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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Erfassung von geometrischen
Eigenschaften einer Objektoberfläche
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In
vielen Bereichen der Technik kommt es darauf an, Temperaturprofile
punktgenau zu erfassen. Dies ist im Prinzip auch mit diskreten punktförmigen Temperatursensoren
möglich,
die auf die zu erfassende Prüflingsoberfläche entlang
einer gewünschten
Linie appliziert werden. In der Regel setzt diese Vorgehensweise
eine stationäre
und hier nicht in Betracht gezogene möglicherweise einmalige Applikation
voraus. Bei der vorliegenden Anwendung geht es um kontinuierliche
Prozesse, so daß eine
solche Lösung
nicht in Frage kommt.
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Um
die hier vorgeschlagene Messung möglichst lückenlos durchführen zu
können,
muß sie
berührungslos
und sehr schnell erfolgen.
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Es
sind Sensoren bekannt, die die Temperatur eines Meßpunktes
berührungslos
erfassen. Mit den meisten bekannten Sensoren dieser Art lassen sich
nur Temperaturprofile der abgetasteten Oberfläche entlang der Bewegungsrichtung
des Prozesses erfassen. Die vorliegende Aufgabe ist, eine (nahezu) lückenlose
und ortsauflösende
Erfassung von Tem peraturprofilen senkrecht zur Bewegungsrichtung des
Prozesses zu implementieren. Die bekannten Sensoren lassen eine
solche Messung nicht zu, da sie entweder stationär angebracht sind und somit
nur die im „Sichtfeld" des Sensor befindliche
Werkstückoberfläche und
entlang der Bewegungslinie die Temperatur erfassen können oder,
wenn dieselben hin und her quer zur Bewegungslinie geschwenkt oder translatorisch
mit einem übergeordneten
elektromechanischen System bewegt werden, niemals bei schnell ablaufenden
Prozessen wegen der vorhandenen mechanischen Trägheit des Sensors und des übergeordneten
Bewegungssystems die gewünschte Werkstück-Oberflächentemperatur
lükkenlos
(oder nahezu lückenlos)
erfassen können.
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Es
sind beispielsweise auch Sensoren bekannt, bei denen nur der Meßstrahl über einen
oder mehrere hin und her schwenkbaren Spiegel so umgelenkt wird,
daß eine
senkrecht (oder nahezu senkrecht) zur Bewegungslinie liegende Meßspur entsteht.
Hier wird tatsächlich
eine gewisse Ortsauflösung
erzielt, aber das Verfahren hat weiterhin erhebliche Einschränkungen,
da die schwenkbaren Spiegel aufgrund der eigenen mechanischen Trägheit keine
lineare, sondern meistens eine sinusförmige Bewegung ausführen, so
daß die
Verweilzeit des Meßflecks
auf der Werkstückoberfläche positionsabhängig ist
und somit auch den erfaßten
Meßwert
beeinflußt.
