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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen
der Ausrichtung einer Oberfläche
in Bezug auf eine geometrische Referenz, wie eine Achse oder eine
Ebene, umfassend die folgenden Schritte:
Projizieren einer
ersten Lichtlinie mittels einer Strahlungsquelle auf die Oberfläche; und
Erfassen der Position der auf der Oberfläche projizierten ersten Lichtlinie
mittels eines ersten Detektors in Bezug auf die Position einer ersten
Referenzlinie auf der Oberfläche,
Erfassen des Winkels zwischen der auf der Oberfläche projizierten, ersten Lichtlinie
und der ersten Referenzlinie; Projizieren einer zweiten Lichtlinie mittels
einer Strahlungsquelle auf die Oberfläche; Erfassen der Position
der auf die Oberfläche
projizierten zweiten Lichtlinie mittels des ersten Detektors in Bezug
auf die Position einer zweiten Referenzlinie auf der Oberfläche; und
Erfassen des Winkels zwischen der auf der Oberfläche projizierten, zweiten Lichtlinie
und der zweiten Referenzlinie.
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Es
ist vorbekannt, die Form einer Platte mittels einer dreidimensionalen
Profilmessung zu berechnen. Bei diesem Messverfahren wird ein Laser verwendet,
der eine Laserlinie auf die Platte projiziert. Die Laserlinie wird
durch einen Detektor in der Form einer Kamera erfasst, die unter
einem bestimmten Winkel in Bezug auf den Laser montiert ist. Durch Verschieben
der Laserlinie entlang der Platte oder Fördern der Platte über die
Linie wird sich die Linie in Bezug auf eine Referenzlinie bewegen,
falls das Profil der Platte sich entlang der Länge der Platte verändert. Infolge
des Winkels zwischen der Kamera und dem Laser wird das durch den
Detektor empfangene Bild eine Linie sein, deren Position ein direktes
Maß der
Höhe der
Platte oberhalb einer Referenzebene bereitstellt. Mit diesem bekannten
Messverfahren wird nur die Form der Platte berechnet. Wie die Platte im
Raum in Bezug auf die Referenzebene ausgerichtet ist, wird durch
dieses bekannte Messverfahren nicht berechnet.
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US-A-5
463 463 beschreibt eine Vorrichtung zum Bestimmen der Position eines
Gegenstands, wie eines Fahrzeugrades an einer Aktoranordnung, in
Bezug auf ein Referenzsystem. Ein Ziel wird an dem Rad angebracht,
das rotiert wird. Ein Projektor richtet zwei Lichtlinien auf die
Zieloberfläche.
Ein Detektor bestimmt die Position der zwei auf das Ziel projizierten
Linien in Bezug auf die Position jeweiliger Referenzlinien und berechnet
die Winkelausrichtung der Räder.
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In
DE-A-44 19 584 wird die Messung an einem auf einem Substrat rollenden
Fahrzeug ausgeführt.
In dieser Druckschrift sind der Projektor und der Detektor in einem
Messkopf vorgesehen, der in fester Beziehung zu dem Fahrzeug montiert
ist.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine berührungslose Messung der Ausrichtung
einer rotierenden Oberfläche
in Bezug auf eine geometrische Referenz bereitzustellen, die ermöglicht,
dass eine genaue Messung schnell erzielt wird.
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Dies
wird gemäß der Erfindung
durch Erfassen der Position der ersten und der zweiten Lichtlinie, wenn
die Oberfläche
rotiert und auf einem Substrat in einer Richtung rollt, die die
Strahlungsquelle und den ersten Detektor passiert, erzielt.
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Mit
einem solchen Messverfahren wird eine genaue und schnelle Messung
erzielt. Die Messung stellt Werte für den Winkel der Oberfläche und
ihren Abstand in Bezug auf eine geometrische Referenz bereit. Basierend
auf diesen Werten, können
der Winkel und der Abstand der Oberfläche in Bezug auf die geometrische
Referenz eingestellt werden, falls gewünscht.
