汽車變速箱零部件裝配自動測量系統(tǒng)①

夏筱筠,崔露露1,,孫維堂,李 博

1(中國科學院大學,北京 100049)

2(中國科學院 沈陽計算技術(shù)研究所,沈陽 110168)

在現(xiàn)代化的生產(chǎn)過程中手工操作逐漸的被自動化、數(shù)字化的設(shè)備取代,從而達到高質(zhì)量的生產(chǎn)目的.測量是裝配生產(chǎn)中重要的環(huán)節(jié),而傳統(tǒng)的手工測量無法滿足現(xiàn)代生產(chǎn)的自動化、數(shù)字化需求.在汽車變速箱生產(chǎn)裝配環(huán)節(jié)中,變速箱部分零件的分配有較高的精度要求,比如輸出軸總成.這些零部件的裝配過程中需要選擇合適墊片保證零部件有合理的軸向間隙,從而保證變速箱的整體裝配質(zhì)量.

針對選擇合適的裝配墊片工作國內(nèi)做了許多研究,其中,吳磊[1]針對汽車主錐墊片測量裝配的需求設(shè)計測量技術(shù),通過測量、壓測和擰緊三臺主減速器裝配環(huán)中的關(guān)鍵專機之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)建立了閉環(huán)反饋模型,并通過反饋來調(diào)整,提高了墊片的測量準確度.曾學花[2]針對汽車驅(qū)動橋主動錐齒輪總成選墊需求,基于主動錐齒輪總成的結(jié)構(gòu)和裝配尺寸鏈方程,建立了動態(tài)測量模型,使測量更加精確.倪翔[3]針對自動變速箱換擋制動器墊片測量提出相對測量方法,降低了測量誤差.任永強等[4]針對汽車驅(qū)動橋主減墊片測量方法進行研究,提出了基于相對測量原理的主減墊片預(yù)選方法,并根據(jù)該方法研制了相應(yīng)的墊片預(yù)選測量機,該測量機有較好的柔韌性,并且能夠適應(yīng)多品種墊片預(yù)選測量需求,提高了產(chǎn)品的裝配質(zhì)量.本文針對MQ250 汽車變速箱輸入軸總成,輸出軸總成和差速器總成裝配選擇合適的調(diào)整墊片問題設(shè)計了測量算法,并結(jié)合裝配生產(chǎn)線的實際情況設(shè)計了自動測量系統(tǒng),目前該自動化測量系統(tǒng)已應(yīng)用于汽車變速箱裝配生產(chǎn)中,提高了汽車變速箱裝配質(zhì)量以及裝配生產(chǎn)線的數(shù)字化水平.

本文針對MQ250 變速箱裝配生產(chǎn)線中零部件裝配的測量過程展開,根據(jù)零部件的裝配需求設(shè)計并實現(xiàn)了測量算法,結(jié)合裝配線實際情況實現(xiàn)自動測量系統(tǒng).本文首先總體介紹了自動測量系統(tǒng)整體設(shè)計;接下來介紹了測量軟件的功能和測量流程;最后詳細闡述了測量原理以及優(yōu)化方案.

1 測量系統(tǒng)需求分析

汽車變速箱結(jié)構(gòu)復(fù)雜,其裝配工序繁多[5],裝配過程分為零部件的分裝和最后的整裝.其中輸入軸總成、輸出軸總成和差速器總成裝配質(zhì)量將直接影響變速箱的整體質(zhì)量.以上零部件的裝配過程中需選擇厚度合適的調(diào)整墊片,墊片的厚度是否合適將直接影響汽車的性能[6].如果選擇的墊片過厚,變速箱的散熱會比較困難,從而可能出現(xiàn)燒毀的現(xiàn)象;如果選擇的墊片過薄,將不利于齒輪嚙合,不僅會增加行駛噪音,嚴重會發(fā)生脫檔情況,將影響行駛安全.因此墊片選擇要符合實際標準,讓汽車的動能有效的輸出和利用.

