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EP1931942A1 - Method for contactlessly and dynamically recording the profile of a solid body - Google Patents

Method for contactlessly and dynamically recording the profile of a solid body

Info

Publication number
EP1931942A1
EP1931942A1 EP06807017A EP06807017A EP1931942A1 EP 1931942 A1 EP1931942 A1 EP 1931942A1 EP 06807017 A EP06807017 A EP 06807017A EP 06807017 A EP06807017 A EP 06807017A EP 1931942 A1 EP1931942 A1 EP 1931942A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
light
solid
profile
range
determined
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP06807017A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Manfred Hoffmann
Michael J. Walter
Dieter Hoffmann
Andreas Brinkmann
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Gutehoffnungshutte Radsatz GmbH
Original Assignee
Gutehoffnungshutte Radsatz GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US11/256,284 external-priority patent/US7602506B2/en
Application filed by Gutehoffnungshutte Radsatz GmbH filed Critical Gutehoffnungshutte Radsatz GmbH
Publication of EP1931942A1 publication Critical patent/EP1931942A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61RAILWAYS
    • B61KAUXILIARY EQUIPMENT SPECIALLY ADAPTED FOR RAILWAYS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B61K9/00Railway vehicle profile gauges; Detecting or indicating overheating of components; Apparatus on locomotives or cars to indicate bad track sections; General design of track recording vehicles
    • B61K9/12Measuring or surveying wheel-rims
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/24Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures
    • G01B11/25Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring contours or curvatures by projecting a pattern, e.g. one or more lines, moiré fringes on the object
    • G01B11/2518Projection by scanning of the object
    • G01B11/2522Projection by scanning of the object the position of the object changing and being recorded

Definitions

  • the present invention relates to a non-contact method for the dynamic detection of the profile of a solid, in particular for the purpose of determining wear occurring on the solid.
  • model test stands for example from Amsler, Laffon-Eichinger et al.
  • model test stands for example from Amsler, Laffon-Eichinger et al.
  • the transfer of the parameters determined in this way to the specific application encounters the difficulty that the tests can only provide orientation values, since the influencing variables on the wear represent a complex conditional structure, on a model test bench never exactly matches the real conditions. Therefore, tribological investigations on the real object are essential for important applications, but often encounter the problem that a component whose wear is to be examined is removed after a certain period of operation and then, e.g. must be examined with regard to the wear occurring under determination of the surface profile, which is usually associated with a considerable effort.
  • Profile surveys on solids ie, the preparation of profilograms of the surface
  • tactile methods for example using a stylus instrument, the latter being a method based on the contact of a stylus tip with the solid state the measuring range is less than one millimeter and in which, for example, in the centimeter range no measured values can be obtained.
  • the measuring time is several seconds per measuring point and the method is disadvantageously not suitable for a rough measuring environment.
  • topometric 3D measurement For the static detection of solid-state profiles, various non-contact optical methods are known. Such methods and the associated devices are, as described for example in the monograph by Bernd Breuckmann “Image Processing and Optical Measurement", Kunststoff: Franzis', 1993, Chapter 6, also subsumed under the term “topometric 3D measurement”. Laser triangulation is described here as one of the topometric methods, triangulation being taken to mean a measuring method first developed by Snellius in 1615 for ground surveying, in which a measured variable to be determined is determined indirectly from other measured variables using trigonometric relationships.
  • a light spot is projected onto a measurement object by means of a laser.
  • the light reflected from the object is imaged on a light-receiving element, such as a position-sensitive detector.
  • a position-sensitive detector Such detectors are also referred to in English as PSD "position sensitive devices”.
  • PSD position sensitive devices
  • An extension of the laser triangulation represents a known, also described in said monograph method, in which the laser light beam is expanded to a linear band of light, a so-called light section.
  • a planar detector may be used, such as a video camera.
  • the evaluation is again based on the triangulation.
  • Characteristic of this method is a measuring range of profile height from 1 mm to 1 m with a resolution of about 1 to 50 thousandths of this area.
  • the present invention has for its object to provide a non-contact method for dynamic detection of the profile of a solid, of the type described above, which allows short measurement times, at least three orders of magnitude covering measuring range, such as tenths of millimeters, millimeters and centimeters, includes a high accuracy guaranteed and that can be used under rough operating conditions in particular for the determination of wear of components.
  • this is achieved by such a method in which at least one light beam generated by a laser device and expanded to at least one line-shaped light band is projected onto at least one area of the surface of the solid body, wherein the solid body is moved past the laser device and that of the area of the Surface of the solid reflected light in an imaging device whose optical axis is at a fixed triangulation to the projection direction of the laser device and which is arranged at a fixed base distance to the laser device, focused and detected with a relation to a speed of movement of the solid high frequency by means of a surface-shaped light receiving element is, according to which emitted from the light receiving element signals in dependence on the triangulation angle and the base distance in a data processing device by trigonometric relationship the measured values of the profile are obtained and stored in the data processing system as a profilogram, wherein the determination of an image triggering for the signals emitted by the light receiving element for Extraction of the measured values of the profile are selected, takes place in a recording loop.
  • the solid body may be a rotationally symmetrical body, in particular a vehicle wheel, which is a translational one, or preferably a rolling movement, which executes a rolling movement.
  • the method according to the invention thus represents an extremely advantageous possibility to determine profiles of a wheel while passing by and draw conclusions about the wear therefrom.
  • the measured values of the profile under linkage can also be used in a preferred case for distortion-free determination of the profilogram with correction values determined according to the area of the surface of the solid.
  • a plurality of profilograms are determined as partial profilograms using at least three areas of light bands projecting on different sides of the surface of the solid, and the partial profilograms are stored in the data processing system and from this Overall profile is obtained.
  • the at least three regions onto which the light bands are projected can preferably lie on the two cover surfaces and on the lateral surface of the cylinder or ring.
  • the profilogram, the partial profilograms and / or the overall profilogram can then be compared with one or more reference profilograms and the respective deviations from the respective reference profilogram determined, which is a measure of the wear that has occurred or a measure of whether the occurred Wear is still within a tolerable range.
  • the profilogram, the partial profilograms, the overall profilogram, the respective reference profilogram and / or the respective deviations are related to a fixed, long-term invariable basic geometrical variable, such as a non-wearing inner rim circumference.
  • the wear surface can be represented as a development on which the height profile relative to the base size is represented by suitable means of representation.
  • the profilogram, the partial profilograms, the overall profilogram, the respective reference profilogram and / or the respective deviations can be visualized in a display device, such as a display.
  • the basic size can be determined with advantage from at least three measured values, which are also determined by non-contact dynamic measurements on the moving solid, which are made in the same manner as the acquisition of the profilogram or the acquisition of the partial profilograms.
  • the measurements on the moving solid at predetermined time intervals at least three times by means of a single expanded to a linear light band light beam or that the measurements simultaneously by at least three, each expanded to a linear light band light beams at a predetermined distance of the areas Surface of the solid on which the light bands are projected done.
  • the light-receiving elements it is possible with advantage to use digitized signal-providing devices, such as a trigger-controlled CCD camera or position-sensitive device, such as photodiode arrays.
  • digitized signal-providing devices such as a trigger-controlled CCD camera or position-sensitive device, such as photodiode arrays.
  • the light-receiving element is sensitive to the light intensity, while it provides adequate signals in the second case of the amount of light.
  • a distance signal can in particular be provided by a laser distance sensor, which is in particular the light receiving element, after a signal conditioning be provided, ie it can be a determination of states of the solid body, such as the distance to the laser device and a change over time of this distance as a first derivative (speed) and - if accelerated movement - also second derivative of the way after the time (acceleration).
  • a signal conditioning can be a determination of states of the solid body, such as the distance to the laser device and a change over time of this distance as a first derivative (speed) and - if accelerated movement - also second derivative of the way after the time (acceleration).
  • the signal conditioning can thereby find electrical voltages as a result of an analog provision by the laser distance sensor input.
  • wavelength of the generated light band in the range of 400 nm to 1000 nm, in particular in the range of 650 to 700 nm;
  • power of the laser device in the range of 0.5 to 50 mW;
  • a continuous wave (cw) diode for example of a semiconductor material, such as GaAs, AIGaAs, InGaP, GaAsSb, InP, PbSnTe or the like, preferably a VLD (visible laser diode), similar to that used in a laser pointer - a visible light band also facilitates the adjustment of the laser device relative to the solid to be measured.
  • a continuous wave (cw) diode for example of a semiconductor material, such as GaAs, AIGaAs, InGaP, GaAsSb, InP, PbSnTe or the like, preferably a VLD (visible laser diode), similar to that used in a laser pointer - a visible light band also facilitates the adjustment of the laser device relative to the solid to be measured.
  • the following characteristics have proved to be particularly advantageous or optimal for a profilometry for the purpose of wear testing, with a resolution of less than 2.0 for the respectively determined profilogram, the partial profilograms and the overall profilogram mm, in particular less than 0.5 mm, can be achieved.
  • Width of the light band in the range of 0.3 mm to 6.5 mm, in particular in the range of 0.8 mm to 2.2 mm - by divergence occurs with possibly intentionally increasing average working distance (measuring distance) on an enlarged width of the light band, but reduces the accuracy of measurement;
  • Length of the light band in the range of 50 mm to 750 mm, in particular in the range of 200 mm to 400 mm - according to the geometry of the area of the surface of the solid to be measured;
  • Triangulation angle in the range of 15 ° to 40 °, in particular in the range of 20 ° mm to 30 °, an increased angle increases the accuracy but also the risk of inhomogeneous illumination of the surface of the solid and the occurrence of shadowing;
  • Base distance between the imaging device, in particular the center of a focusing lens of the imaging device, and the optical axis laser device in the range of 30 mm to 450 mm, in particular in the range of 60 mm to 270 mm.
  • average working distance of the laser device and / or the imaging device from the area of the surface of the solid on which the light band is projected in the range of 20 mm to 650 mm, in particular in the range of 150 mm to 350 mm;
  • Speed of an optionally translatory movement of the solid less than 3.5 m / s, preferably less than 1.5 m / s;
  • Angular velocity of an optionally rotating movement of the solid-state particle : I less than 15 s ' ⁇ preferably less than 6 s "1 and preferably constant;
  • Frequency with which the light reflected from the surface of the solid light is detected by means of the light receiving element in the range of 25 Hz to 100 kHz, preferably in the range of 1 kHz to 10 kHz.
  • the frequency As far as the frequency is concerned, it must be adapted to the speed of movement of the solid - a higher frequency reduces the influence of the velocity of the solid on the distortion of the signals of the light-receiving element.
  • the correction values determined in accordance with the movement speed which may be, in particular, vectorial factors and / or summands proportional to the nature of the measured values of the profilogram, it is therefore advantageous to correlate the movement speed with the frequency of the Detecting the reflected light done. For the given ranges of the speed of the movement of the solid, advantageously no non-linearities are to be considered.
  • the correction values determined in accordance with the area of the surface of the solid may, in particular, be vectorial factors corresponding to the nature of the measured values of the profile, and / or summands depending on a radius of the rotationally symmetrical body, where the said radius is the same long-term invariable geometric Basis variable that serves as a reference for determining the profilograms.
  • FIG. 3 is a perspective view of a wear test stand for wheels of a rail vehicle, such as railway wheels, wherein the inventive method is used,
  • FIG. 4 shows a detail corresponding to FIG. 3, from a viewing angle selected with respect to the direction of movement from the front to the outside of a wheel,
  • Fig. 5 is a Fig. 3 corresponding detail, but from a respect to the
  • FIG. 6 is a schematic representation of the procedure in the determination of a geometric base size to which a profilogram determined according to the invention can be obtained
  • the light beam is widened to a light band 3, as shown in three-dimensional view Fig. 2.
  • z A of the light band on the surface of the solid 1 is formed by diffuse light scattering (reflected light RL) a measuring spot, which can also be perceived from directions that differ from the determined by the optical axis OO of the laser device 2 incident direction.
  • the measuring spot under the triangulation angle ⁇ is then imaged by a corresponding focusing lens 4 of an imaging device 5 onto a sheet-like light receiving element 6, then depending on the distance of the point of incidence z A a position X A of a minimum value x min and a maximum value x max Image spot on the light receiving element 6 a.
  • the geometry of the structure of the device used for the method according to the invention is determined next to the fixed triangulation angle ⁇ by a fixed base distance B of the optical axis A-A focusing optics 4 of the imaging device 5 to the position of the laser device 2 - determined by the optical axis O-O.
  • H is a distance of the focusing lens 4 of the imaging device 5 to its light receiving element 6, as illustrated in FIG.
  • the relative resolution CIX A / X A of the image spot position depends on the velocity v of the solid in relation to a frequency f at which the reflected light RL is picked up by the image pickup element 6, and the signal noise and the type of the light receiving element 6.
  • the quantity dzA in equation (2) represents an absolute value of the measurement accuracy.
  • the final measured values z B of the profile (denoted by P in FIGS. 1 and 2) are obtained by combining the values Z A with correction values Kv determined in accordance with the movement speed v of the solid 1, which are in particular vectorial, the movement speed v is proportional factors and / or summands.
  • a correlation of the movement speed v with the frequency f of the detection of the reflected light RL takes place.
  • the measuring range Dz and, associated therewith, the measuring accuracy dz A / z A can be freely adjusted simply by the appropriate choice of the geometrical sizes of the structure.
  • the individual devices need not necessarily, as shown in Fig. 1, to be covered by a common housing 7. An enlargement of the measuring range Dz causes a reduction of the measuring accuracy and vice versa.
  • a SONY HCC 400 camera was used as the light receiving element 6. Since the resolution of the size of the measuring range, ie the measuring range Dz, depending, this means for the dimensioning of an apparatus for performing the method according to the invention that the number of detecting camera heads is directly dependent on the required or selected resolution.
  • the system which has hitherto only been considered in two dimensions, is considered in three dimensions. That is, it is worked with a widened to a light band 3 laser beam. This is called a light-section method.
  • the measured values of the profile P determines and in the data processing system as Profilogram PG are stored. Representing such a profilogram PG, in the schematized representation of FIG. 2, is the correspondingly designated polyline on the light-receiving element 6.
  • Profilograms from real measurements are shown in different representations in FIGS. 7 and 8.
  • a commercial line laser module L200 with a line length LB (Fig. 2) of 300 mm and a line width b (Fig. 1) of 1, 5 mm, a laser power of 30 mW and with visible red light (wavelength 680 nm) used.
  • Fig. 3 shows - as also mentioned above - a typical application of the method according to the invention, namely for the determination of wear.
  • the illustration shows a perspective view of a wear test stand 8, which is designed for rolling on rails 9, with a translational speed v and an angular velocity ⁇ over, moving wheels 1a designed as to be measured solid 1.
  • a plurality of profilograms PG as partial profilograms (also referred to in Fig. 7 as PG a , PGb and PG C ) using three, on different sides Di, D 2 , M the regions of the surface of the solid 1 lying light bands 3a, 3b, 3c projecting laser devices 2 and the associated imaging devices 5 are determined.
  • the partial profilograms PG a , PGb and PG C can be found in the Data processing system stored and from an overall profile GPG are obtained.
  • the wheel 1a of the rail vehicle 10 represents a rotationally symmetrical, in the basic shape substantially cylindrical or annular solid 1, wherein the three areas on which the light bands 3a, 3b, 3c are projected on the two cover surfaces Di, D 2 and lie on the lateral surface M of the cylinder or the ring.
  • the three light bands 3a, 3b, 3c need not form a closed polyline for the determination of the overall profileogram GPG. It is also not necessary for the light band 3b projected onto the lateral surface M to extend parallel to the axis of the wheel 1a. A corresponding deviation from the axis parallelism can be compensated for by obtaining the measured values z B of the profile P by linking with correction values Ko determined in accordance with the area of the surface of the solid.
  • Fig. 5 illustrates the first and Fig. 6, the second of the possibilities mentioned around a Radkranzinnenradius R of the wheel 1a as a fixed, long-term immutable geometric base size to which the profilogram PG, the partial profilograms PG a , PGb, PGc and the overall profile GPG are related can determine.
  • the radius R is in both cases determined from at least three measured values zi, Z 2 , Z 3 , which are determined by contactless dynamic measurements on the moving wheel 1a and which are made in the same way as the acquisition of the profilogram PG or the detection subprofiles PG a , PGb, PG C.
  • the non-contact dynamic measurements on the rolling wheel 1a simultaneously by means of at least three, each to a linear band of light 3c1, 3c2, 3c3 expanded light beams at each predetermined intervals N1, N2 of the areas of the surface of the solid 1, to which the light bands 3c1 , 3c2, 3c3 are projected.
  • the non-contact dynamic measurements on the rolling wheel 1a are made at predetermined time intervals ⁇ t at least three times ti, t 2 , t 3 by means of a single light beam expanded to a line-shaped light band 3c.
  • the measurements thus take place unidirectionally, ie with the same orientation of the respective light bands 3c, 3c1, 3c2, 3c3, in each case at three points Si, S2, S3, three measured values zi, Z 2 , z 3 lying on a circular arc of radius R as Ordinatenhong the points Si, S2, S3 are determined in a Cartesian coordinate system.
  • the measurement lengths of the line-shaped light band 3c or 3c1, 3c2, 3c3 can be easily transformed for this assignment such that the measured values zi, Z 2 , Z3 each represent half the length of a chord sh, sl 2 , SI 3 through the circular arc.
  • Each of these measurement values zi, Z 2, Z xi 3 corresponding abscissa values, X2, X3 - of Figure 6, respectively as the three points in time ti, .2, 3 present distances t of the circle center point Mi, M 2, M 3 by the light band.
