DE202006002317U1

DE202006002317U1 - Einrichtung zur Inspektion von Filamentspulen

Info

Publication number: DE202006002317U1
Application number: DE200620002317
Authority: DE
Original assignee: Autefa Automation GmbH
Current assignee: AC Automation GmbH and Co KG
Priority date: 2006-02-13
Filing date: 2006-02-13
Publication date: 2007-06-21
Anticipated expiration: 2016-02-14

Abstract

Einrichtung zur Inspektion von Filamentspulen (2) mit einer Messeinrichtung (8), welche mit mindestens einem Messstrahl (10) eine Spulenoberfläche (5) zumindest bereichsweise abtastet und dabei aus den Auftreffpunkten (13) des Messstrahls (10) die Oberflächenstruktur der abgetasteten Spulenoberfläche (5) aufnimmt und prüft, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (8) als Laserscanner ausgebildet ist, der mittels eines in Einfallrichtung zurück reflektierten Messstrahlanteils (10) den Abstand des Auftreffpunkts (13) gegenüber einem Referenzpunkt misst, wobei eine Einrichtung (11) zur Lokalisierung und zur Bestimmung der räumlichen Position der Auftreffpunkte (13) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Inspektion von Filamentspulen mit den Merkmalen im Oberbegriff des Hauptanspruchs.
Die EP 0 693 451 A1 zeigt eine Einrichtung und ein Verfahren zur Inspektion von Filamentspulen mit einer Messeinrichtung, welche mit ein oder mehreren Messstrahlen eine Spulenoberfläche bereichsweise abtastet und dabei aus den Auftreffpunkten der Messstrahlen ein Höhenprofil erstellt. Hierbei wird ein Teil der diffus seitlich von dem Abtastpunkt weg reflektierten Lichtstrahlen auf eine Fokussierlinse gerichtet, dort punktförmig fokussiert und auf einen Flächensensor geleitet. Höhenunterschiede an der Spulenoberfläche äußern sich in einer Lageänderung des Auftreffpunkts auf dem Flächensensor. Auf dem Flächensensor wird die Lage des Auftreffpunktes gemessen. Aus dessen Verschiebung ergibt sich die Höhendifferenz. Es wird ein Relativvergleich der Höhenlage durchgeführt. Hierbei kann nur festgestellt werden, ob von der Norm abweichende Höhenunterschiede vorhanden sind. Sie lassen sich jedoch nicht lokalisieren.
Die JP 08-034 567 A offenbart eine optische Abstandsmessung zwischen einem nicht näher beschriebenen Sensor und der Oberfläche einer Spule. Bei der Messung wird nur auf Abweichungen von einem Sollwert geachtet, wobei diese Abweichungen gezählt werden. Aus der Zahl der Normabweichungen wird auf die Spulenqualität rückgeschlossen.
Die JP 06-024 650 A befasst sich mit der Messung der Dicke einer Spule mittels streifenförmiger Laserstrahlen. Hierbei sind Sensor und Empfänger des Laserlichts einander am Spulenmantel gegenüberliegend angeordnet. Je nach Spulendicke wird der Laserlichtstreifen mehr oder weniger stark abgedunkelt, wobei aus dem Abdunklungsgrad auf die Spulendicke rückgeschlossen wird. Die Oberflächenstruktur der Spulenoberfläche wird nicht abgetastet und nicht geprüft.
Aus der DE 42 16 729 A1 ist es bekannt, eine zylinderförmige Filamentspule optisch mittels eines Flächensensors oder einer CCD-Kamera unter Beleuchtung zu inspizieren. Eine ähnliche optische Spuleninspektion mittels einer Kamera und einer Bildauswertung ist auch aus der EP 0 934 897 B1 bekannt. Bei der DE 202 18 115 werden Filamentspulen optisch mit einer Kamera und einem vorgesetzten telezentrischen Objektiv vermessen. Optische Inspektionssysteme mit einer Bildauswertung bedingen einen erheblichen Bau- und Kostenaufwand. Die Bildauswertung braucht außerdem eine gewisse Zeit.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine bessere Inspektionstechnik für Filamentspulen aufzuzeigen.
Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den Merkmalen im Hauptanspruch.