Zwar ist die erzielbare Meßgeschwindigkeit
relativ hoch, aber durch die Spiegelträgheit trotzdem begrenzt, so
daß die
Messung bei sehr schnellen Prozessen nicht lückenlos erfolgen kann. Ein
weiterer wichtiger Nachteil des erwähnten Verfahrens besteht darin,
daß der
Meßstrahl
stets den Winkel und damit auch den Abstand zur Werkstückoberfläche während der
Schwenkbewegung ändert
und damit die Messung von der meist unbekannten Abstrahlcharakteristik
der zu messenden Oberfläche stark
beeinflußt
wird. Hinzu kommt außerdem
die „Feldwölbung" der Meßlinie,
d.h. daß ohne
eine teuere korrigierende Optik die Meßpunkte auf einer gekrümmten Linie
in der Scanebene liegen. Die „punktförmig berührungslos
messenden Temperatursensoren" messen
außerdem
die Oberflächentemperatur nicht
in einem nahezu dimensionslosen Punkt, sondern üblicherweise in einem runden
Meßfleck
mit einem Durchmesser von ca. 3 bis 15mm. Diese Sensoren erfassen
lückenlos
das Integral der Temperatur einer breiten Spur gemäß dem Meßfleckdurchmesser
entlang der Bewegungsrichtung der Werkstückoberfläche, wobei hier aufgrund von
optischen Abbildungsnichtlinearitäten, aufgrund der Form des
Meßflecks
und aufgrund der zu erfassenden Temperaturprofilen quer zur Bewegungsrichtung
systematische Meßfehler
auftreten, die eine ortsauflösende
Temperaturmessung unmöglich
machen. Als Hinweis hierzu sei bemerkt, daß ein kreisförmiger Temperaturmeßfleck eine
wesentlich höhere
nichtlineare Meßempfindlichkeit
in der Mitte als am Rande des Meßflecks aufweist, da die Länge der
Meßstrecke
in der Mitte des Meßflecks
dem Durchmesser entspricht und am Rande des Meßflecks kürzer ist, daß der schließlich erfaßte temperaturabhängige Meßwert von
der örtlichen
Emissivität
und von der vierten Potenz der ört lich
vorhandenen Temperatur sowie von der ortsabhängigen Abstrahlcharakteristik
des Werkstückoberfläche abhängt.
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Eine
weitere bekannte Klasse von Sensoren, die eine ortsaufgelöste Temperaturmessung
quer zur Bewegungsrichtung ermöglicht,
besteht aus zeilenförmig
angeordneten punktförmigen
temperaturempfindlichen Sensoren (ähnlich wie Zeilenkameras). Diese
Sensoren kommen der gestellten Aufgabe am nächsten, aber sie haben ebenfalls
schwerwiegende Nachteile. So ist die Materialauswahl des Sensors eingeschränkt und
somit hängt
der meßbare
Temperaturbereich von den verfügbaren
Sensormaterialien ab. Ferner weist die Sensorzeile Lücken zwischen den
einzelnen Sensoren auf, so daß bei
scharf abbildenden Optiken die Lükkenlosigkeit
der Messung nicht mehr gegeben ist. Ein weiterer Nachteil besteht in
der ungleichmäßigen Empfindlichkeit
der einzelnen Punktsensoren der Zeile (Herstellungstoleranz). Das
läßt sich
in der Regel kalibrieren, aber stellt eine weitere Verkomplizierung
und Verteuerung des Meßsystems
dar. Die Kosten eines solchen Meßsystems sind sehr hoch und
fast exponentiell abhängig
von der Anzahl der Einzelsensoren der Zeile, wobei auch die komplizierte
erforderliche Abbildungsoptik einen erheblichen Anteil hat. Bedingt
durch die Zeilenkosten und verfügbaren
Materialien sowie bedingt durch die Größe von solchen Komponenten
ist die Realisierung von Zwei- oder Mehr-Wellenlängen-Pyrometern nicht denkbar
und im industriellen Maßstab
auch bislang nicht realisiert.
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Die
einzige Temperatursensor-Klasse, die prinzipiell eine Lösung der
gestellten Aufgabe ermöglicht,
besteht aus Einzelsensoren, wobei der Meßstrahl über rotierende Spiegel (wie
z.B. Polygonscannern) umgelenkt wird. In diesem Fall werden die
Probleme aufgehoben, die mit der mechanischen Trägheit des Scanners zusammenhängen. Bei
sehr großen
Drehgeschwindigkeiten müssen
zwar die Scanner ausgewuchtet und mit Luftlager (o.ä.) ausgestattet
werden, aber mit dieser Technik können prinzipiell ausreichend
große
und konstante Meßgeschwindigkeiten
erreicht werden. Problematisch bei Polygonscannern sind jedoch:
a) die Polygon-Größe, b) das
in der Drehachse des Polygons liegendes Antriebselement mit seiner
Größe, c) die
o.g. Feldwölbung,
die nur mit teueren Objektiven kompensiert werden kann, d) der meist
ungenutzte relativ große
Meßwinkel
und e) die ständige Änderung
des Meßwinkels
zur Werkstückoberfläche. Ausgehend
von einer gängigen
Facettengröße von 10mm × 10mm beträgt beispielsweise
der Durchmesser eines 12-fachen Polygons bereits ca. 40mm. Die übrigen hier
genannten Nachteile wurden bereits bei den anderen Sensorklassen
behandelt.
