DE2855877A1

DE2855877A1 - Verfahren und vorrichtung zur kontinuierlichen und beruehrungslosen messung der form von walz-, zieh- und stranggusserzeugnissen

Info

Publication number: DE2855877A1
Application number: DE19782855877
Authority: DE
Inventors: Hans-Joerg Dipl Phy Hoehberger
Original assignee: HOEHBERGER HANS JOERG
Current assignee: Franz Plasser Bahnbaumaschinen Industrie GmbH
Priority date: 1978-12-22
Filing date: 1978-12-22
Publication date: 1980-06-26
Also published as: AT385354B; ATA810579A; DE2855877C2

Description

Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen und berührungslosen Messung der
Form von Walz-, Zieh- und Stranggußerzeugnissen.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur kontinuierlichen und berührungslosen Messung der Form von Walz-, Zieh- und Stranggußerzeugnissen.
Zwei typische Anwendungsfälle sind - Produktionskontrolle von Eisenbahnschienenprofilen - Kontrolle befahrener Eisenbahnschienen auf Verschleiß mit einer über das Gleis verschieblichen Meßeinrichtung.
Derartige Systeme sind erforderlich - zur Erzielung maßhaltiger Profile bei der Herstellung und - zur Erfassung der Formänderung von Profilen, die äußeren Einflüssen z. B.
mechanischem Verschleiß unterworfen sind.
Prinzipiell erreicht man beim Stand der Technik eine Formerfassung durch Kombination einer ausreichenden Zahl von Abstandsmessungen. (DT 2545 621 Al; DT 2601 250 Al) Hierbei ist es bekannt, daß Abstandsmessungen nach folgenden Methoden durchgeführt werden: - berührende Antastung über Taststifte oder -rollen, welche mit elektronischen Wegaufnehmern verbunden sind.
- nicht berührende Antastung mit sog. pneumatischen Tastern, (wobei sich zwischen Meßobjekt und Taster ein Gaspolster konstanter Stärke einstellt) in Verbindung mit elektrischen Wegaufnehmern.
- berührungslos mit induktiven und kapazitiven Wegaufnehmern, - mit optischen Verfahren.
Weiterhin ist ein optisches Verfahren zur Formvermessung (Buchreihe Research Techniques in Nondestructive Testing Volume II; Edited by R. S. Sharpe 1973 by Academic Press London and New York) bekannt, bei welchem Lichtbündel durch zwei optische Liniengitter so auf das Meßobjekt projiziert werden, daß auf dessen Oberfläche Höhenschichtlinien erscheinen, welche photoelektrisch erfaßt und elektronisch ausgewertet werden können (Doppel-Projektionsverfahren). Bei einem abgewandelten Verfahren wird nur ein Gitter zur Projektion und zur Bilderfassung benutzt (Moir6-Verfahren).
Allgemein läßt sich durch Kombination mehrerer Abstandsmeßgeräte eine Profilmessung erreichen. Da sich aber in allen Fällen die Aufnehmer nicht beliebig dicht nebeneinander anordnen lassen, ist die Genauigkeit der Profilerfassung begrenzt oder es lassen sich nur einfache (z. B. nicht gekrümmte) und große Profile auf diese Weise messen.
Die Verfahren der berührenden Antastung mittels Taststiften oder Tastrollen haben folgende Nachteile: Infolge mechanischer Trägheit können sich die Taster nicht schnell genug auf rasche Abstandsänderungen einstellen.
Es ist weiterhin mit Prellen und Abnutzung der Taster zu rechnen.
Daher sind diese Verfahren nur dort anwendbar, wo die Geschwindigkeit zwischen Meßgerät und Objekt gering ist, oder für die Dauer der Messung auf Null reduziert werden kann.
Das Verfahren der nicht berührehden pneumatischen Antastung ist ebenfalls mit mechanischer Trägheit behaftet, so daß bei der Anwendung (mit Ausnahme des Tasterverschleißes) die gleichen Einschränkungen wie bei den berührenden Verfahren gelten.
Die berührungslosen induktiven bzw. kapazitiven Wegaufnehmer erlauben eine höhere Geschwindigkeit zwischen Meßgerät und Objekt. Der erfaßbare Abstandsmeßbereich ist aber stets kleiner als der aktive Aufnehmer-Durchmesser. Bei Meßobjekten deren Oberfläche bezogen auf den Aufnehmer durchmesser merklich gekrümmt sind, tritt ein Meßfehler auf, wel das Aufnehmersignal ein gewichtetes Mittel der Abstände innerhalb des Einflußbereiches des Aufnehmers ist. Punktförmige Messungen sind also nicht möglich. Als weiterer Nachteil kommt hinzu, daß die Anzeige abhängig vom Material und dessen Oberflächenzustand ist.