為總成選擇合適的墊片,使總成有合適的軸向竄動量[7,8],需要測量零部件裝配的兩部分長度.再通過簡單的計算,可得到所需要的裝配墊片厚度以保證選擇厚度合適的裝配墊片.以輸出軸總成裝配為例,其裝配示意圖如圖1所示,為保證選擇厚度合適的輸出軸總成的調(diào)整墊片,需要測量輸入軸滾錐軸承外環(huán)孔高度(圖1中表示為A)以及量輸入軸滾錐軸承高度(圖1中表示為B).其中,輸入軸總成和差速器總成的裝配原理相同.全部的裝配測量將涉及到6 個工件的測量.整個測量和選配的任務(wù)通過3 個工位完成,SA20 為半自動測量工位,進行輸出軸總成的動態(tài)測量;SA100 為全自動測量工位,進行輸入軸總成和差速器總成的動態(tài)測量以及變速器殼體和離合器殼體的靜態(tài)測量;SA110 工位為人工裝配和墊片選擇工位,人工根據(jù)測量結(jié)果選擇輸入軸總成,輸出軸總成和差速器總成的墊片,并且對墊片復(fù)檢以及最后壓裝.

圖1 變速箱輸出軸總成裝配示意圖

2 測量系統(tǒng)設(shè)計

2.1 測量系統(tǒng)整體框架

測量系統(tǒng)由HMI 人機交互界面,PLC 控制系統(tǒng),測量機,傳感器采集盒和傳感器組成.其中PLC 采用西門子S7-300 CPU317-2DP,測量機是以Windows 7系統(tǒng)為背景的臺式電腦,內(nèi)置測量軟件,傳感器采集盒采用的是16 通道的MI 111.傳感器使用的是MARPOSS的針式位移傳感器,此款傳感器測量精確度較高,能夠滿足此次設(shè)計精度需求.測量系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示.

圖2 測量系統(tǒng)架構(gòu)圖

HMI 用于人工啟動母件的測量任務(wù),通過PLC 給出具體的測量啟動信號和需要調(diào)用測量機的程序號,測量機按照收到的程序號啟動相應(yīng)的測量程序,并且反饋測量的信號送至PLC.

2.2 測量系統(tǒng)通訊

MQ250 汽車變速箱裝配線的各工位PLC 之間通過PROFIBUS 總線進行通訊,各工位之間的交互信號包括每個工位的工作狀態(tài),完成情況,工位是否準備好,是否允許工件進入.測量機與PLC 通信采用PROFIBUS總線方式.測量機與傳感器采集盒通過RS485 連接,可以在測量軟件內(nèi)實時監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù),例如,傳感器品牌,型號和測量范圍,便于更換傳感器.

使用MOBY 射頻技術(shù)在工控機端下發(fā)訂單,各個工位的PLC 從MOBY 中讀取各自的控制任務(wù)及其相關(guān)的信息數(shù)據(jù),運行規(guī)定的控制程序,控制測量系統(tǒng),接受測量系統(tǒng)的信息和測量數(shù)據(jù)和狀態(tài)數(shù)據(jù),并將測量結(jié)果數(shù)據(jù)的過程數(shù)據(jù)寫到MOBY 上,在最后一個下線工位將MOBY 數(shù)據(jù)讀到工控機中,進行數(shù)據(jù)計算,存儲等處理.

3 測量算法設(shè)計

為了能夠選擇合適的裝配墊片保證總成裝配的質(zhì)量,針對精確測量裝配的零部件尺寸的需求.設(shè)計結(jié)合相對測量與最小二乘法的測量算法完成工件的測量任務(wù).由于VC++編程語言具有使用方便,簡單便于維護的特點,本次程序使用VC++編程語言編寫.

