Beschreibung Laser-MeßsvstemDescription Laser measuring system
Die Erfindung betrifft ein 3D-Laser-Meßsystem gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruches 1.The invention relates to a 3D laser measuring system according to the preamble of claim 1.
Bei einem derartigen Meßsystem wird der von einem optischen SenderIn such a measuring system, the signal from an optical transmitter
&iacgr;&ogr; abgegebene Laser-Meßstrahl durch ein mechanisches&iacgr;&ogr; emitted laser measuring beam through a mechanical
Strahlablenkungssystem derart abgelenkt, daß eine flächendeckende, dreidimensionale räumliche Umgebungsvermessung ermöglicht ist. Die digitalisierten Meßdaten werden auf einem Rechnersystem abgelegt und stehen dort zur weiteren Bearbeitung und zur Visualisierung des vermessenen Objektes zur Verfügung.Beam deflection system deflects the beam in such a way that a comprehensive, three-dimensional spatial measurement of the surrounding area is possible. The digitized measurement data is stored on a computer system and is available there for further processing and for visualizing the measured object.
Die 3D-Vermessung erfolgt durch Führen des modulierten Laserlichtes über die zu vermessende Umgebung, wobei für unterschiedliche Raumrichtungen sowohl der Entfernungs- als auch der Reflektivitätswert punktuell vermessen werden kann. Aus der Anordnung aller vermessenen Raumrichtungen resultieren Entfernungs- und Reflektivitätsbilder. Die Entfernungsbilder geben die Geometrie der Umgebung wieder und die Reflektivitätsbilder deren visuelle Abbildung, analog zu den Grauwertbildern einer Videokamera. Beide Bilder korrespondieren pixelweise und sind aufgrund der eigenständigen, aktiven Beleuchtung mit Laserlicht weitgehend unabhängig von Umwelteinflüssen.The 3D measurement is carried out by guiding the modulated laser light over the environment to be measured, whereby both the distance and the reflectivity value can be measured at specific points for different spatial directions. The arrangement of all measured spatial directions results in distance and reflectivity images. The distance images show the geometry of the environment and the reflectivity images show its visual representation, analogous to the grayscale images of a video camera. Both images correspond pixel by pixel and are largely independent of environmental influences due to the independent, active illumination with laser light.
Die räumliche Strahlablenkung erfolgt bei einem derartigen Meßsystem durch die genannte mechanische Ablenkeinheit, wie sie beispielsweise aus der US 6,034,803 A1 bekannt ist. Dieses Strahlablenksystem hat einen Spiegel, über den der von einem Sender abgegebene Laser-Meßstrahl auf ein Objekt gerichtet wird. Der Spiegel ist um eine koaxial oder parallel zur Meßstrahl-Achse des Senders angeordnete Drehachse um 360° drehbar gelagert. Der Austrittswinkel des Meßstrahls läßt sich über einen Schwenkmechanismus verändern, mit dem der Anstellwinkel des Spiegels mit Bezug zur Meßstrahlachse veränderbar ist. Bei der bekannten Lösung ist die Schwenkachse des Spiegels auf einem Joch gelagert und trägt an einem Endabschnitt ein Zahnrad, das mit einer Zahnstange kämmt, die über eine Steuerrolle aufThe spatial beam deflection in such a measuring system is carried out by the mechanical deflection unit mentioned, as is known for example from US 6,034,803 A1. This beam deflection system has a mirror, via which the laser measuring beam emitted by a transmitter is directed onto an object. The mirror is mounted so that it can rotate 360° about a rotation axis arranged coaxially or parallel to the measuring beam axis of the transmitter. The exit angle of the measuring beam can be changed via a swivel mechanism with which the angle of attack of the mirror can be changed with respect to the measuring beam axis. In the known solution, the swivel axis of the mirror is mounted on a yoke and carries a gear wheel at one end section, which meshes with a rack which is mounted on a control roller on
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Z+F Zoller & Fröhlich GmbH, Wangen im Allgäu,Z+F Zoller & Fröhlich GmbH, Wangen im Allgäu,
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einer Steuerkurve abgestützt ist. Diese Steuerkurve ist derart ausgebildet, daß bei der vorgenannten Rotation des Spiegels der Anstellwinkel so verändert wird, daß der Umgebungsraum abtastbar ist. Um sicherzustellen, daß die Steuerrolle der Zahnstange während der Rotation zuverlässig auf der Steuerkurve abgestützt ist, ist die Schwenkachse über Rückstellgewichte derart beaufschlagt, daß die Zahnstange in Richtung auf die Steuerkurve vorgespannt wird.a control cam. This control cam is designed in such a way that during the aforementioned rotation of the mirror the angle of attack is changed so that the surrounding space can be scanned. To ensure that the control roller of the rack is reliably supported on the control cam during rotation, the swivel axis is loaded by means of restoring weights in such a way that the rack is pre-tensioned in the direction of the control cam.
