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Die
Erfindung betrifft eine Profilerfassungseinrichtung zur Erfassung
des Oberflächenprofils eines Objekts gemäß den
Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Im
Bereich der Fertigungsautomatisierung besteht ein Bedarf daran,
automatisiert äußere Merkmale wie das Oberflächenprofil
von produzierten Objekten zu erfassen. In diesem Bereich sind bereits Kamera-basierte
Mess- und Inspektionssysteme für ein Werkstück-orientiertes
Messen im Fertigungstakt der Produktion bekannt, die auf optischer
Messtechnik basieren. Beispielhaft sei hier auf die
DE 100 14 813 B4 und die
WO 2006/048857 hingewiesen.
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Die
vorliegende Erfindung kann in verschiedensten Bereichen der Produktion
von Gütern eingesetzt werden. Ein vorteilhafter Einsatzbereich
der Erfindung sind Produktions-begleitende Messungen bei der Herstellung
von dünnschichtigen Produkten, wie beispielsweise Papier
oder Blech. Beispielsweise im Bereich der Blechherstellung ist es üblich,
das in Blech umzuformende Metall in einer Walzanlage flach zu walzen
und das dabei entstehende bandförmige Blechmaterial in
Rollenform aufzuwickeln. Solche Rollen aus bandförmigem
Blech werden auch Coils genannt.
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Bei
der Herstellung solcher dünnschichtiger Produkte, wie den
Coils, ist es für die Produktionssteuerung und Qualitätssicherung
erforderlich, den Wickelzustand des Produkts festzustellen. Unter dem
Wickelzustand wird in diesem Zusammenhang die Lage der einzelnen
aufeinander liegenden Schichten des dünnschichtigen Materials
verstanden. Insbesondere beim Wickeln der Coils kann es zu einem
gewissen Versatz zwi schen den einzelnen Schichten kommen. Ein solcher
Versatz ist in gewissen Grenzen tolerierbar, jedoch ist es erforderlich,
einen unzulässig hohen Versatz frühzeitig zu erkennen und
einer weiteren Erhöhung des Versatzes entgegenzusteuern.
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Derzeitige
Messverfahren zur Ermittlung des Wickelzustands reichen über
den Einsatz von mechanischen Verfahr- und Bewegungsvorrichtungen zur
Positionierung einer Sensorik hin zu taktilen Stichprobenmessungen.
Optische Messverfahren, bei denen ein Sensorkopf während
der Messung mechanisch bewegt werden muss, verwenden beispielsweise
das Verfahren der Lasertriangulation. Dabei wird der Strahl einer
linienförmigen Laserstrahlquelle auf die zu messende Oberfläche
gerichtet. Nach der Reflektion auf der Oberfläche des zu messenden
Objekts wird das reflektierte Licht auf einer auf die Oberfläche
gerichteten Kamera abgebildet. Aus der Lage der Laserlinie auf dem
Sensor der Kamera kann der Abstand zwischen der Kamera und Oberfläche
des Objekts bestimmt werden. Um auf Grund des kleinen Messbereichs
eine präzise dreidimensionale Messung an großen
Objekten durchführen zu können, muss die Kamera
gegenüber dem Objekt verschoben werden. Ein solches Verfahren
ist relativ zeitintensiv. Zudem ist die dabei verwendete Mechanik
wartungs- und verschleißanfällig.
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Taktile
Messverfahren sind in vielen Fällen durch den Einsatz von
Bedienpersonal gekennzeichnet und eignen sich nur bedingt für
eine Automatisierung in der Fertigung. Insbesondere im Falle von
heißem Walzgut lässt sich eine taktile Messung
derzeit nicht realisieren.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Einrichtung
zur Erfassung des Oberflächenprofils von Objekten, z. B.
geschichteten, dünnschichtigen Produkten, anzugeben, die präzise
Messungen auch unter rauen Umgebungsbedingungen erlaubt.
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Diese
Aufgabe wird durch die in dem Patentanspruch 1 angegebene Erfindung
gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den Unteran sprüchen angegeben.
