張 偉 于成龍 侯俊杰 蒲洪波 孫 磊 郭旭凱 趙 穎 徐熙陽

航天產(chǎn)品裝配質(zhì)量可追溯管理系統(tǒng)探討

張 偉 于成龍 侯俊杰 蒲洪波 孫 磊 郭旭凱 趙 穎 徐熙陽

（中國航天系統(tǒng)科學(xué)與工程研究院，北京 100048）

在航天產(chǎn)品品種多批量小制造模式下，為解決裝配質(zhì)量問題追溯難度大的問題，提出了涵蓋問題發(fā)現(xiàn)、追溯及處理的質(zhì)量可追溯管理系統(tǒng)架構(gòu)，研究了面向多品種小批量的產(chǎn)品質(zhì)量控制技術(shù)、質(zhì)量問題關(guān)聯(lián)關(guān)系模型以及質(zhì)量問題追溯數(shù)據(jù)模型，給出了航天產(chǎn)品質(zhì)量可追溯技術(shù)的實現(xiàn)路徑。

小批量；質(zhì)量追溯；航天產(chǎn)品；質(zhì)量控制

1 引言

航天產(chǎn)品大多具有品種多批量小的特點，其裝配過程以手動為主，具有加工路線長，多型號混線生產(chǎn)等特點[1]。影響產(chǎn)品裝配質(zhì)量的擾動因素多，且彼此相互影響、耦合，導(dǎo)致人為和重復(fù)性的質(zhì)量問題時有發(fā)生[2，3]。目前裝配過程的質(zhì)量管理體系雖然已經(jīng)取得很大的進步，但在系統(tǒng)性和管控方法等方面仍有不足[4]，開展航天產(chǎn)品可追溯管理技術(shù)探討，研究面向裝配全過程的質(zhì)量可追溯管理系統(tǒng)架構(gòu)及質(zhì)量分析和可追溯技術(shù)，為后續(xù)構(gòu)建裝配質(zhì)量可追溯管理系統(tǒng)，提升裝配質(zhì)量控制和追溯能力提供參考。

2 質(zhì)量可追溯管理系統(tǒng)架構(gòu)

質(zhì)量可追溯管理系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，包括數(shù)據(jù)層、功能層和用戶層。

a. 數(shù)據(jù)層：存儲質(zhì)量測量數(shù)據(jù)以及質(zhì)量影響要素相關(guān)數(shù)據(jù)，保證質(zhì)量可追溯管理系統(tǒng)的質(zhì)量分析和追溯，主要包括離線質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)、在線質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)以及設(shè)備、物料和工具工裝檢測數(shù)據(jù)；該類數(shù)據(jù)來源于CAPP、PDM、ERP等信息管理系統(tǒng)；

b. 功能層：主要包括工序質(zhì)量控制、質(zhì)量知識庫、工序質(zhì)量問題關(guān)聯(lián)關(guān)系分析以及質(zhì)量問題追溯及處理四大功能；其中，工序質(zhì)量控制模塊采用基于多元貝葉斯動態(tài)遞推控制圖的質(zhì)量控制方法，以滿足多品種小批量以及多擾動因素的生產(chǎn)特點；工序質(zhì)量問題關(guān)聯(lián)關(guān)系分析是以質(zhì)量問題關(guān)聯(lián)關(guān)系模型為基礎(chǔ)，分解、分析并定位質(zhì)量問題關(guān)聯(lián)要素；工序質(zhì)量問題追溯具體包括導(dǎo)致質(zhì)量問題的零件、物料、設(shè)備和工具等查詢及處理；質(zhì)量知識庫包括質(zhì)量問題信息存儲、質(zhì)量問題案例庫及質(zhì)量問題案例檢索與查詢；

c. 用戶層：提供面向車間管理人員、車間檢驗人員和車間工藝人員等用戶的系統(tǒng)交互界面，通過用戶層的交互界面，實現(xiàn)該系統(tǒng)質(zhì)量問題分析和控制、質(zhì)量追溯等功能。

圖1 質(zhì)量可追溯管理系統(tǒng)架構(gòu)

3 質(zhì)量可追溯管理主要技術(shù)

3.1 基于多元貝葉斯動態(tài)遞推的產(chǎn)品質(zhì)量控制

基于貝葉斯預(yù)測統(tǒng)計理論的多元貝葉斯動態(tài)遞推控制圖，是將有關(guān)質(zhì)量樣本數(shù)據(jù)與人們對產(chǎn)品制造過程的先驗經(jīng)驗、預(yù)測和后驗判斷相結(jié)合，通過綜合衡量主、客觀信息建立多元動態(tài)質(zhì)量控制模型[5]，對質(zhì)量控制過程變化做出預(yù)測，特別適合于多品種小批量生產(chǎn)的小樣本質(zhì)量控制。

a. 收集質(zhì)量歷史樣本數(shù)據(jù)，并對其標(biāo)準(zhǔn)化處理；

b. 計算質(zhì)量歷史樣本數(shù)據(jù)的協(xié)方差和均值先驗分布參數(shù)，其中，協(xié)方差先驗分布為逆Gamma分布，均值先驗分布為多元正態(tài)分布；

