EP2616763A2 - Verfahren zur messung der profilgeometrie von gekrümmten, insbesondere zylindrischen körpern - Google Patents

Verfahren zur messung der profilgeometrie von gekrümmten, insbesondere zylindrischen körpern

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Publication number
EP2616763A2
EP2616763A2 EP11763876.7A EP11763876A EP2616763A2 EP 2616763 A2 EP2616763 A2 EP 2616763A2 EP 11763876 A EP11763876 A EP 11763876A EP 2616763 A2 EP2616763 A2 EP 2616763A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
segments
circumferential
height
contour
height profiles
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP11763876.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Nemitz
Till Schmitte
Stefan Nitsche
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Vallourec Deutschland GmbH
Original Assignee
V&M Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by V&M Deutschland GmbH filed Critical V&M Deutschland GmbH
Publication of EP2616763A2 publication Critical patent/EP2616763A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2518—Projection by scanning of the object
    • G01B11/2522—Projection by scanning of the object the position of the object changing and being recorded

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring the profile geometry of curved, in particular cylindrical bodies according to the preamble of claim 1.
  • the present invention relates to an optical profile measurement which takes place without contact according to the light-slit method as a two-dimensional triangulation method known per se.
  • a two-dimensional triangulation method known per se.
  • a pipe can be constructed.
  • the profile measurement considered in the context of the present invention is based in its one-dimensional shape on the known point triangulation, in which a laser and a cell-shaped position-sensitive detector form the triangulation sensor.
  • the laser beam axis and optical axis of the detector span a plane which is referred to below as a "normal plane” and are at a triangulation angle to one another
  • the distance of the measurement object from the sensor in the direction of the laser beam represents the measured variable DE 40 37 383 A1.
  • the two-dimensional extension of the point triangulation is the subject of the present patent application.
  • the punctiform laser beam is replaced by a laser beam fan and the one-dimensional cell-shaped detector by a two-dimensional planar detector.
  • the laser generates as a measuring field a laser beam fan whose reflected from the surface of the test object rays from a lens and a be received and imaged two-dimensional planar detector.
  • Lens and detector form a two-dimensional surface-area camera.
  • the laser beam fan is typically generated by a diffractive lens mounted in front of the punctiform laser beam exit and thus generates on the measurement object a one-dimensional line called "light-section line".
  • the light section line is typically aligned orthogonal to the tube axis, thereby capturing a portion of the peripheral contour.
  • several probes are to be arranged in a star shape around the measurement object according to DE 40 37 383 A1. With this method, a circumferential contour line of the pipe cross-section in the particular measuring plane, i. H. Longitudinal position of the pipe to be detected.
  • a peripheral contour surface of the tube can be taken over its length with continuous measurement.
  • Disadvantage of the known method is the very complex measuring method with a plurality of sensors to be arranged around the measurement object in order to detect the peripheral contour. In addition to the high capital expenditure, this method can often not be retrofitted in existing production facilities because of the size of the device. A measurement of the profile geometry over the whole
  • the present invention is therefore an object of the invention to provide an easy to implement method for measuring the profile geometry of curved particular cylindrical bodies by means of two-dimensional light-section method, with which the disadvantages described are overcome, ie which requires only one sensor and the relative movement of the tube to Sensor compensated.
  • the height profiles of the respective ones measured during rotation on the object to be measured are used to measure the profile geometry
  • Portions of the circumferential contour to a circumferential contour consisting of virtual segments of the individual height profiles comprising the following steps: a) recording the height profiles with a number of height values in cycles, b) mapping the height values to the virtual circumference segments consisting of data points in a two-dimensional space, c) determining d) arranging the individual perimeter segments in the positions that physically occupy the associated height profiles on the respective subregion of the circumferential contour by means of rotation about a common point of rotation for all
  • Circumference segments e) determination of the overlap lengths of overlapping regions of the circumferential segments, f) rotation and displacement of the individual circumferential segments in such a way that the overlapping regions of the circumferential segments lie over one another as congruently as possible, wherein the height profiles are taken in clocked recording with a number of height values in such a way that adjacent height profiles partially overlap with their ends and / or extend the existing ends by extrapolation and overlapping end regions of adjacent circumferential segments are formed.
  • the great advantage of the method according to the invention is that it is now possible with only one measuring unit, comprising a projector and a detector, ie in particular with a laser and a camera, the profile geometry z. B. of pipes over their entire circumference and length.
  • the inventive method can be very easily integrated into existing test systems, since the space required is very low.
  • the method is designed so that, for the measurement of the profile geometry, both the tube can rotate under the fixed measuring device or the measuring device rotates about the stationary tube.
