CN1673669A - 用于测量细长物品特别是电缆非圆形横截面尺寸的方法 - Google Patents

Abstract

一种测量细长外廓物品特别是扁平电缆或者扇形电缆的横截面尺寸的方法，该横截面具有倒圆棱边或锐棱边，方法是用光源照射物品，测定许多阴影边界，并用光源和阴影边界的坐标计算圆的参数。然后根据圆的参数计算尺寸。

Description

用于测量细长物品特别是电缆 非圆形横截面尺寸的方法

本发明涉及一种如专利权利要求1、2和3所述的用于测量例如扁平电缆或者扇形电缆尺寸的方法。扁平电缆具有各种结构。

经常使用的是绝缘的双导线电缆，两根导线或者金属丝通过在其中间的绝缘部分机械相连。在横截面上这种双导线电缆形成一个8字。还众所周知一种电缆，这种电缆中的一根导线的直径小于另一导线的直径。在这些或者类似的扁平电缆中，横截面的较小边是圆形或者椭圆形。还知道一种扁平电缆，这种电缆具有长方形的横截面积，而其边缘或弯角可以是不倒圆的，倒成圆形的，或者倒成椭圆形的。

扇形电缆是多个金属缆的单一电缆，通常具有90°或者120°的扇形角，扇形电缆的外侧边其横截面为圆形，而在圆心相交的一侧的横截面是圆形的。因此存在两个相对的圆截面，但具有不同的半径。

为了得到要求的恒定尺寸或者线度，在制造期间需要控制这种断面的尺寸。众所周知，最好采用平行光束在物品纵轴的横方向照射上述类型的物品，然后确定在光敏传感器上的阴影边界。在这种方法中，必须相对于其角位置准确地引导该物品前移。绕纵轴线的不定的转动将会导致得不到测量值。另一个缺点是，利用准直光装置等产生平行光，因为所用光学系统的不准确性而造成测量失败。如果沿两个正交轴线进行正交测量，则存在这样的缺点，即位于物品下面的传感器或者光源将变脏。

在这方面，还知道这样一种方法，即使物品以振动方式绕纵轴转动，然后确定最大值和最小值。这种方法提高了测量值精度，然而必须使物品连续地局部转动。

DE 197 570 67 C2提出一种用于测量薄电缆直径的方法，在该方法中用位于测量平面上的单色点光源的扇形光束照射电缆，主光束的方向近似垂直于光缆的轴线。利用配置在电缆相反侧的光敏行传感器接收光线，传感器的轴线大体垂直于主光束的方向。通过计算在该物品阴影边缘上衍射图案的强度曲线，利用物品和传感器之间的已知距离，可以测定电缆的直径。

本发明的目的是提供一种测定物品特别是扁平电缆和扇形电缆尺寸的方法，该方法与物体的转动位置无关，可以进行相当准确的测量。

在权利要求1所述的方法中，假定物品特别是扁平电缆的横截面具有为圆形或者椭圆形的边或者边缘。在本发明的方法中，物品的圆形截面或者椭圆形截面又由在各个不同方向的光源照射，主光束方向基本上位于一个垂直于物品纵轴的平面内。对于每个圆形截面，至少应产生三个不同的边缘光线，或者对每个椭圆截面，至少产生四个不同的边缘光线。利用至少一个具有位置分辨能力的光敏传感器，可以确定传感器上由圆形截面或者椭圆形截面形成的阴影边界。按照在测量平面中的预定坐标系统，根据该阴影边界的位置和位于测量平面上光源的位置，可以确定圆形横截面上三条切线的方程，或者可以确定椭圆形横截面上四条切线的方程。利用已知的几何关系可以用切线函数计算圆的参数(圆心、半径)，或者计算椭圆的参数(圆心，长、短半径)。对于椭圆截面，除圆心外，还需要计算较长半径和较短半径。

通过适当配置光源，便形成与圆形截面或者椭圆形截面相切的直线光线或者边缘光线，在这种配置中，光源中的各个光源发射例如扇形的光束。根据在测量平面上光源的已知坐标和传感器上阴影边界的已知坐标，可以确定位于测量平面中预定坐标系统中的切线。应当明白，光源的坐标预先贮存起来，而且可以容易确定边缘光线射在传感器上的点或者位置的坐标。如众所周知的，如果已知圆上的三条切线，则可以确定圆心的位置和圆的半径。对于椭圆形，需要四条线才能确定圆心和长、短直径。如果圆心和半径知道，则可以得到例如扁平电缆的宽度和/或者厚度，即如果横截面的较小边是圆形截面，则利用半径和两个圆心或者半径的位置可以得到电缆的宽度/或者厚度。

