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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Messtaster, ein Messsystem, die Verwendung des Messtasters zur Abtastung einer Strangführungsrolle in einer Stranggießmaschine und ein Verfahren zur photogrammetrischen Vermessung eines Durchmessers und einer Lage einer zylindrischen Rolle durch ein Messsystem.
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Konkret betrifft die Erfindung einen Messtaster zur Abtastung einer zylindrischen Rolle, aufweisend einen Messtasterkörper der mit zumindest einer ersten Tastfläche starr verbunden ist.
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Aus dem Vertriebsprospekt der Firma AICON 3D Systems GmbH mit dem Titel „MoveInspect Technology, Modular portable CMMs” (siehe http://www.aicon.de/daten/downloads/products/MoveInspectTechnology/AICON MIT-brochure en.pdf) ist ein Messtaster mit einem als Griff ausgebildeten Messtasterkörper bekannt, wobei der Messtasterkörper starr mit einer einzigen ersten Tastfläche verbunden ist. Obwohl sich dieser Messtaster gut zum Abtasten von beliebigen Oberflächenkonturen eignet, ist dessen Anwendung bei zylindrischen Rollen nachteilig, da mehrere – konkret mindestens drei – Oberflächenpunkte separat abgetastet werden müssen, um die photogrammetrische Vermessung eines Durchmessers und einer Lage der Rolle zu ermöglichen. Ein Messtaster zur Abtastung einer zylindrischen Rolle, der mittels eines einzigen Abtastvorgangs den Durchmesser und die Lage der Rolle (d. h. dass die Lage als auch der Durchmesser durch den Messtaster unter Zuhilfenahme eines Messsystems mittels eines einzigen Abtastvorgangs der Rolle) erfassen kann, ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt.
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Aus der Schrift
EP 0 881 461 A2 ist ein Verfahren zur photogrammetrischen Vermessung eines Oberflächenpunkts durch ein Messsystem und mittels eines Messtasters bekannt. Allerdings finden sich darin keine Hinweise, wie das bekannte Verfahren abzuändern wäre, sodass ein Durchmesser und eine Lage einer zylindrischen Rolle mittels eines einzigen Abtastschritts und eines einzigen Messbildes (engl. single shot) bestimmt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Messtaster und ein Verfahren zur photogrammetrischen Vermessung eines Durchmessers und einer Lage einer zylindrischen Rolle zu schaffen, sodass mittels des Messtasters und eines Messsystems sowohl die Lage als auch der Durchmesser der Rolle mit hoher Genauigkeit mittels eines einzigen Abtastschritts der Rolle und mittels eines einzigen Messbilds bestimmt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch einen Messtaster der eingangs genannten Art gelöst, wobei der Messtaster aufweist
- – zumindest zwei erste Tastflächen die mit dem Messtasterkörper starr verbunden sind, wobei zumindest zwei Punkte auf einer Mantelfläche der Rolle gleichzeitig von den ersten Tastflächen berührbar sind;
- – zumindest eine zweite Tastfläche die mit einem Messbügel verbunden ist, wobei der Messbügel relativ zum Messtasterkörper beweglich ausgebildet ist, sodass zumindest ein Punkt auf der Mantelfläche von der zweiten Tastfläche berührbar ist; und
- – mehrere erste und zweite Zielelemente, wobei zumindest zwei erste Zielelemente dem Messtasterkörper und zumindest ein zweites Zielelement dem Messbügel zugeordnet sind.
