在線檢測(cè)設(shè)備的一個(gè)基本要求是能與生產(chǎn)過(guò)程良好地匹配，以求最大程度地適應(yīng)工藝需求。然而，生產(chǎn)工藝的多樣性決定了為滿足不同的特點(diǎn)，使在線檢測(cè)設(shè)備發(fā)展的品種繁多。在此類產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中貫徹柔性化好、共用性強(qiáng)的理念，采用包括測(cè)量單元在內(nèi)的高度模塊化的設(shè)計(jì)方法。

      高精度零部件的增加對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)提出的需求

   為降低油耗、噪音，提高行駛的動(dòng)力性，無(wú)疑會(huì)對(duì)汽車的研制、開(kāi)發(fā)提出不少課題。但在制造工藝方面也有很多工作要做，提高關(guān)鍵零部件的加工精度和配合精度就是一項(xiàng)重要工作，而且在此基礎(chǔ)上，也為制造新的產(chǎn)品、有高精度要求的零部件創(chuàng)造了條件。

   在完成零部件的高精度加工過(guò)程中，在線檢測(cè)設(shè)備發(fā)揮的作用在不斷提高，但這又不是單純地靠提高檢測(cè)設(shè)備的精度來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而是通過(guò)加工與檢測(cè)兩者的有機(jī)結(jié)合，既保證了精度，又提高了效率。

   如在磨削過(guò)程中，依靠機(jī)床來(lái)保證工件尺寸精度是很困難的，因?yàn)槭艿礁鳈C(jī)構(gòu)的變動(dòng)、砂輪的磨損、各項(xiàng)加工參數(shù)的微小變化、導(dǎo)軌和裝夾部分的表面狀態(tài)、加工區(qū)域的環(huán)境以及操作工人的熟練程度等諸多因素的影響。因此，為磨床選取并配置合適的主動(dòng)量?jī)x系統(tǒng)就顯得十分必要。
            
                      圖1 高精度配磨加工

              
                   圖2 高精度配磨加工的主動(dòng)測(cè)量原理

    圖1是一種帶有主動(dòng)測(cè)量?jī)x用于噴油泵上的關(guān)鍵部件——油咀偶件配磨的主動(dòng)磨床工作圖。圖中，偶件閥座(套)的內(nèi)徑的公差雖有30μm，但與柱塞外徑X之間的配合精度要求很高，其間隙的變動(dòng)范圍需控制在1μm以內(nèi)，為此采用了圖2所示的測(cè)量系統(tǒng)。右側(cè)的測(cè)量?jī)x工作臺(tái)對(duì)閥座內(nèi)徑進(jìn)行檢測(cè)，輸出的信號(hào)進(jìn)入磨床主動(dòng)測(cè)量?jī)x的電控部分，使磨出的與該閥座相配的柱塞尺寸能確保所需的配合精度。為保證實(shí)現(xiàn)以上要求，兩種量?jī)x的重復(fù)精度應(yīng)為0.1μm，而磨床的過(guò)程能力指數(shù)Cp則必須大于1.33。

   一般情況下，磨加工的節(jié)拍在7～8秒左右，頻率較高，為確保配磨的質(zhì)量，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)中傳感器的各項(xiàng)特性，如線性、溫度特性、重復(fù)性、切換性能以及控制軟件的合理性都有很高的要求。

