EP1151243A1 - Device and method for measuring parallelism and alignment of rolls - Google Patents

Abstract

The invention relates to a measuring device and optionally to a corresponding adapter that facilitate a quantitative measurement of parallelism and alignment of rolls. Said measuring device is mounted on the front ends of said rolls. A specific embodiment relates to a projection device for emitting a light beam or a fan of light. The light beams emitted by said projection device are incident on a high-precision reception device. The reception device is also mounted on a front end of the roll.

Claims

PatentanmeldungPatent application

Titeltitle

Vorrichtung und Verfahren zum Vermessen von Parallelität und fluchtender Lage von WalzenDevice and method for measuring parallelism and aligned position of rollers

Stand der TechnikState of the art

Eine Vorrichtung zum Vermessen von Parallelität von Walzen oder anderen Korpern auf Basis hochgenauer optischer Kreisel oder hochgenau arbeitender Kreisel mit mikromechanisch hergestellten Schwingern ist bekannt Es wird auf die Anmeldungen der Fa Praftechnik AG, D 85737 Ismanin Og,! verwiesenA device for measuring parallelism of rollers or other bodies on the basis of high-precision optical gyroscopes or high-precision gyroscopes with micromechanically produced vibrators is known. The applications of Fa. Praftechnik AG, D 85737 Ismanin Og! directed

Aufgabetask

Die zu losende Aufgabe besteht darin, eine Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren anzugeben, so dass das Vermessen der Parallelität von Walzen noch leichter durchf hrbar ist Eine weitere Aufgabe besteht darin, gleichzeitig eine Vorrichtung und eine Anordnung zu schaffen, dass auch die fluchtende Lage (d h ein Versatz in achsialer Richtung) von Walzen bequem, einfach und kostengünstig ermittelt werden kannThe task to be solved is to specify a device and an associated method so that the parallelism of rollers can be measured even more easily. Another task is to simultaneously create a device and an arrangement that the aligned position (ie an offset in the axial direction) of rollers can be determined conveniently, simply and inexpensively

LosungSolution

Diese Aufgaben werden durch eine Vorrichtung und deren Verwendung, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung, gelost, welche es gestatten, dass ein Messgerat zum Bestimmen der winkelmassigen Orientierung eines Korpers direkt an eine Stirnseite oder eine Zylinderdeckelflache ansetzbar ist In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden diese Aufgaben durch eine als Adapter wirkende Vorrichtung gelost, bei welcher ebenfalls ein Messgerat zum Bestimmen der winkelmassigen Orientierung eines Korpers an eine Stirnseite angesetzt werden kann In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden diese Aufgaben durch ein Projektionsgerät zum Aussenden eines Lichtstrahles oder eines Lichtfachers gelost, welches mit einem Empfangsgerät zusammenarbeitet, welches in sehr präziser Weise den genauen Auftreffort eines solchen Lichtstrahles oder Lichtfachers zu bestimmen gestattetThese objects are achieved by a device and its use, as well as a method for producing such a device, which allow a measuring device for determining the angular orientation of a body to be applied directly to an end face or a cylinder cover surface in a further embodiment of the invention these tasks are solved by a device acting as an adapter, in which a measuring device for determining the angular orientation of a body can also be attached to an end face. In a further embodiment of the invention, these tasks are solved by a projection device for emitting a light beam or a light compartment, which works together with a receiving device, which allows to determine in a very precise way the exact impact of such a light beam or light compartment

Ausfuhrungsformenembodiments

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben Es zeigtThe invention is described below with reference to the drawing. It shows

Fig 1 eme perspektivische Ansicht auf eine erste Ausführungsform der ErfindungFig. 1 is a perspective view of a first embodiment of the invention

Fig 2 eine perspektivische Ansicht auf eine zweite Ausfuhrungsform der Erfindung, welche ein als Adapter wirkendes Zwischenstuck enthalt 22 shows a perspective view of a second embodiment of the invention, which contains an intermediate piece acting as an adapter 2

Fig 3 eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, ahnlich Fig 2, mit einem anders gestalteten Messgerat3 shows a further embodiment of the invention, similar to FIG. 2, with a differently designed measuring device

Fig 4 eine Seitenansicht gemass Fig 2 und 3, teilweise m Schnitt dar StellungFig. 4 is a side view according to FIGS. 2 and 3, partly in a sectional view

