DE102011004076B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflächenrauheit - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen, insbesondere von Baustoffen, umfassend die Schritte: a) Erfassung einer Profillinie des Gegenstandes über eine Strecke Ir mit einer bestimmten Länge, b) Ermittlung eines ersten Punktes Zmax der Profillinie, der die geringste Tiefe über die Strecke Ir aufweist, c) Erstellung einer ersten linearen mathematischen Funktion, die im Intervall der Strecke Ir durch den ersten Punkt Zmax verläuft, d) Ermittlung der Fläche A zwischen der Profillinie und der ersten linearen mathematischen Funktion, und e) Ermittlung der Oberflächenrauheit Rt aus dem Zusammenhang

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Oberflächenrauheit von Gegenständen, insbesondere von Baustoffen. Die Oberflächentextur von Straßendecken, Gehwegen und Industrieböden bestimmt maßgeblich deren Gebrauchseigenschaften wie Rutschhemmung und Gleitwiderstand. Die Oberflächenrauheit beeinflusst auch die Lebensdauer von Verstärkungen und Instandsetzungssystemen auf Beton. Darüber hinaus hat sie Einfluss auf den Materialverbrauch bei Beschichtungen bzw. auf die Wahl von Beschichtungssystemen und Beschichtungsverfahren. Zur Untersuchung des Verschleißes an Fahrbahndecken aus Asphalt kann die Änderung der Rauheit über die Zeit erfasst werden. Die zuverlässige Messung der Rauheit von Bauteiloberflächen stellt wegen dieser Vielzahl an Anwendungen, Fragestellungen und Anforderungen eine wichtige Aufgabe im Bauwesen dar.
• Im Bauwesen wird die Rauheit einer Baustoffoberfläche für den jeweiligen Anwendungsfall definiert. Im Allgemeinen ist die Rauheit dabei durch Abweichungen der Ist-Oberfläche von der geometrischen Idealoberfläche eines Bauteils gekennzeichnet deren Abstand und Tiefe im Größenbereich von Mikrometern bis Dezimetern liegen. Nach DIN 4760 sind der Rauheit Gestaltabweichungen zugeordnet, deren Verhältnis von Abstand zu Tiefe im Allgemeinen zwischen 100:1 und 5:1 liegt. Periodische Abweichungen mit Verhältnissen von Wellenlänge zu Amplitude von über 100:1 (Welligkeit) sind danach nicht vom Begriff der Rauheit eingeschlossen.
• Zur Ermittlung der Rauheit werden Parameter von Oberflächenprofilen, wie sie z. B. in 1 ersichtlich sind, bestimmt.
• Der am häufigsten verwendete Rauheitsparameter ist der arithmetische Mittelwert der Profilkoordinaten Ra, dieser berechnet sich aus:

  
• Dabei ist Ir die Länge der Einzelmessstrecke und Z(x) ist der Abstand des Oberflächenprofils von seiner Mittelinie an der Stelle x der Einzelmessstrecke, wie es 2 zeigt.
• Die größte Höhe des Profils Rz bezeichnet die Differenz der Z-Werte zwischen höchstem Punkt und tiefstem Punkt des Profils innerhalb der Einzelmessstrecke Ir, d. h.: Rz = |max Z(x)| + |min Z(x)| (2)
• Diese Größe Rz wird unter anderem auch als maximale Profilhöhe, Rautiefe oder Einzelrautiefe bezeichnet.
• Zur Ermittlung der Rauheit von Baustoffoberflächen sind sogenannte volumetrische Verfahren bekannt.
• Bei den herkömmlichen volumetrischen Verfahren wird die Raijheit nicht anhand eines Oberflächenprofils bestimmt. Stattdessen beruhen diese Verfahren auf der Ausfüllung von Oberflächenvertiefungen durch ein Korngemenge. Dazu wird ein definiertes Volumen V des Korngemenges auf die zu untersuchende Oberfläche aufgebracht und das Material z. B. mittels einer Kunststoff- oder Hartholzscheibe auf der Oberfläche kreisförmig in die Vertiefungen verteilt. Aus dem Durchmesser d dieses gefüllten Oberflächenbereichs berechnet sich die Rautiefe R_t der Oberfläche zu

