机车用柴油机气缸盖智能化生产的探讨

王军，王功烜，于逸宸

（大连中车柴油机有限公司，辽宁 大连 116021）

内燃机车是铁路建设必须的运输工具，战略运输工具的一种，有着长远的战略发展前景。其核心部件为柴油机，而气缸盖是柴油机核心部件之一。气缸盖是一种具有复杂内腔的方箱类零件，加工精度要求高，加工过程中多数部位采用加工中心完成，工序生产集中，实现智能化制造较其它柴油机核心部件更容易一些，特别适合目前机车用柴油机多品种小批量的生产模式，实现气缸盖智能化制造后，可向其它柴油机核心部件逐渐推广，改变传统的单机生产模式，大幅提高生产效率。

1 加工工艺路线

机车用柴油机气缸盖一般的制造工艺如图1。

图1 气缸盖生产工艺流程图

（1）划线作为气缸盖的加工初始基准。毛坯划线和加工定位基准可由毛坯制造厂做好，到加工厂直接以此基准定位进行加工。

（2）加工低压面和高压面可采用数控立车进行车削加工，气缸盖高压面有止口结构或是有特殊的表面加工要求，采用数控立车加工满足其设计要求。

（3）加工周边、低压面孔系、高压面孔系，一般都采用卧式加工中心，专用夹具装夹进行加工。

（4）一般采用液氮冷却阀座后进行选配安装。

（5）加工阀座与导管孔，是气缸盖加工中的关键之一，可采用立式或卧式加工中心加工。

从以上工艺过程可以看出，气缸盖的加工使用数控设备完成，工序集中，是最适合智能化生产的部件，设计智能化生产线也是最容易的。因此，建设气缸盖智能化生产线，可以为其它零部件的智能化制造积累经验，逐渐推广智能化制造。

2 气缸盖智能化生产线的设计方案

智能化生产线设计方案由4个模块组成：智能化制造系统、数字化系统、信息化系统、智能物流系统组成。由各制造单元，即数控立车和卧式加工中心组成的智能加工单元，阀座安装单元，打磨单元，清砂清洗单元，部件组装单元，组成的气缸盖智能制造线。在制造过程中各生产环节，产品、人员识别系统采集的相关产品编号、作业人员数据相应直接导入至MES系统中，使缸盖的生产进度和人员的报工形成信息化。在各生产环节中，产品、人员识别系统及自动检测系统测量数据相对应的直接由各系统导入PQSAFE数据库中。同时，在装配过程中，需要产品质量信息，可通过产品识别直接从PQSAFE数据库读出，并通过WMS系统精准配送。应用MMS系统，对智能制造线中的各设备进行运行监控，可实时显示出各设备的利用率和维护状态，使管理人员能够及时了解设备状况调整生产状态。在制造过程、仓储之间，物料的输送采用智能物料运送系统，在线数据与WMS系统共享。如图2所示。

图2 气缸盖智能化生产线设计方案

2.1 智能化制造系统

（1）FMS柔性加工线。柔性加工线完成缸盖所有加工工序，是由多台加工中心、数控立式车床和FMS柔性系统组成，FMS柔性系统由控制系统、轨道堆垛车、上下料站、工作台存放架组成，见图3所示。柔性控制系统可以控制堆垛机、机床的运行，可以控制多个自动化单元和手动单元生产，既可控制多机同时生产，也可进行单机生产，在显示界面中显示各设备运行状态。可进行工作量计算，生产能力模拟，形成生产报告和利用率报告，对数据进行智能分析，控制线内设备平衡生产，从而实现智能化生产管理，在配置足够工作台及夹具，所有加工中心配置足够刀具数量的情况下，将工件预先装夹好，由堆垛机送到存放架暂存，系统根据加工产品工序节拍智能分配到机床进行加工，使线内机床资源的运用率最优化。同时配有故障诊断及故障机屏蔽功能。刀具破损检测及自动更换姊妹刀具，并提醒作业人员更换刀具。加工设备配置自动检测装置，产品加工完成后，可对关键部位尺寸进行自动测量。完成工序的产品，控制系统可控制堆垛机将工序成品送至装卸料站或存放架。FMS柔性加工线可同时生产多种产品的多个工序，达到无人化生产。

图3 FMS柔性加工线组成示意图

（2）缸盖阀座组装线。机车用部分柴油机气缸盖由于其设计要求，阀座组装后进行再加工，保证阀座气门密封面与导管孔的形位公差要求。将阀座组装工序独立形成一条小型组装线，组装线由上下料机器人、传送带、阀座孔清洗装置、阀座冷冻机、阀座压装机、组装线控制系统组成。

（3）自动打磨设备。加工工序完成后，进入缸盖的加工毛刺、加工面与毛坯铸造表面间的棱边锐角打磨工序，由机器人将缸盖送入打磨设备，设备自动对缸盖表面进行打磨，然后机器人取出缸盖放在传送带上，输送至清洗线中。

（4）自动清砂清洗线。自动清砂清洗线由智能控制系统、清洗机、清砂台位、传送带组成，用于缸盖水腔、气道的清理和清洗。智能控制系统可根据各打磨工位和各清洗设备的生产节拍，自动向相应的清洗机或清砂台位进行缸盖输送。