  • the essential core of the invention is that now the height profiles determined only by a sensor are assembled by mathematical methods to a circumferential contour very close to the real profile geometry, even if the absolute positions of the individual profiles are significantly distorted relative to one another by the relative movement of the tube.
  • the invention is based on overlapping regions of the virtual circumference segments.
  • the mathematical image of the The measured object can then be measured automatically for the desired target values such as roundness deviations.
  • the overlapping areas can be formed by overlapping the receptacles on the pipe jacket even when the height profiles are being recorded in cycles. In these overlapping segments, therefore, the tube jacket is irradiated twice concretely and twice the height values of the same section of the tube jacket are measured, which form the ends of the height profiles.
  • the overlapping regions can also be formed by extrapolation of the virtual circumferential segments, which were obtained from the real measured height data. In other words, the virtual profile lines are extended beyond their ends using computational extrapolation methods such that adjacent circumferential segments overlap in an angle section. This overlap is only virtual or would be visible on a screen display of the data values.
  • the wall thickness over the circumference z. B. determined by means of ultrasound and from the measured data of the outer contour and the wall thickness the
  • FIG. 1 a shows a schematic measuring setup for carrying out the method in a lateral view
  • FIG. 1 b shows a schematic measuring setup for carrying out the method in cross section
  • FIGS. 2a-2d visualize height profiles in a cross-sectional coordinate system at different stages of the measured value processing
  • Figure 3 shows a detail of Figure 2b in an enlarged view
  • FIG. 1 schematically illustrates the measuring principle for a profile measurement in the case of the two-dimensional light-section measurement using the example of a cylindrical tube.
  • the measurement uses an image of the surface of the measurement object 4 irradiated in a fan-shaped manner by a laser 1 as a projected laser line 2 onto the detector 3 designed as a camera.
  • the left partial image shows schematically the view as a longitudinal section and the right partial image as a cross section with respect to the longitudinal axis of the measurement object 4
  • Light-section arrangement of laser 1 and camera are arranged in the normal plane in line with the longitudinal axis of the measurement object, wherein the angle between the axis of the laser beam fan 5 of the laser 1 and the optical axis 6 of the camera in longitudinal section of the triangulation angle.
  • the measurement object 4 moves in accordance with the indicated arrow directions relative to the laser 1 and the camera rotationally or translatorily.
  • the laser line 2 is detected as part of the peripheral contour of the camera and converted into a height profile, which is represented by lateral calibration on a virtual segment.
  • the tube rotates at least once completely under the laser 1 so that height profiles from the various circumferential positions on the complete circumferential contour are detected.
  • the frequency, d. H. the frame rate of the camera is adjusted according to a preferred variant of the method according to the invention so that the recorded height profiles overlap. If, in addition, the circumferential geometry is measured at very many points in the longitudinal direction of the tube, then the profile surface, that is to say the surface contour of the entire tube, can be determined.
  • the z. B. measures the surface movement of the tube in the circumferential direction and after a fixed distance traveled provides a pulse leaves Now determine the absolute angular position of the height profiles on the peripheral contour.
  • the recorded height profiles are then mapped by a lateral-balancing on virtual segments, which describe the height profiles as a set of data points in two-dimensional space.
  • the next step of the method according to the invention is to rotate the virtual segments of the recorded height profiles into that position which physically occupies the associated height profiles on the respective subregion of the peripheral contour of the measurement object.
  • the rotational angle is basically known by the rotational speed of the tube or the rotary encoder acting from the outside on the tube surface and the measuring frequency of the camera, it may be subject to significant errors due to the relative movement of the measured object to the camera. For the same reason, the point by which the circumferential segments must each be rotated, usually not known with sufficient accuracy.
  • a compensation circle is placed in each virtual segment and from this the associated circle center is determined. The calculated average of the centers of the balancing circuits of the different segments is then used as the center around which the individual
  • Peripheral segments 11.1 11. n are turned back, see Figure 2a. to
  • Calculation of the average value of the centers can, for. B. the arithmetic or geometric mean of the coordinates or the center of gravity can be used.
  • Another essential core of the method according to the invention consists of rotating and displacing the virtual circumference segments 11.1, 11n in the evaluation unit in such a way in the area or in space that the overlapping ends are as good as possible, that is, in the area. H. as congruent as possible, lie on each other and so on
  • Curve shape is created, which describes the entire real peripheral contour.
  • the length of the respective overlap region of two adjacent segments is calculated, provided that - as already described at the beginning - there are zones which are doubly detected at the real object by end regions of two adjacent height profiles. If such zones were not included in the measured value recording, overlapping areas are formed numerically by extrapolation of the mutually facing ends of adjacent height profiles. The overlapping areas are marked thicker in FIG. 2b than the remaining lines, which represent circumferential segments. In a further step, the distance from adjacent profiles in the
  • Figure 3 shows an enlarged view of the end portions 12.1, 12 n two
  • the data points are obtained from raw data in which by a filtering method the justified in the construction of the measuring unit fluctuations were filtered out.
