DE102018104624B3 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung einer Oberfläche - Google Patents

Abstract

Ein Verfahren zur optischen Bestimmung mindestens einer Oberfläche eines sich bewegenden Metallbandes, gekennzeichnet durch die Durchführung von Abstandsmessungen an örtlich begrenzten Messpunkten mit hoher Frequenz senkrecht zum Metallband im Mehrwellenlängeninterferometer-Verfahren sowie quer zur Längserstreckung und zur Bewegungsrichtung des Metallbandes, wobei der Messort pro Zeiteinheit quer zur Bewegungsrichtung verändert wird und eine Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Oberfläche eines sich bewegenden Metallbandes, wobei die Vorrichtung eine als Mehrwellenlängeninterferometer ausgebildete Abtasteinheit, eine Strahllenkungseinheit, wobei diese einen mit hoher Frequenz periodisch im Raum verstellbare Reflexionsebene aufweist, sowie eine oberhalb des Metallbandes angeordnete Spiegelanordnung und eine Auswerteeinheit aufweist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Bestimmung mindestens einer Oberfläche eines sich bewegenden Metallbandes.
• Ein derartiges Verfahren zur Bestimmung der Bandplanheit unter Einsatz eines optischen Messsystems aus dem Stand der Technik, ist in der DE 10 2015 223 600 A1 offenbart. In dieser Druckschrift wird ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Bandes durch Endloswalzen beschrieben. Die DE 10 2015 223 600 A1 sieht vor, dass zu definierten Zeitpunkten, Messzyklen zur Bestimmung der Oberflächeneigenschaften, insbesondere der Planheit, des Bandes durchgeführt werden. Zu Beginn wird die Zugspannung vermindert, indem die Nominal-Zugkraft der in der Förderstrecke befindlichen Bänder vermindert wird. Nach der Durchführung des ersten Schrittes wird der Planheitsgrad des Bandes mittels eines Planheitsmessgerätes detektiert und anschließend der verminderte Zugspannungswert auf die Nominal-Zugspannung zurück erhöht.
• Nachteilig an diesem bekannten Verfahren und dem optischen Messsystem der DE 10 2015 223 600 A1 ist, dass es nur bei geringen Bandzügen von 0 bis zu 15 N/mm² eingesetzt werden kann. Bei höheren Bandzügen sind die Planheitsfehler auf Grund der geringen Auflösung nicht mehr erkennbar. Die Lasertriangulation und/oder Streifenprojektionsverfahren in Verbindung mit der Phase-Shift-Technik bilden die Verfahrensgrundlage. Die Messunsicherheit solcher Systeme beträgt typischerweise ca. 10 µm. Die Messunsicherheit ist die Abweichung eines angezeigten Messergebnisses vom wahren Wert. Die Messabweichungen können systematische oder zufällige Ursachen haben.
• Ein berührungsloses optisches Messverfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung einer Oberfläche unter Erzeugung von Linien auf der Bandoberfläche mittels einer Lichtquelle ist aus der DE 197 09 992 C1 bekannt. Dieses Verfahren dient der flächenhaften Abtastung einer Oberfläche eines Warmbandes. Nachteilig an diesem Messverfahren ist allerdings, dass auch hier die Messunsicherheit ca. 10 µm senkrecht zur Bandoberfläche beträgt.
• Aus der DE 44 04 663 A1 ist darüber hinaus ein Verfahren zur optischen Messung des gegenseitigen Abstands zweier zueinander im Wesentlichen paralleler Messflächen eines Gegenstandes durch Streulichtinterferenz mit Licht kurzer Kohärenzlänge bekannt.
• Des Weiteren ist aus der DE 199 50 254 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Dickenquerprofils und des Dickenlängsprofils eines laufenden Materialbandes offenbart.
• Letztlich zeigt die US 2018/0017499 A1 ein Verfahren zur automatischen Überwachung der Herstellung eines faserverstärkten Polymerverbund-Materialbandes durch Einsatz eines Interferometers.
