某汽车前悬总成装配线四轮参数检测系统设计

王之恒，聂尔来，刘 新，叶爱萍，管 宇

WANG Zhi-heng1, NIE Er-lai1, LIU Xin1, YE Ai-ping2, GUAN Yu1

（1.北京机械工业自动化研究所，北京 100120；2.北京科技大学 计算机与通信工程学院，北京 100083）

0 引言

为保证汽车制造达到规定的安全标准，汽车装配过程中的各种规格和参数的检测显得尤为重要。在某汽车厂的前悬总成装配线中，为保证汽车使用的安全性需要检测很多参数，其中四轮参数的检测是为了减少轮胎非正常摩擦及相关部件的磨损，同时保证汽车能直线行驶、转向轻便以及易于操控。此外，汽车行驶中的零件磨损、变形等会导致四轮参数的改变，将大大影响汽车整体的安全系数，所以定期进行四轮检测是保证汽车安全的一个重要方面。因此，为了快速、准确地获得四轮参数，研究四轮检测系统的设计是十分有必要的，本文将分别从四轮参数介绍及控制目标、检测系统构成、程序实现等三个方面介绍本系统，并根据实际效果提出改进措施，取得较好效果。

1 四轮参数介绍及控制目标

1.1 四轮参数介绍

常见的四轮参数有主销后倾角、主销内倾角、前轮外倾角和前轮前束角。下面主要介绍本系统用到的前轮外倾角和前轮前束角。

前轮外倾角是通过车轮中心的汽车横向平面与车轮平面的交线与地面垂线之间的夹角[1]，如图1所示。前轮的外倾角是在转向节设计中确定的。设计时使转向节轴颈的轴线与水平面成一角度，该角度即为前轮外倾角α（一般α为1o左右）[1]。由于前轮外倾角的存在，导致两侧车轮向外滚开[1]，但受制于转向横拉杆和车桥的约束，车轮将在地面上出现边滚边滑的现象，从而增加了轮胎的磨损。为了消除前轮外倾角带来的这种不良后果，在安装车轮时，使汽车两前轮的中心面不平行，两轮前边缘距离B小于后边缘距离A，A-B之差称为前轮前束[1]，如图2所示。前轮前束角指车轮的水平直径与车辆纵向中心平面之间的夹角[2]，如图2中的角。

图1 前轮外倾角

图2 前轮前束（俯视图）

1.2 控制目标

根据生产工艺流程及生产节拍，检测台各气缸相互配合、自动固定前悬总成模块；四轮参数中，前轮外倾角为-35'±15'，前轮前束角为21'±2.5'。

在WinCC项目中需要实时显示四轮参数的角度实际值、位移差值、角度合格指示、左右角度偏差。

2 检测系统构成

四轮参数检测系统位于该汽车前悬总成装配线主线体一侧的检测台上，如图3所示。检测台上有三组气缸，分别是1个移动缸、2个穿销缸和4个举升缸。其中，移动缸负责底座支架的水平移动，穿销缸负责固定前悬总成模块，举升缸负责将前悬总成模块举升到指定的位置。

图3 四轮参数检测系统检测台

为测量四轮参数，根据前轮外倾角和前轮前束角的定义，需要测量制动盘上侧、下侧、左侧、右侧共四个点的位移变化。如图4所示，为保护位移传感器探头及减少探头磨损，在制动盘与位移传感器之间增加十字转接板，且传感器和十字转接板可以前后移动，避免上下件过程中磕碰工件。为避免碰撞制动器，十字转接板内侧保留上侧、下侧、不干涉侧（左轮是右侧，右轮是左侧）的探头。由于下侧点测量位置安装有固定装置，无法安装位移传感器，因此在十字转接板外侧装有三个位移传感器，分别检测制动盘上侧、左侧和右侧接触点在检测过程中的位移变化。

在检测台上装有一台研华一体机，用于显示检测过程中的各个参数、控制检测流程及设定参数范围。

系统配有一件校零板，如图5所示，用于标定位移传感器初始位移。校零板与十字转接板直接接触的有A,B,C三个测量点，下侧基准点D点是A点关于直线BC的对称点。

图4 检测台左视图

图5 校零板

3 程序实现

结合控制目标及现场实际，决定采用S7-300 PLC程序、位移传感器程序与WinCC项目相结合的方式进行控制。其中，S7-300 PLC程序负责检测台各气缸的动作、具体参数的计算；位移传感器程序负责实时读取各传感器读数并写入数据库；WinCC项目负责实时显示四轮参数、计算参数设定、传递位移数据至S7-300 PLC。

