用于确定卷起的材料上的距离量的设备和方法

专利名称：用于确定卷起的材料上的距离量的设备和方法
用于确定卷起的材料上的距离量的设备和方法本发明涉及一种用于确定卷起的材料的重叠长度的设备和方法，更具体地涉及如何可靠且高精度地确定所述重叠(重叠可能在将材料带卷绕在承载架本体上的过程结束时出现)。在许多要确定分层地卷绕和/或施加在承载架上的材料的重叠长度的应用中需要这样的设备和/或方法。例如，当层压玻璃纤维垫或碳纤维垫时，分层地施加这些垫子，其中，这些层必须不能彼此直接邻接，而是应具有特定的重叠以达到最大稳定性。这意味着，在已经施加的垫子之后的新垫子将在所施加的垫子的接触区域处覆盖其一预定长度。当在将带形或条形材料卷绕在承载架或滚筒或基座本体上时，也可能出现类似的问题。在部分这种应用情况中，例如卷起电缆和/或绕组(winding)线圈(coil)等，也可能必须确定所卷绕的电缆的末端与下层薄片的重叠，以获得具有特别同质的磁场的线圈， 例如，其中，最后一圈的重叠大约是零。在具有几个单独的绕组的线圈中，这可能是特别相关的。例如，较广泛的应用领域还有车辆轮胎的制造过程，其中，单独的条形或带形橡胶板例如被卷绕在基座本体上，或卷绕至已经制造的壳体上。例如，基座本体可以是圆柱形几何形状的滚筒或由单独笔直部分组成的其他旋转对称的本体，其圆周具有圆形和/或圆柱形包层(envelope)。这里，将成为最终产品的是具有垂直于其圆周的尽可能恒定的厚度的轮胎，因此，轮胎的壁厚尽可能地均勻，例如，以避免成品中的高度超出(rim-out)。典型地，这里将最多样化的材料彼此组合，以使得在一些制造方法中，将预定长度的带形和/或条形橡胶条卷绕在旋转承载架上，其中，条形卷绕材料的末端可能与相同材料条的起始端重叠。此重叠可能是期望的，但是，其重叠长度(即，一般地说，是相同材料条的起始端与末端通常重叠的区域)必须满足精确预定的几何边界条件。一方面，这里，可以将切向方向上的长度(即，沿着材料条的延展尺度或卷绕方向的长度)认为是重叠长度。可替换地，可能由于材料条在起始端处以及在末端处没有横切于其卷绕方向(在宽度方向上)(即，在平行于旋转体的轴线的轴向方向上)完全一致地重叠而出现的偏移也可能将认为是重叠长度。—般来说，通常需要确定卷绕材料和/或卷绕材料的表面的几何特性。其中，负重叠长度(即，当卷绕材料过短时在表面中产生的间隙)在这里也可以是受关注的。通常，还必须控制绕组的起始端与末端之间的卷绕材料的偏移。一般地，例如，通常需要确定卷起材料条的某些特征点之间的距离量，以及材料条的起始端(起始边缘)和末端(末端边缘) 之间的距离量。换句话说，例如，在车辆轮胎的生产中，在轮胎构造滚筒上连续地卷绕各种材料板。这里，可以产生各种材料的无效重叠长度，这可以明显影响轮胎的机械特性，并由此影响稳定性。因此，这种无效状况的检测(尤其是开放接合(open splice)(起始端与末端之间的间隙或重叠))，以及这种卷绕材料的校正和/或隔离是期望的。应将开放接合理解为是这样的状况，其中，材料条在其末端与材料条的起始端根本不重叠，使得获得没有被卷绕
4材料覆盖的区域。测量重叠材料的重叠长度的一个困难是，在卷绕操作之后只有材料末端边缘能在外部上看到，因为材料本身的起始边缘被覆盖在末端和/或重叠区域中。这导致这样的事实仅仅由于重叠区域本身的测量而不能精确地执行重叠长度的测量。之前，为了在工业制造的过程中检查重叠长度，例如，通常使用人工检查员，其在完成卷绕之后执行重叠长度的主观估值(assessment)。另一方面，已经尝试使用逐点工作的测量方法和/或传感器，其产生二进制输出信号，即，传感器本身在其中立即检测边缘的存在。例如，这可以通过光学传感器来实现，其对由传感器上的反射光导致的亮度变化产生反应。如果施加新的薄片和/或薄片重叠，则反射辐射光的点接近固定传感器，使得其检测总共增加的辐射强度。当超过某一极限值时，检测器然后指示边缘的存在。除了这种传感器或者逐点工作或者仅可能以这种方式检测具有一定宽度的材料中的几个测量点的事实以外，在其他情况下，在控制频繁出现的情况、测量所谓的“钝接合(blunt splice)”的重叠长度的量(即，具有0的目标重叠长度的卷绕材料的重叠长度)中，在没有扩展的控制逻辑的情况下，不能使用这些二进制工作方法。在期望的无缝过渡的正常情况中，这种传感器无法检测边缘，使得后面的评估(evaluation)逻辑获得无效的输入信号。即使该逻辑可正确地解释这种缺失的输入信号，也无法用这种传感器令人满意地控制这样的应用其中，卷绕材料没有任何陡峭的起始或末端边缘，例如因为对其进行斜切。在一些应用中，这种边缘检测传感器用来首先检测在卷绕处理过程中将卷起的材料条的起始边缘，其中，同时，通过角测量装置来检测滚筒的相关联的角位置。在卷起材料之后和/或在卷起的过程中，在(大约)单个滚筒旋转(evaluation)之后检测材料条的末端边缘，并同时检测滚筒的相关联的角位置。从滚筒的两个绝对角位置的差异和之前强制已知的滚筒半径，确定材料条的长度，然后，如果已知滚筒周长，那么计算材料的所产生的重叠长度。在上面已经简要地部分讨论的一些应用情况中，这种方法和/或执行这种方法的这种设备不会产生任何积极结果。如果材料和/或材料起始端不以垂直边缘陡峭地开始， 例如，而是切成平的(即，例如，以在<45°的切向方向上的切割角开始)，那么无法执行起始边缘的位置值的明确确定。频繁使用的角滚筒和/或基座本体(其具有这样的结构，单独的轴向平行节段与穿插的开放间隙交替出现)本质上具有许多连续边缘结构，使得这里不可能应用上述方法。