DE102006048954A1

DE102006048954A1 - Verfahren und Messvorrichtung zur Erfassung des Querschnitts eines Strangprofils im Inline-Betrieb

Info

Publication number: DE102006048954A1
Application number: DE200610048954
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dr. Tuzinsky; Roland Scheuerich
Original assignee: BA MESSTECHNIK GmbH
Current assignee: BA MESSTECHNIK GmbH
Priority date: 2006-10-17
Filing date: 2006-10-17
Publication date: 2008-04-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messvorrichtung zur Erfassung des Querschnitts eines Strangprofils. Es erfolgt eine Erfassung des Durchmessers des Strangprofils durch Anwendung des Schattenmessverfahrens. Weiterhin erfolgt eine Erfassung des Profilschnitts des Strangprofils durch Anwendung des Lichtschnittverfahrens. Die mittels des Lichtschnittverfahrens erhaltenen Ergebnisse werden mittels der Ergebnisse des Schattenmessverfahrens kalibriert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Messvorrichtung zur Erfassung des Querschnitts eines Strangprofils im Inline-Betrieb.
Strangprofile sind häufig verwendete Ausgangs-Halbzeuge für vielfältige, in kleinen, mittleren und großen Serien hergestellte technische Produkte aus Stahl, Messing, Aluminium, Kunststoff und anderen Materialien. Für eine Überwachung des Querschnitts bei der Herstellung der Strangprofile in Walz-, Extrudier-, Zieh- oder Press-Prozessen werden Messvorrichtungen eingesetzt, welche den Querschnitt erfassen auch bei extrem hoher Transportgeschwindigkeit, bei den beim Herstellprozess jeweils vorliegenden Umgebungsbedingungen, sowie unabhängig von der transversalen Lage des Profils und auch mit hoher Geschwindigkeit.
In diesem Zusammenhang ist es bereits bekannt Messvorrichtungen zu verwenden, die nach dem Schattenmessverfahren arbeiten. Derartige Messvorrichtungen erlauben nur Zweipunkt-Messungen an Profilen konvexen Querschnitts.
Aus der DE 100 23 172 C2 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Durchmesser und Unrundheit von in ihrer Längsrichtung vorbewegten Rundprodukten an Walzstraßen bekannt. Die dabei verwendete Messeinrichtung weist drei oder mehr Laserscanner auf, die jeweils einen lichtempfindlichen Sensor und einen Laser enthalten. Das Werkstück wird durch den Laserstrahl von jedem der Laser scanner derart beleuchtet, dass das Werkstück ein oder zwei Schattenkanten auf den zugehörigen Sensor wirft. Zu jeder der Schattenkanten wird eine parallel zum Laserstrahl verlaufende Gerade berechnet. Danach wird aus je drei ermittelten Geraden ein Kreis berechnet, an welchem die Geraden als Tangenten anliegen. Die Berechnung des Kreises wird wiederholt. Die Unrundheit wird als Differenz von größtem und kleinstem Durchmesser der Kreise bestimmt.
Weiterhin ist es bereits bekannt, Messvorrichtungen zu verwenden, die nach dem Lichtschnittverfahren arbeiten. Nach dem Lichtschnittverfahren arbeitende Messvorrichtungen können zwar auch konkave Profilschnitte erfassen, weisen jedoch wegen der vergleichsweise großen Messfehlergrenzen nur Genauigkeiten im Bereich größer oder gleich 1‰ des Messbereichs auf. Weiterhin kann bei einer Verwendung des Lichtschnittverfahrens nur die Position und Form des von der Kamera aus sichtbaren Teils eines Profilschnittes erfasst werden.
