WO2007039641A1 - Verfahren zur berührungslosen dynamischen erfassung des profils eines festkörpers - Google Patents

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WO2007039641A1
WO2007039641A1 PCT/EP2006/067113 EP2006067113W WO2007039641A1 WO 2007039641 A1 WO2007039641 A1 WO 2007039641A1 EP 2006067113 W EP2006067113 W EP 2006067113W WO 2007039641 A1 WO2007039641 A1 WO 2007039641A1
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solid
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PCT/EP2006/067113
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Manfred Hoffmann
Michael J. Walter
Dieter Hoffmann
Andreas Brinkmann
Original Assignee
Gutehoffnungshütte Radsatz Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61K—AUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61K9/00—Railway vehicle profile gauges; Detecting or indicating overheating of components; Apparatus on locomotives or cars to indicate bad track sections; General design of track recording vehicles
    • B61K9/12—Measuring or surveying wheel-rims
    • 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 present invention relates to a non-contact method for the dynamic detection of the profile of a solid, in particular for the purpose of determining wear occurring on the solid.
  • model test stands for example from Amsler, Laffon-Eichinger et al.
  • model test stands for example from Amsler, Laffon-Eichinger et al.
  • the transfer of the parameters determined in this way to the specific application encounters the difficulty that the tests can only provide orientation values, since the influencing variables on the wear represent a complex conditional structure, on a model test bench never exactly matches the real conditions. Therefore, tribological investigations on the real object are essential for important applications, but often encounter the problem that a component whose wear is to be examined is removed after a certain period of operation and then, e.g. must be examined with regard to the wear occurring under determination of the surface profile, which is usually associated with a considerable effort.
  • Profile surveys on solids ie, the preparation of profilograms of the surface
  • tactile methods for example using a stylus instrument, the latter being a method based on the contact of a stylus tip with the solid state the measuring range is less than one millimeter and in which, for example, in the centimeter range no measured values can be obtained.
  • the measuring time is several seconds per measuring point and the method is disadvantageously not suitable for a rough measuring environment.
  • topometric 3D measurement For the static detection of solid-state profiles, various non-contact optical methods are known. Such methods and the associated devices are, as described for example in the monograph by Bernd Breuckmann “Image Processing and Optical Measurement", Kunststoff: Franzis', 1993, Chapter 6, also subsumed under the term “topometric 3D measurement”. Laser triangulation is described here as one of the topometric methods, triangulation being taken to mean a measuring method first developed by Snellius in 1615 for ground surveying, in which a measured variable to be determined is determined indirectly from other measured variables using trigonometric relationships.
  • a light spot is projected onto a measurement object by means of a laser.
  • the light reflected from the object is imaged on a light-receiving element, such as a position-sensitive detector.
  • a position-sensitive detector Such detectors are also referred to in English as PSD "position sensitive devices”.
  • PSD position sensitive devices
  • An extension of the laser triangulation represents a known, also described in said monograph method, in which the laser light beam is expanded to a linear band of light, a so-called light section.
  • a planar detector may be used, such as a video camera.
  • the evaluation is again based on the triangulation.
  • Characteristic of this method is a measuring range of profile height from 1 mm to 1 m with a resolution of about 1 to 50 thousandths of this area.
  • the present invention has for its object to provide a non-contact method for dynamic detection of the profile of a solid, of the type described above, which allows short measurement times, at least three orders of magnitude covering measuring range, such as tenths of millimeters, millimeters and centimeters, includes a high accuracy guaranteed and that can be used under rough operating conditions in particular for the determination of wear of components.
  • this is achieved by such a method in which at least one light beam generated by a laser device and expanded to at least one line-shaped light band is projected onto at least one area of the surface of the solid body, wherein the solid body is moved past the laser device and that of the area of the Surface of the solid reflected light in an imaging device whose optical axis is at a fixed triangulation to the projection direction of the laser device and which is arranged at a fixed base distance to the laser device, focused and detected with a relation to a speed of movement of the solid high frequency by means of a surface-shaped light receiving element is, according to which emitted from the light receiving element signals in dependence on the triangulation angle and the base distance in a data processing device by trigonometric relationship the measured values of the profile are obtained and stored in the data processing system as a profilogram, wherein the determination of an image triggering for the signals emitted by the light receiving element for Extraction of the measured values of the profile are selected, takes place in a recording loop.
  • the solid body may be a rotationally symmetrical body, in particular a vehicle wheel, which is a translational one, or preferably a rolling movement, which executes a rolling movement.
  • the method according to the invention thus represents an extremely advantageous possibility to determine profiles of a wheel while passing by and draw conclusions about the wear therefrom.
  • the measured values of the profile under linkage can also be used in a preferred case for distortion-free determination of the profilogram with correction values determined according to the area of the surface of the solid.
  • a plurality of profilograms are determined as partial profilograms using at least three areas of light bands projecting on different sides of the surface of the solid, and the partial profilograms are stored in the data processing system and from this Overall profile is obtained.
  • the at least three regions onto which the light bands are projected can preferably lie on the two cover surfaces and on the lateral surface of the cylinder or ring.
  • the profilogram, the partial profilograms and / or the overall profilogram can then be compared with one or more reference profilograms and the respective deviations from the respective reference profilogram determined, which is a measure of the wear that has occurred or a measure of whether the occurred Wear is still within a tolerable range.
  • the profilogram, the partial profilograms, the overall profilogram, the respective reference profilogram and / or the respective deviations are related to a fixed, long-term invariable basic geometrical variable, such as a non-wearing inner rim circumference.
  • the wear surface can be represented as a development on which the height profile relative to the base size is represented by suitable means of representation.
  • the profilogram, the partial profilograms, the overall profilogram, the respective reference profilogram and / or the respective deviations can be visualized in a display device, such as a display.
  • the basic size can be determined with advantage from at least three measured values, which are also determined by non-contact dynamic measurements on the moving solid, which are made in the same manner as the acquisition of the profilogram or the acquisition of the partial profilograms.
  • the measurements on the moving solid at predetermined time intervals at least three times by means of a single expanded to a linear light band light beam or that the measurements simultaneously by at least three, each expanded to a linear light band light beams at a predetermined distance of the areas Surface of the solid on which the light bands are projected done.
  • the light-receiving elements it is possible with advantage to use digitized signal-providing devices, such as a trigger-controlled CCD camera or position-sensitive device, such as photodiode arrays.
  • digitized signal-providing devices such as a trigger-controlled CCD camera or position-sensitive device, such as photodiode arrays.
  • the light-receiving element is sensitive to the light intensity, while it provides adequate signals in the second case of the amount of light.
  • a distance signal can in particular be provided by a laser distance sensor, which is in particular the light receiving element, after a signal conditioning be provided, ie it can be a determination of states of the solid body, such as the distance to the laser device and a change over time of this distance as a first derivative (speed) and - if accelerated movement - also second derivative of the way after the time (acceleration).
  • a signal conditioning can be a determination of states of the solid body, such as the distance to the laser device and a change over time of this distance as a first derivative (speed) and - if accelerated movement - also second derivative of the way after the time (acceleration).
  • the signal conditioning can thereby find electrical voltages as a result of an analog provision by the laser distance sensor input.
  • wavelength of the generated light band in the range of 400 nm to 1000 nm, in particular in the range of 650 to 700 nm;
  • power of the laser device in the range of 0.5 to 50 mW;
  • a continuous wave (cw) diode for example of a semiconductor material, such as GaAs, AIGaAs, InGaP, GaAsSb, InP, PbSnTe or the like, preferably a VLD (visible laser diode), similar to that used in a laser pointer - a visible light band also facilitates the adjustment of the laser device relative to the solid to be measured.
  • a continuous wave (cw) diode for example of a semiconductor material, such as GaAs, AIGaAs, InGaP, GaAsSb, InP, PbSnTe or the like, preferably a VLD (visible laser diode), similar to that used in a laser pointer - a visible light band also facilitates the adjustment of the laser device relative to the solid to be measured.
  • the following characteristics have proved to be particularly advantageous or optimal for a profilometry for the purpose of wear testing, with a resolution of less than 2.0 for the respectively determined profilogram, the partial profilograms and the overall profilogram mm, in particular less than 0.5 mm, can be achieved.
  • Width of the light band in the range of 0.3 mm to 6.5 mm, in particular in the range of 0.8 mm to 2.2 mm - by divergence occurs with possibly intentionally increasing average working distance (measuring distance) on an enlarged width of the light band, but reduces the accuracy of measurement;
  • Length of the light band in the range of 50 mm to 750 mm, in particular in the range of 200 mm to 400 mm - according to the geometry of the area of the surface of the solid to be measured;
  • Triangulation angle in the range of 15 ° to 40 °, in particular in the range of 20 ° mm to 30 °, an increased angle increases the accuracy but also the risk of inhomogeneous illumination of the surface of the solid and the occurrence of shadowing;
  • Base distance between the imaging device, in particular the center of a focusing lens of the imaging device, and the optical axis laser device in the range of 30 mm to 450 mm, in particular in the range of 60 mm to 270 mm.
  • average working distance of the laser device and / or the imaging device from the area of the surface of the solid on which the light band is projected in the range of 20 mm to 650 mm, in particular in the range of 150 mm to 350 mm;
  • Speed of an optionally translatory movement of the solid less than 3.5 m / s, preferably less than 1.5 m / s;
  • Angular velocity of an optionally rotating movement of the solid-state particle : I less than 15 s ' ⁇ preferably less than 6 s "1 and preferably constant;
  • Frequency with which the light reflected from the surface of the solid light is detected by means of the light receiving element in the range of 25 Hz to 100 kHz, preferably in the range of 1 kHz to 10 kHz.
  • the frequency As far as the frequency is concerned, it must be adapted to the speed of movement of the solid - a higher frequency reduces the influence of the velocity of the solid on the distortion of the signals of the light-receiving element.
  • the correction values determined in accordance with the movement speed which may be, in particular, vectorial factors and / or summands proportional to the nature of the measured values of the profilogram, it is therefore advantageous to correlate the movement speed with the frequency of the Detecting the reflected light done. For the given ranges of the speed of the movement of the solid, advantageously no non-linearities are to be considered.
  • the correction values determined in accordance with the area of the surface of the solid may, in particular, be vectorial factors corresponding to the nature of the measured values of the profile, and / or summands depending on a radius of the rotationally symmetrical body, where the said radius is the same long-term invariable geometric Basis variable that serves as a reference for determining the profilograms.
  • FIG. 3 is a perspective view of a wear test stand for wheels of a rail vehicle, such as railway wheels, wherein the inventive method is used,
  • FIG. 4 shows a detail corresponding to FIG. 3, from a viewing angle selected with respect to the direction of movement from the front to the outside of a wheel,
  • Fig. 5 is a Fig. 3 corresponding detail, but from a respect to the
  • FIG. 6 is a schematic representation of the procedure in the determination of a geometric base size to which a profilogram determined according to the invention can be obtained
  • the light beam is widened to a light band 3, as shown in three-dimensional view Fig. 2.
  • z A of the light band on the surface of the solid 1 is formed by diffuse light scattering (reflected light RL) a measuring spot, which can also be perceived from directions that differ from the determined by the optical axis OO of the laser device 2 incident direction.
  • the measuring spot under the triangulation angle ⁇ is then imaged by a corresponding focusing lens 4 of an imaging device 5 onto a sheet-like light receiving element 6, then depending on the distance of the point of incidence z A a position X A of a minimum value x min and a maximum value x max Image spot on the light receiving element 6 a.
  • the geometry of the structure of the device used for the method according to the invention is determined next to the fixed triangulation angle ⁇ by a fixed base distance B of the optical axis A-A focusing optics 4 of the imaging device 5 to the position of the laser device 2 - determined by the optical axis O-O.
  • H is a distance of the focusing lens 4 of the imaging device 5 to its light receiving element 6, as illustrated in FIG.
  • the relative resolution CIX A / X A of the image spot position depends on the velocity v of the solid in relation to a frequency f at which the reflected light RL is picked up by the image pickup element 6, and the signal noise and the type of the light receiving element 6.