  • 3c are shown either in the first case from the distances N1, N2 according to FIG.
  • the angular velocity ⁇ can either be fixed or likewise determined by non-contact dynamic measurements on the rolling wheel 1a by means of one or more linear light bands 3. The evaluation is facilitated if the speed, ie on the one hand the rotating and thus on the other hand also the translatory movement of the wheel 1a is constant.
  • the reference radius R of the rolling wheel 1a can be determined from the following equation system after the determination of the measured values zi, Z 2 , Z 3 :
  • R 2 X1 2 + Z 1 2 (3)
  • R 2 X 2 2 + Z 2 2 (4)
  • R 2 X 3 2 + Z 3 2 (5)
  • the quantities R and xi, X 2 and X 3 each represent unknowns therein.
  • the quantity k in equation (6) is a known factor corresponding to the predetermined time intervals ⁇ t or the distances N1, N2 of the areas of the surface of the wheel 1a, of the for the preferred case of constant time intervals ⁇ t or equidistant distances N1, N2 assumes the value 1.
  • the determined radius R can on the one hand serve as a baseline for the measured values Z B of the profile height, which are determined on the lateral surface M of the wheel 1a, on the other hand it is possible to determine this radius R for the determination of correction values Ko corresponding to that of the light band 3 or 3a, 3b, 3c 3c1, 3c2, 3c3 illuminated area of the surface of the solid 1 are taken into account.
  • correction values Ko arises, for example, from the fact that the chords sh, Sl 2 , Sl 3 in FIG. 6 each span different central angles, as a result of which different local profile distortions occur.
  • the central angles are between 0 ° in the first extreme case when the light band 3c forms a tangent to the circumference of the considered circular arc of the wheel 1a and 180 ° in the other extreme case when the light band 3c with the diameter 2R of the considered circular arc of the wheel 1a coincides.
  • the largest chord length sb contains most information about the profile to be determined and has the least local distortion.
  • the overall profile GPG shown in Fig. 7 of a rolling solid 1, in the illustrated case of the wheel 1a, from three of the two top surfaces Di, D 2 and on the lateral surface M simultaneously to a detection time t k certain Operafilogrammen is obtained, wherein the detection time t k of the individual Operafilogramme is selected such that a measured at this detection time t k measured value Z k - in the present case Z 3 - from at least three on a circular arc with the radius R in one of the top surfaces Di, D 2 lying, in each case at successive times ti, t 2 , t 3 and unidirectionally from the respective length LB of the linear band of light 3c, 3c1, 3c2, 3c3 determined measured values zi, Z 2 , Z 3 , each half the length of a Shear sh, Sl 2 , Sl 3 correspond by the arc, takes a maximum.
  • this criterion of the choice of the detection time t k is not limited to three measured values zi, Z 2 , Z 3 .
  • the application of this criterion of the choice of the detection time t k is not limited to three measured values zi, Z 2 , Z 3 .
  • the determined largest half chord length Sl 3 differs less from the radius R or assumes the same value as the radius R.
  • the respective profilogram PG, the partial profilograms PG a , PGb, PGc and / or the overall profilogram GPG are each provided with one or more reference profilograms (s) - in the drawing a reference profilogram BP1 for maximum measured values z B of the profile P and a hostssprofilo- gram BP2 for minimum measured values Z B of the profile P compared and the respective deviations .DELTA.PG can be determined by the respective reference profile BP1, BP2. In the case shown, such deviations occur in the area shown in dash-dotted lines.
  • the reference profilograms BP1, BP2 can preferably be admissible nominal dimensions, but a reference profilogram BP1, BP2 could also be a stored data set of measured values z B from an earlier measurement, so that the respective deviations ⁇ PG provide information about how large the the past measurement has occurred wear.
  • the representation of the profile P in FIG. 7 is only a two-dimensional one, in which the measured values Z B of the profile P are shown as a line vector x, z over the cross section Q of the wheel 1a
  • the illustration of the profile P in FIG 8 shows the three-dimensional character of the method according to the invention.
  • the measured values Z B of the profile P are shown as vectors x, y, z by means of different gray values over the development of the cover surface Di of the wheel 1a determined with the aid of the above-mentioned radius R.
  • the absolute value of the resolution dz A according to equation (2) is less than 0.5 mm, e.g. B. at 0.4 mm.
  • the designated Q marked by encircling line indicates the cross-section shown in Fig. 7 Q of the wheel 1a, wherein at this point - as indicated - the partial profile PG a of FIG. 7 is present.
  • colors can also be used for display.
  • the inventive method advantageously allows the detection of a profile P in an extremely short determination time.
  • a three-dimensional overall profile GPG are created.
  • the program flow chart shown in FIG. 9 for the application of the method according to the invention is particularly tailored to the non-contact detection of the profile of wheels of a rail vehicle, such as railway wheels.
  • a wheel is - as mentioned - provided with the reference numeral 1a shown on the rail vehicle 10 in Fig. 3 by way of example.
  • the program flowchart comprises a pick-up loop 100 for dynamically detecting the profile P of the solid 1 or 1a, which is started after a request 90 from a server for system start-up operations, which in FIG. 9 is indicated by the box marked with the reference numeral 95 are symbolized and may include the activation of a traffic light for the rail vehicle 10, the activation of a trigger for image triggering in the light receiving element 6 and switching on the laser device 2.
  • a distance signal 103 is provided in particular by a laser distance sensor 101, which is in particular the light receiving element 6, after a signal conditioning 102, that is to say a spacing signal 103.
  • a signal conditioning 102 that is to say a spacing signal 103.
  • states of the solid body 1, 1a such as the distance to the laser device 2 and a temporal change of this distance as a first derivative (speed) and - if accelerated movement - also second derivative of the way after the time (acceleration).
  • the signal conditioning 102 can thereby find electrical voltages as a result of an analog provision by the laser distance sensor 101 input.
  • step "signal evaluation" 104 the determination of either - with reference to the method described in connection with FIG. 5 - then takes place according to the determined initial states of the solid 1, 1 a, in particular from the distance signal 103 - a detection time at which three, for three different light bands 3c1, 3c2, 3c3 emitted from the light receiving element 6, further determined to obtain the measured values z B of the profile P signals are first recorded, or - with reference to the method described in connection with FIG. 6 - of at least three times ti, t 2 , t 3 , at which for only one light band 3c emitted from the light receiving element 6 Signals that are subsequently used to obtain the measured values z B of the profile P, are first recorded.
  • each image triggering 106A, 106B, 106C takes place.
  • the captured images can be stored in a frame buffer, d. H. a, preferably cyclically operating, sequential image memory, for. As the camera, cached.
  • the image triggering 106A, 106B, 106C should preferably take place with the criterion of the greatest possible proximity to time at the time at which the initial states of the solid state 1, 1a were determined, since the signals present in each case are more advantageous for the signal evaluation in this case Differ only slightly, d. H. in particular, the distance from the laser device 2 has changed only slightly.
  • the signal evaluation 104 preferably of the distance signal 103, can be carried out in particular by means of a so-called “Easy Logic”, which can be advantageously integrated into an existing data processing device "Easy Logic” is understood to mean a programmable device which allows various Configure time-based logical sequences.
  • Such devices which can also be subsumed under the name PLD - Programmable Logic Devices - or in particular under the name SPLD - Simple Programmable Logic Devices - allow a user with the help of suitable software, preferably a Relay Ladder Logic, - for example by a Programming in the system (InSystem-Programming, ISP) - a desired predetermined logical and temporal relation between one or more inputs, in the present case in particular the distance signal 103, and one or more outputs, in the present case in particular the initiators 105A, 105B, 105C.
  • suitable software preferably a Relay Ladder Logic, - for example by a Programming in the system (InSystem-Programming, ISP) - a desired predetermined logical and temporal relation between one or more inputs, in the present case in particular the distance signal 103, and one or more outputs, in the present case in particular the initiators 105A, 105B, 105C.
  • This time range can be, for example, an area in which the according to the Area of the surface of the solid 1, 1a certain correction values Ko and / or according to the speed of movement v of the solid 1, 1a certain correction values Kv - preferably as fixed values, ie without dynamization - have their validity.
  • the use of Easy Logic leads to a reduced expenditure on equipment (printed circuit boards, connectors, connections) and to a reduced installation effort (wiring, bonding) in circuit production and to a more compact possible construction.
  • the image matrix 107 which is present as a result of the image selection IS and representative of the measured values Z B of the profile P, is stored - preferably with the respectively associated values of the distance or measuring location and / or time, eg at one of the times t i, 2 or 3 - at the same time, the resetting 109 of a timer is performed at the same time as described by the recording loop 100.
  • the termination criteria for the processes in the receiving loop 100 are the condition checks illustrated by the boxes labeled 110 and 111. On the one hand, it is checked (box 110) whether the timer is already running for more than 10 seconds and, on the other hand, whether all the axles of the rail vehicle 10 have been picked up (box 111). If one of these conditions applies, the image acquisition is stopped (box 112). The question of whether the timer is already running for more than 10 s, aims to determine whether the solid 1 or 1a may have come to a standstill. After stopping 112 image capture, the stored image data 108 may be sent to the server (box 113).
  • the present invention is not limited to the exemplary embodiment illustrated, but includes all means and measures which have the same effect in the sense of the invention. So there is another possibility in the application of so-called strip projection method using structured or coded illumination. These methods are likewise based on the triangulation principle, wherein the entire solid body 1 is illuminated by a projector corresponding to the laser device 2 with a mathematically predetermined light pattern. During the recording, the light pattern is changed in a certain way so that it is possible to determine from the resulting intensity distribution of the recorded image on the topography.
  • suitable software modules can be used for the execution of all arithmetic operations - such as those of the specified equations (1) to (6) in the data processing device.
  • the invention is not limited to the feature combination defined in claim 1, but may also be defined by any other combination of certain features of all individually disclosed features. This means that in principle virtually every individual feature of claim 1 can be omitted or replaced by at least one individual feature disclosed elsewhere in the application. In this respect, the claim 1 is to be understood only as a first formulation attempt for an invention. reference numeral
  • 107A, 107B, 107C are image matrices of 106A, 106B, 106C
  • Di 1 D 2 cover areas of 1, 1a f frequency
  • N1 N2 distances between 3c1, 3c2, 3c3

Landscapes

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Abstract

The invention relates to a method for contactlessly and dynamically recording the profile (P) of a solid body (1). According to said invention, at least one light beam, which is generated by a laser device (2) and expanded in such a way that at least one linear light band (3) is formed is projected onto the moving surface of the solid body (1) and a light (RL) reflected by the solid body surface (1, 1a), inside an optical imaging device (5), whose optical axis is positioned at a fixed triangulation angle to the projecting direction of the laser device (2) and which is located at a fixed base distance from the laser device (2) is focussed and detected with a frequency which is higher with regard to the motion rate (v) of the solid body (1) by means of a planiform light-absorbing element (6). Afterwards, the measured values of the profile (P) are obtained from signals delivered by the light-absorbing element (6) according to the triangulation angle and the base distance (B) in a data processing device by means of trigonometric relations and by combination of correction values determined according to the motion rate (v) of the solid body (1) and said values are stored in the form of a profilogram (PG) in the data processing device, wherein the determination of an image triggering (106A, 106B, 106C), for which the signal delivered by the light-absorbing element (6) are selected in such a way that it makes it possible to extract the measured values (zB) of the profile (P), is carried out in a reception loop (100)

Description

Gutehoffnungshütte Radsatz GmbH, Gartenstraße 40, D-46145 OberhausenGutehoffnungshütte Radsatz GmbH, Gartenstrasse 40, D-46145 Oberhausen
Verfahren zur berührungslosen dynamischen Erfassung des Profils eines FestkörpersMethod for non-contact dynamic detection of the profile of a solid
Die vorliegende Erfindung betrifft ein berührungsloses Verfahren zur dynamischen Erfassung des Profils eines Festkörpers, insbesondere zum Zweck einer Bestimmung von an dem Festkörper aufgetretenen Verschleiß.The present invention relates to a non-contact method for the dynamic detection of the profile of a solid, in particular for the purpose of determining wear occurring on the solid.
Zur Verschleißermittlung werden häufig sogenannte Modellprüfstände (z.B. nach Amsler, Laffon-Eichinger u.a.) eingesetzt, auf denen Probekörper der Materialien, die in einer bei einem bestimmten Anwendungsfall auftretenden Reibpaarung hinsichtlich ihrer tribologischen Eigenschaften getestet werden. Die Übertragung der auf solche Weise ermittelten Kenngrößen auf den konkreten Anwendungsfall, beispielsweise auf Reibkörper sehr viel größerer Dimension als die der Testkörper, stößt jedoch auf die Schwierigkeit, dass die Tests nur Orientierungswerte liefern können, da die Einflussgrößen auf den Verschleiß ein komplexes Bedingungsgefüge darstellen, das auf einem Modellprüfstand nie genau den realen Gegebenheiten entspricht. Daher sind tribologische Untersuchungen am realen Objekt für wichtige Anwendungsfälle unumgänglich, stoßen aber oft auf das Problem, dass, ein Bauteil, dessen Verschleiß untersucht werden soll, nach einer gewissen Betriebsdauer ausgebaut und dann z.B. hinsichtlich des aufgetretenen Verschleißes unter Ermittlung des Oberflächenprofils untersucht werden muss, was in der Regel mit einem erheblichen Aufwand verbunden ist.To determine wear, so-called model test stands (for example from Amsler, Laffon-Eichinger et al.) Are frequently used, on which test specimens of the materials which are tested for their tribological properties in a friction pair occurring in a specific application. However, the transfer of the parameters determined in this way to the specific application, for example to friction bodies of a much larger dimension than that of the test bodies, encounters the difficulty that the tests can only provide orientation values, since the influencing variables on the wear represent a complex conditional structure, on a model test bench never exactly matches the real conditions. Therefore, tribological investigations on the real object are essential for important applications, but often encounter the problem that a component whose wear is to be examined is removed after a certain period of operation and then, e.g. must be examined with regard to the wear occurring under determination of the surface profile, which is usually associated with a considerable effort.
Profilerfassungen an Festkörpern, d.h. Erstellungen von Profilogrammen der Oberfläche, können bekanntermaßen mittels taktiler Verfahren, beispielsweise unter Einsatz eines Tastschnittgerätes, durchgeführt werden, wobei es sich bei Letzterem um ein auf der Berührung einer Tastspitze mit dem Festkörper beruhendes Verfahren handelt, bei dem der Messbereich unter einem Millimeter liegt und bei dem beispielsweise im Zentimeterbereich keine Messwerte gewonnen werden können. Die Messzeit liegt dabei bei mehreren Sekunden pro Messpunkt und das Verfahren ist für eine rauhe Messumgebung nachteiligerweise nicht geeignet.Profile surveys on solids, ie, the preparation of profilograms of the surface, can be known to be carried out by tactile methods, for example using a stylus instrument, the latter being a method based on the contact of a stylus tip with the solid state the measuring range is less than one millimeter and in which, for example, in the centimeter range no measured values can be obtained. The measuring time is several seconds per measuring point and the method is disadvantageously not suitable for a rough measuring environment.
Zur statischen Erfassung von Festkörperprofilen sind auch verschiedene berührungslos arbeitende optische Verfahren bekannt. Derartige Verfahren und die dazugehörigen Vorrichtungen werden, wie beispielsweise in der Monographie von Bernd Breuckmann "Bildverarbeitung und optische Meßtechnik", München: Franzis', 1993, Kapitel 6 beschrieben ist, auch unter dem Begriff "Topometrische 3D-Meßtechnik" subsumiert. Als eines der topometrischen Verfahren wird dabei die Laser-Triangulation beschrieben, wobei unter Triangulation ein von Snellius 1615 erstmals zur Erdvermessung entwickeltes Messverfahren zu verstehen ist, bei dem eine zu ermittelnde Messgröße indirekt aus anderen Messgrößen unter Anwendung trigonometrischer Beziehungen bestimmt wird.For the static detection of solid-state profiles, various non-contact optical methods are known. Such methods and the associated devices are, as described for example in the monograph by Bernd Breuckmann "Image Processing and Optical Measurement", Munich: Franzis', 1993, Chapter 6, also subsumed under the term "topometric 3D measurement". Laser triangulation is described here as one of the topometric methods, triangulation being taken to mean a measuring method first developed by Snellius in 1615 for ground surveying, in which a measured variable to be determined is determined indirectly from other measured variables using trigonometric relationships.
Bei der Laser-Triangulation wird mittels eines Lasers ein Lichtpunkt auf ein Messobjekt projiziert. Das vom Objekt reflektierte Licht, insbesondere Streulicht, wird auf einem Lichtaufnahmeelement, wie einem positionsempfindlichen Detektor, abgebildet. Derartige Detektoren werden im englischen Sprachgebrauch auch als PSD - "position sensitive devices" bezeichnet. Aus der Geometrie des optischen Aufbaus sowie dem Winkel zwischen Beleuchtungs- und Beobachtungsrichtung bestimmt man durch Triangulation die Lage, insbesondere die Höhenlage, des betrachteten Objektpunktes. Laser-Triangulations-Methoden gestatten heute die Durchführung von berührungslosen Messungen im Entfernungsbereich bis zu einigen Metern mit Tiefenauflösungen bis in den μm-Bereich.In laser triangulation, a light spot is projected onto a measurement object by means of a laser. The light reflected from the object, in particular scattered light, is imaged on a light-receiving element, such as a position-sensitive detector. Such detectors are also referred to in English as PSD "position sensitive devices". From the geometry of the optical structure and the angle between the direction of illumination and observation, the position, in particular the altitude, of the observed object point is determined by triangulation. Today, laser triangulation methods allow non-contact measurements in the distance range of up to several meters with depth resolutions down to the μm range.
