汽车柴油发动机装配质量控制及分析
时间：2023-03-23 18:00:05 来源：千叶帆 本文已影响人
罗 兵
（江铃汽车股份有限公司，江西 南昌 330200）
随着人们生活水平的不断提高，市场对商用汽车的使用要求也越来越高。柴油发动机是商用汽车的核心动力来源，其需要长时间在高温、高压的条件下不间断地运转，因此对柴油发动机的使用要求也越来越高，这也给商用汽车的心脏——柴油发动机的制造带来了一定的挑战。不仅汽车发动机的制造质量会直接影响发动机的使用性能以及寿命，发动机的装配质量也会直接影响发动机的使用[1-3]，商用柴油发动机的装配是发动机制造过程中极其重要的一个环节。如果不能很好地保证发动机的质量，一旦发动机在顾客手上发生故障，不仅会增加公司的“三包”费用，而且会有损公司在市场上的口碑与形象。在柴油发动机装配工艺的具体实施过程中，需要严格按照相关的规范进行操作，以此保障发动机的装配质量。如果没有严格按照发动机的装配规范要求以及步骤进行操作，必然会导致发动机的装配质量不合格，使用性能要求不达标，甚至会造成发动机故障，无法满足顾客需求[4-6]。柴油发动机主要零部件有活塞连杆、缸体、缸盖、曲轴飞轮等，在装配过程中需要将众多高精度、高复杂度的零部件按照工序进行装配，把控各零部件之间的配合，使发动机获得良好的装配性能[7-8]。
以江铃汽车股份有限公司发动机厂为例，在以订单驱动的精益生产模式下，汽车发动机月产量波动比较大。为了有效保证汽车发动机厂的生产效率及生产成本，生产排班模式需要随之频繁地发生变动，发动机装配线一线作业人员的变动率高，培训新员工（小时工、借调人员、转岗人员等）人数多。新进的相关从业人员的技术水平在短时间内难以过关，专业化程度达不到理想要求，容易在发动机装配时出现纰漏，从而导致不必要的返工和修复等问题。在该公司每年发动机制造责任整机转间问题中，有90%以上是由于人员变动而造成的漏拧紧、漏装和错装问题。
柴油发动机有多种系列产品，一般每个系列均超过100种机型在生产，同系列中不同机型的发动机都是共线进行生产，在批量人员频繁变动时切换机型生产，非常容易造成装配错误问题。同时，切换机型费时、费力，且需要人工对照纸质文件找到切换后机型所需的物料或者程序号，极易造成等待浪费。
以上两点，虽然在人力成本和生产厂房成本方面有比较大的节约，但是也给汽车的心脏——发动机的制造带来了一定挑战。首先，在汽车发动机装配人员上，批量员工（小时工、借调人员、转岗人员等）频繁进出，让装配现场操作工无法保证人员稳定，发动机装配线一线作业人员变动率高，传统的培训模式已满足不了实际人员快速切换的需求。其次，在设备上，除线体外，其他设备均是服务5年以上的老旧设备。最后，现有的生产机型品种多、零件防错差异大、防错逻辑建立困难。针对以上困难，本研究成立了多个跨功能小组，经小组多次现场观察、讨论，对柴油发动机装配线条和装配关键零件工位设备实施自主改造，搭建了云平台管理系统。
针对汽车柴油发动机在装配生产中存在的主要问题，本研究自主创新搭建了汽车柴油发动机装配的云平台管理系统，包含信息共享、信息透明、信息传递、信息存储和工艺质量培训云平台。
2.1 资源和信息共享
云平台管理系统通过工业互联网技术将整个装配工厂进行整合，把生产各环节互联起来，实现计算资源、数据资源、信息资源的共享，相应的信息不再只由所属部门监管，而是完全独立。生产进度不再依靠车间负责人在车间挨个查问记录，而是由后台管理人员在后台全方位实时把控车间情况。对系统集成车间设备进行集中控制管理，并与计算机之间进行信息交换，实时显示设备状态信息，并评估生产设备的各项性能，针对性地提高设备利用率。
