CN101358839B - 确定车轮几何尺寸的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种确定车轮几何尺寸的方法和设备，具体而言，公开了一种通过非接触式检测来确定机动车辆车轮(轮辋/轮胎组件)(1)的几何尺寸的方法和设备，其中，将所述车轮固定在轮胎拆装机的车轮接收装置(8)上，将至少一束平面光束(3)发射至所述车轮或所述车轮的至少一部分上，并且检测在照射区域反射的光束，通过计算发射光束和反射光束的方向来确定车轮(1)上各个照射区域(4)的形状和/或位置。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于确定车轮几何尺寸的方法和设备。
背景技术
US No.5054918公开了一种结构的光扫描系统，该系统通过分析从平面光束射在车轮主体上的条纹处反射出的光来确定车轮的结构特征。
US 2004/0165180A1公开了一种用于确定车轮或车轮部件的几何尺寸的方法和设备，其中，通过照相机系统获取图像以便于对车轮进行维修。车轮可以固定在车轮平衡器或轮胎拆装机上。
发明内容
本发明的目的是提供一种如本说明书所述类型的方法和设备，所述方法和设备能够可靠地确定车轮、车轮的至少一部分的几何尺寸。
上述目的通过本发明第1和16项的特征来实现的。本发明的有利改进方案在本发明的其他项中给出。
本发明提出通过光学方式来检测车轮(轮辋/轮胎组件)外形，特别是轮辋外形。一种优选的光学探测器系统是基于数码相机，该数码相机的检测信号通过三角检测的原理计算。探测器的检测信号被转换为数字电信号。优选地，在探测器内集成有适当的转换装置。优选地，扫描在车轮(轮辋/轮胎组件)或凹陷式轮辋架的两侧进行。另外，扫描能在车轮边缘(胎面)上进行。此外，在安装或拆卸操作过程中，轮辋外形能至少在安装或拆卸工具移动的区域之内得以确定。公知地，特别在轮胎的拆卸操作过程中，可能要使用两个拆卸工具接合在机动车辆轮胎的两个胎边区域。通过检测信号来引导各个安装或拆卸工具的动作以使其不与轮辋架表面和轮辋凸缘相接触。从而可以引导各个安装或拆卸工具总与轮辋表面保持一定的安全距离。
为进行非接触式检测，各个检测装置可以是基于激光三角检测原理(以下也被称为三角检测法)的片光成像系统。光学检测装置可设有光源，所述光源沿一个或多个指定方向向车轮表面或轮辋表面发射片光形状的平面光束形式的光束或者平面光束，所述光束与轮辋表面在沿着条形照射区域的多个照射点处相交。在各个照射点处，光束以多条反射光线的形式散射。随后，这些反射光线中的至少多条通过透镜系统或输入光瞳在二维光敏传感器表面上聚集或聚焦成条形被投射图像区域。然后，车轮或轮辋上被检测的各个照射点之间的间距以及位置可以根据发射光束和反射光束的方向，具体是检测信号通过三角检测法来确定。
一个或多个检测装置可以设置在车轮平衡器或轮胎拆装机上。
附图说明
下面通过参照附图的示例以实施方式对本发明的内容进行更详细的描述，其中：
图1示意性地显示出包括光源和探测器的检测装置的一种实施方式；
图2示出装备有三个检测装置的实施方式的车轮平衡器；
图3示出装备有检测装置的实施方式的轮胎拆装机；
图4是根据本发明的一种实施方式的轮胎胎号系统；以及
图5是根据本发明的另一种实施方式的轮胎胎号系统。
具体实施方式
图示的实施方式包括车轮接收装置8，车轮(轮辋/轮胎组件)1可以固定在该装置8上。在所述车轮接收装置上可设置如图所示的接收杆、可安装轮辋的轮盘、或者支承轮辋的夹臂、或者其它支承组件。
一个或多个检测装置的非接触式特别是光学检测主要是用于检测车轮1的轮辋外形和/或结构特征。此外，可以检测车轮1和车轮部件的几何尺寸。
