智能化检测在自动化柴油机加工生产线的高效应用

王维震 王政 朱启增 安传锋

摘要：加工数据不只是流动、储存，更多的是要与设备融合起来，为设备提供决策，实现预警、报警和修正。P系列柴油机自动化加工线便是融合了智能检测、智能传输、智能分析计算反馈修正的一条生产线，现对其实现自动化、无人化生产过程进行分析。

关键词：工业4.0;自动化;智能检测;在线测量

中图分类号：TP29    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2024）11-0022-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2024.11.006

0    引言

工业4.0时代已经到来，传统的生产线正逐步被自动化生产线所替代[1-2]。自动化生产线实现了高效、高质量、少人化生产，但同时也带来了一定的质量风险[3-4]。因此，单纯的自动化生产线已无法达到工业4.0的要求，而高度智能化生产线一定具备两个流——实物流和数据流，高度智能的数据流对当前生产线建设非常重要。

1    P系列柴油机自动化加工线介绍

该生产线是一条自动化、信息化黑灯生产线，共15个工序，18台设备，设计产能10万台/年。计划员使用企业资源计划（Enterprise Resource Planning，ERP）下达生产任务，数据自动传输至制造执行系统（Manufacturing Execution System，MES）（图1），激光打刻机接收MES计划，根据任务号辨别半成品件号是否符合生产计划，若符合，则该工件由桁架机械手抓取，向后流转，若不符合，则由机械手抓取到剔料工位，向后流转的机械手全程的流动均通过桁架机械手、关节机械手、辊道等自动化设备进行，各工序的加工设备均是自动化加工设备，机加工设备采用进口设备，辅机采用国内知名厂家产品，各工序配备了视觉检测、压力位移检测、在线测量测头及柔性在线测量设备，实现了全过程、全尺寸100%在线检测，其中在线测量测头具备补偿功能，主要补偿加工位置及其他相关尺寸。

2    加工中心柔性化检测

2.1    加工程序选择智能自动化

P系列发动机匹配客户比较多，涉及重卡、船机、农机、工程机械、客车等领域，配套多必然造成件号较多，目前工件件号达到54个。该生产线前5道工序为机加工工序，使用加工中心加工，以往都是人工通过肉眼检查工件件号，然后通过纸质加工程序匹配表查找该机型应该用的加工程序，再通过人工在加工中心选择加工程序，该过程存在极大风险，肉眼看件号、匹配加工程序、选择加工程序这三个过程容易看错、记错、选错，造成工件报废。该生产线通过加装二维码自动扫描仪，并将扫描仪与加工中心连接，实现了将扫描仪读取的信息传递到加工中心可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC），再由PLC传递至数字控制（Numerical Control，NC），将读取的信息最终自动转化成所需要的加工程序（图2）。该过程全程无人工参与，杜绝了人为原因造成的加工质量问题，节省了换型时间，提高了加工效率。

2.2    加工刀具断刀检测自动化

刀具在加工过程中由于加工硬点、刀具自身质量、工件硬度变化等原因，经常会发生断刀问题，由于生产线无人化，该问题一旦发生，将会形成批量质量问题。为解决该问题，对加工中心进行了改造，加装了刀具在线检测设备（图3），该设备与机床互联互通，通过监控主轴力矩，监测刀具是否有断刀、蹦刃等问题，一旦力矩变化趋势不良或有突发变化情况，机床将针对监测设备提供的信息，发出警报或直接停机。该设备能准确发现断刀及不良加工行为，不仅能够防止质量问题，同时也替代了原有的人工强制换刀管理方式，延长了刀具寿命，减少了换刀时间，提高了加工效率，降低了生产成本。

2.3    在线测量测头在加工中心的应用

为提高加工效率，本产线加工中心采用双托盘模式。双托盘加工精度不如单托盘稳定，以往为了保证加工精度，每台机床均要送检三坐标，用以检查工件位置尺寸的加工稳定性，并进行人工调整。该检测方式虽然检测精度高，但也存在以下两个问题：首先，时效性差，受检测资源的限制，每台机床每个托盘每周仅能送检一次，一旦位置尺寸偏差大，将形成批量质量问题;其次，一旦位置尺寸靠近公差上限或下限，需人工调整机床加工程序，调整过程中，人工易调反方向或输错数值，导致位置尺寸偏出公差，从而造成批量质量问题。为解决这两个问题，生产线引进在线测量测头系统（图4），每台工件加工前，都对托盘进行检测，实时获得托盘的实际位置，并将测得的数据写进NC中，机床自动计算，更改加工程序参数，确保工件位置尺寸始终保持在中间公差。该检测方式实现了工件位置尺寸100%在线测量，同时实现了数据的自动补偿，保证了产品质量，杜绝了人工参与造成的风险。

