DE2725756C2 - - Google Patents
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- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen mindestens
zweier Abmessungen eines Gegenstands nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung eine Einrichtung,
die zur Durchführung des Verfahrens eingesetzt
werden kann.
Abtastverfahren zum Erfassen mindestens zweier Abmessungen
eines Gegenstands wurden in verschiedensten Formen für
unterschiedliche Zwecke entwickelt.
In der DE-AS 12 66 513 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem
die Höhen- und Seitenlage eines strangförmigen Walzguts in
einer Walzstraße erfaßt wird. Zwei Abtastvorrichtungen
dienen zur Bestimmung der seitlichen Lage der beiden Seitenkanten
des glühenden Walzguts. Zwei weitere Abtasteinrichtungen,
die in der gleichen Ebene angeordnet sein können wie die beiden
erstgenannten Abtasteinrichtungen, dienen zum Erfassen der
Höhenlage des Walzguts.
Jede Abtasteinrichtung besteht aus einer mit Hilfe eines Motors
gedrehten Anordnung, die ein Prisma und einen Spiegel enthält.
Von dem glühenden Walzgut kommende Strahlen werden von dem
Prisma und dem Spiegel auf eine feststehende Photodiode gelenkt.
Im Bereich der Kante des glühenden Walzguts entsteht
im Ausgangssignal der Photodiode ein Spannungssprung, der
kennzeichnend ist für die Walzgut-Kante. Mit Hilfe von
Impulsen werden beispielsweise die Abstände zwischen zwei
solchen Spannungssprüngen gezählt. Die Abtastanordnung
zur Erfassung der Walzgut-Höhe arbeitet ähnlich.
Häufig ist es erwünscht, eine Information über das gesamte
Profil eines Gegenstands zu Verfügung zu haben. So beispielsweise
bei Auspuffrohren von Kraftfahrzeugen. Bei
solchen Auspuffrohren handelt es sich um dreidimensional
geformte Gegenstände, die nur dann weiterverarbeitet werden
können, wenn sie - in vorgegebenen Toleranzgrenzen - einer
Soll-Form entsprechen. Bislang hat man solche Profil-Messungen
mit Hilfe von Sonden durchgeführt, die eine translatorische
Bewegung längs dreier Koordinatenachsen vollziehen (US-PSen
37 74 311, 37 74 312). Diese Einrichtungen sind jedoch in
ihrer Anwendung beschränkt, weil ihre Größe die Größe der
auszumessenden Gegenstände festlegt. Zur Bedienung der bekannten
Meßvorrichtungen ist geübtes Personal erforderlich.
In der US-PS 39 44 998 ist eine dreidimensionale Meßeinrichtung
beschrieben, bei der eine in bezug auf fünf Achsen gelenkige
Sonde einen Arbeitskopf aufweist, welcher dreidimensional
orientierbar ist, so daß er selbst mit jedem geraden Rohrabschnitt
beispielsweise eines Auspuffrohrs ausgerichtet
werden kann. Die Einrichtung gestattet die Messung des Vektors,
der parallel zu einer zu messenden Rohrachse verläuft.
Bei dieser Einrichtung muß der zu vermessende Gegenstand
an einem Traggestell festgeklemmt und dann mit dem Meßinstrument
mindestens einmal für jeden geraden Abschnitt in
Berührung gebracht werden, um die gewünschte Information zu
erhalten.
Berührungslos arbeitende Meßvorrichtungen zum Bestimmen einer
oder zweier Abmessungen eines Körpers sind in verschiedenen
Ausführungsformen bekannt. So zeigt beispielsweise die
DE-AS 13 03 548 eine Meßvorrichtung mit zwei sich drehenden
Zylinderwalzen, auf deren Außenfläche jeweils geneigte
Spiral-Spiegelflächen angeordnet sind. Die beiden Walzen
werden synchron gedreht, und von einer Lichtquelle wird
achsparallel zu der ersten Walze ein Lichtstrahl auf die
Spiegelfläche dieser Walze gelenkt. An der Spiegelfläche
wird der Lichtstrahl unter rechtem Winkel zur Walzenachse
abgelenkt und trifft auf die Spiegelfläche der anderen
Walze, wo der Lichtstrahl wieder achsparallel auf einen
Lichtempfänger gelenkt wird. Auf diese Weise wird ein in
einer Ebene verschobener Abtaststrahl erzeugt. Der sich bewegende
Lichtstrahl wird von einem zu messenden Gegenstand
unterbrochen, so daß das am Empfänger gewonnene Ausgangssignal
Aufschluß gibt über eine Abmessung, z. B. die Breite,
des zu messenden Gegenstands.
In der DE-OS 14 48 488 ist ein Verfahren zum berührungslosen
Messen der Länge rechteckiger Körper beschrieben. Bei diesem
Verfahren werden Abtaststrahlen in Form von Kreisen auf dem
zu messenden Körper bewegt, wobei der Durchmesser der Abtastkreise
größer als der eingeschriebene Kreis des zu messenden
Körpers ist. Beim Einlaufen des Gegenstands in den Abtastkreis
steigt die Signaldauer von 0 auf ein Maximum an, bis
der Abtaststrahl an einer anderen Kante den Gegenstand
verläßt. Aus dem Kreisdurchmesser und den abgetasteten,
minimalen Kreisabschnitten läßt sich dann die Länge des
Gegenstands ermitteln. Eine dreidimensionale Erfassung des
Profils des Gegenstands ist nicht möglich.
In der GB-PS 96 38 42 ist eine optische Meßvorrichtung
für Gegenstände bekannt, bei der ein zu vermessender
Gegenstand relativ zu einem Abtaststrahl bewegt wird.
Eine Ausmessung des Profils des zu vermessenden Gegenstands
ist nicht möglich. Die GB-PS 14 98 227 beschreibt
eine photoelektrische Meßvorrichtung zur Längenmessung,
bei der an den Kanten des zu vermessenden Gegenstands
jeweils ein Impuls erzeugt wird, zwischen denen die Anzahl
von Zählimpulsen gezählt wird, um eine Meßgröße zu
erhalten, die kennzeichnend ist für die gemessene Länge.
Die US-PS 38 70 890 zeigt eine Meßanordnung zum Bestimmen
zweier senkrecht zueinander stehender Querschnittsabmessungen
beispielsweise eines Rohrs mit Hilfe einer einzigen Lichtquelle.
Über eine Optik werden die Strahlen der Lichtquelle
so gelenkt, daß sie unter rechtem Winkel auf den zu vermessenden
Gegenstand fallen. Die Vermessung des Gegenstands
erfolgt also lediglich in einer einzigen Ebene, so daß
dreidimensionale Profile des Gegenstands nicht vermessen
werden können.
Die US 39 83 368 beschreibt ein Verfahren nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und eine dazugehörige Meßvorrichtung.
Die Meßvorrichtung dient zum Bestimmen des Volumens und des Schwerpunkts
eines unregelmäßig geformten Gegenstands. Der Gegenstand wird von einem
Tisch getragen, in dessen Nähe zwei Abtastvorrichtungen angeordnet
sind. Mit der Anordnung läßt sich der zu vermessende Gegenstand
an allen Stellen von "Abtaststrahlen" durchdringen.
Je größer der Weg ist, den die Abtaststrahlen zwischen dem
Eintritt in den Gegenstand und dem Austritt aus dem Gegenstand
durchlaufen müssen, desto stärker werden die Strahlen
gedämpft. Die Empfangsvorrichtungen der Abtasteinrichtungen
messen die Intensität der empfangenen Strahlen, um dadurch
nach Abtastung sämtlicher Bereiche des Gegenstands Werte
zur Verfügung zu haben, aus denen sich Volumen und Schwerpunkt
des Gegenstands berechnen lassen. Bei dieser Anordnung müssen
die Abtaststrahlen im Querschnitt eine Mindestfläche haben,
da sämtliche Bereiche des Gegenstands abgetastet werden müssen.
Das Bestimmen des dreidimensionalen (äußeren) Profils des
Gegenstands ist nicht möglich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der
eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß mit einfachen
Mitteln ein dreidimensionales Erfassen des äußeren
Profils des Gegenstands möglich ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung
gelöst.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich beispielsweise
die Profile von Auspuffrohren für Kraftfahrzeuge automatisch
ermitteln. Das dreidimensionale Profil wird definiert durch
zwei senkrecht aufeinanderstehende Abtastprofile. Diese
Abtastprofile erhält man durch die erste und die zweite
Abtastung, von denen mindestens eine dem vorbestimmten Abtastmuster
entspricht. Dieses Abtastmuster entspricht
einem Kreiszylinder.