如果之前已经卷绕的材料条具有重叠并由此导致末端边缘，即使在卷筒表面连续连续(即，例如，圆表面)时也是这种情况。在“钝连接”应用情况中并对于倾斜切割的材料，材料末端边缘的识别、以及由此材料重叠的测量，也因此是不可能的，因为起始边缘和末端边缘在无误差的情况中实际上是无缝连接的，因此没有可检测的边缘。当倾斜地切割时，一微小重叠仅导致一最小的但可能已经扰乱的高度差)，如果该高度差低于对边缘敏感的方法的阈值极限，那么无法检测该微小重叠。基本上，在这些传统方法中，因为由于从材料准备、从下层薄片的材料重叠而产生的结构，以及因为其他寄生效应(例如，起皱、材料构造、滚筒构造等)，通常无法确定和/或明确关联末端边缘。在这些方法中，检测轴向方向上的材料特性也是不可能的。因此，需要提供一种允许相对于几何特征(例如距离量)更可靠地测量卷起材料条的设备和/或方法。根据本发明的一些实施方式，在于切向方向上卷绕在本体上的材料条的卷绕过程中这可能通过如下方式实现产生材料条的表面的高度轮廓，其包含在切向方向上卷绕的材料条的起始端和末端。在高度轮廓中，随后确定材料条的起始端的位置和/或其位置值，使得，然后可以用此位置和包含末端的高度轮廓来精确地确定材料条的起始部分和末端之间的距离量。应该指出，在以下讨论中，主要将卷绕材料条的重叠确定为距离量。为了简化说明的原因而这样做。然而，当然，卷绕材料条的表面上的任何距离量都将通过术语“距离量” 来理解，例如，在没有重叠的情况下(即，在材料条的起始部分与末端之间在表面中出现间隙的情况下)，材料条的起始端与末端的距离。通常，以任意单位中或以SI单位，距离量和 /或与其相关联的值可以变成正的、负的，或者也可以是零。如果确定为零的距离量，那么这表明完全的钝接合，即材料无缝地卷绕在一起。在许多应用领域中，这代表理想情况。当然，不将术语“距离量”专门限制为切向方向上的距离，而是也可以确定任何方向上的任意距离量，并将其用于质量控制。例如，可用发明性方法和/或发明性设备的一些实施方式来检测材料条在轴向方向(即，垂直于切向方向的方向)上的偏移。通过使用在切向方向上产生的高度轮廓，有可能不仅对陡峭的边缘敏感，而且可能对卷绕材料条的任何形式的起始端敏感，例如所切割的材料的平直斜面。通过产生高度轮廓，还使得可能检测材料末端处的任意(边缘)形状，特别是还确定地检测钝接合的存在。如果在完全卷绕之后的材料条的起始端的位置附近，高度轮廓中没有出现升高或降低， 即卷绕材料条的表面没有任何降低或超高，则是这种情况。 当然，在存在重叠的应用中，也可以以最大精确度来确定材料条的末端的位置和/ 或材料条的末端边缘在高度轮廓中的位置。换句话说，所确定的高度轮廓将其本身区别开来的地方在于，其在切向方向上具有至少两个(但是，在一些实施方式中，有多个)高度值，这些高度值均与切向方向上的测量位置(位置值)和/或测量地点或像素相关。在最简单的情况中，由此，通过描绘高度测量值相对于在坐标系的X轴上示出的测量位置的曲线，可以视觉化表现一维高度轮廓。当然，没有这种视觉化表示，评估高度轮廓也是可能的。在一些实施方式中，产生二维高度轮廓，可以在概念上将其理解为在将测量的材料条的整个宽度上(在宽度方向上)延伸的多个一维高度轮廓，即，在轴向方向(宽度方向)上彼此相邻的多个一维高度轮廓。例如，这可以用逐行(line by line)工作的高度传感器来实现，其在整个宽度上产生多个测量点。在一些实施方式中，通过非接触测量来产生高度轮廓。例如，这具有快速且无磨损测量的优点。在一些实施方式中，为此使用光分段测量(light sectioning measure)方法， 并且，在其他实施方式中，可使用空间分辨超声距离方法或脉冲回声方法。在其他实施方式中，可使用触觉方法，其中，将多个相邻布置的测量传感器布置在材料条的表面上，例如，以记载高度轮廓。在这些方法中，通常，检测卷起材料的高度变化，其是由于材料条的表面到检测器的距离的变化被观察到或直接通过扫描等。在替换实施方式中，还可以经由材料条与传感器之间的气流压力的变化而采用确定到表面的距离的变化的压缩空气传感器。在一些实施方式中，为了节省计算的原因，仅在起始端和/或末端的区域中产生高度轮廓，而在位于它们之间的区域中不产生高度轮廓。例如，可以通过外部触发信号将起始端和/或末端的大致位置提供至测量系统。例如，将材料条供应至滚筒上的起始步骤可以用来开始包括材料条的起始端的测量操作，其中，一旦已经开始进行卷绕操作时，则立即可以再次用滚筒的旋转速度的消息来预测结束和/或结束时间，以触发末端区域中的高度轮廓的产生，其在任何情况中都包括材料条的末端。这里，检测起始端或起始边缘以及检测和/或确定末端或末端边缘可以以最多样化的方式进行，这是因为存在所有相关信息，并可以由于高度轮廓的产生而对其进行评估。 这里，其将是一种定义阈值的简单且计算不复杂的方法，如果该阈值被超出，那么其表示存在边缘。例如，如果在两个相邻测量位置之间确定超出阈值的高度差，那么可表示和/或检测边缘。在对材料条的更复杂起始形式敏感的替换方法中，参数化法和/或描述边缘或起始路线的函数可以与高度轮廓匹配，以从在匹配过程中确定的最佳参数推断精确的位置。 例如，具有模糊边缘的阶梯函数可与高度轮廓匹配，其中，阶梯函数的斜度的一半的位置可与边缘的位置相关联。这具有这样的优点就在紧邻起始位置或末端位置的周围环境中的高度值也有助于确定此位置，并由此明显增加了位置确定的精度。通常来说，通过首先产生高度轮廓(其包含感兴趣的目标区域，例如起始或末端区域)，与之前使用的方法中的情况相比，可以用更多信息来寻找材料条的起始端或末端。因此，可以更大的精度地和/或首先寻找起始端和末端。