• Ausgehend von der DE 197 09 992 C1 ist es die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur optischen Bestimmung mindestens einer Oberfläche eines sich bewegenden Metallbandes zu schaffen, welches Oberflächenunebenheiten optisch erfasst und die Messunsicherheit senkrecht zur Bandoberfläche vermindert ist.
• Die Lösung der Aufgabe ergibt sich aus den folgenden Merkmalen des Anspruches 1:
• Verfahren zur optischen Bestimmung mindestens einer Oberfläche eines sich bewegenden Metallbandes, gekennzeichnet durch die Durchführung von Abstandsmessungen mit mindestens zwei Laserquellen an örtlich begrenzten Messpunkten mit hoher Frequenz von 20 bis 200 MHz senkrecht zum Metallband im Mehrwellenlängeninterferometer-Verfahren sowie quer zur Längserstreckung und zur Bewegungsrichtung des Metallbandes, wobei der Messort pro Zeiteinheit quer zur Bewegungsrichtung verändert wird.
• Das erfindungsgemäße Verfahren bietet aufgrund des Einsatzes des Mehrwellenlängeninterferometrie-Verfahrens eine besonders geringe Messunsicherheit für die Oberflächenunebenheiten eines sich bewegenden Metallbandes, wobei die Oberflächenunebenheit als ein Geometriefehler der Metalloberfläche zu sehen ist. Auf besonders vorteilhafte Weise beträgt die Messunsicherheit des erfindungsgemäßen Verfahrens lediglich 0,1 µm senkrecht zur Bandoberfläche des sich bewegenden Metallbandes.
• Bei einem Mehrwellenlängeninterferometrie-Verfahren wird eine Phasenverschiebung zwischen einem Objektstrahl und einem Referenzlichtstrahl gemessen und dazu genutzt, die zurückgelegte Distanz des Objektstrahls zwischen einer Lichtquelle und einer Oberfläche zu bestimmen.
• Die Weglängendifferenz zwischen einem Objektstrahl und dem Referenzlichtstrahl wird in einer Auswerteeinheit berechnet. Der Referenzstrahl legt immer eine genau definierte Strecke zurück. Der Objektstrahl wird in einem ersten Schritt von einer Strahllenkungseinheit quer zur Bewegungsrichtung des Metallbandes reflektiert und in einem zweiten Schritt senkrecht auf die Oberfläche das Metallband projiziert und anschließend als Reflexionsstrahl zurückreflektiert. Die beiden Lichtstrahlen werden zur Interferenz miteinander gebracht und anschließend die Intensität eines kombinierten Lichtstrahls auf einem Detektor gemessen. Über ein so entstehendes Interferenzmuster können sehr präzise relative Weglängenänderungen durch eine Bestimmung einer Phasenverschiebung zwischen Referenzstrahl und Objektstrahl gemessen werden.
• Vorteilhafterweise bietet das Verfahren zudem die Möglichkeit, die Oberfläche des Metallbandes abseits des Messraster durch Interpolation der benachbarten Abstandmessungen zu errechnen.
• Bei der Interpolation wird zu den gemessenen örtlich begrenzten (diskreten) Messpunkten, eine stetige Funktion, die sogenannte Interpolante oder Interpolierende, mathematisch gefunden, die diese Messpunkte abbildet. Das Interpolationsverfahren ermöglicht die Bestimmung von Messwerten, die nicht mittels einer Vorrichtung gemessen wurden, sondern aus den gegebenen Messpunkten errechnet worden sind. Diese mathematische Ergänzung zu der physikalischen Messung von Messpunkte ermöglicht eine beschleunigte Messdatengeneration und dadurch eine beschleunigte Aussage über die Metallbandoberfläche.
• Erfindungsgemäß ist es auch vorgesehen, das beidseitig des Metallbandes die Oberfläche bestimmt und dadurch zeitgleich zu den Oberflächenunebenheiten die Banddicke gemessen wird. Eine auf die Fläche des Messbandes bezogenen Dickenmessung ergibt sich aus den gegenüberliegenden Abstandsmesswerten der beiden Oberflächen des Metallbandes.
