某汽車前懸總成裝配線四輪參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所，北京 100120；2.北京科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

為保證汽車制造達(dá)到規(guī)定的安全標(biāo)準(zhǔn)，汽車裝配過程中的各種規(guī)格和參數(shù)的檢測(cè)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(cè)很多參數(shù)，其中四輪參數(shù)的檢測(cè)是為了減少輪胎非正常摩擦及相關(guān)部件的磨損，同時(shí)保證汽車能直線行駛、轉(zhuǎn)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(huì)導(dǎo)致四輪參數(shù)的改變，將大大影響汽車整體的安全系數(shù)，所以定期進(jìn)行四輪檢測(cè)是保證汽車安全的一個(gè)重要方面。因此，為了快速、準(zhǔn)確地獲得四輪參數(shù)，研究四輪檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是十分有必要的，本文將分別從四輪參數(shù)介紹及控制目標(biāo)、檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成、程序?qū)崿F(xiàn)等三個(gè)方面介紹本系統(tǒng)，并根據(jù)實(shí)際效果提出改進(jìn)措施，取得較好效果。

1 四輪參數(shù)介紹及控制目標(biāo)

1.1 四輪參數(shù)介紹

常見的四輪參數(shù)有主銷后傾角、主銷內(nèi)傾角、前輪外傾角和前輪前束角。下面主要介紹本系統(tǒng)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(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計(jì)中確定的。設(shè)計(jì)時(shí)使轉(zhuǎn)向節(jié)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(dǎo)致兩側(cè)車輪向外滾開[1]，但受制于轉(zhuǎn)向橫拉桿和車橋的約束，車輪將在地面上出現(xiàn)邊滾邊滑的現(xiàn)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(shí)，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(biāo)

根據(jù)生產(chǎn)工藝流程及生產(chǎn)節(jié)拍，檢測(cè)臺(tái)各氣缸相互配合、自動(dòng)固定前懸總成模塊；四輪參數(shù)中，前輪外傾角為-35'±15'，前輪前束角為21'±2.5'。

在WinCC項(xiàng)目中需要實(shí)時(shí)顯示四輪參數(shù)的角度實(shí)際值、位移差值、角度合格指示、左右角度偏差。

2 檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成

四輪參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)位于該汽車前懸總成裝配線主線體一側(cè)的檢測(cè)臺(tái)上，如圖3所示。檢測(cè)臺(tái)上有三組氣缸，分別是1個(gè)移動(dòng)缸、2個(gè)穿銷缸和4個(gè)舉升缸。其中，移動(dòng)缸負(fù)責(zé)底座支架的水平移動(dòng)，穿銷缸負(fù)責(zé)固定前懸總成模塊，舉升缸負(fù)責(zé)將前懸總成模塊舉升到指定的位置。

圖3 四輪參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)臺(tái)

為測(cè)量四輪參數(shù)，根據(jù)前輪外傾角和前輪前束角的定義，需要測(cè)量制動(dòng)盤上側(cè)、下側(cè)、左側(cè)、右側(cè)共四個(gè)點(diǎn)的位移變化。如圖4所示，為保護(hù)位移傳感器探頭及減少探頭磨損，在制動(dòng)盤與位移傳感器之間增加十字轉(zhuǎn)接板，且傳感器和十字轉(zhuǎn)接板可以前后移動(dòng)，避免上下件過程中磕碰工件。為避免碰撞制動(dòng)器，十字轉(zhuǎn)接板內(nèi)側(cè)保留上側(cè)、下側(cè)、不干涉?zhèn)龋ㄗ筝喪怯覀?cè)，右輪是左側(cè)）的探頭。由于下側(cè)點(diǎn)測(cè)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(zhuǎn)接板外側(cè)裝有三個(gè)位移傳感器，分別檢測(cè)制動(dòng)盤上側(cè)、左側(cè)和右側(cè)接觸點(diǎn)在檢測(cè)過程中的位移變化。

在檢測(cè)臺(tái)上裝有一臺(tái)研華一體機(jī)，用于顯示檢測(cè)過程中的各個(gè)參數(shù)、控制檢測(cè)流程及設(shè)定參數(shù)范圍。

