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四轮定位仪测试原理及应用
四轮定位仪测试原理及应用
作者本站站长
二零零四年一月
四轮定位仪测试原理及应用
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四轮定位仪是整车行驶方向性检测和调整的设备，其正确使用和维护对整车质量至关重要。
这里，结合我对美国宝克公司四轮定位仪使用过程的了解，对其工艺、测试过程、测试原理及使用中存在的问题，做出一些探讨，供大家参考，并希望同行不吝指正。
一．四轮定位仪的任务：
四轮定位仪是一台整车行驶方向性的测试调整设备。
对马自达车来讲，必须同时调整前后轮；对红旗产品，则只调整前轮。
一般地，四轮定位仪要求完成如下测试项目：
1．推力角。
2．前束（前轮前束、前轮总前束、后轮前束、后轮总前束）。
3．外倾（前轮外倾、后轮外倾）。
4．主销内倾角。
5．最大转向角。
目前，我们的设备主要测试前后轮的前束、外倾，并计算推进角；同时，还校正方向盘。
二．设备工作流程
（一）、设备流程
设备工作流程如下：
扫描→轴距调整→车辆上线→测试开始→车轮旋转→对中→浮动板释放→挡车滚筒上升并锁死→滑门打开→大灯检测开始→安装方向盘规→轮胎检测→四轮调整→测量结束→车轮停止→浮动板锁定→对中退回→挡车滚筒落下→打印测试结果→取下方向盘规→车辆下线。
（二）、流程解释
1、扫描——用条码枪扫描条码，识别车辆VID代码。
2、轴距调整——根据车型自动变换轴距，即前后辊子中心距离，以便和测试车辆前后车轮中心间距吻合。
3、车辆上线——车辆移动到设备的前后辊子上。
4、测试开始——按开始循环按钮，测试过程开始。
5、车轮旋转——电机拖动辊子开始旋转，带动车轮旋转。
6、对中——对中装置从内侧扶正轮胎，对中压力根据经验，在50公斤力左右比较合适。
7、浮动板释放——车轮下面支撑的浮动板释放，使车身处于自由浮动状态。
8、挡车滚筒上升并锁死——为防止车冲出设备，机械结构上设置了挡车滚筒。
9、滑门打开——设备滑动板打开。
10、大灯检测开始——大灯测试仪测试大灯光形、亮度等。
11、安装方向盘规——安装方向盘规，校正方向盘，把车轮摆正。
12、轮胎检测——激光装置测量四个轮胎位置和角度。
13、四轮调整——根据屏幕显示的前后轮前束、外倾值，手工调整轮胎位置。
14、测量结束。
15、车轮停止。
16、浮动板锁定——测试结束后，锁死浮动板。
17、对中退回——对中装置退回。
18、挡车滚筒落下——落下挡车安全装置。
19、打印测试结果——把所有测试项目通过纸带打印机打印出来。
20、取下方向盘规。
21、车辆下线。
三．四轮定位仪的测试结构
四轮定位的精度主要取决于测试方法和测试结构，且二者有密切的关联。
按照测量结构和测量方式的不同，目前四轮定位仪大致有以下几种分类：
（一）．接触与非接触式测量：
1．接触式测量：
使用探头式差动变压器，测量车轮的端面高度变化。
2．非接触式测量：
使用激光传感器，测量车轮的端面高度变化。
（二）．二传感器与三传感器测量：
非接触式测量又分为：
1．二传感器形式：
两个传感器测量车轮的X、Y方向位置信息。
先是在水平位置进行一次检测，然后传感器支架回转90度，再测量Y方向。
两次测量的结果作为车辆调整的依据。
调整结束后，将再次用同样方法检测车辆轮胎，不合格再次调整，直到合格为止。
2．三传感器形式：
用三个传感器进行测量，三个传感器成品字形布置，分别处于9点、12点、3点钟位置。
3点、9点传感器用来测量X方向的轮胎位置数据，上面的12点传感器和底下两个的中点连线，用来测量轮胎Y方向的位置数据。
我们的设备使用的是三传感器非接触式测量。