本发明的这种非接触式检测装置(图1)的原理基于诸如以下将要描述的与用于产生平面光束的光源2和用于产生与车轮表面上的条形照射区域4的被投射图像成比例的电信号特别是数字信号的探测器5相结合的三角检测法。检测装置设有光源2，例如激光光源，所述光源2包括图案发生器，例如由柱面透镜制成的光线路发生器，所述光源2通过图案发生器沿一个或多个指定方向向车轮1的表面发射片光形状的平面光束3。所述平面光束3与车轮表面在多个照射点处相交，在车轮表面上形成条形照射区域4。所述照射点属于被照射车轮表面和平面片光3两者。在各个照射点处，光束以多条光线的形式散射并且形成反射光束。然后，具有图像传感器表面12的光敏探测器5将对反射光束进行检测，所述光敏探测器5例如可以是CCD装置或优选CMOS装置。所述图像传感器表面12提供二维光或光敏表面。在进行检测之前，所述反射光束通过作为聚焦透镜系统且可以与光带通滤波器相关联的输入光瞳6聚集在一点或聚焦，并且投射在所述输入光瞳6的焦平面上再投射到光敏图像传感器表面12上，在所述光敏图像传感器表面12上产生条形被投射图像区域。为了提高测量精度，条形被投射图像区域的每个被投射点的位置优选由亚像素分辨率而不是物理像素分辨率来确定。可以通过诸如高斯近似法、质量算法的质心或中心、或者抛物线型估计量等多种已知的检测技术来实现这种亚像素峰值的确定。照射点在三维坐标系中以国际单位制(SI)基本单位的单位长度形式表示的位置与相应的投射点在二维坐标系中优选由亚像素形式表示的位置之间的关系通过利用逆变换的标定来限定。所述标定可以通过利用基于相机几何模型方法的所谓基于模型的标定法，或者通过利用基于诸如三次样条插值等多项式内插法的直接或黑箱标定法来实施。
在车轮(轮辋/轮胎组件)或轮辋处检测到的各个照射点之间的间距以及位置可以根据发射光束和反射光束的方向来确定。应当注意的是，光学检测装置的几何光学设置可以下述方式进行设计，即，遵循沙姆普弗鲁克原理以避免在不同距离处散焦过度，并且可以执行背景减除以降低系统对周围光的敏感度。此外，光敏探测器5的光功率和曝光时间可以通过该系统来控制，以便在诸如日光、人造光、有光泽的铬合金表面、黑色尘埃表面等所有环境条件下实现精确测量。
属于车轮表面上的条形照射区域4和平面光束3的点S具有三维坐标(x，y，z)。照射区域4的点S和其它点被投射到图像传感器表面12上的点S’处，S’具有二维坐标(i，j)。
光源2的输出光瞳Op、车轮轴线11和图像传感器表面12位于由测量装置设定的给定位置。因此，对于车轮表面上的条形照射区域4的每一个点以及图像传感器表面12上的条形被投射图像区域的每一个点S’，可以通过连接在探测器5上的电子计算装置(计算机)7对单个点进行三角检测。图像传感器表面12上的条形被投射图像区域的多个点的位置可以通过上述亚像素搜索技术得以确定。照射区域4的每一个点与输出光瞳Op之间的距离以及与相关的参考位置之间的距离可以用三维坐标(x，y，z)得以确定。
图像传感器表面12，特别是CMOS器件产生图像信号，所述图像信号与图像传感器表面12上的条形被投射图像区域的每一个点的位置成比例。所述图像信号在探测器5内被转换成数字信号，所述探测器5可以是数码相机。计算装置7连接在探测器5上并执行上述三角检测法。通过应用三角检测法，图1中示出的实施方式中所描述的测量系统执行从三维投射空间到图像传感器表面12的二维空间的线性投射转换，以及再转换到三维空间的反向转换。光源2和探测器5可以以固定间距设置在共同的壳体中或设置在共同的支承部上。
图2示出了装备有三个检测装置16、17和18的车轮平衡器14。每个检测装置如图1中所示的那样设计。车轮1以公知方式固定在测量轴15上并且绕旋转轴线可旋转地安装，其中，所述测量轴15在固定位置形成车轮平衡器的车轮接收装置8，所述旋转轴线通过测量轴确定且在车轮定心夹紧状态下与车轮轴线11重合。这确保车轮轴线11被固定设置在车轮平衡器14上。
车轮1的构成部件的尺寸和位置可以由计算机辅助的一个或多个检测装置16、17、18来测量。车轮1上的所有表面可以借助与车轮1的内侧相关联的检测装置(图中左手边的检测装置16)、与车轮1的外侧相关联的检测装置(图中右手边的检测装置17)和与车轮1的轮胎表面相关联的检测装置(图中上方的检测装置18)来检测。