  
• Die Rautiefe R_t ist damit gleich der Höhe eines kreiszylindrischen Körpers mit dem Volumen V und dem Durchmesser d. Der Wert von R_t ist nicht mit dem Wert von Ra oder Rz identisch, wie es auch in 2 gezeigt ist.
• Die Aufzeichnung von Oberflächenprofilen zur Bestimmung von Rauheitsparametern kann u. a. durch Lasertriangulation oder Tastschnittverfahren erfolgen.
• Bei der Lasertriangulation wird ein Punkt durch einen Laser auf die zu untersuchende Oberfläche projiziert. Der Laserstrahl wird von der Oberfläche diffus reflektiert und ein Teil des reflektierten Lichts durch einen bezüglich der Laserquelle lateral versetzten Sensor aufgezeichnet, wie es in 3 dargestellt ist.
• Ändert sich der Abstand zwischen Laserquelle und Oberfläche, so verändert sich auch der Auftreffpunkt des reflektierten Lichtes auf dem Sensor. Auf Grund des stets gleichen Reflexionswinkels und mittels einfacher geometrischer Beziehungen im Dreieck kann der Abstand zwischen Laserquelle und Oberfläche berechnet werden.
• Weitere Möglichkeiten, die Rauheit von Baustoffoberflächen optisch zu bestimmen, sind aus verschiedenen Dokumenten bekannt.
• Die EP1001087A1 offenbart ein optisches Verfahren zur Bestimmung der Rauheit von Oberflächen von Straßenbelägen für die Charakterisierung des Haftverhaltens von Sanierungsoberflächen wie z. B. Asphalt-Fahrbahndecken. Dazu wird die Fahrbahnfläche mit Hilfe von speziellen Sand- oder Wasserstrahlmaschinen bearbeitet, um die Rauheit für eine verbesserte Haftung zu erhöhen. Dabei wird eine optische Messeinrichtung zur Bestimmung der Rauheit zur Qualitätskontrolle verwendet.
• Die US 5652655 offenbart ein optisches Verfahren zur Bestimmung der Fahrbahnrauigkeit (Beton oder Asphalt), das mit Hilfe von einem Satz von Lichtquellen (LED-Array) parallel die Raumfrequenzen der Fahrbahnoberfläche ermittelt, filtert und effektive Signale über den Straßenbelag für die automatische Steuerung von ABS-Systemen in Automobilen bereitstellt
• In der US200910116697A1 ist ein optisches Verfahren und ein Gerät zur Bestimmung der Oberflächentextur von Körpern offenbart. Durch unterschiedliche angeordnete Lichtquellen wird neben der Rauheit von Oberflächen die Glanzeigenschaft bei dem Verfahren zur Bestimmung der Rauheit berücksichtigt.
• Das Dokument DD84941 lehrt ein Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenbeschaffenheit von Beton-, Putz-, Kunststein- und Natursteinoberflächen für die Bewertung bzw. Klassifizierung von Arbeitsverfahren zur Sanierung. Das Verfahren basiert auf einem Haarlineal mit schneidartiger Messkante und einer Lichtquelle mit Sensor zur Bestimmung des integralen Anteils an transmittiertem Licht zwischen Bauteil und Haarlineal. Dieser Anteil liefert eine Rauheit die durch einen Schnitt durch die Oberfläche charakterisiert ist.
• Die EP 1 203 928 A1 offenbart ein Verfahren zur Oberflächenrauheit von Gegenständen, insbesondere von Straßenoberflächen. Dabei wird eine Profillinie des Gegenstandes über eine bestimmte Strecke mit optischen Mitteln erfasst, ein Punkt der Profillinie, der die geringste Tiefe aufweist, ermittelt, eine erste lineare mathematische Funktion erstellt, die im Intervall der Strecke durch diesen Punkt verläuft, eine zweite lineare mathematische Funktion erstellt und die Oberflächenrauheit aus den mathematischen Funktionen ermittelt.
• Die US 4,951,497 A lehrt ein Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen, bei dem das Volumen im der durch Spitzen und Täler gegebenen Rauheit der Oberfläche ermittelt wird. Dabei wird ein volumetrisch arbeitender Rauheitssensor mit einem elastisch verformbaren Element auf die zu messende Oberfläche mit einer bestimmten Kraft aufgedrückt, wobei sich die Sensor-Oberfläche elastisch reversibel in die Täler der rauen Oberfläche eindrückt. Die dadurch veränderte Oberflächen-Ausdehnung des Sensors, die sich auf der Rückseite des elastisch verformbaren Elements bemerkbar macht, wird über einen Extensionssensor gemessen. Daraus lassen sich mathematisch Rückschlüsse über die Rauheit des Oberflächenprofilvolumens ziehen.
• Es existieren unterschiedliche volumetrische Verfahren zur Bestimmung der Rautiefe, bei denen unterschiedliche Korngemenge wie z. B. trockener Quarzsand, Normensand (nach DIN 1164), oder Glassand mit Korngrößen zwischen 0,05 bis 0,5 mm und in Mengen zwischen 10–50 cm³ verwendet werden.
• Derartige volumetrische Verfahren werden insbesondere in der Bauindustrie sowie in der Baustoffindustrie zur Bestimmung der Oberflächenrauheit verwendet, da mit diesen Verfahren relativ verlässliche Werte hinsichtlich der Aufnahmekapazität für einen Beschichtungswerkstoff und/oder für durchzuführende Bearbeitungen erhältlich sind.
• Untersuchungen ergaben aber, dass die Mittelwerte und Standardabweichungen einzelner durchgeführter volumetrischer Oberflächenrauheitsbestimmungen relativ große Differenzen aufweisen. Dies gilt umso mehr, wenn die volumetrischen Oberflächenrauheitsbestimmungen mit unterschiedlichen Korngemengen, Korngrößen und/oder Mengen durchgeführt werden.
• Da in den meisten Prüfvorschriften für volumetrische Verfahren als Prüfmittel Sand vorgeben ist, werden die volumetrischen Verfahren häufig auch als Sandflachenverfahren bezeichnet. Aufgrund des Messprinzips sind diese Verfahren nur auf horizontalen bzw. wenig geneigten und trockenen Flächen durchführbar.
• Die benannten optischen Verfahren zur Bestimmung der Rauheit ermöglichen keinen Vergleich mit klassischen, volumetrischen Verfahren. Insbesondere sind die mit optischen Verfahren gewonnenen Messwerte nicht mit historischen und nicht mehr wiederholbaren Messwerten an nicht mehr vorhandenen Baustoffoberflächen wie z. B. Kirchen, alten Straßen, usw. vergleichbar. Dadurch, dass die mittels optischen Verfahren gewonnenen Werte stark von den mit volumetrischen Verfahren gewonnenen Werten abweichen, sind die optisch ermittelten Rauheitswerte nicht in der Bau- bzw. Baustoffindustrie verwertbar.
• Optische und punktuell messende Verfahren alleine können jedoch nicht die Bedürfnisse der Bauindustrie und Baustoffindustrie nach verlässlichen Werten hinsichtlich der Aufnahmekapazität von Oberflächen erfüllen.
• Volumetrische Verfahren haben den Nachteil der relativ großen Abweichungen von Messergebnissen und der Einschränkung der Anwendung auf horizontale bzw. wenig geneigte und trockene Flächen. Außerdem sind volumetrische Verfahren nur mit relativ großem personellem und zeitlichem Aufwand realisierbar.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein praxistaugliches, genaues und einfach sowie kostengünstig handhabbares Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenrauheit von Gegenständen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Bestimmung der Oberflächenrauheit von Gegenständen zu entwickeln, mit denen im Wesentlichen Oberflächenrauheitswerte ermittelbar sind, die durch volumetrische Verfahren erhältlich wären.
• Das heißt, das Verfahren soll bei unterschiedlichen Oberflächenbenetzungen, wie z. B. feucht und trocken sowie unterschiedlichen Oberflächenausrichtungen wie z. B. horizontal, vertikal oder über Kopf exakte, reproduzierbare Werte mit kleiner Streuung liefern und auf die klassischen Volumenverfahren zur Bestimmung der Rauheit im Bereich der trockenen und horizontalen Oberflächen abbildbar sein. Die dadurch erhaltenen Oberflächenrauheitswerte sollen also die mit herkömmlichen volumetrischen Verfahren gewonnenen Werte ersetzen können, so dass bei Anwendern der ermittelten Werte keine Notwendigkeit hinsichtlich Umrechnung und/oder Durchführung von Tests besteht.
• Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen nach Anspruch 1 sowie eine Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen nach Anspruch 8 zur Verfügung gestellt.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben. Ergänzend werden erfindungsgemäß ein Computerprogramm zur Durchführung des Verfahrens sowie eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der Vorrichtung angegeben.
• Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen, insbesondere von Baustoffen, umfasst die Schritte der Erfassung einer Profillinie des Gegenstandes über eine Strecke Ir mit einer bestimmten Länge, die Ermittlung eines ersten Punktes Zmax der Profillinie, der die geringste Tiefe über der Strecke Ir aufweist, der Erstellung einer ersten linearen mathematischen Funktion, die im Intervall der Strecke Ir durch den ersten Punkt Zmax verläuft, die Ermittlung der Fläche A zwischen der Profillinie und der ersten linearen mathematischen Funktion, und Ermittlung der Oberflächenrauheit Rt aus dem Zusammenhang

