DE102018109954A1

DE102018109954A1 - Vorrichtung zum optischen Erfassen von Objekten hoher Eigentemperatur

Info

Publication number: DE102018109954A1
Application number: DE102018109954.1A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Krebs
Original assignee: Hmptechnologie GmbH
Current assignee: HW-ELEKTROTECHNIK GMBH, DE
Priority date: 2018-04-25
Filing date: 2018-04-25
Publication date: 2019-10-31
Anticipated expiration: 2038-04-26
Also published as: DE102018109954B4

Abstract

Vorrichtung zum optisch Erfassen von Objekten hoher Eigentemperatur auf Grundlage definierter Erfassungserfordernisse, insbesondere von Objekten mit einer Temperatur von größer 300 Grad Celsius, mit einer Sensoreinheit (7) zum optischen Erfassen des Objekts (34) in einem definierten und von dem Objekt (34) thermisch belasteten Messraum (29), wobei die Sensoreinheit (7) zumindest ein definiertes thermisches Betriebsfenster zum Erzielen der Erfassungserfordernisse aufweist; mit einer Abschirmung (3) mit definiertem thermischen Transmissionsgrad zum passiven thermischen Abschirmen der Sensoreinheit (7) und mit einer Thermotransferanordnung (12) zum aktiven Transfer von thermischer Energie weg von der Sensoreinheit (7) .

Description

Vorrichtungen zum optischen Erfassen von Objekten hoher Eigentemperatur sind bereits bekannt.
Die hierzu mit Lasern ausgestatteten Messanlagen sind vielfältig und vom jeweiligen Messprinzip und deren Zielsetzungen abhängig.
In der Industrie müssen die Lasermessanlagen z.T. auch die robusten Umfeldbedingungen berücksichtigen, d.h. es gilt zum einen hohe Messgenauigkeit und zum anderen eine hohe Prozesssicherheit bei schwierigen und schwierigsten Umwelteinflüssen zu gewährleisten.
Letzteres gilt umso mehr in Schmiede- und Gießereibetrieben, in denen Funkenflug und hohe Temperaturen an der Tagesordnung sind, jedoch gleichsam die Qualitätsanforderungen und der Kostendruck zunimmt.
Für die Herstellung vieler Schlüsselkomponenten z.B. in der Automobil-, Luftfahrt- und Windkraftindustrie werden vielfältige Schmiedewerkstücke verwendet. Diese Schmiedewerkstücke verlassen das Produktionswerkzeug im glühenden Zustand bei ca. 800 bis 1.200°C. Die Vermessung der Maßhaltigkeit der geschmiedeten Produkte erfolgt meist in einem Messraum an den abgekühlten Werkstücken bei maximal 60°C, wobei die Messung in der Regel taktil durchgeführt wird. Eine beschleunigte Zwangsabkühlung muss vermieden werden, damit keine Spannungen oder sonstige geometrische Veränderungen im Bauteil erzeugt werden. Daher ist eine frei konvektive Abkühlphase notwendig. Die erforderliche Abkühlung kann je nach Teilgröße in der Praxis bis zu 1 Stunde dauern. Während dieser Zeit läuft die Produktion weiter und es werden je nach Taktrate der Produktion, z.B. 1 Teil pro Sekunde oder 1 Teil pro 6 Sekunden, weitere Werkstücke produziert. Da die Qualitätskontrolle mit einem großen zeitlichen Versatz erfolgt, kann eine Korrektur des Prozesses erst nach dieser Zeit ausgeführt werden. Die Nachteile sind im Fehlerfall eine hohe Schrottrate und, aktuell wesentlich bedeutsamer, der damit verbundene hohe Energieverbrauch bzw. die hohen Energiekosten.
Daher bietet es sich grundsätzlich an, auch Werkstücke mit hohen Temperaturen kontaktlos zu vermessen und so auf Maßhaltigkeit zu überprüfen.
Optische Messverfahren für diese Zwecke sind bereits bekannt. Dabei kommen, wie bereits ausgeführt, optische Sensoren zum Einsatz, die unter anderem einen Laser-Sensor und ein Empfangselement beinhalten, wobei die Messauswertung oftmals auf Grundlage des Triangulationsverfahrens erfolgt. Triangulation bedeutet Abstandsmessung durch Winkelberechnung. Der Laser projiziert beim Triangulationsverfahren eine oder mehrere Laserpunkte auf ein Messobjekt. Das dort reflektierte Licht trifft abhängig von der Entfernung unter einem bestimmten Winkel auf das Empfangselement. Durch die Position des Lichtpunktes auf dem Empfangselement und aus der Distanz von Sender (Laser) zum Empfangselement wird der Abstand zum Messobjekt im Sensor berechnet.
Mit Bezug auf ein Vermessen von warmen oder heißen Objekten bzw. Teilen mit derartigen Sensoren ist darauf zu achten, dass es nicht zu einer Überhitzung des Sensors kommt, da toleranzüberschreitende thermische Belastungen des Sensors oder auch starke Temperaturschwankungen am Sensor zu erheblichen Messungenauigkeiten führen können. Im schlimmsten Fall kann eine Überhitzung natürlich auch zu einer Zerstörung des Sensors führen.
Beim Vermessen von warmen und heißen oder gar glühenden Werkstücken ist daher darauf zu achten, dass der Sensor durch die vom Werkstück stammende thermische Belastung nur im Rahmen der geforderten oder zulässigen Messtoleranzen thermisch belastet wird.
Eine Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann daher insbesondere darin bestehen, eine Vorrichtung bereitzustellen, mit der warme und heiße oder gar glühende Werkstücke zuverlässig mit hoher Genauigkeit und innerhalb der zulässigen Messtoleranzen bereitzustellen.
Nach einem Aspekt betrifft die Ausführungsform der Erfindung eine Vorrichtung zum optischen Erfassen von Objekten hoher Eigentemperatur auf Grundlage definierter Erfassungserfordernisse, insbesondere von Objekten mit einer Temperatur von größer 300 °C, mit einer Sensoreinheit zum optischen Erfassen des Objekts in einem definierten und von dem Objekt thermisch belasteten Messraum, wobei die Sensoreinheit zumindest ein definiertes thermisches Betriebsfensters zum Erzielen der Erfassungserfordernisse aufweist; eine Abschirmung zum passiven thermischen Abschirmen der Sensoreinheit; eine Thermotransferanordnung zum aktiven Transfer von thermischer Energie weg von der Sensoreinheit; wobei die Thermotransferanordnung und die Abschirmung derart aufeinander und in Bezug auf die Sensoreinheit ausgebildet und eingerichtet sind, dass die Sensoreinheit relativ zum Objekt in dem Messraum in einem Betriebsbereich so positionierbar ist, dass das optische Erfassen des Objekts durch die Sensoreinheit innerhalb des thermischen Betriebsfensters erfolgt.
Damit wird auf vorteilhafte Weise sichergestellt, dass auch bei hohen Temperaturen ein zuverlässiges und genaues optisches Erfassen möglich wird. Letzteres insbesondere dadurch, dass nach der erfindungsgemäßen Vorrichtung erstmals die Sensoreinheit nicht nur thermisch passiv abgeschirmt wird, sondern gleichfalls über eine erfindungsgemäße Thermotransferanordnung aktiv, d. h. im Sinne der Erfindung steuer- und/oder regelbar, thermisch geschützt wird, so dass im Betriebsbereich des durch das Objekt thermisch belasteten Messraums sichergestellt werden kann, dass die durch die Betriebsparameter der Sensoreinheit vorgegebenen thermischen Belastungsgrenzen einschließlich des für die Erfassungsgenauigkeit wesentlichen thermischen Betriebsfensters eingehalten werden.