  • the quantity dzA in equation (2) represents an absolute value of the measurement accuracy.
  • the final measured values z B of the profile (denoted by P in FIGS. 1 and 2) are obtained by combining the values Z A with correction values Kv determined in accordance with the movement speed v of the solid 1, which are in particular vectorial, the movement speed v is proportional factors and / or summands.
  • a correlation of the movement speed v with the frequency f of the detection of the reflected light RL takes place.
  • the measuring range Dz and, associated therewith, the measuring accuracy dz A / z A can be freely adjusted simply by the appropriate choice of the geometrical sizes of the structure.
  • the individual devices need not necessarily, as shown in Fig. 1, to be covered by a common housing 7. An enlargement of the measuring range Dz causes a reduction of the measuring accuracy and vice versa.
  • a SONY HCC 400 camera was used as the light receiving element 6. Since the resolution of the size of the measuring range, ie the measuring range Dz, depending, this means for the dimensioning of an apparatus for performing the method according to the invention that the number of detecting camera heads is directly dependent on the required or selected resolution.
  • the system which has hitherto only been considered in two dimensions, is considered in three dimensions. That is, it is worked with a widened to a light band 3 laser beam. This is called a light-section method.
  • the measured values of the profile P determines and in the data processing system as Profilogram PG are stored. Representing such a profilogram PG, in the schematized representation of FIG. 2, is the correspondingly designated polyline on the light-receiving element 6.
  • Profilograms from real measurements are shown in different representations in FIGS. 7 and 8.
  • a commercial line laser module L200 with a line length LB (Fig. 2) of 300 mm and a line width b (Fig. 1) of 1, 5 mm, a laser power of 30 mW and with visible red light (wavelength 680 nm) used.
  • Fig. 3 shows - as also mentioned above - a typical application of the method according to the invention, namely for the determination of wear.
  • the illustration shows a perspective view of a wear test stand 8, which is designed for rolling on rails 9, with a translational speed v and an angular velocity ⁇ over, moving wheels 1a designed as to be measured solid 1.
  • a plurality of profilograms PG as partial profilograms (also referred to in Fig. 7 as PG a , PGb and PG C ) using three, on different sides Di, D 2 , M the regions of the surface of the solid 1 lying light bands 3a, 3b, 3c projecting laser devices 2 and the associated imaging devices 5 are determined.
  • the partial profilograms PG a , PGb and PG C can be found in the Data processing system stored and from an overall profile GPG are obtained.
  • the wheel 1a of the rail vehicle 10 represents a rotationally symmetrical, in the basic shape substantially cylindrical or annular solid 1, wherein the three areas on which the light bands 3a, 3b, 3c are projected on the two cover surfaces Di, D 2 and lie on the lateral surface M of the cylinder or the ring.
  • the three light bands 3a, 3b, 3c need not form a closed polyline for the determination of the overall profileogram GPG. It is also not necessary for the light band 3b projected onto the lateral surface M to extend parallel to the axis of the wheel 1a. A corresponding deviation from the axis parallelism can be compensated for by obtaining the measured values z B of the profile P by linking with correction values Ko determined in accordance with the area of the surface of the solid.
  • Fig. 5 illustrates the first and Fig. 6, the second of the possibilities mentioned around a Radkranzinnenradius R of the wheel 1a as a fixed, long-term immutable geometric base size to which the profilogram PG, the partial profilograms PG a , PGb, PGc and the overall profile GPG are related can determine.
  • the radius R is in both cases determined from at least three measured values zi, Z 2 , Z 3 , which are determined by contactless dynamic measurements on the moving wheel 1a and which are made in the same way as the acquisition of the profilogram PG or the detection subprofiles PG a , PGb, PG C.
  • the non-contact dynamic measurements on the rolling wheel 1a simultaneously by means of at least three, each to a linear band of light 3c1, 3c2, 3c3 expanded light beams at each predetermined intervals N1, N2 of the areas of the surface of the solid 1, to which the light bands 3c1 , 3c2, 3c3 are projected.
  • the non-contact dynamic measurements on the rolling wheel 1a are made at predetermined time intervals ⁇ t at least three times ti, t 2 , t 3 by means of a single light beam expanded to a line-shaped light band 3c.
  • the measurements thus take place unidirectionally, ie with the same orientation of the respective light bands 3c, 3c1, 3c2, 3c3, in each case at three points Si, S2, S3, three measured values zi, Z 2 , z 3 lying on a circular arc of radius R as Ordinatenhong the points Si, S2, S3 are determined in a Cartesian coordinate system.
  • the measurement lengths of the line-shaped light band 3c or 3c1, 3c2, 3c3 can be easily transformed for this assignment such that the measured values zi, Z 2 , Z3 each represent half the length of a chord sh, sl 2 , SI 3 through the circular arc.
  • Each of these measurement values zi, Z 2, Z xi 3 corresponding abscissa values, X2, X3 - of Figure 6, respectively as the three points in time ti, .2, 3 present distances t of the circle center point Mi, M 2, M 3 by the light band.
  • 3c are shown either in the first case from the distances N1, N2 according to FIG.
  • the angular velocity ⁇ can either be fixed or likewise determined by non-contact dynamic measurements on the rolling wheel 1a by means of one or more linear light bands 3. The evaluation is facilitated if the speed, ie on the one hand the rotating and thus on the other hand also the translatory movement of the wheel 1a is constant.
  • the reference radius R of the rolling wheel 1a can be determined from the following equation system after the determination of the measured values zi, Z 2 , Z 3 :
  • R 2 X1 2 + Z 1 2 (3)
  • R 2 X 2 2 + Z 2 2 (4)
  • R 2 X 3 2 + Z 3 2 (5)
  • the quantities R and xi, X 2 and X 3 each represent unknowns therein.
  • the quantity k in equation (6) is a known factor corresponding to the predetermined time intervals ⁇ t or the distances N1, N2 of the areas of the surface of the wheel 1a, of the for the preferred case of constant time intervals ⁇ t or equidistant distances N1, N2 assumes the value 1.
  • the determined radius R can on the one hand serve as a baseline for the measured values Z B of the profile height, which are determined on the lateral surface M of the wheel 1a, on the other hand it is possible to determine this radius R for the determination of correction values Ko corresponding to that of the light band 3 or 3a, 3b, 3c 3c1, 3c2, 3c3 illuminated area of the surface of the solid 1 are taken into account.
  • correction values Ko arises, for example, from the fact that the chords sh, Sl 2 , Sl 3 in FIG. 6 each span different central angles, as a result of which different local profile distortions occur.
  • the central angles are between 0 ° in the first extreme case when the light band 3c forms a tangent to the circumference of the considered circular arc of the wheel 1a and 180 ° in the other extreme case when the light band 3c with the diameter 2R of the considered circular arc of the wheel 1a coincides.
  • the largest chord length sb contains most information about the profile to be determined and has the least local distortion.
  • the overall profile GPG shown in Fig. 7 of a rolling solid 1, in the illustrated case of the wheel 1a, from three of the two top surfaces Di, D 2 and on the lateral surface M simultaneously to a detection time t k certain Operafilogrammen is obtained, wherein the detection time t k of the individual Operafilogramme is selected such that a measured at this detection time t k measured value Z k - in the present case Z 3 - from at least three on a circular arc with the radius R in one of the top surfaces Di, D 2 lying, in each case at successive times ti, t 2 , t 3 and unidirectionally from the respective length LB of the linear band of light 3c, 3c1, 3c2, 3c3 determined measured values zi, Z 2 , Z 3 , each half the length of a Shear sh, Sl 2 , Sl 3 correspond by the arc, takes a maximum.
  • this criterion of the choice of the detection time t k is not limited to three measured values zi, Z 2 , Z 3 .
  • the application of this criterion of the choice of the detection time t k is not limited to three measured values zi, Z 2 , Z 3 .
  • the determined largest half chord length Sl 3 differs less from the radius R or assumes the same value as the radius R.
  • the respective profilogram PG, the partial profilograms PG a , PGb, PGc and / or the overall profilogram GPG are each provided with one or more reference profilograms (s) - in the drawing a reference profilogram BP1 for maximum measured values z B of the profile P and a hostssprofilo- gram BP2 for minimum measured values Z B of the profile P compared and the respective deviations .DELTA.PG can be determined by the respective reference profile BP1, BP2. In the case shown, such deviations occur in the area shown in dash-dotted lines.
  • the reference profilograms BP1, BP2 can preferably be admissible nominal dimensions, but a reference profilogram BP1, BP2 could also be a stored data set of measured values z B from an earlier measurement, so that the respective deviations ⁇ PG provide information about how large the the past measurement has occurred wear.
  • the representation of the profile P in FIG. 7 is only a two-dimensional one, in which the measured values Z B of the profile P are shown as a line vector x, z over the cross section Q of the wheel 1a
  • the illustration of the profile P in FIG 8 shows the three-dimensional character of the method according to the invention.
  • the measured values Z B of the profile P are shown as vectors x, y, z by means of different gray values over the development of the cover surface Di of the wheel 1a determined with the aid of the above-mentioned radius R.
  • the absolute value of the resolution dz A according to equation (2) is less than 0.5 mm, e.g. B. at 0.4 mm.
  • the designated Q marked by encircling line indicates the cross-section shown in Fig. 7 Q of the wheel 1a, wherein at this point - as indicated - the partial profile PG a of FIG. 7 is present.
  • colors can also be used for display.
  • the inventive method advantageously allows the detection of a profile P in an extremely short determination time.
  • a three-dimensional overall profile GPG are created.
  • the program flow chart shown in FIG. 9 for the application of the method according to the invention is particularly tailored to the non-contact detection of the profile of wheels of a rail vehicle, such as railway wheels.
  • a wheel is - as mentioned - provided with the reference numeral 1a shown on the rail vehicle 10 in Fig. 3 by way of example.
  • the program flowchart comprises a pick-up loop 100 for dynamically detecting the profile P of the solid 1 or 1a, which is started after a request 90 from a server for system start-up operations, which in FIG. 9 is indicated by the box marked with the reference numeral 95 are symbolized and may include the activation of a traffic light for the rail vehicle 10, the activation of a trigger for image triggering in the light receiving element 6 and switching on the laser device 2.
  • a distance signal 103 is provided in particular by a laser distance sensor 101, which is in particular the light receiving element 6, after a signal conditioning 102, that is to say a spacing signal 103.
  • a signal conditioning 102 that is to say a spacing signal 103.
  • states of the solid body 1, 1a such as the distance to the laser device 2 and a temporal change of this distance as a first derivative (speed) and - if accelerated movement - also second derivative of the way after the time (acceleration).
  • the signal conditioning 102 can thereby find electrical voltages as a result of an analog provision by the laser distance sensor 101 input.
  • step "signal evaluation" 104 the determination of either - with reference to the method described in connection with FIG. 5 - then takes place according to the determined initial states of the solid 1, 1 a, in particular from the distance signal 103 - a detection time at which three, for three different light bands 3c1, 3c2, 3c3 emitted from the light receiving element 6, further determined to obtain the measured values z B of the profile P signals are first recorded, or - with reference to the method described in connection with FIG. 6 - of at least three times ti, t 2 , t 3 , at which for only one light band 3c emitted from the light receiving element 6 Signals that are subsequently used to obtain the measured values z B of the profile P, are first recorded.
  • each image triggering 106A, 106B, 106C takes place.
  • the captured images can be stored in a frame buffer, d. H. a, preferably cyclically operating, sequential image memory, for. As the camera, cached.
  • the image triggering 106A, 106B, 106C should preferably take place with the criterion of the greatest possible proximity to time at the time at which the initial states of the solid state 1, 1a were determined, since the signals present in each case are more advantageous for the signal evaluation in this case Differ only slightly, d. H. in particular, the distance from the laser device 2 has changed only slightly.
