DE3689335T2

DE3689335T2 - Abweichungsmesssystem.

Info

Publication number: DE3689335T2
Application number: DE86201381T
Authority: DE
Inventors: Michael J Mondloch; George R Steber
Original assignee: Applied Power Inc
Current assignee: Enerpac Tool Group Corp
Priority date: 1986-05-02
Filing date: 1986-08-06
Publication date: 1994-03-17
Anticipated expiration: 2006-08-07
Also published as: US4811250A; EP0244513A2; JP2752967B2; EP0244513B1; EP0244513A3; JPS62261913A; DE3689335D1; CA1266126A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zum Bestimmen der räumlichen Lage eines Punktes bezüglich eines Körpers, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Allgemein bezieht sich die vorliegende Erfindung auf das Gebiet der Bestimmung der dreidimensionalen Positionen einer Gruppe von Punkten eines Körpers mittels berührungsloser Meßeinrichtungen, und speziell auf ein System zur Bestimmung der Abweichung einer Gruppe von Punkten von einer Bezugsgruppe von Punkten in einem dreidimensionalen kartesischen Koordinatensystem. Sobald diese Positionen bestimmt sind, werden sie entweder numerisch oder graphisch mit einem Satz von Bezugspunkten verglichen. Noch genauer gesagt, kann das System in Zusammenhang mit Kraftfahrzeugreparatur und -wartung verwendet werden - zum Beispiel beim Richten und Reparieren von Karosserien oder Rahmen oder beim Ausrichten von Rädern -, um die Ist-Position bestimmter Punkte am Fahrzeug mit den Herstellerangaben für dieses Fahrzeug zu vergleichen.
Es ist häufig erforderlich, die Ist-Position eines Punktes an einem Körper bezüglich der Soll-Position eines solchen Punktes zu kennen. Dies gilt besonders für die Reparatur und Wartung von Kraftfahrzeugen. Ein System, das einen diskreten Satz von Punkten an einem Karosserie- oder Rahmenteil eines Fahrzeugs erfassen und die Ist-Lage dieser Punkte mit ihrer Soll-Lage vergleichen könnte, wäre bei Arbeiten wie Karosseriereparatur, Rahmenrichten und Radausrichten nützlich. Speziell beim Erfassen und Korrigieren von Fehlern an einem Fahrzeugrahmen wird oftmals eine Richtbank verwendet. Zum Beispiel kann eine solche Richtbank aus Ketten, Drahtseilen oder anderen Einrichtungen bestehen, die mit Hydraulikzylindern und dem Fahrzeugrahmen verbunden sind, um den Rahmen in seine richtige Anordnung zurückzudrücken und/oder zurückzuziehen. Beispiele für solche Vorrichtungen zeigen das US-Patent Nr. 3 590 623, das am 06. Juli 1991 den Erfindern Hunnicutt und anderen erteilt wurde, und das erneut herausgegebene US-Patent Nr. Re. 31 000, das am 27. Juli 1982 den Erfindern LeGrand und anderen erteilt wurde.
Beispiele für Radausrichtsysteme, die aus einer Einbeziehung des vorliegenden Systems Nutzen ziehen würden, sind das US-Patent Nr. 3 793 736, das am 26. Februar 1974 dem Erfinder Cufrini erteilt wurde, das US-Patent Nr. 4 097 157, das am 27 Juli 1978 dem Erfinder Lill erteilt wurde, sowie das US-Patent Nr. 4 344 234, das den Erfindern Lill und anderen am 17. August 1982 erteilt wurde.
Was Einrichtungen anbelangt, die zur Gewinnung von Meßdaten verwendet werden, so sind dem Anmelder auf dem Gebiet des Ausrichtens von Autokarosserien und -rädern keine Systeme dieser Art bekannt, die akustische Meßverfahren verwenden würden. Jedoch sind in Patentschriften des Standes der Technik schon viele Verfahren und Vorrichtungen zur Abstandsmessung offenbart worden. Eine Reihe solcher Vorrichtungen erfordern unmittelbaren physischen Kontakt zwischen der Meßeinrichtung und dem Punkt, dessen Lage bestimmt werden soll. Mehrere dieser Vorrichtungen messen die berührte Position mechanisch mittels eines Meßfühlers, wie zum Beispiel in US-Patent Nr. 4 536 962, welches am 27. August 1985 den Erfindern Hense und anderen erteilt wurde, und in US-Patent Nr. 4 549 359, welches am 29. Oktober 1985 ebenfalls Hense und anderen erteilt wurde. Andere Vorrichtungen erfordern physischen Kontakt, um einen leitenden Pfad für ein wanderndes Signal zu schaffen. In den US-Patenten Nr. 4 035 762 und 4 231 260, die am 12. Juli 1977 bzw. 04. November 1980 dem Erfinder Chamuel erteilt wurden, wirkt ein Verzögerungselement als Medium für ein Meßsignal. Die Lage des gemessenen Punktes wird bestimmt, indem die Phasenverschiebung im wandernden Signal gemessen wird.
All diesen Vorrichtungen haften die gleichen Nachteile an. Wenn zum Beispiel beim Richten eines Kraftfahrzeugrahmens Ablesungen öfter als einmal erfolgen sollen, muß das Verzögerungselement bzw. der Positionssensor anderer Art mehrere Male in dieselbe Position gebracht werden. Über die eventuelle Ungenauigkeit hinaus ist es zeitraubend, daß das Element bzw. der Sensor jedes Mal, wenn eine neue Ablesung erfolgen soll, für jeden Punkt repositioniert werden muß. Eine Vorrichtung, die diese Probleme vermeidet, wäre eine wichtige Verbesserung.
Mehrere Vorrichtungen mit berührungslosen Meßeinrichtungen sind bereits entwickelt worden. Ein System nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist im Aufsatz "A system for locating points, lines and planes in space" (Ein System zum Orten von Punkten, Linien und Ebenen im Raum) von W.E. Morritz et al., IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Band IM-26, Nr.1, März 1977, Seiten 5 bis 10, offenbart. Bei diesem bekannten System weist die Sendereinrichtung eine aus Kunststoff hergestellte Gruppenanordnung von drei Funkenstrecken auf, wobei die Funkenspalte in den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordnet sind. Der an der Anordnung von drei Funkenstrecken befestigte Körper ist ein Ultraschallwandler, und das bekannte System wird dazu verwendet, die Position und Ausrichtung des Schallstrahls im Raum zu erfassen.
Eine weitere berührungslose Meßeinrichtung ist im US-Patent Nr. 3 176 263 beschrieben, das am 30. März 1965 dem Erfinder Douglas erteilt wurde. Douglas zeigt allgemein ein über den Körper des zu messenden Gegenstands gezogenes Netz kleiner Sprengladungen. Um den Bereich des Körpers herum sind eine Anzahl von Mikrophonen angeordnet. Die kleinen Sprengladungen werden zur Detonation gebracht, und mittels der Mikrophone werden die Reaktionszeiten gemessen. Durch Zusammenstellen und Verarbeiten der von den Mikrophonen gemessenen Zeiten können die ungefähre Gestalt des Körpers und seine Proportionen gemessen und aufgezeichnet werden. Das von Douglas offenbarte System wäre zum Messen und Aufzeichnen von Positionen an einer Kfz-Karosserie oder einem Kfz-Rahmen unpraktisch, da die Explosionen zweifellos ungünstige Auswirkungen auf Lack und Gestalt des Körpers haben würden. Außerdem wäre für jede Messung ein neuer Überzug von Sprengladungen erforderlich, was gänzlich unpraktisch wäre.
