DE4025682C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Messen
von Profilen strangförmigen Guts, mit mindestens einer Licht
strahlquelle, die einen Lichtfleck in
einer gegen den Strang unter einem Winkel angeordneten Strahl
ebene über das Profil laufen läßt, und mit mindestens einem De
tektormodul, der von dem Profil reflektiertes Licht aufnimmt,
dazu etwa in der von dem Strang und der Lichtstrahlquelle ge
bildeten Längsebene angeordnet und auf den bestrahlten Profil
bereich gerichtet ist sowie eine aufgenommenes Reflexionslicht
bündelnde Fokussiereinrichtung für eine eindimensionale Empfän
gerzeile aufweist, an die eine Auswertungseinrichtung ange
schlossen ist.
Mit einer solchen Vorrichtung wird z. B. beim allgemein be
kannten Triangulationsmeßverfahren derart gemessen, daß konti
nuierlich oder in dicht aufeinanderfolgenden Zeitintervallen
die Position des Reflexionslichts auf dem Profil erfaßt und
ausgewertet wird. Da die das zu einem Punkt gebündelte Reflexionslicht
erfassende Empfängerzeile nur eindimensional ist, kann
damit nur eine einzige Koordinate, nämlich die durch die
tatsächliche Ausbildung des Strangs bestimmte Höhenkoordinate
ermittelt werden. Die dazu senkrechte, horizontale Koordinate
muß anderweitig bestimmt werden. Wird der Strahl zu sich selbst
parallel über das Profil verschoben, so ergibt sich die hori
zontale Koordinate entsprechend der jeweiligen vorbestimmten
und damit verfügbaren Strahlpositionierung. Das Verschieben des
Lichtstrahls parallel zu sich selbst bedarf jedoch hierzu ge
eigneter Einrichtungen. Aus der EP 01 59 354 B1 ist eine Vorrichtung
zur Erfassung der Positionierung eines Lichtflecks auf
einem Profil bekannt, die aus einer Kombination von ebenen
Spiegeln mit einem schrittweise angetriebenen Spiegelrad besteht,
welches sowohl den zugeführten Lichtstrahl als auch den
reflektierten Lichtstrahl ablenkt. Aus der US 47 09 156 ist
eine Vorrichtung zum Verschieben eines Lichtstrahls parallel zu
sich selbst bekannt, die einen Drehspiegel hat, von dem aus das
Licht einer Linse zugeführt wird, die den Lichtstrahl parallel
zu sich selbst ausrichtet. Aus der DE-OS 22 56 736 ist es bei
einer Vorrichtung zur Oberflächenprofilmessung bekannt, elektrooptische
oder elektroakustische Strahlablenkeinrichtungen zu
benutzen, um den technischen Aufwand zur Sicherstellung einer
geradlinigen Abtastspur klein zu halten. Wird der Lichtstrahl
über den Strang geschwenkt, so kann die horizontale Position
des Lichtstrahls auf dem Profil durch Heranziehung der Winkellage
des Laserstrahls bestimmt werden. Hierzu ist beispielsweise
ein Winkelkodierer erforderlich. In allen vorgenannten
Fällen ergeben sich systembedingte Fehler, die größere Genauigkeiten
nicht zulassen.
Die Verwendung von Strahlteilern bei der Beobachtung des
Streulichts für die Lasertriangulation ist aus der EP
03 42 864 A2 bekannt. Der bekannten Strahlteiler liefert zwei
Teilbilder, die jeweils integral von einem Fotomultiplier eines
Differentialverstärkers erfaßt werden. An den Differentialverstärker
sind Vergleicher angeschlossen, um den gelieferten Differenzwert
mit einem oberen und mit einem unteren Schwellwert
vergleichen zu können. Eine koordinatenweise aufgelöste Erfassung
des Meßobjekts ist wegen der integralen Erfassung der
Teilbilder nicht möglich.
Außerdem ist es bekannt, zur Erfassung der Positionierung
eines Lichtflecks auf einem Profil statt einer eindimensionalen
Empfängerzeile eine zweidimensionale Empfängeranordnung zu ver
wenden, welche die Erfassung sowohl der vertikalen, als auch
der horizontalen Position des Lichtflecks auf dem Profil
gestattet. Derartige sogenannte CCD-Arrays erreichen je
doch nur Auflösungen in der Größenordnung von 10-2 bis 10-3. Das
ist für genaue Messungen zu wenig.
