-
Es
ist bekannt, dass Objekte mit berührungslosen optischen
Messsystemen dreidimensional vermessen werden können. Die
Vermessung kann ausschließlich zur Erfassung der dreidimensionalen Formgestalt
eines Objektes dienen, oder aber auch zur Ermittlung des Formänderungsverhaltens
eines Objektes unter dem Einfluss von Kräften angewendet werden.
So wird beispielsweise in der Patentschrift
DE 100 19 386 C2 ein Prüfverfahren
für Reifen vorgestellt, bei dem der Reifen bei wenigstens
zwei verschiedenen Reifenfülldrücken mittels eines
Lichtschnittsystems vermessen wird und durch Vergleich der bei den
verschiedenen Reifenfülldrücken erfassten Geometriedaten
werden Strukturschäden des Reifens erkannt. Da ein Lichtschnittsystem
mit einer, beispielsweise mittels eines Linienlasers erzeugten, Lichtschnittebene
und einer Flächenkamera pro Einzelmessung nur eine Konturlinie
von dem zu vermessenden Objekt erfasst, muss das Objekt am Sensor vorbeibewegt
werden, um die Oberfläche des Objektes flächig
erfassen zu können. Wird das Objekt, wie in der
DE 100 19 386 C2 vorgeschlagen,
mit einer Vielzahl von Lichtschnitten gesamtumfänglich
vermessen, so ist es erforderlich die einzelnen Messungen des Lichtschnittsystems
mit der Relativbewegung zwischen Objekt und Lichtschnittsystem zu synchronisieren.
Eine solche Synchronisation kann beispielsweise durch einen Encoder
erfolgen, der das Lichtschnittsystem an definierten Momentanpositionen
des Objektes auslöst. Bei optischen mit einer Flächenkamera
arbeitenden Messverfahren, wie beispielsweise einem Lichtschnittsystem,
wird die Messung durch die Kamerabelichtung ausgelöst.
Die Messdauer wird durch die Belichtungszeit der Kamera festgelegt.
Zum Aufbau von Lichtschnittsystemen sind spezielle Kameras am Markt
erhältlich, die keine Bilddaten sondern bereits Konturdaten
ausgeben. Solche Kameras verfingen über spezielle CMOS Sensoren
und über einen Encodereingang, mittels dem der Messvorgang
getriggert und somit mit der Objektbewegung synchronisiert werden
kann. Darüber hinaus gibt es auch fertig konfektionierte
und kalibrierte Lichtschnittsensoren die mit einer solchen Kamera
ausgerüstet sind. Die Kamera ermöglicht es, pro
Sekunde mehrere tausend Profile vom Objekt zu erfassen und an einen
Rechner auszugeben.
-
Die
Verwendung derartiger Spezialkameras ist mit hohen Kosten verbunden,
da die Erzielung so hohen Messraten nur mit entsprechendem gerätetechnischen
Aufwand zu realisieren ist. In der Patentschrift
DE 10 2004 062 412 B4 wird
deshalb vorgeschlagen, das Objekt mehrmals am Lichtschnittsensor
vorbeizubewegen und während jeder Bewegungsperiode solche
Teilbereiche vom Objekt zu erfassen, die gegenüber den
in den vorhergehenden Bewegungsperioden erfassten Teilbereichen
einen, relativ zum Objekt gesehen, räumlichen Versatz aufweisen.
Durch die Verteilung der Einzelmessungen auf mehrere Bewegungsperioden
ist es möglich, Lichtschnittsensoren mit einer relativ
langsamen Kamera zu verwenden. Ein solches System lässt
sich demzufolge relativ kostengünstig realisieren, ist
aber nur bei einer Messanordnung anwendbar, bei der das Objekt eine
Schwing- oder Rotationsbewegung gegenüber dem Messsystem
ausführt. Ein solcher Anwendungsfall ist beispielsweise
ein Rollenprüfstand, bei dem ein Rad mit einem zu prüfenden
Reifen gegen eine Antriebsrolle gepresst und in Rotation versetzt
wird. In einem Ausführungsvariante der
DE 10 2004 062 412 B4 wird
gelehrt, die Kamera über einen Drehgeber zu triggern. In
einer anderen Ausführungsvariante wird hingegen gelehrt,
bei hinreichend gleichförmiger Bewegung des Objektes die
Momentanpositionen über die Messung von Zeitintervallen, die
in Relation zur Bewegungsperiodendauer gesetzt werden, zu berechnen.
Darüber hinaus lehrt die
WO 2007/110107 A1 die Kamera frei, d. h.
mit einer nicht auf die Bewegung des Objektes abgestimmten Bildfrequenz,
laufen zu lassen, wodurch die Messpositionen, über mehrere
Bewegungsperioden des Objektes betrachtet, am Objekt entlangwandern
und sich so eine flächendeckende Erfassung des Objektes
ergibt. Die Bestimmung der Momentanposition des Objektes bei der
Erfassung durch die Kamera erfolgt dabei durch Messung des Zeitabstandes
zwischen der Bildaufnahme und dem Zeitpunkt, zu dem das Objekt eine
bestimmte Referenzposition erreicht hat.
-
In
der Patentanmeldung
DE 10
2007 062 105.3-54 ist eine spezielle Schaltung zur zuverlässigen
Bestimmung der oben genannten Zeitintervalle beschrieben. Die Schaltung
erzeugt aus dem Rahmensignal der Kamera des Messsystems und einem Referenzsignal
der Objektbewegung Rechteckimpulse, deren jeweilige Breite dem Zeitintervall
zwischen einem Referenzimpuls und der ersten Bildaufnahme innerhalb
einer Bewegungsperiode des zu vermessenden Objektes entspricht.