Eine weitere berührungslose Meßeinrichtung ist im US-Patent Nr. 3 731 273 gezeigt, das am 01. Mai 1973 dem Erfinder Hunt erteilt wurde. Das Hunt-Patent zeigt eine mechanisch ausgelöste Funkenstrecke, die in einem in Fig. 5 des Hunt-Patents gezeigten Meßfühler enthalten ist. Zum Messen einer gegebenen Position legt man die an der Spitze des Meßfühlers angeordnete Funkenstrecke an den zu messenden Punkt. Durch Ausüben von Druck auf den Meßfühler wird ein physikalischer Kontakt zwischen elektrischen Leitungen hergestellt, wodurch die Erzeugung eines Funkens erfolgen kann. Die Laufzeit der Schallwelle wird von zwei Mikrophonen gemessen und die Position errechnet. Jedoch stößt die Vorrichtung von Hunt auf mehrere Probleme. Erstens muß die Funkenstrecke mechanisch und physikalisch ausgelöst werden. Dies bedeutet, daß auf den Meßfühler Druck ausgeübt wird, was diesen unter Umständen um eine kleine Strecke verschiebt. In einem System zum Messen kleiner Strecken, wie dem des Anmelders, könnte eine solche Verschiebung ohne weiteres größer sein als die Genauigkeit der Vorrichtung. Zweitens erfordert das im Hunt-Patent gezeigte Gerät, daß die Funkenstrecke an die zu messende Stelle gebracht wird. Deshalb kann ein Punkt, welcher der Funkenstrecke des Meßfühlers nicht zugänglich ist oder der durch eine solche Anordnung nicht genau gemessen werden kann, von der im Hunt-Patent gezeigten Vorrichtung nicht gemessen werden.
Schließlich leidet die Hunt'sche Vorrichtung noch an einem anderen Mangel. Wenn eine Anzahl von Messungen am selben Punkt erfolgen soll, während der gemessene Körper sich gerade bewegt oder seine Gestalt ändert, bietet die Hunt'sche Vorrichtung keine stetige und genaue Einrichtung zum mehrmaligen Messen desselben Punkts.
Das US-Patent Nr. 3 821 469, das Whetstone und anderen am 28. Juni 1974 erteilt wurde, zeigt eine weitere Vorrichtung zum Messen der Position eines Punkts im Raum. Whetstone verwendet einen Stift, der dem im Hunt-Patent ersichtlichen Meßfühler ähnlich ist, und eine Reihe von orthogonal angeordneten Rezeptoren. Die im Whetstone-Patent gezeigte Vorrichtung erfordert, daß die Rezeptoren den gesamten Raum, durch den der Stift sich bewegt, definieren. Dies ist offensichtlich eine unpraktische Beschränkung der Vorrichtung, wenn sie zum Messen in Längsrichtung, Breite und Tiefe einer Karosserie oder eines Rahmens eines Personen- oder Lastkraftwagens verwendet soll.
Auch das US-Patent Nr. 3 924 450, das am 09. Dezember 1975 Uchiyama und anderen erteilt wurde, zeigt eine Vorrichtung zum Messen dreidimensionaler Koordinaten. Die offenbarte Vorrichtung verwendet einen Ultraschallschwinger, um ein Signal zu erzeugen, dessen Zeitverlauf gemessen werden soll. Das Signal wird an einem Punkt P erzeugt und an wenigstens drei Punkten - A, B und C - empfangen. Das Uchiyama-Patent offenbart nicht die Vorrichtung oder das Verfahren zum Umwandeln oder Messen der Laufzeit einer kontinuierlichen Ultraschallwelle. Die hierzu bekannten Verfahren leiden am selben Mangel. Die mit einem solchen System erzielbare Genauigkeit ist äußerst gering im Vergleich zu den digitalen Systemen, die in der Vorrichtung des Anmelders verwendet werden. Da die offenbarte Vorrichtung zum Messen von Modellen großräumiger Anlagen, wie zum Beispiel Schiffsmotorräumen und landgestützter Anlagen, verwendet wird, ist die Genauigkeit nicht so wichtig, und deshalb wird die hohe Auflösung, die bei der Vorrichtung des Anmelders erforderlich ist, auf dem technischen Gebiet, auf dem das Uchiyama-Patent liegt, nicht als wichtig erachtet.
Im US-Patent Nr. 3 937 067, das am 10. Februar 1976 Flambard und anderen erteilt wurde, ist eine Vorrichtung offenbart, die zur Messung von Winkelverschiebungen verwendet wird. Flambard verwendet die Reflexionseigenschaften einer Ultraschallwelle, um Verschiebungen zu messen. Dieses Verfahren ist beim System des Anmelders natürlich nicht wünschenswert, anwendbar oder praktisch, weil dort jegliche Reflexion nur die Messung der Lauf zeit verzerrt.
Ein weiteres Patent, das einen Plan zur Entfernungsmessung auf zeigt, ist das US-Patent Nr. 4 276 622, das dem Erfinder Dammeyer am 30. Juni 1981 erteilt wurde. Dammeyer zeigt allgemein einen Schaltkreis, der verwendet wird, um die Entfernung zwischen einem Ultraschallsender und einem Ultraschallempfänger zu messen. Der Sender erzeugt als Reaktion auf ein Einschaltsignal einen Ultraschallenergiestoß. Der Empfänger empfängt den Ultraschallwellenstoß und erzeugt als Reaktion hierauf ein Erfassungssignal. Während das Ultraschallsignal unterwegs ist, ist ein Rampengenerator aktiv, der es ermöglicht, daß sich ein Kondensator während einer Zeitspanne linear auflädt. Die Entfernung, welche das Signal zurückgelegt hat, ist deshalb direkt proportional zum angesammelten Spannungspotential der Kapazität, in diesem Fall des Kondensators C5 in Fig. 4. Die Geschwindigkeit des Spannungsanstiegs wird durch Einstellung des Widerstands R10 gesteuert. Das von Dammeyer verwendete Verfahren bietet zwar eine grobe Entfernungsmessung, leidet aber - wie die Vorrichtung von Uchiyama - an der Tatsache, daß die verwendeten analogen Signale im Vergleich zu den mit digitalen Schaltkreisen verfügbaren Signalen nur eine grobe Näherung darstellen und nachteiligerweise sowohl zeit- als auch temperaturabhängig sind. Deshalb stellt das gemessene Potential des Kondensators C5 im großen und ganzen zwar die vom Ultraschallsignal zurückgelegte Strecke dar, erreicht aber nicht die Genauigkeit und Auflösung, die mit dem digitalen Schaltkreis und der Software möglich sind, welche von den Anmeldern bei ihrer Erfindung verwendet werden.
Schließlich offenbart das US-Patent Nr. 4 357 672, das Howells und anderen am 02. November 1982 erteilt wurde, eine weitere Abstandsmeßvorrichtung, die akustische Signale verwendet. Während der Übergangszeit eines akustischen Signals zählt ein Mikroprozessor die Anzahl der von ihm durchgeführten Befehlszyklen und erzeugt dadurch einen Zählerstand, der im allgemeinen die Zeitdauer angibt, welche das akustische Signal benötigt, um vom Stift zum Mikrophon zu gelangen. In den Ansprüchen und der Beschreibung sagt Howells jedoch deutlich aus, daß der Zeitmeßmechanismus die interne Befehlszählung des Mikroprozessors ist. Er merkt an, daß zum Betrieb des Systems kein zusätzlicher Takt oder Frequenzteiler erforderlich ist. Somit beschränkt er die Genauigkeit und Auflösung des Systems, indem er die Zeitmeß-Frequenz auf die Durchführungszeit von Befehlszyklen beschränkt.
Es gibt eine Reihe weiterer akustischer Vorrichtungen, die zur Erfassung von Mängeln bei verschiedensten Gegenständen verwendbar sind. Diese Vorrichtungen stützen ihre Berechnungen auf unterschiedliche Ankunftszeiten eines Signals, das von einem in einem Objekt vorhandenen Fehler reflektiert wird. Deshalb sind viele der Prinzipien, die für Aufbau und Verwendung solcher Vorrichtungen angewandt werden, nicht auf ein System anwendbar, bei dem keine Reflexion erwünscht ist und ein homogenes Übertragungsmedium erforderlich ist. Zu den Beispielen für solche Vorrichtungen gehören das US-Patent Nr. 3 875 381, welches dem verstorbenen Erfinder Wingfield und anderen am 01. April 1975 erteilt wurde; das US-Patent Nr. 4 096 755, welches dem Erfinder Hause und anderen am 27. Juni 1978 erteilt wurde; und das US-Patent Nr. 4 523 468, welches dem Erfinder Derkacs und anderen am 18. Juni 1985 erteilt wurde.

