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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur messtechnischen kontinuierlichen Bestimmung der axialen Geschwindigkeitskomponente eines schraubenförmig bewegten Objektes und auf eine
Geschwindigkeitsmessanordnung zur Nutzung dieses Verfahrens.
Bei vielen Fertigungsprozessen der Hutten- un Metallverarbeitungsindustrie, beispielsweise beim Schrägwalzen und Spiralschweissen von Rohren oder beim Drahtverseilen führt das verarbeitete
Gut eine schraubenförmige Bewegung aus. Diese Bewegung setzt sich aus zwei Komponenten zusam- men ; einer axialen Bewegung und einer Rotationsbewegung um die Längsachse.
Beim Schrägwalzen von Rohren erreicht die tangentiale Geschwindigkeit der Rohraussenober- fläche das Mehrfache der axialen Geschwindigkeit des Rohres. Für die Prozessüberwachung bzw.
Steuerung der Fertigung ist die Geschwindigkeit der axialen Bewegung meist von besonderer Bedeu- tung und sie soll daher möglichst genau erfasst werden. Das Messobjekt kann verfahrensbedingt während der Messung noch zusätzliche unkontrollierte Bewegungen ausführen, beispielsweise seine
Achsenneigung ständig ändern. Die Geschwindigkeitsmessung einer zusammengesetzten Bewegung ist unter genannten Bedingungen praktisch nur mit Hilfe von berührungslos arbeitenden, vorzugs- weise optischen Messsystemen möglich.
Messsysteme, die die axiale Geschwindigkeit durch Verfolgung einer ausgewählten Stelle des
Objektes, z. B. des Rohrendes, ermitteln, sind unter industriellen Bedingungen meistens nicht ein- setzbar, da das Messgut schlecht zugänglich ist. Günstiger in dieser Hinsicht sind Messsysteme, die radial zur Objektlängsachse montiert werden und die Geschwindigkeit der vorbeilaufenden
Oberfläche des Messobjektes erfassen. Ein derartiges bewährtes Messsystem ist das nach dem Dif- ferenz-Doppler-Prinzip arbeitende laseroptische Geschwindigkeitsmessgerät. Das Doppler-Prinzip nutzt den bekannten phsysikalischen Effekt aus, der darin besteht, dass das vom bewegten Objekt rückgestreute Licht eine andere Frequenz besitzt als das auftreffende. Die Grösse dieser Frequenz- differenz ist der Objektgeschwindigkeit direkt proportional.
Sie wird von einem Photoempfänger erfasst und zu einem geschwindigkeitsproportionalen elektrischen Signal verarbeitet.
Berührungslos arbeitende, optische Messaufnehmer erfassen in der Regel jeweils nur die in ihrer Messebene (eine zum Gerät fix stehende, vom Hersteller festgelegte Ebene) liegende und zur
Geräteachse senkrechte Geschwindigkeitskomponente. Diese Eigenschaft hat zur Folge, dass beim
Messen eine Geschwindigkeitskomponente einer zusammengesetzten Bewegung die Anordnung des
Messaufnehmers in bezug auf das Messobjekt eine grosse Bedeutung hinsichtlich der dabei erreich- baren Messgenauigkeit hat.
Ein bekanntes Verfahren zur Bestimmung der axialen Geschwindigkeitskomponente einer schraubenförmigen Bewegung besteht darin, dass mit Hilfe eines einzigen starr, radial zur Objekt- achse montierten und in Längsrichtung messenden laseroptischen Messaufnehmers die Geschwindigkeit des vorbeilaufenden Objektes an einer, an der seitlichen Messobjektoberfläche liegenden Messstelle direkt gemessen wird. Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, dass durch eine nicht genaue Justierung des Messaufnehmers in bezug auf die Rotationsachse des Objektes bzw. durch die eintretenden Lageänderungen dieser Achse bezüglich des Messaufnehmers die erreichbare Messgenauigkeit beeinträchtigt wird.
Die Messfehler kommen dadurch zustande, weil der Messaufnehmer nur die in seiner Messrichtung liegende Geschwindigkeitskomponente erfasst. Liegt jedoch die Rotationsachse schräg zur Messrichtung, so wird die in dieser Richtung liegende Komponente der Rotationsbewegung als Axialgeschwindigkeit miterfasst. Die Fehlergrösse hängt stark davon ab, wie gross das Verhältnis von Tangential- zur Axialgeschwindigkeit (Rotationsfaktor) an der Messstelle ist. Wenn z. B. der Rotationsfaktor grösser als 5 wird, verursacht eine Schräglage des Messobjektes in bezug auf die Messebene des Geschwindigkeitsaufnehmers bereits Messfehler von über 8%.
