DE102021000582A1 - Straightness measurement of hollow cylinders - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Messsystem (1) beschrieben um die Geradheit (2) der Innenkontur (4) des Hohlzylinders (3) zu messen. Dabei wird ein Laserstrahl (5) als Referenzlinie (6) durch den Hohlzylinder (3) von einem Punktlaser (7) geschickt. Der Laserstrahl (5) dient als Referenzlinie (6). Ein Innenkontur Messgerät (8) das mit einem Strahl Positionsdetektor (9) fest verbunden ist, wird entlang des Inneren des Hohlzylinders (3) bewegt. Mit dem Strahl Positionsdetektor (9) wird die Position des Laserstrahls (5) von dem Punktlaser (7) erfasst. Diese Position dient als Referenz für das Innenkontur Messgerät (8). Mit dem Innenkontur Messgerät (8) wird die gesamte Innenkontur (4) des Hohlzylinders (3) gemessen. Damit kann die Geradheit im inneren des Hohlzylinders bestimmt werden.A measuring system (1) is described for measuring the straightness (2) of the inner contour (4) of the hollow cylinder (3). A laser beam (5) is sent as a reference line (6) through the hollow cylinder (3) from a point laser (7). The laser beam (5) serves as a reference line (6). An inner contour measuring device (8), which is firmly connected to a beam position detector (9), is moved along the inside of the hollow cylinder (3). The position of the laser beam (5) is detected by the point laser (7) with the beam position detector (9). This position serves as a reference for the inside contour measuring device (8). The entire inner contour (4) of the hollow cylinder (3) is measured with the inner contour measuring device (8). With this, the straightness inside the hollow cylinder can be determined.
Description
Patentschriftpatent specification
Es wird ein Messsystem (1) zur Geradheit (2) Messung im Innern von Hohlzylindern (3), insbesondere Röhren, beschrieben. Bei der Herstellung von Hohlzylindern (3) spielt die Geradheit (2) eine große Rolle. Insbesondere die Geradheit (2) der Hohlzylinder (3) auf der Innenseite ist von Interesse. Bei dem hier beschriebenen Messsystem (1) wird neben der Geradheit (2) die gesamte Innenkontur des Hohlzylinders (3) messtechnisch erfasst.A measuring system (1) for measuring straightness (2) inside hollow cylinders (3), in particular tubes, is described. Straightness (2) plays a major role in the production of hollow cylinders (3). In particular, the straightness (2) of the hollow cylinder (3) on the inside is of interest. In the measuring system (1) described here, the entire inner contour of the hollow cylinder (3) is measured in addition to the straightness (2).
Beim Stand der Technik wird die Geradheit (2) von Hohlzylindern (3) im Allgemeinen durch Messung der Geradheit (2) an der Außenseite des Hohlzylinders (3) vorgenommen. Dabei wird von der Geradheit (2) der Außenseite auf die Innenseite geschlossen. Durch Schwankungen der Wandstärke kann das Ergebnis verfälscht werden. Direkte Messungen der Geradheit (2) des inneren Hohlzylinders (3) sind nicht bekannt. Die Prüfung der Geradheit (2) wurde bisher meist mechanisch durch Anlegen eines Lineals durchgeführt. Dabei wird der maximale Abstand des Lineals zur Rohraußenfläche gemessen. In der Patentschrift
Hier wird ein Messsystem (1) beschrieben um die Geradheit (2) der Innenkontur (4) des Hohlzylinders (3) zu messen. Dabei wird ein Laserstrahl (5) als Referenzlinie (6) von einem Punktlaser (7) durch den Hohlzylinder (3) geschickt. Der Laserstrahl (5) befindet sich vorzugsweise im Zentrum des Hohlzylinders (3). Der Laserstrahl (5) dient als Referenzlinie (6). Ein Innenkontur Messgerät (8) wird entlang des Inneren des Hohlzylinders (3) bewegt. Mit dem Strahl Positionsdetektor (9) wird die Position des Laserstrahls (5) von dem Punktlaser (7) erfasst. Diese Position des Laserstrahls (5) wird an das Innenkontur Messgerät (8) übermittelt und dient als Referenz für das Innenkontur Messgerät (8). Dabei gibt es verschiedene Aufbaumöglichkeiten. So kann der Strahl Positionsdetektor (9) fest mit dem Innenkontur Messgerät (8) verbunden sein und der Punktlaser (7) steht außerhalb des Hohlzylinders (3) oder an dem Rand. Der Laserstrahl (5) des Punklasers(7) trifft auf den Strahl Positionsdetektor (9) und die Lage des Laserstrahls (5) zum Innenkontur Messgerät (8) über die gesamte Länge des Hohlzylinders (3) erfasst. Bei einer weiteren Aufbauvariante ist der Punktlaser (7) fest mit dem Innenkontur Messgerät (8) verbunden und der Strahl Positionsdetektor (5) steht außerhalb des Hohlzylinders (3). Die Messdaten des Strahl Positionsdetektors (5) müssen an das Innenkontur Messgerät (8) übermittelt werden. Mit dem Innenkontur Messgerät (8) wird die gesamte Innenkontur (4) des Hohlzylinders (3) gemessen. Das Innenkontur Messgerät (8) ist vorzugsweise optisches, laserbasiertes Messgerät. Besonders Vorteilhaft ist ein Messgerät wie in der Offenlegungsschrift
