CH694343A5 - Verfahren und Vorrichtung zur Distanzmessung. - Google Patents

Description

  



   Die Erfindung liegt auf dem Gebiete der Messtechnik und betrifft  ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäss den Oberbegriffen der entsprechenden  unabhängigen Patentansprüche. Verfahren und Vorrichtung dienen zur  Messung der Distanz zwischen zwei Punkten. 



   Es ist bekannt, die Distanz zwischen zwei beliebigen Punkten im Raum  mithilfe eines Laser-Trackers und eines Retroreflektors zu messen.  Unter einem Retroreflektor ist ein Reflektor zu verstehen, der einen  Strahl unabhängig von seinem Einfallswinkel parallel zu sich selbst  reflektiert. Unter einem Laser-Tracker ist ein Instrument zu verstehen,  das im Wesentlichen die folgenden Funktionseinheiten aufweist:

   einen  Laser, der einen Laserstrahl aussendet, ein Mittel zur Einstellung  der Laserstrahlrichtung, ein Mittel zur Messung von Änderungen der  Laserstrahlrichtung, ein Mittel zur Detektion der Verschiebung zwischen  dem auf den Retroreflektor gerichteten Laserstrahl und dem reflektierten  Strahl, ein Mittel zur Minimierung dieser Verschiebung durch automatische  Veränderung der Laserstrahlrichtung und ein Mittel zur interferometrischen  Auswertung von ausgesendetem und reflektiertem Laserstrahl zur Bestimmung  von Distanzänderungen zwischen Laser und Reflektor. 



   Zur Messung der Distanz zwischen zwei beliebigen Punkten im Raum  mithilfe eines Laser-Trackers und eines Retroreflektors wird gemäss  dem Stande der Technik der Reflektor in einem der beiden Punkte positioniert,  wird der Laserstrahl des Trackers auf den Reflektor gerichtet und  wird dann der Reflektor vom ersten Punkt zum    zweiten Punkt bewegt,  wobei er vom Laserstrahl des Trackers verfolgt wird. Aus der Veränderung  der Richtung des Laserstrahles und aus der Veränderung der Distanz  zwischen Tracker und Reflektor bei der Verschiebung des Reflektors  vom ersten zum zweiten Punkt wird mit triangulatorischen Methoden  die Distanz zwischen den beiden Punkten berechnet. 



   Die Genauigkeit, die mit einer derartigen triangulatorischen Distanzmessung  erreicht werden kann, ist abhängig von der Genauigkeit, mit der der  Reflektor in den Punkten positionierbar ist, sowie von den -Genauigkeiten  der Winkel- und der Distanzmessungen, die zur Bestimmung der Richtungsänderung  und der Distanzänderung zur Anwendung kommen. Die Winkelmessung mit  bekannten Winkelgebern hat üblicherweise eine Genauigkeit im Bereiche  von etwa einer Bogensekunde, die Distanzmessung mit interferometrischen  Methoden eine Genauigkeit im Bereiche von 1 bis 3  mu m.

   Bei triangulatorischen  Distanzmessungen im Bereiche von Metern ist es die Genauigkeit der  Winkelmessung, die sich in der Genauigkeit der Distanzmessung insbesondere  niederschlägt, sodass es für eine Erhöhung der Genauigkeit der Distanzmessung  insbesondere notwendig wäre, die Genauigkeit der Winkelmessung zu  erhöhen. 



   Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, die Genauigkeit von Distanzmessungen  mithilfe von Laser-Tracker und Retroreflektor zu verbessern. Es soll  ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen werden, die es erlauben,  mit einer gegenüber dem Stande der Technik markant erhöhten Genauigkeit  unter Verwendung eines gängigen Laser-Trackers und eines gängigen  Retroreflektors Distanzen zwischen in weiten Grenzen beliebig im  Raume positionierten Punkten zu messen, wobei das Verfahren gegenüber  dem Stande der Technik keinen zusätzlichen Mess- und/oder Rechenaufwand  bedingen soll und wobei die zusätzlich zu Laser-Tracker und Retroreflektor  verwendete Vorrichtung einfach herstellbar und einfach anwendbar  sein soll. 



     Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren und die Vorrichtung,  wie sie in den entsprechenden unabhängigen Patentansprüchen definiert  sind. 



