發(fā)動機凸輪軸智能生產(chǎn)線設(shè)計研究

[摘 要]隨著智能制造和工業(yè)4.0的快速發(fā)展，發(fā)動機凸輪軸生產(chǎn)線正面臨著從傳統(tǒng)制造向智能制造的轉(zhuǎn)型升級。文章通過對現(xiàn)有凸輪軸生產(chǎn)線的深入分析和智能制造技術(shù)的應(yīng)用，提出了一種發(fā)動機凸輪軸智能生產(chǎn)線的設(shè)計方案，并探討了其在實際運維中的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)，旨在提高生產(chǎn)效率、降低成本，并實現(xiàn)高質(zhì)量的產(chǎn)品生產(chǎn)。

[關(guān)鍵詞]發(fā)動機凸輪軸；智能生產(chǎn)線；設(shè)計與運維

[中圖分類號]TM73 [文獻標(biāo)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(fā)動機凸輪軸智能制造生產(chǎn)線設(shè)計

1.1 發(fā)動機凸輪軸智能制造生產(chǎn)線總體設(shè)計

根據(jù)發(fā)動機凸輪軸智能制造生產(chǎn)線所需的加工用工業(yè)機器人、磨削系統(tǒng)、監(jiān)控裝備要求和規(guī)格等，設(shè)計凸輪軸智能制造生產(chǎn)線總體布局如圖1所示。加工生產(chǎn)線長×寬=21.8 m×6.2 m，整線（預(yù)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(zhí)行單元，確保其動作精度及穩(wěn)定可靠性。生產(chǎn)線采用研華工控機作為生產(chǎn)線總控單元，執(zhí)行監(jiān)控設(shè)備總控、權(quán)限管理及所有設(shè)備狀態(tài)、工單執(zhí)行狀態(tài)等監(jiān)控，可遠程監(jiān)控設(shè)備及生產(chǎn)數(shù)據(jù)。支持MES制造執(zhí)行管理系統(tǒng)。關(guān)鍵元件均采用國際知名品牌：控制執(zhí)行MITSUBISHI、氣動執(zhí)行SMC、傳感OMRON、配電SCHNEIDER、IDEC、MW、SATA桁架機構(gòu)等，零部件均做表面防銹處理，嚴(yán)格達到防塵、防銹、耐久等功能，確保設(shè)備24 h自動穩(wěn)定運行。

1.2 關(guān)鍵磨削工藝夾具的設(shè)計

針對凸輪軸割刀車削深槽時出現(xiàn)振紋的問題，文章設(shè)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(huán)漸進的進刀方式，當(dāng)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(xiàn)有數(shù)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(shè)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(shè)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(shè)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(fù)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(shù)

（1）凸輪軸凸輪表面區(qū)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(qū)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(jié)果如圖2所示。

2 凸輪軸智能制造信息系統(tǒng)設(shè)計

2.1 信息系統(tǒng)設(shè)計總體思路

（1）數(shù)據(jù)訪問層。其負責(zé)管理數(shù)據(jù)訪問，基于數(shù)據(jù)庫訪問組件進行數(shù)據(jù)的各種操作。該層以Core DAO類庫為核心，通過核心類庫進行數(shù)據(jù)的添加、刪除、更新、查詢等業(yè)務(wù)操作，支持事務(wù)與并發(fā)處理；對于某些業(yè)務(wù)邏輯層次復(fù)雜或有跨數(shù)據(jù)庫平臺需求的系統(tǒng)，提供通過ORM（對象–關(guān)系映射）方式進行數(shù)據(jù)庫操作的類庫。

（2）業(yè)務(wù)邏輯層。其負責(zé)業(yè)務(wù)邏輯和系統(tǒng)邏輯的處理，以實現(xiàn)邏輯的合理分層與調(diào)用。該層通過調(diào)用數(shù)據(jù)訪問層進行業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的處理，同時響應(yīng)外觀層的邏輯處理調(diào)用。文章對所涉及的計劃、作業(yè)、物料、質(zhì)量等各業(yè)務(wù)邏輯進行了模塊化封裝，可在實施期通過參數(shù)的配置直接應(yīng)用。

