上海質(zhì)量技術(shù)獎(jiǎng)案例：沖壓線雙料檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

◆錢 驍/ 文

一、設(shè)計(jì)背景

沖壓線雙料檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)于沖壓車間乃至整車廠生產(chǎn)來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的一套系統(tǒng)。沖壓線決不允許有兩張或以上的料片（稱為雙料）同時(shí)送入生產(chǎn)線。如果雙料未被檢測(cè)出而送到模具中進(jìn)行沖壓，那么將會(huì)造成沖壓設(shè)備與模具的嚴(yán)重?fù)p壞。由于模具對(duì)于每個(gè)車型來(lái)說(shuō)都具有唯一性無(wú)法替代，一旦模具損壞，那么長(zhǎng)達(dá)幾天到數(shù)周的模具維修時(shí)間將會(huì)造成整個(gè)整車廠的停產(chǎn)。另外從質(zhì)量方面來(lái)說(shuō)，即使花費(fèi)了高昂的財(cái)力、人力和時(shí)間代價(jià)進(jìn)行維修，也很難保證模具能恢復(fù)到初始狀態(tài)，將會(huì)對(duì)今后的汽車板料零件質(zhì)量造成一定的不利影響。

上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司臨港基地兩條沖壓生產(chǎn)線原本使用的是德國(guó)一公司制造的雙料檢測(cè)系統(tǒng)，在生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)效果并不理想，經(jīng)常發(fā)生漏檢和誤檢現(xiàn)象。車間技術(shù)人員通過(guò)記錄現(xiàn)場(chǎng)故障發(fā)生時(shí)的生產(chǎn)參數(shù)信息，發(fā)現(xiàn)料片輸送時(shí)磁性和振動(dòng)的工況環(huán)境是造成漏檢誤檢的原因。為此車間多次請(qǐng)?jiān)摰聡?guó)公司到現(xiàn)場(chǎng)解決問(wèn)題，但外方技術(shù)人員均無(wú)法有效地解決其系統(tǒng)問(wèn)題，因此這個(gè)雙料檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)臨港沖壓車間的產(chǎn)能造成了極大的不利影響。公司技術(shù)人員決定自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)，解決這個(gè)問(wèn)題。

二、設(shè)計(jì)目標(biāo)

新系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)是根據(jù)可靠性三要素和汽車工業(yè)中可靠性防錯(cuò)技術(shù)，結(jié)合沖壓生產(chǎn)工藝來(lái)制定的，可靠性三要素為：耐久性、可維修性和設(shè)計(jì)可靠性。

耐久性要素定義為產(chǎn)品使用無(wú)故障性。這要求新系統(tǒng)在使用中不僅要避免外方提供的系統(tǒng)在振動(dòng)環(huán)境中故障率高的情況，而且系統(tǒng)本身要經(jīng)久耐用，這就需要系統(tǒng)必須依靠簡(jiǎn)單檢測(cè)原理，硬件結(jié)構(gòu)也必須盡可能簡(jiǎn)單，系統(tǒng)軟件要盡可能滿足簡(jiǎn)化硬件的要求。

可維修性要素定義為當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生故障后，能夠很快很容易地通過(guò)維護(hù)或維修排除故障。這要求新系統(tǒng)在發(fā)生問(wèn)題后能快速更換，并且系統(tǒng)初始化過(guò)程要短，需要解決德國(guó)公司的系統(tǒng)每生產(chǎn)一種零件需要先做7步示教工作的問(wèn)題，不解決這個(gè)問(wèn)題，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，新更換的系統(tǒng)又需要長(zhǎng)時(shí)間的系統(tǒng)示教工作。