Die Spuleninspektion mittels einer Abstandsmessung über ein oder mehrere Messstrahlen hat den Vorteil, dass eine Messgenauigkeit erreicht werden kann, wobei die Messergebnisse sehr schnell erhalten und ausgewertet werden können. Die Inspektion kann dadurch in sehr kurzer Zeit und mit hoher Präzision von statten gehen. Zudem sind der aperative Aufwand und der erforderliche Platzbedarf vergleichsweise gering. Auf Beleuchtungen und andere Zusatzeinrichtungen kann verzichtet werden. Die Inspektionseinrichtung baut klein und kann in bestehende Filamentanlagen leicht integriert oder nachgerüstet werden.
Die Messeinrichtung ist vorzugsweise als Laserscanner ausgebildet, der aus der Laufzeit und/oder der Interferenz des zurück reflektierten Laserstrahls den Abstand zu dessen Auftreffpunkt errechnet. Zugleich kann der Auftreffpunkt lokalisiert werden, so dass von allen Auftreffpunkten auf der inspizierten Spulenoberfläche die räumlichen Koordinaten errechnet werden können. Die Auftreffpunkte miteinander bilden die inspizierte Spulenoberfläche ab, wobei sich durch Vergleich der Abstands- oder Positionswerte Rückschlüsse auf eventuelle Spulen- oder Filamentfehler nach Art und Auftrittsort ziehen lassen. Insbesondere Fadenbrüche, Abspaltungen, Überleger und sonstige Spulen- oder Filamentfehler lassen sich mit der beanspruchten Inspektionstechnik zuverlässig und schnell erfassen und signalisieren.
Der Laserscanner kann in verschiedener Weise ausgebildet sein und z.B. mit stationären oder instationären Messstrahlen arbeiten. Der Scanvorgang kann durch eine Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Filamentspule unterstützt werden. Mit der beanspruchten Inspektionstechnik lassen sich beliebige Spulenoberflächen an der oder den Stirnseiten und/oder am Umfang inspizieren.
In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung angegeben.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielsweise und schematisch dargestellt. Im einzelnen zeigen:
1: eine Inspektionseinrichtung mit einer Filamentspule in Seitenansicht und
2: eine geklappte Draufsicht auf die Anordnung von 1.
Die Erfindung befasst sich mit einer Einrichtung (1) zur Inspektion von Filamentspulen (2) und mit den zugehörigen Inspektionsverfahren.
Die Filamentspulen (2) können von beliebiger Art, Form und Größe sein. In der gezeigten Ausführungsform haben sie eine im wesentlichen zylindrische Form und bestehen aus einem Spulenkörper (3) auf einer zentralen Hülse (4) sowie einer Spulenachse (6). Die zu inspizierende Spulenoberfläche (5) ist z.B. die oben liegende plane Stirnfläche. Alternativ kann auch die Umfangsfläche und/oder die unten liegende Stirnfläche inspiziert werden. Eine Filamentspule (2) kann z.B. an den Stirnseiten kegelstumpfförmige Oberflächen haben. Diese können ebenfalls mit der nachfolgend beschriebenen Technik inspiziert werden.
Die Inspektion der Spulenoberfläche (5) erfolgt über eine Abstandsmessung mittels eines oder mehrerer Messstrahlen (10). Der Abstand kann auf beliebige geeignete Weise ermittelt werden, z.B. über die Laufzeit des zurück reflektierten Stahlanteils. Alternativ kann eine Interferenzmessung stattfinden, bei der eine abstandsabhängige Verschiebung oder Interferenz der Lichtwellen des emittierten Messstrahls (10) und des reflektierten Strahlanteils gemessen und ausgewertet wird.
Hierbei wird die Spulenoberfläche (5) mit dem oder den Messstrahl(en) (10) abgetastet. Zu jedem Auftreffpunkt (13) des oder der Messstrahl(en) (10) kann hierbei der Abstand zu mindestens einem Referenzpunkt ermittelt werden. Zusätzlich können auch die weiteren Koordinaten ermittelt und die räumliche Position von jedem Auftreffpunkt (13) bestimmt werden. Aus den Abstandsmessungen bzw. der Positionsbestimmungen der einzelnen Auftreffpunkte (13) lässt sich in der Zusammenschau die Oberflächenstruktur oder die Topografie der inspizierten Spulenoberfläche (5) ermitteln.
Die Mess-, Abstands- oder Positionswerte der Auftreffpunkte (13) können untereinander oder mit Soll-Vorgaben verglichen werden. Anhand von eventuellen Abweichungen lassen sich Unregelmäßigkeiten anhand der inspizierten Spulenoberfläche (5) und insbesondere Spulen- oder Filamentfehler erkennen. Dies können z.B. Fadenbrüche, Lagenfehler, Überleger des Fadens oder dgl. sein. In diesen Fällen entstehen abnormale Erhöhungen oder Vertiefungen an der Spulenoberfläche (5). Z.B. kann ein gebrochener und von der Spulenoberfläche (5) abstehender Faden durch die von der Umgebung abweichenden Abstände und/oder Raumpositionen der auf diesem Fadenteil befindlichen Auftreffpunkte (13) erkannt werden.