在本发明的其他实施方式中，在卷绕过程中记载材料条的表面的二维高度轮廓， 例如，借助光分段测量方法。换句话说，这意味着，产生具有几个测量轨迹的二维高度轮廓， 每个测量轨迹包含沿着切向方向的一维高度轮廓。因此，所产生的测量轨迹平行地且在垂直于切向方向延伸的方向上彼此临近地布置。这意味着，同时用多个测量轨迹检测将卷起的材料条的整个宽度，以使得可以在重构中，在材料条的整个宽度上，获得关于材料条的起始路线的信息。在由此产生的二维高度轮廓中，基本上，可以发现和/或确定任何任意的表面结构。所产生的高度轮廓由此允许多种质量控制措施。这里，甚至可以以各种方式增加检测精度，例如，通过首先在一个维度上分开地确定材料条的起始端和末端的位置或每个测量轨迹。通过各个测量轨迹之间的相关性，可实现所寻找的材料边缘路线和/或材料条的起始端和末端的路线的增强的检测安全性。其一个实例将是，对于当前考虑的像素和/或对于当前考虑的测量轨迹，通过用相邻测量轨迹的位置值对在起始端或末端发现的位置和/或位置值进行加权，来使边缘路线变得平滑。 替换地，也可以进行简单的一致性试验，其中，检查在相邻测量轨迹中发现的位置值是否处于当前考虑的测量轨迹的位置值周围的可察觉到的间隔内。此外，通过产生二维高度轮廓， 变得有可能检测起始端或末端在材料条的整个轴向宽度上的路线。因此，可以空间分辨的方式确定重叠长度，即，可准确地测量在材料条的宽度范围上部分显著变化的重叠长度。此外，当产生二维高度轮廓时，可能确定轴向或宽度方向上的其他测量值，例如材料条的总体宽度、材料偏移或离心。此外，还可能确定接合角的方向，即，接合边缘相对于切向或轴向方向的方向。特别是在轮胎生产中，这通常是期望的，因为可以将被切割成带尖角的(即，相对于切向方向具有可能达到80°或甚至更大的角度)材料条用在这里。即使在接合处覆盖整个圆周的情况中，也可以在产生二维高度轮廓时，在接合处的总长上可靠地检测此接合。此外，还可能识别所记载的高度轮廓中的其他类型的误差。此实例可能是折叠起来的材料转角、褶皱、材料边缘处的开放接合和其他不规则。此外，通过记载高度轮廓，并非绝对必须提供源自用于产生高度轮廓的设备的对卷绕装置的控制，或者，相反地，通过卷绕装置提供对用于产生高度轮廓的设备的控制。这是由于这样的事实卷绕进展(即，例如卷绕滚筒的绝对角位置)与产生高度轮廓的数据纪录(capture，捕获)检测器或传感器的状况之间的直接关系并非必须在任何时候出现。为了允许将高度轮廓的初始无量纲位置值转换成长度值，首先仅需要在切向方向上的已知部分中纪录高度轮廓中的单独高度值。例如，这可以通过以恒定的旋转频率工作的卷绕装置来实现，同时，完全独立于卷绕装置，以恒定时间间隔产生高度轮廓的高度值。以卷绕设备的恒定转速，可自由确定用于产生高度值的单独纪录步骤的计时。然后，可通过单个几何因素产生高度轮廓中的长度比例(length scale，长度规)，从而在卷绕设备与用于确定重叠长度的控制装置之间没有直接连接的情况下，也可能以高精度从高度轮廓确定绝对长度单位中的重叠长度。总而言之，本发明的一些实施方式允许可靠地检测所卷绕的材料条的起始边缘和末端边缘或起始端和末端，而且在倾斜切割材料边缘和钝接合的情况中也是这样。这里，产生高度轮廓也用来避免错误测量。在二维高度轮廓中，还在非切向方向上确定特性(例如， 材料宽度、偏移、接合角的测量和/或轴向方向)，并使得可能检测到其他卷绕错误(材料转角的折叠、皱褶、错误制备接合等)。将在下面参考附图更详细地描述本发明的一些实施方式，附图中

图1示出了用于将材料条卷绕在本体上的系统的一个实施方式；图2示出了用于产生高度轮廓的传感器装置的一个实施方式；图3示出了通过图2的传感器装置确定的高度轮廓的实例；图如示出了具有负距离量的一个实例；图4b示出了高度轮廓的另一实例；图5示出了用于卷绕材料条的旋转装置的替代实例；图6示出了确定距离量的方法的一个实施方式。图1示出了允许将材料条卷绕在本体上的系统的一个实施方式，其中，该系统包括用于确定卷绕在本体上的材料条的重叠长度的控制装置。图1示出了旋转装置2的一个实例，其适于在切向方向6上将材料条4卷绕在本体上。在图1所示的简单实例中，旋转装置2由可转动地围绕中心轴线8枢转的圆柱形滚筒组成，材料条4卷绕在圆柱形滚筒的表面上。因此，材料条4卷绕于其上的本体由旋转装置2本身形成。然而，在替换实施方式中，本体当然可以与导致旋转的装置分开形成。该系统进一步包括用于确定在切向方向6上卷绕于本体上的材料条4的重叠长度的控制装置10。控制装置10包括传感器装置12，其适于产生材料条的包含在切向方向6 上卷绕的材料条5的起始端20和末端22的表面的高度轮廓。在图1所示的实例中，将传感器装置12实施为光分段测量装置，其记载通过激光器或其他光源M投射在材料条4的