（3）外觀層。其提供一個SOA服務(wù)調(diào)用接口。經(jīng)過良好的封裝，客戶端通過Services Provider框架核心類庫對各種服務(wù)進行統(tǒng)一的調(diào)用。該接口還為各系統(tǒng)與MES系統(tǒng)的集成提供方便。

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

信息系統(tǒng)基于DAO數(shù)據(jù)訪問組件進行數(shù)據(jù)庫處理，兼容目前市場上大多數(shù)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，考慮綜合性能及可維護性等原因，選用MySQL。

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)服務(wù)器，依據(jù)維護能力選擇Windows2008及以上版本。應(yīng)用服務(wù)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(shù)實現(xiàn)

（1） 數(shù)據(jù)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(qū)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(shè)備支持。由于移動設(shè)備的操作系統(tǒng)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(shù)據(jù)與應(yīng)用接入開放接口，使外部應(yīng)用可以直接與瀏覽器內(nèi)部的數(shù)據(jù)直接相連。HTML5擁有更有效的服務(wù)器推送技術(shù)，Server–Sent Event和WebSockets是其中的兩個特性，這兩個特性能夠?qū)崿F(xiàn)服務(wù)器將數(shù)據(jù)“推送”到客戶端的功能。文章采用了HTML5技術(shù)來開發(fā)可配置的各類可視化看板等數(shù)據(jù)顯示內(nèi)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(yīng)用的工業(yè)用手持移動終端開發(fā)了相應(yīng)的客戶端應(yīng)用程序，以便于使用，實現(xiàn)快速便捷的作業(yè)操作。

（3）參數(shù)建模技術(shù)。系統(tǒng)平臺以業(yè)務(wù)功能模塊為基本單元，通過配置模塊解決方案參數(shù)文件或修改數(shù)據(jù)庫表格中參數(shù)值，實現(xiàn)面向企業(yè)級業(yè)務(wù)過程進行“參數(shù)化建?！?，做到無需修改源代碼即實現(xiàn)改變系統(tǒng)的行為（界面、工作流程），提供解決參數(shù)配置功能，能讓這些組件按企業(yè)要求完成最佳實踐的邏輯配置，使系統(tǒng)的運行流程符合文章的實際生產(chǎn)、管控要求。

3 MES系統(tǒng)設(shè)計

文章設(shè)計的MES系統(tǒng)過程控制技術(shù)采用面向復(fù)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(biāo)識對車間在制品進行規(guī)范管理，依據(jù)物料單件號或批號記錄各生產(chǎn)工序零部件加工過程、質(zhì)量等信息，通過基于單件號或批號的全生命周期狀態(tài)控制，實現(xiàn)對訂單和物料信息的全生產(chǎn)過程跟蹤及產(chǎn)品質(zhì)量履歷追溯。

同時，MES系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)技術(shù)采用基于SOA組件的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計，在行業(yè)MES領(lǐng)域框架的基礎(chǔ)上，通過裝配通用組件和領(lǐng)域組件所形成的軟件系統(tǒng)，MES系統(tǒng)內(nèi)部各個組件之間通過接口完成松散耦合交互，并且從數(shù)據(jù)層、業(yè)務(wù)邏輯層和表示層3個層次提供與外部其他應(yīng)用系統(tǒng)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(tǒng)建模技術(shù)采用基于工作流的系統(tǒng)建模技術(shù)，可以將MES業(yè)務(wù)邏輯從具體的業(yè)務(wù)實現(xiàn)中分離，實現(xiàn)不修改具體功能模塊（硬件環(huán)境、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、編程語言、應(yīng)用開發(fā)工具、用戶界面）的情況下，通過修改過程模型來完成系統(tǒng)功能的改變或系統(tǒng)性能的改進，流程再定義技術(shù)能夠靈活地將各類應(yīng)用功能連接在一起，快速完成企業(yè)系統(tǒng)的搭建。

