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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Bestimmung der Lage einer Walze eines Walzwerks, bevorzugt der Walze eines Walzwerkes zum Walzen von Metallbändern.
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Stand der Technik
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Die Bestimmung der Achslage und damit die Bestimmung der Geometrie des Walzspaltes zwischen zwei Walzen eines Walzgerüsts in einem Walzwerk ist eine wichtige Regelgröße, um einen hochqualitativen und zuverlässigen Walzprozess durchführen zu können. Insbesondere ist – neben der eigentlichen Dicke des Walzspaltes welcher dann für die Dicke des Walzproduktes ausschlaggebend ist – auch die Geometrie dieses Walzspaltes von Bedeutung. Diese Geometrie wird durch die Lage Walzen zueinander, insbesondere die Lage der Walzenachsen zueinander, bestimmt.
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Besonders beim Einfädeln des Bandes müssen die Arbeitswalzen eine parallel zu den Oberflächen des zu walzenden Bandes ausgerichtete Lage einnehmen, um ein Verlaufen des Bandes nach einer Seite hin zu vermeiden. Besonders dann, wenn eine bezüglich der Oberflächen des Bandes nicht parallele Achsenlage vorliegt, kann dies dazu führen, dass das Band am Walzspalt unkoordiniert und mit großer zerstörerischer Wucht in eine spezifische Richtung abgelenkt wird und dabei großen Schaden anrichtet.
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Aus der
EP 0 250 768 A2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Walzspaltmessung und Regelung bekannt, wobei hier eine Lichtquelle quer zur Walzenachse oder auch parallel zur Walzenachse durch den Walzspalt hindurch gestrahlt wird und dann der durchstrahlte Bereich bzw. der Dunkelbereich auf der der Lichtquelle entgegenliegenden Seite mittels einer CCD-Zeilenkamera ausgemessen wird. Hieraus wird die Höhe des Spaltes bestimmt. Diese Bestimmung bei Bestrahlung des Walzspaltes kann aber nur dann durchgeführt werden, wenn sich kein Material im Walzspalt befindet.
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Weiterhin ist zur Messung der Lage der Walzenachse bekannt, direkt am Arbeitswalzenzapfen Sensoren anzubringen. Nachteilig ist hier der Einbauort, welcher durch seine exponierte Lage anfällig für Beschädigungen bei Bandverläufen oder Bandrissen ist.
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Bekannt sind weiterhin Spaltgeber, welche die Position des Walzenballens oder des Lünettensitzes der Walze vermessen und entsprechend anzeigen. Diese Präzisionsgeräte sind ebenfalls sehr gefährdet, da sie sich in unmittelbarer Nähe des Walzspaltes befinden und sich entsprechend bei einem Bandriss oder einer Bandabweichung unmittelbar im Gefährdungsbereich befinden.
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Weiterhin sind Positionsgeber im Walzgerüst beispielsweise an der hydraulischen Anstellung der Walzen bekannt, welche die Position der Walze entsprechend indirekt messen.
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Zusammenfassung der Offenbarung
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Aufgabe der Erfindung ist es entsprechend, eine Alternative anzugeben, mit welcher die Walzenlage genau auch im Betrieb gemessen werden kann.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Bestimmung der Lage einer Walze in einem Walzwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Entsprechend umfasst die Vorrichtung einen auf einer Stirnseite der Walze angeordneten Spiegel, eine Lichtquelle zum Aussenden eines Lichtstrahls auf den Spiegel, einen Empfänger zum Empfangen des vom Spiegel reflektierten Lichtstrahls, und eine Auswertungsvorrichtung zum Bestimmen der Lage der Walze auf Basis des empfangenen reflektierten Lichtstrahls.
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Durch die optische Messung können sowohl die Lichtquelle als auch der Empfänger vom eigentlichen Walzgerüst beabstandet angeordnet werden, so dass sich die empfindlichen Teile der Messvorrichtung außerhalb des Gefahrenbereichs durch gerissene oder verlaufende Bänder befinden können. Weiterhin kann aufgrund der optischen Messung direkt an der Stirnseite der Achse der Walze eine präzise Messung der Lage der Walze auch dann durchgeführt werden, wenn sich die Walze dreht. Im Betrieb kann hierbei über die Messung der Ablenkung des Lichtstrahls nicht nur die eigentliche Lage der Walze selbst bestimmt werden, sondern es können aus dem Muster des empfangenen Lichtstrahls auch Hystereseeffekte, Abplattungen sowie Unwuchten an den Walzen detektiert werden.
