基于智能檢驗設備的發(fā)動機制造數(shù)據(jù)協(xié)同管理研究和實踐

夏春山 李蓉 劉揚 黃哲 陳琦 喬建明

一、引言

航空發(fā)動機是知識、技術和資金高度密集的高科技產品，是典型的集成多學科、跨領域、跨企業(yè)和跨階段的復雜產品協(xié)同研發(fā)。中國航發(fā)在發(fā)動機產品研制過程中的典型特征就是多所聯(lián)合設計、多所多廠聯(lián)合試制、多廠多單位的協(xié)作配套以及多所多廠分級驗證。面對這樣復雜多變的制造環(huán)境，如何在發(fā)動機研制的整個生命周期過程中加強質量控制，實現(xiàn)質量問題的可分析、可追溯和可解決，提高發(fā)動機的可靠性、穩(wěn)定性，是一個巨大的挑戰(zhàn)。

近些年來，隨著數(shù)字化、網(wǎng)絡化和智能化制造技術的不斷發(fā)展和應用，采用基于模型MBD技術，遵循數(shù)據(jù)閉環(huán)和數(shù)據(jù)驅動的新業(yè)務模式，以數(shù)字化產品模型為載體，建立發(fā)動機總體零件BOM，并以此為核心實現(xiàn)對發(fā)動機設計數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)、質量數(shù)據(jù)和試驗數(shù)據(jù)等研制過程完整信息的有機關聯(lián)和統(tǒng)一管理，最終形成發(fā)動機實物電子卷宗，全面追溯發(fā)動機技術狀態(tài)。通過發(fā)動機實物電子卷宗，可以構建基于模型的發(fā)動機全生命周期質量管理體系，全面支持相關制造數(shù)據(jù)的追溯性、共享性和協(xié)同性，實現(xiàn)質量的閉環(huán)管理，從而為簡化發(fā)動機研制過程提供有力支撐。

當前，國際領先的航空發(fā)動機公司已經普遍通過搭建全球化的設計和制造一體化集成協(xié)同平臺，構建跨組織、跨平臺及跨地域的協(xié)同研制環(huán)境，在全球范圍內部署其業(yè)務協(xié)同系統(tǒng)，加強對數(shù)據(jù)源的統(tǒng)一管理，努力提升發(fā)動機產品一次通過率及質量。中國航發(fā)集團經過多年的建設，也已經逐步構建起了發(fā)動機工程數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)協(xié)同平臺，為發(fā)動機研發(fā)、制造和維護過程各環(huán)節(jié)業(yè)務和數(shù)據(jù)的集成和協(xié)同提供了基礎平臺。在此基礎上，未來還需要在具體業(yè)務開展和基礎數(shù)據(jù)的夯實、驗證和拓展方面繼續(xù)開展工作，其中，加強集團和各單位對生產制造環(huán)節(jié)質量數(shù)據(jù)的集中管理，尤其是尺寸檢驗數(shù)據(jù)，是重點關注的一項工作，也是瓶頸所在，急需建立相應的制造質量數(shù)據(jù)記錄、反饋以及追溯機制。

為促進制造數(shù)據(jù)閉環(huán)管理，本文結合公司智能檢驗設備的應用，開展了現(xiàn)場制造數(shù)據(jù)獲取和管理、制造數(shù)據(jù)與設計數(shù)據(jù)的關聯(lián)以及制造數(shù)據(jù)與集團數(shù)據(jù)中心的協(xié)同等幾個方面的研究和應用工作，主要包括以下內容：對智能制造背景下制造數(shù)據(jù)管理的分析、制造數(shù)據(jù)協(xié)同管理的方案設計、關鍵技術實現(xiàn)和應用實踐效果。

二、智能制造背景下的制造數(shù)據(jù)管理

借助基于模型MBD/MBE、CPS、大數(shù)據(jù)以及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等關鍵構成要素，智能制造模式重點關注的業(yè)務優(yōu)化方向是數(shù)據(jù)閉環(huán)和數(shù)據(jù)驅動。通過在產品整個生命周期中建立雙向數(shù)據(jù)流動，全面提升、優(yōu)化產品全過程實現(xiàn)能力，數(shù)據(jù)閉環(huán)和數(shù)據(jù)流動示意圖如圖1所示。

正向數(shù)據(jù)流動，采用數(shù)字化產品模型為統(tǒng)一的核心載體，建立產品單一數(shù)據(jù)源，貫通產品設計、工藝規(guī)劃、生產制造和使用維護整個過程，并形成產品數(shù)字化閉環(huán)信息流。逆向數(shù)據(jù)流動則關注各環(huán)節(jié)的實際物理數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集、處理、分析和反饋，可以和正向信息流進行比對，從而實際以實做數(shù)據(jù)驅動相關業(yè)務優(yōu)化。

