智能化檢測在自動化柴油機(jī)加工生產(chǎn)線的高效應(yīng)用

王維震 王政 朱啟增 安傳鋒

摘要：加工數(shù)據(jù)不只是流動、儲存，更多的是要與設(shè)備融合起來，為設(shè)備提供決策，實(shí)現(xiàn)預(yù)警、報(bào)警和修正。P系列柴油機(jī)自動化加工線便是融合了智能檢測、智能傳輸、智能分析計(jì)算反饋修正的一條生產(chǎn)線，現(xiàn)對其實(shí)現(xiàn)自動化、無人化生產(chǎn)過程進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：工業(yè)4.0;自動化;智能檢測;在線測量

中圖分類號：TP29? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(yè)4.0時(shí)代已經(jīng)到來，傳統(tǒng)的生產(chǎn)線正逐步被自動化生產(chǎn)線所替代[1-2]。自動化生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)了高效、高質(zhì)量、少人化生產(chǎn)，但同時(shí)也帶來了一定的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。因此，單純的自動化生產(chǎn)線已無法達(dá)到工業(yè)4.0的要求，而高度智能化生產(chǎn)線一定具備兩個(gè)流——實(shí)物流和數(shù)據(jù)流，高度智能的數(shù)據(jù)流對當(dāng)前生產(chǎn)線建設(shè)非常重要。

1? ? P系列柴油機(jī)自動化加工線介紹

該生產(chǎn)線是一條自動化、信息化黑燈生產(chǎn)線，共15個(gè)工序，18臺設(shè)備，設(shè)計(jì)產(chǎn)能10萬臺/年。計(jì)劃員使用企業(yè)資源計(jì)劃（Enterprise Resource Planning，ERP）下達(dá)生產(chǎn)任務(wù)，數(shù)據(jù)自動傳輸至制造執(zhí)行系統(tǒng)（Manufacturing Execution System，MES）（圖1），激光打刻機(jī)接收MES計(jì)劃，根據(jù)任務(wù)號辨別半成品件號是否符合生產(chǎn)計(jì)劃，若符合，則該工件由桁架機(jī)械手抓取，向后流轉(zhuǎn)，若不符合，則由機(jī)械手抓取到剔料工位，向后流轉(zhuǎn)的機(jī)械手全程的流動均通過桁架機(jī)械手、關(guān)節(jié)機(jī)械手、輥道等自動化設(shè)備進(jìn)行，各工序的加工設(shè)備均是自動化加工設(shè)備，機(jī)加工設(shè)備采用進(jìn)口設(shè)備，輔機(jī)采用國內(nèi)知名廠家產(chǎn)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(shè)備，實(shí)現(xiàn)了全過程、全尺寸100%在線檢測，其中在線測量測頭具備補(bǔ)償功能，主要補(bǔ)償加工位置及其他相關(guān)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(fā)動機(jī)匹配客戶比較多，涉及重卡、船機(jī)、農(nóng)機(jī)、工程機(jī)械、客車等領(lǐng)域，配套多必然造成件號較多，目前工件件號達(dá)到54個(gè)。該生產(chǎn)線前5道工序?yàn)闄C(jī)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(zhì)加工程序匹配表查找該機(jī)型應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)，肉眼看件號、匹配加工程序、選擇加工程序這三個(gè)過程容易看錯(cuò)、記錯(cuò)、選錯(cuò)，造成工件報(bào)廢。該生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)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(shù)字控制（Numerical Control，NC），將讀取的信息最終自動轉(zhuǎn)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(zhì)量問題，節(jié)省了換型時(shí)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(diǎn)、刀具自身質(zhì)量、工件硬度變化等原因，經(jīng)常會發(fā)生斷刀問題，由于生產(chǎn)線無人化，該問題一旦發(fā)生，將會形成批量質(zhì)量問題。為解決該問題，對加工中心進(jìn)行了改造，加裝了刀具在線檢測設(shè)備（圖3），該設(shè)備與機(jī)床互聯(lián)互通，通過監(jiān)控主軸力矩，監(jiān)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(fā)變化情況，機(jī)床將針對監(jiān)測設(shè)備提供的信息，發(fā)出警報(bào)或直接停機(jī)。該設(shè)備能準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)斷刀及不良加工行為，不僅能夠防止質(zhì)量問題，同時(shí)也替代了原有的人工強(qiáng)制換刀管理方式，延長了刀具壽命，減少了換刀時(shí)間，提高了加工效率，降低了生產(chǎn)成本。