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Abhängig davon, ob der Spiegel auf der Stirnseite der Walze genau senkrecht zu der Rotationsachse der Walze montiert ist, oder ob der Spiegel unter einem Winkel angeordnet ist, wird das reflektierte Licht als Punkt oder als oszillierende Form von dem Empfänger detektiert.
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Eine oszillierende Form wird dabei beispielsweise als kreisförmiges oder ellipsenförmiges Messsignal vorliegen. Bei einer Veränderung der Lage der Walze verändert sich der Punkt des reflektierten Lichtstrahls oder die Form der oszillierenden Messfigur. Beispielsweise kann sich ein kreisförmiges Messsignal von einer Kreisform hin zu einer Ellipse verschieben oder die Form und Lage bzw. Ausrichtung einer Ellipse verändert sich. Diese Veränderungen werden zur Bestimmung der Veränderung der Lage der Walze verwendet und können gleichzeitig über die Auswertungsvorrichtung dann zur Regelung der Geometrie des Walzspaltes zwischen zwei Walzen dienen.
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Zur Ausbildung eines trennscharfen reflektierten Lichtstrahls unabhängig von der Ausrichtung und Lage des Spiegels sendet die Lichtquelle bevorzugt einen kollimierten Lichtstrahl aus und ist bevorzugt in Form eines Lasers ausgebildet.
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Bevorzugt ist der Spiegel senkrecht auf der Achse angeordnet und die Auswertungseinheit ist dazu eingerichtet, die Veränderung der Achslage auf Grundlage der Verschiebung des empfangenen Messpunktes zu bestimmen. In diesem Fall wird der reflektierte Lichtstrahl auch bei Rotation der Walze auf dem Empfänger als Punkt abgebildet.
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In einer Variante kann der Spiegel unter einem Winkel bezüglich der Rotationsachse an der Stirnseite der Walze angeordnet sein. Der Winkel kann dabei klein sein, beispielsweise in einem Bereich von 1° bis 8°. In einem solchen Fall wird der reflektierte Lichtstrahl bei Rotation der Walze auf dem Empfänger eine geschlossene oszillierende Figur ausbilden wenn der Lichtstrahl außerhalb des Zentrums der Rotationsachse eingestrahlt wird, beispielsweise eine Kreisform oder eine Ellipse.
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Um hier eine einfache und phasenrichtige Auswertung zu erreichen, ist der Spiegel bevorzugt drehfest mit der Walze verbunden.
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In einer besonders wartungsfreundlichen und gegenüber Störungen unempfindlichen Variante sind die Lichtquelle und der Empfänger beabstandet von einem die Walze tragenden Walzgerüst angeordnet, wobei die Lichtquelle und der Empfänger bevorzugt im Wesentlichen in einer gemeinsamen Einheit angeordnet sind.
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Bevorzugt ist der Lichtstrahl der Lichtquelle parallel zu der Rotationsachse der Walze ausgerichtet.
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Die beim Empfänger beobachtete Abweichung des reflektierten Lichtstrahls wird besonders deutlich, wenn der Lichtstrahl exzentrisch auf den Spiegel gerichtet ist. Mit anderen Worten zielt die Lichtquelle dann nicht genau auf die Position des Spiegels, die der Rotationsachse der Walze entspricht, sondern auf einen von der Rotationsachse leicht beabstandeten Bereich.
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Die Lichtquelle und der Empfänger sind bevorzugt in einer zueinander festen Position angeordnet und sind weiter bevorzugt zusammen mit der Walze verfahrbar angeordnet. Dies kann entweder durch eine direkte Verbindung der Aufnahme der Lichtquelle sowie der Empfangsvorrichtung mit dem Walzgerüst erreicht werden, oder dadurch, dass das empfangene Signal seinerseits zur Regelung der Position der Einheit aus Lichtquelle und Empfänger dient. In letzterer Variante kann neben einer Ermittlung der eigentlichen Achslage auch eine Ermittlung der Walzspaltdicke erfolgen, insbesondere dann, wenn das den Walzenspalt ausbildende Walzenpaar mit unabhängig voneinander verfahrbaren Lichtquellen/Empfängereinheiten versehen ist.
