用于无接触动态检测固体轮廓的方法

专利名称：用于无接触动态检测固体轮廓的方法
技术领域：
本发明涉及一种无接触动态检测固体轮廓的方法，特别为了测定 一个固体上所发生的磨损的目的。
背景技术：
为了测定磨损，通常利用所谓的模型测试台(如来自Amsler， Laffon - Eichinger等)来才全测材料样本在一个摩4察配对中用于一种特 定用途时发生的摩擦特性。然而，因为影响磨损的一些参数构成了一 组复杂的条件，它们在模型测试台上无法与实际情况相对应，所以将 按照这一方式所测定的一些特性转移到具体应用时，例如转移到比这 些样本的尺寸大得多摩擦体上时，遇到的困难是这些检测仅仅能够提 供一些倾向性数值。因此对一些重要应用而言在实际物体上进行摩擦 学勘测是不可避免的，但是经常遇到的问题是有待勘测磨损特性的一 个部件必须在一定的运行时间之后拆卸下来，然后(例如)通过测定
表面轮廓来针对磨损进行勘测，而这通常伴随着相当的费用。
已知通过一些接触的方式，例如，通过使用一台轮廓仪，可以检测 固体的轮廓，也就是可以建立表面的轮廓图，后者是基于与该固体相 接触的一^^触针的一种方法并且在该情况下测量范围在一个毫米以下 并且，例如，不可能获得厘米范围的测量值。这一情况下的测量时间 是每个测量点几秒钟，并且该方法的不利之处是不适用于严酷的测量 环境。
10还已知用于静态检测固体轮廓的不同的无接触运行的光学方法。这
些方法以及相关的4义器也包括在(例如)Bernd Breuckmann的专著 "Bildverarbeitung und optische Mefitechnik"["图像处理与光学测量技 术，，]，Munich: Franzis，， 1993, Chapter 6中的"形貌测量的三维测量学，，这 一术语之下。这一情况下激光三角测量法被描述为形貌测量方法之一， 三角测量法净皮认为是指Snellius在1615年为了测地学而首次形成的 一种测量方法，其中利用三角关系从测得的其他变量来间接地确定待 定的一个#1测变量。
在激光三角法中，使用 一个激光器来将一个光点投射到一个测量物 体上。从该物体反射的光，特别是散射光，被成像到一个光接收元件 上，例如一个位置壽丈感探测器，也称PSD ( Position Sensitive Device )。 光学结构的几何关系以及照射与观测方向之间的夹角被用于通过三角 测量法来确定考察之中的物点的位置，特别是高度位置。目前，激光 三角测量法允许在远达几米的距离范围内以低到|im范围的深度分辨 率来进行无接触测量。
与所述专著中说明的那些方法类似，激光三角测量的新发展是一 个已知的方法，其中激光束4皮展宽成一个线状光带，即所谓的光断面。 一个平面探测器，例如，像一个视频摄相机，可在此用于探测反射光。 进而，在三角测量法的基础上进行评估。这一方法的一个特点是轮廓 高度从lmm直到lm的一个测量范围同时分辨率是这一范围的大约 千分之一到千分之五十。所述专著提出了该光断面法在连续移动的物 体的情况下使用的 一种根本性的适用性，但没有给出可能的用途以及 局限性的细节。然而，在实践中用于动态地、也就是实时地、检测一 个移动固体轮廓的方法遇到的问题是该运动导致的待测表面的畸变使得不可能采用该经典三角测量法的程序方式，因此不能由其得到与 真值一致的测得值。

发明内容
本发明的目的是提供用于动态地检测一个开篇时所描述类型的固 体轮廓的一种无接触方法，它允许短的测量时间，包括覆盖至少三个 数量级的测量范围，如零点几个毫米、几个毫米以及几个厘米，保证 高的测量精度，并且可在严酷的操作条件下使用，特别是用于测定部 件的磨损。
根据本发明这是通过一种方法实现的，其中由一个激光装置产生并 且被展宽成至少一个线状光带的至少一个光束被投射到该固体表面的 至少一个区域上，该固体被移动通过该激光装置，并且来自该固体的 表面区域的反射光被聚焦到一个成像装置之中，所述成像装置的光轴 与该激光装置的才殳射方向成一个固定的三角测量的夹角并且所述成像 装置被安排在离该激光装置一个固定的基本距离处，并且通过一个平 面的光接收元件以相较于该固体的运动速度而言的一个高频率来进行 探测，其后，从该光接收元件作为该三角测量角度与该基本距离的一 个函数输出的多个信号来获得该轮廓的测量值，并且将这些测量值在 该数据处理系统中存储为 一幅轮廓图，其中在于一个图像触发的确定 是在一个接收循环中进行，对该图像触发选择由该光接收元件输出的 信号用于获得该轮廓的这些测量值。
在此，该固体可以是进行平动、旋转或者优选地滚动的一个旋转对 称体，特别是一个车轮。因此根据本发明的方法构成了随着一个车轮
经过时用于测量其轮廓以及由其中得出磨损量的结论的 一个极其有利的可能性。
除了结合依照该固体的运动速度而确定的修正值(这有利地允许测 定未被该速度"模糊"的轮廓)之外，有可能在在所述优选情况之下， 特别是结合依照该固体的表面区域而确定的一些修正值来获得该轮廓 的测量值以便无失真地测定该轮廓图。
有利的是为了完全地测定这些轮廓的目的，当通过使用至少三个激 光装置将多个光带投射到该固体表面的不同侧面上的多个区域上，并 且对所述多个激光装置分配多个成像装置，使多个轮廓图被测定为分 量轮廓图时，这些分量轮廓图存储在该数据处理系统之中，并且从它 们获得了 一幅总轮廓图。在该固体的基本形状大致上是圓柱形或圓环 形，如一个车轮的情况下，这些光带所投射的至少三个区域可以有利 地落在该圓柱或圓环的两个端面和侧面上。于是该轮廓图、这些分量 轮廓图和/或该总轮廓图可以各自与 一个或多个参考轮廓图相比较，并 且可以确定与对应参考图的对应的偏差，所述偏差构成所发生磨损的 一个度量或者关于所发生磨损是否仍然在可容忍的范围之内的 一个度 量。在这一情况下，借助于已发生的该固体的应力期间与所确定的磨 损量之间的相关组合，还可以做出关于多长的进 一 步的应力周期是可 以接受的或者关于什么时候有必要进行重新测试的 一个推断表述。