設(shè)計(jì)可靠性要素是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，還要充分考慮產(chǎn)品的易使用性和易操作性。對(duì)于防錯(cuò)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)防錯(cuò)率高就是質(zhì)量好，就是可靠性高，應(yīng)該說(shuō)任何防錯(cuò)系統(tǒng)都無(wú)法做到絕對(duì)100%的防錯(cuò)率，所以我們只能要求新系統(tǒng)在大量的采樣實(shí)驗(yàn)中出錯(cuò)率F(t)盡可能趨向0。這樣根據(jù)可靠性公式R(t)=1- F(t)，可靠性R (t)才能盡可能趨向100%。這要求新系統(tǒng)能通過(guò)大量采樣實(shí)驗(yàn)證明其可靠性，并且有簡(jiǎn)便的使用方法和讓人通俗易懂的檢測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果顯示。

作為汽車工業(yè)防錯(cuò)技術(shù)中的雙料檢測(cè)系統(tǒng)是種檢測(cè)板料厚度的定量防錯(cuò)，而從類別上來(lái)說(shuō)，由于板料從料垛分張拆垛到料片的過(guò)程受板料質(zhì)量的影響無(wú)法避免分張失敗，所以雙料檢測(cè)系統(tǒng)必須能阻止兩張或以上的板料流入沖壓線加工，是種不傳遞缺陷的防錯(cuò)。這要求新系統(tǒng)有檢測(cè)出板料厚度數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)的能力，最后在分析完成后根據(jù)結(jié)果處理報(bào)警的能力。

從生產(chǎn)工藝來(lái)說(shuō)，車間共有70多種零件板料，厚度范圍從0.68mm～1.8mm，以超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)厚度50%判定為雙料的檢測(cè)工藝來(lái)看，當(dāng)檢測(cè)值誤差大于0.3mm時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)不可靠性，所以新系統(tǒng)要求檢測(cè)精度誤差在0.1mm內(nèi)（必須預(yù)留余量，以防止板料上有異物等非正常情況），這是根據(jù)可靠性防錯(cuò)原理結(jié)合車間實(shí)際工藝制定的目標(biāo)參數(shù)。同時(shí)在達(dá)到這個(gè)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，不能和德國(guó)公司的系統(tǒng)一樣有降低生產(chǎn)速度的額外條件。

另外車間70多種零件板材有鋼板和鋁板之分，還需解決該系統(tǒng)只能檢測(cè)鋼板的問(wèn)題。

設(shè)計(jì)目標(biāo)歸納為：

——系統(tǒng)適應(yīng)沖壓工作環(huán)境防磁防振，故障率低；

——系統(tǒng)檢測(cè)過(guò)程不影響生產(chǎn)速度，移動(dòng)檢測(cè)；

——系統(tǒng)檢測(cè)精度誤差小于0.1mm；

——系統(tǒng)雙料檢測(cè)率接近100%；

——能夠檢測(cè)所有材質(zhì)板料；

——系統(tǒng)維護(hù)使用簡(jiǎn)單，并具有HMI人機(jī)界面。

綜上目標(biāo)，車間技術(shù)人員采用激光位移檢測(cè)技術(shù)結(jié)合PLC自動(dòng)化控制技術(shù)，設(shè)計(jì)采用光學(xué)為檢測(cè)方式的系統(tǒng)來(lái)替代原磁性檢測(cè)系統(tǒng)，以達(dá)到目標(biāo)要求。

三、設(shè)計(jì)方案

針對(duì)解決防磁防振的要求，在沖壓線對(duì)中臺(tái)傳輸皮帶板料通過(guò)點(diǎn)，上下各垂直安裝一個(gè)激光位移傳感器（LS1、LS2）作為一組檢測(cè)點(diǎn),兩個(gè)位移傳感器所測(cè)出的距離為a和b（參見圖1）。

圖1 傳感器示意圖

在板料通過(guò)時(shí)隨皮帶上下振動(dòng)的情況下，a變長(zhǎng)時(shí)b變短，a變短時(shí)b變長(zhǎng)，因此a+b是一個(gè)常數(shù)。傳感器LS1與LS2間距d是固定不變的，所以板料厚度可以得出：