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Die
Erfindung wird nun ausführlicher
unter Bezugnahme auf in den begleitenden Zeichnungen gezeigte Beispiele
beschrieben, wobei
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1 zeigt
schematisch eine Messvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung,
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2 zeigt
eine schematische Ansicht von oberhalb eines zwischen zwei Messeinheiten
passierenden Fahrzeugs, und
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3 zeigt
eine schematische Ansicht eins von hinten betrachteten Fahrzeugs,
das zwischen drei Messeinheiten passiert.
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1 zeigt
eine Messvorrichtung 1 gemäß der vorliegenden Erfindung
zur berührungslosen Messung
der Ausrichtung einer Oberfläche 2 in
Bezug auf eine geometrische Referenz, wie eine Achse oder eine Ebene.
Gemäß dem Beispiel
in 1 werden drei Winkel gemessen, unter denen eine
rotierende Scheibe 3 in Bezug auf eine imaginäre Referenzachse
im Raum ausgerichtet ist. Die Scheibe 3 kann während sie
rotiert ebenso in der Richtung des Pfeils P rollen. Falls der Winkel
oder die Winkel der Scheibe 3 gemessen werden, kann die
Richtung der Rotationsachse 4 der Scheibe 3 bestimmt
werden. Und falls erwünscht,
kann die Scheibe 3 derart eingestellt werden, dass ihre
Rotationsachse 4 mit der Referenzachse zusammenfällt.
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Die
Messvorrichtung 1 umfasst eine Strahlungsquelle 5 in
der Form mindestens eines Lasers, der angeordnet ist, um mittels
eines Lichtstrahls 6 in der Form von Laserstrahlen eine
erste und eine zweite Lichtlinie 7 bzw. 8 in der
Form von Laserlinien auf die Oberfläche 2 zu projizieren.
Ein erster und ein zweiter Detektor 9 bzw. 10 sind
angeordnet, um die erste und die zweite Laserlinie 7, 8 an
der Oberfläche 2 zu
erfassen. Der erste Detektor 9 ist derart angeordnet, dass
der Winkel α zwischen
dem durch die Strahlungsquelle 5 ausgestrahlten Lichtstrahl 6 und der
Zielrichtung des ersten Detektors 9 zu der Oberfläche 2 nicht
null ist. Der Winkel α liegt
bevorzugt im Bereich von 20° bis
60°, jedoch
auch Winkel außerhalb
dieses Bereichs sind vorstellbar. Der andere Detektor 9 ist
ebenso derart angeordnet, dass der Winkel β zwischen dem die Strahlungsquelle 5 ausgestrahlten
Lichtstrahl 6 und der Zielrichtung des zweiten Detektors 10 zu
der Oberfläche 2 nicht
null ist. Der Winkel β ist
bevorzugt derart ausgewählt,
dass er derselbe Winkel wie α ist,
kann jedoch auch unterschiedlich sein. Falls die erste und die zweite
Laserlinie 7, 8 einander schneiden oder orthogonal
ein Kreuz bilden, sollten der erste und der zweite Detektor 9, 10 unter
rechten Winkeln zu der Strahlungsquelle 5 in der Ecke des
Winkels angeordnet sein, wie durch die gestrichelte Linie L in 1 angegeben.
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Die
Strahlungsquelle 5 umfasst mindestens einen Laser, der
mittels eines optischen Geräts
(nicht gezeigt) die erste und die zweite Laserlinie 7, 8 erzeugt.
Die Strahlungsquelle 5 kann ebenso eine Mehrzahl von Lasern
aufweisen, einen für
jede Laserlinie 7, 8.
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Der
erste und der zweite Detektor 9, 10 können jeweils
eine herkömmliche
Videokamera vom CCD-Typ sein, um jedoch die Genauigkeit der Messung
zu erhöhen,
wird bevorzugt ein Smartbildsensor des Typs MAPP (Matrix Array Picture
Processor) verwendet.
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Das
Verfahren zum Messen der Ausrichtung der Oberfläche 2 in Bezug auf
die geometrische Referenz umfasst die Schritte des Projizierens
einer ersten und einer zweiten Lichtlinie 7, 8 in
der Form von zwei an der Oberfläche 2 gebildeten
Laserlinien von der Strahlungsquelle 5 in der Form eines
Lasers. Der erste und der zweite Detektor 9, 10 erfassen
danach sequentiell oder simultan die Positionen und Winkel der auf
die Oberfläche
projizierten Laserlinien 7, 8 in Bezug auf die
Positionen der ersten und der zweiten Referenzlinie 11 bzw. 12 an
der Oberfläche.
