上海質(zhì)量技術獎案例：沖壓線雙料檢測系統(tǒng)設計及應用

◆錢 驍/ 文

一、設計背景

沖壓線雙料檢測系統(tǒng)對于沖壓車間乃至整車廠生產(chǎn)來說是至關重要的一套系統(tǒng)。沖壓線決不允許有兩張或以上的料片（稱為雙料）同時送入生產(chǎn)線。如果雙料未被檢測出而送到模具中進行沖壓，那么將會造成沖壓設備與模具的嚴重損壞。由于模具對于每個車型來說都具有唯一性無法替代，一旦模具損壞，那么長達幾天到數(shù)周的模具維修時間將會造成整個整車廠的停產(chǎn)。另外從質(zhì)量方面來說，即使花費了高昂的財力、人力和時間代價進行維修，也很難保證模具能恢復到初始狀態(tài)，將會對今后的汽車板料零件質(zhì)量造成一定的不利影響。

上海汽車集團股份有限公司乘用車公司臨港基地兩條沖壓生產(chǎn)線原本使用的是德國一公司制造的雙料檢測系統(tǒng)，在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，檢測效果并不理想，經(jīng)常發(fā)生漏檢和誤檢現(xiàn)象。車間技術人員通過記錄現(xiàn)場故障發(fā)生時的生產(chǎn)參數(shù)信息，發(fā)現(xiàn)料片輸送時磁性和振動的工況環(huán)境是造成漏檢誤檢的原因。為此車間多次請該德國公司到現(xiàn)場解決問題，但外方技術人員均無法有效地解決其系統(tǒng)問題，因此這個雙料檢測系統(tǒng)對臨港沖壓車間的產(chǎn)能造成了極大的不利影響。公司技術人員決定自主創(chuàng)新設計，解決這個問題。

二、設計目標

新系統(tǒng)的設計目標是根據(jù)可靠性三要素和汽車工業(yè)中可靠性防錯技術，結合沖壓生產(chǎn)工藝來制定的，可靠性三要素為：耐久性、可維修性和設計可靠性。

耐久性要素定義為產(chǎn)品使用無故障性。這要求新系統(tǒng)在使用中不僅要避免外方提供的系統(tǒng)在振動環(huán)境中故障率高的情況，而且系統(tǒng)本身要經(jīng)久耐用，這就需要系統(tǒng)必須依靠簡單檢測原理，硬件結構也必須盡可能簡單，系統(tǒng)軟件要盡可能滿足簡化硬件的要求。

可維修性要素定義為當產(chǎn)品發(fā)生故障后，能夠很快很容易地通過維護或維修排除故障。這要求新系統(tǒng)在發(fā)生問題后能快速更換，并且系統(tǒng)初始化過程要短，需要解決德國公司的系統(tǒng)每生產(chǎn)一種零件需要先做7步示教工作的問題，不解決這個問題，一旦系統(tǒng)發(fā)生故障，新更換的系統(tǒng)又需要長時間的系統(tǒng)示教工作。

設計可靠性要素是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關鍵，還要充分考慮產(chǎn)品的易使用性和易操作性。對于防錯系統(tǒng)來說防錯率高就是質(zhì)量好，就是可靠性高，應該說任何防錯系統(tǒng)都無法做到絕對100%的防錯率，所以我們只能要求新系統(tǒng)在大量的采樣實驗中出錯率F(t)盡可能趨向0。這樣根據(jù)可靠性公式R(t)=1- F(t)，可靠性R (t)才能盡可能趨向100%。這要求新系統(tǒng)能通過大量采樣實驗證明其可靠性，并且有簡便的使用方法和讓人通俗易懂的檢測數(shù)據(jù)及結果顯示。

作為汽車工業(yè)防錯技術中的雙料檢測系統(tǒng)是種檢測板料厚度的定量防錯，而從類別上來說，由于板料從料垛分張拆垛到料片的過程受板料質(zhì)量的影響無法避免分張失敗，所以雙料檢測系統(tǒng)必須能阻止兩張或以上的板料流入沖壓線加工，是種不傳遞缺陷的防錯。這要求新系統(tǒng)有檢測出板料厚度數(shù)據(jù)并分析數(shù)據(jù)的能力，最后在分析完成后根據(jù)結果處理報警的能力。

從生產(chǎn)工藝來說，車間共有70多種零件板料，厚度范圍從0.68mm～1.8mm，以超過標準厚度50%判定為雙料的檢測工藝來看，當檢測值誤差大于0.3mm時，系統(tǒng)會出現(xiàn)不可靠性，所以新系統(tǒng)要求檢測精度誤差在0.1mm內(nèi)（必須預留余量，以防止板料上有異物等非正常情況），這是根據(jù)可靠性防錯原理結合車間實際工藝制定的目標參數(shù)。同時在達到這個目標的基礎上，不能和德國公司的系統(tǒng)一樣有降低生產(chǎn)速度的額外條件。