Die eine Abtastung liefert Koordinatenwerte beispielsweise
für die X-Y-Ebene, während die andere Abtastung Koordinatenwerte
für die X-Z-Ebene liefert. Jede Abtastung liefert für
ihre Projektionsebene einen Satz von Punkten, die kennzeichnend
sind für die Lage von bestimmten Kantenpunkten des Gegenstands,
bezogen auf eine bestimmte relative Lage des Gegenstands zu
der Abtastung. Bei dem zylindrischen Abtastmuster erhält man
beispielsweise vier Punkte, welche den Schnittpunkten des
Abtastenergiebündels mit vier (projizierten) Kanten des abgetasteten
Gegenstands entsprechen. In ähnlicher Weise können
bei der anderen Abtastung weitere vier Punkte für eine
gegebene relative Lage zwischen Gegenstand und der
zweiten Abtastung gewonnen werden. Hierdurch ist es
möglich, anhand einer Vielzahl von jeweils eindeutig
eine Abtastung zugeordneten Punkten Aufschluß über das
dreidimensionale Profil des Gegenstands zu erhalten.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen. In Anspruch 7 ist angegeben, wie eine
Einrichtung zum Erfassen des Profils eines Gegenstands
erfindungsgemäß ausgebildet ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand
der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Perspektivansicht der Abtasteinrichtung
nach der Erfindung;
Fig. 2 eine Seitenansicht der Einrichtung nach Fig. 1;
Fig. 3 eine Endansicht der Einrichtung nach Fig. 1;
Fig. 4 eine größere Schnittansicht eines Motors und
einer davon getriebenen Scheibe;
Fig. 5 ein vertikales Abtastmuster mit zugehörigen
geometrischen Verhältnissen, durch die die Koordinaten
der Begrenzungen einer Projektion
des Gegenstands auf eine vertikale Ebene definiert
sind;
Fig. 6 ein horizontales Abtastmuster mit zugehörigen
geometrischen Verhältnissen, durch die die Koordinaten
der Begrenzung der Projektion des
Gegenstands auf eine Horizontalebene definiert
sind;
Fig. 7 das Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung,
die zum Erzeugen von Signalen verwendet wird, die
zusammen die Schnittkoordinaten darstellen;
Fig. 8 eine Perspektivansicht eines weiteren
Ausführungsbeispiels der Abtasteinrichtung;
Fig. 9 einen Schnitt 9-9 nach Fig. 8; und
Fig. 10 einen Schnitt 10-10 nach Fig. 9.
Die nachstehend erläuterte Ausführungsform bezieht sich auf
die Messung und Inspektion eines gebogenen Rohrs, z. B.
eines Kraftfahrzeug-Auspuffrohrs. Es ist jedoch offensichtlich,
daß die Lehre der Erfindung und auch die erläuterte
Ausführungsform selbst ohne weiteres für die Messung und
Inspektion vieler anderer Arten von Fertigungsteilen anwendbar
sind; wobei die Art dieser Gegenstände im wesentlichen
nur hinsichtlich der Gegenstandsgröße relativ zur
Abtasteinrichtung begrenzt ist.
Die Abtasteinrichtung nach Fig. 1 erlaubt eine vollständige
dreidimensionale Vermessung und Inspektion eines gebogenen
Kraftfahrzeug-Auspuffrohrs oder eines anderen ähnlich gebogenen
Rohrs, und zwar dadurch, daß das Rohr auf eine sich
bewegende Plattform in irgendeiner passenden Relation zur
Plattform gebracht wird. Das zu messende Rohr wird von der
Plattform an zwei Abtasteinheiten vorbeibewegt, die eine
Vorrichtung zum gemeinsamen Erzeugen von Signalen enthalten,
die die Koordinaten von Schnittstellen der Abtastlichtbündel
mit einer Begrenzung des Gegenstands darstellen. Die
Koordinaten befinden sich in zwei orthogonalen Ebenen und
definieren somit zwei Orthogonalprojektionen des Rohrs. Die
Orientierung des Rohrs auf dem Förderer muß nicht bekannt
sein, da es erwünscht ist, einen Teil des Rohrs relativ zu
einem anderen Teil desselben abzutasten. Das Rohr kann sich
daher auf dem Förderer in irgendeiner Orientierung und Lage
befinden, die es gestatten, den Abtastbereich zu durchlaufen;
jedoch müssen Orientierung und Lage des Rohrs während einer
vollständigen Messung unverändert bleiben.
Die orthogonalen Projektionen oder die Schnittkoordinaten
selbst können dann dazu verwendet werden, dreidimensionale
Rohrdaten zu berechnen. Derartige Rohrdaten enthalten Information,
die die Rohrform definiert, z. B. die Länge des
Rohrs von einem Ende zum anderen, die Länge jedes geraden
Rohrabschnitts, den Winkel und die Ebene jeder Biegung. Diese
Information wird mit Standarddaten für das geprüfte Rohr
verglichen. Auf diese Weise erfolgt eine Inspektion und ein
Vergleich vieler Rohre in einfacher Weise, ohne daß mit den
Rohren mehr getan werden muß, als sie auf die bewegte Plattform
zu legen.
Der tragende Aufbau der Abtastvorrichtung besteht aus
einem Rahmen 10 mit vier hochkantigen Ständern 12, 13, 14
und 15, die durch Horizontalstreben 18, 20 miteinander verbunden
sind. Ein mit Latten versehenes Endlosförderband 22
läuft über eine Anzahl Rollen 24, 26, 28, 30, die in den
Ständern 12-15 drehbar gelagert sind. Ein vom Rahmen 10
getragener Motor 32 treibt eine Rolle, z. B. die Rolle 26,
wodurch der Förderer 22 mit fester Geschwindigkeit getrieben
wird. Der Förderer 22 besteht aus einer Anzahl von beweglich
miteinander verbundenen Latten aus lichtdurchlässigem Werkstoff.
Ein Förderband-Positionsdetektor 34, z. B. ein üblicher
schrittweise arbeitender Codierer, ist auf einer der Rollen,
nämlich der Rolle 24, angeordnet und hat eine Antriebswelle,
die zusammen mit der Rolle 24 umläuft, wobei der Detektor 34
eine Serie von Impulsen erzeugt, deren jeder ein Drehinkrement
der Rolle und damit ein Bewegungsinkrement des Förderbands
22 darstellt.
Zwei umgekehrt U-förmige Tragteile 19, 21 sind an den Horizontalstreben
18, 20 befestigt und überspannen das Förderband
22 und bilden damit eine ringsum umschlossene Abtastzone,
durch die das Förderband und ein darauf angeordnetes Rohr
laufen können. Ortsfest an den horizontalen oberen Schenkeln
23, 25 der Tragteile 19, 21 ist ein Synchronmotor 38
mit einer Hohlwelle 39 angeordnet. Auf dem Motor 38 ist
eine Quelle für stark gebündeltes Licht, z. B. ein Laser 40,
angeordnet, die ein schmales Lichtbündel durch die Hohlwelle
39 auf einen ersten Spiegel 42 richtet, der in der Mitte
einer schwungradartigen Scheibe 44, die an der Motorwelle
mit dieser umlaufend befestigt ist, gehaltert ist.
Die Scheibe 44 ist so aufgebaut, daß sie einen Lichtweg 46
(vgl. Fig. 2) vorsieht, der vom ersten Spiegel 42, der unter
einem Winkel von 45° in bezug auf die Scheiben- und Motorachse
und in bezug auf das vom Laser kommende Lichtbündel angeordnet
ist, radial durch die Scheibe zu einem zweiten Spiegel
48 verläuft, der am Rand der Scheibe unter einem Winkel
von 45° zum Lichtweg 46 angeordnet ist.
Ein zweiter Synchronmotor 50 ist an den Rahmenteilen 18, 20
mittels ortsfester Querstreben 27, 29 unter dem oberen Abschnitt
des Förderbands 22 befestigt. Der Motor 50 hat eine
ähnliche Hohlwelle und trägt ein ortsfestes Laser-Target,
z. B. eine Fotozelle 52, das das durch die Achse der Hohlwelle
des Motors 50 projizierte Licht empfängt.
