DE102013017289A1

DE102013017289A1 - Verfahren zum Durchführen einer Dickenmessung an bandförmigen Materialien und an Stückgütern sowie eine entsprechende Vorrichtung

Info

Publication number: DE102013017289A1
Application number: DE201310017289
Authority: DE
Inventors: Stefan Hölters; Reinhard Noll
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-10-17
Filing date: 2013-10-17
Publication date: 2015-04-23
Anticipated expiration: 2033-10-18
Also published as: DE102013017289B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen einer Dickenmessung an bandförmigen Materialien und an Stückgütern, die für die Dickenmessung in einer Messebene zwischen mindestens zwei Messköpfen positioniert werden, wobei die mindestens zwei Messköpfe jeweils an einem von mindestens zwei Tragarmen, die Teil einer Tragestruktur sind und über mindestens eine Quertraverse miteinander verbunden sind, in einer gegenüber liegenden Anordnung gehalten und positioniert sind, das dadurch gekennzeichnet ist, dass durch äußere Einflüsse hervorgerufene Änderungen des Abstands der Tragarme zueinander durch Änderungen der Länge der Quertraverse über eine Abstandsmessung des Abstands von mindestens einem weiteren Messkopf, der dem einen Ende der Quertraverse zugeordnet ist, zu einer Bezugsebene, die mit der Quertraverse verbunden ist, erfasst werden und dass daraus mindestens ein Korrekturwert für die Dickenmessung der mindestens zwei Messköpfe an den bandförmigen Materialien oder an den Stückgütern abgeleitet wird. Gegenstand ist auch eine entsprechende Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Durchführen von Abstands- und Dickenmessungen an bandförmigen Materialien und an Stückgütern, die für die Abstands- und Dickenmessung in einer Messebene zwischen mindestens zwei Messköpfen positioniert werden, wobei die mindestens zwei Messköpfe jeweils an einem von mindestens zwei Tragarmen, die Teil einer Tragestruktur sind und über mindestens eine Quertraverse miteinander verbunden sind, in einer gegenüber liegenden Anordnung gehalten und positioniert sind.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen einer Dickenmessung an bandförmigen Materialien und an Stückgütern, die für die Dickenmessung in einer Messebene zwischen mindestens zwei Messköpfen positioniert werden, wobei die mindestens zwei Messköpfe jeweils an einem von mindestens zwei Tragarmen, die Teil einer Tragestruktur sind und über mindestens eine Quertraverse miteinander verbunden sind, in einer gegenüber liegenden Anordnung gehalten und positioniert sind.
Derzeit eingesetzte berührungslose Messverfahren zur Abstandsmessung an metallischen Halbzeugen oder Fertigprodukten sind z. B. Triangulationssensoren. Diese werden u. a. zur Prüfung der Maßhaltigkeit von Rotationsteilen, wie z. B. Nocken- und Kurbelwellen, eingesetzt. Während der Messung rotiert das Messobjekt und einer oder mehrere Triangulationssensoren werden mit mindestens einer Verfahrachse an die einzelnen Prüfpositionen gefahren und messen dort geometrische Größen, wie Nockenform und -position, Rundlauf, Exzentrizität, Axialposition etc.
Derzeit eingesetzte berührungslose Messverfahren zur Dickenmessung an Bahnware wie z. B. Walzbändern beruhen entweder auf radiometrischen Verfahren (Beta- oder Gammastrahler, Röntgenröhren als Strahlquellen und Detektoren für diese Messung der durch das Messobjekt transmittierten Strahlung) oder auf der optischen Triangulation.
Die Sensoren sind an einer Maschinenstruktur montiert und das Messobjekt wird an den Sensoren vorbeigeführt oder rotiert vor den Sensoren.
Für die Dickenmessung wird in der Regel ein C-Bügel verwendet, dessen horizontale Arme sich oberhalb und unterhalb des zu vermessenden, durchlaufenden Produkts befinden. An diesen Armen sind bei der Radiometrie die Strahlungsquelle und der Empfänger oder bei der Triangulation je ein optischer Sensor montiert. Bei der Triangulation wird aus den beiden gewonnenen Abstandswerten die Dicke ermittelt.
Die optische Abstandsmessung mit Triangulationssensoren z. B. zur Prüfung von Rotationsteilen, wie Nockenwellen, Kurbelwellen, Achsen, etc., stoßen bei Genauigkeitsanforderungen < 10 μm, insbesondere < 1 μm, an ihre physikalisch bedingten Grenzen. Durch den Speckle-Effekt ist die erzielbare Genauigkeit prinzipiell begrenzt und diese kann nur bedingt durch Vergrößerung der Messpunktanzahl und der Empfangsapertur weiter verringert werden. Hochglänzende Oberflächen können nur bedingt oder überhaupt nicht gemessen werden, da der Dynamikbereich der Triangulationssensoren nicht ausreicht.