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Die
erste und die zweite Laserlinie 7, 8 schneiden
bevorzugt einander orthogonal, jedoch ist dies keine Vorraussetzung
zum Ausführen
der Messung. Die Laserlinien 7, 8 können sich
unter einem von 90° abweichenden
Winkel schneiden. Die Laserlinien 7, 8 können ebenso
an unterschiedlichen Stellen an der Oberfläche 2 projiziert werden,
sodass sie sich nicht schneiden müssen.
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Die
erfassten Positionen und Winkel für die erste und die zweite
Laserlinie 7, 8 werden zu einem Prozessor 13 geschickt,
der die erfasste Information verarbeitet und nach der Verarbeitung
die Ausrichtung der Oberfläche 2 in
Bezug auf die geometrische Referenz darstellt. Diese Information
kann beispielsweise an einem Monitor 14 dargestellt werden.
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Es
sollte hervorgehoben werden, dass es ausreichend ist, dass ein Detektor 9 sowohl
die erste als auch die zweite Laserlinie 7, 8 erfasst.
Die Messgenauigkeit kann allerdings verbessert werden, falls ein
separater Detektor für
jede Laserlinie verwendet. wird. Es ist ebenso vorstellbar, mehr
als zwei Laserlinien auf die Oberfläche 2 zu projizieren.
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Das
Verfahren und die Vorrichtung gemäß der Erfindung können gemäß einer
ersten Ausführungsform
verwendet werden, um einen Fahrzeugreifenverschleiß zu vermindern,
der als Ergebnis einer Radfehlausrichtung und/oder einer Anhängerfehlausrichtung
entsteht, und die geringste projizierte Breite des Fahrzeugs in
der Fahrtrichtung zu erzielen, um hierdurch den Luftwiderstand und
den Kraftstoffverbrauch zu minimieren.
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2 zeigt
schematisch eine Ansicht von oberhalb eines Fahrzeugs 15,
das vorwärts
in der Richtung F fährt,
während
die Räder 16 auf
einem Substrat U zwischen mindestens zwei Messeinheiten 17, 18 rollen,
die frei von dem Fahrzeug 15 stehen. Jede Messeinheit 17, 18 umfasst
eine Strahlungsquelle 5' in
der Form eines Lasers, der, während
das Fahrzeug 15 die Messeinheit 17, 18 passiert,
eine erste und eine zweite Laserlinie auf die Außenseite des jeweiligen Rades 16,
d.h. auf die Seite des Rades, die von dem Fahrzeug 15 abgewandt
ist, projiziert. In 2 wurde eine Reflektiereinrichtung 19 an der
Außenseite
jedes Rades 16 montiert. Die Laserlinien von jeder Strahlungsquelle 5' werden auf
diese Reflektiereinrichtung 19 projiziert. Die durch den
Detektor 9' erfasste
Information wird in einem Prozessor 13' verarbeitet, der Werte für die Ausrichtung
der Rotationsachse jedes Rades 16, den Abstand jedes Rades 16 zu
der jeweiligen Messeinheit 17, 18, den Abstand
zwischen den jeweiligen Rädern 16 auf
beiden Seiten des Fahrzeugs 15 und die geometrische Längsmittellinie
C des Fahrzeugs 15 bereitstellt. Die gemessenen Werte für die Ausrichtung
der Rotationsachse jedes Rades 16 werden mit vorbestimmten Idealwerten
für die
Ausrichtung der Rotationsachsen der Rädern 16 verglichen.
Schließlich
werden die Räder 16 derart
eingestellt, dass die Unterschiede zwischen den gemessenen Werten
für die
Ausrichtung der Rotationsachse jedes Rades 16 und den Idealwerten
für die
Ausrichtung der Rotationsachse jedes Rades 16 so gering
wie möglich
sind. Bevorzugt sind zwei Detektoren an jeder Messeinheit vorgesehen, wobei
der erste Detektor die erste Laserlinie und der zweite Detektor
die zweite Laserlinie erfasst.