Unter Voraussetzung einer gleichförmigen periodischen Objektbewegung genügt
dies, um jeder Bildaufnahme die zutreffende Momentanposition des
Objektes zuzuordnen.
-
In
der Praxis gibt es allerdings zahlreiche Anwendungen, bei denen
eine hinreichend gleichförmige periodische Objektbewegung
nicht gegeben ist. So gibt es beispielsweise in der Reifenprüftechnik Rollenprüfstande,
die auf der Antriebsrolle eine Schwelle besitzen, um Fahrbahnunebenheiten
zu simulieren. An Prüfständen für Pkw
Reifen wird alternativ oder zusätzlich auch die Fahrgeschwindigkeit dynamisch
verändert. Bei solchen Anwendungen ist es nicht möglich,
die Momentanposition des Rades über die vorstehend beschriebene
Messung von Zeitintervallen zu berechnen. Ferner hat es sich bei
verschiedenen Anwendungen gezeigt, dass preisgünstige Antriebsmotoren,
die beispielsweise das zu untersuchende Objekt in Rotation versetzen,
viel zu ungleichmäßig laufen, um auch nur näherungsweise eine
konstante Drehgeschwindigkeit zu ermöglichen. Es ist offensichtlich,
dass bei schwankender Bewegungsgeschwindigkeit des Objektes kein
konstanter proportionaler Zusammenhang zwischen einem verstrichenen
Zeitintervall und einer innerhalb dieses Zeitintervalls vom Objekt
zurückgelegten Wegstrecke besteht.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben,
die eine zuverlässige räumliche Vermessung eines
sich bewegenden Objektes auch bei ungleichförmiger Bewegung
des Objektes ermöglichen. Die Umsetzung des erfindungsgemäßen
Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
soll dabei mit kostengünstigen handelsüblichen
Komponenten realisiert werden können.
-
Erfindungsgemäß wird
zur räumlichen Vermessung des sich bewegenden Objektes
eine Messvorrichtung zur dreidimensionalen Konturerfassung verwendet,
die mit einer Kamera arbeitet, welche Bilder von dem Objekt aufnimmt.
Dabei führt das Objekt gegenüber der Messvorrichtung
beispielsweise eine Rotationsbewegung oder eine translatorische
Bewegung oder eine Kombination aus einer Rotation und einer Translation
aus.
-
Durch
die Bewegung des Objektes gegenüber der Messvorrichtung
und die Durchführung mehrerer Bildaufnahmen von dem Objekt
mittels der Kamera der Messvorrichtung werden Abbildungen von dem
Objekt an verschiedenen Momentanpositionen erzeugt. Erfindungsgemäß werden
die Momentanpositionen des Objektes jeweils zeitnah zum Startzeitpunkt
einer Bildaufnahme durch eine Positionserfassungseinrichtung erfasst.
Die Erfassung der für eine Bildaufnahme zutreffende Momentanposition
findet demnach unmittelbar vor, nach oder gleichzeitig mit dem Start
der betreffenden Bildaufnahme statt. Die erfassten Momentanpositionen
des Objektes werden erfindungsgemäß jeweils durch
das Auslesen der Positionserfassungseinrichtung registriert. Das
Auslesen kann zeitgleich mit der Erfassung der betreffenden Momentanposition
erfolgen oder zu einem späteren Zeitpunkt. Mit Vorteil
kann das Erfassen der Momentanposition auch durch das Auslesen der
Positionserfassungseinrichtung erfolgen. Die erfassten und registrierten
Momentanpositionen werden erfindungsgemäß jeweils
der betreffenden Bildaufnahme zugeordnet, d. h. der Bildaufnahme,
die zeitnah zur Erfassung der Momentanposition durchgeführt
wurde. Aus den aufgenommenen Bildern und den ihnen zugeordneten
Momentanpositionen wird erfindungsgemäß die Oberflächenkontur
des Objektes ermittelt. Hierzu werden die aufgenommenen Bilder in
der z. B. für das Lichtschnittverfahren bekannten Art und
Weise durch das Bildverarbeitungssystem ausgewertet, daraus Konturdaten
von dem Objekt ermittelt und die aus den einzelnen Bildaufnahmen
erhaltenen Konturdaten mittels der erfassten Momentanposition lagerichtig
zueinander angeordnet.
-
Die
Messvorrichtung besteht vorzugsweise aus einem Lichtschnitt- oder
einem Streifenprojektionssystem. Dabei führt das Objekt
gegenüber dem Lichtschnitt- oder Streifenprojektionssystem
vorzugsweise eine Bewegung aus, die bezogen auf eine von der Messvorrichtung
erzeugte Lichtschnittebene anteilig aus einer out of plane Rotation
und/oder einer out of plane Translation besteht. Als Folge wird
das Objekt volumetrisch und nicht nur in einer Schnittebene erfasst.
-
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird das Objekt zur Vermessung in einem Durchgang
oder mehreren Durchgängen an der Messvorrichtung vorbeibewegt.
