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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von geometrischen Eigenschaften von zylindrischen Gütern mit einem kreisförmigen Querschnitt, insbesondere Rohren,
- • wobei die Vorrichtung wenigstens ein Haltemittel zum Halten des Gutes in einem ersten Bereich in der Art aufweist, dass in einem Idealfall eine Mittelachse des Gutes mit einer ersten Achse der Vorrichtung zusam m enfällt,
- • wobei die Vorrichtung einen ersten Linienlaser zum Erzeugen einer Laserstrahlung in einer ersten Ebene zur Projektion einer ersten linienförmigen Lasermarkierung auf dem Gut aufweist, wobei der erste Linienlaser bezüglich des wenigstens einen Haltemittels fest angeordnet und so ausgerichtet ist, dass die erste Achse der Vorrichtung in der ersten Ebene liegt,
- • wobei die Vorrichtung eine Kamera aufweist, die bezüglich des wenigstens einen Haltemittels und des ersten Linienlasers fest angeordnet ist und die auf den ersten Bereich ausgerichtet ist, in dem das Gut gehalten werden kann, um ein Bild mit der ersten Lasermarkierung aufzunehmen, und
- • wobei die Vorrichtung ein mit einem Ausgang der Kamera verbundenes Bildauswertemittel aufweist, mit welchem die Lage der ersten Lasermarkierung im Bild der Kamera ausgewertet werden kann.
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Der Anmelderin sind solche Vorrichtungen bekannt, mit denen die geometrischen Eigenschaften von Rohren mit einem kreisförmigen Querschnitt gemessen werden können. Vorzugsweise ist die Kamera so ausgerichtet, dass eine optische Achse der Kamera die erste Achse des Haltemittels schneidet.
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Ein Linienlaser weist eine Laseroptik zum Erzeugen einer Laserstrahlung mit linienförmiger Intensitätsverteilung auf. Als Laseroptik kann eine refraktive Optik verwendet werden. Es können darin Powell-Linsen oder Zylinderlinsen zum Einsatz kommen.
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Durch die Auswertung des von der Kamera aufgenommenen Bildes kann der Abstand der ersten Lasermarkierung von der ersten Achse bestimmt werden. Für die Bestimmungen können trigonometrische Funktionen und die Strahlensätze genutzt werden. Um das zu ermöglichen, können in dem Bildauswertemittel Daten hinterlegt sein, die eine Lage der ersten Achse in einem aus dem Blickwinkel der Kamera aufgenommenen Bild des Haltemittels beschreiben. Ist die Kamera so ausgerichtet, dass eine optische Achse der Kamera die erste Achse des Haltemittels schneidet, spannen die optische Achse und die erste Achse eine Ebene auf, die im Weiteren als dritte Ebene bezeichnet wird. Mittels des Bildauswertemittels lässt sich dann aus dem aufgenommenen Bild der Abstand der Punkte der ersten Lasermarkierung von der dritten Ebene ermitteln, deren Lage aufgrund der hinterlegten Daten über die Lage der ersten Achse und den Verlauf der optischen Achse durch die erste Achse bekannt ist.
