DE19544537C1 - Meßverfahren und Meßvorrichtung - Google Patents
Meßverfahren und MeßvorrichtungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen
Bestimmung des Außen-/Innenprofils eines Meßobjekts gemäß
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Meßvorrich
tung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7.
Derartige Meßverfahren und -vorrichtungen werden beispiels
weise bei der Qualitätskontrolle von FBS-Rohren verwendet.
Derartige Rohre haben normalerweise an einem Endabschnitt
eine Muffe und am anderen Endabschnitt ein Spitzende, wobei
beim Verlegen der Betonrohre in einer Kanalisation oder
ähnlichem das Spitzende eines Rohres in die Muffe eines be
nachbarten Rohres eingeschoben wird. Dabei sind an der In
nenumfangsfläche der Muffe oder an der Außenumfangsfläche
des Spitzendes Dichtungselemente, beispielsweise Gleitring
dichtungen oder ähnliche geeignete Dichtmittel angeordnet,
so daß die FBS-Rohre dichtend aneinanderliegen.
An derartige Bauteile werden vergleichsweise hohe Quali
tätsanforderungen gestellt, da erhebliche Kosten anfallen,
wenn sich die Undichtigkeit einer Kanalisation nachträglich
herausstellt und dann zunächst herausgefunden werden muß,
wo die Undichtigkeit liegt und anschließend der entspre
chende Teil des Kanals freigelegt werden muß.
Aus diesem Grund hat der Gesetzgeber ab 1.1.1996 vorge
schrieben, daß die FBS-Rohre (Betonrohre, Stahlbetonrohre,
Vortriebsrohre und sonstige FBS-Schachtbauteile) nach den
DIN-Normen 4032, 4034 und 4035 geprüft werden. Dabei ist an
jedem produzierten FBS-Rohr der Außendurchmesser des Spitz
endes zu prüfen, das heißt desjenigen Teils des Rohres, der
in die Muffe des benachbarten Rohres eingeschoben wird. Die
Messung dieses Rohraußendurchmessers am Spitzende erfolgt
an der Stelle des Spitzendspiegels, an dem der planmäßige
Sitz des Dichtmittels vorgesehen ist. Bei der Serienprüfung
müssen zusätzlich Kleinst- und Größtwerte erfaßt werden.
Zur Durchführung dieser Serienprüfung können geeignete Meß
werkzeuge oder Schablonen verwendet werden, die allerdings
relativ umständlich zu handhaben sind.
Zur Vereinfachung der Messung und zur Erhöhung der Meßge
nauigkeit werden berührungslose Meßsysteme bevorzugt. Dabei
wird beispielsweise in einer Verkaufsbroschüre der Firma
Pipetech ein berührungsloses Meßverfahren zur Dimensions-
Prüfung von Betonrohren gezeigt, bei dem ein 3-D-Laserscan
ner verwendet wird, um den Rohraußendurchmesser des Beton
rohres zu vermessen. Dabei ist eine Laseroptik an einem
Dreharm befestigt, dessen Drehachse etwa koaxial zur Längs
achse des Betonrohrs angeordnet ist. Der den Laser enthal
tenden Meßkopf ist dabei an einem Endabschnitt des Dreharms
derart befestigt, daß der Laserstrahl auf die zu vermessen
de Umfangsfläche gerichtet ist. Bei der Drehbewegung des
Dreharms werden eine Vielzahl von Meßpunkten erfaßt, aus
denen dann über eine Auswerteeinheit das Rohrprofil und die
zu vermessenden Rohraußendurchmesser bestimmbar sind.
Eine derartige Vorrichtung setzt voraus, daß die Längsachse
des Betonrohrs etwa koaxial zur Drehachse verläuft. Durch
ein besonderes Meßverfahren können gewisse Abweichungen bei
der Zentrierung ausgeglichen werden. Da üblicherweise Be
tonrohre mit unterschiedlichen Nenndurchmessern (300 bis
1.500 mm) gefertigt werden, kann bei der Vermessung das in
Fig. 1 dargestellte Problem auftreten.
In Fig. 1 ist mit durchgezogenen Linien der Außendurchmes
ser eines Spitzendes eines Betonrohres 2 dargestellt. Die
ses ist in einer Stützhöhe H mit Bezug zum Boden abge
stützt. Zur Bestimmung des Rohraußendurchmessers d₃ am
Spitzende wird ein Meßkopf 4 auf einer Kreisbahn um das Be
tonrohr 2 bewegt. In Fig. 1 sind zwei Positionen 4, 4′ des
Meßkopfs dargestellt. Während des Umlaufs des Meßkopfes 4
um das Betonrohr 2 wird der Abstand zum Außenumfang des
Rohrs 2 und dessen Profil senkrecht zur Zeichenebene erfaßt
und mit einer Sollwert-Tabelle verglichen. Wie aus Fig. 1
hervorgeht, ist die Längsachse des Betonrohrs 2 in diesem
Fall in idealer Weise koaxial zur Drehachse des Meßkopfs
angeordnet.