  
• Die Tiefe entspricht dabei dem Abstand des jeweiligen Oberflächenpunktes zu einem Messgerät, welches mit einem konstanten Abstand im Wesentlichen parallel zur Gesamt-Oberfläche des Gegenstandes entlang der Strecke Ir bewegt wird.
• Der erste Punkt Zmax der Profillinie ist über der Strecke Ir ein globales Maximum.
• Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt insbesondere darin, dass die verfahrensgemäß gewonnenen Daten eine geringe Standardabweichung aufweisen sowie eine höhere Reproduzierbarkeit als die klassischen, von Hand im Volumenverfahren gewonnenen Werte, bei gleichzeitiger maximaler Übereinstimmung mit Werten, die mittels herkömmlicher volumetrischer Verfahren an derselben Oberfläche gewonnen worden wären. Außerdem ist das erfindungsgemäße Verfahren unabhängig von der Feuchtigkeit der Oberfläche sowie deren Raumorientierung in einfacher Weise durchführbar. Die Profillinie wird bevorzugt derart aus der Mehrzahl von Oberflächenpunkten erstellt, dass über die Strecke Ir von einer Mehrzahl von Oberflächenpunkten die Koordinaten erfasst werden und daraus die Profillinie erfasst bzw. erstellt wird. Die Koordinaten sind dabei zweidimensionale Koordinaten, wobei bei Übertragung des zu untersuchenden Profils des Gegenstandes in ein kartesisches Koordinatensystem die Werte der x-Achse dem jeweiligen Abstand des Oberflächenpunktes von einem Ende der Strecke Ir entsprechen und die Werte der z-Achse der jeweiligen Tiefe des Oberflächenpunktes entsprechen. Aus den gewonnenen Oberflächenpunkten bzw. aus deren Koordinaten lässt sich die Profillinie z. B. mittels Approximation erstellen. Daraus lässt sich eine mathematische Funktion ermitteln, die dem Verlauf der approximierten Profillinie entspricht und welche den weiteren Berechnungen zugrunde legbar ist. Alternativ kann jedem Oberflächenpunkt ein anstiegsloser linearer Bereich gleicher Länge zugeordnet werden und die entstandenen Bereiche miteinander verbunden werden, so dass eine abgestufte Profillinie entsteht. Je mehr Oberflächenpunkte ermittelt werden, umso genauer lässt sich der reale Verlauf der Profillinie darstellen.
• Aus der Formel

