DE4446235A1 - Meßgerät für ein Rohr, insbesondere Waffenrohr - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät zur Vermessung der Innenfläche eines Rohres, insbesondere Waffenrohres, mit einem in das Rohr einführbaren Meßkopf, wobei der Meßkopf zur Durchführung der Messung relativ zur Rohrlängsachse längsverschieblich und drehbar ist.

Bei innen profilierten Rohren, insbesondere bei Waffenrohren mit Zügen und Feldern, müssen zur Qualitätskontrolle oder Zustandskontrolle verschiedene Messungen durchgeführt werden. Vor allem soll der Felddurchmesser und der Zugdurchmesser gemessen werden.

Ein Meßgerät der eingangs genannten zur Messung des Felddurchmessers ist in der DE 30 03 415 A1 beschrieben. Dieses Meßgerät arbeitet mit radialen Tastfühlern. Ein Messen eines Zugdurchmessers ist nicht beschrieben.

Ein handliches Meßgerät zum Messen des Innendurchmessers von Waffenrohren ist in der DE 39 22 937 A1 beschrieben. Eine Messung etwaiger Züge des Waffenrohrs ist auch dort nicht vorgesehen.

Bei einem Waffenrohr soll oft auch der Drehwinkel der Züge gemessen werden. Hierfür wird in der Praxis eine eigene Drehwinkelmeßbank verwendet. Es sollen häufig auch zusätzlich die Breiten der Züge und der Felder gemessen werden. Diese Messung erfolgt indirekt über einen Abguß des Rohrprofils.

Für die Durchführung der genannten Messungen insgesamt sind nach dem Stand der Technik also viele Meßeinrichtungen und Maßnahmen erforderlich. Ein vollständiges Vermessen eines innen profilierten Rohres ist damit äußerst aufwendig. Außerdem sind die üblichen Meßeinrichtungen oft zur zum Einsatz an neuen Rohren geeignet.

In der EP 0 029 881 A1 ist ein Meßgerät zum Messen der Biegung der Innenwand eines Geschützrohres beschrieben. Als Meßmittel ist ein von einem Laserstrahl zu beaufschlagender Strahllagedetektor, zum Beispiel eine Fotodiode, im Meßkopf vorgesehen. Ein Vermessen der Innendurchmesser des Rohres ist damit nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßgerät der eingangs genannten Art vorzuschlagen, mit dem sich mehrere Messungen bei einem Meßvorgang durchführen lassen.

Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe bei einem Meßgerät der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Meßkopf eine Laserstrahlquelle aufweist, die einen Abtaststrahl schräg zur Rohrlängsachse auf die Innenfläche richtet, daß eine Optik den an der Innenfläche reflektierten Abtaststrahl erfaßt und ihn auf einen nebeneinander mehrere Flächenelemente aufweisenden Sensor lenkt, wobei der Ort des Auftreffens des reflektierten Abtaststrahls auf dem jeweilen Flächenelement des Sensors dem jeweiligen zur Rohrlängsachse radialen Maß der vom Abtaststrahl beaufschlagten Stelle der Innenfläche entspricht, und daß der Sensor den Ort des Auftreffens des Abtaststrahls in ein elektrisches Signal wandelt, das eine Auswerteelektronik verarbeitet.

Bei diesem Meßkopf trifft der reflektierte Abtaststrahl in jeder Drehstellung und Längsverschiebestellung je nach dem Auftreffen des Abtaststrahls auf die Innenfläche und damit je nach ihrem dortigen radialen Abstand von der Rohrlängsachse auf eines der Flächenelemente auf. Durch wenigstens eine Umdrehung um 360° läßt sich damit das gesamte Innenprofil - in den Zügen und Feldern - in einer Querschnittsebene vermessen. Nach dem Vermessen des Querschnittsprofils wird der Meßkopf um einen bezogen auf die Rohrlänge kleinen Betrag längsverschoben, wonach dann das dortige Querschnittsprofil gemessen wird. Aus den Meßwerten der Querschnittsprofile lassen sich von der Auswerteelektronik der Felddurchmesser, der Zugdurchmesser, der Drallwinkelverlauf der Züge und die Anzahl der Züge errechnen. Die Vermessung jedes vom Abtaststrahl beaufschlagten Ortes der Innenfläche erfolgt dabei nach dem Triangulationsverfahren.