   Das erfindungsgemässe Verfahren beruht im Wesentlichen darauf, mit  geeigneten Mitteln den vom Laser-Tracker ausgesendeten Laserstrahl  derart umzulenken, dass die beiden Punkte, deren Distanz zu bestimmen  ist, vom umgelenkten Laserstrahl getroffen werden, dass der umgelenkte  Laserstrahl also auf der Geraden durch die beiden Punkte verläuft.  Wenn nun der Reflektor vom einen der Punkte zum anderen bewegt wird,  ändert sich zwar die Distanz zwischen Tracker und Reflektor und kann  diese Distanzänderung interferometrisch ermittelt werden, die Richtung  des Laserstrahles ist aber für die erste Reflektorposition und für  die zweite Reflektorposition dieselbe. Dadurch beschränkt sich die  Messung auf eine relative Distanzmessung, die interferometrisch und  mit der oben genannten hohen Genauigkeit durchgeführt werden kann.

    Eine Winkelmessung mit der ebenfalls oben genannten, weniger hohen  Genauigkeit wird vermieden oder, wie weiter unten noch gezeigt werden  soll, höchstens für die Berechnung eines Korrekturfaktors verwendet.                                                           



   Die Vorrichtung, die zusätzlich zu Laser-Tracker und Retroreflektor  für die Durchführung des Verfahrens anzuwenden ist, weist ein Umlenkmittel  zum Umlenken des Laserstrahles (z.B. einen Spiegel mit einstellbarer  Orientierung) und ein Reflektor-Positioniermittel (z.B. einen Magnethalter)  zum Positionieren des Reflektors auf. Ferner weist die Vorrichtung  ein Markiermittel auf, das bei der Ausrichtung des Laserstrahles  durch die zwei Punkte zum Markieren des einen der zwei Punkte dient.  Das Markiermittel ist beispielsweise ein auf dem genannten Reflektor-Positioniermittel  positionierbares Fadenkreuz. 



   Zur Messung der Distanz zwischen einem ersten und einem zweiten Punkt  nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird der Reflektor im ersten  Punkt und das Markier   mittel im zweiten Punkt positioniert. Dann  wird der Laserstrahl des Laser-Trackers, der in einer beliebigen  Tracker-Position positioniert ist, über das Umlenkmittel auf den  Reflektor gerichtet, wobei das Umlenkmittel derart eingestellt wird,  dass der Trackerstrahl durch die vom Markiermittel markierte zweite  Reflektor-Position zum Reflektor verläuft. Das Markiermittel wird  dann aus dem Strahlengang entfernt (ohne Trackingverlust), der Reflektor  wird (gegen das Umlenkmittel) in die Position des Markiermittels  gebracht und die Reflektorverschiebung wird interferometrisch ausgewertet,  was direkt die Distanz zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt  ergibt.

   Die Tracker-Position und die Einstellung des Umlenkmittels  bleiben während der Messung unverändert. 



   Bei Verwendung eines Reflektors, bei dem ein zentraler Teil des Laserstrahles  unreflektiert durch den Reflektor verläuft, ist es auch möglich,  den Laserstrahl durch den Reflektor auf das Markiermittel zu richten  und dann den Reflektor vom Umlenkmittel weg auf den zweiten Punkt  zu bringen. Die Auswertung der interferometrischen Messung bleibt  gleich, wie oben für den umgekehrten Fall beschrieben. 



   Die Genauigkeit des erfindungsgemässen Distanzmessverfahrens ist  nicht abhängig von der Richtung des Trackerstrahles und auch nicht  vom Winkel, mit dem dieser auf das Umlenkmittel trifft. Sie ist ebenso  wenig abhängig vom exakten Verlauf der Reflektorbewegung zwischen  dem ersten und dem zweiten Punkt, während der der Reflektor vom Trackerstrahl  verfolgt wird. Die Richtung des Trackerstrahles ändert sich dabei  gegebenenfalls, ist aber am Ende der Bewegung im Wesentlichen dieselbe  wie bei Beginn. 



   Genau wie bei den eingangs erwähnten Verfahren ist die Genauigkeit  des erfindungsgemässen Verfahrens abhängig von der Genauigkeit der  Reflektor- bzw. Mar   kiermittel-Positionierung und werden für eine  genaue Positionierung im Wesentlichen dieselben Massnahmen ergriffen.                                                          



   Für Fälle, in denen der Reflektor und das Markiermittel nicht direkt  in zu vermessenden Punkten positionierbar sind, werden Positionier-Mittel  verwendet, die eine genau definierte relative Position des optischen  Zentrums des Reflektors zum relevanten Punkt ergeben. Aus der gemessenen  Distanz zwischen dem optischen Zentrum des Sensors in den zwei Positionen  wird dann rechnerisch auf die effektiv gesuchte Distanz zwischen  den relevanten Punkten geschlossen. 