Die radiometrischen Verfahren bestimmen die Dicke indirekt über den Massenschwächungskoeffizienten, der wiederum von der chemischen Zusammensetzung des Messobjekts abhängt. Entweder muss diese genau bekannt sein oder es sind zusätzliche Kalibrierverfahren erforderlich, um eine Dicke messen zu können. Hohe Genauigkeiten sind daher kaum erzielbar. Zudem erfordern radiometrische Dickenmesssysteme hohe Aufwendungen für die Strahlensicherheit und den Strahlenschutz. Die Akzeptanz der Anwender bezüglich des Umgangs mit radioaktiven Präparaten oder durchdringender Röntgenstrahlung nimmt kontinuierlich ab.
Bei der Triangulation wird die tatsächliche geometrische Dicke gemessen. Vorausgesetzt wird, dass der Abstand der Montageorte der beiden Triangulationssensoren am C-Bügel konstant ist. Ändert sich dieser, z. B. durch Temperatureinflüsse, so wirkt sich dies direkt auf den Dickenmesswert aus, der verfälscht wird. Daher muss der C-Bügel mechanisch stabil ausgeführt und in der Regel temperaturstabilisiert werden, um die Genauigkeit zu verbessern. Je nach Genauigkeitsanforderung steigt der dazu erforderliche technische Aufwand erheblich an.
Die Triangulationssensoren enthalten neben der Laserstrahlquelle eine Signalverarbeitungselektronik, da ihr optisches Messsignal nicht faseroptisch übertragen werden kann. Dies führt zu einem erheblichen Gewicht dieser Sensoren im Bereich von 0,3 kg bis 4 kg sowie zu elektrischen Verlustleistungen > 20 W je Sensor mit entsprechenden mechanischen und thermischen Belastungen des C-Bügels oder anderer mechanischer Halterungen und Maschinenstrukturen. Prinzip bedingt verlaufen Laserstrahlung und gestreute Messstrahlung unter einem Winkel zueinander – so genannter Triangulationswinkel – so dass im Sensorgehäuse ein größeres optisches Fenster oder zwei separate Fenster erforderlich sind. Der Schutz dieser Fenster vor Verschmutzung ist daher aufwendig. Gleiches gilt für die Reinigung oder den Austausch dieser Fenster unter Werksbedingungen.
Da die Laserstrahlung und die am Messobjekt gestreute Strahlung auf unterschiedlichen Wegen laufen, erfahren sie aufgrund von Brechungsindexgradienten der Umgebungsatmosphäre unterschiedliche Strahlablenkungen, die zu Messfehlern führen.
Messanordnungen, die einen C-förmigen Bügel oder Rahmen verwenden, wie sie vorstehend erwähnt sind, sind in einer großen Vielfalt bekannt.
Beispielsweise beschreibt die DE 10 2010 044 900 A1 eine Strahlungsdickenmessvorrichtung mit einem C-förmigen Rahmen, wobei zwischen den beiden gegenüberliegenden Armen des Rahmens der Messgegenstand hindurchgeführt wird. An dem einen Armabschnitt befindet sich eine Strahlungsquelle, während sich an dem anderen gegenüberliegenden Armabschnitt eine Detektionseinrichtung befindet.
Ein vergleichbarer C-förmiger Messrahmen einer Vorrichtung zur kontinuierlichen Dickenmessung beim Walzen von Flachprofilen mittels Gammastrahlung ist aus der DE 34 29 135 A1 bekannt.
Auch die DE 103 12 535 A1 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum geometrischen Vermessen eines Materialbands, wobei die Messvorrichtung eine als U-förmig bezeichnete Tragekonstruktion aufweist, bei der das Materialband zwischen den Schenkeln dieser Anordnung hindurchgeführt wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, mit denen durch Umgebungsbedingungen und -einflüsse hervorgerufene Messfehler vermieden werden.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 7. Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass durch äußere Einflüsse hervorgerufene Änderungen des Abstands der Tragarme zueinander durch Änderungen der Länge der Quertraverse über eine Abstandsmessung des Abstands von mindestens einem weiteren Messkopf, der dem einen Ende der Quertraverse zugeordnet ist, zu einer Bezugsebene, die mit der Quertraverse verbunden ist, erfasst werden und dass daraus mindestens ein Korrekturwert für die Dickenmessung der mindestens zwei Messköpfe an den bandförmigen Materialien oder an den Stückgütern abgeleitet wird.
Die Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass mindestens ein weiterer Messkopf dem einen Ende der Quertraverse zugeordnet ist und die Quertraverse eine Bezugsebene aufweist, wobei der mindestens eine weitere Messkopf und die Bezugsebene so ausgerichtet sind, dass die von dem weiteren Messkopf ausgehende Strahlung von der Bezugsebene zu dem Messkopf für eine Abstandsmessung zurückreflektiert wird.
