高精度內(nèi)孔加工質(zhì)量的控制方法及應(yīng)用

萬迪斐　陳　俐　宋培純

摘要:文章論述了高精度內(nèi)孔加工誤差的來源和國內(nèi)外孔徑測量的研究現(xiàn)狀,提出用SPC控制質(zhì)量的好處,對整個(gè)測量系統(tǒng)部件進(jìn)行介紹。結(jié)論:該測量機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,對比以前的手工測量方法,現(xiàn)在的測量結(jié)果更可靠,以此為依據(jù)進(jìn)行的分組更合理,加工質(zhì)量的控制能力得到了明顯的提高。轉(zhuǎn)閥裝配一次合格率也有了很大的提高。

關(guān)鍵詞:高精度;內(nèi)孔加工;SPC控制質(zhì)量;閥套檢測裝置;功能獨(dú)立原理

中圖分類號:V261

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1009-2374(2009)18-0016-02

一、緒論

(一)提出問題

隨著我國汽車工業(yè)的迅速發(fā)展,對汽車性能的要求越來越高,液壓助力轉(zhuǎn)向機(jī)已裝備在了大部分車輛上。作為助力系統(tǒng)的關(guān)鍵組件之一,閥套的尺寸、形位公差的設(shè)計(jì)精度較高,其內(nèi)孔孔徑與閥芯的配合質(zhì)量直接影響到轉(zhuǎn)向機(jī)的整機(jī)工作性能,這個(gè)尺寸是控制閥套質(zhì)量的主要檢測對象。

閥套內(nèi)孔孔徑為22.009±0.003,公差僅為6μm ,而且內(nèi)孔壁上有六等分油槽和三個(gè)小導(dǎo)油孔,形狀復(fù)雜,在內(nèi)圓磨床磨削后內(nèi)孔尺寸不穩(wěn)定。正常生產(chǎn)中100%全檢控制,原采用每件手工測量后得到尺寸偏差值,然后輸入相應(yīng)的刀具補(bǔ)償值,其數(shù)值只能反映每件即時(shí)的加工結(jié)果,不能分辨其是否正常波動(dòng),也就不能提供正確的修正值,同時(shí)手工測量還存在誤差,不同的手勢對測量結(jié)果有影響,這樣造成了工件報(bào)廢率過高及閥裝配一次成功率很低的現(xiàn)狀。

(二)高精度內(nèi)孔加工誤差來源的分析

具體分析閥套內(nèi)圓磨削加工中引起尺寸波動(dòng)的原因以及帶來的影響:溫度、砂輪修整方式、頻率、振動(dòng)和冷卻液。對這些因素我們已采取一定的措施來使之影響減至盡可能小。

(三)分析國內(nèi)外孔徑測量的研究現(xiàn)狀

一般的,測量方式可分為離線測量與在線測量兩種方式。按與被測件的接觸與否,測量方法又可分為接觸式測量和非接觸式測量。目前,國際先進(jìn)水平采用自動(dòng)上下料、在線測量、閉環(huán)控制自動(dòng)反饋等手段控制尺寸波動(dòng),加工節(jié)拍快,零件質(zhì)量穩(wěn)定,取得了較好的效果。其測量系統(tǒng)主要供應(yīng)商為MOVOMATIC和MARPOSS等,通過上述手段,顯示精度可達(dá)0.0001mm,可控制尺寸基本在0.001～0.002mm左右,但價(jià)格昂貴,整個(gè)系統(tǒng)價(jià)格要15～25萬歐元,并且都為單臺機(jī)床單配,不能充分利用資源和集中管理。

(四)提出用SPC控制質(zhì)量

統(tǒng)計(jì)過程控制(簡稱SPC)已經(jīng)成為許多國際性企業(yè)廣泛采用的質(zhì)量管理和改善的技術(shù)和方法,它通過運(yùn)用控制圖對生產(chǎn)過程進(jìn)行分析評價(jià),根據(jù)反饋信息及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)性因素出現(xiàn)的征兆,并采取措施消除其影響,使過程維持在僅受隨機(jī)性因素影響的受控狀態(tài),以達(dá)到控制質(zhì)量的目的。經(jīng)過近80年在全世界范圍的實(shí)踐,SPC理論已經(jīng)發(fā)展得非常完善,其與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合日益緊密,其在企業(yè)內(nèi)的應(yīng)用范圍、程度也已經(jīng)非常廣泛、深入。