Bei einer Vermessung in mehreren Durchgängen werden vorteilhafterweise
in einem Durchgang Teilbereiche des Objekts erfasst, die gegenüber
den in den anderen Durchgängen erfassten Teilbereichen
des Objekts einen räumlichen Versatz aufweisen. Dies ermöglicht
es, das Objekt auch dann ausreichend detailliert zu vermessen, wenn
die Bewegungsgeschwindigkeit des Objektes im Verhältnis zur
Bildaufnahmefrequenz der Kamera hoch ist. Der räumliche
Versatz, der in den einzelnen Durchgangen erfassten Teilbereiche
des Objekts, wird mit Vorteil dadurch erzeugt, dass die Bildaufnahmefrequenz der
Kamera und die Bewegungsfrequenz des Objektes in keinem einfachen
Zahlenverhältnis stehen. Diese Vorgehensweise ist bereits
in der
WO 2007/110107
A1 beschrieben, jedoch wird im Gegensatz hierzu bei dem
neuen erfindungsgemäßen Verfahren, statt der Messung
von Zeitintervallen die Position des Objektes zum Zeitpunkt der
Bildbelichtung durch die Weg- oder Winkelmessung einer Positionserfassungseinrichtung
ermittelt. Durch diese Maßnahme ist man im Gegensatz zu
dem in der
WO 2007/110107
A1 beschriebenen Verfahren völlig unempfindlich
gegenüber Änderungen der Relativgeschwindigkeit
des Objektes gegenüber dem Messvorrichtung.
-
Mit
zunehmender Ungleichförmigkeit der Objektbewegung ist es
anzustreben, dass der Zeitpunkt der Bildaufnahme möglichst
mit dem Zeitpunkt der Erfassung der Momentanposition zusammenfallt. Hierzu
wird vorteilhafterweise der zeitliche Abstand zwischen dem Startpunkt
der Bildaufnahme, der z. B. durch das Öffnen des Bildverschlusses
der Kamera festgelegt sein kann, und dem Zeitpunkt der Erfassung
der zutreffenden Momentanposition kleiner als die Belichtungszeit
der Bildaufnahme gewählt. Hierdurch wird die Momentanposition
innerhalb der Belichtungszeit erfasst. Mit Vorteil wird das Erfassen
der Momentanposition durch das Auslesen der Positionserfassungseinrichtung
durchgeführt. Diese Vorgehensweise kann beispielsweise
angewendet werden, indem ein absoluter Positionsgeber fortlaufend die
Momentanposition des Objektes erfasst und die zu einem bestimmten
Zeitpunkt vorliegende Position durch das Auslesen des Positionsgebers
zu diesem Zeitpunkt erfolgt.
-
Vorteilhafterweise
wird bei dieser Ausführungsvariante das Auslesen der Momentanposition innerhalb
der Belichtungszeit der betreffenden Bildaufnahme durchgeführt.
-
Zur
Ermittlung der momentanen Objektposition gegenüber der
Messvorrichtung wird erfindungsgemäß eine Positionserfassungseinrichtung
verwendet, die eine Weg- oder Winkelmessung durchführt. Diese
kann beispielsweise bei einer Drehbewegung des Objektes aus einem
absoluten Drehwinkelgeber bestehen. Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung erfolgt alternativ
die Erfassung der Momentanpositionen jeweils durch das Abzählen von
Impulsen, deren Anzahl proportional zu der vom Objekt zurückgelegten
Strecke oder dem vom Objekt zurückgelegten Drehwinkel ist.
Dabei erzeugt vorteilhafterweise ein inkrementaler Geber Impulse,
die mit einer Zählvorrichtung abgezählt werden.
Die Anzahl der von der Zählvorrichtung gezählten
Impulse des inkrementalen Positionsgebers wird vorteilhafterweise
dazu verwendet, die absolute, vom Objekt gegenüber der
Messvorrichtung zurückgelegte Strecke oder den zurückgelegten
Drehwinkel zu bestimmen. Inkrementale Drehgeber gibt es als kompakte
Bauteile, die mehrere tausend Pulse pro Umdrehung liefern und trotzdem
vergleichsweise kostengünstig sind. Ebenso sind Zählvorrichtungen
in Form von digitalen Zählerkarten für handelsübliche
Personal-Computer zu geringen Kosten erhältlich, die Impulse
mit bis zu mehreren MHz Frequenz abzählen können.
Demzufolge ergibt die Kombination eines inkrementalen Encoders und
einer digitalen Zählerkarte eine kostengünstige
Positionserfassungseinrichtung zur Ermittlung absoluter Objektpositionen.
Die Zählvorrichtung kann je nach Ausführungsform
ein oder mehrere unabhängige Zähleinrichtungen
enthalten.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird ein Gattersignal
erzeugt, mittels dessen wenigstens zwei Zähleinrichtungen
gesteuert werden, wobei jeweils eine Zähleinrichtung aktiviert ist,
während eine andere deaktiviert ist und ausgelesen wird,
und wobei eine aktivierte Zähleinrichtung jeweils zeitnah
zu einer Bildaufnahme deaktiviert wird und eine deaktivierte Zähleinrichtung
jeweils zeitnah zu einer Bildaufnahme aktiviert wird. Durch das
Deaktivieren wird der Zählvorgang in der betreffenden Zähleinrichtung
angehalten und damit deren Zählerstand eingefroren. Durch
das Aktivieren wird der Zählvorgang in der betreffenden
Zähleinrichtung fortgesetzt. Da jeweils eine Zähleinrichtung
aktiviert ist, gehen keine Impulse verloren. Diese Vorgehensweise
ermöglicht es, die Erfassung und das Auslesen der Momentanpositionen
zeitlich nacheinander durchzuführen, wobei das Auslesen
nicht jeweils zu einem bestimmten Zeitpunkt erfolgen muss, sondern hierzu
ein längeres Zeitintervall zur Verfügung steht. Die
aus den Zähleinrichtungen ausgelesenen Zählerstände
werden vorzugsweise zur Bestimmung der aktuellen Momentanposition
sukzessive zu einer Gesamtimpulszahl addiert. Diese Vorgehensweise
erlaubt es, Rechnertypen und Betriebssysteme zum Betrieb der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zu verwenden, die nicht echtzeitfähig sind
und bei denen demzufolge der zeitliche Ablauf bei der Ausführung von
Programmfunktionen und Unterbrechungsbehandlungsroutinen nicht exakt
festgelegt werden kann.
