zylindrischen Körpern

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Profilgeometrie von sphärisch gekrümmten insbesondere zylindrischen Körpern gemäß dem Oberbegriff des

Patentanspruches 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach

Anspruch 3.

Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine optische Profilmessung, die

berührungslos nach dem Lichtschnitt-Verfahren als einem an sich bekannten

zweidimensionalen Triangulations- Verfahren erfolgt.

Hierbei kann bei einer vorhandenen Relativbewegung zwischen Sensor und Messobjekt durch Zusammenfügen aus den sukzessive aufgenommenen zweidimensionalen

„Profilschnitten" ein dreidimensionales„Gesamtprofil" des Messobjektes, wie z. B. eines Rohres, aufgebaut werden.

Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung betrachtete Profilmessung basiert in ihrer eindimensionalen Form auf der bekannten Punkttriangulation, bei der ein Laser und ein zellenförmiger positionsempfindlicher Detektor den Triangulations-Sensor bilden.

Laserstrahl-Achse und optische Achse des Detektors spannen eine im folgenden als „Normalebene" bezeichnete Ebene auf und stehen im Triangulations-Winkel zueinander. Üblicherweise stellt der Abstand des Messobjektes vom Sensor in Richtung des Laserstrahls die Messgröße dar. Bekannt ist dieses Verfahren z. B. aus der DE 40 37 383 A1.

Die zweidimensionale Erweiterung der Punkttriangulation ist Gegenstand der vorliegenden Patentanmeldung. Bei diesem ebenfalls grundsätzlich bekannten Lichtschnitt-Verfahren ist der punktförmige Laserstrahl durch einen Laserstrahl-Fächer und der eindimensionale, zellenförmige Detektor durch einen zweidimensionalen flächigen Detektor ersetzt.

Bei den bekannten Verfahren erfolgt die Erweiterung jeweils orthogonal und symmetrisch zu der oben als Normalebene bezeichneten Ebene. Das jeweilige Messfeld auf dem Messobjekt wird mit Hilfe eines Objektivs auf dem Detektor abgebildet, wobei Objektiv und Detektor dabei eine zweidimensional arbeitende Flächenbild-Kamera bilden.

Der Laserstrahl-Fächer wird dabei typischerweise durch eine vor dem punktförmigen Laserstrahl-Austritt angebrachte diffraktive Optik generiert und erzeugt so auf dem

Messobjekt eine als "Lichtschnitt-Linie" bezeichnete Linie.

Bei Anwendung des beschriebenen Verfahrens auf zylindrische Messobjekte, zum Beispiel - aber nicht zwingend - Rohre, ist die Lichtschnitt-Linie typischerweise orthogonal zur Rohrachse ausgerichtet. Bei axialem Längstransport der Rohre oder entsprechender Bewegung des Sensors kann mit fortlaufender Messung, wie eingangs bereits erwähnt, ein dreidimensionales Profil der Rohrgeometrie aufgenommen werden.

Bei Anwendung der Lichtschnitt-Messung in der beschriebenen Art und Anordnung wird ein charakteristischer, durch die Geometrie des Messobjektes bedingter Nachteil deutlich, der eine exakte Bestimmung der Profilgeometrie in Teilen sogar unmöglich macht.

In Figur 1 ist dazu der Stand der Technik bei der zweidimensionalen Lichtschnitt-Messung eines zylindrischen Rohres schematisch dargestellt. Die Messung nutzt eine Abbildung der von einem Laser 1 als projizierte Laserlinie 2 fächerförmig bestrahlten Oberfläche des Messobjektes 4 auf den als Kamera 3 ausgebildeten Detektor.

Das linke Teilbild zeigt schematisch die Ansicht als Längsschnitt und das rechte Teilbild als Querschnitt bezogen auf die Längsachse des Messobjektes 4. Die Lichtschnitt-Anordnung von Laser 1 und Kamera 3 sind dabei in der Normalebene in Linie der Längsachse des Messobjektes angeordnet, wobei der Winkel zwischen der Achse des Laserstrahl-Fächers 5 des Lasers 1 und der optischen Achse 6 der Kamera 3 im Längsschnitt der Triangulations- Winkel ist.

Nachteilig bei dieser Anordnung ist, dass bei der Messung nur ein relativ geringer Teil der von der Objektoberfläche rückgestreuten Laserstrahl-Energie in die Kamera 3 zur

Auswertung gelangt. Insbesondere bei Durchführung einer dynamischen Messung ist insbesondere die Energie pro Belichtungszeit-Intervall relevant, was insbesondere bei einer schnellen Relativbewegung zwischen Kamera 3 und Messobjekt 4 und einer damit notwendigerweise kurzen Belichtungszeit kritisch ist und eine dreidimensionale

Profilmessung sogar unmöglich machen kann. Dieser Nachteil der Messung mit dem bekannten Verfahren bei Anwendung auf die

Zylindergeometrie wird verstärkt durch die Winkelverhältnisse aufgrund der fächerförmigen Aufweitung des Laserstrahls 2 und wirkt sich daher besonders in den Randbereichen des Messfeldes aus, insbesondere dort wo durch die Krümmung der Oberfläche ein noch geringerer Anteil an rückgestreuter Laserstrahl-Energie von der Kamera 3 aufgefangen wird.

Nachteilig ist der Abfall der Intensität in den Randbereichen der abgebildeten Lichtschnitt- Linie auch für das Signal/Rausch-Verhältnis bei der Auswertung der Messsignale und damit letztlich für die Messgenauigkeit der Signale.

