DE69604217T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Querschnittdimensionen eines Stahlprofils - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Querschnittdimensionen eines Stahlprofils

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Description

    HINTERGRUND DER ERFINDUNG Erfindungsfeld
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Querschnittabmessungen eines Zwischenprodukts während der Herstellung eines Stahlprofils in einem Walzwerk zum Herstellen von Stahlprofilen wie einem H-Profil, einem I-Profil oder von Kanälen, welche alle ein paar von Flanschen und einen die Flansche miteinander verbindenden Steg umfassen.
    • Beschreibung des Standes der Technik
  • Herkömmlicherweise werden die Querschnittabmessungen von Stahlprofilen, insbesondere von H-Profilen, wegen der Vielfalt von Formen hauptsächlich manuell unter Verwendung von Tastgreifern oder einer Meßuhr gemessen. Eine derartige Messung weist jedoch den Nachteil auf, daß die Reproduzierbarkeit aufgrund der Differenzen zwischen den Operatoren gering ist und daß ein hoher Zeitaufwand erforderlich ist.
  • Um diese Nachteile zu beseitigen, wurden verschiedene Techniken zum automatischen Messen der Querschnittabmessungen von Stahlprofilen entwickelt. Ein Beispiel einer allgemein bekannten Technik ist ein γ-Strahlen-Durchdringungssystem, in welchem eine Strahlung an einem Flanschteil und einem Stegteil eines H-Profils angelegt wird und die Menge der durchdringenden Strahlung gemessen wird, um die Dicke aus der Dämpfungsgröße zu bestimmen. Ein anderes Beispiel ist ein Spontane-Lichtemission-System, in welchem die spontan von einem heißen gewalzten Stahlmaterial emittierte Lichtenergie durch eine Lichtempfangseinrichtung empfangen wird, um die Kanten der beiden Enden eines Flansches festzustellen, wobei die Breite des Flansches aus dem Abstand zwischen den Kanten festgestellt wird. Ein weiteres Beispiel ist ein Reflexionslicht-Hilfslichtquelle-System, in welchem ein Spiegel zwischen einem Flansch und einem Steg innerhalb der Flansche plaziert wird, wobei das von einer Lichtquelle emittierte Licht auf den Spiegel gerichtet wird und durch den Spiegel reflektiert wird, um einen senkrecht zu den Flanschen ausgerichteten Lichtfluß zu erzeugen, wobei das übertragene Licht durch eine Lichtempfangseinrichtung festgestellt wird.
  • Die oben angeführten herkömmlichen automatischen Meßsysteme sind jedoch mit verschiedenen Problemen verbunden.
  • Das γ-Strahlen-Durchdringungssytem weist den Nachteil auf, daß nur die Flanschdicke und die Stegdicke gemessen werden kann, so daß andere notwendige Größen wie die Steghöhe, die Beinlänge und die Zentrumsabweichung nicht gemessen werden können. Außerdem ist die für das System erforderliche Ausstattung relativ teuer.
  • Das Spontane-Lichtemission-System ist auf das Messen der Flanschbreite beschränkt und erzeugt einen Fehler beim Feststellen der Kanten aufgrund von Temperaturabfällen an beiden Flanschenden, so daß das System nicht zufriedenstellend verwendet werden kann.
  • Im Gegensatz zu dem Spontane-Lichtemission-System erzeugt das Reflexionslicht-Hilfslichtquelle-System keinen Fehler aufgrund von Temperaturabfällen. Dieses System weist jedoch das Problem auf, daß der Spiegel nahe am H-Profil angeordnet werden muß. Außerdem weist es Probleme bezüglich der Komplexität des Aufbaus, der Verläßlichkeit und der Dauerhaftigkeit auf. Obwohl das Meßprinzip der Vorrichtung nur auf die Messung der Flanschbreite angewendet werden kann, erlaubt die Kombination mit einem anderen Meßgerät wie etwa einem Laserentfernungsmesser die Messung von anderen Größen. Dieses System ist jedoch relativ kostspielig.
  • Andere Verfahren und Vorrichtungen zum Messen der Dimensionen von Stahlprofilen sind in den offengelegten japanischen Patenten 2-254304 (im folgenden als "Referenz 1" bezeichnet), 4-157304 (im folgenden als "Referenz 2" bezeichnet) und 7-27518 (im folgenden als "Referenz 3" bezeichnet) angegeben.
  • Die Referenz 1 gibt eine Meßvorrichtung an, welche oberhalb und unterhalb des Stahlprofils angeordnete Bewegungsmechanismen für die Bewegung in der horizontalen und vertikalen Richtung, eine Vielzahl von eindimensionalen Laserentfernungsmessern auf den Bewegungsmechanismen sowie eine Datenverarbeitungseinrichtung zum Berechnen der Querschnittform des Stahlprofils aus den festgestellten Werten der Laserentfernungsmessern umfaßt.
  • Die Referenz 2 gibt ein Verfahren an, in welchem ein Paar von zweidimensionalen Entfernungsmessern und ein Paar von eindimensionalen Entfernungsmessern einander gegenüber in der Richtung der Breite der Flansche eines H-Profils angeordnet sind, so daß sie jeweils auf einen Flansch und einen Steg gerichtet sind, um die vertikalen Distanzen zum gegenüberliegenden Flansch mit Hilfe der zweidimensionalen Entfernungsmesser zu messen und um die vertikalen Distanzen zu dem gegenüberliegenden Steg mit Hilfe der eindimensionalen Entfernungsmesser zu messen. Dabei werden gleichzeitig die Stegabweichung, die Flanschdicke und die Stegdicke berechnet.