（三）．动态调整和静态调整：
按照调整方式的不同，系统又分为两种：
1．动态调整：
动态调整是在车轮旋转时进行测量和调整，测量和调整是同步完成的。
2．静态调整：
静态调整则是在车轮旋转时测量，静止的时候调整，这种方式对节拍影响比较大。
我们使用的是动态调整方法。
四．四轮定位设备的测量原理
（一）、四轮定位仪测量的基本数学方法
四轮定位仪用三个品字形布置的激光头测试轮胎的三个位置的距离，形成一个平面。
为平均误差，每个位置的距离实际上是采集十
多个激光点的反射距离来平均确认的。
左图是一个激光头发射激光的局部示意图。
12点激光头
12点激光头的发射光线
3点激光头的发射光线
图1：
激光测量装置
前束和外倾的计算是利用每个轮胎测试的三个点形成的平面倾角来计算的。
车轮前后中心径线和车辆前后中轴线的夹角称之为前束，车轮上下中心径线和地面垂线的夹角称之为外倾。
测量的距离信号通过模数转换板进入到计算机系统，经过数学分析计算出前束、外倾值。
（二）、前束计算
假设：
n1:
每个传感器光束的采集点数，n2:
计算机系统的采集次数，Li：
每个激光点测量到的距离值，L：
计算出来的平均距离，Toe：
前束，Cam：
外倾。
D：
轮胎测试圆直径。
“前”、“后”指前后激光传感器。
每次采集的前束值为：
Toei=arctg[（L前-L后）/D]
n1n1
=arctg{{[（ΣLi前）/n1]-[（ΣLi后）/n1]}/D}---------
（1）
i=1i=1
平均前束为：
n2
Toe=ΣToei
i=1
如果方向盘转角θ不为零，则还要根据传动λ比把方向盘对前束的影响折合成一个角度θ0，总前束的计算要把这个角度减掉。
即：
θ0=θ×λ
实际前束为：
n2n2
Toe=ΣToei-θ0=ΣToei-θ×λ------------
（2）
i=1i=1
（三）、外倾计算
Cami=arctg[（L上-L下）/D]
n1n1
=arctg{2×{[（ΣLi上）/n1]-[（ΣLi下）/n1]}/D}
i=1i=1
其中，Li下指下部前后两个激光头测量距离的平均值。
即：
Li下=（Li前+Li后）/2
实际外倾值为：
n2
Cam=ΣCami
i=1
在工人调整时，整个测量过程是动态的。
测量结果可以动态显示在两个屏幕上，操作者可以通过屏幕显示把握调整状态，直到调整合格为止。
整个程序的编制是使用C语言进行编程的。
（四）、其它算法技术
实际上，厂家还采用了如下软件技术：
1）轮胎壁过滤算法——以消除轮胎变形及字母影响。
软件上设置了一个过滤器，对固定旋转圈数的测量数据进行处理。
其长度：
N=f（采样频率，车轮转速）
即根据采样频率和转速确定过滤器数据容量。
经过过滤运算的前束外倾值能够比较真实地反映轮胎位置状态。
2）轮胎边缘跳动补偿——去掉轮胎边缘周期性的跳动。
软件根据轮胎状态的平均趋势，判断异常跳动，把它从计算数据中剔除。
五．系统控制结构简介
本文的目的，是力图通过设备技术更多地去分析工艺实现过程，以解决整车问题。
毕竟计算机控制技术和软件技术属于基础控制理论范畴，不是本文讨论的重点，因此没有致力于做详细的讨论。
这里只是给出一个简单的系统示意图，目的是使大家了解设备的基本系统结构。
下图给出了控制系统的物理结构，从这里，我们非常容易了解系统的整体硬件控制结构。
VID代码输入站
报告打印机
激光传感器
控制柜
司机显示器
地坑监视器
纸带打印机
图2：
四轮定位仪控制系统物理结构
目前，我们的四轮定位设备使用的是486级芯片、DOS5.0操作系统来作为测试平台。
设备整体逻辑控制由槽式PLC来完成，该PLC兼容AB公司的ControlLogix5/04。
系统采用VME工业总线技术，插卡式结构。
