WO2014044508A1 - Method for orienting a laser sensor in relation to a measurement object - Google Patents

Method for orienting a laser sensor in relation to a measurement object Download PDF

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WO2014044508A1
WO2014044508A1 PCT/EP2013/067805 EP2013067805W WO2014044508A1 WO 2014044508 A1 WO2014044508 A1 WO 2014044508A1 EP 2013067805 W EP2013067805 W EP 2013067805W WO 2014044508 A1 WO2014044508 A1 WO 2014044508A1
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laser
laser distance
calibration body
distance sensor
measurement
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PCT/EP2013/067805
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Roland KEMPF
Ulrich Dörr
Norbert Möller
André Mecklenburg
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Evonik Litarion Gmbh
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    • G01S7/497Means for monitoring or calibrating
    • G01S7/4972Alignment of sensor

Definitions

  • the invention relates to a method for scaling the position and the orientation of at least one laser distance sensor.
  • the invention also relates to a method for measuring the thickness of a body or the thickness of a coating of a coated body in a measurement setup, wherein at least one laser distance sensor is used in the measurement.
  • the invention also relates to a device for carrying out such methods.
  • Laser distance sensors are used, inter alia, when the thickness of a coating is to be measured precisely. In this case, the light reflected from the coating on an object is measured and from this the thickness of the coating is determined.
  • Such a method is known, for example, from EP 2 031 347 A1, in which the temperature of the object to be coated is also measured during the measurement in order to obtain a more accurate estimate of the thickness of a coating in the case of a thickness measurement.
  • a method for measuring the coating thickness by means of laser triangulation is known from EP 2 312 267 A1. The measurement is measured before and during or after coating and can be carried out selectively. A similar method is used in DE 103 13 888 A1. In the method, a distance is determined by a laser triangulation method and compared with a reference value in order to be able to estimate the thickness of a coating.
  • the aim is to align the position and the orientation of the laser as closely as possible to the object to be measured.
  • the object of the invention is therefore to provide a method for positioning a laser of a laser distance sensor to a coated body to be measured, which is as simple to carry out and leads to the most accurate adjustment and positioning of the laser distance sensor to the object to be measured.
  • the present invention is accomplished by a method of scaling the position and orientation of at least one laser proximity sensor to a calibration body, each laser distance sensor each having a laser and a sensor comprising the following chronological steps A) through C):
  • the method is simple to implement and therefore inexpensive to implement.
  • a high accuracy of a subsequent measurement can be achieved. It may be sufficient if only the orientation of the laser distance sensor is adjusted.
  • a scaling of the position and the orientation of at least one laser distance sensor is the same if only the position and the orientation of at least one laser of a laser distance sensor are scaled, if the laser and the sensor of the laser distance sensor are not fixed to one another.
  • the dimensions and the mounting of the calibration body can be manufactured to at least 0.5 mm, particularly preferably to at least 0.1 mm, very particularly preferably to at least 0.01 mm.
  • the angles of the surfaces to the axis of rotation and to each other can be made at least to 1 °, preferably to at least 0.1 ° accurate, most preferably to at least 0.01 ° accurate.
  • the method comprises a step D), D) adjustment of the at least one laser distance sensor based on the thus determined position and orientation of the at least one laser distance sensor to the calibration body, so that a desired position and a desired orientation of the at least one laser distance sensor to the calibration body is desired, wherein step D) after step C).
  • a further embodiment of a method according to the invention can provide that the distance measurements are performed on at least five measuring points on the surface of the calibration body by the laser distance sensor or the laser distance sensors are performed.
  • the calibration body is rotatably mounted in the measurement setup and the measurement points are driven by rotating the calibration body in the measurement setup about the axis of rotation or the continuous course is driven by rotating the calibration body in the measurement setup about the axis of rotation , wherein preferably the laser distance sensor or the laser distance sensors is aligned at the rotation axis as a desired orientation or, more preferably, the orientation of the laser distance sensor or the laser distance sensors to the rotation axis with an angle ( ⁇ ) of less than 20 °, most preferably at an angle ( ⁇ ) less than 5 °.
  • a rotatable calibration body in particular a turntable as calibration body, simplifies the entire structure.
  • the structure can be made much more compact with a rotating calibration body. It can be provided that the angular velocity (co) of the calibration body about the axis of rotation when determining the position and the orientation of the at least one laser distance sensor to the rotatable calibration body is taken into account, in particular in the distance measurement of the continuous course.
  • the angle of rotation (.phi.) Of the calibration body is determined, the time (t) preferably being measured at known angular velocity (co) in order to determine the angle of rotation (.phi.) Of the calibration body, with a marker being particularly preferred the calibration body is measured with the at least one laser distance sensor to determine a full revolution.
  • a turntable is used as the calibration body, wherein preferably the turntable is inclined against the rotation axis, particularly preferably a tilt angle ( ⁇ ) between 5 ° and 60 °, very particularly preferably a tilt angle ( ⁇ ) between 15 ° and 30 ° is inclined.
  • the tilt angle ( ⁇ ) of the turntable against the axis of rotation in determining the position and the orientation of the at least one laser distance sensor to the turntable is considered mathematically.
  • the tilt angle ( ⁇ ) of the rotary disk relative to the axis of rotation must be known as precisely as possible.
  • the laser beam generated by the laser of the at least one laser distance sensor always hits the respectively identical side of the turntable during the distance measurement.
  • This measure also serves to simplify the arithmetic evaluation for determining the position and orientation of the laser distance sensor.
  • n is the normal vector of the turntable, ie the position vector of the intersection of a surface of the turntable with the axis of rotation, bi the position vector of the virtual intersection of the laser beam with the associated xy plane E l through the Point di, c l of the in the z-direction normalized to the amount of 1 direction vector of the incident on the turntable laser beam from laser 1 in the direction of increasing measured values and / 0 1, the measured value of the laser distance sensor, which
  • the phase of the fundamental wave of ⁇ ⁇ ( ⁇ ) and ⁇ ⁇ the phase angle of the 1st Harmonic wave of ⁇ ⁇ ( ⁇ )
  • c zl sign (c zl ) indicates the z-orientation of the laser to the turntable
  • is the tilt angle of the turntable against the rotation axis
  • F 1t 1 is the measured amplitude of the fundamental wave
  • F 2 i is the measured amplitude of the first harmonic.
  • Laser triangulation methods are simple and inexpensive to implement and particularly suitable for the implementation of scaling methods according to the invention.
  • a further development of the invention can provide that the relative position and orientation of at least two laser distance sensors are determined relative to one another, and uncertainties are compensated for by errors in the assessment of the position and geometry of the calibration body.
  • the relative determination can compensate for errors or uncertainties in the geometry and the bearing of the calibration body.
  • the objects of the invention are also achieved by a method for measuring the thickness of a body or coating of a coated body in a measurement setup, wherein at least one laser distance sensor is used in the measurement of the thickness whose position and orientation was determined to the calibration body with such a method or which was previously aligned in the measurement setup with such a method against a calibration body.
  • Such methods may preferably also include the following chronological steps:
  • G measuring the thickness of a body or its coating by means of the at least one aligned and positioned laser distance sensor and / or measuring the thickness of the one body or its coating, wherein the position and orientation of the at least one laser distance sensor is taken into account mathematically.
  • steps A) to G) of the alignment methods according to the invention are carried out in chronological order and according to steps A) to G) of the alignment methods according to the invention.
  • a step H) may be provided after step G), in which a determination of the thickness of the coating is carried out from the measurement of the thickness of the coated body.
  • the device has at least one laser distance sensor and a bearing for a body to be measured comprises, wherein each laser distance sensor comprises a laser and a sensor, the storage is designed to hold a calibration body with at least partially well-defined surface and the calibration body is defined in the device movable.
  • the calibration body is rotatably mounted in the device or is storable and the calibration body is rotatable about a defined angle ( ⁇ ) about an axis of rotation and / or with at least one defined angular velocity (co) is rotatable.
  • the calibration body is a disc which is inclined against the axis of rotation, preferably tilted by a Verkippungswinkel ( ⁇ ) between 5 ° and 60 °, more preferably by a Verkippungswinkel ( ⁇ ) between 15 ° and 30 ° is inclined, most preferably inclined by a tilt angle ( ⁇ ) between 20 ° to 25 °.
  • the invention is based on the surprising finding that it is possible to scale the position and orientation of a laser distance sensor or a laser of such a laser distance sensor so accurately by measuring on the surface of a defined calibration body that in a subsequent measurement of a coated body with unknown layer thickness Coating a particularly high accuracy can be achieved, or an improvement in the accuracy can be achieved.
  • the method is relatively simple to perform and easy to implement with the computing power of modern computing systems.
  • the aim of a measurement setup according to the invention and an evaluation procedure or a method according to the invention is to determine the position and tilt of one or more laser distance sensors relative to a rotation axis defined by the measurement setup.
  • the process is very robust because it does not use the absolute value of the laser distance sensor.
  • the test setup is characterized by a low height.
  • the position parameters determined in this way can be used in particular for a) aligning one or more laser distance sensors parallel to a rotation axis defined by the measurement setup,
  • Figure 1 is a schematic side view of a structure for implementing a method according to the invention in a desired position
  • Figure 2 is a schematic side view of a structure for implementing a method according to the invention with coarse alignment at the beginning of the process;
  • FIG. 3 shows a schematic perspective illustration for clarifying the angular relationships in a structure for implementing a method according to the invention in an initial situation
  • FIG. 4 shows two schematic side views of a turntable as shown in FIG. 3;
  • FIG. 5 a perspective diagram for clarifying the geometric relationships.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a measurement setup for implementing a method according to the invention in a desired position.
  • the measurement setup comprises a laser distance sensor 2, which has a laser 8 and a sensor 10.
  • the laser 8 and the sensor 10 are arranged at a fixed angle to each other.
  • a disk Above the laser distance sensor 2, a disk is arranged as a calibration body 12 and rotatably supported about a rotation axis z.
  • the axis of rotation z need not be a material axis, as by the drawing is suggested, for example, when the calibration body 12 is held in a rotatable frame.
  • the laser beam from the laser 8 hits the calibration body 12 in the illustration shown on the underside. But the laser beam could just as well hit the top side of the calibration body 12.
  • sensors 10 conventional CCD chips with an upstream lens can be used.
  • sensors 10 for measuring the reflected laser light are known from laser triangulation methods for determining the layer thickness of a coated body.
  • the laser 8 is aligned in a desired orientation to the calibration body 12, namely parallel to the axis of rotation z of the calibration body 12. If the laser beam is understood as a vector in the coordinate system of the calibration body 12, this is parallel to the z-axis.
  • the orientation and positioning of the laser distance sensor 2 shown in FIG. 1 is to be achieved for the calibration body 12, or a correction formula can be determined with which the measurement results of the laser distance sensor 2 can be converted so that it matches the measurement result of a correctly aligned laser distance sensor 2 (such as shown in Figure 1) would correspond.
  • the laser distance sensor 2 is only roughly aligned or misaligned in the measurement setup.
  • This arrangement is shown in Figure 2 as a schematic side view.
  • the laser distance sensor 2 is not exactly parallel to the axis of rotation z of the calibration body 12 is arranged but tilted against the z-axis.
  • the aim of the method is to align the laser distance sensor 2 against the calibration body 12 so that the arrangement comes as close as possible to the state shown in Figure 1.
  • the correction formula can also be determined in order to correct the measurement data recorded with the tilted laser distance sensor 2 in such a way that they correspond to the measurement data of a well-aligned laser distance sensor 2 (shown in FIG. 1).
  • the calibration body 12 is introduced into the measurement setup and rotatably mounted there. With the laser distance sensor 2, several measuring points on the bottom surface of the calibration body 12 was added. For this purpose, the calibration body 12 is rotated in construction. Preferably, not only are discrete measurement points recorded on the surface of the calibration body 12, but a continuous course of the distances of the laser distance sensor 2 from the surface of the rotating calibration body 12 is recorded. With known angular velocity ⁇ and as accurately known geometry of the calibration body 12 information can be obtained from the periodic signal of the laser distance sensor 2, which allow precise conclusions about the arrangement and orientation of the laser 8 and thereby of the laser distance sensor 2 to the calibration body 12. The information thus obtained can be used to adjust the laser distance sensor 2 in order to achieve the desired state in FIG.
  • the information thus obtained may be used to calculate the correction formula to correct the measurement data taken with the tilted laser distance sensor 2 to correspond to the measurement data of a well-aligned laser distance sensor 2 (shown in FIG. 1).
  • a turntable 12 is rotatably mounted as a calibration body 12 in the measurement setup.
  • the turntable 12 is inclined from the rotation axis z by an angle ⁇ .
  • the turntable 12 is brought into the laser beam of the laser distance sensor 2 and detects the measured values of the distance measurement of the laser 8 to the point of impact of the laser beam on the turntable 12 during its rotation.
  • the absolute angle (or at least its zero crossing) of the rotary disk 12 is measured on the rotation axis z.
  • FIG. 3 shows a schematic perspective illustration for clarifying the angular relationships in a structure for implementing a method according to the invention in an initial situation with a roughly adjusted laser 28 of a laser distance sensor.
  • the laser beams of the Of course, laser 28 will hit the turntable 32.
  • the displacement of the laser 28 in the xy plane is used here only for a clearer representation of the angular relationships.
  • the z-axis of the Cartesian coordinate system is placed in the axis of rotation of a turntable 32.
  • the turntable 32 is used as a calibration body in the measurement setup.
  • the x- and y-axis is not determined geometrically, but should be based on the adjustment possibilities of the laser sensors.
  • the laser 28 radiates (in this illustration from below) onto the turntable 32.
  • the position and orientation of the laser sensor are determined by the direction vector c i of the h F
  • FIG. 4 shows two schematic side views of the turntable 32 according to the illustration according to FIG. 3 in order to be able to vividly discuss the mathematical derivation of a solution according to the invention of the problem.
  • the normal vector n of the rotary disk 32 is tilted or inclined from the z-axis by the angle ⁇ , with 0 ⁇ ⁇ / 2, so that the angle between the surface of the rotary disk 32 and the x / y-plane is ⁇ .
  • the actual angle of rotation ⁇ of the rotary disk 32 is the angle between the x-axis and the negative gradient of the rotary disk 32 projected into the x / y plane of the footed surface in FIG f cos ( ⁇ p) sin ( ⁇ 5)
  • Rotation axis z According to this definition, the normal vector is parameterized by n sin ( ⁇ p) sin ( ⁇ 5) cos ( ⁇ 5).
  • Figure 5 shows a perspective Diagrannnn to illustrate the geometric relationships.
  • the vectors of a laser beam of a laser for example of the laser 28 according to FIG. 3
  • the vectors and angles used for the calculation are shown in relation to the coordinate system and the laser beam.
  • analogue graphs result, which in the following lead to analogous considerations.
  • the direction of the laser is described by two equivalent vectors: the unit vector c l pointing in the direction of the first laser beam, namely
  • This equation can already be used according to the invention to calculate the position and orientation of the lasers with respect to one another by means of the distance measurements and the known ones.
  • the equation can be solved mathematically using parameter fits.
