防錯防混技術在活塞機加工自動線的應用

摘要：為提高活塞機加工自動生產線工作效率，通過分析活塞生產過程的潛在失效模式及失效機理，研究防錯防混技術，分析視覺影像防錯防混、夾具氣密檢測防錯、夾具硬性干涉防錯、斷刀檢測防錯技術在生產線不同工序的應用。研究結果表明：在活塞工藝設計方面，防錯防混技術可預防失效機理或失效模式產生；在加工過程檢驗控制方面，防錯防混技術可杜絕活塞失效件流出，提高活塞機加工自動線生產效率及產品質量。

關鍵詞：活塞；機加工自動線；防錯防混技術

中圖分類號：TK406文獻標志碼：A文章編號：1673-6397（2025）01-0087-05

引用格式：梁偉偉，羅紹杰，王磊，等.防錯防混技術在活塞機加工自動線的應用［J］.內燃機與動力裝置，2025，42（1）：87-91.

LIANG Weiwei，LUO Shaojie，WANG Lei，et al.Application of error-prevention and mixing-prevention technology in" the automatic production line of engine pistons［J］.Internal Combustion Engine amp; Powerplant， 2025，42（1）：87-91.

0 引言

活塞是內燃機的關鍵部件，活塞的加工精度和質量穩定性直接影響內燃機性能^[1]。隨著汽車、船舶、工程機械等行業的快速發展，對活塞加工精度和質量穩定性的要求日益提高。傳統手工生產線活塞加工效率低、勞動強度大，難以滿足高訂單需求。采用活塞自動化生產線技術是提高活塞加工效率和精度的重要途徑，然而生產過程中大批量、流水線、自動化的加工特征，導致活塞出現混料或混號、銷孔偏移等問題，降低了活塞加工質量，增加了活塞加工成本并可能影響內燃機性能^[2-3]。隨著工業智能化技術的發展，在活塞機加工自動化生產線中系統應用防錯防混技術，可有效防止自動線批量活塞加工錯誤，提高活塞加工精度和質量穩定性^[4]。本文中結合活塞生產工藝，分析不同工序對應的防錯防混技術，為提高活塞質量提供參考。

1 活塞機加工自動線

1.1 組成

典型活塞機加工自動線主要由物料機器人、加工設備、工藝裝備、輸送系統、輔助裝備和控制系統組成，根據上下料設備分為桁架式、關節機器人和有軌料盤式三種類型^[5-6]。與傳統手工生產線活塞加工相比，活塞機加工自動線集成了數控機床自動化活塞加工、自動上下料、基準定位與夾緊、自動排屑、集成控制與報警系統，實現了高度自動化和精確控制，顯著提高了加工效率和產品質量穩定性，減少了人工干預，降低了勞動強度，更好地滿足市場對活塞的高訂單需求^[7-9]。

1.2 工序

防錯防混技術，又稱為防呆技術，是一種通過消除潛在失效模式或失效機理（零件失效、人為差錯、工藝失效、設備故障等），減少生產偏差和錯誤的方法^[10]。活塞機加工的失效模式主要有活塞混料或混號、活塞銷孔偏移或氣門坑反向加工、活塞加工工序遺漏、活塞環槽清潔度差等。通過分析活塞機加工工序，采用不同防錯防混技術，可有效避免活塞加工失效，識別活塞加工失效件，杜絕活塞加工失效件流出生產線。

防錯防混技術在活塞機加工自動化生產線的分布如表1所示，表中A、B、C、D分別為視覺影像防錯防混技術、夾具氣密檢測防錯技術、夾具硬性干涉防錯技術、斷刀檢測防錯技術，其中夾具硬性干涉防錯技術分為止口胎干涉銷硬性防錯技術和定位棒干涉銷硬性防錯技術。

A應用于自動上料和活塞環槽鋁屑檢測工序；B應用于所有的活塞機加工工序；C應用于粗鏜銷孔、銑氣門坑、精車外圓、精鏜銷孔工序，其中前3個工序應用止口胎干涉銷硬性防錯技術，精鏜銷孔工序應用定位棒干涉銷硬性防錯技術；D應用于鉆油孔和精車環槽工序。通過系統組合防錯防混技術，可在設計階段預防失效模式，并在加工過程中探測失效件，確保加工質量。

