閆兆慶， 葛茂根， 馬 靖， 梁軍義

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

基于信息流驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程監(jiān)控策略研究

閆兆慶， 葛茂根， 馬 靖， 梁軍義

（合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

文章針對發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程中由于工藝復(fù)雜、生產(chǎn)信息多元異構(gòu)引起的生產(chǎn)管理問題，結(jié)合裝配生產(chǎn)線自身特點(diǎn)，在實(shí)現(xiàn)裝配生產(chǎn)線的數(shù)據(jù)采集與系統(tǒng)監(jiān)控的基礎(chǔ)上，提出了基于信息流驅(qū)動(dòng)的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線監(jiān)控策略，通過原型系統(tǒng)的實(shí)例開發(fā)驗(yàn)證了策略的可行性與有效性。結(jié)果表明該控制策略在原來的基礎(chǔ)上提高了發(fā)動(dòng)機(jī)裝配質(zhì)量與效率，具有良好的信息實(shí)時(shí)性、可靠性與追溯性，并有很好的應(yīng)用性。

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配；監(jiān)控策略；信息流；驅(qū)動(dòng)規(guī)則；信息感知

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車核心關(guān)鍵組成部件，裝配步驟是發(fā)動(dòng)機(jī)制造中最后決定產(chǎn)品質(zhì)量的重要工藝流程。如果裝配不當(dāng)，即便所有合格的零件也不能組裝成高質(zhì)量的合格產(chǎn)品。裝配是先將若干零件組裝成部件，然后將部件和另外一些零部件按照工藝要求裝配成產(chǎn)品。

裝配時(shí)或完成后需要進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)與檢測，以保證成品的使用性能和裝配質(zhì)量，某些關(guān)鍵部件在裝配完成后還要進(jìn)行數(shù)次測試［1］。尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配操作過程中，由于零部件的多樣性、裝配工藝過程繁瑣、發(fā)動(dòng)機(jī)種類紛繁，其裝配過程的監(jiān)測就顯得特別重要，以便裝配出更高精度、高效率、高靈活性和高質(zhì)量的產(chǎn)品。

在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配活動(dòng)中，生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃的制定與執(zhí)行，生產(chǎn)過程中的突發(fā)事件的處理，原材料、成品的庫存等是管理人員最關(guān)心的問題。制造執(zhí)行系統(tǒng)作為過程監(jiān)控策略的通用方法，部分解決了上述問題。本文利用制造執(zhí)行系統(tǒng)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)信息采集及處理功能，研究在信息流驅(qū)動(dòng)條件下的監(jiān)控策略，充分利用采集信息的聯(lián)接、調(diào)控和決策功能，用信息來引導(dǎo)決策，推進(jìn)生產(chǎn)線生產(chǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程、組裝、測試的信息數(shù)據(jù)是工廠的重要資源，將信息資源在網(wǎng)絡(luò)上共享有利于產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)［2］。

1 相關(guān)概念及定義

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)裝配概述。作為混流裝配線的典型產(chǎn)品，某條生產(chǎn)線上有若干發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品在生產(chǎn)，各品種具有工藝、結(jié)構(gòu)類似的特點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)裝配由操作工人根據(jù)工藝信息、操作規(guī)程及設(shè)計(jì)文檔資料進(jìn)行裝配操作，在操作過程中及時(shí)記錄裝配數(shù)據(jù)，完成后核對裝配數(shù)據(jù)，填寫人員工位裝配報(bào)告。

（2）信息流。發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)和流通包含對“五流”的理性調(diào)控。“五流”包括信息流、物流、業(yè)務(wù)流、資金流以及價(jià)值流。只有“五流”的合理調(diào)配，才能使生產(chǎn)達(dá)到效率優(yōu)化，其中，物流和信息流是至關(guān)重要的［3］。