  • further mathematical simplifications lead to a preferred embodiment of the invention with much simpler calculation.
  • ⁇ ⁇ ( ⁇ ) F o, i + F i, i cos ( ⁇ p - ⁇ ⁇ ) + 2> 1 cos (2 ⁇ p - ⁇ ,) + ... with u > 0, 21 > 0.
  • the sign of the prefactor, ie -c zl may have to be replaced by an angle shifted by ⁇ in the argument of cos - Terms are expressed.
  • the tilt angle ⁇ of the hub 32 can be closed from the storage of the hub 32, which is defined by the measurement setup.
  • the z-orientation of the laser 28 determines whether the turntable 32 is from above or below
  • each point on the laser beam of the first laser (in the measuring range) can be unambiguously measured
  • the offset in the measured value can be determined as the difference between the current measured value and the desired measured value, and the offset can then be taken into account in the evaluation of the later measured values.
  • the tilt angle ⁇ is defined and known by the structure of the turntable 32.
  • the angle ⁇ scales the
  • the Fourier coefficients 01 , 1 1 , 2 1 and the phases ⁇ ⁇ , ⁇ ⁇ of ⁇ ⁇ ( ⁇ ) can in the
  • the measurement signal is measured at previously defined, discrete angular positions (spatial discrete on the turntable 32) and the parameters of ⁇ ⁇ ( ⁇ ), for example, determined by a discrete Fourier transform. According to the invention, continuous measurements are preferred for ease of handling.
  • Time signal l x (t) can again be determined ⁇ ⁇ ( ⁇ ) and its parameters.
  • a constant angular velocity ⁇ thus leads to a simplification of the calculation of the parameters and is therefore particularly preferred according to the invention.
  • the setting accuracy of the laser 8, 28 directly determines the uncertainty of a thickness measurement.
  • a second laser could provide an analog contribution to refine the measurement.
  • an alignment of this second laser to the laser 8, 28 take place, to then use both to determine the thickness of the hub and / or their coating.
  • the largest possible angle ⁇ should be selected and the full measuring range should be used as far as possible so that F can be as large as possible.
  • this is limited by the real dimensions of the measurement setup, such as the dimensions of the laser distance sensors 2, optionally the thickness of the turntable and the axis of rotation or the diameter of the laser beam.
  • an angle ⁇ between 15 ° and 35 ° is particularly preferred since it can be implemented well with these components.
  • the resolution of the laser distance sensors 2 should be as high as possible so that AF and AF V are as small as possible.
  • this should be as little as possible tilted, that is, the angle ⁇ 'be as small as possible, and lie as quiet as possible in the direction of the z-axis, that is h should be as low as possible.
  • An inclination of the object to be measured of 0 ° can preferably be provided.
  • the constructed measuring device is inserted into the beam path of the laser 8, 28.
  • T j arctan ⁇ ) angle between first laser beam (8, 28) and parallel to Rotation axis (z)

Abstract

The invention relates to a method for scaling the position and the orientation of at least one laser distance sensor in relation to a calibration body, wherein each laser distance sensor has a laser and a sensor, comprising the following chronological steps A) to C): A) arranging a well-defined calibration body, which has a geometry that is precisely defined at least in some regions, in a measurement set-up comprising the laser distance sensors, wherein the position of the calibration body is precisely defined by arranging the calibration body in the measurement set-up, and coarsely orienting at least one laser distance sensor in relation to the calibration body; B) performing distance measurements of several measurement points or of a continuous course on the surface of the calibration body by means of the laser distance sensor or the laser distance sensors, wherein the calibration body is moved in the measurement setup in relation to the laser distance sensor or the laser distance sensors in order to enable the laser of the laser distance sensor or the lasers of the laser distance sensors to irradiate the various measurement points or the continuous course for the distance measurements; and C) determining the position and the orientation of the at least one laser distance sensor in relation to the calibration body on the basis of the distance measurements and the known geometry and position of the calibration body in the measurement setup. The invention further relates to a method for measuring the thickness of a body or of a coating of a coated body in a measurement setup, wherein at least one laser distance sensor, the position and orientation of which in relation to the calibration body have been determined by means of such a method or which has first been oriented in the measurement setup in relation to a calibration body by means of such a method, is used in the measurement of the thickness of the coating. The invention further relates to a device for performing such methods.

Description

„Verfahren zur Ausrichtung eines Lasersensors zu einem Messobjekt" Beschreibung "Method for Aligning a Laser Sensor to a DUT" Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Skalieren der Position und der Ausrichtung wenigstens eines Laserabstandssensors. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Messung der Dicke eines Körpers oder die Dicke einer Beschichtung eines beschichteten Körpers in einem Messaufbau, wobei bei der Messung zumindest ein Laserabstandssensor verwendet wird. Schließlich betrifft die Erfindung noch eine Vorrichtung zum Durchführen solcher Verfahren. The invention relates to a method for scaling the position and the orientation of at least one laser distance sensor. The invention also relates to a method for measuring the thickness of a body or the thickness of a coating of a coated body in a measurement setup, wherein at least one laser distance sensor is used in the measurement. Finally, the invention also relates to a device for carrying out such methods.
Laserabstandssensoren finden unter anderem dann Anwendung, wenn die Dicke einer Beschichtung präzise gemessen werden soll. Dabei wird das von der Beschichtung auf einem Objekt reflektierte Licht gemessen und daraus die Dicke der Beschichtung bestimmt. Laser distance sensors are used, inter alia, when the thickness of a coating is to be measured precisely. In this case, the light reflected from the coating on an object is measured and from this the thickness of the coating is determined.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise aus der EP 2 031 347 A1 bekannt, bei dem bei der Messung auch die Temperatur des zu beschichtenden Objekts gemessen wird, um bei einer Dickenmessung eine genauere Abschätzung der Dicke einer Beschichtung zu erhalten. Such a method is known, for example, from EP 2 031 347 A1, in which the temperature of the object to be coated is also measured during the measurement in order to obtain a more accurate estimate of the thickness of a coating in the case of a thickness measurement.
Ein Verfahren zur Schichtdickenmessung mittels Lasertriangulation ist aus der EP 2 312 267 A1 bekannt. Die Messung wird vor und während oder nach dem Beschichten gemessen und kann dabei punktuell durchgeführt werden. Ein ähnliches Verfahren kommt bei der DE 103 13 888 A1 zum Einsatz. Bei dem Verfahren wird ein Abstand mit einem Lasertriangulationsverfahren bestimmt und mit einem Referenzwert verglichen, um die Dicke einer Beschichtung abschätzen zu können. A method for measuring the coating thickness by means of laser triangulation is known from EP 2 312 267 A1. The measurement is measured before and during or after coating and can be carried out selectively. A similar method is used in DE 103 13 888 A1. In the method, a distance is determined by a laser triangulation method and compared with a reference value in order to be able to estimate the thickness of a coating.
Für alle diese Verfahren ist es wichtig die Position der Laser für die Messung genau einzustellen, um eine verlässliche Bestimmung der Schichtdicken zu ermöglichen. Ein Fehler bei der Positionierung wirkt sich auf die Genauigkeit der Schichtdickenmessung aus und führt daher zu Fehlern bei der Bestimmung der Schichtdicke. Ziel ist es die Position und die Ausrichtung des Lasers möglichst genau an dem zu messenden Objekt auszurichten. Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren zur Positionierung eines Lasers eines Laserabstandssensors zu einem zu messenden beschichteten Körper bereitzustellen, das möglichst einfach durchführbar ist und zu einer möglichst genauen Justage und Positionierung des Laserabstandssensors zu dem zu messenden Objekt führt. For all these methods, it is important to precisely set the position of the laser for the measurement in order to allow a reliable determination of the layer thicknesses. An error in the positioning affects the accuracy of the layer thickness measurement and therefore leads to errors in the determination of the layer thickness. The aim is to align the position and the orientation of the laser as closely as possible to the object to be measured. The object of the invention is therefore to provide a method for positioning a laser of a laser distance sensor to a coated body to be measured, which is as simple to carry out and leads to the most accurate adjustment and positioning of the laser distance sensor to the object to be measured.
Weitere nicht explizit genannte Aufgaben ergeben sich aus dem Gesamtzusammenhang der nach folgenden Beschreibung, Beispiele und Ansprüche. Other tasks not explicitly mentioned arise from the overall context of the following description, examples and claims.
Gelöst werden diese sowie weitere nicht explizit genannte Aufgaben, die jedoch aus den hierin einleitend diskutierten Zusammenhängen ohne weiteres ableitbar oder erschließbar sind, durch ein Verfahren mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit allen Merkmalen des Patentanspruchs 16. Zweckmäßige Abwandlungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 1 werden in den Unteransprüchen 2 bis 15 unter Schutz gestellt. Ebenso wird eine zweckmäßige Abwandlung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 16 in Unteranspruch 17 unter Schutz gestellt. Eine Lösung der Aufgaben der Erfindung wird auch durch eine Vorrichtung zur Umsetzung eines solchen Verfahrens nach Anspruch 18 bereitgestellt. Die Unteransprüche 19 und 20 beanspruchen zweckmäßige Abwandlungen der Vorrichtung. These are solved as well as other tasks which are not explicitly mentioned, but which can be readily deduced or deduced from the contexts discussed herein by way of a method having all the features of patent claim 1 and by a method having all the features of claim 16. Advantageous modifications of the method according to the invention according to claim 1 are provided in the dependent claims 2 to 15 under protection. Likewise, a useful modification of the method according to claim 16 is provided in dependent claim 17 under protection. A solution of the objects of the invention is also provided by an apparatus for implementing such a method according to claim 18. The dependent claims 19 and 20 claim appropriate modifications of the device.
Die vorliegende Erfindung wird dementsprechend realisiert durch ein Verfahren zum Skalieren der Position und der Ausrichtung wenigstens eines Laserabstandssensors zu einem Eichkörper, wobei jeder Laserabstandssensor jeweils einen Laser und einen Sensor aufweist, umfassend die folgenden chronologischen Schritte A) bis C): Accordingly, the present invention is accomplished by a method of scaling the position and orientation of at least one laser proximity sensor to a calibration body, each laser distance sensor each having a laser and a sensor comprising the following chronological steps A) through C):
A) Anordnen eines wohldefinierten Eichkörpers mit einer zumindest bereichsweise genau definierten Geometrie in einen Messaufbau umfassend die Laserabstandssensoren, wobei die Lage des Eichkörpers durch das Anordnen des Eichkörpers im Messaufbau genau definiert wird, und Grobausrichtung zumindest eines Laserabstandssensors zum Eichkörper; A) arranging a well-defined calibration body with an at least partially precisely defined geometry in a measurement setup comprising the laser distance sensors, wherein the position of the calibration body is precisely defined by arranging the calibration body in the measurement setup, and coarse alignment of at least one laser distance sensor to the calibration body;
B) Abstandsmessungen mehrerer Messpunkte oder eines kontinuierlichen Verlaufs auf der Oberfläche des Eichkörpers durch den Laserabstandssensor oder die Laserabstandssensoren, wobei der Eichkörper im Messaufbau relativ zu dem Laserabstandssensor oder den Laserabstandssensoren bewegt wird, um dem Laser des Laserabstandssensors oder den Lasern der Laserabstandssensoren die Bestrahlung der verschiedenen Messpunkte oder des kontinuierlichen Verlaufs für die Abstandsmessungen zu ermöglichen; und B) distance measurements of several measuring points or a continuous course on the surface of the calibration body by the laser distance sensor or the Laser distance sensors, wherein the calibration body is moved in the measurement setup relative to the laser distance sensor or the laser distance sensors to allow the laser of the laser distance sensor or the laser of the laser distance sensors, the irradiation of the different measurement points or the continuous course for the distance measurements; and
C) Bestimmen der Position und der Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors zum Eichkörper anhand der Abstandsmessungen und der bekannten Geometrie und Lage des Eichkörpers im Messaufbau. C) Determining the position and the orientation of the at least one laser distance sensor to the calibration body based on the distance measurements and the known geometry and position of the calibration body in the measurement setup.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren können des Weiteren unter anderem die folgenden Vorteile erzielt werden: By the method according to the invention, among others, the following advantages can be achieved:
Das Verfahren ist einfach umsetzbar und daher kostengünstig in der Realisierung. Zudem kann mit dem Verfahren eine hohe Genauigkeit einer anschließenden Messung erzielt werden. Es kann dabei ausreichen, wenn nur die Ausrichtung des Laserabstandssensors eingestellt wird. The method is simple to implement and therefore inexpensive to implement. In addition, with the method, a high accuracy of a subsequent measurement can be achieved. It may be sufficient if only the orientation of the laser distance sensor is adjusted.
Einem Skalieren der Position und der Ausrichtung wenigstens eines Laserabstandssensors kommt es gleich, wenn nur die Position und die Ausrichtung wenigstens eines Lasers eines Laserabstandssensors skaliert werden, wenn der Laser und der Sensor des Laserabstandssensors nicht zueinander fixiert sind. A scaling of the position and the orientation of at least one laser distance sensor is the same if only the position and the orientation of at least one laser of a laser distance sensor are scaled, if the laser and the sensor of the laser distance sensor are not fixed to one another.
Unter einer genau definierten Geometrie und Lagerung des Eichkörpers wird eine möglichst hohe Genauigkeit verstanden. Bevorzugt können die Abmessungen und die Lagerung des Eichkörpers auf mindestens 0,5 mm, besonders bevorzugt auf mindestens 0,1 mm, ganz besonders bevorzugt auf mindestens 0,01 mm genau gefertigt sein. Die Winkel der Oberflächen zur Drehachse und zueinander können mindestens auf 1 ° genau gefertigt sein, bevorzugt auf mindestens 0,1 ° genau, ganz besonders bevorzugt auf mindestens 0,01 ° genau. Under a well-defined geometry and storage of the calibration body is understood as high accuracy. Preferably, the dimensions and the mounting of the calibration body can be manufactured to at least 0.5 mm, particularly preferably to at least 0.1 mm, very particularly preferably to at least 0.01 mm. The angles of the surfaces to the axis of rotation and to each other can be made at least to 1 °, preferably to at least 0.1 ° accurate, most preferably to at least 0.01 ° accurate.
Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass das Verfahren einen Schritt D) umfasst, D) Justage des zumindest einen Laserabstandssensors anhand der so bestimmten Position und Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors zum Eichkörper, so dass eine gewünschte Position und eine gewünschte Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors zum Eichkörper angestrebt wird, wobei Schritt D) nach dem Schritt C) erfolgt. It can be inventively provided that the method comprises a step D), D) adjustment of the at least one laser distance sensor based on the thus determined position and orientation of the at least one laser distance sensor to the calibration body, so that a desired position and a desired orientation of the at least one laser distance sensor to the calibration body is desired, wherein step D) after step C).
Durch das Durchführen der Justage direkt nach der Messung oder zwischen verschiedenen Messungen kann erreicht werden, dass die Auswertung einer anschließenden Messung vereinfacht wird, ohne dass die anschließende Messung rechnerisch korrigiert werden müsste. By performing the adjustment directly after the measurement or between different measurements can be achieved that the evaluation of a subsequent measurement is simplified, without the subsequent measurement would have to be corrected computationally.
Eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorsehen, dass die Abstandsmessungen an zumindest fünf Messpunkten auf der Oberfläche des Eichkörpers durch den Laserabstandssensor durchgeführt werden oder die Laserabstandssensoren durchgeführt werden. A further embodiment of a method according to the invention can provide that the distance measurements are performed on at least five measuring points on the surface of the calibration body by the laser distance sensor or the laser distance sensors are performed.
Eine höhere Anzahl von Messpunkten führt zu einem kleineren Fehler bei der anschließenden Auswertung der Resultate. Gleichzeitig führt aber eine geringe Anzahl von Messpunkten zu einer Beschleunigung des gesamten Verfahrens. A higher number of measuring points leads to a smaller error in the subsequent evaluation of the results. At the same time, however, a small number of measuring points accelerate the entire process.
Gemäß einer weiteren, besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Eichkörper drehbar im Messaufbau gelagert wird und die Messpunkte durch Drehen des Eichkörpers im Messaufbau um die Drehachse angesteuert werden oder der kontinuierliche Verlauf durch Drehen des Eichkörpers im Messaufbau um die Drehachse abgefahren wird, wobei bevorzugt der Laserabstandssensor oder die Laserabstandssensoren an der Drehachse als gewünschte Ausrichtung ausgerichtet wird oder werden, besonders bevorzugt, die Ausrichtung des Laserabstandssensors oder der Laserabstandssensoren zur Drehachse mit einem Winkel (Γ) von weniger als 20° erfolgt, ganz besonders bevorzugt mit einem Winkel (Γ) von weniger als 5° erfolgt. According to a further, particularly preferred embodiment of the invention can be provided that the calibration body is rotatably mounted in the measurement setup and the measurement points are driven by rotating the calibration body in the measurement setup about the axis of rotation or the continuous course is driven by rotating the calibration body in the measurement setup about the axis of rotation , wherein preferably the laser distance sensor or the laser distance sensors is aligned at the rotation axis as a desired orientation or, more preferably, the orientation of the laser distance sensor or the laser distance sensors to the rotation axis with an angle (Γ) of less than 20 °, most preferably at an angle (Γ) less than 5 °.
Ein drehbarer Eichkörper, insbesondere eine Drehscheibe als Eichkörper, vereinfacht den gesamten Aufbau. Zudem kann der Aufbau mit einem drehbaren Eichkörper wesentlich kompakter gestaltet werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Winkelgeschwindigkeit (co) des Eichkörpers um die Drehachse beim Bestimmen der Position und der Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors zum drehbaren Eichkörper rechnerisch berücksichtigt wird, insbesondere bei der Abstandsmessung des kontinuierlichen Verlaufs. A rotatable calibration body, in particular a turntable as calibration body, simplifies the entire structure. In addition, the structure can be made much more compact with a rotating calibration body. It can be provided that the angular velocity (co) of the calibration body about the axis of rotation when determining the position and the orientation of the at least one laser distance sensor to the rotatable calibration body is taken into account, in particular in the distance measurement of the continuous course.
Durch dieses Verfahren ergeben sich Möglichkeiten für eine einfache Auswertung des durch die Drehung periodischen Signals. By this method, there are possibilities for a simple evaluation of the signal periodic by the rotation.
Ferner kann dabei vorgesehen sein, dass der Drehwinkel (φ) des Eichkörpers bestimmt wird, wobei bevorzugt die Zeit (t) bei bekannter Winkelgeschwindigkeit (co) gemessen wird, um den Drehwinkel (φ) des Eichkörpers zu bestimmen, wobei besonders bevorzugt ein Marker auf dem Eichkörper mit dem zumindest einen Laserabstandssensor gemessen wird, um eine volle Umdrehung zu bestimmen. Furthermore, it can be provided that the angle of rotation (.phi.) Of the calibration body is determined, the time (t) preferably being measured at known angular velocity (co) in order to determine the angle of rotation (.phi.) Of the calibration body, with a marker being particularly preferred the calibration body is measured with the at least one laser distance sensor to determine a full revolution.
Hierdurch kann eine zusätzliche direkte Messung des Drehwinkels (φ) des Eichkörpers vermieden werden. As a result, an additional direct measurement of the rotation angle (φ) of the calibration body can be avoided.
Ganz besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass als Eichkörper eine Drehscheibe verwendet wird, wobei bevorzugt die Drehscheibe gegen die Drehachse geneigt ist, besonders bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 5° und 60°, ganz besonders bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 15° und 30° geneigt ist. Most preferably, it can be provided that a turntable is used as the calibration body, wherein preferably the turntable is inclined against the rotation axis, particularly preferably a tilt angle (δ) between 5 ° and 60 °, very particularly preferably a tilt angle (δ) between 15 ° and 30 ° is inclined.
Durch die Neigung beziehungsweise Verkippung der Drehscheibe erhöht sich bei einer periodischen Messung der überstrichene Wertebereich des Signals der Abstandsmessung. Dies führt zu einem besser auswertbaren Signal und damit zu einer genaueren Skalierung der Ausrichtung und gegebenenfalls auch der Position des zumindest einen Laserabstandssensors gegenüber dem Eichkörper. Due to the inclination or tilting of the turntable increases in a periodic measurement of the swept value range of the signal of the distance measurement. This leads to a better evaluable signal and thus to a more accurate scaling of the orientation and optionally also the position of the at least one laser distance sensor relative to the calibration body.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Verkippungswinkel (δ) der Drehscheibe gegen die Drehachse beim Bestimmen der Position und der Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors zur Drehscheibe rechnerisch berücksichtigt wird. Durch diese Maßnahme kann eine weitere Vereinfachung der Berechnung der gesuchten Parameter erzielt werden. Dabei gilt für die Skalierung der Ausrichtung und der Position eines einzelnen Laserabstandssensors, dass der Verkippungswinkel (δ) der Drehscheibe gegen die Drehachse möglichst genau bekannt sein muss. It can be provided that the tilt angle (δ) of the turntable against the axis of rotation in determining the position and the orientation of the at least one laser distance sensor to the turntable is considered mathematically. By this measure, a further simplification of the calculation of the sought parameters can be achieved. For the scaling of the orientation and the position of a single laser distance sensor, the tilt angle (δ) of the rotary disk relative to the axis of rotation must be known as precisely as possible.
Auch kann vorgesehen sein, dass der von dem Laser des zumindest einen Laserabstandssensors erzeugte Laserstrahl während der Abstandsmessung immer auf die jeweils gleiche Seite der Drehscheibe trifft. It can also be provided that the laser beam generated by the laser of the at least one laser distance sensor always hits the respectively identical side of the turntable during the distance measurement.
Auch diese Maßnahme dient der Vereinfachung der rechnerischen Auswertung zur Bestimmung der Position und Ausrichtung des Laserabstandssensors. This measure also serves to simplify the arithmetic evaluation for determining the position and orientation of the laser distance sensor.
Eine besonders bevorzugte Ausbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die Position und die Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors zur A particularly preferred embodiment of the invention can provide that the position and the orientation of the at least one laser distance sensor for
Drehscheibe durch Parameterfits der Gleichung ll = n ° ^ ^|c1| + /0 1 bestimmt n ° cl Turntable through parameter fits of the equation l l = n ° ^ ^ | c 1 | + / 0 1 determines n ° c l
werden oder mit einer Taylorreihenentwicklung dieser Gleichung bestimmt werden, vorzugsweise mit einer Fourier-Analyse einer Taylorreihenentwicklung dieser Gleichung bestimmt werden, wobei /? die Messwerte des zumindest einen Laserabstandssensors beim Auftreffen auf die Drehscheibe ist, n der Normalvektor der Drehscheibe, di der Positionsvektor des Schnittpunkts einer Oberfläche der Drehscheibe mit der Drehachse, bi der Positionsvektor des virtuellen Schnittpunkts des Laserstrahls mit der zugehörigen x-y-Ebene El durch den Punkt di , cl der in der z-Richtung auf den Betrag von 1 normierten Richtungsvektor des auf die Drehscheibe einfallenden Laserstrahls von Laser 1 in Richtung steigender Messwerte und /0 1 der Messwert des Laserabstandssensors, welcher sich beimor are determined by a Taylor series expansion of this equation, preferably determined by a Fourier analysis of a Taylor series evolution of this equation, where /? the measured values of the at least one laser distance sensor when hitting the turntable, n is the normal vector of the turntable, ie the position vector of the intersection of a surface of the turntable with the axis of rotation, bi the position vector of the virtual intersection of the laser beam with the associated xy plane E l through the Point di, c l of the in the z-direction normalized to the amount of 1 direction vector of the incident on the turntable laser beam from laser 1 in the direction of increasing measured values and / 0 1, the measured value of the laser distance sensor, which
Vermessen des Punktes bi ergeben würde.. Measuring the point bi would result ..
Eine Auswertung der genannten Formel mit den angegebenen Mitteln ist rechnerisch umsetzbar und daher zur kalkulatorischen Auswertung geeignet. Es kann auch vorgesehen sein, dass bei der Berechnung der Daten für die Bestimmung der Position und der Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors zum Eichkörper aus einer periodischen Abstandsmessung die Amplituden einer Grundwelle (Fi ,1), insbesondere die Amplituden einer Grundwelle (Fi,i) und zumindest der ersten Oberwelle (F2,i), verwendet werden, wobei bevorzugt die Grundwelle (Fi,i) und/oder zumindest die erste Oberwelle (F2,i) durch eine Fourier-Analyse der periodischen Abstandsmessung berechnet werden, besonders bevorzugt durch eine Taylorreihenentwicklung und eine Fourier-Analyse der periodischen Abstandsmessung berechnet werden. An evaluation of the above formula with the specified means is mathematically feasible and therefore suitable for calculatory evaluation. It can also be provided that, in the calculation of the data for determining the position and the orientation of the at least one laser distance sensor for the calibration body from a periodic distance measurement, the amplitudes of a fundamental wave (Fi , 1 ), in particular the amplitudes of a fundamental wave (Fi, i) and at least the first harmonic (F 2 , i), wherein preferably the fundamental wave (Fi, i) and / or at least the first harmonic (F 2 , i) are calculated by a Fourier analysis of the periodic distance measurement, particularly preferred are calculated by a Taylor series expansion and a Fourier analysis of the periodic distance measurement.
Die Auswertung einer Grundwelle (Fi,i) und zumindest der ersten Oberwelle (F2,i) des periodischen Signals führt bei hoher Genauigkeit des Ergebnisses zu einer einfachen Umsetzbarkeit des Verfahrens. Details hierzu finden sich in der mathematischen Herleitung zu den Figuren 3 bis 5 im Folgenden. The evaluation of a fundamental wave (Fi, i) and at least the first harmonic wave (F 2 , i) of the periodic signal leads, with high accuracy of the result, to a simple implementability of the method. Details on this can be found in the mathematical derivation of FIGS. 3 to 5 below.
Dabei kann vorgesehen sein, dass bei der Berechnung der Grundwelle (Fi,i) und/oder zumindest der ersten Oberwelle (F2,i) angenommen wird, dass die Amplituden der Grundwelle (Fi,i) und/oder zumindest der ersten Oberwelle (F2/i) größer oder gleich Null ist. It may be provided that, in the calculation of the fundamental wave (Fi , i) and / or at least the first harmonic (F 2 , i), it is assumed that the amplitudes of the fundamental wave (Fi , i) and / or at least the first harmonic wave ( F 2 / i) is greater than or equal to zero.
Diese Annahme führt ebenfalls zu einer Vereinfachung der rechnerischen Auswertung der Signale. This assumption also leads to a simplification of the arithmetic evaluation of the signals.
In einer ganz besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann vorgesehen sein, dass die Winkel i und γι und die Amplituden Cl der Darstellung der Vektoren in
Figure imgf000009_0001
In a very particularly preferred embodiment of the method according to the invention can be provided that the angles i and γι and the amplitudes C l of the representation of the vectors in
Figure imgf000009_0001
Zylinderkoordinaten zur Bestimmung der Position und der Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors mit den Gleichungen βι = μι - πCylindrical coordinates for determining the position and orientation of the at least one laser distance sensor with the equations β ι = μ ι - π
Figure imgf000010_0001
berechnet werden, wobei μ? die Phasenlage der Grundwelle von Ιλ (φ) und ηι die Phasenlage der 1 . Oberwelle von Ιλ (φ) ist, czl = sign(czl ) die z-Ausrichtung des Lasers zur Drehscheibe angibt, δ der Verkippungswinkel der Drehscheibe gegen die Drehachse ist und F1t 1 die gemessene Amplitude der Grundwelle und F2,i die gemessene Amplitude der ersten Oberwelle ist.
Figure imgf000010_0001
be calculated, where μ? the phase of the fundamental wave of Ι λ (φ) and η ι the phase angle of the 1st Harmonic wave of Ι λ (φ), c zl = sign (c zl ) indicates the z-orientation of the laser to the turntable, δ is the tilt angle of the turntable against the rotation axis and F 1t 1 is the measured amplitude of the fundamental wave and F 2 , i is the measured amplitude of the first harmonic.
Diese Formeln stellen bei hoher Genauigkeit eine starke Vereinfachung der Formeln zur Auswertung eines Signals einer sich drehenden verkippten beziehungsweise geneigten Drehscheibe dar. These formulas, with high accuracy, greatly simplify the formulas for evaluating a signal from a rotating tilted or tilted turntable.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Abstandsmessungen mit einem Lasertriangulationsverfahren durchgeführt werden und/oder dass der zumindest eine Laserabstandssensor im Zuge der Ausrichtung anhand der gemessenen Daten und/oder der daraus berechneten Größen kalibriert wird. Furthermore, provision can be made for the distance measurements to be carried out using a laser triangulation method and / or for the at least one laser distance sensor to be calibrated in the course of alignment on the basis of the measured data and / or the variables calculated therefrom.
Die Kalibrierung erfolgt besonders bevorzugt durch die Berechnung des additiven Anteils k,i des jeweiligen Messsignals durch /0 1 = F0 l - 2 1 cos(yl The calibration is particularly preferably carried out by calculating the additive component k, i of the respective measurement signal by / 0 1 = F 0 l - 2 1 cos (y l
Lasertriangulationsverfahren sind einfach und kostengünstig in der Umsetzung und für die Umsetzung erfindungsgemäßer Skalierungsverfahren besonders geeignet. Laser triangulation methods are simple and inexpensive to implement and particularly suitable for the implementation of scaling methods according to the invention.
Eine Weiterbildung der Erfindung kann vorsehen, dass die relative Position und Ausrichtung zumindest zweier Laserabstandssensoren zueinander bestimmt werden und dabei Unsicherheiten durch Fehler bei der Einschätzung der Lage und Geometrie des Eichkörpers ausgeglichen werden. A further development of the invention can provide that the relative position and orientation of at least two laser distance sensors are determined relative to one another, and uncertainties are compensated for by errors in the assessment of the position and geometry of the calibration body.
