DE2232410C3 - Anordnung zur optischen Messung der Änderung des Abstandes zwischen zwei MeBpunkten - Google Patents

Description

empfindlich gegen Zentrierungsfehler der beiden lichtreflektierenden Organe, wenn diese auf den Drehachsen rotierender Körper (z. B. Walzen) angebracht werden müssen.

Eine Zentrierung auf + 1 μ Genauigkeit dieser Reflektoren im Verhältnis zur Rotationsachse ist erforderlich. Diese Zentrierung wird besonders dann erschwert, wenn die lichtreflektierenden Organe in etwa 1,5 bis 2 m tiefen Löchern in Walzen untergebracht werden. Diese Fehler können durch Anbringung einer synchron mit den rotierenden Körpern rotierenden schräggestellten Glasplatte weitgehend beseitigt werden.

Die Retroreflektoren als optische Geber bestehen aus drei zueinander rechtwinkligen Reflexionsflächen. Die Retroreflektoren rotieren mit der Drehzahl der rotierenden Körper (Walzen) im Verhältnis zu den einfallenden Lichtstrahlen, was bedeutet, daß die Kantenlinien zwischen den verschiedenen Reflexionsflächen die Lichtstrahlen sechsmal pro Umdrehung in jedem Retroreflektor schneiden.

Wenn ein Lichtstrahl eine Kante trifft, erhält man eine Störung in der Intensitälsverteilung des Lichtstrahls in Form einer dunklen Linie und ein Diffraktionsmuster mit abwechselnd hellen und dunklen Linien. Die dunkle Linie dominiert an abgeschrägten Kanten des Retroreflektors und das Diffraktionsmuster an scharfgeschliffenen Kanten. Auf der Oberfläche des Lageindikalors erscheinen diese Störungen als Linien, die über die Oberfläche wandern, wenn der Retroreflektor rotiert. Der Lageindikator mißt die Lage des Schwerpunktes der lr'-nsitätsverteilung, weshalb die obengenannten Störungen in der Symmetrie der Verteilung als falsche Lageveränderungen registriert werden. Versuche haben gezeigt, daß die Störunge.! Lagefehlern von der Größenordnung 0,1 mm entsprechen, was um einen Faktor 100 über dem liegt, was toleriert werden kann.

Diese Kantenlinienstörungen werden auf die Weise eliminiert, daß die relative Rotationsbewegung zwischen Lichtstrahlen und Retroreflektor aufgehoben wird. Dies wird entweder dadurch erreicht, daß die Lichtstrahlen mit dem Retroreflektor synchron rotieren, oder dadurch, daß der Retroreflektor am rotierenden Körper in Lagern angeordnet ist.

Außer den Kantenlinienstörungen wird auch die Einwirkung von Winkelfehlern der Retroreflektoren eliminiert, da die Reflexionsflächen ständig in derselben Reihenfolge von dem Lichtstrahl getroffen werden. Dies führt zu einem konstanten Parallelitätsfehler zwischen einfallendem und reflektiertem Lichtstrahl.

An Hand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen

F i g. 1 und 2 das. Prinzip eines Retroreflektors,

F i g. 3 eine Anordnung nach der Erfindung, in dei ein Dove-Prisma verwendet wird,

F i g. 4 die Anordnung gemäß F i g. 3 ohne Dove-Prisma,

F i g. 5 a und 5 b das Prinzip eines in der Anordnung verwendeten Fotoindikators,

Fig. 6 ein Ausfuhrungsbeispiel eines hydraulischen Dickenregelungssystems für Kaltwalzwerke, in dem die Anordnung nach der Erfindung verwendet wird.

F i g. 7 ein Beispiel für die Montage der Anord nung nach der Erfindung an einem Wabcnpaar,

Fag. 8, 9, 9a und 10 eine andere Ausbildung der Anordnung nach der Erfindung, bei der Meßfehler auf Grund der Richtungsinstabilität des Lichtsenders reduziert sind,

Fig. 11a, 11b, 12a, 12b, 13a, 13b und 14 eine alternative Ausbildung der Anordnung nach der Erfindung zur Vermeidung von Meßfehlern auf Grund von Winkelfehlern der Retroreflektoren,

Fig. 15, 16 und 17 eine Zentrierungsanordnung,

ίο Fig. 18, 19, 20a und 20b eine Anordnung zur Vermeidung von Kantenlinienstörungen und Winkelfehlern der Retroreflektoren.

Zuerst wird an Hand der F i g. 1 bis 5 b das Prinzip der Anordnung nach der Erfindung beschrieben.

