DE102007015257B4

DE102007015257B4 - Messeinrichtung

Info

Publication number: DE102007015257B4
Application number: DE102007015257.6A
Authority: DE
Inventors: Armin Brühwiler
Original assignee: Schmid Elektronik AG
Current assignee: AUTECH AG, CH
Priority date: 2006-03-29
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2016-03-10
Anticipated expiration: 2027-03-28
Also published as: DE102007015257A1

Abstract

Messeinrichtung zur Vermessung mindestens eines Teils der Fläche (11d) eines Querprofils sowie einer dazu unter einem Winkel stehenden Fläche (11c), mit einer Sendeeinrichtung (9) für optische Signale, insbesondere Lasersignale, und einer Empfangseinrichtung (10) zum Erhalt der von den Flächen (11c, 11d) reflektierten optischen Signale, somit der Empfangssignale, sowie mit einer Auswerteeinrichtung (15), welche aus den Empfangssignalen verschiedener Stellen der Flächen (11c, 11d) ihren geometrischen Verlauf bestimmt, wobei die Anordnung zum optischen Abtasten der Fläche (11d) des Querprofils eine im wesentlichen lineare, im Abstand zum Querprofil anzuordnende Führungseinrichtung (12) sowie einen Antrieb für die Bewegung einer Abtasteinrichtung, insbesondere auf einem Schlitten oder Wagen (7), entlang dieser Führungseinrichtung (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Führungseinrichtung (12) und dem Antrieb für die Bewegung einer Abtasteinrichtung auch eine Anordnung zum optischen Abtasten mindestens einer unter einem Winkel stehenden Fläche (11c) vorgesehen ist, die mindestens eine die optischen Signale der Sendeeinrichtung (9) auf die wenigstens eine unter einem Winkel stehenden Fläche (11c) hin umlenkende Reflexionsfläche (14a) besitzt, wobei die mindestens eine Reflexionsfläche (14a) aus einer Ruhelage in eine Arbeitslage bring bar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Messeinrichtung zur Vermessung mindestens eines Teils der Fläche eines Querprofils sowie einer dazu unter einem Winkel stehenden Fläche, mit einer Sendeeinrichtung für optische Signale, insbesondere Lasersignale, und einer Empfangseinrichtung zum Erhalt der von den Flächen reflektierten optischen Signale, somit der Empfangssignale, sowie mit einer Auswerteeinrichtung, welche aus den Empfangsignalen verschiedener Stellen der Flächen ihren geometrischen Verlauf bestimmt, wobei auch eine Anordnung zum optischen Abtasten der Flächen vorgesehen ist, die mindestens eine die optischen Signale der Sendeeinrichtung auf die wenigstens eine unter einem Winkel stehenden Fläche hin umlenkende Reflexionsfläche besitzt.
Hintergrund der Erfindung
Ein Verfahren und eine Messeinrichtung zur Messung von Schienenoberflächen der Länge nach sind beispielsweise aus der DE 30 08 440 A1 bekannt geworden. Dabei ist über den zu messenden Bereich eine Anzahl von Fühlern verteilt, die auf einem Wagen der Schiene entlang fahrbar sind, wobei jedem Fühler ein Flächenstreifen der Schienenoberfläche zugeordnet ist.
Mit einem derartigen System lassen sich zwar – durch den notwendigen Abstand der Fühler voneinander – ein vergröbertes Abbild des Schienenprofils gewinnen, doch reicht dies nicht ganz aus, um die Abnützung des Schienenkopfes quer zur Schienen-Längserstreckung zu ermitteln, die aber deshalb wichtig ist, weil die Innenränder des Schienenkopfes durch den Spurkranz der darüber fahrenden Eisenbahnräder einer besonderen Abnützung unterworfen sind. Dazu kommt, dass die mehrfache Anordnung von Sensoren induktiver oder kapazitiver Art relativ teuer und platzaufwendig ist.
Ein anderes Verfahren und eine Messeinrichtung sind beispielsweise aus der DE 100 40 139 A1 bekannt geworden. Dabei wird mittels einer laseroptischen Messeinrichtung eine Videobild der Oberfläche des Schienenkopfes erzeugt und ein Bild des Profils dieser Oberfläche generiert. Das System eignet sich in gleicher Weise für normale Eisenbahnschienen wie auch für Rillenschienen.
Nachteilig an den bekannten Einrichtungen ist, dass eine direkte Aussage über die Abnützung fehlt bzw. nur schwer bzw. nur in Längsrichtung der Schiene zu gewinnen ist. Würde sich etwa das Schienenprofil gleichmässig abnützen (was sie ja nicht tut), so wäre das so gewonnene IST-Profil des Schienenkopfes völlig gleich dem SOLL-Profil. Mit dem bekannten System kann man daher nur feststellen, dass sich der Schienenkopf an einer bestimmten Stelle mehr abgenützt hat als an einer anderen, also nur eine relative Aussage über den Abnützungsgrad erhalten. Gewisse Effekte, wie durch Überwalzungen entstehende Risse, lassen sich damit kaum mit einiger Präzision feststellen.