  • FIG. 4 shows the height profile after carrying out the method according to the invention.
  • the algorithm described is carried out in a computer unit by means of a suitable computer program.
  • This method can now be repeated over the length of the tube at several longitudinal positions in order to obtain a contour information of the entire tube.
  • the method can also be performed in a spiral relative movement of the tube, when the change of the contour of the tube of a

Landscapes

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Profilgeometrie von gekrümmten insbesondere zylindrischen Körpern als Messobjekte (4) mittels zweidimensionalem Lichtschnitt-Verfahren bei dem mittels eines Projektors (1) eine fächerförmige Lichtschnittlinie (2) auf einem Teilbereich der Umfangskontur des Körpers abgebildet und die von der Oberfläche des Körpers reflektierten Strahlen von einem Detektor (3) aufgenommen werden, wobei der Projektor (1) und der Detektor (3) eine Messeinheit bilden und die Messwerte anschließend einer Auswerteeinheit zugeführt werden. Um ein einfach zu realisierendes Verfahren anzugeben, wird vorgeschlagen, dass die während der Rotation auf dem Messobjekt (4) gemessenen Höhenprofile der jeweiligen Teilbereiche der Umfangskontur zu einer aus virtuellen Umfangssegmenten der einzelnen Höhenprofile bestehenden Umfangskontur mit folgenden Schritten zusammengesetzt werden: a) getaktetes Aufnehmen der Höhenprofile mit einer Anzahl an Höhenwerten, b) Abbilden der Höhenwerte auf die aus Datenpunkten (14.1.1, 14.n.i) in einem zweidimensionalen Raum bestehenden virtuellen Umfangssegmente (11.1,..., 11. n), c) Bestimmung der Winkelposition des jeweiligen Höhenprofils auf der Umfangskontur des Messobjektes (4), d) Anordnen der einzelnen Umfangsegmente (11.1,..., 11.n) in die Positionen, die die zugehörigen Höhenprofile physikalisch auf dem jeweiligen Teilbereich der Umfangskontur einnehmen mittels Rotation um einen gemeinsamen Rotationspunkt (10) für alle Umfangssegmente (11.1,..., 11.n), e) Bestimmung der Überlappungslängen von sich überlappenden Bereichen (12.1,..., 12. n) der Umfangssegmente (11.1,..., 11. n), f) Rotation und Verschiebung der einzelnen Umfangssegmente (11.1,..., 11.n) in der Weise, dass die sich überlappenden Bereiche (12.1,..., 12. n) der Umfangssegmente (11.1,..., 11.n) möglichst deckungsgleich übereinander liegen und hierdurch fehlerhafte Rotationswinkel und Raumpositionen der Segmente korrigiert werden, wobei die Höhenprofile beim getakteten Aufnehmen mit einer Anzahl an Höhenwerten in der Weise aufgenommen werden, dass sich benachbarte Höhenprofile mit ihren Enden teilweise überlappen und/oder die vorhandenen Enden durch Extrapolation verlängert und sich überlappende Endbereiche benachbarter Umfangssegmente (11.1,..., 11.n) gebildet werden.

Description

Verfahren zur Messung der Profilgeometrie von gekrümmten, insbesondere zylindrischen Körpern
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Profilgeometrie von gekrümmten, insbesondere zylindrischen Körpern gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Unter zylindrischen Körpern werden nachfolgend insbesondere Rohre verstanden.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine optische Profilmessung, die berührungslos nach dem Lichtschnitt-Verfahren als einem an sich bekannten zweidimensionalen Triangulations-Verfahren erfolgt. Hierbei kann bei einer vorhandenen Relativbewegung zwischen Sensor und Messobjekt durch Zusammenfügen aus den sukzessive aufgenommenen„Profilschnitten" als Höhenprofil eine daraus zusammengesetzte zweidimensionale Kontur eines Profilumfangs oder durch Auswertung mehrerer Umfangskonturen und der Profillänge ein dreidimensionales „Gesamtprofil" der Außenkontur des Messobjektes, wie z. B. eines Rohres, aufgebaut werden.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrachtete Profilmessung basiert in ihrer eindimensionalen Form auf der bekannten Punkttriangulation, bei der ein Laser und ein zellenförmiger positionsempfindlicher Detektor den Triangulations-Sensor bilden. Laserstrahl-Achse und optische Achse des Detektors spannen eine im Folgenden als „Normalebene" bezeichnete Ebene auf und stehen im Triangulations-Winkel zueinander. Üblicherweise stellt der Abstand des Messobjektes vom Sensor in Richtung des Laserstrahls die Messgröße dar. Bekannt ist dieses Verfahren beispielsweise aus der DE 40 37 383 A1.