Eine Erweiterung der Laser-Triangulation stellt ein bekanntes, ebenfalls in der genannten Monographie beschriebenes Verfahren dar, bei dem der Laser-Lichtstrahl zu einem linienförmigen Lichtband, einem sogenannten Lichtschnitt, aufgeweitet wird. Zur Erfassung des reflektierten Lichtes kann dabei ein flächenförmiger Detektor eingesetzt werden, wie beispielsweise eine Videokamera. Die Auswertung erfolgt wiederum unter Zugrundelegung der Triangulation. Charakteristisch für dieses Verfahren ist ein Messbereich der Profilhöhe von 1 mm bis zu 1 m bei einer Auflösung von etwa 1 bis zu 50 Tausendstel dieses Bereiches. In der genannten Monographie wird eine grundsätzliche Eignung des Lichtschnitt-Verfahrens für den Einsatz bei kontinuierlich bewegten Objekten postuliert, zu den Einsatzmöglichkeiten und Grenzen sind jedoch keine Angaben enthalten. Ein Verfahren zur dynamischen, d.h. Echtzeit-Erfassung des Profils eines bewegten Festkörpers stößt jedoch in der Praxis auf das Problem, dass durch die Bewegung der zu vermessenden Oberfläche Verzerrungen auftreten, die eine Vorgehensweise unter Einsatz der klassischen Triangulationsverfahren unmöglich machen, da solchermaßen keine der Realität entsprechenden Messwerte gewonnen werden können.An extension of the laser triangulation represents a known, also described in said monograph method, in which the laser light beam is expanded to a linear band of light, a so-called light section. For detecting the reflected light, a planar detector may be used, such as a video camera. The evaluation is again based on the triangulation. Characteristic of this method is a measuring range of profile height from 1 mm to 1 m with a resolution of about 1 to 50 thousandths of this area. In the abovementioned monograph, a fundamental suitability of the light-section method for use in continuously moving objects is postulated, but there are no details of the possible uses and limits. However, a method for dynamic, ie real-time detection of the profile of a moving solid encounters in practice the problem that the movement of the surface to be measured causes distortions that make a procedure using the classical triangulation method impossible, since in this way none of the reality corresponding measured values can be obtained.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein berührungsloses Verfahren zur dynamischen Erfassung des Profils eines Festkörpers, der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das kurze Messzeiten gestattet, einen mindestens drei Größenordnungen überdeckenden Messbereich, wie Zehntelmillimeter, Millimeter und Zentimeter, umfasst, eine hohe Messgenauigkeit gewährleistet und das unter rauhen Betriebsbedingungen insbesondere zur Verschleißbestimmung von Bauteilen einsetzbar ist.The present invention has for its object to provide a non-contact method for dynamic detection of the profile of a solid, of the type described above, which allows short measurement times, at least three orders of magnitude covering measuring range, such as tenths of millimeters, millimeters and centimeters, includes a high accuracy guaranteed and that can be used under rough operating conditions in particular for the determination of wear of components.
Erfindungsgemäß wird dies durch ein solches Verfahren erreicht, bei dem mindestens ein von einer Lasereinrichtung erzeugter, zu mindestens einem linienförmigen Lichtband aufgeweiteter Lichtstrahl auf mindestens einen Bereich der Oberfläche des Festkörpers projiziert wird, wobei der Festkörper an der Lasereinrichtung vorbeibewegt wird und das von dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers reflektierte Licht in einer Abbildungseinrichtung, deren optische Achse in einem festen Triangulationswinkel zur Projektionsrichtung der Lasereinrichtung steht und die in einem festen Basisabstand zur Lasereinrichtung angeordnet ist, fokussiert und mit einer gegenüber einer Bewegungsgeschwindigkeit des Festkörpers hohen Frequenz mittels eines flächenför- migen Lichtaufnahmeelementes erfasst wird, wonach aus von dem Lichtaufnahmeelement abgegebenen Signalen in Abhängigkeit von dem Triangulationswinkel und dem Basisabstand in einer Datenverarbeitungseinrichtung durch trigonometrische Beziehungen die Messwerte des Profils gewonnen und in der Datenverarbeitungsanlage als Profilogramm gespeichert werden, wobei die Bestimmung einer Bildauslösung, für die vom Lichtaufnahmeelement abgegebene Signale zur Gewinnung der Messwerte des Profils ausgewählt werden, in einer Aufnahmeschleife erfolgt.According to the invention, this is achieved by such a method in which at least one light beam generated by a laser device and expanded to at least one line-shaped light band is projected onto at least one area of the surface of the solid body, wherein the solid body is moved past the laser device and that of the area of the Surface of the solid reflected light in an imaging device whose optical axis is at a fixed triangulation to the projection direction of the laser device and which is arranged at a fixed base distance to the laser device, focused and detected with a relation to a speed of movement of the solid high frequency by means of a surface-shaped light receiving element is, according to which emitted from the light receiving element signals in dependence on the triangulation angle and the base distance in a data processing device by trigonometric relationship the measured values of the profile are obtained and stored in the data processing system as a profilogram, wherein the determination of an image triggering for the signals emitted by the light receiving element for Extraction of the measured values of the profile are selected, takes place in a recording loop.
Bei dem Festkörper kann es sich dabei um einen eine translatorische eine rotierende oder bevorzugt um einen eine rollende Bewegung ausführenden rotationssymmetrischen Körper, insbesondere um ein Fahrzeugrad, handeln. Das erfindungsgemäße Verfahren stellt damit eine äußerst vorteilhafte Möglichkeit dar, Profile eines Rades während der Vorbeifahrt zu bestimmen und daraus Rückschlüsse über den Verschleiß zu ziehen.The solid body may be a rotationally symmetrical body, in particular a vehicle wheel, which is a translational one, or preferably a rolling movement, which executes a rolling movement. The method according to the invention thus represents an extremely advantageous possibility to determine profiles of a wheel while passing by and draw conclusions about the wear therefrom.
Zusätzlich zu einer möglichen Verknüpfung der Messwerte mit entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit des Festkörpers bestimmten Korrekturwerten, die vorteilhafterweise eine nicht durch die Geschwindigkeit "verwischte" Profilbestimmung gestatten, können insbesondere in dem als bevorzugt genannten Fall für eine verzerrungsfreie Ermittlung des Profilogramms auch die Messwerte des Profils unter Verknüpfung mit entsprechend dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers bestimmten Korrekturwerten gewonnen werden.In addition to a possible combination of the measured values with correction values determined in accordance with the movement speed of the solid, which advantageously permit profile determination not "blurred" by the speed, the measured values of the profile under linkage can also be used in a preferred case for distortion-free determination of the profilogram with correction values determined according to the area of the surface of the solid.
Im Sinne einer vollständigen Profilerfassung ist es von Vorteil, wenn mehrere Profilogramme als Teilprofilogramme unter Einsatz von mindestens drei, auf verschiedene Seiten der Oberfläche des Festkörpers liegende Bereiche Lichtbänder projizierenden Lasereinrichtungen und diesen zugeordneten Abbildungseinrichtungen bestimmt werden, die Teilprofilogramme in der Datenverarbeitungsanlage gespeichert werden und daraus ein Gesamtprofilogramm gewonnen wird. Bei einem in der Grundgestalt im wesentlichen zylindrischen oder ringförmigen Festkörper, wie einem Fahrzeugrad, können die mindestens drei Bereiche, auf die die Lichtbänder projiziert werden, dabei bevorzugt auf den beiden Deckflächen und auf der Mantelfläche des Zylinders oder Ringes liegen. Das Profilogramm, die Teilprofilogramme und/oder das Gesamtprofilogramm können dann mit jeweils mit einem oder mehreren Bezugs- profilogrammen verglichen und die jeweiligen Abweichungen von dem jeweiligen Bezugsprofilogramm festgestellt werden, was ein Maß für den aufgetretenen Verschleiß darstellt bzw. ein Maß dafür, ob der aufgetretene Verschleiß noch in einem tolerierbaren Bereich liegt. Unter Zuhilfenahme korrelativer Verknüpfungen zwischen der aufgetretenen Beanspruchungsdauer des Festkörpers und dem festgestellten Verschleiß kann in diesem Zusammenhang auch eine extrapolierende Aussage darüber getroffen werden, wie lange eine weitere Beanspruchungsdauer noch unbedenklich bzw. wann eine erneute Prüfung notwendig erscheint.In the sense of a complete profile detection, it is advantageous if a plurality of profilograms are determined as partial profilograms using at least three areas of light bands projecting on different sides of the surface of the solid, and the partial profilograms are stored in the data processing system and from this Overall profile is obtained. In the case of a substantially cylindrical or annular solid body, such as a vehicle wheel, in the basic shape, the at least three regions onto which the light bands are projected can preferably lie on the two cover surfaces and on the lateral surface of the cylinder or ring. The profilogram, the partial profilograms and / or the overall profilogram can then be compared with one or more reference profilograms and the respective deviations from the respective reference profilogram determined, which is a measure of the wear that has occurred or a measure of whether the occurred Wear is still within a tolerable range. With the help of correlative links between the expected stress duration of the solid and the determined Wear can be made in this context, an extrapolierende statement about how long a further period of use harmless or when a re-examination seems necessary.
Des weiteren ist es von Vorteil, wenn das Profilogramm, die Teilprofilogramme, das Gesamtprofilogramm, das jeweilige Bezugsprofilogramm und/oder die jeweiligen Abweichungen auf eine feste, langzeitlich unveränderliche geometrische Basisgröße, wie einen nichtverschleißenden Radkranzinnenumfang, bezogen werden. Auf diese Weise kann beispielsweise die Verschleißfläche als eine Abwicklung dargestellt werden, auf der das Höhenprofil gegenüber der Basisgröße durch geeignete Darstellungsmittel abgebildet wird. Z.B. können das Profilogramm, die Teilprofilogramme, das Gesamtprofilogramm, das jeweilige Bezugsprofilogramm und/oder die jeweiligen Abweichungen in einer Anzeigevorrichtung, wie einem Display, visualisiert werden.Furthermore, it is of advantage if the profilogram, the partial profilograms, the overall profilogram, the respective reference profilogram and / or the respective deviations are related to a fixed, long-term invariable basic geometrical variable, such as a non-wearing inner rim circumference. In this way, for example, the wear surface can be represented as a development on which the height profile relative to the base size is represented by suitable means of representation. For example, For example, the profilogram, the partial profilograms, the overall profilogram, the respective reference profilogram and / or the respective deviations can be visualized in a display device, such as a display.
Die Basisgröße kann dabei mit Vorteil aus mindestens drei Messwerten ermittelt werden, die ebenfalls durch berührungslose dynamische Messungen am bewegten Festkörper ermittelt werden, welche in der gleichen Art vorgenommen werden wie die Erfassung des Profilogramms bzw. die Erfassung der Teilprofilogramme. Hierzu besteht entweder die Möglichkeit, dass die Messungen am bewegten Festkörper in vorgegebenen Zeitintervallen zu mindestens drei Zeitpunkten mittels eines einzigen zu einem linienförmigen Lichtband aufgeweiteten Lichtstrahles oder dass die Messungen gleichzeitig mittels mindestens dreier, jeweils zu einem linienförmigen Lichtband aufgeweiteter Lichtstrahlen bei vorgegebenen Abstand der Bereiche der Oberfläche des Festkörpers, auf die die Lichtbänder projiziert werden, erfolgen.The basic size can be determined with advantage from at least three measured values, which are also determined by non-contact dynamic measurements on the moving solid, which are made in the same manner as the acquisition of the profilogram or the acquisition of the partial profilograms. For this purpose, there is either the possibility that the measurements on the moving solid at predetermined time intervals at least three times by means of a single expanded to a linear light band light beam or that the measurements simultaneously by at least three, each expanded to a linear light band light beams at a predetermined distance of the areas Surface of the solid on which the light bands are projected done.
Als Lichtaufnahmeelemente können mit Vorteil digitalisierte Signale liefernde Vorrichtungen, wie eine trigger-gesteuerte CCD-Kameras oder positionsempfindliche Detektoren (position sensitive device), wie Fotodiodenfelder, eingesetzt werden. Im ersten Fall ist dabei zu beachten, dass das Lichtaufnahmeelement empfindlich gegenüber der Lichtintensität ist, während es im zweiten Fall der Lichtmenge adäquate Signale liefert.As light-receiving elements, it is possible with advantage to use digitized signal-providing devices, such as a trigger-controlled CCD camera or position-sensitive device, such as photodiode arrays. In the first case, it should be noted that the light-receiving element is sensitive to the light intensity, while it provides adequate signals in the second case of the amount of light.
In der erfindungsgemäß vorgesehenen Aufnahmeschleife kann dabei durch einen Laserdistanzsensor, bei dem es sich insbesondere um das Lichtaufnahmeelement handelt, nach einer Signalkonditionierung insbesondere ein Abstandssignal bereitgestellt werden, d. h. es kann eine Ermittlung von Zuständen des Festkörpers erfolgen, wie des Abstandes zur Lasereinrichtung und einer zeitlichen Veränderung dieses Abstandes als erste Ableitung (Geschwindigkeit) und - bei gegebenenfalls beschleunigter Bewegung - auch zweite Ableitung des Weges nach der Zeit (Beschleunigung). In die Signalkonditionierung können dabei elektrische Spannungen als Ergebnis einer analogen Bereitstellung durch den Laserdistanzsensor Eingang finden.In the receiving loop provided in accordance with the invention, a distance signal can in particular be provided by a laser distance sensor, which is in particular the light receiving element, after a signal conditioning be provided, ie it can be a determination of states of the solid body, such as the distance to the laser device and a change over time of this distance as a first derivative (speed) and - if accelerated movement - also second derivative of the way after the time (acceleration). In the signal conditioning can thereby find electrical voltages as a result of an analog provision by the laser distance sensor input.
Was die erfindungsgemäß eingesetzte Lasereinrichtung betrifft, so haben sich folgende Charakteristika als besonders vorteilhaft erwiesen:As regards the laser device used according to the invention, the following characteristics have proven to be particularly advantageous:
unter dem Aspekt einer hohen Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und einer hohen Messgenauigkeit: Wellenlänge des erzeugten Lichtbandes im Bereich von 400 nm bis 1000 nm, insbesondere im Bereich von 650 bis 700 nm;under the aspect of a high reproducibility of the results and a high accuracy of measurement: wavelength of the generated light band in the range of 400 nm to 1000 nm, in particular in the range of 650 to 700 nm;
ebenfalls unter diesem Aspekt: Leistung der Lasereinrichtung im Bereich von 0,5 bis 50 mW;also under this aspect: power of the laser device in the range of 0.5 to 50 mW;
unter dem Aspekt einer hohen Arbeitssicherheit (Laserklasse 2 nach DIN EN 60825-1 :2001-11): Wellenlänge des Lichtbandes im sichtbaren Bereich und Grenzwert der zugänglichen Strahlung (GZS) der Lasereinrichtung geringer als 1 mW - hierbei ist zu beachten dass bei einer Laserleistung, die höher liegt als 1 mW, durch geeignete Maßnahmen der Grenzwert der zugänglichen Strahlung auf den geforderten Wert abgesenkt werden kann;under the aspect of a high work safety (laser class 2 according to DIN EN 60825-1: 2001-11): Wavelength of the light band in the visible range and limit of the accessible radiation (GZS) of the laser device less than 1 mW - it should be noted that with a laser power , which is higher than 1 mW, can be lowered by appropriate measures, the limit of the accessible radiation to the required value;
unter dem Aspekt der Aufwandsminimierung für das Verfahren (Kosten): Einsatz einer cw- (continous-wave-) Festkörperdiode, beispielsweise aus einem Halbleitermaterial, wie GaAs, AIGaAs, InGaP, GaAsSb, InP, PbSnTe o.a., bestehend, vorzugsweise einer VLD (visible laser diode), ähnlich wie sie in einem Laserpointer zum Einsatz kommt - ein sichtbares Lichtband erleichtert zudem die Justierung der Lasereinrichtung relativ zum zu vermessenden Festkörper. Was die Messbedingungen des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft, so haben sich folgende Charakteristika als besonders vorteilhaft bzw. optimal für eine Profilometrie zum Zweck der Verschleißprüfung erwiesen, wobei für das jeweils ermittelte Profi- logramm, die Teilprofilogramme und das Gesamtprofilogramm eine Auflösung von weniger als 2,0 mm, insbesondere von weniger als 0,5 mm, erzielt werden kann.under the aspect of minimization of costs for the process (cost): use of a continuous wave (cw) diode, for example of a semiconductor material, such as GaAs, AIGaAs, InGaP, GaAsSb, InP, PbSnTe or the like, preferably a VLD (visible laser diode), similar to that used in a laser pointer - a visible light band also facilitates the adjustment of the laser device relative to the solid to be measured. As far as the measuring conditions of the method according to the invention are concerned, the following characteristics have proved to be particularly advantageous or optimal for a profilometry for the purpose of wear testing, with a resolution of less than 2.0 for the respectively determined profilogram, the partial profilograms and the overall profilogram mm, in particular less than 0.5 mm, can be achieved.