应当注意到，在“横截面外周上的位置”意味着边缘构成该横截面轮廓并预定要测其尺寸，例如侧边圆弧等方向的或多或少的显著改变，该边缘“轴”是指在在边缘上预定位置之间的直线。

本发明方法的优点是，当物品在测量平面上绕其纵轴线在例如±15°的范围内转动时，仍然可以相当准确地测定物品的尺寸。省去了在测量装置中导向物品的具体导向件。

细长物品如果具有刀刃面的横截面轮廓，则大多数在横截面上具有倒圆的弯角。这种倒的圆通常是圆形或者椭圆形。本发明还适用于这样的物品断面，其中在刃部的半径趋向于零(实际上很难得到零半径)。上述方法还适用于趋向于零的半径。如果弯角或者边缘的半径很小，则可简化，将这种边缘假定为几何边或者几何弯角。在这种情况下，在上述方法的变形方法中，可以这样照射细长的型面，使得每个边缘或者弯角产生至少两个不同的光线。采用如上所述同样方法，可以确定边缘光线的函数方程，因为可以测量传感器上的照射位置。可以利用几何公式，用照射位置的坐标和位于测量平面上光源的坐标，计算弯角的位置。通过弯角的两个边缘光束形成交点，如大家知道的。可以应用这一点来计算两个边缘光束的两个函数方程。

然而如果细长物品横截面的弯角或者边被倒圆时，可以应用开头说明的发明，因为可以计算倒圆弯角的圆形或者椭圆形横截面的圆心和半径。

按照本发明的实施例，可以配置许多组光源，各组光源与位置分辨的光敏传感器联用。利用若干组光源照射物品特别是扁平电缆的弯角部分，圆形部分和椭圆部分。按照本发明的再一实施例，该物品可以在测量区运动，使得横截面的纵轴与测量轴成一个角度。例如，对于扁平外轮廓例如扁平电缆，该角度可以为45°。这样配置光源和位置分辨传感器，使得这些部件中没有一个部件位于该细长型面的下面。反之，存在落下的脏物将相应干扰光源或者传感器的作用。按照本发明的一个实施例，通过计算由电缆边缘引起的阴影边缘上衍射图案的强度分布，可以确定阴影边界，如DE 197 57 067 C2所述。还可以利用高分辨的行传感器直接确定阴影边界。

最好用点光源(激光二极管)作光源。按照本发明的另一实施例，在物品和光源之间不用光学系统。具体是，如果物品相对于光源和/或者传感器改变其位置，则光学系统一定会失灵。如果物品直接受照射，而不用光学系统，则可以避免这种失灵。

按照本发明的再一实施例，用表面传感器或者行传感器作位置分辨传感器，具体用CCD或者CMOS表面传感器或者行传感器。

如果细长物品具有轴向对称的横截面，则按照上述方式，对于一个圆形横截面只要两个不同的边缘光线便足以确定细长物品横截面的尺寸，或者对于一个椭圆形横截面只要三个不同的边缘光线便足够了。根据被测量横截面的对称性，便可以对圆形或者椭圆形横截面的中心位置和对圆形截面的半径尺寸，或者椭圆形截面较大和较小半径，导出补充假设，从而确定所用方程缺少的数。

测量的物品例如电缆可以完全不通过测量区域，没有横向运动，相反，也可以进行具有横向运动和转动，并且还可以进行高频振动。因此在测量期间，存在物品改变其位置的危险。对于常规结构的行传感器例如CCD行传感器，其读出时间在毫秒范围内。为了避免在行传感器上的重叠，在单位时间仅用一个光源照射行传感器。因此，本发明的实施例这样形成，使得各个传感器行由平行的辅助行组成，这些辅助行对于光谱色是选择性传感的，并且光源发射光谱色的光。这些行例如可以与适当的颜色滤波器联用。采用这种方法，虽然在传感器发生重叠，但是可以同时切换光源而不发生干扰。

在本发明的另一实施例中，这样配置，使得行传感器的三个平行辅助线具有电子控制的快门，利用脉冲控制光源同步驱动该快门，使得该快门在顺序脉冲控制的光源操作周期内打开很短的时间。可以在微秒时间内控制或者触发光源。在这种时间范围内，细长物体可以认为实际上是静止的。行传感器当所有三个辅助行受照射之后，便可读出行传感器。