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Die besondere Ausgestaltung des Messtasters durch einen Messtasterkörper, dem zumindest zwei erste Tastflächen und zwei erste Zielelemente zugeordnet sind, und einen Messbügel, dem zumindest eine zweite Tastfläche und zumindest ein zweites Zielelement zugeordnet ist, erlaubt die Erfassung des Durchmessers und der Lage einer Rolle mittels eines einzigen Abtastvorgangs der Rolle. Ob der Messtasterkörper als ein einziger Bauteil oder beispielsweise durch mehrere Blechbiegeteile realisiert ist, spielt für die Funktion des Messtasters keine Rolle. Durch die ersten Tastflächen werden zumindest zwei Punkte auf der Mantelfläche der Rolle erfasst. Ein weiterer Punkt auf der Mantelfläche der Rolle wird durch einen Messbügel, der relativ beweglich zum Messtasterkörper ausgebildet ist, erfasst. Da nach den Gesetzen der Geometrie drei Punkte eine Ebene aufspannen, wird dadurch zum Einen die Lage der Rolle und zum Anderen auch der Durchmesser der Rolle eindeutig bestimmt. Die ersten und zweiten Zielelemente, die beispielsweise als Reflektoren, als Sender oder aber auch als sogenannte aktive Reflektoren ausgebildet sein können, erlauben es einem Messsystem, die Lage und den Durchmesser der Rolle eindeutig zu bestimmen, wobei dem Messtasterkörper zumindest zwei, vorzugsweise größer gleich vier, erste Zielelemente, und dem Messbügel zumindest ein, vorzugsweise größer gleich zwei, zweite Zielelemente zugeordnet sind. Durch diese Ausgestaltung des Messtasters wird die Zeit zur Bestimmung eines Durchmessers und einer Lage einer Rolle zumindest auf ein Drittel reduziert, da mit den Messtastern nach dem Stand der Technik zumindest drei separate Abtastvorgänge der Mantelfläche der Rolle notwendig sind.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Messtasterkörper einen Griff zum Halten des Messtasters auf. Dadurch wird sich die Ergonomie des Messtasters erhöht.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Griff einen Auslöser zum Auslösen einer Kamera eines Messsystems auf, wobei der Auslöser signaltechnisch mit der Kamera verbindbar ist. Dadurch wird sowohl das Abtasten der Rolle als auch das Auslösen einer Kamera eines Messsystems durch eine einzige Person mittels Einhand-Bedienung möglich.
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Nach einer Ausführungsform ist der Messbügel drehbar am Messtasterkörper angeordnet. Nach einer dazu alternativen Ausführungsform ist der Messbügel verschiebbar am Messtasterkörper angeordnet, bspw. dass der Messbügel über eine vorgespannte Feder gegen die Mantelfläche der Rolle gepresst wird.
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Durch eine zylindrische oder kugelförmige Ausbildung einer ersten oder zweiten Tastfläche wird der Kontakt zwischen einer Tastfläche und der Mantelfläche der Rolle zuverlässig sichergestellt; hierdurch wird die Genauigkeit der Messung erhöht. Durch die Ausbildung der Tastflächen mit einer Härte von mehr als 38 HRC wird sichergestellt, dass der Messtaster verschleißarm ist, wodurch eine hohe Messgenauigkeit auch nach oftmaliger Benutzung sichergestellt wird.
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Nach einer Ausführungsform ist ein erstes oder zweites Zielelement als ein Reflektor zur Reflektion von elektromagnetischen Wellen im Bereich des sichtbaren Lichts, Infrarot oder Ultraschall ausgebildet.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist ein erstes oder zweites Zielelement als ein Sender zum Aussenden von elektromagnetischen Wellen im Bereich des sichtbaren Lichts, Infrarot oder Ultraschall ausgebildet, vorzugsweise im Bereich der Wellenlänge eines Lasers im Bereich des sichtbaren Lichts.
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Nach einer vorteilhaften Ausführungsform weist ein erstes oder zweites Zielelement sowohl einen Reflektor als auch einen Sender auf, wobei diese Kombination oftmals auch als sog. „aktiver Reflektor” (siehe bspw. http://www.symerger.de/MODS/web-content/Radarreflektor.html) bezeichnet wird.
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Ein Messsystem zur photogrammetrischen Vermessung eines Durchmessers und einer Lage einer zylindrischen Rolle mittels eines einzigen Abtastvorgangs weist auf
- – zumindest vier Referenz-Zielelemente, die in der räumlichen Umgebung der Rolle positionierbar sind;
- – einen Messtaster;
- – zumindest eine Kamera, bevorzugt zumindest drei Kameras, zum Aufnehmen eines Bilds; und
- – eine Auswerteeinheit die mit der Kamera signaltechnisch verbindbar ist, wobei die Auswerteeinheit zur photogrammetrischen Vermessung eines Durchmessers und einer Lage der Rolle ausgebildet ist.
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Die Referenz-Zielelemente dienen dazu, die Position der stationären oder mobilen Kamera bzw. der Kameras bzgl. des Messtasters zu definieren. Eine oder bevorzugt mehrere Kameras dienen dazu, ein Bild aufzunehmen, sodass die Lage und der Durchmesser der Rolle mittels der Auswerteeinheit aus dem Bild photogrammetrisch bestimmt werden kann.