2.2 信息透明化
以往，车间生产进度需等到每天工作结束再由负责人用纸质单统计，效率低且易出错，纸质单传递还容易丢失，且要层层上报才知晓。然而，云平台实时监控生产状况可以通过各种图表直观地反映当前或过去某段时间的生产状态，通过实时反馈生产计划信息、车间作业完成情况、仓库库存、运输进度等数据还可以让管理者在第一时间做出下一步的决策，并将新的指令及时下发至车间。
2.3 高质量信息传递
以往信息沟通都是人员之间进行传达，根据自己的理解去叙述，容易造成理解上的偏差。在云平台管理系统上，所有的数据都是客观反映，并且实时收集，不需要第三方传达，管理人员想知道某个方面的信息数据，直接在后台即可查询处理，减少了因沟通不到位造成误解进而影响生产任务的问题。
2.4 全数据追溯，信息可存储
目前，在汽车制造领域主要应用以下两种介质识别车辆：超高频RFID TAG，主要用于整车制造；
高频RFID TAG，主要用于发动机/变速器装配。高频RFID工作在13.56 MHz频率，读写距离小于0.2 m，由于受此限制，所以要求在应用时满足以下条件：1）阅读时TAG静止。2）TAG和阅读器要尽可能平行且接近。发动机和变速机的装配工艺符合这两个条件，因此该技术在发动机和变速机的装配工艺中应用较为广泛。比如，发动机装配通常采用摩擦轮输送线，发动机在进入装配位置时是固定的，固定在托盘上进行输送，而阅读器安装在TAG的正下方。这一特点造成发动机RFID识别和整车有较大的差别，具体差别有两点：1）发动机采用高频RFID。2）发动机每一个站都安装阅读器，而整车制造通常只在线头、线尾安装阅读器。由于发动机每一个站都安装了阅读器，因此可考虑将业务指令和数据尽可能地存储在TAG上，由PLC直接读写，这样可以极大地减少PLC和MES的交互，比如西门子的高频RFID。此外，TAG可支持64 KB容量的数据，因此可以把产品的主数据、上线日期、BOM、作业指令、装配数据、追溯数据、维修记录等都存储在TAG上，因而一个TAG就相当于一件产品的作业手册和装配档案。
汽车柴油发动机装配的云平台管理系统，经由MES系统配好配方，可知哪些工位需要安装哪些关键防错零部件以及拧紧程序号和拧紧次数、加注机的加注程序等，再由线体PLC与MES服务器通信，装配线体上54个工位配好54个RFID，读写头RFID再与PLC进行组态通信。当托盘在10工位时，即装配起始位置，由MES系统配好的配方按照SAP订单顺序下发对应机型号、流水号、配方到PLC，再由PLC写入到RFID里面，保存到托盘，托盘运行到后面工序时，再由PLC读出10工序下的配方，进行程序选择和零部件选择，实现由订单驱动、程序自动切换以及关键零部件防错。此外，一些关键的装配信息（压装机的压力、拧紧机的扭矩和角度、关键零部件信息）可以反馈到MES系统进行保存。下面具体介绍5个案例。
2.4.1 四大件防错系统
缸体、缸盖、曲轴和连杆被称为发动机四大件，其在发动机中具有十分重要的作用，发动机中的每一个零件要想正常工作都必须从四大件上获取动力、润滑油和冷却水。传统的装配线是操作者熟练掌握四大件的自有特性，依靠操作工比对排产单。现自主开发云平台管理系统后，MES在第一个工位下配方，PLC将配方写入到RFID内的TAG中，在装四大件的工位上读取配方，根据配方内的机型号和流水号所对应的防错规则，由PLC逻辑比对，比对成功后才允许放行，减少了批量错装情况。此外，四大件生产信息会上传至MES，可长时效地进行质量追溯。
