汽車柴油發(fā)動機裝配質(zhì)量控制及分析

羅 兵

（江鈴汽車股份有限公司，江西 南昌 330200）

隨著人們生活水平的不斷提高，市場對商用汽車的使用要求也越來越高。柴油發(fā)動機是商用汽車的核心動力來源，其需要長時間在高溫、高壓的條件下不間斷地運轉(zhuǎn)，因此對柴油發(fā)動機的使用要求也越來越高，這也給商用汽車的心臟——柴油發(fā)動機的制造帶來了一定的挑戰(zhàn)。不僅汽車發(fā)動機的制造質(zhì)量會直接影響發(fā)動機的使用性能以及壽命，發(fā)動機的裝配質(zhì)量也會直接影響發(fā)動機的使用[1-3]，商用柴油發(fā)動機的裝配是發(fā)動機制造過程中極其重要的一個環(huán)節(jié)。如果不能很好地保證發(fā)動機的質(zhì)量，一旦發(fā)動機在顧客手上發(fā)生故障，不僅會增加公司的“三包”費用，而且會有損公司在市場上的口碑與形象。在柴油發(fā)動機裝配工藝的具體實施過程中，需要嚴(yán)格按照相關(guān)的規(guī)范進行操作，以此保障發(fā)動機的裝配質(zhì)量。如果沒有嚴(yán)格按照發(fā)動機的裝配規(guī)范要求以及步驟進行操作，必然會導(dǎo)致發(fā)動機的裝配質(zhì)量不合格，使用性能要求不達標(biāo)，甚至?xí)斐砂l(fā)動機故障，無法滿足顧客需求[4-6]。柴油發(fā)動機主要零部件有活塞連桿、缸體、缸蓋、曲軸飛輪等，在裝配過程中需要將眾多高精度、高復(fù)雜度的零部件按照工序進行裝配，把控各零部件之間的配合，使發(fā)動機獲得良好的裝配性能[7-8]。

1 汽車柴油發(fā)動機裝配生產(chǎn)中存在的主要問題

以江鈴汽車股份有限公司發(fā)動機廠為例，在以訂單驅(qū)動的精益生產(chǎn)模式下，汽車發(fā)動機月產(chǎn)量波動比較大。為了有效保證汽車發(fā)動機廠的生產(chǎn)效率及生產(chǎn)成本，生產(chǎn)排班模式需要隨之頻繁地發(fā)生變動，發(fā)動機裝配線一線作業(yè)人員的變動率高，培訓(xùn)新員工（小時工、借調(diào)人員、轉(zhuǎn)崗人員等）人數(shù)多。新進的相關(guān)從業(yè)人員的技術(shù)水平在短時間內(nèi)難以過關(guān)，專業(yè)化程度達不到理想要求，容易在發(fā)動機裝配時出現(xiàn)紕漏，從而導(dǎo)致不必要的返工和修復(fù)等問題。在該公司每年發(fā)動機制造責(zé)任整機轉(zhuǎn)間問題中，有90%以上是由于人員變動而造成的漏擰緊、漏裝和錯裝問題。

柴油發(fā)動機有多種系列產(chǎn)品，一般每個系列均超過100種機型在生產(chǎn)，同系列中不同機型的發(fā)動機都是共線進行生產(chǎn)，在批量人員頻繁變動時切換機型生產(chǎn)，非常容易造成裝配錯誤問題。同時，切換機型費時、費力，且需要人工對照紙質(zhì)文件找到切換后機型所需的物料或者程序號，極易造成等待浪費。

以上兩點，雖然在人力成本和生產(chǎn)廠房成本方面有比較大的節(jié)約，但是也給汽車的心臟——發(fā)動機的制造帶來了一定挑戰(zhàn)。首先，在汽車發(fā)動機裝配人員上，批量員工（小時工、借調(diào)人員、轉(zhuǎn)崗人員等）頻繁進出，讓裝配現(xiàn)場操作工無法保證人員穩(wěn)定，發(fā)動機裝配線一線作業(yè)人員變動率高，傳統(tǒng)的培訓(xùn)模式已滿足不了實際人員快速切換的需求。其次，在設(shè)備上，除線體外，其他設(shè)備均是服務(wù)5年以上的老舊設(shè)備。最后，現(xiàn)有的生產(chǎn)機型品種多、零件防錯差異大、防錯邏輯建立困難。針對以上困難，本研究成立了多個跨功能小組，經(jīng)小組多次現(xiàn)場觀察、討論，對柴油發(fā)動機裝配線條和裝配關(guān)鍵零件工位設(shè)備實施自主改造，搭建了云平臺管理系統(tǒng)。