Das beschriebene Verfahren und die Vorrichtung ermöglichen hochgenaue berührungslose Abstands- und Dickenmessungen an bandförmigem Material, wie z. B. Walzblechen, Walzbändern, Platinen, Kunststoffbahnen, Glasscheiben, etc. und auch Stückgütern, wie z. B. Antriebswellen, Nockenwellen. Dabei wird der Einfluss variierender Umgebungsbedingungen, wie z. B. sich verändernde Temperaturen, die das Messergebnis verfälschen können, erheblich reduziert, so dass Messunsicherheiten im Bereich < 10 μm und insbesondere < 1 μm in Bezug auf die gemessenen Abstände oder den gemessenen Dickenwert erreicht werden können. Entsprechendes gilt für die Messung von Oberflächenprofilen und daraus abgeleiteter Geometrieelemente von Messobjekten, die aus einer Folge von Abstandsmessungen und einer Relativbewegung zwischen Messobjekt und Messstrahlung gewonnen wird, wie dies z. B. für die Prüfung geometrischer Größen von Antriebswellen oder Nockenwellen anwendbar ist.
Die berührungslose Abstandsmessung bezieht sich insbesondere auf eine optische Abstandsmessung unter Nutzung mindestens eines bidirektional arbeitenden, absolut messenden interferometrischen Abstandssensors. Diese bestehen jeweils aus einem Messkopf, der Z. B. an einem C-Bügel oder einer anderen Halterung montiert ist, und einer faseroptischen Signalübertragung, die zu einer Mess- und Auswerteeinheit geführt wird. Die berührungslose Dickenmessung bezieht sich insbesondere auf eine optische Dickenmessung unter Nutzung mindestens zweier bidirektional arbeitender, absolut messender interferometrischer Abstandssensoren.
Umgebungseinflüsse können sowohl auf die Messköpfe selbst als auch auf die Lage und Orientierung der Halterungen der Messköpfe am C-Bügel oder auf eine andere Maschinenstruktur als auch auf den C-Bügel oder die Maschinenstruktur einwirken. Darüber hinaus unterliegt bei berührungslosen Messungen der Raum zwischen einem Messkopf und einem Messobjekt umgebungsbedingten Schwankungen. Mit dem beschriebenen Verfahren und der Vorrichtung können beispielsweise Einflüsse von Temperaturänderungen der Umgebungsatmosphäre oder von Luftdruckschwankungen oder von Dichtegradienten in diesem Raum reduziert werden. Diese sind insbesondere bei hohen Genauigkeitsanforderungen an die Abstandsmessung oder an Dickenmessergebnisse zu berücksichtigen.
Eine Anwendungsmöglichkeit des Verfahrens und der Vorrichtung ist die Bestimmung der Maßhaltigkeit oder der Form oder der Dicke metallischer Halbzeuge, die relativ zu den Messköpfen bewegt werden. Diese Bewegung kann beispielsweise linear oder rotierend sein, oder auch eine Kombination beider Bewegungsformen. Aufgrund von Umgebungseinflüssen kann sich die Raumlage der Halterungen von Messköpfen, die z. B. an einem C-Bügel oder einer Maschinenstruktur montiert sind, mit einer Richtungskomponente parallel zur Messrichtung ändern. Letztere ist durch die Richtung des ausgesendeten Messstrahls eines Messkopfs gegeben. Dadurch kann das Messergebnis verfälscht werden.
Wesentliche umgebungsbedingte Ursachen für falsche Messergebnisse sind temperaturabhängige Längenausdehnungen der Halterungen von Messköpfen oder des C-Bügels oder anderer mechanischer Komponenten, die einen Einfluss auf die Position und Orientierung des Messkopfs relativ zum Messobjekt haben.
Somit werden mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtung Einflüsse von Umgebungsparametern auf die optische Abstands- und Dickenmessung vermieden oder zumindest verringert.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird dem anderen Ende der Quertraverse ein weiterer Messkopf für eine Abstandsmessung zu der Bezugsebene zugeordnet. Hierdurch werden Längenänderungen der Quertraverse, die die beiden Tragarme miteinander verbindet, über zwei unabhängige Abstandsmessungen zu der Bezugsebene korrigiert.
Als Messköpfe und/oder als weitere Messköpfe sollten solche eingesetzt werden, die Teile von interferometrischen Sensoren sind. Solche interferometrisch messende Sensoren bieten den Vorteil, dass mit ihnen Messunsicherheiten erreichbar sind, die deutlich geringer sind als diejenigen von Triangulationsverfahren oder Röntgentransmissionsmessungen.
Um eine unmittelbare, optische Kompensation der durch Umweltweinflüsse verfälschten Abstands- und Dickenmesswerte zu erreichen, sollten als Messköpfe und/oder als weitere Messköpfe solche eingesetzt werden, die eine gemeinsame Strahlungsquelle umfassen.
Zur Auswertung der Messsignale sollten sowohl die Messköpfe als auch die weiteren Messköpfe mit einer Auswerteeinheit verbunden sein.
Die jeweils ermittelten Korrekturwerte werden verfahrensgemäß unmittelbar bei jeder Abstands- und Dickenmessung berücksichtigt.
Die Abstands- und Dickenmessungen und die Messungen für den Korrekturwert sollten unter denselben atmosphärischen Bedingungen durchgeführt werden, damit eventuelle Schwankungen auf beide Messungen einwirken.
