汽車柴油發動機裝配質量控制及分析

羅 兵

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330200）

隨著人們生活水平的不斷提高，市場對商用汽車的使用要求也越來越高。柴油發動機是商用汽車的核心動力來源，其需要長時間在高溫、高壓的條件下不間斷地運轉，因此對柴油發動機的使用要求也越來越高，這也給商用汽車的心臟——柴油發動機的制造帶來了一定的挑戰。不僅汽車發動機的制造質量會直接影響發動機的使用性能以及壽命，發動機的裝配質量也會直接影響發動機的使用[1-3]，商用柴油發動機的裝配是發動機制造過程中極其重要的一個環節。如果不能很好地保證發動機的質量，一旦發動機在顧客手上發生故障，不僅會增加公司的“三包”費用，而且會有損公司在市場上的口碑與形象。在柴油發動機裝配工藝的具體實施過程中，需要嚴格按照相關的規范進行操作，以此保障發動機的裝配質量。如果沒有嚴格按照發動機的裝配規范要求以及步驟進行操作，必然會導致發動機的裝配質量不合格，使用性能要求不達標，甚至會造成發動機故障，無法滿足顧客需求[4-6]。柴油發動機主要零部件有活塞連桿、缸體、缸蓋、曲軸飛輪等，在裝配過程中需要將眾多高精度、高復雜度的零部件按照工序進行裝配，把控各零部件之間的配合，使發動機獲得良好的裝配性能[7-8]。

1 汽車柴油發動機裝配生產中存在的主要問題

以江鈴汽車股份有限公司發動機廠為例，在以訂單驅動的精益生產模式下，汽車發動機月產量波動比較大。為了有效保證汽車發動機廠的生產效率及生產成本，生產排班模式需要隨之頻繁地發生變動，發動機裝配線一線作業人員的變動率高，培訓新員工（小時工、借調人員、轉崗人員等）人數多。新進的相關從業人員的技術水平在短時間內難以過關，專業化程度達不到理想要求，容易在發動機裝配時出現紕漏，從而導致不必要的返工和修復等問題。在該公司每年發動機制造責任整機轉間問題中，有90%以上是由于人員變動而造成的漏擰緊、漏裝和錯裝問題。

柴油發動機有多種系列產品，一般每個系列均超過100種機型在生產，同系列中不同機型的發動機都是共線進行生產，在批量人員頻繁變動時切換機型生產，非常容易造成裝配錯誤問題。同時，切換機型費時、費力，且需要人工對照紙質文件找到切換后機型所需的物料或者程序號，極易造成等待浪費。

以上兩點，雖然在人力成本和生產廠房成本方面有比較大的節約，但是也給汽車的心臟——發動機的制造帶來了一定挑戰。首先，在汽車發動機裝配人員上，批量員工（小時工、借調人員、轉崗人員等）頻繁進出，讓裝配現場操作工無法保證人員穩定，發動機裝配線一線作業人員變動率高，傳統的培訓模式已滿足不了實際人員快速切換的需求。其次，在設備上，除線體外，其他設備均是服務5年以上的老舊設備。最后，現有的生產機型品種多、零件防錯差異大、防錯邏輯建立困難。針對以上困難，本研究成立了多個跨功能小組，經小組多次現場觀察、討論，對柴油發動機裝配線條和裝配關鍵零件工位設備實施自主改造，搭建了云平臺管理系統。

2 汽車柴油發動機裝配的云平臺管理系統

針對汽車柴油發動機在裝配生產中存在的主要問題，本研究自主創新搭建了汽車柴油發動機裝配的云平臺管理系統，包含信息共享、信息透明、信息傳遞、信息存儲和工藝質量培訓云平臺。

2.1 資源和信息共享

云平臺管理系統通過工業互聯網技術將整個裝配工廠進行整合，把生產各環節互聯起來，實現計算資源、數據資源、信息資源的共享，相應的信息不再只由所屬部門監管，而是完全獨立。生產進度不再依靠車間負責人在車間挨個查問記錄，而是由后臺管理人員在后臺全方位實時把控車間情況。對系統集成車間設備進行集中控制管理，并與計算機之間進行信息交換，實時顯示設備狀態信息，并評估生產設備的各項性能，針對性地提高設備利用率。

