㊀2021年㊀第4期
仪表技术与传感器
Instrument㊀Technique㊀and㊀Sensor
2021㊀No.4㊀
基金项目:上海市复杂薄板结构数字化制造重点实验室开放课题基金(201500)
收稿日期:2020-05-27
许海波1,曹家勇1,吕文壮1,裴跃翔1,俞春海2
(1.上海应用技术大学机械工程学院,上海㊀201418;2.苏州格伊特机械制造有限公司,江苏苏州㊀215104)
㊀㊀摘要:针对现有涡轮增压器阀芯孔衬套压装机质量监测系统不完善,过于依赖人工监测,难以实现精密压装与压装质量全自动检测的问题,提出了一种含有压力监测㊁视觉监测及激光高度检测的衬套压装质
量综合监测系统㊂首先根据过盈配合压装机理分析,提出压装位移压力曲线分段区域的质量判定方法㊂其次为避免衬套反装质量事故,引入机器视觉和模板匹配算法对衬套安装方向进行监测㊂然后采用激光传感器对衬套高度进行自动检测,并以PLC和工业计算机为控制器,建立了涡轮增压器衬套压装质量综合监测系统㊂最后经实验分析与现场应用表明,该系统运行稳定,可以有效提高压装精密性与检测准确性,降低工件报废率㊂
关键词:涡轮增压器;压力曲线;机器视觉;质量监测
中图分类号:TP274㊀㊀㊀文献标识码:A㊀㊀㊀文章编号:1002-1841(2021)04-0080-05
ResearchandDevelopmentofQualityMonitoringSystemfor
AutomotiveTurbochargerBushingPressingMachine
XUHai⁃bo1,CAOJia⁃yong1,LYUWen⁃zhuang1,PEIYue⁃xiang1,YUChun⁃hai2
(1.SchoolofMechanicalEnginnering,ShanghaiInst
ituteofTechnology,Shanghai201418,China;
2.SuzhouGreatMachineryCo.,Ltd.,Suzhou215104,China)
Abstract:Inordertosolvetheproblemthattheexistingqualitymonitoringsystemoftheturbochargerbushingpressingma⁃chineisnotperfect,reliestoomuchonmanualmonitoring,anditisdifficulttoachieveprecisionpressingandautomaticdetec⁃tion,acomprehensivemonitoringsystemofbushingprocessingquality,whichincludespressuremonitoring,visualmonitoringand
laserheightdetectionwasproposed.Firstly,accordingtotheinterferencefitpressureloadingmechanismanalysis,aqualitydeter⁃minationmethodforthesegmentedareaofpressureloadingdisplacementcur
vewasputforward.Secondly,toavoidthelinerre⁃verseinstallationqualityaccidents,machinevisionandtemplatematchingalgorithmwereintroducedtomonitorthebushing sin⁃stallationdirection.Thenthelasersensorwasusedtodetecttheheightofthebushingautomatically,PLCandindustrialcomputerwereusedascontrollerstoestablishacomprehensivemonitoringsystemforthepressuremountingqualityofthebushingofturbo⁃charger.Finally,theexperimentalanalysisandfieldapplicationshowthatthesystemrunsstably,caneffectivelyimprovethepreci⁃sionofpress⁃fittinganddetectionaccuracy,andreducethescraprateoftheworkpiece.Keywords:turbocharger;pressurecurve;machinevision;qualitymonitoring