2.4.2 轴瓦选配防错系统
发动机轴瓦分为主轴瓦和连杆瓦，燃烧室燃烧通过连杆推动曲轴转动时，靠轴瓦来保证其工作。连杆瓦通过连杆内径尺寸选配，主轴瓦通过缸体轴径及曲轴外径尺寸选配，传统装配线是依靠操作工目视查看零件外部的标识，通过选配规则换算拿取轴瓦装配。现自主开发云平台管理系统后，根据配方内的缸体和曲轴等级号，由PLC运算生产选配结果，并打开对应的主轴瓦柜门，减少了作业人员选错轴瓦的情况。
2.4.3 汽缸垫选配防错系统
汽缸垫是缸体和缸盖之间的关键零件，它的选配是通过测量四个缸活塞的凸出高度获得的。传统的测量方法是操作者将千分表固定在专用工装内，读取测量表盘数据。现自主开发云平台管理系统后，根据配方内的活塞凸出高度，由PLC运算生成选配结果，测量数据和汽缸垫选配组号并在显示屏上展示，同时打开对应的气缸垫柜门，减少了操作工读错测量数据和记错测量数据而导致选错气缸垫的现象[9]。
2.4.4 加注液防错系统
发动机的正常运行需要一定量的润滑机油润滑相关运动部位，同时需要一定量的冷却液来降温，以防止铝制缸盖高温变形造成发动机故障。传统的装配线依靠操作工掌握的技能，通过机型比对选择加注档位，给发动机进行加注。现自主开发云平台管理系统后，根据配方内的机型号和流水号所对应的程序号，由PLC逻辑控制后将程序号发给润滑加油加注机，比对结果无误则允许加注，加注机油量数据可追溯。同时，发动机托盘的放行指令需接收到加注机完成正确加注一次信号后，才能放行托盘，有效减少了操作工漏加、少加加注液及同台发动机加注两次的现象。
2.4.5 拧紧机/轴防错系统
一台发动机由上千个零件装配组成，零件与零件之间是通过螺栓固定连接的。传统的装配线是通过操作工目视确认电动拧紧工具的指示灯判定拧紧是否合格后放行[10]。现自主开发云平台管理系统后，将每个工序拧紧螺栓力矩规格和拧紧数量下发配方，根据配方内的机型号和流水号所对应的程序号，由PLC逻辑控制将程序号发给拧紧系统，拧紧次数和拧紧结果无误则允许发动机放行，拧紧数据可追溯，减少了操作工螺栓漏拧和拧紧不完全就放行的现象。同时，拧紧数据会上传至系统，根据发动机号也可查询所需拧紧力矩[11]。
2.5 工艺质量培训平台
将装配工艺要求和历史质量问题通过转换日常话语上传至云端并生成二维码，操作工通过手机扫码学习能够有效地避免因人为的失误而造成发动机装配质量的问题。在培训平台上，员工可以在手机上查看所有的培训内容，极大地提高了培训的便捷性、时效性、可接受度等，并且员工可随时随地对知识盲区进行再学习，避免新员工因不敢问而盲目操作带来的质量问题。同时，培训平台数据库可增加大量实际案例，提升员工对培训知识的自主思考及应用能力。
随着工业4.0时代的来临，数字化工厂、智能制造成为制造业转型的主旋律。根据大数据网搜索，国际大型汽车制造企业如上汽通用、美国福特、特斯拉等和中国一些造车新势力公司如小鹏、理想等均在研发和应用MES系统，无线射频技术、MES系统以及PLC在自动化生产线中的综合应用给予了工业4.0一个良好的诠释。本研究自主研发的云平台管理系统，可自主创新底层数据模块，包括配方的分离系统采集、重新定义平台与各端口适配性、获取底层信息及显示；
可自主建立智能高效的缓冲服务模块端，有效消除网络堵塞、延迟或无响应等外部服务器带来的影响，能够独立应对，高效生产；
可自主设计防错逻辑，下达配方，通过程序和设备的交互作用，尽可能少依靠操作者的主观判断。将以上内容实施落地，可以使得发动机装配线实现智能化组装生产，并将品质过硬的汽车发动机交至客户手中。
