DE10143812A1

DE10143812A1 - Device for determination of the spatial position of two bodies relative to each other in either orthogonal or angular coordinate systems based on use of simple and low-cost reflective optical components

Info

Publication number: DE10143812A1
Application number: DE2001143812
Authority: DE
Inventors: Heinrich Lysen
Original assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Current assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Priority date: 2001-09-06
Filing date: 2001-09-06
Publication date: 2003-03-27

Abstract

Device comprises: a laser device for emitting a focussed light beam, a first optical system with one or more partially reflecting surfaces for broadening the light beam in at least one plane, a second optical system with one or more partially reflecting surfaces and one or more optoelectronic sensor for direct or indirect determination of the incident points of light beams in at least one plane.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und zugehörige Vorrichtungen zur quantitativen Beurteilung der räumlichen Positionierung und Orientation zweier Maschinen oder Maschinenteile relativ zueinander, wie zum Beispiel Wellen, Werkzeugmaschinenspindeln, Werkstücken, oder anderen physischen Gegenständen. Die Erfindung ist ebenfalls dazu geeignet, die Planparallelität von zwei Oberflächen solcher Gegenstände zueinander zu überprüfen. Weiterhin kann mit der Erfindung die Ausrichtung von zwei zueinander auszurichtenden zylindrischen Objekten quantitativ vermessen oder zumindest beurteilt werden. Solche zylindrischen Objekte können beispielsweise für Walzen, Rollen, Rohre, Pipelines und ähnliche Gegenstände sein. The invention relates to a method and associated devices for quantitative Assessment of the spatial positioning and orientation of two machines or Machine parts relative to each other, such as shafts, machine tool spindles, Workpieces, or other physical objects. The invention is also to do so suitable to the plane parallelism of two surfaces of such objects to each other check. Furthermore, with the invention, the alignment of two to one another cylindrical objects to be aligned are measured quantitatively or at least assessed become. Such cylindrical objects can be used, for example, for rolls, rollers, pipes, Pipelines and similar items.

Verfahren und Vorrichtungen ähnlicher Art sind seit mehreren Jahren in Gebrauch und zeichnen sich dadurch aus, dass durch ihre Anwendung enorm Arbeitszeit eingespart werden kann. Similar methods and devices have been in use for several years are characterized by the fact that their use saves a lot of working time can.

Eine Vorrichtung mit vergleichsweise wenig Systemkomponenten zur Beurteilung der Planparallelität speziell von Riemenscheiben ist aus der WO 00 28257 bekannt. A device with comparatively few system components to assess the Plane parallelism, especially of pulleys, is known from WO 00 28257.

Darüberhinaus ist neben den in der DE 34 73 344.2-08 und der EP 0183811 genannten Verfahren und Vorrichtungen ist in diesem Zusammenhang auf die Lehre der DE 38 14 466 und der DE 199 23 116 hinzuweisen. In addition to those mentioned in DE 34 73 344.2-08 and EP 0183811 In this context, methods and devices are based on the teaching of DE 38 14 466 and DE 199 23 116.

In den beiden zuletzt genannten Schriften wird dargestellt, wie die fluchtende Lage zweier Maschinenteile, insbesondere zweier miteinander zu verbindender Wellen, oder der Ausrichtung zwischen einer Maschinenspindel und einem Werkstück, unter Verwendung einer einzigen strahlerzeugenden Lichtquelle überprüft, vermessen und beurteilt werden kann. The last two writings show how the aligned position of two Machine parts, in particular two shafts to be connected, or the Alignment between a machine spindle and a workpiece, using a single beam-generating light source can be checked, measured and assessed.

Die bekannten Vorrichtungen und Verfahren sehen häufig Präzisionsteile und -komponenten vor, teilweise auch kostenintensive optische Bauteile, und ermöglichen auf diese Weise präzise und zuverlässige Messungen. Da wie erwähnt die Vorteile der bekannten Systeme erheblich sind, werden die z. T. relativ hohen Gestehungskosten dieser metrologischen Geräte von der Mehrzahl der potentiellen Anwender akzeptiert. The known devices and methods often see precision parts and components before, sometimes also cost-intensive optical components, and enable in this way precise and reliable measurements. As mentioned, the advantages of the known systems are significant, the z. T. relatively high production costs of these metrological devices accepted by the majority of potential users.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die bekannten Verfahren und Vorrichtungen geräteseitig derart zu verbessern, daß signifikant niedrigere Herstellungskosten für ein solches Gerät realisiert werden können. Damit wird deren Einsatz auch in solchen Anwendungsfällen möglich, wo dies aus Kostengründen bisher entweder nicht in Frage kam oder allenfalls zögernd akzeptiert wurde. Die Erfindung ersetzt weiterhin bekannte einfache Spezial-Systeme, welche zwar kostengünstig sind, die aber nur eine relativ grobe Genauigkeit im Bereich eines oder mehrerer Winkelgrade erzielen können. It is an object of the invention to implement the known methods and devices on the device side to improve that realized significantly lower manufacturing costs for such a device can be. This makes their use possible even in such applications where For reasons of cost, this has so far either not been considered or at most has been hesitant to accept has been. The invention further replaces known simple special systems, which indeed are inexpensive, but only a relatively rough accuracy in the range of one or more Can achieve angular degrees.

Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann überprüft bzw. quantitativ ausgemessen werden:

- translatorischer Versatz zwischen zwei zu vermessenden Gegenständen nach bis zu zwei Richtungen des Raumes, z. B. horizontal und vertikal
- winkelmäßiger Versatz zwischen zwei zu vermessenden Gegenständen, nach bis zu drei Winkelkoordinaten im Raum, z. B. Azimut und Elevation sowie Rollwinkel.

With a device according to the invention, the following can be checked or quantitatively measured:

- Translational offset between two objects to be measured in up to two directions of space, z. B. horizontally and vertically
- Angular offset between two objects to be measured, after up to three angular coordinates in space, z. B. azimuth and elevation and roll angle.

Zur Lösung des genannten Problems wird vorgesehen:

- eine einen Lichtstrahl, insbesondere einen Laserstrahl aussendende Einrichtung
- eine erste Kombination optischer Elemente, enthaltend ein teilweise reflektives Element und ein Element zur Erzeugung eines Lichtbandes oder mehrerer einzelner Teilstrahlen
- eine zweite Kombination optischer Elemente, enthaltend ein teilweise reflektives Element.

To solve the problem mentioned, it is provided:

- A device emitting a light beam, in particular a laser beam
- A first combination of optical elements, containing a partially reflective element and an element for generating a light band or several individual partial beams
- A second combination of optical elements containing a partially reflective element.

Die Erfindung ist daher geeignet, eine qualitative oder quantitative Bestimmung der räumlichen Lage zweier Körper relativ zueinander, bezüglich translatorischer und/oder angularer Koordinatensysteme durchzuführen, und beruht entsprechend auf der Verwendung folgender Komponenten:

- eine einen gebündelten Lichtstrahl aussendende Vorrichtung,
- ein erstes optisches System mit einer Mehhzahl anteilig reflektierender Flächen, oder mit einer einzigen Fläche mit teilreflektierenden Eigenschaften, wobei das optische System zur Aufweitung des gebündelten Lichtstrahles in mindestens eine Ebene geeignet ist,
- ein zweites optisches System in Form einer oder mehrerer anteilig oder teilreflektierenden Flächen,
- einen oder mehrere optoelektronische Sensoren zur direkten oder indirekten Bestimmung von Auftreffpunkten des in mindestens eine Ebene aufgeweiteten Lichtstrahles.

The invention is therefore suitable for carrying out a qualitative or quantitative determination of the spatial position of two bodies relative to one another with respect to translational and / or angular coordinate systems, and is based accordingly on the use of the following components:

a device emitting a bundled beam of light,
a first optical system with a plurality of partially reflecting surfaces, or with a single surface with partially reflecting properties, the optical system being suitable for expanding the bundled light beam into at least one plane,
a second optical system in the form of one or more partially or partially reflecting surfaces,
- One or more optoelectronic sensors for the direct or indirect determination of impingement points of the light beam widened in at least one plane.

Ein erfindungsgemäßes Gerät zeichnet sich bei Verwendung planer reflektierender optischer Elemente durch besonders günstige Gestehungskosten aus. Es können aber auch gekrümmte Flächen für solche reflektierenden optischen Elemente vorgesehen werden. A device according to the invention is distinguished by the use of plane reflective optical devices Elements from particularly low production costs. But it can also be curved Areas are provided for such reflective optical elements.

Zur Erzeugung eines aufgefächterten, in einer Ebene liegenden Lichtstrahles oder -bandes wird entweder eine Zylinderlinse vorgesehen oder, bevorzugt, ein Diffraktionsgitter in Form eines Strichgitters. Das Diffraktionsgitter kann aber auch in einer zusätzlichen zweiten oder weiteren Ebene wirksam sein und besitzt dann eine entsprechende Oberlächenstruktur. To generate a fanned out light beam or band lying in one plane either a cylindrical lens is provided or, preferably, a diffraction grating in the form of a Ruled grating. The diffraction grating can also be in an additional second or be effective on another level and then has a corresponding surface structure.