Durch die Relativbestimmung können Fehler oder Unsicherheiten in der Geometrie und der Lagerung des Eichkörpers ausgeglichen werden. The relative determination can compensate for errors or uncertainties in the geometry and the bearing of the calibration body.
Die Aufgaben der Erfindung werden auch gelöst durch ein Verfahren zur Messung der Dicke eines Körpers oder einer Beschichtung eines beschichteten Körpers in einem Messaufbau, wobei bei der Messung der Dicke zumindest ein Laserabstandssensor verwendet wird, dessen Position und Ausrichtung zum Eichkörper mit einem solchen Verfahren bestimmt wurde oder der zuvor im Messaufbau mit einem solchen Verfahren gegen einen Eichkörper ausgerichtet wurde. The objects of the invention are also achieved by a method for measuring the thickness of a body or coating of a coated body in a measurement setup, wherein at least one laser distance sensor is used in the measurement of the thickness whose position and orientation was determined to the calibration body with such a method or which was previously aligned in the measurement setup with such a method against a calibration body.
Die Vorteile der Skalierung kommen bei einer Messung der Dicke eines Körpers oder einer Beschichtung eines beschichteten Körpers besonders stark zum Tragen. The advantages of scaling are particularly significant in measuring the thickness of a body or coating of a coated body.
Solche Verfahren können bevorzugt auch die folgenden chronologischen Schritte umfassen: Such methods may preferably also include the following chronological steps:
E) Entfernen des Eichkörpers aus dem Messaufbau; E) removing the calibration body from the measurement setup;
F) Einsetzen des beschichteten Körpers in eine Lagerung, die eine bekannte Position und Orientierung zu dem zuvor gelagerten Eichkörper im Messaufbau hat; und F) inserting the coated body into a bearing having a known position and orientation to the previously stored calibration body in the measurement setup; and
G) Messen der Dicke eines Körpers oder dessen Beschichtung mit Hilfe des zumindest einen ausgerichteten und positionierten Laserabstandssensors und/oder Messen der Dicke des einen Körpers oder dessen Beschichtung, wobei die Position und die Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors rechnerisch berücksichtigt wird. G) measuring the thickness of a body or its coating by means of the at least one aligned and positioned laser distance sensor and / or measuring the thickness of the one body or its coating, wherein the position and orientation of the at least one laser distance sensor is taken into account mathematically.
Wie durch die alphabetische Ordnung der Buchstaben angedeutet, werden die genannten Schritte in chronologischer Reihenfolge und nach den Schritten A) bis G) erfindungsgemäßer Ausrichtungsverfahren durchgeführt. As indicated by the alphabetical order of the letters, said steps are carried out in chronological order and according to steps A) to G) of the alignment methods according to the invention.
Erfindungsgemäß kann ferner ein Schritt H) vorgesehen sein, der nach dem Schritt G) erfolgt, in dem ein Bestimmen der Dicke der Beschichtung aus der Messung der Dicke des beschichteten Körpers durchgeführt wird. Further, according to the invention, a step H) may be provided after step G), in which a determination of the thickness of the coating is carried out from the measurement of the thickness of the coated body.
Die Aufgaben der Erfindung werden auch gelöst durch eine Vorrichtung zum Durchführen eines solchen Verfahrens, bei dem die Vorrichtung zumindest einen Laserabstandssensor und eine Lagerung für einen zu vermessenden Körper umfasst, wobei jeder Laserabstandssensor einen Laser und einen Sensor aufweist, die Lagerung zur Halterung eines Eichkörpers mit zumindest bereichsweiser genau definierter Oberfläche ausgelegt ist und der Eichkörper in der Vorrichtung definiert bewegbar ist. The objects of the invention are also achieved by a device for carrying out such a method, in which the device has at least one laser distance sensor and a bearing for a body to be measured comprises, wherein each laser distance sensor comprises a laser and a sensor, the storage is designed to hold a calibration body with at least partially well-defined surface and the calibration body is defined in the device movable.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Eichkörper drehbar in der Vorrichtung gelagert ist oder lagerbar ist und der Eichkörper um definierte Winkel (φ) um eine Drehachse drehbar ist und/oder mit zumindest einer definierten Winkelgeschwindigkeit (co) drehbar ist. It can be provided that the calibration body is rotatably mounted in the device or is storable and the calibration body is rotatable about a defined angle (φ) about an axis of rotation and / or with at least one defined angular velocity (co) is rotatable.
Dabei kann wiederum vorgesehen sein, dass der Eichkörper eine Scheibe ist, die gegen die Drehachse geneigt ist, bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 5° und 60° geneigt ist, besonders bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 15° und 30° geneigt ist, ganz besonders bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 20° bis 25° geneigt ist. It can be provided in turn that the calibration body is a disc which is inclined against the axis of rotation, preferably tilted by a Verkippungswinkel (δ) between 5 ° and 60 °, more preferably by a Verkippungswinkel (δ) between 15 ° and 30 ° is inclined, most preferably inclined by a tilt angle (δ) between 20 ° to 25 °.
Der Erfindung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass es durch eine Messung auf der Oberfläche eines definierten Eichkörpers gelingt, die Position und Ausrichtung eines Laserabstandssensors beziehungsweise eines Laser eines solchen Laserabstandssensors so genau zu skalieren, dass bei einer anschließenden Messung eines beschichteten Körpers mit unbekannter Schichtdicke der Beschichtung eine besonders hohe Genauigkeit erreicht werden kann, beziehungsweise eine Verbesserung in der Genauigkeit erreicht werden kann. Das Verfahren ist dabei relativ einfach durchzuführen und mit der Rechenleistung moderner Rechensysteme leicht umsetzbar. The invention is based on the surprising finding that it is possible to scale the position and orientation of a laser distance sensor or a laser of such a laser distance sensor so accurately by measuring on the surface of a defined calibration body that in a subsequent measurement of a coated body with unknown layer thickness Coating a particularly high accuracy can be achieved, or an improvement in the accuracy can be achieved. The method is relatively simple to perform and easy to implement with the computing power of modern computing systems.
Ziel eines erfindungsgemäßen Messaufbaus und einer erfindungsgemäßen Auswerteprozedur beziehungsweise eines erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, die Lage und Verkippung eines oder mehrerer Laserabstandssensoren relativ zu einer durch den Messaufbau definierten Drehachse zu bestimmen. Der Vorgang ist sehr robust, da er den absoluten Messwert des Laserabstandssensors nicht verwendet. Außerdem zeichnet sich der Messaufbau durch eine geringe Bauhöhe aus. Die so bestimmten Lageparameter können insbesondere dazu genutzt werden a) einen oder mehrerer Laserabstandssensoren parallel zu einer durch den Messaufbau definierten Drehachse auszurichten, The aim of a measurement setup according to the invention and an evaluation procedure or a method according to the invention is to determine the position and tilt of one or more laser distance sensors relative to a rotation axis defined by the measurement setup. The process is very robust because it does not use the absolute value of the laser distance sensor. In addition, the test setup is characterized by a low height. The position parameters determined in this way can be used in particular for a) aligning one or more laser distance sensors parallel to a rotation axis defined by the measurement setup,
b) zwei oder mehrere Lasersensoren zueinander parallel auszurichten, und/oder c) die Laserstrahlen von zwei gegenläufigen Laserabstandssensoren exakt aufeinander zu legen. b) align two or more laser sensors parallel to each other, and / or c) to place the laser beams of two counter-rotating laser distance sensors exactly to each other.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung und Berechnungen zu der Erfindung anhand von fünf schematisch dargestellten Figuren erläutert, ohne jedoch dabei die Erfindung zu beschränken. Dabei zeigt: Exemplary embodiments of the invention and calculations relating to the invention are explained below with reference to five schematically illustrated figures, without, however, limiting the invention. Showing:
Figur 1 : eine schematische Seitenansicht eines Aufbaus zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer gewünschten Position; Figure 1 is a schematic side view of a structure for implementing a method according to the invention in a desired position;
Figur 2: eine schematische Seitenansicht eines Aufbaus zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens mit grober Ausrichtung zu Beginn des Verfahrens; Figure 2 is a schematic side view of a structure for implementing a method according to the invention with coarse alignment at the beginning of the process;
Figur 3: eine schematische perspektivische Darstellung zur Verdeutlichung der Winkelverhältnisse in einem Aufbau zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Ausgangssituation; FIG. 3 shows a schematic perspective illustration for clarifying the angular relationships in a structure for implementing a method according to the invention in an initial situation;
Figur 4: zwei schematische Seitenansichten einer Drehscheibe nach der Darstellung in Figur 3; und FIG. 4 shows two schematic side views of a turntable as shown in FIG. 3; and
Figur 5: ein perspektivisches Diagramm zur Verdeutlichung der geometrischen Verhältnisse. FIG. 5: a perspective diagram for clarifying the geometric relationships.
Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Messaufbaus zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer gewünschten Position. Der Messaufbau umfasst einen Laserabstandssensor 2, der einen Laser 8 und einen Sensor 10 aufweist. Der Laser 8 und der Sensor 10 sind in einem festen Winkel zueinander angeordnet. Oberhalb des Laserabstandssensors 2 wird eine Scheibe als Eichkörper 12 angeordnet und drehbar um eine Drehachse z gelagert. Die Drehachse z muss dabei keine materielle Achse sein, wie durch die Zeichnung suggeriert wird, zum Beispiel wenn der Eichkörper 12 in einem drehbaren Rahmen gehalten wird. FIG. 1 shows a schematic side view of a measurement setup for implementing a method according to the invention in a desired position. The measurement setup comprises a laser distance sensor 2, which has a laser 8 and a sensor 10. The laser 8 and the sensor 10 are arranged at a fixed angle to each other. Above the laser distance sensor 2, a disk is arranged as a calibration body 12 and rotatably supported about a rotation axis z. The axis of rotation z need not be a material axis, as by the drawing is suggested, for example, when the calibration body 12 is held in a rotatable frame.
Der Laserstrahl aus dem Laser 8 trifft den Eichkörper 12 in der gezeigten Darstellung auf der Unterseite. Ebenso gut könnte der Laserstrahl aber auch auf die Oberseite des Eichkörpers 12 treffen. Als Sensoren 10 können herkömmliche CCD-Chips mit einer vorgeschalteten Linse verwendet werden. Solche Sensoren 10 zur Messung des reflektierten Laserlichts sind aus Lasertriangulationsverfahren zur Bestimmung der Schichtdicke eines beschichteten Körpers bekannt. The laser beam from the laser 8 hits the calibration body 12 in the illustration shown on the underside. But the laser beam could just as well hit the top side of the calibration body 12. As sensors 10, conventional CCD chips with an upstream lens can be used. Such sensors 10 for measuring the reflected laser light are known from laser triangulation methods for determining the layer thickness of a coated body.
In der in Figur 1 gezeigten Ansicht ist der Laser 8 in einer gewünschten Ausrichtung zum Eichkörper 12 ausgerichtet, nämlich parallel zur Drehachse z des Eichkörpers 12. Wenn der Laserstrahl als Vektor im Koordinatensystem des Eichkörpers 12 aufgefasst wird, liegt dieser parallel zur z-Achse. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren soll die in Figur 1 gezeigte Ausrichtung und Positionierung des Laserabstandssensors 2 zum Eichkörper 12 erreicht werden oder eine Korrekturformel bestimmt werden, mit der die Messergebnisse des Laserabstandssensors 2 umgerechnet werden können, so dass diese dem Messergebnis eines korrekt ausgerichteten Laserabstandssensors 2 (wie in Figur 1 gezeigt) entsprechen würden. In the view shown in Figure 1, the laser 8 is aligned in a desired orientation to the calibration body 12, namely parallel to the axis of rotation z of the calibration body 12. If the laser beam is understood as a vector in the coordinate system of the calibration body 12, this is parallel to the z-axis. With the method according to the invention, the orientation and positioning of the laser distance sensor 2 shown in FIG. 1 is to be achieved for the calibration body 12, or a correction formula can be determined with which the measurement results of the laser distance sensor 2 can be converted so that it matches the measurement result of a correctly aligned laser distance sensor 2 (such as shown in Figure 1) would correspond.
Zunächst ist der Laserabstandssensor 2 in dem Messaufbau nur grob ausgerichtet oder fehlerhaft ausgerichtet. Diese Anordnung ist in Figur 2 als schematische Seitenansicht gezeigt. Der Laserabstandssensor 2 ist dabei nicht genau parallel der Drehachse z des Eichkörpers 12 angeordnet sondern gegen die z-Achse verkippt. Ziel des Verfahrens ist es, den Laserabstandssensor 2 so gegen den Eichkörper 12 auszurichten, dass die Anordnung dem in Figur 1 gezeigten Zustand möglichst nahe kommt. Alternativ kann auch die Korrekturformel bestimmt werden, um die mit dem verkippten Laserabstandssensor 2 aufgenommenen Messdaten so zu korrigieren, dass sie den Messdaten eines gut ausgerichteten Laserabstandssensors 2 (in Figur 1 gezeigt) entsprechen. First, the laser distance sensor 2 is only roughly aligned or misaligned in the measurement setup. This arrangement is shown in Figure 2 as a schematic side view. The laser distance sensor 2 is not exactly parallel to the axis of rotation z of the calibration body 12 is arranged but tilted against the z-axis. The aim of the method is to align the laser distance sensor 2 against the calibration body 12 so that the arrangement comes as close as possible to the state shown in Figure 1. Alternatively, the correction formula can also be determined in order to correct the measurement data recorded with the tilted laser distance sensor 2 in such a way that they correspond to the measurement data of a well-aligned laser distance sensor 2 (shown in FIG. 1).
Dazu wird der Eichkörper 12 in den Messaufbau eingebracht und dort drehbar gelagert. Mit dem Laserabstandssensor 2 werden mehrere Messpunkte auf der unteren Oberfläche des Eichkörpers 12 aufgenommen. Dazu wird der Eichkörper 12 im Aufbau gedreht. Bevorzugt werden nicht nur diskrete Messpunkte auf der Oberfläche des Eichkörpers 12 aufgenommen, sondern es wird ein kontinuierlicher Verlauf der Abstände des Laserabstandssensors 2 von der Oberfläche des sich drehenden Eichkörpers 12 aufgenommen. Bei bekannter Winkelgeschwindigkeit ω und möglichst genau bekannter Geometrie des Eichkörpers 12 können aus dem periodischen Signal des Laserabstandssensors 2 Informationen gewonnen werden, die präzise Rückschlüsse auf die Anordnung und Ausrichtung des Lasers 8 und dadurch des Laserabstandssensors 2 zum Eichkörper 12 erlauben. Die so gewonnenen Informationen können zur Justage des Laserabstandssensors 2 verwendet werden, um den in Figur 1 gewünschten Zustand zu erreichen oder diesem möglichst nahe zu kommen. Alternativ können die so gewonnenen Informationen zur Berechnung der Korrekturformel verwendet werden, um die mit dem verkippten Laserabstandssensor 2 aufgenommenen Messdaten so zu korrigieren, dass sie den Messdaten eines gut ausgerichteten Laserabstandssensors 2 (in Figur 1 gezeigt) entsprechen. For this purpose, the calibration body 12 is introduced into the measurement setup and rotatably mounted there. With the laser distance sensor 2, several measuring points on the bottom surface of the calibration body 12 was added. For this purpose, the calibration body 12 is rotated in construction. Preferably, not only are discrete measurement points recorded on the surface of the calibration body 12, but a continuous course of the distances of the laser distance sensor 2 from the surface of the rotating calibration body 12 is recorded. With known angular velocity ω and as accurately known geometry of the calibration body 12 information can be obtained from the periodic signal of the laser distance sensor 2, which allow precise conclusions about the arrangement and orientation of the laser 8 and thereby of the laser distance sensor 2 to the calibration body 12. The information thus obtained can be used to adjust the laser distance sensor 2 in order to achieve the desired state in FIG. 1 or to come as close as possible to this. Alternatively, the information thus obtained may be used to calculate the correction formula to correct the measurement data taken with the tilted laser distance sensor 2 to correspond to the measurement data of a well-aligned laser distance sensor 2 (shown in FIG. 1).