  • the signal evaluation 104 preferably of the distance signal 103, can be carried out in particular by means of a so-called “Easy Logic”, which can be advantageously integrated into an existing data processing device "Easy Logic” is understood to mean a programmable device which allows various Configure time-based logical sequences.
  • Such devices which can also be subsumed under the name PLD - Programmable Logic Devices - or in particular under the name SPLD - Simple Programmable Logic Devices - allow a user with the help of suitable software, preferably a Relay Ladder Logic, - for example by a Programming in the system (InSystem-Programming, ISP) - a desired predetermined logical and temporal relation between one or more inputs, in the present case in particular the distance signal 103, and one or more outputs, in the present case in particular the initiators 105A, 105B, 105C.
  • suitable software preferably a Relay Ladder Logic, - for example by a Programming in the system (InSystem-Programming, ISP) - a desired predetermined logical and temporal relation between one or more inputs, in the present case in particular the distance signal 103, and one or more outputs, in the present case in particular the initiators 105A, 105B, 105C.
  • This time range can be, for example, an area in which the according to the Area of the surface of the solid 1, 1a certain correction values Ko and / or according to the speed of movement v of the solid 1, 1a certain correction values Kv - preferably as fixed values, ie without dynamization - have their validity.
  • the use of Easy Logic leads to a reduced expenditure on equipment (printed circuit boards, connectors, connections) and to a reduced installation effort (wiring, bonding) in circuit production and to a more compact possible construction.
  • the image matrix 107 which is present as a result of the image selection IS and representative of the measured values Z B of the profile P, is stored - preferably with the respectively associated values of the distance or measuring location and / or time, eg at one of the times t i, 2 or 3 - at the same time, the resetting 109 of a timer is performed at the same time as described by the recording loop 100.
  • the termination criteria for the processes in the receiving loop 100 are the condition checks illustrated by the boxes labeled 110 and 111. On the one hand, it is checked (box 110) whether the timer is already running for more than 10 seconds and, on the other hand, whether all the axles of the rail vehicle 10 have been picked up (box 111). If one of these conditions applies, the image acquisition is stopped (box 112). The question of whether the timer is already running for more than 10 s, aims to determine whether the solid 1 or 1a may have come to a standstill. After stopping 112 image capture, the stored image data 108 may be sent to the server (box 113).
  • the present invention is not limited to the exemplary embodiment illustrated, but includes all means and measures which have the same effect in the sense of the invention. So there is another possibility in the application of so-called strip projection method using structured or coded illumination. These methods are likewise based on the triangulation principle, wherein the entire solid body 1 is illuminated by a projector corresponding to the laser device 2 with a mathematically predetermined light pattern. During the recording, the light pattern is changed in a certain way so that it is possible to determine from the resulting intensity distribution of the recorded image on the topography.
  • suitable software modules can be used for the execution of all arithmetic operations - such as those of the specified equations (1) to (6) in the data processing device.
  • the invention is not limited to the feature combination defined in claim 1, but may also be defined by any other combination of certain features of all individually disclosed features. This means that in principle virtually every individual feature of claim 1 can be omitted or replaced by at least one individual feature disclosed elsewhere in the application. In this respect, the claim 1 is to be understood only as a first formulation attempt for an invention. reference numeral
  • 107A, 107B, 107C are image matrices of 106A, 106B, 106C
  • Di 1 D 2 cover areas of 1, 1a f frequency
  • N1 N2 distances between 3c1, 3c2, 3c3

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen dynamischen Erfassung des Profils (P) eines Festkörpers (1), wobei mindestens ein von einer Lasereinrichtung (2) erzeugter, zu mindestens einem linienförmigen Lichtband (3) aufgeweiteter Lichtstrahl auf die bewegte Oberfläche des Festkörpers (1) projiziert wird und das von der Oberfläche des Festkörpers (1, 1a) reflektierte Licht (RL) in einer Abbildungseinrichtung (5), deren optische Achse in einem festen Triangulationswinkel zur Projektionsrichtung der Lasereinrichtung (2) steht und die in einem festen Basisabstand zur Lasereinrichtung (2) angeordnet ist, fokussiert und mit einer gegenüber einer Bewegungsgeschwindigkeit (v) des Festkörpers (1) hohen Frequenz mittels eines flächenförmigen Lichtaufnahmeelementes (6) erfasst wird, wonach aus von dem Lichtaufnahmeelement (6) abgegebenen Signalen, in Abhängigkeit von dem Triangulationswinkel und dem Basisabstand (B) in einer Datenverarbeitungseinrichtung durch trigonometrische Beziehungen und unter Verknüpfung mit entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit (v) des Festkörpers (1) bestimmten Korrekturwerten die Messwerte des Profils (P) gewonnen und in der Datenverarbeitungseinrichtung als Profilogramm (PG) gespeichert werden, wobei die Bestimmung einer Bildauslösung (106A, 106B, 106C), für die vom Lichtaufnahmeelement (6) abgegebene Signale zur Gewinnung der Messwerte (zB) des Profils (P) ausgewählt werden, in einer Aufnahmeschleife (100) erfolgt.

Description

Gutehoffnungshütte Radsatz GmbH, Gartenstraße 40, D-46145 Oberhausen
Verfahren zur berührungslosen dynamischen Erfassung des Profils eines Festkörpers
Die vorliegende Erfindung betrifft ein berührungsloses Verfahren zur dynamischen Erfassung des Profils eines Festkörpers, insbesondere zum Zweck einer Bestimmung von an dem Festkörper aufgetretenen Verschleiß.
Zur Verschleißermittlung werden häufig sogenannte Modellprüfstände (z.B. nach Amsler, Laffon-Eichinger u.a.) eingesetzt, auf denen Probekörper der Materialien, die in einer bei einem bestimmten Anwendungsfall auftretenden Reibpaarung hinsichtlich ihrer tribologischen Eigenschaften getestet werden. Die Übertragung der auf solche Weise ermittelten Kenngrößen auf den konkreten Anwendungsfall, beispielsweise auf Reibkörper sehr viel größerer Dimension als die der Testkörper, stößt jedoch auf die Schwierigkeit, dass die Tests nur Orientierungswerte liefern können, da die Einflussgrößen auf den Verschleiß ein komplexes Bedingungsgefüge darstellen, das auf einem Modellprüfstand nie genau den realen Gegebenheiten entspricht. Daher sind tribologische Untersuchungen am realen Objekt für wichtige Anwendungsfälle unumgänglich, stoßen aber oft auf das Problem, dass, ein Bauteil, dessen Verschleiß untersucht werden soll, nach einer gewissen Betriebsdauer ausgebaut und dann z.B. hinsichtlich des aufgetretenen Verschleißes unter Ermittlung des Oberflächenprofils untersucht werden muss, was in der Regel mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.
Profilerfassungen an Festkörpern, d.h. Erstellungen von Profilogrammen der Oberfläche, können bekanntermaßen mittels taktiler Verfahren, beispielsweise unter Einsatz eines Tastschnittgerätes, durchgeführt werden, wobei es sich bei Letzterem um ein auf der Berührung einer Tastspitze mit dem Festkörper beruhendes Verfahren handelt, bei dem der Messbereich unter einem Millimeter liegt und bei dem beispielsweise im Zentimeterbereich keine Messwerte gewonnen werden können. Die Messzeit liegt dabei bei mehreren Sekunden pro Messpunkt und das Verfahren ist für eine rauhe Messumgebung nachteiligerweise nicht geeignet.
Zur statischen Erfassung von Festkörperprofilen sind auch verschiedene berührungslos arbeitende optische Verfahren bekannt. Derartige Verfahren und die dazugehörigen Vorrichtungen werden, wie beispielsweise in der Monographie von Bernd Breuckmann "Bildverarbeitung und optische Meßtechnik", München: Franzis', 1993, Kapitel 6 beschrieben ist, auch unter dem Begriff "Topometrische 3D-Meßtechnik" subsumiert. Als eines der topometrischen Verfahren wird dabei die Laser-Triangulation beschrieben, wobei unter Triangulation ein von Snellius 1615 erstmals zur Erdvermessung entwickeltes Messverfahren zu verstehen ist, bei dem eine zu ermittelnde Messgröße indirekt aus anderen Messgrößen unter Anwendung trigonometrischer Beziehungen bestimmt wird.
Bei der Laser-Triangulation wird mittels eines Lasers ein Lichtpunkt auf ein Messobjekt projiziert. Das vom Objekt reflektierte Licht, insbesondere Streulicht, wird auf einem Lichtaufnahmeelement, wie einem positionsempfindlichen Detektor, abgebildet. Derartige Detektoren werden im englischen Sprachgebrauch auch als PSD - "position sensitive devices" bezeichnet. Aus der Geometrie des optischen Aufbaus sowie dem Winkel zwischen Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtung bestimmt man durch Triangulation die Lage, insbesondere die Höhenlage, des betrachteten Objektpunktes. Laser-Triangulations-Methoden gestatten heute die Durchführung von berührungslosen Messungen im Entfernungsbereich bis zu einigen Metern mit Tiefenauflösungen bis in den μm-Bereich.
Eine Erweiterung der Laser-Triangulation stellt ein bekanntes, ebenfalls in der genannten Monographie beschriebenes Verfahren dar, bei dem der Laser-Lichtstrahl zu einem linienförmigen Lichtband, einem sogenannten Lichtschnitt, aufgeweitet wird. Zur Erfassung des reflektierten Lichtes kann dabei ein flächenförmiger Detektor eingesetzt werden, wie beispielsweise eine Videokamera. Die Auswertung erfolgt wiederum unter Zugrundelegung der Triangulation. Charakteristisch für dieses Verfahren ist ein Messbereich der Profilhöhe von 1 mm bis zu 1 m bei einer Auflösung von etwa 1 bis zu 50 Tausendstel dieses Bereiches. In der genannten Monographie wird eine grundsätzliche Eignung des Lichtschnitt-Verfahrens für den Einsatz bei kontinuierlich bewegten Objekten postuliert, zu den Einsatzmöglichkeiten und Grenzen sind jedoch keine Angaben enthalten. Ein Verfahren zur dynamischen, d.h. Echtzeit-Erfassung des Profils eines bewegten Festkörpers stößt jedoch in der Praxis auf das Problem, dass durch die Bewegung der zu vermessenden Oberfläche Verzerrungen auftreten, die eine Vorgehensweise unter Einsatz der klassischen Triangulationsverfahren unmöglich machen, da solchermaßen keine der Realität entsprechenden Messwerte gewonnen werden können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein berührungsloses Verfahren zur dynamischen Erfassung des Profils eines Festkörpers, der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das kurze Messzeiten gestattet, einen mindestens drei Größenordnungen überdeckenden Messbereich, wie Zehntelmillimeter, Millimeter und Zentimeter, umfasst, eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet und das unter rauhen Betriebsbedingungen insbesondere zur Verschleißbestimmung von Bauteilen einsetzbar ist.
Erfindungsgemäß wird dies durch ein solches Verfahren erreicht, bei dem mindestens ein von einer Lasereinrichtung erzeugter, zu mindestens einem linienförmigen Lichtband aufgeweiteter Lichtstrahl auf mindestens einen Bereich der Oberfläche des Festkörpers projiziert wird, wobei der Festkörper an der Lasereinrichtung vorbeibewegt wird und das von dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers reflektierte Licht in einer Abbildungseinrichtung, deren optische Achse in einem festen Triangulationswinkel zur Projektionsrichtung der Lasereinrichtung steht und die in einem festen Basisabstand zur Lasereinrichtung angeordnet ist, fokussiert und mit einer gegenüber einer Bewegungsgeschwindigkeit des Festkörpers hohen Frequenz mittels eines flächenför- migen Lichtaufnahmeelementes erfasst wird, wonach aus von dem Lichtaufnahmeelement abgegebenen Signalen in Abhängigkeit von dem Triangulationswinkel und dem Basisabstand in einer Datenverarbeitungseinrichtung durch trigonometrische Beziehungen die Messwerte des Profils gewonnen und in der Datenverarbeitungsanlage als Profilogramm gespeichert werden, wobei die Bestimmung einer Bildauslösung, für die vom Lichtaufnahmeelement abgegebene Signale zur Gewinnung der Messwerte des Profils ausgewählt werden, in einer Aufnahmeschleife erfolgt.