Breite des Lichtbandes: im Bereich von 0,3 mm bis 6,5 mm, insbesondere im Bereich von 0,8 mm bis 2,2 mm - durch Divergenz tritt mit gegebenenfalls gewollt zunehmendem mittleren Arbeitsabstand (Messabstand) eine vergrößerte Breite des Lichtbandes auf, die aber die Messgenauigkeit verringert;Width of the light band: in the range of 0.3 mm to 6.5 mm, in particular in the range of 0.8 mm to 2.2 mm - by divergence occurs with possibly intentionally increasing average working distance (measuring distance) on an enlarged width of the light band, but reduces the accuracy of measurement;
Länge des Lichtbandes: im Bereich von 50 mm bis 750 mm, insbesondere im Bereich von 200 mm bis 400 mm - entsprechend der Geometrie des zu vermessenden Bereiches der Oberfläche des Festkörpers;Length of the light band: in the range of 50 mm to 750 mm, in particular in the range of 200 mm to 400 mm - according to the geometry of the area of the surface of the solid to be measured;
Triangulationswinkel: im Bereich von 15° bis 40°, insbesondere im Bereich von 20° mm bis 30°, ein vergrößerter Winkel erhöht die Messgenauigkeit aber auch die Gefahr von inhomogener Ausleuchtung der Oberfläche des Festkörpers und dem Auftreten von Abschattungen;Triangulation angle: in the range of 15 ° to 40 °, in particular in the range of 20 ° mm to 30 °, an increased angle increases the accuracy but also the risk of inhomogeneous illumination of the surface of the solid and the occurrence of shadowing;
Basisabstand zwischen der Abbildungseinrichtung, insbesondere dem Mittelpunkt einer fokussierenden Linse der Abbildungseinrichtung, und der optischen Achse Lasereinrichtung im Bereich von 30 mm bis 450 mm, insbesondere im Bereich von 60 mm bis 270 mm.Base distance between the imaging device, in particular the center of a focusing lens of the imaging device, and the optical axis laser device in the range of 30 mm to 450 mm, in particular in the range of 60 mm to 270 mm.
mittlerer Arbeitsabstand der Lasereinrichtung und/oder der Abbildungseinrichtung von dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers, auf die das Lichtband projiziert wird: im Bereich von 20 mm bis 650 mm, insbesondere im Bereich von 150 mm bis 350 mm;average working distance of the laser device and / or the imaging device from the area of the surface of the solid on which the light band is projected: in the range of 20 mm to 650 mm, in particular in the range of 150 mm to 350 mm;
Geschwindigkeit einer gegebenenfalls translatorischen Bewegung des Festkörpers: kleiner als 3,5 m/s, vorzugsweise kleiner als 1 ,5 m/s; Winkelgeschwindigkeit einer gegebenenfalls rotierenden Bewegung des Festkköörrppeerrss:: I kleiner als 15 s'\ vorzugsweise kleiner als 6 s"1 und vorzugsweise konstant;Speed of an optionally translatory movement of the solid: less than 3.5 m / s, preferably less than 1.5 m / s; Angular velocity of an optionally rotating movement of the solid-state particle :: I less than 15 s ' \ preferably less than 6 s "1 and preferably constant;
Frequenz, mit der das von der Oberfläche des Festkörpers reflektierte Licht mittels des Lichtaufnahmeelementes erfasst wird: im Bereich von 25 Hz bis 100 kHz, vorzugsweise im Bereich von 1 kHz bis 10 kHz.Frequency with which the light reflected from the surface of the solid light is detected by means of the light receiving element: in the range of 25 Hz to 100 kHz, preferably in the range of 1 kHz to 10 kHz.
Was die Frequenz betrifft, so muss diese auf die Bewegungsgeschwindigkeit des Festkörpers abgestimmt sein - eine höhere Frequenz verringert den Einfluss der Geschwindigkeit des Festkörpers auf die Verzerrung der Signale des Lichtaufnahmeelementes. Zur Bestimmung der entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit ermittelten Korrekturwerte, bei denen es sich insbesondere um der Natur der Messwerte des Profi- logramms entsprechende vektorielle, der Bewegungsgeschwindigkeit proportionale Faktoren und/oder Summanden handeln kann, kann daher mit Vorteil eine korrelative Verknüpfung der Bewegungsgeschwindigkeit mit der Frequenz der Erfassung des reflektierten Lichtes erfolgen. Für die angegebenen Bereiche der Geschwindigkeit der Bewegung des Festkörpers sind dabei vorteilhafterweise keine Nichtlinearitäten zu beachten.As far as the frequency is concerned, it must be adapted to the speed of movement of the solid - a higher frequency reduces the influence of the velocity of the solid on the distortion of the signals of the light-receiving element. To determine the correction values determined in accordance with the movement speed, which may be, in particular, vectorial factors and / or summands proportional to the nature of the measured values of the profilogram, it is therefore advantageous to correlate the movement speed with the frequency of the Detecting the reflected light done. For the given ranges of the speed of the movement of the solid, advantageously no non-linearities are to be considered.
Die entsprechend dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers bestimmten Korrekturwerte können insbesondere der Natur der Messwerte des Profils entsprechende vektorielle, in Abhängigkeit von einem Radius des rotationssymmetrischen Körpers bestimmte Faktoren und/oder Summanden sein, wobei es sich bei dem genannten Radius um die gleiche langzeitlich unveränderliche geometrische Basisgröße handeln kann, die als Bezugsgröße zur Ermittlung der Profilogramme dient.The correction values determined in accordance with the area of the surface of the solid may, in particular, be vectorial factors corresponding to the nature of the measured values of the profile, and / or summands depending on a radius of the rotationally symmetrical body, where the said radius is the same long-term invariable geometric Basis variable that serves as a reference for determining the profilograms.
Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung enthalten.Further advantageous embodiments of the invention are contained in the subclaims and in the following detailed description.
Anhand eines durch die beiliegende Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert. Dabei zeigen Fig. 1 in einer schematisierten Seitenansicht, eine Prinzipdarstellung zurReference to an illustrated by the accompanying drawings embodiment, the invention is explained in detail. Show Fig. 1 in a schematic side view, a schematic representation of
Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens,An illustration of the method according to the invention,
Fig. 2 in einer schematisierten perspektivische Ansicht, eine weitere prinzipielleFig. 2 in a schematic perspective view, another principal
Darstellung zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens,Representation to illustrate the method according to the invention,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Verschleißprüfstandes für Räder eines Schienenfahrzeugs, wie Eisenbahnräder, wobei das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung findet,3 is a perspective view of a wear test stand for wheels of a rail vehicle, such as railway wheels, wherein the inventive method is used,
Fig. 4 eine Fig. 3 entsprechende Einzelheit, aus einem hinsichtlich der Bewegungsrichtung von vorn auf die Außenseite eines Rades gewählten Blickwinkel,4 shows a detail corresponding to FIG. 3, from a viewing angle selected with respect to the direction of movement from the front to the outside of a wheel,
Fig. 5 eine Fig. 3 entsprechende Einzelheit, jedoch aus einem hinsichtlich derFig. 5 is a Fig. 3 corresponding detail, but from a respect to the
Bewegungsrichtung von hinten auf die Innenseite eines Rades gewählten Blickwinkel,Direction of movement from the rear to the inside of a wheel
Fig. 6 eine schematisierte Darstellung zur Verfahrensweise bei der Ermittlung einer geometrischen Basisgröße, auf die eine erfindungsgemäß ermitteltes Profilogramm bezogen werden kann,6 is a schematic representation of the procedure in the determination of a geometric base size to which a profilogram determined according to the invention can be obtained,
Fig. 7 und 8 Darstellungen von erfindungsgemäß ermittelten Profilogrammen,7 and 8 representations of inventively determined profilograms,
Fig. 9 einen Programmablaufplan zur Anwendung des erfindungsgemäßen9 shows a program flow chart for the application of the invention
Verfahrens.Process.
In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind gleiche Teile stets auch mit den gleichen Bezugszeichen versehen, so dass sie in der Regel auch jeweils nur einmal beschrieben werden.In the various figures of the drawing, the same parts are always provided with the same reference numerals, so that they are usually described only once in each case.
Wie zunächst Fig. 1 in hinsichtlich des Messobjektes, eines mit der Geschwindigkeit v bewegten Festkörpers 1 , in zweidimensionaler Darstellung zeigt, wird entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren ein von einer Lasereinrichtung 2 ausgehender Lichtstrahl mittels einer nicht dargestellten Optik so fokussiert, dass in einem Messbereich Dz, der sich aus der Differenz eines maximal Messbaren Wertes zmax und eines minimal Messbaren Wertes zmin der Tiefe bzw. der Profilhöhe z ergibt, die Breite b des Strahls in einem vorgegebenen Bereich liegt. Der Lichtstrahl ist dabei zu einem Lichtband 3 aufgeweitet, wie dies in dreidimensionaler Darstellung Fig. 2 zeigt.As is first shown in FIG. 1 in a two-dimensional representation with respect to the measurement object, a solid 1 moved at the speed v, a laser device 2 emanates from a laser device 2 in accordance with the method according to the invention Focused light beam by means of an optical system, not shown, so that in a measuring range Dz, which results from the difference of a maximum measurable value z max and a minimum measurable value z min of the depth or the profile height z, the width b of the beam in a predetermined Area is located. The light beam is widened to a light band 3, as shown in three-dimensional view Fig. 2.
Am Auftreffort zA des Lichtbandes auf die Oberfläche des Festkörpers 1 bildet sich durch diffuse Lichtstreuung (reflektiertes Licht RL) ein Messfleck, der auch aus Richtungen wahrgenommen werden kann, die von der durch die optische Achse O-O der Lasereinrichtung 2 bestimmten Einfallsrichtung abweichen.At the point of incidence z A of the light band on the surface of the solid 1 is formed by diffuse light scattering (reflected light RL) a measuring spot, which can also be perceived from directions that differ from the determined by the optical axis OO of the laser device 2 incident direction.
Wird nun der Messfleck unter dem Triangulationswinkel φ von einer entsprechenden fokussierenden Linse 4 einer Abbildungseinrichtung 5 auf ein flächenförmiges Lichtaufnahmeelement 6 abgebildet, so stellt sich je nach der Entfernung des Auftreffortes zA zwischen einem Minimalwert xmin und einem Maximalwert xmax eine Lage XA des Bildflecks auf dem Lichtaufnahmeelement 6 ein.If the measuring spot under the triangulation angle φ is then imaged by a corresponding focusing lens 4 of an imaging device 5 onto a sheet-like light receiving element 6, then depending on the distance of the point of incidence z A a position X A of a minimum value x min and a maximum value x max Image spot on the light receiving element 6 a.
Die Geometrie des Aufbaus der für das erfindungsgemäße Verfahren verwendeten Einrichtung wird dabei neben dem fest eingestellten Triangulationswinkel φ durch einen festen Basisabstand B der optischen Achse A-A der fokussierenden Optik 4 der Abbildungseinrichtung 5 zur Position der Lasereinrichtung 2 - festgelegt durch deren optische Achse O-O - bestimmt.The geometry of the structure of the device used for the method according to the invention is determined next to the fixed triangulation angle φ by a fixed base distance B of the optical axis A-A focusing optics 4 of the imaging device 5 to the position of the laser device 2 - determined by the optical axis O-O.
Unter Anwendung trigonometrischer Beziehungen kann aus der gemessenen Bildfleckposition xA die Entfernung des Auftreffortes zA, d.h. der Abstand der Oberfläche des Festkörper 1 von der Lasereinrichtung 2 gemäß der GleichungUsing trigonometric relationships, from the measured image spot position x A, the distance of the impact location z A , ie the distance of the surface of the solid 1 from the laser device 2 according to the equation
ZA = H / (1 - B / XA) (1)ZA = H / (1-B / X A ) (1)
bestimmt werden, wobei H ein Abstand der fokussierenden Linse 4 der Abbildungseinrichtung 5 zu deren Lichtaufnahmeelement 6 ist, wie dies Fig. 1 veranschaulicht.where H is a distance of the focusing lens 4 of the imaging device 5 to its light receiving element 6, as illustrated in FIG.
Die relative Messgenauigkeit dzA / zA ergibt sich dabei zu CIZA / ZA = 1 / (1 - XA / B) * CIXA / XA (2),The relative measurement accuracy dz A / z A results here too CIZA / ZA = 1 / (1 - XA / B) * CIXA / XA (2),
wobei die relative Auflösung CIXA / XA der Bildfleckposition von der Geschwindigkeit v des Festkörpers in Relation zu einer Frequenz f, mit der das reflektierte Licht RL vom Bildaufnahmeelement 6 aufgenommen wird, sowie vom Signalrauschen und der Art des Lichtaufnahmeelementes 6 abhängt. Die Größe dzA in Gleichung (2) stellt dabei einen Absolutwert der Messgenauigkeit dar.wherein the relative resolution CIX A / X A of the image spot position depends on the velocity v of the solid in relation to a frequency f at which the reflected light RL is picked up by the image pickup element 6, and the signal noise and the type of the light receiving element 6. The quantity dzA in equation (2) represents an absolute value of the measurement accuracy.
Zur Erhöhung der Auflösung werden die endgültigen Messwerte zB des Profils (in Fig. 1 und 2 mit P bezeichnet) unter Verknüpfung der Werte ZA mit entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit v des Festkörpers 1 bestimmten Korrekturwerten Kv gewonnen, bei denen es sich insbesondere um vektorielle, der Bewegungsgeschwindigkeit v proportionale Faktoren und/oder Summanden handelt. Dabei erfolgt zur Bestimmung der entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit v ermittelten Korrekturwerte Kv eine korrelative Verknüpfung der Bewegungsgeschwindigkeit v mit der Frequenz f der Erfassung des reflektierten Lichtes RL.To increase the resolution, the final measured values z B of the profile (denoted by P in FIGS. 1 and 2) are obtained by combining the values Z A with correction values Kv determined in accordance with the movement speed v of the solid 1, which are in particular vectorial, the movement speed v is proportional factors and / or summands. In this case, to determine the correction values Kv determined in accordance with the movement speed v, a correlation of the movement speed v with the frequency f of the detection of the reflected light RL takes place.
Durch eine Veränderung der vorstehend beschriebenen Geometrie, insbesondere des Basisabstands B, des Triangulationswinkels φ und/oder eines mittleren Arbeitsabstands (in Fig. 1 durch die Länge L veranschaulicht) der Abbildungseinrichtung 5 bzw. der Lasereinrichtung 2 von dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers 1 , auf die das Lichtband 3 projiziert wird, kann vorteilhafterweise der Messbereich Dz und damit zusammenhängend die Messgenauigkeit dzA / zA einfach durch die passende Wahl der geometrischen Größen des Aufbaus frei eingestellt werden. Die einzelnen Einrichtungen brauchen dabei nicht notwendigerweise, wie in Fig. 1 dargestellt, durch ein gemeinsames Gehäuse 7 umfasst sein. Eine Vergrößerung des Messbereichs Dz bewirkt dabei eine Verringerung der Messgenauigkeit und umgekehrt.By changing the geometry described above, in particular the base distance B, the triangulation angle φ and / or an average working distance (illustrated in FIG. 1 by the length L) of the imaging device 5 or the laser device 2 from the area of the surface of the solid 1, On which the light band 3 is projected, advantageously the measuring range Dz and, associated therewith, the measuring accuracy dz A / z A can be freely adjusted simply by the appropriate choice of the geometrical sizes of the structure. The individual devices need not necessarily, as shown in Fig. 1, to be covered by a common housing 7. An enlargement of the measuring range Dz causes a reduction of the measuring accuracy and vice versa.
In der dargestellten Ausführung wurde als Lichtaufnahmeelement 6 eine SONY- Kamera HCC 400 eingesetzt. Da die Auflösung von der Größe des Messbereiches, also vom Messbereich Dz, abhängig ist, bedeutet dies für die Dimensionierung einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass die Anzahl der erfassenden Kameraköpfe unmittelbar von der erforderlichen oder gewählten Auflösung abhängig ist. Zur Aufnahme der Topographie eines dreidimensionalen Festkörpers 1 wird, wie bereits erwähnt und in Fig. 2 dargestellt, das bislang nur zweidimensional betrachtete System in drei Dimensioen betrachtet. Das heisst, es wird mit einem zu einem Lichtband 3 aufgeweiteten Laserstrahl gearbeitet. Man spricht von einem Lichtschnittverfahren. Nachdem das reflektierte Licht RL von dem flächenförmigen Lichtaufnahmeelement 6 erfasst wurde und aus von dem Lichtaufnahmeelement 6 abgegebenen Signalen unter Berücksichtigung des Triangulationswinkels φ und des Basisabstands B in einer nicht dargestellten Datenverarbeitungseinrichtung, wie einem PC, die Messwerte des Profils P bestimmt und in der Datenverarbeitungsanlage als Profilogramm PG gespeichert werden. Stellvertretend für ein solches Profilogramm PG steht in der schematisierten Darstellung von Fig. 2 der entsprechend bezeichnete Linienzug auf dem Lichtaufnahmeelement 6. Profilogramme aus realen Messungen sind in unterschiedlichen Darstellungsarten in Fig. 7 und 8 gezeigt.In the illustrated embodiment, a SONY HCC 400 camera was used as the light receiving element 6. Since the resolution of the size of the measuring range, ie the measuring range Dz, depending, this means for the dimensioning of an apparatus for performing the method according to the invention that the number of detecting camera heads is directly dependent on the required or selected resolution. To record the topography of a three-dimensional solid 1, as already mentioned and illustrated in FIG. 2, the system, which has hitherto only been considered in two dimensions, is considered in three dimensions. That is, it is worked with a widened to a light band 3 laser beam. This is called a light-section method. After the reflected light RL has been detected by the sheet-shaped light receiving element 6 and determined from the light receiving element 6 signals taking into account the Triangulationswinkels φ and the base distance B in a data processing device, not shown, such as a PC, the measured values of the profile P determines and in the data processing system as Profilogram PG are stored. Representing such a profilogram PG, in the schematized representation of FIG. 2, is the correspondingly designated polyline on the light-receiving element 6. Profilograms from real measurements are shown in different representations in FIGS. 7 and 8.