Optische Abstandsmesser arbeiten nahezu trägheitsfrei und materialunabhängig, stellen aber in der Regel empfindliche und aufwendige Geräte dar.
Doppelprojektions und Moiré-Verfahren erlauben zwar im Prinzip eine vollständige Profilmessung haben aber den Nachteil, daß die Höhenschichtlinien lichtschwach sind. Daher ist eine schnelle elektronische Auswertung nicht möglich. Hinzu kommt, als weiterer Nachteil, die mechanische Empfindlichkeit der Projektionsgitter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßeinrichtung zu schaffen, welche eine berührungslose und genaue Profilvermessung von Objekten gestattet, die relativ zur Meßeinrichtung in rascher Bewegung sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst: Das von einer Lichtquelle ausgehende Licht wird mittels einer Projektionsoptik so ausgerichtet, daß alle Lichtstrahlen näherungsweise in einer Ebene verlaufen. Wird diese aus Licht bestehende Ebene mit der zu vermessenden Profiloberfläche unter einem bestimmten Winkel zum Schnitt gebracht, so entsteht auf der Profiloberfläche eine leuchtende Markierung in Form eines Linienzuges, dessen Gestalt vom Einfallswinkel und vom Profil abhängt. (Es ist auch möglich, das Licht statt in einer Ebene in einer senkrecht zur Ausbreitungsrichtung gekrümmten Fläche laufen zu lassen. In diesem Fall hängt die Gestalt des Linienzuges zusätzlich von der Krümmung der Lichtfläche ab).
Der die Profilinformation enthaltende Linienzug wird dann mit einer Optik auf die lichtempfindliche Fläche eines Bildauswertesystems (Röhren- oder Halbleiter-Fernsehkameras oder spezielle Einrichtungen, die aus einer bestimmten räumlichen Anordnung lichtempfindlicher Sensoren bestehen) abgebildet. Dort erfolgt die Umwandlung in elektrische Signale, aus denen in einem Rechner die geometrischen Profildaten ermittelt werden. Es kann auch die Formabweichung des gemessenen Profils gegen ein Bezugsprofil berechnet werden. Zu diesem Zweck werden dem Rechner die Daten des Bezugsprofiles eingespeichert.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
So können außer sichtbarem Licht auch andere Strahlungsarten verwendet werden, die sich in geeigneter Weise fokussieren und abbilden lassen z. B. infrarote, ultraviolette Strahlung, Röntgenstrahlung und Ultraschall.
Bei manchen Anwendungen, wo ein störender Pegel unerwünschter Strahlung vorliegt, ist es vorteilhaft, eine monochromatische Strahlungsquelle einzusetzen und die durch die Beobachtungsoptik gehende Strahlung entsprechend zu filtern.
Auf diese Weise kann der Einfluß der Störstrahlung reduziert werden.
Der Einfluß von Störstrahlung kann weiter verringert werden, durch Verwendung polarisierter Strahlung zur Beleuchtung und eines Polarisationsfilters in der Beobachtungsoptik. Durch Tastung bzw. Modulierung der Intensität der Strahlung quelle, Schmalbandfilterung der elektrischen Signale und Synchronisierung des Beobachtungssystems kann eine weitere Verringerung der Störeinflüsse erreicht werden.
Bei Anwendungen, wo auf das Meßgerät Beschleunigungsschocks (z. B. Eisenbahnbetrieb) oder hohe Temperaturen (Walzwerkbetrieb) einwirken, wird das Meßsystem aufgeteilt in einen robusten Meßkopf, welcher die Projektions- und Beobachtungsoptiken enthält und einen übrigen Teil, welcher die empfindlichen Teile wie Lichtquellen und Bildwandler umfaßt und an einem geschützten Ort untergebracht werden kann. In diesem Fall erfolgt die übertragung der Beleuchtungsenergie bzw. des Bildes über mechanisch flexible und/oder starre Licht- bzw.
Bildleiter.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen in folgenden Punkten: 1 - Es wird eine genaue berührungslose Profilmessung möglich (Meßgenauigkeit: 0,02 mm), auch wenn sich Meßgerät und Meßobjekt schnell zueinander bewegen (z. B. 200 km/h).
Eine präzise Führung a) des Meßgerätes, wenn das Meßgerät sich bewegt und das Meßobjekt ruht b) wenn das Meßobjekt sich bewegt und das Meßgerät ruht ist nicht erforderlich. Unerwünschtes Auswandern senkrecht zur Fortbewegungs richtung wird bei der Bildauswertung eliminiert.
2 - Eine Abstandsmessung gegen Profile mit komplizierter Form ist möglich.