AUFGABEN UND KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Systems zum genauen Bestimmen der Position einer Anzahl von Punkten auf oder in einem Objekt.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Systems zum Bestimmen der Position einer Gruppe von Punkten auf oder in einem Karosseriechassis oder Rahmen eines Fahrzeugs und zum Vergleichen dieser gemessenen Positionen mit einem Satz von Bezugspositionen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Systems, das in Echtzeit arbeitet und wiederholt betätigt werden kann, um der Bedienungsperson des Systems eine Rückmeldung hinsichtlich der Positionsänderung von Meßpunkten zu liefern.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Systems zum Messen der Position eines Satzes von Punkten, welches eine höhere Auflösung und größere Genauigkeit bietet als die Systeme, die man in einschlägigen Gebieten der Technik vorfindet.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Systems zum Messen eines Satzes von Punkten, welches stetig eine Anzahl genauer Ablesungen desselben Punkts auf oder in einem Körper liefern kann, ohne Rücksicht auf Lage oder Bewegung dieses Punkts.
Eine weitere Aufgabe der vorliedenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Systems, das für die Bedienungsperson die Abweichungen des gemessenen Punktesatzes vom Satz der Bezugspunkte graphisch oder numerisch veranschaulicht und vergleicht.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Systems, das in die Verfahren zum Reparieren und Warten von Fahrzeugkarosserien hinsichtlich des Richtens von Rahmen oder selbsttragenden Karosserien und/oder des Ausrichtens von Rädern einbezogen werden kann. Daher muß sich das System mit der Umgebung der Karosseriewerkstatt oder Reparaturgarage vertragen.
Noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Systems, das keine Kalibrierung zum Kompensieren von Unterschieden der Ausbreitungsgeschwindigkeit in dem Medium, in welchem die Messungen durchgeführt werden, erfordert.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Systems, das ausgebildet werden kann, Ist-Werte von Karosserie-, Rad- oder Rahmen-Zuständen mit einer Anzahl von Modell-Solldaten zu vergleichen.
Das erfindungsgemäße System ist durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gekennzeichnet, um diese und weitere Aufgaben der Erfindung zu lösen.
Gelöst werden die Aufgaben in einem System zum Bestimmen der Position eines Satzes von Punkten auf einem Fahrzeugkörper und zum Vergleichen dieser Punkte mit einem Satz von Bezugspunkten, die vom Fahrzeughersteller oder einer anderen Quelle stammen. Das System enthält eine Datenerfassungseinrichtung bestehend aus Sendern, Empfängern und einer Steuereinrichtung mit Mikroprozessor. Die Sender sind an verschiedenen vorgegebenen Stellen am Fahrzeugkörper oder -rahmen montiert und werden durch die Mikroprozessoren in optimaler Weise ausgelöst. Die Auslösung bewirkt, daß an jedem der Sender ein Funke erzeugt wird, der seinerseits eine einzelne akustische Stoßwelle mit definierter Wellenfront erzeugt. Eine Gruppenanordnung von Mikrophonen wirkt als Empfänger. Nach Erzeugung des Funkens und der daraus resultierenden akustischen Wellenfront setzt der Mikroprozessor einen externen Takt in Gang, welcher die kauf zeit der Impulswellenfront von der Senderstation zu den Empfangsmikrophonen mißt. Durch mehrmalige Wiederholung dieses Vorgangs können Daten gewonnen werden, welche bei Verarbeitung durch den Mikroprozessor die dreidimensionalen Koordinaten eines gegebenen Punkts im Raum liefern. Ferner wandeln die Mikroprozessoren diese Daten in eine Form um, die vom Gesamtsystem verwendet werden kann, um die Position aller gemessenen Punkte am Fahrzeugkörper oder -rahmen zu bestimmen. Die Daten werden an eine Bediener-Anzeigeeinheit übertragen, wo sie für den Bediener entweder graphisch oder numerisch in Tabellenform aufgetragen werden. Bezugsdaten, die durch Datenblätter des Herstellers bereitgestellt oder unabhängig bestimmt wurden, werden über einen optischen Decodierer oder ein anderes Dateneingabegerät ebenfalls in die Bediener-Anzeigeeinheit eingegeben. Diese Daten erscheinen entweder in graphischer oder numerischer Form zusammen mit den gemessenen Daten und bieten somit einen Vergleich der beiden Datensätze. Gestützt auf den graphischen oder tabellarischen Vergleich kann der Bediener dann bestimmen, ob und in welchem Ausmaß Reparaturarbeiten oder weitere Wartungsarbeiten am Kfz-Körper oder -Rahmen notwendig sind. Weitere Abwandlungen, Anwendungen oder Änderungen des Systems sind für die einschlägigen Fachleute nach Lektüre der Beschreibung ersichtlich und sollen in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallen, wenn sie in den Bereich der Ansprüche fallen, die auf die Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform folgen.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1A ist eine perspektivische Ansicht eines Fahrzeugs, das auf einer Rahmenrichtbank aufgespannt ist, welche das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung aufweist.
Fig. 1B zeigt eine alternative Ausführungsform der Datenerfassungseinrichtung der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2A ist eine Draufsicht auf die Kollektorbrücke der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2B ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht eines Arms der Kollektorbrücke nach Fig. 2A.
Fig. 2C ist ein Schnitt durch einen Kollektorbrücken-Arm entlang der Linie 2C-2C der Fig. 2B.
Fig. 3A ist ein Zeitdiagramm der Schaltung nach Fig. 3B.
Fig. 3B ist ein Schaltschema einer der Steuerschaltungen der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4A ist eine Seitenansicht einer Standard-Senderstation des bevorzugten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, wobei eine an einer Mutter befestigte Konstruktion verwendet ist.
Fig. 4B ist eine Seitenansicht der Senderstation nach Fig. 4A, wobei ein hinzugefügtes Schwenkelement verwendet ist.
Fig. 4C und 4D sind Seitenansichten von Standard-Senderstationen, die an Löchern unterschiedlichen Durchmessers befestigt sind.
Fig. 4E ist eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform einer Senderstation mit einem einzigen Lager und vertikal befestigten Funkenstrecken.
Fig. 4F ist eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform einer Senderstation mit einem einzigen Lager und horizontal befestigte Funkenstrecken.
Fig. 5 ist ein Gattungsbeispiel für ein Bezugsdatenblatt der vorliegenden Erfindung.
Fig. 6A ist ein perspektivisches geometrisches Diagramm der erfindungsgemäß gemessenen Größen und der relativen Orientierungen dieser Größen.
Fig. 6B ist eine Draufsicht auf Fig. 6A.
Fig. 6C ist ein perspektivisches geometrisches Diagramm der Meßanordnung, die von den Senderstationen gemäß den Fig. 4A bis 4F verwendet wird.
Fig. 6D ist ein perspektivisches geometrisches Diagramm der von einer alternativen Ausführungsform der Erfindung gemessenen Größen und der relativen Orientierungen dieser Größen.
Fig. 7 ist eine perspektivische Seitenansicht des erfindungsgemäßen Systems, wie es verwendet wird, um das Ausrichten von Fahrzeugrädern zu unterstützen.
Fig. 8 ist eine Draufsicht auf das System nach Fig. 7 im Einsatz.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist in Fig. 1A gezeigt. Ein Fahrzeug 20 ist auf einer Karosserie- oder Rahmen-Richtbank 22 angeordnet und auf der Richtbank 22 durch eine Klemmzwinge 23 gehalten. Die spezielle Art von Richtbank, bei der die vorliegende Erfindung verwendet wird, ist für die Erfindung nicht wesentlich und daher nur in schematischer Form dargestellt. Unmittelbar unter dem Fahrzeug 20 ist eine Kollektorbrücke 24 angeordnet. Die Kollektorbrücke 24 umfaßt allgemein einen zentralen Träger 26 und einstellbare Arme 28. Zusätzlich zu den Armen 28 kann das System eine Anzahl von Turmanordnungen 27 aufweisen; eine davon ist in Fig. 1A gezeigt. Die Turmanordnung 27 verleiht dem System die Fähigkeit, Positionen zu messen, die sich in größerer Höhe auf dem Fahrzeug befinden oder für einen unter dem Fahrzeug 20 befindlichen Arm unzugänglich sind. Die Turmanordnung 27 entspricht in ihrer Betriebsweise im wesentlichen jener der Arme 28. Daher gilt jede Beschreibung der Arme 28 gleichermaßen für die Turmanordnung 27. Kabel 30 verbinden die Arme 28 mit einer Anzahl von Senderstationen 32 Die Senderstationen 32 sind in Fig. 1A am Fahrzeugrahmen 34 montiert. Es sei bemerkt, daß das hier offenbarte System zur Durchführung von Messungen an einer Fahrzeugkarosserie, einem Fahrzeugrahmen, einer selbsttragenden Karosserie und/oder einem Fahrzeugchassis verwendet werden kann, um sowohl obere als auch untere Körpermessungen zu gewinnen, und deshalb sollen Bezugnahmen auf einen Fahrzeugrahmen in dieser Hinsicht nicht beschränkend sein. An jedem Arm 28 ist auch eine Reihenanordnung von Mikrophonen 36 angebracht. Die Kollektorbrücke 24 ist über ein Kabel 38 an eine Bediener-Anzeigeeinheit 40 angeschlossen.
Die Bediener-Anzeigeeinheit 40 enthält eine zentrale Prozessoreinheit (CPU) 42, einen Kathodenstrahlröhren-Bildschirm (CRT) 44, einen Drucker 46 und einen optischen Code-Leser 48. Die Stromversorgung für das gesamte System erfolgt durch das Versorgungskabel 50 über die CPU 42. Die Bezugsdaten für das System und ein gegebenes Modell und Jahr eines Fahrzeugs werden mittels eines Datenblatts 52 über den optischen Code-Leser 48 in die CPU eingegeben.