另外，当该轮廓图、这些分量轮廓图、该总轮廓图、对应的参考轮 廓图和/或对应的偏差与 一个固定的长期不变的几何基础量如一个不磨 损的轮缘内径进行参照时是有利的。例如，有可能以这一方式将该磨 损区域表示为一种展开图，在此基础上借助于合适的表现手段参照该 基本量值来描绘高度轮廓。例如，该轮廓图、这些分量轮廓图、总轮 廓图、对应的参考轮廓图和/或这些对应的偏差可以在一个指示装置如显示器中进行可视化。
在此情况下，该基本量值可以有利地从至少三个测量的值来确定，这些测量值类似地是通过无接触并且动态地测量移动的固体并且是以与该轮廓图的检测或者这些分量轮廓图的检测相同的方式来进行测定。为此目的，存在的可能性是或者对该运动固体的测量是通过被展宽成一个线状光带的一个单光束在至少三个时刻的设定时间间隔中进行，或者这些测量通过分别展宽为一个线状光束的至少三个光束结合这些光带所投射的固体的多个表面区域的设定距离来同时进行。
有利的是可以使用提供数字信号的装置作为光接收元件，如触发控制的CCD摄像机、或位置敏感探测器(位置敏感装置)，如光电二极管阵列。在此要保证第一种情况下该光接收元件对该光强敏感，而在第二种情况下光通量能提供足够的信号。
至于根据本发明的激光装置，以下的特征已被证明是特别有利的
-关于结果的高再现性与高精度方面所产生的光带的波长在400nm到1000nm的范围内，特别是在650nm到700nm的范围内；
-同样关于这一方面激光装置的功率在0.5到50mw的范围
内；
-关于高职业安全性方面(根据DIN EN 60825-1:2001-11的2
类激光器)可见区内的光带波长以及该激光装置的可触及的辐射(GZS)极限值小于lmw-由此要确保在激光器功率高于lmw的情况下通过合适的手段将该可触及的辐射的极限值降低到所要求的值；
-关于该方法的最小费用方面(成本)使用一个CW(连续波)固态二才及管，例如包括一种半导体材料如GaAs、 AlGaAs、 InGaP、GaAsSb、 InP、 PbSnTc或者类似的材料的二极管，优选一个VLD (可见光激光二极管)，与它在一个激光指示器中的使用方式类似， 一个可见光带额外地有助于该激光器相对于待测固体的调整。
至于根据本发明的方法的测量条件，以下特征已被证明对用于检测磨损的轮廓测量技术而言特别有利和/或最优，对于分别测定的轮廓图、这些分量轮廓图以及该总轮廓图而言，有可能实现小于2.0mm的分辨率，特别是小于0.5mm。
-该光带的宽度在0.3mm到6.5mm的范围内，特别是在在0.8mm到2.2mm的范围内-同时有可能希望的增大的平均工作距离(测量距离)，发散导致该光带宽度的扩大，但降低测量精度；
-该光带的长度在50mm到750mm的范围内，特别是在200mm到400mm的范围内-对应于该固体表面的待测区域的几何特性；
-三角测量角度在15°到40°的范围内，特别实在20°到30。的范围内，扩大的角度提高测量精度，但也有该固体表面不均匀照明以及出现阴影的危险；
-该成像装置，特别是该成像装置的一个聚焦透镜的中点与该激光装置的光轴之间的基本距离在30mm到450mm的范围内，特别是在60mm到270mm的范围内；
-该激光装置和/或该成像装置到该固体表面的光带所投射的区域的平均工作距离在20mm到650mm的范围之内，特别是在150mm到350mm的范围之内；-该固体可能的平移运动速度低于3.5m/s，优选低于1.5m/s;
-该固体可能的旋转运动的角速度小于15s"，优选低于6s"和优选地恒定不变；
-通过该光接收元件探测的固体表面的反射光频率在25Hz到100 kHz的范围内，特别是在lkHZ到10 kHz的范围内。
至于频率，它必须调谐到该固体的运动速度， 一个相对高的频率减小该固体的速度对该光接收元件的信号失真的影响。因此，可以有利地进行运动速度与反射光探测频率的相关性组合，以便确定根据该运动速度来测定的修正值，并且所述修正值可以是，特别地，与该运动速度成比例的一些矢量系数并且与该轮廓图的测量值和/或被加数的本质相对应。在此情况下有利的是不需要对该固体运动速度的特定范围而考虑非线性。
旋转对称体的半径和/或一些被加数的一个函数而确定的一些矢量系数，所述半径有可能是作为测定这些轮廓图的参考量的同一个长期不变的几何基本量值。
本发明进一 步的有利的设计包括在从属权利要求和以下详细说明之中。


本发明将借助附图所示的一个示例性实施方案来详细说明，在附图中
16的方法在一个示意性侧视图中示出一个原理图，
图2为了阐明根据本发明的方法，在一个示意性透视图中示出一个进一步的基本原理图，
图3示出用于轨道车辆车轮，如铁路车轮，应用了根据并本发明的方法的一个磨损;险测台的一个透视图，
图4示出对应于图3从一个正面选取的浮见角、相对于运动的方
向到一个车l仑的外侧的一个细节，
图5示出对应于图3的一个细节，但是从后面选取的一个视角相对于运动方向到一个车轮的内侧，
图6示出确定根据本发明所测定的一个轮廓图可以参照的一个几何基本量值时的程序方式的一个示意图，
图7和图8示出根据本发明来测定的一些轮廓图的示意图，和图9示出应用根据本发明的方法的程序过程。
参考号列表
1 固体la 车轮
2 激光装置3，3a，3b,3c，3cl，3c2，3c3 光带
4 5的透镜
5 成像装置
6 光接收元件7
8
9
10
90 95
100
101
102
103
104
105A 105B， 105C
106入106B, 106C
107A, 107B, 107C
107
雨
109
110, 111
112
113 195
A-A B
壳体
磨损检测台
轨道
轨道车辆
来自服务器的请求
系统启动
接收循环
激光距离传感器