2 防錯防混技術的應用

2.1 視覺影像防錯防混技術

活塞機加工自動線采用視覺影像技術對自動上料工序和活塞環槽鋁屑檢測工序進行視覺檢測。該技術主要包括圖像獲取、圖像預處理、圖像分割、圖像識別及圖像檢測^[11]。

2.1.1 自動上料工序

通常活塞銷孔中心線相對于活塞中心線偏心設計，活塞氣門坑有方向，活塞的結構特征決定活塞機加工必須定向裝夾。活塞毛坯姿態在機加工自動線毛坯料道中為無序狀態，為避免活塞加工方向錯誤，采用視覺影像技術識別活塞銷座凸臺或擋圈槽缺口等特征，將無序的活塞毛坯輸出為有序姿態，實現活塞定向放置裝夾。視覺影像上料系統如圖1所示。

視覺影像上料系統包含相機（含光源）、圖像處理器、顯示器、影像定位座、影像底座、旋轉設備等。生產新品前，活塞機加工自動線采集活塞毛坯圖形，處理器將輸入圖樣處理后設定為標準圖樣；正式生產過程中，相機采集每個活塞圖形并輸入圖像處理器，圖像處理器將輸入的活塞圖形與標準圖樣進行形狀對比分析，通常設定圖像形狀相似度大于等于90%為正常，小于90%為異常；判斷為異常的活塞毛坯進入待處理料道，可避免其它型號活塞毛坯混料；判斷為正常的活塞毛坯，經圖像處理器提取活塞特征，進行圖像處理識別毛坯相位，輸出相位信號后由設備自動進行位置修正，直至活塞毛坯姿態輸出信號正確，保證后續活塞加工方向正確。不同活塞對應的標準圖樣極限不同，按照防錯清單確定對應活塞的視覺影像上料圖樣極限，并定期進行防錯驗證，避免視覺影像系統失效造成批量活塞加工錯誤。

2.1.2 環槽鋁屑檢測

若采用100%人工目視檢驗活塞環槽鋁屑，會因視覺疲勞、疏忽等不可抗因素造成環槽清潔度不滿足標準要求，降低產品質量，采用視覺影像技術進行檢測，可有效消除以上潛在風險，環槽鋁屑影像檢測設備如圖2所示，該設備由相機、圖像處理器、圖像顯示器、專用影像胎等組成。

首次生產新品前，活塞機加工自動線采集無鋁屑的活塞環槽圖樣經處理器處理后設定為標準圖像。加工過程中，相機采集圖像，并與標準圖像對比分析，若活塞環槽內有鋁屑異物，顯示器顯示異常，機械手抓取該活塞進入鋁屑異常料道，由人工作業去除環槽內鋁屑；若活塞環槽內沒有鋁屑，顯示器顯示正常。環槽鋁屑影像檢測設備可準確識別環槽異物，避免人工目視檢查疏忽，提高產品質量。

2.2 夾具氣密檢測防錯技術

活塞機加工自動線生產過程為全封閉無人狀態，切削液自動沖洗及高壓吹氣清理活塞加工定位面的效果未知，若清理效果不佳，定位面間夾雜鋁屑，出現定位凸點，導致活塞定位精度差，影響活塞加工精度。夾具氣密檢測系統通過檢測密封通道或系統氣壓分析有無氣體外泄，判斷活塞加工定位面有無定位凸點^[12]。活塞止口定位面如圖3所示，胎具氣密檢測系統結構如圖4所示。

由圖3可知：活塞止口定位面一般包含4個定位區域。由圖4可知：胎具氣密檢測系統的氣密止口胎有氣密孔，一般為4個，以保證氣密檢測系統穩定及準確性。根據止口定位面確定氣密孔直徑，胎具氣密檢測系統設定最大漏氣體積流量，檢測時，將活塞裝夾在氣密止口胎上，當止口定位面無鋁屑時，活塞止口定位面完全覆蓋氣密孔，此時氣密孔不漏氣或極少漏氣，不引發報警；當止口定位面上夾雜鋁屑時，定位面出現定位凸點，活塞止口定位面不能完全覆蓋氣密孔，氣密孔漏氣量超出閾值，設備報警并停機，避免定位面間夾雜鋁屑影響活塞加工質量。

2.3 夾具硬性干涉防錯技術

自動上料工序的視覺影像上料設備配備光源，圖像濾波處理能改善活塞毛坯圖像質量，但活塞毛坯呈亮白色，圖像處理器誤判率為十萬分之一，使活塞姿態的輸出方向錯誤，導致加工活塞銷孔偏心方向或氣門坑方向錯誤。為避免活塞方向錯誤，對自動線中有加工方向要求的工序采用硬性干涉防錯技術。

