Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Abtasten eines
Profils, und wie es mehr im einzelnen im dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 geoffenbart ist.
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Das Abtasten eines Profils, beispielsweise eines
Querschnittsprofils eines Gegenstands, hat viele praktische Anwendungen und
wird deshalb auf vielen technischen Gebieten verwendet,
beispielsweise in Verbindung mit der Produktionskontrolle, der
Messung von Abnutzung und Ähnlichem.
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Die vorliegende Erfindung ist zum Messen des Querschnittsprofils
von Zugrädern und von Schienen entwickelt worden, und wird somit
in Verbindung hiermit beschrieben, obgleich es sogar
offensichtlich für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet ist, daß die
Vorrichtung gemäß der Erfindung zum Abtasten von Oberflächen
oder Profilen vieler anderer Artikel und Gegenstände verwendet
werden kann.
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Beim Betrieb von Eisenbahnen sind die Querschnittsprofile der
Räder und der Schienen von großer Bedeutung für die Fahrdynamik
eines Zuges, und hiermit für die Sicherheit des Zuges, die
Bequemlichkeit und die betriebliche Wirtschaftlichkeit. Während
des Betriebes werden die Räder und die Schienen abgenutzt, was
ein erhöhtes Risiko eines Bruches und einer Entgleisung ergibt,
die durch Abnutzung und eine Verringerung der Laufeigenschaften
der Räder beschleunigt wird. Abgenutzte Räder und Schienen
ergeben erhöhte, dynamische Kräfte während des Betriebs, eine
Verringerung bei der Bequemlichkeit und ferner eine Beschleunigung
der Abnutzung. Durch regelmäßige Untersuchung der Räder und der
Schienen, insbesondere ihrer Querschnittsprofile, kann eine
systematische und konditionsbestimmte Wartung hergestellt werden,
und die Betriebskosten werden beträchtlich verringert. Jedoch
findet ein großer Teil der Wartung des fahrenden Materials
weiterhin auf der Grundlage der Messung der Betriebszeit und der
Betriebsstrecke anstatt einer systematischen Überwachung der
Bedingungen statt.
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Es ist bekannt, das Querschnittsprofil eines Gegenstands zu
messen, beispielsweise eines Zugrades, vgl. beispielsweise die
europäische Patentanmeldung Nr. 0.252.164 oder die deutsche
Veröffentlichung Nr. 3.637.839. Diese bekannten Vorrichtungen sind
kompliziert und zeitaufwendig zu verwenden dahingehend, daß sie
fest an oder bei dem Rad angebracht werden müssen, während eine
Messung des Radprofils ausgeführt wird, und es ist besonders
kompliziert, das Ergebnis der Messung zu berechnen und zu
bestimmen, wie die Bearbeitung und die Erneuerung des Rades
ausgeführt werden sollen. Infolgedessen sind viele der bekannten
Arten von Vorrichtungen für die Verwendung in der Werkstatt
ausgebildet, d.h., wenn der betreffende Eisenbahnwagen bereits außer
Betrieb genommen worden ist.
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Aus der europäischen Patentanmeldung Nr. 0.155.084 ist es
bekannt, das Profil eines dreidimentionalen Gegenstandes mit einer
Vorrichtung abzutasten und zu messen, die im wesentlichen
ausgestaltet ist, wie es in dem Oberbegriff des Anspruches 1
geoffenbart ist. Jedoch kann diese Vorrichtung nur konvexe Oberflächen
und Kurven wegen der Ausgestaltung der Abtastsonde messen, und
weil die elektronische Schaltung, die mit der Vorrichtung
verbunden ist, nicht hierfür ausgebildet ist.
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Aus GB-A-2,087,561 ist eine Vorrichtung zum Messen der Krümmung
einer Oberfläche mit einer einzigen Krümmung bekannt. Diese
Vorrichtung umfaßt ein Rad, das sich am Ende eines Armes befindet,
der um einen Schaft herum verschwenkbar ist. Der Arm ist mit
einem elektronischen Winkelmesser verbunden, der die
Winkelstellung des Armes mißt. Die Vorrichtung kann auch den Mittelwert
der Krümmung angeben, kann aber nicht ein Profil vollständig
abtasten und hat keine Mittel zum Anzeigen des Profils.