  • Die Referenz 3 gibt eine Vorrichtung an, welche einen zweidimensionalen Entfernungsmesser auf U-förmigen Halterahmen, welche die rechte und die linke Hälfte des H-Profils bedecken und in der Transversalrichtung bewegt werden können, um die Flanschbreite durch das Anwenden eines in der Breite gespaltenen Laserstrahls auf die Außenseite eines Flansches zu messen, sowie einen zweidimensionalen Entfernungsmesser zum Messen einer Distanz durch das Anwenden eines gespaltenen Laserstrahls auf die obere und die untere Seite des Flanschs, die Innenseite des Flanschs sowie die obere und die untere Seite des Stegs mit einem vorbestimmten Winkel senkrecht zu der Bewegungsrichtung umfaßt, wobei die Querschnittform unter Verwendung eines Prozessors bestimmt wird, welcher die durch das Feststellungsergebnis jedes der Laserentfernungsmesser erhaltenen Distanzdaten berechnet.
  • Die Hauptzielsetzung der oben beschriebenen herkömmlichen Meßtechniken besteht darin, einen Querschnitt eines Endproduktes eines H-Profils nach dem endgültigen Walzen durch ein Walzwerk zu messen. In diesem Fall sind ein Flanschteil und ein Stegteil mit rechten Winkeln in einem Querschnitt des H-Profils zueinander angeordnet. Bei einem Querschnitt eines Zwischenproduktes während des Walzprozesses, etwa bei einem Querschnitt eines H-Profils nach dem Durchgang durch ein Vorwalzwerk und vor dem Durchgang durch ein Universalwalzwerk, weist ein Flansch 1f wie in Fig. 13 gezeigt einen Neigungswinkel α gegenüber dem Steg Iw auf. Ein derartiger Querschnitt eines Zwischenprodukts kann mit Hilfe der in Referenz 1, 2 und 3 angegebenen Meßvorrichtung nicht korrekt gemessen werden.
  • Weil weiterhin jede der herkömmlichen Techniken eine Vielzahl von Laserentfernungsmessern verwendet (8 Entfernungsmesser in den Ausführungsformen der Referenzen 1 und 2, und 6 Entfernungsmesser in der Referenz 3), wird die Vorrichtung extrem kostenaufwendig und kann weiterhin die Häufigkeit von Störfällen erhöht werden.
    • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um die oben genannten Probleme der herkömmlichen Techniken zu lösen, wobei es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, welche die Querschnittabmessungen eines Zwischenproduktes während der Ausbildung eines Stahlprofils mit hoher Präzision auch dann messen können, wenn die Querschnittform derselben nicht rechtwinklig ist.
  • In Übereinstimmung mit einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Messen der Querschnittabmessungen eines Zwischenprodukts eines Stahlprofils während des Walzens angegeben, wobei gleichzeitig in der horizontalen Richtung quer zu der Beförderungsrichtung des Stahlprofils zwei Laserentfernungsmesser bewegt werden, welche einander gegenüberliegend in der vertikalen Richtung des Stahlprofils angeordnet sind. Das Verfahren umfaßt die Schritte zum Bestrahlen des Stahlprofils während der Vorwärtsbewegung mit Laserstrahlen mit vorbestimmten Winkeln von den Laserentfernungsmessern, um die Positionen der Laserentfernungsmesser, die Distanzen zum Stahlprofil sowie die Bestrahlungswinkel zu messen, zum Bestrahlen des Stahlprofils während der Rückwärtsbewegung mit den Laserstrahlen mit anderen Winkeln als in der Vorwärtsbewegung, um die Positionen der Laserentfernungsmesser, die Distanzen zum Stahlprofil sowie die Bestrahlungswinkel zu messen, zum Auswählen von Meßdaten an derselben Position des Stahlprofils aus den erhaltenen Meßdaten, um die Raumkoordinaten eines Querschnitts des Stahlprofils auszugeben, so daß die ausgewählten Meßdaten miteinander übereinstimmen, sowie zum Berechnen von Formdaten aus den Raumkoordinaten.
  • In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Messen der Querschnittabmessungen eines Zwischenprodukts eines Stahlprofils während des Walzens angegeben, welche umfaßt: einen kippbar oberhalb des Stahlprofils vorgesehenen oberen Laserentfernungsmesser, welcher durch einen torartigen Rahmen geführt wird, so daß er eine Beförderungslinie des Stahlprofils umgibt, um die Distanz zum Stahlprofil zu messen, eine obere Laserstrahl-Bestrahlungswinkel-Feststellungseinrichtung zum Feststellen des Bestrahlungswinkels des Laserstrahls vom oberen Laserentfernungsmesser, eine obere Laserentfernungsmesser-Bewegungseinrichtung, welche den oberen Laserentfernungsmesser und die obere Laserstrahl-Bestrahlungswinkel- Feststellungseinrichtung enthält und horizontal bewegt werden kann, eine obere Laserentfernungsmesserposition-Feststellungseinrichtung zum Feststellen der Position, zu welcher der obere Laserentfernungsmesser bewegt wird, einen unteren kippbar unterhalb des Stahlprofils und gegenüber dem oberen Laserentfernungsmesser vorgesehenen unteren Laserentfernungsmesser zum Messen der Distanz zum Stahlprofil, eine untere Laserstrahl- Bestrahlungswinkel-Feststellungseinrichtung zum Feststellen des Bestrahlungswinkels des Laserstrahls vom unteren Laserentfernungsmesser, eine untere Laserentfernungsmesser- Bewegungseinrichtung, welche den unteren Laserentfernungsmesser und die untere Laserstrahl-Bestrahlungswinkel-Meßeinrichtung enthält und horizontal bewegt werden kann, eine untere Laserentfernungsmesserposition-Feststellungseinrichtung zum Feststellen der Position, zu welcher der untere Laserentfernungsmesser bewegt wird, sowie eine Querschnittform-Berechnungseinrichtung zum Bestimmen des Querschnittprofils des Stahlprofils aus den Raumkoordinaten, welche durch den Phasenvergleich zwischen den Messungen der Position des oberen Laserentfernungsmessers, der Distanz zum Stahlprofil und dem Bestrahlungswinkel und den Messungen der Position des unteren Laserentfernungsmessers, der Distanz zum Stahlprofil und dem Bestrahlungswinkel während der Bewegung der oberen Laserentfernungsmesser-Bewegungseinrichtung und der unteren Laserentfernungsmesser- Bewegungseinrichtung erhalten werden, um die Querschnittabmessungen des Stahlprofils aus dem Querschnittprofil zu berechnen.
