产品介绍：

　　压装质量监控的主要依据普遍是将设备采集到的压入位移与压入力绘制成位移压力曲线，监控曲线走势，最终判定压装的质量。

　　涡轮增压器是现代高性能汽车的重要部件之一，普通发动机配上涡轮增压器后，其输出功率和扭矩可提升20%～30%，对于增强发动机功率，提升汽车行驶性能具有重要作用。

　　涡轮增压器阀芯孔衬套压装的位移压力曲线是对压装质量判定的重要依据，但是在实际压装过程中经常因振动导致压入力陡升陡降。

　　随着国家工业技术水平的提高，如何使压装设备位移压力曲线的平滑性更优成为了汽车涡轮增压器阀芯孔衬套压装设备研究领域亟待解决的问题之一。

　　接下来我将首先对衬套压入过程进行动力学建模，运用Simulink进行仿真，分析压装过程振动产生机理与振动对压装质量判定的影响，并给出合理的改善措施。

　　其次，通过压装实验获取振动情况与正常情况下的压装数据，然后利用压装实验数据进行离线编程验证最小二乘拟合算法的可行性。

　　涡轮增压器阀芯孔衬套压装过程是先通过压装机定位夹紧组件对涡轮壳实现定位与夹紧，然后由伺服电动缸经压装导轨将装夹在压头组件的衬套实现与涡轮增压器阀芯孔的无键过盈配合压装。

　　为能够保证压装位移及压力的准确性与实时性，选用高精度的压力传感器与磁栅位移传感器，经A/D模块与数据采集卡将压装过程位移压力数据实时上传至上位机组态软件，最后经组态软件程序处理生成位移压力曲线并对该次压装质量进行判断。

　　图2所示的位移压力曲线是现场压装设备上位机组态软件将采集到的数据不经处理绘制而成，从曲线可以看出，压装过程明显产生剧烈振动，导致压入力上下波动较大。

　　A、B部分超过给定的压入力上下限，按照汽车涡轮增压器阀芯孔衬套压装相关技术文件指标，该件产品判断为不合格件，并且直接报废，不再允许安装到汽车当中。

　　但经进一步的人工检查判断，出现此类压装曲线的产品均未出现压装质量问题，在实际加工现场，对于压装过程振动产生的机理并未得到合理解释，因此也没能提出抑制振动产生的有效措施。

　　为得到压装过程振动产生的机理，给出抑制振动产生的合理措施，对压装系统典型机构进行动力学建模分析。

　　图3是伺服电动缸结构示意图，当伺服电动机接收到发出的脉冲信号时，与伺服电动机连接的主动轮开始转动，通过同步带带动从动轮动作，然后经从动轮带动丝杠，最后由丝杠带动螺母组件(包括压头)经导轨将装夹在压头的衬套压入到涡轮壳阀芯孔内。

　　图4是伺服电动缸的同步带，同步带材料的主要成分是橡胶，而橡胶本身又属于弹性体，虽然内嵌钢丝芯对同步带刚度起到一定的增强作用，但压装过程中产生的较大拉伸力仍会使同步带产生弹性变形。

　　为更加简明地研究振动机理，结合现场实际加工情况，把伺服电动缸同步带与衬套压装过程的动力学系统等效成弹簧阻尼系统，得到的压装过程等效模型如图5所示。

　　由动力学等效模型分析可知，当伺服电动缸以较低恒定速度压装时，随着衬套被压入阀芯孔深度的变化，衬套与阀芯孔内壁间摩擦力f在变大，当衬套受到的压入力等于动摩擦力时，衬套将不能被压入，此时弹簧的压缩量开始增加，受力变大。

　　当弹簧的推力即压入力大于衬套配合面所受到的最大静摩擦力时，衬套被重新压入，但是由于配合面间静摩擦系数较动摩擦系数大，产生的最大静摩擦力比动摩擦力大，此时衬套作加速运动。

　　加速压入衬套时，弹簧的压缩量减小，从而使衬套所受到的压入力也减小，直到衬套受到的压入力小于其本身所受到的动摩擦力时，衬套将再次瞬间停止被压入，以此重复上述过程，直到衬套被完全压入阀芯孔内。

　　为验证以上分析的正确性，将衬套压装过程中的摩擦力看成干扰信号，对动力学方程式(1)进行拉氏变换可以得到该系统的传递函数：

　　考虑到实际压装过程压装阻力即配合面间的摩擦力，而在压装过程伴随着动静摩擦力的变化，因此压装阻力是一个非线性模型，对此非线所示的摩擦模型进行分析。

　　根据图7摩擦模型与摩擦力f的表达式，可搭建衬套压装过程配合面间摩擦力即压装阻力的非线性模型的Simulink仿线所示。

　　综合上述动力学方程、压装过程结构框图和压装阻力的非线性模型，可搭建出压装过程动力学仿真的Simulink模型，如图9所示。

　　为能够更好观测压装过程细微现象，在进行仿真时，给定系统的等效质量m，等效弹性系数k、粘性阻尼系B、粘性摩系数σ，在实际压装过程伺服电动缸以恒定的速度v输入，仿线所示。

　　伺服电动缸虽以恒定速度输出，但如图10、11所示，由于衬套与阀芯孔内壁配合面间存在摩擦力，在压装初始时刻，外力等于配合面间的摩擦力，衬套实际压入量为0，压入速度为0，表现为同步带开始产生弹性变形以产生更大的压入力。

