智能制造在發動機缸體機加工質量雙追溯—雙閉環體系應用

摘 要：隨著汽車工業的發展，發動機缸體機加工的質量控制要求也不斷提高。但在復雜的加工環境下，傳統的質量追溯與控制手段，難以滿足高質量要求，存在信息孤島、數據不連貫、溯源效率不高等問題。本文提出了“雙溯源-雙閉環”的發動機缸體機加工質量基于智能制造的體系。通過設計缸體機加工的質量追溯系統，實現了從原材料到成品的全過程追溯，并通過流程閉環和質量閉環相結合，構建了加工參數和工藝流程實時調整的雙閉環控制體系，從而提高了質量控制的精準性。結合實際應用案例，驗證了該系統在改進缸體加工質量和提高生產效率方面的有效性和可行性，以期為提高缸體加工的質量控制水平和生產效率提供參考。

關鍵詞：智能制造 缸體機加工 雙追溯體系 雙閉環控制 質量控制

1 緒論

在制造業不斷發展的今天，企業競爭的關鍵在于產品質量的提高和生產效率的提高。作為汽車制造的核心部件，發動機缸體的加工質量對整車的性能、可靠性有著直接的影響。雖然傳統的缸體機加工工藝已相當成熟，但由于數據收集不全、質量問題難以追溯等原因，在質量控制和溯源上還存在著不小的問題。智能制造技術正是為了解決這些問題而產生的。智能制造實現了生產過程的智能管理和質量控制，將先進的傳感技術、大數據分析和人工智能融合在一起。本文旨在探討智能制造在發動機缸體機械加工中的應用，尤其是在設計和實現質量雙溯源、雙閉環控制系統方面，以期為在發動機缸體機械加工中應用智能制造技術提供借鑒。

2 發動機缸體機加工的工藝流程與質量控制現狀

2.1 缸體機加工流程概述

發動機缸體機加工是一個復雜且精密的過程，需要先對氣缸體毛坯進行鑄造或鍛造后的外觀檢查，做到無明顯瑕疵。對毛坯進行了初步清理，并進行了去刺處理，準備進行后續處理。通過數控機床對坯料進行粗加工，將其中多余的多數材料去除。主要工藝有缸體底面、側面、頂面的銑削加工，缸孔、油孔、水孔的鉆削、鉸接加工等。粗加工階段需要保證坯料的基本大小、形態達到后續精細加工的要求。精加工主要包括鏜孔，珩磨缸孔，銑削缸蓋安裝面，鉆孔，攻絲螺紋孔等，是缸體機加工的核心環節。這些工序需要高精度的數控機床和先進的刀具才能保證圓度、直線度和缸孔表面粗糙度達到設計要求，而這些刀具都是需要經過高精度的數控機床和先進的刀具磨機對缸孔進行精細研磨，以保證缸孔表面光潔度和尺寸精度，是精加工缸孔的關鍵工序。在磨礪的過程中，為避免缸孔表面出現劃痕或燒傷，需要嚴格控制其壓力、速度和磨礪液體的流速。缸體在加工完成后，需要對表面的碎屑、油污等進行一次徹底的清洗。清洗后的缸體進行了包括尺寸檢測、表面粗糙度檢測、缸孔圓度和直線度檢測等多項檢測，以保證各項指標都達到了標準，同時也保證了缸體內部的缸體與缸蓋、活塞、連桿等其他部件組合而成[1]。在組裝完成后，還要進行包括氣密性試驗、動力平衡試驗等在內的最終測試，以保證引擎的整體表現及可靠性。

2.2 當前質量檢測與溯源問題分析

當前，發動機缸體機加工在質量檢測與溯源方面存在若干問題：（1）數據采集不全面，許多工序依賴人工記錄，容易出現遺漏和錯誤，導致數據不準確；（2）質量檢測手段單一，主要依靠傳統的手動測量和目視檢查，難以實現全程實時監控和高精度檢測；（3）質量問題的追溯難度大，一旦出現缺陷，很難快速定位到具體的加工環節和責任人，影響問題的及時解決和預防措施的制定；（4）信息孤島現象嚴重，各工序之間的數據缺乏有效整合和共享，導致質量管理的碎片化，難以形成系統的質量控制體系。這些問題不僅影響了生產效率和產品質量，還增加了企業的運營成本和風險。因此，亟需引入先進的智能制造技術和系統，實現全面的質量檢測與溯源，提升缸體機加工的整體管理水平。

