DE68916010T2

DE68916010T2 - Optischer Messfühler.

Info

Publication number: DE68916010T2
Application number: DE68916010T
Authority: DE
Inventors: David J Mundy
Original assignee: Eaton Leonard Technologies Inc
Current assignee: Eaton Leonard Technologies Inc
Priority date: 1989-05-02
Filing date: 1989-09-08
Publication date: 1994-09-22
Anticipated expiration: 2009-09-09
Also published as: EP0395811A2; EP0395811B1; US5008555A; EP0554920A3; EP0395811A3; DE68916010D1; JPH02302603A; EP0554920A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Meßgeräte und insbesondere Meßgeräte zum Messen der Lage der Mittelachse eines Rohrs. In US-A-3 944 798 wird ein Verfahren und ein Gerät zum Messen der Lage und Richtung einer Rohrmittelachse geoffenbart durch Anwendung eines Arms, der in fünf Achsen gelenkig gegliedert beweglich ist und der am freien Ende des äußersten Arms einen V-förmigen Arbeitskopf bzw. eine Sonde trägt, die in eine ganze Anzahl unterschiedlicher Stellungen und Richtungen bewegt werden kann, um mit einer zu vermessenden Röhre in Berührung gebracht zu werden. Im allgemeinen ist es für die Vermessung einer gebogenen Röhre und zum Biegen einer Röhre wichtig, verschiedene Parameter zu kennen, darunter die Länge der geraden Röhrenabschnitte oder den Abstand zwischen Biegungen (DBB), den Biegungswinkel oder Biegungsgrad (DOB) und die Ebene des Biegungswinkels d.i. die Ebene der Biegung (POB). Durch Anlegen von Vektoren entlang der Mittelachse der geraden Röhrenabschnitte können die benötigten Parameter einfach berechnet werden. Somit werden zur Erlangung der notwendigen Informationen oder Daten zur Definierung der gebogenen Röhre und ihrer verschiedenen Biegungen nur die Daten benötigt, die die Position und Ausrichtung der Mittelachsen der entsprechenden geraden Röhrenabschnitte definieren. Die Position und Ausrichtung dieser Vektoren kann entweder durch Messung der Lage zweier Punkte auf jedem Vektor, d.h. durch Definition des Vektors oder durch Einsatz des Instruments aus US-A-3 944 798 erzielt werden,, mit dem eine Messung der Richtung des Vektors durch einen einzigen Kontakt zwischen dem V-förmigen Arbeitskopf und dem Außenrand der Röhre möglich ist.
Der Kontaktfühler oder Arbeitskopf der Röhre in US-A-3 944 798 hat vier Kontaktelemente, die so positioniert sind, daß alle diese Elemente einen elektrischen Kontakt mit der äußeren Oberfläche der Röhre herstellen und so die gewünschte relative Position und Ausrichtung der Röhrenmittelachse mit Bezug auf den Arbeitskopf angeben. Alle elektrischen Kontakt elemente müssen die Röhre berühren, und so erfordert die Einstellung des Arbeitskopfes zur Sicherstellung des korrekten Kontakts und der korrekten Ausrichtung des Arbeitskopfes einige Zeit und einigen Aufwand. Dies verlangsamt die Durchführung der zahlreichen Messungen, die zur Definition geeigneter Daten für einen vollständigen Satz von Röhrenbiegungen erforderlich sind.
Ein weiteres Problem des Kontaktfühlers des Eaton-Patents ist, daß der erforderliche Kontakt zwischen dem Fühler und einigen dünnen, flexiblen Röhren zu einer Deformierung der Röhre und damit zum fehlerhaften Ablesen von Position und Ausrichtung der Röhrenmittelachse führen kann. Deshalb muß bei Durchführung von Messungen bei sehr kleinem Durchmesser, dünnen und etwas flexiblen Röhren, der Kontaktfühler des bisherigen Stands der Technik noch langsamer und mit noch größerer Vorsicht eingesetzt werden, um eine Verformung der Röhre durch die notwendige Berührung und damit fehlerhaftes Ablesen zu vermeiden.
GB-A-2210162 offenbart zum Messen der Eorm einer gebogenen Röhre einen U-förmigen Kühler mit einer Lichtquelle, die um die Einbuchtung des Fühlers angeordnet ist und Licht durch einen Schlitz auf einen empfindlichen Bereich nach innen wirft, und Sensoren, die mit den Enden der Fühlerarme verbunden sind zum Nachweis des Auftretens bzw. Fehlens von Licht aus der Lichtquelle.
EP-A-0234007 offenbart einen L-förmigen optischen Fühler, der einen Lichtstrahl wirft, und einen Detektor zum Nachweis des Auftretens bzw. Fehlens von Licht aus der Lichtquelle.
Gemäß der vorliegenden Erfindung enthält ein optischer Fühler mit einen Arbeitskopf, der im wesentlichen die Form eines umgekehrten V hat, mit ersten und zweiten Armen, die sich im wesentlichen rechtwinklig zueinander erstrecken und an ihren jeweiligen inneren Enden miteinander verbunden sind, wobei die inneren Enden an einem Fühlerhals befestigt sind, der mit einem gelenkig gegliederten Arm verbunden ist; der Arbeitskopf ferner äußere Endabschnitte aufweist, die von den äußeren Enden der Arme aus nach innen vorstehen und eine Fühleröffnung definieren; erste und zweite im Abstand zueinander angeordnete Lichtsensoren auf den jeweiligen inneren Enden der Fühlerarme in Form linearer lichtfühlender Diodengruppen angeordnet sind, wobei die Dioden durch einen Schlitz in der inneren Wand gegen die inneren Seiten der Innenwände der Fühlerarme weisen und sich vom inneren Ende jedes Arms aus zum äußeren Ende erstrecken; erste und zweite punktförmige Lichtquellen an den jeweiligen äußeren Endabschnitten montiert sind, wobei die Lichtquellen derart angeordnet sind, daß sie erste und zweite divergierende Lichtstrahlen durch einen empfindlichen Bereich zwischen den an die Sensoren angrenzenden Armen jeweils gegen die ersten und zweiten Sensoren projizieren, wobei jeder Strahl im wesentlichen die volle Länge der gegenüberliegenden Diodenanordnung ausleuchten kann; beide Sensoren mindestens einige Bereiche haben, die durch Anwesenheit eines verdeckenden Objekts im empfindlichen Bereich, dessen Position gemessen werden soll, verdeckt werden; und Mittel, die auf die Sensoren zur Erzeugung einer Reihe von Signalen reagieren, die zusammen die Position eines verdeckenden Objekts relativ zum Arbeitskopf in einem Bezugssystem definieren, in fester Beziehung mit dem Arbeitskopf stehen.
In den begleitenden Zeichnungen ist
Figur 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen fünfachsigen Meßinstruments mit einem Fühler;
Figur 2 ist eine perspektivische Darstellung des Arbeitskopfes bzw. optischen Fühlers des Instruments aus Figur 1;
Figur 3 ist ein Schnitt durch den Arbeitskopf entlang der Linie 3-3 in Figur 4;
Figur 4 ist ein Schnitt durch den Arbeitskopf entlang der Linie 4-4 in Figur 3;
Figur 5 ist ein vereinfachtes funktionales Blockdiagramm zur Darstellung der Erfassung und Speicherung der Rohdaten aus den Kodierern und dem Fühler zum Einsatz des Fühlers als Abtaster;
Figur 6 stellt eine bestimmte Geometrie dar, die zum Verständnis des Betriebs des Fühlers in den Figuren 1 bis 4 dient.
Die Figuren 7, 7a, 7b, 7c und 7d stellen eine Geometrie dar, die zum Verständnis des Tangentialsichtbetriebs des Fühlers dient ist;
Figur 8 ist eine Darstellung der Aspekte zum Erfassen der am besten passenden Geraden;
Figur 9 ist eine Darstellung der Geometrie zur Bestimmung der Röhrenendpunkte; und
Figur 10 ist ein Flußdiagramm der Vorgänge in einem digitalen Computerprogramm, das das Abtasten und die Berechnungen des beschriebenen Fühlers ausführt.
Verfahren und Gerät der vorliegenden Erfindung sind zur Messung der Positionen verschiedener Objekte einsetzbar, wie z.B. zur Positionierung und Bestimmung von Teilen und Vorrichtungen, die in verschiedenen Anordnungen eingesetzt werden, um deren korrekten Betrieb sicherzustellen. Messungen können an Musterstücken gebogener Röhren oder Schläuchen zur Kontrolle digital gesteuerter Biegemaschinen und an Röhren, an denen die Biegevorgänge bereits vollständig abgeschlossen sind, durchgeführt werden. Die Erfindung ist auch zum Messen voller Stäbe nützlich, da nur die äußere Oberfläche des zu messenden Objekts abgetastet wird. Daher kann der hierin benutzte Ausdruck Röhre oder Schlauch sowohl hohle als auch volle Objekte bedeuten.
Eine bedeutsame Anwendung dieser Erfindung ist die Messung einer gebogenen Musterröhre zum Zweck der Ableitung oder Korrektur von Daten, um nachfolgendes Biegen anderer Röhren gemäß der Probe zu ermöglichen. Die Messungen können auch zur Untersuchung einer gebogenen Röhre in einer Anordnung erfolgen, in der Messungen, die aus dem Betrieb der beschriebenen Probe resultieren, automatisch mit gespeicherten Messungen verglichen werden, um die Genauigkeit des zu messenden Teils sicherzustellen. Obwohl der hierin beschriebene optische Kühler als Arbeitskopf für viele unterschiedliche Typen und Konfigurationen von Meßinstrumenten eingesetzt werden kann, unabhängig davon, ob sie lineare Bewegungen, Rotationen oder Kombinationen aus linearen und rotierenden Bewegungen anwenden, wird er hier, nur zu Erklärungszwecken, als von einem fünfachsigen Meßinstrument, wie in US-A-3 944 798 dargestellt, beschrieben. Es wird verständlich, daß der Kühler auf einer Art Halterung montiert oder auf sonstige Weise getragen werden muß, so daß der Kühler von einem Bediener gegriffen und durch die gewünschten Abtastpfade bewegt werden kann, wie nachfolgend beschrieben, so daß sowohl Ausrichtung als auch Position des Fühlers in einem festen oder Referenzkoordinatensystem gemessen und mindestens an einer Anzahl verschiedener Punkte der Fühlerabtastung bestimmt werden kann.
In bezug auf Figur 1 ist ein gebogenes Röhrenmuster 10 mittels eines Klammernpaares oder anderer (nicht dargestellter) Halterstrukturen fest auf einer Halterung oder einem Arbeitstisch 12 montiert. Die Röhre kann in allen beliebigen, jedoch festen Positionen und Richtungen auf dem Tisch montiert sein. Die einzelne Position bzw. Ausrichtung der Röhre kann beträchtlich verändert werden, solange sich die Röhre während des Meßvorgangs nicht bewegt. Aus vielen Gründen, einschließlich Prüfung und Fertigung, wird es gewünscht, bestimmte Parameter der Röhre 10 zu messen. Diese Parameter beinhalten die Länge jedes geraden Röhrenabschnitts (Abstand zwischen zwei Biegungen), den Winkel zwischen angrenzenden geraden Abschnitten (Biegungsgrad), die Ebene jeder Biegung (Biegungsebene) und die Gesamtlänge der Röhre von Ende zu Ende. Diese Parameter können nach Korrekturen aufgrund von Zurückfedern und anderer Faktoren zur Berechnung von Befehlen für eine automatische Röhren-Biegemaschine, wie sie z.B. in den Patenten US-A-4 063 041, US-A-4 201 073 und US-A-4 495 788 dargestellt sind, eingesetzt werden, oder können während eines Prüfvorgangs zur Nachprüfung der Genauigkeit der gemessenen Röhre in einen Computer eingegeben werden. All diese Parameter können aus Position und Richtung der Mittelachsen der verschiedenen Röhrenabschnitte und aus den Positionen der Mittelachsen-Endpunkte bestimmt werden.
Gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung können Daten, die Mittelachsen und Endpunkte (oder mindestens zwei Punkte auf den Mittelachsen) definieren, genau, schnell, einfach und ohne Berührung zwischen dem Meßinstrument und der Röhre mittels des in Figur 1 dargestellten fünfachsigen Meßinstruments, das den in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten optischen Fühler trägt, erfaßt werden. Abgesehen von dem optischen Fühler bzw. dem optischen Arbeitskopf kann das in Figur 1 dargestellte Instrument mit dem in US-A-3 944 798 dargestellten identisch sein.
Ein signifikanter Vorteil des hier beschriebenen berührungsfreien Fühlers ist die Tatsache, daß ein kleiner Fühler Röhren mit stark unterschiedlichen Durchmessern messen kann. Ein typischer kleiner Fühler kann Drähte von 30 Gauge oder kleiner und Röhren bis zu drei Zoll Durchmesser vermessen, wobei die Öffnung des Fühlers zur Aufnahme der zu messenden Röhre kaum größer als der Durchmesser der Röhre ist.
Das Meßinstrument aus Figur 1 enthält ein erstes Glied 20, das drehbar um eine erste Achse "A" auf einem Tisch 12 montiert ist. Ein zweites Glied 22 ist schwenkbar mit dem ersten Glied 20 verbunden und um eine zweite Achse "B" drehbar, die senkrecht zur Achse "A" verläuft. Ein drittes Glied 24 ist schwenkbar an das zweite Glied 22 angelenkt und um eine dritte Achse "C" drehbar. Innerhalb des dritten Gliedes 24 ist ein viertes Glied 26 drehbar um eine vierte Achse "D" senkrecht zur Achse "C" und zusammenfallend mit der Achse des dritten Gliedes 24 befestigt. Das Glied 26 trägt ein fünftes Glied 28, das um eine fünfte Achse "E" drehbar, die senkrecht zur vierten Achse "D" steht. Jedes zweite, dritte und fünfte Glied ist in bezug auf sein angrenzendes Glied um nahezu 360º drehbar. Das erste Glied 20 ist in bezug auf den Halterungstisch 12 voll um 360º drehbar, und das vierte Glied ist ebenfalls voll um 360º drehbar in bezug das dritte Glied, wobei ein Instrument mit relativ kleinen Abmessungen mit einem sehr hohen Grad an Flexibilität Messungen an Objekten von erheblich größeren Abmessungen vornehmen kann.
Winkelkodierer 22b, 24c, 24d, 28e und ein fünfter Kodierer (nicht dargestellt) auf Achse "A" sind auf gelenkig gegliederten Armen auf den jeweiligen Achsen "B", "C", "D", "E" und "A" zur Erzeugung von Kodiersignalen (Fühler-Positionsdaten) montiert, die die Winkelpositionen der verschiedenen Glieder um ihre jeweiligen Achsen wiedergeben.
Der optische Arbeitskopf d.i. der Fühler 30 wird von dem fünften Glied 28 mit fester Ausrichtung gegen dieses getragen. Dieser Fühler ersetzt die mechanischen oder anderen Fühler des Instruments aus US-A-3 944 798. Wie in den Figuren 2, 3 und 4 dargestellt, besteht der Fühler 30 aus einem etwas umgekehrten V-förmigen Gehäuse mit ersten und zweiten Armen 32 und 34, die rechtwinklig zueinander verlaufen und an ihren inneren Enden fest miteinander verbunden sind. Die inneren Enden der Arme sind auch mit einem Fühlerhals 36 verbunden, der eine feste Verbindungswelle 38 trägt, mittels der der Fühler fest mit dem fünften Glied 28 verbunden ist. Ein manuell zu bedienender Druckknopf 37 auf dem Fühlerhals kann vom Bediener gedrückt und gehalten werden, um den Fühler so einzustellen, daß er seine Daten nur lesen kann, während der Knopf gedrückt wird.
Die Beine des Fühlergehäuses haben jeweils winklige äußere Endabschnitte 40 und 42, die von den äußeren Enden der Gehäusearme 32 und 34 etwas nach innen vorstehen und zwischen sich eine Fühleröffnung definieren, deren Größe den oberen Grenzwert für den Durchmesser einer Röhre bildet, die mit diesem Fühler vermessen werden kann. Die jeweiligen Fühlerarme 32 und 34 tragen an ihren inneren Enden Lichtsensoren 46 und 48 in Form linearer Anordnungen von lichtfühlenden Dioden, die auf jeweils auf Leiterplatten 50 und 52 montiert sind, die wiederum fest innerhalb der Fühlerarme montiert sind. Die Dioden sind gegen die Innenseiten der Innenwände 54 und 56 der Fühlerarme 32 und 34 gerichtet. Diese Wände sind mit schmalen Fenstern d.i. Öffnungen 58 und 60 versehen, die sich von den inneren aneinander angrenzenden Enden der Wände 54 und 56 und somit von den inneren Enden der Arme 32 und 34 über eine Strecke von etwa einem Zoll gegen die äußeren Enden der Arme erstrecken.
In den Endabschnitten 40 und 42 der Arme sind erste und zweite Punktlichtquellen montiert, z.B. Laserdioden 66 und 68. Die Dioden liefern Punktquellen für höchst intensive, scharf definierte divergierende Lichtstrahlen mit einer Strahlbreite von etwa 60 Grad. Diese Strahlen werden durch schmale Fensterschlitze 67 und 69 in den Endabschnitten 40 und 42 projiziert. In dem beschriebenen Gerät wird nur ein schmaler Bereich dieser Strahlbreite eingesetzt. Der nützliche oder effektive Strahlenbereich der Laserdiode 66 hat eine Kante (äußere Kante), die durch die strichpunktierte Linie 70 in Figur 3 dargestellt wird. Diese Kante 70 verläuft vom effektiven Mittelpunkt der Diode zur äußersten Kante 72 (Figur 2) des Fensters 60 im gegenüberliegenden Arm 34 und durch dieses Fenster zum äußersten Element der Sensoranordnung 48. Auch kann die wahre Laserstrahlbreite höher sein als angegeben und über die effektive Kante 70 hinausreichen, das zusätzliche Licht fällt nicht auf die Sensoranordnung, und im Betrieb der vorliegenden Erfindung werden diese äußeren Bereiche des Strahls ignoriert. Der Innenbereich des vom Laser 66 projizierten Strahls ist die Oberfläche der Wand 54, somit kann die effektive Strahlbreite des Lasers 66 durch den bei 76 gebildeten Winkel bestimmt werden (Figur 3). Auf ähnliche Weise wird der Strahl der Laserdiode 68, deren Diode und deren Strahl bis auf Position und Ausrichtung identisch mit Diode 66 und ihrem Strahl sind, zwischen einer effektiven äußeren Strahlenkante 78 und der Innenwand 56 des Arms 34 bestimmt. Die effektive Strahlbreite des Lasers 68 wird durch den Winkel 80 angegeben.
Die effektiven Strahlbreiten werden durch die Länge der Fenster 58 und 60 zwischen deren inneren Enden und den äußeren Enden 84 und 72 bestimmt.
In einer beispielhaften Ausführungsform haben die Lichtsensor-Diodenanordnungen 46 und 48 eine Länge von etwas mehr als einem Zoll und enthalten jeweils 1.024 lichtfühlende Dioden. Die Anordnung der Laserstrahlwinkel und die Länge der Fenster 58 und 60 sind so festgelegt, daß jeder Strahl im wesentlichen die volle Länge der gegenüberliegenden Diodenanordnung beleuchten kann, wobei das Sichtfeld der Anordnung gegen die gegenüberliegende Diode gerichtet ist.
Die elektrischen Verbindungen zwischen den Komponenten des Arbeitskopfes und den externen Rechnerschaltkreisen, die nachstehend beschrieben werden, werden von einem elektrischen Kabel 39 (Figur 4) getragen, das über den Fühlerhals 36 angeschlossen ist.
Tatsächlich hat der hier beschriebene Fühler einen vollen sichtempfindlichen Bereich, der durch Überlappen der zwei Laserstrahlen definiert wird und in dem durch die Fenster 58 und 60 und die effektiven Strahlenkanten 76 und 78 begrenzten Bereich enthalten ist. Zur Erreichung eines größeren empfindlichen Fühlerbereichs können längere Sensor-Diodenanordnungen mit längeren Fenstern eingesetzt werden. Ein größerer empfindlicher Bereich ist jedoch nicht nötig, wenn Messungen in einem Tangentensichtverfahren durchgeführt werden, das nachstehend beschrieben wird; bei einem solchen Verfahren muß nur ein Teil der Röhre in die Laserstrahlen eintreten.
Mittel zum Abtasten der lichtfühlenden Diodenanordnungen sind vorgesehen zum Generieren von Signalen, die Positionen innerhalb der Anordnungen des verdeckten Teils der Anordnungen wiedergeben. Die Sensordioden-Ablesesignale zeigen die Anzahl der Dioden ("Pixel") zwischen der Kante eines Schattens an der Anordnung und einem Ende der Anordnung an. Jede Laserlichtquelle, die von sehr hoher Intensität und scharf definiert sind, liefert eine scharf definierte Schattenkante (wenn der Strahl teilweise durch ein Objekt im empfindlichen Bereich, oder ein Objekt, das nur einen Teil der Lichtstrahlen bricht), verdeckt ist. So kann eine Röhre mit kleinem Durchmesser, wie die in an 86 dargestellte Röhre (Figur 3) vollständig innerhalb des empfindlichen Bereichs positioniert werden, so daß bestimmte Dioden jeder Anordnung im Schatten liegen, wobei beide Schattenkanten scharf definiert sind. Wie nachstehend detaillierter beschrieben wird, ermöglicht die Bestimmung der Position der Schattenkanten an den Anordnungen die Berechnung eines Koordinatennetzes, das die Positionen eines Punkts auf der Mittelachse der Röhre 60 definiert. Zur Lieferung einer klaren, scharf definierten Schattenkante werden weder Linsen benötigt, noch ist eine optische Anordnung zur Verlängerung eines optischen Pfades nötig, wie es bei bestimmten Linsenarten der Fall sein kann. Ferner bewirkt das scharf definierte, hoch intensive vom Laser erzeugte Licht, daß der Fühler weniger empfindlich ist gegen die Einstellung auf Umgebungslicht oder Licht, das von einer zu messenden Röhre reflektiert wird. Die Empfindlichkeitseinstellung ist leicht durchzuführen, da das direkt vom Laser eintreffende Licht im Vergleich mit von der zu messenden Röhre oder anderen Oberflächen reflektiertem Licht oder Umgebungslicht von erheblich höherer Intensität ist. Von der Röhre oder anderen Oberflächen des Fühlers reflektiertes Laserlicht wird weit gestreut und somit von der Empfindlichkeitseinstellung der Lichtsensoranordnung ausgenommen. Ferner benötigt der Laser erheblich weniger Strom als andere Lichtquellen, ist zuverlässiger und hat eine längere Lebensdauer.
Da die Laser-Punktlichquelle keine Linsen und keinen gewinkelten optischen Pfad benötigt, kann der Fühler selbst erheblich kleiner, d.h. bis zu fünfzig Prozent kleiner, gebaut werden als ein vergleichbarer Fühler mit Linsen. In einer beispielhaften Ausführungsform hat ein Fühler mit der in den Figuren 2, 3 und 4 dargestellten Konfiguration eine Breite von etwa fünf Zoll über die Endabschnitte 40/42 zu deren äußeren Seiten, eine Gesamthöhe von etwa sechseinviertel Zoll von der Verbindungswelle 38 zu den Endabschnitten 40 und 42, und eine Tiefe (Dicke) von etwa dreiviertel Zoll. Der Hals 36 und die Welle 38 können eine Länge von etwa 3 Zoll haben. Die Fühleröffnung zwischen den Innenseiten der Endabschnitte 40 und 42 beträgt etwa dreieinhalb Zoll.