Bei dem Festkörper kann es sich dabei um einen eine translatorische eine rotierende oder bevorzugt um einen eine rollende Bewegung ausführenden rotationssymmetrischen Körper, insbesondere um ein Fahrzeugrad, handeln. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt damit eine äußerst vorteilhafte Möglichkeit dar, Profile eines Rades während der Vorbeifahrt zu bestimmen und daraus Rückschlüsse über den Verschleiß zu ziehen.
Zusätzlich zu einer möglichen Verknüpfung der Messwerte mit entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit des Festkörpers bestimmten Korrekturwerten, die vorteilhafterweise eine nicht durch die Geschwindigkeit "verwischte" Profilbestimmung gestatten, können insbesondere in dem als bevorzugt genannten Fall für eine verzerrungsfreie Ermittlung des Profilogramms auch die Messwerte des Profils unter Verknüpfung mit entsprechend dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers bestimmten Korrekturwerten gewonnen werden.
Im Sinne einer vollständigen Profilerfassung ist es von Vorteil, wenn mehrere Profilogramme als Teilprofilogramme unter Einsatz von mindestens drei, auf verschiedene Seiten der Oberfläche des Festkörpers liegende Bereiche Lichtbänder projizierenden Lasereinrichtungen und diesen zugeordneten Abbildungseinrichtungen bestimmt werden, die Teilprofilogramme in der Datenverarbeitungsanlage gespeichert werden und daraus ein Gesamtprofilogramm gewonnen wird. Bei einem in der Grundgestalt im wesentlichen zylindrischen oder ringförmigen Festkörper, wie einem Fahrzeugrad, können die mindestens drei Bereiche, auf die die Lichtbänder projiziert werden, dabei bevorzugt auf den beiden Deckflächen und auf der Mantelfläche des Zylinders oder Ringes liegen. Das Profilogramm, die Teilprofilogramme und/oder das Gesamtprofilogramm können dann mit jeweils mit einem oder mehreren Bezugs- profilogrammen verglichen und die jeweiligen Abweichungen von dem jeweiligen Bezugsprofilogramm festgestellt werden, was ein Maß für den aufgetretenen Verschleiß darstellt bzw. ein Maß dafür, ob der aufgetretene Verschleiß noch in einem tolerierbaren Bereich liegt. Unter Zuhilfenahme korrelativer Verknüpfungen zwischen der aufgetretenen Beanspruchungsdauer des Festkörpers und dem festgestellten Verschleiß kann in diesem Zusammenhang auch eine extrapolierende Aussage darüber getroffen werden, wie lange eine weitere Beanspruchungsdauer noch unbedenklich bzw. wann eine erneute Prüfung notwendig erscheint.
Des weiteren ist es von Vorteil, wenn das Profilogramm, die Teilprofilogramme, das Gesamtprofilogramm, das jeweilige Bezugsprofilogramm und/oder die jeweiligen Abweichungen auf eine feste, langzeitlich unveränderliche geometrische Basisgröße, wie einen nichtverschleißenden Radkranzinnenumfang, bezogen werden. Auf diese Weise kann beispielsweise die Verschleißfläche als eine Abwicklung dargestellt werden, auf der das Höhenprofil gegenüber der Basisgröße durch geeignete Darstellungsmittel abgebildet wird. Z.B. können das Profilogramm, die Teilprofilogramme, das Gesamtprofilogramm, das jeweilige Bezugsprofilogramm und/oder die jeweiligen Abweichungen in einer Anzeigevorrichtung, wie einem Display, visualisiert werden.
Die Basisgröße kann dabei mit Vorteil aus mindestens drei Messwerten ermittelt werden, die ebenfalls durch berührungslose dynamische Messungen am bewegten Festkörper ermittelt werden, welche in der gleichen Art vorgenommen werden wie die Erfassung des Profilogramms bzw. die Erfassung der Teilprofilogramme. Hierzu besteht entweder die Möglichkeit, dass die Messungen am bewegten Festkörper in vorgegebenen Zeitintervallen zu mindestens drei Zeitpunkten mittels eines einzigen zu einem linienförmigen Lichtband aufgeweiteten Lichtstrahles oder dass die Messungen gleichzeitig mittels mindestens dreier, jeweils zu einem linienförmigen Lichtband aufgeweiteter Lichtstrahlen bei vorgegebenen Abstand der Bereiche der Oberfläche des Festkörpers, auf die die Lichtbänder projiziert werden, erfolgen.
Als Lichtaufnahmeelemente können mit Vorteil digitalisierte Signale liefernde Vorrichtungen, wie eine trigger-gesteuerte CCD-Kameras oder positionsempfindliche Detektoren (position sensitive device), wie Fotodiodenfelder, eingesetzt werden. Im ersten Fall ist dabei zu beachten, dass das Lichtaufnahmeelement empfindlich gegenüber der Lichtintensität ist, während es im zweiten Fall der Lichtmenge adäquate Signale liefert.
In der erfindungsgemäß vorgesehenen Aufnahmeschleife kann dabei durch einen Laserdistanzsensor, bei dem es sich insbesondere um das Lichtaufnahmeelement handelt, nach einer Signalkonditionierung insbesondere ein Abstandssignal bereitgestellt werden, d. h. es kann eine Ermittlung von Zuständen des Festkörpers erfolgen, wie des Abstandes zur Lasereinrichtung und einer zeitlichen Veränderung dieses Abstandes als erste Ableitung (Geschwindigkeit) und - bei gegebenenfalls beschleunigter Bewegung - auch zweite Ableitung des Weges nach der Zeit (Beschleunigung). In die Signalkonditionierung können dabei elektrische Spannungen als Ergebnis einer analogen Bereitstellung durch den Laserdistanzsensor Eingang finden.
Was die erfindungsgemäß eingesetzte Lasereinrichtung betrifft, so haben sich folgende Charakteristika als besonders vorteilhaft erwiesen:
unter dem Aspekt einer hohen Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und einer hohen Messgenauigkeit: Wellenlänge des erzeugten Lichtbandes im Bereich von 400 nm bis 1000 nm, insbesondere im Bereich von 650 bis 700 nm;
ebenfalls unter diesem Aspekt: Leistung der Lasereinrichtung im Bereich von 0,5 bis 50 mW;
unter dem Aspekt einer hohen Arbeitssicherheit (Laserklasse 2 nach DIN EN 60825-1 :2001-11): Wellenlänge des Lichtbandes im sichtbaren Bereich und Grenzwert der zugänglichen Strahlung (GZS) der Lasereinrichtung geringer als 1 mW - hierbei ist zu beachten dass bei einer Laserleistung, die höher liegt als 1 mW, durch geeignete Maßnahmen der Grenzwert der zugänglichen Strahlung auf den geforderten Wert abgesenkt werden kann;
unter dem Aspekt der Aufwandsminimierung für das Verfahren (Kosten): Einsatz einer cw- (continous-wave-) Festkörperdiode, beispielsweise aus einem Halbleitermaterial, wie GaAs, AIGaAs, InGaP, GaAsSb, InP, PbSnTe o.a., bestehend, vorzugsweise einer VLD (visible laser diode), ähnlich wie sie in einem Laserpointer zum Einsatz kommt - ein sichtbares Lichtband erleichtert zudem die Justierung der Lasereinrichtung relativ zum zu vermessenden Festkörper. Was die Messbedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft, so haben sich folgende Charakteristika als besonders vorteilhaft bzw. optimal für eine Profilometrie zum Zweck der Verschleißprüfung erwiesen, wobei für das jeweils ermittelte Profi- logramm, die Teilprofilogramme und das Gesamtprofilogramm eine Auflösung von weniger als 2,0 mm, insbesondere von weniger als 0,5 mm, erzielt werden kann.
Breite des Lichtbandes: im Bereich von 0,3 mm bis 6,5 mm, insbesondere im Bereich von 0,8 mm bis 2,2 mm - durch Divergenz tritt mit gegebenenfalls gewollt zunehmendem mittleren Arbeitsabstand (Messabstand) eine vergrößerte Breite des Lichtbandes auf, die aber die Messgenauigkeit verringert;
Länge des Lichtbandes: im Bereich von 50 mm bis 750 mm, insbesondere im Bereich von 200 mm bis 400 mm - entsprechend der Geometrie des zu vermessenden Bereiches der Oberfläche des Festkörpers;
Triangulationswinkel: im Bereich von 15° bis 40°, insbesondere im Bereich von 20° mm bis 30°, ein vergrößerter Winkel erhöht die Messgenauigkeit aber auch die Gefahr von inhomogener Ausleuchtung der Oberfläche des Festkörpers und dem Auftreten von Abschattungen;
Basisabstand zwischen der Abbildungseinrichtung, insbesondere dem Mittelpunkt einer fokussierenden Linse der Abbildungseinrichtung, und der optischen Achse Lasereinrichtung im Bereich von 30 mm bis 450 mm, insbesondere im Bereich von 60 mm bis 270 mm.
mittlerer Arbeitsabstand der Lasereinrichtung und/oder der Abbildungseinrichtung von dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers, auf die das Lichtband projiziert wird: im Bereich von 20 mm bis 650 mm, insbesondere im Bereich von 150 mm bis 350 mm;
Geschwindigkeit einer gegebenenfalls translatorischen Bewegung des Festkörpers: kleiner als 3,5 m/s, vorzugsweise kleiner als 1 ,5 m/s; Winkelgeschwindigkeit einer gegebenenfalls rotierenden Bewegung des Festkköörrppeerrss:: I kleiner als 15 s'\ vorzugsweise kleiner als 6 s"1 und vorzugsweise konstant;
Frequenz, mit der das von der Oberfläche des Festkörpers reflektierte Licht mittels des Lichtaufnahmeelementes erfasst wird: im Bereich von 25 Hz bis 100 kHz, vorzugsweise im Bereich von 1 kHz bis 10 kHz.
Was die Frequenz betrifft, so muss diese auf die Bewegungsgeschwindigkeit des Festkörpers abgestimmt sein - eine höhere Frequenz verringert den Einfluss der Geschwindigkeit des Festkörpers auf die Verzerrung der Signale des Lichtaufnahmeelementes. Zur Bestimmung der entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit ermittelten Korrekturwerte, bei denen es sich insbesondere um der Natur der Messwerte des Profi- logramms entsprechende vektorielle, der Bewegungsgeschwindigkeit proportionale Faktoren und/oder Summanden handeln kann, kann daher mit Vorteil eine korrelative Verknüpfung der Bewegungsgeschwindigkeit mit der Frequenz der Erfassung des reflektierten Lichtes erfolgen. Für die angegebenen Bereiche der Geschwindigkeit der Bewegung des Festkörpers sind dabei vorteilhafterweise keine Nichtlinearitäten zu beachten.
Die entsprechend dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers bestimmten Korrekturwerte können insbesondere der Natur der Messwerte des Profils entsprechende vektorielle, in Abhängigkeit von einem Radius des rotationssymmetrischen Körpers bestimmte Faktoren und/oder Summanden sein, wobei es sich bei dem genannten Radius um die gleiche langzeitlich unveränderliche geometrische Basisgröße handeln kann, die als Bezugsgröße zur Ermittlung der Profilogramme dient.
Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung enthalten.