• Auf vorteilhafte Weise ist es nun nicht nur möglich die Oberflächenunebenheit, sondern zusätzlich auch die Banddicke innerhalb eines erfindungsgemäßen Verfahrensschritt zu bestimmen.
• Ausgehend von dem oben dargelegten Stand der Technik und der bereits dargelegten Aufgabe der Erfindung, ergibt sich die Lösung der Aufgabe aus den nachfolgenden Merkmalen des Anspruches 5:
• Vorrichtung (10) zur Bestimmung mindestens einer Oberfläche (O) eines sich bewegenden Metallbandes (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine als Mehrwellenlängeninterferometer (22) ausgebildete Abtasteinheit (21), die mit mindestens zwei Laserquellen versehen ist, eine Strahllenkungseinheit (23), wobei diese eine mit hoher Frequenz von 20 bis 200 MHz periodisch im Raum verstellbare Reflexionsebene (29) aufweist, sowie eine oberhalb des Metallbandes (11) angeordnete Spiegelanordnung (26) und eine Auswerteeinheit (24).
• Mit dieser Vorrichtung ist es nun möglich, den von der Abtasteinheit erzeugten Objektstrahl mittels einer mit hoher Frequenz periodisch im Raum verstellbaren Reflexionsebene quer zur Bewegungsrichtung des Metallbandes zeitlich versetzt auf eine große Anzahl von Punkten der oberhalb des Metallbandes angeordneten Spiegelanordnung zu projizieren, wobei die Spiegelanordnung die Objektstrahlen rechtwinklig in Richtung des Materialbandes reflektiert und wobei die an der Oberfläche des Metallbandes entstehenden Reflexionsstrahlen mittels der Spiegelanordnung und der Strahllenkungseinheit zu der Abtasteinheit zurückgeführt werden.
• In einer bevorzugten Ausführungsform ist die winkelverstellbare Reflexionsebene der Strahllenkungseinheit als drehendes Polygonrad ausgebildet. Der auf die Reflexionsebene auftreffende Objektstrahl wird auf der Reflexionsebene zeitlich versetzt reflektiert, wodurch sich die Abfolge von einer hohen Anzahl an Messpunkten pro Zeiteinheit ergibt.
• Weiterhin ist es denkbar, dass die verstellbare Reflexionsebene der Strahlungseinheit als periodisch bewegter Spiegel ausgebildet ist.
• Eine weitere Ausführungsform sieht vor, das die winkelverstellbare Reflexionsebene der Strahlungseinheit aus einer Kombination aus einem drehbaren Polygonrad und mindestens einem periodisch beweglichen Spiegel gebildet ist. Die Kombination aus Polygonrad und periodisch bewegbarem Spiegel dient beispielsweise der Kompensation eines systematischen Fehlers des Polygonrades, wie dem Winkelfehler der einzelnen Flächen des Polygonrades.
• Vorteilhafterweise ist es angedacht, dass die winkelverstellbare Reflexionsebene der Strahllenkungseinheit aus einer Kombination aus einem drehbaren Polygonrad und einem festangeordneten, gekrümmten Spiegel oder aus einer Kombination aus einem drehbaren Polygonrad und mindestens einer optischen Linse gebildet ist.
• Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Spiegelanordnung als Parabolspiegel ausgebildet, welcher quer zur Bewegungsrichtung des Metallbandes ausgerichtet ist. Durch die Umlenkung des Objektstrahles über einen Parabolspiegel wird erreicht, dass die Laserstrahlen unabhängig vom Auftreffort auf dem Metallband immer nahezu die gleiche Wegstrecke zurücklegen. Der Parabolspiegel wird so zum Metallband ausgerichtet, dass bei einem ebenen Metallband für die jeweiligen Auftrefforte auf dem Metallband die gleiche Interferenzphase (gleicher Abstand) gemessen wird. Weist das Metallband Unebenheiten auf, ändert sich die Interferenzphase in Abhängigkeit vom Auftreffort des Laserstrahles. Aus der Phasenveränderung und der bekannten Wellenlänge des Laserlichtes kann so die Unebenheit der Bandoberfläche ermittelt werden.
