DE19544537C1 - Meßverfahren und Meßvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Bestimmung des Außen-/Innenprofils eines Meßobjekts gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Meßvorrich­ tung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.

Derartige Meßverfahren und -vorrichtungen werden beispiels­ weise bei der Qualitätskontrolle von FBS-Rohren verwendet. Derartige Rohre haben normalerweise an einem Endabschnitt eine Muffe und am anderen Endabschnitt ein Spitzende, wobei beim Verlegen der Betonrohre in einer Kanalisation oder ähnlichem das Spitzende eines Rohres in die Muffe eines be­ nachbarten Rohres eingeschoben wird. Dabei sind an der In­ nenumfangsfläche der Muffe oder an der Außenumfangsfläche des Spitzendes Dichtungselemente, beispielsweise Gleitring­ dichtungen oder ähnliche geeignete Dichtmittel angeordnet, so daß die FBS-Rohre dichtend aneinanderliegen.

An derartige Bauteile werden vergleichsweise hohe Quali­ tätsanforderungen gestellt, da erhebliche Kosten anfallen, wenn sich die Undichtigkeit einer Kanalisation nachträglich herausstellt und dann zunächst herausgefunden werden muß, wo die Undichtigkeit liegt und anschließend der entspre­ chende Teil des Kanals freigelegt werden muß.

Aus diesem Grund hat der Gesetzgeber ab 1.1.1996 vorge­ schrieben, daß die FBS-Rohre (Betonrohre, Stahlbetonrohre, Vortriebsrohre und sonstige FBS-Schachtbauteile) nach den DIN-Normen 4032, 4034 und 4035 geprüft werden. Dabei ist an jedem produzierten FBS-Rohr der Außendurchmesser des Spitz­ endes zu prüfen, das heißt desjenigen Teils des Rohres, der in die Muffe des benachbarten Rohres eingeschoben wird. Die Messung dieses Rohraußendurchmessers am Spitzende erfolgt an der Stelle des Spitzendspiegels, an dem der planmäßige Sitz des Dichtmittels vorgesehen ist. Bei der Serienprüfung müssen zusätzlich Kleinst- und Größtwerte erfaßt werden.

Zur Durchführung dieser Serienprüfung können geeignete Meß­ werkzeuge oder Schablonen verwendet werden, die allerdings­ relativ umständlich zu handhaben sind.

Zur Vereinfachung der Messung und zur Erhöhung der Meßge­ nauigkeit werden berührungslose Meßsysteme bevorzugt. Dabei wird beispielsweise in einer Verkaufsbroschüre der Firma Pipetech ein berührungsloses Meßverfahren zur Dimensions- Prüfung von Betonrohren gezeigt, bei dem ein 3-D-Laserscan­ ner verwendet wird, um den Rohraußendurchmesser des Beton­ rohres zu vermessen. Dabei ist eine Laseroptik an einem Dreharm befestigt, dessen Drehachse etwa koaxial zur Längs­ achse des Betonrohrs angeordnet ist. Der den Laser enthal­ tenden Meßkopf ist dabei an einem Endabschnitt des Dreharms derart befestigt, daß der Laserstrahl auf die zu vermessen­ de Umfangsfläche gerichtet ist. Bei der Drehbewegung des Dreharms werden eine Vielzahl von Meßpunkten erfaßt, aus denen dann über eine Auswerteeinheit das Rohrprofil und die zu vermessenden Rohraußendurchmesser bestimmbar sind.

Eine derartige Vorrichtung setzt voraus, daß die Längsachse des Betonrohrs etwa koaxial zur Drehachse verläuft. Durch ein besonderes Meßverfahren können gewisse Abweichungen bei der Zentrierung ausgeglichen werden. Da üblicherweise Be­ tonrohre mit unterschiedlichen Nenndurchmessern (300 bis 1.500 mm) gefertigt werden, kann bei der Vermessung das in Fig. 1 dargestellte Problem auftreten.

In Fig. 1 ist mit durchgezogenen Linien der Außendurchmes­ ser eines Spitzendes eines Betonrohres 2 dargestellt. Die­ ses ist in einer Stützhöhe H mit Bezug zum Boden abge­ stützt. Zur Bestimmung des Rohraußendurchmessers d₃ am Spitzende wird ein Meßkopf 4 auf einer Kreisbahn um das Be­ tonrohr 2 bewegt. In Fig. 1 sind zwei Positionen 4, 4′ des Meßkopfs dargestellt. Während des Umlaufs des Meßkopfes 4 um das Betonrohr 2 wird der Abstand zum Außenumfang des Rohrs 2 und dessen Profil senkrecht zur Zeichenebene erfaßt und mit einer Sollwert-Tabelle verglichen. Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist die Längsachse des Betonrohrs 2 in diesem Fall in idealer Weise koaxial zur Drehachse des Meßkopfs angeordnet.