Anhand eines durch die beiliegende Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen Fig. 1 in einer schematisierten Seitenansicht, eine Prinzipdarstellung zur
Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 2 in einer schematisierten perspektivische Ansicht, eine weitere prinzipielle
Darstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Verschleißprüfstandes für Räder eines Schienenfahrzeugs, wie Eisenbahnräder, wobei das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung findet,
Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Einzelheit, aus einem hinsichtlich der Bewegungsrichtung von vorn auf die Außenseite eines Rades gewählten Blickwinkel,
Fig. 5 eine Fig. 3 entsprechende Einzelheit, jedoch aus einem hinsichtlich der
Bewegungsrichtung von hinten auf die Innenseite eines Rades gewählten Blickwinkel,
Fig. 6 eine schematisierte Darstellung zur Verfahrensweise bei der Ermittlung einer geometrischen Basisgröße, auf die eine erfindungsgemäß ermitteltes Profilogramm bezogen werden kann,
Fig. 7 und 8 Darstellungen von erfindungsgemäß ermittelten Profilogrammen,
Fig. 9 einen Programmablaufplan zur Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets auch mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sie in der Regel auch jeweils nur einmal beschrieben werden.
Wie zunächst Fig. 1 in hinsichtlich des Messobjektes, eines mit der Geschwindigkeit v bewegten Festkörpers 1 , in zweidimensionaler Darstellung zeigt, wird entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren ein von einer Lasereinrichtung 2 ausgehender Lichtstrahl mittels einer nicht dargestellten Optik so fokussiert, dass in einem Messbereich Dz, der sich aus der Differenz eines maximal Messbaren Wertes zmax und eines minimal Messbaren Wertes zmin der Tiefe bzw. der Profilhöhe z ergibt, die Breite b des Strahls in einem vorgegebenen Bereich liegt. Der Lichtstrahl ist dabei zu einem Lichtband 3 aufgeweitet, wie dies in dreidimensionaler Darstellung Fig. 2 zeigt.
Am Auftreffort zA des Lichtbandes auf die Oberfläche des Festkörpers 1 bildet sich durch diffuse Lichtstreuung (reflektiertes Licht RL) ein Messfleck, der auch aus Richtungen wahrgenommen werden kann, die von der durch die optische Achse O-O der Lasereinrichtung 2 bestimmten Einfallsrichtung abweichen.
Wird nun der Messfleck unter dem Triangulationswinkel φ von einer entsprechenden fokussierenden Linse 4 einer Abbildungseinrichtung 5 auf ein flächenförmiges Lichtaufnahmeelement 6 abgebildet, so stellt sich je nach der Entfernung des Auftreffortes zA zwischen einem Minimalwert xmin und einem Maximalwert xmax eine Lage XA des Bildflecks auf dem Lichtaufnahmeelement 6 ein.
Die Geometrie des Aufbaus der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Einrichtung wird dabei neben dem fest eingestellten Triangulationswinkel φ durch einen festen Basisabstand B der optischen Achse A-A der fokussierenden Optik 4 der Abbildungseinrichtung 5 zur Position der Lasereinrichtung 2 - festgelegt durch deren optische Achse O-O - bestimmt.
Unter Anwendung trigonometrischer Beziehungen kann aus der gemessenen Bildfleckposition xA die Entfernung des Auftreffortes zA, d.h. der Abstand der Oberfläche des Festkörper 1 von der Lasereinrichtung 2 gemäß der Gleichung
ZA = H / (1 - B / XA) (1)
bestimmt werden, wobei H ein Abstand der fokussierenden Linse 4 der Abbildungseinrichtung 5 zu deren Lichtaufnahmeelement 6 ist, wie dies Fig. 1 veranschaulicht.
Die relative Messgenauigkeit dzA / zA ergibt sich dabei zu CIZA / ZA = 1 / (1 - XA / B) * CIXA / XA (2),
wobei die relative Auflösung CIXA / XA der Bildfleckposition von der Geschwindigkeit v des Festkörpers in Relation zu einer Frequenz f, mit der das reflektierte Licht RL vom Bildaufnahmeelement 6 aufgenommen wird, sowie vom Signalrauschen und der Art des Lichtaufnahmeelementes 6 abhängt. Die Größe dzA in Gleichung (2) stellt dabei einen Absolutwert der Messgenauigkeit dar.
Zur Erhöhung der Auflösung werden die endgültigen Messwerte zB des Profils (in Fig. 1 und 2 mit P bezeichnet) unter Verknüpfung der Werte ZA mit entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit v des Festkörpers 1 bestimmten Korrekturwerten Kv gewonnen, bei denen es sich insbesondere um vektorielle, der Bewegungsgeschwindigkeit v proportionale Faktoren und/oder Summanden handelt. Dabei erfolgt zur Bestimmung der entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit v ermittelten Korrekturwerte Kv eine korrelative Verknüpfung der Bewegungsgeschwindigkeit v mit der Frequenz f der Erfassung des reflektierten Lichtes RL.
Durch eine Veränderung der vorstehend beschriebenen Geometrie, insbesondere des Basisabstands B, des Triangulationswinkels φ und/oder eines mittleren Arbeitsabstands (in Fig. 1 durch die Länge L veranschaulicht) der Abbildungseinrichtung 5 bzw. der Lasereinrichtung 2 von dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers 1 , auf die das Lichtband 3 projiziert wird, kann vorteilhafterweise der Messbereich Dz und damit zusammenhängend die Messgenauigkeit dzA / zA einfach durch die passende Wahl der geometrischen Größen des Aufbaus frei eingestellt werden. Die einzelnen Einrichtungen brauchen dabei nicht notwendigerweise, wie in Fig. 1 dargestellt, durch ein gemeinsames Gehäuse 7 umfasst sein. Eine Vergrößerung des Messbereichs Dz bewirkt dabei eine Verringerung der Messgenauigkeit und umgekehrt.
In der dargestellten Ausführung wurde als Lichtaufnahmeelement 6 eine SONY- Kamera HCC 400 eingesetzt. Da die Auflösung von der Größe des Messbereiches, also vom Messbereich Dz, abhängig ist, bedeutet dies für die Dimensionierung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass die Anzahl der erfassenden Kameraköpfe unmittelbar von der erforderlichen oder gewählten Auflösung abhängig ist. Zur Aufnahme der Topographie eines dreidimensionalen Festkörpers 1 wird, wie bereits erwähnt und in Fig. 2 dargestellt, das bislang nur zweidimensional betrachtete System in drei Dimensioen betrachtet. Das heisst, es wird mit einem zu einem Lichtband 3 aufgeweiteten Laserstrahl gearbeitet. Man spricht von einem Lichtschnittverfahren. Nachdem das reflektierte Licht RL von dem flächenförmigen Lichtaufnahmeelement 6 erfasst wurde und aus von dem Lichtaufnahmeelement 6 abgegebenen Signalen unter Berücksichtigung des Triangulationswinkels φ und des Basisabstands B in einer nicht dargestellten Datenverarbeitungseinrichtung, wie einem PC, die Messwerte des Profils P bestimmt und in der Datenverarbeitungsanlage als Profilogramm PG gespeichert werden. Stellvertretend für ein solches Profilogramm PG steht in der schematisierten Darstellung von Fig. 2 der entsprechend bezeichnete Linienzug auf dem Lichtaufnahmeelement 6. Profilogramme aus realen Messungen sind in unterschiedlichen Darstellungsarten in Fig. 7 und 8 gezeigt.
Als auf die auf der Oberfläche des Festkörpers 1 liegende Bereiche Lichtbänder 3 projizierenden Lasereinrichtung 2 wurde ein handelsüblicher Linienlasermodul L200 mit einer Linienlänge LB (Fig. 2) von 300 mm und einer Linienbreite b (Fig. 1) von 1 ,5 mm, einer Laserleistung von 30 mW und mit sichtbarem roten Licht (Wellenlänge 680 nm) eingesetzt.
Fig. 3 zeigt - wie ebenfalls bereits erwähnt - eine typische Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und zwar zur Verschleißbestimmung. Die Darstellung gibt eine perspektivische Ansicht eines Verschleißprüfstandes 8 wieder, der für auf Schienen 9 rollende, mit einer translatorischen Geschwindigkeit v und einer Winkelgeschwindigkeit ω vorbei bewegte, Räder 1a als zu vermessende Festkörper 1 , konzipiert ist.
Aus der zeichnerischen Darstellung ist ersichtlich, dass es bei diesem Verschleißprüfstand 8 vorgesehen ist, mehrere Profilogramme PG als Teilprofilogramme (in Fig. 7 auch als PGa, PGb und PGC bezeichnet) unter Einsatz von drei, auf verschiedene Seiten Di, D2, M der Oberfläche des Festkörpers 1 liegende Bereiche Lichtbänder 3a, 3b, 3c projizierenden Lasereinrichtungen 2 und diesen zugeordneten Abbildungseinrichtungen 5 bestimmt werden. Die Teilprofilogramme PGa, PGb und PGC können in der Datenverarbeitungsanlage gespeichert und daraus ein Gesamtprofilogramm GPG gewonnen werden.
Das Rad 1a des Schienenfahrzeugs 10 stellt einen rotationssymmetrischen, in der Grundgestalt im wesentlichen zylindrischen bzw. ringförmigen Festkörper 1 , dar, wobei die drei Bereiche, auf die die Lichtbänder 3a, 3b, 3c projiziert werden, auf den beiden Deckflächen Di, D2 und auf der Mantelfläche M des Zylinders bzw. des Ringes liegen. Wie Fig. 3 und im Detail Fig. 4 und 5 zeigen, brauchen die drei Lichtbänder 3a, 3b, 3c für die Ermittlung des Gesamtprofilogramm GPG keinen geschlossenen Linienzug zu bilden. Es ist auch nicht notwendig, dass das auf die Mantelfläche M projizierte Lichtband 3b parallel zur Achse des Rades 1a verläuft. Eine entsprechende Abweichung von der Achsparallelität kann dadurch ausgeglichen werden, dass die Messwerte zB des Profils P unter Verknüpfung mit entsprechend dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers bestimmten Korrekturwerten Ko gewonnen werden.
Fig. 5 veranschaulicht die erste und Fig. 6 die zweite der erwähnten Möglichkeiten um einen Radkranzinnenradius R des Rades 1a als feste, langzeitlich unveränderliche geometrische Basisgröße, auf die das Profilogramm PG, die Teilprofilogramme PGa, PGb, PGc und das Gesamtprofilogramm GPG bezogen werden können, zu ermitteln. Der Radius R wird dabei in beiden Fällen aus mindestens drei Messwerten zi, Z2, Z3 ermittelt, die durch berührungslose dynamische Messungen am bewegten Rad 1a ermittelt werden und welche in der gleichen Art vorgenommen werden wie die Erfassung des Profilogramms PG bzw. die Erfassung der Teilprofilogramme PGa, PGb, PGC.
Gemäß Fig. 5 werden die berührungslosen dynamischen Messungen am rollenden Rad 1a gleichzeitig mittels mindestens dreier, jeweils zu einem linienförmigen Lichtband 3c1 , 3c2, 3c3 aufgeweiteter Lichtstrahlen bei jeweils vorgegebenen Abständen N1 , N2 der Bereiche der Oberfläche des Festkörpers 1 , auf die die Lichtbänder 3c1 , 3c2, 3c3 projiziert werden, vorgenommen.