Vorteile der Erfindung
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Mit der Meßvorrichtung gemäß der Erfindung ist es möglich,
Oberflächen auf allen Seiten eines Gegenstandes abzutasten und zu
messen, d.h., es ist auch möglich, die "Unterseite" eines
Gegenstandes oder einen Gegenstand zu messen, der Flächen hat, die
konkav sind. Es ist beispielsweise möglich, die nach unten
weisenden Oberflächen an einer Schiene in Verbindung mit dem
Abtasten des Profils der Schiene abzutasten und somit ein
vollständiges Bild des Grades zu erhalten, bis zu dem eine Schiene
abgenutzt ist.
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Mit den kennzeichnenden Merkmalen, wie sie in Anspruch 1
geoffenbart sind, weist die Vorrichtung gemäß der Erfindung den
großen Vorteil auf, daß ein Profil sehr schnell abgetastet werden
kann, beispielsweise das Profil der Lauffläche eines Zugrades
oder das obere Profil einer Schiene. Die Vorrichtung ist
normalerweise als eine kleine, tragbare Einheit ausgestaltet, mit der
das Abtasten "vor Ort" an dem Wagenrad ausgeführt werden kann,
d.h., wennimmer dieses erwünscht ist, vorausgesetzt nur, daß es
Zugang zu dem Rad gibt.
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Die Vorrichtung wird einfach an oder bei dem Gegenstand
angeordnet, dessen Profil gemessen werden soll, woraufhin der Abtastarm
der Vorrichtung von Hand über das und in Berührung mit dem
Profil während des fortlaufenden Abtastens der Positionen der
Winkelmeßverbindungen geführt wird.
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Die Kopplung des elektronischen Winkelcodierers mit einem
Computer, beispielsweise einem kleinen, tragbaren Computer, hat das
Ergebnis, daß, nachdem ein Radprofil abgetastet worden ist, eine
unmittelbare Antwort auf die Frage erhalten wird, die den Grad
betrifft, mit dem das Profil innerhalb annehmbarer Grenzen liegt
oder sie überschreitet. Ein weiterer Vorteil ist, daß alle die
Meßergebnisse im dem Computer gespeichert werden können,
beispielsweise auf einer Diskette, und daß die Informationen zu
einer zentralen EDV-Anlage überführt werden können, die die
Wartung steuert, oder für die unmittelbare Steuerung eines
automatischen
Maschinenwerkzeugs verwendet werden können,
beispielsweise eine automatische Drehbank zum Bearbeiten der Räder.
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Indem die Vorrichtung gemäß der Erfindung ausgestaltet wird, wie
es in Anspruch 2 geoffenbart und gekennzeichnet ist, wird eine
Sicherheit geschaffen, daß sie stets in richtiger Berührung mit
dem Gegenstand ist, dessen Profil abgetastet werden soll, wenn
dieser aus Material ist, das magnetisiert werden kann, was der
Fall bei Zugrädern und Schienen hierfür ist.
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Indem die Vorrichtung gemäß der Erfindung ausgebildet wird, wie
es in Anspruch 3 geoffenbart und gekennzeichnet ist, wird das
Positionieren der Vorrichtung vereinfacht, wenn der zu messende
Gegenstand aus einem Material ist, das magnetisiert werden kann,
beispielsweise wenn er ein Eisenbahnzugrad oder ein ähnlicher
Gegenstand aus Eisen ist.
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Wenn die Vorrichtung gemäß der Erfindung ausgestaltet wird, wie
es in Anspruch 3 geoffenbart und gekennzeichnet ist, kann die
Vorrichtung schnell von Rad zu Rad ohne Verwendung von
Werkzeugen und ohne unnötige Zeitverschwendung bewegt werden.
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Wenn die Vorrichtung gemäß der Erfindung ausgebildet wird, wie
es im Anspruch 4 geoffenbart und gekennzeichnet ist, wird die
Messung oder das Abtasten des Profils schneller und genauer
ausgeführt, und es wird die Möglichkeit geschaffen, die Ergebnisse
mit Standartprofilen zu vergleichen, die in den Computer
eingegeben werden.
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Wie es oben erwähnt worden ist, ist die Vorrichtung zur
Verwendung beim Abtasten von Profilen entwickelt worden, wie es in
Anspruch 5 oder 6 geoffenbart und gekennzeichnet ist, kann aber
ohne irgendwelche Abänderungen des Grundgedankens zur Messung
des Profils oder für Oberflächenkonturen anderer Gegenstände
verwendet werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Erfindung
gemäß der Anwendung sehr geeignet für die besonders
beschriebenen Zwecke ist, wobei der Grund hier ist, daß die beim Ausführen
der Kontrollmessungen verbrauchte Zeit beträchtlich verringert
werden kann, so daß die Vorrichtung gemäß der Erfindung
beispielsweise bei der konditionsbestimmten Wartung von
Eisenbahnmaterial verwendet werden kann.
