基于組裝作業(yè)與質(zhì)量管控的可視化工藝系統(tǒng)研究

鄔錢涌，劉 鵬

（中國鐵道科學(xué)研究院北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，北京100091）

基于組裝作業(yè)與質(zhì)量管控的可視化工藝系統(tǒng)研究

鄔錢涌，劉 鵬

（中國鐵道科學(xué)研究院北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司，北京100091）

通過借鑒國內(nèi)外制造企業(yè)工藝可視化技術(shù)的應(yīng)用與研究，結(jié)合企業(yè)多類型小批量的生產(chǎn)模式，對基于組裝作業(yè)與質(zhì)量管控的可視化工藝系統(tǒng)進(jìn)行研究?？梢暬に囅到y(tǒng)以產(chǎn)品組裝作業(yè)流程為基礎(chǔ)，工序內(nèi)容附以圖片、動畫、視頻等多媒體形式給予工人可視化作業(yè)指導(dǎo)，通過移動質(zhì)檢終端實現(xiàn)關(guān)鍵工序的質(zhì)量管控，最終實現(xiàn)組裝作業(yè)清晰化、質(zhì)量問題全記錄、產(chǎn)品流程可追溯的總體目標(biāo)。

可視化工藝；質(zhì)量管控；組裝作業(yè)；多類型小批量

裝配是產(chǎn)品生命周期的重要環(huán)節(jié)，是產(chǎn)品功能實現(xiàn)的主要過程［1］。各種零部件（自制件、外購件、外協(xié)件）需經(jīng)過正確的裝配和測試，才能形成最終產(chǎn)品。除去零部件質(zhì)量問題，裝配過程是影響產(chǎn)品最終質(zhì)量的關(guān)鍵因素和重要環(huán)節(jié)［2］。

以制動夾鉗單元為代表的鐵路產(chǎn)品，由于其多類型小批量的生產(chǎn)模式，決定該類產(chǎn)品生產(chǎn)不可能建立起十分完善、通用的機械化流水生產(chǎn)線。這類產(chǎn)品的裝配作業(yè)以手工勞動為主，裝配精度的高低主要依賴于裝配工人的技藝水平和操作經(jīng)驗。由于工人水平差異，使得產(chǎn)品質(zhì)量受多種因素的影響，在裝配過程中出現(xiàn)錯裝、漏裝、操作不規(guī)范等現(xiàn)象均是不可避免的。有些裝配缺陷能夠在出廠前測試中反映出來，而有些則無法反映在測試結(jié)果中，因此一旦將問題產(chǎn)品安裝在高速行駛的列車中，將會出現(xiàn)不可預(yù)計的后果。裝配過程中的各類問題，分為幾類：工藝規(guī)程表述不清、工藝規(guī)程理解偏差、個人疏忽、零件質(zhì)量問題。因此工藝規(guī)程的清晰表述和關(guān)鍵工序的質(zhì)量管控是解決裝配問題的突破口和切入點。

1 可視化工藝技術(shù)現(xiàn)狀分析

為解決裝配過程中出現(xiàn)的各類問題，既提高裝配效率又保證產(chǎn)品質(zhì)量，國內(nèi)外各企業(yè)已經(jīng)進(jìn)行了深入的研究。主要的解決辦法有借助計算機輔助工藝過程設(shè)計（Computer Aided Process Planning，CAPP）［3］軟件實現(xiàn)工藝規(guī)程的設(shè)計；借助面向裝配的設(shè)計（Design for Assembly，DFA）［4-5］軟件幫助工藝工程師實現(xiàn)裝配模擬；借助Solidworks、Pro/E等軟件實現(xiàn)三維模型裝配作業(yè)指導(dǎo)。

