發動機缸蓋鎖片自動檢測技術的應用

金航宇

北京福田康明斯發動機有限公司 北京昌平 102206

氣門是發動機缸蓋上的核心部件，氣門與氣門彈簧座通過氣門鎖片連接在一起。氣門鎖片安裝的正確與否，會直接影響發動機的氣門工作狀態。如果有錯裝、漏裝會導致氣門開關異常，影響發動機性能，嚴重情況下導致氣門或者活塞損壞造成重大損失。錯裝、漏裝的人工檢測存在容易疲勞、出錯率高等問題，自動檢測是一種發展趨勢。本文論述的重點是筆者所在的發動機缸蓋生產線的一種在線自動鎖片檢測裝置的設計原理以及應用方法。

筆者所在的發動機缸蓋機加線主要進行缸蓋的半精和精加工以及缸蓋的分裝。主要加工設備由美國MAG動力總成公司生產制造，缸蓋分裝線由國內大連豪森瑞德設備制造有限公司生產。其中缸蓋分裝線15606工位為鎖片激光檢測工位。通過激光測量傳感器檢測鎖片是否安裝合格。如果安裝異常，設備自動記錄缸蓋零件號并寫入碼塊，把不合格的缸蓋轉入環線，待操作者修復后再重新檢測上線。

原理分析

1.氣門鎖片安裝結構

鎖片裝配后鼓肚與氣門桿（見圖1）凹槽結合后，鎖片外側在氣門桿一周形成錐面，彈簧柱內側錐面與鎖片形成錐面結合，從而限制彈簧座向上移動來固定彈簧。

圖1 鎖片安裝

2.鎖片位置計算

（1）正常安裝 如圖2所示，鎖片在安裝到位后，鎖片端面距離與氣門桿端面距離在設計尺寸范圍內浮動。此時定義鎖片端面距離氣門桿頂面的距離為h。根據尺寸鏈（見圖3）計算h的范圍，其中h為該尺寸鏈的封閉環，h2為尺寸鏈的減環，h3為尺寸鏈的增環。鎖片鼓肚中心距離端面距離為h2=1.27+0/-0.2mm（圖樣得到），氣門桿凹槽距離頂面的距離h3=6.33+/-0.43mm（圖樣得到），氣門鎖片距離氣門桿端面的距離公差計算如下：

圖2 正常鎖片安裝

圖3 正常鎖片安裝尺寸鏈

基本尺寸：h=h3-h2=5.06mm

ES(h)=ES(h3)-EI(h2)=0.43-(-0.2)=0.63mm

EI(h)=EI(h3)-ES(h2)=-0.43-0=-0.43mm

所以，氣門鎖片端面距離氣門桿端面h尺寸以及公差h=5.06+0.63/-0.43mm。

（2）裝反情況 如圖4所示，由于進料錯誤或者壓裝設備問題導致鎖片下端向上。其中h'為該尺寸鏈的封閉環，h2' 為尺寸鏈的增環，h3為尺寸鏈的減環，鎖片鼓肚中心距離底端面距離為h2'=9.5+05/-0.3mm（圖樣得到），氣門桿凹槽距離頂面的距離h3=6.33+/-0.43mm（圖樣得到），氣門鎖片底面距離氣門桿端面的距離公差計算如下：

圖4 反裝鎖片尺寸鏈

基本尺寸：

h'=h2'-h3=3.17mm

ES(h')=ES(h2')-EI(h3)=0.5-(-0.43)=0.93mm

EI(h')=EI(h2')-ES(h3)=-0.3-0.43=-0.73mm

所以，氣門鎖片底端面距離氣門桿端面h' 尺寸以及公差為h'=3.17+0.93/-0.73mm，高出氣門桿端面。

（3）安裝不到位、漏裝的情況 定義鎖片鼓肚半徑為R（R=1.53mm），裝不到位的情況下（見圖5）鎖片端面距離氣門桿頂部位h",與正常情況下鎖片距離頂端距離h比較滿足|h-h"|>1.53mm（鼓肚半徑），否則鎖片就可以滑落到氣門桿凹槽內。漏裝的情況下（見圖6），設能檢測到的理論鎖片端面距離氣門頂端的距離為h''',如圖所示測量點會落到氣門桿凹槽之下，所以|h-h'''|也滿足>1.53mm。