Zur Erfassung der in Umfangsrichtung und Längsrichtung benachbarten Orte der Innenfläche ist die relative Drehbarkeit und Verschieblichkeit des Meßkopfes gegenüber dem Rohr vorgesehen. Es kann dabei je nach der Größe des Rohres vorgesehen sein, daß der Meßkopf im stillstehenden Rohr rotiert oder das Rohr um den stillstehenden Meßkopf rotiert. Entsprechend kann für die Längsverschieblichkeit vorgesehen sein, daß der Meßkopf im stillstehenden Rohr verschoben wird oder das Rohr gegenüber dem stillstehenden Meßkopf verschoben wird. Bei besonders langen Rohren wird dieses zur Vermessung senkrecht gestellt und der Meßkopf wird mittels eines flexiblen Bandes in dem Rohr längsverstellt.

In Weiterbildung der Erfindung ist in der Optik ein Strahlteiler vorgesehen, der den reflektierten Abtaststrahl teilweise an lichtempfindliche Bauteile, beispielsweise Fotodioden, leitet, um die Lage der zwischen den Zügen und den Feldern des Rohres bestehenden Flanken unabhängig vom genannten Sensor zu erkennen. Dadurch wird die Lage der Flanken separat erfaßt. Dadurch ist die Auswertung der Meßergebnisse in der Auswerteelektronik vereinfacht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Meßgerät, schematisch,

Fig. 2 dessen Meßkopf im Rohr, schematisch,

Fig. 3a ein Zug- und Feld-Querschnittsprofil des Rohres an einer Stelle x1 der Längsachsrichtung X des Rohres,

Fig. 3b das sich ergebende Meßprofil des elektrischen Meßsignals im zeitlichen Verlauf,

Fig. 3c ein Zug- und Feld-Querschnittsprofil des Rohres an einer Stelle x2 der Längsachsrichtung X des Rohres,

Fig. 3d das sich dabei ergebende Meßprofil des elektrischen Meßsignals im zeitlichen Verlauf,

Fig. 3e einen nach Drehung um jeweils 360° auftretenden Referenzimpuls.

Ein zu vermessendes Waffenrohr (1) weist Züge (2) und Felder (3) auf. Seine Längsachse ist mit (X) bezeichnet.

Ein Meßgerät (4) zur Vermessung der Innenfläche des Rohres (1) ist mit einem Meßkopf (5) versehen, der in Richtung der Längsachse (X) in dem Rohr (1) längsverschieblich ist und um die Längsachse (X) drehbar ist. Beidseitig des Meßkopfes (5) sind Lager (6) vorgesehen, die den Meßkopf (5) im Rohr (1) abstützen. Der Meßkopf (5) ist an einer Welle (7) angeordnet, die an einem Gehäuse (8) des Meßgeräts (4) gelagert ist. Im Verlauf der Welle (7) kann ein Gelenk (9) vorgesehen sein. Im Gehäuse (8) sitzt ein Antriebsmotor (10), der über ein Ritzel (11) und einen Zahnkranz (12) die Welle (7) und damit den Meßkopf (5) um die Längsachse (X) rotierend antreibt. Die Lager (6) brauchen sich dabei nicht mitzudrehen.

Im Gehäuse (8) ist ein Detektor (13) angeordnet, der nach jeweils einer 360°-Umdrehung der Welle (7) und damit des Meßkopfes (5) einen Referenzimpuls (vgl. Fig. 3e) an eine Auswerteelektronik (14) gibt. Die Auswerteelektronik (14) ist über Schleifkontakte (15) durch die Welle (7) mit den weiter unten näher beschriebenen elektrischen Einrichtungen des Meßkopfes (5) verbunden.

Über Kabel (16) kann die Auswerteelektronik (14) mit außerhalb des Gehäuses (B) angeordneten Anzeigeeinrichtungen und/oder Rechen- und
Speicherschaltungen, beispielsweise einem Mikroprozessor, verbunden sein, die elektrisch der Auswerteelektronik (14) zugehören.

Der Meßkopf (5) ist im Rohr (1) in Richtung der Längsachse (X) verschieblich. Die dies bewirkende Einrichtung ist nicht dargestellt. An dieser Einrichtung kann das Gehäuse (8) gelagert sein. Der jeweilige Stand der Längsverschiebung wird der Auswerteelektronik (14) als elektrisches Signal zugeführt.