信号调理
距离信号
信号评估
用于106A, 106B, 106C的启动器 图像触发
来自106A, 106B, 106C的图像矩阵
来自IS的图像矩阵
图像存储
定时器复位
对ioo才企测退出条件
停止图像记录
数据传送到服务器
系统停止
6的光轴 基本距离
18b 3,3a，3b，3c, 3cl，3c2，3c3的宽度
Dz Z的测量范围
dzA zA的分辨率
D,，D2 1， la的端面
f 频率
GPG 总轮廓图
H 距离4/6 (图1 )
IS 100中的图像选定
Kv 乂于应于v，co的l奮正值
Ko 对应于3， 3a, 3b， 3c, 3cl, 3c2， 3c3的区域/位置
的修正值
k 对应于N1,N2和At的系数
L 工作距离
LL 3,3a，3b，3c，3cl，3c2，3c3的线长
M 1， la的4黄向表面
N1，N2 3cl,3c2, 3c3之间的距离
O-O 2的光轴
P 轮廓
PG 4仑廓图
PGa,PGb，PGe 分量轮廓图
R 半径
RL 反射光
v 1， la的平动速度
tk,tht2,t3 测量时刻
S,，S2,S3 围绕R的圆周上的点Sl!，sl2, Sl3 对于S!, S2, S3的弦长
X 长度坐标
xA RL在6上的^象斑位置
的最大值
的最小值
X,，X2，X3 对于ShS2, S3的长度的测量值
y 长度坐标
z 高度坐标
zA 测量寸直，3，3a, 3b，3c, 3cl,3c2，3c3的入射位置
zB zA的修正测量值
Zmax Z 的最大值
zmin z的最小l直
Zj，Z2,Z3 对于S,，S2，S3的高度的测量值
△PG 轮廓偏差
△t 时间间隔
CP 三角测量角度
具体实施例方式
在附图的不同图示中，相同的部件总是配以相同的参考号，并且因 此在每一情况下它们通常仅说明一次。
首先如图1中的一个二维示图所示的关于以速度V运动的一个 固体1的测量目标，根据本发明的方法从一个激光装置2发射的一 个光束通过一个光学元件(未示出)被聚焦以便该光束的宽度b落在 由深度或者轮廓高度z的一个最大可测值zmax与一个最小可测值Zmin的差值所产生的一个测量范围Dz的一个设定范围内。这种情况下 该光束被扩大以形成一个光带3,如图2中的一个三维图示所示。
在该固体1的表面上该光带的入射位置ZA,漫射的散射光(反射
光RL)形成了一个测量斑，它也可以在偏离由该激光装置2的光轴 O-O所确定的入射方向的一些方向上感受到。
该测量斑现在如果通过一个成像装置5的一个合适的聚焦透镜4 在一个三角测量角度cp上成像到一个平面的光接收元件6上，根据该 入射位置zA的距离在该光接收元件6上在一个最小值xmin和一个 最大值xmax之间建立了一个像斑位置xA。
除了永久设定的三角测量角度cp之外，用于根据本发明的方法的 装置的结构的几何特性由该成像装置5的聚焦光学元件4的光轴A -A到该激光装置2的位置(由其光轴O-O来固定)的一个固定 基本距离B来确定。
通过应用三角测量关系，该入射位置zA的距离，也就是说该固体 1的表面到激光装置2的距离，可以由所测量的像斑位置xA通过以 下等式来确定
zA = H/(l-B/xA) (1)
H表示该成像装置5的聚焦透镜4到其光接收元件6的一个 距离，如图1中所示。
这种情况下获得的相对测量精度dzA/zA为
dzA/zA =1/(1 -xA/B)*dxA/xA ( 2 )，
21其中该像斑位置的相对分辨率dxA/xA取决于该反射光RL被图 像接收元件6接收时与所采用的一个频率f相关的该固体的运动速 度v,并且取决于信号噪声以及该光接收元件6的类型。在此，等式 (2)中的量dzA构成测量精度的一个绝对值。
为了提高分辨率，通过将这些值zA与多个修正值Kv相结合而获 得该轮廓(图1和2中由P表示)的多个最终测量值zB,所述多 个修正值Kv根据该固体1的运动速度v而确定的，并且可以是， 特别地，与该运动速度v成比例的一些向量系数和/或一些被加数。在 此，进行该运动速度v与该反射光RL的探测频率f的相关结合以 便确定由运动速度v来决定的这些修正值Kv。
通过改变上述几何特性，特别是该基本距离B、该三角测量角度cp 和/或成像装置5或激光装置2到固体1上光带3所投射的表面区 域的一个平均工作距离(图1中由该长度L所示)，有利的是有可能
量范围Dz以及与之相关的测量精度dzA/zA 。在此，这些单独的装置 无需，如图1所示，由一个共同的壳体7来包装。这一情况下扩大 该测量范围Dz的具有降低测量精度的效果，反之亦然。
在所示的i殳计中， 一个SONY HCC 400摄相机净皮用作光4妻收元件 6。因为分辨率取决于测量范围的大小，也就是取决于该测量范围Dz, 这意味着对于用来完成根据本发明的方法的一个装置的尺寸而言，探 测摄像头的数量直接取决于所需或所选的分辨率。
如已说明的以及图2中所示，至此仅仅考虑二维的系统将在三维 上进行考虑以便记录一个三维固体1的形貌。也就是说，将使用一个展宽的激光束形成一个光带3来进行工作。用到了光断面法这一术语。
该反射光RL已经纟皮该平面形光接收元件6 4果测之后，并且在一个数 据处理装置(未示出)中，如一台PC中，该轮廓P的这些测量值从 该光接收元件6输出的多个信号并考虑该三角测量角度cp以及该基 本距离B来确定，并且所述多个测量值作为一幅4仑廓图PG存储在该 数据处理装置中。这样一个轮廓图PG在图2的示意性图示中由在该 光接收元件6上对应示出的多边折线来表示。来自实测的多个轮廓图 在图7和8中不同类型的图示中示出。
一种可商购的线长LB (图2)为300mm并且线宽b (图1 )为 1.5mm、激光器功率为30mW并且具有可见的红光(波长680nm )的 线性激光器模块L200被用作激光装置2，其将光带3投射到位于该 固体1表面的多个区域上。