• Alternativ ist es vorgesehen, dass die Spiegelanordnung als Facettenspiegel ausgebildet ist, wobei der Facettenspiegel hier die Aufgabe des Parabolspiegels übernimmt. Die Ablenkung des Objektstrahles erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel an den jeweiligen Facetten des Facettenspiegels.
• Eine weiteren Ausführungsform sieht vor, dass die Spiegelanordnung als ebener Spiegel ausgebildet ist, wobei die Reflexionsergebnisse mathematisch korrigiert werden. Die mathematische Korrektur wird von der Auswerteeinheit durchgeführt.
• Es ist weiterhin vorgesehen, dass die erfindungsgemäße Vorrichtung mit einer Abtastfrequenz von 20 bis 200 MHz arbeitet.
• Vorzugsweise arbeitet das Mehrwellenlängeninterferometer mit einer Messrate von 100 MHz. Um einen stabilen Messwert zu bekommen, wird eine Filterung der Messwerte durchgeführt, wodurch sich die Anzahl der ausgegebenen Messwerte typischerweise um einen Faktor 100 reduziert. Es bleibt also eine Nettomesswertrate von 1 MHz.
• Ein Polygonrad mit beispielsweise 12 Flächen zur Strahlablenkung dreht sich mit einer Frequenz von 50 Hz, welches 3000 Umdrehungen pro Minute entspricht. Die Ablenkung des Objektstrahles über einer Fläche des Polygonrades sorgt typischerweise für die Abtastung der kompletten Breite des Metallbandes. Somit kann mit den genannten Parametern das Metallband 600 mal pro Sekunde (50 Hz * 12 Flächen) gescannt werden.
• Unter Berücksichtigung der Nettomessrate von 1 MHz ergibt sich, dass ein Scan über die Metalloberfläche durch ca. 1600 Punkte repräsentiert wird. Hierbei werden die 1.000.000 Messpunkte durch die 600 Scans pro Sekunde dividiert. Somit ergeben sich 1600 Messpunkte pro Scan. Ein Scan beschreibt einen Messvorgang von beispielsweise 1600 Messpunkten quer zur Bewegungsrichtung des Metallbandes. Siehe auch Beschreibung zu 4.
• Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich der nachfolgenden Beschreibung mehrere Ausführungsbeispiele. Es zeigen:
• 1 eine teilweise schematische Darstellung eines Walzwerkes;
• 2 schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Oberfläche eines sich bewegenden Metallbandes entlang der Schnittebene II - II gemäß 1;
• 3 schematische Darstellung einer Strahlquelle und einem Interferometer;
• 4 Draufsicht auf ein sich bewegendes Walzbandes mit einer Messspur;
• 5a Schnittdarstellung zweier Arbeitswalzen mit linksseitiger Walzenverschwenkung;
• 5b Schnittdarstellung zweier Arbeitswalzen mit rechtsseitiger Walzenverschwenkung;
• 5c Schnittdarstellung zweier Arbeitswalzen mit randseitiger Gewichtsbelastung;
• 5d Schnittdarstellung zweier Arbeitswalzen mit mittiger Gewichtsbelastung;
• 6 schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Oberfläche eines sich bewegenden Metallbandes entlang der Schnittebene II - II gemäß 1 mit einem ersten profilierten Metallband;
• 7 schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Bestimmung mindestens einer Oberfläche eines sich bewegenden Metallbandes entlang der Schnittebene II - II gemäß 1 mit einem zweiten profilierten Metallband.2.
• In den Zeichnungen ist die erfindungsgemäße Vorrichtung insgesamt mit der Bezugsziffer 10 versehen.
• In der 1 ist teilweise schematisch ein Walzwerk W dargestellt. Man erkennt, dass während des Walzprozesses ein Metallband 11, in Transportrichtung x befördert wird. Das Metallband 11 wird durch zahlreiche Rollenanordnungen 12 unterstützt und in x-Transportrichtung bewegt, wobei zwischen den Rollenanordnungen 12 jeweils Walzgerüste 13 angeordnet sind, welche in Transportrichtung x jeweils einen sich verringernden Walzspalt 14 aufweisen.
• In Transportrichtung x vor und nach jedem Walzgerüst 13 sind an einem Grundrahmen 15 jeweils die erfindungsgemäße Vorrichtungen 10 angeordnet, mit welcher die Oberfläche(n) des Metallbandes 11 erfasst werden.
