AT501506A1 - Verfahren und vorrichtung zum kontaktlosen messen - Google Patents

Description

  Verfahren und Vorrichtung zum kontaktlosen Messen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontaktlosen, optischen Messen der Dicke oder des Querschnittprofiis eines Messobjektes.
Für die optische Vermessung von Querschnittsprofilen oder Dicken von Werkstücken mitteis Bildverarbeitung sind aus dem Stand der Technik Lösungen bekannt, die im Wesentlichen auf der so genannten Lichtschnittmethode oder Laser-Triangulation beruhen. Das zu vermessende Werkstück wird dabei geeignet beleuchtet, z.B. durch Linienlaser, und die projizierten Laserlinien werden mit mindestens zwei Kameras, bei komplexen Profilen können auch erheblich mehr notwendig sein, erfasst. Ähnliche Messmethoden werden auch zur Messung des Oberflächenprofils verwendet (siehe z.B. EP 701 104 A1).

   Die erfassten Bilder werden unter Berücksichtigung der Geometrie der Messanordnung kombiniert und die Abmessungen daraus errechnet. Ein wesentlicher Nachteil dieser Messverfahren ist die damit erzielte Messgenauigkeit, da die Messgeometrie unmittelbar in das Messergebnis einfliesst, aber meist nicht mit der erforderlichen Präzision bekannt ist, oder es muss ein sehr hoher Aufwand betrieben werden, um die Messanordnung exakt zu Positionieren. Damit ist diese Messmethode für viele Anwendungen, z.B. für die Dickenmessuhg von Walzband, nicht geeignet bzw. nicht mit vertretbarem Aufwand umsetzbar. Ein solches Messverfahren kann z.B. der US 6757069 B2 oder der US 3671 726 A entnommen werden, wo mehrere Messsensoren verwendet werden, um die Dicke eines Werkstückes zu ermitteln.

   Aufgrund der Verwendung mehrerer Lichtquellen und oder Messsensoren werden diese Verfahren sehr aufwendig, sowohl hinsichtlich der Kosten als auch hinsichtlich der Anordnung und Einstellung der Sensoren.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein optisches Messverfahren und eine zugehörige Vorrichtung anzugeben, das einfach umgesetzt werden kann und trotzdem eine hohe Messgenauigkeit ermöglicht, sowie flexibel und vielseitig eingesetzt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass mit einer Messoptik das Querschnittprofil oder die Dicke des Messobjekts erfasst wird, dieses auf einen einzigen Messsensor abgebildet wird und die Abbildung des Messobjekts ausgewertet wird.

   Damit wird eine sehr einfache Messanordnung verwirklicht, die lediglich eine Messoptik, im einfachsten Fall eine einfache Linse, und einen Messsensor, gegebenenfalls mit einer Auswerteeinheit, benötigt. Weitere Elemente sind nicht erforderlich, was zu einer besonders einfachen Messanordnung und einfach umzusetzenden Messverfahren führt. Eine solche Messanordnung kann dazu noch besonders kompakt aufgebaut sein, womit ein vielseitiger und flexibler Einsatz möglich ist.

   Dazu fliesst die Messanordnung nicht direkt in die erzielte Messgenauigkeit ein, wodurch eine sehr genaue Messung erreicht werden kann.
Besonders vorteilhaft wird dazu die optische Achse der Messoptik im Wesentlichen normal auf eine Querschnittsfläche oder Seitenfläche des Messobjekts angeordnet, was eine besonders einfache Messanordnung ergibt.
Die Messanordnung wird erheblich vereinfacht, wenn der Messsensor bezüglich der Messoptik starr angeordnet ist, sodass sich eine klar definierte Messebene ergibt.

   Es ist damit sehr einfach möglich bestimmte Querschnittsebenen des Messobjekts zu vermessen, da der Abstand der Messebene festgelegt ist.
Der maximale Messbereich lässt sich einfach vergrössern, wenn die Messoptik eine Anzahl von Teiloptiken umfasst, die jeweils einen Teil des Messobjekts erfassen, und die Teilbilder am Messsensor zur Abbildung des Messobjekts zusammensetzbar sind.
Die Auswertung der kontaktlosen Messung vereinfacht sich, wenn als Messsensor ein digitaler Sensor, vorzugsweise ein CMOS oder CCD Sensor, verwendet wird und die digitalisierte Abbildung des Messobjekts zur Ermittlung des Querschnittsprofils oder der Dicke des - Messobjekts in einer Auswerteeinheit, vorzugsweise ein Computer, ausgewertet wird.
Die Erfindung wird anhand der beispielhaften, schematischen und nicht einschränkenden Figuren 1 und 2 beschrieben.