Für das erste optische System gemäß der Erfindung wird weiterhin ein teildurchlässiger Reflektor (Spiegel) oder ein mit einer Mehrzahl einzelner Aperturen versehenes vollständig reflektierendes optisches Element vorgesehen. For the first optical system according to the invention, a partially transparent is furthermore Reflector (mirror) or a complete with a plurality of individual apertures reflective optical element provided.

Für das zweite optische System gemäß der Erfindung wird entweder ein einstückig ausgeführter teildurchlässiger Reflektor (Spiegel), oder ein mit mehreren Aperturen versehenes vollständig reflektierendes optisches Element verwendet. Bei Bedarf kann das zweite optische System mit einem oder mehreren Projektionsschirmen versehen sein, speziell in der Form einer für Streulicht transparenten Streu- oder Mattscheibe. For the second optical system according to the invention, either one is made in one piece executed partially transparent reflector (mirror), or one with several apertures provided fully reflective optical element used. If necessary, it can second optical system can be provided with one or more projection screens, specifically in the form of a diffusing or matt screen that is transparent to scattered light.

Dem zweiten optischen System zugeordnet ist ein optoelektronischer Sensor, der zumindest einachsig auslesbar ist, bevorzugt jedoch zweiachsig auslesbar ist. Durch einen solchen wird zumindest ein analoges elektrisches Ausgangssignal bereitgestellt, so dass der Auftreffort eines Lichtstrahles auf diesen Sensor identifiziert werden kann. Bevorzugt wird ein pixelorientiertes Ausgangssignal zur Verfügung gestellt, so daß mehr als ein Auftreffort von Lichtstrahlen auf dem Sensor identifiziert werden kann. Associated with the second optical system is an optoelectronic sensor, which at least can be read out uniaxially, but can preferably be read out biaxially. Through such a will at least one analog electrical output signal is provided, so that the point of impact of a Light beam on this sensor can be identified. A pixel-oriented is preferred Output signal provided so that more than one impact of light rays the sensor can be identified.

Bevorzugt wird das erste optische System in einem ersten Gehäuse und das zweite optische System samt optoelektronischem Sensor in einem zweiten Gehäuse angebracht. Diese Gehäuse sind bevorzugt so geformt, daß sie leicht an zu untersuchende Objekte wie Maschinen, Maschinenteile, Werkstücke usw. angelegt werden können, so daß eine Lagemessung von zwei Objekten relativ zueinander durchgeführt werden kann. Die Resultate einer solchen Lagemessung können in einem nachfolgenden Schritt mittels eines zugehörigen Verfahrens dazu herangezogen werden, die Position von fehlerhaft zueinander ausgerichteten Objekten entweder zu dokumentieren, oder zu korrigieren. The first optical system is preferred in a first housing and the second optical system System including optoelectronic sensor installed in a second housing. This Housings are preferably shaped so that they are easy to examine objects such as Machines, machine parts, workpieces, etc. can be created so that a Position measurement of two objects can be carried out relative to each other. The results Such a position measurement can be carried out in a subsequent step by means of an associated The method used to determine the position of misaligned to each other To either document or correct objects.

Gemäß der Erfindung ist es möglich, mit relativ kostengünstigen Mitteln ein metrologisches Instrument zur Verfügung zu stellen, welches die Lagemessung zweier Objekte zueinander nach bis zu drei translatorischen Koordinaten und nach bis zu drei winkelmäßigen Koordinaten gestattet. Von besonderem Vorteil ist die hohe Auflösung eines erfindungsgemäßen Systems hinsichtlich zweier von drei Winkelkoordinaten. According to the invention it is possible to use a relatively inexpensive means a metrological To provide an instrument that measures the position of two objects relative to one another after up to three translational coordinates and up to three angular coordinates allowed. The high resolution of a system according to the invention is particularly advantageous with respect to two out of three angular coordinates.

Gemäß der Erfindung können neben den optischen Systemen auch Hilfs-Meßgeräte vorhanden sein, wie etwa in Form zusätzlicher Inclinometer oder Wasserwaagen. According to the invention, auxiliary measuring devices can also be present in addition to the optical systems such as additional inclinometers or spirit levels.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt: The invention is explained below with reference to the drawing. It shows:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht von der Seite auf eine Vorrichtung mit zwei Einheiten, die in separaten Gehäusen angeordnet sind Fig. 1 is a perspective view from the side of a device with two units, which are arranged in separate housings

Fig. 2 in einer Aufsicht die Wirkungsweise des zweiten optischen Systems Fig. 2 in a plan, the operation of the second optical system

Fig. 3 in einer Grundrißdarstellung ein Strahlengang-Beispiel Fig. 3 shows an example of a beam path in a plan view

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht von der Verwendung der Erfindung im Zusammenhang mit einer Parallelitätsmessung an Walzen oder Rollen. Fig. 4 is a perspective view of the use of the invention in connection with a parallelism measurement on rollers or rollers.