Dem Bekannten gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe
zugrunde, eine Vorrichtung zum berührungsfreien Messen von Pro
filen strangförmigen Guts mit den eingangs genannten Merkmalen
so zu verbessern, daß in zwei Dimensionen eine gleich gute,
hoch auflösungsgenaue Erfassung der Position eines Lichtflecks
auf dem Profil ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das von dem Detek
tormodul aufgenommene Reflexionslicht von der Fokussiereinrich
tung zu einer quer zu der Empfängerzeile angeordneten Bünde
lungslinie fokussiert ist, und daß Reflexionslicht einem
der Fokussiereinrichtung vorgeordneten Strahlteiler zugeführt
ist, der einen Teil des Reflexionslichts auf eine zweite linienbündelnde
Fokussiereinrichtung
lenkt, deren Bündelungslinie quer zu einer zweiten eindimensio
nalen und an die Auswertungseinrichtung angeschlossene Empfän
gerzeile und quer zu der ersten Bündelungslinie verläuft.
Für die Erfindung ist die Erkenntnis von Bedeutung, daß
das Reflexionslicht alle Informationen über die Positionierung
des Lichtflecks in jeder Koordinate mit sich führt und es daher
möglich sein muß, diese Informationen durch geeignete Ausbil
dung des Detektormoduls zu gewinnen. Hierzu wird der der Fokus
siereinrichtung vorgeordnete Strahlteiler verwendet, der einen
Teil des Reflexionslichts einer zweiten Fokussiereinrichtung
zuführt. Diese Fokussiereinrichtung ist so ausgebildet, daß sie
das Licht ebenfalls linienbündelt, ihre Bündelungslinie jedoch
quer zu der Bündelungslinie der ersten Fokussiereinrichtung an
geordnet ist. Infolgedessen kann mit der zweiten Fokussierein
richtung die Positionierung des Lichtflecks in einer Richtung
erfaßt werden, die senkrecht zu derjenigen Richtung ist, welche
durch die erste Fokussiereinrichtung bestimmt wird. Für jede
dieser beiden Richtungen bzw. Koordinaten ist eine eindimensio
nale Empfängerzeile vorhanden, mit der sich Auflösungen in der
Größenordnung von 10-3 bis 10-4 erreichen lassen. Infolgedessen
ist die Messung der Position des Lichtflecks und damit die Mes
sung des Profils im Vergleich zu einer flächenhaften Erfassung
des Lichtflecks wesentlich genauer, und zwar in jeder der Rich
tungen. Das wird durch keine der bekannten Meßvorrichtungen er
reicht.
In Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung so aus
gebildet, daß die Strahlebene mit einem von der strangvertika
len Querschnittsebene abweichenden Einfallswinkel angeordnet
ist, und daß die Längsachse des Reflexionslichts mit einem vor
bestimmten Meßwinkel gegen die Querschnittsebene geneigt ist.
Bei bekannten Meßvorrichtungen ist die Strahlebene des
einstrahlenden Lichts im wesentlichen senkrecht zum Strang an
geordnet, also innerhalb der strangvertikalen Querschnittsebe
ne. Hierdurch soll erreicht werden, daß der Lichtfleck bei ei
ner Höhenänderung des Profils seine Position nicht in Richtung
des Strangs verändert. In diesem Fall könnte aus jeder Posi
tionsänderung auf eine Höhenänderung des Profils an der betref
fenden Stelle geschlossen werden. Eine derartige Anordnung des
Lichtstrahls bzw. der Strahlebene hat jedoch den Nachteil, daß
sie häufig fehlerbehaftet ist, weil ohne erhöhten meßtechni
schen Aufwand nicht sicherzustellen ist, daß die Strahlebene
auch tatsächlich senkrecht zum Strang angeordnet ist. Darüber
hinaus muß der Detektormodul unter einem spitzen Winkel zur
Strahlebene angeordnet werden, der es lediglich gestattet, ei
nen geringen Anteil des Reflexionslichts zu erfassen. Infolge
dessen sind derartige bekannte Meßvorrichtungen nicht nur feh
lerbehaftet, sondern auch vergleichsweise wenig empfindlich
bzw. besitzen einen vergleichsweise kleinen Meßbereich. Die An
ordnung des bekannten Detektors im spitzen Winkel zur Strahl
ebene ist auch durch die Höhe des Strangs bedingt bzw. durch
die in der Nähe der Strahlebene gegebenen eingeengten Platzver
hältnisse, welche beispielsweise durch die räumliche Erstrec
kung der Lichtquelle beeinflußt werden. Den vorbeschriebenen
Nachteilen wird bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung dadurch
ausgewichen, daß die Strahlebene mit einem von der strangverti
kalen Querschnittsebene abweichenden Einfallswinkel angeordnet
ist, und daß die Längsachse des Reflexionslichts, also die Meß
ebene, mit einem vorbestimmten Meßwinkel gegen die strangverti
kale Querschnittsebene geneigt ist.