   Dabei zeigt
Fig. 1 eine erfinderische Messanordnung und Fig. 2 das am Messsensor abgebildete Messobjekt.
Die Messanordnung zum Messen der Dicke oder des Querschnittprofils eines Messobjekts 1 besteht aus einer Messoptik 2 und einem Messsensor 3, wie schematisch in Fig. 1 dargestellt. Die Messoptik 2, hier eine einfache konvexe Linse, besitzt eine definierte Brennebene F und bildet gemäss dem bekannten Gesetz von Gauss 1 = 1 + 1
Brennweite f Bildweite b Gegenstandsweite g
Objekte unterschiedlicher Messebenen M auf unterschiedlichen Bildebenen B scharf ab.

   Die Messoptik 2 wird nun so angeordnet, dass die optische Achse 6 der Messoptik 2 bei einer Querschnittprofilmessung im Wesentlichen normal auf eine Querschnittsfläche des Messobjekts 1 steht, bzw. bei einer Dickenmessung, z.B. bei einem Walzband, das in Fig. 1 in Richtung aus der Blattebene heraus bewegt wird, im Wesentlichen normal auf eine Seitenfläche S des Messobjekts 1 steht. Damit werden Punkte einer Stim- bzw. Seitenfläche S des Messobjekts 1 auf einer anderen Bildebene B scharf abgebildet wie Punkte einer Messebene M. a a)l
Liegt die Stim- bzw. Seitenfläche S des Messobjekts 1 näher an der Messoptik 2 als die Messebene M, so befindet sich die Bildebene dieser Fläche weit hinter der Bildebene B der Messebene M und erzeugt auf dieser eine nahezu unstrukturierte Farbfläche, wie in Fig. 1 durch strichliert dargestellten Strahlen angedeutet.

   Punkte der Messebene M werden hingegen scharf auf der Bildebene B abgebildet, wie in Fig. 1 durch die durchgehend dargestellten Strahlen 4 angedeutet. Dieser Effekt wird verstärkt, je näher das Messobjekt 1 an der Brennebene F angeordnet ist. D.h., ist das Messobjekt 1 im Bereich der Brennebene B angeordnet, werden Punkte ausserhalb der Messebene M nur sehr unscharf auf der Bildebene B abgebildet. Damit wird es auch möglich, einen Querschnitt innerhalb des Messobjektes 1 , also nicht nur die Seiten- oder Stirnflächen S, zu vermessen, wenn das Messobjekt 1 so angeordnet wird, dass die Messebene M an dem gewünschten Querschnitt zu liegen kommt. Es kann mit diesem Verfahren das gesamte Querschnittprofil bzw. die Dicke des Messobjekts 1 mit einem einzigen Messsensor 3 erfasst werden.

   Dies ist in Fig. 2 angedeutet, in der der Bildbereich des Messsensors 3 dargestellt ist, in dem hier ein sechseckiges Querschnittprofil abgebildet ist. Die Bereiche ausserhalb der Messebene M werden dabei so unscharf abgebildet, dass davon, gegebenenfalls nach digitalen Bearbeitung der Messdaten, keine Strukturen erkennbar sind, was die Auswertung ermöglicht. Auf dem Messsensor 3 wird nur die Kontur, also das Querschnittprofil, oder die Dicke (bzw. analog eine Breite), also eine Oberseite und eine Unterseite, des Messobjekts 1 scharf abgebildet.

   Für die Dickenmessung muss nicht das gesamte Querschnittsprofil erfasst werden, sondern es reicht aus, die Oberund Unterseite an der gewünschten Stelle zu erfassen, wodurch unter Umständen eine kleinere Messoptik 2 verwendet werden kann.
Der Messsensor 3 wird nun in der Bildebene B der Messebene M angeordnet und es wird die Kontur bzw. die Dicke des Messobjekts 1 im Messsensor 3 scharf abgebildet. Der Messsensor 3 kann z.B. ein, oder mehrere kombinierte, bekannter optischer Sensor, wie ein CMOS oder CCD Sensor, sein, der die Abbildung des Messobjekts 1 digitalisiert, was die digitale Weiterverarbeitung der Abbildung in einer Auswerteeinheit 7, z.B. ein Computer, erlauben würde. Es könnte aber auch nur ein photografischer Film als Messsensor 3 verwendet werden, der anschliessend ausgewertet wird.