下面参照示于图中的实施例，更详细说明本发明，这些附图是：

图1示出在一个坐标系统中的扁平电缆横截面，并且该横截面用三个点光源例如激光二极管照射；

图2示出例如扁平电缆的长方形横截面，该电缆在边缘部分是倒圆的；

图3示出图1和图2配置的更具体实施例；

图4是横截面图，示出由三个点光源照射扇形电缆；

图5示出例如扁平电缆的长方形横截面，该横截面具有倒圆的弯角。

图1示出普通扁平电缆10的横截面。未示出扁平电缆的内部。这是一种周知的结构。在横截面上，该扁平电缆具有平行的长边和较小的圆形侧边。较小的侧边用圆K1和K2表示。圆K1和K2的圆心用坐标X_K1，Y_K1或者X_K2，Y_K2表示。圆K1、K2的半径，用r表示。该X-Y坐标系统形成测量平面，该平面中配置四个点光源1、2、1.1和2.2。该光源最好是单色光源，但这不是决定性的。该点光源在任何情况下必须分别位于测量平面上，或者坐标系统平面上。在垂直于图面或者测量平面的方向，激光光源可以线性伸长。可以采用适当的激光二极管作光源。在所示的系统中，光源的坐标是已知的。光源2.1位于第一象限中，而光源1.1位于第四象限中。光源2和2.1或者1和1.1成对配置，使得可以照射圆K1和K2的多个部分。点光源的发射光是扇形的，在沿K1和K2上形成直线光线或者边缘光线。该边缘光线是电缆10没有挡住的光线。CCD或者CMOS行传感器12，或者光敏线性行传感器，配置在电缆10与光源1和1.1相反的一侧。而另一个行传感器14，或者光敏行传感器，配置在光源2和2.2相反的一侧。对于光源1和1.1，在行传感器1上形成四个阴影边界，而对于光源2和2.4，在行传感器2上形成四个阴影边界。光源1、1.1、2和2.2在坐标系统中的坐标是已知的。如果传感器行在坐标系统中的延伸部分是已知的，则可以容易确定边缘光线照射位置的坐标，或者阴影边界的坐标。在光源2和2.2或者1和1.1之间的连线近似平行相关的行传感器12或者14。光源的主光束方向分别大体垂直于相关的行传感器12或者14。行传感器的轴线大体彼此垂直。

为了确定圆K1和K2的两个圆心(X，Y)和两个半径(r)，需要六个方程。通过图1所示边缘光线的几何关系，可以形成图1所示的四个方程。根据从光源1.1和2.2发射的边缘光线，可以以类似的方式，得到另外四个方程。采用现有八个方程中的六个方程可以唯一地确定圆K1和K2的六个未知量(圆心的坐标和半径)。

根据在各个位置计算的半径r₁和r₂，由2r₁或2r₂得到电缆10的厚度。如图所示，如果确定两个圆心，则也可以得出扁平电缆10的宽度，因为该宽度是两个半径r₁、r₂和圆心之间的距离a之和。

图2是横截面图，示出扁平电缆10b，该电缆具有大体矩形横截面，该横截面的边缘被倒成圆形，如编号60所示。圆形横截面具有圆心X_K1，Y_K1至X_K4，Y_K4，圆心之间的距离为a₁和a₂或者c₁和c₂。为了确定扁平电缆10b的厚度和宽度，可以按照图1所示的方式，确定圆形横截面的圆心位置和相关半径。将a₁或者a₂加上相关圆截面的半径便可以得到厚度。将c₁或者c₂加上相关圆截面的半径便可以得到宽度。为了测定各个圆形截面的这些数据，需要按照上述方式计算两条或者三条切线。

为了确定圆K1-K4四个圆心(X，Y)的八个坐标和四个半径(r)需要十二个方程。从图2所示的边缘光线，可以通过几何关系建立四个方程，如图2所示。可以根据光源1.1和2.2发射的边缘光线，以类似方式得到另外四个方程。然后再根据光源1.3和2.3发射的边缘光线。以类似方式，形成另外四个方程。利用这十二个方程可以唯一地确定圆K1到K4的十二个位置量(圆心坐标和它们的半径)。

图2示出的测量原理也适用于细长物品的非对称横截面。然而如图2所示，如果横截面轮廓是轴对称的，则每个圆形截面只产生两个边缘光束便足够了。按照上述原理，利用边缘光线的入射位置，可以建立八个方程。其余四个量可以根据辅助假设得到，根据辅助假设可以建立其余的方程。例如在图2中，对于所有圆形截面，半径r是相等的。