3.1 總成選擇墊片分析

以A,B,D分別表示輸出軸承孔、輸入軸承孔及差速器軸承孔的高度,用B,E,H分別表示輸出軸承、輸入軸承及差速器軸承的高度,x為矯正常數(shù),那么輸入軸總成應(yīng)選墊片厚度d1=D-E-x,差速器總成應(yīng)選墊片厚度d2=G-H-x輸出軸總成應(yīng)選墊片厚度d3=A-B-x.根據(jù)計算公式,得到A,B,D,E,G,H的值就可以計算得出相應(yīng)總成的裝配墊片厚度.由于通過直接測量很難得到精確的測量出A,B,D,E,G,H的值,因此設(shè)計基于相對測量的方法,將基準工件的值作為測量的基準對A,B,D,E,G,H的值進行測量.以輸出軸總成裝配為例說明如下:A=P1+a,B=P2+b,其中P1,P2是對應(yīng)于A,B的基準參數(shù),由測量前的由操作人員手動輸入,a,b為通過傳感器測量并經(jīng)過計算得到的相對偏差值.

由于汽車變速箱屬于精密裝配工件,并且傳感器探頭的量程為1～2 mm,因此對于偏差的測量精度要求較高.針對a,b測量結(jié)果精確度的要求,提出基于工件平面測量偏差,并結(jié)合最小二乘法的思想[9]的測量方法.這樣的測量方法首先需要確定工件表面的平面方程,再根據(jù)工件上一個點坐標,將直接的偏差測量轉(zhuǎn)換為點到平面距離的計算的方式,能夠更精確的得到偏差.其中擬合工件平面方程通過最小二乘法擬合實現(xiàn).

3.2 偏差測量原理

由于總成的裝配精度要求較高,單靠高精度的傳感器不能解決可能出現(xiàn)操作上的誤差,例如會經(jīng)常發(fā)生的工件擺放不與水平面平行的情況,即使很微小的誤差也會對總成裝配精度帶來很大的影響,針對上述問題提出先在工件上確定平面,再基于平面計算點到平面的距離得到偏差的計算方法.

在工件放置不水平于水平面的情況下,直接測量高度的方法得到的測量值精確度不夠.如圖3所示.

圖3 確定平面必要性原理

圖3中D為工件上高度的測量點,b為待確定的平面,從圖3中可以得到結(jié)論,在沒有平面確定的情況下,測量得到的長度表示為c的長度,但是實際的長度應(yīng)該是a所表示的長度.因此,通過計算點到平面的距離計算的偏差是必要的,能夠得到更精確的測量結(jié)果.

3.3 工件表面的平面方程擬合

為了能夠得到精確的偏差,需要確定工件表面的平面方程.采用采集多組數(shù)據(jù)擬合平面的方法[9,10].具體原理及過程如下:

平面擬合過程基于最小二乘法,設(shè)待確定的平面方程如式(1)所示:

由于C不等于0,則平面方程還可以表示為式(2):

其中,a0,a1,a2為 未知參數(shù),x,y,z分別為一個點的三個維度的坐標值,針對一系列的n個 點(n＞3)(xi,yi,zi),i=0,1,2···n,這里點的坐標通過一組傳感器獲得,其最佳擬合平面應(yīng)滿足式(4).

式中p(x,y,z)=0,則:

設(shè):

則方程組(6)可表示為(x0,y0,z0)其解是平面方程的系數(shù),為:a=R-1*K.到此,根據(jù)以上的步驟可以得到工件表面的平面方程.

為了計算偏差需要進一步測得的工件上一點為D(x0,y0,z0),計算點到平面的距離即為偏差.根據(jù)點到平面距離式(7),將點D坐標帶入公式,得到的H即為所求點到平面的距離.其中A為a0,B為a1,C為1,D為a2.

通過測量算法,可以分別得到輸出軸軸承孔長度和輸出軸軸承長度,根據(jù)公式進行簡單的計算即可得到適合的組裝墊片厚度.同樣的,輸入軸總成與差速器總成裝配墊片選取測量原理與輸出軸總成裝配測量原理相同,不再重復(fù)介紹.通過使用先確定工件所在平面,再計算距離得出偏差這種兩步走的方法會比僅僅使用一個固定基準平面的方法,減少測量對現(xiàn)場環(huán)境的依賴性,測量的準確性會更高.