c. 獲取當(dāng)前質(zhì)量測量數(shù)據(jù)，并標(biāo)準(zhǔn)化處理，分別計算協(xié)方差和均值后驗分布參數(shù)，獲得協(xié)方差和均值的貝葉斯估計值；

d. 給定風(fēng)險水平，計算控制圖上下限和統(tǒng)計量，繪制基于多元貝葉斯動態(tài)遞推控制圖并質(zhì)量控制。

其具體應(yīng)用過程如圖2所示。

圖2 基于多元貝葉斯動態(tài)遞推控制圖的產(chǎn)品質(zhì)量控制應(yīng)用過程

該質(zhì)量控制方法具體數(shù)學(xué)原理和相關(guān)參數(shù)計算方法如下：

a. 先驗分布選擇。

若質(zhì)量樣本數(shù)據(jù)為隨機變量=(1,2, …,y)的具體表現(xiàn)值，期望值為=(1,2, …,β)，另定義隨機誤差項=(1,2, …,μ)，～N(0, Σ)，三者之間的數(shù)學(xué)模型表示為：

其中，v、o反映了方差的分散程度，其值可以通過少量歷史數(shù)據(jù)獲取。

b. 收集質(zhì)量歷史樣本數(shù)據(jù)，并對其標(biāo)準(zhǔn)化處理。

設(shè)1, x, …,x為來自總體N(, Σ)的質(zhì)量歷史樣本數(shù)據(jù)，其中x是維向量，令：

則Z～N(0, Σ)，=1, 2, …,，為偶數(shù)，Z的樣本方差為：

其中：

c. 逆Gamma先驗分布的參數(shù)v、o計算。

于是，v、o的估計值為：

利用貝葉斯估計理論，可得：

e. 均值先驗分布參數(shù)、2計算。

、γ其極大似然估計分別為：

f. 均值后驗分布參數(shù)、γ及貝葉斯估計。

參數(shù)的貝葉斯估計：

g. 給定風(fēng)險水平，計算控制圖上下限和卡方統(tǒng)計量。利用歷史數(shù)據(jù)，確定先驗分布中的參數(shù)和新抽取的樣本數(shù)據(jù)來確定后驗分布中的參數(shù)，然后利用均值和方差的期望值代替樣本分布中的均值和協(xié)方差的貝葉斯估計值，最后構(gòu)造出統(tǒng)計量：

h. 通過質(zhì)量控制圖發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題產(chǎn)品。當(dāng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測數(shù)值超出控制限時，使用紅色圓圈標(biāo)記該質(zhì)量問題產(chǎn)品，如圖3所示。

圖3 基于多元貝葉斯動態(tài)遞推控制圖的質(zhì)量控制

3.2 質(zhì)量問題關(guān)聯(lián)關(guān)系模型

當(dāng)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題產(chǎn)品時，需要通過質(zhì)量問題關(guān)聯(lián)關(guān)系模型，分析質(zhì)量問題關(guān)聯(lián)關(guān)系，以確定質(zhì)量問題發(fā)生的根源，為解決質(zhì)量問題，建立質(zhì)量問題防范機制提供依據(jù)。該模型由工藝維度、制造資源維度和質(zhì)量數(shù)據(jù)維度組成。

a. 工藝維度。包括產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、工藝流程和工藝管理文件；其中，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)按照裝配的樹狀結(jié)構(gòu)“零件→部件→產(chǎn)品”表示；產(chǎn)品工藝流程按照產(chǎn)品裝配流程的樹狀結(jié)構(gòu)“工步→工序→工藝流程”表示；產(chǎn)品工藝管理文件由產(chǎn)品作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備、工具、工裝和環(huán)境等使用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)組成，是產(chǎn)品質(zhì)量控制和檢驗的根本性參考文件，當(dāng)產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題需要溯源時，需將產(chǎn)品制造過程數(shù)據(jù)與工藝管理文件逐一對比，找出、分析不符合項對產(chǎn)品質(zhì)量的影響程度，最終達到產(chǎn)品質(zhì)量問題溯源的目的。

b. 制造資源維度。由產(chǎn)品加工工序資源組成，包括工序加工所需物料、工具、工裝和工序加工對應(yīng)工位、工位對應(yīng)的設(shè)備、人員以及工序加工所需環(huán)境要求；制造資源維度的異常運行是導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量出現(xiàn)問題的根本原因。因此，產(chǎn)品質(zhì)量問題溯源即是按照工藝維度追溯制造資源維度中物料、設(shè)備和工具工裝等的異常問題。

c. 質(zhì)量數(shù)據(jù)維度。由物料檢驗記錄、在線檢驗記錄、離線檢驗記錄和設(shè)備運轉(zhuǎn)記錄組成，按照產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和工藝流程，詳細記錄了產(chǎn)品生產(chǎn)過程中各工序制造資源的運行數(shù)據(jù)和質(zhì)量檢驗數(shù)據(jù)，這些信息可以為工序質(zhì)量問題的溯源提供數(shù)據(jù)支撐。質(zhì)量問題關(guān)聯(lián)關(guān)系模型如圖4所示。