應(yīng)用各類輔助軟件實現(xiàn)裝配過程的仿真不僅能夠替代現(xiàn)有的紙質(zhì)工藝文件，而且可以用直觀的三維模型取代表述不清的二維圖紙和圖片，幫助工人直觀深入地理解裝配工序和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。但是這類方式具有如下弊端：（1）各類輔助模擬軟件雖然具有強大的仿真功能，但是部分零件在裝配過程中通過過盈配合或變形來達(dá)到使用要求，因此干涉檢查、碰撞檢測仿真并不能有效解決此類問題。（2）對于設(shè)計和生產(chǎn)分開的企業(yè)或者技術(shù)合作的產(chǎn)品，生產(chǎn)企業(yè)并沒有完整的模型，而且關(guān)鍵部件的圖紙也未必齊全，因此要實現(xiàn)三維模型仿真，需要先耗費極大的精力建立精確的三維模型。（3）由于在三維模型中并不能完全表達(dá)各類規(guī)范要求，因此在查閱圖紙或規(guī)范時工人還需要翻閱紙質(zhì)文件或在計算機的其他系統(tǒng)中搜索，造成裝配時間的浪費。（4）三維模型仿真對于螺紋膠、油脂、清洗劑等輔料的使用方式和用量無法進(jìn)行模擬，從而無法定義操作標(biāo)準(zhǔn)。

在質(zhì)量管控方面，為保證裝配過程中的產(chǎn)品質(zhì)量，最通用的做法便是辨識關(guān)鍵工序、關(guān)鍵零件，并且通過紙質(zhì)記錄的方式實現(xiàn)對關(guān)鍵工序的控制。但是紙質(zhì)記錄并沒有記錄各項控制點的檢驗時間，因此容易出現(xiàn)統(tǒng)一填寫記錄、事后補充記錄等違規(guī)現(xiàn)象。為此先進(jìn)的制造企業(yè)借助信息采集技術(shù)，通過電動扭矩扳手、攝像頭、傳感器檢測等先進(jìn)技術(shù)實現(xiàn)對裝配工序的管控。但是該技術(shù)成本巨大，并不適用于小型企業(yè)或多類型小批量生產(chǎn)模式的企業(yè)。

2 可視化工藝系統(tǒng)研究

2.1 可視化工藝系統(tǒng)理論研究

可視化工藝系統(tǒng)的研究建立在多類型小批量生產(chǎn)模式的基礎(chǔ)之上，并以組裝作業(yè)指導(dǎo)書為原始數(shù)據(jù)來源，通過圖片、文字、視頻、動畫等多種展示形式，實現(xiàn)可視化組裝作業(yè)指導(dǎo)。

可視化工藝系統(tǒng)研究旨在通過對多種可視化展示形式的探索，幫助工人直觀深入地了解組裝工序和要求；通過關(guān)鍵工序無紙化檢驗記錄實現(xiàn)產(chǎn)品的質(zhì)量管控。

可視化工藝系統(tǒng)研究的主要內(nèi)容有（1）對圖片、圖紙、文件、視頻、動畫、三維模型等多種可視化展示形式進(jìn)行探索，實現(xiàn)組裝工藝的直觀展示；（2）通過細(xì)化工藝規(guī)程，實現(xiàn)工藝規(guī)程的工步級指導(dǎo)；（3）通過組裝工序中嵌入相關(guān)文件和圖紙的形式，實現(xiàn)相關(guān)規(guī)范及圖紙的實時查閱；（4）以質(zhì)量控制流程和關(guān)鍵工序控制點為依據(jù)，開發(fā)移動終端質(zhì)檢系統(tǒng)，實現(xiàn)關(guān)鍵工序無紙化檢驗記錄，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的質(zhì)量管控。

2.2 可視化工藝系統(tǒng)總體架構(gòu)

為保證企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，實現(xiàn)與PLM、ERP、PDM等系統(tǒng)的無縫兼容，通過論證與系統(tǒng)實現(xiàn)可靠性分析，決定采用以中心服務(wù)器和操作端的兩層結(jié)構(gòu)對可視化工藝系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。中心服務(wù)器作為系統(tǒng)中所有數(shù)據(jù)的存儲與匯總端；操作端由管理終端、現(xiàn)場終端和移動質(zhì)檢終端組成。管理終端為微型計算機，實現(xiàn)工藝技術(shù)人員工藝規(guī)程編寫、文件上傳下載、質(zhì)檢記錄查閱等功能；現(xiàn)場終端為微型計算機，為操作員工提供作業(yè)流程查看、問題記錄與反饋的操作環(huán)境；移動質(zhì)檢終端為平板電腦，用于質(zhì)檢人員記錄關(guān)鍵工序的檢驗狀況，實現(xiàn)質(zhì)檢問題的反饋，并且支持相關(guān)文件的單向下載。所有終端均采用統(tǒng)一的可視化工藝系統(tǒng)入口，通過權(quán)限的區(qū)別實現(xiàn)功能模塊的區(qū)分。圖1所示為可視化工藝系統(tǒng)整體架構(gòu)圖。