Gemäß Fig. 6 werden die berührungslosen dynamischen Messungen am rollenden Rad 1a in vorgegebenen Zeitintervallen Δt zu mindestens drei Zeitpunkten ti, t2, t3 mittels eines einzigen zu einem linienförmigen Lichtband 3c aufgeweiteten Lichtstrahls vorgenommen. Die Messungen erfolgen somit unidirektional, d.h. bei gleicher Ausrichtung der jeweiligen Lichtbänder 3c, 3c1 , 3c2, 3c3, jeweils an drei Punkten Si, S2, S3, wobei drei auf einem Kreisbogen mit dem Radius R liegende Messwerte zi, Z2, z3 als Ordinatenwerte der Punkten Si, S2, S3 in einem kartesischen Koordinatensystems ermittelt werden. Die den Punkten Si, S2, S3 nach der Art, wie in Fig. 6 gezeigt ist, zugeordneten Messwerte zi, Z2, z3 entsprechen jeweils einer Messlänge des linienförmi- gen Lichtbandes 3c bzw. 3c1 , 3c2, 3c3. Die Messlängen des linienförmigen Lichtbandes 3c bzw. 3c1 , 3c2, 3c3 können für diese Zuordnung problemlos derart transformiert werden, dass die Messwerte zi, Z2, Z3 jeweils die halbe Länge einer Sehne sh, sl2, SI3 durch den Kreisbogen repräsentieren. Die jeweils diesen Messwerten zi, Z2, Z3 zugehörigen Abszissenwerte xi, X2, X3 - in Fig. 6 jeweils als zu den drei Zeitpunkten ti, .2, t3 vorliegende Abstände des Kreismittelpunktes Mi, M2, M3 vom Lichtband 3c eingezeichnet - ergeben sich entweder im ersten Fall aus den Abständen N1 , N2 gemäß Fig. 5 oder im zweiten Fall aus den durch die drei Zeitpunkte ti, t2, t3 der Messung vorgegebenen Zeitintervalle Δt durch Multiplikation der Zeitintervalle Δt mit der Winkelgeschwindigkeit ω. Die Winkelgeschwindigkeit ω kann dabei entweder fest vorgegeben sein oder ebenfalls durch berührungslose dynamische Messungen am rollenden Rad 1a mittels eines oder mehrerer linienförmiger Lichtbänder 3 ermittelt werden. Die Auswertung wird erleichtert, wenn die Geschwindigkeit, also einerseits die rotierende und damit andererseits auch die translatorische Bewegung des Rades 1a konstant ist.
Der Bezugsradius R des rollenden Rades 1a kann nach der Bestimmung der Messwerte zi, Z2, Z3 aus folgendem Gleichungssystem ermittelt werden:
R2 = X12 + Z1 2 (3)
R2 = X2 2 + Z2 2 (4)
R2 = X3 2 + Z3 2 (5)
Xi - X2 = k * (x2 - X3) (6).
Die Größen R, sowie xi, X2 und X3 stellen darin jeweils Unbekannte dar. Die Größe k in Gleichung (6) ist ein bekannter, den vorgegebenen Zeitintervallen Δt oder den Abständen N1 , N2 der Bereiche der Oberfläche des Rades 1a entsprechender Faktor, der für den bevorzugten Fall konstanter Zeitintervalle Δt bzw. äquidistanter Abstände N1 , N2 den Wert 1 annimmt.
Der ermittelte Radius R kann einerseits als Grundlinie für die Messwerte ZB der Profilhöhe dienen, die auf der Mantelfläche M des Rades 1a ermittelt werden, andererseits ist es möglich, diesen Radius R zur Bestimmung von Korrekturwerten Ko, die entsprechend dem vom Lichtband 3 bzw. 3a, 3b, 3c 3c1 , 3c2, 3c3 beleuchteten Bereich der Oberfläche des Festkörpers 1 berücksichtigt werden, heranzuziehen. Die Notwendigkeit der Berücksichtigung derartiger Korrekturwerte Ko ergibt sich beispielsweise daraus, dass die Sehnen sh, Sl2, Sl3 in Fig. 6 jeweils unterschiedliche Zentriwinkel aufspannen, wodurch sich unterschiedliche lokale Profilverzerrungen einstellen. Die Zentriwinkel liegen dabei bei zwischen 0° im ersten Extremfall, wenn das Lichtband 3c eine Tangente an den Umfang des betrachteten Kreisbogens des Rades 1a bildet und bei 180° im anderen Extremfall, wenn das Lichtband 3c mit dem Durchmesser 2R des betrachteten Kreisbogens des Rades 1a zusammenfällt. Die größte Sehnenlänge sb enthält die meisten Informationen über das zu bestimmende Profil und weist die geringste lokale Verzerrung auf.
Aus diesen Gründen ist es daher außerordentlich vorteilhaft, wenn das in Fig. 7 dargestellte Gesamtprofilogramm GPG eines rollenden Festkörpers 1 , im dargestellten Fall des Rades 1a, aus drei von den beiden Deckflächen Di, D2 und auf der Mantelfläche M gleichzeitig zu einem Erfassungzeitpunkt tk bestimmten Teilprofilogrammen gewonnen wird, wobei der Erfassungszeitpunkt tk der einzelnen Teilprofilogramme derart gewählt wird, dass ein zu diesem Erfassungszeitpunkt tk ermittelter Messwert Zk - im vorliegenden Fall Z3 - aus mindestens drei auf einem Kreisbogen mit dem Radius R in einer der Deckflächen Di, D2 liegenden, jeweils zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten ti, t2, t3 und unidirektional aus der jeweiligen Länge LB des linienförmigen Lichtbandes 3c, 3c1 , 3c2, 3c3 bestimmten Messwerten zi, Z2, Z3, die jeweils der halben Länge einer Sehne sh, Sl2, Sl3 durch den Kreisbogen entsprechen, ein Maximum annimmt. Selbstverständlich ist die Anwendung dieses Kriteriums der Wahl des Erfassungszeitpunkt tk nicht auf drei Messwerte zi, Z2, Z3 beschränkt. Bei der Zugrundelegung von mehr als drei Messwerten zi, Z2, Z3 können sogar noch bessere Ergebnisse erzielt werden, insofern die ermittelte größte halbe Sehnenlänge Sl3 weniger vom Radius R abweicht bzw. denselben Wert wie der Radius R annimmt. Fig. 7 zeigt des Weiteren, dass das jeweilige Profilogramm PG, die Teilprofilogramme PGa, PGb, PGc und/oder das Gesamtprofilogramm GPG mit jeweils einem oder mehreren Bezugsprofilogramm(en) - in der zeichnerischen Darstellung ein Bezugs- profilogramm BP1 für maximale Messwerte zB des Profils P und ein Bezugsprofilo- gramm BP2 für minimale Messwerte ZB des Profils P verglichen und die jeweiligen Abweichungen ΔPG von dem jeweiligen Bezugsprofilogramm BP1 , BP2 festgestellt werden können. Im dargestellten Fall treten derartige Abweichungen in dem strichpunktiert dargestellten Bereich auf. Bei den Bezugsprofilogrammen BP1 , BP2 kann es sich bevorzugt um zulässige Sollmaße handeln, ein Bezugsprofilogramm BP1 , BP2 könnte aber auch ein gespeicherter Datensatz von Messwerten zB aus einer früheren Messung sein, so dass die jeweiligen Abweichungen ΔPG Aufschluss darüber geben, wie groß der seit der zurückliegenden Messung aufgetretene Verschleiß ist.
Während die Darstellung des Profils P in Fig. 7 nur eine zweidimensionale ist, bei der die Messwerte ZB des Profils P als Linienzug - Vektoren x, z - über den Querschnitt Q des Rades 1a dargestellt sind, veranschaulicht die Darstellung des Profils P in Fig. 8 den dreidimensionalen Charakter des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Fig. 8 sind über der unter Zuhilfenahme des oben erwähnten Radius R ermittelten Abwicklung der Deckfläche Di des Rades 1a, durch verschiedene Grauwerte die Messwerte ZB des Profils P als Vektoren x, y, z dargestellt. Der Absolutwert der Auflösung dzA entsprechend Gleichung (2) liegt bei weniger als 0,5 mm, z. B. bei 0,4 mm. Die mit Q bezeichnete, durch Einkreisung markierte Linie bezeichnet dabei den in Fig. 7 dargestellten Querschnitt Q des Rades 1a, wobei an dieser Stelle - wie angegeben - das Teilprofil PGa gemäß Fig. 7 vorliegt. Anstelle der Grauwerte können im Sinne der Erhöhung der Anschaulichkeit in einem geeigneten Display auch Farben zur Darstellung verwendet werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vorteilhafterweise die Erfassung eines Profils P in einer außerordentlich kurzen Bestimmungszeit. So kann in einer Zeit von 5 Sekunden mit Hilfe von beidseitig von Schienen 9, auf denen ein Schienenfahrzeug 10 vorbeirollt, angeordneten Lasereinrichtungen 2 und Abbildungseinrichtungen 5 für fünf Drehgestelle, d.h. zehn Radsätze, also 20 Räder 1a, jeweils ein dreidimensionales Gesamtprofilogramm GPG erstellt werden. Der in Fig. 9 dargestellte Programmablaufplan zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere auf die berührungslose Erfassung des Profils von Rädern eines Schienenfahrzeugs, wie Eisenbahnrädern, zugeschnitten. Ein solches Rad ist - wie erwähnt - mit dem Bezugszeichen 1a versehen an dem Schienenfahrzeug 10 in Fig. 3 exemplarisch dargestellt.
Der Programmablaufplan umfasst insbesondere eine Aufnahmeschleife 100 zur dynamischen Erfassung des Profils P des Festkörpers 1 bzw. 1a, die nach einer Anforderung 90 von einem Server nach Systemstart-Vorgängen in Gang gesetzt wird, die in Fig. 9 durch den mit dem Bezugszeichen 95 gekennzeichneten Kasten symbolisiert sind und die die Ansteuerung einer Ampel für das Schienenfahrzeug 10, die Aktivierung eines Triggers zur Bildauslösung in dem Lichtaufnahmeelement 6 sowie ein Einschalten der Lasereinrichtung 2 umfassen können.
In der Aufnahmeschleife 100 wird dabei durch einen Laserdistanzsensor 101 , bei dem es sich insbesondere um das Lichtaufnahmeelement 6 handelt, nach einer Signal- konditionierung 102 insbesondere ein Abstandssignal 103 bereitgestellt, d. h. es erfolgt eine Ermittlung von Zuständen des Festkörpers 1 , 1a, wie des Abstandes zur Lasereinrichtung 2 und einer zeitlichen Veränderung dieses Abstandes als erste Ableitung (Geschwindigkeit) und - bei gegebenenfalls beschleunigter Bewegung - auch zweite Ableitung des Weges nach der Zeit (Beschleunigung). In die Signalkonditionierung 102 können dabei elektrische Spannungen als Ergebnis einer analogen Bereitstellung durch den Laserdistanzsensor 101 Eingang finden.
In dem Verfahrensschritt "Signalauswertung" 104 erfolgt dann entsprechend den ermittelten Anfangszuständen des Festkörpers 1 , 1a, insbesondere aus dem Abstandssignal 103 die Bestimmung von entweder - unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit Fig. 5 beschriebene Methode - einem Erfassungszeitpunkt, an dem drei, für drei unterschiedliche Lichtbänder 3c1 , 3c2, 3c3 aus dem Lichtaufnahmeelement 6 abgegebene, im Weiteren zur Gewinnung der Messwerte zB des Profils P bestimmte Signale zunächst aufgenommen werden, oder - unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit Fig. 6 beschriebene Methode - von mindestens drei Zeitpunkten ti, t2, t3, an denen für nur ein Lichtband 3c aus dem Lichtaufnahmeelement 6 abgegebene Signale, die im Weiteren zur Gewinnung der Messwerte zB des Profils P verwendet werden, zunächst aufgenommen werden.
Im Detail bedeutet dies, dass unter der Wirkung von Initiatoren 105A, 105B, 105C - je nach Methode - in einem Lichtaufnahmeelement 6, z. B. in der Kamera, oder in drei Lichtaufnahmeelementen 6, jeweils eine Bildauslösung 106A, 106B, 106C erfolgt. Die dabei aufgenommenen Bilder können dabei in einem Frame-Buffer, d. h. einem, vorzugsweise zyklisch arbeitenden, sequentiellen Bildspeicher, z. B. der Kamera, zwischengespeichert werden.
Die Bildauslösung 106A, 106B, 106C sollte dabei bevorzugt mit dem Kriterium möglichst großer Zeitnähe zu dem Zeitpunkt erfolgen, an dem die Ermittlung der anfänglichen Zustände des Festkörpers 1 , 1a erfolgt ist, da sich für diesen Fall die jeweils vorliegenden Signale in für die Signalauswertung vorteilhafter Weise nur wenig unterscheiden, d. h. insbesondere der Abstand von der Lasereinrichtung 2 sich nur wenig verändert hat.