Die Zeichnung
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Die Erfindung wird nun mehr im einzelnen unter Bezugnahme auf
eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung beschrieben, in
der
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Fig. 1 die Abtastvorrichtung von oben gesehen und während der
Messung eines Zugrades zeigt,
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Fig. 2 dieselbe Vorrichtung wie in Fig. 1 aber teilweise von der
Seite und teilweise im Schnitt gesehen zeigt,
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Fig. 3 einen Meßaufbau während der Verwendung einer
Meßstiftbefestigung zeigt,
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Fig. 4 die Verwendung der Meßvorrichtung gemäß der Erfindung
während des Abtastens eines Schienenprofils zeigt,
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Fig. 5 dieselbe wie in Fig. 4 zeigt, wobei aber von oben gesehen
wird,
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Fig. 6 ein Blockdiagramm der elektronischen Schaltung der
Meßvorrichtung zeigt und
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Fig. 7 ein Bildschirmbild eines Meß- und Rechenergebnisses für
ein Zugrad zeigt.
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
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Indem auf die Fig. 1, 2 und 6 Bezug genommen wird, beschreibt
das Folgende den Grundgedanken der Vorrichtung 1 gemäß der
Erfindung in Verbindung mit dem Abtasten des Querschnittsprofils
der Lauffläche eines Zugrades 2 mit einem normalen, abgerundeten
Radflansch 3.
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Die Vorrichtung 1 umfaßt ein ortsfestes Teil 10, beispielsweise
ein steifes, festes Eisen- oder Metallteil, an dem fest ein
rechtwinkliges und ähnlich ortsfestes Teil 11 gehalten ist, an
dem das bewegbare Abtastsystem selbst angebracht ist.
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Das ortsfeste Teil 10 schließt beispielsweise Permanentmagnete
15 ein, die das ortsfeste Teil 10 fest und unbewegbar an der
Innenseite des Rades befestigten können. Zum Positionieren des
ortsfesten Teils in bezug auf das obere Ende des Flansches 3
umfaßt das ortsfeste Teil ein oder mehrere Halteelemente,
beispielsweise Rohre oder Zylinder 12, die sich unter rechten
Winkeln von dem ortsfesten Teil erstrecken, vgl. Fig. 1. Das
ortsfeste Teil wird in bezug auf das Rad positioniert, indem es auf
eine solche Weise angeordnet wird, daß die Halteelemente 12 an
dem höchsten Punkt des Radflansches 3 anliegen, vgl. Fig. 1.
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Das ortsfeste Teil 10 umfaßt auch ein Element oder eine
Meßeinrichtung 13, die auf verschiebbare Weise in der radialen
Richtung des Rades 2 angeordnet ist und die mittels Schrauben oder
Ähnlichem und eines Handgriffes 14 bewegt werden kann, vgl. Fig.
2. Der obere Teil 16, der beispielsweise unter rechten Winkeln
zu dem radialen Teil 13 ist, vgl. auch Fig. 2, bildet einen
Ausgangspunkt für die Messung der Ringdicke, da das untere Ende der
Meßeinrichtung einen nach oben geneigten Meßpunkt 17 aufweist,
der angeordnet ist, gegen die Innenseite des Radringes zu
stoßen, vgl. Fig. 2. Zwischen dem Punkt 17 und dem obere Teil 16
gibt es einen vorbestimmten Abstand, der dem Computer eingegeben
wird, vgl. später.
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Das bewegbare Abtastsystem umfaßt eine erste Winkelcodier-
Verbindung 20, die fest und einheitlich an dem ortsfesten Teil
11 angebracht ist, vgl. Fig. 1. An dem Ausgangsschaft der ersten
Winkelcodier-Verbindung 20 ist ein erster Arm 22 angeordnet. In
dem freien Ende dieses Armes ist eine weitere Winkelcodier-
Verbindung 21, an deren Ausgangsschaft ein zweiter Arm 23
angeordnet ist. In dem freien Ende des zweiten Armes 23 gibt es eine
Rolle oder ein Rad 24, das angeordnet ist, über das und in
Berührung mit dem Profil zu laufen, das abgetastet werden soll.
