CN103782146A - 用于确定车轮维护设备中的材料界面的声纳方法及设备 - Google Patents
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Abstract
一种车轮维护机器(10)(诸如车轮平衡仪)包括声换能器(30)，声换能器(30)构造成在波从材料边界表面(诸如车轮组件(100))弹回之后测量一个或多个反射声波的能量。在一些实施例中，代表测得的能量的回波能量指数信号(84)由换能器生成，并且由处理器进一步处理以控制机器的操作。在一些实施例中，声换能器还测量换能器与车轮组件表面之间的距离。采集的距离数据的样本队列中的一个或多个值可基于回波能量信号的大小的变化来标记或指出。还提供了使用距离和反射能量两者的声纳测量结果来测量车轮宽度的方法。
Description
技术领域
本发明大体涉及车轮维护机器，诸如，车轮平衡仪和轮胎更换机器。更特别地，本发明涉及用于使用主动声纳来识别轮胎上或轮胎附近的材料界面的装置及方法。
背景技术
平衡机在本领域中公知用于测量旋转本体(诸如车辆车轮)中的转子动力不平衡。车轮平衡机或车轮平衡仪典型地包括直接或间接地联接到马达或驱动机构的可旋转轴。车辆车轮可以可释放地安装在轴上并且旋转。使用联结到轴的一个或多个力换能器来测量与车轮的静态或动态不平衡性质相关联的各种力。测得的不平衡力可在基于计算机的算法中与车轮大小关联，以确定存在于车轮中的任何非均匀质量分布的位置。这种不等的质量分布将引起车轮"失衡"。基于测得的力，校正配重接着可施加到轮辋以平衡车轮。
需要三个主车轮组件大小来确定将定位校正车轮配重的位置。这些大小大体包括车轮轮辋与右力换能器之间的"A"距离、对应于车轮轮辋的直径的"D"距离，以及对应于车轮轮辋的轴向宽度的"W"距离。连同在车轮的测试自旋期间由力换能器测量的不平衡力使用这三个大小，预定的车轮平衡算法可向操作者计算和识别用于施加校正配重以平衡车轮的最佳位置。
常规车轮平衡机可包括用于人工地或自动地确定车轮组件的A大小和D大小的一个或多个装置。例如，美国专利第7,882,739号教导了一种车轮平衡仪，其包括数据采集臂或A臂和D臂，用于测量A大小和D大小。然而，宽度大小W更难测量，这是因为车轮组件的局部宽度的波动。例如，许多类型的现代轮胎包括对应于沿轮胎的外表面的不同径向位置和/或角位置的局部宽度的变化。重要的是，平衡算法中使用的W大小为对应于最外径向车轮轮辋位置处的车轮轮辋宽度的W大小。W大小不应当对应于轮胎上的局部宽度。当不正确的宽度大小W用于平衡算法中时，可计算到不正确的校正配重位置，并且车轮将不会正确地平衡。
在常规车轮平衡程序期间，机器操作者可使用一对卡钳来人工地测量宽度大小W。然而，这种常规宽度确定方法通常为耗时的，并且可导致误差或错误计算。为了克服该问题，他人已开发出用于自动地确定宽度大小W的方法和装置。例如，美国专利第5,189,912号教导了一种超声波车轮测量设备和车轮平衡仪，其使用声音或声纳信号来测量参考平面与局部车轮组件表面之间的距离。该测得的距离可用于计算宽度大小W。用于测量车轮组件宽度的这种常规声学装置依靠声换能器与车轮组件表面之间的距离的局部差异来计算车轮组件宽度。当声纳信号清楚地表达(articulate)经过车轮的轮廓时，合成的入射声波和反射声波的传播时间(time of flight)用于确定车轮组件表面与换能器之间的局部距离。接着，编辑距离样本的队列，其中，每个样本对应于车轮组件表面上的不同径向距离。接着，处理器试图基于测得的距离样本队列中的变化或图案来识别轮胎/轮辋的过渡位置。对应于该径向位置的测得的距离样本接着用于计算宽度大小W。
用于仅基于声波传播时间计算来确定车轮平衡机上的宽度大小W的常规声纳距离测量装置可在许多应用中生成轮胎/轮辋界面位置的错误确定。例如，具有波状的或有纹理的外侧壁的现代轮胎可引起声纳传播时间特征(signature)的变化，该声纳传播时间特征类似于轮胎/轮辋界面的识别的预定特征，但仅对应于轮胎的结构的变化。当基于错误的宽度测量结果W来执行对应的平衡操作时，操作者可被指示将配重施加在不正确的位置处，导致车轮不正确地平衡。