   Das erfindungsgemässe Verfahren und eine beispielhafte Ausführungsform  der Vorrichtung, die zusätzlich zu Laser-Tracker und Retroreflektor  zur Durchführung des Verfahrens angewendet wird, werden im Zusammenhang  mit den folgenden Figuren im Detail beschrieben. Dabei zeigen:      Fig. 1 bis 3 die Verfahrensschritte des erfindungsgemässen  Verfahrens;     Fig. 4 eine beispielhafte Ausführungsform der erfindungsgemässen  Vorrichtung.  



   Fig. 1 bis 3 zeigen das Prinzip des erfindungsgemässen Verfahrens  und illustrieren seine aufeinander folgenden Schritte. Die Fig. zeigen  einen ersten Punkt P.1 und einen zweiten Punkt P.2, deren Abstand  D zu bestimmen ist, wobei der Einfachheit halber P.1 und P.2 mit  den Reflektorpositionen (Positionen des optischen Zentrums des Reflektors)  gleichgesetzt werden. Die Figuren zeigen ferner eine Trackerposition  3, einen Trackerstrahl 4, einen einstellbaren Spiegel 5 (Umlenkmittel),  einen Retroreflektor 6 und ein Fadenkreuz 7 (Markiermittel).

   Die  Verfahrensschritte sind die folgenden:   - Reflektor 6 im ersten  Punkt P.1, Fadenkreuz 7 im zweiten Punkt P.2 positionieren und Trackerstrahl  4 durch entsprechende Einstellung des Spiegels 5 und automatische  Nachführung des Trackerstrahles 4 durch den vom Markiermittel markierten,  zweiten Punkt P.2 auf den im ersten Punkt P.1 positionierten Reflektor  6 richten (Fig. 1); - Fadenkreuz 7 vom zweiten Punkt entfernen,  ohne den Laserstrahl zu unterbrechen; - Reflektor 6 vom ersten  Punkt P.1 zum zweiten Punkt P.2 bringen und dabei mit dem Trackerstrahl  4 automatisch verfolgen, wobei die Veränderung der Distanz zwischen  Tracker und Reflektor interferometrisch verfolgt wird (Fig. 2);

    - Reflektor 6 in zweitem Punkt P.2 an Stelle des Fadenkreuzes 7 positionieren  und Distanzänderung bestimmen (Fig. 3).In den Fig. 1 bis 3 ist der  erste Punkt P.1, von dem die Bewegung des Reflektors 6 ausgeht, weiter  vom Spiegel 5 entfernt als der zweite Punkt P.2, in dem die Reflektorbewegung  endet. Dies ist notwendig, wenn ein bekannter Tripelspiegel oder  ein bekanntes Tripelprisma als Reflektor verwendet wird. Ein als  Reflektor verwendetes Tripelprisma kann aber an seiner Spitze eine  zur Basisfläche parallele Austrittsfläche oder der Tripelspiegel  eine entsprechende Austrittsöffnung aufweisen, derart, dass ein zentraler  Teil des auf den Reflektor gerichteten Laserstrahles nicht reflektiert  wird, sondern den Reflektor im Wesentlichen geradlinig durchdringt.

    Bei Verwendung eines derart ausgestalteten Reflektors kann der erste  Punkt P.1 auch näher beim Spiegel 5 liegen und kann der den im ersten  Punkt P.1 positionierten Reflektor durchdringende, zentrale Teil  des Laserstrahles zur Ausrichtung auf das im zweiten Punkt P.2 positionierte  Fadenkreuz 7 gerichtet werden, während der reflektierte, periphere  Laserstrahl-Teil für die interferometrische Auswertung verwendet  wird. 



     Die Einstellung des umgelenkten Laserstrahles durch das Fadenkreuz  7, die vor der effektiven interferometrischen Messung durch beispielsweise  manuelle Einstellung des Spiegels 5 realisiert wird, ist gegebenenfalls  weniger genau als die entsprechende Ausrichtung des Laserstrahles  auf den im zweiten Punkt positionierten Reflektor am Ende der Messung.  Daraus kann sich zwischen Anfang (Fig. 1) und Ende der Messung (Fig.  3) eine kleine Verschiebung der Trackerstrahl-Richtung ergeben. Diese  Richtungsveränderung kann in bekannter Weise durch Winkelmessung  ermittelt werden und kann zur Berechnung eines Korrekturfaktors für  die Distanzmessung verwendet werden. 