Der vorbestimmte Meßwinkel wird zweckmäßiger Weise unter
Berücksichtigung des Einfallswinkels gewählt. Vorteilhafterwei
se sind beide Winkel gleich groß und/oder betragen zusammen
90°.
Dadurch, daß die Winkel gleich groß bemessen werden, ist
der vorbestimmte Meßwinkel gleich dem Ausfallswinkel des Refle
xionslichts. Der Detektormodul kann die größtmögliche Menge an
Reflexionslicht erfassen und die Meßvorrichtung ist dementspre
chend empfindlich. Betragen die Winkel zusammen 90°, so ist der
Detektormodul genau senkrecht zu der Strahlebene ausgerichtet
und erfaßt das Reflexionslicht vom Fußpunkt seiner Längsachse
auf der Strahlebene ausgehend in den radialen Richtungen der
Strahlebene gleichmäßig. Wenn die Winkel gleichgroß sind und
zugleich zusammen 90° betragen, ergibt sich außerdem eine
gleichmäßige Verteilung des oberhalb des Strangs für die Anord
nung der Lichtstrahlquelle und des Detektormoduls zur Verfügung
stehenden Raums, so daß beide mit entsprechendem Volumen ausge
bildet werden können.
Die bekannte strangvertikale Anordnung der Strahlebene
soll auch Fehler infolge einer Torsion des Strangs vermeiden.
Derartige Torsionen würden bei Schräganordnung der Strahlebene
ebenfalls Höhenmeßfehler ergeben. Solche Meßfehler werden durch
die bekannte strangvertikale Anordnung der Strahlebene zwar in
gewissem Umfang vermieden, eine tatsächlich jedoch vorhandene
Torsion des Strangs bleibt jedoch auch unerfaßt. Die Meßvor
richtung soll daher in Ausgestaltung der Erfindung so weiterge
bildet werden, daß sie es auch erlaubt, die Torsion des strang
förmigen Guts zu bestimmen und ihre Auswirkung zu beseitigen.
Das wird dadurch erreicht, daß die Lichtstrahlquelle einen wei
teren Lichtfleck in einer der ersten Strahlebene parallelen
Strahlebene axial versetzt über das Profil laufen läßt, und daß
die Auswertungseinrichtung eine Torsion des Strangs aus den Po
sitionen der Lichtfleckabbildungen der beiden Lichtflecke auf
den Empfängerzeilen berechnet.
Hierbei ist von Bedeutung, daß nicht nur ein einziger
Lichtfleck verwendet wird, sondern ein weiterer Lichtfleck in
folge eines zweiten Meßstrahls, der dem den ersten lichtfleck
erzeugenden ersten Meßstrahl parallel ist. Die beiden Meßstrah
len und damit die von diesen erzeugten Lichtflecke sind aus
schließlich axial versetzt, also in Längsrichtung des Strangs,
so daß aus von der Meßvorrichtung ermittelten Höhenabweichungen
der Lichtflecke auf die Torsion des Strangs geschlossen werden
kann. Das Messen wird mit Hilfe der Positionen der Lichtfleck
abbildungen der beiden Lichtflecke auf den Empfängerzeilen er
reicht, wobei die Berechnung von der Auswertungseinrichtung
vorgenommen wird.
