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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung
zur geometrischen Vermessung eines im Querschnitt kreisförmigen Rohres,
mit einer Rohrlagerung und einer Meßeinrichtung, vorzugsweise
einer berührungslos arbeitenden
Meßeinrichtung.
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Die Erfindung betrifft ferner ein
Verfahren zur geometrischen Vermessung von Rohren.
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Rohre, insbesondere längsnahtgeschweißte Rohre,
erfordern aufwendige Qualitätskontrollen
zur Maßhaltigkeit
der Geometrie für
die Freigabe zur Weiterverarbeitung. Insbesondere Rohren mit großen Abmessungen,
die in der Länge
bis zu 15 m und im Durchmesser bis zu 1,6 m betragen können, ergeben
sich eine Reihe von technischen Problemen, die mit nach dem Stand
der Technik bekannten Mitteln nicht oder nur unbefriedigend gelöst werden
können.
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Nach dem Stand der Technik ist es
bekannt, das zu vermessende Rohr mittels hydraulischen Hebeeinrichtungen,
die in ein Bodenfundament eingelassen sind, an mehreren beabstandeten
Orten in längsaxialer
Richtung abzustützen.
Mittels dieser Hubeinrichtungen kann – je nach Durchmesser des zu vermessenden
Rohres – das
Meßobjekt
in der Höhe in
Bezug auf eine Meßeinrichtung
gehoben oder gesenkt werden. Die Sensoren aufweisende Meßvorrichtung
ist auf einem ringförmigen
Träger
angeordnet und kann entsprechend der Trägerringform auf einer (Teil-)Kreisbahn
um das Rohr herum geführt werden.
Hierzu ist eine geeignete Stellmechanik vorgesehen. Um das Rohr
entlang seiner Längserstreckung
vermessen zu können,
muß der
Ringträger
zusätzlich
linear verschiebbar sein, damit die Rohrgeometrie über die
gesamte Länge
erfaßt
werden kann. Auf diese Weise lassen sich, beispielsweise mit Ultraschallsensoren,
die Rohrlänge,
die Rechtwinkligkeit der Rohrenden, die Gerad heit des Rohres, dessen
Wanddicke sowie der Rohrdurchmesser, etwaige Abweichungen des Rohres
von der Kreisform und Rohrendprofile wie Stegbreiten, Steginnendurchmesser,
Wanddicke über
dem Steg und sonstige Profile, wie beispielsweise die Schweißstegdicke
und die Schweißnahtfüllung an
allen Stellen erfassen.
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Die geforderten Toleranzen bei der
Vermessung sollen möglichst
gering sein und beispielsweise 1 mm bezüglich der Rohrlänge bei
einer Gesamtlänge
von bis zu 15 m oder der Unrundheit von 0,5 mm bei einem Durchmesser
von bis zu 1,6 m betragen. Allerdings stehen demgegenüber Störgrößeneinflüsse, die
sich z.B. aus der lagebedingten Verformung des Rohres durch dessen
Eigengewicht ergeben, das bis zu 25 t betragen kann. Weitere Einflüsse entstehen
durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen.
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Prinzipiell besteht zwar die Möglichkeit,
Störgrößen durch
Ovaldruckverformung des Rohres infolge seines Eigengewichtes dadurch
zu verhindern, dass das Rohr in vertikaler Lage vermessen wird,
jedoch erfordert dies eine entsprechende und meist nicht vorhandene
Hallenhöhe.
Zudem ist der Aufwand zum Senkrechtstellen und Haltern des Rohres sehr
groß.
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Prinzipiell ist eine Temperaturkompensation durch
Klimatisierung der entsprechenden Untersuchungsräume möglich, jedoch ist der Aufwand
bei vorhandenen Fertigungshallen wegen des durchzuleitenden Volumenstroms
zur Zu- oder Abfuhr der Wärme
unvertretbar groß,
so dass auch diese labortechnisch mögliche Lösung ausscheidet.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine
Vorrichtung zu schaffen und ein Verfahren anzugeben, mit denen eine
leicht handhabbare geometrische Vermessung der Rohre mit geringstmöglichem apparativen
oder verfahrenstechnischen Aufwand bei größtmöglicher Meßgenauigkeit möglich ist.