Bei der erfindungsgemäßen Sensoreinheit handelt es sich vorzugsweise um eine Einheit mit wenigstens einem Laser als Sender und wenigstens einen Empfänger, mit denen vorzugsweise über das Triangulationsverfahren das Objekt bzw. dessen Oberflächentopographie vermessen werden kann. Andere vergleichbare Verfahren können im Rahmen der Erfindung selbstverständlich gleichfalls zum Einsatz gebracht werden, soweit diese die angestrebten Erfordernisse erfüllen.
Die Lasertriangulation hat den Vorteil eines weiten Einsatzbereichs von 10 mm bis zu 4 m. Sie weist dabei eine Auflösung von kleiner als 1 µm bis 0,1 mm auf.
Was die Wellenlänge des Sensorlasers angeht, so bietet es sich an, aufgrund der physikalischen Tatsache, dass sich das emittierende elektromagnetische Spektrum eines warmen bzw. heißen Körpers zu kürzeren Wellenlängen verschiebt (Wiensche Verschiebungsgesetz), diese möglichst im sichtbaren Spektrum vom grünen bis in das violette sichtbare Licht zu wählen. Vorzugsweise bieten sich daher, auch natürlich abhängig von der Temperatur des zu vermessenden Objekts, Wellenlängen im Bereich von 300-700 nm oder ferner bevorzugt ein Wellenlängenbereich zwischen 350-550 nm an.
Erfindungsgemäß hat sich ferner vorteilhaft ergeben, wenn zur Bestimmung des Betriebsfensters auf Grundlage der technischen Betriebsdaten und mit Blick auf die nach den Erfassungserfordernissen gewünschten geometrischen Messwertabweichungen, die geforderte Messwertstreuung s der beim Erfassen durch das optische Messen gezogenen Messwerte berücksichtigt wird.
Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können insoweit vorteilhafterweise Messwertstreuungen s ≤ 0,030 mm erzielt werden, wenn ein thermisches Betriebsfensters im Bereich ΔT zwischen ±0,5 Grad Celsius eingehalten wird. Eine derartige Messwertstreuung ist für eine Vielzahl von Objektvermessungen mehr als nur ausreichend.
Zum Erreichen dieser Zielsetzung umfasst die Abschirmung nicht nur eine die thermische Strahlung reflektierende Reflexionsschicht, sondern gleichfalls eine effektive Isolationsschicht zur Minimierung der thermischen Leitfähigkeit der Abschirmung.
Da die Abschirmung mit Reflexionsschicht und Isolationsschicht auch eine Transmission der optischen Wellen der Sensoreinrichtung verhindern würde, besteht ferner eine Weiterbildung nach der Erfindung darin, dass die Abschirmung zumindest ein Sichtfenster beinhaltet, welches zumindest transparent für die in Frage kommenden Wellenlängen der Sensoreinheit ist. Jene Sichtfenster sind allerdings auch potentielle thermische Brücken über die Abschirmung zur Sensoreinheit hinweg. Daher kommt erfindungsgemäß für das Sichtfenster ein thermischer Reflexionsfilter in Betracht. D. h. ein Sichtfenster, welches im in Frage kommenden Laserwellenlängenbereich transmittiert, jedoch im thermischen Strahlungsbereich, insbesondere oberhalb des in Frage kommenden Laserwellenlängenbereichs, die auf die Abschirmung bzw. das Sichtfenster treffende Strahlung reflektiert. Das Laserwellenlängenlicht sollte dabei auch beim Auftreffen mit unterschiedlichen Winkeln auf das Sichtfenster möglichst ohne größere Intensitätsverluste vom Reflexionsfilter transmittiert werden. Dies ist auch deshalb von Bedeutung, da die Sensoreinheit nicht nur im ausgehenden Pfad Laserlicht durch das Sichtfenster strahlt, sondern gleichfalls das vom Objekt reflektierte und vom Empfänger der Sensoreinheit aufzunehmenden Reflexionslicht das Sichtfenster passieren muss. Daher kann eine niedrige Transmissionsrate beim Sichtfenster zu Ungenauigkeiten im Erfassungsergebnis führen. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass der Strahlungstransmissionsgrad des Reflexionsfilters zwischen 60 % und 95 % liegt, wobei ein Bereich zwischen 75 % und 95 % besonders bevorzugt ist.
Ferner sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass zur Minimierung der Sichtfensterfläche zwei Fenster vorgesehen werden, nämlich ein Abtastfenster für den Laser und ein Detektionsfenster für den Empfänger.
Mit einer Kombination aus dem erfindungsgemäßen Sichtfenster und der erfindungsgemäßen Reflexions-Isolationsschicht ist es möglich, einen Transmissionsgrad von mindestens 22,5 % zu erreichen. Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn für die Isolationsschicht ein sogenanntes Silica Aerogel zum Einsatz kommt.
Zur aktiven, d. h. steuerbaren bzw. regelbaren Unterstützung des Abschirmungsprozesses der Sensoreinheit ist die Thermotransferanordnung erfindungsgemäß zumindest mit einem ersten Aktivtransferelement zum aktiven Transfer thermischer Energie aus dem Betriebsbereich in einen Übergabebereich ausgestattet. Die Leistung bzw. Kühlleistung dieses Aktivtransferelements ist dabei auf das Abschirmvermögen der Abschirmung abgestimmt. Das Aktivtransferelement ist der Abschirmung nachgelagert und transferiert jene thermische Energie aus dem Betriebsbereich in den Übergabebereich, die von der Abschirmung nicht abgehalten werden kann.
Die Transferleistung des ersten Aktivtransferelements kann unter anderem auch dadurch verbessert werden, indem erfindungsgemäße Übergabemittel vorgesehen werden, die eine Vergrößerung der thermischen Übergabefläche zum Ziel haben.
Hierzu weisen diese Übergabemittel zum Beispiel ein Transferrippenelement auf, mit dem eine vergrößerte thermische Übergabefläche erzeugbar ist. Effektiv genutzt werden kann diese vergrößerte Fläche insbesondere dann, wenn diese nicht nur selektiv, sondern großflächig mit der Wärmeträger Luft aus dem Betriebsbereich in Kontakt tritt. Die Übergabemittel können daher erfindungsgemäß nicht nur ein Transferrippenelement beinhalten, sondern gleichsam zumindest eine Verteilerlüftereinheit, die am Transferrippenelement eine aufgezwungene Konvektion bewirken. Selbstverständlich sind auch Konstellationen denkbar, in denen entweder nur das Transferrippenelement oder nur die Verteilerlüftereinheit zum Einsatz kommen.