Die Innenkontur (4) kann auch durch ein kapazitiv messendes System bestimmt werden. Das Messprinzip ist die Wirkungsweise eines Plattenkondensators. Die Plattenelektroden werden durch den Sensor und die Wand des Hohlzylinders gebildet. Bei Erzeugung eines Schwingkreises wird die Frequenz durch den Abstand der Kondensatorplatten definiert. Somit lässt sich der Abstand Referenzlinie (6) zur Innenkontur (4) bestimmen. Bei Rotation des Sensors ist die gesamte Innenkontur (4) erfassbar.The inner contour (4) can also be determined by a capacitively measuring system. The measuring principle is the mode of operation of a plate capacitor. The plate electrodes are formed by the sensor and the wall of the hollow cylinder. When generating an oscillating circuit, the frequency is defined by the distance between the capacitor plates. In this way, the distance between the reference line (6) and the inner contour (4) can be determined. When the sensor rotates, the entire inner contour (4) can be detected.
Der Hohlzylinder (3) wird vorzugsweise durch die Zylinderkoordinaten, Radius r (18), Winkel p (17) und Tiefenposition z (19) beschrieben. Um den Azimutwinkel p (17) zu bestimmen wird ein zweiter Punktlaser (7) neben dem ersten Punktlaser (7) angebracht, der einen zweiten parallelen oder leicht divergenten Strahl unter einem definierten Winkel zum Strahl des ersten Punktlaser (7) erzeugt. Dieser Strahl wird ebenfalls mit dem Strahl Positionsdetektor (9) detektiert und legt somit den Azimutwinkel p fest. Der Azimutwinkel p kann auch definiert werden wenn das Innenkontur Messgerät (8) selbstnivellierend ist oder mit einem Lot ausgestattet ist.The hollow cylinder (3) is preferably described by the cylinder coordinates, radius r (18), angle p (17) and depth position z (19). In order to determine the azimuth angle p (17), a second point laser (7) is attached next to the first point laser (7), which emits a second parallel or slightly divergent beam at a defined angle generated to the beam of the first point laser (7). This beam is also detected with the beam position detector (9) and thus determines the azimuth angle p. The azimuth angle p can also be defined if the inner contour measuring device (8) is self-levelling or is equipped with a plumb line.
Um den Standort, die Tiefenposition des Innenkontur Messgerätes (8) im Hohlzylinder (3), also die z Koordinate (19), zu bestimmen gibt es verschiedene Möglichkeiten: Bei einem mitgeführten Kabel (20) kann die Tiefenposition z (19) durch die Länge des mitgeführten Kabels (20) in dem Hohlzylinder (3) bestimmt werden. Eine weitere Möglichkeit die Tiefenposition z (19) des Innenkontur Messgerätes (8) zu bestimmen ist über die Messung der Lichtlaufzeit des Laserstrahls (4) des Punktlasers (7) zum Strahl Positionsdetektors (9). There are various ways of determining the location, the depth position of the inner contour measuring device (8) in the hollow cylinder (3), i.e. the z coordinate (19): If a cable (20) is carried along, the depth position z (19) can be determined by the length of the entrained cable (20) in the hollow cylinder (3) can be determined. Another way of determining the depth position z (19) of the inner contour measuring device (8) is by measuring the light propagation time of the laser beam (4) of the point laser (7) to the beam of the position detector (9).
Wenn sich das Innenkontur Messgerät (8) mit konstanter Geschwindigkeit im Hohlzylinder (3) bewegt, kann über die Fahrzeit die Position ermittelt werden.If the inner contour measuring device (8) moves at a constant speed in the hollow cylinder (3), the position can be determined via the travel time.