Um eine hohe Genauigkeit bei der Parallelausrichtung der
die Lichtflecke erzeugenden Strahlen zu erreichen, sind die
beiden Lichtflecke mit einem den Strahl einer einzigen Licht
quelle verdoppelnden optischen Element erzeugt. Das optische
Element ist zweckmäßiger Weise eine planparallel geschliffene
Glasplatte, die den Strahl der Lichtquelle einerseits mit ihrer
strahlzugewendeten Außenfläche und andererseits mit ihrer die
ser Außenfläche parallelen Innenfläche der gegenüberliegenden
Außenwand reflektiert.
Damit die Vorrichtung insbesondere für den automatisierten
Einsatz geeignet ist, wird sie so weitergebildet, daß die Auswertungseinrichtung
den Torsionswinkel und mit dem Torsionswinkel
unter Heranziehung der Sollabmessungen des Profils und des
zeitgleich mit den Profilen ermittelten Lagewinkels einer Bezugsachse
des Strangs das Sollprofil der Meßstelle des Strangs
berechnet und das Sollprofil mit dem Istprofil der Meßstelle
vergleicht und Abweichungen anzeigt und/oder für eine Prozeßsteuerung
verwendet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird anhand von in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen und anhand eines
Blockfunktionsbildes erläutert. Es zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht einer schematischen Darstellung
der wichtigsten Elemente einer Meßvorrichtung für
das Profil eines Strangs,
Fig. 1a eine Ansicht in Richtung A der Fig. 1,
Fig. 2 eine schaubildliche Detaildarstellung wichtiger
Elemente eines Detektormoduls,
Fig. 3 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung eines tordier
ten Strangs,
Fig. 4 Darstellungen von Profilumrissen, bezogen auf be
stimmte Stellen der Längsachse des Strangs der
Fig. 3, und
Fig. 5 ein Blockfunktionsbild zur Erläuterung des Meß- und
Berechnungsverfahrens zur Erfassung der Torsion des
in Fig. 3 dargestellten Strangs.
Der in den Fig. 1, 1a dargestellte Strang 1′ hat ein winkel
förmiges Profil 1 mit einem horizontalen Profilabschnitt 3 und
einem dazu vertikalen Profilabschnitt 3′ zur Erläuterung unter
schiedlicher Höhen- und Seitenlagen eines Lichtflecks 8 bzw.
8′′ auf dem Profil 1. Der Lichtfleck 8 wird mit einem Licht
strahl 6 erzeugt, den eine Lichtstrahlquelle 4 zur Verfügung
stellt. Der von dieser Lichtstrahlquelle 4 erzeugte Vorstrahl
4′ wird einer Strahlformungs- und Strahlablenkeinheit 5 zuge
führt. Diese Einheit 5 formt den Strahl 6 und fokussiert ihn,
und sie lenkt ihn gemäß Fig. 1a über einen Winkelbereich α ab.
Dieser Winkelbereich α wird genügend groß gewählt, um die in
Frage kommenden Profile 1 in deren Querrichtung vollständig zu
erfassen bzw. zu bestrahlen. Der Lichtstrahl 6 spannt eine
Strahlebene 7 auf. Diese Strahlebene 7 bzw. die optische Achse
6′ der Lichtquelle 4 und der Einheit 5 schließen mit der
strangvertikalen Querschnittsebene 10 einen Einfallswinkel ϕe
ein, so daß der Lichtfleck 8 auf dem horizontalen Profilab
schnitt 3 im Vergleich zum Lichtfleck 8′′ auf der oberen Kante
des vertikalen Profilabschnitts 3′ nicht nur eine andere Höhen
lage in x-Richtung des Koordinatensystems 2 aufweist, sondern
auch eine andere Lage in z-Richtung hat, abgesehen davon, daß
er auch eine unterschiedliche Lage in y-Richtung aufweist. Be
zieht man jedoch die möglichen Lagen eines Lichtflecks 8, 8′′
auf die Strahlebene 7, so ist ersichtlich, daß alle möglichen
Lagen des Lichtflecks durch nur zwei Koordinaten bestimmbar
sind, nämlich die in Fig. 2 dargestellten Koordinaten y und 6′,
wobei letztere Koordinate der optischen Achse 6′ entspricht.