Weiter ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Transferanordnung im Übergabebereich mit passiven Aufnahmeabfuhrmitteln zur Aufnahme und/oder zur Abfuhr der vom ersten Aktivtransferelement transferierten thermischen Energie ausgestattet wird. Diese Aufnahmeabfuhrmittel sind in der Regel derart ausgebildet, dass sie in etwa genauso viel thermische Energie aufnehmen können, wie durch das erste Aktivtransferelement in den Übergabebereich transferiert wird. Zur Erfüllung ihrer Aufgaben können die Aufnahmeabfuhrmittel zum Beispiel mit Kühlkörpermittel ausgestattet sein, die eine definierte Wärmekapazität und gegebenenfalls auch eine definierte passive thermische Transfer- bzw. Kühlleistung aufweisen.
Mit Blick auf eine weitere, verbesserte aktive thermische Abschirmung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. der Sensoreinheit, sieht eine vorteilhafte erfindungsgemäße Weiterbildung vor, die Vorrichtung zumindest mit einem zweiten Aktivtransferelement zum aktiven Transfer von thermischer Energie aus dem Übergabebereich und/oder weg vom Aufnahmeabfuhrmittel zu versehen. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass die Aufnahmeabfuhrmittel kompakter und damit geringer dimensioniert ausgestaltet werden können und zudem die Abfuhr an thermischer Energie effektiver und aufgrund der Steuerbarkeit bzw. Regelbarkeit des zweiten Aktivtransferelements gezielter erfolgen kann.
Wie bereits oben angegeben, ist es ein erfindungsgemäßes Ziel, einen im Wesentlichen einheitlichen thermischen Fluss vom Betriebsbereich zum Übergabebereich und aus dem Übergabebereich heraus, d. h. von der Vorrichtung weg zu erreichen. Unter anderem zu diesem Zweck ist erfindungsgemäß vorteilhaft vorgesehen, dass die Aufnahmeabfuhrmittel eine definierte Wärmekapazität und eine definierte passive Kühlleistung der Art aufweisen, dass die vom ersten Aktivtransferelement in einem Messzyklus auf die Aufnahmeabfuhrmittel transferierte thermische Energie vom Aufnahmeabfuhrmittel aufnehmbar ist.
Komplementär hierzu sieht die Erfindung vorteilhafterweise auch vor, dass das zweite Aktivtransferelement derart ausgebildet ist, dass nach Abschluss des Messzyklus in einem Kühlzyklus die vom ersten Aktivtransferelement auf die Aufnahmeabfuhrmittel transferierte thermische Energie durch das zweite Aktivtransferelement vom Aufnahmeabfuhrmittel weg abführbar ist.
Eine derartige Abstimmung zwischen den Messzyklen bietet den Vorteil, dass das zweite Aktivtransferelement und die Aufnahmeabfuhrmittel derart aufeinander abgestimmt werden können, dass der Kühlzyklus in seiner zeitlichen Spanne dem des Messzyklus entspricht, was insbesondere in der praktischen Umsetzung zu einer Vereinfachung des Messprozesses führt.
Erfindungsgemäß entspricht dabei der Messzyklus einem Erfassen des Objekts durch ein Durchführen optischer Einzelmessungen mit der Sensoreinheit. Wobei ein Messzyklus einer Zeitspanne der Durchführung von bis zu 6-8 Einzelmessungen entspricht. Abhängig von der Messgenauigkeit und/oder der Komplexität des zu erfassenden bzw. messenden Objekts können auch weniger oder vielleicht sogar mehr Einzelmessungen erforderlich sein.
Darüber hinaus hat es sich erfindungsgemäß als vorteilhaft erwiesen, wenn die Messzyklen, d. h. der Messzyklus und der Kühlzyklus, in separaten erfindungsgemäßen Stationen stattfinden, nämlich in einer Messstation und einer Kühlstation, welche örtlich voneinander getrennt liegen.
Hierbei bietet es sich an, das zweite Aktivtransferelement in der Kühlstation anzuordnen, d. h. die sonstigen Abschirmmittel für die Sensoreinheit örtlich unabhängig vom zweiten Aktivtransferelement zu machen. Dies ist vor allem deswegen höchst vorteilhaft, da das vor allem von außen auf insbesondere die Aufnahmeabfuhrmittel wirkende zweite Aktivtransferelement unter bestimmten Umständen in seiner Wirkung nicht auf die Umhausung beschränkt werden kann, sondern gleichfalls auch auf das zu vermessende Objekt kühlend und damit geometrie- und gefügeverändernd einwirkt, wodurch die geometrischen Mess- bzw. Erfassungswerte negativ beeinflusst werden können.
Letzteres kann insbesondere dann von Vorteil sein, wenn, wie nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform vorgesehen, das zweite Aktivtransferelement zumindest ein Lüftermodul umfasst, welches die thermische Konvektion mit Bezug auf das Aufnahmeabfuhrmittel oder, soweit vorgesehen, vor allem bezüglich der Kühlkörpermittel in erheblichem Umfang durch das Erzeugen einer aufgezwungenen Konvektion erheblich erhöhen kann, wodurch eine effektive bzw. optimierte Kühlung der Aufnahmeabfuhrmittel bzw. der Kühlkörpermittel erzielbar ist.
Ein Nebeneffekt davon kann allerdings sein, dass der durch das Lüftermodul erzeugte Luftstrom nicht nur die Kühlkörpermittel trifft, sondern gleichfalls auch das zu vermessende Objekt, wodurch dieses, wie bereits ausgeführt, thermisch beeinflusst wird.
Die Trennung zwischen Messstation und Kühlstation bietet insoweit den Vorteil, dass eine etwaige ungewollte thermische Beeinflussung des Messobjekts verhindert wird. Bei heißen Objekten kann es nämlich durch die nicht beabsichtigte Kühlung zu einer Zunderbildung oder zu gleichfalls messverfälschenden mechanischen Verspannungen im Messobjekt kommen.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Vorrichtung mit Thermomessmittel auszustatten. Die Thermomessmittel dienen zum Erheben bzw. Bestimmen thermischer Daten und Werten, die für den thermisch sicheren Betrieb der Vorrichtung und zur Einhaltung des thermischen Betriebsfensters erforderlich sind. Hierzu kommen beispielsweise Temperatursensoren zum Einsatz. Als wichtige Überwachungsbereiche für die Thermomessmittel können insbesondere der Betriebsbereich der Sensoreinheit als auch der Übergabebereich und/oder das Kühlkörpermittel genannt werden.
Auf die von den Thermomessmitteln erhobenen Daten und Werte greift erfindungsgemäß eine Steuereinheit zurück. Die Steuereinheit wertet die Daten aus und verwendet die daraus ermittelten Informationen zum Steuern des thermischen Energietransfers durch das erste und/oder das zweite Thermotransferelement. Hierbei sei betont, dass wenn vorliegend im Rahmen der Erfindung von Steuern die Rede ist, auch gleichfalls ein Regeln mit umfasst ist. Die Priorität der Steuereinheit liegt zum einen darin, jegliche Art von thermischer Überlastung der Vorrichtung zu verhindern und gleichfalls und in erster Linie das optische Erfassen des Objekts durch die Sensoreinheit innerhalb des thermischen Betriebsfensters zu ermöglichen. Hierbei werden insbesondere Temperaturmesswerte im Betriebsbereich der Sensoreinheit als auch solche im Übergabebereich und/oder am Aufnahmeabfuhrmittel berücksichtigt. Daneben ist die Steuereinheit auch darauf ausgerichtet, eine betriebssichere Funktion der Vorrichtung zu gewährleisten, indem zum Beispiel die Regelung darauf gerichtet wird, dass solche Gegenstände der Vorrichtung, die einer Betriebsperson zugänglich sind, keine Temperaturen annehmen, die eine solche Person, wenn sie in Kontakt mit der Vorrichtung käme, schaden kann. So wird beispielsweise als Teile der Regelungsstrategie nach der Erfindung sichergestellt, dass die Temperatur im Übergabebereich und/oder am Aufnahmeabfuhrmittel vorteilhafterweise einen Wert von 60 °C nicht überschreitet.
