汽車渦輪增壓器襯套壓裝機加工質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)

許海波，曹家勇，呂文壯，裴躍翔，俞春海

(1.上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機械工程學(xué)院，上海 201418；2.蘇州格伊特機械制造有限公司，江蘇蘇州 215104)

0 引言

渦輪增壓器普遍應(yīng)用于燃油汽車發(fā)動機當(dāng)中,普通發(fā)動機配上渦輪增壓器后，其輸出功率和扭矩可提高20%～30%，對于增強發(fā)動機功率，提升汽車行駛性能具有重要作用[1]。其中，渦輪增壓器的閥芯孔襯套是由過盈的配合壓裝工藝完成，其壓裝質(zhì)量對汽車的使用及安全性能有著直接的影響，因此，在汽車批量化生產(chǎn)的今天[2]，如何對壓裝的質(zhì)量進行準(zhǔn)確監(jiān)測顯得尤為重要，已經(jīng)成為汽車等裝配工程領(lǐng)域研究的熱點之一[3-5]。

對于壓裝質(zhì)量的監(jiān)測，目前普遍是將設(shè)備采集到的壓入位移與壓入力繪制成位移壓力曲線，進而求出最大壓入力，判定壓裝的質(zhì)量。丁時鋒等人設(shè)計的農(nóng)用車發(fā)動機連桿銷壓裝機通過組態(tài)軟件實現(xiàn)了壓裝過程位移壓力曲線的繪制[6]。夏陽等人在汽車啟動機軸承壓裝機的設(shè)計中，描述了基于最大壓入力的壓裝質(zhì)量判定方法[7]。肖峻等人將樣條插值法運用在輪對壓裝曲線的處理中，使壓裝曲線可以準(zhǔn)確反映輪對壓裝過程位移-壓力關(guān)系，達到了鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8]。

但是，壓裝質(zhì)量檢測是一個綜合性問題，現(xiàn)有壓裝機質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究缺少了對于壓入力形成機理的分析，壓裝機的監(jiān)測系統(tǒng)仍存在一定的局限性，比如，單依據(jù)最大壓裝力判定而忽略了壓裝過程關(guān)鍵位置的壓裝質(zhì)量問題、某些壓裝設(shè)備尚未具有防壓反監(jiān)測等問題，導(dǎo)致對人工監(jiān)測依賴過多。隨著國家工業(yè)技術(shù)水平的提高，如何使壓裝質(zhì)量自動高效準(zhǔn)確地監(jiān)測成為汽車渦輪增壓器閥芯孔襯套壓裝設(shè)備研究領(lǐng)域亟待解決的問題之一。

本文首先介紹渦輪殼襯套壓裝機結(jié)構(gòu)原理，然后運用彈性力學(xué)理論分析影響壓入力大小的因素，進而提出了包括視覺監(jiān)測、壓力監(jiān)測和激光高度監(jiān)測的加工質(zhì)量綜合監(jiān)測系統(tǒng)，并給出了詳細的實現(xiàn)方法，最后就工程應(yīng)用較為關(guān)注的問題開展壓裝實驗分析與現(xiàn)場應(yīng)用分析。

1 伺服壓裝機結(jié)構(gòu)及壓入力形成機理分析

汽車渦輪增壓器閥芯孔襯套壓裝機結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。渦輪增壓器閥芯孔襯套壓裝過程劃分為兩步：第一步，定位夾緊組件將渦輪殼定位與夾緊；第二步，伺服電動缸推動壓頭組件，實現(xiàn)襯套在渦輪增壓器閥芯孔中的過盈配合壓裝。

圖1 壓裝結(jié)構(gòu)簡圖

渦輪殼與襯套連接如圖2所示，在接觸壓應(yīng)力p作用下，襯套外壁將產(chǎn)生向內(nèi)壓縮的徑向位移u1,渦輪殼襯套孔內(nèi)壁將產(chǎn)生向外膨脹的徑向位移u2，即在過盈量δ=|u1|+|u2|作用下，內(nèi)筒襯套與外筒渦輪殼孔實現(xiàn)緊密配合。由圖2可知，閥芯孔襯套外半徑b與內(nèi)半徑a的比值為1.517>1.2,渦輪殼孔外半徑c與內(nèi)半徑b的比值1.647>1.2，故可將渦輪殼襯套壓裝簡化為厚壁圓筒的過盈配合。由文獻[9]得厚壁圓筒過盈配合壓入力F計算公式：

