DE2725756C2

DE2725756C2 -

Info

Publication number: DE2725756C2
Application number: DE2725756A
Authority: DE
Inventors: Homer L. Balboa Calif. Us Eaton
Original assignee: VEKTRONICS Inc CARLSBAD CALIF US
Current assignee: VEKTRONICS Inc CARLSBAD CALIF US
Priority date: 1976-07-12
Filing date: 1977-06-07
Publication date: 1987-08-20
Also published as: GB1567401A; US4122525A; JPS6134602B2; JPS539446A; DE2725756A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erfassen mindestens zweier Abmessungen eines Gegenstands nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung eine Einrichtung, die zur Durchführung des Verfahrens eingesetzt werden kann.

Abtastverfahren zum Erfassen mindestens zweier Abmessungen eines Gegenstands wurden in verschiedensten Formen für unterschiedliche Zwecke entwickelt.

In der DE-AS 12 66 513 ist ein Verfahren beschrieben, bei dem die Höhen- und Seitenlage eines strangförmigen Walzguts in einer Walzstraße erfaßt wird. Zwei Abtastvorrichtungen dienen zur Bestimmung der seitlichen Lage der beiden Seitenkanten des glühenden Walzguts. Zwei weitere Abtasteinrichtungen, die in der gleichen Ebene angeordnet sein können wie die beiden erstgenannten Abtasteinrichtungen, dienen zum Erfassen der Höhenlage des Walzguts.

Jede Abtasteinrichtung besteht aus einer mit Hilfe eines Motors gedrehten Anordnung, die ein Prisma und einen Spiegel enthält. Von dem glühenden Walzgut kommende Strahlen werden von dem Prisma und dem Spiegel auf eine feststehende Photodiode gelenkt. Im Bereich der Kante des glühenden Walzguts entsteht im Ausgangssignal der Photodiode ein Spannungssprung, der kennzeichnend ist für die Walzgut-Kante. Mit Hilfe von Impulsen werden beispielsweise die Abstände zwischen zwei solchen Spannungssprüngen gezählt. Die Abtastanordnung zur Erfassung der Walzgut-Höhe arbeitet ähnlich.

Häufig ist es erwünscht, eine Information über das gesamte Profil eines Gegenstands zu Verfügung zu haben. So beispielsweise bei Auspuffrohren von Kraftfahrzeugen. Bei solchen Auspuffrohren handelt es sich um dreidimensional geformte Gegenstände, die nur dann weiterverarbeitet werden können, wenn sie - in vorgegebenen Toleranzgrenzen - einer Soll-Form entsprechen. Bislang hat man solche Profil-Messungen mit Hilfe von Sonden durchgeführt, die eine translatorische Bewegung längs dreier Koordinatenachsen vollziehen (US-PSen 37 74 311, 37 74 312). Diese Einrichtungen sind jedoch in ihrer Anwendung beschränkt, weil ihre Größe die Größe der auszumessenden Gegenstände festlegt. Zur Bedienung der bekannten Meßvorrichtungen ist geübtes Personal erforderlich. In der US-PS 39 44 998 ist eine dreidimensionale Meßeinrichtung beschrieben, bei der eine in bezug auf fünf Achsen gelenkige Sonde einen Arbeitskopf aufweist, welcher dreidimensional orientierbar ist, so daß er selbst mit jedem geraden Rohrabschnitt beispielsweise eines Auspuffrohrs ausgerichtet werden kann. Die Einrichtung gestattet die Messung des Vektors, der parallel zu einer zu messenden Rohrachse verläuft. Bei dieser Einrichtung muß der zu vermessende Gegenstand an einem Traggestell festgeklemmt und dann mit dem Meßinstrument mindestens einmal für jeden geraden Abschnitt in Berührung gebracht werden, um die gewünschte Information zu erhalten.

Berührungslos arbeitende Meßvorrichtungen zum Bestimmen einer oder zweier Abmessungen eines Körpers sind in verschiedenen Ausführungsformen bekannt. So zeigt beispielsweise die DE-AS 13 03 548 eine Meßvorrichtung mit zwei sich drehenden Zylinderwalzen, auf deren Außenfläche jeweils geneigte Spiral-Spiegelflächen angeordnet sind. Die beiden Walzen werden synchron gedreht, und von einer Lichtquelle wird achsparallel zu der ersten Walze ein Lichtstrahl auf die Spiegelfläche dieser Walze gelenkt. An der Spiegelfläche wird der Lichtstrahl unter rechtem Winkel zur Walzenachse abgelenkt und trifft auf die Spiegelfläche der anderen Walze, wo der Lichtstrahl wieder achsparallel auf einen Lichtempfänger gelenkt wird. Auf diese Weise wird ein in einer Ebene verschobener Abtaststrahl erzeugt. Der sich bewegende Lichtstrahl wird von einem zu messenden Gegenstand unterbrochen, so daß das am Empfänger gewonnene Ausgangssignal Aufschluß gibt über eine Abmessung, z. B. die Breite, des zu messenden Gegenstands.

In der DE-OS 14 48 488 ist ein Verfahren zum berührungslosen Messen der Länge rechteckiger Körper beschrieben. Bei diesem Verfahren werden Abtaststrahlen in Form von Kreisen auf dem zu messenden Körper bewegt, wobei der Durchmesser der Abtastkreise größer als der eingeschriebene Kreis des zu messenden Körpers ist. Beim Einlaufen des Gegenstands in den Abtastkreis steigt die Signaldauer von 0 auf ein Maximum an, bis der Abtaststrahl an einer anderen Kante den Gegenstand verläßt. Aus dem Kreisdurchmesser und den abgetasteten, minimalen Kreisabschnitten läßt sich dann die Länge des Gegenstands ermitteln. Eine dreidimensionale Erfassung des Profils des Gegenstands ist nicht möglich.

In der GB-PS 96 38 42 ist eine optische Meßvorrichtung für Gegenstände bekannt, bei der ein zu vermessender Gegenstand relativ zu einem Abtaststrahl bewegt wird. Eine Ausmessung des Profils des zu vermessenden Gegenstands ist nicht möglich. Die GB-PS 14 98 227 beschreibt eine photoelektrische Meßvorrichtung zur Längenmessung, bei der an den Kanten des zu vermessenden Gegenstands jeweils ein Impuls erzeugt wird, zwischen denen die Anzahl von Zählimpulsen gezählt wird, um eine Meßgröße zu erhalten, die kennzeichnend ist für die gemessene Länge.

Die US-PS 38 70 890 zeigt eine Meßanordnung zum Bestimmen zweier senkrecht zueinander stehender Querschnittsabmessungen beispielsweise eines Rohrs mit Hilfe einer einzigen Lichtquelle. Über eine Optik werden die Strahlen der Lichtquelle so gelenkt, daß sie unter rechtem Winkel auf den zu vermessenden Gegenstand fallen. Die Vermessung des Gegenstands erfolgt also lediglich in einer einzigen Ebene, so daß dreidimensionale Profile des Gegenstands nicht vermessen werden können.

Die US 39 83 368 beschreibt ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine dazugehörige Meßvorrichtung. Die Meßvorrichtung dient zum Bestimmen des Volumens und des Schwerpunkts eines unregelmäßig geformten Gegenstands. Der Gegenstand wird von einem Tisch getragen, in dessen Nähe zwei Abtastvorrichtungen angeordnet sind. Mit der Anordnung läßt sich der zu vermessende Gegenstand an allen Stellen von "Abtaststrahlen" durchdringen. Je größer der Weg ist, den die Abtaststrahlen zwischen dem Eintritt in den Gegenstand und dem Austritt aus dem Gegenstand durchlaufen müssen, desto stärker werden die Strahlen gedämpft. Die Empfangsvorrichtungen der Abtasteinrichtungen messen die Intensität der empfangenen Strahlen, um dadurch nach Abtastung sämtlicher Bereiche des Gegenstands Werte zur Verfügung zu haben, aus denen sich Volumen und Schwerpunkt des Gegenstands berechnen lassen. Bei dieser Anordnung müssen die Abtaststrahlen im Querschnitt eine Mindestfläche haben, da sämtliche Bereiche des Gegenstands abgetastet werden müssen. Das Bestimmen des dreidimensionalen (äußeren) Profils des Gegenstands ist nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, daß mit einfachen Mitteln ein dreidimensionales Erfassen des äußeren Profils des Gegenstands möglich ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich beispielsweise die Profile von Auspuffrohren für Kraftfahrzeuge automatisch ermitteln. Das dreidimensionale Profil wird definiert durch zwei senkrecht aufeinanderstehende Abtastprofile. Diese Abtastprofile erhält man durch die erste und die zweite Abtastung, von denen mindestens eine dem vorbestimmten Abtastmuster entspricht. Dieses Abtastmuster entspricht einem Kreiszylinder.