4 測量軟件

測量軟件主要是編寫測量程序,測量配置,數(shù)據(jù)計算,結(jié)果分析存儲等作用,同時提高測量的自動化程度,提高測量、選取墊片的工作效率,提高數(shù)據(jù)信息的可視化程度.軟件功能模塊結(jié)構(gòu)圖如圖4所示,主要模塊包括參數(shù)設(shè)置模塊、測量選取模塊以及數(shù)據(jù)管理模塊.

圖4 測量軟件功能模塊圖

參數(shù)設(shè)定主要是分為硬件的配置設(shè)定以及測量的配置設(shè)置;測量部分主要為測量任務(wù)的選取,選擇執(zhí)行測量程序執(zhí)行測量以及最終選擇墊片;數(shù)據(jù)管理模塊主要存儲測量的數(shù)據(jù)并且評估測量結(jié)果.

在測量開始之前需要進行測量任務(wù)的I/O 通道設(shè)置來確定數(shù)據(jù)的獲取通道,以及探頭選擇工作來規(guī)定使用的探頭類型,為執(zhí)行測量任務(wù)做準備.

一次測量過程分為任務(wù)的創(chuàng)建、執(zhí)行以及評估執(zhí)行結(jié)果3 個步驟.首先,根據(jù)不同測量任務(wù)編寫不同測量程序,測量任務(wù)的執(zhí)行就是相應(yīng)的測量程序的執(zhí)行,并且根據(jù)不同工位的不同需求對應(yīng)的執(zhí)行相應(yīng)的測量程序.最后評估測量結(jié)果,并且統(tǒng)計測量結(jié)果,通過控制圖、直方圖等可視化方式展現(xiàn).

5 測量系統(tǒng)的應(yīng)用驗證

用各工件的最小工件來驗證測量算法的準確度.各工件的最小工件的實際值,允許的誤差范圍以及測量值數(shù)據(jù)如表1所示,結(jié)果表明測量值與實際值的差均在誤差范圍之內(nèi),能夠滿足實際的生產(chǎn)標準.

表1 實驗數(shù)據(jù)表(單位:mm)

通過相應(yīng)裝配工件的長度差,再與矯正常數(shù)做差即可得到相應(yīng)的裝配墊片厚度.差速器總成墊片的選取為例,從表1中可得到A,B的實際差值為1.2752 mm,減去矯正常數(shù)0.4 mm 后為1.2352 mm,再根據(jù)墊片選擇表,選擇1.2352 mm 所對應(yīng)的墊片為1.30 mm.通過測量得到的應(yīng)選墊片厚度為1.2355 mm,與實際應(yīng)選擇的為同一組墊片,差速器墊片規(guī)格選取部分表如表2.

表2 差速器墊片選取規(guī)格部分表(單位:mm)

根據(jù)測量數(shù)據(jù)計算出所選墊片的厚度,由人工取出對應(yīng)墊片,并進行總成組裝.墊片選擇組裝工位圖如圖5所示,測量結(jié)果以及墊片厚度均在左側(cè)屏幕顯示.

6 結(jié)論

變速箱裝配生產(chǎn)線工作繁多,其中自動測量設(shè)備測量的準確性更是直接關(guān)系到變速箱的質(zhì)量和性能.本文結(jié)合MQ250 變速箱裝配中輸入軸總成、輸出軸總成和差速器總成的裝配需求,設(shè)計并實現(xiàn)一套自動測量系統(tǒng),利用相對測量原理、基于最小二乘法實現(xiàn)了測量算法.該測量系統(tǒng)實現(xiàn)了測量任務(wù)的模塊化管理,現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)可通過MOBY 射頻技術(shù)傳輸,提高了生產(chǎn)線的數(shù)字化程度.綜上,本系統(tǒng)具有較高應(yīng)用價值,為自動測量在工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供一定的思路.

圖5 選墊片工位場景圖