機車用柴油機氣缸蓋智能化生產(chǎn)的探討

王軍，王功烜，于逸宸

（大連中車柴油機有限公司，遼寧 大連 116021）

內(nèi)燃機車是鐵路建設(shè)必須的運輸工具，戰(zhàn)略運輸工具的一種，有著長遠的戰(zhàn)略發(fā)展前景。其核心部件為柴油機，而氣缸蓋是柴油機核心部件之一。氣缸蓋是一種具有復(fù)雜內(nèi)腔的方箱類零件，加工精度要求高，加工過程中多數(shù)部位采用加工中心完成，工序生產(chǎn)集中，實現(xiàn)智能化制造較其它柴油機核心部件更容易一些，特別適合目前機車用柴油機多品種小批量的生產(chǎn)模式，實現(xiàn)氣缸蓋智能化制造后，可向其它柴油機核心部件逐漸推廣，改變傳統(tǒng)的單機生產(chǎn)模式，大幅提高生產(chǎn)效率。

1 加工工藝路線

機車用柴油機氣缸蓋一般的制造工藝如圖1。

圖1 氣缸蓋生產(chǎn)工藝流程圖

（1）劃線作為氣缸蓋的加工初始基準。毛坯劃線和加工定位基準可由毛坯制造廠做好，到加工廠直接以此基準定位進行加工。

（2）加工低壓面和高壓面可采用數(shù)控立車進行車削加工，氣缸蓋高壓面有止口結(jié)構(gòu)或是有特殊的表面加工要求，采用數(shù)控立車加工滿足其設(shè)計要求。

（3）加工周邊、低壓面孔系、高壓面孔系，一般都采用臥式加工中心，專用夾具裝夾進行加工。

（4）一般采用液氮冷卻閥座后進行選配安裝。

（5）加工閥座與導(dǎo)管孔，是氣缸蓋加工中的關(guān)鍵之一，可采用立式或臥式加工中心加工。

從以上工藝過程可以看出，氣缸蓋的加工使用數(shù)控設(shè)備完成，工序集中，是最適合智能化生產(chǎn)的部件，設(shè)計智能化生產(chǎn)線也是最容易的。因此，建設(shè)氣缸蓋智能化生產(chǎn)線，可以為其它零部件的智能化制造積累經(jīng)驗，逐漸推廣智能化制造。

2 氣缸蓋智能化生產(chǎn)線的設(shè)計方案

智能化生產(chǎn)線設(shè)計方案由4個模塊組成：智能化制造系統(tǒng)、數(shù)字化系統(tǒng)、信息化系統(tǒng)、智能物流系統(tǒng)組成。由各制造單元，即數(shù)控立車和臥式加工中心組成的智能加工單元，閥座安裝單元，打磨單元，清砂清洗單元，部件組裝單元，組成的氣缸蓋智能制造線。在制造過程中各生產(chǎn)環(huán)節(jié)，產(chǎn)品、人員識別系統(tǒng)采集的相關(guān)產(chǎn)品編號、作業(yè)人員數(shù)據(jù)相應(yīng)直接導(dǎo)入至MES系統(tǒng)中，使缸蓋的生產(chǎn)進度和人員的報工形成信息化。在各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，產(chǎn)品、人員識別系統(tǒng)及自動檢測系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)相對應(yīng)的直接由各系統(tǒng)導(dǎo)入PQSAFE數(shù)據(jù)庫中。同時，在裝配過程中，需要產(chǎn)品質(zhì)量信息，可通過產(chǎn)品識別直接從PQSAFE數(shù)據(jù)庫讀出，并通過WMS系統(tǒng)精準配送。應(yīng)用MMS系統(tǒng)，對智能制造線中的各設(shè)備進行運行監(jiān)控，可實時顯示出各設(shè)備的利用率和維護狀態(tài)，使管理人員能夠及時了解設(shè)備狀況調(diào)整生產(chǎn)狀態(tài)。在制造過程、倉儲之間，物料的輸送采用智能物料運送系統(tǒng)，在線數(shù)據(jù)與WMS系統(tǒng)共享。如圖2所示。