Eine derartige Ablenkeinheit hat aufgrund der Vielzahl von bewegten &iacgr;&ogr; Elementen (Steuerrolle, Rückstellgewichte, Zahnstange, Zahnrad) einen sehr komplexen mechanischen Aufbau mit einer großen Masse. Ein weiterer Nachteil besteht in dem in Vertikalrichtung eingeschränkten Sichtbereich.Such a deflection unit has a very complex mechanical structure with a large mass due to the large number of moving elements (control roller, reset weights, rack, gear wheel). A further disadvantage is the limited field of view in the vertical direction.
Aus der EP 1 001 251 A1 ist ein Laser-Positioniersystem bekannt, bei dem die mechanische Ablenkeinheit zwei drehbar gelagerte Spiegel aufweist, denen jeweils ein Stellmotor zugeordnet ist. Durch geeignete Ansteuerung dieser Spiegel läßt sich ebenfalls eine 3D-Vermessung durchführen. Auch bei dieser Variante ist ein erheblicher vorrichtungstechnischer Aufwand zur räumlichen Ablenkung des Meßstrahls erforderlich.EP 1 001 251 A1 discloses a laser positioning system in which the mechanical deflection unit has two rotatably mounted mirrors, each of which is assigned a servomotor. By appropriately controlling these mirrors, a 3D measurement can also be carried out. This variant also requires considerable equipment effort for the spatial deflection of the measuring beam.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein SD-Laser-Meßsystem zu schaffen, das eine dreidimensionale Abtastung von zu vermessenden Objekten mit verringertem vorrichtungstechnischen Aufwand ermöglicht.In contrast, the invention is based on the object of creating an SD laser measuring system that enables three-dimensional scanning of objects to be measured with reduced device-related expenditure.
Diese Aufgabe wird durch ein 3D-Laser-Meßsystem mit den Merkmalen des Schutzanspruches 1 gelöst.This problem is solved by a 3D laser measuring system with the features of claim 1.
Das erfindungsgemäße Meßsystem hat einen drehbaren Spiegel, dessen Drehachse etwa parallel oder koaxial zur Strahlachse des auf den Spiegel auftretenden Meßstrahls angeordnet ist. Die Lagerung des Spiegels ist so gewählt, daß dieser umlaufend drehbar ist, so daß bei einer Rotation des Spiegels um seine Drehachse ein Vollkreis (360°)abgetastet werden kann. Die Abtastung erfolgt somit spaltenweise - bspw. in Vertikalrichtung, während bei der aus der US 6,034,803 A bekannten Lösung eine zeilenweise Abtastung erfolgt. Eine umlaufende Drehung des Spiegels läßt sich wesentlich einfacher steuern als die Pendelbewegung des aus der US 6,034,803 A bekanntenThe measuring system according to the invention has a rotating mirror, the axis of rotation of which is arranged approximately parallel or coaxially to the axis of the measuring beam striking the mirror. The bearing of the mirror is selected so that it can rotate in a circular manner, so that when the mirror rotates around its axis of rotation, a full circle (360°) can be scanned. The scanning is thus carried out column by column - for example in the vertical direction, whereas in the solution known from US 6,034,803 A, scanning is carried out line by line. A circular rotation of the mirror can be controlled much more easily than the pendulum movement of the mirror known from US 6,034,803 A.