Eine höchst vorteilhafte Weiterentwicklung ist erfindungsgemäß insbesondere auch darin zu sehen, dass im Rahmen der Vorrichtung ein Messmittelkörper ausgebildet werden kann, bei dem die Abschirmung eine die Sensoreinheit umschließende Schutzumhausung ausbildet. Die Schutzumhausung beinhaltet dabei selbstredend auch die bereits beschriebenen Sichtfenster und Eigenschaften.
Ist die Abschirmung in Form einer Schutzumhausung weitergebildet, so kann die Vorrichtung besonders kompakt ausgeführt werden. Die Vorrichtung gewinnt hierdurch an Flexibilität und die Sensoreinheit an Mobilität, da der Messmittelkörper insbesondere dann, aber nicht nur dann, wenn er unabhängig vom zweiten Aktivtransferelement ausgestaltet ist, mobil und sehr flexibel frei positionierbar ist.
In Ausgestaltung des Messmittelkörpers kann vorteilhaft vorgesehen werden, den Übergabebereich und/oder die Aufnahmeabfuhrmittel außenseitig der Schutzumhausung und die Übergabemittel innenseitig der Schutzumhausung anzuordnen, wobei das erste Aktivtransferelement in einer Thermobrückenaussparung der Schutzumhausung zwischen dem Übergabebereich und/oder die Aufnahmeabfuhrmittel und dem Übergabemittel vorgesehen ist. Auf diese Weise kann das erste Aktivtransferelement, wie auch sonst, in einen thermischen Übergabekontakt mit zum Beispiel den Aufnahmeabfuhrmitteln und den Übergabemittel treten. Hierzu können zum Beispiel auch Wärmeleitpasten oder ähnliche bzw. vergleichbare Wärmeleitmittel zwischen den einzelnen Elementen zum Einsatz kommen. Ferner dient diese Anordnung auch dem Ziel der Kompaktheit des Messmittelkörpers.
Die Schutzumhausung umfasst dabei neben der Reflexionsschicht und einer Isolationsschicht (passive Abschirmung) auch eine Tragstruktur, die die Isolationsschicht mit der Reflexionsschicht in Sandwichbauweise einnimmt. Die Tragstruktur besteht dabei vorzugsweise aus einem leichten und gut leitfähigen Material, wie zum Beispiel Aluminium. Die Reflexionsschicht kann zum Beispiel aus einem thermisch strahlungsreflektierenden Blech bzw. Schutzblech hergestellt werden, welches zusätzlich zur thermischen Abschirmung den Messmittelkörper gegen äußere mechanische Einwirkungen schützen kann.
Aufgrund der unter anderem durch die Schutzumhausung und die gezielte Anordnung der thermischen Schutzelemente an der Schutzumhausung gewonnenen Mobilität und Kompaktheit des Messmittelkörpers besteht höchst vorteilhaft die Möglichkeit, den Messmittelkörper bzw. die Schutzumhausung mit einer Schnittstelle derart zu versehen, dass der Messmittelkörper an einen Handhabungsarm einer Handhabungseinrichtung angeflanscht werden kann.
Mit dem Handhabungsarm der Handhabungseinrichtung besteht dann auch vorteilhafterweise die Möglichkeit, den Messmittelkörper und damit die Sensoreinheit auf einfache Art und Weise von der Messstation zur Kühlstation und umgekehrt zu transportieren.
Ferner bietet es den Vorteil, dass der Messmittelkörper zusammen mit der Sensoreinheit innerhalb des Messraums gegenüber dem Objekt nahezu beliebig und insbesondere gezielt den Objekterfassungserfordernissen nach positionierbar ist. Die Aufnahmeabfuhrmittel können dabei im oben beschriebenen Sinne zum Beispiel in Form eines Kühlkörpermittels so ausgebildet sein, dass deren Wärmekapazität mit oder ohne passive Kühlleistung dazu ausreicht, die auf die Aufnahmeabfuhrmittel durch das erste Aktivtransferelement transferierte thermische Energie für den Zeitraum eines Messzyklus aufzunehmen bzw. zumindest teilweise zu speichern, so dass es einerseits nicht zu einer unzulässigen Erhitzung der Aufnahmeabfuhrmittel kommt und es andererseits im Messzyklus keines, womöglich störenden Einsatzes eines zweiten Aktivtransferelements bedarf. Darüber hinaus gewinnt der Messmittelkörper, wie bereits ausgeführt, ohne ein zweites Aktivtransferelement an Kompaktheit und damit Einfachheit in der Handhabung.
Bei der erfindungsgemäßen Schnittstelle kann es sich um eine elektromechanische Schnittstelle handeln, welche den Einsatz eines Roboters als Handhabungseinrichtung mit seinem Roboterarm als Handhabungsarm ermöglicht. Der Vorteil eines Roboters liegt unter anderem darin, dass er seinen Roboterarm mit hoher Positionierungspräzision steuern kann, was die Messgenauigkeit der Vorrichtung erhöht.
Bei einer besonders bevorzugten Weiterbildung umfasst das erste Aktivtransferelement zumindest ein Peltierelement. Peltierelemente haben sich im Rahmen der Erfindung als besonders gut geeignet herausgestellt, wobei natürlich auch andere Aktivtransferelement denkbar sind, die zum Beispiel wärmetauscherbasiert sind oder gegebenenfalls auf den Einsatz eines Latentwärmespeichers beruhen. Peltierelemente haben den Vorteil, dass sie leicht ansteuerbar sind, kompakt gebaut sind und zudem eine hohe Transfer- bzw. Kühlleistung aufweisen, die bis über 200 W erreichen kann, wobei vorliegend vorzugsweise zwei Peltierelemente mit jeweils einer Leistung von 30 W ausreichen können.
Letzteres und auch mit Bezug auf die sonstigen oben angegebenen thermischen Vorgaben insbesondere dann, wenn die Temperatur des Messobjekts um die 900 °C oder kleiner ist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann allerdings auf unterschiedlichste Temperaturwerte bzw. Eigentemperaturen der Messeobjekte ausgebildet und eingerichtet werden. Dies umfasst zum Beispiel Eigentemperatur von größer gleich 300 Grad Celsius oder von größer gleich 600 Grad Celsius oder von größer gleich 800 Grad Celsius oder größer gleich 900 Grad Celsius oder größer gleich 1000 Grad Celsius oder größer gleich 1100 Grad Celsius oder größer gleich 1200 Grad Celsius oder auch Eigentemperatur von kleiner gleich 1300 Grad Celsius oder von kleiner gleich 1200 Grad Celsius oder von kleiner gleich 1100 Grad Celsius oder von kleiner gleich 1000 Grad Celsius optische oder von kleiner gleich 900 Grad Celsius oder von kleiner gleich 800 Grad Celsius oder von kleiner gleich 600 Grad Celsius.