在生產(chǎn)線裝配監(jiān)控中，信息流是監(jiān)控策略的核心與紐帶，只有對信息流進(jìn)行理性的組織和分析，物流、資金流等才能有序運(yùn)行［4］。因此，如何采集、傳遞和共享信息，建立合理的信息流驅(qū)動(dòng)裝配模式，將企業(yè)的生產(chǎn)行為和各部門的職能行為合理調(diào)配，是裝配監(jiān)控策略所要解決的重點(diǎn)問題。

信息采集是信息流運(yùn)行的起點(diǎn)，信息感知是信息的基礎(chǔ)屬性，也是采集信息的基本方法。采集到的可感知信息的質(zhì)量，即信息的可靠性、及時(shí)性，決定著信息是否達(dá)到預(yù)定的目的和滿足需要。物聯(lián)網(wǎng)信息感知與交互技術(shù)很好地解決了這個(gè)問題，采用數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)壓縮和數(shù)據(jù)融合等物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)，可以在裝配生產(chǎn)線及相關(guān)監(jiān)控信息節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)高效的信息感知［5－6］。裝配過程中可感知信息流的相關(guān)內(nèi)容見表1所列。

表1 可感知信息流的內(nèi)容

2 監(jiān)控策略體系

根據(jù)監(jiān)控體系在工廠運(yùn)作管理中所具備的作用，把監(jiān)控策略職能劃分為2個(gè)部分：計(jì)劃執(zhí)行與工廠管理、數(shù)據(jù)采集與處理［7］。

將重復(fù)且繁重的信息通信及反饋融合到數(shù)據(jù)采集與處理部分的功能中，首先降低了裝配模型的復(fù)雜性，并使監(jiān)控策略的車間計(jì)劃執(zhí)行過程對其他功能模塊透明化，其次也讓計(jì)劃執(zhí)行部分內(nèi)部關(guān)系與功能明確，有利于功能模塊間的集成和擴(kuò)展。監(jiān)控策略體系構(gòu)架如圖1所示。

圖1 監(jiān)控策略體系構(gòu)架

（1）計(jì)劃執(zhí)行與工廠管理。計(jì)劃執(zhí)行與工廠管理模塊是監(jiān)控策略中直接應(yīng)用并反映在工廠管理的部分，信息流的流向在其中是自上往下的。根據(jù)企業(yè)的裝配生產(chǎn)活動(dòng)及制造執(zhí)行系統(tǒng)職能將控制策略分解為3個(gè)功能模塊。信息流在上層業(yè)務(wù)規(guī)劃層和下層控制層之間交互，通過3個(gè)功能模塊的劃分，使控制策略形成一個(gè)流暢的邏輯通路，進(jìn)而有效監(jiān)控整個(gè)裝配生產(chǎn)過程［8］。

根據(jù)工廠生產(chǎn)規(guī)劃、主生產(chǎn)計(jì)劃、車間資源、制造BOM與流程設(shè)計(jì)文件，按照車間裝配能力最高、庫存利用率最高和裝配成本最低等優(yōu)化目標(biāo)，調(diào)整和改善車間裝配任務(wù)和資源。本步驟可將計(jì)劃車間裝配任務(wù)模塊分解為編寫月周計(jì)劃、生成日計(jì)劃、資源匹配和配膳4個(gè)信息流子節(jié)點(diǎn)。

（2）數(shù)據(jù)采集與處理。數(shù)據(jù)采集與處理部分輔助計(jì)劃執(zhí)行與工廠管理部分，并為全部功能模塊各個(gè)節(jié)點(diǎn)提供實(shí)時(shí)信息支持，信息流在該部分的方向是由下往上［9］。本部分可分解為數(shù)據(jù)采集和獲取、數(shù)據(jù)綜合、信息校正3個(gè)子節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集和獲?。翰杉b配線上數(shù)據(jù)，并從工廠層獲取物料、成品、訂單和人員等必要數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)綜合、模擬分析等提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。信息校正：信息校正的主要目的之一是為了當(dāng)實(shí)時(shí)采集到異常信息時(shí)，裝配系統(tǒng)能根據(jù)異常信息做出最合理的調(diào)整，讓異常狀況產(chǎn)生最小的影響［10］。