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Als
Stereokameraanordnung wird in diesem Zusammenhang eine Anordnung
von zumindest zwei Kameras verstanden, die in einer festen Anordnung zueinander
justiert bzw. montiert sind. Hiervon umfasst sind selbstverständlich
Neujustierungen und Änderungen der Justierung. Vorteilhaft
weisen die Kameras einer Stereokameraanordnung eine festgelegte
Basis auf, d. h. einen bestimmten Abstand voneinander. Eine solche
vorbestimmte Ausrichtung der Kameras erlaubt unter Verwendung der
damit bekannten geometrischen Daten eine Bestimmung des Oberflächenprofils
eines Objekts.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, in Folge einer geschickten Positionierung
einer ersten und einer zweiten Stereokameraanordnung eine hohe Messgenauigkeit
und eine vollständige und umfassende Erfassung des Profilverlaufs
der Oberflächen von Objekten zu erlauben. Die erfindungsgemäße
Einrichtung bietet gegenüber Messeinrichtungen mit beispielsweise
nur einer Stereokameraanordnung den Vorteil, dass insbesondere die
besonders relevanten Anfangs- und Endbereiche des Profilverlaufs
präzise erfasst werden. Durch Wickel- bzw. Stapel-Ungenauigkeiten
des dünnschichtigen Produkts hervorgerufene eventuelle
Abschattungen bestimmter Profilbereiche aus der Perspektive einer
Stereokameraanordnung wirken sich aufgrund der geschickten Positionierung
der erfindungsgemäßen wenigstens zweier Stereokameraanordnungen
nicht mehr derart nachteilig aus wie bei bekannten Messeinrichtungen. Durch
die Anordnung einer Stereokameraanordnung sozusagen „über” dem
Objekt und der anderen Stereokameraanordnung sozusagen „unter” dem
Objekt sind für jeweils eine Stereokameraanordnung die
aus der Perspektive der anderen Stereokameraanordnung abgeschatteten
Bereiche sichtbar und damit erfassbar. Aus den von den zwei Stereokameraanordnungen
gewonnenen Bildinformationen kann dann eine resultierende Bildinformation
erzeugt werden und für eine Bewertung ausgegeben werden.
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Die
erfindungsgemäße Profilerfassungseinrichtung trägt
insbesondere beim Einsatz in Walzanlagen bei der Herstellung von
Blechen zur Steigerung der Effizienz von Walz werken maßgeblich
bei. Die Erfindung erlaubt eine berührungslose Messung
in kürzerer Zeit, da alle Kameras der zwei Stereokameraanordnungen
gleichzeitig ausgelöst werden können. Die Profilerfassungseinrichtung
arbeitet somit schneller als bekannte Einrichtungen und zeichnet
sich durch völlige mechanische Verschleiß- und Wartungsfreiheit
aus. Zudem sind Justierungen der Kameras, abgesehen von der Erstinstallation,
nicht oder nur relativ selten erforderlich.
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Potentielle
Einsatzgebiete der Erfindung sind Maschinen und Anlagen beliebiger
Herkunft, mit denen ein dünnschichtiges Material hergestellt
wird, gleich, ob das Material zu einem Endlosband gewickelt oder
geschnitten und in einzelnen Schichten aufeinander gestapelt wird.
Anwendungsbereiche sind somit die Herstellung von Stahl, Edelstahl,
Aluminium und anderen metallischen Verbindungen, Papier und Pappe,
Textilien, Kunststoffe und Derivate aus den zuvor genannten Materialien.
Die Erfindung kann zudem auch bei der Erfassung des Oberflächenprofils
von Objekten vorteilhaft eingesetzt werden, bei denen profilbedingt
eine Oberflächenerfassung aus der Perspektive einer einzigen
Kameraanordnung nicht ausreichend ist.
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Die
Erfindung wird nachfolgend unter Verwendung von Zeichnungen anhand
von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 eine
Anwendung der Erfindung in einer Walzanlage und
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2 eine
Detaildarstellung zweier Stereokameraanordnungen und
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3 eine
Detaildarstellung der Anordnung gemäß 1 bzw. 2 und
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4 und 5 beispielhafte
Messergebnisse unter Anwendung der Erfindung.
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In
den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende
Elemente verwendet.
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In
der 1 ist ein auf einer Walzanlage hergestelltes Stahlblech-Coil 3 dargestellt.
Das Coil 3 besteht aus zu einer Rolle aufgewickeltem Stahlblech 4,
das als Endlosband aus einer Walzeinrichtung kommt. Da das Stahlblech
produktions- und materialbedingt nicht beliebig eng wickelbar ist,
wird beim Wickeln des Coils 3 ein innerer Bereich 7 frei vom
Material gelassen, d. h. es ergibt sich ein zylindrischer, offener
Bereich 7 in der Mitte des Coils 3, der auch als
Coilauge bezeichnet wird. Das Coilauge 7 ergibt sich beim
Aufwickeln des Stahlblechs auf einen in den Figuren nicht dargestellten
Dorn.