8表面上的测量光线26，并从此产生材料条4的表面的高度轮廓，如将在后面的图中更详细地说明的。简要地预期此说明，高度轮廓由多个切向方向上的已知的测量位置和分别与其相关联的高度值组成。在之前段落的指向上的已知的测量位置，例如，可以是等距测量位置，S卩，在切向方向上具有之前已知的恒定距离的一系列测量位置。在其他实施方式中，这些测量位置可以确实地知道，但是并非必须是等距的。因此，例如，可以将特别关注区域中的相邻测量位置的距离选择为是特别小的，以在这些位置达到高空间分辨率，在所述特别关注区域中，预期材料条的重叠和/或起始端和末端。在位于这些位置之间的区域中，在本发明的一些实施方式中，由于增加了相邻测量位置之间的距离，从而减小了切向方向上的空间分辨率。例如，这允许以减小的计算工作量来观察整个表面，以发现更严重的错误，而同时仅在待确定距离量的区域中使用最高的空间分辨率。控制装置10进一步包括评估装置(evaluating means) 30,以分析高度轮廓并确定材料条的起始端在高度轮廓中的位置值。在图1所示的实施方式中，评估装置30进一步包括测定(evaluation)或确定装置(未示出)，其用于使用当将材料条4完全卷绕在本体上时起始端的位置值以及包含材料条的末端的高度轮廓来确定重叠长度。在图1所示的情况中，评估装置和测定或确定装置因此结合在一个壳体中，其中， 例如，可以在软件或专用计算机硬件中实现这两个装置，例如以确定材料条的重叠长度，如在下图中描述的。在图1所示的情况中，传感器装置12还与旋转装置2耦接，以允许同步。然而，此耦接是可选的，这是因为，由于记载高度轮廓的原因，旋转装置2和传感器装置12的直接耦接不是必须的，只要二者以固定方式操作即可。此外，在图1中假设，通过在径向方向上辐射到旋转装置32上的激光器M来产生光分段投射和/或测量线26的投射。在替换实施方式中，当然，也可能改变产生测量光投射的方向，例如，以增加光分段测量装置的高度分辨率。在图1示意性地示出的系统的基础上，图2至图5示出了可以如何实施用于确定重叠长度的装置的实施方式，以高精度地识别在切向方向4上卷绕在本体2上的材料条4 的重叠长度。这里，为了一般性的原因，示出了允许创建材料条4的表面的二维高度轮廓的光分段测量方法。关于这一点，将指出，在一维实施方式中也获得该创造性优点，以使得在没有一般性限制的情况下，在高度轮廓的讨论中仅讨论一维高度轮廓，以能够清楚地示出本发明潜在的概念，且不妨碍通过附加的技术复杂性进行基本的理解。图2、图4a、图4b和图5示出了其他实施方式。在图中，示出了图1中的透视图所示的设备的二维截面图。图1所示的设备的截面可以在沿着平行于旋转装置2的旋转轴线 8的宽度方向40( S卩，垂直于切向方向6)的任意位置处。这里，图2在此二维截面图中从顶部至底部示出了卷绕过程的三个不同阶段和分别与其相关联的单独纪录，将其组合到在切向方向上通过的高度轮廓中。这里，将再次简要地说明光分段测量的概念，通过光分段测量在此具体实施方式
中产生高度轮廓。在图3中示意性地示出的高度轮廓中，也表示了一维高度轮廓中与图2的各种部分图像的单独位置I、II和III相关联的位置。没有一般性限制的情况下，这里假设激光M 在径向方向上投射到圆柱形滚筒2上。通过传感器装置12 (即，光分段照相机)来记载此投射(特别是在滚筒2的表面和/或材料条4上产生激光的反射的光点或光线)。这里，光分段照相机12记载二维图像，其特征在于这样的事实所观察到的光线在二维传感器(例如，C⑶或CMOQ上的某一位置处成像。这里，传感器与光投射之间的相对对准典型地选择成使得一方向(X轴)与宽度方向40相对应，而传感器上的Y轴与临时高度值42相对应。 在图2的上部图像中示出的图示中，简单地假设，滚筒2是完全平面的，S卩，传感器装置12 中的图像是直线44。中部图像示出了这样的结构已将材料条4的起始边缘或起始端卷起至位置2。由于给定的几何形状，在其他完全平面表面的情况中，光测量条在二维传感器上的投射现在将产生线46，其与更大的(临时的)高度值相对应。为了示出原理，在图2的中间图示中，再次用虚线示出了与以上结构相关联的二维传感器的成像位置44。图3的上部图示示出了一维高度轮廓的与图2的中间图示相对应的图示，这里，假设其与二维传感器的第三像素相对应，即，与二与三之间的X值相对应。换句话说，图3的顶部出所示的高度轮廓的图示与在产生光分段纪录时在等距位置处测量的多个高度值相对应。以任意单位在高度轮廓60的X轴上描绘这些位置值。这里，例如，在Y轴上描绘的高度值可以直接与在高度方向42上的二维传感器上确定的(临时的)高度值或像素值相对应。在其他实施方式中，还可能的是，在创建高度轮廓之前，已经根据图2中的布置的几何形状，执行在传感器上观察到的高度值h’到径向高度变化的转换。不管是不是这种情况，对于进一步讨论都将忽略这一点，因为可以基于两个替换方式实施所有实施方式。如可从图3的上图得到的，与所测得的线44的二维图示相对应的位置1处的高度值较小，同时，上升至再次大约达到位置2的恒定水平，其中，如图3所示，在图2所示的材料条4的边缘尖锐的情况中，此增加突然发生，使得完全获得在图3的顶部示出的高度轮廓。现在，可以高精度从此高度路线直接确定材料条4的起始端的位置值，例如，通过使用阈值标准或匹配适当的函数和/或参数化。这里，可以首先以任意的无量纲单位来确定位置值，其中，例如，可以在产生高度轮廓之前或仅在确定重叠长度之后，基于几何因素， 发生到SI单位的长度值的转换。例如，如果以旋转装置2的恒定旋转速度并以恒定的图像获取频率工作，那么，此几何因素从每次旋转的纪录的数量和旋转装置的半径产生，并且如果可用的话，通过由已经卷绕在旋转装置或本体上的材料条所引起的半径的变化来校正。可如何确定边缘或边缘路线的位置的另一实例是，确定并评估高度轮廓的梯度。 如果梯度的大小超过最大值或阈值，那么可从其中推断出，存在高度阶跃，例如边缘。(例如，可以用梯度的符号来确定边缘的类型。)在替换实施方式中，可以进一步对梯度的大小设定窗口，其中，作为用于存在的边缘或起始端或末端的标准，确定梯度大小处于其中的窗口。因此，使得可能将其他后生物与材料条的起始端和/或末端分开。例如，某些材料可以从所卷绕的材料的圆周陡峭地伸出，使得对于“正常的”边缘，此位置处的导数 (derivation)比阈值高得多。通过设定窗口，然后，可以考虑这种后生物，从而不再导致边缘的检测。