汽車底盤硬點測量技術(shù)的研究*

夏 薇，蔣利浩，王 燦，曾建民，廖小平

(廣西大學(xué)，廣西有色金屬及特色材料加工重點實驗室，南寧 530004)

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2015168

汽車底盤硬點測量技術(shù)的研究*

夏 薇，蔣利浩，王 燦，曾建民，廖小平

(廣西大學(xué)，廣西有色金屬及特色材料加工重點實驗室，南寧 530004)

采用關(guān)節(jié)臂式三坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)對某一汽車的底盤進(jìn)行硬點測量。通過綜合分析整車載荷、車輪定位、車身姿態(tài)和數(shù)據(jù)對齊對測量精度的影響，提出了相應(yīng)的控制方法和基準(zhǔn)特征的選擇原則。針對采用常規(guī)測量平臺測量底盤硬點精度低的問題，改用K&C試驗機(jī)進(jìn)行測量。結(jié)果表明，采用K&C試驗機(jī)有效提高了底盤硬點的測量精度。

汽車底盤;硬點;測量技術(shù);三坐標(biāo)測量機(jī)

前言

汽車底盤設(shè)計硬點是指底盤工程總布置設(shè)計過程中，為保證零部件之間的協(xié)調(diào)和裝配關(guān)系所確定的控制點(或坐標(biāo))，對汽車的行駛性能有重要影響[1]。底盤硬點的獲取主要有量測CAD數(shù)模和對整車進(jìn)行實際測量兩種方式。前者僅能獲得實車試制前底盤硬點的設(shè)計理論值，而后者不僅可獲得實車底盤硬點的真實值，對底盤硬點進(jìn)行驗證，有效地監(jiān)控汽車的生產(chǎn)質(zhì)量和性能，還能為底盤優(yōu)化和試驗迭代開發(fā)提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)支撐[2]，縮短開發(fā)周期，提高開發(fā)效率。

底盤硬點實際測量是在整車裝配下進(jìn)行，測量困難，存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、測量范圍大、測量空間狹窄和精度要求高等問題，而關(guān)節(jié)臂式三坐標(biāo)測量機(jī)具有測量范圍大、死角少、柔性好和精度高等特點，能夠快速精確地采集被測物體上各測點的三維空間坐標(biāo)，可針對性地解決以上問題。文獻(xiàn)[3]中利用Faro便攜式三坐標(biāo)測量儀在舉升機(jī)上對底盤硬點進(jìn)行驗證，但其測量精度不足。國內(nèi)在這方面的研究較少，經(jīng)驗相對匱乏，尚無統(tǒng)一的行業(yè)檢測標(biāo)準(zhǔn)和方法。文獻(xiàn)[2]中利用三維坐標(biāo)儀獲取了麥弗遜式前懸架和五桿螺旋彈簧式非獨立后懸架硬點，但測量最大誤差達(dá)到了10mm。文獻(xiàn)[4]中利用便攜式三坐標(biāo)測量儀測量底盤轉(zhuǎn)向橋硬點。然而這些研究都沒有對測量技術(shù)流程和誤差影響因素進(jìn)行深入分析，測量結(jié)果誤差較大。

本文中結(jié)合實際工程應(yīng)用對汽車底盤硬點三坐標(biāo)測量技術(shù)進(jìn)行研究和試驗，探討了一種快速獲取底盤硬點的方法，能顯著提高測量精度。

1 底盤硬點三坐標(biāo)測量流程

汽車底盤硬點測量是獲取特定設(shè)計狀態(tài)下底盤硬點的數(shù)據(jù)，然而汽車在不同狀態(tài)下底盤硬點的位置有很大變化。為避免由于測量狀態(tài)與設(shè)計狀態(tài)不同而引起硬點位置發(fā)生變化，測量前必須將汽車的測量狀態(tài)盡可能調(diào)整至設(shè)計狀態(tài)，以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。在測量狀態(tài)達(dá)到要求后，還必須將設(shè)備坐標(biāo)系下的測量數(shù)據(jù)對齊，轉(zhuǎn)換成整車設(shè)計坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)，主要原因有兩方面：一是工程應(yīng)用需要的是整車設(shè)計坐標(biāo)系下的硬點數(shù)據(jù)；二是底盤的測量范圍大，須要分塊測量并將分塊數(shù)據(jù)統(tǒng)一對齊至整車設(shè)計坐標(biāo)系下來獲取完整的數(shù)據(jù)，測量流程如圖1所示。