2.4    柔性在线测量设备在加工线的应用

以往加工尺寸的测量全部由人工靠测量检具检测，每天测量约10件左右，测量比例较低，不能及时发现问题，并且在检测过程中操作者容易看错表，导致出现质量问题时无法发现。为解决该问题，生产线根据加工尺寸，设计了在线测量机（图5），对加工尺寸进行100%检测。该设备使用关节机器人抓取测量检具，工件举升定位，测量前使用空气清理设备清理工件铁屑，工件编码与测量数据绑定，测得的数据上传至MES及质量大数据分析专家（Quality-Data Advanced System，Q-DAS）。MES用于储存测量数据，作为追溯使用，Q-DAS则对数据进行统计过程控制（Statistical Process Control，SPC）分析，用于研究生产线过程能力，通过对数据的研究，可及时发现机床、夹具、刀具问题，采用相应措施及时规避问题的发生，通过对过程的不断改进，提升过程能力。当前，该线机加工过程能力（Complex Process Capability，Cpk）指数已经由原来的1.2提升至1.53，提升比例达到了28%，产品合格率达到了99.98%。

3    辅机智能化检测

3.1    视觉检测技术

为实时监督生产过程质量，在生产线8个工序中配备视觉检测（图6），实现过程质量100%监控，当视觉检测发现异常时，机床自动报警停机，需要人为进行确认。视觉检测内容有：碗形塞底孔自动涂胶后是否断胶、喷油器孔密封圈是否装配到位、装配用结合面有无异物、零部件是否漏装、工件有无多/漏加工等。同时，建立视觉检测有效性验证管理办法，每周对各个视觉检测工序进行有效性验证，确保检测结果真实有效。

3.2    光学检测技术

对于工件倒角角度、倒角大小等不便测量项目，生产线配备两台光学检测设备（图7），并与生产线串联，分别检测缸体缸孔倒角和缸盖阀座孔倒角，能够实时检测倒角角度和倒角大小，并可清晰直观地查看所计算的统计数值，然后根据设计条件自动判别控制图有无异常，便于质量实时监控。

3.3    压力位移检测技术

P系列发动机有大量压装尺寸需要控制，例如碗形塞、气门导管、气门阀座、凸轮轴衬套等均采用电缸压装，位移压装尺寸均使用机械限位控制，但随着机械限位工装的磨损，该类压装尺寸会发生变化，直至不合格，并且不易发现。为解决该问题，P系列发动机生产线所有压装尺寸均采用压力位移法控制（图8），该方法可精准控制压装尺寸，一旦压装不正常，设备会报警停机，避免出现质量问题。该方法的应用大大降低了操作者测量强度，同时规避了压装尺寸超差的风险。

4    结束语

发动机的加工是一个复杂的工艺系统，各项加工指标都较难控制，因此一条高度自动化、信息化、智能化的生产线非常重要。本文所述生产线能在解决工艺难题的同时，解决加工尺寸检测自动化、智能化的问题，可为本行业或其他行业零部件生产线建设提供参考。

[参考文献]

[1] 屈力刚，王阳，李静，等.机械加工检测技术的现状及智能化发展[J].智能制造，2023（5）：22-26.

[2] 王维震，郑世魁，杨国涛，等.基于数学逻辑的刀具补偿技术研究与应用[J].机电信息，2023（17）：77-79.

[3] 顾峰，陆洋，丁胜明.基于在线检测技术的混线生产应用研究[J].现代车用动力，2023（1）：41-44.

[4] 吴义荣.数控车床在线检测及偏差自动补偿的实现方法[J].金属加工（冷加工），2022（3）：74-78.

收稿日期：2024-01-29

作者简介：王维震（1987—），男，安徽宿州人，工程师，研究方向：内燃机制造技术。