Die Auftreffpunkte (13) bilden auf der Spulenoberfläche (5) ein dichtes Netz oder einen Raster. Je näher die messtechnisch erfassten Auftreffpunkte (13) beieinander liegen, desto höher ist die Mess- und Erfassungspräzision. Je nach Inspektionserfordernis kann die gesamte Spulenoberfläche (5) oder nur ein Teil hiervon abgetastet und messtechnisch erfasst werden.
Die Inspektionseinrichtung (1) besitzt eine Messeinrichtung (8), welche mit mindestens einem emittierten Messstrahl (19) die Spulenoberfläche (5) zumindest bereichsweise abtastet und mittels einer Abstandsmessung die Oberflächenstruktur aufnimmt und prüft. Die Messeinrichtung (8) kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein. Auch der Messstrahl (10) kann von unterschiedlicher Art sein. Er ist vorzugsweise eng gebündelt, um eine möglichst hohe Messpräzision zu erreichen. Die Abstandsmessung wird vorzugsweise über den in Einfallrichtung zurück zum Emissionsort reflektierten Strahlanteil und über eine Laufzeitmessung und/oder Interferenzmessung des Messstrahls (10) durchgeführt. In der gezeigten Ausführungsform wird mit ein oder mehreren Laserstrahlen (10) gearbeitet. Es sind aber auch beliebige andere Arten von Messstrahlen (10) tauglich, welche eine Abstandsmessung mit der gewünschten Präzision und Auflösung zulassen.
Die Messeinrichtung ist in der gezeigten Ausführungsform z.B. als Laserscanner ausgebildet, welcher sowohl mindestens einen Laserstrahl (10) emittiert, als auch die Laufzeit- und/oder Interferenzmessung an Hand des zurück reflektierten Strahlanteils durchführt. Die Messeinrichtung (8) hat hierfür z.B. mindestens einen Laserkopf (9), der mindestens einen Laserstrahl (10) emittiert und ggf. auch die Laufzeit- oder Interferenzmessung durchführt.
Ferner kann die Messeinrichtung (8) eine Einrichtung (11) zur Lokalisierung der Auftreffpunkte (13) an der Spulenoberfläche (5) aufweisen. Hierüber wird festgestellt, welche Position der Auftreffpunkt (13) z.B. in der x- und y-Achse eines ortsfesten kartesischen Koordinatensystems hat. Aus der Abstandsmessung lässt sich auch die z-Koordinate oder Höhenkoordinate des Auftreffpunkts (13) zurückrechnen. Alternativ können Winkel und radialer Abstand zur Drehachse (6) in einem Polarkoordinatensystem ermittelt werden.
Mittels der Laufzeit und/oder Interferenzmessung wird der Abstand des Auftreffpunktes (13) vom Emissionsort des Laserstrahls (10) ermittelt. Aus diesem Abstand in Strahlrichtung kann man unter Berücksichtigung eines eventuell variablen Emissionswinkels des Laserstrahls (10) auf eine Höhendifferenz bzw. einen Höhenabstand des Auftreffpunktes (13) gegenüber dem Emissionsort zurückrechnen. Anhand der bekannten und in der Regel stationären Position des Emissionsortes im Raum kann die z-Koordinate des Auftreffpunkts (13) im raumfesten oder achsfesten Koordinatensystem berechnet werden.
Um mit einem oder mehreren Laserstrahlen oder Messstrahlen (10) die verschiedenen Auftreffpunkte (13) an der Spulenoberfläche (5) möglichst schnell und präzise zu erreichen, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. Zwei davon sind in 1 und 2 als Alternativen im gleichen Bild dargestellt.
In der rechten Bildhälfte ist die Variante mit einem einzelnen stationären Laserkopf (9) dargestellt, der mindestens einen beweglichen Laserstrahl (10) emittiert. Der Laserkopf (9) ist benachbart und mit Abstand zur inspizierten stirnseitigen Spulenoberfläche (5) angeordnet, wobei seine Position seitlich versetzt neben der Spulenachse (6) und etwa in Höhe der Hälfte des Spulenradius liegt. Der Laserkopf (9) erzeugt mindestens einen pendelnden Laserstrahl (10), der eine gerade Pendelbewegung in Radialenrichtung zur Achse (6) über die Breite des Spulenkörpers (3) ausführt. Bei der Emission des Laserstrahls (10) wird zugleich sein Ausfallwinkel gegen die Horizontale oder die Vertikale erfasst und bei der Abstandsmessung unter Rückrechnung auf die Höhenabstände oder Raumkoordinaten ausgewertet.