Soll nun ein Rohr mit wesentlich kleinerem Durchmesser ver
messen werden, so muß bei der bekannten Vorrichtung die
Längsachse des strichpunktiert eingezeichneten kleineren
Betonrohrs ebenfalls etwa koaxial zur Drehachse des Meß
kopfs 4 verlaufen.
Dazu kann entweder die Stützhöhe des Betonrohrs auf das Maß
H′ vergrößert werden oder aber bei konstanter Stützhöhe H
(gestrichelte Linie in Fig. 1) die Drehachse des Meßkopfs 4
soweit abgesenkt werden, daß die Koaxialität wieder herge
stellt ist (nicht dargestellt). Würde man versuchen, bei
konstanter Stützhöhe H des Betonrohrs (gestrichelte Linie)
und mit unveränderter Drehachse des Meßkopfs 4 (Darstellung
nach Fig. 1) den Außendurchmesser zu erfassen, so würde der
Laserstrahl beispielsweise in der mit 4′ bezeichneten Posi
tion des Meßkopfs 4 am Meßobjekt 2 (gestrichelt) vorbeige
hen, so daß keine oder lediglich eine fehlerhafte Messung
möglich ist. Eine 360°-Rundumvermessung des Rohres wäre so
mit nicht sichergestellt.
Zur Veränderung der Stützhöhe H muß der Auflagetisch des
Betonrohres auf- oder abbewegbar sein, während zur Verände
rung der Drehachsenlage des Meßkopfs 4 der gesamte Dreharm
mit den dazugehörigen Antriebseinrichtungen in Vertikal
richtung gelagert sein muß. Da bei der Serienfertigung im
Betonwerk häufig unterschiedliche Rohrdurchmesser aufeinan
derfolgend zu vermessen sind, wird durch den erforderlichen
Niveauausgleich die Taktzeit der Meßvorrichtung erheblich
verlängert. Des weiteren Bedarfes zur An- und Abhebung der
Drehachse oder der Stützhöhe eines großen vorrichtungstech
nischen Aufwandes, der die Fixkosten der Meßvorrichtung
steigen läßt.
In der AT 000269 U1 ist eine Meßvorrichtung zum Prüfen
der äußeren und inneren Umrißlinien von Rohrenden offen
bart, bei der ein Meßkopf auf einem drehbar gelagerten
Dreharm angeordnet ist. Zur Umstellung von einer Außen- auf
eine Innenmessung läßt sich der Meßkopf auf dem Dreharm um
180° verschwenken. Diese Vorrichtung zeigt im wesentlichen
die gleichen Merkmale wie sie im Zusammenhang mit dem vor
stehend genannten Stand der Technik beschrieben wurden.
In der DE 44 07 518 A1 ist eine Meßvorrichtung gezeigt,
bei der ein Meßobjekt auf einem Drehteller angeordnet ist,
so daß das Außenprofil des Meßobjektes während einer Umdre
hung des Drehtellers durch einen ortsfesten Meßkopf abtast
bar ist. Bei der Auslegung für schwergewichtige Meßobjekte
muß der Drehteller mit einem entsprechenden Antrieb und mit
geeigneten Lagerungen versehen werden, so daß der vorrich
tungstechnische Aufwand gegenüber Lösungen, bei denen der
Meßkopf mit Bezug zu dem feststehenden Meßobjekt bewegt
wird, erheblich höher ist. Des weiteren bereitet die koa
xiale Ausrichtung des Meßobjekts zum Drehpunkt des Drehtel
lers häufig Probleme.
Aus der DE 27 01 367 31 ist ein mechanisch wirkender
Längenmeßtaster bekannt, bei dem ein Meßkopf programmge
steuert eine Bezugskurve abfährt und aufgrund der erfaßten
Bezugsdaten ein Tastende des Längenmeßtasters in die am je
weiligen Meßpunkt geforderte Meßrichtung eingestellt wird.
Die Genauigkeit eines derartigen mechanischen Längenmeßta
sters hängt im wesentlichen von der Bezugskurve ab, die auf
jedes Meßobjekt abgestimmt sein muß.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein
Verfahren und eine Meßvorrichtung zu schaffen, bei denen
mit minimalem vorrichtungstechnischen und verfahrenstechni
schen Aufwand unterschiedliche Abmessungen erfaßbar sind.
Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1 und hinsichtlich der Vor
richtung durch die Merkmale des Patentanspruchs 7 gelöst.
Durch die Maßnahme, den Meßkopf verschwenkbar zu lagern, so
daß die Schwenkachse des Meßkopfs entlang der durch die
Drehachse des Meßkopfs vorgegebenen Bewegungsbahn bewegbar
ist, kann der Meßkopf während der Bewegung des Meßkopfs
entlang der Meßobjektoberfläche so verschwenkt werden, daß
seine Meßachse immer in einem vorbestimmbaren Winkel auf
den Außenumfang des zu vermessenden Objektes gerichtet ist.