正向和逆向數(shù)據(jù)流可以通過產品數(shù)字孿生體進行融合。產品數(shù)字孿生體可以面向產品全生命周期，采用單一數(shù)據(jù)源對設計數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)、制造數(shù)據(jù)和維護數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，支持物理空間和信息空間的雙向連接，建立數(shù)字化的產品全生命周期檔案，可以為全過程質量追溯和產品研發(fā)過程的持續(xù)改進提供支撐。

當前，產品數(shù)字孿生體在生產制造階段的研究與應用還比較少，需要加強針對制造數(shù)據(jù)的采集和關聯(lián)管理，包含制造BOM、質量數(shù)據(jù)（如實測尺寸、實測加工/配誤差以及實測變形）、技術狀態(tài)數(shù)據(jù)、產品檢測數(shù)據(jù)、生產進度數(shù)據(jù)和逆向過程數(shù)據(jù)等，從而為產品質量追溯和可靠性分析提供準確的模型和數(shù)據(jù)來源。

目前已經有的相關研究和應用工作包括：何超等針對航空發(fā)動機質量數(shù)據(jù)采集、分類、傳遞、共享和集成管理，提出了質量數(shù)據(jù)分類和信息系統(tǒng)體系結構。喬東平等對面向過程的復雜產品制造數(shù)據(jù)管理進行了研究，提出了制造數(shù)據(jù)組織模型和管理平臺的構想。王振環(huán)對智能制造環(huán)境下的質量大數(shù)據(jù)特征和意義進行了分析。梁丹等面向航天產品質量保證，提出了數(shù)據(jù)驅動的總體設計方案，給出了基于BOM數(shù)據(jù)規(guī)劃及構建質量管理平臺的技術實現(xiàn)途徑。李楊梅等構建了船體分段車間制造過程數(shù)據(jù)模型，力求實現(xiàn)制造過程數(shù)據(jù)的規(guī)范化、結構化，從而支持實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、集成。徐紅艷從檔案管理角度出發(fā)，提出了基于實時建檔的方式將制造過程數(shù)據(jù)納入數(shù)字檔案館進行管理，以時間軸流線式歸檔，方便制造數(shù)據(jù)分析和追溯。

三、制造數(shù)據(jù)協(xié)同管理方案設計

本文作者借鑒智能制造背景下制造數(shù)據(jù)管理的思路和相關研究及應用工作，在分析航發(fā)集團、黎明公司制造數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀的基礎上，結合智能檢驗設備的使用，針對發(fā)動機尺寸檢驗類制造數(shù)據(jù)的協(xié)同管理，完成了方案規(guī)劃設計。

1、需求分析

目前，航發(fā)集團和黎明公司在制造數(shù)據(jù)管理業(yè)務存在的主要問題包括：

集團和黎明公司都還尚未實現(xiàn)基于發(fā)動機構型的數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理、統(tǒng)計和綜合分析;

尺寸設計與制造互換能力和協(xié)調準確度在很大程度上依靠各種工藝裝備和制造人員經驗手工修配來保證;

尺寸信息在跨單位、跨部門之間傳遞時，如設計、制造與裝配，測量與檢定，分析與反饋環(huán)節(jié)是經常發(fā)生斷裂和脫節(jié)的，造成質量缺陷原因不可排查，質量問題不可有效追溯;

制造現(xiàn)場檢驗數(shù)據(jù)第一手載體以紙質居多，制造過程數(shù)據(jù)在存儲介質轉換、業(yè)務交接時會發(fā)生丟失、差錯，不便于結果記錄、分析，沒有建立與設計數(shù)據(jù)的有效關聯(lián)。

隨著黎明公司智能檢驗設備的使用，已經可在制造現(xiàn)場實時采集產品檢驗數(shù)據(jù)，并具備以數(shù)字化格式表征、回傳至管理平臺的數(shù)據(jù)交互能力。在此基礎上，開展制造數(shù)據(jù)協(xié)同管理方面的工作，希望實現(xiàn)：

統(tǒng)一定義檢驗數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)模型，包括數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)格式和屬性定義等，明確管理模式，支持集團內的發(fā)動機檢驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)一定義和數(shù)據(jù)共享;

根據(jù)現(xiàn)場實時采集的分析檢驗結果數(shù)據(jù)，定義檢驗數(shù)據(jù)集成接口的具體數(shù)據(jù)傳遞格式、數(shù)據(jù)傳遞結構和數(shù)據(jù)傳遞方式，實現(xiàn)檢驗數(shù)據(jù)與發(fā)動機工程數(shù)據(jù)中心的集成;