Eine zweite schwungradartige Scheibe 54 ist an der Welle des
Motors 50 mit dieser umlaufend befestigt, und zwar auf der
anderen Seite des Förderbands 22 unmittelbar unter diesem,
und hat ebenfalls zwei um 45° geneigte Spiegel 56 und 68
an ihrem Rand bzw. in ihrer Mitte.
Die beiden Motoren und die beiden Scheiben sind sämtlich
koaxial zueinander, und die beiden Synchronmotoren werden
synchron zueinander von einem gemeinsamen elektrischen Signal
getrieben. Ein Motor, z. B. der Motor 50, ist so angeordnet,
daß sein Gehäuse rotationsmäßig rings um die Motorachse
mittels einer nicht gezeigten Einstellmechanik einstellbar
ist, um die Phasensynchronisierung der beiden
Scheiben 44, 54 sicherzustellen.
Die Fotozelle 52 ist ein bewegtes Target, da sie Licht
empfängt, das längs einer vertikal orientierten kreiszylindrischen
Struktur sich fortpflanzt, während die Scheiben
44, 54 umlaufen. Ein ortsfestes Target, z. B. eine Fotozelle
64, ist oberhalb der Scheibe 54 und unmittelbar unterhalb
des Förderers auf einem Träger 66 befestigt, der am
unteren Rahmenteil 18 angeordnet ist, um das vom Spiegel 48
nach unten abgelenkte Lichtbündel an einem ortsfesten Bezugspunkt
in dem kreiszylindrischen Abtastmuster des Lichtbündels
zu empfangen.
Eine horizontale Abtastanordnung, die im wesentlichen gleich
wie die oben erläuterte vertikale Abtastanordnung ist, ist
ebenfalls an dem Abtastrahmen 10 angeordnet. Ein dritter
Synchronmotor 70 mit einer Hohlwelle ist an vertikalen
Schenkeln 31 und 33 der Tragteile 19, 21 festgelegt und
trägt eine zweite Quelle für gebündeltes Licht, z. B. einen
Laser 72, die ein Lichtbündel durch die Motorwelle lenkt,
das von Spiegeln 74 und 76 einer schweren schwungradartigen
Scheibe 78, die im wesentlichen der Scheibe 44 entspricht,
reflektiert wird. Die Scheibe 78 ist koaxial mit dem Motor
70 und läuft mit diesem um die Horizontalachse des Motors
um.
Eine Targetanordnung, die der Targetanordnung der vertikalen
Abtastanordnung entspricht, ist in Form eines vierten Synchronmotors
82 vorgesehen, der auf Vertikalschenkeln 35 und
37 der Tragteile 19 und 21 getragen ist und eine Hohlwelle
und ein Laser-Target in Form einer zweiten Fotozelle 84 aufweist.
Eine vierte schwere schwungradartige Scheibe 86 ist
zu der Welle des Motors 82 koaxial angeordnet und wird von
dieser getrieben. Die Scheibe 86 trägt um 45° geneigte Spiegel
88 und 90, die ein Lichtbündel, das in Horizontalrichtung
in einem kreiszylindrischen Muster vom Spiegel 76 ausgesandt
wird, durch die Achse des Motors 82 auf den zweiten
Detektor 84 reflektieren. Die beiden Motoren 70 und 82 werden
synchron miteinander von denselben elektrischen Signalen
getrieben. Das Gehäuse des Motors 82 ist mit einem Dreheinstellmechanismus
(nicht gezeigt) ausgebildet, damit die
Lage des Motors um seine Achse in bezug auf den Rahmen 10
einstellbar ist, um eine Einstellung der relativen Drehphasen
der beiden Motoren 70 und 82 zu ermöglichen.
Ebenso wie bei der Vertikalabtastung ist ein Bezugstarget
für das Horizontallichtbündel, z. B. die Fotozelle 92, zwischen
den Scheiben 78 und 86 auf einem Träger 94 angeordnet,
der am Rahmenteil 20 gesichert ist. Der Detektor 92 wird somit
den horizontal gerichteten Laserstrahl 72 an einem bestimmten
Punkt in jedem Abtastzyklus auffangen.
Die beiden Paare von Motoren werden zweckmäßigerweise mit
derselben Drehzahl betrieben. Eine Synchronisation zwischen
dem einen Motorpaar 38, 50 und dem anderen Motorpaar 70, 82
wird nicht benötigt. Tatsächlich verhält es sich so, daß
die beiden Motorpaare nicht einmal mit derselben Drehzahl
betrieben werden müssen, allerdings werden gleiche oder
fast gleiche Drehzahlen bevorzugt. Grundsätzlich sind das
Horizontalabtastsystem und das Vertikalabtastsystem vollständig
unabhängig voneinander; es ist jedoch zweckmäßig,
die beiden Systeme in Aufbau und Arbeitsweise ähnlich oder
gleich auszubilden.
Die verschiedenen Signaldetektoren, Fotozellen 52 und 84
und der Positionscodierer 34 des Förderers 22 erzeugen Signale,
die gemeinsam Schnitte der zylindrischen Abtastmuster
der Lichtbündel mit den Begrenzungen eines auf dem Förderer
befindlichen Rohrs 102 definieren, während das Rohr
sich an den Abtastvorrichtungen vorbeibewegt. Es wird ein
dreidimensionales Koordinatensystem geschaffen, das in fester
Beziehung zu dem sich bewegenden Förderer und damit
auch zu einem darauf befindlichen, geförderten Gegenstand
steht. Ein solches X-, Y-, Z-Koordinatensystem ist in Fig. 1
in bezug auf die Abtasteinrichtung gezeigt. Die Fotozelle 52
und der Positionscodierer 34 erzeugen gemeinsam Signale, die
ein erstes Paar von Koordinaten x, y eines Schnitts des vertikal
gerichteten Abtastbündels mit einer Begrenzung des
Rohrs definieren, also z. B. mit einer Projektion des Rohrs
auf eine Vertikalebene. In ähnlicher Weise erzeugen die Fotozelle
84 und der Codierer 34 gemeinsam Signale, die Koordinaten
x, z des Schnitts des horizontalen Bündels mit der
Rohrbegrenzung definieren.
Die Geometrie dieser Definition der Schnittkoordinaten wird
nun in bezug auf die Fig. 5 und 6 erläutert.
In Fig. 5 ist die Horizontalprojektion 100 des kreizzylindrischen
Abtastmusters des vertikal gerichteten Abtastbündels
gezeigt, das vom Laser 40 erzeugt wird. Überlagert sind diesem
Abtastmuster Horizontalprojektionen von zwei aufeinanderfolgenden
Positionen eines gebogenen Rohrs 102, das von
dem Förderer an der Abtastvorrichtung vorbeibewegt wird. Die
erste Position des Rohrs ist in Vollinien dargestellt. Die
zweite Position des Rohrs, die zu einer etwas späteren Zeit
auftritt, während der Förderer das Rohr an der Abtasteinrichtung
vorbeibewegt, ist in Strichlinien gezeigt. Zum
Zweck dieser Darstellung wird also angenommen, daß der Förderer
das Rohr von rechts nach links bewegt, wie es sich ergibt,
wenn man von oben auf dieses auf eine Horizontalebene
projizierte Abtastmuster blickt.
Die zylindrische Abtastung des vertikal gerichteten Bündels
schneidet die Begrenzungen des Rohrs in seiner Vollinienposition
an den Punkten 104, 106, 108 und 110 in einer einzelnen
Abtastung. Die Koordinaten dieser Punkte können x₁, y₁,
x₂, y₂, x₃, y₃, x₄, y₄ in einem dreidimensionalen Koordinatensystem
dargestellt werden, das die im oberen rechten Teil
von Fig. 5 dargestellten X- und Y-Achsen aufweist und eine
Z-Achse hat, die durch den Schnittpunkt der X- und Y-Achsen
senkrecht zur Papierebene verläuft. Die X-Achse wird zweckmäßig
so gewählt, daß sie tangential zum Abtastmuster und
parallel zur geradlinigen Bewegungsrichtung des Förderers
verläuft. Die anderen Achsen sind willkürlich angeordnet,
sie sind allerdings parallel zu den jeweiligen Vertikal- und
Horizontalachsen der Abtasteinrichtungen orientiert. Dieses
Koordinatensystem wird so eingerichtet, daß es in bezug auf
den Förderer festgelegt ist und sich zusammen mit diesem bewegt.