Wie in Fig. 1 gezeigt, kann ein metrologisches System gemäß der Erfindung ein zwei separaten Gehäusen 20, 50 untergebracht sein. Die Seitenflächen der Gehäuse sind so ausgestaltet, daß ein Anlegen an die zu vermessenden Objekte in einfacher Weise, aber mit hoher Präzision durchgeführt werden kann. Ein solches Objekt 10 kann zum Beispiel eine Riemenscheibe sein, oder aber eine Motorwelle, ein Werkzeug oder Werkstück, eine komplette Maschine, oder ein Fahrzeug. As shown in FIG. 1, a metrological system according to the invention can be housed in two separate housings 20 , 50 . The side surfaces of the housing are designed in such a way that application to the objects to be measured can be carried out in a simple manner but with high precision. Such an object 10 can be a pulley, for example, or a motor shaft, a tool or workpiece, a complete machine, or a vehicle.

Eine Vorab-Ausrichtung des Gehäuses relativ zu einer Horizontalrichtung kann mittels einer optional vorhandenen Wasserwaage 22 durchgeführt werden. - Innerhalb des Gehäuses 20 befindet sich eine Vorrichtung 24 zur Erzeugung eines schmal ausgeblendeten Lichtstrahles 26, speziell eines Laserstrahles. Der Lichtstrahl 26 fällt auf ein erstes optisches Element 28 und wird in zumindest eine Ebene aufgeweitet. Hierzu dient wahlweise eine Zylinderlinse, oder, bevorzugt, ein Diffraktionsgitter, insbesondere in Form eines Hologramms. Weiterhin enthält das erste optische Element 28 reflektierend wirkende Vorrichtungen. Hierzu ist entweder ein teildurchlässiger Spiegel vorgesehen, oder ein im wesentlichen vollständig reflektierender Spiegel, welcher jedoch eine Mehrzahl an Aperturen aufweist. Mit besonderem Vorteil wird aus den Aperturen gleichzeitig das genannte Diffraktionsgitter gebildet, so daß ein gleichzeitig strahlaufweitendes und reflektierendes optisches Element zur Verfügung gestellt wird. Der aufgeweitete Lichtstrahl 30 tritt aus dem Gehäuse 20 aus und definiert beispielsweise eine einzige Ebene. Bei Verwendung eines einfachen Diffraktionsgitters besteht der Lichtstrahl 30 aus einzelnen, in einer Ebene nebeneinanderliegenden Lichtstrahlen. Deren Abstand voneinander nimmt mit wachsender Entfernung vom Gehäuse 20 kontinuierlich und in linearer Weise zu. Alle Einzelstrahlen aus dem Lichtstrahl 30 treffen als Lichtfleck 42 auf einem optischen System auf, welches teilreflektierend ist und somit einen Anteil des auftreffenden Lichtes als Lichtstrahlen 32 in Richtung des Gehäuses 20 und des optischen Elementes 28 zurück. Aufgrund der reflektierenden Eigenschaften des optischen Elementes 28 wird ein Teil des dorthin zurückgesendeten Lichtes erneut gespiegelt, und zwar als Lichtstrahlen 34. Diese fallen wiederum auf das optische System 40 auf und erzeugen dort den sekundären Lichtfleck 44. Dieser ist, genau so wie der primäre Lichtfleck 42, von bevorzugt linienförmiger Gestalt. Sofern die Längsachsen der Gehäuse 20, 50 exakt konzidieren, befinden sich beide Lichtflecken 42, 44 in zentrierter Lage auf dem optischen Element 40. Sie können dort zumindest durch ihre unterschiedliche Intensität, ggf. auch durch ihre Dimension voneinander unterschieden werden. Sind die genannten Gehäuseachsen translatorisch beabstandet oder winkelmäßig abweichend, so ergibt dies eine entsprechende Kombination an Projektionslagen der Lichtflecken 42, 44. Bei Verwendung eines Diffraktionsgitters oder Hologramms zur Aufweitung des Strahles 26 kann ein zentral liegender Teilstrahl sowohl im Lichtstrahl 30 als auch in dessen reflektierten Anteilen bereitgestellt werden, so daß aus der genannten Kombination an Projektionslagen der Lichtflecken auf dem optischen System 40 die räumliche Orientierung der Gehäuse 20, 50 zueinander abgeleitet werden kann. Dies gilt zunächst für zwei translatorische Koordinaten und drei angulare Koordinaten, denn durch die Richtung des primären Lichtflecks 42 in Bezug zu den Kanten des optischen Systems 40 kann auch die Drehlage der Gehäuse zueinander bezüglich deren Längsachse festgestellt werden. Darüberhinaus kann auch eine Entfernung der Gehäuse zueinander festgestellt werden, sofern der Lichtstrahl 