专利名称：自冲铆接质量在线检测系统及其检测方法
技术领域：
本发明涉及的是一种机械加工技术领域的系统及方法，具体是一种自冲铆接质量 在线检测系统及其检测方法。
背景技术：
自冲铆接是指将铆钉压入板材，使其刺穿上层板后，在模具、下层板材和铆钉腿部 形状共同作用下，铆钉向四周翻开形成机械互锁的连接工艺。随着能源危机和环境污染受 到越来越广泛的关注，汽车的环保性能及燃油经济性越来越为各大汽车厂商所重视。因此， 作为实现汽车轻量化的重要途径，铝合金、镁合金等各种新型轻量化材料被广泛的应用于 车身制造。自冲铆接作为一种成熟的冷成型工艺，成为铝制车身的主要连接技术。自冲铆接工艺的力学特点决定其铆接质量受到板材、铆钉、模具、冲压设备等多种 因素的影响，故质量检测对提高自冲铆接的可靠性，减少缺陷接头，提高生产效率有重要的 意义。目前自冲铆接的评价方法主要分两大类一是破坏式检测。这种方法是目前广泛应 用的质量检测方式，包括破坏性力学试验和截面观察法。破坏性力学试验是对铆接试件用 力学试验设备进行拉剪、剥离、疲劳等破坏性质的力学试验以判断接头强度好坏；截面观察 法是将铆接接头沿接头直径切开，在一定的标准下评判接头横截面的各形貌特征，以此判 断铆接质量的好坏。破坏式检测法是一种衡量铆接接头质量好坏最直接最可靠的方法，但 是这是一种线下质量检测方法，不仅效率低代价高，而且无法达到100%的检测，因而不适 用于自动化大规模生产中的质量检测。二是非破坏式检测。经过对现有技术的检索发现，《Inprocess Quality Monitoring ofPunch riveting [J])) (LiebigHP.，Mutschler J, Bander Blecre, 1993,34(5) :52_54)(冲铆过程 质量监控)中根据各种工艺参数下的铆接载荷曲线特征的不同，提出通过检测力位移曲线 来评价自冲铆接质量的方法。之后，文献《Characterization for Quality Monitoring of a Self-Piercing Riveting Process [C]》(HouW, Mangialard E, Hu J, et al. Sheet Metal Welding Conference XI，Sterling Heights, 2004, Mayll-14 :8_3)(自冲铆接过程 质量监控的特征)系统性地研究了自冲铆接过程中载荷位移曲线的特征与工艺参数、操作 误差之间的关系。他们发现不同的铆钉长度、板材厚度、模具形状具有不同特征的载荷位 移曲线，通过对载荷位移曲线的信号提取可以对自冲铆接加工中的工艺故障进行判断。这 种方法被Henrobs，Bollhoffs，和Orbitforms等公司开发应用于自冲铆接在线检测产品， 但该方法存在以下不足1、采用力-位移曲线进行检测都是以基准曲线上下偏移而形成 的一个公差带为质量判断区域，也因此对铆接过程中曲线沿横坐标(位移轴)的变化不敏 感，使得在铆接过程中的位移变化的检测存在一些盲区；2、对铆接过程中的某些特定的常 见故障，如被铆板件间隙和铆钉偏离等不敏感，导致其检测功能受到限制；3、单纯依靠公 差带的偏离程度来判断质量，无法给出造成缺陷的原因，无法指导生产工艺的改进。除了 力位移曲线法，文献《Online Visual Measurement of Self-Pierce Riveting Systems to Help Determine theQuality of the Mechanical Interlock》 (Johnson， P， Cullen，J D. , Sharpies, L. , Shaw, Α. , Al-Shamma' a, A I. Journal ofMeasurement, 2009,42 (5) 661-667)(用于判断机械连锁质量的在线视觉自冲铆接质量检测方法)将视觉识别技术应 用于自冲铆接质量检测，但这项技术仅适用于检测铆钉位置以避免空铆、铆钉初始偏离等 导致的质量问题，检测范围有限，没有得到广泛的应用。