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Laser-Meßsystem · ·Laser measuring system · ·
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Lösung. Bei der aus der EP 1 001 251 A1 bekannten Lösung sind mindestens zwei Spiegel mit jeweils einem Antrieb erforderlich, so daß die Ansteuerung ebenfalls einen wesentlich höheren Aufwand erfordert.Solution. The solution known from EP 1 001 251 A1 requires at least two mirrors, each with a drive, so that the control also requires a significantly higher effort.
Der Drehkopf mit dem Spiegel und dem dazugehörigen Antrieb ist in einem Meßkopf gelagert, der seinerseits um eine vorzugsweise senkrecht zur Drehachse verlaufende Schwenkachse schwenkbar ist. Der Dreh- oder Schwenkwinkel des Meßkopfes kann dabei auf 180° begrenzt werden, so daß durch die Rotation des Spiegels und die Verschwenkung des Meßkopfes um 180° eine vollständige 3D-Abtastung (360°) möglich ist. Beim genannten Stand der Technik ist eine 360°-Drehung des Messkopfs erforderlich, etwa um den gleichen Bereich wie bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung abzutasten.The rotating head with the mirror and the associated drive is mounted in a measuring head, which in turn can be pivoted about a pivot axis that is preferably perpendicular to the axis of rotation. The angle of rotation or pivoting of the measuring head can be limited to 180°, so that a complete 3D scan (360°) is possible by rotating the mirror and pivoting the measuring head by 180°. In the prior art mentioned, a 360° rotation of the measuring head is necessary, for example in order to scan the same area as with the device according to the invention.
Bei einer besonders bevorzugten Variante eines Meßsystems zur Vermessung dreidimensionaler Objekte wird der Spiegel in einem Drehkopf gelagert, dessen Winkelposition über einen Encoder erfaßbar ist. Der den Spiegel aufnehmende Drehkopf ist mittels eines eigenen Drehantriebes umlaufend antreibbar. Der Antrieb für den Drehkopf und der Antrieb des Spiegels sind unabhängig voneinander ansteuerbar, so dass durch geeignete Ansteuerung die 0 Datendichte in relevanten Bereichen erhöht und in weniger wichtigen BereichenIn a particularly preferred variant of a measuring system for measuring three-dimensional objects, the mirror is mounted in a rotary head, the angular position of which can be detected via an encoder. The rotary head that holds the mirror can be driven in rotation by means of its own rotary drive. The drive for the rotary head and the drive for the mirror can be controlled independently of one another, so that the 0 data density can be increased in relevant areas and reduced in less important areas by suitable control.
verringert werden kann.can be reduced.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei diesem Ausführungsbeispiel ein rotierendes Austrittsfenster des Drehkopfes durch eine Scheibe gebildet ist, die zur Vermeidung von Reflektionen entspiegelt ist. Zur Vermeidung diffuser Reflektionen kann diese Scheibe mit einem entsprechenden optischen Einsatz versehen werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die Scheibe zur Minimierung von Reflektionen angestellt ist.It is particularly advantageous if, in this embodiment, a rotating exit window of the rotary head is formed by a disk that is anti-reflective to avoid reflections. To avoid diffuse reflections, this disk can be provided with a corresponding optical insert. It has proven particularly advantageous if the disk is adjusted to minimize reflections.
Die Lagerung des Drehkopfes ist besonders einfach, wenn der Meßkopf mit zwei Stützschenkeln ausgeführt ist, zwischen denen der Drehkopf angeordnet ist. Die Lagerelemente sowie der Antrieb des Drehkopfes, der optische Sender, der Empfänger sowie die zugeordnete Steuerung können dann in einen oder beide Stützschenkel integriert sein.The bearing of the rotary head is particularly simple if the measuring head is designed with two support legs between which the rotary head is arranged. The bearing elements as well as the drive of the rotary head, the optical transmitter, the receiver and the associated control system can then be integrated into one or both support legs.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.Other advantageous developments of the invention are the subject of the further subclaims.