系統(tǒng)配有一件校零板，如圖5所示，用于標(biāo)定位移傳感器初始位移。校零板與十字轉(zhuǎn)接板直接接觸的有A,B,C三個(gè)測(cè)量點(diǎn)，下側(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)D點(diǎn)是A點(diǎn)關(guān)于直線BC的對(duì)稱點(diǎn)。

圖4 檢測(cè)臺(tái)左視圖

圖5 校零板

3 程序?qū)崿F(xiàn)

結(jié)合控制目標(biāo)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，決定采用S7-300 PLC程序、位移傳感器程序與WinCC項(xiàng)目相結(jié)合的方式進(jìn)行控制。其中，S7-300 PLC程序負(fù)責(zé)檢測(cè)臺(tái)各氣缸的動(dòng)作、具體參數(shù)的計(jì)算；位移傳感器程序負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)讀取各傳感器讀數(shù)并寫入數(shù)據(jù)庫；WinCC項(xiàng)目負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示四輪參數(shù)、計(jì)算參數(shù)設(shè)定、傳遞位移數(shù)據(jù)至S7-300 PLC。

3.1 S7-300 PLC程序?qū)崿F(xiàn)

根據(jù)S7-300 PLC程序的功能，將S7-300 PLC分為檢測(cè)臺(tái)和參數(shù)計(jì)算兩部分，其中檢測(cè)臺(tái)程序控制檢測(cè)臺(tái)各氣缸的動(dòng)作、檢測(cè)過程中各種條件的設(shè)定與判斷，參數(shù)計(jì)算程序負(fù)責(zé)計(jì)算當(dāng)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(cè)臺(tái)程序

對(duì)于檢測(cè)臺(tái)氣缸動(dòng)作，分為手動(dòng)、自動(dòng)兩部分。手動(dòng)情況下不包含任何控制條件，各氣缸根據(jù)指令直接動(dòng)作。自動(dòng)情況下，氣缸根據(jù)工藝流程相互配合。

根據(jù)生產(chǎn)流程，當(dāng)前懸總成模塊到達(dá)分支鏈線體后，移動(dòng)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(cè)臺(tái)，移動(dòng)缸縮回；移動(dòng)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(dòng)盤完全接觸后開始檢測(cè)四輪參數(shù)。檢測(cè)結(jié)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(dòng)缸伸出，此時(shí)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(chǎn)節(jié)拍，提高檢測(cè)效率，最終確定在前懸總成模塊吊裝至檢測(cè)臺(tái)，移動(dòng)缸縮回的同時(shí)托盤返回。在檢測(cè)的過程中到達(dá)下一工位，此時(shí)下一模塊開始進(jìn)入分支鏈；待檢測(cè)結(jié)束后，直接將模塊吊裝至托盤。此時(shí)，下一模塊可以吊裝至檢測(cè)臺(tái)。

3.1.2 參數(shù)計(jì)算檢測(cè)算法

本系統(tǒng)選用的四輪參數(shù)是斜面與垂直面的夾角，為保證同一側(cè)的三個(gè)探頭確定的平面在測(cè)量前為垂直面，需要使用校零板校零。由于機(jī)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(jì)算時(shí)進(jìn)行糾偏，使得計(jì)算時(shí)的初始面為垂直面。根據(jù)圖5中A,B,C,D四點(diǎn)的三坐標(biāo)值可以得出以D點(diǎn)為基準(zhǔn)、以A,B,C點(diǎn)與D點(diǎn)三坐標(biāo)差值為補(bǔ)償值的垂直面。

由于設(shè)備安裝時(shí)很難做到同一側(cè)的三個(gè)位移傳感器共面時(shí)位移量也完全相同，因此對(duì)位移傳感器初始讀數(shù)進(jìn)行歸零。校零時(shí)記錄當(dāng)前糾偏后位移為初始點(diǎn)位移dLU_Init、dLL_Init、dLR_Init、dRU_Init、dRL_Init、dRR_Init，在以后的計(jì)算中減去此初始點(diǎn)位移得到最終的糾偏后相對(duì)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(jìn)行總裝，在裝好車輪后需要再次檢測(cè)四輪參數(shù)，期間可能會(huì)產(chǎn)生新的誤差，因此加入車輪補(bǔ)償值。

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

根據(jù)前輪外傾角和前輪前束的定義，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，得到以下最終計(jì)算公式：