Es ist daher auch in bezug auf das auf dem Förderer
liegende Rohr festgelegt und bewegt sich zusammen mit diesem.
Während der Bewegung des Förderers erfolgen Schnitte der
Rohrbegrenzung und des Abtastmusters an verschiedenen Punkten,
und somit wird eine Anzahl von verschiedenen Punkten längs
der Länge der Rohrbegrenzung von aufeinanderfolgenden Abtastungen
des vertikal gerichteten Bündels geschnitten. Die
Drehgeschwindigkeit des Lichtbündels ist wesentlich größer
als die Geschwindigkeit der geradlinigen Bewegung des Förderers
und des Rohrs. Bevorzugt sind die relativen Geschwindigkeiten
so, daß bei jedem Abtastlauf des vertikal gerichteten
Bündels das Rohr an einem Punkt geschnitten wird, der
ca. 5 mm von dem entsprechenden Schnittpunkt des vorherigen
Abtastlaufs liegt, und zwar gemessen längs der X-Achse. Für
eine größere Auflösung, d. h., wenn man eine größere Anzahl
Koordinatenpunkte für jede Inspektion und Messung erhalten
will, erhöht man lediglich die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen
der Bewegung des Lichtbündels in seinem Abtastmuster
und der Bewegung des Förderers längs der X-Achse. In anderen
Worten heißt das, um die Auflösung zu erhöhen, verringert man
die Fördergeschwindigkeit oder erhöht man die Drehgeschwindigkeit
des Abtastbündels oder trifft beide Maßnahmen. Wie
noch erläutert wird, erfolgen die Messungen der Bündelposition
innerhalb des Abtastmusters mit Bezug auf das Bezugstarget
64, das in Fig. 5 durch einen Bezugspunkt 112 dargestellt
ist.
Die X-Koordinate x₁ des Schnittpunkts 104 ist wie folgt
definiert:
x₁ = x C1 - R sin (Φ H1-α H ) (1)
mit
x C1= Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Abtastmusters 100 und dem Ursprung des Koordinatensystems zur Zeit des Schnitts des Bündels mit der Rohrbegrenzung, R= Radius der kreisförmigen Projektion des Abtastmusters, Φ H1= Winkel zwischen einem zum Bezugspunkt 112 führenden Radius des Abtastmusters und einem zum Schnittpunkt 104 führenden Radius des Abtastmusters und α H = Winkel zwischen dem zum Bezugspunkt 112 führenden Abtastmusterradius und dem parallel zur Y-Achse verlaufenden Radius.
x C1= Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Abtastmusters 100 und dem Ursprung des Koordinatensystems zur Zeit des Schnitts des Bündels mit der Rohrbegrenzung, R= Radius der kreisförmigen Projektion des Abtastmusters, Φ H1= Winkel zwischen einem zum Bezugspunkt 112 führenden Radius des Abtastmusters und einem zum Schnittpunkt 104 führenden Radius des Abtastmusters und α H = Winkel zwischen dem zum Bezugspunkt 112 führenden Abtastmusterradius und dem parallel zur Y-Achse verlaufenden Radius.
Gleichermaßen ist die Y-Koordinate des Schnittpunkts 104
wie folgt definiert:
y₁ = R - R cos (Φ H1-α H ) (2)
Die Messungen werden auf der Basis von Impulsen durchgeführt,
die von einem Impulsgenerator mit fester Wiederholungsrate
erzeugt werden, wie noch erläutert wird. Somit ist α H =
K₁K₂, mit K₁ = Anzahl der Impulse, die in der Zeitspanne auftreten,
die das Lichtbündel benötigt, um durch den Bezugswinkel
α H zu wandern, und mit K₂ = winkelmäßige Entfernung,
durch die das Lichtbündel längs seinem Abtastmuster im Intervall
zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen wandert. Somit
gilt:
x₁ = x C1 - R sin [(N H1 - K₁)K₂] (3)
und
y₁ = R[1 - cos (N H1 - K₁) K₂] (4)
mit
N H1 = Anzahl Impulse, die in dem Zeitintervall auftreten,
die das Lichtbündel benötigt, um von dem Bezugspunkt
112 zum Schnittpunkt 104 zu wandern.
Ein erstes Paar von Koordinaten x₁, y₁ des Schnittpunkts 104
des Lichtbündels mit der Horizontalprojektion der Rohrbegrenzung
ist somit durch die Gleichungen (3) und (4) definiert, und
zwar mittels fester Größen R, K₁ und K₂ sowie veränderlicher
Größen x C1 und N H1. Wie noch erläutert wird, wird die Größe
x C1 vom Codierer 34 erhalten, der die Position des Förderers
während dessen Bewegung erfaßt, und N H1 wird durch Zählen der
Impulse des Impulszugs bis zum Schnittpunkt ermittelt.
Somit schneidet bei einer einzigen vollständigen Abtastung
des gezeigten Rohrs das Lichtbündel die Rohrbegrenzung an
vier Punkten und wird dabei unterbrochen beim Punkt 104, erreicht
wieder die Fotozelle beim Punkt 106, wird wieder unterbrochen
beim Punkt 108 und erreicht wieder die Fotozelle beim
Punkt 110. Bei der nächstfolgenden Abtastung hat das Rohr
sich zu der Strichlinienposition nach Fig. 5 bewegt, und es
treten vier andere Schnittpunkte auf; auf diese Weise können
viele Paare von x-, y-Koordinaten längs des Rohrs
erzeugt werden, und zwar alle in demselben Koordinatensystem,
das bezüglich des Rohrs feststehend ist.
Fig. 6 zeigt geometrische Verhältnisse, die analog denen von
Fig. 5 sind, wobei eine Projektion des horizontal gerichteten
Lichtbündels auf eine Vertikalebene gezeigt ist, was zu der
Vertikalprojektion 120 des Abtastmusters des vom Laser 72 erzeugten
Lichtbündels führt. Ferner ist die Projektion 122 des
Rohrs auf eine Vertikalebene in einer einzigen Position
während seines Durchlaufs an den Abtastvorrichtungen vorbei
gezeigt. Im Verlauf einer Abtastung schneidet das horizontal
gerichtete Lichtbündel die Rohrbegrenzung an den
Punkten 124, 126, 128 und 130. Koordinaten dieser Schnitte
in demselben X-, Y-, Z-Koordinatensystem, dessen Achsen X
und Z in Fig. 6 gezeigt sind, werden für jeden vollständigen
Abtastzyklus erhalten. In der X-, Z-Ebene des Koordinatensystems
werden die Messungen der Position des Lichtbündels
in bezug auf einen Bezugspunkt 132 durchgeführt, der durch
den Ort der Fotozelle 92 definiert ist. Die x-Koordinate
des Schnittpunkts 124 ist definiert als
x₁ = x C1 - R sin ( Φ V1 - α V ) (5)
mit
x C1
= der längs der X-Achse gemessene Abstand des Koordinatenursprungs
von dem Mittelpunkt des horizontal gerichteten Abtastmusters,
R
= Radius dieses Abtastmusters,
Φ
V 1
= Winkel zwischen einem zum Bezugspunkt 132 führenden
Radius und einem zum Schnittpunkt 124 führenden Radius
und
α
V
= Winkel zwischen einem zum Bezugspunkt 132 führenden
und einem zur Z-Achse parallelen Radius.
Die Gleichungen verwenden zwar ein Symbol R, das für die
Vertikal- und Horizontalprojektionen gleich ist, was bedeutet,
daß die Vertikal- und die Horizontalbündel die Abtastung in
Mustern mit gleichem Radius durchführen; es ist jedoch selbstverständlich,
daß die Radien der beiden Muster auch voneinander
verschieden sein können.