Die berührungslose Abstands- und Dickenmessung, wie sie Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist, bezieht sich insbesondere auf eine optische Abstands- und Dickenmessung unter Nutzung mindestens zweier bidirektional arbeitender absolut messender interferometrischer Abstandssensoren. Diese bestehen jeweils aus einem Messkopf, der zum Beispiel an einem C-Bügel montiert ist, und einer vorzugsweise faseroptischen Signalübertragung zu einer Mess- und Auswerteeinheit. Dem Messkopf ist ein Messbereich zugeordnet, bei dem es sich um einen räumlichen Bereich handelt, in dem sich die Oberfläche eines Messobjekts befinden muss, damit der absolute Abstand zu dieser Oberfläche mit dem betreffenden Messkopf gemessen werden kann. Dieser Messbereich beginnt in einem definierten Abstand zum Messkopf, der als Messbereichsanfang bezeichnet wird. Der Messbereich erstreckt sich entlang der Strahlachse des jeweiligen Messkopfs. Die Strahltaille der Messstrahlung liegt in der Regel innerhalb des Messbereichs.
Diese zusätzlichen Maßnahmen ermöglichen hochgenaue, berührungslose Abstands- und Dickenmessungen an bandförmigen Materialien, wie zum Beispiel Walzblechen, Walzbändern, Platinen, Kunststoffbahnen, Glasscheiben, indem die paarweise an einer Halteeinrichtung, beispielsweise in Form eines C-Bügels, montierten Messköpfe, beispielsweise optische Messköpfe, zueinander kolinear ausgerichtet werden. Dadurch liegen ihre jeweiligen Strahlachsen übereinander und ihre Strahltaillen nehmen eine definierte Lage zueinander auf dieser gemeinsamen Achse ein. Damit können bei der Dickenmessung Messunsicherheiten im Bereich < 10 μm und insbesondere < 1 μm in Bezug auf den gemessenen Abstands- und Dickenwert erreicht werden.
Das vorstehend angegebene Verfahren bzw. die entsprechende Vorrichtung können dadurch weitergebildet werden, dass von den Messköpfen für die Dickenmessung an bandförmigen Materialien und an Stückgütern mindestens der eine Messkopf zur Justierung der beiden Strahlen so verstellbar ist, dass die beiden Strahlen auf der gemeinsamen x-Achse liegen, indem mindestens einer der beiden Messköpfe um mindestens zwei Drehachsen, die in y-Richtung und in z-Richtung verlaufen, gedreht wird und in Richtung von mindestens zwei Linearachsen, die in y-Richtung und z-Richtung verlaufen, verschoben wird, wobei die x-Achse, die y-Achse und die z-Achse ein orthogonales Koordinatensystem bilden, und dass für diese Justierung der eine Messkopf als Sender und der andere Messkopf als Empfänger in einer konfokalen Anordnung eingesetzt werden und die Genauigkeit der Justierung aufgrund der Stärke des im Empfänger empfangenen Signals beurteilt wird.
Mit diesen Maßnahmen ist eine genaue Justierung der beiden Strahlen und deren Strahlachsen auf eine gemeinsame Achse sowie die definierte Einstellung der Lagen der Strahltaillen auf dieser gemeinsamen Achse möglich.
Verfahrensgemäß kann in einer weiteren Ausgestaltung der eine Messkopf für die Justierung zusätzlich in x-Richtung linear verschoben werden. Mit diesen zusätzlichen Maßnahmen wird erreicht, dass sich die beiden Messköpfe in einer konfokalen Anordnung befinden. Entsprechend ist bei der Vorrichtung mindestens einer der Messköpfe zusätzlich dazu, dass dieser eine Messkopf um mindestens zwei Drehachsen, die in y-Richtung und in z-Richtung verlaufen, drehbar gehalten ist und in Richtung mindestens zweier Linearachsen, die in y- und z-Richtung verlaufen, verschiebbar gehalten ist, in x-Richtung linear verschiebbar gehalten.
Vorzugsweise wird für die Justierung der eine Messkopf zunächst um die beiden Drehachsen gedreht und dann linear verschoben. Hierdurch ist gewährleistet, dass nach dem Auffinden eines lokalen Maximums der Übertragung vom sendenden Messkopf zum empfangenden Messkopf – diese Justiersituation entspricht näherungsweise einem Parallelversatz der optischen Achsen mit einer partiellen Überlappung der Strahltaillen – das übertragene Signal weiter erhöht wird, wenn dieser Parallelversatz minimiert wird.
Um dies zu erreichen, könnte auch nach Drehung des mindestens einen Messkopfs um die mindestens zwei Drehachsen, die in y-Richtung und z-Richtung verlaufen, der Messkopf in y-Richtung und z-Richtung linear verschoben werden. Schließlich wird der Messkopf in x-Richtung verschoben, um die axialen Positionen der Strahltaillen der beiden Messköpfe übereinander zu bringen. In dieser Justiersituation ist das vom sendenden Messkopf zum empfangenen Messkopf übertragene Signal maximal.