接着，所需的是用于使用声信号处理来确定车轮组件大小的装置和方法的改进。
发明内容
本发明提供了用于确定在车轮维护操作中使用的车轮组件大小的装置和方法。大小信息可用于执行操纵车轮维护装备(诸如，车轮平衡机或轮胎更换机器)的计算。
本发明还提供了用于使用声波反射能量的测量结果来确定材料界面的装置和方法。因为不同材料具有不同的声波反射能特征，所以材料界面(诸如橡胶轮胎与金属车轮轮辋之间的界面)的位置可通过测量在表面上的不同位置处的反射声波能量来确定。识别材料界面位置允许操作者正确地确定其它大小信息，诸如宽度大小W。材料界面识别还可出于自动化或安全的考虑用于控制或停止控制机械系统构件，诸如马达或促动器。
在一些实施例中，本发明提供了一种车轮平衡仪设备，其包括底座和远离底座延伸的可旋转轴。声换能器安装在关于轴的位置处，并且声换能器构造成测量反射的声波能量。
在另外的实施例中，本发明提供了一种平衡车轮组件的方法。该方法包括以下步骤：(a)提供车轮平衡机器，其包括可旋转轴和定位在关于轴的位置处的声换能器；(b)将具有安装在轮辋上的轮胎的车轮组件定位到轴上；(c)采集与多个样本采集位置处的声换能器和车轮组件之间的距离相关联的距离数据；以及(d)采集与每个样本采集位置处的反射声波能量相关联的能量数据。
本发明的附加实施例提供了一种确定车轮组件的车轮宽度大小的方法。该方法包括以下步骤：(a)使用声换能器朝车轮组件发射声波；(b)检测从车轮组件向后朝声换能器反射的声波；(c)生成与反射的声波相关联的多个距离值；(d)测量反射声波的反射能量；以及(e)生成与反射的声波相关联的多个反射能量值。
在审阅以下附图和优选实施例的描述之后，本发明的许多其它目的、优点和特征将对本领域技术人员而言为容易显而易见的。
附图说明
图1示出了电子车轮平衡机的实施例的透视图，示出了根据本发明的声换能器模块。
图2示出了车轮维护机器的实施例的示意图，该车轮维护机器包括根据本发明的声换能器模块。
图3示出了框图，示出了包括根据本发明的声换能器模块的车轮维护机器的实施例。
图4示出了车轮组件和定位成测量与车轮组件的距离和反射声波的能量两者的声换能器模块的实施例的局部截面图。
图5示出了车轮组件的实施例的局部截面图，其示出了多个样本采集位置。
图6示出了根据本发明的声纳模块的实施例。
图7示出了图6的声纳模块的实施例上的模块端子连接器的详图。
图8示出了本发明的一些实施例的根据时间的输入TX信号、脉冲输出信号和反射能信号的曲线图。
图9示出了从材料边界反射的入射声波的实例。
图10示出了橡胶材料的根据时间的回波能量信号的示例性示波器显示。
图11示出了金属材料的根据时间的回波能量信号的示例性示波器显示。
图12示出了电路图，示出了根据本发明的用于处理回波能量信号的电压阈值探测器电路的实施例。
图13示出了电路图，示出了用于处理图12的电压阈值探测器电路的电压输出的峰值探测器电路的实施例。
图14示出了框图，示出了根据本发明的用于校准车轮平衡机的一系列步骤。
图15示出了框图，示出了根据本发明的用于在车轮组件上执行车轮平衡操作的一系列步骤。
图16示出了根据本发明的包括构造成测量反射声波的能量的声纳模块的制动器车床设备的实施例。
图17示出了根据本发明的包括构造成测量反射声波的能量的声纳模块的轮胎更换设备的实施例。
图18示出了根据本发明的包括构造成测量反射声波的能量的多个声纳模块的轮胎充气系统的实施例。
具体实施方式
现在参照附图，示出了本发明的各种实施例。在图1中示出了车轮维护机器10。在一些实施例中，车轮维护机器10可为车轮平衡仪。车轮维护机器10包括底座12或底盘，以及从底座12延伸的可旋转轴14。支承环28在安装在轴14上时也可支承车轮。操作者面板22连接到底座12。操作者面板22可包括用于允许使用者控制机器10的操作的控制/输入装置。在一些实施例中，操作者面板22可为基于计算机的控制界面，诸如，触摸屏监测器。在其它实施例中，操作者面板22可为包括一个或多个模拟控制器的模拟控制站。操作者面板22可直接连线至底座12，或者在附加实施例中无线地联接到底座12。此外，马达和马达驱动器18联接到轴14，并且编码器62可联结到马达和驱动器18，或可选地联结到轴14，以提供与轴14的移动相关联的反馈数据。
