沖壓件數(shù)字化測量技術(shù)

文／張衛(wèi)華，王耐，周錫志·北汽重型汽車有限公司

隨著沖壓自動化程度和生產(chǎn)節(jié)拍逐步提升，沖壓件尺寸檢測和監(jiān)控也越來越向“高效、便捷、經(jīng)濟”方面發(fā)展，一方面盡量縮短零件測量和數(shù)據(jù)采集時間，另一方面數(shù)據(jù)分析結(jié)果要直觀明了，能作為指導生產(chǎn)線生產(chǎn)以及模具維修的參考依據(jù)。在這方面，高精度工業(yè)機器人攜自動藍光設備，以其測量的高效、穩(wěn)定以及其報告的快捷方便占據(jù)較大的優(yōu)勢。

相較傳統(tǒng)檢具+人工檢測和三坐標測量，藍光測量有以下幾方面的優(yōu)勢：1)測量速度快、效率高，對比三坐標以及人工+檢具檢測，測量時間縮短25%～50%；2)系統(tǒng)柔性高，測量工位可根據(jù)需求拓展，且對環(huán)境要求低；3)測量數(shù)據(jù)自動留存，方便用于以后統(tǒng)計對比分析。其中測量效率提升和出具高效實用的檢測報告是各主機廠尤為關(guān)注的重點。

例如我公司采用的是一臺高精度工業(yè)機器人，攜藍光掃描設備、配合4 工位轉(zhuǎn)臺的布局如圖1 所示，具體硬件包含機器人及移動導軌、測量頭、多工位轉(zhuǎn)臺、安全光柵及圍欄、控制柜及主機等。在測量的時候，通過掃碼槍調(diào)用測量程序，由于事前更換好了測量支架并進行攝影測量，只需要把零件裝夾好并啟動掃描即可，一個大型沖壓件掃描過程一般在10 ～20分鐘，然后將掃描結(jié)果導入系統(tǒng)自帶的分析軟件即刻就能出具掃描分析結(jié)果。

圖1 藍光測量系統(tǒng)布局

在提高測量效率方面，藍光系統(tǒng)設計時可在以下幾點做好規(guī)劃：1)多個測量工位合理布局，達到設備不間斷連續(xù)測量的需要，某工位測量的同時其他工位可進行更換零件，并且隨著新產(chǎn)品種類的增加，還可以拓展轉(zhuǎn)臺的數(shù)量，這也是藍光測量系統(tǒng)可拓展的一個優(yōu)勢；2)快速更換測量支架和零件，如采用V形定位方式比銷柱式定位更換更加方便，同時考慮零件在支架上的放置，要防止變形和易于操作；3)充分考慮類似零件共用測量支架的可行性，例如我公司的3 種中頂蓋板共用一個測量支架，既可減少存放面積，也可減少更換測量支架的頻次；4)測量支架要設置貼點裝置用于點云拼接(不需要在每個零件上貼點)，同時考慮貼點裝置不影響拍照角度，從而有利于攝像頭圖像采集及運行軌跡速度的優(yōu)化。

管理層需要隨時了解產(chǎn)品質(zhì)量的整體狀況，需要給領導呈現(xiàn)合格率走勢圖(圖2)、尺寸波動狀態(tài)、合格率分布圖(圖3)等內(nèi)容，這些圖表靠工程師整理制作，既花費時間又無法實時呈現(xiàn)，而依靠藍光系統(tǒng)自帶的后處理軟件，將掃描完成結(jié)果自動整合到樹目錄結(jié)構(gòu)中，可實時呈現(xiàn)，當出現(xiàn)合格率異常下降時及時提醒測量人員進一步分析數(shù)據(jù)，同時系統(tǒng)可設置自動報警，超過設定閾值系統(tǒng)自動提醒檢測人員，檢測人員檢查出具體問題點，通過系統(tǒng)的“問題流轉(zhuǎn)單”把問題指派給工藝及模具維修人員處理。

圖2 某零件合格率走勢圖

圖3 全測點合格率分布情況

圖4 為該零件局部搭接面尺寸連續(xù)4 次超差達到預警條件(單次超差量＞公差的1.5 倍或單次超差量不大于1.5 倍公差但連續(xù)超差＞3 次)，此時檢測人員即向責任單位發(fā)起問題流轉(zhuǎn)單，相關(guān)責任人收到流轉(zhuǎn)單后可調(diào)取測量系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)查看詳情。

