何朝華

（博炯（上海）精密機械科技有限公司，上海200433）

汽車活塞質(zhì)量直接影響發(fā)動機的功率、燃燒消耗率、機油消耗、噪音、振動和排放，特別是精密的發(fā)動機，即使是微米級的缺陷，都會對機器的性能產(chǎn)生很大的影響。所以，活塞也被稱為汽車發(fā)動機的“心臟”。隨著現(xiàn)在汽車產(chǎn)量的逐年增加，活塞產(chǎn)量的產(chǎn)量也是水漲船高。同時對活塞的加工工藝的檢測要求日益嚴(yán)格，其中就包括汽車活塞的圓柱度測量評價一環(huán)。汽車零部件廠要求汽車活塞的圓柱度參數(shù)實現(xiàn)大批量且全檢測量，若采取傳統(tǒng)人為的測量方式，就意味著需要更多的熟練技術(shù)工人使用簡單的量具反復(fù)的測量操作，以及花費更長的工作測量時間，而且產(chǎn)品測量數(shù)據(jù)不做記錄。產(chǎn)品合格與否都靠人為判定；并且活塞的圓柱度長期以來只能檢測一個圓度值等問題。所以，為了實現(xiàn)高精度與高效率的活塞圓柱度的測量效果，本方案提出并設(shè)計自動化活塞圓柱度測量系統(tǒng)，來解決傳統(tǒng)測量中存在人工效率低，人為操作誤差，無數(shù)據(jù)記錄、產(chǎn)品合格與否無分類等問題，以此為廠家提供一個實用可靠且高效的活塞圓柱度測量方案。

1 自動化活塞圓柱度測量系統(tǒng)的組成機構(gòu)

A 傳輸帶、B 旋轉(zhuǎn)空位盤、C 光電傳感器、D 機械臂、E、激光測徑儀、F 旋轉(zhuǎn)工作臺、G 大理石載物平板、H 柔性定位銷套裝、I PLC 可編程控制器、J 電腦、K 測量數(shù)據(jù)處理分析軟件。

2 自動化活塞圓柱度測量系統(tǒng)的工作流程

（1）被放入來料傳輸帶。

（2）被放入旋轉(zhuǎn)空位盤。

（3）光電傳感器通過PLC 指令機械臂進(jìn)行上料，將活塞放入旋轉(zhuǎn)工作臺。

（4）光電傳感器通過PLC 指令旋轉(zhuǎn)工作臺的柔性定位銷固定活塞。

（5）PLC 指令旋轉(zhuǎn)活塞，同時激光測徑儀測量活塞A 高度直徑數(shù)據(jù)，將200 余個A 高度上的活塞直徑數(shù)據(jù)記錄進(jìn)電腦。

（6）機械臂進(jìn)行下料，將活塞放入下料傳輸帶，進(jìn)入下一個B 高度上料傳輸帶。

（7）重復(fù)步驟1、2、3，旋轉(zhuǎn)活塞，同時激光測徑儀測量活塞B 高度直徑數(shù)據(jù)，將200 余個B 高度上的活塞直徑數(shù)據(jù)記錄進(jìn)電腦。

（8）機械臂進(jìn)行下料，將活塞放入下料傳輸帶，進(jìn)入下一個C 高度上料傳輸帶。

（9）重復(fù)步驟1、2、3，旋轉(zhuǎn)活塞，同時激光測徑儀測量活塞C 高度直徑數(shù)據(jù)，將200 余個C 高度上的活塞直徑數(shù)據(jù)記錄進(jìn)電腦。

（10）電腦對活塞的3 組高度位置的數(shù)據(jù)進(jìn)行圓柱參數(shù)分析，機械臂根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行分類擺放分流，將檢測合格的活塞放入合格產(chǎn)品下料傳輸帶，檢測不合格的活塞放入不合格產(chǎn)品下料傳輸帶。

（11）自動化活塞系統(tǒng)的工作流程結(jié)束。

3 自動化活塞圓柱度測量系統(tǒng)的特點

（1）采用特制柔性定位銷套裝，成功地解決了活塞固定旋轉(zhuǎn)不穩(wěn)定，裝夾工件劃傷，固定銷干涉激光線測量等問題。

三爪卡鉗是固定圓柱形工件的最合理夾具，如果使用市場上通用金屬三爪卡鉗，會使活塞表面產(chǎn)生劃痕，手動定位速度慢且干涉激光線測量；或者采用3 個移動式的定位三爪，因為活塞倒扣放置測量，只能夠接受三爪的的高度在5mm 左右，當(dāng)有50mm 以上較高的活塞旋轉(zhuǎn)時，就會產(chǎn)生重心傾斜的現(xiàn)象，也達(dá)不到理想的測量方式。其他如采用頂針方式，以一定壓力固定活塞，會使活塞旋轉(zhuǎn)時，口部端面和大理石載物板表面之間產(chǎn)生摩擦，活塞口部端面會被劃傷，也不可取。所以本方案為解決以上劃痕和傾斜及遮光等問題采用特定的柔性定位銷套裝，含1 個圓柱形固定定位銷和2 個可更換高度移動的定位銷。1個圓柱形定位銷使活塞再Z 軸方向不會產(chǎn)生傾斜、再加上2 個成120°分開的可更移動的定位銷，使活塞在水平方向受到三個方向的壓力，形成一個特別的三爪卡鉗。為了避免工件在放置抓取時產(chǎn)生劃痕，我們設(shè)計定位銷的的接觸面材質(zhì)均為柔性紅寶石材料，紅寶石材料表面光滑，具有極高的抗壓強度和機械耐磨性能。因為活塞開口部設(shè)計的平面度精度高，可設(shè)置為測量活塞圓柱度的基準(zhǔn)面，底部沒有平面度設(shè)計要求，所以活塞測量為倒扣放置。倒扣放置的活塞罩住了圓柱形定位銷，另外2 個移動定位銷的高度設(shè)計在5mm 左右，這種設(shè)計避免了旋轉(zhuǎn)時遮住激光測量的問題。