  • Bei dem Verfahren und der Vorrichtung zum Messen der Querschnittabmessungen eines Zwischenproduktes eines Stahlprofils als Meßobjekt während des Walzens in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, werden die Positionen der zwei Laserentfernungsmesser, die oberhalb und unterhalb des Stahlprofils angeordnet sind, die Distanzen zum Stahlprofil und die Bestrahlungswinkel der Laserstrahlen gemessen, indem die zwei Laserenfternungsmesser horizontal in der Richtung quer zur Beförderungsrichtung des Stahlprofils hin und her bewegt werden, und werden die Querschnittabmessungen des Stahlprofils aus dem Querschnittprofil erhalten, das durch den Phasenvergleich der Messungen bestimmt wird. Es ist also möglich, die Querschnittform des Stahlprofils automatisch mit hoher Präzision online zu bestimmen.
  • Andere Aufbauten der vorliegenden Erfindung sowie Variationen derselben werden durch die folgende ausführliche Beschreibung verdeutlicht.
    • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, welches den Aufbau einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Fig. 2 ist eine schematische Zeichnung, welche das Meßprinzip eines Triangulationssystem-Laserentfernungsmessers darstellt.
  • Fig. 3 ist ein Kurvendiagramm, welches die Beziehung zwischen der Energieintensitätsverteilung des empfangenen Lichts und der Feststellungsposition darstellt,
  • Fig. 4A bis 4D sind schematische Diagramme, welche den Betrieb der vorliegenden Erfindung darstellen.
  • Fig. 5A bis 5D sind Zeichnungen, welche die erhaltenen Profile durch Raumkoordinaten darstellen.
  • Fig. 6 ist ein schematisches Diagramm, welches ein Verfahren zum Bestimmen der Querschnittabmessungen jedes Teils des gesamten Querschnitts darstellt.
  • Fig. 7 ist ein schematisches Diagramm, welches den Aufbau einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Fig. 8 ist eine perspektivische Ansicht, welche ein in der vorliegenden Erfindung verwendetes Korrekturteil darstellt.
  • Fig. 9 ist ein schematisches Diagramm, welches die Meßkoordinaten eines Korrekturteils darstellt.
  • Fig. 10A und 10B sind Kurvendiagramme, welche Abweichungen eines gemessenen Profils von einem Korrekturteil darstellen.
  • Fig. 11A bis 11D sind Zeichnungen, welche die in jedem Schritt erhaltenen Querschnittprofile darstellen.
  • Fig. 12 ist ein schematisches Diagramm, welches die Anordnung einer Produktionslinie zum Herstellen eines H-Profils in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.
  • Fig. 13 ist eine Querschnittansicht eines Zwischenprodukts, das während der Herstellung des H-Profils ausgebildet wird.
    • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN (Ausführungsform 1)
  • Im folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf ein H-Profil ausführlich mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
  • Fig. 12 ist eine Zeichnung, welche die Anordnung in einer Herstellungslinie für ein H-Profil unter Verwendung einer Vorwalzwerks BD, eines groben Universalwalzwerks UR und eines feinen Universalwalzwerks UF darstellt. Ein Zwischenprodukt des durch das Vorwalzwerk BD gewalzten H-Profils ist in einem Schlepper 61 plaziert, wo die Querschnittabmessungen des Stahlprofils durch eine Querschnittabmessungen-Meßeinrichtung 60 gemessen wird, wonach das Zwischenprodukt durch das grobe Universalwalzwerk UR geführt wird.
  • Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm, welches den Aufbau der Querschnittabmessungen- Meßeinrichtung 60 zum Messen eines Zwischenprodukts eines H-Profils in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • In Fig. 1 gibt das Bezugszeichen 1 ein Zwischenprodukt eines H-Profils als Meßobjekt an, welches durch eine Beförderungswalze 2 befördert wird. Das Bezugszeichen 3 gibt einen torartigen Rahmen an, welcher Halteglieder 3a und 3b, welche aufrecht auf einem Boden 4 angeordnet sind, um dazwischen die Beförderungswalze 2 zu halten, sowie ein Halteglied 3c umfaßt, welches zwischen den Halteglieder 3a und 3b angeordnet ist.
  • Das Bezugszeichen 10 gibt einen oberen Laserentfernungsmesser in einer oberen Laserentfernungsmesser-Bewegungseinrichtung 11 an, welche an Rädern 6 hängt, die auf einer Schiene 5 an der Unterseite des Halteglieds 3c parallel zu demselben bewegt werden können. Die Signalausgabe des oberen Laserentfernungsmessers 10 wird in einen Entfernungssignalprozessor 12 eingegeben. Die Bestrahlungswinkel-Einstellungseinrichtung 13 stellt den Bestrahlungswinkel des oberen Laserentfernungsmessers 10 ein. Das Bezugszeichen 14 gibt einen oberen Laserstrahl-Bestrahlungswinkel-Detektor 14 an, von welchem ein Ausgabesignal in einen Bestrahlungswinkelsignalprozessor 15 eingegeben wird. Das Bezugszeichen 16 gibt eine Antriebseinrichtung zum Bewegen der oberen Laserentfernungsmesser-Bewegungseinrichtung 11 an. Das Bezugszeichen 17 gibt einen oberen Laserentfernungsmesser-Positionsdetektor zum Feststellen der Position an, zu welcher der obere Laserentfernungsmesser bewegt wird, wobei eine Positionssignalausgabe vom oberen Laserentfernungsmesser-Positionsdetektor 17 in einen Positionssignalprozessor 18 eingegeben wird. Eine Schutzeinrichtung 19 ist am oberen Laserentfernungsmesser 10 vorgesehen, um einen optischen Pfad für einen Laserstrahl sicherzustellen.
