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三維精密可視化技術對動力總成零部件精密制造帶來的變革

發布時間:2018-01-31 閱讀:2184次

1.概述  隨著汽車消費市場需求逐年升級,加之各國政府對車輛燃油經濟性和排放等指標的監管和控制日趨嚴格,汽車動力總成系統的性能、質量、可靠性、及成本等已經成為了各個汽車生產商所關注的核心問題之一。
而在各國廣泛的汽車行業中,由于多年積累的企業管理模式,導致了產品設計部門與制造部門對于產品的關注點有著很大的不同。產品設計部門通常更關注于產品的性能設計,但對零件公差要求與性能指標的關系缺乏理論上的指導,加之對實際制造工藝缺乏深入的理解,所以在制定零件公差要求時往往取決于歷史經驗,這往往造成為滿足零件圖紙上不必要且過于嚴格的公差要求導致制造成本、制造難度以及廢品率的增加。而產品制造部門更關注的是為了達到設計要求的制造產量,但是為了滿足設計要求,產品制造部門往往會選擇最容易滿足條件的檢測技術,而且在受到豐田制造系統對在生產過程中作為非增值但必要的測量環節實行盡量壓縮的誤解,產品制造部門往往不吝于對先進加工設備進行投入,但對檢測技術的挑選卻普遍存在不當的取舍,這無疑對零件制造質量及一致性的控制造成了相當的真空。由于動力總成零部件的材料和加工成本高,所以這種現象在汽車動力總成行業中的體現尤為明顯。
另外,在汽車制造行業高度協作化的今天,汽車制造商自己生產的零部件不超過20%,其他的全部由供應商提供。同時在日本全球可制造性(Monozukuri)理念的影響下,為了避免單一供應商導致產品供應鏈斷裂的風險,汽車制造商通常都會制定對同一產品的多個、分級的供應商策略。不言而喻,這種現象對產品的質量控制也帶來了進一步的挑戰。而且,目前大部分汽車制造商對供應商零部件的質量通常僅依賴于供應商自己提供的產品質量抽檢報告,汽車制造商自己并沒有一個很有效的供應商零部件的質量控制手段,問題發現時常常已經發生了昂貴的零件召回,其質量成本和質量風險可想而知。
科惠力(Coherix)專利所有的各項可視化測量和檢測技術,專注于汽車動力總成的精密加工和精密裝配領域,通過對機加工零部件和裝配體提供微米級精度的快速三維可視化全表面測量和檢測,致力于為汽車動力總成的制造行業帶來變革,并作為一種使能技術提升汽車動力總成的產品設計。具體其可視化技術帶來的價值包括縮短新品和新線的投產時間、控制和改進產品質量、快速解決復雜制造問題、通過將生產零件的實時數據反饋給產品設計部門以優化產品設計及工藝參數、同時改善汽車生產商與供應商的協作關系。

2.技術簡介

2.1.精密機加工

在動力總成精密機加工領域,科惠力使用獨家專利所有的激光三維全息干涉照相技術ShaPix,關注的包括發動機缸體缸蓋、自動變速箱閥體箱體、以及傳動系統中的剎車盤、輪轂、輪圈等零部件的精密機加工平表面的幾何形貌。ShaPix能以1分鐘的時間在280 mm x 280 mm或150 mm x 150 mm視場范圍內提供4百萬個微米級精度的測量點,并將零件的幾何形貌及刀具切削刀痕等三維波度微觀信息以色彩圖的方式直觀的顯示出來,零件表面沒有遺漏信息,對超過視場范圍的大型零件ShaPix可分次測量并進行無縫拼接。傳統的接觸式檢測技術使用三坐標打點,零件測量編程設置復雜冗長,測量時間長,表面覆蓋率低,無法適應現代化汽車量產的應用需求。

針對不同的應用環境及零件承重要求,我們提供了如圖1所示的ShaPix產品系列:

圖1. 科惠力ShaPix產品系列:(a)適合實驗室環境的可移動式ShaPix 1500,(b) 適合工廠工業環境測量小型零件和小排量發動機零部件的ShaPix 3700,(c) 適合工廠工業環境測量中型零件的ShaPix 3800,和 (d) 適合工廠工業環境測量大型汽車柴油發動機零部件的ShaPix 1200