Folglich können Maßänderungen nicht von Lageveränderungen unterschieden werden. Dem Lichtschnittverfahren liegt das Triangulationsprinzip zugrunde. Im Unterschied zu den bekannten Punkt-Laser-Sensoren wird dabei eine Lichtlinie auf die Messobjektoberfläche projiziert. Eine hochwertige Kameraoptik bildet das diffus reflektierte Licht dieser Laserlinie auf einer CCD-Matrix ab. Aus dem Kamerabild werden Profildaten berechnet und in Form von zweidimensionalen Koordinaten bezogen auf den Sensor ausgegeben.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Messvorrichtung zur Erfassung des Querschnitts eines Strangprofils anzugeben, die im Inline-Betrieb die Erfassung des Querschnitts mit hoher Genauigkeit, hoher Geschwindigkeit und hoher Robustheit auch beim Vorliegen konkaver Profile gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und durch eine Messvorrichtung mit den im Anspruch 7 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Bei der vorliegenden Erfindung wird zur Erfassung des Querschnitts eines Strangprofils sowohl das Schattenmessverfahren als auch das Lichtschnittverfahren verwendet. Weiterhin erfolgt bei der vorliegenden Erfindung ein Kalibrieren der mittels des Lichtschnittverfahrens erhaltenen Ergebnisse durch die Ergebnisse des Schattenmessverfahrens. Ein derartiges bisensorielles Messverfahren bringt die Vorteile des Schattenmessverfahrens, die in einer hohen Messgeschwindigkeit und einer hohen Genauigkeit bestehen, mit den Vorteilen des Lichtschnittverfahrens, die im Erhalt umfangreicher Informationen und der Möglichkeit des Erfassens des Querschnitts konkaver Profile liegen, zusammen. Einem derartigen Messverfahren kommt in der Strangprofil-Fertigung eine hohe Bedeutung zu, da es eine zuverlässige, kurze Reaktionszeiten erlaubende Überwachung und Regelung des Fertigungsprozesses konkaver Strangprofile ermöglicht. Es führt zu einer Verbesserung der Genauigkeit der hergestellten Strangprofile und – da die Messung im Inlinebetrieb erfolgt und keine Veränderung, insbesondere keine Verlangsamung, des Herstellungsprozesses notwendig ist – zu einer Verbesserung der Wirtschaftlichkeit der Herstellung von Strangprofilen.
Weitere vorteilhafte Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus deren beispielhafter Erläuterung anhand der Figuren. Es zeigt
1 ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Messvorrichtung zur Erfassung des Querschnitts eines Strangprofils,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel für eine Messvorrichtung zur Erfassung des Querschnitts eines Strangprofils,
3 eine Skizze zur Veranschaulichung der Kalibrierung der mittels des Lichtschnittverfahrens erhaltenen Ergebnisse durch die Ergebnisse des Schattenmessverfahrens,
4 eine Skizze zur Veranschaulichung der Ermittlung der Korrekturvektoren für die Kalibrierung,
5 eine Skizze zur Veranschaulichung der Synchronisation der Empfangsoptik des Lichtschnittverfahrens mit der Empfangsoptik des Schattenmessverfahrens und
6 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Vorteile eines Verfahrens gemäß der Erfindung.
Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel für eine Messvorrichtung zur Erfassung des Querschnitts eines Strangprofils. Die dargestellte Messvorrichtung weist eine Lichtquelle 1 auf, bei der es sich vorzugsweise um eine Laserquelle handelt. Alternativ dazu kann als Lichtquelle auch eine Hochleistungs-LED-Vorrichtung verwendet werden. Im Folgenden wird davon ausgegangen, dass es sich bei der Lichtquelle um eine Laserquelle handelt.
Der von der Laserquelle 1 ausgestrahlte Laserstrahl wird von einem rotierenden Polygonspiegel 2 kontinuierlich periodisch abgelenkt und trifft auf eine Kollimatoroptik 3. Diese lenkt den Laserstrahl derart ab, dass er bei Drehung des Polygonspiegels 2 kontinuierlich über einen vorgegebenen Bereich parallel verschoben und in Richtung einer ersten Empfangsoptik 4 abgestrahlt wird. Zwischen der Kollimatoroptik 3 und der ersten Empfangsoptik 4 befindet sich das Strangprofil 6, dessen Querschnitt erfasst werden soll.
