發動機凸輪軸智能生產線設計研究

[摘 要]隨著智能制造和工業4.0的快速發展，發動機凸輪軸生產線正面臨著從傳統制造向智能制造的轉型升級。文章通過對現有凸輪軸生產線的深入分析和智能制造技術的應用，提出了一種發動機凸輪軸智能生產線的設計方案，并探討了其在實際運維中的優勢與挑戰，旨在提高生產效率、降低成本，并實現高質量的產品生產。

[關鍵詞]發動機凸輪軸；智能生產線；設計與運維

[中圖分類號]TM73 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）06–0080–03

Design and Research of Intelligent Production Line for Engine Camshaft

ZHAO Jinguo，ZHOU Kangkang，CHEN Xiaojun，YE Libin，YANG Kang

[Abstract]With the rapid development of intelligent manufacturing and Industry 4.0， engine camshaft production lines are facing a transformation and upgrading from traditional manufacturing to intelligent manufacturing. The article proposes a design scheme for an engine camshaft intelligent production line through in-depth analysis of existing camshaft production lines and the application of intelligent manufacturing technology， and explores its advantages and challenges in practical operation and maintenance， aiming to improve production efficiency， reduce costs， and achieve high-quality product production.

[Keywords]engine camshaft； intelligent production line； design and operations

1 發動機凸輪軸智能制造生產線設計

1.1 發動機凸輪軸智能制造生產線總體設計

根據發動機凸輪軸智能制造生產線所需的加工用工業機器人、磨削系統、監控裝備要求和規格等，設計凸輪軸智能制造生產線總體布局如圖1所示。加工生產線長×寬=21.8 m×6.2 m，整線（預估尺寸）長×寬=27 m×6.7 m。

采用日本原裝FANUC 6軸機器人作為柔性執行單元，確保其動作精度及穩定可靠性。生產線采用研華工控機作為生產線總控單元，執行監控設備總控、權限管理及所有設備狀態、工單執行狀態等監控，可遠程監控設備及生產數據。支持MES制造執行管理系統。關鍵元件均采用國際知名品牌：控制執行MITSUBISHI、氣動執行SMC、傳感OMRON、配電SCHNEIDER、IDEC、MW、SATA桁架機構等，零部件均做表面防銹處理，嚴格達到防塵、防銹、耐久等功能，確保設備24 h自動穩定運行。

1.2 關鍵磨削工藝夾具的設計

針對凸輪軸割刀車削深槽時出現振紋的問題，文章設計了專用加長自定心浮動卡盤夾具，增加車削時的剛性，同時更改加工工藝采用左右循環漸進的進刀方式，當車削到0.1 mm左右余量時退下，重新采用更加緩慢的進刀方式。針對現有數控磨床加工凸輪軸上鍵槽和凸輪間角度公差很難保證±0.2 mm精度要求的問題，文章設計了凸輪軸夾持裝置，該夾持裝置直接固定在機床頭架上，同時鍵槽里采用單邊靠緊的錐形插銷定位裝置，因其能自動找正，很好地消除了間隙，保證角度公差。

1.3 倒立式深孔鉆加工設計

凸輪軸作為一種特殊的細長軸零件，其軸心必須加工出供潤滑油流動的通孔。凸輪軸柱面上還設有直徑較小的出油孔，采用普通鉆削軸心通孔時，鐵屑極易堵塞細小出油孔，一旦出油孔被堵塞就很難恢復通暢，因此凸輪軸軸心通孔的加工對于排屑具有更高的要求。

1.4 凸輪軸表面缺陷檢測技術

（1）凸輪軸凸輪表面區域的提取。以單次采集到的凸輪軸表面圖像為例，說明凸輪軸凸輪表面區域的提取過程。

（2）凸輪表面缺陷的提取。采用Gamma矯正的方法對凸輪軸凸輪表面提取后的圖像進一步增強其對比度，通過二值閾值化和輪廓提取可以得到凸輪表面缺陷的輪廓。通過對凸輪表面缺陷大小和周長的分析，將凸輪表面主要分為2類：面積較小為黑色狀缺陷與面積較大為凹坑狀缺陷。凸輪軸表面缺陷提卻和分類后的結果如圖2所示。

2 凸輪軸智能制造信息系統設計

2.1 信息系統設計總體思路

（1）數據訪問層。其負責管理數據訪問，基于數據庫訪問組件進行數據的各種操作。該層以Core DAO類庫為核心，通過核心類庫進行數據的添加、刪除、更新、查詢等業務操作，支持事務與并發處理；對于某些業務邏輯層次復雜或有跨數據庫平臺需求的系統，提供通過ORM（對象–關系映射）方式進行數據庫操作的類庫。

（2）業務邏輯層。其負責業務邏輯和系統邏輯的處理，以實現邏輯的合理分層與調用。該層通過調用數據訪問層進行業務數據的處理，同時響應外觀層的邏輯處理調用。文章對所涉及的計劃、作業、物料、質量等各業務邏輯進行了模塊化封裝，可在實施期通過參數的配置直接應用。

（3）外觀層。其提供一個SOA服務調用接口。經過良好的封裝，客戶端通過Services Provider框架核心類庫對各種服務進行統一的調用。該接口還為各系統與MES系統的集成提供方便。

（4）客戶端布署。設計的操作界面具有一致的風格（按鈕和菜單等），用戶界面友好，便于快速熟悉系統功能，掌握操作要點?？蛻舳瞬际鹗褂昧薈lick Once技術，可實現在線自動升級，避免了傳統客戶端在安裝、維護工作上的較大工作量。