-
Gemäß einem
Aspekt der Erfindung wird ein Rahmensignal verwendet, das die Bildaufnahme
der Kamera taktet und/oder auslöst. Mit Vorteil kann dabei
das Rahmensignal das Erfassen und/oder das Auslesen der Momentanpositionen
anstoßen.
-
Das
Rahmensignal, das die Bildaufnahme taktet, besteht vorteilhafterweise
aus dem Signal, das den Bildverschluss, z. B. einen elektronischen Shutter,
der Kamera öffnet. Da ein solches Signal insbesondere bei
einfacheren Kameras weder vorgebbar noch abgreifbar ist, kann alternativ
beispielsweise auf das vertikale Synchronisationssignal zurückgegriffen
werden, das bei vielen Videokameras den Bildeinzug bzw. die Bildausgabe
taktet. So wird üblicherweise durch einen Puls im VD Signal
dem Bildverarbeitungssystem oder einem Monitor signalisiert, dass
das unmittelbar zuvor aufgenommene Bild jetzt übertragen
wird. Das Rahmensignal kann auch dem Signal überlagert
sein, mittels dessen die Bilddaten übertragen werden, wie
es z. B. bei analogen Videosignalen der Fall ist. Arbeitet die Kamera
gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung
mit einem Bildtakt bzw. einem Rahmensignal konstanter Frequenz,
so gibt es bei handelsüblichen Kameras einen festen zeitlichen
Zusammenhang zwischen einem Impuls im vertikalen Synchronisationssignal
VD und dem Startzeitpunkt der Bildaufnahme. Eine konstante Bildfrequenz
hat in der Praxis den Vorteil, dass dann die Kamera zuverlässig
mit der ihr maximal möglichen Bildfrequenz arbeitet. Nach
Einstellung eines bestimmten Betriebszustandes (Bildfrequenz, Belichtungszeit)
arbeiten moderne Kameras ferner überaus gleichförmig
und Schwankungen in der Bildfrequenz oder Verschiebungen zwischen
Bildbelichtung und Rahmensignal betragen nur wenige Nanosekunden.
Dies ist im Allgemeinen bei der erfindungsgemäßen
Verwendung des Rahmensignals zur Synchronisation der Momentanpositionserfassung mit
der Bildaufnahme vernachlässigbar. Mit Vorteil kann auch
das Halbbildverfahren angewendet werden, bei dem die Kamera alternierend
jeweils nur die geradzahligen bzw. die ungeradzahligen Bildzeilen belichtet
und ausgibt. Dies führt zu einer Halbierung der vertikalen
Bildauflösung bei einer gleichzeitigen Verdoppelung der
Bildfrequenz.
-
Zwischen
den Impulsen des Rahmensignals und den Startzeitpunkten der Bildaufnahmen
kann ein konstanter Zeitversatz vorliegen. Mit Vorteil wird der
Zeitversatz dann durch eine Kalibrierung ermittelt, damit in der
Folge die Momentanpositionen jeweils unter Berücksichtigung
dieses Zeitversatzes exakt zum Zeitpunkt der Bildaufnahme erfasst
werden können. Im Gegensatz zu den erwähnten Spezialkameras,
die über einen Encoder bzw. Positionsgeber gesteuert werden,
können bei Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens einfache Kameras eingesetzt werden, die weder über
einen Encoder- noch über einen externen Triggereingang
verfügen. Eine Synchronisation der Kamera mit der Objektbewegung
ist nicht erforderlich.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Auslesen der
Positionserfassungseinrichtung derart durchgeführt, dass
das Rahmensignal im Rechner des Bildverarbeitungssystems eine Unterbrechungsanforderung
(Interrupt Request) auslöst und die daraufhin angesprungene
Unterbrechungsbehandlungsroutine (Interrupt Service Routine) die
Positionserfassungseinrichtung ausliest und die ermittelten Werte
abspeichert.
-
Innerhalb
dieser Behandlungsroutine können fernerhin weitere Maßnahmen,
z. B. das Rücksetzen und Aktivieren von Zähleinrichtungen,
durchgeführt werden. Alternativ zu diesem Unterbrechungsmechanismus
kann auch innerhalb eines eigenen Rechnerprozesses (Threads) fortlaufend
auf das Auftreten der Impulse im Rahmensignal gewartet werden. Jedoch
erfordert diese Vorgehensweise mehr Rechenzeit vom Rechner des Bildverarbeitungssystem.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung werden mehrere Messvorrichtungen zur
simultanen Erfassung unterschiedlicher Bereiche des Objektes verwendet
und in diesem Fall mit Vorteil die Bilderfassung der Kameras der
verschiedenen Lichtschnittsysteme mittels des Rahmensignals synchronisiert.
-
Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung wird die Oberflächenkontur
des Objektes mehrmals ermittelt und die ermittelten Oberflächenkonturen
zur Bestimmung der Formänderung des Objektes miteinander
verglichen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann
dann beispielsweise zur Überwachung des Objektes während
eines Prüfstandslaufes angewendet werden.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren wird vorteilhafterweise
für Fahrzeug- oder Flugzeugreifen angewendet und wird insbesondere
mit Vorteil an Haltbarkeitsprüfständen für
Fahrzeug- oder Flugzeugreifen eingesetzt. Dabei wird mit Vorteil
durch Ermittlung der Oberflächenkontur des Reifens in regelmäßigen Zeitabständen
und Bestimmung der Formänderung des Reifens, durch Vergleich
der ermittelten Oberflächenkonturen von verschiedenen Messungen,
der Zustand des Reifens während eines Prüfstandslaufes überwacht.