在一些实施例中，罩16枢转地附接到底座12，使得罩16可朝轴14成角地旋转。当车轮组件100安装在轴14上时，如图2中所见，罩16可在轴14旋转期间覆盖车轮组件100，以提供安全装置。在一些实施例中，机器10构造有安全联锁装置，使得轴14可不旋转，除非罩16下降到车轮组件100上面。
罩开关48或罩传感器联接到罩。罩开关48可为本领域已知的任何类型的适合的开关，包括线性或成角的机械开关或接触传感器。罩开关48可用于确定罩是在远离轴14的收缩位置或是在定位成更靠近轴14的接合位置。开关48还是车轮维护机器10中的安全联锁装置中的一个。
在一些实施例中，罩杆26可形成用于罩16的支承框架。罩杆26可枢转地附接到底座12，并且在一些实施例中，罩16可附接到罩杆26。
在一些实施例中，托盘24安装在底座12上。托盘24包括用于储存各种类型和尺寸的车轮配重的多个隔间。
如图2中所见，A和D测量臂20从底座12沿与轴14相同的轴向方向延伸。A和D臂20可能够沿轴线36朝车轮组件100轴向地移动，并且还能够成角地移动，用于测量车轮组件100的A大小和D大小。在一些实施例中，具有非金属材料成分的头部42可设置在A和D臂20的远端上，以防止对车轮组件100上的车轮轮辋102的损坏。在使用期间，操作者可使用A和D臂20或使用任何其它适合的测量技术测量A和D的大小，并且接着使用操作者面板22将大小输入到与机器10相关联的处理器和/或数据储存单元中。可选地，A和D大小可被自动地采集，并且传输至机器10中的处理器/数据储存单元。
如图2中所见，宽度大小W必须在应用校正车轮配重之前被确定和输入装置中。宽度大小W大体对应于车轮轮辋102在其最外圆周处的宽度。在一些实施例中，宽度大小W还可被称为轮辋宽度或车轮轮辋宽度。大体上，如图2中所见，宽度大小W不包括从车轮轮辋102的每一侧沿轴向突出的最外轮辋凸缘50的轴向宽度，而是对应于轮胎缘所处的车轮轮辋102的外部区域的内部宽度。
进一步参照图2，在一些实施例中，声换能器模块30安装在关于轴14的位置处。在一些实施例中，声换能器模块30可以可互换地被称为声纳模块30。声纳模块30包括能够将电输入转换成用于生成声波的声能的换能器或收发器。声纳模块30还包括能够使呈进入的声波形式的返回声能转换成某一电子信号强度的换能器或收发器。在一些实施例中，声纳模块30包括用于发射声波和用于测量进入的声波的单独的换能器或收发器。在其它实施例中，声纳模块30包括能够发射声波并且还测量进入的声波的单个换能器或收发器。
声纳模块30大体构造成发射声束40或声纳束40，其包括在期望的频率范围内和成辐射角的声波。例如，在一些实施例中，声纳模块30包括超声换能器，其大体构造成提供在超声频率范围内的输出声波束。在一些应用中，发射的声束40可被集中。如图2和图3中所见，声纳模块30大体定位成使得输出的声束40指向安装在轴14上的车轮组件100。
因为声纳模块30发射定向声束40，所以可必要的是提供用于平移或扫描横跨车轮组件100的表面的束40的器件，以确定各种径向位置处的期望的表面轮廓特征。在一些实施例中，如图4中所见，声纳模块30可安装在平移台52上，平移台52能够操作成使声纳模块30从车轮组件100的外圆周附近的位置朝轴14沿径向向内移动，或朝轴的旋转轴线54移动。当声纳模块30朝轴14前进时，周期信号样本可在不同的径向位置处获得。例如，如图5中所见，第一样本S1可在第一径向位置处获得；第二样本S2可在第一样本S1的位置附近的第二径向位置处获得；第三样本S3可在第二样本S2的位置附近的第三径向位置处获得，一直到预定数量的样本SN。集合的样本可以以样本队列编辑和储存在机器处理器/数据储存单元中，该样本队列包括对应于与每个样本相关联的信息的数据值阵列。在一些实施例中，声纳模块30或其相关联的处理器60可按常规编程来确定样本率。此外，沿平移台52的声纳模块30的前进速率还可影响采样率和采样位置。