Zwar sind auf dem Markte verschiedene Geräte, wie etwa das Gerät MiniProf der Firma Greenwood Engineering A/S, in Brøndby, Dänemark, – nach dem eingangs genannten Oberbegriff, doch mangelt es ihnen – trotz relativ teurem und komplizierten Aufbau – teilweise an Präzision, teilweise an einer Anpassungsfähigkeit zum Messen verschiedenster Parameter des Querprofils. Dazu kommt, dass es schwer ist, die gewonnenen Profile miteinander zu vergleichen, weil nicht an allen Stellen einer Schiene bzw. nicht zu allen Zeiten ein vergleichbarer Profilverlauf mit Hebungen und Senkungen erhalten wird. Daraus und aus dem obigen Mangel ergibt sich eine nur bescheidene Genauigkeit bei der Schienenvermessung. Überdies haben die bekannten Geräte einen relativ komplizierten Aufbau.
Zum Vermessen von Eisenbahnrädern und von Schienen ist eine solche Messeinrichtung beispielsweise aus der DE 44 01 020 A1 bekannt geworden. Dabei werden Bilder der Flächen auf sogenannten Targets von Kameraeinrichtungen entworfen und anschliessend ausgelesen, um dann ausgewertet zu werden. Im Grunde läuft dies auf eine Bildauswertung hinaus, die bekanntlich – sowohl was die Software als auch was die Hardware anlangt – konstruktiv und platzmässig äusserst aufwendig ist. Dasselbe gilt übrigens auch für eine Konstruktion nach der DE 36 11 795 A1 .
DE 195 31 336 A1 beschreibt ein Messsystem zur berührungslosen Messung des Vertikal- und Horizontalabstandes zwischen einem Fahrzeug und einer Schiene. US 5 452 080 A beschreibt eine Vorrichtung zum gleichzeitigen Erstellen eines Bildes der Seite und der Oberfläche eines Halbleiterbausteins. Ein exakter Verlauf der Oberfläche eines dreidimensionalen Gegenstandes kann nicht bestimmt werden.
DE 44 45 552 A1 beschreibt eine Messvorrichtung mit verfahrbarem Schlitten zum Ermitteln der Kontur von Objekten mittels obtischer Abtastung. Das Abtasten von Seitenfläche ist nicht möglich.
Kurzfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfach aufgebaute Messeinrichtung zu schaffen, die daher weniger von genau einzuhaltenden konstruktiven Toleranzen abhängig ist und somit verlässlichere Resultate liefert. Erfindungsgemäss gelingt dies dadurch, dass die Anordnung zum optischen Abtasten sowohl der Fläche des Querprofils als auch der wenigstens einen unter einem Winkel stehenden Fläche eine im wesentlichen lineare Führungseinrichtung, einen Antrieb für die Bewegung einer Abtasteinrichtung entlang dieser Führungseinrichtung und eine die optischen Signale der Sendeeinrichtung auf die wenigstens eine unter einem Winkel stehenden Fläche hin umlenkende Reflexionsfläche besitzt, wobei die mindestens eine Reflexionsfläche aus einer Ruhelage in eine Arbeitslage bringbar ist.
Bei dieser Ausbildung wird also die Reflexionsfläche in Kooperation mit der im wesentlichen linearen Bewegung dazu benützt, nacheinander die mindestens zwei unter einem Winkel zueinander gelegenen Flächen abzutasten, wobei für jede Fläche deutlich unterscheidbare Signale mit hoher Präzision gewonnen werden können. Das Ganze ist dabei sowohl baulich als auch hinsichtlich des Platzbedarfes äusserst einfach und kompakt, so dass die Messung mit geringem Investitionskostenaufwand erfolgen kann.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von erfindungsgemässen Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung, in welcher
1 eine Perspektivansicht einer erfindungsgemässen Messeinrichtung ist, zu der die
2 ein Schema im Schnitt durch eine Eisenbahnschiene mit verschiedenen möglichen Profilen veranschaulicht, und
3 ein Blockschaltbild der erfindungsgemässen Messeinrichtung ist; wogegen an Hand der
4 weitere mögliche Profile nach Abnützung einer Schiene gezeigt werden; die
5 und 6 Ausführungsvarianten in der 2 ähnlichen Schemazeichnungen darstellen;
7 das aus einer solchen Messung resultierende Signal veranschaulicht, und an Hand der
8 und 9 die Vermessung ähnlicher Flächen an einem Eisenbahnrad (Spurkranz) erläutert wird, wobei die 8 eine Perspektivdarstellung, die 9 eine Draufsicht im Sinne des Pfeiles IX der 8 ist.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine erfindungsgemässe Messeinrichtung in einem Gehäuse 1, das von einem Auslegerarm 2 gehalten wird. Der Auslegerarm ist im allgemeinen so angeordnet, dass er auf die jeweils andere Schiene gelegt werden kann und so die Schienenebene als Bezugsebene bestimmt. Am Gehäuse ist ein Display 3 zur Anzeige der jeweils abgerufenen Kurven, wie etwa der des aus 1 ersichtlichen SOLL-Profils der Lauffläche einer Eisenbahnschiene und/oder des gemessenen IST-Profiles, sowie von errechneten Zahlenwerten, wie etwa der seit der letzten Messung oder gegenüber einer SOLL-Dimension sich ergebenden Laufflächenabnützung oder alternativ der derzeitigen Höhe des gemessenen Schienenkopfes. Die jeweilige Darstellung kann von einem Tastenfeld 6 aus abgerufen werden.
