DE69516871T2

DE69516871T2 - Verfahren zum lokaliseren eines trieders im raum

Info

Publication number: DE69516871T2
Application number: DE69516871T
Authority: DE
Inventors: Homer L. Eaton
Original assignee: Individual
Current assignee: Hexagon Metrology AB
Priority date: 1994-06-17
Filing date: 1995-06-12
Publication date: 2001-01-04
Anticipated expiration: 2015-06-13
Also published as: US5757499A; EP0765463A1; FR2721395A1; ES2147287T3; WO1995035479A1; DE69516871D1; EP0765463B1; FR2721395B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Trieders im Raum, d. h. ein Verfahren, mit dem, relativ zu einem feststehenden Bezugssystem, nicht nur die Position des Nullpunktes des Trieders, sondern auch die Ausrichtung seiner drei Achsen festgestellt werden kann.
Auf dem besonderen Gebiet der Meßverfahren zum Messen der Form und/oder der Position eines Objektes mit Hilfe einer Maschine zum dreidimensionalen Messen strebt man immer mehr danach, Maschinen herzustellen, die kompakt, leicht und präzise zugleich sind. Dieses Problem wird beispielsweise bei Positionsmessungen von Objekten im Inneren einer Karosserie eines Kraftfahrzeuges besonders akut.
Die Maschinen, die vor etwa 20 Jahren konstruiert wurden, waren in der Tat sperrig und kostspielig (vgl. z. B. die Dokumente US-A-3 774 312, US-A-3 774 311, US-A-3 636 635, US-A-3 279 079). Außerdem war der Einsatz dieser Maschinen beschränkt, da die Größe der Maschine die Größe der Objekte bestimmte, die gemessen werden konnten, und die Kosten für die Maschine mit deren Größe rasch anstiegen. Aufgrund der Schwierigkeiten beim Einhalten der Positionier- und Verschiebungsgenauigkeit bei auskragenden Elementen müssen die Maschinen dieser Art ferner für eine ausreichende Steifigkeit vollkommen massiv ausgebildet sein, so daß das Messen von Objekten mit großen Abmessungen (in der Länge oder in der Breite) den Einsatz von sperrigen, schweren und kostspieligen Maschinen erfordert.
Man hat einfachere und leichter zu bedienende Maschinen vorgeschlagen, wie in den Dokumenten US-A-3 944 798, GB-A-1 498 009 oder vor kürzerer Zeit in dem Dokument FR-A-2597969 gezeigt. Diese Maschinen bestehen im allgemeinen aus einem Träger und einem verformbaren Arm, der aus angelenkten Armen gebildet ist, und haben einen Berührungssensor, der am Ende des letzten Armes angebracht ist.
Die so gebildete Einheit wird an einen Rechner angeschlossen, der die von dem Sensor und von den mit den angelenkten Armen verbundenen Positionsgebern bereitgestellten Informationen auswertet. Diese Maschinen haben jedoch de facto beschränktere Möglichkeiten hinsichtlich der erreichbaren Länge, und die meß baren Volumen sind im allgemeinen auf ungefähr einen Meter ab dem Träger des verformbaren Armes beschränkt. Wenn man Messungen in einem weiter entfernten Bereich vornehmen will, muß man aufgrund dieser Tatsache den Träger verschieben. Dann tritt das Problem der Bestimmung dieses Trägers im Raum auf, da man, um die Reihe der ausgeführten Messungen für eine gegebene Position des Trägers mit einem feststehenden Bezugssystem in Beziehung zu setzen, die Position und die Ausrichtung dieses Trägers relativ zu diesem Bezugssystem kennen muß.
Ferner kennt man Verfahren zur Positionsbestimmung durch Triangulation.
