對(duì)測量物體的厚度進(jìn)行測量的方法以及用于應(yīng)用該方法的設(shè)備的制造方法
【專利說明】對(duì)測量物體的厚度進(jìn)行測量的方法以及用于應(yīng)用該方法的設(shè)備
[0001]本發(fā)明一般涉及一種用于測量測量物體的厚度的方法，其中至少一個(gè)傳感器從頂部對(duì)著所述物體進(jìn)行測量，而至少一個(gè)其他傳感器從底部對(duì)著所述物體進(jìn)行測量。利用傳感器之間的已知距離，可根據(jù)眾所周知的公式D = Gap-(Sl+S2)來計(jì)算物體的厚度，其中D =測量物體的厚度，Gap =傳感器之間的距離，SI =頂部傳感器至測量物體的上面的距離，而
S2=底部傳感器至測量物體的下面的距離。本發(fā)明還涉及用于應(yīng)用所述方法的設(shè)備。
[0002]在工業(yè)測量領(lǐng)域，通常利用距離傳感器通過用一個(gè)傳感器對(duì)著測量物體的上面進(jìn)行測量，來無接觸地測量測量物體的厚度。另一傳感器對(duì)著測量物體的下面進(jìn)行測量。利用傳感器彼此之間的已知間隔，可根據(jù)上述公式計(jì)算厚度。然而，這種數(shù)學(xué)關(guān)系僅在傳感器相對(duì)于測量物體彼此有關(guān)且以最優(yōu)方式對(duì)齊時(shí)成立，如圖1中以示意圖示出。實(shí)際上，存在兩個(gè)主要的誤差來源，即測量物體的傾斜，和/或傳感器的位移和可能的傾斜。
[0003]—旦測量物體傾斜一即使傳感器彼此理想對(duì)齊一測得大于測量物體的實(shí)際厚度的厚度。這是由于角度誤差造成的。圖2示出相關(guān)的測量誤差，當(dāng)測量物體在-30°至+30°的角度范圍內(nèi)傾斜時(shí)出現(xiàn)該測量誤差。
[0004]第二誤差來源是傳感器彼此的取向，即它們是否彼此對(duì)齊和/或是否相對(duì)于彼此傾斜。如果傳感器對(duì)偏且它們的測量軸并不100 %地位于彼此之上，則測量物體的傾斜或其在傳感器之間的測量間隙內(nèi)的位移導(dǎo)致在厚度計(jì)算中的額外差異。圖3示出使用彼此偏移的相對(duì)布置的兩個(gè)激光距離傳感器進(jìn)行的厚度測量。測量物體也被傾斜，帶有偏移的傳感器軸。傳感器的傾斜也可能發(fā)生，即傳感器的對(duì)齊中的角度誤差，這導(dǎo)致進(jìn)一步的測量誤差。
[0005]理想情況下，這兩個(gè)傳感器位于一個(gè)軸上，使得測量物體的傾斜總是導(dǎo)致較大的厚度值。然而，由于機(jī)械公差，或者由于激光傳感器的激光光斑在測量物體上相當(dāng)多地散射(這使得激光傳感器的對(duì)齊更難)的事實(shí)，這在實(shí)際上不可能被實(shí)現(xiàn)。此外，激光束不恰好對(duì)應(yīng)于傳感器的理想線性軸。實(shí)際上，測量物體的傾斜可能導(dǎo)致較小的厚度值，因?yàn)檎`差取決于激光調(diào)節(jié)中的誤差，以及按絕對(duì)值計(jì)算的測量物體的厚度。
[0006]圖4示出測量誤差的發(fā)展，這僅由傳感器(距離傳感器)的不正確調(diào)節(jié)造成。
[0007]上文標(biāo)識(shí)出的誤差是執(zhí)行點(diǎn)測量的距離傳感器的測量誤差?？捎脗鞲衅黝愃频剡M(jìn)行厚度測量，傳感器投射出一條線來測量(例如激光線掃描器、小斷面(light sect1n)傳感器)或允許二維測量(例如矩陣陣列或相機(jī))。即使使用激光線掃描器，如果測量物體的傾斜發(fā)生，同時(shí)傳感器位移或傾斜，則測量也將為不正確的。
[0008]通過使用線掃描器或平面?zhèn)鞲衅?，除了距離之外，測量物體的傾斜角度可被確定。在關(guān)于測量物體的傾斜角度的附加信息的幫助下，就可能校正先前標(biāo)識(shí)出的誤差，以至于能夠抵消由傾斜造成的厚度誤差。