圖2 氣缸蓋智能化生產(chǎn)線設(shè)計方案

2.1 智能化制造系統(tǒng)

（1）FMS柔性加工線。柔性加工線完成缸蓋所有加工工序，是由多臺加工中心、數(shù)控立式車床和FMS柔性系統(tǒng)組成，F(xiàn)MS柔性系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、軌道堆垛車、上下料站、工作臺存放架組成，見圖3所示。柔性控制系統(tǒng)可以控制堆垛機、機床的運行，可以控制多個自動化單元和手動單元生產(chǎn)，既可控制多機同時生產(chǎn)，也可進行單機生產(chǎn)，在顯示界面中顯示各設(shè)備運行狀態(tài)?？蛇M行工作量計算，生產(chǎn)能力模擬，形成生產(chǎn)報告和利用率報告，對數(shù)據(jù)進行智能分析，控制線內(nèi)設(shè)備平衡生產(chǎn)，從而實現(xiàn)智能化生產(chǎn)管理，在配置足夠工作臺及夾具，所有加工中心配置足夠刀具數(shù)量的情況下，將工件預(yù)先裝夾好，由堆垛機送到存放架暫存，系統(tǒng)根據(jù)加工產(chǎn)品工序節(jié)拍智能分配到機床進行加工，使線內(nèi)機床資源的運用率最優(yōu)化。同時配有故障診斷及故障機屏蔽功能。刀具破損檢測及自動更換姊妹刀具，并提醒作業(yè)人員更換刀具。加工設(shè)備配置自動檢測裝置，產(chǎn)品加工完成后，可對關(guān)鍵部位尺寸進行自動測量。完成工序的產(chǎn)品，控制系統(tǒng)可控制堆垛機將工序成品送至裝卸料站或存放架。FMS柔性加工線可同時生產(chǎn)多種產(chǎn)品的多個工序，達到無人化生產(chǎn)。

圖3 FMS柔性加工線組成示意圖

（2）缸蓋閥座組裝線。機車用部分柴油機氣缸蓋由于其設(shè)計要求，閥座組裝后進行再加工，保證閥座氣門密封面與導(dǎo)管孔的形位公差要求。將閥座組裝工序獨立形成一條小型組裝線，組裝線由上下料機器人、傳送帶、閥座孔清洗裝置、閥座冷凍機、閥座壓裝機、組裝線控制系統(tǒng)組成。

（3）自動打磨設(shè)備。加工工序完成后，進入缸蓋的加工毛刺、加工面與毛坯鑄造表面間的棱邊銳角打磨工序，由機器人將缸蓋送入打磨設(shè)備，設(shè)備自動對缸蓋表面進行打磨，然后機器人取出缸蓋放在傳送帶上，輸送至清洗線中。

（4）自動清砂清洗線。自動清砂清洗線由智能控制系統(tǒng)、清洗機、清砂臺位、傳送帶組成，用于缸蓋水腔、氣道的清理和清洗。智能控制系統(tǒng)可根據(jù)各打磨工位和各清洗設(shè)備的生產(chǎn)節(jié)拍，自動向相應(yīng)的清洗機或清砂臺位進行缸蓋輸送。

（5）智能組裝線。①智能組裝線配置相應(yīng)數(shù)量的并行傳送帶：在小部件組裝中，部分工序可并行（如水腔堵和噴油器護套的組裝），或是按產(chǎn)品數(shù)量比例進行（如，缸蓋高壓面的高壓試驗），控制系統(tǒng)能夠根據(jù)組裝工序及各工序節(jié)拍實現(xiàn)智能生產(chǎn)管理。②配置自動組裝水腔堵裝置，噴油器護套組裝裝置，水腔低壓試壓裝置，導(dǎo)管壓裝裝置、閥座與氣門研配裝置等；組裝線在一定程度上能夠控制這些裝置，保證缸蓋的組裝質(zhì)量和作業(yè)時的人員安全，如水腔低壓試驗時間，導(dǎo)管壓裝時的人員安全監(jiān)測報警等。