Soll nun ein Rohr mit wesentlich kleinerem Durchmesser ver­ messen werden, so muß bei der bekannten Vorrichtung die Längsachse des strichpunktiert eingezeichneten kleineren Betonrohrs ebenfalls etwa koaxial zur Drehachse des Meß­ kopfs 4 verlaufen.

Dazu kann entweder die Stützhöhe des Betonrohrs auf das Maß H′ vergrößert werden oder aber bei konstanter Stützhöhe H (gestrichelte Linie in Fig. 1) die Drehachse des Meßkopfs 4 soweit abgesenkt werden, daß die Koaxialität wieder herge­ stellt ist (nicht dargestellt). Würde man versuchen, bei konstanter Stützhöhe H des Betonrohrs (gestrichelte Linie) und mit unveränderter Drehachse des Meßkopfs 4 (Darstellung nach Fig. 1) den Außendurchmesser zu erfassen, so würde der Laserstrahl beispielsweise in der mit 4′ bezeichneten Posi­ tion des Meßkopfs 4 am Meßobjekt 2 (gestrichelt) vorbeige­ hen, so daß keine oder lediglich eine fehlerhafte Messung möglich ist. Eine 360°-Rundumvermessung des Rohres wäre so­ mit nicht sichergestellt.

Zur Veränderung der Stützhöhe H muß der Auflagetisch des Betonrohres auf- oder abbewegbar sein, während zur Verände­ rung der Drehachsenlage des Meßkopfs 4 der gesamte Dreharm mit den dazugehörigen Antriebseinrichtungen in Vertikal­ richtung gelagert sein muß. Da bei der Serienfertigung im Betonwerk häufig unterschiedliche Rohrdurchmesser aufeinan­ derfolgend zu vermessen sind, wird durch den erforderlichen Niveauausgleich die Taktzeit der Meßvorrichtung erheblich verlängert. Des weiteren Bedarfes zur An- und Abhebung der Drehachse oder der Stützhöhe eines großen vorrichtungstech­ nischen Aufwandes, der die Fixkosten der Meßvorrichtung steigen läßt.

In der AT 000269 U1 ist eine Meßvorrichtung zum Prüfen der äußeren und inneren Umrißlinien von Rohrenden offen­ bart, bei der ein Meßkopf auf einem drehbar gelagerten Dreharm angeordnet ist. Zur Umstellung von einer Außen- auf eine Innenmessung läßt sich der Meßkopf auf dem Dreharm um 180° verschwenken. Diese Vorrichtung zeigt im wesentlichen die gleichen Merkmale wie sie im Zusammenhang mit dem vor­ stehend genannten Stand der Technik beschrieben wurden.

In der DE 44 07 518 A1 ist eine Meßvorrichtung gezeigt, bei der ein Meßobjekt auf einem Drehteller angeordnet ist, so daß das Außenprofil des Meßobjektes während einer Umdre­ hung des Drehtellers durch einen ortsfesten Meßkopf abtast­ bar ist. Bei der Auslegung für schwergewichtige Meßobjekte muß der Drehteller mit einem entsprechenden Antrieb und mit geeigneten Lagerungen versehen werden, so daß der vorrich­ tungstechnische Aufwand gegenüber Lösungen, bei denen der Meßkopf mit Bezug zu dem feststehenden Meßobjekt bewegt wird, erheblich höher ist. Des weiteren bereitet die koa­ xiale Ausrichtung des Meßobjekts zum Drehpunkt des Drehtel­ lers häufig Probleme.

Aus der DE 27 01 367 31 ist ein mechanisch wirkender Längenmeßtaster bekannt, bei dem ein Meßkopf programmge­ steuert eine Bezugskurve abfährt und aufgrund der erfaßten Bezugsdaten ein Tastende des Längenmeßtasters in die am je­ weiligen Meßpunkt geforderte Meßrichtung eingestellt wird. Die Genauigkeit eines derartigen mechanischen Längenmeßta­ sters hängt im wesentlichen von der Bezugskurve ab, die auf jedes Meßobjekt abgestimmt sein muß.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Meßvorrichtung zu schaffen, bei denen mit minimalem vorrichtungstechnischen und verfahrenstechni­ schen Aufwand unterschiedliche Abmessungen erfaßbar sind.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Vor­ richtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 7 gelöst.

Durch die Maßnahme, den Meßkopf verschwenkbar zu lagern, so daß die Schwenkachse des Meßkopfs entlang der durch die Drehachse des Meßkopfs vorgegebenen Bewegungsbahn bewegbar ist, kann der Meßkopf während der Bewegung des Meßkopfs entlang der Meßobjektoberfläche so verschwenkt werden, daß seine Meßachse immer in einem vorbestimmbaren Winkel auf den Außenumfang des zu vermessenden Objektes gerichtet ist.