0㊀引言
涡轮增压器普遍应用于燃油汽车发动机当中,普通发动机配上涡轮增压器后,其输出功率和扭矩可提高20% 30%,对于增强发动机功率,提升汽车行驶性能具有重要作用[1]㊂其中,涡轮增压器的阀芯孔衬套是由过盈的配合压装工艺完成,其压装质量对汽车的使用及安全性能有着直接的影响,因此,在汽车批量化生产的今天[2],如何对压装的质量进行准确监测显
得尤为重要,已经成为汽车等装配工程领域研究的热点之一[3-5]㊂
对于压装质量的监测,目前普遍是将设备采集到
的压入位移与压入力绘制成位移压力曲线,进而求出最大压入力,判定压装的质量㊂丁时锋等人设计的农用车发动机连杆销压装机通过组态软件实现了压装过程位移压力曲线的绘制[6]㊂夏阳等人在汽车启动机轴承压装机的设计中,描述了基于最大压入力的压装质量判定方法[7]㊂肖峻等人将样条插值法运用在轮对压装曲线的处理中,使压装曲线可以准确反映轮对压装过程位移-压力关系,达到了铁路行业标准[8]㊂
但是,压装质量检测是一个综合性问题,现有压
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装机质量监测系统的研究缺少了对于压入力形成机理的分析,压装机的监测系统仍存在一定的局限性,比如,单依据最大压装力判定而忽略了压装过程关键位置的压装质量问题㊁某些压装设备尚未具有防压反监测等问题,导致对人工监测依赖过多㊂随着国家工业技术水平的提高,如何使压装质量自动高效准确地监测成为汽车涡轮增压器阀芯孔衬套压装设备研究领域亟待解决的问题之一㊂
本文首先介绍涡轮壳衬套压装机结构原理,然后运用弹性力学理论分析影响压入力大小的因素,进而提出了包括视觉监测㊁压力监测和激光高度监测的加工质量综合监测系统,并给出了详细的实现方法,最后就工程应用较为关注的问题开展压装实验分析与现场应用分析㊂
1㊀伺服压装机结构及压入力形成机理分析
汽车涡轮增压器阀芯孔衬套压装机结构简图如图1所示㊂涡轮增压器阀芯孔衬套压装过程划分为两步:第一步,定位夹紧组件将涡轮壳定位与夹紧;第二步,伺服电动缸推动压头组件,实现衬套在涡轮增压器阀芯孔中的过盈配合压装
㊂
图1㊀压装结构简图
涡轮壳与衬套连接如图2所示,在接触压应力p
作用下,衬套外壁将产生向内压缩的径向位移u1,涡轮壳衬套孔内壁将产生向外膨胀的径向位移u2,即在过盈量δ=u1+u2作用下,内筒衬套与外筒涡轮壳孔实现紧密配合㊂由图2可知,阀芯孔衬套外半径b与内半径a的比值为1.517>1.2,涡轮壳孔外半径c
与内半径b的比值1.647>1.2,故可将涡轮壳衬套压装简化为厚壁圆筒的过盈配合㊂由文献[9]得厚壁圆筒过盈配合压入力F计算公式:
F=2pbπlf
(1)
式中:p为涡轮壳孔与衬套过盈配合面的接触压应力;l为过盈配合面的接触长度;f为配合面的静摩擦系数
㊂
图2㊀涡轮壳与衬套配合尺寸图
存在如下变形协调条件[10]:
δ=u1+u2
=δ2-δ1(2)
其中:δ为涡轮壳孔与衬套配合面间的过盈量;δ1与δ2分别为衬套外半径与涡轮壳孔内半径处的径向位移;
则内筒衬套的径向位移u1为
u1=δ1=-pbE1(b2+a2
b2-a2-μ1)
(3)外筒涡轮壳衬套孔径向位移u2为
u2=δ2=pbE2(c2+b2
c2-b
2+μ2)
(4)
将δ1与δ2代入式(2),可以得到内㊁外筒过盈配
合面间的接触压应力p为
p=
δb
1
c2
+b2E2(c2-b2)+b2+a2
E1(b2-a2)+μ2E2-
μ1E1
(5)
汽车结构图
式(5)代入到式(1),得到涡轮壳衬套压入力公式为
F=
2πlfδ
c2
+b2E2(c2-b2)+b2+a2
E1(b2-a2)+μ2E2-
μ1E1
(6)
式中:E1和E2分别为衬套和涡轮壳材料的弹性模量;μ1和μ2分别为衬套和涡轮壳材料的泊松比㊂
因材料给定,由式(5)和式(6)可知,压装力F正
比于过盈量δ㊁摩擦系数f和接触长度l㊂若过盈量δ
过大,则压入力过大,易导致装配件配合面被压伤或变形,过盈量过小,则导致压装联接不牢靠[11-12]㊂
考虑涡轮壳结构特点,须对压入长度与接触长度