12个传感器的数据被送到6个A/D转换卡中，经过A/D转换后，送计算机系统进行分析计算。
计算结果通过可视化图象，直观显示到屏幕上，作为操作工人调整的依据。
系统除测试外，还具备数据历史记录、标定、外部数据交换、打印、系统状态可视化查询等功能。
六．四轮定位影响跑偏的相关因素探讨
车辆出现跑偏是四轮定位工序经常遇到的一个异常棘手的问题，产生问题的原因非常复杂。
由于它和整车质量息息相关，探讨它有其特殊的应用价值，因此这里把我的个人观点写出来，供大家维修参考。
我经过一系列分析和调研，基本认为如下因素会对车辆跑偏造成影响。
我们维修中，可以借鉴其中的部分结论，作为确定原因的依据。
1．四轮设备的标定：
如果设备基准漂移或变化，会产生跑偏，多数跑偏可以通过重新标定四轮定位仪来解决。
2．后旋架分装机：
该设备控制不好，会对跑偏产生影响。
这时，可以检查其状态或重新标定。
3．车辆后旋系统设计问题：
MAZDA的车辆也有少量跑偏现象，每天都有几台。
他们认为是后旋系统的设计问题，目前，MAZDA产品部门正在研究。
4．传感器信号通道故障：
可以通过监视成像图象来比较。
通过对十二个传感器图形的比较，可以找到传感器是否有损坏。
5．对中器问题：
厂家认为，对中器对调试影响很大。
如果力量过大，会使车轮变形。
最合适的压力在50公斤左右。
6．轴距问题：
如果设备轴距不合适，加上我们的车辆轴距波动较大（10毫米），可能造成浮动机构和设备固定结构的干涉，使调整结果受到影响。
7．环境干扰问题：
环境光线对设备会造成影响。
我们的设备在下午时，环境光线很强，是否会有比较大的影响有待观察。
必要时，可以采取遮光措施。
8．辊子的中心高：
左右辊子中心高是否在一个水平上将对测量结果产生一定影响。
9．浮动机构：
是否有间隙，旋转是否灵活。
10．轮胎压力：
轮胎压力必须均衡，否则也会影响跑偏。
11．整车装配间隙问题：
MAZDA也认为旋架系统装配间隙偏大，这样就能解释经过路试的车辆回来与路试前一致性不好的问题。
这可以通过适当加长震动格栅的方法来解决。
12．方向盘水平：
方向盘的调整基准如果不正确，对整车导向系统会造成不良影响。
这时，要重新校正方向盘倾角仪。
13．控制标准问题：
我们的国家标准比日本更加严格。
比如跑偏距离，我们的国标是每百米允许0.5米，而日本是2米。
标准上比较大的差异，是形成产品设计控制不严的一个原因。
14．左右置方向盘对调问题：
日本MAZDA产品设计是右置方向盘，而我们改为左置结构。
大家都认为会带来影响，但影响多大有待确认。
15．推进角问题：
MAZDA推进角设计偏大，认为会有轻微影响。
16．基准架与标定方法：
基准架如果不出现磕碰，一般不会对跑偏构成影响。
它是通过三坐标测量的，厂家没有向我们交代过测试基准架的手段和方法。
目前我们使用的宝克公司设备测量基准架一共要测算72项数据，并输入到计算机系统中。
至于实际标定，我们的标定只标零度。
而目前比较合理的标定形式，除零度外，还标1度或者3度、5度等。
这样实际上是既标零点，也标增益，更有利于提高标定精度。
17．车体高：
车体高度对跑偏有轻微影响。
前期底盘加高后，跑偏有一定改善。
18．测试方法问题：
MAZDA要求调整后轮时，驾驶室不能上人，调整前轮时，驾驶室要有人。
这样做主要是考虑配重问题，他们认为这样会对调试结果有影响。
我们的工艺则没有这样的要求，但基本也能控制在公差范围内。
以上因素，都和车辆跑偏有一定关系，因此，我们要和工艺、质量保证部门共同探讨车辆跑偏的可能原因，以期得到正确的结论。
七．常规维修操作方法
为了对我们四轮定位设备的维修有所帮助，这里把一些有一定技术性的维修方法写出来，以期对我们的工作起到一定的指导作用。
（一）、对激光头的标定
本标定用于标定激光头。