Der Prüfstandslauf kann ggf. beendet werden bevor der Reifen
zerstört ist. Ferner ist es hiermit möglich die
Entstehung von Schäden am Reifen zu verfolgen, ohne dass
der Prüfstandslauf unterbrochen werden muss. Zur Vermeidung
von Fehlinterpretationen der festgestellten Formänderungen
ist es vorteilhaft, den Reifenfülldruck für alle
während des Prüfstandslaufes durchzuführenden
Vermessungen der Reifenoberfläche mittels einer Druckregulierung
konstant zu halten.
-
Durch
die erwähnte Unempfindlichkeit des Systems gegenüber
Schwankungen der Relativgeschwindigkeit zwischen Objekt und Messvorrichtung ist
es möglich die Rolle des Rollenprüfstands mit
einer Schwelle zu versehen, die eine Stoßbelastung des
Reifens verursacht. Der Rollenprüfstand kann nicht nur
zur Prüfung von Reifen sondern auch zur Prüfung
von Felgen, Rädern oder Fahrwerkskomponenten dienen. Zur
reinen Digitalisierung des Reifens insbesondere der Lauffläche
kann das Rad bei abgeschaltetem Prüfstand und entlastetem
Rad ggf. von Hand gedreht werden, da das neue Verfahren keine konstante
Drehgeschwindigkeit des Rades bzw. des Reifens während
der dreidimensionalen Konturerfassung erfordert.
-
Kann
die Positionserfassungseinrichtung nicht starr mit dem Objekt verbunden
werden, so kann die Positionserfassungseinrichtung über
ein möglichst spielfreies kinematisches Getriebe mit dem Objekt
gekoppelt werden. Mit Vorteil können hierzu Zahnriemengetriebe
verwendet werden.
-
Im
Folgenden seien Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand
von Zeichnungen erläutert:
In den Zeichnungen zeigen:
-
1:
ein System zur Durchführung des neuen Verfahrens an einem
Rollenprüfstand für Fahrzeugreifen in einer ersten
Ausführungsform
-
2:
das in 1 gezeigte System in der Seitenansicht
-
3:
ein Zeitdiagramm der für die Durchführung des
neuen Verfahrens relevanten Signale und Ereignisse für
das in der 1 gezeigte System
-
4:
eine zweite Ausführungsform der Erfindung
-
5:
ein Zeitdiagramm der relevanten Signale und Ereignisse für
das in der 4 gezeigte System
-
6:
zeigt eine gegenüber der 1 alternative
Ausführungsform eines Rollenprüfstandes zur Durchführung
des neuen Verfahrens
-
7:
das in 6 gezeigte System in der Seitenansicht
-
Die 1 und 2 zeigen
den schematischen Aufbau eines Prüfsystems zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens in der Vorder- und
der Seitenansicht. Auf einem Rollenprüfstand für Reifen 10 wird
das Rad 13 auf das der zu prüfende Reifen 14 montiert
ist mit der Kraft F gegen die Rolle 11 gepresst. Hierzu
ist das Rad 13 drehbar auf einem Schlitten 15 gelagert,
der gegenüber der Antriebsrolle 11 in radialer
Richtung verschiebbar ist. Die Rolle 11 ist motorisch angetrieben
und ermöglicht es, verschiedene Fahrgeschwindigkeiten zu
simulieren. Über Variation der Anpresskraft F können
verschiedene Lastzustände simuliert werden. Die Rolle 11 weist
an ihrem Umfang eine schwellenförmige Erhöhung 12 auf,
mittels der eine Fahrbahnunebenheit simuliert wird. Dies führt
zu einer erhöhten Belastung des Reifens, da dieser bei
jeder Umdrehung der Rolle 11 einen Stoß in radialer
Richtung erhält. Durch den Stoß ist die Drehbewegung
des Rades 13 ungleichförmig, selbst wenn die Antriebsrolle 11,
wie dies in der Praxis der Fall ist, über eine große Schwungmasse
verfügt. Die beiden Messvorrichtungen 20 und 30 erfassen
während der laufenden Prüfung jeweils eine der
beiden Seitenwände des Reifens 14. Eine weitere
Messvorrichtung 40 erfasst den Laufflächenbereich
des Reifens 14, da bei der Prüfung von Reifen
auf diesem Prüfstand insbesondere auch mit der Entstehung
von Schäden im Laufflächenbereich des Reifens 14 zu
rechnen ist. Jede der Messvorrichtungen 20, 30 und 40 besteht
aus einem Lichtschnittsystem, das mit jeweils einer Kamera 21, 31 bzw. 41 sowie
jeweils einem Linienlaser 22, 32 bzw. 42 ausgerüstet
ist. Die Kameras 21, 31 und 41 sind an
das Bildverarbeitungssystem 50 angeschlossen, das beispielsweise
aus einem Computer mit einer eingebauten 3-kanaligen Bildeinzugskarte
bestehen kann. Sind die Kameras 21, 31 und 41 schwarz/weiß Kameras
so kann die Bildeinzugskarte praktischerweise aus einem RGB Framegrabber
bestehen an dessen 3 Farbkanälen jeweils eine Kamera angeschlossen
ist. Die Bildeinzugskarte erzeugt das Rahmensignal VD, das einerseits
den Bildtakt vorgibt und andererseits alle drei Kameras 21, 31 und 41 mit
der Bildeinzugskarte synchronisiert. Die Kameras sind hierdurch
auch untereinander synchronisiert. Auf der Drehachse 16 des
Rades 13 ist ein aus einer Schlitzscheibe bestehender Signalgeber 61 angebracht,
der über den Sensor 62 abgetastet wird. Signalgeber 61 und
Sensor 62 sind die wesentlichen Bestandteile des inkrementalen
Drehgebers 60. In der Praxis besteht der Drehgeber aus
einer kompakten Einheit, die eine feste Anzahl, z. B. zehntausend, Impulse
pro Umdrehung erzeugt. Diese Impulse werden auf dem Signal ENC ausgegeben.
