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Die Erfindung betrifft ein Messsystem mit mindestens einem kontaktlos arbeitenden Sensor, der entlang einer Führung, insbesondere eines Rahmenschenkels, einer Schiene, einer Traverse oder dgl., relativ zu einem zu vermessenden Objekt verfahrbar ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren, welches bei einem erfindungsgemäßen Messsystem zur Anwendung kommt.
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Das hier in Rede stehende Messsystem findet seine Anwendung bei der Messung der Breite beliebiger Objekte, aber auch bei der gleichzeitigen Messung von Breite und Dicke beliebiger Objekte, wobei es sich bei den Objekten um stückgutförmige Objekte (z. B. Bleche) oder bahnförmige Objekte (z. B. Bänder) handeln kann. Die Messung erfolgt regelmäßig in einem Messspalt mit einer an einem Maschinenrahmen angebrachten Messmechanik bzw. Messeinrichtung, wobei die Messeinrichtung mindestens einen auf das Messobjekt gerichteten Positionssensor umfasst.
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Vorrichtungen mit entsprechenden Messsystemen und Verfahren zur Nutzung entsprechender Vorrichtungen bzw. Messsysteme sind seit Jahren in den unterschiedlichsten Ausführungsformen aus der Praxis bekannt. So erfolgt die Breitenmessung von Bandmaterial mittel C- oder O-rahmenförmigen Messanordnungen, wobei das Messsystem berührungslos arbeitende Sensoren umfasst.
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Im Konkreten ist es bekannt, die Breitenmessung mit zwei Positionssensoren durchzuführen, die von beiden Seiten her auf die jeweilige Kante des Messobjekts messen. Aus der Differenzbildung der beiden Messwertsignale ergibt sich bei bekanntem Abstand der Wegmesssensoren zueinander die Breite des Objekts. Handelt es sich bei dem Objekt um Bandmaterial, kommen traversierende Messmethoden zum Einsatz, wobei die beiden Wegmesssensoren meist paarweise quer zur Transporteinrichtung bzw. Längsrichtung des Bandmaterials bewegt werden. Es werden gemäß
DE 3 543 852 A1 oder
DE 39 00 928 C1 optische Sensoren, gemäß
DE 4 126 921 C2 induktive Sensoren oder gemäß
DE 10 2006 024 761 A1 kontaktbehaftete Sensoren zur Abtastung verwendet.
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Des Weiteren ist aus der Praxis die Dickenmessung hinlänglich bekannt. Lediglich beispielhaft sei dazu auf die
WO 1998/014751 A1 verwiesen.
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Will man bei der Herstellung von bandförmigen Blechen oder Bahnen unterschiedlichster Materialien sowohl die Breite als auch die Dicke des Materials überwachen bzw. messen, ist es bislang erforderlich gewesen, zwei unterschiedliche Systeme und entsprechend unterschiedliche Messvorrichtungen zum Einsatz zu bringen, nämlich zum einen eine Vorrichtung zur Messung der Breite des Objekts und zum anderen eine Vorrichtung zur Messung der Dicke des Objekts. Dies ist konstruktiv/apparativ aufwändig und erfordert einen nicht unerheblichen Bauraum.
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Außerdem bringen die bekannten Systeme einen gravierenden Nachteil mit sich, jedenfalls dann, wenn sie bei unterschiedlichen Temperaturen bzw. im Temperaturverlauf zum Einsatz kommen. Mit zunehmender Temperatur dehnt sich nämlich der Rahmenschenkel bzw. die Traverse mit den dort verfahrbaren Sensoren aus, wodurch Messfehler entstehen. Mit größer werdender Breite der Traverse fällt die thermische Ausdehnung immer stärker ins Gewicht. Eine Verringerung der Temperatur hat den umgekehrten Effekt, was ebenso zu Messfehlern führt.
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Die thermische Ausdehnung macht insbesondere auch bei inkrementellen Messsystemen Probleme, zumal dort üblicherweise ein Stahl-Trägerband genutzt wird, welches magnetisch kodiert ist. Die dort vorgesehenen Codemarken werden magnetisch oder induktiv abgetastet. Bei zunehmender Temperatur dehnt sich das Band aus, wodurch sich der Abstand der Codemarken vergrößert, was zu einem entsprechenden Messfehler führt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Messsystem der gattungsbildenden Art derart auszugestalten und weiterzubilden, dass eine präzise Bestimmung der Breite eines Messobjekts möglich ist. Außerdem soll gleichzeitig bzw. in Kombination eine Dickenmessung möglich sein.