1．确认WHEELBASE选择开关在AUTO位置。
2．在前轮设备工序前的液晶面板上输入W1，回车。
此时，车型选择为红旗车型，轮距自动切换到红旗轮距。
3．把标定架吊下，放置在四轮定位仪辊子上，前后定位销插入定位孔。
4．用遮蔽物挡住几个激光传感器顶部，防止环境光线干扰。
关断设备地坑灯。
5．在主电箱上三位选择开关CALIBRATION的“OFF/ON/START”中，由OFF位置拨到ON。
6．再由“ON”拨到“START”，松手，开关自动弹回ON位置。
标定开始。
7．激光传感器向基准面发射激光，屏幕底部会以#XXX形式显示标定项目代码，每次标定项目代码可能不同。
这个过程可能要几秒到几分钟。
8．结束后，左下部显示“TURNKEYTOOFFREMAINCURRENTVALUE”（钥匙开关拨到OFF保留原值）及“TURNKEYTOSTARTACCEPTNEWVALUE”（钥匙开关拨到START接受新值）。
如果要接受标定结果，把CALIBRATION开关拨到START位置一次，自动弹回ON位置。
9．等待数据调整和存储，过一会，屏幕左下部显示“TRUNKEYTOOFF”。
把CALIBRATION开关拨到OFF位置。
该标定无须经常做，厂家建议半年左右做一次即可，或者在更换、拆装传感器后做一次。
如果需要做，要在做激光传感器重复性标定之前做这个标定。
（二）、标定激光传感器重复性
该标定的物理含义是：
标定四组传感器的平行度偏差，把偏差值自动设置到设备补偿数据中。
1．确认WHEELBASE选择开关在AUTO位置。
2．在前轮设备工序前的液晶面板上输入W1，回车。
此时，车型选择为红旗车型，轮距自动切换到红旗轮距。
3．把标定架吊下，放置在四轮定位仪辊子上，前后定位销插入定位孔。
4．用遮蔽物挡住几个激光传感器顶部，防止环境光线干扰。
关断地坑灯。
5．控制箱计算机键盘上按ESC。
6．选择TEST菜单。
7．选择EVmastergauge，回车。
8．按空格键，等待面板显示“whenmaingaugeisinplacepressspacetocontinue”。
10．再次按空格键开始标定。
11．一共四组数据需要标定，每组7项。
每标定完一组，屏幕给出提示。
按SPACE标定下一组。
12．四组标定完成后，如要打印数据，请标定前先连接好打印机，此时可以点击P键，打印标定数据。
13．按ESC键退出标定。
14．如果前轮各构件没有在原位，把设备切换到手动方式。
按各构件手动按钮，使回原位。
此时，状态灯下部绿灯全部点亮。
再切换到自动方式。
15．在前轮设备工序前的液晶面板上输入W3。
此时，车型选择为MAZDA车型，轮距自动切换到MAZDA6轮距。
16．主柜计算机键盘上，移动菜单到QUIT。
17．选择RETURN，回车。
18．屏幕进入M6工作界面显示。
如果回不到M6界面，要检查设备原位绿灯是否全部点亮。
19．界面上，如果后轮公差显示条为通绿，则再次ESC退到管理界面。
并在QUIT菜单下选择RETURN回到M6工作界面。
后轮公差将被显示在画面上。
此时，可以恢复正常调车操作。
该标定建议半个月左右做一次，并打印存档。
作为质量控制点设备，该标定质量保证部门要求有周期性标定记录。
如果车辆道路试验连续出现跑偏现象，就应该考虑重新标定传感器和传感器的重复性。
（三）、传感器图象监视及分析
A．监视方法
对四轮定位仪的12个激光传感器，可以动态监视其成像图像。
这一功能对维修有重要意义，我们可以根据图象的比较来判定传感器的好坏。
在生产调整、传感器标定等动态或静态过程中，我们都可以监视传感器图象。
方法是：
1．正常工作界面下，在计算机键盘按ESC。
2．用左右箭头键选择DISPLAY（显示）菜单，回车。
