Bilder, Text, Matrixpositionen und so weiter. Normalerweise wird mindestens eine Lichtquelle 54 in der Nähe einer Positionsgeberkamera 52 platziert, so dass Licht von der Lichtquelle 54 von jedem Retroreflektorziel 26 auf die Positionsgeberkamera 52 reflektiert wird. Auf diese Weise werden Retroreflektorbilder ohne Weiteres von dem Hintergrund auf der lichtempfindlichen Matrix unterschieden, da ihre Bildpunkte heller als Gegenstände im Hintergrund sind und sie gepulst werden. In einer Ausführungsform gibt es zwei Positionsgeberkameras 52 und zwei Lichtquellen 54, die um die Linie des Laserstrahlenbündels 46 angeordnet sind. Durch Verwendung von zwei Positionsgeberkameras 52 auf diese Weise kann das Prinzip der Dreiecksvermessung angewandt werden, um die dreidimensionalen Koordinaten eines jeden SMR innerhalb des Gesichtsfelds der Positionsgeberkamera zu ermitteln. Außerdem können die dreidimensionalen Koordinaten eines SMR überwacht werden, wenn der SMR von Punkt zu Punkt bewegt wird.
Bei einer Positionsgeberkamera 56, die dazu ausgelegt ist, Strichcodes zu lesen, wird eine Lichtquelle nicht nahe der Kamera platziert, da der helle Blitz des retroreflektierten Lichts die Kamera daran hindern würde, die viel dunkleren Linien eines Strichcodes auszulesen. Stattdessen können die Lichter 54, die von der Positionsgeberkamera 56 zu weit entfernt sind, um das Licht von dem Retroreflektorziel 26 in die Positionsgeberkamera 56 zu retroreflektieren, verwendet werden, um nötigenfalls die Strichcodes zu beleuchten.
Wie in 2 gezeigt ist, kann eine Hilfseinheit 70 Teil des Lasertrackers 10 sein. Der Zweck der Hilfseinheit 70 besteht darin, dem Gehäuse des Lasertrackers elektrischen Strom zuzuführen, und in manchen Fällen auch das System mit einer Computer- und Taktfähigkeit zu versorgen. Es ist möglich, insgesamt auf die Hilfseinheit 70 zu verzichten, indem die Funktionalität der Hilfseinheit 70 in das Trackergehäuse überführt wird. In den meisten Fällen ist die Hilfseinheit 70 an einem Universalrechner 80 angebracht. Anwendungssoftware, die auf den Universalrechner 80 geladen wird, kann Anwendungsmöglichkeiten wie das Reverse Engineering ermöglichen. Es ist auch möglich, auf den Universalrechner 80 zu verzichten, indem dessen Rechnerfähigkeit direkt in den Lasertracker 10 integriert wird. In diesem Fall kann eine Benutzerschnittstelle, die gegebenenfalls eine Tastatur- und Mausfunktionalität bietet, in den Lasertracker 10 integriert werden. Die Verbindung zwischen der Hilfseinheit 70 und dem Rechner 80 kann drahtlos oder über ein elektrisches Drahtkabel erfolgen. Der Rechner 80 kann an ein Netz angeschlossen werden, und auch die Hilfseinheit 70 kann an ein Netz angeschlossen werden. Mehrere Instrumente, zum Beispiel mehrfache Messinstrumente oder Stellglieder, können miteinander verbunden werden, und zwar entweder durch den Rechner 80 oder durch die Hilfseinheit 70. In einer Ausführungsform wird auf die Hilfseinheit 70 verzichtet, und Verbindungen werden direkt zwischen dem Lasertracker 10 und dem Rechner 80 hergestellt.
Der Lasertracker 10 misst einen Abstand r unter Verwendung entweder eines Interferometers oder eines ADM. Er misst einen Azimutwinkel φ und einen Zenitwinkel θ unter Verwendung von Winkelschrittgebern. Dadurch misst der Lasertracker in einem Kugelkoordinatensystem, obwohl die Koordinatenwerte für jeden gemessenen Punkt in Koordinaten in jedes andere gewünschte Koordinatensystem umgewandelt werden können, zum Beispiel in das kartesische Koordinatensystem 30 aus 1.
Es sollte ähnlich klar sein, dass drei translatorische Freiheitsgrade drei unabhängige translatorische Freiheitsgrade bedeuten. Anders ausgedrückt bilden die drei Richtungen, die den drei translatorischen Freiheitsgraden entsprechen, eine Basis, die in einen dreidimensionalen Raum gestellt ist. Mit anderen Worten hat jede der drei Richtungen entsprechend einem translatorischen Freiheitsgrad eine Komponente orthogonal zu jeder der beiden anderen Richtungen.
3 zeigt eine Ausführungsform für einen elektrooptischen Aufbau 400 des Lasertrackers 10. Die Quellenelemente 405 und 410 stellen Lichtquellen und gegebenenfalls zusätzliche elektrische und optische Komponenten dar. Zum Beispiel kann das Quellenelement 410 einen roten Helium-Neon-Laser in Kombination mit einem Interferometer darstellen. Das Quellenelement 405 kann einen Infrarotlaser in Kombination mit einem ADM darstellen. Alternativ kann das System nur ein Interferometer oder nur einen ADM aufweisen. Eines der Quellenelemente 405 oder 410 kann nur eine Lichtquelle ohne Distanzmesser aufweisen. Es können zusätzliche Lichtquellen (nicht gezeigt) neben denjenigen vorhanden sein, die innerhalb der Quellenelemente 405 und 410 enthalten sind. Die Quellenelemente 405 und 410 können sich in der Nutzmasse 15 befinden, oder sie können sich in einem der anderen Teile des Trackers befinden, wie in dem Zenitwagen 14 oder in der Azimutbasis 16. Die Lichtquelle kann sich in einem Abschnitt befinden, zum Beispiel in der Azimutbasis, und der Distanzmesser kann sich in einem anderen Abschnitt befinden, wie in der Nutzmasse 15. Das Licht kann durch Lichtleiter von einer Position zu einer anderen geführt werden, wie in dem Patent '758 erläutert ist. Alternativ kann das Licht von der Quelle von einem Spiegel reflektiert werden, der um die Zenitachse gelenkt wird, und die Distanzmesser können in der Azimutbasis 16 gehalten werden. Die Lichtquellen können Laser, superstrahlende Dioden, Leuchtdioden oder andere umfassen.
Licht von dem Quellenelement 410 geht durch den Strahlenteiler 420 hindurch. Licht von dem Quellenelement 405 wird am Spiegel 415 und dem Strahlenteiler 420 reflektiert. Falls die Quellenelemente 405, 410 Licht von verschiedenen Wellenlängen enthalten, kann der Strahlenteiler 420 vorteilhafterweise ein dichroitischer Strahlenteiler sein, der die Wellenlänge von Licht, das von dem Quellenelement 410 ausgestrahlt wird, durchlässt und die Wellenlänge von Licht, das von dem Quellenelement 405 ausgestrahlt wird, reflektiert.
Der größte Teil des Lichts aus dem Strahlenteiler 420 geht durch den Strahlenteiler 425 hindurch. Ein kleiner Betrag des Lichtes wird von dem Strahlenteiler 425 reflektiert und geht verloren. Das Licht passiert den Strahlenerweiterer 435, der die Größe des Strahlenbündels auf dem Weg aus dem Tracker hinaus erweitert. Das Erweitern des Lichtstrahlenbündels ist hilfreich, da sich dadurch das Licht um einen größeren Abstand mit einer geringeren Änderung der Strahlenbündelgröße ausbreiten kann. Das aus dem Tracker 10 austretende Laserlicht 440 wandert zu einem Retroreflektorziel 26. Ein Teil dieses Laserlichts wird an dem Retroreflektor 26 reflektiert und kehrt zum Tracker zurück. Der Strahlenerweiterer 435 verringert die Größe des Strahlenbündels auf seinem Weg zurück in den Tracker.
Ein Teil des zurückkehrenden Lichts wandert zu dem Strahlenteiler 425. Der größte Teil des Lichts geht weiter zu den Elementen 405, 410, aber ein geringer Betrag wird abgesplittet und trifft auf den Positionsdetektor 450. In manchen Fällen kann das Licht eine Linse passieren, nachdem es von dem Strahlenteiler 425 reflektiert wurde, jedoch bevor es auf den Positionsdetektor 450 trifft. Der Positionsdetektor 450 kann von vielerlei Art sein – zum Beispiel kann es sich um einen lageabhängigen Detektor oder eine lichtempfindliche Matrix handeln. Ein lageabhängiger Detektor kann zum Beispiel ein Seiteneffekt-Detektor oder ein Quadrantendetektor sein. Eine lichtempfindliche Matrix kann zum Beispiel eine CMOS- oder CCD-Matrix sein. Positionsdetektoren reagieren auf die Position des zurückkehrenden Lichtstrahlenbündels. Die an den mechanischen Azimutachsen und den mechanischen Zenitachsen angebrachten Motoren werden von einem Steuerungssystem innerhalb des Trackers 10 eingestellt, um den zurückkehrenden Lichtstrahl möglichst nahe an dem Positionsdetektor 450 zentriert zu halten.
Der SMR 26 umfasst einen Körper mit einem sphärischen Außenabschnitt und einem Retroreflektor. Der sphärische Außenabschnitt enthält einen Hohlraum, der so bemessen ist, dass er einen würfeleckigen Retroreflektor aufnehmen kann, der zumindest teilweise in dem Hohlraum angeordnet ist. Der sphärische Außenabschnitt hat ein sphärisches Zentrum. Ein würfeleckiger Retroreflektor kann ein Freiluft-Würfeleck oder ein Glas-Würfeleck sein. Ein würfeleckiger Freiluft-Retroreflektor hat einen Innenabschnitt von Luft, während ein würfeleckiger Glas-Retroreflektor einen Innenabschnitt aus Glas aufweist.
Ein würfeleckiger Retroreflektor umfasst drei planare Reflektoren, die zueinander senkrecht stehen. Die drei planaren Reflektoren schneiden sich an einem gemeinsamen Scheitel, der im Idealfall ein Punkt ist. Jeder der planaren Reflektoren weist zwei Schnittverbindungen auf, wobei jede Schnittverbindung gemeinsam mit einem angrenzenden planaren Reflektor vorliegt, bei insgesamt drei Schnittverbindungen innerhalb des würfeleckigen Retroreflektors. Der würfeleckige Retroreflektor weist einen Innenabschnitt auf, der ein Raumbereich ist, der auf drei Seiten von den planaren Reflektoren umgeben ist. Im Fall eines würfeleckigen Freiluft-Retroreflektors, welcher Gegenstand der vorliegenden Anmeldung ist, umfasst der Hohlraum einen luftgefüllten Abschnitt innerhalb der drei planaren Reflektoren, der drei Schnittverbindungen und des Scheitels. Der Hohlraum ist zu einer Außenseite des Körpers offen, was ein Mittel bietet, um Licht in den Retroreflektor zu senden und vom Retroreflektor zu reflektieren.
Es gibt mindestens drei übliche Verfahren zur Herstellung von würfeleckigen Freiluft-Retroreflektoren: ein Replikationsverfahren, ein Spiegeleinführverfahren und ein ECM-Verfahren. 4 veranschaulicht das Replikationsverfahren. Ein Masterelement 510 wird sorgfältig maschinell bearbeitet, um die in dem endgültigen nachgebildeten Retroreflektor gewünschten Kennzeichen zu erzeugen. Zum Beispiel kann das Masterelement 510 so maschinell bearbeitet werden, dass jede der drei planaren Reflektorflächen 512 fast exakt senkrecht zu ihren beiden Nachbarn 512 steht. Die drei planaren Reflektorflächen 512 des Masterelements 510 können zu jedem der benachbarten Reflektoren innerhalb von einer oder zwei Bogensekunden senkrecht stehen. Das Masterelement 510 ist mit einem reflektierenden Material, wie Gold, beschichtet. Ein Würfeleck-Metallstück 520 umfasst einen maschinell bearbeiteten Rohling 522, der mit einer dünnen Klebschicht von einem Material wie Epoxidharz beschichtet ist. Das Würfeleck-Metallstück 520 wird mit dem Masterelement 510 in Kontakt gebracht. Dabei wird die Epoxidharzschicht mit der Form des Masterelements 510 in Übereinstimmung gebracht. Nachdem das Epoxidharz gehärtet ist und das Metallstück 520 von dem Masterelement 510 abgehoben wurde, klebt die Goldschicht an dem Epoxidharz, wodurch das Würfeleck-Metallstück 520 mit einer reflektierenden Beschichtung versehen wird.
Das zweite übliche Verfahren zur Herstellung von würfeleckigen Freiluft-Retroreflektoren ist das Spiegeleinführverfahren, bei dem Spiegelflächen, die in einem Würfeleckaufbau zusammengefügt sind, in einen Hohlraum in dem sphärischen Außenabschnitt eingefügt werden. Es werden drei Spiegelflächen so zusammengefügt, dass sie senkrecht zueinander stehen.
Das dritte übliche Verfahren zur Herstellung von würfeleckigen Freiluft-Retroreflektoren ist das elektrochemische maschinelle Bearbeitungsverfahren (Electromechanical Machining, ECM). In manchen Fällen sind der Retroreflektor und der sphärische Außenabschnitt zu einer einzelnen Einheit integriert. Ein solcher SMR kann zum Beispiel durch Entfernen des Hohlraums unter Verwendung einer Kombination aus herkömmlicher maschineller Bearbeitung und ECM erzeugt werden. Ein solches ECM-Verfahren kann verwendet werden, um drei zueinander senkrecht stehende Oberflächen, die eben und glatt sind, zu erzeugen. Solche Oberflächen können mit einer reflektierenden Beschichtung, wie Gold oder Silber, bedeckt werden, um die drei Reflexionsflächen bereitzustellen.
Ein SMR mit einem würfeleckigen Freiluft-Retroreflektor ist in den 5A–C veranschaulicht. 5A zeigt einen SMR 700, der einen sphärischen Außenabschnitt 720, einen würfeleckigen Freiluft-Retroreflektor 710, einen Kragen 905 und eine Bezugsmarkierung oder ein Bezugsmerkmal 930 umfasst. In einer Ausführungsform ist ein Hohlraum in dem sphärischen Außenabschnitt 720 so bemessen, dass er den würfeleckigen Retroreflektor 710 aufnehmen kann. Der würfeleckige Retroreflektor 710 ist zumindest teilweise in dem sphärischen Außenabschnitt 720, gegebenenfalls mit Klebstoff, angeordnet. Der Kragen 905 bietet einen Schutz für den würfeleckigen Retroreflektor 710 und einen angenehmen Griff. Die Bezugsmarkierung oder das Bezugsmerkmal 930 kann verwendet werden, um eine Ausrichtung des SMR im Raum zu erstellen, wie es hier weiter unten genauer besprochen wird. Das Bezugsmerkmal 930 kann auch ein strukturelles Merkmal sein, wie eine Vertiefung oder eine Erhebung. Es kann eine Seriennummer, ein Reflexionsbereich (wie bei 610 in 6A), ein Strichcode (wie bei 630 in 6B), ein Hochfrequenz-Kennungstag (Radio Frequency Identification, RFID) oder ein anderes Merkmal sein. In diesem Fall kann die Bezugsmarkierung grundsätzlich zum Beispiel als ein Zentrum, eine linke Seite oder eine rechte Seite eines gegebenen Merkmals ausgewählt werden. Das Bezugsmerkmal kann jedes Merkmal sein, dass es dem Benutzer oder einer Lesevorrichtung ermöglicht, eine Ausrichtung des Retroreflektors 710 zu erkennen. 5B zeigt eine Querschnittsansicht durch das Zentrum des SMR 700. Der Querschnitt zeigt, dass das Freiluft-Würfeleck 710 vom nachgebildeten Typ ist, aber es könnte ebensogut ein würfeleckiger Retroreflektor, der aus drei Spiegelflächen oder direkt unter Anwendung von ECM gebildet wird, verwendet werden. 5C zeigt eine Stirnansicht des SMR 700.
Die 6A–C zeigen drei Ausführungsformen von SMRs. In 6A umfasst der SMR 700 einen sphärischen Außenabschnitt 720, einen würfeleckigen Retroreflektor 710 und einen Kragen 905. Ein Bereich von reflektierendem Material 610 ist an der Stirnfläche des Kragens 905 in 6A platziert. Dieser Bereich von reflektierendem Material 610 wird von Licht von dem Lasertracker beleuchtet und seine Position durch eine auf dem Tracker angeordnete Positionsgeberkamera bestimmt. Zum Beispiel kann das Licht von den Lichtquellen 54 bereitgestellt werden und das Bild von dem beleuchteten SMR kann von einer oder mehr Positionsgeberkameras 52 erfasst werden, wie in 1 gezeigt ist. Die Position des Bereichs 610 kann verwendet werden, um eine Ausrichtung des SMR 700 zu ermitteln, wie hier weiter unten erläutert wird. In 6B umfasst der SMR 700 die gleichen Elemente wie in 6A, außer dass der Bereich von reflektierendem Material 610 durch ein Strichcodemuster 630 ersetzt wurde. Das Strichcodemuster 630 kann ein eindimensionales Strichcodemuster oder ein zweidimensionales Strichcodemuster sein. Zweidimensionale Strichcodemuster werden manchmal als Matrixstrichcodes, 2D-Strichcodes, 2D-Codes oder mit Namen wie QR bezeichnet, die die spezifische Form des Codes angeben. Der Strichcode kann dazu dienen, eine Kennung des SMR zur Verfügung zu stellen oder einen oder mehrere Parameter des SMR zu speichern, wie hier weiter unten genauer beschrieben wird. Der Strichcode 630 kann auch als Bezugsmarkierung (für die Funktion von 930 in 5A) oder als ein Bereich von reflektierendem Material dienen, um eine Ausrichtung des SMR 700 zur Verfügung zu stellen. Falls gewünscht, kann sich das Strichcodemuster um den gesamten Umfang des Kragenrands erstrecken, und nicht nur um einen Abschnitt des Rands, wie in 6B gezeigt ist. Falls gewünscht, kann die Art von Strichcodemuster, die als radiales Muster bekannt ist, verwendet werden. In 6C umfasst der SMR 700 die gleichen Elemente wie in 6A, außer dass der Bereich von reflektierendem Material 610 durch einen RF-Kennungschip 650 ersetzt wurde. Dieser Chip kann von einem RF-Sender/Empfänger abgefragt werden, der zum Beispiel eine in der Hand gehaltene Einheit oder eine Einheit, die sich auf einem Lasertracker 10 befindet, sein kann, um Informationen über den SMR 700 zu erhalten. Diese Informationen können eine Seriennummer oder ein oder mehrere Parameter des SMR 700 sein.