Das Strangprofil 6 schattet die erste Empfangsoptik 4 für eine Zeit Δt vor dem Laserlicht ab. Diese Zeit Δt wird von einer ersten Auswerteeinheit 5 erfasst. Der zu messende Durchmesser des Strangprofils 6 ist proportional zum Winkel, für den der Lichtweg durch das Strangprofil 6 unterbrochen wird. Bei bekannter Drehzahl des Polygonspiegels 2 kann die Länge des Schattens aus der gemessenen Zeitdauer Δt der Lichtunterbrechung ermittelt werden.
Bei einer Drehgeschwindigkeit ω des Polygonspiegels und einer gemessenen Abschattungszeit Δt ergibt sich der Durchmesser D des Strangprofils zu D = K·Δt·ω,wobei K eine Konstante ist.
Folglich wird gemäß den vorstehenden Ausführungen der Durchmesser des Strangprofils durch Anwendung des Schattenmessverfahrens ermittelt. Dies entspricht einer Zwei-Punkte-Messung, gemäß welcher der Abstand der Randpunkte des Strangprofils durch eine Auswertung der Abschattung des Laserstrahles berechnet wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung weist die Messvorrichtung des Weiteren eine zweite Empfangsoptik 7 auf, die beim gezeigten Ausführungsbeispiel aus zwei Aufnahmekameras besteht. Diese zweite Empfangsoptik ist dazu vorgesehen, die auf das Strangprofil 6 auftreffenden und von diesem reflektierten Laserstrahlen zu erfassen. Die Optik der Kameras bildet das diffus reflektierte Licht der auf das Strangprofil auftreffenden Laserlinie auf eine CCD-Matrix ab. Aus dem erhaltenen Kamerabild werden in einer zweiten Auswerteeinheit 8 die Profildaten des Strangprofils 6 errechnet und als zweidimensionale Koordinaten ausgegeben. Dieses Vorgehen entspricht einer Ermittlung des Profilschnitts des Strangprofils 6 durch Anwendung des Lichtschnittverfahrens.
Die Ausgangssignale der ersten Auswerteeinheit 5, bei denen es sich um die Ergebnisse des Schattenmessverfahrens handelt, werden der zweite Auswerteinheit 8 zugeführt. Diese verwendet die Ergebnisse des Schattenmessverfahrens zum Kalibrieren der mittels des Lichtschnittverfahrens erhaltenen Ergebnisse. Dadurch wird eine höhere Zuverlässigkeit und Genauigkeit der Erfassung des Querschnitts des Strangprofils erreicht, da das nach dem Lichtschnittverfahren arbeitende System nur noch die Höhenwerte relativ zu den im Rahmen des Schattenmessverfahrens ermittelten beiden Punkten messen muss. Dies entspricht der Anwendung einer Differenzmethode anstelle einer ansonsten notwendigen Absolutmessung.
Gemäß einer nicht in den Figuren dargestellten Ausführungsform können die erste Auswerteeinheit 5 und die zweite Auswerteeinheit 8 in Form einer baulichen Einheit realisiert sein.
Die Anzahl der Kameras der zweiten Empfangsoptik 7 ist abhängig von der Form des zu messenden Profils. Liegt ein sehr stark geformtes Profil vor, dann ist im Allgemeinen zur vollständigen Erfassung des Profils eine Verwendung mehrerer Kameras notwendig, wobei in der zweiten Auswerteeinheit 8 eine Fusion der von den Kameras gelieferten Daten vorgenommen wird.
Vorteilhaft an der Realisierung der Messvorrichtung mit mehreren Kameras ist die einfache Möglichkeit, die Messvorrichtung durch eine Veränderung der Kamerapositionen an verschiedene Profilformen anpassen zu können, und die Messbarkeit beliebig orientierter, also auch senkrechter Kanten.