如以上已经提到的，图3示出根据本发明的方法的一个典型应用， 专门用于测定磨损。该图示重现一个磨损检测台8的透视图，它被设 计为用于随着待测固体1在轨道9上滚动并且以平动速度v和一个 角速度co运动通过的车轮la。
从该图解中可以看出，这个磨损检测台8配备了将多个光带3a、 3b、 3c投射到位于该固体1表面上各个侧面D,、 D2、 M之上的多 个区域的三个激光装置2来测定作为分量轮廓图(在图7中也记作 PGa， PGb和PGC)的多幅轮廓图PG,并且确定了分配给所述激光装 置的多个成像装置5。这些分量轮廓图PGa， PGb和PGC可以存储在 该数据处理系统中，并且可用它们获得一个总轮廓图GPG。
该轨道车辆10的车轮la构成基本形状为实质上成一个圓柱形或圆环形的一个旋转对称的固体1，这些光带3a、 3b、 3c所投射的 这三个区域位于该圓柱体或者圓环的两个端面Di、D2和;镜向表面M 上。如图3所示以及图4和5中的细节所示，这三个光带3a、 3b、 3c并不需要形成一个封闭的多边折线来测定该总轮廓图GPG。投射 到该横向表面M的光带3b也不需要平行于该车轮la的轴线。对于 轴向平行性的一个相应偏差可以通过获取该4仑廓P的这些测量值zB 结合根据该固体表面的区域而测定的多个修正值KQ来进行补偿。
图5示出测定该车轮la的一个轮缘内部半径R来作为轮廓图 PG、分量轮廓图PGa、 PGb、 PGC以及总轮廓图GPG可以参考的一 个固定的、长期不变的几何基本量值的上述多个可能性中的第 一个， 而图6示出了第二个。在此，这两种情况下该半径R都从至少三个 测量值Zl、 z2、 z3来确定，它们通过对运动车轮la的多次无接触以 及动态的测量来确定并且以与轮廓图PG的检测或者这些分量轮廓图 PGa、 PGb、 PGC的4企测相同的方式来进行。
根据图5,通过分别展宽以形成线状光带3cl、 3c2、 3c3的至少 三个光束，结合这些光带3cl、 3c2、 3c3所投射到的该固体1表面的 多个区域间分别设定的距离Nl、 N2来同时进行该滚动车轮la的无 ^接触动态测量。
根据图6，在至少三个时刻tp t2、 t3设定的时间间隔At内通过 被展宽以形成一个线状光带3c的一个单光束来进行对滚动车轮la 的无接触并且动态的测量。
这些测量因此是以单向的方式来进行，也就是说给定这些对应光带 3c, 3cl、 3c2、 3c3的相同指向(same alignment)的条件下，每一情况下在三个点S,、 S2、 S3上，位于半径为R的一段圓弧之上的三个测
量值Zl、 z2、 z3净皮测定为这些点S,、 S2、 S3在一个笛卡尔坐标系中 的纵坐标值。按照图6所示的方式赋给这些点S,、 S2、 S3的这些测 量值z,、 z2、 z3分别对应于该线状光带3c或3cl、 3c2、 3c3的一个 测量长度。该线状光带3c或3cl、 3c2、 3c3的这些测量的长度可以 毫无问题地对这一赋值进行转换，其方式是使这些测量值z,、 z2、 z3分 别代表穿过该圓弧的一根弦sl,、 sl2、 sl3的长度的一半。分别与这些 测量值z2、 z3关联的多个橫坐标值x2、 x3 (图6中显示为分 别在三个时刻t,、t2、t3出现的圓M，、M2，、M3的中心到该光带3c的 距离)或者在该第一种情况下由根据图5的这些距离Nl、 N2来产 生，或者在该第二种情况下由这三个测量时刻h、 t2、 t3所设定的这些 时间间隔At通过将这些时间间隔At乘以该角速度co来产生。在这一 情况下该角速度co可以要么是永久设定，要么同样地由通过一个或多 个光带3对该滚动车轮la的无接触和动态测量来确定。当该车轮 la的速度，也就是一方面该转动，并因此在另一方面还有平移运动恒 定不变时，使得评估更容易。
这些测量值Zl、 z2、 z3确定后，该滚动车轮la的参考半径R可 以用以下方禾呈组来确定
R2 = X卩+ Z,2 ( 3 )
R2 = x22 + z22 ( 4 )
R2 = x32 + z32 (5)
-x2 = k*(x2-x3) (6)
这些变量R、以及Xl、 x2和x3各自在其中表示未知量。等式(6)中的变量k是一个已知的系数，对应于这些设定的时间间隔At或者
该车轮la表面的这些区域的距离Nl、 N2并且在固定不变的时间间 隔At和等距的距离Nl、 N2的优选情况下耳又值为1。
所确定的该半径R可以一方面用作对于该4仑廓高度的测量值zB 的基线，这些测量值在该车轮la的横向表面M上测定，而另一方面 有可能使用这一半径R来确定根据该固体1表面上由光带3或者 3a、 3b、 3c、 3cl、 3c2、 3c3所照明的区域来进行考虑的多个修正值Ko。 考虑这些修正值Ko的必要性来自，例如，事实上图6中的这些弦 sip sl2、 sl3各自限定不同的中心角度，因此产生不同的局部轮廓失真。 在此，这些中心角落在该光带3c在所考虑的车轮la的圆弧的圓周 形成一根切线时的第一个极端情况下的0。和该光带3c与所考虑的 车轮la的圓弧的直径2R重合时的另一个极端情况下的180°之 间。最大的弦长sl3包含了与待测定轮廓有关的最多的信息，并且具 有最小的局部失真。
因为这些原因，因此当图7所示的一个滚动固体1 (在所示情况 下是该车轮la)的总轮廓图GPG从在一个4企测时刻tk由两个端面 D,、 D2和在该横向表面M上同时测定的三个分量轮廓图来获取时是 极其有利的，这些单独的分量轮廓图的检测时刻tk的选定方式为在 这一检测时刻tk测定的一个平均值zk (当前情况下是z3)从至少三 个测量值Zl， z2， z3中取一个最大值，这些测量值位于这些端面Dp D2之一中半径为R的一个圆弧之上并且分别在连续的时刻t卜t2、 t3 以单向的方式从该线状光带3c、 3cl、 3c2、 3c3的对应长度LB来测 定、并且分别对应于穿过该圓弧的一根弦si" sl2、 sl3的长度的一半。 当然，用于选取该检测时刻tk的这一判据的应用并不局限于三个测量