2.2 信息透明化

以往，車間生產進度需等到每天工作結束再由負責人用紙質單統計，效率低且易出錯，紙質單傳遞還容易丟失，且要層層上報才知曉。然而，云平臺實時監控生產狀況可以通過各種圖表直觀地反映當前或過去某段時間的生產狀態，通過實時反饋生產計劃信息、車間作業完成情況、倉庫庫存、運輸進度等數據還可以讓管理者在第一時間做出下一步的決策，并將新的指令及時下發至車間。

2.3 高質量信息傳遞

以往信息溝通都是人員之間進行傳達，根據自己的理解去敘述，容易造成理解上的偏差。在云平臺管理系統上，所有的數據都是客觀反映，并且實時收集，不需要第三方傳達，管理人員想知道某個方面的信息數據，直接在后臺即可查詢處理，減少了因溝通不到位造成誤解進而影響生產任務的問題。

2.4 全數據追溯，信息可存儲

目前，在汽車制造領域主要應用以下兩種介質識別車輛：超高頻RFID TAG，主要用于整車制造；高頻RFID TAG，主要用于發動機/變速器裝配。高頻RFID工作在13.56 MHz頻率，讀寫距離小于0.2 m，由于受此限制，所以要求在應用時滿足以下條件：1）閱讀時TAG靜止。2）TAG和閱讀器要盡可能平行且接近。發動機和變速機的裝配工藝符合這兩個條件，因此該技術在發動機和變速機的裝配工藝中應用較為廣泛。比如，發動機裝配通常采用摩擦輪輸送線，發動機在進入裝配位置時是固定的，固定在托盤上進行輸送，而閱讀器安裝在TAG的正下方。這一特點造成發動機RFID識別和整車有較大的差別，具體差別有兩點：1）發動機采用高頻RFID。2）發動機每一個站都安裝閱讀器，而整車制造通常只在線頭、線尾安裝閱讀器。由于發動機每一個站都安裝了閱讀器，因此可考慮將業務指令和數據盡可能地存儲在TAG上，由PLC直接讀寫，這樣可以極大地減少PLC和MES的交互，比如西門子的高頻RFID。此外，TAG可支持64 KB容量的數據，因此可以把產品的主數據、上線日期、BOM、作業指令、裝配數據、追溯數據、維修記錄等都存儲在TAG上，因而一個TAG就相當于一件產品的作業手冊和裝配檔案。

汽車柴油發動機裝配的云平臺管理系統，經由MES系統配好配方，可知哪些工位需要安裝哪些關鍵防錯零部件以及擰緊程序號和擰緊次數、加注機的加注程序等，再由線體PLC與MES服務器通信，裝配線體上54個工位配好54個RFID，讀寫頭RFID再與PLC進行組態通信。當托盤在10工位時，即裝配起始位置，由MES系統配好的配方按照SAP訂單順序下發對應機型號、流水號、配方到PLC，再由PLC寫入到RFID里面，保存到托盤，托盤運行到后面工序時，再由PLC讀出10工序下的配方，進行程序選擇和零部件選擇，實現由訂單驅動、程序自動切換以及關鍵零部件防錯。此外，一些關鍵的裝配信息（壓裝機的壓力、擰緊機的扭矩和角度、關鍵零部件信息）可以反饋到MES系統進行保存。下面具體介紹5個案例。

2.4.1 四大件防錯系統

缸體、缸蓋、曲軸和連桿被稱為發動機四大件，其在發動機中具有十分重要的作用，發動機中的每一個零件要想正常工作都必須從四大件上獲取動力、潤滑油和冷卻水。傳統的裝配線是操作者熟練掌握四大件的自有特性，依靠操作工比對排產單。現自主開發云平臺管理系統后，MES在第一個工位下配方，PLC將配方寫入到RFID內的TAG中，在裝四大件的工位上讀取配方，根據配方內的機型號和流水號所對應的防錯規則，由PLC邏輯比對，比對成功后才允許放行，減少了批量錯裝情況。此外，四大件生產信息會上傳至MES，可長時效地進行質量追溯。