Die 7A, 7B zeigen eine Stirnansicht und eine Schnittansicht eines SMR 700. Der SMR umfasst einen sphärischen Außenabschnitt 720 und einen Retroreflektor 710. Der Retroreflektor 710 ist ein würfeleckiger Retroreflektor mit drei planaren Reflektoren 825AB, 825BC und 825AC, die zueinander senkrecht stehen und sich an drei Schnittverbindungen 810A, 810B und 810C und einem Scheitel 820 schneiden. In einem idealen SMR sind die drei Schnittverbindungen Schnittlinien und der Scheitel ist ein Punkt. In dieser Anmeldung wird der Begriff Linie oft verwendet, um eine Schnittverbindung zu bezeichnen, auch wenn die Verbindungsstelle nicht eine exakt gerade und klare Linie ist. In ähnlicher Weise wird der Begriff Scheitel oft verwendet, um die Schnittstelle des Bereichspunktes der drei Ebenen darzustellen, auch wenn der tatsächliche Schnittbereich kein perfekter Punkt ist. Der sphärische Außenabschnitt 720 hat ein Kugelzentrum 860, welches sich im Allgemeinen an einem anderen Punkt im Raum befindet als der Scheitel 820.
Eine Symmetrieachse 840 ist symmetrisch in Bezug auf die drei Schnittlinien 810A, 810B und 810C. Der Winkel zwischen der Symmetrieachse und jeder der drei Schnittlinien ist cos^–1(1/√3) = 54,7°. Eine Rundlaufebene 865, die durch das Kugelzentrum 860 geht, ist senkrecht zur Symmetrieachse 840 eingezeichnet. Die Symmetrieachse 840 schneidet die Rundlaufebene 865 in einem Schnittpunkt 870. Ein SMR-Fehlervektor 885, der sich von dem Scheitel 820 zum Kugelzentrum 860 erstreckt, wird in zwei Vektorkomponenten zerlegt: eine SMR-Tiefenfehler-Vektorkomponente 880, die sich vom Scheitel 820 zum Schnittpunkt 870 erstreckt, und eine SMR-Rundlauffehler-Vektorkomponente 890, die sich vom Schnittpunkt 870 zum Kugelzentrum 860 erstreckt. Die SMR-Tiefenfehler-Vektorkomponente 880 hat eine Länge gleich einem SMR-Tiefenfehler, und die SMR-Rundlauffehler-Vektorkomponente 890 hat eine Länge gleich einem SMR-Rundlauffehler. Die SMR-Tiefenfehler-Vektorkomponente 880 und die SMR-Rundlauffehler-Vektorkomponente 890 sind in 7B gezeigt, welche eine Seitenansicht eines Querschnitts ist, der in der Stirnansicht von 7A durch die Linie A-A gezeichnet ist. Der SMR hat ein SMR-Bezugssystem 730, das relativ zu dem SMR fixiert ist. Ein Beispiel für ein mögliches SMR-Bezugssystem ist in den 7A, 7B gezeigt. Alle Elemente des SMR, einschließlich des SMR-Fehlervektors, des SMR-Tiefenfehlervektors und des SMR-Rundlauffehlervektors, sind relativ zum SMR-Bezugssystem fixiert. Das SMR-Bezugssystem kann zweckmäßigerweise entweder am Scheitelpunkt 820 oder im Kugelzentrum 860 platziert werden.
Die Elemente von 7A, 7B sind in den 8A, 8B in einer Perspektivansicht gezeigt. 8A zeigt einen Abschnitt des SMR 700, der die drei planaren Reflektoren 825AB, 825BC, 825AC, die drei Schnittverbindungen 810A, 810B, 810C, den Scheitel 820 und die Symmetrieachse 840 zeigt. 8B zeigt eine vergrößerte Ansicht des Bereichs nahe des Zentrums des SMR, wobei der Scheitel 820 in einer Linie mit der Symmetrieachse 840 gezeigt ist. Die Rundlaufebene 865 ist senkrecht zur Symmetrieachse 840 und geht durch das Kugelzentrum 860 hindurch. Die Symmetrieachse schneidet die Rundlaufebene an einem SMR-Schnittpunkt 870. Der SMR-Fehlervektor 885 erstreckt sich von dem Scheitel 820 zum Kugelzentrum 860. Der SMR-Tiefenfehlervektor 880 erstreckt sich von dem Scheitel 820 zum SMR-Schnittpunkt 870. Der SMR-Rundlauffehlervektor 890 erstreckt sich von dem SMR-Schnittpunkt 870 zum Kugelzentrum 860.
9A zeigt einen Abschnitt 900 eines SMR, der einen Kragen 905 umfasst, auf dem ein Bezugsmerkmal 910 angebracht ist, das zum Beispiel eine Seriennummer oder ein Strichcode sein kann. In diesem Beispiel wird die Bezugsmarkierung 930 grundsätzlich als im Zentrum des Bezugsmerkmals 910 liegend ausgewählt. In einer anderen Ausführungsform ist die Bezugsmarkierung eine Linie 930, die in den Kragen eingeschrieben ist, wie in 5A. In einer anderen Ausführungsform ist die Bezugsmarkierung direkt an dem sphärischen Außenabschnitt 720 angebracht. Ein Bezugspunkt 932 ist der Bezugsmarkierung 930 zugeordnet. Eine SMR-Bezugsebene 920 umschließt den Bezugspunkt 932 und die Symmetrieachse 840.
Eine vergrößerte Perspektivansicht nahe des Zentrums des SMR ist in 9B gezeigt. Der Scheitelpunkt 820 ist in den beiden 9A, 9B gezeigt. Ein SMR-Bezugsstrahl 940 ist ein Strahl, der mit der Schnittlinie zwischen der SMR-Bezugsebene 920 und der SMR-Rundlaufebene 865 zusammenfällt, wobei der SMR-Bezugsstrahl 940 an dem SMR-Schnittpunkt 870 beginnt und über die Hälfte der SMR-Bezugsebene 920 gelenkt wird, die den Bezugspunkt 932 enthält. Der Winkel zwischen dem SMR-Bezugsstrahl 940 und dem SMR-Rundlauffehlervektor 890 ist der SMR-Rundlaufbezugswinkel 950. Der numerische Wert des SMR-Rundlaufbezugswinkels eines besonderen SMR ist eine Eigenschaft dieses SMR. In einer Ausführungsform werden der SMR-Tiefenfehler, der SMR-Rundlauffehler und der SMR-Rundlaufbezugswinkel für jeden SMR durch Ausführung von Messungen wie nachstehend besprochen bestimmt.
9C zeigt den gleichen Abschnitt 900 eines SMR wie in 9A. Ein Lichtstrahlenbündel 46 von einer Vorrichtung 10 schneidet den Scheitelpunkt 820. Ein Strahlenbündel-Tiefenfehlervektor 962 hat eine Größe gleich dem SMR-Tiefenfehler 880 und erstreckt sich entlang der Richtung des Strahlenbündels 46 von dem Scheitelpunkt 820 zu einem Strahlenbündel-Schnittpunkt 970, wie in einer vergrößerten Perspektivansicht nahe des Zentrums des SMR in 9D gezeigt ist. Eine Strahlenbündel-Rundlaufebene 965 umfasst den Strahlenbündel-Schnittpunkt 970 und steht senkrecht zum Strahlenbündel-Tiefenfehlervektor 962. Eine Strahlenbündel-Bezugsebene 975 umschließt den Bezugspunkt 932 und den Strahlenbündel-Tiefenfehlervektor 962.
Ein Strahlenbündel-Bezugsstrahl 972 ist ein Strahl, der mit der Schnittlinie zwischen der Strahlenbündel-Bezugsebene 975 und der Strahlenbündel-Rundlaufebene 965 zusammenfällt, wobei der Strahlenbündel-Bezugsstrahl 965 an dem Strahlenbündel-Schnittpunkt 970 beginnt und entlang der Hälfte der Strahlenbündel-Bezugsebene 975 gelenkt wird, die den Bezugspunkt 932 enthält. Der Winkel zwischen dem Strahlenbündel-Bezugsstrahl 972 und dem Strahlenbündel-Rundlauffehlervektor 976 ist der Strahlenbündel-Rundlaufbezugswinkel 982. In dem Maße, wie das Lichtstrahlenbündel 46 nicht mit der Symmetrieachse 840 fluchtet, gibt es eine Differenz zwischen den berechneten 3D-Koordinaten des Kugelzentrums 978 und den tatsächlichen 3D-Koordinaten 860 des Kugelzentrums. Diese Differenz wird weiter anhand von 12A–E besprochen.
Messungen werden an jedem SMR vorgenommen, um die Position des Kugelzentrums relativ zum Scheitel zu bestimmen. Die Ergebnisse solcher Messungen können auf mehrere verschiedene Arten beschrieben werden. Eine solche Beschreibung des Kugelzentrums relativ zum Scheitelpunkt umfasst den SMR-Tiefenfehler 880, den SMR-Rundlauffehler 890 und den SMR-Rundlaufbezugswinkel 950. Eine andere, aber äquivalente Beschreibung umfasst Komponentenlängen des SMR-Fehlervektors unter Verwendung von kartesischen Koordinaten. Zum Beispiel können solche Komponentenlängen entlang der kartesischen Achsen x, y, z innerhalb eines Bezugssystems des SMR, wie des Bezugssystems 730 der 7A, 7B, gegeben sein. Nun werden einige alternative Beschreibungen angegeben. Andere Koordinatensysteme sind auch möglich, wie es dem durchschnittlichen Fachmann klar sein wird.
9B zeigt das Bezugssystem 40, welches an dem SMR befestigt ist, wie in 1 gezeigt. Wird der Scheitel 820 als Ursprung in dem Bezugssystem 40 genommen, sind die 3D-Koordinaten des Kugelzentrums (C) in dem Bezugssystem 40 als (x_c, y_c, z_c) gegeben, wobei x_c der SMR-Tiefenfehler ist und y_c, z_c Koordinaten in der SMR-Rundlaufebene eines SMR-Rundlauffehlervektors sind. In diesem Fall wird die z-Achse entlang der Richtung des SMR-Bezugsstrahls 940 genommen. Ein alternativer Ansatz ist die Verwendung eines Bezugssystems 988, bei dem die z_c‘"-Achse mit der Position des maximalen Rundlaufs ausgefluchtet ist, was bedeutet, dass die z_c"'-Achse mit dem SMR-Rundlauffehlervektor 890 ausgefluchtet ist. In diesem Fall sind die 3D-Koordinaten des Kugelzentrums (C) als (x_c‘‘‘, y_c‘‘‘, z_c‘‘‘) = (x_c‘‘‘, 0, z_c"') gegeben, da y_c''' in diesem Fall null ist. Das Bezugssystem 988 kann durch Ausfluchtung der Bezugsmarkierung 930 mit der Position des maximalen Rundlaufs des Retroreflektors umgesetzt werden.
Ein kartesisches Bezugssystem kann auch auf die Strahlenbündel-Rundlaufebene 965 angewandt werden. 9D zeigt das Bezugssystem 996. Wird der Scheitel 820 als der Ursprung in dem Bezugssystem 996 genommen, sind die 3D-Koordinaten des berechneten Kugelzentrums 978 basierend auf der Richtung des Strahlenbündels (B) von Licht als (X_B, Y_B, Z_B) gegeben, wobei X_B der SMR-Tiefenfehler entlang der Richtung des Lichtstrahlenbündels (der X_B-Achse) ist und Y_B, Z_B Koordinaten in der Strahlenbündel-Rundlaufebene des Strahlenbündel-Rundlauffehlervektors sind. Die Größen der Komponenten Y_B, Z_B sind die gleichen wie die Größen der Komponenten Y_C, Z_C, nur dass sie von der Ebene 865 zur Ebene 965 verschoben sind. Ein alternativer Ansatz besteht darin, ein Bezugssystem 998 zu verwenden, für welches die Z‘_B-Achse mit dem Strahlenbündel-Rundlauffehlervektor 976 ausgefluchtet ist. In diesem Fall sind die 3D-Koordinaten des berechneten Kugelzentrums (B) als (X‘_B, Y‘_B, Z‘_B) = (X’_B, 0, Z‘_B) gegeben, da Y‘_B in diesem Fall null ist.
Es gibt viele Möglichkeiten, die Position des Kugelzentrums 860 relativ zum Scheitel 820 zu ermitteln. Ein Verfahren besteht darin, den SMR mit einem kartesischen Koordinatenmessgerät (Cartesian Coordinate Measuring Machine, CMM) zu messen. Mit diesem Verfahren kann die Position des Scheitels relativ zu dem Kugelzentrum auf einen Bruchteil eines Mikrometers genau ermittelt werden. Zum Beispiel kann mit einem sehr guten kartesischen CMM eine erweiterte Unsicherheit der Position des Zentrums relativ zum Scheitel besser als 0,4 Mikrometer entlang jeder der drei kartesischen Achsen x, y, z sein. Dieser Fehler ist viel geringer als der Zentrierfehler eines SMR, was bei einem typischen SMR 0,0005 Zoll = 12,7 Mikrometer entlang der Achsen x, y, z ausmacht. Bei einem sehr guten SMR können die spezifizierten Zentrierfehler-Komponenten bis zu 0,0001 Zoll = 2,54 Mikrometer gering sein.
Bei einer anderen Art, die Tiefe des Kugelzentrums 860 relativ zum Scheitel 820 zu messen, wird ein Absolutinterferometer oder eine andere Art von ADM mit einer hohen Genauigkeit genutzt. In einer Ausführungsform ist ein kinematisches Nest, das dafür ausgelegt ist, einen sphärisch geformten Gegenstand wiederholt zu zentrieren, so angeordnet, dass es auf einem SMR nach oben geschoben werden kann. Ein Bezugs-SMR wird mit einem genauen kartesischen CMM gemessen, um den SMR-Fehlervektor 885 zu ermitteln. Der Bezugs-SMR wird in dem Nest platziert und das Absolutinterferometer wird verwendet, um den Abstand entlang einer Horizontalen von dem Absolutinterferometer bis zum Scheitel des SMR zu messen. Ein zu prüfender SMR wird als nächstes in dem Nest platziert und die Messung wird wiederholt. Der SMR-Tiefenfehler des Bezugs-SMR, E_DepthRefSMR, wird als im Allgemeinen positiv in der Richtung von einer Abstandsmessvorrichtung zum SMR angenommen. Dann lautet der SMR-Tiefenfehler eines Prüf-SMR, folgend der vorstehenden Prozedur, E_DepthTestSMR = d_TestSMR – d_RefSMR + E_DepthRefSMR (1) wobei d_TestSMR, d_RefSMR die gemessenen Abstände zum zu prüfenden SMR bzw. zum Bezugs-SMR sind.
Eine andere Art, den SMR-Rundlauffehler und den SMR-Rundlaufbezugswinkel (oder äquivalent die kartesischen Fehler in der SMR-Rundlaufebene) zu messen, besteht darin, ein SMR unter einem Mikroskop gemäß einem auf dem Fachgebiet allgemein bekannten Verfahren zu drehen. Eine Beschreibung dieses Verfahrens ist in Abschnitt B-2.1 von Anhang B des ASME-Standards B89.4.19-2006, Performance Evaluation of Laser-Based Spherical Coordinate Measurement Systems angegeben, welches hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Mit diesem Verfahren wird ein zu prüfender SMR auf einem kinematischen Nest platziert, das auf einem Mikroskopständer ruht. Eine Lichtquelle beleuchtet den Rahmen des Mikroskops. Der Fokus wird so eingestellt, dass ein Staubkorn (oder ein anderer kleiner Gegenstand) auf dem Mikroskoprahmen gesichtet werden kann. Ein Bediener dreht den SMR um das Kugelzentrum innerhalb des kinematischen Nests und beobachtet durch das Mikroskop den Radius des Rundlaufkreises. Der beobachtete Radius wird durch vier geteilt, um den SMR-Rundlauffehler zu erhalten, der die Größe des SMR-Rundlauffehlervektors 890 ist. Die in diesem Absatz besprochene Prozedur wird als ein Verfahren zum Bestimmen verwendet, ob ein SMR seine Rundlauf-(Zentrier)-Spezifikationen erfüllt. Zum Beispiel kann ein Hersteller eine Spezifikation für einen SMR unter der Angabe, dass der SMR einen Zentrierfehler von weniger als 0,0005 Zoll aufweist, liefern. Dies würde so interpretiert werden, dass der SMR einen SMR-Tiefenfehler von weniger als 0,0005 Zoll und einen SMR-Rundlauffehler von weniger als 0,0005 Zoll hat. Obwohl der Tiefenfehler und der Rundlauffehler in der Vergangenheit für SMRs gemessen worden sind, wurde bisher keine Vorkehrung getroffen, dass ein Prozessor diese Werte verwendet, um die Ablesungen der Vorrichtung 10 basierend auf SMR-Kompensationsparametern zu korrigieren, wobei die Kompensationsparameter Informationen zur SMR-Tiefenfehler- und Rundlauffehler-Vektorkomponente umfassen können.
Die beobachtete Position des SMR-Rundlauffehlers relativ zu einer Bezugsmarkierung auf dem SMR kann verwendet werden, um den SMR-Rundlaufbezugswinkel 950 zu bestimmen. In einer Ausführungsform, die weiter anhand der 19A, 19B besprochen wird, wird die Bezugsmarkierung 930 mit der beobachteten Position des maximalen Rundlaufs während der Prüfprozedur ausgefluchtet. Die Wirkung hiervon liegt darin, den SMR-Rundlaufbezugswinkel gleich null einzustellen. In einer Ausführungsform platziert ein für die Kalibrierung zuständiger Labortechniker die Bezugsmarkierung 930 auf die Position des maximalen Rundlaufs. Mit anderen Worten platziert der Labortechniker den Bezugspunkt 932 innerhalb der Bezugsebene 920.
Neben Fehlern bei der SMR-Zentrierung (SMR-Tiefenfehler- und SMR-Rundlauffehler-Vektorkomponente) gibt es auch Fehler im SMR-Radius. Mit anderen Worten ist der SMR-Radius nicht genau der, der in den Spezifikationen eines Herstellers angegeben ist. Als Beispiel werden einige SMRs von guter Qualität aus Stahlkugeln der Qualität 25 mit einer Durchmessertoleranz von ±0,0001 Zoll = ±2,54 Mikrometern hergestellt, was äquivalent zu einer Radiustoleranz von ±1.27 Mikrometern ist. Mit anderen Worten wird bei einem SMR, der mit dieser Art von Stahlkugel hergestellt wird, erwartet, dass der tatsächliche SMR-Radius innerhalb ±1,27 Mikrometern des nominalen (spezifizierten) Radius liegt, und zwar zumindest in Abschnitten der sphärischen Oberfläche, die nicht zu nahe am Hohlraum liegen, der den Retroreflektor aufnimmt.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Radius eines SMR zu messen. Es kann ein kartesisches CMM verwendet werden, um den Radius eines zu prüfenden SMR genau zu messen. Der Radiusfehler wird ermittelt, indem man die Differenz zwischen dem gemessenen Radius und einem Bezugs- oder Nominalradius nimmt.