圖5 安裝不到位鎖片

圖6 漏裝鎖片

3.檢測原理分析

通過以上計算得知，正確安裝的情況下，氣門鎖片端面距離氣門桿頂部的距離與非正常安裝時距離對比見表1。

表1 距離對比表

從表1可以看出，每種失效形式測量出來的距離點的分布帶，與正常安裝的情況下均不重合，即每種失效均與正常安裝有明顯區分。裝不到位情況下的距離與正常裝配時距離最小時的點最為接近，設接近程度為D。則：D≥1.53-0.43=1.1mm（0.43mm為正常裝配的距離下偏差）。因此，如果有方法測量鎖片端面與氣門桿頂端的距離且測量誤差小于1.1mm，就可以發現鎖片錯裝、漏裝、裝不到位等質量問題。

傳感器選型及機電功能原理實現

1.傳感器選型

通過分計算得出各種失效模式與正常模式之間測量的距離差異大于1.1mm，只需要選用普通的能夠區分此差異的傳感器，即可滿足探測發現質量不良的工件，因此可以選用德國米銥的ILD1402激光三角測距傳感器。

傳感器參數：optoNCDT 1402經濟型系列（數字/模擬信號）。線性量程5～600mm。絕對誤差≤±0.18%。分辨率0.01%。測量頻率1.5kHz。測量量程為5～600mm，實際使用最大量程＜20m m，最大絕對誤差為20×（±0.18%）=±0.036mm。裝不到位的情況下鎖片與正常鎖片距離之差最小為1.1mm，0.036mm遠遠小于不合格鎖片距離與正常鎖片壓裝距離的差異，滿足使用要求。

2.機械功能實現

待檢測的缸蓋在隨著托盤到達該檢測工位并在擋料作用下準停在該工位。缸蓋到達后，設備通過缸蓋托盤抬起定位裝置抬起托盤以及缸蓋，通過一面兩銷定位，每次均把缸蓋托盤連同缸蓋準確定位在一個固定位置（缸蓋與托盤也是通過一面兩銷定位）。定位完成之后電缸得到信號，帶動3個傳感器（每個傳感器測量一排鎖片）在X方向移動，傳感器移動的同時按照1.5kHz的頻率采集Y方向（高度）的數據。這樣工控機通過數據采集卡可以采集到三組數據，每組數據包含電缸的X位置以及對應的Y方向的高度。

本機械裝置中包含兩次定位，第一次為抬起裝置與圖盤的定位，第二次為托盤與缸蓋之間的定位。兩次定位均采用一面兩銷的傳統定位方式，根據本文裝置的定位銷與定位孔的間隙為0.01～0.03mm之間，通過計算定位精度單方向可以控制在0.05mm之內，鎖片的厚度理論尺寸為1.19mm，所以定位X方向的定位誤差對鎖片測量影響可以忽略。Y方向（高度）由于是測量的鎖片到氣門桿端面的距離，此距離由傳感器一次測量通過計算得出，Y方向的誤差對測量不產生影響則可不做考慮。

抬起機構在通過立柱上的兩個導軌在氣缸作用下可以上下移動到位，位置通過立柱上的擋塊來確定。

3.邏輯架構

如圖7所示，使用兩塊數據采集卡分別采集來自于電缸與三個傳感器的數據，然后通過工控機上的軟件對采集來的數據進行分析判斷并顯示。

圖7 原理架構

軟件實現以及顯示

本文中工控機軟件采用VB編寫，通過數組的方式實時記錄研華數據采集卡采集上來位置信息以及激光側頭測到的高度數據。得到數組之后，通過分析每個鎖片位置的高度，并與設定的偏差做比較來判斷鎖片安裝是否合適。

1.數據采集

數據采集函數通過采集卡動態鏈接庫函數

2.采集收到的數據分類及數據分析

通過數據采集可以得到四組數組，四組數據通過samplingNum來對應。

第一行鎖片的Y（高度）值：DataArraySensor1（SamplingNum）。

第二行鎖片的Y（高度）值：DataArraySensor2（SamplingNum）。

第三行鎖片的Y（高度）值：DataArraySensor3（SamplingNum）。

三行鎖片公用的X值： DataArrayDisplacement（SamplingNum）。

如表2所示（其中一排排氣鎖片的數據）的原始數據，DataArrayDisplacement（K）為數據的X方向位置；DataArraySensor1（K）為：傳感器X方向每個測量點到固定原始0點的距離（表2為Sensor1的數據實例）。