Eine Alternative zu einer Verwendung einer Empfangsoptik mit mehreren Kameras ist die Verwendung einer telezentrischen Optik, wie sie in der 2 gezeigt ist. Bei Anwendung einer derartigen telezentrischen Optik ist die Aufnahme der vom Strangprofil 6 reflektierten Laserstrahlen mit nur einer Kamera 11 möglich. Dabei kann auf eine Datenfusion verzichtet werden. Weiterhin ist bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel der Abbildungsmaßstab unabhängig vom Messabstand, der aufgrund des Fertigungsprozesses stark variiert. In der 2 ist die Lichtquelle mit der Bezugsziffer 9 und die erste Empfangsoptik mit der Bezugszahl 10 bezeichnet. Auch bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel werden – was in der 2 nicht dargestellt ist – die Ergebnisse des Schattenmessverfahrens zum Kalibrieren der mittels des Lichtschnittverfahrens erhaltenen Ergebnisse verwendet.
Gemäß einer Weiterbildung kann die Ausdehnung der erfassten Spur auf dem Strangprofil durch die Verwendung einer Blende gezielt und definiert verringert werden, so dass zwei weitere projizierte Punkte, deren Abstand bekannt ist, weil der Laserstrahl exakt parallel auf die Oberfläche des Strangprofils fällt, auf der Oberfläche des Strangprofils vom Lichtschnittsystem erfasst und zu dessen Genauigkeitsverbesserung herangezogen werden können.
Bei einem Einsatz von mehreren Lichtschnittsystem-Empfängern und mehreren Schattenwurfsystemen in jeweils geeigneter Anordnung kann auch bei komplexen Profilformen auf eine Rotation der Systemanordnung verzichtet werden, was einen großen Vorteil darstellt.
Die 3 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Kalibrierung der mittels des Lichtschnittverfahrens erhaltenen Ergebnisse durch die Ergebnisse des Schattenmessverfahrens. Dabei ist in der 3A das zu messende Profil dargestellt. In der 3B sind die erfassten Messpunkte gezeigt. Dabei handelt es sich bei den beiden kästchenförmigen Messpunkten um die mittels des Schattenmessverfahrens erhaltenen Messpunkte und bei den kreisförmigen Messpunkten um die mittels des Lichtschnittverfahrens erhaltenen Messpunkte. Die beiden Pfeile in der 3B veranschaulichen die notwendige Kalibrierung der mittels des Lichtschnittverfahrens erhaltenen Ergebnisse unter Verwendung der mittels des Schattenmessverfahrens erhaltenen Ergebnisse. Die Kalibrierung erfolgt in dem Sinne, dass die mittels des Lichtschnittverfahrens ermittelten Randpunkte des Profilschnittes durch eine jeweilige Verschiebung bezüglich der beiden mittels des Schattenmessverfahrens ermittelten Punkte kalibriert werden und die dazwischenliegenden, durch das Lichtschnittverfahren ermittelten Messpunkte entsprechend verarbeitet bzw. verschoben werden. Die 3C zeigt schließlich die mittels des Lichtschnittverfahrens erhaltenen Messpunkte nach erfolgter Kalibrierung.
Eine weitere Skizze zur Veranschaulichung der Ermittlung von Korrekturvektoren für die Kalibrierung ist in der 4 gezeigt. Auch bei diesem Ausführungsbeispiel liefert das Schattenmessverfahren pro gemessenem Lichtschnitt zwei Messpunkte hoher Genauigkeit. Diese beiden mittels des Schattenmessverfahrens ermittelten Messpunkte sind in der Figur mit S₁ und S₂ bezeichnet. Die weiteren in der 4 dargestellten Messpunkte wurden mittels des Lichtschnittverfahrens ermittelt.