 

如圖2所示,發動機缸蓋底面與缸體頂面進行配合,是影響發動機性能的一個至關重要的功能性表面,其表面幾何形貌除了影響發動機的密封性能外,其加工的一致性也會影響到發動機的標定過程,從而直接影響汽車燃油經濟性能。另外,其表面銑削刀痕也是影響發動機氣密性即“三漏”(漏油、漏水、漏氣)問題的一個關鍵表面微觀因素。同時零件表面銑削刀痕的情況與加工刀具的磨損情況也有一定的相關性。目前在汽車動力總成制造行業,尤其是對以鑄鐵為主要零件原材料的柴油機行業,刀具成本是加工成本的一個最重要的因素,如何優化刀具壽命也是汽車制造商共同關注的問題。但為了確保零件表面質量,汽車制造商通常會根據刀具供應商的建議給予刀具的使用壽命一定的余量,這對刀具成本是一個很大的浪費,如果能通過對被加工零件銑削刀痕進行實時三維全表面可視化檢測,加以建模分析,準確的預測換刀時間,這對汽車制造商將會提供極大的實用價值?苹萘Φ腟haPix三維可視化技術使這樣的應用成為可能。

 

圖2. (a) V8發動機缸蓋,(b) 科惠力ShaPix三維精密幾何形貌,和 (c) 科惠力ShaPix全表面刀痕三維波度

 

與手動變速器相比,自動變速器給駕駛帶來的便捷讓其在國內的普及度越來越高。目前,裝備自動變速器的汽車在國內乘用車市場所占的比例超過40%,而且隨著市場的發展和用戶對駕駛舒適性的追求,這一比例將會逐年升高。作為自動變速器中控制變速過程的“大腦”,閥體的設計和制造都是汽車制造商的一個技術挑戰。如圖3a所示,該閥體有著典型的復雜迷宮面設計和精密的幾何形貌要求,如果迷宮面幾何形貌不合格,裝配后就會導致側面的閥孔的圓柱度變形,從而導致液壓閥在閥孔中卡死以致變速器失效。而如此復雜的迷宮面,用接觸式技術進行檢測,可以想見其繁冗的編程(幾小時至數天)和測量時間(幾十分鐘)都無法支持如今高速高質量大規模量產的汽車生產環境。而如圖3b所示,科惠力的ShaPix三維可視化技術在1分鐘之內用三維色彩圖的方式以微米級精度直觀全面的反映零件的表面形貌,符合現代化汽車制造的發展方向。

 

圖3. (a) 自動變速箱閥體,和 (b) 科惠力技術三維精密幾何形貌

 

剎車系統是汽車行駛過程中駕駛人對汽車動力及傳動系統中最有直觀感受的部分,任何幾何形貌的偏差,都會通過振動、噪音的方式在剎車過程中被駕駛人直接感受到,從而影響駕駛人對車輛質量的總體認知;而且幾何形貌的偏差還會加速摩擦零部件的磨損情況,減少其壽命。如圖4所示,剎車盤的剎車面幾何形貌、與基準面的平行關系,剎車面的厚度變化等等都是影響剎車裝配體全跳動的關鍵性指標,行業中有些已經達到了幾近苛刻的10 μm的公差要求。目前常用的檢測工藝是接觸式逐點測量,表面覆蓋率低、精度差、其有限的信息量無法有效幫助其故障診斷過程。而如圖4b中科惠力的ShaPix三維可視化檢測結果則可以快速全表面反映多面關系,有效的客服了接觸式測量的局限。

 

圖4. (a) 剎車盤,和 (b) 科惠力技術三維精密幾何形貌

 

2.2.精密裝配確認(防錯)

精密機加工的零件要完成產品設計的最終功能,通常需要進行裝配。由于動力總成系統的裝配工藝過程復雜,人機交互大,經常會出現一些裝配錯誤。在裝配工藝的設計上如果沒有辦法100%可靠的避免錯誤的發生,就必須要有100%可靠的手段將可能出現的裝配錯誤檢測出來,否則動力總成系統的裝配錯誤將會直接導致如汽車拋錨等嚴重影響汽車制造商聲譽的質量問題。

 