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Voranstehende Aufgabe ist in Bezug auf das erfindungsgemäße Messsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Danach ist das gattungsbildende Messsystem dadurch gekennzeichnet, dass zur Kompensation thermischer Ausdehnungen des Messsystems, insbesondere der Führung bzw. einer Traverse oder eines Codemarken umfassenden Trägerbandes, eine Referenzmarken enthaltende Lehre, beispielsweise ein Lineal, mit möglichst geringer thermischer Ausdehnung parallel zu der Führung angeordnet ist, wobei die Referenzmarken als geometrische, optische, elektrische und/oder magnetische Marken ausgeführt sind, die entsprechend ihrer Beschaffenheit detektierbar sind, wobei die Positionen der Referenzmarken über den mindestens einen Sensor des Messsystems oder über einen weiteren Sensor während einer Kalibrierfahrt ermittelbar sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist durch die Merkmale des nebengeordneten Patentanspruchs 8 gelöst, wobei sich dieses Verfahren insbesondere auch bei kombinierter Messung von Breite und Dicke eines flächigen Objekts, insbesondere eines Blechs, eines Bands oder einer Bahn, anwenden lässt, wobei zur Temperaturkompensation, das heißt zur Kompensation thermischer Ausdehnungen des Messsystems, eine Referenzmarken enthaltende Lehre vorgesehen ist, beispielsweise ein Lineal. Die Lehre hat eine möglichst geringe thermische Ausdehnung und ist parallel zu der Führung angeordnet. Die Referenzmarken sind als geometrische, optische, elektrische und/oder magnetische Marken ausgeführt. Sie lassen sich entsprechend ihrer Beschaffenheit von geeigneten Sensor abtasten bzw. Detektieren, wobei die Position der Referenzmarken über einen Sensor des Messsystems oder über einen weiteren Sensor während einer Kalibrierfahrt ermittelt werden.
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Das erfindungsgemäße Messsystem kann ganz allgemein im Rahmen der Breitenmessung von stückförmigen Objekten, Bändern oder Bahnen, etc. verwendet werden, auch im Rahmen von Systemen, bei denen gleichzeitig eine Dickenmessung des Objekts bzw. Targets erfolgt. Wesentlich ist die Temperaturkompensation in Bezug auf die Breitenmessung.
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Entsprechend den voranstehenden Ausführungen kann die Breitenmessung mit der Dickenmessung kombiniert sein, wobei einer von mindestens zwei Sensoren an beiden Messungen beteiligt ist. Fakultativ ist somit die Messung von Breite und Dicke in einer einzigen Vorrichtung kombiniert, so dass ein geringstmöglicher apparativer Aufwand erforderlich ist.
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Die Verarbeitung der Messdaten sowie zugrundeliegende Algorithmen entsprechen den bislang zum Einsatz kommenden Verfahren unter Nutzung berührungslos arbeitender Sensoren, so dass auf eine diesbezügliche Erläuterung verzichtet werden kann.
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In ganz besonders vorteilhafter Weise sind die für die eigentliche Messung zum Einsatz kommenden Sensoren als optische Sensoren ausgeführt, wobei es sich dabei um Lasersensoren bzw. Laserprofilsensoren oder Laserscanner handeln kann. Mit den Laserprofilsensoren wird die Breite des Objekts, beispielsweise eines oder mehrerer nebeneinander liegender/laufender Bänder, gemessen, wobei jeder der beiden Sensoren eine Kante des zu messenden Bandes detektiert. Die Laserlinie verläuft dabei quer zur Kante des Bandes. Damit die Breitenmessung bei Bandmaterial unterschiedlicher Breite erfolgen kann, sind die Laserprofilsensoren in weiter vorteilhafter Weise auf Sensorschlitten befestigt, die auf einer Führung bzw. Traversiereinheit sitzen. Entsprechend lassen sich die Laserprofilsensoren quer zur Bandrichtung entsprechend der Länge der Traverse bewegen.
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Sofern das Messsystem auch zur Dickenmessung genutzt werden soll, sind zwei gegenüberliegende, den Messspalt bildende Sensoren vorgesehen, die in Ihrer Bewegung vorzugsweise mechanisch gekoppelt sind. Entsprechend laufen sie synchron.
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Die beiden zur Dickenmessung bestimmten Sensoren bewegen sich entlang einer Traverse oder dergleichen, vorzugsweise auf einem Schlitten, gemeinsam oberhalb und unterhalb des Objekts bis zu den Randbereichen bzw. Kanten des Objekts, und zwar über das Objekt hinweg und bis zu dem gegenüberliegenden Randbereich bzw. zu der Kante und zurück. Das Anfahren und Ermitteln der Randkoordinaten des Objekts dient zur Breitenmessung und das Überfahren des Objekts kann zur Dickenmessung herangezogen werden.