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Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung nach
Anspruch 1 bzw. das Verfahren nach Anspruch 16 gelöst. Weiterbildungen
der Vorrichtung sind in den Ansprüchen 2 bis 15 beschrieben.
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Die vorliegende Erfindung geht von
der Überlegung
aus, dass die obengenannten herkömmlichen
Verfahren, in denen die Mittenpositionierung des Rohres durch Anhebung
der schweren Massen der Rohre erfolgt und die Einstellung der Winkellage der
Sensoren durch Rotation des Sensorrings erreicht wird, die Störeinflüsse weder
eliminieren noch hinreichend limitieren können. Tatsächlich bedingt der benötigte Freiraum
für die
erforderliche Rotation des Sensorrings eine minimale Stützbreite
zur Lagerung der Rohre, so dass wegen der sehr kleinen Kontaktflächen die
Ovaldruckverformung durch das Eigengewicht der Rohre nicht reduziert
werden kann. Außerdem
hat sich die Verwendung einer Hydraulik zum Anheben der zu vermessenden
Rohre sowohl in den Investitions- als auch in den Betriebskosten
als teuer erwiesen.
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Erfindungsgemäß wird statt dessen eine Rohrlagerung
mit einem Drehantrieb verwendet, mittels dessen das Rohr in Rotation
um seine Längsachse
bewegbar ist, so dass nicht die Meßeinrichtung um das Rohr rotiert,
sondern das Rohr durch Eigenrotation um die Meßeinrichtung vorbeigeführt wird. Um
die Vermessung des Rohres entlang seiner Gesamtlänge einschließlich der
Rohrenden vornehmen zu können,
ist die Meßeinrichtung
in Richtung der Rohrlängsachse
verschiebbar angeordnet. Die hierzu bevorzugte Lösung besteht darin, die Meßeinrichtung
auf einem in Richtung der Rohlängsachse
verschiebbaren Träger
anzuordnen, jedoch kann alternativ hierzu die Meßeinrichtung stationär angeordnet und
das Rohr bzw. die Rohrlagerung verschiebbar sein. Beide Ausführungsformen
ermöglichen
eine Relativbewegung des Rohres in Bezug auf die Meßeinrichtung.
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Nach einer weiteren Ausführungsform
weist die Rohrlagerung mindestens zwei, in längsaxialer Richtung des Rohres
beabstandete Stützrollen
auf, vorzugsweise mindestens zwei Stützrollenpaare oder Lagerungen
mit mehr als jeweils zwei Stütz rollen,
wobei die Drehachsen der Stützrollen
zumindest im wesentlichen parallel zur Längsachse des zu vermessenden
Rohres liegen. Mindestens eine der Stützrollen ist mit einem Drehantrieb
verbunden, so dass das Rohr durch Rotation der Stützrollen
in Drehung um seine Längsachse
versetzbar ist. Verwendet man mindestens zwei Stützrollen, die beispielsweise
in einem Winkelabstand von 120° (bezogen auf
den Rohrmittelpunkt) angeordnet sind, so wird die Ovaldruckverformung
des Rohres durch sein Eigengewicht erheblich minimiert.
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Um die Vorrichtung zur Vermessung
von Rohren mit unterschiedlichem Durchmesser ohne größere Umrüstarbeiten
verwenden zu können,
sind die jeweils auf einem Träger
angeordneten zwei oder mehr Stützrollen
radial verschiebbar, was durch Höhenverstellung
der Stützrollen
bei gleichzeitiger Abstandsverstellung gewährleistet werden kann.
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Der Träger für die Meßeinrichtung ist teilringförmig ausgebildet
und vorzugsweise in der Höhe verstellbar,
so dass sich ergebende Unterschiede in der Lagehöhe der Rohrlängsachse
durch vertikale Verschiebung des Trägers für die Meßeinrichtung kompensiert werden
können.
In einer besonderen Ausführungsform
der Erfindung ist die Kinematik zur Verstellung der Stützrollen
so ausgeführt,
dass bei der Einstellung des seitlichen Abstandes für jeden Rohrdurchmesser
automatisch die korrigierte Höhenlage
eingestellt wird, was durch eine Linearführung parallel zum Stützwinkel
der Rohrauflage in Bezug auf die Rohrmitte erreichbar ist.
