一种前轮罩冲孔设备的改进方法及相关冲孔工艺流程优化

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　　摘要：以轮罩冲孔工位出现的严重质量缺陷事故为背景，结合故障实际处理方法，系统研究了其发生的根本原因，指出WHP冲孔设备中冷却系统控制存在的缺陷，并围绕该缺陷提出一种实时监测流量的反馈控制方案，在成本控制、工期要求、可靠有效等因素的制约下，自行搭建监控系统，顺利实现流量显示及异常报警的功能。同时，针对如何避免批量缺陷再次出现的问题，在本工位建立检测报错功能，并优化相关工艺流程，添加在线测量工艺点，保障了产品的尺寸控制。在一系列改进和优化措施后，再未出现类似的质量问题，取得了良好的实用效果。
　　关键词：WHP冲孔;设备缺陷;流量监控;反馈控制;工艺流程;在线检测系统
　　一、引言
　　作为白车身结构的重要部分之一，前轮罩结构主要用来支撑和固定前悬架总成系统，其与前悬架轴的装配尺寸直接决定了车辆的整体刚度与模态、抗震强度和碰撞特性等综合性能。在自动化生产中，为了保证前悬架装配的一致性和互换性，通常将前轮罩冲孔工艺设计在靠近白车身下线的某一工位，因而任何细微失误都可能会造成不可逆的车身报废。为避免报废引起的高成本风险，保证足够的生产效率及加工精度，Daimler研发设计有一种前轮罩冲孔设备（Wheel House Punching，简称WHP），并在全球的奔驰制造工厂推广运用。
　　自北京奔驰工厂首次使用，WHP设备一直以稳定性强、停机率低、维护投入小、备件消耗少等优点极少引起人们关注。直至去年4月份，焊装车间出现了一次极其严重的质量事故，因前轮罩下方铝制板件出现严重变形导致30余辆车身直接报废。而在整个过程中，设备一直保持正常工作，未有任何报警信息及异常现象。如何避免变形再次发生，保证异常及时发现，对于提升WHP设备的使用性能和降低成本风险具有重要的现实意义。
　　二、改进方案需求
　　WHP设备主要是由液压系统、冷却系统（冷却液为工业酒精）、废料收集系统和机械执行系统等组成。
　　车身入位后，机械执行系统按既定的执行顺序转动或移动，使设备上4组冲头/凹模保持在同轴心的工作位置;然后由液压系统驱动冲头/凹模相对运动，形成冲孔并落料，随后废料被抽吸到收集系统。为降低冲孔产生热对设备和铝件的影响，在冲孔前特设计有向冲孔件表面喷射冷却液的功能。
　　就理论上的综合分析，所有质量缺陷车辆的变形方向都偏向冲头一侧，即冲孔异常均发生在冲孔完成、冲头退回的过程中。从材料力学层面讲，变形出现主要是由于冲头和孔壁间的摩擦力大于冲孔区域局部材料的屈服极限应力，而产生的不可恢复的塑形变形，这一突变很大程度上源于工作温度的升高。温度升高，一方面铝件物理性能大幅降低;另一方面导致铝屑更易粘结于冲头/凹模表面，导致摩擦系数增大。同时在实际故障排查过程，发现冲头/凹模表面异常，粘有大量铝屑，并且在更换新备件后的一小时内，铝屑又一次在冲头/凹模工作表面开始堆积。经过多次故障排查，最终发现控制冷却液喷射的电磁阀的电源线路脱落，该问题解决后冲头/凹模状态恢复正常。因而，实际的故障解决与理论的原因分析是统一的，从侧面驗证了变形原因分析的正确性。
　　WHP设备的原有冷却系统由PLC单侧给出电磁阀控制信号，从而间接控制喷嘴工作，而酒精是否喷射却未有任何反馈信号，这也是该质量事故发生的直接原因。为及时监控冷却系统工作状态，保证稳定工况条件，围绕原有冷却系统的设计缺失的设备改进至关重要。另外，如何避免质量缺陷大批量发生，增加尺寸检测功能和优化相关工艺流程也迫在眉睫。
　　三、WHP设备冷却系统改进
　　（一）原有冷却系统的控制分析
　　WHP设备原有冷却系统主要由存储罐、电磁阀、气路、冷却液路、喷嘴等部件组成。存储罐内部有大约3 bar压力，可以将酒精压到φ4mm的酒精管道中，保证酒精的及时供给。喷嘴有两路接入口，一路为气路，一路为冷却液。当气路接通时，喷嘴将打开，酒精喷出;气路关闭时，喷嘴将闭合，停止喷射。而气路控制则由PLC控制电磁阀状态来实现。在自动运转过程中，PLC正常发出控制指令，若电磁阀因电源线路问题无法正常工作，此时将无压力打开喷嘴，进而无法实现酒精喷出。因而，该控制系统中后续执行状态如何，PLC将无法知晓。
　　（二）冷却系统的改造方案设计
　　为实现实时监控流量的功能，最简单直接的方法为在线监控酒精的喷出量。酒精流过传感器后，流量传感器内部将会产生若干个脉冲信号，将这些脉冲信号经过某些数据处理，即可通过数显实时显示酒精的流量值。为实现流量异常的报错功能，需要额外通过通讯模块建立流量值数据与PLC控制信号的联系，进而完成对流量异常的逻辑控制。
　　（三）冷却系统的改造方案实施