Als Messköpfe sollten absolut messende interferometrische Abstandssensoren eingesetzt werden. Solche interferometrisch messenden Abstandssensoren bieten den Vorteil, dass mit ihnen Messunsicherheiten erreichbar sind, die deutlich geringer sind als diejenigen von Triangulationsverfahren oder Röntgentransmissionsmessungen.
Die Halteeinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung umfasst in einer bevorzugten Ausführungsform zwei annähernd parallel in y-Richtung verlaufende Traversenarme, an denen jeweils einer der Messköpfe angeordnet ist, die über mindestens eine parallel zur x-Richtung verlaufende Verbindungstraverse verbunden sind.
Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
1 eine Vorrichtung, bei der die erfindungsgemäße Messvorrichtung, die der Tragestruktur zugeordnet ist, eingesetzt ist, zusätzlich zu einer Anordnung zur Justierung der Messköpfe,
2 eine Vorrichtung, die mit derjenigen der 1 vergleichbar ist, um die Justierungen der Messköpfe zu erläutern, und
3 die beiden Messköpfe der Vorrichtung, wie sie in 2 gezeigt ist, für den Fall einer idealen Justierung der Messköpfe, bei der die aus dem einen Messkopf austretende Strahlung vollständig von dem anderen Messkopf empfangen wird.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung, die schematisch in 1 dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist, umfasst eine Halteeinrichtung in Form eines C-förmigen Bügels 2, der aus zwei zueinander parallel angeordneten Armen 3, 4, die über ein Verbindungsstück 5, als Quertraverse 5 bezeichnet, miteinander verbunden sind, aufgebaut ist.
An jedem der Arme 3, 4 ist mindestens ein Messkopf, mit den Bezugszeichen 6 und 8 bezeichnet, montiert. In der in 2 dargestellten Vorrichtung, die in ihrem Grundaufbau derjenigen der 1 entspricht, sind die Messköpfe 6, 8 jeweils in einer Justiervorrichtung bzw. Halterung 7, 9 gehalten.
Ein zu vermessendes Objekt 10 in 1, dessen Abstand, Dicke oder dessen Dickenprofil gemessen werden soll, beispielsweise ein bandförmiges Material oder auch ein Stückgut, wird durch eine Messebene 11 in 2 zwischen den beiden Messköpfen 6, 8 positioniert oder auch hindurchgeführt, beispielsweise in einer Ebene bzw. Richtung, die senkrecht zur Zeichenebene von 1 oder 2 verläuft.
Von den Messköpfen 6, 8 ausgehende Messstrahlen 6' und 8' werden von zwei gegenüberliegenden Seiten auf das in der Messebene 11 positionierte Objekt 10 gerichtet und werden an der Oberfläche des Messobjekts 10 gestreut.
Die gestreute Strahlung enthält die Messinformation. Die gestreute Strahlung wird jeweils antiparallel zu den Einstrahlungsrichtungen wieder zu den Messköpfen zurückgeführt. Die Messinformation jedes Messkopfs 6, 8 wird vorzugsweise über eine faseroptische Verbindung 12, 13 zu einer Mess- und Auswerteeinheit 14 übertragen. Mit den Halterungen 7 und 9 sind die Messköpfe 6, 8 an den Armen 3 und 4 montiert. Aus den beiden gemessenen Abstandswerten ermittelt die Mess- und Auswerteeinheit 14 die Dicke des Materials.
Für eine räumliche Zuordnung der Teile der Vorrichtung sowie der Messstrahlen ist in den 1 und 2 ein orthogonales x-y-z-Koordinatensystem 15 angegeben; die x-Richtung bezeichnet die Richtung der Strahlung 6', 8', wenn deren Achsen Idealerweise übereinstimmen, die y-Richtung verläuft näherungsweise parallel zu der Messebene 11, in der das zu vermessende Material (Objekt) 10 positioniert wird, oder fällt mit dieser Messebene 11 zusammen, und die z-Richtung verläuft ebenfalls parallel zu der Messebene 11 oder fällt mit dieser zusammen, und zwar senkrecht zu der y-Achse.
Messfehler können nicht nur durch eine fehlerhafte Justierung der Messköpfe 6, 8 auftreten. Aufgrund von Umgebungseinflüssen kann sich auch der gegenseitige Abstand der beiden Arme 3, 4 des C-förmigen Bügels 2 ändern, und damit kann sich auch der Abstand der beiden Messköpfe 6, 8 zum Messobjekt 10 ändern. Beides führt zu einer Verfälschung der Abstandsmesswerte und des Dickenmesswerts.