ALLGEMEINER SYSTEMAUFBAU

Zunächst wird das Fahrzeug 20 oberhalb der Kollektorbrücke 24 befestigt. Es ist wichtig zu bemerken, daß das Fahrzeug 20 zu keinem Zeitpunkt die Brücke 24 direkt berührt. Bei einer unten beschriebenen alternativen Ausführungsform der Kollektorbrücke 24 kann die Brückenanordnung durch einen Satz von tragbaren Miniatur-Kollektorreihenanordnungen 29, wie sie aus Fig. 1B ersichtlich sind, ersetzt werden. Die alternative Anordnung gemäß Fig. 1B verwendet anstatt der Arme 28 tragbare Reihenanordnungen 29, um eine Anzahl von Mikrophonen 36 zu halten. Wie die Arme 28 besitzen die tragbaren Reihenanordnungen 29 Buchsen 31 zum Einstecken von Kabeln 30. Reihenanordnungen 29 können in Situationen verwendet werden, in denen eine permanente oder verankerte Brücke 24 unpraktisch ist. Jede tragbare Reihenanordnung 29 ist durch ein Kabel 38a über eine Verbindungsdose 39 und das Kabel 38 mit der Bediener-Anzeigeeinheit 40 verbunden. Sobald das Fahrzeug 20 richtig fixiert ist, werden über den optischen Code-Leser 48 die Bezugsdaten in die CPU 42 eingelesen. Die Daten werden durch einen auf dem Datenblatt 52 befindlichen optischen Code 54 geliefert. Die Bedienperson wählt einen Satz von Steuerpunkten am Fahrzeug 20, die als Ausgangsbasis für den Ort von am Fahrzeug 20 gemessenen Positionspunkten dienen.
Die Senderstationen 32 werden nahe der zu messenden Positionen angebracht. Die Stationen 32 erzeugen eine Anzahl von Funken, die zu akustischen Signalen führen. Zeitmessungen dieser Signale werden unter Verwendung der Mikrophone 36 durchgeführt und ergeben anschließend die dreidimensionalen Koordinaten jedes Punkts, an dem eine Senderstation 32 angebracht ist. Diese Koordinaten werden durch die CPU 42 erzeugt, nachdem die Zeitmessungen von unten zu beschreibenden Mikroprozessoren verarbeitet worden sind. Die Messungen werden über das Kabel 38 an die CPU 42 übertragen. Dort werden sie weiter verarbeitet und mit dem vom Datenblatt 52 erhaltenen Satz von Bezugspunkten verglichen. Der Vergleich kann entweder in graphischer oder numerisch-tabellarischer Form erfolgen und kann an der CRT 44 angezeigt werden, oder es kann auf dem Drucker 46 eine bleibende Kopie hergestellt werden.
Wenn die Bedienungsperson zum Beispiel einen beschädigten Fahrzeugrahmen ausrichtet, wie in Fig. 1A gezeigt, gibt der angezeigte Vergleich dem Bediener Informationen, die er benötigt, um die nächste Einstellung am Rahmen 34 vorzunehmen. Durch häufige Erzeugung des Vergleichs erhält der Bediener ständiges Feedback in Echtzeit über den Stand des Reparaturprozesses. Die eigentlichen Reparaturvorgänge werden durch normale Benutzung der Richtbank 22 bewerkstelligt, d. h. durch Schieben oder Ziehen an bestimmten Bestandteilen des Fahrzeugs, wie es alles in mehreren der vorgenannten Patente über das Rahmenrichten beschrieben und auf dem einschlägigen technischen Gebiet allgemein bekannt ist.

