在线检测技术在发动机生产制造中的应用
1、在线检测技术的重要性
汽车工业近年来的发展非常迅速，尤其是轿车工业可以说是日新月异。汽车工业发展得这样快，毫无疑问应归功于改革开放、引进先进技术的结果。而在这引进的先进技术中，在线检测技术可以说是一颗璀璨的明珠。
一台发动机由几百个零部件组装而成，每个零件，即便是一颗螺丝钉都将直接影响发动机整机的质量。因而，对这些零部件在生产制造中加工质量的检测与控制的好坏，也就决定了发动机质量，也就成了能否达到设计所要求的技术性能指标的关键。而对这些零件在生产制造中的检测与控制，完全靠人工在生产线外的手动进行，显然存在以下弊端。
a.检测结果会因为操作者的熟悉程度、疲劳程度、责任心等带来不同程度的附加误差。
b.增加了操作者的劳动强度。
c.只能对加工后的质量进行“被动”检测，而不能实现对加工的质量进行“主动”的检测和控制。故虽然能检测出超差的零件，但加工中造成的废品却无法避免，尤其是位于自动生产线前端或中间加工的尺寸，等到出线端才能进行人工检测，而此时所检测出来的超差，在生产线内却已有若干台超差件，造成了废品的增加。
而在线检测技术的引人，不仅解决了上述的弊端，且较大地提高了发动机的质量和生产率，降低了整机成本。
2、在线量仪的主要类型、结构及特点
2.1主要类型、结构
在线检测技术在生产中应用的主要结构形式是，由测量系统与相应部件及系统构成的在线量仪。在线量仪的分类方法有多种，若按在测量过程中人工参与的程度，可分为手动量仪和自动量仪；而若按其在测量过程中对工艺过程的干预程度，又可分为主动量仪和被动量仪。
在线量仪的基本结构如图1.图1中A、B2个虚框分别为测量装置（即通常所说的测量头）和测量仪表（或者说是测量电箱），这两者是量仪的主体。
2.2主要特点和区别
2.2.1自动量仪和手动量仪
a.自动量仪和手动量仪的测量头对工件的测量，分别是由机床自动驱动和人工手动进行的，如图1中，自动驱动（或手动）框。
b.自动量仪在其结构中必须有测量头的自动驱动装置，手动量仪则不需要。
c.自动量仪的测量结果自动生成对机床控制系统产生影响的信号，而手动量仪则没有此功能。
2.2.2主动量仪和被动量仪
a.主动量仪的测量是在工件的加工过程中实时进行的，而被动量仪则是在工件加工完成后，对加工的结果进行测量的。
b.主动量仪在测量过程中，不仅能实时显示被测工件的尺寸和状态，还可根据测量状况随时发出不同的控制信号，用以控制刀具减缓进刀、停止进刀或刀具退回。而被动量仪只能显示被测工件最终的尺寸和状态，并发出状态（合格、超差、接近超差）的控制信号。
c.主动量仪的设置与工件的加工均在同一工位，而被动量仪的设置通常在工件加工的后序工位。
d.被动量仪既有手动测量的，又有自动测量的，而主动量仪基本上都是自动测量的。
鉴于上述，显然是主动量仪的功能更为完善优异。但主动量仪的应用还有一定的局限性，目前仅较为广泛地应用于磨削和珩磨类的机械加工中。由于主动测量是在工件加工中的动态测量，受多方面因素的影响，而被动测量是在工件加工完成后的静态测量，影响的因素较小，因而实际测量的准确度后者高于前者。且近年来由于自动补调系统的日臻完善，使配有自动补调系统的被动量仪的应用日益广泛。其主要工作过程是，首先是对加工完成后的工件尺寸进行检测，当发现达到或超出某一设定的范围（接近超差）时即发出信号，并对加工系统（主要是刀具）
