DE19854834A1 - Verfahren und Gerät zur Umfangsbestimmung zylindrischer Körper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Gerät entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 5.

In vielen Industrien, insbesondere der Druckindustrie und der Papier-erzeugenden Industrie werden zylindrische Körper, bekannt als Zylinder, Walzen oder Rollen eingesetzt. Dabei müssen die Zylinderumfänge, bzw. -radien oder -durchmesser oft bis auf wenige µm genau eingehalten werden. Es besteht ein Bedarf, diese Umfänge, Radien oder Durchmesser mit einem tragbaren Gerät zu messen, ohne das zylindrische Teil aus seinem Einsatzort zu entfernen.

Die zylindrischen Körpern werden z. T. mit spanabhebenden Bearbeitungsmaschinen gefertigt, z. T. wird eine Beschichtung vorgenommen, etwa mit Metall, Kunststoff oder Keramik. Während des Fertigungsprozesses werden Umfangs-, Radius- oder Durchmesser gemessen. Für hochpräzise Messungen nach dem Fertigungsprozess stehen Koordinaten-Messsysteme, etwa der Firmen Zeiss oder Leitz zur Verfügung. Als tragbare Messgeräte sind Circometer (Stahlmaßband), Bügelmessschrauben und nach dem Scheitelhöhen-Verfahren funktionierende Geräte der Firmen Heimann und Kaspar Walter bekannt.

Die Koordinatenmessgeräte sind wegen ihrer Größe und der erheblichen Kosten nicht für den Routineeinsatz der Fertigung geeignet. Weiterhin müssen die zylindrischen Körper erst zu den stationären Messgeräten hintransportiert werden. Umfangs-, Radius- oder Durchmessermessungen an eingebauten Zylindern sind beispielsweise nicht möglich. Die Handhabung der Circometer ist insbesondere bei größeren zylindrischen Körpern umständlich und führt zu Messfehlern. Die Messung eingebauter Zylinder ist nicht in jedem Fall möglich. Die Handhabung der Bügelmessschrauben ist ebenfalls sehr schwierig. Es kommt leicht zu Verkantungen beim Ansetzen des Messmittels. Messungen mit diesen Geräten können nur von speziell ausgebildeten Spezialisten mit der erforderlichen Genauigkeit vorgenommen werden. Bei den Geräten nach dem Scheitelhöhenverfahren ist der Messbereich begrenzt durch den möglichen Scheitelwinkel. Da die Messung nur an einem Punkt vorgenommen wird, ist sie sehr abhängig von der Zylinderbeschaffenheit an dieser Stelle. Staub, Rost, etc. können zu erheblichen Messungenauigkeiten führen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren sowie ein Gerät zu entwickeln, welches für zylindrische Körper im Umfangsbereich von 200 bis 2000 mm eine Messung des Umfangs mit einer Genauigkeit von ± 5 µm ermöglicht. Das Verfahren soll unabhängig von örtlichen Verunreinigungen der Oberfläche und für alle Oberflächen geeignet sein. Das Gerät soll tragbar sein und einen Einsatz auch bei nur teilweise zugänglichen zylindrischen Körpern ermöglichen.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 und das Gerät nach Anspruch 5 gelöst.

Das erfindungsgemäße Messgerät tastet einen definierten Bereich der zylindrischen Oberfläche berührungslos ab. Das erfindungsgemäße Verfahren berechnet aus diesen Messwerten den Umfang, Radius bzw. Durchmesser.

Mit dem erfindungsgemäßen Gerät können Messungen an zylindrischen Körpern in einem sehr großen Radiusbereich vorgenommen werden. Das Gerät benötigt zur Ermittlung des Umfangs lediglich einen kleinen Ausschnitt der Zylinder-Oberfläche, so dass Messungen auch an eingebauten Körpern vorgenommen werden können. Das Gerät ist tragbar und kann von einer Person ohne besondere Ausbildung bedient werden.

Die Ermittlung des Zylinderumfangs ist unabhängig von der exakten Positionierung des Messgeräts. Lediglich bei der eindimensionalen Messung muss auf das Einhalten der Winkligkeit geachtet werden. Somit entfallen die Probleme mit der Abnutzung der prismatischen Auflagen bei den Geräten nach dem Scheitelhöhen-Verfahren.

Da die Messung berührungslos erfolgt, besteht nicht das Risiko einer Beschädigung der Oberfläche. Die Berücksichtigung eines Ausschnitts der Zylinder-Oberfläche macht das Verfahren nahezu unabhängig von punktuellen Verschmutzungen, Rauhigkeiten oder anderen unerwünschten Effekten an der Oberfläche.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.

Es zeigen:

Figur A eine perspektivische Ansicht des Messgeräts mit Messobjekt,

Figur B eine Skizze des Messobjekts mit flächenhaftem Ausschnitt,

Figur C eine Skizze des Messgeräts ohne steckbare Verlängerung,

Figur D eine Skizze des Messgeräts mit steckbarer Verlängerung,

Figur E eine schematische Darstellung der Positioniereinheiten.