图3示意示出实施图1和图2所示原理的测量装置实体。扁平的角形保持架20具有两个腿部分22和24。保持架20的腿24具有部分26，测量装置的电子控制器装在该部分上。在保持架20中，在腿部28和30上形成倾斜的凹口，该凹口在顶点区域由倾斜向上延伸的突出部32变窄。该突出部32具有下述用途的槽口。在腿部22的端部，配置两个激光二极管34和36。该激光二极管的主光束方向是平行的，并且平行于腿部22的轴线。在腿部24的端部配置两个激光二极管38和40，该激光二极管的主方向是平行的，并平行于腿部24的纵轴线。在突出部32的与激光管34和36一侧相反的一侧，配置CCD行传感器42。在突出部32的与激光二极管38和40一侧相反的一侧，在保持架20上配置CCD行传感器44。传感器的纵方向分别垂直于相关激光二极管34和36或者38和40的主光束方向。读出电子电路配置在部分26上。

在图3中可以看到扁平电缆48的横截面，该电缆在空心突出32中沿其纵方向运动。该扁平电缆48的纵轴垂直于图平面或者保持架20的平面，该扁平电缆的横截面类似于图1的扁平电缆横截面，横截面的横轴分别与二极管34、36或和38、40主光束方向形成约45°角。在图3中还示出具有圆形横截面的电缆50。

在图3中，激发激光二极管38和40，使其照射扁平电缆48。在行传感器44上产生相应的掩蔽，因此利用由衍射图案确定的阴影边界，可以确定准确的值。对于激光二极管38和40，可以在行传感器44上分别产生两个阴影边界。对于扁平电缆48横截面的圆形部分，可以确定两个边缘光束。为了测量，如图1说明的，第三边缘光束需要激发激光二极管34或者36。因为通常要测定扁平电缆的宽度，所以需要激励所有的激光二极管34-40，以便确定两个圆形部分的圆心位置和半径。这不要求电缆在运动时，相对于保持架20保持预定的位置，特别是如果可以快速地执行测量，还要求保持绕其纵轴的预定转动位置。扁平电缆48可以扭转±15°的角度，而不影响测量准确度。

没有特殊的措施不能同时启动所有的激光二极管，否则，在传感器上可能发生光束的重叠。然而可以在微秒范围内安排激光二极管34和80的脉冲时间。在此短的时间中，扁平电缆48可以认为是静止的，因此扁平电缆的运动不会造成测量失败。

还可以使用所示的测量装置来测量所谓圆形电缆，即测量其直径。所用的方法相当于例如DE 197 57 067 C1中公开的方法，只需要激发图3成对激光二极管中的一个激光二极管，以便沿两个正交轴进行测量。最好采用主光束方向垂直于电缆纵轴50的二极管36和38。对于测量电缆50的直径，不需要测量切线来确定圆半径的圆心。

在图5中示出细长物品的长方形轮廓。这种轮廓代表图2横截面的特殊情况，其中半径是零或者趋向于零。如果这样照射，使得两个边缘光束形成一个角，则可以利用在棱边相交的两个边缘光线计算弯角的坐标。在图5中，仅在64示出两个边缘光线。

图4示出所谓扇形电缆70的横截面。该横截面的纵轴垂直于图面。在此横截面中，可以看出在横截面的内边和外边的两个相对的圆K1和K2以及相关的圆心MK1和MK2。电缆70由点光源L1-L3照射，该点光源位于所示横截面的同一平面中。在电缆的相反侧配置例如CCD行传感器72。在图4中，还示出切线Y₁₁-Y₃₂。这些切线是在照射扇形电缆70时形成的，并确定在CCD行传感器72上的阴影边界。利用这些切线，可以确定圆心MK1和MK2的位置，还可以确定相关圆的半径R1和R2，可以按照图1和2所示的方式计算这些切线。这样，可以根据公式R2+R2-(MK2-MK1)计算扇形电缆的高度或者厚度。

在示出的横截面中，圆形部分74和76位于圆形部分K1的两端。用三个另外的光源在垂直于光源L1-L3照明方向的垂直方向照明扇形电缆70时，还可以测量扇形电线70的宽度。在图4中未示出这种照射。

在图1和4配置中，为了避免电缆可能运动或者振动影响测量，激光二极管必须同时激发，或者在极短的时间内一前一后地激发，在这个极短的时间内不可能分别读出行传感器器或者CCD行传感器。因此，各个传感器的行可以由三个平行的辅助行构成，这些行对于不同的光谱色是传感的。各个光源发射辅助行传感的光谱色光。在这种情况下，可以用我们的光源同时照射电缆，使得电缆的测量可以在电缆的一个位置上进行。或者可以想象到，在各个传感器行的三个辅助行中各个行上配置一种快门，并且只使一个辅助行与光源的激发同步地打开。三个辅助行的激发发生在微秒的间隔内。因此可在随后读出传感器行，这种读出需要较长的时间。这样，在要测定电缆上的测量位置可以相隔很近，因而电缆位置的振动和其他变化不会干扰测量。在最新的另一实施例中，可以省去与相应彩色联用的颜色光源滤光器。可以使用在近红外区发射的简单脉冲控制激光二极管。