做相应的调整，用以修正或补偿所出现的偏差。
3、我厂在线量仪的应用概况
一汽轿车公司二发厂在线量仪的应用较为广泛，主要是由于我厂的主要设备和生产线均是从国外（主要是美国）引进的，在线量仪也大多随设备和生产线同时引进，且基本上都是自动的，其中主动量仪和被动量仪均有，数目也均不少。投人生产后，又进行了一些改进和扩展，故现在我厂在线量仪的种类和数量均具有一定的规模。
3.1主动量仪的应用概况
a.磨削加工：主要是对曲轴的主轴径和连杆轴径、连杆的主轴径和中间轴轴径等轴类工件的磨削加工过程中的尺寸进行测量，计15台（测量头17个）。
b.珩磨加工：主要是对缸体的缸孔和连杆的大小头孔等孔类的珩磨加工过程中的尺寸进行测量，计2台（测量头8个），且配有工控机。
3.2被动量仪的应用概况
被动量仪主要应用于孔类工件的测量，并重点用于下述2个工件。
a.缸体：主要是对缸体上的主轴承孔和中间轴孔加工完成后的测量及缸孔的测量分级，计2台（测量头6个），且配有工控机。
b.缸盖：主要是对一缸盖上的气门座孔、气门导管孔、气门调节器孔和凸轮轴孔加工完成后的测量，计3台（测量头17个）且配有工控机。3.3配有自动补调系统的在线量仪的应用概况
a.镗加工：主要是对缸体的缸孔、连杆上的大小头孔加工完成后的测量，并进行自动补调，计2台（测量头12个），且配有工控机。
b.车加工：主要是对曲轴的导向轴径和第三主轴径宽度等加工过程中的尺寸测量，并进行自动补调，计1台（测量头2个），且配有工控机。
4、在线量仪在我厂的应用实例
4.1主动测量技术在轴类磨削加工中的应用
轴类零件的磨削加工在汽车制造过程中占有很重要的地位，尤其在发动机、变速器和桥总成中，这类零件占的比例很大。鉴于被加工件自身的差别很大，工艺上提出的要求也各不相同，出现了众多类型的外圆磨主动测量仪。如:
a.对曲轴中连杆轴径的测量，其测量头的厚度只有8mm;
b.对曲轴中连杆轴径和主轴径磨加工前的定位测量，分别采用单点固定式和双点可调式测量头；C.对曲轴和凸轮轴的主轴径磨加工，不仅有轴径尺寸和定位的测量，还有轴径锥度的测量、等。下面仅以凸轮轴主轴径磨削加工的主动量仪为例作以简介。
4.1.1具有轴向定位的主动量仪
在对凸轮轴主轴径的磨削加工前，首先要对工件的轴向进行定位。具体方法是对其轴向某一端面进行测量后，通知机床控制系统，校正工件在机床上的轴向位置，然后再对工件进行磨削加工（这对于曲轴、凸轮轴之类的轴类零件中的磨削工序是必须的）.这时采用的机床都是具有端面定位功能的外圆磨床。图2即为用于凸轮轴主轴径多砂轮磨床的工作示意图。由图2可见，在磨床的与工件垂直方向设置了一套位置检测测头1(由油缸2驱动），用于测量由工艺确定的轴向位置的偏差量（以图2所示的端面为基准），然后由测头内的传感器输出，送人测控仪表5。测控仪表一方面由其面板上的表头显示出偏差值，另一方面把此偏差（若偏差量超过允许值）的开关信号送入机床控制系统，机床控制系统按此偏差的相反方向驱动执行机构8，带动凸轮轴向减小偏差的方向移动，且在这移动过程中，位置检测测头1跟随检测其偏差量，直至偏差减小到允许的范围内，测控仪表5又发出开关接点信号送入机床控制系统，使其控制执行机构8停止运动，并发出信号给砂轮架驱动机构9，带动砂轮架11进入磨削工作。
上述系统可以在一定的范围内实现轴向的准确定位，由于通常均以某一端面为检测的基准，故通常称为端面定位。
