DE102015002911B3

DE102015002911B3 - Verfahren zur Überprüfung der geometrischen Merkmale von Betonstählen und Spannstählen

Info

Publication number: DE102015002911B3
Application number: DE102015002911.8A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2015-03-06
Filing date: 2015-03-06
Publication date: 2016-06-02
Anticipated expiration: 2035-03-07

Abstract

Die geometrischen Merkmale von Betonstählen und Spannstählen müssen zum Beispiel den in DIN 488-3 bzw. DIN EN ISO 15630-1 angegebenen Richtwerten entsprechen und nach den dort beschriebenen Vorschriften geprüft werden. Diese Prüfungen werden bisher entweder zeitaufwändig von Hand oder mit hohem apparativem Aufwand durchgeführt. Das neue Verfahren soll schnell und dabei kostengünstig anwendbar sein. Um die in den einschlägigen DIN- und ISO-Normen geforderten geometrischen Merkmale von Betonstählen und Spannstählen überprüfen zu können, wird ein temporärer Abdruck einer stabförmigen Probe dieser Profile durch Abrollen ihres gesamten Umfangs oder durch Abformen von Teilbereichen auf einer transluzenten Abformschicht angefertigt, die sich auf einem transparenten Träger befindet. Der temporäre Abdruck auf dem Träger wird mit einem Flachbett-Scanner im Durchlicht-Modus gescannt und dreidimensional ausgewertet. Geometrische Merkmale wie die Ganghöhen, die Querrippen- oder Profilierungsabstände, die Anteile des Umfanges ohne Rippen oder Profilierungen, die Neigungswinkel der Querrippen oder Profilierungen und die Kopfbreiten der Querrippen oder Profilierungen lassen sich durch herkömmliche Methoden der Bildverarbeitung im jeweiligen Abdruck ermitteln. Die Bestimmung von Höhenunterschieden wird im selben Scan des temporären Abdrucks durch Auswertung der dickenabhängigen Farbdichte der Abformschicht im Vergleich zum Abdruck eines Kalibrierstempels mit bekannten Höhenstufen möglich. So lassen sich auch die weiteren geometrischen Merkmale wie die Tiefen der Profilierungen oder die Höhen der Rippen an den vorgeschriebenen Punkten sowie die Neigungswinkel der Flanken ermitteln. Das neue Verfahren eignet sich aufgrund seiner Robustheit, Schnelligkeit und des geringen Aufwandes für alle Hersteller und Weiterverarbeiter von Betonstahl oder Spannstahl zur Qualitätssicherung ihrer Produkte.