Wie nachstehend genauer beschrieben wird, kann der Fühler zur Messung von Positionskoordinaten der Mittelachse einer Röhre eingesetzt werden, deren Durchmesser erheblich größer als der vollständige sichtempfindliche Bereich des Fühlers ist. Somit kann, wie in Figur 3 dargestellt, eine größere Röhre 88, deren Durchmesser im wesentlichen gleich dem oder etwas kleiner als der Abstand zwischen den inneren, einander gegenüberliegenden Oberflächen der Endabschnitte 40 und 42 ist, in den Bereich des Fühlers bis zu dem Punkt in den Bereich des Fühlers eingeführt werden, an dem kein Teil der Röhrenoberfläche in den überlappenden empfindlichen Fühlerbereich fällt. Es wird ersichtlich, daß der Fühler nur einzeln zur Messung der Röhren 86 und 88 eingesetzt werden kann, da beide nur zu Erklärungszwecken in der selben Figur dargestellt sind. Die größere Röhre ist so angeordnet, daß Teile ihrer äußeren Fläche mindestens die äußersten Kanten 70 und 78 der beiden Laserstrahlen unterbrechen und in den Fühler an der Innenseite der äußeren Kanten 70 und 78 der jeweiligen Strahlen eindringen. Eine solche Position größerer Röhren gestattet die Messung der Tangenten vom Zentrum der jeweiligen Laserdioden zum Röhrenperipherie. Von diesen Tangenten und aus der Kenntnis des Röhrendurchmessers kann ein Koordinatenpaar eines Punktes auf der Mittelachse der größeren Röhre berechnet werden. Wenn die Abtastebene des Fühlers, d.h. eine symmetrische Ebene, die die Innenwände 54 und 56 des Gehäuses zweiteilt und senkrecht auf ihnen steht (z.B. die Ebene des Schnitts 3-3 in Figur 4), bei Messung der Tangenten genau senkrecht auf der Mittelachse der Röhre steht, können solche Messungen zur genauen Bestimmung der Position eines Punktes auf der Mittelachse benutzt werden. Wenn die Fühlerabtastebene bei Messung der Tangenten jedoch schräg zur Röhrenmittelachse steht, sind die so gemessenen Punkte auf der Mittelachse um einen Wert, abhängig vom Wert der Neigungswinkel, fehlerhaft. Daher wird eine annähernde Röhrenmittelachse zur Berechnung der Neigungswinkel zwischen der Fühlerabtastebene und der annähernden Röhrenmittelachse bestimmt, und die Neigungswinkel werden zur Berechnung eines korrigierten Koordinatensatzes für die Mittelachsenpunkte benutzt. Der Korrekturschritt wird mehrmals wiederholt, um letztendlich eine genau definierte Position der Röhrenmittelachse zu erhalten, wie nachfolgend genauer beschrieben wird.
Obwohl, wie bereits gesagt, der gesamte sichtempflindliche Fühlerbereich bei einer Röhre mit kleinem Durchmesser, wie z.B. Röhre 86, durch die Gehäusewände 54 und 56, oder genauer gesagt, die Fenster 58 und 60 und die effektiven Kanten der Lichtstrahlen 70 und 78 definiert wird, hat der Fühler auch einen empfindlichen Bereich für die Tangentensicht der größeren Röhren, wie z.B. Röhre 88, der einen kleineren, voll sichtempfindlichen Bereich enthält, aber über den die Strahlen überlappenden Bereich hinausreicht. Der angrenzende sichtempfindliche Bereich zur Messung einer größeren Röhre enthält alle Bereiche aller Strahlen, die innerhalb der effektiven Strahlenkanten 70 und 78 liegen. Im Tangentensichtverfahren werden die Anstiege der Tangenten gemessen, die von den Mittelpunkten der Punktlichtquellen zur Peripherie der Röhre verlaufen. Diese Tangenten sind effektiv die Geraden, die die durch die Röhre verdeckten Strahlenbereiche von den nicht durch die Röhre verdeckten Strahlenbereichen abtrennen.
Der Fühler kann im vollen Sichtmodus, z.B. dem zur Messung einer ganz im vollen sichtempfindlichen Bereich liegenden Röhre mit kleinem Durchmesser benutzten Modus, zur Messung zweier voneinander beabstandeter Punkte der Mittelachse in jedem geraden Röhrenstück und damit zur Bestimmung der Mittelachse des geraden Stücks der Röhre oder zur Messung einer Vielzahl von Punkten zur genaueren Definition der Mittelachse eingesetzt werden.
Daraus und aus der bekannten Fühlergeometrie werden die Koordinaten des Röhrenmittelpunktes in einem fest auf den Fühler bezogenen Koordinatensystem berechnet. Die Ausgänge des Kodierers des gelenkig gegliederten Arms werden auch zur Messung der Position und Ausrichtung des Fühlers (und des Koordinatensystems, das auf den Fühler bezogen ist) im Koordinatensystem X, Y, Z (Figur 1) eingesetzt, das auf den Arbeitstisch 12 bezogen ist, wobei die Röhrenmittelachspunkte und die Vektoren in dem festen Koordinatensystem bekannt sind.
Zur Kalibrierung des Fühlers ist es nötig, die Position der Diodenanordnung mit Bezug auf das Fühlerkoordinatensystem genau zu bestimmen. Hierfür ist jeder Fühlerarm mit einer kleinen Öffnung versehen, wie z.B. die Öffnungen 90 und 92, die sich senkrecht zu und durch eine obere Fläche des Armgehäuses erstrecken (wie in Figur 2 dargestellt wird) in paralleler Richtung zur Abtastebene der Diodenanordnung und parallel zur Ausdehnung der Innenwände 54 und 56 verlaufen. Die Kalibrieröffnungen stehen senkrecht zur Abtastebene des Fühlers und haben einen Durchmesser von etwa fünfzig Tausendstel Zoll (0,050") zur Aufnahme einer Kalibriernadel mit gleichem oder etwas kleinerem Durchmesser. Wenn so eine Nadel in das Loch 90 eingeführt wird, wird der Bereich der Anordnung 46 durch die Nadel mit bekannter Position verdeckt, so daß eine Lokalisierung der Anordnung mit Bezug auf den Fühler berechnet und die Meßdaten der Anordnung kalibriert werden können. Auf ähnliche Weise wird die Position der Anordnung 48 durch Einführen einer gleichen oder derselben Kalibriernadel in ein Loch 92 kalibriert, das mit Bezug zu Anordnung 48 so wie Loch 90 angeordnet ist.
Wenn der volle Sichtmodus zum Abtasten verwendet wird, bewegt sich der Fühler an einem Abtastpfad entlang der geraden Röhre, wobei sich die Röhre immer dann innerhalb des vollen sichtempfindlichen Bereichs des Fühlers befindet, wenn Messungen durchgeführt werden. Sowie der Fühler an der Röhre entlangbewegt wird, erscheinen an einer Anzahl von Fühlerpositionen wiederholt Meßergebnisse von Schattenstellen auf den Sensoranordnungen und Kodierwinkel, z.B. alle zehn Millisekunden, so daß eine Reihe von Röhrenmittelachspunkten berechnet werden können. Aus diesen Mittelachspunkten kann sodann die sich am besten anschmiegende Gerade zur Identifizierung und Definition der Koordinaten der Positionspunkte auf der Röhrenmittelachse berechnet werden.
Die Ausgänge der Dioden der Sensoranordnungen, z.B. die optischen Fühlerdaten, werden unter der Steuerung von Taktsignalen von einem Abtast-Steuerschaltkreis sequentiell wiederholt ausgelesen, der, wie in der Hauptanmeldung beschrieben, eine Serie von Impulsen abgibt. Gleichzeitig werden die Ausgabedaten der Kodierer der Gelenkarme ausgelesen, die die Winkel der entsprechenden Arme zu den verschiedenen Achsen "A", "B", "C", "D" und "E" angeben. Diese Winkeldaten werden zusammen mit den Diodenablesedaten in einen Computer eingegeben, um die Koordinaten der Position von Punkten auf der Mittelachse der verdeckenden Röhre 86 mit Bezug auf das Koordinatensystem X, Y, Z (Figur 1), das fest auf den Arbeitstisch bezogen ist, zu berechnen. Die Ausgänge des Computers können auch in eine geeignete Anzeige oder ein Aufzeichnungsgerät (nicht dargestellt) zur Entwicklung oder Korrektur von Biege-Steuerungssprogrammen eingegeben werden, indem die durchgeführten Messungen einfach aufgezeichnet werden. Berechnungen der Fühlerposition und -ausrichtung auf der Grundlage von Winkelmeßdaten sind in US-A-3 944 798 beschrieben.
Im Abtastmodus wird für jeden geraden Röhrenteil eine Anzahl von Kodierwinkeldatensätzen und optischen Fühlerdatensätzen in Abständen entlang des geraden Röhrenstücks erfaßt. Diese Kodierwinkeldaten werden zur Definition von Fühlerlagedatensätzen benutzt, die zusammen die dreidimensionale Position und Ausrichtung des Fühlers in einem festen Koordinatensystem festlegen. Die vom Abtasten der Sensoranordnungen abgeleiteten optischen Fühlerdaten werden zur Bestimmung von Röhrenpositions-Signalsätzen benutzt, die zusammen eine Position eines Punktes auf der Röhrenmittelachse relativ zu einem auf den Fühler bezogenen Koordinatensystem bestimmen. Die Kodierer- und Fühlerrohdaten werden in Koordinaten umgewandelt, die eine Ansammlung von beispielsweise zwischen zwei und einhundert auf der Mittelachse der Röhrengeraden gemessenen Punkten bestimmen. Diese Koordinaten werden gespeichert. Auch die Fühlerausrichtung wird berechnet und gespeichert. Für jede Punktsammlung wird eine sich am besten anschmiegende Gerade bestimmt und als Vektor der Mittelachse der Röhrengeraden benutzt.
Figur 5 ist ein funktionelles Blockdiagramm zur Darstellung von Teilen der elektronischen Meßdaten und Rohdatenspeicherung, die im Fühlerabtastmodus eingesetzt werden. Die bei 140 (und von 22b bis 22e in Figur 1) kollektiv dargestellten Kodierer und der bei 142 dargestellte Abtastschaltkreis der optischen Fühlerdiodenanordnung liefern in geeigneten Zeitabständen Daten, wie z.B. alle zehn Millisekunden, über die Gates 144 und 146 unter Steuerung eines Taktgebers 148, der in den gewählten Abständen die Auftastimpulse ausgibt. Die Kodierimpulsdaten werden zur Auslösung eines Satzes von Auf/Ab-Zählern 150 eingegeben, die so die von den entsprechenden Kodierern gemessenen Winkel anzeigen. Die Abtastdaten der Diodenanordnung werden durch Gates 146 in den Fühlerdatenspeicher 152 eingegeben. Daten aus dem Abtastschaltkreis der Diodenanordnung werden in einen logischen Datenqualitätsschaltkreis 154 eingegeben, der die Rohdaten aus dem Abtastschaltkreis der Diodenanordnung analysiert, um zu bestimmen, ob eine Röhre im empfindlichen Bereich des Fühlers liegt oder nicht, so daß ein Schatten oder eine Verdeckung der Fühleranordnungen erzeugt wird. Tatsächlich stellt der logische Schaltkreis 154 fest, ob alle Dioden beider Anordnungen beleuchtet werden oder nicht. Wenn alle Dioden Licht erhalten, gibt es keine Verdeckung und daher kein annehmbares optisches Datensignal. Wenn die Abtastung aus dem Ablesen jeder Anordnung einen Impulsübergang zeigt, wobei ein solcher Übergang von hell nach dunkel und der nächste von dunkel nach hell erfolgt, heißt das, daß ein Teil der Anordnung verdeckt wurde. Wenn beide Anordnungen wie beschrieben verdeckt sind, ist die Datenqualität annehmbar. Vorzugsweise werden die Funktionen des logischen Datengualitätsschaltkreises 154 ausschließlich softwaremäßig ausgeführt.
Die Abtastdaten der Diodenanordnung (z.B. optische Fühlerdaten) werden unter der Steuerung der Qualitätslogik 154 dann, und nur dann, in der Speichervorrichtung 152 gespeichert, wenn die Daten als annehmbar bestimmt wurden. Daten aus den Zählern 150 und dem Fühlerdatenspeicher 152 werden ebenso unter der Steuerung eines Signals aus der Datenqualitätslogik 154 in eine Rohdatenspeichervorrichtung 156 eingegeben. Rohdaten werden nur dann gespeichert, wenn deren Qualität annehmbar ist. Die Rohdaten werden in einen Rechnerschaltkreis 158 eingegeben, der die X,- Y- und Z- Koordinaten jedes Punkts berechnet, für den Daten erhalten wurden, und diese Koordinaten werden als Anordnung von Punktkoordinaten in einer weiteren Datenspeichervorrichtung 160 abgespeichert.
Hier muß darauf hingewiesen werden, daß die hier beschriebenen Schritte und Berechnungen vorzugsweise auf einem Standardcomputer, wie z.B. einem IBM PC-XT, ausgeführt werden, der für die Ausführung der beschriebenen Funktionen programmiert ist.