• Im vorliegenden Fall handelt es sich um einen dreistufigen Walzprozess, an dessen Ende das dünne Metallbandendprodukt 11 zu einem Coil 16 aufgerollt wird. Letztlich erkennt man das Walzgerüst 13 mit seinen zwei äußeren Stützwalzen 17 und zwei inneren Arbeitswalzen 18, die den Walzspalt 14 definieren.
• Über einen Regelkreis wird mit Hilfe der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung gemessene(n) Oberfläche(n) die Veränderung der geometrischen Eigenschaften des Metallbandes 11 gesteuert. Diese geometrischen Eigenschaften können makros- oder mikroskopisch ausgebildet sein.
• Die 2 zeigt die schematische Darstellung der Vorrichtung 10 anhand der Schnittlinie II-II gemäß 1. Des Weiteren offenbart die 2 eine Strahlquelle 19, einen Lichtwellenleiter 20, eine Abtasteinheit 21 mit dem Interferometer 22, eine Strahllenkungseinheit 23, eine Spiegelanordnung 26, eine Auswerteeinheit 24 und eine Walzensteuerung 25.
• Die Spiegelanordnung 26 ist als Parabolspiegel 26 ausgebildet und quer zu der Längserstreckung des Metallbandes 11, an dem Grundrahmen 15 der Vorrichtung 10 befestigt. Die Oberflächen des Metallbandes 11 sind mit O1 und O2 bezeichnet.
• Zudem weist die Vorrichtung 10 zwei Abstandssensoren 27 auf, welche den Abstand der Vorrichtung zu einer Oberfläche T einer Umlenkrolle 28 ermitteln. Durch das Führen des Metallbandes 11 über die Umlenkrolle 28 wird die Eigenbewegung des Metallbandes 11 in vertikaler Messrichtung eliminiert. Die Umlenkrolle 28 weist allerdings ebenfalls Rundlauffehler auf, dessen Abweichungen von den Abstandssensoren 27 erfasst werden können. Die Abstandssensoren 27 in diesem Ausführungsbeispiel arbeiten optisch ebenfalls mittels des Mehrwellenlängeninterferometrie-Verfahrens, wobei sie auch taktil, kapazitiv oder induktiv arbeiten können.
• Weiterhin offenbart die 2 einen Laserstrahl S, welcher von der Strahlquelle 19 mittels Lichtwellenleiter 20 und Interferometer 22 in die Strahllenkungseinheit 23 geleitet wird. Im Interferometer 22 wird der Laserstrahl S aufgeteilt in einen Objektstrahl L und einen Referenzstrahl R. Der detaillierte Vorgang ist nachfolgend in 3 beschrieben.
• Der Objektstrahl L wird mit Hilfe der Strahllenkungseinheit 23, beispielsweise als drehendes Polygonrad 29, über den Parabolspiegel 26 auf die Metalloberfläche O1 gelenkt. Der Objektstrahl L wird mittels des drehenden Polygonrades exemplarisch in drei jeweils einen unterschiedlichen Winkel zum Parabolspiegel 26 aufweisende und zeitlich versetzte Messstrahlen M1, M2 und M3 aufgeteilt. Die Messstrahlen M1 bis M3 treffen nahezu senkrecht auf die Oberfläche O1 auf. Aus diesen ergeben sich auf der Oberfläche O1 die Messpunkte MP1 bis MP3.
• Das Mehrwellenlängeninterferometer arbeitet mit einer Messrate von typischerweise 100 MHz. Um einen stabilen Messwert zu bekommen wird eine Filterung der Messwerte durchgeführt, wodurch sich die Anzahl der Messpunktausgabefrequenz um den Faktor 100 reduziert. Es bleibt also ein Nettomesswertrate von 1 MHz.
• Nachdem die jeweiligen Messstrahlen M 1 - M3 auf der Oberfläche O1, O2 des Metallbands 11 aufgetroffen sind, werden diese als Reflexionsstrahlen RL 1 - RL 3 an den Parabolspiegel 26 zurückprojiziert und über Strahllenkungseinheit 23 in das Interferometer 22 zurückgeführt und dort mit dem Referenzstrahl R überlagert. Im Interferometer 22 wird der Phasenunterschied zwischen dem Referenzstrahl R und dem Objektstrahl L erfasst und anschließend in der Auswerteeinheit 24 weiterverarbeitet. In der Auswerteeinheit 24, welche eine nicht dargestellte Steuereinheit aufweist, die mit der Strahllenkungseinheit 23 in Verbindung steht, wird aus den Abstandsmesswerten und der bekannten Vorschubbewegung des Metallbandes 11 eine Information über die erfasste Oberfläche O1 des Metallbandes 11 zusammengesetzt.
