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(jī)械工程學(xué)院，上海 201418；2.蘇州格伊特機(jī)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(dòng)機(jī)當(dāng)中,普通發(fā)動(dòng)機(jī)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(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)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(diǎn)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(jìn)而求出最大壓入力，判定壓裝的質(zhì)量。丁時(shí)鋒等人設(shè)計(jì)的農(nóng)用車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿銷壓裝機(jī)通過組態(tài)軟件實(shí)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(dòng)機(jī)軸承壓裝機(jī)的設(shè)計(jì)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(yùn)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(dá)到了鐵路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8]。

但是，壓裝質(zhì)量檢測是一個(gè)綜合性問題，現(xiàn)有壓裝機(jī)質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的研究缺少了對于壓入力形成機(jī)理的分析，壓裝機(jī)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(dòng)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(jī)結(jié)構(gòu)原理，然后運(yùn)用彈性力學(xué)理論分析影響壓入力大小的因素，進(jìn)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(xì)的實(shí)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(shí)驗(yàn)分析與現(xiàn)場應(yīng)用分析。

1 伺服壓裝機(jī)結(jié)構(gòu)及壓入力形成機(jī)理分析

汽車渦輪增壓器閥芯孔襯套壓裝機(jī)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(dòng)缸推動(dòng)壓頭組件，實(shí)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(shí)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(xiàn)[9]得厚壁圓筒過盈配合壓入力F計(jì)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(diǎn)，須對壓入長度與接觸長度之間的關(guān)系做進(jìn)一步分析。當(dāng)壓入長度小于襯套前端倒角高度時(shí)，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(shí)，壓入力基本成線性增長趨勢。渦輪殼孔底部存在缺口，故進(jìn)一步壓入時(shí)，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(jī)質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 壓裝機(jī)質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)算法原理與硬件實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過上述對襯套壓入力形成機(jī)理的分析，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)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(hào)為S,位移數(shù)據(jù)記錄起點(diǎn)為S0，Sli表示每個(gè)監(jiān)測區(qū)域起始位移，Sri表示每個(gè)監(jiān)測區(qū)域的終點(diǎn)位移。設(shè)壓入力反饋信號(hào)為F，F(xiàn)bi表示每個(gè)監(jiān)測區(qū)域的壓入力下限，F(xiàn)ti表示每個(gè)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(shí)，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(bào)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(shí)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(jì)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(shí)時(shí)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(jì)與原理

2.2.1 機(jī)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(jī)器視覺監(jiān)測技術(shù)引入到壓裝機(jī)質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)當(dāng)中[13]。襯套防反判斷主要是運(yùn)用機(jī)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(jìn)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(jìn)行匹配；(3)對襯套偏移和反裝等誤操作進(jìn)行判斷。監(jiān)控軟件界面如圖5所示。

圖5 機(jī)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(jìn)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(diǎn)都在左上角。對任何一個(gè)f(x,y)中的(x,y),根據(jù)上式都可以算得一個(gè)R(x,y)。當(dāng)x和y變化時(shí)，t(j,k)在原圖像區(qū)域中移動(dòng)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(shí)現(xiàn)

在工業(yè)計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)人機(jī)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(gè)監(jiān)測區(qū)域的起終點(diǎn)、壓入力判斷的上下限，還可設(shè)置伺服電缸快進(jìn)與工進(jìn)速度、保壓壓力、系統(tǒng)保壓時(shí)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(shí)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(jī)為輔助完成。如圖3和圖4所示。PLC采集2個(gè)方面的信號(hào)：一個(gè)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(gè)是由壓力傳感器產(chǎn)生的壓入力信號(hào)。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(dá)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(jìn)行在線測量。當(dāng)壓裝電缸自動(dòng)退回原點(diǎn)后，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠滑臺(tái)將激光高度傳感器先后移動(dòng)到渦輪殼襯套孔端面和襯套端面，獲得2個(gè)高度H1和H2，進(jìn)一步求差得到襯套高度H=H1-H2之后，PLC將襯套高度與人機(jī)界面輸入的襯套高度允許變動(dòng)范圍進(jìn)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(shí)驗(yàn)與應(yīng)用分析

為驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。在實(shí)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(jìn)行壓裝實(shí)驗(yàn)，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(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)是否存在誤判現(xiàn)象，對上述10件產(chǎn)品進(jìn)行人工檢定。首先，采用標(biāo)定好的 “通規(guī)”進(jìn)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(dòng)。其次，任意挑選若干個(gè)工件進(jìn)行機(jī)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(yàn)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(shí)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(jìn)行壓裝實(shí)驗(yàn)，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(yuǎn)遠(yuǎn)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(shí)驗(yàn)當(dāng)中，系統(tǒng)均能做出對應(yīng)判斷與報(bào)警。過盈量偏小，壓入力偏低，顯然會(huì)導(dǎo)致裝配不牢靠，在襯套內(nèi)的閥芯高速轉(zhuǎn)動(dòng)下，容易出現(xiàn)故障，因此，這類產(chǎn)品確實(shí)是不合格件。

圖9 過盈量偏小的壓裝曲線示例圖

為驗(yàn)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(dòng)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(dòng)觸發(fā)方式將取來的100件襯套進(jìn)行手動(dòng)觸發(fā)監(jiān)測，先后驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(yùn)行結(jié)果表明，該套壓裝機(jī)壓裝精度高，質(zhì)量監(jiān)測可靠性強(qiáng)，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

4 結(jié)論

介紹了壓裝機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作原理，進(jìn)一步運(yùn)用彈性力學(xué)理論，對壓入力形成機(jī)理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)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(jī)加工質(zhì)量綜合監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了壓裝質(zhì)量全自動(dòng)監(jiān)測與判定功能，節(jié)省了人工監(jiān)測的勞動(dòng)力，對于不同裝配件號(hào)，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(jì)理念。經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析與現(xiàn)場大量應(yīng)用表明，該質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)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(bào)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(jì)效益，對于其他壓裝行業(yè)也具有較好的參考意義。