一種前輪罩沖孔設(shè)備的改進(jìn)方法及相關(guān)沖孔工藝流程優(yōu)化

賈凱凱 張澤志王智學(xué)

摘要：以輪罩沖孔工位出現(xiàn)的嚴(yán)重質(zhì)量缺陷事故為背景，結(jié)合故障實(shí)際處理方法，系統(tǒng)研究了其發(fā)生的根本原因，指出WHP沖孔設(shè)備中冷卻系統(tǒng)控制存在的缺陷，并圍繞該缺陷提出一種實(shí)時監(jiān)測流量的反饋控制方案，在成本控制、工期要求、可靠有效等因素的制約下，自行搭建監(jiān)控系統(tǒng)，順利實(shí)現(xiàn)流量顯示及異常報(bào)警的功能。同時，針對如何避免批量缺陷再次出現(xiàn)的問題，在本工位建立檢測報(bào)錯功能，并優(yōu)化相關(guān)工藝流程，添加在線測量工藝點(diǎn)，保障了產(chǎn)品的尺寸控制。在一系列改進(jìn)和優(yōu)化措施后，再未出現(xiàn)類似的質(zhì)量問題，取得了良好的實(shí)用效果。

關(guān)鍵詞：WHP沖孔;設(shè)備缺陷;流量監(jiān)控;反饋控制;工藝流程;在線檢測系統(tǒng)

一、引言

作為白車身結(jié)構(gòu)的重要部分之一，前輪罩結(jié)構(gòu)主要用來支撐和固定前懸架總成系統(tǒng)，其與前懸架軸的裝配尺寸直接決定了車輛的整體剛度與模態(tài)、抗震強(qiáng)度和碰撞特性等綜合性能。在自動化生產(chǎn)中，為了保證前懸架裝配的一致性和互換性，通常將前輪罩沖孔工藝設(shè)計(jì)在靠近白車身下線的某一工位，因而任何細(xì)微失誤都可能會造成不可逆的車身報(bào)廢。為避免報(bào)廢引起的高成本風(fēng)險，保證足夠的生產(chǎn)效率及加工精度，Daimler研發(fā)設(shè)計(jì)有一種前輪罩沖孔設(shè)備（Wheel House Punching，簡稱WHP），并在全球的奔馳制造工廠推廣運(yùn)用。

自北京奔馳工廠首次使用，WHP設(shè)備一直以穩(wěn)定性強(qiáng)、停機(jī)率低、維護(hù)投入小、備件消耗少等優(yōu)點(diǎn)極少引起人們關(guān)注。直至去年4月份，焊裝車間出現(xiàn)了一次極其嚴(yán)重的質(zhì)量事故，因前輪罩下方鋁制板件出現(xiàn)嚴(yán)重變形導(dǎo)致30余輛車身直接報(bào)廢。而在整個過程中，設(shè)備一直保持正常工作，未有任何報(bào)警信息及異?，F(xiàn)象。如何避免變形再次發(fā)生，保證異常及時發(fā)現(xiàn)，對于提升WHP設(shè)備的使用性能和降低成本風(fēng)險具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

二、改進(jìn)方案需求

WHP設(shè)備主要是由液壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)（冷卻液為工業(yè)酒精）、廢料收集系統(tǒng)和機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)等組成。

車身入位后，機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)按既定的執(zhí)行順序轉(zhuǎn)動或移動，使設(shè)備上4組沖頭/凹模保持在同軸心的工作位置;然后由液壓系統(tǒng)驅(qū)動沖頭/凹模相對運(yùn)動，形成沖孔并落料，隨后廢料被抽吸到收集系統(tǒng)。為降低沖孔產(chǎn)生熱對設(shè)備和鋁件的影響，在沖孔前特設(shè)計(jì)有向沖孔件表面噴射冷卻液的功能。

就理論上的綜合分析，所有質(zhì)量缺陷車輛的變形方向都偏向沖頭一側(cè)，即沖孔異常均發(fā)生在沖孔完成、沖頭退回的過程中。從材料力學(xué)層面講，變形出現(xiàn)主要是由于沖頭和孔壁間的摩擦力大于沖孔區(qū)域局部材料的屈服極限應(yīng)力，而產(chǎn)生的不可恢復(fù)的塑形變形，這一突變很大程度上源于工作溫度的升高。溫度升高，一方面鋁件物理性能大幅降低;另一方面導(dǎo)致鋁屑更易粘結(jié)于沖頭/凹模表面，導(dǎo)致摩擦系數(shù)增大。同時在實(shí)際故障排查過程，發(fā)現(xiàn)沖頭/凹模表面異常，粘有大量鋁屑，并且在更換新備件后的一小時內(nèi)，鋁屑又一次在沖頭/凹模工作表面開始堆積。經(jīng)過多次故障排查，最終發(fā)現(xiàn)控制冷卻液噴射的電磁閥的電源線路脫落，該問題解決后沖頭/凹模狀態(tài)恢復(fù)正常。因而，實(shí)際的故障解決與理論的原因分析是統(tǒng)一的，從側(cè)面驗(yàn)證了變形原因分析的正確性。