Auf diese Weise entfällt die Notwendigkeit, entweder die
Stützhöhe des zu vermessenden Objektes oder die Lage der
Drehachse des Meßkopfes mit Bezug zur Stützhöhe zu verän
dern. Da die Schwenkbewegung des Meßkopfs während des Meß
vorganges erfolgt, geht keine Zeit durch den Niveauaus
gleich verloren, so daß die Taktzeit gegenüber herkömmli
chen Lösungen ganz erheblich verkürzt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße
Vorrichtung lassen sich besonders vorteilhaft bei der Ver
messung von kreisförmigen Meßobjekten, beispielsweise Be
tonröhren verwenden, wobei der Schwenkwinkel des Meßkopfes
in Abhängigkeit vom Rohrdurchmesser und vom Drehwinkel des
Dreharmes gewählt wird. Andere Rohrformen (Eiform, Ellipse,
etc.) sind mit dem Verfahren ebenfalls vermeßbar, wobei
aber die jeweilige Profilform zur Nachführung des Meßkopfes
bekannt sein muß.
Vorteilhafterweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
ein Meßkopf verwendet, bei dem eine direkte Abstandsmessung
des Meßkopfs zum Meßobjekt mit Hilfe eines Lasers erfolgt,
dessen Laserstrahl über eine Laseroptik auf das Meßobjekt
gerichtet ist. Da derartige AM-CW-Lasermeßgeräte zur Erfas
sung eines Profils oder eines Abstandes aus dem Stand der
Technik bereits bekannt sind, kann hier auf eine detail
lierte Beschreibung der physikalischen Grundlagen der La
sermeßtechnik verzichtet werden. Nur beispielsweise sei
diesbezüglich auf die Veröffentlichung "Laser-Entfernungs
kamera zur schnellen Abbildung von 3-D Höhen- und Tiefen
profilen" von C. Fröhlich und G. Schmidt verwiesen, deren
Inhalt auch zur Offenbarung der vorliegenden Patentanmel
dung zu zählen ist.
Bei dem eingangs beschriebenen Stand der Technik wird zur
Erfassung des Außendurchmessers die sogenannte Triangula
tionsmethode verwendet, bei der ein von der Oberfläche des
Meßobjekts reflektierter Teil des Laserstrahles von einer
CCD-Kamera aufgefangen und ausgewertet wird. Derartige Sy
steme erfordern einen erheblichen apparatetechnischen Auf
wand, da eine Laseroptik und eine Videokamera mit den er
forderlichen Umlenksystemen installiert werden müssen. Des
weiteren neigen die Umlenksysteme und die CCD-Kamera beson
ders bei Anwendungen im Fertigungsbereich zur Verschmut
zung, so daß Meßfehler auftreten können. Aus diesem Grund
wird bei der vorliegenden Erfindung bevorzugt, daß der re
flektierte Laserstrahl im Meßkopf selbst ausgewertet wird.
Dabei wird der Laserstrahl beispielsweise als sinusförmiges
Ausgangssignal abgegeben und aus der Phasenverschiebung des
von der Oberfläche des Meßobjektes reflektierten Eingangs
signales der Abstand des Meßkopfs zur Meßoberfläche be
stimmt. Da während des Umlaufs des Meßkopfs eine Vielzahl
derartiger Abstandsmessungen durchgeführt werden, läßt sich
beispielsweise der Außendurchmesser eines Meßobjekts auf
einfache Weise bestimmen.
Einen besonders geringen vorrichtungstechnischen Aufwand
ermöglicht eine Variante, bei der die Verschwenkung des
Meßkopfs über einen Schrittmotor erfolgt, der am Dreharm
befestigt ist. Dabei läßt sich durch entsprechende Ansteue
rung des Schrittmotors der Schwenkwinkel des Meßkopfs sehr
präzise einstellen, so daß Meßfehler auch bei unterschied
lichen Meßobjektdurchmessern ausgeschlossen sind.
Eine flexible Meßvorrichtung erhält man, wenn diese mit ei
ner Steuer- und Auswerteeinheit versehen wird, in der der
Schwenkwinkel des Meßkopfs in Abhängigkeit vom Meßobjekt
durchmesser und vom Drehwinkel des Dreharms vor der eigent
lichen Messung berechnet wird.
Eine besonders vielseitig einsetzbare Meßvorrichtung erhält
man, wenn der Schwenkarm parallel zur Drehachse verschieb
bar (Z-Achse) angeordnet ist, so daß praktisch der Axialab
stand des Dreharms zum Meßobjekt einstellbar ist. Durch
diese Maßnahme lassen sich in Axialrichtung zueinander ver
setzte Durchmesser des Meßobjektes erfassen.
Die sicherheitstechnischen Vorkehrungen lassen sich auf ein
Minimum reduzieren, wenn der verwendete Laser mit einer
mittleren Leistung von etwa 3 mW betrieben ist, so daß er
den Anforderungen an die Schutzklasse 3A in Verbindung mit
der Rotationsbewegung des Dreharms genügt.