另外，在一些实施方式中，可以用梯度向量的方向来进一步增加边缘检测的准确性。在具有一维高度轮廓的实施方式中，可在切向方向上执行高度轮廓的求导，使得当高度轮廓的导数在某一位置超过最大值时，可以从其中推断出存在高度阶跃，即边缘。因此，也可将此几何因素叫做切向测量分辨率。与图2所示的实施方式不同，如果使用不在径向方向上投射到材料条4的表面上的光分段测量装置或光源对，可考虑由于激光的非径向辐射而引起的切向移动，以增加测量准确性。这源自这样的事实所卷绕的材料的直径一个薄片一个薄片地(sheet to sheet)增加。例如，如果针对与起始边缘相关联的像素P1和/或位置值P1采用与该位置值相关联的高度值H1 (P1)，并针对与末端边缘或末端相关联的像素P2采用高度值H2(P2)，即， 高度差是ΔΗ = H1(P1)-H2(P2),那么，简单的几何考虑可导致K= ΔΗΧΤΑΝ(α)的校正值。图2的底部的视图示例性地示出了在完全卷起材料条4之后出现的情况，其中，图 3中的下部图示出了与完全卷绕相对应的高度轮廓。如可从图3中得到的，在测量结束时， 即，在创建包含所卷绕的材料条的末端的高度轮廓之后，高度轮廓再次位于低于所观察到的最大水平的水平处，这是由于所观察到的重叠区域而引起。这意味着，高度轮廓在位置66 具有重叠和/或标记重叠的起始端的阶跃，材料条在位置66处与其本身重叠(其中，高度轮廓在卷绕操作结束之后再次降至重叠的开始之前的水平)和/或与材料条的末端重叠， 因为激光现在仅通过以前卷绕的材料条的表面散射。因此，可以以高精度将重叠和/或重叠长度确定为距离量68。这里，将高度轮廓中的测量和材料表面上的测量都理解为是距离量。在图2的下部图示中，通过在纪录结束前达到的高度值将此事实概略为一最大值，其在下部图示的二维传感器记录中用虚线示出。如可从图1至图3的描述中得到的，在本发明的一些实施方式中，由此使用用于在卷绕操作过程中产生允许创建高度轮廓的测量数据的系统。测量系统与内部(自由运行) 或外部触发的测量照相机一起工作，其中，在材料上和/或在滚筒壳体区域或所卷绕的材料条的表面上以等距或已知步长进行单独的测量。这里，可以以恒定的测量频率操作传感器和/或测量系统，即，没有外部触发驱动，或可以在外部触发测量，例如，通过沿着旋转装置的圆周上运行的小轮和/或滚筒2来实现，使得所记载的数据对于待检查的材料具有已知的切向测量距离。替换地，可以使用置于滚筒2中的旋转指示器，其触发单独的纪录。在替换实施方式中，使用逐行测量的几何测量系统，例如激光分段测量系统，其不仅允许高度轮廓的一维显示和/或一维创建，而且允许在卷绕操作过程中对卷筒和材料进行完整的二维检测。此测量系统还可以与内部(自由运行)或外部触发的测量照相机一起工作，以使得确保逐行测量是等距的和/或与已知的位置相对应，即，与材料上的和/或滚筒壳体区域上的已知步长相对应。材料边缘和/或材料条的末端的安全检测基于这样的事实完整信息以高度轮廓的形式存在，以及，可以使用能够检测边缘和/或材料步幅或起始端和末端的专门评估算法。此评估算法不是基于单个测量点逐点工作，但是可应用于合成的“高度数据”，即应用于高度轮廓，其可以在一维或二维中创建。因此，在数据纪录之后不同步地执行评估。在一些实施方式中，可以已经随着卷绕操作的开始，和/或一旦已经创建包含材料条的起始端的高度轮廓时，就起动高度轮廓的评估。然而，仅在完成整个卷绕操作之后和 /或当材料条的末端包括在高度轮廓中时，完成整个评估。理想地，无法在对接(butt)卷绕的材料条和/或与斜切边缘重叠的材料条中检测
11末端边缘，因为材料条的此类型的卷绕的目的正是防止出现这种边缘。与传统相反，在本发明的一些实施方式中，可执行点方式和/或基于阈值比较的测量方法(这里，是卷绕过程的明确确认)，这是因为，观察到在预期材料条的末端在其中的区域中存在均质且平滑的表面。可以对此进行检验，因为可获得材料条的完整高度信息和/或完整高度轮廓。因此，与针对边缘检测进行的这种方法相反，卷绕进程的检测准确度和/或控制精度可明显增加，并得出这样的结论仅在边缘不检测的情况中无缝地进行卷绕。由于边缘的检测(这种系统集中于此检测)需要超过阈值，所以这些系统对于无缝地卷绕或倾斜地覆盖起始区域和末端区域明显不太敏感。这意味着，在传统系统中仍没有发现高度的小阶跃，其可能在有未完成的卷绕的情况中出现。换句话说，对于这里描述的材料条的末端和/或材料末端边缘的自动识别的一些实例，由这样的发现构成实例所寻找的材料末端边缘仅局限于起始边缘加上一个精确的滚筒旋转附近的某一容许范围，使得其可以在所寻找的材料末端边缘或材料的末端与其他后生物结构之间进行逻辑地区分(直到这些出现)。当使用二维几何测量方法时，可通过各种相邻测量轨迹的测量点的附加相关性来实现边缘检测安全性的进一步改进，如在之前段落中已经描述的。总而言之，可如下简要地总结用于评估测量数据的算法。首先，在高度轮廓中确定起始端或起始边缘P1(Ii)的位置值和/或像素坐标。这里，为了降低计算灵敏度，可以将对此边缘的搜索限制于这样的一个区域，即，材料条的起始端由于几何框架条件的原因而必须位于该区域内。在一些实施方式中，然后，可以通过对位置值P/ (η)增加一完整旋转，从位置值 P1(Ii)推断出末端和/或末端边缘的预期像素位置和/或预期位置值。然后，在推断出的位置值P/ (η)的周围执行位置值的分析，以确定末端和/或末端边缘P2 (n)(如果存在的话)和/或与其相关的末端值。可以直接以米制单位或以位置值的单位从这两个位置值确定切向距离Τ(η)。在一个情况中，将直接确定位置值的差T (η)，在米制单位的情况中，也可以将此差乘以切向测量分辨率Α。