  • Das Bezugszeichen 20 gibt einen Laserentfernungsmesser an, der in einer unteren Laserentfernungsmesser-Bewegungseinrichtung 21 enthalten ist, welche auf Rädern 8 gehalten wird, die auf einer Schiene 7 auf dem Boden 4 zwischen den Haltegliedern 3a und 3b bewegt werden können. Eine Signalausgabe vom Laserentfernungsmesser 20 wird in einen Entfernungssignalprozessor 22 eingegeben. Das Bezugszeichen 23 gibt eine Bestrahlungswinkel-Einstellungseinrichtung zum Einstellen des Bestrahlungswinkels des unteren Laser entfernungsmessers 20 an. Das Bezugszeichen 24 gibt einen unteren Laserstrahl-Bestrahlungswinkel-Detektor an, von welchem eine Signalausgabe in einen Bestrahlungswinkelsignalprozessor 25 eingegeben wird. Das Bezugszeichen 26 gibt eine Antriebseinrichtung zum Bewegen der unteren Laserentfernungsmesser-Bewegungseinrichtung 21 an. Das Bezugszeichen 27 gibt einen unteren Laserentfernungsmesser-Positionsdetektor zum Feststellen der Position an, zu welcher sich der untere Laserentfernungsmesser 20 bewegt, wobei ein Positionssignal in einen Positionssignalprozessor 28 eingegeben wird.
  • Das Bezugszeichen 30 gibt eine Querschnittform-Berechnungseinrichtung an, welche ein Querschnittprofil durch das Berechnen und Synthetisieren der Raumkoordinaten der Meßdistanzen auf der Basis der Signalausgabe aus dem Entfernungssignalprozessor 12, aus dem Bestrahlungswinkelsignalprozessor 15 und dem Positionssignalprozessor 18 auf der Seite des oberen Laserentfernungsmessers 10 und aus der Signalausgabe aus dem Entfernungssignalprozessor 22, aus dem Bestrahlungswinkelsignalprozessor 25 und aus dem Positionssignalprozessor 28 auf der Seite des unteren Laserentfernungsmessers 20 berechnet. Die Querschnittform-Berechnungseinrichtung 30 gibt weiterhin ein Bestrahlungswinkel- Einstellungssignal und ein Bewegungsbefehlssignal jeweils für die Bestrahlungswinkel- Einstellungseinrichtungen 13 und 23 und für die Antriebseinrichtungen 16 und 26 aus.
  • Der Betrieb des oberen und des unteren Laserentfernungsmessers 10 und 20 wird im folgenden anhand des Beispiels eines Triangulationssystem-Laserentfernungsmessers beschrieben. Wie in Fig. 2 gezeigt, wird ein Laserstrahl LB von einem Laseroszillator 41 auf ein Meßobjekt 42 angelegt, wobei das von der Meßoberfläche 42a des Meßobjekts 42 reflektierte Licht durch eine Sammellinse 43 gesammelt wird, um ein Bild an der Position X auf einer Lichtempfangseinrichtung 44 wie etwa einem Bildsensor zu bilden. Eine Entfernungsberechnungseinrichtung 45 bestimmt die Position X auf dem Meßobjekt 42 aus der Abbildungsposition x unter Verwendung der Beziehungen zwischen den Abbildungspositionen a und b und den zuvor bestimmten Meßpositionen A und B. Wie in Fig. 3 gezeigt, wird eine Energieintensitätsverteilung des empfangenen Lichts auf der Lichtempfangseinrichtung 44 erzeugt. Allgemein wird das Zentrum N&sub0; zwischen den Schnittpunkten N&sub1; und N&sub2; der Schwellwertstufe und der Verteilungskurve als Abbildungsposition x bestimmt. Auf diese Weise kann der Triangulationssystem-Laserentfernungsmesser die Distanz LX zu der Position X messen, wo der Laserstrahl LB reflektiert wird.
  • Im folgenden wird die Prozedur zum Messen der Abmessungen jedes Teils des Querschnitts unter Verwendung der wie oben beschrieben aufgebauten Querschnittabmessungen-Meßeinrichtung der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf Fig. 4A bis 4D beschrieben.
  • Schritt 1: Wie in Fig. 4A gezeigt wird angenommen, daß eine Meßdistanz nach der durch den oberen Laserentfernungsmesser-Positionsdetektor 17 festgestellten Bewegung des oberen Laserentfernungsmessers 10 in der durch den Pfeil F angegebenen Richtung (im folgenden als "Vorwärtsbewegungsrichtung" bezeichnet) um die Distanz X von der Meßposition P&sub1; aus bei einer Einstrahlung des Laserstrahls mit einem Winkel θ&sub1; gleich L&sub1; ist und daß die Meßdistanz nach der durch den unteren Laserentfernungsmesser-Positionsdetektor 27 festgestellten Bewegung des unteren Laserentfernungsmessers 20 in der durch den Pfeil F angegebenen Richtung um die Distanz X von der Meßposition P&sub2; aus bei einer Einstrahlung des Laserstrahls mit einem Winkel θ&sub2; gleich L&sub2; ist. Es wird also angenommen, daß die Distanz zwischen oberen und dem unteren Entfernungsmesser 10 und 20 gleich y ist. Die Meßdaten der durch den oberen und den unteren Laserentfernungsmesser 10 und 20 gemessenen Teile werden also jeweils durch x- und y-Koordinaten (x&sub1;, y&sub1;) und (x&sub1;, y&sub2;) wiedergeben. Diese Koordinaten werden in Übereinstimmung mit den folgenden Gleichungen (6) bis (9) bestimmt:
  • x&sub1; = X - L&sub1; sin θ&sub1; - P&sub1; (6)
  • y&sub1; = y - L&sub1; cos θ&sub1; (7)
  • x&sub2; = X - L&sub2; sin θ&sub2; - P&sub2; (8)
  • y&sub2; = L&sub2; cos θ&sub2; (9)
  • Schritt 2: Wie in Fig. 4B gezeigt, wird die Meßrichtung des oberen und des unteren Entfernungsmessers 10 und 20 umgekehrt, wobei die Bestrahlungswinkel θ&sub1; und θ&sub2; jeweils zu θ&sub3; und θ&sub4; geändert werden (θ&sub3; ≠ θ&sub1;, und θ&sub2; ≠ θ&sub4;). Es wird angenommen, daß die gemessenen Distanzen jeweils L&sub3; und L&sub4; sind, wenn sich der obere und der untere Entfernungsmesser 10 und 20 in der zu F entgegengesetzten Richtung (im folgenden als Rückwärtsbewegung bezeichnet) zu Positionen bewegt haben, wo die durch den oberen und den unteren Laserentfernungsmesser 17 und 27 jeweils P&sub3; und P&sub4; sind. Auf diese Weise werden die Meßdaten der Teile, welche jeweils durch den oberen und den unteren Laserentfernungsmesser 10 und 20 gemessen werden, durch die x-y-Raumkoordinaten (x&sub3;, y&sub3;) und (x&sub4;, y&sub4;) wiedergegeben. Diese Koordinaten werden in Übereinstimmung mit den folgenden Gleichungen (10) bis (13) bestimmt:
  • x&sub3; = X + L&sub3; sin θ&sub3; - P&sub3; (10)
  • y&sub3; = y - L&sub3; cos θ&sub3; (11)
  • x&sub4; = X + L&sub4; sin θ&sub4; - P&sub4; (12)
  • y&sub4; = L&sub4; cos θ&sub4; (13)
  • Schritt 3: Wie in Fig. 4C gezeigt wird ein Phasenvergleich durchgeführt, so daß die Meßdaten derselben Position auf dem Meßobjekt in der Vorwärtsbewegung mit den Daten in der Rückwärtsbewegung übereinstimmen. Die in Fig. 4D gezeigten Raumkoordinaten werden bestimmt, um ein Querschnittprofil zu erhalten.