Wenn im folgenden das Wort »Geber« verwendet wird, so ist hiermit der Teil der Anordnung gemeint, der die Lichtstrahlen erzeugt, aussendet, empfängt und das Abweichungssignal auswirft (siehe 33 in F i g. 6). Der Geber basiert auf einer optischen Methode, bei der die Verschiebung des reflektierten Lichtstrahls im Verhältnis zu dem einfallenden Lichtstrahl gemessen wird., und zwar durch einen optisch arbeitenden sogenannten Retroreflektor. Wie in Fig. 1 gezeigt wird, hat ein Retroreflektor 11 drei reflektierende Flächen 12, 13 und 14, angeordnet wie die Ecke eines Würfels. Der einfallende Strahl 15 ist immer parallel zu dem reflektiertem Strahl 16 (siehe Fig. 2) und verläßt den Retroreflektor 11 an einem Punkt 18 diagonal gegenüber dem Einfallspunkt 17, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt wird. Der Retroreflektor Il kann um eine beliebig gerichtete Achse durch seine Spitze 19 rotieren, ohne daß der Abstand zwischen einfallendem und reflektiertem Lichtstrahl Ϊ5 bzw. 16 geändert wird. Wenn die Spitze 19 des Retrorefiektors 11 um eine Strecke ε gemäß Fi g. 2 verschoben wird, entsteht also eine vertikale Verschiebung 2f des reflektierten Strahls 16.

Ein Retrorenektoir il wird in zentrierter Lage, d. h. die Rotationsachse der Walze läuft durch die Spitze 19 des Retroreflektors 11, in jeder Arbeitswalze plaziert und ein Lichtsender 20 sendet einen Lichtstrahl 21, der wie in F i g. 3 gezeigt gerichtet, abgelenkt und angezeigt wird. Der von einem ersten Retroreflektor 22 reflektierte Lichtstrahl 23 fällt auf einen Reflektor 24, der den Strahl auf ein sogenanntes Dove-Prisma 25 lenkt, um eine weitere Reflexion des Strahls zu erreichen, ehe er auf einen Reflektor

26 fällt, um dann auf einen zweiten Retroreflektor 27 gerichtet zu werden, dessen reflektierter Strahl 28 einer Indikatoreinheit 29 zugeleitet wird. Eine vertikale Verschiebung der beiden Retroreflektoren 22 und 27 um ¹ItC ergibt ein vertikales Verschieben von 2 r des auf die Indikatoreinheit 29 einfallenden Strahls 28. Die Reflektoren 24 und 26 können mit Vorteil aus konstantableitenden Pentaprismen bestehen.

Wenn man das in F i g. 3 gezeigte Dove-Prisma 25 entfernt, erhält man einen Strahlenverlauf gemäß F i g. 4: Werden beide Retroreflektoren 22 und 27 auch hier vertikal je um die Strecke V» ε verschoben, so kommt es zu keiner vertikalen Verschiebung des Strahls 28, d. h. die Anordnung ist unempfindlich für Änderungen des relativen Abstandes zwischen den Retroreflektoren 22 and 27. Auf dieselbe Weise kann gezeigt werden, daß die Anordnung gemäß Fig. 3 mit Dove-Prisma 25 unempfindlich für Parallelverschiebungen und -drehunigen deT Retroreflektoren 22 und

27 im Verhältnis zu dem Sender 20 ist.

Die Verschiebung des abgehenden Strahls 28 ist

linear und gleich der doppelten Walzenabstandsänderung. Die Lage des Lichtstrahls 28 wird von einem Doppelphotoindikator 29 abgetastet, in dem der Lichtstrahl in zwei Teile 30 und 31 geteilt wird, wie aus Fig. 5a und 5b ersichtlich ist, wobei Fig. 5b einen Schnitt längs der Linie I-I in Fig. 5a zeigt. Die beiden Hälften 30 und 31 des Indikators 29 werden an einen Differentialverstärker 32 (s. F i g. 6) angeschlossen, dessen Ausgangssignal nichtlinear wird, da die Intensität des Lichtstrahls nach derGaußschen Kurve verteilt ist.

Als Lichtsender 20 wird vorzugsweise im Hinblick auf die Forderung paralleler Lichtstrahlen ein kontinuierlicher Gaslaser verwendet.

F i g. 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines hydraulischen Dickenregelsystems für Kaltwalzwerke, an das eine Anordnung gemäß der Erfindung angeschlossen ist.

Das AC-Signal 34 vom Geber 33 kann ohne eine die Walzenbiegung od. dgl. berücksichtigende Korrektur zum Regeln des Arbeitswalzenabstandes verwendet werden. Die Zeitkonstante des Systems wird im wesentlichen von der Zeitkonstanten des hydraulischen Systems bestimmt. Der verwendbare Meßbereich des optischen Indikators 33 ist begrenzt, so daß es notwendig ist, daß die Lage des Indikators 29 eingestellt werden kann. Auch bei Durchmesservariation der Walzen 35 und 36 auf Grund von Umschleifen ist zu berücksichtigen. Ein einfaches Lagebestimmungssystem 37 mit Stufenmotor 38 in Kombination mit einem Röntgengeber 39 ist nach dem Walzwerk zwecks Bestimmung der Absolutlage des Photoindikators vorgesehen. Der Röntgengeber 39 integriert die absolute Dicke des Bandes und korrigiert über das Lagebcstimmun.gssystem 37 die Absolutlage des Photoindikators 29 bei langsamen Dickenvariationen. Solche Fehler treten vor allem auf Grund von thermischer Durchmesservariation der Arbeitswalzen auf.