在一些实施例中，如图1中所见，声纳模块30安装在罩16或罩杆26上。当操作者将罩降低至操作位置时，罩开关48将触发由微处理器60控制的声纳数据采样过程。在一些实施例中，如本文所述，微处理器60可专用于执行和控制声纳模块30的功能，以及处理从声纳模块30接收到的数据。在其它实施例中，微处理器60还可用于控制机器10的其它功能，其包括例如处理力不平衡测量数据和确定车轮配重质量和放置信息。
在可选实施例中，声纳模块30构造成成角地旋转，而非平移，以允许声束40扫描车轮组件100的表面。
每个样本S1,S2,S3...SN包括与在离开的声波开始与测得的反射波之间的时间段相关联的信息。该时间差可被称为传播时间。图4中所见的发射的声波40a由通过如图3中所见的微处理器60发送至换能器或收发器的有限宽度电脉冲输入信号TX生成。在一些实施例中，脉冲输入信号TX可发送至声纳模块30作为模拟电压信号。
参照图6和图7，声纳模块30的实施例包括多个电端子70，用于将声纳模块30连接到电源和连接到数据采集和处理电路。在一些实施例中，声纳模块30可为超声换能器，诸如但不限于由Migatron Corp(Woodstock, IL)制造的型号RPS-409PW-40的声纳装置。在一些实施例中，声纳模块30上的端子70联接到处理器60和电源58。在一些实施例中，声纳模块30包括至少两个输入端子和两个输出端子。脉冲输入信号TX端子72从微处理器60接收进入的脉冲输入信号TX。在一些实施例中，如图3所示，在声纳模块30与微处理器60之间传送的信号通过信号调节电路64联接，信号调节电路64可按需要提供信号电平的转移、滤波、A/D和D/A转换。信号调节电路64还可包括如下文所述的自动增益控制、电压阈值检测和峰值检测电路。
如图8中所见，在一些实施例中，脉冲输入信号TX76可具有大约100μs至大约350μs之间的输入脉冲80的脉冲宽度，以及大约3V至大约30V之间的峰值输入电压。在一些实施例中，脉冲之间的时间最小为大约10ms。大约0V至大约1V之间的基准触动电压在相邻施加的电脉冲80之间保持在声换能器上。
当电脉冲80施加到声换能器或声纳换能器时，在声纳模块30中，离开的声波40a从声纳模块30朝车轮组件100发射。大体上，声纳波遵循声学原理。如图9中所见，入射或发射的声波40a朝边界行进，诸如车轮组件100的表面，并且入射波的一部分被反射。如图4中所见，反射波部分40b向后朝声纳模块30行进。
入射角大体等于反射角。当声波正交于边界时，可按照反射系数R来描述反射。反射系数限定为反射波振幅和入射波振幅的比率
其中，ai和ar分别为入射波振幅和反射波振幅。透射波为1-R。
声反射系数R的值涉及从具有不同物理性质的两种介质之间的界面的反射的大小。声阻抗Z主要确定从边界的反射的大小。声阻抗Z限定为给定介质中的密度(ρ)和声速(c)的乘积。声阻抗以Rayle(Rayl)为单位测量，其中，一Rayl=1kg/m2/sec。
非垂直入射角的声反射系数可表示为：
其中，
，并且ai为入射波40a的接近角，或入射角。常数值c1和c1分别为两种介质中的声波的速度。
在声束法向入射在其介质的边界上的情况下，反射等式可简化为：
因此，法向入射角的声反射系数R为两种介质的声阻抗的简单函数。声反射系数将在存在声阻抗中的较强空间梯度的情况下较强。典型地，车轮轮辋102中的金属材料的声阻抗大于轮胎104的橡胶材料的声阻抗的二十倍以上。基于该差异，可以使用反射声波能量的测量结果来确定不相似的材料之间的边界。
再次参照图4，每次样本采集的反射波部分40b提供对应于该样本位置的至少两段信息。首先，反射声波40b与声纳模块30中的换能器或收发器交互，并且产生对应于反射波的持续时间的电回波脉冲82。第二，反射波40b包括反射声波能量，其可被测得，并且基于不相似材料的声阻抗的变化，可用于识别不相似材料(诸如金属车轮轮辋)与橡胶轮胎之间的界面的位置。