在黎明公司PDM系統(tǒng)內，建立檢驗數(shù)據(jù)的查詢統(tǒng)計功能，可查詢產品制造數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對制造現(xiàn)場檢驗結果數(shù)據(jù)的有效管理，實現(xiàn)與設計模型，工藝數(shù)據(jù)的關聯(lián)。

2、系統(tǒng)框架

依據(jù)制造數(shù)據(jù)管理的業(yè)務需求，基于黎明公司所用的Teamcenter平臺和航發(fā)集團工程數(shù)據(jù)中心基礎環(huán)境，構建制造數(shù)據(jù)協(xié)同管理系統(tǒng)框架，如圖2所示。

在智能檢驗設備端，依托智能檢驗設備及其硬件驅動接口，實現(xiàn)檢驗數(shù)據(jù)的采集和本地管理，通過定制開發(fā)提供檢驗記錄表模板選擇、檢驗記錄數(shù)據(jù)獲取與錄入、檢驗記錄數(shù)據(jù)保存和檢驗記錄數(shù)據(jù)分析等功能。

PDM管理平臺端，結合黎明公司檢驗數(shù)據(jù)格式標準和工程數(shù)據(jù)中心集成共享要求，開發(fā)實現(xiàn)制造數(shù)據(jù)定義與管理功能，并通過開發(fā)集成接口實現(xiàn)PDM平臺與智能檢驗設備檢驗記錄數(shù)據(jù)庫的集成，可以定時抓取相關零件號/工序號/批號檢驗信息，并與對應零組件對象設計數(shù)據(jù)、工藝數(shù)據(jù)進行關聯(lián)。

集團數(shù)據(jù)中心協(xié)同平臺端，在完善發(fā)動機實物BOM管理的基礎上，通過開發(fā)數(shù)據(jù)協(xié)同接口實現(xiàn)與黎明公司PDM平臺的集成，可將標準格式的制造數(shù)據(jù)上傳到集團發(fā)動機數(shù)據(jù)中心進行統(tǒng)一管理、共享。

3、業(yè)務場景

依據(jù)系統(tǒng)框架，實現(xiàn)的業(yè)務場景如圖3所示。

（1）智能檢驗設備數(shù)據(jù)管理。

檢驗人員依據(jù)檢驗任務，依托智能檢驗設備和檢驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，選定對應檢驗記錄表樣式，完成產品待測要素的檢驗，并將測量結果數(shù)據(jù)錄入/保存至檢驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

依據(jù)實際需要，還可以根據(jù)件號/批號/工序號等信息，查詢/篩選歷史檢驗數(shù)據(jù)，針對產品某項測量數(shù)據(jù)的多次測量結果，執(zhí)行統(tǒng)計和簡單分析。

具備檢驗模板、用戶和打印輸出管理功能。

依托數(shù)據(jù)庫服務，與PDM端展開檢驗數(shù)據(jù)交互。

（2）PDM管理平臺。

定期通過檢驗數(shù)據(jù)抓取/存儲服務，從檢驗記錄數(shù)據(jù)庫表中抓取檢驗類制造數(shù)據(jù)，并回傳存儲至PDM數(shù)據(jù)庫中（以數(shù)據(jù)集和表單形式）。

零件工藝人員在制定零件工藝規(guī)程時，通過檢驗類制造數(shù)據(jù)狀態(tài)查詢/分析功能，查看和參考相關零件的良品率、不合格原因，以便其參考后提升自身零件工藝編制的合理性和有效性。

PDM管理人員在制定信息化管理制度和策略時，通過制造數(shù)據(jù)狀態(tài)查詢/分析功能，查看和參考相關零件的檢驗類制造數(shù)據(jù)匯總信息，以便為制造現(xiàn)場提供出精準、貼切的信息化服務。

（3）制造數(shù)據(jù)與工程數(shù)據(jù)中心協(xié)同。

本地制造數(shù)據(jù)管理人員，填寫制造數(shù)據(jù)上傳/下載申請單，發(fā)起“制造數(shù)據(jù)上傳/下載審批流程”。

工程數(shù)據(jù)中心管理人員提交審核流程，確定該數(shù)據(jù)是否符合入庫/出庫要求，并執(zhí)行相應的入庫/出庫操作。

四、關鍵技術實現(xiàn)

在系統(tǒng)實現(xiàn)過程中，涉及到的關鍵技術包括：檢驗數(shù)據(jù)定義與管理、檢驗數(shù)據(jù)采集和分析、檢驗數(shù)據(jù)與設計數(shù)據(jù)關聯(lián)以及檢驗數(shù)據(jù)協(xié)同管理。

