Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Be ^_ stimmen, insbesondere zum berührungslosen Bestimmen, eines Winkels zwi ^¬ schen zwei Werkstückflächen, wie beispielsweise eines Innenwinkels eines an einer Blechbiegemaschine gebogenen Blechs.

Aus der JP2002059217A ist eine Vorrichtung zur optischen Vermessung eines Winkels zwischen zwei Oberflächen, wie beispielsweise zwei Werkstückflächen, bekannt, bei welcher ein von einem Lasersender erzeugter Laserstrahl von einem rotierenden Spiegel in einer Ebene senkrecht zu den beiden Oberflächen aufgefä ^¬ chert wird, so dass der umlaufende Laserstrahl die Oberflächen überstreicht. Von den Oberflächen in Richtung des rotierenden Spiegels reflektiertes Licht wird von dem rotierenden Spiegel über einen halbdurchlässigen Spiegel zu einem lichtempfindlichen Sensor gelenkt, der ein elektrisches Signal in Abhängigkeit der einfallenden Lichtmenge generiert. Die auf den lichtempfindlichen Sensor gelenkte Lichtmenge variiert mit der Winkelstellung des Spiegels und erreicht in ihrem Verlauf jeweils lokale Intensitätsmaxima, wenn der Laserstrahl im We- sentlichen senkrecht auf eine der beiden Oberflächen gerichtet ist. Anhand der Drehstellungen des rotierenden Spiegels, bei denen die lokalen Intensitätsmaxi ^¬ ma des reflektierten Lichts auftreten, kann der Innenwinkel zwischen den Ober ^¬ flächen bestimmt werden. Aus der WO2015/196230A1 ist eine Vorrichtung zur berührungslosen Winkelbe ^¬ stimmung bekannt, bei welcher als Lasersender eine Halbleiter-Laserdiode und als lichtempfindlicher Sensor eine in die Halbleiter-Laserdiode integrierte Moni ^¬ tordiode benutzt wird. Die Monitordiode ist zur Leistungsregelung des Lasersen ^¬ ders vorgesehen, spricht aber auch auf einfallendes Laserlicht an und kann da- her zum Erfassen des von den Oberflächen reflektierten Lichts am Ort des La ^¬ sersenders benutzt werden, ohne dass ein halbdurchlässiger Spiegel benötigt wird. Die Halbleiterdiode ist kompakt und kann direkt auf der Rotationsachse des rotierenden Spiegels angeordnet werden. Zum Drehen des Spiegels wird ein Miniatur- Synchronmotor benutzt. So erzielt die Vorrichtung aus der

WO2015/196230A1 eine kompakte Bauform und eignet sich als Hand- Winkelmessgerät.

Jedoch eignet sich die Vorrichtung aus der WO2015/196230A1 aufgrund von nur mit hohem Aufwand zu vermeidender Toleranzen bei der Fertigung und Ausrich ^¬ tung ihrer miniaturisierten Bauteile sowie aufgrund des typischen inneren Auf ^¬ baus herkömmlicher Laserdioden nicht optimal für Anwendungen wie beispiels- weise die Werkstückkontrolle an Blechbiegemaschinen, wo Messgenauigkeiten in der Größenordnung von 0,3° bis 0,1° oder genauer angestrebt werden.

Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung als Aufgabe zu Grun ^¬ de, die Messgenauigkeit bei der Bestimmung eines Winkels zwischen zwei Werk- stückflächen zu verbessern, insbesondere wenn die Bestimmung mit einer Vor ^¬ richtung mit kompakter Bauform erfolgt.

Gemäß einem ersten Aspekt wird eine Vorrichtung zum Bestimmen eines Win ^¬ kels zwischen zwei Werkstückflächen vorgeschlagen, die im Weiteren auch als Winkelmessvorrichtung bezeichnet wird und aufweist: einen Sender zum Erzeu ^¬ gen eines Lichtstrahls! einen kontinuierlich umlaufenden Richtrotor zum Ab ^¬ strahlen des erzeugten Lichtstrahls in einer umlaufenden, zu einer Rotations ^¬ achse des Richtrotors senkrechten Abstrahlrichtung als abgestrahlter Licht ^¬ strahl; einen Empfänger zum Empfangen eines reflektierten Lichtstrahls, wenn die Rotationsachse des Richtrotors achsparallel zu einer Scheitelachse des Win ^¬ kels angeordnet ist und der abgestrahlte Lichtstrahl von einer der zwei Werk ^¬ stückflächen antiparallel zu der Abstrahlrichtung reflektiert wird; eine Ab- strahlwinkelgebereinheit zum Ermitteln jeweiliger Abstrahlwinkel des von dem Richtrotor abgestrahlten Lichtstrahls, bei denen der Empfänger den reflektierten Lichtstrahl empfängt; eine Kalibriereinheit zum Bestimmen mindestens von Ka ^¬ librierparametern, eine Speichereinheit zum Speichern der Kalibrierparameter und eines Fehlermodells und eine Auswerteeinheit, die dazu eingerichtet ist, den Winkel als Funktion der ermittelten Ab strahl winkel des von dem Richtrotor ab ^¬ gestrahlten Lichtstrahls, der gespeicherten Kalibrierparameter und des gespei ^¬ cherten Fehlermodells zu bestimmen. Eine jeweilige Werkstückfläche kann eine ebene Fläche eines jeweiligen beliebi ^¬ gen Objekts umfassen. Die Winkelmessvorrichtung ist insbesondere zum berüh ^¬ rungslosen Bestimmen des Winkels zwischen den Werkstückflächen eingerichtet.

Der Sender ist beispielsweise ein Lasersender oder eine LED -Lichtquelle. Der Sender kann insbesondere eine Halbleiterdiode umfassen. Die Winkelmessvor ^¬ richtung kann weiterhin eine Kollimationsoptik aufweisen zum Bündeln von Licht, das von der Halbleiterdiode erzeugt wird, zu einem erzeugten Lichtstrahl, der sich entlang einer Ausbreitungsrichtung ausbreitet. Der erzeugte Lichtstrahl ist beispielsweise ein Laserstrahl oder ein Lichtstrahl einer LED -Lichtquelle. Der Empfänger kann ein lichtempfindlicher Sensor sein, der dazu eingerichtet ist, ein beispielsweise elektrisches Signal zu erzeugen, welches eine empfangene Lichtintensität angibt.

Der kontinuierlich umlaufende Richtrotor kann über eine Welle von einem Mo- tor, wie einem Miniatur- Synchronmotor, angetrieben werden. Der Richtrotor kann beispielsweise dadurch zum Abstrahlen des erzeugten Lichtstrahls in einer umlaufenden, zu der Rotationsachse des Richtrotors senkrechten Abstrahlrich ^¬ tung eingerichtet sein, dass der Sender an dem Richtrotor fixiert ist und gemein ^¬ sam mit dem Richtrotor um die Rotationsachse des Richtrotors umläuft.

Die Rotationsachse des Richtrotors kann beispielsweise dadurch achsparallel zu einer Scheitelachse des Winkels angeordnet sein, dass ein Bediener die Winkel ^¬ messvorrichtung in Vorbereitung des Messvorgangs zwischen die zwei Werk ^¬ stückflächen hält. Der Begriff„achsparallel" ist somit insbesondere so zu verste- hen, dass auch eine im Wesentlichen achsparallele Anordnung der Rotationsach ^¬ se des Richtrotors zu einer Scheitelachse des Winkels umfasst ist, wie sie mit ei ^¬ nem Handwinkelmessgerät zu erreichen ist. Gleichfalls bezeichnet der Betriff „antiparallel" insbesondere eine im Wesentli ^¬ chen zu der Abstrahlrichtung antiparallele bzw. im Wesentlichen mit dieser koa ^¬ xiale Richtung. Der Empfänger kann den antiparallel zu der Abstrahlrichtung reflektierten Lichtstrahl beispielsweise dadurch empfangen, dass er in einem Ausbreitungsweg des reflektierten Lichtstrahls angeordnet ist, oder es kann ein halbdurchlässiger Spiegel im Ausbreitungsweg des reflektierten Lichtstrahls vorgesehen sein, um mindestens einen Teil des reflektierten Lichtstrahls zu dem Empfänger zu lenken.

Es versteht sich, dass je nach Oberflächenbeschaffenheit einer jeweiligen Werk ^¬ stückfläche der abgestrahlte Lichtstrahl, wenn er von der Werkstückfläche re ^¬ flektiert wird, unter Umständen diffus reflektiert und/oder aufgefächert werden kann. Unter dem reflektierten Lichtstrahl kann hierbei derjenige Anteil des an der Werkstückfläche reflektierten Licht verstanden werden, der sich im Wesent ^¬ lichen antiparallel zur Abstrahlrichtung zurück in Richtung Richtrotor ausbrei ^¬ tet.

Unter einem Ab strahl winkel des abgestrahlten Lichtstrahls ist insbesondere der Winkel der augenblicklichen Abstrahlrichtung des abgestrahlten Lichtstrahls gegenüber einer vorgegebenen Referenzrichtung in einer Ebene zu verstehen, in die der erzeugte Lichtstrahl von dem kontinuierlich umlaufenden Richtrotor auf ^¬ gefächert wird. Die Abstrahlwinkelgebereinheit kann beispielsweise dazu eingerichtet sein, die jeweiligen Abstrahlwinkel, bei denen der Empfänger den achsparallel zu der Ab ^¬ strahlrichtung reflektierten Lichtstrahl empfängt, zu ermitteln durch: Bestim ^¬ men der maximalen Intensität des von dem Empfänger ausgegebenen Signals, Bestimmen der zugehörigen Drehstellung des Richtrotors durch Auslesen eines mit der Rotationsachse des Richtrotors oder mit der Achse des den Richtrotor antreibenden Motors gekoppelten Winkelgebers und Ermitteln des Abstrahlwin ^¬ kels des von dem Richtrotor abgestrahlten Lichtstrahls als Funktion der ermit- telten Drehstellung des Richtrotors. Die Funktion kann beispielsweise eine Mul ^¬ tiplikation mit zwei oder eins sein.

Die Kalibriereinheit ist insbesondere dazu eingerichtet, die Kalibrierparameter zu bestimmen, wenn ein Kalibriervorgang mit der Winkelmessvorrichtung durchgeführt wird. Die Kalibriereinheit kann die Kalibrierparameter vollauto ^¬ matisch oder durch Interaktion mit einem Bediener bestimmen.

Die Kalibrierparameter können Koeffizienten einer mathematischen Funktion eines Fehlermodells sein, die einen winkelabhängigen Fehler beispielsweise des von der Abstrahlwinkelgebereinheit ermittelten Abstrahlwinkels exakt oder nä ^¬ herungsweise beschreibt. Das Fehlermodell kann vorab in der Speichereinheit gespeichert sein. Als Fehler des ermittelten Abstrahlwinkels ist insbesondere derjenige Betrag zu verstehen, um den der ermittelte Ab strahl winkel zu korrigieren ist, damit von der Winkelmessvorrichtung der tatsächliche Winkel zwischen den Werkstückflä ^¬ chen exakt bestimmt wird. Der Fehler kann somit als Abweichung zwischen ei ^¬ nem ermittelten Abstrahlwinkel, bei dem der reflektierte Lichtstrahl von dem Empfänger empfangen wird, und einem korrekten Abstrahlwinkel, bei dem der abgestrahlte Lichtstrahl antiparallel zu der Abstrahlrichtung reflektiert wird bzw. würde, wenn die Winkelmessvorrichtung frei von Fertigungs- und Justie ^¬ rungstoleranzen wäre. Ursachen für den Fehler können beispielsweise eine un ^¬ gleichmäßige Rotationsgeschwindigkeit des Richtrotors, eine ungenaue Ausrich- tung der Rotationsachse des Richtrotors und der Ausbreitungsrichtung des er ^¬ zeugten Lichtstrahls oder eine ungenauen Positionierung des Empfängers sein und werden als vorrichtungsspezifische Fehlerursachen bezeichnet.