VOLLSICHT-GEOMETRIE

Die Geometrie der Berechnungen für den Vollsichtmodus ist in Figur 6 dargestellt, die eine Anordnung zeigt, in der beide Laser die volle Breite der Röhre in der Fühlerebene ausleuchten. In Figur 6 sind jeweils an L1 und L2 Laserpunktquellen 66 und 68 mit den entsprechenden linearen Diodenanordnungen 46 und 48 dargestellt, die bei 170 und 172 schematisch dargestellt sind. Die Strahlenbreite jedes Lasers erstreckt sich auf einen ausreichenden Winkel, um die volle Länge jeder Anordnung zu schneiden, und daher ist eine Röhre wie z.B. die Röhre 174, in voller Sicht des Lasers, wenn sie innerhalb des vollen sichtempfindlichen Bereichs angeordnet wird, der durch die vierseitige Figur 176 angezeigt wird, die die überlappenden Bereiche der zwei Strahlen definiert. Die Kanten jedes Strahls erstrecken sich über beide Seiten der Röhre hinaus, die die Schatten 178 und 180 wirft und Teile der Anordnung verdeckt. Für die Anordnung 170 ist der Abstand der Kanten des verdeckten Bereichs von einer Innenkante 182 der Anordnung in der Zeichnung durch die Längen XLO und XHI angegeben. Für die Anordnung 172 werden die Abstände von der Kante 181 zu den Kanten des verdeckten Bereichs in der Zeichnung mit den Längen YLO und YHI angegeben.
Eine Sensorebene des Fühlers, die mit der Zeichenebene in Figur 6 übereinstimmt, enthält die Fühler-X-Achse und Fühler-Y-Achse, wobei sich letztere zwischen den Lasern L1 und L2 erstreckt. Die Anordnungen sind rechtwinklig zueinander angeordnet, und der Abstand jedes Lasers zur seiner zugehörigen Anordnung ist in der Zeichnung durch die Strecke d-laz2cam (Abstand von Laser zu Kamera) angegeben. Die Abstände jedes Lasers zu seiner zugehörigen Anordnung sind gleich, da der Fühler symmetrisch zur X-Achse ist, die in der Mitte zwischen den Lasern L1 und L2 verläuft. Eine Gerade von jedem Laser zum jeweiligen Nullpunkt, wie z.B. die Punkte 182 oder 181 der gegenüberliegenden Anordnung, verläuft im 45º-Winkel zur Y-Achse. Der Abstand von Laser L1 zur X-Achse wird "PLUS- YINT" bezeichnet, und der Abstand vom Laser L2 zur X-Achse wird "MINUS-YINT" bezeichnet. "PLUS-YINT" ist positiv und "MINUS-YINT" ist negativ. Die zwei haben für den beschriebenen symmetrischen Fühler die gleiche Größe.
Es wird immer angenommen, daß die Röhre einen runden Querschnitt hat, der elliptisch erscheinen kann, wenn die Röhrenmittelachse nicht senkrecht auf die Sensorebene des Fühlers steht. Obwohl ein Kippen der Röhre die Berechnungen im Tangentensichtmodus beeinträchtigt, wie nachstehend noch beschreiben wird, hat das im Vollsichtmodus keine Auswirkungen.
Wenn die Röhre 174 vollständig innerhalb des empfindlichen Bereichs 176 liegt, liefert ein Abtasten der Anordnungen 170 und 172 Daten, die die Mengen XLO, XHI, YLO und YHI definieren. Diese Mengen sind in einer beispielhaften Ausführungsform eigentlich Zählungen der Anzahl der Anordnungselemente, die je nachdem beleuchtet oder verdeckt sind. Daher ist der Abstand XLO eigentlich die beleuchtete Zahl der Elemente der Diodenanordnung in solchem Abstand, multipliziert mit der Größe jedes Diodenelements oder Pixels. Entsprechend wird der Winkel θ1 zwischen einer Geraden vom Laserpunkt L1 zum Mittelpunkt C der Röhre 174 wie folgt definiert:
θ1 = 1/2 (arctan XLO*pixel-Größe/d-laz2cam + 45º + arctan XHI*Pixel-Größe/d - laz2cam + 45º) (1)
wobei die Pixel-Größe die Größe jedes Elements der Anordnung ist.
Der Winkel θ2 zwischen der Y-Achse und der Geraden von Laser L2 zur Mittellinie C wird wie folgt definiert:
θ2 = 1/2 + (arctan YLO*pixel-Größe/d-laz2cam + 45º + arctan YHI*Pixel-Größe/d - laz2cam + 45º) (2)
Die Anstiege der beiden Geraden zwischen den Lasern und dem Mittelpunkt werden als Anstieg1 und Anstieg2 wie folgt definiert:
Anstieg1 = SINθ1/COSθ1 (3)
Anstieg2 = SINθ2/COSθ2 (4)
Durch Lösung der Geradengleichungen für die beiden Geraden von C zu L1 und L2 werden die Koordinaten des Mittelpunkts C wie folgt definiert:
X = MINUSYINT - PLUSYINT/Anstieg1-Anstieg2 (5)
Y = ((Anstieg1 * X) + PLUSYINT) (6)
In einer bevorzugten Ausführungsform werden die oben durchgeführten Berechnungen und andere hier angezogene von einem geeigneten Programm ausgeführt, das für den oben beschriebenen IBM PC-XT oder einen ähnlichen in Turbo-Pascal geschrieben wurde.

TANGENTENSICHT-GEOMETRIE

Die in den Figuren 7 bis 7d dargestellte Geometrie dient zur Erklärung der Berechnungen zum Einsatz des oben beschriebenen Tangentensichtmodus. Wie bereits erwähnt, kann im Tangentensichtmodus eine Röhre von viel größerem Durchmesser gemessen werden, und nur ein Teil der Röhre muß die Laserstrahlen verdecken. Tatsächlich kann sich ein Großteil der Röhre vollständig außerhalb der Laserbreite befinden. Ferner kann beim Durchführen von Messungen die Röhre stationär relativ zum Fühler liegen, und es ist nicht notwendig, die Geschwindigkeit oder den Weg des Fühlers in seiner Bewegung relativ zur Röhre zur Meßposition zu kennen oder zu bestimmen. Der Fühler muß nicht gegen die Röhre bewegt werden, um ein anfängliches Brechen der Lichtstrahlen zu verursachen, doch wenn die Röhre erst einmal von den zwei Lasern teilweise beleuchtet wird, kann der Fühler auf einem Abtastpfad entlang der Röhre bewegt werden, wodurch die Röhre laufend innerhalb der effektiven Strahlbreite verbleibt. Die Röhre kann sich während des Abtastens für einem Moment aus einem oder beiden Strahlen herausbewegen, aber es werden keine Messungen vorgenommen, solange die Röhre nicht von beiden Strahlen beleuchtet wird. Die Messungen sind grundlegend statisch und absolut unabhängig von der Bewegung des Fühlers zur Meßposition. Obwohl die Messungen als statisch betrachtet werden können, muß der Fühler während des Abtastens entlang eines geraden Röhrenstücks nie tatsächlich angehalten werden (obwohl er natürlich angehalten werden kann).
Im Tangentensichtmodus werden die Anstiege der ersten und zweiten Tangenten von jedem der Laser zur Röhre gemessen, und aus diesen Tangenten werden unter Kenntnis des Röhrendurchmessers und der Fühlergeometrie die Versätze der Röhrenmittelachse zu den X- und Y-Achsen des Fühlers bestimmt. Wie in Figur 7 dargestellt, sind die Abstände der Laser L1 und L2 von der X-Achse des Fühlers die positive Länge PLUS-YINT bzw. die negative Länge MINUS-YINT, die, wie zuvor beschrieben, in der bevorzugten Ausführungsform vorzugsweise gleich sind. Jeder Laser befindet sich im gleichen Abstand zu seiner Anordnung, der in der Zeichnung als d-laz2cam bezeichnet ist.
Im Beispiel der Figur 7 liegt eine Röhre 190 mit rundem Querschnitt des bekannten Radius R in einer beispielhaften Meßposition, so daß ein Großteil der Röhre außerhalb des Sichtfelds beider Laser liegt und nur ein Teil der Röhre den äußersten Randbereich der beiden Laserstrahlen schneidet. Somit schneidet die äußere Kante des Lasers L1 einen Teil der Röhre und liefert einen Schattenbereich 192, der einen Teil der Anordnung 170 verdeckt, mit einer innersten Kante, in den Zeichnungen als "Rand1" bezeichnet. Auf ähnliche Weise wird der Laserstrahl L2 verdeckt und liefert einen Schatten 194, der den äußersten Teil der Anordnung 172 verdeckt, mit einer inneren Kante des abgedeckten Bereichs, in der Zeichnung als "Rand2" bezeichnet. Beachten Sie, daß die Röhre nicht im überlappenden Bereich der Strahlen liegen muß, obwohl sie in einen Teil des überlappenden Bereichs eindringen kann. Im Tangentensichtmodus ist es nur notwendig, daß die äußerste Kante jedes Strahls zur Messung der Abstände zwischen den Kanten Rand1 und Rand2 und den jeweiligen inneren Enden 182 und 181 der Anordnungen von der Röhre durchdrungen wird. Die Tangenten von den Lasern zur Röhre sind durch die Geraden 193 und 195 in Figur 7 gegeben. Die Berechnungen setzen voraus, daß die Röhre von beiden Lasern beleuchtet wird, wenn die Tangenten vermessen werden. Somit hat die Röhre für beide Tangentenmessungen dieselbe Position relativ zum Fühler.
Bei den Berechnungen der Röhrenmittelachskoordinaten im Tangentensichtmodus wird ursprünglich angenommen, daß die Röhrenachse senkrecht auf der Abtastebene des Fühlers steht, d.h. auf der Ebene, in der die X-Achse und Y-Achse des Fühler-Koordinatensystems liegen. Das ist die Zeichenebene in Figur 7. Die Fühlermessungen messen, wie oben beschrieben, die Anstiege der zwei Tangenten an die Röhre. Wenn diese Anstiege bekannt sind, können der Röhrenradius, die Fühlergeometrie und die Koordinaten eines Punktes in der Fühlerebene auf der Röhrenmittelachse bestimmt werden. Der gewünschte Punkt ist der Schnittpunkt der Geraden AC und BC (Figur 7), die jeweils parallel zu den Tangenten 193 und 195 sind. Die Geraden AC und BC sind im bekannten Röhrenradius R von den jeweiligen Tangenten in Abstand angeordnet. Die Abstände der Geraden AC und BC zu den entsprechenden Tangenten sind tatsächlich R1 und R2, wenn die Röhrenmittelachse nicht senkrecht auf der Fühlerebene steht. Es wird jedoch angenommen, daß ursprünglich R1 gleich R2 und gleich R sind, und ein erster Koordinatensatz wird berechnet. Die Y-Schnittstellen der Geraden AC und BC sind in einem Abstand zu L1 und L2 angeordnet, der als Delta-Y1 und Delta-Y2 bezeichnet wird.
Bei den Berechnungen im Tangentensichtmodus werden die Winkel φ1 und φ2 der zwei Tangenten relativ zur Y-Achse anfänglich wie folgt berechnet:
φ1 = arctan ((Rand1 * Pixel-Größe) / d-laz2cam) + 45º) (7)
φ2 = arctan ((Rand1 * Pixel-Größe) / d-laz2cam) + 45º) (8)
wobei Rand1 und Rand2 die Anzahl der beleuchteten Sensorelemente sind, und Pixel-Größe ist die Breite eines einzelnen Elements der Anordnung.
In Kenntnis der Winkel der Tangenten 193 und 195 können die Geraden AC und BC, die jeweils parallel zu den Tangenten und durch den Röhrenmittelpunkt C verlaufen, konstruiert werden, daß sie die Y-Achse jeweils an Punkten A bzw. B schneiden. Die Längen Delta-Y1 und Delta-Y2 werden mittels der Winkel φ1 und φ2 der Tangenten 193 und 195 und der Abstände R1 und R2 wie folgt berechnet:
Delta-Y1 = ((R1 cos φ1/sin φ1)² + R1²)1/2 (9)
Delta-Y2 = ((R2 cos φ2/sin φ2)² + R2²)1/2 (10)
Wie oben erwähnt, wird für die Ausgangsberechnung angenommen, daß R1 gleich R2 gleich dem bekannten Röhrenradius R sind.
Auf ähnliche Weise wie in den Gleichungen (5) und (6) angegeben, können nun annähernde X- und Y-Koordinaten des Punktes C auf der Röhrenmittelachse wie folgt berechnet werden:
X = MINUSYINT - PLUSYINT + deltaY1 + deltaY2/Anstieg1 - Anstieg2 (11)
Y = ((Anstieg) * X) + PLUSYINT - DeltaY1 (12)