Der Meßkopf (5) (vgl. Fig. 2) enthält eine Laserdiode (17), welche über die Schleifkontakte (15) betrieben ist. Ihr Abtaststrahl (a1) wird über einen Umlenkspiegel (18) schräg zur Längsachse (X) ausgelenkt und trifft dann durch eine Öffnung (19) auf die Innenfläche des Rohres (1) und zwar je nach der Drehstellung auf einen der Züge (2) oder eines der Felder (3), jeweils an einem engbegrenzten Ort des Zuges (2) bzw. des Feldes (3). Der an diesem Ort reflektierte Abtaststrahl gelangt durch eine Lochblende (20) des Meßkopfes (5) auf eine Sammellinse (21) des Meßkopfes (5). In Fig. 2 ist beispielsweise ein an einem Ort eines der Züge (2) reflektierter Abtaststrahl mit (a2) und ein an einem Ort des Feldes (3) reflektierter Abtaststrahl mit (a3) bezeichnet. Diese reflektierten Strahlen treten nicht gleichzeitig, sondern je nach der jeweiligen Drehwinkelstellung des Meßkopfes (5) im Rohr (1) nacheinander auf.

Die Sammellinse (21) lenkt die reflektierten Abtaststrahlen (a2, a3) auf einen weiteren Umlenkspiegel (22), der sie achsparallel zu einem Strahlteiler (23) lenkt.

Der Strahlteiler (23) leitet die reflektierten Abtaststrahlen (a2, a3) einerseits auf einen Sensor (24), der eine Vielzahl von nebeneinanderliegenden aktiven Flächenelementen aufweist. Der reflektierte jeweilige Abtaststrahl (a2, a3) trifft jeweils auf eines der Flächenelemente (25). Entsprechend der Lage des auf dem jeweiligen Flächenelement (25) erzeugten Lichtpunktes des reflektierten Abtaststrahles (a2, a3) auf einem der Flächenelemente erzeugt der Sensor (24) eine analoge Spannung. Beispielsweise gibt also der Sensor (24) eine niedrigere Spannung ab, wenn an einem linken Flächenelement (25) ein reflektierter Abtaststrahl auftritt, als dann wenn an einem weiter rechts liegenden Flächenelement (25) ein Abtaststrahl auftritt. Die Höhe der vom Sensor (24) an die Auswerteelektronik (14) über die Schleifkontakte (15) geleiteten Spannung ist also ein Maß für die radiale Lage des Auftreffpunktes des Abtaststrahls (a1) auf der Innenfläche des Rohres (1).

Bei einer Umdrehung um 360° des Meßkopfes (5), wobei sein Abtaststrahl in der axialen Länge (x1) auf die Rohrinnenfläche trifft, ergibt sich damit am Ausgang des Sensors (24) ein Fig. 3b entsprechendes Meßprofil der elektrischen Ausgangsspannung. Etwaige Abweichungen der Züge (2) oder der Felder (3) vom Sollwert zeigen sich am Verlauf des Spannungs-Meßprofils, das der Auswerteelektronik (14) zugeführt wird. Nach jeweils einer Umdrehung um 360° erhält die Auswerteelektronik (14) den Referenzimpuls (vgl. Fig. 3e). Zur Messung in einer Querschnittsebene, beispielsweise bei x1 und x2, können auch mehrere Umdrehungen um 360° vorgenommen werden, um die Sicherheit der Messung zu verbessern.

Die Auswerteelektronik (14) wandelt das analoge Meßsignal bzw. Meßprofil über einen A/D-Wandler in ein digitales Signal um, das gespeichert und digital in einem Mikroprozessor ausgewertet werden kann.

Es wird dann der Meßkopf (5) in Richtung der Längsachse (X) längsverschoben, so daß der Abtaststrahl jetzt in der Länge x2 beim Drehwinkel 0° auf das Feld (3) auftrifft. Es ergibt sich dann bei der folgenden Drehung um 360° das in Fig. 3d gezeigte Meßprofil der Ausgangsspannung des Sensors (24). Auch dieses wird der Auswerteelektronik (14) zugeführt. Die beschriebenen Vorgänge werden dann in weiteren axialen Längen des Waffenrohrs (1) wiederholt. Es können damit der Zugdurchmesser und der Felddurchmesser sowie die Breite der Züge (2) sowie die Breite der Felder (3) ermittelt werden. Unter Berücksichtigung des jeweiligen Längenmeßorts (x1 bzw. x2) kann daraus auch der Drallwinkel der Züge (2) errechnet werden. In Fig. 3a und Fig. 3c sind die Radien (r2) der Züge (2) und die Radien (r3) der Felder (3) angegeben. Diesen entsprechen in den Meßprofilen der Fig. 3b und 3d die Meßwerte (r3′ und r2′). Die Breiten (b2) der Züge (2) und die Breiten (b3) der Felder (3) sind in den Fig. 3a und 3d gezeigt. Diesen entsprechen die zeitlichen Längen (b2′ bzw. b3′) der Meßprofilspannungen (vgl. Fig. 3b und Fig. 3d).