  

  lässt sich der jeweilige, die Oberflächenrauheit charakterisierende Rautiefe berechnen.
• Zwecks Erstellung einer ersten linearen Funktion, die im Intervall der Strecke Ir durch den ersten Punkt Zmax verläuft, kann das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgestaltet sein, dass die Position des ersten Punktes Zmax auf der Strecke Ir erfasst wird und die Strecke Ir in Streckenabschnitte In1 und Ir2 eingeteilt wird, die durch den ersten Punkt Zmax voneinander getrennt sind. Danach wird ein zweiter Punkt Zmax-1 aus der Mehrzahl der erfassten Oberflächenpunkte ermittelt, wobei dieser zweite Punkt Zmax-1 eine größere Tiefe aufweist als der erste Punkt Zmax.
• Der zweite Punkt Zmax-1 ist dabei dasjenige lokale Maximum des jeweiligen Streckenabschnittes In1 oder Ir2, der größer als der jeweils andere Streckenabschnitt ist, und dessen lineare Verbindungslinie mit dem ersten Punkt Zmax den geringsten Winkel mit einer durch den ersten Punkt Zmax verlaufenden linearen anstiegslosen Linie einschließt.
• Nach Erhalt der beiden Punkte Zmax und Zmax-1 lässt sich eine erste lineare mathematische Funktion erstellen, die im Intervall der Strecke Ir durch den ersten Punkt Zmax und den zweiten Punkt Zmax-1 verläuft. Diese erste lineare mathematische Funktion hat somit denselben Verlauf wie die lineare Verbindungslinie zwischen dem ersten Punkt Zmax und dem zweiten Punkt Zmax-1, die den geringsten Winkel mit einer durch den ersten Punkt Zmax verlaufenden linearen anstiegslosen Linie bzw. Funktion einschließt.
• Der Vorteil dieser Verfahrensausgestaltung liegt insbesondere in der besseren Vergleichbarkeit mit herkömmlichen Volumenverfahren, da bei einem solchen herkömmlichen Verfahren der Stempel zum Einreiben des Gemenges auf die Seite des höchsten Punktes kippen würde, die einen längeren Abschnitt aus der zu behandelnden Strecke Ir bildet. Es ist daher vorgesehen, dass die erste lineare mathematische Funktion auch durch den Punkt verläuft, auf den bei Anwendung des volumetrischen Verfahrens der Stempel kippen würde, so dass die erste lineare mathematische Funktion ein theoretisches zweidimensionales Abbild der Stempelfläche des herkömmlichen Verfahrens ist.
• Zwecks Ermittlung der Fläche A zwischen der Profillinie und der ersten linearen mathematischen Funktion kann vorgesehen sein, dass eine zweite lineare mathematische Funktion erstellt wird, die im Intervall der Strecke Ir durch den ersten Punkt Zmax parallel zur Strecke Ir verläuft, und die von der Profillinie und der zweiten linearen mathematischen Funktion im Intervall der Strecke Ir eingeschlossene Fläche Az ermittelt wird. Danach ist die von der ersten linearen mathematischen Funktion und der zweiten linearen mathematischen Funktion im Intervall der Strecke Ir eingeschlossene Fläche Ad zu ermitteln und die ermittelte Fläche Ad von der Fläche Az zum Erhalt der Fläche A zu subtrahieren, wobei Bereiche der Fläche Ad, die eine geringere Tiefe als die des Punktes Zmax haben, in die Subtraktion mit jeweils negativem Wert eingehen.
• Die zweite lineare mathematische Funktion entspricht somit der durch den ersten Punkt Zmax verlaufenden linearen anstiegslosen Funktion, die zur Definition des Winkels zwischen dieser zweiten linearen mathematischen Funktion und der ersten linearen mathematischen Funktion bzw. der linearen Verbindungslinie zwischen dem ersten Punkt Zmax und dem zweiten Punkt Zmax-1 dient.
• Das bedeutet, dass derartige Flächenbereiche, die eine geringere Tiefe als die des Punktes Zmax haben, zu der Fläche Az zu addieren sind, um die Fläche A zwischen der Profillinie und der ersten linearen mathematischen Funktion zu erhalten.
• Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Tiefe der Oberflächenpunkte mittels optischer Messung ermittelt wird. Insbesondere lässt sich zu diesem Zweck das bereits beschriebene Laser-Triangulationsverfahren einsetzen.
• Um eine ausreichende Vergleichbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einem herkömmlichen Volumenverfahren zu erreichen, ist vorgesehen, dass die Länge der Strecke Ir zwischen 20 mm und 80 mm beträgt. Insbesondere kann die Strecke Ir = 50 mm betragen. Die Wahl der Länge der Einzelmessstrecke Ir sollte dabei in Abhängigkeit vom Durchmesser der in einem herkömmlichen Volumenverfahren verwendeten Kunststoff- oder Hartholzscheibe zum Einreiben des Gemenges festgelegt werden. Insbesondere bei einer Länge der Strecke Ir von 50 mm ergibt sich die beste Übereinstimmung zwischen der erfindungsgemäß ermittelten Oberflächenrauheit und der Rauheit, wie sie mit einem häufig verwendeten volumetrischen Verfahren mit einem Korngemenge aus trockenem Quarzsand mit einer Korngröße von 0,1 mm bis 0,3 mm und einer Menge von 25 bis 50 cm³ (nach der Vorschrift DAfStb Rili SlB) erhalten wird.
• Um zufällige Abweichungen einzelner Messungen zu eliminieren ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass zumindest die Verfahrensschritte der Erfassung einer Profillinie des Gegenstandes über eine bestimmte Strecke Ir mit einer bestimmten Länge, die Ermittlung eines ersten Punktes Zmax der Profillinie, der die geringste Tiefe über der Strecke Ir aufweist, die Erstellung einer ersten linearen mathematischen Funktion, die im Intervall der Strecke Ir durch den ersten Punkt Zmax verläuft, die Ermittlung der Fläche A zwischen der Profillinie und der ersten linearen mathematischen Funktion und die Ermittlung der Oberflächenrauheit Rt aus dem Zusammenhang