Die Signalauswertung 104, bevorzugt des Abstandssignals 103, kann dabei insbesondere mittels einer sogenannten „Easy Logic" vorgenommen werden, die mit Vorteil in eine vorhandene Datenverarbeitungseinrichtung integriert werden kann. Unter „Easy Logic" wird dabei eine programmierbare Einrichtung verstanden, die es gestattet, verschiedene zeitbasierende logische Abfolgen zu konfigurieren. Derartige Einrichtungen, die auch unter dem Namen PLD - Programmable Logic Devices - bzw. insbesondere unter dem Namen SPLD - Simple Programmable Logic Devices - subsumiert werden können, gestatten es einem Anwender mit Hilfe geeigneter Software, vorzugsweise einer Relay Ladder Logic, - beispielsweise durch eine Programmierung im System (InSystem-Programming, ISP) - eine in gewünschter Weise vorherbestimmte logische und zeitliche Relation zwischen einem oder mehreren Inputs, im vorliegenden Fall insbesondere dem Abstandssignal 103, und einem oder mehreren Outputs, im vorliegenden Fall insbesondere den Initiatoren 105A, 105B, 105C, herzustellen. In der Easy Logic kann somit zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Zeitbereich festgelegt sein, in dem unter dem Gesichtspunkt der zu erwartenden Bildgüte eine Bildaufnahme zulässig bzw. vorzugsweise auch optimal erscheint. Dieser Zeitbereich kann beispielsweise ein Bereich sein, in dem die entsprechend dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers 1 , 1a bestimmten Korrekturwerte Ko und/oder die entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit v des Festkörpers 1 , 1a bestimmten Korrekturwerte Kv - vorzugsweise als fest vorgegebene Werte, d. h. ohne Dynamisierung - ihre Gültigkeit besitzen. Im Vergleich mit diskreten logischen Einrichtungen führt der Einsatz der Easy Logic zu einem verringerten gerätetechnischen Aufwand (Leiterkarten, Stecker, Verbindungen) und zu einem verringerten montagetechnischen Aufwand (Verdrahtung, Bondung) bei der Schaltungsherstellung sowie zu einer kompakteren möglichen Bauweise.
Nach der Bildauslösung 106A, 106B, 106C, bei der die Bilder insbesondere als Bildmatrizes 107A, 107B, 107C erfasst werden, erfolgt eine - insbesondere von der Geschwindigkeit des Festkörpers 1 , 1a abhängige - Bildauswahl, für die im Programmablaufplan das Bezugszeichen „IS" (Image Selection) steht. Die im Ergebnis der Bildauswahl IS vorliegende, für die Messwerte ZB des Profils P repräsentative, Bildmatrix 107 wird einer Speicherung 108 - bevorzugt mit den jeweils dazugehörigen Werten des Abstandes bzw. Messortes und/oder der Zeit, z. B. eines der Zeitpunkte ti, .2 oder .3 - zugeführt. Gleichzeitig erfolgt dabei die Zurücksetzung 109 eines Timers. Die beschriebenen Vorgänge laufen, wie durch die Aufnahmeschleife 100 veranschaulicht wird, wiederholt ab.
Als Abbruchkriterien für die Prozesse in der Aufnahmeschleife 100 dienen die durch die mit den Bezugszeichen 110 und 111 bezeichneten Kästen veranschaulichten Bedingungsüberprüfungen. Es wird dabei einerseits überprüft (Kasten 110), ob der Timer bereits mehr 10 s läuft, und andererseits, ob alle Achsen des Schienenfahrzeugs 10 aufgenommen sind (Kasten 111). Trifft eine dieser Bedingungen zu, wird die Bildaufnahme gestoppt (Kasten 112). Die Frage, ob der Timer bereits mehr 10 s läuft, zielt dabei darauf ab, festzustellen, ob der Festkörper 1 bzw. 1a eventuell zu einem Stillstand gekommen ist. Nach dem Stoppen 112 der Bildaufnahme können die gespeicherten Bilddaten 108 an den Server gesendet werden (Kasten 113). Gleichzeitig können Systemstopp-Vorgänge, wie "Trigger ausschalten", "Lasereinrichtung 2 ausschalten" und "Ampelansteuerung für das Schienenfahrzeug 10", erfolgen, die durch den mit dem Bezugszeichen 195 gekennzeichneten Kasten symbolisiert sind. Zur Realisierung der in dem Programmablauf nach Fig. 9 dargestellten Vorgänge, insbesondere der Aufnahmeschleife 100 kann dabei in den Prüfstand 8 gemäß Fig. 3 die entsprechende Hardware inkorporiert sein, wodurch vorteilhafterweise eine Client- Server-Schaltung realisiert werden kann, bei der sich der Client am Gleis 9 und der Server an einem räumlich entfernten Standort befindet.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfasst alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Mittel und Maßnahmen. So besteht eine weitere Möglichkeit in der Anwendung von sogenannten Streifenprojektionsverfahren unter Einsatz von strukturierter oder codierter Beleuchtung. Diese Verfahren basieren ebenfalls auf dem Triangulationsprinzip, wobei der gesamte Festkörper 1 von einem der Lasereinrichtung 2 entsprechenden Projektor mit einem rechnerisch vorgegebenen Lichtmuster beleuchtet wird. Während der Aufnahme wird das Lichtmuster in bestimmter Weise so verändert, dass aus der resultierenden Intensitätsverteilung des aufgenommenen Bildes auf die Topographie bestimmt werden kann.
Des weiteren kann der Fachmann die Erfindung durch zusätzliche vorteilhafte Maßnahmen ergänzen, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird. So können für die Ausführung sämtlicher Rechenoperationen - wie die der angegebenen Gleichungen (1) bis (6) in der Datenverarbeitungseinrichtung geeignete Softwaremodule eingesetzt werden.
Ferner ist die Erfindung nicht auf die im Anspruch 1 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des Anspruchs 1 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern ist der Anspruch 1 lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen. Bezugszeichen
1 Festkörper
1a Rad
2 Lasereinrichtung
3, 3a, 3b, 3c, 3c1 , 3c2, 3c3 Lichtbänder
4 Linse von 5
5 Abbildungseinrichtung
6 Lichtaufnahmeelement
7 Gehäuse
8 Verschleißprüfstand
9 Schiene
10 Schienenfahrzeug
90 Anforderung vom Server
95 Systemstart
100 Aufnahmeschleife
101 Laserdistanzsensor
102 Signalkonditionierung
103 Abstandssignal
104 Signalauswertung
105A, 105B, 105C Initiatoren für 106A, 106B, 106C
106A, 106B, 106C Bildauslösung
107A, 107B, 107C Bildmatrizes aus 106A, 106B, 106C
107 Bildmatrix aus IS
108 Bildspeicherung
109 Timer-Zurücksetzung
110, 111 Prüfung von Abbruchbedingungen für 100
112 Bildaufnahmestopp
113 Datensendung an Server
195 Systemstopp A-A optische Achse von 6
B Basisabstand b Breite von 3, 3a, 3b, 3c, 3c1 , 3c2, 3c3
Dz Messbereich von z dzA Auflösung von ∑A
Di1 D2 Deckflächen von 1 , 1a f Frequenz
GPG Gesamtprofilogramm
H Abstand 4/6 (Fig. 1)
IS Bildauswahl in 100
Kv Korrekturwert entsprechend v, ω
Ko Korrekturwert entsprechend Bereich/Lage von
3, 3a, 3b, 3c, 3c1 , 3c2, 3c3 k Faktor entsprechend N1 , N2 bzw. Δt
L Arbeitsabstand
LL Linienlänge von 3, 3a, 3b, 3c, 3c1 , 3c2,
3c3
M Mantelfläche von 1 , 1a
N1 , N2 Abstände zwischen 3c1 , 3c2, 3c3
0-0 optische Achse von 2
P Profil
PG Profilogramme
PGa, PGb, PGc Teilprofilogramme
R Radius
RL reflektiertes Licht
V translatorische Geschwindigkeit von 1 , 1a tk. t1. t2.t3 Mess-Zeitpunkte
Si , S2, S3 Punkte auf Umkreis um R
Sh, Sl2, Sl3 Sehnenlängen bei Si, S2, S3
X Längenkoordinate
XA Bildflecklage von RL auf 6
Xmax Maximalwert von x
Xmin Minimalwert von x X1 , X2, X3 Messwerte Länge bei Si, S2, S3 y Längenkoordinate
Z Höhenkoordinate
ZA Messwert, Auftreffort von 3, 3a, 3b, 3c,
3c 1 , 3c2, 3c3
ZB korrigierter Messwert aus ZA
Zmax Maximalwert von z
Zmin Minimalwert von z
Zi 1 Z2, Z3 Messwerte Höhe bei Si, S2, S3
ΔPG Profilabweichung
Δt Zeitintervall φ Triangulationswinkel

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur berührungslosen dynamischen Erfassung des Profils (P) eines Festkörpers (1 , 1a), insbesondere zum Zweck einer Bestimmung von an dem Festkörper (1 , 1a) aufgetretenen Verschleiß, wobei mindestens ein von einer Lasereinrichtung (2) erzeugter, zu mindestens einem linienförmigen Lichtband (3, 3a, 3b, 3c, 3c1 , 3c2, 3c3) aufgeweiteter Lichtstrahl auf mindestens einen Bereich der Oberfläche des Festkörpers (1 , 1a) projiziert wird, wobei der Festkörper (1 , 1a) an der Lasereinrichtung (2) vorbeibewegt wird und das von dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers (1 , 1a) reflektierte Licht (RL) in einer Abbildungseinrichtung (5), deren optische Achse (A-A) in einem festen Triangulationswinkel (φ) zur Projektionsrichtung (O-O) der Lasereinrichtung (2) steht und die in einem festen Basisabstand (B) zur Lasereinrichtung (2) angeordnet ist, fokussiert und mit einer gegenüber einer Bewegungsgeschwindigkeit (v) des Festkörpers (1 , 1a) hohen Frequenz (f) mittels eines flächenför- migen Lichtaufnahmeelementes (6) erfasst wird, wonach aus von dem Lichtaufnahmeelement (6) abgegebenen Signalen, in Abhängigkeit von dem Triangulationswinkel (φ) und dem Basisabstand (B) in einer Datenverarbeitungseinrichtung durch trigonometrische Beziehungen und unter Verknüpfung mit entsprechend die Messwerte (ZB) des Profils (P) gewonnen und in der Datenverarbeitungseinrichtung als Profilogramm (PG) gespeichert werden, wobei die Bestimmung einer Bildauslösung (106A, 106B, 106C), für die vom Lichtaufnahmeelement (6) abgegebene Signale zur Gewinnung der Messwerte (ZB) des Profils (P) ausgewählt werden, in einer Aufnahmeschleife (100) erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Messwerte (zB) des Profils (P) unter Verknüpfung mit entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit (v) des Festkörpers (1 , 1a) bestimmten Korrekturwerten (Kv) gewonnen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte (∑B) des Profils (P) unter Verknüpfung mit entsprechend dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers (1, 1a) bestimmten Korrekturwerten (Ko) gewonnen werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper (1, 1a) eine rotierende Bewegung ausführt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d ad u rch g eken n zeich n et, dass der Festkörper (1, 1a) ein im wesentlichen rotationssymmetrischer Körper, insbesondere ein Fahrzeugrad (1a), ist und eine rollende Bewegung ausführt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, d ad u rch g eken nzeich n et, dass die rotierende Bewegung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit (ω) abläuft.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit (ω) der rotierenden Bewegung des Festkörpers (1, 1a) kleiner als 15 s"1, vorzugsweise kleiner als 6 s"1 ist.