　　当衬套受到的压入力大于配合面间的最大静摩擦力时，衬套压入速度开始增加，压入位移也开始增加，由于配合面间静摩擦系数较动摩擦系数大，产生的最大静摩擦力比动摩擦力大，所以衬套被加速压入，同步带开始恢复弹性变形。

　　当衬套受到的压入力等于或者接近于配合面间的动摩擦力时，如上面图10所示，衬套的压入速度与压入位移为0或者接近为0，由于伺服电动缸仍然在转，同步带开始发生弹性变形，衬套受到的压入力开始增加，因此衬套压入运动在周而复始地停止－加速－减速－停止。

　　因此，在参考上述动力学模型、Simulink仿真与有关文献后可以得到降低压装过程振动，提高涡轮增压器阀芯孔衬套压装位移压力曲线平滑性，降低误报废率的方法如下:

　　(1)在公差允许范围内适当增加涡轮增压器阀芯孔与衬套间的过盈量以达到减小配合面间摩擦阻力的效果；

　　(4)对压装过程由粘滑运动产生陡升陡降的压力值，可采用曲线拟合的方法将处理后的数据经拟合生成真正反映压装过程位移压力平滑增长趋势的曲线。

　　涡轮增压器阀芯孔衬套压装行业对于压装质量判定依据，普遍是检测其压装曲线平滑增长趋势是否符合要求。

　　在曲线上增加若干个监控框实现压装过程压装力全局增长趋势的监控，但是经现场实际情况、上述理论分析和仿真证明，在压装过程中由于压装配合面间非线性阻力等原因导致的粘滑运动使压入力产生陡升陡降现象并不能反映配合面间压入力真实的增长趋势。

　　若将采集到的数据不经处理，直接绘制成的曲线将是杂乱无章的，将这样的曲线用于判断压装质量易将合格的产品判断成不合格的产品，从而导致生产过程误报废率增长，生产成本提高，经济效益下降。

　　为解决这一问题，通过对现场设备数据库多组加工数据进行分析，最后决定采用最小二乘曲线拟合的方法绘制质量判定的曲线。

　　为验证最小二乘曲线拟合算法的合理性又不影响现场加工节奏，可利用已投入使用的压装设备进行压装实验以获得压装数据对算法进行离线验证。

　　图12所示是两种情况下的压装实验数据。从实验数据中可以看出，受粘滑运动影响的压装数据大部分的增长趋势是一致的，只有小部分的异常点，在实际判定当中，不能因为局部异常点而将合格的产品误判为非合格品。

　　将图12所示两种情况的压装实验数据利用最小二乘曲线拟合算法并结合现场压装质量判定要求在Matlab上编程，初步实现的拟合效果如图13所示。

　　压装过程中为避免在压装配合面首次接触时产生应力集中，加工现场的衬套在压入端部设有倒角，在倒角压入部分不作质量判定依据，故图13中O-A段曲线的现象是合理的，不影响质量判定。

　　通过对比图13a拟合前后的曲线可以发现：受粘滑运动干扰生成的压装曲线是杂乱无章的，经拟合后可以有效剔除局部压力陡升陡降的数据，真实地还原压装过程压力全局平滑增长趋势，符合现场加工对涡轮增压器压装质量判定的标准。

　　通过上述对拟合算法拟合效果对比分析，初步验证了运用最小二乘拟合算法将压装数据拟合生成压装曲线用以判定压装质量的合理性，达到了压装曲线平滑增长的要求。

　　涡轮增压器阀芯孔衬套压装机的上位机组态软件安装在Windows7系统下的工业平板电脑上，该组态软件由C语言编程开发，Matlab具有强大的数据处理与算法实现的功能，将两者结合，共同实现上位机数据获取和处理功能。

　　首先，组态软件接收来自PLC采样的压力位移原始数据，其次，通过DDE接口将数据传递给Matlab，Matlab执行上述最小二乘算法，最小二乘拟合的参数回传给组态王，最后，组态王将其作为绘制曲线和PLC判定良品和不良品的依据。

　　由图可知，算法的实施可以在硬件上不做任何改变的情况下通过剔除严重干扰的数据点，有效的解决了压装数据因振动严重而带来加工质量误判的问题。

　　同时，如图15所示，在采取上述抑制振动的措施后，振动现象也能够有所改善，经拟合后曲线仍然具有较好的保形性。

　　通过对压装过程动力学建模与Simulink仿真分析，揭示了压装过程产生的剧烈振动与曲线杂乱无章的现象是由于压装过程轴套配合面产生粘滑运动导致的。

　　从而给出了在公差允许范围内适当增加配合面的过盈量和增加伺服电缸同步带刚度、输出力矩与速度等抑制粘滑运动产生的措施，进而通过利用现有压装设备进行压装实验。

　　将实验得到的两种情况下的压装数据进行离线编程，验证了最小二乘曲线拟合算法用于拟合生成的压装曲线对压装质量判定的合理性，最后给出了在组态软件上运用组态软件与Matlab组件联合编程实现拟合算法的方法。

　　经样机应用表明，这些改善措施与编程算法对于提高压装质量，达到压装曲线平滑性的要求，解决压装曲线压力陡升陡降引起的误报废，提升经济效益具有实用性价值，所采取措施对于其他压装行业也具有较好的参考意义。

　　[1]刘跃.探寻历史的车辙———记录中国汽车工业的发展[J].世界汽车,2019(9):42-45.

　　[3]方芳，高武正，曾献智，等.高铁用轴箱轴承轻接触式密封压装工艺[J].轴承,2019(10):19-22.