Die eine Abtastung liefert Koordinatenwerte beispielsweise für die X-Y-Ebene, während die andere Abtastung Koordinatenwerte für die X-Z-Ebene liefert. Jede Abtastung liefert für ihre Projektionsebene einen Satz von Punkten, die kennzeichnend sind für die Lage von bestimmten Kantenpunkten des Gegenstands, bezogen auf eine bestimmte relative Lage des Gegenstands zu der Abtastung. Bei dem zylindrischen Abtastmuster erhält man beispielsweise vier Punkte, welche den Schnittpunkten des Abtastenergiebündels mit vier (projizierten) Kanten des abgetasteten Gegenstands entsprechen. In ähnlicher Weise können bei der anderen Abtastung weitere vier Punkte für eine gegebene relative Lage zwischen Gegenstand und der zweiten Abtastung gewonnen werden. Hierdurch ist es möglich, anhand einer Vielzahl von jeweils eindeutig eine Abtastung zugeordneten Punkten Aufschluß über das dreidimensionale Profil des Gegenstands zu erhalten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. In Anspruch 7 ist angegeben, wie eine Einrichtung zum Erfassen des Profils eines Gegenstands erfindungsgemäß ausgebildet ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Perspektivansicht der Abtasteinrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 eine Seitenansicht der Einrichtung nach Fig. 1;

Fig. 3 eine Endansicht der Einrichtung nach Fig. 1;

Fig. 4 eine größere Schnittansicht eines Motors und einer davon getriebenen Scheibe;

Fig. 5 ein vertikales Abtastmuster mit zugehörigen geometrischen Verhältnissen, durch die die Koordinaten der Begrenzungen einer Projektion des Gegenstands auf eine vertikale Ebene definiert sind;

Fig. 6 ein horizontales Abtastmuster mit zugehörigen geometrischen Verhältnissen, durch die die Koordinaten der Begrenzung der Projektion des Gegenstands auf eine Horizontalebene definiert sind;

Fig. 7 das Blockschaltbild einer elektrischen Schaltung, die zum Erzeugen von Signalen verwendet wird, die zusammen die Schnittkoordinaten darstellen;

Fig. 8 eine Perspektivansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels der Abtasteinrichtung;

Fig. 9 einen Schnitt 9-9 nach Fig. 8; und

Fig. 10 einen Schnitt 10-10 nach Fig. 9.

Die nachstehend erläuterte Ausführungsform bezieht sich auf die Messung und Inspektion eines gebogenen Rohrs, z. B. eines Kraftfahrzeug-Auspuffrohrs. Es ist jedoch offensichtlich, daß die Lehre der Erfindung und auch die erläuterte Ausführungsform selbst ohne weiteres für die Messung und Inspektion vieler anderer Arten von Fertigungsteilen anwendbar sind; wobei die Art dieser Gegenstände im wesentlichen nur hinsichtlich der Gegenstandsgröße relativ zur Abtasteinrichtung begrenzt ist.

Die Abtasteinrichtung nach Fig. 1 erlaubt eine vollständige dreidimensionale Vermessung und Inspektion eines gebogenen Kraftfahrzeug-Auspuffrohrs oder eines anderen ähnlich gebogenen Rohrs, und zwar dadurch, daß das Rohr auf eine sich bewegende Plattform in irgendeiner passenden Relation zur Plattform gebracht wird. Das zu messende Rohr wird von der Plattform an zwei Abtasteinheiten vorbeibewegt, die eine Vorrichtung zum gemeinsamen Erzeugen von Signalen enthalten, die die Koordinaten von Schnittstellen der Abtastlichtbündel mit einer Begrenzung des Gegenstands darstellen. Die Koordinaten befinden sich in zwei orthogonalen Ebenen und definieren somit zwei Orthogonalprojektionen des Rohrs. Die Orientierung des Rohrs auf dem Förderer muß nicht bekannt sein, da es erwünscht ist, einen Teil des Rohrs relativ zu einem anderen Teil desselben abzutasten. Das Rohr kann sich daher auf dem Förderer in irgendeiner Orientierung und Lage befinden, die es gestatten, den Abtastbereich zu durchlaufen; jedoch müssen Orientierung und Lage des Rohrs während einer vollständigen Messung unverändert bleiben.

Die orthogonalen Projektionen oder die Schnittkoordinaten selbst können dann dazu verwendet werden, dreidimensionale Rohrdaten zu berechnen. Derartige Rohrdaten enthalten Information, die die Rohrform definiert, z. B. die Länge des Rohrs von einem Ende zum anderen, die Länge jedes geraden Rohrabschnitts, den Winkel und die Ebene jeder Biegung. Diese Information wird mit Standarddaten für das geprüfte Rohr verglichen. Auf diese Weise erfolgt eine Inspektion und ein Vergleich vieler Rohre in einfacher Weise, ohne daß mit den Rohren mehr getan werden muß, als sie auf die bewegte Plattform zu legen.

Der tragende Aufbau der Abtastvorrichtung besteht aus einem Rahmen 10 mit vier hochkantigen Ständern 12, 13, 14 und 15, die durch Horizontalstreben 18, 20 miteinander verbunden sind. Ein mit Latten versehenes Endlosförderband 22 läuft über eine Anzahl Rollen 24, 26, 28, 30, die in den Ständern 12-15 drehbar gelagert sind. Ein vom Rahmen 10 getragener Motor 32 treibt eine Rolle, z. B. die Rolle 26, wodurch der Förderer 22 mit fester Geschwindigkeit getrieben wird. Der Förderer 22 besteht aus einer Anzahl von beweglich miteinander verbundenen Latten aus lichtdurchlässigem Werkstoff.

Ein Förderband-Positionsdetektor 34, z. B. ein üblicher schrittweise arbeitender Codierer, ist auf einer der Rollen, nämlich der Rolle 24, angeordnet und hat eine Antriebswelle, die zusammen mit der Rolle 24 umläuft, wobei der Detektor 34 eine Serie von Impulsen erzeugt, deren jeder ein Drehinkrement der Rolle und damit ein Bewegungsinkrement des Förderbands 22 darstellt.

Zwei umgekehrt U-förmige Tragteile 19, 21 sind an den Horizontalstreben 18, 20 befestigt und überspannen das Förderband 22 und bilden damit eine ringsum umschlossene Abtastzone, durch die das Förderband und ein darauf angeordnetes Rohr laufen können. Ortsfest an den horizontalen oberen Schenkeln 23, 25 der Tragteile 19, 21 ist ein Synchronmotor 38 mit einer Hohlwelle 39 angeordnet. Auf dem Motor 38 ist eine Quelle für stark gebündeltes Licht, z. B. ein Laser 40, angeordnet, die ein schmales Lichtbündel durch die Hohlwelle 39 auf einen ersten Spiegel 42 richtet, der in der Mitte einer schwungradartigen Scheibe 44, die an der Motorwelle mit dieser umlaufend befestigt ist, gehaltert ist.

