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Die Erfindung bezieht sich auf eine optoelektronische Messvorrichtung zum Erfassen der Querschnittskonturen und Masse eines bewegten Gegenstandes, insbesondere eines Holzstammes, welche in einer quer zur Bewegungsrichtung des Gegenstandes stehenden Messebene angeordnete, fächerförmige Laserstrahlen erzeugende Sende-Elemente, an seitlichen Messrahmen befestigte Flächenkameras zum Empfang des vom Gegenstand reflektierten Lichtes und eine Auswerte-Einheit umfasst, wobei der zu erfassende Gegenstand in der Messebene zwischen zwei parallelen, die Messebene seitlich begrenzenden Messbalken geführt ist.
Zur dreidimensionalen Erfassung von Holzstämme sind Systeme bekannt, beispielsweise aus der EP-A-0 871 008, die nach dem sogenannten Lichtschnittverfahren arbeiten. Dabei werden Linienlaser verwendet, die auf dem Holzstamm senkrecht zur Bewegungsrichtung einen Lichtstrich abbilden. Das von der Stammoberfläche reflektierte Licht wird mittels einer Flächenkamera (CCD) unter einem Winkel abgetastet. Am Kamera-Array kann daher immer nur ein Konturabschnitt des Stammumfanges abgebildet werden. Zur Erfassung der gesamten Stammkontur sind wenigstens drei Flächenkameras und Linienlaser erforderlich.
Um die aufgenommenen Rohdaten der Flächenkameras mittels mathematischer Umrechnung nach dem Lichtschnitt- bzw. Triangulationsverfahren in Punkte in einem definierten absoluten Koordinatensystem transformieren und auswerten zu können, müssen folgende geometrische Daten bekannt sein : Abstand zwischen Messebene und optischem Mittelpunkt des Flächenkameraobjektives, Neigungswinkel der Flächenkamera zur Messebene, Neigungswinkel der Flächenkamera zur Horizontalen und Brennweite des Flächenkameraobjektives.
Die Genauigkeit der Messergebnisse ist im wesentlichen von der Präzision der geometrischen Anordnung der Flächenkameras, aber auch von Nichtlinearitäten der Kameraobjektive abhängig.
Das mathematische Umrechnungsverfahren ist ausserdem sehr rechnerintensiv und daher für hohe Fördergeschwindigkeiten beim Längsdurchlauf von Holzstämmen ungeeignet.
Durch die in der Folge aufgezeigte erfindungsgemässe Ausführung wird eine optoelektronische Messvorrichtung der eingangs genannten Art bezweckt, mit der es ermöglicht wird, auf wirtschaftliche Art, berührungslos die Querschnittskonturen und Masse bewegter Gegenstände mit eichfähiger Genauigkeit und hoher Zuverlässigkeit, auch bei Fördergeschwindigkeiten über 200m/min. und bestehenden Nichtlinearitäten der Kameraobjektive, zu erfassen.
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Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die mit den seitlichen Messrahmen fest verbundenen Messbalken freie, zur Messebene hin geneigte Enden aufweisen, in welchen wenigstens je ein Sende-Element angeordnet ist, die Flächenkameras in einem vorbestimmten Abstand zur Messebene je an einem Querträger des Messrahmens fest montiert sind, wenigstens vier spiegelbildlich montierte Flächenkameras vorgesehen sind, und zur Kalibrierung der optoelektronischen Messvorrichtung durch Speicherung einer Referenzmatrix in der Auswerte-Einheit jeweils eine definierte Messschiene in einem rechteckigen Messfeld der Messebene vertikal angeordnet und in gleichen Positionsschritten zuerst von links nach rechts, dann umgekehrt und in der Folge horizontal angeordnet und in gleichen Positionsschritten zuerst von oben nach unten, dann umgekehrt geführt wird.
Die Umwandlung der aufgenommenen Rohdaten der Flächenkameras in die Referenzmatrix erfordert keine präzise Anordnung der Flächenkameras hinsichtlich Abstand und Neigung zur Messebene. Es müssen lediglich die Messbereiche der Flachenkameras zum Messfeld hin eingerichtet und fixiert werden. Diese Fixierung wird durch die feste Verbindung der seitlichen Messrahmen und Messbalken sowie fixe Montage der Flächenkameras an Querträgern der Messrahmen erreicht. Damit von den Flächenkameras auch die oberste und unterste Kontur des Holzstammes erfasst werden kann, sind in den freien, zur Messebene hin geneigten Enden der Messbalken Sende-Elemente angeordnet, die an diesen Teilen der Holzstammkontur Lichtstriche abbilden.