2 測量精度分析與控制

汽車的測量狀態(tài)和數(shù)據(jù)對齊精度對測量精度有重要影響，而汽車底盤硬點是在靜態(tài)下進(jìn)行測量，此時測量狀態(tài)由車輛的靜載荷和整車姿態(tài)決定。因此，影響測量精度的因素主要包括車輛載荷、整車姿態(tài)和數(shù)據(jù)對齊3方面。

2.1 車輛載荷

汽車底盤硬點測量根據(jù)汽車受到靜載荷的不同分為空載、半載和滿載3種狀態(tài)。在不同載荷狀態(tài)下，懸架、彈簧壓縮量和車輪定位等會發(fā)生變化，從而造成硬點的空間位置發(fā)生改變。因此，輸入的載荷與設(shè)計載荷之間的差異是導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差的因素之一。通常每種狀態(tài)下施加的實際載荷與設(shè)計載荷的偏差不能超過3%[3]，而通過調(diào)節(jié)汽車質(zhì)量的分布可以改變底盤靜載荷輸入的大小。表1為某汽車廠底盤硬點測量時汽車質(zhì)量分布狀況，其中空車質(zhì)量為1 600kg，油箱滿油狀態(tài)下的質(zhì)量為40kg，每個人的質(zhì)量為68kg，每個人攜帶行李的質(zhì)量為7kg。

表1 汽車質(zhì)量分布狀況 kg

2.2 整車姿態(tài)

底盤硬點測量中，整車姿態(tài)描述的是汽車在各種載荷狀態(tài)下的車輪定位狀況和車身姿態(tài)[5]。車輪與懸架通過硬點連接，車輪定位與懸架連接硬點的空間位置直接相關(guān)。此外，實際車身姿態(tài)與設(shè)計姿態(tài)不一致，即車身相對于理論位置產(chǎn)生一定的傾斜，汽車的質(zhì)心將產(chǎn)生一定的偏移，整車的受力改變[6]，懸架發(fā)生相應(yīng)的變形，使硬點的空間位置偏離設(shè)計位置，造成測量偏差。

要將整車姿態(tài)與整車設(shè)計姿態(tài)調(diào)整至一致，車輪定位和車身姿態(tài)必須得到控制。首先須保證車輪的實際定位參數(shù)與設(shè)計值一致，如軸距、輪距和前束等，其次在底盤上選擇一些能夠反映車身姿態(tài)的基準(zhǔn)特征作為調(diào)整標(biāo)志并建立參考水平面，以水平面為參考調(diào)節(jié)基準(zhǔn)特征的空間相對位置達(dá)到理論設(shè)計位置，間接地將車身姿態(tài)調(diào)整至車身設(shè)計姿態(tài)。因此，基準(zhǔn)特征的合理選擇與準(zhǔn)確測量和車輪定位參數(shù)的控制是整車姿態(tài)調(diào)整的關(guān)鍵。

2.3 數(shù)據(jù)對齊

2.3.1 基于3個基準(zhǔn)點的數(shù)據(jù)對齊原理

底盤是由很多零部件裝配在一起的復(fù)雜系統(tǒng)，其硬點數(shù)據(jù)是一些離散的數(shù)據(jù)點集，可將其視為一個剛體。數(shù)據(jù)的對齊過程可視為剛體相對于某一個坐標(biāo)系的平移和旋轉(zhuǎn)運動，即將數(shù)據(jù)對齊轉(zhuǎn)換成坐標(biāo)變換問題。設(shè)剛體上任意一點從位置pi(xi，yi，zi)運動到位置qi(Xi，Yi，Zi)，則有

qi=pi×R+T

(1)

式中：R為旋轉(zhuǎn)矩陣；T為平移矩陣。建立兩點間距離的最小二乘目標(biāo)函數(shù)[7]，數(shù)據(jù)對齊應(yīng)使目標(biāo)函數(shù)最小：

minF(R,T)=∑(R×pi+T-qi)2

(2)

因此，數(shù)據(jù)對齊的關(guān)鍵在于求解旋轉(zhuǎn)矩陣R和平移矩陣T。由于數(shù)據(jù)點集沒有規(guī)則的幾何形狀，無法利用幾何關(guān)系找到坐標(biāo)改變后兩次定位之間的坐標(biāo)變換關(guān)系，只能利用點的對應(yīng)關(guān)系來計算不同坐標(biāo)系下的數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系。基于3個基準(zhǔn)點的對齊方法[8-10]通過在不同坐標(biāo)系下分別建立用于對齊的3個以上不共線的基準(zhǔn)特征并提取出基準(zhǔn)點，將對應(yīng)基準(zhǔn)點測量值與理論設(shè)計值匹配對齊后可求得兩者之間的坐標(biāo)變換關(guān)系。圖2為基于3個基準(zhǔn)點的坐標(biāo)變換示意圖。