Vor einem neuen Stich wird der Photoindikator grob eingestellt, indem dem Lagebestimmungssystem ein Sollwertsignal 40 zugeführt wird, das der gewünschten Banddicke entspricht. Diese Grobeinstellung kann z. B. gleichzeitig mit der Grobeinstellung der Walzen 35 und 36 erfolgen, nämlich durch Nullstellung des Lagebestimmungssystems 37 (Nullstellungssignal 41) bei einer Walzenspaltbreite Null und bestimmter Walzkrafteinstellung, wonach eine Vergrößerung des Walzenspaltes 42 mittels mehrerer Stufen von Null bis zu dem gewünschten Abstand erfolgt. Das Ausgangssignal 34 vom Geber 33 wird über einen phasenempfindlichen Gleichrichter 45, einen Regulator und Verstärker 46 und ein Servoventil 47 direkt einem hydraulischen Zylinder 44 zugeführt. In der Bahn des vom Lichtsender 20 ausgesendeten Strahls ist eine rotierende mit Spalten versehene Scheibe 48 angeordnet, die das ausgesendete Licht in Impulse aufteilt, so daß das Ausgangssignal 34 Wechselslromcharakter bekommt, was ein hohes Signalrauschverhältnis ergibt.

Der Lichtsender 20 besteht vorzugsweise aus einem Lasersender, und der Indikator 29 wird zweckmäßigerweise auf einer Platte 49 montiert, die an dem oberen Achszapfen 50 aufgehängt ist, wie in F i g. 7 gezeigt wird. Der Geber 33 folgt hierbei den Bewegungen des oberen Achszapfens 50, was zulässig ist, da die Anordnung für kleine Parallelverschiebuncen und -Verdrehungen im Verhältnis zu den Retroreflektorcn 22 und 27 unempfindlich ivt. Die Aufhängung des Gebers 33 an den Achszapfen 50 und 51 erleichtert auch das Einstellen des Lichtstrahls und das Abdichten um die Löcher 52 und 53 in den Achszapfen 50 und 51. Das Anschließen an den unteren Acbszapfen geschieht /weckmäßigerweise vertikal verschiebbar zu der Platte 49 zwecks Anpassung an variierende Achsenabstände. Die Anschlüsse 54 und 55 werden zweckmäßigerweise an den Achszapfen 50 bzw. 51 festgeschraubt, was ein schnelles Montieren

ίο und Demontieren des Gebers 33 bei Walzenaustausch ermöglicht.

Der optische Geber 33 hat dank der Anordnung der Retroreflektoren 22 und 27 innerhalb der Walzbahn den Vorteil, daß er nicht von Walzenbiegungskontrollen gestört wird, sondern er kann im Gegenteil als Hilfsmittel bei einer solchen Kontrolle verwendet werden, da er die Dickenabweichungen des Bandes in einer Ebene durch die Retroreflektoren und das Band mißt, wobei die Einwirkung einer WaI-zendeformation vernachlässigbar ist.

E'.ine weitere Ausführungsform der Anordnung gemäß der Erfindung wird in F i g. 8 gezeigt, wo ein Lichtsender 20, vorzugsweise ein Gaslaser, einen Lichtstrahl 201 aussendet, der mittels eines lichlstrahlteilenden Organs 202 in zwei Teillichtstrahlen 203 und 204 aufgeteilt wird, und zwar einen für jede Walze. Mittels Reflektoren 613 werden die Lichtstrahlen 203 und 204 von Retroreflekioren 601 bzw. 602 reflektiert und danach zu je einem Indikator 291 bzw. 292 geleitet.

Die Relrorefiektoren 601 und 602 sind in den zugeordneten Walzen gelagert angeordnet, und zwar durch Montage auf dem Innenring eines Lagers 631, und werden mittels der Stange 632 im Verhältnis zu den Walzen in stillstehender Lage gehalten, wobei die Stange von dem Zentrum der Retroreflekioren ausgeht und dort fixiert ist und sich bis zu einem festen Punkt außerhalb der betreffenden Walze erstreckt. Die Retroreflektoren sind hierbei so eingestellt, daß die Teillichtstrahlen 203 und 204 keine Kante der Retroreflektoren schneiden, um unerwünschte Diffraktionslinien bei der Anzeige zu vermeiden. Diese besondere Anordnung wird noch naher beschrieben.

Eine planparallele optisch durchsichtige Glasplatte 64, die mit der Walze rotiert, ist in jedem Walzenloch angeordnet, um Zentrierungsfehler der Retroreflektoren aufzuheben. Diese Zentrierungsplatte wird nachfolgend näher beschrieben.

In F i g. 9 wird gezeigt, wie Parallelitätsfehlei (Parallelverschiebung) i; und Winkelfehler (Richtungsänderung) ξ des ausgesendeten Lichtstrahls die Messung beeinflussen. Diese besondere Anordnung wird noch näher beschrieben.

Sowohl der Parallelitätsfehler η wie der Winkel fehler f verursachen, wie in F i g. 9 gezeigt wird, Stör signale bei den Indikatoren 291 und 292, wobei 2> die Lageänderung der von den RetToreflektoren 601 und 602 reflektierten Teillichtstrahlen 203 bzw. 20<!

auf Grund der Walzenabstandsändening r ist.