左輪四輪參數(shù)計(jì)算公式：

dL_hight為左輪上側(cè)點(diǎn)到左側(cè)點(diǎn)與右側(cè)點(diǎn)中點(diǎn)距離，單位為毫米；

dL_length為左輪左側(cè)點(diǎn)與右側(cè)點(diǎn)距離，單位為毫米；

dLU為左輪上側(cè)點(diǎn)糾偏后位移，單位為毫米；

dLL為左輪左側(cè)點(diǎn)糾偏后位移，單位為毫米；

dLR為左輪右側(cè)點(diǎn)糾偏后位移，單位為毫米；

dLU_Act為左輪上側(cè)點(diǎn)實(shí)際位移，單位為毫米；

dLL_Act為左輪左側(cè)點(diǎn)實(shí)際位移，單位為毫米；

dLR_Act為左輪右側(cè)點(diǎn)實(shí)際位移，單位為毫米；

dLU_Init為左輪上側(cè)點(diǎn)初始點(diǎn)位移，單位為毫米；

dLL_Init為左輪左側(cè)點(diǎn)初始點(diǎn)位移，單位為毫米；

dLR_Init為左輪右側(cè)點(diǎn)初始點(diǎn)位移，單位為毫米；

dLU_Zero為校零板左輪上側(cè)點(diǎn)三坐標(biāo)值，單位為毫米；

dLL_Zero為校零板左輪左側(cè)點(diǎn)三坐標(biāo)值，單位為毫米；

dLR_Zero為校零板左輪右側(cè)點(diǎn)三坐標(biāo)值，單位為毫米；

dLB_Zero為校零板左輪基準(zhǔn)點(diǎn)三坐標(biāo)值，單位為毫米。

右輪四輪參數(shù)計(jì)算公式：

dR_hight為右輪上側(cè)點(diǎn)到左側(cè)點(diǎn)與右側(cè)點(diǎn)中點(diǎn)距離，單位為毫米；

dR_length為右輪左側(cè)點(diǎn)與右側(cè)點(diǎn)距離，單位為毫米；

dRU為右輪上側(cè)點(diǎn)糾偏后位移，單位為毫米；

dRL為右輪左側(cè)點(diǎn)糾偏后位移，單位為毫米；

dRR為右輪右側(cè)點(diǎn)糾偏后位移，單位為毫米；

dRU_Act為右輪上側(cè)點(diǎn)實(shí)際位移，單位為毫米；

dRL_Act為右輪左側(cè)點(diǎn)實(shí)際位移，單位為毫米；

dRR_Act為右輪右側(cè)點(diǎn)實(shí)際位移，單位為毫米；

dRU_Init為右輪上側(cè)點(diǎn)初始點(diǎn)位移，單位為毫米；

dRL_Init為右輪左側(cè)點(diǎn)初始點(diǎn)位移，單位為毫米；

dRR_Init為右輪右側(cè)點(diǎn)初始點(diǎn)位移，單位為毫米；

dRU_Zero為校零板右輪上側(cè)點(diǎn)三坐標(biāo)值，單位為毫米；

dRL_Zero為校零板右輪左側(cè)點(diǎn)三坐標(biāo)值，單位為毫米；

dRR_Zero為校零板右輪右側(cè)點(diǎn)三坐標(biāo)值，單位為毫米；

dRB_Zero為校零板右輪基準(zhǔn)點(diǎn)三坐標(biāo)值，單位為毫米。

3.2 位移數(shù)據(jù)交互

本系統(tǒng)采用Solartron Metrology公司出品的ORBIT 3位移傳感器采集位移數(shù)據(jù)。每個(gè)ORBIT 3網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)電源模塊、六個(gè)傳感器模塊、一個(gè)以太網(wǎng)模塊組成。傳感器模塊由電源模塊供電，采集到的位移數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)模塊實(shí)時(shí)傳遞。

鑒于傳感器模塊無法直接將讀取的位移數(shù)據(jù)傳遞給S7-300 PLC，因此采用間接方式傳遞位移數(shù)據(jù)。使用ORBIT 3提供的Solartron.Orbit3類庫編寫C#程序，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取并寫入數(shù)據(jù)庫，通過WinCC項(xiàng)目?jī)?nèi)的全局腳本讀取數(shù)據(jù)庫中的位移數(shù)據(jù)并傳遞給相應(yīng)的WinCC外部變量，進(jìn)而通過WinCC與S7-300 PLC的通訊將位移數(shù)據(jù)寫入S7-300 PLC。