F=2pbπl(wèi)f

(1)

式中：p為渦輪殼孔與襯套過盈配合面的接觸壓應(yīng)力；l為過盈配合面的接觸長度；f為配合面的靜摩擦系數(shù)。

圖2 渦輪殼與襯套配合尺寸圖

存在如下變形協(xié)調(diào)條件[10]：

δ=|u1|+|u2|=δ2-δ1

(2)

其中：δ為渦輪殼孔與襯套配合面間的過盈量;δ1與δ2分別為襯套外半徑與渦輪殼孔內(nèi)半徑處的徑向位移；則內(nèi)筒襯套的徑向位移u1為

(3)

外筒渦輪殼襯套孔徑向位移u2為

(4)

將δ1與δ2代入式(2)，可以得到內(nèi)、外筒過盈配合面間的接觸壓應(yīng)力p為

(5)

式(5)代入到式(1)，得到渦輪殼襯套壓入力公式為

(6)

式中：E1和E2分別為襯套和渦輪殼材料的彈性模量；μ1和μ2分別為襯套和渦輪殼材料的泊松比。

因材料給定，由式(5)和式(6)可知,壓裝力F正比于過盈量δ、摩擦系數(shù)f和接觸長度l。若過盈量δ過大，則壓入力過大，易導(dǎo)致裝配件配合面被壓傷或變形，過盈量過小，則導(dǎo)致壓裝聯(lián)接不牢靠[11-12]。

考慮渦輪殼結(jié)構(gòu)特點，須對壓入長度與接觸長度之間的關(guān)系做進一步分析。當(dāng)壓入長度小于襯套前端倒角高度時，接觸長度l=0，過盈量δ=0，壓入力為0。當(dāng)壓入長度大于倒角高度時，壓入力基本成線性增長趨勢。渦輪殼孔底部存在缺口，故進一步壓入時，孔和襯套接觸面積與壓入長度成非線性關(guān)系，所以可以觀察到壓力曲線后半段出現(xiàn)非線性現(xiàn)象。

2 壓裝機質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

2.1 壓裝機質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)算法原理與硬件實現(xiàn)

經(jīng)過上述對襯套壓入力形成機理的分析，結(jié)合現(xiàn)場實際工況，提出以下的質(zhì)量監(jiān)測算法。設(shè)壓裝位移反饋信號為S,位移數(shù)據(jù)記錄起點為S0，Sli表示每個監(jiān)測區(qū)域起始位移，Sri表示每個監(jiān)測區(qū)域的終點位移。設(shè)壓入力反饋信號為F，F(xiàn)bi表示每個監(jiān)測區(qū)域的壓入力下限，F(xiàn)ti表示每個監(jiān)測區(qū)域的壓入力上限，則質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)算法原理框圖如圖3所示，其中，i表示質(zhì)量監(jiān)測的區(qū)域段，i取1～5。當(dāng)接收到位移反饋值落入判斷區(qū)域范圍時，啟用PLC最大值查找指令，判斷該監(jiān)測區(qū)域的壓入力是否在Fbi≤F≤Fti范圍內(nèi)，如果F>Fti，報警顯示為“第i段壓入力超壓”，如果F

圖3 質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)算法原理圖

為準(zhǔn)確實現(xiàn)圖3所示壓裝質(zhì)量監(jiān)測算法，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。系統(tǒng)選用高精密性的壓力傳感器與位移光柵尺構(gòu)成閉環(huán)反饋控制，保證壓裝過程實時精確的監(jiān)測、控制與判斷。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.2 質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計與原理

2.2.1 機器視覺監(jiān)測原理與軟件設(shè)置

為解決襯套反裝造成的質(zhì)量事故，將機器視覺監(jiān)測技術(shù)引入到壓裝機質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中[13]。襯套防反判斷主要是運用機器視覺中的模板匹配原理。算法主要流程為：(1)對正確安裝的襯套進行模板學(xué)習(xí)，提取關(guān)鍵特征的輪廓與面積，并設(shè)定其相似度與位置修正值；(2)對加工過程中安裝的襯套，通過PLC觸發(fā)圖像傳感器獲得圖像，將所得圖像與模板進行匹配；(3)對襯套偏移和反裝等誤操作進行判斷。監(jiān)控軟件界面如圖5所示。