3.1 S7-300 PLC程序实现

根据S7-300 PLC程序的功能，将S7-300 PLC分为检测台和参数计算两部分，其中检测台程序控制检测台各气缸的动作、检测过程中各种条件的设定与判断，参数计算程序负责计算当前前轮外倾角和前轮前束角的角度值、位移差值、左右角度偏差。

3.1.1 检测台程序

对于检测台气缸动作，分为手动、自动两部分。手动情况下不包含任何控制条件，各气缸根据指令直接动作。自动情况下，气缸根据工艺流程相互配合。

根据生产流程，当前悬总成模块到达分支链线体后，移动缸伸出，穿销缸、举升缸落下；待前悬总成模块从线体托盘上吊装至检测台，移动缸缩回；移动缸缩回到位后穿销缸伸出，定位前悬总成模块；穿销缸伸出到位后举升缸伸出，固定前悬总成模块。待操作人员将探头与制动盘完全接触后开始检测四轮参数。检测结束后，举升缸缩回，释放前悬总成模块；举升缸缩回到位后穿销缸缩回，解除定位；穿销缸缩回到位后移动缸伸出，此时可以将前悬总成模块吊装回分支链线体的托盘上。

为缩短生产节拍，提高检测效率，最终确定在前悬总成模块吊装至检测台，移动缸缩回的同时托盘返回。在检测的过程中到达下一工位，此时下一模块开始进入分支链；待检测结束后，直接将模块吊装至托盘。此时，下一模块可以吊装至检测台。

3.1.2 参数计算检测算法

本系统选用的四轮参数是斜面与垂直面的夹角，为保证同一侧的三个探头确定的平面在测量前为垂直面，需要使用校零板校零。由于机械加工精度、使用消耗等原因，校零板的两竖直面不一定为垂直面，因此需要在计算时进行纠偏，使得计算时的初始面为垂直面。根据图5中A,B,C,D四点的三坐标值可以得出以D点为基准、以A,B,C点与D点三坐标差值为补偿值的垂直面。

由于设备安装时很难做到同一侧的三个位移传感器共面时位移量也完全相同，因此对位移传感器初始读数进行归零。校零时记录当前纠偏后位移为初始点位移dLU_Init、dLL_Init、dLR_Init、dRU_Init、dRL_Init、dRR_Init，在以后的计算中减去此初始点位移得到最终的纠偏后相对位移dLU、dLL、dLR、dRU、dRL、dRR。

