这款设备是宝克的早期产品，也是我接触过的第一代宝克四轮定位仪。宝克现在的设备取得了较大的技术进步，这里仍然把它发出来，主要是展示一个维修工程师研究设备的精细态度。关于四轮定位更详细探讨的文章，本账号还有几篇。
我们的四轮定位仪为美国宝克公司生产，型号：NCA7000。
要有效掌握四轮定位仪的使用相关技能，必须彻底了解四轮定位设备的工作原理及工作流程，同时也要了解产品工艺方面的相关信息。
一、四轮定位仪的工艺任务
四轮定位仪是一种整车方向性检测调整设备，通过四轮定位仪调整后的车辆在行驶时，车轮行走轨迹在一定范围内应保持直线，并具有良好的着地性和操控性，不应出现跑偏现象。这将关系到车辆行驶，特别是高速行驶的可控制性、安全性，并减少轮胎附加磨损，因此是整车装配的关键质量环节。
四轮定位仪一般可以对以下项目进行检测调整：
1．前束：测试和调整前束。包括前轮前束、前轮总前束、后轮前束、后轮总前束等。
2．外倾：测试和调整车轮外倾角。包括前轮外倾、后轮外倾等。
3．主销倾角：由于轿车没有主销，这个主销是虚拟的。我们的设备可以测试主销后倾角。
4．最大转向角：方向盘可以控制的最大车轮转向角。
5．推力角：反应整车中轴线和前进方向一致性的参数。
6．方向盘水平调整。
目前，我们的设备主要测试前后轮的前束、外倾，并计算推力角；同时，还校正方向盘。在需要时，可以选择测试主销倾角和最大转向角。
二、工艺测试项目的说明
（一）前束角
两轮前端距离与后端距离之差，称为前束。从汽车的正上方向下看，由轮胎的中心线与汽车的纵向轴线之间的夹角称为前束角。
轮胎中心线前端向内收束的角度为正前束角，反之为负前束角。
总前束值等于两个车轮的前束值之和，即两个车轮轴线之间的夹角。
我们的设备测试和调整的是前束角。车辆前束失准会引起行驶跑偏、轮胎异常磨损等现象，对车辆行驶的安全性和经济性产生直接的影响。
（二）外倾角
从汽车正前方看，汽车车轮的顶端向内或向外倾斜一个角度，称为车轮的外倾角。
用偏离垂直线所倾斜的角度来表示，如果顶端向外倾斜则称为正外倾角，如果向内倾斜则称为负外倾角。
车轮外倾角失准同样会造成行驶稳定性不良及轮胎附加磨损。
（三）主销倾角
主销倾角一般指主销后倾角和主销内倾角。
1．主销后倾角：
从侧面看车轮，转向主销(车轮转向时的旋转中心)向后倾倒，称为主销后倾角。设置主销后倾角后，主销中心线的接地点与车轮中心的地面投影点之间产生距离(称作主销纵倾移距，与自行车的前轮叉梁向后倾斜的原理相同)，使车轮的接地点位于转向主销延长线的后端，车轮就靠行驶中的滚动阻力被向后拉，使车轮的方向自然朝向行驶方向。设定很大的主销后倾角可提高直线行驶性能，同时主销纵倾移距也增大。主销纵倾移距过大，会使转向盘沉重，而且由于路面干扰而加剧车轮的前后颠簸。
主销后倾角为正值时有抑制制动时的点头作用，但太大时会使车轮支撑处反力矩过大，易造成车轮摆振或转向盘上力的变化。
2．主销内倾角：
从车前后方向看轮胎时，主销轴向车身内侧倾斜，该角度称为主销内倾角。当车轮以主销为中心回转时，车轮的最低点将陷入路面以下，但实际上车轮下边缘不可能陷入路面以下，而是将转向车轮连同整个汽车前部向上抬起一个相应的高度，这样汽车本身的重力有使转向车轮回复到原来中间位置的效应，因而方向盘复位容易。
此外，主销内倾角还使得主销轴线与路面交点到车轮中心平面与地面交线的距离减小，从而减小转向时驾驶员加在方向盘上的力，使转向操纵轻便，同时也可减少从转向轮传到方向盘上的冲击力。但主销内倾角也不宜过大，否则会加速轮胎的磨损。
3．手动后倾测试：
我们的设备不能做内倾测试，仅能做后倾测试。
当手动后倾测试时，通过转动方向盘到三个位置，测得前束和外倾，得到不同的推力角，这些值用于计算主销。一旦主销得知，后倾也就确定。
（四）最大转向角
转向轮可以回转的最大角度。
（五）推力角
两前轮前束代数和的1/2称为推力角。