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Weiterhin vorzugsweise besitzt der
Träger mehrere
Sensoren, vorzugsweise Ultraschallsensoren, die in einem Winkelabstand
zueinander angeordnet sind. Durch diese Maßnahme wird die Meßzeit reduziert,
da das Rohr entsprechend dem vorgegebenen Winkelabstand der Sensoren
nur um einen Drehwinkel 360°/n
mit n = Anzahl der Sensoren gedreht werden muß. Während der Drehung liegt die Rohrumfangsfläche in Kontakt
zu den Stützrollen,
auf die sich die Gesamtlast des zu vermessenden Rohres bei minimaler
Ovaldruckverformung verteilt.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung
ist die Meßeinrichtung
bzw. sind die Sensoren in Bezug auf das zu vermessende Rohr radial
verstellbar angeordnet, beispielsweise über eine Linearführung oder
sonstige Stelleinrichtungen. Hiermit wird gewährleistet, dass die Sensoren
hinsichtlich ihrer relativen Position zum Rohrdurchmesser optimal
positioniert werden können.
Weiterhin vorzugsweise ist eine Einrichtung zur koaxialen Ausrichtung
des Rohres und des Trägers
der Meßeinrichtung
vorgesehen. Nach koaxialer Ausrichtung des Trägers der Meßeinrichtung werden die Sensoren
mittels vorhandener Linearführung
relativ zum Rohraußendurchmesser
in der optimalen Meßstellung
positioniert.
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Der prinzipbedingt bei nach dem Stand
der Technik erforderliche Träger,
auf dem die Hydraulikzylinder zum Heben und Senken der Rohre befestigt sind,
weist einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf als die Stahlteile der Meßanlage
und die Rohre selbst, so dass die infolge der unterschiedlichen
Wärmeausdehnung
entstehende Meßungenauigkeit
groß ist.
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Um infolge unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten
entstehende Meßfehler
zu vermeiden bzw. zu minimieren, bestehen die Rohrlagerung, insbesondere
die Stützrollen
und der Träger
für die Meßeinrichtung,
aber auch sonstige relevante Anlagenteile aus einem Material, das
zumindest annähernd
denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten wie
das zu vermessende Rohr besitzt. Ggf. kann dasselbe Material verwendet
werden.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung
der Erfindung dient eine Richtlaserstrecke zur Feststellung der
Ist-Lage des Rohres und/oder zur relativen Ausrichtung des Rohres
in Bezug auf die Meßeinrichtung.
Diese Richtlaserstrecke sorgt für
eine automatische Systemkalibrierung, mit der ggf. erforderliche Korrekturen über eine Änderung
der Lagekoordinaten, der Stützrollen
und/oder des Trägers
für die Meßeinrichtung
oder aber auch durch Korrekturfaktoren, die sich bei den Meßdatenauswertungen
ergeben, bei der Einstellung der Vorrichtung berücksichtigt werden. Vorzugsweise
sind hier die Richtlaserstrecke sowie die Meßeinrichtung mit einer Einrichtung
zur Auswertung der Meßdaten
verbunden, so dass der Justierprozeß als auch die Messung über eine
entsprechende Software steuerbar bzw. regelbar sind.
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Um eine zusätzliche optische Überwachung der
Messung durchführen
zu können,
ist weiterhin eine Kamera auf dem Träger für die Meßeinrichtung angeordnet. Über diese
Kamera lassen sich auch etwaige Nachbearbeitungsvorgänge, die
an den Rohren vorgenommen werden, beobachten.
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Die Rohrlagerung, d.h. die Träger für die Stützrollen,
können
nach einer Weiterbildung der Erfindung linear verschiebbar angeordnet
sein. Dies kann dazu ausgenutzt werden, dass das Rohr auf der Rohrlagerung
bzw. den Stützrollen
abgelegt wird und erst hiernach in den Bereich der Meßeinrichtung
geführt
wird. Die lineare Verschiebbarkeit der Rohrlagerung kann jedoch,
ggf. zusätzlich
auch dazu verwendet werden, die Relativbewegung des Rohres während der
laufenden Meßreihen
zu ermöglichen.