各終端的開發(fā)結(jié)構(gòu)分為兩種：為保證管理終端和現(xiàn)場終端數(shù)據(jù)的實時性和通用性，避免數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏笈c繁瑣的系統(tǒng)更新，采用B/S結(jié)構(gòu)（Browser/Server，瀏覽器/服務(wù)器模式）進(jìn)行開發(fā)；為保證移動質(zhì)檢終端數(shù)據(jù)的安全性，支持離線數(shù)據(jù)記錄與操作，移動質(zhì)檢終端采用C/S結(jié)構(gòu)（Client/Server，客戶端/服務(wù)器模式）進(jìn)行開發(fā)。圖2所示為可視化工藝系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

2.3 可視化工藝系統(tǒng)功能模塊組成

由圖1可知，可視化工藝系統(tǒng)針對3類人群進(jìn)行開發(fā)設(shè)計，分別為技術(shù)人員、操作工人、質(zhì)檢人員。

技術(shù)人員通過管理終端，實現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)建、可視化組裝作業(yè)指導(dǎo)內(nèi)容編寫、文件關(guān)聯(lián)、文件審批、解決問題方案提交、質(zhì)檢記錄查閱等功能。

操作工人通過現(xiàn)場終端，實現(xiàn)組裝作業(yè)在線查閱和學(xué)習(xí)、相關(guān)規(guī)范文件查閱、裝配問題反饋、解決方案查閱。

質(zhì)檢人員可通過移動終端或現(xiàn)場終端進(jìn)行操作，實現(xiàn)相關(guān)文件在線查閱、關(guān)鍵工序無紙化檢查記錄、生產(chǎn)問題在線反饋、解決方案查閱。

3類人員通過可視化工藝系統(tǒng)實現(xiàn)信息互通和問題交互，簡化了傳統(tǒng)的辦事流程，提高了工作效率，同時保證了文件發(fā)布的及時性與唯一性。

2.4 可視化組裝作業(yè)指導(dǎo)研究

可視化工藝系統(tǒng)研究的一個主要目標(biāo)是實現(xiàn)組裝過程的可視化指導(dǎo)，以多樣化的展示形式確保工人簡單準(zhǔn)確理解裝配任務(wù)，從而提高生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量。

可視化組裝作業(yè)指導(dǎo)研究以通用的組裝作業(yè)指導(dǎo)書為基礎(chǔ)和模板，將組裝作業(yè)指導(dǎo)書以瀏覽器界面的形式進(jìn)行展示。但是單純以界面形式的展示，只能屬于簡單的數(shù)字化信息管理，并不能有效幫助工人理解其中的內(nèi)容。因此本文探索采用彩色圖片、顏色標(biāo)志、視頻、動畫、圖紙關(guān)聯(lián)等多樣化的描述形式，替代紙質(zhì)組裝作業(yè)指導(dǎo)書中黑白圖片加文字描述的簡單描述形式。圖3所示為可視化組裝作業(yè)指導(dǎo)的界面形式。

可視化組裝作業(yè)指導(dǎo)具備以下幾個方面的優(yōu)點：

（1）左側(cè)區(qū)域為組裝工序結(jié)構(gòu)樹，展示了整個產(chǎn)品組裝過程中的所有工序，可以直觀的了解各工序順序；

（2）右側(cè)詳細(xì)內(nèi)容區(qū)域包含了傳統(tǒng)組裝作業(yè)指導(dǎo)書中的全部內(nèi)容，可以使工人在組裝過程中全面了解本工序的詳細(xì)信息；

（3）描述文字的顏色區(qū)別和字體大小區(qū)別，能夠突出顯示重點內(nèi)容，在視覺上幫助工人對操作內(nèi)容和質(zhì)量控制內(nèi)容引起重視；

（4）圖示說明采用模型截圖、實物照片、圖紙信息等多種形式，并通過配備簡單文字說明，幫助工人深入理解裝配的內(nèi)容和注意事項；

（5）參考文件中關(guān)聯(lián)了本工序需要參考的圖紙資料和規(guī)范文檔資料，實現(xiàn)裝配作業(yè)與文件查閱的連接和隨時切換，縮短了查詢時間；

