汽车底盘硬点测量技术的研究*

夏 薇，蒋利浩，王 灿，曾建民，廖小平

(广西大学，广西有色金属及特色材料加工重点实验室，南宁 530004)



2015168

汽车底盘硬点测量技术的研究*

夏 薇，蒋利浩，王 灿，曾建民，廖小平

(广西大学，广西有色金属及特色材料加工重点实验室，南宁 530004)

采用关节臂式三坐标测量机(CMM)对某一汽车的底盘进行硬点测量。通过综合分析整车载荷、车轮定位、车身姿态和数据对齐对测量精度的影响，提出了相应的控制方法和基准特征的选择原则。针对采用常规测量平台测量底盘硬点精度低的问题，改用K&C试验机进行测量。结果表明，采用K&C试验机有效提高了底盘硬点的测量精度。

汽车底盘;硬点;测量技术;三坐标测量机

前言

汽车底盘设计硬点是指底盘工程总布置设计过程中，为保证零部件之间的协调和装配关系所确定的控制点(或坐标)，对汽车的行驶性能有重要影响[1]。底盘硬点的获取主要有量测CAD数模和对整车进行实际测量两种方式。前者仅能获得实车试制前底盘硬点的设计理论值，而后者不仅可获得实车底盘硬点的真实值，对底盘硬点进行验证，有效地监控汽车的生产质量和性能，还能为底盘优化和试验迭代开发提供强大的数据支撑[2]，缩短开发周期，提高开发效率。

底盘硬点实际测量是在整车装配下进行，测量困难，存在结构复杂、测量范围大、测量空间狭窄和精度要求高等问题，而关节臂式三坐标测量机具有测量范围大、死角少、柔性好和精度高等特点，能够快速精确地采集被测物体上各测点的三维空间坐标，可针对性地解决以上问题。文献[3]中利用Faro便携式三坐标测量仪在举升机上对底盘硬点进行验证，但其测量精度不足。国内在这方面的研究较少，经验相对匮乏，尚无统一的行业检测标准和方法。文献[2]中利用三维坐标仪获取了麦弗逊式前悬架和五杆螺旋弹簧式非独立后悬架硬点，但测量最大误差达到了10mm。文献[4]中利用便携式三坐标测量仪测量底盘转向桥硬点。然而这些研究都没有对测量技术流程和误差影响因素进行深入分析，测量结果误差较大。

本文中结合实际工程应用对汽车底盘硬点三坐标测量技术进行研究和试验，探讨了一种快速获取底盘硬点的方法，能显著提高测量精度。

1 底盘硬点三坐标测量流程

汽车底盘硬点测量是获取特定设计状态下底盘硬点的数据，然而汽车在不同状态下底盘硬点的位置有很大变化。为避免由于测量状态与设计状态不同而引起硬点位置发生变化，测量前必须将汽车的测量状态尽可能调整至设计状态，以保证测量结果的准确性。在测量状态达到要求后，还必须将设备坐标系下的测量数据对齐，转换成整车设计坐标系下的数据，主要原因有两方面：一是工程应用需要的是整车设计坐标系下的硬点数据；二是底盘的测量范围大，须要分块测量并将分块数据统一对齐至整车设计坐标系下来获取完整的数据，测量流程如图1所示。

2 测量精度分析与控制

汽车的测量状态和数据对齐精度对测量精度有重要影响，而汽车底盘硬点是在静态下进行测量，此时测量状态由车辆的静载荷和整车姿态决定。因此，影响测量精度的因素主要包括车辆载荷、整车姿态和数据对齐3方面。

2.1 车辆载荷

汽车底盘硬点测量根据汽车受到静载荷的不同分为空载、半载和满载3种状态。在不同载荷状态下，悬架、弹簧压缩量和车轮定位等会发生变化，从而造成硬点的空间位置发生改变。因此，输入的载荷与设计载荷之间的差异是导致测量数据产生偏差的因素之一。通常每种状态下施加的实际载荷与设计载荷的偏差不能超过3%[3]，而通过调节汽车质量的分布可以改变底盘静载荷输入的大小。表1为某汽车厂底盘硬点测量时汽车质量分布状况，其中空车质量为1 600kg，油箱满油状态下的质量为40kg，每个人的质量为68kg，每个人携带行李的质量为7kg。