Die Scheibe 44 ist so aufgebaut, daß sie einen Lichtweg 46 (vgl. Fig. 2) vorsieht, der vom ersten Spiegel 42, der unter einem Winkel von 45° in bezug auf die Scheiben- und Motorachse und in bezug auf das vom Laser kommende Lichtbündel angeordnet ist, radial durch die Scheibe zu einem zweiten Spiegel 48 verläuft, der am Rand der Scheibe unter einem Winkel von 45° zum Lichtweg 46 angeordnet ist.

Ein zweiter Synchronmotor 50 ist an den Rahmenteilen 18, 20 mittels ortsfester Querstreben 27, 29 unter dem oberen Abschnitt des Förderbands 22 befestigt. Der Motor 50 hat eine ähnliche Hohlwelle und trägt ein ortsfestes Laser-Target, z. B. eine Fotozelle 52, das das durch die Achse der Hohlwelle des Motors 50 projizierte Licht empfängt.

Eine zweite schwungradartige Scheibe 54 ist an der Welle des Motors 50 mit dieser umlaufend befestigt, und zwar auf der anderen Seite des Förderbands 22 unmittelbar unter diesem, und hat ebenfalls zwei um 45° geneigte Spiegel 56 und 68 an ihrem Rand bzw. in ihrer Mitte.

Die beiden Motoren und die beiden Scheiben sind sämtlich koaxial zueinander, und die beiden Synchronmotoren werden synchron zueinander von einem gemeinsamen elektrischen Signal getrieben. Ein Motor, z. B. der Motor 50, ist so angeordnet, daß sein Gehäuse rotationsmäßig rings um die Motorachse mittels einer nicht gezeigten Einstellmechanik einstellbar ist, um die Phasensynchronisierung der beiden Scheiben 44, 54 sicherzustellen.

Die Fotozelle 52 ist ein bewegtes Target, da sie Licht empfängt, das längs einer vertikal orientierten kreiszylindrischen Struktur sich fortpflanzt, während die Scheiben 44, 54 umlaufen. Ein ortsfestes Target, z. B. eine Fotozelle 64, ist oberhalb der Scheibe 54 und unmittelbar unterhalb des Förderers auf einem Träger 66 befestigt, der am unteren Rahmenteil 18 angeordnet ist, um das vom Spiegel 48 nach unten abgelenkte Lichtbündel an einem ortsfesten Bezugspunkt in dem kreiszylindrischen Abtastmuster des Lichtbündels zu empfangen.

Eine horizontale Abtastanordnung, die im wesentlichen gleich wie die oben erläuterte vertikale Abtastanordnung ist, ist ebenfalls an dem Abtastrahmen 10 angeordnet. Ein dritter Synchronmotor 70 mit einer Hohlwelle ist an vertikalen Schenkeln 31 und 33 der Tragteile 19, 21 festgelegt und trägt eine zweite Quelle für gebündeltes Licht, z. B. einen Laser 72, die ein Lichtbündel durch die Motorwelle lenkt, das von Spiegeln 74 und 76 einer schweren schwungradartigen Scheibe 78, die im wesentlichen der Scheibe 44 entspricht, reflektiert wird. Die Scheibe 78 ist koaxial mit dem Motor 70 und läuft mit diesem um die Horizontalachse des Motors um.

Eine Targetanordnung, die der Targetanordnung der vertikalen Abtastanordnung entspricht, ist in Form eines vierten Synchronmotors 82 vorgesehen, der auf Vertikalschenkeln 35 und 37 der Tragteile 19 und 21 getragen ist und eine Hohlwelle und ein Laser-Target in Form einer zweiten Fotozelle 84 aufweist. Eine vierte schwere schwungradartige Scheibe 86 ist zu der Welle des Motors 82 koaxial angeordnet und wird von dieser getrieben. Die Scheibe 86 trägt um 45° geneigte Spiegel 88 und 90, die ein Lichtbündel, das in Horizontalrichtung in einem kreiszylindrischen Muster vom Spiegel 76 ausgesandt wird, durch die Achse des Motors 82 auf den zweiten Detektor 84 reflektieren. Die beiden Motoren 70 und 82 werden synchron miteinander von denselben elektrischen Signalen getrieben. Das Gehäuse des Motors 82 ist mit einem Dreheinstellmechanismus (nicht gezeigt) ausgebildet, damit die Lage des Motors um seine Achse in bezug auf den Rahmen 10 einstellbar ist, um eine Einstellung der relativen Drehphasen der beiden Motoren 70 und 82 zu ermöglichen.

Ebenso wie bei der Vertikalabtastung ist ein Bezugstarget für das Horizontallichtbündel, z. B. die Fotozelle 92, zwischen den Scheiben 78 und 86 auf einem Träger 94 angeordnet, der am Rahmenteil 20 gesichert ist. Der Detektor 92 wird somit den horizontal gerichteten Laserstrahl 72 an einem bestimmten Punkt in jedem Abtastzyklus auffangen.

Die beiden Paare von Motoren werden zweckmäßigerweise mit derselben Drehzahl betrieben. Eine Synchronisation zwischen dem einen Motorpaar 38, 50 und dem anderen Motorpaar 70, 82 wird nicht benötigt. Tatsächlich verhält es sich so, daß die beiden Motorpaare nicht einmal mit derselben Drehzahl betrieben werden müssen, allerdings werden gleiche oder fast gleiche Drehzahlen bevorzugt. Grundsätzlich sind das Horizontalabtastsystem und das Vertikalabtastsystem vollständig unabhängig voneinander; es ist jedoch zweckmäßig, die beiden Systeme in Aufbau und Arbeitsweise ähnlich oder gleich auszubilden.

Die verschiedenen Signaldetektoren, Fotozellen 52 und 84 und der Positionscodierer 34 des Förderers 22 erzeugen Signale, die gemeinsam Schnitte der zylindrischen Abtastmuster der Lichtbündel mit den Begrenzungen eines auf dem Förderer befindlichen Rohrs 102 definieren, während das Rohr sich an den Abtastvorrichtungen vorbeibewegt. Es wird ein dreidimensionales Koordinatensystem geschaffen, das in fester Beziehung zu dem sich bewegenden Förderer und damit auch zu einem darauf befindlichen, geförderten Gegenstand steht. Ein solches X-, Y-, Z-Koordinatensystem ist in Fig. 1 in bezug auf die Abtasteinrichtung gezeigt. Die Fotozelle 52 und der Positionscodierer 34 erzeugen gemeinsam Signale, die ein erstes Paar von Koordinaten x, y eines Schnitts des vertikal gerichteten Abtastbündels mit einer Begrenzung des Rohrs definieren, also z. B. mit einer Projektion des Rohrs auf eine Vertikalebene. In ähnlicher Weise erzeugen die Fotozelle 84 und der Codierer 34 gemeinsam Signale, die Koordinaten x, z des Schnitts des horizontalen Bündels mit der Rohrbegrenzung definieren.

Die Geometrie dieser Definition der Schnittkoordinaten wird nun in bezug auf die Fig. 5 und 6 erläutert.

In Fig. 5 ist die Horizontalprojektion 100 des kreizzylindrischen Abtastmusters des vertikal gerichteten Abtastbündels gezeigt, das vom Laser 40 erzeugt wird. Überlagert sind diesem Abtastmuster Horizontalprojektionen von zwei aufeinanderfolgenden Positionen eines gebogenen Rohrs 102, das von dem Förderer an der Abtastvorrichtung vorbeibewegt wird. Die erste Position des Rohrs ist in Vollinien dargestellt. Die zweite Position des Rohrs, die zu einer etwas späteren Zeit auftritt, während der Förderer das Rohr an der Abtasteinrichtung vorbeibewegt, ist in Strichlinien gezeigt. Zum Zweck dieser Darstellung wird also angenommen, daß der Förderer das Rohr von rechts nach links bewegt, wie es sich ergibt, wenn man von oben auf dieses auf eine Horizontalebene projizierte Abtastmuster blickt.