KORREKTUR DES NEIGUNGSWINKELS

Die Beschreibung der Geometrie des Tangentensichtmodus und die in Zusammenhang mit Figur 7 besprochenen Berechnungen sind dann, und nur dann genau, wenn die Abtastebene des Fühlers, in der sowohl die X- als auch die Y-Achse liegt, senkrecht zur Röhrenmittelachse steht. Wenn die Röhrenmittelachse nicht senkrecht auf der Abtastebene des Fühlers steht, und in fast allen Fällen kann diese senkrechte Stellung während einer aktuellen Messung nicht erreicht werden, vergrößert sich der anscheinende Durchmesser der Röhre. Das ist in Figur 7a dargestellt, in der eine Röhre 200 mit einer Tangente 202 gezeigt wird. Die bei 204 und 206 angegebenen Achsen werden in dieser Zeichnung als jeweils senkrecht bzw. parallel zu der Tangente 202 dargestellt. In der Skizze der Figur 7a liegt die Zeichenebene in der Fühlerebene, und die Röhre 200 wird mit einem runden Querschnitt in der Fühlerebene dargestellt. Wenn die Röhrenmittelachse genau senkrecht auf der Fühlerebene steht, ist der Röhrenquerschnitt ein Kreis. Wenn die Röhre 200 um einen kleinen Betrag um die Achse 204 gedreht wird, wird der Schnittpunkt der Röhre mit der Abtastebene des Fühlers durch die gepunkteten Geraden 208 dargestellt, wobei der Röhrendurchmesser parallel zur Tangente 202 gelängt wird, aber in einer Richtung senkrecht zur Tangente die gleichen Maße behält. Wenn die Röhre 200 andererseits etwas um die Achse 206 gekippt wird, die parallel zur Tangente liegt, wird der anscheinende Durchmesser 210 in einer Richtung senkrecht zur Tangente vergrößert, bleibt jedoch in einer Richtung parallel zur Tangente unverändert. Daher müssen die Tangentensicht-Berechnungen für die Neigungswinkel oder Kippwinkel der Röhre relativ zur Fühlerebene korrigiert werden, die eine Vergrößerung des anscheinenden Röhrendurchmessers in Richtung senkrecht zu den jeweiligen Tangenten bewirken. Die zwei Tangenten an die Röhre laufen in unterschiedliche Richtungen, so daß für jede eine gesonderte Neigungswinkelkorrektur durchgeführt werden muß.
Wie in Figur 7b dargestellt, hat eine Röhre 211 mit einem Durchmesser D, wenn sie um einen Neigungswinkel α relativ zur bei 212 angegebenen Fühlerebene geneigt wird, einen anscheinenden oder vergrößerten Durchmesser D1, der gleich D/SIN α ist. Ein solcher Neigungswinkel wird für jede Tangente berechnet, um die Korrekturen für die im Tangentensichtmodus berechneten Versätze zu liefern.
Jeweils bei der ersten Tangentenmessung kann der Neigungswinkel nicht berechnet werden, weil die Röhrenmittelachse noch nicht bestimmt wurde. Daher wird im Tangentensichtmodus der Fühler veranlaßt, einen vorzugsweise durchgehenden Abtastweg über ein gerades Röhrenstück zu fahren und dabei Tangentendaten (aus den Sensoranordnungen) und Fühler- Positionsdaten (aus den gelenkig gegliederten Armkodieren) aus zugeben. Ein Positionsdatensatz definiert die Position und Ausrichtung des Fühlers, sobald die Tangentendaten vorliegen. Die Abtastbewegung im Tangentensichtmodus ist die gleiche wie im Vollsichtmodus, doch muß während dieses Abtastens nur ein Teil des Röhrenquerschnitts im angrenzenden sichtempfindlichen Bereich des Fühlers verbleiben. Obwohl das vollständiges Abtasten vieler Punkte auf der Röhrenmittelachse zur effektiven Auswertung einer großen Anzahl von Meßwerten zu bevorzugen ist, ist es klar, daß zur vollen Definition der Mittelachse nur zwei im Abstand angeordnete Punkte definiert werden müssen.
Nach Abschluß des Abtastens und der Speicherung der Fühlerposition und der Tangentendaten an jeder einer Vielzahl von Meßpositionen des Fühlers werden im Verlauf des Abtastvorgangs Sätze angenäherter X- und Y-Versätze der Röhrenmittelachse vom Fühlerkoordinatensystem für jede ausgewählte Fühlermeßposition berechnet (angenommen R1=R2=R). Die Fühlermeßpositionen sind ganz einfach diejenigen, an denen sowohl die Fühlerposition als auch die Tangentendaten abgelesen werden. Diese Berechnungen liefern eine Anzahl von Punkten auf einer angenäherten Röhrenmittelachse, die nur dann genau definiert werden, wenn die Fühlerebene an allen Meßpositionen des Abtastens senkrecht zur Röhrenmittelachse war. Da das wahrscheinlich nicht der Fall ist, wird jeder aus den abgetasteten Tangentendaten berechnete Mittelachsen- Koordinatensatz nach der aufgrund der Fühlerneigungswinkel anscheinenden Vergrößerung des Röhrendurchmessers korrigiert. Hierzu wird zunächst eine am besten anschmiegende Röhrenmittelachse definiert. Das erfolgt entweder durch ein Mehrfach-Regressionsverfahren, wie in der ebenfalls anhängigen Anmeldung Nr. 179,496 beschrieben wird, oder vorzugsweise mittels des Verfahrens der kleinsten Quadrate, das nachstehend in weiteren Einzelheiten beschrieben wird.
Nach Definition einer annähernden Röhrenmittelachse und nach Speicherung der Fühlerpositionsdaten, d.i. einschließlich der Daten zur Definierung der Ausrichtung des Fühlers, werden die Neigungswinkel für jede Tangente an jeder der Fühlermeßpositionen berechnet. Mit den berechneten Neigungswinkeln wird ein erstes Paar korrigierter Radien R1 und R2 berechnet, und X- und Y-Koordinatensätze der Röhrenmittelachse im Fühlerkoordinatensystem werden neu berechnet (wie oben beschrieben), um einen ersten Satz korrigierter Mittelachspunkte zu erhalten. Sodann wird aufgrund der korrigierten Mittelachspunkte eine erste korrigierte bestanschmiegende Gerade berechnet. Dann wird ein zweiter Neigungswinkelsatz für die erste korrigierte bestanschmiegende Gerade berechnet und ein zweites Paar korrigierter Radien bestimmt, um die Berechnung eines zweiten Satzes korrigierter Röhrenmittelachspunkte (d.i. eigentlich des dritten Satzes Mittelachspunkte) zu ermöglichen. Aus den zuletzt berechneten Mittelachspunkten werden eine dritte bestanschmiegende Gerade d.i. die zweite korrigierte bestanschmiegende Gerade berechnet. Diese Reihe von Neuberechnungen und Korrekturen kann mehrere Male wiederholt werden. Drei Wiederholungen dieses Korrekturvorgangs, die eine vierte bestanschmiegende Gerade liefern, sind jedoch für eine angemessene gewünschte Genauigkeit ausreichend, da man herausgefunden hat, daß weitere Wiederholungen nur eine geringe nützliche Steigerung der Genauigkeit liefern.
Zur Bestimmung der Neigungswinkel wird die Ausrichtung des Fühlers in einem Koordinatensystem, das fest auf den Arbeitstisch bezogen ist, aus den Fühlerpositionsdaten berechnet, die von den Gelenkarmkodierern gelesen werden. Die Ausrichtung des Fühlers wird mit drei Vektoren beschrieben. Diese sind in Figur 7c dargestellt, in der ein Fühler 214 mit einer seiner Laserdioden 216 schematisch dargestellt ist, die eine Tangente 218 an eine Röhre 220 definieren, die einen Teil der Sensoranordnung 222 des Fühlers verdeckt. In Figur 7c mit A und B bezeichnete Vektoren liegen in der Fühlerebene und entsprechen der X- und Y-Achse in den Figuren 6 und 7. Der Vektor C steht senkrecht auf der Ebene der Vektoren A und B, die die Abtastebene des Fühlers definiert.
Zur Bestimmung des Neigungswinkels für die Tangente 218 wird das durch die Vektoren A, B und C definierte Koordinatensystem zuerst um den Neigungswinkel der Tangente 218 um Vektor C gedreht, wodurch Vektor A parallel zur Tangente 218 zu liegen kommt. Diese Position ist in Figur 7d dargestellt.
Nun wird der Vektor gefunden, der senkrecht auf der Ebene des Vektors A und dem Vektor der Röhrenmittelachse steht. Dieser Vektor ist das Vektorkreuzprodukt aus Röhrenrichtung und Vektor A.
PERP = XPDT (Röhrenrichtung, Adir[1]) (13)
wobei PERP senkrecht auf der Ebene von A und der Röhrenmittelachse steht, Röhrenrichtung ist der Vektor der Röhrenmittelachse, Adir[1] ist der Vektor A, und XPDT bezeichnet das Kreuzprodukt.
Schließlich wird der zur Korrektur benötigte Neigungswinkel durch das Skalarprodukt des Vektors PERP und des Vektors B bestimmt. Das Skalarprodukt definiert den Winkel zwischen den zwei Vektoren.
α = DPDT (PERP, Adir [2]) (14)
wobei α der Neigungswinkel ist, der in einer Ebene senkrecht zur Tangente 218 zwischen den Vektoren PERP und B gemessen wird, wobei Adir[2] der Vektor B ist und DPDT das Skalarprodukt berechnet. Der wahre Röhrendurchmesser wird durch diesen Winkel geteilt, um den anscheinenden Radius R1 oder R2, wie in Figur 7b angegeben, zu erhalten. Die Berechnungen der X- und Y-Versätze der Mittelachse im Tangentenmodus werden, wie in Figur 7 und den Gleichungen (9), (10), (11) und (12) angegeben, unter Benutzung von R1 und R2 wiederholt. Die korrigierten X- und Y-Koordinaten der Röhrenmittelachspunkte werden zur Berechnung einer korrigierten bestanschmiegenden Geraden eingesetzt. Diese Berechnungen werden, wie oben erwähnt, mehrmals wiederholt.