通过以传统方式与车轮平衡器的测量轴15相连的旋转角度传感器可以实现车轮1的各个旋转角度位置。当车轮1旋转时，所述旋转角度传感器向计算装置7提供旋转角度增量。这将提供关于由车轮表面上的各个检测装置扫描的表面位置的各个旋转角度位置的位置信息。轮胎充气阀能用作旋转角度参照部，其在车轮1上的旋转角度位置由用于扫描车轮外侧的检测装置18来检测。
与车轮的内侧相关联的检测装置16可以安装在车轮平衡器14的机器壳体上，优选安装在测量轴15的下方。用于扫描车轮1的轮胎表面的检测装置17可以设置在车轮挡板罩的枢轴线附近，所述车轮挡板罩在测量执行中以公知方式在旋转轮上枢转。与车轮1的外侧相关联的检测装置18可以固定地或稳固地设置在可枢转的车轮挡板罩上或者连接到其上。
优选地，从检测装置16、17和18发射出的平面光束3被定位成与形成车轮平衡器14上的车轮接受装置8的测量轴15平行。
内部检测装置16可以用于检测：
-内轮辋的形状，以便检测所述轮辋左侧或内侧的正确的重量位置。该检测可以通过使用用作探测器5的数码相机并应用模式匹配技术来辨识轮辋的一些特征得以执行。
-所述轮辋的距离和直径。
-所述轮辋左侧的径向和横向跳动。
-包括不均匀分布的辐条在内的辐条的数量和位置。该检测可以通过使用数码相机并应用模糊点检测技术得以执行。
-轮胎侧壁的凸出和凹陷。该检测可以通过使用数码相机并应用模糊点检测和模式匹配技术来辨识具体缺陷得以执行。
-轮辋类型，以便确定最佳的车轮配重布置模式和/或待使用的车轮配重类型。该检测可以通过使用数码相机并应用模式匹配技术得以执行。
-已存在的附在轮辋上的车轮配重。该检测可以通过使用数码相机并应用模式匹配技术来辨识车轮配重得以执行。
-轮辋底是否正常。该检测可以通过使用数码相机并应用模式匹配技术得以执行。
-车轮是否置于中心。
-所述数码相机也可以用作标准数码相机，用于在平衡器屏幕上显示轮辋内部的活动图像。这对操作者附加带粘性的车轮配重是有利的。在这种情况下，所述光源可以是漫射光。
外侧检测装置可以用于检测：
-外轮辋的形状，以便检测正确的重量位置。该检测可以通过使用数码相机并应用模式匹配技术来辨识轮辋的具体特征得以执行。
-所述轮辋的宽度。
-所述轮辋右侧的径向和横向跳动。
-轮胎侧壁的凸出和凹陷。该检测可以通过使用数码相机并应用模糊点检测和模式匹配技术来辨识具体缺陷得以执行。
-轮辋类型，以便确定最佳的车轮配重布置模式和/或待使用的车轮配重类型。
-已存在的附在轮辋上的车轮配重。该检测可以通过使用数码相机并应用模式匹配技术得以执行。
-阀的位置。该检测可以通过使用数码相机并应用模式匹配技术得以执行。
-轮辋底。该检测可以通过使用数码相机并应用模式匹配技术得以执行。
后侧检测装置可以用于检测：
-胎面深度。所述检测装置可以以彩色图和三维图像的形式给出非常全面的分析。
-轮胎胎面的径向跳动。
-轮胎的几何锥度。
-胎面平点(flatspots)。该检测可以通过使用数码相机并应用模糊点检测和模式匹配技术得以执行。
-不规则轮胎胎面磨损。该检测可以通过使用数码相机并应用模糊点检测和模式匹配技术得以执行。
-车轮是否置于中心。
-使用数码相机并应用模糊点检测和模式匹配技术可以辨识诸如在轮胎胎面中存在外来物质：石块或黏着物等具体问题。
图3示出了装备有三个检测装置16、17和18的轮胎拆装机9，所述检测装置16、17和18被设计成以与图1所示实施方式中示出并说明的相同方式工作。
图中所示的实施方式包括车轮接收装置8，车轮(轮辋/轮胎组件)1的轮辋可以固定在所述车轮接收装置8上。
车轮接收装置8通过旋转驱动装置旋转，所述旋转驱动装置可以采用电机的形式。旋转驱动围绕车轮轴线11进行。
在轮辋的两侧，或者如图中所示实施方式中在轮辋或车轮1的上侧和在车轮1的下侧，分别设有检测装置16和18，从而能在轮胎被拆卸之后对位于轮辋的径向外表面(轮辋架)处的轮辋凸缘进行非接触式检测，特别是进行光学检测。此外，可以对车轮1和车轮部件，特别是轮胎的几何尺寸进行检测。