Description

In den Normen DIN EN ISO 15630-1 und DIN 488-3 werden geometrische Merkmale für Stähle für die Bewehrung und das Vorspannen von Beton definiert. Bei den oben genannten Betonstählen und Spannstählen müssen mehrere geometrische Merkmale überprüft werden, wie zum Beispiel die Höhe der Querrippen bzw. die Tiefe der Profilierungen an vorgeschriebenen Stellen, der Querrippen- oder Profilierungsabstand, die Ganghöhe, der Neigungswinkel der Querrippe oder Profilierung, der Flankenneigungswinkel der Querrippe und die Kopfbreiten der Rippen. Diese Geometrieprüfungen haben sowohl bei den Stahlherstellern als auch bei den weiterverarbeitenden Betrieben zu erfolgen.
Um die in den genannten Normen geforderten Merkmale zu bestimmen, werden manuelle Messungen an Probeabschnitten der Stähle mit Schieblehren, Tastzirkeln und Mikrometerschrauben vorgenommen. Generell aber werden geometrischen Merkmale auch mit den Verfahren der Digitalen Bildverarbeitung bestimmt. Die Verfahren und die entsprechenden Vorrichtungen unterscheiden sich unter anderem dadurch voneinander, dass eine auswertbare Parallaxe durch eine zentralperspektivische Aufnahme entweder im Objektraum schon besteht, weil das zu messende Objekt eine ausreichende Oberflächenstruktur aufweist, oder dass diese Parallaxe z. B. durch Muster- bzw. Streifenprojektion oder durch Verschieben des Objekts z. B. senkrecht zur Aufnahmerichtung künstlich erzeugt wird, wenn telezentrische, verzerrungsfreie Objektive zum Einsatz kommen ( DE10233372B4 , FR2940423A1 ). Es ist ferner zu unterscheiden, ob die Vermessung der Objekte zum Ziel hat, ein möglichst lückenloses 3D-Modell zu liefern oder ob nur bestimmte Merkmale dieser Objekte, z. B. in Form verschiedener Profile, erfasst werden sollen. Im letztgenannten Fall kommen häufig wiederum telezentrische Objektive sowie Vorrichtungen zum Verdrehen des Objekts zum Einsatz ( DE 10 2008 013 308 A1 ). Speziell für die Untersuchung von Betonstahl-Stäben mit den Methoden der Bildverarbeitung sind die folgenden zwei Fundstellen zu nennen:
Beim „Betonstahl-Rippenmessgerät Typ RM 302/RM 202”, (ECM Datensysteme GmbH, www.ecmdatensysteme.de) werden die zu kontrollierenden Maße durch einseitiges, manuelles Einspannen eines Probeabschnitts in ein drehbares Futter, streifende Beleuchtung des Abschnitts, Aufnehmen aus verschiedenen, definierten Richtungen mit CCD-Kameras und anschließende Bildverarbeitung bestimmt. Ferner ist eine Veröffentlichung bekannt, in der eine automatische Einspannvorrichtung und eine senkrecht zur Stabachse angeordnete Beleuchtung vorgeschlagen wird, wobei die optische Achse eines telezentrischen Kameraobjektivs kollinear zur Beleuchtungsrichtung verläuft. Zusätzlich kommt eine Streifenprojektion durch einen Linienlaser zur Anwendung, dessen Achse unter einem definierten Winkel zur Kameraachse ausgerichtet ist ( DE 10 2010 008 416 A1 ).
Weiterhin wird durch die Firma „Studenroth Präzisionstechnik GmbH” (www.studenroth.com) die Abformung technischer Objekte durch eine plastische, präzise Abformmasse beschrieben, aus der nach dem Abbindevorgang an bestimmter Stelle mit Hilfe einer Doppelklinge ein Sektor ausgeschnitten und dessen Schnittfläche anschließend zur Geometriebestimmung gescannt wird.
Ferner werden ungefähr seit dem Jahr 1960 so genannte „Replica Tapes” zur Bestimmung der Rauigkeit von Oberflächen mit Hilfe eines Abform-Verfahrens eingesetzt. Bei einem Replica Tape handelt es sich um einen Streifen mit zweischichtigem Aufbau, bestehend aus einer nicht komprimierbaren Trägerschicht von ungefähr 50 μm Dicke mit einer runden Aussparung, über der eine Schicht aus einem komprimierbaren Schaum aufgebracht ist. Der übliche Gebrauch eines Replica Tapes ist der, dass der Streifen mit der komprimierbaren Seite auf die zu untersuchende Oberfläche aufgebracht und fest angerieben wird und somit das komprimierbare Material die tiefsten Stellen der Oberfläche erreicht, die Trägerschicht jedoch die höchsten Stellen der zu prüfenden Oberfläche berührt. Beim Entfernen des Streifens erhält man einen Abdruck, dessen Dicke üblicherweise mit einem Mikrometer-Federtaster bestimmt wird. Durch Subtraktion der Dicke der Trägerschicht erhält man den „Peak to Valley”-Wert, der die maximale Rauigkeit der zu untersuchenden Oberfläche beschreibt. In ( US 2014/0192346 A1 ) wird jedoch zur Dickenmessung der Abformung mit einem Replica Tape neben einem Sensor nach dem Wirbelstromprinzip auch eine Methode beschrieben, die die optischen Eigenschaften des transluzenten Abformmaterials ausnutzt. Für das Abformmaterial wird im Laufe der Auswertung das Verhältnis von Dicke zu Lichtdurchlässigkeit ermittelt. Durch die Durchleuchtung des Abformmaterials, welches auf dem transparenten Träger angebracht ist, wird auf diese Weise nach der Speicherung und Linearisierung ein dreidimensionales Abbild der inspizierten Oberfläche gewonnen und auf dem eingebauten Monitor dargestellt. Allerdings ist das Bild auf einen runden Bereich mit einer Fläche von 30 bis 50 mm² begrenzt, der durch das Loch im Replica Tape und der Größe der Auswertevorrichtung vorgegeben ist. Der Dicken-Messbereich überstreicht maximal 115 μm.
Die Messungen mit Schieblehren, Tastzirkeln und Mikrometerschrauben sind zeitaufwändig und erfordern Geduld. Die genannten optoelektronischen Lösungen erfordern spezielle Kameras, Objektive, Beleuchtungseinrichtungen sowie aufwändige Einspann-Vorrichtungen, die motorisch und definiert verdreht werden, um den Profilverlauf an mehreren Stellen messen zu können. Zudem müssen die Komponenten zueinander genau in ihren mechanischen und optischen Achsen ausgerichtet werden. Diese Ausrichtung muss ständig kontrolliert und ggf. nachjustiert werden, um die geometrischen Merkmale verlässlich bestimmen zu können. Eine besondere messtechnische Herausforderung stellt die Erfassung der Höhen der Querrippen an ihren Maximalpunkten sowie am jeweiligen Viertels- und Dreiviertels Punkt dar, wie es in den Normen gefordert wird. Dabei besteht das Problem weniger in der Messung selbst, sondern in der Auffindung der genauen Messstelle. Würde man die oben genannte Abformtechnik nutzen wollen, müsste eine Vielzahl von Schnitten mit der Doppelklinge angefertigt werden. Dieses gilt analog für Stähle mit eingeprägter Profilierung. Der Abformbereich von Replica Tapes mit der Fläche von 30 bis 50 mm² und der Höhenmessbereich von ca. 115 μm sind erheblich zu klein, um die geometrischen Merkmale von Betonstählen und Spannstählen bestimmen zu können. Deshalb kommt ( US 2014/0192346 A1 ) für diesen Zweck ebenfalls nicht in Betracht.