前悬总成模块装配完成后送入整车车间进行总装，在装好车轮后需要再次检测四轮参数，期间可能会产生新的误差，因此加入车轮补偿值。

由于西门子反正切函数输出值为弧度值，需要转换成角度值输出，因此添加转换系数。

根据前轮外倾角和前轮前束的定义，结合现场实际，得到以下最终计算公式：

左轮四轮参数计算公式：

dL_hight为左轮上侧点到左侧点与右侧点中点距离，单位为毫米；

dL_length为左轮左侧点与右侧点距离，单位为毫米；

dLU为左轮上侧点纠偏后位移，单位为毫米；

dLL为左轮左侧点纠偏后位移，单位为毫米；

dLR为左轮右侧点纠偏后位移，单位为毫米；

dLU_Act为左轮上侧点实际位移，单位为毫米；

dLL_Act为左轮左侧点实际位移，单位为毫米；

dLR_Act为左轮右侧点实际位移，单位为毫米；

dLU_Init为左轮上侧点初始点位移，单位为毫米；

dLL_Init为左轮左侧点初始点位移，单位为毫米；

dLR_Init为左轮右侧点初始点位移，单位为毫米；

dLU_Zero为校零板左轮上侧点三坐标值，单位为毫米；

dLL_Zero为校零板左轮左侧点三坐标值，单位为毫米；

dLR_Zero为校零板左轮右侧点三坐标值，单位为毫米；

dLB_Zero为校零板左轮基准点三坐标值，单位为毫米。

右轮四轮参数计算公式：

dR_hight为右轮上侧点到左侧点与右侧点中点距离，单位为毫米；

dR_length为右轮左侧点与右侧点距离，单位为毫米；

dRU为右轮上侧点纠偏后位移，单位为毫米；

dRL为右轮左侧点纠偏后位移，单位为毫米；

dRR为右轮右侧点纠偏后位移，单位为毫米；

dRU_Act为右轮上侧点实际位移，单位为毫米；

dRL_Act为右轮左侧点实际位移，单位为毫米；

dRR_Act为右轮右侧点实际位移，单位为毫米；

dRU_Init为右轮上侧点初始点位移，单位为毫米；

dRL_Init为右轮左侧点初始点位移，单位为毫米；

dRR_Init为右轮右侧点初始点位移，单位为毫米；

dRU_Zero为校零板右轮上侧点三坐标值，单位为毫米；

dRL_Zero为校零板右轮左侧点三坐标值，单位为毫米；

dRR_Zero为校零板右轮右侧点三坐标值，单位为毫米；

dRB_Zero为校零板右轮基准点三坐标值，单位为毫米。

3.2 位移数据交互

本系统采用Solartron Metrology公司出品的ORBIT 3位移传感器采集位移数据。每个ORBIT 3网络由一个电源模块、六个传感器模块、一个以太网模块组成。传感器模块由电源模块供电，采集到的位移数据通过以太网模块实时传递。

鉴于传感器模块无法直接将读取的位移数据传递给S7-300 PLC，因此采用间接方式传递位移数据。使用ORBIT 3提供的Solartron.Orbit3类库编写C#程序，对数据进行读取并写入数据库，通过WinCC项目内的全局脚本读取数据库中的位移数据并传递给相应的WinCC外部变量，进而通过WinCC与S7-300 PLC的通讯将位移数据写入S7-300 PLC。

同C#访问数据库的方式类似，操作ORBIT 3网络前后需要分别建立/关闭和Orbit控制器的连接。Solartron.Orbit3类库位于OrbitLibrary.dll内，添加OrbitLibrary.dll引用后，使用using Solartron.Orbit3即可引入Solartron.Orbit3类库的命名空间。下面就本文涉及的内容对该命名空间做一简单介绍。

每个传感器模块有两种分辨率可选，分别是16384级和65536级。每个模块对应一个Orbit Module 类的实例，其属性有模块ID（Module ID）、模块名、（ModuleName）、模块状态（ModuleStatus）、模块类型（ModuleType）、以单位形式读取（ReadingInUnits）、以计数形式读取（ReadingInCounts）等。以单位形式读取和以计数形式读取是Orbit模块的两种读取形式。以单位形式读取直接返回位移传感器当前位移数据，该数据是基于基本单位的双精度浮点数。当传感器模块分辨率发生改变时，位移数据自动更新为当前分辨率下读数。以计数形式读取返回当前计数值，位移数据需通过式(11)求得。当传感器模块分辨率发生改变时，需要人工更新位移数据。综合两种读数方式，本系统采用以单位形式读取。

式中，m为位移数据；

c为位移传感器计数值数；

p=14.18为分辨率；

R为位移传感器量程。

多个传感器模块和一个以太网模块可以组成Orbit网络。每个Orbit网络是OrbitNetwork类的实例。多个模块组成OrbitNetwork类的Modules属性，通过该属性可以执行添加模块（AddModule）、清空模块（ClearModules）、删除模块（DeleteModule）、Ping模块（Ping）、热点替换（FindHotswapped）等方法。对于某个Orbit网络，在其模块未知的情况下，可以使用Ping()方法获取整个网络内的模块。当其中的某个或某几个模块因各种原因被更换时，可以利用Orbit 3的热点替换特性在不更换通讯背板T-Con时直接更换模块，此时可使用FindHotswapped()方法更新模块。

每个Orbit控制器对应一个OrbitServer类，可视作数据库操作的服务器。每个Orbit服务器下可包含多个Orbit网络。在对模块进行操作前需要建立和Orbit控制器的连接，并在操作完成后释放连接。

参考程序如下：

4 结论

通过该系统在该汽车生产线中的工程实践可知，新的四轮检测系统具有很大的优势。检测速度方面，在操作人员未完全熟练掌握本系统的情况下，检测速度由原来的15min/台提升到现在的5min/台；检测准确性方面，检测结果与该厂整车车间四轮参数检测系统检测结果相差±5'，在合理范围内；操作性方面，本四轮检测系统是半自动检测，在保证安全的前提下减轻了操作人员的劳动强度。因此，本文研究的新四轮检测系统，在保证安全检测的前提下，较好的实现了快速、准确、易于操作的目标。通过实际操作，在详细分析系统接拍时间的基础上，将托盘与参数检测分别控制，进一步缩短了生产节拍，提高了检测速度。

[1]陈家瑞.汽车构造下册[M].北京:机械工业出版社,2000.184-185.

[2]杨松涛.如何正确测量转向轮前束[J].汽车维修,1995,02:10-11.

[3]Orbit3 Software(for the Microsoft .NET Framework)manual[EB/OL].