Die Nullpunktjustierung des Lasers läßt sich vereinfachen,
wenn an dem vom Meßkopf entfernten Meßabschnitt des Dreh
arms in einem vorbestimmten festen Abstand eine Reflexions
einrichtung vorgesehen ist, über die bei Meßbeginn eine
Kalibrierung der Vorrichtung erfolgen kann.
Durch die im Unteranspruch 12 angegebenen Abmessungen las
sen sich Betonrohre eines weiten Nennweitenbereichs vermes
sen, ohne daß es eines Niveauabgleichs bedarf.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Ge
genstand der sonstigen Unteransprüche.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im
folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung
der Nachteile des Standes der Technik;
Fig. 2 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Meßvor
richtung und
Fig. 3 eine Vorderansicht der Meßvorrichtung aus Fig. 2.
In den Fig. 2 und 3 ist eine Meßvorrichtung zur Messung
des Außendurchmessers d₃ des Spitzendes eines FBS-Beton
rohrs 2 dargestellt. Dazu wird ein Meßkopf 4 mit einer La
seroptik 8 auf einer Kreisbahn um das Betonrohr 2 bewegt,
wobei über die Laseroptik 8 ein Laserstrahl auf den zu ver
messenden Außenumfang gerichtet ist. Die Laseroptik enthält
Einrichtungen zur Abgabe eines Lasermeßstrahls und zum Emp
fang des am Meßobjekt erzeugten Streulichts. Es können ein
Infrarot-Halbleiter-Laser oder aber auch andere Laserarten
eingesetzt werden. Hinsichtlich weiterer Einzelheiten sei
auf den eingangs erwähnten Aufsatz verwiesen. Der Laser
strahl wird als sinusförmiges Ausgangssignal moduliert und
das vom Außenumfang des Betonrohrs 2 reflektierte Signal
durch geeignete Aufnahmeeinrichtungen verarbeitet. Aus der
Phasenverschiebung des sinusförmigen Ausgangssignals und
des sinusförmigen reflektierten Eingangssignals läßt sich
die Distanz der Laseroptik 8 zur Meßoberfläche bestimmen.
Da während der Umlaufbahn des Meßkopfs 4 eine Vielzahl,
beispielsweise 10.000 Abstandsmessungen durchgeführt wer
den, läßt sich auf der Basis der ermittelten Abstände der
mittlere Durchmesser d₃ und die Standardabweichung etc. mit
Kleinst- und Größtwert ermitteln, so daß den Anforderungen
der DIN 4032, 4035, 4034 Genüge getan ist.
Der Meßkopf 4 ist an einem Endabschnitt eines Dreharmes 10
befestigt, der drehbar an einem Fahrständer 12 gelagert
ist.
Die Befestigung des Meßkopfs 4 am Dreharm 10 erfolgt über
einen Schrittmotor 14, dessen Befestigungsflansch am Endab
schnitt des Dreharms 10 befestigt ist und dessen Ausgangs
welle (nicht gezeigt) den Meßkopf 4 trägt. Durch geeignete
Ansteuerung des Schrittmotors 14 läßt sich dann der Meßkopf
4 um die Schwenkachse D mit Bezug zum Dreharm 10 verschwen
ken.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Dreharm 10
zentrisch gelagert, so daß ein anderer Teilabschnitt des
Dreharms 10 vom Meßkopf 4 über eine Drehachse C des Dreh
arms 10 hinaus verlängert ist und etwa die gleiche Länge
wie der den Meßkopf 4 tragende Endabschnitt aufweist. Es
sind jedoch auch Lösungen vorstellbar, bei denen der Dreh
arm exzentrisch gelagert ist. Es ist jeweils nur zu beach
ten, daß während der Messung keine Kollision der Refle
xionseinrichtung mit dem Meßobjekt erfolgen kann. An diesem
anderen Endabschnitt des Dreharms 10 ist eine Reflexions
einrichtung 16, beispielsweise eine Reflexionsschicht befe
stigt, die in einem vorbestimmten Referenzabstand R zur La
seroptik 8 und in deren optischer Achse angeordnet ist.
Da die Größe des Referenzabstandes R vorbekannt ist, läßt
sich eine Kalibrierung der Meßvorrichtung vornehmen, indem vor
Beginn der Messung ein Laserstrahl auf die Reflexionsein
richtung 16 gerichtet wird und der dabei gemessene Abstand
mit dem tatsächlichen Abstand R verglichen wird. Auf diese
Weise lassen sich Referenzmessungen oder Nullpunktjustie
rungen durchführen und beispielsweise Temperaturschwankun
gen ausgleichen.
Der Dreharm 10 ist über eine Drehwelle am Fahrständer 12
gelagert, die über einen Antriebsmotor (nicht gezeigt)
drehbar ist, so daß der Dreharm 10 eine Drehbewegung um ei
ne von der Drehwelle vorgegebene Drehachse C durchführt.