2 汽車柴油發(fā)動機裝配的云平臺管理系統(tǒng)

針對汽車柴油發(fā)動機在裝配生產(chǎn)中存在的主要問題，本研究自主創(chuàng)新搭建了汽車柴油發(fā)動機裝配的云平臺管理系統(tǒng)，包含信息共享、信息透明、信息傳遞、信息存儲和工藝質(zhì)量培訓(xùn)云平臺。

2.1 資源和信息共享

云平臺管理系統(tǒng)通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將整個裝配工廠進行整合，把生產(chǎn)各環(huán)節(jié)互聯(lián)起來，實現(xiàn)計算資源、數(shù)據(jù)資源、信息資源的共享，相應(yīng)的信息不再只由所屬部門監(jiān)管，而是完全獨立。生產(chǎn)進度不再依靠車間負(fù)責(zé)人在車間挨個查問記錄，而是由后臺管理人員在后臺全方位實時把控車間情況。對系統(tǒng)集成車間設(shè)備進行集中控制管理，并與計算機之間進行信息交換，實時顯示設(shè)備狀態(tài)信息，并評估生產(chǎn)設(shè)備的各項性能，針對性地提高設(shè)備利用率。

2.2 信息透明化

以往，車間生產(chǎn)進度需等到每天工作結(jié)束再由負(fù)責(zé)人用紙質(zhì)單統(tǒng)計，效率低且易出錯，紙質(zhì)單傳遞還容易丟失，且要層層上報才知曉。然而，云平臺實時監(jiān)控生產(chǎn)狀況可以通過各種圖表直觀地反映當(dāng)前或過去某段時間的生產(chǎn)狀態(tài)，通過實時反饋生產(chǎn)計劃信息、車間作業(yè)完成情況、倉庫庫存、運輸進度等數(shù)據(jù)還可以讓管理者在第一時間做出下一步的決策，并將新的指令及時下發(fā)至車間。

2.3 高質(zhì)量信息傳遞

以往信息溝通都是人員之間進行傳達，根據(jù)自己的理解去敘述，容易造成理解上的偏差。在云平臺管理系統(tǒng)上，所有的數(shù)據(jù)都是客觀反映，并且實時收集，不需要第三方傳達，管理人員想知道某個方面的信息數(shù)據(jù)，直接在后臺即可查詢處理，減少了因溝通不到位造成誤解進而影響生產(chǎn)任務(wù)的問題。

2.4 全數(shù)據(jù)追溯，信息可存儲

目前，在汽車制造領(lǐng)域主要應(yīng)用以下兩種介質(zhì)識別車輛：超高頻RFID TAG，主要用于整車制造；高頻RFID TAG，主要用于發(fā)動機/變速器裝配。高頻RFID工作在13.56 MHz頻率，讀寫距離小于0.2 m，由于受此限制，所以要求在應(yīng)用時滿足以下條件：1）閱讀時TAG靜止。2）TAG和閱讀器要盡可能平行且接近。發(fā)動機和變速機的裝配工藝符合這兩個條件，因此該技術(shù)在發(fā)動機和變速機的裝配工藝中應(yīng)用較為廣泛。比如，發(fā)動機裝配通常采用摩擦輪輸送線，發(fā)動機在進入裝配位置時是固定的，固定在托盤上進行輸送，而閱讀器安裝在TAG的正下方。這一特點造成發(fā)動機RFID識別和整車有較大的差別，具體差別有兩點：1）發(fā)動機采用高頻RFID。2）發(fā)動機每一個站都安裝閱讀器，而整車制造通常只在線頭、線尾安裝閱讀器。由于發(fā)動機每一個站都安裝了閱讀器，因此可考慮將業(yè)務(wù)指令和數(shù)據(jù)盡可能地存儲在TAG上，由PLC直接讀寫，這樣可以極大地減少PLC和MES的交互，比如西門子的高頻RFID。此外，TAG可支持64 KB容量的數(shù)據(jù)，因此可以把產(chǎn)品的主數(shù)據(jù)、上線日期、BOM、作業(yè)指令、裝配數(shù)據(jù)、追溯數(shù)據(jù)、維修記錄等都存儲在TAG上，因而一個TAG就相當(dāng)于一件產(chǎn)品的作業(yè)手冊和裝配檔案。