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Im
Bereich der berührungslosen
Temperaturmeßtechnik
sind zahlreiche Patente angemeldet worden, die aber gegenüber der
vorliegenden Erfindung einen oder mehrere Nachteile aufweisen, wobei
das vorliegende Verfahren und die Beispielvorrichtung nicht die
Temperaturmessung selbst, sondern die erfindungsgemäße Ortsauflösung der
Messung und die technisch vorteilhafte Lösung beansprucht. Für die Ein-
oder Zwei-Wellenlängen-Pyrometer
mit und/oder ohne Verwendung einer Referenzstrahlungsquelle werden
im Einzelnen folgende Patentanmeldungen ohne Anspruch auf vollständigkeit
zitiert:
US 3,433,052 /
US 3,442,591 /
US 3,611,806 /
US 3,619,059 /
US 3,796,099 /
US 4,225,230 /
US 4,465,382 /
US 4,470,710 /
US 4,647,774 /
US 4,647,775 /
US 4,924,478 /
US 5,231,595 . Für die multispektralen Meßmethoden
mit und ohne Verwendung einer Referenzmessung werden folgende Patentanmeldungen
ohne Anspruch auf Vollständigkeit zitiert:
US 3,822,098 /
US 4,708,493 /
US 4,880,314 /
US 5,868,496 .
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Für Meßmethoden
mit gezielter Messung der Oberflächenreflektivität werden
folgende Patentanmeldungen ohne Anspruch auf Vollständigkeit
zitiert:
US 4,417,822 /
US 4,579,463 . Für Temperaturscanner
wird die
US 4,439,049 zitiert.
Für Meßmethoden zur
Ermittlung der Lage der Planck-Kurve wird die
US 4,605,314 und schließlich werden
die
US 4,605,314 und
US 5,231,595 für die wellenlängenabhängigen Trennung
der Meßsignale
zitiert. Für
die konfokale Entfernungsmessung werden folgende Patentanmeldungen
ohne Anspruch auf Vollständigkeit
zitiert:
US 3,788,741 /
US 4,081,215 /
US 4,600,831 /
US 4,711,578 /
US 5,033,856 und
GB 2 077 421 . Die zitierten Schutzrechte
weisen starke Abweichungen von der hier beanspruchten Vorrichtung
und insbesondere durch das beanspruchte Scannverfahren auf. Vollständigkeitshalber
werden hier in Bezug auf das beanspruchte Profilmeßverfahren
der Objektoberfläche
die Klasse der Triangulationsmeßmethoden
mit fester Strahlprofil-Projektion
oder der mit Hilfe von bewegten Umlenkspiegel erzeugten Projektion
genannt, ohne konkrete Schutzrechte zu zitieren, da sie gegenüber der
beanspruchten Meßmethode wesentliche
Nachteile aufweisen und außerdem
prinzipiell im Stand der Technik beschrieben wurden.
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Aus
dem Stand der Technik ist das Prinzip der Planparallelen-Platte
zur Korrektur des Versatzes eines Strahlenganges bekannt. Dies wird
meistens stationär
als manuelle Feinjustage verwendet. Der erzeugte parallele Strahlversatz
hängt vom
Winkel der verwendeten Platte zur optischen Achse, von der Dicke
und vom Brechungsindex der Platte ab.