Mit dem in Fig. 1 dargestellten Detektormodul 9 wird das
vom Profil 1 reflektierte Licht erfaßt. Der Detektormodul 9 ist
derart auf das Profil 1 gerichtet, daß er den gesamten vom
Lichtstrahl 6 bestrahlten Profilbereich erfaßt. Die Grenzstrah
len des in Fig. 2 dargestellten Reflexionslichts 23 sind in
Fig. 1 mit 23′, 23′′ bezeichnet. Dieses Reflexionslicht 23 hat
eine Längsachse 21, die gemäß Fig. 1 einen Fußpunkt 25 mit der
Strahlebene 7 bildet. Es ist ersichtlich, daß die Grenzstrahlen
23′, 23′′ symmetrisch zu der Längsachse 21 angeordnet sind. Die
Längsachse 21 bildet mit der strangvertikalen Querschnittsebene
10 den aus Fig. 1 ersichtlichen Meßwinkel ϕa. Dieser Meßwinkel ϕa
ist frei vorbestimmbar und im Falle der Fig. 1 gleich dem Ein
fallswinkel ϕe des Strahls 6 bzw. der Strahlebene 7 gewählt. In
folgedessen steht die Längsachse 21 senkrecht auf der Strahl
ebene 7 und vom Fußpunkt 25 aus wird das von dem Profil 1 re
flektierte Licht achssymmetrisch erfaßt. Da der Einfallswinkel
ϕe im Mittel gleich dem Meßwinkel ϕa ist, kann der Detektormodul
9 näherungsweise die größtmögliche Menge von Reflexionslicht 23
erfassen.
Der Detektormodul 9 ist im wesentlichen gemäß Fig. 2 ausge
bildet, hat also eine Fokussiereinrichtung 12 in Gestalt einer
Zylinderlinse. Diese fokussiert das Reflexionslicht 23 bzw. ei
nen Teil davon auf eine Bündelungslinie 13, was durch zwei
Grenzstrahlen 26 des Reflexionslichts 23 angedeutet ist. Die
Fokussierung durch die Fokussiereinrichtung 12 erfolgt auf eine
eindimensionale Empfängerzeile 14, die quer zur Bündelungslinie
13 angeordnet ist. Die Empfängerzeile 14 besteht aus nebenein
ander angeordneten und diskret abzufragenden Sensoren, bei
spielsweise Fotodioden. Ändert sich das Reflexionslicht 23 be
züglich seiner y-Koordinate, so wird die Bündelungslinie 13 in
die entsprechende Richtung seitlich verschoben, was mit der Em
pfängerzeile 14 von einer nicht dargestellten Auswertungsein
richtung erfaßt werden kann. Die Auswertungseinrichtung fragt
die Empfängerzeile 14 kontinuierlich ab, wenn der Lichtfleck
kontinuierlich über das Profil 1 geführt wird, oder sie fragt
die Empfängerzeile 14 getaktet ab, wenn der Lichtfleck getaktet
über das Profil 1 geführt wird.
Vorbeschriebenes gilt entsprechend für die Empfängerzeile
14′, die der Koordinate 6′ gemäß Fig. 2 zugeordnet ist. Hierzu
wird zunächst auf die obige Ausführung hingewiesen, wonach sich
jede Vertikallageänderung des Lichtflecks 8 auf dem Profil 1 in
einer auf die Strahlebene 7 bezogenen Änderung in Richtung der
optischen Achse 6′ der Lichtstrahlquelle manifestiert. Es genü
gen also auch bei einer Schrägstellung der Lichtstrahlquelle 4
bzw. der Strahlformungs- und Strahlablenkeinheit 5 zwei Koordi
naten, um die exakte Lage des Lichtflecks auf dem Profil zu er
fassen. Die nicht dargestellte Auswertungseinheit kann die
durch den Einfallswinkel ϕe gegebene Neigung der Strahlebene 7
rechnerisch berücksichtigen, um die Positionen aller Lichtflec
ke 8 bzw. 8′′ auf die strangvertikale Querschnittsebene zu be
ziehen. Infolgedessen kann das Profil 1 bzw. dessen Profilumriß
mit der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung genau bestimmt wer
den.