DATENERFASSUNGSEINRICHTUNG

Die Datenerfassungseinrichtung besteht allgemein aus der Kollektorbrücke 24 und ihren Zubehörteilen. Die Brücke 24 und ihre Arme 28 sind in ihren Einzelheiten aus Fig. 2A und 2B ersichtlich. Der Mittelträger 26 ist vergleichbar mit der Länge eines Fahrzeugkörpers, in der bevorzugten Ausführungsform ungefähr 3 Meter lang. Wie aus Fig. 2A ersichtlich, enthält die Kollektorbrücke 24 bei der bevorzugten Ausführungsform acht Arme 28. Jeder Arm 28 erstreckt sich quer vom Träger 26 weg und ist an diesem entlang verschiebbar. Wie aus Fig. 3B ersichtlich ist, die einen einzelnen Datenerfassungskanal innerhalb des Arms 28 darstellt, gibt es für jeden Arm 28 eine zentrale Steuereinheit 56. Die Steuereinheit 56 besteht aus einem Mikroprozessor 58 und einem externen Taktgenerator 64. Jeder Arm 28 besitzt eine solche Steuereinheit 56. Bei der bevorzugten Ausführungsform besitzt jeder Arm 28 auch sechs in ihm eingebettete Mikrophone 36. Ein gegebenes Mikrophon 36 ist über einen Signalkanal 66 mit derjenigen Steuereinheit 56 verbunden, die dem Arm 28 zugeordnet ist, in dem es sich befindet. Der Kanal 66 besteht aus einer Mikrophonerregungsquelle 68, einem Rauschfilter 69, einem Spannungsverstärker 70, einem Hochgeschwindigkeitskomparator Zählsteuerflipflop 60 und einem 16-Bit-Zähler 62. Der Zähler 62 jedes Kanals 66 und der Takt 64 der Steuereinheit 56 werden in Synchronbetrieb verwendet. Der Betrieb all dieser Elemente wird unten beschrieben. Bei der bevorzugten Ausführungsform gibt es sechs Signalkanäle 66 und eine Steuereinheit 56 in jedem Arm 28. Das Rauschfilter 69 dient zum Aussieben von Umgebungshintergrundgeräuschen, die zusammen mit der Stoßwelle empfangen werden. Das Filter 69 wirkt bei der bevorzugten Ausführungsform als Bandpaß, so daß Schallwellenenergie, die nicht im großen und ganzen dem Frequenzprofil der von den Strecken 80 erzeugten Stoßwellen entspricht, nicht durch das Filter 69 gelangt.
Schließlich gibt es eine Kommunikations-Schnittstelle 74, die jeden Mikroprozessor 58 über das Kabel 38 mit der Bediener-Anzeigeeinheit 40 verbindet.
Das Kabel 30 verbindet den Auslöser-Ausgang des Mikroprozessors 58 mit einer Senderbaugruppe 76, die zusammen mit einer zweiten solchen Baugruppe an der Senderstation 32 montiert ist. Bei der bevorzugten Ausführungsform des Systems besteht die Senderbaugruppe 76 aus einer (nicht dargestellten) Hochspannungs-Energieversorgung und einem (ebenfalls nicht gezeigten) kapazitiven Entladungskreis. Die Senderbaugruppe 76 ist mit der Primärseite einer Funkenspule 78 verbunden, die bei der bevorzugten Ausführungsform ein Transformator mit einem Verhältnis von 1 : 30 ist. Die Sekundärspule des Transformators ist mit einer Funkenstrecke 80 verbunden. Alternativ können die Funkenspulen durch eine andere Einrichtung zum Erzeugen einer Hochspannung über der Funkenstrecke 80 ersetzt werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gibt es zwei Senderbaugruppen 76, die an den Auslöser-Ausgang des Mikroprozessors 58 angeschlossen sind, und sechs Mikrophone 36 mit ihren zugehörigen Signalaufbereitungskanälen 66. Die Steuereinheit 56 ist imstande zu steuern, welche Senderbaugruppe 76 gezündet wird, und zu wissen, von welchem Mikrophon 36 Signale empfangen werden.
Die genaue Position der in einer Ebene liegenden Mikrophone 36 muß bekannt sein, damit die Datenerfassungseinrichtung richtig arbeitet. Jede beliebige geeignete Einrichtung zum Bestimmen und Übermitteln der Position der Mikrophone kann verwendet werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform versorgen eine Reihe von Positionssensoren den Mikroprozessor 58 mit genauen zweidimensionalen Koordinaten für jeden der Arme 28. Bei der bevorzugten Ausführungsform liegen alle Mikrophone 36 in derselben Koordinatenebene. Bei einer alternativen Ausführungsform ist diese koplanare Anordnung unnötig, da das System Sensoren für die vertikale Position aufweist. Am Träger 26 der Kollektorbrücke 24 der bevorzugten Ausführungsform befinden sich eine Anzahl von in Längsrichtung beabstandeten optischen Positionsanzeigern 82. Es gibt auch entsprechende Löcher 84 zwischen den Sensoren 82. Jeder Arm 28 besitzt ein Einstellstange 86, die sich durch den Arm 28 erstreckt und deren Ende in ein Loch 84 paßt. Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Anzeiger 82 fünfzig Millimeter voneinander beabstandet. Wenn also die Arme 28 in Längsrichtung bewegt werden, speisen in jedem Arm 28 befindliche optische Leser 88 (in Fig. 2A ersichtlich) die Längsposition in den Mikroprozessor 58 in jedem Arm 28 ein. In ähnlicher Weise gibt es Sensoren 90 für die Querposition im oberen Teil 23 der Arme 28, wie in Fig. 2C ersichtlich. Wie beim Träger 26, befinden sich im unteren Armteil 25 Löcher, in die ein Stift 92 paßt und somit den oberen Armteil 23 räumlich festlegt. Jedem solchen Loch benachbart ist ein Positionsanzeiger 93, der den Mikroprozessor 58 mit Daten über die Querposition versorgt. Bei der bevorzugten Ausführungsform werden die Positionsdaten unter Verwendung eines optischen Systems erzeugt. Bei der bevorzugten Ausführungsform, wie in Fig. 2C ersichtlich, liegen die Querverriegelungsstellen 100 Millimeter auseinander.
Der Abstand zwischen den Mikrophonen 36 beträgt bei der bevorzugten Ausführungsform 180 mm. Indem man die Stellung des Arms 28 bezüglich des stationären Trägers 26 sowie die Lage der Mikrophone 36 auf jedem Arm 28 kennt, ist somit ist die genaue Lage jedes Mikrophons 36 bekannt.
Die Senderstationen 32 sind die anderen Hauptbestandteile der Datenerfassungseinrichtung. Verschiedene Montagearten für die Senderstationen 32 der bevorzugten Ausführungsform sind in den Fig. 4A bis 4D gezeigt. Fig. 4A zeigt eine Vorrichtung zum Montieren einer Station 32 an einer Mutter 94. Das Montageteil 96 ist an der Mutter 94 mit einer Reihe von Zähnen 98 befestigt. Das Montageteil 96 wird gesichert, indem die Zähne 98 um die Mutter 94 herum mittels einer geeigneten mechanischen Einrichtung, zum Beispiel einer Schraube, angezogen werden. Das Endstück 102 muß aus einem unten erörterten Grund mit der Oberfläche 104 in Berührung gehalten werden. Das Montageteil 96, und das andere diesbezügliche Montageelement 97, stellen sicher, daß der Sender 32 bei jeder durch das System erfolgenden Abfrage vom selben Punkt aus Signale erzeugt. Die Station 32 selbst wird an die Montagevorrichtung mittels eines geeigneten Organs aufgeschnappt. In den Fig. 4A bis 4D besteht die Station 32 aus zwei Stützen 106, zwischen denen sich gleiche Funkenstrecken 80 befinden. Die Funkenstrecken 80 sind im großen und ganzen so angeordnet, daß die beiden Mitten der Strecken 80 eine Linie 109 bilden, die durch den zu messenden Punkt hindurchgeht. Der Grund hierfür wird unten erläutert.
Die Fig. 4B bis 4F zeigen weitere Anordnungen von Senderstationen. In Fig. 4B besitzt die Senderstation 32 ein Schwenkelement 110, welches die Station mit dem Montageelement 96 verbindet. Dieses Schwenkelement 110 ermöglicht eine drehende Einstellung der Funkenstrecken 80, um einen freien Weg zwischen den Strecken 80 und den Empfangsmikrophonen 36 zu schaffen.
Die Fig. 4C und 4D zeigen jeweils ein Lochmontageelement 97, das dem Montageelement 96 gleicht, mit dem Unterschied, daß sie ausgebildet sind, die Station 32 an einem Loch 118 im Fahrzeug statt an einem Vorsprung, wie einer Mutter, zu verankern. Zähne 114 spreizen sich nach außen und greifen in das Loch 118 ein. Diese Verankerungseinrichtung stellt wiederum sicher, daß die Funkenstrecken 80 eine Linie 109 bilden, die durch den zu messenden Punkt 108 verläuft, selbst wenn der Punkt 108 ein offener Raum ist. Fig. 4C zeigt die Station 32 in einem kleinen Loch 118 verankert, während Fig. 4D veranschaulicht, wie die Station 32 in einem größeren Loch 118 verankert werden kann.
Alternative Ausführungsformen der beiden Lagerungsanordnungen der Station 32 sind in den Fig. 4E und 4F gezeigt. Die Station 32a gemäß Fig. 4E verwendet eine einzige Stütze 107a, an der die Strecken 80 zu montieren sind. Wiederum definieren die Mittelpunkte der Strecken eine Linie 109, die durch den zu messenden Punkt 108 verläuft. In Fig. 4E sind die Strecken 80 in Vertikalanordnung montiert, und die Stütze 107a ist an einem Montageelement 96 angebracht. In Fig. 4F sind die Strecken 80 horizontal an der Stütze 107a montiert, um die Station 32b zu bilden.