Die zylindrische Abtastung des vertikal gerichteten Bündels schneidet die Begrenzungen des Rohrs in seiner Vollinienposition an den Punkten 104, 106, 108 und 110 in einer einzelnen Abtastung. Die Koordinaten dieser Punkte können x₁, y₁, x₂, y₂, x₃, y₃, x₄, y₄ in einem dreidimensionalen Koordinatensystem dargestellt werden, das die im oberen rechten Teil von Fig. 5 dargestellten X- und Y-Achsen aufweist und eine Z-Achse hat, die durch den Schnittpunkt der X- und Y-Achsen senkrecht zur Papierebene verläuft. Die X-Achse wird zweckmäßig so gewählt, daß sie tangential zum Abtastmuster und parallel zur geradlinigen Bewegungsrichtung des Förderers verläuft. Die anderen Achsen sind willkürlich angeordnet, sie sind allerdings parallel zu den jeweiligen Vertikal- und Horizontalachsen der Abtasteinrichtungen orientiert. Dieses Koordinatensystem wird so eingerichtet, daß es in bezug auf den Förderer festgelegt ist und sich zusammen mit diesem bewegt. Es ist daher auch in bezug auf das auf dem Förderer liegende Rohr festgelegt und bewegt sich zusammen mit diesem. Während der Bewegung des Förderers erfolgen Schnitte der Rohrbegrenzung und des Abtastmusters an verschiedenen Punkten, und somit wird eine Anzahl von verschiedenen Punkten längs der Länge der Rohrbegrenzung von aufeinanderfolgenden Abtastungen des vertikal gerichteten Bündels geschnitten. Die Drehgeschwindigkeit des Lichtbündels ist wesentlich größer als die Geschwindigkeit der geradlinigen Bewegung des Förderers und des Rohrs. Bevorzugt sind die relativen Geschwindigkeiten so, daß bei jedem Abtastlauf des vertikal gerichteten Bündels das Rohr an einem Punkt geschnitten wird, der ca. 5 mm von dem entsprechenden Schnittpunkt des vorherigen Abtastlaufs liegt, und zwar gemessen längs der X-Achse. Für eine größere Auflösung, d. h., wenn man eine größere Anzahl Koordinatenpunkte für jede Inspektion und Messung erhalten will, erhöht man lediglich die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen der Bewegung des Lichtbündels in seinem Abtastmuster und der Bewegung des Förderers längs der X-Achse. In anderen Worten heißt das, um die Auflösung zu erhöhen, verringert man die Fördergeschwindigkeit oder erhöht man die Drehgeschwindigkeit des Abtastbündels oder trifft beide Maßnahmen. Wie noch erläutert wird, erfolgen die Messungen der Bündelposition innerhalb des Abtastmusters mit Bezug auf das Bezugstarget 64, das in Fig. 5 durch einen Bezugspunkt 112 dargestellt ist.

Die X-Koordinate x₁ des Schnittpunkts 104 ist wie folgt definiert:

x₁ = x _C1 - R sin (Φ _H1-α _H) (1)

mit
x _C1= Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Abtastmusters 100 und dem Ursprung des Koordinatensystems zur Zeit des Schnitts des Bündels mit der Rohrbegrenzung, R= Radius der kreisförmigen Projektion des Abtastmusters, Φ _H1= Winkel zwischen einem zum Bezugspunkt 112 führenden Radius des Abtastmusters und einem zum Schnittpunkt 104 führenden Radius des Abtastmusters und α _H= Winkel zwischen dem zum Bezugspunkt 112 führenden Abtastmusterradius und dem parallel zur Y-Achse verlaufenden Radius.

Gleichermaßen ist die Y-Koordinate des Schnittpunkts 104 wie folgt definiert:

y₁ = R - R cos (Φ _H1-α _H) (2)

Die Messungen werden auf der Basis von Impulsen durchgeführt, die von einem Impulsgenerator mit fester Wiederholungsrate erzeugt werden, wie noch erläutert wird. Somit ist α _H = K₁K₂, mit K₁ = Anzahl der Impulse, die in der Zeitspanne auftreten, die das Lichtbündel benötigt, um durch den Bezugswinkel α _H zu wandern, und mit K₂ = winkelmäßige Entfernung, durch die das Lichtbündel längs seinem Abtastmuster im Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Impulsen wandert. Somit gilt:

x₁ = x _C1 - R sin [(N _H1 - K₁)K₂] (3)

und

y₁ = R[1 - cos (N_H1 - K₁) K₂] (4)

mit

N _H1 = Anzahl Impulse, die in dem Zeitintervall auftreten, die das Lichtbündel benötigt, um von dem Bezugspunkt 112 zum Schnittpunkt 104 zu wandern.

Ein erstes Paar von Koordinaten x₁, y₁ des Schnittpunkts 104 des Lichtbündels mit der Horizontalprojektion der Rohrbegrenzung ist somit durch die Gleichungen (3) und (4) definiert, und zwar mittels fester Größen R, K₁ und K₂ sowie veränderlicher Größen x _C1 und N _H1. Wie noch erläutert wird, wird die Größe x _C1 vom Codierer 34 erhalten, der die Position des Förderers während dessen Bewegung erfaßt, und N _H1 wird durch Zählen der Impulse des Impulszugs bis zum Schnittpunkt ermittelt.

Somit schneidet bei einer einzigen vollständigen Abtastung des gezeigten Rohrs das Lichtbündel die Rohrbegrenzung an vier Punkten und wird dabei unterbrochen beim Punkt 104, erreicht wieder die Fotozelle beim Punkt 106, wird wieder unterbrochen beim Punkt 108 und erreicht wieder die Fotozelle beim Punkt 110. Bei der nächstfolgenden Abtastung hat das Rohr sich zu der Strichlinienposition nach Fig. 5 bewegt, und es treten vier andere Schnittpunkte auf; auf diese Weise können viele Paare von x-, y-Koordinaten längs des Rohrs erzeugt werden, und zwar alle in demselben Koordinatensystem, das bezüglich des Rohrs feststehend ist.

Fig. 6 zeigt geometrische Verhältnisse, die analog denen von Fig. 5 sind, wobei eine Projektion des horizontal gerichteten Lichtbündels auf eine Vertikalebene gezeigt ist, was zu der Vertikalprojektion 120 des Abtastmusters des vom Laser 72 erzeugten Lichtbündels führt. Ferner ist die Projektion 122 des Rohrs auf eine Vertikalebene in einer einzigen Position während seines Durchlaufs an den Abtastvorrichtungen vorbei gezeigt. Im Verlauf einer Abtastung schneidet das horizontal gerichtete Lichtbündel die Rohrbegrenzung an den Punkten 124, 126, 128 und 130. Koordinaten dieser Schnitte in demselben X-, Y-, Z-Koordinatensystem, dessen Achsen X und Z in Fig. 6 gezeigt sind, werden für jeden vollständigen Abtastzyklus erhalten. In der X-, Z-Ebene des Koordinatensystems werden die Messungen der Position des Lichtbündels in bezug auf einen Bezugspunkt 132 durchgeführt, der durch den Ort der Fotozelle 92 definiert ist. Die x-Koordinate des Schnittpunkts 124 ist definiert als

x₁ = x _C1 - R sin ( Φ _V1 - α _V ) (5)

mit

x _C1 = der längs der X-Achse gemessene Abstand des Koordinatenursprungs von dem Mittelpunkt des horizontal gerichteten Abtastmusters, R = Radius dieses Abtastmusters, Φ _{V 1} = Winkel zwischen einem zum Bezugspunkt 132 führenden Radius und einem zum Schnittpunkt 124 führenden Radius und α _V = Winkel zwischen einem zum Bezugspunkt 132 führenden und einem zur Z-Achse parallelen Radius.

Die Gleichungen verwenden zwar ein Symbol R, das für die Vertikal- und Horizontalprojektionen gleich ist, was bedeutet, daß die Vertikal- und die Horizontalbündel die Abtastung in Mustern mit gleichem Radius durchführen; es ist jedoch selbstverständlich, daß die Radien der beiden Muster auch voneinander verschieden sein können.