Auf diese Weise entfällt die Notwendigkeit, entweder die Stützhöhe des zu vermessenden Objektes oder die Lage der Drehachse des Meßkopfes mit Bezug zur Stützhöhe zu verän­ dern. Da die Schwenkbewegung des Meßkopfs während des Meß­ vorganges erfolgt, geht keine Zeit durch den Niveauaus­ gleich verloren, so daß die Taktzeit gegenüber herkömmli­ chen Lösungen ganz erheblich verkürzt ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung lassen sich besonders vorteilhaft bei der Ver­ messung von kreisförmigen Meßobjekten, beispielsweise Be­ tonröhren verwenden, wobei der Schwenkwinkel des Meßkopfes in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser und vom Drehwinkel des Dreharmes gewählt wird. Andere Rohrformen (Eiform, Ellipse, etc.) sind mit dem Verfahren ebenfalls vermeßbar, wobei aber die jeweilige Profilform zur Nachführung des Meßkopfes bekannt sein muß.

Vorteilhafterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Meßkopf verwendet, bei dem eine direkte Abstandsmessung des Meßkopfs zum Meßobjekt mit Hilfe eines Lasers erfolgt, dessen Laserstrahl über eine Laseroptik auf das Meßobjekt gerichtet ist. Da derartige AM-CW-Lasermeßgeräte zur Erfas­ sung eines Profils oder eines Abstandes aus dem Stand der Technik bereits bekannt sind, kann hier auf eine detail­ lierte Beschreibung der physikalischen Grundlagen der La­ sermeßtechnik verzichtet werden. Nur beispielsweise sei diesbezüglich auf die Veröffentlichung "Laser-Entfernungs­ kamera zur schnellen Abbildung von 3-D Höhen- und Tiefen­ profilen" von C. Fröhlich und G. Schmidt verwiesen, deren Inhalt auch zur Offenbarung der vorliegenden Patentanmel­ dung zu zählen ist.

Bei dem eingangs beschriebenen Stand der Technik wird zur Erfassung des Außendurchmessers die sogenannte Triangula­ tionsmethode verwendet, bei der ein von der Oberfläche des Meßobjekts reflektierter Teil des Laserstrahles von einer CCD-Kamera aufgefangen und ausgewertet wird. Derartige Sy­ steme erfordern einen erheblichen apparatetechnischen Auf­ wand, da eine Laseroptik und eine Videokamera mit den er­ forderlichen Umlenksystemen installiert werden müssen. Des weiteren neigen die Umlenksysteme und die CCD-Kamera beson­ ders bei Anwendungen im Fertigungsbereich zur Verschmut­ zung, so daß Meßfehler auftreten können. Aus diesem Grund wird bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt, daß der re­ flektierte Laserstrahl im Meßkopf selbst ausgewertet wird. Dabei wird der Laserstrahl beispielsweise als sinusförmiges Ausgangssignal abgegeben und aus der Phasenverschiebung des von der Oberfläche des Meßobjektes reflektierten Eingangs­ signales der Abstand des Meßkopfs zur Meßoberfläche be­ stimmt. Da während des Umlaufs des Meßkopfs eine Vielzahl derartiger Abstandsmessungen durchgeführt werden, läßt sich beispielsweise der Außendurchmesser eines Meßobjekts auf einfache Weise bestimmen.

Einen besonders geringen vorrichtungstechnischen Aufwand ermöglicht eine Variante, bei der die Verschwenkung des Meßkopfs über einen Schrittmotor erfolgt, der am Dreharm befestigt ist. Dabei läßt sich durch entsprechende Ansteue­ rung des Schrittmotors der Schwenkwinkel des Meßkopfs sehr präzise einstellen, so daß Meßfehler auch bei unterschied­ lichen Meßobjektdurchmessern ausgeschlossen sind.

Eine flexible Meßvorrichtung erhält man, wenn diese mit ei­ ner Steuer- und Auswerteeinheit versehen wird, in der der Schwenkwinkel des Meßkopfs in Abhängigkeit vom Meßobjekt­ durchmesser und vom Drehwinkel des Dreharms vor der eigent­ lichen Messung berechnet wird.

Eine besonders vielseitig einsetzbare Meßvorrichtung erhält man, wenn der Schwenkarm parallel zur Drehachse verschieb­ bar (Z-Achse) angeordnet ist, so daß praktisch der Axialab­ stand des Dreharms zum Meßobjekt einstellbar ist. Durch diese Maßnahme lassen sich in Axialrichtung zueinander ver­ setzte Durchmesser des Meßobjektes erfassen.

Die sicherheitstechnischen Vorkehrungen lassen sich auf ein Minimum reduzieren, wenn der verwendete Laser mit einer mittleren Leistung von etwa 3 mW betrieben ist, so daß er den Anforderungen an die Schutzklasse 3A in Verbindung mit der Rotationsbewegung des Dreharms genügt.