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In vorteilhafter Weise umfasst die Messeinrichtung mindestens einen dritten berührungslos arbeitenden Sensor, vorzugsweise ebenfalls einen optischen Sensor, insbesondere einen Lasersensor bzw. einen Laserprofilsensor oder Laserscanner, der gemeinsam mit dem ersten Sensor zur Breitenmessung dient. Der dritte Sensor arbeitet unabhängig von den ersten beiden Sensoren und ist vorzugsweise auf einem Schlitten mit einem eigenen Antrieb entlang einer der beiden Traversen verfahrbar. In vorteilhafter Weise läuft der dritte Sensor auf der gleichen Traverse wie der erste Sensor. Es sei angemerkt, dass der Begriff „Traverse” schlechthin als Linearführung zu verstehen ist.
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Das Messsystem kann einem C- oder O-Rahmen zugeordnet sein, wobei wesentlich ist, dass die Sensoren entlang einer Traverse quer zur Förderrichtung des Objekts verfahrbar sind.
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Es ist von weiterem Vorteil, wenn die Messeinrichtung ein Kalibriernormal umfasst, an dem zur Kalibrierung der Sensoren/des Messsystems dienende Referenz-Messungen durchführbar sind. Somit ist eine integrale Kalibrierung der Messsystems geschaffen.
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Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist auf die dem Anspruch 1 nachgeordneten Ansprüche sowie auf ein nachfolgend erörtertes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigen
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1 in einer schematischen Darstellung das Grundprinzip der differenziellen Breitenmessung und Kalibrierung, wobei dort das erfindungsgemäße Messsystem Anwendung finden kann.
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2 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messsystems mit der grundsätzlichen Vorkehrung einer Einrichtung zur Kompensation thermischer Ausdehnungen der Messeinrichtung bzw. der Führung oder Traverse,
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3 in einer schematischen Darstellung ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung mit einem Messsystem zur Breiten- und Dickenmessung, ohne Kompensation thermischer Ausdehnungen, in einem ersten Schritt die Kalibrierung der Dicke (vertikaler Sensorabstand),
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4 in einer schematischen Darstellung die Vorrichtung aus 3, in einem zweiten Schritt die Kalibrierung der Breite (horizontaler Sensorabstand),
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5 in einer schematischen Darstellung die Vorrichtung aus 3, in einem dritten Schritt die Detektion der Kanten, das heißt die Messung der Breite und
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6 in einer schematischen Darstellung die Vorrichtung aus 3, in einem vierten Schritt die Dickenmessung.
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1 zeigt in einer schematischen Ansicht das Grundprinzip der differentiellen Breitenmessung und -Kalibrierung mit zwei Laserprofilsensoren (Laserscanner) 1, 3. Mit diesen Sensoren 1, 3 wird die Breite von einem oder mehreren Bändern 11 gemessen, wobei jeder der beiden Sensoren 1, 3 eine Kante des zu messenden Bandes 11 detektiert. Die Laserlinie ist dabei quer zur Kante des Bandes 11 ausgerichtet. Damit die Breitenmessung bei Bandmaterial unterschiedlicher Breite erfolgen kann, sind die Sensoren 1, 3 auf Sensorschlitten 4, 6 angebracht, die auf einer Traversiereinheit fahren, wodurch die Sensoren quer zur Bandrichtung bewegbar sind.
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Ein weiterer Sensor 2, angeordnet auf einem Schlitten 5, ist in 1 lediglich angedeutet. Dieser Sensor 2 ist mit dem Sensor 1 gekoppelt, so dass die beiden Sensoren 1, 2 synchron laufen. Die Sensoren 1 und 2 dienen zur Dickenmessung im Messspalt 10.
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Sensor 2 läuft auf einer unteren Traverse 8, die in 1 ebenfalls lediglich angedeutet ist.
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Der Abstand wP der beiden Sensoren 1, 3 wird in der Praxis mit Hilfe eines inkrementellen Messsystems erfasst. Dabei ist ein Offset wO zwischen dem Messwert der Sensoren 1, 3 und dem inkrementell gemessenen Abstand aufgrund von Toleranzen etc. zu berücksichtigen, wobei das Vorzeichen der Messwerte von der Linienmitte zum Rahmen negativ und von der Linienmitte zum Traget positiv zu wählen ist. Dieser Offsetwert wird mit Hilfe eines Kalibriervorgangs ermittelt. Seien wM1 und wM2 die Messwerte der beiden Sensoren 1, 3 und wK die Breite des Kalibriernormals 9, so ergibt sich der Offset aus wO= (wK + wM1 + wM2) – wP
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Die Breite wA eines Targets bzw. Objekts 11 berechnet sich damit durch: wA= wp + wO – (wM1 + wM2)
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Für eine sehr präzise Bestimmung der Breite des Messobjektes ist es erforderlich, eine thermische Ausdehnung des inkrementellen Messsystems zu kompensieren. Dies wird nachfolgend zu 2 erläutert werden.