26值Z,、 Z2、 Z3。给定多于三个测量值Zl、 Z2、 Z3的一个基准，如果所 测定的最大半弦长Sl3更小地偏离该半径R或者与该半径R取同一 个值，甚至还有可能实现更好的结果。
图7进一步示出对应的轮廓图PG、分量轮廓图PGa、PGb、PGc和 /或总轮廓图GPG各自与一个或多个参考轮廓图(在该图解的展示中， 用于该轮廓P的最大测量值zB的一个参考轮廓图BPl和用于该轮 廓P的最小测量值zB的一个参考轮廓图BP2)进行比较，并且可以 确定与各个参考4仑廓图BP1、 BP2的对应的偏差APG 。在所示情况 下，这些偏差发生在用点划线示出的区域之中。这些参考轮廓图BP1、 BP2优选地可以是能允许的所希望的尺寸，但是一个参考轮廓图 BP1、BP2也可以是来自更早的测量的多个测量值zB的一个储存的数 据记录以便各个偏差APG提供关于从以前的测量以来已经发生的磨 损程度的信息。
虽然图7中仅仅是该轮廓P的一个二维图示，其中该轮廓P的 测量值zB被表示为该车轮la的横截面Q上的一个多边折线(矢量 x、 z),在图8中该轮廓P的图示描绘了根据本发明的方法的三维特 征。通过不同的灰度值，图8将该轮廓P的这些测量值zB展示为 多个矢量x、 y、 z，这是通过借助上述半径R来测定的该车轮la的 端面的展开图(development)来进行的。根据等式(2)，分辨率dzA 的绝对值小于0.5mm,例如在0.4mm。由Q所指示并且在此由圆圈 所标记的线条表示车轮la的(在图7中所示的)横截面Q,根据 图7的分量轮廓PGa(如所列出的)存在于这一点上。为了提高清晰 度还有可能使用颜色取代这些灰度值在一个合适的显示器中进行显 示。根据本发明的方法有利地使得一个轮廓P能在一个极短的检测时间内进行4企测。因此，借助于设置在有一台轨道车辆10滚动经过的轨道9的两侧的多个激光装置2，以及用于五个回转支架，也就是
说十个轮组因此是20个车轮la的多个成像装置5, 在5秒钟的时间内可以各自建立一个三维的总轮廓图GPG。
图9所示的、用于应用根据本发明的方法的程序过程是特别地为一台轨道车辆的多个车轮(如多个铁路车轮)轮廓的无接触检测而专门定制的。如已经提到，这样一个车轮在图3中作为举例展示为在轨道车辆10上以参考号la的方式示出。
该程序过程具体包括，用于动态;险测该固体1或la的4仑廓P的一个接收循环100，它在来自一个服务器的用于系统启动运行的请求90之后进入运行状态，这些系统启动运行在图9中以参考号95标记的一个方框来表示并且可以包括对轨道车辆10启动交通灯、在光接收元件6中用于图像触发的一个触发器的激活以及打开激光器2。
这一情况下，在该接收循环100中设置了一个激光距离传感器101，具体地它就是该光接收元件6，在信号调理102之后具体地提供了一个距离信号103,也就是说确定了该固体1、 la的状态，例如到该激光器2的距离，并且作为路径对时间的一阶导数(速度)以及在加速运动的情况下，适当时还作为二阶导数(加速度)的这个距离的一个时间变化量。这一情况下电压可以表征为该激光距离传感器101在该信号调理102中所提供的一个模拟量。
根据所确定的该固体1、 la的这些初始状态，然后在方法步骤"信号评估，，104 ，特别是从距离信号103中来确定或者是(参考结合图5
28所说明的方法) 一个纟企测时刻，在该时刻首先4妄收从该光接收元件6
为三个不同的光带3cl、 3c2、 3c3输出的三个信号并且该时刻进一步用于获取该轮廓P的这些测量值zB;或者是(参考结合图6所说明
的方法)至少三个时刻t,，t2,t3，在这些时刻首先接收从该光接收元件6
仅为一个光带3c输出的多个信号并且这些时刻进一步用于获取该轮廓P的这些测量值zB。
这意味着从细节上讲根据方法在一个光接收元件6(例如在摄相机中)或在三个光4^收元件6中，在多个启动器105A、 105B、 105C的作用下进行每一个图像触发106A、 106B、 106C。在这一情况下所记录的多个图像在此可以緩存在一个帧緩沖器中，也就是说在一个优选循环运作的、顺序存取的图像存储器中，例如摄相机。
在这种情况下该图Y象触发106A、 106B、 106C优选地应该按照时间上离进行该固体1、 la的这些初始状态的确定的时刻尽可能接近的标准来进行，因为，在有利于信号评估的一种方式中，这一时刻分別给出的这些信号仅仅略微地不同，特别是，到该激光装置2的距离仅仅有轻樣支的改变。
优选地该距离信号103的信号评估104在此可以进行，特别是，能够有利地通过被集成到一个现存的数据处理装置之中的一个所谓的简单逻辑来进行。在此简单逻辑被理解为允许配置各种基于时间的逻辑序列的一种可编程逻辑装置。可以包含在名称PLD (可编程逻辑器件)之下和特别是在名称SPLD (简单可编程逻辑器件)之下的这些装置使得用户能够在适当的软件(优选一个中继梯形逻辑)的帮助下(例如通过在系统编程(ISP))，按照所需的方式来建立一个或多个输入(在当前情况下特别是该距离信号103)与一个或多个输出(当前情况下特别是这几个启动器105A、 105B、 105C)之间的预先确定的逻辑和时间关系。因此为了实施根据本发明的方法，有可能在该简单逻辑中规定一个时间范围，在该时间范围内可允许图像记录并且优选从所期望的图像质量的观点来看这也是最优的。例如，这一时间范围可以是这样的一个范围，其中根据该固体1、 la的表面区域来确定的这些修正值Ko 、和/或根据该固体1、 la的运动速度v来确定的这些修正值Kv (优选地作为永久设定的值，也就是说没有动态化)是有效的。与一些分立的逻辑器件相比，简单逻辑的使用导致制造电路时硬件费用(印刷电路、插件、连接件)的降低和安装费用(连线、结合)的降#0并导致可能更紧凑的设计。