1 und 2 zeigen in der linken Bildhälfte eine alternative Ausgestaltung eines Laserkopfes (9). Dieser emittiert z.B. eine Vielzahl von eng benachbarten parallelen Laserstrahlen (10), die z.B. senkrecht auf die Spulenoberfläche (5) gerichtet sind und die z.B. miteinander in einer Reihe angeordnet sind.
Dementsprechend liegen die Auftreffpunkte (13) in einer z.B. geraden und radial zur Spulenachse (6) ausgerichteten Linie und reichen über die gesamte radiale Breite des Spulenkörpers (3).
Um die gesamte kreisringförmige Spulenoberfläche (5) abtasten zu können, besitzt die Inspektionseinrichtung (1) in 1 eine Bewegungseinrichtung (7) zur Erzeugung einer Relativbewegung zwischen der Filamentspule (2) und der Messeinrichtung (8) bei der Messung. Dies kann z.B. die in 1 gezeigte Dreheinrichtung sein, welche die Filamentspule (2) über die Hülse (4) um die Achse (6) während der Messung dreht. In der Dreheinrichtung (7) wird hierbei der Drehwinkel kontinuierlich gemessen und über eine Leitung an die Messeinrichtung (8) signalisiert. Unter Anwendung von Polarkoordinaten kann hierüber der Rotationswinkel der Auftreffpunkte (13) bezüglich der Drehachse (6) erfasst werden. Alternativ kann die Messeinrichtung (8) relativ zur ggf. stehenden Filamentspule (2) um deren Spulenachse (6) gedreht werden. In weiterer Abwandlung können beide Teile relativ zueinander gedreht werden.
Die Messeinrichtung (8) besitzt eine Einrichtung (11) zur Lokalisierung der Auftreffpunkte (13), welche z.B. die von der Dreheinrichtung (7) gemeldeten Drehwinkel aufnimmt und mit den zeitgleich ermittelten Abstandswerten sowie den seitlichen Positionen der Auftreffpunkte (13) koppelt.
Bei der in der rechten Bildhälfte von 1 und 2 dargestellten Variante des Laserkopfes (9) mit dem pendelnden Laserstrahl (10) werden hierfür die Emissionswinkel der Laserstrahlen (10) erfasst und ausgewertet. Bei der in der linken Bildhälfte dargestellten Variante des Laserkopfes (9) mit der Reihenanordnung stationärer Laserstrahlen (10) ist die seitliche Position der Auftreffpunkte (13) vorgegeben und bekannt.
Die Messeinrichtung (8) besitzt ferner eine Auswerteeinrichtung (12) zur Auswertung, Signalisierung und Speicherung der Messergebnisse. Hier werden z.B. die Höhen- oder z-Koordinaten aller Auftreffpunkte (13) auf der inspizierten Spulenoberfläche (5) erfasst, durch z.B. einen Vergleich untereinander oder mit Soll-Vorgaben ausgewertet und die Auswerteergebnisse signalisiert. Hierbei wird z.B. in geeigneter Weise über eine optische, akustische oder in beliebiger anderer Art ausgebildete Anzeige einem Bediener vor Ort oder an anderer Stelle signalisiert, ob das Inspektionsergebnis in Ordnung war oder ob Unregelmäßigkeiten und insbesondere bestimmte Fehler der Spulenoberfläche (5) erkannt wurden. Das Messergebniss oder die Auswertung können auch an einen Leitstand oder an die Steuerung einer übergeordneten Spulenanlage (nicht dargestellt) oder dgl. übermittelt und dort weiterverarbeitet werden.
Die Inspektionseinrichtung (1) kann eigenständig angeordnet und mehrfach vorhanden sein. Sie lässt sich alternativ in eine Spulenanlage integrieren, was z.B. an einem Spulenförderer geschieht. Die Filamentspulen (2) werden der Inspektionseinrichtung (1) in beliebig geeigneter Weise zugeführt und werden an der vorgegebenen Messstelle positioniert, z.B. auf einem dortigen Aufnahmedorn, der formschlüssig in die Hülse (4) greift und der z.B. Bestandteil der Dreheinrichtung (7) ist. Nach der Spulenaufnahme wird die Messeinrichtung (8) referiert und kann dann sofort mit der Inspektion bzw. Spulenvermessung beginnen. Nach der Inspektion kann die Filamentspule (2) wieder mit einer geeigneten Mechanik abtransportiert und ggf. in den Förderfluss einer Spulenanlage eingeschleust werden.