In einer bevorzugten Ausführungsform wird eine Drehscheibe 12 als Eichkörper 12 drehbar im Messaufbau gelagert. Die Drehscheibe 12 ist aus der Drehachse z um einen Winkel δ geneigt. Die Drehscheibe 12 wird in den Laserstrahl des Laserabstandssensors 2 gebracht und die Messwerte der Abstandsmessung des Lasers 8 zum Auftreffpunkt des Laserstrahls auf der Drehscheibe 12 während deren Drehung erfasst. In a preferred embodiment, a turntable 12 is rotatably mounted as a calibration body 12 in the measurement setup. The turntable 12 is inclined from the rotation axis z by an angle δ. The turntable 12 is brought into the laser beam of the laser distance sensor 2 and detects the measured values of the distance measurement of the laser 8 to the point of impact of the laser beam on the turntable 12 during its rotation.
Optional wird noch der absolute Winkel (oder zumindest dessen Nulldurchgang) der Drehscheibe 12 auf der Drehachse z gemessen. Optionally, the absolute angle (or at least its zero crossing) of the rotary disk 12 is measured on the rotation axis z.
Aus dem Messsignal werden Verkippung und Positionierung des Lasers 8 und damit des Laserabstandssensors 2 zur Drehscheibe 12 mathematisch bestimmt. From the measurement signal tilting and positioning of the laser 8 and thus of the laser distance sensor 2 to the hub 12 are determined mathematically.
Figur 3 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung zur Verdeutlichung der Winkelverhältnisse in einem Aufbau zur Umsetzung eines erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Ausgangssituation mit einem grob justierten Laser 28 eines Laserabstandssensors. Bei einem realen Aufbau müssen die Laserstrahlen der Laser 28 selbstverständlich auf die Drehscheibe 32 treffen. Die Versetzung des Lasers 28 in der x-y-Ebene dient hier ausschließlich der deutlicheren Darstellung der Winkelverhältnisse. FIG. 3 shows a schematic perspective illustration for clarifying the angular relationships in a structure for implementing a method according to the invention in an initial situation with a roughly adjusted laser 28 of a laser distance sensor. In a real design, the laser beams of the Of course, laser 28 will hit the turntable 32. The displacement of the laser 28 in the xy plane is used here only for a clearer representation of the angular relationships.
Für die Herleitung der geometrischen Gleichungen und die Beschreibung des Einstellalgorithmus ist die Definition von einem Koordinatensystem und von Variablen nötig. For the derivation of the geometric equations and the description of the setting algorithm, the definition of a coordinate system and of variables is necessary.
Die z-Achse des kartesischen Koordinatensystems wird in die Drehachse einer Drehscheibe 32 gelegt. Die Drehscheibe 32 wird als Eichkörper im Messaufbau verwendet. Die x- und y-Achse ist geometrisch nicht festgelegt, sollte sich aber an den Verstellmöglichkeiten der Lasersensoren orientieren. Der Laser 28 strahlt (in dieser Darstellung von unten) auf die Drehscheibe 32. The z-axis of the Cartesian coordinate system is placed in the axis of rotation of a turntable 32. The turntable 32 is used as a calibration body in the measurement setup. The x- and y-axis is not determined geometrically, but should be based on the adjustment possibilities of the laser sensors. The laser 28 radiates (in this illustration from below) onto the turntable 32.
Die Lage und Orientierung des Lasersensors sind durch den Richtungsvektor ci des h FThe position and orientation of the laser sensor are determined by the direction vector c i of the h F
Laserstrahls und den Durchstoßpunkt u^ des Lasers 28 durch eine Ebene i festgelegt, wobei die Ebene^i parallel zur x-y-Ebene verläuft und die Drehachse senkrecht im Punkt ^ schneidet, in dem auch die zum Laser 28 gewandten Seite der Drehscheibe 32 die Drehachse, also die z-Achse, schneidet. Laser beam and the piercing point u ^ of the laser 28 defined by a plane i , wherein the plane ^ i is parallel to the xy plane and the axis of rotation perpendicularly intersects at the point ^, in which the side facing the laser 28 of the rotary disk 32, the axis of rotation, So the z-axis, cuts.
Figur 4 zeigt zwei schematische Seitenansichten der Drehscheibe 32 nach der Darstellung nach Figur 3, um die für die mathematische Herleitung einer erfindungsgemäßen Lösung des Problems anschaulich diskutieren zu können. FIG. 4 shows two schematic side views of the turntable 32 according to the illustration according to FIG. 3 in order to be able to vividly discuss the mathematical derivation of a solution according to the invention of the problem.
Innerhalb des Koordinatensystems ist die Lage der Drehscheibe 32 durch den jeweils relevanten Achsenabschnitt auf der z-Achse ( dzl bzw. dz2 ) und denWithin the coordinate system, the position of the rotary disk 32 through the respective relevant intercept on the z-axis (d zl and d z2 ) and the
Normalvektor n festgelegt. Wegen der Wahl von b gilt bzl = dzl . Der Normalvektor n der Drehscheibe 32 ist von der z-Achse um den Winkel δ verkippt beziehungsweise geneigt, mit 0 < δ < π / 2 , so dass auch der Winkel zwischen der Oberfläche der Drehscheibe 32 und der x/y-Ebene δ beträgt. Der aktuelle Drehwinkel φ der Drehscheibe 32 ist der Winkel zwischen der x-Achse und der in die x/y-Ebene projizierte negative Gradient der Drehscheibe 32 der Oberfläche mit Fußpunkt in der f cos(<p)sin(<5)Normal vector n set. Because of the choice of b, b zl = d zl . The normal vector n of the rotary disk 32 is tilted or inclined from the z-axis by the angle δ, with 0 <δ <π / 2, so that the angle between the surface of the rotary disk 32 and the x / y-plane is δ. The actual angle of rotation φ of the rotary disk 32 is the angle between the x-axis and the negative gradient of the rotary disk 32 projected into the x / y plane of the footed surface in FIG f cos (<p) sin (<5)
Drehachse z. Nach dieser Definition ist der Normalvektor durch n sin(<p)sin(<5) cos(<5) paramet siert. Rotation axis z. According to this definition, the normal vector is parameterized by n sin (<p) sin (<5) cos (<5).
Figur 5 zeigt ein perspektivisches Diagrannnn zur Verdeutlichung der geometrischen Verhältnisse. Die Vektoren eines Laserstrahls eines Lasers (beispielsweise des Lasers 28 nach Figur 3) und die zur Berechnung verwendeten Vektoren und Winkel sind dabei in Bezug auf das Koordinatensystenn und den Laserstrahl dargestellt. Für einen zweiten Laser oder auch weitere Laser ergeben sich analoge Diagrannnne, die im Folgenden zu analogen Überlegungen führen. Figure 5 shows a perspective Diagrannnnn to illustrate the geometric relationships. The vectors of a laser beam of a laser (for example of the laser 28 according to FIG. 3) and the vectors and angles used for the calculation are shown in relation to the coordinate system and the laser beam. For a second laser or other lasers, analogue graphs result, which in the following lead to analogous considerations.
Für die Position b werden die folgenden kartesischen Koordinaten bzw. Zylinderkoordinaten verwendet: For the position b, the following Cartesian coordinates or cylindrical coordinates are used:
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000017_0001
Die Richtung des Lasers wird beschrieben durch zwei äquivalente Vektoren: den Einheitsvektor cl , der in die Richtung des ersten Laserstrahl zeigt und zwar in The direction of the laser is described by two equivalent vectors: the unit vector c l pointing in the direction of the first laser beam, namely
Richtung steigender Messwerte, und ' ζ1' , dessen z-Komponente normiert ist. Diese Vektoren sind wie folgt parametrisiert: Direction of increasing measured values, and ' ζ1 ', whose z-component is normalized. These vectors are parameterized as follows:
Figure imgf000017_0003
Figure imgf000017_0003
Dann ist Czl Czl/lCzl
Figure imgf000017_0002
Der Winkel zwischen Laserstrahl und Parallelen zur Drehachse beträgt dann = arctan(C1 ). Aus der Messung werden am Ende die Parameter ßx,Bx,yx,Cx,czX ermittelt, aus denen sich alle Darstellungen von ^i'ci, und damit die Lage und Verkippung, des ersten Lasers ergeben.
Then Czl Czl / l Czl
Figure imgf000017_0002
The angle between laser beam and parallels to the axis of rotation is then = arctan (C 1 ). The parameter ß x, B x are out of the measurement at the end, y x, C x, determined c zX, from which all representations of ^ i 'c i, and thus the position and tilt, the first laser arise.
Im Folgenden wird die Geometrie- und Messgleichung hergeleitet: The following is the geometry and measurement equation derived:
Die Punkte auf dem Laserstrahl des ersten Lasers werden durch den jeweils dazugehörenden Messwert ^ wie folgt parametrisiert: px(lx) = bx+(lx-lox)-cx wobei ^0'1 der Messwert im Punkt = ^ ist. The points on the laser beam of the first laser are parameterized by the associated measured value ^ as follows: p x (l x ) = b x + (l x -l ox ) -c x where ^ 0 ' 1 is the measured value at the point = ^ is.
Außerdem erfüllen alle Punkte auf der zum ersten Laser gewandten Seite der Drehscheibe die Gleichung n°(px- dx) = 0 wobei hier das Zeichen„°" das Skalarprodukt bezeichnet. In addition, all points meet on the side facing the first laser side of the turntable, the equation N ° - referred to herein wherein the sign "°" the dot = 0 (p x d x).
Am Schnittpunkt zwischen dem Strahl des Lasers und der Drehscheibe sind beide Gleichungen erfüllt und man kann die Variable P^ eliminieren und erhält die folgende Bedingung für den Messwert ^ am Schnittpunkt: n°(bx+(lx-lox)-cx-dx) = 0 At the intersection between the beam of the laser and the turntable both equations are satisfied and one can eliminate the variable P ^ and obtain the following condition for the measured value ^ at the point of intersection: n ° (b x + (l x -l ox ) -c x -d x ) = 0
Löst man die Gleichung nach ^ auf, so ergibt sich n°(dx-bx) Solving the equation for ^ yields n ° (d x -b x )
lo,i  lo, i
n°cx n ° c x
Im Folgenden werden eine Taylorreihenentwicklung und eine Fourier-Analyse des Messsignals durchgeführt, um leicht zugängliche Messgrößen zu erhalten: Zur Vorbereitun der Taylorentwicklung des Messsignals von lx wird die Beziehung
Figure imgf000019_0001
einzusetzen. Man erhält n ° cx
In the following, a Taylor series development and a Fourier analysis of the measurement signal are carried out in order to obtain easily accessible measurement quantities: To prepare for the Taylor development of the measurement signal of x , the relation becomes
Figure imgf000019_0001
use. One gets n ° c x
Diese Gleichung kann erfindungsgemäß bereits verwendet werden, um die Position und die Ausrichtung der Laser zueinander mit Hilfe der Abstandsmessungen und der bekannten zu berechnen. Dazu kann die Gleichung mit Hilfe von Parameterfits mathematisch gelöst werden. Weitere mathematische Vereinfachungen führen jedoch zu einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung mit deutlich einfacherer Berechnung. This equation can already be used according to the invention to calculate the position and orientation of the lasers with respect to one another by means of the distance measurements and the known ones. For this purpose, the equation can be solved mathematically using parameter fits. However, further mathematical simplifications lead to a preferred embodiment of the invention with much simpler calculation.
Dazu werden die Definitionen der Vektoren ci und n eingesetzt und dabei ausgenutzt, dass = ^ζΐ· Das Ergebnis lautet For this purpose, the definitions of the vectors c i and n are used, taking advantage of the fact that = ^ ζ ΐ · The result is
. - Bx cos ß cos^sin^) sin(jß1)sin(<p)sin(ö) ^.2 , - B x cos ß cos ^ sin ^) sin (jß 1 ) sin (<p) sin (ö) ^ .2
1 ·  1 ·
Cx cos(7j ) cos(<p) sin(<5) + Cx s (yx ) sin(<p) sin(<5 ) + czl cos{5 ) C x cos (7 j ) cos (<p) sin (<5) + C x s (y x ) sin (<p) sin (<5) + c zl cos {5)
Nun erweitert man Zähler und Nenner mit czl / cos(<5) und nutzt, dass cz 2 l = 1 ist sowie das Additionstheorem cos(ßl ) cos((p) + sm(ßl ) sm((p) = cos((p - und erhält
Figure imgf000019_0002
Now we extend the numerator and denominator with c zl / cos (<5) and use that c z 2 l = 1 and the addition theorem cos (β l ) cos ((p) + sm (β l ) sm ((p) = cos ((p - and receives
Figure imgf000019_0002
Im Weiteren wird für die Taylorreihenentwicklung angenommen, dass der erste Laser 28 und die Drehachse z schon grob aneinander ausgerichtet wurden, das heißt, dassHereinafter, it is assumed for the Taylor series development that the first laser 28 and the rotation axis z have already been roughly aligned with each other, that is, that
Cx « cot(<5) , zum Beispiel Cx « 1 bei δ < π /4. Dann ist der Betrag von ε := czXCx tan(ö) · cos(<p - γχ ) im Nenner von lx für jeden Winkel φ sehr viel kleiner als 1 und eine Taylorentwicklung \-ε + ε23 + 0(έι 4) = (\-ε)·(\ + 0(έ2)) C x «cot (<5), for example C x « 1 at δ <π / 4. Then the amount of ε: = c zX C x tan (ö) · cos (<p - γ χ ) in the denominator of x for every angle φ is much smaller than 1 and a Taylor expansion \ -ε + ε 23 + 0 (έ ι 4 ) = (\ -ε) · (\ + 0 (έ 2 ))
ε+1 ε + 1
des Nenners von lx nach ε gerechtfertigt. of the denominator from l x to ε justified.