(z. B. Abstandsmessung gegen Eisenbahnschiene zur Gleisvermessung) 3 - Durch Mehrfachanordnungen sind Rundum-Messungen möglich.
4 - Bei Aufteilung des Systems in Meßkopf und übrigen Teil ist ein Meßeinsatz unter schwierigsten Umgebungsbedingungen möglich.
5 - Die Abweichungen Ist - Soll werden angegeben, ohne daß das Sollprofil materiell vorhanden zu sein braucht.
Figurenbeschreibung: - Figur 1 zeigt die Anbringung des Meßkopfes am Drehgestell eines Eisenbahnfahrzeuges - Figur 2 zeigt die prinzipielle Funktionsweise des Meßkopfes - Figur 3 zeigt die von einem Meßkopf auf der zu vermessenden Profiloberfläche erzeugten Linienzüge - Figur 4 zeigt eine Mehrfachvorrichtung zur Vermessung von Sechskantprofilen - Figur 5 zeigt die von einem Meßkopf auf den 2 zugewandten Sechskantflächen erzeugten Linienzüge.
Beispiel 1: Das in den Figuren 1 - 3 dargestellte Ausführungsbeispiel betrifft die Anwendung des Meßprinzips im Eisenbahnwesen zur Messung des Schienenprofils in Gleisen von einem Meßfahrzeug aus. In diesem Anwendungsfall-ist der Meßkopf von dem übrigen Teil getrennt.
Die geneigten Projektionseinrichtungen 2 und 3 erzeugen zwei in der y-Richtung ausgedehnte Lichtbündel, welche auf der Schienenoberfläche die Schnittlinien 4 und 5 hervorrufen. Die Beobachtungsoptik 6 befindet sich in der Mitte zwischen den Projektoren und bildet die Schnittlinien 4 und 5 in die Eintrittsfläche eines faseroptischen Bildleiters 7 ab. Dieser überträgt das Bild in das Innere des Fahrzeuges zu den Bildwandler-Einrichtungen. Die Lichtquellen für die Projektoren 2 und 3 befinden sich ebenfalls im Fahrzeug und sind über zwei faseroptische Lichtleiter 8 und 9 mit den Projektoren verbunden. Ändert sich das Profil der Schiene, so ändert sich die Form der Linien 4 und 5. Vergrößert sich der Abstand 10 des Meßkopfes gegen die Schiene, so verkleinert sich der gegenseitige Abstand der Linien 4 und 5.
Von der Auswerteelektronik, welche auf den Bildwandler folgt, wird nach der Form und dem Abstand der Linien zu einer Bezugslinie des Bildwandlersystems (z. B. Mittellinie) ausgewertet und daraus das Schienenkopfprofil und der Abstand 10 gegen den höchsten Punkt der Schienenfahrfläche errechnet.
Bei verringerten Ansprüchen an die Handhabung des Systems und die Sicherheit der Messungen kann eine der beiden Projektionseinrichtungen, z. B. 3, entfallen. In diesem Fall kann das Beobachtungssystem 6 mit dem Bildleiter 7 gegen die Symmetrieebene 11 nach rechts geneigt angeordnet werden.
Für diese Ausführungsbeispiele liegt die Meßungenauigkeit unter Annahme günstiger Bedingungen im unteren hundertstel Millimeterbereich.
Beispiel 2: Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft die in Figur 4 dargestellte Vorrichtung zur Vermessung eines Sechskantprofiles 12, welches durch seine Begrenzungslinien 13 - 18 gegeben ist. Hierbei werden in der gezeichneten Weise 3 identische, bereits in Ausführungsbeispiel 1 beschriebene Meßköpfe 19, 20 und 21 verwendet, welche jeweils im Winkel von 1200 zueinander zentriert sind.
Der Meßkopf 19 erzeugt die Schnittlinien 22 und 23. Die beiden übrigen Meßköpfe erzeugen auf den ihnen zugewandten Flächen Schnittlinien von analogem Verlauf.
Bei bekannter Position der Meßköpfe lassen sich aus dem Verlauf der 3 Schnittlinienpaare alle wichtigen geometrischen Profildaten wie Krümmung der Begrenzungslinien 13 - 18, Winkel benachbarter Begrenzungslinien sowie die äußeren Abmessungen ermitteln.
Eine Zentrierung der Achse 25 des Meßobjektes auf die gemeinsame Achse 24 der Meßköpfe ist nicht notwendig, da innerhalb des Gesichtsfeldes der Meßköpfe eine seitliche Versetzung des Meßobjekts bzw. eine Verdrehung um die eigene Achse 25 bei geeigneter Auswertung zu keiner Verfälschung der Profildaten führt.
Beispiel 3: Analog wie im Beispiel 2 lassen sich auch Profile anderer Gestalt z. B. Rund-, Ellipsen-, Dreikant-, Vierkant-, U-, T-, Doppel-T-Profile etc. vermessen.
In jedem Fall hängt die minimale Zahl und räumliche Anordnung der Meßköpfe von der jeweiligen Form des zu vermessenden Profiles ab.
Soll ein und dieselbe Meßanordnung zur Vermessung verschiedener Profile dienen, so können z. B. 4 im Winkel von 90° zueinander angeordnete Meßköpfe verwendet werden.