Als auf die auf der Oberfläche des Festkörpers 1 liegende Bereiche Lichtbänder 3 projizierenden Lasereinrichtung 2 wurde ein handelsüblicher Linienlasermodul L200 mit einer Linienlänge LB (Fig. 2) von 300 mm und einer Linienbreite b (Fig. 1) von 1 ,5 mm, einer Laserleistung von 30 mW und mit sichtbarem roten Licht (Wellenlänge 680 nm) eingesetzt.As on the surface of the solid 1 lying areas of light bands 3 projecting laser device 2 was a commercial line laser module L200 with a line length LB (Fig. 2) of 300 mm and a line width b (Fig. 1) of 1, 5 mm, a laser power of 30 mW and with visible red light (wavelength 680 nm) used.
Fig. 3 zeigt - wie ebenfalls bereits erwähnt - eine typische Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und zwar zur Verschleißbestimmung. Die Darstellung gibt eine perspektivische Ansicht eines Verschleißprüfstandes 8 wieder, der für auf Schienen 9 rollende, mit einer translatorischen Geschwindigkeit v und einer Winkelgeschwindigkeit ω vorbei bewegte, Räder 1a als zu vermessende Festkörper 1 , konzipiert ist.Fig. 3 shows - as also mentioned above - a typical application of the method according to the invention, namely for the determination of wear. The illustration shows a perspective view of a wear test stand 8, which is designed for rolling on rails 9, with a translational speed v and an angular velocity ω over, moving wheels 1a designed as to be measured solid 1.
Aus der zeichnerischen Darstellung ist ersichtlich, dass es bei diesem Verschleißprüfstand 8 vorgesehen ist, mehrere Profilogramme PG als Teilprofilogramme (in Fig. 7 auch als PGa, PGb und PGC bezeichnet) unter Einsatz von drei, auf verschiedene Seiten Di, D2, M der Oberfläche des Festkörpers 1 liegende Bereiche Lichtbänder 3a, 3b, 3c projizierenden Lasereinrichtungen 2 und diesen zugeordneten Abbildungseinrichtungen 5 bestimmt werden. Die Teilprofilogramme PGa, PGb und PGC können in der Datenverarbeitungsanlage gespeichert und daraus ein Gesamtprofilogramm GPG gewonnen werden.It can be seen from the graphic representation that it is provided in this wear test stand 8, a plurality of profilograms PG as partial profilograms (also referred to in Fig. 7 as PG a , PGb and PG C ) using three, on different sides Di, D 2 , M the regions of the surface of the solid 1 lying light bands 3a, 3b, 3c projecting laser devices 2 and the associated imaging devices 5 are determined. The partial profilograms PG a , PGb and PG C can be found in the Data processing system stored and from an overall profile GPG are obtained.
Das Rad 1a des Schienenfahrzeugs 10 stellt einen rotationssymmetrischen, in der Grundgestalt im wesentlichen zylindrischen bzw. ringförmigen Festkörper 1 , dar, wobei die drei Bereiche, auf die die Lichtbänder 3a, 3b, 3c projiziert werden, auf den beiden Deckflächen Di, D2 und auf der Mantelfläche M des Zylinders bzw. des Ringes liegen. Wie Fig. 3 und im Detail Fig. 4 und 5 zeigen, brauchen die drei Lichtbänder 3a, 3b, 3c für die Ermittlung des Gesamtprofilogramm GPG keinen geschlossenen Linienzug zu bilden. Es ist auch nicht notwendig, dass das auf die Mantelfläche M projizierte Lichtband 3b parallel zur Achse des Rades 1a verläuft. Eine entsprechende Abweichung von der Achsparallelität kann dadurch ausgeglichen werden, dass die Messwerte zB des Profils P unter Verknüpfung mit entsprechend dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers bestimmten Korrekturwerten Ko gewonnen werden.The wheel 1a of the rail vehicle 10 represents a rotationally symmetrical, in the basic shape substantially cylindrical or annular solid 1, wherein the three areas on which the light bands 3a, 3b, 3c are projected on the two cover surfaces Di, D 2 and lie on the lateral surface M of the cylinder or the ring. As shown in FIG. 3 and in detail in FIGS. 4 and 5, the three light bands 3a, 3b, 3c need not form a closed polyline for the determination of the overall profileogram GPG. It is also not necessary for the light band 3b projected onto the lateral surface M to extend parallel to the axis of the wheel 1a. A corresponding deviation from the axis parallelism can be compensated for by obtaining the measured values z B of the profile P by linking with correction values Ko determined in accordance with the area of the surface of the solid.
Fig. 5 veranschaulicht die erste und Fig. 6 die zweite der erwähnten Möglichkeiten um einen Radkranzinnenradius R des Rades 1a als feste, langzeitlich unveränderliche geometrische Basisgröße, auf die das Profilogramm PG, die Teilprofilogramme PGa, PGb, PGc und das Gesamtprofilogramm GPG bezogen werden können, zu ermitteln. Der Radius R wird dabei in beiden Fällen aus mindestens drei Messwerten zi, Z2, Z3 ermittelt, die durch berührungslose dynamische Messungen am bewegten Rad 1a ermittelt werden und welche in der gleichen Art vorgenommen werden wie die Erfassung des Profilogramms PG bzw. die Erfassung der Teilprofilogramme PGa, PGb, PGC.Fig. 5 illustrates the first and Fig. 6, the second of the possibilities mentioned around a Radkranzinnenradius R of the wheel 1a as a fixed, long-term immutable geometric base size to which the profilogram PG, the partial profilograms PG a , PGb, PGc and the overall profile GPG are related can determine. The radius R is in both cases determined from at least three measured values zi, Z 2 , Z 3 , which are determined by contactless dynamic measurements on the moving wheel 1a and which are made in the same way as the acquisition of the profilogram PG or the detection subprofiles PG a , PGb, PG C.
Gemäß Fig. 5 werden die berührungslosen dynamischen Messungen am rollenden Rad 1a gleichzeitig mittels mindestens dreier, jeweils zu einem linienförmigen Lichtband 3c1 , 3c2, 3c3 aufgeweiteter Lichtstrahlen bei jeweils vorgegebenen Abständen N1 , N2 der Bereiche der Oberfläche des Festkörpers 1 , auf die die Lichtbänder 3c1 , 3c2, 3c3 projiziert werden, vorgenommen.According to Fig. 5, the non-contact dynamic measurements on the rolling wheel 1a simultaneously by means of at least three, each to a linear band of light 3c1, 3c2, 3c3 expanded light beams at each predetermined intervals N1, N2 of the areas of the surface of the solid 1, to which the light bands 3c1 , 3c2, 3c3 are projected.
Gemäß Fig. 6 werden die berührungslosen dynamischen Messungen am rollenden Rad 1a in vorgegebenen Zeitintervallen Δt zu mindestens drei Zeitpunkten ti, t2, t3 mittels eines einzigen zu einem linienförmigen Lichtband 3c aufgeweiteten Lichtstrahls vorgenommen. Die Messungen erfolgen somit unidirektional, d.h. bei gleicher Ausrichtung der jeweiligen Lichtbänder 3c, 3c1 , 3c2, 3c3, jeweils an drei Punkten Si, S2, S3, wobei drei auf einem Kreisbogen mit dem Radius R liegende Messwerte zi, Z2, z3 als Ordinatenwerte der Punkten Si, S2, S3 in einem kartesischen Koordinatensystems ermittelt werden. Die den Punkten Si, S2, S3 nach der Art, wie in Fig. 6 gezeigt ist, zugeordneten Messwerte zi, Z2, z3 entsprechen jeweils einer Messlänge des linienförmi- gen Lichtbandes 3c bzw. 3c1 , 3c2, 3c3. Die Messlängen des linienförmigen Lichtbandes 3c bzw. 3c1 , 3c2, 3c3 können für diese Zuordnung problemlos derart transformiert werden, dass die Messwerte zi, Z2, Z3 jeweils die halbe Länge einer Sehne sh, sl2, SI3 durch den Kreisbogen repräsentieren. Die jeweils diesen Messwerten zi, Z2, Z3 zugehörigen Abszissenwerte xi, X2, X3 - in Fig. 6 jeweils als zu den drei Zeitpunkten ti, .2, t3 vorliegende Abstände des Kreismittelpunktes Mi, M2, M3 vom Lichtband 3c eingezeichnet - ergeben sich entweder im ersten Fall aus den Abständen N1 , N2 gemäß Fig. 5 oder im zweiten Fall aus den durch die drei Zeitpunkte ti, t2, t3 der Messung vorgegebenen Zeitintervalle Δt durch Multiplikation der Zeitintervalle Δt mit der Winkelgeschwindigkeit ω. Die Winkelgeschwindigkeit ω kann dabei entweder fest vorgegeben sein oder ebenfalls durch berührungslose dynamische Messungen am rollenden Rad 1a mittels eines oder mehrerer linienförmiger Lichtbänder 3 ermittelt werden. Die Auswertung wird erleichtert, wenn die Geschwindigkeit, also einerseits die rotierende und damit andererseits auch die translatorische Bewegung des Rades 1a konstant ist.According to FIG. 6, the non-contact dynamic measurements on the rolling wheel 1a are made at predetermined time intervals Δt at least three times ti, t 2 , t 3 by means of a single light beam expanded to a line-shaped light band 3c. The measurements thus take place unidirectionally, ie with the same orientation of the respective light bands 3c, 3c1, 3c2, 3c3, in each case at three points Si, S2, S3, three measured values zi, Z 2 , z 3 lying on a circular arc of radius R as Ordinatenwerte the points Si, S2, S3 are determined in a Cartesian coordinate system. The measured values zi, Z 2 , z 3 assigned to the points Si, S 2 , S 3 according to the manner shown in FIG. 6 correspond in each case to a measuring length of the line-shaped light band 3c or 3c1, 3c2, 3c3. The measurement lengths of the line-shaped light band 3c or 3c1, 3c2, 3c3 can be easily transformed for this assignment such that the measured values zi, Z 2 , Z3 each represent half the length of a chord sh, sl 2 , SI 3 through the circular arc. Each of these measurement values zi, Z 2, Z xi 3 corresponding abscissa values, X2, X3 - of Figure 6, respectively as the three points in time ti, .2, 3 present distances t of the circle center point Mi, M 2, M 3 by the light band. 3c are shown either in the first case from the distances N1, N2 according to FIG. 5 or in the second case from the time intervals Δt predetermined by the three times ti, t 2 , t 3 of the measurement by multiplying the time intervals Δt by the angular velocity ω , The angular velocity ω can either be fixed or likewise determined by non-contact dynamic measurements on the rolling wheel 1a by means of one or more linear light bands 3. The evaluation is facilitated if the speed, ie on the one hand the rotating and thus on the other hand also the translatory movement of the wheel 1a is constant.
Der Bezugsradius R des rollenden Rades 1a kann nach der Bestimmung der Messwerte zi, Z2, Z3 aus folgendem Gleichungssystem ermittelt werden:The reference radius R of the rolling wheel 1a can be determined from the following equation system after the determination of the measured values zi, Z 2 , Z 3 :
R2 = X12 + Z1 2 (3)R 2 = X1 2 + Z 1 2 (3)
R2 = X2 2 + Z2 2 (4)R 2 = X 2 2 + Z 2 2 (4)
R2 = X3 2 + Z3 2 (5)R 2 = X 3 2 + Z 3 2 (5)
Xi - X2 = k * (x2 - X3) (6).Xi - X 2 = k * (x 2 - X 3 ) (6).
Die Größen R, sowie xi, X2 und X3 stellen darin jeweils Unbekannte dar. Die Größe k in Gleichung (6) ist ein bekannter, den vorgegebenen Zeitintervallen Δt oder den Abständen N1 , N2 der Bereiche der Oberfläche des Rades 1a entsprechender Faktor, der für den bevorzugten Fall konstanter Zeitintervalle Δt bzw. äquidistanter Abstände N1 , N2 den Wert 1 annimmt.The quantities R and xi, X 2 and X 3 each represent unknowns therein. The quantity k in equation (6) is a known factor corresponding to the predetermined time intervals Δt or the distances N1, N2 of the areas of the surface of the wheel 1a, of the for the preferred case of constant time intervals Δt or equidistant distances N1, N2 assumes the value 1.
Der ermittelte Radius R kann einerseits als Grundlinie für die Messwerte ZB der Profilhöhe dienen, die auf der Mantelfläche M des Rades 1a ermittelt werden, andererseits ist es möglich, diesen Radius R zur Bestimmung von Korrekturwerten Ko, die entsprechend dem vom Lichtband 3 bzw. 3a, 3b, 3c 3c1 , 3c2, 3c3 beleuchteten Bereich der Oberfläche des Festkörpers 1 berücksichtigt werden, heranzuziehen. Die Notwendigkeit der Berücksichtigung derartiger Korrekturwerte Ko ergibt sich beispielsweise daraus, dass die Sehnen sh, Sl2, Sl3 in Fig. 6 jeweils unterschiedliche Zentriwinkel aufspannen, wodurch sich unterschiedliche lokale Profilverzerrungen einstellen. Die Zentriwinkel liegen dabei bei zwischen 0° im ersten Extremfall, wenn das Lichtband 3c eine Tangente an den Umfang des betrachteten Kreisbogens des Rades 1a bildet und bei 180° im anderen Extremfall, wenn das Lichtband 3c mit dem Durchmesser 2R des betrachteten Kreisbogens des Rades 1a zusammenfällt. Die größte Sehnenlänge sb enthält die meisten Informationen über das zu bestimmende Profil und weist die geringste lokale Verzerrung auf.The determined radius R can on the one hand serve as a baseline for the measured values Z B of the profile height, which are determined on the lateral surface M of the wheel 1a, on the other hand it is possible to determine this radius R for the determination of correction values Ko corresponding to that of the light band 3 or 3a, 3b, 3c 3c1, 3c2, 3c3 illuminated area of the surface of the solid 1 are taken into account. The necessity of taking into account such correction values Ko arises, for example, from the fact that the chords sh, Sl 2 , Sl 3 in FIG. 6 each span different central angles, as a result of which different local profile distortions occur. The central angles are between 0 ° in the first extreme case when the light band 3c forms a tangent to the circumference of the considered circular arc of the wheel 1a and 180 ° in the other extreme case when the light band 3c with the diameter 2R of the considered circular arc of the wheel 1a coincides. The largest chord length sb contains most information about the profile to be determined and has the least local distortion.
Aus diesen Gründen ist es daher außerordentlich vorteilhaft, wenn das in Fig. 7 dargestellte Gesamtprofilogramm GPG eines rollenden Festkörpers 1 , im dargestellten Fall des Rades 1a, aus drei von den beiden Deckflächen Di, D2 und auf der Mantelfläche M gleichzeitig zu einem Erfassungzeitpunkt tk bestimmten Teilprofilogrammen gewonnen wird, wobei der Erfassungszeitpunkt tk der einzelnen Teilprofilogramme derart gewählt wird, dass ein zu diesem Erfassungszeitpunkt tk ermittelter Messwert Zk - im vorliegenden Fall Z3 - aus mindestens drei auf einem Kreisbogen mit dem Radius R in einer der Deckflächen Di, D2 liegenden, jeweils zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten ti, t2, t3 und unidirektional aus der jeweiligen Länge LB des linienförmigen Lichtbandes 3c, 3c1 , 3c2, 3c3 bestimmten Messwerten zi, Z2, Z3, die jeweils der halben Länge einer Sehne sh, Sl2, Sl3 durch den Kreisbogen entsprechen, ein Maximum annimmt. Selbstverständlich ist die Anwendung dieses Kriteriums der Wahl des Erfassungszeitpunkt tk nicht auf drei Messwerte zi, Z2, Z3 beschränkt. Bei der Zugrundelegung von mehr als drei Messwerten zi, Z2, Z3 können sogar noch bessere Ergebnisse erzielt werden, insofern die ermittelte größte halbe Sehnenlänge Sl3 weniger vom Radius R abweicht bzw. denselben Wert wie der Radius R annimmt. Fig. 7 zeigt des Weiteren, dass das jeweilige Profilogramm PG, die Teilprofilogramme PGa, PGb, PGc und/oder das Gesamtprofilogramm GPG mit jeweils einem oder mehreren Bezugsprofilogramm(en) - in der zeichnerischen Darstellung ein Bezugs- profilogramm BP1 für maximale Messwerte zB des Profils P und ein Bezugsprofilo- gramm BP2 für minimale Messwerte ZB des Profils P verglichen und die jeweiligen Abweichungen ΔPG von dem jeweiligen Bezugsprofilogramm BP1 , BP2 festgestellt werden können. Im dargestellten Fall treten derartige Abweichungen in dem strichpunktiert dargestellten Bereich auf. Bei den Bezugsprofilogrammen BP1 , BP2 kann es sich bevorzugt um zulässige Sollmaße handeln, ein Bezugsprofilogramm BP1 , BP2 könnte aber auch ein gespeicherter Datensatz von Messwerten zB aus einer früheren Messung sein, so dass die jeweiligen Abweichungen ΔPG Aufschluss darüber geben, wie groß der seit der zurückliegenden Messung aufgetretene Verschleiß ist.For these reasons, it is therefore extremely advantageous if the overall profile GPG shown in Fig. 7 of a rolling solid 1, in the illustrated case of the wheel 1a, from three of the two top surfaces Di, D 2 and on the lateral surface M simultaneously to a detection time t k certain Teilprofilogrammen is obtained, wherein the detection time t k of the individual Teilprofilogramme is selected such that a measured at this detection time t k measured value Z k - in the present case Z 3 - from at least three on a circular arc with the radius R in one of the top surfaces Di, D 2 lying, in each case at successive times ti, t 2 , t 3 and unidirectionally from the respective length LB of the linear band of light 3c, 3c1, 3c2, 3c3 determined measured values zi, Z 2 , Z 3 , each half the length of a Shear sh, Sl 2 , Sl 3 correspond by the arc, takes a maximum. Of course, the application of this criterion of the choice of the detection time t k is not limited to three measured values zi, Z 2 , Z 3 . On the basis of more than three measured values zi, Z 2 , Z 3 , even better results can be achieved insofar as the determined largest half chord length Sl 3 differs less from the radius R or assumes the same value as the radius R. FIG. 7 further shows that the respective profilogram PG, the partial profilograms PG a , PGb, PGc and / or the overall profilogram GPG are each provided with one or more reference profilograms (s) - in the drawing a reference profilogram BP1 for maximum measured values z B of the profile P and a Bezugsprofilo- gram BP2 for minimum measured values Z B of the profile P compared and the respective deviations .DELTA.PG can be determined by the respective reference profile BP1, BP2. In the case shown, such deviations occur in the area shown in dash-dotted lines. The reference profilograms BP1, BP2 can preferably be admissible nominal dimensions, but a reference profilogram BP1, BP2 could also be a stored data set of measured values z B from an earlier measurement, so that the respective deviations ΔPG provide information about how large the the past measurement has occurred wear.