Für die Z-Koordinate des Schnittpunkts 124 gilt:

z₁ = R - R cos ( Φ _V1 - α _V ) (6)

a _V kann mit K₃K₄ gleichgesetzt werden, mit K₃ = Anzahl Impulse, die in der Zeit auftreten, die das Lichtbündel benötigt, um durch den Bezugswinkel α _V zu wandern, und mit K₄ = die vom Bündel winkelmäßig zurückgelegte Strecke pro Impuls des mit konstanter Rate erzeugten Impulszugs. Die Koordinaten des Schnittpunkts 124 des Lichtbündels mit der Projektion des Rohrs auf eine Horizontalebene sind wie folgt definiert:

x₁ = x _C1 - R sin [(N _V₁ - K₃) K₄] (7)

und

z₁ = R[1 - cos (N _V1 - K₃) K₄] (8)

mit

N _V1 = Anzahl Impulse, die in der Zeit auftreten, die das Lichtbündel benötigt, um vom Bezugspunkt 132 zum Schnittpunkt 124 zu wandern.

Die Koordinaten x₁, z₁, die den Schnittpunkt 124 definieren, sind wiederum ausgedrückt durch Festgrößen R, K₃ und K₄ sowie durch veränderliche Größen x _C und N _V1. Die veränderliche Größe x _C ist der Wert, der vom Codierer 34 zur Zeit des Schnitts des horizontal gerichteten Lichtbündels mit der Rohrbegrenzung am Punkt 124 ausgegeben wird. Zu dieser Zeit ist eine Anzahl N _V1 Impulse gezählt worden.

Somit schneidet sowohl bei der Vertikal- als auch bei der Horizontalabtastung jede der aufeinanderfolgenden Abtastungen das Rohr an mindestens zwei Punkten seiner Begrenzung, und jedes bei einer Abtastung erzeugte Punktepaar ist längs des Rohrs bezüglich des aus der vorherigen Abtastung gewonnenen Punktepaars verschoben.

Die vielen Koordinatenpaare x, y der Schnitte des Lichtbündels mit der Projektion der Rohrbegrenzung auf einer Horizontalebene sind leicht dazu verwendbar, die Horizontalprojektion des Rohrs zu bestimmen, und zwar entweder graphisch oder in einem Computer. Die Koordinatenpaare x, z der Schnittpunkte des horizontalen Lichtbündels mit der Projektion der Rohrbegrenzung auf einer Vertikalebene sind leicht dazu verwendbar, die Vertikalprojektion entweder graphisch oder in einem Computer zu bestimmen. Die beiden orthogonalen Projektionen sind miteinander kombinierbar, um die dreidimensionale Form des Rohrs zu bestimmen und somit die gewünschten Rohrdaten zu erhalten.

Es ist ersichtlich, daß der Gegenstand zwei Abtastungen unterworfen wird, die getrennt und unabhängig voneinander sind, jedoch räumlich in Beziehung miteinander stehen und unter einem Winkel zueinander erfolgen. Jede Abtastung erfolgt in zwei Dimensionen, wobei das Abtastlichtbündel sich über den Gegenstand bewegt und dabei Bewegungskomponenten relativ zum Gegenstand vorhanden sind, die parallel zu zwei zueinander rechtwinkligen Achsen verlaufen. Im Ergebnis tastet das Lichtbündel des Lasers 40 den Gegenstand längs und parallel zu den X- und Y-Achsen ab, und das Lichtbündel des Lasers 72 tastet ihn längs und parallel zu den X- und Z-Achsen ab. Dies wird zwar bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel durch eine Drehbewegung erreicht; es kann jedoch auch durch eine geradlinige Hin- und Herbewegung der Laser synchron zu ihren Targets oder mit festem Target und Parabolspiegel längs der Y- und der Z-Achsen erfolgen.

Die beiden im Winkel zueinander erfolgenden Abtastungen stehen in Beziehung miteinander durch die Verwendung von räumlich aufeinander bezogenen Achsen. Eine Achse jeder Abtastung hat eine bekannte Beziehung zu einer Achse der anderen Abtastung. Zweckmäßigerweise, jedoch nicht notwendigerweise, ist diese Beziehung eine Koinzidenz, d. h. die X-Achse ist beiden Abtastungen gemeinsam.

Das bevorzugte System verwendet zwar einen bewegten Förderer und feste Abtasteinrichtungen, es kommt jedoch auch in Betracht, daß der Förderer entfällt und eine feste, lichtdurchlässige Unterlage vorgesehen ist und die gesamte Abtasteinrichtung längs dem Rahmen bewegt wird. Die noch zu erläuternde hin- und hergehende Abtasterhalterung des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 8-10 ist leicht so modifizierbar, daß zwei rechtwinklig zueinander arbeitende Abtaster zur Verwendung mit einer solchen feststehenden lichtdurchlässigen Unterlage gehalten werden. Ferner können andere Abtastmuster als die erläuterten zylindrischen Abtastmuster verwendet werden.

Fig. 7 zeigt eine Schaltung, die die elektrischen Signale erzeugt, die die Koordinatenpaare von mehreren Schnittpunkten definieren. Der Bezugssensor 64 für das vertikale Lichtbündel erzeugt einen Einzelimpuls, der einen Zähler 140 löscht, der seinen Zähleingang auf einer Leitung 141 von einem Impulsgenerator 142 erhält. Der Impulsgenerator 142 erzeugt einen Ausgangsimpuls mit konstanter Wiederholungsrate mit relativ hoher Frequenz, z. B. 1 MHz. Der Sensor 52 für das vertikale Lichtbündel erzeugt ein Signal, das "ein" oder "aus" ist, je nachdem, ob das vertikale Lichtbündel von dem Rohr, das dazwischenliegt, abgedeckt wird oder nicht. Das Ausgangssignal des Sensors 52 schaltet von "ein" nach "aus" und von "aus" nach "ein", während das Lichtbündel eine Begrenzung des Rohrs schneidet. Wenn das Lichtbündel zunächst auf eine Rohrbegrenzung auftrifft, geht das Ausgangssignal des Sensors 52 von "ein" nach "aus", und wenn das Lichtbündel das Rohr verläßt, also bei seinem nächsten Schnitt mit der Rohrbegrenzung, geht das Ausgangssignal des Sensors 52 von "aus" nach "ein". Dieses "Ein"-"Aus"-Signal wird einem Unterbrechungsdetektor 144 zugeführt, der jede Diskontinuität des "Ein"-"Aus"- und "Aus"-"Ein"-Ausgangssinals des Sensors 52 erfaßt und einen Impuls auf einer Ausgangsleitung 146 bei jedem Wechsel des Ausgangssignals von "ein" nach "aus" und umgekehrt erzeugt. Das Signal auf der Leitung 146 wird einem Speicherregister 148 zugeführt, um eine Übertragung der im Zähler 140 gespeicherten Zahl in das Register zu ermöglichen. Das Speicherregister speichert und hält somit den Wert des Zählers zur Zeit des Schnitts des Abtastbündels mit der Rohrbegrenzung. Das Ausgangssignal des Speicherregisters 148 ist eine elektrische Darstellung der Größe N _H der Gleichungen (3) und (4) und stellt somit die Anzahl Impulse dar, die von dem Impulsgenerator 142 zwischen dem Zeitpunkt, zu dem das vertikale Abtastbündel den Bezugssensor 64 passiert, und dem Zeitpunkt seines Schnitts mit einer Rohrbegrenzung erzeugt werden.