（5）智能组装线。①智能组装线配置相应数量的并行传送带：在小部件组装中，部分工序可并行（如水腔堵和喷油器护套的组装），或是按产品数量比例进行（如，缸盖高压面的高压试验），控制系统能够根据组装工序及各工序节拍实现智能生产管理。②配置自动组装水腔堵装置，喷油器护套组装装置，水腔低压试压装置，导管压装装置、阀座与气门研配装置等；组装线在一定程度上能够控制这些装置，保证缸盖的组装质量和作业时的人员安全，如水腔低压试验时间，导管压装时的人员安全监测报警等。

2.2 数字化系统

（1）打印标记及二维码识别系统。①使用激光打标机在产品上打印二维码，作为产品的唯一标识。②在智能化制造系统中的各生产单元中配置二维码识别系统，即在柔性加工线、阀座组装线、自动打磨设备、清砂清洗线、智能组装线中，配置二维码识别系统，并与MES、WMS和PQSAFE系统集成。每个缸盖每完成1个生产环节，进行二维码识别，相关数据实时更新至MES、WMS和PQSAFE数据库，能够进行实时生产监控和质量监控。并在需要时，生产岗位人员能够读取产品质量信息，如阀座组装时，识别产品二维码可读出缸盖阀座孔的加工尺寸，岗位人员根据尺寸进行阀座的选配。

（2）人员识别系统。在各生产岗位配置作业人员识别系统，并与MES、WMS和PQSAFE系统数据库集成。在生产作业中，作业人员与加工的产品及产品质量信息相对应，实现生产管理、质量追溯、劳资管理的信息化。

（3）自动检测系统。在部分关键工序配置自动检测系统，如在柔性加工线，测量缸盖关键部位的加工尺寸和形位公差，阀座孔与导管孔的尺寸及形位公差，喷油器孔各尺寸及相互间的形位公差；在阀座组装线，测量阀座尺寸，进行选配组装；在缸盖组装线，测量导管孔尺寸，进行选配组装。自动检测系统测量的数据可直接实时导入到PQSAFE数据库中，PQSAFE质量管理系统即可生成产品生产履历。

2.3 智能物流系统

（1）智能物流系统。智能物流系统是实现智能生产线的基础。生产单元工序完成后，需运往下一生产单元时，机器人将缸盖自动放入自动运输车上，由运输车将缸盖自动送往下一生产环节。智能物流系统采用工位制的精益化物流管理方式，准确、快速地采集、处理生产现场的数据，对生产资源、生产过程进行准确的识别和跟踪，实时动态地监控关键零部件的物流状态，及时准确地给总装线配送需要的物料。

（2）WMS仓储物流系统。在生产制造现场，建立小型仓储区，由自动运输车将气缸盖成品送至仓储区。智能物料运输系统作为WMS仓储物流系统在生产现场的延伸管理。

2.4 信息化系统

（1）数字化系统与MES系统的集成。在生产制造中，各生产环节采集的产品、人员识别数据，由识别系统通过接口程序导入MES数据库，MES系统进行作业任务（工票管理）、生产信息（产品生产进度、岗位日作业计划等）管理，在厂房显示屏中显示各生产环节完成作业任务的累计数量，各职能管理人员通过网络查看信息进行相应的工作。

（2）数字化系统与PQSAFE系统的集成。①在生产制造中，各生产环节的产品标识、作业人员以及自动检测系统测量的产品质量数据一一对应，通过各系统间的接口程序直接导入PQSAFE数据库，PQSAFE系统形成产品生产质量履历及质量追溯管理。②在制造过程中的装配环节，如阀座组装、导管组装工序，需要进行选配，作业人员先查看缸盖的加工质量，识别系统识别缸盖，通过显示屏查看从PQSAFE数据库调出的产品质量信息。

（3）数字化系统与WMS系统的集成。WMS系统中应能查看PQSAFE系统形成的产品质量数据，按照产品装配尺寸自动生成产品配送单，按需通过智能物流系统输送到指定工位，进行产品组装。

（4）MMS车间生产管理系统与各系统的集成。①MMS与数字化系统集成。各生产环节的产品识别系统与之集成，通过数据，MMS系统能够自动分析出各生产环节的产品生产进度，自动向物流系统下达指令，实现前后工序物料的运输，形成节拍化生产模式。该系统根据上传数据能自动分析出各生产环节的设备生产平衡率，与物流系统配合进行智能生产管理。②MMS系统与智能物流系统的集成。MMS系统根据其他系统上传的数据，自动对智能物流系统下达物料运输指令。③MMS系统与智能制造单元控制系统的集成。柔性加工线控制系统，智能组装线控制系统等制造单元系统，与MMS系统集成，上传制造单元中各设备或作业台位的生产信息及设备状态（故障信息、维护保养信息）数据，将生产异常情况通过车间显示屏显示并报警，通知相关人员及时进行处理，并对异常情况自动进行生产平衡，实现智能化制造。

（5）识别系统与制造单元系统的集成。二维码识别、作业人员识别系统与制造单元系统的集成，如与自动清洗设备、缸盖部件组装线控制系统的集成。产品识别数据的导入，可以让制造控制系统识别产品在此单元中即将进行和完成的工序，控制传送带将产品输送到作业台位上；作业人员识别数据的导入，可以识别具有该岗位作业资质的人员启动生产设备，预防质量事故和安全事故的发生。

3 结语

通过理论分析，智能生产线适合于多品种小批量的生产模式，建设投产后可大幅提高缸盖的生产效率，提高设备的利用率，减少作业人员的辅助时间，实现工位制节拍化生产，从而降低生产成本。