在图像触发106A、 106B、 106C (其中这些图像被获取为，特别是，多个图像矩阵107A、 107B、 107C)之后进行一个图像选定(特别是取决于该固体1、 la的速度的图像选定)，为此参考号"IS"(图像选定)出现在该程序过程中。出现在该图像选定IS的结果之中并且代表该轮廓P的这些测量值zB的图像矩阵107 (优选地与该距离或测量点和/或该时间，例如这些时刻t!、 t2或t3之一的对应的相关值一起)被馈入到一个存储器108中。此处在同一时间一个定时器被复位109。所述的这些操作如所示由该接收循环IOO在此继续进行。
由参考号110和111所标记的方框所示的一些条件校验用作该接收循环100中的多个过程的退出判据。在此(方框110)要校验，一方面，该定时器是否已经运行超过10s并且，另一方面，是否该轨道车辆10的所有轴已经被记录(方框lll)。如果这些条件之一满足，该图像记录就被停止(方框112)。关于定时器是否已经运行超过10s的问题是为了确认该固体1或la是否已经达到静止。在停止图像记录112之后，所存储的图像数据108可以发送到服务器(方框113)。同时可以进行系统停止运行的操作如"关闭触发器"、"关闭激光装置2"和"为该轨道车辆10点亮交通灯"，这些都由标记有参考号195的方框来表示。
在此，合适的硬件可以根据图3整合到测试台8中以便实施根据图9的程序流程所示的这些操作，特别是该接收循环100，从而有利地可能实现一个客户-服务器回路，在该回路的情况下该客户位于该轨道9上而该服务器处于一个空间上遥远的位置。
本发明并不局限于所展示的示例性实施方案，而是覆盖本发明意义之内具有相同效果的所有方法和手段。因此，在所谓的条紋投影法的应用中有一个进一步的可能性来使用结构化的或者编码的照明。这些方法同样基于三角测量原理，由对应于该激光装置2具有计算机设定的发光图案的一个投射器对整个固体1照明。在记录过程中，该发光图案按照一个特定的方式来变化从而可以从所记录的图像产生出来的光强分布来确定该形貌。
不背离本发明的范围。因此，适当的软件模块可以用来执行所有的算术运算，如该数据处理装置中所说明的这些等式(1)到(6)的运算。
并且，本发明也不局限于权利要求1中所限定的多个特征的组合，而是还可以由整体上所披露的多个特定特征的任何其他所需组合来限定。这意味着原则上几乎权利要求1的任何单独的特征都可省略和/或由本申请中其他位置所披露的至少一个单独的特征所取代。从这个意义上讲，权利要求1仅仅可以理解为限定一个发明的一个初步尝试。
权利要求
1、一种用于无接触地并且动态地检测一个固体(1，1a)轮廓(P)的方法，尤其是为了测定在该固体(1，1a)上出现的磨损，由一个激光装置(2)所产生并被展宽以形成至少一个线状光带(3，3a，3b，3c，3c1，3c2，3c3)的至少一个光束被投射到该固体(1，1a)表面的至少一个区域上，该固体(1，1a)被移动经过该激光装置(2)，并且从该固体(1，1a)表面的该区域所反射的光(RL)被聚焦到一个成像装置(5)中并且以比该固体(1，1a)的运动速度(v)高的频率(f)依靠一个平面光接收元件(6)被探测，该成像装置(5)的光轴(A-A)与该激光装置(2)的投射方向(O-O)成一个固定的三角测量角度()，并且该成像装置(5)被布置为距离该激光装置(2)一个固定的基本距离(B)，其后，利用一个数据处理装置通过三角测量关系，从该光接收元件(6)作为该三角测量角度()与该基本距离(B)的一个函数输出的多个信号来获得该轮廓(P)的测量值(zB)，并且将这些测量值在该数据处理装置中存储为一幅轮廓图(PG)，其中一个图像触发(106A，106B，106C)的确定是在一个接收循环(100)中进行，对于该图像触发选择由该光接收元件(6)输出的信号来获得该轮廓(P)的这些测量值(zB)。
2、 根据权利要求l的方法，其特征在于该轮廓(P)的这些测量值 (Zb)是结合根据该固体(1， la)的运动速度(v)而确定的多个修正值(Kv)而获得的。
3、 根据权利要求1或2的方法，其特征在于该轮廓(P)的这些测 量值(zB)是结合根据该固体(1， la)表面的该区域确定的多个修正值(Ko)而获得的。
4、 根据权利要求1到3之一的方法，其特征在于该固体(1， la)导丸4亍一种》走转运动。
5、 根据权利要求1到4之一的方法，其特征在于该固体(1, la) 是一个本质上旋转对称体，特别是一个车轮da)，并执行一种滚动运动。
6、 根据权利要求4或5的方法，其特征在于该旋转运动以恒定的 角速度(co)进行。
7、 根据权利要求4到6之一的方法，其特征在于该固体(l, la) 的旋转运动的角速度(co)小于15 s",优选小于6s人
8、 根据权利要求3以及5到7之一的方法，其特征在于根据该固 体(1, la)的表面的区域所确定的这些修正值(Ko)是被确定为该旋 转对称体的半径(R)的一个函数的多个矢量系数和/或多个被加数。
9、 根据权利要求1到8之一的方法，其特征在于根据该固体(1， la) 的运动速度(v，co)所确定的这些修正值(Kv)是与所述运动速度(v， co)成比例的一些矢量系数和/或多个被加数。
10、 根据权利要求1到9之一的方法，其特征在于进行所述运动速 度(v， co)与该反射光(RL)的探测频率(f)的一种相关性组合以便 确定根据所述运动速度(V，(D)而确定的这些修正值(Kv)。
11、 根据权利要求1到10之一的方法，其特征在于通过使用将多 个光带(3，3a,3b，3c，3cl，3c2,3c3)投射到位于该固体(1, la)表面的 不同侧面上的多个区域上的至少三个激光装置(2)以及分配给所述多 个激光装置的多个成像装置(5)，将多个轮廓图(PG)测定为多个分 量轮廓图(PGa， PGb, PGc),这些分量轮廓图(PGa， PGb， PGc)被存储在该数据处理系统中，并从其获得一个总轮廓图(GPG)。