Ein Absolutinterferometer kann auch verwendet werden, um den Radiusfehler eines zu prüfenden SMR zu messen. Mit diesem Verfahren wird eine Bezugskugel (Ball) mit einem Koordinatenmessinstrument, wie einem kartesischen CMM oder der Talyrond^®-Rundheit-Messvorrichtung, gemessen, um den Radius der Bezugskugel zu ermitteln. In einer Ausführungsform ist ein kinematisches Nest, das dafür ausgelegt ist, einen sphärisch geformten Gegenstand wiederholt zu zentrieren, so angeordnet, dass es auf einer sphärischen Oberfläche nach oben geschoben werden kann. Die Bezugskugel wird in dem Nest platziert und das Absolutinterferometer wird auf die Kugeloberfläche entlang einer Linie senkrecht zur Oberfläche fokussiert. Das Absolutinterferometer misst einen Abstand von dem Interferometer zur Oberfläche. Ein zu prüfender SMR wird in dem Nest platziert. Der SMR wird gedreht, so dass das Strahlenbündel von dem Absolutinterferometer mit einem normalen Vektor zum sphärischen Außenabschnitt 720 kollinear sein kann, und das Absolutinterferometer wird verwendet, um den Abstand zu messen. Die Differenz zwischen dem gemessenen Abstand zu dem zu prüfenden SMR und dem gemessenen Abstand zur Testkugel ist der Radiusfehler.
Änderungen der Temperatur des SMR können bewirken, dass beim Scheitel 820 die Position relativ zum Kugelzentrum 860 verschoben wird. Solche Änderungen der SMR-Temperatur können sich ergeben aus (1) Änderungen der Umgebungstemperatur der Luft, die den SMR umgibt, (2) der Erwärmung des SMR durch die Hand des Bedieners, und (3) einem Kontakt zwischen dem SMR und einem relativ warmen Gegenstand, wie einem Ausgangspositionsnest 17 eines Lasertrackers 10 in 1.
Bei manchen Arten von SMRs kann die Wirkung der Temperatur relativ gering sein. Zum Beispiel wird, wie vorstehend besprochen, eine Art von SMR aus einem einzelnen Stück Stahl gefertigt, in das die drei zueinander senkrecht stehenden Oberflächen unter Verwendung von ECM geätzt werden. Bei dieser Art von SMR wird die Änderung des SMR-Tiefenfehlers mit der Temperatur gleich dem Koeffizienten der Wärmeausdehnung (CTE) mal die Änderung der SMR-Temperatur mal der anfängliche SMR-Tiefenfehler sein. Falls der anfängliche SMR-Tiefenfehler 0,001 Zoll = 25,4 Mikrometer beträgt und der SMR aus Stahl mit einem Koeffizienten der Wärmeausdehnung von 11,5 Mikrometern/Meter/°C gefertigt ist, beträgt die Änderung des SMR-Tiefenfehlers über eine Änderung der SMR-Temperatur von 30 Grad Celsius (25,4 × 10^–6)(11,5)(30) Mikrometer = 0,009 Mikrometer, was ein vernachlässigbarer Betrag ist.
Bei einigen anderen Arten von SMRs sind die thermischen Auswirkungen größer. Betrachten wir zum Beispiel die Art von SMR, die ein Aluminium-Metallstück umfasst, das in einen sphärischen Außenabschnitt von Stahl mit einem Durchmesser von 1,5 Zoll (38,1 mm) gegeben wurde. Angenommen, das Aluminium-Metallstück erstreckt sich 10 mm unterhalb des Scheitels und wird an dieser Position an den Stahlabschnitt geklebt. Beachtet man nicht die Wärmeausdehnung der Klebebindung und berücksichtigt man einen Kontaktpunkt, an dem die Symmetrieachse den sphärischen Außenabschnitt schneidet, ist die relative Änderung der Scheitelposition mit der Temperatur die Differenz der CTE-Werte für Aluminium und Stahl mal die Erstreckung von 10 mm mal die Temperaturänderung. Angenommen, der CTE von Stahl beträgt 11,5 Mikrometer/Meter/°C, der CTE von Aluminium 23 Mikrometer/Meter/°C, die Tiefenerstreckung 10 mm und die Temperaturänderung 30 °C. Die Änderung des Scheitels relativ zu dem Kugelzentrum beträgt dann (0,01)(23 – 11,5)(30) Mikrometer = 4,45 Mikrometer.
Um die Bewegung des SMR-Scheitels in Folge der Wärmeausdehnung zu korrigieren, kann ein Temperatursensor, wie ein Thermistor oder RTD, in den SMR eingebettet werden. In einer Ausführungsform, die in den 10A, 10B, 10C gezeigt ist, ist eine kleine Anschlusssteckdose 1030 an oder in dem SMR 1000 angeordnet. Die Anschlusssteckdose ist durch eine Sammlung von Drähten 1032 (typischerweise zwei oder drei Drähten) an dem Temperatursensor 1034 angebracht. Der Temperatursensor 1034 kann ein Thermistor, RTD, Thermoelement oder eine andere Vorrichtung sein. Ein Sensorkabel 1040 umfasst eine zweite Sammlung von Drähten 1044, die an einem Ende des Kabels 1040 an einem ersten Verbindungsstück 1042 und an dem entgegengesetzten Ende des Kabels an einem zweiten Verbindungsstück 1046 angebracht ist. Das erste Verbindungsstück 1042 ist mit der Anschlusssteckdose 1030 verbunden und das zweite Verbindungsstück 1046 ist mit einem Temperaturmesssystem verbunden, das auf einem Lasertracker 10, einem Rechner 80, einem Zubehörkasten 70, einem Temperaturmesser oder einer anderen Vorrichtung angeordnet ist. Viele Arten von Temperaturmesssystemen können verwendet werden. Ein einfaches Temperaturmesssystem (nicht gezeigt) kann eine Elektronik basierend auf einer Wheatstone-Brücke mit drei internen Widerständen umfassen. Ein erster interner Widerstand kann mit einer Spannungsquelle verbunden sein, ein zweiter interner Widerstand kann mit Masse verbunden sein, und der externe Temperatursensor 1034 und die Drähte in dem Kabel 1044 liefern einen vierten externen widerstandsfähigen Leitungszweig der Brücke. Solche Temperaturmesssysteme sind in der Technik allgemein bekannt. Das Temperaturmesssystem wandelt beobachtete Spannungen in eine Temperatur des SMR um. Im Speicher gespeicherte Koeffizienten können dann verwendet werden, um die Position des Scheitels relativ zum Kugelzentrum zu korrigieren. Der Speicher kann in einem Lasertracker 10, einem Rechner 80, einem Zubehörkasten 70 oder einer anderen Vorrichtung enthalten sein. Es werden Messungen für eine besondere Art von SMR im Voraus ausgeführt, um Informationen zu erhalten, die Kennzeichen der SMR-Wärmeausdehnung beschreiben. In einem einfachen Fall kann ein einzelner CTE-Wert oder ein CTE-Wert mal der SMR-Tiefenfehler ausreichend sein, um die Scheitelbewegung relativ zum Kugelzentrum zu beschreiben. Zum Beispiel kann in dem vorstehend angegebenen Beispiel, bei dem sich der Scheitel über 30 Grad Celsius um 4,45 Mikrometer bewegt, der einzelne Parameter verwendet werden, um einen Wert von 0,1483 für CTE mal den Tiefenfehler zu ergeben, wobei der Wert Einheiten von Mikrometer pro Grad Celsius hat. In einer anderen Ausführungsform ist eine Wertetabelle oder Koeffiziententabelle vorgesehen.
Die Verwendung eines eingebetteten Temperatursensors 1034 mit einem Sensorkabel 1040 hat den Vorteil, dass keine Batterie, kein Temperaturkreis und kein drahtloses Kommunikationssystem innerhalb des SMR erforderlich ist. Mit diesem System kann ein SMR geprüft werden, zum Beispiel, wenn der SMR in eine Trackerausgangsposition zurückgebracht wird.
Wie in 10D gezeigt ist, besteht eine Möglichkeit darin, das Kabel 1040 durch die Steckdose 1052 mit dem Temperaturelektronikmodul 1050 zu verbinden. In einer in 10E veranschaulichten Ausführungsform liefert eine Batterie 1054 Elektroenergie über Drähte 1062 zum eingebetteten Temperatursensor 1034, zur Temperaturverarbeitungselektronik 1056 und zur drahtlosen Kommunikationselektronik 1058. In einer Ausführungsform umfasst die Temperaturverarbeitungselektronik 1056 eine Wheatstone-Brücke, Widerstände und einen Mikroprozessor, um ein digitales Signal durch den Draht 1064 zur drahtlosen Kommunikationselektronik 1058 zu senden. Das digitale Signal stellt eine von dem Temperatursensor 1034 gemessene Temperatur dar. In einer Ausführungsform startet die drahtlose Kommunikationselektronik 1058 eine digitale Darstellung der gemessenen Temperatur über die Antenne 1059. In einer Ausführungsform ist die drahtlose Kommunikationselektronik dafür ausgelegt, die digitale Darstellung in regelmäßigen Intervallen, zum Beispiel alle fünf Minuten, über die Antenne 1059 zu senden. Die Intervallzeit kann so ausgewählt werden, dass sie geeignete Temperaturinformationen bereitstellt, während Batterieleistung geschont wird. Das drahtlose Signal von der Antenne 1059 kann von der Elektronik innerhalb einer Vorrichtung 10 empfangen werden, die in 1 gezeigt ist, und die empfangenen Temperaturwerte werden verwendet, um die Kompensation der 3D-Koordinaten des SMR-Kugelzentrums zu verbessern. In einer Ausführungsform kann das Temperaturelektronikmodul 1050 in eine Tasche des Bedieners – zum Beispiel in eine Hemdtasche oder eine Hosentasche – gesteckt werden.
In einer in 10F gezeigten Ausführungsform kann die Temperaturverarbeitungselektronik 1050 am Handgelenk eines Bedieners befestigt werden. In einer Ausführungsform trägt der Bediener einen Handschuh 1070, in dem die Temperaturverarbeitungselektronik 1050 und das Kabel 1040 integriert sind. In einer Ausführungsform ist der Handschuh ein isolierender Handschuh, um die Wärmeübertragung von der Hand des Bedieners auf den SMR 1000 zu minimieren. In einer anderen Ausführungsform ist der Handschuh kein isolierender Handschuh, hat jedoch Fingeröffnungen, um die direkte Handhabung des SMR durch den Bediener zu ermöglichen. In einer anderen Ausführungsform trägt der Bediener keinen Handschuh. Stattdessen ist die Temperaturverarbeitungselektronik 1050 direkt am Handgelenk des Bedieners angebracht, zum Beispiel durch einen Gurt oder ein elastisches Band.
11 zeigt eine Schnittstellenkomponente 1120, die an einem SMR 1100 angebracht ist. Die Schnittstellenkomponente 1120 kann eine Anzahl von möglichen Elementen enthalten. Die Schnittstellenkomponente 1120 kann mit einem Temperatursensor verbunden werden, der innerhalb des SMR 1100 angebracht ist. Die Antenne 1130 kann verwendet werden, um drahtlose Daten in Form von Hochfrequenzsignalen zu senden und/oder zu empfangen. Eine solche Antenne kann an einer kleinen Leiterplatte angebracht werden, die von einer kleinen Batterie 1128 betrieben wird, die in die Schnittstellenkomponente 1120 passt. Die kleine Leiterplatte kann aus einem starr-flexiblen Material gefertigt sein, das es ermöglicht, eine sehr kompakte Schaltung innerhalb der Schnittstellenkomponente einzuschließen. Durch Vorsehen eines Temperatursensors und eines drahtlosen Kommunikationssystems, das mit Batterie betrieben wird, kann die Temperatur des SMR zu jeder Zeit bekannt sein, so dass die Messungen der 3D-Koordinaten des SMR 1100 möglichst genau sind.
Numerische Werte, die als Möglichkeit, genauere 3D-Messungen zu ermöglichen, verwendet werden, um Ungenauigkeiten in SMRs zu kompensieren, werden als SMR-Kompensationsparameter bezeichnet. SMR-Kompensationsparameter werden typischerweise in einem Speicher einer Messvorrichtung oder einer Rechenvorrichtung gespeichert. Zum Beispiel können SMR-Kompensationsparameter in einem Speicher des Lasertrackers 10 von 1 gespeichert werden. Ein Prozessor innerhalb des Lasertrackers 10 kann verwendet werden, um die 3D-Koordinaten des Kugelzentrums des SMR 26 zu korrigieren. Alternativ kann ein Prozessor innerhalb eines externen Rechners 80, einer Hilfsvorrichtung oder einer vernetzten Rechenvorrichtung verwendet werden, um auf in dem Speicher gespeicherte Kompensationswerte zuzugreifen und diese Werte zu verwenden, um die 3D-Koordinaten des Kugelzentrums zu korrigieren. Solche Kompensationen können Differenzen in der Position des Scheitels relativ zu dem Kugelzentrum berücksichtigen. Solche Kompensationen können auch die Wirkung von Fehlern in dem Kugelradius unter Verwendung von hier weiter unten mit Bezug auf die 14 bis 17 beschriebene Verfahren berücksichtigen.
In manchen Fällen erfolgen Kompensationsberechnungen innerhalb eines Prozessors einer Messvorrichtung, wie eines Lasertrackers. Zum Beispiel kann der Trackerprozessor den SMR, der für eine besondere Messung verwendet wird, identifizieren und automatisch Kompensationsberechnungen für diesen SMR ausführen, um die gemessenen Scheitel-3D-Koordinaten zu Kugelzentrum-3D-Koordinaten zu transformieren. In anderen Fällen können Kompensationen durch Anwendungssoftware vorgenommen werden. Zum Beispiel kann Anwendungssoftware die Position und Ausrichtung des SMR durch Vornehmen von mehreren Messungen berücksichtigen und Kompensationsberechnungen für den SMR-Radius vornehmen, um Fehler auszuschalten. Im Allgemeinen kann der Begriff Prozessor so verstanden werden, dass er einen Prozessor in einer Vorrichtung wie einem Tracker, einen Prozessor in einem externen Rechner oder einen Prozessor in beiden bedeutet.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, durch die SMR-Kompensationsparameter in den Speicher eingegeben werden können. In einer Ausführungsform sind bei den SMRs, die mit der Vorrichtung 10 von der Fabrik angeliefert werden, die Kompensationsparameter bereits in den Speicher geladen. In einer anderen Ausführungsform wird der Benutzer mit einer Liste von numerischen Kompensationswerten für jeden SMR versorgt. Innerhalb der Vorrichtung 10 eingebettete Anwendungssoftware bietet ein Mittel, durch das der Benutzer die numerischen Werte eingeben kann. Solche Werte müssen nur einmal eingegeben werden, da sie im Speicher innerhalb der Vorrichtung 10 gespeichert werden. In einer anderen Ausführungsform sind die SMR-Kompensationsparameter in einem Flash-Laufwerk, einer CD-ROM oder einem anderen Medium, das von der Vorrichtung 10 gelesen wird, einem Rechner 80 oder einer anderen Komponente zur automatischen Speicherung in dem Speicher vorgesehen. In einer anderen Ausführungsform werden numerische Werte für Kompensationsparameter über ein Netz in den Tracker heruntergeladen. In einer anderen Ausführungsform sind SMR-Kompensationsparameter in einen eindimensionalen oder zweidimensionalen Strichcode 630 codiert. Ein Strichcodelesegerät kann die SMR-Kompensationswerte auf dem Strichcode auslesen und diese automatisch in den Speicher in der Vorrichtung 10 herunterladen.
In einer Ausführungsform weist eine Nahbereichskamera 56, die in 1 gezeigt ist, direkt auf einen SMR, wenn die Vorrichtung 10 sich auf einen SMR in einem der Ausgangsnester 17 feststellt (wenn sie mit dem Tracking beginnt). In der Vorrichtung 10 aus 1 ist die Kamera 56 über der Öffnung platziert, durch welche das Lichtstrahlenbündel 46 ausgegeben wird. Um sicherzugehen, dass die Kamera einen SMR-Strichcode deutlich lesen kann, kann der Kameraaufbau zu einem Zentrum eines in einer Ausgangsposition 17 platzierten SMR weisen. Mit anderen Worten kann für den in 1 gezeigten Fall die optische Achse der Kamera eher nach unten eher parallel zum Lichtstrahlenbündel 46 weisen. Außerdem ist in einer Ausführungsform die Kamera 46 dafür ausgelegt, deutlich einen SMR in einem Ausgangsnest 17 zu fokussieren. Dies ist im Allgemeinen anders als bei den Kameras 52, welche für gewöhnlich so gestaltet sind, dass sie Retroreflektoren fokussieren, die relativ weit vom Tracker entfernt sind. In einer Ausführungsform hat die Kamera 56 ein Gesichtsfeld, das klein genug ist, um eine ausreichende Auflösung für einen Strichcode oder eine Seriennummer bereitzustellen. Zum Beispiel kann das Gesichtsfeld für eine solche Kamera etwa 20 Grad betragen. Das kleine Gesichtsfeld und der klare Fokus an der Ausgangsposition kann erhalten werden, indem die Brennweite korrekt ausgewählt wird und die Position der Linse in der Kamera 56 eingestellt wird. Die Kombination aus einer optimalen Zeigerichtung (zu den Ausgangspositionen 17 hin), einer fokussierten Bedingung an der Ausgangsposition 17 und einem relativ kleinen Gesichtsfeld gewährleisten, dass eine relativ kostengünstige Kamera 56 die Markierungen auf einem Strichcode 610 klar auflösen kann, wobei es sich zum Beispiel um einen eindimensionalen oder einen zweidimensionalen Strichcode handeln kann. Ferner werden jegliche Lichter in der Nähe des SMR während des Betriebs der Kamera 56 ausgeschaltet, um zu gewährleisten, dass die lichtempfindliche Matrix der Kamera nicht von einem hellen retroreflektierten Licht geblendet wird. Für gewöhnlich müssen alle Lichter mindestens um einen Retroreflektordurchmesser von der Kante des Retroreflektors entfernt angeordnet sein, um diese Blendwirkung zu verhindern. Mit anderen Worten sollte, wenn der Retroreflektor ein würfeleckiger Freiluft-Retroreflektor mit einem kreisförmigen Querschnitt und einem Durchmesser von einem Zoll ist, sich jegliches Licht mindestens einen Zoll (2,54 cm) von einer Außenkante des Retroreflektors entfernt befinden. Da das aus dem Tracker austretende Laserstrahlenbündel 46 kollimiert wird und auf den Retroreflektor im Zentrum trifft, wird in den meisten Fällen nur wenig Licht zurück in die Kamera 56 gestreut. Wenn das Laserstrahlenbündel 46 jedoch zu hell ist, kann es während des Lesens des Strichcodes auf dem SMR ausgeschaltet werden. In einer Ausführungsform wird die Kamera 56 in Kombination mit einer optischen Zeichenerkennungssoftware (OCR) verwendet, um eine Seriennummer zu lesen.