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Zwischen jedem Punkt der ersten Lasermarkierung, der ersten Achse und einem weiteren Punkt, der in der dritten Ebene liegt, lässt sich ein rechtwinkliges Dreieck konstruieren, das in einer Ebene senkrecht zu der dritten Ebene liegt und dessen Hypotenuse den Punkt der ersten Lasermarkierung und einen Punkt auf der ersten Achse verbindet. Aus dem von der Kamera aufgenommenen Bild lässt sich der Abstand zwischen dem Punkt der ersten Lasermarkierung und dem weiteren Punkt in der dritten Ebene bestimmen. Da auch der Winkel zwischen der ersten Ebene, in der die erste Lasermarkierung und die erste Achse liegen, und der dritten Ebene bekannt ist, kann dann aufgrund der Eigenschaften des rechtwinkeligen Dreiecks der Abstand des Punktes auf der Lasermarkierung von der ersten Achse ermittelt werden. Fallen die erste Achse und die Mittelachse des Gutes, dessen geometrische Eigenschaften ermittelt werden, zusammen, ist damit bei einem Gut mit einem kreisförmigen Querschnitt der Radius des Gutes an dem durch die erste Lasermarkierung markierten Punkt auf der Oberfläche des Gutes bekannt. Auf diese Art kann der Abstand jedes Punktes der ersten Lasermarkierung zur Mittelachse bzw. der Radius des Gutes für jeden Punkt der ersten Lasermarkierung bestimmt werden. Wird das Gut nun noch um die erste Achse bzw. seine Mittelachse gedreht und/oder werden der erste Linienlaser und die Kamera synchron und in gleichem Maße um die erste Achse bzw. die Mittelachse gedreht, kann für jeden durch die dann über die Oberfläche des Gutes wandernden ersten Lasermarkierung markierten Punkt, der Abstand des Punktes von der Mittelachse bzw. der Radius des Gutes bestimmt werden.
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Abweichend von dem oben beschriebenen Fall, in dem die optische Achse der Kamera die erste Achse schneidet, kann der Abstand von Punkten der ersten Lasermarkierung und der ersten Achse auch dann berechnet werden, wenn die optische Achse die erste Achse nicht schneidet, so lange der Abstand der ersten Achse von der optischen Achse bekannt ist. Aus dem Bild kann dann ein Abstand zwischen den Punkten der ersten Lasermarkierung und einer vierten Ebene bestimmt werden, die die optische Achse der Kamera enthält und parallel zu der ersten Achse ist. Zu diesem Abstand kann dann der Abstand der ersten Achse von der optischen Achse addiert werden. Aus dieser Summe und dem Winkel zwischen der ersten Ebene, in der die erste Lasermarkierung und die erste Achse liegt, und der vierten Ebene, kann dann der Abstand zwischen der ersten Achse und dem Punkt der Markierung berechnet werden.
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Das vorstehende Verfahren funktioniert dann ohne weiteres, wenn die Mittelachse des Gutes und die erste Achse zusammenfallen. Aufgrund von Kalibrierungsfehlern, einer falschen Lage des Gutes in dem Haltemittel und/oder von Abweichungen des Gutes von der idealen Zylinderform kann es zu Problemen kommen. Ist das Gut nicht zylindrisch, sondern konisch, sind die Lasermarkierung und die erste Achse nicht parallel. Ist das Gut so in dem Haltemittel angeordnet, dass die Mittelachse des Gutes und die erste Achse nicht zusammenfallen, kann der gleiche Effekt auftreten. An einem Bild von dem Gut mit der Lasermarkierung lässt sich dann nicht unterscheiden ob das Gut konisch ist oder ob das Gut nicht so angeordnet ist, dass die Mittelachse und die erste Achse zusammenfallen. Die beiden Effekte können erst dann unterschieden werden, wenn es zu einer Drehung zwischen der Anordnung aus dem ersten Linienlaser und der Kamera auf der einen Seite und dem Gut auf der anderen Seite kommt. Wünschenswert wäre es, beide Effekte schneller unterscheiden zu können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die bekannte Vorrichtung und das bekannte Verfahren so weiter zu entwickeln, dass eine Abweichung von der idealen Zylinderform und eine Abweichung der Mittelachse des Gutes von der ersten Achse schnell und einfach erkannt und unterschieden werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung gelöst, bei der
- - die Vorrichtung einen zweiten Linienlaser mit einer zweiten Laseroptik zum Erzeugen einer Laserstrahlung in einer zweiten Ebene zur Projektion einer zweiten linienförmigen Lasermarkierung auf dem Gut aufweist, wobei der zweite Linienlaser bezüglich des wenigstens einen Haltemittels, dem ersten Linienlaser und der Kamera fest angeordnet und so ausgerichtet ist, dass die erste Achse in der zweiten Ebene liegt und dass mit der Kamera auch die zweite Lasermarkierung aufgenommen werden kann, und
- - dass das Bildauswertemittel aus dem von der Kamera aufgenommenen Bild der ersten Lasermarkierung und der zweiten Lasermarkierung
- - den Durchmesser des Gutes in dem Bereich der Lasermarkierung ermittelt,
- - eine Verkippung des Gutes gegenüber der ersten Achse ermittelt, wenn der Idealfall nicht vorliegt, und/oder
- - eine Abweichung des Gutes von einem gerade Zylinder ermittelt.