12、 根据权利要求11的方法，其特征在于在一个固体(1, la)的 基本形状为实质上成圓柱形或者环状的情况下，如一个车轮(la)，这些光带(3， 3a, 3b, 3c, 3cl， 3c2, 3c3 ) 4皮才殳射到的至少三个区域位于该圓 柱体或者环状体的两个端面(D,，D2)和一个横向表面(M)上。
13、 根据权利要求12的方法，其特征在于一个滚动的固体(1， la) 的总轮廓图(GPG)是从三个分量轮廓图(PGa, PGb， PGc)获得的，这 三个分量轮廓图在一个检测时刻(tk)通过两个端面(D,, D2)以及在 该横向表面(M)上同时测定，这些单独的分量轮廓图(PGa, PGb， PGC) 的4全测时刻(tk)的选定方式为在这一^r测时刻(tk)测定的一个测 量值(zk)从至少三个测量值(z,, z2， z3)中取一个最大值，这三个测 量值位于这些端面(Dh D2)之一中的半径为(R)的一个圓弧上并且 对应地在连续的时刻(t!， t2, t3)以单向的方式从该线状光带(3, 3a， 3b， 3c, 3c 1, 3c2, 3c3 )的对应长度上进行测定并且分别对应于穿过该圆弧的 弦(slh sl2, sl3)长度的一半。
14、 根据权利要求1到13之一的方法，其特征在于该轮廓图(PG)、 这些分量轮廓图(PGa， PGb, PGC)和/或该总轮廓图(GPG)各自与一 个或多个参考轮廓图(BP1, BP2)进行比较，并且确定与该对应的参 考轮廓图(BPl， BP2 )相对应的偏差(APG )。
15、 根据权利要求1到14之一的方法，其特征在于该轮廓图(PG)、 这些分量轮廓图(PGa, PGb, PGC )、该总轮廓图(GPG)、该对应的参考 轮廓图(BP1， BP2)和/或这些对应的偏差(APG)与一个固定的长期 不变的几何基本量值，如一个未磨损的轮缘内径(2*R)有关。
16、 根据权利要求15的方法，其特征在于该基本量值是从至少三 个测量值来确定的，这些测量值是通过无接触地并且动态地测量该移动固体(1, la)来测定的，并且以与该轮廓图(PG)的检测或者这些 分量轮廓图(PGa， PGb， PGC)的检测相同的方式来进行。
17、 根据权利要求16的方法，其特征在于对该运动的固体(1, la)的无接触并且动态的测量是在至少三个时刻(tb t2， t3)设定的时间间隔(At)内依靠被展宽形成为一个线状光带(3,3a，3b, 3c，3cl,3c2，3c3) 的一个单光束来进行。
18、 根据权利要求16的方法，其特征在于依靠分别被展宽形成为 一个线状光带(3， 3a， 3b， 3c， 3cl， 3c2， 3c3 )的至少三个光束结合这些光 带(3，3a,3b,3c,3cl,3c2，3c3)所投射到的固体(1， la)表面的多个区 域的设定距离(Nl， N2)来同时对该运动固体进4亍该无接触与动态测 量。
19、 根据权利要求15到18之一的方法，其特征在于该基本量值是 一个滚动旋转对称体的半径(R)，它用以下方程式来确定R2 = jq2 + z ( 1 )R2 = x22 + z22 (2)R2 = x32 + z32 ( 3 )Xl - x2 = k*(x2 - x3) ( 4 ),Zl、 Z2和Z3是三个测量值，它们位于半径为(R)的一个圆弧上、分别 以单向的方式测定并且对应于一个笛卡尔坐标系的纵坐标(z)的线状 光带(3, 3a, 3b, 3c, 3cl, 3c2， 3c3 )的长度，并且它们分别对应于穿过该圓弧的弦(Sl,，sl2，sl3)长度的一半，X,、 X2和X3是分别对应于这些测量值的^f黄坐标值(X )，而k是对应于设定时间间隔(At )或该固体(1，la)表面的这些区域之间的距离(N1,N2)的系数。
20、 根据权利要求1到19之一的方法，其特征在于该轮廓图(PG)、 这些分量轮廓图(PGa, PGb， PGC )、该总轮廓图(GPG)、该对应的参考 轮廓图(BP1, BP2)和/或这些对应的偏差(APG)在一个指示装置如 显示器中被可视化。
21、 根据权利要求1到20之一的方法，其特征在于提供数字信号 的装置，如触发控制的CCD摄相机，被用作该光接收元件(6)。
22、 根据权利要求1到21之一的方法，其特征在于位置敏感探测 器(位置敏感装置)，如光电二极管阵列，被用作该光接收元件(6)。
23、 根据权利要求1到22之一的方法，其特征在于该光带(3,3a， 3b， 3c, 3cl， 3c2, 3c3 )的光具有在400nm到1000nm范围内的波长，特 别是在650nm到700nm的范围内的波长。
24、 根据权利要求1到23之一的方法，其特征在于该光带(3， 3a， 3b, 3c，3cl，3c2, 3c3)的光具有可见光范围内的波长，并且该激光装置(2)的可达到的辐射(GZS)的极限值小于lmW。
25、 根据权利要求1到24之一的方法，其特征在于该激光装置(2 ) 的功率在0.5到50mW的范围内。
26、 根据权利要求1到25之一的方法，其特征在于该激光装置(2) 包括一个cw(连续波)固态二才及管，例如，由如GaAs、 AlGaAs、 InGaP、 GaAsSb、 InP、 PbSnTe等材料制造的二极管，优选地为一个VLD(可 见光激光二极管)。
27、 根据权利要求1到26之一的方法，其特征在于该光带(3,3a, 3b, 3c， 3cl， 3c2, 3c3 )具有在0.3mm到6.5mm范围内特别是在0.8mm 到2.2mm范围内的宽度(b )。
28、 根据权利要求1到27之一的方法，其特征在于该光带(3，3a, 3b， 3c， 3cl， 3c2， 3c3 )具有在50mm到750mm范围内特别是在200mm 到400mm范围内的长度(LB )。