Wenn eine Schiene vermessen wird, so dient eine Schienenstütze 4 mit angeformter Zentrierstütze 5 dazu, einen vorbestimmten Sollabstand zur Schienenlauffläche einzuhalten, wobei die Zentrierstütze 5 an der Seitenfläche des Schienenkopfes unter Sicherung einer ausreichenden Bodenfreiheit anliegt. Anschliessend setzt sich im Inneren des Gehäuses 1 ein Schlitten oder ein Wagen 7 mit einem Laser-Sender und einem Laser-Empfänger (in 1 lediglich als Punkte angedeutet, aber aus den 2 und 3 als Sender 9 und Empfänger 10 besser ersichtlich) entlang einer strichliert angedeuteten Führung, etwa zweier Schienen 12, in Bewegung um den zu vermessenden Raum optisch abzutasten (zu scannen). Schlitten samt Sender und Empfänger werden nachfolgend auch als „Messkopf” bezeichnet. Die Sender 9 und Empfänger 10, die in 2 nebeneinander gezeigt sind, liegen zweckmässig in Wirklichkeit in einer senkrecht zur Zeichnungsebene gelegenen Ebene.
Der Schlitten 7 wird dabei von einem nicht dargestellten Motor angetrieben, der an sich beliebig sein kann, beispielsweise aus einer mit dem Schlitten 7 verbundenen Kolbenstange eines fluidischen (pneumatischen oder hydraulischen) Aggregats oder einem Elektromotor bestehen kann. Während dieser Bewegung für die optische Abtastung, die in 2 an Hand eines Pfeiles 8 veranschaulicht ist, gibt der am Schlitten bzw. Messkopf 7 vorgesehene Sender 9 entweder fortlaufend oder impulsweise optische Signale, bevorzugt Lasersignale, gegen die darunter liegende Schiene 11 ab. Zu diesem Zweck kann der Sender mit einer Laserdiode, beispielsweise einem gepumpten Laser oder einfach mit einer GaAs-Diode ausgestattet sein.
Die von der Lauffläche des Schienenkopfes 11a reflektierten optischen Signale werden im vorliegenden Ausführungsbeispiel einem in einem Abstand vom Lasersender 9 gelegenen Laserempfänger 10, beispielsweise mit wenigstens einem Phototransistor, zugeführt, so dass der Entfernungsmesser als Basis-Entfernungsmesser nach dem Triangulationsprinzip ausgebildet ist. Dies ist zwar bevorzugt, doch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt, da es ebenso gut möglich wäre, den Entfernungsmesser nach dem Laufzeitprinzip im Impuls- oder im Dauerstrichverfahren zur Auswertung entweder der sogenannten „time-of-flight” oder einer Phasenverschiebung des reflektierten Signals gegenüber dem gesendeten Signal auszubilden.
Hier sei erwähnt, dass die optische Abtastung der Lauffläche des Schienenkopfes 11a auch durch Anordnung einer Reihe (sogenannter „Array”) von optischen Sendern, die nacheinander betrieben werden, und eines Arrays optischer Empfänger realisiert werden könnte, in welchem Falle zwar eine Bewegung samt Schlitten 7 vermieden ist, die Auflösung jedoch an die Kompaktheit der Einzelelemente des Arrays gebunden ist. In jedem Fall erfolgt die Abgabe der optischen Signale des oder der Sender durch einen sich entlang der Führung 12 (1) und zwischen deren beiden Schienen sich erstreckenden Längsschlitz des Gehäuses 1.