Es versteht sich, daß bei einer Profilgestaltung abwei
chend von der Darstellung in den Fig. 1, 1a statt der dargestell
ten Meßvorrichtung eine ausgebaute Meßvorrichtung mit mehreren
Lichtstrahlquellen, Strahlformungs- und -ablenkeinheiten sowie
Detektormodulen verwendet werden muß, die dann winkelmäßig der
Profilierung des Strangs entsprechend um den Strang herum ver
teilt werden. Aufgrund einer solchen Verteilung um den Umfang
eines Strangs herum kann das gesamte Strangprofil erfaßt wer
den, also nicht nur der gemäß Fig. 1a beleuchtete Profilanteil,
wobei davon ausgegangen wird, daß die Auswertungseinheit in der
Lage ist, die Meßdaten mehrerer Detektormodule gleichzeitig zu
erfassen und daraus den kompletten Profilumriß des Strangs zu
berechnen.
In Fig. 2 wird eine Bestrahlung der zweiten eindimensiona
len Empfängerzeile 14′ mit einem Anteil des Reflexionslichts 23
dadurch erreicht, daß der Fokussiereinrichtung 12 ein Strahl
teiler 11 vorgeordnet ist, der den durch die Grenzstrahlen 27
veranschaulichten Strahlanteil des Reflexionslichts 23 einer
zweiten Fokussiereinrichtung 12′ zuführt, die einen Linienfokus
aufweist, also eine Bündelungslinie 13′ erzeugt. Diese Bünde
lungslinie 13′ ist quer zu der Empfängerzeile 14′ und auch quer
zu der Bündelungslinie 13 der ersten Fokussiereinrichtung 12
angeordnet. Sie erfaßt mithin Lageänderungen des Lichtflecks 8
auf dem Profil 1 in der 6′-Koordinate. Die beiden Empfängerzei
len 14, 14′ haben die gewünschte größtmögliche Auflösungsgenau
igkeit, so daß die Lage des Lichtflecks 8 bzw. 8′′ mit entspre
chend großer Genauigkeit zweidimensional erfaßt bzw. berechnet
werden kann.
Die in Fig. 3 dargestellte Vorrichtung besteht, wie in
Fig. 1, aus einer Lichtstrahlquelle 4, einer Strahlformungs- und
-ablenkeinheit 5 und einem Detektormodul 9, der im wesentlichen
gemäß Fig. 2 ausgebildet ist. Mit Hilfe dieser Vorrichtung soll
strangförmiges Gut ebenso vermessen werden, wie mit der Vor
richtung der Fig. 1. Zusätzlich soll jedoch die Tordierung des
Strangs 1′ erfaßt werden. Zur Vereinfachung ist der Strang 1′
als ebener Streifen in etwa schaubildlicher Ansicht darge
stellt. Sein Profil ergibt sich als Profil 19 in Fig. 4, wenn
gemäß Fig. 3 vertikal und senkrecht zur Darstellungsebene ge
schnitten wird.
In dem Strahlengang 6 der Lichtstrahlquelle 4 ist ein op
tisches Element 16 angeordnet, mit dem eine Verdoppelung des
Lichtstrahls erfolgt. Dieses Element 16 ist beispielsweise eine
planparallel geschliffene Glasplatte, welches Licht mit seiner
strahlzugewendeten Außenfläche 16′ und mit seiner strahlzuge
wendeten Innenfläche 16′′ reflektiert, und zwar in einander pa
rallelen Strahlebenen 17, 18. Jeder Teilstrahl der Ebenen 17, 18
erzeugt infolgedessen Lichtflecke 8, 8′ auf dem Außenumriß des
Strangs 1′. Die Strahlebenen 17, 18 sind unter demselben Ein
fallswinkel ϕe gegen die vertikale Querschnittsebene 10 darge
stellt. Infolge der Umlenkung des Strahls durch das optische
Element 16 ergibt sich eine etwas andere Anordnung der Licht
strahlquelle 4 und der Einheit 5. Die Lichteinstrahlungsver
hältnisse auf den Strang 1′ sind jedoch im Vergleich zu der
Vorrichtung der Fig. 1 nicht geändert. Dasselbe gilt auch für
die Anordnung des Detektormoduls 9, dessen Meßwinkel ϕa des Re
flexionslichts 23 wie zu Fig. 1 beschrieben gewählt werden kann.
Bei den folgenden Betrachtungen bzw. zu den beschriebenen
Messungen wird lediglich vorausgesetzt, daß der axiale Abstand
zwischen den Lichtflecken 8 und 8′ klein gegen die Periodenlän
ge der Torsion ist.