  

  an mehreren unterschiedlichen Stellen der Oberfläche desselben Gegenstandes wiederholt werden und aus den jeweils ermittelten Werten der Oberflächenrauheit der Mittelwert gebildet wird.
• Erfindungsgemäß wird außerdem eine Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen und somit insbesondere zur Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen zur Verfügung gestellt, welche eine Einrichtung zur Erfassung der Position von Oberflächenpunkten in einer ersten, im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Gegenstandes verlaufenden Richtung, eine optische Messeinrichtung zur Erfassung der Tiefe von Oberflächenpunkten in einer zweiten, senkrecht zur ersten Richtung verlaufenden Richtung, eine Speichereinheit zur Speicherung der erfassten Werte und eine Recheneinheit zur Erfassung oder Berechnung einer aus den erfassten Oberflächenpunkten generierten Profillinie und zur Erfassung des ersten Punktes Zmax, der die geringste Tiefe über der Strecke Ir aufweist, sowie zur Erstellung einer ersten linearen mathematischen Funktion, die im Intervall der Strecke Ir durch den ersten Punkt Zmax verläuft, zur Ermittlung der Fläche A zwischen der Profillinie und der ersten linearen mathematischen Funktion, und zur Ermittlung der Oberflächenrauheit Rt aus dem Zusammenhang

  