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2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Messsystems, wonach eine besondere Temperaturkompensation vorgesehen ist. Da der Abstand wp der beiden üblicherweise vorgesehenen Sensoren regelmäßig mit Hilfe eines inkrementellen Messsystems erfasst wird, ist ein Offset wO zwischen dem Messwert der Profilsensoren und dem inkrementell gemessenen Abstand aufgrund von Toleranzen, etc. zu berücksichtigen. Hier wird regelmäßig eine Kalibrierung vorgenommen.
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In Bezug auf temperaturbedingte Messfehler ist von Bedeutung, dass das inkrementelle Messsystem auf einem Stahl-Trägerband 15 basiert, das magnetisch kodiert ist. Die Codemarken werden magnetisch oder induktiv abgetastet. Bei steigender Temperatur dehnt sich das Band aus, wodurch sich der Abstand der Codemarken vergrößert, was zu einem entsprechenden Messfehler führt. Mit größer werdenden Breiten der Traverse bzw. des Trägerbands 15 fällt die thermische Ausdehnung immer stärker ins Gewicht. Eine Verringerung der Temperatur hat den umgekehrten Effekt, was ebenso zu erheblichen Messfehlern führt.
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Es ist ein Lineal 12 aus einem Material mit möglichst geringer thermischer Ausdehnung vorgesehen, beispielsweise aus carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) oder glaskeramischem Werkstoff (Zerodur®), dessen Temperaturausdehnung zu vernachlässigen ist. In das Lineal sind Referenzmarken 13 eingelassen. Die Marken 13 können mit einem weiteren Sensor 14, der auf dem Sensorschlitten 4 und/oder 6 der Traversiereinheit 7 angeordnet ist, erfasst werden.
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In einem Kalibriervorgang bei einer Referenztemperatur, beispielsweise bei Raumtemperatur (z. B. 20°C), wird jede Marke i (i = 1 ... n) einer Position MPi(t0) auf dem inkrementellen Messsystem zugeordnet. Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass in einer Kalibrierfahrt zum Zeitpunkt t0 der Sensorschlitten 4 und/oder 6 über die Breite verfahren wird und dabei die Positionen der Referenzmarken 13 mit dem weiteren Sensor 14 erfasst und in einem Speicher abgelegt werden. Die Kalibrierung des Abstandes der Referenzmarken könnte auch im Labor erfolgen, indem bei bekannten Umgebungsbedingungen (Raumtemperatur T0) der Abstand der Referenzmarken auf dem Lineal mit einem unabhängigen Messmittel (Abstandssensor, Massstab etc.) gemessen und gespeichert wird.
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Im späteren Betrieb wird die Position der Referenzmarken
13 in bestimmten Abständen, beispielsweise zum Zeitpunkt t, gemessen. Verändert sich die Länge des Trägerbands bzw. der Führung, etwa durch Temperaturausdehnung, so verändert sich der Positionswert der Marke 13 zum Zeitpunkt t, und die Ausdehnung der Führung kann über die Veränderung der Differenz zweier Markenpositionen M
Pi und M
Pi+1 gemessen werden. Unter der Berücksichtigung der Ausdehnung des Maßbands
gilt für die Breite zum Zeitpunkt t
wA= wp + wo – (wM1 + wM2) – Δ(t) -
Die Marken 13 können beliebig ausgestaltet werden. Entscheidend ist eine geschickte Kombination aus Marke 13 und einem weiteren Sensor 14. Die Marke 13 muss von dem Sensor leicht detektiert werden können. Es können dabei nahezu beliebige geometrische, optische, magnetische oder elektrische Marken 13 verwendet werden. Weiterhin ist es notwendig, dass die Position der Marke 13 mit genügender Genauigkeit bestimmt wird. Besonders günstig sind daher Sensoren, die nahezu punktförmig messen, beispielsweise optische Sensoren.
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Die 3 bis 6 zeigen den grundsätzlichen Aufbau einer gattungsgemäßen Vorrichtung zur Breiten- und Dickenmessung, die durch die thermische Ausdehnung der Rahmenteile beeinflusst wird. Als Objekt bzw. Target ist ein Band 11 vorgesehen.
