某汽車前懸總成裝配線四輪參數檢測系統設計

王之恒，聶爾來，劉 新，葉愛萍，管 宇

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

（1.北京機械工業自動化研究所，北京 100120；2.北京科技大學 計算機與通信工程學院，北京 100083）

0 引言

為保證汽車制造達到規定的安全標準，汽車裝配過程中的各種規格和參數的檢測顯得尤為重要。在某汽車廠的前懸總成裝配線中，為保證汽車使用的安全性需要檢測很多參數，其中四輪參數的檢測是為了減少輪胎非正常摩擦及相關部件的磨損，同時保證汽車能直線行駛、轉向輕便以及易于操控。此外，汽車行駛中的零件磨損、變形等會導致四輪參數的改變，將大大影響汽車整體的安全系數，所以定期進行四輪檢測是保證汽車安全的一個重要方面。因此，為了快速、準確地獲得四輪參數，研究四輪檢測系統的設計是十分有必要的，本文將分別從四輪參數介紹及控制目標、檢測系統構成、程序實現等三個方面介紹本系統，并根據實際效果提出改進措施，取得較好效果。

1 四輪參數介紹及控制目標

1.1 四輪參數介紹

常見的四輪參數有主銷后傾角、主銷內傾角、前輪外傾角和前輪前束角。下面主要介紹本系統用到的前輪外傾角和前輪前束角。

前輪外傾角是通過車輪中心的汽車橫向平面與車輪平面的交線與地面垂線之間的夾角[1]，如圖1所示。前輪的外傾角是在轉向節設計中確定的。設計時使轉向節軸頸的軸線與水平面成一角度，該角度即為前輪外傾角α（一般α為1o左右）[1]。由于前輪外傾角的存在，導致兩側車輪向外滾開[1]，但受制于轉向橫拉桿和車橋的約束，車輪將在地面上出現邊滾邊滑的現象，從而增加了輪胎的磨損。為了消除前輪外傾角帶來的這種不良后果，在安裝車輪時，使汽車兩前輪的中心面不平行，兩輪前邊緣距離B小于后邊緣距離A，A-B之差稱為前輪前束[1]，如圖2所示。前輪前束角指車輪的水平直徑與車輛縱向中心平面之間的夾角[2]，如圖2中的角。

圖1 前輪外傾角

圖2 前輪前束（俯視圖）

1.2 控制目標

根據生產工藝流程及生產節拍，檢測臺各氣缸相互配合、自動固定前懸總成模塊；四輪參數中，前輪外傾角為-35'±15'，前輪前束角為21'±2.5'。

在WinCC項目中需要實時顯示四輪參數的角度實際值、位移差值、角度合格指示、左右角度偏差。

2 檢測系統構成

四輪參數檢測系統位于該汽車前懸總成裝配線主線體一側的檢測臺上，如圖3所示。檢測臺上有三組氣缸，分別是1個移動缸、2個穿銷缸和4個舉升缸。其中，移動缸負責底座支架的水平移動，穿銷缸負責固定前懸總成模塊，舉升缸負責將前懸總成模塊舉升到指定的位置。

圖3 四輪參數檢測系統檢測臺

為測量四輪參數，根據前輪外傾角和前輪前束角的定義，需要測量制動盤上側、下側、左側、右側共四個點的位移變化。如圖4所示，為保護位移傳感器探頭及減少探頭磨損，在制動盤與位移傳感器之間增加十字轉接板，且傳感器和十字轉接板可以前后移動，避免上下件過程中磕碰工件。為避免碰撞制動器，十字轉接板內側保留上側、下側、不干涉側（左輪是右側，右輪是左側）的探頭。由于下側點測量位置安裝有固定裝置，無法安裝位移傳感器，因此在十字轉接板外側裝有三個位移傳感器，分別檢測制動盤上側、左側和右側接觸點在檢測過程中的位移變化。

在檢測臺上裝有一臺研華一體機，用于顯示檢測過程中的各個參數、控制檢測流程及設定參數范圍。

系統配有一件校零板，如圖5所示，用于標定位移傳感器初始位移。校零板與十字轉接板直接接觸的有A,B,C三個測量點，下側基準點D點是A點關于直線BC的對稱點。

圖4 檢測臺左視圖

圖5 校零板

3 程序實現

結合控制目標及現場實際，決定采用S7-300 PLC程序、位移傳感器程序與WinCC項目相結合的方式進行控制。其中，S7-300 PLC程序負責檢測臺各氣缸的動作、具體參數的計算；位移傳感器程序負責實時讀取各傳感器讀數并寫入數據庫；WinCC項目負責實時顯示四輪參數、計算參數設定、傳遞位移數據至S7-300 PLC。