如图8中所见，回波脉冲82可测得为脉冲输出信号78的一部分。回波脉冲82具有对应于反射声波的持续时间的有限脉冲宽度。在一些实施例中，回波脉冲82的持续时间为大约760μs。然而，回波脉冲82的宽度将大体对应于输入脉冲80的持续时间，并且可在可选实施例中显著地变化。回波脉冲82暂时偏离输入脉冲80，这是因为声波行进至车轮组件表面并且反射回声纳模块30花费时间。该时间值或传播时间可通过计算输入脉冲80的开始与回波脉冲82的开始之间的差异而确定。一旦传播时间为已知的，则可计算出声纳模块30与反射表面之间的距离。具体地，在一些实施例中，可计算换能器表面平移平面66与被检测的对象之间的距离。
图7中所见的脉冲输出信号端子74用于将测得的电子脉冲输出信号78传输至微处理器60。在一些实施例中，端子74处的脉冲输出信号可提供为来自能够在30V的最高电压和10mA的连续电流下操作的NPN晶体管的开路集极输出信号。
在一些实施例中，微处理器60可为任何适合的微处理器，诸如但不限于由Texas Instruments, Inc.(Dallas, TX)制造的型号TMX320C28xx DSP的微处理器。在一些实施例中，微处理器60包括在数字信号控制器(诸如由Texas Instruments,Inc.制造的具有闪速存储器的TMS320F2811的32位数字信号控制器)中。该控制器可包括事件管理器单元。脉冲输出信号78可由微处理器60的事件管理器单元中的获取单元输入中的一个检测。
如以上提到的，关于反射能量的第二段信息可从反射声波40b获得。图8中所见的还被称为回波能量指数信号或反射能量指数信号的回波能量信号84与脉冲输出信号78同时地从声纳模块30输出。回波能量信号84还与脉冲输出的信号78时间对准，允许了测得的回波能量信号84中的峰值与给定的径向位置处的宽度测量结果之间的相关性。因此，在一些实施例中，本发明的装置和方法测量和储存与样本队列中的每个样本位置的传播时间和反射声波能量两者相关联的信息。与反射能量相关联的储存信息可用作用以标记在材料界面(诸如金属轮辋与橡胶轮胎之间的界面)处采集的样本传播时间(和对应的宽度W)数据的指标。
回波能量信号84典型地为与由声纳模块30中的声换能器或收发器接收的反射声波能的大小直接相关的模拟电压输出信号。声纳模块30上的反射能信号输出端子86联接到微处理器60。回波能量信号84由微处理器60通过微处理器60上的捕获输入信道来处理。在一些实施例中，回波能量信号84与脉冲输出信号78同时地由微处理器60捕获和处理。
回波能量信号84为声束40入射在其上的材料的声阻抗的特征。不同的材料具有不同的声阻抗，并且因此将提供不同的回波能量信号轮廓。图10示出了对应于使用由Tektronix, Inc制造的TDS5054B示波器捕获为经验信号轮廓的橡胶轮胎的示例性回波能量信号84a。用于回波能量信号84a的样本采集位置在接近金属轮辋的橡胶轮胎上的径向位置处获得。基于这种经验信号轮廓，确定了接近车轮的金属轮辋的橡胶轮胎的回波能量信号峰值电压在一些实施例中大于大约2.0V并且小于大约2.5V。
参照图11，示出了对应于金属车轮轮辋的示例性回波能量信号84b。回波能量信号84b使用以上识别的相同示波器捕获为经验信号轮廓。金属车轮轮辋的回波能量信号84b包括高于对应于橡胶轮胎的相似回波能量信号84a的峰值电压的峰值电压。确定在一些实施例中，金属车轮轮辋提供了具有大于大约3.5V的峰值电压的回波能量信号。基于随后的样本采集期间的回波能量信号的峰值电压的该差异，可以识别材料边界。
在一些实施例中，回波能量信号84由设置在微处理器60中的、在微处理器电路60与声纳模块30之间的中间位置处的自动增益控制(AGC)电路(例如，信号调节电路64的一部分，或在声纳模块30中)放大。增益控制端子88包括在声纳模块30上用于接收增益控制信号。在一些实施例中，增益控制信号为大约0V至大约10V之间的模拟电压信号。