Mit zwei weiteren Messköpfen 16, 17, die z. B. am Verbindungsstück bzw. der Quertraverse 5 montiert sind, wird der Abstand zu einer in der Mitte des Dickenmessbereichs der Messköpfe 6 und 8 liegenden Bezugsebene 18, die am Verbindungsstück 5 befestigt ist, gemessen. Deren Messstrahlen 16', 17' verlaufen näherungsweise parallel zu den Messstrahlen 6', 8 und haben eine ähnliche Länge. Temperaturbedingte Änderungen der Länge des Verbindungsstücks 5, die eine Änderung des Abstands der beiden Arme 3, 4 zur Folge haben und damit einen Abstands- und Dickenmessfehler hervorrufen, werden so erfasst, um die durch die Messköpfe 6 und 8 durchgeführte Abstands- und Dickenmessung zu korrigieren. Die Signale der weiteren Messköpfe 16 und 17 werden ebenfalls vorzugsweise über faseroptische Verbindungen 19, 20 zur Mess- und Auswerteeinheit 14 geführt.
Der Abstand zwischen den Messstrahlen 16' und 6' sowie zwischen den Messstrahlen 17' und 8' ist möglichst gering gewählt und die Konstruktion des C-Bügels 2 ist so gestaltet, dass möglichst gleiche atmosphärische Bedingungen für beide Messstrahlpaare 16' und 6' sowie 17' und 8' insbesondere hinsichtlich Temperatur, Luftdruck, Luftfeuchtigkeit und Dichtegradienten vorliegen.
Wie bereits vorstehend ausgeführt ist, werden die von den Messköpfen 6, 8 ausgehenden Messstrahlen 6', 8' so justiert, dass sie auf einer gemeinsamen Achse liegen, die in 3 mit der strichpunktierten Linie angedeutet ist. Um einen möglichen Justierfehler zu verdeutlichen, ist in 2 beispielhaft gezeigt, wie der Messstrahl 8' parallel zur Richtung der x-Achse des Koordinatensystems 15 zeigt, während der Messstrahl 6' dazu geneigt verläuft.
Jedem der Messköpfe 6, 8 ist ein Messbereich 6'' und 8'' zugeordnet; für den Messkopf 6 ist dies der Messbereich 6'' und für den Messkopf 8 ist es der Messbereich 8'', die in 2 angedeutet sind. Diese Messbereiche 6'' und 8'' liegen jeweils auf den zugehörigen Messstrahlen 6' und 8'; sie sind aber zur besseren Übersicht in 2 schematisch links von den beiden Messstrahlen 6' und 8' dargestellt.
Die 3 zeigt im Detail die beiden Messköpfe 6 und 8 sowie ihre zugehörigen Messstrahlen bzw. Strahlachsen 6' und 8'. Für den Justiervorgang wird über die faseroptische Verbindung 12 (z. B. Lichtwellenleiter) der Messstrahl 6' dem Messkopf 6 zugeführt und über eine Optik 21 kollimiert und fokussiert. Ist ein Messobjekt 10 innerhalb des Messbereichs 6'' (siehe 2) des Messkopfs 6 vorhanden, so wird die Messstrahlung 6' an der Oberfläche des Messobjekts 10 gestreut und wird in entgegengesetzter Richtung über die Optik 21 und die faseroptische Verbindung 12 zu der Mess- und Auswerteeinheit 14 geführt. Bei dieser bidirektionalen Messung ist der Messkopf 6 sowohl Sender für die Messstrahlung als auch Empfänger für die am Messobjekt gestreute Strahlung.
Entsprechendes gilt für die Strahlung 8' des anderen Messkopfs 8, eine Kollimations- und Fokussieroptik 22, die dem Messkopf 8 zugeordnet ist, und die faseroptische Verbindung 13 (z. B. ein Lichtwellenleiter).
Im weiteren wird nun angenommen, dass die Strahlachse 8' des Messkopfs 8 parallel zur x-Achse liegt, wohingegen die Strahlachse 6' des Messkopfs 6 gegen diese Achse geneigt ist (aufgrund von z. B. Fertigungstoleranzen, Montagetoleranzen, Justierfehlern), wie dies in 2, allerdings nicht in 3, dargestellt ist.
Das Verfahren zum Justieren der beiden Messköpfe 6, 8 zeichnet sich dadurch aus, dass kein Messobjekt verwendet wird. Vielmehr wird für den Justiervorgang der eine Messkopf, beispielsweise der Messkopf 6, als Sender betrieben, während der andere Messkopf, dann der Messkopf 8, als Empfänger betrieben wird. Liegen die Messstrahlen bzw. die Achsen der Messstrahlen 6', 8' auf einer gemeinsamen Achse und stimmen die axialen Positionen (gemäß dem angegebenen Koordinatensystem in x-Richtung) der jeweiligen Strahltaillen überein, so gelangt ein größerer Anteil der Strahlen des Messkopfs 6 in den Messkopf 8 und wird dort wieder in die faseroptischen Verbindung 13 eingekoppelt. Aufgrund des konfokalen Prinzips, das bedeutet dass die Strahltaille des Strahls des sendenden Messkopfs im Messbereich auf die Eintrittsapertur der faseroptischen Verbindung des empfangenden Messkopfs abgebildet wird – beide befinden sich ”im Fokus” – kann diese Justierposition entsprechend empfindlich über die Mess- und Auswerteeinheit 14 detektiert werden.
