自动化活塞圆柱度测量系统相比传统人工活塞圆柱度测量方案的优势

2020-10-26何朝华

科学技术创新 2020年30期

何朝华

（博炯（上海）精密机械科技有限公司，上海200433）

汽车活塞质量直接影响发动机的功率、燃烧消耗率、机油消耗、噪音、振动和排放，特别是精密的发动机，即使是微米级的缺陷，都会对机器的性能产生很大的影响。所以，活塞也被称为汽车发动机的“心脏”。随着现在汽车产量的逐年增加，活塞产量的产量也是水涨船高。同时对活塞的加工工艺的检测要求日益严格，其中就包括汽车活塞的圆柱度测量评价一环。汽车零部件厂要求汽车活塞的圆柱度参数实现大批量且全检测量，若采取传统人为的测量方式，就意味着需要更多的熟练技术工人使用简单的量具反复的测量操作，以及花费更长的工作测量时间，而且产品测量数据不做记录。产品合格与否都靠人为判定；并且活塞的圆柱度长期以来只能检测一个圆度值等问题。所以，为了实现高精度与高效率的活塞圆柱度的测量效果，本方案提出并设计自动化活塞圆柱度测量系统，来解决传统测量中存在人工效率低，人为操作误差，无数据记录、产品合格与否无分类等问题，以此为厂家提供一个实用可靠且高效的活塞圆柱度测量方案。

1 自动化活塞圆柱度测量系统的组成机构

A 传输带、B 旋转空位盘、C 光电传感器、D 机械臂、E、激光测径仪、F 旋转工作台、G 大理石载物平板、H 柔性定位销套装、I PLC 可编程控制器、J 电脑、K 测量数据处理分析软件。

2 自动化活塞圆柱度测量系统的工作流程

（1）被放入来料传输带。

（2）被放入旋转空位盘。

（3）光电传感器通过PLC 指令机械臂进行上料，将活塞放入旋转工作台。

（4）光电传感器通过PLC 指令旋转工作台的柔性定位销固定活塞。

（5）PLC 指令旋转活塞，同时激光测径仪测量活塞A 高度直径数据，将200 余个A 高度上的活塞直径数据记录进电脑。

（6）机械臂进行下料，将活塞放入下料传输带，进入下一个B 高度上料传输带。

（7）重复步骤1、2、3，旋转活塞，同时激光测径仪测量活塞B 高度直径数据，将200 余个B 高度上的活塞直径数据记录进电脑。

（8）机械臂进行下料，将活塞放入下料传输带，进入下一个C 高度上料传输带。

（9）重复步骤1、2、3，旋转活塞，同时激光测径仪测量活塞C 高度直径数据，将200 余个C 高度上的活塞直径数据记录进电脑。

（10）电脑对活塞的3 组高度位置的数据进行圆柱参数分析，机械臂根据分析结果进行分类摆放分流，将检测合格的活塞放入合格产品下料传输带，检测不合格的活塞放入不合格产品下料传输带。

（11）自动化活塞系统的工作流程结束。

3 自动化活塞圆柱度测量系统的特点

（1）采用特制柔性定位销套装，成功地解决了活塞固定旋转不稳定，装夹工件划伤，固定销干涉激光线测量等问题。

三爪卡钳是固定圆柱形工件的最合理夹具，如果使用市场上通用金属三爪卡钳，会使活塞表面产生划痕，手动定位速度慢且干涉激光线测量；或者采用3 个移动式的定位三爪，因为活塞倒扣放置测量，只能够接受三爪的的高度在5mm 左右，当有50mm 以上较高的活塞旋转时，就会产生重心倾斜的现象，也达不到理想的测量方式。其他如采用顶针方式，以一定压力固定活塞，会使活塞旋转时，口部端面和大理石载物板表面之间产生摩擦，活塞口部端面会被划伤，也不可取。所以本方案为解决以上划痕和倾斜及遮光等问题采用特定的柔性定位销套装，含1 个圆柱形固定定位销和2 个可更换高度移动的定位销。1个圆柱形定位销使活塞再Z 轴方向不会产生倾斜、再加上2 个成120°分开的可更移动的定位销，使活塞在水平方向受到三个方向的压力，形成一个特别的三爪卡钳。为了避免工件在放置抓取时产生划痕，我们设计定位销的的接触面材质均为柔性红宝石材料，红宝石材料表面光滑，具有极高的抗压强度和机械耐磨性能。因为活塞开口部设计的平面度精度高，可设置为测量活塞圆柱度的基准面，底部没有平面度设计要求，所以活塞测量为倒扣放置。倒扣放置的活塞罩住了圆柱形定位销，另外2 个移动定位销的高度设计在5mm 左右，这种设计避免了旋转时遮住激光测量的问题。

（2）综合测量速度节拍为2 秒/个(测量一个高度位置的圆度）。

为了提高自动化的测量速度，本方案采用进口品牌高速机械臂和高速旋转马达，高速机械臂抓取上下速度设计为0.5 秒/次，高速旋转马达为0.5 秒/圈（即为测量活塞一圈的速度），气缸固定速度和离开速度为1 秒/次，综合测量速度节拍为2 秒/个。

（3）用三套激光测径仪做三个高度位置圆度测量以达到圆柱度检测要求。

如果采用一套激光测径仪，改为旋转带升降3 个位置度功能的旋转工作台，因为BC 二个高速个停留1 秒，旋转0.5 秒，则综合测量速度节拍将会为5 秒/个.所以为了提高效率，使用三套激光测径仪，分别做ABC 三个高度位置圆度测量，以达到圆柱度检测要求,且将综合测量节拍保持为2 秒/个。

（4）不良品和合格品自动分流功能。

3 个高度位置的圆柱度公差通过软件分析判定后，不良品通过机械臂分离到偏大或偏小的流水线，合格品走正常的流水线。

（5）采用瑞士zumbach 激光测径仪，测量稳定，精度高，坚固性。

本次课题客户的活塞测量要求: 活塞直径33～66mm，最大高度58.5mm，综合精度要求±5um。所以推荐使用采用瑞士zumbach 激光测径仪ODAC100J，测量范围100mm，测量精度2um，重复精度0.35um。此品牌最大特点就是每一圈的扫描测量值均为实测值，而其他品牌都为平均值，再测量范围内任意为均可保证测量精度，而其他品牌则需要放置在测量范围的中间部位才能保证测量的精度。此品牌耐现场油污，环境工作温度可45 度，不需要温度补偿。对应在线测量每天2 班倒的客户而言，仪器的耐用性也是非常重要。

（6）大理石作为旋转工作台的放置面。

采用直径120mm*40mm 大理石作为旋转工作台的放置面，平面度2um.大理石的热膨胀率为6ppm，铝合金为23ppm，不锈钢为11ppm。时效变形率，大理石如果为5 颗星，则铝合金为0颗星，不锈钢为3 颗星。不会起毛刺和突起，不会损失工件，所以大理石作为旋转工作台的放置面的首选材料，虽然，直径120mm*40mm 重量为2kg，但是电机的承重可达20KG，自动化活塞圆柱度测量系统的综合精度为±5um。