这种非接触式检测的原理基于诸如参考图1描述的三角检测法。
可以在驱动装置或者车轮接收装置8上设置旋转角度传感器13，用于确定各自的旋转角度。对应的旋转角度信号被送入计算装置7，来自检测装置16和18的电检测信号也被送入所述计算装置7中。检测装置16和18的检测方向可以大致与车轮1的旋转轴线11平行。计算装置7在计算机的辅助下对检测信号和旋转角度信号进行计算，如上所述，优选地确定轮辋凸缘的外周以及形状(如有可能)参照相对于机器固定的基准的空间位置，特别是参照车轮接收装置8的旋转轴线(其与车轮轴线11重合)的空间位置。另外，上述基准是参照相对于机器固定的至少一个水平面实现的，从而轮辋凸缘相对于机架并由此相对于在机架上被引导的安装或拆卸工具的空间位置得以确定。
为了确保凸缘切断工具和拆卸工具在胎边的坚硬区域与轮胎接合，对拆卸工具动作的控制要根据轮辋凸缘边缘的位置和各个轮辋架的轮廓进行。为此，控制装置10连接到计算装置7以及例如为数据库形式的存储器19，在所述存储器19内，针对不同类型的车轮存储了轮辋架的外形也就是在各轮辋凸缘之间的外形数据。安装或拆卸工具的定位可以沿距轮辋架表面一定距离的给定曲线路径执行。
控制装置10包括有设计用于该目的，即用于移动安装和拆卸工具的驱动级。在将轮胎安装到轮辋上的过程中也可以分别对工具进行控制。
有利的是，检测装置16和18沿着与车轮轴线11平行的方向设置在安装或拆卸工具的前方。检测装置16和18的平面光束3指向车轮1的上侧和下侧。平面光束3延伸所在的竖直平面与车轮轴线11相交。在车轮旋转运动过程中，当被检测的轮辋区域进入安装或拆卸工具能够接近的区域时，紧跟在检测各个轮辋区域之后，能够实现安装或拆卸工具的受控运动。
另一个检测装置17可以用来检测胎边，或者在轮辋胎被拆卸之后特别地用于检测轮辋架，并且可以设置在沿竖直方向可动的支承部上。检测装置17的检测方向基本上沿水平方向，平面光束3在竖直平面上延伸，其中，可以确定两个轮辋凸缘之间的轮辋架的整个宽度和轮辋凸缘的外周边缘，因此也就确定了轮辋架的外形。当使用旋转角度传感器13检测各个旋转角度并将对应的旋转角度电信号送入控制装置10时，同时可以通过与旋转角度相关的关系来确定所述外形。检测装置17能将电检测信号传送到控制装置10。在轮胎安装操作前，轮辋架的外形可以采用这种与旋转角度相关的关系来检测。另外，轮辋凸缘的外周边缘以及轮辋凸缘的与轮辋架相邻的区域也同样可以检测。由于检测装置17的位置的设置与检测装置16和18在机架上的位置设置方式相同并且因此可以得到，因此，即可确定轮辋架和轮辋凸缘的空间位置，特别是通过相关的光学距离检测手段，例如使用前述三角检测法来加以确定。在安装机动车辆轮胎到轮辋上时，即可控制安装工具，特别是在轮辋凸缘的区域和轮辋架的区域，使其以不接触轮辋表面的方式运动。
在安装轮胎到轮辋上时，轮胎轮廓同样可以利用检测装置17来光学检测。轮胎的侧壁以及轮辋的外(上)侧和内(下)侧可以通过检测装置16和18来检测。
附图标记清单
1 车轮
2 光源
3 平面光束
4 条形照射区域
5 探测器
6 输入光瞳
7 计算装置
8 车轮接收装置
9 轮胎拆装机
10 控制装置
11 车轮轴线
12 图像传感器表面
13 旋转角度传感器
14 车轮平衡器
15 测量轴
16 检测装置
17 检测装置
18 检测装置
19 存储器
Claims (29)
1.一种通过非接触式检测方式确定机动车辆车轮的几何尺寸的方法，其中：
将所述车轮固定在车轮接收装置上；
将至少一束平面光束从一个或者更多个指定位置发射至所述车轮或所述车轮的至少一部分上；
所述光束在所述车轮上的条形照射区域处进行反射；
所反射的光束聚焦并投射在放置在给定位置的二维光敏图像传感器表面上以形成条形的被投射图像区域，所述图像传感器表面能够产生与所述被投射图像区域的多个点的位置成比例的图像信号；并且
计算传感器信号来确定车轮上条形照射区域的形状和位置，从而确定所述车轮或所述车轮的至少一部分的几何尺寸，
其特征在于，