• Die ermittelten Informationen werden an die Walzensteuerung 25 übermittelt, welche wiederum die jeweiligen Arbeitswalzen 18 des Walzgerüstes 13 ansteuert. Der Walzoberflächenverlauf oder die Stellung der Arbeitswalzen 18 zueinander kann entsprechend der detektierten Oberflächenunebenheit verändert werden. Die Möglichkeiten der Arbeitswalzensteuerung werden nachfolgend bezüglich der 5a bis 5d detailliert beschrieben.
• Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung 10 ist neben der Bestimmung der Oberfläche O1 auch eine optische Messung der Unebenheit der Oberfläche O2 des Metallbandes 11 denkbar, wobei eine Kombination der Messergebnisse zusätzlich die Dickenmessung des Metallbandes 11 ermöglicht. Durch die Kombination der Messdaten der Oberflächen O1 und O2 ist es auch möglich die Oberflächenunebenheit und die Banddicke des Metallbandes 11 in einem Verfahrensschritt zu bestimmen.
• In der 3 ist schematisch die Strahlquelle 19 und die Abtasteinheit 21 bzw. das Interferometer 22 dargestellt. Die Strahlquelle 19 weist exemplarisch zwei Laserquellen 30 und 31 auf, die jeweils unterschiedliche Wellenlängen emittieren. In diesem Ausführungsbeispiel sendet die erst Laserquelle 30 eine Wellenlänge λ₁ = 782 nm und die zweite Laserquelle 31 eine Wellenlänge λ₂ = 785 nm aus.
• Grundsätzlich wird darauf hingewiesen, dass für das Messverfahren mindestens zwei Laserquellen benötigt werden, wobei es durchaus denkbar ist, eine größere Anzahl an Laserquellen einzusetzen.
• Der Laserstrahl S1 der Laserquelle 30 wird durch einen ersten optischen Isolator 32 an einen Umlenkspiegel 34 projiziert, welcher diesen in eine ersten Strahlteilereinheit 35 leitet.
• Gleichzeitig wird ein Laserstrahl S2 der zweiten Laserquelle 31 durch einen zweiten optischen Isolator 33 in die erste Strahlteilereinheit 35 geleitet. Hier werden die jeweiligen Laserstrahlen S1 und S2 mit den unterschiedlichen Wellenlängen λ₁ und λ₂ zu einem einzigen Laserstrahl S zusammengeführt.
• Um eine Störung der Laserquellen 30 und 31 durch das von ihnen ausgestrahlte Licht zu vermeiden, sind in ihrem Strahlengang die optischen Isolatoren 32 und 33 angebracht, die eine optische Rückkopplung unterbinden.
• Der von der Strahlteilereinheit 35 entsandte, überlagerte Laserstrahl S tritt in eine Fasereinkopplungseinheit 37 ein, die mit dem Lichtwellenleiter 20 und einer Faserauskopplungseinheit 38 verbunden ist.
• Von der Faserauskopplungseinheit 38 wird der ankommende Laserstrahl S in eine zweite Strahlteilereinheit 36 geleitet und dort in einen Objektstrahl L und einen Referenzstrahl R aufgeteilt. Der Referenzstrahl R wird am Referenzspiegel 39 reflektiert und im zweiten halbdurchlässigen Stahlteiler 36 mit den von der Oberfläche O1 reflektierten Reflexionsstrahlen RL1 bis RL3 überlagert und gemeinsam zum Photodetektor 40 weitergeführt. Der Objektstrahl L wird hingegen gemäß 2 und der zugehörigen Beschreibung weitergeleitet.
• Ändert sich der Abstand zwischen der Vorrichtung 10 und der Oberfläche O1 ändert sich die am Photodetektor 40 registrierte Lichtintensität, die durch die Veränderung des Interferenzmusters hervorgerufen wird.
• In der 4 ist das Metallband 11 in Aufsicht abgebildet, welches eine Breite a von 250 mm aufweist. Auf dem Metallband 11 sind beispielhafterweise Messpunkte MP abgebildet, wobei die Messpunkte MP nur exemplarisch auf der Oberfläche O1 dargestellt sind.