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Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:In the following, a preferred embodiment of the invention is explained in more detail using schematic drawings. They show:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen SD-Laser-Meßsystems;Figure 1 is a schematic representation of an SD laser measuring system according to the invention;
Figur 2 einen Schnitt durch das in Figur 1 dargestellte 3D-Laser-Meßsystem undFigure 2 shows a section through the 3D laser measuring system shown in Figure 1 and
Figur 3 eine geschnittene Seitenansicht des 3D-Laser-Meßsystems aus Figur 1.Figure 3 is a sectional side view of the 3D laser measuring system from Figure 1.
Figur 1 ist eine Prinzipdarstellung eines 3D-Laser-Meßsystems mit einem um eine vertikale Schwenkachse 2 verschwenkbaren Meßkopf 4. Dieser hat ein Gehäuse 6 mit zwei Stützschenkeln 8, 10, in denen ein Drehkopf 12 gelagert ist, der um eine in der Darstellung gemäß Figur 1 horizontale Drehachse 14 umlaufend drehbar ist. Der Drehkopf 12 hat eine im folgenden noch näher beschriebene Optik, durch die ein Laser-Meßstrahl auf ein Objekt gerichtet werden kann.Figure 1 is a schematic diagram of a 3D laser measuring system with a measuring head 4 that can be pivoted about a vertical pivot axis 2. This has a housing 6 with two support legs 8, 10 in which a rotary head 12 is mounted, which can rotate around a horizontal axis 14 in the illustration according to Figure 1. The rotary head 12 has an optic, described in more detail below, through which a laser measuring beam can be directed at an object.
Durch die drehbare Lagerung des Drehkopfes 12 läuft dieser Meßstrahl 16 um die Drehachse 14 um, so daß praktisch eine vertikale Ebene abgetastet wird. Das vom Objekt reflektierte Laserlicht wird über den Drehkopf 12 empfangen, umgelenkt und von einer Auswerteeinheit mit einem optischen Empfänger ausgewertet, wobei aus der Phasenverschiebung zwischen dem Sendesignal (Meßstrahl 16) und dem über den Empfänger detektierten Streulicht auf die Laufzeit des Laserlichtes und somit die Entfernung des Objektes vom Meßkopf 4 zurückgeschlossen werden kann, während die Amplitude des detektierten 0 Streulichtes dem Intensitätswert entspricht und von der Reflektivität und der Entfernung des vermessenen Objektes abhängt. Es lassen sich somit Entfernungsbilder als Grauwertbild darstellen, wobei jedem Entfernungswert ein entsprechender Grauwert zugeordnet ist. Auch die Intensitätsbilder lassen sich als Grauwertbilder darstellen, wobei dunkle Flächen (geringe Reflektivität) schwarz und helle Flächen (hohe Reflektivität) weiß erscheinen. Diese Art der Grauwert-Kodierung ist dem menschlichen Auge sehr vertraut und macht die Beurteilung von aufgenommenen Laserdaten vor Ort ohne aufwendigeDue to the rotatable mounting of the rotating head 12, this measuring beam 16 rotates around the axis of rotation 14, so that in practice a vertical plane is scanned. The laser light reflected from the object is received by the rotating head 12, deflected and evaluated by an evaluation unit with an optical receiver, whereby the phase shift between the transmitted signal (measuring beam 16) and the scattered light detected by the receiver can be used to determine the travel time of the laser light and thus the distance of the object from the measuring head 4, while the amplitude of the detected scattered light corresponds to the intensity value and depends on the reflectivity and the distance of the object being measured. Distance images can thus be displayed as grayscale images, with each distance value being assigned a corresponding grayscale value. The intensity images can also be displayed as grayscale images, with dark areas (low reflectivity) appearing black and light areas (high reflectivity) appearing white. This type of grayscale coding is very familiar to the human eye and makes the assessment of recorded laser data on site possible without complex
Datenverarbeitung relativ einfach. Im Gegensatz zu den Entfernungswerten hängt der Intensitätswert eines Objektes von zahlreichen Faktoren ab, beispielsweise von der Reflektivität der Oberfläche (Anteil der rückgestreuten Laserenergie), der Objektentfernung und dem Einfallswinkel des Laserstrahles. Hinsichtlich der hochkomplexen Verarbeitung des vom Objekt reflektierten und vom Meßkopf detektierten Signals sei auf die deutsche Patentanmeldung DE 198 51 307 A1 der Anmelderin verwiesen.Data processing is relatively simple. In contrast to the distance values, the intensity value of an object depends on numerous factors, for example the reflectivity of the surface (proportion of the backscattered laser energy), the object distance and the angle of incidence of the laser beam. With regard to the highly complex processing of the signal reflected by the object and detected by the measuring head, reference is made to the applicant's German patent application DE 198 51 307 A1.