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种自冲铆接质量在线检测系统及其 检测方法，通过获取自冲铆接过程中的力_时间和位移_时间曲线，根据所获曲线上的一个 特征窗口及三个特征公差带判断接头质量合格与否，以及不合格接头属于何种缺陷类型。 该方法兼顾位移和力在铆接全程的变化，具有对板件间隙等缺陷敏感、对缺陷检测速度快 等特点，可针对铆钉长度换错、铆钉硬度换错、装配间隙出错、空铆(即铆接时未放铆钉)、 被铆板件材质波动引起的铆钉铆入过深或者凸出等多种缺陷进行明确的检测。本发明是通过以下技术方案实现的本发明涉及一种自冲铆接质量在线检测系统，包括称重传感器、位移传感器、称 重传感器放大器、位移传感器放大器、数据采集卡和计算模块，其中称重传感器的输入端 和输出端分别与自冲铆接设备的铆钉驱动杆以及称重传感器放大器的输入端相连，位移传 感器的输入端和输出端分别与自冲铆接设备的铆钉驱动杆以及位移传感器放大器的输入 端相连，称重传感器放大器与位移传感器放大器的输出端与数据采集卡相连并输出力和位 移的时域信号，数据采集卡与计算模块相连并输出数字传感信号。本发明涉及上述系统的检测方法，包括以下步骤第一步、设置系统的采样率为1kHz，对铆接力信号进行循环判断，当连续10个点 的铆接力大于0. IkN时，启动称重传感器、位移传感器并开始力信号和位移信号的采集，当 连续30个点的铆接力在0. IkN范围内波动时结束当前接头的力和位移信号采集；第二步、采用算术平均滤波法或中位值滤波法根据检测到的力和位移的时域信号 计算得到力-时间曲线和位移-时间曲线；第三步、通过计算模块对若干次重复性测试得到的力-时间曲线和位移-时间曲 线确定特征窗口及特征公差带；第四步、利用特征窗口及特征公差带对自冲铆接接头质量实现实时检测。所述的特征窗口及特征公差带是指刺穿上层板拐点窗口、力_时间曲线起始点 公差带、位移_时间曲线起始点公差带和结束点公差带。其中定义为公差带的，只需对曲线 上该点的X轴(即时间轴)或Y轴(即力值或位移值)方向进行大小比较；定义为窗口的， 则需要同时对曲线上该点的X轴和Y轴方向进行大小比较。所述的刺穿上层板拐点窗口通过以下方式获得将两个边界点分别作垂直于横坐 标轴两条直线，由这两条直线所构建的一个X向公差带，所述的两个边界点分别是力-时间 起始点和当板件间隙为阀值时(根据具体生产实际进行设置)力-时间曲线上出现的拐点。所述的位移-时间曲线起始点公差带通过以下方式获得经过若干次重复性测 试，且当测试得到所有接头均为合格接头后，位移-时间信号经滤波后得到的数据中铆接 过程开始点的最大和最小值位移值所确定的Y向公差带。
所述的位移-时间曲线结束点公差带通过以下方式获得经过若干次重复性测 试，且当测试得到所有接头均为合格接头后，由检测铆接过程结束时由位移传感器经滤波 后得到的数据中的最大和最小值所界定的公差带。所述的若干次重复性测试是指20次以上重复采集力-时间曲线和位移-时间曲 线，且保证所有接头均为合格接头后，按照刺穿上层板拐点的分布，分别取其中最长和最短 时间值做垂直于时间轴(X轴)的两条直线，获得X向的公差带；取其中最大和最小力值做 垂直于力轴(Y轴)的两条直线，获得Y向的公差带，并最终由这四条直线所围成的窗口。所述的合格接头为该种工艺参数下所得到的接头其铆钉头部与上层板同一水平 高度，铆钉腿部与下层板形成有效互锁且接头不存在裂纹，缝隙，不对称等影响接头强度的 缺陷。所述的实时检测是指当自冲铆接接头的力_时间曲线和位移_时间曲线上的所 有特征点在特征窗口或特征公差带内，则检测结果为合格，否则1)当位移-时间曲线的起始点在起始点公差带下方时，检测结果为铆钉长度过 长；当位移_时间曲线的起始点在起始点公差带上方时，检测结果为铆钉长度过短；2)当力_时间曲线刺穿上层板拐点在窗口右侧甚至不存在，同时位移_时间曲线 的结束点在结束点公差带上方，检测结果为铆钉太软，导致刺穿上层板时间滞后甚至无法 穿透上层板，同时由于无法完全铆平并嵌入下层板造成铆钉头凸出；3)当力_时间曲线刺穿上层板拐点在窗口左侧，同时位移_时间曲线的结束点在 结束点公差带上方，检测结果为铆钉太硬，导致刺穿上层板时间提前并使得铆钉铆入过深 造成铆钉头陷入下层板；4)当力_时间曲线的起始点附近出现拐点，且拐点的位置超出力_时间曲线起始 点公差带即在其右侧；5)当力-时间曲线刺穿上层板拐点出现在拐点窗口的右侧；位移_时间曲线的起 始点在位移_时间起始点公差带下方这三种情况同时出现时，检测结果为板件间隙大于容