Die beiden durch das Lichtschnittverfahren bereitgestellten Randpunkte R₁ und R₂ korrespondieren zu den beiden vom Schattenmessverfahren bereitgestellten Messpunkten S₁ und S₂. Aus diesen vier Punkten R₁, R₂, S₁, S₂ können zwei Korrekturvektoren v₁ → und v₂ → für die Randpunkte des Lichtschnitts ermittelt werden. Zwischen diesen Randpunkten werden die weiteren Korrekturvektoren
für die weiteren Punkte des Lichtschnitts linear aus den Korrektur vektoren v₁ → und v₂ → interpoliert, um die gewünschte Inline-Kalibrierung durchführen zu können.
Die 5 zeigt eine Skizze zur Veranschaulichung der Synchronisation der Empfangsoptik des Lichtschnittverfahrens mit der Empfangsoptik des Schattenmessverfahrens. Diese Synchronisation erfolgt aufgrund der ständigen Relativbewegung zwischen dem jeweils vorliegenden Messobjekt und dem Messsystem. Die Synchronisation stellt die Identität der mit den beiden Systemen, nämlich dem Schattenmesssystem und dem Lichtschnittsystem, messbaren Punkte auf dem Messprofil sicher. Diese Identität der messbaren Punkte ist aufgrund der beabsichtigten Kalibrierung des Lichtschnittsystems mit Hilfe der Messdaten des Schattenmessverfahrens erforderlich.
In der 5B ist ein zu messendes Strangprofil gezeigt, welches sich mit der Geschwindigkeit v_D nach links bewegt. Ohne Vornahme einer Synchronisation würden mittels des Schattenmessverfahrens die beiden durch rechteckige Kästchen gekennzeichneten Messpunkte erfasst und aus diesen der Durchmesser d_S des Strangprofils gemessen. Mittels des Lichtschnittverfahrens würden die durch Punkte gekennzeichneten Messpunkte erfasst und aus deren Randpunkten ein Durchmesser d_L des Strangprofils ermittelt. Es ist ersichtlich, dass der Durchmesser d_S sich vom Durchmesser d_L unterscheidet.
In der 5A ist ein zu messendes Strangprofil gezeigt, welches sich ebenfalls mit der Geschwindigkeit v_D nach links bewegt. Aufgrund der erfolgten Synchronisation stimmen die Randpunkte des Lichtschnittsystems mit den beiden Messpunkten des Schattenmesssystems überein, so dass die beiden Messsysteme ein und denselben Durchmesser des Profils ermitteln.
Die 6 zeigt eine Darstellung zur Veranschaulichung der Vorteile eines Verfahrens gemäß der Erfindung. Insbe sondere ist aus der 6 ersichtlich, dass die Verwendung des Schattenwurf- bzw. Schattenmessverfahrens Ergebnisse liefert, die mit einer nur geringen Messunsicherheit und mit einem nur geringen Informationsgehalt behaftet sind, dass die Verwendung des Lichtschnittverfahrens Ergebnisse liefert, die zwar einen hohen Informationsgehalt, aber auch eine hohe Messunsicherheit aufweisen, und dass ein kombiniertes System gemäß der Erfindung Ergebnisse liefert, die den hohen Informationsgehalt des Lichtschnittverfahrens haben und mit einer Messunsicherheit behaftet sind, die zwar höher ist als die Messunsicherheit des Schattenmessverfahrens, aber wesentlich kleiner als die Messunsicherheit des Lichtschnittverfahrens.