Die Nullpunktjustierung des Lasers läßt sich vereinfachen, wenn an dem vom Meßkopf entfernten Meßabschnitt des Dreh­ arms in einem vorbestimmten festen Abstand eine Reflexions­ einrichtung vorgesehen ist, über die bei Meßbeginn eine Kalibrierung der Vorrichtung erfolgen kann.

Durch die im Unteranspruch 12 angegebenen Abmessungen las­ sen sich Betonrohre eines weiten Nennweitenbereichs vermes­ sen, ohne daß es eines Niveauabgleichs bedarf.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Ge­ genstand der sonstigen Unteransprüche.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung der Nachteile des Standes der Technik;

Fig. 2 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Meßvor­ richtung und

Fig. 3 eine Vorderansicht der Meßvorrichtung aus Fig. 2.

In den Fig. 2 und 3 ist eine Meßvorrichtung zur Messung des Außendurchmessers d₃ des Spitzendes eines FBS-Beton­ rohrs 2 dargestellt. Dazu wird ein Meßkopf 4 mit einer La­ seroptik 8 auf einer Kreisbahn um das Betonrohr 2 bewegt, wobei über die Laseroptik 8 ein Laserstrahl auf den zu ver­ messenden Außenumfang gerichtet ist. Die Laseroptik enthält Einrichtungen zur Abgabe eines Lasermeßstrahls und zum Emp­ fang des am Meßobjekt erzeugten Streulichts. Es können ein Infrarot-Halbleiter-Laser oder aber auch andere Laserarten eingesetzt werden. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten sei auf den eingangs erwähnten Aufsatz verwiesen. Der Laser­ strahl wird als sinusförmiges Ausgangssignal moduliert und das vom Außenumfang des Betonrohrs 2 reflektierte Signal durch geeignete Aufnahmeeinrichtungen verarbeitet. Aus der Phasenverschiebung des sinusförmigen Ausgangssignals und des sinusförmigen reflektierten Eingangssignals läßt sich die Distanz der Laseroptik 8 zur Meßoberfläche bestimmen.

Da während der Umlaufbahn des Meßkopfs 4 eine Vielzahl, beispielsweise 10.000 Abstandsmessungen durchgeführt wer­ den, läßt sich auf der Basis der ermittelten Abstände der mittlere Durchmesser d₃ und die Standardabweichung etc. mit Kleinst- und Größtwert ermitteln, so daß den Anforderungen der DIN 4032, 4035, 4034 Genüge getan ist.

Der Meßkopf 4 ist an einem Endabschnitt eines Dreharmes 10 befestigt, der drehbar an einem Fahrständer 12 gelagert ist.

Die Befestigung des Meßkopfs 4 am Dreharm 10 erfolgt über einen Schrittmotor 14, dessen Befestigungsflansch am Endab­ schnitt des Dreharms 10 befestigt ist und dessen Ausgangs­ welle (nicht gezeigt) den Meßkopf 4 trägt. Durch geeignete Ansteuerung des Schrittmotors 14 läßt sich dann der Meßkopf 4 um die Schwenkachse D mit Bezug zum Dreharm 10 verschwen­ ken.

Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Dreharm 10 zentrisch gelagert, so daß ein anderer Teilabschnitt des Dreharms 10 vom Meßkopf 4 über eine Drehachse C des Dreh­ arms 10 hinaus verlängert ist und etwa die gleiche Länge wie der den Meßkopf 4 tragende Endabschnitt aufweist. Es sind jedoch auch Lösungen vorstellbar, bei denen der Dreh­ arm exzentrisch gelagert ist. Es ist jeweils nur zu beach­ ten, daß während der Messung keine Kollision der Refle­ xionseinrichtung mit dem Meßobjekt erfolgen kann. An diesem anderen Endabschnitt des Dreharms 10 ist eine Reflexions­ einrichtung 16, beispielsweise eine Reflexionsschicht befe­ stigt, die in einem vorbestimmten Referenzabstand R zur La­ seroptik 8 und in deren optischer Achse angeordnet ist.

Da die Größe des Referenzabstandes R vorbekannt ist, läßt sich eine Kalibrierung der Meßvorrichtung vornehmen, indem vor Beginn der Messung ein Laserstrahl auf die Reflexionsein­ richtung 16 gerichtet wird und der dabei gemessene Abstand mit dem tatsächlichen Abstand R verglichen wird. Auf diese Weise lassen sich Referenzmessungen oder Nullpunktjustie­ rungen durchführen und beispielsweise Temperaturschwankun­ gen ausgleichen.