MES系統(tǒng)涵蓋功能業(yè)務(wù)范圍如圖3所示。

4 軟件集成接口管理

（1）基于XML標(biāo)準(zhǔn)的Web接口數(shù)據(jù)集成。利用XML進行異構(gòu)數(shù)據(jù)集成。XML為基于Web接口的應(yīng)用軟件賦予了強大的功能和靈活性，Web數(shù)據(jù)可被XML唯一地標(biāo)識，XML能夠使不同來源的結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)很容易地結(jié)合在一起。與不同的數(shù)據(jù)源進行交互時，只通過一種標(biāo)準(zhǔn)語言XML進行交互，數(shù)據(jù)可以在不同數(shù)據(jù)庫中傳遞。

（2）中間數(shù)據(jù)表或中間數(shù)據(jù)文件交換方式。異構(gòu)格式數(shù)據(jù)的流動需要采用一種中間格式數(shù)據(jù)或一種提取元數(shù)據(jù)的方法作轉(zhuǎn)化。利用接口完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換功能，利用中間數(shù)據(jù)表或EXCEL作為中間數(shù)據(jù)格式保存轉(zhuǎn)換的結(jié)果，達到數(shù)據(jù)交換的目的。

（3）基于API接口函數(shù)、數(shù)據(jù)庫級進行數(shù)據(jù)交換。依據(jù)EBS的API及數(shù)據(jù)庫表結(jié)構(gòu)，MES通過調(diào)用對方API或?qū)Ψ秸{(diào)用MES提供的API形式，以及雙方進行數(shù)據(jù)庫級數(shù)據(jù)共享模式，進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)或業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的交換、共享。

5 凸輪軸智能制造生產(chǎn)線應(yīng)用

（1）數(shù)據(jù)驅(qū)動的可視化管理。通過數(shù)據(jù)驅(qū)動的可視化管理，實現(xiàn)了智能化的設(shè)備點檢，通過軟硬件集成，實現(xiàn)了智能化的運維。信息系統(tǒng)中具有以下功能模塊：關(guān)鍵設(shè)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(tài)實時監(jiān)控等。作業(yè)開機前，未完成設(shè)備點檢作業(yè)任務(wù)，凸輪軸的智能制造生產(chǎn)線無法開機運行。設(shè)備開工前，員工需對設(shè)備進行日常點檢，確認(rèn)合格后，才能開機；設(shè)備管理人員需對設(shè)備制訂維護保養(yǎng)計劃，對設(shè)備進行定期的維護保養(yǎng)；設(shè)備故障時，記錄故障原因及維修記錄，實現(xiàn)企業(yè)對設(shè)備的智能化管理。對刀具磨損及生產(chǎn)計量進行監(jiān)控提醒。

（2）智能化質(zhì)量派工。智能化質(zhì)量派工與智能制造生產(chǎn)線MES系統(tǒng)集成，如未完成首件檢驗、定時定量抽檢任務(wù)等，智能制造生產(chǎn)線無法執(zhí)行批量生產(chǎn)作業(yè)任務(wù)。

（3）加工參數(shù)在線補償與調(diào)整。通過數(shù)據(jù)聯(lián)動，對凸輪軸智能制造生產(chǎn)線有關(guān)工序?qū)崿F(xiàn)加工參數(shù)的在線補償與調(diào)整。這樣，無需到設(shè)備終端數(shù)控系統(tǒng)修改參數(shù)，實現(xiàn)了工藝過程的在線控制。

6 結(jié)束語

文章所提的發(fā)動機凸輪軸智能生產(chǎn)線的設(shè)計與智能運維策略，通過引入智能制造技術(shù)和先進的管理理念，實現(xiàn)了生產(chǎn)過程的自動化、智能化和高效化。這不僅提高了生產(chǎn)效率和質(zhì)量水平，還為制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展注入了新的活力。

參考文獻

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