楊建新，楊一銘，王 波，劉照茜

(中國(guó)兵器工業(yè)信息中心，北京 100089)

以裝甲車輛、飛機(jī)、船舶等為代表的復(fù)雜產(chǎn)品，具有研制周期長(zhǎng)、零部件組成數(shù)量龐大、涉及的專業(yè)領(lǐng)域廣、多品種、小批量生產(chǎn)等特點(diǎn)[1]。相較于流程性生產(chǎn)，軍工離散制造企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化與數(shù)字化水平普遍偏低，缺乏生產(chǎn)全過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)(如切削力、扭矩、質(zhì)心質(zhì)偏等工序質(zhì)量數(shù)據(jù))的采集手段，質(zhì)量管控方式以事后檢驗(yàn)為主，使得質(zhì)量數(shù)據(jù)孤立分散，質(zhì)量信息孤島嚴(yán)重，質(zhì)量數(shù)據(jù)共享追溯困難，實(shí)物質(zhì)量全過(guò)程閉環(huán)控制難度大，造成產(chǎn)品質(zhì)量可靠性不可控，性能穩(wěn)定性難預(yù)測(cè)，使用故障難溯源。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程控制及質(zhì)量追溯開展了大量研究工作，并提出了很多有價(jià)值的理論和技術(shù)方案。阮明偉等[2]提出了一種基于條碼技術(shù)的制造過(guò)程質(zhì)量可追溯模式。通過(guò)分析葉片制造過(guò)程的質(zhì)量信息和質(zhì)量追溯數(shù)據(jù)流程，建立了質(zhì)量追溯系統(tǒng)的運(yùn)行模式和體系結(jié)構(gòu)；武穎等[3]針對(duì)復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程中質(zhì)量管控時(shí)效性差、缺乏預(yù)測(cè)性等問(wèn)題，提出基于數(shù)字孿生技術(shù)的復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程質(zhì)量管控方法，為復(fù)雜產(chǎn)品裝配過(guò)程質(zhì)量管控提供了一種新途徑。任明侖等[4]提出一種基于數(shù)據(jù)生命周期的質(zhì)量控制持續(xù)演進(jìn)框架，詳細(xì)闡述了質(zhì)量數(shù)據(jù)的收集、存儲(chǔ)、更新以及應(yīng)用于實(shí)時(shí)質(zhì)量控制和持續(xù)改進(jìn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。陳碩等[5]針對(duì)中小型制造企業(yè)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中普遍存在的生產(chǎn)過(guò)程難控制、質(zhì)量問(wèn)題難追溯等問(wèn)題，提出了基于兩化融合的產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程控制及質(zhì)量追溯系統(tǒng)。張根保等[6]提出基于MES和CAPP的動(dòng)態(tài)質(zhì)量追溯系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)制造過(guò)程的質(zhì)量數(shù)據(jù)的追溯；任冶等[7]通過(guò)分析航天產(chǎn)品制造質(zhì)量數(shù)據(jù)現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題，提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的航天產(chǎn)品制造質(zhì)量數(shù)據(jù)集成管控方案。

基于此，為實(shí)現(xiàn)離散制造質(zhì)量數(shù)據(jù)的精確采集及生產(chǎn)過(guò)程的智能化實(shí)時(shí)監(jiān)控，本文在對(duì)離散制造車間質(zhì)量管控現(xiàn)狀分析的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了離散制造車間質(zhì)量集成框架；提出了多工序質(zhì)量在線檢測(cè)與控制方法，對(duì)零部件質(zhì)量進(jìn)行精細(xì)化管理與控制，可以有效預(yù)防制造質(zhì)量誤差伴隨在制品向下游工序傳遞、累積和放大。最后，研發(fā)了離散制造車間制造質(zhì)量管控平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了制造過(guò)程數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)、工序節(jié)點(diǎn)質(zhì)量控制狀態(tài)的在線控制以及全生命周期質(zhì)量追溯，有效提升了離散制造車間質(zhì)量管控技術(shù)手段和技術(shù)能力。

1 離散制造車間質(zhì)量管控現(xiàn)狀分析

離散制造車間的突出特征是多品種、小批量的生產(chǎn)方式，生產(chǎn)過(guò)程是由不同零部件加工子過(guò)程并聯(lián)或串聯(lián)組成的復(fù)雜過(guò)程，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，生產(chǎn)周期較長(zhǎng)，生產(chǎn)過(guò)程中存在很多不確定因素，因此對(duì)于生產(chǎn)的質(zhì)量管理較為復(fù)雜。離散制造車間質(zhì)量管控存在的問(wèn)題，簡(jiǎn)要?dú)w納如下。