2.2 數(shù)字化系統(tǒng)

（1）打印標記及二維碼識別系統(tǒng)。①使用激光打標機在產(chǎn)品上打印二維碼，作為產(chǎn)品的唯一標識。②在智能化制造系統(tǒng)中的各生產(chǎn)單元中配置二維碼識別系統(tǒng)，即在柔性加工線、閥座組裝線、自動打磨設(shè)備、清砂清洗線、智能組裝線中，配置二維碼識別系統(tǒng)，并與MES、WMS和PQSAFE系統(tǒng)集成。每個缸蓋每完成1個生產(chǎn)環(huán)節(jié)，進行二維碼識別，相關(guān)數(shù)據(jù)實時更新至MES、WMS和PQSAFE數(shù)據(jù)庫，能夠進行實時生產(chǎn)監(jiān)控和質(zhì)量監(jiān)控。并在需要時，生產(chǎn)崗位人員能夠讀取產(chǎn)品質(zhì)量信息，如閥座組裝時，識別產(chǎn)品二維碼可讀出缸蓋閥座孔的加工尺寸，崗位人員根據(jù)尺寸進行閥座的選配。

（2）人員識別系統(tǒng)。在各生產(chǎn)崗位配置作業(yè)人員識別系統(tǒng)，并與MES、WMS和PQSAFE系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫集成。在生產(chǎn)作業(yè)中，作業(yè)人員與加工的產(chǎn)品及產(chǎn)品質(zhì)量信息相對應(yīng)，實現(xiàn)生產(chǎn)管理、質(zhì)量追溯、勞資管理的信息化。

（3）自動檢測系統(tǒng)。在部分關(guān)鍵工序配置自動檢測系統(tǒng)，如在柔性加工線，測量缸蓋關(guān)鍵部位的加工尺寸和形位公差，閥座孔與導(dǎo)管孔的尺寸及形位公差，噴油器孔各尺寸及相互間的形位公差；在閥座組裝線，測量閥座尺寸，進行選配組裝；在缸蓋組裝線，測量導(dǎo)管孔尺寸，進行選配組裝。自動檢測系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)可直接實時導(dǎo)入到PQSAFE數(shù)據(jù)庫中，PQSAFE質(zhì)量管理系統(tǒng)即可生成產(chǎn)品生產(chǎn)履歷。

2.3 智能物流系統(tǒng)

（1）智能物流系統(tǒng)。智能物流系統(tǒng)是實現(xiàn)智能生產(chǎn)線的基礎(chǔ)。生產(chǎn)單元工序完成后，需運往下一生產(chǎn)單元時，機器人將缸蓋自動放入自動運輸車上，由運輸車將缸蓋自動送往下一生產(chǎn)環(huán)節(jié)。智能物流系統(tǒng)采用工位制的精益化物流管理方式，準確、快速地采集、處理生產(chǎn)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，對生產(chǎn)資源、生產(chǎn)過程進行準確的識別和跟蹤，實時動態(tài)地監(jiān)控關(guān)鍵零部件的物流狀態(tài)，及時準確地給總裝線配送需要的物料。

（2）WMS倉儲物流系統(tǒng)。在生產(chǎn)制造現(xiàn)場，建立小型倉儲區(qū)，由自動運輸車將氣缸蓋成品送至倉儲區(qū)。智能物料運輸系統(tǒng)作為WMS倉儲物流系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場的延伸管理。

2.4 信息化系統(tǒng)

（1）數(shù)字化系統(tǒng)與MES系統(tǒng)的集成。在生產(chǎn)制造中，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)采集的產(chǎn)品、人員識別數(shù)據(jù)，由識別系統(tǒng)通過接口程序?qū)隡ES數(shù)據(jù)庫，MES系統(tǒng)進行作業(yè)任務(wù)（工票管理）、生產(chǎn)信息（產(chǎn)品生產(chǎn)進度、崗位日作業(yè)計劃等）管理，在廠房顯示屏中顯示各生產(chǎn)環(huán)節(jié)完成作業(yè)任務(wù)的累計數(shù)量，各職能管理人員通過網(wǎng)絡(luò)查看信息進行相應(yīng)的工作。