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Die
in der 1 dargestellte Anordnung weist eine erste Profilerfassungseinrichtung 1 auf, die
rechts von dem Coil 3 angeordnet ist und die Oberfläche 5 im
unterhalb des Coilauges 7 liegenden Teils der rechten Seite
des Coils erfasst, d. h. den Oberflächenbereich zwischen
einer ersten und einer zweiten Begrenzungsfläche 8, 9.
Auf der linken Seite des Coils 3 ist eine zweite Profilerfassungseinrichtung 2 vorgesehen,
die den entsprechenden Bereich 6 der Oberfläche
auf der linken Seite des Coils 3 erfasst. Mittels der Anordnung
zweier Profilmesseinrichtungen links und rechts von dem Coil 3 kann
der linke und der rechte Profilverlauf des Coils erfasst werden
und aus den erfassten Profilverläufen durch Differenzbildung
der Verlauf der Breite des Stahlblechs bestimmt werden.
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Die
erste Profilerfassungseinrichtung 1 weist eine obere Stereokameraanordnung 11 und
eine untere Stereokameraanordnung 12 auf. Analog weist die
zweite Profilerfassungseinrichtung 2 eine obere Stereokameraanordnung 21 und
eine untere Stereokameraanordnung 22 auf. Zwischen den
Kameras einer jeweiligen Stereokameraanordnung 11, 12, 21, 22 ist
eine Laserstrahlquelle mit Projektionsoptik angeordnet, was anhand
der 2 nachfolgend an dem Beispiel der Profilerfassungseinrichtung 1 näher erläutert
wird. Die Projektionsoptik kann z. B. als Linienoptik ausgebildet
sein, d. h. zur Projektion einer Laserlinie. Die Kameras sowie die
Laserstrahlquelle der jeweiligen Stereokamera sind vorteilhaft justierbar
zu einer baulichen Einheit zusammengefasst, beispielsweise in einem
so genannten Rack untergebracht.
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Die 2 zeigt
den Aufbau der Profilerfassungseinrichtung 1. Die Profilerfassungseinrichtung 2 ist
analog aufgebaut. Die obere Stereokameraanordnung 11 weist
Kameras 13, 15 auf, zwischen denen ein Linienlaser 14 angeordnet
ist. Die untere Stereokameraanordnung 12 weist Kameras 16, 18 auf, zwischen
denen ein Linienlaser 17 angeordnet ist.
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In
der 1 ist ferner beispielhaft eine Laserlinie 28 dargestellt,
die von dem Linienlaser 14 der ersten Stereokameraanordnung 11 auf
die Oberfläche 5 des Coils 3 projiziert
wird. Eine entsprechende Laserlinie wird von dem Linienlaser 17 der
zweiten Stereokameraanordnung 12 auf die Oberfläche 5 des Coils
projiziert.
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In
der 3 ist der rechte untere Bereich des Coils 3 in
Schnittdarstellung dargestellt. Man erkennt die eine gewisse Profilkontur
aufweisende Oberfläche 5 des Coils 3,
die von der Profilerfassungseinrichtung möglichst präzise
erfasst werden soll. In der 3 ist ferner
die bereits erläuterte erste Profilerfassungseinrichtung 1 dargestellt,
die im hier wiedergegebenen Ausführungsbeispiel noch eine
weitere Stereokameraanordnung 19 aufweist, die zwischen der
ersten und der zweiten Stereokameraanordnung 11, 12 angeordnet
ist und die das Oberflächenprofil 5 aus einer
zwischen der oberen und der unteren Stereokameraanordnung 11, 12 liegenden
Perspektive erfasst. In der 3 sind die
optischen Erfassungsbereiche der oberen und der unteren Stereokameraanordnung 11, 12 durch
durchgehende Linien dargestellt. Der Erfassungsbereich der weiteren
Stereokameraanordnung 19 ist lediglich schematisch durch
verkürzte Linien angedeutet.
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Die
obere Stereokameraanordnung 11 ist derart angeordnet, dass
sie die Oberseite 9 des Coils 3 bis hin zu dem
Coilauge 7 erfassen kann. Die untere Stereokameraanordnung 12 kann
den unteren Bereich bis hin zur Unterseite 8 des Coils
erfassen. Die Oberseite 9 und die Unterseite 8 des
Coils bilden somit Begrenzungsfläche 8, 9 des
Oberflächenprofils 5.