In Figur 2 ist ein Schnitt durch den Meßkopf 4 dargestellt. Wie bereits vorstehend erwähnt, wird durch das Gehäuse 4 ein Stützschenkel 8 und ein Stützschenkel 10 gebildet, in denen der drehbare Drehkopf 12 gelagert ist. Die beiden Stützschenkel 8,10 gehen nach unten (Ansicht nach Figur 2) hin in eine Basis 18 über, die auf einem Drehflansch 20 befestigt ist. Dieser Drehflansch 20 ist an einen nicht dargestellten Schwenkantrieb ankoppelbar, so daß der dargestellte Meßkopf 4 um die Schwenkachse 2 verschwenkbar ist. Der Drehkopf 12 hat einen Gehäusemantel 22, durch den ein etwa zylinderförmiger Innenraum 24 umgriffen wird, in dem ein schräg angestellter Spiegel 26 aufgenommen ist.Figure 2 shows a section through the measuring head 4. As already mentioned above, the housing 4 forms a support leg 8 and a support leg 10 in which the rotating rotary head 12 is mounted. The two support legs 8, 10 merge downwards (view according to Figure 2) into a base 18 which is attached to a rotary flange 20. This rotary flange 20 can be coupled to a swivel drive (not shown) so that the measuring head 4 shown can be swiveled about the swivel axis 2. The rotary head 12 has a housing casing 22 which surrounds an approximately cylindrical interior 24 in which an inclined mirror 26 is accommodated.
Wie insbesondere aus Figur 3, die eine Seitenansicht von rechts auf die Darstellung gemäß Figur 2 zeigt, hervorgeht, hat der Gehäusemantel 22 einen etwa zylinderförmigen, den Innenraum 24 umgreifenden Abschnitt 28, auf den ein Schacht 30 aufgesetzt ist. Dieser stützt eine entspiegelte Scheibe 32 ab, wobei die Geometrie des Schachtes 30 so gewählt ist, daß sich die Scheibe 32 tangential zum Abschnitt 28 erstreckt. Die Scheibe 32 wird vorzugsweise um einen bestimmten Winkel zur Vertikalen auf die Zeichenebene in Figur 2 angestellt. Dieser Winkel beträgt beispielsweise etwa 10°.As can be seen in particular from Figure 3, which shows a side view from the right of the illustration according to Figure 2, the housing casing 22 has an approximately cylindrical section 28 which surrounds the interior 24 and onto which a shaft 30 is placed. This supports an anti-reflective disk 32, the geometry of the shaft 30 being selected such that the disk 32 extends tangentially to the section 28. The disk 32 is preferably positioned at a certain angle to the vertical on the plane of the drawing in Figure 2. This angle is, for example, approximately 10°.
Zur Vermeidung von unerwünschten diffusen Reflektionen kann an der Scheibe 0 32 ein derartige Reflektionen unterbindender Einsatz ausgebildet sein.In order to avoid undesirable diffuse reflections, an insert preventing such reflections can be formed on the pane 0 32.