可使用一个或多个电路处理回波能量信号84以识别峰值回波能量特征的位置和大小。在附加实施例中，本发明提供了如图12中的示例性实施例中所见的精确电压阈值探测器电路200。电压阈值探测器电路200接收模拟电压回波能量信号84，并且将其与基准模拟电压输入信号VREF1比较，基准模拟电压输入信号VREF1为来自于精确电压装置的可调整电压基准。在一些实施例中，VREF1提供了用于阈值检测的比较电压。VREF1通过识别对应于不同材料(诸如图10和图11中示出的这些)的反射声波能量的不同特征的阈值电压范围来确定。在一些实施例中，电压阈值探测器电路200可为由Texas Instruments(Dallas, TX)制造的运算放大器型号ICTL084D。在一些实施例中，阈值检测电路200可为信号调节电路64的一部分。
如果输入电压阈值探测器电路200的回波能量信号84电压超过预定VREF1电压，则输出电压VOUT传递至图13中所见的峰值探测器电路202。峰值探测器电路202可使用比较器IC构件(诸如来自National Semiconductor的型号LMV761)，以识别回波能量信号84中的峰值电压水平。峰值探测器电路200使模拟电压输出传递至微处理器60的输入捕获部。在一些实施例中，输出电压为正5.0V的模拟信号，其由微控制器输入捕获部接收，并且标记与回波能量信号电压升高相关联的数据样本。通过使用电压阈值探测器电路200和峰值探测器电路202标记通过微控制器60中的输入捕获部的数据样本，微控制器60可按常规编程为识别哪个宽度样本测量结果对应于轮胎/轮辋界面处的声阻抗的变化。一旦触发峰值电压，则微控制器可停止声纳模块30的操作，并且继续控制其它车轮平衡操作。在一些实施例中，峰值探测器电路202可为信号调节电路64的一部分。
在一些应用中，使用用于确定正确位置处的宽度大小W的声模块设备需要初始校准程序。如图14中所见，示例性校准程序涉及首先将已知直径的平衡车轮安装在轴上。已知的大小参数A,D和W输入到可为微处理器60的机器处理器中。车轮自旋。在自旋程序期间，忽略回波能量指数输入。识别和记录联接到轴的L和R力换能器32,34的基准值，并且得到平衡仪的偏移数据。此时，初始校准可结束。
如图15中所见，随后的车轮平衡操作可使用机器来执行。当结合实际的车轮执行平衡操作时，参数A和D为已知的，并且输入到机器处理器或计算机中。罩可下降，并且车轮自旋开始。声换能器扫描车轮组件表面，并且收集与许多样本采集位置相关联的距离数据。距离数据以样本队列储存在机器中的存储器/数据储存单元中。在距离数据采集期间，还针对能量变化来监测回波能量指数信号。当声束穿过轮胎/轮辋过渡部时，回波能量指数信号增大，并且测得的能量值分配给对应的距离值。对应于分配的能量值的大小数据用于计算车轮组件宽度大小W。计算的W值储存在机器存储器/数据储存单元中用于平衡操作。车轮平衡计算可如例如美国专利第7,882,739号中所述地常规地执行，该专利的公开内容全部并入本文中。接着，车轮停止，并且校正配重施加在指示的位置处。接着，可执行检查自旋旋转来检验车轮的平衡，并且如果车轮平衡，则平衡过程结束。如果检查自旋旋转显示出车轮不平衡，则该过程可重复。
现在参照图16-18，在一些实施例中，本发明的装置和方法可用于在其它车轮维护应用中定位不相似材料的界面，并且控制或终止车轮维护机器的操作。
如图16中所见，在一些实施例中，制动器车床400包括底座450、从底座延伸的可旋转的制动器车床轴452，以及用于磨削或铣削制动构件表面的工作区域402。在制动器车床400操作期间，不合乎需要的是操作者的手或任何其它物品进入工作区域402。为了在使用期间防止将身体部分或外来物品引入到工作区域402中，一些常规的制动器车床包括用以在使用期间阻挡接近工作区域402的一个或多个机械护罩。然而，这种机械护罩通常对于操作者而言为笨重的，并且生产、维护、修理或安装可为昂贵的。本发明提供了包括用于监测工作区域402的声纳模块430的制动器车床。声纳模块430可为声换能器，并且在一些实施例中可为超声换能器432。声束可朝工作区域402发射。当不相似的材料(诸如人的手)进入工作区域402时，可检测到不同的回波能量信号，并且当外来物体留在工作区域402中时，制动器车床400的操作可减慢或终止。将声纳430用作安全特征可用于补充或替换一些应用中的机械防护件的要求。