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Das
in der 3 dargestellte Oberflächenprofil 5 weist
im Bereich unterhalb des Coilauges 7 starke Ausbuchtungen 5a, 5b auf.
Die Ausbuchtung 5a ist dergestalt, dass die untere Stereokameraanordnung 12 aufgrund
einer durch die Ausbuchtung 5a hervorgerufenen Abschattung
nicht das Profil in dem hinter der Ausbuchtung 5a gelegenen
Bereich 5c erkennen kann. Der Bereich 5c kann
aber ohne weiteres von der oberen Stereokameraanordnung 11 erfasst
werden. Analog dazu kann der aus der Perspektive der oberen Stereokameraanordnung 11 der hinter
der Ausbuchtung 5b liegende Bereich 5d des Oberflächenprofils 5 nicht
von der oberen Stereokameraanordnung 11 erfasst werden,
wohl aber von der unteren Stereokameraanordnung 12.
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Die
Stereokameraanordnungen 11, 12, 19 der
Profilerfassungseinrichtung 1 sind gemäß 3 mit
einer Auswerteeinrichtung 30 verbunden und geben Ihre Messdaten
z. B. in Form von Bildsignalen an die Auswerteeinrichtung 30 ab.
Die Auswerteeinrichtung 30 kann beispielsweise ein Computer
sein. Die Auswerteeinrichtung 30 wertet die empfangenen Messdaten
der verschiedenen Stereokameraanordnungen 11, 12, 19 aus
und fusioniert diese zu gemeinsamen Messdaten. Die gemeinsamen Messdaten
werden beispielsweise auf einer Anzeigeeinrichtung 31 ausgegeben,
beispielsweise auf einem Computermonitor. Vorteilhaft werden die
gemeinsamen Messdaten auf der Anzeigeeinrichtung 31 in
Form eines Profilverlaufs 32 dargestellt, wobei eine Darstellung
in einem mit Maßeinheiten versehenen Koordinatensystem
vorteilhaft ist. Eine solche Darstellung erlaubt es einem Benutzer
der erfindungsgemäßen Profilerfassungseinrichtung,
auf einfache Weise schnell unerwünscht große Abweichungen
des Oberflächenprofils 5 des Coils 3 von
dem erwünschten, glatten Profil zu erkennen.
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Sofern
eine zweite Profilerfassungseinrichtung 2 vorgesehen ist,
sind deren Stereokameraanordnungen in analoger Weise mit der Auswerteeinrichtung 30 verbunden
und geben Ihre Messdaten an die Auswerteeinrichtung 30 ab.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wertet die Auswerteeinrichtung 30 die empfangenen
Messdaten bzw. die gemeinsamen Messdaten dahingehend aus, dass Abweichungen von
bestimmten vorgegebenen Sollwerten oder Sollwertbereichen x1, x2, x3,
x4 erkannt und einem Benutzer angezeigt
werden. Es ist z. B. möglich, bestimmte Schwellenwerte
für die Abweichungen einzustellen. Wenn die Messdaten die
Schwellenwerte überschreiten, wird dies als unerwünscht
erkannt und entsprechend auf der Anzeigeeinrichtung 31 dargestellt.
Für die Darstellung können beispielsweise unterschiedliche
Farben verwendet werden, z. B. bei einer unerwünscht hohen
Abweichung erfolgt eine Darstellung in einer Warnfarbe wie etwa
rot. Die Auswerteeinrichtung 30 kann bei Erkennung der
zu großen Abweichungen des Profils auch akustische oder
andere Warnsignale ausgeben, die es einem Bediener der Walzanlage
erlauben, die Anlage zu stoppen oder neu zu justieren. Vorteilhaft
werden die Messdaten von der Anzeigeeinrichtung 31 statistisch
ausgewertet. Hierdurch können automatisiert Qualitätskennzahlen
des Produktionsprozesses gewonnen werden und für qualitätssteigernde
Verbesserungen des Produktionsprozesses eingesetzt werden.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann der von der Profilerfassungseinrichtung
erfasste Profilverlauf 32 auch nach Art einer Regelschleife
in die Walzanlage zurückgespeist werden, derart, dass bestimmte
Einstellparameter der Walzanlage, z. B. für die Breite
des Walzgutes und deren Position auf dem Förderband, automatisch
an die erwünschten Werte angepasst werden. Hierdurch ist
eine Fertigung von Produkten mit besonders hoher Güte automatisiert
möglich.