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Mit dem zweiten Linienlaser wird somit eine zweite Lasermarkierung auf dem Gut aufgebracht. In dem von der Kamera aufgenommenen Bild sind somit zwei Lasermarkierungen dargestellt. So wie es vorstehend für die erste Lasermarkierung beschrieben worden ist, lässt sich auch für jeden Punkt der zweiten Lasermarkierung der Abstand zu der ersten Achse berechnen. Dadurch kann man mehr Messwerte, nämlich doppelt so viele Messwerte erhalten, was genauere Messungen ermöglicht. Jeder Punkt auf der Oberfläche des Gutes kann bei einer Drehung von beiden Lasermarkierungen markiert werden. Für jeden Punkt auf der Oberfläche des Gutes können damit zwei unabhängige Berechnungen der Abstände von der ersten Achse durchgeführt werden. Überlegungen haben ergeben, dass dadurch die Genauigkeit um den Faktor
erhöht werden kann.
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Im Übrigen ist die Kamera vorteilhaft so eingerichtet, dass in dem von der Kamera erzeugten Bild Linien, die im Realen parallel sind, auch im Bild parallel sind. Sollte das nicht der Fall sein, muss vor einer weiteren Auswertung des Bildes eine Korrektur des Bildes vorgenommen werden, so dass auch im Bild parallele Linien parallel sind.
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Außerdem ist es möglich, an dem Verlauf der ersten und der zweiten Lasermarkierung zu erkennen, ob das Gut von der idealen Zylinderform abweicht oder so in dem Haltemittel befestigt ist, dass die Mittelachse des Gutes und die erste Achse nicht zusammenfallen. Für die verschiedenen Fälle wie einer Abweichung von der Zylinderform und Verkippung (also einer Abweichung der Mittelachse des Gutes von der ersten Achse) bilden die erste und die zweite Lasermarkierung charakteristische Muster, an denen erkannt werden kann, ob eine Abweichung von der Zylinderform oder eine Verkippung vorliegt.
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Weicht zum Beispiel die Form des Gutes von der Zylinderform ab, sind die erste und die zweite Lasermarkierung nicht parallel zueinander. Ist das Gut gebogen, sind die Lasermarkierungen nicht gerade, sondern gebogen. Ist das Gut konisch, sind die Lasermarkierungen zwar gerade, aber nicht parallel.
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Im Falle einer Verkippung kann aus der Ausrichtung der ersten und der zweiten Lasermarkierung erkannt werden, in welche Richtung das Gut gegenüber der ersten Achse gekippt ist. Auch das Maß der Verkippung kann bestimmt werden. Ist das Maß und die Richtung der Verkippung bekannt, kann trotz der Verkippung der Durchmesser des Zylinders bestimmt werden, da Korrekturfaktoren bestimmt werden können, mit denen die Messungen des Abstands der mit der ersten oder zweiten Lasermarkierung markierten Punkte auf der Oberfläche des Gutes zur Mittelachse korrigiert werden können.
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Die Kamera, der erste Linienlaser und der zweite Linienlaser können in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung an einem Träger befestigt sein, der drehbar um die erste Achse gelagert ist.
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Ebenso ist es möglich, dass das Haltemittel um die erste Achse drehbar gelagert ist. Es ist auch möglich, dass sowohl der Träger, soweit er vorhanden ist, als auch das Haltemittel um die erste Achse drehbar gelagert sind.
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Eine Ausführung der Vorrichtung kann einen Antrieb aufweisen. Dieser Antrieb kann entweder mit dem drehbaren Träger oder mit dem drehbaren Haltemittel gekoppelt sein, so dass die Drehung des Trägers und/oder des Haltemittels um die erste Achse angetrieben werden kann.