推力角也相当于汽车行驶时，车身前后轴线和直线行驶方向的夹角，它代表了车的行驶趋向。
下面是我们的NCA设备相关的工艺概念汇总表：
三、设备主要工艺参数
四、四轮定位仪工作流程
在测试台全部原位的情况下，将被测车辆行驶到四轮定位仪上。测试流程为：
选择自动模式——扫码――轴距调整――车辆上线——按CYCLE START（循环启动）按钮――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——装方向盘规――地坑内操作者进行四轮调整――调整合格――按Abort Cycle（终止循环）按钮收车――车轮停止――浮动板锁定――对中退回――挡车滚筒落下——滑门伸出――打印测试结果――取下方向盘规——车辆下线
整个工作流程的主要环节解释如下：
1．扫码：通过扫码可以确定车辆出厂号并将测试结果打印，同时送入数据库，作为车辆质保凭证。另一个作用是通过扫码，确定车型以改变设备轴距及激光传感器位置，以适应多车型混流的需要。
2．轴距调整：根据车型自动变换轴距，即使前后辊子中心距和被测车辆车轮中心距相吻合。
3．车轮旋转：电机拖动辊子带动车轮旋转。
4．对中：对中装置从外侧扶正车轮，对中合理压力为50公斤左右。
5．浮盘释放：车轮下面支撑的浮动板拔销释放，使车身处于自由浮动状态。
6．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。整车在滚筒夹持下测试和调整。
7．滑门打开：设备滑动板打开。
8．大灯检测开始——大灯测试仪测试大灯光形、亮度等。
9．安装方向盘规:安装方向盘规，校正方向盘，把车轮摆正。同时，把方向盘实际角度折算到前束计算中。
10．四轮调整：根据屏幕显示的前束、外倾值手工调整轮胎位置。
11．收车：操作者将前束、外倾调整到要求的范围内，按收车按钮结束操作。
12．浮动板锁定——测试结束后，锁死浮动板。
13．对中退回——对中装置退回。
14．挡车滚筒落下——落下挡车安全装置。
15．滑门伸出——黄色过渡板伸出，衔接车辆下线通道。
16．打印测试结果——把所有测试项目通过纸带打印机打印出来。
第二节：四轮定位仪的构成了解四轮定位设备的结构，对掌握设备原理和维修十分必要。以下简单交代设备主体构成：
一．机械部分
1．一套设备主框架，包括前、后转鼓组件的支撑机构。
2．四套浮动盘及其转鼓组件，包括16个轴承，8个转鼓，4个驱动电机和4套蹄式制动器。用于支撑动态测试的车辆及调整浮动。
3．一套轴距自动调节系统(2300mm-3200mm)。用于不同车型的轴距调整。
4．共4套前悬架工作滑门。
5．共4套自动可调整的激光头总成。用于测量车轮的动态图象。
6．一套车辆前轮自动对中系统。用于调整时车轮的对中。
7．一套车辆后轮自动对中系统。用于调整时车轮的对中。
8．一套车轮导向滚筒。防止车进入设备时偏离。
9．一套挡车滚筒，带锁销。防止车辆试验中脱出。
10．4套激光系统的保护罩。用于遮挡环境光线。
11．一套滚轮导板，在车辆进口构成喇叭口状，便于车辆驶入设备。
12．一套静态轻质标定架（两台NCA设备共用）。用于标定激光传感器的位置度及重复精度。
13．一套标定架的吊链，天车。用于吊装标定架。
14．一套地坑通道手动举升平台。用于不同身高的操作人员调整站台高度。
二．电气部分
1．一套NCA主控制柜(与大灯仪共用)。
2．一套控制柜用空调。用于主控制柜散热。
3．一套两台控制计算机系统。一台负责实时测量，一台负责主控制管理。
4．一套Allen-Bradley Logix-5000可编程控制器系统。系统采用DeviceNet总线结构，用于设备动作控制。
5．一套手动控制的触摸屏型号：PannelView600。用于外部操作及显示。
6．一套登录站（配有条形码扫描器和手动输入用的键盘）。用于输入车型、VID码等信息。