Claims

Patentansprüche 1)- Berührungsloses Verfahren und Vorrichtung zur kontinuierlichen und berühungslosen Messung einer beliebigen Querschnittsform von Walz-, Zieh- und Stranggußerzeugnissen, dadurch gekennzeichnet, daß durch Schrägprojektion von Lichtstrahlen auf die Oberfläche des Meßobjekts optische Markierungen in Form linienförmiger, nicht unterbrochener bzw. unterbrochener, schmaler Dunkel-Hell-Dunkel-Ubergänge erzeugt werden, deren Verläufe (Ort, Richtung und Krümmung der Linien) von der jeweiligen Form des Profils des Meßobjektes abhängig sind, durch optische Abbildung dieser Markierungen auf Bildauswertesysteme eine Umsetzung in die Form- bzw. Profilinformation enthaltende Signale vorgenommen wird, und durch Auswerteeinrichtungen das Profil bzw. die Abweichung von einem Sollprofil ermittelt wird.
2 - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung und Abbildung der Markierungen statt sichtbarem Licht infrarote bzw. ultraviolette Strahlung, Röntgenstrahlung oder Ultraschallstrahlung verwendet wird.
3 - Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung und Abbildung der Markierungen monochromatische und/oder - (mit Ausnahme des Ultraschalls) polarisierte Strahlung verwendet wird.
4 - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Beobachtungssystem nur ausschließlich in dem Spektralgebiet empfindlich ist, in welchem die Lichtquellen Energie aussenden und/oder - das Beobachtungssystem nur für den Polarisationszustand der von den Markierungen ausgehenden Strahlung empfindlich ist.
5 - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Erzeugung der Markierungen verwendete Strahlung moduliert wird und das Beobachtungssystem nur auf den modulierten Anteil der vom Meßobjekt ausgehenden Strahlung phasenrichtig anspricht und in Bezug auf die Strahlungsquelle synchronisiert ist.
6 - Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektions- und Beobachtungsoptiken, die Lichtquellen und das Bildwandlersystem in den Meßkopf ir,tegriert werden und mit ihm eine mechanische Einheit bilden.
7 - Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das System aufgeteilt ist in einen die Projektions- und Beobachtungsoptiken enthaltenden mechanisch robusten Meßkopf und in einen übrigen Teil, welcher die mechanisch empfindlichen Teile wie Lichtquellen und Bildauswertesysteme enthält und welcher sich an einem geschützten Platz befindet, dabei erfolgt die Übertragung der Beleuchtungsenergie bzw. des Bildes über mechanisch flexible und/oder starre Licht- bzw. Bildleiter.
8 - Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rundumvermessung eines Profiles mehrere Meßköpfe angeordnet werden.
9 - Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bildauswertesystem aus einer zeilenartigen Anordnung einachsiger, nach dem Prinzip des lateralen Photoeffektes arbeitender Positionsdetektoren besteht, wobei jede Zeile in zwei gleiche, getrennt Detektoren aufgeteilt ist.