如图17中所见，在一些附加实施例中，轮胎更换机器500包括底座514和从底座514向上延伸的支承塔506。可旋转的车轮支座504设置在底座514上。一个或多个轮胎更换工具朝车轮支座504附近的工作区502延伸。在使用期间，车轮组件定位在车轮支座504上，并且轮胎更换操作可使用轮胎更换工具中的一个或多个在车轮组件上执行。在使用期间，操作者的手或其它身体部分可在车轮维护操作期间意外进入工作区，可能引起对机器的损坏或对使用者的严重伤害。本发明提供了轮胎更换机器500，其包括定位在车轮支座504上方的声纳模块530。声换能器532包括在声纳模块530上。在一些实施例中，声换能器532可为超声换能器。声束540朝工作区502发射，以检测不同材料的存在。如果操纵者的手或另一外来物体进入工作区，则换能器532可提供回波能量信号，该回波能量信号可用于控制或终止机器的操作。
在一些特定应用中，换能器532可在充气过程期间监测工作区。设备构造成在充气期间监测回波能量信号和反射指数，以确定人体部分或其它物体是否进入充气鼓风地带。如果这种事件发生，则设备可构造成终止充气过程或放气并且从轮胎抽出空气。
在各种实施例中，声纳模块530可刚性地附接到支承塔506，或者可选地，可安装在协助臂508、摆臂510或支承凸缘512上。在各种实施例中，多个声纳模块可安装在各种构件上，以提供附加回波能量信号用于在使用期间监测材料界面和控制机器操作。
现在参照图18，在一些实施例中，轮胎充气系统600(诸如充气防护件或充气笼)提供充气地带602用于定位具有松弛地安装在轮辋上的轮胎的车轮组件。车轮组件可放置在笼的内部上，并且轮胎可快速地充气。笼在轮胎在充气过程期间故障的情况下提供碎片阻隔件。在使用期间，操作者在充气过程期间可使手或身体部分意外地定位在充气地带602中，导致对装备的损坏或对操作者的伤害。在一些实施例中，一个或多个声纳模块630a,630b,630c等可定位在围绕充气系统600的各个位置处。每个声纳模块包括声换能器(诸如超声换能器632a,632b,632c)，其分别发射超声能束640a,640b,640c。每个声纳模块可构造成测量特征为声纳反射指数的回波能量信号。如果不相似的材料(诸如身体部分)引入到充气地带602中，则装置将控制或终止充气程序。
因此，虽然已经描述了新且有用的用于确定车轮维护装备中的材料界面的声纳方法和设备的本发明的特定实施例，但是并不预期这种引用被解释为限制本发明的范围，除非在以下权利要求中阐述。
Claims (28)
1. 一种车轮平衡仪设备，其包括：
底座；
远离所述底座延伸的可旋转轴；以及
安装在关于所述轴的位置处的声换能器，所述声换能器构造成测量反射的声波能量。
2. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于：
所述声换能器构造成输出代表测得的反射声波能量的反射能量指数信号。
3. 根据权利要求2所述的设备，其特征在于：
所述反射能量指数信号包括大约零伏至大约五伏之间的模拟电压信号。
4. 根据权利要求2所述的设备，其特征在于：
所述声换能器构造成输出代表测得的反射声波之间的时间的输出脉冲信号。
5. 根据权利要求4所述的设备，其特征在于，还包括：
连接到所述声换能器的处理器，所述处理器构造成将输入电压信号提供至所述声换能器；
所述处理器构造成接收所述输出脉冲信号和所述反射能量指数信号两者；并且
所述处理器构造成通过将所述输入电压信号与所述输出脉冲信号相比较来生成距离数据。
6. 根据权利要求5所述的设备，其特征在于，
所述处理器构造成识别所述反射能量指数信号中的电压峰值的变化，并且标记对应于所述反射能量指数信号中的电压峰值中的变化的一个或多个距离数据值。
7. 根据权利要求6所述的设备，其特征在于，还包括：
所述处理器构造成使用所述标记的距离数据值来确定车轮宽度大小。
8. 根据权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括：
罩，其枢转地附接到所述底座，并且成形用于在所述车轮组件安装在所述轴上时覆盖所述车轮组件的一部分；并且
所述声换能器安装在所述罩上。