1)加工流程多，質(zhì)量數(shù)據(jù)分散。

由于復(fù)雜產(chǎn)品制造過(guò)程涉及旋壓、精車、精鑄、注塑、焊接、熱處理、引伸、機(jī)加和電裝等加工工藝，質(zhì)量信息在產(chǎn)品生產(chǎn)階段以不同的形態(tài)出現(xiàn)，分散在零部件加工、部件裝配、產(chǎn)品總裝等各個(gè)階段中，制造質(zhì)量數(shù)據(jù)的分散存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)孤島嚴(yán)重。

2)檢驗(yàn)依賴手工作業(yè)，工作效率低。

目前，離散制造車間大多存在生產(chǎn)自動(dòng)化水平偏低、生產(chǎn)制造過(guò)程離散、人工交互多、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和傳感器不足等問(wèn)題[8]，缺乏生產(chǎn)全過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集手段，都是依靠手工操作檢測(cè)儀器完成，工作效率和準(zhǔn)確率都容易受到人為因素的影響。

3)紙質(zhì)電子質(zhì)量數(shù)據(jù)并存，數(shù)據(jù)難以利用。

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)制造質(zhì)量數(shù)據(jù)的記錄方式不統(tǒng)一，紙質(zhì)電子質(zhì)量數(shù)據(jù)并存。紙質(zhì)質(zhì)量記錄結(jié)構(gòu)化程度低，不利于數(shù)據(jù)的識(shí)別、提取與利用。目前，企業(yè)每年會(huì)有大量的紙質(zhì)記錄需要存檔，對(duì)這些孤立的數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、處理，整合形成關(guān)鍵、重要零部組件制造質(zhì)量數(shù)據(jù)集合，這不僅給一線人員帶來(lái)極大的不便，而且可能會(huì)造成數(shù)據(jù)缺失、重復(fù)匯總、更新不準(zhǔn)確的問(wèn)題。

4)質(zhì)量數(shù)據(jù)傳遞不及時(shí)，難以實(shí)時(shí)監(jiān)控。

產(chǎn)品的制造過(guò)程是信息的傳輸過(guò)程，由于車間制造質(zhì)量數(shù)據(jù)紙質(zhì)記錄、數(shù)據(jù)分散存儲(chǔ)，質(zhì)量信息無(wú)法及時(shí)、準(zhǔn)確地傳遞至車間工藝、管理部門，大大影響管理決策的科學(xué)性。

5)質(zhì)量問(wèn)題難追溯，缺乏產(chǎn)品質(zhì)量追溯機(jī)制。

由于離散制造車間工序內(nèi)部采用質(zhì)量記錄單進(jìn)行質(zhì)量信息的傳遞，導(dǎo)致每個(gè)半成品都生成了一大堆質(zhì)量記錄單。在質(zhì)量問(wèn)題處理追責(zé)的過(guò)程中，質(zhì)量檢測(cè)數(shù)據(jù)缺乏足夠的可追溯性，導(dǎo)致責(zé)任無(wú)法準(zhǔn)確定位，對(duì)于產(chǎn)品質(zhì)量異常原因診斷困難，問(wèn)題工序難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決。

由于當(dāng)前離散制造車間質(zhì)量信息采集效率低、傳遞速度慢、離散分布、數(shù)據(jù)孤島嚴(yán)重等問(wèn)題，已無(wú)法滿足當(dāng)前復(fù)雜產(chǎn)品制造過(guò)程質(zhì)量精細(xì)化管理要求。因此，必須改變現(xiàn)有的質(zhì)量控制模式，將數(shù)字化手段融合企業(yè)質(zhì)量管理體系，構(gòu)建離散制造車間質(zhì)量集成管控模式，實(shí)現(xiàn)工藝設(shè)計(jì)過(guò)程、生產(chǎn)制造過(guò)程的數(shù)據(jù)交互，全面提高信息采集的效率和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、全面性，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的在線分析和全生命周期溯源。

