在線檢測技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)制造中的應(yīng)用

在線檢測技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)制造中的應(yīng)用

1、在線檢測技術(shù)的重要性

汽車工業(yè)近年來的發(fā)展非常迅速，尤其是轎車工業(yè)可以說是日新月異。汽車工業(yè)發(fā)展得這樣快，毫無疑問應(yīng)歸功于改革開放、引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)的結(jié)果。而在這引進(jìn)的先進(jìn)技術(shù)中，在線檢測技術(shù)可以說是一顆璀璨的明珠。

一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)由幾百個(gè)零部件組裝而成，每個(gè)零件，即便是一顆螺絲釘都將直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)的質(zhì)量。因而，對(duì)這些零部件在生產(chǎn)制造中加工質(zhì)量的檢測與控制的好壞，也就決定了發(fā)動(dòng)機(jī)質(zhì)量，也就成了能否達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的技術(shù)性能指標(biāo)的關(guān)鍵。而對(duì)這些零件在生產(chǎn)制造中的檢測與控制，完全靠人工在生產(chǎn)線外的手動(dòng)進(jìn)行，顯然存在以下弊端。

a.檢測結(jié)果會(huì)因?yàn)椴僮髡叩氖煜こ潭�、疲勞程度、�?zé)任心等帶來不同程度的附加誤差。

b.增加了操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。

c.只能對(duì)加工后的質(zhì)量進(jìn)行“被動(dòng)”檢測，而不能實(shí)現(xiàn)對(duì)加工的質(zhì)量進(jìn)行“主動(dòng)”的檢測和控制。故雖然能檢測出超差的零件，但加工中造成的廢品卻無法避免，尤其是位于自動(dòng)生產(chǎn)線前端或中間加工的尺寸，等到出線端才能進(jìn)行人工檢測，而此時(shí)所檢測出來的超差，在生產(chǎn)線內(nèi)卻已有若干臺(tái)超差件，造成了廢品的增加。

而在線檢測技術(shù)的引人，不僅解決了上述的弊端，且較大地提高了發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量和生產(chǎn)率，降低了整機(jī)成本。

2、在線量儀的主要類型、結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

2.1主要類型、結(jié)構(gòu)

在線檢測技術(shù)在生產(chǎn)中應(yīng)用的主要結(jié)構(gòu)形式是，由測量系統(tǒng)與相應(yīng)部件及系統(tǒng)構(gòu)成的在線量儀。在線量儀的分類方法有多種，若按在測量過程中人工參與的程度，可分為手動(dòng)量儀和自動(dòng)量儀；而若按其在測量過程中對(duì)工藝過程的干預(yù)程度，又可分為主動(dòng)量儀和被動(dòng)量儀。

在線量儀的基本結(jié)構(gòu)如圖1.圖1中A、B2個(gè)虛框分別為測量裝置（即通常所說的測量頭）和測量儀表（或者說是測量電箱），這兩者是量儀的主體。

2.2主要特點(diǎn)和區(qū)別

2.2.1自動(dòng)量儀和手動(dòng)量儀

a.自動(dòng)量儀和手動(dòng)量儀的測量頭對(duì)工件的測量，分別是由機(jī)床自動(dòng)驅(qū)動(dòng)和人工手動(dòng)進(jìn)行的，如圖1中，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)（或手動(dòng)）框。

b.自動(dòng)量儀在其結(jié)構(gòu)中必須有測量頭的自動(dòng)驅(qū)動(dòng)裝置，手動(dòng)量儀則不需要。

c.自動(dòng)量儀的測量結(jié)果自動(dòng)生成對(duì)機(jī)床控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響的信號(hào)，而手動(dòng)量儀則沒有此功能。

2.2.2主動(dòng)量儀和被動(dòng)量儀

a.主動(dòng)量儀的測量是在工件的加工過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行的，而被動(dòng)量儀則是在工件加工完成后，對(duì)加工的結(jié)果進(jìn)行測量的。

b.主動(dòng)量儀在測量過程中，不僅能實(shí)時(shí)顯示被測工件的尺寸和狀態(tài)，還可根據(jù)測量狀況隨時(shí)發(fā)出不同的控制信號(hào)，用以控制刀具減緩進(jìn)刀、停止進(jìn)刀或刀具退回。而被動(dòng)量儀只能顯示被測工件最終的尺寸和狀態(tài)，并發(fā)出狀態(tài)（合格、超差、接近超差）的控制信號(hào)。