3 智能制造在缸體機加工中的應用框架

智能制造系統架構設計：智能制造系統在發動機缸體機加工中的應用框架設計旨在實現全流程的智能化管理和質量控制。生產過程中的各種數據包括加工參數、環境條件以及設備狀態等，通過安裝各種傳感器以及視覺攝像機、激光測距儀、溫度傳感器等各種智能設備，并實時采集。將感知層采集到的數據通過工業因特網和無線通信技術傳輸到中央服務器或云端平臺，從而達到實時傳送、存儲數據的目的。為采集的數據進行清洗、整合、分析，并從中提取有價值的數據和洞察，搭建一個大數據處理和分析平臺。平臺層還支持實現預測性維護和智能決策的機器學習和人工智能算法。開發生產管理系統、質量追溯系統、設備管理系統等各種應用系統，實現可視化管理生產過程，實時監控，溯源質量[2]。同時支持移動終端訪問，方便現場操作者對生產過程、資源進行實時查看和操作，同時，它還支持基于數據分析結果的決策，幫助管理員及時發現和解決生產問題。

4 缸體機加工質量雙追溯體系設計

4.1 質量追溯數據模型與系統架構

質量追溯體系的數據模型與系統架構是實現全面質量監控和精準追溯的關鍵。感知層實時采集生產過程中的數據，包括加工參數、環境條件和設備狀態等，通過安裝各種高精度傳感器（如可視攝像機、激光測距儀、溫度傳感器等）。網絡層將感知層采集到的數據傳輸到中央服務器或云平臺上，以保證數據的實時可靠，利用工業互聯網和無線通信技術。數據層在中央伺服器或云端平臺建立數據倉庫及數據庫，以清洗、整合及儲存所收集的數據。數據層還包括確保數據安全完整的數據備份和恢復機制。分析層對存儲的數據進行深度分析，并通過大數據分析和人工智能算法，提煉出寶貴的洞見。分析層支持實時監控，支持趨勢分析，支持異常偵測，對發現的問題，及時的幫助解決。應用層開發生產管理系統、質量追溯系統、設備管理系統等各種應用系統，實現可視化管理生產過程，精準追溯質量問題。應用層還支持手機終端存取，便于現場操作人員實時查看并進行操作。決策層以數據分析結果為基礎，為管理人員優化生產流程和資源配置、提升生產效率和產品質量提供智能化決策支持。

4.2 雙追溯系統的實現與數據鏈路設計

通過建立完整的數據鏈，雙追溯系統實現了從原料到最終產品的全程品質追溯，實現了產品的全過程品質追溯。對加工參數、環境條件、設備狀態等數據進行實時采集，在每個關鍵工序安裝高精度傳感器。這些數據被傳送到中央服務器或云平臺，通過工業互聯網。在中央服務器或云平臺上，建立數據倉庫，清洗、整合、存儲收集到的數據。在數據整合時，使用數據整合演算法來確保數據的連貫性與精確性。例如，數據整合公式是：

其中，Di是第i個傳感器的數據，wi是第i個傳感器的權重。建立完整的數據鏈路，從原料入庫到成品出庫，每一個環節的數據都關聯到相應的流程和操作人員，保證了數據的可追溯。數據鏈路通過產品序列號等唯一標識符將各工序的數據記錄連接起來[3]。質量追溯系統的開發，按照產品的序列號、批次號等信息，提供圖形化界面并支持追溯查詢。系統對具體的處理環節和責任人進行快速定位，并能提供詳盡的可追溯的報表。

5 缸體機加工質量雙閉環控制體系設計

5.1 雙閉環控制體系概述

雙閉環控制系統是智能制造實現缸體機加工環節全面質量控制的重要手段，旨在保證生產過程的穩定性和產品質量的可靠性，通過流程閉環和質量閉環的協同作用，實現缸體機加工環節的全面質量控制。工藝閉環控制主要注重生產過程中的實時監控和參數調節，加工參數（如溫度、壓力、速度等）通過傳感器和控制系統實時監控，發現偏差后自動調節，從而保證了加工過程的穩定性。質量閉環控制則側重于產品質量的不斷提升，通過質量檢測系統對成品數據進行采集，對質量指標（如尺寸精度、表面粗糙度等）進行分析，并向生產管理系統傳遞反饋信息，對優化調整生產參數進行指導。

5.2 過程閉環控制系統設計

過程閉環控制系統是雙閉環控制系統的重要組成部分，通過在關鍵的加工設備和工位上安裝高精度傳感器，對加工參數，如溫度、壓力、速度、振動等進行實時監測，從而實現對加工設備和工位這些傳感器可以實時地提供數據，保證準確及時地進行監測。通過工業互聯網和無線通信技術，向中央控制系統實時傳輸傳感器采集的數據。要保證數據在傳輸過程中的完整可靠，避免數據遺失或延遲等情況的發生。中央控制系統通過先進算法（如PID控制算法）對接收到的數據進行實時監控和分析，及時發現處理過程中的異常情況，從而對數據進行處理[4]。自動調節控制參數，如調節機床轉速、進給率或冷卻液流量等，當系統檢測到加工參數偏離預設范圍時，保證加工過程恢復正常狀態。通過反饋機制對調整后的參數進行再次監測，使之形成一個閉環的管控。