（2）數(shù)字化系統(tǒng)與PQSAFE系統(tǒng)的集成。①在生產(chǎn)制造中，各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的產(chǎn)品標識、作業(yè)人員以及自動檢測系統(tǒng)測量的產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)一一對應(yīng)，通過各系統(tǒng)間的接口程序直接導(dǎo)入PQSAFE數(shù)據(jù)庫，PQSAFE系統(tǒng)形成產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量履歷及質(zhì)量追溯管理。②在制造過程中的裝配環(huán)節(jié)，如閥座組裝、導(dǎo)管組裝工序，需要進行選配，作業(yè)人員先查看缸蓋的加工質(zhì)量，識別系統(tǒng)識別缸蓋，通過顯示屏查看從PQSAFE數(shù)據(jù)庫調(diào)出的產(chǎn)品質(zhì)量信息。

（3）數(shù)字化系統(tǒng)與WMS系統(tǒng)的集成。WMS系統(tǒng)中應(yīng)能查看PQSAFE系統(tǒng)形成的產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)，按照產(chǎn)品裝配尺寸自動生成產(chǎn)品配送單，按需通過智能物流系統(tǒng)輸送到指定工位，進行產(chǎn)品組裝。

（4）MMS車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)與各系統(tǒng)的集成。①MMS與數(shù)字化系統(tǒng)集成。各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的產(chǎn)品識別系統(tǒng)與之集成，通過數(shù)據(jù)，MMS系統(tǒng)能夠自動分析出各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的產(chǎn)品生產(chǎn)進度，自動向物流系統(tǒng)下達指令，實現(xiàn)前后工序物料的運輸，形成節(jié)拍化生產(chǎn)模式。該系統(tǒng)根據(jù)上傳數(shù)據(jù)能自動分析出各生產(chǎn)環(huán)節(jié)的設(shè)備生產(chǎn)平衡率，與物流系統(tǒng)配合進行智能生產(chǎn)管理。②MMS系統(tǒng)與智能物流系統(tǒng)的集成。MMS系統(tǒng)根據(jù)其他系統(tǒng)上傳的數(shù)據(jù)，自動對智能物流系統(tǒng)下達物料運輸指令。③MMS系統(tǒng)與智能制造單元控制系統(tǒng)的集成。柔性加工線控制系統(tǒng)，智能組裝線控制系統(tǒng)等制造單元系統(tǒng)，與MMS系統(tǒng)集成，上傳制造單元中各設(shè)備或作業(yè)臺位的生產(chǎn)信息及設(shè)備狀態(tài)（故障信息、維護保養(yǎng)信息）數(shù)據(jù)，將生產(chǎn)異常情況通過車間顯示屏顯示并報警，通知相關(guān)人員及時進行處理，并對異常情況自動進行生產(chǎn)平衡，實現(xiàn)智能化制造。

（5）識別系統(tǒng)與制造單元系統(tǒng)的集成。二維碼識別、作業(yè)人員識別系統(tǒng)與制造單元系統(tǒng)的集成，如與自動清洗設(shè)備、缸蓋部件組裝線控制系統(tǒng)的集成。產(chǎn)品識別數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，可以讓制造控制系統(tǒng)識別產(chǎn)品在此單元中即將進行和完成的工序，控制傳送帶將產(chǎn)品輸送到作業(yè)臺位上；作業(yè)人員識別數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，可以識別具有該崗位作業(yè)資質(zhì)的人員啟動生產(chǎn)設(shè)備，預(yù)防質(zhì)量事故和安全事故的發(fā)生。

3 結(jié)語

通過理論分析，智能生產(chǎn)線適合于多品種小批量的生產(chǎn)模式，建設(shè)投產(chǎn)后可大幅提高缸蓋的生產(chǎn)效率，提高設(shè)備的利用率，減少作業(yè)人員的輔助時間，實現(xiàn)工位制節(jié)拍化生產(chǎn)，從而降低生產(chǎn)成本。