3．选取CAMERASTATE（镜头状态）命令，回车。
4．用上下箭头选取ON，回车。
5．ESC退到DISPLAY（显示）子菜单下。
6．用上下箭头选取CAMERAGRAPHS（镜头图像），回车。
7．用上下箭头选取：
ALLCAMERAS：
所有镜头。
LFFRONTCAMERA：
左前前镜头。
LFTOPCAMERA：
左前顶镜头。
LFREARCAMERA：
左前后镜头。
RFFRONTCAMERA：
右前前镜头。
RFTOPCAMERA：
右前顶镜头。
RFREARCAMERA：
右前后镜头。
LRFRONTCAMERA：
左后前镜头。
LRTOPCAMERA：
左后顶镜头。
LRREARCAMERA：
左后后镜头。
RRFRONTCAMERA：
右后前镜头。
RRTOPCAMERA：
右后顶镜头。
RRREARCAMERA：
右后后镜头。
之一，再回车。
屏幕显示对应项目图象。
8．观察图象形状是否正常。
观察过程中，可以用手去遮挡传感器发射与接收镜头，观察图象变化。
以此可以判断激光头和线路好坏。
9．观察结束后，用ESC退到DISPLAY（显示）子菜单下。
10．选取CAMERASTATE（镜头状态）命令，回车。
11．用上下箭头选取OFF，回车。
（实际上，置于ON也不影响生产调试。
标定时，此项必须处于ON。
）。
12．用ESC退到DISPLAY子菜单下。
13．选取SETDEFAULT（选择缺省值），回车。
14．选择YES，回车。
15．ESC退到主菜单。
16．左右箭头移动到QUIT菜单命令，回车。
17．上下箭头选取RETURN，回车。
系统进入调整生产画面。
用上述观察传感器图象的方法，可以动态监视标定架、车轮及随机物品的图象。
籍此可以判断系统是否正常及问题类型。
B．成像图及其分析
下面是传感器标定时典型的标定架成像图：
图3：
标定架的成像图
LFFRONT32
RFFRONT32
LFREAR32
RRTOP32
LRTOP32
RFTOP32
LFTOP32
RRFRONT32
LRFRONT32
RFREAR32
LRREAR32
RRREAR32
2
3
4
5
6
7
1
9
8
当对传感器进行标定时，如果出现传感器图象或通讯异常报警，可以查询传感器图象，并按照如下表格中的方法排除。
只有在没有任何异常报警的前提下，标定才能成功。
图4：
异常传感器图象
异常成像分析如下：
问题
原因
处理方法
1
数据毛刺
三角成像区有赃物或纸带
清理标定架表面
镜头脏.
清理镜头
激光投射到调整螺钉
移动镜头避免照射调整螺钉
2
边沿丢失
镜头位置不合适
移动镜头使投射光带完整
镜头上有脏物
清理镜头
3
距离不对
镜头离标定架三角区太远
检查镜头位置
4
距离不对
镜头离标定架三角区太近
检查镜头位置
5
丢失数据
线路、硬件软故障
检查线路、硬件及扰动等
6
成像区偏离
镜头位置偏到一侧
移动镜头，使投射光线在三角区的成像位置合理
7
位置偏离
镜头距离三角顶点太近
激光线离顶点距离至少应远于15%，或离三角底面远于5%
8
反射或间接光线
三角区表面刮痕
用三角形黑色胶纸等粘贴覆盖三角区，但不能刷黑漆
环境光线影响
移开或关闭环境光源
9
没有数据
镜头被盖板盖住
移开盖板
表1：
异常成像分析处理表
（四）、轮距调整
对四轮定位仪，调整轮距的具体方法如下：
1．正常工作界面下，在计算机键盘按ESC。
2．用左右箭头键选择SETUP菜单。
3．选取WHEELBASEPOSITION命令，回车。
4．输入密码OCPEB，回车。
5．在设备前面小操作台上选择W1-3（先按W，后按1-3之一。
红旗有两种ABS，分别对应W1、W2，M6为W3）。
6．电箱门上的WHEELBASE选择开关拨到左侧JOG（点动）位置。