（6）參考視頻中關(guān)聯(lián)了相應(yīng)的操作視頻和動畫，視頻和動畫內(nèi)容針對無法用語言和圖片表述清楚的操作步驟、組裝順序、輔料用量、判別標(biāo)準(zhǔn)等信息。從而以動態(tài)展示形式指導(dǎo)工人對操作內(nèi)容的理解，直觀展示了三維模型仿真無法模擬的工序內(nèi)容。

2.5 關(guān)鍵工序質(zhì)量管控研究

傳統(tǒng)生產(chǎn)模式中，產(chǎn)品檢驗以紙質(zhì)記錄為主，容易造成記錄損壞、丟失，弄虛作假，統(tǒng)一補充等問題。先進(jìn)的監(jiān)控、檢測系統(tǒng)需要耗費巨大的成本，并且對于多類型小批量生產(chǎn)模式未必具有良好的質(zhì)量管控效果。因此為突破傳統(tǒng)質(zhì)量檢驗的紙質(zhì)記錄方式，規(guī)避傳統(tǒng)檢查手段的弊端，對可視化工藝系統(tǒng)中產(chǎn)品的檢驗管理和關(guān)鍵工序質(zhì)量管控進(jìn)行了深入研究。

通過對多種實現(xiàn)方式的評估分析，研究決定采用移動質(zhì)檢終端的形式實現(xiàn)關(guān)鍵工序質(zhì)量檢驗記錄。移動質(zhì)檢終端以平板電腦為載體，滿足質(zhì)檢人員流動作業(yè)的工作性質(zhì)；終端搭載開發(fā)的可視化工藝系統(tǒng)質(zhì)檢軟件，并與可視化工藝系統(tǒng)中心服務(wù)器采用無線連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸和共享。

質(zhì)檢人員通過填寫從中心服務(wù)器中下載的質(zhì)檢表單，對每天生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行關(guān)鍵工序控制點的檢查。各檢查表單通過產(chǎn)品型號、產(chǎn)品序列號、產(chǎn)品數(shù)量與實際產(chǎn)品和批次進(jìn)行關(guān)聯(lián)對應(yīng)。各檢查表單中對各關(guān)鍵工序控制點的檢查內(nèi)容進(jìn)行了詳細(xì)說明，質(zhì)檢人員通過點選是否合格、拍照記錄、問題反饋、備注說明等方式實現(xiàn)對關(guān)鍵控制點的全面檢查記錄。由于軟件能夠記錄各項操作的時間節(jié)點，因此能夠有效避免傳統(tǒng)檢查記錄中各項違規(guī)操作。

問題的反饋功能保證了問題能夠準(zhǔn)確落實到個人，防止產(chǎn)生推脫問題與責(zé)任現(xiàn)象，同時也保證了問題能夠真正落實解決。圖4為關(guān)鍵工序質(zhì)量管控實現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D。

2.6 信息傳輸技術(shù)研究

為實現(xiàn)可視化工藝系統(tǒng)的各項功能與要求，保證信息傳輸?shù)姆€(wěn)定與安全，對通信格式、傳輸協(xié)議、數(shù)據(jù)組織形式、校驗算法等技術(shù)進(jìn)行了自主研究。

依照網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D結(jié)構(gòu)，移動質(zhì)檢終端與數(shù)據(jù)服務(wù)器和網(wǎng)站服務(wù)器之間的通信采用無線網(wǎng)絡(luò)802.11b/g/n協(xié)議，數(shù)據(jù)服務(wù)器與Oracle數(shù)據(jù)庫之間采用以太網(wǎng)傳輸。車間的無線網(wǎng)絡(luò)作為企業(yè)內(nèi)部有線網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)網(wǎng)接入，無線路由器使用DHCP功能為接入的現(xiàn)場終端和移動質(zhì)檢終端設(shè)備自動分配IP地址。文件上傳和下載采用HTTP請求的方式進(jìn)行傳輸，其他信息采用TCP/IP數(shù)據(jù)協(xié)議傳輸。

（1）總體通信格式（基于TCP和Socket傳輸）

移動質(zhì)檢終端與數(shù)據(jù)服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，以0×68為啟動字符，0×16作為結(jié)束字符，同時在數(shù)據(jù)幀頭中對數(shù)據(jù)長度進(jìn)行記錄，通過長度與結(jié)束符的雙重校驗保證數(shù)據(jù)發(fā)送的完整性。