2 離散制造車間質(zhì)量集成管控框架

離散制造車間質(zhì)量集成管控框架是以產(chǎn)品生產(chǎn)業(yè)務(wù)流和數(shù)據(jù)流為引導(dǎo)，通過(guò)對(duì)制造過(guò)程中質(zhì)量管理與其他業(yè)務(wù)之間的邏輯關(guān)系全面梳理，對(duì)制造過(guò)程中質(zhì)量形成業(yè)務(wù)流程進(jìn)行梳理和整合，將質(zhì)量特性控制和質(zhì)量管理流程嵌入到數(shù)字化制造流程中，建立貫穿制造質(zhì)量信息全過(guò)程的縱向管控機(jī)制。離散制造車間質(zhì)量集成管控體系框架如圖1所示。

通過(guò)建立貫穿制造質(zhì)量信息全過(guò)程的管控機(jī)制，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理業(yè)務(wù)在企業(yè)的管理決策層、車間采集層和工藝規(guī)劃層之間的自下而上和自上而下的集成管控。

1)工藝規(guī)劃層：該層主要作用是檢測(cè)工藝管理。檢測(cè)工藝是數(shù)字化技術(shù)向產(chǎn)品檢測(cè)的重要拓展和延伸，針對(duì)工藝設(shè)計(jì)中對(duì)加工部位提出的質(zhì)量要求，選擇合適的檢測(cè)設(shè)備和檢測(cè)方法進(jìn)行檢測(cè)順序規(guī)劃、測(cè)量路徑規(guī)劃，形成產(chǎn)品制造檢測(cè)工藝規(guī)劃文件，發(fā)布到生產(chǎn)車間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)質(zhì)量檢測(cè)。

2)車間采集層：該層是實(shí)現(xiàn)制造質(zhì)量集成管控的基礎(chǔ)，主要作用是基于零部件檢驗(yàn)工藝文件，針對(duì)關(guān)鍵質(zhì)量特性尺寸，采用觸摸屏、條碼、傳感器、手持終端采集器、平板電腦等技術(shù)為各檢測(cè)工序配置檢測(cè)傳感網(wǎng)絡(luò)，以確保實(shí)現(xiàn)多源制造過(guò)程信息的實(shí)時(shí)、精確、動(dòng)態(tài)和可靠地獲取。

圖1 離散制造車間質(zhì)量集成管控體系框架

3)管理決策層：該層主要面向質(zhì)量管理業(yè)務(wù)流程中的不同用戶，利用制造現(xiàn)場(chǎng)采集的多源質(zhì)量信息，通過(guò)質(zhì)量數(shù)據(jù)監(jiān)控、質(zhì)量數(shù)據(jù)分析、質(zhì)量評(píng)估、質(zhì)量追溯、質(zhì)量改進(jìn)，并與企業(yè)其他應(yīng)用系統(tǒng)(如IQS、MES)集成，實(shí)現(xiàn)制造執(zhí)行過(guò)程中的動(dòng)態(tài)管理。

3 離散制造車間多工序質(zhì)量在線檢測(cè)與控制

在實(shí)際生產(chǎn)加工過(guò)程中，離散制造車間零部件加工、裝配的制造過(guò)程往往包括多道工序，而加工質(zhì)量受各工序的加工誤差傳播、耦合與累積的影響，每道工序的質(zhì)量都會(huì)對(duì)產(chǎn)品最終質(zhì)量產(chǎn)生影響[9]。離散制造車間多工序質(zhì)量傳遞模型如圖2所示，通過(guò)挖掘工序間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)機(jī)加車間、裝配車間生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，保證產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性，提高零件加工和零部件裝配精度和效率。

圖2 離散制造車間多工序質(zhì)量傳遞模型

在圖2所示的離散制造車間多工序質(zhì)量傳遞模型中，多工序質(zhì)量管控是基礎(chǔ)和核心，通過(guò)對(duì)車間內(nèi)部多個(gè)工序質(zhì)量數(shù)據(jù)的在線采集、實(shí)時(shí)分析，為加工工藝方法和加工過(guò)程參數(shù)調(diào)整提供反饋，實(shí)現(xiàn)車間內(nèi)部制造過(guò)程質(zhì)量管控。

離散制造車間加工過(guò)程關(guān)鍵工藝(裝調(diào))人工加工方式居多，質(zhì)量的控制保證更依賴于質(zhì)量體系的貫徹保證。工藝部門通過(guò)MES系統(tǒng)將過(guò)程檢驗(yàn)、驗(yàn)收測(cè)試、質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)文件下發(fā)至車間現(xiàn)場(chǎng)。