Ferner ist ein weiterer vorteilhafter erfindungsgemäßer Aspekt auch in einem Verfahren zum optischen Erfassen von Objekten hoher Eigentemperatur auf Grundlage definierter Erfassungserfordernisse in einer wie oben beschriebenen Vorrichtung zu sehen, welche folgende Schritte aufweist:

a. Bereitstellen des zu erfassenden Objekts in einer Messstation
b. Positionieren der Sensoreinheit mit dem Messmittelkörper relativ zum Objekt in einem Betriebsbereich eines Messraums der Messstation
c. Erfassen des Objekts durch die Sensoreinheit innerhalb eines definierten thermischen Betriebsfensters der Sensoreinheit
d. Verbringen des Messmittelkörpers von der Messstation in die Kühlstation
e. Abfuhr von thermischer Energie aus dem Aufnahmeabfuhrmittel durch das zweite Aktivtransferelement.

Weitere Merkmale, Vorteile, Wirkungen und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der gegebenenfalls unter Bezug auf eine oder mehrere Zeichnungen zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale bilden für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Dabei zeigen schematisch:

1 eine perspektivische Innenansicht des erfindungsgemäßen Messmittelkörpers;
2 eine zentrale Längsschnittansicht des erfindungsgemäßen Messmittelkörpers;
3 eine schematische Darstellung der Verwendung des erfindungsgemäßen Messmittelkörpers.

Aus 1 ist ein erfindungsgemäßer Messmittelkörper 2 zu entnehmen, wobei die 1 einen seitlich aufgeschnittenen Messmittelkörper 2 zeigt, so dass das Inneren des Messmittelkörpers 2 bzw. die wesentlichen Teile bzw. Elemente des Messmittelkörpers 2 erkennbar sind.
Der Messmittelkörper 2 umfasst folgende Teile bzw. Elemente: eine Abschirmung bzw. Schutzumhausung 3, wobei die Schutzumhausung 3 eine Reflexionsschicht 9 aus Metallblech, eine Isolationsschicht 10 aus Silca Aerogel, eine Tragstruktur 5 aus Aluminium und zwei Sichtfenster 11-1, 11-2 umfasst, wobei die Sichtfenster 11 einen Reflexionsfilter beinhalten, welcher thermische Strahlung reflektiert und Strahlung insbesondere im Bereich der Wellenlänge(n) bzw. Abtastwellenlänge(n) der Sensoreinheit 7 passieren lässt, wobei vorzugsweise der Reflexionsfilter 11 derart ausgebildet ist, dass er seine höchste Strahlungstransmissivität im Bereich zwischen 350 und 700 nm hat. Bei den Sichtfenstern 11 handelt es sich um das Abtastfenster 11-1 und das Detektionsfenster 11-2.
Die Sensoreinheit 7 umfasst eine Sendeeinheit 7-1 und eine Empfangseinheit 7-2. Die Sendeeinheit 7-1 emittiert eine Laserlichtebene 23, die auf ein nicht dargestelltes Objekt trifft und von diesem in die Ausfallstrahlung 24 reflektiert wird, welche von der Empfangseinheit 7-2 empfangen wird. Vermittels einer nicht dargestellten Steuereinheit, die auch in der Sensoreinheit 7 integriert sein kann, wird dann auf Grundlage der Positionsdaten der Sensoreinheit 7-1 relativ zum Messobjekt und den Reflexionsabweichungen der Ausfallstrahlung 24 über das Triangulationsverfahren die Oberflächenstruktur des Messobjekts und/oder nur gewisse Strukturabweichungen im oder am Messobjekt bestimmt. Die Sensoreinheit 7 ist strukturell in der Schutzumhausung 3 unterseitig an der Tragstruktur 5 mit geeigneten Befestigungsmitteln, die gegebenenfalls auch vibrationsminimierend wirken können, befestigt.
Zur Betriebsüberwachung der Sensoreinheit 7 sind in der Schutzumhausung 3 Thermomessmittel 8 vorgesehen. Die Thermomessmittel 8 umfassen Temperatursensoren 8-1, 8-2, 8-3 und 8-4. Der Temperatursensor 8-1 ist an der Tragstruktur 5 der Schutzumhausung 3 angeordnet, und zwar unterhalb der Sendeinheit 7-1. Die Temperatursensoren 8-2 und 8-3 sind an der Sensoreinheit 7 angebracht. Sie geben insbesondere Informationen darüber, welche Temperatur an der Sensoreinheit 7 bzw. im Betriebsbereich der Sensoreinheit 7 herrscht. Diese Information nutzt eine nicht dargestellte Steuereinheit dazu sicherzustellen, dass das Betriebsfenster der Sensoreinheit 7 eingehalten wird und im Zweifelsfall auch dazu, dass die maximale Betriebstemperatur der Sensoreinheit 7 nicht überschritten wird. Ferner umfasst der erfindungsgemäßen Messmittelkörper 2 einen weiteren aus 1 nicht zu erkennenden Temperatursensoren 8-4, der zwischen zwei Aktivtransferelementen 13-1 und 13-2 angeordnet ist. Dieser Temperatursensoren 8-4 überwacht den thermischen Übertrag durch die Aktivtransferelemente 13-1 und 13-2 auf die Aufnahmeabfuhrmittel 17, die nach der Ausführungsform gemäß 1 in Form eines Kühlkörpers 17, der Kühlrippen aufweist, ausgebildet ist.
Die Aktivtransferelemente 13 umfassen jeweils ein sogenanntes Peltierelement 13, die in zwei in der Schutzumhausung 3 vorgesehenen und die Schutzumhausung 3 dort durchbrechende Thermobrückenaussparungen 4-1 und 4-2 untergebracht sind. Die Thermobrückenaussparungen 4-1 und 4-2 mit den Peltierelementen 13 bilden eine thermische Transferbrücke zwischen dem Innenraum der Schutzumhausung 3 und dem Kühlkörper 17, welcher eine definierte Wärmekapazität zur Aufnahme von Wärme als auch eine definierte Wärmeübergangsleistung bzw. Kühlleistung beinhaltet. Dabei transferieren die Peltierelemente 13-1, 13-2 thermische Energie aus dem Innenraum der Schutzumhausung 3 auf den Kühlkörper 17, wobei zur Erleichterung des thermischen Übergangs von den Peltierelementen 13-1, 13-2 auf den Kühlkörper 17 in deren Kontaktbereich eine Wärmeleitpaste vorgesehen sein kann.