Während die Darstellung des Profils P in Fig. 7 nur eine zweidimensionale ist, bei der die Messwerte ZB des Profils P als Linienzug - Vektoren x, z - über den Querschnitt Q des Rades 1a dargestellt sind, veranschaulicht die Darstellung des Profils P in Fig. 8 den dreidimensionalen Charakter des erfindungsgemäßen Verfahrens. In Fig. 8 sind über der unter Zuhilfenahme des oben erwähnten Radius R ermittelten Abwicklung der Deckfläche Di des Rades 1a, durch verschiedene Grauwerte die Messwerte ZB des Profils P als Vektoren x, y, z dargestellt. Der Absolutwert der Auflösung dzA entsprechend Gleichung (2) liegt bei weniger als 0,5 mm, z. B. bei 0,4 mm. Die mit Q bezeichnete, durch Einkreisung markierte Linie bezeichnet dabei den in Fig. 7 dargestellten Querschnitt Q des Rades 1a, wobei an dieser Stelle - wie angegeben - das Teilprofil PGa gemäß Fig. 7 vorliegt. Anstelle der Grauwerte können im Sinne der Erhöhung der Anschaulichkeit in einem geeigneten Display auch Farben zur Darstellung verwendet werden.While the representation of the profile P in FIG. 7 is only a two-dimensional one, in which the measured values Z B of the profile P are shown as a line vector x, z over the cross section Q of the wheel 1a, the illustration of the profile P in FIG 8 shows the three-dimensional character of the method according to the invention. In FIG. 8 the measured values Z B of the profile P are shown as vectors x, y, z by means of different gray values over the development of the cover surface Di of the wheel 1a determined with the aid of the above-mentioned radius R. The absolute value of the resolution dz A according to equation (2) is less than 0.5 mm, e.g. B. at 0.4 mm. The designated Q, marked by encircling line indicates the cross-section shown in Fig. 7 Q of the wheel 1a, wherein at this point - as indicated - the partial profile PG a of FIG. 7 is present. Instead of the gray values, in order to increase the clarity in a suitable display, colors can also be used for display.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht vorteilhafterweise die Erfassung eines Profils P in einer außerordentlich kurzen Bestimmungszeit. So kann in einer Zeit von 5 Sekunden mit Hilfe von beidseitig von Schienen 9, auf denen ein Schienenfahrzeug 10 vorbeirollt, angeordneten Lasereinrichtungen 2 und Abbildungseinrichtungen 5 für fünf Drehgestelle, d.h. zehn Radsätze, also 20 Räder 1a, jeweils ein dreidimensionales Gesamtprofilogramm GPG erstellt werden. Der in Fig. 9 dargestellte Programmablaufplan zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist insbesondere auf die berührungslose Erfassung des Profils von Rädern eines Schienenfahrzeugs, wie Eisenbahnrädern, zugeschnitten. Ein solches Rad ist - wie erwähnt - mit dem Bezugszeichen 1a versehen an dem Schienenfahrzeug 10 in Fig. 3 exemplarisch dargestellt.The inventive method advantageously allows the detection of a profile P in an extremely short determination time. Thus, in a time of 5 seconds by means of both sides of rails 9, on which a rail vehicle 10 rolls past, arranged laser devices 2 and imaging devices 5 for five bogies, ie ten sets of wheels, ie 20 wheels 1a, respectively, a three-dimensional overall profile GPG are created. The program flow chart shown in FIG. 9 for the application of the method according to the invention is particularly tailored to the non-contact detection of the profile of wheels of a rail vehicle, such as railway wheels. Such a wheel is - as mentioned - provided with the reference numeral 1a shown on the rail vehicle 10 in Fig. 3 by way of example.
Der Programmablaufplan umfasst insbesondere eine Aufnahmeschleife 100 zur dynamischen Erfassung des Profils P des Festkörpers 1 bzw. 1a, die nach einer Anforderung 90 von einem Server nach Systemstart-Vorgängen in Gang gesetzt wird, die in Fig. 9 durch den mit dem Bezugszeichen 95 gekennzeichneten Kasten symbolisiert sind und die die Ansteuerung einer Ampel für das Schienenfahrzeug 10, die Aktivierung eines Triggers zur Bildauslösung in dem Lichtaufnahmeelement 6 sowie ein Einschalten der Lasereinrichtung 2 umfassen können.In particular, the program flowchart comprises a pick-up loop 100 for dynamically detecting the profile P of the solid 1 or 1a, which is started after a request 90 from a server for system start-up operations, which in FIG. 9 is indicated by the box marked with the reference numeral 95 are symbolized and may include the activation of a traffic light for the rail vehicle 10, the activation of a trigger for image triggering in the light receiving element 6 and switching on the laser device 2.
In der Aufnahmeschleife 100 wird dabei durch einen Laserdistanzsensor 101 , bei dem es sich insbesondere um das Lichtaufnahmeelement 6 handelt, nach einer Signal- konditionierung 102 insbesondere ein Abstandssignal 103 bereitgestellt, d. h. es erfolgt eine Ermittlung von Zuständen des Festkörpers 1 , 1a, wie des Abstandes zur Lasereinrichtung 2 und einer zeitlichen Veränderung dieses Abstandes als erste Ableitung (Geschwindigkeit) und - bei gegebenenfalls beschleunigter Bewegung - auch zweite Ableitung des Weges nach der Zeit (Beschleunigung). In die Signalkonditionierung 102 können dabei elektrische Spannungen als Ergebnis einer analogen Bereitstellung durch den Laserdistanzsensor 101 Eingang finden.In the receiving loop 100, a distance signal 103 is provided in particular by a laser distance sensor 101, which is in particular the light receiving element 6, after a signal conditioning 102, that is to say a spacing signal 103. H. there is a determination of states of the solid body 1, 1a, such as the distance to the laser device 2 and a temporal change of this distance as a first derivative (speed) and - if accelerated movement - also second derivative of the way after the time (acceleration). In the signal conditioning 102 can thereby find electrical voltages as a result of an analog provision by the laser distance sensor 101 input.
In dem Verfahrensschritt "Signalauswertung" 104 erfolgt dann entsprechend den ermittelten Anfangszuständen des Festkörpers 1 , 1a, insbesondere aus dem Abstandssignal 103 die Bestimmung von entweder - unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit Fig. 5 beschriebene Methode - einem Erfassungszeitpunkt, an dem drei, für drei unterschiedliche Lichtbänder 3c1 , 3c2, 3c3 aus dem Lichtaufnahmeelement 6 abgegebene, im Weiteren zur Gewinnung der Messwerte zB des Profils P bestimmte Signale zunächst aufgenommen werden, oder - unter Bezugnahme auf die im Zusammenhang mit Fig. 6 beschriebene Methode - von mindestens drei Zeitpunkten ti, t2, t3, an denen für nur ein Lichtband 3c aus dem Lichtaufnahmeelement 6 abgegebene Signale, die im Weiteren zur Gewinnung der Messwerte zB des Profils P verwendet werden, zunächst aufgenommen werden.In the method step "signal evaluation" 104, the determination of either - with reference to the method described in connection with FIG. 5 - then takes place according to the determined initial states of the solid 1, 1 a, in particular from the distance signal 103 - a detection time at which three, for three different light bands 3c1, 3c2, 3c3 emitted from the light receiving element 6, further determined to obtain the measured values z B of the profile P signals are first recorded, or - with reference to the method described in connection with FIG. 6 - of at least three times ti, t 2 , t 3 , at which for only one light band 3c emitted from the light receiving element 6 Signals that are subsequently used to obtain the measured values z B of the profile P, are first recorded.
Im Detail bedeutet dies, dass unter der Wirkung von Initiatoren 105A, 105B, 105C - je nach Methode - in einem Lichtaufnahmeelement 6, z. B. in der Kamera, oder in drei Lichtaufnahmeelementen 6, jeweils eine Bildauslösung 106A, 106B, 106C erfolgt. Die dabei aufgenommenen Bilder können dabei in einem Frame-Buffer, d. h. einem, vorzugsweise zyklisch arbeitenden, sequentiellen Bildspeicher, z. B. der Kamera, zwischengespeichert werden.In detail, this means that under the action of initiators 105A, 105B, 105C - depending on the method - in a light receiving element 6, z. B. in the camera, or in three light receiving elements 6, each image triggering 106A, 106B, 106C takes place. The captured images can be stored in a frame buffer, d. H. a, preferably cyclically operating, sequential image memory, for. As the camera, cached.
Die Bildauslösung 106A, 106B, 106C sollte dabei bevorzugt mit dem Kriterium möglichst großer Zeitnähe zu dem Zeitpunkt erfolgen, an dem die Ermittlung der anfänglichen Zustände des Festkörpers 1 , 1a erfolgt ist, da sich für diesen Fall die jeweils vorliegenden Signale in für die Signalauswertung vorteilhafter Weise nur wenig unterscheiden, d. h. insbesondere der Abstand von der Lasereinrichtung 2 sich nur wenig verändert hat.In this case, the image triggering 106A, 106B, 106C should preferably take place with the criterion of the greatest possible proximity to time at the time at which the initial states of the solid state 1, 1a were determined, since the signals present in each case are more advantageous for the signal evaluation in this case Differ only slightly, d. H. in particular, the distance from the laser device 2 has changed only slightly.
Die Signalauswertung 104, bevorzugt des Abstandssignals 103, kann dabei insbesondere mittels einer sogenannten „Easy Logic" vorgenommen werden, die mit Vorteil in eine vorhandene Datenverarbeitungseinrichtung integriert werden kann. Unter „Easy Logic" wird dabei eine programmierbare Einrichtung verstanden, die es gestattet, verschiedene zeitbasierende logische Abfolgen zu konfigurieren. Derartige Einrichtungen, die auch unter dem Namen PLD - Programmable Logic Devices - bzw. insbesondere unter dem Namen SPLD - Simple Programmable Logic Devices - subsumiert werden können, gestatten es einem Anwender mit Hilfe geeigneter Software, vorzugsweise einer Relay Ladder Logic, - beispielsweise durch eine Programmierung im System (InSystem-Programming, ISP) - eine in gewünschter Weise vorherbestimmte logische und zeitliche Relation zwischen einem oder mehreren Inputs, im vorliegenden Fall insbesondere dem Abstandssignal 103, und einem oder mehreren Outputs, im vorliegenden Fall insbesondere den Initiatoren 105A, 105B, 105C, herzustellen. In der Easy Logic kann somit zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Zeitbereich festgelegt sein, in dem unter dem Gesichtspunkt der zu erwartenden Bildgüte eine Bildaufnahme zulässig bzw. vorzugsweise auch optimal erscheint. Dieser Zeitbereich kann beispielsweise ein Bereich sein, in dem die entsprechend dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers 1 , 1a bestimmten Korrekturwerte Ko und/oder die entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit v des Festkörpers 1 , 1a bestimmten Korrekturwerte Kv - vorzugsweise als fest vorgegebene Werte, d. h. ohne Dynamisierung - ihre Gültigkeit besitzen. Im Vergleich mit diskreten logischen Einrichtungen führt der Einsatz der Easy Logic zu einem verringerten gerätetechnischen Aufwand (Leiterkarten, Stecker, Verbindungen) und zu einem verringerten montagetechnischen Aufwand (Verdrahtung, Bondung) bei der Schaltungsherstellung sowie zu einer kompakteren möglichen Bauweise.The signal evaluation 104, preferably of the distance signal 103, can be carried out in particular by means of a so-called "Easy Logic", which can be advantageously integrated into an existing data processing device "Easy Logic" is understood to mean a programmable device which allows various Configure time-based logical sequences. Such devices, which can also be subsumed under the name PLD - Programmable Logic Devices - or in particular under the name SPLD - Simple Programmable Logic Devices - allow a user with the help of suitable software, preferably a Relay Ladder Logic, - for example by a Programming in the system (InSystem-Programming, ISP) - a desired predetermined logical and temporal relation between one or more inputs, in the present case in particular the distance signal 103, and one or more outputs, in the present case in particular the initiators 105A, 105B, 105C. In the Easy Logic can thus be set to implement the method according to the invention, a time range in which from the point of view of the expected image quality an image recording allowed or preferably also appears optimal. This time range can be, for example, an area in which the according to the Area of the surface of the solid 1, 1a certain correction values Ko and / or according to the speed of movement v of the solid 1, 1a certain correction values Kv - preferably as fixed values, ie without dynamization - have their validity. In comparison with discrete logic devices, the use of Easy Logic leads to a reduced expenditure on equipment (printed circuit boards, connectors, connections) and to a reduced installation effort (wiring, bonding) in circuit production and to a more compact possible construction.
Nach der Bildauslösung 106A, 106B, 106C, bei der die Bilder insbesondere als Bildmatrizes 107A, 107B, 107C erfasst werden, erfolgt eine - insbesondere von der Geschwindigkeit des Festkörpers 1 , 1a abhängige - Bildauswahl, für die im Programmablaufplan das Bezugszeichen „IS" (Image Selection) steht. Die im Ergebnis der Bildauswahl IS vorliegende, für die Messwerte ZB des Profils P repräsentative, Bildmatrix 107 wird einer Speicherung 108 - bevorzugt mit den jeweils dazugehörigen Werten des Abstandes bzw. Messortes und/oder der Zeit, z. B. eines der Zeitpunkte ti, .2 oder .3 - zugeführt. Gleichzeitig erfolgt dabei die Zurücksetzung 109 eines Timers. Die beschriebenen Vorgänge laufen, wie durch die Aufnahmeschleife 100 veranschaulicht wird, wiederholt ab.After the image triggering 106A, 106B, 106C, in which the images are acquired, in particular, as image matrices 107A, 107B, 107C, a selection of images, in particular dependent on the speed of the solid 1, 1a, takes place, for which in the program flowchart the reference symbol "IS" (FIG. The image matrix 107, which is present as a result of the image selection IS and representative of the measured values Z B of the profile P, is stored - preferably with the respectively associated values of the distance or measuring location and / or time, eg at one of the times t i, 2 or 3 - at the same time, the resetting 109 of a timer is performed at the same time as described by the recording loop 100.
Als Abbruchkriterien für die Prozesse in der Aufnahmeschleife 100 dienen die durch die mit den Bezugszeichen 110 und 111 bezeichneten Kästen veranschaulichten Bedingungsüberprüfungen. Es wird dabei einerseits überprüft (Kasten 110), ob der Timer bereits mehr 10 s läuft, und andererseits, ob alle Achsen des Schienenfahrzeugs 10 aufgenommen sind (Kasten 111). Trifft eine dieser Bedingungen zu, wird die Bildaufnahme gestoppt (Kasten 112). Die Frage, ob der Timer bereits mehr 10 s läuft, zielt dabei darauf ab, festzustellen, ob der Festkörper 1 bzw. 1a eventuell zu einem Stillstand gekommen ist. Nach dem Stoppen 112 der Bildaufnahme können die gespeicherten Bilddaten 108 an den Server gesendet werden (Kasten 113). Gleichzeitig können Systemstopp-Vorgänge, wie "Trigger ausschalten", "Lasereinrichtung 2 ausschalten" und "Ampelansteuerung für das Schienenfahrzeug 10", erfolgen, die durch den mit dem Bezugszeichen 195 gekennzeichneten Kasten symbolisiert sind. Zur Realisierung der in dem Programmablauf nach Fig. 9 dargestellten Vorgänge, insbesondere der Aufnahmeschleife 100 kann dabei in den Prüfstand 8 gemäß Fig. 3 die entsprechende Hardware inkorporiert sein, wodurch vorteilhafterweise eine Client- Server-Schaltung realisiert werden kann, bei der sich der Client am Gleis 9 und der Server an einem räumlich entfernten Standort befindet.The termination criteria for the processes in the receiving loop 100 are the condition checks illustrated by the boxes labeled 110 and 111. On the one hand, it is checked (box 110) whether the timer is already running for more than 10 seconds and, on the other hand, whether all the axles of the rail vehicle 10 have been picked up (box 111). If one of these conditions applies, the image acquisition is stopped (box 112). The question of whether the timer is already running for more than 10 s, aims to determine whether the solid 1 or 1a may have come to a standstill. After stopping 112 image capture, the stored image data 108 may be sent to the server (box 113). At the same time, system stop operations such as "turn off trigger", "turn off laser device 2" and "traffic light control for rail vehicle 10" may occur, which are symbolized by the box labeled with reference numeral 195. To realize the processes shown in the program flow according to FIG. 9, in particular the receiving loop 100, the corresponding hardware can be incorporated into the test bench 8 according to FIG. 3, whereby advantageously a client-server circuit can be realized in which the client on track 9 and the server is located in a remote location.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das dargestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfasst alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Mittel und Maßnahmen. So besteht eine weitere Möglichkeit in der Anwendung von sogenannten Streifenprojektionsverfahren unter Einsatz von strukturierter oder codierter Beleuchtung. Diese Verfahren basieren ebenfalls auf dem Triangulationsprinzip, wobei der gesamte Festkörper 1 von einem der Lasereinrichtung 2 entsprechenden Projektor mit einem rechnerisch vorgegebenen Lichtmuster beleuchtet wird. Während der Aufnahme wird das Lichtmuster in bestimmter Weise so verändert, dass aus der resultierenden Intensitätsverteilung des aufgenommenen Bildes auf die Topographie bestimmt werden kann.The present invention is not limited to the exemplary embodiment illustrated, but includes all means and measures which have the same effect in the sense of the invention. So there is another possibility in the application of so-called strip projection method using structured or coded illumination. These methods are likewise based on the triangulation principle, wherein the entire solid body 1 is illuminated by a projector corresponding to the laser device 2 with a mathematically predetermined light pattern. During the recording, the light pattern is changed in a certain way so that it is possible to determine from the resulting intensity distribution of the recorded image on the topography.