30 sich aus unterscheidbaren Einzelstrahlen zusammensetzt oder zumindest eine definierte Kontur aufweist. Dies ergibt sich aus den sog. Strahlensätzen, denn der Lichtfleck 42 wird um so größer projiziert erscheinen, je weiter die Gehäuse 20, 50 voneinander beabstandet sind. Es sei betont, daß durch die zweifache Reflexion des Lichtstrahles 30 eine relativ genaue Winkelmessung der Gehäuse zueinander erreicht wird. Von besonderer Bedeutung ist es, daß im Prinzip eine Steigerung dieser Genauigkeit durch weitere Reflexionsvorgänge herbeigeführt werden kann. A preliminary alignment of the housing relative to a horizontal direction can be carried out by means of an optional spirit level 22 . - Within the housing 20 there is a device 24 for generating a narrowly hidden light beam 26 , especially a laser beam. The light beam 26 strikes a first optical element 28 and is expanded into at least one plane. A cylindrical lens or, preferably, a diffraction grating, in particular in the form of a hologram, is used for this purpose. Furthermore, the first optical element 28 contains reflective devices. For this purpose, either a partially transparent mirror is provided, or an essentially completely reflecting mirror, which, however, has a plurality of apertures. It is particularly advantageous for the above-mentioned diffraction grating to be formed from the apertures at the same time, so that an optical element which expands and reflects at the same time is provided. The expanded light beam 30 emerges from the housing 20 and defines, for example, a single plane. When using a simple diffraction grating, the light beam 30 consists of individual light beams lying side by side in one plane. Their distance from one another increases continuously and in a linear manner with increasing distance from the housing 20 . All individual rays from the light ray 30 strike as a light spot 42 on an optical system which is partially reflective and thus a portion of the incident light as light rays 32 in the direction of the housing 20 and the optical element 28 . Due to the reflective properties of the optical element 28 , part of the light returned there is reflected again, specifically as light rays 34 . These in turn strike the optical system 40 and generate the secondary light spot 44 there . Just like the primary light spot 42 , this is preferably of a linear shape. If the longitudinal axes of the housings 20 , 50 exactly concretely, both light spots 42 , 44 are in a centered position on the optical element 40 . They can be distinguished from one another there at least by their different intensity, and possibly also by their dimension. If the housing axes mentioned are spaced translationally or differ in angle, this results in a corresponding combination of projection positions of the light spots 42 , 44 . If a diffraction grating or hologram is used to expand the beam 26 , a central partial beam can be provided both in the light beam 30 and in its reflected components, so that the spatial orientation of the housing 20 can be derived from the combination of projection positions of the light spots on the optical system 40 , 50 can be derived from one another. This initially applies to two translational coordinates and three angular coordinates, because the direction of the primary light spot 42 in relation to the edges of the optical system 40 can also determine the rotational position of the housings with respect to their longitudinal axis. In addition, a distance of the housings from one another can also be determined if the light beam 30 is composed of distinguishable individual beams or at least has a defined contour. This results from the so-called radiation sets, because the more the housings 20 , 50 are spaced apart, the larger the light spot 42 will appear to be projected. It should be emphasized that the double reflection of the light beam 30 achieves a relatively precise angular measurement of the housing relative to one another. It is particularly important that in principle an increase in this accuracy can be brought about by further reflection processes.

