智能化檢測在自動化柴油機加工生產線的高效應用

王維震 王政 朱啟增 安傳鋒

摘要：加工數據不只是流動、儲存，更多的是要與設備融合起來，為設備提供決策，實現預警、報警和修正。P系列柴油機自動化加工線便是融合了智能檢測、智能傳輸、智能分析計算反饋修正的一條生產線，現對其實現自動化、無人化生產過程進行分析。

關鍵詞：工業4.0;自動化;智能檢測;在線測量

中圖分類號：TP29? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2024）11-0022-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.11.006

0? ? 引言

工業4.0時代已經到來，傳統的生產線正逐步被自動化生產線所替代[1-2]。自動化生產線實現了高效、高質量、少人化生產，但同時也帶來了一定的質量風險[3-4]。因此，單純的自動化生產線已無法達到工業4.0的要求，而高度智能化生產線一定具備兩個流——實物流和數據流，高度智能的數據流對當前生產線建設非常重要。

1? ? P系列柴油機自動化加工線介紹

該生產線是一條自動化、信息化黑燈生產線，共15個工序，18臺設備，設計產能10萬臺/年。計劃員使用企業資源計劃（Enterprise Resource Planning，ERP）下達生產任務，數據自動傳輸至制造執行系統（Manufacturing Execution System，MES）（圖1），激光打刻機接收MES計劃，根據任務號辨別半成品件號是否符合生產計劃，若符合，則該工件由桁架機械手抓取，向后流轉，若不符合，則由機械手抓取到剔料工位，向后流轉的機械手全程的流動均通過桁架機械手、關節機械手、輥道等自動化設備進行，各工序的加工設備均是自動化加工設備，機加工設備采用進口設備，輔機采用國內知名廠家產品，各工序配備了視覺檢測、壓力位移檢測、在線測量測頭及柔性在線測量設備，實現了全過程、全尺寸100%在線檢測，其中在線測量測頭具備補償功能，主要補償加工位置及其他相關尺寸。

2? ? 加工中心柔性化檢測

2.1? ? 加工程序選擇智能自動化

P系列發動機匹配客戶比較多，涉及重卡、船機、農機、工程機械、客車等領域，配套多必然造成件號較多，目前工件件號達到54個。該生產線前5道工序為機加工工序，使用加工中心加工，以往都是人工通過肉眼檢查工件件號，然后通過紙質加工程序匹配表查找該機型應該用的加工程序，再通過人工在加工中心選擇加工程序，該過程存在極大風險，肉眼看件號、匹配加工程序、選擇加工程序這三個過程容易看錯、記錯、選錯，造成工件報廢。該生產線通過加裝二維碼自動掃描儀，并將掃描儀與加工中心連接，實現了將掃描儀讀取的信息傳遞到加工中心可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC），再由PLC傳遞至數字控制（Numerical Control，NC），將讀取的信息最終自動轉化成所需要的加工程序（圖2）。該過程全程無人工參與，杜絕了人為原因造成的加工質量問題，節省了換型時間，提高了加工效率。

2.2? ? 加工刀具斷刀檢測自動化

刀具在加工過程中由于加工硬點、刀具自身質量、工件硬度變化等原因，經常會發生斷刀問題，由于生產線無人化，該問題一旦發生，將會形成批量質量問題。為解決該問題，對加工中心進行了改造，加裝了刀具在線檢測設備（圖3），該設備與機床互聯互通，通過監控主軸力矩，監測刀具是否有斷刀、蹦刃等問題，一旦力矩變化趨勢不良或有突發變化情況，機床將針對監測設備提供的信息，發出警報或直接停機。該設備能準確發現斷刀及不良加工行為，不僅能夠防止質量問題，同時也替代了原有的人工強制換刀管理方式，延長了刀具壽命，減少了換刀時間，提高了加工效率，降低了生產成本。

2.3? ? 在線測量測頭在加工中心的應用

為提高加工效率，本產線加工中心采用雙托盤模式。雙托盤加工精度不如單托盤穩定，以往為了保證加工精度，每臺機床均要送檢三坐標，用以檢查工件位置尺寸的加工穩定性，并進行人工調整。該檢測方式雖然檢測精度高，但也存在以下兩個問題：首先，時效性差，受檢測資源的限制，每臺機床每個托盤每周僅能送檢一次，一旦位置尺寸偏差大，將形成批量質量問題;其次，一旦位置尺寸靠近公差上限或下限，需人工調整機床加工程序，調整過程中，人工易調反方向或輸錯數值，導致位置尺寸偏出公差，從而造成批量質量問題。為解決這兩個問題，生產線引進在線測量測頭系統（圖4），每臺工件加工前，都對托盤進行檢測，實時獲得托盤的實際位置，并將測得的數據寫進NC中，機床自動計算，更改加工程序參數，確保工件位置尺寸始終保持在中間公差。該檢測方式實現了工件位置尺寸100%在線測量，同時實現了數據的自動補償，保證了產品質量，杜絕了人工參與造成的風險。