　　喷嘴直径约为φ0.5mm，工作时一般持续喷射3–4s，最大流量约为0.6–0.8mL/s，因此只能选择阈值比较小的微型流量传感器。在选型初期，曾有相对专业的品牌主动提出方案并报价，但报价过于昂贵，平均单个设备报价超过2W。考虑成本因素，只能放弃成熟的方案，选择自行搭建检测系统的方案。
　　经过多方查找与对比，最终选择国产某品牌的微型流量传感器HDCX–M2，最小感应流量可达0.3mL/s，最大工作压力为0.5Mpa。该流量传感器采用涡轮速度式检测流量方式，当流体流经涡轮流量传感器时，在流体推力作用下涡轮受力旋转，随涡轮转动周期地改变磁电转换器的磁阻值，对应电路的输入电压周期性变化，行成脉冲。在一定的流量（雷诺数）范围内，该脉冲信号与流经流量传感器的体积流量正线性相关。涡轮流量传感器的理论流量方程为：
　　（1）
　　式中n为涡轮转速;A为流体物性（密度、粘度等）、涡轮结构参数）涡轮倾角、涡轮直径、流道横截面积等）有关的参数;qv为液体体积流量;B为与涡轮顶隙、流体流速分布有关的系数;C为与摩擦力矩有关的系数。
　　在涡轮旋转过程中，当端子A和端子B导通时，将会产生高电平，当端子A和端子B不能导通时，将会产生低电平，以此形成脉冲。由于该项目对流量传感器的检测精度不做过高要求，因此可忽略涡轮安装间隙、流体特性、摩擦力等因素的影响，因此从实用层面，该流量传感器的实用流量方程为： 　　（2）
　　其中n为涡轮转速;qv为液体体积流量;K为流量传感器的仪表系数（常量）。
　　为流量值的可视化显示和PLC逻辑表达，还需将流量传感器的传出脉冲信号经过某些处理，特选择国产某品牌的积算仪HD2301–B。该设备内部可以接受和计算脉冲信号，并设定单脉冲对应的数量单位，不仅可以数显实时值，还可以通过与SIEMENS的ET200模块的信号交互实现PLC报警监控功能。
　　该积算仪可以支持数字量信号输出，需要在该积算仪操作面板设置流量值范围，若监测流量值超过设定范围，那么将会输出高电平信号，反之输出低电平。将积算仪输出信号接入组态好的ET200S的DI模块，即可实现数字量信号与PLC input点的同一。采用该input点进行逻辑编译，最终实现PLC对流量异常的报警监控。
　　四、前轮罩区域相关工艺流程优化
　　（一）前轮罩区域变形检测功能
　　由于在发生批次质量缺陷问题时，所有问题车辆在前轮罩区域下方的板件上均发生了变形，因而在WHP工位添加检测变形功能尤为重要。图示中板件厚度约为8mm，两个板件间距离约为63mm，综合考虑变形偏向、安装空间、功能需求等因素，特选择将高精度光电传感器（Wenglor：OY2P303A0135）安装在车身的侧面。
　　当车辆完成冲孔工艺并且仍处在工作位置时，安装在车身侧面的传感器将发射红色激光到板件侧边的末端（若发生变形，该区域的变形最大），此时传感器的感应距离信号必须在设定值的公差范围内，否则将认为侧边发生变形，该车辆将继续保持在工作位。此时，PLC将发出报警信息，直至人工确认后才可放行。
　　（二）在线检测系统添加工艺点
　　在线检测系统是汽车行业自动化率不断提升过程中不可或缺的设备，它有力地保障了产品在尺寸控制、准确定位、功能匹配和自动检测方面的精度。为了更加全面地把控前轮罩区域的外观尺寸稳定性，并对WHP设备的调整提供有效的工艺信息，极有必要针对该区域添加工艺测量点，优化相关的工艺流程。
　　为了更明显表现前轮罩板件的变形状态，选择在板件末端建立测量特征，设置测量点在车身坐标系下的理论位置及测量面的，添加测量点的特征信息，并给新工艺点命名ID号。同时，操作机器人到达指定位置后，调用对应ID号，随后调整和示教该ID点的参数设置，降低噪点对测量精确性的影响，确保在算法测试中6δ < 0.1。
　　根据一段时间的采集数据状态，参考车身设计公差及装配要求，考虑周围环境及机器人重复定位精度的影响，设置一级公差为±0.75mm，二级公差为±1mm，三级公差为±1.25mm。当某一车辆的测点超过三级公差，或者连续三辆车的相同测点超过二级公差，测量系统将会开启报警功能，及时反馈前轮罩区域的尺寸波动，降低前轮罩区域变形的风险。
　　五、总结
　　针对北京奔驰生产车间出现的质量缺陷，深入分析根本原因和工艺缺陷，提出一种WHP冲孔设备的改造及相关工艺流程优化的方案，并顺利实施，有效地把控了前轮罩区域的尺寸波动，保证了应有的尺寸控制，为公司避免损失和降低经营成本约400万元。首先，自行搭建流量监控系统，从前期的方案设计选用，到備件采购与测试，再到后期的设备安装与功能实现，尽可能利用现有资源，减少成本投入，最终仅花费供应商给定报价的10%的费用实现了最终的监控功能。其次，跳出Daimler工艺流程标准，针对实际的需求，添加特殊的工艺流程，完成对前轮罩区域尺寸的全局把控。
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