  aufweist. Dabei kann die Einrichtung zur Erfassung der Position von Oberflächenpunkten in einer ersten, im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Gegenstandes verlaufenden Richtung und die optische Messeinrichtung zur Erfassung der Tiefe von Oberflächenpunkten in einer zweiten, senkrecht zur ersten Richtung verlaufenden Richtung gegebenenfalls dasselbe Gerät sein. Des Weiteren kann die Recheneinheit derart eingerichtet und ausgestaltet sein, dass sie in der Lage ist, sämtliche weitere als vorteilhaft angegebenen Verfahrensausgestaltungen durchzuführen. Das heißt, dass die Recheneinheit dafür eingerichtet sein kann, die Position des ersten Punktes Zmax auf der Strecke Ir zu erfassen und die Strecke Ir in die Streckenabschnitte Ir1 und Ir2 einzuteilen, sowie dass mit der Recheneinheit der zweite Punkt Zmax-1 ermittelt werden kann und die erste lineare mathematische Funktion erstellt werden kann, Außerdem kann die Recheneinheit zur Erstellung der zweiten linearen mathematischen Funktion eingerichtet sein sowie zur Ermittlung der Fläche Az, der Fläche Ad und zur Berechnung der Fläche A aus den ermittelten Flächen Ad und Az.
• Ergänzend wird erfindungsgemäß ein Computerprogramm zur Verfügung gestellt, dass es einer Datenverarbeitungseinrichtung ermöglicht, nachdem es in Speichermittel der Datenverarbeitungseinrichtung geladen worden ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen durchzuführen. Die Erfindung soll außerdem auf ein computerlesbares Speichermedium anwendbar sein, auf dem ein Programm gespeichert ist, das es einer Datenverarbeitungseinrichtung ermöglicht, nachdem es in Speichermittel der Datenverarbeitungseinrichtung geladen worden ist, das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen durchzuführen. Außerdem kann die Erfindung auf ein Verfahren bezogen sein, bei dem ein erfindungsgemäßes Computerprogramm aus einem elektronischen Datennetz, wie z. B. aus dem Internet, auf eine an das Datennetz angeschlossene Datenverarbeitungseinrichtung heruntergeladen wird.
• Der erfindungsgemäße Gedanke wird durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen und/oder der Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen aus Beton, Asphalt oder Stein ergänzt. Das heißt, dass das erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße Vorrichtung insbesondere an typischen Baustoffen anzuwenden ist, wobei jedoch auch die Ermittlung von Oberflächenrauheiten von anderen Gegenständen, wie z. B. Werkstoffen aus Metall, Erdreich, Kunststoff oder auch an Lebensmitteln nicht ausgeschlossen werden soll.
• Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beilegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert.
• Es zeigen
• 1 einen profilierten zu untersuchenden Gegenstand in perspektivischer Ansicht,
• 2 ein theoretischer Profillinienverlauf in einem Diagramm,
• 3 Prinzip-Darstellung eines Laser-Triangulationsverfahrens,
• 4 Profillinienverlauf in einem Diagramm,
• 5 Profillinienverlauf in einem Diagramm mit zugeordneten Flächen, und
• 6 Diagramm mit alternativem Profillinienverlauf.
• Auf die 1 bis 3 ist bereits zur Erläuterung des Standes der Technik Bezug genommen worden. Zur Erklärung der vorliegenden Erfindung soll im Folgenden jedoch noch einmal auf die Figuren eingegangen werden.
• In 1 ist ein zu untersuchender Gegenstand 1 dargestellt, der in einer Ebene eine Profillinie P mit einem charakteristischen Verlauf aufweist. Zur besseren Verdeutlichung der Raumkoordinaten ist ein 1 ein Koordinatensystem mit den Achsen x, y und z dargestellt.
• In 2 ist zur Erläuterung der Mittenrauheit Ra, der gemittelten Rautiefe Rz und der Rautiefe Rt ein theoretischer, sinusförmiger Verlauf einer Profillinie P dargestellt.
• Es ist ersichtlich, dass bei Anwendung eines herkömmlichen Volumenverfahrens sich das Gemenge gemäß der dargestellten Fläche A an die Profillinie P anlegen würde. Je Breite des zu untersuchenden Flächenbereiches wird dadurch ein bestimmtes Volumen an Gemenge verbraucht, welches eine Aussage über die Oberflächenrauheit des Gegenstandes zulässt.
• Zur Erfassung der Tiefe der jeweiligen Oberflächenpunkte wird die in 3 zur Durchführung eines Laser-Triangulationsverfahrens geeignete Vorrichtung eingesetzt. Diese weist eine Stromversorgung 10 auf, die zur Energieversorgung einer Steuerungseinheit 50, einer Strahlungsquelle 30 sowie eines Empfängers mit Abbildungsoptik 40 dient. Aus der Strahlungsquelle 30 wird ein Messstrahl 60 auf den zu untersuchenden Gegenstand 1 gesandt, der am Auftreffpunkt einen Messfleck 61 erzeugt. Der Messstrahl 60 wird unter einem stets gleich bleibenden Reflexionswinkel 62 reflektiert und als Empfangsstrahlung 63 an den Empfänger 40 gesandt.
• Je nach unterschiedlicher Tiefe der Oberfläche des Gegenstandes 1 wird dabei ein bestimmter Versatz 70 am Empfänger 40 erzeugt. Trifft der Messstrahl 60 auf einen relativ hohen Punkt auf, wird er, wie mit der strichpunktierten Linie in 3 angedeutet, reflektiert. Trifft der Messstrahl 60 dagegen auf einen relativ tiefen Punkt auf, wird er, wie mit der gestrichelten Linie in 3 angedeutet, reflektiert. Aufgrund des gleichen Reflexionswinkels 62 trifft die Empfangsstrahlung 63 an jeweils unterschiedlichen Stellen auf den Empfänger auf. Durch Auswertung der unterschiedlichen Empfangsstellen lassen sich Rückschlüsse auf die jeweilige Tiefe des Auftreffpunktes bzw. des Oberflächenpunktes des Gegenstandes 1 ziehen.
• Dementsprechende Signale werden mit dem Signalausgang 20 an eine Speicher- und/oder Recheneinheit ausgegeben.
• Zur Ermittlung der Koordinaten mehrerer Oberflächenpunkte einer Profillinie P kann die Vorrichtung gemäß des in 3 vereinfacht dargestellten Ausführungsbeispiels in einer ersten Richtung 100, wie sie aus 4 und 5 ersichtlich ist, bewegt werden. Durch ein gekoppeltes Weg-Mess-System sind somit bei Registrierung der Tiefe der jeweiligen Oberflächenpunkte gleichzeitig deren Positionswerte in der ersten Richtung 100 feststellbar. Somit lassen sich die Koordinaten der Oberflächenpunkte in der ersten Richtung 100 und in einer zweiten Richtung 200, die senkrecht zur ersten Richtung 100 verläuft, feststellen. Aus Gründen der verbesserten Übersichtlichkeit ist ein derartiges Weg-Mess-System zur Erfassung der Tiefe in der zweiten Richtung 200 nicht in 4 und 5 dargestellt.
• Durch die erste Richtung 100 und die zweite Richtung 200 wird die Ebene definiert, in der die Profillinie P des durch die Ebene geschnittenen Gegenstandes 1 ermittelt wird. Eine Profillinie P kann z. B. den in 4 und 5 dargestellten Verlauf aufweisen.
• Zur weiteren Erläuterung der 4 und 5 wird davon ausgegangen, dass die Punkte, aus denen die Profillinie P besteht, nach Erfassung gespeichert wurden und daraus ein mathematisches Modell der Profillinie P erstellt wurde.
• Zur Ermittlung der Oberflächenrauheit Rt wird die Profillinie P über die Strecke Ir betrachtet. In dem Intervall der Strecke Ir wird der erste Punkt Zmax ermittelt, der die geringste Tiefe t und demnach den höchsten Z-Wert aufweist. Der Punkt Zmax ist somit über die Strecke Ir ein globales Maximum. Die Strecke Ir wird in zwei Streckenabschnitte Ir1 und Ir2 aufgeteilt, die durch den x-Wert des ersten Punktes Zmax voneinander abgegrenzt sind.
• Wie insbesondere aus 5 ersichtlich ist, wird im längeren Streckenabschnitt, in diesem Falle im Streckenabschnitt In, ein zweiter Punkt Zmax-1 festgestellt, der dasjenige lokale Maximum im Streckenabschnitt (Ir1, Ir2) von Ir ist, der größer als der jeweils andere Streckenabschnitt ist, und dessen lineare Verbindungslinie mit dem ersten Punkt Zmax den geringsten Winkel α mit einer durch den ersten Punkt Zmax verlaufenden linearen anstiegslosen Funktion einschließt. In 5 ist dies der Punkt, der in dem Streckenabschnitt In1 die geringste Tiefe t aufweist. Durch die beiden Punkte Zmax und Zmax-1 wird eine erste lineare mathematische Funktion F1 gelegt. Diese ist eine Gerade, die durch den ersten Punkt Zmax und durch den zweiten Punkt Zmax-1 verläuft und somit der genannten Verbindungslinie entspricht. Die von dieser ersten linearen mathematischen Funktion F1 und der Profillinie P im Intervall der Strecke Ir begrenzte Fläche A dient der Ermittlung der Oberflächenrauheit bzw. der Rautiefe Rt nach der Formel

