氣門鎖夾檢測主要問題及解決方案

聶燦明，孔圓圓，曹慧建

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

氣門鎖夾是發動機運動機構的核心零件之一，一般兩個一對，裝配在氣門與氣門彈簧座之間。氣門桿上有凹槽，氣門鎖夾有凸槽，氣門鎖夾和氣門彈簧座是錐面接觸，在彈簧力的作用下，氣門鎖夾牢牢卡在氣門上，跟隨氣門一起運動，如圖1所示。由于氣門是發動機工作時的高速運動部件，當氣門鎖夾漏裝或者安裝不到位時，氣門會松脫掉入發動機燃燒室，嚴重損害發動機。

圖1 氣門運動件相關結構

根據售后表現統計，導致發動機氣門掉入氣缸的主要原因是氣門折斷和氣門鎖夾脫落[1]。氣門折斷一般是氣門本身的質量問題，而氣門鎖夾脫落一般是因為制造過程出現問題。例如氣門鎖夾漏安裝、氣門鎖夾安裝不到位等。因此，各主機廠都十分重視氣門鎖夾的安裝和狀態檢測。氣門鎖夾常用的檢測設備為線激光掃掠檢測。本文將對該設備原理、主要問題及解決方案進行分析研究。

1 線激光掃掠檢測基本原理

氣門鎖夾激光掃掠檢測設備，是將激光測距傳感器固定在三軸機器人、線性滑軌等運動部件上，然后令其在各氣門中軸線的連線上平穩移動，如圖2所示。激光測距傳感器掃掠出各缸氣門、鎖夾、彈簧座的輪廓，設定采樣框分別采集各零件的相對位置，如圖3所示。通過計算高度差，來判定鎖夾的安裝狀態，如表1所示。

圖2 氣門鎖夾激光掃掠檢測設備結構

圖3 掃掠出來的輪廓曲線

表1 氣門鎖夾安裝到位檢測判定參數

2 線激光掃掠檢測主要生產問題

在生產運行過程中，氣門鎖夾線激光掃掠檢測設備發現主要問題有兩個：

（1）檢測結果判定范圍的合理設定。判定范圍設定過寬，設備一次過線合格率（First Time Quality, FTQ）比較高，但難以有效探測質量缺陷；判定范圍設定過窄，設備FTQ太低，造成大量不必要返工，浪費人力成本，同時影響產能輸出。目前設置的判定范圍缺少相關科學依據，經常受到質量體系評審評估師質疑。

（2）掃描曲線無法準確采樣到零件位置。如果激光測距傳感器故障會直接導致無法準確采樣，但在實際生產過程中這種情況極少出現。隨著設備的長期運行，工件的定位機構、激光測距傳感器的固定機構、激光測距傳感器的移動變距機構的相關部件出現磨損，導致激光測距軸線與工件相對位置發生變化，進而無法準確采樣到零件位置，從而導致設備誤判。

3 線激光掃掠檢測生產問題解決方案

3.1 檢測結果判定范圍的設定方案

氣門、鎖夾、彈簧座三者相對距離的判定范圍會直接影響判定結果，設置不合理時會出現：（1）把合格判定為不合格，影響FTQ，導致額外返工，進而影響整線輸出；（2）把不合格判合格，導致缺陷流出工位，嚴重時可能會流到市場，造成發動機損壞。在生產制造過程中，涉及到判定范圍設置的，一般有以下幾種方法，如表2所示。

表2 判定范圍設定方法

尺寸鏈定義了機械產品中尺寸之間的相互關系，是公差設計的基礎和主要內容，包括裝配尺寸鏈、工藝尺寸鏈、平面尺寸鏈等方面的計算內容[2]。整個計算過程比較繁瑣，容易出錯。因此，在處理該問題時，使用UG直接畫圖，裝配后計算理論尺寸。該方法分三個步驟：（1）分析零件各尺寸上下極限尺寸的影響，如表3、圖4所示；（2）根據極限尺寸畫圖；（3）把相關零件裝配約束并測量相對距離，如圖5所示。