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Eine
schnelle Profil-Messung läßt sich
nur realisieren, indem in erster Linie die Trägheit aus dem mechanischen
Scannersystem minimiert oder eliminiert wird. Dies läßt sich
am einfachsten durch die Umwandlung der hin und her Bewegung in
eine Drehbewegung mit konstanter Geschwindigkeit realisieren. Ferner
sind die geometrischen Bedingungen einer Temperaturmessung für die Genauigkeit
der Messung entscheidend, d.h. der Meßwinkel zur Objektoberfläche muß für eine genaue
Messung gleich sein, denn die Emissivität ist meßwinkelabhängig und sollte daher beim
Scannen möglichst
gleich sein. In der Annahme, daß die
meisten technischen zu messenden Flächen flach sind, müßte daher
eine entsprechende Profilmessung sicher stellen, daß der Meßstrahl
in jedem Punkt der Profilmessung diese Bedingung erfüllt, d.h.
es wird eine telezentrische Meßanordnung
benötigt.
Ferner ist die Aufgabe dieser Erfindung, die Begrenzung des Scannwinkels
auf den erforderlichen Bereich zu begrenzen.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart
zu verbessern, daß mit
einfachen Mitteln und hoher Genauigkeit eine (nahezu) lückenlose
und ortsauflösende
Erfassung von Temperaturprofilen erzielt werden kann.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 Prinzipdarstellung
eines erfindungsgemäßen Temperaturscanners;
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2 perspektivische
Darstellung eines Scannerkäfigs
mit Luftantriebstaschen und Haltern mit Luftdüsen;
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3 Prinzipdarstellung
einer Justagevorrichtung mit einer sichtbaren Laserdiode;
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4 Prinzipdarstellung
eines Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Temperaturscanners
mit integriertem konfokalen Abstandsmesser;
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5 perspektivische
Darstellung eines transparenten Standard-Würfelscanners;
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6 Seitenansicht
des in der 5 gezeigten Würfelscanners,
in der die Erzeugung eines Versatzes des Strahlengangs senkrecht
auf die Scanebene erkennbar ist.
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Zur
Umsetzung des erfindungsgemäßen Meßverfahrens
ist hier ein Sensorsystem 10 vorgeschlagen, in dem ein
Meßstrahl 12 zwischen
einem Meßpunkt
auf der Objektoberfläche
und einer Detektoreinrichtung 14 zur Erfassung der Objektoberflächentemperatur über einen
für die
Meßwellenlängen transparenten
Polygonscanner 16 mit einer gerade Anzahl von Facetten
A, AA, B, BB (siehe 5) in einem drehbar gelagerten
und luftangetriebenen Käfig 18 (siehe 2)
montiert ist, so daß der
Meßstrahl 12 gemäß dem Planparalellen-Platten-Prinzip
vom drehenden Polygonscanner 16 umgelenkt wird, wobei zur
Erfassung der aktuellen Scanner-Winkellage eine zweite Meßvorrichtung 20 verwendet
wird, die vorzugsweise optisch (wie eine Lichtschranke) funktioniert
und quer zur optischen Achse OA des Sensorsystems 10 angeordnet
ist. Die Winkellageerfassung des Polygons kann natürlich auch
mit anderen Mitteln erfolgen.
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In
der 1 ist mit 21 eine Blende und mit 23 ein
Filter angedeutet.
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Der
Käfig 18 verfügt über die
gleiche gerade Anzahl von Öffnungen
wie der transparente Polygonscanner 16, und die Lage der
Käfigöffnungen
entspricht der Lage der Polygonfacetten. Die gegenüber liegenden
Facetten sind parallel zueinander angeordnet. Vorzugsweise beträgt die Anzahl
der Polygonfacetten 4, d.h. der transparente Polygonscanner 16 ist
ein transparenter Würfelscanner.