Beispielsweise beschreibt das Dokument EP-A-0 143 012 eine Maschine zum dreidimensionalen Messen mit einem feststehenden Sockel und einem in einer horizontalen Ebene beweglichen Meßkopf. Der Meßkopf umfaßt einerseits einen Entfernungsmesser mit vertikalem Laserstrahl, der den betroffenen Punkt erleuchtet, um dessen Entfernung relativ zum Meßkopf zu messen, und andererseits ein Mittel zur Positionsbestimmung des Kopfes in der horizontalen Ebene. Dieses Mittel zur Positionsbestimmung umfaßt eine Laserquelle, die um eine vertikale Achse schwenkbar auf dem Meßkopf gelagert ist, um nacheinander drei feststehende, in der Ebene angeordnete Zielelemente anzustrahlen, um ein Signal zu liefern, das deren Belichtung durch den von der Laserquelle ausgesandten Strahl angibt. Die Winkelposition der Laserquelle um ihre vertikale Drehachse wird von einem dazugehörigen Positionsgeber gemessen, der, wenn die Zielelemente angestrahlt werden, die entsprechenden Winkelpositionen der Quelle bestimmt. Ausgehend von diesen Informationen und denen, die sich auf die Positionen der Zielelemente beziehen, berechnet eine elektronische Verarbeitungseinheit die Position des Meßkopfes in der horizontalen Ebene. Diese Vorrichtung ist aber vollkommen auf die Verwendung in 2D beschränkt.
Ebenso beschreiben die Dokumente GB-A-1 181 162 und US-A-5 258 822 Vorrichtungen zur Navigationshilfe, welche die Positionsbestimmung eines Fahrzeuges, wie z. B. eine Flugzeuges, eines Schiffes oder eines Landfahrzeuges, in einer horizontalen Ebene ermöglichen. Diese Vorrichtungen umfassen, wie oben auch, eine Laserquelle, die um eine vertikale Achse rotationsbeweglich ist, um nacheinander drei Zielelemente anzustrahlen, die an bekannten feststehenden Positionen angeordnet sind, um durch Triangulation ausgehend von den drei entsprechenden Winkelpositionen der Laserquelle die Koordinaten des Fahrzeuges in der horizontalen Ebene zu berechnen. Aber auch in diesem Fall ermöglicht die Vorrichtung weder die Bestimmung der Höhe der Fahrzeuges noch dessen Ausrichtung im Raum.
Das Dokument EP-A-0 468 677 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Objektes im Raum, die in der Lage ist, die Position dieses Objektes sowie dessen Ausrichtung zu bestimmen. Diese Vorrichtung umfaßt ein Sendermodul mit einer Lichtquelle, die um zwei verschiedene, zueinander nicht parallele Achsen (Azimut und Zenit) rotationsbeweglich ist, mit denen Winkelpositionsgeber verbunden sind. Drei Zielelemente sind um den Sendermodul herum an bekannten Positionen angeordnet, und die Winkelposition der Lichtquelle (Azimut und Zenit) wird durch Belichtung jedes der Zielelemente bestimmt. Eine elektronische Verarbeitungseinheit berechnet ausgehend von diesen Informationen und denen, die sich auf die bekannten Positionen der Zielelemente beziehen, die Position und die Ausrichtung des Sendermoduls. Mit Hilfe eines derartigen Verfahrens ist es folglich möglich, die Position und die Ausrichtung eines Trägers einer Maschine zum dreidimensionalen Messen im Raum zu bestimmen.
Jedoch hängt bei allen vorstehend genannten Vorrichtungen die Genauigkeit der Bestimmung von der Genauigkeit der Messung der Koordinaten der Zielelemente sowie von unterschiedlichen Parametern des Bestimmungssystems ab, insbesondere von Parametern, die sich auf die Eichung der Winkelpositionsgeber der Lichtquelle beziehen.
Ein Ziel der Erfindung ist gerade, dieses Problem zu lösen, indem ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Trieders im Raum vorgeschlagen wird, das eine äußerst genaue und zuverlässige Bestimmung ermöglicht.
Insbesondere handelt es sich um ein Verfahren zur Positionsbestimmung eines Trieders im Raum, das die folgenden Schritte umfaßt:
- man installiert einen Sendermodul mit einem Sockel, der relativ zu dem zu lokalisierenden Trieder feststeht, einer Lichtstrahlquelle, die auf dem Sockel angebracht ist, wobei sie um zwei verschiedene, zueinander nicht parallele Achsen schwenken kann, und zwei Sensoren zum Erfassen der Winkelposition, die mit den entsprechenden Drehbewegungen der Quelle relativ zum Sockel verbunden sind;
- man ordnet an Stellen, die relativ zu einem feststehenden Bezugssystem festgelegt sind, um den Sendermodul herum eine Vielzahl von Zielelementen an, die dazu geeignet sind, ein elektrisches Signal zu liefern, das ihre Belichtung durch den von der Quelle ausgesandten Lichtstrahl angibt;
- man läßt die Quelle des Sendermoduls, wobei der Sockel des Moduls ortsfest bleibt, derart um mindestens eine der beiden Drehachsen schwenken, daß man den ausgesandten Lichtstrahl nacheinander in Richtung jedes der Zielelemente leitet, so daß das von jedem angestrahlten Zielelement gelieferte Signal die Speicherung zweier entsprechender Winkel bewirkt, die für das genannte Zielelement mittels der beiden Sensoren zum Erfassen der Winkelposition der Quelle des Sendermoduls gemessen werden;
- man bestimmt rechnerisch ausgehend von diesen Winkeln und den festgelegten Lagekoordinaten der Zielelemente die Position des Trieders in dem feststehenden Bezugssystem.
