一種前輪罩沖孔設備的改進方法及相關沖孔工藝流程優化
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摘要：以輪罩沖孔工位出現的嚴重質量缺陷事故為背景，結合故障實際處理方法，系統研究了其發生的根本原因，指出WHP沖孔設備中冷卻系統控制存在的缺陷，并圍繞該缺陷提出一種實時監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，自行搭建監控系統，順利實現流量顯示及異常報警的功能。同時，針對如何避免批量缺陷再次出現的問題，在本工位建立檢測報錯功能，并優化相關工藝流程，添加在線測量工藝點，保障了產品的尺寸控制。在一系列改進和優化措施后，再未出現類似的質量問題，取得了良好的實用效果。
關鍵詞：WHP沖孔;設備缺陷;流量監控;反饋控制;工藝流程;在線檢測系統
一、引言
作為白車身結構的重要部分之一，前輪罩結構主要用來支撐和固定前懸架總成系統，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、抗震強度和碰撞特性等綜合性能。在自動化生產中，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計在靠近白車身下線的某一工位，因而任何細微失誤都可能會造成不可逆的車身報廢。為避免報廢引起的高成本風險，保證足夠的生產效率及加工精度，Daimler研發設計有一種前輪罩沖孔設備（Wheel House Punching，簡稱WHP），并在全球的奔馳制造工廠推廣運用。
自北京奔馳工廠首次使用，WHP設備一直以穩定性強、停機率低、維護投入小、備件消耗少等優點極少引起人們關注。直至去年4月份，焊裝車間出現了一次極其嚴重的質量事故，因前輪罩下方鋁制板件出現嚴重變形導致30余輛車身直接報廢。而在整個過程中，設備一直保持正常工作，未有任何報警信息及異?，F象。如何避免變形再次發生，保證異常及時發現，對于提升WHP設備的使用性能和降低成本風險具有重要的現實意義。
二、改進方案需求
WHP設備主要是由液壓系統、冷卻系統（冷卻液為工業酒精）、廢料收集系統和機械執行系統等組成。
車身入位后，機械執行系統按既定的執行順序轉動或移動，使設備上4組沖頭/凹模保持在同軸心的工作位置;然后由液壓系統驅動沖頭/凹模相對運動，形成沖孔并落料，隨后廢料被抽吸到收集系統。為降低沖孔產生熱對設備和鋁件的影響，在沖孔前特設計有向沖孔件表面噴射冷卻液的功能。
就理論上的綜合分析，所有質量缺陷車輛的變形方向都偏向沖頭一側，即沖孔異常均發生在沖孔完成、沖頭退回的過程中。從材料力學層面講，變形出現主要是由于沖頭和孔壁間的摩擦力大于沖孔區域局部材料的屈服極限應力，而產生的不可恢復的塑形變形，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;另一方面導致鋁屑更易粘結于沖頭/凹模表面，導致摩擦系數增大。同時在實際故障排查過程，發現沖頭/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，鋁屑又一次在沖頭/凹模工作表面開始堆積。經過多次故障排查，最終發現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/凹模狀態恢復正常。因而，實際的故障解決與理論的原因分析是統一的，從側面驗證了變形原因分析的正確性。
WHP設備的原有冷卻系統由PLC單側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，這也是該質量事故發生的直接原因。為及時監控冷卻系統工作狀態，保證穩定工況條件，圍繞原有冷卻系統的設計缺失的設備改進至關重要。另外，如何避免質量缺陷大批量發生，增加尺寸檢測功能和優化相關工藝流程也迫在眉睫。
三、WHP設備冷卻系統改進
（一）原有冷卻系統的控制分析
WHP設備原有冷卻系統主要由存儲罐、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。當氣路接通時，噴嘴將打開，酒精噴出;氣路關閉時，噴嘴將閉合，停止噴射。而氣路控制則由PLC控制電磁閥狀態來實現。在自動運轉過程中，PLC正常發出控制指令，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，進而無法實現酒精噴出。因而，該控制系統中后續執行狀態如何，PLC將無法知曉。
?。ǘ├鋮s系統的改造方案設計
為實現實時監控流量的功能，最簡單直接的方法為在線監控酒精的噴出量。酒精流過傳感器后，流量傳感器內部將會產生若干個脈沖信號，將這些脈沖信號經過某些數據處理，即可通過數顯實時顯示酒精的流量值。為實現流量異常的報錯功能，需要額外通過通訊模塊建立流量值數據與PLC控制信號的聯系，進而完成對流量異常的邏輯控制。
?。ㄈ├鋮s系統的改造方案實施