Andererseits des Strahlteilers (23) ist im Grenzbereich dessen Strahlungsbeaufschlagung jeweils eine Fotodiode (26, 27) angeordnet. Springt im Bereich der zwischen den Zügen (2) und Feldern (3) bestehenden Flanken (28) der reflektierte Abtaststrahl um, weil er über die jeweilige Flanke (28) geht, dann wird dies von den Fotodioden (26, 27) erfaßt, die an die Auswerteelektronik (14) angeschlossen sind. Die Auswerteelektronik (14) erhält dadurch ein zusätzliches, sehr lagegenaues Signal über die Lage der Flanken (28), so daß sie die Lage der Flanken (28) nicht unbedingt aus den Meßprofilen nach Fig. 3b bzw. Fig. 3d ableiten muß.

Aus den, wie beschrieben, in einem einzigen Meßvorgang gewonnenen Meßergebnissen, kann die Auswerteelektronik außer den jeweiligen Durchmessern in den Zügen und in den Feldern und den Breiten der Züge bzw. Felder, sowie dem Drallwinkel der Züge auch noch die Länge der Züge im Rohr, sowie die Lage etwaiger Gasbohrungen im Rohr, sowie die Geradheit der Rohrbohrungen in der Längsachse (X) erfassen.

Wie Fig. 2 zeigt, ist über die Sammellinse (21) und den Umlenkspiegel (22) sowie den Strahlteiler (22) die Abbildung der Höhe (h) der Flanken (28) auf die Breite (H), die die Flächenelemente (25) des Sensors (24) einnehmen, gespreizt. Die Breite (H) ist also wesentlich größer als die Höhe (h). Dadurch ist die Meßgenauigkeit verbessert.

Claims (7)

1. Meßgerät zur Vermessung der Innenfläche eines Rohres, insbesondere Waffenrohres, mit einem in das Rohr einführbaren Meßkopf, wobei der Meßkopf zur Durchführung der Messung relativ zur Rohrlängsachse längsverschieblich und drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (5) eine Laserstrahlquelle (17) aufweist, die einen Abtaststrahl (a1) schräg zur Rohrlängsachse (X) auf die Innenfläche (2, 3) richtet, daß eine Optik (20 bis 23) des Meßkopfes (5) den an der Innenfläche (2, 3) reflektierten Abtaststrahl (a2, a3) erfaßt und ihn auf einen nebeneinander mehrere Flächenelemente (25) aufweisenden Sensor (24) lenkt, wobei der Ort des Auftreffens des reflektierten Abtaststrahls (a2, a3) auf dem jeweiligen Flächenelement (25) des Sensors (24) dem jeweiligen zur Längsachse (X) radialen Maß der vom Abtaststrahl (a1) beaufschlagten Stelle der Innenfläche (2, 3) entspricht, und daß der Sensor (24) den Ort des Auftreffens des Abtaststrahls in ein elektrisches Signal wandelt, das eine Auswerteelektronik (14) verarbeitet.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik des Meßkopfes (5) eine Sammellinse (21) und einen Umlenkspiegel (23) aufweist.

3. Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik die Örter des möglichen Auftreffens des Abtaststrahls (a1) auf der Innenfläche (2, 3) gegenüber den Flächenelementen (25) des Sensors (24) spreizt.

4. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Optik ein Strahlteiler (23) vorgesehen ist, der den reflektierten Abtaststrahl (a2, a3) in Grenzbereichen teilweise auch an lichtempfindliche Bauteile (26, 27) leitet, die an die Auswerteelektronik (14) angeschlossen sind, um die Umfangslage der zwischen den Zügen (2) und den Feldern (3) des Rohres (1) bestehenden Flanken (28) zu erfassen.

5. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (5) einen Umlenkspiegel (18) aufweist, der den achsparallelen Abtaststrahl (a1) der Laserstrahlquelle (17) schräg zur Längsachse (X) auslenkt.

6. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Detektor (13) vorgesehen ist, der bei jeder 360°- Umdrehung des Meßkopfes (5) ein Signal an die Auswerteelektronik (14) gibt.

7. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Antriebseinrichtung (8, 10) für den Meßkopf (5) außerhalb des Rohres (1) vorgesehen ist.