Gemäß dem Hauptmerkmal der Erfindung werden die Standorte der Zielelemente in dem feststehenden Bezugssystem während eines vorbereitenden Schrittes der Kalibrierung festgelegt, während dessen:
- man für eine Vielzahl unterschiedlicher Positionen des Sockels des Sendermoduls die beiden Winkel entsprechend dem aufeinanderfolgenden Bestrahlen jedes der Zielelemente speichert;
- man davon rechnerisch die relativen Positionen der Zielelemente zueinander ableitet;
- man den Abstand zwischen zwei markanten Punkten mißt und speichert, wie beispielsweise zwischen zwei Zielelementen oder zwei Positionen des Sockels, um den dimensionalen Maßstab festzusetzen.
Folglich ermöglicht das Bestimmungsverfahren der vorliegenden Erfindung ein Bestimmen der Position eines Trieders im Raum mit einer sehr großen Ge nauigkeit, ohne daß das Objekt, zu dem es gehört, mit irgendeinem mechanischen Element verbunden ist. Dieses Nichtvorhandensein einer mechanischen Verbindung verschafft dem Objekt, dessen Position man bestimmt, eine sehr große Bewegungsfreiheit. Für den Fall, daß dieses Objekt ein beweglicher Träger einer Maschine zum dreidimensionalen Messen ist, bietet diese Freiheit eine Lösung, die besonders gut an das vorstehend genannte Problem der Beschränktheit der meßbaren Volumen angepaßt ist.
Gemäß einer besonderen Ausführungsvariante des Verfahrens der Erfindung sind die Zielelemente in einer gemeinsamen, und insbesondere einer horizontalen Ebene angeordnet. Man verwendet dann für den vorbereitenden Schritt der Kalibrierung mindestens vier Zielelemente und sechs unterschiedliche Positionen des Sockels des Sendermoduls.
Gemäß einem weiteren besonderen Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem jedes Zielelement einen photoelektrischen Detektorschirm enthält, mit einer Fläche, die wesentlich größer ist als der Querschnitt des Lichtstrahls, um ein Signal zu liefern, das die Auftreffposition des Lichtstrahls auf diesem Schirm relativ zu einem feststehenden Nullpunkt des genannten Schirmes angibt, kombiniert man für jedes aufeinanderfolgend angestrahlte Zielelement das aus dem Schirm dieses Zielelementes abgegebene Signal mit den Signalen, die aus den beiden Sensoren zum Erfassen der Winkelposition der Quelle des Sendermoduls abgegeben werden, um daraus die Position des zu lokalisierenden Trieders abzuleiten.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden angesichts der folgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen deutlicher, die unter Bezugnahme auf die Figuren ein besonderes Ausführungsbeispiel betreffen. In den Figuren zeigen:
Fig. 1 eine Perspektivansicht, die schematisch ein Anwendungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt, in diesem Fall zur Positionsbestimmung des beweglichen Trägers einer Maschine zum dreidimensionalen Messen mit angelenkten Armen;
Fig. 2 eine Vorderansicht des Sendermoduls einer Vorrichtung, welche die Erfindung einsetzt (mit einem aufgebrochenen Teil, der ein besseres Erkennen der Quelle des Lichtstrahls und der dazugehörigen Durchtrittsöffnung ermöglicht);
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III der Fig. 2, welche schematisch die beiden Antriebsmotoren und die beiden Sensoren zum Erfassen der Winkelposition zeigt, mit denen der Sendermodul versehen ist.