   Fig. 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform der Vorrichtung zur  Durchführung des erflndungsgemässen Verfahrens und einen von einem  Laser-Tracker 9 ausgesendeten und mithilfe der Vorrichtung umgelenkten  Laserstrahl 4. Die Vorrichtung weist als Reflektor-Positioniermittel  einen Magnethalter 10 auf, der, gegebenenfalls mithilfe von Befestigungssmitteln  (nicht dargestellt), derart im Bereiche des einen der zu vermessenden  Punkte montierbar ist, dass mit seiner Hilfe der Reflektor oder gegebenenfalls  das Fadenkreuz 7 darauf eine genau definierte Position (P.2) einnimmt.  Mit dem Magnethalter 10 ist über eine Grundplatte 11 der Spiegel  5 verbunden, derart, dass er um zwei senkrecht zueinander stehende  Achsen verschwenkbar ist.

   In der dargestellten Ausführungsform ist  die erste Schwenkachse A.1 parallel zur Grundplatte 11 ausgerichtet  und ist die zweite Schwenkachse A.2 gleichzeitig die Achse des ringförmigen  Magnethalters 10. Die Grundplatte 11 ist also um den Magnethalter  12 verschwenkbar oder drehbar (A.2) und der Spiegel 5 ist zusätzlich  relativ zur Grundplatte verschwenkbar (A.1). 



   Die in der Fig. 4 dargestellte Vorrichtung ist ein sehr einfaches  Werkzeug, das problemlos an verschiedensten Objekten montierbar ist.  Der Vorteil der in der Fig. 4 dargestellten spezifischen Spiegelanordnung  besteht darin, dass damit Distanzen zwischen dem einen Punkt, in  dessen Bereich die Vorrichtung montiert ist, und in    verschiedensten  Richtungen von diesem Punkt entfernten, anderen Punkten messbar sind,  ohne dass die Vorrichtung ummontiert werden muss. 



   Das erfindungsgemässe Verfahren, dessen Prinzip im Zusammenhang mit  den Fig. 1 bis 3 beschrieben wurde, ist auf verschiedenste Arten  automatisierbar und eine entsprechende Unterstützung kann problemlos  in die Bedienungssoftware des Laser-Trackers eingebaut werden. Einige  Automatisierungsbeispiele sind in den folgenden Abschnitten beschrieben.                                                       



   Der erste Schritt des Verfahrens, das heisst die Einstellung des  Umlenkmittels so, dass der Laserstrahl eines stationären Laser-Trackers  nach der Umlenkung auf der durch die beiden Punkte, deren Distanz  zu messen ist, definierten Geraden verläuft, wird dadurch automatisiert,  dass mithilfe des Trackers zuerst die Positionen der beiden Punkte  in bekannter Weise bestimmt werden und dass dann die für die Ausrichtung  des Laserstrahles durch die beiden Punkte notwendige Umlenkmittel-Einstellung  für die vorgegebene Tracker-Position und die durch Messung ermittelten  Punkt-Positionen berechnet wird. Dann wird das Umlenkmittel entsprechend  eingestellt. 



   Üblicherweise bietet die Software eines Laser-Trackers einen so genannten  Build-Modus an, der die Positionierung von Reflektoren an Punkten  mit vorgegebenen Raumkoordinaten unterstützt. Während ein Benutzer  den Reflektor bewegt, berechnet die Tracker-Software in diesem Modus  die Abweichung der momentanen Reflektor-Koordinaten von den vorgegebenen  Koordinaten und visualisiert diese Abweichungen für den Benutzer.  Die Bewegung des Reflektors wird fortgeführt, bis die genannten Abweichungen  gleich null sind.

   Wenn nun als Umlenkmittel beispielsweise der in  der Fig. 4 dargestellte Spiegel 5 verwendet wird und wenn an diesem  Spiegel beispielsweise zwei Reflektoren angeordnet werden, kann die  einzustellende    Spiegelposition in Koordinaten für die zwei Reflektoren  berechnet werden und kann die Spiegeleinstellung durch den Benutzer  mithilfe des genannten Build-Modus durchgeführt werden. 



   Der zweite Schritt des erfindungsgemässen Verfahrens, das heisst  die interferometrische Messung der Distanz zwischen den zwei Punkten,  kann beispielsweise durch Hin- und Herbewegen des Reflektors zwischen  den beiden Punkten, durch Nullsetzung der Interferometerdistanz,  vor jeder Bewegung und durch Berechnung der effektiven Distanz aus  den aufsummierten Distanzänderungen (Absolutwerte) realisiert und  von der Software des Laser-Trackers entsprechend unterstützt werden.