c.主動(dòng)量儀的設(shè)置與工件的加工均在同一工位，而被動(dòng)量儀的設(shè)置通常在工件加工的后序工位。

d.被動(dòng)量儀既有手動(dòng)測量的，又有自動(dòng)測量的，而主動(dòng)量儀基本上都是自動(dòng)測量的。

鑒于上述，顯然是主動(dòng)量儀的功能更為完善優(yōu)異。但主動(dòng)量儀的應(yīng)用還有一定的局限性，目前僅較為廣泛地應(yīng)用于磨削和珩磨類的機(jī)械加工中。由于主動(dòng)測量是在工件加工中的動(dòng)態(tài)測量，受多方面因素的影響，而被動(dòng)測量是在工件加工完成后的靜態(tài)測量，影響的因素較小，因而實(shí)際測量的準(zhǔn)確度后者高于前者。且近年來由于自動(dòng)補(bǔ)調(diào)系統(tǒng)的日臻完善，使配有自動(dòng)補(bǔ)調(diào)系統(tǒng)的被動(dòng)量儀的應(yīng)用日益廣泛。其主要工作過程是，首先是對(duì)加工完成后的工件尺寸進(jìn)行檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)達(dá)到或超出某一設(shè)定的范圍（接近超差）時(shí)即發(fā)出信號(hào)，并對(duì)加工系統(tǒng)（主要是刀具）

做相應(yīng)的調(diào)整，用以修正或補(bǔ)償所出現(xiàn)的偏差。

3、我廠在線量儀的應(yīng)用概況

一汽轎車公司二發(fā)廠在線量儀的應(yīng)用較為廣泛，主要是由于我廠的主要設(shè)備和生產(chǎn)線均是從國外（主要是美國）引進(jìn)的，在線量儀也大多隨設(shè)備和生產(chǎn)線同時(shí)引進(jìn)，且基本上都是自動(dòng)的，其中主動(dòng)量儀和被動(dòng)量儀均有，數(shù)目也均不少。投人生產(chǎn)后，又進(jìn)行了一些改進(jìn)和擴(kuò)展，故現(xiàn)在我廠在線量儀的種類和數(shù)量均具有一定的規(guī)模。

3.1主動(dòng)量儀的應(yīng)用概況

a.磨削加工：主要是對(duì)曲軸的主軸徑和連桿軸徑、連桿的主軸徑和中間軸軸徑等軸類工件的磨削加工過程中的尺寸進(jìn)行測量，計(jì)15臺(tái)（測量頭17個(gè)）。

b.珩磨加工：主要是對(duì)缸體的缸孔和連桿的大小頭孔等孔類的珩磨加工過程中的尺寸進(jìn)行測量，計(jì)2臺(tái)（測量頭8個(gè)），且配有工控機(jī)。

3.2被動(dòng)量儀的應(yīng)用概況

被動(dòng)量儀主要應(yīng)用于孔類工件的測量，并重點(diǎn)用于下述2個(gè)工件。

a.缸體：主要是對(duì)缸體上的主軸承孔和中間軸孔加工完成后的測量及缸孔的測量分級(jí)，計(jì)2臺(tái)（測量頭6個(gè)），且配有工控機(jī)。

b.缸蓋：主要是對(duì)一缸蓋上的氣門座孔、氣門導(dǎo)管孔、氣門調(diào)節(jié)器孔和凸輪軸孔加工完成后的測量，計(jì)3臺(tái)（測量頭17個(gè)）且配有工控機(jī)。3.3配有自動(dòng)補(bǔ)調(diào)系統(tǒng)的在線量儀的應(yīng)用概況

a.鏜加工：主要是對(duì)缸體的缸孔、連桿上的大小頭孔加工完成后的測量，并進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)調(diào)，計(jì)2臺(tái)（測量頭12個(gè)），且配有工控機(jī)。

b.車加工：主要是對(duì)曲軸的導(dǎo)向軸徑和第三主軸徑寬度等加工過程中的尺寸測量，并進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)調(diào)，計(jì)1臺(tái)（測量頭2個(gè)），且配有工控機(jī)。

4、在線量儀在我廠的應(yīng)用實(shí)例

4.1主動(dòng)測量技術(shù)在軸類磨削加工中的應(yīng)用

軸類零件的磨削加工在汽車制造過程中占有很重要的地位，尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器和橋總成中，這類零件占的比例很大。鑒于被加工件自身的差別很大，工藝上提出的要求也各不相同，出現(xiàn)了眾多類型的外圓磨主動(dòng)測量儀。如:

a.對(duì)曲軸中連桿軸徑的測量，其測量頭的厚度只有8mm;

b.對(duì)曲軸中連桿軸徑和主軸徑磨加工前的定位測量，分別采用單點(diǎn)固定式和雙點(diǎn)可調(diào)式測量頭；C.對(duì)曲軸和凸輪軸的主軸徑磨加工，不僅有軸徑尺寸和定位的測量，還有軸徑錐度的測量、等。下面僅以凸輪軸主軸徑磨削加工的主動(dòng)量儀為例作以簡介。