Fig 5 eine Seitenansicht ahnlich Fig 45 is a side view similar to FIG. 4

Fig 6 eine perspektivische Ansicht auf eme Messeinrichtung zum Messen oder Überprüfen der fluchtenden Lage zweier Walzen6 is a perspective view of a measuring device for measuring or checking the aligned position of two rollers

Fig 7 eine Bildschirmdarstellung zur Visualisierung und Angabe eines eventuell vorhandenen Fluchtungsfehlers zwischen zwei Walzen7 shows a screen representation for the visualization and indication of a possible misalignment between two rollers

Fig 1 weist als ein wesentliches Element der Erfindung die hochgenau bearbeitete Oberfläche (Stirnfläche) 14 einer Achse 12, welche für die Lagerung einer mit hoher Präzision gergestellten Walze 10 dient, wie sie z B m der Druckindustrie oder zur Fertigung von Papier, Folien oder Blechen zum Einsatz kommt An die hochgenaue bearbeitet Oberflache 14 lasst sich eine ebenso hochgenau bearbeitet Oberflache 16 eines Orientierungsmessgerates 18 anlegen Dieses enthalt bevorzugt einen oder mehrere sog. Laserkreisel und ist m der Lage, seine Orientierung im Raum mit ausserst hoher Präzision zu bestimmen Es kann mittels Halte- und TransportgrifFen 19 in seine Messposition gebracht werden, an der per Tastendruck oder bei genügend hohem Auflagedruck des Gerätes an die Oberflache 14 eine Messung erfolgt, oder der Start mehrerer nacheinander folgender Messungen initiiert wird Mit Vorteil weist das Messgerat 18 einen Permanentmagneten auf, mittels dessen es möglich ist, dass dieses in sehr reproduzierbarer Weise an die ferromagnetisch wirkende Oberflache 1 angelegt und kontaktiert werden kann1 shows, as an essential element of the invention, the highly precisely machined surface (end face) 14 of an axis 12, which serves for the storage of a roller 10 made with high precision, such as that used in the printing industry or for the production of paper, foils or sheets An extremely precise machined surface 16 of an orientation measuring device 18 can be created on the highly precise machined surface 14, which preferably contains one or more so-called laser gyroscopes and is able to determine its orientation in space with extremely high precision and transport handles 19 are brought into their measuring position, at which a measurement is carried out at the push of a button or with a sufficiently high contact pressure of the device on the surface 14, or the start of several successive measurements is initiated. The measuring device 18 advantageously has a permanent magnet, by means of which it is possible that this in very rep can be produced and contacted in a producible manner on the ferromagnetic surface 1

In Fig. 2 wird eine Alternative gezeigt, bei der ein hochgenau gefertigter Adapter 20 verwendet wird, welcher somit eine Achsverlangerung darstellt Seine Zylinderoberflache ist hochgenau bearbeitet, genau so wie seine Deckflachen 24 und 42 (Fig 4) Der Adapter 20 wird bevorzugt aus getempertem Aluminium, Chromnickelstahl oder einer Titanlegierung gefertigt, oder aus einem keramischen Material, insbesondere einem solchen mit annähernd verschwindendem thermischen Ausdehnungskoeffizienten Durch den Adapter ist es möglich, das Messgerat 18 auch an solche Wellenenden anzusetzen, die durch ein Gestell oder dgl sonst nicht in der gewünschten planparallelen Weise kontaktiert werden können Zur definierten temporatren Befestigung des Adapters 20 ist ein Gewindestumpf 22 vorgesehen, welcher in eine Gewindebohrung 15 ein- und ausgeschraubt werden kannAn alternative is shown in FIG. 2, in which an adapter 20 manufactured with high precision is used, which thus represents an axis extension. Its cylinder surface is machined with high precision, just like its cover surfaces 24 and 42 (FIG. 4). The adapter 20 is preferably made from annealed aluminum , Made of chromium-nickel steel or a titanium alloy, or from a ceramic material, in particular one with an almost vanishing thermal expansion coefficient. By means of the adapter, it is also possible to attach the measuring device 18 to those shaft ends that are not in the desired plane-parallel manner by a frame or the like For the defined temporary attachment of the adapter 20, a threaded stub 22 is provided, which can be screwed into and out of a threaded bore 15

In Fig 3 wird gezeigt, wie ein Messgerat 18, welches eine prismatische Einkerbung auf semer Unterseite aufweist (Bezugsziffer 30), in hochpraziser Weise auf den Zylindermandels des Adapters 20 aufgesetzt werden kannFIG. 3 shows how a measuring device 18, which has a prismatic notch on its underside (reference number 30), can be placed in a highly precise manner on the cylinder almond of the adapter 20