Soweit das Zurücksetzen des SMR-Abstands an der Ausgangsposition routinemäßig erfolgt, kann eine Messung des Strichcodes auf dem SMR im Zusammenhang mit der Ausgangspositionsmessung erfolgen, ohne dass zusätzliche Schritte seitens des Bedieners notwendig sind. In einem beispielhaften Verfahren wird der SMR in der Ausgangsposition angeordnet. Der Tracker schaltet zunächst die Kamera ein, um den Strichcode zu sichten und die SMR-Parameter zu extrahieren. Dann schaltet er das Lichtstrahlenbündel ein, sendet es zum Scheitel, misst den Abstand und setzt den Abstand auf einen Ausgangsbezugswert zurück. Um den Distanzmesser auf möglichst genaue Weise auf den Ausgangsbezugswert zurückzusetzen, stellt in einer Ausführungsform die Software innerhalb des Trackers den Abstandswert so ein, dass er an dem SMR-Kugelzentrum und nicht am Scheitelpunkt angewandt wird. Dies ist wichtig, da dadurch gewährleistet wird, dass der Ausgangsbezugswert bei allen SMRs korrekt angewandt wird, unabhängig von dem SMR-Tiefenfehler. Um das Kugelzentrum so genau wie möglich zu bestimmen, sollte der SMR in einer bevorzugten Ausrichtung innerhalb des Ausgangspositionsnestes 17 angeordnet werden, oder die Kamera 56 sollte verwendet werden, um die Ausrichtung des SMR in dem Ausgangspositionsnest automatisch zu bestimmen. Diese Verfahren der Ermittlung der Position des SMR in dem Ausgangspositionsnest werden hier nachstehend genauer besprochen. In 17 gibt es drei verschiedene Ausgangspositionsnester, die so bemessen sind, dass sie drei unterschiedlich große SMRs aufnehmen können. In einer Ausführungsform sind die SMRs so bemessen, dass sie SMRs mit Durchmessern von 1,5, 0,875, und 0,5 Zoll (3,81 cm, 2,22 cm, 1,27 cm) aufnehmen können. Für jedes dieser Ausgangspositionsnester wird ein anderer Ausgangsbezugswert vorgesehen.
In einer Ausführungsform sind die SMR-Kompensationsparameter in einen RFID-Tag 650 codiert. Die codierten Informationen werden unter Verwendung eines RFID-Lesegeräts abgerufen, das an der Nutzmasse 12, vielleicht an Stelle der Nahbereichskamera 56, angebracht werden kann. Die abgerufene Seriennummer kann verwendet werden, um von einem vernetzten System (der Cloud) oder von einer Datenbank von Informationen, die innerhalb einer Vorrichtung, wie einem Tracker oder einem Rechner, gespeichert sind, auf die SMR-Daten zuzugreifen.
Im allgemeinen Fall empfängt eine 3D-Koordinatenmessvorrichtung, wie ein Lasertracker 10, gemessene 3D-Koordinaten von dem SMR-Scheitel, zum Beispiel durch Messen eines Abstands und zweier Winkel zum SMR. Die SMR-Kompensationsfaktoren werden auf die gemessenen 3D-Koordinaten des Scheitels angewandt, um die 3D-Koordinaten des Kugelzentrums unter Verwendung von nun beschriebenen Verfahren zu erhalten. Wird eine Messung vorgenommen, hält der Bediener den Bezugspunkt 932 so, dass er die SMR-Bezugsebene 920 in einer bevorzugten Ausrichtung platziert. Eine bevorzugte Ausrichtung kann auf viele verschiedene Arten ausgewählt werden, je nach Zielen der Messung.
Im Allgemeinen wird der Bediener bestrebt sein, die Symmetrieachse mit der Richtung des Lichtstrahlenbündels von der Vorrichtung auszufluchten. Dies wurde hier vorstehend mit Bezug auf die 12, 13 besprochen. Der Begriff "bevorzugte Ausrichtung", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf eine Positionierung des Bezugspunktes als zusätzlicher Schritt in der Ausfluchtungsprozedur. Eine Möglichkeit, die bevorzugte Ausrichtung zu erreichen und dabei die Symmetrieachse mit dem Lichtstrahlenbündel ausgefluchtet zu lassen, besteht darin, den SMR um die Symmetrieachse zu drehen und dabei der Ausfluchtung der Symmetrieachse mit dem Lichtstrahlenbündel zu folgen. Da der SMR-Bezugsstrahl senkrecht zu dem Lichtstrahlenbündel steht und in der Bezugsebene liegt, die den Bezugspunkt einschließt, können wir davon sprechen, dass der Bediener den SMR-Bezugsstrahl durch Drehen der Symmetrieachse einstellt, um die bevorzugte Ausrichtung zu erhalten.
Es gibt einige Sonderfälle, in denen es nicht möglich ist, die Symmetrieachse mit dem Lichtstrahlenbündel auszufluchten. Wenn sich zum Beispiel der SMR in der Ausgangsposition 17 befindet, ist es vielleicht auf Grund von mechanischen Einschränkungen nicht möglich, die Symmetrieachse mit dem Lichtstrahlenbündel auszufluchten. In diesem Sonderfall wird die Bedeutung des Begriffs "bevorzugte Ausrichtung" demgemäß modifiziert, um die notwendige Änderung der Ausfluchtung zu ermöglichen. Der Sonderfall für die Ausfluchtung in der Ausgangsposition wird nachstehend besprochen.
Eine erste Art von bevorzugter Ausrichtung ist eine, in der die SMR-Bezugsebene 920 mit der x"-z''-Ebene des Nutzmasse-Bezugssystems 35 ausgefluchtet wird, wie in 1 gezeigt ist. Die x''-Achse entspricht der Richtung des Lichtstrahlenbündels und die z"-Achse liegt senkrecht zur x"-Achse und zur y''-(Zenit)-Achse. Die x''-z''-Ebene umfasst stets den z'-Vektor (des Vorrichtungsbezugssystems 30), der aus der oberen Seite der Vorrichtung 10 weist. Für die Vorrichtung 10 in ihrer normalen aufrechten Position ist die bevorzugte Ausrichtung eine, in der die SMR-Bezugsebene einen Schwerkraftvektor sowie das Lichtstrahlenbündel 46 enthält. Es kann jedoch die allgemeinere x"-z‘'-Ebene verwendet werden, wenn der Schwerkraftvektor vielleicht nicht passt, zum Beispiel, wenn der Tracker auf seine Seite gedreht wird und das Laserstrahlenbündel gerade nach oben weist. Bei der ersten Art von bevorzugter Ausrichtung hält der Bediener einfach den SMR, um das SMR-Kugelzentrum und die SMR-Bezugsmarkierung in der Ebene zu platzieren, die das Strahlenbündel 46 und die Achse z' umfasst. Der Bediener sollte auch versuchen, die Symmetrieachse 840 des SMR mit der Richtung des Lichtstrahlenbündels 46 auszufluchten, wie hier vorstehend mit Bezug auf die 9C, 9C und hier nachstehend mit Bezug auf die 12, 13 besprochen wurde/wird. Wenn der SMR in der bevorzugten Ausrichtung gehalten wird, verwendet die Software in dem Prozessor die gemessenen 3D-Koordinaten des SMR-Scheitels und die SMR-Kompensationsparameter, um das SMR-Kugelzentrum zu berechnen, wie es hier vorstehend mit Bezug auf die 9A–D beschrieben wurde.
Eine zweite Art von bevorzugter Ausrichtung ist eine, in der die SMR-Bezugsebene 920 mit der y"-z''-Ebene des Nutzmasse-Bezugssystems 35 ausgefluchtet wird, wie in 1 gezeigt ist. Die y‘'-z‘'-Ebene umfasst stets die Zenitachse 18 (y"-Achse) der Vorrichtung 10. Falls die Vorrichtung 10 in einer aufrechten Ausrichtung platziert wird, wie in 1 gezeigt ist, weist die Azimutachse 20 in die vertikale Richtung und die Zenitachse 18, die sich um die Azimutachse dreht, liegt in einer horizontalen Ebene. Bei der zweiten Art von bevorzugter Ausrichtung hält der Bediener den SMR, um das SMR-Kugelzentrum und die SMR-Bezugsmarkierung in einer Ebene zu platzieren, die das Strahlenbündel 46 und die Achse 18 (z‘'-Achse) umfasst. Falls die Bezugsmarkierung 930 radial nach außen auf einen Kragen 905 weist, wie in 9A gezeigt ist, dann sollte bei der zweiten bevorzugten Ausrichtung die Bezugsmarkierung in einer horizontalen Ebene gehalten werden. Bei der zweiten Art von bevorzugter Ausrichtung muss auch eine bevorzugte Position der SMR-Bezugsmarkierung 930 relativ zu dem Kugelzentrum 860 gegeben sein – zum Beispiel nach rechts vom Kugelzentrum. Wie hier vorstehend angegeben ist, sollte der Bediener versuchen, die Symmetrieachse 840 des SMR in Richtung des Lichtstrahlenbündels 46 auszufluchten.
Eine dritte Art der bevorzugten Ausrichtung ist eine, in der der SMR-Bezugsstrahl 940 auf vorgeschriebene Weise mit einer Messlinie ausgefluchtet wird, um ein dimensionales Kennzeichen der Messlinie zu messen. Dies wird weiter unten mit Bezug auf die 19A, 19B besprochen.
Wir besprechen nun mit Bezug auf die 12A–E Fehler im Zusammenhang mit der falschen Ausfluchtung der Symmetrieachse 840 in Bezug auf ein Lichtstrahlenbündel von einer Vorrichtung 10. Ein SMR in 12A empfängt ein Lichtstrahlenbündel 1210 mit einem Strahlenbündelzentrum 1212 und einer Strahlenbündelbreite 1214, wobei das Lichtstrahlenbündel 1210 von einem Kragen 905 des SMR beschnitten wird. Der Winkel 1215 ist der Öffnungswinkel des SMR für das Lichtstrahlenbündel 1210. Bei einem SMR, der einen Durchmesser von 1,5 Zoll (3,81 cm) hat und ein typisches Strahlenbündel von Rotlicht von einem Lasertracker 10 empfängt, beträgt der Öffnungswinkel 1215 normalerweise etwa 25 Grad.
Ein SMR in 12B empfängt ein Lichtstrahlenbündel 1240, das mit der Symmetrieachse 840 auf einer Linie liegt. Bei 12B ist ein erweiterter Bereich 1230 nahe des Scheitels 820 und des Kugelzentrums 860 in einer vergrößerten Ansicht 1 in 12C gezeigt. Da das Lichtstrahlenbündel 1240 mit der Symmetrieachse 840 ausgefluchtet ist, kann die Position des Kugelzentrums mit einer Genauigkeit bestimmt werden, die nur durch den Messfehler beim Ermitteln der 3D-Koordinaten des SMR-Scheitels beschränkt ist – mit anderen Worten durch die Fehler bei dem Abstand und den zwei Winkeln, die von der Vorrichtung 10 gemessen wurden.
Der SMR 720 in 12D wurde um einen Winkel von 10 Grad um sein Kugelzentrum gedreht. Durch diese Drehung verschiebt sich der Scheitel 820 um einen Betrag 1250 auf eine neue Scheitelposition 820R. Die Symmetrieachse, welches die Achse ist, die in Bezug auf die drei Schnittverbindungen symmetrisch ist, verschiebt sich auch um 10 Grad von der Linie 840 zur Linie 840R. Dadurch führt das Drehen des SMR 720 um sein Zentrum, zum Beispiel, wenn der SMR in einem kinematischen Nest platziert ist, zu einem Fehlausfluchtungs-Fehlervektor 1250 in der Position des Zentrums, nachdem die Kompensationsparameter für den SMR-Tiefenfehlervektor und den SMR-Rundlauffehlervektor angewandt worden sind. Wie in 12E gezeigt ist, umfasst der Fehlausfluchtungsfehler 1250 eine Komponente 1252 entlang der Symmetrieachse 840R und eine Komponente 1254 auf einer Ebene senkrecht zu der Symmetrieachse 840R.
Im normalen Betrieb kann ein Bediener normalerweise die Symmetrieachse 840 von einem SMR mit einem Durchmesser von 1,5 Zoll (3,81 cm) mit der Richtung des Lichtstrahlenbündels 1240 auf ungefähr innerhalb 10 Grad ausgefluchtet halten. Wie in 12D gezeigt ist, führt eine Drehung eines SMR um ein Kugelzentrum 860 um einen Winkel von 10 Grad zu einem Fehlausfluchtungs-Fehlervektor 1250, der im Vergleich zum SMR-Fehlervektor 885R relativ gering ist. In dem Fall, in dem die 3D-Koordinaten des SMR von einem Lasertracker gemessen werden, ist das Lichtstrahlenbündel 1240 das Strahlenbündel 46, wie es in 1 gezeigt ist.
Nun mit Bezug auf die 13A–F werden Verfahren beschrieben, um die Ausfluchtung der Symmetrieachse 840 mit dem Lichtstrahlenbündel 46 zu verbessern und dadurch die Größe des Fehlausfluchtungs-Fehlervektors 1250 zu minimieren. In einem ersten Verfahren, das in 13A gezeigt ist, wird eine Ausfluchtungskappe 1310 über den Kragen 905 gegeben. Die Ausfluchtungskappe umfasst einen Ring 1312, auf welchem eine opake Abdeckung 1314 platziert ist, auf der ein markiertes Fadenkreuz 1317 oder ein markierter Kreis 1316 mit einem Durchmesser etwa gleich dem Durchmesser des Lichtstrahlenbündels 46 von der 3D-Koordinatenmessvorrichtung 10 zentriert ist. Um die Symmetrieachse 840 mit dem einfallenden Lichtstrahlenbündel 46 auszufluchten, blockiert der Bediener zunächst das Lichtstrahlenbündel mit der Ausfluchtungskappe 1310, was das Strahlenbündel daran hindert den SMR 700 nachzuführen. Der Bediener platziert die Ausfluchtungskappe 1310 über dem Kragen 905 und dreht den SMR, um das einfallende Lichtstrahlenbündel 1318 in dem markierten Kreis 1316 zu zentrieren. Der Bediener bewegt die Ausfluchtungskappe 1310, wodurch das Strahlenbündel auf den SMR festgestellt wird. Dabei wird das Lichtstrahlenbündel 46 in Übereinstimmung mit der Symmetrieachse 840 gebracht. Mit diesem Verfahren kann eine Ausfluchtungsgenauigkeit von 2 Grad oder besser bei einem 1,5-Zoll-SMR (3,81 cm) erwartet werden.
Bei einem zweiten Verfahren, das in 13B gezeigt ist, wird ein Fenster 1320, welches Licht durch den Retroreflektor passieren lässt, gegen den Kragen 905 positioniert, um den äußeren markierten Kreis 1324 mit der Außenkante des Kragens auszufluchten. Der Bediener notiert die Position des einfallenden Lichts 1328, das von dem Fenster 1320 weg gestreut wird, relativ zu Fadenkreuzen 1317 oder einem inneren markierten Kreis 1326 und dreht den SMR, um das einfallende Licht 1328 in Übereinstimmung mit dem inneren markierten Kreis 1326 zu bringen. Dabei wird das einfallende Lichtstrahlenbündel 46 in Übereinstimmung mit der Symmetrieachse 830 gebracht.
13C veranschaulicht ein Verfahren zur Ausfluchtung des SMR durch Beobachten eines Abschnitts 1332 des einfallenden Lichtstrahlenbündels mit einem reflektierenden Streifen 1320, der zum Beispiel ein Streifen von Karton sein kann. Durch Bewegen des Streifens relativ zu der Öffnung des SMR kann der Bediener die Richtung, in die der SMR zur Verbesserung der Ausfluchtung gedreht werden sollte, visuell einschätzen.
13D ist wie 13C, außer dass ein Finger 1304 an Stelle eines reflektierenden Streifens 1330 verwendet wird, um einen Abschnitt 1342 des einfallenden Lichts zu beobachten. Durch Bewegen des Fingers relativ zu der Öffnung des SMR kann der Bediener die Richtung, in die der SMR zur Verbesserung der Ausfluchtung gedreht werden sollte, visuell einschätzen.
In einem Verfahren, das in 13E gezeigt ist, wird eine reflektierende Kappe 1350 über den Kragen 905 gegeben, die in 13E nicht zu sehen ist. Die reflektierende Kappe umfasst einen Ring 1352, auf dem ein Spiegel 1354 angebracht ist, der dafür ausgelegt ist, Licht 1352 zu empfangen und Licht 1353 von der Stirnfläche des Spiegels zu reflektieren. Gegebenenfalls sind Fadenkreuze 1317 oder ein markierter Kreis 1356 auf dem Spiegel 1354 zentriert. Der Kreis hat einen Durchmesser in etwa gleich demjenigen des Lichtstrahlenbündels von der 3D-Koordinatenmessvorrichtung. Um die Symmetrieachse 840 mit dem einfallenden Lichtstrahlenbündel 1352 auszufluchten, blockiert der Bediener zunächst das Lichtstrahlenbündel mit der reflektierenden Kappe 1350, was das Strahlenbündel daran hindert, den SMR 700 nachzuführen. Der Bediener platziert die reflektierende Kappe über dem Kragen 905 und dreht, falls der Kreis 1356 vorliegt, den SMR, um das Strahlenbündel in etwa in der Mitte des Kreises zu platzieren. Der Bediener beobachtet die Position des reflektierten Lichts an oder nahe der 3D-Koordinatenmessvorrichtung, und falls die Ausfluchtung weiter verbessert werden muss, dreht er den SMR 700, um das reflektierte Lichtstrahlenbündel näher an den Austrittspunkt aus dem 3D-Koordinatenmessgerät zu bewegen. In 1 ist der Austrittspunkt aus dem Lasertracker 10 der Punkt, an dem das Lichtstrahlenbündel 46 den Lasertracker 10 verlässt. Wenn das reflektierte Lichtstrahlenbündel nahe genug am Austrittspunkt liegt, entfernt der Bediener die Spiegelkappe 1350, wodurch sich das Strahlenbündel auf den SMR feststellt. Ein typischer Spiegel von guter Qualität hat einen Keilwinkel von nur wenigen Bogenminuten, wodurch sich eine vernachlässigbare Winkelabweichung in dem reflektierten Lichtstrahlenbündel ergibt. Durch Reflektieren des Lichtstrahlenbündels, so dass es auf die 3D-Messvorrichtung nahe des Austrittspunktes trifft, ist es möglich, die Symmetrieachse 830 mit dem Lichtstrahlenbündel innerhalb eines kleinen Bruchteils eines Grades auszufluchten. Befindet sich zum Beispiel ein SMR 700 mit einer reflektierenden Kappe 1350 10 Meter von einem Lasertracker 26 entfernt, wird die Ausfluchtungsachse 840 innerhalb von 1 Grad auf den ausgestrahlten Lichtstrahl 46 ausgefluchtet, wenn das reflektierte Laserstrahlenbündel innerhalb etwa 175 mm oder etwa 7 Zoll von dem Austrittspunkt entfernt liegt.