4.1.1具有軸向定位的主動(dòng)量儀

在對(duì)凸輪軸主軸徑的磨削加工前，首先要對(duì)工件的軸向進(jìn)行定位。具體方法是對(duì)其軸向某一端面進(jìn)行測量后，通知機(jī)床控制系統(tǒng)，校正工件在機(jī)床上的軸向位置，然后再對(duì)工件進(jìn)行磨削加工（這對(duì)于曲軸、凸輪軸之類的軸類零件中的磨削工序是必須的）.這時(shí)采用的機(jī)床都是具有端面定位功能的外圓磨床。圖2即為用于凸輪軸主軸徑多砂輪磨床的工作示意圖。由圖2可見，在磨床的與工件垂直方向設(shè)置了一套位置檢測測頭1(由油缸2驅(qū)動(dòng)），用于測量由工藝確定的軸向位置的偏差量（以圖2所示的端面為基準(zhǔn)），然后由測頭內(nèi)的傳感器輸出，送人測控儀表5。測控儀表一方面由其面板上的表頭顯示出偏差值，另一方面把此偏差（若偏差量超過允許值）的開關(guān)信號(hào)送入機(jī)床控制系統(tǒng)，機(jī)床控制系統(tǒng)按此偏差的相反方向驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)8，帶動(dòng)凸輪軸向減小偏差的方向移動(dòng)，且在這移動(dòng)過程中，位置檢測測頭1跟隨檢測其偏差量，直至偏差減小到允許的范圍內(nèi)，測控儀表5又發(fā)出開關(guān)接點(diǎn)信號(hào)送入機(jī)床控制系統(tǒng)，使其控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)8停止運(yùn)動(dòng)，并發(fā)出信號(hào)給砂輪架驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)9，帶動(dòng)砂輪架11進(jìn)入磨削工作。

上述系統(tǒng)可以在一定的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)軸向的準(zhǔn)確定位，由于通常均以某一端面為檢測的基準(zhǔn)，故通常稱為端面定位。

上面介紹的端面定位測頭是屬單測點(diǎn)單傳感器型的。

4.1.2具有錐度檢測的主動(dòng)量儀

主動(dòng)測量也已成功地用于軸類零件的錐度控制，并對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。圖2所示的對(duì)凸輪軸磨削加工中所應(yīng)用的主動(dòng)量儀，就是一種具有端面定位并對(duì)工件的外徑和錐度予以檢測的主動(dòng)測量系統(tǒng)，它與機(jī)床控制系統(tǒng)相結(jié)合，除了完成對(duì)軸類工件外徑加工的控制外，還能實(shí)現(xiàn)對(duì)軸類工件外徑錐度加工的控制。它適合于多砂輪切入式加工的高效磨床，即采取多個(gè)砂輪同時(shí)對(duì)凸輪軸（或曲軸）的全部軸頸進(jìn)行一次磨削加工。用這種方式在對(duì)軸類零件的全長上加工時(shí)，由于環(huán)境溫度等的變化，各主軸頸可能產(chǎn)生錐度。為了把這項(xiàng)形狀誤差壓縮到最小，對(duì)機(jī)床床身采用了熱對(duì)稱設(shè)計(jì)，而同時(shí)設(shè)置的多功能主動(dòng)測量系統(tǒng)則具有更積極的作用。確切地講，這套系統(tǒng)不同于一般的主動(dòng)測量儀，應(yīng)該稱之為“具有錐度自動(dòng)修正功能的外徑尺寸測量裝置”。從圖2可見，與凸輪軸兩端的主軸頸相對(duì)應(yīng)，磨床上設(shè)置了2套直徑測量裝置3和6（分別由油缸4和7驅(qū)動(dòng)）。另外，在砂輪架一側(cè)，又安裝有執(zhí)行校正功能的伺服電機(jī)10。當(dāng)在加工進(jìn)行中，若被測的2個(gè)主軸頸產(chǎn)生錐度，2個(gè)外徑測量裝置3和6的輸出信號(hào)必然有差值，此差值在測控儀表5中進(jìn)行比較處理后，并根據(jù)測量裝置3和6的大小（其差值達(dá)到或超過某一設(shè)定值），發(fā)出具有方向的錐度修正信號(hào)（如3>6某一信號(hào)有效，而3<6則另一信號(hào)有效）.機(jī)床控制系統(tǒng)接收到此信號(hào)后，便發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)10，向減小錐度方向移動(dòng)砂輪架11。從圖2可見，伺服電機(jī)10是安裝在砂輪架11軸向一側(cè)的端點(diǎn)，伺服電機(jī)的動(dòng)作會(huì)改變砂輪架的軸向位置，因而這是一種采用調(diào)整砂輪軸的位置來進(jìn)行修正錐度的方式。