  
• Um die Berechnung der Fläche A zu erleichtern, kann durch den ersten Punkt Zmax eine zweite lineare mathematische Funktion F2 gelegt werden, die anstiegslos ist und somit parallel zur x-Achse verläuft. Diese zweite lineare mathematische Funktion F2 entspricht der durch den ersten Punkt Zmax verlaufenden linearen anstiegslosen Funktion.
• Dadurch wird eine Fläche Az erhalten, die durch die Profillinie P und die zweite lineare mathematische Funktion F2 im Intervall der Strecke Ir eingeschlossen ist. Außerdem wird dadurch eine Fläche Ad erhalten, die von der ersten linearen mathematischen Funktion F1 und der zweiten linearen mathematischen Funktion F2 im Intervall der Strecke Ir eingeschlossen ist. Diese Fläche Ad ist ein rechtwinkliges Dreieck, dessen Flächeninhalt leicht errechenbar ist. Durch eine einfache Subtraktion der Fläche Ad von der Fläche Az lässt sich die Fläche A zwischen der Profillinie P und der ersten linearen mathematischen Funktion F1 ermitteln, wobei Bereiche der Fläche Ad, die eine geringere Tiefe und somit einen höheren Z-Wert als die des Punktes Zmax aufweisen, in die Substraktion mit negativem Wert eingehen und somit zur Fläche Az zu addieren sind.
• Es wird somit erfindungsgemäß die Fläche A zwischen der Profillinie P und der ersten linearen mathematischen Funktion F1, die durch den höchsten Punkt Zmax und den Punkt Zmax-1 verläuft, erhalten. Diese Fläche A entspricht weitgehend einer Fläche auf einem Profil eines Gegenstandes, der einem herkömmlichen volumetrischen Verfahren unterzogen wird. Das heißt, dass durch Auswertung der Fläche A unter Anwendung der Formel

  

  Oberflächenrauheitswerte gewonnen werden können, die im Wesentlichen den durch herkömmliche volumetrische Verfahren ermittelten Oberflächenrauheiten entsprechen.
• In 6 ist zur Erläuterung der Erfindung eine beispielhafte Profillinie P dargestellt, die im Wesentlichen steiler abfällt als die in 4 und 5 dargestellten Profillinien P. Gegenüber der ersten linearen mathematischen Funktion F1 in 5, die durch den zweit-höchsten Punkt im Intervall Ir verläuft, wird bei der Profillinie P in 6 der Punkt Zmax-1 nicht am zweit-höchsten Punkt über Ir definiert. Stattdessen wird als Punkt Zmax-1 der Punkt definiert, auf den, bei Übertragung auf ein herkömmliches volumetrisches Verfahren, ein Stempel mit einseitiger Auflage auf Zmax mit einem zweiten Punkt zur Auflage kommen würde. Dies ist erfindungsgemäß ein Punkt, dessen Verbindungslinie mit Zmax einen Winkel mit einer linearen anstiegslosen Linie, die durch Zmax verlauft, den geringsten Winkel α einschließt.
• Dabei kann der definierte Punkt Zmax-1 wie in 6 dargestellt genau an einem Ende des Intervalls Ir sein, oder auch abweichend davon auf einem anderen x-Wert über der Strecke In.
• Bezugszeichenliste

1

Gegenstand

10

Stromversorgung

20

Signalausgang

30

Strahlungsquelle

40

Empfänger mit Abbildungsoptik

50

Steuerungseinheit

60

Messstrahl

61

Messfleck

62

Reflexionswinkel

63

Empfangsstrahlung

70

Versatz

100

Erste Richtung

200

Zweite Richtung

P

Profillinie

Ir

Strecke

Ir1

erster Streckenabschnitt

Ir2

zweiter Streckenabschnitt

t

Tiefe

Zmax

erster Punkt

Zmax-1

zweiter Punkt

F1

erste lineare mathematische Funktion

F2

zweite lineare mathematische Funktion

α

eingeschlossener Winkel

A

Fläche zwischen der Profillinie und der ersten linearen mathematischen Funktion

Az

von Profillinie und zweiter linearer mathematischer Funktion im Intervall der Strecke Ir eingeschlossene Fläche