许值；6)当力_时间曲线不存在刺穿上层板拐点，同时位移_时间曲线的起始点在位 移_时间起始点公差带上方这两种情况同时出现时，检测结果为空铆；7)当力_时间曲线刺穿上层板拐点在窗口上方，检测结果为上层板强度太强，导 致刺穿上层板所需要的力增大；8)当力_时间曲线刺穿上层板拐点在窗口下方，检测结果为上层板强度太弱，导 致刺穿上层板所需要的力减小；9)当力-时间曲线刺穿上层板拐点在窗口内，但位移-时间曲线的结束点在结束 点公差带下方，检测结果为上层板强度正常，但由于下层板强度太强，导致铆钉无法完全铆 平并嵌入下层板造成铆钉头凸出；10)当力-时间曲线刺穿上层板拐点在窗口内，但位移-时间曲线的结束点在结束 点公差带上方，检测结果为上层板强度正常，但由于下层板强度太弱，导致铆钉铆入过深造 成铆钉头陷入下层板。本发明的检测方法采用特征点实现铆接接头质量的实时检测。与现有的技术相 比，具有以下优点1、除了对铆接过程的力信号变化进行检测，也检测了位移信号因各种因素影响而产生的变化；2、避免了公差带检测法对所有过程数据进行分析的盲目性；3、对板 件间隙等缺陷较为敏感，对缺陷类型检测更为直观准确；4、判断的速度快，可以在不影响生 产运行的情况下在线实时地对自冲铆接接头质量进行检测和质量快速诊断。
图1本发明结构示意图。图2为本发明检测方法所检测的力_时间及位移_时间信号的全过程曲线图。图3为本发明所定义的曲线中的各一个特征窗口及三个特征公差带的示意图。图4为本发明检测方法在板件间隙为(a)无间隙，(b) lmm, (c) 2mm,其它参数保持 不变的情况下对铆接过程进行检测所得到的曲线图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1所示，本实施例包括称重传感器1、位移传感器2、称重传感器放大器3、位 移传感器放大器4、数据采集卡5和计算模块6，其中称重传感器1的输入端和输出端分别 与自冲铆接设备的铆钉驱动杆以及称重传感器放大器3的输入端相连，位移传感器2的输 入端和输出端分别与自冲铆接设备的铆钉驱动杆以及位移传感器放大器4的输入端相连， 称重传感器放大器3与位移传感器放大器4的输出端与数据采集卡5相连并输出模拟传感 信号，数据采集卡5与计算模块6相连并输出数字传感信号。本发明实施例选用的称重传感器额定容量为10T，精度等级为0. 05% F. S，重复 性误差为士0. 03% F. S ；选用的位移传感器线性量程为300mm，精度等级为0. 05% F. S，在 100m/s的速度内可保证误差小于0. Olmm ；选用的称重传感器放大器的输出电压为0-10V， 精度等级为士 0. 1%F.S ；选用的位移传感器放大器输出电压为0-10V，精度等级为士 0. 1% F. S ；选用的数据采集卡系美国NI公司的E系列数据采集卡，其主要参数如下16路单端/8 路差分模拟输入，12位精度，200KS/s采样率，200KS/s磁盘写入速度，士0. 05到士 IOV输入 范围。本实施例中的待连接板件为铝合金AA6061-T6+低碳钢GMW2，即铝合金在上，低 碳钢在下；板件厚度匹配2mm+l. 8mm。本实施例中的半空心铆钉采用传统自冲铆接的沉头铆钉，头部直径为7. 75mm，腿 部外径为5. 30mm，铆钉长度为7. 00mm。工艺参数驱动杆的铆接力为65kN，模具深度为2. Omm。本实施例采用Imm和2mm两种厚度，规格为75mmX IOmm的单片塞尺模拟板间间隙。实施例步骤及内容1、设置采样率为1kHz，并选择算术平均滤波法、中位值滤波法等滤波方法中的至 少一种处理方法对所述的时域信号进行数据处理。算术平均滤波法是对连续N个采样值进 行算术平均运算，适用于一般具有随机干扰，在某一数值范围附近上下波动的信号的滤波，但要求数据计算速度较快同时比较浪费RAM。中位值滤波法是对连续采样的N个数据，去掉 一个最大值和一个最小值，计算N-2个数据的算术平均值。