發(fā)動機軸瓦裝配智能選配系統(tǒng)的應(yīng)用

常 舉 雷永輝 石文瀚

(北京奔馳汽車有限公司，北京100176)

北京奔馳汽車有限公司生產(chǎn)的M274和M270直列四缸發(fā)動機為奔馳乘用車的主力發(fā)動機型號，分別用于搭載后驅(qū)車平臺及前驅(qū)車平臺，兩款發(fā)動機各具有1.6 L和2.0 L兩種排量，1.6 L發(fā)動機使用16 mm寬度的軸瓦，2.0 L發(fā)動機使用20 mm寬度的軸瓦。其中兩種寬度的上軸瓦各有3種厚度，下軸瓦各有5種寬度。M264發(fā)動機為M274的升級換代機型，為更好地適應(yīng)政策法規(guī)和市場趨勢，將原1.6 L排量降低至1.5 L，并采用多種技術(shù)和工藝降低燃油消耗及排放水平，包括對主軸軸瓦的設(shè)計進行變更，其中1、3、5號位置的上軸瓦取消了油槽(如圖1所示)，以減小摩擦和機油泵流量，從而降低發(fā)動機功率損失和燃油消耗。

1 軸瓦裝配防錯需求與方案制定

該設(shè)計變更不僅使1.5 L發(fā)動機的上軸瓦變成兩種零件號，并且對兩種零件號的上軸瓦分別裝配的位置也有要求，每種零件號各3種厚度等級，因此上軸瓦共6種零件號(如圖2所示)。需要選配瓦片等級的同時還需要區(qū)分零件類型，給操作員配瓦帶來了更大的挑戰(zhàn)。因而僅通過工藝文件指導(dǎo)配瓦，以及增加后續(xù)工位目視檢查的方法，從FMEA分析已無法滿足防錯和效率的要求。

針對這一新的產(chǎn)品特性，我們提出了智能選配系統(tǒng)的工藝方案，主要設(shè)備和技術(shù)手段包括:智能拾取料架，照相機，二維碼掃描槍，發(fā)動機托盤RFID碼塊，PLUS生產(chǎn)控制上位系統(tǒng)，如圖3所示。

(1)上軸瓦分級碼識別相機。相機識別缸體上5位數(shù)字組成的上軸瓦分級碼，并存儲在發(fā)動機托盤RFID中。

(2)上軸瓦選配智能料架。工位PLC讀取托盤RFID中的上軸瓦分級碼信息，控制智能料架依次選配。

(3)上軸瓦裝配工裝。將選配完成后的上軸瓦裝配至缸體。

(4)曲軸二維碼掃描槍。將二維碼信息發(fā)送至PLUS生產(chǎn)控制系統(tǒng)，PLUS將二維碼發(fā)送到工位PLC。

(5)下軸瓦選配智能料架。PLC從曲軸二維碼中提取5位下軸瓦分級碼，控制智能料架依次選配。

(6)下軸瓦裝配工裝。將選配完成后的下軸瓦裝配至缸體。

2 如何識別并獲取軸瓦分級碼數(shù)據(jù)

上軸瓦分級由缸體軸承座的加工尺寸決定，分級碼由缸體機加工線打刻在缸體油底殼面，如圖4所示。在發(fā)動機裝配線的上線工位，在原有缸體打號照相系統(tǒng)中集成一個分級碼使用照相機獲取缸體配瓦分級碼，如圖5所示。

下軸瓦分級由曲軸軸頸的加工尺寸決定，分級碼與曲軸零件號一起由曲軸機加工線打刻在二維碼中。由于曲軸是追溯件，在將曲軸裝配到缸體內(nèi)后，操作員使用掃描槍掃描曲軸二維碼，“PLUS”生產(chǎn)控制系統(tǒng)將二維碼記錄并綁定到該發(fā)動機總成下面。下軸瓦分級碼的獲取不需要增加額外的設(shè)備或硬件，現(xiàn)有的掃碼工藝已經(jīng)捕獲了分級碼。

3 如何實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及數(shù)據(jù)匹配

對上軸瓦分級碼拍照并識別成數(shù)據(jù)后，由工位PLC將5位配瓦數(shù)字保存在當(dāng)前對應(yīng)的發(fā)動機托盤的RFID碼塊中，通過這種方式能保證每個托盤中的分級碼對應(yīng)此托盤所承載的發(fā)動機，從而保證了后續(xù)流程中瓦片與缸體的匹配性。

為了將下軸瓦配瓦數(shù)據(jù)發(fā)送給配瓦工位PLC，開發(fā)了新的PLUS通訊報文，在曲軸二維碼掃描成功后，通過新報文將曲軸二維碼發(fā)送到PLC并保存在數(shù)據(jù)塊里，PLC后續(xù)即能調(diào)取二維碼中的第25-29位數(shù)據(jù)，獲得下軸瓦分級碼。該工藝流程能夠在曲軸掃描后即刻獲取分級碼，實現(xiàn)了最優(yōu)的數(shù)據(jù)傳輸流程。另外，無論曲軸二維碼的掃描與下軸瓦選配是否在同一個工位進行，由于PLUS系統(tǒng)中曲軸二維碼與發(fā)動機總成號的匹配，系統(tǒng)都能保證選瓦數(shù)據(jù)與發(fā)動機實物的匹配。數(shù)據(jù)捕獲及匹配工作流程如圖6所示。

