用于汽车生产过程检测设备的发展动向

魔神

    

在一条效率高、规划合理、能可靠地保证产品质量的生产线中，配备高效的检测设备是必要的条件。以往，检测技术与生产过程缺乏紧密结合，相比制造设备，企业确实存在不太愿意对前者投资的倾向，但当检测技术与生产过程的联系越来越密切时，情况就完全不同了，正因为这样，各种在线检测设备获得了迅速的发展。

在线检测设备的一个基本要求是能与生产过程良好地匹配，以求最大程度地适应工艺需求。然而，生产工艺的多样性决定了为满足不同的特点，使在线检测设备发展的品种繁多。在此类产品开发中贯彻柔性化好、共用性强的理念，采用包括测量单元在内的高度模块化的设计方法。

图1 高精度配磨加工

图2 高精度配磨加工的主动测量原理

高精度零部件的增加对检测系统提出的需求

为降低油耗、噪音，提高行驶的动力性，无疑会对汽车的研制、开发提出不少课题。但在制造工艺方面也有很多工作要做，提高关键零部件的加工精度和配合精度就是一项重要工作，而且在此基础上，也为制造新的产品、有高精度要求的零部件创造了条件。

在完成零部件的高精度加工过程中，在线检测设备发挥的作用在不断提高，但这又不是单纯地靠提高检测设备的精度来实现的，而是通过加工与检测两者的有机结合，既保证了精度，又提高了效率。

如在磨削过程中，依靠机床来保证工件尺寸精度是很困难的，因为受到各机构的变动、砂轮的磨损、各项加工参数的微小变化、导轨和装夹部分的表面状态、加工区域的环境以及操作工人的熟练程度等诸多因素的影响。因此，为磨床选取并配置合适的主动量仪系统就显得十分必要。

图1是一种带有主动测量仪用于喷油泵上的关键部件——油咀偶件配磨的主动磨床工作图。图中，偶件阀座(套)的内径的公差虽有30μm，但与柱塞外径X之间的配合精度要求很高，其间隙的变动范围需控制在1μm以内，为此采用了图2所示的测量系统。右侧的测量仪工作台对阀座内径进行检测，输出的信号进入磨床主动测量仪的电控部分，使磨出的与该阀座相配的柱塞尺寸能确保所需的配合精度。为保证实现以上要求，两种量仪的重复精度应为0.1μm，而磨床的过程能力指数Cp则必须大于1.33。

一般情况下，磨加工的节拍在7～8秒左右，频率较高，为确保配磨的质量，对测量系统中传感器的各项特性，如线性、温度特性、重复性、切换性能以及控制软件的合理性都有很高的要求。

柔性好、可靠性高的测量装置

图3 新型柔性化主动量仪的测头部分

图4 带有三个测头的主动量仪检测设备

图5 用于偏心回转磨削的主动测量仪

图6 触发式测头对工件的绝对测量

图7 红外线/CCD摄象测量原理示意图

图8 非接触式凸轮轴测量仪

与工艺过程相配合的在线检测设备，无论是主动测量仪、工序间检具，还是(半)自动检验机，即使只是变换被测工件规格，就已经含有调整、更换配件的问题，更不要说遇到其他情况，如改变被测工件品种或面对不同场合。尤其对于测量装置，调整环节多必然降低其可靠性、稳定性，而种类繁多又给维修、管理增加了困难。图3是一种新型主动测量仪的测量装置，由于可任意搭配，很灵活，从而具有高度的柔性和可靠性。这是因为在设计中把传统的整体测量装置分解成相对独立、又能随意组合的两部分后，使每个相同的测头不但体积小，而且结构更简单、更坚固。由此构成的主动测量系统可用于各种类型磨床的不同磨削加工，也不再受安装空间狭小的限制。对一些较特殊的情况，如需测杆很长才能伸入被测区域时也能适应，并可保证精度。总之，无论用于什么类型的磨床和出于什么检测目的(如内径、外径、高度、厚度和宽度检测)都能很好地满足用户的要求。还有一个特点是，这种测头的量程可达到25mm，因此，其使用范围还能扩大到一些较特殊的场合，象凸轮轴磨床中对凸高的控制等。它甚至还可以应用于除磨加工以外的其他机械加工方式，使提高主动测量仪的柔性真正得以实现。

图4就是一个典型的实例，通过将三个图3所示的测头的有机组合，在磨削过程中可同时测量工件的外径和长度。采用这样的测量装置，减少了量仪检修时的工作量和难度，特别是当问题出现在测头内时的情况。而且安装调试也变得容易，甚至可以在机外进行。另一个优点就是大大提高了整个主动测量系统的可靠性、稳定性，因此，把这种类型的测量装置广泛用于生产过程，相应维修工时将会明显的减少。

用于工件中心位置变换磨削的主动测量仪

机械制造技术和数控系统的快速发展，使一种在磨削过程中工件中心位置不断变化的工艺方法也得到了较普遍的应用，为了能在这种类型的磨床上实施主动测量，有一种相应的测量装置。在这种磨加工过程中，工件中心围绕主轴轴线回转，因此对主动测量仪来讲，其测头面临的是偏心回转运动，无疑，常规主动量仪的测量装置都难以使用于这种磨削方式。为了解决这个难题，通过与相关的机床制造厂商合作，开发出了一种特殊的主动测量仪，并且已用于生产。图5是这种主动测量仪的工作示意图。