其属于一种改良型的自述平均 滤波法，加强了对偶然出现的脉冲的抗干扰能力，可消除由于脉冲干扰所引起的采样值偏差。2、启动系统后处于待机状态。对铆接力信号进行循环判断，当连续10个点的铆接 力大于0. IkN时，检测铆接过程开始并触发检测系统对力及位移信号进行采集及存储；3、采集并存储力和位移传感器检测到的自冲铆接过程中的力和位移时域信号。铆 接过程中板材、铆钉、模具、冲压设备等多种因素都会导致驱动杆接触上层板的位置和时 间，驱动杆铆穿上层板的位置和力，驱动杆结束铆接过程的位置和力发生变化。这些变化通 过称重传感器、位移传感器和数据采集系统等设备把它转换为电信号来测量和存贮。4、当连续30个点的铆接力在0. IkN范围内波动时，检测铆接过程结束，停止对力 及位移信号的采集及存储并根据数据处理结果，在计算模块上显示力_时间及位移_时间 曲线。以上步骤采用既有软件，进行组织编辑即可应用，如LABVIEW。5、分别就(a)无间隙，(b) Imm间隙，(c) 2mm间隙三种情况分别对上述实验材料按 工艺参数进行自冲铆接。将板件间隙Imm设置为阀值，首先获取无间隙和Imm间隙情况下 的力_时间及位移_时间曲线。以坐标原点和起始点附近出现的拐点这两个点为边界点构 建一个力_时间曲线起始点公差带。之后以无间隙情况为标准状态，进行20次重复实验， 且保证所有接头均为合格接头后，分别获取力_时间曲线刺穿上层板拐点窗口，位移_时间 曲线起始点公差带和位移_时间曲线结束点公差带。6、铆接得到曲线如图4所示，对其进行质量检测及缺陷类型分类的具体方法为(1)由于存在间隙，使得力-时间曲线上出现拐点。间隙为2mm时，其拐点在力-时 间曲线的公差带1右侧，超出公差带范围；(2)驱动杆作用铆钉克服板件间隙需要额外的时间，即铆钉需要更长的时间才能 刺穿上层板，因此间隙为2mm时，其刺穿上层板拐点在力-时间曲线刺穿上层板拐点窗口的 右侧，超出窗口 2的范围；(3)随着间隙变化，冲头开始接触铆钉头部的时间也随之变化，即间隙越大，冲头 接触铆钉头部越早，位移曲线起始点也相应下移，超出位移_时间曲线起始点公差带3 ；(4)其它工艺参数保持不变的情况下，位移_时间结束点基本一致，均在位移_时 间曲线结束点公差范围4内。依据以上检测结果，检测2mm板件间隙接头为不合格接头，缺陷类型为板件间隙 大于容许范围。
权利要求
1.一种自冲铆接质量在线检测系统，包括称重传感器、位移传感器、称重传感器放大 器、位移传感器放大器、数据采集卡和计算模块，其特征在于称重传感器的输入端和输出 端分别与自冲铆接设备的铆钉驱动杆以及称重传感器放大器的输入端相连，位移传感器的 输入端和输出端分别与自冲铆接设备的铆钉驱动杆以及位移传感器放大器的输入端相连， 称重传感器放大器与位移传感器放大器的输出端与数据采集卡相连并输出力和位移的时 域信号，数据采集卡与计算模块相连并输出数字传感信号。
2.一种根据权利要求1所述系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤第一步、设置系统的采样率为1kHz，对铆接力信号进行循环判断，当连续10个点的铆 接力大于0. IkN时，启动称重传感器、位移传感器并开始力信号和位移信号的采集，当连续 30个点的铆接力在0. IkN范围内波动时结束当前接头的力和位移信号采集；第二步、采用算术平均滤波法或中位值滤波法根据检测到的力和位移的时域信号计算 得到力_时间曲线和位移_时间曲线；第三步、通过计算模块对若干次重复性测试得到的力_时间曲线和位移_时间曲线确 定特征窗口及特征公差带；第四步、利用特征窗口及特征公差带对自冲铆接接头质量实现实时检测。
3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征是，所述的特征窗口及特征公差带是指刺 穿上层板拐点窗口、力_时间曲线起始点公差带、位移_时间曲线起始点公差带和结束点公 差市ο
4.根据权利要求2所述的检测方法，其特征是，所述的刺穿上层板拐点窗口通过以下 方式获得将两个边界点分别作垂直于横坐标轴两条直线，由这两条直线所构建的一个X 向，即时间轴的公差带，所述的两个边界点分别是力_时间起始点和当板件间隙为阀值时 力-时间曲线上出现的拐点。