Das hier beschriebene Verfahren zur Überprüfung der geometrischen Merkmale von Betonstählen und Spannstählen ist dazu geeignet, die genannten messtechnischen Schwierigkeiten zu bewältigen und liefert die Grundlage zu einem kostengünstigen und einfach anzuwendenden Messsystem.
Eine transparente Trägerplatte mit einer Stärke von 0,5 mm bis 1,0 mm wird mit einer Abformmasse beschichtet, deren Länge und Breite dem Nenndurchmesser und dem Profilierungsabstand des zu untersuchenden Probestabs und deren Stärke der Rippenhöhe oder der zu erwartenden Profilierungstiefe gemäß angepasst ist. Für das Beispiel eines Stabs aus Betonstahl mit 8 mm Nenndurchmesser beträgt die Breite ungefähr 70 mm und die Länge ungefähr 90 mm, wenn der Stab über seinen doppelten Umfang abgerollt werden und eine zusätzliche Fläche für den anzubringenden Kalibrierstempel-Abdruck berücksichtigt werden soll. Die Stärke der Masse beträgt etwas mehr als der in der DIN 488-3 angegebene Richtwert der Rippenhöhe, also ungefähr 0,7 mm. Die Maße der transparenten Trägerplatte werden so gewählt, dass um die Abformmasse herum ein Rand von beispielsweise 20 mm verbleibt. Schematisch ist diese Anordnung in 6 angegeben. Als Abformmasse kommen Modelliermassen auf Wachs- oder Polymerbasis zum Einsatz, die einerseits die Konturen des zu prüfenden Stabes genau reproduzieren und andererseits noch genügend Licht bis zu einer Stärke von bis zu 3 mm im ausgewalzten Zustand hindurch lassen, damit Variationen im Abdruck auch dicker Stäbe mit groben Profilen beim Scannen registriert werden können. Die Modelliermasse „Nakiplast” (Fa. Pelikan) ist zum Beispiel gut brauchbar für diesen Zweck. Versuche zeigen, dass einige weitere Abform- oder Modelliermassen, auch aus dem Bereich des Dentalbedarfes, ebenfalls geeignet sind, wenn die Scannerbeleuchtung im Durchlichtbetrieb in ihrer Helligkeit angepasst werden kann. Die Abformmasse muss weder luft- noch ofenhärtend sein, weil der Abdruck berührungslos vermessen wird und nicht notwendiger Weise archiviert werden muss.
Mit einer geeigneten Vorrichtung wird die stabförmige Probe unter gleichmäßigem Druck über der Abformschicht abgerollt. Es ist vorteilhaft, wenn der Stab zum Beispiel zweimal über seinen Umfang abgeformt wird, weil so alle relevanten Stellen doppelt ausgewertet werden können. Der Abdruck ist in (1) der 1 symbolhaft abgebildet. Der Abdruck der Probe muss dem Abdruck eines Kalibrierstempels zugeordnet werden. Dies kann dadurch geschehen, dass der Stempel in der Nähe des soeben gefertigten Abdrucks in derselben Abformschicht angebracht wird. Es ist aber auch denkbar, dass dies nur bei Veränderungen der Scanner-Parameter oder bei einem Wechsel der Abform-Masse in Form eines separaten Abdrucks erfolgt. Der Kalibrierstempel (2) in 1 besteht beispielsweise aus einem Rundzylinder mit 12 fest eingeschraubten oder eingeschlagenen Stiften mit polierten Stirnflächen. Drei dieser Stifte, die sich auf dem äußeren Umring befinden, ragen gleich weit aus dem Rundzylinder heraus und bilden die Null-Ebene. Diese Stifte durchdringen beim Einpressen die Abformschicht komplett und berühren die Trägerplatte. Alle übrigen Stifte sind kürzer und haben unterschiedliche Höhen, die bei der Herstellung des Kalibrierstempels sehr genau vermessen wurden und in ihrer Höhenabstufung dem genutzten Messbereich angepasst sind. Sie dringen bis zur definierten Tiefe in die Abformschicht ein und erzeugen Referenzpunkte, die beim späteren Durchleuchten mit ihrem Helligkeitswert bzw. Grauwert zur Kalibrierung herangezogen werden. Nun wird die Trägerplatte mit den Abdrücken des Stabes und des Kalibrierstempels im Durchlichtbetrieb gescannt und automatisiert vermessen. Zunächst werden die Abdrücke der Stifte des Stempels ausgewertet. Auf diese Weise wird der Bezug der registrierten Helligkeits- oder Grauwerte zur jeweiligen Höhe der Abformmasse hergestellt. In 2 ist das Ergebnis einer solchen Kalibrierung gezeigt. Danach können im Abdruck der stabförmigen Probe des Beton- oder Spannstahls durch automatisierte Methoden der Kantenerkennung zunächst die in 1 (1) angedeuteten Messwerte der Querrippen- oder Profilierungsabstände (c), die Anteile des Umfanges ohne Rippen oder Profilierungen (e), die Neigungswinkel der Querrippen oder Profilierungen (β) und die Breiten der Querrippen oder Profilierungen (b) bestimmt werden. Weil nun der Bezug zwischen Grauwerten und Höhen vorliegt, können zusätzlich beliebige Schnitte durch den Abdruck der stabförmigen Probe abgeleitet werden. So ist der in 1 mit A-A angedeutete Schnitt dazu geeignet, die Profilierungsabstände zu verifizieren. Dieser Schnitt ist in 3 dargestellt. In 4 wird repräsentativ der Schnitt B-B aus 1 (1) gezeigt, der durch eine Querrippe hindurch verläuft. In diesem Schnitt ist es leicht möglich, die Höhe der Querrippe in der Mitte, im Viertels- und im Dreiviertelspunkt zu ermitteln. Mit Hilfe eines Schnittes B-B in 1 (1), dessen Teilbereich in 5 dargestellt ist, werden zum Beispiel die Anteile des Umfangs ohne Rippen oder Profilierungsabstände (e) verifiziert. Durch weitere Schnitte, rechtwinklig zur Schnittrichtung B-B in 1 (1), kann ebenso der Flanken-Neigungswinkel der Rippen aus dem Mittel der zahlreichen vorhandenen Rippenabdrücke abgeleitet werden.