Nähere Einzelheiten zu emer konstruktiv bevorzugten Ausführungsform von Welle 12 und Adapter 20 zeigt Fig 4 An die Gewindebohrung 15 werden keine speziellen Anforderungen gestellt Zum Schutz der hochgenauen Stirnflache 14 ist eine Schutzkappe 40 vorgesehen, welche zum Zwecke einer Messwererfassung zeitweilig entfernt wird, vgl. auch Fig 5 Anstelle einer planen hochgenauen Oberfläche 42 kann ggf auch eine kegelige vorgesehen werden, wie dies Bezugsziffer 44 zeigt In Fig 6 wird gezeigt, wie ein Messgerat zum Vermessen der fluchtenden Lage zweier Walzen funktioniert Die Messinstrumente 60, 62 können Kreisel enthalten, müssen dies aber nicht Vorhanden ist jedoch eine exakt rechtwinklig zur Achse einer Walze 10 oder eines Adapters 20 emittierende Vorrichtung zum Aussenden eines Lichtstrahles oder im wesentlichen flachigen Lichtfachers, also von Lichtstrahlen, die eine Ebene bilden Hierzu weist das als Sender wirkende Messinstrument 62 mit Vorteil eine Beleuchtungsvorrichtung auf, die entweder als Laser ausgelegt ist, oder eine andere Lichtquelle aufweist, welche einen Schlitz beleuchtet, welcher ca 10 bis 200 Micrometer breit ist Dieser Schlitz wird mit einem Projektionsobjektiv mit eier Brennweite von etwa 0,5 bis 30 m auf das Empfangsgerät 60 projiziert Dieses enthalt ein hchtempfindliches Element, insbesondere ein hochempfindliches und mit hoher Auflosung arbeitendes CMOS-Pixel-Sensor-Array Dessen Pixel besitzen einen Abstand von typisch 10 Mikrometern oder kleiner, so dass insbesondere unter Verwendung von mittelwertbildenden Erfassungs- und Berechnungsverfahren eine sehr genaue Bestimmung des Schwerpunktes eines einfallenden Lichtstrahles möglich ist Gleichzeitig kann die Lage eines empfangenen Lichtstrahles auf dem Detektor m einfacher Weise mittels eines handelsüblichen tragbaren Computers visualisiert werden, welcher auch die Berechung der Schwerpunktslage durchfuhrt Für diese Aufgabe sind die Bausteine HDCS 1000 oder HDCS 2000 der Fa Hewlett Packard besonders geeignet, es eignen sich aber auch andere lichtempfindliche elektronische Bauteile für die genannte Schwerpunktsbestimmung Wie in Fig 6 gezeigt, werden die Messgerate 60, 62 zur Ausführung eines Messvorganges auf die Stirnflächen 24 (oder 14) gesetzt (siehe Pfeile Pl und P2) Auf diese Weise ist mit ausserst kostengünstigen Mitteln eine hochgenaue Messmoglichkeit geschaffen, mit welcher in sehr kurzer Zeit Fluchtungsfehler bestimmt oder überprüft werden können Daruberhinaus ist das Messgerat mit einfachen Mitteln auf korrekte Wirkungsweise überprüfbar, z B unter Verwendung eines Granittisches Es wird bevorzugt, den Anschluss des Messgerates 60 an einen zugehörigen Rechner (portable Computer) mittels einer sog USB-Schnittstelle durchzufuhren4 shows no special requirements for the threaded bore 15. To protect the high-precision end face 14, a protective cap 40 is provided, which is temporarily removed for the purpose of recording measured values, cf. also Fig. 5 Instead of a flat, highly precise surface 42, a conical surface can also be provided, as shown by reference numeral 44 FIG. 6 shows how a measuring device for measuring the aligned position of two rollers works. The measuring instruments 60, 62 can contain gyroscopes, but do not have to have one. However, there is a device for emitting a device that emits an angle at right angles to the axis of a roller 10 or an adapter 20 Light beam or essentially flat light compartment, i.e. light beams that form a plane. For this purpose, the measuring instrument 62 acting as a transmitter advantageously has an illumination device that is either designed as a laser or has another light source that illuminates a slit that approx. 10 is up to 200 micrometers wide. This slit is projected onto the receiving device 60 with a projection lens with a focal length of about 0.5 to 30 m. It contains a highly sensitive element, in particular a highly sensitive CMOS pixel sensor array whose pixel works with a high resolution are typically 10 m apart micrometers or smaller, so that a very precise determination of the center of gravity of an incident light beam is possible, in particular using averaging and calculation methods.At the same time, the position of a received light beam on the detector m can be visualized easily using a commercially available portable computer, which also Calculation of the center of gravity carried out The HDCS 1000 or HDCS 2000 from Hewlett Packard are particularly suitable for this task, but other light-sensitive electronic components are also suitable for the aforementioned determination of the center of gravity. As shown in FIG. 6, the measuring devices 60, 62 are used to carry out a Measuring process placed on the end faces 24 (or 14) (see arrows P1 and P2) In this way, extremely cost-effective means create a highly accurate measurement option with which misalignments can be determined or checked in a very short time In addition, the measuring device can be checked for correct operation using simple means, for example using a granite table. It is preferred to connect the measuring device 60 to an associated computer (portable computer) by means of a so-called USB interface