2.4.2 軸瓦選配防錯系統

發動機軸瓦分為主軸瓦和連桿瓦，燃燒室燃燒通過連桿推動曲軸轉動時，靠軸瓦來保證其工作。連桿瓦通過連桿內徑尺寸選配，主軸瓦通過缸體軸徑及曲軸外徑尺寸選配，傳統裝配線是依靠操作工目視查看零件外部的標識，通過選配規則換算拿取軸瓦裝配。現自主開發云平臺管理系統后，根據配方內的缸體和曲軸等級號，由PLC運算生產選配結果，并打開對應的主軸瓦柜門，減少了作業人員選錯軸瓦的情況。

2.4.3 汽缸墊選配防錯系統

汽缸墊是缸體和缸蓋之間的關鍵零件，它的選配是通過測量四個缸活塞的凸出高度獲得的。傳統的測量方法是操作者將千分表固定在專用工裝內，讀取測量表盤數據。現自主開發云平臺管理系統后，根據配方內的活塞凸出高度，由PLC運算生成選配結果，測量數據和汽缸墊選配組號并在顯示屏上展示，同時打開對應的氣缸墊柜門，減少了操作工讀錯測量數據和記錯測量數據而導致選錯氣缸墊的現象[9]。

2.4.4 加注液防錯系統

發動機的正常運行需要一定量的潤滑機油潤滑相關運動部位，同時需要一定量的冷卻液來降溫，以防止鋁制缸蓋高溫變形造成發動機故障。傳統的裝配線依靠操作工掌握的技能，通過機型比對選擇加注檔位，給發動機進行加注。現自主開發云平臺管理系統后，根據配方內的機型號和流水號所對應的程序號，由PLC邏輯控制后將程序號發給潤滑加油加注機，比對結果無誤則允許加注，加注機油量數據可追溯。同時，發動機托盤的放行指令需接收到加注機完成正確加注一次信號后，才能放行托盤，有效減少了操作工漏加、少加加注液及同臺發動機加注兩次的現象。

2.4.5 擰緊機/軸防錯系統

一臺發動機由上千個零件裝配組成，零件與零件之間是通過螺栓固定連接的。傳統的裝配線是通過操作工目視確認電動擰緊工具的指示燈判定擰緊是否合格后放行[10]。現自主開發云平臺管理系統后，將每個工序擰緊螺栓力矩規格和擰緊數量下發配方，根據配方內的機型號和流水號所對應的程序號，由PLC邏輯控制將程序號發給擰緊系統，擰緊次數和擰緊結果無誤則允許發動機放行，擰緊數據可追溯，減少了操作工螺栓漏擰和擰緊不完全就放行的現象。同時，擰緊數據會上傳至系統，根據發動機號也可查詢所需擰緊力矩[11]。

2.5 工藝質量培訓平臺

將裝配工藝要求和歷史質量問題通過轉換日常話語上傳至云端并生成二維碼，操作工通過手機掃碼學習能夠有效地避免因人為的失誤而造成發動機裝配質量的問題。在培訓平臺上，員工可以在手機上查看所有的培訓內容，極大地提高了培訓的便捷性、時效性、可接受度等，并且員工可隨時隨地對知識盲區進行再學習，避免新員工因不敢問而盲目操作帶來的質量問題。同時，培訓平臺數據庫可增加大量實際案例，提升員工對培訓知識的自主思考及應用能力。

3 結束語

隨著工業4.0時代的來臨，數字化工廠、智能制造成為制造業轉型的主旋律。根據大數據網搜索，國際大型汽車制造企業如上汽通用、美國福特、特斯拉等和中國一些造車新勢力公司如小鵬、理想等均在研發和應用MES系統，無線射頻技術、MES系統以及PLC在自動化生產線中的綜合應用給予了工業4.0一個良好的詮釋。本研究自主研發的云平臺管理系統，可自主創新底層數據模塊，包括配方的分離系統采集、重新定義平臺與各端口適配性、獲取底層信息及顯示；可自主建立智能高效的緩沖服務模塊端，有效消除網絡堵塞、延遲或無響應等外部服務器帶來的影響，能夠獨立應對，高效生產；可自主設計防錯邏輯，下達配方，通過程序和設備的交互作用，盡可能少依靠操作者的主觀判斷。將以上內容實施落地，可以使得發動機裝配線實現智能化組裝生產，并將品質過硬的汽車發動機交至客戶手中。