若加工中無錐度或錐度很小，未達(dá)到設(shè)定值，則測控儀表中的此部分電路不動(dòng)作，也即無錐度修正信號(hào)輸出。

4.2主動(dòng)測量技術(shù)在珩磨加工中的應(yīng)用

珩磨是一種精加工方法，它能經(jīng)濟(jì)而有效地加工出精度高、表面質(zhì)量好的孔。珩磨在汽車制造業(yè)中用得很廣泛。發(fā)動(dòng)機(jī)主要零件的孔，如缸體中的缸孔和連桿大、小頭孔的最后一道工序都是珩磨（我廠就是如此）。從理論上講，珩磨機(jī)可以配置不同原理、不同結(jié)構(gòu)的測量頭，然而受到此種加工方式特點(diǎn)的限制，用接觸式的機(jī)械機(jī)構(gòu)組成的檢測頭基本上已絕跡，當(dāng)前珩磨自動(dòng)測量一般均采用非接觸式氣動(dòng)測量裝置。

4.2.1珩磨主動(dòng)測量基本系統(tǒng)的構(gòu)成

盡管我廠的珩磨主動(dòng)測量分別用于缸體中的缸孔和連桿的大、小頭孔，但其測量系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)還是相同的，所以在此僅以珩磨主動(dòng)測量系統(tǒng)為題進(jìn)、行介紹。

珩磨主動(dòng)測量的系統(tǒng)由旋轉(zhuǎn)密封裝置、珩磨測量頭、壓力型氣／電轉(zhuǎn)換器、放大處理電路、電磁閥等部分構(gòu)成（如圖3大虛框中所示），而用于珩磨測量采用的均為氣動(dòng)測頭。

4.2.2珩磨主動(dòng)測量系統(tǒng)的工作過程

　在珩磨開始時(shí)，機(jī)床控制電路發(fā)出控制信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)珩磨頭進(jìn)入被珩工件孔內(nèi)，珩磨開始。與此同時(shí)，由穩(wěn)定氣源輸人的壓縮空氣，通過電磁閥和旋轉(zhuǎn)密封裝置后進(jìn)入珩磨測量頭，再經(jīng)位于磨頭中部徑向2個(gè)互為180°的測量噴嘴與被加工件孔壁之間的間隙流入大氣，隨著工件尺寸的逐漸增大，測量間隙發(fā)生相應(yīng)的變化，從而引起測量壓力的變化，此變化經(jīng)氣／電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量變化，再經(jīng)過放大處理電路后，分別送人顯示儀表和機(jī)床控制電路，顯示儀表顯示出測量值，機(jī)床控制電路根據(jù)測量值與設(shè)定值相比較，若達(dá)到設(shè)定值，即刻發(fā)出信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)珩磨頭退回，結(jié)束本次珩磨，即完成了主動(dòng)測量的全過程。

4.3帶有自動(dòng)補(bǔ)調(diào)的在線測量技術(shù)的應(yīng)用

　帶有自動(dòng)補(bǔ)調(diào)的在線測量技術(shù)在我廠主要應(yīng)用于鏜孔和車削的加工測量中，兩者采用的系統(tǒng)雖然不一樣，但它們的原理及控制方式基本相同，故而在此僅舉一個(gè)車削加工的例子，這就是曲軸的導(dǎo)向軸徑和第三主軸徑寬度的測量補(bǔ)調(diào)儀，該測量補(bǔ)調(diào)儀于2001年國產(chǎn)化改造成功，并投入使用。

4.3.1測量補(bǔ)調(diào)系統(tǒng)的基本構(gòu)成

　測量補(bǔ)調(diào)儀的構(gòu)成如圖4所示。圖4中1工位為加工工位，車曲軸的導(dǎo)向軸徑和第三主軸徑寬度。該工位設(shè)置有軸徑調(diào)刀機(jī)構(gòu)3和步進(jìn)電機(jī)4，徑寬調(diào)刀機(jī)構(gòu)2和步進(jìn)電機(jī)1。2工位為空工位。3工位設(shè)置有軸徑測量及其驅(qū)動(dòng)裝置6和徑寬測量及其驅(qū)動(dòng)裝置5。測量和控制信號(hào)均送往和來自測量電箱7和機(jī)床控制系統(tǒng)。