之间的关系做进一步分析㊂当压入长度小于衬套前端倒角高度时,接触长度l=0,过盈量δ=0,压入力为
0㊂当压入长度大于倒角高度时,压入力基本成线性增长趋势㊂涡轮壳孔底部存在缺口,故进一步压入
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时,孔和衬套接触面积与压入长度成非线性关系,所以可以观察到压力曲线后半段出现非线性现象㊂2㊀压装机质量监测系统设计
2.1㊀压装机质量监测系统算法原理与硬件实现
经过上述对衬套压入力形成机理的分析,结合现场实际工况,提出以下的质量监测算法㊂设压装位移反馈信号为S,位移数据记录起点为S0,Sli表示每个监测区域起始位移,Sri表示每个监测区域
的终点位移㊂
设压入力反馈信号为F,Fbi表示每个监测区域的压入力下限,Fti表示每个监测区域的压入力上限,则质量监测系统算法原理框图如图3所示,其中,i表示质量监测的区域段,i取1 5㊂当接收到
位移反馈值落入判断区域范围时,启用PLC最大值查指令,判断该监测区域的压入力是否在FbiɤFɤFti范围内,如果F>Fti,报警显示为 第i段压入力超压 ,如果F<Fbi,报警显示为 第i段压入力欠压 ,上位机压力判定显示 NG ,综合判定显示
NG ㊂
图3㊀质量监测系统算法原理图为准确实现图3所示压装质量监测算法,系统硬件结构设计如图4所示㊂系统选用高精密性的压力传感器与位移光栅尺构成闭环反馈控制,保证压装过程实时精确的监测㊁控制与判断㊂2.2㊀质量监测系统软件设计与原理2.2.1㊀机器视觉监测原理与软件设置
为解决衬套反装造成的质量事故,将机器视觉监
测技术引入到压装机质量监测系统当中[13]㊂衬套防反判断主要是运用机器视觉中的模板匹配原理㊂算法主要流程为:(1)对正确安装的衬套进行模板学习
,
图4㊀系统硬件结构框图
提取关键特征的轮廓与面积,并设定其相似度与位置修正值;(2)对加工过程中安装的衬套,通过PLC触发图像传感器获得图像,将所得图像与模板进行匹配;(3)对衬套偏移和反装等误操作进行判断㊂监控软件界面如图5所示
㊂
图5㊀机器视觉监控软件界面
衬套模板匹配过程的基本原理是采用模板与原图像对应区域的误差平方和作为测度,设f(x,y)为MˑN的原图像,t(j,k)为JˑK(JɤM,KɤN)的模板图像,通过采用归一化互相关作为误差平方和测度进行准确匹配,其定义为㊀
δ(x,y)=
ðJ-1j
=0ðK-1
k=
0
t(j,k)㊃δ(x+j,y+k)ðJ-1j
=0ðK-1k=0
[δ(x+j,y+k)]㊃ðJ-1j
=0ðK-1
k=
0
[t(j,k)]2(7)
假设原图像f(x,y)和模板图像t(j,k)的原点都在左上角㊂对任何一个f(x,y)中的(x,y),根据上式都可以算得一个R(x,y)㊂当x和y变化时,t(j,k)在原图像区域中移动并得出R(x,y)所有值㊂R(x,y)的最大值指出了与t(j,k)匹配的最佳位置,从该位置开始在原图像中寻与模板关键特征相似度,最后与模板设定的位置修正值㊁轮廓值与面积值做对比给出 OK 或 NG 的综合判定结果㊂
2.2.2㊀组态监测系统实现在工业计算机上,基于组态软件开发设备监测系
统,主界面如图6所示㊂除了实现人机界面功能之外,
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系统还具有监测参数设定㊁配方设定㊁数据库记录与查询等功能
㊂
图6㊀质量监测系统软件主界面
在监测参数设定方面,针对现有压装设备单一最大压入力判定的局限性,可以灵活设置压力曲线取样长度,质量监测区域的数量,每个监测区域的起终点㊁压入力判断的上下限,还可设置伺服电缸快进与工进速度㊁保压压力㊁系统保压时间等重要参数,可适应不同压装工艺的需求㊂在配方设定方面,通过调用组态软件的配方参数控件,建立内部数据变量,使用组态软件的赋值语句将配方参数赋予PLC寄存器,调用配方参数控件的配方创建㊁配方保存与配方下载等相关语句,实现参数的下载与设定㊂
在配方参数设置以后,质量监测系统算法以PLC为主体㊁工控机为辅助完成㊂如图3和图4所示㊂PLC采集2个方面的信号:一个是由数字式光栅尺传感器反馈回来的压入位移S,另一个是由压力传感器产生的压入力信号㊂前者经过数字IO口接收,后者通过A/D转换模块接收㊂PLC执行2.1小节所述的压装质量判定算法,达到对压装过程的监测功能㊂