13F veranschaulicht ein Verfahren zum Bewirken, dass die 3D-Koordinatenmessvorrichtung, wie ein Lasertracker 10, ein Lichtstrahlenbündel in einem rotierenden Muster 1360 mit einem Durchmesser ähnlich demjenigen des SMR ausgibt, zum Beispiel des SMR-Kragens 905 oder eines ähnlichen Merkmals. Der Bediener fluchtet den SMR aus, indem er ihn dreht, bis der SMR mit dem rotierenden Strahlenbündel fluchtet.
Zuvor wurde mit Bezug auf die 1 und 6 ein Verfahren zum Kombinieren einer Ausgangspositionsmessung mit einem Ablesen von Strichcodes unter Verwendung einer Vorrichtungskamera gelehrt. Ein Teil dieses Verfahrens bestand darin, den Distanzmesser auf einen Ausgangsbezugswert für das Kugelzentrum und nicht für den Scheitel des verwendeten SMR einzustellen. Um 3D-Koordinaten von einem Scheitelpunkt zu einem Kugelzentrum umzuwandeln, kann es wichtig sein, die Ausrichtung des SMR in der Ausgangsposition zu kennen, wie hier nachstehend mit Bezug auf 22 beschrieben wird. Nun werden zwei Verfahren angegeben, um die Ausrichtung des SMR zu ermitteln.
Wie hier vorstehend erklärt, hat das Ermitteln einer bevorzugten Ausrichtung zwei Aspekte. Im Normalfall wird die Symmetrieachse des SMR so gut wie möglich mit dem Lichtstrahlenbündel ausgefluchtet. In einem zweiten Aspekt wird der SMR um die Symmetrieachse gedreht, um die Bezugsmarkierung in eine bevorzugte Ausrichtung zu bringen.
In manchen Fällen ist es nicht möglich, die Symmetrieachse komplett mit dem Lichtstrahlenbündel auszufluchten. Zum Beispiel können in einer Ausgangsposition 17 und bei manchen Arten von Nestern mechanische Einschränkungen verhindern, dass der SMR in exakte Ausfluchtung mit dem Strahlenbündel gedreht wird. Im Fall der Ausgangsposition kann eine andere Art von Ausfluchtungskriterium gegeben sein. Zum Beispiel kann ein Hersteller angeben, dass der Kragen eines SMR ungefähr 2 mm über dem Nest platziert werden muss. Die Software in der Vorrichtung 10 kann dann den Fehlervektor basierend auf den bereitgestellten SMR-Parametern berechnen.
In dem Fall, in dem die Symmetrieachse nicht mit dem Lichtstrahlenbündel fluchtet, wird die Ausrichtung leicht erhalten durch Bewegen des Bezugspunktes in die gewünschte Ausrichtung (zum Beispiel in eine vertikale Ebene oder eine Ebene, die die Azimutachse umfasst) und dann durch Ausfluchtung der Symmetrieachse in Bezug auf die Strahlenbündelrichtung wie spezifiziert (z. B. durch Bewegen eines Kragens 2 mm oberhalb eines Nests). Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Kamera 56 zu verwenden, um die Ausrichtung des SMR zu bestimmen. Wenn die Kamera so gedreht ist, dass sie zur Ausgangsposition weist, findet sich die Ausrichtung des SMR leicht anhand der Position des Strichcodes (oder irgendeiner anderen Markierung). Die Verwendung der Kamera auf diese Weise bietet genaue Ergebnisse und ist für einen Bediener einfach.
Dieses Kamerakonzept kann auch für den Fall angewandt werden, dass sich SMRs in Abständen von vielen Metern von der Vorrichtung 10 befinden, falls geeignete Zoomkameras in der Kamera vorgesehen sind. Ein Beispiel für eine solche Zoomkamera ist in dem Patent `758 beschrieben, welches vorstehend besprochen wurde und hier bezugnehmend einbezogen ist. Eine reflektierende Markierung, wie die Markierung 610 von 6A der vorliegenden Anmeldung, kann mit einer solchen Kamera verwendet werden, um eine automatische Bestimmung der Ausrichtung eines SMR bereitzustellen. Dieses Verfahren ist anwendbar, wenn ein sechs-FG-Tracker mit einem drei-FG-SMR verwendet wird.
Ein SMR kann verwendet werden, um die Koordinaten von Oberflächenpunkten zu messen, indem der SMR an mehreren Punkten in Kontakt mit der Oberfläche gebracht wird. Er kann auch verwendet werden, um die kinematischen Nestern zugeordneten Koordinaten zu messen. Bei beiden dieser Arten von Messungen kann ein Fehler im Radius des SMR einen Fehler in den Messungen von Oberflächen- oder Nestpunkten erzeugen. Wie hier vorstehend erläutert wurde, sind Verfahren verfügbar, um den Radius eines SMR genau zu messen. Das Radiusdelta, das als der gemessene Radius abzüglich des nominalen Radius definiert ist, kann im Speicher zum späteren Zugriff gespeichert werden. Der gemessene Radius wird in diesem Fall durch eines der vorstehend beschriebenen genauen Verfahren gemessen, zum Beispiel unter Verwendung eines kartesischen CMM, eines Talyrond^® oder eines Absolutinterferometers. Das Radiusdelta kann auch in einer Informationsspeichervorrichtung, wie einem Strichcode oder einem RFID-Chip, gesichert werden, der in einer Ausführungsform an jedem SMR befestigt ist, und von einer Lesevorrichtung der 3D-Koordinatenmessvorrichtung ausgelesen werden.
Bei einer Vorrichtung 10, die verwendet wird, um 3D-Koordinaten auf einer Oberfläche mit einem SMR zu messen, wird der SMR zu mehreren Positionen auf der Oberfläche bewegt, und eine Sammlung von 3D-Koordinaten für die Kugelzentren des SMR wird für die jeweiligen Oberflächenkontaktpunkte erhalten. 3D-Zentrumskoordinaten in großer Nähe zueinander werden verwendet, um eine Vektornormale zur Sammlung von 3D-Punkten zu erhalten. Der Normalenvektor wird von einem Punkt in der Sammlung von Kontaktpunkten oder von einem Punkt, der nicht in der Sammlung enthalten ist, aber nahe der Sammlung von Punkten liegt, projiziert. Die 3D-Koordinaten des Kontaktpunktes entsprechen dem einen Punkt, der durch Projizieren des Normalenvektors von den 3D-Kugelzentrum-Koordinaten zur gemessenen Oberfläche erhalten wurde.
Ein Fehler im Radius des SMR wird nicht die gesamte Form einer planaren Oberfläche ändern. Ein Fehler im Radius eines SMR kann jedoch Fehler in anderen Situationen erzeugen. Dies ist leicht ersichtlich, wenn man sich den Fall ansieht, in dem ein SMR verwendet wird, um den Abstand zwischen zwei planaren Oberflächen zu messen, wobei eine planare Oberfläche links vom SMR und eine planare Oberfläche rechts vom SMR liegt. Falls der tatsächliche Durchmesser größer als der nominale Durchmesser oder Bezugsdurchmesser ist, und falls alle anderen Messungen perfekt sind, wird der gemessene Abstand um das Doppelte des SMR-Radiusfehlers zu klein sein.
Ein Fehler im SMR-Radius kann auch Fehler in Messungen erzeugen, die auf Trägern, wie kinematischen Nestern, erfolgen. 14A zeigt ein Beispiel für eine Art von kinematischem Nest 1400, welches in diesem Fall drei sphärische Kugeln 1420 umfasst, die jeweils an einer oberen Oberfläche 1412 einer Basis 1410 befestigt und von den anderen Kugeln um 120 Grad getrennt sind. Eine Trägerachse 1430 ist eine Achse senkrecht zu der Ebene, die die Zentren der drei Kugeln 1420 schneidet. Die Trägerachse 1430 ist auch von den Zentren der drei Kugeln 1420 an jedem Punkt entlang der Trägerachse mit gleichem Abstand beabstandet. 14B zeigt eine Anordnung 1450, in der ein sphärischer Außenabschnitt eines SMR 700 auf dem kinematischen Nest 1400 platziert ist. Wie er hier verwendet wird, bedeutet der Begriff "kinematisch", dass der SMR von dem Nest entfernt und zurückgebracht werden kann, wobei die 3D-Koordinaten nach der Bewegung nahezu gleich wie vor der Bewegung sind. Wenn der SMR 700 gedreht wird, bleibt das Kugelzentrum auf der Trägerachse 1430 fixiert. In manchen Fällen ist ein Magnet in der Basis 1410 enthalten, um einen sphärischen Stahlaußenabschnitt eines SMR fest gegen das kinematische Nest 1400 zu halten und zu verhindern, dass er aus dem Nest fällt.
Eine Möglichkeit, die Trägerachse 1430 mit mathematischen Begriffen zu beschreiben, ist als Ortslinie von Kugelzentren bei Kugeln von verschiedenen Größen, die an dem Nest montiert sind. Mit anderen Worten liegen sowohl eine Kugel mit einem relativ kleinen Radius als auch eine Kugel mit einem relativ großen Radius auf der Trägerachse 1420. Natürlich gibt es eine minimale und eine maximale Kugelgröße, die richtig auf die drei Kugeln 1420 passen, aber innerhalb des akzeptablen Bereichs von Kugelgrößen wird die Ortslinie der Kugelzentren auf der Trägerachse 1430 liegen.
SMRs werden von Herstellern mit einem nominalen Radius bereitgestellt. Die Anwendungssoftware führt Berechnungen basierend auf dem nominalen Radius eines SMR aus, wobei der nominale Radius ein numerischer Wert ist, der von dem SMR-Hersteller bereitgestellt wird. Unterschiede bei den Werten für den nominalen Radius und den tatsächlichen Radius können zu Fehlern führen, wie hier weiter unten besprochen wird.
Ein Nest, wie das Nest 14A, hat nicht im Allgemeinen einen klar definierten Bezugspunkt. Ein günstiger und konsistenter Bezugspunkt für eine Kombination von einem besonderen Nest mit einem besonderen SMR ist eine "ideale Trägerposition", was eine Position auf der Trägerachse 1430 ist. Die ideale Trägerposition ist als die Position auf der Trägerachse 1430 des Kugelzentrums für eine Kugel mit einem Radius genau gleich dem nominalen Radius definiert. Ein SMR mit einem Radius, der sich von dem nominalen Radius unterscheidet, hat ein Kugelzentrum an einer anderen Position auf der Trägerachse, die als die tatsächliche Trägerposition bezeichnet wird.
Da weder die Messung eines Radius noch Korrekturen an 3D-Koordinaten basierend auf einem Radiusfehler von dem internen Reflexionsmechanismus des Retroreflektors abhängt, sind die Verfahren zum Korrigieren des Radius, die hier besprochen werden, nicht auf einen SMR mit einem würfeleckigen Freiluft-Retroreflektor beschränkt. Die Verfahren sind gleichermaßen auf einen SMR anwendbar, der einen würfeleckigen Glasretroreflektor umfasst, das heißt einen Retroreflektor, der ein Glasprisma mit drei senkrechten Reflexionsflächen umfasst. Die Verfahren sind auch im Fall eines Katzenauge-Retroreflektors anwendbar, bei dem der Retroreflektor ein optisches Glaselement aufweist, das entweder als eine einzelne Kugel oder als zwei Halbkugeln geformt ist, die aneinander zementiert sind, wobei das optische Element zumindest teilweise innerhalb eines Hohlraums in einem sphärischen Außenabschnitt platziert wird. SMRs, die ein Glasprisma oder Katzenaugen umfassen, sind in der Technik allgemein bekannt.
Wie hier vorstehend angegeben, ist der gemessene Radius abzüglich des nominalen Radius das Radiusdelta. Die Trägerachse 1430 sei positiv in einer Richtung von einer Ebene, die die Zentren der drei Kugeln mit dem Kugelzentrum eines von dem Nest gehaltenen SMR verbindet. Mit anderen Worten wird in 14A die Richtung nach rechts als positiv entlang der Trägerachse 1430 betrachtet. Dann kann die ideale Trägerposition durch Messen der 3D-Koordinaten des Kugelzentrums eines SMR in dem Nest 1400 und Verschieben der 3D-Koordinaten entlang der Trägerachse in negativer Richtung um einen Abstand in etwa, aber nicht genau, gleich dem Radiusdelta ermittelt werden. Der genaue Betrag der Verschiebung hängt auch von der Geometrie des Nests 1400 ab, wie hier nachstehen anhand von 15 beschrieben wird. Es kann eine Formel verwendet werden, um die ideale Trägerposition in Abhängigkeit von dem Radiusfehler oder -delta zu bestimmen. Kompensationswerte, wie Koeffizienten, können im Speicher zur Verwendung vom Prozessor, in der Vorrichtung 10 oder einem separaten Rechner 80 gespeichert werden, und sie können verwendet werden, um die 3D-Koordinaten der idealen Trägerposition zu bestimmen.
Der Betrag der Verschiebung in dem Kugelzentrum 860 wird nun für den Fall eines von einem kinematischen Nest 1400 getragenen SMR 700 berechnet, der drei um 120 Grad getrennte Kugeln 1420 aufweist. 15 zeigt Strecken entsprechend Elementen des Nests 1400 und SMR 700 von 14B. Jede der drei Kugeln 1420 hat ein Zentrum 1510, wobei irgendwelche zwei der Zentren 1510 durch einen Basisabstand 1525 voneinander getrennt sind, dem ein mathematisches Symbol α gegeben wird. Ein durch die Zentren jeder Kugel gezeichneter Querschnitt zeigt einen Umriss 1515. Jede der Kugeln berührt den sphärischen Außenabschnitt 720 des SMR 700 an einem Tangentialpunkt 1520. Eine von dem Kugelzentrum 860 durch einen Tangentialpunkt 1520 gezeichnete Linie führt durch das Zentrum 1510 einer Kugel 1420 hindurch. Der SMR hat einen Bezugs- oder nominalen Radius R und einen Radiusfehler e, so dass der tatsächliche Radius des SMR R + e ist. Die drei Linien 1525 bilden die Basis einer dreikantigen Pyramide 1540. Die Linien 1530, die sich von den Kugelzentren 1510 zum Kugelzentrum 860 erstrecken, bilden die Kanten der dreikantigen Pyramide. Der Radius jeder Kugel beträgt r, so dass die Kanten der dreikantigen Pyramide die Länge R + e + r haben. Das Höhensegment 1550 der Pyramide, welches eine Höhe h hat, erstreckt sich von einem Basiszentrum 1545, welches auf der Ebene liegt, die die drei Kugelzentren 1510 mit dem Kugelzentrum 860 verbindet. Jeder der Scheitel 1510 der Basis hat einen Winkel von 60 Grad, und somit hat eine von einem Kugelzentrum 1510 zum Basiszentrum 1545 gezeichnete Linie die Länge b = a/√3. Durch den Satz des Pythagoras ist die Höhe des Höhensegments
Die Kantenlänge sei R₀ und die Höhe h₀ für einen Radiusfehler von e = 0. Durch Verwendung der binomischen Annäherung kann gezeigt werden, dass bis zu einer guten Genauigkeit die Änderung der Höhe h auf Grund eines Fehlers e δh = eR₀/h₀ beträgt. Da die Höhe h₀ kleiner als die Kantenlänge R₀ ist, ist die Änderung der Höhe δh etwas größer als der Radiusfehler e. Zum Beispiel beträgt bei einem Radiusfehler von 1 Mikrometer die Änderung der Höhe δh 1,048 Mikrometer. Der Grund dafür, dass die Änderung der Höhe größer als der Radiusfehler ist, liegt darin, dass ein größerer SMR 700 die Kugeln 1420 etwas weiter weg von der Basis schneidet, die die Kugelzentren 1510 verbindet.
Im Allgemeinen hängt die Änderung der Höhe δh von der Konstruktion (Geometrie) des SMR-Nestes 1400 ab und ist bei verschiedenen Arten von Nestern unterschiedlich. Um die Auswirkung des Radiusfehlers auf die Änderung der Höhe so genau wie möglich zu korrigieren, ist es notwendig, sowohl den Betrag des Radiusfehlers als auch die Art des mit dem SMR verwendeten Nests zu kennen. Um eine ungefähre Korrektur der Auswirkung des Radiusfehlers auf die Änderung der Höhe zu erhalten, kann der Radiusfehler e ohne Berücksichtigung der Geometrie des Nestes verwendet werden. Bei dem im letzten Absatz angegeben Beispiel betrug der relative Fehler bei der berechneten Höhe, der sich daraus ergab, dass die Geometrie des Nestes 1400 nicht berücksichtigt wurde, 4,8 %.
Es wird nun ein Beispiel der Wirkung von SMR-Radiusfehlern auf mit SMRs in Nestern ausgeführte Messungen angegeben. Die 16A, 16B zeigen jeweils eine Stirn- und eine Seitenansicht eines ersten SMR 700A und eines zweiten SMR 700B, die von einem ersten Nest 1400A bzw. einem zweiten Nest 1400B gehalten werden. Im Idealfall, in dem der Radius sowohl von 700A als auch von 700B gleich dem Bezugsradius ist, wird die Länge zwischen den SMR-Zentren in 16C durch den Pfeil 1672 angezeigt. Betrachten wir als nächstes einen Fall, in dem der Kugelradius des ersten SMR 700A gleich dem Bezugsradius ist, während der Kugelradius des zweiten SMR 700B größer als der Bezugsradius ist. Bei dem SMR 700B wird das Kugelzentrum nach oben geschoben, wie es durch den Pfeil 1674 gezeigt ist. Folglich führen die gemessenen 3D-Koordinaten zum Vektor 1676. Wenn die Länge des Vektors 1672 L₁ ist und die Länge des Vektors 1674 δh ist, dann beträgt die Differenz der Längen 1672 und 1676
was nach Anwendung der binomischen Annäherung mit einer guten Genauigkeit als ΔL = δh²/2L₁ angegeben wird. Nehmen wir als Beispiel δh = 2 Mikrometer und L₁ = 2 Meter, dann beträgt der resultierende Fehler 10^–6 Mikrometer, was vernachlässigbar ist.