Um den Justiervorgang durchführen zu können, verfügt mindestens ein Messkopf, in 3 der Messkopf 6, über eine Justiervorrichtung 7, die auch in 2 schematisch dargestellt ist. Diese Justiervorrichtung 7 ist um mindestens zwei Drehachsen, die eine um die z-Achse und die andere um die y-Achse, drehbar gehalten und kann darüber hinaus in Richtung mindestens zweier Linearachsen, die in dem in den Figuren eingezeichneten Koordinatensystem in y- und z-Richtung verlaufen, verstellt werden. Bevorzugt ist jedoch eine Justiervorrichtung 7, mittels der der Messkopf in drei zueinander senkrecht stehenden Linearachsen verschoben werden kann, und zwar zusätzlich zu den zwei Drehachsen.
Um die Vorrichtung zu justieren, wird wie folgt vorgegangen: Zunächst wird der Messkopf 6 mit der Justiervorrichtung 7 um die beiden Drehachsen (z- und y-Achse) gedreht sowie in y- und z-Richtung verschoben, bis vom Messkopf 8 über die faseroptische Verbindung 13 in der Mess- und Auswerteeinheit 14 ein maximales Signal erhalten wird. In diesem Fall liegen die Strahlachsen 6' und 8' übereinander auf einer gemeinsamen Achse.
Anschließend wird der Messkopf 6 über die Justiervorrichtung 7 in x-Richtung verschoben. Liegen die Strahltaillen der beiden Messköpfe 6, 8 schon an derselben x-Position, das bedeutet eine optimale Justierung ist in dieser x-Richtung bereits erreicht, so sinkt das vom Messkopf 8 empfangene Signal unabhängig davon, ob der Messkopf 6 in positiver oder negativer x-Richtung verschoben wird.
Liegen allerdings die Strahltaillen nicht an derselben x-Position, so kann durch Verschiebung des Messkopfs 6 in x-Richtung die Position maximaler Übertragung der Lichtleistung (Strahlungsleistung) von dem Messkopf 6 zu dem Messkopf 8 gefunden werden.
Ausgehend von dieser Justierposition mit übereinander liegenden Strahlachsen 6' und 8' und übereinander liegenden Positionen der Strahltaillen in x-Richtung kann mit der Justiervorrichtung 7 ein definierter Abstand der Strahltaillen auf der gemeinsamen Achse in x-Richtung und relativ zu dem jeweiligen Messbereich eingestellt werden, um für einen geforderten Abstands- und Dickenmessbereich die geringst mögliche Messunsicherheit zu erzielen.
Für die Justierung mindestens eines Paars von absolut messenden Messköpfen, die an einem C-Bügel oder einer ähnlichen Halteeinrichtung angeordnet sind, zur optischen Abstands- und Dickenmessung, wird mindestens einer der Messköpfe als Sender und der andere Messkopf als Empfänger in einer konfokalen Anordnung verwendet, um die Strahlachsen beider Messköpfe auf eine gemeinsame Achse zu justieren und die Lagen der beiden Strahltaillen auf dieser Achse einzustellen. Entsprechendes gilt auch für die Messköpfe 16 und 17, wobei bei der Justierung die Bezugsebene 18 zu entfernen ist.
Die optische Messung nutzt mindestens einen absolut messenden optischen Abstandssensor, der die Laufzeit oder die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung für die Abstandsmessung nutzt und dessen Messsignal faseroptisch zu einer separaten Mess- und Auswerteeinheit geführt wird.
Insbesondere werden absolut messende, interferometrische Abstandssensoren, die die Interferenzfähigkeit elektromagnetischer Strahlungsquellen mit mindestens zwei verschiedenen Wellenlängen für Abstandsmessungen nutzen, eingesetzt.
Als absolut messende interferometrische Abstandssensoren werden bevorzugt solche eingesetzt, die spektral breitbandige Strahlungsquellen nutzen, da dadurch der Eindeutigkeitsbereich erhöht werden kann.
Es können mehrere Sensoren verwendet werden, von denen jeweils mindestens einer als Sender und ein anderer als Empfänger einsetzbar sind und die jeweils über eine konfokale Strahlführung verfügen und so angeordnet sind, dass die Messstrahlung des einen Messkopfs in den anderen Messkopf eingekoppelt werden kann.
Auch ist vorzugsweise die Verwendung von mindestens zwei optischen Kohärenztomographen vorgesehen, wobei die Messstrahlung eines ersten Tomographen in den Messkopf des zweiten Tomographen eingekoppelt wird, um die Strahlachsen aufeinander zu justieren. Solche Kohärentomographen bieten den Vorteil, dass mit ihnen geringere Messunsicherheiten erzielbar sind als z. B. mit Triangulationssensoren.