   Die Auswerteeinheit 7 umfasst vorteilhaft auch eine Anzeigeeinrichtung, mit der das Profil und/oder das Messergebnis ausgegeben werden kann. Das Messergebnis kann natürlich auch weiterverarbeitet und/oder gespeichert werden, z.B. in einer Regelung oder der Qualitätssicherung.
Zur Auswertung können geeignete bekannte Computerprogramme verwendet werden, die die scharfe Abbildung des Messobjekts 1 aus der unscharfen Abbildung der benachbarten Bereiche der Messebene M herausfiltert. Praktische Versuche haben gezeigt, dass mit diesem Verfahren und gängigen digitalen Messsensoren 3 Messgenauigkeiten von bis zu 1 bis *        l
-  a.
5[mu]m möglich sind, was für viele Anwendungen mehr als ausreichend ist. Die Genauigkeit ist dabei im Wesentlichen von der Genauigkeit der Messoptik 2, der Auflösung des Messsensors 3 und gegebenenfalls der Beleuchtung 5 abhängig.

   Die Messanordnung selbst, geht in die Messgenauigkeit nicht ein. Dazu muss lediglich der Messsensor 3 möglichst genau in der gewünschten Bildebene B angeordnet werden bzw. kann die tatsächliche Anordnung einfach ermittelt werden, womit eine einfache Kompensation möglich wäre.
Grundsätzlich reicht für das erfinderische Messverfahren das Umgebungslicht aus, was jedoch aufgrund der damit zu erwartenden niedrigeren Kontraste höhere Anforderungen an die Auswertesoftware stellen kann. Die Auswertung kann sicherlich vereinfacht werden, wenn eine Lichtquelle 5 vorgesehen wird, die das Messobjekt 1 in der Messebene M beleuchtet. Die Beleuchtung sollte dabei in einem möglichst schmalen Bereich erfolgen, um eine genaue Auswertung zu ermöglichen. Eine geeignete Lichtquelle 5 ist z.B. eine Laserquelle die eine Laserlinie erzeugt.

   Dabei ist zu beachten, dass für eine Profilmessung der gesamte Umfang des Messobjekts 1 , bzw. der interessierende Teil des Umfangs, oder für eine Dickenmessung die Ober- und Unterseite des Messobjekts 1 beleuchtet werden sollte, um eine sichere Auswertung der Abbildung zu ermöglichen.
_ Die Messanordnung, also Messoptik 2 und Messsensor 3, werden vorteilhaft zueinander starr angeordnet, sodass sich die Messebene M bezüglich der Messanordnung in einem klar definierten Abstand befindet, was die Justierung der Messvorrichtung erleichtert. Um unterschiedliche Querschnittsebenen des Messobjekts 1 zu vermessen, müsste dann die Messanordnung entlang der optischen Achse 6 verschoben werden, was mit hinlänglich bekannten Mitteln, wie z.B. ein entsprechend angetriebener Tisch, auf dem die Messanordnung angeordnet ist, auf einfachem Weg möglich wäre.

   Damit wäre z.B. eine einfache Vermessung einer gesamten Querschnittskontur möglich.
Die maximalen Abmessungen des zu vermessenden Messobjekts 1 werden dabei im Wesentlichen durch die freie Öffnung der Messoptik 2 vorgegeben. Durch die Verwendung mehrer oder aufwendigeren Optiken, wie unten beschrieben, kann der mögliche Messbereich entsprechend vergrössert werden. Z.B. könnten mehrere Linsen verwendet werden, die verschiedene Teile des Messobjekts 1 aufnehmen. Die einzelnen Bilder können dann mittels herkömmlichen optischen Elementen, wie z.B. Prismen, Spiegel, etc., optisch in einem Messsensor 3 zusammengefasst werden, womit wieder eine einheitliche Abbildung des Querschnittprofils oder der Dicke bzw. Breite entstehe würde.

   Es wäre aber auch denkbar ein verstellbares Objektiv vorzusehen, mit dem es möglich wäre die Lage der Messebene M bezüglich der Messanordnung zu verändert. Die aktuelle Stellung des Objektivs könnte bei der Auswertung der Messung entsprechend berücksichtigt werden.
Weiters könnte die Messoptik 2 zusätzlich mit einer Blendenanordnung versehen sein, um bestimmte Teile auszublenden, um unerwünschte Effekte, wie z.B. eine sehr helle Seite des Messobjekts 1 , zu mindern.
Dieses Messverfahren kann beispielhaft besonders vorteilhaft angewandt werden zur
a) Querschnittprofilvermessung von Stückgut.
Dabei wird das Messobjekt 1 (Stückgut, wie z.B. ein Streichholz) in der Messvorrichtung so angeordnet, dass die gewünschte Querschnittstelle in der Messebene M zu liegen kommt. Die Anordnung, Messung und Auswertung der Abbildung kann automatisch erfolgen.