Die Fehler t; und ξ liegen in gleicher Phase hinte den Indikatoren imd können durch Differenzbildunj mit Hilfe eines Differentialverstärkers reduziert wer den. wie in F i g. 9 a gezeigt wird, wo Ausgangssignali von den Indikatoren 291 und 292 einem Differential verstärker 293 zugeführt werdlen.

Eine Wal/enabstandsänderung r führt dagegen τι Au^canessignalen der Indikatoren 291 und 292. di

609 638'2C

ίο

in Gegenphase liegen und in dem Differentialverstär- gerichtet und überlagert. Die Funktion des in der ker addiert werden, dessen Ausgangssignal hierbei Figur gezeigten Prismas 25 ist bereits beschrieben ein Maß für eine eventuelle Walzenabstandsänderung worden.

bildet. Gewisse Bedingungen müssen jedoch erfüllt Die reflektierten Teilstrahlen 213 und 214 werden

werden, damit eine Reduzierung der genannten Feh- 5 danach von dem Aufteilungsorgan 241 zu einem einlerquellen geschehen kann. Es muß die Differenz zigen Strahl 215 zusammengesetzt. Fig. 14 zeigt zwischen der Anzahl Lichtstrahl reflexionen der bei- auch, wie die Aufteilungsorgane 241 und 261 in der den Teillichtstrahlen eine gerade Zahl sein, der Ab- Anordnung gemäß der Erfindung angeordnet sind, stand α zwischen den auf die Retroreflektoren fallen- wobei die Strahlenverhältnisse am Retroreflcktor 27 den Teillichtstrahlen 203 und 204 muß klein sein im 10 den Verhältnissen am Retroreflektor 22 entsprechen Verhältnis zu dem Abstand b zwischen dem Teilungs- und die Aufteilungsorgane 241 und 261 auch für die punkt der Strahlen im Strahlteilungsorgan und deren von den zuvor angewandten Reflektoren (24 und 26) Schnittpunkt im Retroreflektor. erzeugten Reflexionen vorgesehen sind.

Wird die letztgenannte Bedingung nicht erfüllt, Wie aus Fig. 13a und 13b hervorgeht, sind die

kann die Strahlenteilung symmetrisch ausgeführt wer- 15 Verschiebungen <) der beiden Strahlen gleich groß den, wie in Fig. 10 gezeigt wird, wo der Abstände und einander entgegengerichtet, was dazu führt, daß gleich dem Abstand d ist und wo die Abstände e entstandene Fehlsignale einander an dem in F i g. 5 a und / zwischen den Reflektoren 205 bzw. 206 und und 5 b beschriebenen Photoindikator 29 entgcgenden Retroreflektoren 601 bzw. 602 einander beinahe wirken. Die in Fig. 12a und 12b gezeigten Vergleich sind, ao Schiebungen 2 ε sind dagegen gleichsinnig und zu-

Unabhängig von der Art der Strahlenteilung ist es sammenwirkend.

notwendig, daß die Lageempfindlichkeit der beiden Dies bedeutet, daß der von dem Lichtsender 20

»Meßarme« gleich ist. ausgehende Lichtstrahl 210 in zwei entgegengesetzt

Das Anzeigen mit zwei separaten Lageindikatoren verlaufende Strahlen 211 una 212 von gleicher Intenhat den Vorteil, daß die Lageempfindlichkeit in je- 25 sität aufgeteilt wird. Die beiden Teilstrahlen 211 und dem »Meßarm« elektrisch getrimmt werden kann, so 212 nehmen denselben Weg 220 durch die Retrodaß die letztgenannte Bedingung erfüllt wird. reflektoren 22 und 27 und erhalten summenmäßic

Indem man die Verstärkungen in den »Meßarmen« denselben Lagefehler am Photoindikator 29. Die Lajustiert, können eventuelle Intensitätsunterschiede in gefehler sind jedoch einander entgegengerichtet, so den Teillichtstrahlen kompensiert werden, so daß die 30 daß der Schwerpunkt der gesamten Intensitätsvertei- »Meßarme« völlig symmetrisch werden. lung unverändert bleibt. Damit bleibt auch das Aus-

Ein weiterer Vorteil der Anordnung ist, daß Feh- gangssignal des Photoindikators 29 unbeeinflußt. Das ler auf Grund von fleckweisen Intensitätsvariationen anwendbare Meßsignal (erzeugt durch Änderungen in einem Laserstrahl reduziert werden können, da der Entfernung zwischen den Retroreflektoren) bleibt diese Art von Fehlern Störsignale erzeugt, die gleich- 35 unverändert, da beide Teilstrahlen derselben Verphasig liegen und im Diffrentialverstärker subtrahiert Schiebung ausgesetzt werden,
werden. Ein Beispiel für eine Zentrierungsanordnung für

Wie bereits erwähnt, wird das Abstandsmessen mit die Retroieftektoren wird in Fig. 15 und 16 gezeigt. rwei einander entgegengerichteten und überlagerten Fig. 15 zeigt, wie ein Retroreflektor 60 einen