Gemäss 1 ragt ausser der Schienenstütze 4 und der Zentrierstütze 5 vom unteren Teil des Gehäuses 1 auch noch ein Schacht 13 mit geneigtem Boden 14 nach unten. Die Neigung des Bodens 14 beträgt vorzugsweise etwa 45°, ist aber nicht unter allen Umständen erforderlich. Der Schacht 13 ist in seiner Arbeitslage gezeigt, in der er starr am Gehäuse 1 befestigt oder (bevorzugt) lösbar mit dem Gehäuse 1 verbindbar sein könnte. Im Bereiche des Bodens 14 kann beispielsweise mindestens ein Sender- und Empfängerpaar vorgesehen sein. Bevorzugt ist es aber, wenn entlang des Bodens 14 eine reflektierende Fläche, wie ein Spiegelprisma oder einfach ein Spiegel 14a (2) angeordnet ist. Dabei liesse sich die Funktion der optischen Abtastung auch durch Verschwenken des Spiegels 14a, beispielsweise um eine mittlere, etwa horizontal verlaufende Achse und/oder durch Auf- bzw. Abwärtsverschieben des Schachtes 13 (1) verwirklichen. Bevorzugt aber verläuft die Abtastung der Seitenfläche 11c und/oder zur Ermittlung der Lage der Unterkante 11b (2) des Schienenkopfes 11a durch die Verschiebung des Messkopfes 7 entlang der Führung 12 (1) selbst, wie nachstehend erläutert wird. Das heisst, dass die Seitenfläche 11c bzw. die Lage der Unterkante 11b quer zu ihrer in Schienenlängsrichtung verlaufenden Längserstreckung abgetastet wird.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Schacht 13 zur lösbaren Verbindung in seiner Längsrichtung in das Gehäuse 1 einschiebbar, um in dieser Lage besser gegen Verschmutzung geschützt zu sein. Dazu mag ein Elektromotor 21 mit einem Zahnritzel vorgesehen sein, welch letzteres mit einer am Schacht 13 befestigten Zahnschiene 22 im Eingriff steht und nach dem Einstecken des Schachtes 13 in das Gehäuse 1 den Schacht 13, beispielsweise nach Betätigung eines Schaltknopfes 23 an einem Schaltkasten 24 (oder am Gehäuse 1 selbst) in das Innere des Gehäuses 1 zieht, bis ein Endschalter 25 (nur angedeutet) betätigt wird und somit dem Gerät anzeigt, dass sich der Schacht 13 in seiner Ruhelage innerhalb des Gehäuses 1 befindet. Fährt, umgekehrt, der Schacht 13 aus, so bewirkt die Betätigung des Schalters 25 (oder eines Positionssensors), dass das Gerät auf eine Betriebsart mit Spiegel 14a umgeschaltet wird, also beispielsweise im Zuge der an Hand der 2 gezeigten Bewegung des Messkopfes 7, 9, 10 schon ab dem Startbereich I gemessen bzw. erhaltene Messsignale gespeichert, nicht aber, wenn sich der Schacht 13 in der oben genannten Ruhelage befindet. Alternativ wird der Schlitten 7 in 2 gezeigte zweite Startposition I' geschoben und beginnt sich erst von da ab für die optische Abtastung zu bewegen, wenn sich der Schacht 13 in der oben geschilderten Ruhelage befindet.
Wird die erfindungsgemässe Messeinrichtung auf einem Gleisvermessungwagen mitgeführt, dann kann eine gewisse Gefahr für den Spiegel 14a durch Weichen und andere in seiner Bahn gelegene Gegenstände ergeben. In diesem Falle kann es zum Schutze der Messeinrichtung vorteilhaft sein, mit Hilfe eines Knopfes 26 einen in grösserem Abstand vor dem Schacht 13 angebrachten Gleissensor 27 in Betrieb zu setzen, der bei Annäherung an ein Hindernis den Motor 21 in Betrieb setzt, der den Schacht 13 in die Ruhelage innerhalb des Gehäuses 1 zieht. Erst wenn das Hindernis vorbei ist, wird dann der Schacht 13 wieder ausgefahren.
Bei der Anwendung der Erfindung zum Vermessen des Profils von Rillenschienen sind zwei Vorgangsweisen möglich. Entweder kommt es darauf an, die Lauffläche und die daran angrenzenden Flächenbereiche zu vermessen, in welchem Falle der Schacht 13 in das Gehäuse 1 hoch- bzw. eingefahren werden kann. Oder man will die etwa vertikal verlaufende Seitenfläche der Rillenschiene vermessen – etwa um in die Rille reichende Überwalzungen festzustellen – dann kann ein entsprechend kleiner Spiegel in die Schienenrille eingebracht werden. Gegebenenfalls kann ein breiter Schacht 13 gegen einen schmäleren ausgetauscht werden.
Wenn sich – unter Bezugnahme auf 2 – der Messkopf 7 in einer Position I befindet, dann läuft das Sendesignal 9' vertikal abwärts und wird vom Spiegel 14a in waagrechter Richtung gegen die Seitenfläche 11c des Schienenkopfes 11a hin reflektiert. Demgemäss ergibt die Entfernungsmessung einen relativ geringen Abstandswert.