Zu der Anordnung des Detektormoduls sei noch bemerkt, daß
sie, wie auch die Anordnung der Lichtstrahlquelle 4 und der
Einheit 5 frei wählbar ist, sofern das auf den Strang 1′ einge
strahlte Licht und das von diesem Strang 1′ reflektierte Licht
23 wie zu Fig. 1 beschrieben eingestrahlt bzw. reflektiert wird.
Das gilt auch für die Anordnung der Lichtstrahlquelle 4 der
Einheit 5 und des Detektormoduls 9 der Fig. 1.
Die von den Lichtstrahlen der Strahlebenen 17, 18 erzeugten
Lichtflecken 8, 8′ sind auf einer ebenen Fläche lediglich axial
zueinander versetzt, nicht aber quer dazu, also quer zur Dar
stellungsebene der Fig. 3. Jede bei einer Messung irgendwie ge
artete Versetzung des Lichtflecks 8′ in Richtung y, also senk
recht zur Darstellungsebene bzw. in Richtung der 6′-Koordinate,
also in der Darstellungsebene senkrecht zu der die neutrale
Achse bildenden Bezugsachse 22, ist auf eine Torsion des
Strangs 1′ zurückzuführen. Das gilt exakt nur für einen Strei
fen als Strang 1′, der senkrecht zur Darstellungsebene der
Fig. 3 angeordnet ist. Bei der in Fig. 3 gewählten Darstellung
gilt vorstehendes nur für die Bezugsachse 22. Beidseitig dieser
Bezugsachse vor und hinter der Darstellungsebene muß die gege
bene Schieflage des Strangs 1′ bei der Erfassung der Torsion
berücksichtigt werden.
Geht man also davon aus, daß im Meßbereich 24 gegenüber
dem Schnittbereich 19 eine Torsion des Strangs 1 gegeben ist,
so wird das Profil 17′ für die Lichtflecke 8 der Strahlebene 17
in bezug auf das Profil 19, wie in Fig. 4 dargestellt, verdreht
festgestellt. Das Profil 18′ der Lichtflecke 8′ der Strahlebene
18 ist gegenüber dem Profil 17′ etwas mehr tordiert.
Das Profil des Strangs 1′ ist rechteckig. Aufgrund der
Torsion und der Winkel ϕe, ϕa werden verzerrte Profile gemessen,
wie 17′, 18′ in Fig. 4. Die Profile 17′, 18′ sind identisch und
unterscheiden sich nur durch ihre winkelmäßigen Relativlagen,
aus denen der Torsionswinkel bestimmt werden kann.
Der Meßvorgang wird daher so durchgeführt, daß gemäß Fig. 5
zunächst das Profil 17′ und das Profil 18′ gemessen und daraus
der Torsionswinkel bestimmt wird. Mit Hilfe des Torsionswin
kels, der Solldaten des Profils und des Lagewinkels des Strangs
kann das Sollprofil für 17′ berechnet werden. Die Solldaten des
Profils sind konstruktiv vorgegeben und können daher im Rechner
der Auswertungseinheit bereit gehalten werden. Der Lagewinkel
des Strangs 1′ muß meßtechnisch erfaßt werden. Eine derartige
Messung ist an sich bekannt und wird beispielsweise mit Hilfe
von Lichtschranken durchgeführt. Zur Veranschaulichung wird auf
Fig. 3 Bezug genommen, in der die Bezugsachse 22 des Strangs 1′
dargestellt ist. Wenn der Strang 1′ nicht die dargestellte Lage
hat, sondern z. B. so angeordnet ist, daß die Bezugsachse 22
links des Meßbereichs 24 oberhalb der Darstellungsebene und
rechts des Meßbereichs 24 unterhalb der Darstellungsebene ver
läuft und/oder wenn die Bezugsachse 22 links der Meßstelle 24
oberhalb und rechts der Meßstelle 24 unterhalb der Horizontalen
verläuft bzw. bei jeder anderen irgendwie gearteten Anordnung
der Bezugsachse 22, kann dessen Lage durch zwei Raum-Lagewinkel
bestimmt werden.
Die Auswertungseinheit ermöglicht nach der Ermittlung des
Sollprofils für 17′ einen Vergleich mit den Istdaten des Pro
fils 17′ bezüglich der z. B. durch die Torsion des Strangs 1 ge
gebenen Profilabweichungen. Diese Abweichungen werden also
rechnerisch erfaßt und dienen gemäß Fig. 5 der Prozeßsteuerung,
also der Einflußnahme auf die Strangformung derart, daß eine
unerwünschte Torsion vermieden wird.