另外車間70多種零件板材有鋼板和鋁板之分，還需解決該系統(tǒng)只能檢測鋼板的問題。

設計目標歸納為：

——系統(tǒng)適應沖壓工作環(huán)境防磁防振，故障率低；

——系統(tǒng)檢測過程不影響生產(chǎn)速度，移動檢測；

——系統(tǒng)檢測精度誤差小于0.1mm；

——系統(tǒng)雙料檢測率接近100%；

——能夠檢測所有材質(zhì)板料；

——系統(tǒng)維護使用簡單，并具有HMI人機界面。

綜上目標，車間技術人員采用激光位移檢測技術結合PLC自動化控制技術，設計采用光學為檢測方式的系統(tǒng)來替代原磁性檢測系統(tǒng)，以達到目標要求。

三、設計方案

針對解決防磁防振的要求，在沖壓線對中臺傳輸皮帶板料通過點，上下各垂直安裝一個激光位移傳感器（LS1、LS2）作為一組檢測點,兩個位移傳感器所測出的距離為a和b（參見圖1）。

圖1 傳感器示意圖

在板料通過時隨皮帶上下振動的情況下，a變長時b變短，a變短時b變長，因此a+b是一個常數(shù)。傳感器LS1與LS2間距d是固定不變的，所以板料厚度可以得出：

由圖1可以看出振動并不能影響到a+b，而光學檢測也不會受到磁性環(huán)境的影響，且能檢測任何通過的不透明物體。這樣就通過位移與距離的換算，解決了防振、防磁、移動檢測和檢測材質(zhì)設計目標。

系統(tǒng)選用了日本某公司的LKG5001P系列激光位移傳感器作為檢測設備。這種激光位移傳感器檢測精度微米級的。通過測試完全能夠滿足系統(tǒng)設計目標要求。

因為LK-G5001P激光檢測傳感器是用于檢測位移的設備，無法像德國公司專業(yè)雙料檢測設備那樣將不同零件板料參數(shù)存儲在控制器內(nèi)。又無Pro fi bus總線接口將數(shù)據(jù)傳入沖壓線的PLC系統(tǒng)中。

所以針對這個情況，設計人員通過多次實驗，用A-D模數(shù)轉換的方式從激光位移控制器端傳輸模擬量信號到Profibus總線模擬量輸入模塊上，進而通過Profibus總線將檢測信息在PLC里進行分析處理。（參見圖2）

圖2 傳輸示意圖

PLC中設計有不同零件標準的板料厚度數(shù)據(jù)庫程序，通過生產(chǎn)時的零件號來儲存調(diào)用。在每種零件第一次生產(chǎn)前設定一個標準厚度存入數(shù)據(jù)庫，正常生產(chǎn)時自動調(diào)出標準厚度與檢測出的當前厚度比較。檢測厚度超過標準厚度50%以上判定為雙料，停止傳輸皮帶電機并報警。這樣的設計滿足汽車工業(yè)定量檢測防錯系統(tǒng)原理，并保證雙料不進入后道工序加工，達到安全可靠的設計目標。

設計友好的人機界面，讓操作人員對測量數(shù)據(jù)有直觀感受，同時也是標準厚度輸入和選擇傳感器組的接口。這樣就達到簡便的使用方法，目視化檢測數(shù)據(jù)及結果顯示的設計目標。

在系統(tǒng)實驗階段，車間技術人員通過模擬雙料通過和實際生產(chǎn)中進行采樣生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對采樣的數(shù)據(jù)分析得到，新系統(tǒng)的雙料檢測率達到100%，完全消除了漏檢誤檢現(xiàn)象。達到了檢測率設計目標。

四、系統(tǒng)推廣及成效

目前新系統(tǒng)已應用到上海汽車集團股份有限公司乘用車分公司臨港沖壓1#、2#生產(chǎn)線上，具有在同類生產(chǎn)線上的推廣價值，并作為上汽沖壓線對中臺雙料檢測的推薦標準設計。

在經(jīng)濟效益方面，新系統(tǒng)挽回的生產(chǎn)速度損失，能為公司每年節(jié)約數(shù)百萬元生產(chǎn)成本。

新系統(tǒng)也推動了沖壓領域雙料防錯技術的進步，完善了沖壓線進線加工板料的質(zhì)量控制。經(jīng)過相關領域專家及中科院的技術鑒定，屬于國內(nèi)先進技術，并授權實用新型類國家專利一項。