Nach einer Variante der Erfindung wird – je weiter sich der Messkopf 7 im Sinne des Pfeiles bzw. entlang der Bahn 8 nach rechts bewegt – das optische Sendesignal um so schräger auf die Fläche 11c auftreffen, was zu einer geringfügigen Erhöhung der Entfernungswerte führt. Dies geht so lange, bis das Sendesignal die strichliert gezeigte Position 9a erreicht hat, in der es knapp an der Unterkante 11b vorbei gegen den Schienenfuss gerichtet ist. Dies ist dann der Fall, wenn die Reflexionsfläche 14a mit der Bewegung des Messkopfes 7 dreht. Alternativ aber (und bevorzugt) ist die Reflexionsfläche 14a fest und unbeweglich eingebaut, so dass die Bewegung des Messkopfes 7 zu einer Parallelverschiebung der Strahlen führt, was letztlich auch die optische Abtastung der Seitenfläche 11c bis zur Unterkante 11b bzw. des Schnittpunktes der Ebenen der Seitenfläche 11c mit der leicht geneigten Unterfläche 11f bewirkt.
In jedem Fall steigt in diesem Moment des Überstreichens der Unterkante 11b der Entfernungswert sprunghaft an, so dass die Position der Unterkante 11b als die letzte Position vor dem sprunghaften Anstieg klar erkenntlich ist. Rechnerisch lässt sich dies etwa dadurch feststellen, dass in der im Gerätegehäuse 1 untergebrachten Auswerteeinrichtung laufend das jeweilige Messergebnis (Entfernung) mit dem vorherigen Ergebnis verglichen (z. B. subtrahiert) wird, wobei der sprunghafte Anstieg der Entfernung mit dem Sendesignal 9a anzeigt, dass bei der vorhergehenden Messung die Unterkante 11b gemessen worden ist. Die Neigung des Strahles 9a entspricht einer entsprechenden Position des Messkopfes 7 entlang seiner Führung 12, so dass es vorteilhaft ist, diese Position unter Kontrolle zu halten. Wird beispielsweise für die Bewegung des Messkopfes 7 ein Schrittmotor verwendet, so lässt sich aus der Anzahl der durchgeführten Schritte bis zum Erreichen der Unterkante 11b auf deren Höhenposition schliessen. Wird kein Schrittmotor verwendet, so kann die Führung 12 mit entsprechenden Distanzmarken versehen werden, die eine Feststellung der Messkopfposition erlaubt (in 3 ist ein entsprechender Eingang 12a an der dort gezeigten Auswerteeinrichtung 15 eingezeichnet).
Es ist also ersichtlich, dass die Anordnung der reflektierenden Fläche 14a unter anderem deshalb von grossem Vorteil ist, weil dann dieselbe Anordnung zur optischen Abtastung (entlang der Führung 12 beweglicher Messkopf 7) nicht nur zum Abtasten des Profiles der Oberfläche 11d, sondern gleichzeitig auch zum Scannen der Unterkante 11b verwendet werden kann. Aber auch ohne eine durch Bewegung gewonnene Scan-Funktion (etwa bei Verwendung von Arrays) hat die reflektierende Fläche 14a den Vorteil, dass alle elektrisch-elektronischen Bauteile innerhalb des Gehäuses 1 und auf engstem Raum untergebracht sind.
Auf diese Weise lässt sich also zunächst einmal die Seitenfläche 11c überprüfen (wie später noch an Hand der 4 und 5 beschrieben wird) und die Höhe der Unterkante 11b feststellen. Wenn nun der Messkopf in die Positionen gemäss 2 gelangt, in welcher er das Profil der Lauffläche 11d des Schienenkopfes 11a abtastet, so wird damit (da ja durch die Schienenstütze 4 der Abstand zur Messeinrichtung gegeben ist) die Höhe dieser Lauffläche 11d direkt durch die Messung ermittelt und kann zur Höhenlage der Unterkante 11b in der Auswerteeinrichtung 15 bzw. einer an sie angeschlossenen oder in ihr integrierten Rechnerstufe 16 durch Subtraktion errechnet werden. Ist diese Höhe zu gering, so kann dies an dem Display 3 angezeigt, allenfalls ein optisches oder akustisches Warnsignal ausgelöst werden, um anzuzeigen, dass hier ein Ausgleich, beispielsweise durch Auftragsschweissen, angezeigt ist.
Die Subtraktionsfunktion des Rechners 16 kann aber noch auf eine andere Art ausgenützt werden, indem das gemessene IST-Profil und seine Entfernungswerte in Beziehung zu den gespeicherten Werten einer früheren Messung oder einer in einem SOLL-Wert-Speicher 17 vorhandenen SOLL-Profil gesetzt werden und der Unterschied bestimmt wird. So lassen sich etwa vernachlässigbare Unterschiede durch Vergleich mit Toleranzwerten ausscheiden. Das genannte SOLL-Profil ist übrigens in 2 als dicke, der Oberfläche des unabgenutzten Schienenkopfes 11a bzw. seiner Oberfläche 11d folgende Linie 17' dargestellt, wogegen eine mögliche, im allgemeinen, wie dargestellt, einseitig erfolgende Abnutzung durch die dünne Linie 19' repräsentiert wird, wobei ein Nachschleifen im vorliegenden Fall an der rechten, höheren Seite erfolgt, um wieder zu einem Verlauf entsprechend dem Profil 17' zu gelangen, wenngleich auf niedrigerem Niveau.