Mit dieser Taylorentwicklung ergibt sich k = ki + (" czA tan(<5) · cos(<p
Figure imgf000020_0001
(1 + 0(CX 2)) Jüä2 und nach Auflösen der Produktterme der Cosinus-Funktionen lx = /0>1 + (~B tan2(<5) · cos(7l - Ä) (1 + 0(C2)) - - · cos(<p -&)·(! + 0(C2)) +
Figure imgf000020_0002
With this Taylor expansion k = ki + ("c z A tan (<5) · cos (<p
Figure imgf000020_0001
(1 + 0 (C X 2 )) Jüä 2 and after dissolving the product terms of the cosine functions l x = / 0> 1 + (~ B tan 2 (<5) · cos ( 7l - Ä) (1 + 0 (C 2 )) - - · cos (<p - &) · (! + 0 (C 2 )) +
Figure imgf000020_0002
Aus dieser Darstellung lässt sich die Fourierentwicklung von Ιλ(φ) in der Form k (<P) = Fo,i + Fi,i cos(<p -μι) + 2>1 cos(2<p - η ,) + ... mit u >0, 21>0 ablesen. Um immer positive Amplituden u >0 zu erhalten, unabhängig davon, ob der Laserstrahl die Drehscheibe 32 auf der Oberseite oder von der Unterseite scannt, muss das Vorzeichen des Vorfaktors, also -czl, gegebenenfalls durch einen um π verschobenen Winkel im Argument des cos- Terms ausgedrückt werden. So erhält man μιι+π·(δΛ-ΐ)/2, From this representation, the Fourier development of Ι λ (φ) can be in the form of k (<P) = F o, i + F i, i cos (<p ι) + 2> 1 cos (2 <p - η ,) + ... with u > 0, 21 > 0. In order to obtain always positive amplitudes u > 0, irrespective of whether the laser beam scans the turntable 32 on the top side or from the underside, the sign of the prefactor, ie -c zl , may have to be replaced by an angle shifted by π in the argument of cos - Terms are expressed. Thus one obtains μ ι = β ι + π · (δ Λ -ΐ) / 2,
Figure imgf000020_0003
wobei die Fourier-Koeffizienten F0l, F beziehungsweise 21 bis auf Restterme der Ordnung 0{C ), 0(C2) beziehungsweise 0{C ) stimmen. Mit diesen Vorarbeiten lassen sich nun bei Kenntnis des Verkippungswinkels δ der Drehscheibe 32, der z-Ausrichtung des Lasers 28, das heißt czl = sign(czl) , und der ersten Terme der Fourier-Reihe k (<P) = Fo,i + Fi,i cos(<p - μι ) + 2>1 cos(2<p - η ,) + ... die fünf (nichtlinearen) Gleichungen nach den fünf Unbekannten Α>>£Ί>5ι ,ι mjt dem folgenden Ergebnis auflösen:
Figure imgf000021_0001
Figure imgf000020_0003
where the Fourier coefficients F 0l , F and 21 are correct except for residual terms of the order 0 {C), 0 (C 2 ) or 0 {C). With this preparatory work can now be with knowledge of the tilt angle δ of the hub 32, the z-orientation of the laser 28, that is c zl = sign (c zl ), and the first terms of the Fourier series k (<P) = F o , i + F i , i cos (<p - μ ι ) + 2> 1 cos (2 <p - η,) + ... the five (nonlinear) equations according to the five unknowns Α >> £ Ί > 5ι ι m j t solve the following result:
Figure imgf000021_0001
Q = 2 - cot(<5)  Q = 2 - cot (<5)
Bl = cot(ö) - n B l = cot (ö) - n
•cos^ -A). • cos ^ -A).
Aus den ersten vier Größen können einfach die für die Bestimmung der physikalischen Einstellparameter, zum Beispiel l = Q - cos^),
Figure imgf000021_0002
From the first four quantities, you can simply use the ones for the determination of the physical setting parameters, for example, l = Q - cos ^),
Figure imgf000021_0002
= 5rsin(A)5 berechnet werden, die bei der Verwendung von Lineartischen und Kipptischen in x- und y-Richtung, nötig sind. = 5 r sin (A) 5 , which are necessary when using linear tables and tilting tables in the x and y directions.
Auf den Verkippungswinkel δ der Drehscheibe 32 kann dabei aus der Lagerung der Drehscheibe 32 geschlossen werden, der durch den Messaufbau definiert wird. Die z-Ausrichtung des Lasers 28 bestimmt, ob die Drehscheibe 32 von oben oder unten On the tilt angle δ of the hub 32 can be closed from the storage of the hub 32, which is defined by the measurement setup. The z-orientation of the laser 28 determines whether the turntable 32 is from above or below
F  F
bestrahlt wird. Zu beachten ist, dass der konstante Term der Fourier-Reihe, also 0,1 , für diesen Rechenschritt nicht benötigt wird und somit der Messwert auch Offset- behaftet sein darf. Bei Kenntnis aller fünf Größen lässt sich jeder Punkt auf dem Laserstrahl des ersten Lasers (im Messbereich) eineindeutig dem Messwert ^ durch is irradiated. It should be noted that the constant term of the Fourier series, ie 0.1 , is not required for this calculation step and thus the measured value may also be offset. With knowledge of all five sizes, each point on the laser beam of the first laser (in the measuring range) can be unambiguously measured
P\(h) ~ + (k h,\) ' c\ ZUordnen, insbesondere auch der Nullpunkt ^v ' Cl im Raum bestimmen. Für die Nullpunktskalibrierung des Lasers kann wiederum der Offset im Messwert als Differenz zwischen dem derzeitigen Messwert und dem gewünschten Messwert bestimmt werden und der Offset dann in der Auswertung der späteren Messwerte berücksichtigt werden. P \ (h) ~ + (kh , \ ) 'c \ ZU assign, in particular, the zero point ^ v ' Cl determine in space. For the zero point calibration of the laser, in turn, the offset in the measured value can be determined as the difference between the current measured value and the desired measured value, and the offset can then be taken into account in the evaluation of the later measured values.
In der Praxis ist der Verkippungswinkel δ durch den Aufbau der Drehscheibe 32 festgelegt und bekannt. Bei einer zur z-Achse parallelen Ausrichtung des Lasers 28 ist dabei noch nicht einmal der genaue Wert nötig: Der Winkel δ skaliert denIn practice, the tilt angle δ is defined and known by the structure of the turntable 32. In the case of an alignment of the laser 28 that is parallel to the z-axis, not even the exact value is necessary: the angle δ scales the
Amplitudenwert der normierten Verkippung Cl und die daraus abgeleiteten Werte cxl ,cyl , Cl ,cxl,cyl lediglich. Bei der zur z-Achse parallelen Ausrichtung des Lasers 28 sucht man Nullstellen von derart abgeleiteten Größen, die unabhängig von der skalierenden Wirkung von δ sind. Amplitude value of the normalized tilt C l and the values derived therefrom c xl , c yl , C l , c xl , c yl only. With the alignment of the laser 28 parallel to the z-axis one seeks zeros of such derived quantities, which are independent of the scaling effect of δ.
F F F F F F
Die Fourier-Koeffizienten 01 , 1 1 , 2 1 und die Phasen μιι von Ιγ (φ) können in derThe Fourier coefficients 01 , 1 1 , 2 1 and the phases μ ι , η ι of Ι γ (φ) can in the
Praxis auf verschiedenen Arten gewonnen werden, wie die nachfolgenden Fälle zeigen: Practice can be gained in different ways, as the following cases show:
1 ) Das Messsignal wird an vorher definierten, diskreten Winkelpositionen (Ortsdiskret auf der Drehscheibe 32) gemessen und die Parameter von Ιγ (φ) , zum Beispiel durch eine diskrete Fourier-Transformation, bestimmt. Erfindungsgemäß werden kontinuierliche Messungen wegen der einfacheren Handhabung bevorzugt. 1) The measurement signal is measured at previously defined, discrete angular positions (spatial discrete on the turntable 32) and the parameters of Ι γ (φ), for example, determined by a discrete Fourier transform. According to the invention, continuous measurements are preferred for ease of handling.
2) Statt des winkelabhängigen Messsignals Ιγ (φ) wird das Zeitsignal lx (t) und der dazu passende Winkel φ(ί) gemessen und daraus Ιγ (φ) und seine Parameter bestimmt. 2) Instead of the angle-dependent measurement signal Ι γ (φ), the time signal l x (t) and the matching angle φ (ί) are measured and from this Ι γ (φ) and its parameters determined.
3) Bei möglicherweise unbekannter, aber konstanter Drehgeschwindigkeit ω der Drehscheibe 32 wird ein Zeitsignal lx (t) gemessen und die Zeitpunkte, t0 und t!, zweier aufeinanderfolgender Nulldurchgänge φ(ί1) = φ(ί0) = 0. Dann kann 3) At possibly unknown, but constant rotational speed ω of the rotary disk 32, a time signal l x (t) is measured and the times, t 0 and t ! , two consecutive zero crossings φ (ί 1 ) = φ (ί 0 ) = 0. Then can
 2π
mit der Winkelgeschwindigkeit co = das Winkelsignal tl— t0 φ(ί) = ω·(ί-ί0) = 2π-—— rekonstruiert werden. Zusammen mit dem tl— t0 with the angular velocity co = the angle signal t l - t 0 φ (ί) = ω · (ί-ί 0 ) = 2π --- be reconstructed. Together with the t l - t 0
Zeitsignal lx(t) können wiederum Ιγ(φ) und seine Parameter bestimmt werden. Eine konstante Winkelgeschwindigkeit ω führt also zu einer Vereinfachung der Berechnung der Parameter und ist daher erfindungsgemäß besonders bevorzugt. Time signal l x (t) can again be determined Ι γ (φ) and its parameters. A constant angular velocity ω thus leads to a simplification of the calculation of the parameters and is therefore particularly preferred according to the invention.
Es ist auch möglich, ohne direkte Winkelmessung auszukommen. Angenommen der Winkel ßl zwischen dem Laser 28 und der Drehscheibe 32 ist, zum Beispiel aufgrund eines vorgefertigten Messaufsatzes, näherungsweise bekannt. Somit ist auch μι bekannt. Es wird ein Zeitsignal lx(t) bei einer konstanter Drehgeschwindigkeit ω der Drehscheibe 32 aufgenommen. Wenn dann noch der eine Laser 8, 28 schon recht gut ausgerichtet ist, das heißt, wenn Cl <<cot(<5) gilt, so dominiert die Grundwelle die Oberwelle, das heißt F »2 F2l, und es können sehr einfach aufeinanderfolgende Zeitpunkte tm0 und tml gefunden werden, in dem das Signal das Maximum annimmt. Dann istIt is also possible to do without direct angle measurement. Assuming the angle β l between the laser 28 and the turntable 32 is approximately known, for example, due to a prefabricated measuring attachment. Thus, μ ι is known. A time signal l x (t) is recorded at a constant rotational speed ω of the rotary disk 32. If then the one laser 8, 28 is already quite well aligned, that is, if C l << cot (<5), then the fundamental wave dominates the harmonic, that is F »2 F 2l , and it can be very simple successive times t m0 and t ml are found, in which the signal assumes the maximum. Then
ω = . Mit der Kenntnis der Drehgeschwindigkeit ω können die Fourier- ω =. With the knowledge of the rotational speed ω, the Fourier
Koeffizienten F0l,Fll,F2l aus dem Zeitsignal lx(t) bestimmt werden. Um die fehlende Phasenlage ηι zu erhalten, bestimmt man zuerst Zeitpunkte ίμ1 und ίη1 zu denen die Maxima der Grundwelle und der Oberwelle zu erwarten sind, für die also μγ =ω-ίμ1 und ηι =2ω-ίη1 gilt. Dann ist Coefficients F 0l , F ll , F 2l are determined from the time signal l x (t). To the lack of phase angle η to obtain ι, one first determines times ί μ1 and ί η1 at which the maxima of the fundamental wave and the harmonic can be expected, for the so μ γ = ω-ί μ1 and η ι = 2ω-ί η1 applies , Then
2(ί_η -ί Λ 2(ί^ -ί Λ τ\ί-2μί =2ω-(ίηίμί) = 2π -—^ μ— und somit ηλ =2π·— ^ — + 2μλ. 2 (ί_ η -ί Λ 2 (ί ^ -ί Λ τ \ ί -2μ ί = 2ω- (ί ηίμί ) = 2π - ^ μ - and thus η λ = 2π · - ^ - + 2μ λ ,
Dann sind alle Parameter von Ιγ(φ) für die Auswertung bekannt. Für eine Abschätzung der Einstellgenauigkeit wird im Folgenden beispielhaft ein Aufbau mit den folgenden Parametern betrachtet: δ = π / 6 (= 30°) => tan(<5) = 0,58; Then all parameters of Ι γ (φ) are known for the evaluation. For an estimation of the setting accuracy, a construction with the following parameters is considered below by way of example: δ = π / 6 (= 30 °) => tan (<5) = 0.58;
Fx l = 2,5mm;
Figure imgf000024_0001
F xl = 2.5mm;
Figure imgf000024_0001
Bezüglich Fu bedeutet dies, dass bei annähernd parallel zu Drehachse derWith respect to F u , this means that at approximately parallel to the axis of rotation of the
Drehscheibe 12, 32 ausgerichtetem Laser 8, 28 die Amplitude der dann annähernd sinusförmigen Abstandsmessungen 2,5mm beträgt und die Fourier-Koeffizienten Fu , F2 ;1 mit einer Unsicherheit von 1 μιτι bestimmt wurden. Turntable 12, 32 aligned laser 8, 28, the amplitude of the then approximately sinusoidal distance measurements is 2.5 mm and the Fourier coefficients F u , F 2, 1 were determined with an uncertainty of 1 μιτι.
Es gilt für die normierte Verkippung It applies to the normalized tilt
Ci = 2 . Cot(<5) - ^ eine Einstellgenauigkeit von C i = 2 . C ot (<5) - ^ a setting accuracy of
AQ « 2 · cot(ö) ^ = 1,3 - 1 (Γ3. AQ «2 · cot (ö) ^ = 1,3 - 1 (Γ 3 .
Die Unsicherheit im Winkel = arctan(Q) zwischen einem Laser 8, 28 und einer Parallelen zur Drehachse z beträgt bei diesen kleinen Werten von Cl dann The uncertainty in the angle = arctan (Q) between a laser 8, 28 and a parallel to the axis of rotation z is then at these small values of C l
ΔΓ = 1 /(1 + Q2) · ACl = l,3mrad (= 0,079°). ΔΓ = 1 / (1 + Q 2 ) · AC l = 1, 3mrad (= 0.079 °).
Für den Abstand Bl des Laserpunkts von der Drehachse z auf z-Höhe dA gilt For the distance B l of the laser point from the rotation axis z to z height d A applies
Bl = cot(<5) · Fl l— !- « cot(ö) Fl l B l = cot (<5) · F ll -! - cot (ö) F ll
Ί cx I und damit eine Einstellungenauigkeit von Ί c x I and thus an inaccuracy of
ABX « cot(ö) AFul = \,72 m. Im Folgenden werden nun die Auswirkungen auf Unsicherheit einer Dickenmessung aufgezeigt. AB X «cot (ö) AF ul = \, 72 m. In the following, the effects on the uncertainty of a thickness measurement are shown.