除非激光投射在径向方向上，则仍可以用校正值K (η)来校正重叠长度，该校正值是由于所确定的边缘位置的切向移动而产生的。图如示出了确定出负距离量68的应用情况，因为材料条本身没有在其末端处重叠，但是在材料条的起始边缘与末端边缘之间和/或在材料条的起始端与末端之间留有间隙。如可在图如所示的高度轮廓中看到的，在此情况中，高度轮廓中的高度水平再次落回至与距离量68相关联的区域中的初始值，因为这里没有额外卷绕的材料。通过高度轮廓中的全部信息的上述评估，在间隙的情况中也非常可能确定距离量。不管是用正号还是负号将此情况与重叠的情况区分开，都是常规的。两种替换方式都是可能的。此外，图如示出，激光并非必须径向地辐射到材料的表面上。相反，在一些实施方式中，不在径向方向上产生激光和/或测量光投射可能是有利的，以增强高度分辨率。为了相同的原因，还可以布置照相机，通过照相机以相对于径向方向的任意角度观察光投射。此外，在一些实施方式中，光测量条在所卷绕的材料条的表面上可能不轴向地(即平行于宽度方向)行进，如在之前的图中指示的。相反，此光测量条相对于宽度和/或轴向方向的任
12意角度是可能的。因此，在一些实施方式中，在评估中可以进一步增强高度分辨率，因为，甚至在平行于宽度方向卷绕的边缘的情况中，由于“倾斜的”测量光束，测量光束在二维传感器上的投射也会对于各个相邻测量轨迹在不同的像素线中成像。因此，在一些实施方式中， 可以使用传感器上的像素位置之间的附加插值，使得即使激光束是倾斜的，也甚至能增强高度分辨率。图4和图5示出了两个其他测量情况，其中，仅通过采用本创造性方法和/或通过使用本创造性设备，能够可靠地确定边缘路线，因为存在使几何条件变得复杂的边界条件。 在图4b所示的实例中，示出了材料条4的实例，其前边缘并且可能其后边缘是斜切的，如在之前的段落中已经部分地讨论的。在图4b所示的情况中，在上部图示中示出了具有斜切边缘的材料条4的卷起的起始端，其中，下部图示出了与其相对应的一维高度轮廓。如可从图示中得到的，在起始区域70中，高度的相对变化和/或高度轮廓中的高度值的相对变化相当小，在起始区域70中材料条是斜切，使得，边缘检测在确定这里的边缘的精确位置时具有困难，其中边缘检测针对的是相邻高度测量点的变化和/或高度的阶跃。通过评估高度轮廓，变得有可能用分析的全部信息作为定义这种适于应用的标准的基础。例如，当将参数化匹配至高度轮廓时，可能将起始端定义为是所述条的实际起始端，或者也可能将其定义为是高度轮廓的增加的一半，如果其更适于将实现的目的。图5示出了在实际中频繁出现的结构，在该结构中，将由弹性材料(例如橡胶)形成的材料条卷绕在并非完美的圆柱形的表面上。相反，在图5中使用8个线性节段80a至 80d(其中，此数字可能任意改变)，其到旋转中心的直径d可以变化，以改变材料条卷绕于其上的本体的直径。这里，在完成卷绕时，由所使用的材料的自弹性产生圆柱形几何形状。在这种应用情况中，目的在于仅检测边缘的传统方法的使用是不可能的。这是由于这样的事实用于卷绕的本体本身已经具有多个边缘，例如在节段80a与80b之间，其将均通过基于边缘的方法被发现。由于这种边缘的多样性，对所卷绕的材料本身可能不再明显的报告。即使当边缘已经被一片所卷绕的材料覆盖时，用这些传统方法也不可能进行明显的评估，因为所卷绕的材料条中的边缘(其会错误地再次导致将此边缘解释为是材料条的末端边缘)均通过节段边界处的分段方式的(section-wise)线性节段在所卷绕的材料条中产生。然而，如果高度轮廓是已知的，那么可以可靠地区分开各个组成部分。总而言之，用于在切向方向上将材料条卷绕在本体上的系统由此可能具有如下所述的特征，例如*整个系统的仪器先决条件的实例-供应装置-卷绕滚筒-用于滚筒的径向高度变化的线性测量的传感器(三维几何测量系统)-该传感器是内部(以恒定的测量频率自由运行)或外部(例如，利用滚筒上的距离指示器)触发的，使得所纪录的数据具有关于待检测材料的已知的切向测量距离。(例如，纪录的外部触发推动可以由通过沿着滚筒表面上的小滚动运行而产生。替代地，可以使用与卷绕滚筒直接连接的旋转指示器。例如，可以在实际测量之前通过适当的设备和方法来校准切向测量分辨率)。*开始卷绕操作以及开始测量传感器的三维高度数据的线性记载。*在纪录之后部分地或完全地将测量数据传送至评估单元，并将测量数据组合成整体表达。*在评估单元上通过一维或二维边缘检测算法检测整体表达中或部分表达中的所有测量轨迹η中的起始边缘的像素坐标Pl (η)，也可能用关于起始边缘的预期像素位置及其相对于轴向方向的角方位的先验信息。*在滚筒的一转ΡΓ (η)之后，将起始边缘的像素坐标Pl (η)外推(extrapolation) 为起始边缘的像素位置；*就在像素位置ΡΓ (η)的周围检测末端边缘的像素坐标Ρ2 (η)；*确定坐标Pl，(η)和Ρ2 (η)的差值D (η)；*对应于差值D (η)，通过将差值D (η)乘以切向测量分辨率Α，来以米制单位确定切向距离T (η)；*如果可用的话，在表面法线与激光(仅对于激光分段)的入射角之间的角度非零的情况中，由于所确定的边缘位置的切向移动而进行Τ(η)的校正Κ(η)。*计算切向方向上的重叠长度值U (η) +K (η)。*借助于cos ( α )，通过重叠长度在边缘方向上的投射，计算垂直于材料边缘的重叠长度；α是轴向方向与材料边缘之间的角度。在仪器实现的基础上，确定在切向方向上卷绕在本体上的材料条的重叠长度的方法的一个实施方式可以具有如下所述的特征，如也基于图6示出的。