上面介绍的端面定位测头是属单测点单传感器型的。
4.1.2具有锥度检测的主动量仪
主动测量也已成功地用于轴类零件的锥度控制，并对提高产品质量发挥了重要作用。图2所示的对凸轮轴磨削加工中所应用的主动量仪，就是一种具有端面定位并对工件的外径和锥度予以检测的主动测量系统，它与机床控制系统相结合，除了完成对轴类工件外径加工的控制外，还能实现对轴类工件外径锥度加工的控制。它适合于多砂轮切入式加工的高效磨床，即采取多个砂轮同时对凸轮轴（或曲轴）的全部轴颈进行一次磨削加工。用这种方式在对轴类零件的全长上加工时，由于环境温度等的变化，各主轴颈可能产生锥度。为了把这项形状误差压缩到最小，对机床床身采用了热对称设计，而同时设置的多功能主动测量系统则具有更积极的作用。确切地讲，这套系统不同于一般的主动测量仪，应该称之为“具有锥度自动修正功能的外径尺寸测量装置”。从图2可见，与凸轮轴两端的主轴颈相对应，磨床上设置了2套直径测量装置3和6（分别由油缸4和7驱动）。另外，在砂轮架一侧，又安装有执行校正功能的伺服电机10。当在加工进行中，若被测的2个主轴颈产生锥度，2个外径测量装置3和6的输出信号必然有差值，此差值在测控仪表5中进行比较处理后，并根据测量装置3和6的大小（其差值达到或超过某一设定值），发出具有方向的锥度修正信号（如3>6某一信号有效，而3<6则另一信号有效）.机床控制系统接收到此信号后，便发出信号，驱动伺服电机10，向减小锥度方向移动砂轮架11。从图2可见，伺服电机10是安装在砂轮架11轴向一侧的端点，伺服电机的动作会改变砂轮架的轴向位置，因而这是一种采用调整砂轮轴的位置来进行修正锥度的方式。
若加工中无锥度或锥度很小，未达到设定值，则测控仪表中的此部分电路不动作，也即无锥度修正信号输出。
4.2主动测量技术在珩磨加工中的应用
珩磨是一种精加工方法，它能经济而有效地加工出精度高、表面质量好的孔。珩磨在汽车制造业中用得很广泛。发动机主要零件的孔，如缸体中的缸孔和连杆大、小头孔的最后一道工序都是珩磨（我厂就是如此）。从理论上讲，珩磨机可以配置不同原理、不同结构的测量头，然而受到此种加工方式特点的限制，用接触式的机械机构组成的检测头基本上已绝迹，当前珩磨自动测量一般均采用非接触式气动测量装置。
4.2.1珩磨主动测量基本系统的构成
尽管我厂的珩磨主动测量分别用于缸体中的缸孔和连杆的大、小头孔，但其测量系统的基本结构还是相同的，所以在此仅以珩磨主动测量系统为题进、行介绍。
珩磨主动测量的系统由旋转密封装置、珩磨测量头、压力型气／电转换器、放大处理电路、电磁阀等部分构成（如图3大虚框中所示），而用于珩磨测量采用的均为气动测头。
4.2.2珩磨主动测量系统的工作过程
在珩磨开始时，机床控制电路发出控制信号给执行机构，带动珩磨头进入被珩工件孔内，珩磨开始。与此同时，由稳定气源输人的压缩空气，通过电磁阀和旋转密封装置后进入珩磨测量头，再经位于磨头中部径向2个互为180°的测量喷嘴与被加工件孔壁之间的间隙流入大气，随着工件尺寸的逐渐增大，测量间隙发生相应的变化，从而引起测量压力的变化，此变化经气／电转换器转换为相应的电量变化，再经过放大处理电路后，分别送人显示仪表和机床控制电路，显示仪表显示出测量值，机床控制电路根据测量值与设定值相比较，若达到设定值，即刻发出信号给执行机构，带动珩磨头退回，结束本次珩磨，即完成了主动测量的全过程。