Darüber hinaus ist zur weiteren Verbesserung des thermischen Transfers aus dem Innenraum der Schutzumhausung 3 vorliegend oberhalb der Sensoreinheit 7 als Teil der Tragstruktur 5 ein Transferrippenelement 15 vorgesehen. Die Transferrippen des Transferrippenelements 15, die den Figuren nicht sichtbar zu entnehmen sind, dienen der Oberflächenvergrößerung und damit einem verbesserten thermischen Luft-Festkörper-Übergang. Das Transferrippenelement 15 ist Teil von erfindungsgemäßen Übergabemitteln 14 im Übergabebereich 14, welche zudem eine Verteilerlüftereinheit 16 umfasst, die vorliegend zwei Lüftereinheiten 16-1 und 16-2 aufweist, die mit Bezug auf das Transferrippenelement 15 und der zum Transferrippenelement 15 aufsteigenden und erwärmten Luft eine bessere thermischen Luftverteilung und insoweit auch eine erzwungene Konvektion bewirkt, wodurch ein verbesserter Wärmeübergang auf das Transferrippenelement 15 und in der Folge auf die Peltierelemente 13-1, 13-2 gewährleistet wird. Dabei steht das Transferrippenelement 15 im thermisch leitenden Kontakt mit der dem Innenraum der Schutzumhausung 3 zugewandten Kühlseite der Peltierelemente 13-1 und 13-2. Die Peltierelemente 13-1, 13-2 liegen insoweit quasi im Sandwich zwischen der Unterseite des Kühlkörpers 17 und der Oberseite der Tragstruktur 5, die an dieser Stelle Teile des Übergabebereichs 14 ist und bei der zur Innenseite der Schutzumhausung 3 hin das Transferrippenelement 15 angeordnet ist bzw. vorgesehen sein kann.
Aus 1 ist ferner ein Flanschzylinder 19 zu entnehmen, der mit der Schutzumhausung 3 in Verbindung steht. Der Flanschzylinder 19 dient zum einen zur Führung verschiedener Kabelleitungen, zum Beispiel der Kabelverbindungen 25 zur und von der Sensoreinheit 7, als auch zum Anflanschen des Messmittelkörpers 2 an einem Roboterarm. Hierzu weist der Flanschzylinder 19 einen Flanschanschluss 20 auf. Darüber hinaus sind am Flanschzylinder 19 diverse Stecker und Steckverbindungen vorgesehen bzw. können dort vorgesehen werden. Dies sind zum Beispiel ein Leistungsstecker 21 oder Kabelführungen 22 für die Sensoreinheit 7. Hinzutreten noch ein Halter 26. Der erfindungsgemäße Flanschzylinder 19 ist in seiner Ausführung einfach auf individuelle oder standardisierte elektromechanische Flanschschnittstellen anpassbar.
2 zeigt eine zentrale Längsschnittansicht des erfindungsgemäßen Messmittelkörpers 2. Aus dieser Darstellung wird in Ergänzung zu 1 insbesondere die Lage des unterhalb des Kühlkörpers 17 in einer Nische zwischen den Peltierelementen 13-1, 13-2 angeordnete Temperatursensoren 8-4 deutlicher.
Ferner erläutert 2 den grundsätzlichen strukturellen Aufbau der Schutzumhausung 3 noch weiter. Man erkennt deutlich den für die vorliegende Ausführungsform typischen Schichtaufbau, welcher von innen nach außen die Tragstruktur 5 aus Aluminium sowie die Isolationsschicht 10 und die Reflexionsschicht 9 umfasst. Alle drei Schichten werden dort durchbrochen, wo die Sichtfenster 11 in der Schutzumhausung 3 angeordnet bzw. eingebracht sind. Hierbei ist auch beim Einlassen der Sichtfenster zu beachten, dass diese lateral zur Schutzumhausung 3 hinreichend thermisch abgedichtet werden, so dass insbesondere an dieser Stelle keine Wärmebrücke entsteht.
Im Unterschied zu den Sichtfensteraussparungen 11-1 und 11-2 wird bei den Thermobrückenaussparungen 4-1, 4-2 nur die Isolationsschicht 10 und die Reflexionsschicht 9 ausgespart, so dass es zu der bereits beschriebenen Sandwichposition der Peltierelemente 13-1, 13-2 zwischen der Tragstruktur 5 und der Unterseite des Kühlkörpers 17 bzw. der Aufnahmeabfuhrmittel 17 kommt.
Des Weiteren wird mit Bezug auf die 2 auf die Beschreibung zu 1 verwiesen.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Verwendung des erfindungsgemäßen Messmittelkörpers 2 im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1.
Hierzu kann aus 3 eine Messstation 31 und ein Messraum 29 entnommen werden. Der Messraum 29 umfasst einen relativ zum Objekt liegenden Messbereichsanfang und ein dazu gehöriges Messbereichsende. Der Messbereichsanfang kann dabei abhängig vom Sensoreinheitentyp zwischen 40 mm und 1000 mm variieren. Für das Messbereichsende gilt eine Spanne von 60 mm bis 2000 mm. Die bei der vorliegenden Ausführungsform bevorzugte Positionierung der Sensoreinheit 7 liegt bei 200 mm. Die 200 mm geben insoweit den vordefinierten Betriebsbereich der Sensoreinheit 7 nach der Ausführungsform von 3 an.
Daneben zeigt 3 eine Kühlstation 32 und einen Kühlbereich 33. Im Kühlbereich 33 kann der Messmittelkörper 2 relativ zu einem zweiten dort angeordneten Aktivtransferelement, welches vorliegend als Lüftermodul 18 ausgebildet ist, positioniert werden. Dabei zielt der Einsatz des Lüftermoduls 18 insbesondere darauf ab, die Konvektion mit Bezug auf den Kühlkörper 17 des Messmittelkörpers 2 zu verbessern bzw. zu beschleunigen. Die Ventilation des Lüftermoduls 18 gegenüber dem Kühlkörper 17 im Küchenbereich 33 bewirkt eine verstärkte Zwangsabkühlung des Kühlkörpers 17. Der Vorteil einer solchen stationären Zwangsabkühlung innerhalb einer Kühlstation 32 im Vergleich zu einer mitgeführten Kühlung ist zum einen insbesondere darin zu sehen, dass durch diese Trennung ein kompakter Messmittelkörper 2 ausgebildet werden kann, der sehr flexibel und mobil positionierbar ist, zum anderen wird die Zwangskühlung bzw. Ventilation durch das Lüftermodul 18 vom Messvorgang entkoppelt, wodurch eine mögliche thermische Beeinflussung (Abkühlung) des Werkstücks durch den vom Lüftermodul 18 erzeugten Luftstrom verhindert oder zumindest vorgebeugt wird. Dies verhindert wiederum, dass es aufgrund der ungewollten Abkühlung während des Messevorgangs zu einer Zunderbildung oder inhomogen Abkühlung am Messobjekt kommt, wodurch wiederum inhomogene Gefügeumwandlungen auftreten können oder eine mechanische Wärmespannungsbildung entsteht.
Die Zwangskühlung des Kühlkörpers 17 kann bei einer Trennung des Lüftermoduls 18 vom Messmittelkörper 2 sozusagen in den „Pausenzeiten“ zwischen den Messungen am heißen Objekt bzw. Werkstück 34 erfolgen.
Die auf diese Weise gewonnene Kompaktheit des Messmittelkörpers 2 ist eine Folge einer optimalen Abstimmung zwischen Abschirmung/Schutzumhausung 3, Peltierelementen/Übergabemitteln 13 und Kühlkörper 17, mit denen zum Beispiel nach einer Ausführungsform bei Objekten mit einer Temperatur von 900 °C ein Transmissionsgrad von 22,5 % erzielbar ist und gleichsam durch ein Vorsehen von Peltierelementen 13 mit einer Summenkühlleistung von 60 W und einer geeigneten Wärmekapazität des Kühlkörpers 17 eine Messung von ca. 30-60 Sekunden ohne zusätzliche Kühlung im Messzyklus durch das Lüftermodul 18 durchführbar ist und zusammen mit dem Lüftermodul 18 eine Gesamtkühlleistung von 40 W erzielbar ist, wobei vorzugsweise die Kühlrippen-Anströmgeschwindigkeit des Lüftermoduls 18 bezüglich des Kühlkörpers 17 bei größer 5 m/s liegt.