所述被投射图像区域的所述多个点的位置是通过亚像素分辨率确定的，并且
所述车轮表面上的照射区域的各个照射点的位置根据发射光束和反射光束的方向来确定，其中对于所述车轮表面上的照射区域的每一个点以及所述被投射图像区域的每一个点进行单个点三角检测。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述车轮固定在车轮平衡器或轮胎拆装机的车轮接收装置上。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，至少一束平面光束指向绕固定轴线旋转的所述车轮或所述车轮的至少一部分上。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，利用所述至少一束平面光束来检测所述车轮或所述车轮的至少一部分上绕车轮轴线的至少一个环形表面。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述车轮包括轮胎和轮辋，其中，利用所述至少一束平面光束来检测所述轮辋的两个轮辋凸缘中的至少一个。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，利用所述至少一束平面光束来检测所述车轮或所述车轮的至少一部分的外周表面。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，确定通过所述至少一束平面光束参照固定基准来检测的车轮各部分或轮辋各部分的间距。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述至少一束平面光束发射到与所述车轮轴线平行的平面上。
9.一种安装或拆卸机动车辆轮胎的方法，其中，通过使用根据权利要求1至8中任意一项所述的方法，车轮包括轮胎和轮辋，非接触式地检测安装或拆卸操作中引导至少一个安装或拆卸工具的轮辋外形，并且根据检测出的轮辋外形来引导所述安装或拆卸工具在不与轮辋表面发生接触的情况下进行运动。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据两个轮辋凸缘中至少一个的被检测的位置和存储或检测的轮辋架外形，来控制所述至少一个安装或拆卸工具的运动。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，根据两个轮辋凸缘中至少一个的被检测的外周边缘位置，来控制所述至少一个安装或拆卸工具的运动。
12.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述车轮固定在车轮平衡器的测量轴上，至少一束平面光束指向所述车轮的内侧和／或所述车轮的外侧和／或所述车轮的胎边。
13.一种用于确定车轮(1)的几何尺寸的设备，包括：
至少一个光源(2)，其能够从一给定位置沿着至少一个给定方向发射平面光束(3)到车轮表面或车轮表面的一部分的条形照射区域(4)上；
至少一个探测器(5)，其设置在一给定位置并能用于检测从所述车轮表面上的所述条形照射区域(4)反射的光束，其中，所述探测器(5)包括聚焦输入光瞳(6)，所反射的光束通过所述聚焦输入光瞳(6)投射在布置于所述输入光瞳(6)的焦平面中的二维光敏传感器表面(12)上，并产生与所述反射的光束在所述传感器表面(12)上的条形被投射图像区域的位置成比例的图像信号；以及
计算装置(7)，其连接到所述探测器(5)上并且能够从检测信号确定所述车轮表面上的条形照射区域(4)的位置和几何形状，从而确定所述车轮或所述车轮的至少一部分的几何尺寸，
其特征在于，
所述设备能够通过亚像素分辨率确定被投射图像区域的多个点在所述图像传感器表面上的位置，并且
所述计算装置能够对于所述车轮表面上的照射区域的每一个点以及在所述传感器表面上的被投射图像区域的每一个点进行单个点三角检测，并根据发射光束和反射光束的方向来确定各个照射点的位置。