4.3带有自动补调的在线测量技术的应用
带有自动补调的在线测量技术在我厂主要应用于镗孔和车削的加工测量中，两者采用的系统虽然不一样，但它们的原理及控制方式基本相同，故而在此仅举一个车削加工的例子，这就是曲轴的导向轴径和第三主轴径宽度的测量补调仪，该测量补调仪于2001年国产化改造成功，并投入使用。
4.3.1测量补调系统的基本构成
测量补调仪的构成如图4所示。图4中1工位为加工工位，车曲轴的导向轴径和第三主轴径宽度。该工位设置有轴径调刀机构3和步进电机4，径宽调刀机构2和步进电机1。2工位为空工位。3工位设置有轴径测量及其驱动装置6和径宽测量及其驱动装置5。测量和控制信号均送往和来自测量电箱7和机床控制系统。
4.3.2测量补调的工作过程
曲轴的导向轴径和第三主轴径宽度在1工位加工完成后，由输送带（图中未画）送到3工位进行测量，由各自的测量头（6和5）测得的轴径和径宽分别送往测量电箱7，在电箱内部设置的A／D转换器把这两个尺寸信号转换成数字信号后，送到CPU（微处理器）中与设定值进行比较，若其中有1个（或2个）尺寸达到或超过设定的补偿范围，即发出相应的补偿指令信号（和显示信号），送往机床控制系统。机床控制系统接收到测量系统发出的补偿指令后，并不立即发出调整刀具指令，而是等到加工完成刀具退回原位（即收到刀具原位信号）后，再发出相应的调整刀具的允许指令，给相应的步进电机控制系统（在测量电箱内），步进电机即根据控制系统发出的脉冲数旋转，带动调刀机构动作，完成相应的调刀操作。
4.3.3测量补调系统的基本配置
带有自动补调的在线量仪的电路原理结构框图如图5.各部分的配置如下。
a.测量头中的位移传感器，采用的是差动式电感，测尖采用人造金刚石。
b.信号放大和振荡信号源，采用中原量仪厂的标准放大板和振荡信号板。
c.工控机采用台湾研华IPC-610工控机，其基本配置为586DX/133,16M内存、1G硬几盘，双高软驱，机箱采用全钢加固型结构，并配有250W高可靠工业用开关电源。
d.A/D转换器、开关量输入输出口、步进电机控制卡均选用了与工控机配套的标准板卡，而步进电机驱动器则为日本乐孜公司的可进行500步细分的标准产品。
e．显示与报警采用了两种形式。其一是采用355.6mm彩显，用于对测量结果的全部数据、统计图表、单项测量结果的状态（优等、补调、超差）等方面的显示。其二是为使操作者对总体测量结果的状态达到醒目的效果，在量仪电箱顶部又设置了绿、黄、红三色一体的柱状指示灯，分别代表优等、补调和超差3种状态。
4.3.4国产化改造的成果
在对该在线量仪进行改造的开始，就瞄准了当代世界上的先进水平，采用了当前世界上的先进技术，所以无论是功能、测量精度还是稳定性等各方面均不低于当今国外的先进在线量仪，而其价格约为国外同等量仪的1/4（总费用18.5万元人民币，而同等功能和配置的国外产品最低为8.5万美元）。自2001年5月投入生产以来，一直稳定运行，未曾发生过任何故障。
5、结束语
事实证明，在线检测技术的应用，有效地提高了产品质量和劳动生产率，降低了劳动强度。因而，它在降低产品的成本、提高企业和产品的信誉、提高产品在市场上的竞争力等方面都起到了积极的作用。可以预见，随着在线检测技术越来越广泛的应用，将会给企业带来更大的经济效益和竞争力。
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