1: Lichtquelle
2: Polygonspiegel
3: Kollimatoroptik
4: erste Empfangsoptik
5: erste Auswerteeinheit
6: Strangprofil
7: zweite Empfangsoptik
8: zweite Auswerteeinheit
9: Lichtquelle
10: erste Empfangsoptik
11: zweite Empfangsoptik, telezentrische Kamera

Claims

Verfahren zur Erfassung des Querschnitts eines Strangprofils mit folgenden Schritten: – Erfassung des Durchmessers des Strangprofils durch Anwendung des Schattenmessverfahrens, – Erfassung des Profilschnitts des Strangprofils durch Anwendung des Lichtschnittverfahrens, – Kalibrieren der mittels des Lichtschnittverfahrens erhaltenen Ergebnisse mittels der Ergebnisse des Schattenmessverfahrens.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Schattenmessverfahrens bei jedem Messvorgang der Abstand zweier Messpunkte des Strangprofils erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Rahmen des Lichtschnittverfahrens bei jedem Messvorgang aus einer Vielzahl von Messpunkten Profildaten errechnet und in Form zweidimensionaler Koordinaten bereitgestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Messpunkte des Schattenmessverfahrens mit zwei Randpunkten des Lichtschnittverfahrens übereinstimmen und aus den diesen Punkten zugeordneten Messwerten bei jedem Messvorgang Korrekturwerte für die beiden Randpunkte des Lichtschnittverfahrens ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die zwischen den beiden Randpunkten des Lichtschnittverfahrens liegenden Messpunkte Korrekturwerte durch eine lineare Interpolation aus den Korrekturwerten der Randpunkte ermittelt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beim Schattenmessverfahren verwendete Empfangsoptik mit der beim Lichtschnittverfahren verwendeten Empfangsoptik synchronisiert wird.
Messvorrichtung zur Erfassung des Querschnitts eines Strangprofils, mit – einer Lichtquelle (1), – einem den von der Lichtquelle bereitgestellten Lichtstrahl kontinuierlich ablenkenden, rotierenden Polygonspiegel (2), – einer Kollimatoroptik (3), die den gespiegelten Lichtstrahl aufnimmt und periodisch kontinuierlich parallel verschiebt, – einer ersten Empfangsoptik (4), die die von der Kollimatoroptik gelieferten Lichtstrahlen ablenkt, – einer ersten Aufnahmeoptik (4) und – einer mit der ersten Aufnahmeoptik verbundenen ersten Auswerteeinheit (5) zur Ermittlung des Durchmessers eines zwischen der Kollimatoroptik und der Empfangsoptik positionierten Strangprofils aus dem Ausgangssignal der ersten Aufnahmeoptik, dadurch gekennzeichnet, dass sie weiterhin aufweist: – eine zweite Empfangsoptik (7), die zur Aufnahme des vom Strangprofil reflektierten Lichtes vorgesehen ist und – eine mit der zweiten Empfangsoptik verbundene zweite Auswerteeinheit (8) zur Errechnung von Profildaten aus dem Ausgangssignal der zweiten Empfangsoptik, – wobei die zweite Auswerteeinheit (8) die von der ersten Auswerteeinheit (5) gelieferten Ergebnisse bei der Errechnung der Profildaten berücksichtigt.
Messvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (1) eine Laserquelle ist.
Messvorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und die zweite Auswerteeinheit eine bauliche Einheit bilden.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Empfangsoptik mehrere Kameras aufweist und die von den Kameras gelieferten Daten in der zweiten Auswerteeinheit fusioniert werden.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 7–9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Empfangsoptik eine telezentrische Kamera aufweist.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 7–11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Auswerteeinheit dazu vorgesehen ist, aus den beiden Messpunkten des Schattenmessverfahrens Korrekturwerte für die beiden Randpunkte des Lichtschnittverfahrens zu ermitteln.
Messvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Auswerteeinheit dazu vorgesehen ist, für die zwischen den beiden Randpunkten des Lichtschnittverfahrens liegenden Messpunkte Korrekturwerte durch eine lineare Interpolation aus den Korrekturwerten der Randpunkte zu ermitteln.
Messvorrichtung nach einem der Ansprüche 7–13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Auswerteeinheit Mittel zur Synchronisierung der beim Lichtschnittverfahren verwendeten Empfangsoptik mit der beim Schattenmessverfahren verwendeten Empfangsoptik aufweist.