自動化活塞圓柱度測量系統相比傳統人工活塞圓柱度測量方案的優勢

何朝華

（博炯（上海）精密機械科技有限公司，上海200433）

汽車活塞質量直接影響發動機的功率、燃燒消耗率、機油消耗、噪音、振動和排放，特別是精密的發動機，即使是微米級的缺陷，都會對機器的性能產生很大的影響。所以，活塞也被稱為汽車發動機的“心臟”。隨著現在汽車產量的逐年增加，活塞產量的產量也是水漲船高。同時對活塞的加工工藝的檢測要求日益嚴格，其中就包括汽車活塞的圓柱度測量評價一環。汽車零部件廠要求汽車活塞的圓柱度參數實現大批量且全檢測量，若采取傳統人為的測量方式，就意味著需要更多的熟練技術工人使用簡單的量具反復的測量操作，以及花費更長的工作測量時間，而且產品測量數據不做記錄。產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，本方案提出并設計自動化活塞圓柱度測量系統，來解決傳統測量中存在人工效率低，人為操作誤差，無數據記錄、產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的組成機構

A 傳輸帶、B 旋轉空位盤、C 光電傳感器、D 機械臂、E、激光測徑儀、F 旋轉工作臺、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 測量數據處理分析軟件。

2 自動化活塞圓柱度測量系統的工作流程

（1）被放入來料傳輸帶。

（2）被放入旋轉空位盤。

（3）光電傳感器通過PLC 指令機械臂進行上料，將活塞放入旋轉工作臺。

（4）光電傳感器通過PLC 指令旋轉工作臺的柔性定位銷固定活塞。

（5）PLC 指令旋轉活塞，同時激光測徑儀測量活塞A 高度直徑數據，將200 余個A 高度上的活塞直徑數據記錄進電腦。

（6）機械臂進行下料，將活塞放入下料傳輸帶，進入下一個B 高度上料傳輸帶。

（7）重復步驟1、2、3，旋轉活塞，同時激光測徑儀測量活塞B 高度直徑數據，將200 余個B 高度上的活塞直徑數據記錄進電腦。

（8）機械臂進行下料，將活塞放入下料傳輸帶，進入下一個C 高度上料傳輸帶。

（9）重復步驟1、2、3，旋轉活塞，同時激光測徑儀測量活塞C 高度直徑數據，將200 余個C 高度上的活塞直徑數據記錄進電腦。

（10）電腦對活塞的3 組高度位置的數據進行圓柱參數分析，機械臂根據分析結果進行分類擺放分流，將檢測合格的活塞放入合格產品下料傳輸帶，檢測不合格的活塞放入不合格產品下料傳輸帶。

（11）自動化活塞系統的工作流程結束。

3 自動化活塞圓柱度測量系統的特點

（1）采用特制柔性定位銷套裝，成功地解決了活塞固定旋轉不穩定，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，當有50mm 以上較高的活塞旋轉時，就會產生重心傾斜的現象，也達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，會使活塞旋轉時，口部端面和大理石載物板表面之間產生摩擦，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生劃痕，我們設計定位銷的的接觸面材質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。因為活塞開口部設計的平面度精度高，可設置為測量活塞圓柱度的基準面，底部沒有平面度設計要求，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計在5mm 左右，這種設計避免了旋轉時遮住激光測量的問題。

（2）綜合測量速度節拍為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，本方案采用進口品牌高速機械臂和高速旋轉馬達，高速機械臂抓取上下速度設計為0.5 秒/次，高速旋轉馬達為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到圓柱度檢測要求。

如果采用一套激光測徑儀，改為旋轉帶升降3 個位置度功能的旋轉工作臺，因為BC 二個高速個停留1 秒，旋轉0.5 秒，則綜合測量速度節拍將會為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，以達到圓柱度檢測要求,且將綜合測量節拍保持為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。此品牌耐現場油污，環境工作溫度可45 度，不需要溫度補償。對應在線測量每天2 班倒的客戶而言，儀器的耐用性也是非常重要。

（6）大理石作為旋轉工作臺的放置面。

采用直徑120mm*40mm 大理石作為旋轉工作臺的放置面，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20KG，自動化活塞圓柱度測量系統的綜合精度為±5um。

4 傳統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工作臺上，之后調芯調水平，再進行三個高度的圓度測量，然后操作測量軟件進行數據分析，最后出測量報告。節拍約為10 分鐘/個。

（2）每次測量前要進行3～5 分鐘的調芯調水平測量準備工作。

（3）測量精度正負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，快速旋轉活塞一周，目視杠桿指示表的擺動范圍，是否超出標準件的外圓指示范圍，判定合格與否，此測量為對比測量。

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

（3）一次只能測量一個高度的圓度值。

（4）一次測量節拍約為2 秒一個。

5 結論

測量自動化活塞圓柱度測量系統相比傳統人工活塞圓柱度測量方案的優勢總結。

（1）可批量測量。

（2）速度最快的前提下，測量精度最高。

（3）依據測量結構自動化分類活塞尺寸。

（4）省人工，無人為失誤。

（5）測量數據可追溯分析。

自動化活塞圓柱度測量系統工作流程圖

自動化活塞圓柱度測量系統工作系統結構