Die Auswerteeinheit kann insbesondere eingerichtet sein, den Winkel zwischen den Werkstückflächen durch Bilden einer Differenz zwischen 180° und der Diffe ^¬ renz aus zwei korrigierten Abstrahlwinkeln des von dem Richtrotor abgestrahl ^¬ ten Lichtstrahls zu bestimmen. Bei den zwei korrigierten Abstrahlwinkeln des von dem Richtrotor abgestrahlten Lichtstrahls handelt es sich insbesondere um die Ergebnisse einer anhand des Fehlermodells und der Kalibrierparameter vor ^¬ genommenen Korrektur der zwei ermittelten Ab strahl winkel des von dem Richtrotor abgestrahlten Lichtstrahls, bei denen der Empfänger den von einer der zwei Werkstückflächen reflektierten Lichtstrahl empfangen hat.

Die vorrichtungsspezifischen Fehlerursachen können somit vorteilhafterweise mit dem Fehlermodell modelliert werden. Die Winkelmessvorrichtung kann durch Bestimmen der Kalibierparameter für das Fehlermodell kalibriert werden und die Fehler können mindestens näherungsweise korrigiert werden. Somit kann die Messgenauigkeit der Winkelmessvorrichtung verbessert werden.

Durch Korrigieren der vorrichtungsspezifischen Fehlerursachen anhand des Feh ^¬ lermodells kann zudem vorteilhafterweise auf ein zeitaufwändiges mechanisches Justieren der Komponenten der Winkelmessvorrichtung zur Minimierung des Fehlers verzichtet werden. Die Winkelmessvorrichtung kann vorteilhafterweise gänzlich ohne mechanische Justiermöglichkeit ausgestaltet werden. So wird vermieden, dass sich eine Justierung der Winkelmessvorrichtung mit der Zeit verschlechtert, und die Messgenauigkeit der Winkelmessvorrichtung kann vor- teilhafterweise weiter verbessert werden. Zudem können durch Weglassen der Justiermöglichkeit die Herstellungskosten der Winkelmessvorrichtung gesenkt werden. Weiterhin ermöglicht das Weglassen der Justiermöglichkeit die weitere Miniaturisierung des Messsystems und damit dessen Integration in ein kompak ^¬ tes Handmessgerät.

Die Auswerteeinheit kann ferner dazu eingerichtet sein, ein Signal, das den be ^¬ stimmten Winkel anzeigt, an eine externe Einrichtung auszugeben und/oder den bestimmten Winkel auf einer Anzeigeeinheit anzuzeigen. Gemäß einer Ausführungsform bildet der Richtrotor eine ebene Reflexionsfläche für den von dem Sender erzeugten Lichtstrahl. In einer Variante kann die ebene Reflexionsfläche derart angeordnet sein, dass die Reflexionsfläche parallel zur Richtung der Rotationsachse des Richtrotors verläuft, wobei die Rotationsachse des Richtrotors orthogonal oder im Wesentli ^¬ chen orthogonal zu der Ausbreitungsrichtung des erzeugten Lichtstrahls ist. In der Variante kann die Abstrahlwinkelgebereinheit dazu eingerichtet sein, den Ab strahl winkel als das Doppelte der Drehstellung des Richtrotors zu bestimmen.

In einer weiteren Variante kann die ebene Reflexionsfläche derart angeordnet sein, dass die Reflexionsfläche schräg zu der Rotationsachse des Richtrotors ver- läuft, insbesondere um 45 Grad zur Rotationsachse geneigt ist, wobei die Rotati ^¬ onsachse des Richtrotors im Wesentlichen achsgleich mit der Ausbreitungsrich ^¬ tung des erzeugten Laserlichts ist. In der Variante kann die Abstrahlwinkelge ^¬ bereinheit dazu eingerichtet sein, den Abstrahlwinkel als die Drehstellung des Richtrotors zu bestimmen.

Die ebene Reflexionsfläche des Richtrotors kann den von dem Sender erzeugten Lichtstrahl in die zu der Rotationsachse des Richtrotors senkrechte Abstrahlrich ^¬ tung reflektieren und kann den von einer der Werkstückflächen im Wesentlichen antiparallel zu der Abstrahlrichtung reflektierten Lichtstrahl zu dem Empfänger reflektieren.

Somit ist es vorteilhafterweise nicht erforderlich, dass der Sender, die ggf. vorge ^¬ sehene Kollimationsoptik und der Empfänger mit dem Richtrotor umlaufen.

Dadurch wird es einfacher, das Signal des Empfängers zu Einheiten, wie der Ka- libriereinheit und der Auswerteeinheit, zu übertragen. Die Winkelmessvorrich ^¬ tung kann somit eine kompakte und robuste Bauform aufweisen, bei welcher das einzige bewegliche Bauteil oder mindestens das einzige umlaufende Bauteil der umlaufende Richtrotor mit der ebenen Reflexionsfläche ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist der Sender eine Monitordiode auf, und die Monitordiode bildet den Empfänger. Der Sender gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist insbesondere eine Halbleiterdiode, wie eine Laserdiode. Die Monitordiode ist insbesondere in der Laserdiode derart angeordnet, dass sie mindestens einen Teil des von einem La ^¬ serchip der Laserdiode erzeugten Laserlichts erfasst, und kann ein beispielsweise elektrisches Signal liefern, welches die Intensität des von ihr erfassten Laser ^¬ lichts angibt. Die Monitordiode kann somit zur Leistungsregelung der Laserdiode verwendet werden. Wenn der reflektierte Lichtstrahl auf die Laserdiode trifft, kann die Monitordiode ein elektrisches Signal liefern, welches die kombinierte Intensität des erzeugten Laserlichts und des reflektierten Lichtstrahls angibt. Somit kann die Monitordiode des Senders als der Empfänger benutzt werden. Dadurch kann vorteilhafterweise auf einen separaten Sensor für den Empfänger sowie auf einen halbdurchlässigen Spiegel zum Ablenken eines Teils des reflek ^¬ tierten Lichtstrahls zu dem separaten Sensor verzichtet werden. Weiterhin lässt sich aufgrund der kompakten Bauform der Halbleiterdiode der Sender vorteilhaf- terweise unter Verzicht auf einen feststehenden Ablenkspiegel direkt in Rich ^¬ tung der Rotationsachse des Richtrotors mit der Reflexionsfläche ausrichten. Somit ermöglicht die Laserdiode mit der Monitordiode eine kompakte Bauform der Winkelmessvorrichtung mit einer reduzierten Anzahl von Bauteilen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Winkelmessvorrichtung einen Zeitgeber auf, der dazu eingerichtet ist, ein getaktetes Zeitsignal an die Ab- strahlwinkelgebereinheit auszugeben.

Der Zeitgeber kann beispielsweise ein Quarz- oder RC-Oszillator sein. Die Ab- strahlwinkelgebereinheit der Winkelmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann dazu eingerichtet sein, unter Verwendung des getakteten Zeitsignals die Zeitpunkte zu bestimmen, zu denen der Empfänger den reflek ^¬ tierten Lichtstrahl empfängt, und durch Vergleich der Zeitpunkte mit einer Um ^¬ laufdauer des abgestrahlten Lichtstrahls und der vorgegebenen Referenzrichtung die jeweiligen Abstrahlwinkel des von dem Richtrotor abgestrahlten Lichtstrahls zu den jeweiligen Zeitpunkten zu ermitteln. Die Abstrahlwinkelgebereinheit kann dazu eingerichtet sein, die vorgegebene Referenzrichtung anhand eines Referenzsignals zu bestimmen und die Umlauf ^¬ dauer als die Zeitdauer zwischen dem zweimaligen Auftreten des Referenzsignals zu bestimmen.

Das Referenzsignal kann beispielsweise von dem Empfänger erzeugt werden, wenn der umlaufende Richtrotor den erzeugten Lichtstrahl direkt, d.h. ohne dass dieser zuvor zu einer der Werkstückflächen läuft, antiparallel zur Ausbreitungs ^¬ richtung des erzeugten Lichtstrahls zu dem Empfänger abstrahlt.

Somit kann bei der Winkelmessvorrichtung gemäß der vorliegenden Ausfüh ^¬ rungsform auf einen separaten Winkelgeber für die Drehstellung des Richtrotors vorteilhafterweise verzichtet werden. Dadurch sind eine kompaktere Bauform und eine Senkung der Herstellungskosten der Winkelmessvorrichtung möglich.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Winkelmessvorrichtung einen Referenzsignalgeber auf, dazu eingerichtet ist, ein Referenzsignal an die Ab ^¬ strahlwinkelgebereinheit auszugeben, wenn der abgestrahlte Lichtstrahl von dem Richtrotor in einer Referenzrichtung abgestrahlt wird.

Die Referenzrichtung ist die vorgegebene Referenzrichtung. Der Ab strahl winkel kann als 0 Grad definiert sein, wenn die Abstrahlrichtung die Referenzrichtung ist. Bei dem Referenzsignalgeber kann es sich beispielsweise um eine Photodiode handeln, die derart angeordnet ist, dass sie während eines Umlaufs des Richtro- tors genau einmal von dem von dem Richtrotor abgestrahlten Lichtstrahl über ^¬ strichen wird.

Somit kann die Abstrahlwinkelgebereinheit den Referenzzeitpunkt und die Um ^¬ laufdauer auch dann anhand des Referenzsignals bestimmen, wenn die Reflexi- onsfläche derart angeordnet ist, dass zu keinem Zeitpunkt der Lichtstrahl direkt zu dem Empfänger abgestrahlt wird, und es kann auch bei einer derartigen An- Ordnung auf einen Winkelgeber für die Drehstellung des Richtrotors vorteilhaf ^¬ terweise verzichtet werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Winkelmessvorrichtung eine Abstrahlwinkel-Korrektureinheit zum Bestimmen korrigierter Ab strahl winkel des von dem Richtrotor abgestrahlten Lichtstrahls durch Korrigieren der ermit ^¬ telten Ab strahl winkel des von dem Richtrotor abgestrahlten Lichtstrahls unter Verwendung des Fehlermodells und der Kalibrierparameter auf. Hierbei ist die Auswerteeinheit dazu eingerichtet, den Winkel zwischen den zwei Werkstückflä- chen als Funktion der korrigierten Ab strahl winkel zu bestimmen.

Die Abstrahlwinkel-Korrektureinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, einen jeweiligen ermittelten Abstrahlwinkel zu korrigieren, indem sie die ma ^¬ thematische Funktion des in der Speichereinheit gespeicherten Fehlermodells mit den in der Speichereinheit gespeicherten Kalibrierparametern auf den ermit ^¬ telten Ab strahl winkel anwendet und ein Funktionsergebnis zu dem ermittelten Ab strahl winkel addiert oder von dieser subtrahiert, und ein Additions- bzw. Sub ^¬ traktionsergebnis als den korrigierten Ab strahl winkel zu bestimmen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Fehlermodell ein sinusoidales Fehlermodell.