Lichtstrahlen ausgeführt, um Winkelfehler in den Re- 40 Lichtstrahl 61 empfängt und reflektiert (62). Der Retroreflektoren zu vermeiden. troreflektor 60 weist hier einen Zentrierungsfehler c

Fig. 11a und 11 b zeigen die beiden einfallenden im Verhältnis zu der Rotationsachse 63 einer Walze Strahlen getrennt. Ein Strahl 151 bzw. 152 fällt auf auf. Hierdurch entsteht ein periodischer Lagefehlei einen Reflektor 111 bzw. 112, wobei ein reflektierter 2ε für den reflektierten Lichtstrahl 62. In Fig. 16 Strahl 161 bzw. 162 erzeugt wird, der mit dem ein- 45 wird gezeigt, wie die Zentrierung des Retrorefiektors fallenden Strahl 151 bzw. 152 parallel ist. 60 mit einer schräggestellten, vorzugsweise planpar-

Fig. 12a und 12b zeigen die Verschiebung der allelen, optisch durchsichtigen Platte 64, z.B. aus Strahlen auf Grund der Lageänderung ε des Retro- Glas, eingeführt -^ird. Die Glasplatte wird auf einen reflektors 111 bzw. 112. Dabei wird der reflektierte bestimmten Neigungswinkel β = (90 — α) im VerStrahl 161 bzw. 162 gemäß dem Prinzip eines Retro- so hältnis zu der Rotationsachse 63 der Walze eingereflektors um die Strecke 2 ε verschoben. stellt und so an der Walze fixiert, daß sie zusammen

Fig. 13a und 13b zeigen die Verschiebung der mit dieser rotiert. Man erreicht hierdurch eine rotie-Strahlen auf Grund von Winkelfehlem des Retro- rende Ableitung der beiden Lichtstrahlen 61 und 62. reflektors 111 bzw. 112. Hierbei tritt ein Paralleli- Bei richtiger Einstellung der Glasplatte werden die

tätsfehler δ bei dem reflektierten Strahl 161 bzw. 162 55 beiden Lichtstrahlen 61 und 62 der exzentrischen auf. Rotationsbewegung des Retroreflektors 60 genau fol-

Fig. 14 zeigt, wie die zuvor getrennten Strahlen gen, was dazu führt, daß der reflektierte Lichtstrahl mit Hilfe von Aufteilungsorganen 241 und 261 über- 621 rechts von der Glasplatte 64 nicht von Zentrielagert werden, die so angeordnet sind, daß ein auf rungsfehlern des Retroreflektors 60 beeinflußt wird, ein Aufteflungsorgan 241 fallender Strahl 21t in 60 Die Lagekorrektur der Glasplatte 64, die in zwei parallele und gleiche Teilstrahlen 211 und 212 F i g. 16 gleich ε der einzelnen Strahlen 61 und 62 ist, aufgeteilt wird, die denselben Weg 228 zurücklegen, ist in Fig. 17 als Funktion des Drehungswinkels α aber in entgegengesetzter Richtung in dem Retro- der Platte 64 für eine Platte mit einer Dicke von reflektor 22. Der einfallende Teilstrahl 211 ist dabei 5 mm und einem Brechungsindex von 1.51 abgebildet. dem von Teilstrahl 212 erzeugten reflektierten Teil- 65 Die Korrektur jeder Koordinatenrichtung wird strahl 214 entgegengerichtet und überlagert; ebenso zweckmäßigerweise separat durchgefühlt, ist der einfallende Strahl 212 dem von dem Teilstrahl Die Glasplatte wird zweckmäöigerweise dünn gell 1 erzeugten reflektierten Teilstrahl 213 entgegen- wählt (2 bis 5 mm), was beim Einstellen der Platten-

lage eine hohe Übersetzung (kleine Lagekorrektur per Drehungsgrad) und geringe Empfindlichkeit gegen Drehfehler auf Grund von Walzenbiegung während des Walzens ergibt.

Den größten Fehler erhält man bei der sogenannten Überhöhungskontrolle (Bombierungskontrolle) der Walzen (aufgezwungene Biegung). Dieser Fehler betrug in einem Fall <2,5 μ bei 5 mm Plattendicke. Der Fehler wirkt sich als eine konstante Durchschnittswertänderung (bei konstanter Belastung der Walzen) aus und kann deshalb mit Hilfe des absolutmessenden Röntgengebers auf der Ausgangsseite des Walzwerkes korrigiert werden.

Obengenannte rotierende Ableitungsbewegung kann auch mit anderen optischen Komponenten als einer ebenen Platte erreicht werden, z. B. mit zwei keilförmigen Platten, mit zwei Linsen oder Spiegeln.

In Fig. 18, 19, 20a und 20b wird gezeigt, wie Kantenstörungen bei den Retroreflektoren vermieden werden können.