Wird die Messschiene im Messfeld vertikal von links nach rechts geführt, können in den Flächenkameras des rechten Messrahmens die X-Daten der Referenzmatrix aufgenommen werden. Bei der Führung von rechts nach links die X-Daten von den Flächenkameras des linken Messrahmens. Die Aufnahme der Y-Daten von den oberen Flächenkameras der seitlichen Messrahmen erfolgt bei der horizontalen Führung der Messschiene von unten nach oben.
Wird die Messschiene im Messfeld horizontal von oben nach unten geführt, erfolgt die Aufnahme der Y-Daten von den unteren Flächenkameras der seitlichen Messrahmen. Vorhandene Nichtlinearitäten der Kameraobjektive können durch die Speicherung der Referenzmatrix kompensiert werden.
Um den Kalibriervorgang zu vereinfachen, wird die definierte Messschiene im Messfeld bevorzugterweise in Positionsschritten von 25mm geführt.
Die Daten dazwischenliegender Positionen der Messschiene können durch Interpolation ergänzt werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführung kann neben den Messbalken eine zweite, quer zur Bewegungsrichtung des Gegenstandes stehende Messebene zur zusätzlichen Parallel-Scannung der untersten Querschnittskontur des Gegenstandes mittels Sende- und Empfangsdioden vorgesehen sein.
Holzstämme werden meist mittels Kettenförderer in ihrer Längsrichtung durch optoelektronische Messvorrichtungen transportiert. Durch die zusätzliche Parallel-Scannung wird es ermöglicht, die unterste Querschnittskontur auch dann zu erfassen, wenn ein Förderhaken die Messebene passiert und den projezierten Lichtstrich der Sende-Elemente abschattet.
In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen die Messbalken aus dichten Aluminiumgehausen, in welchen je fünf Sende-Elemente justierbar montiert sind.
Eine besonders einfach justierbare und wartungsfreundliche Ausführung wird erreicht, wenn die Sende-Elemente jeweils aus einer Einheit mit Halbleiterlaserdiode, Kollimations- und Strichoptik bestehen.
Bevorzugterweise sind die Fiächenkameras an eine Auswerte-Einheit mit Prozessor angeschlossen, der ausgebildet ist, um die Fl öchenkameras zyklisch abzufragen und aus den erfassten 4 Teilkonturen eine geschlossene Gesamtkontur zu bilden.
Die Auswerte-Einheit mit Prozessor kann ausgebildet sein, um an die Gesamtkontur in 5 Grad-Schritten 18 senkrecht zueinanderstehende parallele Durchmesserpaare anzulegen und ein Durchmesserpaar zur weiteren Verarbeitung, beispielsweise Volumsberechnung des Gegenstandes, zu selektieren.
Die Montageöffnungen für die Sende-Elemente in den Messbalken, Abdeckhauben und Befestigungsschrauben der Flächenkameras und Gehäuse der Auswerte-Einheit sind vorzugsweise plombierbar ausgeführt.
Im Folgenden wird an Hand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes näher erläutert. Es zeigen : Fig. 1 den Aufriss einer erfindungsgemässen Messvorrichtung, Fig. 2 die Schnittdarstellung der Messvorrichtung gemäss der Symmetrielinie und Fig. 3 eine perspektivische Ansicht.
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In Fig. 1 ist schematisch ein Kettenförderer 2 gezeichnet, auf welchem Holzstämme 1 in ihrer Längsrichtung transportiert werden. Die Holzstämme 1 liegen dabei auf sogenannten Förderhaken 3 des Kettenförderers 2 auf.
Symmetrisch zum Kettenförderer 2 ist ein im Fundament 5 verankertes stabiles, U-förmiges Traggestell 4 angeordnet, dessen Schenkel 4'jeweils mit einem aus zwei senkrechten Balken 6,7, 6', 7'und vier waagrechten Querträgern 8, 9, 8', 9'bestehenden Messrahmen 10, 10'fest verbunden sind.
Die Balken 6, 6'sind als Messbalken ausgeführt und bestehen aus einem dichten Aluminiumgehäuse, in welchen je fünf Sende-Elemente 11, 11'justierbar montiert sind. Die SendeElemente 11, 1 sind als Einheit mit Halbleiterlaserdiode, Kollimations- und Strichoptik ausgeführt. Im aktivierten Zustand erzeugen die Sende-Elemente 11, 11'fächerförmige Laser- strahlen mit einer Wellenlänge von 785 nm, die sich am Umfang des Holzstammes 1 als Lichtstrich abbilden, soferne eine auf die Messebene 12 bezogene Justierung erfolgt ist.
An den vier Querträgern 8, 8' ist in einem vorbestimmten Abstand zur Messebene 12 je eine Flachenkamera 13, 14, 13', 14'fest montiert, deren optische Achsen etwa in einem Winkel von 45 auf die Mitte des Messfeldes 15 der Messebene 12 gerichtet sind. Die lichtempfindliche Fläche der Kameras besteht beispielsweise aus 256x256 PIN-Dioden. Durch eine kamerainterne Bewertung der Lichtintensität empfangener Strahlen ist eine Verdoppelung auf 512 Spalten möglich.