圖4 分析零件極限尺寸的影響

圖5 裝配約束后計算相對距離

表3 關聯零件影響分析

設備精度一般在重復測量收集標準件數據后分析確定，具體操作可以參考測量系統分析相關的文章。測量系統分析的介紹，對量具的重復性和再現性進行分析，采用均值極差法，對實際生產過程中使用的量具測量系統進行評價，確定該量具測量系統是否滿足質量要求[3]。本文不做展開論述。

3.2 掃描曲線無法準確采樣到零件位置解決方案

在生產運行過程中，除了要確定準確的判定范圍，還要確保掃掠曲線的準確性。UG功能強大，截面曲線是曲面建模的重要特征，將截面特征曲線重建技術與正向設計技術相結合是實現復雜特征曲面模型重建的重要方法[4]。運用UG模擬出激光掃掠出的截面，并進一步對截面分析，進而判定不同的曲線是什么原因導致的，為設備調整優化提供判定依據。

利用空間向量來解答問題，能將空間抽象思維轉化為坐標運算問題，從而降低了對空間想象能力的要求[5]，本文根據設備工作原理，建立并定義合理的空間坐標系進行分析，如圖6所示，其中激光沿“Y軸”移動進行掃掠。以下是不同情況下的輪廓曲線情況：

圖6 氣門、鎖夾、彈簧座在空間位置的定義

（1）理想情況：激光軸線在“X-Z平面”及“Y-Z平面”的投影均與“Z軸”無夾角，如圖7所示。

圖7 理想輪廓曲線

（2）故障情況①：激光軸線在“X-Z平面”的投影與“Z軸”有夾角，在“Y-Z平面”的投影與“Z軸”無夾角；激光軸線與“Z軸”零點相交，如圖8所示。

圖8 故障輪廓曲線①

（3）故障情況②：激光軸線在“X-Z平面”的投影與“Z軸”有夾角，在“Y-Z平面”的投影與“Z軸”無夾角；激光軸線與“Z軸”正方向相交，如圖9所示。

圖9 故障輪廓曲線②

（4）故障情況③：激光軸線在“X-Z平面”的投影與“Z軸”有夾角，在“Y-Z平面”的投影與“Z軸”無夾角；激光軸線與“Z軸”負方向相交，如圖10所示。

圖10 故障輪廓曲線③

（5）故障情況④：激光軸線在“X-Z平面”的投影與“Z軸”無夾角，在“Y-Z平面”的投影與“Z軸”有夾角，如圖11所示。

圖11 故障輪廓曲線④

（6）故障情況⑤：激光軸線在“X-Z平面”的投影與“Z軸”有夾角，在“Y-Z平面”的投影與“Z軸”有夾角，如圖12所示。

圖12 故障輪廓曲線⑤

鎖夾體積較小，無法準確掃描出輪廓線時，也就無法進行判定，導致存在質量風險。工程技術人員可以對比故障輪廓曲線與理想輪廓曲線，確定需要檢測的設備或相關部件。由于工件定位機構、激光測距傳感器的固定機構、激光測距傳感器的移動變距機構三者任一部件出現異常，均會導致不同程度的故障曲線。因為不同設備廠商設備的實際構成是不同的，本文不在此逐一分析具體是哪個機構或零件異常會出現哪種故障情況。當出現故障曲線影響到設備采樣時，工程技術人員只調整某一或某幾個機構，讓掃描結構接近理想曲線即可。

4 結束語

目前主流的發動機設計，都有氣門鎖夾這一零件，不管是舊的單槽鎖夾還是穩定性更高的三槽鎖夾，在裝配完成后均需進行檢測。現階段，主要基于成本及可靠性的前提，線激光掃掠檢測是主流，有著天然的優勢，但缺點也相對明顯，對工件和設備的相對位置要求高。隨著“工業4.0”“中國制造2025”的推進，隨著人工智能與機器視覺的發展，激光雷達，即光探測與測量，已成為人工智能服務機器人的“慧眼”[6]，對應技術成本會不斷下降，終將會達到可在企業普遍應用的水平，完整的三維掃描建模，或者是更為先進的探測技術必將得到廣泛的應用，是一種不可阻擋的發展趨勢，這也督促著所有工程技術人員，除了要掌握現有技術，也需要時刻保持對前沿技術的敏感性。