Wie insbesondere aus Fig. 3 hervorgeht, ist der Fahrständer
12 über zwei Längsführungen 18, beispielsweise Schwalben
schwanzführungen oder andere bei Werkzeugmaschinen verwen
dete Führungen auf einem Maschinenbett 20 gelagert, wobei
sich die Längsführung 18 in Horizontalrichtung (Darstellung
nach den Fig. 2, 3) erstreckt, so daß der Maschinenständer
12 in Z-Richtung (Fig. 2) verschiebbar ist. Diese Vorschub
bewegung des Fahrständers 12 erfolgt beispielsweise über
eine Kugelumlaufspindel, die über einen nicht gezeigten An
triebsmotor angetrieben ist und über eine entsprechende Ku
gelumlaufführung mit dem Fahrständer 12 verbunden ist.
Durch Ansteuerung des Antriebsmotors läßt sich somit der
Fahrständer 12 in Z-Richtung bewegen, so daß der Meßkopf 4
eine Horizontalbewegung parallel zur Längsachse des Beton
rohrs 2 durchführt. Die Ansteuerung des Schrittmotors 14,
der Drehwelle für den Dreharm 10 und des Antriebsmotors für
die Längsführung 18 erfolgt über eine Steuer- und Auswert
einheit 22, die über ein Display 24 verfügt, dem die einge
stellten Betriebsparameter und die gemessenen Daten ent
nehmbar sind. Die Steuer-/Auswerteeinheit umfaßt auch eine
Speichereinheit, in der für den Betrieb der Meßvorrichtung
erforderliche Betriebsdaten abgespeichert sind, auf die im
folgenden noch näher eingegangen wird.
Die Länge des Maschinenbettes 20 oder genauer gesagt, der
Längsführungen 18 ist so gewählt, daß sich der Meßkopf 4
aus seiner in Fig. 2 gestrichelt dargestellten Meßposition,
in der der Laserstrahl auf den Außenumfang des Betonrohrs 2
gerichtet ist in seine mit durchgezogenen Linien darge
stellte Grundposition verfahrbar ist, in der der Laser
strahl das Betonrohr 2 nicht trifft und somit auf die Re
flexionseinrichtung 16 gerichtet ist. Das heißt, in dieser
Grundposition erfolgt die vorbeschriebene Referenzmessung
zur Nullpunktjustierung.
Das Meßobjekt, im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Be
tonrohr 2, ist auf einer nicht gezeigten Stützeinrichtung
befestigt, wobei das Spitzende 26 von der Stützeinrichtung
auskragend hin zum Meßkopf 4 gerichtet ist, wobei die
Längsachse 28 das Betonrohrs 2 parallel oder koaxial zur
Drehachse c angeordnet ist. Die Stützhöhe H des Betonrohrs
2 bleibt dabei für alle zu vermessenden Rohrgrößen gleich,
das heißt, mit einer Stützhöhe H lassen sich Betonrohre mit
unterschiedlichen Nennweiten vermessen. Auch die Beabstan
dung der Drehachse C zur Stützhöhe H bleibt unabhängig vom
Nenndurchmesser DN des Betonrohr 2 konstant.
Wie bereits vorstehend erwähnt, wird zur Bestimmung des
Durchmessers d₃ der Dreharm 10 um die Drehachse C gedreht,
so daß der Meßkopf 4 eine Kreisbahn um die zu vermessende
Betonröhre 2 durchläuft, wobei die Laseroptik 8 stets in
einem Abstand zum Außenumfang des Betonrohres 2 angeordnet
ist. Ein wesentliches Merkmal der Erfindung liegt darin,
daß der Meßkopf 4 während der Drehbewegung des Dreharms 10
um die Drehachse C durch geeignete Ansteuerung des Schritt
motors 14 um die Schwenkachse D verschwenkt wird, so daß
der Laserstrahl stets in einem vorbestimmten Winkelbereich
auf die zu vermessende Außenumfangsfläche (ungefähr zen
trisch zur Mittelachse des Betonrohres 2) gerichtet ist
(siehe Fig. 3). Dieser Schwenkwinkel α (siehe Fig. 3) des
Meßkopfs 4, das heißt der Winkel, den die optische Achse
des Laserstrahls mit der Längsachse des Dreharms 10 ein
schließt, wird in Abhängigkeit vom Drehwinkel β des Dreh
arms 10 und der Nennweite DN (lichte Weite) des Betonrohrs
2 vorgewählt. Aus Fig. 3 wird klar, daß der Schwenkwinkel α
bei der Vermessung eines Rohres mit geringem Nenndurchmes
ser relativ große Werte annehmen kann, während er bei der
Vermessung von Rohren mit großem Nenndurchmesser nahezu 0
bleibt, da dann die Längsachse des Rohres etwa koaxial zur
Drehachse C verläuft.
Um alle auftretenden Nennweiten von Betonrohren vermessen
zu können, wird in der Steuer-/Auswerteeinheit 22 eine
Schwenkwinkeltabelle (α) in Abhängigkeit vom Drehwinkel β
und vom ungefähr gemessenen Nenndurchmesser d₃ des Rohres
berechnet. Der Meßkopf 4 wird somit in Abhängigkeit vom
Drehwinkel β um einen Schwenkwinkel ab verschwenkt, so daß
immer optimale Meßbedingungen vorhanden sind.