Ad

von erster linearer mathematischer Funktion und zweiter linearer mathematischer Funktion im Intervall der Strecke Ir eingeschlossenen Fläche

Claims (10)

1. Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen, insbesondere von Baustoffen, umfassend die Schritte: a) Erfassung einer Profillinie des Gegenstandes über eine Strecke Ir mit einer bestimmten Länge, b) Ermittlung eines ersten Punktes Zmax der Profillinie, der die geringste Tiefe über die Strecke Ir aufweist, c) Erstellung einer ersten linearen mathematischen Funktion, die im Intervall der Strecke Ir durch den ersten Punkt Zmax verläuft, d) Ermittlung der Fläche A zwischen der Profillinie und der ersten linearen mathematischen Funktion, und e) Ermittlung der Oberflächenrauheit Rt aus dem Zusammenhang

   
2. Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen nach Anspruch 1, bei dem über die Strecke Ir von einer Mehrzahl von Oberflächenpunkten die Koordinaten erfasst werden, und die Profillinie aus der Mehrzahl von Oberflächenpunkten erstellt wird.
3. Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem – die Position des ersten Punktes Zmax auf der Strecke Ir erfasst wird und die Strecke Ir in Streckenabschnitte in 1 und Ir2 eingeteilt wird, die durch den ersten Punkt Zmax voneinander getrennt sind, – ein zweiter Punkt Zmax-1 aus der Mehrzahl der erfassten Oberflächenpunkte ermittelt wird, der eine größere Tiefe aufweist als der erste Punkt Zmax, wobei der zweite Punkt Zmax-1 dasjenige lokale Maximum im Streckenabschnitt (Ir1, Ir2) von Ir ist, der größer als der jeweils andere Streckenabschnitt ist, und dessen lineare Verbindungslinie mit dem ersten Punkt Zmax den geringsten Winkel mit einer durch den ersten Punkt Zmax verlaufenden linearen anstiegslosen Funktion einschließt, und – die erste lineare mathematische Funktion erstellt wird, die im Intervall der Strecke Ir durch den ersten Punkt Zmax und den zweiten Punkt Zmax-1 verläuft.
4. Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem – eine zweite lineare mathematische Funktion erstellt wird, die im Intervall der Strecke Ir durch den ersten Punkt Zmax parallel zur Strecke Ir verläuft, – die von der Profillinie und der zweiten linearen mathematischen Funktion im Intervall der Strecke Ir eingeschlossene Fläche Az ermittelt wird, – die von der ersten linearen mathematischen Funktion und der zweiten linearen mathematischen Funktion im Intervall der Strecke Ir eingeschlossene Fläche Ad ermittelt wird, und – die ermittelte Fläche Ad von der Fläche Az zum Erhalt der Fläche A subtrahiert wird, wobei Bereiche der Fläche Ad, die eine geringere Tiefe als die des Punktes Zmax haben, in die Subtraktion jeweils mit negativem Wert eingehen.
5. Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Tiefe der Oberflächenpunkte mittels optischer Messung ermittelt wird.
6. Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Länge der Strecke Ir zwischen 20 und 80 mm beträgt.
7. Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zumindest die Verfahrensschritte a) bis e) gemäß Anspruch 1 an mehreren unterschiedlichen Stellen der Oberfläche des selben Gegenstandes wiederholt werden und aus den jeweils ermittelten Werten der Oberflächenrauheit Rt der Mittelwert gebildet wird.
8. Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend eine Einrichtung zur Erfassung der Position von Oberflächenpunkten in einer ersten, im Wesentlichen parallel zur Oberfläche des Gegenstandes verlaufenden Richtung, eine optische Messeinrichtung zur Erfassung der Tiefe von Oberflächenpunkten in einer zweiten, senkrecht zur ersten Richtung verlaufenden Richtung, eine Speichereinheit zur Speicherung der erfassten Werte und eine Recheneinheit zur Erfassung oder Berechnung einer aus den erfassten Oberflächenpunkten generierten Profillinie und zur Erfassung des ersten Punktes Zmax, der die geringste Tiefe über der Strecke Ir aufweist, sowie zur Erstellung einer ersten linearen mathematischen Funktion, die im Intervall der Strecke Ir durch den ersten Punkt Zmax verläuft, zur Ermittlung der Fläche A zwischen der Profillinie und der ersten linearen mathematischen Funktion, und zur Ermittlung der Oberflächenrauheit Rt aus dem Zusammenhang

   
9. Computerprogramm, das es einer Datenverarbeitungseinrichtung ermöglicht, nachdem es in Speichermittel der Datenverarbeitungseinrichtung geladen worden ist, ein Verfahren zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 durchzuführen.
10. Verwendung des Verfahrens zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 und/oder der Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen gemäß Anspruch 8 zur Ermittlung der Oberflächenrauheit von Gegenständen aus Beton, Asphalt oder Stein.

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