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Durch
die doppelte Erfassung bestimmter Bereiche des Profilverlaufs 5 durch
die zwei Stereokameraanordnungen 11, 12 kann eine
höhere Auflösung der Messung und eine höhere
Messgenauigkeit erzielt werden. Eine weitere Erhöhung der
Messgenauigkeit und der Auflösung kann durch Hinzunahme
der weiteren Stereokameraanordnung 19 sowie ggf. zusätzlicher
Stereokameraanordnungen erzielt werden. Vorteilhaft ist die geometrische
Anordnung der Kameras zueinander nach einer Justierung fest vorgegeben
und als ein Optimum der photogrammetrischen Punktbestimmungen ermittelt.
Der Abstand der Kameras zueinander und die Winkel, unter denen die
Kameras zueinander geneigt sind, sind von den örtlichen
Gegebenheiten des Aufstellortes und den Dimensionen des zu erfassenden
Objekts abhängig und daher jeweils durch Justierung der
Kameras anzupassen.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt nach deren Justierung
zunächst eine Systemkalibrierung aller Kameras, bei der
die mechanischen und optischen Kenngrößen der
Kamera-Objektiv-Kombinationen und der Kameras untereinander bestimmt
werden. Die so ermittelten Kenngrößen werden während
des Betriebs der Kameras zur Profilerfassung von der Auswerteeinrichtung 30 rechnerisch
berücksichtigt.
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In
die 4 ist ein weiterer durch die erfindungsgemäße
Profilerfassungseinrichtung 1 ermittelter Profilverlauf 35 beispielhaft
dargestellt. Wie erkennbar ist, weist der Profilverlauf 35 im
oberen Bereich eine charakteristische Ausbuchtung auf. Im unteren
Bereich des Profils 35 ist erkennbar, dass der Profilverlauf
relativ große Abweichungen zunehmender Art von dem erwünschten
mittleren Wert, der durch der Ursprung des Koordinatensystems wiedergegeben
wird, zeigt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung
der Erfindung überprüft die Auswerteeinrichtung
automatisch die ermittelten Werte des Profilverlaufs 35 auf Überschreitung
vorbestimmter Schwellenwerte x1, x2, x3 und x4. Bei einer Überschreitung von
Schwellenwerten erfolgen beispielsweise eine farbliche Kennzeichnung
der erfassten und dargestellten Werte bzw. die Einleitung der zuvor genannten
Maßnahmen wie das Auslösen eines Warnsignals,
das Unterbrechen der Fertigung oder eine automatische Gegenregelung.
Bei dem in der 4 dargestellten Profilverlauf
ist im Bereich 36 der erste Schwellenwert x2 überschritten.
Im Bereich 37 ist der zweite, höhere Schwellenwert
x1 überschritten.
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In
der 5 ist beispielhaft eine Darstellung von Messergebnissen
wiedergegeben, die bei Verwendung einer zweiten Profilerfassungseinrichtung 2 zusätzlich
zu der zuvor beschriebenen Profilerfassungseinrichtung 1 erstellt
werden kann. Mittels der Anordnung zweier Profilmesseinrichtungen
links und rechts von dem Coil 3 kann der linke und der
rechte Profilverlauf des Coils erfasst werden. Die linken und die
rechten Profilverläufe sind nicht zwangsläufig komplementär
zueinander, da es bei der Herstellung des Stahlblechs zu Schwankungen
der Breite kommen kann. Der linke Profilverlauf ist in der 5 durch
die Kurve 42 wiedergegeben, der rechte Profilverlauf durch
die Kurve 43. Beispielsweise in der Mitte zwischen den
Profilverläufen 42, 43 kann eine Darstellung
der Breite b des Stahlblechs wiedergegeben werden. Die Breite b
wird von der Auswerteeinrichtung 30 durch Subtraktion des
Profilverlaufs 42 von dem Profilverlauf 43 ermittelt.
Es ergibt sich der in 5 dargestellte Verlauf 41,
aus dem gewisse Abweichungen der gemessenen Breite b von einer Sollbreite
Boll abgelesen werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10014813
B4 [0002]
- - WO 2006/048857 [0002]