Claims (14)

1. Verfahren zur Messung der Distanz (D) zwischen einem ersten Punkt (P.1) und einem zweiten Punkt (P.2) mithilfe eines Laser-Trackers (9) und eines Retroreflektors (6), wobei der Retroreflektor (6) im ersten Punkt (P.1) positioniert und der Trackerstrahl (4) auf den Retroreflektor (6) gerichtet wird, wobei dann der Retroreflektor (6) vom ersten Punkt (P.1) zum zweiten Punkt (P.2) gebracht und im zweiten Punkt (P.2) positioniert wird und der Trackerstrahl (4) den Retroreflektor (6) während seiner Bewegung vom ersten zum zweiten Punkt verfolgt und wobei die Veränderung der Distanz zwischen Laser-Tracker (9) und Retroreflektor (6) während der Reflektorbewegung interferometrisch gemessen wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Trackerstrahl (4) mithilfe eines Umlenkmittels derart umgelenkt wird,

dass er nach der Umlenkung im Wesentlichen auf der durch den ersten und zweiten Punkt (P.1, P.2) definierten Geraden verläuft, sodass die Distanz (D) zwischen dem ersten und dem zweiten Punkt (P.1, P.2) im Wesentlichen der interferometrisch gemessenen Distanzveränderung entspricht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Punkt (P.1) weiter vom Umlenkmittel entfernt ist als der zweite Punkt (P.2).

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ersten Punkt (P.1) näher am Umlenkmittel liegt als der zweite Punkt (P.2) und dass ein zentraler Teil des Trackerstrahles (4) den im ersten Punkt (P.1) positionierten Retroreflektor (6) unreflektiert durchdringt und auf den zweiten Punkt (P.2) gerichtet wird.

4.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die Umlenkung des Trackerstrahles (4) auf die durch die zwei Punkte (P.1, P.2) definierte Gerade der zweite Punkt (P.2) markiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Richtungsänderung des Trackerstrahles (4) zwischen seiner Ausrichtung auf den im ersten Punkt (P.1) positionierten Retroreflektor (6) und seiner Ausrichtung auf den im zweiten Punkt (P.2) positionierten Retroreflektor (6) erfasst wird und dass die Distanzmessung entsprechend korrigiert wird.

6.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mithilfe des Laser-Trackers (9) und des Retroreflektors (6) die Koordinaten der beiden Punkte (P.1, P.2) bestimmt werden, dass die Richtung der durch die beiden Punkte (P.1 und P.2) definierten Geraden und die für eine vorgegebene Position des Laser-Trackers (9) und die Gerade notwendige Orientierung des Umlenkmittels berechnet werden und dass dann das Umlenkmittel auf die berechnete Orientierung eingestellt wird.

7.

Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass am Umlenkmittel Reflektoren angeordnet sind, dass für die Berechnung einer Umlenkmittel-Orientierung Soll-Koordinaten für die Reflektoren berechnet werden und dass das Umlenkmittel unterstützt vom Lasertracker auf die berechnete Orientierung eingestellt wird, wobei vom Lasertracker die Abweichung von momentanen Ist-Koordinaten von den Soll-Koordinaten berechnet werden.

8.

Vorrichtung zur Messung der Distanz zwischen einem ersten Punkt (P.1) und einem zweiten Punkt (P.2) mithilfe eines Laser-Trackers (9) und eines Retrore flektors (6) gemäss dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zur Positionierung des Retroreflektors (6) in einem der zwei Punkte (P.1, P.2) ein Reflektor-Positioniermittel und zur Umlenkung des Trackerstrahles (4) ein relativ zum Reflektor-Positioniermittel einstellbares Umlenkmittel aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zusätzlich zur optischen Markierung des zweiten Punktes (P.2) ein mithilfe des Reflektor-Positioniermittels positionierbares Markiermittel aufweist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektor-Positioniermittel ein Magnethalter (10) ist.

11.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Umlenkmittel ein um zwei senkrecht zueinander ausgerichtete Schwenkachsen (A.1 und A.2) verschwenkbarer Spiegel (5) ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Schwenkachsen (A.2) die Achse des Reflektor-Positioniermittels ist.

13. Vorrichtung nach Ansprüchen 10, 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine senkrecht zur Achse (A.2) des Magnethalters (10) ausgerichtete und relativ zum Magnethalter (10) um diese Achse (A.2) drehbare Grundplatte (11) aufweist, auf welcher Grundplatte (11) der Spiegel (5) um eine zur Grundplatte (11) parallele Achse (A.1) verschwenkbar angeordnet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Markiermittel ein Fadenkreuz (7) ist.