Die Ausrichtung der Gehäuse 20, 50 kann beispielsweise auch dann vorgenommen werden, wenn keine elektronischen Zusatzeinrichtungen bereitgestellt werden. Eine Handhabung eines erfindungsgemäßen Gerätes kann in qualitativer und visueller Weise vorgenommen werden, falls nämlich das optische Element nicht nur spiegelnde, sondern auch Streulicht reflektierende Oberflächen-Anteile aufweist. Unter diesen Voraussetzungen ist die Erfindung geeignet, als als unmittelbar visuell funktionierendes Inspektionsgerät eingesetzt zu werden. The housing 20 , 50 can also be aligned, for example, if no additional electronic devices are provided. A device according to the invention can be handled in a qualitative and visual manner if the optical element not only has surface components that reflect but also reflect light that is scattered. Under these conditions, the invention is suitable for use as an inspection device that functions directly visually.

Zu einer quantitativen Bestimmung der Lage der Gehäuse, und damit der zu vermessenden Gegenstände zueinander, werden jedoch geeignete optelektronische Sensoren vorgesehen. Diese schliessen sich an das optische System 40 an, welches dementsprechend entweder eine Anzahl Aperturen aufweist, so daß Teile des primären (42) und des sekundären (44) Lichtflecks hindurchtreten können und in z. B. direkter Weise auf einen solchen Sensor auftreffen. Anstelle der Aperturen (c. f. Fig. 2) kann aber auch vorgesehen werden, daß das optische System 40 einen teilreflektierennden, z. B. halbdurchlässigen Spiegel enthält. - Es wird jedoch bevorzugt eine indirekte Messung durchgeführt. Hierzu wird das optische System 40 auf seiner Rückseite mit einem für Streulicht durchlässigen Projektionsschirm (Mattscheibe) versehen, auf welchem der primäre und der sekundäre Lichtfleck (42, 44) abgebildet werden. Diese werden mittels einer geeigneten abbildenden Optik auf z. B. das lichtempfindliche Element in Form eines CCD- oder CMOS-Sensors einer miniaturisierten elektronischen Kamera 60 projiziert, welche somit die gesuchten Meßwerte in indirekter form als elektronische Signale bereitstellt. Mit dieser Methode ist es möglich, die unterschiedlichen Lichtflecken oder Anteile von diesen anhand ihrer Intensität oder ggf Farbe zu identifizieren und zu vermessen. Einer solchen Kamera 60 wird ein Computer (nicht gezeigt) per Anschlußmittel 54, 56 nachgeschaltet, welcher aufgrund der beobachteten Lichtverteilungen die interessierenden Abstände und Winkelversatzmaße der Gehäuse relativ zueinander errechnet. Der Computer kann die von der Kamera 60 registrierten Lichtverhältnisse auch ohne größere Modifikation auf einem Sichtschirm oder Monitor abbilden, so daß eine Bedienperson die registrierten Lichtverhältnisse zu Kontrollzwecken bequem und in sog. Echtzeit inspizieren kann. Weiterhin kann der Computer numerische Angaben liefern und die genauen translatorischen und angularen Versatzmaße anzeigen. Weiterhin kann der Computer Vorschläge berechnen, wie beobachteter translatorischer und/oder angularer Versatz zwischen den Objekten durch geeignete Justiermaßnahmen am besten behoben werden kann. - Auch das Gehäuse 50 kann bedarfsweise mit einem Inclinometer oder einer Wasserwaage 52 ausgestattet sein. However, suitable optelectronic sensors are provided for a quantitative determination of the position of the housings and thus of the objects to be measured relative to one another. These connect to the optical system 40 , which accordingly has either a number of apertures, so that parts of the primary ( 42 ) and the secondary ( 44 ) light spot can pass through and in z. B. directly hit such a sensor. Instead of the apertures (cf Fig. 2) can also be provided that the optical system 40 a partially reflecting, for. B. contains semi-transparent mirror. - However, an indirect measurement is preferably carried out. For this purpose, the rear of the optical system 40 is provided with a projection screen (matt screen) which is permeable to scattered light and on which the primary and secondary light spots ( 42 , 44 ) are imaged. These are by means of a suitable imaging optics on z. B. projected the light-sensitive element in the form of a CCD or CMOS sensor of a miniaturized electronic camera 60 , which thus provides the measured values sought in indirect form as electronic signals. With this method it is possible to identify and measure the different light spots or parts of them based on their intensity or, if necessary, color. Such a camera 60 is followed by a computer (not shown) by connection means 54 , 56 which, on the basis of the light distributions observed, calculates the distances and angular displacement dimensions of the housing relative to one another. The computer can also display the lighting conditions registered by the camera 60 on a viewing screen or monitor without major modification, so that an operator can conveniently and in real time inspect the registered lighting conditions for control purposes. The computer can also provide numerical information and display the exact translational and angular offset dimensions. The computer can also calculate suggestions as to how the observed translational and / or angular offset between the objects can best be remedied by suitable adjustment measures. - If necessary, the housing 50 can also be equipped with an inclinometer or a spirit level 52 .

In Fig. 2 wird die als Beispiel zu verstehende Lage des primären Lichtfleckes 42 sowie des sekundären Lichtfleckes 44 ausgewiesen. Ein Anteil des auf das optische Element 40 auftreffenden Lichtes wird in der gezeigten Ausführungsform durch schlitzförmige Aperturen 140, 240, 340 auf die zugehörige Streuscheibe oder einen direkt nachgeschalteten optelektronischen Sensor (nicht gezeigt) hindurchgelassen, der Rest wird durch die spiegelnden Oberflächen-Anteile zur Reflexion gebracht. Während die Genauigkeit der Vorrichtung zur Bestimmung der translatorischen Versatzmaße im wesentlichen unabhängig von dem gegenseitigen Abstand der Gehäuse 20, 50 ist, steigt die Empfindlichkeit zur Bestimmung von angularem Versatz offensichtlich bei wachsendem gegenseitigen Abstand. The position of the primary light spot 42 and of the secondary light spot 44 to be understood as an example is shown in FIG. 2. A portion of the light impinging on the optical element 40 is transmitted in the embodiment shown through slot-shaped apertures 140 , 240 , 340 onto the associated diffusing screen or a directly downstream optoelectronic sensor (not shown), the rest is reflected by the reflecting surface portions brought. While the accuracy of the device for determining the translational offset dimensions is essentially independent of the mutual spacing of the housings 20 , 50 , the sensitivity for determining angular offset obviously increases with increasing mutual spacing.