Die zweidimensionale Erweiterung der Punkttriangulation ist Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung. Bei diesem ebenfalls grundsätzlich bekannten Lichtschnitt-Verfahren ist der punktförmige Laserstrahl durch einen Laserstrahl- Fächer und der eindimensionale zellenförmige Detektor durch einen zweidimensionalen flächigen Detektor ersetzt.
Der Laser erzeugt dabei als Messfeld einen Laserstrahlfächer, dessen von der Oberfläche des Prüfobjektes reflektierte Strahlen von einem Objektiv und einem zweidimensionalen flächigen Detektor empfangen und abgebildet werden. Objektiv und Detektor bilden dabei eine zweidimensional arbeitende Flächenbild-Kamera.
Der Laserstrahl-Fächer wird dabei typischerweise durch eine vor dem punktförmigen Laserstrahl-Austritt angebrachte diffraktive Optik generiert und erzeugt so auf dem Messobjekt eine als„Lichtschnitt-Linie" bezeichnete eindimensionale Linie.
Bei Anwendung des beschriebenen Verfahrens auf zylindrische Messobjekte, z. B. Rohre, ist die Lichtschnitt-Linie typischerweise orthogonal zur Rohrachse ausgerichtet und erfasst dabei einen Teilbereich der Umfangskontur. Zur Erfassung der kompletten Umfangskontur sind nach der DE 40 37 383 A1 mehrere Sonden sternförmig um das Messobjekt anzuordnen. Mit diesem Verfahren kann eine Umfangskonturlinie des Rohrquerschnitts in der bestimmten Messebene, d. h. Längsposition des Rohres, erfasst werden.
Bei axialem Längstransport des Rohres oder entsprechender Bewegung des Sensors relativ zum Rohr kann mit fortlaufender Messung eine Umfangskonturfläche des Rohres über dessen Länge aufgenommen werden. Nachteil des bekannten Verfahrens ist das sehr aufwändige Messverfahren mit mehreren um das Messobjekt anzuordnenden Sensoren, um die Umfangskontur zu erfassen. Neben dem hohen Investitionsaufwand kann dieses Verfahren oftmals auch wegen der Baugröße der Vorrichtung nicht in vorhandenen Produktionsanlagen nachgerüstet werden. Eine Messung der Profilgeometrie über den gesamten
Rohrumfang mit nur einem Sensor ist mit diesem Verfahren nicht möglich.
Bei einer Messung mit nur einem Sensor besteht ein weiteres Problem in signifikanten Relativbewegungen des Messobjektes, die gerade bei größeren Messobjekten, wie z. B. Pipeline-Rohre, nicht ausgeschlossen werden können. Bei einer üblichen Rotation auf Treiberrollen liegen die Ursachen für solche Bewegungen in vorhandenen Unrundheiten des Rohrquerschnitts oder in einer Unwucht der Treiberrollen selbst. Beim Drehen des Rohres unter der Messeinrichtung kann dies zu Relativbewegungen zwischen Rohr und Messeinrichtung führen, was zu Fehlinterpretationen der Messergebnisse führen kann. Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein einfach zu realisierendes Verfahren zur Messung der Profilgeometrie von gekrümmten insbesondere zylindrischen Körpern mittels zweidimensionalem Lichtschnitt-Verfahren anzugeben, mit dem die beschriebenen Nachteile überwunden werden, d. h. welches nur einen Sensor benötigt und die Relativbewegung des Rohres zum Sensor kompensiert.
Diese Aufgabe wird nach dem Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Nach der Lehre der Erfindung werden zur Messung der Profilgeometrie die während der Rotation auf dem Messobjekt gemessenen Höhenprofile der jeweiligen
Teilbereiche der Umfangskontur zu einer aus virtuellen Segmenten der einzelnen Höhenprofile bestehenden Umfangskontur mit folgenden Schritten zusammengesetzt: a) getaktetes Aufnehmen der Höhenprofile mit einer Anzahl an Höhenwerten, b) Abbilden der Höhenwerte auf die aus Datenpunkten in einem zweidimensionalen Raum bestehenden virtuellen Umfangssegmente, c) Bestimmung der Wnkelposition des jeweiligen Höhenprofils auf der Umfangskontur des Messobjektes, d) Anordnen der einzelnen Umfangsegmente in die Positionen, die die zugehörigen Höhenprofile physikalisch auf dem jeweiligen Teilbereich der Umfangskontur einnehmen mittels Rotation um einen gemeinsamen Rotationspunkt für alle
Umfangssegmente, e) Bestimmung der Überlappungslängen von sich überlappenden Bereichen der Umfangssegmente, f) Rotation und Verschiebung der einzelnen Umfangssegmente in der Weise, dass die sich überlappenden Bereiche der Umfangssegmente möglichst deckungsgleich übereinander liegen, wobei die Höhenprofile beim getakteten Aufnehmen mit einer Anzahl an Höhenwerten in der Weise aufgenommen werden, dass sich benachbarte Höhenprofile mit ihren Enden teilweise überlappen und/oder durch Extrapolation die vorhandenen Enden verlängert und sich überlappende Endbereiche benachbarter Umfangssegmente gebildet werden.