Der Dreharm 10 ist über eine Drehwelle am Fahrständer 12 gelagert, die über einen Antriebsmotor (nicht gezeigt) drehbar ist, so daß der Dreharm 10 eine Drehbewegung um ei­ ne von der Drehwelle vorgegebene Drehachse C durchführt. Wie insbesondere aus Fig. 3 hervorgeht, ist der Fahrständer 12 über zwei Längsführungen 18, beispielsweise Schwalben­ schwanzführungen oder andere bei Werkzeugmaschinen verwen­ dete Führungen auf einem Maschinenbett 20 gelagert, wobei sich die Längsführung 18 in Horizontalrichtung (Darstellung nach den Fig. 2, 3) erstreckt, so daß der Maschinenständer 12 in Z-Richtung (Fig. 2) verschiebbar ist. Diese Vorschub­ bewegung des Fahrständers 12 erfolgt beispielsweise über eine Kugelumlaufspindel, die über einen nicht gezeigten An­ triebsmotor angetrieben ist und über eine entsprechende Ku­ gelumlaufführung mit dem Fahrständer 12 verbunden ist. Durch Ansteuerung des Antriebsmotors läßt sich somit der Fahrständer 12 in Z-Richtung bewegen, so daß der Meßkopf 4 eine Horizontalbewegung parallel zur Längsachse des Beton­ rohrs 2 durchführt. Die Ansteuerung des Schrittmotors 14, der Drehwelle für den Dreharm 10 und des Antriebsmotors für die Längsführung 18 erfolgt über eine Steuer- und Auswert­ einheit 22, die über ein Display 24 verfügt, dem die einge­ stellten Betriebsparameter und die gemessenen Daten ent­ nehmbar sind. Die Steuer-/Auswerteeinheit umfaßt auch eine Speichereinheit, in der für den Betrieb der Meßvorrichtung erforderliche Betriebsdaten abgespeichert sind, auf die im folgenden noch näher eingegangen wird.

Die Länge des Maschinenbettes 20 oder genauer gesagt, der Längsführungen 18 ist so gewählt, daß sich der Meßkopf 4 aus seiner in Fig. 2 gestrichelt dargestellten Meßposition, in der der Laserstrahl auf den Außenumfang des Betonrohrs 2 gerichtet ist in seine mit durchgezogenen Linien darge­ stellte Grundposition verfahrbar ist, in der der Laser­ strahl das Betonrohr 2 nicht trifft und somit auf die Re­ flexionseinrichtung 16 gerichtet ist. Das heißt, in dieser Grundposition erfolgt die vorbeschriebene Referenzmessung zur Nullpunktjustierung.

Das Meßobjekt, im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Be­ tonrohr 2, ist auf einer nicht gezeigten Stützeinrichtung befestigt, wobei das Spitzende 26 von der Stützeinrichtung auskragend hin zum Meßkopf 4 gerichtet ist, wobei die Längsachse 28 das Betonrohrs 2 parallel oder koaxial zur Drehachse c angeordnet ist. Die Stützhöhe H des Betonrohrs 2 bleibt dabei für alle zu vermessenden Rohrgrößen gleich, das heißt, mit einer Stützhöhe H lassen sich Betonrohre mit unterschiedlichen Nennweiten vermessen. Auch die Beabstan­ dung der Drehachse C zur Stützhöhe H bleibt unabhängig vom Nenndurchmesser DN des Betonrohr 2 konstant.

Wie bereits vorstehend erwähnt, wird zur Bestimmung des Durchmessers d₃ der Dreharm 10 um die Drehachse C gedreht, so daß der Meßkopf 4 eine Kreisbahn um die zu vermessende Betonröhre 2 durchläuft, wobei die Laseroptik 8 stets in einem Abstand zum Außenumfang des Betonrohres 2 angeordnet ist. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt darin, daß der Meßkopf 4 während der Drehbewegung des Dreharms 10 um die Drehachse C durch geeignete Ansteuerung des Schritt­ motors 14 um die Schwenkachse D verschwenkt wird, so daß der Laserstrahl stets in einem vorbestimmten Winkelbereich auf die zu vermessende Außenumfangsfläche (ungefähr zen­ trisch zur Mittelachse des Betonrohres 2) gerichtet ist (siehe Fig. 3). Dieser Schwenkwinkel α (siehe Fig. 3) des Meßkopfs 4, das heißt der Winkel, den die optische Achse des Laserstrahls mit der Längsachse des Dreharms 10 ein­ schließt, wird in Abhängigkeit vom Drehwinkel β des Dreh­ arms 10 und der Nennweite DN (lichte Weite) des Betonrohrs 2 vorgewählt. Aus Fig. 3 wird klar, daß der Schwenkwinkel α bei der Vermessung eines Rohres mit geringem Nenndurchmes­ ser relativ große Werte annehmen kann, während er bei der Vermessung von Rohren mit großem Nenndurchmesser nahezu 0 bleibt, da dann die Längsachse des Rohres etwa koaxial zur Drehachse C verläuft.