Im folgenden wird nur auf den Würfelscanner
Bezug genommen. Die übrig
bleibenden Stege zwischen den Käfigöffnungen
der zylindrischen Außenwand
dienen der Befestigung des transparenten Würfels (an den Ecken) und zur
Abdeckung des optisch unwirksamen Winkels des Scanners (s. 1 und 2).
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Durch
den Würfelscanner
wird die Brennweite einer Fokussierlinse 22 etwas verkürzt, und
es entsteht außerdem
eine kleine, für
normale Applikationen vernachlässigbare
Feldwölbung
von ca. 50 μm bei
einer Meßlinienlänge der
Meßstrecke 24 von ±2 mm.
Gleichzeitig ändert
sich die Transmission des Würfelscanners
in Abhängigkeit
vom augenblicklichen Winkel der durchstrahlten optischen Flächen zur
optischen Achse OA der Meßvorrichtung
und ist maximal bei 90° (senkrecht
auf die optischen Achse OA). Die erfindungsgemäße Vorrichtung 10 ist
so ausgelegt, daß die
Feldwölbung
in Bezug auf den erfaßten
Temperaturmeßwert
bei einer flachen Objektoberfläche
die winkelabhängige
Transmission des Würfelscanners
zumindest teilweise kompensiert. Diese Kompensation läßt sich
auch für
anders geformte Objektoberflächen
realisieren.
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In
einer vorteilhaften Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist mindestens
ein Paar der o.g. Polygonfacetten nicht parallel mit der Scanner-Rotationsachse 29 ausgelegt,
wodurch der Strahlengang aus der Drehebene des Scanners austritt,
so daß auf
der Objektoberfläche
zwei oder mehr Meßlinien
versetzt in der Richtung der Prozeßbewegung, bzw. senkrecht auf
die Scannebene entstehen (s. 6). Dies
ist vorteilhaft, da die Messung ein quasistationäres Gesamtbild der zu messenden
Stelle auf der Objektoberfläche
anbietet.
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Falls
erforderlich (z.B. begrenzte Platzverhältnisse für den Sensoreinbau), kann der
Strahlengang zwischen dem Würfelscanner
und der Objektoberfläche über weitere
Spiegel umgelenkt werden (ohne Abbildung).
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Der
Luftantrieb wurde hierzu vorgesehen, um die Größe des Scanners möglichst
klein zu halten. Die Scannerdrehzahl läßt sich über den Luftdruck einstellen
und wird aus Kosten- und Platzgründen
nicht geregelt. Es sind auch andere konstruktive Varianten für den Antrieb
des Scanners denkbar. Beispielsweise kann der hier benötigte Antrieb
elektromagnetisch, berührungslos
wie ein Rührstab
in der chemischen Industrie wirken. Der hier genannte Luftantrieb
besteht aus einer oder mehreren Düsen, die tangential auf die
seitlichen Endflächen
des Käfigs blasen,
wo kleine Taschen 25 in der Außenwand des Käfigs ausgeformt
sind. Vorzugsweise werden zwei Luftdüsen 27 (eine auf jeder
Seite des Käfigs)
verwendet (s. 2).
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Da
die Drehzahl des Scanners erfaßt
wird, kann im Falle von höheren
Ansprüchen
an die Genauigkeit der Einhaltung einer konstanten Drehzahl der
Luftdruck des Scannerantriebes über
eine steuerbare Drossel oder über
ein Ventil und einem entsprechenden Regler so geregelt werden, daß eine gewünschte Drehzahl
eingestellt und gehalten wird.
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Die
Winkellage des Würfelscanners
entspricht indirekt der Lage des Temperaturmeßflecks in der Drehebene des
Scanners. Als Lichtquelle für
die Winkellageerfassung ist vorzugsweise eine fasergekoppelte LED 26 und
zur Positionserfassung eine positionsempfindliche Diode (PSD) 28 verwendet.