(1)掃碼曲軸二維碼上傳到PLUS系統(tǒng)。

(2)PLUS發(fā)送二維碼到080工位PLC。

(3)080工位PLC從二維碼讀取配瓦信息保存到托盤上的RFID碼塊。

(4)配瓦信息與托盤綁定后，跟隨托盤到090工位，確保數(shù)據(jù)與工件匹配。

(5)090工位PLC讀取RFID碼塊中的配瓦信息。

(6)PLC將配瓦信息發(fā)送給下軸瓦智能料架。

4 如何實現(xiàn)裝配工藝的防錯

(1)瓦片拾取防錯:該過程對于上軸瓦和下軸瓦原理相同。PLC獲取軸瓦信息后，控制智能拾取料架和軸瓦工裝臺，按照先后順序?qū)⑿枰叭〉耐咂蠠酎c亮，并通過光柵和傳感器的反饋，使得瓦片按順序選取并正確放置。詳見以下步驟(見圖7):①發(fā)動機1號軸頸位置所需軸瓦的拾取燈點亮；②操作員拾取一個瓦片同時觸碰該料道的光柵，拾取燈熄滅；③料道光柵觸碰后一秒內(nèi)，軸瓦工裝臺1號軸頸位置的提示燈點亮；④操作員將手中的瓦片放置到工裝臺1號軸頸位置，瓦片到位后觸發(fā)傳感器，提示燈熄滅，1號軸瓦選配完成，2號軸頸所需的料道拾取燈點亮。

2號到5號軸瓦按以上步驟重復(fù)循環(huán)，依次選配。5個瓦片都完成選配后，工裝臺鎖止氣缸打開，軸瓦工裝允許被拿起，進行下一步裝配工序。此過程保證了正確的瓦片放置到工裝上正確的位置。

(2)上軸瓦裝配工裝(圖8)防錯設(shè)計:上軸瓦定位工裝的放置位置處加工了限位凹槽，該加工的目的是為了保證瓦片以正確的方向放置到工裝里(如圖9所示)，一旦軸瓦方向放反則會卡住而無法裝到位，傳感器沒有到位信號。為保障5個選好的瓦片按照正確的順序裝配到缸體里，上軸瓦定位工裝底面采用定位銷的設(shè)計，利用缸體上的兩個定位孔進行定位，使得工裝上的5個軸瓦與缸體的5個軸承座一一對應(yīng)。

(3)下軸瓦裝配工藝流程(圖10):

①軸瓦選配完成后，操作員將定位工裝連同軸瓦一起放置到線邊臺子上。

②從發(fā)動機托盤上取下5個軸承瓦蓋并按對應(yīng)位置放在5個軸瓦上方，然后按壓瓦蓋使瓦片嵌入瓦蓋內(nèi)側(cè)，完成瓦片的裝配。

③操作員將裝完瓦片的瓦蓋按順序安裝到缸體上，完成瓦蓋的裝配。

5 實施過程中注意的問題

(1)采用照相機對配瓦分級碼進行圖像識別，圖像識別正確率遠比識別成功率更重要，應(yīng)防止相機將分級碼數(shù)字識別錯誤，一旦識別錯誤將導(dǎo)致最終選配的瓦片與實際分級碼不一致，造成質(zhì)量風(fēng)險。

(2)工裝設(shè)計的精度應(yīng)滿足裝配使用要求，尤其應(yīng)防止出現(xiàn)工裝裝配誤差過大，導(dǎo)致軸瓦位置裝配錯誤或軸瓦損傷。

(3)工裝設(shè)計應(yīng)滿足人機工程標準要求，方便操作員取放，在保證剛度的要求下鏤空減重或使用輕質(zhì)材料。

6 結(jié)語

發(fā)動機軸瓦智能選配系統(tǒng)的實施，運用了視覺識別技術(shù)和通訊技術(shù)，將零件加工特性經(jīng)過數(shù)據(jù)化處理，依靠智能料架和特殊裝配工裝，用于指導(dǎo)軸瓦的裝配工藝并實現(xiàn)防錯，顯著降低了軸瓦選配工藝過程中的錯裝和漏裝風(fēng)險。經(jīng)FMEA分析，優(yōu)化后的RPN值從147降低至42。

實施過程中成功解決了3個方面的技術(shù)難題:軸瓦分級碼數(shù)據(jù)的識別和捕獲，數(shù)據(jù)的傳輸和匹配，使用數(shù)據(jù)指導(dǎo)裝配過程并實現(xiàn)防錯。

軸瓦智能選配系統(tǒng)是整合“工藝、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備”典型技術(shù)案例，是對工業(yè)4.0智能制造技術(shù)的探索和實踐。