BESTIMMUNG DER BESTANSCHMIEGENDEN GERADEN

Wie oben erläutert, kann mittels eines Mehrfach-Regressionsverfahrens eine bestanschmiegende Gerade bestimmt werden. Derzeit ist es jedoch vorzuziehen, die bestanschmiegende Gerade mittels des auf den Seiten 462 - 465 des Textes "Basic Technical Mathematics", zweite Ausgabe, von Allyn J. Washington erläuterten Verfahrens der kleinsten Quadrate zu bestimmen.
Kurz gesagt wird das Annäherungsverfahren, wie im Text von Washington beschrieben, durch Finden einer besten Annäherung in zwei Dimensionen, wie z.B. X und Y, mittels des Verfahrens der kleinsten Quadrate ausgeführt. Gemäß diesem Verfahren der kleinsten Quadrate ist die Summe der Quadrate der Abweichungen aller Punkte von der bestanschmiegenden Geraden die kleinstmögliche. Die Abweichung jedes Punkt wird bestimmt, quadriert, und die kleinste Summe aller Quadrate bestimmt, um die bestanschmiegende Gerade zu finden. Sobald die bestanschmiegende Gerade in zwei Dimensionen, wie z.B. in den Dimensionen X und Y, gefunden ist, wird eine bestanschmiegende Gerade in einer dritten Dimension, entweder in der X,Y- Ebene oder in der Y,Z-Ebene bestimmt. Die Gerade aus der X,Z- und Y,Z-Ebene wird für die zweite bestanschmiegende Gerade mit der stärksten Abweichung über den benutzen Datensatz gewählt.
Zur Bestimmung der Enden der bestanschmiegenden Geraden werden erste und letzte Punkte A und B, wie in Figur 8 dargestellt, zur bestanschmiegenden Geraden 230 verschoben, und diese in senkrechter Richtung zur bestanschmiegenden Geraden zu Punkten A' und BV verschoben. Das erfolgt durch Bestimmung der Geraden BB' und AA' durch die ersten und letzten Punkte A und B, die senkrecht zur bestanschmiegenden Geraden liegen, und Bestimmung der Schnittpunkte A' und B' dieser senkrechten Geraden mit der bestanschmiegenden Geraden, um die Endpunkte zu bestimmen.
Nach Festlegung einer bestanschmiegenden Geraden für die X,Y- Dimension und für die X,Z-Dimension werden z.B. die ersten und letzten Punkte des Satzes in X und Y senkrecht zur bestanschmiegenden X,Y-Geraden senkrecht zur letzteren verschoben. Die neuen Positionen dieser Endpunkte sind die Schnittpunkte der bestanschmiegenden X,Y-Geraden mit den zur X,Y-Geraden senkrechten Geraden und durch diese Endpunkte. Die Z-Koordinaten der X,Y-Geraden werden dann als dritte Koordinate für diese Endpunkte benutzt.

FESTLEGEN DER ENDPUNKTE

Aus den Positionen der Mittelachsen gerader Röhrenabschnitte können weitere Röhren-Biegedaten, wie z.B. Biegungsgrad, Biegungsebene und Abstand zwischen zwei Biegungen, berechnet werden. Oft müssen auch die beiden Enden der Röhrenmittelachse bestimmt werden, d.h. das freie Ende jeweils der zwei außenliegenden geraden Röhrenabschnitte. Die Röhrenendpunkte werden nach abgeschlossener Digitalisierung der Röhre (z.B. nach Bestimmung der Röhrenmittelachsen) festgelegt, wie oben für die außenliegenden geraden Röhrenabschnitte beschrieben wurde.
Nach erfolgter Korrektur zur Berechnung der korrigierten bestanschmiegenden Geraden für die Mittelachse eines geraden Röhrenendabschnitts bewegt der Bediener den Fühler über eine kurze Entfernung weg vom Röhrenende und drückt den Knopf 37, um die Fühlersuche und das Ablesen anlaufen zu lassen. Der Fühler bewegt sich dann langsam, wobei seine Abtastebene sinnvollerweise senkrecht zur Mittelachse der Endgeraden steht, aus einer Position außerhalb des Röhrenendes gegen die Röhre, wobei das Röhrenende in die Abtastebene des Fühlers eintritt. Das Festlegen der Endpunkte gründet sich auf Meßergebnisse in der Position, in der das Röhrenende zuerst die Fühlerabtastebene durchstößt. Beim ersten Auftauchen eines Schattens auf einer der Sensoranordnungen wird der erste Datensatz gelesen. Zum Zwecke dieser Diskussion wird vorausgesetzt, daß die Abtastebene des Fühlers senkrecht zur Zeichenebene in Figur 9, aber nicht senkrecht zur Röhrenmittelachse steht und entlang der Geraden P liegt. Mit Bezug auf Figur 9 wird der Fühler in Pfeilrichtung 232 gegen das freie Ende einer Röhre mit Radius R bewegt. Da das Röhrenende in die Abtastebene des Fühlers eintritt und zuerst Teile mindestens eines der Laserstrahlen unterbricht, ist eine Röhrenend-"Ecke" wie Punkt 14 am freien Ende der Röhre der erste Punkt, der durch das Abtasten der Sensoranordnungen lokalisiert wird. Effektiv hat der Fühler den Schnittpunkt seiner Abtastebene mit einer theoretischen Röhre mit Durchmesser Null gefunden. Das wird auf den wahren Röhrendurchmesser korrigiert, der für diese Endpunktberechnung ja bekannt ist.
Bei Erscheinen des ersten Meßergebnisses eines der Fühlersensoren werden die Ausgänge der Gelenkarmkodierer gelesen und gespeichert, und die Ausgänge der Sensoren der Diodenanordnung werden gespeichert. Die Kodiererausgänge werden, wie schon beschrieben, zur Berechnung und Definition der Ebene eingesetzt, die den empfindlichen Fühlerbereich enthält. Ein auf diese Ebene senkrecht stehender Vektor ist in Figur 9 mit "EYE" bezeichnet.
Der gewünschte Röhrenendpunkt ist Punkt E, der Schnittpunkt der Röhrenmittelachse mit einer Ebene senkrecht zur Mittelachse durch "Eck"-Punkt 14. Punkt E ist von Punkt I um den Abstand EI beabstandet. Der Abstand EI wird wie folgt berechnet:
Der Winkel θ zwischen der Fühlerabtastebene und der Röhrenmittelachse wird als absoluter Wert des Skalarprodukts des Röhrenmittelachsvektors und des die Fühlerrichtung definierenden Vektors berechnet.
COS θ = ABS (DPDT(dir, eye)) (15)
wobei dir die Richtung der Vektor der Röhrenmittelachse ist und eye der Vektor (senkrecht zur Abtastebene des Fühlers), der die Fühlerausrichtung definiert.
SIN θ = (1-(COS θ)²)1/2 (16)
EI = (R/COS θ) SIN θ (17)
Nun muß nur noch die Länge der Geraden EI mit den Koordinaten, die Punkt I darstellen, zu kombinieren, um den gewünschten Endpunkt E zu erhalten. Dieser Vorgang wird für den zweiten Röhrenendpunkt wiederholt.
Zusammenfassend werden bei der Digitalisierung, die die Röhrenmittelachse definiert, die folgenden Schritte (1) bis (8) ausgeführt, während der Meßknopf 37 gedrückt wird:
(1) Bewegen des Fühlers auf einem Abtastpfad entlang des geraden Röhrenabschnitts.
(2) Ablesen der Sensor-(Kamera-)daten.
(3) Ablesen der Armkodiererwinkel.
(4) Umwandeln der Kameradaten in X,Y-Versätze vom Mittelpunkt des Fühlers im fühlerbezogenen festen Koordinatensystem.
(5) Umwandeln der Armkodiererzählungen in X, Y, Z-Positionen und Ausrichtung des Fühlers im tischbezogenen festen Koordinatensystem.
(6) Addieren der X,Y-Versätze zu den X,Y,Z Fühlerpositionen zur Definition der X,Y,Z Koordinaten von Punkten auf der Röhrenmittelachse.
(7) Speichern der X,Y,Z-Koordinaten der Röhrenmittelachse.
(8) Speichern der X,Y,Z-Koordinaten der Fühlerposition und der Fühlerausrichtung für jeden gemessenen Punkt.
Die obigen Schritte werden während eines einzigen Abtastvorgangs der Röhrengeraden für eine große Zahl von Punkten durchgeführt.
Dann wird eine bestanschmiegende Gerade auf der Grundlage der gespeicherten X,Y,Z-Koordinaten der Röhrenmittelachse berechnet.
Im Tangentensichtmodus wird die Gruppe der folgenden zwei Schritte dreimal ausgeführt:
(1) Korrigieren jedes Satzes X,Y,Z-Koordinaten der Röhrenmittelachse auf der Grundlage der letzten berechneten bestanschmiegenden Geradenrichtung und der gespeicherten Fühlerausrichtung.
(2) Berechnen einer korrigierten bestanschmiegenden Geraden auf der Grundlage der korrigierten X,Y,Z-Koordinaten.
Die Schritte zur Festlegung der Röhrenendpunkte können wie folgt zusammengefaßt werden:
(1) Suchen einer bestanschmiegenden Geraden (Röhrenrichtung) für den geraden Abschnitt dieses außenliegenden geraden Röhrenabschnitts.
(2) Fühler-Meßknopf drücken.
(3) Fühler von außerhalb des Röhrenendes zum Röhrenende führen.
(4) Warten, bis sich das erste Bit der Röhre auf einem Sensor zeigt und Sensordaten ablesen.
(5) Kodiererwinkel ablesen, sobald das erste Bit der Sensordaten erscheint, und Abtastebene des Fühlers finden.
(6) Schneiden der Abtastebene des Fühlers mit der bestanschmiegenden Geraden (Röhrenrichtung) um den Endpunkt einer Röhre mit Durchmessern Null (Schnittpunkt der Röhrenmittelachse mit der Abtastebene des Fühlers) zu finden.
(7) Addieren der Korrektur für den wahren Röhrendurchmesser (EI in der Länge addieren)