Die Auflösung
der Referenzmessung ist praktisch unendlich, da die PSD 28 mikrometergenau
die Lage des Schwerpunktes des auftreffenden Lichtstrahls bildet. Durch
die Verwendung eines kurzen Stücks
einer optischen Faser wurde der Referenzstrahl ausreichend gut geformt,
so daß er
homogen und vollständig
auf die Fläche
der PSD 28 projiziert wurde (s. 1). Der
oder die erfaßten
Meßwert(e)
werden mit der jeweiligen Winkellage des Würfelscanners korreliert und
entsprechend durch eine übergeordnete
Auswerteeinrichtung berücksichtigt.
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Der
Aufbau wurde beispielsweise mit einem schnellen Ge-Detektor 14 ausgestattet,
wodurch Temperaturen ab ca. 300°C
erfaßt
werden können. Eine
zwei-Wellenlängen-Temperaturmessung
läßt sich
auch in der vorgestellten Art realisieren. Durch die Chopperwirkung
des Würfelscanners
lassen sich auch preiswerte IR-Pyrodetektoren als Sensoren zur Erfassung
der Objektoberflächentemperatur
einsetzen.
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Die örtliche
Auflösung
der Temperatur-Messung ist in der Praxis < 0,1 mm. Am Rande des Meßbereiches
nimmt die Sensorempfindlichkeit ab, da die Transparenz des Würfels bei
großen
Umlenkwinkeln abnimmt. Dieser systematische Fehler läßt sich jedoch
wegkalibrieren. Der Arbeitsabstand des Scanners beträgt beispielsweise
130mm und die Scanstrecke auf der Objektoberfläche ±2 mm. Bei der maximal erreichbaren
Drehzahl des Würfelscanners
erreicht die tatsächliche
Scangeschwindigkeit 120 m/s. Trotz des geringen Druckluftverbrauches
sind Drehzahlen von bis zu 60.000min-1zuverlässig erzielt worden, d.h. 4.000
Temperaturprofile pro Sekunde (4 Profile pro Umdrehung). Für einen
dauerhaften Einsatz bei dieser Drehzahl muß der Scanner ausgewuchtet
und eventuell Luftlager verwendet werden. Die hier beispielhaft
genannten Abmessungen lassen sich beliebig skalieren. Die verwendete
Druckluft muß frei
von Partikeln, Öl
und Wasser sein.
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Um
den praktischen Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verbessern,
ist eine sichtbare Markierung auf der Objektoberfläche erforderlich, um
die genaue Lage des Meßbereiches
für Justagezwecke
sichtbar zu machen. Auf grund der Besonderheiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung
werden hier zwei prinzipielle applikationsabhängige Anordnungen für eine vorteilhafte
Einkopplung der sichtbaren Strahlung einer Laserdiode in den Strahlengang des
Scanners vorgeschlagen:
- a) Falls ein unbeweglicher
Punkt in der Mitte der Meßstrecke
auf der zu messenden Objektoberfläche benötigt wird, so ist die Einkopplung
zwischen Scanner und Objekt vorzunehmen, oder
- b) Falls ein sichtbarer Strich im Bereich der Meßstrekke
auf der Objektoberfläche
benötigt
wird, so ist die Einkopplung im kollimierten Teil des Strahlenganges
zwischen Würfelscanner
und Temperaturmeßvorrichtung
vorzunehmen.
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Besonders
vorteilhaft ist eine getrennte Anordnung, bei der die kollimierte
Strahlung einer sichtbaren Laserdiode 30, der eine Kollimationsoptik
zugeordnet ist, durch ein 90°-Prisma 32 zwei
gleiche Strahlen geteilt wird, die mit Hilfe zweier einstellbarer Spiegel 34 symmetrisch
zur optischen Achse der Meßvorrichtung
derart umgelenkt werden, daß sie sich
genau in der Mitte bei 36 der Scanner-Temperaturmeßstrecke kreuzen. Damit wird
die genaue Lage der Meßstrecke 24 angezeigt
(s. 3). Diese Vorrichtung kann entweder in der Scanebene
oder im Befestigungsflansch des Scanners (ohne Abbildung) und derart
geneigt zur optischen Achse des Scanners, daß der Schnittpunkt der beiden
Markierungsstrahlen der sichtbaren Laserdiode genau in der Mitte der
Scannerstrecke liegt.