Claims (14)

1.一种在测量平面上测量细长物品，特别是测量扇形电缆或者扁平电缆尺寸的方法，所述测量平面垂直于物品，该物品具有纵轴和非圆形的横截面，该横截面或者该物体的外周分别具有圆形或者椭圆形横截面部分例如弯角部分，可以沿横截面的至少一个轴进行测量，该方法包括以下步骤：

用最小数目的分开光源沿大体垂直于纵轴线的方向照射该物品，使得对每个圆形部分产生至少三个不同的边缘光线，或者对椭圆形部分产生至少四个不同的边缘光线；

光源在测量平面坐标系统中的坐标和至少一个光敏位置分辨传感器的坐标贮存在测量装置的存贮器中，其中，边缘光线射在该位置的分辨传感器上；

确定光线射在传感器上的位置坐标；

根据所射位置的坐标和光源的坐标，利用几何公式，计算圆形或者椭圆形部分圆心的位置数据，以及圆形部分的半径数据和椭圆形部分的长、短半径；

利用计算的数据，确定物品横截面的至少一个尺寸。

2.一种测量细长物品尺寸的方法，该物品具有纵轴线和弯角没有倒圆的横截面，在横向于纵轴线的测量平面上进行测量，该横截面的至少一根轴线位于该测量平面上，该方法包括以下步骤：

用最小数目的分开光源照射物品，该光源大体垂直于该纵轴，使得对每个弯角至少产生两个不同的边缘光线；

将光源在测量平面系统中的坐标以及边缘光线射到至少一个光敏位置分辨传感器的坐标贮存在测量装置的存贮器中；

确定传感器上边缘光线照射位置的坐标；

根据照射位置坐标和光源坐标，利用几何方程，计算弯角的位置数据；

利用这些计算的数据，确定横截面的至少一个尺寸。

3.一种在测量平面上测量细长物品特别是扁平电缆尺寸的方法，该物品在横截面上是轴对称的，该物品具有纵轴和在横截面上的倒圆弯角，该弯角由圆形或者椭圆形部分形成，本方法包括以下步骤：

用最小数目的分开光源在大体垂直于纵轴的方向照射该物品，使得对每个圆形部分产生至少两个不同的边缘光线，或者对每个椭圆部分产生至少三个不同的边缘光线；

将光源和光源射到的至少一个光敏位置分辨传感器在测量平面坐标系统中的坐标，贮存在测量装置的存贮器中；

根据所射位置坐标和光源坐标，利用几何方程以及由轴对称另外得到的条件，计算圆或者椭圆部分的中心位置数据，以及圆形部分的半径或者椭圆形部分的长、短半径；

根据计算的数据，确定横截面的至少一个尺寸。

4.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，利用许多组光源分别照射物品特别是扁平电缆的弯角部分、圆形部分或者椭圆形部分。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其特征在于，使物品在测量范围内运动，使得横截面的横轴与各个测量轴形成角度。

6.如权利要求5中所述的方法，其特征在于，该角度约为45°。

7.如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，可以通过计算由圆形部分或者椭圆形部分或者弯角部分形成的衍射图案强度分布，分别确定所射位置或者阴影边界。

8.如权利要求1-7中任一项所述的方法，其特征在于，该光源是激光点光源。

9.如权利要求1-8中任一项所述的方法，其特征在于，该光源具有扇形光束，不采用光学系统。

10.如权利要求1-9中任一项所述的方法，其特征在于，该位置分辨传感器是光敏传感行，具体是CCD或者CMOS行传感器。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，各个传感行由许多平行的辅助行组成，这些辅助行对于不同的光谱色是敏感的，而且光源发射这些光谱色中的一种色的光。

12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，各个传感行由平行的辅助行组成，各个辅助行具有电子控制的快门，该快门的启动与光源的脉冲启动是同步的，使得在光源启动时，快门随后短时间打开。

13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，该方法适用于扁平电缆，该扁平电缆横截面在短边具有圆形或者椭圆形部分，或者圆形或者椭圆形的圆弯角。

14.如权利要求1-12中任一项所述的方法，其特征在于该方法适用于扇形电缆。