Der Schwenkwinkel α muß dabei nicht notwendigerweise recht
winklig auf den Außenumfang gerichtet sein, sondern es sind
auch andere Einfallswinkel, vorzugsweise jedoch Einfalls
winkel im Bereich von 90° ± 30° zulässig.
Zur Vereinfachung des Verständnisses soll im folgenden ein
Meßzyklus beschrieben werden.
Dazu wird zunächst ein zu vermessendes Betonrohr 2 in die
in Fig. 2 strichpunktiert angedeutete Meßposition gebracht,
in der das Betonrohr 2 auf der konstanten Stützhöhe H abge
stützt ist. Die Zuführung des Betonrohrs 2 kann dabei über
ein Fertigungsband einer Betonröhrenfabrik erfolgen, wobei
es durchaus vorkommen kann, daß aufeinanderfolgend Beton
rohre 2 mit unterschiedlichen Nennweiten DN zu vermessen
sind.
Die Meßvorrichtung befindet sich dabei in der in Fig. 2 mit
durchgezogenen Linien dargestellten Grundposition, in der
der Dreharm in seiner Vertikalstellung (in der Mittelebene
gemäß Fig. 3) angeordnet ist. Diese Vertikalstellung kann
durch geeignete Detektoren erfaßt und kontrolliert werden,
die den Drehwinkel β der Drehwelle (Drehachse C) erfassen.
In dieser Grundposition ist der Fahrständer 12 in Z-Rich
tung weg vom zu vermessenden Objekt bewegt. Es wird dann
zunächst eine Referenzmessung durchgeführt, in der der La
serstrahl auf die Reflexionseinrichtung 16 gerichtet ist
und dabei das Meßsignal mit dem Referenzabstand R vergli
chen und gegebenenfalls über eine in der Speichereinrich
tung der Steuer-/Auswerteeinheit abgelegte Eichkurve korri
giert.
Anschließend wird der Antriebsmotor der Kugelumlaufspindel
über die Steuer-/Auswerteeinheit 22 angesteuert, so daß der
Fahrständer 12 hin zum Betonrohr 2 bewegt wird. Während
dieser Vorwärtsbewegung wird zumindestens im Bereich des
Betonrohrs 2 bereits ein Laserstrahl über die Laseroptik 8
abgegeben. Der Vorschub des Fahrständers 12 oder genauer
gesagt, des Meßkopfs 4 in Z-Richtung erfolgt über den Spit
zendabschnitt 26 hinaus, bis die optische Achse den radial
erweiterten Mittelabschnitt mit dem Durchmesser d er
reicht.
Während dieser Vorschubbewegung entlang der Rohrlängsachse
28 werden die jeweiligen Abstände A berechnet, wobei diese
Berechnung auf der Basis des vorbeschriebenen Eingangssi
gnales (reflektierter Teil des Laserstahls), der Stützhöhe
H und des Referenzabstandes R erfolgt. Diese Werte werden
über die Steuer-/Auswerteeinheit 22 mit abgespeicherten
Durchmesser und Profildaten verglichen, so daß einerseits
eine Grobvermessung des Nenndurchmessers d₃* und des Längs
profils am Spitzende 26 erfolgt. Diese Profilmessung ist
notwendig, da auch Rohre erkannt werden müssen, die bei
gleichem Nenndurchmesser DN unterschiedliche Spitzendpro
file aufweisen.
Nachdem die Profil- und Durchmessererkennung abgeschlossen
ist, wird der Fahrständer 12 zurückbewegt, bis er diejenige
Position am Spitzende 26 erreicht, an der die Dichtung an
geordnet ist. Diese Position ist in Fig. 2 mit ts angedeu
tet. Diese Meßposition ts ist ebenfalls in der Steuer-
/Auswerteeinheit 22 für jeden Rohrtyp gespeichert.
Nachdem die optische Achse der Laseroptik 8 mit Bezug zur
Meßposition ts ausgerichtet ist, wird der Antriebsmotor der
Drehwelle angesteuert, so daß der Dreharm 10 eine Rotation
um die Drehachse C aufnimmt. In Abhängigkeit vom Drehwinkel
β (Fig. 3) und von dem zuvor ungefähr gemessenen Nenndurch
messer d₃* erfolgt dabei eine Verschwenkung des Meßkopfs 4
um einen zugeordneten Schwenkwinkel α mit Bezug zum Dreharm
10, so daß die optische Achse der Laseroptik 8 stets in ei
nem optimalen Winkel auf den zu vermessenden Außenumfang
gerichtet ist. Insbesondere bei kleinen Nenndurchmessern DN
ändert sich der Schwenkwinkel α praktisch mit jedem Dreh
winkel β, wobei der Schwenkwinkel α in den Vertikallagen
(Fig. 3) des Dreharms 10 gegen 0 geht. Bei größeren Durch
messern (DN gegen 1200 mm) kann der Schwenkwinkel α während
der gesamten Drehbewegung des Dreharms 10 Null betragen.