4.3.2測量補(bǔ)調(diào)的工作過程

　曲軸的導(dǎo)向軸徑和第三主軸徑寬度在1工位加工完成后，由輸送帶（圖中未畫）送到3工位進(jìn)行測量，由各自的測量頭（6和5）測得的軸徑和徑寬分別送往測量電箱7，在電箱內(nèi)部設(shè)置的A／D轉(zhuǎn)換器把這兩個(gè)尺寸信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，送到CPU（微處理器）中與設(shè)定值進(jìn)行比較，若其中有1個(gè)（或2個(gè)）尺寸達(dá)到或超過設(shè)定的補(bǔ)償范圍，即發(fā)出相應(yīng)的補(bǔ)償指令信號(hào)（和顯示信號(hào)），送往機(jī)床控制系統(tǒng)。機(jī)床控制系統(tǒng)接收到測量系統(tǒng)發(fā)出的補(bǔ)償指令后，并不立即發(fā)出調(diào)整刀具指令，而是等到加工完成刀具退回原位（即收到刀具原位信號(hào)）后，再發(fā)出相應(yīng)的調(diào)整刀具的允許指令，給相應(yīng)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)（在測量電箱內(nèi)），步進(jìn)電機(jī)即根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖數(shù)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)調(diào)刀機(jī)構(gòu)動(dòng)作，完成相應(yīng)的調(diào)刀操作。

4.3.3測量補(bǔ)調(diào)系統(tǒng)的基本配置

帶有自動(dòng)補(bǔ)調(diào)的在線量儀的電路原理結(jié)構(gòu)框圖如圖5.各部分的配置如下。

a.測量頭中的位移傳感器，采用的是差動(dòng)式電感，測尖采用人造金剛石。

b.信號(hào)放大和振蕩信號(hào)源，采用中原量儀廠的標(biāo)準(zhǔn)放大板和振蕩信號(hào)板。

c.工控機(jī)采用臺(tái)灣研華IPC-610工控機(jī)，其基本配置為586DX/133,16M內(nèi)存、1G硬幾盤，雙高軟驅(qū)，機(jī)箱采用全鋼加固型結(jié)構(gòu)，并配有250W高可靠工業(yè)用開關(guān)電源。

d.A/D轉(zhuǎn)換器、開關(guān)量輸入輸出口、步進(jìn)電機(jī)控制卡均選用了與工控機(jī)配套的標(biāo)準(zhǔn)板卡，而步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器則為日本樂孜公司的可進(jìn)行500步細(xì)分的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品。

e．顯示與報(bào)警采用了兩種形式。其一是采用355.6mm彩顯，用于對(duì)測量結(jié)果的全部數(shù)據(jù)、統(tǒng)計(jì)圖表、單項(xiàng)測量結(jié)果的狀態(tài)（優(yōu)等、補(bǔ)調(diào)、超差）等方面的顯示。其二是為使操作者對(duì)總體測量結(jié)果的狀態(tài)達(dá)到醒目的效果，在量儀電箱頂部又設(shè)置了綠、黃、紅三色一體的柱狀指示燈，分別代表優(yōu)等、補(bǔ)調(diào)和超差3種狀態(tài)。

4.3.4國產(chǎn)化改造的成果

　在對(duì)該在線量儀進(jìn)行改造的開始，就瞄準(zhǔn)了當(dāng)代世界上的先進(jìn)水平，采用了當(dāng)前世界上的先進(jìn)技術(shù)，所以無論是功能、測量精度還是穩(wěn)定性等各方面均不低于當(dāng)今國外的先進(jìn)在線量儀，而其價(jià)格約為國外同等量儀的1/4（總費(fèi)用18.5萬元人民幣，而同等功能和配置的國外產(chǎn)品最低為8.5萬美元）。自2001年5月投入生產(chǎn)以來，一直穩(wěn)定運(yùn)行，未曾發(fā)生過任何故障。

5、結(jié)束語

　事實(shí)證明，在線檢測技術(shù)的應(yīng)用，有效地提高了產(chǎn)品質(zhì)量和勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。因而，它在降低產(chǎn)品的成本、提高企業(yè)和產(chǎn)品的信譽(yù)、提高產(chǎn)品在市場上的競爭力等方面都起到了積極的作用。可以預(yù)見，隨著在線檢測技術(shù)越來越廣泛的應(yīng)用，將會(huì)給企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益和競爭力。