表1 汽车质量分布状况 kg

2.2 整车姿态

底盘硬点测量中，整车姿态描述的是汽车在各种载荷状态下的车轮定位状况和车身姿态[5]。车轮与悬架通过硬点连接，车轮定位与悬架连接硬点的空间位置直接相关。此外，实际车身姿态与设计姿态不一致，即车身相对于理论位置产生一定的倾斜，汽车的质心将产生一定的偏移，整车的受力改变[6]，悬架发生相应的变形，使硬点的空间位置偏离设计位置，造成测量偏差。

要将整车姿态与整车设计姿态调整至一致，车轮定位和车身姿态必须得到控制。首先须保证车轮的实际定位参数与设计值一致，如轴距、轮距和前束等，其次在底盘上选择一些能够反映车身姿态的基准特征作为调整标志并建立参考水平面，以水平面为参考调节基准特征的空间相对位置达到理论设计位置，间接地将车身姿态调整至车身设计姿态。因此，基准特征的合理选择与准确测量和车轮定位参数的控制是整车姿态调整的关键。

2.3 数据对齐

2.3.1 基于3个基准点的数据对齐原理

底盘是由很多零部件装配在一起的复杂系统，其硬点数据是一些离散的数据点集，可将其视为一个刚体。数据的对齐过程可视为刚体相对于某一个坐标系的平移和旋转运动，即将数据对齐转换成坐标变换问题。设刚体上任意一点从位置pi(xi，yi，zi)运动到位置qi(Xi，Yi，Zi)，则有

qi=pi×R+T

(1)

式中：R为旋转矩阵；T为平移矩阵。建立两点间距离的最小二乘目标函数[7]，数据对齐应使目标函数最小：

minF(R,T)=∑(R×pi+T-qi)2

(2)

因此，数据对齐的关键在于求解旋转矩阵R和平移矩阵T。由于数据点集没有规则的几何形状，无法利用几何关系找到坐标改变后两次定位之间的坐标变换关系，只能利用点的对应关系来计算不同坐标系下的数据的转换关系。基于3个基准点的对齐方法[8-10]通过在不同坐标系下分别建立用于对齐的3个以上不共线的基准特征并提取出基准点，将对应基准点测量值与理论设计值匹配对齐后可求得两者之间的坐标变换关系。图2为基于3个基准点的坐标变换示意图。

在测量设备坐标系下取3个基准点pi(i=1，2，3)，在整车设计坐标系下对应的基准点qi(i=1，2，3)，通过基准点作坐标系矢量[8]：

(3)

单位化式(3)中的坐标矢量：

(4)

令o1(u1，v1，w1)，o2(u2，v2，w3)分别为数据点集坐标系变换前后对应的基准点测量零件坐标系和理论设计零件坐标系，令[o1]，[o2]为两个单位矢量矩阵，则有[o2]=[o1]R，可得旋转矩阵：

R=[o1]-1[o2]

(5)

令i=1，联立式(1)和式(5)得平移矩阵：

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

(6)

联立式(1)、式(5)和式(6)可得坐标转换的一般式：

qi=pi×[o1]-1[o2]-p1[o1]-1[o2]+q1

(7)

2.3.2 基于3个基准点对齐的精度分析

从式(7)可以看出，该方法的对齐精度取决于基准点的测量精度和选取的位置。下面对该方法的对齐误差进行分析，定义3个基准点之间的矢量绝对值：

a1=|p2-p1|，b1=|p3-p2|，c1=|p1-p3|；

a2=|q2-q1|，b2=|q3-q2|，c2=|q1-q3|

(8)

由于基准点存在测量误差，基于3个基准点的数据转换对齐只能保证一条边和一个点的重合，图3为p1，q1点和a1，a2边重合，a1

则其相对误差：

(9)

从式(9)可以看出，在相同的基准点测量误差下，基准点的距离越远，对齐误差越小；另外当测量状态成正态分布时，基准点应尽可能呈等边三角形分布，使每个基准点的相对误差趋于相等[9]。