In Fig. 1 hat man schematisch eine Vorrichtung zur Positionsbestimmung eines Trieders (O, x, y, z) dargestellt, die mit einer leicht verschiebbaren Maschine 100 zum dreidimensionalen Messen verbunden ist, welche im Inneren eines geschlossenen Raumes angeordnet ist, der drei mit 37 bezeichnete Wände hat und mit einem feststehenden, mit (Ω, X, Y, Z) bezeichneten Bezugssystem verbunden ist. Diese Maschine besteht im vorliegenden Fall aus einem Träger 101, dem der zu lokalisierende Trieder (O, x, y, z) zugeordnet ist, und aus einem verformbaren Arm 102, der aus mehreren angelenkten Armen gebildet ist, und hat einen Berührungssensor 103, der am Ende des letzten angelenkten Armes angebracht ist. Die Lokalisierungsvorrichtung besteht aus einem Sendermodul 1, der aus einem Sockel 3, der fest mit dem Träger 101 verbunden ist und folglich relativ zu dem Trieder (O, x, y, z) feststeht, und einem beweglichen Kopf 5 gebildet ist, der auf dem Sockel 3 angebracht ist, um um die z-Achse des vorstehend genannten Trieders zu schwenken.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel steht die Maschine 100 auf dem Boden des geschlossenen Raumes, wobei der Boden horizontal ist, so daß die z-Achse im wesentlichen vertikal ist, d. h. parallel zur Achse Z, die im vorliegenden Fall ebenfalls vertikal ist. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf diese Anordnung beschränkt, und die z-Achse, wie auch die x- und y-Achsen des zu lokalisierenden Trieders können beliebig ausgerichtet sein.
Im allgemeinsten Fall hängt auf diese Weise die Positionsbestimmung des Trieders (O, x, y, z) von der gegebenen Größe von sechs Variablen ab, von denen drei Variablen die Position des Nullpunktes O und drei weitere Variablen die Richtungskosinusse der x-, y- und z-Achsen angeben.
So wie dies besser in den Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, umfaßt der Sockel 3 des Sendermoduls einen Befestigungsfuß 7 und ein zylindrisches Gehäuse 9, das fest mit dem Fuß 7 verbunden ist und als Achse die z-Achse hat. Das zylindrische Gehäuse 9 wird von einer Welle 11 durchsetzt, die an dem Sockel 3 zwischen einem auf dem Fuß 7 angebrachten Lager 13 und einem Lager 15 drehbar gelagert ist, das an einem dem Fuß 7 entgegengesetzten Ende des zylindrischen Gehäuses 9 angebracht ist. Die Drehung der Welle 11 um die z-Achse wird von einem Elektromotor 17 gesteuert, der von einer Steuereinheit (nicht gezeigt) versorgt wird. Die Winkelposition der Welle 11 bezüglich der z-Achse wird durch einen Winkel θ angegeben, dessen Größe von einem Sensor 19 zum Erfassen der Winkelposition gegeben wird, der zwischen der Welle 11 und dem zylindrischen Gehäuse 9 angebracht und an eine elektronische Verarbeitungseinheit 18 angeschlossen ist.
Durch ihr dem Fuß 7 abgewandtes Ende ist die Welle 11 mit dem beweglichen Kopf 5 verbunden. Dieser umfaßt ein zylindrisches Gehäuse 20, das eine Achse 22 hat, die senkrecht zur z-Achse ist, und das in seiner Mitte an der Welle 11 befestigt ist. Das zylindrische Gehäuse 20 wird von einer koaxialen Welle 21 durchsetzt, die zwischen zwei Lagern 23 und 25, die jeweils am Ende des zylindrischen Gehäuses angebracht sind, drehbar um die Achse 22 gelagert ist. Die Drehung der Welle 21 um die Achse 22 wird von einem Elektromotor 27 gesteuert, der durch eine Drehverbindung 29, die zwischen der Welle 11 und dem zylindrischen Gehäuse 9 angeordnet ist, mit der Steuereinheit verbunden ist. Die Position der Welle 21 um die Achse 22 wird durch einen Winkel α angegeben, dessen Größe von einem Sensor 31 zum Erfassen der Winkelposition gegeben wird, der in dem zylindrischen Gehäuse 20 untergebracht und über die Drehverbindung 29 mit der elektronischen Verarbeitungseinheit 18 verbunden ist. Die elektrischen Verbindungen zwischen der Drehverbindung 29 und dem Motor 27 und zwischen dieser Drehverbindung und dem Sensor 31 sind im vorliegenden Fall symbolisch durch gestrichelte Linien dargestellt (die äußeren Leitungen der elektrischen Verbindungen, welche dem in der Fig. 1 sichtbaren Kabel 38 entsprechen und der Verbindung des Motors 17, des Sensors 19 und der Drehverbindung 29 mit der elektronischen Einheit 18 dienen, sind in der schematischen Ansicht der Fig. 3 nicht dargestellt).