舉例說明,汽車發動機活塞銷卡環的自動裝配工藝,該工藝可能存在多種裝配錯誤,如卡環漏裝、卡環位置不對、卡環方向不對、多個卡環等,雖然該問題發生的概率不高,但是任何一種錯誤都將可能導致發動機運轉過程中出現停機報廢的嚴重問題,所以在發動機裝配線上像這樣的關鍵裝配工序通常都會配有裝配確認(防錯)手段。目前常見的手段有人工確認、機械式確認、和二維機器視覺確認。人工確認方式由于人的主觀隨意性、情緒化、疲勞等因素總體可靠性差,目前已經在這些關鍵的裝配工藝上逐漸被淘汰。而機械確認方式則無法將所有可能的活塞銷卡環裝配錯誤檢測出來,如卡環方向不對、多卡環等。而二維機器視覺確認方式則是利用二維灰度圖像的對比度,如亮對暗或暗對亮,但由于工廠環境光隨季節的變化、零件顏色的變化、背景的變化等等,二維機器視覺在這些關鍵裝配工藝上的使用效果并不理想,其高誤報率給用戶帶來的困擾常常比其帶來的效果更大?苹萘Κ毤业腡ru3D三維可靠在線裝配確認(防錯)軟硬件技術則從根本上杜絕了這種裝配錯誤流入到終端用戶手中的可能性。圖5a為發動機活塞銷端面的二維機器視覺圖,從該灰度圖像中可以看出由于缺乏有效的對比度,無法準確可靠的判斷活塞銷卡環的裝配狀況。而圖5b顯示了Tru3D技術在一發動機裝配線上的100%在線使用情況,通過實時抓取的豐富三維數據,配合獨特的軟件處理算法及各種不同判據做出強健可靠的判斷。

 

圖5. (a) 活塞銷卡環端面二維視圖,和 (b) 科惠力Tru3D發動機裝配線實際安裝使用

 

圖6為Tru3D對活塞銷卡環裝配體抓取的三維數據的橫截面,通過圖6a正確安裝與圖6b卡環缺失的Tru3D三維圖像進行對比,Tru3D三維可靠裝配確認(防錯)技術的優勢不言而喻。

 

圖6. 科惠力Tru3D活塞銷卡環在線裝配確認檢測結果:(a) 卡環正確安裝,和 (b) 卡環缺失

 

3.應用舉例

3.1.加快新品上線時間

在汽車制造行業中,因為批量大,所以汽車生產商對生產工藝的調試慎之又慎。一個動力總成新產品從加工原型件到大規模量產都有一個嚴格且漫長的過程,目前周期大都在1年以上,期間物料、人員、和時間投入巨大?苹萘haPix的三維可視化信息則可以幫助客戶顯著縮短調試時間,大量減少物料和時間成本,加快產品投入市場的過程。

 

圖7為自動變速箱閥體迷宮面的一個銑削工藝調試過程,其迷宮面的形貌公差要求為50 μm.  圖7a為第1個原型件試切后的表面幾何形貌,平面度為89 μm,黑色箭頭代表了進刀方向;谶@樣豐富直觀的三維視覺信息,制造工程師迅速斷定是由于夾緊力過緊,閥體加工后回彈導致的。在減小夾緊力后,試切第2個原型件的幾何形貌如圖7b所示,平面度減小為37 μm。進一步減小夾緊力并降低機床主軸扭矩,試切第3、4個原型件得到的幾何形貌如圖7c所示,平面度減小為32 μm。改變進刀方向,并進一步優化其他機床參數,試切第5、6個原型件得到的幾何形貌如圖7d所示,平面度降至17 μm——達標,調試結束。在ShaPix即時三維可視化信息的指導下,整個過程客戶只用了6個原型件,4天時間,相比之下該調試過程使用傳統方法則需要上千個原型件,幾個月的時間,時間和材料成本的節省超過數百萬美元。

 

 

圖7. 自動變速箱閥體銑削工藝調試過程:(a) 第1個原型件 – 89 μm,(b) 第2個原型件 – 37 μm,(c) 第3、4個原

型件 – 32 μm,和 (d) 第5、6個原型件 – 17 μm

 