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Weiterhin ist es bevorzugt, die von der Auswertungsvorrichtung ermittelte Achslage zur Walzspaltregelung in einem Walzgerüst zu verwenden.
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Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein Verfahren zum Bestimmen der Achslage einer Walze in einem Walzwerk mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Entsprechend umfasst das Verfahren die Schritte: Aussenden eines Lichtstrahls auf einen an der Stirnseite der Walze angeordneten Spiegel, Empfangen des vom Spiegel reflektierten Lichtstrahls, und Bestimmen der Lage der Walze auf Basis des empfangenen reflektierten Lichtstrahls.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Bevorzugte weitere Ausführungsformen und Aspekte der vorliegenden Offenbarung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen:
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1 schematisch die Arbeitswalzen und Stützwalzen eines Walzgerüstes;
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2 schematisch die Anordnung zweier Arbeitswalzen mit jeweils einer Vorrichtung zum Messen der Achslage in einer Ansicht in Walzrichtung und senkrecht zu den Walzenachsen;
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3 ein erstes Beispiel eines auf einem Empfänger empfangenen Bildes des reflektierten Lichtstrahls; und
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4 ein zweites Beispiel eines Empfängerbildes des empfangenen Lichtstrahls.
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Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel anhand der Figuren beschrieben werden. Hierbei werden gleiche oder ähnliche Elemente mit den identischen Bezugszeichen bezeichnet und eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise fortgelassen, um Redundanzen zu vermeiden.
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1 zeigt schematisch die Walzenanordnung eines Walzgerüsts 1 mit Arbeitswalzen 10, 12 und entsprechend zugeordneten Stützwalzen 14, 16. Zwischen den Arbeitswalzen 10, 12 wird ein Walzspalt 18 ausgebildet, durch welchen hindurch das zu walzende Walzgut geführt wird.
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Beim Walzen von Metallbändern ist es, neben der Einstellung der eigentlichen Dicke des Walzspaltes 18, auch wesentlich, die Lage der Achsen der Arbeitswalzen 10, 12 zueinander zu bestimmen und zu regeln. Mit anderen Worten ist die Geometrie des Walzspaltes ebenfalls von Bedeutung. Insbesondere ist es notwendig, die Achsen parallel zur jeweiligen Oberfläche des Bandes auszurichten, um auf diese Weise ein seitliches Verlaufen des Bandes zu vermeiden und die Bandqualität des gewalzten Bandproduktes sicherzustellen.
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Typischerweise werden die beiden Arbeitswalzen 10, 12 dabei parallel zueinander ausgerichtet, um einen genau parallel ausgerichteten Walzspalt 18 zu erhalten. Während des Betriebes und entsprechend bei sich drehenden Arbeitswalzen 10, 12 sind dabei neben der statischen Achsausrichtung weiterhin Kompensationen für Reibung, Hysteresen im Hydrauliksystem bzw. im Material der Walzen sowie Abplattungen der Walzensätze und Unwuchten der Walzoberflächen der Arbeitswalzen 10, 12 gegenüber den eigentlichen Walzenachsen bzw. den Arbeitswalzenzapfen zu berücksichtigen.
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2 zeigt schematisch die Arbeitswalzen 10, 12, welche den Arbeitsspalt bzw. Walzspalt 18 zwischen sich einschließen. In dem in 2 gezeigten Beispiel ist der Walzspalt 18 keilförmig ausgebildet, da die Walzenachse 100 der Arbeitswalze 10 gegenüber der Walzenachse 120 der Arbeitswalze 12 nicht parallel zueinander ausgerichtet sind. Entsprechend sind auch die Arbeitswalzenzapfen 102, 122 nicht parallel zueinander ausgerichtet.