Figurenlistecharacter list
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1 zeigt den Aufbau des Messgerätes (1). An einem Ende des Hohlzylinders (3) befindet sich ein Punktlaser (7), der mit einer Halterung (21) in der Mitte des Hohlzylinders (3) positioniert wird. Der Laserstrahl (5) trifft auf die Streuscheibe (22) des Strahl Positionsdetektors(9). Die Kamera (23) des Strahl Positionsdetektors (9) bestimmt den Auftrittsort des Laserstrahls (5) auf der Streuscheibe (22). Der Strahl Positionsdetektor (9) ist fest mit einem Innenkontur Messgerät (8) verbunden. Das Innenkontur Messgerät (8) mit Strahl Positionsdetektor (9) wird durch den Hohlzylinder (3) bewegt. In diesem Beispiel steht das Innenkontur Messgerät (8) auf Rädern (24). Der Anschuss des Innenkonturmessgerätes (8) über Kabel (20) zur Stromversorgung und Datenaustausch ist als Beispiel dargestellt.1 shows the structure of the measuring device (1). A point laser (7) is located at one end of the hollow cylinder (3) and is positioned in the center of the hollow cylinder (3) using a holder (21). The laser beam (5) hits the diffuser (22) of the beam position detector (9). The camera (23) of the beam position detector (9) determines the location of the laser beam (5) on the lens (22). The beam position detector (9) is permanently connected to an inner contour measuring device (8). The inner contour measuring device (8) with beam position detector (9) is moved through the hollow cylinder (3). In this example, the inner contour measuring device (8) is on wheels (24). The connection of the inner contour measuring device (8) via cable (20) for power supply and data exchange is shown as an example. -
2 . zeigt einen anderen Aufbau des Messgerätes (1). Der Punktlaser (7) ist hier fest mit dem Innenkontur Messgerät (8) verbunden. Der Strahl Positionsdetektor (9) befindet sich am Rand oder außerhalb des Hohlzylinders (3). Die Streuscheibe (22) weist in Richtung des Punktlasers (7). Die Daten der Kamera (23) werden zum Innenkontur Messgerät (8) übertragen (nicht dargestellt).2 . shows a different structure of the measuring device (1). The point laser (7) is firmly connected to the inner contour measuring device (8). The beam position detector (9) is located on the edge or outside of the hollow cylinder (3). The diffuser (22) points in the direction of the point laser (7). The data from the camera (23) are transmitted to the inner contour measuring device (8) (not shown). -
3 zeigt einen weiteren Aufbau des Messgerätes (1). Hier wird die Messung in einem einseitig geschlossenen Hohlzylinder (3) dargestellt. Der Punktlaser (7) befindet sich außerhalb des Hohlzylinders (3) auf einem Stativ (25) moniert. Stativ (25) und Hohlzylinder (3) befinden sich auf einer gemeinsamen Unterlage (26). Der Laserstrahl (5) des Punktlasers (7) trifft auf einen positions-sensitiven Halbleiter (27), der mit dem Innenkontur Messgerät (3) fest verbunden Ist. Hiermit wird die Position des Laserstrahls (5) bestimmt. Sonst ist der Aufbau wie1 .3 shows another structure of the measuring device (1). The measurement in a hollow cylinder (3) closed on one side is shown here. The point laser (7) is mounted outside the hollow cylinder (3) on a tripod (25). Stand (25) and hollow cylinder (3) are on a common base (26). The laser beam (5) of the point laser (7) hits a position-sensitive semiconductor (27), which is firmly connected to the inner contour measuring device (3). This determines the position of the laser beam (5). Otherwise the structure is as1 . -
4 zeigt einen Aufbau des Messgerätes (1) mit zwei Punktlasern (7). An einem Ende des Hohlzylinders (3) befinden sich zwei feststehende Laser (7) in kleinem Abstand zueinander. Die Laserstrahlen (5) der Punktlaser (7) sind etwa in der Mitte des Hohlzylinders (3) möglichst parallel zueinander. Sie treffen auf die Streuscheibe (22) des Strahl Positionsdetektors (9) und werden dort mit einer Kamera (23) detektiert. Der restliche Aufbau ist wie in1 .4 shows a structure of the measuring device (1) with two point lasers (7). At one end of the hollow cylinder (3) are two fixed lasers (7) at a small distance from each other. The laser beams (5) of the point lasers (7) are as parallel as possible to one another approximately in the middle of the hollow cylinder (3). They hit the lens (22) of the beam position detector (9) and are detected there by a camera (23). The rest of the structure is as in1 . -