8. Verfahren nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die entsprechend dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers (1, 1a) bestimmten Korrekturwerte (Ko) vektorielle, in Abhängigkeit von einem Radius (R) des rotationssymmetrischen Körpers bestimmte Faktoren und/oder Summanden sind.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit (v, ω) des Festkörpers (1, 1a) bestimmten Korrekturwerte (Kv) vektorielle, der Bewegungsgeschwindigkeit (v, ω) proportionale Faktoren und/oder Summanden sind.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit (v, ω) ermittelten Korrekturwerte (Kv) eine korrelative Verknüpfung der Bewegungsgeschwindigkeit (v, ω) mit der Frequenz (f) der Erfassung des reflektierten Lichtes (RL) erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Profilogramme (PG) als Teilprofilogramme (PGa, PGb, PGC) unter Einsatz von mindestens drei, auf verschiedene Seiten der Oberfläche des Festkörpers (1, 1a) liegende Bereiche Lichtbänder (3, 3a, 3b, 3c, ed , 3c2, 3c3) projizierenden Lasereinrichtungen (2) und diesen zugeordneten Abbildungseinrichtungen (5) bestimmt werden, die Teilprofilogramme (PGa, PGb, PGC) in der Datenverarbeitungsanlage gespeichert werden und daraus ein Gesamtprofilogramm (GPG) gewonnen wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einem in der Grundgestalt im wesentlichen zylindrischen oder ringförmigen Festkörper (1, 1a), wie einem Fahrzeugrad (1a), die mindestens drei Bereiche, auf die die Lichtbänder (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) projiziert werden, auf den beiden Deckflächen (Di, D2) und auf der Mantelfläche (M) des Zylinders oder Ringes liegen.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtprofilogramm (GPG) eines rollenden Festkörpers (1, 1a) aus drei von den beiden Deckflächen (Di, D2) und auf der Mantelfläche (M) gleichzeitig zu einem Erfassungzeitpunkt (tk) bestimmten Teilprofilogrammen (PGa, PGb, PGC) gewonnen wird, wobei der Erfassungszeitpunkt (tk) der einzelnen Teilprofilogramme (PGa, PGb, PGC) derart gewählt wird, dass ein zu diesem Erfassungszeitpunkt (tk) ermittelter Messwert (Zk) aus mindestens drei auf einem Kreisbogen mit einem Radius (R) in einer der Deckflächen (Di, D2) liegenden, jeweils zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten (ti, t2, t3) und unidirektional aus der jeweiligen Länge des linienför- migen Lichtbandes (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) bestimmten Messwerten (zi, Z2, Z3), die jeweils der halben Länge einer Sehne (sh, Sl2, Sl3) durch den Kreisbogen entsprechen, ein Maximum annimmt.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et , dass das Profilogramm (PG), die Teilprofilogramme (PG3, PGb, PGC) und/oder das Gesamtprofilogramm (GPG) mit jeweils einem oder mehreren Bezugsprofilogramm(en) (BP1, BP2) verglichen und die jeweiligen Abweichungen (ΔPG) von dem jeweiligen Bezugsprofilogramm (BP1, BP2) festgestellt werden.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et , dass das Profilogramm (PG), die Teilprofilogramme (PGa, PGb, PGC), das Gesamtprofilogramm (GPG), das jeweilige Bezugsprofilogramm (BP1, BP2) und/oder die jeweiligen Abweichungen (ΔPG) auf eine feste, langzeitlich unveränderliche geometrische Basisgröße, wie einen nichtverschleißenden Radkranzinnendurchmesser (2*R), bezogen werden.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisgröße aus mindestens drei Messwerten ermittelt wird, die durch berührungslose dynamische Messungen am bewegten Festkörper (1, 1a) ermittelt werden, welche in der gleichen Art vorgenommen werden wie die Erfassung des Profilogramms (PG) bzw. die Erfassung der Teilprofilogramme (PGa, PGb, PGC).
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die berührungslosen dynamischen Messungen am bewegten Festkörper (1, 1a) in vorgegebenen Zeitintervallen (Δt) zu mindestens drei Zeitpunkten (ti, t2, t3) mittels eines einzigen zu einem linienförmigen Lichtband (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) aufgeweiteten Lichtstrahles erfolgen.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die berührungslosen dynamischen Messungen am bewegten Festkörper gleichzeitig mittels mindestens dreier, jeweils zu einem linienförmigen Lichtband (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) aufgeweiteter Lichtstrahlen bei vorgegebenen Abstand (N1, N2) der Bereiche der Oberfläche des Festkörpers (1, 1a), auf die die Lichtbänder (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) projiziert werden, erfolgen.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dad u rch geken nzeich net, dass die Basisgröße ein Radius (R) eines rollenden rotationssymmetrischen Körpers ist, der aus folgendem Gleichungssystem ermittelt wird:
R2 = xi2+ zi2 (1)
R2 = X2 2 + Z2 2 (2)
R2 = X3 2 + Z3 2 (3)
Xi - X2 = k * (x2 - X3) (4),
wobei Zi, Z2, Z3 drei auf einem Kreisbogen mit dem Radius (R) liegende, jeweils unidirektional ermittelte, der Ordinate (z) eines kartesischen Koordinatensystems entsprechende Messwerte der Länge des linienförmigen Lichtbandes (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3), die jeweils der halben Länge einer Sehne (sh, Sl2, Sl3) durch den Kreisbogen entsprechen, xi, X2, X3 die jeweils diesen Messwerten zugehörigen Abszissenwerte (x) und k ein vorgegebenen Zeitintervallen (Δt) oder Abständen (n1, N2) der Bereiche der Oberfläche des Festkörpers (1, 1a) entsprechender Faktor sind.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et , dass das Profilogramm (PG), die Teilprofilogramme (PG3, PGb, PGC), das Gesamtprofilogramm (GPG), das jeweilige Bezugsprofilogramm (BP1, BP2) und/oder die jeweiligen Abweichungen (ΔPG) in einer Anzeigevorrichtung, wie einem Display, visualisiert werden.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dad u rch gekennzeichnet, dass als Lichtaufnahmeelement (6) eine digitalisierte Signale liefernde Vorrichtung, wie eine trigger-gesteuerte CCD-Kamera, eingesetzt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtaufnahmeelement (6) ein positionsempfindlicher Detektor (position sensitive device), wie ein Fotodiodenfeld, eingesetzt wird.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht des Lichtbandes (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) eine Wellenlänge im Bereich von 400 nm bis 1000 nm, insbesondere im Bereich von 650 bis 700 nm, aufweist.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht des Lichtbandes (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) eine Wellenlänge im sichtbaren Bereich aufweist und der Grenzwert der zugänglichen Strahlung (GZS) der Lasereinrichtung (2) geringer ist als 1 mW.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der Lasereinrichtung (2) im Bereich von 0,5 bis 50 mW liegt.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (2) eine cw- (continous-wave)-Festkörperdiode, wie eine beispielsweise aus einem Halbleitermaterial, wie GaAs, AIGaAs, InGaP, GaAsSb, InP, PbSnTe o.a., bestehende Diode, vorzugsweise eine VLD (visible laser diode), enthält.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtband (3, 3a, 3b, 3c, 3c1 , 3c2, 3c3) eine Breite (b) im Bereich von 0,3 mm bis 6,5 mm, insbesondere im Bereich von 0,8 mm bis 2,2 mm, aufweist.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtband (3, 3a, 3b, 3c, 3c1 , 3c2, 3c3) eine Länge (LB) im Bereich von 50 mm bis 750 mm, insbesondere im Bereich von 200 mm bis 400 mm, aufweist.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, d ad u rch g eken n zei ch n et, dass der Triangulationswinkel (φ) Werte im Bereich von 15° bis 40°, insbesondere im Bereich von 20° mm bis 30°, aufweist.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (f), mit der das von der Oberfläche des Festkörpers (1, 1a) reflektierte Licht (RL) mittels des Lichtaufnahmeelementes (6) erfasst wird, im Bereich von 25 Hz bis 100 kHz, vorzugsweise im Bereich von 1 kHz bis 10 kHz, liegt.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 30, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine translatorische Bewegungsgeschwindigkeit (v) des Festkörpers kleiner als 3,5 m/s, vorzugsweise kleiner als 1 ,5 m/s ist.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittlerer Arbeitsabstand (L) der Lasereinrichtung (2) und/oder der Abbildungseinrichtung (5) von dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers (1, 1a) auf die das Lichtband (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) projiziert wird, im Bereich von 20 mm bis 650 mm, insbesondere im Bereich von 150 mm bis 350 mm, liegt.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadu rch gekennzeich net, dass der Basisabstand (B) zwischen der Abbildungseinrichtung, (5) insbesondere dem Mittelpunkt einer fokussierenden Linse (4) der Abbildungseinrichtung (5), und der optischen Achse (0-0) der Lasereinrichtung im Bereich von 30 mm bis 450 mm, insbesondere im Bereich von 60 mm bis 270 mm, liegt.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadu rch gekennzeichnet, dass für das Profilogramm (PG), die Teilprofilogramme (PG3, PGb, PGC), das Gesamtprofilogramm (GPG), das jeweilige Bezugsprofilogramm (BP1, BP2) und/oder die jeweiligen Abweichungen (ΔPG) eine Auflösung (dzA) von weniger als 2,0 mm, insbesondere von weniger als 0,5 mm, zugrundegelegt wird.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 34, d ad u rch g eken nzei ch n et, dass zur Realisierung der Aufnahmeschleife (100) eine Hardwarekomponente in einen an einem Gleis (9) befindlichen Prüfstand (8) inkorporiert ist.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dad u rch geken nzeich net, dass die Aufnahmeschleife (100) in einem dienten einer Client-Server-Schaltung mit räumlich entfernten Server realisiert wird, wobei Systemstart-Vorgänge (95), wie eine Ansteuerung einer Ampel für ein Schienenfahrzeug (10), die Aktivierung eines Triggers zur Bildauslösung (106A, 106B, 106C) und/oder ein Einschalten der Lasereinrichtung (2), durch Anforderung (90) vom Server in Gang gesetzt werden.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 36, dad u rch geken nzeichnet, dass in der Aufnahmeschleife (100) durch einen Laserdistanzsensor (101, 6) nach einer Signalkonditionierung (102) ein Signal, insbesondere ein Abstandssignal (103), bereitgestellt wird, aus dem durch eine Signalauswertung (104) Initiatoren (105A, 105B, 105C) für die Bildauslösung (106A, 106B, 106C) gewonnen werden.
38. Verfahren nach Anspruch 37, d ad u rch g eke n nze i ch n et, dass durch die Signalauswertung (104) zwischen dem Abstandssignal (103) und den Initiatoren (105A, 105B, 105C) für die Bildauslösung (106A, 106B, 106C) mittels einer programmierbaren Einrichtung (PLD), die es gestattet, verschiedene zeitbasierende logische Abfolgen zu konfigurieren, vorherbestimmte logische und zeitliche Verknüpfungen hergestellt werden.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Bildauslösung (106A, 106B, 106C) Bildmatrizes (107A, 107B, 107C) bereitgestellt werden, die in einem, vorzugsweise zyklisch arbeitenden, sequentiellen Bildspeicher des Lichtaufnahmeelementes (6) zwischengespeichert werden.
40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Bildmatrizes (107A, 107B, 107C), insbesondere in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit (v) des Festkörpers (1, 1a), eine Bildauswahl (IS) einer für die Messwerte (ZB) des Profils (P) repräsentativen Bildmatrix (107) erfolgt.
41. Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Gewinnung der Messwerte (ZB) des Profils (P), insbesondere nach einem Stoppen (112) der Bildaufnahme, die Messwerte (zB), insbesondere gespeicherte Bilddaten (108), bevorzugt zusammen mit den jeweils dazugehörigen Werten eines Abstandes von der Lasereinrichtung (2), eines Messortes entsprechend einem verwendeten Lichtband (3c1, 3c2, 3c3) und/oder einer Zeit (ti, t2, t3) der Bildauslösung (106A, 106B, 106C), an den Server gesendet (113) werden.
42. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 41, dadu rch geken nzeich net, dass die Aufnahmeschleife (100) an einen Timer und/oder an eine Anzahl vorbestimmter Messungen gebundene Bedingungsüberprüfungen (110, 111) als Abbruchkriterien enthält.
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