Ein sinusoidales Fehlermodell erlaubt vorteilhafterweise eine einfache und effi ^¬ ziente Modellierung von Fehlern im Zusammenhang mit der Rotationsbewegung des Richtrotors, bei welchen der Fehler des ermittelten Abstrahlwinkels während eines Umlaufs des abgestrahlten Lichtstrahls um einen Nullpunkt oszilliert. Ins ^¬ besondere führen mehrere der einflussstärksten vorrichtungsspezifischen Fehlerursachen zu einem sinusoidalen oder annähernd sinusoidalen Fehlerver ^¬ lauf mit dem einfachen oder zweifachen der Winkelstellung des Richtrotors, so dass durch ein sinusoidales Fehlermodell eine besonders gute Fehlerbeschrei ^¬ bung mit einer minimal erforderlichen Anzahl von Kalibrierparametern geschaf ^¬ fen ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst das Fehlermodell eine Linear ^¬ kombination orthogonaler Funktionen eines Abstrahlwinkels des von dem Richtrotor abgestrahlten Lichtstrahls, und die Kalibrierparameter umfassen Ko- effizienten der Linearkombination.

Durch Wahl geeigneter Koeffizienten der Linearkombination der orthogonalen Funktionen, wie beispielsweise einer Sinusfunktion und einer Cosinusfunktion, des Abstrahlwinkels lässt sich das Fehlermodell an die Phasenlage und die Amplitude der Oszillation des Fehlers anpassen.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen die orthogonalen Funktionen eine Sinusfunktion und eine Cosinusfunktion von einem jeweiligen ganzzahligen Vielfachen und/oder einem jeweiligen ganzzahligen Bruch des Abstrahlwinkels des von dem Richtrotor abgestrahlten Lichtstrahls.

Werden Sinus- und Cosinusfunktionen von ganzzahligen Vielfachen und/oder ganzzahligen Brüchen des Abstrahlwinkels in das Fehlermodell einbezogen, können höhere und/oder niedere Ordnungen bzw. Oberschwingungen und/oder Unterschwingungen der Oszillation des Fehlers berücksichtigt werden. Insbe ^¬ sondere können vorteilhafterweise Fehler aufgrund von Rastmomenten in einem magnetischen System des Motors, der den Richtrotor antreibt, modelliert und korrigiert werden. Das Fehlermodell wird präzisiert und die Messgenauigkeit der Winkelmessvorrichtung kann weiter verbessert werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kalibriereinheit dazu eingerich ^¬ tet, bei einem Kalibriervorgang, bei dem die Rotationsachse des Richtrotors achsparallel zu einer Scheitelachse eines Winkels zwischen zwei ebenen Flächen eines Kalibrierwinkelstücks angeordnet ist und mindestens eine Anordnung aus dem Sender, dem Richtrotor und dem Empfänger durch einen Bediener um die Rotationsachse des Richtrotors zwischen mehreren Schwenkpositionen ver ^¬ schwenkt und an jeder der Schwenkpositionen der Winkel zwischen den ebenen Flächen des Kalibrierwinkelstücks bestimmt wird, die Kalibrierparameter derart zu bestimmen, dass eine Abweichung der Bestimmungen des Winkels zwischen den ebenen Flächen des Kalibrierwinkelstücks an den jeweiligen Schwenkpositi ^¬ onen voneinander verkleinert oder minimiert wird, und die bestimmten Kalib- rierparameter in der Speichereinheit zu speichern.

Das Kalibrierwinkelstück kann ein beliebiges Objekt mit zwei ebenen Flächen sein, sofern der von den ebenen Flächen eingeschlossene Winkel fest ist bzw. mindestens während der Dauer des Kalibriervorgangs unverändert bleibt. Der Winkel zwischen den ebenen Flächen des Kalibrierwinkelstücks wird im Weite ^¬ ren als Kalibrierwinkel bezeichnet. Es sei angemerkt, dass es für eine Kalibrie ^¬ rung der vorgeschlagenen Winkelmessvorrichtung gemäß dem vorgeschlagenen Kalibriervorgang nicht erforderlich ist, dass der Winkelwert des Kalibrierwinkels bekannt ist. Somit kann vorteilhafterweise jedes verfügbare starre Winkelstück als Kalibrierwinkelstück verwendet werden.

Bei dem Verschwenken der Anordnung aus Sender, Richtrotor und Empfänger des Kalibriervorgangs kann beispielsweise die gesamte Winkelmessvorrichtung von Hand durch einen Bediener werden.

Die Kalibriereinheit kann eingerichtet sein, die Auswerteeinheit zu veranlassen, in jeder der Schwenkpositionen den Kalibrierwinkel als Funktion der ermittelten Ab strahl winkel des von dem Richtrotor abgestrahlten Lichtstrahls ohne Berück ^¬ sichtigung von Kalibrierparametern oder eines Fehlermodells zu bestimmen be- ziehungsweise die Korrekturwirkung des Fehlermodells für die Bestimmung des Kalibrierwinkels zu unterbinden. Die Kalibriereinheit kann ferner dazu einge ^¬ richtet sein, eine Abweichung zwischen den mehreren Bestimmungen des Kalib ^¬ rierwinkels an den jeweiligen Schwenkpositionen zu bestimmen, und geeignete Kalibrierparameter zu wählen, bei denen bei einer Wiederholung des Bestim- mens des Kalibrierwinkels in jeder der Schwenkpositionen durch die Auswer ^¬ teeinheit, nun unter Berücksichtigung der gewählten Kalibrierparameter und des gespeicherten Fehlermodells, die Abweichung minimiert wird. Bei der Ab- weichung kann es sich um eine oder mehrere mathematische oder statistische Größen handeln wie ^: eine oder mehrere Differenzen zwischen den mehreren Bestimmungen, ein Mittelwert der mehreren Bestimmungen, eine Standardab ^¬ weichung und/oder eine Varianz der mehreren Bestimmungen.

Durch das Verschwenken wird der Kalibrierwinkel jeweils als Funktion unter ^¬ schiedlicher ermittelter Ab strahl winkel und somit bei unterschiedlichen Dreh ^¬ stellungen des umlaufenden Richtrotors bestimmt. Sind die ermittelten Ab ^¬ strahlwinkel mit einem von dem Ab strahl winkel bzw. der Drehstellung des Richtrotors abhängigen Fehler behaftet, so weichen die Bestimmungen des kon ^¬ stanten Kalibrierwinkels voneinander ab. Durch Wählen geeigneter Kalibrierpa ^¬ rameter kann das Fehlermodell derart angepasst werden, dass es ein mindestens näherungsweises Modell für die vorrichtungsspezifischen Fehlerursachen dar ^¬ stellt, so dass bei nachfolgenden Messungen eine Abweichung minimiert wird. Somit verringert sich vorteilhafterweise eine Streuung der Messwerte, und die Messgenauigkeit der Winkelmessvorrichtung wird verbessert. Dabei kann ein Bediener den Justiervorgang vorteilhafterweise einfach und in sehr kurzer Zeit durchführen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfassen die mehreren Schwenkpositi ^¬ onen eine jeweilige äußerste Position und eine mittlere Position eines Schwenk ^¬ bereichs. Der Schwenkbereich umfasst mindestens 30°, vorzugsweise 60° und besonders vorzugsweise 90°. Je größer der Schwenkbereich bei dem Kalibriervorgang gewählt ist, desto ge ^¬ nauer kann bei dem Kalibriervorgang das Fehlermodell an die vorrichtungsspezi ^¬ fischen Fehlerursachen angepasst werden.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kalibriereinheit dazu eingerich- tet, bei dem Kalibriervorgang weiterhin das Fehlermodell derart zu bestimmen, dass die Abweichung der Bestimmungen des Winkels zwischen den ebenen Flä ^¬ chen des Kalibrierwinkelstücks an den jeweiligen Schwenkpositionen voneinan- der verkleinert oder minimiert wird, und das bestimmte Fehlermodell in der Speichereinheit zu speichern.

Beispielsweise kann die Kalibriereinheit dazu eingerichtet sein, bei dem Kalib- riervorgang eine kleinste durch Wahl geeigneter Kalibrierparameter mit dem gespeicherten Fehlermodell erreichbare Abweichung zwischen den Bestimmun ^¬ gen des Kalibrierwinkels an den mehreren Schwenkpositionen mit einem vorge ^¬ gebenen Schwellwert zu vergleichen und, falls die kleinste Abweichung über dem Schwellwert liegt, ein präziseres Fehlermodell zu wählen und in der Speicher- einheit zu speichern und erneut geeignete Kalibrierparameter zu bestimmen, mit denen in Verbindung mit dem präziseren Fehlermodell die Abweichung zwischen den Bestimmungen des Kalibrierwinkels an den mehreren Schwenkpositionen weiter verringert oder minimiert wird. Ein präziseres Fehlermodell kann bei ^¬ spielsweise ein Fehlermodell mit einer größeren Anzahl von Koeffizienten bzw. Kalibrierparametern sein.

Wird beispielsweise statt eines Fehlermodells, das eine Sinus- und eine Cosinus ^¬ funktion des Abstrahlwinkels des von dem Richtrotor abgestrahlten Lichtstrahls umfasst, ein Fehlermodell gewählt, das weiterhin Sinus- und Cosinusfunktionen von ganzzahligen Vielfachen des Abstrahlwinkels umfasst, so können auch Ober ^¬ schwingungen der Oszillation des Fehlers während der Rotation des Richtrotors berücksichtigt werden. Die Genauigkeit der Kalibrierung und damit die Mess ^¬ genauigkeit der Winkelmessvorrichtung kann weiter verbessert werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kalibriereinheit dazu eingerich ^¬ tet, die Kalibrierparameter durch ein iteratives numerisches Verfahren zu be ^¬ stimmen. Ein Beispiel für ein iteratives numerisches Verfahren ist die Methode der konjugierten Gradienten. Somit lassen sich die Kalibrierparameter auch dann bestimmen, wenn das Feh ^¬ lermodell keine exakte analytische Lösung erlaubt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Winkelmessvorrichtung ein Bedienelement auf, das dazu eingerichtet ist, der Kalibriereinheit ein Durchfüh ^¬ ren des Kalibriervorgangs zu signalisieren, wenn ein Bediener das Bedienele ^¬ ment betätigt.

Das Bedienelement kann beispielsweise eine als physikalischer Knopf oder als Schaltfläche auf einem Display ausgeführte Taste sein.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Winkelmessvorrichtung eine Benutzerschnittstelleneinheit auf, die dazu eingerichtet ist, einem Bediener ein manuelles Auswählen des Fehlermodells und/oder ein manuelles Festlegen der Kalibrierparameter zu ermöglichen.

Die Benutzerschnittstelleneinheit kann ein Ausgabemittel und ein Eingabemittel umfassen. Das Ausgabemittel kann beispielsweise ein LCD- oder TFT-Display und das Eingabemittel eine Tastatur oder ein Tastenfeld umfassen, oder die Be ^¬ nutzerschnittstelleneinheit kann als Touchscreen ausgebildet sein.