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Die Position der Kamera, des ersten Linienlasers und/oder des zweiten Linienlasers kann bezüglich des Trägers einstellbar sein, so dass es möglich ist, die Vorrichtung zu kalibrieren. Damit können die Kamera, der erste Linienlaser und der zweite Linienlaser zwar gegeneinander verschoben werden, aber nur um die Vorrichtung zu kalibrieren. Nach einer Kalibrierung haben die Kamera, der erste Linienlaser und der zweite Linienlaser dann eine feste Lagebeziehung, insbesondere für die Durchführung der Messungen.
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Bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann das Haltemittel eine oder mehrere Spannzangen aufweisen.
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Es ist von Vorteil, wenn bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung die Kamera so ausgerichtet ist, dass eine optische Achse der Kamera die erste Achse schneidet.
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Die eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann zusammen mit einer Maschine zum Herstellen oder Verarbeiten von zylindrischen Gütern, insbesondere Rohren, eine erfindungsgemäße Anordnung bilden. Bei der Maschine kann es sich insbesondere um eine Ziehmaschine oder Richtmaschine handeln. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen von geometrischen Eigenschaften von zylindrischen Gütern kann an einem Eingang und/oder einem Ausgang der Maschine für das Gut vorgesehen sein, um die geometrischen Eigenschaften eines in die Maschine eintretenden Gutes und/oder eines aus der Maschine austretenden Gutes zu messen.
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Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung kann ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Messen von geometrischen Eigenschaften von zylindrischen Gütern mit einem kreisförmigen Querschnitt, insbesondere Rohren, durchgeführt werden. Dieses Verfahren kann folgende Schritte umfassen:
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Einbringen des Gutes, dessen geometrische Eigenschaften gemessen werden sollen, in das Haltemittel,
- - Halten des Gutes durch das Haltemittel,
- - Projizieren der linienförmigen ersten Lasermarkierung mittels des ersten Linienlasers und der linienförmigen zweiten Lasermarkierung mittels des zweiten Lasererzeugers auf dem Gut,
- - Aufnahme eines Bildes der linienförmigen Lasermarkierungen mittels der Kamera,
- - Auswertung des aufgenommenen Bildes mittels des Bildauswertemittels.
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Hat die erfindungsgemäße Vorrichtung einen Antrieb zum Drehen des Trägers oder des Haltemittels um die erste Achse, können durch ein Drehen des Trägers oder des Haltemittels mit dem darin angeordneten Gut während der Projektionen der linienförmigen Lasermarkierungen auf das Gut, mittels der Kamera fortlaufend oder zu diskreten Zeitpunkten Aufnahmen von Bildern der linienförmigen Lasermarkierungen an verschiedenen Stellen des Gutes aufgenommen werden, die von dem Bildauswertemittel ausgewertet werden. Werden diese Bilder ausgewertet, kann aus jedem Bild und somit für verschiedene Stellen der Oberfläche des Gutes die Entfernung zur Mittelachse ermittelt werden. Es ist dann möglich, ein dreidimensionales Modell des Gutes zu erstellen, soweit die Oberfläche des Gutes von den Lasermarkierungen überstrichen worden sind.
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In dem Bildauswertemittel können Daten hinterlegt sein, die eine Lage der ersten Achse in einem aus dem Blickwinkel der Kamera aufgenommenen Bild des Haltemittels beschreiben. Diese Daten können bei Abstandsberechnungen verwendet werden, insbesondere bei der Berechnung des Abstands eines Punktes einer der beiden Lasermarkierungen zu der dritten Ebene, die, wie bereits gesagt, durch die optische Akte der Kamera und der ersten Achse aufgespannt wird. Das ist insbesondere deshalb möglich, da jede Gerade parallel zur der ersten Achse, die zwischen der ersten Achse und der Kamera in der dritten Ebene liegt, in einem von der Kamera aufgenommenen Bild die gleiche Lage hat wie die erste Achse.