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Nach einer einfachen Ausführungsform ist die Auswerteeinheit als ein PC ausgebildet.
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Aufgrund der vielen Strangführungsrollen in einer Stranggießmaschine, die genau justiert bzw. nach einer Abnutzung der Rollen nachjustiert werden müssen, ist es vorteilhaft, den Messtaster bzw. das Messsystem zur Abtastung einer Strangführungsrolle in einer Stranggießmaschine zu verwenden. Genauso vorteilhaft ist es natürlich, den Messtaster zur Abtastung von Rollgangsrollen in einer Walzanlage einzusetzen.
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Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das folgende Schritte aufweist
- – Kalibrieren des Messsystems, aufweisend zumindest vier Referenz-Zielelemente, einen Messtaster, zumindest eine Kamera, und eine Auswerteeinheit;
- – Abtasten der Rolle durch den Messtaster, sodass zumindest zwei erste Tastflächen und zumindest eine zweite Tastfläche des Messtasters eine Mantelfläche der Rolle berühren;
- – Aufnehmen von zumindest einem Messbild mittels der zumindest einen Kamera, wobei das Messbild zumindest drei erste und zweite Zielelemente und mehrere Referenz-Zielelemente abbildet;
- – Bestimmung der Lage und des Durchmessers der Rolle durch eine photogrammetrische Auswertung des Messbilds.
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Vorteilhafterweise werden bei der Kalibrierung des Messsystems folgende Schritte durchgeführt:
- – Positionieren eines Markierungskörpers in der räumlichen Nähe der Rolle;
- – Anbringen von zumindest vier Referenz-Zielelementen in der räumlichen Nähe der Rolle;
- – Aufnehmen von zumindest einem Referenzbild mittels der zumindest einen Kamera, wobei das Referenzbild zumindest den Markierungskörper und die Referenz-Zielelemente abbildet.
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Ein Markierungskörper ist z. B. aus der
DE 10 2006 021063 B3 bekannt. Durch die Lage des Markierungskörpers und der Referenz-Zielelemente wird die Lage der Kamera bzgl. der Referenz-Zielelemente eindeutig definiert. Hierdurch ist es bei der Aufnahme eines Messbilds im Zuge der photogrammetrischen Vermessung einer Rolle sogar möglich, die Kamera bzgl. der Rolle zu bewegen. Die Referenz-Zielelemente sind im Wesentlichen fix angeordnete Zielelemente (bspw. Reflektoren oder Sender, siehe Ansprüche 6 bis 7), die z. B. auf dem Segmentrahmen eines Strangführungssegments angebracht werden.
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Kann die Kamera in der Zeit zwischen der Aufnahme von mehreren Messbilder stationär gehalten werden, ist es vorteilhaft, dass nach der Kalibrierung die Lage und die Position der Kamera relativ zu den Referenz-Zielelementen durch eine photogrammetrische Auswertung des Referenzbilds bestimmt wird, wobei die Lage und die Position der Kamera der gleichzeitigen Bestimmung der Lage und des Durchmessers der Rolle zugrunde gelegt werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung nicht einschränkender Ausführungsbeispiele, wobei auf die folgenden Figuren Bezug genommen wird, die Folgendes zeigen:
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1a einen Aufriss einer ersten Bauform eines Messtasters 1b eine Seitenansicht des Messtasters nach 1a;
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2a und 2b je einen Aufriss des Messtasters nach den 1a und 1b bei der Abtastung einer zylindrischen Rolle;
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3 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Bauform eines Messtasters bei der Abtastung einer Rolle;
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4 eine perspektivische Darstellung einer dritten Bauform eines Messtasters bei der Abtastung einer Rolle;
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5 eine perspektivische Darstellung einer vierten Bauform eines Messtasters;
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6 ein Übersichtsbild mit einem Messsystem zur photogrammetrischen Vermessung eines Durchmessers und einer Lage einer Rolle mittels eines einzigen Abtastvorgangs; und
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7 ein Übersichtsbild zur Darstellung der Schritte bei der Kalibrierung des Messsystems.