Während der Drehbewegung des Dreharms werden eine Vielzahl,
beispielsweise 10.000 Abstandsmessungen durchgeführt, so
daß bei einem kompletten Umlauf (β = 360°) des Dreharms 10
der Umfang des Spitzendes vermessen ist. Während der Mes
sung erfolgt eine Online-Auswertung über die Steuer-
/Auswerteeinheit 22, wobei die gemessenen Durchmesser und
das Rohrprofil am Display 24 dargestellt werden, so daß die
Bedien- oder Kontrollperson jederzeit über die erfolgten
Messungen informiert ist.
Nach Abschluß der Messung erfolgt nach den Anforderungen
der FBS-Qualitätsrichtlinie (DIN 4032, 4035, 4034) die Er
fassung der Kleinst- und Größtwerte, das heißt der Ovalität
des Rohres und ein Vergleich mit den vorgegebenen Soll-Wer
ten. Für den Fall, daß die Soll-Werte nicht eingehalten
werden, wird das vermessene Betonrohr 2 - beispielsweise
über ein Handlingsgerät - aus gesondert oder mit einer ge
eigneten Markierung als Ausschuß gekennzeichnet. Rohre, die
die Qualitätskontrolle unbeanstandet durchlaufen, können
mit einem Prüfsiegel versehen werden.
Nach der Durchführung der Messung und der Einstufung des
Meßobjektes als Ausschuß oder als "Gutteil" wird der Fahr
ständer 12 wieder in seine in Fig. 2 dargestellte Ausgangs
position zurückbewegt und ein neuer Meßzyklus begonnen.
In der Speichereinrichtung der Steuer-/Auswerteeinheit 22
werden dabei sämtliche gemessenen Daten abgespeichert, so
daß auch eine langfristige Qualitätsauswertung durchführbar
ist.
Wie bereits eingangs erwähnt, können mit der erfindungsge
mäßen Meßvorrichtung Betonrohre des gesamten vorkommenden
Nennweitenbereiches vermessen werden, ohne daß es eines Ni
veauausgleichs zwischen der Stützhöhe H und der Höhe der
Drehachse C bedarf. Da die Verschwenkbarkeit des Meßkopfes
4 gegenüber herkömmlichen Lösungen lediglich eines minima
len vorrichtungstechnischen Aufwandes bedarf und die Anpas
sung an die unterschiedlichen Nennweiten während des Meß
vorganges erfolgt, lassen sich die Investitionskosten und
Taktzeiten gegenüber herkömmlichen Lösungen erheblich ver
ringern.
Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung
nicht auf einen Laser-Meßkopf beschränkt, es können auch
andere berührungslose Meßverfahren angewendet werden, wobei
optische Systeme oder Ultraschallsysteme etc. einsetzbar
sind.
Des weiteren liegt es auf der Hand, daß die erfindungsgemä
ße Vorrichtung nicht auf die Vermessung von Betonrohren und
ähnlichem beschränkt ist, sondern auch Meßobjekte mit kom
plizierteren Oberflächengestaltungen meßbar sind.
Des weiteren ist die Meßvorrichtung nicht auf eine Anwen
dung zur Bestimmung von Außendurchmessern beschränkt, son
dern es können selbstverständlich auch Innendurchmesser von
Meßobjekten, beispielsweise der Innendurchmesser der Muffe
eines Betonrohres bestimmt werden, wobei dann der Meßkopf 4
einen Laserstrahl auf die Innenumfangswandung des Meßobjek
tes richten muß. Am Meßprinzip ändert sich dabei nichts.
Offenbart ist ein Verfahren zur berührungslosen Bestimmung
des Außen- oder Innenprofils eines Meßobjektes und eine
Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens, wobei ein
Meßkopf auf einer Bewegungsbahn mit Bezug zum Meßobjekt be
wegt wird und der Meßkopf relativ zur Bewegungsbahn ver
schwenkbar ist, so daß die Meßachse eine vorbestimmte Ori
entierung zum Meßobjekt beibehält.
Claims (15)
1. Verfahren zur berührungslosen Bestimmung des Außen-
oder Innenprofils eines Meßobjekts, mit den Schritten:
- - Abstützen des Meßobjektes (2) mit einer vorgegebe nen Stützhöhe (H);
- - Bewegen eines Meßkopfes (4) entlang einer vorbe stimmten Bewegungsbahn im Abstand zu dem zu vermes senden Profil;
- - Erfassen des Abstandes (A) des Meßkopfes (4) zum Meßobjekt (2) an einer Vielzahl von Meßpunkten ent lang der Bewegungsbahn;
- - Berechnen des Profils aus den gemessenen Abständen (A),
dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (4) während der
Bewegung entlang der Bewegungsbahn derart relativ zu
dieser verschwenkt wird, daß seine Meßachse eine vorge
gebene Orientierung zum Meßobjekt (2) beibehält.