7．一套司机操作台（带有可选择测试模式的按钮）。司机在测试时操作使用。
8．一套司机显示器。向司机提示测试过程数据及操作内容、方法等。
9．一套前地坑工作液晶显示器（中英文显示）。显示调整数据。
10．一套后地坑工作液晶显示器（中英文显示）。显示调整数据。
11．两对车辆就位光电探测器。前后轴各一对，用于检测车辆是否就位。
12．用于用户联网的以太网接口和RS232通讯口。
13．一台报告打印机。打印主计算机的历史报告。
14．一个标签打印机。打印生产调整数据。
15．一套进出试验台的红绿交通信号灯。指示检测线的工作状态，待测司机根据它可以判断应进入哪条检测线。
16．地坑内的照明系统。
三．软件部分
1．定位测量程序。
2．用户界面程序。
3．驾驶员界面。
4．前后地坑操作员界面。
5．内置式设备故障自诊断软件。
6．系统标定程序。
7．试验报告打印程序。
四．测量系统
1．4套非接触激光测量装置（12个激光头和12个数字成像装置）。
2．一套方向盘转角仪（包括转角仪读数盒，托架、转向盘零位标定架）。
3．一套最大转角测量装置。
4．一套主销倾角测量装置。
五．整体结构与测试过程的关系
设备主要结构及各部分作用如下：
设备设有八个转鼓，分为四对。用于支撑四个车轮做动态旋转。其中每对转鼓中，有一个内部嵌有电机，作为转鼓旋转驱动使用。
转鼓构建在浮动盘上，浮动盘的作用是使车轮调整时，摆脱机床的结构限制，处于浮动状态，真实反映车轮状态。它有前后两个浮动销，调整前束、外倾时，前销拉出，测试最大转向角时，两个销都拉出。
图1：四轮定位仪结构图
设备有由链条传动的轴距调整装置。用于不同车型调整时，自动或手动调整轴距以适应不同轮距的需要。
为了使得车辆顺利进入设备，也有导向滚筒及侧面阻挡滚筒。
四套激光传感器支架用于装配12个传感器。3个传感器一组，组成一个激光树。通过皮带传动可以在分布平面的径向调整分布半径，由电机拖动。另外，支架下部有导轨，可以通过汽缸调整传感器和车轮的距离。
对中机构为汽缸传动，用于在试验中扶正车轮。对中压力比较理想的值，日本MAZDA建议为50公斤。
地坑内有手动举升平台。一般情况下，无须调整高度。在操作人员操作高度不合适时，可以通过按钮手动调整高度。
铝质标定架是用于标定设备传感器安装位置及重复性用的。置于两条线中央空中平台上，使用时，可以用专用天车吊下。
方向盘转角仪是安装在方向盘上的装置。该装置判定方向盘距零位的位置，控制系统据此和输入的方向盘系统的比率(方向盘转的角度:车轮转的角度)，计算出每个车轮正确的前束应该是多少。这个工具还用于手动测量后倾，在测量后倾过程中，通过用方向盘转角仪将车轮转动到三个不同的位置以测定后倾角。
激光头外部是遮光罩。增加它的原因是，激光系统测试受环境光，特别是自然光的影响比较大。
第三节：四轮定位仪测试原理分析
一、四轮定位仪的基本测量结构
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。
（一）传统的四轮定位测量结构
按照测量结构和测量方式的不同，四轮定位仪大致有以下几种分类：
1．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。天津丰田一厂就是这种方式。
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。这是目前流行的测量方式。
2．二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，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。
（二）我们四轮定位设备的测量结构
我们的设备使用的是三传感器非接触式测量。
所谓三传感器形式，是指用三个传感器进行测量。三个传感器成品字形布置，测试结构如前所述。
