专利DE102023110189A1——基于阴影技术的免标定光学直径测量

专利DE102023110189A1描述了一种用于确定近似旋转对称部件半径或直径的非接触式光学方法。该系统利用发散光束和特殊布置的线阵探测器，在生产过程中记录部件被放大的阴影。

该方法专为手动接触式测量过于缓慢、不够准确或会损伤部件表面的应用而开发。一个重要的例子是在纤维缠绕过程中对复合材料部件进行连续测量。

旋转对称的复合材料部件在生产过程中往往是逐层增长的。因此，制造商必须定期测量不断增大的直径，并将其与规定的公差进行比较。

在纤维缠绕工艺中，机器将浸渍树脂的纤维带缠绕到旋转的缠绕模具上。根据应用的不同，这些纤维带可能含有玻璃纤维、碳纤维、玄武岩纤维、芳纶纤维、天然纤维或不同材料的组合。多层纤维带构成层压板，其最终尺寸既影响安装兼容性，也影响力学性能。

专利说明书指出，最终直径的典型允许偏差约为±0.2 mm至±1.5 mm。因此，所需的测量精度可能需达到约±0.05 mm。根据测得的直径，制造商还可以计算不断增加的壁厚以及各单层的厚度。

传统的纤维缠绕工艺通常使用周长卷尺或卡尺对部件进行手动测量。操作人员必须停机，将测量工具贴在湿态层压板上，读取数值并记录结果。

这一过程带来了多个潜在的误差来源：

• 接触力不一致，
• 湿态层压板被压缩，
• 读数时的视差，
• 测量工具被树脂污染，
• 不同操作人员之间的差异，
• 表面特性的变化，
• 生产过程的中断。

尤其是卷尺或卡尺可能会压缩尚未固化的部件。因此，测量本身就可能改变被测直径，或在纤维–树脂结构中造成局部缩颈。停机还会增加生产时间和制造成本。

该专利方法使用一束沿一个轴向强烈发散、而沿另一个轴向保持部分准直的光束照射部件。

部件遮挡部分光线，形成放大的阴影投影。探测器系统记录该阴影的上边界和下边界，随后由软件计算相对于部件旋转轴的半径或直径。

由于采用光学测量，系统无需接触部件，从而避免了对湿态、柔性或敏感表面的机械压缩。

发散光束所形成的阴影可远大于部件本身。这种光学放大可以提高半径或直径测量的分辨率。

放大程度取决于：

• 光源与部件之间的距离，
• 部件与探测器之间的距离，
• 部件半径，
• 旋转轴的位置，
• 光源的位置，
• 探测器平面的位置。

专利中给出了一个示例：直径为400 mm的部件可产生宽度约为1,000 mm的阴影。通过调整光学系统内的各段距离，可使测量范围和分辨率与具体应用相适应。

非常大的阴影通常需要相应大的探测器。然而，单个整体式探测器可能无法满足所需的长度、分辨率或成本效益。

因此，该发明提出了一种非连续线阵探测器。该探测器由多个单独的线阵探测器或线阵相机组成，布置在一排或多排空间上相互错开的行中。

各探测器元件以相互重叠的方式排列，使一排覆盖相邻一排的间隙。因此，即使探测器由独立模块组成，系统也能连续地检测阴影边界。

这种模块化布置可以实现较大的测量宽度，而无需一个横跨整个阴影的连续传感器。

每个单独的线阵探测器沿其位置记录一条强度分布。软件识别出光强发生显著变化的探测器区域。

这些强度变化指示了阴影上边界或下边界的位置。随后，系统综合相关探测器元件的信息，计算出两条阴影边缘的位置。

通过测量两条边界，系统可以确定完整的阴影宽度。此外，两条边界所提供的信息还有助于识别和补偿几何干扰参数。

对于近似旋转对称的部件，系统可以根据部件至少旋转一整周期间记录的测量数据确定平均直径。或者，也可以让测量单元围绕部件旋转。

对于理想的旋转对称体，该方法无需在测量范围内完成一整周旋转即可确定直径。

专利还说明，对于近似旋转对称的部件，如果仅使用一条阴影边界，可能需要进行标定。相比之下，检测两条边界并利用光源和探测器的已知位置，系统便能确定更多几何参数，从而支持免标定的半径计算。

实际的旋转系统很少能完美对中。例如，部件可能存在：

• 偏心，
• 旋转轴偏移，
• 半径变化，
• 机械跳动，
• 光源偏移，
• 探测器平面偏移。

系统在部件旋转过程中记录阴影，随后可利用两条阴影边界位置的变化来确定干扰参数，并以数学方式校正其影响。

对于半径沿圆周略有变化的近似旋转对称部件，这种校正尤为重要。

工业光学直径测量通常采用远心照明。远心系统产生近乎平行的光束，从而限制了阴影中与透视相关的变化。

然而，用于大型部件的远心光源本身也必须大于部件直径。此外，测量大直径或不断变化的直径时，可能需要在保持精确平行对准的同时移动光源或探测器。

该专利方法则采用发散光束。根据专利说明书，这种光源所需的安装空间更小，并且与大型远心照明光学系统相比，结构可以更简单、更经济。单束发散光还能够在更宽的直径范围内照射部件。

这种非接触测量方法可为纤维缠绕工艺带来多项潜在优势：

• 生产过程中的连续直径监测，
• 不压缩湿态层压板，
• 减少设备停机时间，
• 提高重复性，
• 不受纤维类型和铺层方向影响，
• 可在壁厚变化的情况下进行测量，
• 对制造过程进行数字化记录，
• 更早发现尺寸偏差，
• 可集成到过程控制中。

由于系统不接触缠绕部件，因此能够在不施加不受控力的情况下测量湿态及机械敏感的表面。

测得的直径不仅可以作为最终的质量控制值，还可以作为主动调整工艺的输入。

例如，制造系统可以针对检测到的直径偏差，调整以下参数：

• 树脂用量，
• 纤维带张力，
• 下一层的厚度，
• 其他缠绕参数。

专利说明书还将该测量与连续的过程数字化、预测、控制措施以及数字孪生理念联系起来。这样，测量系统就能在部件仍处于生产过程中时帮助纠正尺寸偏差。

该专利将纤维缠绕描述为一项重要应用。不过，其主权利要求更广泛地涉及近似旋转对称物体的测量。

因此，该方案也可能适用于其他涉及大型或旋转部件的工艺，例如：

• 复合材料管道，
• 压力容器，
• 圆柱形储罐，
• 缠绕轴，
• 辊筒，
• 套筒，
• 管材，
• 旋转半成品。

在各具体应用中的适用性取决于部件几何形状、表面状况、所需测量范围和光学安装空间。上述更广泛的应用潜力是根据专利权利要求的概括性措辞推断得出的。

核心技术特征包括：

• 沿长轴方向发散的光束，
• 沿短轴方向的部分准直，
• 部件阴影的光学放大，
• 上、下阴影边界的检测，
• 模块化的非连续线阵探测器布置，
• 相互重叠的探测器行，实现无间隙的边界检测，
• 几何干扰参数的数学校正，
• 基于完整一周旋转的平均直径计算，
• 生产过程中的非接触测量。

这些特征共同支持对因尺寸过大而难以或需高成本采用传统阴影成像的部件进行连续光学测量。

Schuller, V.; Rapmund, P.; Schwarz, M.; Schäfer, W. (2024): Method and Device for the Calibration-Free Determination of the Radius of an Almost Rotationally Symmetrical Body Using Shading Technology。德国专利公开文本DE102023110189A1，公开日期：2024年10月24日。https://patents.google.com/patent/DE102023110189A1/en