2.4? ? 柔性在線測量設備在加工線的應用

以往加工尺寸的測量全部由人工靠測量檢具檢測，每天測量約10件左右，測量比例較低，不能及時發現問題，并且在檢測過程中操作者容易看錯表，導致出現質量問題時無法發現。為解決該問題，生產線根據加工尺寸，設計了在線測量機（圖5），對加工尺寸進行100%檢測。該設備使用關節機器人抓取測量檢具，工件舉升定位，測量前使用空氣清理設備清理工件鐵屑，工件編碼與測量數據綁定，測得的數據上傳至MES及質量大數據分析專家（Quality-Data Advanced System，Q-DAS）。MES用于儲存測量數據，作為追溯使用，Q-DAS則對數據進行統計過程控制（Statistical Process Control，SPC）分析，用于研究生產線過程能力，通過對數據的研究，可及時發現機床、夾具、刀具問題，采用相應措施及時規避問題的發生，通過對過程的不斷改進，提升過程能力。當前，該線機加工過程能力（Complex Process Capability，Cpk）指數已經由原來的1.2提升至1.53，提升比例達到了28%，產品合格率達到了99.98%。

3? ? 輔機智能化檢測

3.1? ? 視覺檢測技術

為實時監督生產過程質量，在生產線8個工序中配備視覺檢測（圖6），實現過程質量100%監控，當視覺檢測發現異常時，機床自動報警停機，需要人為進行確認。視覺檢測內容有：碗形塞底孔自動涂膠后是否斷膠、噴油器孔密封圈是否裝配到位、裝配用結合面有無異物、零部件是否漏裝、工件有無多/漏加工等。同時，建立視覺檢測有效性驗證管理辦法，每周對各個視覺檢測工序進行有效性驗證，確保檢測結果真實有效。

3.2? ? 光學檢測技術

對于工件倒角角度、倒角大小等不便測量項目，生產線配備兩臺光學檢測設備（圖7），并與生產線串聯，分別檢測缸體缸孔倒角和缸蓋閥座孔倒角，能夠實時檢測倒角角度和倒角大小，并可清晰直觀地查看所計算的統計數值，然后根據設計條件自動判別控制圖有無異常，便于質量實時監控。

3.3? ? 壓力位移檢測技術

P系列發動機有大量壓裝尺寸需要控制，例如碗形塞、氣門導管、氣門閥座、凸輪軸襯套等均采用電缸壓裝，位移壓裝尺寸均使用機械限位控制，但隨著機械限位工裝的磨損，該類壓裝尺寸會發生變化，直至不合格，并且不易發現。為解決該問題，P系列發動機生產線所有壓裝尺寸均采用壓力位移法控制（圖8），該方法可精準控制壓裝尺寸，一旦壓裝不正常，設備會報警停機，避免出現質量問題。該方法的應用大大降低了操作者測量強度，同時規避了壓裝尺寸超差的風險。

4? ? 結束語

發動機的加工是一個復雜的工藝系統，各項加工指標都較難控制，因此一條高度自動化、信息化、智能化的生產線非常重要。本文所述生產線能在解決工藝難題的同時，解決加工尺寸檢測自動化、智能化的問題，可為本行業或其他行業零部件生產線建設提供參考。

[參考文獻]

[1] 屈力剛，王陽，李靜，等.機械加工檢測技術的現狀及智能化發展[J].智能制造，2023（5）：22-26.

[2] 王維震，鄭世魁，楊國濤，等.基于數學邏輯的刀具補償技術研究與應用[J].機電信息，2023（17）：77-79.

[3] 顧峰，陸洋，丁勝明.基于在線檢測技術的混線生產應用研究[J].現代車用動力，2023（1）：41-44.

[4] 吳義榮.數控車床在線檢測及偏差自動補償的實現方法[J].金屬加工（冷加工），2022（3）：74-78.

收稿日期：2024-01-29

作者簡介：王維震（1987—），男，安徽宿州人，工程師，研究方向：內燃機制造技術。