Für die Z-Koordinate des Schnittpunkts 124 gilt:
z₁ = R - R cos ( Φ V1 - α V ) (6)
a V kann mit K₃K₄ gleichgesetzt werden, mit K₃ = Anzahl Impulse,
die in der Zeit auftreten, die das Lichtbündel benötigt,
um durch den Bezugswinkel α V zu wandern, und mit K₄ =
die vom Bündel winkelmäßig zurückgelegte Strecke pro Impuls
des mit konstanter Rate erzeugten Impulszugs. Die Koordinaten
des Schnittpunkts 124 des Lichtbündels mit der Projektion
des Rohrs auf eine Horizontalebene sind wie folgt definiert:
x₁ = x C1 - R sin [(N V₁ - K₃) K₄] (7)
und
z₁ = R[1 - cos (N V1 - K₃) K₄] (8)
mit
N V1
= Anzahl Impulse, die in der Zeit auftreten, die das
Lichtbündel benötigt, um vom Bezugspunkt 132 zum
Schnittpunkt 124 zu wandern.
Die Koordinaten x₁, z₁, die den Schnittpunkt 124 definieren,
sind wiederum ausgedrückt durch Festgrößen R, K₃ und K₄ sowie
durch veränderliche Größen x C und N V1. Die veränderliche Größe
x C ist der Wert, der vom Codierer 34 zur Zeit des Schnitts
des horizontal gerichteten Lichtbündels mit der Rohrbegrenzung
am Punkt 124 ausgegeben wird. Zu dieser Zeit ist eine
Anzahl N V1 Impulse gezählt worden.
Somit schneidet sowohl bei der Vertikal- als auch bei der
Horizontalabtastung jede der aufeinanderfolgenden Abtastungen
das Rohr an mindestens zwei Punkten seiner Begrenzung, und jedes
bei einer Abtastung erzeugte Punktepaar ist längs des
Rohrs bezüglich des aus der vorherigen Abtastung gewonnenen
Punktepaars verschoben.
Die vielen Koordinatenpaare x, y der Schnitte des Lichtbündels
mit der Projektion der Rohrbegrenzung auf einer Horizontalebene
sind leicht dazu verwendbar, die Horizontalprojektion
des Rohrs zu bestimmen, und zwar entweder graphisch oder
in einem Computer. Die Koordinatenpaare x, z der Schnittpunkte
des horizontalen Lichtbündels mit der Projektion der
Rohrbegrenzung auf einer Vertikalebene sind leicht dazu verwendbar,
die Vertikalprojektion entweder graphisch oder in
einem Computer zu bestimmen. Die beiden orthogonalen Projektionen
sind miteinander kombinierbar, um die dreidimensionale
Form des Rohrs zu bestimmen und somit die gewünschten
Rohrdaten zu erhalten.
Es ist ersichtlich, daß der Gegenstand zwei Abtastungen unterworfen
wird, die getrennt und unabhängig voneinander sind,
jedoch räumlich in Beziehung miteinander stehen und unter
einem Winkel zueinander erfolgen. Jede Abtastung erfolgt in
zwei Dimensionen, wobei das Abtastlichtbündel sich über den
Gegenstand bewegt und dabei Bewegungskomponenten relativ zum
Gegenstand vorhanden sind, die parallel zu zwei zueinander
rechtwinkligen Achsen verlaufen. Im Ergebnis tastet das
Lichtbündel des Lasers 40 den Gegenstand längs und parallel
zu den X- und Y-Achsen ab, und das Lichtbündel des Lasers 72
tastet ihn längs und parallel zu den X- und Z-Achsen ab. Dies
wird zwar bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch eine
Drehbewegung erreicht; es kann jedoch auch durch eine geradlinige
Hin- und Herbewegung der Laser synchron zu ihren Targets
oder mit festem Target und Parabolspiegel längs der Y-
und der Z-Achsen erfolgen.
Die beiden im Winkel zueinander erfolgenden Abtastungen stehen
in Beziehung miteinander durch die Verwendung von räumlich
aufeinander bezogenen Achsen. Eine Achse jeder Abtastung
hat eine bekannte Beziehung zu einer Achse der anderen Abtastung.
Zweckmäßigerweise, jedoch nicht notwendigerweise, ist
diese Beziehung eine Koinzidenz, d. h. die X-Achse ist beiden
Abtastungen gemeinsam.
Das bevorzugte System verwendet zwar einen bewegten Förderer
und feste Abtasteinrichtungen, es kommt jedoch auch
in Betracht, daß der Förderer entfällt und eine feste,
lichtdurchlässige Unterlage vorgesehen ist und die gesamte
Abtasteinrichtung längs dem Rahmen bewegt wird. Die noch
zu erläuternde hin- und hergehende Abtasterhalterung des
Ausführungsbeispiels nach den Fig. 8-10 ist leicht so modifizierbar,
daß zwei rechtwinklig zueinander arbeitende Abtaster
zur Verwendung mit einer solchen feststehenden lichtdurchlässigen
Unterlage gehalten werden. Ferner können andere
Abtastmuster als die erläuterten zylindrischen Abtastmuster
verwendet werden.
Fig. 7 zeigt eine Schaltung, die die elektrischen Signale erzeugt,
die die Koordinatenpaare von mehreren Schnittpunkten
definieren. Der Bezugssensor 64 für das vertikale Lichtbündel
erzeugt einen Einzelimpuls, der einen Zähler 140 löscht,
der seinen Zähleingang auf einer Leitung 141 von einem Impulsgenerator
142 erhält. Der Impulsgenerator 142 erzeugt
einen Ausgangsimpuls mit konstanter Wiederholungsrate mit
relativ hoher Frequenz, z. B. 1 MHz. Der Sensor 52 für das
vertikale Lichtbündel erzeugt ein Signal, das "ein" oder
"aus" ist, je nachdem, ob das vertikale Lichtbündel von dem
Rohr, das dazwischenliegt, abgedeckt wird oder nicht. Das
Ausgangssignal des Sensors 52 schaltet von "ein" nach "aus"
und von "aus" nach "ein", während das Lichtbündel eine Begrenzung
des Rohrs schneidet. Wenn das Lichtbündel zunächst
auf eine Rohrbegrenzung auftrifft, geht das Ausgangssignal
des Sensors 52 von "ein" nach "aus", und wenn das Lichtbündel
das Rohr verläßt, also bei seinem nächsten Schnitt mit der
Rohrbegrenzung, geht das Ausgangssignal des Sensors 52 von
"aus" nach "ein". Dieses "Ein"-"Aus"-Signal wird einem Unterbrechungsdetektor
144 zugeführt, der jede Diskontinuität des
"Ein"-"Aus"- und "Aus"-"Ein"-Ausgangssinals des Sensors 52
erfaßt und einen Impuls auf einer Ausgangsleitung 146 bei
jedem Wechsel des Ausgangssignals von "ein" nach "aus"
und umgekehrt erzeugt. Das Signal auf der Leitung 146 wird
einem Speicherregister 148 zugeführt, um eine Übertragung
der im Zähler 140 gespeicherten Zahl in das Register zu ermöglichen.
Das Speicherregister speichert und hält somit
den Wert des Zählers zur Zeit des Schnitts des Abtastbündels
mit der Rohrbegrenzung. Das Ausgangssignal des Speicherregisters
148 ist eine elektrische Darstellung der Größe
N H der Gleichungen (3) und (4) und stellt somit die Anzahl
Impulse dar, die von dem Impulsgenerator 142 zwischen dem
Zeitpunkt, zu dem das vertikale Abtastbündel den Bezugssensor
64 passiert, und dem Zeitpunkt seines Schnitts mit
einer Rohrbegrenzung erzeugt werden.
Der zur inkrementweisen Anzeige der Position des Förderers
dienende Codierer 34 erzeugt ein Ausgangssignal, das aus
einer Serie von Impulsen besteht, die zeitlich voneinander
durch Konstantzeitintervalle getrennt sind, wobei jeder Impuls
ein gleiches Inkrement der Bewegung des Förderers und
des Rohrs bei der Bewegung an den Abtastern vorbei darstellt.
Die Ausgangssignale des Detektors 34 werden einem zweiten
Zähler 150 und von dort einem zweiten Speicherregister 152
zugeführt, das in ähnlicher Weise wie das Speicherregister
148 vom Ausgangsimpuls des Unterbrechungsdetektors auf der
Leitung 146 geöffnet wird. Das Speicherregister 152 speichert
daher die Zahl, die im Zähler 150 zu einem Zeitpunkt
vorhanden ist, in dem das vertikal gerichtete Lichtbündel
die Rohrbegrenzung schneidet. Das Ausgangssignal des Speicherregisters
152 ist somit die der X-Achse zugeordnete Größe
x C , die mit dem bestimmten Wert von N H auftritt, der zur selben
Zeit erzeugt wird.