Zusätzlich erzeugt der Drehgeber auch einmal pro Umdrehung
einen Impuls im Referenzsignal RI, der in Datenblättern
von Drehgebern auch als 0-Index bezeichnet wird. Ein inkrementaler
Positionsgeber unterscheidet sich von einem Absolutwertgeber dadurch,
dass keine absoluten Positionen abgegriffen werden können, sondern
lediglich eine zur zurückgelegten Wegstrecke proportionale
Impulszahl abgegeben wird. Diese Impulse werden zur Bestimmung der
Drehstellung des Rades 13 mittels einer Zählvorrichtung 70 erfasst und
abgezählt, wobei vorteilhafterweise das Referenzsignal
RI zur Triggerung der Zähleinrichtung 70 verwendet
wird. Der Drehgeber 60 und die Zählvorrichtung 70 bilden
die Positionserfassungseinrichtung, mittels der den von den Lichtschnittsysteme 20, 30 und 40 erfassten
Konturlinien die zutreffenden Raddrehstellungen zugeordnet werden.
Die Zählvorrichtung 70 ist über die Schnittstelle 53 vom
Bildverarbeitungssystem 50 auslesbar. Ist die Zählvorrichtung 70 im
Rechnersystem des Bildverarbeitungssystems 50 eingebaut,
so besteht die Schnittstelle beispielsweise aus einem Rechnerbus
für Erweiterungskarten. Die Prüfung des Reifens
auf dem Rollenprüfstand 10 wird durchgeführt,
in dem die Antriebsrolle 11 in Rotation versetzt wird und
das Rad 13 gegen die Rolle gepresst wird, wodurch das Rad 13 ebenfalls
zu rotieren beginnt. Bei rotierendem Rad erzeugt der inkrementale
Drehgeber 60 Impulse auf der RI und der ENC Signalleitung,
die mittels der Zählvorrichtung 70 erfasst werden.
Aufgrund der Synchronisation der Kameras 21, 31 und 41 nehmen die
Kameras simultan Lichtschnitte vom Reifen 14 auf. Der durch
das Rahmensignal VD vorgegebene Bildtakt ist möglichst
hoch und bewegt sich bei handelsüblichen Kameras zwischen
25 Hz und etwa 240 Hz. Impulse im Rahmensignal VD lösen
im Rechner des Bildverarbeitungssystems 50 eine Unterbrechungsanforderung
aus, die unmittelbar die Ausführung einer Unterbrechungsbehandlungsroutine
erzwingt. Die Unterbrechungsbehandlungsroutine liest den der momentanen
Drehstellung des Rades 13 entsprechenden aktuellen Zählerstand
für das Signal ENC aus der Zählvorrichtung 70 aus
und ordnet ihn, je nach dem zeitlichen Versatz zwischen den Impulsen
des Rahmensig nals und der Bildbelichtung, entweder den unmittelbar
zuvor erfolgten oder den nachfolgend ausgeführten Bildaufnahmen
der Kameras 21, 31 und 41 zu. Die Drehfrequenz
des Rades bewegt sich bei der Simulation praxisrelevanter Fahrgeschwindigkeiten
zwischen 5 Hz (Lkw Reifen 60 km/h) und 42 Hz (Pkw Reifen 300 km/h).
Die Drehfrequenz des Rades ist in Relation zur Bildfrequenz handelsüblicher
Kameras in jedem Fall so hoch, dass gemäß einem
Aspekt der Erfindung der Reifen während mehrerer Umdrehungen
um die Achse 16 vermessen wird, um in Umfangsrichtung des
Reifens 14 detaillierte Geometriedaten zu erhalten. Hierbei
wird es vermieden, dass die Bildtaktfrequenz und die Drehfrequenz
des Rades in einem ganzzahligen Verhältnis zueinander stehen.
Dadurch weisen die von den Kameras während einer Umdrehung
des Rades 13 vom Reifen 14 erfassten Bereiche
gegenüber denen in den jeweils anderen Umdrehungen des
Rades 13 erfassten Bereichen einen räumlichen
Versatz auf. Sind Bilderfassung und Raddrehung nicht miteinander
synchronisiert, so stellt sich dieser Zustand in der Praxis immer
sofort ein. Die Messung wird vorzugsweise auf einen Impuls im RI
Signal hin gestartet. Die Messung wird beendet, sobald der maximale Winkelabstand
zweier benachbarter Einzelmessungen einen vorgegebenen Schwellwert
unterschreitet oder einfach eine bestimmte Anzahl von Bildern bzw. Lichtschnitten
erfasst worden ist. Nach Beendigung der Messung erhält
man von jedem Lichtschnittsystem eine Vielzahl von Konturlinien
zusammen mit deren zutreffenden Drehstellungen des Rades 13.
Daraus kann ein detailliertes topometrisches Modell der beiden Seitenwände
und des Laufstreifenbereiches des Reifens 14 erzeugt werden
und dieses beispielsweise auf Unregelmäßigkeiten
wie Beulen und Materialausbrüche hin untersucht werden.
Ferner kann die Messung zu verschiedenen Zeitpunkten während des
Prüfstandlaufes wiederholt werden und die topometrischen
Modelle von den verschiedenen Zeitpunkten zur Ermittlung von Veränderungen
des Reifens miteinander verglichen werden. Dazu können beispielsweise
die topometrischen Modelle voneinander subtrahiert werden, um eine
Darstellung zu erhalten, die die Veränderung des Reifens
während des Prüfstandlaufes angibt.