在轮廓步骤100中，首先创建材料条的表面的高度轮廓，其包含在切向方向上卷绕的材料条的起始端和末端。在检测步骤102中，在高度轮廓中确定材料条的起始端的位置值。在评估步骤104中，基于所确定的起始端的位置值和包含材料条的末端的高度轮廓，确定材料条的重叠长度。虽然已经基于之前的实施方式讨论了边缘检测的一些可能性，但是，当然可能在高度轮廓内应用其他标准，以检测材料条的边缘和/或起始端。例如，可相对于斜率的变化对所有纪录的测量点的周围进行检查和评估。例如，然后将用这样的事实确定边缘斜率的此变化具有相对的最大值。在二维高度轮廓中，可以在以线性方式纪录的传感器中提供轴向(即，在宽度方向上)相邻的边缘检测结果之间的相关性。因此，在逻辑上可以阻止可能的错误值(即，错误检测的边缘位置值)(例如，松开的线)。此外，可以将所检测的边缘位置值的一组点结合成一公共曲线，可以通过其他评估操作使该曲线整体上平滑。其中，此平滑减小了残余噪声，即可能的测量不准确性。此外，虽然在之前描述的实施方式中未清楚地示出，但是可使用特殊的光分段测量照相机，其执行传感器元件矩阵的二维图像的预评估，以在每个测量轨迹(检测器的列)中仅输出，例如，与传感器元件矩阵中的光测量条的位置相对应的像素值和/或高度值。在一些其他实施方式中，也可以将重叠长度的结果值结合至总体曲线，可能将其提供给其他逻辑或质量检查，例如用于评估某一评估间隔内的容许超出。当使用在接合区域中没有“垂直的”边缘，但是有斜切的切割边缘的材料和/或材料条时，可通过评估算法来确定与倾斜切割区域与“平直”条表面之间的“上部”过渡相对应的位置和/或位置值。通常以“钝接合”卷绕这种材料，即，具有零长度的接合重叠。对于这种有意钝接合的情况，理想地是检测不到材料末端边缘，因为材料实际上无缝地连接。在一些实施方式中，由此可以在预期位置周围的某一容许窗口内搜索材料末端边缘，并且，在失败的边缘检测的情况中和/或在表面区域和/或此区域中的高度轮廓稳定、平滑的情况中，可以从其中推断出，已经根据需要卷绕钝接合。当使用在轴向宽度上具有多个测量轨迹的传感器时，可在整个轴向宽度上感测材料条。在此情况中，不仅重叠长度的测量是可能的，而且，例如材料条的横向边缘的检测也是可能的，其可以用于确定材料宽度、材料的轴向偏移、折叠的材料边缘、部分开放的接合以及相对于轴向方向的接合角。在其他实施方式中，基于二维高度轮廓，可以随同包含所卷绕的材料条的起始端和末端的高度轮廓的那一部分的信息一起，确定距离量和/或重叠，例如，这通过将二维高度轮廓的适当参数化匹配至此区域来进行。从通过匹配来确定的参数，可确定重叠的距离量，而不直接观察材料条在高度轮廓中的放置(起始端和/或起始边缘的产生)。在高度轮廓中仅检测覆盖起始端的下一片的那部分，其中，可用适当的参数化来确定下面的起始端和/或其位置值。给定几何条件的适当选择，通过本创造性方法的实施方式和/或当使用本创造性设备的实施方式时，可在切向方向上产生优于0. 5mm的空间分辨率，根据其他实施方式，甚至优于0. 25mm。根据测量轨迹的数量，即，根据传感器和/或所用的光分段传感器或触觉测量方法，通过使用另一成像比例、具有更高分辨率的传感器和/或更大数量的触觉传感器， 能使宽度方向上的分辨率可变地适应需求。因此，例如，可用本发明的一些实施方式实现优于0. 5mm或甚至优于0. 25mm的空间分辨率。同样地，通过适当选择传感器和/或光分段测量方法的几何条件，当待检测的材料条的厚度在Imm与IOmm之间变化时，可实现优于0. 5mm或甚至优于0. Imm的高度分辨率。 一般来说，可实现比所检测的材料的厚度大至少5或10倍的高度分辨率。根据这些条件，可以在硬件中或在软件中实现确定在切向方向上卷绕在本体上的材料条的重叠长度的本创造性方法的实施方式。此实施可以是在数字存储介质上，尤其是具有能够与可编程计算机系统配合操作的可电子读取的控制信号的磁盘或CD，以便执行确定在切向方向上卷绕在本体上的材料条的重叠长度的方法的一个实施方式。通常，当在计算机上执行计算机程序产品时，本发明由此还存在于具有储存于机器可读载体上用于执行本方法的程序代码的该计算机程序产品中。换句话说，当在计算机上执行计算机程序时，由此还可以将本发明实现为具有用于执行本方法的程序代码的计算机程序。
权利要求
1.确定在切向方向(6)上卷绕到本体上的材料条(4)的起始端与末端之间的距离量的方法，包括创建所述材料条的表面的高度轮廓(60)，该高度轮廓包含在所述切向方向(6)上卷绕的材料条的所述起始端00)和所述末端02)；确定所述材料条(4)的起始端OO)在所创建的高度轮廓(60)中的位置值；以及用所述起始端OO)的位置值和包含所述材料条的末端0 的高度轮廓(60)来确定所述距离量。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，创建高度轮廓(60)，其包括对于在切向方向上以已知距离彼此相邻的多个位置值的高度值以及与该高度值相关联的位置值。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，在切向方向上位于所述材料条(4)的所述起始端OO)与所述末端02)之间的中间区域中不创建高度轮廓(60)。
