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(fā)動機運動機構(gòu)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(fā)動機工作時的高速運動部件，當(dāng)氣門鎖夾漏裝或者安裝不到位時，氣門會松脫掉入發(fā)動機燃燒室，嚴(yán)重損害發(fā)動機。

圖1 氣門運動件相關(guān)結(jié)構(gòu)

根據(jù)售后表現(xiàn)統(tǒng)計，導(dǎo)致發(fā)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(zhì)量問題，而氣門鎖夾脫落一般是因為制造過程出現(xiàn)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(tài)檢測。氣門鎖夾常用的檢測設(shè)備為線激光掃掠檢測。本文將對該設(shè)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(shè)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(wěn)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(shè)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(tài)，如表1所示。

圖2 氣門鎖夾激光掃掠檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)

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(shù)

2 線激光掃掠檢測主要生產(chǎn)問題

在生產(chǎn)運行過程中，氣門鎖夾線激光掃掠檢測設(shè)備發(fā)現(xiàn)主要問題有兩個：

（1）檢測結(jié)果判定范圍的合理設(shè)定。判定范圍設(shè)定過寬，設(shè)備一次過線合格率（First Time Quality, FTQ）比較高，但難以有效探測質(zhì)量缺陷；判定范圍設(shè)定過窄，設(shè)備FTQ太低，造成大量不必要返工，浪費人力成本，同時影響產(chǎn)能輸出。目前設(shè)置的判定范圍缺少相關(guān)科學(xué)依據(jù)，經(jīng)常受到質(zhì)量體系評審評估師質(zhì)疑。

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

3 線激光掃掠檢測生產(chǎn)問題解決方案

3.1 檢測結(jié)果判定范圍的設(shè)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(jié)果，設(shè)置不合理時會出現(xiàn)：（1）把合格判定為不合格，影響FTQ，導(dǎo)致額外返工，進而影響整線輸出；（2）把不合格判合格，導(dǎo)致缺陷流出工位，嚴(yán)重時可能會流到市場，造成發(fā)動機損壞。在生產(chǎn)制造過程中，涉及到判定范圍設(shè)置的，一般有以下幾種方法，如表2所示。

表2 判定范圍設(shè)定方法

尺寸鏈定義了機械產(chǎn)品中尺寸之間的相互關(guān)系，是公差設(shè)計的基礎(chǔ)和主要內(nèi)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(nèi)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(jù)極限尺寸畫圖；（3）把相關(guān)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(guān)聯(lián)零件影響分析

設(shè)備精度一般在重復(fù)測量收集標(biāo)準(zhǔn)件數(shù)據(jù)后分析確定，具體操作可以參考測量系統(tǒng)分析相關(guān)的文章。測量系統(tǒng)分析的介紹，對量具的重復(fù)性和再現(xiàn)性進行分析，采用均值極差法，對實際生產(chǎn)過程中使用的量具測量系統(tǒng)進行評價，確定該量具測量系統(tǒng)是否滿足質(zhì)量要求[3]。本文不做展開論述。

3.2 掃描曲線無法準(zhǔn)確采樣到零件位置解決方案

在生產(chǎn)運行過程中，除了要確定準(zhǔn)確的判定范圍，還要確保掃掠曲線的準(zhǔn)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(shù)與正向設(shè)計技術(shù)相結(jié)合是實現(xiàn)復(fù)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?qū)е碌模瑸樵O(shè)備調(diào)整優(yōu)化提供判定依據(jù)。

利用空間向量來解答問題，能將空間抽象思維轉(zhuǎn)化為坐標(biāo)運算問題，從而降低了對空間想象能力的要求[5]，本文根據(jù)設(shè)備工作原理，建立并定義合理的空間坐標(biāo)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(zhǔn)確掃描出輪廓線時，也就無法進行判定，導(dǎo)致存在質(zhì)量風(fēng)險。工程技術(shù)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(shè)備或相關(guān)部件。由于工件定位機構(gòu)、激光測距傳感器的固定機構(gòu)、激光測距傳感器的移動變距機構(gòu)三者任一部件出現(xiàn)異常，均會導(dǎo)致不同程度的故障曲線。因為不同設(shè)備廠商設(shè)備的實際構(gòu)成是不同的，本文不在此逐一分析具體是哪個機構(gòu)或零件異常會出現(xiàn)哪種故障情況。當(dāng)出現(xiàn)故障曲線影響到設(shè)備采樣時，工程技術(shù)人員只調(diào)整某一或某幾個機構(gòu)，讓掃描結(jié)構(gòu)接近理想曲線即可。

4 結(jié)束語

目前主流的發(fā)動機設(shè)計，都有氣門鎖夾這一零件，不管是舊的單槽鎖夾還是穩(wěn)定性更高的三槽鎖夾，在裝配完成后均需進行檢測?，F(xiàn)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(yōu)勢，但缺點也相對明顯，對工件和設(shè)備的相對位置要求高。隨著“工業(yè)4.0”“中國制造2025”的推進，隨著人工智能與機器視覺的發(fā)展，激光雷達，即光探測與測量，已成為人工智能服務(wù)機器人的“慧眼”[6]，對應(yīng)技術(shù)成本會不斷下降，終將會達到可在企業(yè)普遍應(yīng)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(shù)必將得到廣泛的應(yīng)用，是一種不可阻擋的發(fā)展趨勢，這也督促著所有工程技術(shù)人員，除了要掌握現(xiàn)有技術(shù)，也需要時刻保持對前沿技術(shù)的敏感性。