9. 根据权利要求8所述的设备，其特征在于：
所述声换能器能够关于所述轴移动。
10. 根据权利要求8所述的设备，其特征在于：
所述声换能器能够关于所述罩移动。
11. 一种平衡车轮组件的方法，其包括：
(a)提供车轮平衡机器，其包括可旋转轴和定位在关于所述轴的位置处的声换能器；
(b)将具有安装在轮辋上的轮胎的车轮组件定位到所述轴上；
(c)采集与多个样本采集位置处的所述声换能器与所述车轮组件之间的所述距离相关联的距离数据；以及
(d)采集与每个样本采集位置处的反射声波能量相关联的能量数据。
12. 根据权利要求11所述的方法，其特征在于，还包括：
检测所述采集的能量数据中的变化，以及将所述变化与所述采集的距离数据关联。
13. 根据权利要求12所述的方法，其特征在于，还包括：
使用对应于所述采集的能量数据中的变化的所述样本采集位置处采集的大小数据来计算所述车轮组件的宽度大小。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，还包括：
旋转所述车轮；以及
将校正配重施加到所述车轮。
15. 一种确定车轮组件的车轮宽度大小的方法，其包括：
(a)使用声换能器朝所述车轮组件发射声波；
(b)检测从所述车轮组件向后朝所述声换能器反射的声波；
(c)处理与所述反射声波相关联的多个距离值；
(d)测量所述反射声波的反射能量；以及
(e)处理与所述反射声波相关联的多个反射能量值。
16. 根据权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括：
识别与测得的反射能量中的变化相关联的反射能量值。
17. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括：
使所述识别的反射能量值与对应的距离值匹配。
18. 根据权利要求17所述的方法，其特征在于，还包括：
选定所述对应的距离值；以及
使用所述对应的距离值来计算所述车轮宽度大小。
19. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述识别的反射能量值与测得的反射能量中的正变化相关联。
20. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述识别的反射能量值与测得的反射能量中的负变化相关联。
21. 一种轮胎更换机器设备，其包括：
底座；
设置在所述底座上的可旋转车轮安装件；
从所述底座延伸的支承塔；以及
包括关于所述车轮安装件定位在所述机器上的声换能器的声纳模块，所述模块构造成朝所述可旋转车轮安装件发射声波，并且接收反射的声波。
22. 根据权利要求21所述的设备，其特征在于，还包括：
枢转地附接到所述支承塔的摆臂，
其中，所述声纳模块安装在所述摆臂上。
23. 根据权利要求21所述的设备，其特征在于，还包括：
枢转地附接到所述支承塔的摆臂，以及
附接到所述支承塔的协助臂，
其中，所述声纳模块安装在所述协助臂上。
24. 根据权利要求21所述的设备，其特征在于，还包括：
枢转地附接到所述支承塔的摆臂；以及
从所述摆臂向下延伸的可垂直地调整的轮胎更换工具头，
其中，所述声纳模块安装在所述工具头上。
25. 一种制动器车床机器设备，其包括：
底座，
从所述底座延伸的可旋转的制动器车床轴；以及
包括关于所述制动器车床轴定位在所述机器上的声换能器的声纳模块，所述模块构造成朝所述制动器车床轴发射声波并且接收反射的声波。
26. 根据权利要求25所述的设备，其特征在于：
所述声纳模块构造成测量所述接收到的反射声波的能量。
27. 一种用于使车轮组件充气的轮胎充气笼设备，其包括：
限定构造用于收纳所述车轮组件的内部空间的轮胎充气笼；
包括定位在所述笼上的声换能器的声纳模块，所述模块构造成朝所述内部空间发射声波并且接收反射的声波。
28. 根据权利要求28所述的设备，其特征在于：
所述声纳模块构造成测量所述接收到的反射声波的能量。
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