圖5 機器視覺監(jiān)控軟件界面

襯套模板匹配過程的基本原理是采用模板與原圖像對應(yīng)區(qū)域的誤差平方和作為測度，設(shè)f(x,y)為M×N的原圖像，t(j,k)為J×K(J≤M,K≤N)的模板圖像，通過采用歸一化互相關(guān)作為誤差平方和測度進行準(zhǔn)確匹配，其定義為

(7)

假設(shè)原圖像f(x,y)和模板圖像t(j,k)的原點都在左上角。對任何一個f(x,y)中的(x,y),根據(jù)上式都可以算得一個R(x,y)。當(dāng)x和y變化時，t(j,k)在原圖像區(qū)域中移動并得出R(x,y)所有值。R(x,y)的最大值指出了與t(j,k)匹配的最佳位置，從該位置開始在原圖像中尋找與模板關(guān)鍵特征相似度，最后與模板設(shè)定的位置修正值、輪廓值與面積值做對比給出“OK”或“NG”的綜合判定結(jié)果。

2.2.2 組態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)

在工業(yè)計算機上，基于組態(tài)軟件開發(fā)設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)，主界面如圖6所示。除了實現(xiàn)人機界面功能之外，系統(tǒng)還具有監(jiān)測參數(shù)設(shè)定、配方設(shè)定、數(shù)據(jù)庫記錄與查詢等功能。

圖6 質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)軟件主界面

在監(jiān)測參數(shù)設(shè)定方面，針對現(xiàn)有壓裝設(shè)備單一最大壓入力判定的局限性，可以靈活設(shè)置壓力曲線取樣長度，質(zhì)量監(jiān)測區(qū)域的數(shù)量，每個監(jiān)測區(qū)域的起終點、壓入力判斷的上下限，還可設(shè)置伺服電缸快進與工進速度、保壓壓力、系統(tǒng)保壓時間等重要參數(shù)，可適應(yīng)不同壓裝工藝的需求。在配方設(shè)定方面，通過調(diào)用組態(tài)軟件的配方參數(shù)控件，建立內(nèi)部數(shù)據(jù)變量，使用組態(tài)軟件的賦值語句將配方參數(shù)賦予PLC寄存器，調(diào)用配方參數(shù)控件的配方創(chuàng)建、配方保存與配方下載等相關(guān)語句，實現(xiàn)參數(shù)的下載與設(shè)定。

在配方參數(shù)設(shè)置以后，質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)算法以PLC為主體、工控機為輔助完成。如圖3和圖4所示。PLC采集2個方面的信號：一個是由數(shù)字式光柵尺傳感器反饋回來的壓入位移S，另一個是由壓力傳感器產(chǎn)生的壓入力信號。前者經(jīng)過數(shù)字IO口接收，后者通過A/D轉(zhuǎn)換模塊接收。PLC執(zhí)行2.1小節(jié)所述的壓裝質(zhì)量判定算法，達到對壓裝過程的監(jiān)測功能。

為避免各監(jiān)測區(qū)域壓入力均合格而壓入量無法保證的問題，系統(tǒng)選用高精密性的激光位移傳感器對襯套高度進行在線測量。當(dāng)壓裝電缸自動退回原點后，步進電機帶動絲杠滑臺將激光高度傳感器先后移動到渦輪殼襯套孔端面和襯套端面，獲得2個高度H1和H2，進一步求差得到襯套高度H=H1-H2之后，PLC將襯套高度與人機界面輸入的襯套高度允許變動范圍進行比較，若襯套高度判定顯示“NG”，則綜合判定顯示“NG”。

3 現(xiàn)場壓裝實驗與應(yīng)用分析

為驗證壓裝設(shè)備質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)判定的準(zhǔn)確性，就廠方較為關(guān)注的問題以及對壓裝質(zhì)量影響最大且以往難以準(zhǔn)確檢測的問題開展壓裝實驗。在實際加工現(xiàn)場找來10件渦輪殼襯套孔未能通過標(biāo)準(zhǔn)“通規(guī)”的工件進行壓裝實驗，發(fā)現(xiàn)壓裝位移壓力曲線監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的壓力值不同程度上超過了給定的壓力值上限，典型現(xiàn)象如圖7所示。圖中壓入力增長率普遍較大，并且在A、B區(qū)域均超過了相關(guān)技術(shù)指標(biāo)允許的最大壓力值。