Die Steuerung bzw. Regelung der Peltierelemente 13 erfolgt hierbei anhand der Temperatursensorinformationen bezogen auf ein thermisches Betriebsfenster im Bereich ΔT zwischen ±0,5 Grad Celsius, und zwar relativ zu und in Bezug auf eine definierte, zulässige Betriebstemperatur der Sensoreinheit 7. Dabei ist es vielfach ausreichend, wenn zur Regelung ein Zweipunktregler bzw. eine Zweipunktregelung zum Einsatz kommt.
Nimmt man an, dass der Gesamtzyklus im Wesentlichen durch die Mess- und Kühlzykluszeit repräsentiert wird, so ist die Vorrichtung 1 vorzugsweise darauf ausgelegt, dass der Mess- und Kühlzyklus jeweils 50 % des Gesamtzyklus ausmachen.
Wie aus 3 auch zu entnehmen ist, betrifft diese Ausführungsform der Vorrichtung 1 auch eine Handhabungseinrichtung 27, welche mit ihrem Handhabungsarm 28 innerhalb der Vorrichtung 1 den Messmittelkörper 2 von der Messstation 31 zur Kühlstation 32 verbringen kann. Bei der Handhabungseinrichtung 27 handelt es sich vorzugsweise um einen Roboter 27, der mit seinem Roboterarm 28 den Messmittelkörper 2 bzw. die Sensoreinheit 7 mit hoher Präzision relativ zum Messobjekt 34 innerhalb des Messraums 29 abhängig von den Erfassungserfordernissen frei positionieren kann, wodurch ein Höchstmaß an Erfassungsflexibilität im Rahmen der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich ist. Die Möglichkeit, innerhalb der Vorrichtung 1 den Messmittelkörper 2 höchst einfach umpositionieren zu können, ist wiederum der Tatsache geschuldet, dass durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen ein sehr kompakter Messmittelkörper 2 geschaffen werden kann, der auf einfache Art und Weise an einem Roboterarm 28 anflanschbar ist und vermittels dessen in beliebiger Weise und damit anforderungsflexibel einsetzbar ist.
Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.
Für die gesamte Beschreibung und die Ansprüche gilt, dass der Ausdruck „ein“ als unbestimmter Artikel benutzt wird und die Anzahl von Teilen nicht auf ein einziges beschränkt. Sollte „ein“ die Bedeutung von „nur ein“ haben, so ist dies für den Fachmann aus dem Kontext zu verstehen oder wird durch die Verwendung geeigneter Ausdrücke wie zum Beispiel „ein einziger“ eineindeutig offenbart.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zum optisch Erfassen von Objekten
2: Messmittelkörper
3: Abschirmung, Schutzumhausung
4: Thermobrückenaussparung
4-1: Thermobrückenaussparung
4-2: Thermobrückenaussparung
5: Tragstruktur
6: Schnittstelle, elektromechanische Schnittstelle
7: Sensoreinheit
7-1: Sendeeinheit
7-2: Empfangseinheit
8: Thermomessmittel
8-1 bis 8-4: Temperatursensoren
9: Reflexionsschicht
10: Isolationsschicht
11: Sichtfenster, Reflexionsfilter
11-1: Abtastfenster
11-2: Detektionsfenster
13: erstes Aktivtransferelemente, Peltierelement
13-1: Peltierelement
13-2: Peltierelement
14: Übergabebereich, Übergabemittel
15: Transferrippenelement
16: Verteilerlüftereinheit, Lüftereinheiten
16-1: Lüftereinheit
16-2: Lüftereinheit
17: passive Aufnahme-Abfuhr-Mittel, Kühlkörper
18: zweites Aktivtransferelement, Lüftermodul
19: Flanschzylinder
20: Flanschanschluss
21: Leistungsstecker
22: Kabelführung
23: Laserlichtebene
24: Laserlichtreflexion, Ausfallstrahlung
25: Kabelverbindungen
26: Halter
27: Handhabungseinrichtung, Roboter
28: Handhabungsarm
29: Messraum
31: Messstation
32: Kühlstation
33: Kühlbereich
34: Messobjekt

Claims

Vorrichtung zum optisch Erfassen von Objekten hoher Eigentemperatur auf Grundlage definierter Erfassungserfordernisse, insbesondere von Objekten mit einer Temperatur von größer 300 Grad Celsius, umfassend eine Sensoreinheit (7) zum optischen Erfassen des Objekts (34) in einem definierten und von dem Objekt (34) thermisch belasteten Messraum (29), wobei die Sensoreinheit (7) zumindest ein definiertes thermisches Betriebsfenster zum Erzielen der Erfassungserfordernisse aufweist; eine Abschirmung (3) mit definiertem thermischen Transmissionsgrad zum passiven thermischen Abschirmen der Sensoreinheit (7) aufweist; eine Thermotransferanordnung (12) zum aktiven Transfer von thermischer Energie weg von der Sensoreinheit (7) umfasst, wobei die Thermotransferanordnung (12) und die Abschirmung (3) derart aufeinander und in Bezug auf die Sensoreinheit (7) ausgebildet und eingerichtet sind, dass die Sensoreinheit (7) relativ zum Objekt (34) in dem Messraum (29) in einem Betriebsbereich so positionierbar ist, dass das optische Erfassen des Objekts (34) durch die Sensoreinheit (7) innerhalb des thermischen Betriebsfensters erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das optische Erfassen ein optisches Messen von geometrischen Werten des Objekts (34) beinhaltet und die Erfassungserfordernisse eine definierte mittlere Messwertstreuung s der geometrischen Messwerte beinhalten, wonach das thermische Betriebsfenster für die geometrische Messwertstreuung s anhand technischer Betriebsdaten der Sensoreinheit (7) bestimmbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2 wobei die mittlere Messwertstreuung einen Wert von s ≤ 0,030 mm aufweist und das thermische Betriebsfenster im Bereich ΔT zwischen ±0,5 Grad Celsius liegt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abschirmung (3) eine Reflexionsschicht (9) und eine Isolationsschicht (10) zum thermischen Abschirmen des Betriebsbereichs umfasst.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abschirmung (3) zumindest ein Sichtfenster (11) mit einem thermischen Reflexionsfilter (11) beinhaltet,
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Sichtfenster (11) ein Abtastfenster (11-1) und ein Detektionsfenster (11-2) beinhalten.