Somit lässt sich eine Kalibrierung der Winkelmessvorrichtung manuell durch- führen, falls eine automatische Bestimmung der Kalibrierparameter und/oder des Fehlermodells durch die Kalibriereinheit keine optimalen Ergebnisse liefert.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Winkelmessvorrichtung als Handwinkelmessvorrichtung mit einer Anzeigeeinheit zum Anzeigen des von der Auswerteeinheit bestimmten Winkels ausgebildet.

Eine jeweilige Einheit, wie die Abstrahlwinkelgebereinheit, die Auswerteeinheit, die Kalibriereinheit und/oder die Drehwinkel- Korrektureinheit, kann hardware ^¬ technisch und/oder auch softwaretechnisch implementiert sein. Bei einer hard- waretechnischen Implementierung kann die jeweilige Einheit als Vorrichtung oder als Teil einer Vorrichtung, zum Beispiel als Computer, als Mikroprozessor, als programmierbare Steuereinheit oder als fest verdrahtete Schaltung ausgebil- det sein. Bei einer softwaretechnischen Implementierung kann die jeweilige Ein ^¬ heit als Computerprogrammprodukt, als eine Funktion, als eine Routine, als Teil eines Programmcodes oder als ausführbares Objekt ausgebildet sein. Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zum Bestimmen eines Winkels zwischen zwei Werkstückflächen vorgeschlagen mit den Schritten^ Erzeugen ei ^¬ nes Lichtstrahls mittels eines Senders! Abstrahlen des erzeugten Lichtstrahls mittels eines kontinuierlich umlaufenden Richtrotors in einer umlaufenden, zu einer Rotationsachse des Richtrotors senkrechten Abstrahlrichtung als abge- strahlter Lichtstrahl; Empfangen eines reflektierten Lichtstrahls mittels eines Empfängers, wenn die Rotationsachse des Richtrotors achsparallel zu einer Scheitelachse des Winkels angeordnet ist und der abgestrahlte Lichtstrahl von einer der zwei Werkstückflächen antiparallel zu der Abstrahlrichtung als reflek ^¬ tierter Lichtstrahl reflektiert wird; Ermitteln jeweiliger Ab strahl winkel des von dem Richtrotor abgestrahlten Lichtstrahls, bei denen der Empfänger den reflek ^¬ tierten Lichtstrahl empfängt; Bestimmen mindestens von Kalibrierparametern; Speichern der Kalibrierparameter und eines Fehlermodells; und Bestimmen des Winkels als Funktion der ermittelten Ab strahl winkel des von dem Richtrotor abgestrahlten Lichtstrahls, der gespeicherten Kalibrierparameter und des ge- speicherten Fehlermodells.

Gemäß einer Ausführungsform des zweiten Aspekts umfasst das Verfahren fer ^¬ ner : Bereitstellen eines Kalibrierwinkelstücks mit zwei ebenen Flächen, die ei ^¬ nen Winkel einschließen! Anordnen der Rotationsachse des Richtrotors achspa- rallel zu der Scheitelachse des Winkels zwischen den ebenen Flächen des Kalib ^¬ rierwinkelstücks, Verschwenken einer Anordnung, welche mindestens den Sen ^¬ der, den Richtrotor und den Empfänger umfasst, um die Rotationsachse des Richtrotors zwischen mehreren Schwenkpositionen, Bestimmen des Winkels zwi ^¬ schen den ebenen Flächen des Kalibrierwinkelstücks an jeder der Schwenkposi- tionen! und Bestimmen der Kalibrierparameter und/oder des Fehlermodells der ^¬ art, dass eine Abweichung der Bestimmungen des Winkels zwischen den ebenen Flächen des Kalibrierwinkelstücks an den jeweiligen Schwenkpositionen vonei ^¬ nander verkleinert oder minimiert wird.

Die für die vorgeschlagene Vorrichtung beschriebenen Ausführungsformen und Merkmale gelten für das vorgeschlagene Verfahren entsprechend.

Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht expli ^¬ zit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausfüh ^¬ rungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Aspekte der Erfindung sind Gegen ^¬ stand der Unteransprüche sowie der im Folgenden beschriebenen Ausführungs ^¬ beispiele der Erfindung. Im Weiteren wird die Erfindung anhand von bevorzug ^¬ ten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigelegten Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Stirnansicht einer vorgeschlagenen Winkel ^¬ messvorrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.

Fig. 2 veranschaulicht ein Verfahren zum Bestimmen eines Winkels mit ei ^¬ ner vorgeschlagenen Winkelmessvorrichtung.

Fig. 3 zeigt eine Auftragung eines Signalverlaufs des Empfängers in Abhän ^¬ gigkeit von dem Abstrahlwinkel des abgestrahlten Lichtstrahls bei ei ^¬ ner vorgeschlagenen Winkelmessvorrichtung.

Fig. 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel für eine vorgeschlagene Winkelmessvor ^¬ richtung und ein vorgeschlagenes Verfahren zum Bestimmen eines Winkels. Fig. 5 zeigt eine schematische seitliche Ansicht einer Winkelmessvorrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Fig. 6 zeigt eine Auftragung eines Signalverlaufs des Empfängers in Abhän ^¬ gigkeit von der Zeit bei einer Winkelmessvorrichtung gemäß dem zwei ^¬ ten Ausführungsbeispiel.

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Laserdiode in einer vorge ^¬ schlagenen Winkelmessvorrichtung.

Fig. 8 zeigt eine Auftragung eines Signalverlaufs des Empfängers, eines Feh ^¬ lermodells und eines korrigierten Signalverlaufs des Empfängers in Abhängigkeit von dem Abstrahlwinkel des abgestrahlten Lichtstrahls.

Fig. 9 veranschaulicht Schritte zum Bestimmen der Kalibrierparameter ge ^¬ mäß einem vorgeschlagenen Verfahren.

Fig. 10 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung eines Kalibriervorgangs einer vorgeschlagenen Winkelmessvorrichtung.

Fig. lla ^_ c zeigen Auftragungen eines Signalverlaufs des Empfängers in Abhän ^¬ gigkeit von dem Ab strahl winkel des abgestrahlten Lichtstrahls in ver ^¬ schiedenen Schwenkpositionen während des Kalibriervorgangs.

In den Figuren sind gleiche oder funktions gleiche Elemente mit denselben Be ^¬ zugszeichen versehen worden, sofern nichts anderes angegeben ist.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Winkelmessvorrichtung 100 ge ^¬ mäß einem ersten Ausführungsbeispiel.

Die Winkelmessvorrichtung 100 in Fig. 1 ist zwischen zwei Werkstückflächen 1, 2 angeordnet, die einen zu bestimmenden Winkel cp mit einer Scheitelachse 5 einschließen. Die Werkstückflächen 1, 2 können Werkstückflächen eines selben Werkstücks oder Werkstückflächen verschiedener beispielsweise in fester räum ^¬ licher Anordnung zueinander angeordneter Werkstücke oder Objekte sein. Die Darstellung in Fig. 1 ist nicht maßstäblich.

Die Winkelmessvorrichtung 100 aus Fig. 1 weist einen Sender 10 auf, der einen Lichtstrahl 91 erzeugt; einen Richtrotor 3 mit einer ReflexionsfLäche 8, die mit dem Richtrotor 3 um eine Rotationsachse 4 umläuft und in Richtung der Rotati ^¬ onsachse 4 verläuft und den erzeugten Lichtstrahl 91 als abgestrahlten Licht- strahl 92 in einem umlaufenden Abstrahlwinkel α abstrahlt, und einen Empfän ^¬ ger 11, der im Wesentlichen bei dem Sender 10 angeordnet ist. Der Empfänger 11 gibt ein elektrisches Signal, das eine von dem Empfänger 11 empfange

Lichtintensität angibt, an eine Verarbeitungseinheit 24 aus. In Fig. 1 ist ein Zeitpunkt veranschaulicht, zu dem der abgestrahlte Lichtstrahl 92 unter dem momentanen Abstrahlwinkel α in Richtung einer Werkstückfläche 2 abgestrahlt wird.

Die Verarbeitungseinheit 24 umfasst eine Auswerteeinheit 17, eine Kalibrierein ^¬ heit 15 und eine Abstrahlwmkelgebereinheit 18. Die Verarbeitungseinheit 24 ist mit einer Speichereinheit 16 und einem Winkelgeber 9 verbunden. In der Spei ^¬ chereinheit 16 ist ein Fehlermodell (nicht gezeigt) gespeichert, das zur Modellie ^¬ rung von vorrichtungsspezifischen Fehlerursachen der Winkelmessvorrichtung 100 geeignet ist. In der Speichereinheit 16 können Kalibrierparameter für das Fehlermodell gespeichert werden, um die Winkelmessvorrichtung 100 durch Mo- dellieren ihrer vorrichtungsspezifischen Fehlerursachen zu kalibrieren. Dies wird später im Detail beschrieben. Der Winkelgeber 9 ist mit einer Welle (nicht gezeigt) eines den Richtrotor 3 antreibenden Synchronmotors (nicht gezeigt) ge ^¬ koppelt und gibt eine Drehstellung ω der Welle des Richtrotors 3 aus. Die Verar ^¬ beitungseinheit 24 bestimmt den Winkel cp als Funktion von Eingabewerten und -Signalen, die sie von dem Empfänger 11, dem Winkelgeber 9 und der Speicher ^¬ einheit 16 erhält, und gibt ein Signal aus, das den bestimmten Winkel cp als Mes ^¬ sergebnis anzeigt. Fig. 2 veranschaulicht ein Verfahren zum Bestimmen eines Winkels cp mit einer vorgeschlagenen Winkelmessvorrichtung. Das Verfahren wird nun anhand Fig. 2 und der in Fig. 1 gezeigten Winkeimes s Vorrichtung 100 erläutert.

Das Verfahren umfasst eine Verfahrensstufe Sl zum Kalibrieren der Winkel ^¬ messvorrichtung 100 und eine Verfahrens stufe S2 zum Bestimmen des zu be ^¬ stimmenden Winkels cp.

In Verfahrensstufe Sl werden in Schritt S10 mit Hilfe der Kalibriereinheit 15 der Verarbeitungseinheit 24 Kalibrierparameter bestimmt, bei denen es sich um Koeffizienten für das in der Speichereinheit 16 gespeicherte Fehlermodell han ^¬ delt. Die Kalibrierparameter werden derart bestimmt, dass das Fehlermodell zu ^¬ sammen mit den Kalibrierparametern die vorrichtungsspezifischen Fehlerursa ^¬ chen der Winkelmessvorrichtung 100 mindestens näherungsweise modelliert. Dies wird später im Detail beschrieben.

In Schritt S16 werden die in Schritt S10 bestimmten Kalibrierparameter in der Speichereinheit 16 gespeichert.

Zum Durchführen der Verfahrensstufe S2 zum Bestimmen des Winkels cp wird die Winkelmessvorrichtung 100 derart zwischen den zwei Werkstückflächen 1, 2 angeordnet, dass die Rotationsachse 4 des Richtrotors 3 im Wesentlichen achspa ^¬ rallel zu der Scheitelachse 5 des zu bestimmenden Winkels cp ist, wie in Fig. 1 gezeigt.