   Damit können natürlich auch mehrere Querschnitte des Messobjekts vermessen werden. Damit kann z.B. eine stichprobenartige Qualitätssicherung verwirklicht werden oder es könnte auch eine lückenlose Vermessung aller Messobjekte verwirklicht werden.
b) Querschnittprofilvermessung von Endlosgut (wie z.B. ein Walzband).
Das Messobjekt läuft dabei an der Messvorrichtung vorbei. Zur Messung wird der Transport des Endlosguts vorteilhaft gestoppt und es wird eine Anzahl von Dickemessungen vorgenommen, wobei die Messanordnung, also Messsensor 3 und Messoptik 2 in Richtung der optischen Achse 6 verschoben wird, oder ein Objektiv verstellt wird. Aus den einzelnen Dickenmessungen kann das Querschnittprofil des Endlosgutes zusammengesetzt werden.

   Damit kann z.B. eine stichprobenartige Qualitätssicherung verwirklicht werden.
c) Dickenmessung bandförmiger Güter.
Das Messobjekt läuft dabei an der Messvorrichtung vorbei. Die Messanordnung ist dabei auf eine bestimmte Messebene M einjustiert, die auch mittels einer Lichtquelle 5 beleuchtet sein kann, und es werden regelmässige Messungen durchgeführt. Damit lässt sich eine online Messung verwirklichen, bei der die Auswertung der Messungen online erfolgt und die Messergebnisse z.B. zur Steuerung oder Regelung der Produktionsanlage, z.B. ein Walzwerk, verwendet wird. Es ist aber auch eine offline Auswertung möglich, bei der die aufgezeichneten Messungen nachträglich ausgewertet werden, z.B. zur Dokumentation des Herstellungsprozesses. Es ist natürlich auch eine Kombination dieser beiden Methoden möglich.

   Vorteilhaft werden die Messungen an Stellen vorgenommen, an denen das Messobjekt derart gehalten wird, dass Vibrationen des Messobjekts weitestgehend unterdrückt werden.

Claims (11)

Patentansprüche

1. Verfahren zum kontaktlosen, optischen Messen der Dicke oder des Querschnittprofils eines Messobjektes (1), dadurch gekennzeichnet, dass mit einer Messoptik (2) das Querschnittprofil oder die Dicke des Messobjekts (1 ) erfasst wird, dieses auf einen einzigen Messsensor (3) abgebildet wird und die Abbildung des Messobjekts (1) ausgewertet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (6) der Messoptik (2) im Wesentlichen normal auf eine Querschnittsfläche oder Seitenfläche des Messobjekts (1) angeordnet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbildung des Messobjekts (1 ) am Messsensor (3) aus einer Anzahl von Teilbildern zusammengesetzt wird.

4. Messvorrichtung zum optischen Messen der Dicke oder des Querschnittprofils eines Messobjektes (1), dadurch gekennzeichnet, dass eine Messoptik (2) vorgesehen ist, die das Querschnittprofil oder die Dicke des Messobjekts (1 ) auf einen einzigen Messsensor (3) _ abbildet. ,

5. Messvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Achse (6) der Messoptik (2) im Wesentlichen normal auf eine Querschnittsfläche oder Seitenfläche des Messobjekts (1) angeordnet ist.

6. Messvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor (3) bezüglich der Messoptik (2) starr angeordnet ist, sodass sich eine klar definierte

Messebene (M) ergibt.

7. Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messoptik (2) eine Anzahl von Teiloptiken umfasst, die jeweils einen Teil des Messobjekts (1) erfassen, und die Teilbilder am Messsensor (3) zur Abbildung des Messobjekts (1) zusammensetzbar sind.

8. Messvorrichtungen nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Messsensor (3) ein digitaler Sensor, vorzugsweise ein CMOS oder CCD Sensor, ist.

9. Messvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswerteeinheit (7) vorgesehen ist, in der die digitalisierte Abbildung des Messobjekts (1) zur Ermittlung des Querschnittsprofils oder der Dicke des Messobjekts (1) ausgewertet wird.

10. Venwendungen der Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 9 zur Querschnittsprofilvermessung von Stückgut oder Endlosgut oder zur Dickenmessung bandförmiger Güter.

11. Verwendung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke eines Walzbands ermittelt wird.