WHP設(shè)備的原有冷卻系統(tǒng)由PLC單側(cè)給出電磁閥控制信號，從而間接控制噴嘴工作，而酒精是否噴射卻未有任何反饋信號，這也是該質(zhì)量事故發(fā)生的直接原因。為及時監(jiān)控冷卻系統(tǒng)工作狀態(tài)，保證穩(wěn)定工況條件，圍繞原有冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)缺失的設(shè)備改進(jìn)至關(guān)重要。另外，如何避免質(zhì)量缺陷大批量發(fā)生，增加尺寸檢測功能和優(yōu)化相關(guān)工藝流程也迫在眉睫。

三、WHP設(shè)備冷卻系統(tǒng)改進(jìn)

（一）原有冷卻系統(tǒng)的控制分析

WHP設(shè)備原有冷卻系統(tǒng)主要由存儲罐、電磁閥、氣路、冷卻液路、噴嘴等部件組成。存儲罐內(nèi)部有大約3 bar壓力，可以將酒精壓到φ4mm的酒精管道中，保證酒精的及時供給。噴嘴有兩路接入口，一路為氣路，一路為冷卻液。當(dāng)氣路接通時，噴嘴將打開，酒精噴出;氣路關(guān)閉時，噴嘴將閉合，停止噴射。而氣路控制則由PLC控制電磁閥狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。在自動運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，PLC正常發(fā)出控制指令，若電磁閥因電源線路問題無法正常工作，此時將無壓力打開噴嘴，進(jìn)而無法實(shí)現(xiàn)酒精噴出。因而，該控制系統(tǒng)中后續(xù)執(zhí)行狀態(tài)如何，PLC將無法知曉。

（二）冷卻系統(tǒng)的改造方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控流量的功能，最簡單直接的方法為在線監(jiān)控酒精的噴出量。酒精流過傳感器后，流量傳感器內(nèi)部將會產(chǎn)生若干個脈沖信號，將這些脈沖信號經(jīng)過某些數(shù)據(jù)處理，即可通過數(shù)顯實(shí)時顯示酒精的流量值。為實(shí)現(xiàn)流量異常的報(bào)錯功能，需要額外通過通訊模塊建立流量值數(shù)據(jù)與PLC控制信號的聯(lián)系，進(jìn)而完成對流量異常的邏輯控制。

（三）冷卻系統(tǒng)的改造方案實(shí)施

噴嘴直徑約為φ0.5mm，工作時一般持續(xù)噴射3–4s，最大流量約為0.6–0.8mL/s，因此只能選擇閾值比較小的微型流量傳感器。在選型初期，曾有相對專業(yè)的品牌主動提出方案并報(bào)價，但報(bào)價過于昂貴，平均單個設(shè)備報(bào)價超過2W?？紤]成本因素，只能放棄成熟的方案，選擇自行搭建檢測系統(tǒng)的方案。

經(jīng)過多方查找與對比，最終選擇國產(chǎn)某品牌的微型流量傳感器HDCX–M2，最小感應(yīng)流量可達(dá)0.3mL/s，最大工作壓力為0.5Mpa。該流量傳感器采用渦輪速度式檢測流量方式，當(dāng)流體流經(jīng)渦輪流量傳感器時，在流體推力作用下渦輪受力旋轉(zhuǎn)，隨渦輪轉(zhuǎn)動周期地改變磁電轉(zhuǎn)換器的磁阻值，對應(yīng)電路的輸入電壓周期性變化，行成脈沖。在一定的流量（雷諾數(shù)）范圍內(nèi)，該脈沖信號與流經(jīng)流量傳感器的體積流量正線性相關(guān)。渦輪流量傳感器的理論流量方程為：

（1）

式中n為渦輪轉(zhuǎn)速;A為流體物性（密度、粘度等）、渦輪結(jié)構(gòu)參數(shù)）渦輪傾角、渦輪直徑、流道橫截面積等）有關(guān)的參數(shù);qv為液體體積流量;B為與渦輪頂隙、流體流速分布有關(guān)的系數(shù);C為與摩擦力矩有關(guān)的系數(shù)。

在渦輪旋轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)端子A和端子B導(dǎo)通時，將會產(chǎn)生高電平，當(dāng)端子A和端子B不能導(dǎo)通時，將會產(chǎn)生低電平，以此形成脈沖。由于該項(xiàng)目對流量傳感器的檢測精度不做過高要求，因此可忽略渦輪安裝間隙、流體特性、摩擦力等因素的影響，因此從實(shí)用層面，該流量傳感器的實(shí)用流量方程為：

