在線檢測技術(shù)在發(fā)動機(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。

一臺發(fā)動機(jī)由幾百個零部件組裝而成，每個零件，即便是一顆螺絲釘都將直接影響發(fā)動機(jī)整機(jī)的質(zhì)量。因而，對這些零部件在生產(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)動機(jī)質(zhì)量，也就成了能否達(dá)到設(shè)計所要求的技術(shù)性能指標(biāo)的關(guān)鍵。而對這些零件在生產(chǎn)制造中的檢測與控制，完全靠人工在生產(chǎn)線外的手動進(jìn)行，顯然存在以下弊端。

a.檢測結(jié)果會因為操作者的熟悉程度、疲勞程度、責(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強(qiáng)度。
c.只能對加工后的質(zhì)量進(jìn)行“被動”檢測，而不能實(shí)現(xiàn)對加工的質(zhì)量進(jìn)行“主動”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，而此時所檢測出來的超差，在生產(chǎn)線內(nèi)卻已有若干臺超差件，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，可分為手動量儀和自動量儀；而若按其在測量過程中對工藝過程的干預(yù)程度，又可分為主動量儀和被動量儀。



在線量儀的基本結(jié)構(gòu)如圖1.圖1中A、B2個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自動量儀和手動量儀
a.自動量儀和手動量儀的測量頭對工件的測量，分別是由機(jī)床自動驅(qū)動和人工手動進(jìn)行的，如圖1中，自動驅(qū)動（或手動）框。
b.自動量儀在其結(jié)構(gòu)中必須有測量頭的自動驅(qū)動裝置，手動量儀則不需要。
c.自動量儀的測量結(jié)果自動生成對機(jī)床控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響的信號，而手動量儀則沒有此功能。
2.2.2主動量儀和被動量儀
a.主動量儀的測量是在工件的加工過程中實(shí)時進(jìn)行的，而被動量儀則是在工件加工完成后，對加工的結(jié)果進(jìn)行測量的。
b.主動量儀在測量過程中，不僅能實(shí)時顯示被測工件的尺寸和狀態(tài)，還可根據(jù)測量狀況隨時發(fā)出不同的控制信號，用以控制刀具減緩進(jìn)刀、停止進(jìn)刀或刀具退回。而被動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。
c.主動量儀的設(shè)置與工件的加工均在同一工位，而被動量儀的設(shè)置通常在工件加工的后序工位。
d.被動量儀既有手動測量的，又有自動測量的，而主動量儀基本上都是自動測量的。
鑒于上述，顯然是主動量儀的功能更為完善優(yōu)異。但主動量儀的應(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。由于主動測量是在工件加工中的動態(tài)測量，受多方面因素的影響，而被動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。且近年來由于自動補(bǔ)調(diào)系統(tǒng)的日臻完善，使配有自動補(bǔ)調(diào)系統(tǒng)的被動量儀的應(yīng)用日益廣泛。其主要工作過程是，首先是對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）時即發(fā)出信號，并對加工系統(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)線同時引進(jìn)，且基本上都是自動的，其中主動量儀和被動量儀均有，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主動量儀的應(yīng)用概況
a.磨削加工：主要是對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15臺（測量頭17個）。
b.珩磨加工：主要是對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2臺（測量頭8個），且配有工控機(jī)。
3.2被動量儀的應(yīng)用概況
被動量儀主要應(yīng)用于孔類工件的測量，并重點(diǎn)用于下述2個工件。
a.缸體：主要是對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，計2臺（測量頭6個），且配有工控機(jī)。
b.缸蓋：主要是對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3臺（測量頭17個）且配有工控機(jī)。3.3配有自動補(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)行自動補(bǔ)調(diào)，計2臺（測量頭12個），且配有工控機(jī)。
b.車加工：主要是對曲軸的導(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)行自動補(bǔ)調(diào)，計1臺（測量頭2個），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測量儀。如:
a.對曲軸中連桿軸徑的測量，其測量頭的厚度只有8 mm;
b.對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量儀為例作以簡介。
4.1.1具有軸向定位的主動量儀
在對凸輪軸主軸徑的磨削加工前，首先要對工件的軸向進(jìn)行定位。具體方法是對其軸向某一端面進(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，然后再對工件進(jìn)行磨削加工（這對于曲軸、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），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)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)8，帶動凸輪軸向減小偏差的方向移動，且在這移動過程中，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，并發(fā)出信號給砂輪架驅(qū)動機(jī)構(gòu)9，帶動砂輪架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量儀
主動測量也已成功地用于軸類零件的錐度控制，并對提高產(chǎn)品質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。圖2所示的對凸輪軸磨削加工中所應(yīng)用的主動量儀，就是一種具有端面定位并對工件的外徑和錐度予以檢測的主動測量系統(tǒng)，它與機(jī)床控制系統(tǒng)相結(jié)合，除了完成對軸類工件外徑加工的控制外，還能實(shí)現(xiàn)對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，即采取多個砂輪同時對凸輪軸（或曲軸）的全部軸頸進(jìn)行一次磨削加工。用這種方式在對軸類零件的全長上加工時，由于環(huán)境溫度等的變化，各主軸頸可能產(chǎn)生錐度。為了把這項形狀誤差壓縮到最小，對機(jī)床床身采用了熱對稱設(shè)計，而同時設(shè)置的多功能主動測量系統(tǒng)則具有更積極的作用。確切地講，這套系統(tǒng)不同于一般的主動測量儀，應(yīng)該稱之為“具有錐度自動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）。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個主軸頸產(chǎn)生錐度，2個外徑測量裝置3和6的輸出信號必然有差值，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?。ㄆ洳钪颠_(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（如3>6某一信號有效，而3<6則另一信號有效）.機(jī)床控制系統(tǒng)接收到此信號后，便發(fā)出信號，驅(qū)動伺服電機(jī)10，向減小錐度方向移動砂輪架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)的動作會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作，也即無錐度修正信號輸出。
4.2主動測量技術(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)前珩磨自動測量一般均采用非接觸式氣動測量裝置。
4.2.1珩磨主動測量基本系統(tǒng)的構(gòu)成
盡管我廠的珩磨主動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測量系統(tǒng)為題進(jìn)、行介紹。
珩磨主動測量的系統(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測頭。

4.2.2珩磨主動測量系統(tǒng)的工作過程
　在珩磨開始時，機(jī)床控制電路發(fā)出控制信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶動珩磨頭進(jìn)入被珩工件孔內(nèi)，珩磨開始。與此同時，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)出信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，帶動珩磨頭退回，結(jié)束本次珩磨，即完成了主動測量的全過程。
4.3帶有自動補(bǔ)調(diào)的在線測量技術(shù)的應(yīng)用
　帶有自動補(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)動裝置6和徑寬測量及其驅(qū)動裝置5。測量和控制信號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)換器把這兩個尺寸信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，送到CPU（微處理器）中與設(shè)定值進(jìn)行比較，若其中有1個（或2 個）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（和顯示信號），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）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)，帶動調(diào)刀機(jī)構(gòu)動作，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，采用的是差動式電感，測尖采用人造金剛石。
b.信號放大和振蕩信號源，采用中原量儀廠的標(biāo)準(zhǔn)放大板和振蕩信號板。
c.工控機(jī)采用臺灣研華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250 W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．顯示與報警采用了兩種形式。其一是采用355.6mm彩顯，用于對測量結(jié)果的全部數(shù)據(jù)、統(tǒng)計圖表、單項測量結(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)量和勞動生產(chǎn)率，降低了勞動強(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，將會給企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益和競爭力。