FLUßDIAGRAMM

In Figur 10 ist ein Flußdiagramm dargestellt, das ein Computerprogramm beschreibt, das in Turbo Pascal für einen Computer, wie z.B. einen IBM PC-XT geschrieben sein kann, um die hierin beschriebenen Messungen durchzuführen. Wie in Block 300 angezeigt, erfordert das Programm die anfängliche Eingabe der Anzahl der zu messenden geraden Röhrenabschnitte und des Röhrendurchmesser durch den Bediener. Das Programm wartet dann, bis Knopf 37 gedrückt wird, Block 302, und führt dann die Messungen der Daten der Kamera und des Gelenkarmkodierers aus, Block 304. Aus den Kameradaten, Block 306, werden sodann die X,Y-Versätze der Röhrenmittelachse, und aus den Daten des Gelenkarmkodierers, Block 308, die X,Y,Z-Positionen des Fühlers berechnet. Zur Festlegung der Röhrenposition im festen tischbezogenen oder im Referenz-Koordinatensystem werden dann die X,Y-Versätze des Fühlers zu den X,Y,Z-Positionen addiert, Block 310, und die daraus resultierenden X,Y,Z-Koordinaten eines Punktes auf dem Röhrenmittelpunkt werden gespeichert, Block 312. Diese Schritte werden dann während eines Abtastvorgangs entlang eines geraden Röhrenabschnitts mehrfach wiederholt, solange der Knopf 37 auf dem Fühler gedrückt wird, wie in Block 314 angezeigt ist. Wenn der Knopf nicht mehr gedrückt wird, ist ein Abtastvorgang eines geraden Röhrenabschnitts abgeschlossen, und die bestanschmiegende Gerade kann aus den gespeicherten X,Y,Z-Positionen der Mittelachspunkte berechnet werden, Block 316.
Da die Kompensation des Neigungswinkels dreimal ausgeführt werden muß, wird ein Kompensationszähler auf Null gesetzt, wie in Block 318 angezeigt ist. Dann wird jeder der gespeicherten Datenpunkte für den Fühlerneigungswinkel kompensiert, Block 320, eine neue bestanschmiegende Gerade wird berechnet, Block 322, und der Kompensationszähler wird inkrementiert. Wenn die Zählung des Kompensationszählers nicht höher als 2 ist, Block 324, werden die Kompensationen des Neigungswinkels wiederholt. Wenn die Kompensationsberechnungen dreimal durchgeführt sind, wird bestimmt, ob der gerade Röhrenabschnitt, für den die bestanschmiegende Gerade soeben berechnet wurde, der erste oder der letzte ist, Block 326. Wenn die Neigungswinkel-Kompensationen auf dem ersten oder dem letzten geraden Röhrenabschnitt durchgeführt wurden, wird der Endpunkt eines solchen geraden Röhrenabschnitts bestimmt, Block 328, wie oben in Verbindung mit Figur 9 beschrieben, und der so bestimmte Endpunkt wird gespeichert, Block 330. Nach Speicherung dieses Endpunkts für den ersten bzw. den letzten geraden Röhrenabschnitt, oder wenn die Berechnungen der Neigungswinkel-Kompensationen auf einem anderen geraden Röhrenabschnitt als dem ersten oder dem letzten ausgeführt wurden (so daß kein Endpunkt für diesen geraden Röhrenabschnitt existiert), wird die bestanschmiegende Gerade für diesen letzten berechneten geraden Röhrenabschnitt gespeichert, Block 332. Es empfiehlt sich, den geraden Röhrenabschnitt als Koordinaten zweier im Abstand angeordneter Punkte auf dem geraden Röhrenabschnitt zu speichern. Wenn bestimmt wurde, daß die Kompensationsberechnungen auf dem letzten geraden Röhrenabschnitt ausgeführt wurden, Block 334, werden der erste und der letzte X,Y,Z Koordinatensatz für die Mittelachspunkte identifiziert und als Endpunkte des ersten und des letzten geraden Röhrenabschnitts eingesetzt, Block 336. Ein Zähler zur Verfolgung der Anzahl der geraden Röhrenabschnitte wird eingesetzt, der durch Vergleich mit der durch den Bediener eingegebenen Gesamtanzahl der geraden Röhrenabschnitte leicht angibt, ob ein gemessener gerader Röhrenabschnitt der erste oder der letzte einer Reihe ist.
Nun hat das Programm die grundlegenden Messungen der Röhre abgeschlossen, die Mittelachsen der verschiedenen geraden Röhrenabschnitte und auch die Endpunkte der ersten und letzten geraden Röhrenabschnitte definiert. Jetzt können weitere, die gebogene Röhre betreffende Daten, wie z.B. Identifizierung von Schnittpunkten der verschiedenen geraden Röhrenabschnitte, berechnet werden.
Zur Umwandlung der Meßergebnisse der Kodierer an den verschiedenen gelenkig gegliederten Armachsen werden allgemeine und bekannte Vektorberechnungsverfahren eingesetzt. Es werden zwei Vektoroperationen angewendet, nämlich die Vektoraddition (VRAD) zur Verschiebung und die Achsenrotation (ROT-AXIS) zur Drehung. Die VRAD-Operation addiert eine Länge L entlang einer Vektorrichtung im dreidimensionalen Raum, wobei die Form der Operation
VRAD (L, Ausgangspunkt, Richtungsvektor, Endpunkt) ist.
Die Operation ROT-AXIS dreht einen Bezugsrahmen, ein dreidimensionales Koordinatensystem aus drei senkrecht aufeinanderstehender Vektoren, um einen der Vektoren und benutzt die Form
ROT-AXIS (Achse 1, Achse, Winkel, Bezugsrahmen).
Diese Form zeigt die Drehung der Achse 1, wie z.B. die X- Achse aus Figur 1, und Achse 2, wie z.B. die Y-Achse aus Figur 1, um einen gewählten Winkel um eine dritte Achse 3 d.i. die Z-Achse aus Figur 1, und dreht dabei den gesamten X,Y,Z-Bezugsrahmen um den gewählten Winkel um die Z-Achse.
Wie schon erwähnt, muß die Fühlerausrichtung in dem tischbezogenen festen Referenzsystem X,Y,Z aus Figur 1 festgelegt werden. Zur Festlegung dieser Ausrichtung beginnen wir im Ursprung, d.h. der Basis des Masts bzw. vertikalen Arms 20 (weil er die Ebene auf dem Tisch in Figur 1 schneidet), und verschieben und drehen Schritt für Schritt entlang aller Abschnitte des Masts (z.B. des gelenkig gegliederten Arms), bis der Fühler erreicht ist. Wir drehen um den Betrag des von den entsprechenden Kodierern gelesenen Winkels und verschieben um die Länge der verschiedenen Arme. Beginnend im Ursprung, wo X,Y und Z gleich Null sind, wird das Koordinatensystem entlang der Z-Achse um die Länge des Armes 20 verschoben.
VRAD (Länge 20, Punkt, EYE-DIR [3], Punkt 1) (18)
wobei "Punkt" der Ausgangspunkt oder Ursprung des tischbezogenen festen Referenzsystems, Punkt 1 der Punkt, zu dem der erste Punkt verschoben wird, und EYE-DIR [3] die Richtung der Z-Achse ist.
Als nächstes wird der verschobene Bezugsrahmen gemäß den Kodierer-Meßergebnissen an den Achsen A und B der Figur 1 gedreht:
ROT-AXIS (1, 2, Winkel A, EYE-DIR) (19)
ROT-AXIS (3, 1, Winkel B, EYE-DIR) (20)
wobei EYE-DIR der Bezugsrahmen, 1, 2 und 3 die jeweiligen X,- Y- und Z-Achsen, und die Winkel A und B die von den Kodierern jeweils an A-Achse und B-Achse gemessenen Winkel sind.
Nun liegt Punkt 1, der ursprünglich der Ursprung des festen Koordinatensystems war, am oberen Ende von Armabschnitt 20, und der Rahmen der Bezugsachse [1], die gleich der X-Achse in Figur 1 ist, zeigt jetzt entlang der Achse des Arms 22. Das Bezugssystem wird dann entlang der Länge des Arms 22 verschoben, und zwar durch
VRAD (Länge 22, Punkt 1, EYE-DIR [1], Punkt 2) (21)
Danach wird das System um die C-Achse des gelenkig gegliederten Arms durch
ROT-AXIS (3, 1, Winkel C, EYE-DIR) (22)
gedreht, und das System wird entlang der Länge des Arms 24 durch
VRAD (Länge 24, Punkt 2, EYE-DIR [1], Punkt 3) (23) verschoben.
Jetzt liegt Punkt 3, der gleich dem Ursprung des verschobenen und gedrehten Bezugsrahmens ist, auf der Achse D im Rotationszentrum der Achse E aus Figur 1, und EYE-DIR [1] zeigt in Richtung des Fühlers, der entlang der Längserstreckung der Welle 28 liegt.
Nun wird das Koordinatensystem zuerst um die D-Achse und dann um die E-Achse gedreht. Da es entlang der D-Achse keine Länge gibt, ist keine Verschiebung notwendig.
ROT-AXIS (2, 3, Winkel D, EYE-DIR) (24)
ROT-AXIS (3, 1, Winkel E, EYE-DIR) (25)
Schließlich kann das Bezugssystem, in Kenntnis, daß die Länge bis zum oberen Ende des Fühlers in diesem Beispiel gleich 3,0" ist, um diesen Betrag zu dem Punkt verschoben werden, von dem aus die X- und Y-Versätze der Röhrenmittelachsen gemessen werden.
VRAD (3,0, Punkt 3, EYE-DIR [1], EYE-Punkt) (26)
Nun ist EYE-DIR [1] die X-Achse in der Fühlerebene und zeigt in Richtung des Fühlers, d.h. entlang des Fühlers der Achse von Welle 28. Letztere ist EYE-DIR [2], d.h. die Y-Achse, die bei den in den Figuren 6 und 7 dargestellten Berechnungen eingesetzt wird. EYE-DIR [2] steht senkrecht auf EYE-DIR [1], liegt aber noch in der Fühlerebene, so daß EYE-DIR [1] und EYE-DIR [2] die Fühlerebene definieren, und EYE-DIR [3] zeigt in eine Richtung senkrecht zur Fühlerebene.
Zur Bestimmung der aktuellen X-, Y- und Z-Koordinaten eines Punktes auf der Röhrenmittelachse werden die relativ zu den Fühler-Referenzpunkten liegenden X- und Y-Versätze der Röhrenmittelachse zu den X-, Y- und Z-Koordinaten des Fühlers addiert. Der Fühlerversatz wird durch
VRAD (X, EYE-Punkt, EYE-DIR [1], Röhre-CL) (27)
zu den X,Y,Z-Positionen des Fühlers addiert.
Der Y-Versatz Y wird durch
VRAD (Y, Röhre-CL, EYE-DIR [2], Röhre-CL) (28)
addiert, wobei Röhre-CL den Punkt auf der Röhrenmittelachse in der Fühlerebene darstellt. Nun liegt der Punkt Röhre-CL an der Mittelachse des Fühlers im maschinenbezogenen oder tischbezogenen Koordinatensystem.
Hier wird ersichtlich, daß das neue und verbesserte Gerät und Verfahren für berührungsfreies Messen von Röhren und ähnlichen Objekten geoffenbart wird, wobei ein einziger berührungsfreier Fühler relativ geringer größer sowohl für Objekte mit sehr kleinem Durchmesser als auch für Objekt, deren Durchmesser zu groß ist, als daß sie vollständig in die Fühleröffnung eingeführt werden könnten, eingesetzt werden kann. Die Messungen lassen sich schnell und ohne Berührung mit dem zu messenden Objekt durchführen. Auch ist es weder nötig, daß sich der Fühler der Röhre und der Meßposition entlang eines bekannten Pfades nähert, noch muß der Pfad oder die Geschwindigkeit einer solchen Annäherung bekannt sein oder gesteuert werden. Es werden eine große Anzahl von Punkten auf der Mittelachse einer Röhre mit einer Genauigkeit gemessen und wirksam gemittelt, die weniger anfällig für örtliche Anomalien in der äußeren Oberfläche der zu messenden Objekte ist. Somit werden örtliche Veränderungen im Reflexionsvermögen, Beulen oder örtliche Deformationen, die möglicherweise zu fehlerhaften Meßergebnissen führen könnten, durch Bildung eines Mittelwertes effektiv ausgeschlossen. Vorrichtung und Verfahren sind gegen Umgebungslicht oder falsche Reflexionen relativ unempfindlich, und das Gerät ist leichter, kleiner, genauer und leichter auszurichten und zu kalibrieren, da es weniger Teile und weniger scharfe Toleranzen hat.