BEDIENER-STEUEREINHEIT

Wie oben festgestellt, besteht die Bediener-Steuereinheit 40 aus einer CPU 42, einer CRT-Anzeige 44, einem Drucker 46 und einem optischen Decoder 48. Bei der bevorzugten Ausführungsform besitzt die CPU 42 interne 16-Bit-Register und wenigstens 256k Speicherkapazität. Sie weist vorzugsweise eine Druckerschnittstelle und drei serielle Datenverkehrsschnittstellen auf. Diese drei seriellen Datenverkehrsschnittstellen verschaffen dem Drucker 46, dem Kabel 38 und dem optischen Decoder 48 Zugang zur CPU. Das Kabel 38 überträgt Daten von der in jedem Arm 28 befindlichen Steuereinheit 56 zur CPU 42.

FAHRZEUG-BEZUGS DATEN

Bezugsdaten für jedes Fahrzeug werden durch eine Reihe von Datenblättern 52 geliefert. Ein Gattungsbeispiel für ein solches Blatt ist in Fig. 5 gezeigt. Bei der bevorzugten Ausführungsform liefert jedes Blatt 52 der Bedienungsperson einen optisch codierten Satz von Nenndaten 54 und eine Endansicht 120, eine Seitenansicht 122 und eine Bodenansicht 124 des Fahrzeugs. Wie aus Fig. 5 ersichtlich, gibt jede Ansicht dem Bediener eine graphische Perspektive der Höhe (z-Koordinate) und der planaren Position (x-, y-Koordinaten) jedes Bezugspunkts 108. Der optische Code 54 liefert der CPU 42 dieselben Daten in einer Form, die in den Computer schneller eingegeben wird als durch manuelle Dateneingabe. Bei einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können andere Datenträger, wie zum Beispiel eine Laserkarte mit optisch codierten Daten, verwendet werden, um Bezugsdaten einzugeben. Eine Bedienungsperson, etwa ein Wartungsmechaniker, kann eine ausgedehnte Bibliothek von Datenblättern oder Laserkarten führen, die alle Bauarten und Modelle, die er/sie wartet, abdeckt.