Der zur inkrementweisen Anzeige der Position des Förderers dienende Codierer 34 erzeugt ein Ausgangssignal, das aus einer Serie von Impulsen besteht, die zeitlich voneinander durch Konstantzeitintervalle getrennt sind, wobei jeder Impuls ein gleiches Inkrement der Bewegung des Förderers und des Rohrs bei der Bewegung an den Abtastern vorbei darstellt. Die Ausgangssignale des Detektors 34 werden einem zweiten Zähler 150 und von dort einem zweiten Speicherregister 152 zugeführt, das in ähnlicher Weise wie das Speicherregister 148 vom Ausgangsimpuls des Unterbrechungsdetektors auf der Leitung 146 geöffnet wird. Das Speicherregister 152 speichert daher die Zahl, die im Zähler 150 zu einem Zeitpunkt vorhanden ist, in dem das vertikal gerichtete Lichtbündel die Rohrbegrenzung schneidet. Das Ausgangssignal des Speicherregisters 152 ist somit die der X-Achse zugeordnete Größe x _C, die mit dem bestimmten Wert von N _H auftritt, der zur selben Zeit erzeugt wird.

Für das horizontal gerichtete Lichtbündel wird eine ähnliche Schaltungsanordnung verwendet, so daß der Bezugssensor 92 für das horizontale Lichtbündel ein Signal erzeugt, das einen dritten Zähler 156 löscht, der an seinem Zähleingang die mit konstanter Wiederholungsrate vom Impulsgenerator 142 erzeugten Impulse empfängt. Der Sensor für das horizontale Lichtbündel, d. h. die Fotozelle 84, erzeugt ein Ein-/Aus-Signal ähnlich dem, das von dem Vertikalsensor 52 erzeugt wird, und dieses Signal wird einem Unterbrechungsdetektor 158 zugeführt, der in gleicher Weise wie der Unterbrechungsdetektor 144 ausgebildet ist und auf eine Ausgangsleitung 160 für jede Änderung des Ausgangssignals des Sensors 84 von "ein" nach "aus" oder von "aus" nach "ein" einen Impuls gibt. Jeder Impuls auf der Leitung 160 wird einem Speicherregister 162 zugeführt, um das letztere dazu zu aktivieren, die Zahl zu speichern, die im Zähler 156 zur Zeit eines Schnitts des horizontal gerichteten Lichtbündels mit einer Begrenzung des Rohrs enthalten ist. Der Ausgang des Speicherregisters 162 ist die Größe N _V der Gleichungen (7) und (8) und stellt die Anzahl Impulse dar, die vom Impulsgenerator zwischen der Zeit, zu der das Lichtbündel den Bezugspunkt passiert, und der Zeit des Schnitts des Lichtbündels mit der Rohrbegrenzung erzeugt werden.

Um die zweite Koordinate des Koordinatenpaars zu erhalten, das einen Schnittpunkt mit der Vertikalprojektion des Rohrs darstellt, wird das Ausgangssignal des dem Fördererpositionsdetektor 34 zugeordneten Zählers 150 einem weiteren Speicherregister 164 zugeführt, das von dem Ausgangssignal des Unterbrechungsdetektors 158 auf der Leitung 160 geöffnet wird. Das Speicherregister 164 empfängt und speichert die Zahl, die sich im Zähler 150 zu der Zeit des Schnitts des Horizontalbündels mit der Rohrbegrenzung befindet. Somit stellt das Ausgangssignal des Speicherregisters 164 die Größe x _C dar, die mit dem bestimmten Wert von N _V auftritt, der zur selben Zeit erzeugt wird. Die Ausgangssignale x _C der Register 152 und 164 stellen die Position des Förderers und des Rohrs in bezug auf die Abtasteinrichtungen und die Abtastmuster dar.

Es ist also ersichtlich, daß die erläuterte Schaltungsanordnung Paare von elektrischen Signalen x _C, N _H und x _C, N _V erzeugt. Die Signale des einen Paars definieren einen Punkt auf einer Orthogonalprojektion des Rohrs, und die Signale des anderen Paars definieren einen Punkt auf einer anderen Orthogonalprojektion des Rohrs. Es versteht sich, daß der Schnittpunkt, zu dem die x- und y-Koordinaten durch N _H und x _C aus den Speicherregistern 148 bzw. 152 gegeben sind, nicht derselbe ist wie der Schnittpunkt, zu dem die x- und z-Koordinaten durch x _C und N _V aus den Speicherregistern 164 bzw. 162 gegeben sind.

Wenn die x- und y-Koordinaten der Projektion des Rohrs auf eine Horizontalebene gegeben sind, kann die Mittenlinie dieser Projektion leicht erhalten werden. Gleichermaßen kann auch bei gegebenen x- und z-Koordinaten der Projektion des Rohrs auf eine Vertikalebene die Mittenlinie dieser Projektion erhalten werden. Hat man die Mittenlinien der beiden zueinander orthogonalen Projektionen gebildet, so kann die dreidimensionale Mittenlinie des tatsächlichen Rohrs erhalten werden. Aus den dreidimensionalen Mittenlinien können die gewünschten Rohrdaten wie die Länge der geraden Abschnitte, die Biegungswinkel, der Biegungsradius und die Biegungsebene, berechnet werden. Dies kann durch grafische Analyse oder durch analoge oder digitale Berechnung erfolgen. Bevorzugt erhält ein entsprechend programmierter Digitalrechner 170 die Ausgangssignale der verschiedenen Speicherregister und druckt die Daten für jedes abgetastete Rohr direkt aus oder vergleicht sie lediglich mit Bezugsdaten und zeigt die Annahme des Rohrs an.

Wie schon erwähnt, sind die Latten der Förderers transparent und ermöglichen es dadurch den Abtastbündeln, die Targetscheibe und die Target-Fotozelle zu erreichen. Die Latten sind flexibel miteinander verbunden und sind zwischen 15 und 20 cm breit mit einem Abstand von 0,32 cm zwischen benachbarten Latten. Die Länge der Latten und damit die Breite des Förderers ist geringfügig kleiner als der Abstand zwischen den Scheiben 78 und 86. Dieser wird durch die Größe der zu messenden Gegenstände bestimmt und kann im Bereich von z. B. 1-1,5 m liegen. Änderungen der Lichtdurchlässigkeit an den Lattenrändern, z. B. auf Grund von Brechungseffekten, sind klein genug, um bei einigen Anwendungen toleriert werden zu können. Um solche Fehler möglichst kleinzuhalten, wird der Spalt zwischen den Latten möglichst klein gemacht. Die Positionen der Spalte sind in dem bei der Messung verwendeten Koordinatensystem bekannt, und somit können Messungen an den Spalten verhindert oder verworfen werden, um solche Brechungseffekt zu eliminieren, ohne einen wesentlichen Genauigkeitsverlust zu erhalten.

Das Problem der Lichtbrechung kann auch die Verwendung einer massiven einstückigen lichtdurchlässigen Plattform beseitigt werden, die anstelle des Förderers das Rohr trägt. Eine solche Plattform würde längs des Rahmens 10 hin- und herbewegt werden und bei ihrer Bewegung vom einen Ende zum anderen ein Rohr durch den Abtastbereich tragen. Das Rohr wird dann entfernt, und die Plattform wird zum Startende zurückgeführt, um ein weiteres zu messendes Rohr aufzunehmen.

Fig. 8 zeigt eine modifizierte Ausführungsform, bei der nur ein einzelner Abtaster längs einem Rahmenaufbau bewegbar ist, der den abzutastenden Gegenstand ohne irgendeinen Förderer oder eine Plattform trägt. Dabei wird der Gegenstand um 90° gedreht, nachdem eine erste Abtastung erfolgt ist, um eine zweite orthogonale Abtastung durchzuführen.

Nach Fig. 8 weist der hochkantige Rahmen ortsfeste Ecksäulen 200, 202, 204 und 206 auf, die mittels einer Bodenplatte 208 und eines festen oberen Rechteckrahmens 210 in im wesentlichen rechteckiger Anordnung fest miteinander verbunden sind.

Auf den Säulen 200, 202, 204 und 206 ist gleitend ein im wesentlichen U-förmiger Abtasttragteil angeordnet, der eine erste und eine zweite feste Seitenplatte 212, 214 und eine Rückplatte 216 aufweist. Die Abtasttragteil-Platten sind mittels ihrer festen Verbindungen mit mehreren gleitbaren Buchsen 220, 222, 224 und 226 fest miteinander verbunden. Die Lagerbuchsen sind an die Säulen angepaßt und gleiten auf diesen, und somit kann der gesamte Abtasttragteil leicht längs den Säulen auf- und abbewegt werden.