在測量設(shè)備坐標(biāo)系下取3個基準(zhǔn)點pi(i=1，2，3)，在整車設(shè)計坐標(biāo)系下對應(yīng)的基準(zhǔn)點qi(i=1，2，3)，通過基準(zhǔn)點作坐標(biāo)系矢量[8]：

(3)

單位化式(3)中的坐標(biāo)矢量：

(4)

令o1(u1，v1，w1)，o2(u2，v2，w3)分別為數(shù)據(jù)點集坐標(biāo)系變換前后對應(yīng)的基準(zhǔn)點測量零件坐標(biāo)系和理論設(shè)計零件坐標(biāo)系，令[o1]，[o2]為兩個單位矢量矩陣，則有[o2]=[o1]R，可得旋轉(zhuǎn)矩陣：

R=[o1]-1[o2]

(5)

令i=1，聯(lián)立式(1)和式(5)得平移矩陣：

T=q1-p1[o1]-1[o2]

(6)

聯(lián)立式(1)、式(5)和式(6)可得坐標(biāo)轉(zhuǎn)換的一般式：

qi=pi×[o1]-1[o2]-p1[o1]-1[o2]+q1

(7)

2.3.2 基于3個基準(zhǔn)點對齊的精度分析

從式(7)可以看出，該方法的對齊精度取決于基準(zhǔn)點的測量精度和選取的位置。下面對該方法的對齊誤差進(jìn)行分析，定義3個基準(zhǔn)點之間的矢量絕對值：

a1=|p2-p1|，b1=|p3-p2|，c1=|p1-p3|；

a2=|q2-q1|，b2=|q3-q2|，c2=|q1-q3|

(8)

由于基準(zhǔn)點存在測量誤差，基于3個基準(zhǔn)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換對齊只能保證一條邊和一個點的重合，圖3為p1，q1點和a1，a2邊重合，a1

則其相對誤差：

(9)

從式(9)可以看出，在相同的基準(zhǔn)點測量誤差下，基準(zhǔn)點的距離越遠(yuǎn)，對齊誤差越小；另外當(dāng)測量狀態(tài)成正態(tài)分布時，基準(zhǔn)點應(yīng)盡可能呈等邊三角形分布，使每個基準(zhǔn)點的相對誤差趨于相等[9]。

3 基準(zhǔn)特征的選擇

基準(zhǔn)特征的合理選擇與準(zhǔn)確測量對車身姿態(tài)的控制和數(shù)據(jù)對齊的精度有重要影響，結(jié)合數(shù)據(jù)對齊的誤差分析，基準(zhǔn)特征的選擇應(yīng)遵循以下原則[3]：(1)能夠反映車身姿態(tài)；(2)至少需要3個以上不共線的基準(zhǔn)特征；(3)盡可能在同一底盤零件上；(4)制造和裝配公差最小；(5)系統(tǒng)測量范圍內(nèi)基準(zhǔn)特征之間的空間距離盡可能大且呈等邊三角形分布；(6)便于定義其名義值和方便測量。

一般情況下，車身底部會有若干定位孔作為車身焊接基準(zhǔn)，它們的形位公差精度比較高，常常對稱分布在車身中軸線的兩邊，并較好地滿足了基準(zhǔn)特征的選擇原則。因此，在進(jìn)行底盤硬點測量時，可以選用圖4所示的定位孔作為測量基準(zhǔn)特征。

4 測量方案的改進(jìn)和結(jié)果驗證

4.1 基于常規(guī)平臺的測量

將汽車置于地溝或舉升機(jī)支撐平臺上，然后直接利用三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行測量。對于載荷的輸入，模擬實際工況下汽車的受載情況，采用配重塊的方式施加，并通過四輪定位檢驗實際載荷與設(shè)計載荷的偏差，如圖5所示。

針對上述基于常規(guī)平臺的測量方案，本文中對一輛質(zhì)檢合格的汽車進(jìn)行實際測量驗證。該車前輪輪心點的測量結(jié)果如表2所示。由表可見，左側(cè)和右側(cè)輪心點在x和z方向的偏差分別達(dá)到了5.672和3.549mm，根據(jù)汽車左右車輪的對稱性可知，該方案的測量精度不足。