Vorrichtung nach ..., wobei die Abschirmung (3) einen thermischen Transmissionsgrad von bis zu 22,5% beträgt.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Thermotransferanordnung zumindest ein erstes Aktivtransferelement (13-1) zum aktiven Transfer thermischer Energie aus dem Betriebsbereich in einen Übergabebereich (14) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Thermotransferanordnung im Übergabebereich (14) passive Aufnahme-Abfuhr-Mittel (17) zur Aufnahme und/oder zur Abfuhr der vom ersten Aktivtransferelement (13-1) transferierten thermischen Energie aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Aufnahme-Abfuhr-Mittel (17) Kühlkörpermittel (17) mit einer definierten Wärmekapazität und/oder einer passiven Kühlleistung umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 9 und/oder 10 wobei die Aufnahme-Abfuhr-Mittel (17) eine definierte Wärmekapazität und eine definierte passive Kühlleistung derart aufweisen, dass die vom ersten Aktivtransferelement (13-1) in einem Messzyklus auf die Aufnahme-Abfuhr-Mittel (17) transferierte thermische Energie vom Aufnahme-Abfuhr-Mittel (17) aufnehmbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Thermotransferanordnung Mittel zur Übergabe der thermischen Energie aus dem Betriebsbereich an das erste Aktivtransferelement (13-1) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei die Übergabemittel ein Transferrippenelement (15) und/oder zumindest eine Verteilerlüftereinheit (16) umfasst.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Thermotransferanordnung zumindest ein zweites Aktivtransferelement (18) zum aktiven Transfer von thermischer Energie aus dem Übergabebereich und/oder weg vom Aufnahme-Abfuhr-Mittel (17) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das zweite Aktivtransferelement (18) derart ausgebildet ist, dass nach Abschluss des Messzyklus in einem Kühlzyklus die vom ersten Aktivtransferelement (13-1) auf die Aufnahme-Abfuhr-Mittel (17) transferierte thermische Energie durch das zweite Aktivtransferelement (13-2) vom Aufnahme-Abfuhr-Mittel (17) weg abführbar ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 15, wobei das zweite Aktivtransferelement (18) und die Aufnahme-Abfuhr-Mittel (17) derart aufeinander abgestimmt sind, dass der Kühlzyklus in seiner zeitlichen Spanne dem des Messzyklus entspricht.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 16, wobei der Messzyklus einem Erfassen des Objekts (34) durch ein Durchführen optischer Einzelmessungen mit der Sensoreinheit (7) entspricht.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 16, wobei ein Messzyklus einer Zeitspanne der Durchführung von bis zu sechs bis acht Einzelmessungen entspricht.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) eine Messstation (31) zum Durchführen des Messzyklus und eine Kühlstation (32) zum Durchführen des Kühlzyklus umfasst.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 19 wobei das zweite Aktivtransferelement (18) in der Kühlstation (32) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 14 bis 20, wobei das zweite Aktivtransferelement (18) zumindest ein Lüftermodul (18)umfasst
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) Thermomessmittel (8) umfasst, welche zum Bestimmen von für den thermisch sicheren Betrieb der Vorrichtung (1) relevanten Temperaturwerten ausgebildet und eingerichtet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Thermomessmittel (8) Temperatursensoren (81-, 8-2, 8-3, 8-4) im Betriebsbereich der Sensoreinheit (7) und im Übergabebereich (14) und/oder am Kühlkörpermittel (17) aufweisen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) eine Steuereinheit zum Steuern des thermischen Energietransfers durch das erste und/oder das zweite Thermotransferelement (?) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 24, wobei das Steuern sowohl zumindest einen Temperaturmesswerte im Betriebsbereich (das thermische Betriebsfenster) als auch einen im Übergabebereich (14) und/oder einen am Aufnahme-Abfuhr-Mittel (17) einbezieht.
Vorrichtung nach Anspruch 24 und/oder 25, wobei das Steuern sicherstellt, dass die Temperatur im Übergabebereich (14) und/oder am Aufnahme-Abfuhr-Mittel (17) einen Wert von 60 Grad Celsius nicht überschreitet.
Messmittelkörper zur Verwendung in einer Vorrichtung nach einem oder mehreren die vorhergehenden Ansprüche, wobei der Messmittelkörper (2) eine Abschirmung (3) zum Abschirmen der Sensoreinheit (7) in Form einer die Sensoreinheit (7) vollständig umschließenden Schutzumhausung (3) umfasst.
Messmittelkörper nach Anspruch 27, wobei der Übergabebereich (14) und/oder die Aufnahme-Abfuhr-Mittel (17) außenseitig der Schutzumhausung (3) und die Übergabemittel (14) innenseitig der Schutzumhausung (3) angeordnet sind und das erste Aktivtransferelement (13) in einer Thermobrückenaussparung (4) der Schutzumhausung (3) zwischen dem Übergabebereich (14) und/oder die Aufnahme-Abfuhr-Mittel (17) und dem Übergabemittel (14) angeordnet ist.
Messmittelkörper nach Anspruch 27 und/oder 28, wobei die Schutzumhausung (3) eine Tragstruktur (5) zum Tragen der Sensoreinheit (7) umfasst.
Messmittelkörper nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 27 bis 29, wobei die Schutzumhausung (3) eine Schnittstelle (6) zum Anflanschen der Schutzumhausung (3) an einen Handhabungsarm einer Handhabungseinrichtung umfasst.
Messmittelkörper nach Anspruch 30, wobei die Schnittstelle (6) als elektromechanische Schnittstelle ausgebildet ist.
Messmittelkörper nach Anspruch 30 und/oder 31, wobei die Handhabungseinrichtung (27) ein Roboter ist und der Handhabungsarm (28) ein Roboterarm.
Messmittelkörper nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 30 bis 32, wobei die Handhabungseinrichtung (27) zur Durchführung des Mess- und Kühlzyklus eingerichtet ist, die Schutzumhausung (3) von der Messstation (31) zur Kühlstation (32) und umgekehrt zu verbringen und dort im Messbereich frei zu positionieren.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Aktivtransferelement (13) zumindest ein Peltierelement (13-1, 13-2) umfasst.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) ausgebildet und eingerichtet ist, Objekte mit einer Eigentemperatur von größer gleich 300 Grad Celsius oder von größer gleich 600 Grad Celsius oder von größer gleich 800 Grad Celsius oder größer gleich 900 Grad Celsius oder größer gleich 1000 Grad Celsius oder größer gleich 1100 Grad Celsius oder größer gleich 1200 Grad Celsius optische zu erfassen.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung (1) ausgebildet und eingerichtet ist, Objekte mit einer Eigentemperatur von kleiner gleich 1300 Grad Celsius oder von kleiner gleich 1200 Grad Celsius oder von kleiner gleich 1100 Grad Celsius oder von kleiner gleich 1000 Grad Celsius optische oder von kleiner gleich 900 Grad Celsius oder von kleiner gleich 800 Grad Celsius oder von kleiner gleich 600 Grad Celsius zu erfassen.
Verfahren zum optischen Erfassen von Objekten hoher Eigentemperatur auf Grundlage definierter Erfassungserfordernisse in einer Vorrichtung nach einem oder mehrere der vorhergehenden Ansprüche folgende Schritte umfassen: a. Bereitstellen des zu erfassenden Objekts (34) in einer Messstation (31) b. Positionieren der Sensoreinheit (7) mit dem Messmittelkörper (2) relativ zum Objekt (34) in einem Betriebsbereich eines Messraums (29) der Messstation (31) c. Erfassen des Objekts (34) durch die Sensoreinheit (7) innerhalb eines definierten thermischen Betriebsfensters der Sensoreinheit (7) d. Verbringen des Messmittelkörpers (2) von der Messstation (31) in die Kühlstation (32) e. Abfuhr von thermischer Energie aus dem Aufnahmeabfuhrmittel (17) durch das zweite Aktivtransferelement (18).