下图是一个激光头发射激光的局部示意图。激光头发射出一束可见红色激光到轮胎外侧，传感器内的一个CCD 图像仪获取激光束与轮胎的交汇线，过滤掉畸形和字符，计算出这个曲线的坐标值。在15 Hz 取样频率下，经运算可以产生出完整的车辆轮廓。
图2：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。
二、四轮定位设备的控制结构
四轮定位系统整体控制结构如下：
图3：激光测量系统控制结构
三个激光传感器组成一个测量树。这样的的激光树有四个，分别用于测量四个轮胎。测量的距离信号通过PC3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。
该设备有PC两台。前面板PC 是个控制PC，用于运行Windows 2000 操作系统，执行NCA 测试程序。这个 PC 也作为操作员界面、显示定位参数、地坑显示器提示 (用于前束外倾调整)和测试结果。通过一个8 口DIGI 串行板与主机通信，用于车辆数据和测试信息，及PLC的设备运行。通过一个8 口Ethernet hub 的连接，它也与实时PC通信和接受测试结果的数据。前面板PC包括显示器、键盘、鼠标和打印机。
实时PC运行QNX操作系统，这个 PC通过 PC3 卡接收从NCA 激光相机传感器的测试信号，通过一块PCI通信卡和方向盘角度规连接，利用这个信息计算前束、总前束、外倾角、交叉外倾角、后倾角、推力角和方向盘角度。这些可读取的计算结果最终送往NCA PC。
四个车轮计算后的前束、外倾值、推力角等动态显示在屏幕上，作为操作工人调整的目视依据。
现场动作管理和控制采用美国AB公司RsLogix5000系列PLC系统，并通过DeviceNet总线实现和执行器件的连接。
三、四轮定位算法过程
四轮定位基本算法采用如下步骤：
1．测取车轮轮胎轮廓线
激光系统通过发射激光及接收激光的方式，测量车轮轮廓。通过连续的光束，读取并用计算机模拟出车轮轮胎轮廓。
这个轮廓包括车轮边沿及车轮本身的毛刺、字迹等“扰动”成分，是必须处理的。
图4：第一次测试后的模拟轮胎轮廓曲线
2．提取高点附近的计算区段
厂家提出两种算法：
1） 轮胎壁过滤算法——经过过滤平滑处理，以消除轮胎变形、毛刺及字母影响。
2） 轮胎边缘跳动补偿——去掉轮胎边缘及周期性的跳动。
经过以上处理，提取高点附近的一个区段的十几个点的数据，进行后续运算。
图5：经过过滤及补偿算法后的轮胎轮廓曲线
3．计算最高点
在图3的基础上，从距离数据上筛选出最高点。
图6：提取到最高点后的轮胎轮廓曲线
图中的X号标志出轮胎的最高点，这个点成为前束及外倾的计算依据。
四、前束、外倾的计算
1．计算前束
假设： L：高点到激光头的距离，D：轮胎测试圆直径，Toe：前束，Cam：外倾。“前”、“后”（9点钟、3点钟）指前后激光传感器。则：
每次采集后计算的前束值为：
Toe0=arctg[（L前-L后）/D] -------------（1）
如果方向盘转角θ不为零，则还要根据传动比λ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 ---------------------------（2）
实际前束为：
Toe =Toe0-θ0 =Toe0 -θ×λ -----------（3）
2．计算外倾
假设3、9点钟传感器测量到的轮胎高点连线的中间点平均距离为L下：
Cam=arctg[2（L下-L上）/D]
= arctg{2[(L前 L后)/2 - L上]/D} ----(4)
其中，L下=（L前 L后）/2
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屏幕上，操作者通过屏幕显示把握调整状态，直到调整合格为止。