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Erfindungsgemäß kann die
sichtbare Markierungsvorrichtung mit einer auf derselben Wellenlänge messenden
Vorrichtung kombiniert werden, um den Rückreflex von der Objektoberfläche zwecks
Gewinnung von weiteren Oberflächeninformationen
zu messen. Unter anderem ist eine solche Messung zur Ermittlung
der Oberflächenreflektivität und/oder Emissivität geeignet
und kann für
komplexe und unregelmäßige Verläufe der
besagten Eigenschaften um eine oder mehreren sichtbaren und/oder
unsichtbaren Wellenlängen
erweitert werden. In diesem Fall ist eine sehr präzise und
schnelle Messung der Temperatur entlang der Scanner-Temperaturmeßstrecke möglich.
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Ferner
ist der Einbau einer Matrix-Kamera in den Strahlengang der erfindungsgemäßen Vorrichtung
vorgesehen, um den praktischen Einsatz der Vorrichtung zu verbessern,
wobei die Kamera stets erfindungsgemäß an einer bestimmten vorwählbaren Winkelposition
des Scannerwürfels
getriggert wird, um ein stehendes Bild zu erhalten (ohne Abbildung). Da
die Scannergeschwindigkeit viel größer als die Bildwiederholfrequenz
der Matrix-Kamera ist, erfolgt der Triggerzeitpunkt der Kamera jeweils
nach einer einstellbaren Anzahl von Scannerumdrehungen. Vorzugsweise
wird die Kamera in der 0-Position des Würfels getriggert, d.h. wenn
die Scannerwürfelflächen senkrecht
auf die optischen Achse der Vorrichtung stehen. Dabei ist der durch den
Scannerwürfel erfaßte Bildausschnitt
der Objektoberfläche
groß genug,
um den gesamten Meßbereich
für Dokumentation
und Kontrollzwecke sichtbar zu machen.
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Ein
typisches Einsatzfeld einer solchen Meßvorrichtung ist die Erfassung
der thermischen Eigenschaften einer gerade hergestellten Schweißnaht oder
die Überwachung
von thermischen Prozessen an endlosen Werkstücken wie beispielsweise das Ziehen
von Draht.
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In
diesen Fällen
sind auch die geometrischen Eigenschaften der zu erfassenden Objekte
in Verbindung und gleichzeitig mit deren thermischen Eigenschaften
von größter Bedeutung.
Zum einen bietet die beanspruchte Vorrichtung eine gute laterale
Auflösung,
so daß z.B.
die Breite einer heißen
Schweißnaht
oder des Schmelzbades beim Schweißen oder der Drahtdurchmesser
beim Drahtziehen zuverlässig und
schnell erfaßt
werden können.
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Einfache
Aufgaben lassen sich mit Hilfe der o.g. erfindungsgemäßen Markierungsvorrichtungen mit
sichtbarem Licht realisieren, jedoch unregelmäßige Strukturen wie eine Schweißraupe lassen
sich nur mit Hilfe einer zusätzlichen
Erweiterung der Meßvorrichtung
um eine konfokalen Entfernungsmessung ausreichend genau vermessen,
wie dies in der 4 gezeigt ist. Eine konfokale
Entfernungsmessung kann nach dem Rückreflex-Prinzip mit einer
oder mehreren Wellenlängen,
die vorzugsweise auch als sichtbare Lichtmarkierung dienen, durchgeführt werden.