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In den 1a und 1b ist eine erste Ausführungsform eines Messtasters 1 zur Abtastung einer zylindrischen Rolle im Zuge der photogrammmetrischen Vermessung des Durchmessers und der Lage der Rolle gezeigt. Der Messtaster 1 umfasst einen aus Blech gefertigten steifen Messtasterkörper 3, der mit zwei ersten Tastflächen 4a und 4b verbunden ist. Ein Messbügel 7 ist über eine am Messtasterkörper 3 angeordnete Drehachse 17 relativ zum Messtasterkörper 3 beweglich ausgebildet, wobei an einem Ende des Messbügels 7 eine zweite Tastfläche 5 angeordnet ist. Um die photogrammmetrische Vermessung der Rolle zu ermöglichen, weist sowohl der Messtasterkörper 3 als auch der Messbügel 7 mehrere Zielelemente 8 und 9 auf, wobei fünf Zielelemente am Messtasterkörper 3 und zwei Zielelemente am Messbügel 7 angeordnet sind. Um einen genau definierten Kontakt zwischen der Rolle und den ersten und zweiten Tastflächen 4a, 4b und 5 sicherzustellen, sind diese Tastflächen zylindrisch ausgebildet. Aus der 1b geht hervor, dass der Messtasterkörper 3 mit einem Griff 10 verbunden ist, wobei der Griff 10 vorzugsweise einen Auslöser 11 zum Auslösen einer Kamera eines Messsystems aufweist.
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In den 2a und 2b ist der Messtasters 1 gemäß den 1a und 1b bei der Abtastung je einer zylindrischen Strangführungsrolle 2 gezeigt. Dabei wird der Messtasters 1 auf die Rolle 6 aufgesetzt, sodass der Messtaster 1 über die ersten Tastflächen 4a und 4b mit den auf der Mantelfläche 6 der Rolle liegenden Punkte P1 und P2 und über die zweite Tastfläche 5 mit dem Punkt P3 spielfrei verbunden ist. Der Messbügel 7 in Verbindung mit den zweiten Zielelementen 9 stellt sicher, dass auch unterschiedliche Durchmesser von Strangführungsrollen (2a zeigt eine Strangführungsrolle mit kleinerem Durchmesser als 2b) zuverlässig vermessen werden können. Hierbei führt eine Änderung des Durchmessers zu einem verschiedenen Schrägstellungswinkel α des Messbügels 7 bezüglich der Symmetrieachse des Messtasterkörpers 3.
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3 zeigt eine zweite Bauform eines Messtasters 1. Der Unterschied zur ersten Bauform nach den 1a und 1b besteht darin,
- – dass der Griff 10 in derselben Ebene als der Messtasterkörper 3 angeordnet ist, wobei der Griff starr mit dem Messtasterkörper 3 verbunden ist,
- – dass sowohl der Messtasterkörper 3 als auch der Griff 10 erste Zielelemente 8 aufweist, und
- – dass die ersten und zweiten Tastflächen 4a, 4b und 5 kugelförmig ausgebildet sind.
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4 zeigt eine dritte Bauform eines Messtasters 1. Diese Bauform weist vier erste Tastflächen 4a...4d auf, sodass ein sicherer Kontakt zwischen den ersten Tastflächen 4a...4d und der Mantelfläche 6 der zylindrischen Rolle 2 sichergestellt ist. Der Messbügel 7 ist wiederum mit dem Messtasterkörper 3 drehbar verbunden, sodass unterschiedliche Durchmesser der Rolle 2 von einer photogrammetrischen Auswerteeinheit sicher und mit hoher Genauigkeit identifiziert werden können.
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5 zeigt eine vierte Berufung eines Messtasters 1 mit vier ersten Tastflächen 4a...4d und einer hinter dem Messtasterkörper 3 verborgenen zweiten Tastfläche 5. Um die Erkennungsgenauigkeit des Messsystems zu erhöhen, weist der Messtasterkörper 3 fünf erste Zielelemente und der Messbügel 7 insgesamt drei zweite Zielelemente 9 auf. Um die Ergonomie des Messtasters zu erhöhen, weist der Griff 10 gegenüber dem Messtasterkörper 3 einen schrägen Anstellwinkel γ auf. Außerdem sind bei dieser Ausführungsform die ersten und zweiten Tastflächen 4a...4d, 5 auswechselbar ausgebildet, sodass diese im Fall einer Beschädigung oder eines Verschleißes leicht ausgewechselt werden können.