Der große Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass es nunmehr mit nur einer Messeinheit, umfassend einen Projektor und einen Detektor, also insbesondere mit einem Laser und einer Kamera möglich ist, die Profilgeometrie z. B. von Rohren über deren gesamten Umfang und Länge anzugeben.
Gegenüber dem bekannten Verfahren entstehen zum Einen deutlich geringere Investitionskosten, zum Anderen lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren sehr einfach in bereits bestehende Prüfanlagen integrieren, da der benötigte Platz sehr gering ist. Erfindungsgemäß ist das Verfahren so konzipiert, dass für die Messung der Profilgeometrie sowohl das Rohr unter der feststehenden Messeinrichtung rotieren kann oder die Messeinrichtung rotiert um das feststehende Rohr. Wesentlicher Kern der Erfindung ist, dass jetzt die nur von einem Sensor ermittelten Höhenprofile allein durch mathematische Verfahren zu einer der realen Profilgeometrie sehr nahe kommenden Umfangskontur zusammengesetzt werden, auch wenn die absoluten Positionen der einzelnen Profile durch die Relativbewegung des Rohres zueinander signifikant verfälscht sind.
Um bei der Zusammensetzung Lage und Orientierung der einzelnen Umfangssegmente zu rekonstruieren setzt die Erfindung auf Überlappungsbereichen der virtuellen Umfangssegmente auf. Indem endseitig die an den realen Objekten gemessenen Konturen durch Rotation und Translation derart ineinander überführt werden, dass in den Nahtbereichen nur noch kleinste Abweichungen, also Abstände von Datenpunkten, vorhanden sind, wird erreicht, dass Lage und Orientierung der einzelnen Segmente weitestgehend die reale Geometrie des Messobjekts wiedergeben. Das rechnerische Abbild des Messobjekts kann dann automatisch für die gewünschten Zielwerte wie Rundheitsabweichungen vermessen werden.
Die Überlappungsbereiche können dadurch gebildet werden, dass bereits beim getakteten Aufnehmen der Höhenprofile Überlappungen der Aufnahmen auf dem Rohrmantel bestehen. In diesen Überlappungssegmenten wird der Rohrmantel also ganz konkret zweimal bestrahlt und es werden zweimal Höhenwerte desselben Abschnitts des Rohrmantels gemessen, welche die Enden der Höhenprofile bilden. Neben dieser realen doppelten Messung desselben Abschnitts des Rohrmantels können die Überlappungsbereiche auch durch Extrapolation der virtuellen Umfangs- segmente gebildet werden, die aus den real gemessenen Höhendaten gewonnen wurden. D. h., die virtuellen Profillinien werden über ihre Enden hinaus mit rechnerischen Extrapolationsmethoden so verlängert, dass benachbarte Umfangs- segmente in einem Winkelabschnitt überlappen. Diese Überlappung ist nur virtuell bzw. wäre auf einer Bildschirmdarstellung der Datenwerte sichtbar.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird bei Hohlkörpern zusätzlich zur Messung der Außenkontur die Wanddicke über den Umfang z. B. mittels Ultraschall ermittelt und aus den Messdaten der Außenkontur und der Wanddicke die
Innenkontur des Hohlkörpers berechnet. Hierdurch wird es möglich, den Hohlkörper in seiner kompletten Gestalt exakt zu beschreiben.
Nachfolgend werden weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung anhand der dargestellten Figuren näher beschrieben. Die Figuren zeigen im
Einzelnen:
Figur 1 a einen schematischen Messaufbau zur Durchführung des Verfahrens in seitlicher Ansicht,
Figur 1 b einen schematischen Messaufbau zur Durchführung des Verfahrens im Querschnitt,
Figuren 2a - 2d visualisierte Höhenprofile in einem Querschnittskoordinatensystem in verschiedenen Stadien der Messwertverarbeitung,
Figur 3 ein Detail aus Figur 2b in vergrößerter Darstellung und
Figur 4 das Höhenprofil nach Durchführung des Verfahrens. In Figur 1 ist das Messprinzip für eine Profilmessung bei der zweidimensionalen Lichtschnitt-Messung am Beispiel eines zylindrischen Rohres schematisch dargestellt. Die Messung nutzt eine Abbildung der von einem Laser 1 als projizierte Laserlinie 2 fächerförmig bestrahlten Oberfläche des Messobjektes 4 auf den als Kamera ausgebildeten Detektor 3.