Am Gehäusemantel 22 des Drehkopfes 12 sind zwei flanschartige Vorsprünge 34, 36 ausgebildet, zwischen denen sich die Scheibe 32 und der Schacht 30 erstrecken. An der außen liegenden Stirnfläche des linken Vorsprunges 34 (Figur 2) ist eine Antriebswelle 38 ausgebildet, die über eine Lagerung 40 in dem Stützschenkel 8 gelagert ist. Diese Lagerung 40 kann als Radial- und Axiallager ausgeführt sein. Prinzipiell könnte die Axialführung auch durch dieTwo flange-like projections 34, 36 are formed on the housing shell 22 of the rotary head 12, between which the disk 32 and the shaft 30 extend. A drive shaft 38 is formed on the outer end face of the left projection 34 (Figure 2), which is mounted in the support leg 8 via a bearing 40. This bearing 40 can be designed as a radial and axial bearing. In principle, the axial guidance could also be provided by the
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Abstützung der Vorsprünge 34, 36 an den benachbarten Seitenwandungen der Stützschenkel 8, 10 erfolgen.Support of the projections 34, 36 on the adjacent side walls of the support legs 8, 10.
An dem von der Antriebswelle 38 entfernten Vorsprung 36 ist eine Nabe 42 ausgebildet, die über ein Lager 44 in dem Stützschenkel 10 des Gehäuses 6 gelagert ist.A hub 42 is formed on the projection 36 remote from the drive shaft 38 and is mounted in the support leg 10 of the housing 6 via a bearing 44.
An dem frei auskragenden Endabschnitt der Antriebswelle 38 ist ein Antriebsritzel 46 befestigt, das über einen Riemen mit einem Ausgangsritzel 50 &iacgr;&ogr; eines Drehantriebes 52 verbunden ist. Dieser hat eine das Ausgangsritzel tragende Ausgangswelle 54, die über Lager 56 in der Basis 18 des Gehäuses 6 gelagert ist. Die Drehwinkelposition des Drehkopfes 12 wird über einen auf die Antriebswelle 38 aufgesetzten Drehgeber 54 erfaßt. Die Ansteuerung des Drehantriebes 52 erfolgt über eine Steuerung 56, die in der Basis 18 des Geis häuses 6 aufgenommen ist. Wie aus der Darstellung gemäß Figur 2 hervorgeht, ist der vergleichsweise schwere Drehantrieb 52 mit seinem Antriebsmotor etwa in der Schwenkachse 2 angeordnet, so daß das Massenträgheitsmoment und eventuelle Unwuchten des gesamten Meßkopfes 4 mit Bezug zur Schwenkachse 2 minimal sind. Der Schwenkantrieb des Meßkopfs 4 und der Drehantrieb 52 des Drehkopfs 12 sind unabhängig voneinander ansteuerbar.A drive pinion 46 is attached to the freely projecting end section of the drive shaft 38 and is connected via a belt to an output pinion 50 of a rotary drive 52. This has an output shaft 54 which carries the output pinion and is mounted in the base 18 of the housing 6 via bearings 56. The angle of rotation position of the rotary head 12 is detected via a rotary encoder 54 placed on the drive shaft 38. The rotary drive 52 is controlled via a controller 56 which is accommodated in the base 18 of the housing 6. As can be seen from the illustration in Figure 2, the comparatively heavy rotary drive 52 with its drive motor is arranged approximately on the pivot axis 2 so that the mass moment of inertia and possible imbalances of the entire measuring head 4 with respect to the pivot axis 2 are minimal. The swivel drive of the measuring head 4 and the rotary drive 52 of the rotary head 12 can be controlled independently of each other.