3 基于信息流的過程模型構(gòu)建

信息流集群（information flow cluster）是抽象的實(shí)體，在監(jiān)控策略中，所有與裝配活動(dòng)相關(guān)的可感知的信息流組成信息流集群。其定義為：

其中，PP代表裝配信息流；M 代表物料信息流；PM代表人員信息流；T代表計(jì)劃信息流；D代表檔案信息流。

在信息流的運(yùn)行過程中，包含的信息讓參與對象依照固定規(guī)則進(jìn)行操作。這種固定規(guī)則的集合可以作為信息流驅(qū)動(dòng)模型的基礎(chǔ)。本文結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的實(shí)際運(yùn)作流程，提出一套關(guān)于裝配過程的控制策略，如圖2所示，采用IDEF0對該控制策略進(jìn)行說明。

圖2 監(jiān)控策略IDEF0模型

在模型中，某一種信息流均含有若干監(jiān)控要素，這些要素是信息流的屬性信息，也是策略模型的有效信息單元。每一個(gè)監(jiān)控要素都對應(yīng)含有自己的信息驅(qū)動(dòng)規(guī)則。IFC中信息流及驅(qū)動(dòng)規(guī)則的多少，取決于發(fā)動(dòng)機(jī)裝配廠的規(guī)模及其信息化集成程度。（1）式中給出的信息流及監(jiān)控要素的驅(qū)動(dòng)規(guī)則是一般IFC所必備的，如圖3所示，采用IDEF1對控制策略中信息關(guān)系進(jìn)行說明。

驅(qū)動(dòng)規(guī)則對于控制對象，是預(yù)先可知的。例如，員工在工作時(shí)，知道當(dāng)工件到來時(shí)所需要做的操作步驟，即操作指令對于員工的驅(qū)動(dòng)規(guī)則（按照工藝操作工具進(jìn)行裝配），員工完成操作動(dòng)作并檢驗(yàn)合格后，驅(qū)動(dòng)信息結(jié)束。

在控制策略中，規(guī)則庫為裝配過程中出現(xiàn)的信息對應(yīng)處理方法。其內(nèi)容主要有產(chǎn)品上線工位信息規(guī)則、一般裝配工位控制規(guī)則，返修控制規(guī)則、下線控制規(guī)則、在線指導(dǎo)控制規(guī)則、裝配防錯(cuò)規(guī)則，物料配送規(guī)則等等。

本文以一般裝配工位為例介紹監(jiān)控策略的信息驅(qū)動(dòng)流程，如圖4所示。

圖3 控制策略信息模型

圖4 一般裝配工位信息驅(qū)動(dòng)流程

初始條件：t1時(shí)刻，待加工的部件通過發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線的運(yùn)行到達(dá)工位指定位置，夾具夾緊部件。具體步驟如下：① 部件上的產(chǎn)品信息通過條碼采集、射頻識(shí)別等信息感知技術(shù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中；②應(yīng)用程序把數(shù)據(jù)庫中產(chǎn)品信息與計(jì)劃信息進(jìn)行匹配，然后將匹配結(jié)果在工控機(jī)上顯示；③ 工控機(jī)把匹配結(jié)果對應(yīng)的操作信息傳遞給員工；④ 員工按照操作規(guī)程來操作裝配設(shè)備和零部件，輸入操作指令；⑤ 設(shè)備把操作指令轉(zhuǎn)化為機(jī)器動(dòng)作，依次完成裝配零部件步驟；⑥ 設(shè)備檢驗(yàn)裝配結(jié)果；⑦ 將質(zhì)量信息上傳到服務(wù)器，并將裝配信息反饋到裝配部件上，并隨著部件傳遞到下一工位；⑧ 信息驅(qū)動(dòng)結(jié)束。