  • Die durch die Orte der Raumkoordinaten (x&sub1;, y&sub1;), (x&sub2;, y&sub2;), (x&sub3;, y&sub3;) und (x&sub4;, y&sub4;) erhaltenen Profile sind in Fig. 5A bis 5D zusammengefaßt.
  • Im folgenden wird die Prozedur zum Bestimmen eines Querschnittprofils durch das Synthetisieren der Orte der jeweils in Fig. 5A, 5B und 5C gezeigten Raumkoordinaten (x&sub2;, y&sub2;), (x&sub3;, y&sub3;) und (x&sub4;, y&sub4;) auf der Basis des Ortes der in Fig. 5A gezeigten Koordinaten (x&sub1;, y&sub1;) beschrieben.
  • Insbesondere werden zuerst die Korrekturgrößen Δx&sub2;, Δy&sub2;, Δx&sub3;, Δy&sub3;, Δx&sub4; und Δy&sub4; der Orte der Raumkoordinaten (x&sub2;, y&sub2;), (x&sub3;, y&sub3;) und (x&sub4;, y&sub4;) bestimmt, wobei dann die Raumkoordinaten zu den folgenden Gleichungen (14), (15) und (16) umgewandelt werden:
  • (x&sub2;, y&sub2;) = (x&sub2; + Δx&sub2;, y&sub2; + Δy&sub2;) (14)
  • (x&sub3;, y&sub3;) = (x&sub3; + Δx&sub3;, y&sub3; + Δy&sub3;) (15)
  • (x&sub4;, y&sub4;) = (x&sub4; + Δx&sub4;, y&sub4; + Δy&sub4;) (16)
  • (i) Die Korrekturgrößen Δx&sub2; und Δy&sub2; werden in Übereinstimmung mit der folgenden Prozedur bestimmt.
  • (1) Die Meßdaten an derselben Position werden aus den Raumkoordinaten (x&sub1;, y&sub1;) und (x&sub2;, y&sub2;) ausgewählt. Dabei werden n Werte aus jeder der höherwertigen Seiten von x&sub1; und x&sub2; extrahiert, um die Koordinaten (x&sub1;, y&sub1;)&sub1;, (x&sub1;, y&sub1;)&sub2;, ... (x&sub1;, y&sub1;)n und (x&sub2;, y&sub2;)&sub1;, (x&sub2;, y&sub2;)&sub2;, ... (x&sub2;, y&sub2;)n zu erhalten.
  • (2) Es soll angenommen werden, daß i = j gesetzt wird, wenn die Koordinaten (x&sub1;, y&sub1;)i (wobei i = 1 bis n) den maximalen Wert von x&sub1; aufweisen.
  • (3) Die Koordinaten (x&sub1;, y&sub1;)i, wobei i = 1 bis j, und die Koordinaten (x&sub1;, y&sub1;)i, wobei i = j bis n werden jeweils durch die folgenden Gleichungen (17) und (18) an gerade Linien angenähert:
  • y = a&sub1; x + b&sub1; (17)
  • y = a&sub2; x + b&sub2; (18)
  • (4) Der Schnittpunkt der zwei durch die Gleichungen (17) und (18) angegebenen Linien wird durch (x&sub1;, y&sub1;)* wiedergegeben.
  • (5) Die Koordinaten (x&sub2;, y&sub2;)i , wobei i = 1 bis n, werden entsprechend wie in den Schritten (2) bis (4) bestimmt, um (x&sub2;, y&sub2;)* zu erhalten.
  • (6) Die Korrekturgrößen Δx&sub2; und Δy&sub2; werden jeweils in Übereinstimmung mit den folgenden Gleichungen (19) und (20) bestimmt:
  • Δx&sub2;= x&sub1;* - x&sub2;* (19)
  • Δy&sub2; = y&sub1;* - y&sub2;* (20)
  • (ii) Die Korrekturgrößen Δx&sub3; und Δy&sub3; werden in Übereinstimmung mit der folgenden Prozedur bestimmt.
  • (1) Die Meßdaten an derselben Position werden aus den Raumkoordinaten (x&sub1;, y&sub1;) und (x&sub3;, y&sub3;) ausgewählt. Dabei werden n Werte aus jeder der höherwertigen Seiten von y&sub1; und y&sub2; extrahiert, um die Koordinaten (x&sub1;, y&sub1;)&sub1;, (x&sub1;, y&sub1;)&sub2;, ... (x&sub1;, y&sub1;)n und (x&sub3;, y&sub3;)&sub1;, (x&sub3;, y&sub3;)&sub2;, ... (x&sub3;, y&sub3;)n zu erhalten. Der Wert von n wird durch das Abtastintervall und die Flanschdicke bestimmt.