Des weiteren kann der Fachmann die Erfindung durch zusätzliche vorteilhafte Maßnahmen ergänzen, ohne dass der Rahmen der Erfindung verlassen wird. So können für die Ausführung sämtlicher Rechenoperationen - wie die der angegebenen Gleichungen (1) bis (6) in der Datenverarbeitungseinrichtung geeignete Softwaremodule eingesetzt werden.Furthermore, the skilled person can supplement the invention by additional advantageous measures, without departing from the scope of the invention. Thus, suitable software modules can be used for the execution of all arithmetic operations - such as those of the specified equations (1) to (6) in the data processing device.
Ferner ist die Erfindung nicht auf die im Anspruch 1 definierte Merkmalskombination beschränkt, sondern kann auch durch jede beliebige andere Kombination von bestimmten Merkmalen aller insgesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein. Dies bedeutet, dass grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des Anspruchs 1 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern ist der Anspruch 1 lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen. BezugszeichenFurthermore, the invention is not limited to the feature combination defined in claim 1, but may also be defined by any other combination of certain features of all individually disclosed features. This means that in principle virtually every individual feature of claim 1 can be omitted or replaced by at least one individual feature disclosed elsewhere in the application. In this respect, the claim 1 is to be understood only as a first formulation attempt for an invention. reference numeral
1 Festkörper1 solid
1a Rad1a wheel
2 Lasereinrichtung2 laser device
3, 3a, 3b, 3c, 3c1 , 3c2, 3c3 Lichtbänder3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3 light bands
4 Linse von 54 lens of 5
5 Abbildungseinrichtung5 imaging device
6 Lichtaufnahmeelement6 light receiving element
7 Gehäuse7 housing
8 Verschleißprüfstand8 wear test stand
9 Schiene9 rail
10 Schienenfahrzeug10 rail vehicle
90 Anforderung vom Server90 request from the server
95 Systemstart95 System startup
100 Aufnahmeschleife100 recording loop
101 Laserdistanzsensor101 laser distance sensor
102 Signalkonditionierung102 signal conditioning
103 Abstandssignal103 distance signal
104 Signalauswertung104 signal evaluation
105A, 105B, 105C Initiatoren für 106A, 106B, 106C105A, 105B, 105C Initiators for 106A, 106B, 106C
106A, 106B, 106C Bildauslösung106A, 106B, 106C Image triggering
107A, 107B, 107C Bildmatrizes aus 106A, 106B, 106C107A, 107B, 107C are image matrices of 106A, 106B, 106C
107 Bildmatrix aus IS107 image matrix of IS
108 Bildspeicherung108 image storage
109 Timer-Zurücksetzung109 Timer Reset
110, 111 Prüfung von Abbruchbedingungen für 100110, 111 Testing of Demolition Conditions for 100
112 Bildaufnahmestopp112 image recording stop
113 Datensendung an Server113 Data transmission to server
195 Systemstopp A-A optische Achse von 6195 System stop AA optical axis of 6
B Basisabstand b Breite von 3, 3a, 3b, 3c, 3c1 , 3c2, 3c3B base distance b width of 3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3
Dz Messbereich von z dzA Auflösung von ∑A Dz Measuring range of z dz A Resolution of Σ A
Di1 D2 Deckflächen von 1 , 1a f FrequenzDi 1 D 2 cover areas of 1, 1a f frequency
GPG GesamtprofilogrammGPG overall profilogram
H Abstand 4/6 (Fig. 1)H distance 4/6 (Fig. 1)
IS Bildauswahl in 100IS image selection in 100
Kv Korrekturwert entsprechend v, ωKv correction value corresponding to v, ω
Ko Korrekturwert entsprechend Bereich/Lage vonKo correction value corresponding to range / position of
3, 3a, 3b, 3c, 3c1 , 3c2, 3c3 k Faktor entsprechend N1 , N2 bzw. Δt3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3 k factor corresponding to N1, N2 and Δt, respectively
L ArbeitsabstandL working distance
LL Linienlänge von 3, 3a, 3b, 3c, 3c1 , 3c2,LL line length of 3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2,
3c33c3
M Mantelfläche von 1 , 1aM lateral surface of 1, 1a
N1 , N2 Abstände zwischen 3c1 , 3c2, 3c3N1, N2 distances between 3c1, 3c2, 3c3
0-0 optische Achse von 20-0 optical axis of 2
P ProfilP profile
PG ProfilogrammePG profilograms
PGa, PGb, PGc TeilprofilogrammePG a , PGb, PGc partial profilograms
R RadiusR radius
RL reflektiertes LichtRL reflected light
V translatorische Geschwindigkeit von 1 , 1a tk. t1. t2.t3 Mess-ZeitpunkteV translational speed of 1, 1a tk. t1. t2.t3 measuring times
Si , S2, S3 Punkte auf Umkreis um RSi, S 2 , S3 points on perimeter around R
Sh, Sl2, Sl3 Sehnenlängen bei Si, S2, S3Sh, Sl 2 , Sl 3 chord lengths at Si, S 2 , S3
X LängenkoordinateX length coordinate
XA Bildflecklage von RL auf 6XA image spot location from RL to 6
Xmax Maximalwert von xXmax maximum value of x
Xmin Minimalwert von x X1 , X2, X3 Messwerte Länge bei Si, S2, S3 y LängenkoordinateXmin minimum value of x X1, X2, X3 Measured values Length at Si, S 2 , S3 y Length coordinate
Z HöhenkoordinateZ height coordinate
ZA Messwert, Auftreffort von 3, 3a, 3b, 3c,ZA measured value, impingement of 3, 3a, 3b, 3c,
3c 1 , 3c2, 3c33c 1, 3c2, 3c3
ZB korrigierter Messwert aus ZA For example, corrected measured value from Z A
Zmax Maximalwert von zZmax maximum value of z
Zmin Minimalwert von zZmin minimum value of z
Zi 1 Z2, Z3 Messwerte Höhe bei Si, S2, S3Zi 1 Z 2 , Z 3 Measured values height at Si, S 2 , S3
ΔPG ProfilabweichungΔPG profile deviation
Δt Zeitintervall φ Triangulationswinkel Δt time interval φ triangulation angle

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zur berührungslosen dynamischen Erfassung des Profils (P) eines Festkörpers (1 , 1a), insbesondere zum Zweck einer Bestimmung von an dem Festkörper (1 , 1a) aufgetretenen Verschleiß, wobei mindestens ein von einer Lasereinrichtung (2) erzeugter, zu mindestens einem linienförmigen Lichtband (3, 3a, 3b, 3c, 3c1 , 3c2, 3c3) aufgeweiteter Lichtstrahl auf mindestens einen Bereich der Oberfläche des Festkörpers (1 , 1a) projiziert wird, wobei der Festkörper (1 , 1a) an der Lasereinrichtung (2) vorbeibewegt wird und das von dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers (1 , 1a) reflektierte Licht (RL) in einer Abbildungseinrichtung (5), deren optische Achse (A-A) in einem festen Triangulationswinkel (φ) zur Projektionsrichtung (O-O) der Lasereinrichtung (2) steht und die in einem festen Basisabstand (B) zur Lasereinrichtung (2) angeordnet ist, fokussiert und mit einer gegenüber einer Bewegungsgeschwindigkeit (v) des Festkörpers (1 , 1a) hohen Frequenz (f) mittels eines flächenför- migen Lichtaufnahmeelementes (6) erfasst wird, wonach aus von dem Lichtaufnahmeelement (6) abgegebenen Signalen, in Abhängigkeit von dem Triangulationswinkel (φ) und dem Basisabstand (B) in einer Datenverarbeitungseinrichtung durch trigonometrische Beziehungen und unter Verknüpfung mit entsprechend die Messwerte (ZB) des Profils (P) gewonnen und in der Datenverarbeitungseinrichtung als Profilogramm (PG) gespeichert werden, wobei die Bestimmung einer Bildauslösung (106A, 106B, 106C), für die vom Lichtaufnahmeelement (6) abgegebene Signale zur Gewinnung der Messwerte (ZB) des Profils (P) ausgewählt werden, in einer Aufnahmeschleife (100) erfolgt.1. A method for non-contact dynamic detection of the profile (P) of a solid (1, 1a), in particular for the purpose of determining on the solid body (1, 1a) occurred wear, wherein at least one of a laser device (2) generated, at least a light beam (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) is projected onto at least one area of the surface of the solid (1, 1a), the solid (1, 1a) being projected on the laser device (2) is moved past and the light (RL) reflected from the area of the surface of the solid (1, 1a) in an imaging device (5) whose optical axis (AA) at a fixed triangulation angle (φ) to the projection direction (OO) of the laser device (2 ) and which is arranged at a fixed base distance (B) to the laser device (2), focused and with a relation to a speed of movement (v) of the solid (1, 1 a) high frequency (f) by means of a fl depending on the triangulation angle (φ) and the base distance (B) in a data processing device by trigonometric relationships and under linkage with correspondingly the measured values (Z B ) of the profile (P) and stored in the data processing device as a profilogram (PG), wherein the determination of an image triggering (106A, 106B, 106C), for the light receiving element (6) output signals for obtaining the measured values (Z B ) of the profile (P) are selected in a recording loop (100).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Messwerte (zB) des Profils (P) unter Verknüpfung mit entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit (v) des Festkörpers (1 , 1a) bestimmten Korrekturwerten (Kv) gewonnen werden. 2. Method according to claim 1, characterized in that the measured values (z B ) of the profile (P) are obtained by linking with correction values (Kv) determined according to the movement speed (v) of the solid body (1, 1a).
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwerte (∑B) des Profils (P) unter Verknüpfung mit entsprechend dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers (1, 1a) bestimmten Korrekturwerten (Ko) gewonnen werden.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the measured values (Σ B ) of the profile (P) are obtained by linking with correction values (Ko) determined in accordance with the area of the surface of the solid body (1, 1a).
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Festkörper (1, 1a) eine rotierende Bewegung ausführt.4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the solid body (1, 1a) carries out a rotating movement.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d ad u rch g eken n zeich n et, dass der Festkörper (1, 1a) ein im wesentlichen rotationssymmetrischer Körper, insbesondere ein Fahrzeugrad (1a), ist und eine rollende Bewegung ausführt.5. Method according to one of claims 1 to 4, characterized in that the solid body (1, 1a) is a substantially rotationally symmetrical body, in particular a vehicle wheel (1a), and performs a rolling movement.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, d ad u rch g eken nzeich n et, dass die rotierende Bewegung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit (ω) abläuft.6. Method according to claim 4 or 5, characterized in that the rotating movement proceeds at a constant angular velocity (ω).
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkelgeschwindigkeit (ω) der rotierenden Bewegung des Festkörpers (1, 1a) kleiner als 15 s"1, vorzugsweise kleiner als 6 s"1 ist.7. The method according to any one of claims 4 to 6, characterized in that the angular velocity (ω) of the rotating movement of the solid body (1, 1a) is less than 15 s "1 , preferably less than 6 s " 1 .
8. Verfahren nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die entsprechend dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers (1, 1a) bestimmten Korrekturwerte (Ko) vektorielle, in Abhängigkeit von einem Radius (R) des rotationssymmetrischen Körpers bestimmte Faktoren und/oder Summanden sind.8. Method according to claim 3 and one of claims 5 to 7, characterized in that the correction values (Ko) determined according to the area of the surface of the solid body (1, 1a) are vectorial, determined as a function of a radius (R) of the rotationally symmetrical body Factors and / or summands are.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit (v, ω) des Festkörpers (1, 1a) bestimmten Korrekturwerte (Kv) vektorielle, der Bewegungsgeschwindigkeit (v, ω) proportionale Faktoren und/oder Summanden sind. 9. Method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the correction values (Kv) determined according to the movement speed (v, ω) of the solid (1, 1a) are vectorial factors proportional to the speed of movement (v, ω) and / or summands are.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der entsprechend der Bewegungsgeschwindigkeit (v, ω) ermittelten Korrekturwerte (Kv) eine korrelative Verknüpfung der Bewegungsgeschwindigkeit (v, ω) mit der Frequenz (f) der Erfassung des reflektierten Lichtes (RL) erfolgt.10. Method according to claim 1, characterized in that for determining the correction values (Kv) determined in accordance with the movement speed (v, ω), a correlative connection of the movement speed (v, ω) with the frequency (f) of the detection of the movement speed reflected light (RL) takes place.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Profilogramme (PG) als Teilprofilogramme (PGa, PGb, PGC) unter Einsatz von mindestens drei, auf verschiedene Seiten der Oberfläche des Festkörpers (1, 1a) liegende Bereiche Lichtbänder (3, 3a, 3b, 3c, ed , 3c2, 3c3) projizierenden Lasereinrichtungen (2) und diesen zugeordneten Abbildungseinrichtungen (5) bestimmt werden, die Teilprofilogramme (PGa, PGb, PGC) in der Datenverarbeitungsanlage gespeichert werden und daraus ein Gesamtprofilogramm (GPG) gewonnen wird.11. The method according to any one of claims 1 to 10, characterized in that a plurality of profilograms (PG) as partial profilograms (PG a , PGb, PG C ) using at least three, on different sides of the surface of the solid (1, 1a) lying Areas light bands (3, 3a, 3b, 3c, ed, 3c2, 3c3) projecting laser devices (2) and their associated imaging devices (5) are determined, the Teilprofilogramme (PG a , PGb, PG C ) are stored in the data processing system and therefrom a total profilogram (GPG) is obtained.
12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass bei einem in der Grundgestalt im wesentlichen zylindrischen oder ringförmigen Festkörper (1, 1a), wie einem Fahrzeugrad (1a), die mindestens drei Bereiche, auf die die Lichtbänder (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) projiziert werden, auf den beiden Deckflächen (Di, D2) und auf der Mantelfläche (M) des Zylinders oder Ringes liegen.12. The method according to claim 11, characterized in that in a basic shape in the substantially cylindrical or annular solid (1, 1a), such as a vehicle (1a), the at least three areas on which the light bands (3, 3a, 3b , 3c, 3c1, 3c2, 3c3), on the two top surfaces (Di, D 2 ) and on the lateral surface (M) of the cylinder or ring lie.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtprofilogramm (GPG) eines rollenden Festkörpers (1, 1a) aus drei von den beiden Deckflächen (Di, D2) und auf der Mantelfläche (M) gleichzeitig zu einem Erfassungzeitpunkt (tk) bestimmten Teilprofilogrammen (PGa, PGb, PGC) gewonnen wird, wobei der Erfassungszeitpunkt (tk) der einzelnen Teilprofilogramme (PGa, PGb, PGC) derart gewählt wird, dass ein zu diesem Erfassungszeitpunkt (tk) ermittelter Messwert (Zk) aus mindestens drei auf einem Kreisbogen mit einem Radius (R) in einer der Deckflächen (Di, D2) liegenden, jeweils zu aufeinanderfolgenden Zeitpunkten (ti, t2, t3) und unidirektional aus der jeweiligen Länge des linienför- migen Lichtbandes (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) bestimmten Messwerten (zi, Z2, Z3), die jeweils der halben Länge einer Sehne (sh, Sl2, Sl3) durch den Kreisbogen entsprechen, ein Maximum annimmt.13. The method according to claim 12, characterized in that the overall profile (GPG) of a rolling solid (1, 1a) from three of the two top surfaces (Di, D 2 ) and on the lateral surface (M) at the same time to a detection time (t k ) certain Teilprofilogrammen (PG a, PGB, PG C) is obtained, wherein the detection time (t k) of the individual component profilograms (PG a, PGB, PG C) is selected such that a for this acquisition time (t k) determined measured value ( Zk) of at least three on a circular arc with a radius (R) lying in one of the top surfaces (Di, D 2 ), respectively at successive times (ti, t 2 , t 3 ) and unidirectional from the respective length of the line-shaped light band (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) certain measured values (zi, Z 2 , Z 3 ), each of which corresponds to half the length of a chord (sh, Sl 2 , Sl 3 ) through the arc, assumes a maximum.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et , dass das Profilogramm (PG), die Teilprofilogramme (PG3, PGb, PGC) und/oder das Gesamtprofilogramm (GPG) mit jeweils einem oder mehreren Bezugsprofilogramm(en) (BP1, BP2) verglichen und die jeweiligen Abweichungen (ΔPG) von dem jeweiligen Bezugsprofilogramm (BP1, BP2) festgestellt werden.14. The method according to claim 1, wherein the profilogram (PG), the partial profilograms (PG 3 , PG b , PG C ) and / or the overall profilogram (GPG) with in each case one or more reference profile (s) (BP1, BP2) are compared and the respective deviations (ΔPG) from the respective reference profile (BP1, BP2) are determined.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et , dass das Profilogramm (PG), die Teilprofilogramme (PGa, PGb, PGC), das Gesamtprofilogramm (GPG), das jeweilige Bezugsprofilogramm (BP1, BP2) und/oder die jeweiligen Abweichungen (ΔPG) auf eine feste, langzeitlich unveränderliche geometrische Basisgröße, wie einen nichtverschleißenden Radkranzinnendurchmesser (2*R), bezogen werden.15. The method according to any one of claims 1 to 14, dadu rc HGE ke nn i ze et ch n that the profilogram (PG), the component profilograms (PG a, PGB, PG C), the overall profilogram (GPG), the respective reference (BP1, BP2) and / or the respective deviations (ΔPG) to a fixed, long-term invariable geometric base size, such as a non-wearing inner rim diameter (2 * R), related.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisgröße aus mindestens drei Messwerten ermittelt wird, die durch berührungslose dynamische Messungen am bewegten Festkörper (1, 1a) ermittelt werden, welche in der gleichen Art vorgenommen werden wie die Erfassung des Profilogramms (PG) bzw. die Erfassung der Teilprofilogramme (PGa, PGb, PGC).16. The method according to claim 15, characterized in that the basic size of at least three measured values is determined, which are determined by contactless dynamic measurements on the moving solid (1, 1a), which are made in the same manner as the detection of the profilogram (PG ) or the acquisition of the partial profilograms (PG a , PGb, PG C ).