Das linke Teilbild zeigt schematisch die Ansicht als Längsschnitt und das rechte Teilbild als Querschnitt bezogen auf die Längsachse des Messobjektes 4. Die
Lichtschnitt-Anordnung von Laser 1 und Kamera sind dabei in der Normalebene in Linie der Längsachse des Messobjektes angeordnet, wobei der Winkel zwischen der Achse des Laserstrahl-Fächers 5 des Lasers 1 und der optischen Achse 6 der Kamera im Längsschnitt der Triangulations-Winkel ist. Das Messobjekt 4 bewegt sich dabei entsprechend den angegebenen Pfeilrichtungen relativ zum Laser 1 und zur Kamera rotatorisch bzw. translatorisch.
Die Laserlinie 2 wird dabei als Teilbereich der Umfangskontur von der Kamera erfasst und in ein Höhenprofil mit umgerechnet, welches durch Lateralkalibrierung auf ein virtuelles Segment abgebildet wird.
Während die Kamera in regelmäßigen Abständen Höhenprofile aufnimmt, dreht sich das Rohr mindestens einmal vollständig unter dem Laser 1 , so dass Höhenprofile von den verschiedenen Umfangs-Positionen auf der kompletten Umfangskontur erfasst werden.
Die Frequenz, d. h. die Bildrate der Kamera, ist gemäß einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens so eingestellt, dass sich die aufgezeichneten Höhenprofile überlappen. Wrd zudem in Längsrichtung des Rohres an sehr vielen Stellen die Umfangsgeomet- rie gemessen, kann so die Profiloberfläche, also die Oberflächenkontur des gesamten Rohres, ermittelt werden.
Über einen Drehgeber, der z. B. die Oberflächenbewegung des Rohres in Umfangs- richtung misst und nach einer festen zurückgelegten Strecke einen Impuls liefert, lässt sich jetzt die absolute Winkelposition der Höhenprofile auf der Umfangskontur bestimmen.
Die aufgezeichneten Höhenprofile werden anschließend durch eine Lateralkalibrie- rung auf virtuellen Segmenten abgebildet, die als eine Menge von Datenpunkten im zweidimensionalen Raum die Höhenprofile beschreiben.
Der nächste Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, die virtuellen Segmente der aufgenommenen Höhenprofile in diejenige Position zu rotieren, die die zugehörigen Höhenprofile physikalisch auf dem jeweiligen Teilbereich der Umfangskontur des Messobjektes einnehmen.
Der Rotationswinkel ist durch die Rotationsgeschwindigkeit des Rohrs bzw. den von außen auf die Rohroberfläche wirkenden Drehgeber und die Messfrequenz der Kamera zwar grundsätzlich bekannt, kann jedoch aufgrund der Relativbewegung des Messobjektes zur Kamera mit signifikanten Fehlern behaftet sein. Aus dem gleichen Grund ist der Punkt, um den die Umfangssegmente jeweils rotiert werden müssen, meist nicht hinreichend genau bekannt. Um diesen Rotationsmittelpunkt zunächst näherungsweise zu bestimmen, wird nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung in jedes virtuelle Segment ein Ausgleichskreis gelegt und daraus der zugehörige Kreismittelpunkt bestimmt. Der errechnete Durchschnittswert der Mittelpunkte der Ausgleichskreise der verschiedenen Segmente wird dann als Zentrum verwendet, um das die einzelnen
Umfangssegmente 11.1 11. n zurückgedreht werden, siehe Figur 2a. Zur
Berechnung des Durchschnittswertes der Mittelpunkte kann z. B. das arithmetische oder geometrische Mittel der Koordinaten oder der Schwerpunkt benutzt werden.
Nach der Rotation der virtuellen Umfangssegmente 1 1.1 11.n um das Zentrum 10 in eine initiale Position und der damit verbundenen annähernd lagerichtigen
Anordnung aller Umfangssegmente 1 1.1 11.n in Bezug auf ein mit dem
Messobjekt 4 in Verbindung zu bringendes Koordinatensystem werden die so angeordneten Umfangssegmente 11.1 11. n im Allgemeinen nicht direkt zusammenpassen, siehe Figur 2a, da ein reales Rohr nie ideal kreisförmig ist und die Berechnung der Ausgleichskreise damit nur näherungsweise stimmt. Außerdem können sich sowohl die Mittelpunkte als auch die Rotationswinkel durch exzentrische Rotation des Rohres oder auch der Treiberrollen, auf denen das Rohr sich dreht, verschieben. Die sich überlappenden Enden der Umfangssegmente 11.1 11. n weisen deshalb im Überlappungsbereich 13.1 13. n einen Abstand zueinander auf.