  • (2) Die Gravitationszentren der Koordinaten (x&sub1;, y&sub1;) und (x&sub3;, y&sub3;) werden jeweils durch (x&sub1;, y&sub1;)* und (x&sub3;, y&sub3;)* erhalten und durch dieselben wiedergegeben.
  • (3) Die Korrekturgrößen Δx&sub3; und Δy&sub3; werden jeweils in Übereinstimmung mit den folgenden Gleichungen (21) und (22) bestimmt:
  • Δx&sub3; = x&sub1;* - x&sub3;* (21)
  • Δy&sub3; = y&sub1;* - y&sub3;* (22)
  • (iii) Die Korrekturgrößen Δx&sub4; und Δy&sub4; werden in Übereinstimmung mit der folgenden Prozedur bestimmt.
  • (1) Die Meßdaten an derselben Position werden aus den Raumkoordinaten (x&sub2;, y&sub2;) und (x&sub4;, y&sub4;) ausgewählt. Dabei werden n Werte aus jeder der niederwertigen Seiten von y&sub2; und y&sub4; extrahiert, um die Koordinaten (x&sub2;, y&sub2;)&sub1;, (x&sub2;, y&sub2;)&sub2;, ... (x&sub1;, y&sub1;)n und (x&sub4;, y&sub4;)&sub1;, (x&sub4;, y&sub4;)&sub2;, ... (x&sub4;, y&sub4;)n zu erhalten. Der Wert von n wird durch das Abtastintervall und die Flanschdicke bestimmt.
  • (2) Die Gravitationszentren der Koordinaten (x&sub2;, y&sub2;) und (x&sub4;, y&sub4;) werden jeweils durch (x&sub2;, y&sub2;)* und (x&sub4;, y&sub4;)* erhalten und durch dieselben wiedergegeben.
  • (3) Die Korrekturgrößen Δx&sub4; und Δy&sub4; werden jeweils in Übereinstimmung mit den folgenden Gleichungen (23) und (24) bestimmt:
  • Δx&sub4; = x&sub2;* - x&sub4;* + Δx&sub2; (23)
  • Δy&sub4; = y&sub2;* - y&sub4;* + Δy&sub2; (24)
  • Schritt 4: Durch ein wie in Fig. 6 gezeigtes Divisionsverfahren werden unter Verwendung der in Schritt 3 erhaltenen Querschnittprofile die Querschnittflächen Af1, Af2, Af3 und Af4 der entsprechenden Flanschbeine aus den Längen bu1, bL1, bU2 und bL2 der vier Beine der Flansche und die Dicken Tf1, Tf2, Tf3 und Tf4 derselben bestimmt und wird die Querschnittfläche Aw des Stegs aus der Stegdicke Tw und der Steghöhe Hw bestimmt.
  • Die Schnittflächen und Längen der Beine, die Flanschbreite und die Zentrumsabweichung werden in Übereinstimmung mit der folgenden Prozedur bestimmt.
  • (1) Die Durchschnitte xAV und yAV von x und y werden durch das Mitteln aller Daten der Raumkoordinaten (x&sub1;, y&sub1;), (x&sub2;, y&sub2;), (x&sub3;, y&sub3;) und (x&sub4;, y&sub4;) erhalten und als Ursprünge der x- und y-Achsen verwendet.
  • (2) Die Koordinaten werden zu der unten angegebenen Gleichung (25) umgeschrieben, und die Daten werden in die Räume der ersten bis vierten Quadranten der x-y-Achsen umgewandelt.
  • (x&sub1;, y&sub1;) - (xAV, yAV)
  • (x&sub2;, y&sub2;) - (xAV, yAV)
  • (x&sub3;, y&sub3;) - (xAV, yAV)
  • (x&sub4;, y&sub4;) - (xAV, yAV)
  • (25)
  • (3) In jedem der Quadranten werden die Daten in der Reihenfolge des zunehmenden x- Wertes neu geordnet.
  • (4) Die Stegoberfläche und die Innenoberfläche eines Flansches werden an gerade Linien angenähert, um den Schnittpunkt der zwei geraden Linien zu bestimmen.
  • (5) Die Schnittfläche Af eines Beines wird in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung (26) bestimmt.
  • Af = Σ y · Δx (26)
  • wobei Δx eine Differenz zwischen benachbarten Datenwerten ist.
  • (6) Die Längen bU1, bL1, bU2 und bL2 der Beine werden aus dem maximalen Wert in jedem Quadranten (dem minimalen Wert im zweiten und dritten Quadranten) und dem in Schritt (4) erhaltenen Schnittpunkt bestimmt. Die Flanschbreiten W&sub1; und W&sub2; werden aus der Differenz zwischen den maximalen und den minimalen Werten bestimmt.
  • Die Zentrumsabweichungen S&sub1; und S&sub2; werden durch die folgenden Gleichungen (27) und (28) erhalten:
  • S&sub1; = (bU1 + bL1)/2 (27)
  • S&sub2; = (bU2 + bL2)/2 (28)
    • [Ausführungsform 2]
  • Wenn die Koordinatenachsen abweichen, weil sich die Bestrahlungswinkel des oberen und des unteren Laserentfernungsmessers 10 und 20 bei der Vorwärtsbewegung von denjenigen bei der Rückwärtsbewegung unterscheiden, dann sind in einigen Fällen die Meßdaten an derselben Position auf dem Meßobjekt verschieden. Eine Einrichtung zum Korrigieren der Abweichungen der Achsen wird im folgenden mit Bezug auf eine zweite Ausführungsform beschrieben.
  • Fig. 7 zeigt den Aufbau der zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform dadurch, daß ein Korrekturteil 50 auf einem Rahmen 51 seitlich neben dem als Meßobjekt angeordneten H-Profil 1 vorgesehen ist. Es kann ein beliebiges Teil mit bekannten Querschnittabmessungen als Korrekturteil 50 verwendet werden. Als Beispiel wird hier wie in Fig. 8 gezeigt ein prismatisches Teil mit einem quadratischen Querschnitt beschrieben, welches zu den x- und y-Achsen parallele Oberflächen als Bezugsoberflächen aufweist.