Für bedeutendere Unterschiede, welche ein Nachschleifen der Schiene 11 nötig machen, kann das Ausgangssignal der Auswerteeinrichtung direkt auf eine Steuerung 18 geleitet werden, beispielsweise eine PLC-Steuerung wie sie die WO 03/042458 vorschlägt, in der verschiedene Schleifwerkzeuge und Positionen derselben von einer solchen Steuerung 18 kontrolliert werden. Der Inhalt dieser WO soll hier durch Bezugnahme als geoffenbart gelten. Auf diese Weise erhält man eine vollautomatische Umsetzung der Messwerte in eine entsprechende Schienenbearbeitung, die auch ohne Bestimmung der Lage der Unterkante 11b eine Erfindung von gesonderter Bedeutung darstellt.
Eine weitere Möglichkeit, welche durch die Erfindung geschaffen wird, ist die Verwendung des Ergebnisses der Messung mittels des optischen Signales 9' zur Feststellung der Entfernung bzw. Lage der Seitenfläche 11c mit der Unterkante 11b bzw. zur Ermittlung der Zentralebene 11e. Wenn nämlich das aus dem Speicher 17 entnommene SOLL-Profil, beispielsweise auf dem Display 3, mit dem gemessenen IST-Profil verglichen werden soll, müssen beide Profile richtig übereinander gelegt werden. Dies erfolgt erfindungsgemäss am einfachsten, indem für den Beginn des jeweiligen Profils die Ebene der Seitenfläche (Kantenebene) 11c und/oder die davon abgeleitete Mittelebene 11e als Referenz gewählt werden. Eine Alternative wäre die Vermessung beider Unterflächen 11f und ihrer Neigung, so dass daraus (nämlich aus dem Schnittpunkt der beiden geneigten Flächen) die Mittelebene 11e festgestellt werden kann.
Aus 3 ist ferner noch ersichtlich, dass das Tastenfeld 6 mit der Auswerteeinrichtung 15 zu ihrer Steuerung verbunden ist. Ferner läuft die Verbindung der Auswerteeinrichtung 15 zum Rechner 16 auch über eine Stufe K, welche eine Speicherstufe für das Kantensignal sein kann, falls dieses für mehrere Rechenoperationen wiederholt gebraucht wird. In dieser Stufe K muss nicht unbedingt das unmittelbar von der Messung kommende Kantensignal gespeichert sein, sondern allenfalls ein von der Auswerteeinrichtung bereits umgeformtes, aber dem Kantensignal an sich entsprechendes Signal. Vorteilhaft, aber – besonders bei on-line-Betrieb – nicht unbedingt erforderlich ist auch eine Speicherstufe 19 für das gemessene IST-Profil vorgesehen. Dabei werden alle Vorgänge von einem in einem Programmspeicher 20 vorgesehenen Programm gesteuert.
Während oben an Hand der 2 und der Linie 19' eine der möglichen Arten der Abnützung der Schienenlauffläche gezeigt wurde, veranschaulicht die 4, wie an einer Schiene 11 durch Reibung von Spurkränzen eine sogenannte „Ausfahrung” 19'' entstehen kann. Ferner kann es zu einer Verdrängung des Schienenmaterials, einer sogenannten „Überwalzung 19''' kommen, die dann sehr häufig zu einer Rissbildung führt, die unbedingt abzuschleifen ist. Ausfahrungen 19'' und Überwalzungen 19''', insbesondere aber letztere, können nur detektiert werden, indem auch die 11c optisch abgetastet wird. Auch hier ist also die erfindungsgemässe Anordnung mindestens einer Reflexionsfläche 14a (es kann natürlich auch eine mehrfache Strahlumlenkung mit mehreren Reflexionsflächen, im allgemeinen in planer Ausführung, gegebenenfalls aber auch mit einer Krümmung, vorgesehen sein) von besonderem Vorteil, weil so die Beobachtung bzw. Vermessung der Seitenfläche 11c auf einfache Art ermöglicht wird.
5 zeigt, wie eine solche optische Abtastung beider Seitenflächen 11c mit zwei Spiegelflächen 14a, 14b bewerkstelligt wird. In diesem Ausführungsbeispiel wird auch gezeigt, dass die optische Abtastung über eine leicht gekrümmte Bahn 8' durchgeführt werden kann, obwohl die lineare Bahn 8 nach 2 bevorzugt ist (weil konstruktiv einfacher und ausserdem auch platzsparender). Mit zwei Spiegelflächen 14a, 14b kann auch die Einbaulage 28, d. h. die Tatsache dass die beiden Unterkanten 11b in einer horizontalen oder in einer gegenüber der Ebene beider Schienengeneigten Ebene liegen, festgestellt und vermessen werden. Denn es kann auch vorkommen, dass eine Schiene zwar gerade eingebaut, aber später schief geschliffen wird. Darüber hinaus eignet sich eine solche Ausführung besonders für die an Hand der 4 besprochenen Abnützungserscheinungen.