Claims

1. Ein optischer Fühler mit einem Arbeitskopf (30), der im wesentlichen die Form eines umgekehrten V hat, mit ersten und zweiten Armen (32, 34), die sich im wesentlichen rechtwinklig zueinander erstrecken und an ihren jeweiligen inneren Enden miteinander verbunden sind, wobei die inneren Enden an einem Fühlerhals (36) befestigt sind, der mit einem gelenkig gegliederten Arm verbunden ist; der Arbeitskopf ferner äußere Endabschnitte (40, 42) aufweist, die von den äußeren Enden der Arme (32, 34) aus nach innen vorstehen und eine Fühleröffnung definieren; erste und zweite im Abstand zueinander angeordnete Lichtsensoren (46, 48) auf den jeweiligen inneren Enden der Fühlerarme in Form linearer lichtfühlender Diodengruppen angeordnet sind, wobei die Dioden durch einen Schlitz (67, 69) in der inneren Wand gegen die inneren Seiten der Innenwände (54, 56) der Fühlerarme weisen und sich vom inneren Ende jedes Arms aus zum äußeren Ende erstrecken; erste und zweite punktförmige Lichtquellen (66, 68) an den jeweiligen äußeren Endabschnitten montiert sind, wobei die Lichtquellen derart angeordnet sind, daß sie erste und zweite divergierende Lichtstrahlen durch einen empfindlichen Bereich zwischen den an die Sensoren angrenzenden Armen jeweils gegen die ersten und zweiten Sensoren projizieren, wobei jeder Strahl im wesentlichen die volle Länge der gegenüberliegenden Diodenanordnung aus leuchten kann; beide Sensoren mindestens einige Bereiche haben, die durch Anwesenheit eines verdeckenden Objekts (88) im empfindlichen Bereich, dessen Position gemessen werden soll, verdeckt werden; und Mittel, die auf die Sensoren zur Erzeugung einer Reihe von Signalen reagieren, die zusammen die Position eines verdeckenden Objekts relativ zum Arbeitskopf in einem Bezugssystem definieren, in fester Beziehung mit dem Arbeitskopf stehen.

2. Ein Fühler gemäß Anspruch 1, wobei die Lichtquellen (66, 68) erste und zweite Laser enthalten.

3. Ein Fühler gemäß Anspruch 1 oder 2, einschließlich Kalibriermittel mit einer Kalibrier-Aussparung (90, 92), die in jedem der Arme (32, 34) an einer bekannten Position relativ zu den entsprechenden Anordnungen ausgebildet sind, wobei jede der Aussparung so konfiguriert ist, daß sie ein längliches Kalibrierelement aufnimmt und positioniert.

4. Ein Meßinstrument mit einer Auflage (12); einem Fühler (30) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche; einem gelenkig gegliederten Arm (20, 22, 24, 26, 28), der den Fühler mit Drehkomponenten um eine Vielzahl angewinkelter Achsen (A, B, C, D, E) drehbar an der Auflage befestigt; wobei der Fühler so angeordnet ist, daß er sich in einem Abtastpfad relativ zu einer zu messenden Röhre (10) bewegt; mit Mitteln, die auf den gelenkig gegliederten Arm und den Fühler ansprechen und Signalsätze generieren, die zusammen dreidimensionale Koordinaten der Punkte auf einer Röhre definieren, die zum Abtasten durch den Fühler positioniert ist, wobei die Mittel zur Erzeugung von Signalsätzen Mittel enthalten, die auf den Fühler zur Generierung von Tangentendaten ansprechen, die erste und zweite Tangenten vom Fühler an die Röhre definieren; mit Mitteln (22b, 24c, 24d, 28e), die auf die Gelenke des Armes zur Generierung von Fühlerpositionsdaten ansprechen, die die Position und Ausrichtung des Fühlers definieren; mit Mitteln (124) zum wiederholten Erfassen der Daten an aufeinanderfolgenden Abtastpunkten entlang des Abtastpfads; mit Mitteln (158), die auf die erfaßten Daten zur Berechnung von Koordinaten-Datensätzen ansprechen, die annähernde Koordinaten einer Vielzahl von Punkten auf der Mittelachse einer zu messenden Röhre repräsentieren; mit Mitteln, die auf Signalsätze zur Berechnung von Neigungswinkeln zwischen dem Fühler und der Röhre an jedem einer Vielzahl von Punkten entlang des Abtastpfads reagieren; und mit Mitteln, die auf die Koordinaten-Datensätze und Neigungswinkel zur Berechnung korrigierter Koordinaten-Datensätze ansprechen, die die Koordinaten von Punkten auf der zu messenden Röhre repräsentieren.

5. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei die Mittel zur Berechnung der Neigungswinkel Mittel zur Auswahl einer sich am besten anschmiegenden Linie (230) durch die Punkte enthält, die durch die annähernden Koordinaten definiert werden, und wobei die Mittel zur Berechnung der korrigierten Koordinaten-Datensätze Mittel zur Auswahl einer korrigierten sich am besten anschmiegenden Linie durch die Punkte enthält, die von den korrigierten Koordinaten-Datensätzen definiert werden.

6. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 5, die Mittel zur Berechnung korrigierter Neigungswinkel zwischen der korrigierten sich am besten anschmiegenden Linie und dem Fühler, Mittel, die zur Berechnung zweiter korrigierter Koordinaten-Datensätze, die zweite korrigierte Koordinaten von Punkten auf der zu messenden Röhre repräsentieren, auf die korrigierten Neigungswinkel ansprechen, und Mittel zur Auswahl einer zweiten korrigierten sich am besten anschmiegenden Linie durch die durch die zweiten korrigierten Koordinaten definierten Punkte beinhaltet.

7. Ein Verfahren zur Messung der Lage der Röhrenmittelachse mittels eines Fühlers gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Verfahren die Schritte der Projektion breiter Lichtstrahlen aus den ersten und zweiten Punktlichtquellen (66, 68) gegen die jeweils ersten und zweiten Empfangsabschnitte und durch den empfindlichen Bereich zur Ausleuchtung der im wesentlichen vollen Länge der gegenüberliegenden Diodenanordnung enthält; Positionierung einer Röhre (88) innerhalb des Bereichs, wodurch Teile der Empfangsabschnitte relativ zu dem aus den aussendenden Abschnitten projizierten Licht verdeckt werden; und Generierung eines Signalsatzes, der die Positionen der Röhrenmittelachse relativ zum Arbeitskopf repräsentiert.

8. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 7, worin der Schritt der Positionierung der Röhre den Schritt der Positionierung der Röhre (88) mit einem ersten Teils ihres Durchmessers innerhalb des empfindlichen Bereichs und mit einem zweiten Teils des Röhrendurchmessers außerhalb des empfindlichen Bereichs umfaßt.

9. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 7 oder 8, worin der Schritt der Generierung eines Signalsatzes den Schritt der Definition erster und zweiter Tangenten (193, 195) zur Röhre von den ersten und zweiten Punktquellen (L1, L2) umfaßt, während die Empfangsbereiche teilweise von der Röhre (88) verdeckt werden.

10. Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, worin der Schritt der Erzeugung eines Signalsatzes ferner den Schritt der Bestimmung eines Neigungswinkels zwischen dem Arbeitskopf (30) und der Röhrenmittelachse (88) und Korrektur der Koordinatenposition des Punktes auf der Röhrenmittelachse in Übereinstimmung mit dem Neigungswinkel umfaßt.

11. Ein Verfahren gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, worin der Schritt der Positionierung einer Röhre (88) innerhalb des empfindlichen Bereichs die Bewegung des Arbeitskopfes relativ zur Röhre in einem Abtastpfad umfaßt, der sich durch eine Anzahl von Abtastpunkten entlang eines geraden Röhrenabschnitts erstreckt, der Schritt der Generierung eines Signalsatzes die Schritte der Definition von Koordinaten von Punkten auf der Röhrenmittelachse an jedem einer Vielzahl der Abtastpunkte und die Berechnung einer sich am besten anschmiegenden Linie (230) aus einer ausgewählten Koordinatengruppe umfaßt.

12. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 7, die ferner die Schritte der Bewegung des Fühlers zu mindestens zwei Positionen, die entlang und in Nähe einer zu messenden Röhrenlänge (10) im Abstand zueinander angeordnet sind; Positionieren mindestens eines Teils der Röhre an jeder der Positionen im empfindlichen Bereich des Fühlers; Einsatz des Fühlers an jeder der Positionen zur Messung des Anstiegs erster und zweiter Tangenten (192, 195) zur Röhre von Punkten auf dem Fühler aus; und Berechnungen von Versatz-Sätzen erster und zweiter Punkte auf der Röhrenmittelachse relativ zum Fühler aus den gemessenen Anstiegen und für jede der Positionen umfaßt.

13. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 12, worin der empfindliche Bereich in einer Fühlerabtastebene liegt, und worin die Röhrenmittelachse einen Endpunkt (E) der Röhre (10) hat, der zu definieren ist, wobei das Verfahren Schritte der Bewegung des Fühlers von einem Punkt umfaßt, der von der Röhre über das Röhrenende hinaus in Richtung gegen ein Ende der Röhre entlang der Röhrenmittelachse verschoben wurde, bis das Röhrenende in den empfindlichen Bereich des Fühlers eindringt und dabei einen ersten Satz Fühlerdaten zum Zeitpunkt des ersten Eintritts der Röhre in den empfindlichen Fühlerbereich generiert, wobei der erste Fühlerdatensatz zur Definierung eines ersten Punktes (I) auf der Röhrenmittelachse in der empfindlichen Fühlerebene (P) eingesetzt wird, der Winkel (θ) zwischen der Röhrenmittelachse und der empfindlichen Ebene des Fühlers berechnet wird, und der Winkel zur Generierung von Daten eingesetzt wird, die den Abstand zwischen dem ersten Punkt (I) und dem Röhrenendpunkt (E) definieren.

14. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 12 oder 13, worin der Schritt des Bewegens des Fühlers (30) die Bewegung des Fühlers in einem Abtastpfad durch die Positionen und die Definition einer sich am besten anschmiegenden Linie für die Punkte auf der Röhrenmittelachse umfaßt.

15. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 14, worin der Fühler (30) eine Meßebene hat und der Schritt der Definition der Ausrichtung der Fühlermeßebene enthalten ist, wenn der Fühler zum Messen der Anstiege eingesetzt wird, und Neigungswinkel zwischen der Fühlermeßebene und der sich am besten anschmiegenden Linie berechnet und korrigierte Punkte auf der Röhrenmittelachse auf der Grundlage der Neigungswinkel berechnet werden.

16. Eine Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 12 bis 15, beinhaltend die Schritte der Berechnung von Neigungswinkeln zwischen dem Fühler und der Röhrenmittelachse an jeder der Positionen, und Neuberechnung der Versatzsätze auf der Grundlage der gemessenen Neigungswinkel