Die bewegbaren Teile können in einer vorbestimmten Ebene bewegt
werden, die normalerweise unter rechten Winkeln zu der
Oberfläche liegt, deren Profil abgetastet werden soll; bei dem
gezeigten Beispiel unter rechten Winkeln (radial) zu dem Rad und die
Achse des Rades umfassend, so daß die Rolle 24 der Spur folgen
kann, die mit dem Pfeil 25 in Fig. 1 gezeigt ist. Die Rolle oder
das Rad 24 kann aus einem permanentmagnetischen Material
hergestellt sein, so daß eine Berührung mit dem Profil sichergestellt
wird, wenn dieses aus Eisen oder einem anderen Material ist, das
magnetisiert werden kann. Die zwei Winkelcodier-Verbindungen 20,
21 können beispielsweise Schrittdrehstellgeber vom Typ Minirod
450 sein, die von Heidenhain, Deutschland, hergestellt werden
oder ähnliche elektronische Winkelcodierer.
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Die Winkelcodierer können identisch sein, aber andere
Winkelcodierer können auch mit unterschiedlicher Meßgenauigkeit in
Abhängigkeit von der Länge der Arme verwendet werden.
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Die Ausgangssignale von den zwei Winkelcodierern werden einem
Computer über eine Schnittstellenschaltung 51, 51', 52
zugeführt, die in Verbindung mit Fig. 6 der Zeichnung erläutert
wird.
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Jeder der zwei Winkelcodierer 20, 21 umfaßt lichtempfindliche
Dioden 50, 50', die durch eine nicht gezeigte Lichtquelle
beleuchtet werden, die in jedem der Winkelcodierer angeordnet ist.
Die Ausgangssignale von den Dioden in dem Winkelcodierer werden
jeder ihrer Schnittstellenschaltung 51, 51' zugeführt, wo die
Signale von den Winkelcodierern verstärkt und geeignet
eingestellt und einer gemeinsamen Schaltung 52 zugeführt werden,
einer sogenannten EPLD (löschbare, programmierbare
Logikeinrichtung) vom Typ EPM 5064, von wo eine absolute Winkelmessung für
die Winkelverschiebung bei jedem Winkelcodierer, als digitale
Signalwerte ausgedrückt, dem Datenbus 53 des Computers 54
zugeführt werden, der beispielsweise ein sogenannter PC (Personal
Computer) ist. Mit dem beschriebenen Meßsystem werden
Winkelmessungen sehr hoher Genauigkeit erzielt, indem nämlich eine
absolute
Winkelmessung mit einer Genauigkeit von mehreren
Dezimalstellen in digitaler Form erhalten wird. Der Computer 54 ist
geeignet vorprogrammiert und mit Informationen versehen, die den
Ausgangswinkel der Winkelcodierer, die Längen der bewegbaren
Arme 22, 23 und den Durchmesser 24 des abgetasteten Rades
betreffen, und bei Verwendung eines geeigneten Algorithmus kann wenige
Sekunden nach dem Abschluß des Abtastens ein genaues Bild des
abgetasteten Profils auf dem Bildschirm des Computers 54
angezeigt werden, oder können die Informationen, die das Profil in
dem Computer betreffen, beispielsweise auf einer Diskette
gespeichert werden.
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In Fig. 7 ist der Bildschirm des Computers gezeigt, wo die Kurve
60 das abgetastete Profil zeigt, 61 das Standartprofil für das
betreffende Rad zeigt und die Kurve 62 den Unterschied zwischen
dem Standartprofil und dem abgetasteten Profil zeigt.
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Der verwendete Computer ist ein batteriebetriebener PC vom Typ
Compac LTE oder ein Toshiba T1000XE oder ein entsprechender
tragbarer Computer. Während der Verwendung eines solchen
Computers und des Meßsystems, das oben geoffenbart und erläutert
worden ist, kann eine Meßgenauigkeit von besser als ± 0,05 mm und
eine Abtastgeschwindigkeit von mehr als 2000 Punkte/sec erhalten
werden. Typischerweise benötigt das Abtasten 2-3 sec und, wenn
es so erwünscht ist, kann das Abtasten auf dem Bildschirm
gleichzeitig gezeigt werden, und die Rechenarbeit wird einige
wenige Sekunden nach dem Abtasten abgeschlossen. Die Ergebnisse
des Abtastens und der Berechnung werden automatisch gespeichert
und können zur Anzeige und/oder zum Ausdrucken auf Papier
abgerufen werden.