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Die auf das Verfahren bezogene Aufgabenstellung
wird dadurch gelöst,
dass das Rohr während einer
Meßreihe
um seine Längsachse
in Bezug auf die Meßeinrichtung
gedreht wird. Der besondere Vorteil einer solchen Verfahrensführung besteht
darin, dass die Meßeinrichtung
während
einer Meßreihe stationär angeordnet
werden kann, da eine Rundumführung
eines oder mehrerer Sensoren um das Rohr entfällt, minimiert sich auch der
apparative Aufwand, der zum Mitführen
entsprechender Anschlußleitungen
der Meßeinrichtung
ansonsten notwendig wäre. Desgleichen
minimiert sich im Regelfall auch die Bauhöhe der Vorrichtung für dieses
Verfahren, da, wie bereits obenstehend erwähnt, kein Vollkreis mehr um
das zu vermessende Rohr beschrieben werden muß. Um das Rohr an jedem Ort
entlang seiner Länge
vermessen zu können,
muß selbstverständlich eine
entsprechende Linearführung
der Meßeinrichtung
in Richtung der Rohrlängsachse
und/oder eine Linearführung
der Rohrlagerung vorhanden sein.
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Mit der vorbeschriebenen Vorrichtung
ist es nach einer Ausgestaltung der Erfindung möglich, die Rohrlänge, die
Rechtwinkligkeit der Rohrenden, die Geradheit des Rohres, die Rohrwanddicke,
den Rohdurchmesser, Abweichungen des Rohres von der Querschnittskreisform,
Rohrendprofile, Längsschweißnahtgeometrien
und/oder Anschweißphasen (innen
und außen)
zu vermessen.
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Weitere Vorteile und Ausführungsvarianten werden
im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
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1 eine
schematische Frontansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
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2 eine
schematische Seitenansicht derselben Vorrichtung.
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Das zu vermessende Rohr wird während der Messung
auf Rohrlagerungen 11 mit Stützrollen 19 drehbar
gehaltert, wobei durch Rotation der Stützrollen, deren Längs- und Rotationsachse
parallel zur Längsachse
des zu vermessenden Rohres 10 liegt, das Rohr in eine Drehung
um seine Längsachse
versetzt wird. Die Lagerungen 11 liegen auf einer Grundplatte 12 auf,
die gleichzeitig als Support für
den teilringförmigen
Träger 13 dient,
der an Vertikalsäulen
in Richtung der Doppelpfeile 17 höhenverstellbar angeordnet ist.
An diesem Träger 13 sind
mehrere Sensoren 16 befestigt, die über Linearführungen 14 radial verstellbar
angeordnet sind, so dass der Abstand der Sensoren zur Oberfläche des
zu vermessenden Rohres 10 jeweils eingestellt werden kann.
Die Kalibrierung erfolgt über
Laserfokuspunkte 18. Zusätzlich ist an dem Träger 13 eine
Kamera 15 befestigt, mittels der die jeweilige Momentanlage
des Trägers
zum Rohr und auch sonstige Rohrendbearbeitungsvorgänge, die
ggf. vorgenommen werden, beobachtet werden können.
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Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
und wie anhand der 2 zu
erkennen, ist der Träger
für die
Meßeinrichtung
entlang des Doppelpfeiles 21 horizontal verschiebbar, so
dass durch entsprechende Linearführung
des Trägers
jeder Punkt des Rohres in längsaxialer
Richtung vermessen werden kann. Zur Messung der Länge des
Rohres dient ein Sensor 22. Zusätzlich kann die Platte 12 horizontal
verschiebbar angeordnet sein, so dass es möglich ist, die Lagerungen 11 bzw.
die Stützrollen 19 derart
anzuordnen, dass das Rohr mittels eines geeigneten Hebezeuges abgelegt
werden und erst dann unter den teilringförmigen Träger 13 verschoben
wird.