Dieser Sachverhalt geht deutlicher aus Fig. 3 hervor. Lichtstrahl 26 wird durch eine Zylinderlinse 27 senkrecht zur Zeichnungsebene aufgeweitet und ergibt das flache Lichtband 30, welches den primären Lichtfleck 42 erzeugt. Dieser wird anteilig als Lichtband 32 reflektiert und anteilig als Teilstrahl 31 durchgelassen. Teilstrahl 31 trifft auf das Funktionselement 45°, bei welchem es sich entweder direkt um einen optoelektronischen Sensor, insbesondere pixelorientierten Sensor, handeln kann, oder aber um eine bereits erwähnte für Streulicht durchlässige Streu- oder Mattscheibe. Gleiches gilt für den Teilstrahl 41, der durch die jeweils reflektierten Teilstrahlen 32, 34 entsteht. (Der Teilstrahl 32 wird dabei mittels des reflektierenden Elements 28 28' als Strahl 34 reflektiert und bildet dann den sekundären Leuchtfleck 44). This fact is clearer from Fig. 3. Light beam 26 is widened by a cylindrical lens 27 perpendicular to the plane of the drawing and results in the flat light band 30 , which generates the primary light spot 42 . This is partially reflected as a light band 32 and partially transmitted as a partial beam 31 . Partial beam 31 strikes the functional element 45 °, which can either be an optoelectronic sensor, in particular a pixel-oriented sensor, or an already mentioned diffusing or diffusing screen which is permeable to scattered light. The same applies to the partial beam 41 , which is generated by the respective reflected partial beams 32 , 34 . (The partial beam 32 is reflected by the reflecting element 28 28 'as a beam 34 and then forms the secondary light spot 44 ).

In einer nicht weiter gezeigten Ausführungsform der Erfindung wird die Genauigkeit der Messung nach 3 + 3 Koordinatenachsen dadurch gesteigert, daß anstelle eines im wesentlichen flächigen Lichtbandes 30 eine zweidimensionale verteilte Lichtstrahlen-Schar verwendet wird, wie sie durch ein zweidimensional wirkendes Beugungsmuster erzeugt werden kann. Für die einzelnen Lichtstrahlen einer solchen Strahlen-Schar gelten aber praktisch die gleichen Abbildungs-Gesetze wie für die einzelnen Strahlen im Lichtband 20. In an embodiment of the invention which is not shown further, the accuracy of the measurement according to 3 + 3 coordinate axes is increased by using a two-dimensional distributed light beam set, as can be produced by a two-dimensional diffraction pattern, instead of an essentially flat light band 30 . However, practically the same imaging laws apply to the individual light beams of such a beam set as for the individual beams in the light band 20 .