Für das horizontal gerichtete Lichtbündel wird eine ähnliche
Schaltungsanordnung verwendet, so daß der Bezugssensor 92
für das horizontale Lichtbündel ein Signal erzeugt, das einen
dritten Zähler 156 löscht, der an seinem Zähleingang die mit
konstanter Wiederholungsrate vom Impulsgenerator 142 erzeugten
Impulse empfängt. Der Sensor für das horizontale Lichtbündel,
d. h. die Fotozelle 84, erzeugt ein Ein-/Aus-Signal
ähnlich dem, das von dem Vertikalsensor 52 erzeugt wird,
und dieses Signal wird einem Unterbrechungsdetektor 158 zugeführt,
der in gleicher Weise wie der Unterbrechungsdetektor
144 ausgebildet ist und auf eine Ausgangsleitung 160
für jede Änderung des Ausgangssignals des Sensors 84 von
"ein" nach "aus" oder von "aus" nach "ein" einen Impuls gibt.
Jeder Impuls auf der Leitung 160 wird einem Speicherregister
162 zugeführt, um das letztere dazu zu aktivieren, die Zahl
zu speichern, die im Zähler 156 zur Zeit eines Schnitts des
horizontal gerichteten Lichtbündels mit einer Begrenzung des
Rohrs enthalten ist. Der Ausgang des Speicherregisters 162
ist die Größe N V der Gleichungen (7) und (8) und stellt die
Anzahl Impulse dar, die vom Impulsgenerator zwischen der Zeit,
zu der das Lichtbündel den Bezugspunkt passiert, und der Zeit
des Schnitts des Lichtbündels mit der Rohrbegrenzung erzeugt
werden.
Um die zweite Koordinate des Koordinatenpaars zu erhalten,
das einen Schnittpunkt mit der Vertikalprojektion des Rohrs
darstellt, wird das Ausgangssignal des dem Fördererpositionsdetektor
34 zugeordneten Zählers 150 einem weiteren Speicherregister
164 zugeführt, das von dem Ausgangssignal des Unterbrechungsdetektors
158 auf der Leitung 160 geöffnet wird.
Das Speicherregister 164 empfängt und speichert die Zahl,
die sich im Zähler 150 zu der Zeit des Schnitts des Horizontalbündels
mit der Rohrbegrenzung befindet. Somit stellt
das Ausgangssignal des Speicherregisters 164 die Größe x C
dar, die mit dem bestimmten Wert von N V auftritt, der zur
selben Zeit erzeugt wird. Die Ausgangssignale x C der Register
152 und 164 stellen die Position des Förderers und des
Rohrs in bezug auf die Abtasteinrichtungen und die Abtastmuster
dar.
Es ist also ersichtlich, daß die erläuterte Schaltungsanordnung
Paare von elektrischen Signalen x C , N H und x C , N V
erzeugt. Die Signale des einen Paars definieren einen Punkt
auf einer Orthogonalprojektion des Rohrs, und die Signale
des anderen Paars definieren einen Punkt auf einer anderen
Orthogonalprojektion des Rohrs. Es versteht sich, daß der
Schnittpunkt, zu dem die x- und y-Koordinaten durch N H und
x C aus den Speicherregistern 148 bzw. 152 gegeben sind,
nicht derselbe ist wie der Schnittpunkt, zu dem die x- und
z-Koordinaten durch x C und N V aus den Speicherregistern 164
bzw. 162 gegeben sind.
Wenn die x- und y-Koordinaten der Projektion des Rohrs auf
eine Horizontalebene gegeben sind, kann die Mittenlinie
dieser Projektion leicht erhalten werden. Gleichermaßen kann
auch bei gegebenen x- und z-Koordinaten der Projektion des
Rohrs auf eine Vertikalebene die Mittenlinie dieser Projektion
erhalten werden. Hat man die Mittenlinien der beiden zueinander
orthogonalen Projektionen gebildet, so kann die
dreidimensionale Mittenlinie des tatsächlichen Rohrs erhalten
werden. Aus den dreidimensionalen Mittenlinien können die
gewünschten Rohrdaten wie die Länge der geraden Abschnitte,
die Biegungswinkel, der Biegungsradius und die Biegungsebene,
berechnet werden. Dies kann durch grafische Analyse oder
durch analoge oder digitale Berechnung erfolgen. Bevorzugt
erhält ein entsprechend programmierter Digitalrechner 170
die Ausgangssignale der verschiedenen Speicherregister und
druckt die Daten für jedes abgetastete Rohr direkt aus oder
vergleicht sie lediglich mit Bezugsdaten und zeigt die Annahme
des Rohrs an.
Wie schon erwähnt, sind die Latten der Förderers transparent
und ermöglichen es dadurch den Abtastbündeln, die Targetscheibe
und die Target-Fotozelle zu erreichen. Die Latten
sind flexibel miteinander verbunden und sind zwischen 15 und
20 cm breit mit einem Abstand von 0,32 cm zwischen benachbarten
Latten. Die Länge der Latten und damit die Breite des
Förderers ist geringfügig kleiner als der Abstand zwischen den
Scheiben 78 und 86. Dieser wird durch die Größe der zu messenden
Gegenstände bestimmt und kann im Bereich von z. B.
1-1,5 m liegen. Änderungen der Lichtdurchlässigkeit an den
Lattenrändern, z. B. auf Grund von Brechungseffekten, sind
klein genug, um bei einigen Anwendungen toleriert werden zu
können. Um solche Fehler möglichst kleinzuhalten, wird der
Spalt zwischen den Latten möglichst klein gemacht. Die
Positionen der Spalte sind in dem bei der Messung verwendeten
Koordinatensystem bekannt, und somit können Messungen
an den Spalten verhindert oder verworfen werden, um solche
Brechungseffekt zu eliminieren, ohne einen wesentlichen
Genauigkeitsverlust zu erhalten.
Das Problem der Lichtbrechung kann auch die Verwendung
einer massiven einstückigen lichtdurchlässigen Plattform
beseitigt werden, die anstelle des Förderers das Rohr trägt.
Eine solche Plattform würde längs des Rahmens 10 hin- und
herbewegt werden und bei ihrer Bewegung vom einen Ende zum
anderen ein Rohr durch den Abtastbereich tragen. Das Rohr
wird dann entfernt, und die Plattform wird zum Startende
zurückgeführt, um ein weiteres zu messendes Rohr aufzunehmen.
Fig. 8 zeigt eine modifizierte Ausführungsform, bei der nur
ein einzelner Abtaster längs einem Rahmenaufbau bewegbar ist,
der den abzutastenden Gegenstand ohne irgendeinen Förderer
oder eine Plattform trägt. Dabei wird der Gegenstand um 90°
gedreht, nachdem eine erste Abtastung erfolgt ist, um eine
zweite orthogonale Abtastung durchzuführen.
Nach Fig. 8 weist der hochkantige Rahmen ortsfeste Ecksäulen
200, 202, 204 und 206 auf, die mittels einer Bodenplatte 208
und eines festen oberen Rechteckrahmens 210 in im wesentlichen
rechteckiger Anordnung fest miteinander verbunden sind.
Auf den Säulen 200, 202, 204 und 206 ist gleitend ein im
wesentlichen U-förmiger Abtasttragteil angeordnet, der eine
erste und eine zweite feste Seitenplatte 212, 214 und eine
Rückplatte 216 aufweist. Die Abtasttragteil-Platten sind
mittels ihrer festen Verbindungen mit mehreren gleitbaren
Buchsen 220, 222, 224 und 226 fest miteinander verbunden.
Die Lagerbuchsen sind an die Säulen angepaßt und gleiten
auf diesen, und somit kann der gesamte Abtasttragteil leicht
längs den Säulen auf- und abbewegt werden.