在加工過(guò)程關(guān)鍵工序和檢驗(yàn)工序中，車間檢測(cè)人員根據(jù)MES系統(tǒng)中的生產(chǎn)任務(wù)進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)。為快速對(duì)零件工序質(zhì)量信息進(jìn)行檢測(cè)，車間檢驗(yàn)人員采用條碼掃描、RFID、機(jī)器視覺等技術(shù)獲取當(dāng)前零部件信息[10-11]，利用數(shù)字化檢測(cè)設(shè)備獲取質(zhì)量檢驗(yàn)數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)，對(duì)零部件生產(chǎn)過(guò)程工序節(jié)點(diǎn)質(zhì)量控制狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和在線統(tǒng)計(jì)分析，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品在生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量特性，及時(shí)準(zhǔn)確地掌握產(chǎn)品質(zhì)量信息和產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)。與此同時(shí)，將該工序零部件信息與實(shí)時(shí)采集的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，并通過(guò)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)將制造過(guò)程質(zhì)量信息實(shí)時(shí)地傳遞至質(zhì)量數(shù)據(jù)庫(kù)中，為后續(xù)質(zhì)量分析和追溯提供數(shù)據(jù)支撐。通過(guò)這種數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化的信息傳輸方式，有效提高了質(zhì)量數(shù)據(jù)的采集效率、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

通過(guò)制造過(guò)程工序質(zhì)量數(shù)據(jù)的反饋，借助企業(yè)質(zhì)量統(tǒng)計(jì)分析工具，可以為質(zhì)量控制提供有效的決策依據(jù)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致零部件工序質(zhì)量發(fā)生問(wèn)題時(shí)，通過(guò)對(duì)比SPC質(zhì)量控制圖中控制界限[12]，對(duì)異常點(diǎn)采取事先制定的控制措施來(lái)糾正，確保生產(chǎn)過(guò)程始終處于統(tǒng)計(jì)控制狀態(tài)，將生產(chǎn)線質(zhì)量控制由被動(dòng)的事后質(zhì)量控制轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑翱刂?，達(dá)到“主動(dòng)預(yù)防”的效果，避免誤差傳遞導(dǎo)致質(zhì)量事故發(fā)生。離散制造車間制造質(zhì)量數(shù)據(jù)采集如圖3所示。

圖3 離散制造車間制造質(zhì)量數(shù)據(jù)采集

4 離散制造車間質(zhì)量信息追溯

當(dāng)產(chǎn)品零部件發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題或產(chǎn)品整機(jī)發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)零部件編碼向前進(jìn)行追溯，對(duì)當(dāng)前故障進(jìn)行分析與質(zhì)量問(wèn)題診斷，可以及時(shí)、精確地找出引發(fā)質(zhì)量問(wèn)題的零部件，追溯至該零部件所有工序的質(zhì)量信息，查找造成質(zhì)量問(wèn)題的原因，確定質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生部位與機(jī)理，明確責(zé)任工序、加工人員與加工時(shí)間等，從而為質(zhì)量問(wèn)題的消除與排查奠定基礎(chǔ)；與此同時(shí)，可以確定存在質(zhì)量隱患的零部件批次，查詢與該零部件同批次產(chǎn)品的去處，實(shí)現(xiàn)零部件流向跟蹤，避免同一批零部件在后續(xù)使用可能引發(fā)的更為嚴(yán)重?fù)p失，零部件制造過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)追溯流程如圖4所示。

圖4 零部件制造過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)追溯流程

5 結(jié)語(yǔ)

基于上述研究，利用IntelliJ IDEA作為開發(fā)平臺(tái)，My SQL為數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器作為系統(tǒng)支撐環(huán)境，使用面向?qū)ο箝_發(fā)語(yǔ)言JAVA作為編程語(yǔ)言，開發(fā)了離散制造車間制造質(zhì)量管控平臺(tái)，目前在某軍工生產(chǎn)企業(yè)得到應(yīng)用，通過(guò)與車間各類計(jì)量設(shè)備(數(shù)顯量?jī)x、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x等)、掃碼槍、工業(yè)相機(jī)等制造數(shù)據(jù)采集設(shè)備的集成，實(shí)現(xiàn)了制造過(guò)程質(zhì)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、全程監(jiān)控、統(tǒng)計(jì)分析及智能決策，使產(chǎn)品制造過(guò)程質(zhì)量更穩(wěn)定、更可靠。