由圖1可以看出振動(dòng)并不能影響到a+b，而光學(xué)檢測(cè)也不會(huì)受到磁性環(huán)境的影響，且能檢測(cè)任何通過(guò)的不透明物體。這樣就通過(guò)位移與距離的換算，解決了防振、防磁、移動(dòng)檢測(cè)和檢測(cè)材質(zhì)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

系統(tǒng)選用了日本某公司的LKG5001P系列激光位移傳感器作為檢測(cè)設(shè)備。這種激光位移傳感器檢測(cè)精度微米級(jí)的。通過(guò)測(cè)試完全能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

因?yàn)長(zhǎng)K-G5001P激光檢測(cè)傳感器是用于檢測(cè)位移的設(shè)備，無(wú)法像德國(guó)公司專業(yè)雙料檢測(cè)設(shè)備那樣將不同零件板料參數(shù)存儲(chǔ)在控制器內(nèi)。又無(wú)Pro fi bus總線接口將數(shù)據(jù)傳入沖壓線的PLC系統(tǒng)中。

所以針對(duì)這個(gè)情況，設(shè)計(jì)人員通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，用A-D模數(shù)轉(zhuǎn)換的方式從激光位移控制器端傳輸模擬量信號(hào)到Profibus總線模擬量輸入模塊上，進(jìn)而通過(guò)Profibus總線將檢測(cè)信息在PLC里進(jìn)行分析處理。（參見圖2）

圖2 傳輸示意圖

PLC中設(shè)計(jì)有不同零件標(biāo)準(zhǔn)的板料厚度數(shù)據(jù)庫(kù)程序，通過(guò)生產(chǎn)時(shí)的零件號(hào)來(lái)儲(chǔ)存調(diào)用。在每種零件第一次生產(chǎn)前設(shè)定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)厚度存入數(shù)據(jù)庫(kù)，正常生產(chǎn)時(shí)自動(dòng)調(diào)出標(biāo)準(zhǔn)厚度與檢測(cè)出的當(dāng)前厚度比較。檢測(cè)厚度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)厚度50%以上判定為雙料，停止傳輸皮帶電機(jī)并報(bào)警。這樣的設(shè)計(jì)滿足汽車工業(yè)定量檢測(cè)防錯(cuò)系統(tǒng)原理，并保證雙料不進(jìn)入后道工序加工，達(dá)到安全可靠的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

設(shè)計(jì)友好的人機(jī)界面，讓操作人員對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)有直觀感受，同時(shí)也是標(biāo)準(zhǔn)厚度輸入和選擇傳感器組的接口。這樣就達(dá)到簡(jiǎn)便的使用方法，目視化檢測(cè)數(shù)據(jù)及結(jié)果顯示的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

在系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)階段，車間技術(shù)人員通過(guò)模擬雙料通過(guò)和實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行采樣生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)采樣的數(shù)據(jù)分析得到，新系統(tǒng)的雙料檢測(cè)率達(dá)到100%，完全消除了漏檢誤檢現(xiàn)象。達(dá)到了檢測(cè)率設(shè)計(jì)目標(biāo)。

四、系統(tǒng)推廣及成效

目前新系統(tǒng)已應(yīng)用到上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車分公司臨港沖壓1#、2#生產(chǎn)線上，具有在同類生產(chǎn)線上的推廣價(jià)值，并作為上汽沖壓線對(duì)中臺(tái)雙料檢測(cè)的推薦標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)。

在經(jīng)濟(jì)效益方面，新系統(tǒng)挽回的生產(chǎn)速度損失，能為公司每年節(jié)約數(shù)百萬(wàn)元生產(chǎn)成本。

新系統(tǒng)也推動(dòng)了沖壓領(lǐng)域雙料防錯(cuò)技術(shù)的進(jìn)步，完善了沖壓線進(jìn)線加工板料的質(zhì)量控制。經(jīng)過(guò)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜壹爸锌圃旱募夹g(shù)鑒定，屬于國(guó)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)，并授權(quán)實(shí)用新型類國(guó)家專利一項(xiàng)。