BETRIEB

Das System der bevorzugten Ausführungsform wird in Gang gesetzt, wenn die Bedienungsperson Bezugsdaten vom Datenblatt 52 über den optischen Decoder 48 in die CPU 42 eingibt. Dadurch erfährt das System, wo die Punkte gemessen werden, die mit den Bezugsdaten verglichen werden sollen. Außerdem werden alle Steuereinheiten 56 gestartet. Wie oben festgestellt, ist die in Fig. 3B dargestellte Schaltung im gesamten System mehrfach in gleicher Form vorhanden. Die Betriebsweise einer solchen Schaltung wird hier zu veranschaulichungszwecken beschrieben, wobei es sich versteht, daß alle derartigen Schaltungen in gleicher Weise funktionieren und ihre Koordination durch die Steuereinheiten 56 und die CPU 42 erfolgt.
Nun wird auf die Fig. 3A und 3B Bezug genommen; der Mikroprozessor 58 startet nach Erhalt eines Startsignals von der CPU 42 den Zähler 62. Der Mikroprozessor 58 gibt dann ein START-Signal 210 sowohl an die Senderbaugruppe 76 als auch an das Fenster-Flipflop 60. Die Senderbaugruppe 76 entlädt einen Kondensator, auf dem vorzugsweise eine hohe Gleichspannungsladung gespeichert ist, in den Transformator 78. Der Transformator 78 erzeugt einen Funken 220 über der Strecke 80. Das Auftreten des Funkens 220 erzeugt eine Stoßwelle mit im großen und ganzen sphärischer Wellenfront. Diese Wellenfront wird vom Mikrophon 36 aufgenommen und wird in ein elektrisches Signal 230 umgewandelt. Das elektrische Signal 230 wird dann in ein STOP-Signal 240 umgewandelt, das in das Fenster-Flipflop 60 eingespeist wird. Das vom Mikroprozessor 58 ausgegebene START-Signal 210 öffnet für den Zähler 62 ein Zählfenster 250, das geschlossen wird, sobald das Flipflop 60 das STOP-Signal 240 empfängt. Solange das Signalfenster 250 offen ist (solange die Stoßwelle von der Funkenstrecke 80 zum Mikrophon 36 unterwegs ist), erzeugt ein externer Taktgenerator 64, der vorzugsweise bei einer Frequenz von mindestens 4 MHz arbeitet, eine Zählimpulsfolge 260, die vom Zähler 62 synchron aufaddiert wird. Allgemein gesprochen, arbeitet der externe Takt- oder Impulsgenerator 64 bei einer Frequenz, die beträchtlich höher ist als die Ausführungsrate von Befehlszyklen im Mikroprozessor 58. Dies verleiht dem Gesamtsystem eine höhere Auflösung und Genauigkeit, als bei alleiniger Verwendung des Mikroprozessors 58 möglich wäre. Die Einzelzählungen des Taktgenerators 64 und des Zählers 62 der bevorzugten Ausführungsform führen zu einer räumlichen Auflösung in Stufen von ungefähr 0,086 mm. Nach dem Anhalten des Zählvorgangs durch Schließen des Fensters 250 wird der Schlußstand 270 des Zählers an den Mikroprozessor 58 geleitet, sobald das Signal DATEN LESEN 280 erzeugt wird. Eine Anzahl von Berechnungen werden dann vom Mikroprozessor 58 durchgeführt.
Die Mikrophone 36, deren Signale empfangen werden, werden vom Mikroprozessor 58 ausgewählt. Die Auswahl beruht auf den Ankunftszeiten der von den Funkenstrecken 80 hervorgerufenen Stoßwellen. Der Mikroprozessor 58 akzeptiert Signale von den ersten drei nicht-kollinearen Mikrophonen 36, welche die Stoßwelle empfangen, und weist später empfangene Signale ab.
Wenn der Mikroprozessor 58 die unten erläuterten und in Fig. 6D veranschaulichten alternativen Gleichungen verwendet, wählt er Signale von den ersten vier Mikrophonen, welche die Stoßwelle empfangen, wobei die Mikrophone so angeordnet sind, daß drei in einer Geraden liegen und das vierte außerhalb dieser Geraden liegt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform hilft ein zusätzliches Merkmal bei der Sicherstellung der Systemgenauigkeit. Jede Stoßwelle hat eine Mindestentfernung zwischen jeder gegebenen Funkenstrecke 80 und einem Einzelmikrophon 36 zurückzulegen. Während der Zeit, welche die Welle zum Zurücklegen dieser Mindestentfernung benötigt, gibt es ein Sperrintervall 290. Während des Sperrintervalls 290 kann kein STOP-Signal erzeugt werden. Dadurch wird ein STOP-Signal verhindert, das infolge von Hintergrund-Störsignalen, zum Beispiel in einer Werkstatt oder Garage, ausgelöst worden sein könnte.
Die Fig. 6A bis 6C helfen bei der Veranschaulichung der grundlegenden Berechnungen, die vom Mikroprozessor 58 beim Verarbeiten der vom Zähler 62 gelieferten Rohdaten durchgeführt werden. In den Fig. 6A und 6B kann die Position der Funkenstrecke 80 in Form der x/y/z-Koordinaten des Punkts bestimmt werden, indem drei nicht-kollinear angeordnete Mikrophone verwendet werden. Diese Koordinaten (Xp, Yp, Zp) der Position der Funkenstrecke definieren den genauen Ort 111 der Funkenstrecke 80. Die Position eines auf diese Weise gemessenen Punkts ist gegeben durch die folgenden, aus Lehrsätzen des Pythagoras abgeleiteten Gleichungen im Gleichungssatz I:
Gleichungssatz 1:
Xp = (L²+r²n-r²x)/2L
Yp = (L²+r²n-r²y)/2L
Zp = Quadratwurzel aus r x X p Y p t
Jede Senderstation 32 weist zwei solche Funkenstrecken 80 auf. Wie aus Fig. 6C ersichtlich, sind die Stationen 32 so ausgebildet, daß die Entfernung vom zu messenden Punkt P&sub3; (oder 108) zum Mittelpunkt P&sub2; der ersten Funkenstrecke den Wert K&sub2; und von der ersten Funkenstrecke P&sub2; zur zweiten Funkenstrecke P&sub1; den Wert K&sub1; beträgt. Das Endstück 102 der Station 32 muß in Berührung mit der Oberfläche 104 gehalten werden, um große Stetigkeit und Genauigkeit bei den extrapolierten Messungen der Punkte zu gewährleisten. Wenn man das Diagramm nach Fig. 6C und die Gleichungen des Gleichungssatzes 11 verwendet, kann die Position des eigentlich zu messenden Punktes auf dem Fahrzeug bestimmt werden. Somit kann ein zu messender Punkt sich auf einer Oberfläche, in freiem Raum oder innerhalb eines festen Körpers befinden und vom vorliegenden System dennoch genau gemessen werden. Eine gesonderte Funkenstrecke und ein gesondertes Empfangsmikrophon sind in jedem Arm 28 vorhanden und wirken als Kalibrierungseinrichtung 126 (wie in der aufgeschnittenen Ansicht der Fig. 2B ersichtlich), um Abweichungen der Umgebungsbedingungen zu kompensieren, welche die Schallgeschwindigkeit beeinflussen und dadurch Fehler bei der Entfernungsmessung des Systems hervorrufen könnten. Bei der Durchführung der Koordinatenbestimmungen kompensiert der Mikroprozessor 58 solche Umgebungsbedingungen und auch die Schaltverzögerungszeiten in der Schaltung nach Fig. 3B. Der Mikroprozessor 58 berücksichtigt ferner die Verwendung eines Knie-Elements 112, wie in Fig. 4C ersichtlich, und führt statistische Filter- und Mittelungs-Berechnungen durch, um stetige Daten zu liefern. Die Position des zu messenden Punkts (P&sub3; ) ist somit durch die folgenden Gleichungen gegeben:
Gleichungssatz II:
X&sub3;=X&sub2;+(K&sub2;/K&sub1;)(X&sub2;-X&sub1;)
Y&sub3;=Y&sub2;+(K&sub2;/K&sub1;)(Y&sub2;-Y&sub1;)
Z&sub3;=Z&sub2;+(K&sub2;/K&sub1;)(Z&sub2;-Z&sub1;)
Bei einer alternativen Ausführungsform verwendet das Programm des Mikroprozessors 58 die im Diagramm der Fig. 6D veranschaulichten Prinzipien. Bei dieser Anordnung wird die Notwendigkeit, Daten zu kalibrieren, beseitigt. Die Positionsdaten können vom Mikroprozessor 58 unter ausschließlicher Bezugnahme auf die vom Zähler 62 gemessenen Laufzeiten erzeugt werden. Wie aus dem Diagramm gemäß Fig. 6D ersichtlich, erfordert diese Ausführungsform die Hinzunahme eines weiteren Mikrophons 36, so daß drei in einer Geraden angeordnete Mikrophone 36 mit bekannten gegenseitigen Abständen und ein viertes, außerhalb der Geraden der ersten drei angeordnetes Mikrophon vorhanden sind. Die Position 111 des Punkts wird erzeugt, aber die Schallgeschwindigkeit (v) kann mit der folgenden Gleichung eliminiert werden, wobei rm=tm *V gilt und tm eine gemessene Zeit ist:
V = Quadratwurzel aus [2L²/(t²&sub3;+t²&sub1;-2t²&sub0;)]
Sobald der Mikroprozessor 58 die Daten in dieser Form erzeugt hat, werden sie zur Kommunikationsschnittstelle 74 und dann über das Kabel 38 zur CPU 42 übertragen. Die CPU 42 vergleicht dann die gemessenen Daten mit den Bezugsdaten, die für ein gegebenes Fahrzeugmodell in den optischen Decoder 48 eingegeben wurden. Die CPU 42 gibt an die einzelnen Steuereinheiten 56 Befehle aus, um verschiedene Positionen abzufragen und den Meßvorgang zu optimieren.
Die CPU 42 liefert einen numerischen Vergleich der gemessenen Daten und der Bezugsdaten in tabellarischer Form oder ein graphisches Ergebnis. Das graphische Ergebnis wird aus drei Perspektiven gezeigt, vorzugsweise von vorn, von der Seite und von unten, so daß eine getreue dreidimensionale Darstellung jedweder Abweichung von den Bezugsdaten veranschaulicht werden kann. Wegen der äußerst hohen Genauigkeit und Auflösung des Systems kann eine nähere Betrachtung der Abweichung zwischen Meßpunkt und Bezugspunkt notwendig sein, um zu bestimmen, ob sie zusammenfallen. Deshalb können "Zoom"- und Bilddrehungsmöglichkeiten in die Software einbezogen werden, durch die ein Punkt oder Punkte näher überprüft werden können. Auch kann die CPU 42 Daten oder Ergebnisse über ein Modem oder ein anderes Verbindungsglied an weitere Computer senden bzw. von diesen empfangen. Die CPU-Software bietet außerdem Fehlererkennungs-, Fehlerprüfungs- und Diagnosefunktionen beim Einschalten und in periodischen Abständen während des Betriebs und meldet die Ergebnisse an die Bedienungsperson. Wenn der Bediener den Datenvergleich in tabellarischer und/oder graphischer Form festzuhalten wünscht, kann der Drucker 46 eine bleibende ("harte") Kopie des Vergleichs herstellen.
Bei einer alternativen Ausführungsform wird das erfindungsgemäße Abweichungsmeßsystem verwendet, um das Ausrichten von Rädern an einem Fahrzeug 20 zu unterstützen. Wie aus den Fig. 7 und 8 ersichtlich, werden an jeder Felge 314 jedes Rads 300 drei Senderstationen 32 verwendet. An der Felge 314 gibt es drei Montagepositionen 310. Zwei der Stationen 32 sind so befestigt, daß sie eine Gerade 312 definieren, die durch den Mittelpunkt 316 der Felge 314 verläuft. Der zwischen diesen Stationen 32 liegende Abschnitt ist also ein Durchmesser der Felge 314. Die dritte Station 32 wird an der Felge 314 montiert, aber nicht auf der Geraden 312. In der Nähe jedes Rades 300 befindet sich eine Empfänger-Gruppenanordnung 33, die nach Ausbildung und Funktion den Armen 28 ähnlich ist, eine Turmanordnung 27 und Module 29. Die Gruppenanordnungen 33 senden Daten über Kabel 38 an die (nicht dargestellte) CPU.
Von den Stationen 32 kann das System die Position der Radfelgen-Mittelpunkte 316 und die Orientierung der von den Felgen 314 definierten Ebenen ermitteln. Wie bei der bevorzugten Ausführungsform, kann eine Anzahl von Messungen jedes Punkts stetig und genau durchgeführt werden, da die Stationen 32 nicht entfernt zu werden brauchen. Die Daten werden dann verwendet, um die Berechnung der sieben Komponenten der Radausrichtung zu unterstützen - Nachlauf, Radsturz, Spurweite, Steuerachsneigung, Wenderadius, Radspur und Radfelgenschlag.
Für die einschlägigen Fachleute ist klar ersichtlich, daß es weitere Anwendungen des grundsätzlichen Meßsystems gibt und daß eine Reihe von Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abzugehen. Zum Beispiel kann die CPU programmiert sein, die Meßpositionen in regelmäßigen Zeitabständen abzufragen, um den Bediener mit ständigem und stetigen Feedback über den Stand des Fahrzeugkörpers zu versorgen. Dieses regelkreisschließende Feedback in Echtzeit wäre bei den Reparatur- und Radausrichtungsvorgängen wertvoll. Bei einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Mikrophone 36 und die Funkenstrecken 80 gegeneinander ausgetauscht werden, wobei das sich ergebende System ohne Einbuße an Genauigkeit oder Auflösung dieselbe Ausstattung und dieselben Gleichungen verwendet. Deshalb dient die oben dargestellte und erläuterte bevorzugte Ausführungsform eher zur Veranschaulichung als zu einer Beschränkung, und der Umfang der Erfindung ist nur durch die nachfolgenden Ansprüche beschränkt.