Eine Erhöhung der Ausgangsleistung des Lasers bringt i. a. zwar eine Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses, ist aber mit dem Nachteil eines erhöhten Aufwandes für Laser und Laserschutz verbunden.

Eine prinzipiell ebenso mögliche Erhöhung der Belichtungszeit der Kamera verbietet sich bei schneller Relativbewegung zwischen Sensor und Messobjekt wegen der zunehmenden Bewegungsunschärfe.

Grundsätzlich wäre bei Vorliegen einer typischen Streucharakteristik der

Messobjektoberfläche auch ein steilerer Betrachtungswinkel der Kamera (d. h. ein steilerer Triangulations-Winkel) denkbar, dieser würde jedoch insbesondere die Messauflösung verringern.

Bei den zuvor genannten drei Maßnahmen würde das Problem der ungleichmäßigen Intensitätsverteilung bei der Bildaufnahme jedoch nicht gelöst; bei ausreichender

Randintensität bestünde sogar die Gefahr der Überstrahlung im Zentralbereich.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein einfach zu

realisierendes Verfahren zur Messung der Profilgeometrie eines Messobjektes mittels zweidimensionalem Lichtschnitt-Verfahren von sphärischen, insbesondere zylindrischen, Körpern anzugeben, mit dem die beschriebenen Nachteile überwunden werden. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine entsprechende Vorrichtung anzugeben.

Diese Aufgabe wird nach dem Oberbegriff in Verbindung mit den kennzeichnenden

Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen. Nach der Lehre der Erfindung wird zur Messung der Profilgeometrie der Laser aus der Normalebene um die Zylinderachse herausgeschwenkt, wobei der Winkel zur Normalebene so gewählt ist, dass die optische Achse der Flächenbildkamera bezogen auf die Oberfläche des Zylinders im Glanzwinkelbereich der reflektierten Strahlen liegt.

Bei der Erfindung werden durch eine neuartige räumliche Anordnung von Aufnahmekamera und Laserstrahl-Fächer unter Berücksichtigung der charakteristischen Geometrie des Messobjektes die beschriebenen Nachteile der bekannten Verfahren auf einfach zu realisierende Weise überwunden.

Die vorgeschlagene Neuerung wird hier beispielhaft für ein Messobjekt mit Zylindergeometrie beschrieben, sie ist aber entsprechend auf andere sphärische Geometrien, z. B.

Flankenprofile, übertragbar.

Während bei den bekannten Ausführungen des Lichtschnitt-Verfahrens Laser und Kamera in der oben definierten Normalebene in Linie der Zylinderachse angeordnet sind, wird bei der vorgeschlagenen Neuerung der Laser gezielt aus dieser Ebene um die Zylinderachse herausgeschwenkt, so dass der Laser die Oberfläche in einem Winkel beleuchtet.

Vorteilhaft sind dabei Laser und Kamera so angeordnet, dass der Aufnahmewinkel bezogen auf die Zylinderoberfläche im Glanzwinkelbereich für die Anordnung der Achse des

Laserstrahl-Fächers und der optischen Achse der Aufnahmekamera liegen.

Der Glanzwinkel gibt allgemein dabei den Winkel an, bei dem matte nicht ideal spiegelnde Oberflächen in einem bestimmten Winkel eine erhöhte Reflexion des Lichts zeigen, d. h. sie »glänzen«. Gegenüber der bekannten Messtechnik wird dieser Effekt nun genutzt, um durch gezieltes Verschwenken des Lasers aus der Normalebene heraus die Reflexion der Laserstrahlen in die Kamera auch von den kritischen Randbereichen des Messobjektes zu intensivieren.

Bei einem Messfeld symmetrisch zur Normalebene als typischem Anwendungsfall werden vorteilhaft zwei Laser in symmetrischer Anordnung verwendet (Figur 2).

Bei gleicher Länge der Lichtschnitt-Linie auf dem Umfang des Zylinders erhält man aufgrund der vorgeschlagenen neuartigen Anordnung entsprechend der Querschnitts-Darstellung in Figur 2 einen vergrößerten Erfassungsbereich, d. h. Profil-Messbereich. Der Laser 1, 1' ist erfindungsgemäß aus der Normalebene um die Zylinderachse herausgeschwenkt, wobei der Triangulations-Winkel (projiziert auf die Normalebene) - und damit auch die Abstandsauflösung der Profilmessung - erhalten bleiben.

Bei Zusammensetzung einer durchgängigen Lichtschnitt-Linie aus zwei Anteilen der auf die Oberfläche des Messobjektes 4 projizierten Laserlinie 2' werden die beiden Anteile geradlinig zueinander ausgerichtet, wobei die von der Oberfläche reflektierten Strahlen von der zwischen den Lasern 1 , 1' angeordneten Kamera 3 aufgenommen und an eine hier nicht dargestellte Auswerteeinheit weitergeleitet werden.

Die Anordnung mit zwei Lasern zu beiden Seiten der Normalebene, in der sich die Kamera befindet, erweist sich auch als vorteilhaft bei der Erweiterung auf eine Mehrkanal-Anordnung, mit der z. B. der gesamte Umfang des Zylinders aufgenommen werden kann. Zum Einsatz kommt eine gleiche Anzahl von Kameras und Laserstrahl-Fächern. Die notwendige

Kanalzahl ergibt sich im Einzelfall aus dem Zusammenwirken von Reflektivität der

Zylinderoberfläche, Laserleistung und (notwendiger) Belichtungszeit.