3.1 S7-300 PLC程序實現

根據S7-300 PLC程序的功能，將S7-300 PLC分為檢測臺和參數計算兩部分，其中檢測臺程序控制檢測臺各氣缸的動作、檢測過程中各種條件的設定與判斷，參數計算程序負責計算當前前輪外傾角和前輪前束角的角度值、位移差值、左右角度偏差。

3.1.1 檢測臺程序

對于檢測臺氣缸動作，分為手動、自動兩部分。手動情況下不包含任何控制條件，各氣缸根據指令直接動作。自動情況下，氣缸根據工藝流程相互配合。

根據生產流程，當前懸總成模塊到達分支鏈線體后，移動缸伸出，穿銷缸、舉升缸落下；待前懸總成模塊從線體托盤上吊裝至檢測臺，移動缸縮回；移動缸縮回到位后穿銷缸伸出，定位前懸總成模塊；穿銷缸伸出到位后舉升缸伸出，固定前懸總成模塊。待操作人員將探頭與制動盤完全接觸后開始檢測四輪參數。檢測結束后，舉升缸縮回，釋放前懸總成模塊；舉升缸縮回到位后穿銷缸縮回，解除定位；穿銷缸縮回到位后移動缸伸出，此時可以將前懸總成模塊吊裝回分支鏈線體的托盤上。

為縮短生產節拍，提高檢測效率，最終確定在前懸總成模塊吊裝至檢測臺，移動缸縮回的同時托盤返回。在檢測的過程中到達下一工位，此時下一模塊開始進入分支鏈；待檢測結束后，直接將模塊吊裝至托盤。此時，下一模塊可以吊裝至檢測臺。

3.1.2 參數計算檢測算法

本系統選用的四輪參數是斜面與垂直面的夾角，為保證同一側的三個探頭確定的平面在測量前為垂直面，需要使用校零板校零。由于機械加工精度、使用消耗等原因，校零板的兩豎直面不一定為垂直面，因此需要在計算時進行糾偏，使得計算時的初始面為垂直面。根據圖5中A,B,C,D四點的三坐標值可以得出以D點為基準、以A,B,C點與D點三坐標差值為補償值的垂直面。

由于設備安裝時很難做到同一側的三個位移傳感器共面時位移量也完全相同，因此對位移傳感器初始讀數進行歸零。校零時記錄當前糾偏后位移為初始點位移dLU_Init、dLL_Init、dLR_Init、dRU_Init、dRL_Init、dRR_Init，在以后的計算中減去此初始點位移得到最終的糾偏后相對位移dLU、dLL、dLR、dRU、dRL、dRR。