Im Gegensatz dazu zeigen die 17A, 17B die Situation, in der der erste SMR 700A und das erste Nest 1400A wie in 16B ausgefluchtet sind, während das zweite Nest 1400B senkrecht zu der Linie ausgerichtet ist, die die Kugelzentren 700A, 700B verbinden. Im Idealfall, in dem die Radien sowohl von 700A als auch von 700B gleich dem Bezugsradius sind, wird die Länge zwischen den SMR-Zentren in 17B durch den Pfeil 1572 angezeigt. Betrachten wir als nächstes einen Fall, in dem der Kugelradius des ersten SMR 700A gleich dem Bezugsradius ist, während der Kugelradius des zweiten SMR 700B größer als der Bezugsradius ist. Bei dem SMR 700B wird das Kugelzentrum nach links geschoben, wie es durch den Pfeil 1754 gezeigt ist. Folglich führen die gemessenen 3D-Koordinaten zu dem Vektor 1756, der um den Versatzwert 1754 zu kurz ist. Der Versatzwert 1754 hängt sowohl von dem Delta (oder Radiusfehler) als auch von der Geometrie des Nestes ab, wie hier vorstehend erklärt wurde. In diesem Fall wird, wenn der Kugelradius von 700B um 2 Mikrometer zu groß ist und die Nestgeometrie die gleiche ist wie diejenige, die in dem vorigen Beispiel angegeben wurde, der gemessene Abstand zwischen den beiden SMRs um 2,096 Mikrometer zu klein sein. Mit anderen Worten wurde bei der in den 16A, B gezeigten Situation der Fehler der gemessenen Länge zwischen den SMRs nicht von einem Durchmesserfehler in einem der SMR beeinträchtigt, während bei der in den 17A, B gezeigten Situation der Fehler der gemessenen Länge zwischen den SMRs direkt von einem Durchmesserfehler in einem der SMRs beeinträchtigt wird.
Aus der hier vorstehenden Besprechung wird klar, dass in vielen Situationen die Richtung der Trägerachsen 1430 von zwei Nestern eine große Auswirkung auf den nicht korrigierten Abstand haben kann, der zwischen den in den Nestern platzierten SMRs gemessen wurde. Es gibt mehrere Möglichkeiten, wie eine Richtung einer Trägerachse 1430 erhalten werden kann. Zunächst kann der Bediener die Richtung der Trägerachse in der Anwendungssoftware angeben. Als zweites kann ein Nest direkt auf einem Gegenstand mit in einem CAD-Modell bekannten Oberflächen montiert werden, von welchem die Richtung der Trägerachsen 1430 bestimmt werden kann. Als drittes können Messungen an einem Inspektionsplan erfolgen, der die Richtung der Trägerachse 1430 eines jeden bei der Inspektion verwendeten Nests umfasst. Als viertes kann der Bediener Merkmale des Nests messen, um die Richtung der Trägerachse 1430 zu bestimmen. Zum Beispiel kann in dem Fall des Nestes 1400 von 14A der Bediener die Vorrichtung 10 mit einem SMR verwenden, um 3D-Koordinaten von Punkten auf der oberen Oberfläche 1412 zu messen. Diese 3D-Punktkoordinaten passen in eine Ebene, von der die senkrechte Trägerachse 1430 ermittelt wird.
Im Allgemeinen benötigt man, um Fehler bei Messungen mit in Nestern platzierten SMRs zu korrigieren, sowohl die Richtung der Trägerachse 1430 als auch die Größe des Radiusdeltas. Eine genauere Korrektur ist möglich, wenn die Geometrie des Nestes auch berücksichtigt wird, wie anhand von 15 besprochen wurde.
Eine in Bezug auf 18 beschriebene Prozedur ist immer dann nützlich, wenn die gleichen SMR-Positionen mit einem Tracker gemessen werden müssen, der zu mehreren Stellen bewegt wird. Zum Beispiel kann eine Kalibrierungsprozedur erfordern, dass ein Abstand zwischen zwei SMRs 700A, 700B mit dem Tracker gemessen wird, der von den SMRs um zwei verschiedene Positionen 10A, 10B, wie in 18 gezeigt ist, versetzt wird. In anderen Fällen kann der Tracker erfordern, dass drei oder mehr Nester von mehreren Positionen gemessen werden, um Trackermessungen, die von verschiedenen Positionen vorgenommen wurden, in ein gemeinsames Bezugssystem zu bringen.
In einem ersten Schritt eines Verfahrens werden zwei oder mehr SMRs 700A, 700B in den Trägern 1400A, 1400B gedreht, um die Symmetrieachse 840 eines jeden SMR mit einem 3D-Messinstrument auszufluchten, das sich an einer ersten Position mit 3D-Koordinaten (x₁, y₁, z₁) innerhalb eines Bezugssystems 1810 befindet. An dieser ersten Position ist dem Tracker das Bezugszeichen 10A gegeben. Diese Ausfluchtung kann zum Beispiel unter Verwendung eines der Ausfluchtungsverfahren der 13A–F erreicht werden. Der Tracker bei 10A misst die SMRs 700A, 700B und mindestens einen zusätzlichen Retroreflektor 700C, der nicht mit dem Tracker 10A ausgefluchtet werden muss. In einem zweiten Schritt wird dasselbe 3D-Messinstrument mit 10B bezeichnet, wenn es sich an einer zweiten Position mit 3D-Koordinaten (x₂, y₂, z₂) befindet. In diesem Schritt werden die SMRs 700A, 700B nicht weitergedreht, sondern in ihren anfänglichen Ausrichtungen belassen. Der Tracker 10B misst die 3D-Koordinaten des Scheitels von 700A, 700B und 700C. Die 3D-Koordinaten der Scheitel der SMRs 700A, 700B, wie von dem 3D-Messinstrument 10B gemessen, werden mathematisch korrigiert, um die Fehlausfluchtung des Scheitels 820 in Bezug auf das Kugelzentrum 860 von jedem der SMRs 700A, 700B zu berücksichtigen.
Das mathematische Verfahren hierfür ist leicht verständlich. Unter Verwendung der Messwerte für die Retroreflektorscheitel für 700A, 700B, 700C wird der Tracker 10B in das Bezugssystem des Trackers bei 10A gegeben. Dies erfolgt unter Verwendung von Optimierungsverfahren, bei denen die sechs Freiheitsgrade (zum Beispiel x, y, z, Längsneigung, Querneigung, Seitenbewegung) des Trackers 10B eingestellt werden, bis die 3D-Koordinaten für 700A, 700B und 700C, die von dem Tracker 10A und 10B gemessen werden, so nah wie möglich sind. Das übliche Optimierungsverfahren ist eines, bei dem die Summe der ins Quadrat erhobenen Restfehler minimiert ist.
Die Transformationsmatrix, die notwendig ist, um die von dem 10B gemessenen 3D-Koordinaten in das Bezugssystem 10A zu bringen, kann verwendet werden, um die SMR-Fehlervektoren für 700A, 700B in 10A zu den Fehlervektoren für 700A, 700B in 10B zu transformieren. Auf diese Weise kann der Schritt des erneuten Ausfluchtens der SMRs 700A, 700B vor der Messung durch den Tracker 10B eliminiert werden.
Es sollte selbstverständlich sein, dass das Verfahren des Ermittelns einer Transformationsmatrix durch Messen der 3D-Koordinaten von mindestens drei Retroreflektorzielen von mindestens zwei Stellen aus selbst in Abwesenheit von SMRs ausgeführt werden kann. Mit anderen Worten können würfeleckige Retroreflektoren oder andere Arten von Retroreflektoren an jeder Art von Gegenstand befestigt werden. Es sollte auch selbstverständlich sein, dass das hier beschriebene Verfahren verwendet werden kann, um die 3D-Koordinaten eines einzelnen SMR oder von mehreren SMRs bei Betrachtung von zwei oder mehr Stationen zu korrigieren.
Wie hier vorstehend erklärt wurde, ist eine Art von bevorzugter Ausrichtung eines SMR eine, bei der der SMR-Bezugsstrahl 940 auf vorgeschriebene Weise mit einer Messlinie als Möglichkeit ausgefluchtet wird, Fehler bei der Messung eines Maßkennzeichens, das der Messlinie zugeordnet ist, zu minimieren. Nun wird ein Fall betrachtet, bei dem das Maßkennzeichen von Interesse eine Länge zwischen zwei Punkten ist.
Bei einer Messung, die in den 19A, 19B gezeigt ist, haben die Nester 1400A, 1400B SMR-Rundlaufbezugswinkel 950 von null. Das Nest 1400A ist direkt über dem Nest 1400B montiert, und eine 3D-Koordinatenmessvorrichtung, wie ein Tracker 10, wird verwendet, um den vertikalen Abstand zwischen einem in dem Nest 1400A platzierten SMR 700A und einem in dem Nest 1400B platzierten SMR 700B zu messen. In 19A wird der SMR 700A innerhalb des Nestes 1400A gedreht, um seine Rundlaufbezugslinie 1910 in vertikaler Richtung zur Oberseite des SMR 700A hin zu platzieren. Der SMR 700B wird innerhalb des Nestes 1400B gedreht, um seine Rundlaufbezugslinie 1920 in vertikaler Richtung zur Bodenseite des SMR 700B hin zu platzieren. Der tatsächliche Abstand zwischen dem Kugelzentrum des SMR 700A und dem Kugelzentrum des SMR 700B ist durch die Linie 1902 angedeutet. Der SMR-Rundlauffehlervektor für den SMR 700A ist durch den Vektor 1904 angedeutet, und der SMR-Rundlauffehlervektor für den SMR 700B ist durch den Vektor 1906 angedeutet. Die resultierende Messung der Länge zwischen den Kugelzentren ist um einen Betrag gleich der Summe der Größen der Vektoren 1904 und 1906 versetzt. Diese Fehler erscheinen in der gemessenen Länge, die durch die Länge 1908 dargestellt ist.
In 19B ist der SMR 700C derselbe wie der SMR 700A, aber der SMR 700A ist gedreht, um die Rundlaufbezugslinie in horizontaler Position zu platzieren, welches die Position ist, bei der sie senkrecht zu der Linie steht, die die Zentren der SMRs in den Nestern 1400A und 1400B verbindet. Der SMR 700D ist derselbe wie der SMR 700B, aber der SMR 700D ist gedreht, um die Rundlaufbezugslinie in horizontaler Position zu platzieren. Der tatsächliche Abstand zwischen dem Kugelzentrum des SMR 700C und dem Kugelzentrum des SMR 700D ist durch die Linie 1952 angedeutet. Der SMR-Rundlauffehlervektor für den SMR 700C ist durch den Vektor 1954 angedeutet, und der SMR-Rundlauffehlervektor für den SMR 700D ist durch den Vektor 1956 angedeutet. Die resultierende Länge 1958 hat eine Länge, die der tatsächlichen Länge 1952 nahe kommt. Der Fehler, der sich aus der Berechnung der Länge 1958 ergibt, ist als ein Cosinus-Fehler bekannt, der oft vernachlässigbar ist, wie es in dem Beispiel gezeigt ist, das für 16 angegeben ist.
Der Fehler bei der Messung von 19A hätte kleiner gehalten werden können, wenn die Rundlaufbezugslinien für 700A, 700B beide entweder nach oben oder nach unten ausgefluchtet worden wären; die Ergebnisse im Allgemeinen sind jedoch viel besser, wenn die Rundlaufbezugslinien senkrecht zu der Linie gedreht werden, die die Kugelzentren der beiden SMRs verbindet. Dies gilt nicht nur für eine vertikale Richtung, sondern für jede Richtung, die zwei SMRs verbindet.
Um die Ausfluchtung des SMR-Rundlaufs zu vereinfachen, ist es für den Bediener günstig, die Richtung der maximalen Rundlauffehler-Vektorkomponente zu kennen. Dies wird leicht erreicht, wenn der Bezugspunkt mit der maximalen Rundlauffehler-Vektorkomponente ausgefluchtet wird, mit anderen Worten, wenn der SMR-Rundlaufbezugswinkel auf null gesetzt wird. Alternativ könnte er auf 180 Grad oder einen anderen leicht verständlichen Wert gesetzt werden, wie +90 oder –90 Grad. Dieser Winkel ist ein bevorzugter und vorbestimmter Winkel in dem Sinne, dass jeder von einem Hersteller hergestellte SMR den Bezugspunkt an derselben Position relativ zu dem maximalen Rundlauffehlervektor hat.
Das Verfahren der Ausfluchtung einer Bezugsmarkierung kann auch angewandt werden, um Fehler bei Größenmessungen zusätzlich zur Messung der Länge zu minimieren. Ein Beispiel für eine Größenmessung einer kleinen Verschiebung der Positionen des ersten SMR 1982, 1983 in Richtung x'. Die Ausrichtung der in 19C gezeigten Bezugsmarkierung 932 ist für diesen Fall immer noch korrekt. Mit anderen Worten sollten, wenn die Zielsetzung darin besteht, kleine Verschiebungen entweder des ersten Nestes oder des zweiten Nestes entlang der Richtung x' empfindlich zu messen, die Bezugsmarkierungen der Nester wie in 19C gezeigt ausgerichtet sein. Andererseits sollte, wenn die Zielsetzung darin besteht, eine kleine Verschiebung entweder des ersten Nestes oder des zweiten Nestes entlang der Richtung z' empfindlich zu messen, die optimale Position für die Bezugsmarkierung 932 anders sein. In diesem Fall sollte die SMR-Rundlauffehlerkomponente senkrecht zu der zu messenden Richtung sein. Wie in 19D gezeigt ist, sollte der SMR-Bezugsstrahl 940 senkrecht zu der Strahlenbündelrichtung, aber in der x'-y'-Ebene ausgerichtet sein. Es gibt in diesem Fall zwei mögliche Ausrichtungen, links vom Strahlenbündel wie bei 1987 oder rechts vom Strahlenbündel wie bei 1988. Der SMR-Bezug kann so ausgerichtet sein, dass Fehler in der Messung von anderen dimensionsbehafteten Maßgrößen minimiert werden, wie es dem durchschnittlichen Fachmann klar sein wird.
20A zeigt eine schematische Darstellung 3000 der Azimutachse 20 und der Zenitachse 18, die in 1 beschrieben sind. Es sind auch die mechanische Azimutachse (Achse) 20 und die mechanische Zenitachse (Achse) 23 entsprechend der Azimutachse 20 bzw. der Zenitachse 18 gezeigt. Die mechanische Azimutachse 24 dreht sich um einen Winkel 21 um die Azimutachse 20. Die Azimutachse 20 entspricht einer Mittellinie 27 der mechanischen Azimutachse 24. Die mechanische Zenitachse 23 dreht sich um einen Winkel 19 um die Zenitachse. Eine senkrechte Linie 28 ist zwischen der Azimutachse und der Zenitachse an dem Punkt eingezeichnet, der den beiden Achsen am nächsten kommt. Die senkrechte Linie 28 schneidet die Mittellinie 27 an einem Punkt 22. Die Länge 29 der senkrechten Linie zwischen der Azimutachse 20 und der Zenitachse 18 ist die Länge 29 des Achsenversatzes (AXOF). Da sich bei der mechanischen Anordnung aus 1 die Nutzmasse 15 um die mechanische Zenitachse dreht, während sich die mechanische Zenitachse um die mechanische Azimutachse dreht, die an der festen Basis angebracht ist, folgt daraus, dass dort der Schnittpunkt 22 in Bezug auf das Vorrichtungsbezugssystem 30 von 1 feststehend ist. Aus diesem Grund kann der Punkt 22 als Kardanpunkt der Vorrichtung 10 angesehen werden, das heißt, der Punkt, um den sich die mechanische Azimut- und die mechanische Zenitachse drehen. Es sei jedoch angemerkt, dass sich die Zenitachse 18 nicht genau um den Kardanpunkt 22 dreht. Es können jedoch mathematische Kompensationen vorgenommen werden, so dass sich alle Rotationen auf den Kardanpunkt beziehen. Nach Vornahme von kleinen Kompensationen für den Strahlenbündelversatz und die Strahlenbündelneigung scheint das Lichtstrahlenbündel 46 von einem Strahlenbündel-Drehpunkt auf der Zenitachse 18 auszutreten.
Zusammenfassend ist es mathematisch günstig und in der Technik üblich, einen Kardanpunkt 22 als feststehenden Punkt innerhalb der Vorrichtung 10 zu wählen und 3D-Koordinaten, die von der Vorrichtung 10 gemessen wurden, auf diesen Punkt zurück zu beziehen. Dies bedeutet, dass mathematische Kompensationen vorgenommen werden, um nicht ideale Aspekte von wirklichen mechanischen Achsen zu berücksichtigen. Ein solcher nicht idealer Aspekt ist der Achsenversatz 29. Ein weiterer nicht idealer Aspekt der mechanischen Achsen ist eine fehlende Rechteckigkeit der Achsen. In einem idealen mechanischen System stehen die Azimutachse und die Zenitachse genau senkrecht zueinander. In einem realen System gibt es eine kleine Abweichung von der senkrechten Stellung, wobei es sich um einen Winkelwert handelt, der als Nicht-Rechteckigkeitswert der Achse bezeichnet wird. Um die gemessenen 3D-Koordinaten zu erhalten, werden mathematische Verfahren verwendet, um den Abstand und zwei Winkel, die von der Vorrichtung 10 gemessen wurden, zu korrigieren, um diese Werte auf den Kardanpunkt 22 zu beziehen.
Auf ähnliche Weise geht in einer idealen Vorrichtung 10 das Lichtstrahlenbündel 46 virtuell durch den Kardanpunkt 22 hindurch. In einem realen System ist das Lichtstrahlenbündel von dem Kardanpunkt 22 zunächst um einen Achsenversatzabstand 29 versetzt. Außerdem ist das Lichtstrahlenbündel 46 von dem Strahlenbündel-Drehpunkt (auf der Zenitachse 18) versetzt. Der Versatz ist ein kleiner Abstandswert in y" und z" in der y''-z''-Ebene des in 1 gezeigten Nutzmasse-Bezugssystems 35.
In einer idealen Vorrichtung 10 tritt das Lichtstrahlenbündel 46 aus der Vorrichtung in eine Richtung senkrecht zu sowohl der Azimutachse als auch der Zenitachse aus. In einer realen Vorrichtung 10 tritt das Lichtstrahlenbündel 46 etwas abseits dieses idealen Winkels aus. Um den gemessenen Abstand und zwei Winkel zu Koordinaten mit dem Trackerbezugssystem zu bewegen, wobei der Kardanpunkt der Ursprung ist, können Parameter verwendet werden, um diese Wirkungen mathematisch zu berücksichtigen und alle Messungen auf den Ursprung zu beziehen. Zum Beispiel können bei der Art von Strahlenbündel-Führungsmechanismus, die in der Vorrichtung 10 aus 1 beschrieben ist, die Parameter TX, TY Strahlenbündelversätze berücksichtigen, und die Parameter RX, RY können die Strahlenbündelneigungen (in Bezug auf den Idealfall) berücksichtigen. Es sollte selbstverständlich sein, dass andere Strahlenbündel-Führungsmechanismen, zum Beispiel Mechanismen, die Spiegel verwenden, andere Verfahren des Kompensierens der mechanischen und optischen Unzulänglichkeiten in dem System haben, aber die hier besprochenen allgemeinen Grundsätze gelten für alle derartigen Strahlenbündel-Führungsmechanismen.
