基于精确测量的活塞环压装技术研究及制造

戴明卓

南京曙光机械有限责任公司  江苏南京 210000

摘要

活塞环是发动机的重要零件。影响压缩空气和燃气的泄漏率，装配不良引起气缸与活塞或气缸与环之间漏气咬死。本研究基于精准测量，通过高速网络连接执行设备。能快速高效完成汽车活塞环的压装和自动测量判别，通过MES系统RFID读写器交互存档。本研究通过自动化控制可能性及实践，探索批量高效可靠的生产模式。

关键词：PN通讯网络  MES系统 精确测量压机RFID读写器

发动机工作时，活塞环处在高温高压和条件较差的环境，活塞环运动伴随着不规则运动，会引起浮悬和轴向振动径向不规则运动扭曲运动等。活塞环体起着密封高温燃气、调节油气、传热和支承作用，与活塞气缸套相互配合是发动机的动力源。汽车行业对活塞环装配质量和装配一致性要求较高。环体的热膨胀周期性往复运动使其出现径向胀缩变形，为保证活塞环在气体压力、环自身弹力、环往复运动的惯性力、环与气缸及环槽的摩擦力等的影响下正常工作。安装时需对环的轴向运动径向运动回转运动等加以限制。本文对活塞环安装检测方法进行初步探讨研究。

一．行业现状和问题

国内发动机厂大多仍采用手工装配，产品质量隐患较大。易造成活塞顶部或槽边被活塞环切掉，铝屑易卡在活塞槽内形成磨粒。另将活塞环撑开装到环槽中时易产生轴向扭曲或裂纹甚至发生永久变形，导致气密性变差有时还使环折断，严重影响到环体使用寿命和功能。

查阅资料发现国外活塞环装配领域研究资料极少，很多厂商工艺设备均自研且不公开信息。

近年来国内汽车摩托车发动机产量较高，提供了研究基础和必要性。在经历手工装配简单工具装配和简单机构装配阶段后，已取得不少研究成果。但可靠性还不够高装配效率低装配稳定性，一致性不好，质量隐患多。近期也出现了活塞环半自动装配装置，一般由料仓、送料机构、装配头和顶升机构构成。上下料和检测仍为手工操作。环体放置于定位机构传感器检测传到环后，装配缸推动顶升装置将环沿着装配头扩张直至装配到活塞。与初期比自动化程度有所提高，产品质量可靠性均有所保证，提高了工作效率。但还存在不能连续可靠生产，不能数字化装配质量并实行质量追溯问题。

二．解决方案的研究

解决连续性装配在线自动检测加工装配质量关键质量数据存档是本文研究的重点，随着控制技术发展，通过自动化技术整合部件高速协调运行，利用PN网络（ “PN”经常作为Portable Network缩写）西门子的PROFINET网络整合伺服电机、费斯托气动装置、推料装置、在线测量仪器、快速上料组件、PLC控制器组成统一系统。解决活塞活塞环流水上料问题，活塞环采用料仓连续供料，活塞采用步进传送定位实现连续压装。压制后自动运行到下工位测量装配质量并汇总数据。期间通过MES管理系统参与质量和信息管控。该类柔性装配在自动装配领域已经达到较高的水平。

三．研究方案实施和制造

设备主要由双工位压机双工位检测机基恩士测量系统及PLC电控系统组成。系统主要在win10系统上编程。采用西门子1200PLC及KTP触摸屏控制，通过PROFINET以太网连接整合各系统协调运行控制。实现手动调试自动运行数据采集判断等功能。

本项目采用基恩士（KEYENCE）GT2笔型接触式测量仪通过其PN口连接以太网，利用2次开发的gsd文件方便实现数据采集交互，全量程范围内稳定测量，可便捷用于多种场景实现检测。测量精度＜0.0005mm，测量误差＜0.0005mm。

自动运行模式系统自动回零处原位状态，光纤检测工件在位后循环压装开始，系统开始自动运行程序：气动送料装置从垂直料仓送出环体（料仓为圆筒型底部开仓成90度的送料槽，槽宽略微大于环外径），环送到位后定位系统固定住环体，4组光纤检测到环体状态正常后控制滑台下降，滑台下降到指定位置压住活塞定位，压环缸下压把环体压进活塞指定卡槽。保持压制时间后完成压装。随后系统按设定流程退出压环缸，退回滑台，恢复初始状态。安装好环的活塞被传送到检测工位进行检测。基恩士测量系统从左右分别测量压制精度，测量精度达到0.0001mm。然后系统将测量值与标定值进行运算比较结合零件允许公差，计算出二个方向最终差值，并与标准数据库数据比较得出工件精度等级在线判断零件是否合格。满足设定公差要求OK反之NG。并以语音色灯指示。不合格品将剔除。 以上数据均通过MES系统实时上传存档。