2. Verfahren nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß der Meßkopf (4) um eine Drehachse (C) entlang
einer Kreisbahn mit Bezug zu dem Meßobjekt (2) bewegt
wird und dabei um eine Schwenkachse (D) verschwenkt
wird, die im Parallelabstand zur Drehachse (C) angeord
net ist, so daß die Meßachse immer in einem vorbestimm
ten Winkelbereich auf die zu vermessende Oberfläche ge
richtet ist.
3. Verfahren nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeich
net, daß der Winkelbereich 90° ± 30° ist.
4. Verfahren nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß das zu vermessende Profil einen etwa
kreisförmigen Durchmesser (d₃) hat und daß der Schwenk
winkel (α) in Abhängigkeit vom Durchmesser (d₃, DN) des
Meßobjektes (2) und vom Drehwinkel (β) des Meßkopfs (4)
gewählt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (2) eine
Muffe oder ein Spitzende eines FBS-Betonrohrs ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Patentansprü
che, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßkopf (4) ein
Laserabstandsmeßgerät verwendet wird, bei dem über eine
Laseroptik (8) ein Laserstrahl auf das Meßobjekt (2)
gerichtet wird und vorzugsweise das vom Meßobjekt (2)
reflektierte Eingangssignal zur Bestimmung des Abstan
des der Laseroptik (8) von der Meßoberfläche verwendet
wird.
7. Meßvorrichtung zur berührungslosen Bestimmung des Au
ßen- oder Innenprofils eines Meßobjekts mit einem Meß
kopf (4), der an einem Dreharm (10) befestigt ist, des
sen Drehachse (C) etwa senkrecht zu einem zu vermessen
den Profil eines Meßobjektes (2) angeordnet ist, das in
einer vorbestimmten Stützhöhe (H) abgestützt ist, so
daß der Meßkopf (4) im Abstand zum Meßobjekt (2) beweg
bar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (4)
vermittels einer gelenkigen Lagerung am Dreharm (10)
während der Drehbewegung des Dreharms (10) so um eine
Schwenkachse (D) verschwenkbar ist, daß seine Meßachse
in einem vorbestimmten Winkel auf die Oberfläche des
Meßobjektes (2) gerichtet ist.
8. Meßvorrichtung nach Patentanspruch 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß am Dreharm (10) ein Schrittmotor (14) be
festigt ist, über den der Meßkopf (4) verschwenkbar
ist.
9. Meßvorrichtung nach Patentanspruch 7 oder 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Dreharm (10) parallel zur Dreh
achse (C) verschiebbar ist.
10. Meßvorrichtung nach einem der Patentansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (4) eine Laser
abstandsmeßeinrichtung aufweist, deren Laser eine mitt
lere Leistung von etwa 3 mW hat.
11. Meßvorrichtung nach einem der Patentansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, daß an einem vom Meßkopf (4)
entfernten Endabschnitt des Dreharms (10) im vorbe
stimmten Abstand (R) zum Meßkopf (4) eine Reflexions
einrichtung (16) zur Referenzmessung angeordnet ist.
12. Meßvorrichtung nach einem der Patentansprüche 7 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (2) innerhalb
eines Bereiches von etwa 600 bis 900 mm von der Dreh
achse (C) entfernt abgestützt ist.
13. Meßvorrichtung nach einem der Patentansprüche 7 bis 12,
gekennzeichnet durch eine Steuer-/Auswerteeinheit (22),
in der die Schwenkwinkel (α) des Meßkopfs (4) in Abhän
gigkeit von einem Meßobjektdurchmesser (d₃, DN) und vom
Drehwinkel (β) des Dreharms (10) berechnet werden oder
abgespeichert sind.
14. Meßvorrichtung nach einem der Patentansprüche 9 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Antriebseinrichtung
des Dreharms (10) an einem Fahrständer (12) gelagert
ist, der seinerseits über eine Längsführung (18) auf
einem Maschinenbett (20) geführt ist, so daß der Fahr
ständer (12) aus einer Grundposition, in der die opti
sche Achse des Meßkopfs (4) das Meßobjekt (2) nicht
schneidet in eine Meßposition bewegbar ist, in der die
optische Achse das Meßobjekt an einer vorbestimmten Po
stition schneidet.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995144537 DE19544537C1 (de) | 1995-11-29 | 1995-11-29 | Meßverfahren und Meßvorrichtung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1995144537 DE19544537C1 (de) | 1995-11-29 | 1995-11-29 | Meßverfahren und Meßvorrichtung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19544537C1 true DE19544537C1 (de) | 1997-05-28 |
Family
ID=7778730
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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DE1995144537 Expired - Fee Related DE19544537C1 (de) | 1995-11-29 | 1995-11-29 | Meßverfahren und Meßvorrichtung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19544537C1 (de) |
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- 1995-11-29 DE DE1995144537 patent/DE19544537C1/de not_active Expired - Fee Related
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