In Abb. 4 wird die Verwendung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt zum Test auf Parallelität von zwei Walzen oder Rollen, wie sie beispielsweise in Stahl-, Papier oder Druckwerken in größerem Umfange anzutreffen sind. Die Überprüfung des Elevationswinkels (Pitch) solcher Walzen kann ggf in herkömmlicher Weise mit einer Wasserwaage überprüft werden. Die Ausrichtung betreffend eines zugehörigen Azimutwinkels (Yaw) ist jedoch traditionell schwierig und aufwendig. In Fig. 4 wird gezeigt, wie Vorrichtungen gemäß der Erfindung mit ihren Stirnseiten auf die Mantelflächen solcher zu vermessenden Walzen aufgesetzt werden können. Bevorzugt wird dabei ein Adapter mit mechanischem Prisma, oder mit mehreren Kugelfüßen (nicht gezeigt) zwischengeschaltet, so daß die Vorrichtungen die Walzen indirekt, aber mit hoher Präzision kontaktieren. Gemäß Fig. 4 kann eine so ausgeführte Messung bereits mit nur einfach gefalteten Strahlengang eine relativ hohe Meßgenauigkeit erreichen, da die einzelnen Lichtflecken mit einer Genauigkeit von wenigen Micrometern, oder besser, aufgelöst werden können, sofern das Licht mit einem Abbildungsmaßstab von ca. 1 : 1 oder aber direkt auf einen pixelorientierten optoelektronsichen Sensor auftrifft. Dies kann deswegen erreicht werden, weil trotz eines Pixelabstandes von einigen wenigen Micrometern auf dem Sensor typischerweise mehrere hundert Pixel gleichzeitig illuminiert werden, so daß eine Mittelwertbildung zu sehr genauen Meßergebnissen führt. Ebenso ist es in diesem Zusammenhang von Vorteil, daß ein dem optoelektronischen Sensor nachgeschalteter Computer unterscheiden kann, ob registriertes Licht eher als irrelevantes Streulicht zu werten ist oder als zuverlässiges Signal angesehen werden kann. - Auf diese Weise kann zumindest theoretisch bereits mit einem einfach gefalteten Lichtstrahl eine Überprüfung auf azimutale Parallelität mit einer Auflösung von deutlich unter einem Mikrorad erzielt werden, und bei mehrfach gefaltetem Strahlengang kann somit rein rechnerisch eine Auflösung im Bereich einiger zehntel Bogensekunden oder besser erreicht werden. Es versteht sich, daß für ein hochgenaues Meßgerät dieser Art gewisse konstruktive Vorkehrungen hinsichtlich thermischer Stabilität, mechanischer Stabilität usw. vorgenommen werden müssen, die an dieser Stelle nicht im einzelnen diskutiert werden, welche aber dem Fachmann aus dem Schrifttum geläufig sind. In Fig. 4 the use of a device according to the invention is shown for testing the parallelism of two rollers or rollers, as can be found to a large extent in steel, paper or printing units, for example. The checking of the elevation angle (pitch) of such rollers can, if necessary, be checked in a conventional manner with a spirit level. Aligning an associated azimuth angle (yaw) is traditionally difficult and time-consuming. In FIG. 4 is shown how devices of the invention with their end faces on the lateral surfaces of such can be placed to be measured in accordance with rollers. An adapter with a mechanical prism or with a plurality of ball feet (not shown) is preferably interposed, so that the devices contact the rollers indirectly, but with high precision. According to FIG. 4, a measurement carried out in this way can achieve a relatively high measurement accuracy with only a single folded beam path, since the individual light spots can be resolved with an accuracy of a few micrometers, or better, provided the light has an imaging scale of approx. 1: 1 or strikes directly on a pixel-oriented optoelectronic sensor. This can be achieved because despite a pixel spacing of a few micrometers on the sensor, typically several hundred pixels are illuminated simultaneously, so that averaging leads to very precise measurement results. It is also advantageous in this context that a computer downstream of the optoelectronic sensor can distinguish whether registered light is to be regarded as irrelevant stray light or can be regarded as a reliable signal. - In this way, at least theoretically, a check for azimuthal parallelism with a resolution of significantly less than a microrad can be achieved with a single folded light beam, and a resolution in the range of a few tenths of an arc second or better can be achieved purely mathematically with a multiple folded beam path. It goes without saying that for a highly precise measuring device of this type certain constructive precautions with regard to thermal stability, mechanical stability etc. have to be taken, which are not discussed in detail here, but which are known to the person skilled in the art from the literature.

Claims

1. Device for the qualitative or quantitative determination of the spatial position of two bodies relative to one another, with respect to translational and / or angular coordinate systems, comprising:
a device emitting a bundled beam of light
a first optical system with a plurality of partially reflecting surfaces, or with a single surface with partially reflecting properties, the optical system being suitable for expanding the bundled light beam into at least one plane
a second optical system in the form of one or more partially or partially reflecting surfaces,
one or more optoelectronic sensors for the direct or indirect determination of impact points of the light beam widened in at least one plane

2. Device according to claim 1, characterized in that the first optical system contains:
a cylindrical lens or a diffraction grating effective at least in one plane
a partially transmissive reflector (mirror) or a fully reflective optical element (mirror) provided with a plurality of individual apertures

3. Device according to claim 1, characterized in that the second optical system contains:

- A one-piece, partially transmissive reflector (mirror), or a fully reflective optical element provided with several apertures

4. The device according to claim 3, characterized in that the second optical system additionally contains one or more projection screens

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the optoelectronic sensor can be read out at least uniaxially and is suitable for either one to provide an analog or a pixel-based output signal.

6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the completely or partially reflecting surfaces are to be assigned to a level.

7. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a or more of the fully or partially reflective optical elements Clamp cylindrical, spherical or other curved surface.

8. Use of a device according to one of the preceding claims for determining the parallel alignment of rollers, rolls, tubes or the like to each other, especially alignment with minimized azimuthal angle difference.