In Fig 7 ist em auf diese Weise erhaltenes Projektionsbild des gnannten Schlitzes wiedergegeben, welcher direkt auf die lichtempfindlichen Elemente emes zweidimensional arbeitenden CMOS-Pixel-Sensors projiziert wurde Das Minimum der Lichtintensitat zwischen den beiden zentralen Projektionsstreifen lasst sich ohne weiteres auf eine Genauigkeit von 0,1 mm bestimmen Per ttelwertbstirnmungs-Algorithmen ist eine wesentliche Genauigkeitssteigerung möglich 7 shows a projection image of the so-called slit obtained in this way, which was projected directly onto the light-sensitive elements of a two-dimensional CMOS pixel sensor. The minimum of the light intensity between the two central projection strips can be easily determined to an accuracy of 0. Determine by 1 mm A significant increase in accuracy is possible using telephoto value forcing algorithms

Patentansprücheclaims

11

Vorrichtung zum Überprüfen oder Vermessen der parallelen Lage und/oder eines achsial gerichteten Versatzes zweier Walzen oder anderer zylindrischer Korper, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wellenende (12) einer Walze (10) eine hochgenau bearbeitete Stirnflache (14) aufweist, an welche entweder ein mit einer hochplanen Oberflache ausgestattetes Messgerat (18) zur Bestimmung einer winkelmassigen Orientierung direkt oder mit Hilfe eines hochprazise gearbeiteten Adapters (20) angesetzt werden kannDevice for checking or measuring the parallel position and / or an axially directed offset of two rollers or other cylindrical bodies, characterized in that one shaft end (12) of a roller (10) has a highly-machined end face (14), to which either a a highly flat surface-equipped measuring device (18) for determining an angular orientation can be attached directly or with the aid of a highly precise adapter (20)

22

Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerat (18) mit einer hochgenau gefertigten prismatischen Einkerbung (30) versehen ist, welche auf die Zylindermantelflache eines Adapters (20) aufsetzbar istDevice according to claim 2, characterized in that the measuring device (18) is provided with a high-precision prismatic notch (30) which can be placed on the cylindrical surface of an adapter (20)

33

Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerat (18) hochprazise arbeitende Orientierungssensoren in Form von Laserkreiseln aufweistDevice according to claim 2 or 3, characterized in that the measuring device (18) has highly precise orientation sensors in the form of laser gyroscopes

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Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Messgerat (60) vorhanden ist, welches geeignet ist, Lichtstahlen schmalen Querschnitts zu empfangen oder mehrere Lichtstrahlen zu empfangen, welche eine Ebene aufspannen, und dass ein zweites Messgerat vorhanden ist, welches einen Lichtstrahl schmalen Querschnitts oder ein Lichtband geringer Dicke exakt senkrecht zu einer Walzenachse aussenden kann, so dass ein im Messgerat (60) vorhandener Sensor bei optimaler Ausrichtung der Walzen (10, 70) zentral getroffen werden kann Apparatus according to claim 1, characterized in that there is a first measuring device (60) which is suitable for receiving light beams of narrow cross-section or receiving several light beams which span a plane, and that a second measuring device is present which narrow a light beam Cross-section or a light strip of small thickness can transmit exactly perpendicular to a roller axis, so that a sensor present in the measuring device (60) can be hit centrally with optimal alignment of the rollers (10, 70)