Zur Auf- und Abbewegung des Abtasttragteils längs den Säulen
ist ein ortsfester umsteuerbarer Motor 228 vorgesehen, der
gleichzeitig zwei vertikal verlaufende Gewindespindeln 230,
232 über zwei Getriebekästen 234, 236, die über eine Kupplungswelle
238 verbunden sind, treibt. Die Gewindespindeln
230, 232 sind an ihren Unterenden in Lagern 240, 242, die
auf der Platte 208 angeordnet sind, gelagert. Die Gewindespindeln
sind in Gewindeöffnungen eines Ansatzes 244, der
an der Seitenplatte 212 nach innen vorspringend befestigt
ist, und eines gleichen Ansatzes (in Fig. 8 nicht gezeigt),
der an der Seitenplatte 212 nach innen vorspringend befestigt
ist, geschraubt. Ein Codierer oder Positionsdetektor 248 für
den Abtasttragteil ist zum Erfassen der Bewegung von z. B.
der Gewindespindel 238 angeordnet und ist z. B. ebenso ausgebildet
wie der Codierer 34 nach den Fig. 1-4. Der Codierer
248 erzeugt ein Ausgangssignal, das die Position des Abtasttragteils
während seiner Gleitbewegung längs den vertikalen
Säulen angibt.
Auf der Seitenplatte 212 sind eine erste Scheibe 250, ein
Motor 252 und ein Laser 254 angeordnet, die sämtlich mit
den entsprechenden Teilen 78, 70 und 72 nach den Fig. 1 und
3 identisch sind. Auf der Seitenplatte 214 sind eine zweite
Scheibe 256, ein zweiter Motor 258 und ein Lasertarget oder
Detektor 260 angeordnet, die sämtlich in Aufbau und Arbeitsweise
mit den entsprechenden Teilen 86, 82 und 84 nach den
Fig. 1-3 identisch sind. Die beiden Abtastscheiben, ihre
Motoren, der Laser 254 und der Detektor 260 arbeiten sämtlich
in derselben Weise wie die entsprechenden Teile, die
einen der beiden zueinander orthogonalen Abtaster nach den
Fig. 1-3 bilden. Ein ortsfestes Target 262 ist auf dem
Abtasttragteil angeordnet und bildet einen Bezugssensor für
das Abtastbündel des Abtasters.
Da bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 der Abtaster anstelle
des abzutastenden Gegenstands längs dem Rahmen hin-
und herbewegt wird, ist es nicht erforderlich, den Gegenstand
durch das Abtastmuster des Abtastgenerators bewegbar anzuordnen.
Da jedoch nur ein einziger Abtaster vorhanden ist,
muß entweder der Abtaster um eine in der Bewegungsrichtung
des Abtastmusters verlaufende Achse, die hier aufrecht verläuft,
gedreht werden, oder der Gegenstand selbst muß um
diese Achse gedreht werden. Diese relative Drehbewegung ermöglicht
es, daß der einzige Abtaster zunächst in der einen
und dann in einer zweiten Orthogonalrichtung relativ zum
Gegenstand abtastet.
Der abzutastende Gegenstand, der ein gebogenes Rohr 270 ist,
wird von einer festen Plattform 272 getragen, die an dem
oberen Rahmenteil 210 aufgehängt ist und von den Säulen
nach innen gesehen beabstandet ist, so daß die Scheiben 250
und 256 frei bleiben, wenn sie in ihre oberste Lage bewegt
werden. An der Plattform 272 ist ein drehbarer Rohrtragteil
274 angeordnet, dessen Einzelheiten aus den Fig. 9 und 10
ersichtlich sind.
Der Rohrtragteil umfaßt ein Gehäuse 276, das Lager 278, 280
trägt, die drehbar einen Rohrtragkörper 282 halten, der in
seinem unteren Ende eine konische Ausnehmung 284 hat. Eine
gespaltene Kegelhülse 286, bestehend aus Segmenten 288, 290,
292 und 294 (vgl. Fig. 10), ist mit ihrer äußeren konischen
Oberfläche an die Fläche der konischen Ausnehmung 284 angepaßt
und hat ferner eine innere kugelige Ausnehmung zur Aufnahme
einer Kugel 296, die fest am Ende einer Rohrtragstange
298 befestigt ist. Die Kugel 296 trägt zwei diametral
entgegengesetzte und miteinander fluchtende Schwenkzapfen
300, 302, die an der Kugel befestigt sind und drehbar in
Lageröffnungen der gespaltenen Hülsensegmente 288 bzw. 292
aufgenommen werden. Somit können die Kugel und damit die
Stange 298 um die Achse der Zapfen 300, 302 in einer einzigen
Ebene geschwenkt werden. Außerdem ist die Kugel zusammen
mit der gespaltenen Kugelhülse 286 um eine Achse drehbar, die
mit der Drehachse des Tragkörpers 282 fluchtet, vorausgesetzt,
daß die Teile nicht durch die noch zu erläuternden Verriegelungsmittel
verriegelt sind. Es handelt sich also um ein
Universalgelenk. Die Kugel 296 ist mit einem nach außen divergierenden
Schlitz 297 ausgebildet, so daß sie um die
Schwenkzapfen 300, 302 drehbar ist, ohne daß eine gegenseitige
störende Beeinflussung mit einem Kabel 310 erfolgt.
Mit dem anderen Ende der Tragstange 298 ist ein Futter zum
Halten des Rohrs verbunden; das Futter umfaßt eine gespaltene
Futterhülse 304 mit einer konischen Ausnehmung, die einen
passenden konischen Stopfen 306 aufnimmt. Eine Druckfeder
308 ist in der Futterhülse angeordnet und befindet sich zwischen
einem Ende des Stopfens 306 und einem Ende der Tragstange
298 und drückt den Stopfen in Richtung aus der konischen
Ausnehmung der Futterhülse 304 heraus.
Eine Kabelaufnahmeöffnung durchsetzt den Stopfen 306, die
Tragstange 298, die Kugel 296 und den Tragkörper 282. Ein
flexibles Kabel 310 erstreckt sich durch diese Öffnung, ist
mit einem Ende am Stopfen 306 befestigt und mit dem anderen
Ende mit dem hin- und herbewegbaren Betätigungsglied 312
eines Luftmotors 314 verbunden, der auf dem Tragkörper 282
angeordnet ist.
Ein Motor 316 ist am Gehäuse 276 angeordnet und treibt eine
Zahnstange 318, deren Zähne mit den Zähnen des Zahnrads
320 kämmen, das am Tragkörper 282 befestigt ist und ihn umgibt.
Der Motor 316 hat eine voreingestellte Hublänge, und
entsprechend ist die Zahnstange 318 zwischen einer Ausfahr-
und Einfahrstellung bewegbar. Wenn die Zahnstange 318
aus ihrer einen in ihre andere Stellung bewegt wird, drehen
sich das Zahnrad 320 und der Tragkörper 282 um genau 90°.
Der Motor 314 bewegt das Betätigungsglied 312 zwischen einer
Ausfahr- und einer Einfahrstellung. In der Ausfahrstellung
des Betätigungsglieds 312 ist der Stopfen 306 lose in der
Futterhülse 304, und die Kugel 296 ist lose in der Kugelhülse
286. In der Einfahrstellung des Betätigungsglieds 312
wird das Kabel gespannt und verriegelt beide Hülsen. Der
Stopfen 306 wird fest in die konische Ausnehmung der Futterhülse
gezogen und drückt dadurch die Hülsensegmente nach
radial außen, wodurch die Innenflächen des Endes des Rohrs
270, in das die Futterhülse 304 eingesetzt ist, fest gegriffen
werden. Die gleiche Spannung des Kabels 310 treibt
die Tragstange 298 in Axialrichtung, wodurch die Kugel 296
in die Kugelhülse 286 getrieben wird, was bewirkt, daß die
Hülsensegmente 288, 290, 292, 294 weiter in die konische
Ausnehmung des Tragkörpers 282 gedrückt werden, wodurch die
Kugel 296 fest gegriffen und gegen eine Drehung relativ
zu der Hülse 286 verriegelt wird.
Beim Betrieb des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 8-10
wird ein Rohr 270, dessen Profil abzutasten ist, mit seinem
einen Ende über die Hülse 304 geschoben. Der Winkel der
Tragstange 298 wird in der Weise eingestellt, daß die Stange
298 um die Achse der Schwenkzapfen 300, 302 bewegt wird, und
dadurch, daß die Kugelhülse 286 um die Achse des Tragkörpers
282 gedreht wird, bis das Rohr 270 im wesentlichen mittig
zwischen den Säulen 200, 202, 204 und 206 festgelegt ist.