Der Sender 10 erzeugt (Schritt S2l) einen kontinuierlichen Lichtstrahl 91, der sich im Wesentlichen in einer Ausbreitungsrichtung von dem Sender 10 zu der Rotationsachse 4 des Richtrotors 3 ausbreitet. Der erzeugte Lichtstrahl 91 wird von der Reflexionsfläche 8 des gegen den Uhrzeigersinn umlaufenden Richtrotors 3 als abgestrahlter Lichtstrahl 92 in einer umlaufenden Abstrahlrichtung abge ^¬ strahlt (Schritt S22). Anders ausgedrückt fächert der umlaufende Richtrotor 3 den einfallenden Lichtstrahl 91 in eine Abstrahlebene (Zeichnungsebene in Fig. 1) auf.

In Fig. 1 bezeichnet der Winkel α den Abstrahlwinkel α zwischen der augenblick- liehen Abstrahlrichtung des abgestrahlten Lichtstrahls 92 und der Ausbreitungs ^¬ richtung des erzeugten Lichtstrahls 91. Der Winkel ω bezeichnet eine Drehstel ^¬ lung ω des Richtrotors bzw. der Reflexionsfläche 8 gegenüber einer Referenzlage, bei welcher die Reflexionsfläche 8 orthogonal zu der Ausbreitungsrichtung des erzeugten Lichtstrahls 91 ausgerichtet ist (gestrichelte Line in Fig. l). Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel gilt α = 2ω, d.h., während einer halben Um ^¬ drehung (Drehung um 180°) des Richtrotors 3 überstreicht der abgestrahlte Lichtstrahl 92 im Wesentlichen die gesamte Abstrahlebene (Drehung um 360°, ausgehend von der Referenzlage bei ct=0° bis nahezu 180° und weiter von unge ^¬ fähr -180° bis 0°).

Fig. 1 zeigt eine spezielle Abstrahlrichtung α = ct2, bei welcher der abgestrahlte Lichtstrahl 92 im Wesentlichen orthogonal auf die Werkstückfläche 2 trifft und antiparallel zu seiner Abstrahlrichtung als reflektierter Lichtstrahl 93 reflektiert wird. Dies hat zur Folge, dass der reflektierte Lichtstrahl 93 wieder auf die Re- flexionsfläche 8 des Richtrotors 3 trifft und von dort weiter in Richtung des Sen ^¬ ders 10 und im Speziellen des im Wesentlichen bei dem Sender 10 angeordneten Empfängers 11 reflektiert wird, so dass der Empfänger 11 den reflektierten Lichtstrahl 93 empfängt (Schritt S23). Der Empfänger 11 empfängt den reflek ^¬ tierten Lichtstrahl 93 ein weiteres Mal, wenn der abgestrahlte Lichtstrahl 91 bei einer Abstrahlrichtung α = cti im Wesentlichen orthogonal auf die Werkstückflä ^¬ che 1 trifft.

In Schritt S24 ermittelt die Verarbeitungseinheit 24 mittels der Abstrahlwinkel- gebereinheit 18 die Ab strahl winkel cti, ct2 des Lichtstrahls, bei denen der Emp- fänger den reflektierten Lichtstrahl 93 empfängt. Fig. 3 zeigt einen Signalverlauf des von dem Empfänger 11 an die Verarbeitungseinheit 24 ausgegebenen Signals S in Abhängigkeit vom Abstrahl winkel α des abgestrahlten Lichtstrahls 92. Die Verarbeitungseinheit 24 überwacht das Signal S und veranlasst, dass die Ab- strahlwinkelgebereinheit 18 den Winkel an ermittelt, wenn das Signal S einen vorgegeben Schwellwert L überschreitet, sowie den Winkel cti2 ermittelt, wenn das Signal unter den vorgegebenen Schwellwert L sinkt. Die Ab strahl winkelge- bereinheit 18 bezieht zum Ermitteln eines jeweiligen Abstrahlwinkels α jeweils eine Drehstellung ω des Richtrotors 3 von dem Winkelgeber 9 und multipliziert diese, um die Geometrie der in Fig. 1 gezeigten Anordnung zu berücksichtigen, mit zwei. Sodann bestimmt die Abstrahlwinkelgebereinheit 18 den Abstrahlwin ^¬ kel cti als Mittelwert der Winkel an und ai2. Der Ab strahl winkel a2 wird auf gleichartige Weise als Mittelwert der Winkel a2i und a22 bestimmt.

In Schritt S25 bestimmt die Verarbeitungseinheit 24 mittels der Auswerteeinheit 15 den Winkel cp als Funktion der ermittelten Abstrahlwinkel αι und a2, des in der Speichereinheit 16 gespeicherten Fehlermodells und der in der Speicherein - heit 16 gespeicherten Kalibrierparameter den Winkel cp. Gemäß Fig. 1 in Verbin ^¬ dung mit Fig. 3 ergibt sich der Winkel cp bei theoretischer Abwesenheit von vor ^¬ richtungsspezifischen Fehlerursachen durch den Ausdruck φ=180°-Δα, wobei die Auswerteeinheit 15, den Winkel cp und/oder die Ab strahl winkel αι und a2

und/oder deren Differenz Aa unter Verwendung des Fehlermodells und der Kalib- rierparameter korrigiert, wie später im Detail beschrieben.

Gemäß dem beschriebenen Verfahren wurde somit der Winkel cp berührungslos und mit hoher Genauigkeit bestimmt. In einer Variante des ersten Ausführungsbeispiels der Winkelmessvorrichtung 100 ist der Winkelgeber 9 nicht vorgesehen, und die Abstrahlwinkelgebereinheit 18 bestimmt die Abstrahlwinkel durch Zeitmessung, wie später im Detail be ^¬ schrieben. In einer weiteren Variante des ersten Ausführungsbeispiels ist die Reflexionsflä ^¬ che 8 nicht vorgesehen, und mindestens der Empfänger 10 und der Sender 11 sind auf dem Richtrotor 3 befestigt und laufen mit diesem um die Rotationsachse 4 um. In einer weiteren Variante läuft der Richtrotor 3 nicht kontinuierlich um, sondern führt eine periodische Pendelbewegung aus, so dass der Lichtstrahl nur über ein festgelegtes Winkelsegment von beispielsweise 180 Grad aufgefächert wird, was die elektrische Anbindung von Sender 11 und Empfänger 10 verein- facht.

Fig. 4 zeigt ein Anwendungsbeispiel für eine vorgeschlagene Winkelmessvorrich ^¬ tung 100. Im Speziellen zeigt Fig. 4 ein zu biegendes Werkstück 12 mit zwei Werkstückflächen 1, 2, das von einem Stempel 13 in eine Matrize 14 gepresst wird. Der Stempel ist beispielsweise ein Oberwerkzeug einer Blechbiegemaschi ^¬ ne. Die Winkelmessvorrichtung 100 ist ein von dem Stempel 100 unabhängiges Gerät wie beispielsweise ein Handwinkelmessgerät, das beispielsweise von einem Bediener zwischen die Werkstückflächen 1, 2 gehalten wird. Die Winkelmessvor ^¬ richtung 100 bestimmt fortwährend den Winkel cp zwischen den Werkstückflä- chen 1, 2, während das Werkstück 12 in die Matrize 14 gepresst wird. Wenn der gewünschte Winkel cp _S oii unter Einbeziehung einer werkstoffspezifischen Uber ^¬ biegung erreicht ist, beendet der Bediener das Pressen. So kann ein Werkstück mit einem gewünschten Winkel cp _S oii präzise hergestellt werden. Fig. 5 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer vorgeschlagenen Winkelmess ^¬ vorrichtung 200 in einer schematischen Seitenansicht. Nachstehend werden die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.

Die Winkelmessvorrichtung 200 ist als Handwinkelmessgerät ausgebildet und weist eine Anzeigeeinheit 23 zum Anzeigen des bestimmten Winkels cp sowie ein Tastenfeld 34 auf. Das Tastenfeld 34 wird als Bedienelement benutzt, um der Kalibriereinheit 15 des Handwinkelmessgeräts 200, wie später im Detail be ^¬ schrieben, den Beginn eines Kalibriervorgangs zu signalisieren, und/oder als Teil einer das Tastenfeld 34 und die Anzeigeeinheit 23 umfassenden Benutzerschnitt- Stelleneinheit, mit welcher ein Benutzer die in der Speichereinheit 16 gespeicher ^¬ ten Kalibrierparameter und/oder das Fehlermodell manuell festlegen und/oder korrigieren kann. Bei dem Handwinkelmessgerät 200 verläuft anders als bei der Winkelmessvor ^¬ richtung 100 die Rotationsachse 4 des von einem Miniatur- Synchronmotor 6 über eine Welle 7 angetriebenen Richtrotors 3 achsgleich mit der Ausbreitungsrich- tung des erzeugten Lichtstrahls 91. Die Reflexionsfläche 8 des Richtrotors 3 ver ^¬ läuft in einem Winkel von 45° schräg zu der Rotationsachse 4 des Richtrotors 3. Der erzeugte Lichtstrahl 91 wird somit als abgestrahlter Lichtstrahl 92 in einer Abstrahlebene aufgefächert, die orthogonal sowohl zu der Rotationsachse 4 des Richtrotors 3 als auch zu der Ausbreitungsrichtung des erzeugten Lichtstrahls 91 steht. Die Drehstellung ω des Richtrotors und der Abstrahlwinkel α des von dem Richtrotor 3 abgestrahlten Lichtstrahls 92 sind im zweiten Ausführungsbei ^¬ spiel, abgesehen von möglichen Abweichungen aufgrund vorrichtungsspezifischer Fehlerursachen, identisch. Das Handwinkelmessgerät 200 weist ferner einen Zeitgeber 21 auf, der ein ge- taktetes Zeitsignal an die Verarbeitungseinheit 24 ausgibt, sowie einen in der Abstrahlebene angeordneten Referenzsignalgeber 20, wie eine Photodiode. Die Photodiode 20 gibt ein Referenzsignal an die Verarbeitungseinheit 24 aus, wenn die Photodiode 20 von dem umlaufenden abgestrahlten Lichtstrahl 92 überstri- chen wird, was in Fig. 5 durch einen gestrichelten Pfeil angedeutet ist.

Ein Winkelgeber für die Drehstellung des Richtrotors 3 ist nicht vorgesehen. Die Abstrahlwinkelgebereinheit 18 des Handwinkelmessgeräts 200 ermittelt in Schritt S24 die Abstrahlwinkel, bei denen der Empfänger 11 den reflektierten Lichtstrahl 93 empfängt, durch Zeitmessung, wie im Folgenden anhand von Fig. 6 beschrieben wird.

Fig. 6 zeigt eine Auftragung eines Signalverlaufs des Empfängers 11 in Abhän ^¬ gigkeit von der Zeit bei dem Handwinkelmessgerät 200. Da der Richtrotor 3 mit einer im Wesentlichen konstanten Rotationsgeschwindigkeit umläuft, ist der zeitabhängige Signalverlauf aus Fig. 6 qualitativ derselbe wie der winkelabhän ^¬ gige Signalverlauf aus Fig. 3. Die Abstrahlwinkelgebereinheit 18 des Handwinkelmessgeräts 200 bestimmt daher anhand des getakteten Zeitsignals des Zeitgebers 21 die Zeitpunkte ti und t2, bei denen der Empfänger 11 den reflektierten Lichtstrahl 93 empfängt, analog zum ersten Ausführungsbeispiel durch Bilden eines Mittelwerts zwischen jewei ^¬ ligen Zeitpunkten tu, ti2 bzw. t2i, t22, bei denen das Signal des Empfängers 11 einen vorbestimmten Schwellwert L über- bzw. unterschreitet. Anschließend er ^¬ mittelt die Abstrahlwinkelgebereinheit 18 die Ab strahl winkel cti, ct2, bei denen der Empfänger 11 den abgestrahlten Lichtstrahl 3 empfängt, indem sie die Zeit- punkte ti und t2 mit der Umlaufdauer T des abgestrahlten Lichtstrahls 92 in Re ^¬ lation setzt: cti = (ti"to) / T, mit i=l,2. Den Zeitpunkt to, bei dem der abgestrahlte Lichtstrahl 92 in der Referenzrichtung (ct=0) abgestrahlt wird, bestimmt die Ab ^¬ strahlwinkelgebereinheit 18 als den Zeitpunkt, zu dem der Referenzsignalgeber 18 ein Referenzsignal ausgibt, und die Umlauf dauer T bestimmt die Abstrahl- winkelgebereinheit 18 aus der Zeitdifferenz zwischen zwei Referenzsignalen.