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Nicht dargestellt sind Stelleinrichtungen,
mittels derer die Höhe
und der Abstand der Stützrollen 19 veränderbar
ist. Im einfachsten Fall werden zwei Lagerungen 11 mit
je einem Paar Stützrollen 19 benötigt. Die
Stützrollen 19 liegen,
wie aus 1 ersichtlich,
beabstandet zueinander, so dass das Rohr an zwei, in einem einstellbaren
Winkelabstand angeordneten Berührungslinien
gestützt
wird. Der Durchmesser der Stützrollen
sowie deren Abstand ist dem Durchmesserbereich angepaßt, in dem
die Durchmesser der zu vermessenden Rohre liegen. Die Stützrollen
sind vorzugsweise mit einem Drehantrieb verbunden, so dass es mittels
der Stützrollen
möglich ist,
das Rohr in Rotation um seine eigene Längsachse zu versetzen. Im Rahmen
der vorliegenden Erfindung ist es selbstverständlich auch möglich, einen separaten
Rohr-Drehantrieb
zu verwenden, so dass die Stützrollen
lediglich als Roll-Lager-Flächen
dienen. Die Anzahl der Drehantriebe sowie der Stützrollen – auch pro Lagerung 11 – und die
Anzahl der Lager 11 mit jeweiligen Stützrollen-Sets 19 kann
der Größe und dem
Gewicht des zu vermessenden Rohres angepaßt werden. So ist es beispielsweise
möglich,
pro Lagerung 11 anstelle von zwei Stützrollen auch drei oder vier
Stützrollen
zu verwenden.
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Die Vorrichtung gemäß 1 und 2 ist so aufgebaut, dass zunächst durch
Ausrichtung der Lagerungen 11 ein geeigneter Stützrollenabstand 19 eingestellt
wird, durch den eine koaxiale Ausrichtung des Rohres 10 in
Bezug auf den ringförmigen
Träger 13 sichergestellt
ist. Hierzu ist ggf. der Träger 13 auch
in der Höhe
zu verstellen.
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Weiterhin muß vor Einleitung des Meßverfahrens
die Lage der Sensoren 16, die hierzu über vorhandene Linearführungen
radial auswärts
oder einwärts
bewegt werden, eingestellt werden. Zur Vermessung des Rohres wird
dieses um seine Längs achse
gedreht, wobei die im Bereich der Sensoren liegende Umfangsfläche berührungslos
abgetastet wird. Je nach Anzahl der vorzugsweise in äquidistantem
Winkelabstand angeordneten Sensoren ist das Rohr nur über einen
Teilkreisbereich zu drehen. Der ringförmige Träger 13 wird während der
Meßreihen entlang
des Rohres geführt,
bis die Sensoren in längsaxialer
Richtung das Rohr vom einen zum anderen Rohrende überfahren
haben. Zusammen mit der Eigenrotation des Rohres auf den Stützrollen
ist somit jeder beliebige Rohrpunkt zu vermessen. Die radiale Lage
der Sensoren auf dem ringförmigen
Träger 13 wird
dabei auf unterschiedliche Rohrdurchmesser durch eine Linearführung oder
sonstige Stelleinrichtungen angepaßt. Die gesamte Einrichtung sowohl
zur Fixierung und zur Bewegung der Rohre während der Vermessung als auch
alle Träger
von Meßeinrichtungen
sind aus Stahl, so dass die Wärmeausdehnung
der Anlage von den gleichen Wärmekoeffizienten
verursacht wird wie der Temperaturgang der Stahlrohre, so dass die
infolge unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten
auftretenden Fehler kompensiert bzw. minimiert sind. Um die Präzision der
Meßvorrichtung
weiter zu erhöhen,
wird ein Richtlaser verwendet, der bei Bedarf bzw. in zyklischen
Abständen
jeweils nach dem Einlegen eines neuen Rohres aber auch während der
Messung eine automatische Systemkalibrierung durchführt. Die
ggf. erforderliche Korrektur wird über eine Änderung der Lagekoordinaten
der Stützrollen
und/oder des Sensorrings oder aber auch durch Korrekturfaktoren
in der Auswertungssoftware erreicht. Hierzu sind die Sensoren sowie
der Richtlaser mit einer Einrichtung zur Auswertung der einzelnen
Meßwerte
verbunden, die in einer Steuer- oder Regeleinrichtung zur Einstellung
der Meßeinrichtung
verarbeitet werden. Dieselbe oder eine andere Auswerteinrichtung
verarbeitet die von den Sensoren 16 gemessenen Werte in Bezug
auf den Meßort.