7．用主电箱上JOGWHEELBASESHORTER（轮距缩短）和JOGWHEELBASELONGER（轮距加长）按钮，调整轮距位置。
8．调整到合适轮距后，在设备前方小操作台按WP（先按W，再按P），数据被存盘。
9．在主柜上，用键盘右箭头把光标移动到最右侧菜单QUIT项，选择RETURN，回车，退出到工作界面。
10．把WHEELBASE选择开关拨回到AUTO位置，可以开始正常车辆测试。
（五）、方向盘倾角仪校准操作说明
如下方法可以对方向盘倾角仪进行校准：
1．检查倾角仪支架是否处在0°位置。
2．观察支架上的水平仪，并调整倾角仪支架底板上的三个调整螺丝将支架调整至水平。
3．将倾角仪卡放在支架上。
4．按下倾角仪控制箱上的黑色校准按钮（calibration）两次。
5．按照显示屏上的提示将倾角仪旋至-60°位置固定，并按下控制箱上的校准按钮一次。
6．再依次根据提示分别将倾角仪旋至-45°、-30°、-15°、0°、15°、30°、45°、60°等位置按下校准按钮。
7．当完成60°位置的校准后，仪器将发出警报声，屏幕显示当前位置为60°。
8．这时操作者将倾角仪旋回零度位置即完成校准操作。
（六）、PLC程序操作提示
使用笔记本电脑的Rslogix5编辑软件对PLC进行操作的相关方法索引如下：
1．连接电缆，笔记本电脑接口为RS232串口，PLC侧接口在PLC主机上类似键盘插口的接口。
2．双击笔记本电脑对应的PLC编辑软件图标。
进入如下菜单：
F1SELECTPROGRAM/PLC-5ADDR（选择程序/PLC-5地址）
F2OFFLINEPROGRAMMING/DOC（离线编程/资料）
F3ONLINEPROGRAMMING/DOC（在线编程/资料）
F4REPORTINGOPTIONS（报告选项）
F5UTILITYOPTIONS（通用选项）
F6UP/DOWNLOADPROGRAMTOPLC-5（对PLC-5上下载程序）
F7PROGRAMCOMPAREUTILITY（程序比较）
F8PIDTUNERANDUTILITIES（PID调节器及效用）
F9CONFIGUREPROGRAMPARAMETERS（配置程序参数）
3．选择F1，从笔记本屏幕上选择所需选择程序的名称：
4157FAWA.X5：
转毂程序。
4156FAWA.X5：
前轮程序。
4．选择
F2：
对程序进行离线查看。
F3：
对程序进行在线查看。
5．如进行程序传输，选择F6，出现如下菜单：
F1DOWNLOADPROGRAMTOPLC-5（把程序下载到PLC5）
F2UPLOADPROGRAMFROMPLC-5（从PLC5上载程序）
F3BATCHDOWNLOADTOPLC-5（批下载到PLC5）
F4WHOACTIVE（激活）
F5PARTIALDOWNLOADUTILITY（部分下载）
选择F1可将程序传入PLC，选择F2可将程序从PLC传入笔记本电脑。
八．结语
四轮定位是整车检测线中一台举足轻重的设备，要有效控制整车质量，对它的研究和解析是有意义的。
以上分析可能还有些肤浅，但它是我们对设备技术不断学习和把握的一个过程。
事实上，对这类设备，从控制系统硬件和软件上做过细的探讨，跟探讨工艺实现过程的相关设备因素相比，后者反而更加重要。
毕竟我们不是在做设备开发工作，因此，我们没有对硬件和软件因素做太多的分析，这属于计算机技术和测量技术基础专业理论的范畴；况且，我们也不可能充分了解厂家硬件和软件开发的细节。
虽仅如此，我们还是希望先哲和同行们，就相关测试工艺问题和设备问题，给予无私的斧正和指点，以期改善我们的工作。
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