對測量物體的厚度進行測量的方法以及用于應用該方法的設備的制造方法
【專利說明】對測量物體的厚度進行測量的方法以及用于應用該方法的設備
[0001]本發明一般涉及一種用于測量測量物體的厚度的方法，其中至少一個傳感器從頂部對著所述物體進行測量，而至少一個其他傳感器從底部對著所述物體進行測量。利用傳感器之間的已知距離，可根據眾所周知的公式D = Gap-(Sl+S2)來計算物體的厚度，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。本發明還涉及用于應用所述方法的設備。
[0002]在工業測量領域，通常利用距離傳感器通過用一個傳感器對著測量物體的上面進行測量，來無接觸地測量測量物體的厚度。另一傳感器對著測量物體的下面進行測量。利用傳感器彼此之間的已知間隔，可根據上述公式計算厚度。然而，這種數學關系僅在傳感器相對于測量物體彼此有關且以最優方式對齊時成立，如圖1中以示意圖示出。實際上，存在兩個主要的誤差來源，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齊一測得大于測量物體的實際厚度的厚度。這是由于角度誤差造成的。圖2示出相關的測量誤差，當測量物體在-30°至+30°的角度范圍內傾斜時出現該測量誤差。
[0004]第二誤差來源是傳感器彼此的取向，即它們是否彼此對齊和/或是否相對于彼此傾斜。如果傳感器對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的位移導致在厚度計算中的額外差異。圖3示出使用彼此偏移的相對布置的兩個激光距離傳感器進行的厚度測量。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生，即傳感器的對齊中的角度誤差，這導致進一步的測量誤差。
[0005]理想情況下，這兩個傳感器位于一個軸上，使得測量物體的傾斜總是導致較大的厚度值。然而，由于機械公差，或者由于激光傳感器的激光光斑在測量物體上相當多地散射(這使得激光傳感器的對齊更難)的事實，這在實際上不可能被實現。此外，激光束不恰好對應于傳感器的理想線性軸。實際上，測量物體的傾斜可能導致較小的厚度值，因為誤差取決于激光調節中的誤差，以及按絕對值計算的測量物體的厚度。
[0006]圖4示出測量誤差的發展，這僅由傳感器(距離傳感器)的不正確調節造成。
[0007]上文標識出的誤差是執行點測量的距離傳感器的測量誤差。可用傳感器類似地進行厚度測量，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)。即使使用激光線掃描器，如果測量物體的傾斜發生，同時傳感器位移或傾斜，則測量也將為不正確的。
[0008]通過使用線掃描器或平面傳感器，除了距離之外，測量物體的傾斜角度可被確定。在關于測量物體的傾斜角度的附加信息的幫助下，就可能校正先前標識出的誤差，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)的系統中使用。在C形架中，兩個距離傳感器彼此機械地固定或部署。為了對具有較大寬度的物體進行穿梭測量(traversing measurement)，整個C形架在測量物體上移動(或反之亦然)，而測量物體的厚度輪廓被記錄。初始調節誤差跨穿梭寬度(traversing width)不改變，即該誤差是恒定的且與X方向無關。
[0010]兩個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，且由電機例如經由齒形帶來移動。由于機械原因，先前討論的激光調節誤差(同樣也取決于C形架)也根據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于傳感器總是處于相同位置，則傳感器的對齊不會造成額外的測量誤差。然而，由于在現實世界生產環境中在定位中總是存在差異，因此測量物體相對于傳感器的傾斜是常見的。通過線傳感器對這樣的傾斜的確定本身通過實踐可知，利用所述確定來執行校準。
[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齊方面是不利的。一旦發生傳感器的位移，則測量誤差就不再能被校正。
[0013]生產設備越大，傳感器的精確對齊越難。由于不可避免的、并非無關緊要的機械公差，傳感器的測量軸不可能彼此精確對齊。使用特殊的調節手段(例如測微螺旋等)是昂貴的，且它們的應用是復雜的。此外，這種類型的微調難以在惡劣的工業環境中實現。
[0014]本發明的潛在任務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]上述的任務是通過權利要求1的特征解決的。從而，本發明方法的特征在于對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行補償，其中所述位移和/或傾斜是通過校準來確定的，且所計算出的厚度或所計算出的厚度輪廓被相應地校正。根據本發明，執行對傳感器的位移或傾斜的校準。
[0016]由于測量物體的傾斜不能被檢測，原則上不可能在用點傳感器進行測量期間針對測量物體的傾斜來校準厚度誤差。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)或多點傳感器也可被使用。可通過對著一個表面進行測量的至少兩個傳感器的測得值來確定一個軸中的傾斜。相應地，針對兩個軸需要至少三個傳感器。
[0017]所述方法在下文中使用利用O形架對條帶材料進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方向。傳感器測量到上面或下面的相應距離。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，坐標軸如下被標識:
[0019]y軸:條帶材料的傳送方向或移動方向
[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方向中對齊，且理想上在測量間隙內的每個點處應完全疊合在彼此之上。出于已知的原因，這不能被執行;或者僅可在極大的努力的情況下被執行。相反，傳感器的位移在校準運行期間被確定，且計算出的厚度輪廓接著被校正。
[0023]測量物體在X方向中的傾斜導致下列情形:
[0024]對厚度的傾斜誤差的補償僅可在激光光斑精確對齊的情況下發生。0.1mm這樣小的激光調節誤差在10°傾斜的情況下造成18μηι的誤差。確定出的厚度從而可被計算為更薄。測量物體的傾斜應增加厚度。然而，如果傳感器并非精確地被布置在彼此之上時，計算出的厚度也可能更小。
[0025]由于在機械上不可能滿足對于傳感器的理想對齊的需求，合適的軟件在數學上如下補償所產生的誤差:
[0026]1.在0°傾斜，用合適的校準手段，如量塊(“標準零件” (master part))，進行標準測量(master measurement)。從而，厚度計算公式的常數“Gap”已知。
[0027]2.在X方向中以10°...20°傾斜，計算偏移(=由不正確的激光調節FL造成)。
[0028]3.在X方向中以-10°...-20°傾斜，計算偏移。
[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算X方向中的偏移(=FL)。對于正角度和負角度，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形架時僅必須確定位移一次。
[0031]當使用O形架時，依靠兩個線性軸來移動傳感器。因此，所確定的X偏移不是常數，即它僅在偏移計算被執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果。針對能夠根據穿梭方向中的位置來確定X偏移的第一步驟是要執行補償運行(compensat1n run)。在補償運行期間，合適的校準手段，例如已知厚度的量塊(標準零件)在測量間隙中被旋轉并沿測量間隙的整個穿梭寬度移動。
[0032]該標準零件被連接至兩個穿梭支架(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，標準零件通過樞轉機構被連接至下支架(圖17)。樞轉機構包括具有可調節的端部位置的氣動旋轉氣缸。針對該補償運行的標準零件的確切對齊可通過對端部位置的設置來被調節。在旋轉氣缸上是樞轉臂，標準零件接著安裝至樞轉臂。標準零件是已知厚度的量塊。在一個端部位置，標準零件被精確地樞轉到測量間隙中(圖17a)，在另一端部位置，它被完全樞轉到測量間隙之外(圖17b