为避免各监测区域压入力均合格而压入量无法保证的问题,系统选用高精密性的激光位移传感器对衬套高度进行在线测量㊂当压装电缸自动退回原点后,步进电机带动丝杠滑台将激光高度传感器先后移动到涡轮壳衬套孔端面和衬套端面,获得2个高度H1
和H2,进一步求差得到衬套高度H=H1-H2之后,PLC
将衬套高度与人机界面输入的衬套高度允许变动范围进行比较,若衬套高度判定显示 NG ,则综合判定显示 NG ㊂
3㊀现场压装实验与应用分析
为验证压装设备质量监测系统判定的准确性,就厂方较为关注的问题以及对压装质量影响最大且以往难以准确检测的问题开展压装实验㊂在实际加工现场来10件涡轮壳衬套孔未能通过标准 通规 的工件进行压装实验,发现压装位移压力曲线监测区域内的压力值不同程度上超过了给定的压力值上限,典型现
象如图7所示㊂图中压入力增长率普遍较大,并且在A㊁B区域均超过了相关技术指标允许的最大压力值㊂
图7㊀过盈量偏大的压装曲线示例图
为进一步验证系统是否存在误判现象,对上述10件产品进行人工检定㊂首先,采用标定好的 通规 进行衬套内孔变形的人工检定,结果发现 通规 均未能完全顺畅通过衬套内孔,表明待安装在涡轮增压器衬套内孔的阀芯将不能灵活装配与转动㊂其次,任意挑选若干个工件进行机械剖切观察,发现在配合面处均出现了不同程度的压伤与黏着问题,其典型现象如图8的A㊁B㊁C㊁D和E所示㊂上述检定表明质量判断具有良好的可信度
㊂
图8㊀过盈量偏大导致压伤黏着典型现象为验证过盈量偏小情况下,质量监测系统判定的准确性,在实际加工现场来10件涡轮壳衬套孔均能通过标准 止规 的工件进行压装实验,得到的压装位移压力曲线在监测区域内压力值不同程度上低于给定压力值下限,典型现象如图9所示㊂图中压入力增长率普遍较小,B处的最大压入力远远低于给定的压装质量判定标准的第五段压入力下限,A区域压入力也略低于给定的压入力下限㊂在压装实验当中,系统均能做出对应判断与报警㊂过盈量偏小,压入力偏低,显然会导致装配不牢靠,在衬套内的阀芯高速转动下,容易出现故障,因此,这类产品确实是不合格件㊂
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图9㊀过盈量偏小的压装曲线示例图
为验证视觉检测仪监测的准确性,在现场取100件衬套,将系统调到手动模式,把视觉检测仪移到视觉监测的标准位置上,以手动触发方式将取来的100件衬套进行手动触发监测,先后验证安装不到位㊁安装反等异常情况以及正确安装的情况,系统均能做出准确判定,其判定结果可以通过组态监控画面的 影像判定 状态框显示㊂
上述的实验结果表明,该压装质量监测系统具备良好的可信度,可以正式投入使用㊂如图6所示,该质量监测系统已完成10万多次的压装与质量监测判定,现场运行结果表明,该套压装机压装精度高,质量监测可靠性强,系统运行稳定㊂
4㊀结论
介绍了压装机的机械结构与工作原理,进一步运用弹性力学理论,对压入力形成机理进行分析,设计并完成了集视觉监测㊁压力监测㊁和激光高度监测于一体的压装机加工质量综合监测系统,实现了压装质量全自动监测与判定功能,节省了人工监测的劳动力,对于不同装配件号,系统只需选择并下载不同压装配方参数即可,具备较高的柔性化设计理念㊂经实验分析与现场大量应用表明,该质量监测系统运行稳定,有效提高了压装的精密性与质量监测的准确性,极大降低了压装过程的报废率,消除了压装次品误收的问题,提高了生产效率与经济效益,对于其他压装
行业也具有较好的参考意义㊂
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通信作者:曹家勇(1973 ),博士,副教授,主要研究方向为磁
力机械与磁力传动㊁机电系统设计与控制等㊂E⁃mail:caojy@sit.edu.cn
(上接第79页)
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人民邮电出版社,2018:1-2.
作者简介:郭峰(1996 ),硕士研究生,主要研究方向为电路与
系统,嵌入式智能仪器㊂
E⁃mail:guofeng960818@163.com
崔永俊(1973 ),博士,副教授,主要从事纳米测试技术及仪器方向的研究㊂E⁃mail:annayucyj@nuc.edu.cn
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