14.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，所述光源(2)和探测器(5)能够绕着公共轴线同步枢转，并且与各枢转角成比例的电信号被传送到所述计算装置(7)，用于在平面上发射单束光束。
15.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述至少一个光源(2)和探测器(5)被固定地定位。
16.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述计算装置(7)能够借助三角检测法通过由所述光源(15)发射的光束方向和经车轮表面反射的反射光束方向来确定车轮表面上条形照射区域(4)上的多个点的位置。
17.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述车轮(1)安装在能够绕车轮轴线(11)旋转的车轮接收装置(8)上。
18.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，旋转角度传感器(13)检测所述车轮的旋转角度位置，并向所述计算装置(7)提供对应的电信号。
19.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述平面光束(3)的平面与所述车轮(1)的旋转轴线(11)大致平行。
20.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述车轮表面上的条形照射区域(4)的各检测点的空间位置是相对于参考位置确定的。
21.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，针对不同的车轮类型，所述车轮的几何特征存储在所述计算装置(7)的存储器(19)内或者连接到所述计算装置(7)上。
22.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述光源(2)是激光。
23.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述传感器表面(12)包括互补金属氧化物半导体器件。
24.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述探测器(5)是数码相机。
25.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述光源(2)和所述探测器(5)设置在共同的支承部上或设置在共同的壳体内。
26.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，所述至少一个光源(2)和相关联的探测器(5)安装在车轮平衡器(14)上。
27.根据权利要求13所述的设备，其特征在于，设置一个光源(2)和相关联的探测器(5)，以用于扫描所述车轮(1)的内侧，且／或设置一个光源(2)和相关联的一个或多个探测器，以用于扫描所述车轮(1)的外侧，所述车轮(1)固定在车轮平衡器(14)的测量轴(15)上。
28.根据权利要求13或14所述的设备，其特征在于，用于固定所述车轮(1)的车轮接收装置(8)支承在轮胎拆装机(9)上，控制装置(10)连接在用于计算所述检测信号的计算装置(7)上，在安装或拆卸操作中，所述控制装置(10)根据所述检测信号控制至少一个安装或拆卸工具并使其不与轮辋表面接触。
29.根据权利要求1至12中任意一项所述方法或根据权利要求13至28中任意一项所述的设备的用途，用于确定下列参数中的至少一个：轮胎跳动、轮胎胎面花纹磨损、轮胎锥度、轮胎胎面和／或侧壁上的缺陷、轮辋外侧和／或内侧上的缺陷以及轮辋底的几何形状、至少一个正确配重是否存在和／或其位置、阀的位置。
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