圖7 過盈量偏大的壓裝曲線示例圖

為進一步驗證系統(tǒng)是否存在誤判現(xiàn)象，對上述10件產(chǎn)品進行人工檢定。首先，采用標(biāo)定好的 “通規(guī)”進行襯套內(nèi)孔變形的人工檢定，結(jié)果發(fā)現(xiàn)“通規(guī)”均未能完全順暢通過襯套內(nèi)孔，表明待安裝在渦輪增壓器襯套內(nèi)孔的閥芯將不能靈活裝配與轉(zhuǎn)動。其次，任意挑選若干個工件進行機械剖切觀察，發(fā)現(xiàn)在配合面處均出現(xiàn)了不同程度的壓傷與黏著問題，其典型現(xiàn)象如圖 8 的A、B、C、D和E所示。上述檢定表明質(zhì)量判斷具有良好的可信度。

圖8 過盈量偏大導(dǎo)致壓傷黏著典型現(xiàn)象

為驗證過盈量偏小情況下，質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)判定的準(zhǔn)確性，在實際加工現(xiàn)場找來10件渦輪殼襯套孔均能通過標(biāo)準(zhǔn)“止規(guī)”的工件進行壓裝實驗，得到的壓裝位移壓力曲線在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)壓力值不同程度上低于給定壓力值下限，典型現(xiàn)象如圖 9 所示。圖中壓入力增長率普遍較小，B處的最大壓入力遠遠低于給定的壓裝質(zhì)量判定標(biāo)準(zhǔn)的第五段壓入力下限，A區(qū)域壓入力也略低于給定的壓入力下限。在壓裝實驗當(dāng)中，系統(tǒng)均能做出對應(yīng)判斷與報警。過盈量偏小，壓入力偏低，顯然會導(dǎo)致裝配不牢靠，在襯套內(nèi)的閥芯高速轉(zhuǎn)動下，容易出現(xiàn)故障，因此，這類產(chǎn)品確實是不合格件。

圖9 過盈量偏小的壓裝曲線示例圖

為驗證視覺檢測儀監(jiān)測的準(zhǔn)確性，在現(xiàn)場取100件襯套，將系統(tǒng)調(diào)到手動模式，把視覺檢測儀移到視覺監(jiān)測的標(biāo)準(zhǔn)位置上，以手動觸發(fā)方式將取來的100件襯套進行手動觸發(fā)監(jiān)測，先后驗證安裝不到位、安裝反等異常情況以及正確安裝的情況，系統(tǒng)均能做出準(zhǔn)確判定，其判定結(jié)果可以通過組態(tài)監(jiān)控畫面的“影像判定”狀態(tài)框顯示。

上述的實驗結(jié)果表明，該壓裝質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)具備良好的可信度，可以正式投入使用。如圖6所示，該質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)已完成10萬多次的壓裝與質(zhì)量監(jiān)測判定，現(xiàn)場運行結(jié)果表明，該套壓裝機壓裝精度高，質(zhì)量監(jiān)測可靠性強，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

4 結(jié)論

介紹了壓裝機的機械結(jié)構(gòu)與工作原理，進一步運用彈性力學(xué)理論，對壓入力形成機理進行分析，設(shè)計并完成了集視覺監(jiān)測、壓力監(jiān)測、和激光高度監(jiān)測于一體的壓裝機加工質(zhì)量綜合監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了壓裝質(zhì)量全自動監(jiān)測與判定功能，節(jié)省了人工監(jiān)測的勞動力，對于不同裝配件號，系統(tǒng)只需選擇并下載不同壓裝配方參數(shù)即可，具備較高的柔性化設(shè)計理念。經(jīng)實驗分析與現(xiàn)場大量應(yīng)用表明，該質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)運行穩(wěn)定，有效提高了壓裝的精密性與質(zhì)量監(jiān)測的準(zhǔn)確性，極大降低了壓裝過程的報廢率，消除了壓裝次品誤收的問題，提高了生產(chǎn)效率與經(jīng)濟效益，對于其他壓裝行業(yè)也具有較好的參考意義。