Die Inspektionseinrichtung (1) kann stationär oder instationär angeordnet sein. Insbesondere kann sie sich an einem Doffer oder einem anderen Spulenförderer befinden und die Inspektion während des Spulentransports durchführen. Anhand der Inspektionsergebnisse, die ggf. per Datenfernübertragung an eine zentrale Anlagensteuerung gemeldet werden, können die Filamentspulen (2) sortiert, ausgesondert oder in anderer Weise inspektionsspezifisch weiter behandelt oder verarbeitet werden.
Abwandlungen der gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind in verschiedener Weise möglich. Zum einen können die dargestellten Laserköpfe (9) mehrfach vorhanden sein. Ferner kann ein Laserkopf mit ein oder mehreren Laserstrahlen (10) statt einer Punktlinie eine flächige Verteilung von Auftreffpunkten (10) erfassen. Zu diesem Zweck kann z.B. ein Laserkopf (9) einen um zwei Achsen pendelnden Laserstrahl (10) emittieren. In weiterer Abwandlung können die stationären und parallelen Laserstrahlen in einem flächigen Raster verteilt angeordnet sein. Hierüber lässt sich bei geeigneter Anordnung und Beabstandung des oder der Laserköpfe (9) ein Teil oder die Gesamtheit der Spulenoberfläche (5) erfassen. Bei einer Teilerfassung kann eine zusätzliche Relativbewegung zwischen der Filamentspule (2) und dem Laserkopf stattfinden.

1: Inspektionseinrichtung
2: Filamentspule
3: Spulenkörper
4: Hülse
5: Spulenoberfläche
6: Achse, Drehachse
7: Bewegungseinrichtung, Dreheinrichtung
8: Messeinrichtung
9: Laserkopf
10: Messstrahl, Laserstrahl
11: Lokalisierungseinrichtung
12: Auswerteeinrichtung
13: Auftreffpunkt

Claims

Einrichtung zur Inspektion von Filamentspulen (2) mit einer Messeinrichtung (8), welche mit mindestens einem Messstrahl (10) eine Spulenoberfläche (5) zumindest bereichsweise abtastet und dabei aus den Auftreffpunkten (13) des Messstrahls (10) die Oberflächenstruktur der abgetasteten Spulenoberfläche (5) aufnimmt und prüft, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (8) als Laserscanner ausgebildet ist, der mittels eines in Einfallrichtung zurück reflektierten Messstrahlanteils (10) den Abstand des Auftreffpunkts (13) gegenüber einem Referenzpunkt misst, wobei eine Einrichtung (11) zur Lokalisierung und zur Bestimmung der räumlichen Position der Auftreffpunkte (13) vorgesehen ist.
Inspektionseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Inspektionseinrichtung (1) eine Bewegungseinrichtung (7) aufweist, welche die Filamentspule (2) und/oder die Messeinrichtung (8) bei der Messung relativ zueinander bewegt.
Inspektionseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungseinrichtung (7) als Dreheinrichtung für die Filamentspule (2) ausgebildet ist.
Inspektionseinrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass Messeinrichtung (8) stationär und benachbart zur inspizierten Spulenoberfläche (5) angeordnet ist.
Inspektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (8) benachbart zu einer Stirnseite der Filamentspule (2) angeordnet ist.
Inspektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserscanner mindestens einen Laserstrahl (10) emittiert.
Inspektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserscanner den Abstand über die Laufzeit und/oder die Interferenz des reflektierten Messstrahls (10) misst.
Inspektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (8) mindestens einen Laserkopf (9) aufweist, der mindestens einen gesteuert beweglichen, insbesondere pendelnden, Laserstrahl (10) emittiert.
Inspektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (8) mindestens einen Laserkopf (9) aufweist, der einen Laserstrich oder eine Reihe von mehreren stationären Laserstrahlen (10) emittiert.
Inspektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auftrefffläche des oder der emittierten Laserstrahl(en) (10) kleiner als die inspizierte Spulenoberfläche (5) ist.
Inspektionseinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messeinrichtung (8) eine Auswerteeinrichtung (12) zur Auswertung, Signalisierung und Speicherung der Messeergebnisse aufweist.