  • Die durch den oberen und den unteren Laserentfernungsmesser-Positionsdetektor 17 und 27 erhaltenen Meßdaten der Positionssignale P1n und P2n und die durch den oberen und den unteren Laserstrahl-Einstrahlwinkeldetektor 14 und 24 erhaltenen Winkelsignale θ1n und θ2n, welche gleichzeitig zu der Distanzmessung durch den oberen und den unteren Laserentfernungsmesser 10 und 20 erhalten werden, werden durch x-y-Raumkoordinaten (x1n, y1n) und (x2n, y2n) an jedem Meßpunkt wiedergegeben (siehe Fig. 9). Die Koordinaten werden durch die folgenden Gleichungen (29) bis (32) bestimmt, wobei angenommen wird, daß die Winkelsignale θ1n und θ2n mit den Winkelsignalen θ&sub1; und θ&sub2; des H-Profils 1 identisch sind:
  • x1n = P1n + L1n cos θ1n (29)
  • y1n = L1n sin θ1n + Kn (30)
  • x2n = P2n + L2n cos θ2n (31)
  • y2n = L2n sin θ2n (32)
  • wobei n eine Zahl ist, welche der Zeitserie-Abtastperiode in der Messung entspricht und K ein Term zum Korrigieren der y-Achse des oberen Laserentfernungsmessers 10 auf der Basis des unteren Laserentfernungsmessers 20 ist.
  • Die Meßpunkte auf den Korrekturoberflächen des Korrekturteils 50 parallel zu der x- und der y-Achse, die an absoluten Positionen fixiert sind, werden auf der Basis der Positionssignale P1n und P2n und der Winkelsignale ein θ1n und θ2n extrahiert (siehe Fig. 10A).
  • Vorzugsweise werden wenigstens 10 Meßpunkte pro Oberfläche des Korrekturteils 10 sichergestellt. Deshalb wird die Länge h jeder der zur Richtung der Vorwärts- und der Rück wärtsbewegung parallelen Seiten des oberen und den unteren Laserentfernungsmessers 10 und 20 vorzugsweise in Übereinstimmung mit der folgenden Gleichung (33) bestimmt:
  • h ≥ 10 · Vmax/Tmin (33)
  • wobei Vmax die maximale Bewegungsgeschwindigkeit jedes der Laserentfernungsmesser ist und wobei Tmin die minimale Zeitdauer für die Datenabtastung ist.
  • Da die Meßpunkte auf jeder der Oberflächen des Korrekturteils 50 wegen der Laserentfernungsmesser und der anderen Einrichtungen in den x-y-Richtungen einen Fehler enthalten, kann durch das Verbinden der Meßpunkte kein gerades Profil erhalten werden. Die y-Koordinaten an den Meßpunkten auf einer zu der x-Achse parallelen Korrekturoberfläche werden gemittelt, um die Abweichung Δy&sub0; von der Koordinate y&sub0; der y-Bezugsachse zu bestimmen. Dieselbe Verarbeitung wird für eine zu der y-Achse parallele Oberfläche durchgeführt, um die Abweichung Δx&sub0; zu bestimmen.
  • Diese Abweichungen Δy&sub0; und Δy&sub0; werden als Δyi und Δyi für jeden Laserentfernungsmesser oder jede Meßbedingung berechnet, um die Meßkoordinaten zu korrigieren. Die korrigierten Meßpunkte werden durch eine Linie in der Abtastreihenfolge verbunden, um ein Profil zu bilden. Wenn die Profile für die Laserentfernungsmesser oder die Meßbedingungen in denselben x-y-Koordinaten gezeichnet werden, dann stimmen die Profile derselben Meßoberfläche miteinander überein, so daß ein Querschnittprofil mit hoher Präzision erhalten wird.
  • Wenn bei der Messung des Korrekturteils 50 die Koordinatenachsen eines während der Vorwärtsbewegung gemessenen Oberflächenprofils von den Achsen während der Rückwärtsbewegung abweichen, dann kann jede der Abweichungen Δx und Δy bestimmt werden, um die Meßkoordinaten wie in Fig. 10B beschrieben zu korrigieren.
  • Fig. 11A bis 11D zeigen die während der Vorwärts-/Rückwärtsbewegung des oberen und des unteren Laserentfernungsmessers gemessenen Profile des H-Profils 1 und des Korrekturteils 50. Fig. 11A zeigt die während der Vorwärtsbewegung des oberen Laserentfernungsmessers 10 erhaltenen Profile, Fig. 11B zeigt die während der Vorwärtsbewegung des unteren Laserentfernungsmessers 20 erhaltenen Profile, Fig. 11C zeigt die während der Rückwärtsbewegung des oberen Laserentfernungsmessers 10 erhaltenen Profile und Fig. 11 D zeigt die während der Rückwärtsbewegung des unteren Laserentfernungsmessers 20 erhaltenen Profile.
  • Die Abweichungen Δx und Δy, welche Versatzgrößen in den Richtungen der x- und der y-Achse angeben, werden aus den gemessenen Profilen des Korrekturteils 50 bestimmt und dann zum Korrigieren der Raumkoordinaten (x&sub1;, y&sub1;), (x&sub2;, y&sub2;), (x&sub3;, y&sub3;) und (x&sub4;, y&sub4;) in der ersten Ausführungsform verwendet. Ein zufriedenstellendes Querschnittprofil kann dann synthetisiert werden.
  • Bei dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung zum Messen der Querschnittabmessungen eines H-Profils werden die Querschnittabmessungen während der horizontalen Vorwärts-/Rückwärtsbewegung von Laserentfernungsmessern gemessen, welche oberhalb und unterhalb des H-Profils einander gegenüberliegend angeordnet sind. Es ist also möglich, online die Querschnittform des H-Profils automatisch und präzise zu bestimmen, wodurch die Qualität und die Ausbeute des Produkts beträchtlich verbessert werden können.