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Mittels des Bildauswertemittels können bei einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens aus dem aufgenommenen Bild oder aus jedem aufgenommenen Bild Daten gewonnen werden, die die Lage der Lasermarkierungen beschreiben.
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Mittels des Bildauswertemittels können dann aus den aus einem Bild gewonnenen Daten für die Lage der Lasermarkierungen und den Daten für die Lage der ersten Achse Abstände zwischen einer dritten Ebene und den Lasermarkierungen ermittelt werden.
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Aus den so ermittelten Abständen kann dann weiter ermittelt werden, ob die erste und/oder die zweite Lasermarkierung geradlinig ist bzw. sind und parallel zu der ersten Achse verläuft bzw. verlaufen.
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Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren kann in dem Fall, dass die Lasermarkierungen parallel zu der ersten Achse verlaufen aus den Abständen eine Entfernung von der ersten Achse zu jeder der beiden Lasermarkierungen berechnet wird, woraus der Durchmesser oder der Radius des Gutes berechnet wird.
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In dem Fall, dass die Lasermarkierungen nicht parallel zu der ersten Achse verlaufen, kann aus den Abständen ein Winkel zwischen der ersten Achse und der Mittelachse des Gutes berechnet werden.
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Aus den Abständen kann ebenfalls ermittelt werden, ob die erste und/oder die zweite Lasermarkierung geradlinig sind. In einem Fall, dass die Lasermarkierungen nicht geradlinig sind, kann ein Bogen des Gutes berechnet werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
- 1 eine schematische und stark vereinfachte Anordnung aus einem ersten Linienlaser, einem zweiten Linienlaser und einer Kamera einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und ein kreiszylindrisches Gut, dessen geometrische Eigenschaften gemessen werden, in einer Seitenansicht und
- 2 die Anordnung aus 1 in einer Ansicht in Richtung einer ersten Achse der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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In der 1 ist der erste Linienlaser 1, der zweite Linienlaser 2 und die Kamera 3 dargestellt, die an einem hier kreisscheibenförmig dargestellten Träger 5 befestigt sind, wobei der Träger auch eine andere Form haben kann. Die Linienlaser 1, 2 und die Kamera 3 sind auf das Gut 4 ausgerichtet, dessen geometrische Eigenschaften vermessen werden sollen. Das Gut 4 hat eine Mittelachse und ist mittels eines nicht dargestellten Haltemittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung so gehalten, dass die Mittelachse mit der ersten Achse 6 der Vorrichtung zusammenfällt. Das Haltemittel ist drehbar um die erste Achse gelagert, so dass bei einer Drehung des Haltemittels das Gut 4 um die erste Achse der Vorrichtung gedreht wird.
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Der erste Linienlaser 1 weist eine Laseroptik zum Erzeugen einer Laserstrahlung auf, die sich in einer ersten Ebene 9 ausbreitet. Die Laserstrahlung wird durch die Laseroptik des ersten Linienlasers 1 so geformt, dass sie eine erste linienförmige Lasermarkierung 7 bildet, wenn sie auf der Oberfläche des Gutes 4 auftrifft. Der erste Linienlaser 1 ist bezüglich des wenigstens einen Haltemittels fest, aber einstellbar angeordnet. Ferner ist er so ausgerichtet, dass die erste Achse 6 in der ersten Ebene 9 liegt, in der sich die Laserstrahlung ausbreitet, die von dem ersten Linienlaser 1 erzeugt wird.
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Der zweite Linienlaser 2 weist eine Laseroptik zum Erzeugen einer Laserstrahlung auf, die sich in einer zweiten Ebene 10 ausbreitet. Die Laserstrahlung wird durch die Laseroptik des zweiten Linienlasers 2 so geformt, dass sie eine zweite linienförmige Lasermarkierung 8 bildet, wenn sie auf der Oberfläche des Gutes 4 auftrifft. Der erste Linienlaser 1 ist bezüglich des wenigstens einen Haltemittels und des ersten Linienlasers fest, aber einstellbar angeordnet, so dass eine Kalibrierung möglich ist. Ferner ist er so ausgerichtet, dass die erste Achse 6 in der zweiten Ebene 10 liegt, in der sich die Laserstrahlung ausbreitet, die von dem ersten Linienlaser 1 erzeugt wird.