Unter betrieblichen Bedingungen ist einerseits eine genaue Justierung des Messaufnehmers in bezug auf das Messobjekt nicht möglich, anderseits kann das Messobjekt seine Lage ständig ändern. Prinzipiell wäre es möglich, die Schräglage des Messobjektes dauernd zu erfassen und die Geschwindigkeitsmesswerte zu korrigieren. Das führt jedoch dann nicht zum Ziel, wenn die tangentiale Geschwindigkeitskomponente, z. B. durch eine wellenförmige seitliche Oberfläche des Messobjektes sich ständig ändert. Daher ist das Messen der axialen Geschwindigkeit einer schraubenförmigen Bewegung mit nur einem Messaufnehmer in dem meist geforderten Genauigkeitsbereich nicht möglich.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Messverfahren und eine Messanordnung zu schaffen, die eine genauere Bestimmung der axialen Geschwindigkeitskomponente einer zusammengesetzten Bewegung auch bei einer nicht idealen Justierung der Messanordnung in bezug auf das Messobjekt bzw. bei Auftreten von Lageänderungen des Messobjektes in bezug auf die Messanordnung erlauben.
Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass mit Hilfe von zwei gegenüberliegenden, starr zueinander angeordneten, in axialer Richtung messenden Messaufnehmern die Geschwindigkeiten an zwei, bezogen auf die Axialrichtung gegenüberliegenden Stellen der seitlichen Messobjektoberfläche erfasst werden und die axiale Geschwindigkeitskomponente als der arithmetische Mittelwert der an beiden Messstellen gemessenen Oberflächengeschwindigkeiten errechnet wird.
Fig. 1 zeigt das Prinzip dieser Anordnung. Das Messobjekt --3-- führt eine schraubenförmige Bewegung aus, bestehend aus einer axialen Bewegung mit der Geschwindigkeit VA und einer Rotationsbewegung mit der Winkelgeschwindigkeit #, der eine Tangentialgeschwindigkeit an der Messoberfläche VT entspricht. Zwei Geschwindigkeitsmessaufnehmer --1 und 2-- erfassen an ihren Messstellen die Geschwindigkeiten v/\1 und v..,. Diese beiden Messwerte stehen am Ausgang der Messaufnehmer zur Verfügung. Es wird schliesslich ein arithmetischer Mittelwert der beiden gemessenen Geschwindigkeiten gebildet, der der axialen Geschwindigkeitskomponente entspricht.
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Fig. 2 zeigt die Auswirkung einer Lageänderung des Messobjektes in bezug auf die Messanordnung auf die von beiden Messaufnehmern erfassten Geschwindigkeiten. Während der Messaufnehmer --1-- durch das Miterfassen einer Komponente der Rotationsbewegung einen zu hohen Wert der axialen Geschwindigkeit erfasst, ist die vom Messaufnehmer --2-- erfasste Geschwindigkeit aus demselben Grund zu niedrig. Durch die Mittelwertbildung werden jedoch die beiden Fehler kompensiert.
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EMI2.3
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: ss.... Winkelabweichung des Messkopfes--l-von der Ideallage (Justierfehler) ss.... Winkelabweichung des Messkopfes --2-- von der Ideallage (Justierfehler)
F (%).... relativer Fehler der gemessenen Axialgeschwindigkeitskomponente.
Die einzige Fehlerquelle dieses neuen Verfahrens ist wie auch bei den bisher bekannten Verfahren die ungenaue Justierung der beiden Messaufnehmer zueinander. Diese Fehler können jedoch minimal gehalten werden, wenn eine präzise Justierung der beiden Messaufnehmer zueinander gewährleistet wird.
Fig. 3 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführung einer solchen Messanordnung. In einem biege- und drehsteifen Rahmen --4--, der das messobjekt --3-- umgibt, sind zwei Geschwindig-
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keitsmessaufnehmer --1 und 2-- aufgehängt. Die Aufhängung erfolgt über zwei Spannelemente --5 und 6-und über ein Rohreckzwischenstück --7--. Diese Art der Aufhängung, die an sich ein Gelenk mit insgesamt sechs Freiheitsgraden darstellt, ermöglicht eine genaue Justierung der beiden Messaufnehmer zueinander und gewährleistet ihre stabile Lage in der einmal justierten Stellung.
Als Geschwindigkeitsmessaufnehmer lassen sich vorteilhaft die nach dem Differenz-Doppler-Verfahren arbeitenden laseroptischen Geschwindigkeitsmessgeräte einsetzen. Es sind aber auch andere Geschwindigkeitsmess auf nehmer denkb ar.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Bestimmung der axialen Geschwindigkeitskomponente eines schraubenförmig bewegten Objektes, dadurch gekennzeichnet, dass mit zwei gegenüberliegenden, starr zueinander
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Oberflächen des Messobjektes (3) erfasst werden und der arithmetische Mittelwert der an beiden Messstellen gemessenen Oberflächengeschwindigkeiten gebildet wird.