汽車底盤硬點測量技術的研究*

夏 薇，蔣利浩，王 燦，曾建民，廖小平

(廣西大學，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的研究*

夏 薇，蔣利浩，王 燦，曾建民，廖小平

(廣西大學，廣西有色金屬及特色材料加工重點實驗室，南寧 530004)

采用關節臂式三坐標測量機(CMM)對某一汽車的底盤進行硬點測量。通過綜合分析整車載荷、車輪定位、車身姿態和數據對齊對測量精度的影響，提出了相應的控制方法和基準特征的選擇原則。針對采用常規測量平臺測量底盤硬點精度低的問題，改用K&C試驗機進行測量。結果表明，采用K&C試驗機有效提高了底盤硬點的測量精度。

汽車底盤;硬點;測量技術;三坐標測量機

前言

汽車底盤設計硬點是指底盤工程總布置設計過程中，為保證零部件之間的協調和裝配關系所確定的控制點(或坐標)，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數模和對整車進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，對底盤硬點進行驗證，有效地監控汽車的生產質量和性能，還能為底盤優化和試驗迭代開發提供強大的數據支撐[2]，縮短開發周期，提高開發效率。

底盤硬點實際測量是在整車裝配下進行，測量困難，存在結構復雜、測量范圍大、測量空間狹窄和精度要求高等問題，而關節臂式三坐標測量機具有測量范圍大、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，可針對性地解決以上問題。文獻[3]中利用Faro便攜式三坐標測量儀在舉升機上對底盤硬點進行驗證，但其測量精度不足。國內在這方面的研究較少，經驗相對匱乏，尚無統一的行業檢測標準和方法。文獻[2]中利用三維坐標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，但測量最大誤差達到了10mm。文獻[4]中利用便攜式三坐標測量儀測量底盤轉向橋硬點。然而這些研究都沒有對測量技術流程和誤差影響因素進行深入分析，測量結果誤差較大。

本文中結合實際工程應用對汽車底盤硬點三坐標測量技術進行研究和試驗，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 底盤硬點三坐標測量流程

汽車底盤硬點測量是獲取特定設計狀態下底盤硬點的數據，然而汽車在不同狀態下底盤硬點的位置有很大變化。為避免由于測量狀態與設計狀態不同而引起硬點位置發生變化，測量前必須將汽車的測量狀態盡可能調整至設計狀態，以保證測量結果的準確性。在測量狀態達到要求后，還必須將設備坐標系下的測量數據對齊，轉換成整車設計坐標系下的數據，主要原因有兩方面：一是工程應用需要的是整車設計坐標系下的硬點數據；二是底盤的測量范圍大，須要分塊測量并將分塊數據統一對齊至整車設計坐標系下來獲取完整的數據，測量流程如圖1所示。

2 測量精度分析與控制

汽車的測量狀態和數據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下進行測量，此時測量狀態由車輛的靜載荷和整車姿態決定。因此，影響測量精度的因素主要包括車輛載荷、整車姿態和數據對齊3方面。

2.1 車輛載荷

汽車底盤硬點測量根據汽車受到靜載荷的不同分為空載、半載和滿載3種狀態。在不同載荷狀態下，懸架、彈簧壓縮量和車輪定位等會發生變化，從而造成硬點的空間位置發生改變。因此，輸入的載荷與設計載荷之間的差異是導致測量數據產生偏差的因素之一。通常每種狀態下施加的實際載荷與設計載荷的偏差不能超過3%[3]，而通過調節汽車質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量分布狀況，其中空車質量為1 600kg，油箱滿油狀態下的質量為40kg，每個人的質量為68kg，每個人攜帶行李的質量為7kg。

表1 汽車質量分布狀況 kg

2.2 整車姿態

底盤硬點測量中，整車姿態描述的是汽車在各種載荷狀態下的車輪定位狀況和車身姿態[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。此外，實際車身姿態與設計姿態不一致，即車身相對于理論位置產生一定的傾斜，汽車的質心將產生一定的偏移，整車的受力改變[6]，懸架發生相應的變形，使硬點的空間位置偏離設計位置，造成測量偏差。

要將整車姿態與整車設計姿態調整至一致，車輪定位和車身姿態必須得到控制。首先須保證車輪的實際定位參數與設計值一致，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的基準特征作為調整標志并建立參考水平面，以水平面為參考調節基準特征的空間相對位置達到理論設計位置，間接地將車身姿態調整至車身設計姿態。因此，基準特征的合理選擇與準確測量和車輪定位參數的控制是整車姿態調整的關鍵。

2.3 數據對齊

2.3.1 基于3個基準點的數據對齊原理

底盤是由很多零部件裝配在一起的復雜系統，其硬點數據是一些離散的數據點集，可將其視為一個剛體。數據的對齊過程可視為剛體相對于某一個坐標系的平移和旋轉運動，即將數據對齊轉換成坐標變換問題。設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為旋轉矩陣；T為平移矩陣。建立兩點間距離的最小二乘目標函數[7]，數據對齊應使目標函數最小：

minF(R,T)=∑(R×pi+T-qi)2

(2)