Die Vorrichtung wird vorteilhafterweise während einer Pro
filerzeugung eingesetzt. Zu derartigen profilerzeugenden Ma
schinen gehören Umformeinrichtungen, die kontinuierlich arbei
ten, wie Walzanlagen, Extrusionsanlagen, Gieß- und Spritzanla
gen. Dabei können die Werkstücke bzw. Stränge aus metallischen,
nichtmetallischen oder organischen Werkstoffen bestehen. Die
Vermessung der Profile kann dabei der Qualitätskontrolle sowie
der Überwachung der Fertigungseinrichtung bzw. deren Steuerung
dienen. Es ist aber auch möglich, fertiggestellte Profile nach
zuvermessen, also außerhalb des Fertigungsbetriebs.
Claims (7)
1. Vorrichtung zum Messen von Profilen strangförmigen Guts,
- - mit mindestens einer Lichtstrahlquelle (4), die einen Lichtfleck (8) in einer gegen den Strang (1′) unter einem Winkel (ϕe) angeordneten Strahlebene (7, 17) über das Profil (1) laufen läßt,
- - und mit mindestens einem Detektormodul (9), der von dem Profil (1) reflektiertes Licht aufnimmt, dazu etwa in der von dem Strang (1′) und der Lichtstrahlquelle (4) gebilde ten Längsebene angeordnet und auf den bestrahlten Profil bereich gerichtet ist sowie ein aufgenommenes Reflexions licht (23) bündelnde Fokussiereinrichtung (12) für eine eindimensionale Empfängerzeile (14) aufweist, an die eine Auswertungseinrichtung angeschlossen ist, dadurch ge kennzeichnet, daß das von dem Detektormodul (9) aufge nommene Reflexionslicht (23) von der Fokussiereinrichtung (12) zu einer quer zu der Empfängerzeile (14) angeordneten Bündelungslinie (13) fokussiert ist, und daß das Reflexions licht (23) einem der Fokussiereinrichtung (12) vorgeordneten Strahlteiler (11) zugeführt ist, der der einen Teil des Reflexionslichts auf eine zweite linienbündelnde Fokussiereinrichtung (12′) lenkt, deren Bündelungslinie (13′) quer zu einer zweiten eindimensionalen und an die Auswertungseinrichtung angeschlossene Empfängerzeile (14′) und quer zu der ersten Bündelungslinie (13) verläuft.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Strahlebene (7, 17) mit einem von der strangverti
kalen Querschnittsebene (10) abweichenden Einfallswinkel
(ϕe) angeordnet ist, und daß die Längsachse (21) des Reflexionslichts
(23) mit einem vorbestimmten Meßwinkel (ϕa) gegen
die Querschnittsebene (10) geneigt ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Winkel (ϕa, ϕe) gleich groß sind und/oder zusammen
90° betragen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Lichtstrahlquelle (4) einen weiteren
Lichtfleck (z. B. 8′) in einer der ersten Strahlebene
(17) parallelen Strahlebene (18) axial versetzt über das
Profil (1) laufen läßt, und daß die Auswertungseinrichtung
eine Torsion des Strangs (1′) aus den Positionen der
Lichtfleckabbildungen der beiden Lichtflecke (8, 8′) auf
den Empfängerzeilen (14, 14′) berechnet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Lichtflecke (8, 8′) mit einem den Strahl (6)
einer einzigen Lichtquelle (4) verdoppelnden optischen
Element (16) erzeugt sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß das optische Element (16) eine planparallel geschlif
fene Glasplatte ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Auswertungseinrichtung den Torsionswinkel
und mit dem Torsionswinkel unter Heranziehung
der Sollabmessungen des Profils (1) und der zeitgleich mit
den Profilen (17′, 18′) ermittelten Lagewinkels einer Bezugsachse
(22) des Strangs (1′) das Sollprofil der Meßstelle
(24) des Strangs (1′) berechnet und das Sollprofil
mit dem Istprofil (17′) der Meßstelle (24) vergleicht und
Abweichungen angezeigt und/oder für eine Prozeßsteuerung
verwendet.
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