3.1压机控制系统说明

压机系双工位主要功能是压装活塞环。控制系统运行画面及控制功能如下。

    自动画面显示自动状态，各分部位置指示，工件加工参数，发动机号码，已加工件数等信息。手动画面可手动控制各个部分方便设备调试和试验。更换产品型号时亦需通过手动精确找准各个机构位置，如压片缸行程。如果需要系统处于原位，可以在该页面执行原点复位。

MES交互画面显示MES交互信息。MES系统是一套面向制造企业车间执行层的生产信息化管理系统，MES可以为企业提供包括制造数据管理、计划排程管理、生产调度管理、库存管理、质量管理、人力资源管理、工作中心/设备管理、工具工装管理、采购管理、成本管理、项目看板管理、生产过程控制、底层数据集成分析、上层数据集成分解等管理模块，为企业打造一个扎实可靠全面可行的制造协同管理平台。页面可选择单机模式，也可选择mes联机模式，联机模式可以接受mes发出的信息，将加工信息上传mes系统。特别mes与主机plc使用了双向心跳信号，防止设备通讯中断。本项目心跳信号使用1HZ形式间歇跳动也叫方波脉冲，用来检测设备间通讯状态。这种形式是目前应用最多的通讯检测方式，一旦检测不到心跳信号设备会报警等待处理。此外利用无线射频识别技术（Radio Frequency Identification简称RFID）实现对被加工物体的自动识别。本工位采用固定式RFID读写器采集识别活塞信息，方便跟踪活塞最终安装去向。

报警画面显示报警信息，记录设备或mes相关的错误信息方便进行故障和异常状态排除。

3.2.检测机控制系统说明

自动画面显示系统状态、各分部测量数据、工件状况统计；所在发动机号码等信息。1#和2#检测缸体分别装有基恩士（KEYENCE）GT2笔型接触式测量仪，从左右方向测量活塞环位置，并计算环间距离。检测完成后汇总数据并上传mes存档。

   标定画面使用标准的标定块，然后启用标定功能，自动标定标准数据。

MES交互画面显示MES系统交互信息。选择工作模式并与生产线联动。主要功能基本与压机类似。

报警及报警历史画面功能基本类似压机，方便快速查询排除故障。

参数设置显示常用参数，主要为需要限定的上下限和工作次数，也可输入修正数据。

系统设置画面进行系统设置，进行在线，离线和系统相关操作。

用户登录画面对于重要数据和功能进行管理，有授权用户或操作人员才能进行关乎安全的操作。

3.3系统其它功能特点

通过软件编程充分利用硬件整合控制二种设备，使环体压装和测量系统处于同一网络，基于精准测量和语音模块集控制算法和综合判断为一体，高效准确的实现活塞环压装和检测。

   3.3.1特别设计专用功能模块与MES系统进行交互。能够让管理决策更准确。

   3.3.2软件功能完善：具备手动控制，故障检测，安全防护，数据统计提取等多项功能。

3.3.3发生高级别报警时如运行超时，通讯中断，软件故障，会自动停机保护。

3.3.4双工位的系统，可以进行按钮或HMI操作。

3.3.5语音模块通过语音播报方式，指示设备状况播报生产线指令，预警故障状态及防护提示。

结束语

活塞环是发动机内部的核心部件，如果活塞环出现损坏，发动机的动力就会下降，且会引起机油变质。活塞还有可能会和气缸壁直接接触造成敲缸损坏。由此可见活塞环对汽车的重要性。本项目集压装和检测为一体，且都为双工位操作，可以同时加工不同型号，不仅便捷而且充分利用了硬件，仅仅用一套PLC系统就达到4台设备的功效。从我国活塞环装配的发展情况来看，装配领域取得了一定的成果，但是还存在着明显的不足，如产品质量一致性及追溯问题不能得到彻底解决存在安全隐患；活塞环的扭曲等问题还没有应对方案…..,装配自动化是解决这些问题的主要方向，也是我国装备技术发展的战略目标。

本研究探讨并实践了高效便利的以太网通讯，选择具有PN网络口的测量模块组网，并利用MES系统和语音功能提升设备自动化水平，解决了制造柔性化和生产的迫切需要，赢得客户和操作人员的一致好评。