Claims

1. System zum Bestimmen der räumlichen Lage eines Punktes bezüglich eines Körpers, mit folgenden Merkmalen:

- einer zum Aussenden von Energiesignalen ausgebildeten Sendeeinrichtung (32), die an dem Körper, der den zu überwachenden Punkt (108) enthält, montierbar ist und eine Mehrzahl von Energiesignalgeneratoren (80) aufweist, deren räumliche Beziehung zueinander und zum Körper bekannt ist;

- einer Empfangseinrichtung (27; 28; 29) zum Erfassen des von der Sendeeinrichtung (32) erzeugten Energiesignals, mit wenigstens drei Empfängern (36) in nicht-kollinearer Relativlage zueinander, die mit den Generatoren in optischer, elektrischer und akustischer Verbindung stehen und vom Körper beabstandet sind;

- einer Vorrichtung (42, 58) zum Veranlassen der Aussendung eines Energiesignals durch die Sendeeinrichtung (32);

- einer Zeitmeßeinrichtung (58, 62, 64) zum Erzeugen einer Zeitmessung der Zeit, die von dem Zeitpunkt, in dem von der Sendeeinrichtung ein Signal erzeugt wird, bis zur Erfassung des Signals durch die Empfangseinrichtung verstreicht; und

- einer Verarbeitungseinheit (42) zum Umformen der Zeitmessungen in Koordinaten des zu messenden Punktes, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinrichtung (32) aus einem Montageelement (96) und zwei Energiesignalgeneratoren (80) besteht, wobei das Montageelement am Körper in einer bekannten Relativlage zu dem Punkt (108) angebracht ist und die beiden Energiesignalgeneratoren (80) und der Punkt (108) kollinear angeordnet sind, wodurch eine Messung der Lage von Punkten auf, in und an dem Körper ermöglicht ist.

2. System nach Anspruch 1, mit einer mit der Verarbeitungseinheit (42) in Verbindung stehenden Anzeigeeinheit (40) für die Bedienungsperson zum Vergleichen der gemessenen Lage mit einer Bezugslage.

3. System nach Anspruch 2, ferner mit einer Bezugsdateneinrichtung (48, 52), die ausgebildet ist, an die Anzeigeeinheit (40) für die Bedienungsperson die Bezugslage zu geben, mit der die gemessene Lage verglichen wird.

4. System nach Anspruch 1, 2 oder 3, bei dem die Energiesignalgeneratoren als Funkenstrecken (80) ausgebildet sind, die von der Empfangseinrichtung (27; 28; 29) erfaßbare akustische Stoßwellen erzeugen können, wobei jede Funkenstrecke in einem bekannten Abstand zu dem zu messenden Punkt (108) angeordnet ist.

5. System nach Anspruch 2, wobei die Anzeigeeinheit (40) für die Bedienungsperson ferner eine Einrichtung (44) zur visuellen Darstellung des Vergleichs zwischen den gemessenen Koordinaten und den Bezugskoordinaten aufweist.

6. System nach Anspruch 3, wobei die Bezugsdateneinrichtung ein optisch kodierter Satz (52) von Bezugskoordinaten ist und die Anzeigeeinheit (40) für die Bedienungsperson einen optischen Decoder (48) umfaßt, der ausgebildet ist, den optisch kodierten Satz von Bezugskoordinaten zu lesen und zu decodieren.