In dem in Figur 2 rechts dargestellten Stützschenkel 10 ist ein optischer Sender 58 aufgenommen, über den Laserlicht mit einer vergleichsweise geringen Leistung von einigen Milliwatt abgegeben wird. Der vom Sender 58 abgegebene Laserstrahl ist im wesentlichen koaxial zur Drehachse 14 ausgerichtet und tritt durch ein lediglich für das detektierte Streulicht wirksames Ablenkmittel 60 in den einseitig offenen Innenraum 24 des Drehkopfes 12 ein, trifft auf den Spiegel 26 und wird von diesem zur Scheibe 32 hin reflektiert, so 0 daß ein Meßstrahl aus dem Drehkopf 12 austritt. Der Austrittswinkel dieses Meßstrahles mit Bezug zur Schwenkachse 2 ist durch die Drehwinkelposition des Spiegels 26 vorgegeben.An optical transmitter 58 is accommodated in the support leg 10 shown on the right in Figure 2, via which laser light is emitted with a comparatively low power of a few milliwatts. The laser beam emitted by the transmitter 58 is aligned essentially coaxially with the axis of rotation 14 and enters the interior 24 of the rotary head 12, which is open on one side, through a deflection means 60 which is only effective for the detected scattered light, strikes the mirror 26 and is reflected by it towards the disk 32, so that a measuring beam emerges from the rotary head 12. The exit angle of this measuring beam with respect to the pivot axis 2 is predetermined by the rotation angle position of the mirror 26.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das feststehende Ablenkmitel 60 durch einen Spiegel mit einer Bohrung gebildet, die den von dem optischen Sender emittierten Meßstrahl in Richtung auf den drehbar gelagerten Spiegel 26 durchläßt.In the embodiment shown, the fixed deflection means 60 is formed by a mirror with a bore which allows the measuring beam emitted by the optical transmitter to pass in the direction of the rotatably mounted mirror 26.
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Laser-MeßsystemLaser measuring system
Z+F Zoller & Fröhlich GmbH, Wangen im Allgäu,Z+F Zoller & Fröhlich GmbH, Wangen im Allgäu,
Der vom Objekt reflektierte Strahl tritt durch die Scheibe 32 hindurch in den Innenraum 24 ein, wird vom Spiegel 26 um 90° umgelenkt und auf das Ablenkmittel 60 gerichtet. Der vom Ablenkmittel 60 reflektierte Strahl 62 wird dann mit einem optischen Empfänger (APD) 64 erfaßt, über die elektronische Steuerung und Auswerteeinheit 56 ausgewertet und die eingangs beschriebenen Entfernungs- und Intensitätswerte ermittelt und zur Visualisierung der Intensitätsbilder verarbeitet. Bei einer Umdrehung des Drehkopfes 12 wird durch den umlaufenden Laserstrahl eine in VertikalrichtungThe beam reflected from the object enters the interior 24 through the pane 32, is deflected by the mirror 26 by 90° and directed onto the deflection means 60. The beam 62 reflected by the deflection means 60 is then detected by an optical receiver (APD) 64, evaluated via the electronic control and evaluation unit 56 and the distance and intensity values described above are determined and processed to visualize the intensity images. When the rotary head 12 rotates, the rotating laser beam creates a vertical
&iacgr;&ogr; (Ansicht nach Figur 2) liegende Ebene des zu vermessenden Objektes abgetastet. Die vollständige 3D-Abtastung erfolgt dann durch Schwenken des gesamten Meßkopfes um die Schwenkachse 2, so daß nach einer Verschwenkung des Meßkopfes um 180° ein nahezu vollständiges Abbild des Objektes, beispielsweise eines Tunnels oder eines Raumes, in dem das 3D-Laser-Meßsystem positioniert ist, vorliegt. Nicht abtastbar bei dem vorbeschriebenen System ist der vom Meßkopf 4 abgedeckte Bereich, der in Figur 3 mit dem Winkel &agr; angedeutet ist.The plane of the object to be measured lying on the axis α (view according to Figure 2) is scanned. The complete 3D scanning is then carried out by swiveling the entire measuring head around the swivel axis 2, so that after swiveling the measuring head by 180°, an almost complete image of the object, for example a tunnel or a room in which the 3D laser measuring system is positioned, is available. The area covered by the measuring head 4, which is indicated in Figure 3 with the angle α, cannot be scanned with the system described above.