（2）基于HTTP的文件傳輸協(xié)議

移動質(zhì)檢終端需要進(jìn)行大量的文件傳輸，包括附件、圖紙、照片等，文件的傳輸方式采用HTTP來實現(xiàn)，通信協(xié)議的結(jié)構(gòu)如表1所示。

3 可視化工藝系統(tǒng)開發(fā)成果

通過對組裝作業(yè)指導(dǎo)、關(guān)鍵工序質(zhì)量管控、信息傳輸技術(shù)3個方面的綜合研究與探索，開發(fā)了面向多類型小批量生產(chǎn)企業(yè)的可視化工藝系統(tǒng)，并針對鐵路用制動夾鉗單元產(chǎn)品生產(chǎn)線進(jìn)行了推廣試運行。

圖5為制動夾鉗生產(chǎn)線的可視化工藝系統(tǒng)布局。圖6為可視化工藝系統(tǒng)組裝作業(yè)指導(dǎo)列表。圖7為可視化工藝系統(tǒng)關(guān)鍵控制點質(zhì)量檢查記錄。

4 結(jié) 論

可視化工藝系統(tǒng)是建立在國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)工藝可視化技術(shù)運用的基礎(chǔ)上，并結(jié)合企業(yè)多類型小批量的生產(chǎn)特點與生產(chǎn)狀況的探索性研究。目前整個系統(tǒng)運行狀況良好，系統(tǒng)能夠基本滿足現(xiàn)階段現(xiàn)場生產(chǎn)要求，幫助操作員工矯正裝配過程中的缺陷與錯誤，提高操作標(biāo)準(zhǔn)化程度，充分理解裝配內(nèi)容和要求。采用移動質(zhì)檢終端對關(guān)鍵控制點進(jìn)行質(zhì)量檢驗與記錄，實現(xiàn)對各關(guān)鍵工序的嚴(yán)格管控。

可視化工藝系統(tǒng)研究在總體上實現(xiàn)了3個目標(biāo)：

（1）以產(chǎn)品工藝流程數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對組裝作業(yè)流程給予多樣性可視化指導(dǎo)，保證組裝作業(yè)安全準(zhǔn)確；

（2）對組裝過程中的人員信息、產(chǎn)品作業(yè)情況、產(chǎn)品質(zhì)量問題、產(chǎn)品檢驗結(jié)果等數(shù)據(jù)進(jìn)行全面管理、反饋、記錄，實現(xiàn)質(zhì)量安全風(fēng)險管控，保證各關(guān)鍵工序嚴(yán)格受控；

（3）實現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)無紙化、操作過程清晰化、質(zhì)量問題全記錄、產(chǎn)品流程可追溯的總體目標(biāo)。

［1］ 楊海成.基于裝配工藝的可視化及故檢技術(shù)研究［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2007.

［2］ 樊 波.并行環(huán)境下的DFA技術(shù)研究與實現(xiàn)［D］.西安：西北工業(yè)大學(xué)，2001.

［3］ 劉 雷.可視化裝配工藝規(guī)劃系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2012.

［4］ 姜 華，熊光楞，曾慶良.面向裝配的設(shè)計方法與技術(shù)研究［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，1999，5（4）：56-60.

［5］ 董興輝，徐曉輝.基于VRML三維協(xié)同裝配可視化的實現(xiàn)［J］.工程圖學(xué)學(xué)報，2002，（2）：70-75.

Research of Process Visualization System Based on Assembly and Quality Control

WU Qianyong，LIU Peng
（Beijing Zongheng Elctro-mechanical Technology Development Co.，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100091，China）

Research of process visualization system based on assembly and quality control is taking the application and research of process visualization technology in other manufacturers as reference，and combining the production mode of multi-type and small batch.Process visualization system is bases on the assembly operation.Pictures，animations，videos and other multimedia form are attached in the operation contents to give workers visual operation instruction.Quality control of key process is implemented by mobile inspection terminal device.The overall goals of research are making assembly process clear，recording all quality problems，and tracing any process in assembly.

process visualization；quality control；assembly operation；multi-type and small batch

TP319

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2014.06.09

1008－7842（2014）06－0039－05

7—）男，助理工程師（

2014-05-05）