Fig. 18 zeigt eine Anordnung gemäß der Erfindung mit zwei rotierenden Rhomboidprismen 611 und 612 und einem stillstehenden Pentaprisma 613. Die Prismen 611 und 612 sind hierbei mechanisch mit der Walze verbunden, so daß die Rotation synchron mit der Rotation des Retroreflektors 600 geschieht. Die Lage der Rotationsachse ist mittels eines mit einem R versehenen Pfeils angegeben. Das Prisma 611 erzeugt eine rotierende Bewegung des auf den Retroreflektor 600 fallenden Strahls 614. Die Bewegung wird in dem Retroreflektor 600 auf den reflektierenden Strahl 615 übertragen und im Prisma 612 aufgehoben. Der Strahl 616 hinter dem Prisma 612 ist somit stillstehend. Das Pentaprisma 613 wird zur Ablenkung des Lichtstrahles 616 um 90° auf den Lageindikator 29 verwendet. Da der Retroreflektor 600 in seiner Funktion rotationssymmetrisch ist, arbeitet der Geber wie zuvor, obwohl die Lichtstrahlen rotieren.

Fig. 19 zeigt eine Variante der Anordnung nach Fig. 18, in der das stillstehende Pentaprisma 613 durch eine zusammen mit einem Rhomboidprisma 611 rotierende Spiegelfläche 617 ersetzt ist, die zweckmäßigerweise zu einer Strahlcnteilungsoptik618 gehört. Hier ist es auch zweckmäßig, eine gleiche Strahlenteilungsoptik 619 vor dem Sender 20 anzuordnen.

Das in F i g. ] 9 gezeigte Ausführungsbeispiel der Anordnung hat einen einfacheren mechanischen Aufbau als das in Fig. 18, aber eine kompliziertere optische Ausstattung.

F i g. 20 a zeigt, wie der Retroreflektor 600 in der

ίο Walze 52 gelagert angeordnet werden kann. Der Retroreflektor 600 ist hierbei auf dem Innenring eines Lagers 631 montiert und befindet sich in nicht rotierender Lage, was z. B. mittels einer Stange 632 erreicht wird, die vom Zentrum des Retroreflektors 600 ausgeht und dort fiixiert ist und sich bis zu einem beliebigen festen Punkt außerhalb der Walze erstreckt. Die Lage des Retroreflektors 600 wird so eingestellt, daß die Lichtstrahlen 633 und 634 keine Kante desselben schneiden. Dies ist in Fig. 20b im

ao Schnitt gezeigt, die einen längs der Linie A-A in Fig. 20a darstellt und in der ein einfallender Strahl 635 und ein reflektierter Strahl 636 so auf die reflektierenden Flächen des Retroreflektors 600 treffen, daß die Kanten 637 vermieden werden. Das Lager 631 ist hierbei mit seinem Außenring in einer im Walzenloch der Walze 52 fixierten Befestigungsanordnung 638 angebracht.

Wenn die Anordnung zum Messen des Walzenabstandes Organe für die Eliminierung von Zentrierungsfehlern enthält, z. B. in Form einer planparallelen, optisch durchsichtigen Platte 64 aus z. B. Glas, kann der Retroreflektor leicht mit einem Loch für die obengenannte Stange 632 versehen werden, wie in F i g. 20 a gezeigt wird.

Ein wesentlicher Vorteil bei der Verwendung von gelagert angeordneten Retroreflektoren in Anordnungen zum Messen des Walzenabstandes bestehi darin, daß die qualitativen Forderungen an den Retroreflektoren gesenkt werden können, so daß Stan dardtypen mit üblichen Parallelitätsfehlern zwischer einfallendem und reflektiertem Strahl verwendet wer den können, da Lager mit hoher Präzision zugänglicl sind.

Hierzu 9 Blatt Zeichnungen

Claims (20)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur optischen Messung der Änderung des Abstandes zwischen zwei Meßpunkten von einem vorgegebenen Wert, dadurch gekennzeichnet, daß an jedem Meßpunkt ein lichtreflektierendes Organ (22, 27, 601, 602) angeordnet ist, daß von einem LichtsenJer (20) Lichtstrahlen (21, 23, 28) auf die lichtreflektierenden Organe gesandt werden und daß die reflektierten Strahlen auf Indikatoren (29, 291, 292) gerichtet sind, welche eine Abweichung des auftreffenden Lichtstrahles von eiuer vorgegebenen Nullage anzeigen.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtreflektierenden Organe aus Retroreflektoren (11) bestehen, die so geformt sind, daß die reflektierten Lichtstrahlen parallel zu den einfallenden Lichtstrahlen verlaufen. ao

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die auf jeden Meßpunkt gerichteten Lichtstrahlen parallel zueinander verlaufen.

4. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwege zu und von den lichtreflektierenden Organen über ein Umkehrprisma (25) hintereinander geschaltet sind und einen einzigen Indikator (29) beaufschlagen, wobei die Anzahl der Reflektionen zwischen Lichtsender (20) und Indikator (29) ungerade ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwege zu und von den beiden lichtreflektierenden Organen unmittelbar von einer Lichtquelle kommen, daß jeder der beiden reflektierten Lichtstrahlen auf einen eigenen Indikator (291, 292) fällt und daß die Ausgangsgröße der beiden Indikatoren auf einen Differentialverstärker (293) geschaltet ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtstrahlen für beide Lichtwege zu und von den beiden lichtreflektierenden Organen mittels eines Umlenkorgans (202) einem einzigen Lichtsender (20) entnommen werden.

7. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beseitigung von Winkelfehlern der lichtreflektierenden Organe in jedem der Lichtwege zu und von den beiden lichtreflektierenden Organen Aufteilungsorgane (241, 261) angeordnet sind, die den zum lichtreflektierenden Organ laufenden Strahl (210) in zwei parallele Teilstrahlen (211, 212) zerlegen und die reflektierten beiden Teilstrahlen (213, 214) wieder zu einem einzigen Strahl (215) zusammensetzen.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei An-Ordnung der beiden Meßpunkte, an denen die lichtreflektierenden Organe befestigt sind, auf den Rotationsachsen rotierender Körper zur Beseitigung von Exzentrizitätsfehlern der reflektierenden Organe (60) in jedem der Lichtwege zu und von den beiden lichtreflektierenden Organen Zentrierungsorgane (64) angeordnet sind, die mit den rotierenden Körpern rotieren und dem einfallenden Lichtstrahl eine rotierende Bewegung um eine Achse außerhalb der Hauptrotationsachse verleihen und die rotierende Bewegung des reflektierten Strahls wieder aufheben.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Zentrierungsorgan eine zur Rotationsachse schräggestellte, vorzugsweise planparallele, optisch durchsichtige Platte (64) ist, wobei der Neigungswinkel zur Rotationsachse einstellbar ist.

10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die beiden Meßpunkte, an denen die lichtreflektierenden Organe befestigt sind, auf den Rotationsachsen rotierender Körper liegen, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, welche die relative Rotationsbewegung zwischen lichtreflektierendem Organ und einfallendem Lichtstrahl aufheben.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß jedem rotierenden Körper zwei mitrotierende Rhomboidprismen (611, 615) zugeordnet sind, von denen das eine (611) den zentralgerichteten einfallenden Strahl aus der Mitte ablenkt und daß zweite den reflektierten Strahl in die Mitte (Hauptrotationsachse) zurücklenkt.

12. Anordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Verschiebung des einfallenden und reflektierten Strahls der Höhe des ersten bzw. zweiten Rhomboidprismas entspricht.

13. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtreflektierenden Organe derart an den Meßpunkten befestigt sind, daß sie an der rotierenden Bewegung der rotierenden Körper nicht teilnehmen.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die lichtreflektierenden Organe in einer solchen Drehwinkellage festgehalten sind, daß der einfallende Lichtstrahl auf eine der reflektierenden Flächen des lichtreflektierenden Organs fällt.

15. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtsender (20) ein Gaslaser ist.

16. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der vom Lichtsender ausgehende Strahl durch ein Impulsorgan geht, welches den Lichtstrahl in Lichtimpulse zerlegt.

17. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei ihrer Verwendung zur Messung der Änderung eines vorgegebenen Walzenabstandes (Walzenspalt) die lichtreflektierenden Organe in achsparallelen, konzentrischen Löchern (52, 53) der Walzen (35, 36) befestigt sind.

18. Anordnung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Löcher (52, 53) bis zur Mitte der Walzen reichen.

19. Anordnung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, daß in den Löchern der Walzen Kugellager (631) eingelassen sind, deren Innenringe gegen Mitdrehen blockiert sind (623) und die lichtreflektierenden Organe tragen.

20. Anordnung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei der einem bestimmten Walzenspalt entsprechenden

Nullagejustierung der Indikatoren die unter Last auftretende Durchbiegung der Walzen berücksichtigt wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur optischen Messung der Änderung des Abstandes zwischen zwei Meßpunkten von einem vorgegebenen Wert.

Auf vielen verschiedenen Gebieten besteht das Bedürfnis, die Änderung des Abstandes zwischen zwei Meßpunkten von einem vorgegebenen Wert bzw. die Einhaltung dieses vorgegebenen Wertes mit sehr großer Genauigkeit kontinuierlich messen und kontrollieren zu können. Die Erfindung wird lediglich der Anschaulichkeit halber im folgenden vorzugsweise in ihrer Anwendung in Walzwerken erläutert.

In Stahlwalzwerken werden Stahlband und -blech mit hohen Anforderungen bezüglich der Dickentoleranz gewalzt. Die Dicke des gewalzten Bandes ist von einer Fülle von Faktoren abhängig und wird im allgemeinen während eines Walzprozesses automatisch geregelt. Die Dickentoleranz des Bandes wird zum großen Teil von der Genauigkeit und Schnelligkeit des Dickenmeßgliedes bestimmt.

Die erforderliche Walzkraft in einem gegebenen Fall ist von dem Durchmesser der Arbeitswalzen, der Eingangsdicke des Bandes, der Dickenreduktion, der Bandbreite, der Zugspannung des Bandes vor und nach den Walzen, der Friktion zwischen den Arbeitswalzen und dem Band, der Dehnungsgrenze des Materials und der Walzgcschwindigkeit abhängig.

Diese Größen können während eines Walzprozesses mehr oder weniger variieren, was zu Fehlern in der Dicke des gewalzten Bandes führt. Hinzu kommt der Einfluß mechanischer Unvollkommenheiten des Walzwerkes, was weitere Fehler verursacht.