前懸總成模塊裝配完成后送入整車車間進行總裝，在裝好車輪后需要再次檢測四輪參數，期間可能會產生新的誤差，因此加入車輪補償值。

由于西門子反正切函數輸出值為弧度值，需要轉換成角度值輸出，因此添加轉換系數。

根據前輪外傾角和前輪前束的定義，結合現場實際，得到以下最終計算公式：

左輪四輪參數計算公式：

dL_hight為左輪上側點到左側點與右側點中點距離，單位為毫米；

dL_length為左輪左側點與右側點距離，單位為毫米；

dLU為左輪上側點糾偏后位移，單位為毫米；

dLL為左輪左側點糾偏后位移，單位為毫米；

dLR為左輪右側點糾偏后位移，單位為毫米；

dLU_Act為左輪上側點實際位移，單位為毫米；

dLL_Act為左輪左側點實際位移，單位為毫米；

dLR_Act為左輪右側點實際位移，單位為毫米；

dLU_Init為左輪上側點初始點位移，單位為毫米；

dLL_Init為左輪左側點初始點位移，單位為毫米；

dLR_Init為左輪右側點初始點位移，單位為毫米；

dLU_Zero為校零板左輪上側點三坐標值，單位為毫米；

dLL_Zero為校零板左輪左側點三坐標值，單位為毫米；

dLR_Zero為校零板左輪右側點三坐標值，單位為毫米；

dLB_Zero為校零板左輪基準點三坐標值，單位為毫米。

右輪四輪參數計算公式：

dR_hight為右輪上側點到左側點與右側點中點距離，單位為毫米；

dR_length為右輪左側點與右側點距離，單位為毫米；

dRU為右輪上側點糾偏后位移，單位為毫米；

dRL為右輪左側點糾偏后位移，單位為毫米；

dRR為右輪右側點糾偏后位移，單位為毫米；

dRU_Act為右輪上側點實際位移，單位為毫米；

dRL_Act為右輪左側點實際位移，單位為毫米；

dRR_Act為右輪右側點實際位移，單位為毫米；

dRU_Init為右輪上側點初始點位移，單位為毫米；

dRL_Init為右輪左側點初始點位移，單位為毫米；

dRR_Init為右輪右側點初始點位移，單位為毫米；

dRU_Zero為校零板右輪上側點三坐標值，單位為毫米；

dRL_Zero為校零板右輪左側點三坐標值，單位為毫米；

dRR_Zero為校零板右輪右側點三坐標值，單位為毫米；

dRB_Zero為校零板右輪基準點三坐標值，單位為毫米。

3.2 位移數據交互

本系統采用Solartron Metrology公司出品的ORBIT 3位移傳感器采集位移數據。每個ORBIT 3網絡由一個電源模塊、六個傳感器模塊、一個以太網模塊組成。傳感器模塊由電源模塊供電，采集到的位移數據通過以太網模塊實時傳遞。

鑒于傳感器模塊無法直接將讀取的位移數據傳遞給S7-300 PLC，因此采用間接方式傳遞位移數據。使用ORBIT 3提供的Solartron.Orbit3類庫編寫C#程序，對數據進行讀取并寫入數據庫，通過WinCC項目內的全局腳本讀取數據庫中的位移數據并傳遞給相應的WinCC外部變量，進而通過WinCC與S7-300 PLC的通訊將位移數據寫入S7-300 PLC。

同C#訪問數據庫的方式類似，操作ORBIT 3網絡前后需要分別建立/關閉和Orbit控制器的連接。Solartron.Orbit3類庫位于OrbitLibrary.dll內，添加OrbitLibrary.dll引用后，使用using Solartron.Orbit3即可引入Solartron.Orbit3類庫的命名空間。下面就本文涉及的內容對該命名空間做一簡單介紹。

每個傳感器模塊有兩種分辨率可選，分別是16384級和65536級。每個模塊對應一個Orbit Module 類的實例，其屬性有模塊ID（Module ID）、模塊名、（ModuleName）、模塊狀態（ModuleStatus）、模塊類型（ModuleType）、以單位形式讀取（ReadingInUnits）、以計數形式讀取（ReadingInCounts）等。以單位形式讀取和以計數形式讀取是Orbit模塊的兩種讀取形式。以單位形式讀取直接返回位移傳感器當前位移數據，該數據是基于基本單位的雙精度浮點數。當傳感器模塊分辨率發生改變時，位移數據自動更新為當前分辨率下讀數。以計數形式讀取返回當前計數值，位移數據需通過式(11)求得。當傳感器模塊分辨率發生改變時，需要人工更新位移數據。綜合兩種讀數方式，本系統采用以單位形式讀取。

式中，m為位移數據；

c為位移傳感器計數值數；

p=14.18為分辨率；

R為位移傳感器量程。

多個傳感器模塊和一個以太網模塊可以組成Orbit網絡。每個Orbit網絡是OrbitNetwork類的實例。多個模塊組成OrbitNetwork類的Modules屬性，通過該屬性可以執行添加模塊（AddModule）、清空模塊（ClearModules）、刪除模塊（DeleteModule）、Ping模塊（Ping）、熱點替換（FindHotswapped）等方法。對于某個Orbit網絡，在其模塊未知的情況下，可以使用Ping()方法獲取整個網絡內的模塊。當其中的某個或某幾個模塊因各種原因被更換時，可以利用Orbit 3的熱點替換特性在不更換通訊背板T-Con時直接更換模塊，此時可使用FindHotswapped()方法更新模塊。

每個Orbit控制器對應一個OrbitServer類，可視作數據庫操作的服務器。每個Orbit服務器下可包含多個Orbit網絡。在對模塊進行操作前需要建立和Orbit控制器的連接，并在操作完成后釋放連接。

參考程序如下：

4 結論

通過該系統在該汽車生產線中的工程實踐可知，新的四輪檢測系統具有很大的優勢。檢測速度方面，在操作人員未完全熟練掌握本系統的情況下，檢測速度由原來的15min/臺提升到現在的5min/臺；檢測準確性方面，檢測結果與該廠整車車間四輪參數檢測系統檢測結果相差±5'，在合理范圍內；操作性方面，本四輪檢測系統是半自動檢測，在保證安全的前提下減輕了操作人員的勞動強度。因此，本文研究的新四輪檢測系統，在保證安全檢測的前提下，較好的實現了快速、準確、易于操作的目標。通過實際操作，在詳細分析系統接拍時間的基礎上，將托盤與參數檢測分別控制，進一步縮短了生產節拍，提高了檢測速度。

[1]陳家瑞.汽車構造下冊[M].北京:機械工業出版社,2000.184-185.

[2]楊松濤.如何正確測量轉向輪前束[J].汽車維修,1995,02:10-11.

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