5.3 質量閉環控制系統設計

質量閉環控制系統是雙閉環控制體系的另一重要組成部分，通過在關鍵工序和最終檢驗環節部署高精度檢測設備，如三坐標測量機（CMM）、光學測量儀和表面粗糙度儀等，對加工后的缸體進行全面檢測，包括尺寸精度、形位公差和表面粗糙度等質量指標。通過工業互聯網和無線通信技術，將檢測數據實時傳輸到中央質量管理系統。數據傳輸過程中應確保數據的完整性和準確性，避免數據丟失或錯誤。中央質量管理系統對接收到的數據進行實時分析，使用統計過程控制（SPC）等方法，識別質量波動和異常情況。系統生成質量報告，提供詳細的分析結果和改進建議。例如，SPC控制圖可以用來監控關鍵質量指標的變化趨勢：

其中，是平均值，σ是標準差，UCL和LCL分別是上控制限和下控制限。根據質量反饋信息，調整生產參數和工藝流程，如修改刀具路徑、優化切削參數或調整冷卻液流量等[5]。調整后的參數通過反饋機制再次進行檢測和分析，形成閉環控制，確保質量問題得到有效解決和預防。

6 智能制造體系在缸體機加工中的實際應用案例

6.1 案例背景

北京奔馳發動機工廠自2014年起引入先進的智能制造解決方案，實施了“雙追溯-雙閉環”的質量管理策略，構建了一個貫穿生產全流程的智能平臺。通過采用隨行托盤技術、RFID技術和Prisma系統，實現了工件加工信息流的有效追溯；利用QDA系統進行質量信息流的追溯與分析，確保了產品質量的可追溯性和穩定性。這些措施不僅達到了IT6級別的加工精度和0.1μm的在線測量精度，還顯著降低了不良品率，達到了德國戴姆勒公司的高標準要求。

6.2 實施方案

北京奔馳發動機工廠在缸體機加工中，采用隨行托盤技術，每個托盤配備RFID芯片，用于存儲工件的加工信息，確保信息的連續性和準確性。利用Prisma系統實時收集和監控生產線上的各種數據，包括機床狀態、加工參數、報警信息等，實現生產過程的透明化管理。通過QDA系統記錄和分析所有在線測量結果，包括三坐標測量、粗糙度檢測等，確保每個加工環節的數據均可追溯。同時，建立“雙追溯-雙閉環”質量管理體系，通過實時數據采集和分析，及時發現并解決生產中的質量問題。結合智能化管理和反饋機制，優化加工參數，提高加工精度和效率，確保生產過程的高效性和產品質量的穩定性。

6.3 系統應用效果分析

通過引入智能制造體系，北京奔馳發動機工廠在缸體機加工中取得了顯著成效，具體如表1所示。

加工精度從IT7提升至IT6，提升了1個等級；在線測量精度從0.5μm提高到0.1μm，提升了4倍。不良品率從0.8%降至0.2%，下降了75%；生產效率從60件/小時提高到80件/小時，提升了33.3%。數據追溯率從80%提升至100%，提高了20%；質量問題響應時間從30分鐘縮短至10分鐘，縮短了66.7%。過程能力指數Cpk從1.3提升至1.67，提升了28.4%。這些改進顯著提升了產品質量和生產效率，達到了德國戴姆勒公司的高標準要求。

7 結語

在發動機缸體機加工中應用智能制造，使生產過程的透明性、質量可控性通過構建質量雙追溯、雙閉環控制體系而得到明顯提高。通過高效率的數據搜集和實時監控，在降低質量波動風險的同時，保證了在生產過程中各個環節的精確追溯和調整。同時，雙閉環式控制系統可以實現過程和質量的動態優化，使產品的連貫性和可靠性得到進一步的提高。智能制造技術的應用，為缸體機加工行業實現高效、優質生產提供了堅強保證。

參考文獻：

[1]石磊，王冬巖，秦艷波.基于數控技術的發動機智能制造工廠數據采集分析[J].中國機械，2024（25）：56-59.

[2]宋佩林.發動機裝配車間數字孿生技術研究與應用[D].長春：長春工業大學，2024.

[3]李進都，劉子儀.智能制造技術在發動機工廠的應用與展望[J].汽車制造業，2020（13）：10-11+14.

[4]劉西欣，陳凱，楊柳，等.智能制造在發動機缸體機加工質量雙追溯-雙閉環體系應用[J].汽車工藝師，2020（Z1）：42-45.

[5]夏春山，李蓉，劉揚，等.基于智能檢驗設備的發動機制造數據協同管理研究和實踐[J].智能制造，2019（06）：45-50.