Die Welle 21 ist in ihrer Mitte mit einer Lichtstrahlquelle 33, z. B. einer Laserquelle, versehen, die sich quer zur Achse 22 der Welle 21 erstreckt. Es wird angemerkt, daß diese Quelle auf diese Weise sowohl relativ zur Achse 22 als auch relativ zur z-Achse rotationsbeweglich ist. Eine Öffnung 35 ist in dem zylindrischen Gehäuse 20 ausgebildet, um den Durchtritt des von der Quelle 33 ausgesandten Lichtstrahles 34 zu ermöglichen. Die äußersten Positionen des Strahls 34 bei seiner Drehung um die Achse 22 (Winkel α) sind in der Fig. 2 mit strichpunktierten Linien dargestellt. Der Winkelbereich beträgt beispielsweise 45º zu beiden Seiten einer mittleren Position, die senkrecht zur z-Achse ist. Die Drehung um die z-Achse selbst (Winkel θ) ist nicht zwangsläufig auf einen besonderen Winkelbereich beschränkt. Eine freie Drehung um die z-Achse gewährt mehr Flexibilität bei der Verwendung des Moduls, wenn die z-Achse vertikal ist.
Ferner umfaßt die Vorrichtung aktive Zielelemente 35, die an den Wänden 37 befestigt sind, die zu dem feststehenden Bezugssystem (Ω, X, Y, Z) gehören. Der hier verwendete Begriff "aktives Zielelement" umfaßt jede Art von Empfänger, der in der Lage ist, ein Signal auszusenden, das deren Belichtung durch den eingesetzten Lichtstrahl angibt.
Die soeben beschriebene Vorrichtung ermöglicht die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Positionsbestimmung. Ganz allgemein definiert ist bei diesem Verfahren der Ablauf der folgenden Schritte vorgesehen:
- man installiert den Sendermodul 1 und die aktiven Zielelemente 35;
- man läßt die Quelle 33 des Sendermoduls 1, wobei der Sockel 3 des Moduls ortsfest bleibt, derart um mindestens eine der beiden Drehachsen z und 22 schwenken, daß man den ausgesandten Lichtstrahl nacheinander auf jedes der aktiven Zielelemente 35 richtet, so daß das von jedem angestrahlten Zielelement gelieferte Signal die Speicherung zweier entsprechender Winkel θ und α bewirkt, die für das angestrahlte Zielelement mittels der beiden Sensoren 19 und 31 zum Erfassen der Winkelposition gemessen werden;
- man bestimmt rechnerisch (mit Hilfe der elektronischen Verarbeitungseinheit 18) ausgehend von den Winkeln θ und α und den festgelegten Lagekoordinaten der aktiven Zielelemente 35 die Position des Trieders (O, x, y, z), d. h. die Position des Nullpunktes und die Ausrichtung der drei Achsen in dem feststehenden Bezugssystem (Ω, X, Y, Z).
Gemäß dem besonderen Ausführungsbeispiel der in den Figuren gezeigten Vorrichtung sind es fünf aktive Zielelemente 35, wobei aber eine Mindestanzahl von drei Zielelementen in jedem Fall erforderlich ist.
Jedes aktive Zielelement 35 umfaßt vorzugsweise einen rechteckigen Schirm 35.1, der an jeder Ecke des Schirms einen elektrischen Strom liefert, der umgekehrt proportional zu dem Abstand ist, der den Auftreffpunkt des von der Quelle 33 abgesandten Lichtstrahls auf dem genannten Schirm und jede der Ecken dieses Schirms voneinander trennt. Derartige Schirme werden im allgemeinen auf dem Gebiet der Eichung und der Kontrolle der Mechanismen zum Steuern der Ausrichtung von Lichtstrahlen, wie z. B. von Lasern eingesetzt. Als Schirm für die aktiven Zielelemente kann man beispielsweise die Sensoren der Art PIN-Spot 2D verwenden, die von der amerikanischen Gesellschaft UDT Sensors hergestellt werden. Das Zielelement 35 umfaßt ferner ein elektronisches Gehäuse 35.2, das hinter dem Schirm 35.1 angeordnet ist und die aus den vier Ecken dieses Schirms abgesandten Signale in ein elektrisches Signal umwandelt, das die Koordinaten des Auftreffpunktes des von der Quelle 33 abgesandten Lichtstrahls in der Ebene des Schirms 35.1 relativ zu einem feststehenden Nullpunkt angibt (der sich meist in der Mitte des Schirms befindet).