噴嘴直徑約為φ0.5mm，工作時一般持續噴射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，曾有相對專業的品牌主動提出方案并報價，但報價過于昂貴，平均單個設備報價超過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的方案。
經過多方查找與對比，最終選擇國產某品牌的微型流量傳感器HDCX–M2，最小感應流量可達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，當流體流經渦輪流量傳感器時，在流體推力作用下渦輪受力旋轉，隨渦輪轉動周期地改變磁電轉換器的磁阻值，對應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）范圍內，該脈沖信號與流經流量傳感器的體積流量正線性相關。渦輪流量傳感器的理論流量方程為：
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式中n為渦輪轉速;A為流體物性（密度、粘度等）、渦輪結構參數）渦輪傾角、渦輪直徑、流道橫截面積等）有關的參數;qv為液體體積流量;B為與渦輪頂隙、流體流速分布有關的系數;C為與摩擦力矩有關的系數。
在渦輪旋轉過程中，當端子A和端子B導通時，將會產生高電平，當端子A和端子B不能導通時，將會產生低電平，以此形成脈沖。由于該項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，因此從實用層面，該流量傳感器的實用流量方程為： ?。?）
其中n為渦輪轉速;qv為液體體積流量;K為流量傳感器的儀表系數（常量）。
為流量值的可視化顯示和PLC邏輯表達，還需將流量傳感器的傳出脈沖信號經過某些處理，特選擇國產某品牌的積算儀HD2301–B。該設備內部可以接受和計算脈沖信號，并設定單脈沖對應的數量單位，不僅可以數顯實時值，還可以通過與SIEMENS的ET200模塊的信號交互實現PLC報警監控功能。
該積算儀可以支持數字量信號輸出，需要在該積算儀操作面板設置流量值范圍，若監測流量值超過設定范圍，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好的ET200S的DI模塊，即可實現數字量信號與PLC input點的同一。采用該input點進行邏輯編譯，最終實現PLC對流量異常的報警監控。
四、前輪罩區域相關工藝流程優化
?。ㄒ唬┣拜喺謪^域變形檢測功能
由于在發生批次質量缺陷問題時，所有問題車輛在前輪罩區域下方的板件上均發生了變形，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）安裝在車身的側面。
當車輛完成沖孔工藝并且仍處在工作位置時，安裝在車身側面的傳感器將發射紅色激光到板件側邊的末端（若發生變形，該區域的變形最大），此時傳感器的感應距離信號必須在設定值的公差范圍內，否則將認為側邊發生變形，該車輛將繼續保持在工作位。此時，PLC將發出報警信息，直至人工確認后才可放行。
（二）在線檢測系統添加工藝點
在線檢測系統是汽車行業自動化率不斷提升過程中不可或缺的設備，它有力地保障了產品在尺寸控制、準確定位、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域的外觀尺寸穩定性，并對WHP設備的調整提供有效的工藝信息，極有必要針對該區域添加工藝測量點，優化相關的工藝流程。
為了更明顯表現前輪罩板件的變形狀態，選擇在板件末端建立測量特征，設置測量點在車身坐標系下的理論位置及測量面的，添加測量點的特征信息，并給新工藝點命名ID號。同時，操作機器人到達指定位置后，調用對應ID號，隨后調整和示教該ID點的參數設置，降低噪點對測量精確性的影響，確保在算法測試中6δ < 0.1。
根據一段時間的采集數據狀態，參考車身設計公差及裝配要求，考慮周圍環境及機器人重復定位精度的影響，設置一級公差為±0.75mm，二級公差為±1mm，三級公差為±1.25mm。當某一車輛的測點超過三級公差，或者連續三輛車的相同測點超過二級公差，測量系統將會開啟報警功能，及時反饋前輪罩區域的尺寸波動，降低前輪罩區域變形的風險。
五、總結
針對北京奔馳生產車間出現的質量缺陷，深入分析根本原因和工藝缺陷，提出一種WHP沖孔設備的改造及相關工藝流程優化的方案，并順利實施，有效地把控了前輪罩區域的尺寸波動，保證了應有的尺寸控制，為公司避免損失和降低經營成本約400萬元。首先，自行搭建流量監控系統，從前期的方案設計選用，到備件采購與測試，再到后期的設備安裝與功能實現，盡可能利用現有資源，減少成本投入，最終僅花費供應商給定報價的10%的費用實現了最終的監控功能。其次，跳出Daimler工藝流程標準，針對實際的需求，添加特殊的工藝流程，完成對前輪罩區域尺寸的全局把控。
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