[0009]用于測量厚度的上述方法通常在具有C形架(C-frame)或O形架(Ο-frame)的系統(tǒng)中使用。在C形架中，兩個(gè)距離傳感器彼此機(jī)械地固定或部署。為了對(duì)具有較大寬度的物體進(jìn)行穿梭測量(traversing measurement)，整個(gè)C形架在測量物體上移動(dòng)(或反之亦然)，而測量物體的厚度輪廓被記錄。初始調(diào)節(jié)誤差跨穿梭寬度(traversing width)不改變，即該誤差是恒定的且與X方向無關(guān)。
[0010]兩個(gè)距離傳感器也可被安裝在O形架中。傳感器分別被安裝在軸上，且由電機(jī)例如經(jīng)由齒形帶來移動(dòng)。由于機(jī)械原因，先前討論的激光調(diào)節(jié)誤差(同樣也取決于C形架)也根據(jù)傳感器在穿梭方向中的位置而改變。
[0011]如果能夠確保測量物體相對(duì)于傳感器總是處于相同位置，則傳感器的對(duì)齊不會(huì)造成額外的測量誤差。然而，由于在現(xiàn)實(shí)世界生產(chǎn)環(huán)境中在定位中總是存在差異，因此測量物體相對(duì)于傳感器的傾斜是常見的。通過線傳感器對(duì)這樣的傾斜的確定本身通過實(shí)踐可知，利用所述確定來執(zhí)行校準(zhǔn)。
[0012]然而，已知的方案在其中所使用的傳感器不得不被彼此精確對(duì)齊方面是不利的。一旦發(fā)生傳感器的位移，則測量誤差就不再能被校正。
[0013]生產(chǎn)設(shè)備越大，傳感器的精確對(duì)齊越難。由于不可避免的、并非無關(guān)緊要的機(jī)械公差，傳感器的測量軸不可能彼此精確對(duì)齊。使用特殊的調(diào)節(jié)手段(例如測微螺旋等)是昂貴的，且它們的應(yīng)用是復(fù)雜的。此外，這種類型的微調(diào)難以在惡劣的工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。
[0014]本發(fā)明的潛在任務(wù)因此是提供一種用于測量測量物體的厚度的方法，利用該方法以簡單的方式消除了由測量物體的傾斜和/或由傳感器的位移或傾斜/角度誤差造成的測量誤差。
[0015]上述的任務(wù)是通過權(quán)利要求1的特征解決的。從而，本發(fā)明方法的特征在于對(duì)由測量物體的傾斜和/或傳感器的位移和/或由傳感器的傾斜造成的測量誤差進(jìn)行補(bǔ)償，其中所述位移和/或傾斜是通過校準(zhǔn)來確定的，且所計(jì)算出的厚度或所計(jì)算出的厚度輪廓被相應(yīng)地校正。根據(jù)本發(fā)明，執(zhí)行對(duì)傳感器的位移或傾斜的校準(zhǔn)。
[0016]由于測量物體的傾斜不能被檢測，原則上不可能在用點(diǎn)傳感器進(jìn)行測量期間針對(duì)測量物體的傾斜來校準(zhǔn)厚度誤差。因此，激光線傳感器(利用激光線傳感器也可檢測測量物體的傾斜)被用于高精度厚度測量。二維測量傳感器(如相機(jī))或多點(diǎn)傳感器也可被使用?？赏ㄟ^對(duì)著一個(gè)表面進(jìn)行測量的至少兩個(gè)傳感器的測得值來確定一個(gè)軸中的傾斜。相應(yīng)地，針對(duì)兩個(gè)軸需要至少三個(gè)傳感器。
[0017]所述方法在下文中使用利用O形架對(duì)條帶材料進(jìn)行厚度測量的示例而被例示出。
[0018]在O形架中，在條帶材料之上和之下存在線性軸，線性軸在條帶材料的上面和下面延伸，橫向于激光線傳感器的生產(chǎn)方向。傳感器測量到上面或下面的相應(yīng)距離。使用傳感器之間的已知距離，橫向于穿梭方向的條帶材料的厚度輪廓被確定。下文中，坐標(biāo)軸如下被標(biāo)識(shí):
[0019]y軸:條帶材料的傳送方向或移動(dòng)方向
[0020]X軸:橫向于傳送方向，在穿梭方向中
[0021 ] z軸:垂直于條帶材料，在傳感器的距離測量的方向中