2.3? ? 在線測量測頭在加工中心的應(yīng)用

為提高加工效率，本產(chǎn)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(wěn)定，以往為了保證加工精度，每臺機(jī)床均要送檢三坐標(biāo)，用以檢查工件位置尺寸的加工穩(wěn)定性，并進(jìn)行人工調(diào)整。該檢測方式雖然檢測精度高，但也存在以下兩個(gè)問題：首先，時(shí)效性差，受檢測資源的限制，每臺機(jī)床每個(gè)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(zhì)量問題;其次，一旦位置尺寸靠近公差上限或下限，需人工調(diào)整機(jī)床加工程序，調(diào)整過程中，人工易調(diào)反方向或輸錯(cuò)數(shù)值，導(dǎo)致位置尺寸偏出公差，從而造成批量質(zhì)量問題。為解決這兩個(gè)問題，生產(chǎn)線引進(jìn)在線測量測頭系統(tǒng)（圖4），每臺工件加工前，都對托盤進(jìn)行檢測，實(shí)時(shí)獲得托盤的實(shí)際位置，并將測得的數(shù)據(jù)寫進(jìn)NC中，機(jī)床自動計(jì)算，更改加工程序參數(shù)，確保工件位置尺寸始終保持在中間公差。該檢測方式實(shí)現(xiàn)了工件位置尺寸100%在線測量，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動補(bǔ)償，保證了產(chǎn)品質(zhì)量，杜絕了人工參與造成的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4? ? 柔性在線測量設(shè)備在加工線的應(yīng)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(shí)發(fā)現(xiàn)問題，并且在檢測過程中操作者容易看錯(cuò)表，導(dǎo)致出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)無法發(fā)現(xiàn)。為解決該問題，生產(chǎn)線根據(jù)加工尺寸，設(shè)計(jì)了在線測量機(jī)（圖5），對加工尺寸進(jìn)行100%檢測。該設(shè)備使用關(guān)節(jié)機(jī)器人抓取測量檢具，工件舉升定位，測量前使用空氣清理設(shè)備清理工件鐵屑，工件編碼與測量數(shù)據(jù)綁定，測得的數(shù)據(jù)上傳至MES及質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析專家（Quality-Data Advanced System，Q-DAS）。MES用于儲存測量數(shù)據(jù)，作為追溯使用，Q-DAS則對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)過程控制（Statistical Process Control，SPC）分析，用于研究生產(chǎn)線過程能力，通過對數(shù)據(jù)的研究，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)機(jī)床、夾具、刀具問題，采用相應(yīng)措施及時(shí)規(guī)避問題的發(fā)生，通過對過程的不斷改進(jìn)，提升過程能力。當(dāng)前，該線機(jī)加工過程能力（Complex Process Capability，Cpk）指數(shù)已經(jīng)由原來的1.2提升至1.53，提升比例達(dá)到了28%，產(chǎn)品合格率達(dá)到了99.98%。

3? ? 輔機(jī)智能化檢測

3.1? ? 視覺檢測技術(shù)

為實(shí)時(shí)監(jiān)督生產(chǎn)過程質(zhì)量，在生產(chǎn)線8個(gè)工序中配備視覺檢測（圖6），實(shí)現(xiàn)過程質(zhì)量100%監(jiān)控，當(dāng)視覺檢測發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，機(jī)床自動報(bào)警停機(jī)，需要人為進(jìn)行確認(rèn)。視覺檢測內(nèi)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(jié)合面有無異物、零部件是否漏裝、工件有無多/漏加工等。同時(shí)，建立視覺檢測有效性驗(yàn)證管理辦法，每周對各個(gè)視覺檢測工序進(jìn)行有效性驗(yàn)證，確保檢測結(jié)果真實(shí)有效。

3.2? ? 光學(xué)檢測技術(shù)

對于工件倒角角度、倒角大小等不便測量項(xiàng)目，生產(chǎn)線配備兩臺光學(xué)檢測設(shè)備（圖7），并與生產(chǎn)線串聯(lián)，分別檢測缸體缸孔倒角和缸蓋閥座孔倒角，能夠?qū)崟r(shí)檢測倒角角度和倒角大小，并可清晰直觀地查看所計(jì)算的統(tǒng)計(jì)數(shù)值，然后根據(jù)設(shè)計(jì)條件自動判別控制圖有無異常，便于質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3.3? ? 壓力位移檢測技術(shù)

P系列發(fā)動機(jī)有大量壓裝尺寸需要控制，例如碗形塞、氣門導(dǎo)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(jī)械限位控制，但隨著機(jī)械限位工裝的磨損，該類壓裝尺寸會發(fā)生變化，直至不合格，并且不易發(fā)現(xiàn)。為解決該問題，P系列發(fā)動機(jī)生產(chǎn)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(zhǔn)控制壓裝尺寸，一旦壓裝不正常，設(shè)備會報(bào)警停機(jī)，避免出現(xiàn)質(zhì)量問題。該方法的應(yīng)用大大降低了操作者測量強(qiáng)度，同時(shí)規(guī)避了壓裝尺寸超差的風(fēng)險(xiǎn)。

4? ? 結(jié)束語

發(fā)動機(jī)的加工是一個(gè)復(fù)雜的工藝系統(tǒng)，各項(xiàng)加工指標(biāo)都較難控制，因此一條高度自動化、信息化、智能化的生產(chǎn)線非常重要。本文所述生產(chǎn)線能在解決工藝難題的同時(shí)，解決加工尺寸檢測自動化、智能化的問題，可為本行業(yè)或其他行業(yè)零部件生產(chǎn)線建設(shè)提供參考。

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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(nèi)燃機(jī)制造技術(shù)。