      柔性好、可靠性高的測(cè)量裝置

   與工藝過(guò)程相配合的在線檢測(cè)設(shè)備，無(wú)論是主動(dòng)測(cè)量?jī)x、工序間檢具，還是(半)自動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)，即使只是變換被測(cè)工件規(guī)格，就已經(jīng)含有調(diào)整、更換配件的問(wèn)題，更不要說(shuō)遇到其他情況，如改變被測(cè)工件品種或面對(duì)不同場(chǎng)合。尤其對(duì)于測(cè)量裝置，調(diào)整環(huán)節(jié)多必然降低其可靠性、穩(wěn)定性，而種類繁多又給維修、管理增加了困難。圖3是一種新型主動(dòng)測(cè)量?jī)x的測(cè)量裝置，由于可任意搭配，很靈活，從而具有高度的柔性和可靠性。這是因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)中把傳統(tǒng)的整體測(cè)量裝置分解成相對(duì)獨(dú)立、又能隨意組合的兩部分后，使每個(gè)相同的測(cè)頭不但體積小，而且結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、更堅(jiān)固。由此構(gòu)成的主動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)可用于各種類型磨床的不同磨削加工，也不再受安裝空間狹小的限制。對(duì)一些較特殊的情況，如需測(cè)桿很長(zhǎng)才能伸入被測(cè)區(qū)域時(shí)也能適應(yīng)，并可保證精度�？傊�，無(wú)論用于什么類型的磨床和出于什么檢測(cè)目的(如內(nèi)徑、外徑、高度、厚度和寬度檢測(cè))都能很好地滿足用戶的要求。還有一個(gè)特點(diǎn)是，這種測(cè)頭的量程可達(dá)到25mm，因此，其使用范圍還能擴(kuò)大到一些較特殊的場(chǎng)合，象凸輪軸磨床中對(duì)凸高的控制等。它甚至還可以應(yīng)用于除磨加工以外的其他機(jī)械加工方式，使提高主動(dòng)測(cè)量?jī)x的柔性真正得以實(shí)現(xiàn)。

   圖4就是一個(gè)典型的實(shí)例，通過(guò)將三個(gè)圖3所示的測(cè)頭的有機(jī)組合，在磨削過(guò)程中可同時(shí)測(cè)量工件的外徑和長(zhǎng)度。采用這樣的測(cè)量裝置，減少了量?jī)x檢修時(shí)的工作量和難度，特別是當(dāng)問(wèn)題出現(xiàn)在測(cè)頭內(nèi)時(shí)的情況。而且安裝調(diào)試也變得容易，甚至可以在機(jī)外進(jìn)行。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是大大提高了整個(gè)主動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性，因此，把這種類型的測(cè)量裝置廣泛用于生產(chǎn)過(guò)程，相應(yīng)維修工時(shí)將會(huì)明顯的減少。
    
      圖3 新型柔性化主動(dòng)量?jī)x的測(cè)頭部分                圖4 帶有三個(gè)測(cè)頭的主動(dòng)量?jī)x檢測(cè)設(shè)備


      用于工件中心位置變換磨削的主動(dòng)測(cè)量?jī)x

   機(jī)械制造技術(shù)和數(shù)控系統(tǒng)的快速發(fā)展，使一種在磨削過(guò)程中工件中心位置不斷變化的工藝方法也得到了較普遍的應(yīng)用，為了能在這種類型的磨床上實(shí)施主動(dòng)測(cè)量，有一種相應(yīng)的測(cè)量裝置。在這種磨加工過(guò)程中，工件中心圍繞主軸軸線回轉(zhuǎn)，因此對(duì)主動(dòng)測(cè)量?jī)x來(lái)講，其測(cè)頭面臨的是偏心回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，無(wú)疑，常規(guī)主動(dòng)量?jī)x的測(cè)量裝置都難以使用于這種磨削方式。為了解決這個(gè)難題，通過(guò)與相關(guān)的機(jī)床制造廠商合作，開(kāi)發(fā)出了一種特殊的主動(dòng)測(cè)量?jī)x，并且已用于生產(chǎn)。圖5是這種主動(dòng)測(cè)量?jī)x的工作示意圖。
   圖中顯示了工件中心圍繞主軸軸線回轉(zhuǎn)的方向和軌跡，以及砂輪的運(yùn)動(dòng)狀況，從圖5還可看到，主動(dòng)量?jī)x的測(cè)量裝置是固定在砂輪架的頂面上，其前端的“V”型塊就象一個(gè)叉子插向工件，架在工件的上部，為便于操作，“叉子”的外側(cè)還設(shè)置了一個(gè)加長(zhǎng)的彈性壓條。測(cè)頭位于叉子、即“V”型塊的中央，架在工件上的“V”型塊既起定位(自動(dòng)定心)作用，又是測(cè)量工件外徑時(shí)的基準(zhǔn)。而測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)中的彈性件，可確保磨削過(guò)程中“V”型塊緊貼著工件，整個(gè)測(cè)量裝置相當(dāng)于一個(gè)跟蹤機(jī)構(gòu)，始終伴隨著進(jìn)行偏心回轉(zhuǎn)的工件，準(zhǔn)確地實(shí)施在線檢測(cè)。這種形式檢測(cè)裝置的開(kāi)發(fā)成功，解決了偏心磨削加工中采用主動(dòng)測(cè)量的難題。因?yàn)槠�心磨削方式相�?duì)傳統(tǒng)的磨加工工藝有其優(yōu)越性，在生產(chǎn)中的應(yīng)用不斷增加，故對(duì)主動(dòng)量?jī)x的需求也在遞增。
       