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Allen Ausführungsformen ist gemein, dass die ersten und zweiten Zielelemente 8, 9 als Reflektoren zur Reflektion von elektromagnetischen Wellen im Bereich des sichtbaren Lichts ausgebildet sind; alternativ wäre eine Ausbildung der Zielelemente 8, 9 als Sender oder als sogenannte aktive Reflektoren möglich. Auch eine Verschiebung der Wellenlängen der elektromagnetischen Wellen in den Bereich des Infrarots oder Ultraschall ist möglich.
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6 zeigt ein Messsystem 13 zur photogrammmetrischen Vermessung eines Durchmessers einer Lage einer zylindrischen Rolle 2 mittels eines einzigen Abtastschritts der Rolle. Das Messsystem umfasst eine Kamera 12, vier als Reflektoren, Sender oder aktive Reflektoren ausgebildete Referenz-Zielelemente 14, einen Messtaster 1 und eine als PC ausgebildete Auswerteeinheit 15.
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Bei der photogrammetrischen Vermessung des Durchmessers und der Lage einer Rolle 2 wird wie folgt vorgegangen: Nach erfolgter Kalibrierung des Messsystems 10, wird die Rolle 2 durch den Messtasters 1 abgetastet, sodass mindestens zwei erste Tastflächen und mindestens eine zweite Tastfläche des Messtasters eine Mantelfläche der Rolle 2 berühren. Anschließend wird von der Kamera 12 ein Messbild aufgenommen wobei das Messbild zumindest mehrere erste und zweite Zielelemente 8, 9 des Messtasters 1 und mehrere Referenz-Zielelemente 14 abbildet. Im einfachsten geometrischen Fall, spannen die zwei ersten Tastflächen und die zweite Tastfläche eine Ebene auf, die die Lage der Rolle 2 eindeutig definiert. Außerdem wird durch die ersten und zweiten Tastflächen der Durchmesser der Rolle eindeutig definiert. Die Auswertung der Lage und des Durchmessers der Rolle erfolgt in der Auswerteeinheit 16, die als PC ausgebildet ist.
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Eine Verbesserung der Messgenauigkeit kann durch die Verwendung mehrerer Kameras 12 und/oder mehrerer erster und zweiter Tastflächen 8, 9 erfolgen.
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Bei der Kalibrierung des Messsystems 13 wird nach der Platzierung von zumindest vier Referenz-Zielelementen 14 und zumindest eines Markierungskörpers 16 in der räumlichen Nähe der Rolle 2 ein sogenanntes Referenzbild von der Kamera 12 aufgenommen. Durch das Messbild wird die Position der Kamera 12 bzgl. der Referenz-Zielelemente 14 definiert, sodass es zwischen der Aufnahme von mehreren Messbildern möglich ist, die Kamera 12 zu bewegen.
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In 7 sind die Schritte bei der Kalibrierung des Messsystems schematisch dargestellt. Dabei wird ein Markierungskörper 16, der wiederum mehrerer Zielelemente aufweist, und zumindest vier Referenz-Zielelemente 14 in der räumlichen Nähe einer Rolle platziert. Bei der Vermessung von mehreren Strangführungsrollen eines Strangführungssegments ist es besonders sinnvoll, die Referenz-Zielelemente 14 auf dem Segmentrahmen zu befestigen. Anschließend wird zumindest ein Referenzbild von zumindest einer Kamera – in der 7 zwei Kameras 12 – aufgenommen, wobei die Kameras signaltechnisch mit der Auswerteeinheit 15 verbunden sind. Mittels des Referenzbilds ist das Messsystem vollständig kalibriert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Messtaster
- 2
- Rolle
- 3
- Messtasterkörper
- 4a, 4b, 4c, 4d
- erste Tastfläche
- 5
- zweite Tastfläche
- 6
- Mantelfläche
- 7
- Messbügel
- 8
- erstes Zielelement
- 9
- zweites Zielelement
- 10
- Griff
- 11
- Auslöser
- 12
- Kamera
- 13
- Messsystem
- 14
- Referenz-Zielelement
- 15
- Auswerteeinheit
- 16
- Markierungskörper
- 17
- Drehachse
- P1...P5
- Punkt auf Mantelfläche der Rolle
- α, γ
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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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.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 0881461 A2 [0004]
- DE 102006021063 B3 [0021]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- http://www.aicon.de/daten/downloads/products/MoveInspectTechnology/AICON MIT-brochure en.pdf [0003]
- http://www.symerger.de/MODS/web-content/Radarreflektor.html [0014]