因此，數據對齊的關鍵在于求解旋轉矩陣R和平移矩陣T。由于數據點集沒有規則的幾何形狀，無法利用幾何關系找到坐標改變后兩次定位之間的坐標變換關系，只能利用點的對應關系來計算不同坐標系下的數據的轉換關系。基于3個基準點的對齊方法[8-10]通過在不同坐標系下分別建立用于對齊的3個以上不共線的基準特征并提取出基準點，將對應基準點測量值與理論設計值匹配對齊后可求得兩者之間的坐標變換關系。圖2為基于3個基準點的坐標變換示意圖。

在測量設備坐標系下取3個基準點pi(i=1，2，3)，在整車設計坐標系下對應的基準點qi(i=1，2，3)，通過基準點作坐標系矢量[8]：

(3)

單位化式(3)中的坐標矢量：

(4)

令o1(u1，v1，w1)，o2(u2，v2，w3)分別為數據點集坐標系變換前后對應的基準點測量零件坐標系和理論設計零件坐標系，令[o1]，[o2]為兩個單位矢量矩陣，則有[o2]=[o1]R，可得旋轉矩陣：

R=[o1]-1[o2]

(5)

令i=1，聯立式(1)和式(5)得平移矩陣：

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

(6)

聯立式(1)、式(5)和式(6)可得坐標轉換的一般式：

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點的測量精度和選取的位置。下面對該方法的對齊誤差進行分析，定義3個基準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)

由于基準點存在測量誤差，基于3個基準點的數據轉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，在相同的基準點測量誤差下，基準點的距離越遠，對齊誤差越小；另外當測量狀態成正態分布時，基準點應盡可能呈等邊三角形分布，使每個基準點的相對誤差趨于相等[9]。

3 基準特征的選擇

基準特征的合理選擇與準確測量對車身姿態的控制和數據對齊的精度有重要影響，結合數據對齊的誤差分析，基準特征的選擇應遵循以下原則[3]：(1)能夠反映車身姿態；(2)至少需要3個以上不共線的基準特征；(3)盡可能在同一底盤零件上；(4)制造和裝配公差最小；(5)系統測量范圍內基準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，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特征的選擇原則。因此，在進行底盤硬點測量時，可以選用圖4所示的定位孔作為測量基準特征。

4 測量方案的改進和結果驗證

4.1 基于常規平臺的測量

將汽車置于地溝或舉升機支撐平臺上，然后直接利用三坐標測量機進行測量。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計載荷的偏差，如圖5所示。

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

表2 基于常規平臺測量的前輪輪心點數據 mm

通過進一步分析可以看出，基于常規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進行調整，導致整車姿態達不到整車設計姿態，使底盤硬點相對于設計狀態發生了改變；采用配重塊對汽車施加載荷的精度較低，造成測量結果產生了一定的偏差。

4.2 基于K&C試驗機的測量

為了提高測量的準確性，經過多次研究試驗后，本文中將K&C試驗機應用于底盤硬點三坐標測量，可以針對性地解決上述方案的不足。K&C試驗機主要由固定模塊、加載模塊和測控系統等組成，其中測控系統主要包括車輪6自由度運動測量機構、輪距和軸距調整系統、數據采集和處理系統，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據[11]。

使用K&C試驗機固定模塊的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，在合理選擇基準特征的情況下，能更準確地將基準特征的空間位置調至設計位置。加載模塊可以對不同狀態下的汽車施加精準的負荷，同時測控系統可對汽車的輪距、軸距等車輪定位參數進行調控，使實際整車姿態能方便調整到汽車的設計狀態，確保最終測量精度，如圖6所示。

同樣，基于K&C試驗機的測量方案對一輛質檢合格的汽車進行測量試驗研究，獲得表3所示該車前輪輪心點的測量數據，測量結果顯示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試驗機測量的前輪輪心點數據 mm

5 結論

(1) 影響測量精度的兩個主要因素是汽車的測量狀態和數據對齊精度。精確的載荷、車輪定位和車身姿態是否與設計姿態一致是保證測量狀態達到設計狀態的關鍵，否則將使底盤硬點的位置發生變化，造成測量數據失真；而車身姿態的調整和數據對齊的精度取決于基準特征的測量精度和合理選擇。

(2) 總結了底盤硬點測量的技術流程和車身姿態調整與數據對齊時基準特征的選擇原則。

(3) 針對基于簡化設備的傳統測量方案存在測量精度低的問題，借助K&C試驗機對整車載荷、車輪定位和車身姿態進行精確調控，使實車測量狀態能方便地調整至汽車的設計狀態，實際測量結果證明了基于K&C試驗機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。