      圖5 用于偏心回轉(zhuǎn)磨削的主動(dòng)測(cè)量?jī)x              圖6 觸發(fā)式測(cè)頭對(duì)工件的絕對(duì)測(cè)量

      在生產(chǎn)過(guò)程中采用的絕對(duì)測(cè)量方式

   長(zhǎng)期以來(lái)，用于生產(chǎn)過(guò)程中的檢測(cè)設(shè)備采取比較測(cè)量方式的居多。這種方式雖然有測(cè)試精度和工作效率較高的優(yōu)點(diǎn)，但在“柔性”上有局限性。故在某些場(chǎng)合，應(yīng)用絕對(duì)測(cè)量方式的在線檢測(cè)系統(tǒng)也發(fā)揮著不小的作用，這在一些對(duì)柔性要求較高的場(chǎng)合更為突出，甚至出現(xiàn)了把三坐標(biāo)測(cè)測(cè)量機(jī)直接配置在生產(chǎn)線上的情況。但是，最有代表性的例子還是把觸發(fā)式探頭用于數(shù)控機(jī)床、加工中心，由于現(xiàn)成的數(shù)控系統(tǒng)和專門的測(cè)量程序運(yùn)行方便，所以大多用于檢測(cè)工件或刀具的位置、狀態(tài)。這類系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是柔性好、成本低，尤其在那些相對(duì)來(lái)說(shuō)生產(chǎn)節(jié)奏較慢時(shí)，可提供較充裕測(cè)量時(shí)間的工序。圖6是配置在一臺(tái)加工中心上的觸發(fā)式測(cè)頭正在工作的實(shí)例。

   此外，利用激光和紅外線非接觸光學(xué)檢測(cè)原理的絕對(duì)測(cè)量方式在生產(chǎn)過(guò)程中也有所應(yīng)用。雖然這一類方式往往受到環(huán)境條件的制約，但因?yàn)樗鼈兙哂醒杆俚剡M(jìn)行高精度絕對(duì)測(cè)量的能力，且隨著相應(yīng)的應(yīng)用軟件的開(kāi)發(fā)不斷取得進(jìn)展，故在生產(chǎn)過(guò)程中的應(yīng)用領(lǐng)域正在擴(kuò)大。圖7是采用紅外線/CCD攝影方式的測(cè)量原理示意圖。圖8是利用這種測(cè)量原理對(duì)軸類零件進(jìn)行外徑檢測(cè)的實(shí)例，圖示設(shè)備可對(duì)直徑變化范圍達(dá)40mm的工件進(jìn)行連續(xù)多點(diǎn)測(cè)量。儀器的分辨率為0.1μm。測(cè)量精度U95=3μm，重復(fù)性為1μm。目前，正在研制能適用直徑變化達(dá)80mm的檢測(cè)設(shè)備。這種在線檢測(cè)儀器最適合生產(chǎn)線中那些需100%進(jìn)行測(cè)量的工序。
      