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Wenn
die Räder 16 die
jeweilige Messeinheit 17, 18 passieren, wird die
Zeit gemessen, die benötigt
wird, damit die Räder 16 die
jeweilige Messeinheit 17, 18 passieren. Falls
die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 15 bekannt ist, kann
der Abstand zwischen jedem Rad 16 auf jeder Seite des Fahrzeugs 15 berechnet
werden. Um die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 15 zu bestimmen,
kann ein Geschwindigkeitsmesser (nicht gezeigt) beispielsweise in
der Form eines Lasers vor oder oberhalb des Fahrzeugs 15 angeordnet
sein. Der Laser sendet einen Messstrahl zu dem Fahrzeug 15,
wenn dieses die Messeinheit 17, 18 passiert, und
die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 15 kann gemessen werden.
Der Geschwindigkeitsmesser kann mit dem Prozessor 13' gekoppelt sein,
der den Abstand zwischen den jeweiligen Rädern 16 auf jeder
Seite des Fahrzeugs 15 basierend auf der bekannten Geschwindigkeit
und der Zeitdauer, die benötigt
wird, damit die Räder 16 die Messeinheiten 17, 18 passieren,
berechnet.
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Wenn
die Ausrichtung der Rotationsachsen der Räder 16 mit den Idealwerten
für die
Ausrichtung der Rotationsachsen jedes Rades 16 übereinstimmt, und
wenn die Ausrichtung der jeweiligen Achse 20, 21 in
Bezug auf die geometrische Längsmittellinie
C des Fahrzeugs 15 eingestellt worden ist, wird die geometrische
Längsmittellinie
C mit der Fahrtrichtung F des Fahrzeugs zusammentreffen. Dies erzeugt
die geringste projizierte Breite des Fahrzeugs 15, betrachtet
in dessen Fahrtrichtung F.
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3 zeigt
eine schematische Ansicht eines Fahrzeugs 15, betrachtet
von hinten, das drei Messeinheiten 17, 18, 22 passiert.
Eine Messeinheit 22 ist oberhalb des Fahrzeugs 15 angeordnet
und umfasst eine Strahlungsquelle 5' in der Form eines Lasers, der
eine erste und eine zweite Laserlinie auf den Zughaken 23 des
Fahrzeugs 15 projiziert. Eine Reflektiereinrichtung 24 ist
an dem Zughaken 23 des Fahrzeugs 15 montiert und
Laserlinien von der Strahlungsquelle 5' werden auf die Reflektiereinrichtung 24 projiziert.
Die durch den Detektor 9' erfasste
Information wird in dem Prozessor 13' verarbeitet und zeigt, wie weit
der Zughaken 13 von der geometrischen Längsmittellinie C des Fahrzeugs 15 entfernt ist,
und wie hoch oberhalb der Straßenoberfläche U der
Zughaken gelegen ist. Das Ergebnis der Messung kann beispielsweise
an dem Monitor 14' dargestellt
werden. Schließlich
wird der Zughaken 23 bewegt, oder der Rahmen 25 des
Fahrzeugs 15 wird derart eingestellt, dass der Zughaken 23 auf
der geometrischen Längsmittellinie
C des Fahrzeugs 15 platziert ist.
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Die
Reflektiereinrichtung 19, 24 kann eine flache
Scheibe sein, die auf der Außenseite
jedes Rades 16 und an dem Zughaken 23 montiert
ist. Alternativ können
die Laserlinien direkt auf die Reifenseite oder die Felge (nicht
gezeigt) jedes Rades 16 und direkt auf den Zughaken 23 projiziert
werden. Wenn eine Scheibe auf der Außenseite eines Rades 16 montiert
ist, kann ein Winkelfehler auftreten, falls die Scheibe auf solche
Weise platziert ist, dass die Rotationsachse des Rades 16 nicht
senkrecht zu der Scheibe ist. Allerdings kann beim Verarbeiten der Messdaten
ein Ausgleich für
diesen Fehler in dem Prozessor 14' vorgenommen werden.