2.3.1 止口胎干涉銷硬性防錯

活塞銷座凸臺可辨別活塞定位方向，在活塞機加工自動線采用此特征實現夾具硬性防錯。止口胎干涉銷防錯結構如圖5所示。止口胎上裝配干涉銷，若機械手按錯誤方向放置裝夾活塞，活塞銷座凸臺與干涉銷干涉，活塞止口定位面無法接觸胎具定位面，兩個定位面間留有間隙，氣密檢測系統檢測到超出漏氣閾值，設備報警停機。若活塞放置方向正確，止口胎干涉銷與活塞銷座凸臺不干涉，設備正常運行。

2.3.2 定位棒干涉銷硬性防錯

若活塞加工不能應用銷座凸臺特征時，可以采用活塞擋圈槽缺口實現硬性防錯。定位棒干涉銷防錯結構如圖6所示。在精鏜銷孔，機械手放置活塞方向正確時，定位棒上的干涉銷能夠進入活塞擋圈槽缺口，定位棒按規定距離前進，到達指定位置后行程開關由打開切換至關閉狀態，設備正常運行；當機械手放置活塞方向錯誤時，定位棒上的干涉銷與活塞干涉，定位棒不能按規定距離前進到位，行程開關無法切換至關閉，設備無法啟動。

2.4 斷刀檢測防錯技術

油孔鉆頭較細，主軸轉速較快，油孔加工過程中，鉆頭受力較大，經常斷裂。人工檢查自動生產線末端的油孔是否缺失時，如未及時發現會產生大量活塞廢品。采用斷刀檢測防錯技術可杜絕鉆頭斷開引起的質量風險。目前在活塞機加工自動線主要采用接觸式斷刀檢測防錯和非接觸式斷刀檢測防錯^[13]。

2.4.1 接觸式斷刀檢測防錯

接觸式斷刀檢測主要通過機械接觸和電信號變化實現檢測^[14]，接觸式斷刀檢測結構如圖7所示。鉆頭開始加工前，鉆頭尖部接觸檢測系統探針，探針反饋穩定的壓力和振動信號；當鉆頭斷裂時，鉆頭長度和形狀發生改變，使探針反饋信號（如頻率或振幅等）發生改變，系統檢測到變化信號，設備報警并停機；部分接觸式斷刀檢測系統將探針和鉆頭形成閉合電路，當鉆頭斷裂時，根據電信號變化，電路切斷，設備報警并停機。

2.4.2 非接觸式斷刀檢測防錯

非接觸式斷刀檢測主要采用紅外線反射或遮擋實現檢測^[15]，非接觸式斷刀檢測結構如圖8所示。紅外線發射器發出紅外線至接收器，以接收器接收到紅外線信號強度為標準進行檢測。鉆頭開始加工油孔前，鉆頭進入檢測位置，紅外線發射器發出紅外線至鉆頭刀尖，鉆頭遮擋住部分紅外線；當鉆頭斷裂時，鉆頭形狀及長度發生變化，紅外線不被遮擋或遮擋減少，接收器接收到超過閾值的信號后，設備報警并停機。

3 結束語

本文中以防錯防混技術在活塞機加工自動線應用為例，分析了視覺影像防錯防混技術、夾具氣密檢測防錯技術、夾具硬性干涉防錯技術、斷刀檢測防錯技術在活塞加工過程中的具體應用。通過防錯防混技術的系統化實施及應用，活塞機加工自動線有效杜絕了活塞缺陷件的產生及流出，降低了活塞廢品率，提高了活塞產品質量，為防錯防混技術在汽車零部件制造業的廣泛應用提供了一定的參考。

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Application of error-prevention and mixing-prevention technology

in" the automatic production line of engine pistons

LIANG Weiwei^1，2， LUO Shaojie^1，2， WANG Lei^1，2， YIN Zhicheng^1，2， ZHU Junkui^1，2

1. Binzhou Bohai Piston Co.， Ltd.， Binzhou 256600， China；

2. Shandong Key Laboratory of Advanced Engine Piston Assembly （planned）， Binzhou 256600， China

Abstract：In order to improve the work efficiency of automatic piston lines， the potential failure modes and failure mechanisms of the piston machining production are analyzed. The application of corresponding error-prevention and confusion-prevention technology are analyzed， including visual image error-prevention and confusion-prevention， fixture air tightness detection-prevention， fixture rigid interference error-prevention， and tool breakage detection error-prevention technology in different processes of the production line.The research results show that in terms of piston process design， error-prevention and confusion-prevention technology can prevent the generation of failure mechanisms or failure modes; in terms of inspection and control of the machining process error-prevention and confusion-prevention technology can eliminate the outflow of piston failure parts， the error-prevention and mixing-prevention technology improve the production efficiency and product quality of the piston machining automatic lines.

Keywords：piston; machining automatic line; error-prevention and mixing-prevention technology

（責任編輯：胡曉燕）