DE4210031A1 - Contactless optical length measurement of coated and uncoated sheet materials of variable thickness - acquiring images of lateral, uncoated edge with line or matrix camera using deflecting mirror or prism for deflecting image through ninety degs.. - Google Patents
Contactless optical length measurement of coated and uncoated sheet materials of variable thickness - acquiring images of lateral, uncoated edge with line or matrix camera using deflecting mirror or prism for deflecting image through ninety degs..Info
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Abstract
Description
Von dem europäischen Patent Nr. 0 157 148 "Verfahren zur berührungs losen Messung der Länge eines bewegten Gegenstandes und Messeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens" her ist bekannt, mit Hilfe einer Kamera die strukturierte Oberfläche eines bewegten Gutes zu er fassen, Helligkeitsprofile in einem zeitlichen Abstand aufzunehmen und durch Berechnung der Kreuzkorrelation zweier sukzessiver Profile die Ver schiebung des Gutes zu bestimmen. Durch Summation aller Verschiebun gen kann somit berührungslos die fortlaufende Länge bestimmt werden und z. B. hochgenau eine Ablängvorrichtung gesteuert werden. Bekannt ist weiter hin ein auf diesem Patent aufbauendes Gerät "Video Speed Master", wel ches die Firma EyeTec GmbH, Konstanz, produziert und vertreibt.From European Patent No. 0 157 148 "method for touch loose measurement of the length of a moving object and Measuring device for performing the method "ago is known with With the help of a camera, the structured surface of a moving good understand to record brightness profiles at a time interval and by calculating the cross-correlation of two successive profiles the ver to determine the displacement of the goods. By summing all shifts The continuous length can thus be determined without contact and e.g. B. a cutting device can be controlled with high precision. It is known further towards a device based on this patent "Video Speed Master", wel The company EyeTec GmbH, Constance, produces and sells.
Zur absoluten Kalibrierung eines solchen Systems ist es erforderlich, hoch genau die Dimension des Bildfeldes der Kamera in Bewegungsrichtung zu kennen. Dies bereitet besonders dann Schwierigkeiten, wenn der Abstand des Meßgutes zur Kamera schwankt, z. B. bei der Längenmessung an Mine ralwolle mit unterschiedlicher Materialdicke, an Stranggußprofilen mit un terschiedlichem Abstand zur Kamera usw. Infolge des divergenten Strahlen gangs einer üblichen Optik ändert sich das Bildfeld mit dem Abstand. Damit hängt die gemessene Länge vom Abstand ab, ein in hohem Maße unerwünschter Effekt. Es ist zwar bekannt und in der optischen Literatur beschrieben, daß mit Hilfe telezentrischer Objektive Abbildungsmaßstäbe er reicht werden können, welche zumindest in gewissen Grenzen unabhängig von dem Abstand Kamera zu Objekt sind. Solche telezentrischen Objektive haben wie Fernrohre einen zumindest näherungsweisen parallelen Strahlen gang; sie bilden aus dem Unendlichen auf den Kamerasensor ab.For the absolute calibration of such a system, it is required to be high exactly the dimension of the image field of the camera in the direction of movement know. This is particularly difficult when the distance of the measured material fluctuates towards the camera, e.g. B. when measuring the length of a mine ral wool with different material thickness, on continuous cast profiles with un different distance from the camera etc. due to the divergent rays In the usual optics, the image field changes with the distance. In order to the measured length depends on the distance, a highly undesirable effect. Although it is known and in the optical literature described that with the help of telecentric lenses he used imaging scales can be sufficient, which is independent at least within certain limits from the distance camera to object. Such telecentric lenses like telescopes have an at least approximately parallel rays corridor; they map from the infinite to the camera sensor.
Nachträglich bei solchen telezentrischen Objektiven ist aber die große Baulänge, insbesondere dann, wenn eine große Schwankung des Arbeitsab standes nur sehr kleine Änderungen des Abbildungsmaßstabes bewirken darf. Verfahren wie das im o.g. Patent beschriebene und in dem genannten Video Speed Master System verwirklicht werden hauptsächlich dort einge setzt, wo sehr hohe Genauigkeiten gefordert sind. Entsprechend groß sind die Dimensionen der benötigten telezentrischen Objektive. Um bei einem mittleren Abstand Kamera zu Objekt Abstandsschwankungen von +/- 100 mm mit Hilfe einer telezentrischen Optik so zu kompensieren, daß das Abbildungsverhältnis um nicht mehr als 0,1% schwankt, sind telezentrische Optiken erforderlich, welche eine Baulänge von ca. 60 cm haben.Subsequent to such telecentric lenses is the big one Overall length, especially if there is a large fluctuation in the work only cause very small changes in the image scale may. Procedure like that in the above Patent described and mentioned in the Video speed master systems are mainly implemented there sets where very high accuracies are required. Are correspondingly large the dimensions of the telecentric lenses required. To at one average distance camera to object distance fluctuations from Compensate +/- 100 mm with the help of a telecentric optics so that the image ratio does not fluctuate by more than 0.1% telecentric optics required, which have a length of approx. 60 cm to have.