Die Einstellgenauigkeit des Lasers 8, 28 bestimmt direkt die Unsicherheit einer Dickenmessung. The setting accuracy of the laser 8, 28 directly determines the uncertainty of a thickness measurement.
Für eine Abschätzung legen wir die obigen Zahlenwerte zu Grunde. For an estimation we use the above numerical values.
Die Unsicherheit Ad des Messwertes bei der Dickenbestimmung einer um maximal <5'= 5° verkippten Platte in einem Messspalt bei einer Positioniergenauigkeit inThe uncertainty Ad of the measured value in the thickness determination of a plate tilted by a maximum of <5 '= 5 ° in a measuring gap with a positioning accuracy in
Richtung der z-Achse von h = 2,5mm durch die beiden Einstellungsfehler ACl undDirection of the z-axis of h = 2.5mm by the two setting errors AC l and
ABl des Lasers 8, 28 ist dann AB l of the laser 8, 28 is then
(Ä - ACi + AßJ- tan S') : 2— W2tl 0,45//m .(Ä - ACi + Aßj- tan S '): 2- W 2tl 0.45 // m.
Figure imgf000025_0001
Figure imgf000025_0001
Ein zweiter Laser (nicht gezeigt) könnte einen analogen Beitrag liefern, um die Messung zu verfeinern. Dabei kann auch eine Ausrichtung dieses zweiten Lasers zu dem Laser 8, 28 erfolgen, um anschließend beide zur Bestimmung der Dicke der Drehscheibe und/oder deren Beschichtung zu nutzen. A second laser (not shown) could provide an analog contribution to refine the measurement. In this case, an alignment of this second laser to the laser 8, 28 take place, to then use both to determine the thickness of the hub and / or their coating.
Um die Unsicherheit gering zu halten, sind folgende Punkte zu beachten: In order to keep the uncertainty low, the following points should be noted:
1 ) Bei der Einstellung von Position und Verkippung der Sensoren 10 ist ein möglichst großer Winkel δ zu wählen und der volle Messbereich möglichst auszunutzen, damit F möglichst groß ausfallen kann. Dieser ist jedoch durch die realen Abmessungen des Messaufbaus, wie beispielsweise der Abmessungen der Laserabstandssensoren 2, gegebenenfalls die Dicke der Drehscheibe und der Drehachse oder des Durchmessers des Laserstrahls beschränkt. Für reale Aufbauten mit handelsüblichen Laserabstandssensoren 2 wird ein Winkel δ zwischen 15° und 35° besonders bevorzugt, da er mit diesen Bauteilen gut realisierbar ist. 1) When setting the position and tilting of the sensors 10, the largest possible angle δ should be selected and the full measuring range should be used as far as possible so that F can be as large as possible. However, this is limited by the real dimensions of the measurement setup, such as the dimensions of the laser distance sensors 2, optionally the thickness of the turntable and the axis of rotation or the diameter of the laser beam. For real constructions with commercially available laser distance sensors 2, an angle δ between 15 ° and 35 ° is particularly preferred since it can be implemented well with these components.
2) Die Auflösung der Laserabstandssensoren 2 sollte möglichst hoch sein, damit AF und AFV möglichst klein sind. Die Auflösung der Laserabstandssensoren 2 kann beispielsweise durch ein Messrauschen auf 1 μηη begrenzt sein. 2) The resolution of the laser distance sensors 2 should be as high as possible so that AF and AF V are as small as possible. The resolution of Laser distance sensors 2, for example, be limited by a measurement noise to 1 μηη.
3) Bei der eigentlichen Vermessung des zu messenden Objekts sollte dieses möglichst wenig verkippt sein, das heißt der Winkel δ' möglichst klein sein, und in Richtung der z-Achse möglichst ruhig liegen, das heißt h möglichst gering sein. Eine Neigung des zu messenden Objekts von 0° kann dabei bevorzugt vorgesehen sein. 3) In the actual measurement of the object to be measured this should be as little as possible tilted, that is, the angle δ 'be as small as possible, and lie as quiet as possible in the direction of the z-axis, that is h should be as low as possible. An inclination of the object to be measured of 0 ° can preferably be provided.
Im Folgenden werden zwei beispielhafte Einstellalgorithmen für erfindungsgemäße Verfahren vorgestellt. Two exemplary setting algorithms for methods according to the invention are presented below.
Beim Bau einer geeigneten Messeinrichtung sind die Einschränkungen für dessen Einsatz zu berücksichtigen. Insbesondere ist darauf zu achten, dass der Messbereich der Laserabstandssensoren 2 während der Messung sowohl eingehalten, also auch sehr gut ausgeschöpft wird. When constructing a suitable measuring device, the restrictions for its use must be taken into account. In particular, care must be taken that the measuring range of the laser distance sensors 2 is both maintained during the measurement, and therefore also very well utilized.
Die aufgebaute Messeinrichtung wird in den Strahlengang des Lasers 8, 28 eingesetzt. The constructed measuring device is inserted into the beam path of the laser 8, 28.
Um einen Laser 8, 28 bezüglich der Drehachse z auszurichten, geht man wie folgt vor: In order to align a laser 8, 28 with respect to the axis of rotation z, the procedure is as follows:
1 ) Achsen von Laser 8, 28 und Drehachse z grob parallel ausrichten1) Align axes of laser 8, 28 and axis of rotation z roughly parallel
(=> Cl « cot(<5) ); (=> C l «cot (<5));
2) Signal lx messen; 2) measure signal I x ;
3) Fourier-Koeffizienten FU , F2;1 und die Phasen μιι von Ιγ (φ) bestimmen; 3) Fourier coefficients F U, F 2; 1, and the phases μ ι, η ι determined by Ι γ (φ);
4) Position und Verkippung des Lasers 8, 28 durch βιι,0ιι bestimmen; 4) position and tilt of the laser 8, 28 by β ι , γ ι , 0 ι , Β ι determine;
5) Verstellparameter von Laser 8, 28 bestimmen; 5) determine adjustment parameters of lasers 8, 28;
6) Verkippung nachjustieren, bis sie gut (in der Regel nahe Null gegen die z- Achse) ist; und 6) readjust tilt until it is good (usually close to zero against the z axis); and
7) Position nachjustieren, bis sie gut ist (bis die Position der gewünschten Position entspricht). Die in der voranstehenden Beschreibung, sowie den Ansprüchen, Figuren und Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln, als auch in jeder beliebigen Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein. 7) Adjust the position until it is good (until the position corresponds to the desired position). The features of the invention disclosed in the foregoing description, as well as the claims, figures and embodiments may be essential both individually and in any combination for the realization of the invention in its various embodiments.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
2 Laserabstandssensor 2 laser distance sensor
8, 28 Laser  8, 28 lasers
10 Sensor  10 sensor
12, 32 Eichkörper  12, 32 calibration bodies
Geometrische Variablen δ Verkippungswinkel zwischen Drehscheibe (12, 32) und Drehachse Geometric variables δ Tilt angle between turntable (12, 32) and axis of rotation
(z)  (Z)
φ Winkel zwischen Projektion des Gradienten der Drehscheibe (12, φ angle between projection of the gradient of the turntable (12,
32) in x-y-Ebene und x-Achse  32) in x-y plane and x-axis
n Normalvektor der Drehscheibe (12, 32) (mit positiver z-Komponente) dx Positionsvektor des Schnittpunktes der zum ersten Laser gewandten n normal vector of the turntable (12, 32) (with positive z-component) d x position vector of the point of intersection of the first laser
Oberfläche der Drehscheibe (12, 32) mit der Drehachse (z) z-Komponente des Positionsvektors ^  Surface of the turntable (12, 32) with the rotation axis (z) z-component of the position vector ^
E virtuelle Ebene senkrecht zur Drehachse auf z-Höhe von  E virtual plane perpendicular to the axis of rotation at z height of
Positionsvektor des virtuellen Schnittpunktes des Laserstrahls (8, 28) mit Ebene E^Position vector of the virtual intersection of the laser beam (8, 28) with plane E ^
i · byl , bzl x-, y- ,z-Komponente des Positionsvektors b i · b yl , b zl x, y, z component of the position vector b
Bl Abstand des Positionsvektors bx von Drehachse (z) B l distance of position vector b x of rotation axis (z)
ßl Winkel zwischen Projektion des Positionsvektors bx in x-y-Ebene und x-Achse (=Richtung des virtuellen Schnittpunktes bx ) ßl angle between projection of the position vector b x in xy-plane and x-axis (= direction of the virtual intersection b x )
Cl Richtungsvektor des ersten Laserstrahls (8, 28) in Richtung steigender Messwerte C l Direction vector of the first laser beam (8, 28) in the direction of increasing measured values
Cx\ ' Cyl ' Czl x-, y-, z-Komponente des Richtungsvektors cx C x \ ' C yl' C zl x, y, z component of the direction vector c x
Cl auf | czl | normierter Richtungsvektor cx , d. h. cx = II \ czX \ -cx C l on | c zl | normalized direction vector c x , ie c x = II \ c zX \ -c x
Cx\ ' Cy\ ' Czl x-, y-, z-Komponente des normierten Richtungsvektors cx mit C x \ ' C y \' C zl x, y, z component of the normalized direction vector c x with
czl = sign(czX) c zl = sign (c zX )
Amplitude der normierten Verkippung cx projiziert in x-y-EbeneAmplitude of normalized tilt c x projected in xy plane
Yl Winkel zwischen Projektion des Richtungsvektors cx in x-y-Ebene und x-Achse (=Richtung der Verkippung) Yl angle between projection of the direction vector c x in xy-plane and x-axis (= direction of tilting)
Tj = arctan^) Winkel zwischen erstem Laserstrahl (8, 28) und Parallele zur Drehachse (z) T j = arctan ^) angle between first laser beam (8, 28) and parallel to Rotation axis (z)
X x-Achse senkrecht zur z-Achse des kartesischen  X x axis perpendicular to the z axis of the Cartesian
Koordinatensystems  coordinate system
y y-Achse senkrecht zur z-Achse und x-Achse des kartesischen y y axis perpendicular to the z axis and x axis of the Cartesian
Koordinatensystems  coordinate system
z Drehachse des Eichkörpers und z-Achse des kartesischen z axis of rotation of the calibration body and z-axis of the Cartesian
Koordinatensystems  coordinate system
Messwerte und -parameter k Messwert des ersten Lasersensors beim Auftreffen auf die Measured values and parameters k Measured value of the first laser sensor when hitting the
Drehscheibe (12, 32)  Turntable (12, 32)
Messwert des ersten Lasersensors beim Vermessen des Punktes  Measured value of the first laser sensor when measuring the point
Fo,i konstanter Term in Fourierentwicklung von 1γ (φ) F o, i constant term in Fourier evolution of 1 γ (φ)
Fn Amplitude der Grundwelle von 1γ (φ) F n amplitude of the fundamental wave of 1 γ (φ)
F2,l Amplitude der 1 . Oberwelle von 1γ (φ) F 2, l amplitude of the 1. Harmonic of 1 γ (φ)
μλ Phasenlage der der Grundwelle von 1γ (φ) μ λ phase angle of the fundamental wave of 1 γ (φ)
Ii Phasenlage der 1 . Oberwelle von 1γ (φ) Ii phase position of the 1. Harmonic of 1 γ (φ)
ω (konstante) Winkelgeschwindigkeit d<p/df der Drehscheibe (12, 32) ω (constant) angular velocity d <p / df of the rotary disc (12, 32)

Claims

Patentansprüche claims
1 . Verfahren zum Skalieren der Position und der Ausrichtung wenigstens eines Laserabstandssensors (2) zu einem Eichkörper (12, 32), wobei jeder Laserabstandssensor (2) jeweils einen Laser (8, 28) und einen Sensor (10) aufweist, umfassend die folgenden chronologischen Schritte A) bis C): 1 . Method for scaling the position and orientation of at least one laser distance sensor (2) to a calibration body (12, 32), each laser distance sensor (2) each having a laser (8, 28) and a sensor (10) comprising the following chronological steps A) to C):
A) Anordnen eines wohldefinierten Eichkörpers (12, 32) mit einer zumindest bereichsweise genau definierten Geometrie in einen Messaufbau umfassend die Laserabstandssensoren (2), wobei die Lage des Eichkörpers (12, 32) durch das Anordnen des Eichkörpers (12, 32) im Messaufbau genau definiert wird, und Grobausrichtung zumindest eines Laserabstandssensors (2) zum Eichkörper (12, 32);  A) arranging a well-defined calibration body (12, 32) with an at least partially well-defined geometry in a measurement setup comprising the laser distance sensors (2), wherein the position of the calibration body (12, 32) by arranging the calibration body (12, 32) in the measurement setup is precisely defined, and coarse alignment of at least one laser distance sensor (2) to the calibration body (12, 32);
B) Abstandsmessungen mehrerer Messpunkte oder eines kontinuierlichen Verlaufs auf der Oberfläche des Eichkörpers (12, 32) durch den Laserabstandssensor (2) oder die Laserabstandssensoren (2), wobei der Eichkörper (12, 32) im Messaufbau relativ zu dem Laserabstandssensor (2) oder den Laserabstandssensoren (2) bewegt wird, um dem Laser (8, 28) des Laserabstandssensors (2) oder den Lasern (8, 28) der Laserabstandssensoren (2) die Bestrahlung der verschiedenen Messpunkte oder des kontinuierlichen Verlaufs für die Abstandsmessungen zu ermöglichen; und  B) distance measurements of a plurality of measurement points or a continuous course on the surface of the calibration body (12, 32) by the laser distance sensor (2) or the laser distance sensors (2), wherein the calibration body (12, 32) in the measurement setup relative to the laser distance sensor (2) or the laser distance sensors (2) is moved to allow the laser (8, 28) of the laser distance sensor (2) or the lasers (8, 28) of the laser distance sensors (2), the irradiation of the different measurement points or the continuous course for the distance measurements; and
C) Bestimmen der Position und der Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors (2) zum Eichkörper (12, 32) anhand der Abstandsmessungen und der bekannten Geometrie und Lage des Eichkörpers (12, 32) im Messaufbau.  C) Determining the position and the orientation of the at least one laser distance sensor (2) for the calibration body (12, 32) on the basis of the distance measurements and the known geometry and position of the calibration body (12, 32) in the measurement setup.