圖4 局部合格率超差及問題流轉(zhuǎn)單

針對一些關(guān)鍵測點和功能點：如定位孔位置度和孔徑、包邊法蘭面和關(guān)鍵裝配面的面輪廓度等，除了日常測量外，還需要監(jiān)控其尺寸穩(wěn)定性和過程能力，可利用形式多樣的圖表，如趨勢圖、控制圖、排列圖、直方圖、相關(guān)性分析等常見過程控制分析工具進行問題分析，如關(guān)鍵測點的測量趨勢圖，監(jiān)控一段時間以來該點的尺寸波動情況如圖5 所示。如波動過大或超出公差帶可實時提醒工程師對相關(guān)的工藝進行優(yōu)化。通過直方圖檢查該測點數(shù)據(jù)的正態(tài)擬合及根據(jù)標準差的分布概率如圖6 所示。

圖5 關(guān)鍵測點尺寸趨勢圖

圖6 關(guān)鍵測點尺寸分布直方圖

如我公司車門內(nèi)板包邊法蘭面角部的面輪廓度尺寸不穩(wěn)定，間或性超差，調(diào)取該點單點近30 次測量的趨勢圖如圖7 所示，發(fā)現(xiàn)該點尺寸在公差帶上控制線附近波動且沒有規(guī)律，前面3 次卻穩(wěn)定在公差中心。后經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)模具及設備參數(shù)并未進行調(diào)整，最大的變異點在前3 次采用人工取放件生產(chǎn)，從而可判斷出問題出在自動化生產(chǎn)過程，進一步檢查生產(chǎn)過程發(fā)現(xiàn)，是零件抓取放在皮帶機上時角部接觸皮帶，瞬間產(chǎn)生的跌落使零件角部產(chǎn)生塑性變形。找到這一根本原因后，通過降低放件高度和調(diào)整放件角度，此問題得以解決。

圖7 車門內(nèi)板包邊面角部測點尺寸趨勢圖

系統(tǒng)還可自動生成SPC 指標各項以及均值極差圖，確認產(chǎn)品生產(chǎn)過程是否達到統(tǒng)計制程狀態(tài)如圖8所示，行業(yè)一般要求關(guān)鍵尺寸Cpk≥1.33，Cpk的啟動條件是全尺寸報告達標且工藝穩(wěn)定，我公司在運行中發(fā)現(xiàn)，定位基準孔及RPS 點的輪廓度能滿足這一指標，但針對一些焊接面或裝配面的測點達到這個標準有些困難(同一批次生產(chǎn)零件可滿足指標，不同批次間生產(chǎn)的零件難以達到這個標準)，然而這些點作為重要尺寸，對其穩(wěn)定性的監(jiān)控更具有實用價值，為了保持與關(guān)鍵尺寸Cpk≥1.33 指標一致，可將其公差帶擴大到1.5 倍計算后進行指標的監(jiān)控，同樣具備參考價值。當發(fā)現(xiàn)指數(shù)異常時候進行系統(tǒng)分析原因，找出變異點及時糾正。

圖8 關(guān)鍵測點尺寸Cpk

在沖壓生產(chǎn)過程中，檢測成本是每個企業(yè)考慮的問題，檢測成本既包含工裝設備和人力成本，也包含測量時間成本，沖壓批量生產(chǎn)前通常先要進行首件檢測，首件檢測時間也意味著生產(chǎn)線等待時間，為了節(jié)省時間，很多企業(yè)在零件狀態(tài)穩(wěn)定后取消了首件尺寸檢測，僅對零件的外觀質(zhì)量進行檢驗，這樣雖然節(jié)省了時間，但也帶來批量缺陷風險的增大。沖壓件尺寸受到模具、設備、原材料、班組人員等多方面的因素影響，當某一生產(chǎn)條件發(fā)生改變的時候進行尺寸檢測是很有必要的，因此選擇周期性檢測外加生產(chǎn)條件變化檢測是一個相對實用的辦法，針對生產(chǎn)穩(wěn)定的零件，每個月或3 ～5 個生產(chǎn)批次檢查一次，看其合格率的波動情況，并通過關(guān)鍵點趨勢圖來預估其風險發(fā)生的概率。