Schliesslich veranschaulicht die 6, dass es im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch möglich ist, die optische Abtastung mittels einer Videokamera 29 (z. B. einer CCD-Kamera) oder einem schwenkbaren Messstrahl (vgl. die heute üblichen Laser-Scanner) durchzuführen. Bei entsprechender Anordnung eines solchen Abtastsystems 29 (Lichtschnittsensor) neben der Lauffläche 11d in einem Abtastbereich α auch noch in einem Bereich β die Seitenfläche 11c und/oder die Unterkante 11b erfasst werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird auch noch eine weitere Schutzvorrichtung für die Reflexionsfläche 14a gezeigt, indem nämlich am Schacht 13, der Reflexionsfläche 14a vor- und/oder nachgeordnet je eine Fläche aus Hartglas 30, wie Saphirglas, vorgesehen ist. Natürlich wird es vorteilhaft sein, diese beiden Flächen 30 mit einem Entspiegelungsbelag zu versehen. Jedenfalls wird durch diese Flächen 30 ein Verstauben, Zerkratzen oder eine andere Beschädigung der Reflexionsfläche 14a verhindert. Alternativ könnte auch ein Schutzbelag direkt auf die Fläche 14a aufgedampft sein. Zur Verhinderung von Staubablagerungen kann es auch vorteilhaft sein, im Bereiche der Reflexionsfläche 14a (oder der Flächen 30) Blas- und/oder Saugdüsen vorzusehen, um vor einer Messung Staub zu entfernen.
7 veranschaulicht, dass man mit einer einzigen Scan-Bewegung, wie sie an Hand der 2 beschrieben wurde, nach der Reihe die Signale der Flächen 11c und 11d, wie folgt, erhält, ohne dass die Konstruktion hinsichtlich Platz und Bauteilen wesentlich komplizierter gestaltet sein müsste als bei der Abtastung etwa nur der Fläche des Schienenkopfes 11a. Trägt man nämlich im dargestellten Diagramm auf der Abszisse die einzelnen Messpunkte entlang der Bahn 8 auf, auf der Ordinate dagegen die ein Abstandsmass in mm, so ergibt sich zu Beginn der Bewegung des Schlittens 7 (links in 2) zunächst eine Reihe von Störsignalen Ss, welche vor dem Erreichen des Spiegels 14a auftreten mögen.
Anschliessend fällt der Strahl 9' der Lasereinrichtung 9 auf die Reflexionsfläche 14a, wird umgelenkt und misst die Fläche 11c der Schienenflanke im Bereich der Kurve R. Die dabei gewonnenen Abstandssignale an den einzelnen Messpunkten können an zugehörigen Speicherplätze sei es eines einzigen Speichers oder sei es eines für die Flanke gesonderten Speichers (vgl. 19 in 3) abgelegt werden.
Ist die Messung der Fläche 11c der Schienenflanke beendigt, so ergibt sich wiederum ein Störsignal S, welches durch das Überfahren des Strahles 9' über die Kante der Reflexionsfläche 14a u. dgl. hervorgerufen wird. Um daher auf die folgenden Speicherplätze für die Fläche 11d des Querprofils der Schiene 11 umzuschalten, kann entweder dieses Störsignal S verwendet werden, oder es kann entlang der Bahn 8 an der entsprechenden Stelle ein vom Schlitten 7 betätigter Umschalter vorgesehen werden (was einen zusätzlichen konstruktiven Aufwand bedeutet und daher nicht bevorzugt ist); eine Alternative wäre es, die Schritte des Schlittens (beispielsweise bei einem mit Schrittmotor getriebenen Schlitten 7) oder seinen Abstand von der Ausgangslage in Impulse umzusetzen und diese zu zählen, um die Lage des Schlittens 7 zu ermitteln. Oder es kann das Abstandssignalniveau zur Umschaltung herangezogen werden, welches, wie 7 an Hand der Signalverläufe R und T zeigt, deutlich unterschiedlich ist. Auch diese letztgenannte Variante wird nicht bevorzugt. Der Signalverlauf T entspricht der Messung des Profiles der Fläche 11d an der Oberseite des Schienenkopfes 11a.
An Hand der 8 und 9 soll gezeigt werden, dass die erfindungsgemässe Einrichtung sehr gut auch zum Vermessen von Eisenbahnrädern, insbesondere Spurkranzrädern, geeignet sind. 8 veranschaulicht ein solches Rad 31, dessen beide Seitenflächen über Spiegel 14a, 14b beobachtet bzw. vermessen werden, wogegen die umfängliche Lauffläche 11d' (9) in analoger Weise zur Fläche 11d der oben besprochenen Schienen vermessen wird. Dabei ergibt sich wiederum bei einer einzigen Linearbewegung des Schlittens 7 entlang der Bahn 8 etwa diejenige Signalfolge, welche oben an Hand der 7 erläutert worden ist.