5.根据权利要求2所述的检测方法，其特征是，所述的位移_时间曲线起始点公差带 通过以下方式获得经过若干次重复性测试，且当测试得到所有接头均为合格接头后，位 移_时间信号经滤波后得到的数据中铆接过程开始点的最大和最小值位移值所确定的Y 向，即力轴的公差带。
6.根据权利要求2所述的检测方法，其特征是，所述的位移-时间曲线结束点公差带通 过以下方式获得经过若干次重复性测试，且当测试得到所有接头均为合格接头后，由检测 铆接过程结束时由位移传感器经滤波后得到的数据中的最大和最小值所界定的公差带。
7.根据权利要求2所述的检测方法，其特征是，所述的若干次重复性测试是指20次以 上重复采集力_时间曲线和位移_时间曲线，且保证所有接头均为合格接头后，按照刺穿上 层板拐点的分布，分别取其中最长和最短时间值做垂直于时间轴的两条直线，获得X向，即 时间轴的公差带；取其中最大和最小力值做垂直于力轴的两条直线，获得Y向，即力轴的公 差带，并最终由这四条直线所围成的窗口。
8.根据权利要求5或6或7所述的检测方法，其特征是，所述的合格接头为该种工艺参 数下所得到的接头其铆钉头部与上层板同一水平高度，铆钉腿部与下层板形成有效互锁且 接头不存在裂纹，缝隙，不对称等影响接头强度的缺陷。
9.根据权利要求2所述的检测方法，其特征是，所述的实时检测是指当自冲铆接接头 的力-时间曲线和位移-时间曲线上的所有特征点在特征窗口或特征公差带内，则检测结果为合格，否则1)当位移_时间曲线的起始点在起始点公差带下方时，检测结果为铆钉长度过长；当 位移_时间曲线的起始点在起始点公差带上方时，检测结果为铆钉长度过短；2)当力_时间曲线刺穿上层板拐点在窗口右侧甚至不存在，同时位移_时间曲线的结 束点在结束点公差带上方，检测结果为铆钉太软，导致刺穿上层板时间滞后甚至无法穿透 上层板，同时由于无法完全铆平并嵌入下层板造成铆钉头凸出；3)当力_时间曲线刺穿上层板拐点在窗口左侧，同时位移_时间曲线的结束点在结束 点公差带上方，检测结果为铆钉太硬，导致刺穿上层板时间提前并使得铆钉铆入过深造成 铆钉头陷入下层板；4)当力_时间曲线的起始点附近出现拐点，且拐点的位置超出力_时间曲线起始点公 差带即在其右侧；5)当力_时间曲线刺穿上层板拐点出现在拐点窗口的右侧；位移_时间曲线的起始 点在位移_时间起始点公差带下方这三种情况同时出现时，检测结果为板件间隙大于容许 值；6)当力_时间曲线不存在刺穿上层板拐点，同时位移_时间曲线的起始点在位移_时 间起始点公差带上方这两种情况同时出现时，检测结果为空铆；7)当力_时间曲线刺穿上层板拐点在窗口上方，检测结果为上层板强度太强，导致刺 穿上层板所需要的力增大；8)当力_时间曲线刺穿上层板拐点在窗口下方，检测结果为上层板强度太弱，导致刺 穿上层板所需要的力减小；9)当力_时间曲线刺穿上层板拐点在窗口内，但位移_时间曲线的结束点在结束点公 差带下方，检测结果为上层板强度正常，但由于下层板强度太强，导致铆钉无法完全铆平并 嵌入下层板造成铆钉头凸出；10)当力-时间曲线刺穿上层板拐点在窗口内，但位移-时间曲线的结束点在结束点公 差带上方，检测结果为上层板强度正常，但由于下层板强度太弱，导致铆钉铆入过深造成铆 钉头陷入下层板。
全文摘要
一种机械加工技术领域的自冲铆接质量在线检测系统及其检测方法，该系统包括称重传感器、位移传感器、称重传感器放大器、位移传感器放大器、数据采集卡和计算模块。本发明通过获取自冲铆接过程中的力-时间和位移-时间曲线，根据所获曲线上的一个特征窗口及三个特征公差带判断接头质量合格与否，以及不合格接头属于何种缺陷类型。该方法兼顾位移和力在铆接全程的变化，具有对板件间隙等缺陷敏感、对缺陷检测速度快等特点，可针对多种缺陷进行明确的检测。
文档编号G01N3/32GK102004056SQ20101060561
公开日2011年4月6日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者李永兵, 来新民, 林忠钦, 陈关龙, 黄舒彦 申请人:上海交通大学