(五)本文研究的主要內(nèi)容及意義

和交大儀器工程系合作設(shè)計(jì)一套檢測系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)測量過程及數(shù)據(jù)分析自動(dòng)化。系統(tǒng)使用高精度測頭采集精確尺寸數(shù)據(jù),經(jīng)過電腦處理,在顯示器上顯示最大、最小、均值、圓柱度等一系列數(shù)值,同時(shí)結(jié)合相應(yīng)的SPC統(tǒng)計(jì)和分析軟件,反映出尺寸波動(dòng)的趨勢,提供給操作者正確的修正值以控制尺寸在公差范圍內(nèi),進(jìn)行質(zhì)量控制。達(dá)到降低報(bào)廢率和提高閥裝配一次成功率的目的。

解決閥套內(nèi)徑測量的問題并可推廣至類似道序的精密測量。

二、整個(gè)測量系統(tǒng)部件介紹

檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求如下:

內(nèi)孔尺寸:φ22.009±0.003;顯示精度0.0001mm,重復(fù)性為0.0005;

長度方向三個(gè)截面的孔徑顯示精度0.0001mm,重復(fù)性為0.0005。

節(jié)拍:<20秒;

測頭測量精度:±0.0002mm。

(一)測頭和傳感器的選擇

測頭和傳感器的作用是感受被測對象的微小變化,并將此變化量精確地轉(zhuǎn)化成電路參量(如電感、電容等)的變化,或者轉(zhuǎn)換成電量(如電壓、電荷等)的變化。前者需將參量接入轉(zhuǎn)換電路后,變化成電信號,然后方可進(jìn)行放大處理。后者可直接發(fā)出電信號,不需轉(zhuǎn)化電路即可直接送入放大或處理。衡量傳感器的優(yōu)劣,應(yīng)考慮下列要求:工作可靠、精度高(包括長期工作穩(wěn)定性好)、抗干擾能力強(qiáng)、具有一定測量范圍、反應(yīng)速度快(包括動(dòng)態(tài)響應(yīng)好)、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、維護(hù)容易、成本低等。

為了達(dá)到上述要求,我們選用了德國DIATEST生產(chǎn)的高精度測頭配合電感式位移傳感器,其測量顯示精度為0.1μ,重復(fù)精度0.5μ,能符合設(shè)計(jì)要求。

圖1為設(shè)計(jì)的閥套檢測裝置。計(jì)算機(jī)通過I/O接口控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)2通過齒輪齒條傳動(dòng)裝置1,將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變換為齒條的直線運(yùn)動(dòng),齒條通過浮動(dòng)支架3帶動(dòng)精密測頭4上下運(yùn)動(dòng),當(dāng)精密測頭4在閥套的軸線方向平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)時(shí),精密測頭4敏感被測件閥套的內(nèi)徑,將閥套內(nèi)徑微小變化轉(zhuǎn)化為上下運(yùn)動(dòng),最終通過高精度位移傳感器轉(zhuǎn)換為電信號,送入位移變送器。

根據(jù)功能獨(dú)立原理,如給定的任何參數(shù)不受其它參數(shù)影響而可控,可使其落入設(shè)計(jì)范圍,則設(shè)計(jì)要求得到滿足。即單獨(dú)的運(yùn)行參數(shù)可以控制各自的FR則系統(tǒng)的功能是獨(dú)立的。該裝置采用了圖示的浮動(dòng)支架來連接精密測頭和量具體,這樣就使精密測頭的上下運(yùn)動(dòng)獨(dú)立于精密測頭,即精密測頭安裝在浮動(dòng)支架之上,兩者之間無上下竄動(dòng),但在水平面可以浮動(dòng)。采用該方案后,附加有齒輪和齒條的加工和裝配誤差,導(dǎo)柱和齒條的平行度誤差,齒條和精密測頭的平行度誤差以及導(dǎo)柱和工作臺面的垂直度誤差的上下運(yùn)動(dòng),與精密測頭的將內(nèi)徑變化轉(zhuǎn)化為高精度位移傳感器的運(yùn)動(dòng),兩者之間完全獨(dú)立,即它們運(yùn)行參數(shù)可以控制各自的FR,系統(tǒng)的功能是獨(dú)立的,滿足了功能獨(dú)立原理的設(shè)計(jì)要求。