Die dabei gewonnenen Signale können über eine flache Haltebox und einen hohlen Halteständer 33 einem Gerätegehäuse 1a zugeleitet werden, welches die bereits an Hand der 1 beschriebenen Teile 3 und 6 trägt. Das bedeutet, dass die Auswertung entweder im Gerätegehäuse 1a, oder gegebenenfalls mindestens zum Teil bereits in der Haltebox 32 (die beispielsweise eine gedruckte Schaltung beeinhaltet) vor sich gehen kann.
Die Bedeutung der Vermessung der Seitenflächen des Rades 31 mittels der Spiegel 14a, 14b liegt nicht zuletzt darin, dass solche Räder bei der Herstellung oft hohe Eigenspannungen beinhalten, welche trotz anschliessender Wärmebehandlung nicht oder nicht stark genug abgebaut werden können. Beispielsweise mag es sein, dass durch die lokale plastische Verformung beim Warmschmieden mittels eines Gesenks an der Innenseite des Rades hohe Zugeigenspannungen entstehen, die im Betrieb zu einer Rissbildung führen, insbesondere bei scheibengebremsten Rädern. Diese gefährlichen Risse können nun, ausser in herkömmlicher Form durch Wirbelstrom und/oder Ultraschall, auch durch das erfindungsgemässe Gerät gegebenenfalls festgestellt werden.
Es wurde gesagt, dass die Reflexionsfläche 14 aus einer Ruhelage in eine Arbeitslage bringbar ist, doch wird man es in vielen Fällen aus Genauigkeitsgründen vorziehen, diese Fläche 14 fix zu montieren.

Claims

Messeinrichtung zur Vermessung mindestens eines Teils der Fläche (11d) eines Querprofils sowie einer dazu unter einem Winkel stehenden Fläche (11c), mit einer Sendeeinrichtung (9) für optische Signale, insbesondere Lasersignale, und einer Empfangseinrichtung (10) zum Erhalt der von den Flächen (11c, 11d) reflektierten optischen Signale, somit der Empfangssignale, sowie mit einer Auswerteeinrichtung (15), welche aus den Empfangssignalen verschiedener Stellen der Flächen (11c, 11d) ihren geometrischen Verlauf bestimmt, wobei die Anordnung zum optischen Abtasten der Fläche (11d) des Querprofils eine im wesentlichen lineare, im Abstand zum Querprofil anzuordnende Führungseinrichtung (12) sowie einen Antrieb für die Bewegung einer Abtasteinrichtung, insbesondere auf einem Schlitten oder Wagen (7), entlang dieser Führungseinrichtung (12) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Führungseinrichtung (12) und dem Antrieb für die Bewegung einer Abtasteinrichtung auch eine Anordnung zum optischen Abtasten mindestens einer unter einem Winkel stehenden Fläche (11c) vorgesehen ist, die mindestens eine die optischen Signale der Sendeeinrichtung (9) auf die wenigstens eine unter einem Winkel stehenden Fläche (11c) hin umlenkende Reflexionsfläche (14a) besitzt, wobei die mindestens eine Reflexionsfläche (14a) aus einer Ruhelage in eine Arbeitslage bring bar ist.
Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Reflexionsfläche (14a) mittels einer lösbaren Verbindungseinrichtung anschliessbar ist, und dass vorzugsweise zur Lageerkennung ein Sensor, beispielsweise in Form eines Schalters (25), zum Umschalten der Auswerteeinrichtung und/oder der Anordnung zum optischen Abtasten vorgesehen ist.
Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens einen Reflexionsfläche (14a) eine Schutzeinrichtung zugeordnet ist, und dass diese Schutzeinrichtung eine der mindestens einen Reflexionsfläche (14a) vorgeordnete Fläche aus Hartglas (30), wie Saphirglas, umfasst.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens einen Reflexionsfläche (14a) eine Schutzeinrichtung zugeordnet ist, und dass die mindestens eine Reflexionsfläche (14a) zum Schutz aus einer Ruhelage innerhalb eines Schutzgehäuses (1) in die Arbeitslage bringbar ist, wobei vorzugsweise die Lageverschiebung mittels eines Antriebes (21) erfolgt und im Falle einer verfahrbaren Messeinrichtung zweckmässig dieser Antrieb (21) von einem Sensor (27) gesteuert ist, welcher bei Annäherung an ein der Reflexionsfläche (14a) im Wege stehenden Hindernis ein Signal zum Einfahren in die Ruhelage abgibt.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Durchführung eines Triangulationsverfahrens Sendeeinrichtung (9) und Empfangseinrichtung (10) entlang einer Messbasis voneinander beabstandet sind.
Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Vermessung des Querprofiles von Schienen.
Verwendung nach Anspruch 6 zur Vermessung des Querprofiles von Schienen mit einem Schienenkopf.
Verwendung einer Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Vermessung des Querprofiles von Spurkranzrädern.