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Die in den 2 bis 6 gezeigte Messeinrichtung umfasst einen ersten Sensor 1, einen gegenüberliegenden zweiten Sensor 2 und einen von dem ersten Sensor 1 und dem zweiten Sensor 2 in der Bewegung unabhängigen dritten Sensor 3. Bei den Sensoren 1, 2 und 3 handelt es sich um optische Sensoren, genauer gesagt um Laserprofilsensoren bzw. Laserscanner.
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Die beiden gegenüberliegenden Sensoren 1 und 2 sind in ihrer Bewegung mechanisch gekoppelt, bewegen sich somit synchron. Der dritte Sensor 3 bewegt sich davon unabhängig.
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Die Sensoren 1 und 3 sind jeweils einem Schlitten 4, 5 zugeordnet. Der dritten Sensor 3 ist einem Schlitten 6 zugeordnet. Die Schlitten 4, 5 und 6 mit den daran befestigten Sensoren 1, 2 und 3 laufen entlang einer Führung bzw. Traverse 7, 8, wobei die Sensoren 1 und 3 entlang der oberen Traverse 7 und der Sensor 2 entlang der unteren Traverse 8 verfahrbar ist. Die Traversen 7, 8 sind Teil eines in Figuren nicht weiter gezeigten Rahmens.
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Integraler Bestandteil der Vorrichtung ist ein Kalibiernormal 9, welches sowohl zur Kalibrierung der Sensoranordnung in Bezug auf die Dickenmessung als auch in Bezug auf die Breitenmessung bzw. die Ermittlung der Kanten dient. Zwischen den Traversen 7, 8, das heißt im Messspalt 10, läuft das Messobjekt, wobei es sich dabei um ein singuläres Band 11 handelt. Die Bewegungsrichtung des Bandes 11 ist in die Bildebene hinein gerichtet. Die Sensoren 1, 2 und 3 bzw. die Schlitten 4, 5 und 6 bewegen sich quer zur Bewegungsrichtung des Bandes 11.
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3 zeigt in einem ersten Schritt die Dickenkalibrierung anhand des Kalibriernormals 9, wobei der erste Sensor 1 und der zweite Sensor 2 in bekannter Weise gegeneinander messen und wobei sich das Kalibiernormal 9 zwischen den beiden einander fest zugeordneten Sensoren 1, 2 befindet. Der dritte Sensor 3 hat im ersten Schritt keine Funktion.
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4 zeigt im zweiten Schritt die Breitenkalibrierung, wobei der erste Sensor 1 und/oder der zweite Sensor 2 die linke Kante des Kalibriernormals 9 und der dritte Sensor 3 die rechte Kante des Kalibriernormals 9 detektieren.
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Im dritten Schritt gemäß 5 wird die Breite des Bandes 11 gemessen, wobei die in der Bewegung gekoppelten ersten und zweiten Sensoren 1, 2 die linke Kante des Bands 11 und der dritte Sensor 3 die rechte Kante des Bands 11 detektieren.
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Nach der Breitenmessung fahren der erste Sensor 1 und der zweite Sensor 2 (Sensorpaar 1, 2) quer zur Bewegungsrichtung des Bandes 11 entlang der Breite des Bandes 11 nach rechts, um die Dicke des Bandes 11 über die gesamte Breite hinweg zu messen. Schritt vier ist in 6 gezeigt. Erst nachdem das Sensorpaar 1, 2 in die linke Ausgangsposition zurückgekehrt ist, kann die Breite entsprechend Schritt 3 gemäß 5 erneut gemessen werden.
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Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
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Schließlich sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass das voranstehend beschriebene Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Messsystems lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiele einschränkt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erster Sensor
- 2
- zweiter Sensor
- 1, 2
- Sensorpaar
- 3
- dritter Sensor
- 4
- Schlitten, Sensorschlitten von 1
- 5
- Schlitten, Sensorschlitten von 2
- 6
- Schlitten, Sensorschlitten von 3
- 7
- Führung, Traverse
- 8
- Führung, Traverse
- 9
- Kalibriernormal
- 10
- Messspalt
- 11
- Band, Target
- 12
- Lineal
- 13
- Marke, Referenzmarke
- 14
- weiterer Sensor (zur Detektion der Marke)
- 15
- temperaturabhängiges, inkrementelles Trägerband
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3543852 A1 [0004]
- DE 3900928 C1 [0004]
- DE 4126921 C2 [0004]
- DE 102006024761 A1 [0004]
- WO 1998/014751 A1 [0005]