3 基准特征的选择

基准特征的合理选择与准确测量对车身姿态的控制和数据对齐的精度有重要影响，结合数据对齐的误差分析，基准特征的选择应遵循以下原则[3]：(1)能够反映车身姿态；(2)至少需要3个以上不共线的基准特征；(3)尽可能在同一底盘零件上；(4)制造和装配公差最小；(5)系统测量范围内基准特征之间的空间距离尽可能大且呈等边三角形分布；(6)便于定义其名义值和方便测量。

一般情况下，车身底部会有若干定位孔作为车身焊接基准，它们的形位公差精度比较高，常常对称分布在车身中轴线的两边，并较好地满足了基准特征的选择原则。因此，在进行底盘硬点测量时，可以选用图4所示的定位孔作为测量基准特征。

4 测量方案的改进和结果验证

4.1 基于常规平台的测量

将汽车置于地沟或举升机支撑平台上，然后直接利用三坐标测量机进行测量。对于载荷的输入，模拟实际工况下汽车的受载情况，采用配重块的方式施加，并通过四轮定位检验实际载荷与设计载荷的偏差，如图5所示。

针对上述基于常规平台的测量方案，本文中对一辆质检合格的汽车进行实际测量验证。该车前轮轮心点的测量结果如表2所示。由表可见，左侧和右侧轮心点在x和z方向的偏差分别达到了5.672和3.549mm，根据汽车左右车轮的对称性可知，该方案的测量精度不足。

表2 基于常规平台测量的前轮轮心点数据 mm

通过进一步分析可以看出，基于常规平台的测量方案存在以下问题：车轮定位无法控制，同时不能对车身姿态进行调整，导致整车姿态达不到整车设计姿态，使底盘硬点相对于设计状态发生了改变；采用配重块对汽车施加载荷的精度较低，造成测量结果产生了一定的偏差。

4.2 基于K&C试验机的测量

为了提高测量的准确性，经过多次研究试验后，本文中将K&C试验机应用于底盘硬点三坐标测量，可以针对性地解决上述方案的不足。K&C试验机主要由固定模块、加载模块和测控系统等组成，其中测控系统主要包括车轮6自由度运动测量机构、轮距和轴距调整系统、数据采集和处理系统，能够模拟样车在各种实际工况下汽车的运动特性，并获取其运动性能数据[11]。

使用K&C试验机固定模块的4个柱状夹紧装置夹紧车架底部的裙边，可任意将车身底部被夹紧部分提升或降低高度，且对其它部位空间位置的变化影响很小，在合理选择基准特征的情况下，能更准确地将基准特征的空间位置调至设计位置。加载模块可以对不同状态下的汽车施加精准的负荷，同时测控系统可对汽车的轮距、轴距等车轮定位参数进行调控，使实际整车姿态能方便调整到汽车的设计状态，确保最终测量精度，如图6所示。

同样，基于K&C试验机的测量方案对一辆质检合格的汽车进行测量试验研究，获得表3所示该车前轮轮心点的测量数据，测量结果显示x和z方向上的最大误差分别由原来的5.672和3.549mm下降为0.681和0.278mm，测量精度明显提高，符合实际情况。

表3 基于K&C试验机测量的前轮轮心点数据 mm

5 结论

(1) 影响测量精度的两个主要因素是汽车的测量状态和数据对齐精度。精确的载荷、车轮定位和车身姿态是否与设计姿态一致是保证测量状态达到设计状态的关键，否则将使底盘硬点的位置发生变化，造成测量数据失真；而车身姿态的调整和数据对齐的精度取决于基准特征的测量精度和合理选择。

(2) 总结了底盘硬点测量的技术流程和车身姿态调整与数据对齐时基准特征的选择原则。

(3) 针对基于简化设备的传统测量方案存在测量精度低的问题，借助K&C试验机对整车载荷、车轮定位和车身姿态进行精确调控，使实车测量状态能方便地调整至汽车的设计状态，实际测量结果证明了基于K&C试验机的测量方案可有效提高测量精度。

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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

*广西有色金属及特色材料加工重点实验室开放基金(GXKFJ12-03)资助。

原稿收到日期为2013年7月29日，修改稿收到日期为2014年4月20日。