Es ist notwendig, einen Bezugsabstand für den Distanzmesser innerhalb der Vorrichtung 10 vorzusehen. Da das Lichtstrahlenbündel von dem Distanzmesser aus dem Strahlenbündel-Drehpunkt auszutreten scheint, ist es notwendig, eine Möglichkeit vorzusehen, dass sich alle gemessenen Abstände auf diesen Punkt beziehen. Verfahren hierfür werden nachstehend im Einzelnen besprochen.
Der Vorderseitenmodus der Vorrichtung 10 ist ihr üblicher Betriebsmodus. Die in 20A gezeigte Vorrichtung befindet sich im Vorderseitenmodus. In der gezeigten Figur liegt die Zenitachse 18 vor der Azimutachse 20, sie könnte aber ebenso gut auf der anderen Seite (hinter) der Azimutachse gewesen sein. Der Begriff "Vorderseitenmodus" zeigt einfach an, dass dies der normale Betriebsmodus der Vorrichtung ist, wie durch den Hersteller der Vorrichtung definiert.
Ein anderer Betriebsmodus der Vorrichtung ist der Rückseitenmodus. Um ausgehend vom Vorderseitenmodus in den Rückseitenmodus zu gelangen, wird die Nutzmasse um 180 Grad um die Azimutachse gedreht und um die Zenitachse gedreht, um das Lichtstrahlenbündel 46 zurück auf das Retroreflektorziel weisen zu lassen. Wie in 20B gezeigt ist, besteht eine Wirkung, die Vorrichtung 10 in den Rückseitenmodus zu bringen, darin, die mechanische Zenitachse auf die gegenüberliegende Seite der mechanischen Azimutachse zu bringen. Mit anderen Worten wird, wenn der Achsenversatzparameter im Vorderseitenmodus positiv ist, dieser im Rückseitenmodus negativ sein, und umgekehrt. Für den Fall, bei dem ein Scheitel 820 eines SMR 700 in Reihe mit der Reihe der größten Annäherung 28 platziert wird, wie in den 20A und 20B, ist der Rückseitenabstand 47' abzüglich des Vorderseitenabstands 47 gleich dem Doppelten des Achsenversatzwertes.
20C zeigt eine schematische Darstellung 3040 der Vorrichtung 10, die ein Lichtstrahlenbündel an einen SMR 700 sendet, wenn der SMR in einem Ausgangsmessnest 17 aus 1 platziert ist. Das Lichtstrahlenbündel 46" wird von dem Strahlenbündel-Drehpunkt ausgesendet. In einer Ausführungsform ist der Distanzmesser so eingestellt, dass er einen Abstand von null am Punkt 18 im Vorderseitenmodus hat. Er liest einen Abstand 3042 aus, wenn der SMR 700 in dem Ausgangspositionsnest 17 platziert ist. Der von der Vorrichtung 10 abgelesene Abstand in Bezug auf den Kardanpunkt 22 (nach Kompensationen) ist jedoch ein Abstand 48 von dem Kardanpunkt 22 zum Scheitelpunkt 820.
Um den Strahlenbündel-Drehpunkt als Nullpunkt für den Distanzmesser zu ermitteln, wird eine separate Prozedur durchgeführt, wie sie nun anhand der 21A–C beschrieben wird. In einem ersten Schritt, der in der schematischen Darstellung 3100 von 21A veranschaulicht ist, wird ein Abstand zwischen zwei SMR-Zentrumspositionen gemessen. Eine Möglichkeit, diesen Abstand zu messen, besteht darin, einen Kardanpunkt 3112 eines Lasertrackers mit einer Linie auszufluchten, die die Zentren der beiden SMRs verbindet. Das Kugelzentrum des SMR 3120, wenn er in dem Nest 3130 platziert ist, kann für die Zwecke dieser Besprechung als erstes Nestzentrum bezeichnet werden. Das Kugelzentrum des SMR 3120', wenn er zum zweiten Nest 3130' bewegt wird, kann als das zweite Nestzentrum bezeichnet werden. Eine Linie, die das erste Nestzentrum und das zweite Nestzentrum verbindet, kann als die Kugelzentrumlinie bezeichnet werden. Dieser Abschnitt der Kugelzentrumlinie, die zwischen dem ersten Kugelzentrum und dem zweiten Kugelzentrum liegt, wird als Innenabschnitt der Kugelzentrumlinie bezeichnet, und der Abschnitt der Kugelzentrumlinie, der den Innenabschnitt ausschließt, ist der Außenabschnitt.
Der Kardanpunkt 3112 der Vorrichtung 3110 wird an einem Punkt auf dem Außenabschnitt platziert. Der Abstand 3124 des Lichtstrahlenbündels 3114 von dem Kardanpunkt 3112 zum Scheitelpunkt 3122 des SMR in dem ersten Nest wird gemessen. Der SMR wird zum zweiten Nest 3130' bewegt. Der Abstand 3126 des Lichtstrahlenbündels 3116 von dem Kardanpunkt zum Scheitelpunkt 3122‘ des SMR in dem zweiten Nest wird gemessen. Der Abstand 3126 abzüglich des Abstands 3124 ist der Abstand zwischen dem Scheitelpunkt 3122 und dem Scheitelpunkt 3122. Bei der Geometrie aus 21A ist jedoch der SMR-Tiefenfehler ein üblicher Modus und hebt die beiden Längenmessungen auf. Somit ist die Differenz der Abstände 3126 und 3124 auch der Abstand zwischen den Kugelzentren der SMRs 3120 und 3120'.
Zwei zusätzliche Schritte, die in den 21B, 21C veranschaulicht sind, können ausgeführt werden, um den Abstand 3042 einzustellen, um den Distanzmesser so einzustellen, dass er einen Abstand von null am Strahlenbündel-Drehpunkt (auf der Zenitachse 18) aufweist. In einem ersten Schritt, der in der schematischen Darstellung 3140 veranschaulicht ist, wird die Vorrichtung in ihrem Vorderseitenmodus so platziert, dass ein Kardanpunkt 3112' der Vorrichtung 3110' auf dem Innenabschnitt liegt. Der Distanzmesser misst den Abstand 3142 von dem Kardanpunkt 3112' zum Scheitel des SMR 3120' und den Abstand 3144 von dem Kardanpunkt 3112' zum Scheitel des SMR 3120". In einem zweiten Schritt, der in der schematischen Darstellung 3170 von 21C veranschaulicht ist, wird die Vorrichtung 3110" im Rückseitenmodus platziert. Die Messungen der beiden SMRs werden wiederholt, um die Abstände 3172 und 3174 zu erhalten.
Der Abstand 3126 sollte gleich der Summe der Abstände 3142 und 3144 sein, wenn der Distanzmesser korrekt auf den Strahlenbündel-Drehpunkt (auf der Zenitachse 18) auf null eingestellt ist. Um jede Abweichung von der Idealen zu korrigieren, wird ein Versatzabstand unter Verwendung der Formel Versatzabstand = (Abstand 3126 – (Abstand 3142 + Abstand 3144))/2 berechnet. Der Versatzabstand wird jeder Abstandslesung hinzugerechnet. Gleichermaßen können wir berücksichtigen, dass der Versatzabstand am Strahlenbündel-Drehpunkt auf null gestellt wird.
Es gibt zwei verschiedene Arten von Distanzmesser – Absolut- und Inkrementaldistanzmesser – die etwas unterschiedlich zurückgesetzt werden. Im Fall eines Inkrementaldistanzmessers, wie eines Interferometers, wird der Abstand auf einen bekannten Wert an einem gegebenen Punkt eingestellt. Zum Beispiel könnte es sein, dass von einem an einen SMR gesendeten Laserstrahlenbündel, das an ein Ausgangspositionsnest geschickt wird, erwartet wird, dass es eine Abstandslesung von 0,167 Metern basierend auf Messungen in einer Fabrik oder einem Labor hat. Bei einem Inkrementaldistanzmesser wird ein Lichtstrahlenbündel an den SMR in der Ausgangsposition gesendet und so eingestellt, dass er einen Wert von 0,167 Metern ergibt. Danach kann die Vorrichtung die Anzahl von Wellenlängenverschiebungen in Wellen von Licht zählen und diese mit der Wellenlänge des entsprechenden Lichts (in dem lokalen Luftmedium) multiplizieren, um die gesamte Änderung des Abstands zu erhalten. Diese Änderung des Abstands wird zum ursprünglichen Abstand addiert, um den Abstand zu einem späteren Zeitpunkt zu erhalten.
Im Fall eines Absolutdistanzmessers (ADM) kann wiederum ein Lichtstrahlenbündel an einen Distanzmesser gesendet werden, in diesem Fall wird jedoch der von dem Distanzmesser abgelesene Abstand mit dem bekannten Abstand verglichen, der wiederum 0,167 Meter betragen kann. Einer oder mehrere Parameter, die der Messung des ADM zugeordnet sind, wie zum Beispiel ein Phasenversatzparameter, werden eingestellt, um die erwartete Ablesung von 0,167 Metern zu ergeben. Danach wird (werden) der (die) eingestellte(n) Parameter weiterhin bei der Vornahme von Korrekturen an den ADM-Ablesungen verwendet.
Obwohl die Möglichkeit des Zurücksetzens eines Distanzmessers in beiden Fällen etwas unterschiedlich ist – das Zurücksetzen auf einen Abstand bei dem Inkrementaldistanzmesser und das Zurücksetzen von Parametern bei dem ADM – ist es in beiden Fällen nötig, das Lichtstrahlenbündel von der Vorrichtung zum Scheitel des SMR zu senden, bevor die notwendigen Kompensationen vorgenommen werden.
21C ist eine schematische Darstellung 3170, die eine Möglichkeit veranschaulicht, den Achsenversatzwert 29 zu bestimmen. Wenn sich die Vorrichtung im Rückseitenmodus befindet, misst der Distanzmesser die Abstände 3172 und 3174. Der Achsenversatzwert wird berechnet mit der Formel Achsenversatzwert = ((Abstand 3142 + Abstand 3144) – (Abstand 3172 + Abstand 3174))/4. Der Achsenversatzwert wird zum Transformieren des gemessenen Abstands und zweier Winkel in 3D-Koordinaten in einem Koordinatensystem 30, das auf dem Kardanpunkt 22 zentriert ist, verwendet.
Die Verfahren zum Einstellen des Null-Abstandswerts für den Distanzmesser in der Vorrichtung 10, die vorstehend besprochen worden sind, haben die von dem Distanzmesser gemessenen Abstände in Bezug auf die SMR-Scheitelpunkte 820 gezeigt. Jeder SMR hat jedoch seinen eigenen Tiefenfehler, was bedeutet, dass das Verfahren aus 21 je nach dem verwendeten SMR oder den verwendeten SMRs zu unterschiedlichen Ergebnissen führen wird. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, besteht darin, SMR-Kompensationsparameter zu verwenden, um bis zum SMR-Kugelzentrum (den SMR-Kugelzentren) zu messen, anstatt zum Kugelscheitel zu messen. Bei dem in 21B gezeigten Fall ist es normalerweise so, dass die Symmetrieachse der SMRs 3120' und 3120" mit den Lichtstrahlenbündeln von der Vorrichtung 3110' ausgefluchtet werden können. In diesem Fall ist die Wirkung des Rundlauffehlers vernachlässigbar. Zum Beispiel nehmen wir an, dass der SMR-Rundlauffehler für den SMR 3120" 12 Mikrometer beträgt, wobei der Abstand von dem Kardanpunkt 3112' gleich 2 Meter ist. Der Fehler in der gemessenen Länge beträgt
was ein vernachlässigbarer Wert ist. Solange die Symmetrieachse der SMRs 3120' und 3120" gut mit den Strahlenbündeln von der Vorrichtung 3110' ausgefluchtet werden können, ist es nur notwendig, die gemessenen Abstände 3142, 3144 zu erhöhen oder zu reduzieren, um den SMR-Tiefenfehler zu berücksichtigen. Durch Vornahme dieser Korrektur wird das vorstehend mit Bezug auf die 21A–21C beschriebene Verfahren unabhängig von dem SMR-Tiefenfehler genau sein.
Es sind einige Variationen an den Prozeduren möglich, die mit Bezug auf die 21A–C beschrieben wurden. Das Verfahren aus 21 kann modifiziert werden, indem ein Bezugsartefakt mit einem bekannten Abstand zwischen den Nestern erhalten wird. Der Abstand zwischen auf den Nestern 3130 und 3130' platzierten Kugeln kann einmal unter Verwendung eines kartesischen CMM oder eines Interferometers gemessen werden. Falls die Prüfung in einer Umgebung mit konstanter Temperatur vorgenommen wird, z. B. bei 20 °C, dann würde man nicht erwarten, dass sich der Abstand zwischen den Nestern ändert, insbesondere, wenn das Artefakt aus einem Material mit einem geringen Koeffizienten der Wärmeausdehnung (CTE) gefertigt ist. Zum Beispiel kann das Artefakt aus einem Kohlefaser-Verbundwerkstoff mit einem geringen CTE gefertigt sein, oder es kann aus Invar oder Super-Invar gefertigt sein.
In einem anderen Fall können verschiedene SMRs in den Nestern 3130 und 3130' platziert werden, anstatt ein SMR zwischen den Nestern zu verschieben. Die Verwendung von zwei SMRs auf diese Weise kann in einer automatisierten Prozedur Zeit sparen. In diesem Fall wird der Tiefenfehler von jedem SMR bei dem Bestimmen der Einstellung des Distanzmessers auf null an dem Strahlenbündel-Drehpunkt separat berücksichtigt.
Die Besprechung mit Bezug auf die 21A–C hatte mit Verfahren zum Einstellen des Distanzmessers zu tun, um korrekte Werte abzulesen oder um Kompensations- oder Korrekturwerte an Abstandslesungen anzuwenden. Ein wichtiger Aspekt dieser Korrekturen besteht darin, den SMR-Tiefenfehler so zu berücksichtigen, dass die Distanzmesserkompensation unabhängig von dem SMR-Tiefenfehler genau ist. Im Fall einer Vorrichtung 10, die ein Ausgangspositionsnest 17 aufweist, ist das Endergebnis der Prozeduren der 21A–C ein numerischer Wert, der als Ausgangsbezugsabstand bezeichnet wird, der definiert ist als der Abstand von dem Drehpunkt (auf der Zenitachse 18) zum Zentrum eines SMR (mit einem gegebenen Durchmesser), der sich in dem Ausgangspositionsnest befindet.
Bei einer Vorrichtung, die kein Ausgangspositionsnest aufweist, ist das Endergebnis der Prozeduren der 21A–C eine Korrektur am Distanzmesser selbst. Mit anderen Worten wird die Verarbeitung des Distanzmessers gemäß der Prozedur geändert, um die Summe der Abstandsablesungen 3142 und 3144 gleich dem Abstand der Abstandsablesungen 3126 und 3124 zu machen. Danach kann diese zurückgesetzte Abstandsablesung verwendet werden, um einen Abstand zu einem an der Vorrichtung befestigten Retroreflektor einzustellen. Ein solcher befestigter Retroreflektor kann gemessen werden, wann immer dies gewünscht ist, um einen Drift vom Distanzmesser zu entfernen.
Wie in dem vorstehenden Absatz angegeben wurde, ist bei einer Vorrichtung mit einem Nest, das einen SMR hält, das Endergebnis der Prozeduren der 21A–C ein Ausgangsbezugsabstand, welches ein numerischer Wert ist. In einer Ausführungsform wird dieser numerische Wert genauer gestaltet, indem der SMR-Tiefenfehler korrigiert wird. Der Ausgangsbezugsabstand wird in dem Speicher der Vorrichtung gesichert.
Bei der routinemäßigen Verwendung der Vorrichtung 10 wird der Ausgangsbezugsabstand verwendet, um die Abstandsablesung eines SMR, der an dem Ausgangspositionsnest 17 angeordnet ist, zu korrigieren. Eine solche routinemäßige Korrektur kann für das Korrigieren eines Drifts in dem Distanzmesser nützlich sein, der im Laufe der Zeit und infolge von Temperaturänderungen und mechanischen Erschütterungen auftreten kann. Wie in 20C erklärt und erneut in 22 gezeigt wurde, kann ein Strahlenbündel 46 an einen Scheitelpunkt 820 eines SMR 700 in einem Ausgangspositionsnest 17 gesendet werden. Falls möglich, wird die Symmetrieachse des SMR mit dem Lichtstrahlenbündel von der Vorrichtung ausgefluchtet. Wenn dies möglich ist, kann der Distanzmesser auf einen Abstand 3042 zum Scheitel 820 basierend auf dem Ausgangsbezugsabstand und dem SMR-Tiefenfehler eingestellt werden, ohne die SMR-Rundlauffehler-Vektorkomponente zu berücksichtigen. Zum Beispiel sei angenommen, dass der SMR einen Kugelradius von 0,75 Zoll = 19,05 mm aufweist, wobei sein Kugelscheitel 820 einen Abstand von 0,167 Metern von dem Strahlenbündel-Drehpunkt auf der Zenitachse 18 aufweist. Ferner sei angenommen, dass der SMR-Rundlauffehler 0,0005 Zoll = 12,7 Mikrometer beträgt. Der SMR-Rundlauffehler erzeugt einen Fehler beim gemessenen Abstand von
was vernachlässigbar ist.
In manchen Fällen ist es nicht möglich, die Symmetrieachse des SMR 700 mit der Strahlenbündelrichtung 46 auszufluchten. Zum Beispiel kann in 22 der Kragen 905 nicht mit der Symmetrieachse ausgefluchtet werden, da der Kragen mit der Nestoberfläche in Berührung kommt. Eine solche Berührung sollte vermieden werden, da sie bewirken kann, dass der SMR sich von den Nestkontaktpunkten hebt, was einen Fehler verursacht.