圖4 質(zhì)量問題關(guān)聯(lián)關(guān)系模型

3.3 質(zhì)量問題追溯數(shù)據(jù)模型

圖5 質(zhì)量問題追溯數(shù)據(jù)模型

質(zhì)量問題追溯數(shù)據(jù)模型如圖5所示。

a. 發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題。從系統(tǒng)數(shù)據(jù)層中獲取產(chǎn)品質(zhì)量歷史數(shù)據(jù)和當(dāng)前產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)，使用基于多元貝葉斯動態(tài)遞推控制圖的質(zhì)量控制方法，對產(chǎn)品生產(chǎn)過程質(zhì)量控制，當(dāng)前質(zhì)量數(shù)據(jù)超出控制圖控制限時，對該產(chǎn)品零部件做出標(biāo)記，表明該產(chǎn)品零部件存在質(zhì)量問題；

b. 零部件定位。依據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)層產(chǎn)品生產(chǎn)過程質(zhì)量數(shù)據(jù)，構(gòu)建質(zhì)量關(guān)聯(lián)關(guān)系三維模型；對標(biāo)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，對存在質(zhì)量問題的零部件所屬產(chǎn)品、部件或零件歸屬定位，為再現(xiàn)產(chǎn)品實際制造流程、制造資源和質(zhì)量信息做準(zhǔn)備；

c. 工序定位。對標(biāo)產(chǎn)品工藝流程樹狀結(jié)構(gòu)，明確存在質(zhì)量問題的零部件的工藝流程、各道工序及組成工序的所有工步，再現(xiàn)產(chǎn)品制造流程；

d. 制造資源定位。在對零部件定位和工序定位的基礎(chǔ)上，對標(biāo)制造資源產(chǎn)品加工工序資源，再現(xiàn)質(zhì)量問題零部件工序加工的物料、設(shè)備、人員、工具工裝以及車間環(huán)境；

e. 質(zhì)量問題溯源定位。調(diào)用質(zhì)量數(shù)據(jù)維度的物料檢驗記錄、在線檢驗記錄、離線檢驗記錄和設(shè)備運轉(zhuǎn)記錄，對標(biāo)產(chǎn)品工藝管理文件，判斷質(zhì)量問題零部件全部關(guān)聯(lián)工序、制造資源的制造過程異常數(shù)據(jù)，以此溯源質(zhì)量問題產(chǎn)生的物料質(zhì)量問題、人員作業(yè)方法問題、設(shè)備運轉(zhuǎn)異常問題、工具工裝精度問題等，并結(jié)合質(zhì)量問題案例庫，提出處理方法和改進措施。

4 結(jié)束語

圍繞航天產(chǎn)品裝配質(zhì)量管控及可追溯業(yè)務(wù)需求，探討航天產(chǎn)品質(zhì)量可追溯管理技術(shù)，提出了可追溯管理系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)，討論了支撐該系統(tǒng)架構(gòu)的基于多元貝葉斯動態(tài)遞推控制圖的產(chǎn)品質(zhì)量控制技術(shù)、質(zhì)量問題關(guān)聯(lián)關(guān)系模型和質(zhì)量問題追溯數(shù)據(jù)模型等技術(shù)，該研究可為后續(xù)開發(fā)航天產(chǎn)品裝配質(zhì)量可追溯管理系統(tǒng)提供有益思路和啟示。

1 劉海江，景施博. 基于案例推理的航天大型薄壁件加工過程質(zhì)量追溯[J]. 制造業(yè)自動化，2018，40(4)：3～7

2 張西洋，王巖，姜斌，等. 基于信息技術(shù)的轉(zhuǎn)向架制造過程質(zhì)量控制方法及應(yīng)用[J]. 自動化技術(shù)與應(yīng)用，2019，38(5)：156，158～172

3 王兆華，周燕飛. 面向離散制造企業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)的研究[J]. 機械設(shè)計與制造工程，2018，47(1)：82～85

4 宋承軒，吉衛(wèi)喜. 多品種小批量制造過程工序質(zhì)量動態(tài)控制方法研究[J]. 現(xiàn)代制造工程，2019(6)：30～36

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Discussion on Quality Tracing Management System of Aerospace Product Assembly

Zhang Wei Yu Chenglong Hou Junjie Pu Hongbo Sun Lei Guo Xukai Zhao Ying Xu Xiyang

(China Aerospace Academy of Systems Science and Engineering, Beijing 100048)

In order to solve the problem that the assembly quality problem is difficult to trace under the multi-variety and small-batch manufacturing mode of aerospace products, a quality tracing management system architecture covering quality problem discovery, tracing and processing was proposed. The product quality control technology, the quality problem correlation model and the quality problem tracing data model for multi-variety and small batches were studied, and the aerospace products quality tracing technology implementation path was given.

small batch；quality tracing；aerospace product；quality control

國防基礎(chǔ)科研項目（JCKY2017203B071）。

張偉（1983），碩士，工業(yè)工程專業(yè)；研究方向：生產(chǎn)過程管控技術(shù)研究及應(yīng)用。

2019-08-27