Es erfolgt eine optische Messung des Abstands zu Messobjekten und der Dicke von Messobjekten mit mindestens einem Paar absolut messender Messköpfe an einem C-Bügel, wobei durch Umgebungseinflüsse bedingte Messfehler durch gleichzeitige optische Messung des Abstands zu mindestens einer am C-Bügel montierten Bezugsebene mit mindestens einem gleichartigen Messkopf korrigiert werden.
Die optische Messung nutzt mindestens einen absolut messenden optischen Abstandssensor, der die Laufzeit oder die Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung für die Abstandsmessung nutzt und dessen Messsignal vorzugsweise faseroptisch zu einer separaten Mess- und Auswerteeinheit geführt wird.
Es werden mehrere Sensoren mit mehreren Strahlungsquellen, insbesondere aber einer Strahlungsquelle, verwendet, mit denen die Abstände zwischen Messköpfen und Messobjekt sowie Messköpfen und Bezugsebene simultan gemessen werden.
Bevorzugt werden interferometrische Sensoren mit einer Strahlungsquelle und zwei Messköpfen, mit denen die Abstände zwischen dem ersten Messkopf und dem Messobjekt sowie zwischen einem weiteren Messkopf und der Bezugsebene simultan gemessen werden, genutzt.
Auch ist die Verwendung von absolut messenden optischen Messköpfen mit einer einzigen optischen Apertur, die über einen Gasstrom vor Verschmutzungen geschützt werden kann, vorgesehen.
Es kann eine Steigerung der Genauigkeit bei der optischen Abstands- und Dickenmessung im Bereich < 10 μm und insbesondere < 1 μm erreicht werden.
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 102010044900 A1 [0013]
DE 3429135 A1 [0014]
DE 10312535 A1 [0015]

Claims

Verfahren zum Durchführen einer Dickenmessung an bandförmigen Materialien und an Stückgütern, die für die Dickenmessung in einer Messebene zwischen mindestens zwei Messköpfen positioniert werden, wobei die mindestens zwei Messköpfe jeweils an einem von mindestens zwei Tragarmen, die Teil einer Tragestruktur sind und über mindestens eine Quertraverse miteinander verbunden sind, in einer gegenüber liegenden Anordnung gehalten und positioniert sind, dadurch gekennzeichnet, dass durch äußere Einflüsse hervorgerufene Änderungen des Abstands der Tragarme zueinander durch Änderungen der Länge der Quertraverse über eine Abstandsmessung des Abstands von mindestens einem weiteren Messkopf, der dem einen Ende der Quertraverse zugeordnet ist, zu einer Bezugsebene, die mit der Quertraverse verbunden ist, erfasst werden und dass daraus mindestens ein Korrekturwert für die Dickenmessung der mindestens zwei Messköpfe an den bandförmigen Materialien oder an den Stückgütern abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem anderen Ende der Quertraverse ein weiterer Messkopf zugeordnet ist, mit dem eine Abstandsmessung zu der Bezugsebene vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturwerte unmittelbar bei jeder Dickenmessung berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dickenmessungen und die Messungen für den Korrekturwert unter denselben atmosphärischen Bedingungen durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Messköpfe und/oder als weitere Messköpfe solche eingesetzt werden, die Teile von interferometrischen Sensoren sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Messköpfe und/oder als weitere Messköpfe solche eingesetzt werden, die eine gemeinsame Strahlungsquelle verwenden.
Vorrichtung zum Durchführen einer Dickenmessung an bandförmigen Materialien und an Stückgütern (10), die für die Dickenmessung in einer Messebene (11) zwischen mindestens zwei Messköpfen (6, 8) positioniert werden, wobei die mindestens zwei Messköpfe (6, 8) jeweils an einem von mindestens zwei Tragarmen (3, 4), die Teil einer Tragestruktur (2) sind und über mindestens eine Quertraverse (5) miteinander verbunden sind, in einer gegenüber liegenden Anordnung gehalten und positioniert sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Messkopf (16; 17) dem einen Ende der Quertraverse (5) zugeordnet ist und die Quertraverse (5) eine Bezugsebene (18) aufweist, wobei der mindestens eine weitere Messkopf (16; 17) und die Bezugsebene (18) so ausgerichtet sind, dass die von dem weiteren Messkopf (16; 17) ausgehende Strahlung (16'; 17') von der Bezugsebene (18) zu dem Messkopf (16; 17) für eine Abstandsmessung zurückreflektiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem anderen Ende der Quertraverse (5) ein weiterer Messkopf (16; 17) für eine Abstandsmessung zu der Bezugsebene (18) zugeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Messköpfe (6, 8) und/oder als weitere Messköpfe (16, 17) solche eingesetzt werden, die Teile von interferometrischen Sensoren sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Messköpfe (6, 8) und/oder als weitere Messköpfe (16, 17) solche eingesetzt werden, die eine gemeinsame Strahlungsquelle umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Messköpfe (6, 8) als auch die weiteren Messköpfe (16, 17) mit einer die Signale der Messköpfe (6, 8, 16, 17) verarbeitenden Auswerteeinheit (14) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messköpfe (6, 8, 16, 17) solche sind, die interferometrische Abstandssensoren umfassen.