Der Motor 314 wird eingeschaltet und spannt das Kabel und
bringt die Futterhülse und die Kugelhülse in die eingestellte
Lage. Das Rohr ist nun in einer ortsfesten Lage an dem
hochkantigen Rahmen getragen und wird dabei nur an seinen
Innenflächen berührt. Der Abtastrahmen wird in seine oberste
oder seine unterste Stellung bewegt. Die Abtastscheiben-
Motoren werden synchron betrieben, um die Scheiben 250 und
256 synchron zu drehen. Der Motor 228 wird eingeschaltet,
um den Antrieb des Abtasttragteils zusammen mit dem Abtaster
in einer ersten Richtung längs dem Rohr zu beginnen,
z. B. von der obersten Stellung nach unten. Die Gewindespindeln
230, 232 sind seitlich in bezug auf die Drehachse der
Scheiben versetzt, so daß eine Überlappung mit dem Abtaststrahl
vermieden wird. Die Ausgangssignale des Bezugssensors
262 und des Lichtbündelsensors 260 werden von derselben
Schaltung verarbeitet, die bei dem vorher erläuterten Ausführungsbeispiel
verwendet wurde, und dabei wird das Ausgangssignal
des Positionsdetektors 248 in der Berechnung in gleicher
Weise wie das Signal x C verwendet.
Wenn der Abtaster eine vollständige Bahn längs dem Rohr beendet
hat, wird der Motor 316 eingeschaltet, um den Rohrtragteil
und das Rohr um 90° zu drehen, woraufhin der Abtaster
eine zweite Abtastung beginnen kann, die nun in einer
zur Ebene der ersten Abtastung senkrechten Ebene erfolgt.
Der Abtastrahmen wird unter Steuerung durch den Motor 228,
der umgesteuert worden ist, nach oben bewegt, und die Daten
für die zweite orthogonale Abtastung werden erzeugt.
Natürlich können andere Anordnungen vorgesehen werden, um das
abzutastende Rohr in einer von zwei zueinander senkrechten
Lagen zu halten und es um eine Achse zu drehen, die im wesentlichen
senkrecht zur Richtung der Hin- und Herbewegung
des Abtasttragteils verläuft. So kann das Rohr durch auf
seine beiden Enden ausgeübte entgegengesetzte Druckkräfte
gehalten werden, oder andere Einrichtungen können verwendet
werden, um das Rohr an einem oder an beiden Enden zu halten.
Ferner kann die Anordnung nach Fig. 8 in einer Horizontalstellung
verwendet werden, und ein zweites Paar Abtastscheiben
kann auf dem Abtasttragteil angeordnet werden, so daß
eine relative Drehung des Rohrs nicht erforderlich ist
und ein vollständiger Datensatz betreffend das Rohrprofil
in einem einzigen Abtastlauf erhalten wird. Bei einer solchen
Anordnung kann das Rohr dadurch gehalten werden, daß
es an seinen beiden Enden unter Druck gesetzt wird, oder
es kann eine ortsfeste lichtdurchlässige Plattform verwendet
werden, um das horizontal angeordnete Rohr zu tragen.
Claims (10)
1. Verfahren zum Erfassen mindestens zweier Abmessungen
eines Gegenstands, bei dem der Gegenstand durch über den
Gegenstand bewegte Lichtstrahlen entsprechend einem ersten Abtastmuster
einer ersten zweidimensionalen Abtastung und
entsprechend einem zweiten Abtastmuster einer zweiten
zweidimensionalen Abtastung unterworfen wird und Signale
erzeugt werden, die Schnittpunkte der Abtastmuster mit
Kanten des Gegenstands definieren, dadurch gekennzeichnet,
daß zum dreidimensionalen Erfassen des äußeren Profils
des Gegenstands die erste Abtastung gleichzeitig mit oder
unmittelbar vor der zweiten Abtastung während der Relativbewegung
des Gegenstands zu den zylindrischen Abtastmustern
erfolgt, und daß die Relativbewegungsrichtung und die
Projektionsrichtungen der beiden zylindrischen Abtastmuster
senkrecht aufeinanderstehen.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß verschiedene Projektoren zum Projizieren der beiden
Lichtstrahlen verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein gemeinsamer Projektor zum Projizieren der beiden
Lichtstrahlen verwendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Erzeugung von elektrischen Signalen in der Weise
erfolgt, daß ein Zug von Impulsen mit konstanter Wiederholungsrate
erzeugt wird, daß eine Zählung der Impulse
begonnen wird, wenn ein Lichtstrahl einen Bezugspunkt
des Abtastmusters erreicht, und daß der erreichte Zählerstand
ausgelesen wird, wenn der Lichtstrahl die Kante
des Gegenstandes schneidet.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die kreiszylindrische Abtastung eine Koordinate des
Schnittpunkts des Abtastmusters und der Gegenstandkante
nach der folgenden Gleichung bestimmt:
x₁ = x C1 - R sin [(N H - K₁) K₂]mit
x₁= eine Koordinate des Schnittpunkts entlang einer Achse eines bezüglich des Gegenstands festen Koordinatensystems, x C1= eine entlang der genannten Achse gemessene Strecke zwischen Punkten, die relativ zum Abtastmuster bzw. zum Gegenstand fest sind, R= Radius des Abtastmusters, N H = Anzahl der Impulse, die gezählt worden sind, wenn das Lichtbündel die Kante schneidet, K₁= eine feste Anzahl Impulse, die den genannten Bezugspunkt mit dem Koordinatensystem winkelmäßig in Beziehung setzen, und K₂= Konstante, die das Verhältnis der vom Lichtbündel im Abtastmuster zurückgelegten Winkelentfernung zu der während dieser Wanderung erzeugten Anzahl Impulse darstellt.
x₁= eine Koordinate des Schnittpunkts entlang einer Achse eines bezüglich des Gegenstands festen Koordinatensystems, x C1= eine entlang der genannten Achse gemessene Strecke zwischen Punkten, die relativ zum Abtastmuster bzw. zum Gegenstand fest sind, R= Radius des Abtastmusters, N H = Anzahl der Impulse, die gezählt worden sind, wenn das Lichtbündel die Kante schneidet, K₁= eine feste Anzahl Impulse, die den genannten Bezugspunkt mit dem Koordinatensystem winkelmäßig in Beziehung setzen, und K₂= Konstante, die das Verhältnis der vom Lichtbündel im Abtastmuster zurückgelegten Winkelentfernung zu der während dieser Wanderung erzeugten Anzahl Impulse darstellt.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Koordinate des Schnittpunkts des Abtastmusters
mit der Kante nach der folgenden Gleichung bestimmt
wird:
Y₂ = R [1 - cos (N H - K₁)K₂].
7. Einrichtung zum Erfassen des Profils eines Gegenstands,
mit einer Tragvorrichtung für den Gegenstand, mit einer
ersten und einer zweiten Abtasteinheit, die Lichtstrahlen
in einem ersten zweidimensionalen Abtastmuster bzw. einem
zweiten zweidimensionalen Abtastmuster über den Gegenstand
bewegen, mit einer Antriebseinrichtung zum Herbeiführen
einer Relativbewegung zwischen der Tragvorrichtung
und den Abtasteinheiten, und einer Schaltungsanordnung
(140, 142, . . , 152; 156, 158 . . . 164), die Schnittpunkte
der Lichtstrahlen mit Kanten des Gegenstands (102) darstellende
Signale erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß
beide Abtasteinheiten (38, 40 . . . 58; 70, 72 . . . 90) jeweils
Lichtstrahlen in einem zylindrischen Abtastmuster erzeugen
und mit ihren Projektionsachsen aufeinander sowie bezüglich
der Relativbewegungsrichtung senkrecht stehen,
und daß ein Positionsdetektor (34) die Position der Tragvorrichtung
(22) in bezug auf die Abtasteinheiten anzeigende
Signale erzeugt.
8. Einrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Tragvorrichtung (22) für die Lichtstrahlen durchlässig
ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Tragvorrichtung (298, 304, 306) den Gegenstand
an einem Ende desselben (270) hält.
10. Einrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Tragvorrichtung (298, 304, 306) den Gegenstand
(270) nur an dessen Innenfläche berührt.
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