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die berührungslosen dynamischen Messungen am bewegten Festkörper (1, 1a) in vorgegebenen Zeitintervallen (Δt) zu mindestens drei Zeitpunkten (ti, t2, t3) mittels eines einzigen zu einem linienförmigen Lichtband (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) aufgeweiteten Lichtstrahles erfolgen. 17. The method according to claim 16, characterized in that the non-contact dynamic measurements on the moving solid (1, 1a) at predetermined time intervals (Δt) at least three times (ti, t 2 , t 3 ) by means of a single to a linear band of light ( 3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) of the expanded light beam.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die berührungslosen dynamischen Messungen am bewegten Festkörper gleichzeitig mittels mindestens dreier, jeweils zu einem linienförmigen Lichtband (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) aufgeweiteter Lichtstrahlen bei vorgegebenen Abstand (N1, N2) der Bereiche der Oberfläche des Festkörpers (1, 1a), auf die die Lichtbänder (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) projiziert werden, erfolgen.18. The method according to claim 16, characterized in that the non-contact dynamic measurements on the moving solid at the same time by at least three, each to a line-shaped light band (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) expanded light beams at a predetermined distance (N1 , N2) of the areas of the surface of the solid (1, 1a) onto which the light bands (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) are projected.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dad u rch geken nzeich net, dass die Basisgröße ein Radius (R) eines rollenden rotationssymmetrischen Körpers ist, der aus folgendem Gleichungssystem ermittelt wird:19. Method according to claim 15, characterized in that the basic variable is a radius (R) of a rolling rotationally symmetrical body, which is determined from the following system of equations:
R2 = xi2+ zi2 (1)R 2 = xi 2 + zi 2 (1)
R2 = X2 2 + Z2 2 (2)R 2 = X 2 2 + Z 2 2 (2)
R2 = X3 2 + Z3 2 (3)R 2 = X 3 2 + Z 3 2 (3)
Xi - X2 = k * (x2 - X3) (4),Xi - X 2 = k * (x 2 - X 3 ) (4),
wobei Zi, Z2, Z3 drei auf einem Kreisbogen mit dem Radius (R) liegende, jeweils unidirektional ermittelte, der Ordinate (z) eines kartesischen Koordinatensystems entsprechende Messwerte der Länge des linienförmigen Lichtbandes (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3), die jeweils der halben Länge einer Sehne (sh, Sl2, Sl3) durch den Kreisbogen entsprechen, xi, X2, X3 die jeweils diesen Messwerten zugehörigen Abszissenwerte (x) und k ein vorgegebenen Zeitintervallen (Δt) oder Abständen (n1, N2) der Bereiche der Oberfläche des Festkörpers (1, 1a) entsprechender Faktor sind.where Zi, Z 2 , Z 3 are three measured values of the length of the linear band of light (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3) lying on a circular arc of radius (R), each unidirectionally determined, corresponding to the ordinate (z) of a Cartesian coordinate system. 3c2, 3c3), which correspond in each case to half the length of a chord (sh, Sl 2 , Sl 3 ) through the circular arc, xi, X 2 , X 3 are the abscissa values (x) and k associated with these measured values at a predetermined time interval (Δt) or distances (n1, N2) of the areas of the surface of the solid (1, 1a) are corresponding factor.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, d a d u rc h g e ke n n ze i ch n et , dass das Profilogramm (PG), die Teilprofilogramme (PG3, PGb, PGC), das Gesamtprofilogramm (GPG), das jeweilige Bezugsprofilogramm (BP1, BP2) und/oder die jeweiligen Abweichungen (ΔPG) in einer Anzeigevorrichtung, wie einem Display, visualisiert werden. 20. Method according to one of claims 1 to 19, characterized in that the profilogram (PG), the partial profilograms (PG 3 , PG b , PG C ), the overall profilogram (GPG), the respective Reference profile (BP1, BP2) and / or the respective deviations (.DELTA.PG) are visualized in a display device, such as a display.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dad u rch gekennzeichnet, dass als Lichtaufnahmeelement (6) eine digitalisierte Signale liefernde Vorrichtung, wie eine trigger-gesteuerte CCD-Kamera, eingesetzt wird.21. The method according to any one of claims 1 to 20, dad u rch in that as a light receiving element (6) is a digitized signal-supplying device, such as a trigger-controlled CCD camera, is used.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtaufnahmeelement (6) ein positionsempfindlicher Detektor (position sensitive device), wie ein Fotodiodenfeld, eingesetzt wird.22. The method according to any one of claims 1 to 21, characterized in that as a light receiving element (6), a position-sensitive detector (position sensitive device), such as a photodiode array, is used.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht des Lichtbandes (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) eine Wellenlänge im Bereich von 400 nm bis 1000 nm, insbesondere im Bereich von 650 bis 700 nm, aufweist.23. The method according to any one of claims 1 to 22, characterized in that the light of the light band (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) has a wavelength in the range of 400 nm to 1000 nm, in particular in the range of 650 to 700 nm.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht des Lichtbandes (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) eine Wellenlänge im sichtbaren Bereich aufweist und der Grenzwert der zugänglichen Strahlung (GZS) der Lasereinrichtung (2) geringer ist als 1 mW.24. The method according to any one of claims 1 to 23, characterized in that the light of the light band (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) has a wavelength in the visible range and the limit of the accessible radiation (GZS) of Laser device (2) is less than 1 mW.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der Lasereinrichtung (2) im Bereich von 0,5 bis 50 mW liegt.25. The method according to any one of claims 1 to 24, characterized in that the power of the laser device (2) is in the range of 0.5 to 50 mW.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Lasereinrichtung (2) eine cw- (continous-wave)-Festkörperdiode, wie eine beispielsweise aus einem Halbleitermaterial, wie GaAs, AIGaAs, InGaP, GaAsSb, InP, PbSnTe o.a., bestehende Diode, vorzugsweise eine VLD (visible laser diode), enthält. 26. The method according to any one of claims 1 to 25, characterized in that the laser device (2) a cw (continous-wave) -Festkörperdiode, such as one of a semiconductor material such as GaAs, AIGaAs, InGaP, GaAsSb, InP, PbSnTe oa, existing diode, preferably a VLD (visible laser diode) contains.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtband (3, 3a, 3b, 3c, 3c1 , 3c2, 3c3) eine Breite (b) im Bereich von 0,3 mm bis 6,5 mm, insbesondere im Bereich von 0,8 mm bis 2,2 mm, aufweist.27. The method according to any one of claims 1 to 26, characterized in that the light band (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) has a width (b) in the range of 0.3 mm to 6.5 mm, in particular in the range of 0.8 mm to 2.2 mm.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass das Lichtband (3, 3a, 3b, 3c, 3c1 , 3c2, 3c3) eine Länge (LB) im Bereich von 50 mm bis 750 mm, insbesondere im Bereich von 200 mm bis 400 mm, aufweist.28. The method according to any one of claims 1 to 27, characterized in that the light band (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) has a length (LB) in the range of 50 mm to 750 mm, in particular in the range of 200 mm to 400 mm.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, d ad u rch g eken n zei ch n et, dass der Triangulationswinkel (φ) Werte im Bereich von 15° bis 40°, insbesondere im Bereich von 20° mm bis 30°, aufweist.29. Method according to one of claims 1 to 28, characterized in that the triangulation angle (φ) has values in the range of 15 ° to 40 °, in particular in the range of 20 ° mm to 30 °, having.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 29, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenz (f), mit der das von der Oberfläche des Festkörpers (1, 1a) reflektierte Licht (RL) mittels des Lichtaufnahmeelementes (6) erfasst wird, im Bereich von 25 Hz bis 100 kHz, vorzugsweise im Bereich von 1 kHz bis 10 kHz, liegt.30. The method according to any one of claims 1 to 29, characterized in that the frequency (f), with which of the surface of the solid (1, 1 a) reflected light (RL) by means of the light receiving element (6) is detected in the area from 25 Hz to 100 kHz, preferably in the range of 1 kHz to 10 kHz.
31. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 30, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine translatorische Bewegungsgeschwindigkeit (v) des Festkörpers kleiner als 3,5 m/s, vorzugsweise kleiner als 1 ,5 m/s ist.31. Method according to one of claims 1 to 30, in that a translatory movement speed (v) of the solid is less than 3.5 m / s, preferably less than 1.5 m / s.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 31, dadurch gekennzeichnet, dass ein mittlerer Arbeitsabstand (L) der Lasereinrichtung (2) und/oder der Abbildungseinrichtung (5) von dem Bereich der Oberfläche des Festkörpers (1, 1a) auf die das Lichtband (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) projiziert wird, im Bereich von 20 mm bis 650 mm, insbesondere im Bereich von 150 mm bis 350 mm, liegt. 32. The method according to any one of claims 1 to 31, characterized in that a mean working distance (L) of the laser device (2) and / or the imaging device (5) from the region of the surface of the solid body (1, 1a) on the light band (3, 3a, 3b, 3c, 3c1, 3c2, 3c3) is in the range of 20 mm to 650 mm, in particular in the range of 150 mm to 350 mm.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 32, dadu rch gekennzeich net, dass der Basisabstand (B) zwischen der Abbildungseinrichtung, (5) insbesondere dem Mittelpunkt einer fokussierenden Linse (4) der Abbildungseinrichtung (5), und der optischen Achse (0-0) der Lasereinrichtung im Bereich von 30 mm bis 450 mm, insbesondere im Bereich von 60 mm bis 270 mm, liegt.33. The method according to any one of claims 1 to 32, dadu rch gekennzeich net, that the base distance (B) between the imaging device, (5) in particular the center of a focusing lens (4) of the imaging device (5), and the optical axis (0 -0) of the laser device is in the range of 30 mm to 450 mm, in particular in the range of 60 mm to 270 mm.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 33, dadu rch gekennzeichnet, dass für das Profilogramm (PG), die Teilprofilogramme (PG3, PGb, PGC), das Gesamtprofilogramm (GPG), das jeweilige Bezugsprofilogramm (BP1, BP2) und/oder die jeweiligen Abweichungen (ΔPG) eine Auflösung (dzA) von weniger als 2,0 mm, insbesondere von weniger als 0,5 mm, zugrundegelegt wird.34. The method according to any one of claims 1 to 33, dadu rch in that for the profilogram (PG), the partial profilograms (PG 3 , PG b , PG C ), the overall profile (GPG), the respective reference profile (BP1, BP2) and / or the respective deviations (ΔPG) is based on a resolution (dzA) of less than 2.0 mm, in particular less than 0.5 mm.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 34, d ad u rch g eken nzei ch n et, dass zur Realisierung der Aufnahmeschleife (100) eine Hardwarekomponente in einen an einem Gleis (9) befindlichen Prüfstand (8) inkorporiert ist.35. The method according to claim 1, wherein a hardware component is incorporated in a test stand (8) located on a track (9) in order to realize the recording loop (100).
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 35, dad u rch geken nzeich net, dass die Aufnahmeschleife (100) in einem dienten einer Client-Server-Schaltung mit räumlich entfernten Server realisiert wird, wobei Systemstart-Vorgänge (95), wie eine Ansteuerung einer Ampel für ein Schienenfahrzeug (10), die Aktivierung eines Triggers zur Bildauslösung (106A, 106B, 106C) und/oder ein Einschalten der Lasereinrichtung (2), durch Anforderung (90) vom Server in Gang gesetzt werden.36. The method of claim 1, wherein the recording loop is implemented in a client-server circuit with a remote server, wherein system boot processes (95), such as a Control of a traffic light for a rail vehicle (10), the activation of a trigger for image triggering (106A, 106B, 106C) and / or switching on the laser device (2), by request (90) set by the server in motion.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 36, dad u rch geken nzeichnet, dass in der Aufnahmeschleife (100) durch einen Laserdistanzsensor (101, 6) nach einer Signalkonditionierung (102) ein Signal, insbesondere ein Abstandssignal (103), bereitgestellt wird, aus dem durch eine Signalauswertung (104) Initiatoren (105A, 105B, 105C) für die Bildauslösung (106A, 106B, 106C) gewonnen werden. 37. Method according to claim 1, wherein a signal, in particular a distance signal, is provided in the recording loop by a laser distance sensor after signal conditioning from which a signal evaluation (104) initiators (105A, 105B, 105C) for the image triggering (106A, 106B, 106C) are obtained.
38. Verfahren nach Anspruch 37, d ad u rch g eke n nze i ch n et, dass durch die Signalauswertung (104) zwischen dem Abstandssignal (103) und den Initiatoren (105A, 105B, 105C) für die Bildauslösung (106A, 106B, 106C) mittels einer programmierbaren Einrichtung (PLD), die es gestattet, verschiedene zeitbasierende logische Abfolgen zu konfigurieren, vorherbestimmte logische und zeitliche Verknüpfungen hergestellt werden.38. The method according to claim 37, characterized in that by the signal evaluation (104) between the distance signal (103) and the initiators (105A, 105B, 105C) for the image triggering (106A, 106B , 106C) by means of a programmable device (PLD), which allows to configure different time-based logical sequences, predetermined logical and temporal links are established.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 38, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Bildauslösung (106A, 106B, 106C) Bildmatrizes (107A, 107B, 107C) bereitgestellt werden, die in einem, vorzugsweise zyklisch arbeitenden, sequentiellen Bildspeicher des Lichtaufnahmeelementes (6) zwischengespeichert werden.39. Method according to claim 1, characterized in that image matrices (107A, 107B, 107C) are provided by the image triggering (106A, 106B, 106C), which in a, preferably cyclically operating, sequential image memory of the light receiving element (6 ) are cached.
40. Verfahren nach Anspruch 39, dadurch gekennzeichnet, dass aus den Bildmatrizes (107A, 107B, 107C), insbesondere in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit (v) des Festkörpers (1, 1a), eine Bildauswahl (IS) einer für die Messwerte (ZB) des Profils (P) repräsentativen Bildmatrix (107) erfolgt.40. The method according to claim 39, characterized in that from the image matrices (107A, 107B, 107C), in particular as a function of the velocity (v) of the solid body (1, 1a), an image selection (IS) of one of the measured values (Z B ) of the profile (P) representative image matrix (107) takes place.
41. Verfahren nach einem der Ansprüche 36 bis 40, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Gewinnung der Messwerte (ZB) des Profils (P), insbesondere nach einem Stoppen (112) der Bildaufnahme, die Messwerte (zB), insbesondere gespeicherte Bilddaten (108), bevorzugt zusammen mit den jeweils dazugehörigen Werten eines Abstandes von der Lasereinrichtung (2), eines Messortes entsprechend einem verwendeten Lichtband (3c1, 3c2, 3c3) und/oder einer Zeit (ti, t2, t3) der Bildauslösung (106A, 106B, 106C), an den Server gesendet (113) werden.41. Method according to claim 36, characterized in that after obtaining the measured values (Z B ) of the profile (P), in particular after stopping (112) the image recording, the measured values (z B ), in particular stored image data (108), preferably together with the respectively associated values of a distance from the laser device (2), a measuring location corresponding to a used light band (3c1, 3c2, 3c3) and / or a time (ti, t 2, t 3 ) of the image triggering ( 106A, 106B, 106C) are sent to the server (113).
42. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 41, dadu rch geken nzeich net, dass die Aufnahmeschleife (100) an einen Timer und/oder an eine Anzahl vorbestimmter Messungen gebundene Bedingungsüberprüfungen (110, 111) als Abbruchkriterien enthält. 42. Method according to claim 1, characterized in that the recording loop (100) contains condition checks (110, 111) bound to a timer and / or to a number of predetermined measurements as termination criteria.
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