[0022]激光線傳感器的軸在X方向中對(duì)齊，且理想上在測量間隙內(nèi)的每個(gè)點(diǎn)處應(yīng)完全疊合在彼此之上。出于已知的原因，這不能被執(zhí)行;或者僅可在極大的努力的情況下被執(zhí)行。相反，傳感器的位移在校準(zhǔn)運(yùn)行期間被確定，且計(jì)算出的厚度輪廓接著被校正。
[0023]測量物體在X方向中的傾斜導(dǎo)致下列情形:
[0024]對(duì)厚度的傾斜誤差的補(bǔ)償僅可在激光光斑精確對(duì)齊的情況下發(fā)生。0.1mm這樣小的激光調(diào)節(jié)誤差在10°傾斜的情況下造成18μηι的誤差。確定出的厚度從而可被計(jì)算為更薄。測量物體的傾斜應(yīng)增加厚度。然而，如果傳感器并非精確地被布置在彼此之上時(shí)，計(jì)算出的厚度也可能更小。
[0025]由于在機(jī)械上不可能滿足對(duì)于傳感器的理想對(duì)齊的需求，合適的軟件在數(shù)學(xué)上如下補(bǔ)償所產(chǎn)生的誤差:
[0026]1.在0°傾斜，用合適的校準(zhǔn)手段，如量塊(“標(biāo)準(zhǔn)零件” (master part))，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測量(master measurement)。從而，厚度計(jì)算公式的常數(shù)“Gap”已知。
[0027]2.在X方向中以10°...20°傾斜，計(jì)算偏移(=由不正確的激光調(diào)節(jié)FL造成)。
[0028]3.在X方向中以-10°...-20°傾斜，計(jì)算偏移。
[0029]由于所使用的量塊的厚度是已知的，可利用已知的傾斜角度和已知的間隙值計(jì)算X方向中的偏移(=FL)。對(duì)于正角度和負(fù)角度，X方向中的偏移稍微不同。
[0030]由于傳感器的固定安裝，在使用C形架時(shí)僅必須確定位移一次。
[0031]當(dāng)使用O形架時(shí)，依靠兩個(gè)線性軸來移動(dòng)傳感器。因此，所確定的X偏移不是常數(shù)，即它僅在偏移計(jì)算被執(zhí)行的位置處是正確的。傳感器的位移可能不同，例如由于線性軸在穿梭方向的速度中的略微變化的結(jié)果。針對(duì)能夠根據(jù)穿梭方向中的位置來確定X偏移的第一步驟是要執(zhí)行補(bǔ)償運(yùn)行(compensat1n run)。在補(bǔ)償運(yùn)行期間，合適的校準(zhǔn)手段，例如已知厚度的量塊(標(biāo)準(zhǔn)零件)在測量間隙中被旋轉(zhuǎn)并沿測量間隙的整個(gè)穿梭寬度移動(dòng)。
[0032]該標(biāo)準(zhǔn)零件被連接至兩個(gè)穿梭支架(traversing carriage)之一，穿梭支架攜帶傳感器。這可以是上支架或下支架。在該示例中，標(biāo)準(zhǔn)零件通過樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)被連接至下支架(圖17)。樞轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括具有可調(diào)節(jié)的端部位置的氣動(dòng)旋轉(zhuǎn)氣缸。針對(duì)該補(bǔ)償運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)零件的確切對(duì)齊可通過對(duì)端部位置的設(shè)置來被調(diào)節(jié)。在旋轉(zhuǎn)氣缸上是樞轉(zhuǎn)臂，標(biāo)準(zhǔn)零件接著安裝至樞轉(zhuǎn)臂。標(biāo)準(zhǔn)零件是已知厚度的量塊。在一個(gè)端部位置，標(biāo)準(zhǔn)零件被精確地樞轉(zhuǎn)到測量間隙中(圖17a)，在另一端部位置，它被完全樞轉(zhuǎn)到測量間隙之外(圖17b