5 zeigt einen Aufbau des Innenkontur Messgerätes (8) mit Strahl Positionsdetektor (9). Das Innenkontur Messgerät (8) besteht aus einem Laser (10). Wobei der Laser (10) eine schmale ringförmige Linie über ein Umlenkmodul (13), welches ein Prisma sein kann, radial abstrahlt. Mit einer Kamera (11) wird das von der Innenkontur (4) des Hohlzylinders (3) reflektierte Laserlicht (31) registriert. Kamera (11), Umlenkmodul (13) und Laser (10) befinden sich auf einer optischen Achse (14) in einer transparenten Röhre (12). Der Strahl Positionsdetektor (9) mit Kamera (23) und Streuscheibe (22) ist auf der transparenten Röhre (12)aufgesetzt. Auf die Streuscheibe (22) trifft der Laserstrahl (5) des Punktlasers (7). Die einzelnen Komponenten sind mit Halterungen (21) in der transparenten Röhre (12) montiert.5 shows a structure of the inner contour measuring device (8) with beam position detector (9). The inner contour measuring device (8) consists of a laser (10). The laser (10) emits a narrow annular line radially via a deflection module (13), which can be a prism. The laser light (31) reflected from the inner contour (4) of the hollow cylinder (3) is registered with a camera (11). Camera (11), deflection module (13) and laser (10) are located on an optical axis (14) in a transparent tube (12). The beam position detector (9) with camera (23) and diffuser (22) is placed on the transparent tube (12). The laser beam (5) of the point laser (7) impinges on the lens (22). The individual components are mounted with brackets (21) in the transparent tube (12). -
6 zeigt das verwendete Polarkoordinatensystem mit der Tiefenposition z (19) entlang des Hohlzylinders (3), dem Radius r (18) und dem Azimutwinkel p (17).6 shows the polar coordinate system used with the depth position z (19) along the hollow cylinder (3), the radius r (18) and the azimuth angle p (17). -
7 zeigt das Innenkontur Messgerät (8) mit Strahl Positionsdetektor (9) im Hohlzylinder (3). Durch Messung des Abstandes (28) der optischen Achse (14) des Innenkontur Messgerätes (8) zur Laser Referenzlinie (6) mit der Kamera (23) des Strahl Positionsdetektors (9) erhält man einen Korrekturwert für die Abstandsmessung des Innenkontur Messgerätes (8) zur Innenkontur (4) des Hohlzylinders (3). Mit dem korrigierten Messwert erfolgt die Bestimmung des Maßes für die Geradheit (2).7 shows the inner contour measuring device (8) with beam position detector (9) in the hollow cylinder (3). By measuring the distance (28) of the optical axis (14) of the inner contour measuring device (8) to the laser reference line (6) with the camera (23) of the beam position detector (9), a correction value for the distance measurement of the inner contour measuring device (8) is obtained. to the inner contour (4) of the hollow cylinder (3). The corrected measured value is used to determine the measure of straightness (2). -
8 zeigt eine Möglichkeit der Auswertung. Der Abstand (32) von der Laser Referenzlinie (6) zur Innenkontur (4) des Hohlzylinders (3) wird über die ganze Länge des Hohlzylinders (3) gemessen. Alle Messpunkte werden von zwei parallelen Geraden (29) eingeschlossen. Der Abstand (28) der beiden parallelen Geraden (29) ist ein Maß für die Geradheit (2) der Innenkontur (4) des Hohlzylinders (3).8th shows one possibility of evaluation. The distance (32) from the laser reference line (6) to the inner contour (4) of the hollow cylinder (3) is measured over the entire length of the hollow cylinder (3). All measuring points are enclosed by two parallel straight lines (29). The distance (28) between the two parallel lines (29) is a measure of the straightness (2) of the inner contour (4) of the hollow cylinder (3). -
9 zeigt eine andere Möglichkeit der Auswertung. An jeder Stelle des Hohlzylinders (3) wird der Durchmesser (30) gemessen. Der Abstand (33) des halben Durchmessers (32) zur Laser Referenzlinie (6) wird für alle Messpunkte bestimmt. Der Abstand der von den Messpunkten eingeschlossenen parallelen Geraden (29) ist ein Maß für die Geradheit (2) der Innenkontur (4) des Hohlzylinders (3).9 shows another possibility of evaluation. The diameter (30) is measured at each point of the hollow cylinder (3). The distance (33) of half the diameter (32) to the laser reference line (6) is determined for all measuring points. The distance between the parallel straight lines (29) enclosed by the measuring points is a measure of the straightness (2) of the inner contour (4) of the hollow cylinder (3).
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