• Die Messpunkte MP bilden eine Messspur 41, welche eine zickzackartige Anordnung auf der Oberfläche O1 des Metallbandes 11 ausbildet, die durch die periodische Ablenkung des Objektstrahles L in der Stahllenkungseinheit 23 in Kombination mit der Bewegung des Metallbandes 11, welches sich mit einer Bandgeschwindigkeit von 240 m/min bewegt, in Transportrichtung x entsteht. Mit dem Bezugszeichen b ist die Bewegungstrecke des Metallbandes 11 von 4 mm/ms während eines Messvorganges mit zahlreichen Messpunkten MP dargestellt.
• Die Information über die gesamte Oberfläche O1 ergibt sich durch die Messpunkte MP, die entlang der Messspur 41 aufgezeichnet worden sind. Die Lücken c zwischen den Messpunkten MP werden durch Interpolation geschlossen. Abschließend werden die Messdaten mit den ermittelten Daten der nicht dargestellten Abstandssensoren 27 korrigiert.
• In den 5a - 5d sind die möglichen Walzenausrichtungen im Walzwerk W in Abhängigkeit von verschiedenen Ebenheitsdefekten gezeigt.
  In der 5a ist eine obere und eine untere Arbeitswalze 18A, 18B mit den zugehörigen Längsachsen y1 und y2 dargestellt. Sofern die Oberfläche O des hier nicht dargestellten Metallbands 11 keine Unebenheiten aufweist, sind die beiden Längsachsen y1 und y2 parallel zu einander ausgerichtet und der Abstand d (auch die Breite des Walzspaltes 14) der Arbeitswalzen 18A, 18B zueinander ist über deren Länge hinweg konstant.
• Sobald eine Unebenheit der Oberfläche O1, O2 mittels des bereits beschriebenen Verfahrens detektiert wird, tritt die nicht dargestellte Walzensteuerung 25 in Betrieb, um entsprechend der aufgetretenen Unebenheit die Stellung der Arbeitswalzen 18 zueinander oder deren Walzenoberflächen 42 zu verändern.
• In den 5a bis 5d sind vier verschiedenen Möglichkeiten der Anpassung der Arbeitswalzen 18A und 18B an verschiedene Unebenheiten gezeigt.
• In den 5a und 5 b wird die jeweilige obere Arbeitswalze 18A gegenüber den unteren Arbeitswalzen 18B verschwenkt. Die Arbeitswalze 18A ist rechtsseitig (5a) oder linksseitig (5b) verschwenkt und bildet entweder einen Verschwenkungswinkel α1 (5a) oder einen Verschwenkungswinkel α2 (5b) zwischen der Längsachse y1 und der Horizontalen aus. Diese Verschwenkung verändert den Abstand d der beiden Arbeitswalzen 18A und 18B über die Länge hinweg (d1, d2) und somit auch die Breite des Walzspaltes 14.
• In den 5c und 5d wird durch Krafteinwirkung die Walzenoberfläche 42 der oberen Arbeitswalze 18A an die jeweilige Unebenheit angepasst.
• In der 5c wirken zwei Kräfte, F₁ und F₂ , randseitig auf die obere Arbeitswalze 18A, wodurch sich deren zur gegenüberliegenden Arbeitswalze 18B weisende Walzenoberfläche 42 konkav verbiegt. Der Walzspalt 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel mittig breiter ausgebildet als randseitig.
• In der 5d hingegen wirkt eine Kraft F₃ mittig auf die obere Arbeitswalze 18A, wodurch sich deren zur gegenüberliegenden Arbeitswalze 18B weisende Walzenoberfläche 42 konvex verbiegt und der Walzspalt 14 folglich mittig schmaler ausgebildet ist als randseitig.
• Zum Zwecke einer deutlicheren Veranschaulichung der Arbeitswalzenansteuerung sind die 5 a bis 5d überzeichnet dargestellt.
• Die Vorrichtungen 10 gemäß 6 und 7 entsprechen im Wesentlichen der Vorrichtung 10 gemäß 2, jedoch ist jeweils statt eines nicht profilierten Metallbandes 11 entweder ein erstes profiliertes Metallband 44 (6) oder ein zweites profiliertes Metallband 45 (7) dargestellt, welche sich in der Ausgestaltung der Oberfläche O1 voneinander unterscheiden.
• Zur Funktionsweise der Vorrichtung 10 wird auf die Beschreibung zu den 2 und 3 verwiesen.
• Bezugszeichenliste