汽車柴油發(fā)動機裝配的云平臺管理系統(tǒng)，經(jīng)由MES系統(tǒng)配好配方，可知哪些工位需要安裝哪些關(guān)鍵防錯零部件以及擰緊程序號和擰緊次數(shù)、加注機的加注程序等，再由線體PLC與MES服務(wù)器通信，裝配線體上54個工位配好54個RFID，讀寫頭RFID再與PLC進行組態(tài)通信。當(dāng)托盤在10工位時，即裝配起始位置，由MES系統(tǒng)配好的配方按照SAP訂單順序下發(fā)對應(yīng)機型號、流水號、配方到PLC，再由PLC寫入到RFID里面，保存到托盤，托盤運行到后面工序時，再由PLC讀出10工序下的配方，進行程序選擇和零部件選擇，實現(xiàn)由訂單驅(qū)動、程序自動切換以及關(guān)鍵零部件防錯。此外，一些關(guān)鍵的裝配信息（壓裝機的壓力、擰緊機的扭矩和角度、關(guān)鍵零部件信息）可以反饋到MES系統(tǒng)進行保存。下面具體介紹5個案例。

2.4.1 四大件防錯系統(tǒng)

缸體、缸蓋、曲軸和連桿被稱為發(fā)動機四大件，其在發(fā)動機中具有十分重要的作用，發(fā)動機中的每一個零件要想正常工作都必須從四大件上獲取動力、潤滑油和冷卻水。傳統(tǒng)的裝配線是操作者熟練掌握四大件的自有特性，依靠操作工比對排產(chǎn)單。現(xiàn)自主開發(fā)云平臺管理系統(tǒng)后，MES在第一個工位下配方，PLC將配方寫入到RFID內(nèi)的TAG中，在裝四大件的工位上讀取配方，根據(jù)配方內(nèi)的機型號和流水號所對應(yīng)的防錯規(guī)則，由PLC邏輯比對，比對成功后才允許放行，減少了批量錯裝情況。此外，四大件生產(chǎn)信息會上傳至MES，可長時效地進行質(zhì)量追溯。

2.4.2 軸瓦選配防錯系統(tǒng)

發(fā)動機軸瓦分為主軸瓦和連桿瓦，燃燒室燃燒通過連桿推動曲軸轉(zhuǎn)動時，靠軸瓦來保證其工作。連桿瓦通過連桿內(nèi)徑尺寸選配，主軸瓦通過缸體軸徑及曲軸外徑尺寸選配，傳統(tǒng)裝配線是依靠操作工目視查看零件外部的標(biāo)識，通過選配規(guī)則換算拿取軸瓦裝配。現(xiàn)自主開發(fā)云平臺管理系統(tǒng)后，根據(jù)配方內(nèi)的缸體和曲軸等級號，由PLC運算生產(chǎn)選配結(jié)果，并打開對應(yīng)的主軸瓦柜門，減少了作業(yè)人員選錯軸瓦的情況。

2.4.3 汽缸墊選配防錯系統(tǒng)

汽缸墊是缸體和缸蓋之間的關(guān)鍵零件，它的選配是通過測量四個缸活塞的凸出高度獲得的。傳統(tǒng)的測量方法是操作者將千分表固定在專用工裝內(nèi)，讀取測量表盤數(shù)據(jù)。現(xiàn)自主開發(fā)云平臺管理系統(tǒng)后，根據(jù)配方內(nèi)的活塞凸出高度，由PLC運算生成選配結(jié)果，測量數(shù)據(jù)和汽缸墊選配組號并在顯示屏上展示，同時打開對應(yīng)的氣缸墊柜門，減少了操作工讀錯測量數(shù)據(jù)和記錯測量數(shù)據(jù)而導(dǎo)致選錯氣缸墊的現(xiàn)象[9]。

2.4.4 加注液防錯系統(tǒng)