2. Verfahren nach Anspruch 1 umfassend Schritt D), 2. The method of claim 1 comprising step D),
D) Justage des zumindest einen Laserabstandssensors (2) anhand der so bestimmten Position und Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors (2) zum Eichkörper (12, 32), so dass eine gewünschte Position und eine gewünschte Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors (2) zum Eichkörper (12, 32) angestrebt wird, D) adjustment of the at least one laser distance sensor (2) on the basis of the thus determined position and orientation of the at least one laser distance sensor (2) to the calibration body (12, 32), so that a desired Position and a desired orientation of the at least one laser distance sensor (2) to the calibration body (12, 32) is sought,
wobei Schritt D) nach dem Schritt C) erfolgt.  wherein step D) after step C) takes place.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass 3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that
die Abstandsmessungen an zumindest fünf Messpunkten auf der Oberfläche des Eichkörpers (12, 32) durch den Laserabstandssensor (2) durchgeführt wird oder die Laserabstandssensoren (2) durchgeführt werden.  the distance measurements at at least five measuring points on the surface of the calibration body (12, 32) by the laser distance sensor (2) is performed or the laser distance sensors (2) are performed.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 4. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that
der Eichkörper (12, 32) drehbar im Messaufbau gelagert wird und die Messpunkte durch Drehen des Eichkörpers (12, 32) im Messaufbau um die Drehachse (z) angesteuert werden oder der kontinuierliche Verlauf durch Drehen des Eichkörpers (12, 32) im Messaufbau um die Drehachse (z) abgefahren wird, wobei bevorzugt der Laserabstandssensor (2) oder die Laserabstandssensoren (2) an der Drehachse (z) als gewünschte Ausrichtung ausgerichtet wird oder werden, besonders bevorzugt, die Ausrichtung des Laserabstandssensors (2) oder der Laserabstandssensoren (2) zur Drehachse (z) mit einem Winkel (Γ) von weniger als 20° erfolgt, ganz besonders bevorzugt mit einem Winkel (Γ) von weniger als 5° erfolgt.  the calibration body (12, 32) is rotatably mounted in the measurement setup and the measurement points are controlled by rotating the calibration body (12, 32) in the measurement setup about the rotation axis (z) or the continuous course by rotating the calibration body (12, 32) in the measurement setup the axis of rotation (z) is traversed, wherein preferably the laser distance sensor (2) or the laser distance sensors (2) on the rotation axis (z) is aligned as a desired orientation or, particularly preferably, the orientation of the laser distance sensor (2) or the laser distance sensors (2 ) to the axis of rotation (z) with an angle (Γ) of less than 20 °, very particularly preferably with an angle (Γ) of less than 5 °.
5. Verfahren nach Ansprüche 4, dadurch gekennzeichnet, dass 5. The method according to claims 4, characterized in that
die Winkelgeschwindigkeit (co) des Eichkörpers (12, 32) um die Drehachse (z) beim Bestimmen der Position und der Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors (2) zum drehbaren Eichkörper (12, 32) rechnerisch berücksichtigt wird, insbesondere bei der Abstandsmessung des kontinuierlichen Verlaufs.  the angular velocity (co) of the calibration body (12, 32) about the axis of rotation (z) is mathematically taken into account when determining the position and orientation of the at least one laser distance sensor (2) relative to the rotatable calibration body (12, 32), in particular in the distance measurement of the continuous course.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehwinkel (φ) des Eichkörpers (12, 32) bestinnnnt wird, wobei bevorzugt die Zeit (t) bei bekannter Winkelgeschwindigkeit (co) gemessen wird, um den Drehwinkel (φ) des Eichkörpers (12, 32) zu bestimmen, wobei besonders bevorzugt ein Marker auf dem Eichkörper (12, 32) mit dem zumindest einen Laserabstandssensor (2) gemessen wird, um eine volle Umdrehung zu bestimmen. 6. The method according to any one of claims 4 or 5, characterized in that the angle of rotation (φ) of the calibration body (12, 32) is determined, wherein preferably the time (t) at known angular velocity (co) is measured in order to determine the angle of rotation (φ) of the calibration body (12, 32), with particular preference a marker on the calibration body (12, 32) is measured with the at least one laser distance sensor (2) to determine a full revolution.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Eichkörper (12, 32) eine Drehscheibe verwendet wird, wobei bevorzugt die Drehscheibe gegen die Drehachse (z) geneigt ist, besonders bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 5° und 60°, ganz besonders bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 15° und 30° geneigt ist. 7. The method according to any one of claims 4 to 6, characterized in that as calibrating body (12, 32) a turntable is used, wherein preferably the turntable against the rotation axis (z) is inclined, more preferably by a Verkippungswinkel (δ) between 5 ° and 60 °, most preferably inclined by a tilt angle (δ) between 15 ° and 30 °.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass 8. The method according to claim 7, characterized in that
der Verkippungswinkel (δ) der Drehscheibe gegen die Drehachse (z) beim Bestimmen der Position und der Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors (2) zur Drehscheibe rechnerisch berücksichtigt wird.  the tilt angle (δ) of the turntable against the axis of rotation (z) is taken into account mathematically in determining the position and the orientation of the at least one laser distance sensor (2) to the turntable.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass 9. The method according to claim 7 or 8, characterized in that
der von dem Laser (8, 28) des zumindest einen Laserabstandssensors (2) erzeugte Laserstrahl während der Abstandsmessung immer auf die jeweils gleiche Seite der Drehscheibe trifft.  the laser beam generated by the laser (8, 28) of the at least one laser distance sensor (2) always strikes the respective same side of the turntable during the distance measurement.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Position und die Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors (2) zur Drehscheibe durch Parameterfits der Gleichung lx = \ + l0 l bestimmt werden oder mit einer
Figure imgf000032_0001
10. The method according to any one of claims 7 to 9, characterized in that the position and orientation of the at least one laser distance sensor (2) to the hub by Parameterfits the equation l x = \ + l 0 l are determined or with a
Figure imgf000032_0001
Taylorreihenentwicklung dieser Gleichung bestimmt werden, vorzugsweise mit einer Fourier-Analyse einer Taylorreihenentwicklung dieser Gleichung bestimmt werden, wobei /? der Messwert des einen Laserabstandssensors beim Auftreffen auf die Drehscheibe (12, 32) ist, n der Normalvektor der Drehscheibe (12, 32), di der Positionsvektor des Schnittpunktes der zum Laser gewandten Oberfläche der Drehscheibe mit der Drehachse, bi der Positionsvektoren des virtuellen Schnittpunkts des ersten Laserstrahls mit den zugehörigen x-y-Ebenen El durch den Punkt di, cl der in der z-Richtung auf den Betrag von 1 normierten Richtungsvektor der auf die Drehscheibe (12, 32) einfallenden Laserstrahls von Laser (8, 28) in Richtung steigender Messwerte und h,i der Messwert des ersten Laserabstandssensors, welcher sich beim Vermessen des Punkts bi ergeben würden. Taylor series evolution of this equation can be determined, preferably determined by a Fourier analysis of a Taylor series expansion of this equation, where / ? the measured value of the one laser distance sensor when hitting the turntable (12, 32), n is the normal vector of the turntable (12, 32), ie the position vector of the intersection of the laser facing surface of the turntable with the axis of rotation, bi of the position vectors of the virtual intersection of the first laser beam with the corresponding xy planes E l through the point di, c l in the z-direction to the amount of 1 normalized direction vector of the rotary disc (12, 32) incident laser beam of laser (8, 28) in the direction of increasing measured values and h , i is the measured value of the first laser distance sensor that would result when measuring the point bi.
1 1 . Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 1 1. Method according to one of the preceding claims, characterized in that
bei der Berechnung der Daten für die Bestimmung der Position und der Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors (2) zum Eichkörper (12, 32) aus einer periodischen Abstandsmessung die Amplituden einer Grundwelle (Fi ,i), insbesondere die Amplituden einer Grundwelle (Fi,i) und zumindest der ersten Oberwelle (F2,i), verwendet werden, wobei bevorzugt die Grundwelle (Fi,i) und/oder zumindest die erste Oberwelle (F2,i) durch eine Fourier-Analyse der periodischen Abstandsmessung berechnet werden, besonders bevorzugt durch eine Taylorreihenentwicklung und eine Fourier- Analyse der periodischen Abstandsmessung berechnet werden. in the calculation of the data for the determination of the position and the orientation of the at least one laser distance sensor (2) for calibration body (12, 32) from a periodic distance measurement, the amplitudes of a fundamental wave (Fi, i), in particular the amplitudes of a fundamental wave (Fi, i ) and at least the first harmonic (F 2 , i), wherein preferably the fundamental (Fi, i) and / or at least the first harmonic (F 2 , i) are calculated by a Fourier analysis of the periodic distance measurement preferably be calculated by a Taylor series development and a Fourier analysis of the periodic distance measurement.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass 12. The method according to claim 1 1, characterized in that
bei der Berechnung der Grundwelle (Fi,i) und/oder zumindest der ersten Oberwelle (F2,i) angenommen wird, dass die Amplituden der Grundwelle (Fi,i) und/oder zumindest der ersten Oberwelle (F2,i) größer oder gleich Null ist. in the calculation of the fundamental wave (Fi , i) and / or at least the first harmonic wave (F 2 , i), it is assumed that the amplitudes of the fundamental wave (Fi, i) and / or at least the first harmonic wave (F 2, i) are greater or equal to zero.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel ßi und γι und die Amplituden Q und ß? zur Bestimmung der 13. The method according to any one of claims 7 to 12, characterized in that the angles ßi and γι and the amplitudes Q and ß? for the determination of
Position h sin(A) und der Ausrichtung, beschrieben durch den Vektor Position h sin (A) and the orientation described by the vector
des zumindest einen Laserabstandssensors (2) mit den
Figure imgf000034_0001
the at least one laser distance sensor (2) with the
Figure imgf000034_0001
Gleichungen  equations
βγ = μγ - π - (αΛ -\)Ι2,β γ = μ γ - π - (α Λ - \) Ι2,
Figure imgf000034_0002
Figure imgf000034_0002
Q = 2 - cot(<5) -
Figure imgf000034_0003
Q = 2 - cot (<5) -
Figure imgf000034_0003
berechnet werden, wobei μ? die Phasenlage der Grundwelle von Ιλ (φ) und ηι die Phasenlage der 1 . Oberwelle von ^(φ) ist, czl = 5 n(czl) die z-Ausrichtung des Lasers (8, 28) zur Drehscheibe angibt, δ der Verkippungswinkel der Drehscheibe gegen die Drehachse (z) ist und F1t 1 die gemessene Amplitude der Grundwelle und F2,i die gemessene Amplitude der ersten Oberwelle ist. be calculated, where μ? the phase of the fundamental wave of Ι λ (φ) and η ι the phase angle of the 1st Harmonic wave of ^ (φ), c zl = 5 n (c zl ) indicates the z-orientation of the laser (8, 28) to the turntable, δ is the tilt angle of the turntable against the rotation axis (z) and F 1t 1 is the measured Amplitude of the fundamental wave and F 2 , i is the measured amplitude of the first harmonic.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass 14. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that
die Abstandsmessungen mit einem Lasertriangulationsverfahren durchgeführt werden und/oder dass der zumindest eine Laserabstandssensor (2) im Zuge der Ausrichtung anhand der gemessenen Daten und/oder der daraus berechneten Größen kalibriert wird.  the distance measurements are carried out with a laser triangulation method and / or that the at least one laser distance sensor (2) is calibrated in the course of the alignment on the basis of the measured data and / or the variables calculated therefrom.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die relative Position und Ausrichtung zumindest zweier Laserabstandssensoren (2) zueinander bestimmt werden und dabei Unsicherheiten durch Fehler bei der Einschätzung der Lage und Geometrie des Eichkörpers (12, 32) ausgeglichen werden. 15. The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the relative position and orientation of at least two laser distance sensors (2) are determined relative to each other and thereby uncertainties due to errors in the assessment of the position and geometry of the calibration body (12, 32) are compensated.
16. Verfahren zur Messung der Dicke eines Körpers oder einer Beschichtung eines beschichteten Körpers in einem Messaufbau, wobei bei der Messung der Dicke zumindest ein Laserabstandssensor (2) verwendet wird, dessen Position und Ausrichtung zum Eichkörper (12, 32) mit einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche bestimmt wurde oder der zuvor im Messaufbau mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 15 gegen einen Eichkörper (12, 32) ausgerichtet wurde. 16. A method for measuring the thickness of a body or a coating of a coated body in a measurement setup, wherein at least one laser distance sensor (2) is used in the measurement of the thickness, its position and orientation to the calibration body (12, 32) with a method according to of the preceding claims was determined or which was previously aligned in the measurement setup with a method according to one of claims 2 to 15 against a calibration body (12, 32).
17. Verfahren nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch die chronologischen Schritte 17. The method according to claim 16, characterized by the chronological steps
E) Entfernen des Eichkörpers (12, 32) aus dem Messaufbau;  E) removing the calibration body (12, 32) from the measurement setup;
F) Einsetzen des zu vermessenden Körpers in eine Lagerung, die eine bekannte Position und Orientierung zu dem zuvor gelagerten Eichkörper (12, 32) im Messaufbau hat; und  F) inserting the body to be measured in a storage, which has a known position and orientation to the previously stored calibration body (12, 32) in the measurement setup; and
G) Messen der Dicke des Körpers oder dessen Beschichtung mit Hilfe des zumindest einen ausgerichteten und positionierten Laserabstandssensors (2) und/oder Messen der Dicke des Körpers oder dessen Beschichtung, wobei die Position und die Ausrichtung des zumindest einen Laserabstandssensors (2) rechnerisch berücksichtigt wird.  G) measuring the thickness of the body or its coating by means of the at least one aligned and positioned laser distance sensor (2) and / or measuring the thickness of the body or its coating, wherein the position and orientation of the at least one laser distance sensor (2) is taken into account mathematically ,
18. Vorrichtung zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Vorrichtung zumindest einen Laserabstandssensor (2) und eine Lagerung für einen zu vermessenden Körper umfasst, wobei der Laserabstandssensor (2) einen Laser (8, 28) und einen Sensor (10) aufweist, die Lagerung zur Halterung eines Eichkörpers (12, 32) mit zumindest bereichsweiser genau definierter Oberfläche ausgelegt ist und der Eichkörper (12, 32) in der Vorrichtung definiert bewegbar ist. 18. A device for carrying out a method according to one of the preceding claims, wherein the device comprises at least one laser distance sensor (2) and a bearing for a body to be measured, wherein the laser distance sensor (2) comprises a laser (8, 28) and a sensor ( 10), the bearing for holding a calibration body (12, 32) is designed with at least regionally well-defined surface and the calibration body (12, 32) is defined in the device movable.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass 19. The apparatus according to claim 18, characterized in that
der Eichkörper (12, 32) drehbar in der Vorrichtung gelagert ist oder lagerbar ist und der Eichkörper (12, 32) um definierte Winkel (φ) um eine Drehachse (z) drehbar ist und/oder mit zumindest einer definierten Winkelgeschwindigkeit (co) drehbar ist.  the calibration body (12, 32) is rotatably mounted in the device or can be stored and the calibration body (12, 32) is rotatable about defined angles (φ) about an axis of rotation (z) and / or rotatable with at least one defined angular velocity (co) is.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass 20. The apparatus according to claim 19, characterized in that
der Eichkörper (12, 32) eine Scheibe ist, die gegen die Drehachse (z) geneigt ist, bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 5° und 60° geneigt ist, besonders bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 15° und 30° geneigt ist, ganz besonders bevorzugt um einen Verkippungswinkel (δ) zwischen 20° bis 25° geneigt ist.  the calibration body (12, 32) is a disc which is inclined against the rotation axis (z), preferably tilted by a tilt angle (δ) between 5 ° and 60 °, particularly preferably a tilt angle (δ) between 15 ° and 30 ° °, very particularly preferably inclined by a tilt angle (δ) between 20 ° to 25 °.
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