結(jié)束信息：在t2時(shí)刻裝配結(jié)束，夾具張開，部件等待放行。

4 實(shí)例驗(yàn)證

本文將上述監(jiān)控策略應(yīng)用在某汽車品牌發(fā)動(dòng)機(jī)裝配車間的信息管理的建模和設(shè)計(jì)中，集成開發(fā)了監(jiān)測控制系統(tǒng)。系統(tǒng)能夠及時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備的工作狀況、裝配線網(wǎng)絡(luò)通訊狀態(tài)，準(zhǔn)確地采集車間裝配信息和訂單完成情況。

圖5所示為裝配線活塞連桿工位監(jiān)控界面。上線工位有新的缸體上線，該工位監(jiān)控的物料信息流將缸孔信息在裝配線局域網(wǎng)中按照驅(qū)動(dòng)規(guī)則傳輸?shù)交钊b配工位?；钊の坏墓た貦C(jī)將信息顯示在人機(jī)交互界面上，如第1條信息為正在裝配的4個(gè)缸孔分組號(hào)，該信息按照驅(qū)動(dòng)規(guī)則指揮人員依照屏幕上的分組號(hào)選擇4個(gè)相符型號(hào)的活塞進(jìn)行裝配。信息驅(qū)動(dòng)下的裝配將原來的目視裝配的3個(gè)員工縮減為2個(gè)員工，大大提高了裝配效率。圖6所示為該工位信息驅(qū)動(dòng)流程。

圖5 裝配線活塞連桿工位監(jiān)控界面

圖6 活塞裝配工位信息驅(qū)動(dòng)流程

同時(shí)，系統(tǒng)還提供了產(chǎn)品質(zhì)量管理、訂單信息修正、人員和物料監(jiān)控、工藝指導(dǎo)書管理和產(chǎn)品追溯管理模塊等，在信息流驅(qū)動(dòng)下相應(yīng)模塊都能夠使管理者準(zhǔn)確掌握裝配線生產(chǎn)狀況、訂單完成情況，為管理者提供科學(xué)的管理依據(jù)，預(yù)防并及時(shí)處理異常情況，大幅度提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

5 結(jié)束語

在企業(yè)內(nèi)部，上下級(jí)之間計(jì)劃指令的傳達(dá)、各個(gè)部門之間的溝通等等都是信息流的表現(xiàn)形式。具體到發(fā)動(dòng)機(jī)裝配過程，當(dāng)操作過程完成后，代表操作結(jié)果的信息都將作用、反饋并融入到信息流中。本文針對發(fā)動(dòng)機(jī)裝配生產(chǎn)過程，提出了基于信息流的監(jiān)控策略及主要功能模塊，實(shí)現(xiàn)車間計(jì)劃的優(yōu)化排產(chǎn)與調(diào)度、生產(chǎn)全過程的數(shù)據(jù)信息集成與監(jiān)控，提高設(shè)備利用率。以制造執(zhí)行系統(tǒng)為監(jiān)控策略的工具，并運(yùn)用信息流調(diào)節(jié)反饋的思想，使生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)處理高效準(zhǔn)確，提高了車間生產(chǎn)管理效率。

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An information flow－driven monitoring strategy in engine assembly process

YAN Zhao－qing， GE Mao－gen， MA Jing， LIANG Jun－yi

（School of Machinery and Automobile Engineering，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China）

In view of the production management problem，which is due to complex process and multiple heterogeneous production information in the process of engine assembly，and considering the characteristics of assembly production line，an information flow－driven monitoring strategy in engine assembly process is put forward based on the data acquisition and system monitoring of assembly production line.The feasibility and effectiveness of the strategy is validated through the examples of the development of the prototype system.The results show that the proposed control strategy improves the quality and efficiency of the engine assembly，and it has good real－time performance，reliability and traceability of information as well as broad applicability.

engine assembly；monitoring strategy；information flow；drive rule；information perception

TH165

A

1003－5060（2015）02－0153－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2015.02.003

2014－02－17；

2014－04－20

閆兆慶（1988－），男，山東陽谷人，合肥工業(yè)大學(xué)碩士生；

葛茂根（1979－），男，安徽安慶人，博士，合肥工業(yè)大學(xué)副教授.

（責(zé)任編輯 馬國鋒）