Ein weiterer wesentlicher Kern des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, in der Auswerteeinheit die virtuellen Umfangssegmente 11.1 11. n so in der Fläche bzw. im Raum zu rotieren und zu verschieben, dass die überlappenden Enden möglichst gut, d. h. möglichst deckungsgleich, aufeinander liegen und so ein
Kurvenverlauf entsteht, der die gesamte reale Umfangskontur beschreibt.
Hierzu wird zunächst die Länge des jeweiligen Überlappungsbereichs zweier benachbarter Segmente, siehe Figur 2b, berechnet, sofern es - wie bereits eingangs beschrieben - am realen Objekt durch Endbereiche zweier benachbarter Höhenprofile doppelt erfasste Zonen gibt. Gab es bei der Messwertaufnahme solche Zonen nicht, werden Überlappungsbereiche durch Extrapolation der zueinander weisenden Enden benachbarter Höhenprofile numerisch gebildet. Die Überlappungsbereiche sind in Figur 2b dicker markiert als die übrigen Linien, welche Umfangssegmente darstellen. In einem weiteren Schritt wird die Distanz von benachbarten Profilen in den
Überlappbereichen berechnet. Hierzu werden die einzelnen Punkte der Profile in den Überlappbereichen einander paarweise zugeordnet und deren gegenseitige
Distanzen passend kumuliert. Für eine solche Zuordnung ist es wichtig, dass die benachbarten Profile in den Überlappbereichen die gleiche Anzahl an Punkten aufweisen und diese möglichst äquidistant verteilt sind. Dies ist bei den ursprünglichen Profilen im Allgemeinen nicht der Fall, da deren Ränder zu den steiler abfallenden Flanken des Rohres gehören und folglich gröber aufgelöst sind (siehe Figur 2c). Dementsprechend werden die Profile noch derart rediskretisiert, dass die zugehörigen Punkte anschließend euklidisch äquidistant angeordnet sind. Dies garantiert, dass in einem Überlappbereich die benachbarten Profile die gleiche Anzahl an Punkten besitzen und diese auch passend paarweise einander zugeordnet werden können (siehe Figur 2d).
Die Rediskretisierung kann sowohl vor als auch nach der Rotation in ihre initiale Position der Segmente erfolgen. Figur 3 zeigt in vergrößerter Darstellung die Endbereiche 12.1 , 12. n zweier
Umfangssegmente 11.1 , 1 1. n. Dargestellt sind hier nur die Datenpunkte im
Überlappbereich. Die Abweichungen in Lage und Orientierung sind zur Verdeutli- chung in der Darstellung der Figur stark überzeichnet.
Erkennbar ist, dass die in der Visualisierung linienförmig erscheinenden Umfangssegmente 1 1.1 , 11. n tatsächlich nur eine Reihe von Datenpunkten 14.1.1 14.1.i,
14.n.1 14.n.i sind. Vorzugsweise sind die Datenpunkte aus Rohdaten gewonnen, bei denen durch ein Filterverfahren die im Aufbau der Messeinheit begründeten Schwankungen herausgefiltert wurden.
Um den Abstand der Überlappungsbereiche der Enden 12.1 , 12. n zu messen, wird eine mathematische Zielfunktion definiert, die genau dann gleich Null ist, wenn die sich überlappenden Bereiche genau aufeinander liegen. Durch eine Minimierung dieser Zielfunktion werden die virtuellen Umfangssegmente 1 1.1 1 1.n so rotiert und verschoben, dass die sich überlappenden Enden 12.1 12. n der Segmente möglichst gut aufeinander liegen. Figur 4 zeigt das Höhenprofil nach Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Vorteilhaft wird der beschriebene Algorithmus in einer Rechnereinheit mittels eines geeigneten Computerprogramms durchgeführt.
Dieses Verfahren kann nun über die Rohrlänge an mehreren Längspositionen wiederholt werden, um eine Konturinformation des gesamten Rohres zu erhalten.
Das Verfahren kann auch bei einer spiralförmigen Relativbewegung des Rohres durchgeführt werden, wenn die Änderung der Kontur des Rohres von einer
Umdrehung zur nächsten geringfügig unterschiedlich ist.