Dieses Signal wird über ein Mittel, wie beispielsweise Kabel 36 zur elektrischen Verbindung, die in Fig. 1 mit strichpunktierten Linien dargestellt sind, zur elektronischen Verarbeitungseinheit 18 übertragen. Die elektronische Verarbeitungseinheit 18 empfängt so die Signale, die aus jedem aktiven Zielelement 35 stammen, sowie die Werte der Winkel, die von den Sensoren 19, 31 zum Erfassen der Winkelposition bestimmt werden.
Die Zielelemente 35 sind deutlich voneinander beabstandet um den Sendermodul 1 herum angeordnet, und zwar an Stellen, deren Koordinaten in dem Bezugssystem (Ω, X, Y, Z) bekannt und in der elektronischen Verarbeitungseinheit 18 gespeichert sind.
Gemäß einem Hauptmerkmal der Erfindung erfolgt die Bestimmung dieser Koordinaten automatisch während eines vorbereitenden Schrittes der Kalibrierung, während dessen
- man für eine Vielzahl unterschiedlicher Positionen des Sockels 3 des Sendermoduls 1 die beiden Winkel θ und α speichert, die von den Sensoren 19 und 31 zum Erfassen der Winkelposition der Quelle 33 abgetastet werden und der aufeinanderfolgenden Belichtung jedes der aktiven Zielelemente 35 entsprechen;
- man davon rechnerisch die relativen Positionen der Zielelemente zueinander ableitet; und
- man den Abstand zwischen zwei markanten Punkten mißt und speichert, um den dimensionalen Maßstab festzusetzen.
Die beiden vorstehend genannten markanten Punkte können beispielsweise aus den Positionen von zwei aktiven Zielelementen 35 oder zwei Positionen des Sockels 3 gebildet sein, wobei die Messung dann von Hand erfolgt und der Abstand anschließend an die elektronische Verarbeitungseinheit übermittelt wird. Ferner können diese markanten Punkte auch zwei beliebige Punkte sein, wie beispielsweise die beiden Enden eines Lineals mit bekannter Länge, wobei es in diesem Fall möglich ist, den Rechner der Maschine zum dreidimensionalen Messen dadurch zu eichen, daß man jedes Ende der Lineals mit dem Berührungssensor 103 abtastet und anschließend eine Verbindung zwischen diesem Rechner und der elektronischen Verarbeitungseinheit 18 herstellt.
Bei diesem vorbereitenden Schritt der Kalibrierung verwendet man vorzugsweise mindestens fünf aktive Zielelemente 35 und zwölf verschiedene Positionen des Sockels 3 des Sendermoduls 1.
Zur Durchführung des Verfahrens mittels der vorstehend beschriebenen Vorrichtung steuert man mit Hilfe der vorstehend genannten Steuereinheit die Motoren 17 und 27 derart, daß der von der Quelle 33 ausgesandte Lichtstrahl 34 nacheinander den Schirm 35.1 jedes aktiven Zielelementes 35 anstrahlt. Bei jedem Zielen überträgt das Zielelement 35, das den Lichtstrahl empfängt, die Koordinaten des Auftreffpunktes des Lichtstrahls 34 auf der Ebene des dazugehörigen Schirms 35.1 an die elektronische Verarbeitungseinheit 18. Diese speichert dann die Winkel θ und α, die den Winkelpositionen der Wellen 11 und 21 entsprechen, die von den Sensoren 19 und 31 zum Erfassen der Winkelposition bestimmt werden. Die elektronische Verarbeitungseinheit 18 verknüpft dann diese Daten für jedes Zielelement 35, um davon die beiden theoretischen Winkelpositionen abzu leiten, die von den zu dem Sendermodul 1 gehörenden Sensoren 19 und 31 zum Erfassen der Position gelesen worden wären, wenn der Auftreffpunkt des Lichtstrahls genau auf dem feststehenden Nullpunkt der Ebene des Schirms 35.1 gelegen hätte. Die beiden auf diese Weise für jedes Zielelement bestimmten theoretischen Winkel werden anschließend an einen Rechenmodul (nicht gezeigt) der elektronischen Verarbeitungseinheit 18 übertragen. Wenn alle aktiven Zielelemente 35 angestrahlt und alle entsprechenden theoretischen Winkel an den Rechenmodul übertragen wurden, ermittelt der letztgenannte rechnerisch ausgehend von diesen Winkeln und den Koordinaten der Standorte der aktiven Zielelemente 35 in dem feststehenden Bezugssystem (Ω, X, Y, Z) die Position des Trieders (O, x, y, z) in dem Bezugssystem (Ω, X, Y, Z).