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An der Stirnseite 104, 124 der Arbeitswalzen 10, 12, bzw. an den Stirnseiten 104, 124 der Arbeitswalzenzapfen 102, 122, ist jeweils ein Spiegel 2 angebracht. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Ausrichtung des Spiegels 2 gegenüber den Achsen 100, 120 der Arbeitswalzen 10, 12 nicht vollständig senkrecht. Vielmehr sind die jeweiligen Spiegel 2 um einen kleinen Winkel, beispielsweise 1° bis 8°, gegenüber der senkrechten Lage gekippt. Diese Kippung ergibt sich beispielsweise auch dadurch, dass die Walzen starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.
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Eine Lichtquelle 3 ist vorgesehen, welche einen Lichtstrahl 30 aussendet. Die Lichtquelle 3 ist bevorzugt ein Laser, kann aber durch jegliche andere beliebige Lichtquelle ausgebildet sein, welche einen Lichtstrahl aussendet.
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Unter Lichtstrahl wird hier bevorzugt ein weitgehend kollimierter Lichtstrahl verstanden, also ein im Wesentlichen weder divergenter noch konvergenter Lichtstrahl. Ein solcher Lichtstrahl wird benötigt, um, wenn der Lichtstrahl 30 auf den Spiegel 2 auftrifft, einen definierten Bereich des Spiegels 2 so zu bestrahlen, dass ein definierter reflektierter Lichtstrahl auf einem Empfänger eintreffen kann.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel trifft der Lichtstrahl 30 nicht genau konzentrisch auf den Spiegel 2 auf, also nicht genau kollinear mit jeweiligen Rotationsachsen 100, 120 der Arbeitswalzen 10, 12. Vielmehr trifft der Lichtstrahl 30 leicht exzentrisch auf den Spiegel auf. Der Lichtstrahl 30 wird entsprechend am Spiegel 2 reflektiert und der reflektierte Lichtstrahl 32 wird von einem Empfänger 4 empfangen.
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Der Empfänger 4 ist bevorzugt dazu in der Lage, die Position des reflektierten Lichtstrahls 32 zweidimensional aufgelöst zu empfangen. Entsprechend ist der Empfänger 4 bevorzugt in Form einer Kamera, beispielsweise einer CCD-Kamera oder einer ähnlichen Vorrichtung, welche eine zweidimensionale Auflösung, also eine Auflösung in X- und Y-Richtung des empfangenen Signals, ermöglicht, vorgesehen.
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Die Lichtquelle 3 und der Empfänger 4 sind bevorzugt beabstandet von dem Walzgerüst angeordnet, so dass die Lichtquelle 3 und der Empfänger 4 weitgehend außerhalb des Gefahrenbereiches des Walzgerüstes angeordnet sind. Insbesondere kann durch die beabstandete Anordnung erreicht werden, dass im Falle eines Bandrisses oder einer Bandverfahrung die Lichtquelle und der Empfänger nicht vom Band oder abgerissenen Teilen getroffen werden.
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Um eine Messung der Achslage der Rotationsachsen 100, 120 der beiden Arbeitswalzen 10, 12 zu erreichen, kann die Einheit aus Lichtquelle 3 und Empfänger 4 bevorzugt mittels einer Verfahrvorrichtung 5 in Richtung der Walzspaltdicke verfahren werden. Die Verfahrvorrichtung 5 ist dabei entweder mit der Walzspaltdickenregelung so verbunden, dass sie entsprechend der eingestellten Walzspaltdicke an die (erwartete) Position der Rotationsachse 100, 120 verfahren wird, um dort eine Messung der Achslage vornehmen zu können. Oder die Verfahrvorrichtung 5 ist direkt mit dem Walzgerüst derart mechanisch gekoppelt, dass ein automatisches Verfahren der Einheit aus Lichtquelle 3 und Empfänger 4 zusammen mit der Rotationsachse 100, 120 erreicht wird.
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Alternativ kann die Bestimmung der Lage durch die Auswertungsvorrichtung 6 zur Regelung des Verfahrens der Verfahrvorrichtung 5 verwendet werden.