信息系統基于DAO數據訪問組件進行數據庫處理，兼容目前市場上大多數關系型數據庫，考慮綜合性能及可維護性等原因，選用MySQL。

數據庫系統服務器，依據維護能力選擇Windows2008及以上版本。應用服務器選擇Windows2008及以上版本?？蛻舳诉x擇Windows XP及以上版本。

2.2 技術實現

（1） 數據傳輸安全。由于Web Services需要暴露在Intranet/Internet上，所以安全性方面采用Windows Communication Foundation （WCF）。WCF安全分為3個主要功能區域：傳輸安全、訪問控制和審核。傳輸安全提供完整性、保密性和身份驗證。

（2）移動設備支持。由于移動設備的操作系統各異，屏幕顯示尺寸不同，基于HTML5可以進行跨平臺使用，提供了前所未有的數據與應用接入開放接口，使外部應用可以直接與瀏覽器內部的數據直接相連。HTML5擁有更有效的服務器推送技術，Server–Sent Event和WebSockets是其中的兩個特性，這兩個特性能夠實現服務器將數據“推送”到客戶端的功能。文章采用了HTML5技術來開發可配置的各類可視化看板等數據顯示內容，可以完全支持安卓、蘋果、Win8等各類移動終端。同時，針對市場上普遍應用的工業用手持移動終端開發了相應的客戶端應用程序，以便于使用，實現快速便捷的作業操作。

（3）參數建模技術。系統平臺以業務功能模塊為基本單元，通過配置模塊解決方案參數文件或修改數據庫表格中參數值，實現面向企業級業務過程進行“參數化建模”，做到無需修改源代碼即實現改變系統的行為（界面、工作流程），提供解決參數配置功能，能讓這些組件按企業要求完成最佳實踐的邏輯配置，使系統的運行流程符合文章的實際生產、管控要求。

3 MES系統設計

文章設計的MES系統過程控制技術采用面向復雜制造過程的零部件跟蹤管理、齊套控制，以批號或單件號為標識對車間在制品進行規范管理，依據物料單件號或批號記錄各生產工序零部件加工過程、質量等信息，通過基于單件號或批號的全生命周期狀態控制，實現對訂單和物料信息的全生產過程跟蹤及產品質量履歷追溯。

同時，MES系統體系結構技術采用基于SOA組件的體系結構設計，在行業MES領域框架的基礎上，通過裝配通用組件和領域組件所形成的軟件系統，MES系統內部各個組件之間通過接口完成松散耦合交互，并且從數據層、業務邏輯層和表示層3個層次提供與外部其他應用系統的集成接口，使其具有很好的可配置性、可重用性、可擴展性和可集成性。

另外，MES系統建模技術采用基于工作流的系統建模技術，可以將MES業務邏輯從具體的業務實現中分離，實現不修改具體功能模塊（硬件環境、操作系統、數據庫系統、編程語言、應用開發工具、用戶界面）的情況下，通過修改過程模型來完成系統功能的改變或系統性能的改進，流程再定義技術能夠靈活地將各類應用功能連接在一起，快速完成企業系統的搭建。

MES系統涵蓋功能業務范圍如圖3所示。

4 軟件集成接口管理

（1）基于XML標準的Web接口數據集成。利用XML進行異構數據集成。XML為基于Web接口的應用軟件賦予了強大的功能和靈活性，Web數據可被XML唯一地標識，XML能夠使不同來源的結構化的數據很容易地結合在一起。與不同的數據源進行交互時，只通過一種標準語言XML進行交互，數據可以在不同數據庫中傳遞。

（2）中間數據表或中間數據文件交換方式。異構格式數據的流動需要采用一種中間格式數據或一種提取元數據的方法作轉化。利用接口完成數據轉換功能，利用中間數據表或EXCEL作為中間數據格式保存轉換的結果，達到數據交換的目的。

（3）基于API接口函數、數據庫級進行數據交換。依據EBS的API及數據庫表結構，MES通過調用對方API或對方調用MES提供的API形式，以及雙方進行數據庫級數據共享模式，進行基礎數據或業務數據的交換、共享。

5 凸輪軸智能制造生產線應用

（1）數據驅動的可視化管理。通過數據驅動的可視化管理，實現了智能化的設備點檢，通過軟硬件集成，實現了智能化的運維。信息系統中具有以下功能模塊：關鍵設備的日常點檢、維保計劃管理、備品備件管理、故障字典與故障分析、狀態實時監控等。作業開機前，未完成設備點檢作業任務，凸輪軸的智能制造生產線無法開機運行。設備開工前，員工需對設備進行日常點檢，確認合格后，才能開機；設備管理人員需對設備制訂維護保養計劃，對設備進行定期的維護保養；設備故障時，記錄故障原因及維修記錄，實現企業對設備的智能化管理。對刀具磨損及生產計量進行監控提醒。

（2）智能化質量派工。智能化質量派工與智能制造生產線MES系統集成，如未完成首件檢驗、定時定量抽檢任務等，智能制造生產線無法執行批量生產作業任務。

（3）加工參數在線補償與調整。通過數據聯動，對凸輪軸智能制造生產線有關工序實現加工參數的在線補償與調整。這樣，無需到設備終端數控系統修改參數，實現了工藝過程的在線控制。

6 結束語

文章所提的發動機凸輪軸智能生產線的設計與智能運維策略，通過引入智能制造技術和先進的管理理念，實現了生產過程的自動化、智能化和高效化。這不僅提高了生產效率和質量水平，還為制造業的可持續發展注入了新的活力。

參考文獻

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