Aus den berechneten Konturdaten können dann vorteilhaft durch weitere Berechnungen Qualitätsparameter wie Ovalität, Durchmesser etc. berechnet werden, die dann als Funktion der Längsposition über die Rohrlänge dargestellt werden. Bezugszeichenliste
1 Laser
2 projizierte Laserlinie
3 Detektor
4 Messobjekt
5 Achse des Laserstrahl-Fächers
6 optische Achse der Kamera 10. Zentrum der Rotation
1 1.1 1 1. n virtuelle Umfangssegmente
12.1 12. n Endbereiche
13.1 13. n Überlappungsbereiche
14.1.1 14.n.i Datenpunkte

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Messung der Profilgeometrie von gekrümmten insbesondere zylindrischen Körpern als Messobjekte (4) mittels zweidimensionalem Lichtschnitt- Verfahren bei dem mittels eines Projektors (1) eine fächerförmige Lichtschnittlinie (2) auf einem Teilbereich der Umfangskontur des Körpers abgebildet und die von der Oberfläche des Körpers reflektierten Strahlen von einem Detektor (3) aufgenommen werden, wobei der Projektor (1) und der Detektor (3) eine Messeinheit bilden und die Messwerte anschließend einer Auswerteeinheit zugeführt werden,
dadurch gekennzeichnet, dass die während der Rotation auf dem Messobjekt (4) gemessenen Höhenprofile der jeweiligen Teilbereiche der Umfangskontur zu einer aus virtuellen Umfangssegmenten der einzelnen Höhenprofile bestehenden
Umfangskontur mit folgenden Schritten zusammengesetzt werden:
a) getaktetes Aufnehmen der Höhenprofile mit einer Anzahl an Höhenwerten, b) Abbilden der Höhenwerte auf die aus Datenpunkten (14.1.1 , 14. n.i) in einem zweidimensionalen Raum bestehenden virtuellen Umfangssegmente (11.1 1 1. n), c) Bestimmung der Winkelposition des jeweiligen Höhenprofils auf der
Umfangskontur des Messobjektes (4),
d) Anordnen der einzelnen Umfangsegmente (1 1.1 1 1.n) in die Positionen, die die zugehörigen Höhenprofile physikalisch auf dem jeweiligen Teilbereich der
Umfangskontur einnehmen mittels Rotation um einen gemeinsamen Rotationspunkt (10) für alle Umfangssegmente (1 1.1 1 1.n),
e) Bestimmung der Überlappungslängen von sich überlappenden Bereichen (12.1 12. n) der Umfangssegmente (11.1 1 1. n),
f) Rotation und Verschiebung der einzelnen Umfangssegmente (11.1 11.n) in der Weise, dass die sich überlappenden Bereiche (12.1 12. n) der Umfangssegmente (11.1 11.n) möglichst deckungsgleich übereinander liegen und hierdurch fehlerhafte Rotationswinkel und Raumpositionen der Segmente korrigiert werden, wobei die Höhenprofile beim getakteten Aufnehmen mit einer Anzahl an Höhenwerten in der Weise aufgenommen werden, dass sich benachbarte Höhenprofile mit ihren Enden teilweise überlappen und/oder die vorhandenen Enden durch Extrapolation verlängert und sich überlappende Endbereiche benachbarter
Umfangssegmente (11.1 1 1.n) gebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame initiale Rotationspunkt für alle Umfangssegmente auf folgende Weise bestimmt wird:
Herstellen eines Ausgleichskreises für jedes Segment und Bestimmung des jeweiligen Kreismittelpunktes,
- Bestimmung eines gemeinsamen Kreismittelpunktes durch Berechnung eines Durchschnittswertes aus allen Kreismittelpunkten.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Rediskretisierung der Höhenprofile in der Weise erfolgt, dass die einzelnen Punkte, aus denen sich das Profil zusammensetzt, euklidisch äquidistant angeordnet sind.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zur Messung der Außenkontur bei Hohlkörpern die Wanddicke mittels eines weiteren Messverfahrens über den Umfang des Messobjektes (4) ermittelt und daraus die Innenkontur berechnet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass aus den gemessenen Konturen ein maximaler, mittlerer und minimaler Durchmesser bestimmt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur an mehreren Längspositionen des Messobjektes (4) bestimmt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die berechneten Durchmesser des Messobjektes (4) als Funktion der Längsposition berechnet werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Berechnungen mittels einer Rechnereinheit durchgeführt werden.
9. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Projektor (1) ein Laser ist und der Detektor (3) eine
Flächenbild-Kamera.
10. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt (4) und die Messeinheit sich nach Messung der Umfangskontur in Form von Höhenprofilen zusätzlich axial zueinander bewegen.
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