图中显示了工件中心围绕主轴轴线回转的方向和轨迹，以及砂轮的运动状况，从图5还可看到，主动量仪的测量装置是固定在砂轮架的顶面上，其前端的“V”型块就象一个叉子插向工件，架在工件的上部，为便于操作，“叉子”的外侧还设置了一个加长的弹性压条。测头位于叉子、即“V”型块的中央，架在工件上的“V”型块既起定位(自动定心)作用，又是测量工件外径时的基准。而测量装置结构中的弹性件，可确保磨削过程中“V”型块紧贴着工件，整个测量装置相当于一个跟踪机构，始终伴随着进行偏心回转的工件，准确地实施在线检测。这种形式检测装置的开发成功，解决了偏心磨削加工中采用主动测量的难题。因为偏心磨削方式相对传统的磨加工工艺有其优越性，在生产中的应用不断增加，故对主动量仪的需求也在递增。

在生产过程中采用的绝对测量方式

长期以来，用于生产过程中的检测设备采取比较测量方式的居多。这种方式虽然有测试精度和工作效率较高的优点，但在“柔性”上有局限性。故在某些场合，应用绝对测量方式的在线检测系统也发挥着不小的作用，这在一些对柔性要求较高的场合更为突出，甚至出现了把三坐标测测量机直接配置在生产线上的情况。但是，最有代表性的例子还是把触发式探头用于数控机床、加工中心，由于现成的数控系统和专门的测量程序运行方便，所以大多用于检测工件或刀具的位置、状态。这类系统最大的特点是柔性好、成本低，尤其在那些相对来说生产节奏较慢时，可提供较充裕测量时间的工序。图6是配置在一台加工中心上的触发式测头正在工作的实例。

此外，利用激光和红外线非接触光学检测原理的绝对测量方式在生产过程中也有所应用。虽然这一类方式往往受到环境条件的制约，但因为它们具有迅速地进行高精度绝对测量的能力，且随着相应的应用软件的开发不断取得进展，故在生产过程中的应用领域正在扩大。图7是采用红外线/CCD摄影方式的测量原理示意图。图8是利用这种测量原理对轴类零件进行外径检测的实例，图示设备可对直径变化范围达40mm的工件进行连续多点测量。仪器的分辨率为0.1μm。测量精度U₉₅=3μm，重复性为1μm。目前，正在研制能适用直径变化达80mm的检测设备。这种在线检测仪器最适合生产线中那些需100%进行测量的工序。

凸轮轴最终检验机图

凸轮轴磨削工艺的不断改进已持续多年。最近，依靠采用CBN(立方氮化硼)砂轮又进一步提高了切削速度、生产效率。在汽车零部件中，凸轮轴成形磨削被认为是要求最为苛刻的加工工序之一，在高效磨削过程中，由于机械部件可能产生的微小变化、砂轮状态的变化或其他工作参数的变化都会直接影响凸轮廓形的制造精度。另一方面，为减少能源的消耗，对汽车发动机中凸轮轴的形状和尺寸精度的要求也越来越高。因此，在凸轮轴生产线的终端设置进行全数检查工位的做法越来越多。为此，开发了功能丰富的自动检验机，图9是其中一种的测量部分近视图，通过采用多个绝对测量传感器件对凸轮轴各项参数进行检测。图10是被测工件及其传感器(测头)在其上的布置情况，从图中可见，在每个需控制的凸轮轴颈上，都布置有一对对向传感器，而且对于前者，还能通过其中一个测头偏移一段距离实现锥度测量。在检测凸轮时，采取了参照相邻两轴颈的测量结果，先建立作为基准的中心线，然后测量其升程和相位角，确保了测值的可靠性。除进行轴颈、凸轮一系列参数的检测外，还能完成凸轮的速度、加速度以及与基圆相关的各种参数的测量。整个过程在不到20秒之内完成，因此，这台设备既可以放在线外作工件最终检查之用，也可以串联在自动生产线之内，作为一个检测工位，100%地对通过的凸轮轴实施测量。

图9 凸轮轴综合检验机测量部分图

图10 凸轮轴综合检验机测点布置图

图11 凸轮无损检测工作图

图12 全自动多测头无损检测设备的测定部分

融入生产过程的无损在线检测

在生产过程中，对零部件(如凸轮轴)实施无损检测的要求已越来越迫切，测试内容包括：材质不良、制造缺陷、磕碰伤和磨削烧伤(痕)等。目前，采用涡流探测原理研制的在线无损检测设备已成功地用于发动机中的曲轴、凸轮轴，变速箱中的驱动轴等轴类、杆类汽车零部件的生产线，而且设备的软、硬件系统已实现了标准化。这种设备的工作效率很高，能在很短时间内对全部被测表面完成检测。图11为了凸轮轴上各个凸轮被顺序进行测试的过程，探头不动，而工件回转。图12是另一种全自动无损检测设备测试部分的近视图，被检对象也是凸轮轴，与图11不同的是，针对需测试的10个凸轮，该设备配置了10个测头，因此回转一周即能完成对工件的检测，耗时仅16秒，效率很高。

目前，配置在生产现场，用于工件过程检测的仪器、设备品种越来越多，但很多尚处在研制开发阶段。至于用作对采集的测试数据进行处理和统计分析，以及相关的网络传输系统，则是另一类产品。