發(fā)動機的正常運行需要一定量的潤滑機油潤滑相關(guān)運動部位，同時需要一定量的冷卻液來降溫，以防止鋁制缸蓋高溫變形造成發(fā)動機故障。傳統(tǒng)的裝配線依靠操作工掌握的技能，通過機型比對選擇加注檔位，給發(fā)動機進行加注。現(xiàn)自主開發(fā)云平臺管理系統(tǒng)后，根據(jù)配方內(nèi)的機型號和流水號所對應(yīng)的程序號，由PLC邏輯控制后將程序號發(fā)給潤滑加油加注機，比對結(jié)果無誤則允許加注，加注機油量數(shù)據(jù)可追溯。同時，發(fā)動機托盤的放行指令需接收到加注機完成正確加注一次信號后，才能放行托盤，有效減少了操作工漏加、少加加注液及同臺發(fā)動機加注兩次的現(xiàn)象。

2.4.5 擰緊機/軸防錯系統(tǒng)

一臺發(fā)動機由上千個零件裝配組成，零件與零件之間是通過螺栓固定連接的。傳統(tǒng)的裝配線是通過操作工目視確認(rèn)電動擰緊工具的指示燈判定擰緊是否合格后放行[10]。現(xiàn)自主開發(fā)云平臺管理系統(tǒng)后，將每個工序擰緊螺栓力矩規(guī)格和擰緊數(shù)量下發(fā)配方，根據(jù)配方內(nèi)的機型號和流水號所對應(yīng)的程序號，由PLC邏輯控制將程序號發(fā)給擰緊系統(tǒng)，擰緊次數(shù)和擰緊結(jié)果無誤則允許發(fā)動機放行，擰緊數(shù)據(jù)可追溯，減少了操作工螺栓漏擰和擰緊不完全就放行的現(xiàn)象。同時，擰緊數(shù)據(jù)會上傳至系統(tǒng)，根據(jù)發(fā)動機號也可查詢所需擰緊力矩[11]。

2.5 工藝質(zhì)量培訓(xùn)平臺

將裝配工藝要求和歷史質(zhì)量問題通過轉(zhuǎn)換日常話語上傳至云端并生成二維碼，操作工通過手機掃碼學(xué)習(xí)能夠有效地避免因人為的失誤而造成發(fā)動機裝配質(zhì)量的問題。在培訓(xùn)平臺上，員工可以在手機上查看所有的培訓(xùn)內(nèi)容，極大地提高了培訓(xùn)的便捷性、時效性、可接受度等，并且員工可隨時隨地對知識盲區(qū)進行再學(xué)習(xí)，避免新員工因不敢問而盲目操作帶來的質(zhì)量問題。同時，培訓(xùn)平臺數(shù)據(jù)庫可增加大量實際案例，提升員工對培訓(xùn)知識的自主思考及應(yīng)用能力。

3 結(jié)束語

隨著工業(yè)4.0時代的來臨，數(shù)字化工廠、智能制造成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型的主旋律。根據(jù)大數(shù)據(jù)網(wǎng)搜索，國際大型汽車制造企業(yè)如上汽通用、美國福特、特斯拉等和中國一些造車新勢力公司如小鵬、理想等均在研發(fā)和應(yīng)用MES系統(tǒng)，無線射頻技術(shù)、MES系統(tǒng)以及PLC在自動化生產(chǎn)線中的綜合應(yīng)用給予了工業(yè)4.0一個良好的詮釋。本研究自主研發(fā)的云平臺管理系統(tǒng)，可自主創(chuàng)新底層數(shù)據(jù)模塊，包括配方的分離系統(tǒng)采集、重新定義平臺與各端口適配性、獲取底層信息及顯示；可自主建立智能高效的緩沖服務(wù)模塊端，有效消除網(wǎng)絡(luò)堵塞、延遲或無響應(yīng)等外部服務(wù)器帶來的影響，能夠獨立應(yīng)對，高效生產(chǎn)；可自主設(shè)計防錯邏輯，下達配方，通過程序和設(shè)備的交互作用，盡可能少依靠操作者的主觀判斷。將以上內(nèi)容實施落地，可以使得發(fā)動機裝配線實現(xiàn)智能化組裝生產(chǎn)，并將品質(zhì)過硬的汽車發(fā)動機交至客戶手中。