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Die Meßreihenfolge wird initiiert, indem die Arme 22, 23 bewegt
werden, so daß die Winkelcodierer 20, 21 durch ihren
Ausgangspunkt oder Bezugspunkt hindurchgehen und somit der Computer
deren Ausgangswinkel kennt. Danach gibt der Computer ein
Löschsignal aus, beispielsweise ein akustisches Signal, und das Meßrad
24 wird nun, wie es in Fig. 2 gezeigt ist, über das Profil des
Zugrades 2 zum Abtasten und zur Registrierung des Profils
bewegt.
Der Ausgangspunkt oder Bezugspunkt der Winkelcodierer wird
natürlich an einer geeigneten Winkelposition angeordnet, von der
es natürlich ist, daß durch sie hindurchgegangen wird, wenn eine
Meßreihe gestartet wird.
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Indem das Abtastrad 24 zu der Meßeinrichtung 13, 16 geführt
wird, vgl. Fig. 2, wird die Ringdicke des Rades in den Computer
eingegeben, wenn die Spitze 17 des entgegengesetzten Endes der
Meßeinrichtung 13 gegen die Unterseite des Ringes ist.
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Sobald das Abtasten registriert worden ist, kann die Vorrichtung
bewegt werden, entweder zu einer neuen Stelle an dem
betreffenden Rad oder zu einem anderen Rad oder Gegenstand für eine neue
Abtastung.
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Fig. 3 zeigt eine sogenannte Meßstiftbefestigung 5 zur
Verwendung bei der Messung von Radprofilen 2 zur Verwendung in einer
Werkstatt, nämlich, wo es vollen Zugang zu beiden Rädem eines
Radpaares gibt. Die Meßstiftbefestigung 5 wird mit einer
Meßspitze 33 in Berührung mit dem einen Rad angeordnet und mit der
Halteträger 31 der Befestigung wird in Berührung mit den Rädern
angeordnet. Die Meßspitze 33 sitzt an einer bewegbaren
Meßeinrichtung 32, die auch einen Meßpunkt 34 zum Messen des
gegenseitigen Abstandes der Räder umfaßt. Die verwendete Meßvorrichtung
1 kann direkt an der Befestigung 5 angebracht werden, kann auch
von bewegbarer Art sein, wie es in den Fig. 1 und 2 gezeigt ist,
die an der Befestigung magnetisch oder auf eine andere Weise
angebracht werden kann, bevor die Messung ausgeführt wird.
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In den Fig. 4 und 5 ist eine andere Art der Befestigung 6
gezeigt, die ausgestaltet ist, die Abtastvorrichtung gemäß der
Erfindung während der Messung des oberen Profils eines Rades zu
positionieren und zu befestigen. Der Halteträger bei der
Befestigung 6 ist ein teleskopischer Arm 41, der ausgebildet ist,
auf der oberen Seite des Schienenelements zu ruhen, d.h. während
der Verwendung der Berührungselemente 42. Zu der Schiene
entgegengesetzt, bei der die Messung tatsächlich gemacht werden soll,
ist ein Berührungsdorn oder eine Meßspitze 43 vorgesehen, und an
der Schiene 4, die gemessen werden soll, ist einfach ein
Berührungsteil 44 vorgesehen, und somit kann die
Meßspitzenbefestigung 6 richtig an dem Schienenelement positioniert werden. Das
Abtasten des oberen Profils der Schiene kann nun ausgeführt
werden, indem die Abtastrolle 24 über das obere Profil der Schiene
4 geführt wird, wie es in Fig. 4 gezeigt ist, und ferner, wie es
vorhergehend gezeigt und erläutert worden ist.
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Indem die Meßstiftbefestigung mit dem entgegengesetzten Rad oder
der entgegengesetzten Schiene als Bezug verwendet wird, wird die
Meßgenauigkeit verbessert und mögliche Ungenauigkeiten der
Rückseite des Radflansches beeinflussen die Messung nicht. Wegen des
relativ großen Abstandes von dem Meßpunkt zu dem
entgegengesetzten Rad oder der entgegengesetzten Schiene werden Winkelfehler
zwischen den ortsfesten Teilen der Vorrichtung und dem
Gegenstand, an dem die Messung ausgeführt wird, stark verringert,
wenn eine Meßspitzenbefestigung gemacht wird.