表2 傳感器sensor1測量數據

（1）定位并計算平均距離差值 通過VB截取鎖片、氣門桿頂端理論中心附近的一組數據分析出平均值average（suopian1）和average（qimengan），兩個平局值的差即為所要測量的h，通過判斷h（兩個平均值的差）是否在設定公差范圍內即可判斷出來鎖片是否合格。

例如：以圖表數據為例，氣門桿頂端距離鎖片頂端面的距離平均值為（可以自由設定取點的數量，此例取4點計算平均值）。

（2）與設定的理論尺寸對比計算 軟件設定距離的公差為理論距離（或者略大于理論數據）Normal。

Distance在Normal范圍內，所以判斷鎖片安裝合格。

數據如圖8所示，A處為采集的鎖片所處位置的點平均值計算后得到的直線，B處為氣門桿頂端采集的點計算平均值后得到的直線。圖示尺寸與理論尺寸比較可以判斷出鎖片壓裝合格，其余所有氣門鎖片均可以提取數組中的數據計算并判斷出鎖片的裝配狀態。

圖8 采集數據分析點圖

3.氣門鎖片檢測曲線以及軟件設計及用法

氣門鎖片防錯如圖9所示，18個氣門檢測的全部曲線顯示，通過18個曲線窗口繪制出了18個曲線，顯示了鎖片是否合格（同時順帶檢測了氣門以及彈簧座是否合格）。

圖9 氣門鎖片曲線

通過軟件上的菜單欄選擇曲線，可以調出任意一個測量完成的氣門鎖片曲線（見圖10）。此曲線理論設計的曲線類似，曲線上增加了明亮的顏色可以顯示鎖片位置以及合格標記。

圖10 氣門鎖片曲線放大

4.參數設置以及調整

生產過程中由于產品的變化及設備的磨損，工藝人員需要及時優化檢測的理論設定參數，軟件設計了一個標準的調整界面。在菜單欄中選擇“參數配置”會彈出一個數據表格窗口，通過表格中的配置可以任意修改需要檢測的鎖片寬度、高度誤差范圍等信息，從而使檢測更加合理。

通過生產過程的摸索可以設定一個合理的公差范圍，發現鎖片壓裝不合格問題但又不至于頻繁誤報警。

5.故障分析以及優化

此裝置使用過程中總是會出現故障，如個別鎖片無數據。經過分析發現是此裝置數據的采集不閉環導致的問題。激光數據采集卡只負責采集數據，是否采集到數據不會傳遞到X方向的電缸，即電缸一直在移動。但是如果計算機受到運行速度、外部干擾等影響，就會產生激光傳感器的數據采集不到的問題。

為解決此問題，更新程序并在程序采集數據的過程中關閉所有鼠標從而降低風險的發生。另外，如果出現故障后則自動重新測量一次，從而降低故障對自動生產的影響。改進措施實施后經過驗證，生產線故障停機降低達到了預期的效果。

應用分析以及檢驗

對本裝置失效件進行驗證，進行GO/NOGO數據的MSA驗證（記錄見表3）。

表3 Go/No-GO 數據MSA統計表

評估一致性：通過分析設備正確識別鎖片安裝錯誤的概率為93%，大于通常MSA分析90%的要求。且評估不一致主要體現在Go判斷為No-Go，如圖11所示，對質量控制來說是加嚴了標準。

圖11 評估一致性

結語

經過驗證分析，本文論述的通過激光距離檢測方法來檢測鎖片壓裝是否合格是可行的，可以實現防錯目的。生產過程中檢測的效果達到預期要求，能大大降低操作者下線檢驗的強度且提高了生產效率以及質量。同時通過對原理的分析以及持續的使用，發現了軟件的不足，通過優化降低了軟件故障頻率，為后續繼續開發此類檢測裝置提供了借鑒。

本論述的設備優點是設備以及軟件設置簡單，可以隨時調整檢測的規格界限實時顯示鎖片狀態，設備投入不大。發展前景：此種檢測方法可以擴展為有類似檢測防錯要求的發動機生產場合，如：堵蓋漏裝檢測、半成品上線漏加工防錯等。

此種檢測方法也存在一定不足，由于采用VB實時采集數據然后集中計算，計算機需要在一個節拍時間內集中運算大量數據，導致軟件運行穩定性差，運行變得遲鈍。由于X方向的伺服為自主運行不實時與VB交互，隨著軟件響應遲鈍容易產生采集數據不完整等問題，不過通過選擇高配置上位機的措施可以彌補此不足。