表2 基于常規(guī)平臺測量的前輪輪心點數(shù)據(jù) mm

通過進(jìn)一步分析可以看出，基于常規(guī)平臺的測量方案存在以下問題：車輪定位無法控制，同時不能對車身姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，導(dǎo)致整車姿態(tài)達(dá)不到整車設(shè)計姿態(tài)，使底盤硬點相對于設(shè)計狀態(tài)發(fā)生了改變；采用配重塊對汽車施加載荷的精度較低，造成測量結(jié)果產(chǎn)生了一定的偏差。

4.2 基于K&C試驗機(jī)的測量

為了提高測量的準(zhǔn)確性，經(jīng)過多次研究試驗后，本文中將K&C試驗機(jī)應(yīng)用于底盤硬點三坐標(biāo)測量，可以針對性地解決上述方案的不足。K&C試驗機(jī)主要由固定模塊、加載模塊和測控系統(tǒng)等組成，其中測控系統(tǒng)主要包括車輪6自由度運動測量機(jī)構(gòu)、輪距和軸距調(diào)整系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，能夠模擬樣車在各種實際工況下汽車的運動特性，并獲取其運動性能數(shù)據(jù)[11]。

使用K&C試驗機(jī)固定模塊的4個柱狀夾緊裝置夾緊車架底部的裙邊，可任意將車身底部被夾緊部分提升或降低高度，且對其它部位空間位置的變化影響很小，在合理選擇基準(zhǔn)特征的情況下，能更準(zhǔn)確地將基準(zhǔn)特征的空間位置調(diào)至設(shè)計位置。加載模塊可以對不同狀態(tài)下的汽車施加精準(zhǔn)的負(fù)荷，同時測控系統(tǒng)可對汽車的輪距、軸距等車輪定位參數(shù)進(jìn)行調(diào)控，使實際整車姿態(tài)能方便調(diào)整到汽車的設(shè)計狀態(tài)，確保最終測量精度，如圖6所示。

同樣，基于K&C試驗機(jī)的測量方案對一輛質(zhì)檢合格的汽車進(jìn)行測量試驗研究，獲得表3所示該車前輪輪心點的測量數(shù)據(jù)，測量結(jié)果顯示x和z方向上的最大誤差分別由原來的5.672和3.549mm下降為0.681和0.278mm，測量精度明顯提高，符合實際情況。

表3 基于K&C試驗機(jī)測量的前輪輪心點數(shù)據(jù) mm

5 結(jié)論

(1) 影響測量精度的兩個主要因素是汽車的測量狀態(tài)和數(shù)據(jù)對齊精度。精確的載荷、車輪定位和車身姿態(tài)是否與設(shè)計姿態(tài)一致是保證測量狀態(tài)達(dá)到設(shè)計狀態(tài)的關(guān)鍵，否則將使底盤硬點的位置發(fā)生變化，造成測量數(shù)據(jù)失真；而車身姿態(tài)的調(diào)整和數(shù)據(jù)對齊的精度取決于基準(zhǔn)特征的測量精度和合理選擇。

(2) 總結(jié)了底盤硬點測量的技術(shù)流程和車身姿態(tài)調(diào)整與數(shù)據(jù)對齊時基準(zhǔn)特征的選擇原則。

(3) 針對基于簡化設(shè)備的傳統(tǒng)測量方案存在測量精度低的問題，借助K&C試驗機(jī)對整車載荷、車輪定位和車身姿態(tài)進(jìn)行精確調(diào)控，使實車測量狀態(tài)能方便地調(diào)整至汽車的設(shè)計狀態(tài)，實際測量結(jié)果證明了基于K&C試驗機(jī)的測量方案可有效提高測量精度。

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A Research on Measurement Technology of Vehicle Chassis Hard Points

Xia Wei, Jiang Lihao, Wang Can, Zeng Jianmin & Liao Xiaoping

StateKeyLaboratoryofProcessingforNon-ferrousMetalandFeaturedMaterialsofGuangxi,GuangxiUniversity,Nanning530004

An articulated arm coordinate measuring machine is used to measure the hard points of a vehicle chassis, and by comprehensively analyzing the effects of vehicle loads, wheel alignment, vehicle body attitude and data alignment on measurement accuracy, the corresponding control methods and the selection principles of datum feature are proposed. In view of the low accuracy of conventional measurement platform in vehicle chassis hard point measurement, the K&C tester is used instead. The results of measurement show that using K&C tester effectively enhance the measurement accuracy of vehicle chassis hard points.

vehicle chassis; hard points; measurement technique; CMM

*廣西有色金屬及特色材料加工重點實驗室開放基金(GXKFJ12-03)資助。

原稿收到日期為2013年7月29日，修改稿收到日期為2014年4月20日。