Zur Auf- und Abbewegung des Abtasttragteils längs den Säulen ist ein ortsfester umsteuerbarer Motor 228 vorgesehen, der gleichzeitig zwei vertikal verlaufende Gewindespindeln 230, 232 über zwei Getriebekästen 234, 236, die über eine Kupplungswelle 238 verbunden sind, treibt. Die Gewindespindeln 230, 232 sind an ihren Unterenden in Lagern 240, 242, die auf der Platte 208 angeordnet sind, gelagert. Die Gewindespindeln sind in Gewindeöffnungen eines Ansatzes 244, der an der Seitenplatte 212 nach innen vorspringend befestigt ist, und eines gleichen Ansatzes (in Fig. 8 nicht gezeigt), der an der Seitenplatte 212 nach innen vorspringend befestigt ist, geschraubt. Ein Codierer oder Positionsdetektor 248 für den Abtasttragteil ist zum Erfassen der Bewegung von z. B. der Gewindespindel 238 angeordnet und ist z. B. ebenso ausgebildet wie der Codierer 34 nach den Fig. 1-4. Der Codierer 248 erzeugt ein Ausgangssignal, das die Position des Abtasttragteils während seiner Gleitbewegung längs den vertikalen Säulen angibt.

Auf der Seitenplatte 212 sind eine erste Scheibe 250, ein Motor 252 und ein Laser 254 angeordnet, die sämtlich mit den entsprechenden Teilen 78, 70 und 72 nach den Fig. 1 und 3 identisch sind. Auf der Seitenplatte 214 sind eine zweite Scheibe 256, ein zweiter Motor 258 und ein Lasertarget oder Detektor 260 angeordnet, die sämtlich in Aufbau und Arbeitsweise mit den entsprechenden Teilen 86, 82 und 84 nach den Fig. 1-3 identisch sind. Die beiden Abtastscheiben, ihre Motoren, der Laser 254 und der Detektor 260 arbeiten sämtlich in derselben Weise wie die entsprechenden Teile, die einen der beiden zueinander orthogonalen Abtaster nach den Fig. 1-3 bilden. Ein ortsfestes Target 262 ist auf dem Abtasttragteil angeordnet und bildet einen Bezugssensor für das Abtastbündel des Abtasters.

Da bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 der Abtaster anstelle des abzutastenden Gegenstands längs dem Rahmen hin- und herbewegt wird, ist es nicht erforderlich, den Gegenstand durch das Abtastmuster des Abtastgenerators bewegbar anzuordnen. Da jedoch nur ein einziger Abtaster vorhanden ist, muß entweder der Abtaster um eine in der Bewegungsrichtung des Abtastmusters verlaufende Achse, die hier aufrecht verläuft, gedreht werden, oder der Gegenstand selbst muß um diese Achse gedreht werden. Diese relative Drehbewegung ermöglicht es, daß der einzige Abtaster zunächst in der einen und dann in einer zweiten Orthogonalrichtung relativ zum Gegenstand abtastet.

Der abzutastende Gegenstand, der ein gebogenes Rohr 270 ist, wird von einer festen Plattform 272 getragen, die an dem oberen Rahmenteil 210 aufgehängt ist und von den Säulen nach innen gesehen beabstandet ist, so daß die Scheiben 250 und 256 frei bleiben, wenn sie in ihre oberste Lage bewegt werden. An der Plattform 272 ist ein drehbarer Rohrtragteil 274 angeordnet, dessen Einzelheiten aus den Fig. 9 und 10 ersichtlich sind.

Der Rohrtragteil umfaßt ein Gehäuse 276, das Lager 278, 280 trägt, die drehbar einen Rohrtragkörper 282 halten, der in seinem unteren Ende eine konische Ausnehmung 284 hat. Eine gespaltene Kegelhülse 286, bestehend aus Segmenten 288, 290, 292 und 294 (vgl. Fig. 10), ist mit ihrer äußeren konischen Oberfläche an die Fläche der konischen Ausnehmung 284 angepaßt und hat ferner eine innere kugelige Ausnehmung zur Aufnahme einer Kugel 296, die fest am Ende einer Rohrtragstange 298 befestigt ist. Die Kugel 296 trägt zwei diametral entgegengesetzte und miteinander fluchtende Schwenkzapfen 300, 302, die an der Kugel befestigt sind und drehbar in Lageröffnungen der gespaltenen Hülsensegmente 288 bzw. 292 aufgenommen werden. Somit können die Kugel und damit die Stange 298 um die Achse der Zapfen 300, 302 in einer einzigen Ebene geschwenkt werden. Außerdem ist die Kugel zusammen mit der gespaltenen Kugelhülse 286 um eine Achse drehbar, die mit der Drehachse des Tragkörpers 282 fluchtet, vorausgesetzt, daß die Teile nicht durch die noch zu erläuternden Verriegelungsmittel verriegelt sind. Es handelt sich also um ein Universalgelenk. Die Kugel 296 ist mit einem nach außen divergierenden Schlitz 297 ausgebildet, so daß sie um die Schwenkzapfen 300, 302 drehbar ist, ohne daß eine gegenseitige störende Beeinflussung mit einem Kabel 310 erfolgt.

Mit dem anderen Ende der Tragstange 298 ist ein Futter zum Halten des Rohrs verbunden; das Futter umfaßt eine gespaltene Futterhülse 304 mit einer konischen Ausnehmung, die einen passenden konischen Stopfen 306 aufnimmt. Eine Druckfeder 308 ist in der Futterhülse angeordnet und befindet sich zwischen einem Ende des Stopfens 306 und einem Ende der Tragstange 298 und drückt den Stopfen in Richtung aus der konischen Ausnehmung der Futterhülse 304 heraus.

Eine Kabelaufnahmeöffnung durchsetzt den Stopfen 306, die Tragstange 298, die Kugel 296 und den Tragkörper 282. Ein flexibles Kabel 310 erstreckt sich durch diese Öffnung, ist mit einem Ende am Stopfen 306 befestigt und mit dem anderen Ende mit dem hin- und herbewegbaren Betätigungsglied 312 eines Luftmotors 314 verbunden, der auf dem Tragkörper 282 angeordnet ist.

Ein Motor 316 ist am Gehäuse 276 angeordnet und treibt eine Zahnstange 318, deren Zähne mit den Zähnen des Zahnrads 320 kämmen, das am Tragkörper 282 befestigt ist und ihn umgibt.

Der Motor 316 hat eine voreingestellte Hublänge, und entsprechend ist die Zahnstange 318 zwischen einer Ausfahr- und Einfahrstellung bewegbar. Wenn die Zahnstange 318 aus ihrer einen in ihre andere Stellung bewegt wird, drehen sich das Zahnrad 320 und der Tragkörper 282 um genau 90°.

Der Motor 314 bewegt das Betätigungsglied 312 zwischen einer Ausfahr- und einer Einfahrstellung. In der Ausfahrstellung des Betätigungsglieds 312 ist der Stopfen 306 lose in der Futterhülse 304, und die Kugel 296 ist lose in der Kugelhülse 286. In der Einfahrstellung des Betätigungsglieds 312 wird das Kabel gespannt und verriegelt beide Hülsen. Der Stopfen 306 wird fest in die konische Ausnehmung der Futterhülse gezogen und drückt dadurch die Hülsensegmente nach radial außen, wodurch die Innenflächen des Endes des Rohrs 270, in das die Futterhülse 304 eingesetzt ist, fest gegriffen werden. Die gleiche Spannung des Kabels 310 treibt die Tragstange 298 in Axialrichtung, wodurch die Kugel 296 in die Kugelhülse 286 getrieben wird, was bewirkt, daß die Hülsensegmente 288, 290, 292, 294 weiter in die konische Ausnehmung des Tragkörpers 282 gedrückt werden, wodurch die Kugel 296 fest gegriffen und gegen eine Drehung relativ zu der Hülse 286 verriegelt wird.