Claims (4)

1. Verfahren zum Messen der Querschnittabmessungen eines Zwischenproduktes (1) eines Stahlprofils während des Walzens durch das horizontale Vorwärts-/Rückwärtsbewegen von zwei Laserentfernungsmessern (10, 20), welche einander gegenüberliegend in der zur Beförderungsrichtung des Stahlprofils (1) quer ausgerichteten vertikalen Richtung des Stahlprofils (1) angeordnet sind, wobei das Verfahren folgende Schritte umfaßt:
Bestrahlen des Stahlprofils (1) mit einem Laserstrahl mit einem vorbestimmten Winkel (θ&sub1;, θ&sub2;) von jedem der Laserentfernungsmesser (10, 20), um die Positionen der Laserentfernungsmesser (10, 20), die Distanzen zum Stahlprofil (1) und die Bestrahlungswinkel (θ&sub1;, θ&sub2;) während der Vorwärtsbewegung zu messen,
Bestrahlen des Stahlprofils (1) während der Rückwärtsbewegung mit einem Laserstrahl mit einem anderen Winkel (θ&sub3;, θ&sub4;) als bei der Vorwärtsbewegung, um die Positionen der Laserentfernungsmesser (10, 20), die Distanzen zum Stahlprofil (1) sowie die Bestrahlungswinkel (θ&sub3;, θ4) zu messen,
Auswählen von Meßdaten an derselben Position des Stahlprofils (1) aus den erhaltenen Meßdaten, um die Raumkoordinaten (xi, yi) eines Querschnitts des Stahlprofils (1) auszugeben, so daß die ausgewählten Meßdaten miteinander übereinstimmen,
Berechnen von Forminformation aus den Raumkoordinaten (xi, yi).
2. Verfahren zum Messen der Querschnittabmessungen eines Stahlprofils nach Anspruch 1, welches weiterhin folgende Schritte umfaßt:
Anordnen eines Korrekturteils (50) mit bekannten Querschnittabmessungen neben dem Zwischenprodukt eines Stahlprofils (1),
Messen der Distanz zu dem Korrekturteil (50) während der horizontalen Vorwärts- /Rückwärtsbewegung der Laserentfernungsmesser (10, 20),
Bestimmen von Abweichungen (Δx, Δy) zwischen den während der Vorwärts-/Rückwärtsbewegung der Laserentfernungsmesser (10, 20) erhaltenen Raumkoordinaten (xi, yi) aus den erhaltenen Meßdaten, und
Korrigieren der Raumkoordinaten (xi, yi) des Stahlprofils (1) unter Verwendung der Abweichungen (Δx, Δy) der Raumkoordinaten (xi, yi).
3. Verfahren zum Messen der Querschnittabmessungen eines Stahlprofils nach Anspruch 1 und 2, wobei das Stahlprofil ein H-Profil ist.
4. Vorrichtung zum Messen der Querschnittabmessungen eines Stahlprofils (1) mit:
einem oberen Laserentfernungsmesser (10), der kippbar an einem oberen Teil eines Rahmens (3) vorgesehen ist, welcher derart angeordnet ist, daß er wenigstens teilweise eine Beförderungslinie eines Stahlprofils (1) umgibt, wobei der obere Laserentfernungsmesser (10) die Distanz zu dem Stahlprofil (1) bestimmen kann,
einer oberen Laserstrahl-Bestrahlungswinkel-Feststellungseinrichtung (14) zum Feststellen eines ersten Bestrahlungswinkels (θ&sub1;, θ&sub3;) eines durch den oberen Laserentfernungsmesser (10) erzeugten Laserstrahls,
einer oberen Laserentfernungsmesser-Bewegungseinrichtung (11), welche den oberen Laserentfernungsmesser (10) und die obere Laserstrahl-Bestrahlungswinkel-Feststellungseinrichtung (14) trägt, wobei die obere Laserentfernungsmesser-Bewegungseinrichtung (11) in einer horizontalen Richtung bewegt werden kann, welche quer zu der Beförderungslinie ausgerichtet ist,
einer oberen Laserentfernungsmesserposition-Feststellungseinrichtung (17) zum Feststellen der Position, zu welcher der obere Laserentfernungsmesser (10) bewegt wird,
einem unteren Laserentfernungsmesser (20), der kippbar an einem unteren Teil des Rahmens (3) gegenüber dem oberen Laserentfernungsmesser (10) vorgesehen ist, wobei der untere Laserentfernungsmesser (10) die Distanz zu dem Stahlprofil (1) bestimmen kann,
einer unteren Laserstrahl-Bestrahlungswinkel-Feststellungseinrichtung (24) zum Feststellen eines zweiten Bestrahlungswinkels (θ&sub2;, θ&sub4;) eines durch den unteren Laserentfernungsmesser (20) erzeugten Laserstrahls,
einer unteren Laserentfernungsmesser-Bewegungseinrichtung (21), welche den unteren Laserentfernungsmesser (20) und die untere Laserstrahl-Bestrahlungswinkel-Feststellungseinrichtung (24) trägt, wobei die untere Laserentfernungsmesser-Bewegungseinrichtung (21) in einer horizontalen Richtung bewegt werden kann, welche quer zu der Beförderungslinie ausgerichtet ist,
einer unteren Laserentfernungsmesserposition-Feststellungseinrichtung (27) zum Feststellen der Position, zu welcher der untere Laserentfernungsmesser (20) bewegt wird, und
einer Querschnittform-Berechnungseinrichtung (30) zum Bestimmen des Querschnittprofils des Stahlprofils (1) aus den Raumkoordinaten (xi, yi), wobei die Raumkoordianten (xi, yi) auf der Basis von Phasenvergleichsmessungen der Positionen des oberen und des unteren Laserentfernungsmessers (10, 20), der Distanzen zu dem Stahlprofil (1) und der Bestrahlungswinkel (θ&sub1;, θ&sub2;, θ&sub3;, θ&sub4;) des oberen und des unteren Laserentfernungsmessers (10, 20) erhalten werden, während sich die obere und die untere Laserentfernungsmesser- Bewegungseinrichtung (11, 21) quer zu der Beförderungslinie bewegen.
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