In einem Walzwerk gibt es mehrere mögliche Meßpunkte, an denen man Meßwerte für die gewalzte Banddicke oder -dickenvariationen erhalten kann. Da der Walzenspalt die Regelgröße bei einer Banddickenregelung bildet, ist ein Geber, der die_ Größe des Walzenspalts mißt, am wünschenswertesten. Fehlerquellen, die hierbei in verschiedenen Kombinationen Walzenspaltmessungen beeinflussen können, sind thermische Dimensionsveränderung des Walzenstuhls, Friktion zwischen Stützwalzenlagerhaus und Walzenstuhl, Exzentrizität zwischen Stützwalzenlager und Stülzwalzenfläche, Nichtrundheit der Stützwalzen, unterschiedliche ölfilmdicke im Stützwalzlager, Deformation der Stützwalzen wie z. B. Biegung, Verflachung und thermische Dimensionsveränderung, Nichtrundheit der Arbeitswalzen, Deformation der Arbeitswalzen, unterschiedliche Schmiermittelfilmdicke zwischen Band und Arbeitswalzen usw.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung der eingangs genannten Art zu entwickeln, bei der die beiden Meßpunkle auch auf den Rotationsachsen zweier rotierender Körper liegen können, die von vielen der obengenannten Fehlerquellen befreit ist und die zugleich von Winkelfehlern des Lichtsenders oder der lichtreflektierenden Organe sowie von bei der Rotation der lichtreflektierenden Organe auftretenden Zentrierungsfehlern und Kantenstörungen freigehalten werden Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Anordnung der eingangs genannten Art vorgeschlagen, die erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale enthält. Weitere vorteilhafte Ausbildungen des Erfindungsgegenstandes ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Dadurch, daß man bei der Verwendung der Anordnung zur Kontrolle eines vorgegebenen Walzenabstandes die Meßstellen mit den üchtreflektierenden

xo Organen in tief in die Walzen hineinreichende achsparallele konzentrische Löcher verlegt, vermeidet man eine Beeinflussung der Messung durch Walzenverformungen. Untersuchungen haben nämlich gezeigt, daß die Walzenverfonnung in der Nähe der Walzenmitte unbedeutend ist. Die Anordnung nach der Erfindung beruht auf der Messung der radialen Verschiebung eines Lichtstrahles in einem sogenannten Retroreflektor. Es sind Modifikationen der Arbeitswalze erforderlich, sowie ein genaues Einstellen der Lage der Retroreflektoren. Die Anordnung hat aber gegenüber Gebern, die außerhalb der Walzenbahn angeordnet sind, den Vorteil, daß der Meßwert keiner Korrektur mit Rücksicht auf die Walzendeformation, verschiedene Bandbreite usw. bedarf. Eine thermische Dimensionsveränderung der Arbeitswalzen bleibt jedoch von Einfluß, weshalb der Geber zweckmäßigerweise durch einen absolut messenden Dickengeber vervollständigt wird.

Große Anforderungen werden an den in die An-Ordnung eingehenden Lichtsender gestellt, um eine ausreichende Meßgenauigkeit zu erhalten. Besonders wenn der Lichtsender au? einem Laser besteht, wirkt sich die Richtungsstabilität des Senders, deren Parameter in erster Linie aus Parallelitäts- und Winkelfehlern bestehen, günstig aus.

Die Aufteilung des von dem Lichtsender ausgesendeten Lichtstrahls in zwei Tcilstrahlen, einen für jede Walze, führt dazu, daß Meßfehler (d. h. falsche Walzenlageveränderungen) auf Grund von Richtungs-Instabilität de-> Lichtsenders bedeutend reduziert werden.

Die Anordnung nach der Erfindung ist sehr empfindlich für Winkelfehler der beiden optischen parallelreflektierenden Retroreflektoren. Ein Retroreflektor besteht aus drei zueinander rechtwinkligen Flächen. Diese Flächen sind jedoch in der Praxis selten genau rechtwinklig zueinander, sondern es kommen Abweichungen vor, die Parallelitätsfehler zwischen einfallendem und reflektiertem Lichtstrahl verursachen.

Parallelitätsfehler bei Retroreflektoren guter Qualität betragen höchstens I; 2 Bogensekunden. Dies entspricht einem Lagefehler von höchstens ' 5 μ per m Entfernung von den Retroreflektoren, wenn der Retroreflektor sich einmal um eine Achse durch seine Spitze dreht, was bei der vorliegenden Anordnung der Fall ist. Insgesamt erhält man für das ganze System gemäß der Anordnung einen maximalen Lagefehler von der Größenordnung ± 30 bis 40 μ, der urn den Faktor 10 höher ist als toleriert werden kann.

Dieser Winkelfehler kann jedoch dadurch beseitigt werden, daß sowohl der auf ein lichtrcflekticrendes Organ gerichtete Strahl sowie der von diesem reflektierte Strahl aus zwei einander enlgegengerichteten und sich überlagernden Lichtstrahlen zusammengesetzt wird.
Die Anordnung nach der Erfindung ist ferner sehr