Dabei wird die Fokussierlinse 22 der beanspruchten Vorrichtung
mit einem möglichst
großen und
linear verlaufenden chromatischen Fehler ausgelegt, so daß die Brennpunkte
von unterschiedlichen Wellenlängen,
die gleichzeitig auf das zu messende Objekt projiziert werden, in
unterschiedlichen Entfernungen liegen. Erfindungsgemäß wird dann die
o.g. Rückreflex-Meßvorrichtung
mit einer spektralen Trenn- und Analysevorrichtung ergänzt, die
in der Lage ist, die Wellenlänge
und die Intensität
des Rückreflexes
außerhalb
und/oder einschließlich
des Wellenlängenmeßbereiches,
in dem die Temperaturmessung erfolgt, kontinuierlich zu erfassen.
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Für einfache
Aufgaben reichen zwei oder drei diskrete Wellenlängen zur Ermittlung eines groben
geometrischen Höhenprofils
aus dem Fokus der beanspruchten Vorrichtung aus. Für komplexe
Aufgaben kann weißes
Licht verwendet werden, wobei die Fokussierlinse der beanspruchten
Vorrichtung das vorhandene Spektrum der Weißlichtquelle im Bereich der
Temperaturmeßlinie
in spektrale Bestandteile zerlegt, so daß eine in diesem Bereich liegende Oberfläche nur
die Lichtanteile zurückreflektiert,
die exakt auf die zu messenden Oberfläche fokussiert sind. Demnach
entspricht die Wellenlänge
des Rückreflexes
der Lage der Objektoberfläche
im Fokus, so daß in
Verbindung mit der Scannerbewegung die gesamte Profilform der Objektoberfläche im Fokus
vier Mal pro Scannerumdrehung gemessen wird.
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Da
der Strahlenversatz durch den Würfelscanner
wellenlängenabhängig ist,
entsteht ein kleiner winkelabhängiger
systematischer Meßfehler,
der erfindungsgemäß in Bezug
auf die augenblickliche Winkellage des Würfelscanners berechnet und
kompensiert werden kann.
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Bei
dem in der 4 gezeigten Sensorsystem 10' wird über die
Fokussierlinse 22 wird mit Hilfe der berührungslosen
Temperaturmeßeinrichtung 14 punktuell
die temperaturbedingte Emission einer Objektoberfläche im Bereich 24 erfaßt. Um die
räumliche
Auflösung
der Temperaturmessung zu erhöhen, ist
der drehbar gelagerter transparenter Polygonscanner 16 in
den Strahlengang integriert, so daß durch den entstandenen Parallelversatz
des Strahlenganges, der in der 6 mit d
bezeichnet ist, die Oberflächenemission
entlang der Meßlinie 24 erfaßt wird.
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Zur
Erfassung der Winkellage des Polygonscanners (hier als Würfel dargestellt)
wird quer zur optischen Achse der Meßvorrichtung das kollimierte Licht
der LED 26 durch den Polygonscanner auf die PSD 28 projiziert.
Dadurch kann jeder Temperaturmeßwert
einer Position entlang der Meßlinie 24 zugeordnet
werden. Gleichzeitig wird das Licht einer multispektralen Lichtquelle 44 über eine
optische Faser 45 koaxial in den Strahlengang der Meßvorrichtung eingekoppelt.
Bedingt durch die chromatischen Aberrationen der Fokussierlinse 22 wird
das Spektrum der Lichtquelle 40 zerlegt und in den Höhenmeßbereich 46 fokussiert.
Beim Auftreffen des Lichtes auf der Objektober fläche wird die exakt darauf fokussierte
Wellenlänge
zurückreflektiert
und kann aus der Faser 45 über einen Verzweiger 42 ausgekoppelt
und mit einem spektralen Analysator 44 ausgewertet werden. Die
hier gemessene Wellenlänge
entspricht der Position des Auftreffpunktes des Lichtes im Höhenmeßbereich 46.
Somit läßt sich
zu den gewonnenen Temperaturmeßdaten
auch die geometrische Objektoberflächenform entlang der Meßlinie 24 ermitteln.