      圖7 紅外線/CCD攝象測(cè)量原理示意圖                     圖8 非接觸式凸輪軸測(cè)量?jī)x

      凸輪軸最終檢驗(yàn)機(jī)圖

   凸輪軸磨削工藝的不斷改進(jìn)已持續(xù)多年。最近，依靠采用CBN(立方氮化硼)砂輪又進(jìn)一步提高了切削速度、生產(chǎn)效率。在汽車零部件中，凸輪軸成形磨削被認(rèn)為是要求最為苛刻的加工工序之一，在高效磨削過(guò)程中，由于機(jī)械部件可能產(chǎn)生的微小變化、砂輪狀態(tài)的變化或其他工作參數(shù)的變化都會(huì)直接影響凸輪廓形的制造精度。另一方面，為減少能源的消耗，對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)中凸輪軸的形狀和尺寸精度的要求也越來(lái)越高。因此，在凸輪軸生產(chǎn)線的終端設(shè)置進(jìn)行全數(shù)檢查工位的做法越來(lái)越多。為此，開(kāi)發(fā)了功能豐富的自動(dòng)檢驗(yàn)機(jī)，圖9是其中一種的測(cè)量部分近視圖，通過(guò)采用多個(gè)絕對(duì)測(cè)量傳感器件對(duì)凸輪軸各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)。圖10是被測(cè)工件及其傳感器(測(cè)頭)在其上的布置情況，從圖中可見(jiàn)，在每個(gè)需控制的凸輪軸頸上，都布置有一對(duì)對(duì)向傳感器，而且對(duì)于前者，還能通過(guò)其中一個(gè)測(cè)頭偏移一段距離實(shí)現(xiàn)錐度測(cè)量。在檢測(cè)凸輪時(shí)，采取了參照相鄰兩軸頸的測(cè)量結(jié)果，先建立作為基準(zhǔn)的中心線，然后測(cè)量其升程和相位角，確保了測(cè)值的可靠性。除進(jìn)行軸頸、凸輪一系列參數(shù)的檢測(cè)外，還能完成凸輪的速度、加速度以及與基圓相關(guān)的各種參數(shù)的測(cè)量。整個(gè)過(guò)程在不到20秒之內(nèi)完成，因此，這臺(tái)設(shè)備既可以放在線外作工件最終檢查之用，也可以串聯(lián)在自動(dòng)生產(chǎn)線之內(nèi)，作為一個(gè)檢測(cè)工位，100%地對(duì)通過(guò)的凸輪軸實(shí)施測(cè)量。
          
                    圖9 凸輪軸綜合檢驗(yàn)機(jī)測(cè)量部分圖

              
                 圖10 凸輪軸綜合檢驗(yàn)機(jī)測(cè)點(diǎn)布置圖

      融入生產(chǎn)過(guò)程的無(wú)損在線檢測(cè)

   在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)零部件(如凸輪軸)實(shí)施無(wú)損檢測(cè)的要求已越來(lái)越迫切，測(cè)試內(nèi)容包括：材質(zhì)不良、制造缺陷、磕碰傷和磨削燒傷(痕)等。目前，采用渦流探測(cè)原理研制的在線無(wú)損檢測(cè)設(shè)備已成功地用于發(fā)動(dòng)機(jī)中的曲軸、凸輪軸，變速箱中的驅(qū)動(dòng)軸等軸類、桿類汽車零部件的生產(chǎn)線，而且設(shè)備的軟、硬件系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化。這種設(shè)備的工作效率很高，能在很短時(shí)間內(nèi)對(duì)全部被測(cè)表面完成檢測(cè)。圖11為了凸輪軸上各個(gè)凸輪被順序進(jìn)行測(cè)試的過(guò)程，探頭不動(dòng)，而工件回轉(zhuǎn)。圖12
是另一種全自動(dòng)無(wú)損檢測(cè)設(shè)備測(cè)試部分的近視圖，被檢對(duì)象也是凸輪軸，與圖11不同的是，針對(duì)需測(cè)試的10個(gè)凸輪，該設(shè)備配置了10個(gè)測(cè)頭，因此回轉(zhuǎn)一周即能完成對(duì)工件的檢測(cè)，耗時(shí)僅16秒，效率很高。

   目前，配置在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，用于工件過(guò)程檢測(cè)的儀器、設(shè)備品種越來(lái)越多，但很多尚處在研制開(kāi)發(fā)階段。至于用作對(duì)采集的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和統(tǒng)計(jì)分析，以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，則是另一類產(chǎn)品。
      
       圖11 凸輪無(wú)損檢測(cè)工作圖                           圖12 全自動(dòng)多測(cè)頭無(wú)損檢測(cè)設(shè)備的測(cè)定部分