（2）

其中n為渦輪轉(zhuǎn)速;qv為液體體積流量;K為流量傳感器的儀表系數(shù)（常量）。

為流量值的可視化顯示和PLC邏輯表達(dá)，還需將流量傳感器的傳出脈沖信號經(jīng)過某些處理，特選擇國產(chǎn)某品牌的積算儀HD2301–B。該設(shè)備內(nèi)部可以接受和計(jì)算脈沖信號，并設(shè)定單脈沖對應(yīng)的數(shù)量單位，不僅可以數(shù)顯實(shí)時值，還可以通過與SIEMENS的ET200模塊的信號交互實(shí)現(xiàn)PLC報(bào)警監(jiān)控功能。

該積算儀可以支持?jǐn)?shù)字量信號輸出，需要在該積算儀操作面板設(shè)置流量值范圍，若監(jiān)測流量值超過設(shè)定范圍，那么將會輸出高電平信號，反之輸出低電平。將積算儀輸出信號接入組態(tài)好的ET200S的DI模塊，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)字量信號與PLC input點(diǎn)的同一。采用該input點(diǎn)進(jìn)行邏輯編譯，最終實(shí)現(xiàn)PLC對流量異常的報(bào)警監(jiān)控。

四、前輪罩區(qū)域相關(guān)工藝流程優(yōu)化

（一）前輪罩區(qū)域變形檢測功能

由于在發(fā)生批次質(zhì)量缺陷問題時，所有問題車輛在前輪罩區(qū)域下方的板件上均發(fā)生了變形，因而在WHP工位添加檢測變形功能尤為重要。圖示中板件厚度約為8mm，兩個板件間距離約為63mm，綜合考慮變形偏向、安裝空間、功能需求等因素，特選擇將高精度光電傳感器（Wenglor：OY2P303A0135）安裝在車身的側(cè)面。

當(dāng)車輛完成沖孔工藝并且仍處在工作位置時，安裝在車身側(cè)面的傳感器將發(fā)射紅色激光到板件側(cè)邊的末端（若發(fā)生變形，該區(qū)域的變形最大），此時傳感器的感應(yīng)距離信號必須在設(shè)定值的公差范圍內(nèi)，否則將認(rèn)為側(cè)邊發(fā)生變形，該車輛將繼續(xù)保持在工作位。此時，PLC將發(fā)出報(bào)警信息，直至人工確認(rèn)后才可放行。

（二）在線檢測系統(tǒng)添加工藝點(diǎn)

在線檢測系統(tǒng)是汽車行業(yè)自動化率不斷提升過程中不可或缺的設(shè)備，它有力地保障了產(chǎn)品在尺寸控制、準(zhǔn)確定位、功能匹配和自動檢測方面的精度。為了更加全面地把控前輪罩區(qū)域的外觀尺寸穩(wěn)定性，并對WHP設(shè)備的調(diào)整提供有效的工藝信息，極有必要針對該區(qū)域添加工藝測量點(diǎn)，優(yōu)化相關(guān)的工藝流程。

為了更明顯表現(xiàn)前輪罩板件的變形狀態(tài)，選擇在板件末端建立測量特征，設(shè)置測量點(diǎn)在車身坐標(biāo)系下的理論位置及測量面的，添加測量點(diǎn)的特征信息，并給新工藝點(diǎn)命名ID號。同時，操作機(jī)器人到達(dá)指定位置后，調(diào)用對應(yīng)ID號，隨后調(diào)整和示教該ID點(diǎn)的參數(shù)設(shè)置，降低噪點(diǎn)對測量精確性的影響，確保在算法測試中6δ < 0.1。

根據(jù)一段時間的采集數(shù)據(jù)狀態(tài)，參考車身設(shè)計(jì)公差及裝配要求，考慮周圍環(huán)境及機(jī)器人重復(fù)定位精度的影響，設(shè)置一級公差為±0.75mm，二級公差為±1mm，三級公差為±1.25mm。當(dāng)某一車輛的測點(diǎn)超過三級公差，或者連續(xù)三輛車的相同測點(diǎn)超過二級公差，測量系統(tǒng)將會開啟報(bào)警功能，及時反饋前輪罩區(qū)域的尺寸波動，降低前輪罩區(qū)域變形的風(fēng)險。

五、總結(jié)

針對北京奔馳生產(chǎn)車間出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷，深入分析根本原因和工藝缺陷，提出一種WHP沖孔設(shè)備的改造及相關(guān)工藝流程優(yōu)化的方案，并順利實(shí)施，有效地把控了前輪罩區(qū)域的尺寸波動，保證了應(yīng)有的尺寸控制，為公司避免損失和降低經(jīng)營成本約400萬元。首先，自行搭建流量監(jiān)控系統(tǒng)，從前期的方案設(shè)計(jì)選用，到備件采購與測試，再到后期的設(shè)備安裝與功能實(shí)現(xiàn)，盡可能利用現(xiàn)有資源，減少成本投入，最終僅花費(fèi)供應(yīng)商給定報(bào)價的10%的費(fèi)用實(shí)現(xiàn)了最終的監(jiān)控功能。其次，跳出Daimler工藝流程標(biāo)準(zhǔn)，針對實(shí)際的需求，添加特殊的工藝流程，完成對前輪罩區(qū)域尺寸的全局把控。

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