-
Die 3 zeigt
ein Zeitdiagramm der für die Durchführung des
neuen Verfahrens relevanten Signale und Ereignisse für
das in der 1 gezeigte System. Wie bereits
erläutert liefert der Drehgeber 60 die Signale
RI und ENC. Das Rahmensignal VD erzeugt den Bildtakt. Üblicherweise
arbeitet eine Videokamera so, dass auf einen Impuls im Rahmensignal VD
die Übertragung der Bilddaten des unmittelbar zuvor aufgenommenen
Bildes beginnt. Die tatsächlichen Belichtungszeitpunkte
sind im Signal EXP dargestellt. Die Impulse im Signal ENC werden
durch die Zählvorrichtung 70 aus der 1 abgezählt.
Der Zählvorgang ist im Graphen CNT dargestellt, wobei die
eingezeichneten Zahlen den Zählerstand angeben. Die Zählvorrichtung
ist vorteilhafterweise so programmiert, dass sie den Zähler
nach Erreichen der einer Umdrehung entsprechenden Impulszahl zurücksetzt.
Der Zählerstand CNT entspricht dann nach der Triggerung
durch das Referenzsignal RI stets der momentanen Drehwinkelstellung
des Rades 13 gemessen von der Referenzposition aus. Der
Graph IRQ zeigt, zu welchen Zeitpunkten durch das Signal VD ein
Interrupt im Rechnersystem ausgelöst wird. Der Graph RD
zeigt an, zu welchen Zeitpunkten innerhalb der Unterbrechungsbehandlungsroutine
der Zählerstand CNT ausgelesen wird. Um den Zählerstand
CNT exakt zum Zeitpunkt der Bildbelichtung EXP auszulesen, wartet
die Unterbrechungsbehandlungsroutine vor jedem Auslesen des Zählerstandes CNT
die Zeit Td ab. Die Länge des Zeitintervalls Td wird zweckmäßigerweise
vor der Messung durch eine Kalibrierfunktion ermittelt.
-
Die 4 zeigt
ein System zur Durchführung des neuen Verfahrens an einem
Rollenprüfstand für Fahrzeugreifen ähnlich
dem der 1, jedoch mit einer geänderten
Vorrichtung zur Erfassung der Raddrehstellung. Die Positionserfassungseinrichtung
besteht aus einem Encoder 60, der mit der Zählvorrichtung 70 verbunden
ist. Die vom Encoder 60 erzeugten Signale RI und ENC liegen
an zwei unabhängigen Zähleinrichtungen 72 und 73 an.
Aus dem Rahmensignal VD und dem Referenzsignal RI wird mittels der
elektronischen Schaltung 80 das Gattersignal EXP-T erzeugt
und an Gattereingänge der Zähleinrichtungen 72 und 73 angelegt. Über
das Gattersignal EXP-T können die Zähleinrichtungen 72 und 73 aktiviert
werden. Durch eine gegenüber der Zähleinrichtung 72 inverse
Gatterfunktion der Zähleinrichtung 73, ist die
Zähleinrichtung 73 dann aktiv, wenn die Zähleinrichtung 72 inaktiv
ist und umgekehrt. Der Zählerstand CNT1 der Zähleinrichtung 72 und
der Zählerstand CNT2 der Zähleinrichtung 73 kann über die
Schnittstelle 53 vom Bildverarbeitungssystem 50 ausgelesen
werden. Diese Ausführungsform wird mit Vorteil angewendet,
falls ein durch das Rahmensignal VD ausgelöstes Auslesen
des Zählerstandes bezüglich des Auslesezeitpunktes
nicht genau genug eingestellt werden kann. Ein solche Situation
entsteht beispielsweise, wenn aufgrund der Rechnerhardware und/oder
des verwendeten Rechnerbetriebssystems eine nicht beeinflussbare
nicht konstante Latenzzeit zwischen der Unterbrechungsanforderung
und dem Aufruf der Unterbrechungsbehandlungsroutine verstreicht.
-
Die 5 zeigt
ein Zeitdiagramm der relevanten Signale und Ereignisse für
das in der 4 gezeigte System. Mittels der
elektronischen Schaltung 80 wird das Signal EXP aus dem
Signal VD erzeugt, das den Belichtungszeitpunkt der Kameras signalisiert.
Aus dem Signal EXP wird durch die elektronische Schaltung 80 daraus
das Signal EXP-T erzeugt. Mit jedem Impuls im Signal EXP wechselt
das Signal EXP-T den Zustand. Durch einen ersten Impuls im Signal
RI werden die zwei Zähleinrichtungen zum Zeitpunkt Ts gestartet.
Dies ist gleichzeitig der Beginn des Messvorgangs. Das Signal EXP-T
dient, wie bereits erwähnt, als Gattersignal für
die zwei Zähler 72 und 73 der Zählvorrichtung 70,
wobei der Zähler 72 nur dann zählt, falls
EXP-T logisch 1 ist und der Zähler 73 nur dann
zählt, falls EXP-T logisch 0 ist. Demzufolge ändert
sich wie dargestellt der Zählerstand CNT1 nur dann, falls
EXP-T logisch 1 ist, und der Zählerstand CNT2 nur dann,
falls EXP-T logisch 0 ist. Werden gemäß einem
Aspekt der Erfindung die Zählerstände CNT1 und
CNT2 jeweils dann ausgelesen, wenn der betreffende Zähler
deaktiviert ist, so steht zum Auslesen des zum Zeitpunkt einer Bildaufnahme
vorliegenden Zählerstandes jeweils nahezu das gesamte Zeitintervall
Tr zur Verfügung. Damit sind die Anforderungen an das Echtzeitverhalten
des Rechnersystems bzw. der darauf ablaufenden Computerprogramme
drastisch reduziert. Dem Zustand des Signals EXP-T ist dabei zu
entnehmen, welcher der beiden Zähler gerade aktiv ist und
welcher steht und ausgelesen werden kann. Der Zähler CNT1
ist aktiv, wenn EXP-T logisch 1 ist und kann ausgelesen werden, wenn
EXP-T logisch 0 ist. Der Zähler CNT2 ist aktiv, wenn EXP-T
logisch 0 ist und kann ausgelesen werden, wenn EXP-T logisch 1 ist.