（2）綜合測量速度節(jié)拍為2 秒/個(測量一個高度位置的圓度）。

為了提高自動化的測量速度，本方案采用進(jìn)口品牌高速機械臂和高速旋轉(zhuǎn)馬達(dá)，高速機械臂抓取上下速度設(shè)計為0.5 秒/次，高速旋轉(zhuǎn)馬達(dá)為0.5 秒/圈（即為測量活塞一圈的速度），氣缸固定速度和離開速度為1 秒/次，綜合測量速度節(jié)拍為2 秒/個。

（3）用三套激光測徑儀做三個高度位置圓度測量以達(dá)到圓柱度檢測要求。

如果采用一套激光測徑儀，改為旋轉(zhuǎn)帶升降3 個位置度功能的旋轉(zhuǎn)工作臺，因為BC 二個高速個停留1 秒，旋轉(zhuǎn)0.5 秒，則綜合測量速度節(jié)拍將會為5 秒/個.所以為了提高效率，使用三套激光測徑儀，分別做ABC 三個高度位置圓度測量，以達(dá)到圓柱度檢測要求,且將綜合測量節(jié)拍保持為2 秒/個。

（4）不良品和合格品自動分流功能。

3 個高度位置的圓柱度公差通過軟件分析判定后，不良品通過機械臂分離到偏大或偏小的流水線，合格品走正常的流水線。

（5）采用瑞士zumbach 激光測徑儀，測量穩(wěn)定，精度高，堅固性。

本次課題客戶的活塞測量要求: 活塞直徑33～66mm，最大高度58.5mm，綜合精度要求±5um。所以推薦使用采用瑞士zumbach 激光測徑儀ODAC100J，測量范圍100mm，測量精度2um，重復(fù)精度0.35um。此品牌最大特點就是每一圈的掃描測量值均為實測值，而其他品牌都為平均值，再測量范圍內(nèi)任意為均可保證測量精度，而其他品牌則需要放置在測量范圍的中間部位才能保證測量的精度。此品牌耐現(xiàn)場油污，環(huán)境工作溫度可45 度，不需要溫度補償。對應(yīng)在線測量每天2 班倒的客戶而言，儀器的耐用性也是非常重要。

（6）大理石作為旋轉(zhuǎn)工作臺的放置面。

采用直徑120mm*40mm 大理石作為旋轉(zhuǎn)工作臺的放置面，平面度2um.大理石的熱膨脹率為6ppm，鋁合金為23ppm，不銹鋼為11ppm。時效變形率，大理石如果為5 顆星，則鋁合金為0顆星，不銹鋼為3 顆星。不會起毛刺和突起，不會損失工件，所以大理石作為旋轉(zhuǎn)工作臺的放置面的首選材料，雖然，直徑120mm*40mm 重量為2kg，但是電機的承重可達(dá)20KG，自動化活塞圓柱度測量系統(tǒng)的綜合精度為±5um。

4 傳統(tǒng)活塞圓柱度測量的介紹與特點

4.1 測量室的圓度儀測量法的介紹與特點

（1）手動擺放更換活塞，固定在圓度測量儀的旋轉(zhuǎn)工作臺上，之后調(diào)芯調(diào)水平，再進(jìn)行三個高度的圓度測量，然后操作測量軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，最后出測量報告。節(jié)拍約為10 分鐘/個。

（2）每次測量前要進(jìn)行3～5 分鐘的調(diào)芯調(diào)水平測量準(zhǔn)備工作。

（3）測量精度正負(fù)0.02um。

（4）一次測量也可包含所有高度的截面的圓度測量。

（5）根據(jù)報告判定分類合格與否；因為測量室為抽檢，所以每日可檢測數(shù)量不多。

4.2 活塞人工在線杠桿指示表測量方法介紹與特點

（1）使用杠桿指示表，把活塞放置到夾具定位后，快速旋轉(zhuǎn)活塞一周，目視杠桿指示表的擺動范圍，是否超出標(biāo)準(zhǔn)件的外圓指示范圍，判定合格與否，此測量為對比測量。

（2）測量精度為正負(fù)10um 以上，考慮到在線快速運作，操作員不作任何數(shù)據(jù)記錄。

（3）一次只能測量一個高度的圓度值。

（4）一次測量節(jié)拍約為2 秒一個。

5 結(jié)論

測量自動化活塞圓柱度測量系統(tǒng)相比傳統(tǒng)人工活塞圓柱度測量方案的優(yōu)勢總結(jié)。

（1）可批量測量。

（2）速度最快的前提下，測量精度最高。

（3）依據(jù)測量結(jié)構(gòu)自動化分類活塞尺寸。

（4）省人工，無人為失誤。

（5）測量數(shù)據(jù)可追溯分析。

自動化活塞圓柱度測量系統(tǒng)工作流程圖

自動化活塞圓柱度測量系統(tǒng)工作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)