Ein weiterer Nachteil jeder telezentrischen Optik ist die beschränkte Schärfentiefe. Dies wirkt sich bei den o.g. korrelations-basierenden Meßverfahren besonders dann störend aus, wenn die Strukturen an der Oberfläche des Meßgutes sehr fein sind. Schwankende Arbeitsabstände können zwar durch die telezentrische Optik insoweit kom pensiert werden, daß sie zu tolerierbaren Schwankungen des Abbildungsverhältnisses führen. Wird der Bereich ausreichender Schärfentiefe aber verlassen, so können diese Strukturen von der Kamera nicht mehr aufgelöst werden und die verschwommenen Helligkeitsprofile nicht mehr mit ausreichender Genauigkeit korreliert werden.Another disadvantage of any telecentric optics is the limited one Depth of field. This affects the above correlation-based Measurement method particularly disturbing if the structures on the The surface of the sample is very fine. Swaying Working distances can be so far because of the telecentric optics be pensated that they lead to tolerable fluctuations in the Image ratio. The area becomes more adequate Depth of field but leave, so these structures from the camera can no longer be resolved and the blurry brightness profiles can no longer be correlated with sufficient accuracy.
Ein praktisches Beispiel für die beschriebenen Schwierigkeiten kann an hand der optische Längenmessung bei beschichteter Mineralwolle veran schaulicht werden. Wie in Fig. 1 gezeigt, bedeutet die vibrationsfreie An bringung eines Kamerakopfes 1 mit einer telezentrischen Optik 2 mit großer Baulänge einen hohen konstruktiven Aufwand. Bei einem typischen Abstand Oberfläche-Objektiv von 1000 mm ergeben sich Baulängen von 1,6 m. Diese Anordnung darf nur um wenige Zehntel Grad schwanken. Solche großen freien Bauhöhen sind oft bei Produktionsanlagen nicht vorhanden. Wenn außerdem die Schärfentiefe 3 nur typ. +/- 40 mm beträgt, dann bedeutet dies, daß Beschichtungen mit feiner Oberfläche nicht mehr optisch aufgelöst werden können und damit das Meßverfahren ver sagt.A practical example of the difficulties described can be illustrated using the optical length measurement with coated mineral wool. As shown in Fig. 1, the vibration-free attachment to a camera head 1 with a telecentric optics 2 with a large overall length means a great deal of construction. With a typical surface-lens distance of 1000 mm, the overall length is 1.6 m. This arrangement may only vary by a few tenths of a degree. Such large free heights are often not available in production plants. If, in addition, the depth of field 3 is only typically +/- 40 mm, then this means that coatings with a fine surface can no longer be optically resolved and the measurement method therefore fails.
Damit besteht die technische Problematik bei dieser Art von Längenmeßeinrichtungen aus zwei Teilproblemen:So there is the technical problem with this type of Length measuring devices from two sub-problems:
- a) große Schwankungen der Materialdicke müssen durch telezentrische Optiken mit großer Baulänge und entsprechend aufwendigen mecha nisch-konstruktiver Anbringung beherrscht werden.a) Large fluctuations in material thickness must be caused by telecentric Optics with a large overall length and correspondingly complex mecha niche-constructive attachment can be mastered.
- b) stark unterschiedliche Beschichtungen mit grob bis fein strukturierter Oberfläche erfordern telezentrische Optiken mit erheblicher Schäferfentiefe, welche wiederum nur mit aufwendigen und damit größeren telezentrischen Systemen erreicht wird.b) very different coatings with coarse to fine structured Surface require telecentric optics with considerable Depth of shepherd, which in turn only with elaborate and therefore larger telecentric systems is achieved.
Diese Schwierigkeiten haben dazu geführt, daß bis dato trotz des vorteilhaf ten korrelativen Meßprinzips solche Materialien nicht oder nur ungenügend in ihrer Länge vermessen werden konnten. These difficulties have led to the fact that despite the advantageous ten correlative measuring principle such materials not or only insufficient could be measured in length.
Erfindungsgemäß wird das Problem der optischen korrelativen Längen- und Geschwindigkeitsmessung an unterschiedlich beschichteten Materialien mit schwankendem Abstand zum optischen Sensor dadurch gelöst, daß die Zei len- oder Matrixkamera über einen optischen Strahlengang, welcher durch einen Umlenkspiegel oder ein Umlenkprisma auf die seitliche Flanke des bahnförmigen Materials gerichtet wird, die unbeschichtete Materialstruktur erfaßt.According to the invention, the problem of optical correlative length and Speed measurement on differently coated materials with fluctuating distance to the optical sensor solved in that the Zei len- or matrix camera via an optical beam path, which by a deflecting mirror or a deflecting prism on the side flank of the sheet-like material is directed, the uncoated material structure detected.