Die in den Graphen CNT1 und CNT2 dargestellten Zahlen geben jeweils
den Summenzählerstand CNT1 + CNT2 wieder. Der Graph RD1
gibt die Zeitintervalle an innerhalb derer jeweils nach Auftreten
einer Unterbrechungsanforderung IRQ der Zählerstand CNT1
ausgelesen werden kann. Der Graph RD2 gibt dies analog zum Graphen
RD1 für den Zählerstand CNT2 an.
-
Die 6 zeigt
eine gegenüber der 1 alternative
Ausführungsform eines Rollenprüfstandes zur Durchführung
des neuen Verfahrens. Das Rad 13 ist drehbar auf dem Schlitten 15 gelagert,
jedoch ist die Lagerung der Drehachse 16 des Rades 13 einseitig,
so dass das Rad 13 mit dem zu prüfenden Reifen 14 problemlos
am Rollenprüfstand 10 montiert und demontiert
werden kann. Ferner kann über die Druckluftleitung 90,
die über einen drehbaren Flansch 91 mit der Drehachse 16 des
Rades verbunden ist, der Reifenfülldruck des Reifens 14 eingestellt,
geregelt und insbesondere während eines Prüfstandslaufes
konstant gehalten werden. Um einen handelsüblichen inkrementalen
Drehgebers 60 in kompakter Bauform zur Erfassung der Drehstellung
des Rades 13 verwenden zu können und das Ende
der Drehachse 16 zur Aufnahme des Adapters 91 zur
Druckluftversorgung über die Druckluftleitung 90,
ist die Drehachse 66 des Drehgebers gegenüber der
Drehachse 16 des Rades versetzt. Die beiden Drehachsen 16 und 66 sind über
ein Zahnriemengetriebe bestehend aus den Zahnscheiben 64, 65 und dem
Zahnriemen 63 schlupffrei und weitgehend spielfrei miteinander
verbunden. Die Zähnezahl der Zahnscheiben 64 und 65 ist
vorzugsweise identisch. Alternativ ist sie so gewählt,
dass die Zähnezahl der Zahnscheibe 64, die starr
mit der Drehachse 16 verbunden ist, ein ganzzahliges Vielfaches
der Zähnezahl der Zahnscheibe 65, die starr mit
der Drehachse 66 verbunden ist, beträgt. Hierdurch
multipliziert sich die Anzahl an Impulsen, die der Drehgeber 60 während
einer Umdrehung des Rades 13 erzeugt, um das ganzzahlig
Vielfache. Durch die vorstehend beschriebene Wahl der Zähnezahl
der Zahnscheiben 64 und 65 wird erreicht, dass
etwaige Geometriefehler der Zahnscheiben und des Zahnriemens sowie Rundlauffehler
der Achsen 16 und 66 sich bei jeder Erfassung
der dreidimensionalen Kontur des Reifens 14 in gleicher
Weise auswirken und somit beim Vergleich von Messungen keinen störenden
Einfluss haben.
-
- 10
- Rollenprüfstand
- 11
- Antriebsrolle
- 12
- Schwelle
- 13
- Rad
- 14
- Reifen
- 15
- Schlitten
- 16
- Drehachse
Rad
- 20
- 1.
Messvorrichtung
- 21
- Kamera
- 22
- Linienlaser
- 30
- 2.
Messvorrichtung
- 31
- Kamera
- 32
- Linienlaser
- 40
- 3.
Messvorrichtung
- 41
- Kamera
- 42
- Linienlaser
- 50
- Bildverarbeitungssystem
- 51
- Monitor
- 52
- Tastatur
- 53
- Schnittstelle
- 60
- Inkrementaler
Drehgeber
- 61
- Signalgeber
- 62
- Sensor
- 63
- Zahnriemen
- 64
- 1.
Zahnscheibe
- 65
- 2.
Zahnscheibe
- 66
- Drehachse
Drehgeber
- 70
- Zählvorrichtung
- 71
- Zähleinrichtung
- 72
- Zähleinrichtung
- 73
- Zähleinrichtung
- 80
- Elektronische
Schaltung
- 90
- Druckluftleitung
- 91
- Druckluftadapter
- RI
- Nullpositionssignal
- ENC
- Inkrementales
Gebersignal
- VD
- Rahmensignal
- EXP
- Belichtungszeitpunkte
- EXP-T
- Gattersignal
- CNT
- Zählerstand
- CNT1
- Zählerstand
- CNT2
- Zählerstand
- IRQ
- Unterbrechungsanforderung
- RD
- Lesezugriff
auf Zähler
- RD1
- Lesezugriff
auf Zähler
- RD2
- Lesezugriff
auf Zähler
- Video
1
- Videosignal
- Video
2
- Videosignal
- Video
2
- Videosignal
- t
- Zeit
- Tr
- Zeitabstand
- Ts
- Startzeitpunkt
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10019386
C2 [0001, 0001]
- - DE 102004062412 B4 [0002, 0002]
- - WO 2007/110107 A1 [0002, 0009, 0009]
- - DE 102007062105 [0003]