Gemäß einer besonderen Ausführungsvariante des Verfahrens zur Positionsbestimmung ist es möglich, alle aktiven Zielelemente 35 in einer gemeinsamen Ebene anzuordnen, die den Nullpunkt O des zu bestimmenden Trieders (O, x, y, z) entweder enthält oder nicht. Die Lokalisierung kann dann nicht mehr als dreidimensional angesehen werden, sondern als zweidimensional, und dies vor allem, wenn die gemeinsame Ebene horizontal ist, denn der Sendermodul wird einfach auf einer horizontalen Ebene aufgestellt.
In diesem Fall verwendet man mindestens vier Zielelemente 35 und sechs verschiedene Positionen des Sockels 3 des Sendermoduls 1.
In dem besonderen Fall, bei dem die z-Achse des Moduls im wesentlichen orthogonal zur gemeinsamen Ebene der Zielelemente ist und bei dem die Positionierung so ist, daß der Winkel α gleich null ist, verändert sich dann nur der Winkel θ, wenn die Zielelemente nacheinander angestrahlt werden. Wenn die z- Achse nicht exakt orthogonal zur Ebene der Zielelemente ist, wird die exakte Ausrichtung der z-Achse allein ausgehend von der Position des Auftreffpunktes des Lichtstrahls auf dem photoelektrischen Detektorschirm jedes Zielelementes bestimmt.
Die Erfindung ist nicht auf das soeben beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfaßt im Gegenteil jede Ausführungsvariante, welche mit äquivalenten Mitteln die weiter oben angeführten wesentlichen Merkmale aufgreift.
Obwohl beispielsweise in dem aufgezeigten Beispiel die aktiven Zielelemente 35 einen großen Schirm haben, der den Vorgang des Zielens auf diesen Schirm durch den Lichtstrahl erleichtert, wäre es ebenso möglich, aktive Zielelemente zu verwenden, die einen schmäleren Schirm zur Aufnahme des Lichtstrahls haben und der elektronischen Verarbeitungseinheit ein einfaches Signal der Art "alles oder nichts" übermitteln, entsprechend einem Belichtungszustand oder einem Nicht-Belichtungszustand des Zielelementes durch den Lichtstrahl 34. Derartige aktive Zielelemente wären dann analog zu den herkömmlichen photoelektrischen Zellen. In diesem Fall werden die Winkel θ und α, welche die Winkelposition der Wellen 11 und 21 des Sendermoduls 1 bestimmen, direkt an den Rechnermodul übertragen, wobei das von den aktiven Zielelementen 35 ausgesandte Signal dann als einzige Aufgabe das Auslösen der Speicherung dieser Winkelpositionen hat.
Auch wenn eine Vorrichtung beschrieben wurde, bei der die von den aktiven Zielelementen 35 ausgesandten Signale über Kabel zur elektrischen Verbindung an die elektronische Verarbeitungseinheit 18 übertragen werden, ist es darüber hinaus ebenso möglich, diese Verbindung mit Hilfe eines drahtlosen Sender- Empfänger-Systems sicherzustellen. Auf andere Art ist es ebenso möglich, passive, reflektierende Zielelemente zu verwenden, die mit einem photoelektrischen Sensor verbunden sind, der auf dem Sendermodul angeordnet ist, um den von jedem Zielelement reflektierten Lichtstrahl zu empfangen.
Schließlich kann der Sendermodul 1, obwohl er in dem gezeigten Beispiel auf einem beweglichen Träger einer Maschine zum dreidimensionalen Messen angeordnet ist, selbstverständlich auf jedem anderen Objekt befestigt werden, dessen Position und Ausrichtung im Raum man bestimmen will.