Um alle auftretenden Nennweiten von Betonrohren vermessen zu können, wird in der Steuer-/Auswerteeinheit 22 eine Schwenkwinkeltabelle (α) in Abhängigkeit vom Drehwinkel β und vom ungefähr gemessenen Nenndurchmesser d₃ des Rohres berechnet. Der Meßkopf 4 wird somit in Abhängigkeit vom Drehwinkel β um einen Schwenkwinkel ab verschwenkt, so daß immer optimale Meßbedingungen vorhanden sind.

Der Schwenkwinkel α muß dabei nicht notwendigerweise recht­ winklig auf den Außenumfang gerichtet sein, sondern es sind auch andere Einfallswinkel, vorzugsweise jedoch Einfalls­ winkel im Bereich von 90° ± 30° zulässig.

Zur Vereinfachung des Verständnisses soll im folgenden ein Meßzyklus beschrieben werden.

Dazu wird zunächst ein zu vermessendes Betonrohr 2 in die in Fig. 2 strichpunktiert angedeutete Meßposition gebracht, in der das Betonrohr 2 auf der konstanten Stützhöhe H abge­ stützt ist. Die Zuführung des Betonrohrs 2 kann dabei über ein Fertigungsband einer Betonröhrenfabrik erfolgen, wobei es durchaus vorkommen kann, daß aufeinanderfolgend Beton­ rohre 2 mit unterschiedlichen Nennweiten DN zu vermessen sind.

Die Meßvorrichtung befindet sich dabei in der in Fig. 2 mit durchgezogenen Linien dargestellten Grundposition, in der der Dreharm in seiner Vertikalstellung (in der Mittelebene gemäß Fig. 3) angeordnet ist. Diese Vertikalstellung kann durch geeignete Detektoren erfaßt und kontrolliert werden, die den Drehwinkel β der Drehwelle (Drehachse C) erfassen.

In dieser Grundposition ist der Fahrständer 12 in Z-Rich­ tung weg vom zu vermessenden Objekt bewegt. Es wird dann zunächst eine Referenzmessung durchgeführt, in der der La­ serstrahl auf die Reflexionseinrichtung 16 gerichtet ist und dabei das Meßsignal mit dem Referenzabstand R vergli­ chen und gegebenenfalls über eine in der Speichereinrich­ tung der Steuer-/Auswerteeinheit abgelegte Eichkurve korri­ giert.

Anschließend wird der Antriebsmotor der Kugelumlaufspindel über die Steuer-/Auswerteeinheit 22 angesteuert, so daß der Fahrständer 12 hin zum Betonrohr 2 bewegt wird. Während dieser Vorwärtsbewegung wird zumindestens im Bereich des Betonrohrs 2 bereits ein Laserstrahl über die Laseroptik 8 abgegeben. Der Vorschub des Fahrständers 12 oder genauer gesagt, des Meßkopfs 4 in Z-Richtung erfolgt über den Spit­ zendabschnitt 26 hinaus, bis die optische Achse den radial erweiterten Mittelabschnitt mit dem Durchmesser d er­ reicht.

Während dieser Vorschubbewegung entlang der Rohrlängsachse 28 werden die jeweiligen Abstände A berechnet, wobei diese Berechnung auf der Basis des vorbeschriebenen Eingangssi­ gnales (reflektierter Teil des Laserstahls), der Stützhöhe H und des Referenzabstandes R erfolgt. Diese Werte werden über die Steuer-/Auswerteeinheit 22 mit abgespeicherten Durchmesser und Profildaten verglichen, so daß einerseits eine Grobvermessung des Nenndurchmessers d₃* und des Längs­ profils am Spitzende 26 erfolgt. Diese Profilmessung ist notwendig, da auch Rohre erkannt werden müssen, die bei gleichem Nenndurchmesser DN unterschiedliche Spitzendpro­ file aufweisen.

Nachdem die Profil- und Durchmessererkennung abgeschlossen ist, wird der Fahrständer 12 zurückbewegt, bis er diejenige Position am Spitzende 26 erreicht, an der die Dichtung an­ geordnet ist. Diese Position ist in Fig. 2 mit ts angedeu­ tet. Diese Meßposition ts ist ebenfalls in der Steuer- /Auswerteeinheit 22 für jeden Rohrtyp gespeichert.