Auf diese Weise kann auf den Winkelgeber 9 für die Drehstellung des Richtrotors 3 verzichtet werden, und es können eine besonders kompakte Bauform und nied ^¬ rige Herstellungskosten des Handwinkelmessgeräts 200 erzielt werden.

Die Verarbeitungseinrichtung 24 des Handwinkelmessgeräts 200 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel weist ferner eine Abstrahlwinkel- Korrektureinheit 22 auf. Die Abstrahlwinkel-Korrektureinheit 22 bestimmt in Schritt S25 korri ^¬ gierte Ab strahl winkel akon- * ctkoir,2, indem sie die Abstrahlwinkel cti, ct2 unter Verwendung des in der Speichereinheit 16 gespeicherten Fehlermodells und der in der Speichereinheit 16 gespeicherten Kalibrierparameter korrigiert, wie nach ^¬ stehend näher beschrieben. Anschließend bildet die Auswerteeinheit 15 die Win ^¬ keldifferenz Δα= Q-korr 1 Ctkorr2 und bestimmt den Winkel cp zu cp = 180° - Δα. Bei den vorgestellten Ausführungsbeispielen einer vorgeschlagene Winkelmess ^¬ vorrichtung 100, 200 können insbesondere folgende vorrichtungsspezifische Fehlerursachen vorliegen, die die Messgenauigkeit der Winkelbestimmung be- einträchtigen:

Insbesondere wenn die Winkelmessvorrichtung 100, 200 ein Handgerät ist, be- stehen Bestrebungen, die Winkelmessvorrichtung 100, 200 möglichst kompakt zu halten. Der Motor 6 kann insbesondere nur wenige Millimeter Durchmesser auf ^¬ weisen. Dadurch ist das Massenträgheitsmoment des Motors 6 sehr klein, und Asymmetrien und Rastmomente in einem magnetischen System des Motors 6 können zu Schwankungen der Winkelgeschwindigkeit innerhalb eines Umlaufs führen, auch wenn eine Umlaufdurchschnittsgeschwindigkeit des Motors 6 über mehrere Umdrehungen konstant gehalten wird. Wird ebenfalls im Zuge der Mi ^¬ niaturisierung auf den Winkelgeber 9 verzichtet und werden, wie vorstehend be ^¬ schreiben, die Ab strahl winkel cti, ct2 basierend auf den Zeitpunkten ti, t2, bei de ^¬ nen der Empfänger 11 den reflektierten Lichtstrahl 3 empfängt, sowie der Um- laufdauer T des von dem Richtrotor 3 abgestrahlten Lichtstrahls 92 bestimmt, so führt eine ungleichmäßige Winkelgeschwindigkeit des Motors 6 zu einem um ei ^¬ nen Nullpunkt oszillierenden Fehler der ermittelten Ab strahl winkel cti, ct2. Das heißt, abhängig von der Drehstellung ω des Richtrotors 3 bzw. abhängig von dem Absolutwert des tatsächlichen Abstrahlwinkels α werden abwechselnd zu kleine und zu große Ab strahl winkel α bestimmt. Je nach einer relativen Orientierung der Winkelmessvorrichtung 100, 200 zu den Werkstückflächen 1, 2 erfolgt die Bestimmung des Winkels cp bei unterschiedlichen absoluten Abstrahlwinkeln cti, ct2, so dass sich je nach der Orientierung voneinander abweichende, um einen Mittelwert oszillierende Bestimmungen der Abstrahlwinkel cti, ct2 und damit des Winkels cp ergeben.

Weiterhin ist es bei einer miniaturisierten Winkelmessvorrichtung 100, 200 schwierig, die Rotationsachse 4 des Richtrotors 3 und die Ausbreitungsrichtung des erzeugten Lichtstrahls 91, d.h. die Achse des Senders 10, exakt aneinander auszurichten. Weicht beispielsweise bei der Anordnung der Winkelmessvorrich ^¬ tung 200 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel die Ausrichtung des Senders 10 um einen bestimmten Winkelfehler von der Rotationsachse 4 des Richtrotors 3 ab, so bewirkt dies während eines Umlaufs der Reflexionsfläche 8 des Richtrotors 3 ein umlaufsynchrones Umwandern des in die Abstrahlebene aufgefächerten abgestrahlten Lichtstrahls 92 entlang eines Kegelmantels um eine gedachte Ach ^¬ se oder Abstrahlrichtung, wie sie bei fehlerfreier Ausrichtung vorläge. Somit eilt der Abstrahlwinkel des abgestrahlten Lichtstrahls 92 entlang einer Hälfte eines Umlaufes gegenüber der Drehstellung des Richtrotors 3 vor und fällt entlang der anderen Hälfte gegenüber der Drehstellung des Richtrotors 3 zurück. Auch in diesem Fall ergibt sich also ein abhängig von der Orientierung der Winkelmess ^¬ vorrichtung 200 gegenüber den Werkstückflächen 2, 1 um einen Nullpunkt oszil- lierender Fehler der ermittelten Ab strahl winkel cti, ct2.

Eine weitere vorrichtungsspezifische Fehlerursache liegt in der vorstehend be ^¬ schriebenen Anordnung des Empfängers 11 im Wesentlichen bei dem Sender 10. Soll im Zuge der Miniaturisierung auf einen halbdurchlässigen Spiegel im Strah ^¬ lengang verzichtet werden, so wäre es theoretisch erforderlich, den Empfänger 11 exakt auf der Achse des von der Reflexionsfläche 8 in Richtung Sender 10 reflek ^¬ tierten Lichtstrahls 93 anzuordnen, damit der Empfänger 11 den reflektierten Lichtstrahl 3 empfängt, wenn dieser exakt antiparallel von einer der Werkstück ^¬ flächen 1, 2 reflektiert wird.

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung einer Laserdiode 10, die beispielsweise in dem Handwinkelmessgerät 200 als Sender 10 mit in den Sender 10 integrier ^¬ tem Empfänger 11 benutzt wird. Die Laserdiode weist eine Kapsel 26 mit einem Glasfenster 25, einen Laserchip 28, eine Monitordiode 29 und eine Basis 30 auf. Die Monitordiode 29 erfasst einen zur vom Laserchip 28 abgegebenen Laserleis ^¬ tung proportionalen Lichtanteil direkt von einer teildurchlässig verspiegelten Rückseite des Laserchips 28 und gleichzeitig den von außen von einer der Werk ^¬ stückflächen 1,2 zur Laserdiode 10 zurück reflektierten Lichtstrahl 93 und liefert ein zur gesamten erfassten Lichtmenge proportionales Stromsignal. Die Moni- tordiode 29 dient daher bei dem Handwinkelmessgerät 200 als Empfänger 11. Der Laserchip 28 erzeugt Laserlicht mit einem Öffnungswinkel von beispielswei ^¬ se 8° bis 22° aus einer nur wenige μηι kleinen, also nahezu ideal punktförmigen Abstrahlfläche. Aus diesem Grund ist bei dem Handwinkelmessgerät 200 eine Kollimationsoptik 19 vorgesehen, die das erzeugte Laserlicht zu einem Strahl bündelt. Die Laserdiode 10 ist deswegen derart positioniert, dass der Laserchip 28 im Brennpunkt der Kollimationsoptik 19 liegt. Die Monitordiode 29 weist eine gegenüber der Abstrahlfläche des Laserchips vergleichsweise großflächige Aus ^¬ dehnung auf und ist in einem gewissen Abstand zu dem im Brennpunkt positio ^¬ nierten Laserchip 28 und damit abseits der Achse 35 des erzeugten Lichtstrahls 91 und damit auch des exakt antiparallel reflektierten Lichtstrahls 93 positio ^¬ niert. Insbesondere ist die Zentrumsachse 27 des Sichtfelds der Monitordiode 29 aufgrund der gegenüber der Achse 35 des erzeugten Lichtstrahls außermittigen Positionierung gegenüber der Ausbreitungsrichtung des von der Kollimationsop ^¬ tik 19 gebündelten erzeugten Lichtstrahls 91 verschwenkt. Infolgedessen emp- fängt die Monitordiode 29 (Empfänger 11) den reflektierten Lichtstrahl 93 insbe ^¬ sondere bei kurzen Distanzen zu den Werkstückflächen 1, 2 nicht exakt dann, wenn der abgestrahlte Lichtstrahl 92 senkrecht auf die Werkstückfläche 1,2 auf ^¬ tritt und exakt antiparallel zu seiner Abstrahlrichtung reflektiert wird. Vielmehr empfängt die Monitordiode 92 den reflektierten Lichtstrahl 93, wenn dieser un- ter einem geringfügig von 180° verschiedenen Winkel von einer der Werkstück ^¬ flächen 1, 2 reflektiert wird. Dies stellt eine weitere vorrichtungsspezifische Fehlerursache für einen orientierungsabhängigen Fehler der ermittelten Ab ^¬ strahlwinkel cti, ct2 dar. Die vorgeschlagene Winkelmessvorrichtung 200 weist, wie vorstehend beschrie ^¬ ben, eine Kalibriereinheit 15 auf, die zum Bestimmen von Kalibrierparametern eingerichtet ist, eine Speichereinheit 16, die zum Speichern der Kalibrierparame ^¬ ter und eines Fehlermodells eingerichtet ist, und eine Auswerteeinheit 17 und/oder eine Abstrahlwinkel-Korrektureinheit 18, die dazu eingerichtet ist, die ermittelten Ab strahl winkel cti, ct2 anhand des Fehlermodells und der Kalibrier ^¬ parameter zu korrigieren, um korrigierte Abstrahlwinkel ai,korr, ct2,korr zu ermit ^¬ teln und den Winkel cp als Funktion der korrigierten Ab strahl winkel tl,korr, Ct2,korr zu bestimmen. Nachstehend werden anhand der Figuren 8 bis 11 ein Fehlermo ^¬ dell und Verfahrensschritte zum Kalibrieren der Winkelmessvorrichtung 200 näher beschrieben. Fig. 8 zeigt eine Auftragung eines Signalverlaufs S(ct) des Empfängers 11, eines Fehlermodells f(ct) und eines korrigierten Signalverlaufs S'(ct) des Empfängers 11 in Abhängigkeit von dem Ab strahl winkel α des abgestrahlten Lichtstrahls 92.