3.2.柴油機缸蓋機加工和裝配變形研究

有了ShaPix三維全表面可視化信息作為指導,優化加工工藝參數以改進零件表面質量成為可能。圖8所示為5.3升柴油發動機缸蓋頂面的幾何形貌研究。圖8a為其精銑后的自由狀態,整體的幾何形貌為60 μm,這反映出該客戶對其加工工藝有著相當好的控制。然而,不難看出,整個頂面的幾何形貌呈現出如高亮處顯示的一個周期性變化,經與美國密歇根大學吳賢銘先進制造研究中心共同研究發現,該現象是由于零件材料周期性的不連續性,導致銑削過程中切削力發生周期性突變,從而引起了零件表面形貌的周期性變化。通過建模分析及實驗驗證,該研究創造性的提出了動態調整進給率,對加工過程中材料去除率的波動進行補償,從而將切削力維持在一個穩定的水平,從而可以降低由于零件幾何形狀設計導致的加工誤差。

 

另一個發現是如圖8b所示,將缸蓋頂面按照設計要求的螺栓緊固順序和扭矩將缸蓋與缸體裝配后其頂面的形貌發生了顯著的變化,整體平面度實測由自由狀態的59 μm變為緊固狀態的125 μm,而且表面的拓撲結構變化明顯,周期性的低點由原來的機加工材料缺失處變為螺栓的緊固處,如圖8b中藍色的高亮直線所示,而遠離螺栓緊固點則相應成為了高點,如紅色高亮直線所示。這個研究可以有效的與有限元分析進行結合,一可以驗證有限元仿真的結果,二將零件實測數據而不是零件理想化的設計模型輸入有限元軟件中進行零件性能仿真,其結果將更具有實踐指導意義。

 

 

圖8. 柴油發動機缸蓋頂面:(a) 機加工后自由狀態的實測結果 – 59 μm,和 (b) 上螺栓緊固后裝配狀態的實測結果 – 125 μm

 

3.3.發動機漏油故障解決

一發動機制造商發現其產品存在漏油問題,經調查發現,漏油位于其冷油器(Oil Cooler)和油底盤(Oil Pan)的裝配面上。但是使用傳統的接觸式三坐標打點檢測手段對兩個零件的接合面分別進行分析,都無法確定導致漏油問題的根源。使用ShaPix三維全表面可視化檢測技術對兩個零件的接合面進行分析,其檢測結果如圖9所示。根據零件的設計公

 

差,ShaPix的檢測結果也均符合要求。但是,經過進一步對幾何形貌的仔細分析發現,冷油器接合面的最突出點在零件表面的中心,而油底盤接合面的最突出點也在該表面的中心,在裝配過程中,兩個表面的高點正好相互擠壓,使冷油器的高點附近出現破裂,導致漏油。問題找到后,發動機制造商與零件供應商合作修改了其制造工藝,改變了冷油器的幾何形貌,從根本上避免了類似問題的再次發生。這一問題也啟發了零件設計公差的一個新思維,在傳統的平面度參數無法有效與零件功能特性進行關聯的情況下,需要定義一個從設計到制造都能更好描述零件裝配密封性能的表面形貌參數即——形貌度(Shapiness),并將此參數在汽車制造商的產品設計部門進行推廣,這也是我們和密歇根大學正在合作進行的一項課題。

 

4.結論

科惠力公司的多項三維可視化技術作為一種使能技術,通過對精密機加工的零部件和對精密裝配的零部件的快速三維可視化檢測,提供全表面高精度的直觀三維視圖,配以高度智能化的軟件數據處理算法,能為汽車動力總成精密機加工和精密裝配的傳統行業標準帶來變革。作為福特汽車公司“亨利 福特技術獎”的榮譽獲得者,并與密歇根大學有著緊密合作的高科技企業,科惠力公司致力于為汽車制造行業提供先進的可視化技術和解決方案,并為客戶在提升質量、降低成本、改進工藝、優化產品設計等方面做出實時貢獻。

 

無錫瑞埃德檢測科技有限公司

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專注于意大利Vici Vision軸類及扁平類零件光學測量設備和臺灣Mitcorp工業內窺鏡的銷售和服務,并致力于將其它先進光學測量技術如Coherix平面3D測量技術引入國內市場 !

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