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Das Bild, welches auf dem Empfänger 4 von dem reflektierten Strahl 32 erzeugt wird, ist schematisch in 3 gezeigt. Dabei zeigt der Kreis 7 das Signal, welches in 2 von der oberen Arbeitswalze 10 erzeugt wird. Eine Verschiebung der Achslage, so wie sie in 2 durch die untere Arbeitswalze 12 gezeigt ist, resultiert in einer Ellipsenform 8 des vom reflektierten Lichtstrahl 32 erzeugten Bildes.
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In 3 sind entsprechende Formen von Bildern schematisch gezeigt. Die in Realität gemessenen periodisch wiederkehrenden Bilder, welche durch den reflektierten Strahl 32 erzeugt werden, können deutlich komplexer ausgebildet sein.
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Die geschlossene periodische Form, welche in 3 durch die geschlossenen Linien 7 und 8 gezeigt ist, stammt daher, dass der Spiegel 2 nicht genau senkrecht auf der Stirnseite 104, 124 bezüglich der jeweiligen Rotationsachsen 100, 120 der Arbeitswalzen 10, 12 liegt und der Lichtstrahl 30 den Spiegel 2 nicht genau in dessen Zentrum trifft. Entsprechend oszilliert der reflektierte Lichtstrahl 32 mit der Umdrehung des Spiegels 2 und damit mit der Umdrehung der Walze 10.
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In einem alternativen Ausführungsbeispiel, welches schematisch in 4 gezeigt ist, wird, bei absolut senkrechter Anordnung des Spiegels bezüglich der jeweiligen Rotationsachsen 100, 120, nur ein Punkt 70 bzw. ein sich bei Verschiebung der Lage der Walze verschiebender Punkt 80 abgebildet, wobei die jeweilige Verschiebung zwischen den Punkten eine Indikation für die jeweilige Lage der Achse angibt.
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In einer Auswertungsvorrichtung 6, welche das vom Empfänger 4 empfangene Bild auswertet, kann mittels der entsprechenden Empfängerbilder bzw. der zeitliche Veränderung der Empfängerbilder die Achslage bestimmt werden.
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Die Auswertungsvorrichtung 6 kann dabei nicht nur während des Einrichtens der Walzvorrichtung verwendet werden, sondern kann auch während des tatsächlichen Betriebes der Walzvorrichtung zur Regelung bzw. Steuerung der Lage der jeweiligen Walzenachsen 100, 120 sowie zur Steuerung bzw. Regelung des Walzspaltes 18 verwendet werden. Dazu ist bevorzugt ein Feedback zu einer Walzensteuerung vorgesehen.
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Die Auswertungsvorrichtung 6 greift zur Auswertung der jeweiligen mit dem Empfänger 4 empfangenen Figuren bzw. Empfangspositionen beispielsweise auf vorhergehend aufgenommene Messwerte zurück, so dass eine genaue, auf das jeweilige individuelle Walzgerüst hin zugeschnittene Auswertung stattfinden kann. Eine weitere Möglichkeit der Auswertung besteht darin, aus den jeweiligen geometrischen Verhältnissen, beispielsweise trigonometrisch die Achslage der jeweiligen Rotationsachsen 100, 120 zu berechnen. Im Falle des oszillierenden Bildes, so wie es beispielsweise in 3 gezeigt ist, kann aus dem Bild der jeweilige Mittelpunkt bzw. ein Schwerpunkt der von dem reflektierten Strahl 32 umschlossenen Fläche berechnet werden, welcher mit dem Mittelpunkt der jeweiligen Rotationsachse 100, 120 übereinstimmt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Walzgerüst
- 10
- Arbeitswalze
- 12
- Arbeitswalze
- 14
- Stützwalze
- 16
- Stützwalze
- 18
- Walzenspalt
- 100
- Rotationsachse der Walze 10
- 102
- Arbeitswalzenzapfen
- 104
- Stirnseite der Walze 10
- 120
- Rotationsachse der Walze 12
- 122
- Arbeitswalzenzapfen
- 124
- Stirnseite der Walze 12
- 2
- Spiegel
- 3
- Lichtquelle
- 4
- Empfänger
- 5
- Verfahrvorrichtung
- 6
- Auswertungsvorrichtung
- 7
- Empfängerbild
- 70
- Empfängerbild
- 8
- Empfängerbild
- 80
- Empfängerbild
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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