Nachdem die optische Achse der Laseroptik 8 mit Bezug zur Meßposition ts ausgerichtet ist, wird der Antriebsmotor der Drehwelle angesteuert, so daß der Dreharm 10 eine Rotation um die Drehachse C aufnimmt. In Abhängigkeit vom Drehwinkel β (Fig. 3) und von dem zuvor ungefähr gemessenen Nenndurch­ messer d₃* erfolgt dabei eine Verschwenkung des Meßkopfs 4 um einen zugeordneten Schwenkwinkel α mit Bezug zum Dreharm 10, so daß die optische Achse der Laseroptik 8 stets in ei­ nem optimalen Winkel auf den zu vermessenden Außenumfang gerichtet ist. Insbesondere bei kleinen Nenndurchmessern DN ändert sich der Schwenkwinkel α praktisch mit jedem Dreh­ winkel β, wobei der Schwenkwinkel α in den Vertikallagen (Fig. 3) des Dreharms 10 gegen 0 geht. Bei größeren Durch­ messern (DN gegen 1200 mm) kann der Schwenkwinkel α während der gesamten Drehbewegung des Dreharms 10 Null betragen.

Während der Drehbewegung des Dreharms werden eine Vielzahl, beispielsweise 10.000 Abstandsmessungen durchgeführt, so daß bei einem kompletten Umlauf (β = 360°) des Dreharms 10 der Umfang des Spitzendes vermessen ist. Während der Mes­ sung erfolgt eine Online-Auswertung über die Steuer- /Auswerteeinheit 22, wobei die gemessenen Durchmesser und das Rohrprofil am Display 24 dargestellt werden, so daß die Bedien- oder Kontrollperson jederzeit über die erfolgten Messungen informiert ist.

Nach Abschluß der Messung erfolgt nach den Anforderungen der FBS-Qualitätsrichtlinie (DIN 4032, 4035, 4034) die Er­ fassung der Kleinst- und Größtwerte, das heißt der Ovalität des Rohres und ein Vergleich mit den vorgegebenen Soll-Wer­ ten. Für den Fall, daß die Soll-Werte nicht eingehalten werden, wird das vermessene Betonrohr 2 - beispielsweise über ein Handlingsgerät - aus gesondert oder mit einer ge­ eigneten Markierung als Ausschuß gekennzeichnet. Rohre, die die Qualitätskontrolle unbeanstandet durchlaufen, können mit einem Prüfsiegel versehen werden.

Nach der Durchführung der Messung und der Einstufung des Meßobjektes als Ausschuß oder als "Gutteil" wird der Fahr­ ständer 12 wieder in seine in Fig. 2 dargestellte Ausgangs­ position zurückbewegt und ein neuer Meßzyklus begonnen.

In der Speichereinrichtung der Steuer-/Auswerteeinheit 22 werden dabei sämtliche gemessenen Daten abgespeichert, so daß auch eine langfristige Qualitätsauswertung durchführbar ist.

Wie bereits eingangs erwähnt, können mit der erfindungsge­ mäßen Meßvorrichtung Betonrohre des gesamten vorkommenden Nennweitenbereiches vermessen werden, ohne daß es eines Ni­ veauausgleichs zwischen der Stützhöhe H und der Höhe der Drehachse C bedarf. Da die Verschwenkbarkeit des Meßkopfes 4 gegenüber herkömmlichen Lösungen lediglich eines minima­ len vorrichtungstechnischen Aufwandes bedarf und die Anpas­ sung an die unterschiedlichen Nennweiten während des Meß­ vorganges erfolgt, lassen sich die Investitionskosten und Taktzeiten gegenüber herkömmlichen Lösungen erheblich ver­ ringern.

Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung nicht auf einen Laser-Meßkopf beschränkt, es können auch andere berührungslose Meßverfahren angewendet werden, wobei optische Systeme oder Ultraschallsysteme etc. einsetzbar sind.

Des weiteren liegt es auf der Hand, daß die erfindungsgemä­ ße Vorrichtung nicht auf die Vermessung von Betonrohren und ähnlichem beschränkt ist, sondern auch Meßobjekte mit kom­ plizierteren Oberflächengestaltungen meßbar sind.

Des weiteren ist die Meßvorrichtung nicht auf eine Anwen­ dung zur Bestimmung von Außendurchmessern beschränkt, son­ dern es können selbstverständlich auch Innendurchmesser von Meßobjekten, beispielsweise der Innendurchmesser der Muffe eines Betonrohres bestimmt werden, wobei dann der Meßkopf 4 einen Laserstrahl auf die Innenumfangswandung des Meßobjek­ tes richten muß. Am Meßprinzip ändert sich dabei nichts.

Offenbart ist ein Verfahren zur berührungslosen Bestimmung des Außen- oder Innenprofils eines Meßobjektes und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, wobei ein Meßkopf auf einer Bewegungsbahn mit Bezug zum Meßobjekt be­ wegt wird und der Meßkopf relativ zur Bewegungsbahn ver­ schwenkbar ist, so daß die Meßachse eine vorbestimmte Ori­ entierung zum Meßobjekt beibehält.