Claims

Verfahren zur Überprüfung der geometrischen Merkmale von Betonstählen und Spannstählen, dadurch gekennzeichnet, dass man a) eine transluzente Abformschicht auf einem transparenten Träger anbringt, b) dann einen Abdruck der stabförmigen Probe durch Abrollen des einfachen oder mehrfachen Umfangs oder einen Abdruck eines oder mehrerer Teilbereiche der Probe anfertigt, c) einen Abdruck eines Kalibrierstempels anfertigt, der entweder in der Nähe des im Verfahrensschritt b hergestellten Abdrucks der Probe oder auf einer separaten Abformschicht samt Träger positioniert wird, d) die Abformung auf dem transparenten Träger mit Hilfe eines Scanners digitalisiert und speichert, e) mit den Methoden herkömmlicher Bildverarbeitung die Ganghöhen, die Querrippen- oder Profilierungsabstände, die Anteile des Umfanges ohne Rippen oder Profilierungen, die Neigungswinkel der Querrippen oder Profilierungen und die Kopfbreiten der Querrippen oder Profilierungen automatisch bestimmt, f) zusätzlich durch automatisierte Auswertung der dickenabhängigen Farbdichte der Abformschicht an den entsprechenden Stellen im Bild die Höhen der Rippen oder die Tiefen der Profilierungen sowie die Flanken-Neigungswinkel gemäß den Vorschriften bestimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man g) die Stärke der im Verfahrensschritt a genannten Abformschicht der Rippenhöhe oder Profilierungstiefe der Probe anpasst, h) die Länge und Breite der im Verfahrensschritt a genannten Abformschicht dem Nenndurchmesser und dem Profilierungsabstand der Probe anpasst, i) den Bezug zwischen der Dicke der Abformschicht und der vom Scanner registrierten Farbdichte im entsprechenden Bildpunkt im Verfahrensschritt f über die Auswertung der bekannten Höhenstufen des Abdrucks des Kalibrierstempels aus Verfahrensschritt c herstellt.