In diesem Fall ist es ratsam, die Wirkungen der SMR-Rundlauffehler-Vektorkomponente sowie den SMR-Tiefenfehler zu berücksichtigen. Dies kann in zwei Schritten erfolgen. In einem ersten Schritt wird der SMR in das Nest gegeben, wobei der Kragen einen gewissen Abstand von der Nestoberfläche hat. Zum Beispiel kann eine Vorschrift darin bestehen, den Kragen abzusenken, bis er die Nestoberfläche berührt, und dann das Nest um 2 mm anzuheben. Angenommen, der Bediener kann den Kragen innerhalb von einem Millimeter des gewünschten Wertes für einen SMR mit einem Radius von 19,05 mm einstellen, so wird eine Ausfluchtung von etwa ±3 Grad erhalten. In einem zweiten Schritt wird der SMR so ausgefluchtet, dass der Bezugspunkt 932 in einer spezifizierten Ausrichtung angeordnet wird. Zum Beispiel kann die Vorschrift lauten, den Punkt 932 an der obersten SMR-Position einzustellen. Die hier vorstehend mit Bezug auf die 9C, 9D und 12A, 12D besprochenen Berechnungen können dann ausgeführt werden, um die Abstandsablesung zu korrigieren, um den Vektorfehler zu berücksichtigen. Mit anderen Worten wird der Ausgangsbezugsabstand, der ein Wert ist, der für das Kugelzentrum eines SMR in dem Ausgangspositionsnest 17 gedacht ist, für den Vektorfehler eingestellt, um den Abstand für den SMR-Scheitelpunkt einzustellen, welches der tatsächliche Punkt ist, der von der Vorrichtung 10 gemessen wird. Eine alternative Möglichkeit, den zweiten Schritt auszuführen, besteht in der Verwendung der Kamera 56 aus 1, um die Ausrichtung des SMR zu bestimmen, wie hier vorstehend besprochen worden ist.
23 zeigt elektrische und Rechenkomponenten 2000 innerhalb und außerhalb des Lasertrackers 10, was für eine Vorrichtung repräsentativ ist, die verwendet wird, um einen SMR zu messen. Diese elektrischen und Rechenkomponenten sind nur repräsentativ, und es sollte selbstverständlich sein, dass andere Konfigurationen möglich sind. Ein Hauptprozessor 2070 sendet und empfängt Datennachrichten an Prozessoren innerhalb des Lasertrackers. Diese Nachrichten können über einen drahtgebundenen, optischen oder drahtlosen Vorrichtungsbus 2030 gesendet werden. Die Verarbeitung kann für Funktionen innerhalb des Lasertrackers 10 unabhängig ausgeführt werden. Zum Beispiel kann es einen Positionsdetektor-Prozessor 2012, einen Azimut-Schrittgeber-Prozessor 2014, einen Zenti-Schrittgeber-Prozessor 2016, einen ADM-Prozessor 2020, einen Interferometer-Prozessor 2022, einen Positionsgeberkamera-Prozessor 2024, einen Anzeigelichter-Prozessor 2018, einen Temperaturelektronik-Prozessor 2025, einen Azimut(AZ)- und Zenit(ZE)-Motor-Prozessor und einen RFID- und drahtlosen Prozessor 2028 geben. Der RFID- und drahtlose Prozessor 2028 kann mit einer Antenne 2029 verbunden werden, um Hochfrequenz-(RF)-Signale auszugeben oder zu empfangen. Der Begriff Prozessor, wie er hier verwendet wird, soll nicht nur Rechenvorrichtungen einschließen, die Mikroprozessoren, FPGAs und DSPs umfassen können, sondern auch elektronische Schaltungen, um Funktionen auszuführen, die notwendig sind, um die Signale, die an eine Rechenvorrichtung oder einen Speicher zu senden sind, aufzubereiten. Eine solche elektronische Schaltung kann zum Beispiel Analog-Digital-Wandler oder eine Temperaturbestimmungselektronik umfassen. Der Hauptprozessor 2070 kann in einem Kasten eingeschlossen sein, wie dem Schnittstellenkasten 70 aus 2. Alternativ kann er in die Elektronik intern in dem Trackergehäuse integriert sein. Die Signale von dem Hauptprozessor können zu einem externen Rechner 25 gehen oder mit einem Netz 2044, 2042 verbunden sein.
Eine elektrische Speicherkomponente innerhalb von 2000 kann verwendet werden, um Informationen zu speichern. Solche Informationen können von dem Prozessor verwendet werden oder durch drahtgebundene oder drahtlose Mittel zu einem entfernten Prozessor übertragen werden. Die Informationen können eine Seriennummer und SMR-Parameter umfassen, wie hier vorstehend besprochen worden ist.
Während sich die vorstehende Beschreibung auf besondere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bezieht, versteht es sich, dass viele Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Geist von dieser zu verlassen. Die beigefügten Ansprüche sollen solche Modifikationen abdecken, die in den tatsächlichen Schutzbereich und Rahmen der vorliegenden Erfindung fallen würden.
Die vorliegend offenbarten Ausführungsformen sind daher in jeder Hinsicht als veranschaulichend und nicht einschränkend anzusehen, wobei der Schutzbereich der Erfindung durch die beigefügten Ansprüche angezeigt ist, und nicht durch die vorstehende Beschreibung, und alle Änderungen, die innerhalb der Bedeutung und des Rahmens der Äquivalenz der Ansprüche liegen, sollen daher mit eingeschlossen sein.

Claims

Verfahren zum Messen eines sphärisch montierten Retroreflektors (SMR) mit einer Vorrichtung, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Bereitstellen eines ersten SMR, wobei der erste SMR einen ersten Körper und einen ersten Retroreflektor aufweist, wobei der erste Körper einen ersten sphärischen Außenabschnitt aufweist, der ein erstes Kugelzentrum aufweist, wobei der erste Körper einen ersten Hohlraum enthält, wobei der erste Hohlraum so bemessen ist, dass er den ersten Retroreflektor aufnehmen kann, wobei sich der erste Hohlraum zu einem Bereich außerhalb des ersten Körpers öffnet, wobei der erste Retroreflektor zumindest teilweise in dem ersten Hohlraum angeordnet ist, wobei der erste SMR einen ersten Kugelradius aufweist, wobei der erste Kugelradius ein Radius des ersten sphärischen Außenabschnitts ist, wobei der erste SMR auch mit einem ersten nominalen Kugelradius versehen ist, wobei der erste nominale Kugelradius ein numerischer Wert ist, der für den ersten SMR vorgesehen ist; Bereitstellen der Vorrichtung, wobei die Vorrichtung ein Vorrichtungsbezugssystem aufweist, das in Bezug auf eine Basis der Vorrichtung und eine Lichtquelle fixiert ist, die ein erstes Lichtstrahlenbündel ausgibt, wobei die Vorrichtung dafür ausgelegt ist, einen Zielabstand und zwei Zielwinkel von der Vorrichtung zu einem Zielretroreflektor zu messen, wobei die beiden Zielwinkel in Bezug auf die Basis gegeben sind; Bereitstellen eines ersten Nests, das dafür ausgelegt ist, wiederholt einen sphärischen Außenabschnitt aufzunehmen, wobei das erste Nest eine erste Trägerachse aufweist, wobei die erste Trägerachse mit einer Ortskurve von Kugelzentren für Kugeln mit verschiedenen, in dem ersten Nest positionierten Durchmessern zusammenfällt, wobei die erste Trägerachse eine erste Trägerachsenrichtung aufweist, wobei es eine erste ideale Trägerposition an der ersten Trägerachse gibt, wobei die erste ideale Trägerposition eine Position ist, die mit einem Zentrum einer ersten Bezugskugel zusammenfällt, wenn diese von dem ersten Nest aufgenommen ist, wobei die erste Bezugskugel einen Radius gleich dem ersten nominalen Kugelradius aufweist; Bereitstellen eines Prozessors und eines Speichers; Bereitstellen von maschinenlesbaren Medien mit maschinenlesbaren Anweisungen, die, wenn sie von dem Prozessor ausgeführt werden, dreidimensionale (3D-)Koordinaten einer idealen Trägerposition berechnen; Messen des ersten Kugelradius; Subtrahieren des ersten nominalen Kugelradius von dem ersten Kugelradius, um ein erstes Radiusdelta zu erhalten; Speichern des ersten Radiusdeltas; Lesen des ersten Radiusdeltas durch den Prozessor; Anordnen des ersten sphärischen Außenabschnitts in dem ersten Nest; Senden des ersten Lichtstrahlenbündels von der Lichtquelle zum ersten Retroreflektor und in Reaktion darauf Empfangen eines ersten reflektierten Lichts an der Vorrichtung; Messen eines ersten Zielabstands und einer ersten Gruppe der beiden Zielwinkel von der Vorrichtung zum ersten Retroreflektor zumindest teilweise basierend auf dem ersten reflektierten Licht, wobei der erste Zielabstand ferner zumindest teilweise auf einer Lichtgeschwindigkeit über einen von dem ersten Lichtstrahlenbündel zurückgelegten Weg basiert; Bestimmen der ersten Trägerachsenrichtung; Ausführen der maschinenlesbaren Anweisungen durch den Prozessor, wobei die maschinenlesbaren Anweisungen 3D-Koordinaten der ersten idealen Trägerposition im Vorrichtungsbezugssystem zumindest teilweise basierend auf dem ersten Zielabstand, der ersten Gruppe der beiden Zielwinkel, der ersten Trägerachsenrichtung und dem ersten Radiusdelta berechnen; und Speichern der 3D-Koordinaten der ersten idealen Trägerposition.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Schritt des Bestimmens von 3D-Koordinaten der ersten idealen Trägerposition mit dem Prozessor das Bestimmen ferner auf einer Geometrie des ersten Nests basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Schritt des Bestimmens der ersten Trägerachsenrichtung das Bestimmen zumindest teilweise auf einer ersten Oberflächengeometrie basiert, wobei die erste Oberflächengeometrie eine Geometrie der ersten Oberfläche ist, an der das erste Nest befestigt ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei in dem Schritt des Bestimmens der ersten Trägerachsenrichtung die erste Oberflächengeometrie zumindest teilweise durch CAD-Zeichnungen bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei in dem Schritt des Bestimmens der ersten Trägerachsenrichtung die erste Oberflächengeometrie zumindest teilweise durch 3D-Messungen der ersten Oberfläche bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Schritt des Bestimmens der ersten Trägerachsenrichtung die erste Trägerachsenrichtung zumindest teilweise auf einer Messung des ersten Nests durch die Vorrichtung basiert.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Schritt des Bestimmens der ersten Trägerachsenrichtung die erste Trägerachsenrichtung von einem Bediener einer Anwendungssoftware bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Schritt des Bestimmens der ersten Trägerachsenrichtung die erste Trägerachsenrichtung in einer Anwendungssoftware in einer Standardeinstellung bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Schritt des Bestimmens von 3D-Koordinaten der ersten idealen Trägerposition mit dem Prozessor das Bestimmen einen Schritt des Bestimmens von 3D-Koordinaten des ersten Kugelzentrums zumindest teilweise basierend auf dem ersten Zielabstand und der ersten Gruppe von zwei Winkeln und einen Schritt des Verschiebens der 3D-Koordinaten des ersten Kugelzentrums entlang der ersten Trägerachsenrichtung um das erste Radiusdelta umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Bereitstellen eines zweiten SMR, wobei der zweite SMR einen zweiten Körper und einen zweiten Retroreflektor aufweist, wobei der zweite Körper einen zweiten sphärischen Außenabschnitt aufweist, der ein zweites Kugelzentrum aufweist, wobei der zweite Körper einen zweiten Hohlraum aufweist, wobei der zweite Hohlraum so bemessen ist, dass er den zweiten Retroreflektor aufnehmen kann, wobei sich der zweite Hohlraum in einen Bereich außerhalb des zweiten Körpers öffnet, wobei der zweite Retroreflektor zumindest teilweise in dem zweiten Hohlraum angeordnet ist, wobei der zweite SMR einen zweiten Kugelradius aufweist, wobei der zweite Kugelradius ein Radius des zweiten sphärischen Außenabschnitts ist, wobei der zweite SMR auch mit einem zweiten nominalen Kugelradius versehen ist, wobei der zweite nominale Kugelradius ein numerischer Wert ist, der für den zweiten SMR bereitgestellt wird; Bereitstellen eines zweiten Nests, das dafür ausgelegt ist, wiederholt einen sphärischen Außenabschnitt aufzunehmen, wobei das zweite Nest eine zweite Trägerachse aufweist, wobei die zweite Trägerachse mit einer Ortskurve von Kugelzentren für Kugeln mit verschiedenen Durchmessern, die in dem zweiten Nest positioniert sind, zusammenfällt, wobei die zweite Trägerachse eine zweite Trägerachsenrichtung aufweist, wobei es eine zweite ideale Trägerposition an der zweiten Trägerachse gibt, wobei die zweite ideale Trägerposition eine Position ist, die mit einem Zentrum einer zweiten Bezugskugel zusammenfällt, wenn diese von dem zweiten Nest aufgenommen ist, wobei die zweite Bezugskugel einen Radius gleich dem zweiten nominalen Kugelradius aufweist; Messen des zweiten Kugelradius; Subtrahieren des zweiten nominalen Kugelradius von dem zweiten Kugelradius, um ein zweites Radiusdelta zu erhalten; Speichern des zweiten Radiusdeltas; Lesen des zweiten Radiusdeltas durch den Prozessor; Anordnen des zweiten sphärischen Außenabschnitts in dem zweiten Nest; Senden des ersten Lichtstrahlenbündels von der Lichtquelle zum zweiten Retroreflektor und in Reaktion darauf Empfangen eines zweiten reflektierten Lichts an der Vorrichtung; Messen eines zweiten Zielabstands und einer zweiten Gruppe der beiden Zielwinkel von der Vorrichtung zum zweiten Retroreflektor zumindest teilweise basierend auf dem zweiten reflektierten Licht, wobei der zweite Zielabstand ferner zumindest teilweise auf einer Lichtgeschwindigkeit über einen von dem ersten Lichtstrahlenbündel zurückgelegten Weg basiert; Bestimmen der zweiten Trägerachsenrichtung; Bestimmen von 3D-Koordinaten der zweiten idealen Trägerposition in dem Vorrichtungsbezugssystem mit dem Prozessor zumindest teilweise basierend auf dem zweiten Zielabstand, der zweiten Gruppe der beiden Zielwinkel, der zweiten Trägerachsenrichtung und dem zweiten Radiusdelta; und Speichern der 3D-Koordinaten der zweiten idealen Trägerposition.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei in dem Schritt des Bestimmens von 3D-Koordinaten der zweiten idealen Trägerposition mit dem Prozessor das Bestimmen einen Schritt des Bestimmens von 3D-Koordinaten des zweiten Kugelzentrums zumindest teilweise basierend auf dem zweiten Zielabstand und der zweiten Gruppe von zwei Winkeln und einen Schritt des Verschiebens der 3D-Koordinaten des zweiten Kugelzentrums entlang der zweiten Trägerachsenrichtung um einen Abstand gleich dem zweiten Radiusdelta umfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, ferner umfassend einen Schritt des Bestimmens eines ersten Abstands zwischen den 3D-Koordinaten der ersten idealen Trägerposition und den 3D-Koordinaten der zweiten idealen Trägerposition.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei in dem Schritt des Bestimmens eines ersten Abstands mindestens eines von dem ersten Nest und dem zweiten Nest senkrecht zu einer Linie steht, die die erste ideale Trägerposition und die zweite ideale Trägerposition verbindet.
Verfahren nach Anspruch 9, ferner umfassend: Bereitstellen eines zweiten Nests, das dafür ausgelegt ist, wiederholt einen sphärischen Außenabschnitt aufzunehmen, wobei das zweite Nest eine zweite Trägerachse aufweist, wobei die zweite Trägerachse mit einer Ortskurve von Kugelzentren für Kugeln mit verschiedenen Durchmessern, die in dem zweiten Nest positioniert sind, zusammenfällt, wobei die zweite Trägerachse eine zweite Trägerachsenrichtung aufweist, wobei es eine zweite ideale Trägerposition an der zweiten Trägerachse gibt, wobei die zweite ideale Trägerposition eine Position ist, die mit einem Zentrum einer zweiten Bezugskugel zusammenfällt, wenn diese von dem zweiten Nest aufgenommen ist, wobei die zweite Bezugskugel einen Radius gleich dem zweiten nominalen Kugelradius aufweist; Anordnen des ersten sphärischen Außenabschnitts in dem zweiten Nest; Senden des ersten Lichtstrahlenbündels von der Lichtquelle zum ersten in dem zweiten Nest gehaltenen Retroreflektor und in Reaktion darauf Empfangen eines zweiten reflektierten Lichts an der Vorrichtung; Messen eines zweiten Zielabstands und einer zweiten Gruppe der beiden Zielwinkel von der Vorrichtung zum ersten Retroreflektor zumindest teilweise basierend auf dem zweiten reflektierten Licht, wobei der zweite Zielabstand ferner zumindest teilweise auf einer Lichtgeschwindigkeit über einen von dem ersten Lichtstrahlenbündel zurückgelegten Weg basiert; Bestimmen der zweiten Trägerachsenrichtung; Ausführen der maschinenlesbaren Anweisungen durch den Prozessor, wobei die maschinenlesbaren Anweisungen 3D-Koordinaten der zweiten idealen Trägerposition im Vorrichtungsbezugssystem zumindest teilweise basierend auf dem zweiten Zielabstand, der zweiten Gruppe der beiden Zielwinkel, der zweiten Trägerachsenrichtung und dem zweiten Radiusdelta berechnen; und Speichern der 3D-Koordinaten der zweiten idealen Trägerposition.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei in dem Schritt des Bestimmens von 3D-Koordinaten der zweiten idealen Trägerposition mit dem Prozessor das Bestimmen einen Schritt des Bestimmens von 3D-Koordinaten des zweiten Kugelzentrums zumindest teilweise basierend auf dem zweiten Zielabstand und der zweiten Gruppe von zwei Winkeln und einen Schritt des Verschiebens der 3D-Koordinaten des ersten in dem zweiten Nest gehaltenen Kugelzentrums entlang der zweiten Trägerachsenrichtung um einen Abstand gleich dem zweiten Radiusdelta umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, ferner umfassend einen Schritt des Bestimmens eines ersten Abstands zwischen den 3D-Koordinaten der ersten idealen Trägerposition und den 3D-Koordinaten der zweiten idealen Trägerposition.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei in dem Schritt des Bestimmens eines ersten Abstands mindestens eines von dem ersten Nest und dem zweiten Nest senkrecht zu einer Linie steht, die die erste ideale Trägerposition und die zweite ideale Trägerposition verbindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Schritt des Bereitstellens eines ersten SMR der erste SMR ferner ein Informationsspeicherelement umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend einen Schritt des Speicherns des ersten Radiusdeltas in dem Informationsspeicherelement.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei das Informationsspeicherelement ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem eindimensionalen Strichcode, einem zweidimensionalen Strichcode und einem Hochfrequenz-Kennungstag.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei in dem Schritt des Bereitstellens der Vorrichtung die Vorrichtung ferner ein Speicherelement-Lesegerät umfasst, wobei das Speicherelement-Lesegerät dafür ausgelegt ist, die in dem Informationsspeicherelement gespeicherten Informationen auszulesen.