同C#訪問數(shù)據(jù)庫的方式類似，操作ORBIT 3網(wǎng)絡(luò)前后需要分別建立/關(guān)閉和Orbit控制器的連接。Solartron.Orbit3類庫位于OrbitLibrary.dll內(nèi)，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(nèi)容對(duì)該命名空間做一簡(jiǎn)單介紹。

每個(gè)傳感器模塊有兩種分辨率可選，分別是16384級(jí)和65536級(jí)。每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)一個(gè)Orbit Module 類的實(shí)例，其屬性有模塊ID（Module ID）、模塊名、（ModuleName）、模塊狀態(tài)（ModuleStatus）、模塊類型（ModuleType）、以單位形式讀取（ReadingInUnits）、以計(jì)數(shù)形式讀?。≧eadingInCounts）等。以單位形式讀取和以計(jì)數(shù)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(dāng)前位移數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是基于基本單位的雙精度浮點(diǎn)數(shù)。當(dāng)傳感器模塊分辨率發(fā)生改變時(shí)，位移數(shù)據(jù)自動(dòng)更新為當(dāng)前分辨率下讀數(shù)。以計(jì)數(shù)形式讀取返回當(dāng)前計(jì)數(shù)值，位移數(shù)據(jù)需通過式(11)求得。當(dāng)傳感器模塊分辨率發(fā)生改變時(shí)，需要人工更新位移數(shù)據(jù)。綜合兩種讀數(shù)方式，本系統(tǒng)采用以單位形式讀取。

式中，m為位移數(shù)據(jù)；

c為位移傳感器計(jì)數(shù)值數(shù)；

p=14.18為分辨率；

R為位移傳感器量程。

多個(gè)傳感器模塊和一個(gè)以太網(wǎng)模塊可以組成Orbit網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)Orbit網(wǎng)絡(luò)是OrbitNetwork類的實(shí)例。多個(gè)模塊組成OrbitNetwork類的Modules屬性，通過該屬性可以執(zhí)行添加模塊（AddModule）、清空模塊（ClearModules）、刪除模塊（DeleteModule）、Ping模塊（Ping）、熱點(diǎn)替換（FindHotswapped）等方法。對(duì)于某個(gè)Orbit網(wǎng)絡(luò)，在其模塊未知的情況下，可以使用Ping()方法獲取整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的模塊。當(dāng)其中的某個(gè)或某幾個(gè)模塊因各種原因被更換時(shí)，可以利用Orbit 3的熱點(diǎn)替換特性在不更換通訊背板T-Con時(shí)直接更換模塊，此時(shí)可使用FindHotswapped()方法更新模塊。

每個(gè)Orbit控制器對(duì)應(yīng)一個(gè)OrbitServer類，可視作數(shù)據(jù)庫操作的服務(wù)器。每個(gè)Orbit服務(wù)器下可包含多個(gè)Orbit網(wǎng)絡(luò)。在對(duì)模塊進(jìn)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(jié)論

通過該系統(tǒng)在該汽車生產(chǎn)線中的工程實(shí)踐可知，新的四輪檢測(cè)系統(tǒng)具有很大的優(yōu)勢(shì)。檢測(cè)速度方面，在操作人員未完全熟練掌握本系統(tǒng)的情況下，檢測(cè)速度由原來的15min/臺(tái)提升到現(xiàn)在的5min/臺(tái)；檢測(cè)準(zhǔn)確性方面，檢測(cè)結(jié)果與該廠整車車間四輪參數(shù)檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)結(jié)果相差±5'，在合理范圍內(nèi)；操作性方面，本四輪檢測(cè)系統(tǒng)是半自動(dòng)檢測(cè)，在保證安全的前提下減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。因此，本文研究的新四輪檢測(cè)系統(tǒng)，在保證安全檢測(cè)的前提下，較好的實(shí)現(xiàn)了快速、準(zhǔn)確、易于操作的目標(biāo)。通過實(shí)際操作，在詳細(xì)分析系統(tǒng)接拍時(shí)間的基礎(chǔ)上，將托盤與參數(shù)檢測(cè)分別控制，進(jìn)一步縮短了生產(chǎn)節(jié)拍，提高了檢測(cè)速度。

[1]陳家瑞.汽車構(gòu)造下冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.184-185.

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

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