Auf diese Weise gelang es, ein Verfahren zur Positonsbestimmung eines Trieders im Raum ausgehend von Winkelbezugspunkten durchzuführen, das aufgrund einer Selbstkalibrierung der verwendeten Vorrichtung genauer und zuverlässiger als die vorstehend genannten älteren Verfahren ist.

Claims

1. Verfahren zur Positionsbestimmung eines Trieders (O, x, y, z) im Raum, umfassend die folgenden Schritte:

- man installiert einen Sendermodul (1) mit einem Sockel (3), der relativ zu dem zu lokalisierenden Trieder (O, x, y, z) feststeht, einer Lichtstrahlquelle (33), die zum Schwenken um zwei verschiedene, zueinander nicht parallele Achsen (z, 22) auf dem Sockel (3) angebracht ist, und zwei Sensoren (19, 31) zum Erfassen der Winkelposition, die mit den entsprechenden Drehbewegungen der Quelle (33) relativ zum Sockel (3) verbunden sind;

- man ordnet an Stellen, die relativ zu einem feststehenden Bezugssystem (Ω, X, Y, Z) festgelegt sind, um den Sendermodul (1) herum eine Vielzahl Zielelemente (35) an, die dazu geeignet sind, ein elektrisches Signal zu liefern, das deren Belichtung durch den von der Quelle (33) ausgesandten Lichtstrahl angibt;

- man läßt die Quelle (33) des Sendermoduls (1), wobei der Sockel (3) des Moduls ortsfest bleibt, derart um mindestens eine der beiden Drehachsen (z, 22) schwenken, daß man den ausgesandten Lichtstrahl nacheinander in Richtung jedes der Zielelemente (35) leitet, so daß das von jedem angestrahlten Zielelement gelieferte Signal die Speicherung zweier entsprechender Winkel (θ, α) bewirkt, die für das genannte angestrahlte Zielelement mittels der beiden Sensoren (19, 31) zum Erfassen der Winkelposition gemessen werden;

- man bestimmt rechnerisch ausgehend von diesen Winkeln und den festgelegten Lagekoordinaten der Zielelemente (35) die Position des Trieders (O, x, y, z) in dem feststehenden Bezugssystem (Ω, X, Y, Z);

dadurch gekennzeichnet, daß die Standorte der Zielelemente (35) in dem feststehenden Bezugssystem (Ω, X, Y, Z) während eines vorbereitenden Schrittes der Kalibrierung festgelegt werden, während dessen

- man für eine Vielzahl unterschiedlicher Positionen des Sockels (3) des Sendermoduls (1) die beiden Winkel (θ, α) entsprechend dem aufeinanderfolgenden Bestrahlen jedes der Zielelemente (35) speichert;

- man davon rechnerisch die relativen Positionen der Zielelemente zueinander ableitet; und

- man den Abstand zwischen zwei markanten Punkten mißt und speichert, wie beispielsweise zwischen zwei Zielelementen oder zwei Positionen des Sockels, um den dimensionalen Maßstab festzusetzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man für den vorbereitenden Schritt der Kalibrierung mindestens fünf Zielelemente (35) und zwölf unterschiedliche Positionen des Sockels (3) des Sendermoduls (1) verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zielelemente (35) in einer gemeinsamen Ebene, und insbesondere in einer horizontalen Ebene, angeordnet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man für den vorbereitenden Schritt der Kalibrierung mindestens vier Zielelemente (35) und sechs unterschiedliche Positionen des Sockels (3) des Sendermoduls (1) verwendet.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jedes Zielelement (35) einen photoelektrischen Detektorschirm (35.1) enthält, mit einer Fläche, die wesentlich größer ist als der Querschnitt des Lichtstrahls, um ein Signal zu liefern, das die Auftreffposition des Lichtstrahls auf diesem Schirm (35.1) relativ zu einem feststehenden Nullpunkt des genannten Schirms angibt, dadurch gekennzeichnet, daß man für jedes aufeinanderfolgend angestrahlte Zielelement das aus dem Schirm (35.1) dieses Zielelements abgegebene Signal mit den Signalen kombiniert, die aus den beiden Sensoren (19, 31) zum Erfassen der Winkelposition der Quelle (33) des Sendermoduls (1) abgegeben werden, um daraus die Position des zu lokalisierenden Trieders (O, x, y, z) abzuleiten.