Nach Figur A wird das Messgerät 2 auf dem Messobjekt 1, dem zylindrischen Körper, mechanisch fixiert. Dabei ist die Ermittlung des Zylinderumfangs bei flächenhafter Abtastung unabhängig von den Auflageflächen und der Positionierung des Messgeräts. Bei linienhafter Abtastung muss sichergestellt sein, dass der Verfahrweg senkrecht zur Zylinderachse verläuft.

Die Messwertaufnahme erfolgt mit einem optischen Triangulationssensor 3. Dazu wird ein linienhafter Ausschnitt 4 in Figur A oder ein flächenhafter Ausschnitt 2 in Figur B abgetastet. Bei der Abtastung des linienhaften Ausschnitts 4 in Figur A werden nur die Y-Achse und die Z-Achse in Figur E zur Positionierung des Sensors 3 aus Figur A eingesetzt.

In einer nicht dargestellten Ausführung werden die X-Achse, die Y-Achse und die Z-Achse verwendet, um einen flächenhaften Ausschnitt 2 in Figur B abzutasten.

Nach Figur C wird das Messgerät für Messbereiche von 200 bis 500 mm Umfang des Messobjekts 1 genutzt.

Nach Figur D wird das Messgerät für Messbereiche von 450 bis 2000 mm Umfang des Messobjekts 1 genutzt, indem eine steckbare Verlängerung 3 der Winkelauflage am Messgerät mechanisch befestigt wird.

Innerhalb des jeweiligen Messbereichs erfolgt eine Winkelverstellung der Auflageflächen des Messgeräts 2 in festgelegten Schritten (Rasten).

Die Abtastung der Messobjektoberfläche liefert die geometrische Kontur des betrachteten Oberflächenausschnitts. Die Anzahl der Messwerte, die mit einem mathematischen Algorithmus nach Anspruch 3 berechnet werden, hängt von der Art und Grösse des Messbereichs ab.

In Figur E ist eine schematische Darstellung der Positioniereinheiten für die Abtastung des linienhaften Ausschnitts 4 aus Figur A skizziert. Die Bewegung des Verfahrtisches der Y-Achse 4 und des Verfahrtisches der Z-Achse 6 in Figur E erfolgt mit Schrittmotoren.

Nach der Messwertaufnahme erfolgt die Radius-, Durchmesser-, bzw. Umfangsberechnung in einer nicht dargestellten Recheneinheit. Die Ausgabe erfolgt auf einem Display, Drucker und/oder über eine Schnittstelle, die nicht dargestellt ist.

Die automatische Fehlerkompensation nach Anspruch 7 erfolgt in der Recheneinheit.

Um eine Vergleichsmöglichkeit der berechneten Radien, Durchmesser oder Umfänge zu erzielen, wird das Ergebnis auf eine Vergleichstemperatur (z. B. 20°C) umgerechnet. Dies erfordert die Temperaturmessung des Messobjekts 1. In einer nicht dargestellten Ausführung wird dazu ein Temperatursensor, der im Messgerät 2 befestigt ist, mittels Motor mit dem Messobjekt 1 in Kontakt gebracht.

Claims (9)

1. Verfahren zur Bestimmung des Umfangs, Radius oder Durchmessers zylindrischer Körper, dadurch gekennzeichnet, dass ein linienhafter oder flächenhafter Ausschnitt der Oberfläche des Körpers abgetastet wird und mit einem mathematischen Algorithmus Umfang, Radius oder Durchmesser ermittelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung eine geometrische Kontur des betrachteten Oberflächenausschnitts liefert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mathematische Algorithmus ein Regressionsverfahren darstellt, d. h. die Minimierung der quadratischen Abweichungen der Messwerte von einem betrachteten Probeumfang zum Maßstab hat.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Minimierungsprozess in einem numerischen Näherungsverfahren erreicht wird.

5. Gerät zur Umfangsbestimmung zylindrischer Körper basierend auf Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messung berührungslos über optische Triangulationssensoren erfolgt.

6. Gerät zur Umfangsbestimmung zylindrischer Körper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schrittmotor-gesteuerte Verschiebung der Sensoren in ein oder zwei Dimensionen erfolgt.

7. Gerät zur Umfangsbestimmung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine automatische Kompensation des Messfehlers erfolgt, der sich aus den unterschiedlichen Auftreffwinkeln des optischen Strahls auf die zylindrische Oberfläche ergibt.

8. Verfahren/Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Körper während der Messung rotiert.

9. Verfahren/Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abtastung der zylindrischen Oberfläche mit der Bewegung des Zylinders so synchronisiert wird, dass ein zusammenhängender Ausschnitt der Oberfläche, wie bei einem ruhenden Messobjekt, abgetastet wird.