Der lang gestrichelte Signalverlauf S(ct) stellt den tatsächlichen Signalverlauf des Empfängers 11 in Abhängigkeit von einem von der Abstrahlwinkelgeberein- heitl8 ermittelten, fehlerbehafteten Ab strahl winkel α dar. Die kurz gestrichelte Linie ist eine Auftragung eines sinusoidalen Fehlermodells f(ct), bei dem es sich um eine mathematische Funktion handelt, die einem ermittelten, fehlerbehafte ^¬ ten Abstrahlwinkel α einen modellierten Betrag des Fehlers f(ct) zuordnet.

Das Fehlermodell kann beispielsweise in Form von Anweisungen in der Spei ^¬ chereinheit 26 gespeichert sein, wobei die Anweisungen, wenn sie von der Verar ^¬ beitungseinheit 24 ausgelesen und ausgeführt werden, die Verarbeitungseinheit 24 dazu veranlassen, die mathematische Funktion f(ct) auszuwerten. Alternativ hierzu kann ein Abschnitt der Speichereinheit 26, in dem das Fehlermodell f(ct) gespeichert ist, als fest verdrahtete Schaltung ausgebildet sein. Die Funktion f(a) kann alternativ und näherungsweise auch in Form einer Wertetabelle im Spei ^¬ cher hinterlegt sein. Der durchgezogen dargestellte Signalverlauf S'(ct) stellt einen korrigierten Sig ^¬ nalverlauf dar. Das heißt, S'(ct) ist eine Auftragung des Signals des Empfängers 11 in Abhängigkeit eines um den mit dem Fehlermodell f(ct) model ^¬ lierten Fehler korrigierten Abstrahlwinkels ctkorr = et— f(ct). Dementsprechend sind die beiden Maxima des korrigierten Signalverlaufs S'(ct) in der Horizontalen um den Betrag des in der Vertikalen aufgetragenen Fehlers f(ct) verschoben. Unter der theoretischen Annahme, dass das Fehlermodell f(ct) den von den vor ^¬ richtungsspezifischen Fehlerursachen versachten Winkelfehler der ermittelten Ab strahl winkel α exakt modelliert, handelt es sich bei der anhand der Maxima des korrigierten Signalverlaufs S'(ct) ermittelten Abstrahlwinkeldifferenz Δα= ct2,koir— Aai,korr um diejenige Abstrahlwinkeldifferenz, deren Verwendung durch die Auswerteeinheit 17 zur Bestimmung des tatsächlichen korrekten Winkels cp führt. In der Praxis sind Varianten denkbar, in denen das Fehlermodell f(a) den tatsächlichen Fehler näherungsweise modelliert und somit die Genauigkeit der Bestimmung des Winkels cp mindestens verbessert.

In Fig. 8 ist die korrigierte Abstandswinkeldifferenz Act größer als die unkorri ^¬ gierte Abstandswinkeldifferenz der gestrichelten Maxima, weil das erste Maxi ^¬ mum des korrigierten Signalverlaufs S'(ct) weiter links als das Maximum des er ^¬ mittelten Signalverlaufs S(ct) liegt, während das zweite Maximum weiter rechts liegt. Man sieht jedoch, dass bei anderen Absolutwerten des Abstrahlwinkels α an anderen Orten des Verlaufs von f(ct) eine korrigierte Abstandswinkeldifferenz Act auch kleiner sein könnte als eine unkorrigierte Abstandswinkeldifferenz. Mit anderen Worten oszilliert die Abweichung der ermittelten von den korrigierten Abstandswinkeldifferenzen Δα ebenso wie die Abweichung der ermittelten von den korrigierten Abstandswinkeln α sinusoidal um einen Nullpunkt. Anders aus ^¬ gedrückt würde die Winkelmessvorrichtung 200, wenn sie das Fehlermodell f(ct) unberücksichtigt lässt, unterschiedliche Winkel cp bestimmen, die um den tat ^¬ sächlichen Winkel cp sinusoidal oszillieren, je nachdem, wie die Winkelmessvor ^¬ richtung 200 gegenüber den Werkstückflächen 1, 2 orientiert ist.

Um den gewünschten Effekt einer Verbesserung der Messgenauigkeit einer ins ^¬ besondere berührungslosen Winkelmessvorrichtung 100, 200 zu erreichen, wer ^¬ den gemäß einem vorgeschlagenen Verfahren bei einem Kalibriervorgang Kalib ^¬ rierparameter bestimmt (Schritt S10), bei denen es sich um beispielsweise Koef- fizienten für das in der Speichereinheit 16 der Winkelmess Vorrichtung 100, 200 gespeicherte Fehlermodell f(ct) handelt. Mit Hilfe der Kalibrierparameter wird das Fehlermodell f(ct) an die tatsächlichen vorrichtungsspezifischen Fehlerursa ^¬ chen angepasst.

Der Kalibriervorgang, bei dem das Bestimmen der Kalibrierparameter erfolgt, wird im Folgenden anhand der Figuren 9 bis 11 beschrieben. Die Beschreibung erfolgt für das Handwinkelmessgerät 200, es besteht jedoch keine Einschrän ^¬ kung in dieser Hinsicht.

Fig. 9 veranschaulicht die einzelnen Schritte Sil bis S15 des Schritts S10 zum Bestimmen der Kalibrierparameter gemäß einem vorgeschlagenen Verfahren.

Fig. 10 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung eines Kalibriervorgangs einer Winkelmessvorrichtung, wie des Handwinkelmessgeräts 200. Der Kalibriervorgang beginnt, indem von einem Bediener ein Kalibrierwinkel ^¬ stück 31 bereitgestellt wird (Schritt Sil), das zwei ebene Flächen 31, 32 auf ^¬ weist, die einen unveränderlichen Kalibrierwinkel cp _re f einschließen, und das Handwinkelmessgerät 200 derart angeordnet wird, dass die Rotationsachse 4 des Richtrotors 3 im Wesentlichen achsparallel zu der Scheitelachse 5 des Kalibrier- winkels cp _re f angeordnet ist (Schritt S12).

Der Bediener kann den Beginn des Kalibriervorgangs beispielsweise durch Betä ^¬ tigen einer Taste des Tastenfelds 34 des Handwinkelmessgeräts 200 an die Ka ^¬ libriereinheit 15 der Verarbeitungseinheit 24 signalisieren.

Anschließend verschwenkt (Schritt S13) der Bediener das Handwinkelmessgerät 200 im Wesentlichen um die Rotationsachse 4 des Richtrotors 3 zwischen den drei Schwenkpositionen -ß, 0°, +ß. Fig. IIa zeigt den Signalverlauf S(a) des Empfängers 11 während des Ver ^¬ sen wenkens an einer Schwenkposition -ß (gestrichelt dargestelltes Handwinkel ^¬ messgerät 200 in Fig. 10), Fig. IIb zeigt den Signalverlauf S(a) des Empfängers 11 während des Verschwenkens an einer Schwenkposition + ß (gepunktet darge ^¬ stelltes Handwinkelmessgerät 200 in Fig. 10) und Fig. 11c zeigt den Signalver ^¬ lauf S(ct) des Empfängers 11 an einer Schwenkposition 0° (durchgezogen darge ^¬ stelltes Handwinkelmessgerät 200 in Fig. 10).

Wie den Figuren IIa - 11c zu entnehmen ist, stellt die Schwenkposition ß ein Offset für die Absolutwerte der jeweiligen ermittelten Abstrahlwinkel cti,2 dar, bei denen der Empfänger 11 den reflektierten Lichtstrahl 93 empfängt und Ma- xima des Signalverlaufs S(ct) auftreten, während die Abstände zwischen den Ab- strahlwinkeln cti,2 in den Figuren IIa— 11c jeweils im Wesentlichen gleich sind, d.h. gleich bis auf durch die vorrichtungs spezifischen Fehlerursachen bedingte Abweichungen.

Während des Verschwenkens veranlasst die Kalibriereinheit 15 die Verarbei- tungseinheit 24 dazu, mittels der Auswerteeinheit 17 wiederholt und insbesonde ^¬ re bei jeder der drei Schwenkpositionen -ß, 0°, +ß den Kalibrierwinkel cp _re f zu be ^¬ stimmen (S14), wozu wiederholt die Schritte S20 bis S25 des in Fig. 2 veran ^¬ schaulichten Verfahrens durchgeführt werden. Die Kalibrierparameter können dabei zu null initialisiert sein oder es kann auf andere Weise durch ein Flag oder dergleichen veranlasst werden, dass das Fehlermodell zunächst ohne Berück ^¬ sichtigung bleibt.

Wie vorstehend beschrieben, kann es aufgrund der vorrichtungsspezifischen Fehlerursachen zu Abweichungen der ermittelten Ab strahl winkel cti, ct2, bei de- nen der Empfänger 11 den reflektierten Lichtstrahl 93 empfängt, von den theore ^¬ tischen in einem fehlerfreien Fall ermittelten Abstrahlwinkeln cti, ct2 führen, so dass sich bei jeder der drei Schwenkpositionen -ß, 0°, +ß unterschiedliche Be ^¬ stimmungsergebnisse für den Kalibrier winkel cp _re f ergeben. In Schritt S15 bestimmt die Kalibriereinheit 15 die Kalibrierparameter derart, dass eine Abweichung der Bestimmungen für den Kalibrierwinkel cp _re f bei den Schwenkpositionen -ß, 0°, +ß minimiert wird, wenn die Bestimmungen unter Be ^¬ rücksichtigung des Fehlermodells f(ct) und der Kalibrierparameter erfolgt.

In einem Ausführungsbeispiel handelt es sich bei dem Fehlermodell f(ct) um eine Linearkombination der Sinus- und der Cosinusfunktion des Abstrahlwinkels f(ct) = k _s sin(ct) + k _c cos(ct). Die Sinus- und die Cosinusfunktion sind in den Figu ^¬ ren IIa bis 11c schematisch gestrichelt dargestellt. Wie anhand von Fig. 8 bereits erläutert wurde, können durch ein sinusoidales Fehlermodell f(ct) die Maxima des korrigierten Signalverlaufs S'(ct) gegenüber den Maxima des ursprünglichen Sig- nalverlaufs S(ct) verschoben werden, d.h., der Abstand zwischen den Maxima kann je nach Absolutwert des jeweiligen Abstrahlwinkels α enger oder breiter gemacht werden. Die Kalibiereinheit 15 bestimmt somit die Kalibrierparameter bzw. Koeffizienten k _s und k _c derart, dass der Abstand zwischen den in den Fig. IIa bis 11c jeweils gezeigten Maxima in den Signalverläufen für jede der

Schwenkpositionen so weit wie möglich ausgeglichen wird. Es versteht sich, dass durch Variation der Koeffizienten k _s und k _c jede beliebige Amplitude und Pha ^¬ senlage des sinusoidalen Fehlermodells f(ct) dargestellt werden kann.