Aufgrund des Meßprinzips mit einer Verschwenkung des Meßkopfes 4 um die Schwenkachse 2 und einer Rotation des Drehkopfes 12 mit dem Spiegel 26 um die Drehachse 14 wird im Schnittpunkt der durch die Drehung des Spiegels 26 abgetasteten Ebenen, d.h. im Bereich des Schnittpunkts der Schwenkachse 2 mit dem zu vermessenden Objekt die höchste Datendichte vorliegen. Da die Antriebe für den Meßkopf und den Drehkopf unabhängig voneinander ansteuerbar sind, können mit dem erfindungsgemäßen System bestimmte Fenster abgetastet werden, wobei die entkoppelten Antriebe auch eine Steuerung der Datendichte in dem relevanten Bereich ermöglichen.Due to the measuring principle with a pivoting of the measuring head 4 about the pivot axis 2 and a rotation of the rotary head 12 with the mirror 26 about the rotation axis 14, the highest data density is present at the intersection of the planes scanned by the rotation of the mirror 26, i.e. in the area of the intersection of the pivot axis 2 with the object to be measured. Since the drives for the measuring head and the rotary head can be controlled independently of one another, certain windows can be scanned with the system according to the invention, whereby the decoupled drives also enable control of the data density in the relevant area.
Die in den Figuren 2 und 3 dargestellte Variante kann zur Vermessung von Körpern, Freiformen, Gebäuden, Denkmälern, Kanälen oder zur Führung fahrerloser Transportsysteme in unzugänglichen Bereichen (Atomkraftwerk, etc.) verwendet werden. Bei einer vereinfachten Version kann die Schwenkachse 2 entfallen und der Meßkopf 4 auf einem parallel zur Drehachse 14 verschiebbaren Schlitten oder Wagen angeordnet werden. Eine derartige Lösung mit einem ohne Schwenkachse 2 ausgeführten Drehkopf 4 kann beispielsweise zur Vermessung von Tunnelröhren verwendet werden, wobei der Meßkopf 4 auf einem den Tunnel durchfahrenden Meßwagen befestigt ist.The variant shown in Figures 2 and 3 can be used for measuring bodies, free forms, buildings, monuments, canals or for guiding driverless transport systems in inaccessible areas (nuclear power plants, etc.). In a simplified version, the swivel axis 2 can be omitted and the measuring head 4 can be arranged on a carriage or carriage that can be moved parallel to the rotation axis 14. Such a solution with a rotating head 4 designed without a swivel axis 2 can be used, for example, for measuring tunnel tubes, with the measuring head 4 being attached to a measuring carriage that travels through the tunnel.
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Laser-MellsystemLaser Mellsystem
Z+F Zoller & Fröhlich GmbH, Wangen im Allgäu,Z+F Zoller & Fröhlich GmbH, Wangen im Allgäu,
In diesem Fall würde sich in Abhängigkeit von der Fahrgeschwindigkeit des Meßwagens eine etwa spiralförmige Abtastung des Tunnelinnenraumes ergeben.In this case, depending on the driving speed of the measuring vehicle, an approximately spiral-shaped scan of the tunnel interior would result.
Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich durch eine äußerst kompakte Form mit einem sehr einfachen Aufbau aus, wobei die umlaufende Drehung des den Spiegel 26 aufnehmenden Drehkopfes 12 durch einen geeigneten Stellmotor äußerst präzise und unabhängig von der Ansteuerung des Meßkopfs gesteuert werden kann, so daß auch höchsten Anforderungen an die &iacgr;&ogr; Meßgenauigkeit entsprochen werden kann.The solution according to the invention is characterized by an extremely compact form with a very simple structure, wherein the rotating rotation of the rotary head 12 receiving the mirror 26 can be controlled extremely precisely and independently of the control of the measuring head by a suitable servomotor, so that even the highest demands on the γ measurement accuracy can be met.
Offenbart ist ein 3D-Laser-Meßsystem, mit einem Spiegel, der um eine Drehachse umlaufend drehbar ist, die parallel oder koaxial zu einer von einem optischen Sender abgegebenen, auf den Spiegel auftreffenden Meßstrahl verläuft.Disclosed is a 3D laser measuring system comprising a mirror which can rotate about an axis of rotation which runs parallel or coaxially to a measuring beam emitted by an optical transmitter and incident on the mirror.
[File:ANM\ZF0129B1.DOC] 22.05.02 Laser-Meßsystem Z+F Zoller & Fröhlich GmbH, Wangen im Allgäu,[File:ANM\ZF0129B1.DOC] 22.05.02 Laser measuring system Z+F Zoller & Fröhlich GmbH, Wangen im Allgäu,
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