1、檢驗數(shù)據(jù)定義與管理

全面梳理黎明公司檢驗需求、流程、資源、知識和業(yè)務，對檢驗數(shù)據(jù)模型進行統(tǒng)一規(guī)范化定義和管理，包括定義檢驗數(shù)據(jù)類型以及相關屬性和表單、規(guī)范化檢驗流程，建立檢驗工作流程模板，如圖4所示。

2、檢驗數(shù)據(jù)采集、分析

利用現(xiàn)場智能檢驗設備實時采集被檢測零件的尺寸信息，通過檢驗數(shù)據(jù)表格模板對檢測數(shù)據(jù)進行預處理，經過預處理的檢驗數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場檢驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲模塊，可以靈活將離線本地存儲和在線實時傳輸?shù)綑z驗數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)檢驗數(shù)據(jù)的傳輸和存儲。在現(xiàn)場檢驗數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)可以再進一步對檢驗數(shù)據(jù)加以分析、渲染、處理和呈現(xiàn)，如圖5所示。

3、檢驗數(shù)據(jù)與設計數(shù)據(jù)關聯(lián)

黎明公司PDM系統(tǒng)定期從開放的數(shù)據(jù)庫端口訪問并抓取檢驗記錄數(shù)據(jù)庫中的相關檢驗類制造數(shù)據(jù)，并回傳到PDM系統(tǒng)創(chuàng)建檢驗數(shù)據(jù)對象（Item、Form和Dataset等），并可通過零件號、工序號和批號等信息建立與相關零組件的關聯(lián)，實現(xiàn)在PDM系統(tǒng)內檢驗制造數(shù)據(jù)的有效收集、存儲和管理，如圖6所示。

4、檢驗數(shù)據(jù)協(xié)同

通過黎明公司PDM系統(tǒng)與航發(fā)集團工程數(shù)據(jù)中心的集成接口，實現(xiàn)采用標準格式的檢驗數(shù)據(jù)、檢驗流程模板以及檢驗知識數(shù)據(jù)在黎明公和工程數(shù)據(jù)中心間雙向協(xié)同傳遞，可以支持檢驗數(shù)據(jù)的完整性校驗和狀態(tài)監(jiān)控。

（1）檢驗數(shù)據(jù)集完整性校驗

將需要協(xié)同的檢驗數(shù)據(jù)對象放入?yún)f(xié)同共享區(qū)，并設置相關協(xié)同參數(shù)，發(fā)送前檢查并形成詳細清單，協(xié)同過程中系統(tǒng)定時輪詢觸發(fā)“數(shù)據(jù)比對驗證”服務，自動逐行比對校驗接收后的數(shù)據(jù)，對比信息記錄到數(shù)據(jù)協(xié)同報錯數(shù)據(jù)庫表中，供管理員查看和處理。

（2）檢驗數(shù)據(jù)交互狀態(tài)監(jiān)控。

可以通過“查看數(shù)據(jù)交互狀態(tài)”，顯示該檢驗數(shù)據(jù)對象在各站點間的數(shù)據(jù)交互狀態(tài)。

五、應用驗證

目前，圍繞尺寸類檢驗制造數(shù)據(jù)協(xié)同管理的系統(tǒng)平臺已經搭建完成，黎明公司開展了應用驗證工作，主要包括：

組建驗證團隊，包括技術中心、生產廠和檢驗中心等相關技術人員;

選定發(fā)動機某型號及某典型零部件，準備各項檢驗數(shù)據(jù)、資源數(shù)據(jù);

制定驗證工作的檢驗業(yè)務流程，涵蓋檢驗數(shù)據(jù)獲取、存儲、分析和集成應用等;

開展檢驗數(shù)據(jù)的協(xié)同，實現(xiàn)與集團工程數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)傳遞。

驗證結果表明，各項既定檢驗數(shù)據(jù)管理業(yè)務需求的覆蓋度和符合度都達到了應用要求。

六、結論

本文面向發(fā)動機設計、制造和維護過程中對制造數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理以及開展質量追溯的需求，結合黎明公司智能檢驗設備的使用，主要圍繞尺寸檢驗類制造數(shù)據(jù)的采集、分析和協(xié)同管理開展了研究與應用工作。在此基礎上，未來還需要進一步分析相關的業(yè)務機制和數(shù)據(jù)支撐關聯(lián)關系，建立和健全一個基于協(xié)同共享、全樣本記錄并分析的基于大數(shù)據(jù)思想的制造現(xiàn)場數(shù)據(jù)閉環(huán)管理體系和系統(tǒng)平臺，將相關的設計更改、工藝變更、加工調整、尺寸差異、質量波動和最終結果都彼此關聯(lián)記錄在同一個平臺中，最大限度的滿足發(fā)動機研制過程中制造數(shù)據(jù)的共享、協(xié)同、追溯和分析，以提升發(fā)動機質量管控水平。