Die Kalibiereinheit 15 kann die Kalibrierparameter, bei denen die Abweichung zwischen den Bestimmungen des Kalibrierwinkels cp _re f minimiert wird, auf rech ^¬ nerischem Wege bestimmen, oder sie kann ein numerisches Verfahren einsetzen, bei dem die Kalibriereinheit 15 einen Koordinatenraum k _s , k _c durchiteriert und für jeden bei der Iteration durchlaufenden Punkt k _s , k _c für jede der Schwenkposi ^¬ tionen -ß, 0°, +ß eine wiederholte Bestimmung des Kalibrierwinkels cp _re f unter Berücksichtigung des Fehlermodells f(ct) mit den jeweiligen Werten für die Kalib ^¬ rierparameter k _s , k _c veranlasst. Hierbei kann lediglich die rechnerische Bestim ^¬ mung des Kalibrierwinkels cp _re f mit den jeweiligen Werten für die Kalibrierpara ^¬ meter k _s , k _c wiederholt werden, sofern die ermittelten Abstrahlwinkel cti, ct2 für jede der Schwenkpositionen -ß, 0°, +ß beispielsweise in der Speichereinheit 16 zwischengespeichert worden sind, oder es kann jeweils eine neue Messung gemäß den Schritten S21 bis S25 des Verfahrens aus Fig. 2 durchgeführt werden. Beim Iterieren durch den Koordinatenraum kann sich die Kalibrier einheit 15 bei- spielsweise mittels der Konjugierte- Gradienten-Methode denjenigen Kalibrierpa ^¬ rametern k _s , k _c nähern, für die die Abweichung der Bestimmungen für den Kalib ^¬ rierwinkel cpref für jede der Schwenkpositionen -ß, 0°, +ß minimiert wird. In einer Variante wird die Schwenkposition ß = 0° derart gewählt, dass die Refe ^¬ renzrichtung, bei welcher ein Ab strahl winkel α zu 0° bestimmt wird, im Wesent ^¬ lichen mit der Winkelhalbierenden des Kalibrierwinkels cp _re f zusammenfällt. In dieser Variante wird der Parameter k _s zu null gesetzt, und der Kalibrierparame ^¬ ter k _c wird rechnerisch oder iterativ numerisch derart bestimmt, dass eine Ab- weichung zwischen den Bestimmungen für den Kalibrierwinkel cp _re f bei den

Schwenkpositionen -ß und +ß minimiert wird. Anschließend wird bei festem Ka ^¬ libierparameter k _c der Kalibrierparameter k _s rechnerisch oder iterativ numerisch derart bestimmt, dass eine Abweichung zwischen den Bestimmungen für den Ka ^¬ librierwinkel cpref bei den Schwenkpositionen -ß, 0° und +ß minimiert wird. Auf diese Weise wird vorteilhafterweise zweimal ein eindimensionaler Koordinaten ^¬ raum durchlaufen, wodurch im Vergleich zu der Variante, bei der ein zweidimen ^¬ sionaler Koordinatenraum durchlaufen wird, Rechenzeit eingespart werden kann. In einer Weiterbildung kann, wenn bei Schritt S15 die minimale erreichte Ab ^¬ weichung der Bestimmungen für den Kalibrierwinkel cp _re f bei den Schwenkpositi ^¬ onen -ß, 0° und +ß einen vorgegebenen Maximalwert nicht unterschreitet, die Kalibriereinheit 15 ein präziseres Fehlermodell bestimmen und in der Speicher ^¬ einheit 16 speichern, welches beispielsweise zusätzlich eine Linearkombination von Sinus- und Cosinusfunktionen ganzzahliger Vielfacher des Abstrahlwinkels α mit zugehörigen Koeffizienten als Kalibrierparameter umfasst, und Schritt S15 wird erneut durchgeführt, wobei die ursprünglichen und die zusätzlichen Koeffi ^¬ zienten derart bestimmt werden, dass die Abweichung der Bestimmungen des Kalibrierwinkels cp _re f minimiert wird. In einer bevorzugten Weiterbildung um- fasst das präzisere Fehlermodell Linearkombination von Sinus- und Cosinus ^¬ funktion des Dreifachen des Abstrahlwinkels ct. Ein solches Fehlermodell erlaubt die Korrektur von Fehlerursachen, wie starken Rastmomenten des Motors 6, welche in einem Winkelabstand entsprechend der ausgeführten magnetischen Phasen auftreten.

Nachdem in Schritt S15 ein geeignetes Fehlermodell f(ct) und geeignete Kalib- rierparameter k _s , k _c , ... bestimmt wurden, werden diese in Schritt S16 in der Speichereinheit 16 des Handwinkelmessgeräts 200 gespeichert.

Der Kalibriervorgang ist damit abgeschlossen. Es sei angemerkt, dass eine Kenntnis des Kalibrierwinkels cp _re f für die Durchführung des beschriebenen Ka ^¬ libriervorgangs nicht erforderlich ist. Die Kalibrierung erfolgt durch ein einfa ^¬ ches Verschwenken des Handwinkelmessgeräts 200 zwischen drei Schwenkposi ^¬ tionen Schwenkpositionen -ß, 0°, +ß innerhalb des Kalibierwinkelstücks 32 ohne Eingabe weiterer Parameter. Das kalibrierte Handwinkelmessgerät 200 kann benutzt werden, um einen Win ^¬ kel cp zwischen zwei ebenen Flächen 1, 2 zu bestimmen, wobei, da in Schritt S25 des in Fig. 2 veranschaulichten Winkelbestimmungsverfahrens das Fehlermodell f(ct) und die Kalibrierparameter k _s , k _c , ... aus der Speichereinheit 16 berücksich ^¬ tigt werden, das Handwinkelmessgerät 200 einen zu bestimmenden Winkel cp näherungsweise unabhängig von der relativen Orientierung des Handwinkel ^¬ messgeräts 200 gegenüber den ebenen Flächen 1, 2 bestimmen kann. Somit streuen die Messergebnisse weniger, und die Messgenauigkeit des Handwinkel ^¬ messgeräts 200 ist im Vergleich zu einem nicht kalibrierten Handwinkelmessge ^¬ rät ohne die vorgeschlagene Kalibriereinheit 15, Speichereinheit 16 und Ab- strahl winkel- Korrektureinheit 18 verbessert. Dank der Kalibrierung kann eine gute Messgenauigkeit auch dann erreicht werden, wenn das Handwinkelmessge ^¬ rät 200 keinen Winkelgeber, keinen Diagonalspiegel im Strahlengang und stark miniaturisierte Bauteile aufweist, deren exakte Justierung aufwändig und kost ^¬ spielig oder unmöglich ist. So kann eine Miniaturisierung des Handwinkelmess- geräts 200 und eine Senkung der Entwicklungs- und Herstellungskosten erzielt werden. Das Durchführen der Kalibrierung kann von Hand durch einen Benut ^¬ zer durch einfaches Verschwenken des Handwinkelmessgeräts 200 erfolgen. Obwohl die vorliegende Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrie ^¬ ben wurde, ist sie vielfältig modifizierbar. Beispielsweise kann beim ersten Ausführungsbeispiel der Winkelgeber 9 wegge ^¬ lassen werden, und die Ermittlung der Ab strahl winkel α kann wie beim zweiten Ausführungsbeispiel zeitbasiert erfolgen. Aufgrund der in Fig.l gezeigten Anord ^¬ nung des ersten Ausführungsbeispiels, bei welcher die Reflexionsfläche 8 ortho ^¬ gonal zu der Ausbreitungsrichtung des erzeugten Lichtstrahls 91 angeordnet ist, kann hierbei besonders vorteilhafterweise auch der Referenzsignalgeber 20 weg ^¬ gelassen werden, und das Referenzsignal kann stattdessen anhand des Signals des Empfängers Sil ermittelt werden, das dieser ausgibt, wenn der reflektierte Lichtstrahl 93 bei einer in Fig. 1 horizontalen Drehstellung des Richtrotors den Empfänger Sil überstreicht, ohne zuvor zu einer der Werkstückflächen 2, 3 ge- laufen zu sein.

Anstelle einer Linearkombination von Sinus- und Cosinusfunktionen mit den Koeffizienten als Kalibrierparameter kann als Fehlermodell f(ct) auch nur eine Sinusfunktion oder nur eine Cosinusfunktion mit den Kalibrierparametern Amplitude und Phasenlage gewählt werden. Es können je nach zu modellieren ^¬ dem Fehler auch andere orthogonale trigonometrische oder sonstige Funktionen für das Fehlermodell f(ct) gewählt werden.

Der Kalibriervorgang, welcher die Schritte Sil bis S15 der Verfahrensstufe Sl zum Bestimmen und Speichern der Kalibrierparameter des vorgeschlagenen Winkelbestimmungsverfahrens umfasst, wurde beispielhaft anhand des Hand- winkelmessgeräts 200 beschrieben, wobei die Schritte im Zusammenspiel zwi ^¬ schen einem Bediener, der das Handwinkelmessgerät 200 verschwenkt, und ei ^¬ ner automatisierten Kalibriereinheit 15, welche die Kalibrierparameter k _s , k _c anhand der an den Schwenkpositionen -ß, 0°, + ß ermittelten Ab strahl winkel cti, ct2 bestimmt, durchgeführt wurden. Der Kalibriervorgang kann jedoch auch voll ^¬ kommen automatisch erfolgen, wobei eine externe Vorrichtung eine Winkelmess- Vorrichtung 100, 200 verschwenkt. Der Kalibriervorgang kann ebenso vollständig manuell erfolgen, wobei ein Bediener beispielsweise ein Handwmkelmessgerät 200 verschwenkt, und anhand der jeweiligen angezeigten Ergebnisse der Be ^¬ stimmung des Kalibrierwinkels cp _re f geeignete Kalibrierparameter k _s , k _c , ...

und/oder ein geeignetes Fehlermodell f(ct) bestimmt und über eine beispielsweise aus der in Fig. 5 gezeigten Anzeigeeinheit 23 und dem in Fig. 5 gezeigten Tasten ^¬ feld 34 gebildete Benutzerschnittstelleneinheit in das Handwinkelmessgerät 200 eingibt bzw. unter mehreren angebotenen Optionen ein gewünschtes Fehlermo ^¬ dell f(ct) und/oder Kalibrierparameter k _s , k _c , ... auswählt.

Die für den Kalibriervorgang verwendeten Schwenkpositionen sind nicht auf die Schwenkpositionen -ß, 0°, +ß eingeschränkt, und es können beliebige und beliebig viele Schwenkpositionen verwendet werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

100, 200 Vorrichtung zum Bestimmen eines Winkels

1, 2 Werkstückfläche

3 Richtrotor

4 Rotationsachse

5 Scheitelachse

6 Motor

7 Welle

8 Reflexionsfläche

9 Winkelgeber

10 Sender

11 Empfänger

12 Werkstück

13 Stempel

14 Matrize

15 Kalibriereinheit

16 Speichereinheit

17 Auswerteeinheit

18 Abstrahlwinkelgebereinheit

19 Kollimationsoptik

20 Referenzsignalgeber

21 Zeitgeber

22 Abstrahlwinkel-Korrektureinheit

23 Anzeigeeinheit

24 Verarbeitungseinheit

25 Glasfenster

26 Kapsel

27 Zentrumsachse des Sichtfelds der Monitordiode

28 Laserchip

29 Monitordiode

30 Basis 31 Kalibrierwinkelstück

32, 33 ebene Flächen

34 Bedienelement

35 Achse des erzeugten Lichtstrahls

91 erzeugter Lichtstrahl

92 abgestrahlter Lichtstrahl

93 reflektierter Lichtstrahl

φ zu bestimmender Winkel

⁽ Pcal Kalibrierwinkel

ω Drehstellung des Richtrotors

α Ab strahl winkel des abgestrahlten Lichtstrahls f(a) Fehlermodell

-ß, 0°, +ß Schwenkpositionen

Sl, S2 Verfahrensstufen

S 10 ... S25 Verfahrensschritte