Der Erfindungsgedanke wird beispielhaft, aber nicht einschränkend anhand der folgenden Abbildungen beschrieben:The idea of the invention is illustrated by way of example, but not by way of limitation described in the following figures:
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen optischen Meßkopf in einer seitlichen Anbringung und mit einem umgelenkten, auf die Seitenfläche gerichteten telezentrischen Strahlengang. Fig. 2 shows an optical head according to the invention in a lateral attachment, and a deflected, directed onto the side face of the telecentric beam path.
Fig. 3 zeigt eine vorteilhafte Anbringung mit geringer Bauhöhe bei der Ver messung der oberen oder unteren Materialoberfläche. Fig. 3 shows an advantageous attachment with a low overall height when measuring the upper or lower material surface.
Fig. 4 zeigt eine vorteilhafte Erweiterung des Meßkopfes durch eine Beleuchtungseinrichtung. Fig. 4 shows an advantageous extension of the measuring head by an illumination device.
Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung des Meßkopfes mit verschiebbarem Abstand von Kamera zu Umlenksystem. Fig. 5 shows an embodiment according to the invention the measuring head with adjustable distance from the camera to deflection system.
Die meisten beschichteten Materialien, wie Bodenbeläge, beschichtete Mine ralwolle, beschichtete Schaumstoffe, werden bahnförmig in kontinuierlich ablaufenden Produktionsprozessen erzeugt. Dabei werden auf der gleichen Produktionsanlage sehr unterschiedliche Materialdicken erzeugt. Ent sprechend aufwendig sind die für ein optisch-korrelatives Meßsystem wie im o.g. Patent beschrieben erforderlichen telezentrischen Objektiven. Erfindungsgemäß wird daher nach Fig. 2 die Kamera 1 mit Hilfe der tele zentrischen Optik 2 und eines Umlenkspiegels oder -prismas 3 auf die seitliche Flanke des bahnförmigen Materials 4 gerichtet. Durch die senk rechte Anbringung seitlich der Bahn wird kein Freiraum über der Bahn benötigt. Durch die Erfassung der seitlichen, unbeschichteten Materialstruk tur ist es nicht nötig, einen großen Bereich unterschiedlich strukturierter Beschichtungsoberflächen zu erfassen, so daß eine telezentrische Optik mit geringerer Schärfentiefe ausreicht.Most of the coated materials, such as floor coverings, coated mineral wool, coated foams, are produced in web form in continuously running production processes. Very different material thicknesses are produced on the same production line. Accordingly, the telecentric lenses required for an optical correlative measuring system as described in the above-mentioned patent are expensive. According to the invention, therefore, the camera 1 by using the telecentric optical system 2 and a deflecting mirror or -prismas 3 is directed onto the lateral edge of the web-like material 4 of FIG. 2. Due to the vertical attachment to the side of the track, no space is required above the track. By detecting the lateral, uncoated material structure, it is not necessary to record a large area of differently structured coating surfaces, so that a telecentric lens with a shallow depth of field is sufficient.
Fig. 3 zeigt, wie durch eine waagrechte Orientierung des Meßkopfes 1 auch Materialien von der Oberfläche gemessen werden können, ohne daß ein großer Freiraum erforderlich ist. Diese Anordnung vermeidet die mit einer hohen Bauhöhe verbundenen Schwingungsprobleme. FIG. 3 shows how materials can be measured from the surface by a horizontal orientation of the measuring head 1 without requiring a large free space. This arrangement avoids the vibration problems associated with a high overall height.
Fig. 4 zeigt als einen weiteren Erfindungsgedanken die Beleuchtung der zu vermessenden Materialstruktur 1 durch eine optische Beleuchtungsein richtung 2, welche durch das als halbdurchlässiger Spiegel ausgelegte Umlenksystem 3 auf die von der Kamera erfaßte Oberfläche gerichtet wird. Fig. 4 shows, as a further inventive concept, the illumination of the material structure 1 to be measured by an optical illuminating device 2 , which is directed by the deflection system 3 designed as a semitransparent mirror onto the surface detected by the camera.
Fig. 5 zeigt, wie durch eine Teilung des Meßkopfs in eine obere Hälfte 1, welche die Kamera und die Optik enthält und in eine untere Hälfte 2, wel che das Umlenksystem enthält, wobei beide Hälften kulissenartig ineinander gleiten, der von der telezentrischen Optik her bedingte Abstand von Optik zu Materialoberfläche wahlweise so aufgeteilt werden kann, daß der größere Teil 3 im Meßkopf oder außerhalb der Meßkopfs 4 zu liegen kommt. Damit kann ein solcher Kopf flexibel an unterschiedliche Einbauverhältnisse und Arbeitsabstände angepaßt werden. Fig. 5 shows how by dividing the measuring head into an upper half 1 , which contains the camera and the optics and in a lower half 2 , which che contains the deflection system, both halves sliding together like a backdrop, from the telecentric optics conditional distance from the optics to the material surface can be divided so that the larger part 3 comes to lie in the measuring head or outside of the measuring head 4 . Such a head can be flexibly adapted to different installation conditions and working distances.
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