發動機軸瓦裝配智能選配系統的應用

常 舉 雷永輝 石文瀚

(北京奔馳汽車有限公司，北京100176)

北京奔馳汽車有限公司生產的M274和M270直列四缸發動機為奔馳乘用車的主力發動機型號，分別用于搭載后驅車平臺及前驅車平臺，兩款發動機各具有1.6 L和2.0 L兩種排量，1.6 L發動機使用16 mm寬度的軸瓦，2.0 L發動機使用20 mm寬度的軸瓦。其中兩種寬度的上軸瓦各有3種厚度，下軸瓦各有5種寬度。M264發動機為M274的升級換代機型，為更好地適應政策法規和市場趨勢，將原1.6 L排量降低至1.5 L，并采用多種技術和工藝降低燃油消耗及排放水平，包括對主軸軸瓦的設計進行變更，其中1、3、5號位置的上軸瓦取消了油槽(如圖1所示)，以減小摩擦和機油泵流量，從而降低發動機功率損失和燃油消耗。

1 軸瓦裝配防錯需求與方案制定

該設計變更不僅使1.5 L發動機的上軸瓦變成兩種零件號，并且對兩種零件號的上軸瓦分別裝配的位置也有要求，每種零件號各3種厚度等級，因此上軸瓦共6種零件號(如圖2所示)。需要選配瓦片等級的同時還需要區分零件類型，給操作員配瓦帶來了更大的挑戰。因而僅通過工藝文件指導配瓦，以及增加后續工位目視檢查的方法，從FMEA分析已無法滿足防錯和效率的要求。

針對這一新的產品特性，我們提出了智能選配系統的工藝方案，主要設備和技術手段包括:智能拾取料架，照相機，二維碼掃描槍，發動機托盤RFID碼塊，PLUS生產控制上位系統，如圖3所示。

(1)上軸瓦分級碼識別相機。相機識別缸體上5位數字組成的上軸瓦分級碼，并存儲在發動機托盤RFID中。

(2)上軸瓦選配智能料架。工位PLC讀取托盤RFID中的上軸瓦分級碼信息，控制智能料架依次選配。

(3)上軸瓦裝配工裝。將選配完成后的上軸瓦裝配至缸體。

(4)曲軸二維碼掃描槍。將二維碼信息發送至PLUS生產控制系統，PLUS將二維碼發送到工位PLC。

(5)下軸瓦選配智能料架。PLC從曲軸二維碼中提取5位下軸瓦分級碼，控制智能料架依次選配。

(6)下軸瓦裝配工裝。將選配完成后的下軸瓦裝配至缸體。

2 如何識別并獲取軸瓦分級碼數據

上軸瓦分級由缸體軸承座的加工尺寸決定，分級碼由缸體機加工線打刻在缸體油底殼面，如圖4所示。在發動機裝配線的上線工位，在原有缸體打號照相系統中集成一個分級碼使用照相機獲取缸體配瓦分級碼，如圖5所示。

下軸瓦分級由曲軸軸頸的加工尺寸決定，分級碼與曲軸零件號一起由曲軸機加工線打刻在二維碼中。由于曲軸是追溯件，在將曲軸裝配到缸體內后，操作員使用掃描槍掃描曲軸二維碼，“PLUS”生產控制系統將二維碼記錄并綁定到該發動機總成下面。下軸瓦分級碼的獲取不需要增加額外的設備或硬件，現有的掃碼工藝已經捕獲了分級碼。

3 如何實現數據傳輸及數據匹配

對上軸瓦分級碼拍照并識別成數據后，由工位PLC將5位配瓦數字保存在當前對應的發動機托盤的RFID碼塊中，通過這種方式能保證每個托盤中的分級碼對應此托盤所承載的發動機，從而保證了后續流程中瓦片與缸體的匹配性。

為了將下軸瓦配瓦數據發送給配瓦工位PLC，開發了新的PLUS通訊報文，在曲軸二維碼掃描成功后，通過新報文將曲軸二維碼發送到PLC并保存在數據塊里，PLC后續即能調取二維碼中的第25-29位數據，獲得下軸瓦分級碼。該工藝流程能夠在曲軸掃描后即刻獲取分級碼，實現了最優的數據傳輸流程。另外，無論曲軸二維碼的掃描與下軸瓦選配是否在同一個工位進行，由于PLUS系統中曲軸二維碼與發動機總成號的匹配，系統都能保證選瓦數據與發動機實物的匹配。數據捕獲及匹配工作流程如圖6所示。