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Die Kamera 3 ist ebenfalls bezüglich des wenigstens einen Haltemittels und dem ersten Linienlaser 1 sowie dem zweiten Linienlaser 2 fest, aber einstellbar angeordnet. Sie ist so ausgerichtet, dass die optische Achse 11 der Kamera die erste Achse 6 der Vorrichtung schneidet. Die optische Achse 11 der Kamera 3 und die erste Achse 6 definieren eine dritte Ebene 12.
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Ein Winkel α zwischen der ersten Ebene 9 und der dritten Ebene 12 ist ebenso bekannt wie ein Winkel β zwischen der zweiten Ebene 10 und der dritten Ebene 12.
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Die Kamera 3 ist mit einem Bildauswertemittel (nicht dargestellt) verbunden, mit welcher das von der Kamera 3 gelieferte Bild ausgewertet werden kann. Dazu werden die aus einem von der Kamera aufgenommenen Bild Daten über die Lage der ersten und der zweiten Lasermarkierungen 7, 8 ermittelt. In dem Bildauswertemittel sind Daten hinterlegt, die eine Lage der ersten Achse 6 in einem aus dem Blickwinkel der Kamera aufgenommenen Bild beschreiben. Aus den hinterlegten Daten über die Lage der ersten Achse 6 und den gewonnenen Daten über die Lage der ersten Lasermarkierung 7 und der zweiten Lasermarkierung 8 kann mittels des Bildauswertemittels der Abstand zwischen der dritten Ebene (12) und den Punkten der Lasermarkierungen 7, 8 ermittelt werden. Aus diesem Abstand und den bekannten Winkeln α und β zwischen der ersten und der dritten bzw. der zweiten und der dritten Ebene kann über trigonometrische Funktionen der Abstand zwischen den Punkten der Lasermarkierungen auf der Oberfläche des Gutes 4 und der ersten Achse 6 bestimmt werden. Da die erste Achse 6 und die Mittelachse des Gutes 4 zusammenfallen, hat man so auch den Abstand der mit den Lasermarkierungen 7, 8 markierten Punkte auf der Oberfläche von der Mittelachse des Gutes 4 bestimmt. Handelt es sich bei dem Gut 4 um einen Kreiszylinder, kennt man so den Radius des Gutes 4.
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Fallen die Mittelachse des Gutes 4 und die erste Achse 6 nicht zusammen, weil zum Beispiel das Gut 4 nicht ordnungsgemäß in dem Haltemittel angeordnet ist, oder hat das Gut 4 keine Zylinderform, kann das schon in dem von der Kamera 3 aufgenommen Bild erkannt werden. Dann sind nämlich in dem Bild die Lasermarkierungen nicht geradlinig und/oder nicht parallel. Sind die Lasermarkierungen nicht geradlinig, kann das Gut einen Bogen aufweisen. Sind die Lasermarkierungen zwar geradlinig, aber nicht parallel, kann das Gut konisch sein oder verkippt sein, das bedeutet, dass die Mittelachse die erste Achse 6 schneidet oder windschief zu der ersten Achse 6 ist. Sind die Lasermarkierungen 7, 8 zwar geradlinig und parallel, haben aber verschiedene Abstände zu der dritten Ebene, sind die Mittelachse des Gutes 4 und die erste Achse parallel zu einander versetzt. Diese Abweichungen von einem Idealzustand können mittels des Bildauswertemittels erfasst und bewertet werden, so dass das Bildauswertemittel so eingerichtet sein kann, eine qualitative und quantitative Aussage der Abweichungen zu machen. In einer bevorzugten Variante des Bildauswertemittels können die Abweichungen rechnerisch sogar kompensiert werden, um trotz der Abweichungen ein Messergebnis für die geometrischen Eigenschaften, insbesondere über den Durchmesser und den Radius des Gutes 4 zu liefern.