(二)信號收集、處理部分

位移傳感器送出的電信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、A/D信號轉(zhuǎn)換電路、開關(guān)量輸入輸出處理電路,由工業(yè)控制計(jì)算機(jī)采樣,并配備了測量數(shù)據(jù)處理軟件包、SPC分析軟件包、各開關(guān)量控制軟件包、相應(yīng)的接口、外部設(shè)備等,顯示和記錄測量結(jié)果。

(三)信號調(diào)理電路設(shè)計(jì)

在調(diào)理電路的設(shè)計(jì)中主要采取以下技術(shù)來保證測量機(jī)的測量精度和測量效率:

1.測量原理中,由于采用相對測量方法,用標(biāo)準(zhǔn)件對傳感器進(jìn)行校正,并將標(biāo)準(zhǔn)件校正測量所得信號作為零點(diǎn)信號,從而避免了由于傳感器帶來的測量干擾,也可屏蔽掉傳感器的調(diào)理電路中元件參數(shù)的變化,特別是緩變誤差信號對測量結(jié)果的影響。

2.模擬電路設(shè)計(jì):除采用抑制電源振蕩、信號屏蔽等措施外,還采用了光電耦合技術(shù),使模擬量、數(shù)字量等信號傳輸通道隔離,避免串?dāng)_。

3.除電路設(shè)計(jì)中采取措施降低白噪聲外,通過選用高質(zhì)量集成芯片及多位(12位)高精度A/D芯片,可有效地提高信噪比及分辨率。

4.在信號調(diào)理過程中,設(shè)計(jì)采用了一種獨(dú)特的復(fù)合式非線性轉(zhuǎn)換器的線性處理電路,將需處理的傳感器輸出信號直接控制合成基準(zhǔn)電壓輸入端,以提高傳感器的線性度。

5.采用獨(dú)特的溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì),使電源、傳感器及其信號處理系統(tǒng)不經(jīng)預(yù)熱,可直接進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

6.本系統(tǒng)采用了工業(yè)控制計(jì)算機(jī),提高了對現(xiàn)場供電電網(wǎng)的抗干擾能力。

三、數(shù)據(jù)的處理

1.單件測量采樣50點(diǎn),顯示最大、最小、均值、圓柱度等一系列數(shù)值,并顯示模擬輪廓。

2.記錄每件的均值并統(tǒng)計(jì),顯示尺寸波動(dòng)曲線,反映尺寸偏差趨勢,分析工序是否處于穩(wěn)定狀態(tài),是否要調(diào)整。

3.具有16個(gè)數(shù)據(jù)輸入接口,可同時(shí)處理多組數(shù)據(jù)。

4.有NET接入功能,可接入公司內(nèi)部局域網(wǎng),便于數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的整體目標(biāo)是不但要實(shí)現(xiàn)SPC數(shù)據(jù)采集與現(xiàn)場分析功能,而且必須滿足企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)的遠(yuǎn)程分析與現(xiàn)場業(yè)務(wù)管理的需要。

四、結(jié)論

經(jīng)過一段時(shí)間的試用表明,該測量機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求,對比以前的手工測量方法,現(xiàn)在的測量結(jié)果更可靠,以此為依據(jù)進(jìn)行的分組更合理,加工質(zhì)量的控制能力得到了明顯的提高。轉(zhuǎn)閥裝配一次合格率也有了很大的提高。

作者簡介:萬迪斐 (1977-),男,上海人,上海采埃孚轉(zhuǎn)向機(jī)有限公司助工,上海交通大學(xué)工程碩士,研究方向:先進(jìn)機(jī)械加工工藝;陳俐(1972-),女,上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院副教授,研究方向:先進(jìn)動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)與控制;宋培純 (1952-),男,上海人,上海采埃孚轉(zhuǎn)向機(jī)有限公司高級工程師,研究方向:先進(jìn)機(jī)械加工工藝。