4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在卷绕操作的过程中创建所述高度轮廓(60)，其中，对于已知的或在切向方向上等距的多个位置值，确定并存储与各个位置值相关联的高度信息。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在创建的所述高度轮廓(60)中确定所述材料条(4)的末端0 的位置值，并用所述末端0 的该位置值确定所述距离量。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，将所述高度轮廓(60)中的起始边缘确定为所述材料条的起始端(20)，并将末端边缘确定为所述材料条的末端 (22)。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，如果所述高度轮廓(60)中的在切向方向上相邻的两个位置值的高度值的差的绝对值超过一预定极大值，则在所述高度轮廓(60)中确定起始边缘或末端边缘的位置值。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，确定起始边缘或末端边缘的位置值包括形成所述高度轮廓的导数。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，如果所述高度轮廓的导数的值满足阈值标准或处于预定间隔内，则确定所述起始边缘或所述末端边缘的位置值。
10.根据权利要求6或7所述的方法，其中，当确定所述起始边缘或所述末端边缘的位置值时，将描述边缘路线的参数化匹配至所述高度轮廓(60)。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，当确定所述距离量时，考虑几何校正值，从所述起始端OO)的位置值和所述末端0 的位置值生成长度值。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，当确定所述距离量时，将所述起始端OO)的位置值和所述末端02)的位置值的差与所述校正值结合。
13.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，通过非接触或触觉测量方法来创建所述高度轮廓(60)。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述测量方法是光分段测量方法。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，创建包括对于多个测量轨迹的高度值的二维高度轮廓(60)，其中，所述多个测量轨迹在垂直于所述切向方向(6)通过的宽度方向上相对于彼此相邻地布置。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，为了确定与一预定位置值处的测量轨迹相关联的高度值，考虑与所述预定切向位置值相关联的、在所述宽度方向上相邻的一测量轨迹的附加高度信息。
17.根据权利要求15或16所述的方法，其中，为了确定所述起始端00)的位置值或所述末端0 的位置值，将描述线或区域的参数化匹配至所述二维高度轮廓(60)。
18.根据权利要求15或16所述的方法，其中，确定所述起始端OO)和/或所述末端 (22)的位置值包括针对所述二维高度轮廓(60)的测量轨迹的每一个，确定所述起始端OO)和/或所述末端02)的临时位置值；以及通过将所述临时位置值与在所述宽度方向上直接相邻的至少一个所述测量轨迹的临时位置值相结合，来确定所述起始端OO)和/或所述末端0 的位置值。
19.用于确定在切向方向(6)上卷绕到本体上的材料条的起始端与末端之间的距离量的设备，包括传感器装置，形成为创建所述材料条(4)的表面的高度轮廓(60)，该高度轮廓包含在切向方向(6)上卷绕的材料条的所述起始端OO)和所述末端02)；评估装置，形成为分析所述高度轮廓(60)，以确定所述材料条(4)的起始端OO)在所述高度轮廓(60)中的位置值；以及确定装置，形成为用所述起始端OO)的位置值和包含所述材料条(4)的末端02)的高度轮廓(60)来确定所述距离量。
20.计算机程序，在计算机上执行所述程序时，所述程序具有用于执行根据权利要求1 至18中的任一项所述的方法的程序代码。
21.用于在切向方向(6)上将材料条(4)卷绕到本体上的系统，包括旋转装置O)，与所述本体耦接，并形成为将所述本体设置为在切向方向(6)上旋转并卷起所述材料条(4)；以及控制装置(10)，用于确定在所述切向方向(6)上卷绕到所述本体上的所述材料条(4) 的起始端与末端之间的距离量，包括传感器装置，形成为创建所述材料条的表面的高度轮廓(60)，该高度轮廓包含在切向方向(6)上卷绕的材料条的所述起始端OO)和所述末端02)；评估装置，形成为分析所述高度轮廓(60)，以确定所述材料条(4)的起始端OO)在所述高度轮廓(60)中的位置值；以及确定装置，形成为用所述起始端OO)的位置值以及包含所述材料条的末端02) 的所述高度轮廓(60)来确定所述距离量。
全文摘要
可通过创建材料条(4)的表面的高度轮廓(60)来确定在切向方向(6)上卷绕于本体上的材料条(4)的起始端与末端之间的距离量，所述高度轮廓(60)包含在切向方向(6)上卷绕的材料条(4)的起始端(20)和末端。如果在所创建的高度轮廓(60)中确定了材料条(4)的起始端(20)的位置值，则可用此位置值和包含材料条(4)的末端的高度轮廓(60)来确定该距离量。
文档编号B29D30/30GK102186660SQ200980141279
公开日2011年9月14日 申请日期2009年8月18日 优先权日2008年8月19日
发明者京特·科斯特卡, 彼得·斯密特, 奥利弗·肖尔茨, 乌尔夫·哈斯勒 申请人:弗兰霍菲尔运输应用研究公司