(1)掃碼曲軸二維碼上傳到PLUS系統。

(2)PLUS發送二維碼到080工位PLC。

(3)080工位PLC從二維碼讀取配瓦信息保存到托盤上的RFID碼塊。

(4)配瓦信息與托盤綁定后，跟隨托盤到090工位，確保數據與工件匹配。

(5)090工位PLC讀取RFID碼塊中的配瓦信息。

(6)PLC將配瓦信息發送給下軸瓦智能料架。

4 如何實現裝配工藝的防錯

(1)瓦片拾取防錯:該過程對于上軸瓦和下軸瓦原理相同。PLC獲取軸瓦信息后，控制智能拾取料架和軸瓦工裝臺，按照先后順序將需要拾取的瓦片料燈點亮，并通過光柵和傳感器的反饋，使得瓦片按順序選取并正確放置。詳見以下步驟(見圖7):①發動機1號軸頸位置所需軸瓦的拾取燈點亮；②操作員拾取一個瓦片同時觸碰該料道的光柵，拾取燈熄滅；③料道光柵觸碰后一秒內，軸瓦工裝臺1號軸頸位置的提示燈點亮；④操作員將手中的瓦片放置到工裝臺1號軸頸位置，瓦片到位后觸發傳感器，提示燈熄滅，1號軸瓦選配完成，2號軸頸所需的料道拾取燈點亮。

2號到5號軸瓦按以上步驟重復循環，依次選配。5個瓦片都完成選配后，工裝臺鎖止氣缸打開，軸瓦工裝允許被拿起，進行下一步裝配工序。此過程保證了正確的瓦片放置到工裝上正確的位置。

(2)上軸瓦裝配工裝(圖8)防錯設計:上軸瓦定位工裝的放置位置處加工了限位凹槽，該加工的目的是為了保證瓦片以正確的方向放置到工裝里(如圖9所示)，一旦軸瓦方向放反則會卡住而無法裝到位，傳感器沒有到位信號。為保障5個選好的瓦片按照正確的順序裝配到缸體里，上軸瓦定位工裝底面采用定位銷的設計，利用缸體上的兩個定位孔進行定位，使得工裝上的5個軸瓦與缸體的5個軸承座一一對應。

(3)下軸瓦裝配工藝流程(圖10):

①軸瓦選配完成后，操作員將定位工裝連同軸瓦一起放置到線邊臺子上。

②從發動機托盤上取下5個軸承瓦蓋并按對應位置放在5個軸瓦上方，然后按壓瓦蓋使瓦片嵌入瓦蓋內側，完成瓦片的裝配。

③操作員將裝完瓦片的瓦蓋按順序安裝到缸體上，完成瓦蓋的裝配。

5 實施過程中注意的問題

(1)采用照相機對配瓦分級碼進行圖像識別，圖像識別正確率遠比識別成功率更重要，應防止相機將分級碼數字識別錯誤，一旦識別錯誤將導致最終選配的瓦片與實際分級碼不一致，造成質量風險。

(2)工裝設計的精度應滿足裝配使用要求，尤其應防止出現工裝裝配誤差過大，導致軸瓦位置裝配錯誤或軸瓦損傷。

(3)工裝設計應滿足人機工程標準要求，方便操作員取放，在保證剛度的要求下鏤空減重或使用輕質材料。

6 結語

發動機軸瓦智能選配系統的實施，運用了視覺識別技術和通訊技術，將零件加工特性經過數據化處理，依靠智能料架和特殊裝配工裝，用于指導軸瓦的裝配工藝并實現防錯，顯著降低了軸瓦選配工藝過程中的錯裝和漏裝風險。經FMEA分析，優化后的RPN值從147降低至42。

實施過程中成功解決了3個方面的技術難題:軸瓦分級碼數據的識別和捕獲，數據的傳輸和匹配，使用數據指導裝配過程并實現防錯。

軸瓦智能選配系統是整合“工藝、數據、網絡、設備”典型技術案例，是對工業4.0智能制造技術的探索和實踐。