Bei einem Abfragezyklus empfängt jede Flächenkamera 13, 14 ; 13', 14'eine Teilkontur des am Umfang des Holzstammes 1 abgebildeten Laserlichtstriches. Damit die Lage jedes Lichtpunktes nicht durch mathematische Umrechnung nach dem bekannten Lichtschnittverfahren bzw. durch Triangulation rechnerintensiv erfolgen muss, wird nachstehende Vorgangsweise angewandt : Für jede Flächenkamera 13, 14 ; 13', 14'wird im strichlierten Messfeld 15 der Messebene 12 eine zweidimensionale Zahlenmatrix X-Y, beispielsweise mit 256 x 256 Positionen definiert. An jeder dieser 65. 536 Positionen steht ein absoluter X-und Y-Wert bezogen auf das definierte Koordinatensystem im Messfeld 15.
Die Ermittlung dieser Absolutwerte erfolgt mittels einer definierten Messschiene 16, die im rechteckigen Messfeld 15 der Messebene 12 in Positionsschritten von 25 mm von oben nach unten, links nach rechts und umgekehrt geführt wird.
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Mit der in Fig. 1 dargestellten, horizontal angeordneten Messschiene 16 wird gerade mit der Aufnahme der absoluten Y-Werte in den Fächenkameras 14, 14'begonnen. In der Folge wird die definierte Messschiene 16 in 25 mm-Schritten in Richtung des Pfeiles nach unten bewegt.
Nach Abschluss der Aufnahme werden die fehlenden Positionen den Referenzmatrix durch Interpolation ergänzt.
Bei einem Abfragezyklus, der beispielsweise von der Auswerte - Einheit 20 (Fig. 3) mit Prozessor nach jedem Kettenförderervorschub von 1 cm ausgelöst wird, werden die Rohmesswerte der 4 Flächenkameras 13, 14 ; 13', 14'zur Verfügung gestellt und im Prozessor mit Hilfe der Referenzmatrix in Messwerte umgewandelt. Danach werden die 4 Teilkurven zu einer gemeinsamen Kontur zusammengefügt und ein Durchmesserpaar zur weiteren Verarbeitung bzw.
Volumsberechnung selektiert.
Der Kettenförderer 2 besitzt einen Wegmessgeber, der wegäquivalente elektrische Signale liefert, so dass in der Auswerte-Einheit 20 aus der Messzeit und Zahl der Signale die Holzstammlänge errechenbar ist. Aus der Form und Lage der in den Abfragezyklen erfassten Querschnittskonturen ist der Holzstamm 1 dreidimensional, inklusive Krümmung, Ovalität, Durchmesser, Konizität etc., darstellbar. Dazu kann die Auswerte-Einheit 20 an einem übergeordneten Rechner zur Visualisierung und digitalen Anzeige diverser Daten angeschlossen sein.
In Fig. 2 erkennt man, dass der Holzstamm 1 gerade die Messebene 12 passiert. Der Förderhaken 3 befindet sich noch vor der Messebene 12, kann daher den gerade laufenden Abfragezyklus nicht beeinflussen. Tritt jedoch der Förderhaken 3 in die Messebene 12 ein, nachdem der Kettenförderer 2 den Holzstamm 1 in Richtung des Pfeiles weiterbewegt hat, erfolgt eine Abschattung des Lichtstriches auf der untersten Querschnittskontur des Holzstammes 1.
Um diese Abschattung kompensieren zu können, ist neben den Messbalken 6, 6' eine zur Messebene 12 parallele Messebene 17 zur Parallel-Scannung der untersten Querschnittskontur des Holzstammes 1 mit Sende- und Empfangsdioden-Reihen 18,19 vorgesehen.
Durch diese Parallel-Scannung kann eine unterste horizontale Tangente der Gesamtkontur des Holzstammquerschnittes erfasst und der Auswerte-Einheit 20 zur Referenzmatrix-bezogenen Auswertung und Zuordnung zugeführt werden.
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In Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht der optoelektronischen Messvorrichtung dargestellt. Durch dünne Linien ist der Strahlengang der zehn Sende-Elemente 11, 11' in der Messebene 12 gezeichnet. An den beiden Messrahmen 10, 10' ist je eine Auswerte-Einheit 20 befestigt an die die Sende-Elemente 11, 1 T, Flächenkameras 13, 14 ; 13', 14'und Sende-und Empfangsdioden 18,19 der Parallel-Scannung angeschlossen sind.
Beide Auswerte-Einheiten 20 kommunizieren mit einem übergeordneten Rechner in der Leitstelle der Anlage.