10

erfindungsgemäße Vorrichtung

11

Metallband

12

Walzgerüst

14

Walzspalt

15

Grundrahmen

16

Coil

17

Stützwalze

18

Arbeitswalze

18A

obere Arbeitswalze

18B

untere Arbeitswalze

19

Strahlquelle

20

Lichtwellenleiter

21

Abtasteinheit

22

Interferometer

23

Strahllenkungseinheit

24

Auswerteeinheit

25

Walzensteuerung

26

Spiegelanordnung / Parabolspiegel

27

Abstandssensor

28

Umlenkrolle

29

Reflexionsebene / Polygonrad

30

erste Laserquelle

31

zweite Laserquelle

32

erster optischer Isolator

33

zweiter optischer Isolator

34

Umlenkspiegel

35

erste Strahlteilereinheit

36

zweite Stahlteilereinheit

37

Fasereinkopplungseinheit

38

Faserauskopplungseinheit

39

Referenzspiegel

40

Photodetektor

41

Messspur

42

Walzenoberflächen

44

erstes profiliertes Metallband

45

zweites profiliertes Metallband

a

Breite des Metallbandes

b

Bewegungsstrecke des Metallbandes 11

c

Lücken

d

Arbeitswalzenabstand / Breite des Walzspaltes 14

F

Kraft

L

Objektstrahl

M

Messstrahl

MP

Messpunkt

O

Oberfläche

R

Referenzstrahl

RL

Reflexionsstrahl

S

überlagerter Laserstrahl

S1

Laserstrahl ausgehend von der Laserquelle 30

S2

Laserstrahl ausgehend von der Laserquelle 31

T

Oberfläche der Umlenkrolle 28

W

Walzwerk

x

Transportrichtung

y1

Längsachse der Arbeitswalze 18A

y2

Längsachse der Arbeitswalze 18B

α1

erster Verschwenkungswinkel der Arbeitswalze 18A

α2

zweiter Verschwenkungswinkel der Arbeitswalze 18A

λ

Wellenlänge

Claims (13)

1. Verfahren zur optischen Bestimmung mindestens einer Oberfläche eines sich bewegenden Metallbandes, gekennzeichnet durch die Durchführung von Abstandsmessungen mit mindestens zwei Laserquellen an örtlich begrenzten Messpunkten mit hoher Frequenz von 20 bis 200 MHz senkrecht zum Metallband im Mehrwellenlängeninterferometer-Verfahren sowie quer zur Längserstreckung und zur Bewegungsrichtung des Metallbandes, wobei der Messort pro Zeiteinheit quer zur Bewegungsrichtung verändert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Oberfläche des Metallbandes abseits des Messrasters eine Interpolation der benachbarten Abstandsmessungen durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, dass beidseitig des Metallbandes die Oberfläche bestimmt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine auf die Fläche des Metallbandes bezogene Dickenmessung, die sich aus gegenüberliegenden Abstandsmesswerten der beiden Oberflächen des Metallbandes ergeben.
5. Vorrichtung (10) zur Bestimmung mindestens einer Oberfläche (O) eines sich bewegenden Metallbandes (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (10) eine als Mehrwellenlängeninterferometer (22) ausgebildete Abtasteinheit (21), die mit mindestens zwei Laserquellen versehen ist, eine Strahllenkungseinheit (23), wobei diese eine mit hoher Frequenz von 20 bis 200 MHz periodisch im Raum verstellbare Reflexionsebene (29) aufweist, sowie eine oberhalb des Metallbandes (11) angeordnete Spiegelanordnung (26) und eine Auswerteeinheit (24).
6. Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bezüglich des Winkels verstellbare Reflexionsebene (29) der Strahllenkungseinheit (23) als drehendes Polygonrad (29) ausgebildet ist.
7. Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bezüglich des Winkels verstellbare Reflexionsebene (29) der Strahllenkungseinheit (23) als periodisch bewegbarer Spiegel ausgebildet ist.
8. Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bezüglich des Winkels verstellbare Reflexionsebene (29) der Strahllenkungseinheit (23) aus einer Kombination aus einem drehenden Polygonrad (29) und mindestens einem periodisch bewegten Spiegel gebildet ist.
9. Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bezüglich des Winkels verstellbare Reflexionsebene (29) der Strahllenkungseinheit (23) aus einer Kombination aus einem drehenden Polygonrad (29) und mindestens einem fest angeordneten, gekrümmten Spiegel gebildet ist.
10. Vorrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die bezüglich des Winkels verstellbare Reflexionsebene (29) der Strahllenkungseinheit (23) aus einer Kombination aus einem drehenden Polygonrad (29) und mindestens einer optischen Linse gebildet ist.
11. Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelanordnung (26) als Parabolspiegel (26) ausgebildet ist.
12. Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelanordnung (26) als Facettenspiegel ausgebildet ist.
13. Vorrichtung (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelanordnung (26) als ebener Spiegel ausgebildet ist, wobei die Reflexionsergebnisse mathematisch korrigiert werden.

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