29、 根据权利要求1到28之一的方法，其特征在于该三角测量角 度(cp )具有在15°到40°范围内的值，优选地在20。到30°范围内的值。
30、 根据权利要求1到29之一的方法，其特征在于依靠该光接收 元件(6)来探测从该固体(1, la)的表面反射的光(RL)所采用的频 率(f)是在25Hz到100kHz的范围内，优选地在lkHz到10kHz的范 围内。
31、 根据权利要求1到30之一的方法，其特征在于该固体的平移 运动的速度(v)小于3.5m/s，优选小于1.5m/s。
32、 根据权利要求1到31之一的方法，其特征在于该激光装置(2 ) 和/或该成像装置(5)到该固体(1, la)表面该光带(3，3a，3b,3c,3cl， 3c2, 3c3 )所投射的区域的一个平均工作距离(L )在20mm到650mm 的范围内，特别是在150mm到350mm的范围内。
33、 根据权利要求1到32之一的方法，其特征在于该成像装置(5 ), 特别是该成像装置(5)的一个聚焦透镜(4)的中点，与该激光装置 的光轴(O-O)之间的基本距离(B )在30mm到450mm的范围内， 特别是在60mm到270mm的范围内。
34、 根据权利要求1到33之一的方法，其特征在于该轮廓图(PG)、 这些分量轮廓图(PGa，PGb,PGc)、该总轮廓图(GPG)、该对应的参考 轮廓图(BP1, BP2)和/或该对应的偏差(APG)基于一个小于2.0mm 优选小于0.5mm的分辨率(dzA )。
35、 根据权利要求34的方法，其特征在于一个硬件元件被整合到 位于一个路轨(9 )上的一个测试台(8 )之中以便实现该接收循环(100 )。
36、 根据权利要求34或35的方法，其特征在于该接收循环(100 ) 在具有一个空间上处在远端的服务器的一个客户 - 服务器回路的一个 客户端中实现，通过来自该服务器的请求(90)来启动系统的多个启 动操作(95),如为一台机动车辆(10)点亮交通灯、激活一个用于图 像触发(106A, 106B, 106C)的触发器和/或打开该激光装置(2)。
37、 根据权利要求34到36之一的方法，其特征在于该接收循环 (100)中在信号调理(102)之后由一个激光距离传感器(101,6)提供一个信号，特别是一个距离信号(103)，通过一个信号评估(104) >人该距离信号来获得用于该图像触发(106A， 106B， 106C)的多个启动 器(105A, 105B, 105C)。
38、 根据权利要求37所述的方法，其特征在于该信号评估(104) 依靠允许构建不同的基于时间的逻辑序列的 一 个可编程逻辑器件(PLD)，来建立预先确定的该距离信号(103 )与用于该图像触发(106A, 106B, 106C)的这些启动器(105A, 105B， 105C)之间的逻辑上与时间 上的耳关系。
39、 根据权利要求34到38之一的方法，其特征在于该图像触发 (106A, 106B， 106C)提供了多个图像矩阵(107A, 107B， 107C),所述图像矩阵(107A， 107B, 107C)被緩存在该光接收元件(6)上的一个 优选循环运行、顺序存取的图像存储器中。
40、 根据权利要求39的方法，其特征在于代表该轮廓(P)的这 些测量值(zB)的一个图像矩阵(107)的图像选定(IS)是从这些图 像矩阵(107A, 107B， 107C)作出的，特别是作为该固体(1, la)的速 度(v)的一个函数而作出的。
41、 根据权利要求36到40之一的方法，其特征在于获得该轮廓(P ) 的这些测量值(zB)之后，特别是图像记录的一个停止(112)之后， 这些测量值(zB)特别是所存储的图像数据(108)被发送(113 )到该 服务器，优选地与到该激光装置(2)的距离、根据所使用的一个光带(3cl， 3c2， 3c3 )的一个测量点和/或该图像触发(106A, 106B, 106C) 的一个时刻(tt，t2，t3)的对应相关的一些值一起发送。
42、 根据权利要求34到41之一的方法，其特征在于该接收循环 (100 )包括与一个定时器和/或一定次数的预定测量相连的一些条件校验(110,111)来作为退出的判据。
全文摘要
本发明涉及用于无接触并且动态地检测一个固体(1)的轮廓(P)的方法。根据本发明，由一个激光装置(2)所产生并被展开以形成至少一个线状光带(3)的至少一个光束被投射到该固体(1)的运动表面上，并且从该固体(1，1a)表面所反射的光(RL)被聚焦在一个成像装置(5)中，所述成像装置(5)的光轴与该激光装置(2)的投射方向成一个固定的三角测量角度并且所述成像装置(5)被安排为离该激光装置(2)一个固定的基本距离，并且所述光通过一个平面的光接收元件(6)以与该固体(1)的运动速度(v)相比为高的一个频率被探测。其后，用一个数据处理装置通过三角测量关系根据该三角测量角度与该基本距离(B)从该光接收元件(6)输出的信号，并结合依照该固体(1)的运动速度(v)而确定的一些修正值来获得该轮廓(P)的测量值，并且所述测量值在该数据处理系统中存储为一幅轮廓图(PG)，其中在一个接收循环(100)中确定一次图像触发(106A，106B，106C)，对于该触发由光接收元件(6)输出的信号按照使之有可能提取该轮廓(P)的这些测量值(z_B)的方式进行选择。
文档编号G01B11/25GK101479567SQ200680046148
公开日2009年7月8日 申请日期2006年10月5日 优先权日2005年10月6日
发明者安德烈亚斯·布林克曼, 曼弗雷德·霍夫曼, 米夏埃多·J·瓦尔特, 迪特尔·霍夫曼 申请人:古特霍夫农舒特拉特沙特斯股份公司