Beim Betrieb des Ausführungsbeispiels nach den Fig. 8-10 wird ein Rohr 270, dessen Profil abzutasten ist, mit seinem einen Ende über die Hülse 304 geschoben. Der Winkel der Tragstange 298 wird in der Weise eingestellt, daß die Stange 298 um die Achse der Schwenkzapfen 300, 302 bewegt wird, und dadurch, daß die Kugelhülse 286 um die Achse des Tragkörpers 282 gedreht wird, bis das Rohr 270 im wesentlichen mittig zwischen den Säulen 200, 202, 204 und 206 festgelegt ist. Der Motor 314 wird eingeschaltet und spannt das Kabel und bringt die Futterhülse und die Kugelhülse in die eingestellte Lage. Das Rohr ist nun in einer ortsfesten Lage an dem hochkantigen Rahmen getragen und wird dabei nur an seinen Innenflächen berührt. Der Abtastrahmen wird in seine oberste oder seine unterste Stellung bewegt. Die Abtastscheiben- Motoren werden synchron betrieben, um die Scheiben 250 und 256 synchron zu drehen. Der Motor 228 wird eingeschaltet, um den Antrieb des Abtasttragteils zusammen mit dem Abtaster in einer ersten Richtung längs dem Rohr zu beginnen, z. B. von der obersten Stellung nach unten. Die Gewindespindeln 230, 232 sind seitlich in bezug auf die Drehachse der Scheiben versetzt, so daß eine Überlappung mit dem Abtaststrahl vermieden wird. Die Ausgangssignale des Bezugssensors 262 und des Lichtbündelsensors 260 werden von derselben Schaltung verarbeitet, die bei dem vorher erläuterten Ausführungsbeispiel verwendet wurde, und dabei wird das Ausgangssignal des Positionsdetektors 248 in der Berechnung in gleicher Weise wie das Signal x _C verwendet.

Wenn der Abtaster eine vollständige Bahn längs dem Rohr beendet hat, wird der Motor 316 eingeschaltet, um den Rohrtragteil und das Rohr um 90° zu drehen, woraufhin der Abtaster eine zweite Abtastung beginnen kann, die nun in einer zur Ebene der ersten Abtastung senkrechten Ebene erfolgt. Der Abtastrahmen wird unter Steuerung durch den Motor 228, der umgesteuert worden ist, nach oben bewegt, und die Daten für die zweite orthogonale Abtastung werden erzeugt.

Natürlich können andere Anordnungen vorgesehen werden, um das abzutastende Rohr in einer von zwei zueinander senkrechten Lagen zu halten und es um eine Achse zu drehen, die im wesentlichen senkrecht zur Richtung der Hin- und Herbewegung des Abtasttragteils verläuft. So kann das Rohr durch auf seine beiden Enden ausgeübte entgegengesetzte Druckkräfte gehalten werden, oder andere Einrichtungen können verwendet werden, um das Rohr an einem oder an beiden Enden zu halten. Ferner kann die Anordnung nach Fig. 8 in einer Horizontalstellung verwendet werden, und ein zweites Paar Abtastscheiben kann auf dem Abtasttragteil angeordnet werden, so daß eine relative Drehung des Rohrs nicht erforderlich ist und ein vollständiger Datensatz betreffend das Rohrprofil in einem einzigen Abtastlauf erhalten wird. Bei einer solchen Anordnung kann das Rohr dadurch gehalten werden, daß es an seinen beiden Enden unter Druck gesetzt wird, oder es kann eine ortsfeste lichtdurchlässige Plattform verwendet werden, um das horizontal angeordnete Rohr zu tragen.

Claims

1. Verfahren zum Erfassen mindestens zweier Abmessungen eines Gegenstands, bei dem der Gegenstand durch über den Gegenstand bewegte Lichtstrahlen entsprechend einem ersten Abtastmuster einer ersten zweidimensionalen Abtastung und entsprechend einem zweiten Abtastmuster einer zweiten zweidimensionalen Abtastung unterworfen wird und Signale erzeugt werden, die Schnittpunkte der Abtastmuster mit Kanten des Gegenstands definieren, dadurch gekennzeichnet, daß zum dreidimensionalen Erfassen des äußeren Profils des Gegenstands die erste Abtastung gleichzeitig mit oder unmittelbar vor der zweiten Abtastung während der Relativbewegung des Gegenstands zu den zylindrischen Abtastmustern erfolgt, und daß die Relativbewegungsrichtung und die Projektionsrichtungen der beiden zylindrischen Abtastmuster senkrecht aufeinanderstehen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene Projektoren zum Projizieren der beiden Lichtstrahlen verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsamer Projektor zum Projizieren der beiden Lichtstrahlen verwendet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung von elektrischen Signalen in der Weise erfolgt, daß ein Zug von Impulsen mit konstanter Wiederholungsrate erzeugt wird, daß eine Zählung der Impulse begonnen wird, wenn ein Lichtstrahl einen Bezugspunkt des Abtastmusters erreicht, und daß der erreichte Zählerstand ausgelesen wird, wenn der Lichtstrahl die Kante des Gegenstandes schneidet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kreiszylindrische Abtastung eine Koordinate des Schnittpunkts des Abtastmusters und der Gegenstandkante nach der folgenden Gleichung bestimmt: x₁ = x _C1 - R sin [(N _H - K₁) K₂]mit
x₁= eine Koordinate des Schnittpunkts entlang einer Achse eines bezüglich des Gegenstands festen Koordinatensystems, x _C1= eine entlang der genannten Achse gemessene Strecke zwischen Punkten, die relativ zum Abtastmuster bzw. zum Gegenstand fest sind, R= Radius des Abtastmusters, N _H= Anzahl der Impulse, die gezählt worden sind, wenn das Lichtbündel die Kante schneidet, K₁= eine feste Anzahl Impulse, die den genannten Bezugspunkt mit dem Koordinatensystem winkelmäßig in Beziehung setzen, und K₂= Konstante, die das Verhältnis der vom Lichtbündel im Abtastmuster zurückgelegten Winkelentfernung zu der während dieser Wanderung erzeugten Anzahl Impulse darstellt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Koordinate des Schnittpunkts des Abtastmusters mit der Kante nach der folgenden Gleichung bestimmt wird: Y₂ = R [1 - cos (N _H - K₁)K₂].

7. Einrichtung zum Erfassen des Profils eines Gegenstands, mit einer Tragvorrichtung für den Gegenstand, mit einer ersten und einer zweiten Abtasteinheit, die Lichtstrahlen in einem ersten zweidimensionalen Abtastmuster bzw. einem zweiten zweidimensionalen Abtastmuster über den Gegenstand bewegen, mit einer Antriebseinrichtung zum Herbeiführen einer Relativbewegung zwischen der Tragvorrichtung und den Abtasteinheiten, und einer Schaltungsanordnung (140, 142, . . , 152; 156, 158 . . . 164), die Schnittpunkte der Lichtstrahlen mit Kanten des Gegenstands (102) darstellende Signale erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß beide Abtasteinheiten (38, 40 . . . 58; 70, 72 . . . 90) jeweils Lichtstrahlen in einem zylindrischen Abtastmuster erzeugen und mit ihren Projektionsachsen aufeinander sowie bezüglich der Relativbewegungsrichtung senkrecht stehen, und daß ein Positionsdetektor (34) die Position der Tragvorrichtung (22) in bezug auf die Abtasteinheiten anzeigende Signale erzeugt.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragvorrichtung (22) für die Lichtstrahlen durchlässig ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragvorrichtung (298, 304, 306) den Gegenstand an einem Ende desselben (270) hält.

10. Einrichtung nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragvorrichtung (298, 304, 306) den Gegenstand (270) nur an dessen Innenfläche berührt.