Claims (15)

1. Verfahren zur berührungslosen Bestimmung des Außen- oder Innenprofils eines Meßobjekts, mit den Schritten:

• - Abstützen des Meßobjektes (2) mit einer vorgegebe­ nen Stützhöhe (H);
• - Bewegen eines Meßkopfes (4) entlang einer vorbe­ stimmten Bewegungsbahn im Abstand zu dem zu vermes­ senden Profil;
• - Erfassen des Abstandes (A) des Meßkopfes (4) zum Meßobjekt (2) an einer Vielzahl von Meßpunkten ent­ lang der Bewegungsbahn;
• - Berechnen des Profils aus den gemessenen Abständen (A),

dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (4) während der Bewegung entlang der Bewegungsbahn derart relativ zu dieser verschwenkt wird, daß seine Meßachse eine vorge­ gebene Orientierung zum Meßobjekt (2) beibehält.

2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Meßkopf (4) um eine Drehachse (C) entlang einer Kreisbahn mit Bezug zu dem Meßobjekt (2) bewegt wird und dabei um eine Schwenkachse (D) verschwenkt wird, die im Parallelabstand zur Drehachse (C) angeord­ net ist, so daß die Meßachse immer in einem vorbestimm­ ten Winkelbereich auf die zu vermessende Oberfläche ge­ richtet ist.

3. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Winkelbereich 90° ± 30° ist.

4. Verfahren nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zu vermessende Profil einen etwa kreisförmigen Durchmesser (d₃) hat und daß der Schwenk­ winkel (α) in Abhängigkeit vom Durchmesser (d₃, DN) des Meßobjektes (2) und vom Drehwinkel (β) des Meßkopfs (4) gewählt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (2) eine Muffe oder ein Spitzende eines FBS-Betonrohrs ist.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßkopf (4) ein Laserabstandsmeßgerät verwendet wird, bei dem über eine Laseroptik (8) ein Laserstrahl auf das Meßobjekt (2) gerichtet wird und vorzugsweise das vom Meßobjekt (2) reflektierte Eingangssignal zur Bestimmung des Abstan­ des der Laseroptik (8) von der Meßoberfläche verwendet wird.

7. Meßvorrichtung zur berührungslosen Bestimmung des Au­ ßen- oder Innenprofils eines Meßobjekts mit einem Meß­ kopf (4), der an einem Dreharm (10) befestigt ist, des­ sen Drehachse (C) etwa senkrecht zu einem zu vermessen­ den Profil eines Meßobjektes (2) angeordnet ist, das in einer vorbestimmten Stützhöhe (H) abgestützt ist, so daß der Meßkopf (4) im Abstand zum Meßobjekt (2) beweg­ bar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (4) vermittels einer gelenkigen Lagerung am Dreharm (10) während der Drehbewegung des Dreharms (10) so um eine Schwenkachse (D) verschwenkbar ist, daß seine Meßachse in einem vorbestimmten Winkel auf die Oberfläche des Meßobjektes (2) gerichtet ist.

8. Meßvorrichtung nach Patentanspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am Dreharm (10) ein Schrittmotor (14) be­ festigt ist, über den der Meßkopf (4) verschwenkbar ist.

9. Meßvorrichtung nach Patentanspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Dreharm (10) parallel zur Dreh­ achse (C) verschiebbar ist.

10. Meßvorrichtung nach einem der Patentansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (4) eine Laser­ abstandsmeßeinrichtung aufweist, deren Laser eine mitt­ lere Leistung von etwa 3 mW hat.

11. Meßvorrichtung nach einem der Patentansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß an einem vom Meßkopf (4) entfernten Endabschnitt des Dreharms (10) im vorbe­ stimmten Abstand (R) zum Meßkopf (4) eine Reflexions­ einrichtung (16) zur Referenzmessung angeordnet ist.

12. Meßvorrichtung nach einem der Patentansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (2) innerhalb eines Bereiches von etwa 600 bis 900 mm von der Dreh­ achse (C) entfernt abgestützt ist.

13. Meßvorrichtung nach einem der Patentansprüche 7 bis 12, gekennzeichnet durch eine Steuer-/Auswerteeinheit (22), in der die Schwenkwinkel (α) des Meßkopfs (4) in Abhän­ gigkeit von einem Meßobjektdurchmesser (d₃, DN) und vom Drehwinkel (β) des Dreharms (10) berechnet werden oder abgespeichert sind.

14. Meßvorrichtung nach einem der Patentansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antriebseinrichtung des Dreharms (10) an einem Fahrständer (12) gelagert ist, der seinerseits über eine Längsführung (18) auf einem Maschinenbett (20) geführt ist, so daß der Fahr­ ständer (12) aus einer Grundposition, in der die opti­ sche Achse des Meßkopfs (4) das Meßobjekt (2) nicht schneidet in eine Meßposition bewegbar ist, in der die optische Achse das Meßobjekt an einer vorbestimmten Po­ stition schneidet.